giao trinh vat ly dai cuong

Theo thông số mô hình mạch thay thế 2 loại - Cảm biến tích cực bộ cảm biến có nguồn có thể coi là nguồn dòng hoặc nguồn áp - Cảm biến thụ động không nguồn được đặc trưng bởi các thông

Phần 1

CÁC BỘ CẢM BIẾN

Chương 1 KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ CẢM BIẾN

1 Địmh Nghĩa Và Phân Loại

1 Định nghĩa :

Cảm biến là các thiết bị cảm nhận và đáp ứng với các tín hiệu và kích thích

- Trong mô hình mạch : các bộ cảm biến là mô hình mạng hai cửa

a Theo nguyên lý chuyển đổi : nhiệt điện, quang điện, cơ điện…

b Theo dạng kích thích : âm thanh, tần số…

c Theo chức năng : độ nhạy, độ chính xác, độ trễ…

d Theo phạm vi sử dụng : trong công nghiệp, nông nghiệp, nghiên cứu

e Theo thông số mô hình mạch thay thế ( 2 loại)

- Cảm biến tích cực (bộ cảm biến có nguồn) có thể coi là nguồn dòng hoặc nguồn áp

- Cảm biến thụ động (không nguồn ) được đặc trưng bởi các thông số

L, R, C, M và số có thể tuyến tính và không tuyến tính

2 Các Đặc Trưng Cơ Bản Của Bộ Cảm Biến

Quan hệ giữa kích thích và đáp ứng của cảm biến được đặc trưng bằng nhiều đại lượng cơ bản

1

Bộ CB

1 Hàm truyền : là quan hệ giữa đáp ứng và kích thích có thể được cho dưới dạng bảng hoặc biểu thức toán học

2 Độ lớn của tín hiệu vào :

Độ lớn của tín hiệu vào là giá trị lớn nhất của tín hiệu vào mà sai số của

cảm biến không vượt quá ngưỡng cho phép Thường độ lớn của tín hiệu vào tính theo dB hoặc theo log

3 Sai số :

Sai số là sự sai khác tín hiệu đo lường với giá trị thực của nó.

Sai số có 4 loại :

 Sai số tuyệt đối

 Sai số tương đối

 Sai số qui đổi

 Sai số hệ thống là sai số không phụ thuộc vào thời gian và không đổi hay thay đổi theo thời gian Nguyên nhân :

+ do sai số thiết kế

+ do xử lý kết quả đo

+ do dặc tính phần tử

 Sai số ngẫu nhiên là sai số xuất hiện có độ lớn và chiều không xác định

do : nhiễu và điều kiện môi trường

3 Các Bộ Cảm Biến Tích Cực Và Thụ Động

 Bộ cảm biến tích cực (có nguồn) hoạt động như một nguồn áp hoặc

nguồn dòng và biểu diễn như một mạng hai cửa có nguồn

 Bộ cảm biến thụ động (không nguồn) là bộ cảm biến được biểu diễn bằng mạng hai của không nguồn có trở kháng phụ thuộc kích thích

*) Các hiệu ứng vật lý dùng trong các bộ cảm biến tích cực:

1 Hiệu ứng cảm ứng điện từ :

- Khi một thanh dẫn chuyển động trong từ trường sẽ xuất hiện trên đó mộtsức điện động tỉ lệ với biến thiên từ thông Nghĩa là tỉ lệ tốc độ chuyển độngcủa thanh dẫn

- Ứng dụng : xác định vận tốc chuyển động của vật

Cảm ứng là cơ sở lý luận cho các thiết bị điện từ như động cơ điện, máy phát

2

3

2 Hiệu ứng nhiệt điện (cặp nhiệt) :

- Hiệu ứng nhiệt điện là hiện tượng xảy ra khi 2 dây dẫn có bản chất hóahọc khác nhau được hàn kín, sẽ xuất hiện một sức điện động tỉ lệ với nhiệt độmối hàn

