Bài tập lớn hệ thống cân tải trọng ô tô 100 tấn

Bài Tập Lớn Đo Lường Cảm Biến – Nhóm 7
L i Nói Đ uờ ầ
Hiện nay, tình trạng xe chở quá tải liên tục diễn ra trên các quốc lộ, tuyến
đường trọng điểm trên khắp cả nước. Đây là một trong các nguyên nhân trực tiếp
gây tai nạn giao thông, biến các con đường thành “Hố bom”.
Theo thống kê Bộ Giao thông vận tải Việt Nam thì vận tải đường bộ chúng ta
chiếm tỉ trọng lớn (92% lượng hành khách và 73,4% lượng hàng hóa) qua kiểm tra
cho thấy, trong số xe được kiểm tra có đến 50% số lượng xe chở quá trọng tải cho
phép, có xe vượt quá tải đến 200%.
Qua những trích dẫn trên cân ô tô hiện nay thực sự là quan trọng, trạng bị cho
các cơ quan chức năng, nhà máy sản xuất chế biến cân hàng hóa phục vụ công tác
quản lý hàng hóa, xuất nhập trong hoạt động sản suất.
Trên cơ sở đó chúng em hiểu được tầm quan trong của đề tài: Hệ thống cân tải
trọng ô tô mà nhóm được giao nhiệm vụ làm, tính thực tế của đề tài.
Dưới đây là phần trình bày bài làm, vì kiến thức có hạn cũng như kinh nghiệm
không nhiều. Chắc chắn bài làm của chúng em không tránh khỏi những thiếu sót.
Chúng em rất mong nhận được sự nhận xét và góp ý kiến của thầy cô.
Chúng em xin chân thành cảm ơn!
Sinh viên làm đề tài
ĐHCN Hà Nội – Khoa Điện – TĐH 1 – K8 1
Bài Tập Lớn Đo Lường Cảm Biến – Nhóm 7
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THIẾT KẾ.
1. Cân ô tô là gì?
Cân ô tô là một hệ thống được cấu thành từ ba loại thiết bị chính bao gồm:
- Kết cấu xây dựng: sắt thép, xi măng… để làm móng cân.
- Phần mặt cân được làm bằng thép hoặc bê tông cốt thép.
- Thiết bị điện cho trạm cân: cảm biến lực, hộp cộng tín hiệu, bộ hiển thị, bảng led
và các thiết bị phụ trợ khác.
2. Phân loại cân ô tô.
Gồm 3 kiểu:
+ Cân ô tô kiểu nổi (Pitless type).

+ Cân ô tô kiểu chìm (Pit type).
+ Cân ô tô kiểu nữa nổi, nữa chìm (Semi pit type).
• So sánh 3 kiểu cân ô tô:
Cân nổi Cân chìm Cân nửa chìm
+ Dễ dàng vệ sinh,
lắp đặt sửa chữa.
+ Chiếm nhiều diện
tích (có 2 dốc lên
xuống cân).
+ Chịu nhiều ảnh
hưởng của môi
trường (gió, nhiệt
độ…).
+ Thoát nước tốt.
+ Tính thẩm mỹ
kém hơn.
+ Chi phí móng cân
thấp.
+Khó vệ sinh lắp đặt và
hiệu chỉnh.
+Chiếm ít diện tích.
+Chịu ảnh hưởng của
môi trường ít hơn
cân nổi.
+Thoát nước kém, dễ bị
ngập cân (do có hầm
cân).
+Thẩm mỹ hài hoài với
khung cảnh chung
của nhà máy (do mặt

cân phẳng với mặt
đường).
+ Khó vệ sinh lắp
đặt hiệu chỉnh và sửa
chữa.
+ Chiếm diện tích
trung bình (do có các
hố chờ để lắp đặt
loadcell).
+ Chịu ảnh hưởng
của môi trường ít
hơn cân nổi (do có
hầm cân).
+ Thẩm mỹ hơn cân
nổi
+ Chi phí hầm cân
cao.
ĐHCN Hà Nội – Khoa Điện – TĐH 1 – K8 2
Bài Tập Lớn Đo Lường Cảm Biến – Nhóm 7
Giải pháp lựa chọn:
Nếu mặt bằng đủ rộng nên ưu tiên cân kiểu nổi, ngược lại nên ưu tiên cân kiểu
chìm. Nếu cân trong môi trường hóa chất phân bón hay các chất ăn mòn mạnh, đòi
hỏi cân phải dễ dàng vệ sinh làm sạch các loại hóa chất có thể rơi vãi trong cân (để
bảo vệ bàn cân và loadcell) thì nên chọn cân kiểu nổi.
ĐHCN Hà Nội – Khoa Điện – TĐH 1 – K8 3
Bài Tập Lớn Đo Lường Cảm Biến – Nhóm 7
Chương 2: NỘI DUNG THỰC HIỆN.
1. Yêu cầu của đề tài.
1.1. Trình bày tổng quan về công nghệ cân kiểm tải trọng ô tô.
1.2. Mô tả nguyên lý vận hành hệ thống.

1.3. Liệt kê các cảm biến có trong hệ thống.
1.4. Các phương án lựa chọn cảm biến có trong hệ thống.
1.5. Trình bày về loại cảm biến lựa chọn (nguyên lý hoạt động, số lượng cảm biến…).
1.6. Thiết kế vị trí lắp đặt, cảm biến và tính toán, xử lý đo tín hiệu đầu ra của cảm biến
để tác động đến các đối tượng điều khiển.
1.7. Đánh giá sai số của hệ thống (giới hạn, nguyên nhân biện pháp khắc phuc…).
2. Các hướng giải quyết.
Đối với hệ thống cân kiểm tải trọng ô tô này chúng ta có các hướng giải quyết
như sau:
- Kiểu cân: chúng ta có thể sử dụng một trong ba loại cân ô tô đã kể trên: kiểu nổi,
kiểu chìm hoặc kiểu nửa chìm.
- Bàn cân: chúng ta có thể sử dụng bàn cân thép hoặc bàn cân bê tông cốt thép.
- Cảm biến:
+ Phân loại theo hình dáng chúng ta có thể sử dụng các loại cảm biến sau:
• Loadcell uốn đơn: Kích thước cồng kềnh, khối lượng nặng, khó lắp đặt nên hiện
nay hầu như không sử dụng khi lắp mới.
• Loadcell trụ: Kích thước nhỏ gọn, khối lượng nhẹ, dễ lắp đặt nên hiện nay sử
dụng rất phổ biến. Tuy nhiên độ chính xác thấp do phụ thuộc và nhiều yếu tố bên
ngoài tác động.
ĐHCN Hà Nội – Khoa Điện – TĐH 1 – K8 4
Bài Tập Lớn Đo Lường Cảm Biến – Nhóm 7
• Load cell uốn kép: Kích thước gọn, khối lượng nhẹ, dễ lắp đặt, có độ chính xác
cao.

+ Phân loại theo cấu tạo chúng ta có thể sử dụng các loại cảm biến sau:
• Cảm biến áp trở kim loại.
• Cảm biến áp trở bán dẫn.
3. Lý do lựa chọn thiết kế.
Căn cứ vào yêu cầu đề bài và ưu nhược điểm các phần tử có trong hệ thống cân
kiểm tải trọng ô tô. Chúng em đã lựa chọn hướng giải quyết tối ưu như sau:

• Kiểu cân: Do đặc thù vị trí lắp đặt và các ưu nhược điểm của mỗi kiểu cân, cùng với
các yếu tố thẩm mỹ, chúng ta nên chọn kiểu cân nổi cho hệ thống.
ĐHCN Hà Nội – Khoa Điện – TĐH 1 – K8 5
Bài Tập Lớn Đo Lường Cảm Biến – Nhóm 7
• Bàn cân:
ĐHCN Hà Nội – Khoa Điện – TĐH 1 – K8 6
Bài Tập Lớn Đo Lường Cảm Biến – Nhóm 7
Phân
loại
Ưu điểm Nhược điểm
Bàn
cân
bê tông
Giá thành rẻ hơn bàn cân thép
- Tải trọng bàn cân
nặng.
- Dễ gây mỏi
loadcell.
- Chịu ảnh hưởng
nhiều của thời tiết
(co dãn bê tông).
- Khó di dời, lắp đặt
khó.
B
à
n

c
â
n

t
h
é
p
K
ế
t

c
ấ
u

d
ầ
m

U
- Kết cấu
chắc
chắn.
- Tuổi thọ
cao.
- Dễ dàng
lắp đặt
hoặc di
dời.
- Chịu lực chính của
bàn cân được làm
từ tôn phẳng uốn

hình U.
- Bàn cân được sơn
hai lớp chống gỉ và
sơn màu thẩm mỹ
cao.
- Giá thành cao
K
ế
t

c
ấ
u

d
ầ
m

I
- Chịu lực chính của
bàn cân được làm
từ thép I300 hoặc
I600 đúc nguyên
thanh có độ dẻo và
độ cứng đảm bảo.
- Với các kích thước
lớn, bàn cân được
chia làm nhiều
(MODULE, có kết
cấu đồng nhất).

