Nối tiếp phần 1, phần 2 của tài liệu Kỹ thuật điều khiển trong bộ cảm biến tiếp tục trình bày các nội dung chính sau: Cảm biến lực và ứng suất; Cảm biến đo lưu lượng và thể tích chất lỏng, khí và hơi; Cảm biến áp suất chất lưu; Cảm biến đo chân không; Cảm biến phát hiện và đo độ ẩm; Cảm biến điện hóa và y sinh; Cảm biến bức xạ hạt nhân; Cảm biến điện từ; Cảm biến thông minh. Mời các bạn cùng tham khảo để nắm nội dung chi tiết.
Chưưng CẢM BIẾN Lực VÀ ỨNG SUAT 8.1 ĐẠI CƯONG VỀ CẨM BIẾN đo Lực VÀ ỨNG SLAT Lực đại lượng vật lý quan trọng Theo định luật động lực học F = ma, đo' m khối lượng (kg) vật chịu tác dụng lực F tính Newton gây nên gia tốc a (ms~2ỵ Phép đo lực yêu cầu quan trọng kỹ thuật khí, xây dựng Nói chung phép đo lực yêu cẩu học vật rán, học chất lỏng chất khí người ta ý tới áp suất Lực ý tác động lên điểm áp suất đo lực phân bố diện rộng Các cảm biến lực cố thể phân thành hai lớp : cảm biến định lượng định tính Các cảm biến định lượng dùng để đo lực có giá trị thể bàng tín hiệu điện Các cảm biến định tính thiết bị có ngưỡng, tín hiệu cùa độ lớn lực vượt ngưỡng định trước Các phương pháp cảm biến lực thực cách : - Cân bàng lực chưa biết vói lực đối kháng cho lực tổng cộng momen tổng chúng không - Đo gia tốc vật có khối lượng biết để xác định lực - Cân lực chưa biết với lực điện từ - Biến đổi lực thành áp suất chất lỏng đo áp suất - Đo ứng suất tạo nên vật bị biến dạng đàn hổi suy lực Trong đa số cảm biến lực không biến đổỉ trực tiếp thành tín hiệu điện nfâ tiến hành qua vật trung gian chịu lực cẩn đo bị biến dạng, ví dụ cảm biến lực chế tạo bàng cách phối hợp cảm biến vị trí biến đổi lực thành di chuyển, ví dụ hình 8.1 a lực tác động lên lị xo phối hợp vói điện cảm vi sai, di chuyển 244 lò xo chuyển thành điện áp cuộn dây vi sai Trên hình 8.1b lực tạo nên ứng suất chất lỏng làm màng cảm biến áp suất Hình a.1 a) Bộ cảm biến lực sứ dụng cuộn dây vi sai ; b) Bộ cảm biến lực sừ dụng cảm biến áp suất 8.2 CẨM BIẾN ÁP ĐIỆN Hiệu ứng áp điện Pierre Curie phát năm 1880 tượng xuất phân cực điện thay đổi phân cực điện co' số chất điện môi thạch anh, tuamalin, sunfat liti chúng bị biến dạng tác dụng lực Cảm biến áp điện gổm phiến áp điện mỏng phủ lên hai mặt tụ điện tác dụng lực lên hai cực hai cực xuất điện tích trái dấu Đỉện áp hai cực tỷ lệ với lực tác động Hiệu ứng áp điện có tính chất thuận nghịch Dưới tác động điện trường có chiều thích hợp vật liệu áp điện bị biến dạng Đặc biệt vật lỉệu áp điện co' thể bị kích thích đến trạng thái cộng hưởng học Trong số vật liệu áp điện, thạch anh đặc biệt ý có độ Ổn định độ cứng cao Ngồi người ta cịn sử dụng vật liệu gốm áp điện, vỉ dễ chế tạo giá thành hạ Gốm PZT chế tạo cách thiêu kết oxỉt chì, zirconi titan co' cơng thức chung Pb Tix Zrx O3, giá trị Xthường xấp xỉ 0,5 quyếtđịnh đặc tính vật liệu PZT có độ nhạy cao, co' điện dung cao nên chịu ảnh hưởng điện dung ký sình, có độ học cao, dễ gia cồng Bảng 8.1 trình bày đặc tính vật lý số vật liệu áp điện Bảng ĩ Đặc tính vật lí sơ vật liệu áp điện Vật liệu Thạch anh Độ thẩm thấu = 4,5 ửng suất cực đại 107 N.m"2 Nhiệt dộ sử (Q.m) Modun dàn hồi tfNjn’2 1012 *11 = 80 10 550 Điện trỏ suất dụng (oC) 245 Tiếp bảng ỉ Vật liệu Muối seignette Độ thẩm thấu Điện trỏ suất = 350 Mođun đàn hồi 109N.m’e Ưng suất cực đại 107 N.rrT2 Nhiệt độ sừ (íìm) > 1O10 Yn = 19,3 Y22 = 30 1,4 45 dụng (oC) Y33 = = 30 LH En = 5,6 Su = 10.3 > 1O10 46 1,5 75 1011 Y33 = 53 7^8 365 En = 6,5 PZT 5A En = 1700 Hlnh 8.2 Bộ cảm biến lực thạch anh Hình 8.2a trình bày cấu tạo cảm biến lực thạch anh Phiến thạch anh hình chữ nhật cắt với cạnh song song với trục X, bổ mặt thạch anh cát với go'c ỡ — 35° so với trục z Sơ đổ nốỉ cảm biến lực thạch anh cho hình 8.2b Phiến thạch anh nối với khuếch đại co' phản hổi dương Tinh thể thạch anh dao động với tần số fo vá độ lệch tẩn số Af có tải ; Af = F~y- (8.1) F lực tác động lên phiến, K hàng số, n số mode, D kích thước tỉnh thể Để bù ảnh hưởng nhiệt lên biến thiên tần số co' thể sử dụng tinh thể kép nửa để bù nhiệt độ Mỗi cộng hưởng tíược nối với mạch dao động tần số tổng trừ cho Hình 8.3a trình bày cảm biến biến đổi trực tiếp ứng suất thành tín hiệu điện, nhiên cảm biến nhạy với 246 thay đổi kích thích khơng nhạy với lực số Bộ cảm biến gổm ba lớp màng polyvinylidene flourid (PVĐF) dát mỏng chất nển (cao su silicon) lớp ép Lớp ép màng chất dẻo Khi tác dụng lực lên cảm biến màng PVDF chịu ứng suất hình thành điện tích bể mật Điện tích thay đổi tạo nên biến thiên điện áp Biên độ điện áp tỷ lệ với lực tác động vào cảm biến Bộ cảm biến dùng y tế để hiển thị trực tiếp nhịp thở Lớp ỉỉìệỉ Hình 8.3a Bộ cảm biến lực áp diện Hình 8.3b trình bày sơ đố mạch đo cảm biến áp điện Khi có tác động lực dạng hình sin F = Fma^inwt điện áp : R l/jtí>c R + l/ja>c R + jcjcR độ nhạy phức chuyển đổi : o SíJw) dlR dl + >CR cT 1+ r = RC = R~+R^ (C" + : T số thời gian mạch cảm biến /?(1 c2 - điện trở điện dung thực cảm biến mạch khuếch đại Từ biểu thức cho thấy cảm biến áp điện khâu vi phân Sai số tần số khơng đáng kể tần số 'tín hiệu tương đối cao tức cur > > (đường cong hình 8.3c) Hình 8.3b Mạch cảm biến áp điện 247 Để giảm sai số tần số dải tần thấp cẩn tảng số thời gian mạch đo tổng trỏ vào mạch khuếch đại lớn Nhưng tăng số thời gian cách tăng điện dung c dẫn đến giảm tín hiệu Trong thực tế lực tác động lên cảm biến lực Fx mà lực F, (trong kể lực làm biến dạng học vã lực điện) Với lực F tác động, phương trình biểu diễn dạng : m dAx „ _ + p\, + c Ax = F dt ° d2Ax dt2 Đưa vể dạng tốn tử ta có : (p2m + pP + Co)Ax = F , ni, p, Co - khối lượng, hệ sô cản dịu hệ số phản kháng phần tử áp điện _ „ Ax Mặt khác lực Fv - sE — , A X s, E, X - diện tích, mơđun đàn hổi chiều dày phần tử áp điện Quan hệ Fx F có dạng : F = x S.E x F í p2m + pp + Co Độ nhạy cảm biến tính với biến dạng học : S.E Sc(jw) = mx W2 — ? ' tẩn số dao động riêng học "° = V m mức độ cản dịu /5 = P 2M mCo Độ nhạy cảm biến tính với lực điện lực : „ dl SE ýuT Đặc tính độ nhạy cảm biến biểu diễn hình (8.3c) đường cong ỉ đặc tính điện, đặc tính đặc tính điện 248 Từ biểu thức ta thấy đặc tính biên - tẩn thực chuyển đổi áp điện tính chất quán tính nên khác nhiểu so với đặc tính khâu vi phân Độ nhạy chuyển đổi khơng phụ thuộc vào tẩn số q trình đo với điều kiện : C'J{I >> Ỵ ; > > O) Lúc độ nhạy điện : o $cd — ro z ~ di sE p L/ I11X /.J*' v o Khi sử dụng cảm biến áp điện cắn tỉnh đến hiệu ứng dây cáp điểu kiện bị rung thân dây cáp sinh điện tích làm sai lệch kết đo Trong thực tế với độ rung tẩn số 60 -ỉ- 80 Hz điện tích dây cáp rung sinh lớn điện tích thân phần tử áp diện phải sử dụng loại cáp đặc biệt chống rung (ví dụ loại ABK) Lin.il vực ứng dụng Cảm biến áp điện Hình B.3c Độ nhạy cảm biến áp điện dùng để đo lực biến thiên (đến 10.000 N), đo áp suất 1000 ms~2/(1007V'Ịmni1) gia tốc (tới 1000g) dải tần từ 0,5 đến 100 kHz Ưu điểm cảm biến loại cấu trúc đơn giản, kích thước nhỏ, độ tin cậy cao, có khả đo đại lượng biến thiên nhanh Nhược điểm khơng đo lực tĩnh, khó khắc độ Phần tử áp điện mạch đo cẩn phải chống ẩm tốt Phẩn tử co' trễ dặc tính’phi tuyến (đo mơđun áp điện dỵ phụ thuộc vào lực áp suất) Ngoài việc sử dụng hiệu ứng áp điện thuận chuyển đổi áp điện người ta dùng hiệu ứng áp điện ngược để chế tạo chuyển 249 đổi ngược di chuyển thiết bị để kích thích dao động siêu âm tần số dao động (ví dụ dao động ký học) Nếu đặt phần tủ áp điện điện trường có cường độ Fx dọc trục Ay X bị biến dạng tương đối theo hướng trục lượng — = d]Ex ; theo hướng trục y : Biết Ex — Ux/x ; Ux - điện áp đặt lên phẩn tử áp điện Ta co' : Ax = d]Ux ; Ay = Hy/x)d|Ux Nhược điểm loại cảm biến độ biến dạng phần tử áp điện nhỏ (vài phần micrómét) 8.3 BỘ CẨM BIẾN TỪ GIẨO Do tác động từ trường sô' vật liệu sắt từ thay đổi tính chất hình học tính chất học Đây hiệu ứng từ giảo, ứng dụng để chế tạo chuyển đổi siêu âm phẩn từ sắt từ hoạt động chế độ cộng hưỏng học Mọi ứng lực vật liệu cần đo lực làm thay đổi đường cong từ hóa co' thể đánh giá lực tác động biến thiên độ từ thẩm từ dư Khi có lực bên ngồi, kích thước mạng tinh thể thay đổi, hướng dễ từ hóa thay đổi, làm thay đổi định hướng mỉển từ hóa tự nhiên vạch chúng Hiện tượng gọi hiệu ứng từ giảo nghịch Từ dư Br độ từ thẩm // phụ thuộc vào đặc tính vật liệu chiều