Edited by Foxit Reader Copyright(C) by Foxit Corporation,2005-2010 For Evaluation Only Chơng IV Cảm biến đo vị trí dịch chuyển 4.1 Nguyên lý đo vị trí dịch chuyển Việc xác định vị trí dịch chuyển đóng vai trß rÊt quan träng kü tht HiƯn cã hai phơng pháp để xác định vị trí dịch chuyển Trong phơng pháp thứ nhất, cảm biÕn cung cÊp tÝn hiƯu lµ hµm phơ thc vµo vị trí phần tử cảm biến, đồng thời phần tử có liên quan đến vật cần xác định dịch chuyển Trong phơng pháp thứ hai, ứng với dịch chuyển bản, cảm biến phát xung Việc xác định vị trí dịch chuyển đợc tiến hành cách đếm số xung phát Một số cảm biến không đòi hỏi liên kết học cảm biến vật cần đo vị trí dịch chuyển Mối liên hệ vật dịch chuyển cảm biến đợc thực thông qua vai trò trung gian điện trờng, từ trờng điện từ trờng, ánh sáng Trong chơng trình bày loại cảm biến thông dụng dùng để xác định vị trí dịch chuyển vật nh điện kế điện trở, cảm biến điện cảm, cảm biến điện dung, cảm biến quang, cảm biến dùng sóng đàn hồi 4.2 Điện kế điện trở Loại cảm biến có cấu tạo đơn giản, tín hiệu đo lớn không đòi hỏi mạch điện đặc biệt để xử lý tín hiệu Tuy nhiên với điện kế điện trở có chạy học có cọ xát gây ồn mòn, số lần sử dụng thấp chịu ảnh hởng lớn môi trờng có bụi ẩm 4.2.1 Điện kế dùng chạy học a) Cấu tạo nguyên lý làm việc Cảm biến gồm điện trở cố định Rn, có tiếp xúc điện di chuyển đợc gọi chạy Con chạy đợc liên kết học với vật chuyển động cần khảo sát Giá trị điện trở Rx chạy đầu điện trở Rn hàm phụ thuộc vào vị trí chạy, vị trí vật chuyển động - Đối với điện kế chuyển động thẳng (hình 4.1a): Rx = l Rn L (4.1) - 71 - - Trờng hợp điện kế dịch chuyển tròn xoắn: Rx = Rn M (4.2) Trong M < 360o dịch chuyển tròn (hình 4.1b) M > 360o dịch chuyển xoắn (hình 4.1c) Rx, l 1 Rn, , L a) 1 Rn Rn Rα Rα c) b) H×nh 4.1 Các dạng điện kế 1) Điện trở 2) Con chạy Các điện trở đợc chế tạo có dạng cuộn dây băng dẫn Các điện trở dạng cuộn dây thờng đợc chế tạo từ hợp kim Ni - Cr, Ni Cu , Ni - Cr - Fe, Ag - Pd quấn thành vòng xoắn dạng lò xo lõi cách điện (bằng thuỷ tinh, gốm nhựa), vòng dây cách điện emay lớp oxyt bề mặt Các điện trở dạng băng dẫn đợc chế tạo chất dẻo trộn bột dẫn điện cacbon kim loại cỡ hạt ~10-2àm Các điện trở đợc chế tạo với giá trị Rn nằm khoảng 1k đến 100k, đạt tới M Các chạy phải đảm bảo tiếp xúc điện tốt, điện trở tiếp xúc phải nhỏ ổn định b) Các đặc trng - Khoảng chạy có ích chạy: - 72 - Thông thờng đầu cuối đờng chạy chạy tỉ số Rx/Rn không ổn định Khoảng chạy có ích khoảng thay đổi x mà khoảng Rx hàm tuyến tính dịch chuyển Rx Cuối đờng chạy Khoảng chạy có ích Đầu đờng chạy x Hình 4.2 Sự phụ thuộc điện trở điện kế vào vị trí chạy Hình 4.3 Độ phân giải điện kế dạng dây - Năng suất phân giải: Đối với điện trở dây cuốn, độ phân giải xác định lợng dịch chuyển cực đại cần thiết để đa chạy từ vị trí tiếp xúc sang vị trí tiếp xúc lân cận Giả sử cuộn dây có n vòng dây, phân biệt 2n-2 vị trí khác điện chạy: + n vị trí tiếp xúc với vòng dây + n - vị trí tiếp xúc với hai vòng dây Độ phân giải điện trở dạng dây phụ thuộc vào hình dạng đờng kính dây điện trở vào khoảng ~10àm Độ phân giải điện trở kiểu băng dẫn phụ thuộc vào kích thớc hạt, thờng vµo cì ~ 0,1 µm - Thêi gian sèng: Thêi gian sống điện kế số lần sử dụng điện kế Nguyên nhân gây h hỏng hạn chế thời gian sống điện kế mài mòn chạy dây điện trở trình làm việc Thờng thời gian sống điện kế dạng dây dẫn vào cỡ 106 lần, điện kế dạng băng dẫn vào cỡ 5.107 - 108 lần 4.2.2 Điện kế không dùng chạy học Để khắc phục nhợc điểm điện kế dùng chạy học, ngời ta sử dụng điện kế liên kết quang từ - 73 - a) Điện kế dùng trỏ quang Hình 4.4 trình bày sơ đồ nguyên lý điện kế dùng trỏ quang Điện kế tròn dùng trỏ quang gồm điot phát quang (1), băng đo (2), băng tiếp xúc (3) băng quang dẫn (4) Băng điện trở đo đợc phân cách với băng tiếp xúc băng quang dẫn mảnh làm CdSe có trỏ quang dịch chuyển trục điện kế quay Điện trở vùng quang dẫn giảm đáng kể vùng đợc chiếu sáng tạo nên liên kết băng đo băng tiÕp xóc §iƯn trë ~20 ms Thời gian Hình 4.4 Điện kế quay dùng trỏ quang 1) Điot phát quang 2) Băng đo 3) Băng tiếp xúc 4) Băng quang dẫn Thời gian hồi đáp vật liệu quang dẫn cỡ vài chục ms b) Điện kế dùng trỏ từ Hình 4.5 trình bày sơ đồ nguyên lý điện kế từ gồm hai từ điện trở R1 R2 mắc nối tiếp nam châm vĩnh cữu (gắn với trục quay điện kế) bao phủ lên phần điện trở R1 R2, vị trí phần bị bao phủ phụ thuộc góc quay trục Điện áp nguồn ES đợc đặt hai điểm (1) (3), điện áp đo Vm lấy từ điểm chung (2) hai đầu (1) (3) Khi điện áp đo đợc xác định công thức: Vm = R1 R ES = ES R1 + R R - 74 - (4.3) Trong R1 hàm phụ thuộc vị trí trục quay, vị trí xác định phần R1 chịu ảnh hởng tõ tr−êng cßn R = R1 + R2 = const Vm/ES R1 70% R2 50% 30% 0O a) 180O b) 360O Hình 4.5 Điện kế điện từ Từ hình 4.5b ta nhận thấy điện áp đo tuyến tính khoảng ~90o điện kế quay Đối với điện kế dịch chuyển thẳng khoảng tuyến tính cỡ vài mm 4.3 Cảm biến điện cảm Cảm biến điện cảm nhóm cảm biến làm việc dựa nguyên lý cảm ứng điện từ Vật cần đo vị trí dịch chuyển đợc gắn vào phần tử mạch từ gây nên biến thiên từ thông qua cuộn đo Cảm biến điện cảm đợc chia ra: cảm biến tự cảm hỗ c¶m 4.3.1 C¶m biÕn tù c¶m a) C¶m biÕn tù cảm có khe từ biến thiên - Cảm biến tự cảm đơn: hình 4.6 trình bày sơ đồ nguyên lý cấu tạo số loại cảm biến tự cảm đơn 2 XV XV R a) b) Hình 4.6 Cảm biến tự cảm 1) Lõi sắt từ 2) Cuộn dây 3) Phần động - 75 - c) Cảm biến tự cảm đơn