T

Hình 2

- Hiệu ứng này thường được sử dụng để đo nhiệt độ

- Ngược lại khi cho dòng điện chạy từ chất có bản chất hóa học khác nhau

sẽ tạo ra những chênh lệch nhiệt độ

3 Hiệu ứng hỏa điện :

- Một số tinh thể được gọi là tinh thể hóa điện có tính chất phân cực điện

tự phát phụ thuộc nhiệt độ, số lượng điện tích trái dấu phụ thuộc sự phân cựcđiện



umV



fHình 4

5 Hiệu ứng quang điện :

- Có nhiều dạng biến đổi khác nhau nhưng cùng chung bản chất, đó là việc giải phóng các hạt dẫn tự do trong vật liệu dưới tác dụng bức xạ quang

- Sử dụng để chế tạo các cảm biến quang

6 Hiệu ứng quang điện từ :

u

+

-IB

UH = k.B.I.sin 

k - hệ số phụ thuộc vật liệu và kích thước mẫu

Ut

Hình 7

+

4 Mạch Giao Diện Của Các Bộ Cảm Biến

1 Các đặc tính đầu vào của các mạch giao diện :

- Đáp ứng các bộ cảm biến thường là biến phù hợp với tải về điện áp, côngsuất… Vì vậy cần có mạch giao diện giữa các bộ cảm biến với tải Ngoài ra

để phối hợp với đầu ra của bộ cảm biến và đầu vào hệ thống xử lý dữ liệu taphải sử dụng mạch giao diện Mạch giao diện có tác dụng chuẩn hóa tín hiệu

2 Đặc điểm các bộ khuếch đại thuật toán :

3 Bộ khuếch đại đo lường :

- Tác dụng : dùng tăng cường tín hiệu đo gồm 2 đầu vào và 1 đầu ra

Bộ cảm

.

5 Mạch lặp điện áp :

- Có bộ khuếch đại thuật toán được sử dụng làm bộ lặp lại điện áp chínhxác Để làm việc này bộ khuếch đại thuật toán phải làm việc ở chế độ khôngđảo, k =1

- Chức năng : làm biến đổi điện trở đầu vào Do đó mạch này thường đượcdùng để ghép nối giữa hai khâu

Hình 4

6 Nguồn điện áp chính xác :

- Để chuẩn các dụng cụ đo ta phải sử dụng điện áp chuẩn Người ta phảidùng pin weston đó là pin mẫu tạo điện áp chính xác U = 0,018 V Do ảnhhưởng điện trở trong pin gây ra sự không chính xác Do đó ta dùng sơ đồ nhưsau :

Hình 5

Sơ đồ này là sự kết hợp 2 sơ đồ khử điện áp lệch và lặp lại điện áp.

8 Bù nhiệt độ của cầu điện trở :

- Do ảnh hưởng của nhiệt độ : điện trở R biến thiên Điện áp ra của cầu biến thiên và gây sai số Vì vậy ta phải bù nhiệt độ của cầu điện trở

Hình 8a Hình 8b

Hình8c

Chương 2 CÁC BỘ CẢM BIẾN

1 Cảm Biến Quang Điện

Cảm biến quang điện là các linh kiện quang điện biến đổi trạng thái điệnkhi có ánh sáng thích hợp tác động vào bề mặt của nó

Tín hiệu vào là ánh sáng, tín hiệu ra tín hiệu điện

+ Ưu điểm : quán tính nhỏ, có khả năng điều biến tần số cao, độ tin cậy cao, tuổi thọ cao

+ Nhược điểm : thông lượng nhỏ, dễ nhạy với nhiệt độ

- Lazer : là nguồn sáng đơn sắc có độ chói lớn rất định hướng và tính liên kết mạnh Dựa trên hiện tượng khuếch đại ánh sáng bằng bức xạ kích thích.+ Ưu điểm : Bước sóng đơn sắc hoàn toàn xác định Thông lượng lớn, chùm tia mảnh, độ định hướng cao và truyền đi xa

3 Tế bào quang dẫn :

- Tế bào quang điện là một quang điện trở có cấu tạo gồm 1 khối bán dẫnđược đặt trong một ống thủy tinh

Iht hạt dẫn không cơ bản tăng chính Ir = Io

Khi chiếu ánh sáng có bước sóng  < o (bước sóng ngưỡng) thì xuất hiện cáccặp điện tử - lỗ trống dưới tác dụng của điện trường đều, di chuyển theohướng chuyển động của các hạt không cơ bản làm cho dòng ngược Ir tăng,dẫn đến URm tăng Từ đó xác định được quang thông 

