cảm biến đo lực thiết bị cảm biến

Chương . CẢM BIẾN ĐO LỰC
1.
2.
3.
4.

Nguyên lý đo lực
Cảm biến áp điện
Load cell
Một số loại cảm biến khác

Tuesday, October 17, 2017

1


1. Nguyên lý đo lực
Định luật cơ bản của động lực học F = ma :
M: khối lượng (kg)
F: lực tác động (N)
a : gia tốc (ms-2)

Đo lực bằng cách: 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 thông qua sự thay đổi tính chất của vật liệu
chế tạo vật trung gian khi bị biến dạng.
Tuesday, October 17, 2017

2


2. Cảm biến áp điện
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

Nguyên lý hoạt động
• Dựa vào hiệu ứng áp điện
Tuesday, October 17, 2017

3


2. Cảm biến áp điện
Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
Nguyên lý hoạt động:
• 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).
F

+Q

++++++++++
- - - - - - - - - -

-Q

+
V~ F
−

F

Tuesday, October 17, 2017

4


2. Cảm biến áp điện
Các dạng biến dạng cơ bản:
F

+

+

F

F

V~ F

V~ F
−

−

b) Theo chiều ngang

F
a) Theo chiều dọc

F
+

F
F

V~ F
V~ F

−
c) Cắt theo bề dày

Tuesday, October 17, 2017

d) Cắt theo bề mặt

F

5

2. Cảm biến áp điện
Cách ghép các phần tử áp điện thành bộ:
+−
+−
+

+−
+−
+−
−
+
+−
+−
+−
−
+

−

a) Hai phần tử song song
Cb =2C
+−
+
−
+−
b) Hai phần tử nối tiếp
Cb =1/2C, Rb =2R, Vb = 2V

Tuesday, October 17, 2017

+

−

c) Nhiều phần tử song song

6


2. Cảm biến áp điện
Cảm biến thạch anh kiểu vòng đệm
Các vòng đệm:
• Phiến cắt từ đơn tinh thể thạch anh, nhạy với lực nén
dọc theo chiều trục.
2

1

3

1. Các vòng đệm
2. Các tấm đế
3. Đầu nối dây

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 103 kN ( với đường kính ~ 10 cm).
Tuesday, October 17, 2017

7


2. Cảm biến áp điện
CB thạch anh kiểu vòng đệm
Nhiều vòng đệm:

a) Các phiến cắt
b) Cảm biến ba
thành phần vuông góc

Tuesday, October 17, 2017

8


2. Cảm biến áp điện

Piezoelectric Sensor Element Designs

Tuesday, October 17, 2017

9


2. Cảm biến áp điện
Sơ đồ tương đương của cảm biến:

dQ
dt

Rg

Cg

a) Trong dải thông có ích
Rg - Điện trở trong của cảm biến
Cg – Điện dung của cảm biến

dQ
dt

RS

CS

b) Nối với mạch ngoài
1
1
1
=
+
R S R g R1

CS = Cg + C1

R1 và C1: điện trở và tụ tương đương với trở kháng cáp dẫn

Tuesday, October 17, 2017

10


2. Cảm biến áp điện
Sơ đồ khuếch đại điện áp

dQ
dt

RS CS

Cảm biến
và cáp nối

Vm

Re

Ce

ZV của khuếch
đại điện áp

dQ

Req

dt

Ceq

Vm

Sơ đồ tương đương
1
1
1
=
+
R eq R S R e

C eq = C S + C e

Điện áp ở cửa vào của bộ khuếch đại:
Tuesday, October 17, 2017

Q ReqCeqP
Vm =
.
Cq 1 + ReqCeqP

11


2. Cảm biến áp điện
Sơ đồ khuếch đại điện tích
Bộ chuyển đổi
điện tích

Chuẩn độ nhạy và
khuếch đại vi sai

Bộ
lọc

Bộ khuếch đại
đầu ra
Đầu ra (điện áp)

Đầu vào (điện tích)

a) Sơ đồ khối bộ chuyển đổi điện tích – điện áp
Cr
+Q

dQ

RS

CS

Vε

−Q

V0

dt

b) Sơ đồ ghép nối cảm biến và bộ chuyển đổi điện tích - điện áp
Tuesday, October 17, 2017

12


2. Cảm biến áp điện
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 .

Tuesday, October 17, 2017

13


3. Load cell
Cấu tạo:
Load cell là thiết bị chuyển năng: chuyển đổi lực hoặc
trọng lượng  tín hiệu điện
Load cell thường sử dụng 4 cảm biến biến dạng và kết
nối thành mạch cầu Wheatstone.

Tuesday, October 17, 2017

14


3. Load cell
Phân loại:

Loại thanh uốn

Loại đơn điểm

5-500 Kg
1-1000 Kg

Loại nén
Loại S

(Đo lực kéo và nén)

5,000-60,000 Kg

Loại thanh trượt

50 – 5000 Kg
500-5000 Kg

Tuesday, October 17, 2017

15

3. Load cell
Phân loại:

Tuesday, October 17, 2017

16


3. Load cell
Một số ứng dụng

Tuesday, October 17, 2017

17


3. Load cell

Tuesday, October 17, 2017

18


4. Một số cảm biến đo lực khác
a) Cảm biến lực điện dung
Đo được lực dọc và lực cắt
Có độ trễ và không tuyến tính

Tuesday, October 17, 2017

19


4. Một số cảm biến đo lực khác
b) Cảm biến lực áp trở
Lực tác động tăng thì điện trở giảm

Tuesday, October 17, 2017

20


4. Một số cảm biến đo lực khác
b) Cảm biến lực áp trở

Tuesday, October 17, 2017

21


4. Một số cảm biến đo lực khác
c) Cảm biến lực quang học

Tuesday, October 17, 2017

22


4. Một số cảm biến đo lực khác
c) Cảm biến lực quang học

Tuesday, October 17, 2017

23


4. Một số cảm biến đo lực khác
d) Cảm biến lực bằng lực từ

Tuesday, October 17, 2017

24


4. Một số cảm biến đo lực khác
d) Cảm biến lực bằng lực từ

Tuesday, October 17, 2017

25