- Căn cứ vào bảng so sánh hai loại bàn cân thép và bàn cân bê tông thì phương án tối
ưu là chọn bàn cân thép có kết cấu dầm I.
• Loại cảm biến có trong hệ thống:
Cảm biến lựa chọn cho hệ thống là cảm biến áp trở kim loại, loại trụ (sử dụng
công nghệ Analog).
ĐHCN Hà Nội – Khoa Điện – TĐH 1 – K8 7
Bài Tập Lớn Đo Lường Cảm Biến – Nhóm 7
4. Tính chọn thiết bị.
a) Móng cân:
Do kiểu cân được lựa chọn là kiểu cân nổi nên việc thiết kế và thi công móng cân
là việc quan trọng ảnh hưởng đến toàn bộ hệ thống cân.
Móng cân được thiết kế sao cho phù hợp với bàn cân và trọng tải của cân.
Móng cân được xây dựng và lắp đặt tại vị trí thuận tiện nhất cho việc cân kiểm
trọng tải.
b) Bàn cân:
Bàn cân thép kết cấu dầm I cho tải trọng tối đa 100 tấn:
+ Kích thước: 3 x 18 (m).
+ Dầm cân chính: thép đúc I 300 nhập khẩu của Nga.
+ Mặt bàn cân: thép tấm 10 ly nhập khẩu.
+ Bàn cân có hệ thống chống dao động ngang và dọc, đảm bảo trong quá
trình làm việc bàn cân không bị dao động ảnh hưởng đến kết quả cân.
c)Hệ thống cảm biến và các thành phần phụ trợ:
- Cảm biến:
+ Nguyên lý hoạt động cảm biến loadcell:
ĐHCN Hà Nội – Khoa Điện – TĐH 1 – K8 8
Bài Tập Lớn Đo Lường Cảm Biến – Nhóm 7
Cảm biến điện trở lực căng bản chất là một dây điện trở làm bằng vật liệu có
tính chất là khi dây điện trở này bị lực tác động gây biến dạng như bị bẻ cong, bị
kéo căng… sẽ làm giá trị điện trở của dây trở bị thay đổi, và lượng thay đổi điện
trở của dây trở sẽ tỉ lệ với các lực tác động gây biến dạng dây trở. Dựa vào đó

chúng ta xẽ xác định được lực tác động thông qua sự thay đổi điện trở của dây
trở. Loại cảm biến này được sử dụng trong các mạch cân điên tử và được sử
dụng rất phổ biến hiệu quả trong công nghiệp.
+ Cấu tạo và hoạt động:
Cấu tạo chính của loadcell gồm các điện trở strain gauges R1, R2, R3, R4 kết
nối thành 1 cầu điện trở Wheatstone như hình dưới và được dán vào bề mặt của
thân loadcell.
Một điện áp kích thích được cung cấp cho ngõ vào loadcell (2 góc (1) và (4) của
cầu điện trở Wheatstone) và điện áp tín hiệu ra được đo giữa hai góc khác.
Tại trạng thái cân bằng (trạng thái không tải), điện áp tín hiệu ra là số không hoặc
gần bằng không khi bốn điện trở được gắn phù hợp về giá trị.
Đó là lý do tại sao cầu điện trở Wheatstone còn được gọi là một mạch cầu cân
bằng.
Khi có tải trọng hoặc lực tác động lên thân loadcell làm cho thân loadcell bị biến
dạng (giãn hoặc nén), điều đó dẫn tới sự thay đổi chiều dài và tiết diện của các sợi
kim loại của điện trở strain gauges dán trên thân loadcell dẫn đến một sự thay đổi
giá trị của các điện trở strain gauges. Sự thay đổi này dẫn tới sự thay đổi trong điện
áp đầu ra.
ĐHCN Hà Nội – Khoa Điện – TĐH 1 – K8 9
Bài Tập Lớn Đo Lường Cảm Biến – Nhóm 7
Sự thay đổi điện áp này là rất nhỏ, do đó nó chỉ có thể được đo và chuyển thành
số sau khi đi qua bộ khuếch đại của các bộ chỉ thị cân điện tử (đầu cân), và được
xử lý tiếp theo.
+ Số lượng cảm biến: Sử dụng 8 cảm biến áp trở kim loại, loại trụ (sử dụng công
nghệ Analog).
+ Vị trí lắp đặt cảm biến: Chia đều cảm biến ở đấy bàn cân tạo cho bàn cân có sự
chắc chắn và chính xác nhất.
ĐHCN Hà Nội – Khoa Điện – TĐH 1 – K8 10
Bài Tập Lớn Đo Lường Cảm Biến – Nhóm 7
- Tính toán, xử lý, đo tín hiệu đầu ra của cảm biến và các thành phần phụ trợ:

+ Sơ đồ mô phỏng tính toán, xử lý, đo tín hiệu.
Sơ đồ đấu dây
+ Hộp cộng tín hiệu: (8 loadcell).
Nguyên tắc của hộp cộng tín hiệu là cộng tất cả tín hiệu của các loadcell nối vào
nó rồi chia trung bình để tìm ra chính xác khối lượng đối tượng cần đo.
ĐHCN Hà Nội – Khoa Điện – TĐH 1 – K8 11
Bài Tập Lớn Đo Lường Cảm Biến – Nhóm 7
+ Đầu cân - chỉ thị cân.
• Nguồn cung cấp: Từ 85 đến 264 VAC, 49 đến 63 Hz
• Công suất tiêu thụ: 12W
• Điện áp kích thích Loadcell: 5 VDC
• Cấu tạo vỏ: Hợp kim nhôm
• 06 phím chức năng.
• Đèn hiểm thị: Đèn huỳnh quang chân không, góc nhìn rộng
• Độ phân giải trong: 1.000.000
• Độ phân giải hiển thị: 10.000 e
• Tốc độ biến đổi A/D: 20 lần/giây
• Tính năng lọc nhiễu bằng kỹ thuật số
• Chức năng cân: Cân thông thường, cân động vật, cân đếm, giữ số hiển thị, cộng
dồn.
• Ngoại vi giao tiếp: chuẩn RS232/20mA/RS422.
+ Màn hình hiển thị - LED
• Có tính năng hiển thị giá trị cân cho tài xế xem
• Hiển thị số lớn, rõ, đẹp, khả năng nhìn xa ≥ 150m
• Kích thước 840mm x 360mm x 190mm
ĐHCN Hà Nội – Khoa Điện – TĐH 1 – K8 12
Bài Tập Lớn Đo Lường Cảm Biến – Nhóm 7
• Chuẩn nối tiếp RS 232.
+ Máy tính và máy in:
• Máy tính

- Phần mềm quản lí chuyên biệt chuyên phục vụ trạm cân điện tử.
- Lưu trữ và quản lý dữ liệu bằng máy vi tính các thông tin, số liệu về khách
hàng như: biển số xe, khối lượng hàng hóa xuất và nhập, thời gian …
- In phiếu cân cho từng mã cân, từng xe hàng. Trong phiếu cân thể hiện rõ
các thông tin: Biển số xe, tên khách hàng, trọng lượng tổng, trọng lượng xe,
trọng lượng hàng, thời gian cân ra, vào…Thống kê chi tiết hàng hóa theo
từng mã hàng…
- Tương thích các loại bộ chỉ thị cân ô tô có cổng kết nối RS232.
ĐHCN Hà Nội – Khoa Điện – TĐH 1 – K8 13
Bài Tập Lớn Đo Lường Cảm Biến – Nhóm 7
- Tùy biến theo yêu cầu khách hàng.
- Dữ liệu SQL có khả năng kết nối với các phần mềm quản lý khác.
• Máy in
Máy in được kết nối với máy tính và được điều khiển bằng dao diện.
Thực hiện nhiệm vụ in dữ liệu thông tin sau khi đã được xử lý hoàn chỉnh
phục vụ công tác đo lường, xử lý.
5. Đánh giá sai số hệ thống.
a) Hạn chế của hệ thống cân trọng tải ô tô.
- Lắp đặt cồng kềnh
- Giới hạn cân trong khoảng rộng thì chi phí cao.
b) Nguyên nhân gây sai số.
Với công nghệ cân trọng tải ô tô như thiết kế, đề tài với 8 loadcell và dùng
công nghệ cân phổ biến nhất hiện nay như trên, thì khả năng gây sai số là rất nhỏ <
0,2%.
- Lắp đặt thiết bị sai kỹ thuật
- Chất lượng của bàn cân (bàn cân và đường dẫn không nằm trên cùng một trục mặt
phẳng, đặt bàn cân không đúng kỹ thuật)
- Do hoạt động của loadcell (không ổn định, hư hỏng)
- Tính ổn định của hệ điều hành.
c)Biện pháp khắc phục.

