Vào thế kỷXX, các thiết bị điện tử được tích hợp với sốlượng ngày càng lớn, kích thước ngày càng nhỏ và chức năng ngày càng đƣợc 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 kỷXX, 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 đƣợc 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
Chương 5: Đo vận tốc , gia tốc thường được cấu tạo từ silic. Một thiết bịMEMS thông thường là một hệ thống vi cơtích 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 ƣu thế có thểtạo ra những cấu trúc cơ học nhỏbé tinh tế và nhạy cảm đặc thù, công nghệ vi cơ hiện nay đã cho phép tạo ra những bộ cảm biến(sensor), những bộchấp hành (actuator) đƣợc ứng dụng rộng rãi trong cuộcsống. 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 cơbản 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 đƣợc 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 nghệvi cơ điện tử có hai loại là cảm biến kiểu tụvà 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 ƣu điểm là công nghệ cấu tạo rất đơn giản. Tuy nhiên nhƣợc 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 lƣợng. Tuy nhiên chúng có nhƣợc điểm là mạch điện tử phức tạphơn. Hiện nay cảm biến gia tốc kiểu tụ đƣợc 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.
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 khảnăng làm việc của máy móc, thiết bị
• Đo một sốthông sốsinh học trong cơ thểcon 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 lƣợng, a là gia tốc.
Lực có đơn vịlà N, m có đơn vịlà gam (g), a có đơn vị là m/s2
Các thiết bị dùng để đo gia tốc phải xác định đƣợc 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 đƣợc mô tả nhờmột sơ đồ trên hình vẽ nhƣmột hệgồm một khối lƣợng m và một lò xo
Chương 5: Đo vận tốc , gia tốc Hai loại cảm biến gia tốc đƣợc sử dụng phổ biến trong các ứng dụng hiện nay là cảm biến kiểu tụvà kiểu áp trở.
Cảm biến gia tốc đƣợc sử dụng trong đề tài này là một cảm biến gia tốc hai chiều kiểu tụ cho phép xác định một cách độc lập các gia tốc theo các phương trục toạ độ X và Y. Cảm biến này có hai loại lối ra đó là lối ra số (độ rộng xung lối ra tỉ lệ với gia tốc) và lối ra tương tự (mức điện áp tương tự lối ra tỉlệvới giatốc).
Cảm biến có thể được sử dụng để đo cảgia tốc tĩnh( ví dụ nhưgia tốc trọng trường) ứng dụng làm sensor đo độ nghiêng và gia tốc động (ví dụnhƣ độrung) ứng dụng làm sensor đo độ rung.
Dải đo là trong khoảng ±2g với g là gia tốc trọng trường.
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 củaEncoder tuyệt đối và nêu các ứng dụng của nó.
Câu 3 : Nêu ƣu 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 ƣu 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. Sửdụng nhiều mã đĩa
Câu 7: Cảm biến thường dùng trong điều khiển chính xác cánh tay Robot là:
a. Laser c. Incremental encoder
b Load cell d. Absolute encoder
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
a. Encoder c. Cảm biến laser
b. Cảm biến thông minh d. Cảm biến tiệm cận điện cảm Câu 9: Cấu tạo encoder gồm nguồn phát sáng, nguồn thu và
a. Mã đĩa c. Trục quay
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
a. s = 360. n2 c. s = 2n/360
b. s = 360/2n d. s = 360/n2
Chương 6: Đo biến dạng, lực và trọng lượng
: ĐO BIẾN DẠNG, LỰC VÀ TRỌNG LƢỢNG. (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 vàbiến dạng có mối quan hệ với nhau từ đó người ta có thể xác định đƣợc 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 đƣợc 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, đƣợc cố định trên một phiến cách điện nhƣ 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 lƣợng ∆R:
(6.2)
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 chƣa 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 đƣợc 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 lƣợng (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: cảmbiến strain gage
Khi vật chứng bị tác dụng bởi lực F nó sẽ bị biến dạng theo phương ứng lực một lượng:
(6.4)
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 45oso với trục) và 2 strain gage có trục vuông góc với nhau
Hình 6.5 Dán strain gage lên trục để đo mômen 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 lƣợng (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 sựthay 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 đƣợc 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).
: Sơ đồ cầu Wheatstone
Chương 6: Đo biến dạng, lực và trọng lượng
Một điện áp kích thích đƣợc cung cấp cho ngõ vào loadcell (2 góc (1) và (4) của cầu điện trở Wheatstone) và điện áp tín hiệu rađƣợc 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 đƣợc 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 loadcelllàm 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. Nhƣ 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 đƣợc 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 chữS…
Phân loại theo dạng tín hiệu ra: Loadcells tương tự và Loadcells số.
6.4 Ứng dụng của Loadcell.
Trong công nghiệp cũng nhƣ đời sống loadcell đƣợc ứng dụng rất rộng nhƣ cân điện tử dùng trong gia đình, cân trọng lƣợng 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 lƣợng, 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 lƣợng an toàn, quá tải của các thiết bị nâng chuyển nhƣ: Thang máy, băng tải...
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 ngƣợc (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 - Trọng lƣợng cân: 6000g
- Độ chính xác: 0.1 g - Nguồn điện: 220 V
- Màn hình hiển thị: Hiện thị số, chấm cách, đèn nền - Kích thước đĩa cân: 140 mm
- Kích thước: 21.5x38.1x33cm
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 đƣợc dán cốđịnh trên màng mỏng (phân cách phần áp suất cao và phần áp suất thấp) biến dạng nhƣ (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 sẽthay đổi
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 nhƣ: 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 thểđƣợc dùng để đo cao trình cột chất lỏng thông qua áp suất thuỷtĩnh.
Chương 6: Đo biến dạng, lực và trọng lượng
CÂU HỎI ÔN TẬP
Câu 1: Trình bày cấu tạo của Loadcell?
Câu 2: Cho biết ứng dụng của cảm biến áp suất?
Câu 3: Trình bày cấu tạo Cảm biến biến dạng (Strain gage).
Câu 4: Nêu những ứng dụng thường gặp trong thực tế dùng cảm biến loadcell?
Câu 5: Cảm biến thường dùng trong điều khiển chính xác cánh tay Robot là:
a. Laser c. Incremental encoder
b Load cell d. Absolute encoder
Câu 6: Cảm biến biến dạng làm việc dựa trên hiệu ứng
a. Seebek c. Cảm ứng lực
b. Tenzo d. Quang điện
Câu 7: Cảm biến biến dạng thường dùng để chế tạo cảm biến
a. Laser c. Load cell
b. Encoder d. Thermocouple
Chương 6: Đo biến dạng, lực và trọng lượng