CẢM BIẾN VÀ ỨNG DỤNG - PHẦN 6

Chia sẻ: Nguyễn Nhi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:10

Thêm vào BST

Báo xấu

610
lượt xem 262
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

VI. CẢM BIẾN LỰC, TRỌNG LƯỢNG: VI.1 Cảm Biến Biến Dạng : a. Cấu tạo của cảm biến biến dạng: Cảm biến biến dạng gồm một sợi dây dẫn có điện trở suất ? (thường dùng hợp kim của Niken) có chiều dài là l và có tiết diện s, được cố dịnh trên một phiến cách điện như hình 6.1

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: CẢM BIẾN VÀ ỨNG DỤNG - PHẦN 6

VI. CAÛM BIEÁN LÖÏC, TROÏNG LÖÔÏNG: VI.1 Caûm Bieán Bieán Daïng : a. Caáu taïo cuûa caûm bieán bieán daïng: Caûm bieán bieán daïng goàm moät sôïi daây daãn coù ñieän trôû suaát ρ (thöôøng duøng hôïp kim cuûa Niken) coù chieàu daøi laø l vaø coù tieát dieän s, ñöôïc coá dònh treân moät phieán caùch ñieän nhö hình 6.1 Daây daãn Rx=R+∆R Phieán caùch ñieän Hình 6.1 Caûm bieán bieán daïng Khi ño bieán daïng cuûa moät beà maët duøng strain gage, ngöôøi ta daùn chaët strain gage leân treân beà maët caàn ño sao cho khi beà maët bò bieán daïng thì strain gage cuõng bò bieán daïng. Ñieän trôû cuûa caûm bieán: l R=ρ (6.1) s Khi caûm bieán bò bieán daïng, do kích thöôùc cuûa daây daãn bò thay ñoåi neân ñieän trôû cuûa caûm bieán thay ñoåi moät löôïng ∆R: ∆R ∆l ∆ρ ∆s = + − (6.2) ρ R l s Trong ñoù: ∆l laø bieán thieân chieáu daøi cuûa daây daãn, ∆ρ laø bieán thieân ñieän trôû suaát cuûa daây daãn vaø ∆s laø bieán thieân tieát dieän cuûa daây daãn, R laø ñieän trôû cuûa caûm bieán khi chöa bò bieán daïng. Bieán daïng doïc cuûa daây daãn keùo theo bieán daïng ngang cuûa daây. Neáu daây daãn hình chöõ nhaät coù caùc caïnh a, b hoaëc daây daãn troøn coù ñöôøng kính d thì quan heä giöõa bieán daïng doïc vaø ngang cuûa daây nhö (6.3). ∆a ∆b ∆d ∆l = −ν = = (6.3) a b d l Trong ñoù ν laø heä soá Poisson. Trong vuøng ñaøn hoài, ν ≈ 0,3. Tieát dieän s cuûa daây πd 2 neân: s = a.b = 4 ∆s ∆l = −2ν (6.4) s l Söï thay ñoåi cuûa ñieän trôû suaát cuûa daây daãn tuaân theo quan heä: ∆ρ ∆V ∆l = C (1 − 2ν ) =C (6.5) ρ V l Trong ñoù C laø haèng soá Bridman. V = l.s, ∆V laø theå tích vaø löôïng bieán thieân theå tích cuûa daây daãn. 94
∆R ∆l ∆l = (1 + 2ν + C − 2Cν ) = K Thay (6.4), (6.5) vaøo (6.2) ta ñöôïc: (6.6) R l l Vôùi K = (1 + 2ν + C − 2Cν ) . Hình 6.2 Caûm bieán bieán daïng (Strain gage) b. ÖÙng duïng cuûa caûm bieán bieán daïng: Strain gage ñöôïc duøng ñeå ño löïc, ño moâ men xoaén cuûa truïc, ño bieán daïng beà maët cuûa chi tieát cô khí, duøng ñeå cheá taïo caûm bieán troïng löôïng (Loadcell), caûm bieán ño öùng suaát … - Ño löïc duøng caûm bieán bieán daïng: Ñeå ño löïc taùc ñoäng leân moät vaät theå, ta daùn strain gage vaøo moät vaät öùng löïc (vaät chöùng) ñaët giöõa ñieåm taùc duïng löïc vaø vaät chòu taùc ñoäng sao cho bieán daïng cuûa caûm bieán baèng vôùi bieán daïng cuûa vaät chöùng, döôùi taùc duïng cuûa löïc taùc ñoäng, vaät chöùng bò bieán daïng seõ laøm caûm bieán bieán daïng laø thay ñoåi ñieän trôû cuûa caûm bieán, ño söï thay doåi ñieän trôû cuûa caûm bieán ta suy ra löïc taùc duïng. Vaät chöùng Vaät chòu löïc Löïc taùc ñoäng F Strain gage Rx=R+∆R Hình 6.3 Caûm bieán bieán daïng Khi vaät chöùng bò taùc duïng bôûi löïc F noù seõ bò bieán daïng theo phöông öùng löïc moät löôïng ε: ∆l 1 1F ε= = σ= (6.7) l Y YS Trong ñoù: ε laø bieán daïng cuûa vaät chöùng, σ laø öùng löïc, Y laø module Young, S laø tieát dieän cuûa vaät chöùng, F laø löïc taùc duïng. Töông öùng vôùi caùc vaät lieäu khaùc nhau thì module Young seõ khaùc nhau. Ví duï: Ño löïc eùp cho maùy eùp coïc beâ toâng hình 6.4: 95
Ño moâ men xoaén duøng caûm bieán bieán daïng: - Ñeå ño moâ men xoaén cuûa truïc quay, ta daùn 2 strain gage leân treân truïc quay theo höôùng cuûa öùng suaát (Nghieâng 45o so vôùi truïc) vaø 2 strain gage coù truïc vuoâng goùc vôùi nhau nhö hình 6.5 vaø 2 strain gage ñöôïc boá trí sao cho moät strain gage neùn vaø moät strain gage giaõn. Giaù eùp Xy lanh thuûy Taûi giöõ 450 Taûi giöõ A giaù eùp giaù eùp 450 B Vaät chöùng Hình 6.5 Daùn strain gage leân Coïc beâ toâng truïc ñeå ño moâ men xoaén Hình 6.4 Maùy eùp coïc beâ toâng Khi chòu taùc duïng cuûa ngaãu löïc, treân beà maët cuûa truïc quay seõ xuaát hieän moät bieán daïng ε ∆l 4 4 16T ε= γ= = (6.8) 3Y πD 2 l 3Y Trong ñoù: T laø moâ men taùc ñoäng leân truïc, Y laø module Young, D laø baùn kính beà maët truïc Ví duï: Ño moâ men xoaén treân truïc cuûa heä tuabin maùy phaùt: Truïc quay Maùy phaùt Tua bin Chaân maùy Hình 6.6 Heä tua bin maùy phaùt Hình 6.7 Caûm bieán ño moâ men xoaén Maïch ño duøng strain gage: - Trong tröôøng hôïp duøng 2 strain gage thì Rx1 seõ laø strain gage neùn ( Rx1 = R - ∆R), Rx2 seõ laø strain gage giaõn ( Rx1 = R + ∆R). Trong maïch ño hình 6.8a thí ñieän aùp ngoõ ra Vo laø: 96
R2 R2 VCC Vcc U1 R R 4 8 4 8 R1 R Rx1 R1 OP-07 2 OP-07 2 - - 6 Vo 6 3 + 3 Vo + R3 R Rx R4 R Rx2 R3 7 1 R4 7 1 a. Maïch ño moät strain gage b. Maïch ño 2 strain gage Hình 6.8 Maïch ño duøng Strain gage R2  R + ∆R 1  ∆R R Vo = − − Vcc = − 2  Vcc ( 6 .9 ) R1  2 R + ∆R 2  R1 2(2 R + ∆R) Trong maïch ño hình 6.8b, ñieän aùp ngoõ ra Vo laø:  R + ∆R 1  R ∆R R2 Vo = − − Vcc = − 2  Vcc (6.10) R1  2R 2 R1 2 R VI.2 Caûm Bieán Troïng Löôïng (Loadcell) : a. Caáu taïo cuûa Loadcell: - Loadcell goàm moät vaät chöùng ñaøn hoài, laø moät khoái nhoâm hoaëc theùp khoâng ræ ñöôïc xöû lyù ñaëc bieät, treân vaät chöùng coù daùn 4 strain gage. Khi vaät chöùng bò bieán daïng döôùi taùc duïng cuûa troïng löôïng taùc ñoäng vaøo loadcell thì coù theå coù 2 hoaëc 4 strain gage bò taùc ñoäng. Tuyø vaøo daïng cuûa vaät chöùng ta coù caùc loaïi loadcell. Starin gage 1 Starin gage 2 Vaät chöùng Maøng baûo veä Starin gage 3 Starin gage 4 Hình 6.9 Caáu taïo cuûa loadcell 97
