giáo trình cảm biến lực

Mục lục Mục lục 1 2.5.2.1. Ph n t bi n tr d ng đàn h i ầ ử ế ở ạ ồ 3 2.5. Cảm biến đo lực 2.5.1. Nguyên lý đo lực 2.5.1.1. Khái niệm cơ bản Cảm biến là dụng cụ có thể cảm nhận trị số tuyệt đối hoặc độ biến thiên của một đại lượng vật lí (vd. nhiệt độ, áp suất, tốc độ dòng chảy, độ pH, cường độ ánh sáng, âm thanh hoặc sóng vô tuyến, vv.) và biến đổi thành một tín hiệu đầu vào hữu hiệu cho một hệ thống thu thập và xử lí thông tin. 2.5.1.2 Nguyên lý đo lực 1 Xác định ứng lực cơ học tác động lên các cấu trúc trong những điều kiện xác định là vấn đề hàng đầu trong việc đánh giá độ an toàn cho hoạt động của mấy móc, thiết bị. Theo định luật cơ bản của động lực học, lực được xác định bởi biểu thức: F M a = ur r Trong đó: - F là lực tác dụng (N) - m là khối lượng của vật (kg) - a là gia tốc của vật (m/s 2 ) Trong công thức trên, khi cho một lực có cường độ F tác động vào một vật có khối lượng m sẽ gây ra gia tốc a Nguyên tắc đo lực là làm cân bằng lực cần đo với một lực đối kháng sao cho lực tổng cộng và mômen tổng của chúng bằng không. Trong các cảm biến đo lực thường có một vật trung gian chịu tác động của lực cần đo và biến dạng. Biến dạng của vật trung gian là nguyên nhân gây ra lực đối kháng và trong giới hạn đàn hồi biến dạng tỉ lệ với lực đối kháng. Biến dạng và lực gây ra biến dạng có thể đo trực tiếp bằng các cảm biến biến dạng, hoặc đo gián tiếp nếu một trong những tính chất điện của vật liệu chế tạo trung gian phụ thuộc vào biến dạng. Ta cũng có thể xác định một lực bằng cách cân bằng nó với một lực đã biết. Theo công thức xác định trọng lực của một vật trong trọng trường trái đất: P = mg Trong đó môi trường có g biết trước, cân khối lượng m của vật ta có thể xác định được trọng lực của vật đó, ngược lại nếu sử dụng một vật có 2 khối lượng đã biết sẽ có một lực xác định. Đây chính là nguyên tắc chuẩn cảm biến bằng máy đo có khối lượng treo. 2.5.2. Các loại cảm biến đo lực Cảm biến lực bao gồm các loại cơ bản sau: Cảm biến áp điện, Cảm biến từ giảo, Cảm biến dựa trên phép đo dịch chuyển và cảm biến xúc giác. 2.5.2.1. Phần tử biến trở dạng đàn hồi  Các phần tử biến dạng đàn hồi phổ biến nhất dùng trong các phép đo lực là:  Dây đo biến dạng điện trở  Dây đo biến dạng bán dẫn  Biến cảm áp-điện piezoelectric transducers. Dây đo biến dạng đo lực một cách gián tiếp bằng cách đo độ uốn cong mà lực tác dụng tạo ra trong một vật mang carrier đã được hiệu chuẩn. Có thể dùng kỹ thuật dây đo biến dạng để đo áp suất, rồi chuyển đổi áp suất thành lực, sử dụng một bộ biến cảm xấp xỉ hoá appropriate transducer.  Nguyên lý chung: Phương pháp phổ biến nhất để xác định lực là tạo một lực cơ học cân bằng với nó. Khi có lực F tác dụng, làm vật thể biến dạng chuyển dịch, vật thể đàn hồi bị nén lại hay giãn ra. Đo lực F bằng lực cân bằng của vật thể biến dạng đàn hồi 3  Nguyên lý của một phần tử biến dạng đàn hồi: Lực F làm uốn cong vật thể đàn hồi. Độ cong s của vật có thể xác định bằng một phần tử cảm biến chuyển dịch, ví như phần tử biến trở chiết áp potentiometer hoặc phần tử biến cảm inductive.  Độ co dãn là tính năng của phần tử cảm biến đàn hồi này và qua đó mà thể hiện số đo của lực tác dụng F. Phép đo độ co dãn được thực hiện bằng cách sử dụng phần tử dây trở, có khả năng thay đổi điện trở do biến dạng co dãn. Dây đo biến dạng Strain Gauge.  Là một dạng dây trở, có thể co hay dãn, nhưng trong phạm vi đàn hồi, để dạng nguyên thủy của nó không thay đổi.  Để xác định độ co dãn của một vật thể, người ta dán dây đo lên vật. Khi co lại hay dãn ra, vật thể truyền sự biến dạng đó cho dây đo.  