Một số loại chuyển đổi thường gặp như sau: Hình 3.14 Một số chuyển đổi điện cảm thường gặp -Hình a là chuyển đổi đơn khá phổ biến, dưới tác dụng của đại lượng cơ học P ví dụ như lực, á
Trang 1http://www.ebook.edu.vn 14
Ta có:
1 T
T T
R R
UR U
+
=
Xét khi có biến dạng (sự dao động với tần số cao)
1
1 sin
1 sin
R
T To
To R
t
+
=
+ + , ω là tần số dao động của đối tượng Thông thường ξR <<1 ⇔ RTo Rξ sin ω t RTo
Ta có:
sin
To To R T
Vì điện áp ra lấy thành phần một chiều cho nên
1
s i n
R T o
r a
T o
U
=
+
3 Sai số và ứng dụng
Chuyển đổi tenzo được ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật dùng để đo lực biến
dạng, lực mômen, gia tốc, áp xuất Do cấu tạo đơn giản, có kích thước nhỏ nên các
chuyển đổi tenzo được dùng để đo trên các chi tiết có nhiều hình dạng khác nhau của
máy móc và thiết bị Có thể dùng để đo các biến thiên nhanh như độ chấn động Để
giảm sai số đòi hỏi phải có một công nghệ dán và vị trí dán thích hợp , lúc đó sai số có
thể giảm < 5%
Chương 3 Chuyển đổi điện từ
Là chuyển đổi trong đó đại lượng không điện (thường là các di chuyển thẳng hay góc )
dẫn đến thay đổi điện cảm, hỗ cảm hoặc xuất hiện sức điện động cảm ứng ở cuộn dây
Trang 2http://www.ebook.edu.vn 15
Bài 1 Chuyển đổi điện cảm
Chuyển đổi điện cảm là chuyển đổi biến đổi giá trị đại lượng đo thành trị số điện cảm
a Một số loại chuyển đổi thường gặp như sau:
Hình 3.14 Một số chuyển đổi điện cảm thường gặp
-Hình a là chuyển đổi đơn khá phổ biến, dưới tác dụng của đại lượng cơ học P ví
dụ như lực, áp xuất, sự di chuyển v.v sẽ làm thay đổi khe hở không khí δ nên làm thay
đổi từ trở toàn bộ mạch từ Như vậy sẽ làm thay đổi tổng trở Z cũng như điện cảm L của
cuộn dây
Hình b, c dưới tác dụng của đại lượng cơ học P sẽ làm thay đổi khe hở không khí δ
Chuyển đổi này thường dùng để đo những di chuyển từ 5 ữ 20mm hoặc di chuyển góc
Hình d là chuyển đổi làm thay đổi dòng điện xoáy, gồm một cuộn dây không lõi
thép được mắc vào điện áp có tần số rất cao(cỡ vài Mhz) Khi ta di chuyển tấm kim loại
hoặc vòng dây ngắn mạch sẽ làm thay đổi tổn hao từ trong cuộn dây, do vậy điện cảm L
của cuộn dây cũng thay đổi theo Hình a, b, c, d còn gọi là chuyển đổi điện từ đơn
Hình e là chuyển đổi làm thay đổi khe hở không khí kiểu vi sai, gồm hai cuộn dây
giống hệt nhau Khi chuyển đổi chưa làm việc thì:
δ1 = δ2 =δ0, Z1 = Z2 =Z0
Nếu chuyển đổi làm việc thì: δ1 ≠ δ2, Z1 = Z0 ± ΔZ, Z2 = Z ± ΔZ
b Tính năng của chuyển đổi điện cảm
Nếu ta bỏ qua từ trở của mạch từ thì:
(a)
W W
P
(c) (b)
δ
R
P
δ1 δ2 P
