Cảm biến biến dạng, lực, khối lượng pot

1 Cảm biến biến dạng, lực, khối lượng
1.1 Đo độ biến dạng
* Cấu tạo - nguyên lý hoạt động
Định nghĩa biến dạng:
l
l
ε
∆
=
 Strain gage: thường được chế tạo từ kim loại dưới dạng một
mạng lưới dây mỏng đường kính khoảng 20
m
µ
hay strain
gage bán dẫn silicon loại n hay p (áp điện). Strain gage có
điện trở 100-1000
Ω
Strain gage hoạt động dựa trên sự thay đổi điện trở khi biến dạng:
l
R
A
ρ
=

2dR d dl dA d dl dD
R l A l D
ρ ρ
ρ ρ
= + − = + −
ρ, l, A, D
: điện trở suất, chiều dài, tiết diện, đường kính dây

1 2
dR l d l dD l
R dl dl D dl
ρ
ρ
= + −
l
dl
l
ε
=
: ứng suất (biến dạng) dọc,
t
dD
D
ε
=
: ứng suất (biến dạng)
ngang.
ν
t
l
dD l
D dl
ε
ε
= =
: tỷ số Poison
1
1- 2ν

l
dR l d
G
R dl
ρ
ρ ε
= = +
: hệ số gage
G: cho bởi nhà sản xuất (xấp xỉ 2 với kim loại costantan)
l
dR l dl
G dR RG RG
R dl l
ε
= ⇒ = =
Muốn đo biến dạng ta dán strain gage lên vật chịu ứng lực và
đo sự thay đổi điện trở.
* Đặc điểm – lựa chọn ứng dụng cho cảm biến
Ứng dụng strain gage:
1.2 Đo lực và khối lượng bằng Strain gage
* Nguyên lý
Lực, trọng lượng:
. , .F m a P m g= =
m: khối lượng vật, a: gia tốc
Đo lực (hay đo moment ngẫu lực, torque) thường dựa vào các
nguyên tắc sau:
• Biến dạng: đo biến dạng của vật dưới tác dụng của lực (strain
gage, áp điện).
• Cân bằng: cân bằng lực muốn đo với lực đã biết (quả cân, lực
lò xo).

• Gia tốc: đo gia tốc suy ra lực.
• Di chuyển: đo sự di chuyển của vật suy ra lực.
 Đo lực và khối lượng bằng Strain gage
Lực hay trọng lượng cần đo tác dụng vào khối kim loại đàn
hồi có dán strain gage làm biến dạng khối đó (làm bằng nhôm hay
thép không gỉ – loadcell).
* Đặc điểm – lựa chọn ứng dụng cho cảm biến
Mạch cầu Wheastone có thể có từ 1-4 strain gage tích cực tùy
theo ứng dụng.
VD: mạch cầu có 4 strain gage tích cực:
Khi chưa có lực tác dụng
1 2 3 4
R R R R R= = = =
: cầu cân bằng:
0
0V =
Khi có lực tác dụng
1 3
R R R R= = + ∆
: tăng,
2 4
R R R R= = − ∆
: giảm
0 B
R
V V
R
∆
=
Điện áp ngõ ra tỉ lệ với

R∆
Hình dạng loadcell thực tế
 Trong trường hợp sử dụng nhiều loadcell để đo khối lượng vật
(vd: trạm cân xe, trạm trộn bê tông … ): ta nối song song các
đầu ra loadcell (điện áp ngõ ra sẽ là trung bình cộng của các
loadcell). Các hãng sản xuất sẽ cung cấp đầu cân cho
loadcell.
 Cân chỉnh loadcell: dựa vào các mẫu khối lượng chuẩn
1.3 Cảm biến áp điện (Piezoelectric) đo lực hay áp suất
* Cấu tạo - nguyên lý hoạt động
Hiệu ứng áp điện: các tinh thể như thạch anh, quartz,
tourmaline, lithium sulfat, … phát sinh điện áp khi chịu tác dụng của
lực.
Điện tích sinh ra do lực F:
.Q k F=
,
.a b
C
c
ε
=
k: hằng số điện áp
Điện áp sinh ra:
Q
V
C
=
* Đặc điểm – lựa chọn ứng dụng cho cảm biến
Điện áp sau đó qua mạch khuếch đại. Ưu điểm CB áp điện nhỏ
gọn, rắn chắc, có độ nhạy cao. Thích hợp cho đo lực ở trạng thái

động (thay đổi liên tục) do tinh thể chỉ phát sinh ở trạng thái động.