Chuong 6 cam bien do luc

1. Wednesday, September 11, 2013 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

2. Wednesday, September 11, 2013 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.
amF =

3. Wednesday, September 11, 2013 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.
Nguyên lý hoạt động
• Dựa vào hiệu ứng áp điện
Vật liệu áp điện Lớp phủ kim loại

4. Wednesday, September 11, 2013 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).
−
+
V~ F
F
F
+ + + + + + + + + +
- - - - - - - - - -
+Q
-Q

5. Wednesday, September 11, 2013 5
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

6. Wednesday, September 11, 2013 6
2. Cảm biến áp điện
Cách ghép các phần tử áp điện thành bộ:
+−
+−
+ −
+−
+−
+ − −
+−
+−
+−
+−
+−
+−
+−
+−
+
c) Nhiều phần tử song song
a) Hai phần tử song song
Cb =2C
b) Hai phần tử nối tiếp
Cb =1/2C, Rb =2R, Vb = 2V

7. Wednesday, September 11, 2013 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.
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).
1
2 3
1. Các vòng đệm
2. Các tấm đế
3. Đầu nối dây

8. Wednesday, September 11, 2013 8
2. Cảm biến áp điện
a) Các phiến cắt
b) Cảm biến ba
thành phần vuông góc
CB thạch anh kiểu vòng đệm
Nhiều vòng đệm:

9. Wednesday, September 11, 2013 9
2. Cảm biến áp điện
Piezoelectric Sensor Element Designs

10. Wednesday, September 11, 2013 10
2. Cảm biến áp điện
dQ
dt
Rg Cg
dQ
dt
RS CS
a) Trong dải thông có ích
Rg - Điện trở trong của cảm biến
Cg – Điện dung của cảm biến
b) Nối với mạch ngoài
1gS R
1
R
1
R
1
+=
1gS CCC +=
Sơ đồ tương đương của cảm biến:
R1 và C1: điện trở và tụ tương đương với trở kháng cáp dẫn

11. Wednesday, September 11, 2013 11
2. Cảm biến áp điện
Sơ đồ khuếch đại điện áp
dQ
dt
RS
CS Re Ce
Vm
Cảm biến
và cáp nối
ZV cua khủ ếch
đại điện áp
Vm
dQ
dt
Req
Ceq
Sơ đồ tương đương
eSeq R
1
R
1
R
1
+=
eSeq CCC +=
Điện áp ở cửa vào của bộ khuếch đại: PCR1
PCR
.
C
Q
V
eqeq
eqeq
q
m
+
=

12. Wednesday, September 11, 2013 12
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
Vε
dQ
dt
RS CS V0
+Q −Q
Cr
a) Sơ đồ khối bộ chuyển đổi điện tích – điện áp

13. Wednesday, September 11, 2013 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 .

14. Wednesday, September 11, 2013 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.

15. Wednesday, September 11, 2013 15
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

16. Wednesday, September 11, 2013 16
3. Load cell
Phân loại:

17. Wednesday, September 11, 2013 17
3. Load cell
Một số ứng dụng

18. Wednesday, September 11, 2013 18
3. Load cell

19. Wednesday, September 11, 2013 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

20. Wednesday, September 11, 2013 20
4. Một số cảm biến đo lực khác
b) Cảm biến lực áp trở
Lực tác động tăng thì điện trở giảm

21. Wednesday, September 11, 2013 21
4. Một số cảm biến đo lực khác
b) Cảm biến lực áp trở

22. Wednesday, September 11, 2013 22
4. Một số cảm biến đo lực khác
c) Cảm biến lực quang học

23. Wednesday, September 11, 2013 23
4. Một số cảm biến đo lực khác
c) Cảm biến lực quang học

24. Wednesday, September 11, 2013 24
4. Một số cảm biến đo lực khác
d) Cảm biến lực bằng lực từ

25. Wednesday, September 11, 2013 25
4. Một số cảm biến đo lực khác
d) Cảm biến lực bằng lực từ

26. Wednesday, September 11, 2013 26
4. Một số cảm biến đo lực khác
e) Cảm biến lực bằng sóng siêu âm

27. Wednesday, September 11, 2013 27
4. Một số cảm biến đo lực khác
b) Tác dụng của lực
lên điện cực
I00 I01 I02
I03
I04
F
Lớp cao su
chứa hạt
dẫn điệnDây dẫn
Điên c c̣ ự
Đế cách
điêṇ
a) Hệ thống cực đo
X1 X2
Y2
Y1
f) Cảm biến xúc giác

28. Wednesday, September 11, 2013 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.