Báo cáo Tìm hiểu cảm biến lực Dynamic Force Sensor 1050C

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ KHOA CHKT & TĐH BÁO CÁO TÌM HIỂU CẢM BIẾN LỰC DYNAMIC FORCE SENSOR 1050C NHÓM 7 MÔN: KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG – CẢM BIẾN GV: ThS. ĐOÀN THỊ HƯƠNG GIANG Thành viên nhóm 7: Hà Huy Tiến Trần Văn Tâm Hoàng Văn Quân Nguyễn Đức Thuận Lê Văn Mỹ Nguyễn Văn Trầm Mục lục: Giới thiệu về cảm biến và cảm biến lực. Khái niệm cảm biến. Giới thiệu về cảm biến lực và cách đo lực. Tìm hiểu về cảm biến lực Dynamic Force Sensor 1050C Giới thiệu chung về cảm biến Dynamic Force Sensor 1050C. Hình dạng và thông số kỹ thuật của cảm biến. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động. Thiết kế mạch đo cho 1050C. Ưu điểm và ứng dụng của 1050C Giới thiệu về cảm biến và cảm biến lực. Ngày nay cảm biến đóng vai trò quan trọng trong hệ thống đo lường và điều khiển hiện đại. Nó quyết định việc có thể điều khiển tự động hay tự động hóa các qua trình hay không. Nó quyết định độ chính xác và chất lượng của hệ thống. Khái niệm cảm biến. Cảm biến là thiết bị dùng để cảm nhận biến đổi các đại lượng vật lý và các đại lượng không có tính chất điện cần đo thành các đại lượng điện hoặc có đặc trưng điện và có thể xử lý được. Các đại lượng cần đo (m) thường không có tính chất điện (như nhiệt độ, áp suất ...) tác động lên cảm biến cho ta một đặc trưng (s) mang tính chất điện (như điện tích, điện áp, dòng điện hoặc trở kháng) chứa đựng thông tin cho phép xác định giá trị của đại lượng đo. Đặc trưng (s) là hàm của đại lượng cần đo (m) : s = F(m). Người ta gọi (s) là đại lượng đầu ra hoặc là phản ứng cảm biến, (m) là đại lượng đầu vào hay kích thích. Thông qua đo đạc (s) cho phép nhận biết được giá trị của (m). Giới thiệu về cảm biến lực và cách đo lực. a. Nguyên tắc đo lực. Lực được xác định từ công thức cơ bản của định luật Newton: F = M.a trong đó M là khối lượng ( kg ) chịu tác dụng của lực F ( N ) gây nên 1 gia tốc a (m/s2). Từ công thức này ta có thể xác định gia tốc thông qua phép đo lực hoặc ngược lại . Đối với phép đo lực, ta có thể thực hiện đo bằng cách sử dụng 1 lực đối kháng sao cho lực tổng cộng và momen của chúng là bằng 0. Khi đó cảm biến cần có 1 vật trung gian chịu tác động của lực cần đo và bị biến dạng, biến dạng này do lực đối kháng gây ra. Trong giới hạn đàn hồi độ biến dạng tỉ lệ thuận với lực đối kháng. Biến dạng và lực gây nên biến dạng có thể đo bằng cảm biến biến dạng , hoặc đo gián tiếp nếu 1 trong những tính chất của vật liệu trung gian phụ thuộc vào biến dạng ( ví dụ như ta sử dụng vật liệu áp điện hoặc vật liệu từ giảo). Trong lực P của một vật chính là lực tác dụng lện chính vật đó trong trường trái đất . Trong đó g » 9,8 m/s2 và phụ thuộc vào độ cao. Như vậy đo trong lượng của một vật thực chất là xác định khối lượng của vật đó. Ngược lại sử dụng khối lượng đã biết trong môi trường có gia tốc g biết trước sẽ xác định được lực tác dụng , đây chính là nguyên tắc đo của cảm biến đo lực . Do bài tìm hiểu về cảm biến 1050C thuộc loại cảm biến áp điện nên ta sẽ đi sâu vào tìm hiểu nguyên lý đo lực của cảm biến áp điện. Hiệu ứng áp điện. Hiện tượng áp điện là hiện tượng phân cực điện và thay đổi phân cực điện trong 1 số chất điện môi khi chúng bị biến dạng dưới tác dụng của lực theo 1 chiều nhất định . Nếu chế tạo tụ điện bằng cách phủ 2 bản cực lên 2 mặt đôi diện của 1 phiến áp điện mỏng và tác dụng 1 lực lên 2 bản cực thì trên 2 bản cực đó xuất hiện điện tích trái dấu. Hiệu điện thế của điện tích 2 bản cực tỉ lệ với lực tác dụng. Lợi dụng đặc điểm này người ta chế tạo cảm biến dung để đo lực tác dụng và đo các đại lưong vật lí có tác động giống như lực tác dụng như áp suất gia tốc , độ rung . Đó được gọi là cảm biến áp điện . Hiệu ứng áp điện là 1 hiệu ứng thuận nghịch . Dưới tác dụng của điện trường theo chiều thích hợp , thì vật liệu bị biến dạng . Đặt biệt đối với vật liệu áp điện có thể bị kích thích đến trạng thái cộng hưởng cơ học rất cao . Cơ chế áp điện có thể được giải thích theo tinh thể thạch anh. Thạch anh là tinh thể SiO2. Khi không có lực tác dụng điện tích dương và âm có tổng moment = 0 . Còn khi có lực tác dụng thì cấu trúc bị biến dạng làm cho trọng tâm của các điện tích không trùng nhau nữa, từ đó làm xuất hiện sự phân cực điện . Trong các vật liệu áp điện thì thạch anh được quan tâm hàng đầu do tính ổn định cao và độ cứng. Ngòai ra gốm cũng được sử dụng vì giá thanh thấp và dễ sản xuất . Cảm biến áp điện. Cấu tạo cảm biến: Dưới tác dụng của lực làm cho vật liệu áp điện bị biến dạng và hình thành các cực tính .Tuy nhiên , nếu sử dụng các phiến ghép đơn thì độ nhạy của cảm biến giảm đáng kể nên thông thường là sử dụng các cách ghép bản cực của tụ điện . Có nhiều cách ghép bản cực của tụ điện . Dựa vào cấu trúc hoặc cơ chế họat động của cảm biến hay đơn giản vì độ nhạy của cảm biến hai phần tử có thể kết dính với nhau và nối theo cưc để nhận được biến dạng cùng chiều hay ngược chiều . _ Trong trường hợp đấu song song hai bản áp điện được ghép đôi vời nhau , khi đó điện tích và điện cung của tụ tăng lên gấp đội so với bình thường so với 1 bản cực . _ Trong trường hợp đấu nối tiếp thì điện áp hở mạch va trở kháng tăng len gấp đôi nhưng giá tị địện dung giảm xuống 2 lấn Những nguyên tắc này áp dụng cho trường hợp ghép nhiều bản cực. Đối với thạch anh có nhiều cách chế tạo khác nhau tuy theo yêu cầu : _ Vòng đệm thạch anh : chỉ nhạy với lực nén tác dụng dọc theo trục . _ Cảm biến thạch anh nhiều thành phần : đối với loại này chỉ có tác dụng với 1 hướng xác định của lực tuy nhiên độ nhạy khá cao nên được sử dụng trong các trường họp đặc biệt. _ Cảm biến có độ nhạy cao : dung để đo các lực nhỏ có cấo tạo theo cấu trúc dạng dầm hoặc dạng xà . Khi có lực tác dụng thì sẽ có 1 tấm co lại và 1 tấm khác giản ra. Thường dung để đo các lực cắt . Nguyên lý hoạt động: 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 tạo bằng cách phủ hai bản cực lên hai mặt đối diện của một phiến vật liệu áp điện mỏng. Vật liệu áp điện thường dùng là thạch anh vì nó có tính ổn định và độ cứng cao. Tuy nhiên hiện nay vật liệu gốm ( ví dụ gốm PZT) do có ưu điểm độ bền và độ nhạy cao, điện dung lớn, ít chịu ảnh hưởng của điện trường ký sinh, dễ sản xuất và giá thành chế tạo thấp cũng được sử dụng đáng kể. Đặc trưng vật lý của một số vật liệu áp điện được trình bày trên bảng 1 Bảng 1: Đặc trưng vật lý của một số vật liệu áp điện Vật liệu Độ từ thẩm Điện trở suất (Ω.m) Modun young (109 N.m-2) ứng lực cực đại (107 N.m-2) Nhiệt độ làm việc Tmax (0C) Thạch anh 1012 10 550 Muối seignette >1010 1,4 45 L.H. >1010 46 1,5 75 PZT5A 1011 7 – 8 365 Dưới tác dụng của lực cơ học, tâm áp điện bị biến dạng, làm xuất hiện trên hai bản cực các điện tích trái dâu. Hiệu điện thế xuất hiện giữa hai bản tỷ lệ nghích với lực tác dụng.b) c) d) a) Hình 1:Các biến dạng cơ bản a.theo chiều dọc b. theo chiều ngang c. theo bề dày d. theo bề mặt Các biến dạng cơ bản xác định chế độ làm việc của bản áp điện. Trên hình 1 biểu diễn các biến dạng cơ bản của bản áp điện. Trong nhiều trường hợp các bản điện được ghép thành bộ theo cách ghép nối tiếp hoặc song song Trường hợp ghép song song hai bản áp điện, điện dung của cảm biến tăng gấp đôi so với trường hợp một bản áp điện. Khi ghép nối tiếp điện áp hở mạch và trở kháng trong tăng gấp đôi nhưng điện dung giảm xuống còn một nữa. Những nguyên tắc trên áp dụng cho cả trường hợp ghép nhiều bản áp điện với nhau. Phân loại cảm biến áp điện: Cảm biến thạch anh kiểu vòng đệm Hình 3: Cấu tạo của cảm biến thạch anh vòng đệm Các vòng đệm 2. Các tấm đế 3. Đầu nối dây 1 2 3 Các cảm biến thạch anh kiểu vòng điện có cấu tạo như hình 3, chúng gốm các phiến cắt các vòng đệm nối với nhau và chỉ nhạy với lực nén tác dụng dọc theo trục Giới hạn trên của dải đo phụ thuộc vào diện tích 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 đặt trước (dùng các bulong xiết chặt các vòng đệm), khi đó lực kéo được đo như sự sụt giảm của lực nén. Tuy nhiên, khi đó độ nhạy giảm 5-10%. Cảm biến thạch anh nhiều thành phần. y x z Hình 4: Cảm biến thạch anh nhiều thành phần Kí hiệu các trục b. Các phiến cắt đặc biệt c. Cảm biến ba thành phần vuông góc a) b) c) Trong cảm biến loại này, các vòng đệm thạch anh được cắt theo hướng khác nhau, khi đó chúng chỉ nhạy với một hướng xác định của lực. Thạch anh có năm hệ số điện áp d11, d12, d14, d25, d26 do đó một vòng điện cắt theo phương của trục X chỉ nhạy với lực nén ( vì có d11), 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 d12, d14 sẽ không có mặt. Tương tự như vậy, một dòng điện cắt theo phương Y chỉ nhạy với lực cắt theo bề dày (vì có d26) và bằng cách lắp ghép hợp lý có thể loại trừ hiệu ứng của các ứng lực liên quan đến d25 (cắt theo mặt). Hai mặt cắt đặc biệt này biểu diễn trên hình 4b, chúng được sử dụng để chế tạo các cảm biến thạch anh nhiều thành phần. Trên hình 4c biểu diễn một cảm biến ba phần vuông góc gồm ba cặp vòng tròn ghép với nhau, một cặp nhạy với lực nén Fx, hai mặt còn lại nhạy với lực Fy và Fz vuông góc với Fx Tìm hiểu về cảm biến lực Dynamic Force Sensor 1050C Giới thiệu chung về cảm biến Dynamic Force Sensor 1050C. Cảm biến đo lực Dynamic Force 1050C là cảm biến tích cực và là một sản phẩm của hãng A-Tech, sử dụng chế độ cảm biến áp điện trở kháng thấp (LIVM) chứa tinh thể áp điện mỏng. Khi có lực tác động nó sẽ tạo là một tín hiệu điện áp tương ứng. Cảm biến này là loại cảm biến đo lực tác động nhanh với tinh thế áp điện là loại thạch anh cứng. Với phạm vi làm việc lên đên 5000 LbF với thang đo lớn nhất là 15000 LbF. Cảm biến có thế làm việc trong điều kiện nhiệt khắc nghiệt Độ tin cậy của Dynamic Force 1050C cũng như sản phẩm của A-Tech được đánh giá rất cao trong lĩnh vực kỹ thuật đo lường. Đó là kết quả của một quy trình sản xuất và lắp ráp phát triển và tối ưu hóa của A-Tech trong nhiều năm qua. Dynamic Force Sensor 1050C được ứng dụng rất nhiều trong các ngành công nghiệp nặng, ngành hàng không vũ trụ, giao thông vận tải, quân sự. Hình dạng và thông số kỹ thuật của cảm biến. Một số hình ảnh về 1050C. Thông số kỹ thuật. Thông số kỹ thuật Giá trị Đơn vị Độ nhạy -18 pC/Lb F Khoảng nén làm việc 5,000 Lb F Lực nén tối đa 15,000 Lb F Lực căng tối đa 1,000 Lb F Độ cứng 11,4 Lb/µ ln Khung tần số cộng hưởng, dỡ bỏ 75 kHz Độ tuyến tính +/-1 %F.S. Điện áp đầu ra 5 Va đập tối đa 10,000 G’s Độ rung tối đa +/-2500 G’s Hệ số của độ nhạy nhiệt 0,03 %° F Khoảng nhiệt độ -100 tới +500 ° F Môi trường hoạt động Hàn/Sơn Điện dung 18 pF Điện trở cách điện 1x10^12 Ohms Vật liệu làm vỏ Thép không gỉ Trọng lượng 32 Gam Khung dự phòng, trên và dưới 1/4-28x0.175 Bộ nối điện, hướng tâm 10-32 Đồng trục Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của 1050C. Cấu tạo: Cấu tạo của cảm biến gồm: Kết nối đồng trục Đường ren Thân Nắp va chạm Cấu tạo chi tiết: Nắp va Nguyên lý hoạt động: Dynamic Force Sensor 1050C hoạt động dựa trên hiệu ứng áp điện, ở đây Dynamic Force Sensor 1050C dùng vật trung gian là thạch anh vì thạch anh có độ nhạy và độ ổn định cao, khi không có lực tác dụng điện tích dương và âm có tổng momen bằng 0, còn khi có lực tác dụng thì cấu trúc bị biến dạng làm cho trọng tâm của các điện tích không trùng nhau nữa, từ đó làm xuất hiện sự phân cực điện. Bằng việc đo chênh lệch điện giữa hai bản thạch anh ta có thể xác định được độ lớn của lực tác dụng. Phạm vi cảm biến so với độ nhạy và xuất TC Khi có lực tác dụng, cảm biến hoạt động như một nguồn dòng. Đối với chế độ LIVM của cảm biến Dynamic Force cơ bản lực tối đa được quyết định bởi những hạn chế cơ khí như áp lực tối đa cho phép mà các nhà sản xuất muốn đặt trên các tinh thể và các chi tiết khác trong thiết kế. Mỗi lực tối đa tác động cụ thể sẽ tạo ra một tín hiệu 5 Volt để thuận tiện cho việc đo lực tác dụng của mạch đo ngoại vi. Vì chế tạo theo nguyên tắc áp điện nên ta có công thức điện áp của vật liệu áp điện liên hệ với điện tích được tạo ra khi có lực tác động vào như sau: Nhưng do giá trị V này rất bé nên vì thế để được một tín hiệu ra 5V thì cần khuếch đại tin hiệu này. Ta có mạch điện sau: Vậy từ mạch trên ta có tín hiệu ra đầy thang là 5V với cảm biến này thì lực độ rộng của lực đo được là 5000LbF thì ta có mỗi liên hệ giữa lực là điện áp ra là 1mV/LbF. Mạch trên được tích hợp sẵn trong cảm biến Dynamic force sensor 1050C. Xây dựng mạch đo: Ta có sơ đồ tương đương của cảm biến: Hình1: Sơ đồ tương đương của cảm biến áp điện a) Trong dải thông rộng b) Trong dải thông có ích c) Nối với mạch ngoài Trong dải thông rộng, cảm biến tương đương với một nguồn dòng mắc song song với trở kháng trong (gồm ba nhánh) của cảm biến (hình 1a). Nhánh ρ, λ, γ đặc trưng cho cộng hưởng điện cơ thứ nhất ở tần số cao nằm ngoài dải thông của cảm biến. Điện trở trong Rg 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 Cg 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 thường sử dụng, người ta dùng mạch tương đương biểu diễn ở hình 1b. Khi nối cảm biến với mạch ngoài bằng cáp dẫn, trở kháng của cáp dẫn tương đương điện trở R1 và tụ điện C1 mắc song song với cảm biến, khi đó mạch tương đương có dạng hình 1c. Sơ đồ khuếch đại điện áp Trở kháng vào của bộ khuếch đại điện áp tương đương với một điện trở Re mắc song song với một tụ Ce, khi đó mạch tương đương có dạng hình 2. Hình 2: Sơ đồ tương đương của cảm biến Sơ đồ tương đương được mắc nối tiếp với bộ khuếch đại điện thế Điện áp ở lối vào của khuếch đại xác định bởi công thức: 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 3a). Sơ đồ mạch ghép nối cảm biến với bộ chuyển đổi điện áp - điện tích trình bày trên hình 3a. Hình 3: Sơ đồ khuếch đại điện tích Điện tích Q được đưa đến tụ Cr làm cho tụ này tích điện. Trên bản cực của tụ xuất hiện một điện áp tỷ lệ với điện tích Q. Giả thiết hệ số khuếch đại vô cùng lớn, điện áp đầu vào Vε sẽ giảm xuống đến 0. Trở kháng vào của bộ chuyển đổi lý tưởng cũng sẽ bằng không, khi đó sẽ tính được hệ số khuếch đại chuyển đổi: V0Q=-1Cr Mạch trên được tích hợp sẵn trong cảm biến Dynamic force sensor 1050C. Đặc trưng tín hiệu ra Đặc trưng tín hiệu ra nhận được của cảm biến có dạng sau: Cảm biến sử dụng loại thạch anh có độ cứng cao, nhờ độ cứng cao này các cảm biến này có tần số tự nhiên rất cao. Tín hiệu ra có độ rộng trong khoảng từ 0V đến 5V Sơ đồ mạch đo ngoại vi: Linh kiện: vi điều khiến Pic16f877a, màn hình hiển thị LCD (LM016L), tụ điện C3. Một số thông số trong kỹ thuật chuyển đổi ADC Độ phân giải và sai số đo. Với: Afs là đầu ra cực đại (đầy thang) N là số bit của ADC Pic16f877a đã được tích hợp phần chuyển đổi ADC có số bit tối đa là 10bit, theo công thức (1) thì ta sử dụng số bit lớn thì có độ phân giải tinh hơn, ít sai số hơn vậy ta sử dụng số bit tối đa của loại vi điều khiển này. Từ công thức (1) ta tính được độ phân giải của mạch đo của cảm biến Dynamic Force Sensor 1050C như sau: Afs=5V N = 10bit K = 5(210-1) = 0.00488 Với độ nhạy của cảm biến Dynamic Force Sensor 1050C là 1mV/LbF thì ứng với độ phân giải 0.00488V thì mỗi độ lớn của lực tác động vào cảm biến là 4.88LbF. Vậy sai số tuyệt đối là 4.88LbF. Chọn tần số lấy mẫu. Với Dynamic Force Sensor 1050C thì tần số gây ra công hưởng làm hư hỏng sensor là fch=75KHz vậy tân số lẫy mẫu tối đa là: Tấn số tự nhiên của cảm biến được tính theo công thức sau: Vậy tần số lấy mẫu của Dynamic Force Sensor 1050C có giá trị trong khoảng: 2fn≤f≠fch Ưu điểm và ứng dụng của 1050C Ưu điểm: Dynamic Force Sensor 1050C có độ nhay cao, thời gian đáp ứng nhanh, nên thích hợp để ứng dụng trong các hệ thống dây truyền sản xuất, và thử nghiệm với tốc độ cao. Cấu tạo cơ khí vững chắc giup cảm biến có khả năng làm việc trong môi trường khắc nghiệt. Khi kết hợp với các hệ thống đo lường khác, cùng sự điều khiển của các hệ thống giám sát sẽ tạo ra một hệ thống tự động hoàn chỉnh. Dynamic Force Sensor 1050C có thể đo lực với biên độ đo rộng( trong khoảng 5000LbF) với khản năng làm việc tối đa có thể chịu được lực nén lên đến 15000LbF giúp cảm biến có thể làm việc được trong môi trường có lực va đập mạnh. Dynamic Force Sensor 1050C có thế được thế kế nằm vào trong các chi tiết máy cần đo lực bới vì có khối lượng nhẹ, độ cứng cao… Với những ưu điểm trên Dynamic Force Sensor 1050C được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực đời sống sản xuất: Đo lực trong mô phỏng va đập để kiểm tra độ bền của vật liệu trong công nghiệp sản xuất phương tiện giao thông, các loại vật liệu, thiết bị quân sự… Tính toán lực va chạm trong ngành CN ô tô. Được tích hợp trong các loại máy công nghiệp như máy rèn, máy hàn dập để điều khiển và sử dụng lực dập. Được tích hợp trong các phương tiên giao thông để ghi lại lực do va chạm gây ra để lưu vào trong hộp đen của phương tiên để hỗ trợ điều tra vụ tai nạn.