CamBien 6

Strain Gauges• Cảm biến đo độ biến dạng, độ căng • Độ căng có liên quan tới áp lực, lực, moment và một loạt cáckích thích khác như dịch chuyển, vị trí, và gia tốc • Nguyên lý của Strain

Đo lường - cảm biến

Cảm biến đo biến dạng, lực, và trọng lượng

Strain Gauges

• Cảm biến đo độ biến dạng, độ căng

• Độ căng có liên quan tới áp lực, lực, moment và một loạt cáckích thích khác như dịch chuyển, vị trí, và gia tốc

• Nguyên lý của Strain gauges là sự thay đổi điện trở của vậtliệu do sự thay đổi chiều dài gây bởi sức căng

• Cầu Wheatstone thường được dùng để đo sự thay đổi (nhỏ) của điện trở strain gauge

Strain Gauges

• Xét một đoạn dây kim loại L, có điện trở suất r, tiết diện A

R= r logR= logr + log

Sự thay đổi điện trở dây gây ra bởi :

- Sự thay đổi điện trở suất

- Do sự biến dạng của dây

Đối với các biến dạng nhỏ (biến dạng tuyến tính), cả hai thành phần này đều là các hàm tuyến tính theo độ căng.

Ta có quan hệ tổng hợp:

=  : độ căng

GF: độ nhạy của strain gauge ( hệ số

Strain Gauge

Strain Gauge – Ví dụ 2

EX2 4 strain gauges giống nhau được được tổ hợp thành một cầu

Wheatstone, nhưng chỉ có 1 strain gauge tích cực, đều có GF = 2.1 và điện trở danh định 120Ω Điện áp cung cấp cho cầu là 10V Tính độ căng khi điện áp ra của cầu là 20mV

EX3 Một strain gauge có điện trở 120.6Ω tại 20 0 C Tính điện trở của nó tại

30 0 C, biết hệ số nhiệt điện trở =8.10 -6 1/ 0 C Trình bày cách bù ảnh hưởng của nhiệt độ khi sử dụng cầu strain gauges khi có: 1/ 1 strain gauge tích cực và 2/ 2 strain gauges tích cực

EX4 Một strain gauge có GF = 2.2 và điện trở 119.8 Ω được dán vào một vật thử Khi vật thử chịu lực, điện trở strain gauge tăng thành 120 Ω Tính độ căng

và áp lực, biết E = 200GPa

Xi lanh kim loại với các strain gauges gắn ở mặt ngoài

Cảm biến lực – Force Sensor

lực tác động) Nguyên lý hoạt động: thạch anh (vật liệu áp điện), được

dùng như bộ cộng hưởng trong mạch dao động điện tử,

sẽ bị thay đổi tần số cộng hưởng khi có lực tác động Độ

lệch

Cảm biến xúc giác

Bộ giải điều chế dùng để nhận biết sự thay đổi của tín hiệu (biên độ và pha)

Cảm biến xúc giác

Lớp cảm nhận áp điện được đặt dưới bề mặt cao su, tín hiệu điện ra bởi các miếng áp điện phản ánh chuyển động của lớp cao su đàn hồi (do lực ma sát)

Cảm biến xúc giác

Đơn vị áp suất

• Hệ SI: đơn vị là Pascal, 1 Pa = 1 N/m2

Cảm biến đo áp suất

• Cảm biến đo áp suất cơ khí

- Chuyển đổi áp suất thành dịch chuyển cơ học một cách trựctiếp

- Có thể kết hợp với các loại cảm biến khác để chuyển đổi

Cảm biến đo áp suất

• Màng uốn nếp (bellows), màng ngăn

- Màng phẳng hoặc uốn nếp bị mở rộng dưới tác dụng của ápsuất

- Chuyển động tạo ra có thể trực tiếp tác động vào phần chỉ thịhoặc dùng được cảm nhận bởi cảm biến đo độ dịch chuyển

Cảm biến đo áp suất

Cảm biến đo áp suất

• Nếu độ dầy g là đáng kể (tấm mỏng), ta có quan hệ

E là modun đàn hồi (Young’s modulus) và v là tỉ số Poisson

• Ta thấy độ dịch chuyển tuyến tính với áp suất, áp suất p có thểđược tính từ độ võng thông qua hai phương trình trên

Cảm biến đo áp suất

- Áp trở là một dạng strain gauge bán dẫn

- Cấu trúc cơ bản của màng cảm biến áp trở: 2 gauges được gắntrên màng ngăn theo các hướng khác nhau (dọc và ngang) saocho biến dạng điện trở gia tăng có dấu khác nhau

Cảm biến đo áp suất

Khi có áp lực tác động vào điện trở bán dẫn có điện trở ban đầu

R, hiệu ứng áp trở (piezoresitive) làm thay đổi điện trở của nómột lượng R

t: transverse chiều ngang, l: longitudinal chiều dọc

• Màng cảm biến áp trở

2 áp trở có độ thay đổi điện trở và độ nhạy  ngược chiều nhau

 là hệ số độ nhạy trung bình và  and  là các áp lực theo hướng dọc

Cảm biến đo áp suất

Dòng điện kích thích đi qua các điện

trở đầu 1 và 3 (chiều dọc), áp lực tác

động vào màng theo chiều vuông góc

với dòng điện (chiều ngang)

Điện áp giữa 2 đầu phần tử tích cực

được đo để tính ra áp lực và từ đó

tính ra áp suất

Cảm biến đo áp suất

Cảm biến áp suất

EX – Một hệ thống gồm có 1 phần tử cảm nhận đo

áp suất tầm đo 5bar tương ứng với ngõ ra

0-10mV Một mạch điện tử để chuyển đổi ngõ ra

phần tử cảm nhận thành dòng điện 4-20mA Dùng một đồng hồ tương tự để đọc áp suất đo.

1 Viết phương trình liên hệ giữa đầu ra và vào của phần tử