Bài giảng Đo lường và cảm biến: Chương 6 - ThS. Trần Văn Lợi

Chương 6<br /> ĐO BIẾN DẠNG, LỰC VÀ TRỌNG LƯỢNG<br /> 6.1<br /> 6.1.1<br /> <br /> CẢM BIẾN BIẾN DẠNG (STRAIN GAGE)<br /> Cấu tạo của cảm biến biến dạng (strain gage):<br /> <br /> Cảm biến biến dạng gồm một sợi dây dẫn có điện trở suất (thường dùng hợp kim của<br /> Niken) có chiều dài là l và có tiết diện s, được cố dịnh trên một phiến cách điện như hình 6.1<br /> <br /> Hình 6.1 Cảm biến biến dạng<br /> Khi đo biến dạng của một bề mặt dùng strain gage, người ta dán chặt strain gage lên trên<br /> bề mặt cần đo sao cho khi bề mặt bị biến dạng thì strain gage cũng bị biến dạng. Điện trở của<br /> cảm biến:<br /> R=r<br /> <br /> l<br /> s<br /> <br /> (6.1)<br /> <br /> Khi cảm biến bị biến dạng, do kích thước của dây dẫn bị thay đổi nên điện trở của cảm<br /> biến thay đổi một lượng DR :<br /> DR Dl Dr Ds<br /> = +<br /> R<br /> l<br /> r<br /> s<br /> <br /> (6.2)<br /> <br /> Trong đó:<br /> Dl : biến thiên chiếu dài của dây dẫn.<br /> <br /> Dr :biến thiên điện trở suất của dây dẫn.<br /> Ds : biến thiên tiết diện của dây dẫn.<br /> <br /> R: điện trở của cảm biến khi chưa bị biến dạng.<br /> Biến dạng dọc của dây dẫn kéo theo biến dạng ngang của dây. Nếu dây dẫn hình chữ nhật<br /> có các cạnh a, b hoặc dây dẫn tròn có đường kính d thì quan hệ giữa biến dạng dọc và ngang của<br /> dây như (6.3).<br /> <br /> Trong đó v là hệ số Poisson. Trong vùng đàn hồi, v » 0.3 . Tiết diện s của dây<br /> nên:<br /> <br /> Bài giảng Đo lường và cảm biến<br /> <br /> Trang 67<br /> <br /> Sự thay đổi của điện trở suất của dây dẫn tuân theo quan hệ:<br /> <br /> Trong đó C là hằng số Bridman. V = l.s, DV là thể tích và lượng biến thiên thể tích của<br /> dây dẫn.<br /> Thay (6.4), (6.5) vào (6.2) ta được:<br /> <br /> Với<br /> <br /> Hình 6.2 Cảm biến biến dạng (Strain gage)<br /> 6.1.2<br /> <br /> Ứng dụng của cảm biến biến dạng:<br /> <br /> Strain gage được dùng để đo lực, đo mô men xoắn của trục, đo biến dạng bề mặt của chi<br /> tiết cơ khí, dùng để chế tạo cảm biến trọng lượng (Loadcell), cảm biến đo ứng suất …<br /> §<br /> <br /> Đo lực dùng cảm biến biến dạng:<br /> <br /> Để đo lực tác động lên một vật thể, ta dán strain gage vào một vật ứng lực (vật chứng) đặt<br /> giữa điểm tác dụng lực và vật chịu tác động sao cho biến dạng của cảm biến bằng với biến dạng<br /> của vật chứng, dưới tác dụng của lực tác động, vật chứng bị biến dạng sẽ làm cảm biến biến dạng<br /> là thay đổi điện trở của cảm biến, đo sự thay dổi điện trở của cảm biến ta suy ra lực tác dụng.<br /> <br /> Hình 6.3 Đo lực dùng cảm biến biến dạng<br /> Khi vật chứng bị tác dụng bởi lực F nó sẽ bị biến dạng theo phương ứng lực một lượng e<br /> <br /> Trong đó: e là biến dạng của vật chứng, s là ứng lực, Y là module Young, S là tiết diện<br /> của vật chứng, F là lực tác dụng. Tương ứng với các vật liệu khác nhau thì module Young sẽ<br /> khác nhau.<br /> Bài giảng Đo lường và cảm biến<br /> <br /> Trang 68<br /> <br /> Ví dụ: Đo lực ép cho máy ép cọc bê tông hình 6.4.<br /> <br /> Hình 6.4 Máy ép cọc bê tông<br /> §<br /> <br /> Đo mô men xoắn dùng cảm biến biến dạng:<br /> <br /> Để đo mô men xoắn của trục quay, ta dán 2 strain gage lên trên trục quay theo hướng của<br /> ứng suất (Nghiêng 45 ° so với trục) và 2 strain gage có trục vuông góc với nhau như hình 6.5 và<br /> 2 strain gage được bố trí sao cho một strain gage nén và một strain gage giãn.<br /> <br /> Hình 6.5 Dán strain gage lên trục để đo mô men xoắn<br /> Khi chịu tác dụng của ngẫu lực, trên bề mặt của trục quay sẽ xuất hiện một biến dạng e<br /> <br /> Trong đó:<br /> T là mô men tác động lên trục.<br /> Y là module Young.<br /> D là bán kính bề mặt trục.<br /> Ví dụ: Đo mô men xoắn trên trục của hệ tuabin máy phát:<br /> <br /> Hình 6.6 Hệ tua bin máy phát<br /> <br /> Bài giảng Đo lường và cảm biến<br /> <br /> Trang 69<br /> <br /> Hình 6.7 Cảm biến đo mô men xoắn<br /> §<br /> <br /> Mạch đo dùng strain gage:<br /> <br /> Trong trường hợp dùng 2 strain gage thì Rx1 sẽ là strain gage nén ( Rx1 = R - D R), Rx2<br /> sẽ là strain gage giãn ( Rx1 = R + D R).<br /> <br /> Hình 6.8a. Mạch đo một strain gage<br /> <br /> Hình 6.8b. Mạch đo 2 strain gage<br /> Trong mạch đo hình 6.8a thí điện áp ngõ ra Vo là:<br /> <br /> Trong mạch đo hình 6.8b, điện áp ngõ ra Vo là:<br /> <br /> Bài giảng Đo lường và cảm biến<br /> <br /> Trang 70<br /> <br /> 6.2<br /> 6.2.1<br /> <br /> CẢM BIẾN TRỌNG LƯỢNG – LOAD CELL:<br /> Cấu tạo của Loadcell:<br /> <br /> Loadcell gồm một vật chứng đàn hồi, là một khối nhôm hoặc thép không rỉ được xử lý<br /> đặc biệt, trên vật chứng có dán 4 strain gage. Khi vật chứng bị biến dạng dưới tác dụng của trọng<br /> lượng tác động vào loadcell thì có thể có 2 hoặc 4 strain gage bị tác động. Tuỳ vào dạng của vật<br /> chứng ta có các loại loadcell.<br /> <br /> Hình 6.9 Cấu tạo của loadcell<br /> Một số dạng của loadcell:<br /> <br /> Bài giảng Đo lường và cảm biến<br /> <br /> Trang 71<br /> <br />