Giáo trình Đo lường cảm biến: Phần 2 - CĐ Giao thông Vận tải

Chƣơng 5: Đo vận tốc , gia tốc

CHƢƠNG 5
Trong công nghiệp, phần lớn trƣờng hợp đo vận tốc là đo tốc độ quay của máy. Độ an toàn
cũng nhƣ chế độ làm việc của máy phụ thuộc rất lớn vào tốc độ quay. Trong trƣờng hợp
chuyển động thẳng, việc đo vận tốc dài cũng thƣờng đƣợc chuyển về đo tốc độ quay. Bởi vậy,
các cảm biến đo vận tốc góc đóng vai trị quan trọng trong việc đo vận tốc.
Để đo vận tốc góc thƣờng ứng dụng các phƣơng pháp sau đây:
 Sử dụng tốc độ kế vòng kiểu điện từ: nguyên lý hoạt động dựa trên hiện tƣợng cảm ứng điện
từ. Cảm biến gồm có hai phần: phần cảm (nguồn từ thơng) và phần ứng (phần có từ thơng đi
qua). Khi có chuyển động tƣơng đối giữa phần cảm và phần ứng, từ thông đi qua phần ứng
biến thiên, trong nó xuất hiện suất điện động cảm ứng xác định theo công thức:
(5.1)
Thông thƣờng từ thông qua phần ứng có dạng:
(x)= 0F(x)

(5.2)

Trong đó x là biến số của vị trí thay đổi theo vị trí góc quay hoặc theo đƣờng thẳng, khi đó suất
điện động e xuất hiện trong phần ứng có dạng:
(5.3)
Suất điện động này tỉ lệ với vận tốc cần đo.
 Sử dụng tốc độ kế vòng loại xung: làm việc theo nguyên tắc đo tần số chuyển động của phần
tử chuyển động tuần hồn, ví dụ chuyển động quay. Cảm biến loại này thƣờng có một đĩa
đƣợc mã hoá gắn với trục quay, chẳng hạn gồm các phần trong suốt xen kẽ các phần không
trong suốt. Cho chùm sáng chiếu qua đĩa đến một đầu thu quang, xung điện lấy từ đầu thu
quang có tần số tỉ lệ với vận tốc quay cần đo.
5.1 Máy phát tốc.
Máy phát tốc là một máy phát điện, gồm rotor và Stator. Trong đó Rotor thƣờng là nam châm
Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử

Trang 67


Chƣơng 5: Đo vận tốc , gia tốc
vĩnh cửu. Máy phát tốc thƣờng đƣợc lắp ở trục động cơ, trục máy phát điện. Khi trục động cơ
hoặc trục máy phát quay thì rotor của máy phát tốc cũng quay, phía Stator của máy phát tốc sẽ
có điện áp. Ngƣời ta xuất điện áp đó để cung cấp cho mạch kiểm sốt tốc độ của trục động cơ
hoặc trục máy phát.

Hình 5.1: Hình ảnh máy phát tốc
5.2 Encoder.
Cấu tạo: Encoder gồm một đĩa mã có khắc vạch sáng tối, đặt giữa nguồn sáng và transistor
quang (phototransistor). Encoder có 2 loại: Encoder tƣơng đối và encoder tuyết đối.
 Encoder tƣơng đối: gồm một đĩa mã trên đó có khắc một vịng các vạch tối sáng

Hình 5.2: Cấu tạo của encoder tƣơng đối
Bộ thu phát hồng ngoại có cấu tạo gồm ba cặp thu phát hồng ngoại bố trí nhƣ hình

Hình 5.3: Sơ đồ thu phát hồng ngoại và bố trí các cặp thu phát trong encoder
Hai cặp thu phát A, B đƣợc bố trí sao cho trục tia sáng nằm trên đƣờng tròn qua tâm lỗ trống
Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử

Trang 68


Chƣơng 5: Đo vận tốc , gia tốc
nhƣng lệch nhau, khi trục tia sáng của cặp A đi qua tâm của một lỗ trống thì trục tia sáng căp B
sẽ chiếu qua biên của lỗ trống. Cặp Z đƣợc bố trí có trục tia sáng đi chỉ đi qua lỗ trống lớn mà
khơng qua các lỗ trống cịn lại.
Khi đĩa mã quay, lỗ trống sẽ lần lƣợt đi qua các trục tia sáng của cặp A và cặp B. Khi trục tia

sáng của cặp nào xuyên qualỗ trống thì ở phototransistor sẽ cho ra tín hiệu mức 1, ngƣợc lại thì
ở phototransistor sẽ cho ra tín hiệu mức 0. Số xung phát ra ở ngõ ra của mỗi phototransistor A,
B sẽ bằng số lỗ trống trên đĩa mã. Khi đĩa mã quay đƣợc một vịng thì phototransistor Z sẽ phát
ra một xung. Giản đồ xung của Encoder tƣơng đối nhƣ hình

Hình 5.4: Giản đồ xung quay thuận – quay ngƣợc
Dựa vào thứ tự xuất hiện của các xung ta có thể xác định đƣợc chiều quay của encoder.

Hình 5.5: Hình ảnh thật của Encoder tƣơng đối
Độ phân giải của encoder tuỳ thuộc vào số lỗ trống (vạch sáng tối) trên đĩa mã. Thƣờng thì đĩa
mã có số lỗ trống là: 100, 200, 500, 1000 lỗ. Nếu gọi số lỗ trống trên đĩa mã (số xung phát ra)
là n thì độ phân giải của encoder là s:
s = 3600 / n

(5.4)

 Encoder tuyệt đối (Absolute Encoder): gồm một đĩa mã trên đó có khắc nhiều vịng
các vạch tối sáng. Số vịng các lỗ trống trên đĩa mã chính là số bit của encoder.

Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử

Trang 69


Chƣơng 5: Đo vận tốc , gia tốc

Hình 5.6 Cấu tạo của encoder tuyệt đối 3 bit
Bộ thu phát hồng ngoại có cấu tạo gồm ba cặp thu phát hồng ngoại bố trí nhƣ hình

Hình 5.7: Sơ đồ thu phát hồng ngoại trong encoder tuyệt đối

Các cặp thu phát hồng ngoại đƣợc bố trí thẳng hàng sao cho trục tia sáng của mỗi cặp thu phát
sẽ đi qua tâm của một lỗ trống. Khi đĩa mã quay thì ở ngõ ra sẽ tạo ra một số nhị phân, mã
BCD hoặc mã Gray tuỳ vào cách đục lỗ trên đĩa mã. Nếu gọi số bit ngõ ra của encoder tuyệt
đối là n thì khi encoder quay một vịng sẽ cho ra 2n giá trị, gọi độ phân giải của encoder là s:
S = 3600 / 2n

(5.5)

Hình 5.8 : Hình dạng của encoder tuyệt đối

Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử

Trang 70


Chƣơng 5: Đo vận tốc , gia tốc
Mạch ngõ ra của encoder:

Hình 5.9: Mạch ngõ ra của encoder
Ứng dụng của encoder:
Encoder đƣợc dùng để đo tốc độ, đo chiều dài, đo dịch chuyển, đo vị trí, đo góc quay
 Dùng encoder để đo tốc độ băng tải trong máy rót nƣớc chai.

Hình 5.10: Dùng encoder đo tốc độ băng tải
 Dùng đo chiều dài của ống kim loại/ vải

Hình 5.11: Dùng encoder đo chiều dài

Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử

Trang 71


Chƣơng 5: Đo vận tốc , gia tốc
5.3 Tốc độ kế điện từ.
5.3.1 Tốc độ kế điện từ đo vận tốc góc
 Tốc độ kế dịng một chiều:

Hình 5.12: Sơ đồ cấu tạo của máy phát dòng một chiều
1) Stato

2) Rơto

3) Cổ góp

4) Chổi qt

Stato (phần cảm) là một nam châm điện hoặc nam châm vĩnh cửu, roto (phần ứng) là một trục
sắt gồm nhiều lớp ghép lại, trên mặt ngoài roto xẽ các rãnh song song với trục quay và cách
đều nhau. Trong các rãnh đặt các dây dẫn bằng đồng gọi là dây chính, các dây chính đƣợc nối
với nhau từng đôi một bằng các dây phụ. Cổ góp là một hình trụ trên mặt có gắn các lá đồng
cách điện với nhau, mỗi lá nối với một dây chính của roto. Hai chổi quét ép sát vào cổ góp
đƣợc bố trí sao cho tại một thời điểm chúng luôn tiếp xúc với hai lá đồng đối diện nhau.
Khi rô to quay, suất điện động xuất hiện trong một dây dẫn xác định theo biểu thức:
(5.5)
Trong đó dΦi là từ thông mà dây dẫn cắt qua trong thời gian dt:
= d⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗⃗⃗

(5.6)

dSc là tiết diện bị cắt trong khoảng thời gian dt:
dSC = lvdt = lωrdt

(5.7)

Trong đó:
l - chiều dài dây dẫn.
v - vận tốc dài của dây.
Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử

Trang 72


Chƣơng 5: Đo vận tốc , gia tốc
ω - vận tốc góc của dây.
r - bán kính quay của dây.
Biểu thức của suất điện động xuất hiện trong một dây:
ei = - ωrlBiN

(5.8)

Suất điện động ứng với một nửa số dây ở bên phải đƣờng trung tính:
(5.9)
N - tổng số dây chính trên roto.
n - số vịng quay trong một giây.
Φ0 - là từ thông xuất phát từ cực nam châm.
Tƣơng tự tính đƣợc suất điện động ứng với một nửa số dây ở bên trái:
Et = nN0

(5.10)

Nguyên tắc nối dây là nối thành hai cụm, trong mỗi cụm các dây mắc nối tiếp với nhau, cịn hai
cụm thì mắc ngƣợc pha nhau.
 Tốc độ kế dòng xoay chiều
 Máy phát đồng bộ: Sơ đồ cấu tạo của một tốc độ kế dòng xoay chiều kiểu máy phát
đồng bộ biểu diễn trên (hình 5.12). Thực chất đây là một máy phát điện xoay chiều
nhỏ. Roto (phầm cảm) của máy phát là một nam châm hoặc tổ hợp của nhiều nam
châm nhỏ. Phần ứng gồm các cuộn dây bố trí cách đều trên mặt trong của stato là nơi
cung cấp suất điện động cảm ứng hình sin có biên độ tỉ lệ với tốc độ quay của roto.
e = E sin t
Trong đó E=K1ω,

(5.11)

=K2ω, K1 và K2 là các thơng số đặc trƣng cho máy phát.

Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử

Trang 73


Chƣơng 5: Đo vận tốc , gia tốc

Hình 5.12: Sơ đồ cấu tạo của máy phát đồng bộ
Giá trị của ω có thể tính đƣợc theo E hoặc

.

- Xác định ω từ biên độ suất điện động:
Cuộn cảm ứng có trở kháng trong:

Zi = Ri + jLi

(5.11)

Trong đó Ri, Li là điện trở và tự cảm của cuộn dây. Điện áp ở hai đầu cuộn ứng với tải R có giá
trị:

(5.12)
Từ biểu thức trên, ta thấy điện áp U không phải là hàm tuyến tính của tốc độ quay ω. Điều kiện
để sử dụng máy phát nhƣ một cảm biến vận tốc là R>>Zi để sao cho có thể coi U ≈ E.
Điện áp ở đầu ra đƣợc chỉnh lƣu thành điện áp một chiều, điện áp này không phụ thuộc chiều
quay và hiệu suất lọc giảm khi tần số thấp. Mặt khác, sự có mặt của bộ lọc làm tăng thời gian
hồi đáp của cảm biến. Xác định bằng cách đo tần số của suất điện động: phƣơng pháp này có
ƣu điểm là tín hiệu có thể truyền đi xa mà sự suy giảm tín hiệu khơng ảnh hƣởng tới độ chính
xác của phép đo.
 Máy phát khơng đồng bộ: Cấu tạo của máy phát không đồng bộ tƣơng tự nhƣ động cơ
khơng đồng bộ hai pha (hình 5.13). Roto là một đĩa hình trụ kim loại mỏng và dị từ quay
cùng tốc độ với trục cần đo, khối lƣợng và qn tính của nó khơng đáng kể. Stato làm
bằng thép từ tính, trên đó bố trí hai cuộn dây, một cuộn là cuộn kích thích đƣợc cung cấp
điện áp Vc có biên độ Ve và tần số ωe ổn định
Vc = Ve cos ωet.

Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử

(5.13)

Trang 74

Chƣơng 5: Đo vận tốc , gia tốc

Hình 5.13: Sơ đồ cấu tạo máy phát không đồng bộ
Cuộn dây thứ hai là cuộn dây đo. Giữa hai đầu ra của cuộn này xuất hiện một suất điện động
em có biên độ tỉ lệ với tốc độ góc cần đo:
em = EmCos(ωet + ) = kωVe Cos(ωet + )

(5.14)

Trong đó k là hằng số phụ thuộc vào kết cấu của máy, φ là độ lệch pha.
5.3.2 Tốc độ kế điện từ đo vận tốc dài
Khi đo vận tốc dài, với độ dịch chuyển lớn của vật khảo sát (> 1m) thƣờng chuyển thành đo
vận tốc góc. Trƣờng hợp đo vận tốc của dịch chuyển thẳng nhỏ có thể dùng cảm biến vận tốc
dài gồm hai phần tử cơ bản: một nam châm và một cuộn dây. Khi đo, một phần tử đƣợc giữ cố
định, phần tử thứ hai liên kết với vật chuyển động. Chuyển động tƣơng đối giữa cuộn dây và
nam châm làm xuất hiện trong cuộn dây một suất điện động tỉ lệ với vận tốc cần đo.
Sơ đồ cảm biến có cuộn dây di động biểu diễn trên hình 18.4.

Hình 5.14: Cảm biến dùng cuộn dây di động
Suất điện động xuất hiện trong cuộn dây có dạng:
e = 2rNBv

(5.15)

N - số vòng dây.
Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử

Trang 75

Chƣơng 5: Đo vận tốc , gia tốc
r - bán kính vịng dây.
B - giá trị của cảm ứng từ.
v - tốc độ dịch chuyển của vòng dây.
l - tổng chiều dài của dây.
Tốc độ kế loại này đo đƣợc độ dịch chuyển vài mm với độ nhạy ~ 1V/m.s. Khi độ dịch chuyển
lớn hơn (tới 0,5 m) ngƣời ta dùng tốc độ kế có nam châm di động (hình 5.15).
Cảm biến gồm một nam châm di chuyển dọc trục của hai cuộn dây quấn ngƣợc chiều nhau và
mắc nối tiếp. Khi nam châm di chuyển, suất điện động xuất hiện trong từng cuộn dây tỉ lệ với
tốc độ của nam châm nhƣng ngƣợc chiều nhau. Hai cuộn dây đƣợc mắc nối tiếp và quấn ngƣợc
chiều nên nhận đƣợc suất điện động ở đầu ra khác khơng.

