thiết bị cảm biến chương 8

tài liệu uy tín được biên soạn bởi giảng viên đại học Bách Khoa TPHCM, thuận lợi cho qua trình tự học, nghiên cứu bộ tự động hóa, điện tử, cơ điện tử, cơ khí chế tạo máy, lập trình nhúng, Tài liệu được kiểm duyệt bởi giảng viên, phòng đào tạo trường đại học bách khoa, lưu hành nội bộ

Ch.8: Các c ảm biến dùng trong đo lường

8.1.C ảm biến đo vị trí và sự dịch chuyển.

8.2.C ảm biến đo tốc độ.

8.3.Đo nhiệt độ bằng điện trở.

8.4.Đo nhiệt độ bằng cặp nhiệt điện.

8.5.Đo nhiệt độ bằng diod và transistor.

8.6.Đo nhiệt độ bằng IC.

8.7.Đo nhiệt độ bằng thạch anh.

8.8.C ảm biến đo vận tốc chất lỏng.

8.9.C ảm biến đo lưu lượng chất lỏng.

8.10.C ảm biến đo và dò mực chất lỏng.

8.1.C ảm biến đo vị trí và sự dịch chuyển

 Những cảm biến này rất thông dụng Một mặt, do việc kiểm

soát vị trí, sự dịch chuyển rất quan trọng trong việc hiệu chỉnh

hoạt động các máy móc, máy công cụ chẳng hạn Mặt khác,

một số đại lượng vật lý được đo từ sự dịch chuyển nhờ chi tiết

thử nghiệm, như lực, áp suất, gia tốc…Có 2 phương pháp :

 Ph ph.1 thường được dùng Cảm biến tạo ra tín hiệu gắn liền

với vị trí của một trong những thành phần của cảm biến liên kết

cơ khí với đối tượng di động, tổng trở cảm biến phụ thuộc đặc tính hình học hoặc kích thước cảm biến Đó là các cảm biến:

Biến trở đo lường, điện cảm hay điện dung có lõi di động…

 Ph ph.2 ít thông dụng Cảm biến tạo ra một xung ứng với mỗi

lần đối tượng di chuyển Những cảm biến gọi là giới hạn 2 đầu được đặc trưng bởi không có sự liên kết cơ khí với vật mà thay vào đó là 1 trường (từ trường, điện trường, tĩnh điện) mà

cường độ ghép phụ thuộc vị trí tương đối giữa vật và cảm biến, xác định đáp ứng của cảm biến

8.1.1.C ảm biến dạng điện trở

1.Biến trở đo lường:

a.Dạng hình học: Như hình trên

Rnl

0

a)

α αM2

1 R(α) 3

Rn

b )

b.Điện trở

 Được cấu tạo bởi dây quấn hoặc dạng màng

• Dây điện trở phải có những đặc tính sau: Hệ số nhiệt độ ,điện

trở suất, sức điện động nhiệt, độ ổn định tinh thể

• Các hợp kim thường dùng: Ni-Cr, Ni-Cu, Ni-Cr-Fe, Ag-Pd

• Dây quấn được thực hiện trên vật liệu cách điện (thủy tinh,

gốm hoặc nhựa), dây quấn có lớp vỏ cách điện

 Điện trở màng (cấu tạo bởi một miếng nhựa phủ lớp than d ẫn điện hoặc lớp oxyd kim loại) kích thước hạt kim lo ại vào khoảng 10-2 μm Điện trở Rn có giá tr ị từ 1kΩ đến 100kΩ và có thể đạt đến vài MΩ.

2.Bi ến trở không có con chạy dạng cơ

8.1.2.C ảm biến dạng điện cảm

1.Nguyên lý và đặc tính tổng quát: Sự dịch chuyển mà ta muốn

biến đổi thành tín hiệu điện được thực hiện nhờ một trong

những phần tử mạch từ → sự thay đổi từ thông cuộn dây

Khi phần tử di chuyển → chuyển đổi sự dịch chuyển thẳng hay quay tròn lõi sắt

 Sự thay đổi hệ số tự cảm hay sự thay đổi độ ghép giữa các

cuộn dây sơ và thứ cấp tạo nên 1 sự thay đổi điện áp thứ cấp

 Khi cu ộn dây quay tròn so với 1 cuộn cố định → tác động như 1 biến áp có

2.Điện cảm thay đổi

a.Mạch từ có khe hở không khí thay đổi: Như hình trên

Điện cảm cuộn dây: L = μ0N2S(1/(l0+lf/μf));

μ0: Độ từ thẩm không khí; N: Số vòng dây quấn cuộn dây; S:

Tiết diện mạch từ; lf, l0 : Chiều dài trung bình đường sức trong lõi sắt và trong không khí; μf: Độ từ thẩm tương đối của vật liệu

sắt từ

b.Cu ộn dây có nòng di động

H.8.7.Cu ộn dây có nòng di động H.8.8.2 cuộn dây mắc push-pull.

 Điện cảm L của cuộn dây có nòng di động :

 Cuộn dây sơ cấp được cung cấp tín hiệu sin es cĩ biên độ tối

đa khoảng vài chục vơn và tần số dưới 10kHz

 Tín hiệu thu được ở cuộn thứ cấp:

Hình 6.11: Nguyên tắc cấu tạo Microsyn

5.Bi ến trở điện cảm

 Sơ cấp được cung cấp i1 = I1cos(ωt+Ψ); cuộn dây thứ cấp thu được điện áp có biên độ E2 = M0ωI1cosθ; (θ:Góc lệch giữa 2

cuộn dây, vị trí ban đầu θ =π/2 )

 Ta đặt: θ = α+π/2 nên E2 = M0ωI1sinα Suy ra:

E2 = M0ωI1α , (đối với góc dịch chuyển α nhỏ);

8.1.3.C ảm biến dạng điện dung

1.Nguyên lý và đặc tính tổng quát : Đây là những tụ điện

d ạng phẳng hoặc dạng trụ mà một trong những bản

c ực di động dẫn đến sự thay đổi điện dung Đối với tụ

ph ẳng: C = εrε0A/D Đối với tụ điện trụ:

C= 2πεrε0l/Log(r2/r1).

 Trường hợp tụ điện phẳng : S ự dịch chuyển trong một

m ặt phẳng song song với một bản cực cố định: A thay đổi, D cố định Sự dịch chuyển trong mặt phẳng thẳng góc v ới bản cực cố định: D thay đổi, A cố định.

 Trường hợp tụ điện trụ : l thay đổi dọc trục.

 Nh ững cảm biến điện dung được lưu ý bởi cấu tạo

đơn giản, cho phép thực hiện cảm biến chắc chắn

2.T ụ điện có tiết diện thay đổi

a.Tụ điện đơn: Điện dung thay đổi tuyến tính theo sự dịch chuyển x: C(x) = K.x

Đối với tụ điện xoay: K = ε0πr2/360.D, x = α: độ

Đối với tụ điện trụ: K = 2ε0π/Log(r2/r1), x = l: m

b.Tụ điện đôi vi sai: C21= C0(1+x/X); C31 = C0(1- x/X); Với KX = C0,

X = L/2 (L chiều dài bản cực di động đối với tụ điện trụ),

X = αM/2 (αM góc xoay cực đại đối với tụ điện xoay)

3.T ụ điện có khoảng cách thay đổi

 Đây là những tụ điện để đo sự dịch chuyển thẳng.

a.T ụ điện đơn : C(d) = ε0A/(D0+d).

b.T ụ điện đôi : C21 = C0/(1-(d/D0)); C31 = C0/(1+(d/D0));

V ới: ε0A/D0 = C0.

8.1.4.C ảm biến đo sự dịch chuyển giới hạn 2 đầu

 Lo ại cảm biến này được đặc trưng bởi sự không có liên k ết cơ khí giữa cảm biến và vật chuyển động, mà

b ằng s ự liên kết của một trường có liên hệ với vị trí

tương đối của vật chuyển động.

 Trường cảm ứng từ đối với những cảm biến từ trở

thay đổi, hiệu ứng Hall đối với vật liệu kháng từ.

 Trường điện từ đối với những cảm biến dòng điện

Foucault.

 Trường tĩnh điện đối với những cảm biến điện dung.

 Nh ững ưu điểm của cảm biến đo sự dịch chuyển giới

h ạn 2 đầu: Băng thông rộng, độ tin cậy lớn.

 Nh ững điều bất lợi: Khoảng đo nhỏ (cở mm), hoạt

động không tuyến tính.

1.C ảm biến từ trở thay đổi

 Điện áp thứ cấp có dạng không tuyến tính khi cuộn sơ cấp

được cung cấp tín hiệu sin, biên độ tín hiệu thu được:

 Vm = Vm0/(1+ax)2 ; x: Khoảng cách giữa đối tượng và cảm biến;

Vm0: Phụ thuộc vào độ từ thẩm, dạng hình học và kích thước đối tượng

2.C ảm biến dòng điện Foucault

 Điện trở cuộn dây sơ cấp gia tăng:

R1eq = R1 + M2ω2R2/(R22+L22ω2)

 Điện cảm cuộn dây sơ cấp giảm:

L1eq = L1 - M2ω2L2/(R22+L22ω2)

8.2.C ảm biến đo tốc độ

 Trong công nghiệp, đo tốc độ quay thường gặp

 Trong trường hợp đo vận tốc dịch chuyển thẳng ta thường quy

về việc đo vận tốc quay tròn, vì thế các cảm biến đo tốc độ

thường là các cảm biến đo tốc độ góc

 Các cảm biến dùng để đo tốc độ quay dựa trên định luật

Faraday, đó là các tốc độ kế loại điện từ

 Khi các chuyển động có tính tuần hoàn như chuyển động quay tròn chẳng hạn, việc đo tốc độ có thể bắt đầu từ việc đo tần số,

→ tốc độ kế này gọi là tốc độ kế loại xung

 Trong trường hợp những chuyển động rất chậm, ví dụ góc

quay kém hơn 1 độ/1 giờ, những phương pháp trên không thể

áp dụng được, khi đó người ta có thể dùng hồi chuyển kế

Laser mà nguyên tắc dựa trên sự khác biệt bước sóng giữa 2 sóng từ nguồn Laser truyền theo 2 chiều ngược nhau trong một môi trường chuyển động quay tròn và được thể hiện trong giao thoa kế

8.2.1.C ảm biến đo tốc độ góc loại điện từ

1.Tốc độ kế điện từ DC: Như hình trên

Sức điện động thu được ở 2 đầu cổ góp:

E = ωpnΦ0/2πa ; p: Số đôi cực; ω: vận tốc góc; a: Số đường

quấn song song; n: Số dây dẫn

2.T ốc độ kế điện từ AC

a.Máy phát đồng bộ: Gồm 2 loại 1 pha và 3 pha

Sức điện động thu được ở stator có dạng: e = EsinΩt Với:

quay của rotor

b.Máy phát không đồng bộ

 Cuộn kích từ được cung cấp điện áp ve= Vecosωet Cuộn dây

đo thu được: em = Emcos(ωet+Φ); Với Em= KωVe Góc lệch pha khoảng vài độ Khi rotor không quay sẽ xuất hiện 1 điện áp bé

(gọi là điện áp lệch cở mV) ở 2 đầu cuộn dây đo, do công nghệ

chế tạo không hoàn toàn đối xứng: Sự không đối xứng của

rotor hoặc sự bố trí 2 cuộn dây không hoàn toàn thẳng góc

8.2.2.T ốc độ kế điện từ đo tốc độ thẳng

 Trường hợp sự dịch chuyển thẳng tương đối lớn, việc đo vận

tốc thẳng được qui về vận tốc góc

 Trường hợp vận tốc dịch chuyển bé một cảm biến điện từ

được hình thành nhờ 1 nam châm và 1 cuộn dây, 1 trong 2

thành phần này cố định, thành phần còn lại được nối với đối

tượng di động cần xác định vận tốc Sức điện động thu được

từ cuộn dây: e = 2πrnBV = lBV Trong đó: r: Bán kính cuộn dây; n: Số vòng dây quấn cuộn dây; V: Vận tốc dịch chuyển; B: Từ

8.2.3.T ốc độ kế loại tín hiệu xung

 Sử dụng chi tiết thử nghiệm thường là 1 điã được gắn lên trục quay cần xác định vận tốc góc

 Điã thường được cấu tạo có dạng tuần hoàn, thường được

chia làm p phần bằng nhau, mỗi phần được đánh dấu mang

một đặc tính như: lỗ, răng v.v

 Một cảm biến được đặt đối diện với chi tiết thử nghiệm, phân tích số phần tử đánh dấu đi ngang qua đồng thời tạo ra một tín

hiệu xung tương ứng Tần số f của tín hiệu xung: f = pN (Hz)

 Việc chọn cảm biến được gắn liền với loại vật liệu làm điã quay

cũng như phần tử đánh dấu trên điã

 Điều lợi của tốc độ kế loại xung là: Cấu tạo đơn giản, chắc

chắn, bảo quản dễ dàng Mặt khác, nó không tạo nên tiếng ồn, nhiễu ký sinh, hơn nữa việc biến đổi thành tín hiệu số rất đơn

giản

a.C ảm biến từ trở thay đổi

 Đĩa bằng vật liệu sắt từ có mang hình p răng, p rảnh

 Cuộn dây được đặt đối diện với điã cho phép 1 từ thông đi

qua nó tạo ra từ 1 nam châm thường trực Như thế cuộn dây

sẽ có sức điện động cảm ứng mà tần số tỉ lệ với vận tốc quay

 Độ lớn sức điện động thu được tùy thuộc vào khoảng cách

giữa cuộn dây với điã và còn tỉ lệ với vận tốc quay

 Đối với những vận tốc bé, độ lớn sức điện động thu được quá

ỏ ta gọi là vùng chết không thể đo được

b.T ốc độ kế quang học

 Gồm 1 nguồn sáng + thấu kính và 1 bộ phận phân tích

quang loại diod hoặc transistor quang Điã quay được

trang bị những phần trong suốt và ngăn sáng xen kẻ nhau

 Bộ phận phân tích quang nhận được một lượng sáng

được điều khiển bằng đĩa quay, sẽ tạo nên tín hiệu có tần

số tỉ lệ với vận tốc quay, còn biên độ độc lập với vận tốc

 Khoảng đo vận tốc phụ thuộc số phần tử đánh dấu trên

đĩa, băng thông của bộ phận phân tích và mạch điện đi

kèm

c.C ảm biến dòng điện Foucault

 Trong cảm biến này, điã quay bằng vật liệu không từ tính

nhưng dẫn điện và có mang p răng, p rảnh

 Cuộn dây có điện cảm L là 1 phần tử của mạch dao động

sin

 Ta biết khi đưa 1 thanh kim loại đến gần cuộn dây thì đặc

tính L và R cuộn dây thay đổi, điều này dẫn đến sự tắt của

mạch dao động Như thế khi điã quay, mỗi lần điã đưa

phần răng đến đối diện với cuộn dây sẽ làm tắt mạch dao

động và điều này có thể phân tích được

 Tín hiệu thu được có tần số tỉ lệ với vận tốc quay và biên

độ của nó không phụ thuộc vào vận tốc này, nên không có

vùng chết và thường dùng để đo vận tốc bé

8.3.Đo nhiệt độ bằng điện trở

8.3.1.Độ nhạy nhiệt: Một cách tổng quát giá trị điện trở tùy

thuộc vào nhiệt độ T: R(T)=R0.F(T-T0) R0: Điện trở ở nhiệt

độ T0 và hàm F phụ thuộc vào đặc tính của vật liệu, có giá

trị là 1 khi T=T0

Đối với điện trở kim loại:

T tính bằng 0C, T0 = 0 0C

Đối với nhiệt điện trở oxyde kim loại:

T: nhiệt độ tuyệt đối (0K)

8.3.Đo nhiệt độ bằng điện trở

Với sự thay đổi nhỏ ΔT của nhiệt độ chung quanh giá trị T, sự thay đổi điện trở có thể được tuyến tính hóa:

αR hệ số phụ thuộc nhiệt độ của điện trở hay còn gọi độ nhạy nhiệt độ ở nhiệt độ T

αR tùy thuộc nhiệt độ và vật liệu

Ví dụ ở 00C đối với platine αR = 3,9x10-3/0C

 Sự thay đổi điện trở theo nhiệt độ về nguyên lý liên quan

đến sự thay đổi điện trở suất ρ và kích thước hình học của điện trở Ta có: αR = αρ – αl

 Trong phạm vi sử dụng αρ cở 10-3/0C trong khi αl cở 10-5/0C như vậy trong thực tế αR ≈ αρ

( ) ( )(1 R )

R T + ∆ T = R T + α ∆ T

1 ( )

R

dR

R T dT

8.3.2.Điện trở kim loại

Hình 8.1.Các điện trở mẫu bằng bạch kim

 Tùy thuộc vào nhiệt độ đo mà người ta chọn vật liệu thích hợp, người ta thường sử dụng điện trở bằng bạch kim, nickel và đôi khi bằng đồng hay tungstène.

 Bạch kim: Có thể cấu tạo rất tinh khiết (99,999%) điều này cho phép ta biết được đặc tính điện của nó một cách chính xác

Thường sử dụng ở nhiệt độ -200 đến 10000C

 Nickel: Ưu điểm là độ nhạy nhiệt rất cao, nickel chống lại sự

oxyde hóa, thường được dùng ở nhiệt độ <2500C

 Đồng: Được sử dụng vì đặc tuyến rất tuyến tính Tuy nhiên dễ

bị oxyd hóa nên không sử dụng ở nhiệt độ >1800C, và vì điện

trở suất bé nên khi dùng để đảm bảo có giá trị nhất định, chiều dài dây phải lớn gây nên cồng kềnh, bất tiện

 Tungstène: Độ nhạy nhiệt của điện trở lớn hơn bạch kim khi

nhiệt độ cao hơn 1000K và nó thường được sử dụng ở nhiệt độ cao hơn bạch kim với độ tuyến tính hơn bạch kim Tungstène

có thể cấu tạo dưới dạng những sợi rất mảnh cho phép chế tạo điện trở cảm biến có trị số lớn, như vậy với trị số điện trở cho trước, chiều dài dây sẽ giảm thiểu

 Chúng được cấu tạo từ hỗn hợp các oxyde kim loại như:

MgO, MgAl2O4, Mn2O3, Fe3O4, CO2O3, NiO, ZnTiO4.Những

oxyde kim loại bán dẫn ở dạng bột được nén lại dưới áp suất

và được nung lên nóng chảy ở nhiệt độ khoảng 10000C và

sau đó rót vào các khuôn rồi để nguội hình thành các dạng :

đĩa, trụ, nhẫn

 Nhiệt độ sử dụng từ vài độ tuyệt đối đến lối 3000C

 Trên thị trường nhiệt điện trở có trị số từ 500Ω đến vài chục

MΩ ở 250C

8.3.4.Điện trở silicium

 Lo ại điện trở bán dẫn này được phân biệt với nhiệt

điện trở bởi những điểm sau:

 H ệ số nhiệt độ của điện trở suất có giá trị âm vào

kho ảng 0,7x10-2/0C ở 250C và s ự thay đổi theo nhiệt

độ của hệ số nhiệt độ rất bé, điều này cho phép chế

t ạo cảm biến có tính tuyến tính cao.

 Ph ạm vi sử dụng trong khoảng -500C đến 1200C , các điện trở này thường là loại bán dẫn N được chế tạo

b ởi phương pháp cho khuếch tán chất khác vào tinh

th ể đơn chất silicium.

8.4.Đo nhiệt độ bằng cặp nhiệt điện

8.4.1.Đặc tính tổng quát: Một cặp nhiệt điện gồm 2 dây dẫn A

và B được cấu tạo bằng vật liệu khác nhau, tại điểm nối

chung của chúng có nhiệt độ T2, và 2 đầu còn lại có nhiệt

độ T1 sẽ xuất hiện sức điện động nhiệt điện (còn gọi

sức điện động Seebeck là kết quả của hiệu ứng Peltier và

Thomson) có độ lớn phụ thuộc vào vật liệu A và B cũng như

sự sai biệt giữa T2 và T1 T2 là nhiệt độ mối nối chung ( còn

gọi là mối nối đo) là nhiệt độ Tc đạt được khi đặt mối nối

chung trong môi trường nghiên cứu có nhiệt độ Tx Mối nối

chuẩn có nhiệt độ T1 được giữ không đổi và bằng Tref

2 1

/

T T B A

E

 Cặp nhiệt điện được cấu tạo với kích thước bé, nó cho phép đo nhiệt độ chính xác, vận tốc đáp ứng nhanh

 Ngoài ra, tín hiệu được tạo ra dưới dạng sức điện động mà

không cần tạo ra dòng điện chạy qua cảm biến như vậy tránh được hiện tượng đốt nóng cảm biến

 Tuy nhiên, nó có điểm bất lợi là trong khi đo, nhiệt độ mối nối chuẩn phải biết rõ, tất cả sự không chính xác của Tref sẽ dẫn đến sự không chính xác cuả Tc

 Cặp nhiệt điện được cấu tạo bởi các kim loại hoặc hợp kim

khác nhau và có khoảng đo từ -2700C đến 27000C

 Đáp ứng không tuyến tính khi nhiệt độ thay đổi lớn, tính không tuyến tính được thể hiện qua công thức sau:

0

C T B A

dE T

S

C

0

0 /

) ( =

 Tref không đổi nhưng khác với 00C: Khi nhiệt độ môi trường

thay đổi lớn, trong công nghiệp người ta chọn Tref không đổi và

lớn hơn nhiệt độ môi trường Bằng cách sử dụng bảng đặc tính

của cặp nhiệt điện sử dụng ta biết được , khi đo sức điện động nhiệt điện của cảm biến, ta sẽ tính được:

B A

ref

E

0

0 /

C T

B A

T T B A

C T

B

A

ref ref

0

Trong trường hợp này cần có mạch bù nhiệt độ chuẩn Tref (thay đổi theo nhiệt độ môi trường) để tạo nên điện áp

thay đổi tự động theo nhiệt độ môi trường (H.a) Điện áp

V(Ta) có được nhờ sử dụng nhiệt điện trở R(Ta) được giữ ở

nhiệt độ môi trường và được mắc vào cầu Wheatstone DC

Cầu này cho phép bù nhiệt độ khi nhiệt độ môi trường thay

đổi xung quanh 00C Các trị giá R0, R0’, R0’’ được chọn làm

sao để có:

C T B A a

a

E T

V ( ) = /00

C

T a

E T

R R

R E T

' 0

' 0

)