Được gọi là tỉ lệ Poisson, chúng ta có K = 1+2ʋ +
19.2 Đo lường dựa trên cảm biến biến dạng
Các thiết bị điện được dùng phổ biến nhất trong các phép đo lực bao gồm các loại đầu đo điện trở , cảm biến biến dạng bán dẫn , và các bộ chuyển đổi áp điện . các các biện pháp đo biến dạng gián tiếp bằng cách đo độ lệch sản phẩm giá đỡ đã hiệu chuẩn . Áp lực có thể được chuyển đổi thành lực bằng cách sử dụng một bộ chuyển đổi thích hợp, và sau đó có thể sử dụng công nghệ cảm biến biến dạng để đo áp lực Lưu lượng cũng có thể đo bằng phép đo áp lực khác sử dụng công nghệ cảm biến biến dạng.
■ Sức căng: Cảm biến biến dạng, các bộ chuyển đổi áp điện
■ Lực: Cảm biến tải trọng
■ Áp lực: Strain Gage
■ Lưu lượng: Kỹ thuật áp lực chênh lệch
Hình 19.2.1: Đo lường dựa trên cảm biến biến dạng
Đầu đo điện trở là một phần tử điện trở có điện trở thay đổi theo chiều dài , do đó điện trở cũng như lực được dùng trên bệ đỡ do kéo dài hoặc nén . Có lẽ nó là bộ chuyển đổi tốt nhất để biến đổi lực thành điện.
Máy đo sức căng không liên kết bao gồm dây bị kéo căng giữa hai điểm như đã trình bày trong hình 19.2.2. Lực tác động lên dây ( diện tích = A, chiều dài = L, điện trở suất = p ) sẽ làm cho dây bị dài ra hoặc ngắn lại, sẽ làm cho điện trở tăng hoặc giảm tỷ lệ theo:
R=pL/A R/R = GFL/L,
Với GF là hệ số cảm biến ( 2,0-4,5 với kim loại, và hơn 150 với chất bán dẫn) . Số lượng không thứ nguyên ΔL / L là một biện pháp của lực áp dụng cho các dây và thể hiện trong microstrains ( 1μe = 10-6 cm / cm) mà là giống như các bộ phận mỗi triệu (ppm). Từ phương trình này , lưu ý rằng các yếu tố đo lớn hơn dẫn đến tỷ lệ kháng lớn thay đổi - do đó, nhạy cảm hơn .
Cảm biến biến dạng liên kết bao gồm một sợi dây mảnh hoặc lớp màng mỏng dẫn điện sắp xếp theo một đồng phẳng mô hình và gắn với một cơ sở. Gage thường được gắn kết như vậy mà như nhiều càng tốt về độ dài của dây dẫn là liên kết theo hướng căng thẳng đang được đo . Dây dẫn được gắn vào các cơ sở và đưa ra cho liên kết nối. Thiết bị ngoại quan là đáng kể thực tế hơn và đang được sử dụng rộng rãi hơn nhiều so với các thiết bị.
Có lẽ là phiên bản phổ biến nhất là cảm biến lá kim loại, sản xuất bằng kỹ thuật ăn mòn kim loại, và sử dụng các kim loại tương tự như các loại dây hợp kim đồng- niken (Constantan) , niken-crôm ( nichrome ) , niken-sắt , platin-vonfram , vv (xem hình 19.2.4 ) . Thiết bị đo có phần tử cảm biến dây hiện nay một diện tích bề mặt nhỏ với mẫu ; điều này làm giảm dòng rò ở nhiệt độ cao và cho phép cách li điện áp cao hơn giữa phần tử cảm biến và vật mẫu. Phần tử cảm biến lá, Mặt khác , có tỷ lệ của diện tích bề mặt với diện tích mặt cắt ngang lớnvà ổn định hơn dưới nhiệt độ và tải trọng lâu. Diện tích bề mặt lớn và mặt cắt ngang mỏng cũng cho phép các thiết bị để theo nhiệt độ mẫu và tạo thuận lợi cho tản nhiệt tự gây ra.