Trang 3http://www.ebook.edu.vn 16
δ
μ
=
=
μ
S w R
w
L
2 0
2
, với
S
R
0 μ
δ
= μ
w: là số vòng dây, μ0 = 4π.10-7 là hệ số dẫn từ của không khí, δ là chiều dài khe hở
không khí, S tiết diện hiệu dụng của khe hở không khí, Rμ là từ trở của khe hở không khí
Vậy L phụ thuộc vào S và δ, sự biến thiên của L theo S và δ nh− sau:
δ
∂ +
∂
∂
= dS Ld S
L
với l−ợng thay đổi hữu hạn Δδ và ΔS thì
δ Δ δ Δ + δ
μ
− Δ δ
μ
=
0 0
2 0
0
2 0
) (
S w S
w L
Trong đó S0, δ0 là giá trị ban đầu của S và δ khi chuyển đổi ch−a làm việc
+Độ nhạy của chuyển đổi khi tiết diện thay đổi (δ= δ0 =const)
S
L S
S w w
L
0
0
0 0
0 0 2
0 0
2
=
= δ
μ
= δ
μ
= δ
Δ
Δ
Với L0 =
0 0
2
0w S δ
μ là giá trị điện cảm ban đầu của chuyển đổi
+ Độ nhạy của chuyển đổi khi δ thay đổi là (S = S0 =const):
0 0
0 2
0 0 2 0
1
L S
w L
S
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛ δ
δ Δ + δ
−
= δ Δ + δ
μ
= δ
Δ
Δ
=
δ
Ta thấy độ nhạy của chuyển đổi phụ thuộc vào
0
δ
δ Δ
Nhận xét: Độ nhạy của chuyển đổi khi S thay đổi bằng hằng số, còn khi δ thay đổi
thì phụ thuộc vào
0
δ
δ
Δ , vậy quan hệ giữa L=f(δ) là phi tuyến Thực tế cho thấy quan hệ
L = f(δ) là tuyến tính khi
0
δ
δ
Δ ≤ 0.2 đối với chuyển đổi đơn, và
0
δ
δ
Δ ≤ 0.4 đối với chuyển đổi vi sai
Trang 4http://www.ebook.edu.vn 17
Hình 3.15 Quan hệ giữa điện cảm và sự biến thiên δ của chuyển đổi điện cảm
c Mạch đo của chuyển đổi
Sự biến thiên điện cảm sẽ làm biến thiên trở kháng trong toàn mạch Mạch đo có
nhiệm vụ biến đổi tiếp tín hiệu thành đại lượng điện đủ lớn để có thể phát ra các tín hiệu
khống chế một cách chắc chắn, biến thiên điện cảm trong mạch có thể dẫn đến biến
thiên về biên độ hoặc pha hoặc tần số của điện áp hay dòng điện đầu ra Mạch đo có tên
tương ứng là mạch điều biên, điều pha hoặc điều tần Ta sẽ nghiên cứu mạch thông dụng
là mạch điều biên Mạch này thường là mạch cầu vi sai như sau:
Z1, Z2 là trở kháng của chuyển đổi vi sai
Zb là trở kháng phối hợp với Z1 và Z2
Z0 trở kháng của dụng cụ đo
U nguồn cung cấp,
+Khi trục đo nằm ở vị trí cân bằng
δ1 = δ2 = δ0, Z1 = Z2 = Z
Cầu cân bằng và Ura = 0
+Khi trục đo lệch khỏi vị trí cân bằng tức là δ1 và δ2 biến thiên ngược nhau 1 lượng
là Δδ, khi đó Z1 và Z2 cũng biến thiên một lượng là ΔZ Ta giả sử
Z1 = Z + ΔZ, Z2 = Z - ΔZ
Ta đi tìm quan hệ giữa sự biến thiên của điện áp Ur theo sự biến thiên ΔZ như sau:
+ Gọi Uh là điện áp khi hở mạch đo ( Z0 = ∞)
b
b
b
b h
Z ) Z Z (
EZ Z
) Z Z
(
EZ U
+ Δ +
ư + Δ
ư
=
δ
δ0
Δδ
L
L = f(δ)
Chuyển đổi đơn
δ
L1-L2=f3(δ) Δδ
L
L1= f1(δ)
Chuyển đổi vi sai
L2 = f2(δ)
Ur
Z1
Z2
Zb
Zb
Uh
Hình 3.16 Mạch cầu vi sai chuyển đổi điện cảm
Trang 5http://www.ebook.edu.vn 18
b
2 b b
b
2 b b
b
Z Z
Z
EZ Z EZ Z EZ EZ
Z EZ Z EZ
Δ
ư +
+ Δ
ư
ư +
Δ +
=
=
b
b 2
2 b
b
Z Z
Z EZ 2 Z Z
Z
Z EZ 2
+
Δ
≈ Δ
ư +
Δ
=
b
b
Z Z
Z EZ 2 + Δ + Gọi Uz là điện áp rơi trên các phần tử của chuyển đổi vi sai khi chuyển đổi chưa
làm việc: Uz =
b Z Z
EZ + Vậy ta có Uh =
ZU Z 2 b
z b + Δ
+ Trở kháng trong của cầu
Zi =
b 2
b 2
b 1
b 1
Z Z
Z Z Z
Z
Z Z
+
+
Thay Z1 = Z + ΔZ, Z2 = Z - ΔZ, quy đồng mẫu số và rút gọn ta được
Zi =
b
2 b
2 b b
2
Z Z
Z
Z Z 2 ZZ 2 Z Z
2
Δ
ư +
Δ
ư +
Vì ΔZ khá nhỏ cho nên ta có thể bỏ qua ΔZ2
b 2
b
b b
Z Z
ZZ 2 Z
Z
Z Z ZZ
2
+
= +
+ +Quan hệ giữa dòng điện I0 và điện áp Ura theo sự biến thiên ΔZ là:
Vậy I0 =
0 i
z b
b
0 i
0
Z Z
1 U Z
Z Z Z
Z 2 Z Z
U
+
Δ +
= +
0 i
0
b
b 0
0 ra
'
Z
Z Z Z
Z Z Z
Z 2 Z I U
+ +
=
=
=
+ Độ nhạy về dòng và áp của cầu:
z 0 i 0
b 0
Z Z
1 Z Z
Z 2 Z Z
I K
+ +
= Δ
=
'
2
b
i
Bằng cách tính tương tự ta có thể tính được độ nhạy dòng và áp của nhiều mạch
chuyển đổi
d Ưu nhược điểm và ứng dụng
Z0
Uh
I0
Z1
Z2
Zb Zb
Hình 3.17 Mạch thay thế của chuyển đổi vi sai
Trang 6http://www.ebook.edu.vn 19
Nhược điểm của chuyển đổi điện cảm là phản tác dụng lên đối tượng đo rất lớn
Tuy nhiên nó vẫn được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp để đo các di chuyển từ vài
chục μm đến vài chục cm Ngoài ra còn dùng để đo lực, áp xuất, độ bóng của chi tiết
Chuyển đổi điện cảm dễ mắc sai số do điện áp nguồn thay đổi, tần số, nhiệt độ thay đổi
Vì vậy khi thiết kế ta phải chú ý đến ảnh hưởng của các yếu tố trên
Trang 7http://www.ebook.edu.vn 20
Bài 2 Chuyển đổi hỗ cảm
Là chuyển đổi biến giá trị đo thành trị số hỗ cảm
a Một số loại chuyển đổi hỗ cảm thường gặp:
Hình 3.18 Một số chuyển đổi hỗ cảm
Hình a là chuyển đổi biến áp có lõi di động, cuộn dây w1 được cung cấp bằng nguồn
xoay chiều Khi đại lượng cơ học P tác dụng lên chuyển đổi thì sẽ làm cho từ trở của khe
hở không khí thay đôỉ dẫn tới từ trở của mạch từ thay đổi, điều này làm cho từ thông móc
vòng qua mạch từ thay đổi làm xuất hiện sự thay đổi sức điện động E ở cuộn dây w2
Hình b: dưới tác dụng của đại lượng đo sẽ làm di chuyển vòng ngắn mạch, từ
thông móc vòng qua vòng dây nhiều hay ít tuỳ thuộc vào vị trí của nó trong khe hở
không khí Vì vậy khi di chuyển vòng ngắn mạch sẽ làm cho từ thông chính móc vòng
qua các cuộn dây w1 và w2 thay đổi nên dẫn tới E2 thay đổi
Hình c: là chuyển đổi vi sai kiểu thay đổi khe hở không khí δ, khi P tác dụng lên
