Chương II: Cảm biến cơ-điện
2.1. Giới thiệu chung
- Đại lượng vào/ra : dịch chuyển cơ khí, lực / điện
- Liên quan tới các đại lượng khác như áp suất, lưu lượng
(f.4.1) thông qua cảm biến sơ cấp
Ứng dụng : đo di chuyển, lực, áp suất, lưu lượng, đô biến dạng, độ
méo, độ đàn hồi, vận tốc, gia tốc, đo chiều dày lớp phủ, độ bóng của
chi tiết gia công …
Ph¹m ThÞ Ngäc YÕn
Chương II: Cảm biến cơ-điện
Một số dạng cảm biến sơ cấp
Cảm biến biến trở
Cảm biến điện trở lực căng
Cảm biến điện từ
Cảm biến điện dung
Cảm biến áp điện
Ph¹m ThÞ Ngäc YÕn
Chương II: Cảm biến cơ-điện
2.2. Cảm biến biến trở
Ph¹m ThÞ Ngäc YÕn
Chương II: Cảm biến cơ-điện
•
Biến trở đều (hay tuyến tính) và biến trở không đều
R
L
U 2 = U1
= U1 .
Rn
Ln
Ln: chiều dài toàn bộ biến trở.
L: Chiều dài tính từ đầu biến trở đến vị trí con trượt.
Ph¹m ThÞ Ngäc YÕn
Chương II: Cảm biến cơ-điện
Có thể đặt giá trị e0=0
khi set up điểm B
Ph¹m ThÞ Ngäc YÕn
Chương II: Cảm biến cơ-điện
2.3. Cảm biến điện trở lực căng
Nguyên lý làm việc: hiệu
ứng tenzo (piezoresistive/
strain gauge)
Độ nhạy của chuyển đổi (Gauge factor):
F=
R R R R
=
L L
a
R L A 
=
−
+
R
L
A

R

= a − t +
R

Trong cơ học ta có t =-2a ; : hệ số Poisson
R

=  a + 2 a +
R

R R R R
 
F=
=
= 1 + 2 +
L L
a
a
Ph¹m ThÞ Ngäc YÕn
Chương II: Cảm biến cơ-điện
• Cấu tạo (dây điện trở, màng mỏng kim loại, bán dẫn (silicon, SiC…)
• Dây mảnh, lá mỏng và màng mỏng
• Trên giấy mỏng cách điện, dán dây điện trở (constantan,
nicrom..) hình răng lược đường kính 0.02 – 0.03 mm. Chiều dài
thường từ 8-15 mm, chiều rộng 3-10 mm. Điện trở ban đầu 800–1000Ω,
lượng thay đổi điện trở khoảng 10-15 Ω.
Ph¹m ThÞ Ngäc YÕn
Chương II: Cảm biến cơ-điện
Dây mảnh:
✓ Có thể chế tạo kích thước lớn.
✓ Giá thành rẻ.
✓ Điện trở ngang lớn
✓ Tiếp xúc nhỏ nên truyền biến dạng kém.
✓ Tiếp xúc nhỏ nên truyền nhiệt kém
Màng mỏng:
✓ Kích thước nhỏ và có thể chế tạo hình dạng bất kỳ.
✓ Điện trở ngang nhỏ.
✓ Tiếp xúc tốt nên truyền biến dạng và nhiệt tốt.
✓ Độ đồng đều cao
Ph¹m ThÞ Ngäc YÕn
Chương II: Cảm biến cơ-điện
- Tuỳ theo đường kính dây sẽ có dòng cho phép đi qua tương ứng
(VD: đường kính12 mm có dòng cho phép15 mA, đường kính15 mm
có dòng cho phép 35 mA).
- Thông thường độ nhạy theo lí thuyết khác so với đặc tính thực tế.
