Cảm biến áp suất (Hay cảm biến áp lực) là một bộ chuyển đổi hoặc thiết bị chuyển đổi áp suất cơ học đầu vào trong chất khí hoặc chất lỏng thành tín hiệu điện đầu ra. Bộ chuyển đổi áp suất bao gồm một phần tử nhạy cảm với áp suất có thể đo, phát hiện hoặc giám sát áp suất và các bộ phận điện tử để chuyển đổi thông tin thành tín hiệu điện đầu ra.
Áp suất được định nghĩa là lượng lực (do chất lỏng hoặc khí tác dụng) lên một đơn vị “diện tích” (P = F / A), Các đơn vị áp suất phổ biến là Pascal (Pa), Bar (bar), N / mm2 hoặc psi (pound trên inch vuông).
Cảm biến áp lực thường sử dụng công nghệ áp trở (piezoresistive technology), vì phần tử áp trở thay đổi điện trở của nó tỷ lệ với biến dạng (áp suất) trải qua.
Xem video: Cấu tạo cảm biến áp suất (3 phút 09 giây)
Xem Nhanh Nội Dung
Nguyên lý hoạt động của Cảm biến áp suất
Để hiểu cách hoạt động của cảm biến áp suất công nghiệp, trước tiên, chúng ta cần phải nắm được cơ sở vật lý và khoa học vật liệu đằng sau nguyên lý hoạt động của cảm biến áp lực và hiệu ứng áp trở (piezoresistive effect), được đo bằng cảm biến đo biến dạng (strain gauge).
Thiết bị đo biến dạng lá kim loại là một bộ chuyển đổi (transducer) có điện trở thay đổi theo lực tác dụng. Nói cách khác, nó chuyển đổi lực, áp suất, lực căng, nén, mô-men xoắn và trọng lượng thành sự thay đổi trong điện trở.
Đồng hồ đo độ căng (Strain gauges) là các dây dẫn điện được gắn chặt vào một màng mỏng (film) theo hình zic zắc. Khi màng này được kéo, nó – và các dây dẫn – sẽ kéo dài ra. Khi nó được ép, nó bị co lại và ngắn hơn. Sự thay đổi hình dạng này làm cho điện trở trong dây dẫn điện cũng thay đổi. Điện trở của máy đo biến dạng tăng lên khi nó bị căng và giảm khi nó bị co lại
Về mặt cấu tạo, cảm biến áp lực được làm bằng một thân kim loại (còn gọi là độ uốn) mà các đồng hồ đo biến dạng lá kim loại được liên kết với nhau. Thân cảm biến đo lực này thường được làm bằng nhôm hoặc thép không gỉ, mang lại cho cảm biến hai đặc điểm quan trọng: (1) cung cấp độ bền để chịu tải cao và (2) có độ đàn hồi để giảm thiểu biến dạng và trở lại hình dạng ban đầu khi lực bị loại bỏ.
Các đồng hồ đo biến dạng được bố trí trong cái được gọi là Mạch Khuếch đại Cầu Wheatstone (xem sơ đồ hoạt hình bên dưới). Điều này có nghĩa là bốn thiết bị đo biến dạng được kết nối với nhau như một mạch vòng và lưới đo của lực được đo được căn chỉnh cho phù hợp.
Bộ khuếch đại cầu đo biến dạng cung cấp điện áp kích thích được điều chỉnh và chuyển đổi tín hiệu đầu ra mv / V thành một dạng tín hiệu khác hữu ích hơn cho người dùng. Tín hiệu do cầu đo biến dạng tạo ra là tín hiệu cường độ thấp và có thể không hoạt động với các thành phần khác của hệ thống, chẳng hạn như PLC, mô-đun thu thập dữ liệu (DAQ) hoặc máy tính. Do đó, các chức năng của bộ điều hòa tín hiệu cảm biến áp suất bao gồm điện áp kích thích, lọc nhiễu hoặc suy hao, khuếch đại tín hiệu và chuyển đổi tín hiệu ra.
Hơn nữa, sự thay đổi trong đầu ra bộ khuếch đại được hiệu chỉnh để tỷ lệ với lực tác dụng lên độ uốn, có thể được tính toán thông qua phương trình mạch cảm biến áp suất.
XEM SẢN PHẨM
Các loại cảm biến áp lực và phương pháp đo
Cảm biến áp lực có thể được phân loại dựa trên loại phép đo áp suất mà chúng đo được cũng như công nghệ cảm biến áp suất mà bộ chuyển đổi hoạt động.
Cảm biến Chênh áp (Differential Pressure Sensor):
Chênh áp là phép đo chênh lệch áp suất giữa hai giá trị áp suất hoặc hai điểm áp suất trong hệ thống, Điều này khác với cảm biến áp suất tĩnh hoặc áp suất tuyệt đối sẽ đo áp suất chỉ bằng một cổng và thông thường, cảm biến chênh lệch áp suất được đóng gói với hai cổng mà các đường ống có thể được gắn và kết nối với hệ thống ở hai điểm áp suất khác nhau, nơi áp suất chênh lệch có thể được đo lường và tính toán.
Phương pháp đo áp suất này thường được sử dụng để đo lưu lượng của chất lỏng hoặc khí trong các đường ống hoặc ống dẫn.
Cảm biến áp suất chân không hoặc tuyệt đối (Absolute or Vacuum Pressure Sensor):
Cảm biến này đo áp suất tuyệt đối, được định nghĩa là áp suất được đo so với chân không hoàn hảo. Cảm biến áp suất tuyệt đối được sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu tham chiếu không đổi. Ví dụ, các ứng dụng công nghiệp hiệu suất cao như giám sát bơm chân không, đo áp suất chất lỏng, đóng gói công nghiệp, kiểm soát quá trình công nghiệp và kiểm tra hàng không và vũ trụ sử dụng kỹ thuật này.
Khi nói đến đo áp suất không khí, đặc biệt cho các ứng dụng như đo khí áp cho thời tiết hoặc đo độ cao, cảm biến áp suất tuyệt đối là thiết bị được lựa chọn.
Cảm biến áp suất đo hoặc áp suất tương đối (Gauge or Relative Pressure Sensor):
Áp suất đo chỉ đơn giản là một trường hợp đặc biệt của chênh áp với áp suất được đo chênh lệch nhưng luôn tương đối với áp suất môi trường xung quanh cục bộ. Về mặt tương tự, áp suất tuyệt đối cũng có thể được coi là một chênh lệch áp suất trong đó áp suất đo được so với chân không hoàn hảo.
Những thay đổi của áp suất khí quyển do điều kiện thời tiết hoặc độ cao ảnh hưởng trực tiếp đến đầu ra của cảm biến áp suất. Áp suất đo cao hơn áp suất môi trường xung quanh được gọi là áp suất dương. Nếu áp suất đo được thấp hơn áp suất khí quyển, nó được gọi là áp suất âm hoặc áp suất chân không.
Các loại công nghệ cảm biến áp lực hoặc nguyên lý làm việc
Có nhiều công nghệ cảm biến áp lực hoặc các nguyên lý cảm biến có khả năng chuyển đổi áp suất thành tín hiệu điện có thể đo lường và tiêu chuẩn hóa. Bài viết này sẽ tập trung vào các loại bộ thu lực, là những loại sử dụng máy đo lực (tức là màng ngăn) để đo độ căng (hoặc độ uốn) do lực tác dụng lên một khu vực (áp suất).
Hiệu ứng điện trở hoặc áp trở (Resistive or piezoresistive effect):
Cảm biến áp lực điện trở sử dụng sự thay đổi điện trở của một máy đo biến dạng được liên kết với màng ngăn (còn được gọi là phần tử uốn) tiếp xúc với môi trường áp suất.
Máy đo biến dạng thường bao gồm một phần tử điện trở kim loại trên lớp nền mềm dẻo được liên kết với màng ngăn (tức là máy đo biến dạng lá kim loại), hoặc được lắng đọng trực tiếp bằng cách sử dụng các quy trình màng mỏng.
Thông thường, các đồng hồ đo biến dạng được kết nối để tạo thành mạch cầu Wheatstone để tối đa hóa đầu ra của cảm biến và giảm độ nhạy đối với sai số. Đây là công nghệ cảm biến được sử dụng phổ biến nhất để đo áp suất cho mục đích chung và sử dụng cùng một nguyên tắc về cách hoạt động của Load Cell.
Công nghệ Điện dung (Capacitive):
Cảm biến áp lực điện dung sử dụng một màng ngăn bị lệch bởi áp suất tác dụng để tạo ra một tụ điện thay đổi để phát hiện biến dạng do áp suất tác dụng. Khi có áp lực, ngoại lực nén màng ngăn và giá trị điện dung giảm. Khi áp suất được giải phóng, màng ngăn trở lại hình dạng ban đầu và điện dung cũng theo đó mà tăng lên. Các công nghệ phổ biến sử dụng màng chắn kim loại, gốm và silicon. Điện dung có thể được hiệu chỉnh để cung cấp đọc áp suất chính xác.
Cảm biến điện dung, hiển thị sự thay đổi điện dung khi một tấm bị lệch dưới áp suất tác dụng, có thể có độ nhạy cao và chịu được quá tải lớn. Tuy nhiên, các ràng buộc về vật liệu và các yêu cầu về nối và niêm phong có thể hạn chế các ứng dụng.
Hiệu ứng áp điện (Piezoelectric effect):
Cảm biến áp điện sử dụng đặc tính của vật liệu áp điện như gốm hoặc thạch anh kim loại hóa, để tạo ra điện thế trên bề mặt khi vật liệu chịu ứng suất cơ học và biến dạng được tạo ra. Độ lớn điện tích tỷ lệ với tải trọng tác dụng và cực tính được xác định bởi hướng của lực. Điện thế tích tụ và tiêu tan nhanh chóng khi áp suất thay đổi, cho phép đo các áp suất động thay đổi nhanh.
Xin lưu ý rằng hiệu ứng áp điện (Piezoelectric effect) khác với hiệu ứng áp trở (piezoresistive effect). Mặc dù cả hai thuật ngữ đều liên quan đến ảnh hưởng của áp suất tác dụng lên vật liệu (piezo có nguồn gốc từ tiếng Hy Lạp là áp suất vật lý), hiệu ứng áp trở liên quan đến sự thay đổi điện trở trong khi hiệu ứng áp điện liên quan đến việc tạo ra điện thế trong vật liệu.
Cảm ơn bạn đã đọc bài chia sẻ
Chúc Bạn thành công!
Tâm Mr. – Admin
Bài viết cùng chuyên mục:
- Hướng Dẫn Chọn Cảm Biến Áp Suất Nước
- Cảm biến áp suất bị ảnh hưởng bởi sự thấm Hydro như thế nào ?
- Các loại Đồng hồ đo áp suất trong công nghiệp và Ứng dụng
- Áp Suất Là Gì? Các thuật ngữ áp suất trong Công Nghiệp
- Sự khác nhau giữa Pressure Transducer và Pressure Transmitter
- Load Cell là gì? Phân loại và nguyên lý hoạt động của Load Cell
Thư viện bài viết:
