CHNG 4 CHUYN DI DO LNG VA CM BIN

Khái niệm chung• Phân loại các chuyển đổi sơ cấp • Theo nguyên lý chuyển đổi giữa đáp ứng và kích thích • Chuyển đổi điện trở • Chuyển đổi điện từ • Chuyển đổi tĩnh điện • Chuyển đổi hóa

CHƯƠNG 4: CHUYỂN ĐỔI ĐO LƯỜNG VÀ CẢM BIẾN

Nội dung

• Khái niệm chung

• Chuyển đổi điện trở

• Chuyển đổi điện từ

• Chuyển đổi tĩnh điện

• Chuyển đổi nhiệt điện

• Chuyển đổi điện hóa

• Chuyển đổi đo độ ẩm

• Chuyển đổi điện tử và ion

• Chuyển đổi lượng tử

Khái niệm chung

• Chuyển đổi đo lường: dụng cụ tạo quan hệ đơn trị giữa 2 đại lượng vật lý với độ chính xác nhất định

• Chuyển đổi đo lường sơ cấp: đại lượng vào là đại lượng không

điện, đại lượng ra là đại lượng điện.

• Cảm biến: chuyển đổi sơ cấp bao bọc trong khối hộp có kích thước nhất định, và có đầu nối tín hiệu ra.

Cảm biếnSensorChuyển đổi sơ

cấp (Transduccer)

Khái niệm chung

• Các đặc tính của chuyển đổi sơ cấp và cảm biến

Y = f(X,Z)

• Khả năng thay thế các chuyển đổi

• Chuyển đổi phải có đặc tính đơn trị

• Đường cong của chuyển đổi phải ổn định

• Tín hiệu ra của chuyển đổi phải tiện cho việc ghép nối vào dụng cụ đo, hệ

thống đo và máy tính

• Sai số: đặc tính quan trọng của chuyển đổi

• Sai số cơ bản

• Sai số phụ

• Độ nhạy: sự thay đổi đầu ra theo biến thiên tín hiệu cần đo ở đầu vào

• Đặc tính động (độ tác động nhanh): đặc tính chuyển đổi của cảm biến trong quátrình quá độ

Khái niệm chung

• Phân loại các chuyển đổi sơ cấp

• Theo nguyên lý chuyển đổi giữa đáp ứng và kích thích

• Chuyển đổi điện trở

• Chuyển đổi điện từ

• Chuyển đổi tĩnh điện

• Chuyển đổi hóa điện

• Chuyển đổi nhiệt điện

• Chuyển đổi điện tử và ion

• Chuyển đổi lượng tử

• Theo tính chất nguồn điện

• Chuyển đổi phát điện: chuyển đổi cảm ứng, chuyển đổi điện áp, cặp nhiệt điện

• Chuyển đổi thông số: đại lượng ra là các thông số R,L,C…

• Theo phương pháp đo:

• Chuyển đổi biến đổi trực tiếp

• Chuyển đổi bù

Chuyển đổi điện trở (Resistive transducer)

• Chuyển đổi biến trở

• Nguyên lý: dựa trên sự thay đổi điện trở do thay đổi vị trí con trượt

• Độ nhạy:

• Độ dịch chuyển nhỏ nhất có thể phát hiện được:

• Sai số rời rạc của chuyển đổi

଴

଴ ௐ௅

௠௜௡

Chuyển đổi điện trở

• Chuyển đổi biến trở

• Mạch đo: thường dùng mạch biến trở, hoặc mạch cầu, hoặc mạch phân áp

• Ứng dụng: dùng để đo các di chuyển thẳng (2-3mm) hoặc di chuyển góc Ngoài

ra còn ứng dụng trong các dụng cụ đo lực, áp suất, gia tốc hoặc các chuyển đổingược trong mạch cầu, điện thế kế tự động