Hình 5.15: Cảm biến có lõi từ di dộng
5.4 Tốc độ kế xung.
Tốc độ kế xung thƣờng có cấu tạo đơn giản, chắc chắn, chịu đựng tốt trong môi trƣờng độc hại,
khả năng chống nhiễu và chống suy giảm tín hiệu cao, dễ biến đổi tín hiệu sang dạng số. Tùy
thuộc vào bản chất của vật quay và dấu hiệu mã hoá trên vật quay, ngƣời ta sử dụng loại cảm
biến thích hợp.
- Cảm biến từ trở biến thiên: sử dụng khi vật quay là sắt từ.
- Cảm biến từ điện trở: sử dụng khi vật quay là một hay nhiều nam châm nhỏ.
- Cảm biến quang cùng với nguồn sáng: sử dụng khi trên vật quay có các lỗ, đƣờng vát, mặt
phản xạ.

Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử

Trang 76


Chƣơng 5: Đo vận tốc , gia tốc
5.4.1 Tốc độ kế từ trở biến thiên

Cấu tạo của cảm biến từ trở biến thiên gồm một cuộn dây có lõi sắt từ chịu tác động của một
nam châm vĩnh cửu đặt đối diện với một đĩa quay làm bằng vật liệu sắt từ trên đó có khía răng.
Khi đĩa quay, từ trở của mạch từ biến thiên một cách tuần hoàn làm cho từ thông qua cuộn dây
biên thiên, trong cuộn dây xuất hiện một suất điện động cảm ứng có tần số tỉ lệ với tốc độ quay.

Hình 5.16: Sơ đồ cấu tạo của cảm biến từ trở biến thiên
Tần số của suất điện động trong cuộn dây xác định bởi biểu thức:
f = p.n

(5.16)

p - số lƣợng răng trên đĩa.
n - số vòng quay của đĩa trong một giây.
Biên độ E của suất điện động trong cuộn dây phụ thuộc hai yếu tố:
- Khoảng cách giữa cuộn dây và đĩa quay: khoảng cách càng lớn E càng nhỏ.
- Tốc độ quay: Tốc độ quay càng lớn, E càng lớn. Khi tốc độ quay nhỏ, biên độ E rất bé và khó
phát hiện, do vậy tồn tại một vùng tốc độ quay không thể đo đƣợc, gọi là vùng chết.
Dải đo của cảm biến phụ thuộc vào số răng của đĩa. Khi p lớn, tốc độ nmin đo đƣợc có giá trị
bé. Khi p nhỏ, tốc độ nmax đo đƣợc sẽ lớn. Thí dụ với p = 60 răng, dải tốc độ đo đƣợc n = 50 500 vòng/phút, còn với p =15 răng dải tốc độ đo đƣợc 500 - 10.000 vòng/phút.
5.4.2 Tốc độ kế quang
Nguồn sáng phát tia hồng ngoại là một diot phát quang (LED). Đĩa quay, đặt giữa nguồn sáng
và đầu thu, có các lỗ bố trí cách đều trên một vịng trịn. Đầu thu là một photodiode hoặc
Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử

Trang 77


Chƣơng 5: Đo vận tốc , gia tốc
phototranzitor. Khi đĩa quay, đầu thu chỉ chuyển mạch khi nguồn sáng, lỗ, nguồn phát sáng
thẳng hàng. Khi đĩa quay, đầu thu quang nhận đƣợc một thông lƣợng ánh sáng biến điệu và

phát tín hiệu có tần số tỉ lệ với tốc độ quay nhƣng biên độ khơng phụ thuộc tốc độ quay.

Hình 5.17: Sơ đồ nguyên lý của tốc độ kế quang
Trong các cảm biến quang đo tốc độ, ngƣời ta cũng có thể dùng đĩa quay có các vùng phản xạ
ánh sáng bố trí tuần hồn trên một vịng trịn để phản xạ ánh sáng tới đầu thu quang.
Phạm vi tốc độ đo đƣợc phụ thuộc vào hai yếu tố chính:
- Số lƣợng lỗ trên đĩa.
- Dải thông của đầu thu quang và của mạch điện tử.
Để đo tốc độ nhỏ (~ 0,1 vịng/phút) phải dùng đĩa có số lƣợng lỗ lớn (500 - 1.000 lỗ). Trong
trƣờng hợp đo tốc độ lớn ( ~ 105 - 106 vòng/phút) phải sử dụng đĩa quay chỉ một lỗ, khi đó tần
số ngắt của mạch điện xác định tốc độ cực đại có thể đo đƣợc.
5.5 Cảm biến gia tốc (công nghệ MEMS)
Vào thế kỷ XX, các thiết bị điện tử đƣợc tích hợp với số lƣợng ngày càng lớn, kích thƣớc ngày
càng nhỏ và chức năng ngày càng đƣợc nâng cao. Điều này đã mang lại sự biến đổi sâu sắc cả
về mặt công nghệ lẫn xã hội. Vào cuối những năm 50 của thế kỷ XX, một cuộc cách mạng hố
về cơng nghệ micro đã diễn ra và hứa hẹn một tƣơng lai cho tất cả các ngành công nghiệp. Hệ
thống vi cơ điện tử (Micro ElectroMechanical Systems) viết tắt là MEMS cũng đã đƣợc ra đời
và phát triển trong giai đoạn này. Công nghệ vi cơ đã và đang tiến xa hơn nhiều so với guồn
gốc của nó là cơng nghiệp bán dẫn. MEMS bao gồm những cấu trúc vi cơ, vi sensor, vi chấp
hành và vi điện tử cùng đƣợc tích hợp trên cùng một chip (on chip). Các linh kiện MEMS
Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử

Trang 78


Chƣơng 5: Đo vận tốc , gia tốc
thƣờng đƣợc cấu tạo từ silic. Một thiết bị MEMS thông thƣờng là một hệ thống vi cơ tích hợp
trên một chip mà có thể kết hợp những phần cơ chuyển động với những yếu tố sinh học, hoá
học, quang hoặc điện. Kết quả là các linh kiện MEMS có thể đáp ứng với nhiều loại lối vào:
hoá, ánh sáng, áp suất, rung động vận tốc và gia tốc...Với ƣu thế có thể tạo ra những cấu trúc cơ

học nhỏ bé tinh tế và nhạy cảm đặc thù, công nghệ vi cơ hiện nay đã cho phép tạo ra những bộ
cảm biến (sensor), những bộ chấp hành (actuator) đƣợc ứng dụng rộng rãi trong cuộc sống. Các
bộ cảm biến siêu nhỏ và rất tiện ích này đã thay thếcho các thiết bị đo cũ kỹ, cồng kềnh trƣớc
đây. Song công nghệ MEMS mới đang ở giai đoạn đầu của nó và cần rất nhiều những nghiên
cứu cơ bản hơn, sâu hơn.

Hình 5.18 : Hình dạng cảm biến gia tốc trong cơng nghiệp
Cảm biến gia tốc là một thiết bị dùng để đo gia tốc. Cảm biến vi cơ là một loại cảm biến đƣợc
chế tạo theo cơng nghệ vi cơ. Nó chính là một trong những sản phẩm phong phú và đa dạng
nhất của công nghệ MEMS. Cảm biến gia tốc chế tạo theo cơng nghệ vi cơ điện tử có hai loại
là cảm biến kiểu tụ và cảm biến kiểu áp trở. Trong nhiều ứng dụng việc lựa chọn cảm biến kiểu
tụhay kiểu áp trở là rất quan trọng. Cảm biến kiểu áp trở có ƣu điểm là cơng nghệ cấu tạo rất
đơn giản. Tuy nhiên nhƣợc điểm của nó là hoạt động phụ thuộc nhiều vào sự thay đổi nhiệt độ
và có độ nhạy kém hơn cảm biến kiểu tụ. Các cảm biến kiểu tụ có độ nhạy cao hơn, ít bị phụ
thuộc vào nhiệt độ, ít bị nhiễu và mất mát năng lƣợng. Tuy nhiên chúng có nhƣợc điểm là mạch
điện tử phức tạp hơn. Hiện nay cảm biến gia tốc kiểu tụ đƣợc ứng dụng rộng rãi hơn
Ứng dụng của cảm biến gia tốc
Cảm biến gia tốc vi cơ đã nhanh chóng thay thế các loại cảm biến gia tốc thông thƣờng trƣớc
đây trong nhiều ứng dụng. Một vài những ứng dụng điển hình của cảm biến gia tốc vi cơ.
• Cảm biến góc Roll –Pitch
Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử

Trang 79


Chƣơng 5: Đo vận tốc , gia tốc
• Định hƣớng 3D trong khơng gian
• Phát hiện va chạm : những thông tin về gia tốc, vận tốc và độ dịch chuyển giúp phân biệt sự
va chạm và việc không xảy ra va chạm
• Đo và điều khiển mức rung

• Điều khiển và dự đoán khả năng làm việc của máy móc, thiết bị
• Đo một số thơng số sinh học trong cơ thể con ngƣời
Gia tốc thƣờng đƣợc tính thơng qua lực gây ra gia tốc đó vì lực liên hệ với gia tốc theo công
thức F = ma. Ở đó F là lực gây ra gia tốc, m là khối lƣợng, a là gia tốc.
Lực có đơn vị là N, m có đơn vị là gam (g), a có đơn vị là m/s2
Các thiết bị dùng để đo gia tốc phải xác định đƣợc giá trị của lực tác dụng lên một khối vật thể
đã biết trƣớc.

