giáo trình cảm biến và cơ cấu chấp hành giới thiệu cấu tạo nguyên lý hoạt động của một số cảm biến thông dụng, cảm biến quang, cảm biến đo lực, áp suất, tốc độ, cảm biến từ và các cơ cấu chấp hành trong hệ thống như động cơ ...Mạch đo bao gồm toàn bộ thiết bị đo (trong đó có cảm biến) cho phép xác định chính xácgiá trị của đại lượng cần đo trong những điều kiện tốt nhất có thể.Ở đầu vào của mạch, cảm biến chịu tác động của đại lượng cần đo gây nên tín hiệu điệnmang theo thông tin về đại cần đo.Ở đầu ra của mạch, tín hiệu điện đã qua xử lý được chuyển đổi sang dạng có thể đọcđược trực tiếp giá trị cần tìm của đại lượng đo. Việc chuẩn hệ đo đảm bảo cho mỗi giá trịcủa chỉ thị đầu ra tương ứng với một giá trị của đại lượng đo tác động ở đầu vào củamạch. Dạng đơn giản của mạch đo gồm một cảm biến, bộ phận biến đổi tín hiệu và thiếtbị chỉ thị, ví dụ mạch đo nhiệt độ gồm một cặp nhiệt ghép nối trực tiếp với một milivônkế.
CÁC KHÁI NIỆM VÀ ĐẶC TRƯNG CƠ BẢN
KHÁI NIỆM VÀ PHÂN LOẠI
Cảm biến là thiết bị chuyển đổi các đại lượng vật lý cần đo, có thể là điện hoặc không, thành các đại lượng đo thường mang tính chất điện Chúng cung cấp thông tin cần thiết để xác định giá trị của đại lượng được đo.
• Đại lượng đầu vào (hay kích thích) (m): Tác động của đại lượng cần đo (có tính chất điện hoặc không)
• Đại lượng đầu ra (hay đáp ứng) (s): Tín hiệu ra của CB (thường mang tính chất điện)
• Đáp ứng (s) là hàm đơn trị của đại lượng cần đo (m): s = F m ( )
Thông qua đo (s) → xác định giá trị (m)
• Theo nguyên lý chuyển đổi: hiện tượng vật lý, hiện tượng hóa học
• Dạng kích thích: âm thanh, điện, từ, quang, nhiệt …
• Đặc tính: độ chính xác, độ nhạy, độ phân giải, độ tuyến tính, công suất, tuổi thọ…
• Phạm vi sử dụng: công nghiệp, nghiêng cứu khoa học, dân dụng, giao thông, quân sự…
• Thông số: tích cực, thụ động…
CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA CẢM BIẾN
1.2.1 Đường cong chuẩn a) Khái niệm đường cong chuẩn: đường cong biểu diễn sự phụ thuộc của đáp ứng (s) ở đầu ra của cảm biến vào giá trị của đại lượng đo (m) ở đầu vào
• Biểu diễn: bằng biểu thức đại số và bằng đồ thị
• Biểu diễn bằng biểu thức đại số: s = F (m)
Ví dụ cảm biến tuyến tính: s = a.m + b; trong đó a, b là các hằng số Đại lượng cần đo
(m) CẢM BIẾN Tín hiệu ra
Chuẩn cảm biến là quá trình thiết lập mối quan hệ giữa giá trị đo được từ cảm biến và giá trị thực của đại lượng cần đo, đồng thời xem xét các yếu tố ảnh hưởng Dựa trên mối quan hệ này, chúng ta có thể xây dựng đường cong chuẩn dưới dạng đồ thị hoặc biểu thức đại số Phương pháp chuẩn là bước tiếp theo trong quy trình này.
• Chuẩn đơn giản: áp dụng khi cảm biến chỉ chịu tác động của một đại lượng đo duy nhất
• Chuẩn nhiều lần: áp dụng khi cảm biến có phần tử trễ, kết quả đo theo hai chiều tăng giảm của đại lượng đo khác nhau
1.2.2 Độ nhạy a) Độ nhạy trong chế độ tĩnh: xác định bởi tỉ số giữa biến thiên đầu ra (s) trên biến thiên đầu vào (m) S s m
- Cảm biến tuyến tính: S s const m
Không phụ thuộc điểm làm việc của CB
Độ nhạy của cảm biến (CB) phụ thuộc vào điểm làm việc cụ thể Hệ số chuyển đổi tĩnh được xác định bằng tỷ số giữa giá trị đầu ra và giá trị đầu vào tại điểm làm việc Qi đang xem xét.
Hệ số CĐT bằng độ nhạy S khi đặc trưng tĩnh của cảm biến là đường thẳng đi qua gốc tọa độ
3 c) Độ nhạy trong chế độ động: được xác định khi đại lượng đo biến thiên tuần hoàn theo thời gian
1.2.3 Độ tuyến tính a) Khái niệm:
• Trong chế độ tĩnh, độ tuyến tính biểu thị sự không phụ thuộc của độ nhạy vào giá trị của đại lượng đo đặc trưng tĩnh là đoạn thẳng
Trong chế độ động, độ nhạy S và các thông số hồi đáp của cảm biến (f0, ξ…) không phụ thuộc vào giá trị của đại lượng đo Đường thẳng tốt nhất được xây dựng dựa trên dữ liệu thực nghiệm, nhằm tối thiểu hóa sai số, với công thức s = am b+.
c) Độ lệch tuyến tính: xác định bởi độ lệch cực đại giữa đường cong chuẩn và đường thẳng tốt nhất, tính bằng % trong dải đo.
1.2.4 Sai số và độ chính xác a) Sai số : sai lệch giữa giá trị đo được (m) và giá trị thực của đại lượng cần đo (A)
• Theo nguyên nhân chia ra:
• Sai số hệ thống: sai số mà giá trị và quy luật có thể biết trước
- Do giá trị của đại lượng chuẩn không đúng
- Do đặc tính của cảm biến
- Sai số do điều kiện và chế độ sử dụng
- Sai số do xử lý kết quả sai
• Sai số ngẫu nhiên: Sai số xuất hiện ngẫu nhiên, dấu và biên độ của nó mang tính không xác định
- Sai số do tính không xác định của đặc trưng cảm biến
- Sai số do tín hiệu nhiễu ngẫu nhiên
- Sai số do sự thay đổi của các đại lượng ảnh hưởng
- Sai số hệ thống: kiểm tra cảm biến và thiết bị phụ trợ
- Sai số ngẫu nhiên: ước lượng bằng phương pháp xử lý thống kê →xác định giá trị xác suất của đại lượng đo, giới hạn của sai số
Quy luật phân bố chuẩn của sai số ngẫu nhiên
= + + + b) Độ chính xác: đánh giá bởi tính đúng đắn và tính trung thực của cảm biến
• Tính đúng đắn cao: sai số hệ thống bé, giá trị xác suất thường gặp gần với giá trị thực
• Tính trung thực cao: sai số ngẫu nhiên nhỏ, kết quả các lần đo tập trung xung quanh giá trị trung bình
Cảm biến có độ chính xác cao giúp kết quả đo lường gần với giá trị thực của đại lượng cần đo Để đạt được điều này, cảm biến cần có tính đúng đắn và tính trung thực cao, đảm bảo rằng dữ liệu thu thập được là chính xác và đáng tin cậy.