Nguyên lý hoạt động: - Đối tượng bị đặt dưới lực căng, dây đo sẽ giãn ra và bị biến dạng dài. Sợi dây không chỉ dài ra mà còn mảnh hơn. Tất cả làm tăng điện trở toàn phần của dây. 4 - Sự thay đổi điện trở của dây đo biến dạng có thể dùng để tính toán độ giãn dài của dây đo biến dạng (và của đối tượng mà nó được gắn chặt vào). - Khi biết được độ giãn dài và hằng số đàn hồi của thành phần gá đỡ, theo những nguyên tắc của định luật Hooke có thể tính toán lực tác dụng.  Định luật Hooke: F = -kx  Phương trình điện trở cơ bản: L R A ρ = R – Điện trở dây dẫn ở 20°C ρ – Điện trở suất(là hằng số phụ thuốc vào nhiệt độ) L – Chiều dài dây d A – Tiết diện ngang của dây  Sự thay đổi điện trở trong dây đo biến dạng có thể nhỏ hơn một ohm. Đo lường một giá trị điện trở nhỏ như vậy đòi hỏi phải có một mạch cầu đo. Phép đo lực căng trong thanh dầm thép bằng dây đo biến dạng  Cầu đo: 5 1 1 . S G G V R V R R = + 2 2 . S D D V R V R R = + V s : điện áp nguồn cung cấp cho cầu  Điện áp đường chéo cầu: ( ) ( ) ( ) 2 1 1 2 1 2 . . . . G D s G D R R R R V V V V R R R R − − =∆ = + +  Khi R 1 =R 2 =R G =R D, cầu cân bằng ta có: . 4 2 S R V V R R ∆ ∆ = + ∆ Với R ∆ : sự thay đổi điện trở trong dây đo biến dạng  Về mặt công nghệ chế tạo và lắp đặt, có hai dạng phần tử dây đo biến dạng:  Dây đo biến dạng kiểu ghép chặt bounded wire;  Kiểu không ghép chặt unbounded.  Các dây đo biến dạng kiểu ghép chặt có thể ở dạng sợi dây trở hay dạng màng mỏng điện trở hay điện dẫn.  Phần tử dây đo kiểu không ghép chặt gồm một sợi dây trở căng giữa hai điểm và có thể được tạo hình ngay trong quá trình lắp đặt cảm biến, nhất là đối với những ứng dụng chuyên biệt. 6  Các kết cấu cảm biến cơ bản:  Cảm biến dạng thanh dầm Bending Beam  Các cảm biến dùng kết cấu thanh dầm là thông dụng nhất. Đó là bởi vì thanh dầm là điển hình kết cấu biến dạng cao, thành phần kết cấu lực thấp, có hai bề mặt đối diện như nhau để gắn dây đo biến dạng.  Thiết kế dạng thanh dầm được sử dụng một cách điển hình trong các tế bào tải trọng load cell cường độ thấp.  Dạng cột Column. Tế bào tải trọng dạng cột là kiểu biến cảm dây đo có sớm nhất. Trong ứng dụng, người sử dụng cuối cùng phải biết được các hiệu ứng phụ, bởi tế bào tải trọng dạng cột nhạy cảm với các hiệu ứng tải trọng ngoài trục off-axis loading. 7  Dạng màng trượt Shear-Web. Nguyên lý của tế bào tải trọng dạng màng trượt shear-web điển hình có dạng thanh beam có gờ cantilever được thiết kế với tiết diện lớn hơn bình thường so với tải trọng định mức phải mang, nhằm hạn chế uốn cong kết cấu. 2.5.2.2. Cảm biến áp điện. a) Hiệu ứng áp điện :  Cơ chế áp điện Hiện tượng áp điện là hiện tượng phân cực điện và thay đổi phân cực điện trong 1 số chất điện môi khi chúng bị biến dạng dưới tác dụng 8 của lực theo 1 chiều nhất định. Nếu chế tạo tụ điện bằng cách phủ 2 bản cực lên 2 mặt đối diện của 1 phiến áp điện mỏng và tác dụng 1 lực lên 2 bản cực thì trên 2 bản cực đó xuất hiện 1 điện tích trái dấu. Hiệu điện thế của điện tích 2 bản cực tỉ lệ với lực tác dụng. Lợi dụng đặc điểm này người ta chế tạo cảm biến dùng để đo lực tác dụng và đo các đại lượng vật lí có tác động giống như lực tác dụng như áp suất gia tốc, độ rung. Đó được gọi là cảm biến áp điện . Hiệu ứng áp điện là một hiệu ứng thuận nghịch. Dưới tác dụng của điện trường theo chiều thích hợp, thì vật liệu bị biến dạng. Đặt biệt đối với vật liệu áp điện có thể bị kích thích đến trạng thái cộng hưởng cơ học rất cao. Cơ chế áp điện có thể được giải thích theo tinh thể thạch anh. Thạch anh là tinh thể SO 2 . Khi không có lực tác dụng điện tích dương và âm có tổng Momen = 0. Còn khi có lực tác dụng thì cấu trúc bị biến dạng làm cho trọng tâm của các điện tích không trùng nhau nữa, từ đó làm xuất hiện sự phân cực điện. Trong các vật liệu áp điện thì thạch anh được quan tâm hàng đầu do tính ổn định cao và độ cứng. Ngoài ra gốm cũng được sử dụng vì giá thành thấp và dễ sản xuất.  