Bài giảng Cảm biến và đo lường - Chương VIII: Cảm biến đo áp suất chất lưu

Nội dung text: Bài giảng Cảm biến và đo lường - Chương VIII: Cảm biến đo áp suất chất lưu

1. Ch−ơng VIII Cảm biến đo áp suất CHấT l−u 8.1. áp suất và nguyên lý đo áp suất 8.1.1. áp suất và đơn vị đo áp suất là đại l−ợng có giá trị bằng tỉ số giữa lực tác dụng vuông góc lên một mặt với diện tích của nó: dF p = (8.1) ds Đối với các chất lỏng, khí hoặc hơi (gọi chung là chất l−u), áp suất là một thông số quan trọng xác định trạng thái nhiệt động học của chúng. Trong công nghiệp, việc đo áp suất chất l−u có ý nghĩa rất lớn trong việc đảm bảo an toàn cho thiết bị cũng nh− giúp cho việc kiểm tra và điều khiển hoạt động của máy móc thiết bị có sử dụng chất l−u. Trong hệ đơn vị quốc tế (SI) đơn vị áp suất là pascal (Pa): 1 Pa là áp suất tạo bởi một lực có độ lớn bằng 1N phân bố đồng đều trên một diện tích 1m2 theo h−ớng pháp tuyến. Đơn vị Pa t−ơng đối nhỏ nên trong công nghiệp ng−ời ta còn dùng đơn vị áp suất là bar (1 bar = 105 Pa) và một số đơn vị khác. Bảng 8.1 trình bày các đơn vị đo áp suất và hệ số chuyển đổi giữa chúng. Bảng 8.1 Đơn vị pascal bar atmotsphe kg/cm2 mmH O mmHg mbar áp suất (Pa) (b) (atm) 2 1Pascal 1 10-5 1,02.10-5 0,987.10-5 1,02.10-1 0,75.10-2 10-2 1 bar 105 1 1,02 0,987 1,02.104 750 103 1 kg/cm2 9,8.104 0,980 1 0,986 104 735 9,80.102 1 atm 1,013.105 1,013 1,033 1 1,033.104 760 1,013.103 -5 -3 -4 1mmH2O 9,8 9,8.10 10 0,968.10 1 0,0735 0,098 1mmHg 133,3 13,33.10-4 1,36.10-3 1,315.10-3 136 1 1,33 1mbar 100 10-3 1,02.10-3 0,987.10-3 1,02 0,750 1 - 126 -
2. 8.1.2. Nguyên lý đo áp suất Đối với chất l−u không chuyển động, áp suất chất l−u là áp suất tĩnh (pt): p = pt (8.2) Do vậy đo áp suất chất l−u thực chất là xác định lực tác dụng lên một diện tích thành bình. Đối với chất l−u không chuyển động chứa trong một ống hở đặt thẳng đứng, áp suất tĩnh tại một điểm M cách bề mặt tự do một khoảng (h) xác định theo công thức sau: p = p0 + ρgh (8.3) Trong đó: p0 - áp suất khí quyển. ρ - khối l−ợng riêng chất l−u. g- gia tốc trọng tr−ờng. Để đo áp suất tĩnh có thể tiến hành bằng các ph−ơng pháp sau: - Đo áp suất chất l−u lấy qua một lỗ đ−ợc khoan trên thành bình nhờ cảm biến thích hợp. - Đo trực tiếp biến dạng của thành bình do áp suất gây nên. Trong cách đo thứ nhất, phải sử dụng một cảm biến đặt sát thành bình. Trong tr−ờng hợp này, áp suất cần đo đ−ợc cân bằng với áp suất thuỷ tỉnh do cột chất lỏng mẫu tạo nên hoặc tác động lên một vật trung gian có phần tử nhạy cảm với lực do áp suất gây ra. Khi sử dụng vật trung gian để đo áp suất, cảm biến th−ờng trang bị thêm bộ phận chuyển đổi điện. Để sai số đo nhỏ, thể tích chết của kênh dẫn và cảm biến phải không đáng kể so với thể tích tổng cộng của chất l−u cần đo áp suất. Trong cách đo thứ hai, ng−ời ta gắn