Giáo trình Cảm biến (Phần 2) - Trường Cao đẳng nghề Đắk Lắk

64

CHƯƠNG IV: CẢM BIẾN ĐO VỊ TRÍ VÀ DỊCH CHUYỂN

Mục tiêu của bài:

Sau khi học xong bài này người học có khả năng:

Trình bày được nguyên lý và các tính chất cơ bản của cảm biến vị trí và

khoảng cách.

-

Phân loại và sử dụng các các loại cảm biến phù hợp.

Nhận biết các ứng dụng cơ bản.

1. Nguyên lý đo vị trí và dịch chuyển

Việc xác định vị trí và dịch chuyển đóng vai trò rất quan trọng trong kỹ

thuật.

Hiện nay có hai phương pháp cơ bản để xác định vị trí và dịch chuyển.

Trong phương pháp thứ nhất, bộ cảm biến cung cấp tín hiệu là hàm phụ

thuộc vào vị trí của một trong các phần tử của cảm biến, đồng thời phần tử này có

liên quan đến vật cần xác định dịch chuyển.

Trong phương pháp thứ hai, ứng với một dịch chuyển cơ bản, cảm biến phát

ra một xung. Việc xác định vị trí và dịch chuyển được tiến hành bằng cách đếm

số xung phát ra.

Một số cảm biến không đòi hỏi liên kết cơ học giữa cảm biến và vật cần đo

vị trí hoặc dịch chuyển. Mối liên hệ giữa vật dịch chuyển và cảm biến được thực

hiện thông qua vai trò trung gian của điện trường, từ trường hoặc điện từ trường,

ánh sáng.

Trong chương này trình bày các loại cảm biến thông dụng dùng để xác định

vị trí và dịch chuyển của vật như điện thế kế điện trở, cảm biến điện cảm, cảm

biến điện dung, cảm biến quang, cảm biến dùng sóng đàn hồi.

2. Đieän thế kế đieän trở

Loại cảm biến này có cấu tạo đơn giản, tín hiệu đo lớn và không đòi hỏi

mạch điện đặc biệt để xử lý tín hiệu. Tuy nhiên với các điện thế kế điện trở có con

chạy cơ học có sự cọ xát gây ồn và mòn, số lần sử dụng thấp và chịu ảnh hưởng

lớn của môi trường khi có bụi và ẩm.

2.1. Điện thế kế dùng con chạy cơ học

2.1.1. Cấu tạo và nguyên lý làm việc

Cảm biến gồm một điện trở cố định R , trên đó có một tiếp xúc điện có thể

n

di chuyển được gọi là con chạy. Con chạy được liên kết cơ học với vật chuyển

động cần khảo sát. Giá trị của điện trở R giữa con chạy và một đầu của điện trở

x

R là hàm phụ thuộc vào vị trí con chạy, cũng chính là vị trí của vật chuyển động.

n

- Đối với điện thế kế chuyển động thẳng (hình 4.1a):

- Trường hợp điện thế kế dịch chuyển tròn hoặc xoắn:

65

Trong đó khi dịch chuyển tròn (hình 4.1b) và khi dịch chuyển xoắn. (hình

4.1c)

Hình 4.1 Các dạng điện thế kế

1) Điện trở 2) Con chạy

Các điện trở được chế tạo có dạng cuộn dây hoặc băng dẫn.

Các điện trở dạng cuộn dây thường được chế tạo từ các hợp kim Ni - Cr, Ni

- Cu , Ni - Cr - Fe, Ag - Pd quấn thành vòng xoắn dạng lò xo trên lõi cách điện

(bằng thuỷ tinh, gốm hoặc nhựa), giữa các vòng dây cách điện bằng emay hoặc lớp

oxyt bề mặt.

Các điện trở dạng băng dẫn được chế tạo bằng chất dẻo trộn bột dẫn điện

-2

là cacbon hoặc kim loại cỡ hạt ~10 µm.

Các điện trở được chế tạo với các giá trị R nằm trong khoảng 1kΩ đến

n

100kΩ, đôi khi đạt tới MΩ.

Các con chạy phải đảm bảo tiếp xúc điện tốt, điện trở tiếp xúc phải nhỏ và

ổn định.

2.1.2. Các đặc trưng

- Khoảng chạy có ích của con chạy:

Thông thường ở đầu hoặc cuối đường chạy của con chạy tỉ số R /R không

x n

ổn định. Khoảng chạy có ích là khoảng thay đổi của x mà trong khoảng đó R là

x

hàm tuyến tính của dịch chuyển.

