1. Nội dung thiết kế tốt nghiệp:
2.1. Các phƣơng pháp đo khối lƣợng
2.1.1. Nguyên lý đo khối lƣợng
Trong vật lý cơ học, mối quan hệ giữa lực và khối lƣợng đƣợc xác định bằng định luật II Newton, theo đó lực tác dụng vào vật thể có khối lƣợng m sẽ bằng tích số khối lƣợng và gia tốc của nó, tức là:
F = m.a
Trọng lực là một trƣờng hợp của công thức này. Dƣới tác dụng của sức hút Trái Đất, vật có khối lƣợng m sẽ chịu tác dụng của trọng lực:
P = m.g
Với g(m/s²) là gia tốc trọng trƣờng là một số cố định ở từng khu vực. Tất cả các phƣơng pháp đo khối lƣợng đều dựa vào quan hệ này.
Khi hai lực cân bằng cùng tác dụng lên vật theo hai hƣớng ngƣợc nhau thì làm cho vật thể cân bằng, không tạo nên gia tốc làm cho vật chuyển động.
2.1.2. Các phƣơng pháp đo khối lƣợng 2.1.2.1.Cảm biến điện trở lực căng 2.1.2.1.Cảm biến điện trở lực căng
Sức căng ε đƣợc xác định bằng sự thay đổi chiều dài ∆L của thanh đàn hồi L so với một đơn vị chiều dài:
ε = ∆L/L.
Do tác động của lực vào thanh L, làm xuất hiện sức căng, tƣơng ứng cũng làm thay đổi giá trị điện trở của thanh. Cảm biến sức căng hoạt động dựa trên nguyên tắc này, cho phép biến đổi giá trị ε nhỏ thành sự thay đổi tƣơng ứng giá trị điện trở của thanh.
Có hai loại cảm biến sức căng:
- Loại gắn trực tiếp trên cần đàn hồi của bộ đo lực, ở vị trí cần đo sức căng. Khi lực tác động làm căng hoặc cong cần đàn hồi thì lực cũng trực tiếp làm căng cảm biến.
37
- Loại gián tiếp đƣợc liên kết cơ học với yếu tố đàn hồi, thƣờng sử dụng để đo những độ lệch tổng cộng của yếu tố đàn hồi
Thừa số cảm biến sức căng G đƣợc quy định là tỷ số của sự biến đổi đơn vị của điện trở so với sức căng:
G = (∆R/R) / (∆L/L) Trong đó: ∆R = sự thay đổi của điện trở (Ω) R = điện trở của cảm biến sức căng ∆L = sự thay đổi chiều dài (m) L = chiều dài của cảm biến (m)
Khi tác dụng một lực f lên tiết diện cắt ngang A, ứng suất S = f/A (N/m²). Ở thanh đàn hồi tỉ số của ứng suất S trên sức căng ε là hằng số và đƣợc gọi là module đàn hồi:
E = S / ε = const.
Đối với thanh đàn hồi có chiều dày là h và chiều rộng là b, có cảm biến sức căng gắn trực tiếp trên bề mặt ở vị trí cách điểm lực tác động là L, ứng suất đƣợc xác định theo biểu thức:
S = 6f.L / bh². Từ các biểu thức trên suy ra :
∆R/R = (6G.L / bh².E) / f.
Từ biểu thức ta thấy rõ ràng có mối quan hệ tuyến tính giữa lực tác động và sự thay đổi giá trị điện trở đơn vị của cảm biến. Bằng phép đo ∆R ta có thể xác định độ lớn lực tác dụng. Đó chính là nguyên tắc hoạt động của cảm biến sức căng.
Cảm biến sức căng cho phép sử dụng để đo lực tác động do trọng lực của vật trong các bài toán cân.