1 Tế bào quang điện chân không :

Hình 1a

- Cấu tạo : gồm 1 bóng thủy tinh được hút chân không có đặt anot vàcatot ( p = 10-6  10-8

mmHg )

2 Tế bào quang điện chất khí :

- Cấu tạo : giống tế bào quang điện chân không chỉ khác bên trong có khí trơ (Acgông)

- Nguyên lý : dưới tác dụng của UAC lớn các điện tử chuyển động mạnhtrong chất khí Chúng va chạm vào các phân tử khí gây nên ion hóa chất khílàm cho dòng Ia tăng

3 Ứng dụng của cảm biến quang điện :

- Thường được sử dụng khi một khóa chuyển mạch dùng để đóng ngắt

mạch điện

R

- Trạng thái làm việc của ảm biến phụ thuộc quang thông đèn LED gửi tới.

3 Cảm Biến Nhiệt Độ

- Để đo nhiệt độ trong hệ thống tự động có nhiều biện pháp khác nhau.Trên cơ sở đó người ta sử dụng các bộ cảm biến nhiệt độ với nguyên lý làmviệc khác nhau VD : nhiệt điện trở, nhiệt ngẫu, quang…

1 Thang đo nhiệt độ :

Được xác định từ các định luật nhiệt động

a Thang nhiệt độ nhiệt động tuyệt đối : Thang Kenvin (0K) là nhiệt độcân bằng của điểm cân bằng 3 trạng thái nước, nước đá và hơi

b Thang Celcius : thang nhiệt độ bách phân (0C)

T(0 K)  t(0 C)  273.15

c Thang Farenheit :

T(0 C)  T(0 C)  32 5

2T(0 F)  9 .T(0 C)  32

5

2 Cảm biến nhiệt điện trở :

- Cảm biến nhiệt điện trở là cảm biến có điện trở biến đổi theo nhiệt độ

- Kim loại điện trở biến đổi theo nhiệt độ, thể hiện qua α (hệ số nhiệt điện trở)

- Phân loại : 3 loại

+ Cảm biến nhiệt điện trở kim loại

+ Cảm biến nhiệt điện trở bán dẫn

khi nhiệt độ θ tăng thì dẫn đến R tăng theo Qua

R đo được ta xác định được nhiệt độ qua công thức trên

Để cảm biến có độ nhạy cao ta phải chọn kim loại có điện trở suất (ρ)lớn R   l

q khi R tăng thì l tăng, q giảmĐiện trở R càng lớn thì độ nhạy càng cao và dải đo càng hẹp

- Màng mỏng : dùng để đo nhiệt dộ trên bề mặt vật rắn Khi đo người ta dán màng mỏng lên bề mặt vật cần đo (mỏng cỡ µm)

b Cảm biến nhiệt điện trở silic (bán dẫn)

- Các vật liệu bán dẫn rất nhạy cảm với nhiệt độ Do đó người ta dùng vật liệu bán dẫn để chế tạo cảm biến đo nhiệt độ

- Silic tinh khiết có hệ số nhiệt điện trở α < 0, nhưng khi được tác động ởmột dải nhiệt độ nào đó thì α > 0

+ cảm biến nhiệt điện trở có α > 0

+ cảm biến nhiệt điện trở có α < 0

3 Cảm biến cặp nhiệt ngẫu

a Cấu tạo : gồm 2 dây kim loại có bản chất hóa học khác nhau được hànkín với nhau

b Nguyên lý làm việc : dựa vào hiệu ứng nhiệt điện, được hình thành từ 2

cơ sở là hiệu ứng Thomson và hiệu ứng Seebek

- Hiệu ứng Thomson : nếu trong dây dẫn có 2 điểm nhiệt độ khác nhau thìgiữa chúng có hiệu điện thế hay sức điện động sđđ, chỉ phụ thuộc bản chất vậtdẫn và nhiệt độ của 2 điểm

- Hiệu ứng Seebek : nếu mạch điện là 2 vật dẫn khác nhau được nối kín tại

2 điểm và giữ ở 2 nhiệt độ t1,t2 Chúng tạo thành 1 cặp nhiệt điện, khi t1 ≠ t2

các điện tích khuếch tán sang nhau và tạo nên 1 sức điện động Do đó trongmạch có dòng điện i

Khi t1 = t2 thì EAB  eAB (t1)  eBA(t2 )  0  eAB (t1)  eBA(t2 )

Khi t1  t 2 thì EAB (t)  eAB (t1)  eBA(t2 )  eAB (t1)  eAB (t2 )

Nếu t 2  t0  const : EAB (t)  eAB (t)  C  f (t) với C  eAB (t0 )Như vậy bằng cách đo sức điện động nhiệt E, ta xác định được nhiệt độ của vật cần đo

- Sơ đồ đấu dây : 1 - Mối hàn làm việc ; 2-3 Mối hàn tự do ;

- Dải đo : -500C ÷ 1500C

- Độ nhạy :

s  du dt (khoảng 2.5mV/0C)

4 Cảm biến quang đo nhiệt độ :

- Hỏa kế bức xạ (3000C ÷ 60000C) đo gián tiếp

- Hỏa kế quang học (8000C ÷ 60000C)

- Hỏa kế quang điện (8000C ÷ 60000C)

5 Nhiệt kế áp suất (áp kế nhiệt) :

- Dựa vào sự phụ thuộc của áp suất làm việc của các chất trong hệ thốngvào nhiệt độ Tùy theo trạng thái làm việc của các chất mà nhiệt kế áp suấtchia làm 2 loại : khí và lỏng

- Dải đo : -1500C ÷ 6000C

4 Cảm Biến Vị Trí Và Di Chuyển A – Khái niệm chung :

- Trong tự động điều kiện làm việc xác định vị trí và di chuyển đóng một vai trò quan trọng Có 2 phương pháp cơ bản để xác định vị trí và di chuyển

- Phương pháp 1 : bộ cảm biến cung cấp tín hiệu là 1 hàm phụ thuộc vào

vị trí của vật (phần tử của cơ bản) Phần tử này có liên quan đến vật di chuyểncần xác định

- Phương pháp 2 : ứng với 1 di chuyển cơ bản, bộ cảm biến phát ra xung.Việc xác định vị trí của vật được xác định bằng việc đếm số xung phát ra

- Các bộ cảm biến có thông số là : R, L, C, M, E

Ngoài 2 phương pháp trên còn có các phương pháp hiện đại hơn :

+ phương pháp song đàn hồi từ

+ phương pháp quang học laser

+ phương pháp sợi quang

I

B - Cảm biến điện trở :

- Định nghĩa : cảm biến điện trở là cảm biến mà đương lượng đầu vào làcác di chuyển cơ (thẳng hoặc quay) còn đương lượng đầu ra là sự biến đổiđiện trở tương ứng

- Phân loại : 3 loại

+ Cảm biến điện trở dây quấn

+ Cảm biến điện trở tiếp xúc

+ Cảm biến điện trở biến dạng

1.Cảm biến điện trở dây quấn :

- Cấu tạo, nguyên lý làm việc giống như một biến trở điều chỉnh Đươnglượng đầu vào là đương lượng vào tác động trực tiếp vào tiếp điểm động cảmbiến dẫn đến trị số đầu ra cảm biến biến đổi tương ứng Tiếp điểm động cảmbiến có thể chuyển động thẳng hoặc quay

+ Tiếp điểm động : được làm bằng vật liệu dẫn điện tốt, chịu mài mòn,

có điện trở bé

- Nguyên lý : Khi x biến đổi dẫn đến điện trở cảm biến biến đổi theo Điện

áp đầu ra cũng biến đổi theo điện trở cảm biến Qua Ura đo được ta xác địnhđược x

- Phân loại : gồm 2 loại theo kết cấu

+ Cảm biến điện trở dây quấn tuyến tính

+ Cảm biến điện trở dây quấn phi tuyến

1 Cảm biến điện trở tuyến tính :

- Định nghĩa : là loại cảm biến mà quan hệ giữa Ura và x là dạng đường thẳng

r là điện trở tương ứng với dịch chuyển x r  x R

- Để khắc phục nhược điểm này dùng cảm biến điện trở dây quấn có cựctính

Hình 1.5

Ur

Hình 1.6

Khi đó Ur = f(x) là đường thẳng

Nhược điểm : điện áp ra lớn nhất là U0/2 Nên giảm độ nhạy của cảm biến

- Để khắc phục nhược điểm người ta sử dụng cảm biến cực tính kép ( ghép

2 cảm biến đơn giống nhau có 2 tiếp điểm động chuyển động ngược chiềunhau, nối liên động với nhau)

- Ưu điểm : tăng độ nhạy cảm biến, thay đồi dấu của điện áp ra.

Trong quá trình làm việc cảm biến có sai số do nhiều nguyên nhân : chủ quan, khách quan

+ Do vùng không nhạy : Do cấu tạo cảm biến gồm nhiều vòng dây quấnliên tiếp nhau cho nên khi tiếp điểm động chuyển động từ vòng dây này sangvòng dây khác thì điện áp Ura cảm biến biến đổi nhày cấp với ∆Ura là điện áptrên 1 vòng dây của cảm biến

Khi có tải Rt ta có sơ đồ như hình vẽ

Ta thấy điện áp Ura phụ thuộc Rt

+ Khi Rt >> R0 : không tải





Nhận xét : amax phụ thuộc Rt suy ra nếu Rt tăng thì a giảm và ngược lại Do

đó để giảm sai số phải tăng Rt

- Đặc tính Ur = f(x) là phi tuyến

- Các biện pháp chế tạo cảm biến phi tuyến:

+ Thay đổi đường kính dây quấn

+ Thay đổi bước dây quấn

+ Thay đổi tiết diện ngang của khung dây

+ Mắc điện trở vào các phân đoạn khác nhau của cảm biến tuyến tính

2 phương pháp đầu không dùng vì lí do công nghệ, chủ yếu là dùng 2 phương pháp sau

a Thay đổi tiết diện ngang khung dây :

- bước dây quấn không đổi

- giữ nguyên bề rộng khung dây (b)

- thay đổi chiều cao khung dây (h) : tìm h(x) phù hợp với Ur = f(x) đã cho

Ví dụ : Tìm h(x) của cảm biến khi biết Ur = f(x)

b - bề rộng khung

l - chiều dài cảm biến

w - số vòng dây

R0 - điện trở cảm biến

S - tiết diện dây quấn

rx - điện trở dây quấn ứng với x

hx

lHình 1

Khi tiếp điểm động cảm biến chuyển dịch 1 đoạn là dx thì điện trở cảm biến thay đổi một lượng tương ứng là drx

drx  

2(b  h

w dxl

Do b << hx nên b + hx ≈ hx  drx  

2h

w dxlĐồng thời điện áp Ur biến đổi một lượng tương ứng dUr

b Mắc điện trở vào các phân đoạn khác nhau của cảm biến tuyến tính

- Sử dụng 1 cảm biến điện trở tuyến tính và chia nó ra làm nhiều đoạnbằng nhau Tại mỗi đoạn ta mắc song song với nó 1 điện trở Rsi có trị số phùhợp sao cho điện áp rơi trên đoạn bằng điện áp đã chọn

Ii  I(1 

rr

) Rsi  r

Thay Ii vào phương trình (*) :

Uri

0

xHình 3

Ưu điểm :

- Kết cấu đơn giản, độ chính xác cao, trọng lượng và khối lượng nhỏ

- Có thể tạo được dạng điện áp Ur tuỳ ý

- Đặc tính tương đối ổn định dùng cho cả nguồn 1 chiều và xoay chiều Nhược điểm :

- Do có tiếp xúc nên tuổi thọ bị ảnh hưởng

- Độ nhạy không cao

- Tổn hao nhiệt trong quá trình làm việc

2.Cảm biến điện trở tiếp xúc

- Cảm biến điện trở tiếp xúc là cảm biến mà đương lượng đầu vào là lực tác động, còn đương lượng đầu ra là sự biến đổi giá trị của điện trở tiếp xúc

- Cấu tạo : gồm nhiều đĩa than được xếp chồng lên nhau Mỗi đĩa có chiềudày từ 1-2 mm , đường kính d = 3÷5 mm Một cảm biến thường có 10÷15 đĩathan

- Ứng dụng : dùng để đo áp lực và đo tải trọng hoặc được dùng trong việc

ổn định điện áp của máy phát điện 1 chiều

- Ưu điểm : kết đơn giản, công suất lớn, giá thành rẻ

- Nhược điểm : độ bền không cao

3.Cảm biến điện trở biến dạng :

- Nguyên lý : khi có lực tác động vào các vật dẫn điện thì kích thước và cấu trúc của chúng bị biến đổi, khi đó điện trở sẽ biến đổi theo

F

- Loại cảm biến này thường được dùng để đo các lực tác động hoặc sự biến đổi của các chi tiết máy.

- Phân loại : 3 loại

+ kiểu dây

+ dát mỏng

+ bán dẫn

a Cảm biến kiểu dây :

- Cấu tạo : gồm một màng mỏng đặc biệt trên đó có dán 1 dây dẫn mảnh

có điện trở suất lớn ( d = 0,002÷0,05 mm) R = 100÷200 Ω gồm 40 mắt ziczắc

Hình 1

- Nguyên lý : lực tác động F biến đổi làm cho điện trở R biến đổi nên điện

áp đầu ra biến đổi

- Với loại cảm biến này thì việc biến đổi theo chiều dài cảm biến có tácdụng hơn khi biến đổi tiết diện Để khắc phục sai số của cảm biến do nhiệt độngười ta thường dùng sơ đồ cầu để đo

R+RR=const

- Muốn đo lực tác động lên một vật nào đó người ta dán cảm biến lên vật

đó Khi F biến đổi dẫn đến điện trở cảm biến R biến đổi Qua icb đo được taxác định được giá trị của lực F ( E – mô đun đàn hồi)

l

 F

- Ưu điểm : đặc tính ổn định, kết cấu đơn giản

- Nhược điểm : độ nhạy không cao

b Cảm biến kiểu dát mỏng :

- Dây điện trở là dạng dây dẹt, công nghệ chế tạo cảm biến giống nhưcông nghệ chế tạo mạch in Dán lá kim loại mỏng lên bề mặt vật liệu cáchđiện, sau đó dùng phương pháp ăn mòn hoá học chế tạo cảm biến theo dạngtuỳ ý Độ dày kim loại nhỏ hơn 10-3 mm

- Do dây dẫn kiểu dẹt nên khả năng toả nhiệt tốt

- Do có thể chế tạo cảm biến có dạng tuỳ ý nên loại cảm biến này có thể

đo lực theo nhiều phương khác nhau

c Cảm biến bán dẫn

- Dán 1 phiến bán dẫn lên 1 bía cách điện Do đặc điểm vật liệu bán dẫn

có độ nhạy rất cao, khi bị lực tác dụng Do đó người ta ứng dụng nguyên tắcnày chế tạo cảm biến đo lực và biến dạng Nhưng nhược điểm là độ biến dạngcủa vật liệu nhỏ, cho nên chỉ đo được lực biến dạng nhỏ

C Cảm Biến Điện Cảm

- Cảm biến điện cảm là cảm biến mà đương lượng đầu vào là các chuyểndịch cơ hoặc lực còn đương lượng đầu ra là sự biến đổi điện cảm L tương ứng

- Phân loại

+ Cảm biến điện cảm biến đổi

+ Cảm biến điện cảm kiểu biến áp

+ Cảm biến kiểu đàn hồi từ

1 Cảm biến điện cảm biến đổi :

mà XL = ωL = ω.w2.Gδ = .w 20

U(R  Rt )2  X2

.s

khi x biến đổi →δ biến đổi → L biến đổi : đo chuyển động ngang

khi x biến đổi → s biến đổi → L biến đổi : đo chuyển động dọc

+ Dòng tải không đổi dấu ( It không nhạy cực tính)

+ Do ảnh hưởng của lực hút điện từ tác động lên phần động của cảmbiến gây sai số

+ Do ảnh hưởng của dòng điện I0 nên gây khó khăn cho phép đo hoặcđiều khiển Để khắc phục nhược điểm này người ta sử dụng cảm biến điềuchỉnh vi sai