Tài liệu Chương trình đo điện_ Chương 8 doc

Những cảm biến gọi là giới hạn 2 đầu được đặc trưng bởi không có sự liên kết cơ khí với vật mà thay vào đó là 1 trường từ trường, điện trường, tĩnh điện mà cường độ ghép phụ thuộc vị trí

Ch.8: Các cảm biến dùng trong đo lường

8.1.Cảm biến đo vị trí và sự dịch chuyển.

8.2.Cảm biến đo tốc độ.

8.3.Đo nhiệt độ bằng điện trở.

8.4.Đo nhiệt độ bằng cặp nhiệt điện.

8.5.Đo nhiệt độ bằng diod và transistor.

8.6.Đo nhiệt độ bằng IC.

8.7.Đo nhiệt độ bằng thạch anh.

8.8.Cảm biến đo vận tốc chất lỏng.

8.9.Cảm biến đo lưu lượng chất lỏng.

8.10.Cảm biến đo và dò mực chất lỏng.

8.1.Cảm biến đo vị trí và sự dịch chuyển

• Những cảm biến này rất thông dụng Một mặt, do việc kiểm

soát vị trí, sự dịch chuyển rất quan trọng trong việc hiệu chỉnh hoạt động các máy móc, máy công cụ chẳng hạn Mặt khác,

một số đại lượng vật lý được đo từ sự dịch chuyển nhờ chi tiết thử nghiệm, như lực, áp suất, gia tốc…Có 2 phương pháp :

• Ph ph.1 thường được dùng Cảm biến tạo ra tín hiệu gắn liền với vị trí của một trong những thành phần của cảm biến liên kết

cơ khí với đối tượng di động, tổng trở cảm biến phụ thuộc đặc tính hình học hoặc kích thước cảm biến Đó là các cảm biến: Biến trở đo lường, điện cảm hay điện dung có lõi di động…

• Ph ph.2 ít thông dụng Cảm biến tạo ra một xung ứng với mỗi lần đối tượng di chuyển Những cảm biến gọi là giới hạn 2 đầu được đặc trưng bởi không có sự liên kết cơ khí với vật mà thay vào đó là 1 trường (từ trường, điện trường, tĩnh điện) mà

cường độ ghép phụ thuộc vị trí tương đối giữa vật và cảm biến, xác định đáp ứng của cảm biến

8.1.1.Cảm biến dạng điện trở

1.Biến trở đo lường: a.Dạng hình học : Như hình trên.

Biến trở thẳng:R(l) = (l/L)Rn;Biến trở góc: R(α)=(α/αM)Rn Trong đó: Biến trở vòng αM<3600; Biến trở hélice

Rnl

b.Điện trở

• Được cấu tạo bởi dây quấn hoặc dạng màng

(piste) Dây điện trở phải nêu những đặc tính

sau: Hệ số nhiệt độ của điện trở suất, sức điện động nhiệt, độ ổn định tinh thể Những hợp kim thường được dùng: Ni-Cr, Ni-Cu, Ni-Cr-Fe, Ag-

Pd Dây quấn được thực hiện trên vật liệu cách điện (thủy tinh, gốm hoặc nhựa), dây quấn có lớp vỏ cách điện Điện trở màng được cấu tạo bởi một miếng nhựa phủ lớp than dẫn điện

vào khoảng 10-2 μm Điện trở Rn có giá trị từ

1kΩ đến 100kΩ và có thể đạt đến vài MΩ.

2.Biến trở không có con chạy dạng cơ

H Biến trở con chạy dạng quang và biến trở góc loại từ

8.1.2.Cảm biến dạng điện cảm

1.Nguyên lý và đặc tính tổng quát: Sự dịch chuyển mà ta muốn biến đổi thành tín hiệu điện được thực hiện nhờ một trong

những phần tử mạch từ, kéo theo sự thay đổi từ thông cuộn

dây Khi phần tử di chuyển là một lõi sắt, một sự chuyển đổi sự dịch chuyển thẳng hay quay tròn được thực hiện bởi:

• Sự thay đổi hệ số tự cảm hay sự thay đổi độ ghép giữa các

cuộn dây sơ và thứ cấp tạo nên 1 sự thay đổi điện áp thứ cấp Khi cuộn dây quay tròn so với 1 cuộn cố định thì 1 cuộn giữ vai

trò phần cảm, còn cuộn kia là phần ứng nó tác động như 1 biến

áp có độ ghép thay đổi Những thay đổi hệ số tự cảm và hỗ

cảm M theo sự dịch chuyển của lõi sắt thường có sự tuyến tính kém, để cải thiện ta bố trí 2 cuộn dây theo cách mắc push-pull Cảm biến điện cảm có nguồn cung cấp là tín hiệu sin, có tần số thường giới hạn cở hàng chục kHz Những cảm biến điện cảm nhạy với những từ trường nhiễu nên cần có màng bảo vệ từ

2.Điện cảm thay đổi

a.Mạch từ có khe hở không khí thay đổi: Như hình trên

Điện cảm cuộn dây: L = μ0N2S(1/(l0+lf/μf)); Trong đó:

μ0: Độ từ thẩm không khí; N: Số vòng dây quấn cuộn dây; S: Tiết diện mạch từ; lf,l0 : Chiều dài trung bình đường sức trong lõi sắt và trong không khí; μf: Độ từ thẩm tương đối của vật liệu sắt từ

b.Cuộn dây có nòng di động

H.8.7.Cuộn dây có nòng di động H.8.8.2 cuộn dây mắc push-pull

• Điện cảm L của cuộn dây có nòng di động :

2 2

1 1

2 2

1

1

' ''

)) ( )

( (

) (

) (

) ( )

(

x M

x M L

L R

R L R

L j

R R

R

e x M x

M R

j v

i i

i m

− +

− +

+ +

+

−

=

ω ω

ω

• Cuộn dây sơ cấp được cung cấp tín hiệu sin es cĩ biên

độ tối đa khoảng vài chục vơn và tần số dưới

10kHz.Tín hiệu thu được ở cuộn thứ cấp:

vm = 4aωΔαsinωt ; (Δα gĩc dịch chuyển bé)

Hình 6.11: Nguyên tắc cấu tạo Microsyn

5.Biến trở điện cảm

• Sơ cấp được cung cấp i1 = I1cos(ωt+Ψ); cuộn dây thứ cấp thu được điện áp có biên độ E2 = M0ωI1cosθ;

(θ:Góc lệch giữa 2 cuộn dây, vị trí ban đầu θ =π/2 ).

• Ta đặt: θ = α+π/2 nên E2 = M0ωI1sinα Suy ra:

E2 = M0ωI1α , (đối với góc dịch chuyển α nhỏ);

8.1.3.Cảm biến dạng điện dung

1.Nguyên lý và đặc tính tổng quát : Đây là những tụ điện dạng phẳng hoặc dạng trụ mà một trong những bản cực di động dẫn đến sự thay đổi điện dung Đối với tụ phẳng: C = εrε0A/D Đối với tụ điện trụ:

C= 2πεrε0l/Log(r2/r1).

• Trường hợp tụ điện phẳng : Sự dịch chuyển trong một mặt phẳng song song với một bản cực cố định: A thay đổi, D cố định Sự dịch chuyển trong mặt phẳng thẳng góc với bản cực cố định: D thay đổi, A cố định.

• Trường hợp tụ điện trụ : l thay đổi dọc trục.

• Những cảm biến điện dung được lưu ý bởi cấu tạo

đơn giản, cho phép thực hiện cảm biến chắc chắn

Điện môi sử dụng thường là không khí.

