Tiểu luận Cảm biến

Tiểu luận " Cảm biến "
MỤC LỤC
Lời nói đầu	2
Cảm biến đo rung	3
Giới thiệu chung về cảm biến rung	3
Các loại cảm biến rung	5
Ứng dụng của các cảm biến rung	6
Chấn động kế cảm ứng	10
Sơ đồ cấu tạo của chấn động kế kiểu cảm ứng	10
Nguyên lí hoạt động	11
Mốt số ứng dụng của trấn động kế cảm ứng	12
Cảm biến áp điện đo gia tốc	12
Sơ đồ cấu tạo và nguyên lí hoạt động	15
Đặc trưng của cảm biến	15
Một số loại cảm biến áp điện đo gia tốc	17
Cảm biến áp trở đo gia tốc	18
Cấu tạo và nguyên lí hoạt động	20
Cảm biến áp trở kim loại	21
Cảm biến áp trở bán dẫn	23
Một số đặc điểm của cảm biến áp trở	26
Cảm biến áp trở đo gia tốc	27
Một số loại cảm biến áp trở đo gia tốc	28
Đặc điểm của các cảm biến đo rung và gia tốc	29
* Một số hình ảnh các loại cảm biến gia tốc khác tìm được	30
**Một số ứng dụng của cảm biến đo gia tốc	31
Tài liệu tham khảo	37
LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay, trong các hệ thống đo lường - điều khiển, mọi quá trình đều được đặc trưng bởi các biến trạng thái. Các biến trạng thái này thường là các đại lượng không điện như nhiệt độ, áp suất, lưu lượng, tốc độ, độ di chuyển v.v
Để thực hiện các quá trình đo lường và điều khiển cần phải thu thập thông tin, đo đạc, theo dõi sự biến thiên của các biến trạng thái của quá trình thực hiện chức năng trên là các thiết bị cảm biến.
Cảm biến là các phần tử nhạy cảm dùng để biến đổi các đại lượng đo lường, kiểm tra hay điều khiển từ dạng này sang dạng khác thuận tiện hơn cho việc tác động của các phần tử khác. Cảm biến là một thiết bị chịu tác động của đại lượng cần đo m không có tính chất điện và cho một đặc trưng mang bản chất điện (như điện tích, điện áp, dòng điện, trở kháng) kí hiệu là s có: s = F(m). Cảm biến thường dùng ở khâu đo lường và kiểm tra.
Các loại cảm biến được sử dụng rộng rãi trong tự động hóa các quá trình sản xuất và điều khiển tự động các hệ thống khác nhau. Chúng có chức năng biến đổi sự thay đổi liên tục các đại lượng đầu vào (đại lượng đo lường - kiểm tra, là các đại lượng không điện nào đó thành sự thay đổi của các đại lượng đầu ra là đại lượng điện, ví dụ: điện trở, điện dung, điện kháng, dòng điện, tần số, điện áp rơi, góc pha,...
Căn cứ theo dạng đại lượng đầu vào người ta phân ra các loại cảm biến như: cảm biến chuyển dịch thẳng, chuyển dịch góc quay, tốc độ, gia tốc, momen quay, nhiệt độ, áp suất, quang, bức xạ v.v...
Các thiết bị cảm biến đang dần trở thành một phần không thể thiếu trong đời sống hiện đại của chúng ta. Trong tiểu luận này, chúng tôi chỉ xét đến hai loại cảm biến khá phổ biến trong các hệ thống đo lường và điều khiển ngày nay, đó là cảm biến gia tốc và rung. Do kiến thức còn hạn chế và thời gian tìm hiểu chưa được nhiều nên bài tiểu luận này còn nhiều thiếu xót. Chúng tôi hi vọng sẽ nhận được nhiều ý kiến từ thầy hướng dẫn và các bạn đọc để bài viết được hoàn thiện hơn.
Chúng tôi xin chân thành cảm ơn!
CẢM BIẾN ĐO RUNG
Giới thiệu chung về cảm biến rung
Đo độ rung trong công nghiệp có tầm quan trọng đặc biệt vì rung động gây nên tiếng ồn có hại cho sức khỏe, giảm tuổi thọ và năng suất của các thiết bị, làm mài mòn và gây mỏi cho các chi tiết cơ khí. Vì vậy trong các quy định người ta giới hạn biên độ rung động cho các thiết bị cụ thể theo tiêu chuẩn quốc gia. Giám sát độ rung theo thời gian cho phép các kỹ sư nhà máy dự đoán các vấn đề trước khi xảy ra thiệt hại nghiêm trọng. Độ rung được đặc trưng bởi độ dịch chuyển, tốc độ hoặc gia tốc tại các điểm nào đó trên thiết bị.
Cấu tạo chung: Cảm biến rung bao gồm một phần tử nhạy cảm (lò xo, tinh thể áp điện) nối với một khối lượng rung và được đặt chung trong một vỏ hộp. Chuyển động rung của khối lượng M tác động lên phần tử nhạy cảm của cảm biến và được chuyển thành tín hiệu ở đầu ra.
Hình 1: Sơ đồ nguyên lý cảm biến đo gia tốc và rung
Khối rung 2) Vỏ hộp 3) Phần tử nhạy cảm 4) Giảm chấn
Gọi ho là tung độ của điểm a của vỏ hộp, h là tung độ điểm b của khối lượng rung. Khi không có gia tốc tác động lên vỏ hộp, tung độ của a và b bằng nhau.