Hình 5.19 Cảm biến gia tốc ADXL202
Một cách tiếp cận khác để tính tốn gia tốc đó là : Gia tốc là đạo hàm của vận tốc theo thời
gian. Vận tốc lại là đạo hàm của độ dịch chuyển theo thời gian.
Việc đo gia tốc thơng qua cảm biến gia tốc MEMS có thể đƣợc mơ tả nhờ một sơ đồ trên hình
vẽ nhƣ một hệ gồm một khối lƣợng m và một lị xo

Hình 5.20 : Ứng dụng của cảm biến đo gia tốc
Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử

Trang 80


Chƣơng 5: Đo vận tốc , gia tốc
Hai loại cảm biến gia tốc đƣợc sử dụng phổ biến trong các ứng dụng hiện nay là cảm biến kiểu
tụ và kiểu áp trở.
Cảm biến gia tốc đƣợc sử dụng trong đề tài này là một cảm biến gia tốc hai chiều kiểu tụ cho
phép xác định một cách độc lập các gia tốc theo các phƣơng trục toạ độ X và Y. Cảm biến này
có hai loại lối ra đó là lối ra số (độ rộng xung lối ra tỉ lệ với gia tốc) và lối ra tƣơng tự (mức
điện áp tƣơng tự lối ra tỉ lệ với gia tốc).
Cảm biến có thể đƣợc sử dụng để đo cả gia tốc tĩnh ( ví dụ nhƣ gia tốc trọng trƣờng) ứng dụng
làm sensor đo độ nghiêng và gia tốc động (ví dụ nhƣ độ rung) ứng dụng làm sensor đo độ rung.
Dải đo là trong khoảng ±2g với g là gia tốc trọng trƣờng.

Hình 5.21 : Sơ đồ chân ADXL202

Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử

Trang 81


Chƣơng 6: Đo biến dạng, lực và trọng lƣợng
CÂU HỎI ÔN TẬP
Câu 1 : Trình bày cấu tạo cảu Encoder tƣơng đối và nêu các ứng dụng của nó.
Câu2 : Trình bày cấu tạo của Encoder tuyệt đối và nêu các ứng dụng của nó.
Câu 3 : Nêu ƣu khuyết điểm của các loại Encoder
Câu 4 : Trình bày cấu tạo và nguyên lý hoạt động của tốc độ kế xung
Câu 5 : Trình bày cấu tạo và nguyên lý hoạt động của tốc độ kế điện từ.
TRẮC NGHIỆM
Câu 6: Encoder loại 1 (incremental) có ƣu điểm:
a. Chỉ có 1 đĩa mã quang

c. Không mất thông tin khi mất điện

b. Dùng 2 xung A,B xác định chiều quay

d. Sử dụng nhiều mã đĩa

Câu 7: Cảm biến thƣờng dùng trong điều khiển chính xác cánh tay Robot là:
a. Laser

c. Incremental encoder

b Load cell

d. Absolute encoder

Câu 8: Để phát hiện Cabin thang máy tại các tầng, nắp chai nƣớc ngọt bằng kim loại, vị trí 2
đầu mũi khoan ta nên chọn cảm biến loại
a. Encoder

c. Cảm biến laser

b. Cảm biến thông minh

d. Cảm biến tiệm cận điện cảm

Câu 9: Cấu tạo encoder gồm nguồn phát sáng, nguồn thu và
a. Mã đĩa

c. Trục quay

b. Mạch khuếch đại

d. Mạch xử lý tín hiệu

Câu 10. Độ phân giải s của encoder tuyệt đối với n bit tín hiệu là
a. s = 360. n2

c. s = 2n/360

b. s = 360/2n

d. s = 360/n2

Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử

Trang 82


Chƣơng 6: Đo biến dạng, lực và trọng lƣợng

CHƢƠNG 6 : ĐO BIẾN DẠNG, LỰC VÀ TRỌNG LƢỢNG. (6 TIẾT)
Dƣới tác động của ứng lực cơ học, môi trƣờng chịu ứng lực xuất hiện bị biến dạng. Sự biến
dạng của các cấu trúc ảnh hƣởng lớn đến khả năng làm việc cũng nhƣ độ an toàn khi làm việc
của kết cấu chịu lực. Mặc khác giữa ứng lực và biến dạng có mối quan hệ với nhau từ đó ngƣời
ta có thể xác định đƣợc ứng lực khi đo biến dạng do nó gây ra. Bởi vậy biến dạng là vấn đề rất
đƣợc quan tâm trong kỹ thuật. Để đo biến dạng ngƣời ta dùng các cảm biến biến dạng cịn gọi
là đầu đo biến dạng. Hiện nay có hai loại cảm biến biến dạng đƣợc sử dụng phổ biến : đầu đo
điện trở và đầu đo dây rung
6.1 Cảm biến biến dạng (Strain gage).
Cấu tạo: Cảm biến biến dạng gồm một sợi dây dẫn có điện trở suất (thƣờng dùng hợp kim của
Niken) có chiều dài là l và có tiết diện s, đƣợc cố định trên một phiến cách điện nhƣ hình

