›
›

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

ppt 28 trang ngocly 1380
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Cảm biến và đo lường - Chương VI: Cảm biến đo lực", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pptbai_giang_cam_bien_va_do_luong_chuong_vi_cam_bien_do_luc.ppt

Nội dung text: Bài giảng Cảm biến và đo lường - Chương VI: Cảm biến đo lực

  1. VI. CẢM BIẾN ĐO LỰC 1. Nguyên lý đo lực 2. Cảm biến áp điện 3. Load cell 4. Một số loại cảm biến khác * 1
  2. 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 sự thay đổi tính chất của vật liệu chế tạo vật trung gian khi bị biến dạng. * 2
  3. 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. Vật liệu áp điện Lớp phủ kim loại Nguyên lý hoạt động • Dựa vào hiệu ứng áp điện * 3
  4. 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). F +Q + + + + + + + + + + + - - - - - - - - - - V~ F -Q F * 4
  5. 2. Cảm biến áp điện Các dạng biến dạng cơ bản: F + + F F V~ F V~ F F b) Theo chiều ngang a) Theo chiều dọc F + F V~ F F V~ F F c) Cắt theo bề dày d) Cắt theo bề mặt * 5
  6. 2. Cảm biến áp điện Cách ghép các phần tử áp điện thành bộ: + + + + + + a) Hai phần tử song song + + Cb =2C + + + + + + + b) Hai phần tử nối tiếp c) Nhiều phần tử song song Cb =1/2C, Rb =2R, Vb = 2V * 6
  7. 2. Cảm biến áp điện Cảm biến thạch anh kiểu vòng đệm Các vòng đệm: • Phiến cắt từ đơn tinh thể thạch anh, nhạy với lực nén dọc theo chiều trục. 2 3 1. Các vòng đệm 1 2. Các tấm đế 3. Đầu nối dây 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). * 7
  8. 2. Cảm biến áp điện CB thạch anh kiểu vòng đệm Nhiều vòng đệm: a) Các phiến cắt b) Cảm biến ba thành phần vuông góc * 8
  9. 2. Cảm biến áp điện Piezoelectric Sensor Element Designs * 9
  10. 2. Cảm biến áp điện Sơ đồ tương đương của cảm biến: dQ dQ R C Rg Cg S S dt dt a) Trong dải thông có ích b) Nối với mạch ngoài Rg - Điện trở trong của cảm biến Cg – Điện dung của cảm biến R1 và C1: điện trở và tụ tương đương với trở kháng cáp dẫn * 10
  11. 2. Cảm biến áp điện Sơ đồ khuếch đại điện áp dQ dQ V Req Ceq m RS CS Vm Re Ce dt dt Sơ đồ tương đương Cảm biến ZV của khuếch và cáp nối đại điện áp Điện áp ở cửa vào của bộ khuếch đại: * 11
  12. 2. Cảm biến áp điện Sơ đồ khuếch đại điện tích Bộ chuyển đổi Chuẩn độ nhạy và Bộ Bộ khuếch đại điện tích khuếch đại vi sai lọc đầu ra Đầu vào (điện tích) Đầu ra (điện áp) a) Sơ đồ khối bộ chuyển đổi điện tích – điện áp Cr +Q Q dQ RS CS V V0 dt b) Sơ đồ ghép nối cảm biến và bộ chuyển đổi điện tích - điện áp * 12
  13. 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
  14. 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
  15. 3. Load cell Phân loại: Loại thanh uốn Loại đơn điểm 5-500 Kg 1-1000 Kg Loại nén Loại S (Đo lực kéo và nén) Loại thanh trượt 5,000-60,000 Kg 50 – 5000 Kg 500-5000 Kg * 15
  16. 3. Load cell Phân loại: * 16
  17. 3. Load cell Một số ứng dụng * 17
  18. 3. Load cell * 18
  19. 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
  20. 4. Một số cảm biến đo lực khác b) Cảm biến lực áp trở Lực tác động tăng thì điện trở giảm * 20
  21. 4. Một số cảm biến đo lực khác b) Cảm biến lực áp trở * 21
  22. 4. Một số cảm biến đo lực khác c) Cảm biến lực quang học * 22
  23. 4. Một số cảm biến đo lực khác c) Cảm biến lực quang học * 23
  24. 4. Một số cảm biến đo lực khác d) Cảm biến lực bằng lực từ * 24
  25. 4. Một số cảm biến đo lực khác d) Cảm biến lực bằng lực từ * 25
  26. 4. Một số cảm biến đo lực khác e) Cảm biến lực bằng sóng siêu âm * 26
  27. 4. Một số cảm biến đo lực khác f) Cảm biến xúc giác F Lớp cao su X1 X2 chứa hạt Dây dẫn dẫn điện Y1 Y2 Điện cực I Đế cách I00 I01 I02 I03 04 điện b) Tác dụng của lực a) Hệ thống cực đo lên điện cực * 27
  28. 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