- Có bản thiết kế chính xác, rõ dàng cho từng khoảng cân
- Có phương án thi công, lắp đặt phải đúng kỹ thuật như đã thiết kế
- Bảo chì, bảo dưỡng thường xuyên bảm bảo độ ổn định của hệ thống.
ĐHCN Hà Nội – Khoa Điện – TĐH 1 – K8 14
Bài Tập Lớn Đo Lường Cảm Biến – Nhóm 7
Chương 3: KẾT LUẬN.
1.Các kết quả đạt được.
a) Với bài làm:
- Phân tích được một cách tổng quát về công nghệ cân kiểm tải trong ô tô (các thiết
bị, các loại cảm biến sử dụng củng như công nghệ được ứng dụng)
- Xây dựng được một hệ thống cân ô tô với đầy đủ thiết bị chủ yếu, hiểu rõ hơn về
hệ thống.
b) Với bản thân.
- Nâng cao kỹ năng làm việc theo nhóm
- Tích lũy thêm được nhiều kiến thức thực tế bổ ích.
2.Các hạn chế khi thực hiện.
- Do kiến thức còn hạn chế nên trong quá trình làm bài, bài làm nhiều khi còn sơ
sài, kỹ thuật trình bày còn kém.
- Do không có tích lũy thực tế.
3.Biện pháp khắc phục.
- Cố gắng thu thập tài liệu từ các nguồn khác nhau để bổ xung cho những thiếu sót.
- Có gắng đi tìm hiểu thực tế để bài làm chính xác hơn.
ĐHCN Hà Nội – Khoa Điện – TĐH 1 – K8 15
Bài Tập Lớn Đo Lường Cảm Biến – Nhóm 7
Chương 4: BÀI DỊCH TÀI LIỆU ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN.
Thiết bị đo biến dạng
19.1 Giới thiệu về thiết bị đo biến dạng
Tiến sĩ Thomas Kenny, Kỹ thuật cơ khí, Đại học Stanford
Thiết bị đo biến dạng được sử dụng trong nhiều loại cảm biến. Họ cung cấp
một cách thuận tiện để chuyển đổi một chuyển (biến dạng) thành tín hiệu điện. "Đầu

ra" của chúng là một sự thay đổi điện trở. Nó có thể được chuyển đổi thành một tín
hiệu điện áp bằng cách kết nối thiết bị đo biến dạng (s) trong một cấu hình cầu. Một
vài cảm biến chỉ sử dụng một chủng yếu tố đo duy nhất trong cây cầu, cùng với ba
điện trở cố định. Những người khác sử dụng hai thiết bị đo biến dạng và hai điện trở
cố định, và hầu hết các thiết kế gần đây sử dụng bốn thiết bị đo biến dạng. Các thiết
bị đo có thể đo được hầu hết các vật liệu, nhưng một số vật liệu có hiệu suất biến
dạng thiết bị lớn hơn các vật liệu khác. Hợp kim kim loại độc quyền và chất bán dẫn
silicon là những vật liệu thông dụng nhất.
Một piezoresistor là một thiết bị thể hiện một sự thay đổi trong điện trở khi nó
bị biến dạng. Có hai thành phần của hiệu ứng thanh rung trong hầu hết các vật liệu
thành phần hình học và các thành phần điện trở.
Hình 19.1.1: Biến dạng ống thủy ngân
ĐHCN Hà Nội – Khoa Điện – TĐH 1 – K8 16
Bài Tập Lớn Đo Lường Cảm Biến – Nhóm 7
Các thành phần hình học của piezoresistivity thực tế là một yếu tố biến dạng
dưới sự thay đổi của kích thước. Những thay đổi của mặt cắt và chiều dài ảnh hưởng
đến điện trở của thiết bị.
Một ví dụ của hiệu ứng hình học của piezoresistivity là thiết bị biến dạng
lỏng.Phần lớn các thiết bị này đã được sử dụng nhiều năm trước đây. Hãy tưởng
tượng một ống đàn hồi được rót đầy một chất lỏng dẫn điện, như thủy ngân. Điện trở
của thủy ngân trong ống có thể được đo với một cặp điện cực kim loại, ở mỗi đầu,
như thể hiện trong hình 19.1.1. Thủy ngân về cơ bản không nén được, kẹp dọc theo
chiều dài của ống khiến nó được kéo dài ra, và đồng thời làm cho đường kính của
ống giảm, nhưng tổng khối lượng không thay đổi. Giá trị điện trở của thiết bị được
đưa ra bởi:
R = (điện trở suất của thủy ngân) (chiều dài của ống) / (diện tích mặt cắt ngang
của ống)
Từ
R= ρL/A=ρL
2

