Cảm biến đo lực_chương 6

Chia sẻ: Nguyễn Thị Giỏi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:9

Thêm vào BST

Báo xấu

288
lượt xem 151
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Xác định ứng lực cơ học tác động lên các cấu trúc trong những điều kiện xác định là vấn đề hàng đầu trong việc đánh giá độ an toàn cho hoạt động của máy móc, thiết bị.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Cảm biến đo lực_chương 6

Ch−¬ng VI C¶m biÕn ®o lùc 6.1. Nguyªn lý ®o lùc X¸c ®Þnh øng lùc c¬ häc t¸c ®éng lªn c¸c cÊu tróc trong nh÷ng ®iÒu kiÖn x¸c ®Þnh lµ vÊn ®Ò hµng ®Çu trong viÖc ®¸nh gi¸ ®é an toµn cho ho¹t ®éng cña m¸y mãc, thiÕt bÞ. Theo ®Þnh luËt c¬ b¶n cña ®éng lùc häc, lùc ®−îc x¸c ®Þnh bëi biÓu thøc: F = Ma (6.1) Trong ®ã: F - lùc t¸c dông (N). M - khèi l−îng cña vËt (kg). a - gia tèc cña vËt (m/s2). Theo c«ng thøc (6.1), khi mét lùc cã c−êng ®é F (N) t¸c ®éng vµo mét vËt cã khèi l−îng M (kg) sÏ g©y ra gia tèc a (m/s2). Nguyªn t¾c ®o lùc lµ lµm c©n b»ng lùc cÇn ®o víi mét lùc ®èi kh¸ng sao cho lùc tæng céng vµ momen tæng cña chóng b»ng kh«ng. Trong c¸c c¶m biÕn ®o lùc th−êng cã mét vËt trung gian chÞu t¸c ®éng cña lùc cÇn ®o vµ biÕn d¹ng. BiÕn d¹ng cña vËt trung gian lµ nguyªn nh©n g©y ra lùc ®èi kh¸ng vµ trong giíi h¹n ®µn håi biÕn d¹ng tØ lÖ víi lùc ®èi kh¸ng. BiÕn d¹ng vµ lùc g©y ra biÕn d¹ng cã thÓ ®o trùc tiÕp b»ng c¶m biÕn biÕn d¹ng, hoÆc ®o gi¸n tiÕp nÕu mét trong nh÷ng tÝnh chÊt ®iÖn cña vËt liÖu chÕ t¹o vËt trung gian phô thuéc vµo biÕn d¹ng. Ta còng cã thÓ x¸c ®Þnh mét lùc b»ng c¸ch c©n b»ng nã víi mét lùc ®· biÕt. Theo c«ng thøc x¸c ®Þnh träng lùc cña mét vËt trong träng tr−êng tr¸i ®Êt: P = Mg Trong m«i tr−êng cã g biÕt tr−íc, c©n khèi l−îng M cña vËt ta cã thÓ x¸c ®Þnh ®−îc träng lùc cña vËt ®ã, ng−îc l¹i nÕu sö dông mét vËt cã khèi l−îng ®· biÕt sÏ cã ®−îc mét lùc x¸c ®Þnh. §©y chÝnh lµ nguyªn t¾c chuÈn c¶m biÕn b»ng m¸y ®o cã khèi l−îng treo. Trong ch−¬ng nµy nghiªn cøu c¸c bé c¶m biÕn ®o lùc phæ biÕn nh− c¶m biÕn ¸p ®iÖn, c¶m biÕn tõ gi¶o, c¶m biÕn dùa trªn phÐp ®o dÞch chuyÓn, c¶m biÕn xóc gi¸c. - 99 -
6.2. C¶m biÕn ¸p ®iÖn 6.2.1. CÊu t¹o vµ nguyªn lý ho¹t ®éng C¶m biÕn ¸p ®iÖn ho¹t ®éng dùa trªn nguyªn lý cña hiÖu øng ¸p ®iÖn. PhÇn tö c¬ b¶n cña mét c¶m biÕn ¸p ®iÖn cã cÊu t¹o t−¬ng tù mét tô ®iÖn ®−îc chÕ t¹o b»ng c¸ch phñ hai b¶n cùc lªn hai mÆt ®èi diÖn cña mét phiÕn vËt liÖu ¸p ®iÖn máng. VËt liÖu ¸p ®iÖn th−êng dïng lµ th¹ch anh v× nã cã tÝnh æn ®Þnh vµ ®é cøng cao. Tuy nhiªn hiÖn nay vËt liÖu gèm (vÝ dô gèm PZT) do cã −u ®iÓm ®é bÒn vµ ®é nh¹y cao, ®iÖn dung lín, Ýt chÞu ¶nh h−ëng cña ®iÖn tr−êng ký sinh, dÔ s¶n xuÊt vµ gi¸ thµnh chÕ t¹o thÊp còng ®−îc sö dông ®¸ng kÓ. §Æc tr−ng vËt lý cña mét sè vËt liÖu ¸p ®iÖn ®−îc tr×nh bµy trªn b¶ng 6.1. B¶ng 6.1 §é §iÖn trë Modun øng lùc NhiÖt ®é VËt liÖu thÈm suÊt Young cùc ®¹i lµm viÖc thÊu (Ω.m) (109 N.m-2) (107 N.m-2) Tmax (oC) Th¹ch anh ε11=4,5 1012 Y11=80 10 550 Muèi ε11=350 >1010 Y11=19,3 1,4 45 seignette Y22=30 L.H. ε11=5,6 >1010 46 1,5 75 PZT5A ε11=1.700 1011 Y33=53 7-8 365 D−íi t¸c dông cña lùc c¬ häc, tÊm ¸p ®iÖn bÞ biÕn d¹ng, lµm xuÊt hiÖn trªn hai b¶n cùc c¸c ®iÖn tÝch tr¸i dÊu. HiÖu ®iÖn thÕ xuÊt hiÖn gi÷a hai b¶n cùc tØ lÖ víi lùc t¸c dông. C¸c biÕn d¹ng c¬ b¶n x¸c ®Þnh chÕ ®é lµm viÖc cña b¶n ¸p ®iÖn. Trªn h×nh 6.1 biÓu diÔn c¸c biÕn d¹ng c¬ b¶n cña b¶n ¸p ®iÖn. + + − − a) b) − + + c) − d) H×nh 6.1 C¸c d¹ng biÕn d¹ng c¬ b¶n a) Theo chiÒu däc b) Theo chiÒu ngang c) C¾t theo bÒ dµy d) C¾t theo bÒ mÆt - 100 -
Trong nhiÒu tr−êng hîp c¸c b¶n ¸p ®iÖn ®−îc ghÐp thµnh bé theo c¸ch ghÐp nèi tiÕp hoÆc song song. + + − − − + − + + − − + + a) − + − − + + + − − + − + − b) c) + − + − H×nh 6.2 C¸ch ghÐp c¸c phÇn tö ¸p ®iÖn a) Hai phÇn tö song song b) Hai phÇn tö nèi tiÕp c) NhiÒu phÇn tö song song Tr−êng hîp ghÐp song song hai b¶n ¸p ®iÖn (h×nh 6.2a), ®iÖn dung cña c¶m biÕn t¨ng gÊp ®«i so víi tr−êng hîp mét b¶n ¸p ®iÖn. Khi ghÐp nèi tiÕp (h×nh 6.2b) ®iÖn ¸p hë m¹ch vµ trë kh¸ng trong t¨ng gÊp ®«i nh−ng ®iÖn dung gi¶m xuèng cßn mét nöa. Nh÷ng nguyªn t¾c trªn ¸p dông cho c¶ tr−êng hîp ghÐp nhiÒu b¶n ¸p ®iÖn víi nhau nh− biÓu diÔn trªn h×nh 6.2c. 6.2.2. C¶m biÕn th¹ch anh kiÓu vßng ®Öm C¸c c¶m biÕn th¹ch anh kiÓu vßng ®Öm cã cÊu t¹o nh− h×nh 6.3, chóng