Cảm biến công nghiệp : Cảm biến đo lực part 2 potx

-104-
Sơ đồ mạch ghép nối cảm biến với bộ chuyển đổi điện áp - điện tích trình bày
trên hình 6.7b.
















6.3. Cảm biến từ giảo
6.3.1. Hiệu ứng từ giảo
Dới tác động của từ trờng, một số vật liệu sắt từ thay đổi tính chất hình học
hoặc tính chất cơ học (hệ số Young). Hiện tợng này đợc gọi là hiệu ứng từ giảo.
Khi có tác dụng của lực cơ học gây ra ứng lực trong vật liệu sắt từ làm thay đổi
đờng cong từ hoá của chúng, khi đó dựa vào sự thay đổi của độ từ thẩm hoặc từ d
có thể xác địnhđợc độ lớn của lực tác dụng. Đây là hiệu ứng từ giảo nghịch.

- Cơ chế từ hoá
: Nh chúng ta đã biết trong vật liệu sắt từ, mỗi nguyên tử đợc
đặc trng bởi một mômen từ. Để giảm thiểu năng lợng tổng cộng, momen từ của

các nguyên tử trong cùng một miền từ hoá tự nhiên (domen) phải hớng theo một
hớng chung. Hớng chung này định hớng theo một số hớng u tiên của mạng
tinh thể gọi là hớng dễ từ hoá. Hớng của các mômen từ trong các domen cạnh
nhau không trùng nhau.
Khi có từ trờng ngoài H tác động, sự định hớng của mô men từ trong một
domen theo một hớng chung tăng dần. Khi H nhỏ, các vách domen từ dịch chuyển
Đầu vào (điện tích)
Đầu ra (điện á
p
)
Bộ chuyển đổi
điện tích
Chuẩn độ nhạ
y
và
khuếch đại vi sai
Bộ
lọc
Bộ khuếch đại
đầu ra
a)
Hình 6.7 Sơ đồ khuếch đại điện tích
a) Sơ đồ khối b) Sơ đồ ghép nối cảm biến và bộ chuyển đổi điện tích - điện áp
V


dQ
dt
R
S

C
S

V
0
+Q

Q
C
r
b)

-105-
và kích thớc của các domen từ có hớng từ hoá thuận lợi trùng với hớng của từ
trờng bên ngoài tăng lên. Khi từ trờng ngoài tăng lên đến mức nào đó xảy ra hiện
tợng đảo hớng của các domen theo hớng từ trờng ngoài. Khi từ trờng ngoài đủ
mạnh sẽ làm quay hớng dễ từ hoá của các domen từ theo hớng từ trờng ngoài
dẫn đến bảo hoà (hinhd 6.8a).
- Hiện tợng từ trể
: Sau khi từ hoá lần đầu đến bảo hoà (H = H
m
), nếu vẫn giữ
nguyên phơng từ trờng và thực hiện một chu trình khép kín (H
m
,0,- H
m
,0) ta nhận
đợc đờng cong từ hoá nh hình 6.8b gọi là đờng cong từ trể với độ từ d B
r
là

kháng từ H
c
.






















6.3.2. Cảm biến từ thẩm biến thiên
Cấu tạo của cảm biến gồm một cuộn dây có lõi từ hợp với một khung sắt từ tạo
thành một mạch từ kín (hình 6.10). Dới tác dụng của lực F, lõi từ bị biến dạng kéo
B
H

B
H
B
r
H
c
Hình 6.8 Đờng cong từ hoá
a) Từ hoá lần đầu b) Chu trình từ trễ
Khi tron
g
vật liệu sắt từ có
ứn
g
lực, kích thớc mạn
g
tin
h
thể tha
y
đổi, các hớn
g
dễ t
ừ
hoá tha
y
đổi dẫn đến làm tha
y
đổi định hớn
g
của các domen.

Hiện tợn
g
nà
y

g
ọi là hiệu ứn
g
từ giảo nghịch.
Trên hình 6.9 biểu diễ
n
ảnh hởn
g
của ứn
g
lực đế
n
đờn
g
con
g
từ hoá củ
a
permalloy 68.
B(Wb/m
2
)

=0

=20N/mm
2

Hình 6.9 Sự biến dạng của đờng cong từ hoá
dới tác dụng của lực kéo
H (A/m)
a)
b)

-106-
theo sự thay đổi độ từ thẩm
à
, làm cho từ trở mạch từ thay đổi do đó độ tự cảm của
cuộn dây cũng thay đổi. Sự thay đổi tơng đối của L, R hoặc
à tỉ lệ với ứng lực ,
tức là với lực cần đo F:

=

=

=
à
à
.K
L
L
R
R

6.3.3. Cảm biến từ d biến thiên
Phần tử cơ bản của cảm biến từ d biến thiên là một lõi từ làm bằng Ni tinh
khiết cao, có từ d B
r
. Dới tác dụng của lực cần đo, thí dụ lực nén (d

< 0), B
r
tăng
lên:

2
2
9
r
m.N
m.Wb
10.5,1
d
dB

=


Sự thay đổi của từ thông sẽ làm xuất hiện trong cuộn dây một suất điện động tỉ lệ
với dB
r
/dt. Biểu thức của điện áp hở mạch có dạng:

dt
d
d
dB
K
dt
dB
KV
rr
m


==
Trong đó K là hệ số tỉ lệ với số vòng dây và tiết diện vòng dây.
6.4. Cảm biến đo lực dựa trên phép đo dịch chuyển
Trong cảm biến loại này, lực cần đo tác dụng lên vật trung gian và gây nên sự
thay đổi kích thớc l của nó. Sự thay đổi kích thớc đợc đo bằng một cảm biến
dịch chuyển. Khi đó tín hiệu ra V
m
và lực tác dụng đợc biểu diễn bằng biểu thức:

F
l
l
V
F
V
mm


=

Trong đó:
- Vm/

l gọi là tỉ số truyền đạt của cảm biến.
-

l/F gọi là độ mềm của vật trung gian.
Hình 6.10 Cảm biến từ giảo có từ thẩm biến thiên
F
F

-107-
Vật trung gian là vòng đo lực, các dầm dạng console hoặc lò xo.
Tuỳ theo điều kiện sử dụng có thể sử dụng nhiều loại cảm biến dịch chuyển khác
nhau nh:
- Điện thế kế điện trở.
- Cảm biến từ trở biến thiên.
- Cảm biến tụ điện.
6.5. Cảm biến xúc giác

Phần chính của cảm biến là một đế cách điện trên đó có một lới dẫn điện
(hình 6.11a) đợc đặt dới điện áp V. Lới điện gồm hai hệ thống dây dẫn (X
1
,
X
2
, ) và (Y
1
, Y
2
, ) vuông góc với nhau tạo thành những ô vuông nhỏ, mỗi ô vuông
nhỏ đều có một điện cực đợc cách điện với dây dẫn của lới bao quanh nó, các
điện cực này nối với đất thông qua mạch đo dòng. Mặt trên của hệ thống đợc phủ
cao su có pha các hạt dẫn điện. 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 (hình 6.11b). 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.

F
I
0
I
0
I
1
I
2
I
0

Hình 6.11 Cảm biến xúc tác
a) Hệ thống cực đo b) Tác dụng của lực lên điện cực
a)
b)