-99-
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:
aMF = (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:
gMP =
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.
-100-
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
VËt liÖu
§é
thÈm
thÊu
§iÖn trë
suÊt
(Ω.m)
Modun
Young
(109 N.m-2)
øng lùc
cùc ®¹i
(107 N.m-2)
NhiÖt ®é
lµm viÖc
Tmax (oC)
Th¹ch anh ε11=4,5 1012 Y
11=80 10 550
Muèi
seignette
ε11=350 >1010 Y
11=19,3
Y22=30
1,4 45
L.H. ε11=5,6 >1010 46 1,5 75
PZT5A ε11=1.700 1011 Y
33=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.
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
+
− +
−
+
−
−
+
a) b
)
c) d
)
-101-
Trong nhiÒu tr−êng hîp c¸c b¶n ¸p ®iÖn ®−îc ghÐp thµnh bé theo c¸ch ghÐp
nèi tiÕp hoÆc 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.
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%.
+
−
+
−
+
−
+
−
+
−
+ − −
+
−
+
−
+
−
+
−
+
−
+
−
+
−
+
−
+
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
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
1
2 3
a)
b) c)
-102-
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.
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
b)
dQ
dt RgCg
dQ
dt
ρ
λ
γ
Rg Cg
a) c)
H×nh 6.5 S¬ ®å t−¬ng ®−¬ng cña c¶m biÕn ¸p ®iÖn
a
)
Tron
g
d¶i th«n
g
r
é
n
g
b
)
Tron
g
d¶i th«n
g
cã Ých c
)
Nèi víi m
¹
ch n
g
oµi
dQ
dt RS CS
1gs R
1
R
1
R
1+=
1
g
S
CCC +=
x
y
z
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
a) b) c)
-103-
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.
§iÖn ¸p ë lèi vµo cña khuÕch ®¹i x¸c ®Þnh bëi c«ng thøc:
PCR1
PCR
.
C
Q
V
eqeq
eqeq
q
m+
=
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).
dQ
dt RS CS ReCe
Vm
C¶m biÕn vµ c¸
nèi Trë kh¸ng vµo vµ
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
Vm
dQ
dt Req Ceq
eSeq R
1
R
1
R
1+=
eSeq CCC +
=