2.Tụ điện có tiết diện thay đổi

a.Tụ điện đơn: Điện dung thay đổi tuyến tính theo sự dịch chuyển x: C(x) = K.x

Đối với tụ điện xoay: K = ε0πr2/360.D, x = α: độ

Đối với tụ điện trụ: K = 2ε0π/Log(r2/r1), x = l: m

b.Tụ điện đôi vi sai: C21= C0(1+x/X); C31 = C0(1- x/X); Với KX = C0, X

= L/2 (L chiều dài bản cực di động đối với tụ điện trụ),

X = αM/2 (αM: góc tạo từ tâm của bản cực di động đối với tụ điện xoay)

3.Tụ điện có khoảng cách thay đổi

• Đây là những tụ điện để đo sự dịch chuyển thẳng.

a.Tụ điện đơn : C(d) = ε0A/(D0+d).

b.Tụ điện đôi : C21 = C0/(1-(d/D0)); C31 = C0/(1+(d/D0)); Với: ε0A/D0 = C0.

8.1.4.Cảm biến đo sự dịch chuyển

giới hạn 2 đầu

• Loại cảm biến này được đặc trưng bởi sự không có liên kết cơ khí giữa cảm biến và vật chuyển động, mà bằng sự liên kết của một trường có liên hệ với vị trí tương đối của vật chuyển động.

• Trường cảm ứng từ đối với những cảm biến từ trở

thay đổi, hiệu ứng Hall đối với vật liệu kháng từ.

• Trường điện từ đối với những cảm biến dòng điện

Foucault.

• Trường tỉnh điện đối với những cảm biến điện dung.

• Những ưu điểm của cảm biến đo sự dịch chuyển giới hạn 2 đầu: Băng thông rộng, độ tin cậy lớn.

• Những điều bất lợi: Khoảng đo nhỏ (cở mm), hoạt

động không tuyến tính.

1.Cảm biến từ trở thay đổi

• Điện áp thứ cấp có dạng không tuyến tính khi cuộn sơ cấp được cung cấp tín hiệu sin, biên độ tín hiệu thu

được: Vm = Vm0/(1+ax)2; x: Khoảng cách giữa đối

tượng và cảm biến; Vm0: Phụ thuộc vào độ từ thẩm,

dạng hình học và kích thước đối tượng.

2.Cảm biến dòng điện Foucault

• Điện trở cuộn dây sơ cấp gia tăng:

R1eq = R1 + M2ω2R2/(R22+L22ω2).

• Điện cảm cuộn dây sơ cấp giảm:

L1eq = L1 - M2ω2L2/(R22+L22ω2).

3.Cảm biến hiệu ứng Hall

Hình 8.19.Nguyên lý hiệu ứng Hall.

Điện áp hiệu ứng Hall : VH = KHIBN/e.

Hằng số Hall KH = -1/qn; q: Điện tích âm điện tử, n: Mật

độ âm điện tử, BN: Thành phần từ trường theo trục z.

để đo tốc độ quay dựa trên định luật Faraday, đó là các tốc độ

kế loại điện từ Khi các chuyển động có tính tuần hoàn như

chuyển động quay tròn chẳng hạn, việc đo tốc độ có thể bắt

đầu từ việc đo tần số, đó là cảm biến đo dịch chuyển giới hạn 2 đầu mà cảm biến đo đặt cách đối tượng một khoảng cách thay đổi tuần hoàn và tín hiệu thu được có tần số bằng hoặc là bội

số (tuỳ theo cấu tạo của đối tượng) với tần số chuyển động

Loại tốc độ kế này gọi là tốc độ kế loại xung Trong trường hợp những chuyển động rất chậm, ví dụ góc quay kém hơn 1 độ/1 giờ, những phương pháp trên không thể áp dụng được, khi đó người ta có thể dùng hồi chuyển kế Laser mà nguyên tắc dựa trên sự khác biệt bước sóng giữa 2 sóng từ nguồn Laser truyền theo 2 chiều ngược nhau trong một môi trường chuyển động quay tròn và được thể hiện trong giao thoa kế

8.2.1.Cảm biến đo tốc độ góc loại

điện từ

1.Tốc độ kế điện từ DC : Như hình trên.