gồm cuộn dây quấn lõi thép cố định (phần tĩnh) lõi thép di động dới tác động đại lợng đo (phần động), phần tĩnh phần động có khe hở không khí tạo nên mạch từ hở Sơ đồ hình 4.6a: dới tác động đại lợng đo XV, phần ứng cảm biến di chuyển, khe hở không khí mạch từ thay đổi, làm cho từ trở mạch từ biến thiên, hệ số tự cảm tổng trở cuộn dây thay đổi theo Sơ đồ hình 4.6b: phần ứng quay, tiết diện khe hở không khí thay đổi, làm cho từ trở mạch từ biến thiên, hệ số tự cảm tổng trở cuộn dây thay đổi theo Hệ số tự cảm cuộn dây thay ®ỉi thay ®ỉi tỉn hao sinh bëi dòng điện xoáy sắt từ dịch chuyển dới tác động đại lợng đo Xv (hình 4.6c) Nếu bỏ qua điện trở cuộn dây từ trở cđa lâi thÐp ta cã: W W 2µ 0s = L= R Trong đó: W- số vòng dây Rδ = δ - tõ trë cđa khe hë kh«ng khí à0s - chiều dài khe hở không khí s - tiÕt diƯn thùc cđa khe hë kh«ng khÝ Tr−êng hỵp W = const ta cã: dL = ∂L L ds + d s Với lợng thay đổi hữu hạn s ta có: L = W 2µ0 W µ 0s0 ∆s − ∆δ δ0 (δ + )2 (4.4) Độ nhạy cảm biến tự cảm khe hở không khí thay đổi (s=const): S = ∆L =− ∆δ L0 ⎡ ⎛ ∆δ ⎞⎤ δ ⎢1 + ⎜⎜ ⎟⎟⎥ ⎣ ⎝ δ ⎠⎦ Độ nhạy cảm biến tự cảm thay ®ỉi tiÕt diƯn kh«ng khÝ (δ = const): - 76 - (4.5) Ss = ∆L L = ∆s s (4.6) Tổng trở cảm biến: W s Z = ωL = δ (4.7) Tõ c«ng thøc (4.7) ta thÊy tỉng trë Z cđa c¶m biÕn hàm tuyến tính với tiết diện khe hở không khÝ s vµ phi tun víi chiỊu dµi khe hë kh«ng khÝ δ Z, L L = f(∆δ) Z5000Hz = f(∆δ) Z500Hz = f(∆δ) ∆δ H×nh 4.7 Sù phơ thc L, Z với chiều dày khe hở không khí Đặc tính cảm biến tự cảm đơn Z = f() hàm phi tuyến phụ thuộc tần số nguồn kích thích, tần số nguồn kích thích cao độ nhạy cảm biến cao (hình 4.7) - Cảm biến tự cảm kép lắp theo kiểu vi sai: Để tăng độ nhạy cảm biến tăng đoạn đặc tính tuyến tính ngời ta thờng dùng cảm biến tự cảm kép mắc theo kiểu vi sai (hình 4.8) XV XV XV a) b) Hình 4.8 Cảm biến tự cảm kép mắc theo kiểu vi sai Đặc tÝnh cđa c¶m biÕn tù c¶m kÐp vi sai cã dạng nh hình 4.9 - 77 - c) L L1 = f(δ) L1 - L2 = f(δ) δ L2 = f() Hình 4.9 Đặc tính cảm biến tự cảm kép lắp vi sai b) Cảm biến tự cảm có lõi từ di động Cảm biến gồm cuộn dây bên có lõi từ di động đợc (hình 4.10) l0 XV lf l Hình 4.10 Sơ đồ nguyên lý cảm biến tự cảm có lõi từ 1) Cuộn dây 2) Lõi từ Dới tác động đại lợng đo XV, lõi từ dịch chuyển làm cho độ dài lf lõi từ nằm cuộn dây thay ®ỉi, kÐo theo sù thay ®ỉi hƯ sè tù c¶m L cuộn dây Sự phụ thuộc L vào lf hàm không tuyến tính, nhiên cải thiện cách ghép hai cuộn dây đồng dạng vào hai nhánh kề sát cầu điện trở có chung lõi sắt 4.3.2 Cảm biến hỗ cảm Cấu tạo cảm biến hỗ cảm tơng tự cảm biến tự cảm khác chỗ có thêm cuộn dây đo (hình 4.11) Trong cảm biến đơn chiều dài khe hở không khí (hình 4.11a) tiết diện khe không khí thay đổi (hình 4.11b) tổn hao dòng điện xoáy thay đổi (hình 4.11c) làm cho từ thông mạch từ biến thiên kéo theo suất điện động e cuộn đo thay đổi - Cảm biến đơn có khe hở không khÝ: - 78 - Φt = Tõ th«ng tøc thêi: iW1 iW1à s = R i - giá trị dòng điện tức thời cuộn dây kích thích W1 ~ XV XV 3 4 a)4 ~ b) c) ~ ~ XV XV XV φ1 φ2 ~ ~ e) ®) d) ~ Hình 4.11 Cảm biến hỗ cảm 1) Cuộn sơ cấp 2) Gông từ 3) lõi từ di động 4) Cuộn thứ cấp (cuộn đo) Sức điện động cảm ứng cuộn dây đo W2: e = W2 dΦ t W W µ s di =− dt dt W2 - số vòng dây cuộn dây đo Khi làm việc với dòng xoay chiÒu i = I m sin ωt , ta cã: W2 W1µ s ωI m cos ωt δ e=− giá trị hiệu dụng suất điện động: E= W2 W1µ s s ωI = k δ δ I - giá trị hiệu dụng dòng điện, k = W2 W1à I Với giá trị W2, W1, µ0, ω vµ I lµ h»ng sè, ta cã: dE = ∂E ∂E ds + dδ ∂s ∂δ - 79 - Hay ∆E = k ∆δ ∆s − ks ( + )2 (4.8) Độ nhạy cảm biến với thay đổi chiều dài khe hë kh«ng khÝ δ (s = const): Sδ = ∆E =− ∆δ ks ⎛ ∆δ ⎞ ⎟ δ 02 ⎜⎜1 + δ ⎟⎠ ⎝ E0 = ⎛ ∆δ ⎞ ⎟ δ ⎜⎜1 + δ ⎟⎠ ⎝ (4.9) Còn độ nhạy tiết diện khe hở không khí s thay đổi ( = const): SS = E0 = ∆E k E = = ∆s δ s (4.10) ks - søc ®iƯn ®éng hỗ cảm ban đầu cuộn đo W2 XV = 0 Ta nhận thấy công thức xác định độ nhạy cảm biến hỗ cảm có dạng tơng tự nh cảm biến tự cảm khác giá trị E0 L0 Độ nhạy cảm biến hỗ cảm S SS tăng tần số nguồn cung cấp tăng - Cảm biến vi sai: để tăng độ nhạy độ tuyến tính đặc tính cảm biến ngời ta mắc cảm biến theo sơ đồ vi sai (hình 4.11d,đ,e) Khi mắc vi sai độ nhạy cảm biến tăng gấp đôi phạm vi làm việc tuyến tính mở rộng đáng kể - Biến thÕ vi sai cã lâi tõ: gåm cuén d©y ghép đồng trục tạo thành hai cảm biến đơn đối xứng, bên có lõi từ di động đợc (hình 4.12) Các cuộn thứ cấp đợc nối ngợc với cho suất điện động chúng triệt tiêu lẫn 2 ~ ~ Hình 4.12 Cảm biến hỗ cảm vi sai 1) Cuộn sơ cấp 2) Cuộn thứ cấp 3) Lõi từ Về nguyên tắc, lõi từ vị trí trung gian, điện áp đo Vm đầu hai cuộn thứ cấp không Khi lõi từ dịch chuyển, làm thay đổi mối quan hệ cuộn sơ cấp với cuộn thứ cấp, tức làm thay đổi hệ số hỗ cảm cuộn sơ cấp với - 80 - cuộn thứ cấp Khi điện trở thiết bị đo đủ lớn, điện áp đo Vm gần nh tuyến tính với hiệu số hệ số hỗ cảm hai cuộn thứ cấp 4.4 Cảm biến điện dung 4.4.1 Cảm biến tụ điện đơn Các cảm biến tụ điện đơn tụ điện phẳng hình trụ có cực gắn cố định (bản cực tĩnh) cực di chuyển (bản cực động) liên kết với vật cần ®o Khi b¶n cùc ®éng di chun sÏ kÐo theo thay đổi điện dung tụ điện - Đối với cảm biến hình 4.13a: dới tác động đại lợng đo XV, cực động di chuyển, khoảng cực thay đổi, kéo theo điện dung tụ điện biến thiên C= s - số điện môi môi trờng - số điện môi chân không s - diện tích nằm hai điện cực - khoảng cách hai cực XV XV XV c) b) a) Hình 4.13 Cảm biến tụ điện đơn - Đối với cảm biến hình 4.13b: dới tác động đại lợng đo XV, cực động di chuyển quay, diện tích cực thay đổi, kéo theo sù thay ®ỉi cđa ®iƯn dung tơ ®iƯn C= ε s ε πr α = 360δ δ (4.11) - góc ứng với phần hai cực đối diện - 81 - Đối với cảm biến hình 4.13c: dới tác động đại lợng đo XV, cực động di chuyển thẳng dọc trục, diện tích cực thay đổi, kéo theo thay ®ỉi cđa ®iƯn dung C= πε l log( r2 / r1 ) (4.12) Xét trờng hợp tụ điện ph¼ng, ta cã: C= εs δ ∂C ∂C ∂C dε + ds + dδ ∂ε ∂s ∂δ dC = §−a dạng sai phân ta có: s0 0s0 ∆ε + ∆s − ∆δ δ0 δ0 (δ + )2 C = (4.13) Khi khoảng cách hai cực thay đổi ( = const s=const), độ nhạy cảm biến: SC = 0s0 C =− ∆δ (δ + ∆δ )2 (4.14) Khi diÖn tích cực thay đổi ( = const = const), độ nhạy cảm biến: SCS = ∆C ε = ∆s δ (4.15) Khi số điện môi thay đổi ( s = const = const), độ nhạy cảm biến: SC = ∆C s = ∆ε δ (4.16) NÕu xét đến dung kháng: Z= = C s dZ = ∂Z ∂Z ∂Z dε + ds + dδ s Đa dạng sai phân: Z = − δ0 ωs (ε + ∆ε ) ∆ε − δ0 ωε (s + ∆s ) ∆s + ∆δ ωε s T−¬ng tự ta có độ nhạy cảm biến theo dung kh¸ng: - 82 - S Zε = − S Zs = − S Zδ = δ0 (4.17) ωs (ε + ∆ε ) δ0 (4.18) ωε (s + ∆s ) ωε s (4.19) Từ biểu thức rút ra: - Biến thiên điện dung cảm biến tụ điện hàm tuyến tính diện tích cực số điện môi thay đổi nhng phi tuyến khoảng cách hai cực thay đổi - Biến thiên dung kháng cảm biến tụ điện hàm tuyến tính khoảng cách hai cực thay đổi nhng phi tuyến diện tích cực số điện môi thay đổi Ngoài hai cực có điện áp đặt vào phát sinh lực hút, lực cần phải nhỏ đại lợng đo 4.4.2 Cảm biến tụ kép vi sai XV A2 A A3 XV A1 A2 α A1 XV A3 A2 δ a) A3 c) b) H×nh 4.14 C¶m biÕn tơ kÐp vi sai Tơ kÐp vi sai có khoảng cách cực biến thiên dịch chuyển thẳng (hình 4.14a) có diện tích cực biến thiên dịch chuyển quay (hình 4.14b) dịch chuyển thẳng (hình 4.14c) gồm ba cực Bản cực động A1 dịch chuyển hai cực cố định A2 A3 tạo thành với hai cực hai tụ điện có điện dung C21 C31 biến thiên ngợc chiều Độ nhạy độ tuyến tính tụ kép vi sai cao tụ đơn lực tơng hỗ cực triệt tiêu lẫn ngợc chiều - 83 - 4.4.3 Mạch đo Thông thờng mạch đo dùng với cảm biến điện dung mạch cầu không cân cung cấp dòng xoay chiều Mạch đo cần thoả mÃn yêu cầu sau: - Tổng trở đầu vào tức tổng trở đờng chéo cầu phải thật lớn - Các dây dẫn phải đợc bọc kim loại để tránh ảnh hởng điện trờng - Không đợc mắc điện trở song song với cảm biến - Chống ẩm tốt Hình 4.15a sơ đồ mạch cầu dùng cho cảm biến tụ kép vi sai với hai điện trở Cung cấp cho mạch cầu máy phát tần số cao Hình 4.15b sơ đồ mạch mặch cầu biến áp với hai nhánh tụ điện Cx R eS ~ A2 A1 A3 Ura C0 eS ~ Ura R b) a) Hình 4.15 Mạch đo thờng dùng với cảm biến tụ điện 4.5 Cảm biến quang Các cảm biến đo vị trí dịch chuyển theo phơng pháp quang học gồm nguồn