gåm c¸c phiÕn c¾t h×nh vßng ®Öm ghÐp víi nhau vµ chØ nh¹y víi lùc nÐn t¸c dông däc theo trôc. 2 3 1 H×nh 6.3 CÊu t¹o cña c¶m biÕn vßng ®Öm th¹ch anh 1) C¸c vßng ®Öm 2) C¸c tÊm ®Õ 3) §Çu nèi d©y Giíi h¹n trªn cña d¶i ®o phô thuéc vµo diÖn tÝch bÒ mÆt cña c¸c vßng ®Öm, cì tõ vµi kN (víi ®−êng kÝnh ~ 1 cm) ®Õn 103 kN ( víi ®−êng kÝnh ~ 10 cm). Ng−êi ta còng cã thÓ dïng c¶m biÕn lo¹i nµy ®Ó ®o lùc kÐo b»ng c¸ch t¹o lùc nÐn ®Æt tr−íc (dïng c¸c bul«ng xiÕt chÆt c¸c vßng ®Öm), khi ®ã lùc kÐo ®−îc ®o nh− sù sôt gi¶m cña lùc nÐn. Tuy nhiªn, khi ®ã ®é nh¹y gi¶m 5 - 10%. - 101 -
6.2.3. C¶m biÕn th¹ch anh nhiÒu thµnh phÇn Trong c¶m biÕn lo¹i nµy, c¸c vßng ®Öm th¹ch anh ®−îc c¾t theo c¸c h−íng kh¸c nhau, khi ®ã chóng chØ nh¹y víi mét h−íng x¸c ®Þnh cña lùc. z y x a) b) c) H×nh 6.4 C¶m biÕn th¹ch anh nhiÒu thµnh phÇn a) Ký hiÖu c¸c trôc b) C¸c phiÕn c¾t ®Æc biÖt c) C¶m biÕn ba thµnh phÇn vu«ng gãc Th¹ch anh cã n¨m hÖ sè ®iÖn ¸p d11, d12, d14, d25, d26, do ®ã mét vßng ®Öm c¾t theo ph−¬ng cña trôc X chØ nh¹y víi lùc nÐn (v× cã d11), c¸c lùc ký sinh t¸c ®éng theo c¹nh bªn ®Òu kh«ng g©y nªn hiÖu øng víi vßng ®Öm vµ c¸c øng lùc mµ hiÖu øng cña chóng liªn quan ®Õn d12, d14 sÏ kh«ng cã mÆt. T−¬ng tù nh− vËy, mét vßng ®Öm c¾t theo ph−¬ng Y chØ nh¹y víi lùc c¾t theo bÒ dµy (v× cã d26) vµ b»ng c¸ch l¾p ghÐp hîp lý cã thÓ lo¹i trõ hiÖu øng cña c¸c øng lùc liªn quan ®Õn d25 (c¾t theo mÆt). Hai mÆt c¾t ®Æc biÖt nµy biÓu diÔn trªn h×nh 6.4b, chóng ®−îc sö dông ®Ó chÕ t¹o c¸c c¶m biÕn th¹ch anh nhiÒu thµnh phÇn. Trªn h×nh 6.4c biÓu diÔn mét c¶m biÕn ba thµnh phÇn vu«ng gãc gåm ba cÆp vßng trßn ghÐp víi nhau, mét cÆp nh¹y víi lùc nÐn Fx, hai mÆt cßn l¹i nh¹y víi lùc c¾t Fy vµ Fz vu«ng gãc víi Fx. 6.2.4. S¬ ®å m¹ch ®o a) S¬ ®å t−¬ng ®−¬ng cña c¶m biÕn ρ dQ Rg Cg dQ dQ Rg dt RS CS dt λ Cg dt γ 1 1 1 = + a) b) c) R s R g R1 C S = C g + C1 H×nh 6.5 S¬ ®å t−¬ng ®−¬ng cña c¶m biÕn ¸p ®iÖn a) Trong d¶i th«ng réng b) Trong d¶i th«ng cã Ých c) Nèi víi m¹ch ngoµi - 102 -
