CamBien 6

Đo lường - cảm biến Cảm biến đo biến dạng, lực, trọng lượng • • • • • Strain gauges Đo lực Cảm biến xúc giác (tactile sensor) Đo trọng lượng Đo áp suất Đo lường – Cảm biến Strain Gauges • Cảm biến đo độ biến dạng, độ căng • Độ căng có liên quan tới áp lực, lực, moment loạt kích thích khác dịch chuyển, vị trí, gia tốc • Nguyên lý Strain gauges thay đổi điện trở vật liệu thay đổi chiều dài gây sức căng • Cầu Wheatstone thường dùng để đo thay đổi (nhỏ) điện trở strain gauge Đo lường – Cảm biến Strain Gauges • Xét đoạn dây kim loại L, có điện trở suất r, tiết diện A Ta có logR= logr + log R= r Lấy vi phân vế, ta = r + r ( ) / Sự thay đổi điện trở dây gây : - Sự thay đổi điện trở suất - Do biến dạng dây Đối với biến dạng nhỏ (biến dạng tuyến tính), hai thành phần hàm tuyến tính theo độ căng Ta có quan hệ tổng hợp: =  : độ căng GF: độ nhạy strain gauge ( hệ số gauge) Đo lường – Cảm biến Strain Gauge Thay R4 strain gauge Hệ số gauge (GF) RG điện trở danh nghĩa strain gauge Đo lường – Cảm biến Strain Gauge Đo lường – Cảm biến Strain Gauge – Ví dụ EX1 Một strain gauge dán vào vật thể, có GF = 2.1 điện trở danh định 120.2Ω Khi vật thể chịu lực có điện trở thay đổi tới 120.25Ω Tính độ căng áp lực, biết modun đàn hồi (Young’s Modulus) E = 205 GPa ε=σ/E Đo lường – Cảm biến Strain Gauge – Ví dụ EX2 strain gauges giống được tổ hợp thành cầu Wheatstone, có strain gauge tích cực, có GF = 2.1 điện trở danh định 120Ω Điện áp cung cấp cho cầu 10V Tính độ căng điện áp cầu 20mV EX3 Một strain gauge có điện trở 120.6Ω 200C Tính điện trở 300C, biết hệ số nhiệt điện trở =8.10-6 1/0C Trình bày cách bù ảnh hưởng nhiệt độ sử dụng cầu strain gauges có: 1/ strain gauge tích cực 2/ strain gauges tích cực EX4 Một strain gauge có GF = 2.2 điện trở 119.8 Ω dán vào vật thử Khi vật thử chịu lực, điện trở strain gauge tăng thành 120 Ω Tính độ căng áp lực, biết E = 200GPa Đo lường – Cảm biến Đo lực, trọng lượng Độ dịch chuyển lò xo tỉ lệ thuận với lực tác động Quan hệ lực áp lực  = F/A, với A tiết diện piston Đo lường – Cảm biến Xi lanh kim loại với strain gauges gắn mặt Cảm biến lực – Force Sensor • Cảm biến lực thạch anh (cảm biến áp điện) Phiến thạch anh hình chữ nhật có cạnh song song với trục x, bề mặt cắt với góc  = 350 so với trục z Phiến thạch anh dao động với tần số f0 ( lực tác động) Độ lệch Nguyên lý hoạt động: thạch anh (vật liệu áp điện), dùng cộng hưởng mạch dao động điện tử, bị thay đổi tần số cộng hưởng có lực tác động Đo lường – Cảm biến Cảm biến xúc giác • Công tắc dạng màng Đo lường – Cảm biến Cảm biến xúc giác • Cảm biến xúc giác dạng áp điện tích cực Dao động học màng nén tạo tín hiệu áp xoay chiều Bộ giải điều chế dùng để nhận biết thay đổi tín hiệu (biên độ pha) PVDF: polyvinylidene fluoride Đo lường – Cảm biến Cảm biến xúc giác • Dạng màng áp điện thụ động Lớp cảm nhận áp điện đặt bề mặt cao su, tín hiệu điện miếng áp điện phản ánh chuyển động lớp cao su đàn hồi (do lực ma sát) Đo lường – Cảm biến Cảm biến xúc giác • Cảm biến xúc giác dạng điện trở nhạy cảm với lực FSR Đo lường – Cảm biến Đơn vị áp suất • Hệ SI: đơn vị Pascal, Pa = N/m2 • Atmosphere: atm = 101.325 kPa • Bar: bar = 100 kPa Đo lường – Cảm biến Cảm biến đo áp suất • Cảm biến đo áp suất khí - Chuyển đổi áp suất thành dịch chuyển học cách trực tiếp - Có thể kết hợp với loại cảm biến khác để chuyển đổi thành tín hiệu điện - Phổ biến ống Bourdon Áp suất đưa vào làm uốn cong ống Độ cong ống liên kết đến số quay Đo lường – Cảm biến Cảm biến đo áp suất • Màng uốn nếp (bellows), màng ngăn - Màng phẳng uốn nếp bị mở rộng tác dụng áp suất - Chuyển động tạo trực tiếp tác động vào phần thị dùng cảm nhận cảm biến đo độ dịch chuyển Đo lường – Cảm biến Cảm biến đo áp suất • Màng ngăn, mỏng - Màng: mỏng với độ dày không đáng kể - Tấm mỏng: màng dày Trong đó, m áp lực (stress) S độ căng zm độ võng trung tâm g độ dầy màng Đo lường – Cảm biến Cảm biến đo áp suất • Nếu độ dầy g đáng kể (tấm mỏng), ta có quan hệ E modun đàn hồi (Young’s modulus) v tỉ số Poisson • Ta thấy độ dịch chuyển tuyến tính với áp suất, áp suất p tính từ độ võng thông qua hai phương trình Đo lường – Cảm biến Cảm biến đo áp suất - Áp trở dạng strain gauge bán dẫn - Cấu trúc màng cảm biến áp trở: gauges gắn màng ngăn theo hướng khác (dọc ngang) cho biến dạng điện trở gia tăng có dấu khác Đo lường – Cảm biến Cảm biến đo áp suất Khi có áp lực tác động vào điện trở bán dẫn có điện trở ban đầu R, hiệu ứng áp trở (piezoresitive) làm thay đổi điện trở lượng R t: transverse chiều ngang, l: longitudinal chiều dọc • Màng cảm biến áp trở áp trở có độ thay đổi điện trở độ nhạy  ngược chiều 44 hệ số độ nhạy trung bình lx and ly áp lực theo hướng dọc Đo lường – Cảm biến Cảm biến đo áp suất Dòng điện kích thích qua điện trở đầu (chiều dọc), áp lực tác động vào màng theo chiều vuông góc với dòng điện (chiều ngang) Điện áp đầu phần tử tích cực đo để tính áp lực từ tính áp suất Đo lường – Cảm biến Cảm biến đo áp suất • Dạng từ trở thay đổi Đo lường – Cảm biến Cảm biến áp suất EX – Một hệ thống gồm có phần tử cảm nhận đo áp suất tầm đo 0-5bar tương ứng với ngõ 010mV Một mạch điện tử để chuyển đổi ngõ phần tử cảm nhận thành dòng điện 4-20mA Dùng đồng hồ tương tự để đọc áp suất đo Viết phương trình liên hệ đầu vào phần tử cảm nhận Viết phương trình liên hệ đầu vào mạch điện chuyển đổi Nếu ngõ mạch chuyển đổi 15mA, tính áp suất tương ứng Đo lường – Cảm biến ... Tính độ căng điện áp cầu 20mV EX3 Một strain gauge có điện trở 120 .6 200C Tính điện trở 300C, biết hệ số nhiệt điện trở =8.10 -6 1/0C Trình bày cách bù ảnh hưởng nhiệt độ sử dụng cầu strain gauges