Dịch chuyển tương đối của khối lượng M so với vỏ hộp xác định bởi biểu thức:
z = h - ho
Khi đó phương trình cân bằng lực có dạng:
d 2h	dz
M dt2
= -F
- Cz
dt
Cz	- Phản lực của lò xo
F dz dt
d2h

- lực ma sát nhớt
Hay :
M
dt2
- Lực đo gia tốc của khối M gây nên.
-
d2h M 	0
dt2
d2 z
=
M
dt2
+ F dz
dt
+Cz
Từ công thức trên ta nhận thấy cấu tạo của cảm biến để đo đại lượng sơ cấp độ dịch chuyển ho, vận tốc dho/dt ( hoặc gia tốc d2ho/dt2 ) phụ thuộc vào đại lượng được chọn để làm đại lượng đo thứ cấp m2 ( z, dz/dt hoặc d2z/dt2 ) và dải tần số làm việc. Dải tần số làm việc quyết định số hạng nào trong vế phải phương trình chiếm ưu thế ( Cz, Fdz/dt hoặc Md2z/dt2 ).
Ở đây ta chỉ xét cảm biến thứ cấp là cảm biến đo vị trí tương đối của khối lượng rung M so với vỏ hộp.
Quan hệ giữa tần số cộng hưởng của hệ thống cơ và giải tần cần đo thường tỷ lệ nghịch với nhau. Tần số của cảm biến khi đo độ rung cần thấp hơn một số lần giới hạn dưới của dải tần cần đo. Khi đo gia tốc tần số của cảm biến cần lớn hơn một số lần giới hạn trên của dải tần cần đo.
Dải tần đo độ rung nằm trong khoảng 20 ÷ 3000 Hz vì vậy hệ thống cơ cần có tần số nằm trong khoảng 2 ÷ 7 Hz. Khi đo gia tốc, tần số nằm trong khoảng 10 ÷ 15 Hz.
Tùy theo dải tần, cảm biển rung được cấu tạo khác nhau cho phù hợp.
Hình 2: Cấu trúc chung của cảm biến đo rung (a), đo lắc (b)
Các loại cảm biến rung
Cảm biến rung trên thị trường hiện nay có ít nhất 3 loại:
Cảm biến đo biên độ rung: Loại này thường được chế tạo để đo độ rung của các trục máy. Nó dựa trên hiệu quả của dòng điện xoáy và phản ứng ngược lại của dòng điện này. Các cảm biến này khá gọn nhẹ, nhưng đòi hỏi mạch xử lý tín hiệu phức tạp. Chỉ ứng dụng tốt đối với đo độ rung của các thiết bị lớn, được gia công chính xác, và cần có hệ điều kiển thông minh, đắt tiền với những phần mềm khủng.
Cảm biến đo tốc độ rung: Loại này dùng đo tốc độ rung của hầu hết các thiết bị thông dụng. Thường sử dụng nguyên lý cảm ứng điện từ, độ chính xác phụ thuộc rất nhiều vào nam châm vĩnh cửu và chất dầu cản dịu bên trong. Loại này tương đối bền bỉ nhất. Chỉ cần mạch khuếch đại AC đơn giản là có thể đo chính xác. Muốn đo biên độ rung, thì cần mạch khuếch đại tích phân cơ bản.
Cảm biến đo gia tốc rung: Đa số là loại cảm biến kiểu áp điện, ứng dụng hiệu ứng áp điện (Piezo electric). Cảm biến này luôn cần phải có nguồn cung cấp. Trị số
điện áp ra tỷ lệ với gia tốc rung. Muốn đo vận tốc rung phải dùng mạch khuếch đại
tích phân. Muốn đo biên độ rung phải dùng mạch tích phân hai lớp.
Tuy nhiên, hầu hết các mạch đo rung đều hoạt động ở điện áp xoay chiều, tần số tối thiểu cỡ 15 Hz, và tối đa lên đến chục kHz. Nếu những máy có phân tích họa tần thì độ rộng băng càng cần lớn hơn nữa. Những mạch khuếch đại sẽ rất phức tạp.
Ứng dụng của cảm biến rung
Cảm biến rung có rất nhiều ứng dụng trong lao động và đời sống hàng ngày. Nó giúp người điều khiển có thể kiểm tra được tình trạng hoạt động của các thiết bị đang hoạt động. Đối với một số thiết bị kỹ thuật số hiện đại thì việc đo cảm biến rung để tìm cách hạn chế ảnh hưởng của sự rung là một việc rất quan trọng. Ta có thể lấy một số ví dụ về cảm biến rung sau:
Cảm biến rung có thể lắp dưới nước để bảo vệ bơm: Bơm thường có các thành phần mà nó phải mang như ổ trục. Việc giám sát rung ổ trục cung cấp cho kỹ sư bảo trì thông tin để chẩn đoán khi cần sửa chữa hoặc thay thế linh kiện. Điều này làm cho nhà máy hoạt động hiệu quả hơn, giảm chi phí vận hành cũng như chống thời gian chết máy móc.
Dưới đây là một số cảm biến của hãng Hansford Sensors có thể hoạt động khi chúng được nhúng hoàn toàn dưới nước, khiến chúng trở nên lí tưởng đối với việc giám sát bơm.
