<span class="text_page_counter">Trang 1</span><div class="page_container" data-page="1">

<b>BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOTRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT</b>

<b>THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH</b>

<b>MƠN HỌC :ĐO LƯỜNG VÀ CẢM BIẾN</b>

<b>ĐỀ TÀI: CẢM BIẾN ĐO LỰC VÀ XÁC ĐỊNH TRỌNG LỰC VẬT</b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 2</span><div class="page_container" data-page="2">

<b>1.4 Ưu và nhược điểm...5</b>

<b>CHƯƠNG 2: CẢM BIẾN ÁP ĐIỆN TRỞ...6</b>

<b>2.1 Nguyên lí chung...6</b>

<b>2.2 Cảm biến áp điện trở kim loại...6</b>

<b>2.3 Cảm biến áp điện trở bán dẫn...8</b>

<b>2.4 Ứng dụng...11</b>

<b>2.5 Ưu điểm và nhược điểm...12</b>

<b>CHƯƠNG 3: CẢM BIẾN TRỌNG LƯỢNG...14</b>

<b>3.1 Cấu tạo...14</b>

<b>3.2 Nguyên lý cầu điện trở wheatstone...17</b>

<b>3.3 Nguyên lí hoạt động của loadcell...20</b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 3</span><div class="page_container" data-page="3">

<b>LỜI MỞ ĐẦU</b>

<b>Giới thiệu về cảm biến đo lực và xác định trọng lượngvật</b>

Cảm biến do lực (Loadcell) và xác định trọng lượng vật là thiết bị dùng để phát hiện và chuyển đổi các đại lượng cơ học như lực căng, áp suất, trọng lượng, mô-men xoắn, biến dạng và ứng suất thành tín hiệu điện. Cảm biến lực có thể được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như cân điện tử, điều khiển công nghiệp, kiểm tra các giá trị lực căng, kéo, nén. Cấu tạo của cảm biến đo lực gồm ba bộ phận chính: thành phần nhạy cảm với lực, thành phần chuyển đổi tín hiệu và mạch chuyển đổi tín hiệu.

<b>Mục đích của bài báo cáo</b>

Giới thiệu về cảm biến đo lực và xác định trọng lượng vật Phân loại cảm biến đo lực và xác định trọng lượng vật Cấu tạo của cảm biến đo lực và xác định trọng lượng vật Nguyên lý hoạt động của cảm biến đo lực và xác định trọng lượng vật

Ứng dụng của cảm biến đo lực và xác định trọng lượng vật Lập trang data dữ liệu tìm kiếm từ các hãng sản xuất

<small>1</small>

</div><span class="text_page_counter">Trang 5</span><div class="page_container" data-page="5">

<b>CHƯƠNG 1: CẢM BIẾN BIẾN DẠNG1.1 Cấu tạo</b>

Cảm biến biến dạng gồm một sợi dây dẫn có điện trở suất (thường dùng hợp kim của Niken) có chiều dài là l và có tiết diện s, được cố định trên một phiến cách điện như hình:

Hình 1.1 Cấu tạo của cảm biến biến dạng

Hình 1.2 Cảm biến biến dạng (Strain gauge)

<b>1.2 Nguyên lí hoạt động cơ bản</b>

Nguyên lý hoạt động của cảm biến lá strain gauge hoạt động dựa trên đặc tính chung của kim loại, đó là điện trở của kim loại <small>3</small>

</div><span class="text_page_counter">Trang 6</span><div class="page_container" data-page="6">

sẽ thay đổi khi chúng bị biến dạng. Giá trị của điện trở tỷ lệ nghịch với diện tích mặt cắt và tỷ lệ thuận với chiều dài của vật liệu kim loại.

