-99-
Chơng VI
Cảm biến đo lực
6.1. Nguyên lý đo lực
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.
Theo định luật cơ bản của động lực học, lực đợc xác định bởi biểu thức:

aMF =
(6.1)
Trong đó:
F
- lực tác dụng (N).
M - khối lợng của vật (kg).
a
- gia tốc của vật (m/s
2
).
Theo công thức (6.1), khi một lực có cờng độ F (N) tác động vào một vật có
khối lợng M (kg) sẽ gây ra gia tốc a (m/s
2
).
Nguyên tắc đo lực là làm cân bằng lực cần đo với một lực đối kháng sao cho
lực tổng cộng và momen tổng của chúng bằng không.
Trong các cảm biến đo lực thờng có một vật trung gian chịu tác động của lực
cần đo và biến dạng. Biến dạng của vật trung gian là nguyên nhân gây ra lực đối
kháng và trong giới hạn đàn hồi biến dạng tỉ lệ với lực đối kháng.
Biến dạng và lực gây ra biến dạng có thể đo trực tiếp bằng cảm biến biến dạng,
hoặc đo gián tiếp nếu một trong những tính chất điện của vật liệu chế tạo vật trung

thấu
Điện trở
suất
(

.m)
Modun
Young
(10
9
N.m
-2
)
ứ
ng lực
cực đại
(10
7
N.m
-2
)
Nhiệt độ
làm việc
T
max
(
o
C)
Thạch anh


11
=1.700
10
11
Y
33
=53 7-8 365

Dới tác dụng của lực cơ học, tấm áp điện bị biến dạng, làm xuất hiện trên hai
bản cực các điện tích trái dấu. Hiệu điện thế xuất hiện giữa hai bản cực tỉ lệ với lực
tác dụng.
Các biến dạng cơ bản xác định chế độ làm việc của bản áp điện. Trên hình 6.1
biểu diễn các biến dạng cơ bản của bản áp điện.
Hình 6.1 Các dạng biến dạng cơ bản
a) Theo chiều dọc b) Theo chiều ngang c) Cắt theo bề dày d) Cắt theo bề mặt
+

+

+


theo trục.

Giới hạn trên của dải đo phụ thuộc vào diện tích bề mặt của các vòng đệm, cỡ
từ vài kN (với đờng kính ~ 1 cm) đến 10
3
kN ( với đờng kính ~ 10 cm).
Ngời ta cũng có thể dùng cảm biến loại này để đo lực kéo bằng cách tạo lực
nén đặt trớc (dùng các bulông xiết chặt các vòng đệm), khi đó lực kéo đợc đo nh
sự sụt giảm của lực nén. Tuy nhiên, khi đó độ nhạy giảm 5 - 10%.

+

+

+

+

+

+ +

Trong cảm biến loại này, các vòng đệm thạch anh đợc cắt theo các hớng
khác nhau, khi đó chúng chỉ nhạy với một hớng xác định của lực. Thạch anh có năm hệ số điện áp d
11
, d
12
, d
14
, d
25
, d
26
, do đó một vòng đệm cắt
theo phơng của trục X chỉ nhạy với lực nén (vì có d
11
), các lực ký sinh tác động
theo cạnh bên đều không gây nên hiệu ứng với vòng đệm và các ứng lực mà hiệu
ứng của chúng liên quan đến d
12
, d
14
sẽ không có mặt. Tơng tự nh vậy, một vòng

dQ
dt
R
g
C
g
dQ
dt
R
g

C
g

a)
c)
Hình 6.5 Sơ đồ tơng đơng của cảm biến áp điện
a
) Trong dải thông rộng b) Trong dải thông có ích c) Nối với mạch ngoài
dQ
dt
R
S
C
S

1gs

g
là điện trở cách điện của vật liệu áp điện, khi ở tần số
thấp nó trở thành trở kháng trong của cảm biến. Tụ điện C
g
là điện dung của nguồn
phát điện tích, khi ở tần số trung bình và cao nó trở thành trở kháng của cảm biến.
Trên thực tế ở dải thông thờng sử dụng, ngời ta dùng mạch tơng đơng
biểu diễn ở hình 6.5b.
Khi nối cảm biến với mạch ngoài bằng cáp dẫn, trở kháng của cáp dẫn tơng
đơng điện trở R
1
và tụ điện C
1
mắc song song với cảm biến, khi đó mạch tơng
đơng có dạng hình 6.5c.
b) Sơ đồ khuếch đại điện áp
Trở kháng vào của bộ khuếch đại điện áp tơng đơng với một điện trở R
e
mắc
song song với một tụ C
e
, khi đó mạch tơng đơng có dạng hình 6.6.
R
e
C
e

V
m

Cảm biến và cá
p nối
Trở kháng vào và
khuếc đại điện thế
Hình 6.6 Sơ đồ tơng đơng của cảm biến
mắc nối tiếp với bộ khuếch đại điện thế
V
m

dQ
dt
R
eq
C
eq

eSeq
R
1
R
1
R