Khi đó
dR/dL=2ρL/V=2R/L
Chúng tôi xác định một đại lượng gọi là các yếu tố biến dạng K như:
K=(dR/L)/(dL/L)
Từ
dR/dL=2R/L
Chúng ta có k=2 cho một độ biến dạng.
Điều này có nghĩa rằng trở kháng thay đổi 1 lần, thì chiều dài biến đổi 2 lần.
Nói cách khác, nếu thiết bị được kéo dài thêm 1%, điện trở sẽ tăng lên 2%. Điều này
đúng cho tất cả các thiết bị đo biến dạng lỏng, vì tất cả dung môi đều không thể nén
được.
Thiết bị đo dòng chất lỏng đã được sử dụng trong các bệnh viện để đo biến
động trong máu áp lực. Một ống cao su chứa đầy thủy ngân đã được kéo dài xung
quanh tay chân con người, và những biến động trong áp lực đã được ghi lại trên một
ĐHCN Hà Nội – Khoa Điện – TĐH 1 – K8 17
Bài Tập Lớn Đo Lường Cảm Biến – Nhóm 7
máy ghi băng-biểu đồ, và hình dạng của các xung áp lực đã được sử dụng để chẩn
đoán tình trạng của động mạch. Thiết bị như vậy đã được thay thế bằng các thiết bị
biến dạng rẳn trong các bệnh viện hiện đại, nhưng ví dụ này vẫn chỉ ứng dụng thí
điểm.
Kim loại dây cũng có thể được sử dụng như thiết bị đo biến dạng. Chỉ đúng cho
thiết bị biến dạng chất lỏng, sự dài ra của cấu trúc hình học dây đồng nghĩa với điện
trở tăng lên. Đối với một dây kim loại, chúng ta có thể tính toán yếu tố của thiết bị
như chúng tôi đã làm cho thiết bị biến dạng chất lỏng, ngoại trừ việc chúng tôi
không thể giả định các kim loại không nén được, và chúng tôi không thể giả định
điện trở suất là một hằng số:
Thì
Từ
Được định nghĩa là tỷ lệ Poisson, v, chúng ta có
ĐHCN Hà Nội – Khoa Điện – TĐH 1 – K8 18

Bài Tập Lớn Đo Lường Cảm Biến – Nhóm 7
Đối với các kim loại khác nhau, số lượng này phụ thuộc vào tính chất vật liệu,
và trên chi tiết về cơ chế dẫn. Nói chung, kim loại có các yếu tố đo giữa 2 và 4.
Bây giờ, khi vùng thời gian áp lực bằng với thời gian cưỡng bức, và sự thay đổi
một phần trong điện trở bằng với yếu tố thời gian của thiết bị và một phần thay đổi
về độ dài(biến dạng), và áp lực căng là mô đun thời gian biến dạng Young ta có
Hoặc
Vì vậy, việc thay đổi một phần trong điện trở của thiết bị đo biến dạng tỷ lệ
thuận với lực tác dụng và là tỷ lệ thuận với yếu tố đo chia cho mô đun Young của vật
liệu. Rõ ràng, chúng ta muốn có một sự thay đổi lớn trong trở kháng để đơn giản
hóa thiết kế của các phần còn lại của một công cụ cảm biến, vì vậy chúng ta thường
cố gắng để lựa chọn đường kính nhỏ, mô đun nhỏ Young, và các yếu tố đo lớn khi
có thể. Giới hạn đàn hồi của hầu hết các vật liệu là dưới 1%, vì vậy nói chung chúng
ta đang nói về những thay đổi kháng trong phạm vi 1% -0,001%. Rõ ràng, đo điện
trở như vậy là không nhỏ, và chúng ta thường thấy cầu kháng được thiết kế để xuất
điện áp có thể được đưa vào mạch khuếch đại.
ĐHCN Hà Nội – Khoa Điện – TĐH 1 – K8 19
Bài Tập Lớn Đo Lường Cảm Biến – Nhóm 7
Hình 19.1.2: Thiết bị đo biến dạng mỏng
Thiết bị đo biến dạng phim mỏng
Trong nhiều năm, đã có một ngành công nghiệp liên quan đến việc chế tạo và
tiếp thị về thiết bị đo biến dạng kim loại mỏng và các trang thiết bị cần thiết đi kèm
các thiết bị đo và dây điện cho các cấu trúc cơ khí khác nhau. Một bức ảnh của một
thiết bị đo biến dạng mỏng được thể hiện trong hình 19.1.2. Thiết bị đo đặc biệt này
bao gồm một dây kim loại mẫu để nó nhạy cảm với sự kéo dài theo một hướng.
Thiết bị đo biến dạng có sẵn từ một số nhà cung cấp, và hàng trăm mô hình của tấm
kim loại mỏng có thể được lựa chọn, với các mẫu khác nhau cung cấp độ nhạy cảm
biến dạng trong hướng dẫn cụ thể. Trong những năm gần đây, được sử dụng nhiều
trong thực tế là silicon pha tạp là một chất dẫn mà đặc trưng là một yếu tố đo lớn
như 200, tùy thuộc về số lượng tạp chất. Điều này tạo ra một cơ hội để làm cho thiết

