đề cương ôn tập cảm biến công nghiệp

Vẽ sơ đồvà trình bày cấu tạo, nguyên lý làm việc, đặc điểm, phạm vi sử dụng của các loại nhiệt kế điện trở đo nhiệt độ?. Vẽ sơ đồ và trình bày cấu tạo, nguyên lý làm việc, đặc điểm, phạm

Câu 1: nguyên lí đo nhiệt độ theo điện trở vật liệu? Vẽ sơ đồ

và trình bày cấu tạo, nguyên lý làm việc, đặc điểm, phạm vi

sử dụng của các loại nhiệt kế điện trở đo nhiệt độ?

2. Nhiệt kế điện trở kim loại

a. Sơ đồ, Cấu tạo: chế tạo bằng điện trở kim loại.

- Loại điện trở dây quấn:

b. Nguyên lý làm việc:

- dựa trên sự thay đổi điện trở: ( 2 3)

0 1 )

dl l dT

d dT

dR R

R = 1 = 1 ρ + 1 − 1

ρ α

dT

dl l

l R

Vậy: Khi nhiệt độ tăng điện trở suất vật liệu tăng ⇒ điện trở tăng

→ đo điện trở ⇒ nhiệt độ

c. Đặc điểm và phạm vi sử dụng

- Kết cấu đơn giản, dễ chế tạo

- Độ chính xác khá cao

3. Nhiệt kế điện trở silic

a. Sơ đồ, Cấu tạo:

- chế tạo từ đơn tinh thể Si pha tạp loại N, kích thước cỡ500x500x240 (µm)

b. Nguyên lý làm việc:

- Trong khoảng nhiệt độ (-55 ÷ 200oC) hệ số nhiệt điện trởdương (~7.10-3/ oC ở 25 oC) Sự phụ thuộc của điện trở vàonhiệt độ biểu diễn gần đúng theo công thức:

0 0

0 1 A T T B T T

R

c) đặc điểm và phạm vi sử dụng

sự thay đổi nhiệt của điện trở tương đối nhỏ

4. Nhiệt kế điện trở oxyt bán dẫn

a. Sơ đồ, Cấu tạo:

được chế tạo từ hỗn hợp oxyt bán dẫn đa tinh thể như: MgO,MgAl2O4, Mn2O3, Fe3O4, Co2O3, NiO, ZnTiO4

Hỗn hợp bột oxyt được trộn theo tỉ lệ thích hợp → được nén địnhdạng → thiêu kết ở nhiệt độ ~ 1000oC Vỏ bọc bằng thủy tinh

1 1 exp

) (

T T T

T R T

1 1 exp

) (

T T B R

T R

- Kích thước nhỏ → có thể đo T theo điểm.

- Nhiệt dung nhỏ → thời gian hồi đáp bé

- Hệ số nhiệt điện trở lớn → đo được ∆Tmin =10-4 - 10-3K

⇒ Đo nhiệt độ trong khoảng 0 ÷ 300oC

Câu 2 Nguyên lí đo nhiệt độ dựa trên hiệu ứng nhiệt điện?.

Vẽ sơ đồ và trình bày cấu tạo, nguyên lý làm việc, đặc điểm,

phạm vi sử dụng của cảm biến nhiệt ngẫu?

a. Nguyên lí đo nhiệt độ dựa trên hiệu ứng nhiệt điện

- Hiện tượng: Xét một mạch kín gồm 2 dây dẫn (A) và (B) khác

nhau về bản chất hóa học hàn nối với nhau bằng các mối hàn,

khi nhiệt độ hai mối hàn là (t) và (t0) khác nhau thì trong mạch

xuất hiện một sức điện động EAB phụ thuộc độ chênh nhiệt độ

giữa hai mối hàn → Hiệu ứng nhiệt điện

b. Sơ đồ cấu tạo dụng của cảm biến nhiệt ngẫu

c. nguyên lý làm việc của cảm biến nhiệt ngẫu

Đầu làm việc của các điện cực (3) được hàn nối với nhau bằng

hàn vảy, hàn khí hoặc hàn bằng tia điện tử Đầu tự do nối với dây

nối (7) tới dụng cụ đo nhờ các vít nối (6) dây đặt trong đầu nối

dây (8) Đê cách ly các điện cực người ta dùng các ống sứ cáchđiện (4), sứ cách điện phải trơ về hoá học và đủ độ bền cơ vànhiệt ở nhiệt độ làm việc Để bảo vệ các điện cực, các cặp nhiệt

