Bài giảng Kỹ thuật cảm biến và đo lường - Chương 4: Đo lường lực & áp suất

ĐO LƯỜNG LỰC – ÁP SUẤT 
I. Khái niệm 
Phép đo lực là yêu cầu quan trọng trong kỹ thuật cơ khí, xây dựng 
Đo lực là yêu cầu đối với cơ học chất rắn . 
Đ ối với cơ học chất lỏng và chất khí người ta quan tâm tới áp suất . 
Các bộ cảm biến lực có thể phân thành hai lớp : 
Các bộ cảm biến định lượng: dùng để đo lực có giá trị được thể hiện bằng tín hiệu điện. 
Các bộ cảm biến đ ịnh tính: là các thiết bị có ng ư ỡng tín hiệu ra của nó chỉ đ ộ lớn của lực đ ã v ư ợt quá một ng ư ỡng đ ịnh tr ư ớc. 
Việc đ o lực có thể thực hiện bằng cách: 
Cân bằng một lực ch ư a biết với một lực đ ối kháng sao cho lực tổng và moment tổng của chúng bằng không. 
Đo gia tốc của vật có khối l ư ợng đ ã biết đ ể xác đ ịnh lực. 
Cân bằng lực ch ư a biết với một lực đ iện từ. 
Biến đ ổi lực thành áp suất chất lỏng và đ o áp suất này. 
Đo ứng suất đư ợc tạo nên khi vật bị biến dạng đ àn hồi và suy ra lực. 
Định luật Hooke 
Khi một vật rắn bị kéo (a), nén (b) đơn hướng hoặc xoắn đơn giản sẽ sinh lực đàn hồi bằng với lực nén hay xoắn tác dụng. 
S= E.e 
= G 
Với một sự thay đổi nhỏ: 
Giá trị tương hỗ của lực nén: 
Bộ cảm biến lực sử dụng cuộn dây vi sai 
Bộ cảm biến lực sử dụng cảm biến áp suất 
II. CẢM BIẾN ĐO LỰC VÀ ỨNG SUẤT 
1. Caûm bieán bieán daïng aùp ñieän tr ở: 
Caûm bieán bieán daïng aùp ñieän trôû kim loaïi. 
Caûm bieán bieán daïng aùp ñieän trôû baùn daãn . 
Đ ieän trôû bieán daïng kim loaïi 
Cảm biến biến dạng áp đ iện trở bán dẫn cũng t ươ ng tự nh ư cảm biến biến dạng áp đ iện trở kim loại nh ư ng các dây kim loại đư ợc thay bằng dây bán dẫn . 
Các thông số c ơ bản của cảm biến biến dạng áp đ iện trở: 
Độ biến dạng dài  : tỉ số giữa sự thay đ ổi kích th ư ớc l với chiều dài ban đ ầu . 
 Hệ số biến dạng : tỉ số của sự thay đ ổi đ iện trở với sự thay đ ổi chiều dài . 
Hệ số biến dạng của kim loại thông th ư ờng là 2, của bán dẫn GF 80  120 
2. Nguyên lý đ o sử dụng cảm biến biến dạng áp đ iện trở 
 R = R G .GF. 
R 1 = R 2 và R 3 = R G 
LOAD 
R 1 
R 2 
R 3 
R 4 
R 1 
R 1 
R 2 
R 2 
R 3 
R 3 
R 4 
R 4 
b) 
c) 
Load Cell và mạch cầu chuyển đ ổi 
Lò xo dự ứng lực 
F 
Đầu ra đ iện áp âm 
Đầu ra đ iện áp d ươ ng 
Tinh thể thạch anh 
Cảm biến áp đ iện 
Hiệu ứng áp đ iện do Pierr Curie phát hiện vào n ă m 1880 là hiện t ư ợng xuất hiện phân cực đ iện hoặc thay đ ổi phân cực đ iện đ ã có một số chất đ iện môi nh ư : thạch anh, tuamalin, sunfat liti khi chúng bị biến dạng d ư ới tác dụng của lực . 
Hiệu ứng áp đ iện có tính thuận nghịch. D ư ới tác đ ộng của đ iện tr ư ờng có chiều thích hợp vật liệu đ iện sẽ bị biến dạng. 
	Q = dF 
Q: độ lớn điện tích phát sinh (C); 
d: độ nhạy nạp điện của tinh thể (là hằng số đối với mỗi tinh thể) (C/N) 
F: Lực tác động (N); 
Lực F gây nên sự biến đổi độ dày t của tinh thể 
	F = a.Y.( t /t) 
Với 	a: diện tích của tinh thể, 
	Y: số modul Young 
	t: độ dày của tinh thể 	 
III. Cảm biến đo áp suất lưu chất 
Áp suất và đơn vị đo áp suất 
P = dF/dS 
Nguyên tắc đo 
Có ba cách đo áp suất thường dùng: 
Áp suất tuyệt đối: biểu thị độ sai lệch giữa áp suất tại điểm đo và áp suất chân không. 
Áp suất đo: độ sai lệch giữa áp suất tại điểm đo với áp suất môi trường. Áp suất môi trường có thể thay đổi nhưng chỉ có độ sai lệch áp suất được quan tâm. 
Áp suất sai lệch: độ chênh lệch áp suất giữa hai điểm đo, trong đó một điểm được chọn là điểm chuẩn. 
Phần tử chuyển đổi 
Phương pháp phát hiện 
Cảm biến áp suất dạng điện dung: 
Mạch tương đương 
Mạch tương đương 
Cảm biến áp suất dạng màng 
Áp suất p 
Cần di đ ộng 
Cảm biến áp suất dạng ống thông nhau 
Cảm biến áp suất dạng lò xo 
Áp suất P 
Cần di động 
Áp suất P p 
Cần di động