Trong d¶i th«ng réng, c¶m biÕn t−¬ng ®−¬ng víi mét nguån dßng m¾c song song víi trë kh¸ng trong (gåm ba nh¸nh) cña c¶m biÕn (h×nh6.5a). Nh¸nh ρ, λ, γ ®Æc tr−ng cho céng h−ëng ®iÖn c¬ thø nhÊt ë tÇn sè cao n»m ngoµi d¶i th«ng cña c¶m biÕn. §iÖn trë trong Rg lµ ®iÖn trë c¸ch ®iÖn cña vËt liÖu ¸p ®iÖn, khi ë tÇn sè thÊp nã trë thµnh trë kh¸ng trong cña c¶m biÕn. Tô ®iÖn Cg lµ ®iÖn dung cña nguån ph¸t ®iÖn tÝch, khi ë tÇn sè trung b×nh vµ cao nã trë thµnh trë kh¸ng cña c¶m biÕn. Trªn thùc tÕ ë d¶i th«ng th−êng sö dông, ng−êi ta dïng m¹ch t−¬ng ®−¬ng biÓu diÔn ë h×nh 6.5b. Khi nèi c¶m biÕn víi m¹ch ngoµi b»ng c¸p dÉn, trë kh¸ng cña c¸p dÉn t−¬ng ®−¬ng ®iÖn trë R1 vµ tô ®iÖn C1 m¾c song song víi c¶m biÕn, khi ®ã m¹ch t−¬ng ®−¬ng cã d¹ng h×nh 6.5c. b) S¬ ®å khuÕch ®¹i ®iÖn ¸p Trë kh¸ng vµo cña bé khuÕch ®¹i ®iÖn ¸p t−¬ng ®−¬ng víi mét ®iÖn trë Re m¾c song song víi mét tô Ce, khi ®ã m¹ch t−¬ng ®−¬ng cã d¹ng h×nh 6.6. dQ Req Ceq Vm dQ CS Vm dt dt RS Re Ce 1 1 1 = + R eq R S R e C¶m biÕn vµ c¸p nèi Trë kh¸ng vµo vµ C eq = C S + C e khuÕc ®¹i ®iÖn thÕ H×nh 6.6 S¬ ®å t−¬ng ®−¬ng cña c¶m biÕn m¾c nèi tiÕp víi bé khuÕch ®¹i ®iÖn thÕ §iÖn ¸p ë lèi vµo cña khuÕch ®¹i x¸c ®Þnh bëi c«ng thøc: Q R eq C eq P Vm = . C q 1 + R eq C eq P c) S¬ ®å khuÕch ®¹i ®iÖn tÝch Trong m¹ch khuÕch ®¹i ®iÖn tÝch, sù di chuyÓn cña ®iÖn tÝch ë lèi vµo sÏ g©y nªn ë lèi ra mét ®iÖn ¸p tØ lÖ víi ®iÖn tÝch ®Çu vµo. Bé khuÕch ®¹i ®iÖn tÝch gåm mét bé biÕn ®æi ®iÖn tÝch - ®iÖn ¸p ®Çu vµo, mét tÇng chuÈn ®é nh¹y, mét bé läc trung gian vµ mét sè tÇng khuÕch ®¹i ë ®Çu ra ®Ó cung cÊp tÝn hiÖu ra (h×nh 6.7a). - 103 -
S¬ ®å m¹ch ghÐp nèi c¶m biÕn víi bé chuyÓn ®æi ®iÖn ¸p - ®iÖn tÝch tr×nh bµy trªn h×nh 6.7b. Bé chuyÓn ®æi ChuÈn ®é nh¹y vµ Bé Bé khuÕch ®¹i ®iÖn tÝch khuÕch ®¹i vi sai läc ®Çu ra §Çu vµo (®iÖn tÝch) §Çu ra (®iÖn ¸p) a) Cr +Q −Q dQ RS CS Vε V0 dt b) H×nh 6.7 S¬ ®å khuÕch ®¹i ®iÖn tÝch a) S¬ ®å khèi b) S¬ ®å ghÐp nèi c¶m biÕn vµ bé chuyÓn ®æi ®iÖn tÝch - ®iÖn ¸p 6.3. C¶m biÕn tõ gi¶o 6.3.1. HiÖu øng tõ gi¶o D−íi t¸c ®éng cña tõ tr−êng, mét sè vËt liÖu s¾t tõ thay ®æi tÝnh chÊt h×nh häc hoÆc tÝnh chÊt c¬ häc (hÖ sè Young). HiÖn t−îng nµy ®−îc gäi lµ hiÖu øng tõ gi¶o. Khi cã t¸c dông cña lùc c¬ häc g©y ra øng lùc trong vËt liÖu s¾t tõ lµm thay ®æi ®−êng