Chương 5 Cảm biến đo biến dạng

Chương 5 CẢM BIẾN ĐO BIẾN DẠNG 1. Biến dạng và phương pháp đo 2. Cảm biến điện trở kim loại 3. Cảm biến áp trở silic 4. Đầu đo trong chế độ động 5. Cảm biến dây rung 1. Biến dạng và phương pháp đo 1.1. Một số khái niệm cơ bản về biến dạng: Biến dạng tương đối (ε): tỉ số giữa độ biến thiên kích thước (∆l) do biến dạng gây ra và kích thước ban đầu (l): Giới hạn đàn hồi: ứng lực tối đa không gây nên biến dạng dẻo vượt quá 2%, tính bằng kG/mm2. l l∆ =ε 1.1. Một số khái niệm cơ bản về biến dạng Môđun Young (Y): hệ số xác định biến dạng theo phương của ứng lực: Hệ số poison (ν): hệ số xác định biến dạng theo phương vuông góc với lực tác dụng. σ==ε Y 1 S F Y 1 || ||νε−=ε⊥ 1.2. Phương pháp đo biến dạng a) Cảm biến điện trở: dựa vào sự thay đổi điện trở của vật liệu khi có biến dạng. Kích thước cảm biến nhỏ từ vài mm đến vài cm, khi đo chúng được dán trực tiếp lên cấu trúc biến dạng → dùng phổ biến. b) Cảm biến dạng dây rung: dựa vào sự thay đổi tần số rung của sợi kim loại khi sức căng cơ học thay đổi (khi khoảng cách hai điểm nối thay đổi) → dùng trong các kết cấu ngành xây dựng. 2. Cảm biến điện trở kim loại 2.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động: • Dây điện trở tiết diện tròn d≈20µm hoặc chữ nhật. Số nhánh n = 10 ÷20 nhánh. • Đế cách điện: giấy (~ 0,1 mm), chất dẻo (~ 0,03 mm). Đế cách điện Dây điện trở Đế cách điện Màng điện trở 2. Cảm biến điện trở kim loại • Vật liệu chế tạo điện trở: Hợp kim Thành phần Hệ số đầu đo K Constantan 45%Ni, 55%Cu 2,1 Isoelastic 52%Fe, 36%Ni, 8%Cr, 4%(Mn+Mo) 3,5 Karma 74%Ni, 20%Cr, 3%Cu, 3%Fe 2,1 Nicrome V 80%Ni, 20%Cr 2,5 Bạch kim - vonfram 92%Pt, 8%W 4,1 2. Cảm biến điện trở kim loại • Sơ đồ cố định cảm biến trên bề mặt đo biến dạng: 1. 2. 3. 4. 6. 2. Cảm biến điện trở kim loại • Điện trở của cảm biến: S lR .ρ= ρ ρ∆ + ∆ − ∆ = ∆ S S l l R R ⇒ l l S S ∆ ν−= ∆ 2 ;Với l lC V VC ∆ν−=∆= ρ ρ∆ )21( (C: hằng số Bridman) ( ) ( ){ } l lK l lC R R ∆ = ∆ ν−+ν+= ∆ .2121⇒ Với ( ) ( ) 22121 ≈ν−+ν+= CK → Hệ số đầu đo 2. Cảm biến điện trở kim loại 2.2. Đặc điểm: Vật liệu chế tạo điện trở cần có ρ đủ lớn. Hệ số đầu đo nhỏ: thông thường K = 2 ÷ 3, (isoelastic có K = 3,5 và platin-vonfram K = 4,1). Trong giới hạn đàn hồi → K=const, Ngoài giới hạn đàn hồi (khi ∆l/l > 0,5% - 20% tùy vật liệu) → K ≈ 2. v Ảnh hưởng của T: trong khoảng - 100oC ÷ 300oC: (K0 ứng với T = 25oC, constantan αK = +0,01%/oC, isoelastic khá lớn). • Ảnh hưởng của biến dạng ngang→sai số (không đáng kể có thể bỏ qua). ( ) ( )[ ]00 1 TTKTK K −α+= 3. Cảm biến áp trở silic 3.