Dây căng cảm biến R=pL/A R/R = GFL/L L/L:µƐ Lực
Thiết bị đo bán dẫn hoạt động dựa trên hiệu ứng áp trở ( piezoresistive)”khi vật liệu bị biến dạng thì điện trở của nó thay đổi “ trong đó sử dụng một số vật liệu như silic và germani để có được độ nhạy cao và công suất lớn.Có thể tạo ra thiết bị đo độ biến dạng của chất bán dẫn để đạt được độ biến dạng mong muốn hoặc không mong muốn. Họ có thể làm với kích thước nhỏ trong khi vẫn duy trì một trở kháng cao. Cầu sức căng dùng chất bán dẫn có độ nhạy gấp 30 lần độ nhạy của cầu sử dụng màng kim loại, nhưng bị ảnh hưởng của nhiệt độ tới độ nhạy và khó khăn trong việc bù đắp. Thay đổi của điện trở với sức căng là một hàm phi tuyến.Thiết bị này không được sử dụng phổ biến như thiết bị màng kim loại ổn định hơn dùng cho công việc chính xác. Tuy nhiên, nơi nhạy cảm, quan trọng và thay đổi nhiệt độ
Hình 19.2.3: Đầu đo dùng dây dẫn
Lực ■ Diện tích bề mặt nhỏ ■ Dòng dò nhỏ ■ Cách điện cao Lực Lực Lực Hình19.2.4: Đầu đo dùng lưới màng
■ Diện tích lớn
■ Ổn định với nhiệt độ
■ Tiết diện mỏng
nhỏ nó lại có lợi thế và được sử dụng.Khí cụ đo kiểm tra là cầu màng kim loại. Khí cụ đo kiểm giống cho cầu kim loại mỏng nhưng kém quan trọng hơn vì mức tín hiệu cao và tính chính xác của bộ chuyển đổi giảm.
Thông số Điện trở lực căng Chất bán dẫn
Phạm vi đo 0.1 đến 40,000 µc 0.001 đến 3000 µc
Thông số đo 2.0 đến 4.5 50 đến200
Giới hạn 120, 350, 600, …, 5000 1000 đến 5000
Sai số 0,1% đến 0,2% 1% đến 2%
Kích thước ,mm Tiêu chuẩn 3 to 60,.4 đến 150 1 đến 5
Hình 19.2.5: So sánh giữa chất bán dẫn và điện trở lực căng (màng kim loại)
Thiết bị đo biến dạng có thể được sử dụng để đo lực biến dạng như trong hình 19.2.6 nơi 1 thanh xà đang bị bẻ cong do lực ép tác dụng lên đầu thanh. Bốn thiết bị cảm biến được sử dụng để đo lường. Hai phía trên và hai phía dưới. Các thiết bị được kết nối với nhau tạo ra 1 cầu đo cân bằng. Cầu đo này cho độ nhạy tối đa và là tuyến tính với lực tác dụng. Nó cũng đưa ra sự điều chỉnh để bù nhiệt độ tốt hơn, sai số về nhiệt độ bị loại trừ
Thiết bị đo biến dạng là các thiết bị có trở kháng thấp, chúng yêu cầu năng lượng kích thích đáng kể để đạt được các cấp hợp lý của điện áp đầu ra. Một cầu tế bào
cảm biến biến dạng chuyển đổi lực thành tín hiệu điện trên cơ sở thiết bị đo độ biến dạng điển hình sẽ có một trở kháng là 350Ω và thay đổi trên mỗi milivon tỉ xích với mỗi vôn kích thích.Cầu tải gồm có 4 thiết bị đo được sắp sếp như hình 19.2.7. Đối với một kích thích 10V cầu điện áp sẽ đánh giá 3mmV/V.30V Tín hiệu ra tăng do tăng dẫn động đến cầu nhưng sự phát nóng làm hạn chế ,nó có thể gây ra sai số cũng như làm hỏng thiết bị. Nhiều tế bào tải có “chiều “kết nối cho phép thiết bị tự điều chỉnh tín hiệu để tự bù đắp cho DC giảm trong các dây dẫn . Một số tế bào tải có điện trở nội bổ sung được chọn để bù cho nhiệt độ.