Sức điện động thu được ở 2 đầu cổ góp:

E = ωpnΦ0/2πa ; p: Số đôi cực; ω: vận tốc góc; a: Số đường quấn song song; n: Số dây dẫn.

2.Tốc độ kế điện từ AC

a.Máy phát đồng bộ: Gồm 2 loại 1 pha và 3 pha.

Sức điện động thu được ở stator có dạng: e = EsinΩt Với: E = K1ω ; Ω = K2ω ; K1,K2 phụ thuộc vào cấu tạo máy; ω: vận tốc quay của rotor.

b.Máy phát không đồng bộ

• Cuộn kích từ được cung cấp điện áp ve= Vecosωet Cuộn dây đo thu được: em = Emcos(ωet+Φ); Với Em= KωVe Góc lệch pha

khoảng vài độ Khi rotor không quay sẽ xuất hiện 1 điện áp bé

(gọi là điện áp lệch cở mV) ở 2 đầu cuộn dây đo, do công nghệ chế tạo không hoàn toàn đối xứng: Sự không đối xứng của

rotor hoặc sự bố trí 2 cuộn dây không hoàn toàn thẳng góc

8.2.2.Tốc độ kế điện từ đo tốc độ thẳng

• Trường hợp sự dịch chuyển thẳng tương đối lớn, việc đo vận tốc thẳng được qui về vận tốc góc Trường hợp vận tốc dịch chuyển bé một cảm biến điện từ được hình thành nhờ 1 nam châm và 1 cuộn dây, 1 trong 2 thành phần này cố định, thành phần còn lại được nối với đối tượng di động cần xác định vận tốc Sức điện động thu được từ cuộn dây: e = 2πrnBV = lBV Trong đó: r: Bán kính cuộn dây; n: Số vòng dây quấn cuộn dây; V: Vận tốc dịch chuyển; B: Từ trường tạo bởi phần cảm

8.2.3.Tốc độ kế loại tín hiệu xung

• Sử dụng chi tiết thử nghiệm thường là 1 điã được gắn lên trục quay cần xác định vận tốc góc Điã thường

được cấu tạo có dạng tuần hoàn, thường được chia làm p phần bằng nhau, mỗi phần được đánh dấu

mang một đặc tính như: lỗ, răng v.v Một cảm biến

được đặt đối diện với chi tiết thử nghiệm, phân tích số phần tử đánh dấu đi ngang qua đồng thời tạo ra một tín hiệu xung tương ứng Tần số f của tín hiệu xung: f

= pN (Hz) Việc chọn cảm biến được gắn liền với loại vật liệu làm điã quay cũng như phần tử đánh dấu trên điã Điều lợi của tốc độ kế loại xung là: Cấu tạo đơn giản, chắc chắn, bảo quản dễ dàng Mặt khác, nó

không tạo nên tiếng ồn, nhiễu ký sinh, hơn nữa việc biến đổi thành tín hiệu số rất đơn giản.

a.Cảm biến từ trở thay đổi

• Đĩa bằng vật liệu sắt từ có mang hình p răng, p rảnh Cuộn dây được đặt đối diện với điã cho phép 1 từ thông đi qua nó tạo ra

từ 1 nam châm thường trực Như thế cuộn dây sẽ có sức điện động cảm ứng mà tần số tỉ lệ với vận tốc quay Độ lớn sức điện động thu được tùy thuộc vào khoảng cách giữa cuộn dây với điã và còn tỉ lệ với vận tốc quay Đối với những vận tốc bé, độ lớn sức điện động thu được quá nhỏ ta gọi là vùng chết không thể đo được

b.Tốc độ kế quang học

• Gồm 1 nguồn sáng + thấu kính và 1bộ phận phân tích quang loại diod hoặc transistor quang Điã quay được trang bị những phần trong suốt và ngăn sáng xen kẻ nhau Bộ phận phân tích quang nhận được một lượng sáng được điều khiển bằng đĩa quay, sẽ tạo nên tín hiệu có tần số tỉ lệ với vận tốc quay, còn biên độ độc lập với vận tốc Khoảng đo vận tốc phụ thuộc số phần tử đánh dấu trên đĩa, băng thông của bộ phận phân tích

và mạch điện đi kèm

c.Cảm biến dòng điện Foucault

• Trong cảm biến này, điã quay bằng vật liệu

không từ tính nhưng dẫn điện và có mang p

răng, p rảnh Cuộn dây có điện cảm L là 1 phần

tử của mạch dao động sin Ta biết khi đưa 1

thanh kim loại đến gần cuộn dây thì đặc tính L

và R cuộn dây thay đổi, điều này dẫn đến sự

tắt của mạch dao động Như thế khi điã quay, mỗi lần điã đưa phần răng đến đối diện với

cuộn dây sẽ làm tắt mạch dao động và điều

này có thể phân tích được Tín hiệu thu được

có tần số tỉ lệ với vận tốc quay và biên độ của

không có vùng chết và thường dùng để đo vận tốc bé.

8.3.Đo nhiệt độ bằng điện trở

8.3.1.Độ nhạy nhiệt: Một cách tổng quát giá trị điện trở tùy thuộc vào nhiệt độ T: R(T)=R0.F(T-T0) R0: Điện trở ở nhiệt độ T0 và

hàm F phụ thuộc vào đặc tính của vật liệu, có giá trị là 1 khi

T=T0

Đối với điện trở kim loại: R(T) = R0(1+AT+BT2+CT3); T tính bằng

0C, T0 = 0 0C

Đối với nhiệt điện trở bằng oxyde kim loại: R(T) = R0

.exp(B(1/T-1/T0)); T: nhiệt độ tuyệt đối (0K)

Với sự thay đổi nhỏ ΔT của nhiệt độ chung quanh giá trị T, sự

thay đổi điện trở có thể được tuyến tính hóa:

R(T+ ΔT) = R(T).(1+αR ΔT); Với αR = (1/R(T))dR/dT là hệ số phụ thuộc nhiệt độ của điện trở hay còn gọi độ nhạy nhiệt độ ở

nhiệt độ T, αR tùy thuộc nhiệt độ và vật liệu Ví dụ ở 00C đối với platine αR = 3,9x10-3/0C Sự thay đổi điện trở theo nhiệt độ về

nguyên lý liên quan đến sự thay đổi điện trở suất ρ và kích

thước hình học của điện trở Ta có: αR = αρ – αl Trong phạm vi

sử dụng αρ cở 10-3/0C trong khi αl cở 10-5/0C như vậy trong thực

tế αR ≈ αρ

8.3.2.Điện trở kim loại

Hình 8.1.Các điện trở mẫu bằng bạch kim

• Tùy thuộc vào nhiệt độ đo mà người ta chọn vật liệu thích hợp, người ta thường sử dụng điện trở bằng bạch kim, nickel và đôi khi bằng đồng hay tungstène.

• Bạch kim: Có thể cấu tạo rất tinh khiết (99,999%) điều này cho phép ta biết được đặc tính điện của nó một cách chính xác

Thường sử dụng ở nhiệt độ -200 đến 10000C

• Nickel: Ưu điểm là độ nhạy nhiệt rất cao, nickel chống lại sự

oxyde hóa, thường được dùng ở nhiệt độ <2500C

• Đồng: Được sử dụng vì đặc tuyến rất tuyến tính Tuy nhiên dễ

bị oxyd hóa nên không sử dụng ở nhiệt độ >1800C, và vì điện trở suất bé nên khi dùng để đảm bảo có giá trị nhất định, chiều dài dây phải lớn gây nên cồng kềnh, bất tiện

• Tungstène: Độ nhạy nhiệt của điện trở lớn hơn bạch kim khi

nhiệt độ cao hơn 1000K và nó thường được sử dụng ở nhiệt độ cao hơn bạch kim với độ tuyến tính hơn bạch kim Tungstène

có thể cấu tạo dưới dạng những sợi rất mảnh cho phép chế tạo điện trở cảm biến có trị số lớn, như vậy với trị số điện trở cho trước, chiều dài dây sẽ giảm thiểu

8.3.3.Nhiệt điện trở

• Loại điện trở này có độ nhạy nhiệt rất cao, vào khoảng 10 lần điện trở kim loại Mặt khác, hệ số nhiệt độ có giá trị âm và tùy thuộc vào nhiệt độ Chúng được cấu tạo từ hỗn hợp các oxyde kim loại như: MgO, MgAl2O4, Mn2O3, Fe3O4, CO2O3, NiO,

ZnTiO4.Những oxyde kim loại bán dẫn ở dạng bột được nén lại dưới áp suất và được nung lên nóng chảy ở nhiệt độ khoảng

10000C và sau đó rót vào các khuôn rồi để nguội hình thành

các dạng : đĩa, trụ, nhẫn Các vật liệu có điện trở suất lớn cho phép chế tạo những điện trở đo có kích thước điện trở bé (cở mm), kết quả: Điện trở có kích thước bé cho phép đo nhiệt độ chính xác Một lượng calo bé khiến cho vận tốc đáp ứng cao

Sự ổn định của nhiệt điện trở tùy thuộc vào việc chế tạo và

những điều kiện sử dụng Dạng điện trở kín hay dạng có vỏ

bọc cho phép che chở chống lại sự ăn mòn hóa học Nhiệt độ

sử dụng từ vài độ tuyệt đối đến lối 3000C Trên thị trường nhiệt điện trở có trị số từ 500Ω đến vài chục MΩ ở 250C

8.3.4.Điện trở silicium

• Loại điện trở bán dẫn này được phân biệt với nhiệt

điện trở bởi những điểm sau:

• Hệ số nhiệt độ của điện trở suất có giá trị dương vào khoảng 0,7x10-2/0C ở 250C và sự thay đổi theo nhiệt độ của hệ số nhiệt độ rất bé, điều này cho phép chế tạo cảm biến có tính tuyến tính cao.

• Phạm vi sử dụng trong khoảng -500C đến 1200C , các điện trở này thường là loại bán dẫn N được chế tạo bởi phương pháp cho khuếch tán chất khác vào tinh thể đơn chất silicium.

Việc kiểm soát các thông số ấn định trị giá điện trở cho phép giảm thiểu sai số dưới 1% so với danh định Sự thay đổi theo nhiệt độ của điện trở suất của silicium phụ thuộc vào cách chế tạo và nhiệt độ.

8.4.Đo nhiệt độ bằng cặp nhiệt điện

8.4.1.Đặc tính tổng quát: Một cặp nhiệt điện gồm 2 dây dẫn A và

B được cấu tạo bằng vật liệu khác nhau, tại điểm nối chung

của chúng có nhiệt độ T2, và 2 đầu còn lại có nhiệt độ T1 sẽ xuất hiện sức điện động nhiệt điện (còn gọi sức điện động

Seebeck là kết quả của hiệu ứng Peltier và Thomson) có độ

lớn phụ thuộc vào vật liệu A và B cũng như sự sai biệt giữa T2

và T1 T2 là nhiệt độ mối nối chung ( còn gọi là mối nối đo) là

nhiệt độ Tc đạt được khi đặt mối nối chung trong môi trường

nghiên cứu có nhiệt độ Tx Mối nối chuẩn có nhiệt độ T1 được giữ không đổi và bằng Tref

2 1

/

T T B A

E