66

- Năng suất phân giải:

Đối với điện trở dây cuốn, độ phân giải xác định bởi lượng dịch chuyển cực

đại cần thiết để đưa con chạy từ vị trí tiếp xúc hiện tại sang vị trí tiếp xúc lân cận

tiếp theo. Giả sử cuộn dây có n vòng dây, có thể phân biệt 2n-2 vị trí khác nhau về

điện của con chạy:

+ n vị trí tiếp xúc với một vòng dây.

+ n - 2 vị trí tiếp xúc với hai vòng dây.

Độ phân giải của điện trở dạng dây phụ thuộc vào hình dạng và đường kính

của dây điện trở và vào khoảng ~10µm.

Độ phân giải của các điện trở kiểu băng dẫn phụ thuộc vào kích thước hạt,

thường vào cỡ ~ 0,1 µm.

-Thời gian sống:

Thời gian sống của điện kế là số lần sử dụng của điện thế kế. Nguyên nhân

gây ra hư hỏng và hạn chế thời gian sống của điện thế kế là sự mài mòn con chạy

và dây điện trở trong quá trình làm việc. Thường thời gian sống của điện thế kế

dạng dây dẫn vào cỡ 106 lần, điện kế dạng băng dẫn vào cỡ 5.107 - 108 lần.

Điện thế kế không dùng con chạy cơ học

Để khắc phục nhược điểm của điện thế kế dùng con chạy cơ học, người ta sử

dụng điện thế kế liên kết quang hoặc từ.

2.2. Điện thế kế dùng con trỏ quang

Hình 4.4 trình bày sơ đồ nguyên lý của một điện thế kế dùng con trỏ quang.

Điện thế kế tròn dùng con trỏ quang gồm điot phát quang (1), băng đo (2),

băng tiếp xúc (3) và băng quang dẫn (4). Băng điện trở đo được phân cách với băng

tiếp xúc bởi một băng quang dẫn rất mảnh làm bằng CdSe trên đó có con trỏ quang

dịch chuyển khi trục của điện thế kế quay. Điện trở của vùng quang dẫn giảm đáng

kể trong vùng được chiếu sáng tạo nên sự liên kết giữa băng đo và băng tiếp xúc.

67

Hình 4.4 Điện thế kế quay dùng con trỏ quang

1) Điot phát quang 2) Băng đo 3) Băng tiếp xúc 4) Băng quang dẫn

Thời gian hồi đáp của vật liệu quang dẫn cỡ vài chục ms.

2.3. Điện thế kế dùng con trỏ từ

Hình 4.5 trình bày sơ đồ nguyên lý một điện thế kế từ gồm hai từ điện trở R1

và R2 mắc nối tiếp và một nam châm vĩnh cữu (gắn với trục quay của điện thế kế)

bao phủ lên một phần của điện trở R1 và R2, vị trí phần bị bao phủ phụ thuộc góc

quay của trục.

Điện áp nguồn ES được đặt giữa hai điểm (1) và (3), điện áp đo Vm lấy từ

điểm chung (2) và một trong hai đầu (1) hoặc (3).

Khi đó điện áp đo được xác định bởi công thức:

Trong đó R1 là hàm phụ thuộc vị trí của trục quay, vị trí này xác định phần

của R1 chịu ảnh hưởng của từ trường còn R = R1 + R2 = const.

68

Hình 4.5 Điện thế kế điện từ

Từ hình 4.5b ta nhận thấy điện áp đo chỉ tuyến tính trong một khoảng ~90o

đối với điện kế quay. Đối với điện kế dịch chuyển thẳng khoảng tuyến tính chỉ cỡ

vài mm.

3. Cảm biến điện cảm

Cảm biến điện cảm là nhóm các cảm biến làm việc dựa trên nguyên lý cảm

ứng điện từ. Vật cần đo vị trí hoặc dịch chuyển được gắn vào một phần tử của mạch

từ gây nên sự biến thiên từ thông qua cuộn đo. Cảm biến điện cảm được chia ra:

cảm biến tự cảm và hỗ cảm.

3.1. Cảm biến tự cảm

3.1.1. Cảm biến tự cảm có khe từ biến thiên

- Cảm biến tự cảm đơn: trên hình 4.6 trình bày sơ đồ nguyên lý cấu tạo của

một số loại cảm biến tự cảm đơn.

