Kala Scale

Các dạng đo lực trong cảm biến lực

A. Khái niệm:

Lực là một đại lượng vecto, đặc trưng cho tác dụng tương hỗ giữa các vật thể, làm cho các vật thể biến dạng hay vận động.

Khối lượng là số lượng vật chất và người ta có thể định nghĩa lực là lực hấp dẫn giữa các khối lượng.

Trọng lượng của một vật là lực hút trái đất tác dụng lên vật đó.

Bảng 1.1: Bội và ước của đơn vị Newton

B. Đơn vị:

Lực – Theo định luật II Newton:

Trọng Lực – Công thức:

Chuyển đổi giữa các đơn vị đo lực:

Nguyên tắc chung: một đại lượng có số đo A1 khi dùng đơn vị đo a1. Vấn đề đặt ra là tỷ số đo A2 khi dùng đơn vị đo a2 khác a1. Số đó tỉ lệ nghịch với cỡ của đơn vị đo, ta có:

Bảng 1.2: Đơn vị các nước đang dùng

Bảng 1.3: Quy đổi giữa các đơn vị đo lực

C. Phân loại dụng cụ:

C1. Theo chức năng sử dụng

Lực kế đo lực nén	Lực kế đo lực kéo	Lực kế đo lực nén và kéo

C2. Theo nguyên lý đo

Lực kế cơ học

Lực kế quang học

Lực kế thủy lực

Lực kế điện tử

C3. Theo cấp chính xác:

Các dụng cụ đo được quy định theo cấp chính xác.

Ví dụ: tại Đức người ta dùng cấp chính xác: 0,01 ; 0,02 ; 0,05 ; 0,1 ; 0,2 ; 0,5 và 1.

D. Các dụng cụ đo thông dụng:

Lực kế cơ

Định nghĩa: là những lực kế có bộ phận chỉ thị độ biến dạng làm việc theo nguyên lý cơ học.

Ưu điểm: cấu tạo đơn giản, dễ thao tác, ổn định theo thời gian.

Lực kế đồng hồ lò xo

Phần tử đàn hồi: nhìu hình dạng khác nhau: lò xo xoắn, hình tròn, hình ô van, hình nửa tròn…

Đồng hồ hiển thị: gồm nhiều loại, biểu thị trực tiếp hay thông qua cơ cấu chuyển đổi phóng đại cơ học, các yếu tố quyết định chất lượng:

Chất lượng của phần tử đàn hồi.

Khả năng làm việc của đồng hồ hiển thị.

Sự ổn định của các chi tiết, đảm bảo ổn định tỷ số truyền độ biến dạng của phần tử đàn hồi lên đồng hồ hiển thị.

Khi trọng lượng lớn, dùng loại cân như trên không phù hợp, ta dùng loại cân nhiều đòn như hình bên dưới.

Lực kế quang học

Là những lực kế mà biến dạng của phần tử đàn hồi  được đo bằng thiết bị quang học, loại này khắc phục được nhược điểm của các cơ cấu cơ học như sai lệch tỷ số truyền, ma sát khớp quay, sai số của bộ chỉ thị .

Lực kế thủy lực – khí nén

Lực kế điện tử (cân điện tử)

Lực kế điện tử là những lực kế mà sự thay đổi của lực hay sự biến dạng hoặc dịch chuyển sinh ra bởi lực tác dụng, được chuyển thành tín hiệu điện.

 Cảm biến lực điện trở (load cell)

Gồm nhiều dạng: dạng thanh, dầm, vòng, trượt,…

Cảm biến lực điện trở dạng thanh

Cấu tạo khá đơn giản: gồm có 4 tế bào cảm biến điện trở (strain gauge) được dán vào phần tử đàn hồi theo hai hướng trục (2 cảm biến) và vuông góc với trục (2 cảm biến). 4 cảm biến này được nối với nhau theo mạch cầu wheatstone.

A – diện tích mặt cắt ngang của phần tử đàn hồi E– mô đun đàn hồi của vật liệu phần tử đàn hồi ν – hệ số poisson

Điện thế ra:

Lực tác dụng:

Từ phương trình trên thì P tỉ lệ tuyến tính với điện thế ra Eo theo hằng số tỉ lệ C

Độ nhạy của dụng cụ:

Lực lớn nhất có thể đo được: P_max = S_f.A

S_f là độ bền mỏi

Cả P_max và độ nhạy S đều phụ thuộc vào diện tích mặt cắt ngang A. Cụ thể là nếu A giảm thì độ nhạy S tăng và P_max giảm.

Tỉ số điện thế ra E₀ và vào E_i  của mạch cầu khi chịu lực P_max

Hầu hết các loại loadcell dạng trụ đều làm từ thép AISI 4340 và có

Trên thực tế thì hầu hết các loại loadcell đều có E_o/E_i = 3mV/V trên toàn bộ thang đo với lực P = P_max , lực P được xác định:

Cảm biến lực điện trở dạng dầm

Cấu tạo:  Gồm có 4 tế bào cảm biến, 2 được dán ở mặt trên và 2 dán ở mặt dưới của dầm. Tất cả đều dán theo trục của dầm và theo mạch cầu wheatstone.

Nguyên lý hoạt động: khi chịu tác dụng của lực P thì sẽ có moment M=P.x

Ta có các biến dạng:

Điện thế ra E0  từ mạch cầu:
Lực P được xác định:
Hằng số tỷ lệ:
Độ nhạy của dụng cụ:

Lực lớn nhất có thể đo được:

Độ nhạy sẽ lớn nhất và phạm vi đo nhỏ nhất khi x tiến tới bằng chiều dài của dầm, ta có tỉ số điện thế khi P đạt giá trị max

Hầu hết các loại loadcell dạng trụ đều làm từ thép AISI 4340 và có:

Tỉ số (E_o/E_i) có thể lấy từ 4÷5 mV/V, độ nhạy của dầm lớn hơn độ nhạy dạng thanh là 5%.

Cảm biến lực điện trở dạng vòng

Cấu tạo: Gồm 4 tế bào biến trở được gắn lên vòng đàn hồi, 2 tế bào biến trở ở mặt trong và 2 tế bào biến trở ở mặt ngoài. Và chúng được nối với nhau theo mạch cầu wheatstone.

Loại này có phạm vi đo thay đổi lớn, bằng cách thay đổi đường kính D hay chiều dày t hay chiều rộng w. 

Nguyên lí hoạt động cũng dựa vào sự biến dạng của các tế bào biến trở, dẫn đến tín hiệu ra có quan hệ tuyến tính với lực cần đo.

Cảm biến lực điện trở dạng trượt

Loại này có kích thước nhỏ dùng ở những nơi có không gian bị hạn chế (có thể gọi là cân lực dạng phẳng), trong điều kiện rung động, được đặt trong lỗ nhỏ trong bề mặt trung  gian  của  mặt  bích  và dùng như một cảm biến.

 Chống nhiễu (sai số) cho cảm biến lực điện trở

Nhiệt độ:

+ Là yếu tố chủ yếu gây nên sai số cho phép đo của cảm biến lực điện trở. Vì nó làm thay đổi mô đun đàn hồi của vật liệu và thay đổi kích thước. Tất nhiên sự thay đổi do mô đun đàn hồi lớn hơn khoảng 2.5%, và 0.15% là do thay đổi kích thước khi nhiệt độ thay đổi 100 ^oF.

 Để bù trừ (hay chống sai số do nhiệt độ) thì người ta mắc thêm điện trở R_s. Được tính toán như sau:

Mà R_s = ρ.L/A , Nên suy ra: 

b– là hệ số nhiệt độ của điện trở suất

c– hệ số môđun đàn hồi

Cảm biến lực điện cảm

Là những cảm biến đo lực trên nguyên tắc thay đổi điện cảm.

Thành phần cấu tạo chính của loại này là cuộn dây tự cảm.

Điện cảm của cuộn dây:

L= µ.µ_o. ω².S/l

Trong đó:

µ_o , S, l không thay đổi.

Vậy µ và ω là dễ dàng thay đổi.

Thông thường người ta thay đổi điện cảm của cuộn dây bằng cách thay đổi hệ số µ. Bằng việc là cho vào trong cuộn dây một cái lõi. Vì khi có lực tác dụng thì sẽ có sự chuyển động tương đối giữa cuộn dây và lõi, ứng với mỗi vị trí tương đối ấy sẽ có một giá trị điện cảm nhất định và giá trị này lớn nhất khi lõi nằm gọn trong cuộn dây.

Công thức đo:

Trong đó:

δ là độ biến dạng.

P là lực cần đo.

Tín hiệu ra E_o  của chuyển đổi

E_o=S.δ.E_i

Ta có công thức xác định lực P:
Quan hệ giữa P và Eo là tuyến tính. Độ nhạy của chuyển đổi:
Ứng suất cực đại của vòng đàn hồi ở đỉnh và đáy vòng:
Tỉ số điện thế khi tải cực đại:

Suy ra

Ví dụ: một cảm biến lực điện cảm vòng, phạm vi dịch chuyển của lõi (độ nhạy 250mV/V). Nếu dụng cụ có độ biến dạng cực đại δ_max=1,25 tại P_max thì ta có:

(E₀/E_i)_max = S. δ_max = 250.1,25 = 313mV/V.

 Cảm biến lực kỹ thuật số

Biến lực thành tần số.

Chuyển đổi điện cảm, điện dung kết hợp với các mô đun phát tần số LC và RC.

 Cảm biến lực điện dung:

ε0 = hằng số điện môi của không khí εr =hằng số điện môi của dung môi A = Diện tích h = khoảng cách giữa hai tấm

Hình ảnh Cảm biến lực thực tế và ứng dụng:

Cảm biến lực dạng thanh:

Cảm biến lực dạng dầm:

Trạm cân xe tải:

Cân kiểm hàng tự động, cân băng tải:

Nguồn: Internet

Nếu có thắc mắc gì, hãy liên hệ với chúng tôi để có cách giải quyết nhanh nhất

0988 708 308

kala@kalascale.com