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

Bài giảng Đo lường và cảm biến Trang 67 Chương 6 ĐO BIẾN DẠNG, LỰC VÀ TRỌNG LƯỢNG 6.1 CẢM BIẾN BIẾN DẠNG (STRAIN GAGE) 6.1.1 Cấu tạo của cảm biến biến dạng (strain gage): Cảm biến biến dạng gồm một sợi dây dẫn có điện trở suất (thường dùng hợp kim của Niken) có chiều dài là l và có tiết diện s, được cố dịnh trên một phiến cách điện như hình 6.1 Hình 6.1 Cảm biến biến dạng Khi đo biến dạng của một bề mặt dùng strain gage, người ta dán chặt strain gage lên trên bề mặt cần đo sao cho khi bề mặt bị biến dạng thì strain gage cũng bị biến dạng. Điện trở của cảm biến: l R s r= (6.1) Khi cảm biến bị biến dạng, do kích thước của dây dẫn bị thay đổi nên điện trở của cảm biến thay đổi một lượng RD : R l s R l s r r D D D D = + - (6.2) Trong đó: lD : biến thiên chiếu dài của dây dẫn. rD :biến thiên điện trở suất của dây dẫn. sD : biến thiên tiết diện của dây dẫn. R: điện trở của cảm biến khi chưa bị biến dạng. Biến dạng dọc của dây dẫn kéo theo biến dạng ngang của dây. Nếu dây dẫn hình chữ nhật có các cạnh a, b hoặc dây dẫn tròn có đường kính d thì quan hệ giữa biến dạng dọc và ngang của dây như (6.3). Trong đó v là hệ số Poisson. Trong vùng đàn hồi, 0.3v » . Tiết diện s của dây nên: Bài giảng Đo lường và cảm biến Trang 68 Sự thay đổi của điện trở suất của dây dẫn tuân theo quan hệ: Trong đó C là hằng số Bridman. V = l.s, VD là thể tích và lượng biến thiên thể tích của dây dẫn. Thay (6.4), (6.5) vào (6.2) ta được: Với Hình 6.2 Cảm biến biến dạng (Strain gage) 6.1.2 Ứng dụng của cảm biến biến dạng: Strain gage được dùng để đo lực, đo mô men xoắn của trục, đo biến dạng bề mặt của chi tiết cơ khí, dùng để chế tạo cảm biến trọng lượng (Loadcell), cảm biến đo ứng suất § Đo lực dùng cảm biến biến dạng: Để đo lực tác động lên một vật thể, ta dán strain gage vào một vật ứng lực (vật chứng) đặt giữa điểm tác dụng lực và vật chịu tác động sao cho biến dạng của cảm biến bằng với biến dạng của vật chứng, dưới tác dụng của lực tác động, vật chứng bị biến dạng sẽ làm cảm biến biến dạng là thay đổi điện trở của cảm biến, đo sự thay dổi điện trở của cảm biến ta suy ra lực tác dụng. Hình 6.3 Đo lực dùng cảm biến biến dạng Khi vật chứng bị tác dụng bởi lực F nó sẽ bị biến dạng theo phương ứng lực một lượng e Trong đó: e là biến dạng của vật chứng, s là ứng lực, Y là module Young, S là tiết diện của vật chứng, F là lực tác dụng. Tương ứng với các vật liệu khác nhau thì module Young sẽ khác nhau. Bài giảng Đo lường và cảm biến Trang 69 Ví dụ: Đo lực ép cho máy ép cọc bê tông hình 6.4. Hình 6.4 Máy ép cọc bê tông § Đo mô men xoắn dùng cảm biến biến dạng: Để đo mô men xoắn của trục quay, ta dán 2 strain gage lên trên trục quay theo hướng của ứng suất (Nghiêng 45 ° so với trục) và 2 strain gage có trục vuông góc với nhau như hình 6.5 và 2 strain gage được bố trí sao cho một strain gage nén và một strain gage giãn. Hình 6.5 Dán