2.1.2.2. Cảm biến áp điện
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 tƣơng tự nhƣ một tụ điện đƣợc 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 thƣờng dùng là thạch anh vì nó có tính ổn định, độ cứng và độ chính xác cao. Tuy nhiên loại này có nhƣợc điểm là chịu va đập kém, độ bền cơ khí thấp, khó chế tạo và công nghệ chế tạo đòi hỏi rất cao.
38
Bảng 2.1 Đặc trƣng vật lý của một số vật liệu áp điện.
Vật liệu Độ thẩm thấu Điện trở suất (Ω.m) Modun Young ( Ứng lực cực đại ( Nhiệt độ làm việc ( C) Thạch anh = 4.5 = 80 10 550 Muối seignette = 350 = 19.3 = 30 1.4 45 L.H. = 5.6 1.5 75 PZT5A = 1.700 = 53 7 - 8 365
Dƣới tác dụng của lực cơ học, tấm áp điện bị biến dạng làm xuất hiện trên hai bản cực các điện tích trái dấu. Hiệu điện thế xuất hiện giữa hai bản cực tỉ lệ với lực tác dụng.
Các biến dạng cơ bản xác định chế độ làm việc của bản áp điện. Hình 2.1biểu diễn các biến dạng cơ bản của bản áp điện.
Hình 2.1 Các biến dạng cơ bản.
a. Theo chiều dọc. b. Theo chiều ngang. c. Cắt theo bề dày. d. Cắt theo bề mặt.
39
Trong nhiều trƣờng hợp các bản áp điện đƣợc ghép thành bộ theo cách ghép nối tiếp hoặc song song.
Hình 2.2 Cách ghép các phần tử áp điện.
a. Hai phần tử song song. b. Hai phần tử nối tiếp. c. Nhiều phần tử song song. 2.1.2.3. Cảm biến áp từ.
- Hiệu ứng từ giảo
Dƣới tác động của từ trƣờng, một số vật liệu sắt từ thay đổi tính chát hình học hoặc tính chất cơ học. Hiện tƣợng này đƣợc gọi là hiệu ứng từ giảo. Khi có tác dụng của lực cơ học gây ra ứng lực trong vật liệu sắt từ làm thay đổi đƣờng cong từ hóa của chúng. Khi đó dựa vào sự thay đổi của từ thẩm hoặc từ dƣ có thể xác định đƣợc độ lớn của lực tác dụng từ đó có thể xác định đƣợc khối lƣợng của vật gây ra lực tác dụng. Đây là hiệu ứng từ giảo nghịch.
- Cảm biến dựa trên hiện tƣợng từ giảo
Cảm biến từ thẩm biến thiên
Cấu tạo của cảm biến gồm một cuộn dây có lõi từ hợp với một khung sắt từ tạo thành một mạch từ kín ( Hình 2.4) . Dƣới tác dụng của lực F, lõi từ bị biến dạng kéo theo sự thay đổi của độ từ thẩm μ làm cho từ trở mạch từ thay đổi do đó độ từ cảm của cuộn dây cũng thay đổi. Sự thay đổi tƣơng đối của L, R hoặc μ tỉ lệ với ứng lực σ, tức là với lực cần đo F:
40
Hình 2.3 Cảm biến từ thẩm biến thiên.
Cảm biến từ dƣ biến thiên
Phần tử cơ bản của cảm biến từ dƣ biến thiên là một lõi từ làm bằng Ni tinh khiết cao, có từ dƣ Bᵣ. Dƣới tác dụng của lực cần đo, thí dụ lực nén (dù < 0), Bᵣ tăng lên:
Sự thay đổi của từ thông sẽ làm xuất hiện trong cuộn dây một suất điện động tỉ lệ với dB / dt. Biểu thức của điện áp hở mạch có dạng:
Trong đó K là hệ số tỉ lệ với số vòng dây và tiết diện vòng dây.
Do sử dụng vật liệu từ tính nên vật liệu chế tạo phải có độ tinh khiết rất cao dẫn tới không dễ dàng chế tạo.
2.1.2.4. Cảm biến áp suất
Cảm biến áp suất là thiết bị điện tử chuyển đổi tín hiệu áp suất sang tín hiệu điện, thƣờng đƣợc dùng để đo áp suất hoặc dùng trong các ứng dụng có liên quan đến áp suất. Nguyên lý hoạt động của cảm biến áp suất cũng gần giống nhƣ các loại cảm biến khác là cần nguồn tác động (nguồn áp suất, nguồn nhiệt,… nguồn cần đo của cảm biến loại đó) tác động lên cảm biến, cảm biến đƣa giá trị về vi xử lý, xử lý tín hiệu rồi đƣa tín hiệu ra.
41
- Áp suất: Nguồn áp suất cần kiểm tra có thể là áp suất khí, hơi, chất lỏng… - Cảm biến: Là bộ phận nhận tín hiệu từ áp suất và truyền tín hiệu về khối xử
lý. Tùy thuộc vào loại cảm biến mà nó chuyển từ tín hiệu cơ của áp suất sang dạng tín hiệu điện trở, điện dung, điện cảm, dòng điện… về khối xử lý. - Khối xử lý: Có chức năng nhận tín hiệu từ khối cảm biến thực hiện các xử lý
để chuyển đổi các tín hiệu đó sang dạng tín hiệu tiêu chuẩn trong lĩnh vực đo áp suất nhƣ tín hiệu ngõ ra điện áp 4 – 20 mA (tín hiệu thƣờng sử dụng nhất), 0 – 5 VDC, 0 – 10 VDC, 1 – 5 VDC…
Hình 2.5 Cảm biến áp suất sen-3391.
Do tính phi tuyến và độ phân giải thấp nên cảm biến áp suất chỉ thích hợp cho việc đo các vât có khối lƣợng rất lớn và diện tích tác động vào cảm biển nhỏ.
Qua việc phân tích các loại cảm biến trên cho thấy tùy vào từng loại cảm biến, cách thức hoạt động có đến hàng chục loại cảm biến áp suất khác nhau, có loại hoạt động dựa trên sự biến dạng vật liệu để làm thay đổi điện trở, loại thì thay đổi điện dung, loại thì sử dụng vật liệu áp điện,… dạng phổ biến nhất là dạng áp điện trở và kiểu điện dung. Dƣới đây là bảng so sánh tính năng, hiệu suất của các loại cảm biến đã nói trên.
42
Bảng 2.2 Bảng so sánh tính năng, hiệu suất các loại cảm biến.
Loại cảm biến Độ phổ biến (Cân) Độ chính xác Dải đo Độ nhạy Độ ổn định Giá thành Độ bền cảm biến Thời gian bảo dƣỡng Tổng Điện trở lực căng (Loadcell) ++ + + + ++ + ++ + 11 Áp điện + + + + + + + - 6 Áp từ + + + + + + + - 6 Áp suất + + + + + + + -- 5
Với bảng so sánh sánh trên cộng với tính năng cân đƣợc chính xác khi bệnh nhân nằm tại mọi vị trí trên mặt giƣờng tác dụng vào cảm biến, nhóm đã quyết định lựa chọn cảm biến điện trở lực căng. Cảm biến này có tên gọi là Loadcell.
2.2. Tìm hiểu chung về Loadcell. 2.2.1. Khái niệm Loadcell. 2.2.1. Khái niệm Loadcell.
Loadcell là thiết bị cảm biến dùng để chuyển đổi lực hoăc trọng lƣợng thành tín hiệu điện.
Khái niệm“strain gage”: cấu trúc có thể biến dạng đàn hồi khi chịu tác động của lực tạo ra một tín hiệu điện tỷ lệ với sự biến dạng này.
Loadcell thƣờng đƣợc sử dụng để cảm ứng các lực lớn, tĩnh hay các lực biến thiên nhanh. Một số trƣờng hợp Loadcell đƣợc thiết kế để đo lực tác động mạnh phụ thuộc vào thiết kế của Loadcell.
43
Hình 2.6 Một số lọai Loadcell thông dụng.
2.2.2. Cấu tạo.
Loadcell đƣợc cấu tạo bởi hai thành phần, thành phần thứ nhất là: điện trở cảm ứng (Strain gauge) và thành phần còn lại là tải (Load). Điện trở cảm ứng là một điện trở đặc biệt chỉ nhỏ bằng móng tay, có điện trở thay đổi khi bị nén hay kéo dãn và đƣợc nuôi bằng một nguồn điện ổn định, đƣợc dán chết lên tải - một thanh kim loại chịu tải có tính đàn hồi.
44
2.2.3. Nguyên lý hoạt động
Hoạt động dựa trên nguyên lý cầu điện trở cân bằng Wheatstone. Khi cầu cân bằng Giá trị lực tác dụng tỉ lệ với sự thay đổi điện trở cảm ứng (Strain gauge) trong cầu điện trở, làm thay đổi giá trị điện áp lấy ra từ một đỉnh của cầu.
Hình 2.8 Nguyên lý hoạt động của Loadcell.
Hoạt động của mạch cầu có hai trƣờng hợp: mạch cầu cân bằng và mạch cầu không cân bằng. Ở mạch cầu cân bằng điện trở của cảm biến đƣợc xác định từ giá trị ba điện trở đã biết trƣớc. Ở cách đo không cân bằng, sự thay đổi điện trở cảm biến từ một giá trị cơ sở
45
tạo nên một sự sai lệch nhỏ giữa hai điện áp của ngõ ra mạch cầu. Sử dụng bộ khuếch đại để khuếch đại sai lệch này nên dễ dàng xử lý.
Điện trở cảm biến có thể đƣợc gắn vào một nhánh của mạch cầu Wheatstone không cân bằng nhƣ sau:
Hình 2.9 Mạch cầu Wheatstone.
Các trị số điện trở , , là cố định nên cầu sẽ cân bằng khi điện trở làm cảm biến là ở một trị số cơ sở xác định , ta gọi giá trị này là (balance). Liên hệ giữa giá trị , , và khi cầu cân bằng là:
=
Mục đích của cầu không cân bằng là tạo ra một điện áp tỷ lệ với sự sai lệch giữa và . Để đơn giản hóa phƣơng trình của cầu không cân bằng ta sử dụng hai hệ số ε và α nhƣ sau:
ε =
(phần trăm sai lệch giữa và )
Hệ số thứ hai là α biểu thị tỷ lệ phân áp trên điện trở đƣợc định nghĩa bởi: α =
Theo sơ đồ trên, điện áp tại hai điểm a và b là:
= x = x = - = ( )x (1)
46 Do đó điện áp ngõ ra của mạch cầu là:
= (2)
= - (
) (3)
Thay . = x ( từ (1)) và đơn giản biểu thức (2) ta đƣợc biểu thức (3): Để sử dụng các hệ số α và ε ta nhân tử và mẫu của phân số này cho cùng một biểu thức sau: Khi đó (3) trở thành : = - ( ) x x = ( ) ( ) ( ) x (4) Do α = => = 1 – α Và ε = = = = 1 + αε
Để biểu thị biểu thức theo tỷ lệ mà không còn ta cộng và trừ ở
mẫu số của phân số cuối cho (ở cùng tử số) Thay tất cả vào (4) ta đƣợc :
= α (1 – α)
(5)
Vì sai lệch ε =
khá nhỏ nên (5) có thể viết lại là :
= Với =
47
Nhƣ vậy điện áp ngõ ra thay đổi the sai lệch điện trở của cảm biến gây ra bởi khối lƣợng ( hay lực) tác dụng lên.
2.2.4. Thông số kĩ thuật cơ bản
Một số thông số kĩ thuật cơ bản của Loadcell nhƣ sau:
- Độ chính xác: cho biết phần trăm chính xác trong phép đo. Độ chính xác phụ thuộc tính chất phi tuyến tính, độ trễ, độ lặp.
- Công suất định mức: giá trị khối lƣợng lớn nhất mà Loadcell có thể đo đƣợc. - Dải bù nhiệt độ: là khoảng nhiệt độ mà đầu ra Loadcell đƣợc bù vào, nếu nằm ngoài khoảng này, đầu ra không đƣợc đảm bảo thực hiện theo đúng chi tiết kĩ thuật đƣợc đƣa ra.
- Cấp bảo vệ: đƣợc đánh giá theo thang đo IP, (ví dụ: IP65: chống đƣợc độ ẩm và bụi).
- Điện áp: giá trị điện áp làm việc của Loadcell (thông thƣờng đƣa ra giá trị lớn nhất và giá trị nhỏ nhất 5 - 15 V).
- Độ trễ: hiện tƣợng trễ khi hiển thị kết quả dẫn tới sai số trong kết quả. Thƣờng đƣợc đƣa ra dƣới dạng % của tải trọng.
- Trở kháng đầu vào: trở kháng đƣợc xác định thông qua S- và S+ khi Loadcell chƣa kết nối vào hệ thống hoặc ở chế độ không tải.
- Điện trở cách điện: thông thƣờng đo tại dòng DC 50V. Giá trị cách điện giữa lớp vỏ kim loại của Loadcell và thiết bị kết nối dòng điện.
- Phá hủy cơ học: giá trị tải trọng mà Loadcell có thể bị phá vỡ hoặc biến dạng.
- Giá trị ra: kết quả đo đƣợc (đơn vị: mV).
- Trở kháng đầu ra: cho dƣới dạng trở kháng đƣợc đo giữa Ex+ và EX- trong điều kiện load cell chƣa kết nối hoặc hoạt động ở chế độ không tải.
- Quá tải an toàn: là công suất mà Loadcell có thể vƣợt quá (ví dụ: 125% công suất).
- Hệ số tác động của nhiệt độ: Đại lƣợng đƣợc đo ở chế độ có tải, là sự thay đổi công suất của Loadcell dƣới sự thay đổi nhiệt độ, (ví dụ: 0.01%/10°C nghĩa là nếu nhiệt dộ tăng thêm 10°C thì công suất đầy tải của Loadcell tăng thêm 0.01%).
48
- Hệ số tác động của nhiệt độ tại điểm 0: giống nhƣ trên nhƣng đo ở chế độ không tải.
2.2.5. Phân loại
Có thể phân loại Loadcell nhƣ sau:
- Phân loại Loadcell theo lực tác động: chịu kéo (shear loadcell), chịu nén (compression Loadcell), dạng uốn (bending), chịu xoắn (TensionLoadcell) . - Phân loại theo hình dạng: dạng đĩa, dạng thanh, dạng trụ, dạng cầu, dạng
chữ S.
- Phân loại theo kích thƣớc và khả năng chịu tải: loại bé, vừa, lớn.
2.2.6. Ứng dụng của Loadcell
Một ứng dụng khá phổ biến thƣờng thấy của Loadcell là đƣợc sử dụng trong các loại cân điện tử hiện nay.
Từ ứng dụng trong những chiếc cân kĩ thuật đòi hỏi độ chính xác cao cho tới những chiếc cân có trọng tải lớn.
Một số ứng dụng khác:
- Trong ngành công nghệ cao:Với nền khoa học kĩ thuật tiên tiến hiện nay thì loại Loadcell cỡ nhỏ cũng đƣợc cải tiến công nghệ và tính ứng dụng cao hơn. Loại Loadcell này đƣợc gắn vào đầu của ngón tay robot để xác định độ