Hình 19.2.7: Sáu dây nối loadcell
Cảm biến áp lực
Áp suất trong chất lỏng và chất khí được đo bằng tín hiệu điện từ nhiều bộ chuyển đổi áp suất. Nhiều bộ chuyển đổi cơ khí (như màng chắn, buồng lái, ống thổi, ống áp kế, và ống Bourdon ) được dùng để đo áp suất bằng cách đo chiều dài, khoảng cách, hoặc độ dịch chuyển liên kết, và để đo biến đổi áp suất do chuyển động này tạo ra.
Đầu ra của giao tiếp cơ học này sau đó được cấp cho bộ công cụ chuyển đổi tín hiệu điện như với bộ đo biến dạng hay áp điện đầu dò. Không giống như các thiết bị đo biến dạng, đầu dò áp lực áp điện thường được sử dụng để đo áp suất tần số cao (như các ứng dụng sonar hoặc micro tinh thể)
Có rất nhiều cách để xác định một dòng chảy ( lưu lượng, lưu lượng về thể tích, dòng chảy lớp tầng, dòng hỗn loạn). Thường thì lượng của dòng chất là quan trọng nhất ( lưu lượng ) và nếu mật độ của chất lỏng không đổi thì đo lưu lượng thể tích của dòng chất sẽ dễ dàng hơn.Một trong những ứng dụng phổ biến của bộ chuyển đổi là đo tốc độ dòng chảy và lien quan tới việc đo áp lực . Hình 19.2.9 biểu diễn một cánh uốn được đặt trong dòng chảy kết nối với bộ chuyển đổi để đo lưu lượng dòng chảy.
Hình 19.2.9: Cánh uốn kết hợp với cảm biến sức căng dùng đo lưu lượng chảy
Sơ đồ mạch cầu điều hòa tín hiệu
Một ví dụ về mạch điện trở thay đổi mọi phần tử là mạch đo áp lực kiểm tra hiện tượng suy yếu như đã trình bày trong hình 19.2.10. Cầu đầy đủ được tích hợp để có thể dính chựt vào mặt phẳng trên đó sức căng hay điểm uốn sẽ là đối tượng để đo. Để tọa điều kiện thuận lợi cảm nhận từ xa kích thíc dòng được sử dụng.Trong mạch điện này một tham chiếu chính xác là LEF 195 5 V được dung làm dẫn động cầu.Các trở kháng OP177 trong hệ servo cầu hiện tại từ 10mA và xung quanh một điên áp tham chiếu là 1.235 V.Thiết bị đo đưa ra đầu ra
10mV/1000µe.Tín hiệu được khuếch đại bởi thiết bị AD620 tăng tín hiệu lên 100 lần Toàn bộ điện áp biến dạng được thiết lập bằng cách điều chỉnh 100Ω chiết áp, cho một dòng -3500µE . Cho một dòng +5000V, công suất thanh ghi 5000µE. Dữ liệu sau đó được số hóa với một bộ ADC trong đó có 10V đưa vào dữ đúng giá trị thực. Các tụ điện 0.1µF trên các chân đầu vào AD620 phục vụ như một bộ lọc EMI/RFI kết hợp với trở kháng 1kΩ. Các tần số góc của bộ lọc là khoảng 1.6kHz.