strain gage lên trục để đo mô men xoắn Khi chịu tác dụng của ngẫu lực, trên bề mặt của trục quay sẽ xuất hiện một biến dạng e Trong đó: T là mô men tác động lên trục. Y là module Young. D là bán kính bề mặt trục. Ví dụ: Đo mô men xoắn trên trục của hệ tuabin máy phát: Hình 6.6 Hệ tua bin máy phát Bài giảng Đo lường và cảm biến Trang 70 Hình 6.7 Cảm biến đo mô men xoắn § Mạch đo dùng strain gage: Trong trường hợp dùng 2 strain gage thì Rx1 sẽ là strain gage nén ( Rx1 = R - DR), Rx2 sẽ là strain gage giãn ( Rx1 = R + DR). Hình 6.8a. Mạch đo một strain gage Hình 6.8b. Mạch đo 2 strain gage Trong mạch đo hình 6.8a thí điện áp ngõ ra Vo là: Trong mạch đo hình 6.8b, điện áp ngõ ra Vo là: Bài giảng Đo lường và cảm biến Trang 71 6.2 CẢM BIẾN TRỌNG LƯỢNG – LOAD CELL: 6.2.1 Cấu tạo của Loadcell: Loadcell gồm một vật chứng đàn hồi, là một khối nhôm hoặc thép không rỉ được xử lý đặc biệt, trên vật chứng có dán 4 strain gage. Khi vật chứng bị biến dạng dưới tác dụng của trọng lượng tác động vào loadcell thì có thể có 2 hoặc 4 strain gage bị tác động. Tuỳ vào dạng của vật chứng ta có các loại loadcell. Hình 6.9 Cấu tạo của loadcell Một số dạng của loadcell: Bài giảng Đo lường và cảm biến Trang 72 Hình 6.10 Một số dạng Loadcell Các strain gage trong loadcell được kết nối thành một mạch cầu Wheastone như hình 6.11. Các strain gage trong mạch cầu có tác dụng bù ảnh hưởng của nhiệt độ. Hình 6.11 Kết nối các strain gage trong loadcell Khi không bị tác động, điện trở của các strain gage bằng nhau cầu ở trạng thái cân bằng. Khi bị tác động, vật chứng bị biến dạng, các strain gage thay đổi điện trở làm cầu lệch cân bằng là xuất hiện ở ngõ ra một điện áp Vo. § Khi loadcell có 2 strain gage tích cực (R2 , R4 giãn, R1 = R3 = R cố định): Thường thì giá trị của DR << R nên hệ thức (6.11) có thể viết lại: § Khi loadcell có 4 strain gage tích cực (R2 = R4 = R + DR, R1 = R3 = R -DR). Điện áp ra của cầu Vo: § Từ (6.11) và (6.12) ta thấy điện áp ngõ ra của cầu tỷ lệ với lượng thay đổi điện trở của strain gage. Bài giảng Đo lường và cảm biến Trang 73 § Mạch tương đương của loadcell: Từ sơ đồ kết nối của loadcell (hình 6.11), ta có sơ đồ tương đương Thevenin của loadcell như hình 6.13. Trong đó Rtđ là tổng trở tương đương của mạch khi ngắn mạch nguồn cung cấp, Vo là điện áp ở ngõ ra của loadcell khi hở mạch. Hình 6.13 Mạch tương đương thevenin của loadcell Khi hệ thống sử dụng nhiều loadcell như các hệ thống cân xe (Thường là 2, 4, 6 hoặc 8 loadcell), việc kết nối nhiều loadcell vào một cơ cấu chỉ thị phải đảm bảo sao cho cùng một khối lượng tác động vào các loadcell thì chỉ số trên cơ cấu chỉ thị phải như nhau. Để đảm bảo được yêu cầu này thì các loadcell phải được nối vào mạch cộng tín hiệu trước khi đưa về đầu cân để xử lý. Vì mỗi loadcell có một độ nhạy khác nhau cho dù dùng cùng loại, nên Junction box có bốn biến trở điều chỉnh để các loadcell cùng ra một sai lệch điện áp đối