Bài 7: CẢM BIẾN LỰC

Lực là một đại lượng vật lý thường được xác định theo định luật Newton:F=ma (N) (1.1)Trong đó: m- khối lượng của vật chịu tác động của lực, (kg)a-gia tốc chịu tác dụng của lực có được, (m/s¬¬2)Để cảm biến lực có thể đo theo nhiều cách khác nhau:-Đo gia tốc của vật trung gian có khối lượng đã biết để xác định lực theo (1.1)-Cân bằng lực cần đo với một lực đối kháng có thể xác định trị số.-Cân bằng lực cần đo với một lực điện từ có thể xác định trị số.-Biến đổi lực thành...
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Bài 7: CẢM BIẾN LỰC Bài 7: CẢM BIẾN LỰC7.1 .KHÁI NIỆM CHUNG:Lực là một đại lượng vật lý thường được xác định theo định luật Newton: F=ma (N) (1.1) Trong đó: m- khối lượng của vật chịu tác động của lực, (kg) a- gia tốc chịu tác dụng của lực có được, (m/s2) Để cảm biến lực có thể đo theo nhiều cách khác nhau: - Đo gia tốc của vật trung gian có khối lượng đã biết để xác định lực theo (1.1) - Cân bằng lực cần đo với một lực đối kháng có thể xác định trị số. - Cân bằng lực cần đo với một lực điện từ có thể xác định trị số. - Biến đổi lực thành áp suất chất lỏng và đo áp suất này. - Đo ứng suất tạo ra ở một vật trung gian khi nó chụi tác động của lực cần đo và từ đó suy ra lực. Đo lực rất cần trong xây dựng, chế tạo cơ khí, tự động hóa,..nên các cảm biến lực, ngẫulực, ứng suất, áp suất rất đa dạng.Dãi đo lực rộng, từ vài phần N đến hàng chục triệu N.1.2. CẢM BIẾN ÁP ĐIỆN: 7.2.1. Hiệu ứng áp điện:Hiệu ứng áp điện là sự xuất hiện phân cực điện hay thay đổi phân cực điện đã có trong vàichất điện môi tự nhiên( thạch anh, tuamalin,…)Hoặc điện môi nhân tạo( thạch anh tổng hợp, sulfat liti,…)Khi chúng bị biến dạng cho một lực tác dụng có chiều nhất định.Hiệu ứng áp điện có tính chất thận nghịch: - Thuận: hai bản cực có một tụ điện được áp lên hai mặt đối diện của một phiến áp điện mỏng. Khi tác dụng một lực lên 2 bản cực để ép phiến áp điện thì trên 2 bản cực xuất hiện các điện tích trái dấu. Hiệu điện thế giữa 2 bản cực tỷ lệ với lực ép. Lực ngừng tác động thì hiệu điện thế không còn nữa. CB áp điện này cho phép đo lực tác dụng cũng như đo các đại lượng vật lý gây ra tácđộng giống như lực, chẳng hạn áp suất, gia tốc, rung. - Nghịch: cấp một điện áp vào 2 bản cực, một điện trường giữa hai bản cực được tạo ra và dưới tác động của điện trường này, phiến áp điện bị biến dạng và trong điều kiện thích hợp, phiến áp điện có thể có trạng thái cộng hưởng cơ học. Tính chất này được sử dụng để chế tạo máy siêu âm, bộ lọc hay bộ điều khiển dao động. 7.2.2. CÊu t¹o và nguyªn lý ho¹t ®éng: Cảm biến áp điện hoạt động dựa trên nguyên lý của hiệu ứng áp điện.Phần tử cơ bản của một cảm biến áp điện có cấu tạo tương tự một tụ điện được chế tạobằng cách phủ hai bản cực lên hai mặt đối diện của một phiến vật liệu áp điện m ỏng. Vậtliệu áp điện thường dùng là thạch anh vì nó có tính ổn định vỡ độ cứng cao. Tuy nhiên hi ệnnay vật liệu gốm (ví dụ gốm PZT) do có ưu điểm độ bền vỡ độ nhạy cao, điện dung lớn, ítchịu ảnh hưởng của điện trường ký sinh, dễ sản xuất vỡ giá thành chế tạo thấp cũng đ ượccsử dụng đáng kể.Đặc trưng vật lý của một số vật liệu áp điện được trình bày trên bảng 6.1. 61 Dưới tác dụng của lực cơ học, tấm áp điện bị biến dạng, làm xuất hiện trên hai bản c ựccác 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 lμm việc của bản áp điện. Trên hình vẽ biểu diễn cácbiến dạng cơ bản của bản áp điện.Trong nhiều trường hợp các bản áp điện được ghép thành bộ theo cách ghép n ối ti ếp ho ặcsong song. Truờng hợp ghép song song hai bản áp điện (hình a), điện dung của cảm biến tăng gấp đôiso với truờng hợp một bản áp điện. Khi ghép nối tiếp (hình b) điện áp h ở m ạch và trở khángtrong tăng gấp đôi nhưng điện dung giảm xuống còn một nửa. Những nguyên tắc trên ápdụng cho cả trường hợp ghép nhiều bản áp điện với nhau như biểu diễn trên hình c.7.2.3. Cảm biến thạch anh kiểu vòng đệmCác cảm biến thạch anh kiểu vòng đệm có cấu tạo như hình vẽ, chúng gồm 62các phiến cắt hình vòng đệm ghép với nhau và chỉ nhạy với lực nén tác d ụng d ọctheo trục. 1) Các vòng đệm, 2) Các tấm đế, 3) Đầu nối.Giới hạn trên của dải đo phụ thuộc vào diện tích bề mặt của các vòng đệm, cỡ từ vài kN(với đường kính ~ 1 cm) đến 103 kN ( với đường kính ~ 10 cm).Người ta cũng có thể dùng cảm biến loại này để đo lực kéo bằng cách tạo lực nén đ ặt trước(dùng các bulông xiết chặt các vòng đệm), khi đó lực kéo được đo như sự s ụt giảm c ủa l ựcnén. Tuy nhiên, khi đó độ nhạy giảm 5 - 10%.7.2.4. Cảm biến thạch anh nhiều thành phầnTrong cảm biến loại này, các vòng đệm thạch anh được cắt theo các hướng khác nhau, khi đóchúng chỉ nhạy với một hướng xác định của lực.a) ký hiệu các trục. a) Các phiến cắt đặc biệt, c) Cảm biến ba thành phần vuông góc Thạch anh có năm hệ số điện áp d11, d12, d14, d25, d26, do đó một vòng đệm cắt theophương của trục X chỉ nhạy với lực nén (vì có d11), các lực ký sinh tác động theo cạnh bênđều không gây nên hiệu ứng với vòng đệm và các ứng lực mà hiệu ứng ...