Cõu 5/ Nguyờn lý đo biến dạng bằng CB điện trở? Vẽ sơ đồ cấu tạo, trỡnh bày nguyờn lý làm việc, nờu đặc điểm và ứng dụng của đầu đo biến dạng theo điện trở? Lập công thức xác định hệ số đầu đo và ý nghĩa của nú?

Phương pháp đo biến dạng Bằng Cảm biến điện trở: dựa vào sự thay đổi điện trở của vật liệu khi có biến dạng. Kích thước cảm biến nhỏ từ vài mm đến vài cm, khi đo chúng được dán trực tiếp lên cấu trúc biến dạng ® dùng phổ biến.

Cảm biến điện trở kim loại

2.1. Cấu tạo và nguyờn lý hoạt động:

• Dõy điện trở tiết diện trũn dằ20mm hoặc chữ nhật. Số nhỏnh n = 10 á20 nhỏnh.

• Đế cách điện: giấy (~ 0,1 mm), chất dẻo (~ 0,03 mm).

• Vật liệu làm điện trở thường thuộc họ hơp kim Ni

Sơ đồ cố định cảm biến trên bề mặt đo biến dạng:

• Điện trở của cảm biến

:

Đặc điểm:

 Vật liệu chế tạo điện trở cần có r đủ lớn.

 Hệ số đầu đo nhỏ: thông thường K = 2 ¸ 3, (isoelastic có K = 3,5 và platin-vonfram K = 4,1). Trong giới hạn đàn hồi ® K=const, Ngoài giới hạn đàn hồi (khi Dl/l > 0,5% - 20% tùy vật liệu) ® K » 2.

• Ảnh hưởng của T: trong khoảng - 100oC ¸ 300oC: (K0 ứng với T = 25oC, constantan aK = +0,01%/oC, isoelastic khá lớn).

• Ảnh hưởng của biến dạng ngang®sai số (không đáng kể có thể bỏ qua).

Cõu 6/ Nguyờn lý đo biến dạng bằng CB áp trở Vẽ sơ đồ cấu tạo, trỡnh bày nguyờn lý làm việc, nờu đặc điểm và ứng dụng của đầu đo biến dạng dùng áp trở silic? Lập công thức xác định hệ số đầu đo và so sánh với hệ số đầu đo của đầu đo điện trở kim loại ?

Nguyờn lý đo biến dạng bằng CB áp trở dựa vào sự thay đổi điện trở của vật liệu khi có biến dạng. Kích thước cảm biến nhỏ từ vài mm đến vài cm, khi đo chúng được dán trực tiếp lên cấu trúc biến dạng ® dùng phổ biến.

Cấu tạo và nguyờn lý hoạt động:

• Điện trở: các mẫu cắt từ đơn tinh thể silic pha tạp P hoặc N, kích thước: dài ~ 0,1¸ 2 mm và chiều dày ~ 0,01mm.

• Đế cách điện: nhựa.

• Để tăng tín hiệu có thể ghép nối tiếp, song song nhiều mảnh cắt.

Loại khuếch tỏn:

. Điện trở: silic pha tạp loại P (hoặc N).

• Đế: silic pha tạp loại N (hoặc P).

• Lớp tiếp giáp P - N phân cực ngược.

Điện trở của cảm biến:

Đặc điểm:

a) Điện trở (R):

• Phụ thuộc độ pha tạp:

• Phụ thuộc nhiệt độ: R tăng khi T <120oC (aR>0), R giảm khi T>120oC (aR<0),

b) Hệ số đầu đo (K):

• Lớn: K = 100 á 200.

• Phụ thuộc vào độ pha tạp: độ pha tạp tăng ® K giảm.

• Phụ thuộc vào nhiệt độ: nhiệt độ tăng ® K giảm, độ pha tạp lớn (Nd>1020/cm3) K ít phụ thuộc.

• Phụ thuộc độ biến dạng: , Khi e nhỏ ® có thể coi K = const.

Cõu 7/ Nguyờn lý đo lực dựa trên hiệu ứng áp điện? Vẽ sơ đồ cấu tạo, phương pháp ghép các phần tử áp điện khi chế tạo cảm biến, trỡnh bày nguyờn lý làm việc, nờu đặc điểm và ứng dụng của CB thạch anh kiểu vũng đệm, CB thạch anh nhiều thành phần?

