Kỹ thuật điều khiển trong bộ cảm biến: Phần 2

Nối tiếp phần 1, phần 2 của tài liệu "Kỹ thuật điều khiển trong bộ cảm biến" tiếp tục trình bày các nội dung chính sau: Cảm biến lực và ứng suất; Cảm biến đo lưu lượng và thể tích chất lỏng, khí và hơi; Cảm biến áp suất chất lưu; Cảm biến đo chân không; Cảm biến phát hiện và đo độ ẩm; Cảm biến điện hóa và y sinh; Cảm biến bức xạ hạt nhân; Cảm biến điện từ; Cảm biến thông minh. Mời các bạn cùng tham khảo để nắm nội dung chi tiết.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Kỹ thuật điều khiển trong bộ cảm biến: Phần 2 Chưưng 8 CẢM BIẾN Lực VÀ ỨNG SUAT 8.1. ĐẠI CƯONG VỀ CẨM BIẾN đo Lực VÀ ỨNG SLAT Lực là một đại lượng vật lý quan trọng. Theo định luật cơ bản của động lực học F = ma, trong đo' m là khối lượng (kg) của vật chịu tác dụng của lực F tính bằng Newton gây nên gia tốc a (ms~2ỵ Phép đo lực là yêu cầu quan trọng trong kỹ thuật cơ khí, xây dựng... Nói chung phép đo lực là yêu cẩu đối với cơ học vật rán, còn đối với cơ học chất lỏng và chất khí người ta chú ý tới áp suất. Lực được chú ý khi tác động lên một điểm còn áp suất được đo khi lực phân bố trên diện rộng. Các bộ cảm biến lực cố thể phân thành hai lớp : các bộ cảm biến định lượng và định tính. Các bộ cảm biến định lượng dùng để đo lực có giá trị được thể hiện bàng tín hiệu điện. Các bộ cảm biến định tính là các thiết bị có ngưỡng, tín hiệu ra cùa nó chỉ độ lớn của lực đã vượt quá một ngưỡng định trước. Các phương pháp cảm biến lực có thể thực hiện bằng cách : - Cân bàng một lực chưa biết vói một lực đối kháng sao cho lực tổng cộng và momen tổng của chúng bằng không. - Đo gia tốc của vật có khối lượng đã biết để xác định lực. - Cân bằng lực chưa biết với một lực điện từ. - Biến đổi lực thành áp suất chất lỏng và đo áp suất này. - Đo ứng suất tạo nên khi vật bị biến dạng đàn hổi và suy ra lực. Trong đa số bộ cảm biến lực không được biến đổỉ trực tiếp thành tín hiệu điện nfâ được tiến hành qua một vật trung gian chịu lực cẩn đo và bị biến dạng, ví dụ bộ cảm biến lực được chế tạo bàng cách phối hợp bộ cảm biến vị trí và bộ biến đổi lực thành di chuyển, ví dụ trên hình 8.1 a lực tác động lên lò xo phối hợp vói điện cảm vi sai, di chuyển 244 của lò xo chuyển thành điện áp trên cuộn dây vi sai. Trên hình 8.1b lực tạo nên ứng suất trong chất lỏng và làm màng của cảm biến áp suất Hình a.1. a) Bộ cảm biến lực sứ dụng cuộn dây vi sai ; b) Bộ cảm biến lực sừ dụng cảm biến áp suất. 8.2. CẨM BIẾN ÁP ĐIỆN Hiệu ứng áp điện do Pierre Curie phát hiện năm 1880 là hiện tượng xuất hiện phân cực điện hoặc thay đổi phân cực điện đã co' trong một số chất điện môi như thạch anh, tuamalin, sunfat liti... khi chúng bị biến dạng dưới tác dụng của lực. Cảm biến