Bài 7: CẢM BIẾN LỰC ppt

Bài 7: CẢM BIẾN LỰC 7.1 .KHÁI NIỆM CHUNG: Lực là một đại lượng vật lý thường được xỏc định theo định luật Newton: F=ma N 1.1 Trong đú: m- khối lượng của vật chịu tỏc động của lực, kg a-

Bài 7: CẢM BIẾN LỰC

7.1 KHÁI NIỆM CHUNG:

Lực là một đại lượng vật lý thường được xỏc định theo định luật Newton:

F=ma (N) (1.1) Trong đú: m- khối lượng của vật chịu tỏc động của lực, (kg)

a- gia tốc chịu tỏc dụng của lực cú được, (m/s2)

Để cảm biến lực cú thể đo theo nhiều cỏch khỏc nhau:

- Đo gia tốc của vật trung gian cú khối lượng đó biết để xỏc định lực theo (1.1)

- Cõn bằng lực cần đo với một lực đối khỏng cú thể xỏc định trị số

- Cõn bằng lực cần đo với một lực điện từ cú thể xỏc định trị số

- Biến đổi lực thành ỏp suất chất lỏng và đo ỏp suất này

- Đo ứng suất tạo ra ở một vật trung gian khi nú chụi tỏc động của lực cần đo và từ đú suy ra lực

Đo lực rất cần trong xõy dựng, chế tạo cơ khớ, tự động húa, nờn cỏc cảm biến lực, ngẫu lực, ứng suất, ỏp suất rất đa dạng

Dói đo lực rộng, từ vài phần N đến hàng chục triệu N

1.2 CẢM BIẾN ÁP ĐIỆN:

7.2.1 Hiệu ứng ỏp điện:

Hiệu ứng ỏp điện là sự xuất hiện phõn cực điện hay thay đổi phõn cực điện đó cú trong vài chất điện mụi tự nhiờn( thạch anh, tuamalin,…)

Hoặc điện mụi nhõn tạo( thạch anh tổng hợp, sulfat liti,…)

Khi chỳng bị biến dạng cho một lực tỏc dụng cú chiều nhất định

Hiệu ứng ỏp điện cú tớnh chất thận nghịch:

- Thuận: hai bản cực cú một tụ điện được ỏp lờn hai mặt đối diện của một phiến ỏp điện mỏng Khi tỏc dụng một lực lờn 2 bản cực để ộp phiến ỏp điện thỡ trờn 2 bản cực xuất hiện cỏc điện tớch trỏi dấu Hiệu điện thế giữa 2 bản cực tỷ lệ với lực ộp Lực ngừng tỏc động thỡ hiệu điện thế khụng cũn nữa

CB ỏp điện này cho phộp đo lực tỏc dụng cũng như đo cỏc đại lượng vật lý gõy ra tỏc động giống như lực, chẳng hạn ỏp suất, gia tốc, rung

- Nghịch: cấp một điện ỏp vào 2 bản cực, một điện trường giữa hai bản cực được tạo

ra và dưới tỏc động của điện trường này, phiến ỏp điện bị biến dạng và trong điều kiện thớch hợp, phiến ỏp điện cú thể cú trạng thỏi cộng hưởng cơ học Tớnh chất này được sử dụng để chế tạo mỏy siờu õm, bộ lọc hay bộ điều khiển dao động

7.2.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động:

Cảm biến ỏp điện hoạt động dựa trờn nguyờn lý của hiệu ứng ỏp điện

Phần tử cơ bản của một cảm biến ỏp điện cú cấu tạo tương tự một tụ điện được chế tạo bằng cỏch phủ hai bản cực lờn hai mặt đối diện của một phiến vật liệu ỏp điện mỏng Vật liệu ỏp điện thường dựng là thạch anh vỡ nú cú tớnh ổn định vỡ độ cứng cao Tuy nhiờn hiện nay vật liệu gốm (vớ dụ gốm PZT) do cú ưu điểm độ bền vỡ độ nhạy cao, điện dung lớn, ớt chịu ảnh hưởng của điện trường ký sinh, dễ sản xuất vỡ giỏ thành chế tạo thấp cũng đượcc sử dụng đỏng kể

Đặc trưng vật lý của một số vật liệu ỏp điện được trỡnh bày trờn bảng 6.1

Dưới 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 lμm việc của bản áp điện Trên hình vẽ biểu diễn các biến dạng cơ bản của bản áp điện

Trong nhiều trường hợp các bản áp điện được ghép thành bộ theo cách ghép nối tiếp hoặc song song

