Bài giảng Đo lường - Cảm biến - Chương 6: Cảm biến đo biến dạng, lực, và trọng lượng

Đo lường - cảm biến Cảm biến đo biến dạng, lực, và trọng lượng • Strain gauges • Đo lực • Cảm biến xúc giác (tactile sensor) • Đo trọng lượng • Đo áp suất Đo lường – Cảm biến Strain Gauges • Cảm biến đo độ biến dạng, độ căng • Độ căng có liên quan tới áp lực, lực, moment và một loạt các kích thích khác như dịch chuyển, vị trí, và gia tốc • Nguyên lý của Strain gauges là sự thay đổi điện trở của vật liệu 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 Đo lường – Cảm biến Strain Gauges • Xét một đoạn dây kim loại L, có điện trở suất r, tiết diện A Đo lường – Cảm biến R= r logR= logr + log = r r + ( ) / Ta có Lấy vi phân 2 vế, ta được 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 gauge) Strain Gauge Đo lường – Cảm biến Thay R4 bằng 1 strain gauge Hệ số gauge (GF) RG là điện trở danh nghĩa của strain gauge Strain Gauge Đo lường – Cảm biến Strain Gauge – Ví dụ 1 EX1. Một strain gauge được dán vào một vật thể, có GF = 2.1 và điện trở danh định 120.2Ω. Khi vật thể chịu lực và có điện trở thay đổi tới 120.25Ω. Tính độ căng và áp lực, biết modun đàn hồi (Young’s Modulus) E = 205 GPa Đo lường – Cảm biến ε = σ / E 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 200C. Tính điện trở của nó tại 300C, biết hệ số nhiệt điện trở =8.10-6 1/0C. 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 Đo lường – Cảm biến Đo lực, trọng lượng Đo lường – Cảm biến Độ dịch chuyển của lò xo tỉ lệ thuận với lực tác động Quan hệ giữa lực và áp lực  = F/A, với A là tiết diện của piston Xi lanh kim loại với các strain gauges gắn ở mặt ngoài Cảm biến lực – Force Sensor • Cảm biến lực thạch anh (cảm biến áp điện) Đo lường – Cảm biến Phiến thạch anh hình chữ nhật có 1 cạnh song song với trục x, bề mặt được cắt với góc  = 350 so với trục z Phiến thạch anh dao động với tần số cơ bản f0 ( khi không có 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 • Công tắc dạng màng Đo lường – Cảm biến Cảm biến xúc giác • Cảm biến xúc giác dạng áp điện tích cực Đo lường – Cảm biến PVDF: polyvinylidene fluoride Dao động cơ học tại màng nén sẽ tạo ra tín hiệu áp xoay chiều Bộ giải điều chế dùng để nhận biết sự thay đổi của tín hiệu (biên độ và pha) Cảm biến xúc giác • Dạng màng áp điện thụ động Đo lường – Cảm biến 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 Đo lường – Cảm biến • Cảm biến xúc giác dạng điện trở nhạy cảm với lực FSR Đơn vị áp suất • Hệ SI: đơn vị là Pascal, 1 Pa = 1 N/m2 • Atmosphere: 1 atm = 101.325 kPa • Bar: 1 bar = 100 kPa Đo lường – Cảm biến Cảm biến đo áp suất • Cảm biến đo áp suất cơ khí - Chuyển đổi áp suất thành dịch chuyển cơ học một cách trực tiếp - Có thể kết hợp với các loại cảm biến khác để chuyển đổi thành tín hiệu điện - Phổ biến nhất là ống Bourdon Đo lường – Cảm biến Áp suất đưa vào làm uốn cong ống. Độ cong ống được liên kết đến các chỉ số quay Cảm biến đo áp suất • Màng uốn nếp (bellows), màng ngăn - Màng phẳng hoặc uốn nếp bị mở rộng dưới tác dụng của áp suất - Chuyển động tạo ra có thể trực tiếp tác động vào phần chỉ thị hoặc dùng được cảm nhận bởi cảm biến đo độ dịch chuyển Đo lường – Cảm biến Cảm biến đo áp suất • Màng ngăn, tấm mỏng - Màng: tấm mỏng với độ dày không đáng kể - Tấm mỏng: màng dày Đo lường – Cảm biến Trong đó, m là áp lực (stress) S là độ căng zm là độ võng trung tâm g là độ dầy của màng Cảm biến đo áp suất • Nếu độ dầy g là đáng kể (tấm mỏng), ta có quan hệ Đo lường – Cảm biến 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 thể được 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 gắn trên màng ngăn theo các hướng khác nhau (dọc và ngang) sao cho biến dạng điện trở gia tăng có dấu khác nhau Đo lường – Cảm biến 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 nó một 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 Đo lường – Cảm biến 44 là hệ số độ nhạy trung bình và lx and ly là các áp lực theo hướng dọc Cảm biến đo áp suất Đo lường – Cảm biến 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 • Dạng từ trở thay đổi Đo lường – Cảm biến Cảm biến áp suất EX – Một hệ thống gồm có 1 phần tử cảm nhận đo áp suất tầm đo 0-5bar 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 cảm nhận 2. Viết phương trình liên hệ giữa đầu ra và vào của mạch điện chuyển đổi 3. Nếu ngõ ra của mạch chuyển đổi là 15mA, tính áp suất tương ứng Đo lường – Cảm biến