ứng lực G tác động Hình 8.4 biểu diễn biến dạng đường cong từ hóa tác dụng lực kéo permalloy 68 (Nỉ 68%, Fe 32%) Sự thay đổi độ từ thẩm ỊẲ ảnh hưởng lực làm thay đổi điện cảm L cuộn dây Xét cuộn dây có mạch từ kín biểu diễn hỉnh 8.5 Bộ cảm biến gổm cuộn dây co' lõi bị biến dạng tác dụng cùa lực cần đo theo công thức ứng lực cần đo Người ta sử dụng biến thiên từ dư để chế tạo cảm biến lực Dưới tác dụng lực, ví dụ lực nén từ dư Bv tăng lên, 250 làm xuất sức điện động cảm ứng tỷ ỉệ với dB^dt Biểu thức điện áp hở mạch có dạng : 8.4 Sự biến dạng dường cong từ hóa tác dụng lực kéo Hlnh dBr Vm = K-dtS dBr dỡ K dỡ” dĩ (8.3) K hệ số tỷ lệ với số vòng tiết diện vịng dây Đây loại cảm biến tích cực 8.4 BỘ CẨM BIẾN Lực DựA TRÊN VIỆC ĐO DI CHUYỂN giảo Trong loại cảm biến này, lực đặt lên vật trung gian gây nên thay đơ’i kích thước AZ Sự thay đổi kích thước đo cảm biến di chuyển Tỷ sổ tín hiệu Vm lực tác dụng F cho bàng biểu thức : 251 Al Vm f” Vm = F ỉà hệ số truyền đạt cảm biến AZ — độ mềm vật trung gian, r Vật trung gian thường lò xo, dùng để đo lực tương đối nhỏ Tùy điều kiện sử dụng dùng nhiểu loại cảm biến di chuyển khác để đo lực : - Điện kế điện trở - Cảm biến từ trở biến thiên - Cảm biến tụ điện 8.5 BỘ CẤM BIẾN XÚC GIÁC Bộ cảm biến xúc giác thuộc loại chuyển đổi lực áp suất đặc biệt có chiều dày mỏng, sử đụng nơi có lực áp suất tạo nên hai mặt lân cận nhau, ví dụ người máy cảm biến xúc giác nằm tay máy tiếp xúc với đối tượng giống da người Cảm biến sử dụng bàn phím, "màn tiếp xúc" nơi cảm nhận tiếp xúc vê vật lý Cảm biến sử dụng rộng rãi lĩnh vực y sinh, sử dụng nha khoa nghiên cứu thân ràng, nghiên cứu lực sinh bàn chân người di chuyển Có thể sử dụng số phương pháp chế tạo cảm biến xúc giác Đơn giản hình thành hai mỏng dẫn điện miếng đệm (hỉnh 8.6) Miếng đệm co' lỗ hình dáng thích hợp Hình 8.6 Màng chuyển mạch cảm biến xúc giác Một nối đất nối với điện trở Nếu cần nhiẽu vùng nhạy cảm cần dồn kênh Khi ngoại lực đặt vào dẫn trên, 252 dẫn bị uốn chạm vào dẫn tạo nên tiếp xúc điện Tín hiệu bàng khơng chứng tỏ co' lực đật vào Lá dẫn phía phía chế tạo bàng phương pháp mạch in Bộ cảm biến xúc giác chê' tạo màng mỏng áp điện PVDF sử dụng chế độ tích cực thụ động Hình 8.7 trình bày cảm biến xúc giác tích cực áp điện có ba lớp ghép với Lớp PVDF lớp ghép nối âm với hai lớp Sự mém mại lớp định độ nhạy dải làm việc cảm biến Tín hiệu kích thích tạo nên ứng suất màng ghép với lớp nén làm cho màng áp điện tác động thu hiệu ứng áp điện co' tính chất thuận nghịch màng phía sinh điện áp xoay chiểu tỷ lê với dao động học màng nén Các dao động khuếch đại dẫn đến giải điểu bộ, nhạy với biên pha tín hiệu thu Sự thay đổi nhận biết giải điểu vá xuất đẩu điện áp thay đổi Tín hiệu phụ thuộc tuyến