Giáo trình Đo lường cảm biến: Phần 2 - CĐ Giao thông Vận tải

Tiếp nội dung phần 1, Giáo trình Đo lường cảm biến: Phần 2 cung cấp cho người học những kiến thức như: Đo vận tốc, gia tốc; Đo biến dạng, lực và trọng lượng; Đo lưu lượng, tốc độ và mức chất lưu; Các cảm biến đo lường khác.

Chương 5: Đo vận tốc , gia tốc

CHƯƠNG 5Trong công nghiệp, phần lớn trường hợp đo vận tốc là đo tốc độ quay của máy Độ an toàn cũng như chế độ làm việc của máy phụ thuộc rất lớn vào tốc độ quay Trong trường hợp chuyển động thẳng, việc đo vận tốc dài cũng thường được chuyển về đo tốc độ quay Bởi vậy, các cảm biến đo vận tốc góc đóng vai trò quan trọng trong việc đo vận tốc

Để đo vận tốc góc thường ứng dụng các phương pháp sau đây:

 Sử dụng tốc độ kế vòng kiểu điện từ: nguyên lý hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứng điện

từ Cảm biến gồm có hai phần: phần cảm (nguồn từ thông) và phần ứng (phần có từ thông đi qua) Khi có chuyển động tương đối giữa phần cảm và phần ứng, từ thông đi qua phần ứng biến thiên, trong nó xuất hiện suất điện động cảm ứng xác định theo công thức:

(5.1) Thông thường từ thông qua phần ứng có dạng:

(x)= 0F(x) (5.2) Trong đó x là biến số của vị trí thay đổi theo vị trí góc quay hoặc theo đường thẳng, khi đó suất điện động e xuất hiện trong phần ứng có dạng:

(5.3) Suất điện động này tỉ lệ với vận tốc cần đo

 Sử dụng tốc độ kế vòng loại xung: làm việc theo nguyên tắc đo tần số chuyển động của phần

tử chuyển động tuần hoàn, ví dụ chuyển động quay Cảm biến loại này thường có một đĩa được mã hoá gắn với trục quay, chẳng hạn gồm các phần trong suốt xen kẽ các phần không trong suốt Cho chùm sáng chiếu qua đĩa đến một đầu thu quang, xung điện lấy từ đầu thu quang có tần số tỉ lệ với vận tốc quay cần đo

5.1 Máy phát tốc

Máy phát tốc là một máy phát điện, gồm rotor và Stator Trong đó Rotor thường là nam châm

Chương 5: Đo vận tốc , gia tốc vĩnh cửu Máy phát tốc thường được lắp ở trục động cơ, trục máy phát điện Khi trục động cơ hoặc trục máy phát quay thì rotor của máy phát tốc cũng quay, phía Stator của máy phát tốc sẽ

có điện áp Người ta xuất điện áp đó để cung cấp cho mạch kiểm soát tốc độ của trục động cơ hoặc trục máy phát

Hình 5.1: Hình ảnh máy phát tốc

5.2 Encoder

Cấu tạo: Encoder gồm một đĩa mã có khắc vạch sáng tối, đặt giữa nguồn sáng và transistor

quang (phototransistor) Encoder có 2 loại: Encoder tương đối và encoder tuyết đối

 Encoder tương đối: gồm một đĩa mã trên đó có khắc một vòng các vạch tối sáng

Hình 5.2: Cấu tạo của encoder tương đối

Bộ thu phát hồng ngoại có cấu tạo gồm ba cặp thu phát hồng ngoại bố trí như hình

Hình 5.3: Sơ đồ thu phát hồng ngoại và bố trí các cặp thu phát trong encoder

Hai cặp thu phát A, B được bố trí sao cho trục tia sáng nằm trên đường tròn qua tâm lỗ trống

Chương 5: Đo vận tốc , gia tốc nhưng lệch nhau, khi trục tia sáng của cặp A đi qua tâm của một lỗ trống thì trục tia sáng căp B

sẽ chiếu qua biên của lỗ trống Cặp Z được bố trí có trục tia sáng đi chỉ đi qua lỗ trống lớn mà không qua các lỗ trống còn lại

Khi đĩa mã quay, lỗ trống sẽ lần lượt đi qua các trục tia sáng của cặp A và cặp B Khi trục tia sáng của cặp nào xuyên qualỗ trống thì ở phototransistor sẽ cho ra tín hiệu mức 1, ngược lại thì

ở phototransistor sẽ cho ra tín hiệu mức 0 Số xung phát ra ở ngõ ra của mỗi phototransistor A,