chuyển đổi sẽ làm cho δ1 và δ2 biến thiên ngược nhau, do vậy từ trở của hai mạch từ
thay đổi ngược nhau, dẫn đến làm cho E1 và E2 biến thiên ngược nhau
b Tính năng của chuyển đổi hỗ cảm
Khi chiều dài hoặc tiết diện khe hở không khí thay đổi làm cho từ thông của
mạch từ thay đổi và xuất hiện sức điện động e Ta biết rằng sức điện động E sinh ra trên
cuộn dây w2 do từ thông φ móc vòng qua là:
Từ thông tức thời được tính như sau:
δ
μ
=
=
φ
δ
Si w R
iw1 1 0 t
i là giá trị dòng tức thời trong cuộn dây kích thích w1
P
δ E
U≈
x
W1
U≈
U≈ U≈
x
Trang 8http://www.ebook.edu.vn 21
Sức điện động tạo thành trong cuộn dây đo w2
dt
di S w w dt
d w
2
δ
μ
ư
=
φ
ư
=
w2 là số vòng dây cuộn dây đo
Khi làm việc với dòng xoay chiều i = Imsinωt
δ
μ
ư
=
Giá trị hiệu dụng của sức điện động
δ
= ω δ
μ
= w w S I KS
E 2 1 0
Đây là phương trình của chuyển đổi hỗ cảm, I là giá trị hiệu dụng của dòng điện
Với K = w1w2μ0ωI
Với w1, w2, μ0, ω và I bằng hằng số ta có:
δ δ
∂ +
∂
∂
= ds Ed S
E dE
Hay
0 0
KS
S K E
δ Δ + δ
δ Δ
ư δ
Δ
= Δ
Độ nhạy của chuyển đổi khi chiều dài khe hở không khí thay đổi là (S =const):
2
0 0
0 2
0
2
E 1
KS E
S
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛ δ
δ Δ + δ
=
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛ δ
δ Δ + δ
ư
= δ Δ
Δ
= δ
Độ nhạy khi tiết diện khi khe khí thay đổi (δ = const)
0
0
0
E K S
E
δ
= Δ
Δ
=
Với
0
0 0
KS E
δ
= là sức điện động hỗ cảm ban đầu trong cuộn dây đo w2 khi Xv =0 Nhận xét: Độ nhạy của chuyển đổi khi S thay đổi bằng hằng số, còn khi δ thay đổi
thì phụ thuộc vào tỷ số
0 δ δ Δ
Trang 9http://www.ebook.edu.vn 22
c Mạch đo và ứng dụng
Đa số mạch đo của chuyển đổi hỗ cảm giống như chuyển đổi điện cảm, trong đó
chủ yếu người ta sử dụng mạch cầu Ngoài ra thực tế người ta còn dùng mạch cầu như
sau (cầu vi sai 6 nhánh):
Điện trở Rc và C dùng để
cân bằng thành phần ảo (góc
pha)
R0 cân bằng thành phần
thực (biên độ) R0 << R, chỉ thị
là dụng cụ từ điện Đối với các
chuyển đổi hỗ cảm người ta
thường dùng phương pháp đo
điện áp xoay chiều
Sai số: gây ra sai số nếu
nguồn điện không ổn định
Điện áp nguồn thay đổi 1%
dẫn đến sai số 1%
Tần số thay đổi 1% gây ra sai số 0.2%
ứng dụng: Đo các đại lượng không điện khác nhau tuỳ theo cấu trúc của từng loại
chuyển đổi, có thể đo di chuyển từ vài chục μ m đến vài cm để đo chiều dài lớp phủ, độ
bóng của chi tiết gia công
Bài 3 Chuyển đổi áp từ
a Cấu tạo và nguyên lý làm việc
Chuyển đổi áp từ là một dạng của chuyển đổi điện cảm và hỗ cảm Khác với hai
loại trên mạch từ của chuyển đổi áp từ là mạch kín Nguyên lý làm việc của chuyển đổi