- Các cảm biến được chế tạo hàng loạt nhưng được hiệu chuẩn đơn
chiếc tuỳ theo ứng dụng thực tế
- Hệ số nhiệt độ của vật liệu cần phải bé hoặc cần có bù nhiệt trong
mạch đo
- Vật liệu chế tạo dây điện trở cần có điện trở suất lớn để giảm kích
thước chuyển đổi
- Tăng độ dài tác dụng của cảm biến để tăng độ nhạy
Ph¹m ThÞ Ngäc YÕn
Chương II: Cảm biến cơ-điện
Cách dán tenzo
Kỹ thuật dán : trước khi dán phải làm sạch bề mặt vật liệu bằng
hoá chất-> phủ lớp keo dán
Chọn vị trí dán: có độ biến dạng lớn nhất để tăng độ nhạy
Ph¹m ThÞ Ngäc YÕn
Chương II: Cảm biến cơ-điện
Ph¹m ThÞ Ngäc YÕn
Chương II: Cảm biến cơ-điện
Ph¹m ThÞ Ngäc YÕn
Chương II: Cảm biến cơ-điện
Cầu Wheastone cân bằng
Một nhánh hoạt động, nguồn kích thích một chiều
RG: điện trở của thiết bị đo (chỉ thị chỉ không, mVolmet, Vmet, chỉ
thị chỉ không)
Điều kiện cân bằng cầu
Cầu cân bằng khi dòng điện qua RG=0;
Nếu điện trở nhánh 1 thay đổi do bị tác động 1 lực, cầu mất cân
bằng, có thể điều chỉnh R4 (hoặc R2) để cầu cân bằng lại.
Có thể đo được sự thay đổi của R4 để suy ra lực tác động.
Phương pháp này chỉ đo được lực tĩnh
Ph¹m ThÞ Ngäc YÕn
Chương II: Cảm biến cơ-điện
Cầu Wheastone không cân bằng
CM???
Ph¹m ThÞ Ngäc YÕn
Chương II: Cảm biến cơ-điện
Ph¹m ThÞ Ngäc YÕn
Chương II: Cảm biến cơ-điện
Ph¹m ThÞ Ngäc YÕn
Chương II: Cảm biến cơ-điện
RG>100R1 → E0 đạt cực đại
Ph¹m ThÞ Ngäc YÕn
Chương II: Cảm biến cơ-điện
Ph¹m ThÞ Ngäc YÕn
Chương II: Cảm biến cơ-điện
Bù nhiệt độ
Ph¹m ThÞ Ngäc YÕn
Chương II: Cảm biến cơ-điện
Bù nhiệt độ
Cầu một nhánh hoạt động
Không bù nhiệt độ
Hệ số tăng cường tín hiệu: 1
Bỏ đồng hồ đo đi chỉ tính hở mạch
Ph¹m ThÞ Ngäc YÕn
Chương II: Cảm biến cơ-điện
Bù nhiệt độ
Cầu hai nhánh hoạt động
Có bù nhiệt độ
Hệ số tăng cường tín hiệu: (1+v)
v: hệ số poisson
đối với kim loại chỉ = 0.3
=> 1.3
Ph¹m ThÞ Ngäc YÕn
Chương II: Cảm biến cơ-điện
Bù nhiệt độ
Cầu hai nhánh hoạt động
Không bù nhiệt độ
Hệ số tăng cường tín hiệu: 2
Ph¹m ThÞ Ngäc YÕn
Chương II: Cảm biến cơ-điện
Bù nhiệt độ
Cầu bốn nhánh hoạt động
Không bù nhiệt độ
Hệ số tăng cường tín hiệu: 4
Ph¹m ThÞ Ngäc YÕn
Chương II: Cảm biến cơ-điện
Bù nhiệt độ
Cầu bốn nhánh hoạt động
Bù nhiệt độ
Hệ số tăng cường tín hiệu: 2(1+v)
Ph¹m ThÞ Ngäc YÕn
Chương II: Cảm biến cơ-điện
Ứng dụng 1: Đo lực
Thiết bị đo lực đàn hồi, đây là thiết bị quan trọng dùng để đo cả lực tĩnh và
động.
- Trong các thiết bị này lực sẽ tác động lên các phần tử đàn hồi , làm các
phần tử này di chuyển hoặc gây ra các ứng lực kéo , giãn trong các phần tử
này.
