Báo cáo Chương 19: Cảm biến Đo Biến Dạng (Strain Gages) | Môn Công nghệ cảm biến - Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh

lOMoAR cPSD| 58583460
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ BÁO CÁO
CHƯƠNG 19: CẢM BIẾN ĐO BIẾN DẠNG (STRAIN GAGES)
GVHD: GV. Nguyễn Trường Duy
SVTH: Lê Phương Tiến 21161369
Nguyễn Đặng Anh Phi 21161347
Tp.Hồ Chí Minh, tháng 2 năm 2024
NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN lOMoAR cPSD| 58583460
...................................................................................................................
...................................................................................................................
...................................................................................................................
...................................................................................................................
...................................................................................................................
...................................................................................................................
...................................................................................................................
................................................................................................................... Tháng 2 năm 2024 Kí tên
MỤC LỤC CHƯƠNG 1: GIỚI
THIỆU....................................................................................5
1.1 Tổng quan và lý do chọn đề tài.....................................................................5
1.2.1. Mục tiêu..................................................................................................5
1.2.2. Nội dung thực hiện................................................................................5
CHƯƠNG 2: NỘI DUNG.......................................................................................6
2.1. Giới thiệu về cảm biến đo biến dạng(Strain Gages)..................................6
2.2. Thông số đo lường dựa trên cảm biến đo biến dạng(Strain Gages)......17
2.3. Phương thức lắp đặt cảm biến đo biến dạng (Strain Gages)..................31
CHƯƠNG 3: KẾT LUẬN.....................................................................................41
4.1 Kết luận........................................................................................................41
4.2 Hướng phát triển.........................................................................................41 TÀI
LIỆU THAM KHẢO.....................................................................................42 lOMoAR cPSD| 58583460 LỜI NÓI ĐẦU
Hiện nay, khi chúng ta nhắc tới những thiết bị cảm biến tức là chúng ta nhắc tới
những sản phẩm công nghệ tiên tiến và chúng đang được sử dụng trong nhiều lĩnh
vực của đời sống xã hội như trong sinh hoạt, trong kinh doanh thương mại,trong bảo
mật, trong vận tải, các doanh nghiệp, công nghiệp….Trong đó có rất nhiều loại cảm
biến như cảm biến rung gia tốc giúp chúng ta thu thập và phân tích độ rung từ đó
đưa ra dự đoán về việc bảo trì máy móc, thiết bị. Cảm biến điện dung giúp chúng ta
phát hiện chất lỏng, chất rắn có thể sử dụng để đo mức liên tục của các tín hiệu
ra.Cảm biến từ dùng để đo chuyển động theo vị trí hoặc chuyển động của một đối
tượng chúng rất phổ biến trong công nghiệp và xuất hiện xung quanh chúng ta.Và
một loại cảm biến nữa mà chúng em quyết định tìm hiểu trong đề tài này đó là cảm
biến lực nó hoạt động dựa trên sự biến dạng của nó khi chịu một lực nào đó. lOMoAR cPSD| 58583460
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1.1 Tổng quan
Sự bùng nổ của công nghệ kỹ thuật số đã chuyển đổi cách chúng ta sống và làm
việc. Từ việc thưởng thức âm nhạc, sử dụng máy tính, đến việc quản lý hệ thống tự
động và thậm chí là cách chúng ta chăm sóc sức khỏe, công nghệ kỹ thuật số đã lan
rộng đến mọi khía cạnh của cuộc sống.
Với sự phát triển như vậy, chúng ta chỉ cần có một thiết bị thông minh bên
người là bạn có thể đọc được các chỉ số sức khỏe một cách chính xác và chi tiết nhờ
vào những cảm biến được tích hợp vào các thiết bị thông minh. 1.2.1. Mục tiêu
Hiểu biết về các công nghệ cảm biến hiện có trên thị trường
Biết cách ứng dụng từng loại vào các lĩnh vực khác nhau
1.2.2. Nội dung thực hiện
Trong quá trình thực hiện báo cáo với đề tài “Cam biến Strain Gages” nhóm em
sẽ tập trung giải quyết và hoàn thành các nội dung sau:
-Nội dung 1: Giới thiệu về công nghệ cảm biến Strain Gages
-Nội dung 2: Các thông số tính được dựa trên cảm biến Strain Gages
-Nội dung 3: Phương thức lắp đặt CHƯƠNG 2: NỘI DUNG 2.1. Giới thiệu
TS. Thomas Kenny, Khoa Kỹ thuật Cơ khí, Đại học Stanford
Cảm biến điện trở đo biến dạng được sử dụng trong nhiều loại cảm biến. Chúng
cung cấp một cách tiện lợi để chuyển đổi chuyển động (căng) thành tín hiệu điện.
