-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

Điện trở của cảm biến xác định bởi biểu thức :

S
l
R

=
(5.4)
Phơng trình sai phân:



+



=

S
S
l
l
R
R

S
=


Mặt khác, đối với đầu đo kim loại:

V
V
C

=



1
2
3
5
4
6
7
Hình 5.2 Cách cố định đầu đo trên bề mặt khảo sát
1) Bề mặt khảo sát 2) Cảm biến 3)Lớp bảo vệ 4) Mối hàn
5) Dây dẫn 6) Cáp điện 7) Keo dán

-93-
C - hằng số Bridman.
V - thể tích dây.
Vì V = S.l, ta có:



=

++=

(5.5)
Hệ số K đợc gọi là hệ số đầu đo, giá trị xác định theo biểu thức:
( )
++= 21C21K
(5.6)
Vì 0,3, C 1, nên đầu đo kim loại có K 2.
5.2.2. Các đặc trng chủ yếu
- Điện trở suất
: điện trở của vật liệu làm dây phải đủ lớn để dây không quá dài
làm tăng kích thớc cảm biến và tiết diện dây không quá bé làm giảm dòng đo dẫn
đến làm giảm độ nhạy.
- Hệ số đầu đo
: thông thờng K = 2 - 3, ngoại trừ isoelastic có K = 3,5 và platin-
vonfram K = 4,1.
- ảnh hởng của lực đến độ tuyến tính
: trong giới hạn đàn hồi, hệ số đầu đo không
đổi do quan hệ tuyến tính giữa điện trở và biến dạng. Ngoài giới hạn đàn hồi, khi

l/l > 0,5% - 20% tuỳ theo vật liệu, hệ số đầu đo K

2.
-
ả
nh hởng của nhiệt độ:
nói chung K ít chịu ảnh hởng của nhiệt độ, ngoại trừ

K
= +0,01%/
o
C
- Độ nhạy ngang
: ngoài các nhánh dọc có điện trở R
L
cảm biến còn có các đoạn
nhánh ngang có tổng độ dài l
t
, điện trở R
t
, do đó điện trở tổng cộng của cảm biến

-94-
bằng R = R
L
+ R
t
. Trong quá trình biến dạng các đoạn ngang cũng bị biến dạng, R
t

thay đổi cũng làm cho R thay đổi. Tuy nhiên do R
t
<< R
L
, ảnh hởng của biến dạng
ngang cũng không lớn.
5.3. Cảm biến áp trở silic
5.3.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Si-N
Si-
P
SiO
2
Hình 5.4 Đầu đo loại khuếch tán
P
P
N
N
Hình 5.3 Đầu đo chế tạo bằng các mẫu cắt
N