- 138 - Từ phơng trình (8.23) và (8.24), tìm đợc điện áp ra của bộ biến đổi: = max max1 ra MfI2 V (8.25) c) Bộ biến đổi kiểu điện dung Sơ đồ cảm biến kiểu điện dung trình bày trên hình 8.12 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: 0 s C + = (8.26) Trong đó: - hằng số điện môi của cách điện giữa hai bản cực. 0 - khoảng cách giữa các điện cực khi áp suất bằng 0. - 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 C 12 và C 13 . Khoảng trống giữa các bản cực và màng điền đầy bởi dầu silicon (5). Các áp suất p 1 và p 2 của hai môi trờng đo tác động lên màng, làm màng dịch chuyển giữa hai bản cực tĩnh và tạo ra tín hiệu i m (cung cấp bởi nguồn nuôi) tỉ lệ với áp suất giữa hai môi trờng: )pp(K CC CC Ki 21 21 21 1m = + = (8.27) Hình 8.12 Bộ chuyển đổi kiểu điện dung 1) Bản cực động 2&3) Bản cực tĩnh 4) Cách diện 4) Dầu silicon p 1 2 4 a ) b ) p 1 p 2 1 2 3 4 5 - 139 - Để biến đổi biến thiên điện dung C thành tín hiệu đo lờng, thờng dùng mạch cầu xoay chiều hoặc mạch vòng cộng hởng LC. Bộ cảm biến kiểu điện dung đo đợc 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 đợc bọc cách điện và có hai tiếp xúc kim loại để nối dây dẫn (3). Trên hình 8.13b là trờng hợp màng định hớng (100) có gắn 4 cảm biến áp trở, trong đó có hai cảm biến đặt ở tâm theo hớng (110) và hai cảm biến đặt ở biên tạo thành với hớng (100) một góc 60 o . Với cách đặt nh vậy, biến thiên điện trở của hai cặp cảm biến khi có ứng suất nội sẽ bằng nhau nhng trái dấu: RRRRR 4231 = = == Để đo biến thiên điện trở ngời ta dùng mạch cầu, khi đó ở hai đầu đờng chéo cầu đợc nuôi bằng dòng một chiều sẽ là: () RIRRRR 4 I V 4321m =+= Sự thay đổi tơng đối của trở kháng theo ứng lực tính xác định theo biểu thức: = 0 R R Trong đó là hệ số áp trở của tinh thể (~ 4.10 -10 m 2 /N), khi đó biểu thức điện áp có dạng: = 0m IRV (8.28) 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 1 2 3 R 1 R 2 R 3 R 4 J T 60 o a) b) - 140 - Bộ chuyển đổi kiểu áp trở làm việc trong dải nhiệt độ từ - 40 o C đến 125 o C phụ thuộc vào độ pha tạp. Ngời ta cũng có thể bù trừ ảnh hởng của nhiệt độ bằng cách đa thêm vào bộ chuyển đổi một bộ phận hiệu chỉnh đợc điều khiển qua đầu đo nhiệt độ J T . 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 dới tác động của lực F do áp suất gây nên thành tín hiệu điện. 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: kFQ = Với F = p.S, do đó: k p SQ = Trong đó: k - hằng số áp điện, trong trờng hợp thạch anh k = 2,22.10 -12 C/N. S - diện tích hữu ích của màng. Để tăng điện tích Q ngời 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: 22 dD dh4 kFQ = (8.29) Trong đó: D, d - đờng kính ngoài và đờng kính trong của phần tử áp điện. h - chiều cao phần phủ kim loại. Hình 8.14 Cảm biến kiểu áp trở a) Phần tử áp điện dạng tấm b) Phần tử áp điện dạng ống p a ) Trục q uan g Trục điện d D b ) - 141 - 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 thờng dùng để đo áp suất thay đổi nhanh, tuy nhiên chúng có nhợc điểm là nhạy cảm với sự thay đổi nhiệt độ. . (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. hớng (100) có gắn 4 cảm biến áp trở, trong đó có hai cảm biến đặt ở tâm theo hớng (110) và hai cảm biến đặt ở biên tạo thành với hớng (100) một góc 60 o . Với cách đặt nh vậy, biến thiên điện. định theo công thức: 22 dD dh4 kFQ = (8.29) Trong đ : D, d - đờng kính ngoài và đờng kính trong của phần tử áp điện. h - chiều cao phần phủ kim loại. Hình 8. 14 Cảm biến kiểu áp trở a)