Truờng hợp ghép song song hai bản áp điện (hình a), điện dung của cảm biến tăng gấp đôi so với truờng hợp một bản áp điện Khi ghép nối tiếp (hình b) điện áp hở mạch và trở kháng trong

các phiến cắt hình vòng đệm ghép với nhau và chỉ nhạy với lực nén tác dụng dọc

theo trục

1) Các vòng đệm, 2) Các tấm đế, 3) Đầu nối

Giới hạn trên của dải đo phụ thuộc vào diện tích bề mặt của các vòng đệm, cỡ từ vài kN (với đường kính ~ 1 cm) đến 103 kN ( với đường kính ~ 10 cm)

Người ta cũng có thể dùng cảm biến loại này để đo lực kéo bằng cách tạo lực nén đặt trước (dùng các bulông xiết chặt các vòng đệm), khi đó lực kéo được đo như sự sụt giảm của lực nén Tuy nhiên, khi đó độ nhạy giảm 5 - 10%

7.2.4 Cảm biến thạch anh nhiều thành phần

Trong cảm biến loại này, các vòng đệm thạch anh được cắt theo các hướng khác nhau, khi đó chúng chỉ nhạy với một hướng xác định của lực

a) ký hiệu các trục a) Các phiến cắt đặc biệt, c) Cảm biến ba thành phần vuông góc

Thạch anh có năm hệ số điện áp d11, d12, d14, d25, d26, do đó một vòng đệm cắt theo

phương của trục X chỉ nhạy với lực nén (vì có d11), các lực ký sinh tác động theo cạnh bên đều không gây nên hiệu ứng với vòng đệm và các ứng lực mà hiệu ứng của chúng liên quan đến d12,

d14 sẽ không có mặt Tương tự như vậy, một vòng đệm cắt theo phương Y chỉ nhạy với lực cắt theo bề dày (vì có d26) và bằng cách lắp ghép hợp lý có thể loại trừ hiệu ứng của các ứng lực liên quan đến d25 (cắt theo mặt) Hai mặt cắt đặc biệt này biểu diễn trên hình 6.4b, chúng được sử dụng để chế tạo các cảm biến thạch anh nhiều thành phần Trên hình c biểu diễn một cảm biến

ba thành phần vuông góc gồm ba cặp vòng tròn ghép với nhau, một cặp nhạy với lực nén Fx, hai mặt còn lại nhạy với lực cắt Fy và Fz vuông góc với Fx

7.2.2 Sơ đồ mạch đo:

a) Sơ đồ tương đương của cảm biến:

Trong dải thông rộng, cảm biến tương đương với một nguồn dòng mắc song song với trở kháng trong (gồm ba nhánh) của cảm biến (hình a) Nhánh ρ, λ, γ đặc trưng cho cộng hưởng điện cơ thứ nhất ở tần số cao nằm ngoài dải thông của cảm biến Điện trở trong Rg là điện trở cách điện của vật liệu áp điện, khi ở tần số thấp nó trở thành trở kháng trong của cảm biến Tụ điện Cg là điện dung của nguồn phát điện tích, khi ở tần số trung bình và cao nó trở thành trở kháng của cảm biến Trên thực tế ở dải thông thường sử dụng, người ta dùng mạch tương đương biểu diễn

ở hình b

Khi nối cảm biến với mạch ngoài bằng cáp dẫn, trở kháng của cáp dẫn tương đương điện trở

R1 và tụ điện C1 mắc song song với cảm biến, khi đó mạch tương đương có dạng hình c

b) Sơ đồ khuếch đại điện áp

Trở kháng vào của bộ khuếch đại điện áp tương đương với một điện trở Re mắc song song với một tụ Ce, khi đó mạch tương đương có dạng hình

Điện áp ở lối vào của khuếch đại xác định bởi công thức:

c) Sơ đồ khuếch đại điện tích:

Trong mạch khuếch đại điện tích, sự di chuyển của điện tích ở lối vào sẽ gây nên ở lối ra một điện áp tỉ lệ với điện tích đầu vào Bộ khuếch đại điện tích gồm một bộ biến đổi điện tích - điện

áp đầu vào, một tầng chuẩn độ nhạy, một bộ lọc trung gian và một số tầng khuếch đại ở đầu ra

để cung cấp tín hiệu ra (hình a)