- Một số phần tử đàn hồi cơ bản:
- Phần tử đàn hồi dọc trục
- Phần tử đàn hồi dạng dầm (balcon)
- Phần tử dàn hồi hình tròn
Ph¹m ThÞ Ngäc YÕn
Chương II: Cảm biến cơ-điện
Phần tử đàn hồi dọc trục
bài toán cân oto
tính ứng suất
cấu tạo là ống rỗng,
thiết diện
hình vuông chữ nhật tròn
: biến dạng kéo (strain) hướng trục
k: độ cứng (stiffness) của phần tử đàn hồi
chính là hệ số truyền biến dạng
P: lực ; E: modun Young; A: tiết diện
bề mặt; L: chiều dài
modun của vật liệu
Ph¹m ThÞ Ngäc YÕn
Chương II: Cảm biến cơ-điện
Ph¹m ThÞ Ngäc YÕn
Chương II: Cảm biến cơ-điện
Phần tử đàn hồi dạng dầm
: biến dạng tại chân dầm
dán cảm biến ở 1/3 cuối dầm
dầm thép
k=
luc P
do lech tai dau tu do
Ph¹m ThÞ Ngäc YÕn
Chương II: Cảm biến cơ-điện
chỉ đo lực
không có bù nhiệt độ
cùng phía trên
đối xứng vs nhau
Ph¹m ThÞ Ngäc YÕn
Chương II: Cảm biến cơ-điện
Phần tử dàn hồi hình tròn
tác dụng theo phương ngang
thì biến dạng ở 39.6 độ
Ph¹m ThÞ Ngäc YÕn
Chương II: Cảm biến cơ-điện
Ph¹m ThÞ Ngäc YÕn
Chương II: Cảm biến cơ-điện
Bài tập ví dụ 1
Một load cell có dạng ống thép tròn rỗng tải
dọc trục. Bốn cảm biến điện trở lực căng
được mắc để tăng cường tín hiệu ra và bù
nhiệt độ thay đổi. Tiết diện ngang của load
cell là 2 cm2. Modun Young của thép là
2,07x1011N/m2 và hệ số Poisson là 0,3.
Giá trị điện trở của cảm biến điện trở lực căng =1000Ω, độ nhạy của cảm biến
=2,1. Mỗi cảm biến chịu dòng cực đại là 20mA. Hãy tính :
a. Điện áp cung cấp cho cầu, giả thiết không tính đến thiết bị đo, tức là hở mạch
b. Dòng điện ra của cầu, biết RG=500 Ω khi tác động lên load cell một lực bằng
105N.
Ph¹m ThÞ Ngäc YÕn
Chương II: Cảm biến cơ-điện
Bài tập ví dụ 2
Một thiết bị đo lực sử dụng hai vòng thép tròn mảnh với 8 điện trở lực căng
được sử dụng để bù nhiệt độ và tăng độ nhạy. Giá trị mỗi điện trở lực căng là
120 Ω, độ nhạy 2,0 và điện áp cung cấp cho mạch cầu 9V. Thiết bị đo có điện
trở 1000 Ω. Mỗi vòng thép có bán kính 30mm, chiều rộng 15mm và dày 15mm.
Modun Young là 2,1x105N/mm2 .
Thiết lập mạch đo và tính giá trị của lực tác dụng tương ứng với điện áp ra của
mỗi cầu là 1,6 mV
hệ số tăng cường tín hiệu là 4
Ph¹m ThÞ Ngäc YÕn
Chương II: Cảm biến cơ-điện
Loadcell (chế tạo cân điện tử)
cùng giá trị nhưng khác hình dáng
-
Cân ô tô
Cân băng định
lượng
Cân phối liệu
Ph¹m ThÞ Ngäc YÕn
Chương II: Cảm biến cơ-điện
Loadcell
Ph¹m ThÞ Ngäc YÕn
Chương II: Cảm biến cơ-điện
Bài tập : Thiết kế mạch cân ô tô
1. Trọng tải : 10 tấn/15 tấn/50 tấn
2. Nêu tên cảm biến, đặc tính kỹ thuật của cảm biến.
3. Chọn dạng loadcell truyền lực/trọng lượng : hình dạng, hãng, tên, mã
, code, data sheet ….
4. Vẽ sơ đồ khối và sơ đồ nguyen lý của hệ thống.
5. Lựa chọn phương pháp đo và trình bày nguyên lý hoạt động của
phương pháp đo.
6. Viết phương trình quan hệ giữa đại lượng vật lý (không điện) tác động
lên cảm biến và đại lượng điện ở đầu ra của hệ thống đo.
7. Phân tích ưu nhược điểm và sai số của hệ thống
Ph¹m ThÞ Ngäc YÕn
Chương II: Cảm biến cơ-điện
Ứng dụng 2: áp suất
- Cảm biến áp suất kiểu màng mỏng
- Cảm biến áp suất kiểu piston
- Cảm biến áp suất dùng để đo dòng chảy trong ống
Ph¹m ThÞ Ngäc YÕn
Chương II: Cảm biến cơ-điện
Ứng dụng 2: áp suất
Cảm biến áp suất kiểu màng mỏng
R2 và R4 : dùng để đo biến
dạng hướng tiếp tuyến
R1 và R3 : dùng để đo biến
dạng hướng tâm
Ph¹m ThÞ Ngäc YÕn
Chương II: Cảm biến cơ-điện
 : ứng lực
r : ứng lực hướng tâm
t : ứng lực hướng tiếp tuyến
t: độ dày của màng
 : hệ số Poisson
p: áp suất
Ph¹m ThÞ Ngäc YÕn
Chương II: Cảm biến cơ-điện
Biến dạng
Biến dạng hướng tâm
Biến dạng hướng tiếp tuyến
E: Mô đun đàn hồi của màng( mô đun Young)
Ph¹m ThÞ Ngäc YÕn
Chương II: Cảm biến cơ-điện
Ph¹m ThÞ Ngäc YÕn
Chương II: Cảm biến cơ-điện
- Cảm biến áp suất kiểu piston
Ph¹m ThÞ Ngäc YÕn
Chương II: Cảm biến cơ-điện
Cảm biến áp suất dùng để đo dòng chảy trong ống
R1 : đo áp lực trong ống gây bởi áp suất của dòng chảy
Ph¹m ThÞ Ngäc YÕn
Chương II: Cảm biến cơ-điện
Bài tập
Cho mạch cảm biến đo áp suất
R2 và R4 : dùng để đo biến dạng hướng tiếp tuyến
R1 và R3 : dùng để đo biến dạng hướng tâm
Tính điện áp ra của mạch cầu. Biết điện trở cảm biến trên mỗi nhánh cầu 120Ω.
Độ nhạy của cảm biến =2, R=7cm, r0=1cm, ri = 6 cm, độ dày màng = 1mm
Mô đun đàn hồi của
màng( mô đun Young) :
E=2,07x105 N/mm2
Hệ số Poisson = 0,25
P=1Pa
Ph¹m ThÞ Ngäc YÕn
Chương II: Cảm biến cơ-điện
2.4. Cảm biến điện từ
Là nhóm chuyển đổi dựa trên các qui luật điện từ.
Cảm biến tích cực (tự phát nguồn): điệp áp phát sinh
khi cuộn dây chuyển động trong từ trường (nam châm
vĩnh cửu)
▪ Cảm biến thụ động : có nguồn cung cấp ngoài cho cảm
biến. Chuyển động của vật thể làm thay đổi các đại
lượng từ: điện cảm, hỗ cảm, từ thông, từ thẩm...
➢ Chuyển đổi điện cảm và hỗ cảm.
➢ Chuyển đổi cảm ứng.
➢ Chuyển đổi áp từ.
▪
▪
Ph¹m ThÞ Ngäc YÕn
1. Cảm biến tích cực (tự phát nguồn)
Cảm biến có cuộn dây di chuyển
Cuộn dây được quấn trên lõi tròn làm
bằng vật liệu không từ được đặt trong
không gian của NC cố định. Lõi tròn
được gắn với vật thể chuyển động. Điện
áp trong cuộn dây phát sinh và tỷ lệ với
sự thay đổi của từ thông, tức là tỷ lệ với
sự thay đổi tốc độ của chuyển động.
Cảm biến có lõi sắt từ di chuyển:
Điện áp phát sinh trong cuộn
dây khi từ thông của nó thay
đổi do chuyển động của vật
thể làm bằng vật liệu sắt từ.
Cảm biến có cuộn dây di chuyển có độ nhậy và độ chính xác cao.
Cảm biến có lõi thép di chuyển có độ phi tuyến và độ trễ.
Tín hiệu ra lớn (0.1-1V) nên mạch đo đơn giản.
Độ nhậy phụ thuộc vào tần số và không đo được giá trị tĩnh.
Sai số có thể đạt 0.2% - 0.5%.
Mach đo
Muốn đo được dịch chuyển phải mắc thêm bộ tích phân
ứng dụng
2. Cảm biến thụ động (có nguồn nuôi)
Quan hệ giữa sđđ cảm ứng và di chuyển của cuộn
dây hay lõi sắt từ phụ thuộc vào dạng cảm biến:
- Cảm biến điện cảm
- Cảm biến hỗ cảm
- Cảm biến áp từ
1. Cảm biến điện cảm-cấu tạo
Cảm biến điện cảm là một cuộn dây quấn trên lõi
thép có khe hở không khí. Thông số của nó thay
đổi dưới tác động của đại lượng vào Xv, làm cho
phần ứng di chuyển, khe hở không khí  thay đổi
làm thay đổi từ trở của lõi thép do đó điện cảm
và tổng trở của chuyển đổi thay đổi theo. Điện
cảm có thể thay đổi do tiết diện khe hở không
khí thay đổi hoặc thay đổi do tổn hao dòng điện
xoáy dưới tác động của đại lượng vào Xv.
Cảm biến điện cảm-nguyên lý
Cảm biến điện cảm-nguyên lý
Cảm biến điện cảm-nguyên lý
Cảm biến điện cảm-nguyên lý
Chương II: Cảm biến cơ-điện
Mạch đo cảm biến ®iÖn c¶m: Cầu xoay chiều
a. §iÒu kiÖn c©n b»ng cÇu
Z1 Z3
=
Z2 Z4
- C©n b»ng vÒ Modul:
z1z4 = z2z3
- C©n b»ng vÒ pha:
1+4 = 2+3
(1)
Z1
Z3
Z2
Z4
(2)
§Ó cã thÓ c©n b»ng cÇu theo phư¬ng tr×nh (1) vµ (2) lµ v« cïng
khã kh¨n → ®Ó gi¶n tiÖn thưêng chän 2 trong 4 nh¸nh lµ thuÇn
trë.
Ph¹m ThÞ Ngäc YÕn – 2018
Chương II: Cảm biến cơ-điện
Thevenin
Điện áp hở mạch
Trở kháng trong
Dòng ngắn mạch
Ph¹m ThÞ Ngäc YÕn – 2018
Chương II: Cảm biến cơ-điện
Nếu nối 2 đầu A và B một thiết bị đo
Đối với các cảm biến điện
cảm, Z0 cỡ k nên hay
dùng điều kiện (1). Các
cảm biến điện dung có Z0
cỡ 102k nên hay dùng
điều kiện (2)
Ph¹m ThÞ Ngäc YÕn – 2018
Chương II: Cảm biến cơ-điện
Thường dùng mạch đẩy kéo
R
R
Lõi thép chuyển động lên/xuống, giá trị điện cảm L1 và L2 tăng/giảm tương
ứng
Mạch đo: Mạch cầu Wheastone
Điện áp ra tương ứng với tần số di chuyển. Giá trị điện áp ra tỷ lệ với biên độ
chuyển động
Tần số sóng mang thông thường cao hơn nhiều tần số di chuyển
Ph¹m ThÞ Ngäc YÕn – 2018
Chương II: Cảm biến cơ-điện
Bài tập ví dụ: Tính Vm , biết
Ph¹m ThÞ Ngäc YÕn – 2018
Chương II: Cảm biến cơ-điện
Giải điều chế
vm có chứa tần số sóng mang, phương pháp giải điều chế để tách
thành phần di chuyển x(t) ?
Phương trình tổng quát: vm=S.x(t).cos(ωat+)
Làm lệch pha điện áp cung cấp cho cầu
với
Ph¹m ThÞ Ngäc YÕn – 2018
Chương II: Cảm biến cơ-điện
Hiệu chỉnh bộ lệch pha sao cho  =
Thiết kế bộ lọc thông thấp sao cho loại trừ được tần số ω, ta nhận
được tín hiệu ra chỉ phụ thuộc vào đại lượng di chuyển x(t)
Ph¹m ThÞ Ngäc YÕn – 2018
Mạch đo Thực tế
Yêu cầu với mạch đo cầu xoay chiều:
Điện áp cấp cho cầu phải xoay chiều.
Tần số vài chục Hz đến vài trăm kHz. Trong một
số trường hợp có thể dùng tần số công nghiệp.
Điện áp có thể là hình sin hay xung vuông.
Cần ổn định cả điện áp và tần số của nguồn cấp.
Cân bằng cầu cần cân bằng cả biên độ và pha
của các nhánh.
Công suất ra của mạch khá lớn.
Khi nhiệt độ thay đổi làm thay đổi thông số của
cuộn dây -> mạch vi sai có thể hạn chế được vấn
đề này.