Chuyển đổi điện trở

• Đối với mạch biến trở

• Đối với mạch phân áp

௫

Chuyển đổi điện trở

• Đối với mạch cầu điện trở

ଵ ଶ

ସ

ଷ ସ ௜

Chuyển đổi điện trở

• Đối với mạch cầu điện trở sơ đồ a

Với biến thiên nhỏ của R, ta có thể xấp xỉ

Chuyển đổi điện trở

• Đối với mạch cầu điện trở sơ đồ b

Với biến thiên nhỏ của R, ta có thể xấp xỉ

Chuyển đổi điện trở

• Xét mạch cầu đo điện trở trong một cảm biến đo

độ dịch chuyển

• Điện trở có chiều dài 4cm

• Giả sử R1 và R2 trong mạch cầu có điện trở giống nhau

• Điện áp nguồn Vi = 8V

• Tính điện áp 2 nhánh cầu V0 ứng với độ dịch

chuyển 4mm theo chiều dương

Chuyển đổi điện trở

• Chuyển đổi điện trở lực căng (Strain gauge transducer/sensor)

• Nguyên lý hoạt động: dựa trên hiệu ứng tenzô: khi dây dẫn chịu biến dạng thìđiện trở của nó thay đổi, còn gọi là chuyển đổi điện trở tenzô

• Gồm có 3 loại chính: chuyển đổi điện trở lực căng dây mảnh, chuyển đổi điệntrở lực căng lá mỏng và chuyển đổi điện trở lực căng màng

R S

l

S

S l

l R

R

S S

R l

l

R

R R

Chuyển đổi điện trở

• Chuyển đổi điện trở lực căng

• Mạch đo: chuyển đổi điện trở lực căng thường được dùng với mạch cầu một chiều hoặc xoay chiều và mạch phân áp

• Ứng dụng: các chuyển đổi lực căng được dùng để đo lực, áp suất, mômen quay, gia tốc và các đại lượng khác nếu có thể biến đổi thành biến dạng đàn hồi với ứng suất cực tiểu lớn hơn hoặc bằng độ nhạy của chuyển đổi (thường

cỡ 1.107 ÷ 2.107 N)

Chuyển đổi điện trở

Load cell

Chuyển đổi điện trở

• Một số loại cảm biến lực trong thực tế

Chuyển đổi điện trở

• Tính toán bù nhiệt độ trong mạch cầu điện trở lực căng

Bài tập

• Một cảm biến tenzo đo lực tác động có điện trở thay đổi theo nhiệt

độ RT = 120+0,12*T Quan hệ giữa lực tác động và thay đổi điện trở tenzo tương ứng là R = (1/1500)*F

• Mắc 2 chuyển đổi tenzo giống nhau như trên vào mạch cầu đo như hình vẽ Biết rằng R2 = R3, U = 24V.

• Xác định điện áp ra Ura khi có lực F = 1200N tác động vào chuyển đổi, ở nhiệt độ T= 30oC.

Chuyển đổi điện từ (Electromagnetic transducer/sensor)

• Cơ sở lý thuyết

• Làm việc dựa trên quy luật điện từ

• 3 loại: chuyển đổi điện cảm và hỗ cảm

chuyển đổi cảm ứngchuyển đổi áp từ

Chuyển đổi điện từ

• Chuyển đổi điện cảm (inductance transducer)

• Loại này thường dùng đo khoảng cách, độ rung các gối đỡ các thiết bị điện

0

0

s

L s

Chuyển đổi điện từ

• Chuyển đổi hỗ cảm (chuyển đổi biến áp)

• Khi làm việc với dòng điện xoay chiều

s W

Chuyển đổi điện từ

• Chuyển đổi hỗ cảm (chuyển đổi biến áp)

• Sử dụng loại này an toàn hơn loại điện cảm

• Ứng dụng đo khoảng cách hay dao động

Chuyển đổi điện từ

Proximity Sensors

Chuyển đổi điện từ

• Chuyển đổi điện cảm và hỗ cảm

• Mạch đo: mạch cầu không cân bằng với nguồn cung cấp xoay chiều có một nhánh hoạt động (chuyển đổi đơn) hoặc 2 nhánh hoạt động (chuyển đổi mắc vi sai)

