Giáo trình Kỹ thuật cảm biến (Nghề: Điện công nghiệp - Cao đẳng) nhằm trang bị cho học viên các trường nghề những kiến thức về nguyên lý, cấu tạo, các mạch ứng dụng trong thực tế một số loại cảm biến... Giáo trình kết cấu gồm 5 bài và chia thành 2 phần, phần 2 trình bày những nội dung về: cảm biến đo vận tốc vòng quay và góc quay; các loại cảm biến khác;... Mời các bạn cùng tham khảo!
Bài 4: CẢM BIẾN VẬN TỐC VỊNG QUAY VÀ GĨC QUAY Mã bài: MĐ 20.04 Giới thiệu: Trong công nghiệp có nhiều trƣờng hợp cần đo vận tốc quay máy Ngƣời ta thƣờng theo dõi tốc độ quay máy lý an tồn để khống chế điều kiện đặt trƣớc cho hoạt động máy móc, thiết bị Trong chuyển động thẳng việc đo vận tốc dài thƣờng đƣợc chuyển sang đo vận tốc quay Bởi cảm biến đo vận tốc góc chiếm vị trí ƣu lĩnh vực đo tốc độ Mục tiêu: - Trình bày đƣợc phƣơng pháp đo - Lắp ráp đƣợc số mạch đo ứng dụng dùng loại cảm biến - Phát huy tính tích cực chủ động, sáng tạo,tác phong cơng nghiệp Nội dung chính: Một số phƣơng pháp Cảm biến vận tốc góc quay cung cấp cho ta tín hiệu đo tần số Thơng thƣờng trục quay đƣợc đánh hay nhiều dấu cảm biến phần không chuyển động ghi nhận chuyển động dấu Tần số đo đƣợc tỉ lệ với vòng quay n số dấu k: f = n.k Để đo tốc độ quay rotor ta sử dụng phƣơng pháp sau: Sử dụng máy phát tốc độ chiều xoay chiều, thực chất máy phát điện công suất nhỏ có sức điện động tỉ lệ với tốc độ cần đo Đƣợc sử dụng rộng rãi hệ chuyển động kinh điển Sử dụng cảm biến quang tốc độ với mã hóa Sử dụng máy đo góc tuyệt đối Xác định tốc độ gián tiếp qua phép đo dòng điện điện áp stator mà không cần dùng cảm biến tốc độ 1.1 Đo vận tốc vòng quay phƣơng pháp analog 1.1.1 Tốc độ kế chiều (máy phát tốc): Máy phát tốc độ máy phát điện chiều, cực từ nam châm vĩnh cửu Điện áp cực máy phát tỉ lệ với tốc độ quay Máy phát tốc độ nối trục với phanh hãm điện từ trục với động tốc độ quay tốc độ quay động Tốc độ tỉ lệ với điện áp máy phát tốc độ, dùng Vmét điện từ đồng hồ đo tốc độ nối với đo đƣợc tốc độ động Giá trị điện áp âm hay dƣơng phụ thuộc vào chiều quay Er= −( nΦ0 )/ 2π = −NnΦ0 N: số vòng quay s : vân tốc góc rotor n: tổng số dây rotor Φ0: từ thông xuất phát từ cực nam châm 77 Các phần tử cấu tạo tốc độ kế dòng chiều biểu diễn hình 4.1 Stator (phần cảm) nam châm điện nam châm vĩnh cửu có hai cực nam bắc nằm ngồi Rotor (phần ứng) gồm có lõi thép phần ứng, có xẻ rãnh, rãnh có đặt dây quấn Hình 5.1: Cấu tạo máy phát dòng chiều 1.1.2 Tốc độ kế dòng xoay chiều Tốc độ kế dịng xoay chiều có ƣu điểm khơng có cổ góp điện chổi than nên có tuổi thọ, khơng có tăng, giảm điện áp chổi than Nhƣợc điểm mạch điện phức tạp hơn, để xác định biên độ cần phải chỉnh lƣu lọc tín hiệu a Máy phát đồng Là loại máy phát điện xoay chiều loại nhỏ Rotor máy phát đƣợc gắn đồng trục với thiết bị cần đo tốc độ Rotor nam châm nhiều nam châm nhỏ hình 4.3 Stator phần cảm, pha ba pha, nơi cung cấp suất điện động hình sin có biên độ tỷ lệ với tốc độ quay rotor e = E0 sinΩt E0= K1 , Ω=K2 K1 K2 thông số đặc trƣng cho máy phát Ở đầu điện áp đƣợc chỉnh lƣu thành điện áp chiều.