2. Cảm biến hỗ cảm-cấu tạo
Cấu tạo của chuyển đổi hỗ cảm
giống như chuyển đổi điện cảm,
chỉ khác ở chỗ có thêm một cuộn
dây đo. Khi chiều dài hay tiết diện
không khí thay đổi làm cho từ
thông của mạch từ thay đổi và
xuất hiện sức điện động e.
Chương II: Cảm biến cơ-điện
Nguyên lý làm việc
Tõ th«ng tøc thêi
iW1 W1 0 Si
t =
=
R

i- gi¸ trÞ dßng tøc thêi trong cuén d©y
kÝch thÝch có số vòng dây W1.
Søc ®iÖn ®éng cña cuén d©y ®o có
số vòng dây W2 :
d t
W2 .W1 0 S di
e = − W2
=−
dt

dt
Ph¹m ThÞ Ngäc YÕn – 2018
Chương II: Cảm biến cơ-điện
Ph¹m ThÞ Ngäc YÕn – 2018
Cảm biến hỗ cảm là cảm biến tích cực hay thụ động ???
Mạch đo của cảm biến hỗ cảm ???
Ứng dụng : Cảm biến hỗ cảm- điện cảm
Chương II: Cảm biến cơ-điện
3. C¶m biÕn ¸p tõ
W- sè vßng cuén d©y
R- tõ trë cña m¹ch tõ
S, l - diÖn tÝch vµ chiÒu dµi cña m¹ch tõ
 ®é tõ thÈm cña lâi thÐp
Ph¹m ThÞ Ngäc YÕn – 2018
Cảm biến áp từ-nguyên lý
Mạch đo
Tương tự cảm biến điện cảm
Cảm biến áp từ-sai số
Sai số do hiện tượng áp từ trễ khi tăng và giảm tải. Sai số này lúc
đầu lớn nhưng sau một số lần tăng/giảm tải có thể giảm xuống 1%.
Sai số do dòng từ hoá ban đầu. Chọn dòng từ hoá ứng với điểm có
hệ số từ thẩm lớn nhất. Sai số 0.3%-0.4% khi điện áp nguồn thay đổi
1%.
Sai số do sự thay đổi nhiệt của môi trường làm điện trở của cuộn dây,
hệ số từ thẩm ban đầu, hiệu ứng áp từ bị thay đổi. Sai số cỡ 0.5% 1.5%/10 độ.
Cảm biến áp từ-ứng dụng
Đo giá trị lực rất lớn.
Độ chính xác thấp 3% - 5%.
Cấu trúc đơn giản độ tin cậy cao nên được
sử dụng tại hiện trường.
Chương II: Cảm biến cơ-điện
2.5. Cảm biến điện dung
Công thức tính tóan tụ điện
q/V=C
V/i= - 1/jC
Ph¹m ThÞ Ngäc YÕn
Chương II: Cảm biến cơ-điện
Ph¹m ThÞ Ngäc YÕn
Chương II: Cảm biến cơ-điện
Đo di chuyển bằng điện dung
Ph¹m ThÞ Ngäc YÕn
Chương II: Cảm biến cơ-điện
Ph¹m ThÞ Ngäc YÕn
Chương II: Cảm biến cơ-điện
/d
Ph¹m ThÞ Ngäc YÕn
Mạch đo của chuyển đổi điện dung: cầu xoay chiều
VD Mạch thực tế:
Sử dụng mạch khuyếch đại thuật toán
e0 =?
Cảm biến điện dung - Ứng dụng
Đo mức bằng cảm biến điện dung
Ứng dụng cảm biến điện dung cho màn hình kiểu touch
Indium Tin Oxide (ITO)
Ứng dụng cảm biến điện dung cho màn hình kiểu touch
Ứng dụng cảm biến điện dung cho màn hình kiểu touch
Chương II: Cảm biến cơ-điện
2.6. Cảm biến áp điện
▪
Dùa trªn hiÖu øng ¸p ®iÖn.
✓ Hiệu ứng áp điện thuận: vật liệu khi chịu tác động của
lực cơ học biến thiên thì trên bề mặt của nó xuất hiện các
điện tích, khi lực ngừng thì điện tích cũng mất.
✓ Hiệu ứng áp điện nghịch: điện trường gây ra sự biến
dạng cơ học của vật liệu.
