Chương 6 Cảm biến đo lực

Chương 6 CẢM BIẾN ĐO LỰC 1. Nguyên lý đo lực 2. Cảm biến áp điện 3. Cảm biến từ giảo 4. Cảm biến đo lực dựa trên phép đo dịch chuyển 5. Cảm biến xúc giác 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 động lên vật 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 vật liệu chế tạo vật 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 vật liệu áp điện (thạch anh, gốm PZT…) hai mặt có phủ kim loại → tương tự một tụ điện. Vật liệu áp điện 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 cao Muối seignette >1010 Y11=19,3 Y22=30 1,4 45 L.H. >1010 46 1,5 75 PZT5A 1011 Y33=53 7-8 365 σb, HB, S cao, C lớn, dễ SX, chế tạo 2.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động Nguyên lý hoạt động: dựa trên cơ sở hiệu ứng áp điện: 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). + + + + + + + + + + - - - - - - - - - - 2.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động • Các dạng biến dạng cơ bản: a) Theo chiều dọc 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 tiếp Cb =1/2C, Rb =2R, Vb = 2V 2.2. CB thạch anh kiểu vòng đệm a) Cấu tạo: • Các vòng đệm: phiến cắt từ đơn tinh thể thạch anh, nhạy với lực nén dọc theo chiều trục. 1. 2. 3. 2.2. CB thạch anh kiểu vòng đệm b) Đặc điểm: • Chỉ nhạy với lực nén theo chiều trục → đo lực nén (có thể đo lực kéo bằng cách nén trước). • Giới hạn trên của dải đo cỡ từ vài kN (với đường kính ~ 1 cm) đến 103 kN ( với đường kính ~ 10 cm). 2.3. CB thạch anh nhiều thành phần a) Cấu tạo: b) Cảm biến ba thành phần vuông góc 2.4. Mạch đo a) Trong dải thông có ích Rg - Điện trở trong của cảm biến b) Nối với mạch ngoài 1gS R 1 R 1 R 1 += 1gS CCC += a) Sơ đồ tương đương của cảm biến: R1 và C1: điện trở và tụ tương đương với trở kháng cáp dẫn 2.4. Mạch đo b) Sơ đồ khuếch đại điện áp eSeq R 1 R 1 R 1 += eSeq CCC += Điện áp ở cửa vào của bộ khuếch đại: PCR1 PCR . C QV eqeq eqeq q m + = 2.4. Mạch đo c) Sơ đồ khuếch đại điện tích 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 dẫn đến làm thay đổi định hướng của các domen → đường cong từ hóa thay đổi → hiệu ứng từ giảo nghịch. Trên hình biểu diễn ảnh hưởng của ứng lực đến đường cong từ hoá của permalloy 68. 3.2. Cảm biến từ thẩm biến thiên a) Cấu tạo, nguyên lý làm việc: • Dưới tác dụng của lực F, lõi từ bị biến dạng → độ từ thẩm (µ) thay đổi → từ trở mạch từ (Rt) thay đổi → độ tự cảm (L) của cuộn dây thay đổi. • Sự thay đổi µ, Rt, L ∈ F: 1. 2. Lõi từ 3. σ= ∆ = ∆ = µ µ∆ .K L L R R 3.3. Cảm biến từ dư biến thiên a) Cấu tạo và nguyên lý làm việc: • Dưới tác dụng của lực cần đo → Br thay đổi , ví dụ lực nén (dσ < 0), Br tăng lên: • Br thay đổi → Φ biến thiên → ec.ư. • Điện áp hở mạch: 1. 2. 2 2 9r m.N m.Wb10.5,1 d dB − − − −= σ dt d d dBK dt dBKV rrm σ 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 nên sự thay đổi kích thước ∆l của nó. Sự thay đổi kích thước được đo bằng một 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 V mm ∆ ∆ = 4. Cảm biến đo lực dựa trên phép đo dịch chuyển 4.2. Cấu tạo: Vật trung gian: v Vòng đo lực; v Các dầm dạng console; v Lò xo. Cảm biến đo dịch chuyển: v Điện thế kế điện trở; v Cảm biến từ trở biến thiên; v Cảm biến tụ điện. 5. Cảm biến xúc giác 5.1. Cấu tạo và nguyên lý làm việc: Tác dụng của lực 5. Cảm biến xúc giác • Khi có lực nén tác dụng lên một phần nào đó của tấm cao su, khoảng cách giữa các hạt dẫn điện ở phần đó ngắn lại, điện trở giảm xuống, dòng điện tăng lên. Toạ độ của vùng có dòng điện tăng lên sẽ xác định vị trí của lực tác dụng và giá trị của nó xác định giá trị của lực.