có vỏ bảo vệ (1) làm bằng sứ chịu nhiệt hoặc thép chịu nhiệt Hệthống vỏ bảo vệ phải có nhiệt dung đủ nhỏ để giảm bớt quán tínhnhiệt và vật liệu chế tạo vỏ phải có độ dẫn nhiệt không quá nhỏnhưng cũng không được quá lớn Trường hợp vỏ bằng thép mốihàn ở đầu làm việc có thể tiếp xúc với vỏ để giảm thời gian hồiđáp

d. đặc điểm, phạm vi sử dụng của cảm biến nhiệt ngẫu

câu 3 Trình bày cấu tạo nguyên lý làm việc, đặc điểm của điện thế kế con chạy cơ học đo vị trí và dịch chuyển?

1. Cấu tạo và nguyên lý làm việc: gồm một điện trở cố định (Rm)

và một tiếp xúc điện (con chạy) liên kết với vật khảo sát Khivật di chuyển, con chạy di chuyển theo, điện trở đo phụ thuộcvào vị trí con chạy Đo điện trở ⇒ vị trí

• Điện trở dạng dây cuộn: được chế tạo từ các hợp kim Ni

-Cr, Ni - Cu , Ni - Cr - Fe, Ag - Pd quấn thành vòng xoắn dạng

R2 R1

• Điện trở dạng băng dẫn: được chế tạo bằng chất dẻo trộnbột dẫn điện là cacbon hoặc kim loại cỡ hạt ~10-2µm

2. Đặc điểm

- Cấu tạo đơn giản

- Đo được dịch chuyển lớn

- Khoảng chạy có ích nhỏ hơn chiều dài điện trở (Lm)

- Độ phân giải của điện trở dạng dây ~10µm, dạng băng dẫn ~0,1 µm

- Thời gian sống thấp: dạng dây ~106 lần, dạng băng dẫn 5.107

- 108 lần

- Chịu ảnh hưởng lớn của bụi và ẩm

Câu 4 Trình bày cấu tạo nguyên lý làm việc, đặc điểm của điện thế kế con trỏ từ đo vị trí và dịch chuyển?

a) Cấu tạo và nguyên lý làm việc:

• Nam châm quay Chiều dài từ điện trở nằm trong từ trườngthay đổi → điện trở thay đổi.

Tín hiệu ra:

S S

R

R E

R R

R

2 1

a. Cấu tạo và nguyên lý làm việc:

Điện thế kế tròn dùng con trỏ quang gồm điot phát quang (1),băng đo (2), băng tiếp xúc (3) và băng quang dẫn (4) Băng điệntrở đo được phâncách với băng tiếp xúc bởi một băng quang dẫnrất mảnh làm bằng CdSe trên đó có con trỏ quang dịch chuyểnkhi trục của điện thế kế quay Điện trở của vùng quang dẫn giảm

đáng kể trong vùng được chiếu sáng tạo nên sự liên kết giữabăng đo và băng tiếp xúc.

b. Đặc điểm:

• Không có tiếp xúc cơ học tránh mòn, tránh gây tiếng ồn

• Tuổi thọ cao

• Thời gian hồi đáp ngắn (~20µs)

Câu 6 Vẽ sơ đồ và trình bày cấu tạo nguyên lý làm việc, đặc điểm cùa các loại cảm biến quang đo vị trí và dịch chuyển?