Hình 6.1: Cấu tạo của cảm biến biến dạng
Khi đo biến dạng của một bề mặt dùng strain gage, ngƣời ta dán chặt strain gage lên trên bề
mặt cần đo sao cho khi bề mặt bị biến dạng thì strain gage cũng bị biến dạng. Điện trở cảm
biến
(6.1)
Khi cảm biến bị biến dạng, do kích thƣớc của dây dẫn bị thay đổi nên điện trở của cảm biến
thay đổi một lƣợng ∆R:
(6.2)
Trong đó: ∆l là biến thiên chiếu dài của dây dẫn, ∆ là biến thiên điện trở suất của dây dẫn và

∆s là biến thiên tiết diện của dây dẫn, R là điện trở của cảm biến khi chƣa bị biến dạng.
Biến dạng dọc của dây dẫn kéo theo biến dạng ngang của dây. Nếu dây dẫn hình chữ nhật có

Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử

Trang 83


Chƣơng 6: Đo biến dạng, lực và trọng lƣợng
các cạnh a, b hoặc dây dẫn trịn có đƣờng kính d thì
(6.3)

Hình 6.2: Cảm biến biến dạng (Strain gage)
6.2 Ứng dụng của Strain gage
Strain gage đƣợc dùng để đo lực, đo mô men xoắn của trục, đo biến dạng bề mặt của chi tiết cơ
khí, dùng để chế tạo cảm biến trọng lƣợng (Loadcell), cảm biến đo ứng suất …
Đo lực dùng cảm biến biến dạng:
Để đo lực tác động lên mộtvật thể, ta dán strain gage vào một vật ứng lực (vật chứng) đặt giữa
điểm tác dụng lực và vật chịu tác động sao cho biến dạng của cảm biến bằng với biến dạng của
vật chứng, dƣới tác dụng của lực tác động, vậtchứng bị biến dạng sẽ làm cảm biến biến dạng là
thay đổi điện trở củacảm biến, đo sự thay đổi điện trở của cảm biến ta suy ra lực tác dụng.

Hình 6.3: cảm biến strain gage
Khi vật chứng bị tác dụng bởi lực F nó sẽ bị biến dạng theo phƣơng ứng lực một lƣợng:

(6.4)
Trong đó:  là biến dạng của vật chứng,  là ứng lực, Y là module Young, S là tiết diện của vật
Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử

Trang 84

Chƣơng 6: Đo biến dạng, lực và trọng lƣợng
chứng, F là lực tác dụng. Các vật liệu khác nhau thì module Young sẽ khác nhau.
Đo lực ép cho máy ép cọc bê tơng

Hình 6.4: Máy ép cọc bê tơng
Đo mơ men xoắn:
Để đo mô men xoắn của trục quay, ta dán 2 strain gage lên trên trục quay theo hƣớng của ứng
suất (Nghiêng 45o so với trục) và 2 strain gage có trục vng góc với nhau

Hình 6.5 Dán strain gage lên trục để đo mô men xoắn
Khi chịu tác dụng của ngẫu lực, trên bề mặt của trục quay sẽ xuất hiện một biến dạng

(6.5)
Trong đó: T là mơ men tác động lên trục, Y là module Young, D là bán kính bề mặt trục
Đo mơ men xoắn trên trục của hệ tuabin máy phát:

Hình 6.6 : Ứng dụng đo momen xoắn
Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử

Trang 85


Chƣơng 6: Đo biến dạng, lực và trọng lƣợng
6.3 Cảm biến trọng lƣợng (Loadcell).
Cấu tạo: Bộ phận chính của loadcell là những tấm điện trở mỏng loại dán. Tấm điện trở để
biến đổi một biến dạng nhỏ thành sự thay đổi tƣơng ứng trong điện trở. Thân loadcell là một
khối kim loại đàn hồi (nhôm hợp kim, thép không gỉ, thép hợp kim). Một mạch đo dùng các
miếng biến dạng sẽ cho phép thu đƣợc một tín hiệu điện tỉ lệ với mức độ thay đổi của điện

trở. Mạch thông dụng nhất sử dụng trong loadcell là cầu Wheatstone.

Hình 6.7: Cấu tạo của Loadcell
Cấu tạo chính của loadcell gồm các điện trở strain gauges R1, R2, R3, R4 kết nối thành 1
cầu điện trở Wheatstone nhƣ hình dƣới và đƣợc dán vào bề mặt của thân loadcell. R là điện
trở danh nghĩa ban đầu của các điện trở R1, R2, R3, R4 (thƣờng là 120 ohms, nhƣng có thể
là 350 ohms dành cho các bộ cảm biến).

Hình 6.8: Sơ đồ cầu Wheatstone

Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử

Trang 86


Chƣơng 6: Đo biến dạng, lực và trọng lƣợng
Một điện áp kích thích đƣợc cung cấp cho ngõ vào loadcell (2 góc (1) và (4) của cầu điện trở
Wheatstone) và điện áp tín hiệu ra đƣợc đo giữa hai góc.
Tại trạng thái cân bằng (trạng thái không tải), điện áp tín hiệu ra là số khơng hoặc gần bằng
khơng khi bốn điện trở đƣợc gắn phù hợp về giá trị.
Nguyên lý hoạt động của loadcell

Hình 6.9: Nguyên lý hoạt động của loadcell
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 biến đổi theo dẫn đến sự thay đổi điện áp đầu ra nếu có một điện áp kích thích ở đầu
vào loadcell. Nhƣ vậy loadcell đã chuyển đổi lực thành tín hiệu điện. Sự thay đổi điện áp này là
rất nhỏ, do đó nó chỉ có thể đƣợc đo và chuyển thành số sau khi đi qua bộ khuếch đại của các
bộ chỉ thị cân điện tử (đầu cân).

