Giới hạn Tần Số và Đặc Điểm Cảm Biến Ứng Suất (Strain Gages) | Môn Công nghệ cảm biến - Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh

lOMoAR cPSD| 58583460
Giới hạn về tần số đề cập đến việc các cảm biến ứng suất (strain gages) có thể gặp khó khăn khi
đo các tín hiệu thay đổi quá nhanh. Điều này là do cách các cảm biến này được kết nối (cấu hình
liên kết) với mạch điện, có thể tạo ra một hiện tượng gọi là "điện dung nhiễu". Điện dung nhiễu
là một dạng "tầng điện" không mong muốn có thể xuất hiện trong mạch điện, làm ảnh hưởng
đến tín hiệu cần đo.
Khi có điện dung nhiễu này, nó sẽ có tác dụng như một bộ lọc, làm giảm hoặc loại bỏ các tín
hiệu thay đổi quá nhanh (như các tín hiệu có tần số cao). Điều này giải thích tại sao cảm biến
strain gage thường chỉ hoạt động tốt với các tín hiệu có tần số thấp, từ DC đến vài kHz.
Constantan có hệ số đo thay đổi rất ít khi nhiệt độ trong khoảng -50 đến 150 , chịu nhiệt tốt,
chống ăn mòn chịu lực tốt
Điện trở suất là khả năng các electron có thể chạy qua vật liệu
Hệ số gage KKK của Silicon cao hơn hàng chục đến hàng trăm lần so với vật liệu kim loại do hiệu
ứng áp điện trở (piezoresistive effect) mạnh hơn rất nhiều. Để hiểu rõ điều này, chúng ta cần
xem xét các yếu tố ảnh hưởng đến hệ số gage.
1. Hệ số gage KKK là gì?
Hệ số gage (KKK) được định nghĩa là:
K=ΔR/RεK = \frac{\Delta R / R}{\varepsilon}K=εΔR/R Trong đó: •
ΔR\Delta RΔR là sự thay đổi điện trở, •
RRR là điện trở ban đầu, •
ε\varepsilonε là biến dạng (strain). •
Hệ số gage thể hiện mức độ nhạy cảm của điện trở với biến dạng.
2. Sự khác biệt giữa Kim loại và Silicon
Silicon (K≈50−200K \approx 50 - Đặc điểm
Kim loại (K≈2K \approx 2K≈2) 200K≈50−200) Cơ chế thay đổi
Chủ yếu do hiệu ứng hình học điện trở
Chủ yếu do hiệu ứng áp điện trở
Silicon (K≈50−200K \approx 50 - lOMoAR cPSD| 58583460 Đặc điểm
Kim loại (K≈2K \approx 2K≈2) 200K≈50−200)
Ảnh hưởng của Điện trở thay đổi rất ít vì mật độ Điện trở thay đổi mạnh do sự thay đổi lớn
strain điện tử ít bị ảnh hưởng
của độ linh động điện tử Tính chất vật
Chất dẫn điện tự do, điện trở ít bị Bán dẫn, điện trở phụ thuộc vào ứng suất liệu ảnh hưởng bởi strain mạng tinh thể Mức độ phi Tuyến tính cao
Phi tuyến cao tuyến
3. Vì sao Silicon có hệ số gage cao hơn kim loại?
(1) Hiệu ứng áp điện trở mạnh trong Silicon •
Silicon là bán dẫn, nên điện trở của nó bị ảnh hưởng rất mạnh bởi ứng suất cơ học. •
Khi có strain, cấu trúc mạng tinh thể của Silicon bị biến dạng, ảnh hưởng đến độ linh
động của hạt tải điện (carrier mobility). •
Điều này làm thay đổi độ dẫn điện (conductivity) của Silicon rất mạnh, dẫn đến hệ số KKK rất cao.
(2) Kim loại chủ yếu chịu hiệu ứng hình học •
Trong kim loại, sự thay đổi điện trở chủ yếu đến từ sự thay đổi hình học (chiều dài tăng,
tiết diện giảm). •
Kim loại có hạt tải điện tự do (electron tự do), nên ứng suất ít ảnh hưởng đến khả năng dẫn điện. •
Kết quả là hệ số KKK chỉ khoảng 2-5, nhỏ hơn Silicon rất nhiều.