quang kế tiếp nhau, khi tia sáng gặp phải vạch chia phảnquang sẽ bị phản xạ trở lại đầu thu quang.

c. Đặc điểm

- Nguồn phát, bộ thu bố trí một phía →Dễ bố trí

- Cự li cảm nhận bé

- Chịu ảnh hưởng của nhiễu từ nguồn sáng khác

2. Cảm biến quang soi thấu

a. Sơ đồ cấu tạo

c. đặc điểm

- Cự ly cảm nhận lớn

- Có khả năng thu được tín hiệu mạnh và tỉ số độ tương phảnsáng tối lớn.

- Ít ảnh hưởng nhiễu của nguồn sáng khác

- Khó bố trí và chỉnh thẳng hàng nguồn phát và đầu thu

Câu 7 Nguyên lí đo biến dạng bằng các cảm biến điện trở? Trình bày vật liệu, cấu tạo, nguyên lí làm việc, đặc điểm của các cảm biến điện trở đo biến dạng (điện trở kim loại áp trở silic)?

1. Nguyên lý đo

dựa vào sự thay đổi điện trở của vật liệu khi có biến dạng Kích thước cảm biến nhỏ từ vài mm đến vài cm, khi đo chúng được dán trực tiếp lên cấu trúc biến dạng → dùng phổ biến.

2. Điện trở kim loại

a. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Nguyên lí làm việc: Khi đo cảm biến được gắn vào bề mặt

của cấu trúc cần khảo sát, kết quả là cảm biến cũng chịu mộtbiến dạng như biến dạng của cấu trúc

b. Vật liệu chế tạo

c. Đặc điểm

- Vật liệu chế tạo điện trở cần có ρ đủ lớn

- Hệ số đầu đo nhỏ: thông thường K = 2 ÷ 3, (isoelastic có K =3,5 và platin-vonfram K = 4,1) Trong giới hạn đàn hồi →

K=const, Ngoài giới hạn đàn hồi (khi ∆l/l > 0,5% - 20% tùy vậtliệu) → K ≈ 2

- Ảnh hưởng của T: trong khoảng - 100oC ÷ 300oC:

3. áp trở silic

3.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

• Điện trở: các mẫu cắt từ đơn tinh thể silic pha tạp P hoặc N,

kích thước: dài ~ 0,1÷ 2 mm và chiều dày ~ 0,01mm

• Đế cách điện: nhựa.

• Để tăng tín hiệu có thể ghép nối tiếp, song song nhiều mảnhcắt

- Nguyên lí hoạt động:

Dựa vào độ biến thiên của điện trở để xác định biến dạng của đốitượng

3.2. đặc điểm

- Điện trở (R): + Phụ thuộc độ pha tạp: ( )

1

p n

• Phụ thuộc vào độ pha tạp: độ pha tạp tăng → K giảm

• Phụ thuộc vào nhiệt độ: nhiệt độ tăng → K giảm, độ phatạp lớn (Nd>1020/cm3) K ít phụ thuộc

• Phụ thuộc độ biến dạng:

2 2 2

K

Khi ε nhỏ → có thể coi K = const

Câu 8 Nguyên lý đo lực dựa trên hiệu ứng áp điện? Vẽ sơ đồ cấu tạo, trình bày nguyên lí làm việc, đặc điểm của các loại cảm biến thạch anh đo lực (kiểu vòng đệm và kiểu nhiều thành phần)?

