tài liệu uy tín được biên soạn bởi giảng viên đại học Bách Khoa TPHCM, thuận lợi cho qua trình tự học, nghiên cứu bộ tự động hóa, điện tử, cơ điện tử, cơ khí chế tạo máy, lập trình nhúng, Tài liệu được kiểm duyệt bởi giảng viên, phòng đào tạo trường đại học bách khoa, lưu hành nội bộ
Chương CẢM BIẾN ĐO LỰC Nguyên lý đo lực Cảm biến áp điện Load cell Một số loại cảm biến khác Tuesday, October 17, 2017 1 Nguyên lý đo lực Định luật động lực học F = ma : M: khối lượng (kg) F: lực tác động (N) a : gia tốc (ms-2) Đo lực cách: Cân lực cần đo với lực đối kháng cho lực tổng hợp momen tổng chúng không Lực cần đo F → tác động lên vật trung gian → gây biến dạng lực đối kháng Đo trực tiếp biến dạng ⇒ Lực Đo gián tiếp thông qua thay đổi tính chất vật liệu chế tạo vật trung gian bị biến dạng Tuesday, October 17, 2017 2 Cảm biến áp điện Cấu tạo nguyên lý hoạt động Cấu tạo: Cảm biến có dạng mỏng chế tạo từ vật liệu áp điện (thạch anh, gốm PZT…) hai mặt có phủ kim loại → tương tự tụ điện Vật liệu áp điện Lớp phủ kim loại Nguyên lý hoạt động • Dựa vào hiệu ứng áp điện Tuesday, October 17, 2017 Cảm biến áp điện Cấu tạo nguyên lý hoạt động Nguyên lý hoạt động: • Dưới tác dụng lực học, áp điện bị biến dạng, làm xuất hai cực điện tích trái dấu Hiệu điện xuất hai cực (V) tỉ lệ với lực tác dụng (F) F +Q ++++++++++ - - - - - - - - - - -Q + V~ F − F Tuesday, October 17, 2017 Cảm biến áp điện Các dạng biến dạng bản: F + + F F V~ F V~ F − − b) Theo chiều ngang F a) Theo chiều dọc F + F F V~ F V~ F − c) Cắt theo bề dày Tuesday, October 17, 2017 d) Cắt theo bề mặt F Cảm biến áp điện Cách ghép phần tử áp điện thành bộ: +− +− + +− +− +− − + +− +− +− − + − a) Hai phần tử song song Cb =2C +− + − +− b) Hai phần tử nối tiếp Cb =1/2C, Rb =2R, Vb = 2V Tuesday, October 17, 2017 + − c) Nhiều phần tử song song Cảm biến áp điện Cảm biến thạch anh kiểu vòng đệm Các vòng đệm: • Phiến cắt từ đơn tinh thể thạch anh, nhạy với lực nén dọc theo chiều trục Các vòng đệm Các đế Đầu nối dây Đặc điểm: • Chỉ nhạy với lực nén theo chiều trục → đo lực nén (có thể đo lực kéo cách nén trước) • Giới hạn dải đo cỡ từ vài kN (với đường kính ~ cm) đến 103 kN ( với đường kính ~ 10 cm) Tuesday, October 17, 2017 Cảm biến áp điện CB thạch anh kiểu vòng đệm Nhiều vòng đệm: a) Các phiến cắt b) Cảm biến ba thành phần vng góc Tuesday, October 17, 2017 Cảm biến áp điện Piezoelectric Sensor Element Designs Tuesday, October 17, 2017 Cảm biến áp điện Sơ đồ tương đương cảm biến: dQ dt Rg Cg a) Trong dải thơng có ích Rg - Điện trở cảm biến Cg – Điện dung cảm biến dQ dt RS CS b) Nối với mạch 1 = + R S R g R1 CS = Cg + C1 R1 C1: điện trở tụ tương đương với trở kháng cáp dẫn Tuesday, October 17, 2017 10 Load cell Cấu tạo: Load cell thiết bị chuyển năng: chuyển đổi lực trọng lượng tín hiệu điện Load cell thường sử dụng cảm biến biến dạng kết nối thành mạch cầu Wheatstone Tuesday, October 17, 2017 14 Load cell Phân loại: Loại uốn Loại đơn điểm 5-500 Kg 1-1000 Kg Loại nén Loại S (Đo lực kéo nén) 5,000-60,000 Kg Loại trượt 50 – 5000 Kg 500-5000 Kg Tuesday, October 17, 2017 15 Load cell Phân loại: Tuesday, October 17, 2017 16 Load cell Một số ứng dụng Tuesday, October 17, 2017 17 Load cell Tuesday, October 17, 2017 18 Một số cảm biến đo lực khác a) Cảm biến lực điện dung Đo lực dọc lực cắt Có độ trễ khơng tuyến tính Tuesday, October 17, 2017 19 Một số cảm biến đo lực khác b) Cảm biến lực áp trở Lực tác động tăng điện trở giảm Tuesday, October 17, 2017 20 Một số cảm biến đo lực khác b) Cảm biến lực áp trở Tuesday, October 17, 2017 21 Một số cảm biến đo lực khác c) Cảm biến lực quang học Tuesday, October 17, 2017 22 Một số cảm biến đo lực khác c) Cảm biến lực quang học Tuesday, October 17, 2017 23 Một số cảm biến đo lực khác d) Cảm biến lực lực từ Tuesday, October 17, 2017 24 Một số cảm biến đo lực khác d) Cảm biến lực lực từ Tuesday, October 17, 2017 25 Một số cảm biến đo lực khác e) Cảm biến lực sóng siêu âm Tuesday, October 17, 2017 26 Một số cảm biến đo lực khác f) Cảm biến xúc giác Lớp cao su chứa hạt dẫn điện X1 X2 Y1 Y2 Dây dẫn Điện cực Đế cách điện a) Hệ thống cực đo Tuesday, October 17, 2017 F I00 I01 I02 I03 I04 b) Tác dụng lực lên điện cực 27 Một số cảm biến đo lực khác f) Cảm biến xúc giác Khi có lực nén tác dụng lên phần cao su, khoảng cách hạt dẫn điện phần ngắn lại, điện trở giảm xuống, dòng điện tăng lên Toạ độ vùng có dòng điện tăng lên xác định vị trí lực tác dụng giá trị xác định giá trị lực Tuesday, October 17, 2017 28