Cảm biến công ngiệp-chuong 6

Nguyên tắc đo lực: làm cân bằng lực cần đo với một lực đối kháng sao cho lực tổng hợp và momen tổng của chúng bằng không.. • Lực cần đo F → tác đôông lên vâôt trung gian → gây ra biến

Chương 6 CẢM BIẾN ĐO LỰC

1 Nguyên lý đo lực

1.1 Nguyên tắc đo lực: làm cân bằng lực cần đo với một lực đối kháng sao

cho lực tổng hợp và momen tổng của chúng bằng không

• Lực cần đo F → tác đôông lên vâôt trung gian → gây ra biến dạng và lực đối kháng

• Đo trực tiếp biến dạng ⇒ Lực

• Đo gián tiếp qua sự thay đổi tính chất của vâôt liêôu chế tạo vâôt trung gian khi bị biến dạng

2 Cảm biến áp điện

2.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Cấu tạo: Cảm biến có dạng tấm mỏng chế tạo từ vâôt liêôu áp điêôn (thạch anh, gốm

Vâôt liêôu áp điêôn Lớp phủ kim loại

2.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Vật liệu

Điện trở suất ( Ω m)

Modun Young (109 N.m-2)

Ứng lực cực đại (107 N.m-2)

Nhiệt độ làm việc Tmax ( oC)

Đặc điểm

Thạch anh 1012 Y11=80 10 550 Tính ổn định và độ cứng

2.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Nguyên lý hoạt đôông: dựa trên cơ sở hiêôu ứng áp điêôn: 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 (V) tỉ lệ với lực tác dụng (F).

−

+ V~ F F

2.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

• Các dạng biến dạng cơ bản:

−

+ V~ F F

b) Theo chiều ngang

c) Cắt theo bề dày d) Cắt theo bề mặt

2.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

• Cách ghép các phần tử áp điện thành bộ:

a) Hai phần tử song song

Cb =2C

b) Hai phần tử nối tếp

Cb =1/2C, Rb =2R, Vb = 2V

2.3 CB thạch anh nhiều thành phần

a) Cấu tạo:

a) Các phiến cắt

b) Cảm biến ba thành phần vuông góc

a) Trong dải thông có ích

Rg - Điêôn trở trong của cảm biến

Cg – Điêôn dung của cảm biến

b) Nối với mạch ngoài

1 g

1R

1R

1

+

=

1 g

C = +

a) Sơ đồ tương đương của cảm biến:

R1 và C1: điêôn trở và tụ tương đương với trở kháng cáp dẫn

2.4 Mạch đob) Sơ đồ khuếch đại điện áp

dt Req Ceq

Sơ đồ tương đương

e S

1R

1R

1

+

=

e S

eq C C

C = +

Điêôn áp ở cửa vào của bôô khuếch đại: 1 R C P

PC

R.C

QV

eq eq

eq eq q

m = +

2.4 Mạch đo

c) Sơ đồ khuếch đại điện tích

Đầu vào (điện tích) Đầu ra (điện áp)

Bộ chuyển đổi điện tích

Chuẩn độ nhạy và khuếch đại vi

sai

Bộ lọc

Bộ khuếch đại đầu ra

b) Sơ đồ ghép nối cảm biến và bộ chuyển đổi điện tích - điện áp

VεdQ

dt

RS CS V0

+Q − Q Cr

a) Sơ đồ khối bộ chuyển đổi điện tích – điện áp

2.4 Mạch đo

• 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

3 Cảm biến từ giảo

3.1 Hiệu ứng từ giảo

• Dưới tác động của từ trường, một số vật liệu sắt từ thay đổi hìn dáng

chất hình học hoặc tính chất cơ học (mô đun Young) → hiệu ứng từ giảo

• Ngược lại: Khi có tác dụng của lực cơ học gây ra ứng lực trong vật liệu sắt từ đường cong từ hoá của chúng thay đổi → hiệu ứng từ giảo nghịch

• Đường cong từ hóa:

• Khi trong vật liệu sắt từ có ứng lực, kích thước

mạng tinh thể thay đổi, các hướng dễ từ hoá thay đổi

nghịch.

Trên hình biểu diễn ảnh hưởng của ứng lực đến

đường cong từ hoá của permalloy 68.

Sự biến dạng của đường cong từ hoá dưới

tác dụng của lực kéo

3.2 Cảm biến từ thẩm biến thiên

a) Cấu tạo, nguyên lý làm viêôc:

tự cảm (L) của cuộn dây thay đổi.

µ

L

L R

R

3.3 Cảm biến từ dư biến thiên

a) Cấu tạo và nguyên lý làm viêôc:

r

m N

m

Wb 10

5 ,

1 d

dt

d d

dB K

dt

dB K

σ

=

=

4 Cảm biến đo lực dựa trên phép đo dịch chuyển

4.1 Nguyên lý: Trong cảm biến loại này, lực cần đo tác dụng lên vật trung gian và gây

cảm biến dịch chuyển Khi đó tín hiệu ra Vm và lực tác dụng được biểu diễn bằng biểu thức:

F

l l

V F

∆

=

4 Cảm biến đo lực dựa trên phép đo dịch chuyển

Cảm biến đo dịch chuyển:

• Điện thế kế điện trở;

• Cảm biến từ trở biến thiên;

• Cảm biến tụ điện

5 Cảm biến xúc giác

5.1 Cấu tạo và nguyên lý làm viêôc:

a) Hệ thống cực đo b) Tác dụng của lực

lên điện cực

X1 X2

Dây dẫn Y2

Y1

Điện cực

F Lớp cao su chứa hạt dẫn điêôn

Đế cách điện