bị đo dòng từ silicon, và sử dụng chúng để sản xuất các thiết bị nhạy cảm hơn có thể
dễ dàng thực hiện trong các vật liệu khác.
ĐHCN Hà Nội – Khoa Điện – TĐH 1 – K8 20
Bài Tập Lớn Đo Lường Cảm Biến – Nhóm 7
Hình 19.1.3: Thiết bị đo biến dạng Silicon. (Tiến sĩ Marco Tortonese, luận án tiến sĩ,
Đại học Stanford năm 1992.)
Các vi thiết bị
Một khía cạnh khác của các tiện ích của silicon là những năm gần đây đã thấy
sự phát triển của một hệ thống các kỹ thuật khắc axit cho phép chế tạo các vi cấu
trúc từ tấm silicon. Thường được gọi là công nghệ vi silicon, các kỹ thuật sử dụng
các khuôn mẫu và xử lý kỹ thuật của ngành công nghiệp điện tử để xác định và sản
xuất các cấu trúc vi cơ.
Nghệ vi có thể được sử dụng để chế tạo thanh rung của áp trở cho một loạt các
ứng dụng. Nghiên cứu gần đây (Ben Chui tại Stanford và John Mamin tại IBM
Almaden) đã tập trung vào sự phát triển của thanh rung áp trở cho dữ liệu ứng dụng
lưu trữ. Trong thiết kế này, 100 micron dài là thanh rung áp trở kéo theo một đĩa
polycarbonate ở mức 10 mm / s, nảy lên và xuống khi nó đi trên vết lõm phụ micron
trên bề mặt của đĩa. Ý tưởng này thực chất là một kim ghi hiệu suất cao. Các thiết bị
thể hiện trong hình minh họa 19.1.4 thanh rung phát triển cho ứng dụng lưu trữ dữ
liệu này. Từ năm 2000, các nhà nghiên cứu IBM Zurich, do Vettiger, đã làm cho
mảng 2-D lớn của thanh rung áp trở thích hợp cho một hệ thống lưu trữ dữ liệu mật
độ cao dựa trên cách tiếp cận này.
ĐHCN Hà Nội – Khoa Điện – TĐH 1 – K8 21
Bài Tập Lớn Đo Lường Cảm Biến – Nhóm 7
Hình 19.1.4: lưu trữ dữ liệu AFM cơ nhiệt.
(Luận văn tốt nghiệp của Ben Chui, Tiến sĩ, xuất bản năm 1998.)
Một số lượng lớn hơn có thể nói về những kỹ thuật này, nhưng bây giờ chúng
tôi chỉ nêu tính chất đơn giản rằng những kỹ thuật này có khả năng sản xuất màng và
thanh rung silicon với độ dày micron và kích thước ngang của hàng trăm micron lên
đến mm (xem hình 19.1.3). Các đặc tính cơ học của các cấu trúc chính xác những gì