• Cấp chính xác của CB: xác định theo sai số quy dẫn: m i m 100
= M − (%) Cấp chính xác là sai số quy dẫn cực đại max Thường gặp: 0,5; 1,0; 1,5
1.2.5 Độ nhanh và thời gian hồi đáp
Độ nhanh là khả năng theo kịp thời gian của đại lượng đầu ra khi đại lượng đầu vào thay đổi, được xác định bởi thời gian hồi đáp (th) Thời gian hồi đáp là khoảng thời gian cần thiết để đo giá trị đầu ra với độ chính xác đã được xác định sau khi có sự biến thiên của đại lượng cần đo.
1.2.6 Giới hạn sử dụng của cảm biến a) Vùng làm việc danh định: tương ứng với những điều kiện sử dụng bình thường của cảm biến
Giới hạn của vùng là các giá trị ngưỡng mà các đại lượng đo và các đại lượng vật lý liên quan đạt tới mà không làm thay đổi các đặc trưng làm việc danh định của cảm biến Vùng không gây hư hỏng là vùng mà khi các đại lượng đo và các đại lượng vật lý có liên quan vượt qua ngưỡng của vùng làm việc danh định nhưng vẫn nằm trong phạm vi an toàn.
• Không gây nên hư hỏng
• Các đặc trưng của cảm biến có thể bị thay đổi mang tính chất thuận nghịch
Vùng không phá hủy là khu vực mà các đại lượng đo và các đại lượng vật lý liên quan không gây ra hư hỏng Những đại lượng này vẫn nằm trong phạm vi an toàn, vượt qua ngưỡng gây hại, đảm bảo tính toàn vẹn của vật liệu.
• Cảm biến không bị phá hủy
• Các đặc trưng của cảm biến có thể bị thay đổi không mang tính chất thuận nghịch
phải tiến hành chuẩn lại cảm biến.
Mạch đo
1.3.1 Một số phần tử cơ bản của mạch đo
Bộ khuếch đại thuật toán (KĐTT)
Bộ khuếch đại thuật toán mạch tích hợp là thiết bị khuếch đại dòng một chiều với hai đầu vào và một đầu ra chung, thường được cấu thành từ hàng trăm tranzito cùng với các điện trở và tụ điện được kết nối Sơ đồ của bộ khuếch đại thuật toán được thể hiện trong hình.
Sơ đồ bộ khuếch đại thuật toán
Các đặc tính cơ bản của bộ khuếch đại thuật toán:
- Bộ khuếch đại có hai đầu vào: một đầu đảo (-), một đầu không đảo (+)
- Điện trở vào rất lớn, cỡ hàng trăm M đến G
- Điện trở ra rất nhỏ, cỡ phần chục
- Điện áp lệch đầu vào rất nhỏ, cỡ vài nV
- Hệ số khuếch đại hở mạch rất lớn, cỡ 100.000
- Dải tần làm việc rộng
Hệ số suy giảm theo cách nối chung CMRR là tỷ số giữa hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại thuật toán đối với các tín hiệu sai lệch và hệ số khuếch đại theo cách nối chung của cùng bộ khuếch đại đó Thông thường, giá trị CMRR đạt khoảng 90 dB.
- Tốc độ tăng hạn chế sự biến thiên cực đại của điện áp tính bằng V/μs
Bộ khuếch đại đo lường IA
Bộ khuếch đại đo lường IA có hai đầu vào và một đầu ra Tín hiệu đầu ra tỷ lệ với hiệu của hai điện áp đầu vào: URA = A(U+ - U-) = AΔU
Sơ đồ bộ khuếch đại đo lường bao gồm ba KĐTT kết nối với điện trở, trong đó đầu vào vi sai đóng vai trò quan trọng trong việc loại bỏ nhiễu chế độ chung và tăng điện trở vào của KĐTT Điện áp trên Ra cần phải tương đương với điện áp vi sai đầu vào ΔU để tạo ra dòng điện.
Các điện áp ra từ KĐTT U1 và U2 có biên độ bằng nhau nhưng ngược pha Điện áp U3 của tầng thứ hai chuyển đổi đầu ra vi sai thành đầu ra đơn cực Hệ số khuếch đại tổng của IA được tính toán dựa trên các thông số này.
Khử điện áp lệch là một yếu tố quan trọng đối với bộ khuếch đại tín hiệu (KĐTT) lý tưởng, khi mà điện áp ra phải bằng không khi hai đầu vào nối mát Tuy nhiên, trong thực tế, các điện áp bên trong dẫn đến sự xuất hiện của điện áp phân cực nhỏ ở đầu vào KĐTT, thường vào khoảng vài mV Khi mạch hoạt động, điện áp này được khuếch đại, tạo ra điện áp lớn ở đầu ra Để khử điện áp lệch, có thể áp dụng sơ đồ điều chỉnh bằng biến trở R như trong hình 2.11.
Mạch khử điện áp lệch sử dụng bộ khuếch đại thuật toán (KĐTT) hoạt động ở chế độ không đảo với hệ số khuếch đại bằng 1 để lặp lại điện áp một cách chính xác.
Sơ đồ mạch khử điện áp
Trong bộ lặp điện áp, cực dương của KĐTT kết nối với tín hiệu vào, trong khi cực âm nối với đầu ra, tạo ra điện áp phản hồi 100% với hệ số khuếch đại bằng 1 Mạch lặp điện áp không chỉ tăng điện trở đầu vào mà còn thường được sử dụng để kết nối giữa hai khâu trong mạch đo.
Cầu Wheatstone là một mạch điện phổ biến trong việc đo lường các yếu tố như nhiệt độ, lực, áp suất và từ trường Mạch này bao gồm bốn điện trở: R1, R2, R3 là cố định và R4 là thay đổi, được kết nối theo cấu trúc không cân bằng Chức năng của cầu này dựa trên việc phát hiện điện áp qua đường chéo của nó.
Trong mạch cầu, điện áp ra thường là hàm phi tuyến, nhưng với biến đổi nhỏ (Δ> R1 điện áp ra của cầu giảm Đặt K = R1/R2 độ nhạy của cầu là:
Mạch đo là hệ thống thiết bị bao gồm cảm biến, cho phép xác định chính xác giá trị đại lượng cần đo trong điều kiện tối ưu Cảm biến ở đầu vào tiếp nhận đại lượng cần đo và tạo ra tín hiệu điện chứa thông tin về đại lượng đó Sau khi xử lý, tín hiệu điện được chuyển đổi sang dạng dễ đọc, giúp người dùng nhận biết giá trị cần tìm Chuẩn hệ đo đảm bảo rằng mỗi giá trị đầu ra tương ứng với giá trị đại lượng đo ở đầu vào Mạch đo đơn giản bao gồm cảm biến, bộ phận biến đổi tín hiệu và thiết bị hiển thị; ví dụ, mạch đo nhiệt độ sử dụng cặp nhiệt ghép nối với milivôn kế.
Sơ đồ mạch đo nhiệt độ bằng cặp nhiệt
Mạch đo điện thế bề mặt
1) Máy phát chức năng 2) Cảm biến điện tích 3) Tiền khuếch đại 4) So pha lọc nhiễu 5) Khuếch đại 6) Chuyển đổi tương tự số 7) Máy tính
Mạch đo thường bao gồm nhiều thành phần nhằm tối ưu hóa việc thu thập và xử lý dữ liệu, như mạch tuyến tính hóa tín hiệu từ cảm biến, mạch khử điện dung ký sinh, bộ chuyển đổi nhiều kênh, bộ khuếch đại, bộ so pha lọc nhiễu, bộ chuyển đổi tương tự - số và bộ vi xử lý Hình ảnh biểu diễn sơ đồ khối cho thấy mạch điện đo điện thế trên bề mặt màng nhạy quang được lắp ráp từ nhiều phần tử khác nhau.
CẢM BIẾN ĐO QUANG
TÍNH CHẤT VÀ ĐƠN VỊ ĐO
2.1.1 Tính chất ánh sáng a) Tính chất sóng: là một dạng của sóng điện từ
• Vận tốc: c = 299.792 km/s (chân không) hoặc v c
Ánh sáng có tần số (ν) và tính chất hạt, với các photon chuyển động với vận tốc lớn Mỗi photon mang một năng lượng xác định, năng lượng này phụ thuộc vào tần số của ánh sáng theo công thức Wφ = h.ν, trong đó h là hằng số Planck có giá trị 6,6256 x 10^-34 J.s.
2.1.2 Các đơn vị đo quang a) Đơn vị đo năng lượng:
• Năng lượng bức xạ Q (J): là năng lượng lan truyền hoặc hấp thụ dưới dạng bức xạ tính bằng Jun
• Thông lượng ánh sáng : là công suất phát xạ, lan truyền hoặc hấp thụ tính bằng oat dQ
• Độ rọi năng lượng (E): E d dA
= (W/m 2 ) b) Đơn vị đo thị giác:
Độ nhạy của mắt đối với ánh sáng thay đổi tùy thuộc vào bước sóng, với độ nhạy cực đại đạt được tại bước sóng max Đại lượng này được đo bằng đơn vị năng lượng và đơn vị thị giác.
Luồng (thông lượng) W lumen(lm)
Cường độ W/sr cadela(cd) Độ chói W/sr.m 2 cadela/m 2 (cd/m 2 ) Độ rọi W/m 2 lumen/m 2 hay lux (lx)
1 đv đo năng lượng = K.V() đv đo thị giác
Ví dụ: Đối với ánh sáng đơn sắc: V ( ) =680 V ( ) ( ) (lumen) Đối với ánh sáng phổ liên tục: 2
CẢM BIẾN QUANG DẪN
Hiệu ứng quang dẫn, hay còn gọi là hiệu ứng quang điện nội, là hiện tượng mà ánh sáng tác động lên vật liệu, dẫn đến việc giải phóng các hạt tải điện, từ đó làm tăng độ dẫn điện của vật liệu đó.
• Mật độ điện tử trong tối:
Nd → Nồng độ tạp chất donno exp qW d a kT
= − → Hệ số tỉ lệ giải phóng e r → Hệ số tái hợp
• Nồng độ điện tử khi được chiếu sáng: g 1/2 n r
g → Số e giải phóng do chiếu sáng trong 1s trong 1 đơn vị thể tích:
• Độ dẫn khi chiếu sáng:
= = = và là hàm phi tuyến của với số mũ =1/2 (thực tế = 0,5 -1)
2.2.2 Tế bào quang dẫn (TBQD) a) Cấu tạo: thực chất TBQD là một điện trở được chế tạo từ các chất bán dẫn: đa tinh thể đồng nhất, đơn tinh thể, bán dẫn riêng, bán dẫn pha tạp
Vùng phổ làm việc của một số vật liệu quang dẫn b) Đặc trưng chủ yếu:
• Điện trở: điện trở trong tối lớn (từ 10 4 - 10 9 ở 25 o C đối với PbS, CdS, CdSe ) và giảm nhanh khi độ rọi sáng tăng
Sự phụ thuộc của điện trở vào độ rọi sáng
+ Độ nhạy giảm khi tăng (trừ = 1)
+ Độ nhạy giảm khi tăng nhiệt độ, khi V điện áp đặt vào lớn
+ Độ nhạy phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng c) Đặc điểm
+ Tỷ lệ chuyển đổi tĩnh cao
+ Hồi đáp phụ thuộc không tuyến tính
+ Thời gian hồi đáp lớn
+ Các đặc trưng không ổn định do già hoá
+ Độ nhạy phụ thuộc nhiệt độ, một số loại đòi hỏi làm nguội Độ nhạy của tế bào quang dẫn Ứng dụng:
Khi bức xạ ánh sáng chiếu lên tế bào quang dẫn, điện trở của nó giảm, cho phép dòng điện chạy qua đủ lớn Điều này có thể được sử dụng trực tiếp hoặc thông qua khuếch đại để đóng mở rơ le.
• Thu tín hiệu quang: dùng tế bào quang dẫn để thu và biến tín hiệu quang thành xung điện
2.2.3 Photođiot a) Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
Sơ đồ chuyển tiếp P – N b) Nguyên lý hoạt động
Khi = 0 và V = 0, dòng điện chạy qua chuyển tiếp:
= − = − Ikt → Dòng khuếch tán các hạt cơ bản I0 → Dòng hạt dẫn không cơ bản sinh ra do kích thích nhiệt
Khi V > 0 → dòng ngược: r 0exp qV d 0 0
= − + Khi V đủ lớn 0exp qV d
• Khi chiếu sáng bằng luồng ánh sáng 0 → Ip
Cảm biến làm việc ở chế độ tuyến tính VR ~
• Chế độ quang thế: điện áp ngoài V = 0
V q I nhỏ nhưng tỉ lệ với
= lớn nhưng tỉ lệ với log
Đo dòng ngắn mạch:I sc I p c) Độ nhạy:
• S không phụ thuộc thông lượng ánh sáng
• Khi T o tăng p dịch sang phải
• Thời gian hồi đáp ngắn
• Có thể làm việc ở chế độ tuyến tính hoặc logarit
• Thời gian hồi đáp lớn
• Nhạy cảm với nhiệt độ ở chế độ logarit
• Chuyển mạch: điều khiển rơle, cổng logic…
• Đo ánh sáng không đổi (chế độ tuyến tính)
2.2.4 Phototranzito a) Cấu tạo và nguyên lý hoạt động: Gồm 3 lớp bán dẫn ghép nối tiếp tạo thành 2 tiếp giáp E - B và B – C tương tự như một tranzito
• Phân cực: chỉ có điện áp đặt lên C, không có điện áp đặt lên B, B – C phân cực ngược
• Sơ đồ mạch điện như hình vẽ
Phototranzito b) Nguyên lý làm việc
• Khi đặt điện áp E lên C, điện áp VBE 0,6 0,7 V, VBC E
Khi chiếu sáng tiếp giáp B – C, điện tử và lỗ trống phát sinh trong vùng bazơ sẽ bị phân chia do tác dụng của điện trường Cụ thể, điện tử sẽ bị kéo về điểm C, trong khi lỗ trống ở lại tại B, tạo ra dòng điện tử từ E đến B và C Kết quả là dòng ngược được xác định bởi công thức Ir = I0 + Ip.
Dòng I0: dòng ngược trong tối
Dòng Ip : dòng ngược do chiếu sáng
Ir ~ IB → Dòng colector IC: I c =(+1) I r =( +1) I 0+( +1) I p
phototranzito tương đương tổ hợp của một photodiot và một tranzito c) Độ nhạy:
S độ nhạy phụ thuộc thông lượng ánh sáng
• Chuyển mạch: thông tin dạng nhị phân (có hay không có bức xạ, bức xạ nhỏ hơn hoặc lớn hơn ngưỡng)→ điều khiển rơle, cổng logic hoặc thyristo
Phototranzito trong chế độ chuyển mạch
Cho độ khuếch đại lớn có thể dùng ĐK trực tiếp
• Sử dụng ở chế độ tuyến tính:
- Trường hợp thứ nhất: đo ánh sáng không đổi (giống luxmet)
- Trường hợp thứ hai: thu nhận tín hiệu thay đổi (Điều kiện biên độ dao động nhỏ):( ) t = + 0 1 ( ) t và I t c ( )= + I c 0 S 1 ( ) t Độ tuyến tính kém hơn photodiot
CẢM BIẾN QUANG ĐIỆN PHÁT XẠ
2.3.1 Hiệu ứng quang điện phát xạ
Hiệu ứng quang điện phát xạ, hay còn gọi là hiệu ứng quang điện ngoài, là hiện tượng mà các điện tử được giải phóng khỏi bề mặt vật liệu khi bị chiếu ánh sáng có bước sóng nhỏ hơn một ngưỡng nhất định Những điện tử này có thể được thu hồi nhờ tác dụng của điện trường.
• Cơ chế phát xạ điện tử khi chiếu sáng:
- Hấp thụ photon và giải phóng điện tử
- Điện tử được giải phóng di chuyển → bề mặt
- Điện tử thoát khỏi bề mặt vật liệu
- Do nhiều nguyên nhân số điện tử phát xạ trung bình khi một photon bị hấp thụ (hiệu suất lượng tử) thường nhỏ hơn 10% và ít khi vượt quá 30%
2.3.2 Tế bào quang điện dạng chân không a) Cấu tạo:
Sơ đồ cấu tạo tế bào quang điện chân không
Catot là thiết bị có lớp vật liệu nhạy với ánh sáng như Cs3Sb, K2CsSb, Cs2Te, Rb2Te và CsTe, được đặt trong vỏ hình trụ trong suốt hoặc vỏ kim loại với một đầu trong suốt Thiết bị này thường được đặt trong hộp bên trong được hút chân không với áp suất khoảng 10 -6 đến 10 -8 mmHg.
Sơ đồ tương đương và đặc trung I –V của tế bào quang điện chân không
• Khi chiếu sáng catot (K) các điện tử phát xạ và dưới tác dụng của điện đường do Vak tạo ra tập trung về anot (A)→ tạo thành dòng anot (Ia)
• Đặc tính V - A có hai vùng:
- Vùng điện tích không gian
Tế bào quang điện hoạt động trong vùng bão hòa, nơi mà nguồn dòng được duy trì ổn định và cường độ dòng chủ yếu phụ thuộc vào thông lượng ánh sáng Điện trở trong của tế bào quang điện rất lớn, điều này ảnh hưởng đến hiệu suất chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành điện năng.
22 b) Đặc điểm và ứng dụng:
• Độ nhạy lớn ít phụ thuộc Vak
Chuyển mạch hoặc đo tín hiệu quang
2.3.3 Tế bào quang điện dạng khí a) Cấu tạo và nguyên lý làm việc: cấu tạo tương tự tế bào quang điện chân không, chỉ khác bên trong được điền đầy bằng khí (acgon) dưới áp suất cỡ 10 -1 - 10 -2 mmHg
Khi Vak < 20V, đặc tuyến I - V của tế bào quang điện có hình dạng tương tự như tế bào quang điện Khi điện áp tăng cao, điện tử di chuyển nhanh chóng, dẫn đến việc ion hóa các nguyên tử khí và làm tăng dòng Ia từ 5 đến 10 lần Tế bào quang điện dạng khí có những đặc điểm và độ nhạy riêng biệt, mang lại nhiều ứng dụng hữu ích trong các lĩnh vực khác nhau.
• S phụ thuộc mạnh vào Vak
→ Chuyển mạch và đo tín hiệu quang
CẢM BIẾN ĐO NHIỆT ĐỘ
KHÁI NIỆM CHUNG
Nhiệt độ là một đại lượng vật lý quan trọng, phản ánh trạng thái nhiệt của vật chất và ảnh hưởng lớn đến nhiều tính chất của nó Việc đo nhiệt độ đóng vai trò thiết yếu trong ngành công nghiệp và nhiều lĩnh vực khác.