• Sai số: kiểu mắc vi sai khử được các sai số do nguồn cung cấp và sai số do nhiệt độ môi trường

Bai tap

• Một chuyển đổi hỗ cảm đo độ dịch chuyển như hình vẽ

• Biết 2 vòng dây có số vòng lần lượt là 1200 vòng và 1000 vòng, chiều dài khe hở làm việc ban đầu là 2.5mm, độ từ thẩm là 10-7H/m, tiết diện lõi thép là 1.5cm2 Nguồn dòng cấp cho chuyển đổi có tần

số 50Hz, biên độ 1.2A Sức điện động cảm ứng đo được trên vôn kế

là 12V Tính độ dịch chuyển đầu vào cần đo.

Chuyển đổi điện từ

• Chuyển đổi áp từ (Piezomagnetic transducer)

• Hiệu ứng áp điện: biến dạng đàn hồi cơ học làm cho lõi thép biến dạngđộ từ thẩm và từ trở của lõi sắt thay đổi  điện cảm và hỗ cảm thay đổi

 2 0

0 0

1

lll

ls

sL

LL

• Sai số hồi sai do hiện tượng áp từ trễ không trùng lặp giữa trạng thái tăng tải và giảm tải

• Sai số do dao động của dòng điện

từ hóa

• Sai số do dao động nhiệt độ của môi trường

Chuyển đổi điện từ

• Chuyển đổi áp từ

• Mạch đo: thường dùng mạch vi sai để loại trừ các sai số

Chuyển đổi điện từ

• Chuyển đổi cảm ứng (inductive transducer)

dt

dXSdt

dW

E    

dt

d s

B dt

dx l B

E        

dt

df S

dt

dl S

E l 1 ' v



Chuyển đổi có cuộn dây di chuyển

Chuyển đổi có di chuyển góc

Chuyển đổi có lực tác dụng thay đổi

Chuyển đổi điện từ

• Chuyển đổi cảm ứng:

• Mạch đo

Sức điện động đầu ra ti lệ với tốc độ biến thiên tín hiệu đầu vào

• Ứng dụng

• Chuyển đổi có cuộn dây di chuyển: đo tốc độ quay, momen quay, tốc độ kế

• Chuyển đổi có lõi thép di chuyển: đo di chuyển thắng, góc, đo biên độ rung

• Độ nhạy cao cho phép đo các di chuyển nhỏ, đo tốc độ, gia tốc …

Độ nhạy của chuyển đổi qua toán tử mạch

v t L

S R U

Chuyển đổi điện từ

Phát hiện vị trí trên bộ phận dịch chuyển cơ học

Chuyển đổi điện từ

Phát hiện vị trí hộp kim loại trong dây chuyền

Chuyển đổi tĩnh điện (electrostatic transducer)

• Chuyển đổi áp điện (Piezoelectric transducer)

• Hiệu ứng áp điện thuận: vật liệu khi chịu tác động của một lực cơ học biến thiênthì trên bè mặt nó xuất hiện các điện tích, khi lực ngừng tác dụng thì các điệntích cũng biến mất

q   1

• Lực Fy tác động theo trục Y

Chuyển đổi tĩnh điện

• Chuyển đổi áp điện

• Hiệu ứng áp điện ngược: đặt phần tử điện trong điện trường có cường độ Exdọc trục X, nó sẽ biến dạng tương đối theo hướng X, Y một lượng

x

E

dx

y y

U d x

.

Chuyển đổi tĩnh điện

• Chuyển đổi áp điện

• Mạch đo: công suất của chuyển đổi nhỏ nên tổng trở vào của mạch đo phải lớn

• Ứng dụng: đo lực biến thiên,

đo áp suất và gia tốc trong dải tần 0,5-100kHz

• Có khả năng đo các lực biến thiên nhanh

• Không đo được các lực tĩnh

Chuyển đổi tĩnh điện

• Chuyển đổi điện dung (Capacitive transducer)

• Nguyên lý hoạt động: dựa trên sự tác động tương hỗ giữa 2 điện cực

• Chia thành 2 nhóm lớn: chuyển đổi máy phát và chuyển đổi thông số

• Chuyển đổi máy phát: đại lượng ra là điện áp máy phát, đại lượng vào là di chuyển thẳng, góc của bản điện cực động

qsC

q dq s d

U dq

Chuyển đổi tĩnh điện

• Chuyển đổi điện dung

• Chuyển đổi điện dung thông số: đại lượng ra là sự thay đổi điện dung C của chuyển đổi, đại lượng vào là sự di chuyển của bản cực điện động

0 0

C

1/

CC

Ss

Chuyển đổi tĩnh điện

• Chuyển đổi điện dung

• Mạch đo: thường là mạch cầu không cân bằng cung cấp bằng dòng xoay chiều

• Ứng dụng:

• Loại có khe hở thay đổi được: đo di chuyển nhỏ

• Loại có bản cực thay đổi: đo di chuyển lớn và di chuyển góc (đến 270o)

• Chuyển đổi có điện môi thay đổi: đo độ ẩm (vải, chất dẻo), đo mức nước,

đo chiều dày của các vật cách điện, đo lực

Chuyển đổi tĩnh điện

• Chuyển đổi áp điện

Chuyển đổi tĩnh điện

• Chuyển đổi áp điện

Đo nhịp tim, hơi thở

Chuyển đổi tĩnh điện

• Chuyển đổi áp điện

Micro phone, speaker

Chuyển đổi tĩnh điện

• Chuyển đổi điện dung

Proximity sensor

Chuyển đổi tĩnh điện

• Chuyển đổi điện dung

Chuyển đổi tĩnh điện

• Xét một cảm biến sử dụng chuyển đổi điện

dung để đo độ dịch chuyển như hình vẽ

• Mỗi bản cực tụ điện có diện tích 1cm2

• Khi x = 0, khoảng cách giữa các bản cực là 1mm

• Dung môi = 8,8.10-12 F/m

• Tính độ lệch điện dung của C1 và C2 khi

có độ dịch chuyển 0.001cm theo hướng lên của bản cực giữa

Chuyển đổi tĩnh điện

• Xét mạch đo cho cảm biến trên

Chuyển đổi nhiệt điện (electrothermal transducer )

• Cơ sở lý thuyết:

• Chuyển đổi điện dựa trên quá trình nhiệt như đốt nóng, làm lạnh, trao đổi nhiệt

• Hiệu ứng nhiệt điện

• Biến thiên điện trở dây dẫn hay chất bán dẫn khi nhiệt độ thay đổi

• 2 loại chuyển đổi: chuyển đổi cặp nhiệt điện và chuyển đổi nhiệt điện trở

Chuyển đổi nhiệt điện

• Chuyển đổi cặp nhiệt điện: (thermometer)

• Nguyên lý hoạt động: dựa trên hiệu ứng nhiệt điện

• Hiệu ứng Thomson: trong một vật dẫn đồng nhất,

giữa 2 điểm M và N có nhiệt độ khác nhau sẽ sinh

2

t

K K

2 1 2

1 2

1 ( 1, 2) ( 1) ( 2) t ( )

t

K K

K K K

K K

Chuyển đổi nhiệt điện

• Chuyển đổi cặp nhiệt điện

• Sai số: sai số do nhiệt độ đầu tự do thay đổi, sai số do sự thay đổi điện trở đường dây, cặp nhiệt và chỉ thị, hoặc sai số do đặt cặp nhiệt không đúng vị trí cần đo, diện tích tiếp xúc nhỏ

k t

t tg

tg t

t t

'

) '

( '  0  0  0  0







Bài tập phần chuyển đổi nhiệt điện

tan 0.1 0.17 0.27 0.5 0.8 1.3 1.9 3.2 Nhiệt độ môi trường hiện tại là 300C, nhiệt độ hiển thị là 650C Xác định nhiệt độ thực tế tại điểm đo.

