Chương 3 chuyển đổi đo lường và cảm biến

Khái niệm chung • Chuyển đổi đo lường là dụng cụ dùng để tạo một quan hệ đơn trị giữa hai đại lượng vật lí với một độ chính xác nhất định • Cảm biến là chuyển đổi đo lường được đặt trong

Chương 3 Chuyển đổi đo lường

và cảm biến

$1 Khái niệm chung

• Chuyển đổi đo lường là dụng cụ dùng để tạo một quan hệ đơn trị giữa hai đại lượng vật lí với một độ chính xác nhất định

• Cảm biến là chuyển đổi đo lường được đặt trong một khối hình học có kích thước nhất định và có các đầu nối tín hiệu ra

Cảm biếnSensor

Cảm nhận sự biến đổi tín hiệu ?????????????

Chuyển đổi

sơ cấp

Đặc trưng của chuyển đổi

• Chuyển đổi (tranducer) ở đây xét loại chuyển thành tín hiệu điện

• Hàm truyền đạt (Transfer function)

• Độ nhạy (Sensitivity)

• Dải công tác động (Span or Dynamic range)

• Độ chính xác hay độ không biết trước (Accuracy or

Uncertainty)

• Độ trễ (Hysteresis)

• Độ phi tuyến (Nonlinear)

• Độ ồn (Noise)

• Độ phân giải (Resolution)

• Dải thông (Bandwidth)

Một hệ thống đo lường và điều khiển

Chuyển đổi điện trở

• Dùng để đo các đại lượng (di chuyển, góc quay) dựa trên sự biến đổi của điện trở chuyển đổi

• Biến trở được làm bằng dây điện trở hay thanh điện trở Vật liệu thường dùng là Mn

• Giá trị không thay đổi theo nhiệt độ

6



06/08/24

Một số hình dạng biến trở thực tế

06/08/24 8

Linear Variable Differential Transformer LVDT

Chuyển đổi điện trở-lực tenzo

• Có thể thay đổi các tham số , l, S để thay đổi R

• Thông thường ta chỉ quan tâm đến S và l, còn  được coi là không đổi

R=l/S

R S

l

S

S l

l R

R

S S

R l

l

R

R R

Mạch đo dùng tenzo thường là mạch cầu

) 2

( 2

)

2 (

0

r R

r

U r

Ura=(U/2)-(U/2R0)(R0+r)=(U/2R0)r Nếu chỉ có một điện trở biến đổi: R1=R0-r thì:

Nếu coi R0 >>r thì khi dùng một tenzo, độ nhạy bằng ½ khi dùng 2 tenzo đối xứng.

06/08/24

Một số dạng cảm biến lực trong thực tế

• Những cảm biến lực này được chế tạo với dải đo từ vài gam đến vài chục tấn

Một số dạng cảm biến lực

• Những cảm biến lực dùng để đo lực lớn

12 06/08/24

$2 Chuyển đổi điện từ - điện cảm

• Coi tiết diện làm việc s không đổi

2

0 0

0

2 0

0 0 2 0

0 2

0 2 2

1

W R

S

s W

s

W L

s L

* Loại này thường dùng đo khoảng cách, độ rung của các gối đỡ các thiết

bị điện

Chuyển đổi điện từ - hỗ cảm

0

2 1

/ 1

0 sin

ks

s k E

s K I

s W

W E

t I

i

•Sử dụng loại này an toàn hơn loại điện cảm và độ nhạy cao hơn

•Dùng đo khoảng cách hay dao động

06/08/24

Bài tập chuyển đổi điện cảm-hỗ cảm

• Bài 1: Một chuyển đổi điện cảm có 2000 vòng, s=1cm2,

0=3mm mm 0=4.10-7 H/m điện trở cuộn dây Rd=50 Ohm Điện

áp nguồn u=220VAC, tần số 50Hz Hãy xác định biến thiên dòng điện khi =1mm?

Bài 2: Một chuyển đổi hỗ cảm có cuộn sơ cấp 2000 vòng, cuộn thứ cấp 100 vòng s=1cm2, 0=3mm

0=4.10-7 H/m điện trở cuộn dây sơ cấp Rd=50 Ohm

Điện áp nguồn u=220VAC, tần số 50Hz Xác định điện

áp ra trên cuộn thứ cấp khi =1mm?

I0=U:Z0=220:72,58=3,03A

;

Chuyển đổi điện từ - áp từ

• Dựa vào sự biến đổi của độ từ thẩm, tiết diện, chiều dài làm việc của mạch từ theo lực để đo lực Chủ yếu là đo biến dạng

l s

s L

Mạch đo của chuyển đổi áp từ

• Một mạch đo cụ thể

18 06/08/24

Chuyển đổi cảm ứng

• Loại này dùng để đo tốc độ quay, góc quay, chuyển động thẳng, lực…

dt

da S

B dt

dx l B E

dt

dx S

dt

d E

a a

E là suất điện động cảm ứng, x hay

a là khoảng dịch chuyển hay góc quay của chuyển đổi

Chuyển đổi nhiệt điện

• Dùng để đo nhiệt độ đối tượng

• Nguyên lí hoạt động: tham số của chuyển đổi bị biến đổi theo nhiệt độ

• Loại thứ nhất là cặp nhiệt

• Lưu ý vấn đề hiệu chỉnh theo nhiệt độ (qui ước t2 = 0)

20

) (

Hiệu chỉnh cặp nhiệt theo nhiệt độ

• Thường trên đồng hồ đo nhiệt, người chế tạo ghi sẵn giá trị nhiệt độ

và tan nhiệt độ môi trường thường được xác định bởi một dụng cụ khác hoặc ước lượng Từ đo suy ra nhiệt độ thức đo theo đặc tính Các dụng cụ đo nhiệt điện tử được ghi sẵn đặc tính hiệu chỉnh trong bộ

1

'1

t  



0C

06/08/24

22

Bài tập phần chuyển đổi nhiệt điện

27 ,

0 30



06/08/24

Chuyển đổi nhiệt điện trở

• Với nhiệt điện trở kim loại thường tính đến bậc 3mm

• Với nhiệt điện trở bán dẫn tính đến bậc cao hơn tuỳ cấp chính xác (thực tế giải tích là theo hàm mũ)

) ( )

( t R t0 at bt2 ct3

Phụ bài: Đo nhiệt độ bằng phương pháp hồng ngoại

26 06/08/24

1.Bộ cảm biến sẵn sàng hoạt động khi được chiếu tia laser hồng ngoại (từ

ống hình trụ bên trái) Hướng ban đầu của các nguyên tử Rubidium (trong hình tròn màu đỏ)

2 Bộ cảm biến phát hiện chất nổ Hướng của các nguyên tử Rubidium thay

đổi do tác động của từ trường (trong hình tròn màu hồng đậm)

3 Bộ cảm biến phát hiện chuột Hướng của các nguyên tử Rubidium thay

đổi khác với trong trường hợp phát hiện chất nổ (trong hình tròn màu hồng nhạt)

Cảm biến hồng ngoại có độ nhạy cao

06/08/24 28

Laser phát Gương bán

xạ

Cáp quang

Điểm gia nhiệt

Laser thu phản xạ

Laser thu thấu xạ

t

Khoảng cách L=3.10 8 t/2

Đo nhiệt độ bằng cáp quang

• Thiết bị này có khả năng phát hiện sự thay đổi của từ trường nhỏ đến mức 70 femtoteslas – tương đương với cường độ sóng não của một người đang trong trạng thái mơ màng (1 femtoteslas =

0.000000000000001 Teslas – đơn vị đo cường độ từ trường)

• Nhạy gấp 1.000 lần so với loại cảm biến thu nhỏ, có dạng chip ở trên

Chuyển đổi tĩnh điện – áp điện

• Nguyên tắc hoạt động: dựa trên hiệu ứng áp điện thuận và hiệu ứng áp điện nghịch

• Loại này chỉ đo được lực động

30

y

x

F x

y d q

F d q

Chuyển đổi Hall (Áp điện AC)

06/08/24 32

Một số đặc tính điện

06/08/24 34

06/08/24 36

06/08/24 38

06/08/24 40

Đặc tính vào ra

Chuyển đổi áp điện - điện dung

• Chuyển đổi điện dung thường dùng trong môi trường dung dịch điện phân, kể cả tiếp xúc và không tiếp xúc

42 06/08/24

Một số loại cảm biến trong thực tế

Một số loại cảm biến trong thực tế

44 06/08/24

$9 Chuyển đổi điện hóa

• 1 Chuyển đổi điện hóa dùng để đo các đại lượng trong hóa học

• 2 cơ sở lí thuyết: dựa trên hiện tượng hóa điện xảy ra khi cho dòng điện đi qua dung dịch điện phân hoặc do quá trình ôxy hóa khử các điện cực

• 3 Hiện tượng phân li

46

H2SO4KOH

$9 Chuyển đổi điện hóa

• Độ dẫn điện của dung dịch

• Quan hệ giữa độ dẫn điện với nồng độ và nhiệt

độ

• Suất dẫn điện của dung dịch

• Quan hệ suất dẫn điện và nhiệt độ

• Hiện tượng điện phân

• Hiện tượng phân cực

Một số chuyển đổi điện hóa

1 Chuyển đổi điện trở-dung dịch

- Chuyển đổi điện phân đi di chuyển cơ học

- Chuyển đổi điện phân đo nồng độ chất điện phân

- Chuyển đổi điện phân không tiếp xúc

2 Hiệu chỉnh sai số do nhiệt độ của chuyển đổi điện phân

3 Chuyển đổi Gavanic

4 Chuyển đổi cực phổ

- Chuyển đổi điện cực cứng

- Chuyển đổi điện cực giọt Hg

5 Chuyển đổi Simotron

6 Chuyển đổi điện động

Bài tập phần tenzo

1 Một chuyển đổi tenzo có thông số: M=1500kg, бU=2mV/V

Nguồn cấp 10V, xác định điện áp ra khi m=250kg.

Nếu R0 = 375 Ohm, thì biến thiên của Rtenzo sẽ là bao nhiêu?