B sẽ bằng số lỗ trống trên đĩa mã Khi đĩa mã quay được một vòng thì phototransistor Z sẽ phát

ra một xung Giản đồ xung của Encoder tương đối như hình

Hình 5.4: Giản đồ xung quay thuận – quay ngược Dựa vào thứ tự xuất hiện của các xung ta có thể xác định được chiều quay của encoder

Hình 5.5: Hình ảnh thật của Encoder tương đối

Độ phân giải của encoder tuỳ thuộc vào số lỗ trống (vạch sáng tối) trên đĩa mã Thường thì đĩa

mã có số lỗ trống là: 100, 200, 500, 1000 lỗ Nếu gọi số lỗ trống trên đĩa mã (số xung phát ra)

là n thì độ phân giải của encoder là s:

s = 3600 / n (5.4)

 Encoder tuyệt đối (Absolute Encoder): gồm một đĩa mã trên đó có khắc nhiều vòng

các vạch tối sáng Số vòng các lỗ trống trên đĩa mã chính là số bit của encoder

Chương 5: Đo vận tốc , gia tốc

Hình 5.6 Cấu tạo của encoder tuyệt đối 3 bit

Bộ thu phát hồng ngoại có cấu tạo gồm ba cặp thu phát hồng ngoại bố trí như hình

Hình 5.7: Sơ đồ thu phát hồng ngoại trong encoder tuyệt đối Các cặp thu phát hồng ngoại được bố trí thẳng hàng sao cho trục tia sáng của mỗi cặp thu phát

sẽ đi qua tâm của một lỗ trống Khi đĩa mã quay thì ở ngõ ra sẽ tạo ra một số nhị phân, mã BCD hoặc mã Gray tuỳ vào cách đục lỗ trên đĩa mã Nếu gọi số bit ngõ ra của encoder tuyệt đối là n thì khi encoder quay một vòng sẽ cho ra 2n giá trị, gọi độ phân giải của encoder là s:

Hình 5.8 : Hình dạng của encoder tuyệt đối

Chương 5: Đo vận tốc , gia tốc Mạch ngõ ra của encoder:

Hình 5.9: Mạch ngõ ra của encoder

Ứng dụng của encoder:

Encoder được dùng để đo tốc độ, đo chiều dài, đo dịch chuyển, đo vị trí, đo góc quay

 Dùng encoder để đo tốc độ băng tải trong máy rót nước chai

Hình 5.10: Dùng encoder đo tốc độ băng tải

 Dùng đo chiều dài của ống kim loại/ vải

Hình 5.11: Dùng encoder đo chiều dài

Chương 5: Đo vận tốc , gia tốc

5.3 Tốc độ kế điện từ

5.3.1 Tốc độ kế điện từ đo vận tốc góc

 Tốc độ kế dòng một chiều:

Hình 5.12: Sơ đồ cấu tạo của máy phát dòng một chiều

1) Stato 2) Rôto 3) Cổ góp 4) Chổi quét Stato (phần cảm) là một nam châm điện hoặc nam châm vĩnh cửu, roto (phần ứng) là một trục sắt gồm nhiều lớp ghép lại, trên mặt ngoài roto xẽ các rãnh song song với trục quay và cách đều nhau Trong các rãnh đặt các dây dẫn bằng đồng gọi là dây chính, các dây chính được nối với nhau từng đôi một bằng các dây phụ Cổ góp là một hình trụ trên mặt có gắn các lá đồng cách điện với nhau, mỗi lá nối với một dây chính của roto Hai chổi quét ép sát vào cổ góp được bố trí sao cho tại một thời điểm chúng luôn tiếp xúc với hai lá đồng đối diện nhau

Khi rô to quay, suất điện động xuất hiện trong một dây dẫn xác định theo biểu thức:

(5.5) Trong đó dΦi là từ thông mà dây dẫn cắt qua trong thời gian dt:

= d ⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗⃗⃗ (5.6)

dSc là tiết diện bị cắt trong khoảng thời gian dt:

dSC = lvdt = lωrdt (5.7) Trong đó:

l - chiều dài dây dẫn

v - vận tốc dài của dây

Chương 5: Đo vận tốc , gia tốc

ω - vận tốc góc của dây

r - bán kính quay của dây

Biểu thức của suất điện động xuất hiện trong một dây:

ei = - ωrlBiN (5.8) Suất điện động ứng với một nửa số dây ở bên phải đường trung tính:

(5.9)

N - tổng số dây chính trên roto

n - số vòng quay trong một giây

Φ0 - là từ thông xuất phát từ cực nam châm

Tương tự tính được suất điện động ứng với một nửa số dây ở bên trái:

Et = nN0 (5.10) Nguyên tắc nối dây là nối thành hai cụm, trong mỗi cụm các dây mắc nối tiếp với nhau, còn hai cụm thì mắc ngược pha nhau

 Tốc độ kế dòng xoay chiều

 Máy phát đồng bộ: Sơ đồ cấu tạo của một tốc độ kế dòng xoay chiều kiểu máy phát đồng bộ biểu diễn trên (hình 5.12) Thực chất đây là một máy phát điện xoay chiều nhỏ Roto (phầm cảm) của máy phát là một nam châm hoặc tổ hợp của nhiều nam châm nhỏ Phần ứng gồm các cuộn dây bố trí cách đều trên mặt trong của stato là nơi cung cấp suất điện động cảm ứng hình sin có biên độ tỉ lệ với tốc độ quay của roto

e = E sin t (5.11) Trong đó E=K1ω, =K2ω, K1 và K2 là các thông số đặc trưng cho máy phát

Chương 5: Đo vận tốc , gia tốc

Hình 5.12: Sơ đồ cấu tạo của máy phát đồng bộ

Giá trị của ω có thể tính được theo E hoặc

- Xác định ω từ biên độ suất điện động:

Cuộn cảm ứng có trở kháng trong: Zi = Ri + jLi (5.11)

Trong đó Ri, Li là điện trở và tự cảm của cuộn dây Điện áp ở hai đầu cuộn ứng với tải R có giá trị:

(5.12)

Từ biểu thức trên, ta thấy điện áp U không phải là hàm tuyến tính của tốc độ quay ω Điều kiện

để sử dụng máy phát như một cảm biến vận tốc là R>>Zi để sao cho có thể coi U ≈ E

Điện áp ở đầu ra được chỉnh lưu thành điện áp một chiều, điện áp này không phụ thuộc chiều quay và hiệu suất lọc giảm khi tần số thấp Mặt khác, sự có mặt của bộ lọc làm tăng thời gian hồi đáp của cảm biến Xác định bằng cách đo tần số của suất điện động: phương pháp này có

ưu điểm là tín hiệu có thể truyền đi xa mà sự suy giảm tín hiệu không ảnh hưởng tới độ chính xác của phép đo

 Máy phát không đồng bộ: Cấu tạo của máy phát không đồng bộ tương tự như động cơ không đồng bộ hai pha (hình 5.13) Roto là một đĩa hình trụ kim loại mỏng và dị từ quay cùng tốc độ với trục cần đo, khối lượng và quán tính của nó không đáng kể Stato làm

bằng thép từ tính, trên đó bố trí hai cuộn dây, một cuộn là cuộn kích thích được cung cấp điện áp Vc có biên độ Ve và tần số ωe ổn định

Vc = Ve cos ωet (5.13)

Chương 5: Đo vận tốc , gia tốc

Hình 5.13: Sơ đồ cấu tạo máy phát không đồng bộ

Cuộn dây thứ hai là cuộn dây đo Giữa hai đầu ra của cuộn này xuất hiện một suất điện động

em có biên độ tỉ lệ với tốc độ góc cần đo:

em = EmCos(ωet+ ) = kωVe Cos(ωet+ ) (5.14) Trong đó k là hằng số phụ thuộc vào kết cấu của máy, φ là độ lệch pha

5.3.2 Tốc độ kế điện từ đo vận tốc dài

Khi đo vận tốc dài, với độ dịch chuyển lớn của vật khảo sát (> 1m) thường chuyển thành đo vận tốc góc Trường hợp đo vận tốc của dịch chuyển thẳng nhỏ có thể dùng cảm biến vận tốc dài gồm hai phần tử cơ bản: một nam châm và một cuộn dây Khi đo, một phần tử được giữ cố định, phần tử thứ hai liên kết với vật chuyển động Chuyển động tương đối giữa cuộn dây và nam châm làm xuất hiện trong cuộn dây một suất điện động tỉ lệ với vận tốc cần đo

Sơ đồ cảm biến có cuộn dây di động biểu diễn trên hình 18.4

Hình 5.14: Cảm biến dùng cuộn dây di động

Suất điện động xuất hiện trong cuộn dây có dạng:

e = 2rNBv (5.15)

N - số vòng dây

Chương 5: Đo vận tốc , gia tốc

r - bán kính vòng dây

B - giá trị của cảm ứng từ

v - tốc độ dịch chuyển của vòng dây

l - tổng chiều dài của dây

Tốc độ kế loại này đo được độ dịch chuyển vài mm với độ nhạy ~ 1V/m.s Khi độ dịch chuyển lớn hơn (tới 0,5 m) người ta dùng tốc độ kế có nam châm di động (hình 5.15)

Cảm biến gồm một nam châm di chuyển dọc trục của hai cuộn dây quấn ngược chiều nhau và mắc nối tiếp Khi nam châm di chuyển, suất điện động xuất hiện trong từng cuộn dây tỉ lệ với tốc độ của nam châm nhưng ngược chiều nhau Hai cuộn dây được mắc nối tiếp và quấn ngược chiều nên nhận được suất điện động ở đầu ra khác không

Hình 5.15: Cảm biến có lõi từ di dộng

5.4 Tốc độ kế xung

Tốc độ kế xung thường có cấu tạo đơn giản, chắc chắn, chịu đựng tốt trong môi trường độc hại, khả năng chống nhiễu và chống suy giảm tín hiệu cao, dễ biến đổi tín hiệu sang dạng số Tùy thuộc vào bản chất của vật quay và dấu hiệu mã hoá trên vật quay, người ta sử dụng loại cảm biến thích hợp

- Cảm biến từ trở biến thiên: sử dụng khi vật quay là sắt từ

- Cảm biến từ điện trở: sử dụng khi vật quay là một hay nhiều nam châm nhỏ

- Cảm biến quang cùng với nguồn sáng: sử dụng khi trên vật quay có các lỗ, đường vát, mặt phản xạ

Chương 5: Đo vận tốc , gia tốc

5.4.1 Tốc độ kế từ trở biến thiên

Cấu tạo của cảm biến từ trở biến thiên gồm một cuộn dây có lõi sắt từ chịu tác động của một nam châm vĩnh cửu đặt đối diện với một đĩa quay làm bằng vật liệu sắt từ trên đó có khía răng Khi đĩa quay, từ trở của mạch từ biến thiên một cách tuần hoàn làm cho từ thông qua cuộn dây biên thiên, trong cuộn dây xuất hiện một suất điện động cảm ứng có tần số tỉ lệ với tốc độ quay

Hình 5.16: Sơ đồ cấu tạo của cảm biến từ trở biến thiên

Tần số của suất điện động trong cuộn dây xác định bởi biểu thức:

p - số lượng răng trên đĩa

n - số vòng quay của đĩa trong một giây

Biên độ E của suất điện động trong cuộn dây phụ thuộc hai yếu tố:

- Khoảng cách giữa cuộn dây và đĩa quay: khoảng cách càng lớn E càng nhỏ

- Tốc độ quay: Tốc độ quay càng lớn, E càng lớn Khi tốc độ quay nhỏ, biên độ E rất bé và khó phát hiện, do vậy tồn tại một vùng tốc độ quay không thể đo được, gọi là vùng chết

Dải đo của cảm biến phụ thuộc vào số răng của đĩa Khi p lớn, tốc độ nmin đo được có giá trị

bé Khi p nhỏ, tốc độ nmax đo được sẽ lớn Thí dụ với p = 60 răng, dải tốc độ đo được n = 50 -

500 vòng/phút, còn với p =15 răng dải tốc độ đo được 500 - 10.000 vòng/phút

5.4.2 Tốc độ kế quang

Nguồn sáng phát tia hồng ngoại là một diot phát quang (LED) Đĩa quay, đặt giữa nguồn sáng

và đầu thu, có các lỗ bố trí cách đều trên một vòng tròn Đầu thu là một photodiode hoặc

Chương 5: Đo vận tốc , gia tốc phototranzitor Khi đĩa quay, đầu thu chỉ chuyển mạch khi nguồn sáng, lỗ, nguồn phát sáng thẳng hàng Khi đĩa quay, đầu thu quang nhận được một thông lượng ánh sáng biến điệu và phát tín hiệu có tần số tỉ lệ với tốc độ quay nhưng biên độ không phụ thuộc tốc độ quay

Hình 5.17: Sơ đồ nguyên lý của tốc độ kế quang

Trong các cảm biến quang đo tốc độ, người ta cũng có thể dùng đĩa quay có các vùng phản xạ ánh sáng bố trí tuần hoàn trên một vòng tròn để phản xạ ánh sáng tới đầu thu quang

Phạm vi tốc độ đo được phụ thuộc vào hai yếu tố chính:

- Số lượng lỗ trên đĩa

- Dải thông của đầu thu quang và của mạch điện tử

Để đo tốc độ nhỏ (~ 0,1 vòng/phút) phải dùng đĩa có số lượng lỗ lớn (500 - 1.000 lỗ) Trong trường hợp đo tốc độ lớn ( ~ 105

- 106 vòng/phút) phải sử dụng đĩa quay chỉ một lỗ, khi đó tần

số ngắt của mạch điện xác định tốc độ cực đại có thể đo được

5.5 Cảm biến gia tốc (công nghệ MEMS)

Vào thế kỷ XX, các thiết bị điện tử được tích hợp với số lượng ngày càng lớn, kích thước ngày càng nhỏ và chức năng ngày càng được nâng cao Điều này đã mang lại sự biến đổi sâu sắc cả

về mặt công nghệ lẫn xã hội Vào cuối những năm 50 của thế kỷ XX, một cuộc cách mạng hoá

về công nghệ micro đã diễn ra và hứa hẹn một tương lai cho tất cả các ngành công nghiệp Hệ thống vi cơ điện tử (Micro ElectroMechanical Systems) viết tắt là MEMS cũng đã được ra đời

và phát triển trong giai đoạn này Công nghệ vi cơ đã và đang tiến xa hơn nhiều so với guồn gốc của nó là công nghiệp bán dẫn MEMS bao gồm những cấu trúc vi cơ, vi sensor, vi chấp hành và vi điện tử cùng được tích hợp trên cùng một chip (on chip) Các linh kiện MEMS

Chương 5: Đo vận tốc , gia tốc thường được cấu tạo từ silic Một thiết bị MEMS thông thường là một hệ thống vi cơ tích hợp trên một chip mà có thể kết hợp những phần cơ chuyển động với những yếu tố sinh học, hoá học, quang hoặc điện Kết quả là các linh kiện MEMS có thể đáp ứng với nhiều loại lối vào: hoá, ánh sáng, áp suất, rung động vận tốc và gia tốc Với ưu thế có thể tạo ra những cấu trúc cơ học nhỏ bé tinh tế và nhạy cảm đặc thù, công nghệ vi cơ hiện nay đã cho phép tạo ra những bộ cảm biến (sensor), những bộ chấp hành (actuator) được ứng dụng rộng rãi trong cuộc sống Các

bộ cảm biến siêu nhỏ và rất tiện ích này đã thay thếcho các thiết bị đo cũ kỹ, cồng kềnh trước đây Song công nghệ MEMS mới đang ở giai đoạn đầu của nó và cần rất nhiều những nghiên cứu cơ bản hơn, sâu hơn

Hình 5.18 : Hình dạng cảm biến gia tốc trong công nghiệp Cảm biến gia tốc là một thiết bị dùng để đo gia tốc Cảm biến vi cơ là một loại cảm biến được chế tạo theo công nghệ vi cơ Nó chính là một trong những sản phẩm phong phú và đa dạng nhất của công nghệ MEMS Cảm biến gia tốc chế tạo theo công nghệ vi cơ điện tử có hai loại

là cảm biến kiểu tụ và cảm biến kiểu áp trở Trong nhiều ứng dụng việc lựa chọn cảm biến kiểu tụhay kiểu áp trở là rất quan trọng Cảm biến kiểu áp trở có ưu điểm là công nghệ cấu tạo rất đơn giản Tuy nhiên nhược điểm của nó là hoạt động phụ thuộc nhiều vào sự thay đổi nhiệt độ

và có độ nhạy kém hơn cảm biến kiểu tụ Các cảm biến kiểu tụ có độ nhạy cao hơn, ít bị phụ thuộc vào nhiệt độ, ít bị nhiễu và mất mát năng lượng Tuy nhiên chúng có nhược điểm là mạch điện tử phức tạp hơn Hiện nay cảm biến gia tốc kiểu tụ được ứng dụng rộng rãi hơn

Ứng dụng của cảm biến gia tốc

Cảm biến gia tốc vi cơ đã nhanh chóng thay thế các loại cảm biến gia tốc thông thường trước đây trong nhiều ứng dụng Một vài những ứng dụng điển hình của cảm biến gia tốc vi cơ

• Cảm biến góc Roll –Pitch

Chương 5: Đo vận tốc , gia tốc

• Định hướng 3D trong không gian

• Phát hiện va chạm : những thông tin về gia tốc, vận tốc và độ dịch chuyển giúp phân biệt sự

va chạm và việc không xảy ra va chạm

• Đo và điều khiển mức rung

• Điều khiển và dự đoán khả năng làm việc của máy móc, thiết bị

• Đo một số thông số sinh học trong cơ thể con người

Gia tốc thường được tính thông qua lực gây ra gia tốc đó vì lực liên hệ với gia tốc theo công thức F = ma Ở đó F là lực gây ra gia tốc, m là khối lượng, a là gia tốc

Lực có đơn vị là N, m có đơn vị là gam (g), a có đơn vị là m/s2

Các thiết bị dùng để đo gia tốc phải xác định được giá trị của lực tác dụng lên một khối vật thể

đã biết trước

Hình 5.19 Cảm biến gia tốc ADXL202 Một cách tiếp cận khác để tính toán gia tốc đó là : Gia tốc là đạo hàm của vận tốc theo thời gian Vận tốc lại là đạo hàm của độ dịch chuyển theo thời gian

Việc đo gia tốc thông qua cảm biến gia tốc MEMS có thể được mô tả nhờ một sơ đồ trên hình

vẽ như một hệ gồm một khối lượng m và một lò xo

Hình 5.20 : Ứng dụng của cảm biến đo gia tốc

Chương 5: Đo vận tốc , gia tốc Hai loại cảm biến gia tốc được sử dụng phổ biến trong các ứng dụng hiện nay là cảm biến kiểu

Hình 5.21 : Sơ đồ chân ADXL202

Chương 6: Đo biến dạng, lực và trọng lượng

CÂU HỎI ÔN TẬP

Câu 1 : Trình bày cấu tạo cảu Encoder tương đối và nêu các ứng dụng của nó

Câu2 : Trình bày cấu tạo của Encoder tuyệt đối và nêu các ứng dụng của nó

Câu 3 : Nêu ưu khuyết điểm của các loại Encoder

Câu 4 : Trình bày cấu tạo và nguyên lý hoạt động của tốc độ kế xung

Câu 5 : Trình bày cấu tạo và nguyên lý hoạt động của tốc độ kế điện từ

TRẮC NGHIỆM

Câu 6: Encoder loại 1 (incremental) có ưu điểm:

a Chỉ có 1 đĩa mã quang c Không mất thông tin khi mất điện

b Dùng 2 xung A,B xác định chiều quay d Sử dụng nhiều mã đĩa

Câu 7: Cảm biến thường dùng trong điều khiển chính xác cánh tay Robot là:

Câu 8: Để phát hiện Cabin thang máy tại các tầng, nắp chai nước ngọt bằng kim loại, vị trí 2 đầu mũi khoan ta nên chọn cảm biến loại

b Cảm biến thông minh d Cảm biến tiệm cận điện cảm

Câu 9: Cấu tạo encoder gồm nguồn phát sáng, nguồn thu và

b Mạch khuếch đại d Mạch xử lý tín hiệu

Câu 10 Độ phân giải s của encoder tuyệt đối với n bit tín hiệu là

Chương 6: Đo biến dạng, lực và trọng lượng

: ĐO BIẾN DẠNG, LỰC VÀ TRỌNG LƯỢNG (6 TIẾT)

CHƯƠNG 6

Dưới tác động của ứng lực cơ học, môi trường chịu ứng lực xuất hiện bị biến dạng Sự biến dạng của các cấu trúc ảnh hưởng lớn đến khả năng làm việc cũng như độ an toàn khi làm việc của kết cấu chịu lực Mặc khác giữa ứng lực và biến dạng có mối quan hệ với nhau từ đó người

ta có thể xác định được ứng lực khi đo biến dạng do nó gây ra Bởi vậy biến dạng là vấn đề rất được quan tâm trong kỹ thuật Để đo biến dạng người ta dùng các cảm biến biến dạng còn gọi

là đầu đo biến dạng Hiện nay có hai loại cảm biến biến dạng được sử dụng phổ biến : đầu đo điện trở và đầu đo dây rung

6.1 Cảm biến biến dạng (Strain gage)

Cấu tạo: Cảm biến biến dạng gồm một sợi dây dẫn có điện trở suất (thường dùng hợp kim của Niken) có chiều dài là l và có tiết diện s, được cố định trên một phiến cách điện như hình

Hình 6.1: Cấu tạo của cảm biến biến dạng Khi đo biến dạng của một bề mặt dùng strain gage, người ta dán chặt strain gage lên trên bề mặt cần đo sao cho khi bề mặt bị biến dạng thì strain gage cũng bị biến dạng Điện trở cảm biến

