KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG ĐIỆN - ĐIỆN TỬ TS. LƯU THẾ VINH - 7 potx

Để thay đổi tần số dao động của mạch có thể sử dụng chuyển mạch để thay đổi trị số của LT và CT.. Nguyên tắc điều tần bằng diode biến Varicap là một loại diode đặc biệt làm việc trong ch

Hình 4-11 Máy tạo sóng RF

5.2 Mạch dao động RF

Mạch dao động dùng trong máy tạo sóng RF thường dùng mạch dao động

Colpits hoặc dao động Hartlay Sơ đồ nguyên lý của hai mạch chỉ ra trên hình 4-12

tụ điện C1 , C2 và 1 cuộn cảm L Tần số dao động của cả 2 mạch là tần số cộng hưởng của mạch dịch pha:

T L C

f

π2

1

Đối với mạch Hartlay: CT = C;

LT = Tổng điện cảm của L1 và L2

Đối với mạch Colpits: LT = L;

CT = Tổng điện dung C1 và C2 mắc nối tiếp Để thay đổi tần số dao động của mạch có thể sử dụng chuyển mạch để thay đổi trị số của LT và CT Ví dụ, sơ đồ bố trí để thay đổi tần số trong mạch dao động Hartlay như trên hình 4-13

5.3 Mạch điều biến biên độ và điều biến tần số.

Hình 4-13 Chuyển mạch để thay đổi tần số trong mạch dao động Hartlay

5.3.1 Điều biến biên độ

Các máy tạo sóng RF thường có thiết bị để điều biến biên độ và tần số Điều iến biên độ được thực hiện tại tầng khuếch đại (hình 4-14)

b

Nếu không có transistor Q2 (FET), độ lợi của mạch là:

Transistor Q2 ghép với R4 qua tụ C2 nên nó không ảnh hưởng tới chế độ thiên

mạch khuếch đại sẽ là:

áp cho Q1 Khi có Q2 trong mạch, độ lợi của

5.3.2 Điều biến tần số

Việc điều biến tần số thường được thực hiện tại tầng dao động của máy tạo

n hiệu RF Sơ đồ mạch điều tần sử dụng varicap chỉ ra trên hình 4-15

Hình 4-15 Nguyên tắc điều tần bằng diode biến

Varicap là một loại diode đặc biệt làm việc trong chế độ định thiên nggiá trị điện dung thay đổi theo giá trị điện áp đặt vào nên được gọi là diode biến dung VVC

Trong mạch C3 có điện dung lớn ghép diode varicap với mạch cộng

LC4 của bộ dao động, do đó điện dung của D1 xem như mắc song song với L và C

Điện dung của mạch cộng hưởng là điện dung của diode CD mắc song song với C

Tần số cộng hưởng sẽ là:

5.4 Tải của máy tạo sóng

Máy tạo sóng RF có tải danh định lối ra là 75Ω Nếu tải mắc có trị số đúng 75Ω thì tín hiệu lối ra từ bộ suy giảm chỉ thị dúng (hình 4-16, a) Trường hợp tải khác

CHƯƠNG V : ĐO CÁC ĐẠI LƯỢNG KHÔNG ĐIỆN

các bộ chuyển đổi hoặc các cảm biến đo lường Các bộ chuyển đổi đóng vai trò “nhà hiên dịch” để biến đổi các tín hiệu không điện thành tín hiệu điện, sau đó sử dụng

các mạch đo điện để tiến hành xử lý phép đo tiếp theo Sơ đồ nguyên tắc của phép

đo các đại lượng không điện bằng phương pháp điện chỉ ra trên hình 5-1

ấn đề cấu hình của hệ thống đo không điện Bài toán này hết sức đa dạng, hú là chỗ dù ở bất kỳ dạng nào cũng có thể giải được, nghĩa là với bất ïng nào như cơ, quang, nhiệt, hóa, v.v… đều có thể dễ dàng biến đổi