tính vào lực Nếu màng PVDF 25 /nn dát với màng nén cao su silicon, điện cực màng PVDF chế tạo tế bào phía phát thu Bộ cảm biến co' thể sử dụng để đo di chuyển nhỏ, độ xác tốt ± //m dải vào milimet, Ưu điểm cảm biến đơn giản, đáp ứng lực chiểu co' thể nhận biết Hình 8.7, Bộ cảm biến xúc giác áp diện tích cực Bộ cảm biến xúc giác áp điện chế tạo màng PVDF lớp màng cao su (hình 8.8a) Đây cảm biến thụ động, tín hiệu màng áp điện phát mà khơng cẩn nguồn kích thích bên ngồi Kết tạo nên đáp ứng tỷ lệ với tốc độ ứng lực độ lớn Việc thĩết kế cảm biển dùng robot nơi cần cảm nhận chuyển động trượt dao động nhanh Cảm biến áp điện cảm nhận trực tiếp giao tiếp với màng cao su, đo' tín hiệu điện phản ánh chuyển động cao su đàn hổi lực ma sát 253 — N xi X - (Xj + x2 + x3 + + Xj + xn)/n = V (17.9) i=1 Xp x2, xn - kết phép đo riêng biệt n ~ số phép đo ước lượng kỳ vọng toán học zn* đại lượng đo bàng X Nếu khơng có sai số hệ thống X ỉà giá trị thực đại lượng đo Tất giá trị kết đo phân tán xung quanh giá trị X Độ lệch kết lần đo so với giá trị trung bình (theo giá trị số theo dấu) xác định từ biểu thức : Xị - X = V, (17.10) Vị - saỉ số dư Sai số dư có tính chất sau - Tổng tất số dư "0" i Vj = (17.11) i=l - Tổng bình phương chúng có giá trị nhỏ n E V| = Mìn i—l Những tính chất sử dụng gia công kết đo để kiểm tra độ xác việc tính X Theo tổng bình phương tất sai số dư người ta xác định ước lượng dộ lệch binh quân phương tiêu biểu cho mức độ ảnh hưởng sai số ngẫu nhiên đến kết đo Theo lý thuyết xác suất việc tính O'* thực theo cơng thức Bessel : ị n e* = "V y v?/(n - 1) (17.12) ’ i=l Ước lượng không chệch, có cãn có hiệu Việc chia tổng bình phương sai số dư cho n-1 thay cho n chấp nhận kết gẩn n lớn sai lệch nhỏ Ước lượng độ lệch bình quân phương (7* đặc trưng cho độ xác dãy phép đo xác định tập điểu 490 kiện đo (các đặc tính kỹ thuật dụng cụ đo, đậc điểm người làm thí nghiệm, yếu tố bên ảnh hưởng đến phép đo) Ước lượng õ* đặc trưng cho độ phân tán kết đo xung quanh giá trị trung bình đại số Vì giá trị trung bình đại số cịn có sai số ngẫu nhiên đó, nên ta đưa khái niệm ước lượng độ lệch bình phương giá trị trung bình đại số J i(x,-xr J J = ’ i=l X n(n - 1) = ’ i=l n (n - 1) = oỊ (17.13) Ước lượng đặc trưng cho sai dố kết đo Ước lượng đâ khảo sát gọi ước lượng diểni bao gổm : = X , = W2.Z/.Fo./>... thất lượng ma sát phần ống A - A, B -B Nhờ có phương trình dịng chảy liên tục : F]W1 = F2W2 (9.10) Fb F2 : tiết diện ngang ống dẫn Nếu ta đưa thêm ký hiệu sau : Fq/Fj = d2/D2 = m F2/Fo — /í Fo d... lực tạo nên ứng suất chất lỏng làm màng cảm biến áp suất Hình a.1 a) Bộ cảm biến lực sứ dụng cuộn dây vi sai ; b) Bộ cảm biến lực sừ dụng cảm biến áp suất 8 .2 CẨM BIẾN ÁP ĐIỆN Hiệu ứng áp điện Pierre