Điện áp không phụ thuộc vào chiều quay hiệu suất lọc giảm tần số thấp Tốc độ quay xác định đƣợc cách đo tần số sức điện động Phƣơng pháp quan trọng khoảng cách đo lớn Tín hiệu từ máy phát đồng truyền xa suy giảm tín hiệu đƣờng khơng ảnh hƣởng đến độ xác phép đo (vì đo tần số) 78 Hình 5.2.Cấu tạo máy phát đồng (a: pha, b: pha) b Máy phát không đồng Cấu tạo máy phát không đồng tƣơng tự nhƣ động khơng đồng hai pha (hình 4.3) Hình 5.3.Cấu tạo máy phát đồng Rotor hình trụ kim loại mỏng đƣợc quay với vận tốc cần đo, khối lƣợng qn tính khơng đáng kể Stator làm thép kỹ thuật điện, có đặt hai cuộn dây đƣợc bố trí nhƣ hình vẽ.Cuộn thứ cuộn kích từ đƣợc cung cấp điện áp định mức có biên độ tần số không đổi e ve=Vecos e t Cuộn dây thứ hai cuộn dây đo, hai đầu cuộn suất sức điện động có biên độ tỉ lệ với vận tốc góc cần đo em= Emcos( et + Φ) = k Vecos( et + Φ) Do Em = k Ve = k‟ k số phụ thuộc vào cấu trúc máy Φ: độ lệch pha Khi đo Em xác định đƣợc 1.2 Đo vận tốc vòng quay phƣơng pháp quang điện tử 1.2.1 Dùng cảm biến quang tốc độ với đĩa mã hóa Encoder thiết bị phát chuyển động hay vị trí vật Encoder sử dụng cảm biến quang để sinh chuỗi xung, từ chuyển sang phát chuyển động, vị trí hay hƣớng chuyển động vật thể 79 Hình 5.5: Sơ đồ hoạt động đĩa quang mã hóa Nguồn sáng đƣợc lắp đặt cho ánh sáng liên tục đƣợc tập trung xuyên qua đĩa thủy tinh Bộ phận thu nhận ánh sáng đƣợc lắp mặt lại của đĩa cho nhận đƣợc ánh sáng Đĩa đƣợc lắp đặt đến trục động hay thiết bị khác cần xác định vị trí cho trục quay, đĩa quay Khi đĩa quay cho lỗ, nguồn sáng, phận nhận ánh sáng thẳng hàng tín hiệu xung vng sinh Khuyết điểm: cần nhiều lỗ để nâng cao độ xác nên dễ làm hƣ hỏng đĩa quay 1.2.2 Đĩa mã hóa tương đối Encoder với xung khơng thể phát đƣợc chiều quay, hầu hết encoder mã hóa có xung thứ lệch pha 900 so với xung thứ nhất, xung xác định thời gian encoder quay vịng Hình 5.6: Sơ đồ thu phát Encoder tương đối Xung A, xung B xung điểu khiển, xung A xảy trƣớc xung B, trục quay theo chiều kim đồng hồ, ngƣợc lại, xung Z xác định quay xong vịng 80 Hình 5.7: Dạng sóng Encoder xung Gọi Tn thời gian đếm xung, N0 số xung vòng (độ phân giải cảm biến tốc độ, phụ thuộc vào số lỗ), N số xung thời gian Tn n (vòng / phút) = 60 N 40 N 0Tn 1.2.3.Đĩa mã hóa tuyệt đối Để khắc phục nhƣợc điểm đĩa mã hóa tƣơng đối nguồn số đềm bị Nhƣ cấu ngƣng hoạt động vào buổi tối hay bảo trì khi bật nguồn trở lại encoder khơng thể xác định xác vị trí cấu Hình 5.8: Sơ đồ thu phát Encoder tuyệt đối (sử dụng mã Gray) Đĩa mã hóa tuyệt đối đƣợc thiết kế để ln xác định đƣợc vị trí vật cách xác Đĩa encoder tuyệt đối sử dụng nhiều vịng phân đoạn theo hình đồng tâm gồm phân đoạn chắn sáng khơng chắn sáng - Vịng xác định đĩa quay nằm nửa vòng tròn 81 - Kết hợp vòng với vòng xác định đĩa quay nằm ¼ vịng trịn - Các rãnh cho ta xác định đƣợc vị trí 1/8, 1/16 vịng trịn Vịng phân đoạn ngồi cho ta độ xác cuối Loại encoder có nguồn sáng thu cho vòng nhƣ encoder có 10 vịng có 10 nguồn sáng thu, encoder có 16 vịng có 16 nguồn sáng thu Ngoài việc khắc phục nhƣợc điểm đĩa mã hóa tƣơng đối, với đĩa mã hóa tuyệt đối encoder cịn giảm tốc xuống cho encoder quay đủ vòng suốt chiều dài cấu Để đếm đo vận tốc hay vị trí (góc quay), sử dụng mã nhị phân mã Gray Tuy nhiên thực tế có mã Gray đƣợc sử dụng phổ biến Xét trƣờng hợp đĩa mã hóa tuyệt đối trƣờng hợp rãnh với mã nhị phân mã Gray Mã nhị phân Bảng giá trị Mã nhị phân Vùng Vòng Vòng Vòng Góc off off off 0° tới 45° off off on 45° tới 90° off on off 90° tới 135° off on on 135°tới 180° on off off 180°tới 225° on off on 225°tới 270° on on off 270°tới 315° on on on 315°tới 360° Hình 5.9: Đĩa mã hóa tuyệt đối trường hợp rãnh với mã nhị phân Ghi chú: Vùng màu đen qui ƣớc tƣơng ứng với giá trị on (phân đoạn không chắn sáng) Chiều quay ngƣợc chiều kim đồng hồ (góc quay mang giá trị dƣơng) Vòng (vòng 1): tƣơng ứng với bit MSB Vịng ngồi cùng: tƣơng ứng với bit LSB Một cách tổng qt, có n vịng có số lƣợng vị trí đối tƣợng n ví dụ n = số lƣợng vị trí xác định đƣợc 23 = 82 Ở ví dụ trên, mã nhị phân đƣợc tạo đĩa quay, qua xác định đƣợc vị trí đĩa quay Tuy nhiên thực tế việc đặt vị trí rãnh chắn sáng rãnh cho ánh sáng qua khó mà thực cách hồn hảo Trong vị trí chúng lại định giá trị gõ Ví dụ đĩa chuyển từ vị trí 179,90 tới 180,10 (từ vùng sang vùng 5), tức khắc, theo bảng giá trị 1, có chuyển trạng thái từ off-on-on sang on-off-off Cách thức hoạt động khơng có đƣợc độ tin cậy, vị thực tế khơng thể có chuyển trạng đồng thời cách hồn hảo Nếu vị trí vịng chuyển trạng thái trƣớc, đến vòng vòng thực có chuỗi mã nhị phân nhƣ sau đƣợc tạo off-on-on (vị trí bắt đầu) on-on-on (đầu tiên, trạng thái vòng lên on) on-on-off (kế đến, trạng thái vòng xuống off) on-off-off (cuối cùng, trạng thái vòng xuống off) Nhƣ chuỗi mã nhị phân tạo tƣơng ứng với việc đĩa quay vị trí 4, 8, 7, 5.Trong nhiều trƣờng hợp điều gây nên rắc rối, làm lỗi hệ thống Ví dụ encoder đƣợc sử dụng cho cánh tay robot, điều khiển cho cánh tay sai vị trí cố gắng thực việc di chuyển 180 để quay vị trí Mã Gray Để khắc phục vấn đề nêu trên, mã Gray đƣợc sử dụng Đây hệ thống mã nhị phân nhƣng có khác mã Gray (chỉ có bit thay đổi trạng thái) Ví dụ bảng giá trị 2, từ vùng chuyển sang vùng có thay đổi từ off sang on vị trí bit đại diện cho vòng Bảng giá trị Mã Gray Vùng Vịng Vịng Vịng Góc off off off 0° tới 45° off off on 45° tới 90° off on on 90° tới 135° off on off 135°tới 180° on on off 180°tới 225° on on on 225°tới 270° on off on 270°tới 315° 83 Hình 5.10: Đĩa mã hóa tuyệt đối trường hợp rãnh với mã Gray on off off 315°tới 360° Hình 5.11 : Dạng sóng encoder với đĩa mã hóa tuyệt đối (mã Gray) Hình 5.12: Đĩa mã hóa tuyệt đối trường hợp rãnh a) mã nhị phân b) mã Gray 1.3.Đo vận tốc vòng quay với nguyên tắc điện trở từ 1.3.1 Các đơn vị từ trƣờng định nghĩa Từ trƣờng Từ trƣờng dạng vật chất tồn xung quanh dịng, hay nói xác xung quanh hạt mang điện chuyển động tính chất từ trƣờng tác dụng lực từ lên dòng điện, lên nam châm Cảm ứng từ B Về mặt gây lực từ, từ trƣờng đƣợc đặc trƣng vectơ cảm ứng từ B Trong hệ thống đơn vị SI dơn vị cảm ứng từ B T (Tesla) T = 1Wb/m2 = 1V.s/m2 Từ thông Từ thơng gởi qua diện tích dS đại lƣợng giá trị 84 d B.dS Trong đó: - B vectơ cảm ứng từ điểm diện tích - dS vectơ có phƣơng vectơ pháp tuyến n với diện tích xét, chiều chiều dƣơng pháp tuyến, độ lớn độ lớn diện tích Trong hệ thống đơn vị SI đơn vị từ thông Weber (Wb) Nếu từ thông thay đổi đơn vị thời gian s, điện áp cảm ứng sinh cuộn dây V 1Wb = 1Vs Cƣờng độ từ trƣờng H Cƣờng độ từ trƣờng H đặc trƣng cho từ trƣờng riêng dịng điện sinh khơng phụ thuộc vào tính chất mơi trƣờng đặt dịng điện Trong hệ thống đơn vị SI đơn vị cƣờng độ từ trƣờng H A/m 1.3.2 Cảm biến điện trở từ Cảm biến điện trở từ linh kiện bán dẫn có hai cực, điện trở gia tăng dƣới tác động từ trƣờng Trong trƣờng hợp từ trƣờng tác dụng thẳng góc mặt phẳng cảm biến ta có độ nhạy lớn nhất.Chiều từ trƣờng khơng ảnh hƣởng đến hiệu ứng điện trở từ trƣờng hợp Độ lớn tín hiệu cảm biến điện trở từ không phụ thuộc vào tốc độ quay Khác với trƣờng hợp cảm biến điện cảm, độ lớn tín hiệu quan hệ trực tiếp với tốc độ quay, địi hỏi thiết bị điện tử phức tạp để thu nhận đƣợc tín hiệu dải điện áp rộng Ngƣợc lại với cảm biến điện trở từ, tín hiệu đƣợc hình thành đổi hƣớng đƣờng cảm ứng từ - bending of magnetic field lines (thay đổi theo vị trí bánh răng) Tín hiệu cảm biến đƣợc hình thành dù đối tƣợng khơng di chuyển chậm 85 Hình 5.14: Kết cấu cảm biến điện trở từ với vật liệu InSb/ NiSb Hình 5.13: Tín hiệu tạo cảm biến điện trở từ a Cảm biến điện trở từ với vật liệu InSb / NiSb Hiệu ứng điện trở từ với vật liệu InSb / NiSb Vật liệu bán dẫn InSb với liên kết III – V có độ linh động lớn Trong vật liệu bán dẫn, dƣới tác dụng từ trƣờng hƣớng dịch chuyển điện tích bị lệch góc tg = B Do lệch đoạn đƣờng dịch chuyển electron dài Kết điện trở cảm biến gia tăng dƣới tác dụng từ trƣờng Để hiệu ứng sử dụng thực tế, góc cần phải lớn Trong kim loại, góc bé Với germanium góc lệch khoảng 20 0, Indiumantimon độ linh động electron cao nên góc lệch = 80 0với B = 1T Trong thực tế với kỹ thuật luyện kim ngƣời ta tạo kim Nickelantimon nằm bên InSb có chiều song song với hai cực điện Cho mục đích này, NiSb đƣợc cho vào InSb chảy lỏng qua công 86 dẫn cảm biến phải khơng đáng kể so với thể tích tổng cộng chất lƣu cần