(3) Cấu trúc mạng tinh thể của Silicon dễ bị ảnh hưởng bởi strain •
Silicon có cấu trúc mạng tinh thể chặt chẽ, nhưng khi bị kéo/nén, khoảng cách giữa các
nguyên tử thay đổi, làm thay đổi năng lượng vùng dẫn (bandgap energy). •
Điều này dẫn đến sự thay đổi mật độ điện tử dẫn và độ linh động, ảnh hưởng mạnh đến điện trở. •
Trong khi đó, kim loại có liên kết electron tự do, nên mạng tinh thể ít ảnh hưởng đến điện trở. lOMoAR cPSD| 58583460 4. Kết luận
Silicon có hệ số gage KKK cao hơn kim loại do hiệu ứng áp điện trở mạnh, trong khi kim loại
chủ yếu chịu ảnh hưởng của hiệu ứng hình học.
Kim loại có các electron tự do, làm cho điện trở ít bị ảnh hưởng bởi strain.
Silicon là bán dẫn, nên khi có strain, độ linh động hạt tải điện thay đổi mạnh, dẫn đến điện
trở thay đổi lớn hơn nhiều so với kim loại.
Đây là lý do vì sao Silicon có thể đạt KKK từ 50-200, trong khi kim loại chỉ khoảng 2-5.
3. Lý do hệ số KKK của Silicon lớn
(1) Hiệu ứng áp điện trở chi phối
Trong kim loại, sự thay đổi điện trở chỉ do thay đổi hình học. Nhưng trong Silicon, các electron
bị ảnh hưởng mạnh bởi strain, làm thay đổi đáng kể độ dẫn điện, dẫn đến KKK cao hơn nhiều.
(2) Ảnh hưởng của độ linh động hạt tải μ\muμ
Điện trở suất ρ\rhoρ của Silicon tỉ lệ nghịch với độ linh động của hạt tải điện (μ\muμ):
ρ=1qnμ\rho = \frac{1}{q n \mu}ρ=qnμ1 Trong đó: •
qqq là điện tích electron, •
nnn là mật độ hạt tải điện, •
μ\muμ là độ linh động điện tử.
Khi có strain, độ linh động μ\muμ bị thay đổi mạnh hơn nhiều so với kim loại, khiến điện trở
suất thay đổi đáng kể.
(3) Hệ số áp điện trở π\piπ của Silicon lớn
Hệ số áp điện trở π\piπ của Silicon có thể đạt 100 - 140 × 10⁻¹² Pa⁻¹, trong khi của kim loại
thường rất nhỏ (cỡ 0.3 - 0.5 × 10⁻¹² Pa⁻¹).
1 ⃣ Vì sao Silicon rất nhạy?
Hiệu ứng Piezo-Resistive (Điện trở áp trở) lOMoAR cPSD| 58583460 •
Ở vật liệu bán dẫn như Silicon, khi có biến dạng, cấu trúc mạng tinh thể thay đổi, dẫn
đến thay đổi đáng kể về điện trở. •
Khác với kim loại, ở đó sự thay đổi điện trở chủ yếu do thay đổi hình dạng (chiều dài,
tiết diện), trong Silicon, điện trở còn thay đổi do sự dịch chuyển của electron trong vùng dẫn. •
Điều này làm cho hệ số K của Silicon cao gấp hàng chục đến hàng trăm lần so với vật liệu kim loại. Hệ quả:
✔ Strain gauge bán dẫn có thể phát hiện những biến dạng rất nhỏ với độ nhạy cực cao.
2 ⃣ Vì sao Silicon có tính phi tuyến?
Hệ số K không cố định •
Ở kim loại, hệ số K gần như không đổi trong một khoảng biến dạng nhỏ. •
Ở Silicon, hệ số K thay đổi theo mức độ biến dạng do hiệu ứng Piezo-Resistive không tuyến tính. •
Khi biến dạng tăng, hệ số K cũng thay đổi theo cách không đơn giản, dẫn đến quan hệ
phi tuyến giữa biến dạng và điện trở. Hệ quả:
✔ Cần hiệu chỉnh dữ liệu để đảm bảo độ chính xác.
3 ⃣ Vì sao Silicon không ổn định nhiệt?
Nhạy cảm với nhiệt độ •
Ở nhiệt độ cao, số lượng hạt tải điện trong bán dẫn tăng lên do hiệu ứng kích thích
nhiệt → làm thay đổi điện trở ngay cả khi không có biến dạng. •
Các strain gauge kim loại ít bị ảnh hưởng bởi nhiệt hơn do điện tử trong kim loại không
nhạy cảm với nhiệt theo cách này. Hệ quả:
✔ Phải có mạch bù nhiệt hoặc chỉ dùng trong môi trường kiểm soát nhiệt độ. lOMoAR cPSD| 58583460 Kết luận
Silicon có độ nhạy cực cao nhưng không tuyến tính và không ổn định nhiệt, vì: •
Nhạy cao: Nhờ hiệu ứng Piezo-Resistive, không chỉ phụ thuộc vào hình dạng như kim loại. •
Phi tuyến: Hệ số K thay đổi theo mức độ biến dạng. •
Không ổn định nhiệt: Điện trở bị ảnh hưởng mạnh bởi nhiệt độ do thay đổi số lượng hạt tải điện.
Bạn muốn tìm hiểu về cách hiệu chỉnh phi tuyến và bù nhiệt cho strain gauge bán dẫn không?
Silicon thay đổi điện trở suất ( đáng kể)
Kim loại thay đổi chiều dài và tiết tiện, ít thay đổi điện trở suất, có các e tự do
Hệ số Poisson (ν\nuν) là gì?
Hệ số Poisson (ν\nuν) là một đại lượng vật lý biểu thị tỷ lệ giữa biến dạng ngang và biến dạng
dọc của một vật liệu khi chịu lực kéo hoặc nén. Nó cho biết khi một vật bị kéo dài theo một
hướng thì nó co lại bao nhiêu theo hướng vuông góc. Công thức tính hệ số Poisson
ν=−εngangεdọc\nu = - \frac{\varepsilon_{\text{ngang}}}{\varepsilon_{\text{dọc}}}ν=−εdọc εngang Trong đó: •
ν\nuν là hệ số Poisson. •
εngang\varepsilon_{\text{ngang}}εngang là biến dạng ngang (co lại hoặc giãn ra theo
phương vuông góc với lực tác động). •
εdọc\varepsilon_{\text{dọc}}εdọc là biến dạng dọc (biến dạng theo hướng của lực tác động). •
Dấu "-" để đảm bảo ν\nuν luôn dương vì khi kéo dãn vật liệu theo một hướng, nó
thường bị co lại theo hướng khác. lOMoAR cPSD| 58583460
Ý nghĩa của hệ số Poisson •
Nếu ν\nuν nhỏ, vật liệu ít bị co ngang khi kéo. •
Nếu ν\nuν lớn, vật liệu dễ bị biến dạng ngang khi kéo. •
Nếu ν=0.5\nu = 0.5ν=0.5, vật liệu không thay đổi thể tích (như cao su). •
Nếu ν\nuν âm, vật liệu đó mở rộng cả hai hướng khi kéo, gọi là vật liệu auxetic (hiếm gặp).
Cặp Điện Cực Kim Loại Là Gì?
Cặp điện cực kim loại là hai thanh hoặc tấm kim loại đặt trong một dung dịch điện ly, tạo
thành một hệ điện hóa dùng để đo điện thế, phản ứng điện hóa, hoặc sản xuất điện năng (pin điện hóa).
Cấu Tạo Một Cặp Điện Cực Kim Loại
Một cặp điện cực kim loại thường bao gồm:
1. Điện cực dương (Anode, cực âm trong dung dịch) – Nơi xảy ra phản ứng oxy hóa (kim
loại mất electron).
2. Điện cực âm (Cathode, cực dương trong dung dịch) – Nơi xảy ra phản ứng khử (ion nhận electron).
3. Dung dịch điện ly – Chứa các ion giúp duy trì dòng điện giữa hai điện cực.
4. Mạch ngoài – Dòng điện chạy qua từ cực này sang cực kia khi nối với tải ngoài.
Giải thích hình ảnh: Liquid Strain Gauge - Mercury Tube
Hình này mô tả một cảm biến đo biến dạng chất lỏng sử dụng ống thủy ngân. Đây là một dạng
strain gauge thủy ngân được dùng để đo sự thay đổi chiều dài hoặc biến dạng của vật liệu khi
chịu lực tác động. lOMoAR cPSD| 58583460
Phân tích các phần trong hình ảnh:
1⃣ Hình (a): Cấu trúc của strain gauge thủy ngân •
Cảm biến gồm một ống chứa thủy ngân được gắn lên bề mặt vật cần đo biến dạng. •
Khi vật bị kéo giãn hoặc nén lại, chiều dài cột thủy ngân thay đổi, làm điện trở của nó thay đổi theo.
2⃣ Hình (b) & (c): Dữ liệu tín hiệu từ cảm biến •
Biểu đồ trên (b): Biểu diễn tín hiệu điện áp theo thời gian khi có biến dạng. •
Biểu đồ dưới (c): Hiển thị dao động nhỏ của tín hiệu điện áp, cho thấy phản ứng nhanh
của cảm biến đối với các thay đổi nhỏ.
Cách hoạt động của Strain Gauge Thủy Ngân •
Khi vật liệu chịu ứng suất, chiều dài ống thủy ngân thay đổi. •
Vì thủy ngân có điện trở suất cố định, nên điện trở của nó thay đổi theo chiều dài. •
Mạch điện đo sự thay đổi điện trở và chuyển đổi thành điện áp đầu ra. •
Điện áp này phản ánh mức độ biến dạng của vật thể.
Các phần tử chính trong hình (a):
1⃣ Ống chứa thủy ngân •
Đây là thành phần quan trọng nhất của cảm biến. •
Ống chứa một lượng thủy ngân nhất định, có thể là ống thủy tinh hoặc ống polymer có tính đàn hồi cao. •
Khi có lực tác động, chiều dài cột thủy ngân thay đổi, làm thay đổi điện trở của cảm biến.
2⃣ Điện cực hai đầu •
Hai đầu của ống chứa các điện cực kim loại (thường là đồng hoặc bạc) tiếp xúc với thủy ngân. •
Điện cực này giúp tạo thành một mạch điện, đo sự thay đổi điện trở của thủy ngân khi biến dạng xảy ra.
3⃣ Bộ phận gắn vào vật thể lOMoAR cPSD| 58583460 •
Strain gauge thủy ngân thường được gắn chặt vào bề mặt vật cần đo biến dạng bằng
một giá đỡ hoặc keo dán chuyên dụng. •
Khi vật thể bị kéo giãn hoặc nén lại, ống thủy ngân cũng bị kéo giãn hoặc nén theo, dẫn
đến sự thay đổi chiều dài cột thủy ngân.
4⃣ Dây dẫn tín hiệu •
Dây điện kết nối với hai điện cực để đưa tín hiệu điện trở ra mạch đo lường. •
Điện trở này được khuếch đại và xử lý để xác định mức độ biến dạng của vật thể.
Cách hoạt động của Strain Gauge Thủy Ngân
1⃣ Khi vật thể gắn cảm biến bị kéo giãn (ứng suất dương), chiều dài ống thủy ngân tăng lên → điện trở tăng.
2⃣ Khi vật thể bị nén (ứng suất âm), chiều dài ống thủy ngân giảm → điện trở giảm.
3⃣ Mạch đo điện trở phát hiện sự thay đổi này và chuyển đổi thành tín hiệu điện áp, giúp xác
định độ biến dạng.
Ưu điểm và nhược điểm của strain gauge thủy ngân Ưu điểm: •
Độ nhạy cao, có thể phát hiện biến dạng rất nhỏ. •
Hoạt động ổn định trong môi trường có độ ẩm và nhiệt độ biến đổi. •
Không bị ảnh hưởng bởi nhiễu điện từ, do thủy ngân là chất dẫn điện tốt. Nhược điểm: •
Thủy ngân độc hại, cần được xử lý cẩn thận để tránh rò rỉ. •
Dễ bị vỡ nếu sử dụng ống thủy tinh. •
Không thích hợp để đo biến dạng lớn, do giới hạn co giãn của ống chứa.