Phân loại: Có thể phân loại loadcells theo:
 Phân loại Loadcell theo lực tác động: chịu kéo (shear loadcell), chịu nén (compression
loadcell), dạng uốn (bending), chịu xoắn (Tension Loadcells) ...
Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử

Trang 87


Chƣơng 6: Đo biến dạng, lực và trọng lƣợng
 Phân loại theo hình dạng: dạng đĩa, dạng thanh, dạng trụ, dạng cầu, dạng chữ S…
 Phân loại theo dạng tín hiệu ra: Loadcells tƣơng tự và Loadcells số.
6.4 Ứng dụng của Loadcell.
Trong công nghiệp cũng nhƣ đời sống loadcell đƣợc ứng dụng rất rộng nhƣ cân điện tử dùng
trong gia đình, cân trọng lƣợng ơ tơ hay là cân ngun liệu đầu vào và thành phẩm ra ở nhiều
nhà máy. Các ứng dụng khác của loadcell:
+ Cân điện tử, cân ô tô.
+ Cân định lƣợng, cân đóng bao, cân băng tải, cân trạm trộn.
+ Gắn vào đầu của ngón tay robot để xác định độ bền kéo và lực nén tác động vào các vật khi
chúng cầm nắm hoặc nhấc lên.
+ Dùng để xát định khối lƣợng an toàn, quá tải của các thiết bị nâng chuyển nhƣ: Thang máy,
băng tải...

Hình 6.10: Hệ thống cân xe ơtơ tải trọng lớn
Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử

Trang 88


Chƣơng 6: Đo biến dạng, lực và trọng lƣợng

Hình 6.11: Loadcell dùng cho cân bồn

Hình 6.12: Module loadcell cân bồn UES-M2 100kg~10tấn
- Cơ cấu nhỏ gọn, dễ lắp đặt, có khả năng chống quá tải.
- Bulon chống đảo ngƣợc (dao động lên xuống), bảo vệ chống lật nghiêng.
- Khả năng tự lựa vị trí cân bằng của chân loadcell, cho kết quả cân chính xác.

Hình 6.13: Loadcell cho các cân điện tử (cân tiểu ly) độ chính xác cao
Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử

Trang 89


Chƣơng 6: Đo biến dạng, lực và trọng lƣợng

Hình 6.14: Cân điện tử 1 số lẻ SHINKO
- Trọng lƣợng cân: 6000g
- Độ chính xác: 0.1 g
- Nguồn điện: 220 V
- Màn hình hiển thị: Hiện thị số, chấm cách, đèn nền
- Kích thƣớc đĩa cân: 140 mm
- Kích thƣớc: 21.5x38.1x33cm
6.5 Cảm biến đo áp suất chất lƣu
6.5.1 Cảm biến áp suất kiểu điện trở:
Cấu tạo : gồm 1 strain gauge đƣợc dán cố định trên màng mỏng (phân cách phần áp suất

cao và phần áp suất thấp) biến dạng nhƣ (hình 6.15).
Nguyên lý : Khi áp suất chất lƣu tác động lên cảm biến ở phần áp suất cao, màng phân
cách bị biến dạng làm cho Strain gauge bị biến dạng theo. Khi strain gauge bị biến dạng,
điện trở của nó sẽ thay đổi

Hình 6.15: Cấu tạo và một số dạng của cảm biến áp suất kiểu điện trở.
Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử

Trang 90


Chƣơng 6: Đo biến dạng, lực và trọng lƣợng
6.5.2 Cảm biến áp suất kiểu áp điện:
Cấu tạo: Trong cấu tạo của cảm biến, phần tử nhạy cảm chính là các chất áp điện nhƣ: các
tinh thể thạch anh, Titan, Bari.

Hình 6.16 : Cấu tạo và hình dạng của cảm biến áp suất áp điện.
Nguyên lý : Khi áp suất của chất lƣu tác động lên cảm biến sẽ làm các tinh thể áp điện bị
biến dạng (bị nén) thì trên bề mặtcủa chất áp điện sẽ xuất hiện điện tích Q phụ thuộc vào áp
suất nén.
Ứng Dụng Của Cảm Biến Áp Suất: Cảm biến áp suất đƣợc dùng để đo áp suất chất lƣu
nhƣ: Đo áp suất chất lỏng trong đƣờng ống, đo áp suất khí trong các đƣờng ống dẫn khí, đo
áp suất hơi trong nồi hơi… Ngồi ra cảm biến áp suất cịn có thể đƣợc dùng để đo cao trình
cột chất lỏng thơng qua áp suất thuỷ tĩnh.

Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử

Trang 91