Hình 4.6 Cảm biến tự cảm

1) Lõi sắt từ 2) Cuộn dây 3) Phần động

69

Cảm biến tự cảm đơn gồm một cuộn dây quấn trên lõi thép cố định (phần

tĩnh) và một lõi thép có thể di động dưới tác động của đại lượng đo (phần động),

giữa phần tĩnh và phần động có khe hở không khí tạo nên một mạch từ hở.

Sơ đồ hình 4.6a: dưới tác động của đại lượng đo XV, phần ứng của cảm biến

di chuyển, khe hở không khí ä trong mạch từ thay đổi, làm cho từ trở của mạch từ

biến thiên, do đó hệ số tự cảm và tổng trở của cuộn dây thay đổi theo.

Sơ đồ hình 4.6b: khi phần ứng quay, tiết diện khe hở không khí thay đổi, làm

cho từ trở của mạch từ biến thiên, do đó hệ số tự cảm và tổng trở của cuộn dây thay

đổi theo.

Hệ số tự cảm của cuộn dây cũng có thể thay đổi do thay đổi tổn hao sinh ra

bởi dòng điện xoáy khi tấm sắt từ dịch chuyển dưới tác động của đại lượng đo Xv

(hình 4.6c).

Nếu bỏ qua điện trở của cuộn dây và từ trở của lõi thép ta có:

Trong đó W- số vòng dây.

Với lượng thay đổi hữu hạn ∆δ và ∆s ta có:

Độ nhạy của cảm biến tự cảm khi khe hở không khí thay đổi (s=const):

Độ nhạy của cảm biến tự cảm khi thay đổi tiết diện không khí (s = const):

Tổng trở của cảm biến:

70

Từ công thức (4.7) ta thấy tổng trở Z của cảm biến là hàm tuyến tính với tiết

diện khe hở không khí s và phi tuyến với chiều dài khe hở không khí δ.

Hình 4.7 Sự phụ thuộc giữa L, Z với chiều dày khe hở không khí δ

Đặc tính của cảm biến tự cảm đơn Z = f(∆δ) là hàm phi tuyến và phụ thuộc

tần số nguồn kích thích, tần số nguồn kích thích càng cao thì độ nhạy của cảm biến

càng cao (hình 4.7).

- Cảm biến tự cảm kép lắp theo kiểu vi sai: Để tăng độ nhạy của cảm biến và

tăng đoạn đặc tính tuyến tính người ta thường dùng cảm biến tự cảm kép mắc theo

kiểu vi sai (hình 4.8).

Hình 4.8 Cảm biến tự cảm kép mắc theo kiểu vi sai

Đặc tính của cảm biến tự cảm kép vi sai có dạng như hình 4.9.

Hình 4.9 Đặc tính của cảm biến tự cảm kép lắp vi sai

71

3.1.2.Cảm biến tự cảm có lõi từ di động

Cảm biến gồm một cuộn dây bên trong có lõi từ di động được (hình 4.10).

Hình 4.10 Sơ đồ nguyên lý cảm biến tự cảm có lõi từ

1) Cuộn dây 2) Lõi từ

Dưới tác động của đại lượng đo XV, lõi từ dịch chuyển làm cho độ dài lf của

lõi từ nằm trong cuộn dây thay đổi, kéo theo sự thay đổi hệ số tự cảm L của cuộn

dây. Sự phụ thuộc của L vào lf là hàm không tuyến tính, tuy nhiên có thể cải thiện

bằng cách ghép hai cuộn dây đồng dạng vào hai nhánh kề sát nhau của một cầu

điện trở có chung một lõi sắt.

3.1.3. Cảm biến hỗ cảm

Cấu tạo của cảm biến hỗ cảm tương tự cảm biến tự cảm chỉ khác ở chỗ có

thêm một cuộn dây đo (hình 4.11).

Trong các cảm biến đơn khi chiều dài khe hở không khí (hình 4.11a) hoặc

tiết diện khe không khí thay đổi (hình 4.11b) hoặc tổn hao do dòng điện xoáy thay

đổi (hình 4.11c) sẽ làm cho từ thông của mạch từ biến thiên kéo theo suất điện

động e trong cuộn đo thay đổi.

- Cảm biến đơn có khe hở không khí:

Từ thông tức thời:

i - giá trị dòng điện tức thời trong cuộn dây kích thích W1.

72

Hình 4.11 Cảm biến hỗ cảm

1) Cuộn sơ cấp 2) Gông từ 3) lõi từ di động 4) Cuộn thứ cấp (cuộn đo)

Sức điện động cảm ứng trong cuộn dây đo W2:

W2 - số vòng dây của cuộn dây đo.

Khi làm việc với dòng xoay chiều i = Im sinω t , ta có:

và giá trị hiệu dụng của suất điện động:

I - giá trị hiệu dụng của dòng điện,

và I là hằng số, ta có:

. Với các giá trị

Hay

73

Độ nhạy của cảm biến với sự thay đổi của chiều dài khe hở không khí δ (s =

const):

Còn độ nhạy khi tiết diện khe hở không khí s thay đổi (δ = const):

Ta nhận thấy công thức xác định độ nhạy của cảm biến hỗ cảm có dạng

tương tự như cảm biến tự cảm chỉ khác nhau ở giá trị của E0 và L0. Độ nhạy của

cảm biến hỗ cảm Sδ và SS cũng tăng khi tần số nguồn cung cấp tăng.

+ Cảm biến vi sai: để tăng độ nhạy và độ tuyến tính của đặc tính cảm biến

mắc cảm biến theo sơ đồ vi sai (hình 4.11d,đ,e). Khi mắc vi sai độ nhạy của cảm

biến tăng gấp đôi và phạm vi làm việc tuyến tính mở rộng đáng kể.

+ Biến thế vi sai có lõi từ: gồm bốn cuộn dây ghép đồng trục tạo thành hai

cảm biến đơn đối xứng, bên trong có lõi từ di động được (hình 4.12). Các cuộn thứ

cấp được nối ngược với nhau sao cho suất điện động trong chúng triệt tiêu lẫn

nhau.

Hình 4.12 Cảm biến hỗ cảm vi sai

1) Cuộn sơ cấp 2) Cuộn thứ cấp 3) Lõi từ

Về nguyên tắc, khi lõi từ ở vị trí trung gian, điện áp đo Vm ở đầu ra hai cuộn

thứ cấp bằng không. Khi lõi từ dịch chuyển, làm thay đổi mối quan hệ giữa cuộn sơ

cấp với các cuộn thứ cấp, tức là làm thay đổi hệ số hỗ cảm giữa cuộn sơ cấp với các

74

cuộn thứ cấp. Khi điện trở của thiết bị đo đủ lớn, điện áp đo V gần như tuyến

m

tính với hiệu số các hệ số hỗ cảm của hai cuộn thứ cấp.

4. Cảm biến điện dung

4.1. Cảm biến tụ điện đơn

Các cảm biến tụ điện đơn là một tụ điện phẳng hoặc hình trụ có một bản cực

gắn cố định (bản cực tĩnh) và một bản cực di chuyển (bản cực động) liên kết với

vật cần đo. Khi bản cực động di chuyển sẽ kéo theo sự thay đổi điện dung của tụ

điện.

Đối với cảm biến hình 4.13a: dưới tác động của đại lượng đo XV, bản cực

động di chuyển, khoảng các giữa các bản cực thay đổi, kéo theo điện dung tụ điện

biến thiên.

ε - hằng số điện môi của môi trường. ε0 - hằng số điện môi của chân không.

s - diện tích nằm giữa hai điện cực. δ - khoảng cách giữa hai bản cực.

Hình 4.13 Cảm biến tụ điện đơn

+ Đối với cảm biến hình 4.13b: dưới tác động của đại lượng đo XV, bản cực

động di chuyển quay, diện tích giữa các bản cực thay đổi, kéo theo sự thay đổi của

điện dung tụ điện.

Α - góc ứng với phần hai bản cực đối diện nhau.

Đối với cảm biến hình 4.13c: dưới tác động của đại lượng đo XV, bản cực

động di chuyển thẳng dọc trục, diện tích giữa các bản cực thay đổi, kéo theo sự

thay đổi của điện dung.