áp điện gổm một phiến áp điện mỏng phủ lên hai mặt của một tụ điện và tác dụng một lực lên hai bản cực thì trên hai bản cực đó xuất hiện các điện tích trái dấu. Đỉện áp giữa hai bản cực tỷ lệ với lực tác động. Hiệu ứng áp điện có tính chất thuận nghịch. Dưới tác động của điện trường có chiều thích hợp vật liệu áp điện sẽ bị biến dạng. Đặc biệt vật lỉệu áp điện co' thể bị kích thích đến trạng thái cộng hưởng cơ học. Trong số các vật liệu áp điện, thạch anh được đặc biệt chú ý vì có độ Ổn định và độ cứng cao. Ngoài ra người ta còn sử dụng các vật liệu gốm áp điện, vỉ dễ chế tạo và giá thành hạ. Gốm PZT được chế tạo bằng cách thiêu kết oxỉt chì, zirconi và titan co' công thức chung là Pb Tix Zrx O3, giá trị Xthường xấp xỉ 0,5 quyếtđịnh đặc tính của vật liệu. PZT có độ nhạy cao, co' điện dung cao nên ít chịu ảnh hưởng của điện dung ký sình, có độ bển cơ học cao, dễ gia cồng. Bảng 8.1 trình bày các đặc tính vật lý của một số vật liệu áp điện. Bảng 8. ĩ Đặc tính vật lí của một sô vật liệu áp điện Điện trỏ suất Modun dàn ửng suất cực Nhiệt dộ sử Vật liệu Độ thẩm thấu (Q.m) hồi tfNjn’2 đại 107 N.m'2 dụng (oC) Thạch anh = 4,5 1012 *11 = 80 10 550 245 Tiếp bảng 8. ỉ Vật liệu Độ thẩm thấu Điện trỏ suất Mođun đàn Ưng suất cực Nhiệt độ sừ (íìm) hồi 109N.m’e đại 107 N.rrT2 dụng (oC) Yn = 19,3 Muối seignette = 350 > 1O10 Y22 = 30 1,4 45 Y33 = = 30 En = 5,6 LH Su = 10.3 > 1O10 46 1,5 75 En = 6,5 PZT 5A En = 1700 1011 Y33 = 53 7^8 365 Hlnh 8.2. Bộ cảm biến lực thạch anh. Hình 8.2a trình bày cấu tạo của bộ cảm biến lực thạch anh. Phiến thạch anh hình chữ nhật được cắt với một cạnh song song với trục X, còn bổ mặt thạch anh được cát với go'c ỡ — 35° so với trục z. Sơ đổ nốỉ bộ cảm biến lực thạch anh được cho trên hình 8.2b. Phiến thạch anh được nối với bộ khuếch đại co' phản hổi dương. Tinh thể thạch anh dao động với tần số cơ bản fo vá độ lệch tẩn số Af khi có tải bằng ; Af = F~y- (8.1) ở đây F là lực tác động lên phiến, K là hàng số, n là số mode, D là kích thước của tỉnh thể. Để bù ảnh hưởng nhiệt lên sự biến thiên tần số co' thể sử dụng tinh thể kép trong đó một nửa để bù nhiệt độ. Mỗi bộ cộng hưởng tíược nối với mạch dao động của nó và tần số tổng được trừ cho nhau. Hình 8.3a trình bày bộ cảm biến trong đó biến đổi trực tiếp ứng suất cơ thành tín hiệu điện, tuy nhiên bộ cảm biến này chỉ nhạy với sự 246 thay đổi của kích thích và không nhạy với lực là hằng số. Bộ cảm biến gổm ba lớp màng polyvinylidene flourid (PVĐF) được dát mỏng giữa là chất nển (cao su silicon) và lớp ép. Lớp ép bằng màng chất dẻo. Khi tác dụng lực lên bộ cảm biến màng PVDF chịu ứng suất và hình thành các điện tích trên bể mật. Điện tích thay đổi tạo nên biến thiên điện áp ra. Biên độ ...