áp từ dựa trên hiệu ứng áp từ
a b c
Hình 3.20 Một số chuyển đổi áp từ
Fx
w2
w1
Fx
Rc
L + ΔL
C
~U
~
Hình 3.19 Mạch cầu vi sai 6 nhánh
Trang 10http://www.ebook.edu.vn 23
Hiệu ứng áp từ là hiện tượng mà dưới tác dụng của đại lượng cơ học sẽ làm cho hệ
số dẫn từ μ và một số tính chất khác của vật liệu từ thay đổi dẫn đến thay đổi tổng trở
của chuyển đổi Một số dạng của chuyển đổi áp từ như trên
Hình 3.20 a và hình 3.20 b là chuyển đổi áp từ kiểu điện cảm và hỗ cảm, nó thường
dùng để đo các lực rất lớn, dưới tác dụng của lực cơ học Fx sẽ làm cho độ dẫn từ μ của vật
liệu sắt từ thay đổi dẫn đến thay đổi từ trở mạch từ Rμ làm cho tổng trở thayđổi cũng như
điện cảm thay đổi
Hình 3.20 c là chuyển đổi áp từ dòng xoay chiều dạng biến áp Sức điện động của
cuộn thứ cấp phụ thuộc vào sự hỗ cảm giữa hai cuộn dây mà chính là do sự biến thiên hệ
số μ của lõi thép Các cuộn dây w1 và w2 của chuyển đổi được quấn trên một 1 lõi sắt từ
đặc và được bố trí đặt vuông góc với nhau Cuộn dây w1 được cung cấp bằng nguồn
xoay chiều điện áp U Khi lực tác dụng Fx = 0 đường sức từ của cuộn w1 được bố trí đối
xứng nên sẽ không móc vòng qua cuộn w2 làm cho E2 =0 Khi Fx ≠ 0 (có lực tác dụng)
do sự thay đổi của từ thẩm μ nên từ trường của cuộn dây w1 mất đối xứng vì vậy nó sẽ
móc vòng qua cuộn w2 nên tạo ra E2≠ 0 và phụ thuộc vào lực tác dụng Fx
b Tính năng của chuyển đổi áp từ
Vì chuyển đổi này luôn có mạch từ kín Vì vậy điện trở của cuộn dây rất nhỏ so
với trở kháng của nó (R < 5% XL) Vì vậy ta có thể bỏ qua, cho nên ta có, bỏ qua tổn
hao dòng xoáy và từ trễ, điện cảm của chuyển đổi áp từ sẽ là:
l
S w R
w L
2
2 = μ
= μ
(*)
w: số vòng cuộn dây, Rμ là từ trở của mạch từ, S là tiết diện cắt ngang mạch từ, l
là chiều dài trung bình của đường sức từ, μ độ từ thẩm của lõi thép
Từ (*) ta có (với w= const)
dl l
L dS S
L d
L
dL
∂
∂ +
∂
∂ + μ μ
∂
∂
=
⎟
⎟
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎜
⎜
⎝
⎛
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛ + Δ
Δ
ư μ
μ Δ + Δ
= Δ +
Δ μ
ư μ Δ + Δ μ
=
2 2
2
l
l 1 l
l S
S L l l
l S w l
S w l
S w
L
Với L0 =
l
S
w 2
μ : giá trị điện cảm ban đầu khi chưa có lực tác dụng
Trang 11http://www.ebook.edu.vn 24
Độ nhạy của chuyển đổi như sau:
Khi chịu biến dạng thì chiều dài đường sức từ thay đổi, độ nhạy là:
từ sức dưòng dài Chiều
m cả
diện dộ Mật
= Δ
Δ
=
l l
L / L
l
l
l 1
1 l
l
/ l
l
S / S
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛ + Δ
ư Δ
μ μ Δ + Δ
Δ
Đặt Kp
=-l l
s / S Δ
Δ : Hệ số poát xông
Sμ =
l l
/ Δ
μ μ
Δ : hệ số áp từ, đặc trưng cho từng loại vật liệu
Vì Δl/l << 1 trong giới hạn biến dạng đàn hồi cho nên:
Sl =Sμ - (Kp + 1)
Thông thường Sμ ≥ 200 do vậy Sμ >> Kp
Với độ chính xác tương đối, có thể coi độ nhạy tương đối của chuyển đổi như sau:
Sl = = μ Δ
μ μ
l l /
Tổng trở của chuyển đổi:
Z = ωL =
l
S
w 2 μ ω Tương tự độ nhạy của chuyển đổi áp từ đối với tổng trở Z bằng độ nhạy áp từ của nó:
Δ
l l
Z / Z
l
Các hệ số Kp, Sμ tra trong sổ tay kỹ thuật
c Mạch đo, sai số và ứng dụng
Mạch đo của chuyển đổi áp
từ giống như mạch đo của chuyển
đổi điện cảm và chuyển đổi hỗ
cảm song nó có thể đo được các
đaị lượng biến thiên nhanh tới
hàng chục KHz
Ví dụ: Sơ đồ cầu như sau
Hình 3.21 Mạch đo của chuyển đổi áp từ
CĐ1
CĐ2
V
Fx
Trang 12http://www.ebook.edu.vn 25
Nguyên nhân gây ra sai số cơ bản là do hiện tượng từ trễ trong quá trình tăng tải
và giảm tải Sự biến thiên của hệ số dẫn từ
( )F x
f
=
μ
μ
Δ
trong chu kỳ đầu tiên lúc tăng tải và giảm tải có thể lên tới 10% Sau
nhiều lần tăng và giảm thì sai số còn lại khoảng 1%
Một nguyên nhân gây ra sai số là sự dao động của dòng điện kích từ trong chuyển
đổi Khi dòng điện kích từ thay đổi sẽ làm thay đổi hệ số dẫn từ của lõi thép dẫn tới
thay đổi Sμ
Khi thiết kế phải tính toán sao cho chuyển đổi làm việc ở miền có cảm ứng từ cực
đại Khi ở điều kiện này thì sai số sẽ nhỏ hơn 0.4%
Khi nhiệt độ thay đổi sẽ dẫn tới thay đổi điện trở thuần của cuộn dây, dẫn đến thay
đổi hệ số dẫn từ μ và dẫn đến Sμ thay đổi, sai số này thường trong khoảng 0.5 ữ 1% khi
nhiệt độ biến thiên trong khoảng 100C
+ ứng dụng: chuyển đổi áp từ thường dùng để đo các lực lớn tới 10N Đo áp xuất
trong các điều kiện khắc nghiệt (công nghiệp dầu khí) Mặc dù gặp sai sô lớn nhưng cấu
tạo đơn giản làm việc tin cậy nên chuyển đổi này thường được ứng dụng rộng rãi trong
kỹ thuật
Bài 4 Chuyển đổi cảm ứng
a Cấu tạo và nguyên lý làm việc
Đây là chuyển đổi phát điện Nguyên lý làm việc của nó là đại lượng không điện
làm thay đổi từ thông móc vòng qua các cuộn dây nên tạo ra sức điện động:
e =
dt
d
w φ
ư
Theo nguyên lý làm việc của chuyển đổi cảm ứng được chia thành hai nhóm:
+Nhóm 1: Từ trở được giữ không đổi trên đường đi của từ thông 1 chiều Sức điện
động cảm ứng được sinh ra bằng sự di chuyển thẳng hoặc chuyển đổi quay của cuộn dây
trong từ trường của nam châm vĩnh cửu Một số loại chuyển đổi thì cuộn dây đứng yên
và nam châm chuyển động Đại diện cho nhóm này như là máy phát tốc (máy phát điện
1 chiều) Đầu vào là ω, đầu ra là E = Kφω
Trong đó ω =
55 9 n
, n là số vòng quay / phút