Các loại Strain Gauge phổ biến
Strain Gauge (cảm biến đo biến dạng) có nhiều loại khác nhau dựa trên nguyên lý hoạt động
và vật liệu chế tạo. Dưới đây là các loại phổ biến: lOMoAR cPSD| 58583460
1 ⃣ Strain Gauge Điện Trở (Resistive Strain Gauge) – Phổ biến nhất Nguyên lý: •
Dựa vào sự thay đổi điện trở của vật liệu khi bị kéo giãn hoặc nén lại. •
Điện trở thay đổi theo công thức:
R=ρLAR = \rho \frac{L}{A}R=ρAL
(với RRR là điện trở, LLL là chiều dài, AAA là tiết diện, ρ\rhoρ là điện trở suất). •
Dùng cầu Wheatstone để đo sự thay đổi điện trở.
Phân loại theo vật liệu:
✔ Strain gauge kim loại: Đồng, bạc, niken,...
✔ Strain gauge bán dẫn: Silicon, có độ nhạy cao hơn nhiều lần so với kim loại. Ứng dụng:
✔ Đo ứng suất trong công trình xây dựng, kết cấu máy móc.
✔ Cảm biến lực trong cân điện tử.
2 ⃣ Strain Gauge Chất Lỏng (Liquid Strain Gauge - Mercury Tube) Nguyên lý: •
Sử dụng ống chứa thủy ngân hoặc dung dịch dẫn điện khác. •
Khi bị kéo giãn hoặc nén, chiều dài cột chất lỏng thay đổi → điện trở thay đổi. Ứng dụng:
✔ Dùng trong môi trường khắc nghiệt, nơi strain gauge kim loại không phù hợp.
✔ Đo biến dạng trong vật liệu mềm hoặc y sinh học.
3 ⃣ Strain Gauge Quang Học (Optical Strain Gauge - Fiber Bragg Grating, FBG) Nguyên lý: •
Dùng sợi quang học thay đổi bước sóng ánh sáng phản xạ khi biến dạng xảy ra. •
Không bị ảnh hưởng bởi nhiễu điện từ, độ chính xác cao. Ứng dụng: lOMoAR cPSD| 58583460
✔ Giám sát công trình dân dụng (cầu, tòa nhà).
✔ Ứng dụng trong y học (theo dõi lực tác động lên xương).
4 ⃣ Strain Gauge Dung Môi (Capacitive Strain Gauge) Nguyên lý:
• Biến dạng làm thay đổi khoảng cách giữa hai bản tụ điện → thay đổi điện dung. Ứng dụng:
✔ Đo biến dạng trong công nghệ MEMS (vi cơ điện tử).
✔ Dùng trong robot để đo lực tác động.
5 ⃣ Strain Gauge Cảm Ứng Từ (Inductive Strain Gauge) Nguyên lý:
• Biến dạng làm thay đổi từ trường trong một cuộn dây → tạo ra điện áp cảm ứng khác nhau. Ứng dụng:
✔ Dùng trong môi trường khắc nghiệt (công nghiệp nặng, động cơ,...).
Ví dụ 2: Tính lực tác dụng từ strain gauge Đề bài:
Một thanh thép có mô đun đàn hồi E = 200 GPa, gắn strain gauge có hệ số K = 2.0. Khi chịu lực,
strain gauge đo được biến dạng ε=500με\varepsilon = 500 \mu\varepsilonε=500με. Hãy tính
ứng suất σ\sigmaσ trong thanh thép. Giải:
Ứng suất được tính theo định luật Hooke: σ=E
ε\sigma = E \cdot \varepsilonσ=E ε Thay số:
σ=(200×109)×(500×10−6)\sigma = (200 \times 10^9) \times (500 \times 10^{- lOMoAR cPSD| 58583460
6})σ=(200×109)×(500×10−6) σ=100×106=100 MPa\sigma = 100 \times 10^6 = 100 \text{ MPa}σ=100×106=100 MPa Kết quả:
Ứng suất trong thanh thép là 100 MPa.
Ví dụ 3: Xác định lực từ ứng suất
Nếu tiết diện thanh thép là 10 cm², lực tác dụng lên thanh là:
F=σ×AF = \sigma \times AF=σ×A F=100×106×(10×10−4)F = 100 \times 10^6 \times (10 \times
10^{-4})F=100×106×(10×10−4) F=100,000 N=100 kNF = 100,000 \text{ N} = 100 \text{ kN}F=100,000 N=100 kN
Vậy lực tác động lên thanh thép là 100 kN.
Tự bù: nhà sản xuất thiết kế hệ số CTE (giản nở nhiệt) của strain gage giống với vật cần đo