Chuyển đổi nhiệt điện

• Chuyển đổi cặp nhiệt điện (Thermoelectric sensor)

• Mạch đo: sức điện động Seebek đo được giữa 2 đầu cặp nhiệt sẽ cung cấp thông tin về nhiệt độ cần đo

• Ứng dụng: đo nhiệt độ, ngoài ra nó còn được sửdụng để đo các đại lượng không điện và điện

khác như đo dòng điện (ở tần số cao), đo hướngchuyển động và lưu lượng của các dòng chảy, đo

di chuyển, đo áp suất nhỏ (độ chân không) …

Chuyển đổi nhiệt điện

• Tính hệ số Seeback giữa 2 dây dẫn

௔௕

• Hệ số này phụ thuộc chất liệu dây dẫn

Chuyển đổi nhiệt điện

• Khi sử dụng cặp nhiệt điện để đo nhiệt đô

• Điện áp 2 đầu tự do được nối với vôn kế để đo giá trị Vs qua dây dẫn với vật liệu c

 Xuất hiện 2 loại sức điện động do sự khác nhau về vật liệu dây dẫn

௦ ௖௔ ଷ ௔௕ ଵ ௕௖ ସ ௖௔ ଷ ௔௕ ଵ ௕௔ ସ ௔௖ ସ

௦ ௔௕ ଵ ௔௕ ସ ௖௔ ଷ ௖௔ ସ

Chuyển đổi nhiệt điện

• Khi sử dụng cặp nhiệt điện để đo nhiệt độ ở xa

• Các điểm nối a – a’ và b – b’ có cùng nhiệt độ

• Các điểm a – b và a’ – b’ có cùng điện áp Seebeck

௦ ௔௕ ଵ ௔௕ ସ ௖௔ ଷ ௖௔ ସ

Bài tập phần chuyển đổi nhiệt điện

Độ lệch nhiệt đô Tx –Ty được đo bởi cặp nhiệt điện như hình vẽ Vật liệu dây nối vào vôn

kế đo là a, cặp nhiệt điện loại K Tìm điện áp ra V0 khi Tx = 10 0 C Ty = 20 o C Tz = 0

Chuyển đổi nhiệt điện

• Chuyển đổi nhiệt điện trở (resistive temperature sensor)

• Nguyên lý hoạt động: dựa vào sự thay đổi điện trở theo nhiệt độ

• Nhiệt điện trở không đốt nóng: dòng điện nhỏ, không làm tăng nhiệt độ điệntrở

• Nhiệt điện trở đốt nóng: dòng qua lớn, làm nhiệt độ tăng

Chuyển đổi nhiệt điện

• Chuyển đổi nhiệt điện trở

• Nhiệt điện trở dây: đồng,

Platin, Niken…

• Nhiệt điện trở bán dẫn: CuO,

CoO, MnO…

• Mạch đo: có thể dùng mạch đo

bất kì để đo điện trở, thông

thường dùng mạch cầu không

cân bằng có chỉ thị là logomet

hoặc cầu tự ghi

• Sai số: chủ yếu do sự thay đổi

điện trở đường dây khi nhiệt độ

môi trường thay đổi

• Ứng dụng: dùng đo nhiệt độ, đo các đại lượng không điện như đo di chuyển, đo

áp suất và dùng để phân tích thành phần, nồng độ của một số hợp chất và chất khí

Chuyển đổi điện hóa (electrochemical transducer)

• Cơ sở lý thuyết:

• dựa vào các hiện tượng điện hoá xảy ra khi cho dòng điện qua bình điện phânhoặc do quá trình oxi hoá khử các điện cực

• Hiện tượng phân ly:

• Khi hòa tan vào nước hoặc dung dịch khác các muối, hoặc bazo, phân tử chất

sẽ phân li thành các ion điện tích dương hoặc ion điện tích âm, tạo thành dung dịch dẫn điện

H2SO4

KOH 1/Ω.m

Chuyển đổi điện hóa

• Điện thế cực: (electrode potential)

• Khi nhúng điện cực kim loại vào nước hay

dung dịch, giữa các điện cực và dung dịch

xuất hiện điện thế cực

Với R=8,3178/C – hằng số khí

F=96522 C/g.mol – hằng số Faraday

V<0

e

a nF

RT E

E  o  ln

• Hiện tượng điện phân: (electrolyte)

• Quá trình biến đổi hóa học tách vật chất ra khỏi dung dịch khi cho dòng điệnchạy qua dung dịch

• Hiện tượng phân cực:

• Hiện tượng thay đổi điện thế cực do sự thay đổi nồng độ ở gần điện cực khicho dòng điện chạy qua bình điện phân

Chuyển đổi điện hóa

• Chuyển đổi điện dẫn dung dịch (Electrolyte conductivity transducer)

• Nguyên lý hoạt động: dựa vào sự phụ thuộc của điện dẫn dung dịch với thànhphần và nồng độ chất điện phân cũng như khoảng cách l và tiết diện của điệncực s

• Để loại trừ sai số do phân cực cùng với việc cung cấp điện áp xoay chiều,

người ta thường dùng chuyển đổi 4 điện cực

Chuyển đổi điện hóa

• Chuyển đổi điện dẫn

• Để loại trừ hiện tượng phân cực và các tác dụng tương hỗ không mong muốn giữa các điện cực và dung dịch, ta có thể dùng chuyển đổi điện dẫn không tiếp xúc

• Mạch đo:

Chuyển đổi điện hóa

• Chuyển đổi ganvanic:

• Nguyên lý hoạt động: dựa vào sự phụ thuộc của điện thế cực theo nồng độ, vàthành phần của dung dịch

• Độ pH của dung dịch : pH=-log[H+]

• Hằng số phân ly : K = [H+].[OH-]

• Chuyển đổi ganvanic thường dùng trong các pH mét, đo độ pH của dung dịch

Chuyển đổi điện hóa

• Chuyển đổi điện phân (Electrolyte sensor)

• Nguyên lý hoạt động: dựa vào hiện tượng điện phân

 Đại lượng vào có thể là điện lượng Q, hoặc biến thiên

dòng điện theo thời gian t Đại lượng ra có thể là khối lượngchất giải phóng, hoặc sự thay đổi chiều dài, điện trở điện cực…

• Ứng dụng: dùng làm đồng hồ đo thời gian làm việc của thiết bị

A

F n m idt

Q   .



Chuyển đổi điện hóa

• Chuyển đổi khimotron

• Nguyên lý làm việc: dựa trên việc sử dụng lớp “khoá”, đó là lớp môi trường bịlàm nghèo đi các hạt mang điện tích

• Ứng dụng: chế tạo các dụng cụ đo áp suất, gia tốc và tạo thành các diot điệnhoá

Chuyển đổi điện hóa Quá trình sạc pin

Chuyển đổi điện hóa Cảm biến báo cháy

Chuyển đổi đo độ ẩm (Humidity transducer)

• Khái niệm chung

• Độ ẩm đối với nguyên, nhiên vật liệu thể rắn

• Độ ẩm tuyệt đối (γ) là số gam hơi nước có trong một mét khối khí khô [g/m3]

• Độ ẩm tương đối (u) là tỉ số giữa độ ẩm tuyệt đối và lượng nước bão hoà ở cùng một nhiệt độ và áp suất đó

• Nhiệt độ hóa sương: nhiệt độ cần làm lạnh không khí đến đó để đạt trạng tháibão hòa

• Nhiệt độ ẩm: là nhiệt độ cân bằng của khối nước hóa hơi và không khí

%)( 100

W  