Khi đo biến dạng của một bề mặt dùng strain gage, người ta dán chặt strain gage lên trên bề mặt cần đo sao cho khi bề mặt bị biến dạng thì strain gage cũng bị biến dạng. Điện trở cảm biến

(1.1)

Khi cảm biến bị biến dạng, do kích thước của dây dẫn bị thay đổi nên điện trở của cảm biến thay đổi một lượng ∆R:

(1.2)

Trong cảm biến điện áp điện trở, có hai thơng số cơ bản là độ biến dạng ε được định nghĩa là độ thay đổi chiều dài trên chiều dài ban đầu (ε=∆L/L ), và hệ số biến dạng K (gauge factor) hay còn được gọi là độ nhạy là tỉ số thay đổi tương đối điện trở trên độ biến dạng:

(1.3)

với R là điện trở ban đầu của cảm biến, ∆R là độ thay đổi điện trở.

<b>1.3 Ứng dụng </b>

<b>1.3.1 Đo lực dùng bảm biến biến dạng</b>

Để đo lực tác động lên một vật thể, ta dán strain gage vào một vật ứng lực (vật chứng) đặt giữa điểm tác dụng lực và vật chịu tác động sao cho biến dạng của cảm biến bằng với biến dạng của vật chứng, dưới tác dụng của lực tác động, vậtchứng bị biến dạng sẽ làm cảm biến biến dạng là thay đổi điện trở của cảm biến, đo sự thay đổi điện trở của cảm biến ta suy ra lực tác dụng.

<small>4</small>

</div><span class="text_page_counter">Trang 7</span><div class="page_container" data-page="7">

Hình 1.3 Cảm biến Strain gauge

Khi vật chứng bị tác dụng bởi lực F nó sẽ bị biến dạng theo phương ứng lực một lượng:

Trong đó: là biến dạng của vật chứng, là ứng lực, Y là module Young, S là tiết diện của vật chứng, F là lực tác dụng. Các vật liệu khác nhau thì module Young sẽ khác nhau.

<b>1.3.2 Đo lực ép cho máy ép cột bê tơng</b>

Hình 1.4 Máy ép cọc bê tơng

<b>1.3.3 Ứng dụng trong cơng nghiệp</b>

Hệ thống cân:

• Hệ thống cân xe tải trên đường cao tốc • Hệ thống cân trong mơi trường sản xuất

• Máy nghiền sử dụng thiết bị đo lực căng để phát hiện ứng suất tăng đột ngột và tắt máy nếu máy bị kẹt trước khi máy bị hỏng

<small>5</small>

</div><span class="text_page_counter">Trang 8</span><div class="page_container" data-page="8">

• Các mặt hàng có trọng lượng giống hệt nhau như đinh vít, đinh tán, v.v., thường được tính theo trọng lượng của chúng. Chúng được đưa vào một phễu để cân và chia trọng lượng tổng thể cho trọng lượng của mỗi đơn vị để tính tốn số lượng.

Kiểm tra các thành phần quan trọng:

• Thiết bị đo biến dạng rất nhỏ được sử dụng để đo ứng suất trên bảng mạch in

• Kiểm tra ứng suất dư trên các bộ phận đúc và hàn • Thiết bị đo độ căng được sử dụng để kiểm tra các

van quan trọng trong nhà máy điện hạt nhân Thử nghiệm hệ thống nhà máy:

• Giám sát hệ thống băng tải và đường ray băng tải. • Kiểm tra lực căng phù hợp trong các nhà máy giấy

là rất quan trọng đối với sản xuất giấy và giảm thiểu thời gian ngừng hoạt động và tổn thất sản xuất

• Máy ép in sử dụng hệ thống đo lực căng để đảm bảo căn chỉnh giấy

<b>1.3.4 Ứng dụng trong ô tô</b>

Các tấm ở đầu xe thường được thiết kế với hàng chục thiết bị đo lực căng. Điều này cho phép các kỹ sư theo dõi tình trạng của các tấm này trong nhiều điều kiện môi trường khác nhau ở nhiều tốc độ khác nhau và trên các bề mặt đường khác nhau.