cong tõ ho¸ cña chóng, khi ®ã dùa vµo sù thay ®æi cña ®é tõ thÈm hoÆc tõ d− cã thÓ x¸c ®Þnh®−îc ®é lín cña lùc t¸c dông. §©y lµ hiÖu øng tõ gi¶o nghÞch. - C¬ chÕ tõ ho¸: Nh− chóng ta ®· biÕt trong vËt liÖu s¾t tõ, mçi nguyªn tö ®−îc ®Æc tr−ng bëi mét m«men tõ. §Ó gi¶m thiÓu n¨ng l−îng tæng céng, momen tõ cña c¸c nguyªn tö trong cïng mét miÒn tõ ho¸ tù nhiªn (domen) ph¶i h−íng theo mét h−íng chung. H−íng chung nµy ®Þnh h−íng theo mét sè h−íng −u tiªn cña m¹ng tinh thÓ gäi lµ h−íng dÔ tõ ho¸. H−íng cña c¸c m«men tõ trong c¸c domen c¹nh nhau kh«ng trïng nhau. Khi cã tõ tr−êng ngoµi H t¸c ®éng, sù ®Þnh h−íng cña m« men tõ trong mét domen theo mét h−íng chung t¨ng dÇn. Khi H nhá, c¸c v¸ch domen tõ dÞch chuyÓn - 104 -
vµ kÝch th−íc cña c¸c domen tõ cã h−íng tõ ho¸ thuËn lîi trïng víi h−íng cña tõ tr−êng bªn ngoµi t¨ng lªn. Khi tõ tr−êng ngoµi t¨ng lªn ®Õn møc nµo ®ã x¶y ra hiÖn t−îng ®¶o h−íng cña c¸c domen theo h−íng tõ tr−êng ngoµi. Khi tõ tr−êng ngoµi ®ñ m¹nh sÏ lµm quay h−íng dÔ tõ ho¸ cña c¸c domen tõ theo h−íng tõ tr−êng ngoµi dÉn ®Õn b¶o hoµ (hinhd 6.8a). - HiÖn t−îng tõ trÓ: Sau khi tõ ho¸ lÇn ®Çu ®Õn b¶o hoµ (H = Hm), nÕu vÉn gi÷ nguyªn ph−¬ng tõ tr−êng vµ thùc hiÖn mét chu tr×nh khÐp kÝn (Hm,0,- Hm,0) ta nhËn ®−îc ®−êng cong tõ ho¸ nh− h×nh 6.8b gäi lµ ®−êng cong tõ trÓ víi ®é tõ d− Br lµ kh¸ng tõ Hc. B B Br H Hc H a) b) H×nh 6.8 §−êng cong tõ ho¸ a) Tõ ho¸ lÇn ®Çu b) Chu tr×nh tõ trÔ B(Wb/m2) σ=20N/mm2 Khi trong vËt liÖu s¾t tõ cã øng lùc, kÝch th−íc m¹ng tinh σ=0 thÓ thay ®æi, c¸c h−íng dÔ tõ ho¸ thay ®æi dÉn ®Õn lµm thay H (A/m) ®æi ®Þnh h−íng cña c¸c domen. HiÖn t−îng nµy gäi lµ hiÖu øng tõ gi¶o nghÞch. Trªn h×nh 6.9 biÓu diÔn ¶nh h−ëng cña øng lùc ®Õn ®−êng cong tõ ho¸ cña H×nh 6.9 Sù biÕn d¹ng cña ®−êng cong tõ ho¸ d−íi t¸c dông cña lùc kÐo permalloy 68. 6.3.2. C¶m biÕn tõ thÈm biÕn thiªn CÊu t¹o cña c¶m biÕn gåm mét cuén d©y cã lâi tõ hîp víi mét khung s¾t tõ t¹o thµnh mét m¹ch tõ kÝn (h×nh 6.10). D−íi t¸c dông cña lùc F, lâi tõ bÞ biÕn d¹ng kÐo - 105 -