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động: Điện trở Đế cách điện a) Đơn b) Nối tiếp c) Song song d) Song song a) Loại dùng mẫu cắt 3. Cảm biến áp trở silic • Điện trở: các mẫu cắt từ đơn tinh thể silic pha tạp P hoặc N, kích thước: dài ~ 0,1÷ 2 mm và chiều dày ~ 0,01mm. • Đế cách điện: nhựa. • Để tăng tín hiệu có thể ghép nối tiếp, song song nhiều mảnh cắt. 3. Cảm biến áp trở silic b) Loại khuếch tán: • Điện trở: silic pha tạp loại P (hoặc N). • Đế: silic pha tạp loại N (hoặc P). • Lớp tiếp giáp P – N phân cực ngược. Đế 3. Cảm biến áp trở silic • Điện trở của cảm biến: S lR .ρ= ρ ρ∆ + ∆ − ∆ = ∆ S S l l R R ⇒ l l S S ∆ ν−= ∆ 2 ;Với (pi: hệ số áp điện trở) ( ){ } l lK l lY R R ∆ = ∆ pi+ν+= ∆ .21⇒ Với 20010021 ÷=pi+ν+= YK → Hệ số đầu đo l lY ∆pi=piσ= ρ ρ∆ 3. Cảm biến áp trở silic 3.2. Đặc điểm: a) Điện trở (R): • Phụ thuộc độ pha tạp: • Phụ thuộc nhiệt độ: tăng khi T 0), giảm khi T>120oC (αR<0), )pn(q 1 pn µ+µ =ρ 3. Cảm biến áp trở silic b) Hệ số đầu đo (K): • Lớn: K = 100 ÷ 200. • Phụ thuộc vào độ pha tạp: độ pha tạp tăng → K giảm. • Phụ thuộc vào nhiệt độ: nhiệt độ tăng → K giảm, độ pha tạp lớn (Nd>1020/cm3) K ít phụ thuộc. • Phụ thuộc độ biến dạng: Khi ε nhỏ → có thể coi K = const. 2 221 KKKK ε+ε+= 4. Đầu đo trong chế độ động 4.1. Yêu cầu về tần số sử dụng tối đa (fmax): Điều kiện: Với: l - chiều dài nhánh điện trở; v - vận tốc truyền sóng đàn hồi: l.10 Vf max =λ1,0l ≤ ⇒ ( )( )νν ν 211 1. d YV −+ − = 4. Đầu đo trong chế độ động 4.2. Yêu cầu về giới hạn mỏi: cảm biến phải có giới hạn mỏi (số chu kỳ biến dạng N với biên độ cho trước gây nên biến thiên điện trở bằng 10-4 ứng với chu kỳ biến dạng giả định) đủ lớn theo yêu cầu làm việc. 5. Cảm biến dây rung 5.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động: A B l A B0 N0 l+∆l0 ∆l0 A B1 N1 l+∆l1 ∆l1 ∆l F0F0 F1 F1 5. Cảm biến dây rung • Tần số dao động: ⇒ Khi có biến dạng: độ dãn do biến dạng ⇒ • Đo N1 và N0 ⇒ ∆l0: biến dạng ban đầu. l – chiều dài dây; F: lực tác dụng (căng dây); S- tiết diện dây; Y- môđun Young ; d – khối lượng riêng của vật liệu dây. l l. d Y l2 1 Sd F l2 1N 00 ∆ == 2 0 20 N.KN Y ld4 l l == ∆ 2 1 1 N.K l l = ∆ 01 lll ∆∆∆ −= ( )2021 NNKl l −= ∆ l l∆ 5. Cảm biến dây rung 5.2. Đặc điểm: • Cấu tạo đơn giản. • Đo được biến dạng của kết cấu lớn. ⇒ Ứng dụng: chủ yếu trong ngành xây dựng.