Bài giảng Kỹ thuật cảm biến - Chương VI: Cảm biến đo lực

VI. CẢM BIẾN ĐO LỰCNguyên lý đo lựcCảm biến áp điệnLoad cellMột số loại cảm biến khác*11. Nguyên lý đo lựcĐịnh luật cơ bản của động lực học : M: khối lượng (kg)F: lực tác động (N)a : gia tốc (ms-2)Đo lực bằng cách: 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 thông qua sự thay đổi tính chất của vật liệu chế tạo vật trung gian khi bị biến dạng.*22. Cảm biến áp điệnCấu tạo và nguyên lý hoạt độngCấu 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.Nguyên lý hoạt độngDựa vào hiệu ứng áp điệnVật liệu áp điệnLớp phủ kim loại*32. Cảm biến áp điệnCấu tạo và nguyên lý hoạt độngNguyên lý hoạt động: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).  + V~ F F F+ + + + + + + + + + - - - - - - - - - - +Q -Q*42. Cảm biến áp điệnCác dạng biến dạng cơ bản:  + V~ F F F  + V~ F F F  + V~ F F Fa) Theo chiều dọc F F V~ Fb) Theo chiều ngang c) Cắt theo bề dày d) Cắt theo bề mặt*52. Cảm biến áp điệnCách ghép các phần tử áp điện thành bộ:+++++++++++++++c) Nhiều phần tử song songHai phần tử song song Cb =2Cb) Hai phần tử nối tiếpCb =1/2C, Rb =2R, Vb = 2V *62. Cảm biến áp điệnCảm biến thạch anh kiểu vòng đệmCác vòng đệm: Phiến cắt từ đơn tinh thể thạch anh, nhạy với lực nén dọc theo chiều trục.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).123Các vòng đệm Các tấm đế Đầu nối dây*72. Cảm biến áp điệna) Các phiến cắtb) Cảm biến ba thành phần vuông gócCB thạch anh kiểu vòng đệmNhiều vòng đệm:*82. Cảm biến áp điệnPiezoelectric Sensor Element Designs *92. Cảm biến áp điệndQdtRgCgdQdtRSCSa) Trong dải thông có íchRg - Điện trở trong của cảm biếnCg – Điện dung của cảm biến b) Nối với mạch ngoài Sơ đồ tương đương của cảm biến:R1 và C1: điện trở và tụ tương đương với trở kháng cáp dẫn*102. Cảm biến áp điệnSơ đồ khuếch đại điện áp dQdtRSCSReCeVmCảm biếnvà cáp nốiZV của khuếch đại điện ápVmdQdtReqCeqSơ đồ tương đươngĐiện áp ở cửa vào của bộ khuếch đại:*112. Cảm biến áp điệnSơ đồ khuếch đại điện tíchĐầu vào (điện tích)Đầu ra (điện áp)Bộ chuyển đổiđiện tíchChuẩn độ nhạy và khuếch đại vi saiBộ lọcBộ khuếch đạiđầu rab) Sơ đồ ghép nối cảm biến và bộ chuyển đổi điện tích - điện ápVdQdtRSCSV0+QQCra) Sơ đồ khối bộ chuyển đổi điện tích – điện áp *122. Cảm biến áp điệnTrong 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 .*133. Load cellCấu tạo: Load cell là thiết bị chuyển năng: chuyển đổi lực hoặc trọng lượng  tín hiệu điệnLoad cell thường sử dụng 4 cảm biến biến dạng và kết nối thành mạch cầu Wheatstone.*143. Load cellPhân loại: Loại nén5,000-60,000 KgLoại thanh uốn5-500 KgLoại thanh trượt500-5000 KgLoại S (Đo lực kéo và nén)50 – 5000 Kg1-1000 KgLoại đơn điểm *153. Load cellPhân loại: *163. Load cellMột số ứng dụng*173. Load cell*184. Một số cảm biến đo lực kháca) Cảm biến lực điện dungĐo được lực dọc và lực cắtCó độ trễ và không tuyến tính*194. Một số cảm biến đo lực khácb) Cảm biến lực áp trởLực tác động tăng thì điện trở giảm*204. Một số cảm biến đo lực khácb) Cảm biến lực áp trở*214. Một số cảm biến đo lực khácc) Cảm biến lực quang học*224. Một số cảm biến đo lực khácc) Cảm biến lực quang học*234. Một số cảm biến đo lực khácd) Cảm biến lực bằng lực từ*244. Một số cảm biến đo lực khácd) Cảm biến lực bằng lực từ*254. Một số cảm biến đo lực kháce) Cảm biến lực bằng sóng siêu âm*264. Một số cảm biến đo lực khácb) Tác dụng của lực lên điện cựcI00I01I02I03I04FLớp cao su chứa hạt dẫn điệnDây dẫnĐiện cựcĐế cách điệna) Hệ thống cực đo X1X2Y2Y1f) Cảm biến xúc giác*274. Một số cảm biến đo lực khácf) Cảm biến xúc giácKhi 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.*28