Sơ đồ mạch ghép nối cảm biến với bộ chuyển đổi điện áp - điện tích trình bày trên hình b

a) Sơ đồ khối b) Sơ đồ ghép nối cảm biến vào bộ chuyển đổi điện tích - điện áp

7.3 Cảm biến từ giảo

7.3.1 Hiệu ứng từ giảo

Dưới tác động của từ trường, một số vật liệu sắt từ thay đổi tính chất hình học hoặc tính chất

cơ học (hệ số Young) Hiện tượng này được 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 đường cong từ hoá của chúng, khi đó dựa vào sự thay đổi của độ từ thẩm hoặc từ dư có thể xác định được độ lớn của lực tác dụng Đây là hiệu ứng từ giảo nghịch

- Cơ chế từ hoá: Như chúng ta đã biết trong vật liệu sắt từ, mỗi nguyên tử được đặc trưng bởi

một mômen từ Để giảm thiểu năng lượng tổng cộng, momen từ của các nguyên tử trong cùng một miền từ hoá tự nhiên (domen) phải hướng theo một hướng chung Hướng chung này định hướng theo một số hướng ưu tiên của mạng tinh thể gọi là hướng dễ từ hoá Hướng của các mômen từ trong các domen cạnh nhau không trùng nhau

Khi có từ trường ngoài H tác động, sự định hướng của mô men từ trong một domen theo một hướng chung tăng dần Khi H nhỏ, các vách domen từ dịch chuyển và kích thước của các domen

từ có hướng từ hoá thuận lợi trùng với hướng của từ trường bên ngoài tăng lên Khi từ trường ngoài tăng lên đến mức nào đó xảy ra hiện tượng đảo hướng của các domen theo hướng từ trường ngoài Khi từ trường ngoài đủ mạnh sẽ làm quay hướng dễ từ hoá của các domen từ theo hướng từ trường ngoài dẫn đến bảo hoà (hinha)

- Hiện tượng từ trể: Sau khi từ hoá lần đầu đến bảo hoà (H = Hm), nếu vẫn giữ nguyên phương từ trường và thực hiện một chu trình khép kín (Hm,0,- Hm,0) ta nhận được đường cong từ hoá như hình b gọi là đường cong từ trể với độ từ dư Br là kháng từ Hc

a) Từ hoá lần đầu b) Chu trình từ trễ c) Sự biến dạng của đường cong từ hoá

dưới tác dụng của lực kéo

Khi trong vật liệu sắt từ có ứng lực, kích thước mạng tinh thể thay đổi, các hướng dễ từ hoá thay đổi dẫn đến làm thay đổi định hướng của các domen Hiện tượng này gọi là hiệu ứng từ giảo nghịch Trên hình 6.9 biểu diễn ảnh hưởng của ứng lực đến đường cong từ hoá của permalloy 68( 68%Ni, 32%Fe)

7.3.2 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 6.10) Dưới tác dụng của lực F, lõi từ bị biến dạng kéo theo sự thay đổi độ từ thẩm

μ, làm cho từ trở mạch 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:

7.3.3 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 nén (dσ < 0), Br tăng lên:

Sự thay đổi của từ thông sẽ làm xuất hiện trong cuộn dây một suất điện động tỉ lệ với dBr/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

7.4 Cảm biến xúc giác:

Phần chính của cảm biến là một đế cách điện trên đó có một lưới dẫn điện (hình 6.11a) được đặt dưới điện áp V Lưới điện gồm hai hệ thống dây dẫn (X1, X2, ) và (Y1, Y2, ) vuông góc với nhau tạo thành những ô vuông nhỏ, mỗi ô vuông nhỏ đều có một điện cực được cách điện với dây dẫn của lưới bao quanh nó, các điện cực này nối với đất thông qua mạch đo dòng Mặt trên của hệ thống được phủ cao su có pha các hạt dẫn điện Khi có lực nén tác dụng lên một phần nào đó của tấm cao su, khoảng cách giữa các hạt dẫn điện ở phần đó ngắn lại, điện trở giảm xuống, dòng điện tăng lên (hình 6.11b) Toạ độ của vùng có dòng điện tăng lên sẽ xác định vị trí của lực tác dụng và giá trị của nó xác định giá trị của lực

7.5 CẢM BIẾN LỰC – LOAD CELLS

7.5.1 Load cells

7.5.1.1 Khái niệm và nguyên lý hoạt động

7.5.1.1.1 Loadcell là gì?

Load cell là thiết bị điện dùng để chuyển đổi lực thành tín hiệu điện

7.5.1.1.2 Nguyên lý hoạt động

Hoạt động dựa trên nguyên lý cầu điện trở cân bằng Wheatstone Giá trị lực tác dụng tỉ lệ với

sự thay đổi điện trở cảm ứng trong cầu điện trở, và do đó

trả về tín hiệu điện áp tỉ lệ

7.5.2 Phân loại

Có thể phân loại loadcells theo:

- Phân loại Loadcell theo lực tác động: chịu kéo (shear loadcell), chịu nén (compression loadcell), dạng uốn (bending), chịu xoắn (Tension Loadcells)

- Phân loại theo hình dạng: dạng đĩa, dạng thanh, dạng trụ, dạng cầu,dạng chữ S…

7.5.3 Loadcells tương tự và Loadcells số

Trước đây, hầu hết các thiết bị cân trong công nghiệp sử dụng load cell cảm biến sức căng, biến đổi thành tín hiệu điện (gọi là load cell tương tự) Tín hiệu này được chuyển thành thông tin hữu ích nhờ các thiết bị đo lường như bộ chỉ thị

Một hệ thống cân dùng load cell tương tự điển hình thông thường bao gồm một hoặc một vài load cell nối song song với nhau qua một hộp nối (Junction Box) như hình vẽ

H-1 Sơ đồ hệ thống cân dùng load cell tương tự điển hình

Mỗi load cell tải một đầu ra độc lập, thường 1 đến 3 mV/V Đầu ra kết hợp được tổng hợp dựa trên kết quả của đầu ra từng load cell Các thiết bị đo lường hoặc bộ hiển thị

khuyếch đại tín hiệu điện đưa về, qua chuyển đổi ADC, vi xử lý với phần mềm tích hợp sẵn thực hiện tính toán chỉnh định và đưa kết quả đọc được lên màn hình Đa phần các thiết bị hay bộ hiển thị hiện đại đều cho phép giao tiếp với các thiết bị ngoài khác như máy tính hoặc máy in Ưu điểm chính của công nghệ này là xuất phát từ yêu cầu thực tế, với những tham

số xác định trước, sẽ có các sản phẩm thiết kế phù hợp cho từng ứng dụng của người dùng Ở

đó các phần tử cảm ứng có kích thước và hình dạng khác nhau phù hợp với yêu cầu của ứng dụng Các dạng phổ biến: dạng kéo (shear), dạng uốn (bending), dạng nén (compression)… Tuy nhiên, khó khăn gặp phải ngay từ buổi đầu của các hệ thống này là tín hiệu điện áp đầu

ra của load cell rất nhỏ(thường không quá 30mV) Những tín hiệu nhỏ như vậy dễ dàng bị ảnh hưởng của nhiều loại nhiễu trong công nghiệp như: Nhiễu điện từ: sinh ra bởi quá trình truyền phát các tín hiệu điện trong môi trường xung quanh, truyền phát tín hiệu vô tuyến điện trong không gian hoặc do quá trình đóng cắt của các thiết bị chuyển mạch công suất lớn…

Sự thay đổi điện trở dây cáp dẫn tín hiệu: do thay đổi thất thường của nhiệt độ môi trường tác động lên dây cáp truyền dẫn Do đó, để hệ thống chính xác thì càng rút ngắn khoảng cách giữa load cell với thiết bị đo lường càng tốt Cách giải quyết thông thường vẫn dùng là giảm thiểu dung sai đầu ra của load cell Tuy nhiên giới hạn của công nghệ không cho phép vượt quá con số mong muốn quá nhỏ Trong khi nối song song nhiều load cell với nhau, mỗi load cell tải với một đầu ra độc lập với các load cell khác trong hệ thống, do đó để đảm bảo giá trị đọc nhất quán, ổn định và không phụ thuộc vào vị trí, hệ thống yêu cầu chỉnh định đầu ra

với từng load cell riêng biệt Công việc này đòi hỏi tốn kém về thời gian,đặc biệt với những

hệ thống yêu cầu độ chính xác cao hoặc trong các ứng dụng khó tạo tải kiểm tra như cân tank, cân xilô…Tín hiệu ra chung của một hệ nhiều load cell dựa trên cơ sở đầu các tín hiệu

ra trung bình của từng load cell Điều đó gây nên dễ xảy ra hiện tượng có load cell bị lỗi mà không được nhận biết Một khi đã nhận ra thì cũng khó khăn trong việc xác định load cell nào lỗi, hoặc khó khăn trong yêu cầu sử dụng tải kiểm tra, hay yêu cầu sử dụng các thiết bị

đo lường như đồng hồ volt-ampe với độ chính xác cao, đặc biệt trong điều kiện nhà máy đang hoạt động liên tục Thực tế còn rất nhiều yếu tố khác liên quan đến độ chính xác của hệ

thống cân như:

- Quá trình chỉnh định hệ thống

- Nhiễu rung và ồn

- Do tác dụng chuyển hướng lực trong các cơ cầu hình ống

- Quá trình phân tích dò tìm lỗi

- Thay thế các thành phần trong hệ thống cân hoặc các hệ thống liên quan

- Đi dây cáp tín hiệu dài

- Môi trường hoạt động quá kín

Không thể tính toán được trước các yếu tố ảnh hưởng này để có thể mô hình hóa trong quá trình phân tích và thiết kế Trong khi đó điều kiện làm việc ở mỗi nơi rất khác nhau, thiết bị

đo ở các xa cảm biến, tín hiệu truyền dẫn yếu dễ bị tiêu hao và nhiều loại nhiễu tác động, đặc biệt với môi trường làm việc khắc nghiệt trong nhà máy và xí nghiệp Tín hiệu đưa về đến thiết bị đo lường khó phản ảnh trung thực giá trị thực tế Trong khi đó, các bộ hiển thị hiện nay thường dùng hệ vi xử lý tốc độ thấp, năng lực tính toán không cao, ít thiết bị tích hợp các thuật toán xử lý chỉnh định các số liệu thu thập về, hoặc nếu có còn ở mức độ đơn giản Do các bộ hiển thị sử dụng với nhiều loại load cell khác nhau nên các thuật toán chỉnh định chỉ mang tính tương đối, không triệt để, đặc biệt là chưa có thiết bị nào tích hợp tính năng bù sai lệch do nhiệt độ Chức năng lọc nhiễu điện từ trường cho tín hiệu đo của các thiết bị này còn rất kém Một yếu điểm nữa là tần số lấy mẫu thấp, do đó không thể áp dụng trong các ứng dụng mà lực tác dụng biến đổi nhanh (cân động) như các hệ thống cân băng liên tục,…

Tuy nhiên, từ cuối những năm 1970, các nhà chế tạo load cell đã khám phá khả năng có thể kết hợp giữa công nghệ điện tử hiện đại với các thành phần đo cơ bản, và khái niệm load cell

số ra đời Ban đầu, khi khái niệm load cell số mới ra đời, nhiều người hiểu lầm là các load cell số có các phần tử điện tiêu hao thấp có thể được sử dụng để chuyển đổi một load cell chất lượng thấp lên một load cell chất lượng cao Thực tế thì ngược lại, mỗi load cell số đơn giản cũng mang trong nó một cấu trúc khá phức tạp Thứ nhất, phải có một load cell cơ bản với độ chính xác, độ ổn dịnh và khả năng lặp lại rất cao trong mọi điều kiện làm việc Thứ hai, phải có một bộ chuyển đổi tương tự- số (ADC) 16 đến 20 bit tốc độ cao để chuyển đổi tín hiệu điện tương tự sang dạng số Thứ ba, phải có hệ vi mạch xử lý để thực hiện điều khiển toàn bộ quá trình chuyển đổi từ tín hiệu lực đo được thành dữ liệu số thể hiện trung thực nhất và giao tiếp với các thiết bị khác để trao đổi thông tin Tham khảo cấu trúc một load cell số trên hình H-2 Tín hiệu điện áp từ cầu điện trở của load cell chính xác cao được đưa đến đầu vào của mạch tích hợp sẵn, bao gồm cả phần khuyếch đại, bộ giải điều chế, một ADC tốc độ cao 20 bit và bộ lọc số Một cảm biến nhiệt độ tích hợp sẵn được sử dụng để đo nhiệt độ thực của load cell phục vụ cho việc bù sai số do nhiệt độ Dữ liệu từ ADC, cảm biến nhiệt độ cùng với các thuật toán trong phần mềm và một số phần cứng bổ sung tích hợp sẵn

có chức năng tối ưu hóa xử lý các sai số do không tuyến tính, bù sai đường đặc tính, khả năng phục hồi trạng thái và ảnh hưởng của nhiệt độ… được vi xử lý tốc độ cao xử lý Dữ liệu kết quả đầu ra được truyền đi xa qua cổng giao tiếp theo một giao thức nhất định Các

module điện tử này có thể được đặt ngay trong loadcell, load cell cable hoặc trong hộp junction box Các đặc tính tới hạn của từng load cell được đặt trong EEPROM nằm trong module của load cell đó, điều đó cũng có nghĩa l? mọi vấn đề xử lý sai số được thực hiện ngay tại load cell, với chính load cell đó, cũng có nghĩa là phép bù sai số

được thực hiện khá triệt để