Nguyên tắc đo lực: làm cân bằng lực cần đo với một lực đối kháng sao cho lực tổng hợp và momen tổng của chúng bằng không.

• Lực cần đo F ® tác động lên vật trung gian ® gây ra biến dạng và lực đối kháng.

• Đo trực tiếp biến dạng ị Lực.

• Đo gián tiếp qua sự thay đổi tính chất của vật liệu chế tạo vật trung gian khi bị biến dạng.

Cảm biến áp điện

Cấu tạo và nguyờn lý hoạt động

 Cấu tạo: Cảm biến có dạng tấm mỏng chế tạo từ vật liệu áp điện (thạch anh, gốm PZT...) hai mặt có phủ kim loại ® tương tự một tụ điện.

 Nguyên lư hoạt động: dựa trên cơ sở hiệu ứng áp điện: Dưới tác dụng của lực cơ học, tấm áp điện bị biến dạng, làm xuất hiện trên hai bản cực các điện tích trái dấu. Hiệu điện thế xuất hiện giữa hai bản cực (V) tỉ lệ với lực tác dụng (F).(hỡnh vẽ ở tờn bờn phải)

Các dạng biến dạng cơ bản:

•

• Cách ghép các phần tử áp điện thành bộ:

CB thạch anh kiểu vũng đệm

a) Cấu tạo:

• Các ṿng đệm: phiến cắt từ đơn tinh thể thạch anh, nhạy với lực nén dọc theo chiều trục.

b) Đặc điểm:

• Chỉ nhạy với lực nén theo chiều trục ® đo lực nén (có thể đo lực kéo bằng cách nén trước).

• Giới hạn trên của dải đo cỡ từ vài kN (với đường kính ~ 1 cm) đến 103 kN ( với đường kính ~ 10 cm).

• 2.3. CB thạch anh nhiều thành phần

a) Cấu tạo:

Cõu 8/ Nguyờn lý đo lực dựa trên hiệu ứng từ giảo? Vẽ sơ đồ cấu tạo, trỡnh bày nguyờn lý làm việc, nờu đặc điểm và ứng dụng của CB từ thẩm biến thiên, Cb từ dư biến thiên?

Hiệu ứng từ giảo

• Dưới tác động của từ trường, một số vật liệu sắt từ thay đổi h́n dáng chất hỡnh học hoặc tớnh chất cơ học (mô đun Young) ® hiệu ứng từ giảo.

• Ngược lại: Khi có tác dụng của lực cơ học gây ra ứng lực trong vật liệu sắt từ đường cong từ hoá của chúng thay đổi ® hiệu ứng từ giảo nghịch.

• Đường cong từ hóa:

• Khi trong vật liệu sắt từ có ứng lực, kích thước mạng tinh thể thay đổi, các hướng dễ từ hoá thay đổi dẫn đến làm thay đổi định hướng của các domen ® đường cong từ hóa thay đổi ® hiệu ứng từ giảo nghịch.

Cảm biến từ thẩm biến thiờn

a) Cấu tạo, nguyên lư làm việc:

• Dưới tác dụng của lực F, lừi từ bị biến dạng đ độ từ thẩm (m) thay đổi ® từ trở mạch từ (Rt) thay đổi ® độ tự cảm (L) của cuộn dây thay đổi.

• Sự thay đổi m, Rt, L Î F:

1.Gụng từ 2,Lừi từ 3.Cuộn dõy 1.Lừi từ Ni 2.Cuộn dõy

• 3.3. Cảm biến từ dư biến thiên

a) Cấu tạo và nguyên lư làm việc(hỡnh trờn bờn phải)

• Dưới tác dụng của lực cần đo ® Br thay đổi , ví dụ lực nén (ds < 0), Br tăng lên:

• Br thay đổi ® F biến thiên ® ec.ư.

• Điện áp hở mạch:

4. Cảm biến đo lực dựa trên phép đo dịch chuyển

4.1. Nguyên lư: Trong cảm biến loại này, lực cần đo tác dụng lên vật trung gian và gây nên sự thay đổi kích thước Dl của nó. Sự thay đổi kích thước được đo bằng một cảm biến dịch chuyển. Khi đó tín hiệu ra Vm và lực tác dụng được biểu diễn bằng biểu thức: Vm/Dl: tỉ số truyền đạt của cảm biến. Dl/F : độ mềm của vật trung gian.

