Chương 5 cam bien do bien dang

V. 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. 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 (): 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.

ll

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 (): hệ số xác định biến dạng theo phương vuông góc với lực tác dụng.

Y1

SF

Y1

||

||

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.


2.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động:

Dây điện trở tiết diện tròn d20m hoặc chữ nhật.

Số nhánh n = 10 20 nhánh.

Đế cách điện: giấy (~ 0,1 mm), chất dẻo (~ 0,03 mm).

a) Dạng lưới dây b) Dạng lưới màng

Đế cách điện

Dây điện trở

Đế cách điện

Màng điện trở


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


Cố định cảm biến trên bề mặt đo biến dạng:

12 3 54

6

7

1. Bề mặt khảo sát2. Cảm biến 3. Lớp bảo vệ 4. Mối hàn

5. Dây dẫn6. Cáp điện 7. Keo dán


Điện trở của cảm biến:

S

lR

.

S

S

l

l

R

R

l

l

S

S

2 ;Với

l

lC

V

VC

)21( (C: hằng số Bridman)

l

lK

l

lC

R

R

.2121

Với 22121 CK Hệ số đầu đo


2.2. Đặc điểm: Vật liệu chế tạo điện trở cần có đủ lớn. Hệ số đầu đo nhỏ: thông thường K = 2 3. Trong giới hạn

đàn hồi K=const, Ngoài giới hạn đàn hồi (khi l/l > 0,5% - 20% tùy vật liệu) K 2.

Ảnh hưởng của T: trong khoảng - 100oC 300oC:

(K0 ứng với T = 25oC, constantan K = +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



P

P

N

N

NN

N

N

Điện trở Đế cách điện

a) Đơn b) Nối tiếp

c) Song song d) Song song

a) Loại dùng mẫu cắt


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.


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 (Si-N)

Điện trở (Si-P)

SiO2

Dây nối


Điện trở của cảm biến:

S

lR

.

S

S

l

l

R

R

l

l

S

S

2 ;Với

(: hệ số áp điện trở)

l

lK

l

lY

R

R

.21

Với 20010021 YK Hệ số đầu đo

l

lY


3.2. Đặc điểm:a) Điện trở (R):

Phụ thuộc độ pha tạp:

Phụ thuộc nhiệt độ:

tăng khi T <120oC (R>0),

giảm khi T>120oC (R<0),

)pn(q1

pn

Nồng độ tạp chất/cm3

(.cm)

1014 1015 1016 1017 1018 101910-3

10-2

10-1

1

(.cm)

-100 0 100 200 300 400 500

23

ToC

4567

1018

1020

1016

1014


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.

-100 0 100 200 300 400 500

ToC

4080

120160

180200240

600

1020

3.1019

5.1018

1017/cm3

K

Sự phụ thuộc của K vào độ pha tạp và nhiệt độ

• Phụ thuộc độ biến dạng: Khi nhỏ có thể coi K = const.

2221 KKKK


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.

Ưu điểmHệ số đo lớn đo chính xácKích thước nhỏ gọnĐáp ứng nhanhCó độ bền mỏi tốt

Nhược điểmDễ gẫy không đo được biến dạng lớnHệ số đo không là hằng sốPhi tuyếnẢnh hưởng bởi nhiệt độ




A

B

l

A

B0

N0

l+l0

l0

AB1N1

l+l1

l1

l

F0F0

F1 F1


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

20

20 N.KNY

ld4

l

l

21

1 N.Kl

l

01 lll

2021 NNK

l

l

l

l


4.2. Đặc điểm:

Cấu tạo đơn giản.

Đo được biến dạng của kết cấu lớn.

Ứng dụng: chủ yếu trong ngành xây dựng.

Chương 5 cam bien do bien dang

Education

Transcript of Chương 5 cam bien do bien dang