Xét trường hợp tụ điện phẳng, ta có:

75

Đưa về dạng sai phân ta có:

Khi khoảng cách giữa hai bản cực thay đổi (ε = const và s=const), độ nhạy

của cảm biến:

Khi diện tích của bản cực thay đổi (ε = const và δ =const), độ nhạy của cảm

biến:

Khi hằng số điện môi thay đổi ( s = const và δ = const), độ nhạy của cảm

biến:

Nếu xét đến dung kháng:

Đưa về dạng sai phân:

Tương tự trên ta có độ nhạy của cảm biến theo dung kháng:

Từ các biểu thức trên có thể rút ra:

+ Biến thiên điện dung của cảm biến tụ điện là hàm tuyến tính khi diện tích

bản cực và hằng số điện môi thay đổi nhưng phi tuyến khi khoảng cách giữa hai

bản cực thay đổi.

76

+ Biến thiên dung kháng của cảm biến tụ điện là hàm tuyến tính khi khoảng

cách giữa hai bản cực thay đổi nhưng phi tuyến khi diện tích bản cực và hằng số

điện môi thay đổi.

Ngoài ra giữa hai bản cực khi có điện áp đặt vào sẽ phát sinh lực hút, lực này

cần phải nhỏ hơn đại lượng đo.

4.2. Cảm biến tụ kép vi sai

Hình 4.14 Cảm biến tụ kép vi sai

Tụ kép vi sai có khoảng cách giữa các bản cực biến thiên dịch chuyển thẳng

(hình 4.14a) hoặc có diện tích bản cực biến thiên dịch chuyển quay (hình 4.14b) và

dịch chuyển thẳng (hình 4.14c) gồm ba bản cực. Bản cực động A1 dịch chuyển

giữa hai bản cực cố định A2 và A3 tạo thành cùng với hai bản cực này hai tụ điện

có điện dung C21 và C31 biến thiên ngược chiều nhau.

Độ nhạy và độ tuyến tính của tụ kép vi sai cao hơn tụ đơn và lực tương hỗ

giữa các bản cực triệt tiêu lẫn nhau do ngược chiều nhau.

4.3. Mạch đo

Thông thường mạch đo dùng với cảm biến điện dung là các mạch cầu không

cân bằng cung cấp bằng dòng xoay chiều. Mạch đo cần thoả mãn các yêu cầu sau:

+ Tổng trở đầu vào tức là tổng trở của đường chéo cầu phải thật lớn.

+ Các dây dẫn phải được bọc kim loại để tránh ảnh hưởng của điện trường ngoài.

+ Không được mắc các điện trở song song với cảm biến.

+ Chống ẩm tốt.

Hình 4.15a là sơ đồ mạch cầu dùng cho cảm biến tụ kép vi sai với hai điện trở.

Cung cấp cho mạch cầu là một máy phát tần số cao.

Hình 4.15b là sơ đồ mạch mặch cầu biến áp với hai nhánh tụ điện.

Hình 4.15 Mạch đo thường dùng với cảm biến tụ điện

77

5. Cảm biến quang

Các cảm biến đo vị trí và dịch chuyển theo phương pháp quang học gồm

nguồn phát ánh sáng kết hợp với một đầu thu quang (thường là tế bào quang điện).

Tuỳ theo cách bố trí đầu thu quang, nguồn phát và thước đo (hoặc đối tượng

đo), các cảm biến được chia ra:

+ Cảm biến quang phản xạ.

+ Cảm biến quang soi thấu.

5.1. Cảm biến quang phản xạ

Cảm biến quang phản xạ (hình 4.16) hoạt động theo nguyên tắc dọi phản

quang: đầu thu quang đặt cùng phía với nguồn phát. Tia sáng từ nguồn phát qua

thấu kính hội tụ đập tới một thước đo chuyển động cùng vật khảo sát, trên thước

có những vạch chia phản quang và không phản quang kế tiếp nhau, khi tia sáng gặp

phải vạch chia phản quang sẽ bị phản xạ trở lại đầu thu quang.

Hình 4.16 Cảm biến quang phản xạ

1) Nguồn phát 2) Thước đo 3) Đầu thu quang

Cảm biến loại dọi phản quang, không cần dây nối qua vùng cảm nhận nhưng

cự ly cảm nhận thấp và chịu ảnh hưởng của ánh sáng từ nguồn sáng khác.

5.2. Cảm biến quang soi thấu

Sơ đồ cấu trúc của một cảm biến đo vị trí và dịch chuyển theo nguyên tắc soi

thấu trình bày trên hình 4.17a. Cảm biến gồm một nguồn phát ánh sáng, một thấu

kính hội tụ, một lưới chia kích quang và các phần tử thu quang (thường là tế bào

quang điện).