chúng ta mong đợi từ các đặc tính cơ học của silicon.
Vì các vi cấu trúc có thể có thiết bị đo biến dạng nhạy cảm nhúng trong chúng,
dễ dàng thấy rằng một số thiết bị cảm biến hữu ích có thể được xây dựng. ví dụ cụ
thể bao gồm đo biến dạng dựa trên cảm biến áp suất, nơi một loạt các thiết bị đo
biến dạng đặt ở vị trí xung quanh chu vi của một màng mỏng và kết nối vào một cấu
hình cầu để tự động hủy bỏ tiếng ồn và chuyển dịch tín hiệu khác từ các thiết bị đo.
ĐHCN Hà Nội – Khoa Điện – TĐH 1 – K8 22
Bài Tập Lớn Đo Lường Cảm Biến – Nhóm 7
Độ chính xác biến dạng
Một vấn đề khác liên quan đến thiết bị đo dòng là tính chính xác của phép đo
trở kháng. Nói chung, độ chính xác được cải thiện bằng cách sử dụng dòng lớn hơn
và xuất điện áp lớn hơn. Tuy nhiên, giới hạn thực tế với số lượng hiện tại có thể
được sử dụng để đo độ giảm cường độ trong các yếu tố điện trở. Vì lý do này, các
công nghệ cho việc kết hợp thiết bị đo biến dạng màng mỏng đã được tối ưu hóa để
tối đa hóa sự truyền dẫn nhiệt từ các màng mỏng với lớp nền. Nâng cao độ dẫn nhiệt
cho phép sử dụng nhiều hiện nay trong đo lường.
Nhiều thiết bị đo biến dạng, và đặc biệt là pha tạp thiết bị đo biến dạng silicon,
rất nhạy cảm với thay đổi nhiệt độ. Trong một số trường hợp, đây là một tác dụng
hữu ích, đặc biệt là nếu ứng dụng cũng cần phải đo nhiệt độ. Nói chung, đây không
phải là khuôn mẫu, do đó, nó là cần thiết để bù đắp cho sự nhạy cảm này. Cách dễ
nhất để làm điều này là để chế tạo điện trở mẫu từ chất liệu tương tự, và xác định vị
trí để chúng không cảm nhận được sự biến dạng tín hiệu. Một cấu hình cầu có thể dễ
dàng sắp xếp để giữ lại độ nhạy biến dạng trong khi hủy bỏ sự nhạy cảm nhiệt độ
của một loạt các thiết bị đo biến dạng. Sắp xếp như vậy là rất quan trọng và dễ dàng
sản xuất, vì vậy chúng rất thống nhất.
Ứng dụng
Các ứng dụng của thiết bị đo biến dạng trong các bộ cảm biến mà trung bình
biến dạng dự kiến sẽ xảy ra (0,001% -1%), trong đó các thiết bị chi phí thấp rất là
cần thiết, nơi các thiết bị silicon nhỏ là cần thiết, và nơi tín hiệu được dự kiến tại tần
số từ DC đến một vài kHz. Giới hạn tần số xuất hiện vì cấu hình liên kết của các

thiết bị này thường dẫn đến điện dung rò lớn, mà có xu hướng để lọc ra các tín hiệu
khác nhau nhanh chóng.
Ví dụ tính: Kệ áp trở
ĐHCN Hà Nội – Khoa Điện – TĐH 1 – K8 23
Bài Tập Lớn Đo Lường Cảm Biến – Nhóm 7
Hình 19.1. (Ảnh của luận án tiến sĩ của Marco Tortonese [Stanford, 1998].)
Ví dụ này tính toán và số liệu được lấy từ luận án của Tiến sĩ Marco Tortonese,
trong đó chế tạo và hoạt động của một AFM dựa trên thanh rung áp trở là mô tả chi
tiết. Tính nhạy cảm của một thanh rung áp trở trình bày ở đây để cung cấp một ví dụ
về tính toán dòng thiết bị biến dạng.
Như thể hiện trong hình 19.1.5, chúng tôi sử dụng một thanh rung áp trở cảm
biến trong hình của một bề mặt được thông qua dưới. Kỹ thuật này đã được chứng
minh là kính hiển vi lực nguyên tử (AFM) của một số sinh viên tốt nghiệp trong
nhóm của Cal Quate tại Stanford. Trong AFM, lực hút giữa một đầu nhọn và bề mặt
mẫu gây ra độ võng dầm nhẹ. Nếu đúc hẫng là đủ mỏng, các lực lượng liên quan với
các tương tác nguyên tử giữa các nguyên tử cá nhân có thể được đo lường.
Mối quan hệ tải trọng lệch cho một chùm cantilever đơn giản là.
Khi
ĐHCN Hà Nội – Khoa Điện – TĐH 1 – K8 24
Bài Tập Lớn Đo Lường Cảm Biến – Nhóm 7
Ở đây, L là chiều dài, T là độ dày, và W là chiều rộng. Từ F = KZ, chúng ta có độ
cứng:
Đối với một độ lệch Z, đầu nhọn có một góc lệch của khoảng
và, do đó, bán kính cong của khoảng
Sự biến dạng trong bề mặt phía trên của dầm là do sự khác biệt trong cung
chiều dài cho các bề mặt trên và dưới.
Sự biến dạng cho bởi:
Đối với một cantilever AFM điển hình (như trong hình 19.1.4), chúng tôi có
các thông số
T = 4 µm, L= 100 µm, w = 4 µm, E= 2 × 10

11
N/m2, and F=10
-7
N
ĐHCN Hà Nội – Khoa Điện – TĐH 1 – K8 25