Đo nhiệt độ là quá trình gián tiếp, dựa vào sự phụ thuộc của các tính chất vật liệu vào nhiệt độ Thang nhiệt độ động học, được xây dựng bởi Thomson Kelvin, dựa trên định luật nhiệt động học thứ hai, cho thấy rằng công trong chu trình Cacnô tỷ lệ với độ chênh lệch nhiệt độ mà không phụ thuộc vào chất đo nhiệt độ.
- Điểm chuẩn: điểm tan của nước đá '3,15K
- - Một độ K bằng độ chênh nhiệt độ ứng với 1% công trong chu trình Cacnô giữa điểm sôi của nước và điểm tan của nước đá ở áp suất bình thường
• Quan hệ giữa nhiệt độ và công:
Thang đo nhiệt độ tuyệt đối mang tính chất lý luận thuần túy và không thể hiện được trong thực tế Tuy nhiên, nó giúp thống nhất đơn vị đo nhiệt độ, vì không phụ thuộc vào chất đo.
• Đối với chất khí lý tưởng:
Nhiệt kế khí độ chính xác cao b) Thang Celsius : do Andreas Celsius thành lập (1742) Đơn vị o C
• Điển chuẩn: điểm nước đá tan 0 o C; điểm nước sôi 100 o C
T( o C) = T(K) – 273,15 c) Thang Fahrenheit: do Fahrenheit thành lập (1706) Đơn vị o F
• Điểm chuẩn: Điểm nước đá tan 32 o F; Điểm nước sôi 212 o F
3.1.2 Nhiệt độ đo được và nhiệt độ cần đo
• Nhiệt độ cần đo (Tx): nhiệt độ thực của môi trường
• Nhiệt độ đo được (Tc): nhiệt độ bộ phận cảm nhận của cảm biến
• Xét cảm biến đo tiếp xúc (hình vẽ) Sai số: T = Tx - Tc 0
- Trao đổi nhiệt giữa cảm biến và môi trường đo
- Trao đổi nhiệt giữa bộ cảm biến và bên ngoài
Trao đổi nhiệt của cảm biến
3.1.3 Phương pháp đo nhiệt độ a) Phương pháp đo tiếp xúc: khi đo, cảm biến tiếp xúc với môi trường đo, phép đo dựa trên các hiện tượng:
- Giản nở của vật liệu
- Biến đổi trạng thái của vật liệu
- Thay đổi điện trở của vật liệu
Hiệu ứng nhiệt điện liên quan đến việc đo nhiệt độ mà không cần tiếp xúc trực tiếp với môi trường Phương pháp này dựa trên sự phụ thuộc của bức xạ nhiệt vào nhiệt độ, cho phép đo lường chính xác các thông số nhiệt mà không làm ảnh hưởng đến đối tượng được đo.
- Đo bằng hỏa kế bức xạ
- Đo bằng hỏa kế quang
NHIỆT KẾ GIÃN NỞ
3.2.1 Nguyên lý đo dựa vào sự giãn nở (hoặc co lại) của vật liệu khi nhiệt độ tăng (hoặc giảm)
- Thể tích: V t( )=V 0 (1+ v t ) trong đó t – nhiệt độ
• Nhiệt kế gốm - kim loại (Dilatomet):
• Nguyên lý: t tăng → t: Thanh gốm giản nở :lg ; Ống kim loại giản nở: lk
lk >lg đầu A của thanh gốm dịch chuyển sang phải: l = lk -lg = f(t) → đo l t
3.2.2 Các loại nhiệt kế giãn nở a Nhiệt kế kim loại - kim loại:
- Nguyên lý: t tăng t → các thanh giản nở với l1 >l2 do hai thanh liên kết với nhau → uốn cong → đầu A dịch chuyển: l = l1 -l2 = f(t) → đo l t
26 b Nhiệt kế giãn nở chất lỏng
- Vỏ thuỷ tinh có tt =2.10 -5 / o C
- Khi t tăng t → chất lỏng giản nở V
Chất lỏng từ bình nhiệt dâng lên ống mao dẫn một khoảng: h=f(V) = f(t) → đo h t
- Độ chính xác tương đối cao
- Khó biến đổi thành tín hiệu điện.
NHIỆT KẾ ĐIỆN TRỞ
3.3.1 Nguyên lý đo dựa vào sự thay đổi điện trở của vật liệu khi nhiệt độ thay đổi: R T ( )=R f T T 0 ( − 0 )
Ví dụ cảm biến kim loại: R T ( ) = R 0 ( 1 + AT + BT 2 + CT 3 ) Đo R(T) T
3.3.2 Các loại nhiệt kế điện trở
1 Các loại nhiệt kế điện trở kim loại a) Cấu tạo: chế tạo bằng điện trở kim loại
- Loại điện trở day quấn:
Nhiệt kế điện trở kim loại
Thông số Pt Ni Cu W
Tính bền nhiệt Bền Kém bền Kém bền Bền
Tính ổn định Cao Thấp Thấp Thấp Độ tuyến tính - - Cao Cao
Tính chất Ni Ni – Fe Pt Độ nhạy nhiệt αR.10 3 ( o C -1 ) ~ 5,0 ~ 5.0 ~ 4,0 Khoảng n.độ làm việc ( o C) - 195260 - 195 260 - 260 1400 b) Nguyên lý làm việc: dựa trên sự thay đổi điện trở: R T ( ) = R 0 ( 1 + AT + BT 2 + CT 3 )
= R dT → Hệ số nhiệt điện trở
Do α >> α l α R α → sự thay đổi kích thước ảnh hưởng không đáng kể.
Vậy: Khi nhiệt độ tăng điện trở suất vật liệu tăng điện trở tăng → đo điện trở nhiệt độ c) Đặc điểm, ứng dụng:
- Kết cấu đơn giản, dễ chế tạo
- Độ chính xác khá cao
→ Đo nhiệt độ thấp và trung bình (thường dưới 1000 o C) môi trường khí, lỏng, rắn
→ Đo nhiệt độ bề mặt
2 Nhiệt kế điện trở silic
29 a) Cấu tạo: chế tạo từ đơn tinh thể Si pha tạp loại N, kích thước cỡ 500x500x240
(m) b) Đặc trưng: Trong khoảng nhiệt độ (-55 200 o C) hệ số nhiệt điện trở dương (~7.10 -3 / o C ở 25 o C) Sự phụ thuộc của điện trở vào nhiệt độ biểu diễn gần đúng theo công thức: R T =R 01+A T T ( − 0 ) (+B T T− 0 ) 2
Sự phụ thuộc nhiệt độ của điện trở silic
3 Nhiệt kế điện trở oxyt bán dẫn a) 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 định dạng → thiêu kết ở nhiệt độ ~ 1000 o C Vỏ bọc bằng thủy tinh
Cấu tạo nhiệt điện trở có vỏ bọc thủy tinh
• Sự phụ thuộc của điện trở của nhiệt điện trở vào nhiệt độ theo biểu thức:
Hệ số nhiệt điện trở:
- 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 -4 - 10 -3 K
Đo nhiệt độ trong khoảng 0 300 o C.
CẶP NHIỆT NGẪU
Xét một mạch kín bao gồm hai dây dẫn (A) và (B) có bản chất hóa học khác nhau, được hàn nối bằng các mối hàn Khi nhiệt độ của hai mối hàn (t) và (t0) khác nhau, mạch sẽ xuất hiện một sức điện động EAB, phụ thuộc vào độ chênh lệch nhiệt độ giữa hai mối hàn, tạo ra hiệu ứng nhiệt điện.
Ở thời điểm t0, nồng độ điện tử trong khu vực A là NA(t0) và trong khu vực B là NB(t0) Giả sử NA(t0) lớn hơn NB(t0), điều này dẫn đến việc điện tử (e) khuếch tán từ A sang B, tạo ra hiệu điện thế eAB(t0) tại tiếp giáp.
- Ở đầu có nhiệt độ (t) tương tự có: eAB(t)
- Giữa hai đầu mỗi dây dẫn có chênh lệch nồng độ: (e) → khuếch tán → hình thành eA(t,t0) và eB(t,t0)
Sức điện động của cặp nhiệt không thay đổi khi thêm một dây dẫn thứ ba vào mạch, miễn là nhiệt độ ở hai đầu nối của dây dẫn này được giữ giống nhau.
• Sức điện động đủ lớn (để dễ dàng chế tạo dụng cụ đo thứ cấp)
• Có đủ độ bền cơ học và hoá học ở nhiệt độ làm việc
• Có khả năng thay lẫn
Vật liệu Thành phần Tlv.nh
Platin-Rođi / Platin (+) 90%Pt+10%Rd
+ 10%Fe (-) 95%Ni + 5%(Mn + Cr+Si)
3.4.3 Cấu tạo của cặp nhiệt
HỎA KẾ
3.5.1 Hỏa kế bức xạ toàn phần
Nguyên lý này dựa trên định luật cho thấy năng lượng bức xạ toàn phần của vật đen tuyệt đối tỉ lệ với nhiệt độ tuyệt đối của vật nâng lên lũy thừa bậc 4.
Trong đó: σ là hằng số, T là nhiệt độ tuyệt đối của vật đen tuyệt đối (K)
Thông thường có hai loại: hoả kế bức xạ có ống kính hội tụ, hoả kế bức xạ có kính phản xạ
Hỏa kế bức xạ toàn phần a) Loại có ống kính hội tụ b) Loại có kính phản xạ
1) Nguồn bức xạ 2) Thấu kính hội tụ 3) Gương phản xạ
4) Bộ phân thu năng lượng 5) Dụng cụ đo thứ cấp
Trong sơ đồ hình (5.11a), ánh sáng từ nguồn bức xạ (1) đi qua thấu kính hội tụ (2) và chiếu tới bộ phận thu năng lượng tia bức xạ (4), bộ phận này được kết nối với dụng cụ đo thứ cấp (5).
Ánh sáng từ nguồn bức xạ (1) chiếu tới gương phản xạ (3) trong sơ đồ hình (5.11b) và được hội tụ vào bộ phận thu năng lượng tia bức xạ (4), bộ phận này sau đó kết nối với dụng cụ đo thứ cấp (5).
Bộ phận thu năng lượngcó thể là một vi nhiệt kế điện trở hoặc là một tổ hợp cặp nhiệt, chúng phải thoả mãn các yêu cầu:
+ Có thể làm việc bình thường trong khoảng nhiệt độ 100 - 150 o C
+ Phải có quán tính nhiệt đủ nhỏ và ổn định sau 3 - 5 giây
+ Kích thước đủ nhỏ để tập trung năng lượng bức xạ vào đo
Bộ thu trong hình 5.12 bao gồm cặp nhiệt, thường là cặp crômen/côben mắc nối tiếp Các vệt đen được phủ bằng bột platin Hoả kế sử dụng gương phản xạ có tổn thất năng lượng thấp khoảng 10%, trong khi hoả kế với thấu kính hội tụ có thể tổn thất từ 30-40% Tuy nhiên, gương phản xạ có nhược điểm là khi môi trường nhiều bụi, bề mặt gương bị bẩn sẽ làm giảm độ phản xạ và tăng sai số đo.
Khi đo nhiệt độ bằng hoả kế bức xạ sai số thường không vượt quá 27 o C, trong điều kiện: + Vật đo phải có độ den xấp xỉ bằng 1
+ Tỉ lệ giữa đường kính vật bức xạ và khoảng cách đo (D/L) không nhỏ hơn 1/16
1) Cặp nhiệt 2)Lớp phủ platin
Trong thực tế độ đen của vật đo e 120 o C (R10 20 /cm 3 )
• Phụ thuộc độ biến dạng: K =K 1 +K 2 +K 2 2 Khi nhỏ → có thể coi K = const
CẢM BIẾN ĐO LỰC
NGUYÊN LÝ ĐO LỰC
Nguyên tắc đo lực: làm cân bằng lực cần đo với một lực đối kháng sao cho lực tổng hợp và momen tổng của chúng bằng không
• Lực cần đo F → tác động lên vật trung gian → gây ra biến dạng và lực đối kháng
• Đo trực tiếp biến dạng Lực
• Đo gián tiếp qua sự thay đổi tính chất của vật liệu chế tạo vật trung gian khi bị biến dạng.
CẢM BIẾN ÁP ĐIỆN
6.2.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
Cảm biến được cấu tạo dưới dạng tấm mỏng, sử dụng vật liệu áp điện như thạch anh hoặc gốm PZT, với hai mặt được phủ kim loại, tạo thành một thiết bị tương tự như tụ điện.
Vật liệu Điện trở suất
Nhiệt độ làm việc T max ( o C) Đặc điểm
Thạch anh 10 12 Y 11 10 550 Tính ổn định & độ cứng cao
PZT5A 10 11 Y 33 S 7-8 365 b , HB, S cao, C lớn, dễ SX, chế tạo
Nguyên lý hoạt động của thiết bị áp điện dựa trên hiệu ứng áp điện, trong đó khi chịu lực cơ học, tấm áp điện sẽ biến dạng, tạo ra điện tích trái dấu trên hai bản cực Hiệu điện thế (V) giữa hai bản cực tỉ lệ thuận với lực tác dụng (F).