Hình 3: Cảm biến của hãng Hansford Sensors
Cảm biến này cũng được sử dụng trong điều kiện từ xa tại giếng bơm, lỗ khoan,
khử muốn và các nhà máy quá trình công nghiệp.
- Cảm biến rung dùng trong mạch chống trộm:
Hình 4: Cảm biến chống trộm
Khi bị rung thì đoạn kim loại nảy lên làm hở mạch. Kim loại càng cứng thì độ
nhạy càng cao.
EX64xB7x là cảm biến ra 4-20 mA nguồn vòng lặp với NPT 1-inch, hộp dẫn khuỷu tay 90 độ, đáp ứng những yêu cầu chứng nhận ATEX và CSA sử dụng trong môi trường khắc nghiệt.
Hình 5: Cảm biến EX64xB7x
Cảm biến hoạt động từ nguồn vòng lặp 24V tiêu chuẩn, giúp chúng trực tiếp tương thích với các hệ thống PLCs, SCADA, DCS, và Plant Information (PI) hiện
nay, phục vụ giám sát độ rung liên tục các mức rung trên máy trong những môi trường ứng dụng khắc nghiệt.
Cảm biến này có đầu ra gia tốc và vận tốc với biên độ thay đổi rộng. Đầu ra của độ rung cao nhất hoặc RMS có thể được lựa chọn, cũng như nhiệt độ lựa chọn và đầu ra rung nhỏ. Đầu ra rung nhỏ cung cấp tín hiệu bộ đệm có thể được sử dụng với thiết bị thu thập dữ liệu rung để thực hiện phân tích chẩn đoán chi tiết khi trục trặc được phát hiện.
Đo vị trí thực của các gối trục của máy: Đây là cách bố trí các cảm biến rung kiểu đo khoảng cách (vị trí) để có thể đo vị trí thực ở khu vực 4 gối trục của hệ Tua bin, máy phát.
Hình 6: Vị trí các cảm biến rung trong tua bin, máy phát
CHẤN ĐỘNG KẾ CẢM ỨNG
Sơ đồ cấu tạo của cảm biến đo chấn động kiểu cảm ứng
giá đỡ bằng kim loai
Thanh dao động
Mạch từ
Lò xo cảm ứng
Cuộn dây cảm ứng
Cuộn bù nhiệt độ
Nguyên lý hoạt động

Hình 7: Sơ đồ chấn động kế cảm ứng
Bình thường dưới tác dụng của trọng lượng khối quán tính và lực dây của lò xo ở trạng thái cân bằng,cuộn dây của lò xo ở trạng thái cân bằng.Cuộn dây cảm ứng đặt giữa khe hở không khí của nam châm đứng yên.
Khi có chấn động (độ dung), giữa nam châm và cuộn dây di chuyển tương đối với nhau làm cho từ thông móc vòng qua cuộn dây thay đổi tạo ra sức điện động cảm ứng.
Sức điện động này tỷ lệ với biên độ rung và được đưa ra mạch đo và chỉ thị. Sức điện động cảm ứng có thể bị nhiễu do từ trường bên ngoài, để khử nhiễu người ta quấn thêm cuộn dây bù có số vòng bằng cuộn dây cảm ứng nhưng được đấu ngược chiều. Sức điện động do nhiễu sinh ra trong 2 cuộn dây sẽ khử lẫn nhau.
Kết hợp với các mạch đo, cảm biến có thể đo được biên độ rung, tốc độ và gia tốc. 3. Một số ứng dụng của chấn động kế cảm ứng
Chấn động kế có một số ứng dụng như: Theo dõi các tần số thấp, các chấn động địa lý, phân tích chuyển động, kiểm tra, đo lường các ứng dụng v.v
Dưới đây là một số hình ảnh về ứng dụng của chấn động kế cảm ứng được sử dụng trong các ngành y tế, hàng không và quân sự, giao thông vận tải v.v
Hinh 8: Một số chấn động kế cảm ứng thông dụng
Hình bên là chấn động kế cảm ứng của hãng Meas với nhãn hiệu Model EGHS – M được thiết kế cho các ứng dụng nhúng, gia tốc có sẵn trong ±30.000
÷ ± 60.000g được đóng gói trong một phong bì LCC thu nhỏ.
Mô hình EGHS – M kết hợp một cảm biến

Hình 9: Chấn động kế
của hãng Meas
MEMS không bị kẹt với một tần số > 200kHz cộng hưởng. Đó là lý tưởng cho việc đo đạc xung sốc trong thời gian ngắn.
Ứng dụng của EGHS – M là tác động và kiểm tra shock, các ứng dụng nhúng, các cú sốc biên độ cao.
CẢM BIẾN ÁP ĐIỆN ĐO GIA TỐC
Cấu tạo và nguyên lý hoạt động:
Khi một lực vật lý được tác động thêm gia tốc, các địa chấn tải sẽ tác động lên các phần tử áp điện một lực tuân theo định luật II Newton ( F = m.a). Các lực này có thể đo được bằng cách đo sự thay đổi trong lực tĩnh điện hoặc điện áp được tạo ra bởi các vật liệu áp điện. Từ đó, ta có thể đo được gia tốc đã được thêm vào. Vật liệu áp điện được sử dụng cho mục đích gia tốc có thể rơi vào hai loại. Đầu tiên và được sử dụng rộng rãi hơn là vật liệu đơn tinh thể ( thường là thạch anh ). Loại còn lại là vật liệu gốm áp điện tổng hợp. So với vật liệu đơn tinh thể thì vật liệu gốm áp điện tổng hợp có độ nhạy cảm tốt hơn nhưng tuổi thọ của độ nhạy cảm lại ít hơn so với các vật liệu đơn tinh thể.
