Bài giảng kỹ thuật cảm biến

Ho% hợp tải giữa cảm biến v% mạch đo Cấp nguồn cho cảm biến thụ đông Tuyến tính hoá đặc tính phi tuyến của cảm biến Tuyến tính hoá tín hiệu ra của mạnh đo VD cầu Wheastone Khuyếch đại tí

K thu t c m bi n

TS Nguy n Th Lan Hương

B môn K thu t ño và Tin h c Công nghi"p

Tài li"u tham kh'o

[1] Các b c m bi n trong k thu t ño lư ng và ñi u khi n, Nhà XB Khoa h c K thu t (2001), Ch0 biên t p PGS.TS

Lê Văn Doanh

[2]C m bi n, Nhà XB Khoa h c k thu t (2000), Phan Qu9c Phô, Nguy n Đ;c Chi<n

[3] Process/Industrial Instruments and Controls Handbook,

Mc GRAWBHill (1999), Gregory K.McMillan; Douglas M Considine,

N i dung gi'ng dIy

• Khái ni"m c'm bi<n và xu hưMng phát triNn

• ĐOc tính k thu t c0a c'm bi<n

• Các k thu t c'm bi<n cơ b'n dùng trong công nghi"p

– Nguyên lý và hi"u ;ng v t lý c0a các chuyNn ñTi sơ cUp

• Vng dWng các chuyNn ñTi sơ cUp cho vi"c ño các ñIi lưXng v t lýB thi<t b và c'm bi<n ño

Phân loIi C'm bi<n

• Theo nguyên lý hoIt ñ ng

– ChuyNn ñTi ñi"n tr]

– ChuyNn ñTi ñi"n t^

– ChuyNn ñTi nhi"t ñi"n

– ChuyNn ñTi ñi"n t_ và ion

– ChuyNn ñTi hóa ñi"n

– ChuyNn ñTi tĩnh ñi"n

– ChuyNn ñTi lưXng t_

• Theo kích thích: quang, cơ h c, âm h c…

• Theo tính năng

• Theo ;ng dWng

• Theo mô hình thay th<: Tích cfc và thW ñ ng

Kim loại : platine, nickel,

đồng, chất bán dẫnThuỷ tinh

Ví dụ về cảm biến thụ động

ĐiÖn tÝchDßng ®iÖnĐiÖn ¸pĐiÖn ¸p

C¶m biÕn ®o di chuyÓn (16,27%*)

C¶m biÕn ®o ¸p suÊt (12,88%*)

C¶m biÕn ®o lưu lưîng (1,36%*)

ĐOc ñiNm c0a các phương pháp ño các ñIi lưXng không

2

§iÖn c¶m

3

5

§iÖn trë lùc c¨ng

®iÖn

11 10

NhiÖt

®iÖn

8 9

T (M, Φ )

T (L, Φ )

T (t, Φ )

T (Ls,t)

T (M,t)

T (L, Μ )

T (L, U)

T (C, U)

T (R, U)

Bi<n ñTi gija các ñIi lưXng (ñi"n) c0a tín

hi"uB Bi<n ñTi th9ng nhUt hóa

Ho% hợp tải giữa cảm biến v% mạch đo

Cấp nguồn cho cảm biến thụ đông

Tuyến tính hoá đặc tính phi tuyến của cảm biến

Tuyến tính hoá tín hiệu ra của mạnh đo (VD cầu

Wheastone)

Khuyếch đại tín hiệu ra của cảm biến

Lọc nhiễu tác động lên tín hiệu ra của cảm biến

Khuyếch đại đo lường để triệt tiêu hoặc l%m giảm các nhiễu tác động (điện áp ký sinh v% dòng điện rò trên đường truyền)

4 Các dạng biến đổi chuẩn hoá thường gặp

Đã th-ng nh.thoá

Thích 5ng v7 tr9 kháng

tuy,n tính hoá

Khu,ch ñ=i

Th-ng nh.tHoá c m bi,nth0 ñ3ng

Các tảI yêu cầu chuyển

mạch xoay chiều hoặc

Nguồn nuôI, cấu hình 4 dây v% 3 dây, tuyến tính hóa

Nguồn điện áp cung cấp cho cầu, cấu hình v%

tuyến tính hoá

Khuếch đại cách ly (cách ly quang)

Rơle điện cơ hoặc rơle

bán dẫn

Lọc thông thấp

Thiết bị DAQ

kiFu m=ch lPp l=i

Ngu n T i ño lư ng

Ngu n t i ño lư ng

Hoà h p tr" kháng

Ngu n ñi n tích

khu,ch ñ=i ñi)n tích

Đi)n tích ñưRc ñưa vào m3t t0 ñi)n không ñLi Cr, khi tích luT vào t0 t=o ra m3t ñi)n áp trên cUc cVa t0 ñi)n tW l) vXi ñi)n tích n=p vào

Khu ch ñ i ño lư ng

M=ch vào vi sai

Thụng s9 k thu t c0a c'm bi<n

• D i ủo, ngưỡng nhạy v% ủ3 phân gi i khả năng phân ly

• Độ nhạy v% Tính tuyến tính của thiết bị

• Sai số hay độ chính xác

• Đặc tính động

• Một số thông số khác như: công suất tiêu thụ, tr9

kháng, kích thước, trọng lượng của thiết bị

4.2.1 Đ nhIy

Phương trinh cơ b n

Y= F(X,a,b,c )

∂F/∂X i Độ nhạy với x (Sensibility)

∂F/∂a i Độ nhạy của yếu tố anh hưởng a hay nhiễu

F/ X = KXti Độ nhạy theo X ở Xt hay người ta còn ký hiệu l% S

Khi K=const i> X,Y l% tuyến tính

K=f(X) i> X, Y l% không tuyến tính i > sai số phi tuyến

Việc xác định K bằng thực nghiệm gọi l& khắc độ thiết bị đo Với một giá trịcủa X có thể có các giá trị Y khác nhau, hay K khác nhau

dKXt/KXt –(Repeatability)Thể hiện tính ổn định của thiết bị đo hay tính lặp lại của thiết bị đo

dKXt/KXt = dS/S=γsi Sai số độ nhạy của thiết bị đo i> nhân tính

(Hysteresis)

Đ nhIy

Tr hay trơ c0a thi<t b (Hysteresis)

Tính lOp lIi

4.2.2 H" s9 phi tuy<n c0a thi<t b

Để đánh giá tính phi tuyến của thiết bị đo ta xác định hệ số

phi tuyến của nó.

Hệ số phi tuyến xác định theo công thức sau:

XmaxO l sai lệch lớn nhất

Ta thường dùng khâu bù phi tuyến

Scb.Sb= K (Nonlinearity Error)

n

max pt

Kho'ng ño, ngưkng nhIy

D R

ε

=

n g

Quan hÖ ®−îc biÓu diÔn b»ng mét ph−¬ng tr×nh vi ph©n Ph−¬ng tr×nh

vi ph©n Êy ®−îc viÕt d−íi d¹ng to¸n tö.

Đặc tính động của cảm biến (2)

Khi đại lượng X biến thiên theo thời gian ta sẽ có quan hệ

α(t)=St[X(t)]

Quan hệ được biểu diễn bằng một phương trình vi phân Phương trình vi phân ấy

được viết dưới dạng toán tử

α(p)=S(p).X(p)

S(p)i Gọi l% độ nhạy của thiết bị đo trong quá trình đo đại lượng động

S(p) i thể hiện dưới dạng h(t) theo quan hệ

• S(p) đặc trưng cho đặc tính quá độ của thiết bị đo v% tuỳ theo

phương trình đặc tính của nó, nó có thể giao động hoặc không giao

động

t τ

α(t)

Xt

M t s9 dIng ñáp ;ng b c 1

Chương II Các c'm bi<n ño nhi"t ñ

C m bi n nhi%t ñi%n tr"

C m bi n c&p nhi%t ng'u

C m bi n d(a trên l+p chuy-n ti p bán d'n

C m bi n d(a trên b.c x0 quang h2c

2.1 Nhiệt kế nhiệt địên trở

Nhiệt điện trở l l điện trở thay đổi theo sự đổi nhiệt độ của nó: RT = f(t0),

đo RT có thể suy ra nhiệt độ.

Nhiệt điện trở đ−ợc chia ra th nh:

Nhiệt điện trở kim loại v nhiệt điện trở bán dẫn.

Điện trở kim loại ( RTD) theo nhiệt độ RT =R0(1+ αt + βt2 + γt3)

Với Pt: α = 3.940 10O3 /0C

β = O5.8 10O7/ oC2 ;γ ≈ 0 trong khoảng 0O6000C; γ = O4 10O12 /0C3

Đôí với đồng từ O500C đến 2000C: α = 4.27 10O3/0C

β v γ trong phạm vi sử dụng vơí độ chính xác không cao thì coi nh− không đáng

kể v quan hệ RT v t coi nh− tuyến tính.

A, NhiÖt ®iÖn trë kim lo¹i

§iÖn trë chuÈn ho¸ R0=100 t¹i 00C

H" s9 nhi"t ñ c0a m t s9 kim loIi

90 400

λt, W0CB1mB1

125 135

450 400

C, J0C—1kgB1

3380 1769

1453 1083

Tf, 0C

W Pt

Ni Cu

Nhiệt điện trở kim loại

Để đo những nhiệt độ từ O500C O6000C người ta thường dùng nhiệt điện trở

PTO100 (Platin 100 ở 00C

Cu O100 (đồng 100 ở 00C)NiO100 (Ni 100 ở 00C)Quan hệ giữa nhiệt độ v điện trở của Pt100

107.9 1

108.5 115.7

8

119.7 0

123.1 0

127.4 9

131.3 7

135.2 4

B, Nhiệt điện trở bán dẫn (NTCOPTC) Nhiệt điện trở bán dẫn

A v β đều không ổn định Ta cũng có thể tính

α= (O2.5% +O4%)/ 0C

/T T

NhiÖt ®iÖn trë b¸n dÉn

ng cách nhi t

D, MIch ñoB phương pháp nguZn dòng

1

2 1

2

.

R

R R

I R

R U

UR = Rt = t

MIch tIo nguZn dòng

Iref = Vref/R1.

4 3

3

R R

R

R E

U

t

t R

Bï ®iÖn trë d©y

Sơ đồ bộ biến đổi nhiệt điện trở

Nguồn dòng 2.5mA tạo ra một sự biến thiên

điện áp trên điện trở l 100mV/1000C

RT = R0 (1+αt); α = 0.385% / 0CNếu RT đ−ợc cung cấp bằng nguồn dòng 259

mA thì khi nhiệt độ biến thiên 1000C

U = RT I = 0.385 x 2.58 =100mV

Điện áp rơi trên RT đ−ợc đ−a v o khuếch đại

bù điện áp ở 00C v biến đổi áp th nh dòng (4O20mA) để đ−a v o hệ thống thu thập số đo

1O Nhiệt điện trở 2O Modul v o3O Dòng cung cấp (hằng)

4O Điện áp một chiều khuếch đại 5O Modul ra 6O Điều chỉnh điện áp

Mạch chuẩn hoá

Vớ d(

2.2 Cặp nhiệt ngẫu

Nguyên lý : Hiệu ứng Seebeck

Dựa trên hiện t−ợng nhiệt điện Nếu hai

dây dẫn khác nhau (hình vẽ) nối với nhau

tại hai điểm v một trong hai điểm đó đ−ợc

đốt nóng thì trong mạch sẽ xuất hiện một

dòng điện gây bởi sức điện động gọi l sức

điện động nhiệt điện, đ−ợc cho bởi công

44

M t s9 hi"u ;ng nhi"t ñi"n khác

• Hi"u ;ng Peltier: Hi"u ñi"n th< ti<p xúc c0a gija hai dây drn khác nhau v{ b'n chUt

ñ u va

ch m

M i hàn

ng b"o v

Ph n cách ly

Ph n t c%p nhi t

Giao

Ví dW cUu tIo bên trong c0a c'm bi<n

Các kiểu cặp nhiệt ngẫu

Ký hiệu Ký hiệu hinh

thức

Vật liệu cấu th nh Dạc điểm cần lưu tâm

B O Patin Rhodium 30O

Platin.Rhomdium 6

Dây dương như l hợp kim 70%Pt, 30% Rh Dây âm l hợp kim 94%Pt, 6% Rh Loại B bền hơn loại R, giai đo nhiệt độ đến

1800 0 C, con các đặc tính khác thì như loại R

R O PtRh 13 O Pt Dây dương l loại hợp kim 87% Pt, 13%

Rh Dây âm l Pt nguyên chất Cặp n y rất chính xác, bền với nhiệt v ổn định Không nên dùng ở những môi trường có hơi kim loại

S O PtRh10OPt Dây dương l hợp kim 90% Pt, 10%Rh.

Dây âm l Pt nguyên chất Các đặc tính khác như loại R

K CA CromelOAlumel Dây dương l hợp kim gồm chủ yếu l Niv

Cr Dây âm l hợp kim chủ yếu l Ni Dùng rộng rvi trong Công nghiệp, bền với môi trường oxy hoá Không được dùng ở môi trường có CO, SO2hay khí S có H

E CRC CromelO Constantan Dây dương nư đốivới loại K Dây âm như

loại J Có sức địên động nhiệt điện cao v thường dùng ở môi trường acid

C¸c kiÓu cÆp nhiÖt ngÉu

giíi h¹n chuÈn

giíi h¹n trªn èng bao vÖ b»ng

im lo¹i (φ mm)

èng bao vÖ kh«ng b»ng kim lo¹i (φ mm)

C, Phương pháp ño nhi"t ñ b~ng cOp nhi"t ngru

• Th9ng nhUt hoá b~ng mIch ñi"n áp tích cfc

4

5 1

R

R R

R

R E

Ura

54

Bù nhiệt độ đầu tự đo

Mạch bù nhiệt độ đầu tự do được thực hiện bằng 1 mạch cầu 4 nhánh trên ấy có một nhiệt điện trở, hoạt động của nó như sau:

00C 4 nhánh của cầu cân bằng điện áp ở đường chéo cầu U=0, khi nhiệt độ ở trên đầu hộp nối dây tức l nhiệt độ đầu tự do thay

đổi:

td

CC T

T CC

t

U R

R

U

4 4

Ta lại có ET = KT (tnóngO ttựdo) = KT tnóng OKTttự do

α

=

→α

CC do

t

CC do

t T

KU

t

Ut

Bộ cặp nhiệt ngẫu của SIEMENS

IA v UH O Tín hiệu ra một chiều v nguồn cung cấp

cầu3O Đầu lạnh của cặp nhiệt 4O nguồn dòng hằng5O Điện áp một chiều khuếch đại 6O Modul ra

7O điều chỉnh điện áp

Vớ d(

IA v UH O TÝn hiÖu ra mét chiÒu v nguån cung cÊp

2.3 Đo nhi"t ñ b~ng Đi9t và transitor

• Dfa trên lMp chuyNn ti<p bán drn

• Quan h" c0a dòng ñ ên theo nhi"t ñ

• ñ ên áp ra c0a ñi9t có thN vi<t như sau:

I

LogC

q

kT mLogT

q

kT LogI

q

kT v

Thông thưqng ñ nhIy B2,3 mV/0C vMi

dòng ñi"n kho'ng 1uA

Ví dW v{ LM335

NhiÖt ®iÖn trë b¸n dÉn

Nguån ¸p : LM35

M¹ch ®o víi nhiÖt ®iÖn trë b¸n dÉn

kavecI

IT

q

kV

V

C

C B

B

S R r

r V

I R I

kT V

MIch ño

Bộ biến đổi thông minh đo nhiệt độ

Siemens

Vớ d(

Khối tuyến tính hoá phục vụ cho các đặc tính phi tuyến của cảm biến (7)

Bộ điều chế độ rộng xung đầu ra (8)

• Đầu ra

Bộ cách ly về điện (13)

Bộ ra với tín hiệu xung điều chế độ rộng (17) v% bộ biến đổi số tương tự

Đẩu ra để kiểm tra để theo dõi tín hiệu ra (18)

Cảm biến phụ, rơle (14)

• Kiểm tra v0 hiện thị

Giao diện nối tiếp (11) để hỏi đáp v% đặt các thông số

Nút ẩn để kiểm tra cho nhiệt điện trở hay để khắc độ các cảm biến điệntrở

Đầu báo (l%m việc v% có sự cố)

λ O bước sóng; T O nhiệt độ tuyệt đối ;

C1= 37,03 10O17 Jm2/s0C ; C2= 1,432 10O2 m0C

3 phương pháp :

Hoả quang kế bức xạ

Hoả quang kế cường độ sáng

Hoả quang kế mầu sắc:

1

1

/

5 1

= ư

T C

e C

Sóng ñi"n t^

Phân b9 phT c0a các v t

• 5O Thân g cặp nhiệt 6O Toa nhiệt đầu tự do

• 7O đầu ra của bộ thu 8O Giá đỡ vật kính

• 11O đầu dây cáp ra 12 O ống dẫn cáp ra

13O Tai để gá thiết bị 14O chỉnh tiêu điểm

– Người ta dùng điốt hồng ngoại để thu năng lượng n y

• Người ta đặt một điốt lazer phát ra một trùm tia hẹp

song song với với trục của hoả quang kế Vòng tròn

sáng của Lazer chỉnh v o vùng ta đo nhiệt độ

6.4.3 Ho¶ quang kÕ màu s¾c

H•a quang k< màu s‚c

6.4.3 Hoả quang kế màu sắc

– AB ủ9i tưXng ủo nhi"t ủ ; 1B v t kớnh;

– 2B ủĩa l c xanh ủ•; 3B mụtơ ủZng b ;

– 4B t< bào quang ủi"n; 5B khu<ch ủIi;

– 6B Tf ủ ng chvnh h" s9 khu<ch ủIi; 7B l c

– 8B khoỏ ủTi n9i; 9B logomet chia ủ• xanh

a) đặc tính phổ củ vật đốt nóng b) sơ đồ khối của hoả quang kế m,u sắc

b) a)

Hoả quang kế cường độ sáng

1 2

3 4 5

Nguyên lý c0a h•a quang k< cưqng ñ sáng

Chuƒn ñ thi<t b

Ví dW

Camera hZng ngoIi

Ví dW

Chương 3 C'm bi<n ño lfc, bi<n dIng, áp

suUt, hi"u áp suUt và lưu t9c

3.1 Các loại cảm biến đ−ợc sử dụng để đo

a) điện trở lực căng lá mỏng; b) điện trở lực căng kiểu m%ng mỏng

A, Cảm biến địên trở lực căng

l (

f

R R =

S

S l

l R

R

−

+ ρ

ρ

=

A, Cảm biến địên trở lực căng

88

B Cảm biến áp điện

Dựa trên hiệu ứng áp điện

Vật liệu dùng chế tạo các chuyển đổi áp điện thường l% tinh thể thạch anh (SiO2), titanatbari (BaTiO3), muối

Xenhét, tuamalin

Lực FX gây ra hiệu ứng áp điện dọc với điện tích q=d1Fx

Nếu tác động một lực theo trục Y, gây ra hiệu ứng áp điện ngang với điện tích q, phụ thuộc v%o kích thước hình học của chuyển đổi: q= id1(y/x)Fy.

d1 i hằng số áp điện ( gọi l% môdun áp

điện)

y, x i kích thước của chuyển đổi theo trục X v% Y

Ví dW : hi"u ;ng áp ñi"n trên m t tinh thN thIch anh

M4ch tương ñương T6 ñi7n !!!

B C¶m biÕn ¸p ®iÖn (2)

M t s9 thu c tính c0a v t li"u áp ñi"n

Ví dW m t s9 thông s9 c0a c'm bi<n áp ñi"n

Some unique properties of the piezoelectric films are as follows 8:

• Wide frequency range: 0.001 Hz to 109 Hz

• Vast dynamic range: 10−8–106 psi or ‡torr to Mbar.

• Low acoustic impedance: close match to water, human tissue, and

adhesive systems

• High elastic compliance

• High voltage output: 10 times higher than piezo ceramics for the same

force input

• High dielectric strength: withstanding strong fields (75 V/‡m), where

most piezo

ceramics depolarize

• High mechanical strength and impact resistance: 109–1010 P modulus.

• High stability: resisting moisture (<0.02% moisture absorption), most

chemicals,

oxidants, and intense ultraviolet and nuclear radiation

• Can be fabricated into many shapes

• Can be glued with commercial adhesives

94

D−íi t¸c dông cña biÕn

W

L

2 2

NÕu bá qua ®iÖn trë thuÇn cña cuén d©y v% tõ trë cña lâi thÐp

δ

=

= W . . S R

W

2 2

D C¶m biÕn ®iÖn c¶m

Như vậy đặc tuyến của chuyển đổi điện cảm khi dộ d%i khe

hở không khí δ thay đổi Z=f( δ) thường l% phi tuyến v% phụ thuộc v%o tần số của nguồn kích thích Tần số dòng kích thích c%ng lớn thì độ nhạy c%ng cao

δ δ

∂

∂ +

2

0 0

0 '

1

1 /

Z /

Z S

δ +

ư

= δ

δ

=

δ

E Cảm biến điện cảm

E Cảm biến hỗ cảm

Từ thông tức thời

ii giá trị dòng tức thời trong cuộn dây kích thích W1 Sức điện động của cuộn dây

W dt

d W

Mọi cảm biến dùng để đo chiều d%i hay di chuyển

đều có thể dùng đo biến dạng

Chọn vị trí đo biến dạng v% dự kiến giá trị biến dạng tại nơi đo.

Việc chọn vị trí đo biến dạng dựa trên sự phân tích về lực phân bố trên các chi tiết.

Dán cảm biến v%o chi tiết : Nguyên tắc dán cảm biến l% cảm biến bám chặt v%o chi tiết để cho biến dạng của chi tiết truyền v%o cảm biến.

Sử dụng mạch cầu v% khuếch đại dòng đo biến dạng.

kcb l% độ nhạy của cảm biến ( nếu cảm

biến l% dây mảnh hay lá mỏng kcb=1.8i

2.2 còn cảm biến bán dẫn kcb có thể

lên tới 200)

Đo U có thể suy ra εl

l cb CC

vậy cần phải khuếch đại

trước khi v%o bộ tự ghi hay

bộ thu thập số liệu

Vớ dW ủN ủo bi<n dIng

Ví dW máy kiNm tra bi<n dIng

A, Lực kế kiểu biến dạng ( Load Cell)

Trong loại lực kế n y lực tác dụng F

gây ra ứng suất v biến dạng, sau đó

biến dạng đ−ợc biến th nh điện áp

đo lực

cảm biến ngang bù nhiệt độ

Ví dW

Lực kế kiểu biến dạng

Biến dạng đ−ợc tính

F O lực tác động lên loadcell

SO tiết diện phần tử đ n hồi

E O modul đ n hồi thép l m loadcell

Cảm biến điện trở lực căng đ−ợc nuôi cấy trên phần tử đ n hồi Nó gồm 4 địêntrở, 2điện trở dọc l điện trở tác dụng, 2 điện trở ngang l điện trở bù nhiệt độ 4

điện trở n y đ−ợc nối th nh cầu hai nhánh hoạt động Điện áp ở chéo cầu:

UCC O điện áp cung cấp cho cầu

O biến thiên điện trở do biến dạng của phần tử đ n hồi

εl O biến dạng tính theo công thức trên

k O độ nhạy của cảm biến điện trở lực căng.

Khi chế tạo xong nh chế tạo cho ta độ nhạy của load cell l (mV/V)

k

U R

R

U

2 2

R R

Moñun ñàn hZi c0a m t s9 v t li"u như sau

B, Lực kế kiểu di chuyển

Một phần tử hay một dầm đ%n hồi, lúc chịu tác dụng của một lực, sẽ có biến dạng v% tạo ra di chuyển (kết cấu công xôn)

h

h

Fl

a)

Fl

b)

a) Dầm công xôn tiết diện đều

Fl 2

= δ

B, Lùc kÕ kiÓu di chuyÓn (2)

Lùc kÕ dÇm c«ngx«n kÐp

Lùc kÕ dÇm kÐo

Lùc kÕ nÐn h×nhxuyÕn

Lùc kÕ kÐo hai ®Çudïng biÕn trë

EJ

Fr 149

0

3

v = −

δ