▪ VËt liÖu dïng chÕ t¹o c¸c chuyÓn ®æi ¸p ®iÖn thưêng lµ tinh thÓ
th¹ch anh (SiO2), titanatbari (BaTiO3), muèi XenhÐt, tuamalin ...
Ph¹m ThÞ Ngäc YÕn
Thạch anh có 3 trục chính: trục điện, trục
quang và trục cơ.
Cảm biến áp điện (Piezoelectric)
Cảm biến áp điện (Piezoelectric)
Cảm biến áp điện (Piezoelectric)
Cảm biến áp điện (Piezoelectric)
Cảm biến áp điện (Piezoelectric)
Mạch đo:
Cảm biến áp điện (Piezoelectric)
Cảm biến áp điện (Piezoelectric)
Mạch đo có tổng trở vào rất lớn.
Chỉ đo được các lực biến thiên.
Khi tần số cao thì sai số không đáng kể, để
giảm sai số phải tăng hằng số thời gian.
Độ nhậy thực tế
Cảm biến áp điện (Piezoelectric)
Cảm biến áp điện (Piezoelectric) - ứng dụng
Làm mạch thu và phát trong cảm biến siêu âm.
Chương II: Cảm biến cơ-điện
Ph¹m ThÞ Ngäc YÕn
Chương II: Cảm biến cơ-điện
Ph¹m ThÞ Ngäc YÕn
Chương II: Cảm biến cơ-điện
Bài tập ví dụ
Ph¹m ThÞ Ngäc YÕn
Chương II: Cảm biến cơ-điện
Mạch đo
C=Ccảm biến + CKĐ+ Cdây
R= RKĐ//Rrò ; RKĐ>>Rrò → R  RKĐ
Dòng điện phát sinh khi cảm biến chịu biến dạng xi
Ph¹m ThÞ Ngäc YÕn
Chương II: Cảm biến cơ-điện
➔
với
Từ sơ đồ mạch tương đương
Đặt K= K1/C , có:
Đặt D= j :
Ph¹m ThÞ Ngäc YÕn
Chương II: Cảm biến cơ-điện
Bài tập 1:
Một cảm biến áp điện có các đặc tính sau:
Điện dung của tinh thể: 10-9 F
Điện dung của dây dẫn: 3x10-10 F
Hằng số điện tích của tinh thể = 4x10-6 C/cm
Một dao động ký được sử dụng để đo điện áp ra có điện trở 1 MΩ mắc song song
với 1 tụ điện 10-10 F. Haỹ tính biên độ điện áp ra đo được trên dao động ký, nếu
tinh thể chịu một rung động có biên độ 10-3 mm với tần số 200 Hz
Ph¹m ThÞ Ngäc YÕn
Chương II: Cảm biến cơ-điện
Bài tập 2
Một cảm biến áp điện được sử dụng để đo lực truyền từ một cấu trúc đến
bệ đỡ (hình vẽ). Cảm biến dạng tròn có đường kính 2cm, dày 1 mm, hằng
số điện tích 10-5 C/cm. Hằng số điện môi của tinh thể bằng 5, Modun Young
8x1010N/m2 . Điện dung của đường dây 20 pF. Đầu vào của bộ KĐ có 1
điện trở 20MΩ mqacs song song với 1 tụ điện 50 pF, hệ số KĐ 50. Hãy tính
biên độ của lực truyền nếu tín hiệu ra eo có biên độ 0,5V và tần số 100 Hz.
Ph¹m ThÞ Ngäc YÕn
Chương II: Cảm biến cơ-điện
Bài tập chương 2
Ứng dụng cảm biến điện từ đo di chuyển/lực
Ứng dụng cảm biến điện dung đo áp suất/lực/di chuyển/độ ẩm không khí/
Ứng dụng cảm biến áp điện đo lực/áp suất
1. Chọn một loại cảm biến đã được thương mại hóa phù hợp với yêu cầu
của đầu bài : tên hãng, mã cảm biến, giải đo, đặc tính kỹ thuật…, data
sheet…
2. Trình bày cấu tạo của cảm biến
3. Trình bày nguyên lý hoạt động của cảm biến, phân tích ưu nhược điểm
4. Nối cảm biến vào mạch đo : sơ đồ mạch đo, nguyên lý hoạt động chi
tiết của mạch đo
5. Tìm quan hệ giữa tín hiệu ra của mạch đo và tín hiệu vào của cảm
biến.
Ph¹m ThÞ Ngäc YÕn