1. Nguyên lý đo lực dựa trên hiệu ứng áp điện:

Nguyên lý hoạt đôông: dựa trên cơ sở hiêôu ứng áp điêôn: Dưới tácdụng của lực cơ học, tấm áp điện bị biến dạng, làm xuất hiện trênhai bản cực các điện tích trái dấu Hiệu điện thế xuất hiện giữahai bản cực (V) tỉ lệ với lực tác dụng (F)

c. Nguyên lí làm việc

dựa trên hiệu ứng áp điện, khi cảm biến chịu tác dụng của mộtlực dọc trục nó sẽ làm thay đổi điện áp tại đầu ra 3, bằng việc đođiện áp tại đó ta sẽ xác định được lực tác dụng

d) đặc điểm

Các vòng đệm thạch anh được cắt theo hướng khác nhau , khi

đó chúng chỉ nhạy với 1 hướng xác định của lực

Câu 9 Vẽ sơ đồ cấu tạo, trình bày nguyên lí làm việc của tốc

kế điện từ xoay chiều đo vận tốc góc kiểu máy phát đồng bộ?

a. sơ đồ cấu tạo

.1

1 2

2

.

.

.

ω

ω

i i

i

K R L

R R

E R V

a) Cấu tạo và nguyên lý làm viêêc:

• Khi đĩa quay → khe hở δ biến thiên → từ trở mạch từ biếnthiên → Φ qua cuôôn dây biến thiên → trong cuôôn dây xuấthiêôn s.đ.đ cảm ứng (e) có tần số (f) tỉ lêô với tốc đôô quay (n):

b) Đăêc điểm:

• Biên đôô (E) của s.đ.đ cảm ứng phụ thuôôc: khoảng cách giữacuôôn dây - đĩa quay và tốc đôô quay (δmin↓, n↑ → E↑) Với

n≤nmin nhất định E quá bé không thể đo được → vùng chết

• Dải đo của cảm biến phụ thuộc vào số răng (p) của đĩa: plớn → nmin nhỏ, p nhỏ → nmax lớn Ví dụ: p = 60 răng → dải

đo n = 50 ÷ 500 vg/ph, p = 15 răng → dải đo n = 500 ÷

- Nguyên lí:

Nguồn sáng phát tia hồng ngoại là một diot phát quang (LED).Đĩa quay, đặt giữa nguồn sáng và đầu thu, có các lỗ bố trí cáchđều trên một vòng tròn Đầu thu là một photodiode hoặcphototranzitor Khi đĩa quay, đầu thu chỉ chuyển mạch khinguồn sáng, lỗ, nguồn phát sáng thẳng hàng Kết quả là khi đĩaquay, đầu thu quang nhận được một thông lượng ánh sáng biếnđiệu và phát tín hiệu có tần số tỉ lệ với tốc độ quay nhưng biên độkhông phụ thuộc tốc độ quay

b) Đăêc điểm và pham vi sử dụng

• Phạm vi đo phụ thuôôc:

+ Số lượng lỗ trên đĩa

+ Dải thông của đầu thu quang và mạch điện tử

Để đo tốc độ nhỏ (~ 0,1 v/ph) phải dùng đĩa có số lượng lỗlớn (500 ÷ 1.000 lỗ) với tốc độ lớn (~ 105 - 106 v/ph) phải sử dụngđĩa quay chỉ một lỗ, khi đó tần số ngắt của mạch điện xác định tốc

độ cực đại có thể đo được

Câu 12 Vẽ sơ đồ cấu tạo, trình bày nguyên lí làm việc của cảm biến áp điện đo gia tốc rung? Viết biểu thức xác định độ nhạy của bộ cảm biến?

a) Cấu tạo và nguyên lý làm viêêc:

b) Nguyên lý làm việc

Phép đo gia tốc rung được thể hiện qua việc đo lực( cảm biến

áp điện ) Khi khối lượng rung M chuyển động tác dụng lênphiến áp điện và chuyển thành tín hiệu ở đầu ra Dưới tácdụng của lực cơ học, phiến áp điện bị biến dạng, làm xuấthiện trên 2 bản cực các điện tích trái dấu, hiệu điện thế xuấthiện giữa 2 bản cực tỉ lệ với lực tác dụng Đo V ta có thể xácđịnh được lực tác dụng F, qua

đó xác định được gia tốc và chuyển động rung

Câu 13 Vẽ sơ đồ cấu tạo, trình bày nguyên lí làm việc của cảm biến đo vận tốc rung? Viết biểu thức xác định độ nhạy của bộ cảm biến?

a) Cấu tạo & nguyên lý làm viêêc:

• Đại lượng đo sơ cấp m1 là tốc độ rung dh0/dt.

• Đại lượng đo thứ cấp m2 là dịch chuyển tương đối z

hoăôc tốc đôô dịch chuyển tương đối dz/dt

- Nguyên lý:

Việc chuyển đổi tốc độ tương đối của khối lượng rung so với vỏhộp thành tín hiệu điện thực hiện bởi một cảm biến vị trí tươngđối kiểu điện từ gồm một cuộn dây và một lõi nam châm Cuộndây gắn với khối lượng rung, lõi nam châm đặt bêntrong cuộn dây và gắn với vỏ cảm biến Bằng cách đo suất điệnđộng của cuộn dây có thế đánh giá được tốc độ rung cần đo

c) Độ nhạy

Độ nhạy sơ cấp:

-m1: đại lượng đo sơ cấp m2: đại lượng đo thứ cấp

Câu 14 Vẽ sơ đồ cấu tạo, trình bày nguyên lí làm việc của cảm biến đo áp suất kiểu lò xo 1 vòng và bộ biến đổi độ tự cảm đơn có khe từ biến thiên? Viết biểu thức xác định độ nhạy của bộ cảm biến?

1. Lò xo 1 vòng

a) Cấu tạo & nguyên lý làm viêêc:

Vâôt liêôu: đồng thau, hợp kim nhẹ, thép cacbon, thép gió.

 Nguyên lí làm việc

- Khi p = p0, lò xo ở trạng thái cân bằng

- Khi (p > p0), lò xo giản , ngược lại (p < p0) lò xo co lại→ đầu tự

do dịch chuyển

- Biến thiên góc ở tâm (γ):

2 2

2 2

2

1

1

x a

b bh

R Y

γγ

- Lực cân bằng ở đầu tự do:

p

k x

s a

b pab

2

cos sin sin

4 3

sin

γ γ

γ γ

ε

p k x

s a

b pab

2

cos.sin

cos

48

−

−+

γ

γ

γε

kp p

k k

a) Cấu tạo & nguyên lý làm viêêc:

tb

=

 Độ nhạy: S= ?

Câu 15 Vẽ sơ đồ cấu tạo, giải thích nguyên lí làm việc của cảm biến đo áp suất động của chất lưu bằng cảm biến màng đàn hồi và bộ chuyển đổi điện kiểu áp điện? viết biểu thức xác định độ nhạy của bộ cảm biến?

1 Áp kế màng

a) Cấu tạo và nguyên lý làm viêêc:

 Nguyên lí:

• Dưới tác dụng của áp suất trên hai măôt màng chênh lêôch ∆p

= p1-p0 → màng biến dạng, tâm màng dịch chuyển

• Đôô võng của tâm màng đàn hồi:

+ Loại phẳng:

4

2 1

16

3

Yh

R p

Yh

R p h

b h

a = δ + δ = ∆

(a, b: các hêô số)

• Lực di chuyển ở tâm màng dẻo:

Độ nhạy: S= Q/=k1.k2

3. bộ chuyển đổi điện kiểu áp điện

a) Cấu tạo và nguyên lý làm viêêc:

- Nguyên lí:

Độ nhạy: suy ra từ 2 ct trên

Câu 16 Vẽ sơ đồ cấu tạo, giải thích nguyên lí làm việc của cảm biến đo lưu lượng theo độ giảm áp dùng màng chắn và

áp kế điện cảm kiểu khe từ biến thiên? Viết biểu thức xác dịnh độ nhạy của bộ cảm biến?

1. cảm biến đo lưu lượng theo độ giảm áp dùng màng chắn a) sơ đồ cấu tạo

b) nguyên lí làm việc

Cảm biến đo lưu lượng theo đôô giảm áp dựa trên nguyên tắc

đo đôô giảm áp suất của dòng chảy khi đi qua môôt thiết bị thuhẹp, khi chảy qua thiết bị thu hẹp, vâôn tốc chất lưu tăng lên và

do đó tạo nên đôô chênh áp trước và sau màng ngăn, Sử dụng

áp kế điêôn cảm kiểu khe từ biến thiên đo đôô chênh áp này cóthể xác định đc lưu lượng dòng chảy Tại thời điểm ban đầu,khi chưa có sự chênh áp thì khe hở từo Khi có chất lưu thìxuất hiện độ chênh áp suất giữa trước và sau màng chắn, phụthuộc vào lưu lượng Q=k1., độ chênh áp này gây nên sự dịchchuyển của tấm sắt từ, làm thay đổi , với sự phụ thuộc k2(p2-p1)+o Khe hở từ thay đổi sẽ làm thay đổi độ tự cảm của cuộndây với sự phụ thuộc L = k3/ Và ta sẽ dùng mạch cộng hưởng

LC hoặc cầu đo xoay chiều để đo đc độ tự cảm L

c) độ nhạy

L =

Câu 17 Vẽ sơ đồ cấu tạo và trình bày nguyên lý làm viêêc của cảm biến đo lưu lượng theo đọ giảm áp tụ điêên đơn? Viết biểu thức xác định đôê nhạy của bôê cảm biến?

a) Sơ đồ cấu tạo

b) Nguyên lí làm việc

Cảm biến đo lưu lượng theo đôô giảm áp dựa trên nguyên tắc

đo đôô giảm áp suất của dòng chảy khi đi qua môôt thiết bị thuhẹp, khi chảy qua thiết bị thu hẹp, vâôn tốc chất lưu tăng lên và

do đó tạo nên đôô chênh áp trước và sau màng ngăn, Sử áp kếđiêôn cảm kiểu tụ điêôn đơn đôô chênh áp này có thể xác định đclưu lượng dòng chảy.Tại thời điểm ban đầu, khi chưa có sựchênh áp thì khe hở giữa hai bản cực là o Khi có chất lưu thìxuất hiện độ chênh áp suất giữa trước và sau màng chắn, độ

chênh áp phụ thuộc vào lưu lượng Q=k1., độ chênh áp nàygây nên sự dịch chuyển của bản cực tụ điện , làm thay đổi , với

sự phụ thuộc k2(p2-p1)+o Khoảng cách giữa hai bản cực của

tụ điện thay đổi làm thay đổi điện dung của tụ điện C= k3/ Và

ta sẽ dùng mạch cộng hưởng LC hoặc cầu đo xoay chiều để

đo đc điện dung C của tụ điện

c) Biểu thức xác định độ nhạy của cảm biến :

a) Sơ đồ cấu tạo

b) Nguyên lý lam việc

Cảm biến đo lưu lượng theo đôô giảm áp dựa trên nguyên tắc

đo đôô giảm áp suất của dòng chảy khi đi qua môôt thiết bị thuhẹp, khi chảy qua thiết bị thu hẹp, vâôn tốc chất lưu tăng lên và

do đó tạo nên đôô chênh áp trước và sau màng ngăn, Sử dụng

áp kế vành khuyên đo đôô chênh áp này có thể xác định đc lưulượng dòng chảy.Tại thời điểm ban đầu, khi chưa có sự chênh

áp thì vành khuyên đứng yên góc quay Khi có chất lưu thìxuất hiện độ chênh áp suất giữa trước và sau màng chắn, độchênh áp phụ thuộc vào lưu lượng Q=k1., độ chênh áp nàylàm cho vành khuyên quay làm thay đổi góc , góc quay phụthuộc vào độ chênh áp Và ta có thể dựa vào góc quay đê xácđịnh đc lưu lượng Q

c) Biểu thức xác định độ nhạy cảm biến : = k2.