Hệ thống treo chịu tải động và tải tĩnh liên tục trong quá trình vận hành của xe và được kiểm tra để đảm bảo rằng chúng đang chịu những tải trọng này theo tiêu chí thiết kế của chúng

<small>6</small>

</div><span class="text_page_counter">Trang 9</span><div class="page_container" data-page="9">

Kiểm tra vùng đệm và vùng xung quanh trong các bài kiểm tra va chạm liên quan đến thiết bị đo lực căng, ngoài cảm biến đo gia tốc và máy ảnh tốc độ cao

Thiết bị đo lực căng được sử dụng trên ghế hành khách để xác định xem ghế có người ngồi hay khơng. Điều này xác định xem liệu các túi khí ở ghế này có nên bung ra trong trường hợp xảy ra tai nạn hay khơng. Chúng cũng có thể được sử dụng để điều chỉnh tốc độ bung túi khí trong trường hợp trẻ em ngồi trên ghế.

<b>1.4 Ưu và nhược điểm</b>

Khả năng ứng dụng rộng rãi: Strain gauge có thể được sử dụng trong nhiều trường hợp khác nhau.

<b>1.4.2 Nhược điểm</b>

Giá thành cao: Strain gauge có giá thành cao hơn so với các phương pháp kiểm tra khác.

Yêu cầu kỹ thuật cao: Kiểm tra cần được thực hiện bởi các kỹ sư có trình độ chun mơn.

<small>7</small>

</div><span class="text_page_counter">Trang 10</span><div class="page_container" data-page="10">

<b>CHƯƠNG 2: CẢM BIẾN ÁP ĐIỆN TRỞ2.1 Nguyên lí chung</b>

Cảm biến áp điện trở nguyên lý chung là sử dụng hiệu ứng áp điện để biến đổi áp suất thành điện tích. Khi có áp suất tác động lên màng cảm biến, màng sẽ bị biến dạng. Sự biến dạng này sẽ làm thay đổi điện trở của các phần tử áp điện trở được cấy trên màng. Sự thay đổi điện trở này sẽ được chuyển đổi thành tín hiệu điện áp hoặc dòng điện để đo giá trị áp suất.Tùy theo vật liệu chế tạo và hình thức hoạt động mà ta có các loại áp điện trở khác nhau như loại bán dẫn /kim loại và loại dán/ khuyếch tán.Cảm biến điện trở kim loại thường là loại dán trong khi cảm biến áp điện trở bán dẫn thường hoạt động theo hình thức khuyếch tán.

<b>2.2 Cảm biến áp điện trở kim loại2.2.1 Định nghĩa</b>

Cảm biến áp điện trở kim loại là loại cảm biến dùng để đo áp suất bằng cách sử dụng hiệu ứng áp điện trong các kim loại.. Điện trở kim loại có độ nhạy áp điện cao, do đó cảm biến áp điện trở kim loại có độ chính xác cao. Cảm biến áp suất áp điện <small>8</small>

</div><span class="text_page_counter">Trang 11</span><div class="page_container" data-page="11">

trở tên tiếng anh là Piezoresistive Pressure Sensor hay còn gọi là cảm biến áp suất áp điện trở, phần tử đo là Cầu Wheatstone dựa trên silicon. Nó mở rộng tối thiểu dưới áp lực thay đổi điện trở theo cách này. Hiệu ứng này thường được gọi là hiệu ứng áp điện. Cảm biến áp suất kiểu áp điện trở là loại cảm biến thơng dụng và có nhiều ứng dụng hay trong cuộc sống.

Hiệu ứng áp điện là hiệu ứng thuận nghịch, xảy ra trong một số chất rắn như thạch anh, gốm kỹ thuật,… Khi đặt dưới áp lực thì bề mặt khối chất rắn phát sinh điện tích, và ngược lại nếu tích điện bề mặt thì khối sẽ nén dãn.

<b>2.2.2 Cấu tạo</b>

Thành phần deltaP/P của cảm biến áp điện trở là độ nhạy áp điện. Độ nhạy áp điện là đại lượng biểu thị mức độ biến đổi của điện trở của cảm biến khi chịu tác động của áp suất. Độ nhạy áp điện được tính bằng tỷ số giữa độ thay đổi điện trở của

cảm biến và áp suất tác động lên cảm biến.

<small>9</small>

</div><span class="text_page_counter">Trang 12</span><div class="page_container" data-page="12">

Hình 2.1 Cấu tao cảm biến áp điện trở kim loại

Cấu tạo của cảm biến áp điện trở kim loại bao gồm 3 phần chính: Màng cảm biến, Điện trở kim loại, Mạch điện tử.Ngồi ra cịn có phần vỏ cảm biến để bảo vệ các linh kiện bên trong cảm biến và đầu đo bằng kim loại.

<b>2.2.2.1 Mạch cảm biến</b>

Là bộ phận chịu tác động của áp suất. Màng cảm biến thường được làm từ các vật liệu có độ cứng cao, độ bền cao, và khả năng chống ăn mòn tốt, chẳng hạn như thép không gỉ, gốm, hoặc nhựa.

<b>2.2.2.2 Điện trở kim loại</b>

Là phần tử áp điện trở. Điện trở kim loại thường được làm từ các vật liệu có độ nhạy áp điện cao, chẳng hạn như bạch kim, đồng, nhôm, hoặc thép khơng gỉ. Điện trở kim loại có thể được cấy trực tiếp trên màng cảm biến, hoặc được gắn trên màng cảm biến thông qua các cầu nối điện trở.

<b>2.2.2.3 Mạch điện tử </b>

Chuyển đổi tín hiệu điện trở thành tín hiệu điện áp hoặc dịng điện. Mạch điện tử thường được tích hợp sẵn trong cảm biến, hoặc có thể được kết nối với cảm biến thơng qua các đầu nối điện.

<b>2.2.2.4 Đầu đo kim loại</b>

Đầu đo của cảm biến áp điện trở được làm bằng kim loại dạng màng mỏng , được gắn trongn khung kim loại có điện trở suất thay đổi theo áp suất

<small>10</small>

</div><span class="text_page_counter">Trang 13</span><div class="page_container" data-page="13">

Hình 2.2 Sơ đồ cấu tạo của đầu đo kim loại

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

<b>2.3 Cảm biến áp điện trở bán dẫn2.3.1 Định nghĩa</b>

Cảm biến áp điện trở bán dẫn là một loại cảm biến áp suất sử dụng nguyên lý biến đổi áp suất tác dụng lên màng điện trở bán dẫn thành tín hiệu điện. Màng điện trở bán dẫn được làm từ vật liệu bán dẫn có điện trở suất thay đổi theo áp suất. Khi áp suất tác dụng lên màng điện trở bán dẫn, điện trở của màng điện trở bán dẫn sẽ thay đổi theo một quy luật nhất định. Sự thay đổi điện trở này được chuyển đổi thành tín hiệu điện và đưa ra đầu ra của cảm biến.

Cảm biến áp điện trở bán dẫn là loại cảm biến sử dụng các chất bán dẫn như silic, germani, asenua,… để biến đổi áp suất thành điện trở1. Cảm biến này có hai loại: loại cắt và loại khuếch tán2. Khi bị biến dạng, kích thước các ô mạng tinh thể thay đổi làm cho nồng độ điện tử trong vùng đó độ dẫn thay đổi theo làm cho điện trở bị thay đổi3. Công thức tính điện trở của

</div><span class="text_page_counter">Trang 17</span><div class="page_container" data-page="17">

Phạm vi đo của cảm biến áp điện trở được xác định bởi điện trở của cảm biến và hệ số độ nhạy áp điện. Điện trở của cảm biến càng lớn thì phạm vi đo càng rộng. Hệ số độ nhạy áp điện càng cao thì phạm vi đo càng rộng.

Ví dụ, cảm biến áp điện trở có điện trở là 100 ohm và độ nhạy áp điện là 100 ppm/psi có thể đo được áp suất từ 0 đến 10 psi.

Độ tuyến tính cao:

Độ tuyến tính của cảm biến áp điện trở được đo bằng hệ số tuyến tính (linearity coefficient), là độ sai lệch của kết quả đo so với đường thẳng tuyến tính đi qua các điểm đo. Độ tuyến tính càng cao thì kết quả đo càng chính xác.

Ví dụ, cảm biến áp điện trở có độ tuyến tính là 0,1% có thể đo được áp suất với độ chính xác là ±0,01 psi.

Tuổi thọ cao:

Tuổi thọ của cảm biến áp điện trở phụ thuộc vào vật liệu làm điện trở của cảm biến. Các vật liệu có độ bền cao sẽ cho phép cảm biến hoạt động được trong thời gian dài hơn.

Ví dụ, cảm biến áp điện trở làm bằng vật liệu gốm có tuổi thọ lên đến 10 năm.

Giá thành rẻ:

Giá thành của cảm biến áp điện trở phụ thuộc vào vật liệu làm điện trở của cảm biến, kích thước của cảm biến và độ chính xác của cảm biến. Các cảm biến có độ chính xác cao thường có giá thành cao hơn.

Ví dụ, cảm biến áp điện trở có độ chính xác ±0,1% có giá thành cao hơn cảm biến áp điện trở có độ chính xác ±0,5%.

<b>2.4.2 Nhược điểm</b>

Nhạy cảm với nhiệt độ:

<small>15</small>

</div><span class="text_page_counter">Trang 18</span><div class="page_container" data-page="18">

Hiệu ứng áp điện phụ thuộc vào nhiệt độ, do đó điện trở của cảm biến áp điện trở sẽ thay đổi khi nhiệt độ thay đổi. Điều này có thể dẫn đến sai lệch kết quả đo.

Để khắc phục nhược điểm này, các cảm biến áp điện trở thường được hiệu chuẩn theo nhiệt độ. Điều này giúp đảm bảo kết quả đo chính xác trong phạm vi nhiệt độ hoạt động của cảm biến.

Nhạy cảm với nhiễu:

Cảm biến áp điện trở có thể bị ảnh hưởng bởi nhiễu điện từ, chẳng hạn như nhiễu từ các thiết bị điện tử xung quanh. Điều này có thể dẫn đến sai lệch kết quả đo.

Để khắc phục nhược điểm này, các cảm biến áp điện trở thường được sử dụng trong mơi trường có ít nhiễu. Ngồi ra, các mạch lọc nhiễu cũng có thể được sử dụng để giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu điện từ.

<small>16</small>

</div><span class="text_page_counter">Trang 19</span><div class="page_container" data-page="19">

<b>CHƯƠNG 3: CẢM BIẾN TRỌNG LƯỢNG3.1 Cấu tạo</b>

Hình 3.1 Một số loại load cell của hãng Siemens

Cấu tạo: Bộ phận chính của loadcell là những tấm điện trở mỏng loại dán. Tấm điện trở để biến đổi một biến dạng nhỏ thành sự thay đổi tương ứng trong điện trở. Thân loadcell là một khối kim loại đàn hồi (nhôm hợp kim, thép không gỉ, thép hợp kim). Một mạch đo dùng các miếng biến dạng sẽ cho phép thu được một tín hiệu điện tỉ lệ với mức độ thay đổi của điện trở. Mạch thông dụng nhất sử dụng trong loadcell là cầu Wheatstone.

Hình 3.2 Cấu tạo load cell

Cấu tạo chính của loadcell gồm các điện trở strain gauges R1, R2, R3, R4 kết nối thành 1 cầu điện trở Wheatstone như hình dưới và được dán vào bề mặt của thân loadcell. R là điện <small>17</small>

</div><span class="text_page_counter">Trang 20</span><div class="page_container" data-page="20">

trở danh nghĩa ban đầu của các điện trở R1, R2, R3, R4 (thường là 120 ohms, nhưng có thể là 350 ohms dành cho các bộ cảm biến).

Hình 3.3 Sơ đồ cầu Wheatstone

Một điện áp kích thích được cung cấp cho ngõ vào loadcell (2 góc (1) và (4) của cầu điện trở Wheatstone) và điện áp tín hiệu ra được đo giữa hai góc.

Tại trạng thái cân bằng (trạng thái không tải), điện áp tín hiệu ra là số khơng hoặc gần bằng khơng khi bốn điện trở được gắn phù hợp về giá trị.

<small>18</small>

</div><span class="text_page_counter">Trang 21</span><div class="page_container" data-page="21">

Hình 3.4 Vị trí gắn cảm biến áp điện trở trong các dạng load cell

Hình 3.5 Load cell loại FSS của hãng Honeywell

Bảng 3.1 Thông số của load cell hãng Honeywell, FSS series

<small>19</small>

</div><span class="text_page_counter">Trang 22</span><div class="page_container" data-page="22">

<b>3.2 Nguyên lý cầu điện trở wheatstone</b>

Hình 3.6 Cảm biến áp điện trở nối theo mạch cầu 1/4 Khi chịu lực tác động, nói chung các giá trị điện trở của cảm biến áp điện trở thường thay đổi tương đối nhỏ. Vì vậy, người ta rất thưịng dùng mạch cầu Wheatstone làm mạch đo cho cảm biến áp điện trở do đặc điểm mạch câu này là rất nhạy với những sự thay đổi nhỏ. Có ba phương pháp cơ bản nối cảm biến áp điện trở trong mạch cầu: mạch cầu 1/4 (quarter-bridge), mạch cầu bán phần (half-bridge), và mạch câu toàn phần (full-bridge).

Trong trường hợp mạch cầu 1/4 như hình trên, điện áp ra của mạch cầu được xác định theo công thức:

Theo công thức trên, ta có và thơng thường , nên cơng thức trên có thể viết lại thành:

Trong trường hợp mạch cầu bán phần như hình trên, với cách tính tương tự thì điện áp của mạch cầu là:

<small>20</small>

</div><span class="text_page_counter">Trang 23</span><div class="page_container" data-page="23">

Hình 3.7 Cảm biến áp điện trở nối theo mạch cầu bán phần

Hình 3.8 Cảm biến áp điện trở nối theo mạch cầu toàn phần Tương tự với mạch cầu tồn phần như hình 3.7 thì điện áp ra là:

Như vậy, đối với mạch cầu bán phần và tồn phần thì điện áp ra lần lượt lớn gấp hai và gấp bốn lần so với mạch cầu 1/4. Thêm nữa,mạch cầu bán phần và toàn phân loại trừ được hồn tồn ảnh hưởng của mơi trường (nhiều) tác động lên cảm biến. Điều này là do các cảm biến được đặt trong cùng môi trường nên nếu có sự thay đổi điện trở do nhiễu gây ra thì tất cả các cảm biến đều thay đổi cùng một giá trị. Vì vậy, trong cơng thức điện áp ra,các sự thay đổi điện trở do nhiễu gây ra này sẽ tự triệt tiêu nhau và điện áp ra chỉ còn phụ thuộc vào sự thay đổi điện trở do lực gây ra. Chính vì lý do này mà trong thực tế, mạch cầu bán phần và toàn phần được sử dụng hầu hết trong <small>21</small>

</div><span class="text_page_counter">Trang 24</span><div class="page_container" data-page="24">

các mạch đo các biển liên quan đến điện trở (nhiệt điện trở, áp điện trở, biến trở...) hoặc cảm biến điện dung/điện cảm nối theo kiểu vi sai

Hình 3.9 Điện trở dây dẫn gây sai số khi cảm biến đặt xa mạch cầu

Hình 3.10 Thay một cảm biến vào nhánh đối diện cảm biến kia để triệt tiêu ảnh hưởng của dây dẫn và nhiễu trong mạch cầu

Cũng trong trường hợp mạch cầu 1/4 nhưng nếu cảm biến đặt xa vị trí mạch cầu như hình trên thì dây dẫn có một giá trị điện trở Rd nào đó đáng kể, ít nhiều có thể gây ra sai số ảnh hưởng đến độ chính xác kết quả đo. Vì vậy, để khắc phục sai số này, người ta đặt thêm một cảm biến áp điện trở cùng loại ở vị trí gần cảm biến kia và nối vào nhánh đối diện của mạch cầu như trong hình trên. Một lưu ý quan trọng trong sơ đồ này là chỉ có một cảm biến chịu tác động của lực cịn cảm biến kia hồn tồn cách ly với lực tác động. Hai cảm biến này sẽ triệt tiêu <small>22</small>

</div>