"Đầu ra" của chúng thực chất là một thay đổi về trở kháng. Nó có thể được chuyển
đổi thành tín hiệu điện áp bằng cách kết nối sợi căng vào mạch cầu. Một số cảm biến
chỉ sử dụng một phần tử sợi căng duy nhất trong mạch cầu, cùng với ba tụ trụ cố
định. Một số khác sử dụng hai sợi căng và hai tụ trụ cố định, và các thiết kế gần đây lOMoAR cPSD| 58583460
nhất sử dụng bốn sợi căng. Các sợi căng có thể là bất kỳ vật liệu nào, nhưng một số
vật liệu có hiệu suất sợi căng tốt hơn nhiều. Hợp kim kim loại độc quyền và bán dẫn
silic là những vật liệu phổ biến nhất được sử dụng.
Cảm biến điện trở đo biến dạng
Cảm biến điện trở là một thiết bị có khả năng thay đổi trở kháng khi nó bị căng.
Hiệu ứng piezoresistive trong hầu hết các vật liệu có hai thành phần - thành phần
hình học và thành phần trở kháng.
Hình 1.1: Cảm biến biến dạng chất lỏng: ống thủy ngân.
Các thành phần hình học của hiện tượng piezoresistivity đến từ việc một thành
phần bị biến dạng trải qua sự thay đổi trong kích thước. Các thay đổi về diện tích
mặt cắt và chiều dài ảnh hưởng đến điện trở của thiết bị.
Một ví dụ tốt về hiệu ứng hình học của piezoresistivity là cảm biến biến dạng
chất lỏng. Rất nhiều thiết bị như này đã được sử dụng trong quá khứ. Hãy tưởng
tượng một ống đàn hồi được điền chất lỏng dẫn điện, chẳng hạn như thủy ngân. Điện
trở của thủy ngân trong ống có thể được đo bằng cặp điện cực kim loại, một cực ở
mỗi đầu, như được thể hiện trong Hình 1.1. Vì thủy ngân về cơ bản không thể nén
được, các lực được áp dụng dọc theo chiều dài của ống kéo giãn nó và cũng làm
giảm đường kính của ống, với hiệu quả cuối cùng là thể tích vẫn giữ nguyên. Điện lOMoAR cPSD| 58583460
trở của cảm biến biến dạng được xác định bởi R = (điện trở của thủy ngân)(chiều dài
của ống)/(diện tích mặt cắt của ống). Ta có Sau đó
Chúng ta định nghĩa một đại lượng gọi là hệ số cảm biến (gage factor) K như sau: Vì
Chúng ta có K = 2 cho một cảm biến biến dạng chất lỏng.
Điều này có nghĩa là sự thay đổi phần trăm trong điện trở là gấp đôi sự thay đổi
phần trăm trong chiều dài. Nói cách khác, nếu một cảm biến biến dạng chất lỏng bị
căng ra 1%, điện trở của nó tăng lên 2%. Điều này đúng đối với tất cả các cảm biến
biến dạng chất lỏng, vì điều duy nhất cần thiết là chất trung gian không thể nén được.
Cảm biến biến dạng chất lỏng đã được sử dụng trong các bệnh viện để đo lường
sự thay đổi áp lực trong máu. Một ống cao su được điền thủy ngân được căng quanh
chiều cẳng của người và sự biến động áp lực được ghi lại trên một bản ghi dòng viền
và hình dạng của xung áp lực được sử dụng để chẩn đoán tình trạng của các động
mạch. Các thiết bị như vậy đã được thay thế bằng các thiết bị cảm biến biến dạng
bán dẫn trong bệnh viện hiện đại, nhưng ví dụ này vẫn thú vị từ một góc độ giới thiệu.