đo áp suất Trong cách đo thứ hai, ngƣời ta gắn lên thành bình cảm biến đo ứng suất để đo biến dạng thành bình Biến dạng hàm áp suất Đối với chất lƣu chuyển động, áp suất chất lƣu (p) tổng áp suất tĩnh (pt) áp suất động (pđ) : (20.4) Áp suất tĩnh tƣơng ứng với áp suất gây nên chất lỏng không chuyển động, đƣợc đo phƣơng pháp trình bày áp suất động chất lƣu chuyển động gây nên có giá trị tỉ lệ với bình phƣơng vận tốc chất lƣu: (20.5) Trong ρ khối lƣợng riêng chất lƣu Khi dòng chảy va đập vng góc với mặt phẳng, áp suất động chuyển thành áp suất tĩnh, áp suất tác dụng lên mặt phẳng áp suất tổng Do vậy, áp suất động đƣợc đo thông qua đo chênh lệch áp suất tổng áp suất tĩnh Thông thƣờng việc đo hiệu (p - pt) thực nhờ hai cảm biến nối với hai đầu ống Pitot, cảm biến (1) đo áp suất tổng cịn cảm biến (2) đo áp suất tĩnh Hình 20.1 : Đo áp suất động ống Pitot Có thể đo áp suất động cách đặt áp suất tổng lên mặt trƣớc áp suất tĩnh lên mặt sau màng đo (hình 20.2), nhƣ tín hiệu cảm biến cung cấp chênh lệch áp suất tổng áp suất tĩnh Hình 20.2: Đo áp suất động màng 1) Màng đo 2) Phần tử áp điện 3.3 Các loại áp kế 3.3.1 Áp kế vi sai kiểu phao 132 Áp kế vi sai kiểu phao gồm hai bình thơng nhau, bình lớn có tiết diện F bình nhỏ có tiết diện f (hình 20.3) Chất lỏng làm việc thuỷ ngân hay dầu biến áp Khi đo, áp suất lớn (p1) đƣợc đƣa vào bình lớn, áp suất bé (p 2) đƣợc đƣa vào bình nhỏ Để tránh chất lỏng làm việc phun ngồi cho áp suất tác động phía ngƣời ta mở van (4) áp suất hai bên cân van (4) đƣợc khoá lại Khi đạt cân áp suất, ta có: Trong đó: g - gia tốc trọng trƣờng ρm - trọng lƣợng riêng chất lỏng làm việc ρ - trọng lƣợng riêng chất lỏng khí cần đo Mặt khác từ cân thể tích ta có: Suy ra: Khi mức chất lỏng bình lớn thay đổi (h thay đổi), phao áp kế dịch chuyển qua cấu liên kết làm quay kim thị đồng hồ đo Biểu thức (20.6) phƣơng trình đặc tính tĩnh áp kế vi sai kiểu phao Hình 6.29 : áp kế vi sai kiểu phao Áp kế vi sai kiểu phao dùng để đo áp suất tĩnh không lớn 25MPa Khi thay đổi tỉ số F/f (bằng cách thay ống nhỏ) ta thay đổi đƣợc phạm vi đo Cấp xác áp suất kế loại cao (1; 1,5) nhƣng chứa chất lỏng độc hại mà áp suất thay đổi đột ngột ảnh hƣởng đến đối tƣợng đo môi trƣờng 133 3.3.2 Áp kế vi sai kiểu chuông Cấu tạo áp kế vi sai kiểu chuông gồm chuông (1) nhúng chất lỏng làm việc chứa bình (2) Hình 6.30: áp kế vi sai kiểu chng 1) Chng 2) Bình chứa 3) Chỉ thị Khi áp suất buồng (A) (B) nắp chng (1) vị trí cân (hình8.4a), có biến thiên độ chênh áp d(p 1-p2) >0 chng đƣợc nâng lên (hình 8.4b) Khi đạt cân ta có: (20.8) Với: Trong đó: F - tiết diện ngồi chng dH - độ di chuyển chuông dy - độ dịch chuyển mức chất lỏng chuông dx - độ dịch chuyển mức chất lỏng ngồi chng Δf - diện tích tiết diện thành chng Φ - diện tích tiết diện bình lớn dh - chênh lệch mức chất lỏng ngồi chng f - diện tích tiết diện chng Giải phƣơng trình ta có: 134 Lấy tích phân giới hạn từ đến (p1 - p2) nhận đƣợc phƣơng trình đặc tính tĩnh áp kế vi sai kiểu chng: (20.9) Áp kế vi sai có độ xác cao đo đƣợc áp suất thấp áp suất chân không Nguyên lý chung cảm biến áp suất loại dựa sở biến dạng đàn hồi phần tử nhạy cảm với tác dụng áp suất Các phần tử biến dạng thƣờng dùng ống trụ, lị xo ống, xi phơng màng mỏng 3.4 Phần tử biến dạng 3.4.1 Ống trụ Sơ đồ cấu tạo phần tử biến dạng hình ống trụ trình bày hình 20.5 ống có dạng hình trụ, thành mỏng, đầu bịt kín, đƣợc chế tạo kim loại Hình 6.31: Phần tử biến dạng kiểu ống hình trụ a) Sơ đồ cấu tạo b) Vị trí gắn cảm biến Đối với ống dài (L>>r), áp suất chất lƣu tác động lên thành ống làm cho ống biến dạng, biến dạng ngang (ε1) biến dạng dọc (ε2) ống xác định biểu thức: Trong đó: p - áp suất Y - mơ đun Young ν - hệ số poisson r - bán kính ống e - chiều dày thành ống 135 Để chuyển tín hiệu (biến dạng) thành tín hiệu điện ngƣời ta dùng chuyển đổi điện (thí dụ cảm biến lực) 3.4.2 Lò xo ống Cấu tạo lò xo ống dùng cảm biến áp suất trình bày hình 20.6 Lị xo ống kim loại uốn cong, đầu giữ cố định đầu để tự Khi đƣa chất lƣu vào ống, áp suất tác dụng lên thành ống làm cho ống bị biến dạng đầu tự dịch chuyển Trên hình (20.6a) sơ đồ lị xo ống vịng, tiết diện ngang ống hình trái xoan Dƣới tác dụng áp suất dƣ ống, lò xo giãn ra, dƣới tác dụng áp suất thấp co lại Hình 6.32: Lị xo ống Đối với lò xo ống thành mỏng biến thiên góc tâm (γ) dƣới tác dụng áp suất (p) xác định cơng thức: (20.10) Trong đó: ν - hệ số poisson Y - mô đun Young R - bán kính cong h - bề dày thành ống a, b - bán trục tiết diện ôvan α, β - hệ số phụ thuộc vào hình dáng tiết diện ngang ống x = Rh/a2- tham số ống Lực thành phần theo hƣớng tiếp tuyến với trục ống (ống thành mỏng h/b = 0,6 0,7) đầu tự xác định theo theo biểu thức: (20.11) 136 Lực hƣớng kính: (20.12) Trong s ε hệ số phụ thuộc vào tỉ số b/a Giá trị k1, k2 số lị xo ống nên ta viết đƣợc biểu thức xác định lực tổng hợp: (20.13) Với Bằng cách thay đổi tỉ số a/b giá trị R, h, γ ta thay đổi đƣợc giá trị Δγ , N độ nhạy phép đo Lị xo ống vịng có góc quay nhỏ, để tăng góc quay ngƣời ta dùng lị xo ống nhiều vịng có cấu tạo nhƣ hình (20.6b) Đối với lò xo ống dạng vòng thƣờng phải sử dụng thêm cấu truyền động để tăng góc quay Để tạo góc quay lớn ngƣời ta dùng lị xo xoắn có tiết diện van hình khía nhƣ hình 20.6c, góc quay thƣờng từ 40 - 60o, kim thị gắn trực tiếp đầu tự lò xo Lò xo ống chế tạo đồng thau đo áp suất dƣới MPa, hợp kim nhẹ thép dƣới 1.000 MPa, 1.000 MPa phải dùng thép gió 3.4.3 Xiphơng Cấu tạo xiphơng trình bày hình 20.7 Hình 6.33: Sơ đồ cấu tạo ống xiphơng Ống xiphơng ống hình trụ xếp nếp có khả biến dạng đáng kể dƣới tác dụng áp suất Trong giới hạn tuyến tính, tỉ số lực tác dụng biến dạng xiphông không đổi đƣợc gọi độ cứng xiphông Để tăng độ cứng thƣờng ngƣời ta đặt thêm vào ống lò xo Vật liệu chế tạo đồng, thép cacbon, thép hợp kim Đƣờng kính xiphơng từ - 100mm, chiều dày thành 0,1 - 0,3 mm 137 Độ dịch chuyển (d) đáy dƣới tác dụng lực chiều trục (N) xác định theo công thức: (20.14) Trong đó: h0 - chiều dày thành ống xiphơng n - số nếp làm việc α - góc bịt kín ν- hệ số poisson A0, A1, B0 - hệ số phụ thuộc Rng/Rtr, r/R+r Rng, Rtr - bán kính ngồi bán kính xi phơng r - bán kính cong nếp uốn Lực chiều trục tác dụng lên đáy xác định theo công thức: (20.15) 3.4.4 Màng Màng dùng để đo áp suất đƣợc chia màng đàn hồi màng dẻo Màng đàn hồi có dạng trịn phẳng có uốn nếp đƣợc chế tạo thép Hình 6.34: Sơ đồ màng đo áp suất Khi áp suất tác dụng lên hai mặt màng khác gây lực tác động lên màng làm cho biến dạng Biến dạng màng hàm phi tuyến áp suất khác tuỳ thuộc điểm khảo sát Với màng phẳng, độ phi tuyến lớn độ võng lớn, thƣờng sử dụng phạm vi hẹp độ dịch chuyển màng Độ võng tâm màng phẳng dƣới tác dụng áp suất tác dụng lên màng xác định theo công thức sau: (20.16) 138 Màng uốn nếp có đặc tính phi tuyến nhỏ màng phẳng nên sử dụng với độ võng lớn màng phẳng Độ võng tâm màng uốn nếp xác định theo công thức: (20.17) Với a, b hệ số phụ thuộc hình dạng bề dày màng Khi đo áp suất nhỏ ngƣời ta dùng màng dẻo hình trịn phẳng uốn nếp, chế tạo từ vải cao su Trong số trƣờng hợp ngƣời ta dùng màng dẻo có tâm cứng, tâm màng đƣợc kẹp cứng hai kim loại Hình 6.9: Sơ đồ cấu tạo màng dẻo có tâm cứng Đối với màng dẻo thƣờng, lực di chuyển tạo nên tâm màng xác định biểu thức: (20.18) Với D đƣờng kính ổ đỡ màng Đối với màng dẻo tâm cứng, lực di chuyển tạo nên tâm màng xác định biểu thức: (20.19) Với D đƣờng kính màng, d dƣờng kính đĩa cứng 3.5 Các chuyển đổi điện Khi sử dụng cảm biến đo áp suất phần tử biến dạng, để chuyển đổi tín hiệu trung gian thành tín hiệu điện ngƣời ta dùng chuyển đổi Theo cách chuyển đổi ngƣời ta chia chuyển đổi thành hai loại: - Biến đổi dịch chuyển phần tử biến dạng thành tín hiệu đo Các chuyển đổi loại thƣờng dùng là: cuộn cảm, biến áp vi sai, điện dung, điện trở - Biến đổi ứng suất thành tín hiệu đo Các chuyển đổi phần tử áp điệnhoặc áp trở 3.5.1 Bộ biến đổi đo áp suất kiểu điện cảm Cấu tạo chuyển đổi kiểu điện cảm biểu diễn hình 20.10 Bộ chuyển đổi gồm sắt từ động gắn màng (1) nam châm điện có lõi sắt (2) cuộn dây (3) 139 Hình 6.35: Bộ chuyển đổi kiểu cảm ứng 1) Tấm sắt từ 2) Lõi sắt từ 3) Cuộn dây Dƣới tác dụng áp suất đo, màng (1) dịch chuyển làm thay đổi khe hở từ (d) sắt từ lõi từ nam châm điện, thay đổi độ tự cảm cuộn dây Nếu bỏ qua điện trở cuộn dây, từ thơng tản tổn hao lõi từ độ tự cảm biến đổi xác định công thức sau: (20.20) Trong đó: W - số vịng dây cuộn dây ltb, Stb: chiều dài diện tích trung bình lõi từ δ, S0 - chiều dài tiết diện khe hở khơng khí μ, μ0 - độ từ thẩm lõi từ khơng khí Thơng thƣờng ltb/(μStb)