- Các dạng biến dạng cơ bản:
Theo chiều dọc Theo chiều ngang
Cắt theo bề dày Cắt theo bề mặt
- Cách ghép các phần tử áp điện thành bộ:
Hai phần tử song song Hai phần tử nối tiếp
Nhiều phần tử song song
6.2.2 Cảm biến thạch anh kiểu vòng đệm a) Cấu tạo:
Cảm biến thạch anh kiểu vòng đệm
1 Các vòng đệm; 2.Các tấm đế; 3 Đầu nối dây
• Các vòng đệm: phiến cắt từ đơn tinh thể thạch anh, nhạy với lực nén dọc theo chiều trục b) Đặc điểm
• Chỉ nhạy với lực nén theo chiều trục → đo lực nén (có thể đo lực kéo bằng cách nén trước)
• Giới hạn trên của dải đo cỡ từ vài kN (với đường kính ~ 1 cm) đến 10 3 kN ( với đường kính ~ 10 cm)
6.2.3 Cảm biến thạch anh kiểu nhiều thành phần a) Cấu tạo:
6.2.4 Mạch đo a) Sơ đồ tương đương của cảm biến:
Trong dải thông có ích
R g – điện trở trong của cảm biến; C g – điện dung của cảm biến
R1 và C1 là điện trở và tụ tương đương với trở kháng cáp dẫn b) Sơ đồ khuếch đại điện áp
Sơ đồ tương đương của cảm biến mắc nối tiếp với bộ khuếch đại điện thế
C =C +C Điện áp ở cửa vào của bộ khuếch đại:
= + c) Sơ đồ khuếch đại điện tích
Sơ đồ khối bộ chuyển đổi điện tích – điện áp
Sơ đồ ghép nối cảm biến và bộ chuyển đổi điện tích - điện áp
Trong mạch khuếch đại điện tích, sự di chuyển của điện tích tại đầu vào tạo ra một điện áp ở đầu ra tỷ lệ với điện tích đầu vào Bộ khuếch đại điện tích đóng vai trò quan trọng trong việc khuếch đại tín hiệu điện.
Bộ biến đổi điện tích - điện áp 60 bao gồm các thành phần chính như tầng chuẩn độ nhạy, bộ lọc trung gian và nhiều tầng khuếch đại ở đầu ra, nhằm cung cấp tín hiệu ra ổn định và chính xác.
CẢM BIẾN TỪ GIẢO
Dưới tác động của từ trường, một số vật liệu sắt từ có thể thay đổi hình dáng và tính chất cơ học, cụ thể là mô đun Young, điều này dẫn đến hiện tượng được gọi là hiệu ứng từ giảo.
Khi lực cơ học tác động lên vật liệu sắt từ, ứng lực trong chúng sẽ làm thay đổi đường cong từ hoá, dẫn đến hiệu ứng từ giảo nghịch.
Từ hóa lần đầu Chu trình từ trể Đường cong từ hóa
Khi vật liệu sắt từ chịu ứng lực, kích thước mạng tinh thể sẽ thay đổi, dẫn đến sự biến đổi trong các hướng dễ từ hoá và định hướng của các miền từ Sự thay đổi này ảnh hưởng đến đường cong từ hóa, gây ra hiệu ứng từ giảo nghịch.
Sự biến dạng của đường cong từ hoá dưới tác dụng của lực kéo
Trên hình biểu diễn ảnh hưởng của ứng lực đến đường cong từ hoá của permalloy 68
6.3.2 Cảm biến từ thẩm biến thiên
❖ Cấu tạo, nguyên lý làm việc:
Dưới tác động của lực F, lõi từ bị biến dạng, dẫn đến sự thay đổi độ từ thẩm (μ), làm cho từ trở của mạch từ (Rt) cũng thay đổi, từ đó ảnh hưởng đến độ tự cảm (L) của cuộn dây.
= = Cảm biến từ giảo có từ thẩm biến thiên
1 Gông từ; 2 Lõi từ; 3 Cuộn dây
6.3.3 Cảm biến từ dư biến thiên
❖ Cấu tạo, nguyên lý làm việc:
• Dưới tác dụng của lực cần đo → Br thay đổi , ví dụ lực nén (d < 0), Br tăng lên:
• Br thay đổi → biến thiên → ec.ư
• Điện áp hở mạch: V m K dB r K dB d r dt d dt
CẢM BIẾN ĐO LỰC DỰA TRÊN PHƯƠNG PHÁP ĐO DỊCH CHUYỂN
1 Nguyên lý: Trong cảm biến loại này, lực cần đo tác dụng lên vật trung gian và gây nên sự thay đổi kích thước l của nó Sự thay đổi kích thước được đo bằng một cảm
62 biến dịch chuyển Khi đó tín hiệu ra Vm và lực tác dụng được biểu diễn bằng biểu thức: m m
Vm/l: tỉ số truyền đạt của cảm biến
l/F : độ mềm của vật trung gian
• Cảm biến đo dịch chuyển:
- Điện thế kế điện trở
- Cảm biến từ trở biến thiên
CẢM BIẾN XÚC GIÁC
Cảm biến hoạt động dựa trên một đế cách điện với lưới dẫn điện dưới điện áp V, bao gồm hai hệ thống dây dẫn vuông góc tạo thành các ô vuông nhỏ, mỗi ô đều có điện cực cách điện Các điện cực này được nối với đất qua mạch đo dòng Bề mặt hệ thống được phủ cao su pha hạt dẫn điện Khi lực nén tác động lên tấm cao su, khoảng cách giữa các hạt dẫn điện giảm, làm giảm điện trở và tăng dòng điện Toạ độ của vùng có dòng điện tăng lên sẽ xác định vị trí và giá trị của lực tác dụng.
Cảm biến xúc giác a) Hệ thống cực đo b) Tác dụng của lực lên điện cực
CẢM BIẾN ĐO VẬN TỐC, GIA TỐC VÀ RUNG
CẢM BIẾN ĐO VẬN TỐC
7.1.1 Nguyên lý đo vận tốc
❖ Vai trò đo vận tốc quay:
• Trong công nghiệp, phần lớn trường hợp đo vận tốc là đo tốc độ quay của máy
• Trong trường hợp chuyển động thẳng, việc đo vận tốc dài cũng thường được chuyển về đo tốc độ quay
Chủ yếu nghiên cứu cảm biến đo tốc độ quay
❖ Nguyên lý đo vận tốc quay:
Phương pháp sử dụng tốc độ kế điện từ dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ, bao gồm hai phần: phần cảm và phần ứng Khi có chuyển động tương đối giữa hai phần này, từ thông đi qua phần ứng sẽ biến thiên, dẫn đến sự xuất hiện suất điện động cảm ứng Suất điện động này tỉ lệ thuận với tốc độ biến thiên của từ thông và tốc độ dịch chuyển, cho phép đo lường vận tốc (v) thông qua giá trị suất điện động (e).