Dây kim loại cũng có thể được sử dụng như cảm biến biến dạng. Tương tự như
cảm biến biến dạng chất lỏng, việc căng dây kim loại thay đổi hình học của nó theo
cách tác động để tăng điện trở. Đối với dây kim loại, chúng ta có thể tính toán hệ số lOMoAR cPSD| 58583460
cảm biến như chúng ta đã làm cho cảm biến chất lỏng, ngoại trừ chúng ta không thể
giả định kim loại không thể nén được và không thể giả định điện trở là một hằng số: Sau đó Vì
được định nghĩa là tỉ số Poisson, v, chúng ta có:
Đối với các kim loại khác nhau, đại lượng này phụ thuộc vào các đặc tính vật
liệu và chi tiết của cơ chế dẫn. Nói chung, kim loại có các hệ số cảm biến từ 2 đến 4.
Bây giờ, vì căng thẳng nhân diện tích bằng lực, và sự thay đổi phần trăm trong
điện trở bằng hệ số cảm biến nhân sự thay đổi phần trăm trong chiều dài (biến dạng),
và căng thẳng là mô đun Young nhân biến dạng, chúng ta có: Hoặc lOMoAR cPSD| 58583460
Vì vậy, sự thay đổi phần trăm trong điện trở của một cảm biến biến dạng tỉ lệ
với lực được áp dụng và tỉ lệ với hệ số cảm biến chia cho mô đun Young của vật liệu.
Rõ ràng, chúng ta muốn có một sự thay đổi lớn trong điện trở để đơn giản hóa thiết
kế của các phần còn lại của một công cụ đo, vì vậy chúng ta thường thử chọn đường
kính nhỏ, mô đun Young nhỏ và hệ số cảm biến lớn nếu có thể. Giới hạn đàn hồi của
hầu hết các vật liệu là dưới 1%, vì vậy chúng ta thường đang nói về sự thay đổi điện
trở trong khoảng từ 1% - 0.001%. Rõ ràng, việc đo lường các điện trở như vậy không
dễ dàng, và chúng ta thường thấy các cầu điện trở được thiết kế để tạo ra điện áp có
thể được đưa vào mạch khuếch đại. Lớp phủ Bọc kín Lớp mạ đồng
Hình 1.2: Cảm biến biến dạng màng mỏng. (Được cung cấp bởi Vishay.)
Cảm biến biến dạng màng mỏng
Trong nhiều năm qua, đã có một ngành công nghiệp liên quan đến chế tạo và
tiếp thị các cảm biến biến dạng màng mỏng bằng kim loại và các công cụ và thiết bị
cần thiết để gắn những cảm biến này và dây vào các cấu trúc cơ khí khác nhau. Một
bức ảnh của một cảm biến biến dạng màng mỏng được hiển thị trong Hình 1.2. Cảm
biến biến dạng màng mỏng cụ thể này bao gồm một mạng dây kim loại được mô
hình sao cho nó chủ yếu nhạy cảm đối với sự kéo dài theo một hướng. Có sẵn cảm
biến biến dạng từ nhiều nhà cung cấp, và hàng trăm mẫu màng kim loại có thể được lOMoAR cPSD| 58583460
lựa chọn, với các mẫu khác nhau cung cấp độ nhạy đối với biến dạng theo các hướng
cụ thể. Trong những năm gần đây, việc sử dụng một điểm đặc biệt là silic đã được
nhiều người áp dụng, bởi vì silic đã được doping là một chất dẫn mà có hệ số cảm
ứng lớn lên đến 200, phụ thuộc vào lượng doping. Điều này tạo cơ hội để tạo ra các
cảm biến biến dạng từ silic và sử dụng chúng để
sản xuất các thiết bị nhạy hơn so với việc sản
xuất trong bất kỳ vật liệu khác.
Hình 1.3: Cảm biến biến dạng silic.
(Tiến sĩ Marco Tortonese, luận án tiến sĩ, Đại học Stanford, 1992.)
Các thiết bị vi mô
Một khía cạnh khác của tính tiện ích của silic là trong những năm gần đây, đã
có sự phát triển của một họ các kỹ thuật etsilic cho phép chế tạo các cấu trúc vi cơ
từ wafer silic. Thông thường được gọi là quá trình gia công vi cơ silic, các kỹ thuật
này sử dụng các kỹ thuật mô hình và xử lý trong ngành điện tử để định nghĩa và sản
xuất các cấu trúc vi cơ.