(6.1) Khi cảm biến bị biến dạng, do kích thước của dây dẫn bị thay đổi nên điện trở của cảm biến thay đổi một lượng ∆R:

Trong đó: ∆l là biến thiên chiếu dài của dây dẫn, ∆ là biến thiên điện trở suất của dây dẫn và

∆s là biến thiên tiết diện của dây dẫn, R là điện trở của cảm biến khi chưa bị biến dạng

Biến dạng dọc của dây dẫn kéo theo biến dạng ngang của dây Nếu dây dẫn hình chữ nhật có

Chương 6: Đo biến dạng, lực và trọng lượng các cạnh a, b hoặc dây dẫn tròn có đường kính d thì

(6.3)

Hình 6.2: Cảm biến biến dạng (Strain gage)

6.2 Ứng dụng của Strain gage

Strain gage được dùng để đo lực, đo mô men xoắn của trục, đo biến dạng bề mặt của chi tiết cơ khí, dùng để chế tạo cảm biến trọng lượng (Loadcell), cảm biến đo ứng suất …

Đo lực dùng cảm biến biến dạng:

Để đo lực tác động lên mộtvật thể, ta dán strain gage vào một vật ứng lực (vật chứng) đặt giữa điểm tác dụng lực và vật chịu tác động sao cho biến dạng của cảm biến bằng với biến dạng của vật chứng, dưới tác dụng của lực tác động, vậtchứng bị biến dạng sẽ làm cảm biến biến dạng là thay đổi điện trở củacảm biến, đo sự thay đổi điện trở của cảm biến ta suy ra lực tác dụng

Hình 6.3: cảm biến strain gage Khi vật chứng bị tác dụng bởi lực F nó sẽ bị biến dạng theo phương ứng lực một lượng:

(6.4) Trong đó:  là biến dạng của vật chứng,  là ứng lực, Y là module Young, S là tiết diện của vật

Chương 6: Đo biến dạng, lực và trọng lượng chứng, F là lực tác dụng Các vật liệu khác nhau thì module Young sẽ khác nhau

Đo lực ép cho máy ép cọc bê tông

Hình 6.4: Máy ép cọc bê tông

Đo mô men xoắn:

Để đo mô men xoắn của trục quay, ta dán 2 strain gage lên trên trục quay theo hướng của ứng suất (Nghiêng 45o

so với trục) và 2 strain gage có trục vuông góc với nhau

Hình 6.5 Dán strain gage lên trục để đo mô men xoắn Khi chịu tác dụng của ngẫu lực, trên bề mặt của trục quay sẽ xuất hiện một biến dạng

(6.5) Trong đó: T là mô men tác động lên trục, Y là module Young, D là bán kính bề mặt trục

Đo mô men xoắn trên trục của hệ tuabin máy phát:

Hình 6.6 : Ứng dụng đo momen xoắn

Chương 6: Đo biến dạng, lực và trọng lượng

6.3 Cảm biến trọng lượng (Loadcell)

Cấu tạo: Bộ phận chính của loadcell là những tấm điện trở mỏng loại dán Tấm điện trở để

biến đổi một biến dạng nhỏ thành sự thay đổi tương ứng trong điện trở Thân loadcell là một khối kim loại đàn hồi (nhôm hợp kim, thép không gỉ, thép hợp kim) Một mạch đo dùng các miếng biến dạng sẽ cho phép thu được một tín hiệu điện tỉ lệ với mức độ thay đổi của điện trở Mạch thông dụng nhất sử dụng trong loadcell là cầu Wheatstone

Hình 6.7: Cấu tạo của Loadcell Cấu tạo chính của loadcell gồm các điện trở strain gauges R1, R2, R3, R4 kết nối thành 1 cầu điện trở Wheatstone như hình dưới và được dán vào bề mặt của thân loadcell R là điện trở danh nghĩa ban đầu của các điện trở R1, R2, R3, R4 (thường là 120 ohms, nhưng có thể

là 350 ohms dành cho các bộ cảm biến)

Hình 6.8: Sơ đồ cầu Wheatstone

Chương 6: Đo biến dạng, lực và trọng lượng Một điện áp kích thích được cung cấp cho ngõ vào loadcell (2 góc (1) và (4) của cầu điện trở Wheatstone) và điện áp tín hiệu ra được đo giữa hai góc

Tại trạng thái cân bằng (trạng thái không tải), điện áp tín hiệu ra là số không hoặc gần bằng không khi bốn điện trở được gắn phù hợp về giá trị