Cấu tạo cảm biến : Dưới tác dụng của lực làm cho vật liệu áp điện bị biến dạng và hình thành các cực tính.Tuy nhiên, nếu sử dụng các phiến ghép đơn thì độ nhạy của cảm biến giảm đáng kể nên thông thường là sử dụng các cách ghép bản cực của tụ điện. Có nhiều cách ghép bản cực của tụ điện. Dựa vào cấu trúc hoặc cơ chế họat động của cảm biến hay đơn giản vì độ nhạy của cảm biến hai phần tử có thể kết dính với nhau và nối theo cực để nhận được biến dạng cùng chiều hay ngược chiều. 9 Trong trường hợp đấu song song hai bản áp điện được ghép đôi với nhau, khi đó điện tích và điện cung của tụ tăng lên gấp đội so với bình thường so với 1 bản cực. Trong trường hợp đấu nối tiếp thì điện áp hở mạch và trở kháng tăng lên gấp đôi nhưng giá trị điện dung giảm xuống 2 lần Những nguyên tắc này áp dụng cho trường hợp ghép nhiều bản cực. Đối với thạch anh có nhiều cách chế tạo khác nhau tuy theo yêu cầu: Vòng đệm thạch anh: chỉ nhạy với lực nén tác dụng dọc theo trục. Cảm biến thạch anh nhiều thành phần: đối với loại này chỉ có tác dụng với một hướng xác định của lực tuy nhiên độ nhạy khá cao nên được sử dụng trong các trường hợp đặc biệt. Cảm biến có độ nhạy cao: dùng để đo các lực nhỏ có cấo tạo theo cấu trúc dạng dầm hoặc dạng xà. Khi có lực tác dụng thì sẽ có 1 tấm co lại và 1 tấm khác giãn ra. Thường dùng để đo các lực cắt. b) Nguyên lý hoạt động. Cảm biến áp điện hoạt động dựa trên nguyên lý của hiệu ứng áp điện Phần tử cơ bản của một cảm biến áp điện có cấu tạo tương tự một tụ điện được chế tạo bằng cách phủ hai bản cực lên hai mặt đối diện của một phiến vật liệu áp điện mỏng. Vật liệu áp điện thường dùng là thạch anh vì nó có tính ổn định và độ cứng cao. Tuy nhiên hiện nay vật liệu gốm ( ví dụ gốm PZT) do có ưu điểm độ bền và độ nhạy cao, điện dung lớn, ít chịu ảnh hưởng của điện trường ký sinh, dễ sản xuất và giá thành chế tạo thấp cũng được sử dụng đáng kể. Đặc trưng vật lý của một số vật liệu áp điện được trình bày trên bảng 1 10 [...]... gian là vòng đo lực có thể sử dụng nhiều loại cảm biến dịch chuyển khác nhau như : - Điện thế kế điện trở - Cảm biến từ trở biến thiên - Cảm biến tụ điện 2.5.2.5 Cảm biến đo lực dựa trên phép đo dịch chuyển  Nguyên lý:  Lực cần đo tác dụng lên vật trung gian và gây nên sự thay đổi kích thước ∆l của nó  Sự thay đổi kích thước được đo bằng một cảm biến dịch chuyển Khi đó tín hiệu ra Vm và lực tác dụng... từ thay đổi do đó độ tự cảm của cuộn dây cũng thay đổi Sự thay đổi tương đối của L, R, hoặc µ tỉ lệ với ứng lực σ tức là với lực cần đo F: ∆µ ∆R ∆L = = = K σ µ R L c) Cảm biến từ dư biến thiên Phần tử cơ bản của cảm biến từ dư biến thiên là một lõi từ làm bằng Ni tinh khiết cao, có từ dư Br Dưới tác dụng của lực cần đo, thí dụ lực 2 3 1 Hình 10: Cảm biến từ giảo có từ thẩm biến thiên nén ( d σ . một lực xác định. Đây chính là nguyên tắc chuẩn cảm biến bằng máy đo có khối lượng treo. 2.5.2. Các loại cảm biến đo lực Cảm biến lực bao gồm các loại cơ bản sau: Cảm biến áp điện, Cảm biến. gian là vòng đo lực có thể sử dụng nhiều loại cảm biến dịch chuyển khác nhau như : - Điện thế kế điện trở. - Cảm biến từ trở biến thiên. - Cảm biến tụ điện. 2.5.2.5 Cảm biến đo lực dựa trên phép. hình ngay trong quá trình lắp đặt cảm biến, nhất là đối với những ứng dụng chuyên biệt. 6  Các kết cấu cảm biến cơ bản:  Cảm biến dạng thanh dầm Bending Beam  Các cảm biến dùng kết cấu thanh