Kỹ thuật gia công vi cơ có thể được sử dụng để chế tạo các thanh cắt giảm điện
trở cho nhiều ứng dụng khác nhau. Nghiên cứu gần đây (Ben Chui tại Stanford và
John Mamin tại IBM Almaden) đã tập trung vào việc phát triển các thanh cắt giảm
điện trở cho các ứng dụng lưu trữ dữ liệu. Trong thiết kế này, một thanh cắt giảm
điện trở dài 100 micron được kéo dọc theo một đĩa polycarbonate với vận tốc 10
mm/s, lên xuống khi đi qua các lõm cấu trúc cấp sub-micron trên bề mặt đĩa. Ý tưởng
này chính là một chiếc kim đĩa có hiệu suất cao. Các thiết bị được hiển thị trong lOMoAR cPSD| 58583460
Hình 1.4 là minh họa cho thanh cắt được phát triển cho ứng dụng lưu trữ dữ liệu này.
Kể từ năm 2000, các nhà nghiên cứu tại IBM Zurich, do Vettiger lãnh đạo, đã chế
tạo các mảng thanh cắt giảm điện trở 2 chiều lớn phù hợp cho hệ thống lưu trữ dữ
liệu mật độ cao dựa trên phương pháp này. Cảm biến điện trở Đầu nóng Gờ dữ liệu Di chuyển đĩa
Hình 1.4: Lưu trữ dữ liệu cơ nhiệt AFM. (Luận án của Ben Chui, Tiến sĩ,
được xuất bản năm 1998.)
Có thể nói nhiều về các kỹ thuật này, nhưng hiện tại chúng ta chỉ nêu rõ rằng
các kỹ thuật này có khả năng chế tạo các màng và thanh cắt của silic có độ dày
trong khoảng vài micromet và kích thước bên ngoài từ vài trăm micromet đến
milimet (xem Hình 1.3). Các tính chất cơ học của các cấu trúc này chính xác như
những đặc tính cơ học tổng thể của silic.
Do các kết cấu micro này có thể có cảm biến biến dạng nhạy được gắn trong
đó, dễ thấy rằng một số thiết bị cảm biến hữu ích có thể được chế tạo. Các ví dụ cụ
thể bao gồm các cảm biến áp suất dựa trên cảm biến biến dạng, trong đó một mảng
cảm biến biến dạng có thể được đặt xung quanh viền của một màng mỏng và được lOMoAR cPSD| 58583460
kết nối thành cấu hình cầu để tự động loại bỏ các tín hiệu nhiễu và tín hiệu trôi khác từ các cảm biến.
Độ chính xác của đo lường điện trở của cảm biến biến dạng
Độ chính xác của đo lường điện trở của cảm biến biến dạng cũng là một vấn
đề quan trọng. Thông thường, độ chính xác được cải thiện bằng cách sử dụng dòng
điện lớn hơn và tạo ra sự thay đổi điện áp lớn hơn. Tuy nhiên, giới hạn thực tế về
lượng dòng điện có thể sử dụng đến do sự tiêu thụ công suất trong mô-đun cảm
biến. Vì lí do này, các công nghệ kết dính cảm biến biến dạng màng mỏng đã được
tối ưu để tối đa hóa sự dẫn nhiệt từ màng mỏng đến mẫu. Cải thiện khả năng dẫn
nhiệt cho phép sử dụng nhiều dòng điện hơn trong quá trình đo lường.
Nhiều cảm biến biến dạng, đặc biệt là cảm biến biến dạng silic đã được
doping, nhạy cảm đối với thay đổi nhiệt độ. Trong một số trường hợp, hiện tượng
này có thể hữu ích - đặc biệt là nếu ứng dụng cũng cần đo lường nhiệt độ. Tuy
nhiên, thông thường không phải lúc nào cũng như vậy, do đó cần phải bù đắp cho
độ nhạy này. Cách đơn giản nhất để làm điều này là chế tạo các trở kháng tham
chiếu từ cùng vật liệu, và đặt chúng sao cho chúng không cảm nhận tín hiệu biến
dạng. Một cấu hình cầu có thể dễ dàng được sắp xếp để giữ lại độ nhạy biến dạng
trong khi loại bỏ độ nhạy nhiệt độ của một mảng cảm biến biến dạng. Những sắp
xếp như vậy rất quan trọng và dễ dàng được tạo ra, nên rất phổ biến. Ứng dụng
Các cảm biến biến dạng được sử dụng trong các cảm biến nơi mức biến dạng
từ trung bình đến lớn được dự đoán sẽ xảy ra (0,001% - 1%), nơi cần thiết thiết bị
giá rẻ, nơi cần các thiết bị silic vi mô nhỏ gọn, và nơi tín hiệu dự kiến có tần số từ
DC đến vài kHz. Giới hạn tần số xảy ra do cấu hình kết dính của các thiết bị này
thường dẫn đến dung tích ngẫu nhiên lớn, dẫn đến việc lọc ra tín hiệu biến đổi nhanh chóng. lOMoAR cPSD| 58583460
Phép tính ví dụ: Cân biến dạng điện trở
Hình 1.5: Bằng cân biến dạng điện trở (Được chia sẻ từ luận văn tiến sĩ của
Marco Tortonese [Stanford, 1998].)