Nguyên lý hoạt động của loadcell

Hình 6.9: Nguyên lý hoạt động của loadcell Khi có tải trọng hoặc lực tác động lên thân loadcell làm cho thân loadcell bị biến dạng (giãn hoặc nén), điều đó dẫn tới sự thay đổi chiều dài và tiết diện của các sợi kim loại của điện trở strain gauges dán trên thân loadcell dẫn đến một sự thay đổi giá trị của các điện trở strain gauges biến đổi theo dẫn đến sự thay đổi điện áp đầu ra nếu có một điện áp kích thích ở đầu vào loadcell Như vậy loadcell đã chuyển đổi lực thành tín hiệu điện Sự thay đổi điện áp này là rất nhỏ, do đó nó chỉ có thể được đo và chuyển thành số sau khi đi qua bộ khuếch đại của các

bộ chỉ thị cân điện tử (đầu cân)

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)

Chương 6: Đo biến dạng, lực và trọng lượng

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

 Phân loại theo dạng tín hiệu ra: Loadcells tương tự và Loadcells số

6.4 Ứng dụng của Loadcell

Trong công nghiệp cũng như đời sống loadcell được ứng dụng rất rộng như cân điện tử dùng trong gia đình, cân trọng lượng ô tô hay là cân nguyên liệu đầu vào và thành phẩm ra ở nhiều nhà máy Các ứng dụng khác của loadcell:

+ Cân điện tử, cân ô tô

+ Cân định lượng, cân đóng bao, cân băng tải, cân trạm trộn

+ Gắn vào đầu của ngón tay robot để xác định độ bền kéo và lực nén tác động vào các vật khi chúng cầm nắm hoặc nhấc lên

+ Dùng để xát định khối lượng an toàn, quá tải của các thiết bị nâng chuyển như: Thang máy, băng tải

Hình 6.10: Hệ thống cân xe ôtô tải trọng lớn

Chương 6: Đo biến dạng, lực và trọng lượng

Hình 6.11: Loadcell dùng cho cân bồn

Hình 6.12: Module loadcell cân bồn UES-M2 100kg~10tấn

- Cơ cấu nhỏ gọn, dễ lắp đặt, có khả năng chống quá tải

- Bulon chống đảo ngược (dao động lên xuống), bảo vệ chống lật nghiêng

- Khả năng tự lựa vị trí cân bằng của chân loadcell, cho kết quả cân chính xác

Hình 6.13: Loadcell cho các cân điện tử (cân tiểu ly) độ chính xác cao

Chương 6: Đo biến dạng, lực và trọng lượng

Hình 6.14: Cân điện tử 1 số lẻ SHINKO

6.5 Cảm biến đo áp suất chất lưu

6.5.1 Cảm biến áp suất kiểu điện trở:

Cấu tạo : gồm 1 strain gauge được dán cố định trên màng mỏng (phân cách phần áp suất cao và phần áp suất thấp) biến dạng như (hình 6.15)

Nguyên lý : Khi áp suất chất lưu tác động lên cảm biến ở phần áp suất cao, màng phân cách bị biến dạng làm cho Strain gauge bị biến dạng theo Khi strain gauge bị biến dạng, điện trở của nó sẽ thay đổi

Hình 6.15: Cấu tạo và một số dạng của cảm biến áp suất kiểu điện trở

Chương 6: Đo biến dạng, lực và trọng lượng

6.5.2 Cảm biến áp suất kiểu áp điện:

Cấu tạo: Trong cấu tạo của cảm biến, phần tử nhạy cảm chính là các chất áp điện như: các

tinh thể thạch anh, Titan, Bari

Hình 6.16 : Cấu tạo và hình dạng của cảm biến áp suất áp điện

Nguyên lý : Khi áp suất của chất lưu tác động lên cảm biến sẽ làm các tinh thể áp điện bị

biến dạng (bị nén) thì trên bề mặtcủa chất áp điện sẽ xuất hiện điện tích Q phụ thuộc vào áp

suất nén

Ứng Dụng Của Cảm Biến Áp Suất: Cảm biến áp suất được dùng để đo áp suất chất lưu

như: Đo áp suất chất lỏng trong đường ống, đo áp suất khí trong các đường ống dẫn khí, đo

áp suất hơi trong nồi hơi… Ngoài ra cảm biến áp suất còn có thể được dùng để đo cao trình

cột chất lỏng thông qua áp suất thuỷ tĩnh