lên thành bình các cảm biến đo ứng suất để đo biến dạng của thành bình. Biến dạng này là hàm của áp suất. Đối với chất l−u chuyển động, áp suất chất l−u (p) là tổng áp suất tĩnh (pt) và áp suất động (pđ) : p = p t + pd (8.4) áp suất tĩnh t−ơng ứng với áp suất gây nên khi chất lỏng không chuyển động, đ−ợc đo bằng một trong các ph−ơng pháp trình bày ở trên. áp suất động do chất l−u chuyển động gây nên và có giá trị tỉ lệ với bình ph−ơng vận tốc chất l−u: ρv 2 p = (8.5) d 2 - 127 -
3. Trong đó ρ là khối l−ợng riêng chất l−u. Khi dòng chảy va đập vuông góc với một mặt phẳng, áp suất động chuyển thành áp suất tĩnh, áp suất tác dụng lên mặt phẳng là áp suất tổng. Do vậy, áp suất động đ−ợc đo thông qua đo chênh lệch giữa áp suất tổng và áp suất tĩnh. Thông th−ờng việc đo hiệu (p - pt) thực hiện nhờ hai cảm biến nối với hai đầu ra của một ống Pitot, trong đó cảm biến (1) đo áp suất tổng còn cảm biến (2) đo áp suất tĩnh. cảm biến cảm biến 2 1 Hình 8.1 Đo áp suất động bằng ống Pitot Có thể đo áp suất động bằng cách đặt áp suất tổng lên mặt tr−ớc và áp suất tĩnh lên mặt sau của một màng đo (hình 8.2), nh− vậy tín hiệu do cảm biến cung cấp chính là chênh lệch giữa áp suất tổng và áp suất tĩnh. 1 2 p pt Hình 8.2 Đo áp suất động bằng màng 1) Màng đo 2) Phần tử áp điện 8.2. áp kế vi sai dựa trên nguyên tắc cân bằng thuỷ tĩnh Nguyên lý chung của ph−ơng pháp dựa trên nguyên tắc cân bằng áp suất chất l−u với áp suất thuỷ tĩnh của chất lỏng làm việc trong áp kế. 8.2.1. áp kế vi sai kiểu phao áp kế vi sai kiểu phao gồm hai bình thông nhau, bình lớn có tiết diện F và bình nhỏ có tiết diện f (hình 8.3). Chất lỏng làm việc là thuỷ ngân hay dầu biến áp. Khi đo, áp suất lớn (p1) đ−ợc đ−a vào bình lớn, áp suất bé (p2) đ−ợc đ−a vào bình nhỏ. Để tránh chất lỏng làm việc phun ra ngoài khi cho áp suất tác động về một phía ng−ời ta mở van (4) và khi áp suất hai bên cân bằng van (4) đ−ợc khoá lại. Khi đạt sự cân bằng áp suất, ta có: p1 − p2 = g()ρm − ρ (h1 + h2 ) - 128 -
4. Trong đó: g - gia tốc trọng tr−ờng. ρm - trọng l−ợng riêng của chất lỏng làm việc. ρ - trọng l−ợng riêng của chất lỏng hoặc khí cần đo. Mặt khác từ cân bằng thể tích ta có: F.h = f.h p2 1 2 p1 Suy ra: 5 6 4 1 h = .()p − p (8.6) 1 ()()1+ F / f ρ − ρ g 1 2 m 7 Khi mức chất lỏng trong bình lớn thay đổi (h thay đổi), phao của áp kế dịch 1 h2 2 chuyển và qua cơ cấu liên kết làm quay kim 3 h1 chỉ thị trên đồng hồ đo. Biểu thức (8.6) là 1 ph−ơng trình đặc tính tĩnh của áp kế vi sai Hình 8.3. áp kế vi sai kiểu phao kiểu phao. áp kế vi sai kiểu phao dùng để đo áp suất tĩnh không lớn hơn 25MPa. Khi thay đổi tỉ số F/f (bằng cách thay ống nhỏ) ta có thể thay đổi đ−ợc phạm vi đo. Cấp chính xác của áp suất kế loại này cao (1; 1,5) nh−ng chứa chất lỏng độc hại mà khi áp suất thay đổi đột ngột có thể ảnh h−ởng đến đối t−ợng đo và môi tr−ờng. 8.2.2. áp kế vi sai kiểu chuông Cấu tạo của áp kế vi sai kiểu chuông gồm chuông (1) nhúng trong chất lỏng làm việc chứa trong bình (2). 3 3 p p 2 1 2 A 2 dx B dy dH p1 p1 a) b) Hình 8.4 áp kế vi sai kiểu chuông 1) Chuông 2) Bình chứa 3) Chỉ thị - 129 -
5. Khi áp suất trong buồng (A) và (B) bằng nhau thì nắp chuông (1) ở vị trí cân bằng (hình8.4a), khi có biến thiên độ chênh áp d(p1-p2) >0 thì chuông đ−ợc nâng lên (hình 8.4b). Khi đạt cân bằng ta có: d()p1 − p2 .F = (dH + dy)∆f.g(ρm − ρ) (8.8) Với: dh = dx + dy d()p1 − p2 = dh(ρm − ρ)g fdy = ∆f.dH + (Φ − F)dx Trong đó: F - tiết diện ngoài của chuông. dH - độ di chuyển của chuông. dy - độ dịch chuyển của mức chất lỏng trong chuông. dx - độ dịch chuyển của mức chất lỏng ngoài chuông. ∆f - diện tích tiết diện thành chuông. Φ - diện tích tiết diện trong của bình lớn. dh - chênh lệch mức chất lỏng ở ngoài và trong chuông. f - diện tích tiết diện trong của chuông. Giải các ph−ơng trình trên ta có: f dH = d()p1 − p2 ∆f.g()ρm − ρ Lấy tích phân giới hạn từ 0 đến (p1 - p2) nhận đ−ợc ph−ơng trình đặc tính tĩnh của áp kế vi sai kiểu chuông: f H = ()p1 − p2 (8.9) ∆f.g()ρm − ρ áp kế vi sai có độ chính xác cao có thể đo đ−ợc áp suất thấp và áp suất chân không. 8.3. Cảm biến áp suất dựa trên phép đo biến dạng Nguyên lý chung của cảm biến áp suất loại này dựa trên cơ sở sự biến dạng đàn hồi của phần tử nhạy cảm với tác dụng của áp suất. Các phần tử biến dạng th−ờng dùng là ống trụ, lò xo ống, xi phông và màng mỏng. - 130 -
6. 8.3.1. Phần tử biến dạng a) ống trụ Sơ đồ cấu tạo của phần tử biến dạng hình ống trụ trình bày trên hình 8.5. ống có dạng hình trụ, thành mỏng, một đầu bịt kín, đ−ợc chế tạo bằng kim loại. e J2 J ε1 3 J4 J1 r ε2 a) b) Hình 8.5 Phần tử biến dạng kiểu ống hình trụ a) Sơ đồ cấu tạo b) Vị trí gắn cảm biến Đối với ống dài (L>>r), khi áp suất chất l−u tác động lên thành ống làm cho ống biến dạng, biến dạng ngang (ε1) và biến dạng dọc (ε2) của ống xác định bởi biểu thức: ⎛ ν ⎞ p r ε1 = ⎜1− ⎟ = k1p ⎝ 2 ⎠ Y e ⎛ 1 ⎞ p r ε1 = ⎜ − ν⎟ = k 2 p ⎝ 2 ⎠ Y e Trong đó: p - áp suất. Y - mô đun Young. ν - hệ số poisson. r - bán kính trong của ống. e - chiều dày thành ống. Để chuyển tín hiệu cơ (biến dạng) thành tín hiệu điện ng−ời ta dùng bộ chuyển đổi điện (thí dụ cảm biến lực). b) Lò xo ống Cấu tạo của các lò xo ống dùng trong cảm biến áp suất trình bày trên hình 8.6. Lò xo là một ống kim loại uốn cong, một đầu giữ cố định còn một đầu để tự do. Khi đ−a chất l−u vào trong ống, áp suất tác dụng lên thành ống làm cho ống bị biến dạng và đầu tự do dịch chuyển. - 131 -
7. Trên hình (8.6a) là sơ đồ lò xo ống một vòng, tiết diện ngang của ống hình trái xoan. D−ới tác dụng của áp suất d− trong ống, lò xo sẽ giãn ra, còn d−ới tác dụng của áp suất thấp nó sẽ co lại. N 1 N A 2b γ Nr R A 2a p p a) b) c) Hình 8.6 Lò xo ống Đối với các lò xo ống thành mỏng biến thiên góc ở tâm (γ) d−ới tác dụng của áp suất (p) xác định bởi công thức: 1− ν2 R2 ⎛ b2 ⎞ α ∆γ = pγ . ⎜1− ⎟ (8.10) ⎜ 2 ⎟ 2 Y bh ⎝ a ⎠ β + x Trong đó: ν - hệ số poisson. Y - mô đun Young. R - bán kính cong. h - bề dày thành ống. a, b - các bán trục của tiết diện ôvan. α, β - các hệ số phụ thuộc vào hình dáng tiết diện ngang của ống. x = Rh/a2 - tham số chính của ống. Lực thành phần theo h−ớng tiếp tuyến với trục ống (ống thành mỏng h/b = 0,6 - 0,7) ở đầu tự do xác định theo theo biểu thức: ⎛ b2 ⎞ 48s γ − sin γ N = pab⎜1− ⎟ . = k p (8.11) t ⎜ 2 ⎟ 2 1 ⎝ a ⎠ ε + x 3γ − 4sin γ + sin γ.cos γ Lực h−ớng kính: ⎛ b2 ⎞ 48s γ − cos γ N = pab⎜1− ⎟ . = k p (8.12) r ⎜ 2 ⎟ 2 2 ⎝ a ⎠ ε + x γ − sin γ.cosγ Trong đó s và ε các hệ số phụ thuộc vào tỉ số b/a. - 132 -
8. Giá trị của k1, k2 là hằng số đối với mỗi lò xo ống nên ta có thể viết đ−ợc biểu thức xác định lực tổng hợp: 2 2 N = k1 + k 2 .p = kp (8.13) 2 2 Với k = k1 + k 2 = f(a, b, h, R, γ) . Bằng cách thay đổi tỉ số a/b và giá trị của R, h, γ ta có thể thay đổi đ−ợc giá trị của ∆γ , N và độ nhạy của phép đo. Lò xo ống một vòng có góc quay nhỏ, để tăng góc quay ng−ời ta dùng lò xo ống nhiều vòng có cấu tạo nh− hình (8.6b). Đối với lò xo ống dạng vòng th−ờng phải sử dụng thêm các cơ cấu truyền động để tăng góc quay. Để tạo ra góc quay lớn ng−ời ta dùng lò xo xoắn có tiết diện ô van hoặc hình răng khía nh− hình 8.6c, góc quay th−ờng từ 40 - 60o, do đó kim chỉ thị có thể gắn trực tiếp trên đầu tự do của lò xo. Lò xo ống chế tạo bằng đồng thau có thể đo áp suất d−ới 5 MPa, hợp kim nhẹ hoặc thép d−ới 1.000 MPa, còn trên 1.000 MPa phải dùng thép gió. c) Xiphông Cấu tạo của xiphông trình bày trên hình 8.7. p r α 2Rb 2R ng Hình 8.7 Sơ đồ cấu tạo ống xiphông ống xiphông là một ống hình trụ xếp nếp có khả năng biến dạng đáng kể d−ới tác dụng của áp suất. Trong giới hạn tuyến tính, tỉ số giữa lực tác dụng và biến dạng của xiphông là không đổi và đ−ợc gọi là độ cứng của xiphông. Để tăng độ cứng th−ờng ng−ời ta đặt thêm vào trong ống một lò xo. Vật liệu chế tạo là đồng, thép cacbon, thép hợp kim Đ−ờng kính xiphông từ 8 - 100mm, chiều dày thành 0,1 - 0,3 mm. Độ dịch chuyển (δ) của đáy d−ới tác dụng của lực chiều trục (N) xác định theo công thức: - 133 -
9. 1− ν2 n δ = N. − (8.14) 2 2 Yh0 A0 − αA1 + α A2 + B0h / Rb Trong đó: h0 - chiều dày thành ống xiphông. n - số nếp làm việc. α - góc bịt kín. ν - hệ số poisson. A0, A1, B0 - các hệ số phụ thuộc Rng/Rtr, r/R+r. Rng, Rtr - bán kính ngoài và bán kính trong của xi phông. r - bán kính cong của nếp uốn. Lực chiều trục tác dụng lên đáy xác định theo công thức: π N = ()R +R 2 ∆p (8.15) 5 ng tr d) Màng Màng dùng để đo áp suất đ−ợc chia ra màng đàn hồi và màng dẻo. Màng đàn hồi có dạng tròn phẳng hoặc có uốn nếp đ−ợc chế tạo bằng thép. D D h p p Hình 8.8 Sơ đồ màng đo áp suất Khi áp suất tác dụng lên hai mặt của màng khác nhau gây ra lực tác động lên màng làm cho nó biến dạng. Biến dạng của màng là hàm phi tuyến của áp suất và khác nhau tuỳ thuộc điểm khảo sát. Với màng phẳng, độ phi tuyến khá lớn khi độ võng lớn, do đó th−ờng chỉ sử dụng trong một phạm vi hẹp của độ dịch chuyển của màng. Độ võng của tâm màng phẳng d−ới tác dụng của áp suất tác dụng lên màng xác định theo công thức sau: 3 pR4 δ = ()1− ν2 (8.16) 16 Yh3 - 134 -
10. Màng uốn nếp có đặc tính phi tuyến nhỏ hơn màng phẳng nên có thể sử dụng với độ võng lớn hơn màng phẳng. Độ võng của tâm màng uốn nếp xác định theo công thức: δ bδ3 pR4 a = + = (8.17) h h3 Yh4 Với a, b là các hệ số phụ thuộc hình dạng và bề dày của màng. Khi đo áp suất nhỏ ng−ời ta dùng màng dẻo hình tròn phẳng hoặc uốn nếp, chế tạo từ vải cao su. Trong một số tr−ờng hợp ng−ời ta dùng màng dẻo có tâm cứng, khi đó ở tâm màng đ−ợc kẹp cứng giữa hai tấm kim loại. Hình 8.9 Sơ đồ cấu tạo màng dẻo có tâm cứng Đối với màng dẻo th−ờng, lực di chuyển tạo nên ở tâm màng xác định bởi biểu thức: πD2 N = .p (8.19) 12 Với D là đ−ờng kính ổ đỡ màng. Đối với màng dẻo tâm cứng, lực di chuyển tạo nên ở tâm màng xác định bởi biểu thức: π D2 + Dd + d2 N = ( ).p (8.20) 12 Với D là đ−ờng kính màng, d là d−ờng kính đĩa cứng. 8.3.2. Các bộ chuyển đổi điện Khi sử dụng cảm biến đo áp suất bằng phần tử biến dạng, để chuyển đổi tín hiệu cơ trung gian thành tín hiệu điện ng−ời ta dùng các bộ chuyển đổi. Theo cách chuyển đổi ng−ời ta chia các bộ chuyển đổi thành hai loại: - Biến đổi sự dịch chuyển của phần tử biến dạng thành tín hiệu đo. Các chuyển đổi loại này th−ờng dùng là: cuộn cảm, biến áp vi sai, điện dung, điện trở - 135 -
11. - Biến đổi ứng suất thành tín hiệu đo. Các bộ chuyển đổi là các phần tử áp điện hoặc áp trở. a) Bộ biến đổi đo áp suất kiểu điện cảm Cấu tạo của bộ chuyển đổi kiểu p điện cảm biểu diễn trên hình 8.10. Bộ 1 chuyển đổi gồm tấm sắt từ động gắn trên màn g (1) và nam châm điện có δ lõi sắt (2) và cuộn dây (3). 2 D−ới tác dụng của áp suất đo, 3 màng (1) dịch chuyển làm thay đổi Hình 8.10 Bộ chuyển đổi kiểu cảm ứng khe hở từ (δ) giữa tấm sắt từ và lõi từ 1) Tấm sắt từ 2) Lõi sắt từ 3) Cuộn dây của nam châm điện, do đó thay đổi độ tự cảm của cuộn dây. Nếu bỏ qua điện trở cuộn dây, từ thông tản và tổn hao trong lõi từ thì độ tự cảm của bộ biến đổi xác định bởi công thức sau: W2 L = (8.21) ltb /()(àS tb + δ / à0S0 ) Trong đó: W - số vòng dây của cuộn dây. ltb, Stb: chiều dài và diện tích trung bình của lõi từ. δ, S0 - chiều dài và tiết diện khe hở không khí . à, à0 - độ từ thẩm của lõi từ và không khí. Thông th−ờng ltb/(àStb) << δ/(à0S0), do đó có thể tính L theo công thức gần đúng: S L= W2 .à 0 0 δ Với δ = kp, ta có ph−ơng trình đặc tính tĩnh của cảm biến áp suất dùng bộ biến đổi cảm ứng: S L = W2 .à 0 (8.22) 0 kp Để đo độ tự cảm L ng−ời ta dùng cầu đo xoay chiều hoặc mạch cộng h−ởng LC. - 136 -
12. b) Bộ biến đổi kiểu biến áp vi sai Bộ biến đổi áp suất kiểu biến áp vi sai (hình 8.11) gồm một lò xo vòng (1) và phần tử biến đổi (2). Phần tử biến đổi gồm một khung cách điện trên đó quấn cuộn sơ cấp (7). Cuộn thứ cấp gồm hai cuộn dây (4) và (5) quấn ng−ợc chiều nhau. Lõi thép di động nối với lò xo (1). Đầu ra của cuộn thứ cấp nối với điện trở R1, cho phép điều chỉnh giới hạn đo trong phạm vi ±25%. 1 2 3 R1 I1 E R 2 Ur p 4 5 6 Hình 8.11 Sơ đồ cấu tạo nguyên lý của bộ biến đổi kiểu biến áp vi sai 1) Lò xo vòng 2) Phần tử biến đổi 3&4) Cuộn thứ cấp 5) Lõi thép 6) Cuộn sơ cấp Nguyên lý làm việc: dòng điện I1 chạy trong cuộn sơ cấp sinh ra từ thông biến thiên trong hai nửa cuộn thứ cấp, làm xuất hiện trong hai nửa cuộn dây này các suất điện động cảm ứng e1 và e2: e1 = 2πf.I1M1 e2 = 2πf.I1M2 Trong đó M1 và M2 là hỗ cảm giữa cuộn sơ cấp và các nửa cuộn thứ cấp. Hai nửa cuộn dây đấu ng−ợc chiều nhau, do đó suất điện động trong cuộn thứ cấp: E = e1 − e2 = 2πfI1(M1 − M2 ) = 2πfI1M (8.23) Đối với phần tử biến đổi chuẩn có điện trở cửa ra R1 và R2 thì điện áp ra của bộ biến đổi xác định bởi công thức: Vra = 2πfI1M ra (8.24) Giá trị hỗ cảm Mra phụ thuộc độ dịch chuyển của lõi thép: δ M ra = M max δmax Trong đó Mmax là hỗ cảm lớn nhất của cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp ứng với độ dịch chuyển lớn nhất của lõi thép. - 137 -
13. Từ ph−ơng trình (8.23) và (8.24), tìm đ−ợc điện áp ra của bộ biến đổi: 2πfI1M max Vra = δ (8.25) δmax c) Bộ biến đổi kiểu điện dung Sơ đồ cảm biến kiểu điện dung trình bày trên hình 8.12 2 4 1 2 p1 p2 3 4 1 5 p a) b) Hình 8.12 Bộ chuyển đổi kiểu điện dung 1) Bản cực động 2&3) Bản cực tĩnh 4) Cách diện 4) Dầu silicon Hình 8.12a trình bày cấu tạo một bộ biến đổi kiểu điện dung gồm bản cực động là màng kim loại (1), và bản cực tĩnh (2) gắn với đế bằng cách điện thạch anh (4). Sự phụ thuộc của điện dung C vào độ dịch chuyển của màng có dạng: s C = ε (8.26) δ + δ0 Trong đó: ε - hằng số điện môi của cách điện giữa hai bản cực. δ0 - khoảng cách giữa các điện cực khi áp suất bằng 0. δ - độ dịch chuyển của màng. Hình 8.12b là một bộ biến đổi điện dung kiểu vi sai gồm hai bản cực tĩnh (2) và (3) gắn với chất điện môi cứng (4), kết hợp với màng (1) nằm giữa hai bản cực để tạo thành hai tụ điện C12 và C13. Khoảng trống giữa các bản cực và màng điền đầy bởi dầu silicon (5). Các áp suất p1 và p2 của hai môi tr−ờng đo tác động lên màng, làm màng dịch chuyển giữa hai bản cực tĩnh và tạo ra tín hiệu im (cung cấp bởi nguồn nuôi) tỉ lệ với áp suất giữa hai môi tr−ờng: C1 − C 2 i m = K1 = K(p1 − p2 ) (8.27) C1 + C 2 - 138 -
14. Để biến đổi biến thiên điện dung C thành tín hiệu đo l−ờng, th−ờng dùng mạch cầu xoay chiều hoặc mạch vòng cộng h−ởng LC. Bộ cảm biến kiểu điện dung đo đ−ợc áp suất đến 120 MPa, sai số ± (0,2 - 5)%. 3.2.4. Bộ biến đổi kiểu áp trở Cấu tạo của phần tử biến đổi áp trở biểu diễn trên hình 8.13a. Cảm biến áp trở gồm đế silic loại N (1) trên đó có khuếch tán tạp chất tạo thành lớp bán dẫn loại P (2) , mặt trên đ−ợc bọc cách điện và có hai tiếp xúc kim loại để nối dây dẫn (3). 3 R4 o R1 60 R3 R2 J 2 1 T a) b) Hình 8.13. Sơ đồ nguyên lý cảm biến áp trở a) Sơ đồ cấu tạo b) Vị trí đặt trên màng 1) Đế silic-N 2) Bán dẫn P 3) Dây dẫn Trên hình 8.13b là tr−ờng hợp màng định h−ớng (100) có gắn 4 cảm biến áp trở, trong đó có hai cảm biến đặt ở tâm theo h−ớng (110) và hai cảm biến đặt ở biên tạo thành với h−ớng (100) một góc 60o. Với cách đặt nh− vậy, biến thiên điện trở của hai cặp cảm biến khi có ứng suất nội sẽ bằng nhau nh−ng trái dấu: ∆R1 = ∆R3 = −∆R2 = −∆R4 = ∆R Để đo biến thiên điện trở ng−ời ta dùng mạch cầu, khi đó ở hai đầu đ−ờng chéo cầu đ−ợc nuôi bằng dòng một chiều sẽ là: I V = ()∆R − ∆R + ∆R − ∆R = I∆R m 4 1 2 3 4 Sự thay đổi t−ơng đối của trở kháng theo ứng lực σ tính xác định theo biểu thức: ∆R = πσ R0 Trong đó π là hệ số áp trở của tinh thể (~ 4.10-10 m2/N), khi đó biểu thức điện áp có dạng: Vm = πIR0σ (8.28) - 139 -
15. Bộ chuyển đổi kiểu áp trở làm việc trong dải nhiệt độ từ - 40oC đến 125oC phụ thuộc vào độ pha tạp. Ng−ời ta cũng có thể bù trừ ảnh h−ởng của nhiệt độ bằng cách đ−a thêm vào bộ chuyển đổi một bộ phận hiệu chỉnh đ−ợc điều khiển qua đầu đo nhiệt độ JT. d) Bộ chuyển đổi kiểu áp điện Bộ chuyển đổi kiểu áp điện, dùng phần tử biến đổi là phần tử áp điện, cho phép biến đổi trực tiếp ứng lực d−ới tác động của lực F do áp suất gây nên thành tín hiệu điện. D d Trục điện p Trục quang a) b) Hình 8.14 Cảm biến kiểu áp trở a) Phần tử áp điện dạng tấm b) Phần tử áp điện dạng ống áp suất (p) gây nên lực F tác động lên các bản áp điện, làm xuất hiện trên hai mặt của bản áp điện mộtđiện tích Q tỉ lệ với lực tác dụng: Q = kF Với F = p.S, do đó: Q = kpS Trong đó: k - hằng số áp điện, trong tr−ờng hợp thạch anh k = 2,22.10-12 C/N. S - diện tích hữu ích của màng. Để tăng điện tích Q ng−ời ta ghép song song một số bản cực với nhau. Đối với phần tử áp điện dạng ống, điện tích trên các bản cực xác định theo công thức: 4dh Q = kF (8.29) D2 − d2 Trong đó: D, d - đ−ờng kính ngoài và đ−ờng kính trong của phần tử áp điện. h - chiều cao phần phủ kim loại. - 140 -
16. Giới hạn trên của cảm biến áp suất dùng bộ biến đổi áp điện từ 2,5 - 100 MPa, cấp chính xác 1,5;2. Bộ biến đổi áp điện có hồi đáp tần số rất tốt nên th−ờng dùng để đo áp suất thay đổi nhanh, tuy nhiên chúng có nh−ợc điểm là nhạy cảm với sự thay đổi nhiệt độ. - 141 -