Bài toán và hình ảnh mô phỏng được lấy từ luận văn của Tiến sĩ Marco
Tortonese, trong đó mô phỏng và vận hành một Atomic Force Microscope (AFM)
dựa trên cân biến dạng piezoresistive đã được mô tả chi tiết. Tính toán độ nhạy của
một bằng cân biến dạng piezoresistive được trình bày ở đây nhằm cung cấp một ví
dụ về tính toán cảm biến biến dạng. Như được thể hiện trong Hình 19.1.5, chúng ta
sử dụng một bằng cân biến dạng piezoresistive để cảm nhận các biến đổi trong
hình dạng một bề mặt đi qua. Kỹ thuật này đã được chứng minh trong Atomic
Force Microscope (AFM) bởi một số sinh viên sau đại học trong nhóm của Cal
Quate tại Stanford. Trong AFM, lực hấp dẫn giữa một đầu nhọn và bề mặt mẫu gây
ra những uốn cong nhỏ của cân. Nếu cảm biến mỏng đến mức đủ, các lực liên quan
đến tương tác nguyên tử giữa các nguyên tử riêng lẻ có thể được đo lường. Mối
quan hệ giữa tải trọng và uốn cong cho một thanh cân đơn giản là Khi
Ở đây, L là chiều dài, T là độ dày và w là chiều rộng. Vì F = kZ, chúng ta có độ cứng: lOMoAR cPSD| 58583460
Đối với một biến dạng Z, bằng cân sẽ có một góc uốn cong xấp xỉ là
và do đó, bán kính uốn cong xấp xỉ là
Sự căng trong bề mặt trên của bằng cân được gây ra bởi sự khác biệt về độ dài
hình cung giữa bề mặt trên và dưới.
Căng thẳng được xác định bởi công thức
Đối với một bằng cân AFM điển hình (như được hiển thị trong Hình 19.1.4),
chúng ta có các tham số T = 4 µm, L = 100 µm Do đó
Thực tế, bằng cân không có dạng uốn cong tròn, và căng thẳng tập trung chủ
yếu ở đáy. Nếu chúng ta đặt cảm biến căng thẳng ở đáy, chúng ta có thể mong đợi
một tăng cường căng thẳng từ 5-10 lần, qua đó tăng sự thay đổi điện trở. Với một
mạch điện tốt, ta có thể đo sự thay đổi điện trở nhỏ nhất là một phần trên triệu, vì lOMoAR cPSD| 58583460
vậy điều này thực sự là một phép đo hợp lý. Nó không đơn giản, nhưng có thể thực
hiện được. Trong nhiều trường hợp trong AFM, lực cực nhỏ đến 10-10 N được đo
lường, điều này yêu cầu thiết kế mạch điện cẩn thận. lOMoAR cPSD| 58583460
2.2. Đo lường dựa trên cảm biến đo biến dạng
Nhóm kỹ thuật của Analog Devices Walt Kester, Biên tập
Các yếu tố điện phổ biến nhất được sử dụng trong đo lường lực bao gồm cảm
biến căng thẳng điện trở, cảm biến căng thẳng bán dẫn và bộ chuyển đổi
piezoelectric. Cảm biến căng thẳng đo lực một cách gián tiếp bằng cách đo độ uốn
cong mà nó tạo ra trên một vật mang tính chuẩn. Áp suất có thể được chuyển đổi
thành lực bằng cách sử dụng bộ chuyển đổi thích hợp và kỹ thuật cảm biến căng
thẳng sau đó được sử dụng để đo áp suất. Lưu lượng dòng có thể được đo bằng
cách sử dụng đo áp suất chênh lệch, cũng sử dụng công nghệ cảm biến căng thẳng.
■ Căng thẳng: Cảm biến căng thẳng, bộ chuyển đổi piezoelectric
■ Lực: Cảm biến tải trọng
■ Áp suất: Đĩa màng đến lực đến cảm biến căng thẳng
■ Dòng chảy: Kỹ thuật đo áp suất chênh lệch
Hình 2.1: Đo lường dựa trên cảm biến căng thẳng.
Cảm biến căng thẳng điện trở là một yếu tố điện trở thay đổi chiều dài, do đó
điện trở, khi lực được áp dụng lên cái đế mà nó được gắn vào gây ra căng hoặc
nén. Nó có thể là cảm biến nổi tiếng nhất để chuyển đổi lực sang một biến số điện.
Cảm biến căng thẳng không kết nối gồm một dây được kéo giữa hai điểm như hình
19.2.2. Lực tác động lên dây (diện tích = A, chiều dài = L, điện trở = p) sẽ làm cho
dây dài ra hoặc ngắn lại, gây ra sự tăng hoặc giảm điện trở tỷ lệ theo công thức: R = pL/A Và ∆R/R = GF∆L/L,
trong đó GF = Hệ số cảm biến (từ 2.0 đến 4.5 cho các kim loại và hơn 150 lOMoAR cPSD| 58583460
cho bán dẫn). Số hợp đồng ∆L/L là một phép đo của lực được áp dụng lên dây và
được biểu thị bằng microstrains (1µe = 10–6 cm/cm), tương đương với tỷ lệ vạn
phần (ppm). Từ phương trình này, lưu ý rằng hệ số cảm biến càng lớn thì sự thay
đổi điện trở càng lớn tỉ lệ theo đó—do đó, độ nhạy càng cao.
Trích từ Practical Design Techniques for Sensor Signal Conditioning, Analog
Devices, Inc., www.analog.co m . Lực Cảm biến căng dây R = pL GF = DIỆN TÍCH = A HỆ
SỐ CẢM BIẾN 2 ĐẾN 4.5 CHIỀU DÀI = L CHO KIM LOẠI
ĐIỀU CHỈNH ĐIỆN TRỞ = p >150 cho bán dẫn ĐIỆN TRỞ = R ∆L/L = MICROSTRAINS Lực ( µε ) 1 µε = 1•16−8 cm / cm . = 1 ppm
Hình 2.2: Cảm biến căng dây không gắn
Cảm biến căng độ bị gắn được bao gồm một dây mỏng hoặc màng dẫn điện
được sắp xếp theo một mẫu cùng mặt và được gắn vào một cơ sở hoặc bề mặt chịu
lực. Cảm biến thường được gắn sao cho phần lớn chiều dài của dây dẫn nằm trong
hướng căng mà đang được đo. Dây dẫn được gắn vào một cáp dẫn và được kết nối
với nhau. Thiết bị gắn được hữu ích hơn rất nhiều và được sử dụng rộng rãi hơn so
với các thiết bị không gắn.
Có thể nói rằng phiên bản phổ biến nhất là cảm biến loại màng nhôm, được
sản xuất bằng kỹ thuật phết ảnh và sử dụng các loại kim loại tương tự như các loại lOMoAR cPSD| 58583460
dây (hợp kim đồng-niken (Constantan), niken-crom (Nichrome), niken-sắt,
platmiền, vv (Xem Hình 19.2.4). Các cảm biến có thành phần cảm ứng là dây có
diện tích bề mặt nhỏ so với mẫu; điều này giảm dòng rò tại nhiệt độ cao và cho
phép tiềm năng cách ly cao hơn giữa thành phần cảm ứng và mẫu. Trong khi đó,
thành phần cảm ứng bằng màng có tỷ lệ diện tích bề mặt với diện tích tiết diện lớn
hơn và ổn định hơn trong điều kiện nhiệt độ cực đoan và tải trọng kéo dài. Diện
tích bề mặt lớn và tiết diện mỏng cũng cho phép thiết bị điều chỉnh theo nhiệt độ
mẫu và tạo điều kiện tản nhiệt cho nhiệt tự tạo ra. Lực
Hình 2.3: Cảm biến dùng dây gắn Diện tích bề mặt nhỏ kết Mất mát thấp Cách ly cao lOMoAR cPSD| 58583460 Hình 2.4: Công nghệ ảnh phịch Cảm biến đo bằng lá Diện tích lớn kim loại Nhiệt độ ổn định Mặt cắt mỏng Tản nhiệt tốt
Cảm biến biến dạng bán dẫn sử dụng hiệu ứng piezoresistive trong một số vật
liệu bán dẫn như silic và germani để đạt được độ nhạy cao hơn và đầu ra mức cao
