-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

b)
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
)
Tron
g
dải thôn
g
r

+=
1
g
S
CCC +=

x
y

z
Hình 6.4 Cảm biến thạch anh nhiều thành phần
a) Ký hiệu các trục b) Các phiến cắt đặc biệt c) Cảm biến ba thành phần vuông góc
a)
b)
c)

-103-
Trong dải thông rộng, cảm biến tơng đơng với một nguồn dòng mắc song
song với trở kháng trong (gồm ba nhánh) của cảm biến (hình6.5a). Nhánh , ,
đặc trng cho cộng hởng điện cơ thứ nhất ở tần số cao nằm ngoài dải thông của
cảm biến. Điện trở trong R
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

V
eqeq
eqeq
q
m
+
=

c) Sơ đồ khuếch đại điện tích
Trong mạch khuếch đại điện tích, sự di chuyển của điện tích ở lối vào sẽ gây
nên ở lối ra một điện áp tỉ lệ với điện tích đầu vào. Bộ khuếch đại điện tích gồm một
bộ biến đổi điện tích - điện áp đầu vào, một tầng chuẩn độ nhạy, một bộ lọc trung
gian và một số tầng khuếch đại ở đầu ra để cung cấp tín hiệu ra (hình 6.7a).
dQ
dt
R
S

C
S

R
e
C
e

V
m

Cảm biến và cá

Sơ đồ mạch ghép nối cảm biến với bộ chuyển đổi điện áp - điện tích trình bày
trên hình 6.7b.

6.3. Cảm biến từ giảo
6.3.1. Hiệu ứng từ giảo
Dới tác động của từ trờng, một số vật liệu sắt từ thay đổi tính chất hình học
hoặc tính chất cơ học (hệ số Young). Hiện tợng này đợc gọi là hiệu ứng từ giảo.
Khi có tác dụng của lực cơ học gây ra ứng lực trong vật liệu sắt từ làm thay đổi
đờng cong từ hoá của chúng, khi đó dựa vào sự thay đổi của độ từ thẩm hoặc từ d
có thể xác địnhđợc độ lớn của lực tác dụng. Đây là hiệu ứng từ giảo nghịch.

- Cơ chế từ hoá
: Nh chúng ta đã biết trong vật liệu sắt từ, mỗi nguyên tử đợc
đặc trng bởi một mômen từ. Để giảm thiểu năng lợng tổng cộng, momen từ của
các nguyên tử trong cùng một miền từ hoá tự nhiên (domen) phải hớng theo một

S

V
0
+Q

Q
C
r
b)

-105-
và kích thớc của các domen từ có hớng từ hoá thuận lợi trùng với hớng của từ
trờng bên ngoài tăng lên. Khi từ trờng ngoài tăng lên đến mức nào đó xảy ra hiện
tợng đảo hớng của các domen theo hớng từ trờng ngoài. Khi từ trờng ngoài đủ
mạnh sẽ làm quay hớng dễ từ hoá của các domen từ theo hớng từ trờng ngoài
dẫn đến bảo hoà (hinhd 6.8a).
- Hiện tợng từ trể
: Sau khi từ hoá lần đầu đến bảo hoà (H = H
m
), nếu vẫn giữ
nguyên phơng từ trờng và thực hiện một chu trình khép kín (H
m
,0,- H
m
,0) ta nhận
đợc đờng cong từ hoá nh hình 6.8b gọi là đờng cong từ trể với độ từ d B
r
là
kháng từ H

H
B
r
H
c
Hình 6.8 Đờng cong từ hoá
a) Từ hoá lần đầu b) Chu trình từ trễ
Khi tron
g
vật liệu sắt từ có
ứn
g
lực, kích thớc mạn
g
tin
h
thể tha
y
đổi, các hớn
g
dễ t
ừ
hoá tha
y
đổi dẫn đến làm tha
y
đổi định hớn
g
của các domen.
Hiện tợn

2

Hình 6.9 Sự biến dạng của đờng cong từ hoá
dới tác dụng của lực kéo
H (A/m)
a)
b)

-106-
theo sự thay đổi độ từ thẩm
à
, làm cho từ trở mạch từ thay đổi do đó độ tự cảm của
cuộn dây cũng thay đổi. Sự thay đổi tơng đối của L, R hoặc
à tỉ lệ với ứng lực ,
tức là với lực cần đo F:

=

=

=
à
à
.K
L
L
R
R
=


Sự thay đổi của từ thông sẽ làm xuất hiện trong cuộn dây một suất điện động tỉ lệ
với dB
r
/dt. Biểu thức của điện áp hở mạch có dạng:

dt
d
d
dB
K
dt
dB
KV
rr
m


==
Trong đó K là hệ số tỉ lệ với số vòng dây và tiết diện vòng dây.
6.4. Cảm biến đo lực dựa trên phép đo dịch chuyển
Trong cảm biến loại này, lực cần đo tác dụng lên vật trung gian và gây nên sự
thay đổi kích thớc l của nó. Sự thay đổi kích thớc đợc đo bằng một cảm biến
dịch chuyển. Khi đó tín hiệu ra V
m
và lực tác dụng đợc biểu diễn bằng biểu thức:

F

(hình 6.11a) đợc đặt dới điện áp V. Lới điện gồm hai hệ thống dây dẫn (X
1
,
X
2
, ) và (Y
1
, Y
2
, ) vuông góc với nhau tạo thành những ô vuông nhỏ, mỗi ô vuông
nhỏ đều có một điện cực đợc cách điện với dây dẫn của lới bao quanh nó, các
điện cực này nối với đất thông qua mạch đo dòng. Mặt trên của hệ thống đợc phủ
cao su có pha các hạt dẫn điện. Khi có lực nén tác dụng lên một phần nào đó của
tấm cao su, khoảng cách giữa các hạt dẫn điện ở phần đó ngắn lại, điện trở giảm
xuống, dòng điện tăng lên (hình 6.11b). Toạ độ của vùng có dòng điện tăng lên sẽ
xác định vị trí của lực tác dụng và giá trị của nó xác định giá trị của lực.