Bài giảng Cảm biến áp suất

1 
Cảm biến áp suất 
To learn something new, first, you must know something old 
2 
Áp suất chất lưu 
Áp suất được định nghĩa là lực tác dụng lên một đơn vị diện tích trên bất kỳ bề mặt nào. 
Áp suất được phân thành 3 loại: 
Áp suất tuyệt đối: điểm đo so với chân không. 
Áp suất tương đối biểu diễn độ chênh lệch áp suất giữa điểm đo và môi trường xung quanh. 
Áp suất vi sai biểu diễn độ chênh lệch áp suất giữa 2 điểm, trong đó 1 điểm được chọn làm chuẩn. Có thể áp suất ở cả 2 điểm đều thay đổi, nhưng chỉ có độ chênh lệch áp suất mới được quan tâm. 
3 
Áp suất cột chất lưu chứa trong một ống hở đặt thẳng đứng, tác dụng lên một đơn vị diện tích bề mặt 
ρ : khối lượng riêng 
g: gia tốc trọng trường 
p 0 : áp suất khí quyển 
h: chiều cao cột chất lưu 
Điều kiện bình thường, cột thủy ngan 
Áp suất thủy tĩnh 
p= p 0 + ρ gh 
4 
Đơn vị đo áp suất 
Hệ SI: Pascal (Pa) là Nm -2 
Công nghiệp: bar (1bar = 10 5 Pa) 
5 
Nguyên lý đo áp suất 
Chất lưu không chuyển động đo áp suất tĩnh p t → đo lực tác dụng 
đo lực tác động vào thành bình, ống 
Đo trực tiếp biến dạng thành bình 
Chất lưu chuyển động: p = p t + P d 
p t : áp suất tĩnh 
p d = ρ .v 2 /2 
6 
Phần tử biến dạng 
Sự biến dạng của phần tử cảm ứng tạo ra độ dịch chuyển hay độ căng, từ đó có thể đo lường được đại lượng áp suất. 
Phần tử cảm ứng áp suất: so sánh áp suất cần đo và áp suất chuẩn và phần đàn hồi để biến đổi sự khác biệt áp suất thành sự biến dạng của phần tử cảm ứng. 
Có nhiều loại phần tử biến dạng, chúng được nhóm lại thành các dạng: màng (diaphragm), capsule, ống (bellows, tube). 
7 
Xiphông 
ống trụ 
ống Bourdon C 
8 
Bourdon xoắn 
Helical Bourdon 
spiral Bourdon 
9 
Màng thẳng 
Màng nhăn 
capsule 
10 
Ống trụ 
ε 1 : biến dạng ngang 
ε 2 : biến dạng dọc 
Y: modul Young 
ν : hệ số Poisson 
r, e: bán kính trong và ngoài của ống 
11 
Xiphông 
Ống hình trụ được xếp nếp 
Tỉ số giữa lực tác dụng và biến dạng là không đổi 
12 
Ống Bourdon 
Ống đàn hồi, một đầu cố định và một đầu tự do 
Áp suất chất lưu tác động lên thành ống làm cho ống bị biến dạng, đầu tự do dịch chuyển 
Vật liệu đồng < 5MPa 
Hợp kim nhẹ hay thép ~1000MPa 
13 
Màng (diaphragm) 
Màng đàn hồi và màng dẻo 
Áp suất tác động lên màng làm cho nó biến dạng. 
Phi tuyến, phạm vi đo nhỏ. 
Màng đàn hồi 
Màng dẻo 
14 
Phương pháp chuyển đổi tín hiệu 
Cơ học 
Áp trở 
Biến thiên điện dung 
Biến thiên điện dung 
Hiệu ứng áp điện 
Dao động cơ điện 
Quang điện 
15 
Cảm biến áp suất điện dung 
Thông dụng, tầm đo áp suất rất rộng. Cảm biến điện dung đo áp suất cao với áp suất full-scale trên 10 7 Pa cho đến chân không (manometer điện dung) áp suất dưới 10 -3 Pa 
Màng kim loại hoặc silicon được sử dụng làm phần tử cảm ứng áp suất và tạo thành một bản cực của tụ điện. Điện cực còn lại là cố định, tạo thành bởi một lớp hợp kim trên một nền sứ hay thuỷ tinh. Ap suất tác động vào màng, làm thay đổi khoảng cách giữa 2 bản cực, qua đó làm thay đổi điện dung của tụ điện. 
Với thiết kế vi sai, màng cảm ứng được đặt giữa 2 bản cực cố định. 
16 
17 
18 
19 
Cảm biến áp trở 
Chế tạo trực tiếp trên đế Si loại N, khuếch tán trực tiếp trên vật trung gian. 
Tính đàn hồi tốt 
Tín hiệu ra lớn, kích thước nhỏ. 
Độ nhạy phụ thuộc độ lớn áp suất cần đo, có giá trị khoảng (0.1 đến 3mV/mbar) 
Phụ thuộc nhiệt độ, phải bù nhiệt. 
20 
21