hơn. Cảm biến bán dẫn có thể được sản xuất để có sự thay đổi dương hoặc âm khi
bị căng. Chúng có thể được làm nhỏ về kích thước vật lý trong khi vẫn giữ được
một trở kháng danh định cao. Cầu cảm biến căng bán dẫn có thể có độ nhạy gấp 30
lần so với cầu sử dụng màng kim loại, nhưng dễ bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ và khó
đền bù. Sự thay đổi trở kháng theo căng cũng không tuyến tính. Chúng không được
sử dụng rộng rãi như các thiết bị màng kim loại ổn định hơn cho công việc chính
xác; tuy nhiên, trong trường hợp độ nhạy quan trọng và biến đổi nhiệt độ nhỏ,
chúng có thể có một số lợi thế. Thiết bị đo tương tự như cầu màng kim loại, nhưng
ít quan trọng hơn do mức tín hiệu cao và độ chính xác giảm của bộ biến đổi. Thông số
Cảm biến kim loại
Cảm biến bán dẫn Phạm vi đo 0.1 đến 40.000 µc 0.001 đến 3000 µc Hệ số đo 2.0 tới 4.5 50 đến 200 lOMoAR cPSD| 58583460 Trở kháng, n n 120, 350, 600, …, 5000 1000 đến 5000 1000 đến 5000
Độ chính xác trở kháng 0.1% đến 0.2% 1% đến 2% Kích thước, mm 0.4 đến 150 1 đến 5 Tiêu chuẩn: 3 đến 6
Hình 2.5: So sánh giữa cảm biến căng màng kim loại và cảm biến căng bán dẫn
Cảm biến căng có thể được sử dụng để đo lực, như trong Hình 19.2.6 trong đó
một thanh nằm trên không bị uốn cong một chút do lực tác động. Bốn cảm biến
căng được sử dụng để đo mức uốn cong của thanh, hai trên mặt trên và hai trên mặt
dưới. Các cảm biến được kết nối theo cấu hình cầu tất cả các yếu tố. Cấu hình này
mang lại độ nhạy tối đa và tuyến tính một cách tự nhiên. Cấu hình này cũng cung
cấp sự điều chỉnh bậc một cho sự biến đổi nhiệt độ trong từng cảm biến căng riêng lẻ. Vb Thanh cứng R1 R2 R3 R4
Hình 2.6: Cảm biến lực sử dụng cảm biến căng trên thanh cong uốn.
Cảm biến căng là các thiết bị có trở kháng thấp; chúng yêu cầu mức công suất
kích thích đáng kể để có được mức độ đầu ra điện áp hợp lý. Một cầu cảm biến lOMoAR cPSD| 58583460
căng dựa trên cảm biến thường có trở kháng 350 Ω và được chỉ định có độ nhạy
tính bằng mV (milivolt) toàn phạm vi trên mỗi volt kích thích. Một tế bào tải dựa
trên cảm biến căng được tạo thành từ bốn cảm biến căng riêng lẻ được sắp xếp theo
dạng cầu như hình 19.2.7. Với một điện áp kích thích cầu là 10 V và một đánh giá
là 3 mV/V, 30 mV tín hiệu sẽ được cung cấp ở mức tải đầy đủ. Đầu ra có thể được
tăng lên bằng cách tăng kích thích cho cầu, nhưng hiệu ứng tự nhiên nóng là một
hạn chế đáng kể đối với phương pháp này: chúng có thể gây ra đọc sai hoặc hủy
hoại thiết bị. Nhiều tế bào tải có các kết nối "sense" để cho phép điện tử điều kiện
tín hiệu bù đắp cho giảm điện áp DC trên dây. Một số tế bào tải có điện trở nội bổ
sung được chọn để bù nhiệt độ. Hình 2.7: loadcell 6 chân + Vb + cảm biến + Vout -Vout -cảm biến - Vb
Cảm biến áp suất
Áp suất trong chất lỏng và khí được đo điện tử bằng nhiều loại cảm biến áp
suất. Nhiều bộ chuyển đổi cơ học (bao gồm màng, bình đựng, co giãn, ống
manometer và ống Bourdon) được sử dụng để đo áp suất bằng cách đo một độ dài,
khoảng cách hoặc sự thay đổi vị trí liên quan, và để đo thay đổi áp suất bằng
chuyển động được tạo ra.