Moät soá daïng cuûa loadcell: - Hình 6.10 Moät soá daïng Loadcell Caùc strain gage trong loadcell ñöôïc keát noái thaønh moät maïch caàu Wheastone nhö hình - 6.11. Caùc strain gage trong maïch caàu coù taùc duïng buø aûnh höôûng cuûa nhieät ñoä. 98
R4 R1 1 A Vo V1 B R3 R2 2 Hình 6.11 Keát noái caùc strain gage trong loadcell - Khi khoâng bò taùc ñoäng, ñieän trôû cuûa caùc strain gage baèng nhau caàu ôû traïng thaùi caân baèng. Khi bò taùc ñoäng, vaät chöùng bò bieán daïng, caùc strain gage thay ñoåi ñieän trôû laøm caàu leäch caân baèng laø xuaát hieän ôû ngoõ ra moät ñieän aùp Vo. + Khi loadcell coù 2 strain gage tích cöïc (R2 , R4 giaõn, R1 = R3 = R coá ñònh):  R2   R + ∆R ∆R  R3 R Vo =  Vcc =  R +R − R +R − Vcc = Vcc (6.11)   2 R + ∆R 2 R + ∆R  2 R + ∆R 1  2 3 4 Thöôøng thì giaù trò cuûa ∆R
khoái löôïng taùc ñoäng vaøo caùc loadcell thì chæ soá treân cô caáu chæ thò phaûi nhö nhau. Ñeå ñaûm baûo ñöôïc yeâu caàu naøy thì caùc loadcell phaûi ñöôïc noái vaøo maïch coäng tín hieäu tröôùc khi ñöa veà ñaàu caân ñeå xöû lyù. Vì moãi loadcell coù moät ñoä nhaïy khaùc nhau cho duø duøng cuøng loaïi, neân Junction box coù boán bieán trôû ñieàu chænh ñeå caùc loadcell cuøng ra moät sai leäch ñieän aùp ñoái vôùi cuøng moät taûi troïng. Caùc bieán trôû naøy ñöôïc maéc vaøo nguoàn cung caáp cho loadcell vì thay ñoåi aùp nguoàn cung caáp seõ laøm thay ñoåi tín hieäu ñieän aùp ra. Ngoøai ra ñeå coù theå coäng caùc tín hieäu laïi vôùi nhau, ngöôøi ta duøng theâm moät ñieän trôû maéc ôû ngoõ ra cuûa caùc loadcell. Sô ñoà nguyeân lyù cuûa Junction Box nhö hình 6.15: - Khi noái theâm bieán trôû chænh nguoàn vaø ñieän trôû coäng tín hieäu vaøo loadcell, thì ñieän aùp ngoõ ra cuûa moãi loadcell:  R + ∆R R − ∆R  R ∆R V = − Vcc =  .Vcc (6.14) 2 R  R + VR R + VR  2R ∆R 2 Rtd = R − (6.15) VR + R Sô ñoà töông ñöông thevenin nhö hình 6.14. VR Rtd R1 R2 Sig+ Sig+ V1 V Sig- R4 R3 Sig- R Hình 6.14 Sô ñoà keát noái 1 loadcell vaø maïch töông ñöông thevenin Exc V V V V Sig- R R R R R R R R R Loadcell Loadcell Loadcell Loadcell Sig+ Exc Hình 6.15 Sô ñoà junction Box 4 loadcell Ta coù sô ñoàng thay theá cuûa maïch Junction Box: 100
Sig+ V1 V2 V3 V4 U Rtd1 Rtd2 Rtd3 Rtd4 Sig- Hình 6.16 Maïch töông ñöông cuûa Junction Box Goïi U = Sig+ - Sig- laø ñieän aùp ngoõ ra cuûa Junction Box, Rtd1, Rtd2, Rtd3, Rtd4 laø toång trôû töông ñöông thevenin cuûa moãi loadcell. Ta coù: U − V1 U − V 2 U − V 3 U − V 4 + + + =0 (6.16) Rtd1 Rtd 2 Rtd 3 Rtd 4 U U U U V1 V2 V3 V4 ⇒ + + + = + + + (6.17) Rtd1 Rtd 2 Rtd 3 Rtd 4 Rtd1 Rtd 2 Rtd 3 Rtd 4 U U U U V1 V2 V3 V4 ⇒ + + + = + + + (6.18) Rtd1 Rtd 2 Rtd 3 Rtd 4 Rtd1 Rtd 2 Rtd 3 Rtd 4 Neáu toång trôû töông ñöôg cuûa caùc loadcell laø gioáng nhau thì töø (6.18) ta coù: V1 + V 2 + V 3 + V 4 U= (6.19) 4 b. ÖÙng duïng cuûa loadcell: Loadcell ñöôïnc söû duïng trong caùc heä thoáng caân nhö caân oâtoâ, caân ñònh löôïng trong caùc heä thoáng troän phoái lieäu nhö: Beâ toâng, thöùc aên gia suùc, phaân boùn, xi maêng …; Caùc heä thoáng caân ñoùng bao. Ngoaøi ra Loadcell coøn coù theå ñöôïc duøng ñeå ño löïc, ño moâmen … Hình 6.17 Heä thoáng caân xe oâtoâ taûi troïng lôùn 101
Hình 6.17 Moät soá öùng duïng cuûa loadcell VII. CAÛM BIEÁN AÙP SUAÁT: VII.1 Caáu Taïo Vaø Nguyeân Lyù Hoaït Ñoäng Cuûa Caûm Bieán AÙp Suaát: a. Caûm bieán aùp suaát kieåu ñieän trôû: Caûm bieán aùp suaát kieåu ñieän trôû coù caáu taïo goàm 1 strain gauge ñöôïc daùn coá ñònh treân maøng moûng (phaân caùch phaàn aùp suaát cao vaø phaàn aùp suaát thaáp) bieán daïng nhö hình hình 7.1. Khi aùp suaát chaát löu taùc ñoäng leân caûm bieán ôû phaàn aùp suaát cao, maøng phaân caùch bò bieán daïng laøm cho Strain gauge bò bieán daïng theo. Khi strain gauge bò bieán daïng, ñieän trôû cuûa noù seõ thay ñoåi nhö (6.6). Hình 7.1 Caáu taïo vaø moät soá daïng cuûa caûm bieán aùp suaát kieåu ñieän trôû. 102
- Maïch ño cuûa caûm bieán aùp suaát kieåu ñieän trôû: R2 VCC R R 4 8 R1 2 OP-07 - 6 Vo 3 + R3 R Rx R4 7 1 Hình 7.2 Maïch ño duøng caûm bieán aùp suaát. b. Caûm bieán aùp suaát kieåu aùp ñieän: Caûm bieán aùp suaát kieåu aùp ñieän coù caáu taïo nhö hình 7.3 P Maøng phaân caùch Voû caûm bieán Tinh theå aùp ñieän Q Hình 7.3 Caáu taïo vaø hình daïng cuûa caûm bieán aùp suaát aùp ñieän. Trong caáu taïo cuûa caûm bieán, phaàn töû nhaïy caûm chính laø caùc chaát aùp ñieän nhö: caùc tinh theå thaïch anh, Titan, Bari …. Khi aùp suaát cuûa chaát löu taùc ñoäng leân caûm bieán seõ laøm caùc tinh theå aùp ñieän bò bieán daïng (bò neùn) thí treân beà maët cuûa chaát aùp ñieän seõ xuaát hieän ñieän tích Q phuï thuoäc vaøo aùp suaát neùn. Q = K.P (7.1) Vôùi K laø heä soá phuï thuoäc vaøo kích thöôùc vaø baûn chaát cuûa chaát aùp ñieän. VII.2 ÖÙng Duïng Cuûa Caûm Bieán AÙp Suaát: Caûm bieán aùp suaát ñöôïc duøng ñeå ño aùp suaát chaát löu nhö: Ño aùp suaát chaát loûng trong ñöôøng oáng, ño aùp suaát khí trong caùc ñöôøng oáng daãn khí, ño aùp suaát hôi trong noài hôi… Ngoaøi ra caûm bieán aùp suaát coøn coù theå ñöôïc duøng ñeå ño cao trình coät chaát loûng thoâng qua aùp suaát thuyû tónh. 103