Bài giảng Cảm biến và đo lường - Chương 6: Cảm biến đo lực

VI. CẢM BIẾN ĐO LỰC 
Nguyên lý đo lực 
Cảm biến áp điện 
Load cell 
Một số loại cảm biến khác 
* 
1 
1. Nguyên lý đo lực 
Định 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 sư ̣ thay đổi tính chất của vật liệu chê ́ tạo vật trung gian khi bị biến dạng . 
* 
2 
2. Cảm biến áp điện 
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. 
Nguyên lý hoạt động 
Dựa vào hiệu ứng áp điện 
Vật liệu áp điện 
Lớp phủ kim loại 
* 
3 
2. Cảm biến áp điện 
Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 
Nguyên 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 
* 
4 
2. Cảm biến áp điện 
Các dạng biến dạng cơ bản : 
 + 
 V~ F 
 F 
 F 
 + 
 V~ F 
 F 
 F 
 + 
 V~ F 
 F 
 F 
a) Theo chiều dọc 
 F 
 F 
 V~ F 
b) Theo chiều ngang 
c) Cắt theo bề dày 
d) Cắt theo bề mặt 
* 
5 
2. Cảm biến áp điện 
Cách ghép các phần tử áp điện thành bộ: 
+ 
+ 
+ 
+ 
+ 
+ 
+ 
+ 
+ 
+ 
+ 
+ 
+ 
+ 
+ 
c) Nhi ề u ph ầ n t ử song song 
Hai ph ầ n t ử song song 
C b =2C 
b) Hai ph ầ n t ử n ố i ti ế p 
C b =1/2C, R b =2R, V b = 2V 
* 
6 
2. Cảm biến áp điện 
Cảm biến thạch anh kiểu vòng đệm 
Các vòng đệm : 
Phiến cắt tư ̀ đơn tinh thê ̉ 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 10 3 kN ( với đường kính ~ 10 cm). 
1 
2 
3 
Các vòng đệm 
 Các tấm đế 
Đầu nối dây 
* 
7 
2. Cảm biến áp điện 
a) Các phiến cắt 
b) C ả m bi ế n ba 
thành ph ầ n vuông góc 
CB thạch anh kiểu vòng đệm 
Nhiều vòng đệm: 
* 
8 
2. Cảm biến áp điện 
Piezoelectric Sensor Element Designs 
* 
9 
2. Cảm biến áp điện 
dQ 
dt 
R g 
C g 
dQ 
dt 
R S 
C S 
a) Trong dải thông có ích 
R g - Điện trơ ̉ trong của cảm biến 
Cg – Điện dung của cảm biến 
b) Nối với mạch ngoài 
 Sơ đô ̀ tương đương của cảm biến : 
R 1 va ̀ C 1 : điện trơ ̉ va ̀ tu ̣ tương đương với trơ ̉ kháng cáp dẫn 
* 
10 
2. Cảm biến áp điện 
Sơ đồ khuếch đại điện áp 
dQ 
dt 
R S 
C S 
R e 
C e 
V m 
C ả m bi ế n 
và cáp n ố i 
Z V của khu ế ch đạ i đ i ệ n áp 
V m 
dQ 
dt 
R eq 
C eq 
Sơ đô ̀ tương đương 
Điện áp ở cửa vào của bô ̣ khuếch đại : 
* 
11 
2. Cảm biến áp điện 
Sơ đồ khuếch đại điện tích 
Đầu vào ( điện tích ) 
Đầu ra ( điện áp ) 
Bộ chuyển đổi 
điện tích 
Chuẩn độ nhạy và khuếch đại vi sai 
Bộ 
lọc 
Bộ khuếch đại 
đầu ra 
b) Sơ đồ ghép nối cảm biến và bộ chuyển đổi điện tích - điện áp 
V  
dQ 
dt 
R S 
C S 
V 0 
+Q 
 Q 
C r 
a) Sơ đồ khối bô ̣ chuyển đổi điện tích – điện áp 
* 
12 
2. Cảm biến áp điện 
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 . 
* 
13 
3. Load cell 
Cấu tạo: 
Load cell là thiết bị chuyển năng: chuyển đổi lực hoặc trọng lượng tín hiệu điện 
Load cell thường sử dụng 4 cảm biến biến dạng và kết nối thành mạch cầu Wheatstone. 
* 
14 
3. Load cell 
Phân loại: 
Loại nén 
5,000-60,000 Kg 
Loại thanh uốn 
5-500 Kg 
Loại thanh trượt 
500-5000 Kg 
Loại S  (Đo lực kéo và nén) 
50 – 5000 Kg 
1-1000 Kg 
Loại đơn điểm 
* 
15 
3. Load cell 
Phân loại: 
* 
16 
3. Load cell 
Một số ứng dụng 
* 
17 
3. Load cell 
* 
18 
4. Một số cảm biến đo lực khác 
a) Cảm biến lực điện dung 
Đo được lực dọc và lực cắt 
Có độ trễ và không tuyến tính 
* 
19 
4. Một số cảm biến đo lực khác 
b) Cảm biến lực áp trở 
Lực tác động tăng thì điện trở giảm 
* 
20 
4. Một số cảm biến đo lực khác 
b) Cảm biến lực áp trở 
* 
21 
4. Một số cảm biến đo lực khác 
c) Cảm biến lực quang học 
* 
22 
4. Một số cảm biến đo lực khác 
c) Cảm biến lực quang học 
* 
23 
4. Một số cảm biến đo lực khác 
d) Cảm biến lực bằng lực từ 
* 
24 
4. Một số cảm biến đo lực khác 
d) Cảm biến lực bằng lực từ 
* 
25 
4. Một số cảm biến đo lực khác 
e) Cảm biến lực bằng sóng siêu âm 
* 
26 
4. Một số cảm biến đo lực khác 
b) Tác dụng của lực 
lên điện cực 
I 00 
I 01 
I 02 
I 03 
I 04 
F 
Lớp cao su chứa hạt 
dẫn điện 
Dây dẫn 
Điện cực 
Đê ́ cách điện 
a) Hệ thống cực đo 
X 1 
X 2 
Y 2 
Y 1 
f) Cảm biến xúc giác 
* 
27 
4. Một số cảm biến đo lực khác 
f) 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 . 
* 
28