g điện Nói chính xác hơn, có thể dễ dàng biến đổi các đại iệu điện để đưa vào các cơ cấu đo điện để đo đạc và xử lý iải quyết bài toán trên chính là nhiệm vụ của các bộ chuyển đổi đo lường Có rất hiều nguyên tắc để thực hiện các bộ chuyển đổi, và tương ứng với nó là sự đa dạng ủa các loại chuyển đổi, như chuyển đổi điện trở, chuyển đổi điện cảm, chuyển đổi iện dung, chuyển đổi áp điện, chuyển đổi điện, chuyển đổi quang điện, v.v…

uy nh

nhóm

– Các chuyển đ– Các chuyển đổi nhiệt điện;

Các chuyển đổi hóa điện;

Các chuyển đổi quang điện và phát xạ điện tử

ặc tính quan trọng nhất của các bộ chuyển đổi chính là hàm truyền đạt của nó Hàm truyền đạt thể hiện cấu trúc của thiết bị biến đổi và thông thường có đặc

đo lường Mạch đo điện Chỉ thị và xử lý

X (không điện) X’ (điện)

Hình 5-1 Đo các đại lượng không điện bằng phương pháp điện

Bài toán chuyển đổi một đại lượng then chốt trong

nhưng điều lý t

không điện sang đại lượng điện là v

ỳ một ại lươ

chúng thành đại lượn

lượng trên thành tín h

G

n

c

T iên, căn cứ vào bản chất của các đại lượng chuyển đổi có thể quy về mấy

cơ bản sau:

ổi cơ điện;

––Đ

tính phi tuyến, điều đó làm giới hạn khoảng đo và dẫn tới sai số Trong trường hợp đại lượng đo biến thiên trong một phạm vi rộng, cần chia nhỏ khoảng đo (phương pháp tuyến tính hóa từng đoạn) Thông thường khi thiết kế mạch đo người ta thực hiện các mạch bổ trợ để hiệu chỉnh hàm truyền sao cho hàm truyền đạt chung của hệ thống la

§ 2 CHUYỂN ĐỔI CƠ ĐIỆN

ø tuyến tính

2.1 Chuyển đổi điện trở R

2.1

Chuyển đổi điện trở R có thể thực hiện theo nhiều cách thức khác nhau:

– Loại biến trở (chiết áp): biến trở thẳng, biến trở góc, biến trở hélice

– Loại điện trở biến dạng (tenzô): điện trở bột than nén, điện trở lá (kim loạ

.1.Nguyên tắc Dưới tác dụng của tín hiệu cơ (sự dịch chuyển, mức, chấn động,

v.v…) làm thay đổi điện trở của nguyên tố nhạy cảm (cảm biến), dẫn tới làm thay đổi dòng trong mạch theo quy luật biến đổi của đại lượng cơ Khảo sát sự biến thiên này thông qua mạch đo ta có thể đánh giá được giá trị của đại lượng cơ cần đo (hình 5-2)

Cảm biến

Hình 5-2 Nguyên tắc của chuyển đổi

i hoặc bán dẫn)

2.1.2.Cảm biến loại biến trở

Đây là loại cảm biến có nguyên lý cấu tạo đơn giản, dễ chế tạo Cấu trúc của loại này có thể là loại biến trở thẳng, biến trở góc hoặc biến trở Hélice (Hình 5-3)

Hélice ϕ

Trong đó: l x và ϕx – độ dịch chuyển thẳng và độ dịch chuyển góc của con

trượt biến trở;

x – đại lượng cơ cần đo

Điện trở của biến trở được cấu tạo bằng điện trở loại dây quấn hoặc dạng điện trở màng Điện trở dây quấn thường làm từ các vật liệu có điện trở suất lớn và hệ số nhiệt điện trở nhỏ như mangan, constantan … quấn trên đế cách điện như

được tạo thành trên cơ sở than phun hoặc oxýt kim ách thay đổi bước quấn hoặc tiết điện của vành trượt trên đế ta có thể điều chỉnh được hàm truyền đạt của biến trở

tron

ể đo độ biến dạng, đo áp suất, đo kích thước, v.v…

Có 2 dạng: Dạng bột than và dạng điện trở lá

– Dạng bột than.

lên nhau Dưới tác dụng của than sẽ bị ép nhiều hay ít,

dẫn tới điện trở của cột than (điện trở tiếp xúc) bị thay đổi theo quy luật Rx = f (P)

– Dạng điện trở lá

Cấu tạo của cảm biến điện trở biến dạng gồm một dây điện trở rất mảnh, thường là loại hợp kim có điện trở suất lớn, dán căng trên một đế mỏng cách điện có kích thước cỡ 1÷2 cm2 (hình 5-5)

Giá trị của điện trở tính theo công thức đã biết:

bakelit, textolit Loại điện trở màng

loại phủ trên đế plastic Bằng c

Ưùng dụng: Đo độ di chuyển thẳng hoặc độ di chuyển góc Đo mức chất lỏng

g bình chứa, đo tốc độ chất lưu trong ống dẫn (hình 5-4)

2.1.3 Cảm biến điện trở biến dạng

Thương dùng đ

Cảm biến có dạng một cột

lực cơ học (lực đè, nén) cột

than gồm nhiều đĩa xếp chồng

l R

∆++

Trong đó µ – hệ số Poisson

Biến thiên tương đối của điện trở suất là hàm số của độ biến thiên thể tích dây dẫn:

ρ

ûa vật liệu làm điện trở

Từ các biểu thức (5-3) và (5-4) ta có thể rút ra biểu thức để biểu thị một đặc

γρ – hệ số phụ thuộc vào đặc tính cấu trúc tinh thể cu

an trọng của cảm biến điện trở biến d

[

l R

Ta biết rằng điện cảm của một ống dây xác định theo biểu thức:

T o

o

N

S l

N S l

N Sl

o

T = µµ – Từ trở của mạch từ;

l – Chiều dài của ống dây;

µ – Độ từ

µo = 4π 10 H/m

N – Số vòng dây

R thay đổi và L thay đổi Khảo sát sự biến thiên của L ta có thể

ấu tạo của cảm biến điện cảm L gồm một lõi sắt từ, trên đó quấn một số vòng dây N Lõi sắt được ghép từ một phần khung chữ U và 1 phần chữ I (hình 5-6)

thẩm của lõi;

-7 – Hằng số từ;

Khi µ thay đổi làm Txác định được độ lớn của đại lượng cơ cần đo Nguyên tắc này được áp dụng để chế tạo cảm biến điện cảm

2.2.1.Cảm biến kiểu điện cảm L

C

l – Chiều dài của khung chữ U + khung I;

µ – Độ từ thẩm của lõi sắt;

l

S – Tiết diện lõi sắt

Phần từ trở của khe δ có giá trị:

δ µµ

L S S

i R

o k o

=+

ẫn tới từ trở của khe thay đổi và làm điện cảm L thay đổi Công thức (

thuộc của điện cảm L vào sự biến thiên của δ, hàm truyền

của nó chỉ ra trên hình 5-7,a

Trong thực tế, để cải thiện đặc tuyến truyền đạt (tăng khoảng tuyến tính của đặc tuyến) người ta thường dùng cảm biến điện cảm dưới dạng vi sai Nguyên lý cấu trúc của nó chỉ ra trên hình 5-8

T

Dưới tác dụng của ngoại lực làm δ thay đổi, hoặc µk thay đổi d

5-10) biểu diễn sự phụ đạt là phi tuyến, đồ thị

Hình 5-6

L

L

δ L

L1

L2

1+ L2 δ

Hình 5-7

Cảm biến vi sai có 2 khe công tác δ1 và δ2 mà sự thay đổi độ lớn của nó phụ thuộc vào sựï dịch chuyển của lõi động chữ I ở giữa

ển làm cho δ1 và δ2 thay đổi

Kết quả độ lớn của điện cảm L1 và L2 thay đổi

huyển theo dương (+), δ1 sẽ tăng và δ2 sẽ giảm d lại, nếu lõi dịch chuyển theo chiều âm (-), làm vàø δ2 tăng

giảm Đặc tuyến truyền đạt của cảm biến vi sai chỉ

ra trên hình 5-7,b cho thấy khoảng tuyến tính của

hàm truyền tổng cộng được mở rộng

– Ứng ển bé, kiểm tra bề dày các tấm kim loại cán, kiểm tra kích th

2.2.2.Cảm biến kiểu hỗ cảm M

Cấu tạo của cảm biến hỗ cảm M giống như cảm biến điện cảm L, nhưng có 2 cuộn da g của cảm biến M tuân theo nguyên tắc cảm ứng điện từ giống như nguyên tắc làm việc của một máy biến áp Nếu ta tác động một tín hie 1 = E1sin ωt lên 2 đầu cuộn N1 thì tr 2 đa cuộn

được tín hiệu e2 = E2 sin ωt

Trong đó:

Đại lượng đo tác động lên lõi từ làm nó di chuy

Chẳng hạn, nếu tác dụng làm lõi di cẫn tới làm L1 giảm và L2 tăng Ngược

δ1 giảm dẫn tới L1 tăng và L2 Hình 5-8

Cảm biến điện c ảm vi sai

dụng: Đo độ di chuy

ước các chi tiết cơ khí chính xác

ây N và N (hình 5-9) Hoạt độn1 2

2

1 2

1

N

N E

R là từ trở của mạch từ Nếu ta giữ cho I1 2 chỉ còn là hàm 1 biến của M, mà giá trị của M phụ thuộc vào từ trở của mạch từ theo (5-12) Như vậy, nếu R thay đổi, M sẽ thay đổi và dẫn đến I thay đổi Nói cách khác ta có:

– Ứng dụng: Đo độ di chuyển bé, kiểm tra bề dày các tấ i cán, kiểm tra kích thước các chi tiết cơ khí chính xác

.2.3.Cảm biến cảm ứng

và ω không đổi thì dòng I2

m kim loạ

2

Cảm biến cảm ứng dựa trên nguyên tắc cảm ứng điện từ: khi một khung dây dẫn kín quay trong một từ trường B, trong khung dây sẽ xuất hiện một suất điện động cảm ứng

độ quay n

quay n Thang độ của đồng hồ

ân tắc nà có thể chế tạo theo kiểu nam châm (phần cảm) quay Khi đó phần ứng là một đĩa kim loại gắn với trục quay động và kim chỉ thị Khi nam

än dòng cảm ứng Dòng này sinh ra từ trường chống lại từ trường đã sinh ra nó (tức chống lại sự quay), nhưng nam châm gắn với trục động cơ vẫn quay gắn vơ trục rên c một l xo ca

men cản cân bằng với mô men quay đĩa sẽ đứng yên và kim chỉ thị ở một vị trí xác định tre

Dựa trên nguyên tắc cảm ứng người ta đã chế tạo ra dụng cụ xác định phương hướng

trên ma

Khi bay trong bầu trời, máy bay ch

ịnh phương hướng

nên chúng triệt tiêu lẫn nhau Cuộn thứ cấp (dây lớn) quấn bao lấy cả 2 thanh sắt từ

buộc đĩa phải quay theo Đĩa ùi , t ó ò ûn Khi mô

ân thang độ

ùy bay Ta biết rằng trái đất chúng ta là một nam châm khổng lồ Từ trường do nó sinh

ra có các đường sức chạy từ Bắc xuống Nam

ịu tác dụng từ trường của trái đất Trên cơ sở đó người ta

đã chế tạo một dụng cụ xác đ Hình 5-11

có cấu trúc như sau:

Dụng cụ gồm 2 thanh sắt từ đặt song song, trên có quấn 2 cuộn dây kiểu biến thế (hình 5-11) Cuộn sơ cấp (dây nhỏ) quấn trên 2 thanh sắt ngược chiều nhau và nối với một nguồn điện xoay chiều Bình thường, từ trường do chúng sinh ra ngược chiều nhau

Khi bay trong bầu trời, 2 thanh sắt nằm trong từ trường trái đất Khi đó, nếu ở một thanh sắt từ trường do bản thân dòng điện sinh ra được cộng thêm với từ trường trái đất

ện động này phụ thuộc vào từ thông xuyên qua bề mặt của cả

bầu trời

2.3 Chuye

thì ngược lại, ở thanh sắt kia từ trường đó sẽ bị trừ đi, do đó từ trường tổng do cuộn sơ cấp sinh ra sẽ khác không Kết quả trong cuộn thứ cấp sẽ phát sinh một sức điện động Độ lớn của sức đi

m biến, tức phụ thuộc vào góc giữa 2 thanh sắt với hướng từ trường trái đất Như vậy, đo sức điện động có thể xác định được góc phương vị trên

ån đổi điện dung

Ta biết rằng, điện dung của một tụ điện là một thông số đặc trưng cho khả

øo kích thước của các bản tu (S)ï, khoảng

ựa vào các đặc tính trên người ta đã chế tạo ra các bộ chuyển đổi kiểu điện dung Thường có 2 dạng: tụ phẳng và tụ hình trụ

ối với dạng tụ phẳng, điện dung của cảm biến thay đổi theo quy luật:

năng tích điện của nó, có giá trị phụ thuộc va

cách giữa các bản (d) và bản chất của chất điện môi giữa chúng (ε)

DĐ

d

S n

C =εεo( −1) (5-15) rong đo ûn cực, S – diện tích của 1 bản

ε – hằng số điện môi; = 8,85 10-12 F/m – hằng số điện

Như vậy, C là hàm của ách khác có thể sử dụng cảm biến đi

Cx = f (d); Cx = f (S) ; Cx = f (ε) (5-16) Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc hàm số giữa điện dung C vào các biến d, S và

ε chỉ ra trên hình 5-12

d

S

Hình 5-12.Các dạng cảm biến điện dung phẳng

Đối với dạng tụ hình trụ, điện dung của tụ được tính:

3

C

C C

d a) d thay đổi b) S thay đổi c) thay đổi3

2

ln

2

R R

l

Trong đó: l – Chiều cao của hình trụ;

R1 – Bán kính hình trụ trong;

R2 – Bán kính hình trụ ngoài

Cảm biến điện dung loạchuyển làm thay đổi đại lượng lx t

i này thường được dùng để đo mức hoặc sự dịch heo quan hệ Cx = k lx

giá trị o có thể xem hàm truyền gần tuyến tính

rên hình 5-13, b điện dung Cx được xác định bởi giá trị lx, là đoạn đối nhau của 2 hình trụ 5 và 3 ngăn cách bởi lớp điện môi hình trụ 4 Dưới tác dụng của đại

lượng cơ x(t) làm hình trụ 5 di chuyển và làm lx thay đổi Hàm truyền đạt của chuyển đổi có đặc tính tuyến tính:

Trên hình 5-13 là sơ đồ của của một số cảm biến điện dung đơn giản và đồ thị biểu diễn hàm truyền đạt của chúng

Hình 5-13 Sơ đồ và hàm truyền đạt của một số cảm biến điện dung

Trên hình 5-13, a cảm biến được cấu tạo bởi 2 bản tụ Bản tbản tụ 2 treo bằng lò xo đàn hồi có thể dịch chuyển dưới tác dụng của áp lực P(t) Hàm truyền đạt của chuyển đổi Cx = f(dx) là phi tuyến (có dạng hypebol) Với các