phát ánh sáng kết hợp với đầu thu quang (thờng tế bào quang điện) Tuỳ theo cách bố trí đầu thu quang, nguồn phát thớc đo (hoặc đối tợng đo), cảm biến đợc chia ra: - Cảm biến quang phản xạ - C¶m biÕn quang soi thÊu 4.5.1 C¶m biÕn quang ph¶n xạ Cảm biến quang phản xạ (hình 4.16) hoạt động theo nguyên tắc dọi phản quang: đầu thu quang đặt cïng phÝa víi ngn ph¸t Tia s¸ng tõ ngn ph¸t qua thÊu kÝnh héi tơ ®Ëp tíi mét th−íc ®o chuyển động vật khảo sát, thớc có vạch chia phản quang không phản quang nhau, tia sáng gặp phải vạch chia phản quang bị phản xạ trở lại đầu thu quang - 84 - Hình 4.16 Cảm biến quang phản xạ 1) Nguồn phát 2) Thớc đo 3) Đầu thu quang Cảm biến loại dọi phản quang, không cần dây nối qua vùng cảm nhận nhng cự ly cảm nhận thấp chịu ảnh hởng ánh sáng từ nguồn sáng khác 4.5.2 Cảm biến quang soi thấu Sơ đồ cấu trúc cảm biến đo vị trí dịch chuyển theo nguyên tắc soi thấu trình bày hình 4.17a Cảm biến gồm nguồn phát ánh s¸ng, mét thÊu kÝnh héi tơ, mét l−íi chia kÝch quang phần tử thu quang (thờng tế bào quang điện) Tín hiệu Vr1 Chu kú chia Vr2 TÝn hiÖu chuÈn a) b) Hình 4.17 a) Sơ đồ cấu tạo cảm biÕn quang soi thÊu b) TÝn hiÖu 1) Nguån sáng 2) Thấu kính hội tụ 3) Thớc đo 4) Lới chia 5) Tế bào quang điện 6) Mà chuẩn Khi thớc đo (gắn với đối tợng khảo sát, chạy thấu kính hội tụ lới chia) có chuyển động tơng đối so với nguồn sáng làm xuất tín hiệu ánh sáng hình sin Tín hiệu đợc thu tế bào quang điện đặt sau lới chia Các tín hiệu đầu cảm biến đợc khuếch đại tạo xung điện tử tạo thành tín hiệu xung dạng chữ nhật - 85 - Các tế bào quang điện bố trí thành hai dÃy đặt lệch phần t độ chia nên ta nhận đợc hai tín hiệu lệch pha 90o (hình 4.17b), nhờ xác định đợc độ dịch chuyển mà nhận biết đợc chiều chuyển động Để khôi phục điểm gốc trờng hợp điện nguồn ngời ta trang bị thêm mốc đo chuẩn thớc đo u điểm cảm biến soi thấu cự ly cảm nhận xa, có khả thu đợc tín hiệu mạnh tỉ số độ tơng phản sáng tối lớn, nhiên có hạn chế khó bố trí chỉnh thẳng hàng nguồn phát đầu thu 4.6 Cảm biến đo dịch chuyển sóng đàn hồi 4.6.1 Nguyên lý đo dịch chuyển sóng đàn hồi Tốc độ truyền sóng đàn håi v chÊt r¾n ~ 103m/s Thêi gian trun sóng hai điểm vật rắn cách khoảng l xác định biểu thức: tP = l v Biết tốc độ truyền sóng v đo thời gian truyền sóng tP ta xác định đợc khoảng cách l cần đo: l = vt P Sơ ®å khèi cđa mét thiÕt bÞ ®o dÞch chun b»ng sóng đàn hồi biểu diễn hình 4.18 Thời gian trun sãng tP tõ tÝn hiƯu xt hiƯn ë máy phát đến đợc tiếp nhận máy thu đợc đo máy đếm xung Máy đếm hoạt động bắt đầu phát sóng đóng lại tín hiệu đến đợc máy thu Đồng hồ Máy đếm Máy thu l Máy phát Hình 4.18 Sơ đồ khối thiết bị đo dịch chuyển sóng đàn hồi Gọi số xung đếm đợc N chu kỳ xung đếm tH, ta có: t P = Nt H - 86 - l = vNt H Khi đó: (4.20) 4.6.2 Cảm biến sử dụng phần tử áp điện Trong cảm biến áp điện, sóng đàn hồi đợc phát thu nhờ sử dụng hiệu ứng áp điện Hiệu ứng áp điện tợng vật liệu áp điện (thí dụ thạch anh) bị biến dạng dới tác dụng lực học có chiều định, mặt đối diện xuất lợng điện tích nhng trái dấu, ngợc lại dới tác động điện trờng có chiều thích hợp, vật liệu áp điện bị biến dạng Để đo dịch chuyển ta sử dụng hai dạng sóng đàn hồi: - Sóng khối: dọc ngang - Sóng bề mặt Sóng khối dọc truyền cho phần tử vật rắn dịch chuyển dọc theo phơng truyền sóng tạo nên nén lại giÃn nở lớp vật rắn Sóng đợc kích thích phần tử áp điện rung theo bề dày (hình 4.19a) Sóng khối ngang gây nên dịch chuyển vuông góc với phơng truyền sóng, tạo chuyển động trợt tơng đối lớp vật rắn Sóng đợc kích thích phần tử áp điện rung theo mặt cắt (hình 4.19b) Phơng truyền sãng Ph−¬ng trun sãng V V b) λ a) V c) Hình 4.19 Các dạng sóng đàn hồi a) Sóng dọc b) Sóng ngang c) Sóng bề mặt dạng ®iƯn cùc kÝch thÝch Sãng bỊ mỈt trun líp bề mặt vật rắn, biên độ chúng hầu nh không độ sâu dới bề mặt Sóng bề mặt gồm thành phần sóng dọc thành phần sóng ngang Nguồn kích thích sóng bề mặt hệ điện cực kiểu - 87 - lợc cài phủ lên bề mặt vật liệu áp điện (hình 4.19c) Khoảng cách hai kề điện cực phải để gây biến dạng có điện áp V pha đặt vào để tăng hiệu ứng chúng Máy thu sóng bề mặt có cấu tạo tơng tự nh máy phát đợc gắn cố định vào bề mặt vật rắn, có sóng bề mặt qua, điện cực làm biến dạng bề mặt vật rắn gây nên điện áp hiệu ứng áp điện 4.6.3 Cảm biến âm từ Sóng đàn håi ph¸t nhê sư dơng hiƯu øng Wiedemam: hiƯn tợng xoắn ống trụ sắt từ chịu tác dụng đồng thời từ trờng dọc từ trờng ngang Sóng đàn hồi đợc thu sở sử dụng hiệu ứng Vilari: sức căng học làm thay đổi khả từ hoá độ từ thẩm vật liệu sắt từ Sơ đồ nguyên lý cấu tạo cảm biến âm từ trình bày hình 4.20 Cấu tạo cảm biến gồm ống sắt từ (1), nam châm di động (2) trợt dọc ống gắn với vật cần xác định vị trí Dây dẫn (3) nằm trục ống đợc nối víi m¸y ph¸t xung (4) M¸y thu (5) cã lâi từ nối học với ống Đầu thu l Máy phát xung Hình 4.20 Sơ đồ nguyên lý cảm biến âm từ 1) ống sắt từ 2) Nam châm 3) Dây dẫn 4) Máy phát xung 5) Đầu thu Nguyên lý hoạt động cảm biến: Máy phát (4) cung cấp xung điện truyền qua dây dẫn (3), xung truyền với vận tốc ¸nh s¸ng (c), tõ tr−êng nã sinh cã đờng sức đờng tròn đồng tâm với trục ống Khi sóng điện từ truyền đến vị trí nam châm (2), kết hợp hai từ trờng làm cho ống bị xoắn cục bộ, xoắn cục truyền ống dới dạng sóng đàn hồi với vận tốc v Khi sóng đàn hồi đến máy thu (5) làm thay đổi độ từ hoá gây nên tín hiệu hồi đáp - 88 - Gọi tP thời gian từ phát xung hỏi đến nhận đợc xung hồi đáp, v