Hình 4.17 a) Sơ đồ cấu tạo cảm biến quang soi thấu b) Tín hiệu ra

78

1) Nguồn sáng 2) Thấu kính hội tụ 3) Thước đo

4) Lưới chia 5) Tế bào quang điện 6) Mã chuẩn

Khi thước đo (gắn với đối tượng khảo sát, chạy giữa thấu kính hội tụ và lưới

chia) có chuyển động tương đối so với nguồn sáng sẽ làm xuất hiện một tín hiệu

ánh sáng hình sin. Tín hiệu này được thu bởi các tế bào quang điện đặt sau lưới

chia. Các tín hiệu đầu ra của cảm biến được khuếch đại trong một bộ tạo xung điện

tử tạo thành tín hiệu xung dạng chữ nhật.

Các tế bào quang điện bố trí thành hai dãy và đặt lệch nhau một phần tư độ

chia nên ta nhận được hai tín hiệu lệch pha 90o (hình 4.17b), nhờ đó không những

xác định được độ dịch chuyển mà còn có thể nhận biết được cả chiều chuyển

động.

Để khôi phục điểm gốc trong trường hợp mất điện nguồn người ta trang bị

thêm mốc đo chuẩn trên thước đo ưu điểm của các cảm biến soi thấu là cự ly cảm

nhận xa, có khả năng thu được tín hiệu mạnh và tỉ số độ tương phản sáng tối lớn,

tuy nhiên có hạn chế là khó bố trí và chỉnh thẳng hàng nguồn phát và đầu thu.

5.3. Cảm biến đo dịch chuyển bằng sóng đàn hồi

Tốc độ truyền sóng đàn hồi v trong chất rắn ~ 103m/s. Thời gian truyền sóng

giữa hai điểm trong vật rắn cách nhau một khoảng l xác định bởi biểu thức:

Biết tốc độ truyền sóng v và đo thời gian truyền sóng tP ta có thể xác định

được khoảng cách l cần đo: l = vt P

Sơ đồ khối của một thiết bị đo dịch chuyển bằng sóng đàn hồi biểu diễn trên

hình 4.18.

Thời gian truyền sóng tP từ khi tín hiệu xuất hiện ở máy phát đến khi nó

được tiếp nhận ở máy thu được đo bằng máy đếm xung. Máy đếm hoạt động khi

bắt đầu phát sóng và đóng lại khi tín hiệu đến được máy thu.

Hình 4.18 Sơ đồ khối của một thiết bị đo dịch chuyển bằng sóng đàn hồi

Gọi số xung đếm được là N và chu kỳ của xung đếm là tH, ta có:

t P = Nt H

Khi đó:

l = vNt

(4.20)

H

79

5.4. Cảm biến sử dụng phần tử áp điện

Trong các cảm biến áp điện, sóng đàn hồi được phát và thu nhờ sử dụng

hiệu ứng áp điện. Hiệu ứng áp điện là hiện tượng khi một tấm vật liệu áp điện (thí

dụ thạch anh) bị biến dạng dưới tác dụng của một lực cơ học có chiều nhất định,

trên các mặt đối diện của tấm xuất hiện một lượng điện tích bằng nhau nhưng trái

dấu, ngược lại dưới tác động của điện trường có chiều thích hợp, tấm vật liệu áp

điện bị biến dạng.

Để đo dịch chuyển ta có thể sử dụng hai dạng sóng đàn hồi:

+ Sóng khối: dọc và ngang.

+ Sóng bề mặt.

Sóng khối dọc truyền cho các phần tử của vật rắn dịch chuyển dọc theo

phương truyền sóng tạo nên sự nén rồi lại giãn nở của các lớp của vật rắn. Sóng này

được kích thích bằng phần tử áp điện rung theo bề dày (hình 4.19a).

Sóng khối ngang gây nên dịch chuyển vuông góc với phương truyền sóng,

tạo ra chuyển động trượt tương đối giữa các lớp của vật rắn. Sóng này được kích

thích bằng một phần tử áp điện rung theo mặt cắt (hình 4.19b).