Cõu 9/ Trỡnh bày nguyờn lý đo lực dựa trên phép đo dịch chuyển? Các loại cảm biến dịch chuyển thường dùng khi đo lực ( cho ví du ứng dụng)?

4.2. Cấu tạo:

 Vật trung gian:

• Vũng đo lực;

• Cỏc dầm dạng console;

• Lũ xo.

 Cảm biến đo dịch chuyển:

• Điện thế kế điện trở;

• Cảm biến từ trở biến thiờn;

• Cảm biến tụ điện.

• Cõu 10/ Nguyờn lý đo vận tốc bằng cảm biến điện từ? Vẽ sơ đồ cấu tạo, trỡnh bày nguyờn lý làm việc, nờu đặc điểm và ứng dụng của các loại tốc đọ kế điện từ đo vận tốc dịch chuyển quay ( tốc độ kế dũng 1 chiều, xoay chiều, cú lừi từ di động) ?

Nguyên lư đo vận tốc quay:

• Phương pháp 1 (sử dụng tốc độ kế điện từ): Dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ. Cảm biến gồm có hai phần: phần cảm (nguồn từ thông) và phần ứng (phần có từ thông đi qua). Khi có chuyển động tương đối giữa phần cảm và phần ứng ® từ thông (F) đi qua phần ứng biến thiên ® trong phần ứng xuất hiện suất điện động cảm ứng (e) Î tốc độ biến thiên (F) ® Î tốc độ dịch chuyển. Đo (e) ® (v).

• Các loại: Tốc độ kế một chiều, tốc độ kế xoay chiều...

• Sức điện động cảm ứng:

• Từ thông qua phần ứng:

F(x) là hàm phụ thuộc vị trí của phần động. ị

Tốc độ kế điện từ

a) Tốc độ kế điện từ một chiều:

 Cấu tạo và nguyên lư làm việc:

• Rôto: lơi thép kỹ thuật điện ghép từ nhiều tấm, mặt ngoài xẻ rănh và đặt các dây dẫn chính.Các dây dẫn chính của nối với nhau thành cặp bằng dây phụ và mắc nối tiếp hai cụm, hai cụm mắc ngược pha nhau.

• Stato: nam chân vĩnh cửu hoặc nam châm điện.

• nguyên lư làm việc:

• Khi rô to quay, trong dây dẫn ® sđđ cảm ứng:

• Trong nửa số dây ở bên phải đường trung tính:

• Trong nửa số dây ở bên trái đường trung tính:

b) Tốc độ kế dũng xoay chiều

 Loại đồng bộ:

1) Stato 2) Rụto

Khi rôto (phần cảm) quay, trong các cuộn dây của stato (phần ứng) xuất hiện s.đ.đ. cảm ứng:

(với K1 và K2 là các thông số phụ thuộc cấu tạo của máy phát.)ị Đo E hoặc W® w.

-Đo E ị w: có sai số do ảnh hưởng của tổng trở cuộn ứng và suy giảm tín hiệu khi truyền đi xa. Điện áp V ở hai đầu cuộn ứng:

Khi điện trở tải (tổng trở của cuộn ứng) .

Đo W® w: có thể truyền tín hiệu đi xa không ảnh hưởng đến độ chính xác.

 Loại không đồng bộ:

• Khi rô to quay, trong cuộn đo xuất hiện s.đ.đ cảm ứng:

Biên độ s.đ.đ cảm ứng Em = K.w (K: hệ số tỉ lệ). Đo Em ị w.

Cõu 11/ Nguyờn lý đo vận tốc bằng cảm biến xung? Vẽ sơ đồ cấu tạo, trỡnh bày nguyờn lý làm việc, nờu đặc điểm và phạm vi ứng dụng của tốc độ kế xung( tốc độ từ trở biến thiên, tộc độ kế quang)?

Phương pháp 2 (Sử dụng tốc độ kế vũng loại xung): làm việc theo nguyờn tắc đo tần số chuyển động của phần tử chuyển động quay. Cảm biến có một đĩa được mó hoỏ gắn với trục quay, ứng với một chuyển dịch cơ bản ® xung. Tần số xung tỉ lệ với tốc độ cần đo.

Các loại: Tốc độ kế từ trở biến thiên, tốc độ kế quang...

Tốc độ kế từ trở biến thiên

a) Cấu tạo và nguyên lư làm việc:

• Khi đĩa quay ® khe hở d biến thiên ® từ trở mạch từ biến thiên ® F qua cuộn dây biến thiên ® trong cuộn dây xuất hiện s.đ.đ cảm ứng (e) có tần số (f) tỉ lệ với tốc độ quay (n):

Tốc độ kế từ trở biến thiên

b) Đặc điểm:

• Biên độ (E) của s.đ.đ cảm ứng phụ thuộc: khoảng cách giữa cuộn dây - đĩa quay và tốc độ quay (dmin¯, n­ ® E­). Với n£nmin nhất định E quá bé không thể đo được ® vùng chết.

• Dải đo của cảm biến phụ thuộc vào số răng (p) của đĩa: p lớn ® nmin nhỏ, p nhỏ ® nmax lớn. Ví dụ: p = 60 răng ® dải đo n = 50 ¸ 500 vg/ph, p = 15 răng ® dải đo n = 500 ¸ 10.000 vg/ph.

• 1.3.2. Tốc độ kế quang

a) Cấu tạo và nguyên lư làm việc:

b) Đặc điểm:

• Phạm vi đo phụ thuộc:

+ Số lượng lỗ trên đĩa.

+ Dải thông của đầu thu quang và mạch điện tử.

Để đo tốc độ nhỏ (~ 0,1 v/ph) phải dùng đĩa có số lượng lỗ lớn (500 ¸ 1.000 lỗ). với tốc độ lớn (~ 105 - 106 v/ph) phải sử dụng đĩa quay chỉ một lỗ, khi đó tần số ngắt của mạch điện xác định tốc độ cực đại có thể đo được.

Câu 12/ Sơ đồ nguyên lý của CB đo gia tốc và rung? Các đặc trưng cần đo khi đo rung và các loại CB thứ cấp thường dùng khi đo gia tốc và rung?

Sơ đồ nguyên lư cảm biến đo gia tốc và rung:

• Phương tŕnh cân bằng lực:

(*)

 Mô tả bằng toán tử laplace:

• Từ cụng thức (*) ị cấu tạo của cảm biến để đo đại lượng sơ cấp m1 (độ dịch chuyển h0, vận tốc dh0/dt hoặc gia tốc d2h0/dt2) phụ thuộc vào đại lượng được chọn để làm đại lượng đo thứ cấp m2 (z, dz/dt hoặc d2z/dt2) và dải tần số làm việc.

Cảm biến thứ cấp thường sử dụng:

+ Cảm biến đo vị trí tương đối của khối lượng rung M so với vỏ hộp.

+ Cảm biến đo lực hoặc cảm biến đo biến dạng.

+ Cảm biến đo tốc độ tương đối.

• Hệ số khuếch đại:

• 2.2. Cảm biến đo tốc độ rung

a) Cấu tạo & nguyên lư làm việc:

•

b) Đặc điểm:

• Kết cấu đơn giản.

• Sai số do lực cản của cuộn dây CB thứ cấp.

• Tín hiệu ra là điện áp.

• Đo rung tần số thấp.

• 2.3. Gia tốc kế áp điện

a) Cấu tạo và nguyê lư làm việc:

b) Đặc điểm:

 Kiểu nén:

• Có tần số cộng hưởng cao.

• Kết cấu chắc chắn.

• Nhạy với ứng lực của đế.

 Kiểu uốn cong:

• Độ nhạy rất cao

• Tần số và gia tốc rung đo được bị hạn chế.

• 2.3. Gia tốc kế áp điện

c) Độ nhạy:

• Độ nhạy của CB sơ cấp:

• Độ nhạy của CB thứ cấp:

• 2.4. Gia tốc kế ỏp trở

a) Cấu tạo và nguyên lư làm việc:

b) Độ nhạy:

• Độ nhạy cơ:

• Độ nhạy điện của cầu Wheatstone: