Chương 5 - Bài giảng: Cảm biến Biến dạng và Lực. Môn Cơ học Kỹ thuật (UET) | Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội.

lOMoAR cPSD| 59735516 CHƯƠNG 5
CẢM BIẾN BIẾN DẠNG, LỰC
Giảng viên: ThS. Trương Xuân Hùng 1 lOMoAR cPSD| 59735516
Khái niệm về biến dạng và lực 2 lOMoAR cPSD| 59735516
Khái niệm về biến dạng và lực
Ứng suất (stress) hay còn gọi là sức căng, là lực trên một đơn vị diện tích trong vật
liệu, hình thành do lực tác dụng bên ngoài, quá trình gia nhiệt, hoặc hiện tượng
biến dạng vĩnh viễn của bản thân vật liệu. # ! " $
trong đó ! là ứng suất, F là lực tác dụng, A là diện tích tác dụng.
Biến dạng (strain) là mức độ biến dạng mà vật thể phải chịu theo hướng của lực
tác dụng chia cho kích thước ban đầu của cơ thể. &’ % " (
trong đó &’ là khoảng thay đổi do biến dạng, L là độ dài ban đầu. 3 lOMoAR cPSD| 59735516
Khái niệm về biến dạng và lực
Phân loại biến dạng Biến dạng kéo
Sự biến dạng hoặc giãn dài của vật rắn do tác dụng lực kéo hoặc ứng suất được gọi
là biến dạng kéo. Nói cách khác, lực căng được tạo ra khi vật thể tăng chiều dài khi
các lực tác dụng cố gắng kéo căng nó. Biến dạng nén
Biến dạng nén là sự biến dạng của vật rắn do tác dụng của ứng suất nén. Nói cách
khác, biến dạng nén được tạo ra khi vật thể giảm chiều dài khi các lực bằng nhau
và ngược chiều cố gắng nén nó. 4 lOMoAR cPSD| 59735516
Khái niệm về biến dạng và lực
Đường cong biên dạng
Định luật Hooke cho vùng giới hạn tuyến tính # " )*+
F là lực tác động, x là độ biến dạng, k là hệ số tỷ lệ. 5 lOMoAR cPSD| 59735516
Khái niệm về biến dạng và lực
Ba định luật Newton
Định luật 1 Newton (định luật quán tính)
Nếu một vật không chịu tác dụng của bất cứ lực nào hoặc chịu tác dụng của nhiều
lực nhưng tổng hợp lực của các lực này bằng không thì vât giữ nguyên trạng thái
chuyển động thẳng đều hoặc đứng yên. ./ #!" " , -" , .0
Định luật 2 Newton
Sự biến thiên động lượng của một vật tỉ lệ thuận với xung lực đã tác dụng lên nó.
Vectơ biến thiên động lượng với vectơ xung lực gây ra nó luôn cùng hướng. Hay gia
tốc của một vật sẽ cùng hướng với lực tác dụng lên vật. Độ lớn của gia tốc luôn tỉ
lệ thuận với độ lớn của lực và tỉ lệ nghịch với khối lượng của vật đó. # " 12 6 lOMoAR cPSD| 59735516
Khái niệm về biến dạng và lực
Ba định luật Newton
Định luật 3 Newton
Đối với mỗi lực tác động luôn luôn có một phản lực có cùng độ lớn. Hay
nói cách khác, các lực tương tác giữa 2 vật bao giờ cũng là những cặp lực
có cùng phương, cùng độ lớn, có chiều ngược nhau và khác điểm đặt. !!" "#!"! 7 lOMoAR cPSD| 59735516
Khái niệm về biến dạng và lực
Cảm biến biến dạng (strain gauge) là một cảm biến có điện trở đo được
thay đổi theo sự biến dạng hoặc dịch chuyển của vật liệu do ứng suất tác động từ bên ngoài.
Cảm biến lực là chuyển đổi lực cơ học đầu vào như tải trọng, trọng
lực/khối lượng, lực căng, lực nén hoặc áp suất thành tín hiệu điện đầu ra
có thể đo được, chuyển đổi và tiêu chuẩn hóa. Một số ví dụ về ứng dụng
đo biến dạng/lực Phương tiện giao thông Công trình xây dựng 8 lOMoAR cPSD| 59735516 Phân loại nguyên lý đo Đo biến dạng Đo lực
Căn cứ theo hiệu ứng vật lý có thể Đo cân bằng với lực đã biết, như dùng
đo độ biến dạng: lực hấp dẫn của tải trọng tham chiếu;  Áp trở
 Chuyển đổi sang đại lượng vật lý
 Áp điện trung gian, như áp suất... và đo; Quang học Đo giá tốc của vật
đã biết khối Điện dung lượng và lực tác dụng;
 Đo độ biến dạng của vật liệu trong vùng đàn hồi. 9 lOMoAR cPSD| 59735516 Phân loại nguyên lý đo
 Cảm biến đo lực định tính là một phép đo theo ngưỡng mà không quan tâm
đến giá trị cường độ lực cụ thể, biểu thị mức độ mạnh hay yếu của lực thông
qua so sánh với ngưỡng đã biết.
 Cảm biến đo lực định lượng: đo được độ lớn của cường độ lực và biểu thị giá
trị của nó dưới dạng tín hiệu điện. Biến Lực Điện dạng 10 lOMoAR cPSD| 59735516
Cảm biến biến dạng (strain gauge)
Lực tác động gây ra sự biến dạng của cấu
trúc có tính đàn hồi. Độ lớn của biến dạng
là đại lượng xác định sự dịch chuyển dưới tác động của lực. -
Cảm biến biến dạng được gắn trực
tiếp lên bề mặt của vị trí cần đo và bị biến
dạng theo sự biến dạng tại vị trí đó khi có lực tác động. -
Cảm biến biến dạng có tính chất định hướng. 11 lOMoAR cPSD| 59735516 Cảm biến biến dạng Hiệu ứng áp trở
Hiệu ứng áp trở là sự thay đổi điện trở suất của vật liệu, thường là chất bán dẫn
hoặc kim loại, khi xảy ra sự biến dạng cơ học do tác động của ngoại lực. " 4#5
trong đó dR là biến thiên điện trở khi có biên dạng, R là giá trị điện trở tức thời tại
vị trí biến dạng, Se là hệ số biến dạng, e là lượng biến dạng cơ khí. Se là hệ số thể
hiện cho mối quan hệ giữa mức độ biến dạng của vật liệu và mức độ biến thiên của điện trở vật liệu.
4# 6 7 với đa số vật liệu kim loại 4# 6 8 với bạch kim 4# 6 )9,, : 9;, với Silicon 12 lOMoAR cPSD| 59735516 Cảm biến biến dạng Hiệu ứng áp trở
Khi biến thiên điện trở không vượt quá 2% $"$# %&’ "$# %&($)
trong đó R0 là giá trị điện trở ở trạng thái không có biến dạng. Như vậy:
Giá trị điện trở tăng khi vật liệu bị kéo giãn
Giá trị điện trở giảm khi vật liệu bị nén lại 13 lOMoAR cPSD| 59735516 Cảm biến biến dạng
Một số loại vật liệu áp trở Vật liệu Hệ số Se Điện trở Chú thích (Ohm) 57% Cu/43% 2,0 100
Hệ số Se không đổi trong toàn Ni
khoảng, nhiệt độ làm việc dưới 260 oC Hợp kim Pt 4,0 * 6,0 50 Nhiệt độ làm việc cao Silicon -100 * +150 200
Độ nhạy cao, khoảng đo biến dạng lớn 14 lOMoAR cPSD| 59735516
Cảm biến biến dạng Tấm nền Vật liệu áp trở Cấu tạo Hai thành phần:
 Tấm nền là vật liệu cách điện, đàn hồi,
bề mặt có thể dán được vào đối tượng.
 Vật liệu áp trở có dạng sợi mỏng gắn ở
mặt còn lại của tấm nền.
 Kiểu bố trí sợi ngang dọc để tăng độ nhạy cho phép đo. 15 lOMoAR cPSD| 59735516 Cảm biến biến dạng Mạch đo
Mạch cầu Wheatstone được dùng để xác định giá trị điện trở của cảm biến
thông qua việc so sánh với các giá trị điện trở đã biết ở ba nhánh khác. Ở trạng thái cân bằng, $% $’ " $& $(
Xét mối quan hệ với điện áp thì
$’ "$$%%++$’$$’$ $$%%&$&$&& ++$( 16 lOMoAR cPSD| 59735516 Cảm biến biến dạng
Thông số cơ bản của cảm biến biến dạng
Kích thước của của tấm nền (dài x
rộng); Giá trị điện trở; Kiểu bố trí
sợi; Vật liệu cấu tạo của sợi; Vật liệu
của tấm nền; Kiểu đầu mối hàn. 17 lOMoAR cPSD| 59735516 Cảm biến biến dạng
Đặc điểm Hệ số giãn nở nhiệt của hai loại vật liệu tương
tự nhau; Độ nhạy cao, cho phép đo được những biến dạng rất nhỏ;
 Linh hoạt, có thể gắn được lên nhiều loại bề mặt vật liệu hoặc
nhúng vào bên trong cấu trúc;
 Hiệu quả sử dụng cao, chi phí thấp và có thể tái sử dụng; Lắp
đặt phức tạp; Nhạy cảm với điều kiện môi trường; Phạm vi đo giới hạn. 18 lOMoAR cPSD| 59735516
Màng phim nhạy với áp lực Cấu tạo
Màng phim bao gồm 5 lớp: Lớp bảo vệ ở
trên và dưới; Lớp màng dẫn điện nhạy
cảm với áp lực; Lớp điện cực trên và điện cực dưới. Phân loại:
 Màng mỏng (thin-firm): nhạy cảm với áp lực nhỏ, có kích thước lớp màng nhỏ hơn 0,1 um;
 Màng dầy (thick-firm): Màng phim nhạy với áp lực lớn, có kích thước lớp
màng trong khoảng 10 - 40 um. 19 lOMoAR cPSD| 59735516
Màng phim nhạy với áp lực Cấu tạo
Khác biệt ở công nghệ chế tạo:
 Lớp dẫn điện màng mỏng được hình thành bằng nguyên lý hút chân không
trên bề mặt của tấm nền;
 Lớp dẫn điện màng dày được tạo hình trên bề mặt của tấm nền bằng công
nghệ in và sau đó nung ở nhiệt độ cao. 20