Cấu tạo chung của gia tốc kế áp điện gồm một khối lượng rung M và một phần tử áp điện đặt trên giá đỡ cứng, và toàn bộ được đặt trong một vỏ hộp kín.
Hầu hết các gia tốc áp điện được làm bằng thạch anh tinh thể, gốm áp điện, hoặc đối với hoạt động nhiệt độ cao, là tuamalin hoặc niobate lithium. Chúng phải tuân theo định luật II Newton, F =m.a, trong đó lực lượng tác động lên các yếu tố đo được tỷ lệ thuận với khả năng tăng tốc của sản xuất.
Tác dụng: Đo độ rung có tần số cao
(10 ÷ 20 kHz)
Hoạt động: Khi đo, khối rung tác động lên phần

Hình 10: Cảm biến áp điện đo gia tốc
1) Vỏ bọc 2) Ren lắp 3) Phần tử áp điện
Khối quán tính 5)Dây dẫn 6)Cáp bọc kim
tử áp điện và chúng tạo nên các điện tích tỷ lệ với phản lực, tức là với sự chuyển động của khối rung. Tín hiệu được đưa ra ngoài và đo bằng dụng cụ đo.
Sơ đồ khối của dụng cụ vạn năng dùng cảm biến áp điện đo biên độ rung và gia tốc:
Hình 11: Sơ đồ khối gia tốc kế áp điện
Thông thường cần phải đo gia tốc theo hai hướng dọc theo trục nhạy cảm. Tuỳ thuộc vào bản chất lực tác dụng ( nén, kéo hoặc cắt ) trong bộ cảm biến phải có bộ phận cơ khí tạo ứng lực cơ học đặt trước lên phần tử áp điện để mở rộng dải đo gia tốc theo hai chiều.
Lực tác dụng lên áp điện có thể phân thành hai loại: nén hoặc uốn.
Dưới đây là sơ đồ cấu tạo của các gia tốc kế áp điện kiểu nén.
Hình 12: Sơ đồ cấu tạo gia tốc kế áp điện kiểu nén
Khối lượng rung 2) Phiến áp điện 3) Đai ốc 4) Đế 5) Vỏ hộp
Cảm biến này có tần số cộng hưởng cao, kết cấu chắc chắn, nhạy với ứng lực của đế.
Sơ đồ cấu tạo của gia tốc kế kiểu uốn cong trình bày trên hình 13.
Phần tử áp điện của cảm biến gồm hai phiến áp điện mỏng dán với nhau, một đầu gắn cố định lên vỏ hộp cảm biến, một đầu gắn với khối lượng rung. Cảm biến loại này cho độ nhạy rất cao nhưng tần số và gia tốc rung đo được bị hạn chế.
Hình 13: Sơ đồ cấu tạo gia tốc kế áp điện kiểu uốn cong
Khối lượng rung 2)Phiến áp điện 3)Vỏ hộp
2 - Đặc trưng của cảm biến:
Độ nhạy được biểu diễn bằng biểu thức:
S = Q = S S
a	1 2
Trong đó:	a – Gia tốc của cảm biến
Q – Điện tích được tạo khi cảm biến rung với gia tốc a
S1 – Độ nhạy cơ của hệ thống khối lượng rung
S2 – Độ nhạy điện của cảm biến
Giá trị của S1, S2 được xác định như sau:
w 2
(1 -	) + (2
w 2
2
0
x	)
w
2
w
w
0
z
1
S1 = a =
Q
z
S2 =
= dC	1
1+ ( w0 )2
w
Trong đó :	d	– Hằng số điện môi
c	– Độ cứng của phần tử nhạy cảm
w = 1
t
– Tần số tắt dưới của hệ thống cảm biến - mạch đo
Để nhận được điện áp xoay chiều tỷ lệ với gia tốc rung nhưng không phụ thuộc vào tần số rung, cảm biến được nối song song với tụ C. Trở kháng Xc = 1/ωc với giải tần làm việc cần có điện trở rất nhỏ ở đầu vào của khuếch đại để hạn chế giới hạn của giải tần làm việc.
Điện áp ra sau khuếch đại được tách thành hai kênh song song. Một kênh gồm khuếch đại, chỉnh lưu và chỉ thị gia tốc. Kênh còn lại tín hiệu được đưa qua hai bộ tích phân và chỉnh lưu để chỉ biên độ rung.
Dải tần làm việc của cảm biến và thiết bị từ 20Hz ÷ 10kHz. Sai số quy đổi
±5%. Với mạch đo trên thiết bị có bốn giới hạn đo gia tốc 20, 100, 400 và 2000m/s2. Bốn giới hạn đo biên độ rung: 0,05; 0,25; 1 và 5mm.
3. Một số loại cảm biến áp điện đo gia tốc
Chúng ta đã từng nghe nói đến những chiếc laptop sẽ tự tắt ổ cứng (đưa đầu đọc đến vị trí an toàn) khi phát hiện rung động mạnh, hay gần gũi hơn là những
chiếc iPhone mà bạn có thể chơi trò đua xe dễ dàng bằng cách nghiêng thân máyĐó là những ví dụ dễ thấy nhất về tầm quan trọng cũng như ứng dụng của các thiết bị cảm biến đo gia tốc đến ngành công nghiệp điện tử.
Hình 15: Mô hình endevco 751
Hình 16: Endevco mô hình 65HT ISOTRON
CẢM BIẾN ÁP TRỞ ĐO GIA TỐC
Nguyên lý hoạt động
Khi vật dẫn chịu biến dạng cơ học mà điện trở của nó thay đổi, hiện tượng đó được gọi là hiệu ứng áp trở (Piezo resistive effect). Cảm biến có nguyên lý hoạt động dựa trên hiệu ứng đó gọi là cảm biến áp trở.
Như ta đã biết, điện trở của một vật dẫn được biểu diễn bằng biểu thức
R=r
Do chịu ảnh hưởng của biến dạng nên điệu trở của cảm biến bị thay đổi một
lượng DR. Ta có:
=	+	-
Nếu gọi :
=	- lượng biến thiên tương đối của điện trở khi bị biến dạng
=	- lượng biến thiên tương đối theo chiều dài
=	- lượng biến thiên tương đối theo điện trở suất
=	– lượng biến thiên tương đối theo tiết diện.
Ta có thể viết lại dưới dạng
Trong cơ học ta đã biết
( là hệ số poission) và
c- hệ số Bridman
v- thể tích
=	+	-
= 
= c
=	- lượng biến thiên tương đối theo thể tích
Mặt khác
Do đó
Từ các biểu thức trên ta được:

= )
= c(1+2	)	= m

với m là hệ số
=	+m)=K
K- hệ số và gọi là độ nhạy của cảm biến áp trở
Với vật liệu lỏng (thủy ngân, chất điện phân) nếu gọi V=l.S không thay đổi trong quá trình biến dạng, với =0,5 và bỏ qua hệ số m (do m có thay đổi giá trị rất nhỏ) ta có K=2.
-Với kim loại: =0,24÷4 ta có hệ số K=0,5÷4.
-Với chất bán dẫn: quan hệ giữa trở suất r và ứng lực s được biểu diễn bằng
biểu thức	s=E	=m
-hệ số
E- môđun đàn hồi
Do hệ số m rất lớn ở các điện trở bán dẫn nên hệ số +m cớ từ 100¸200 trong điều kiện bình thường.
Cảm biến áp trở được chia ra thành hai dạng cơ bản là áp trở kim loại và bán dẫn.
Cảm biến áp trở kim loại
Hình 17 là cấu tạo của cảm biến áp trở kim loại, chúng được phân thành dây mảnh, lá mỏng và màng mỏng.
a, Cảm biến áp trở dây mảnh (hình a), gồm có dây điện trở uốn hình răng lược, dây có đường kính từ 0,02¸0,03 mm. Hai đầu dây hàn với 2 lá đồng Berin hoặc đông phôt pho để nối với mạch đo. Hai phía dán 2 tấm giấy mỏng cỡ 0,1mm hoặc nhựa
polymide (0,03mm) để cố định hình dáng dây, chiều dài dây L=nl0 (l0-độ dài một đoạn dây, n-số đoạn); n=10¸20. Bình thường l0=8¸15mm và có thể tới 100mm hoặc có thể nhỏ hơn (l0=2,5mm). Chiều rộng a0=3¸10mm.
Điện trở dây R=10¸150W và có thể tới 800W¸1000W.
b, Cảm biến áp trở lá mỏng (hình b) là một lá rất mỏng có độ dày 4¸ 12mmm là từ hợp kim Constantan, chế tạo theo phương pháp ăn mòn quang học. Ưu điểm của loại lá mỏng là có kích thước nhỏ, hình dáng linh hoạt có độ nhạy (k) lớn ít chịu biến dạng ngang do chế tạo và điện trở lớn.
c, Cảm biến áp trở màng mỏng (hình c) được chế tạo bằng phương pháp bốc hơi kim loại có độ nhạy cao bám vào một khung có hình dáng định trước. Ưu điểm của loại màng mỏng là có thể tạo với hình dáng phức tạp, kích thước nhỏ, điện trở ban đầu lớn, độ nhạy cao.
Hình 17: Cấu tạo của cảm biến áp trở
Loại dây mảnhb) Loại lá mỏng	c,d) Loại màng mỏng
d, Yêu cầu vật liệu chế tạo điện trở
Độ nhạy: Thông thường độ nhạy k nằm trong khoảng 1,8¸2,35±0,1 với hợp kim platin-vonfram k=4,1.
Hệ số nhiệt độ cần nhỏ vì điện trở của kim loại phụ thuộc vào nhiệt độ. RT=R0[1+at(T-T0)]
Trong đó:

R0 là điện trở ở nhiệt độ chuẩn T0 do đó at nhỏ sẽ làmcho cảm biến ít bị thay đổi khi nhiệt độ thay đổi.
Điện trở suất: điện trở suất của vật liệu làm dây dẫn phải đủ lớn để
giảm kích thước và độ dài dây.
Vật liệu chọn cần chịu được ứng lực đủ lớn để tránh đứt khi chế tạo và sử dụng. Ứng lực tối đa không gây nên biến dạng cố định có trị số lớn hơn 0,2% (Độ lớn của giới hạn đàn hồi đo lực bằng kglực/mm2)
Cảm biến áp trở bán dẫn
Cảm biến áp trở bán dẫn được chế tạo từ các chất bán dẫn như Silic, Germani,
Asenuav.vv
a, Cấu tạo
Các cảm biến áp trở bán dẫn chia thành 2 loại: loại cắt và loại khuếch tán.
-	Loại cắt :
Hình 18: Cảm biến bán dẫn chế tạo từ mẩu cắt của đơn tinh thể silic
Mẩu cắt song song với đường chéo tinh thể lập phương đối với silic loại P và song song với cạnh lập phương nếu là silic loại N. Các mẫu cắt này được dán lên một giá đỡ bằng nhựa. Kích thước của mẩu cắt như sau:
+ Chiều dài L: từ 0,1mm đến 5mm
+ Chiều dày: ~10-2mm.
Vì chỉ là một mẩu cắt có kích thước nhỏ như vậy nên đầu đo có độ nhạy
ngang gần như bằng không.
-	Loại khuếch tán:
Trong cảm biến bán dẫn loại khếch tán, điện trở của cảm biến được tạo nên bằng cách khuếch tán tạp chất vào một phần của đế đơn tinh thể silic đã pha tạp. Điện trở loại N nhận được bằng cách khuếch tán vào đế silic loại P một tạp chất thuộc nhóm V trong bảng tuần hoàn (như P, Sb).
Hình19: Cấu trúc của cảm biến áp trở loại khuếch tán
Còn nếu khuếch tán tạp chất thuộc nhóm III (như Ga, In) vào để silic loại N thì sẽ nhận được điện trở loại P. Chuyển tiếp giữa đế và vùng khuếch tán tạo nên một điot, nó phải luôn luôn ở trạng thái phân cực ngược (vùng P âm hơn vùng N) để cho điện trở của cảm biến cách biệt với đế silic. Toàn bộ cấu trúc được bảo vệ bằng một lớp SiO2 có mở hai cửa sổ để phủ kim loại làm tiếp xúc dẫn điện ra ngoài cho điện trở.
b, Nguyên lý hoạt động
Bình thường các điện tử phân bố trong tinh thể bán dẫn bằng nhau, độ dẫn điện không thay đổi. Khi bị biến dạng, các điện tử phân bố trong tinh thể bán dẫn bị thay đổi do đó độ dẫn điện thay đổi và điện trở bị thay đổi theo.
Ví dụ: Tinh thể silic loại N có cấu trúc lập phương theo 3 trục X, Y, Z. Vì đối
xứng nên số điện tử tự do ở mỗi vùng trong trục bằng nhau.
Hình 20: Cấu trúc của áp trở bán dẫn
Độ dẫn điện theo 1 trục nào đó được biểu diễn bằng biểu thức:
s = qn(ms + 2mv)
q- điện tích
n- mật độ điện tử trong mỗi vùng tương ứng
ms- độ linh động của điện tử dọc trục
mv- độ linh động của điện tử ^ với 2 trục khác.
mv<<ms
Khi có lực tác động làm biến dạng, kích thước các ô mạng tinh thể thay đổi làm thay đổi nồng độ điện tử trong vùng do đó dộ dẫn bị thay đổi theo.
Độ pha tạp và loại chất pha tạp quyết định đến tính chất của cảm biến. Khi độ pha tạp tăng hệ số k giảm, độ nhạy nhiệt giảm nhưng độ tuyến tính tăng và ngược lại.
Ưu điểm của loại bán dẫn là độ nhạy cao k= -200¸+800, kích thước nhỏ
(2,5mm). Dải nhiệt độ làm việc từ -2500C¸+2500C. Nhược điểm là cơ học bền kém.
Một số đặc điểm của cảm biến áp trở
Độ nhạy k của các cảm niến áp trở kim loại thường bị giảm so với lý thuyết do phần uốn của các răng lược bị biến dạng ngang khi bị biến dạng, điện trở bằng tổng điện trở cảu đoạn dây dọc và ngang: R = Rl + Rn
Rl - độ gia tăng điện trở theo hướng dọc
Rn - độ gia tăng điện trở theo chiều uốn ngang
Mà:
Do đó độ nhạy giảm từ 25¸30%. Khắc phục nhược điểm trên, các điện trở lá
mỏng và màng mỏng được tăng tiết diện tại các vị trí uốn.
Hệ số dãn nở của cảm biến và đối tượng đo khác nhau, do cảm biến được gắn với đối tượng, khi nhiệt độ thay đổi gây nên hiện tượng biến dạng phụ thuộc không mong muốn.
Mật độ dòng cho phép trong các cảm biến áp trở phụ thuộc vào độ dẫn nhiệt, kích thước của đối tượng do đường kính dây.
Đối với dây Constantan, dòng cho phép tương ứng với kích thước
f=50mm	Icf=100mA
f=25mm	Icf=35mA
f=12mm	Icf=12,5mA
Với tải ngắn hạn Icf có thể tăng 30¸50%
Sai số của cảm biến:
Sai số chuẩn ban đầu. Nếu chuẩn hàng loạt sai số có thể tới 1¸5%. Khi chuẩn trực tiếp trong quá trình đo sai số giảm xuống 0,2¸0,5% do tĩnh và 1¸1,5% khi đo biến dạng động.
Sai số đo vụ trí chọn không chính xác.
Sai số đo biến dạng dư của keo dán khi sấy khô hoặc sự dãn nở khác nhau
giữa đối tượng dán và cảm biến.
Cảm biến áp trở đo gia tốc
Cấu tạo của cảm biến được mô tat như hình dưới đây
Hình 21: Sơ đồ cấu tạo cảm biến áp trở đo gia tốc.
Trong đó gồm khối quán tính M được găn với một tấm đàn hồi mỏng trên đó gắn 2 hoặc 4 áp trở mắc thành mạch cầu Wheatsstone. Tấm đàn hồi được gắn liền với giá trị đỡ (hình 5).
Dưới tác dụng của gia tốc, khối quán tính M dịch chuyển làm tấm đàn hồi uốn
cong gây nên biến dạng các áp trở.
Bình thường khi chưa có gia tốc, tấm đàn hồi đứng yên, các áp trở có giá trị số xác định và mạch cầu ở trạng thái cân bằng . Khi có gia tốc các áp trở biến dạng và điện trở của chúng thay đổi là cho cầu ở trạng thái mất cân bằng, điện áp ra của cầu được xác định (với 4 điện trở làm việc)
Ur = U0.
- độ điến thiên tương đối của điện trở. Mà
= kε
k – hằng số; ε – độ biến dạng tương đối;
l – độ dài của điện trở lực căng; U0 – điệp áp cung cấp cho cầu
Từ hai công thức trên ta có:
Ura = U0.kε = S.ε.
S – độ nhạy của cảm biến.
Thông thường hệ số	k = 1.8 tới 2.4 đối với kim loại
k = 50 tới 200 đối với bán dẫn
R = 300 tới 600Ω và lớn hơn.
Một số loại cảm biến áp trở đo gia tốc
Hình 22: Cảm biến Endevco model 2262A
Cấu tạo chung:
Hình 23: Smart Piezoresistive Accelerometer MODEL 2600
Sơ đồ hoạt động:
Hình 24: ENDEVCO MODEL 7264C
Cấu tạo:
ĐẶC ĐIỂM CỦA CÁC CẢM BIẾN ĐO RUNG VÀ GIA TỐC
Tần số riêng: (f0)
Tần số riêng f0 là đại lượng đặc trưng cho cảm biến, được biểu diễn bằng công
thức :
k.( 1 +
1
M	M g + M đ
)
f0 = 1
2p
Trong đó:	k	– Hệ số phản kháng
M – Khối quán tính
Mg – Khối giá đỡ
Mđ – Khối chuyển động
Tần số cộng hưởng: (fc)
Tần số cộng hưởng là tần số mà tại đó đặc tính có biên độ cực đại.
Tần số cộng hưởng được tính bằng công thức:
1 - 2e 2
fc = f0 Với	: Hệ số tắt dần
Ảnh hưởng của cảm biến đến đối tượng đo:
Do các cảm biến hay các gia tốc kế đều có khối lượng khá lớn vì thường làm bằng kim loại nặng và có thể bao gồm cả nam châm, cuộn dây hay tấm kim loại
..v..v. Nên khi gắn vào đối tượng đo các gia tốc kế sẽ làm ảnh hưởng tới tốc độ
của đối tượng đo và dẫn tới kết quả không chính xác.
Lực tác dụng lên đối tượng đo được biểu diễn bằng công thức :
F = Mđ.a
Khi có gắn gia tốc kế thì lực tác động không thay đổi và lúc này được tính bằng
công thức:
F = (Mđ + Mg).a'
với a' là gia tốc của hệ đối tượng đo + gia tốc kế
Ta thấy sau khi gắn gia tốc kế thì gia tốc của đối tượng đo bị thay đổi.
Ta có :
Mđ	.a
a' =
Mđ + Ma
Sự thay đổi gia tốc của đối tượng đo tỉ lệ với khối lượng của gia tốc kế. Khối lượng của gia tốc kế càng lớn thì gia tốc của đối tượng sau khi gắn càng nhỏ hơn so với gia tốc cần đo của đối tượng khi chưa gắn gia tốc kế.
=> Vậy để hạn chế ảnh hưởng của gia tốc kế tới đối tượng đo và nâng cao chính xác cho kết quả đo thì cần chế tạo gia tốc kế sao cho có khối lượng nhỏ nhất. Có thể bằng cách thiết kế nhỏ lại hoặc dùng những chất liệu nhẹ như làm vỏ hộp, thanh dao động ...
* Một số hình ảnh các loại cảm biến gia tốc khác
Hình 25: Một số cảm biến gia tốc khác
** Một số ứng dụng của cảm biến gia tốc
Hệ thống Túi khí – Air Bag
Hình 26: Mô hình ứng dụng cảm biến gia tốc
Cùng với thắt lưng bảo vệ, hệ thống túi khí đã trở thành một phần không thể thiếu trên ô tô ngày nay. Theo số liệu thống kê, hệ thống túi khí đã giúp giảm tới 30% sự nguy hiểm chết người có thể xảy đến khi va chạm trực diện.
Khi xe đang chạy với một vận tốc nhất định, thì mọi đối tượng trên xe cũng chuyển động theo cùng với vận tốc đó. Tuy nhiên, khi va chạm đột ngột xảy ra, vận tốc xe đột ngột giảm về 0, nhưng do lực quán tính, người trên xe vẫn chuyển động tới với vận tốc cũ, dẫn tới người lái văng mạnh phía trước, phần ngực và mặt sẽ bị đập vào tay lái. Hệ thống túi khí ra đời nhằm giảm thiểu tác động va chạm đó.
Hình 27: Sơ đồ hệ thống ứng dụng cảm biến gia tốc
Về cơ bản, hệ thống túi khí gồm 3 thành phần túi khí, bộ cảm biến và hệ thống bơm túi khí. Túi khí được làm từ chất liệu sợi nylon và được lắp đặt gói gọn trong vô lăng tay lái và bảng điều khiển phía trước. Trong một số xe cao cấp, túi khí còn được lắp đặt 2 bên cạnh xe. Bộ cảm biến: Khi xe va chạm vật cản với tốc độ 16-24 km/h, bộ cảm biến tự động kích hoạt hệ thống bơm túi khí. Bộ cảm biến cảm nhận va chạm thông qua một gia tốc kế được lắp đặt một chip xử lý siêu nhỏ. Hệ thống bơm túi khí: Giúp tạo phản ứng hóa học giữa NaN3 và KNO3, tạo thành khí N2 bơm căng các túi khí. Túi khí được bung ra với vận tốc 322 km/h. Cách 1 giây sau khi bung, các túi khí sẽ tự động xẹp xuống. Quá trình từ lúc bộ cảm biến sensor phát hiện va chạm đến khi túi khí được bơm đầy chỉ diễn ra trong vòng 1 phần 25 giây.
Thống kê cho thấy, 40% chấn thương nghiêm trọng là do chịu lực va chạm từ bên. Vì vậy, hiện nay, các nhà sản xuất đang nghiên cứu và triển khai các túi khí bảo vệ người trong xe khi bị va chạm từ bên. Tuy nhiên, chế tạo túi khí bên khó khăn hơn rất nhiều so với khi va chạm trực diện, một phần do khi va chạm trực diện, lực tác dụng bị hấp thụ một phần bởi cản trước cùng động cơ lắp trước, đồng thời phải mất 30-40 ms trước khi tác động đến người lái. Nhưng khi chịu va chạm bên, lực tác động chỉ bị hấp thụ một phần rất nhỏ bởi cánh cửa, vì vậy túi khí bên phải bung ra trong thời gian ngắn hơn nhiều mới có thể bảo vệ được người lái cũng như người ngồi trên xe, trong thời gian 5-6 ms.
Cảm biến gia tốc 3 trục bảo vệ những sản phẩm xách tay
Hình 28: Cảm biến gia tốc 3 trục
Dựa trên chất nền silicon và được chế tạo theo công nghệ gia công cơ khí vi mô có độ chính xác cao, HAAM Series có độ nhạy cao tới 400 mV/G (Vcc="3V)." Do có độ nhạy phát hiện 3 trục cao, thiết bị có thể phát hiện, thậm chí ngay cả những gia tốc động rất nhỏ tại trục X,Y và Z và đồng thời đưa ra kết quả dữ liệu gia tốc nghiêng và gia tốc trọng lượng. Những ứng dụng điển hình gồm bảo vệ ổ cứng của một máy tính để bàn, máy nghe nhạc MP3 và điện thoại di động thông minh. Trong trường hợp bạn đánh rơi di động, PDA hay máy nghe nhạc MP3, nó có thể tạo ra một báo động cảnh báo cho bạn biết nhằm giảm nguy cơ mất mát. Gia tốc được định mức ± 2G. Độ nhạy sinh ra là 400 mV/G. Sự cân bằng điện áp là 1.5V ± 0.075V. Tiêu thụ điện năng tối đa 1 mA. Nhiệt độ hoạt động từ 0 đến +70oC. Sức chịu va đập hơn 4.000G.
Cân bằng hai bánh xe
Hình 29: Xe ứng dụng cảm biến gia tốc
Sơ đồ chung của thiết bị.
Hình 30: Mạch điều khiển có dùng cảm biến gia tốc
Cảm biến gia tốc được sử dụng là loại ADXL202A dùng để đo góc nghiêng tĩnh dựa trên sự cảm sự biến đổi của gia tốc tĩnh.
LỜI KẾT
Cảm biến gia tốc và rung là nguồn thông tin ban đầu của máy móc quyết định năng suất, chất lượng sản phẩm an toàn. Điều quan trọng là cảm biến phải được lựa chọn đúng để đảm bảo thông tin tín hiệu đáng tin cậy. Điều này lưu ý kỹ thuật phác thảo một số các thông số quan trọng phải được kiểm tra trước khi lựa chọn cảm biến gia tốc và rung công nghiệp. Quá trình này sẽ làm tăng hiệu quả chương trình giám sát độ rung của bạn và cải thiện năng suất của thiết bị và nhân viên nhà máy.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Đo lường thiết bị điện và đại lượng đo lường
(Tác giả : Nguyễn Văn Hòa)