với cùng một tải trọng. Các biến trở này được mắc vào nguồn cung cấp cho loadcell vì thay đổi áp nguồn cung cấp sẽ làm thay đổi tín hiệu điện áp ra. Ngòai ra để có thể cộng các tín hiệu lại với nhau, người ta dùng thêm một điện trở mắc ở ngõ ra của các loadcell. Sơ đồ nguyên lý của Junction Box như hình 6.16: Hình 6.14 Junction Box Khi nối thêm biến trở chỉnh nguồn và điện trở cộng tín hiệu vào loadcell, thì điện áp ngõ ra của mỗi loadcell: Sơ đồ tương đương thevenin như hình 6.15. Hình 6.15 Sơ đồ kết nối 1 loadcell và mạch tương đương thevenin Bài giảng Đo lường và cảm biến Trang 74 Hình 6.16 Sơ đồ junction Box 4 loadcell Ta có sơ đồng thay thế của mạch Junction Box: Hình 6.17 Mạch tương đương của Junction Box Gọi U = Sig+ – Sig- là điện áp ngõ ra của Junction Box, Rtd1, Rtd2, Rtd3, Rtd4 là tổng trở tương đương thevenin của mỗi loadcell. Ta có: Nếu tổng trở tương đươg của các loadcell là giống nhau thì từ (6.18) ta có: Bài giảng Đo lường và cảm biến Trang 75 6.2.2 Ứng dụng của loadcell: Loadcell đượnc sử dụng trong các hệ thống cân như cân ôtô, cân định lượng trong các hệ thống trộn phối liệu như: Bê tông, thức ăn gia súc, phân bón, xi măng ; Các hệ thống cân đóng bao. Ngoài ra Loadcell còn có thể được dùng để đo lực, đo mômen Hình 6.18a Hệ thống cân xe ôtô tải trọng lớn Hình 6.18b Một số ứng dụng của loadcell 6.3 ĐO ÁP SUẤT 6.3.1 Cấu Tạo Và Nguyên Lý Hoạt Động Của Cảm Biến Áp Suất a) Cảm biến áp suất kiểu điện trở: Cảm biến áp suất kiểu điện trở có cấu tạo gồm 1 strain gauge được dán cố định trên màng mỏng (phân cách phần áp suất cao và phần áp suất thấp) biến dạng như hình hình 6.19. Khi áp suất chất lưu tác động lên cảm biến ở phần áp suất cao, màng phân cách bị biến dạng làm cho Bài giảng Đo lường và cảm biến Trang 76 Strain gauge bị biến dạng theo. Khi strain gauge bị biến dạng, điện trở của nó sẽ thay đổi như phương trình (6.6). Hình 6.19 Cấu tạo và một số dạng của cảm biến áp suất kiểu điện trở. Mạch đo của cảm biến áp suất kiểu điện trở: Hình 6.20 Mạch đo dùng cảm biến áp suất. b) Cảm biến áp suất kiểu áp điện Cảm biến áp suất kiểu áp điện có cấu tạo như hình 6.21 Hình 6.21 Cấu tạo và hình dạng của cảm biến áp suất áp điện. Trong cấu tạo của cảm biến, phần tử nhạy cảm chính là các chất áp điện như: các tinh thể thạch anh, Titan, Bari . Khi áp suất của chất lưu tác động lên cảm biến sẽ làm các tinh thể áp điện bị biến dạng (bị nén) thì trên bề mặt của chất áp điện sẽ xuất hiện điện tích Q phụ thuộc vào áp suất nén. Q = K.P (6.20) Với K là hệ số phụ thuộc vào kích thước và bản chất của chất áp điện. Bài giảng Đo lường và cảm biến Trang 77 6.3.2 Ứng Dụng Của Cảm Biến Áp Suất Cảm biến áp suất được dùng để đo áp suất chất lưu như: Đo áp suất chất lỏng trong đường ống, đo áp suất khí trong các đường ống dẫn khí, đo áp suất hơi trong nồi hơi Ngoài ra cảm biến áp suất còn có thể được dùng để đo cao trình cột chất lỏng thông qua áp suất thuỷ tĩnh.