Hình 4.19 Các dạng sóng đàn hồi

a) Sóng dọc b) Sóng ngang c) Sóng bề mặt và dạng điện cực kích thích

Sóng bề mặt truyền trong lớp bề mặt của vật rắn, biên độ của chúng hầu như

bằng không ở độ sâu 2ë dưới bề mặt. Sóng bề mặt gồm một thành phần sóng dọc

và một thành phần sóng ngang. Nguồn kích thích sóng bề mặt là một hệ điện cực

kiểu răng lược cài nhau phủ lên bề mặt vật liệu áp điện (hình 4.19c). Khoảng cách

giữa hai răng kề nhau của các điện cực phải bằng λ để có thể gây ra biến dạng khi

có điện áp V cùng pha đặt vào và để tăng hiệu ứng của chúng. Máy thu sóng bề

mặt cũng có cấu tạo tương tự như máy phát được gắn cố định vào bề mặt vật rắn,

khi có sóng bề mặt đi qua, các răng của điện cực làm biến dạng bề mặt vật rắn và

gây nên điện áp do hiệu ứng áp điện.

80

5.5. Cảm biến âm từ

Sóng đàn hồi phát ra nhờ sử dụng hiệu ứng Wiedemam: hiện tượng xoắn

một ống trụ sắt từ khi nó chịu tác dụng đồng thời của một từ trường dọc và một từ

trường ngang.

Sóng đàn hồi được thu trên cơ sở sử dụng hiệu ứng Vilari: sức căng cơ học

làm thay đổi khả năng từ hoá và độ từ thẩm của vật liệu sắt từ.

Sơ đồ nguyên lý và cấu tạo của cảm biến âm từ trình bày trên hình 4.20.

Cấu tạo của cảm biến gồm ống sắt từ (1), nam châm di động (2) trượt dọc

ống gắn với vật cần xác định vị trí. Dây dẫn (3) nằm giữa trục ống và được nối với

máy phát xung (4). Máy thu (5) có lõi từ nối cơ học với ống.

Hình 4.20 Sơ đồ nguyên lý cảm biến âm từ

1) ống sắt từ 2) Nam châm 3) Dây dẫn 4) Máy phát xung 5) Đầu thu

Nguyên lý hoạt động của cảm biến: Máy phát (4) cung cấp một xung điện

truyền qua dây dẫn (3), xung này truyền với vận tốc ánh sáng (c), từ trường do nó

sinh ra có đường sức là đ−ờng tròn đồng tâm với trục ống. Khi sóng điện từ truyền

đến vị trí nam châm (2), sự kết hợp của hai từ trường làm cho ống bị xoắn cục bộ,

xoắn cục bộ này truyền đi trong ống dưới dạng sóng đàn hồi với vận tốc v. Khi

sóng đàn hồi đến máy thu (5) nó làm thay đổi độ từ hoá gây nên tín hiệu hồi đáp.

Gọi tP là thời gian từ khi phát xung hỏi đến khi nhận được xung hồi đáp, do

v<< c ta có:

(4.21)

Trong đó l là khoảng cách từ nam châm đến đầu thu, tP được đo bằng

phương pháp đếm xung.

81

CHƯƠNG V: CẢM BIẾN ĐO BIẾN DẠNG

Mục tiêu của bài:

Sau khi học xong bài này người học có khả năng:

- Trình bày được nguyên lý và các tính chất cơ bản của cảm biến đo biến dạng

- Phân loại và sử dụng các các loại cảm biến phù hợp.

- Nhận biết các ứng dụng cơ bản.

Dưới tác động của ứng lực cơ học, trong môi trường chịu ứng lực xuất

hiện biến dạng. Sự biến dạng của các cấu trúc ảnh hưởng rất lớn tới khả năng

làm việc cũng như độ an toàn khi làm việc của kết cấu chịu lực. Mặt khác giữa

ứng lực và biến dạng có mối quan hệ với nhau, dựa vào mối quan hệ đó người

ta có thể xác định được ứng lực khi đo biến dạng do nó gây ra. Bởi vậy đo biến

dạng là một vấn đề được quan tâm nhiều trong kỹ thuật.

1. Biến dạng và phương pháp đo

1.1. Định nghĩa một số đại lượng cơ học

-Biến dạng ε:là tỉ số giữa độ biến thiên kích thước (∆l) và kích thước ban

đầu (l).

Biến dạng gọi là đàn hồi khi mà ứng lực mất đi thì biến dạng cũng mất theo.

Biến dạng mà còn tồn tại ngay cả sau khi ứng lực mất đi được gọi là biến

dạng

- Giới hạn đàn hồi: là ứng lực tối đa không gây nên biến dạng dẻo vượt

2

quá 2%, tính bằng kG/mm . Ví dụ giới hạn đàn hồi của thép ~20 - 80 kG/mm .

- Môđun Young (Y): xác định biến dạng theo phương của ứng lực.

F - lực tác dụng, kG.

2

S - tiết diện chịu lực. mm .

- ứng lực, =F/S.

2

Đơn vị đo mođun Young là kG/mm . Mođun Young của thép ~ 18.000

2

- 29.000 kG/mm .

-Hệ số poison í: hệ số xác định biến dạng theo phương vuông góc với lực

tác dụng.

ε

= −νε

(5.3)

⊥

||

Trong vùng biến dạng đàn hồi ε ≈ 0,3.

1.2. Phương pháp đo biến dạng

Tác động của ứng lực gây ra sự biến dạng trong kết cấu chịu ứng lực. Giữa

biến dạng và ứng lực có quan hệ chặt chẽ với nhau, bằng cách đo biến dạng ta có

82

thể tính được ứng lực tác động lên kết cấu. Để đo biến dạng người ta sử dụng các

cảm biến biến dạng hay còn gọi là đầu đo biến dạng.

Hiện nay sử dụng phổ biến hai loại đầu đo biến dạng:

-Đầu đo điện trở: đây là loại đầu đo dùng phổ biến nhất. Chúng được chế tạo

từ vật liệu có điện trở biến thiên theo mức độ biến dạng, với kích thước nhỏ từ vài

mm đến vài cm, khi đo chúng được dán trực tiếp lên cấu trúc biến dạng.

-Đầu đo dạng dây rung được dùng trong ngành xây dựng. Đầu đo được làm

bằng một sợi dây kim loại căng giữa hai điểm của cấu trúc cần đo biến dạng. Tần

số của dây rung là hàm của sức căng cơ học, tần số này thay đổi khi khoảng cách

hai điểm nối thay đổi.

Trong chương này đề cập đến các đầu đo biến dạng thường dùng trong công

nghiệp như đầu đo điện trở kim loại, đầu đo điện trở bán dẫn - áp điện trở, ứng

suất kế dây rung và các đầu đo trong chế độ động.

2. Đầu đo điện trở kim loại

2.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Đầu đo điện trở kim loại có cấu tạo dạng lưới. Đối với đầu đo dạng lưới dây,

được làm bằng dây điện trở có tiết diện tròn (đường kính d ≈ 20 µm) hoặc tiết diện

chữ nhật axb (hình 5.1a). Đầu đo dạng lưới màng chế tạo bằng phương pháp mạch

in (hình 5.1b). Số nhánh n của cảm biến thường từ 10 - 20 nhánh.

Hình 5.1 Sơ đồ cấu tạo của đầu đo kim loại

a) Đầu đo dùng dây quấn b) Đầu đo dùng lưới màng

Cảm biến được cố định trên đế cách điện mỏng bề dày ~ 0,1 mm làm bằng

giấy hoặc ~ 0,03 mm làm bằng chất dẻo (polyimide, epoxy). Vật liệu làm điện trở

thường thuộc họ hợp kim Ni (bảng 5.1).

Bảng 5.1

Hợp kim

Thành phần

45%Ni, 55%Cu

Hệ số đầu

đo K

Constantan

2,1

Isoelastic

Karma

52%Fe, 36%Ni, 8%Cr, 4%(Mn+Mo)

74%Ni, 20%Cr, 3%Cu, 3%Fe

80%Ni, 20%Cr

3,5

2,1

2,5

Nicrome V

83

Bạch kim - vonfram

92%Pt, 8%W

4,1

Khi đo cảm biến được gắn vào bề mặt của cấu trúc cần khảo sát (hình 5.2),

kết quả là cảm biến cũng chịu một biến dạng như biến dạng của cấu trúc

Hình 5.2 Cách cố định đầu đo trên bề mặt khảo sát

1) Bề mặt khảo sát 2) Cảm biến 3)Lớp bảo vệ 4) Mối hàn

5) Dây dẫn 6) Cáp điện 7) Keo dán

Điện trở của cảm biến xác định bởi biểu thức :

Phương trình sai phân:

Biến dạng dọc ∆l của dây kéo theo biến dạng ngang của tiết diện, quan hệ

giữa biến dạng ngang và biến dạng dọc có dạng:

Tiết diện ngang của dây S = ab hoặc S = đd2/4, ta có:

Mặt khác, đối với đầu đo kim loại:

C - hằng số Bridman.V - thể tích dây, Vì V = S.l, ta có:

Và: