-90-
Chơng V
Cảm biến đo biến dạng
Dới tác động của ứng lực cơ học, trong môi trờng chịu ứng lực xuất hiện
biến dạng. Sự biến dạng của các cấu trúc ảnh hởng rất lớn tới khả năng làm việc
cũng nh độ an toàn khi làm việc của kết cấu chịu lực. Mặt khác giữa ứng lực và
biến dạng có mối quan hệ với nhau, dựa vào mối quan hệ đó ngời ta có thể xác
định đợc ứng lực khi đo biến dạng do nó gây ra. Bởi vậy đo biến dạng là một vấn
đề đợc quan tâm nhiều trong kỹ thuật.
5.1. Biến dạng và phơng pháp đo
5.1.1. Địng nghĩa một số đại lợng cơ học
- Biến dạng : là tỉ số giữa độ biến thiên kích thớc (l) và kích thớc ban đầu (l).
l
l
= (5.1)
Biến dạng gọi là đàn hồi khi mà ứng lực mất đi thì biến dạng cũng mất theo.
Biến dạng mà còn tồn tại ngay cả sau khi ứng lực mất đi đợc gọi là biến dạng
d.
-
Giới hạn đàn hồi: là ứng lực tối đa không gây nên biến dạng dẻo vợt quá 2%,
tính bằng kG/mm
2
. Ví dụ giới hạn đàn hồi của thép ~20 - 80 kG/mm
2
.
-
Môđun Young (Y): xác định biến dạng theo phơng của ứng lực.
==
Y
1
-91-
5.1.2. phơng pháp đo biến dạng
Tác động của ứng lực gây ra sự biến dạng trong kết cấu chịu ứng lực. Giữa
biến dạng và ứng lực có quan hệ chặt chẽ với nhau, bằng cách đo biến dạng ta có thể
tính đợc ứng lực tác động lên kết cấu. Để đo biến dạng ngời ta sử dụng các cảm
biến biến dạng hay còn gọi là đầu đo biến dạng.
Hiện nay sử dụng phổ biến hai loại đầu đo biến dạng:
-
Đầu đo điện trở: đây là loại đầu đo dùng phổ biến nhất. Chúng đợc chế tạo từ
vật liệu có điện trở biến thiên theo mức độ biến dạng, với kích thớc nhỏ từ vài mm
đến vài cm, khi đo chúng đợc dán trực tiếp lên cấu trúc biến dạng.
-
Đầu đo dạng dây rung đợc dùng trong ngành xây dựng. Đầu đo đợc làm bằng
một sợi dây kim loại căng giữa hai điểm của cấu trúc cần đo biến dạng. Tần số của
dây rung là hàm của sức căng cơ học, tần số này thay đổi khi khoảng cách hai điểm
nối thay đổi.
Trong chơng này đề cập đến các đầu đo biến dạng thờng dùng trong công
nghiệp nh đầu đo điện trở kim loại, đầu đo điện trở bán dẫn - áp điện trở, ứng suất
kế dây rung và các đầu đo trong chế độ động.
5.2. Đầu đo điện trở kim loại
5.2.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
Đầu đo điện trở kim loại có cấu tạo dạng lới. Đối với đầu đo dạng lới dây,
đợc làm bằng dây điện trở có tiết diện tròn (đờng kính d

20
à
m) hoặc tiết diện
chữ nhật axb (hình 5.1a). Đầu đo dạng lới màng chế tạo bằng phơng pháp mạch in


Đối với đầu đo bán dẫn, biến thiên điện trở suất do tác dụng của ứng lực có dạng:

l
l
Y

==



Trong đó

là hệ số áp điện trở,

là ứng lực tác dụng.
Vậy:

(){}
l
l
Y21
R
R

++=

(5.8)
và hệ số đầu đo:



Nồng độ tạp chất/cm
3
(cm)
10
14

10
15
10
16
10
17

10
18
10
19
10
-3

10
-2

10
-1

1
Hình 5.5 Sự phụ thuộc của điện trở suất vào nồng độ pha tạp và nhiệt độ
(cm)

khi nhiệt độ nhỏ hơn 120
o
C hệ số nhiệt điện trở có giá trị
dơng và giảm dần khi độ pha tạp tăng lên.
ảnh hởng của độ biến dạng:
Hệ số đầu đo phụ thuộc vào độ biến dạng, quan hệ có
dạng:

2
221
KKKK ++=

Tuy nhiên với độ biến dạng dới một giá trị cực đại nào đó có thể coi K không đổi.

ảnh hởng của nhiệt độ:
Khi nhiệt độ tăng hệ số đầu đo giảm, tuy nhiên khi độ pha
tạp lớn (cỡ N
d
= 10
20
cm

ả
nh hởng của độ pha tạp:
Hệ số
đầu đo phụ thuộc vào độ pha tạp,
khi độ
pha tạp tăng lên, hệ số đầu
đo giảm (hình 5.6).
Hình 5.6 Sự phụ thuộc của K vào độ pha tạp
-100
0
100
200
300
400
500
T
o
C
40
80
120
160
180
200
240
600
10
20

3.10

l.10
v
f
max
=

5.4.2. Giới hạn mỏi
Biến dạng nhiều lần làm tăng điện trở đầu đo do hiệu ứng mỏi, hiệu ứng này
càng lớn khi biên độ biến dạng càng lớn.
Giới hạn mỏi đợc xác định bởi số chu kỳ biến dạng N với biên độ cho trớc
gây nên biến thiên điện trở bằng 10
-4
ứng với chu kỳ biến dạng giả định. Đối với
biên độ biến dạng cỡ

2.10
-3
giới hạn mỏi nằm trong khoảng từ 10
4
(constantan) đến
10
8
(isoelastic) chu kỳ.
5.5. ứng suất kế dây rung
ứ
ng suất kế dây rung đợc dùng để theo dõi kiểm tra các công trình xây dựng
nh đập, cầu, đờng hầm ...
Cấu tạo của ứng suất kế dây rung gồm một dây thép căng giữa hai giá gắn vào
cấu trúc cần nghiên cứu biến dạng. Khi có biến dạng, sự căng cơ học của dây kéo
theo sự thay đổi tần số dao động N của dây, bằng cách đo tần số dao động của dây