∆d < dT

x

x

d D

l

ln

2

rong đó D và d tương ứng là đường kính của bản tụ ngoài và bản tụ trong

giữa 2 bản tụ và diện tích của các bản là không đổi, nên điện dung Cx là hàm tuyến

TTrên hình 5-13, c là bộ chuyển đổi điện dung dùng để đo độ ẩm của các vật

g hạt rời (ngũ cốc, đường cát, v.v…) Nó được cấu tạo từ 2 bảắn với tay cầm 7 làm bằng vật liệu cách điện chất lươ

Ngoài những cảm biến điện dung đơn giản như trên, trong kỹ thuật đo còn sử dụng rộng rãi các cảm biến điện dung đấu vi sai để đ lưu lư g hoa tốc đ

và các bộ chuyển đổi điện dung có hàm truyền đạt phức tạp hơn để giải quyết các

là cơ cấu để kiểm tra mức chất

không

o ợn ëc ộ chất lưu

ùn trong thực tiễn mà trên các hình 5-14, và hBộ chuyển đo đåi iện dung trên hình 5-14, aong bình chứa 1, Giá trị của điện dung Cx ph

ơ đồ tương đương của hệ như trên hình 5-14khí, C2 là phần tụ nhúng trong chất lỏng

d

S C

k l d k x d k x l d k C C

d k

= ; 1 = ε (ε1−ε2)

d k

k o là các hằng số

Trên hình 5-15, a là nguyên lý chuyển đổi điện dung dùng để kiểm tra và đo bề dày các tấm phi kim loại Sơ đồ chuyển đổi tương đương 2 tụ điện C và C mắc

a) b) Hình 5-14 Chuyển đổi điện dung để đo mức chất lỏng

Hàm truyền của chuyển đổi xác định bởi giá trị điện dung tương đương của C1và C2 mắc nối tiếp

x

a C

C

C C C

δ+

=+

2 1

Trong đó: a o S b d

2 1

2 2

1

2

1 và

ε ε

ε ε

ε

ε ε

2.4 Chuyển đổi á

Chuyển đổi áp điện dựa trên cơ sở hiệu ứng áp điện xảy ra đối với một số tinh thể như

– Hiệu ứng áp điện thuận: Khi bị biến dạng, trên bề mặt tinh thể xuất hiện các điện tích trái dấu

– Hiệu ứng áp điện nghịch: Tinh thể áp điện khi sẽ bị biến dạng

l øn thường ử dụng tinh thể tha ộ chuyển đổi Tinh thể thạch anh có dạng lục lăng với 2 đầu là 2 hình chóp đối xứng như trên hình 5-16, a, Mỗi tinh thể thạch anh có

hình chópï Trục điện X đi qua cạnh của la

ếu cắt từ tinh thể thạch anh ra một khối hình hộp, có các cạnh định hướng theo các trục X, Y như hình 5-16, b thì khi tác dụng lực Px lên tinh thể dọc theo hướng trục đi X, trên 2 bề mặt đối n của tinh thể sẽ xuất hiện các điện tích trái dấu (hiệu ư g dọc

Trong đó: D – là hằng số áp điện Với thạch anh D = 2,3.10-12 C/N

ïng ïc cơ học Py dọc theo trục cơ Y, trêncũng xuất hiện các điện tích (hiệu ứng ngang), nhưng ngược dấu với hiệu ứng dọc:

thạch anh, tuốcmalin, titanat bari,… Có 2 dạng:

đặt trong điện trường biến thiên Trong kỹ thuật đo ươ g s ïch anh làm các b

3 trục, mà mỗi trục có những hiệu ứng đặc biệt gắn với các hiện tượng cơ, quang và điện Trục quang học Z là trục đi qua 2 đỉnh

êng trụ và vuông góc với trục quang Trục cơ

Y là trục hướng vuông góc với mặt bên của lăng trụ

a) b) c) Hình 5-16 Tinh thể thạch anh và các trục của nó:

trục quang Z, trục điện X và trục cơ Y