theo sù thay ®æi ®é tõ thÈm µ, lµm cho tõ trë m¹ch tõ thay ®æi do ®ã ®é tù c¶m cña cuén d©y còng thay ®æi. Sù thay ®æi t−¬ng ®èi cña L, R hoÆc µ tØ lÖ víi øng lùc σ, tøc lµ víi lùc cÇn ®o F: ∆µ ∆R ∆L = = = K.σ µ R L F F H×nh 6.10 C¶m biÕn tõ gi¶o cã tõ thÈm biÕn thiªn 6.3.3. C¶m biÕn tõ d− biÕn thiªn PhÇn tö c¬ b¶n cña c¶m biÕn tõ d− biÕn thiªn lµ mét lâi tõ lµm b»ng Ni tinh khiÕt cao, cã tõ d− Br. D−íi t¸c dông cña lùc cÇn ®o, thÝ dô lùc nÐn (dσ < 0), Br t¨ng lªn: dB r Wb.m −2 = −1,5.10 −9 dσ N.m −2 Sù thay ®æi cña tõ th«ng sÏ lµm xuÊt hiÖn trong cuén d©y mét suÊt ®iÖn ®éng tØ lÖ víi dBr/dt. BiÓu thøc cña ®iÖn ¸p hë m¹ch cã d¹ng: dB r dB dσ Vm = K =K r dt dσ dt Trong ®ã K lµ hÖ sè tØ lÖ víi sè vßng d©y vµ tiÕt diÖn vßng d©y. 6.4. C¶m biÕn ®o lùc dùa trªn phÐp ®o dÞch chuyÓn Trong c¶m biÕn lo¹i nµy, lùc cÇn ®o t¸c dông lªn vËt trung gian vµ g©y nªn sù thay ®æi kÝch th−íc ∆l cña nã. Sù thay ®æi kÝch th−íc ®−îc ®o b»ng mét c¶m biÕn dÞch chuyÓn. Khi ®ã tÝn hiÖu ra Vm vµ lùc t¸c dông ®−îc biÓu diÔn b»ng biÓu thøc: Vm Vm ∆l = F ∆l F Trong ®ã: - Vm/∆l gäi lµ tØ sè truyÒn ®¹t cña c¶m biÕn. - ∆l/F gäi lµ ®é mÒm cña vËt trung gian. - 106 -
VËt trung gian lµ vßng ®o lùc, c¸c dÇm d¹ng console hoÆc lß xo. Tuú theo ®iÒu kiÖn sö dông cã thÓ sö dông nhiÒu lo¹i c¶m biÕn dÞch chuyÓn kh¸c nhau nh−: - §iÖn thÕ kÕ ®iÖn trë. - C¶m biÕn tõ trë biÕn thiªn. - C¶m biÕn tô ®iÖn. 6.5. C¶m biÕn xóc gi¸c PhÇn chÝnh cña c¶m biÕn lµ mét ®Õ c¸ch ®iÖn trªn ®ã cã mét l−íi dÉn ®iÖn (h×nh 6.11a) ®−îc ®Æt d−íi ®iÖn ¸p V. L−íi ®iÖn gåm hai hÖ thèng d©y dÉn (X1, X2,...) vµ (Y1, Y2,...) vu«ng gãc víi nhau t¹o thµnh nh÷ng « vu«ng nhá, mçi « vu«ng nhá ®Òu cã mét ®iÖn cùc ®−îc c¸ch ®iÖn víi d©y dÉn cña l−íi bao quanh nã, c¸c ®iÖn cùc nµy nèi víi ®Êt th«ng qua m¹ch ®o dßng. MÆt trªn cña hÖ thèng ®−îc phñ cao su cã pha c¸c h¹t dÉn ®iÖn. Khi cã lùc nÐn t¸c dông lªn mét phÇn nµo ®ã cña tÊm cao su, kho¶ng c¸ch gi÷a c¸c h¹t dÉn ®iÖn ë phÇn ®ã ng¾n l¹i, ®iÖn trë gi¶m xuèng, dßng ®iÖn t¨ng lªn (h×nh 6.11b). To¹ ®é cña vïng cã dßng ®iÖn t¨ng lªn sÏ x¸c ®Þnh vÞ trÝ cña lùc t¸c dông vµ gi¸ trÞ cña nã x¸c ®Þnh gi¸ trÞ cña lùc. F I0 I0 I1 I2 I0 a) b) H×nh 6.11 C¶m biÕn xóc t¸c a) HÖ thèng cùc ®o b) T¸c dông cña lùc lªn ®iÖn cùc - 107 -