Hình 19.2.10: Bộ khuếch đại chính xác thiết bị cảm biến sức căng
Ví dụ khác là mạch điện bộ khuếch đại thiết bị chuyển đổi lực thành tín hiệu điện được trình bày trong hình 19.2.11. Thiết bị chuyển đổi lực thành tín hiệu điện điển hình có trở kháng của cầu đo là 350Ω. Trong đó 10.000V cầu kích thích được rút ra từ tham chiếu điện áp chính xác của thiết bị AD588 với thiết bị OP177 và 2N2219A được dùng làm bộ giảm xung. Những 2N2219A trong vòng lặp thông tin phản hồi OP177 và cung cấp dòng kích thích cho cầu cần thiết (28.57mA). Để đảm bảo tuyến tính này được bảo tồn ,một bộ khuếch đại tín hiệu được sử dụng. Sơ đồ mạch này có số cực tiểu của tới hạn điện trở và bộ khuếch đại, chế tạo toàn bộ thi hành chính xác, ổn định, và ít tốn kém. Đòi hỏi duy nhất là 475Ω điện trở và 100 Ω chiết áp có hệ số nhiệt độ thấp để bộ khuếch đại không lệch so với nhiệt độ.
Hình 19.2.11: Bộ khuếch đại chính xác của cảm biến tải trọng
Như đã được thể hiện trước đó, một tế bào tải chính xác thường được cấu hình như một 350 Ω cầu. Hình 19.2.12 cho thấy một bộ khuếch đại tải tế bào chính xác được cung cấp từ một cung cấp duy nhất. Điện áp kích thích để cây cầu phải
được chính xác và ổn định.Trong mạch này, một tài liệu tham khảo chính xác V REF195 5 được sử dụng như đĩa cầu. Tài liệu tham khảo REF195 có thể cung cấp hơn 30mA để tải, vì vậy nó có thể chịu lên cầu 35052 mà không cần một bộ
đệm. Các OP213 kép được cấu hình như một hai amp op-amp trong với mức tăng 100. Các điện trở mạng đặt tăng theo công thức:
G
Đối với chế độ chung từ chối tối ưu, tỷ lệ điện trở phải được chính xác. Cao điện trở dung nạp hiểm (± 0.5% hoặc tốt hơn) nên được sử dụng.
Đối với một tín hiệu đầu ra cầu không volt, các bộ khuếch đại sẽ xoay để trong vòng 2,5 mV 0 V. Đây là giới hạn sản lượng tối thiểu của OP213. Do đó, nếu điều chỉnh bù đắp yêu cầu, điều chỉnh nên bắt đầu từ một điện áp tích cực tại VREF và điều chỉnh VREF xuống cho đến khi đầu ra (VOUT) dừng lại thay đổi. Đây là điểm các giới hạn. Vì thiết kế cung cấp duy nhất, các bộ khuếch đại không thể cảm nhận tín hiệu có cực âm. Nếu tuyến tính tại không volts đầu vào là cần thiết, hoặc nếu tín hiệu phân cực tiêu cực phải được xử lý, kết nối VREF có thể được kết nối với một điện áp đó là giữa cung (2,5 V) chứ không phải là mặt đất. Lưu ý rằng khi VREF không phải là ở mặt đất, đầu ra phải được tham chiếu đến VREF.
Hình 19.2.12: Khuếch đại tế bào tải cung ứng.
Các AD7730 24-bit sigma-delta ADC là lý tưởng cho các điều trực tiếp kết quả đầu ra cầu và không cần mạch giao diện. Sơ đồ kết nối đơn giản hóa được thể hiện trong Hình 19.2.13. Toàn bộ mạch hoạt động trên một nguồn cung cấp 5 V duy nhất mà cũng là điện áp kích thích cầu. Lưu ý rằng đo vì cảm nhận điện áp kích thích cầu cũng được sử dụng như tài liệu tham khảo ADC. Biến thể trong việc cung cấp 5 V không ảnh hưởng đến độ chính xác của phép đo Các AD7730 có một bộ khuếch đại được lập trình nội bộ cho phép một lượng cầu đầy đủ quy mô ± 10mV được số hóa với độ chính xác 16-bit. Các AD7730 đã tự và hệ thống hiệu chỉnh tính năng cho phép bù đắp và đạt được lỗi này được giảm thiểu với định kỳ. Một "dấu" chế độ tùy chọn giảm thiểu điện áp bù đắp và hoạt động tương tự như một bộ khuếch đại ổn định. Điện áp đầu vào hiệu quả tiếng ồn RTI là khoảng 40 NV rms, hoặc 264 NV . Điều này tương ứng với độ phân giải 13 triệu, hoặc khoảng 16,5-bit. Tính tăng cũng là khoảng 16-bit.
Hình 19.2.13: ứng dụng di động tải bằng cách sử dụng AD7730 ADC.
◆ quy mô toàn cầu đầu ra của ± 10 mV, 5 V kích thích
◆ "Chop Mode" Activated
◆ Hệ thống chuẩn Thực hiện: Zero và quy mô toàn ■ Hiệu suất:
◆ ồn RTI: 40 NV rms, 264 NV p-p
◆ ồn miễn phí Độ phân giải: == 80.000 Counts (16,5 bit)
◆ tăng phi tuyến: 18ppm
◆ tăng Độ chính xác: <1 μV
◆ Điện áp Offset: <1 μV ◆ offset Drift: 0.5 μV / ° C
◆ tăng Drift: 2 ppm / ° C
◆ Lưu ý: Gain và Offset Drift có thể tháo rời với hệ thống hiệu chỉnh lại Hình 19.2.14: Hiệu suất của tải AD7730 tế bào ADC.19,3 Strain Gage lắp đặt cảm biến George C. Thấp-HITEC
Các loại thiết bị đo căng thẳng bao phủ ở những nơi khác có thể được cài đặt bằng cách nhiều phương pháp khác nhau.
Phần này sẽ cố gắng cung cấp một số chi tiết về mỗi phương pháp phổ biến hơn của cài đặt bằng cách sử dụng các loại giống gage phổ biến nhất người đọc khuyến khích nghiên cứu thêm về các phương pháp được quan tâm , như không phải tất cả cáckỹ thuật cài đặt có thể được bao gồm trong phần tóm tắt,cài đặt thiết bị đo biến dạng vì nó chủ yếu là một quá trình sử dụng, và đặc biệt là với các kĩ năng, cài đặt sợi căng gage.Chất lượng của quá trình cài đặt phụ thuộc vào mức độ nào đó về kinh nghiệm của trình cài đặtvà không hoàn toàn dựa trên hay không các bước thích hợp được theo dõi . Có thay đổi khác nhau để các kỹ thuật cài đặt sau đây dựa trên yêu cầu chính xác –nhu cầu , vv, nhưng chúng có thể được coi là hướng dẫn kỹ thuật cài đặt chung.
Tài liệu tham khảo
1. Ramon Pallas - Areny và John G. Webster , cảm biến và tín hiệu điều hoà,John Wiley , New York, năm 1991.
2 . Dan Sheingold , biên tập , đầu dò interfacing Sổ tay , Analog Devices,Inc , 1980 .
3 . Walt Kester , biên tập viên năm 1992 ứng dụng Amplifier Hướng dẫn, Mục 2, 3 , AnalogThiết bị , Inc năm 1992.
4 . Walt Kester , biên tập , hệ thống ứng dụng Hướng dẫn, Mục 1 , 6, Analog Devices,Inc , 1993 .
5 . Harry L. Trietley , cảm biến trong cơ khí và thiết kế điện tử , MarcelDekker , Inc năm 1986.
6 . Jacob Fraden , Sổ tay hiện đại cảm biến, Second Edition, Springer -Verlag, New York, NY , 1996.
7 . Các áp lực, căng , và Sổ tay quân , Vol. 29, Omega Engineering , mộtOmega Drive, P.O. Hộp 4047 , Stamford CT, 06.907-0.047 năm 1995.
( http://www.omega.com )
8 . Dòng chảy và Cẩm nang Cấp , Vol. 29, Omega Engineering , một OmegaỔ