CẢM BIẾN CÔNG NGHIỆP - CHƯƠNG 6 CẢM BIẾN ĐO LỰC docx

Chương 6
CẢM BIẾN ĐO LỰC
1. Nguyên lý đo lực
2. Cảm biến áp điện
3. Cảm biến từ giảo
4. Cảm biến đo lực dựa trên phép đo
dịch chuyển
5. Cảm biến xúc giác


1. Nguyên lý đo lực
1.1. Nguyên tắc đo lực: làm cân bằng lực cần
đo với một lực đối kháng sao cho lực tổng
hợp và momen tổng của chúng bằng không.
•
Lực cần đo F → tác động lên vật trung gian →
gây ra biến dạng và lực đối kháng.
•
Đo trực tiếp biến dạng ⇒ Lực.
• Đo gián tiếp qua sự thay đổi tính chất của vật
liệu chế tạo vật trung gian khi bị biến dạng.
2. Cảm biến áp điện
2.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
Cấu tạo: Cảm biến có dạng tấm mỏng chế tạo
từ vật liệu áp điện (thạch anh, gốm PZT…) hai
mặt có phủ kim loại → tương tự một tụ điện.



Vật liệu áp điện
Lớp phủ kim loại

2.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt
động

Vật liệu
Điện trở
suất
(Ω.m)
Modun
Young
(10
9
N.m
-2
)
Ứng lực
cực đại
(10
7
N.m
-2
)
Nhiệt độ
làm việc
T
max
(
o
C)
Đặc
điểm

Thạch anh 10
12
Y
11
=80 10 550 Tính ổn định và
độ cứng cao
Muối
seignette
>10
10
Y
11
=19,3
Y
22
=30
1,4 45
L.H. >10
10
46 1,5 75
PZT5A 10
11
Y
33
=53 7-8 365
σ
b
, HB, S cao, C
lớn, dễ SX, chế
tạo

2.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt
động
Nguyên lý hoạt động: dựa trên cơ sở hiệu ứng
áp điện: Dưới tác dụng của lực cơ học, tấm áp
điện bị biến dạng, làm xuất hiện trên hai bản cực
các điện tích trái dấu. Hiệu điện thế xuất hiện
giữa hai bản cực (V) tỉ lệ với lực tác dụng (F).






+ + + + + + + + + +
- - - - - - - - - -
2.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt
động
• Các dạng biến dạng cơ bản:

a) Theo chiều dọc










b) Theo chiều ngang
c) Cắt theo bề dày
d) Cắt theo bề mặt
2.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
•
Cách ghép các phần tử áp điện thành bộ:

a)
Hai phần tử song song
C
b
=2C
b) Hai phần tử nối tiếp

C
b
=1/2C, R
b
=2R, V
b
= 2V
2.2. CB thạch anh kiểu vòng
đệm
a) Cấu tạo:





• Các vòng đệm: phiến cắt từ đơn tinh thể thạch
anh, nhạy với lực nén dọc theo chiều trục.

1.
2.
3.
2.2. CB thạch anh kiểu vòng đệm
b) Đặc điểm:
•
Chỉ nhạy với lực nén theo chiều trục → đo lực
nén (có thể đo lực kéo bằng cách nén trước).
• Giới hạn trên của dải đo cỡ từ vài kN (với
đường kính ~ 1 cm) đến 10
3
kN ( với đường
kính ~ 10 cm).

2.3. CB thạch anh nhiều thành phần

a) Cấu tạo:






















b) Cảm biến ba
thành phần vuông góc

2.4. Mạch đo

a) Trong dải thông có ích
R
g
- Điện trở trong của cảm biến
b) Nối với mạch ngoài




1gS

R
1
R
1
R
1
+=

1gS
CCC +=
a) Sơ đồ tương đương của cảm biến:
R
1
và C
1
: điện trở và tụ tương đương với trở kháng cáp dẫn
2.4. Mạch đo
b) Sơ đồ khuếch đại điện áp

eSeq
R
1
R
1
R

1
+=

eSeq
CCC +=
Điện áp ở cửa vào của bộ khuếch đại:

PCR1
PCR
.
C
Q
V
eqeq
eqeq
q
m
+
=
2.4. Mạch đo
c) Sơ đồ khuếch đại điện tích

a) Sơ đồ khối bộ chuyển đổi điện tích – điện áp
2.4. Mạch đo

• Trong mạch khuếch đại điện tích, sự di
chuyển của điện tích ở lối vào sẽ gây nên
ở lối ra một điện áp tỉ lệ với điện tích đầu
vào. Bộ khuếch đại điện tích gồm một bộ
biến đổi điện tích - điện áp đầu vào, một
tầng chuẩn độ nhạy, một bộ lọc trung gian
và một số tầng khuếch đại ở đầu ra để
cung cấp tín hiệu ra .
3. Cảm biến từ giảo
3.1. Hiệu ứng từ giảo
• Dưới tác động của từ trường, một số vật
liệu sắt từ thay đổi hìn dáng chất hình học
hoặc tính chất cơ học (mô đun Young) →
hiệu ứng từ giảo.
• Ngược lại: Khi có tác dụng của lực cơ học
gây ra ứng lực trong vật liệu sắt từ đường
cong từ hoá của chúng thay đổi → hiệu
ứng từ giảo nghịch.


• Đường cong từ hóa:

• Khi trong vật liệu sắt từ có
ứng lực, kích thước mạng tinh
thể thay đổi, các hướng dễ
từ hoá thay đổi dẫn đến làm
thay đổi định hướng của các
domen → đường cong từ hóa
thay đổi → hiệu ứng từ giảo
nghịch.
Trên hình biểu diễn ảnh
hưởng của ứng lực đến
đường cong từ hoá của
permalloy 68.

3.2. Cảm biến từ thẩm biến thiên
a) Cấu tạo, nguyên lý làm việc:
• Dưới tác dụng của lực F, lõi từ
bị biến dạng → độ từ thẩm (µ)
thay đổi → từ trở mạch từ (R
t
)
thay đổi → độ tự cảm (L) của
cuộn dây thay đổi.
•
Sự thay đổi µ, R
t
, L ∈ F:

1.
2. Lõi từ
3.

σ=
∆
=
∆
=
µ
µ∆
.K
L
L
R
R
3.3. Cảm biến từ dư biến thiên
a) Cấu tạo và nguyên lý làm việc:
•
Dưới tác dụng của lực cần đo →
B
r
thay đổi , ví dụ lực nén (dσ <
0), B
r
tăng lên:

•

B
r
thay đổi → Φ biến thiên → e
c.ư
.
• Điện áp hở mạch:
















1.
2.

2
2
9
r
m.N

m.Wb
10.5,1
d
dB
−
−
−
−=
σ

dt
d
d
dB
K
dt
dB
KV
rr
m
σ
σ
==
4. Cảm biến đo lực dựa trên phép
đo dịch chuyển
4.1. Nguyên lý: Trong cảm biến loại này, lực cần
đo tác dụng lên vật trung gian và gây nên sự
thay đổi kích thước ∆l của nó. Sự thay đổi kích
thước được đo bằng một cảm biến dịch chuyển.
Khi đó tín hiệu ra V

m
và lực tác dụng được biểu
diễn bằng biểu thức:

F
l
.
l
V
F
V
mm
∆
∆
=
4. Cảm biến đo lực dựa trên phép
đo dịch chuyển
4.2. Cấu tạo:
Vật trung gian:
v Vòng đo lực;
v Các dầm dạng console;
v Lò xo.
Cảm biến đo dịch chuyển:
v Điện thế kế điện trở;
v Cảm biến từ trở biến thiên;
v Cảm biến tụ điện.
5. Cảm biến xúc giác
5.1. Cấu tạo và nguyên lý làm việc:

Tác dụng của lực

5. Cảm biến xúc giác
• Khi có lực nén tác dụng lên một phần nào
đó của tấm cao su, khoảng cách giữa các
hạt dẫn điện ở phần đó ngắn lại, điện trở
giảm xuống, dòng điện tăng lên. Toạ độ
của vùng có dòng điện tăng lên sẽ xác
định vị trí của lực tác dụng và giá trị của
nó xác định giá trị của lực.