• Các loại: Tốc độ kế một chiều, tốc độ kế xoay chiều…
• Sức điện động cảm ứng: ( ) d e t dt
• Từ thông qua phần cứng: ( ) x = 0 F x ( ).F(x) là hàm phụ thuộc vị trí của phần động
( ) 0 dF x ( ) 0 dF x ( ) dx e t = − dt = − dx dt
Phương pháp 2 sử dụng tốc độ kế vòng loại xung để đo tần số chuyển động của phần tử quay Cảm biến được trang bị một đĩa mã hóa gắn với trục quay, tạo ra các xung tương ứng với chuyển dịch cơ bản Tần số xung này tỉ lệ thuận với tốc độ mà cần đo, giúp xác định chính xác vận tốc của phần tử chuyển động.
• Các loại: Tốc độ kế từ trở biến thiên, tốc độ kế quang…
7.1.2 Tốc độ kế điện từ a) Tốc độ kế điện từ một chiều:
• Cấu tạo và nguyên lý làm việc:
Sơ đồ cấu tạo của máy phát dòng một chiều
1 Stato; 2 Rôto; 3 Cổ góp; 4 Chổi quét
Rôto là lõi thép kỹ thuật điện được cấu tạo từ nhiều tấm ghép lại, với mặt ngoài được xẻ rãnh để đặt các dây dẫn chính Các dây dẫn chính được nối với nhau thành cặp thông qua dây phụ, và hai cụm dây dẫn được mắc nối tiếp với nhau theo cách ngược pha.
• Stato: nam chân vĩnh cửu hoặc nam châm điện
• Khi rô to quay, trong dây dẫn → sđđ cảm ứng: i d i iN e r l B dt
• Trong nửa số dây ở bên phải đường trung tính: 0 0 p 2
• Trong nửa số dây ở bên trái đường trung tính: 0 0 t 2
= = b) Tốc độ kế dòng xoay chiều
Sơ đồ cấu tạo của máy phát đồng bộ
• Khi rôto (phần cảm) quay, trong các cuộn dây của stato (phần ứng) xuất hiện s.đ.đ cảm ứng: e=E.sint Trong đó E = K 1 và = K 2
K1 và K2 là các thông số phụ thuộc cấu tạo của máy phát
• Đo E : có sai số do ảnh hưởng của tổng trở cuộn ứng và suy giảm tín hiệu khi truyền đi xa Điện áp V ở hai đầu cuộn ứng:
Khi điện trở tải R = + Z i R i j L i (tổng trở của cuộn ứng)→ V E Đo → : có thể truyền tín hiệu đi xa không ảnh hưởng đến độ chính xác
Sơ đồ máy phát không đồng bộ
• Rôto làm bằng kim loại dị từ quay cùng trục quay
• Stato: có hai cuộn dây: cuộn kích và cuộn đo
• Điện áp kích thích Vc = Ve.coset
• Khi rô to quay, trong cuộn đo xuất hiện s.đ.đ cảm ứng:
Biên độ s.đ.đ cảm ứng Em = K. (K: hệ số tỉ lệ) Đo Em
7.1.3 Tốc độ kế xung a) Tốc độ kế từ trở biến thiên
❖ Cấu tạo và nguyên lý làm việc:
Khi đĩa quay, khe hở biến thiên dẫn đến sự thay đổi từ trở của mạch từ Sự biến thiên này tạo ra một từ trường qua cuộn dây, gây ra hiện tượng xuất hiện s.đ.đ cảm ứng (e) trong cuộn dây Tần số (f) của s.đ.đ cảm ứng tỷ lệ thuận với tốc độ quay (n) của đĩa.
Biên độ (E) của s.đ.đ cảm ứng bị ảnh hưởng bởi khoảng cách giữa cuộn dây và đĩa quay, cũng như tốc độ quay Khi khoảng cách giảm và tốc độ quay tăng, biên độ sẽ tăng theo Tuy nhiên, nếu tốc độ quay thấp hơn một mức nhất định, biên độ sẽ trở nên quá nhỏ và không thể đo được, tạo ra một vùng chết.
• Dải đo của cảm biến phụ thuộc vào số răng (p) của đĩa: p lớn → 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 10.000 vg/ph b) Tốc độ kế quang
❖ Cấu tạo và nguyên lý làm việc
Sơ đồ nguyên lý của tốc độ kế quang
1 Nguồn sáng; 2 Thấu kính hội tụ; 3 Đĩa quay; 4 Đầu thu quang
• Phạm vi đo phụ thuộc:
- Số lượng lổ trên đĩa
Để đo tốc độ nhỏ khoảng 0,1 v/ph, cần sử dụng đĩa có từ 500 đến 1000 lỗ Đối với tốc độ lớn từ 10^5 đến 10^6 v/ph, chỉ cần sử dụng đĩa quay với một lỗ duy nhất Tần số ngắt của mạch điện sẽ xác định tốc độ cực đại có thể đo được.
CẢM BIẾN ĐO RUNG VÀ GIA TỐC
7.2.1 Khái niệm cơ bản a) Gia tốc:
Gia tốc là đại lượng vật lý quan trọng, thể hiện mối quan hệ giữa lực và khối lượng Việc đo gia tốc có thể được thực hiện thông qua các phương pháp như đo lực bằng cảm biến áp điện hoặc cảm biến cân bằng ngẫu lực, hoặc thông qua việc đo gián tiếp sự biến dạng hay di chuyển của vật trung gian.
❖ Phương pháp đo gia tốc phụ thuộc dải gia tốc
❖ Dải gia tốc và phương pháp đo:
• Gia tốc nhỏ của chuyển động có dao động trọng tâm tần số thấp (f = 0 ~20 Hz) → CB gia tốc đo dịch chuyển và CB gia tốc đo biến dạng
• Gia tốc rung có f hàng trăm Hz (của các cấu trúc cứng,có M lớn…) → CB từ trở biến thiên, CB đo biến dạng (kim loại hoặc áp điện trở)
• Gia tốc rung có (f) trung bình và tương đối cao (f~10kHz) (vật có khối lượng nhỏ) → CB gia tốc áp trở hoặc áp điện
• Gia tốc khi va đập, gia tốc tốc có dạng xung → CB gia tốc có dải thông rộng về cả hai phía f thấp và cao b) Rung động (Rung):
Rung động là một hiện tượng phổ biến trong lĩnh vực kỹ thuật, có tác động đáng kể đến hiệu suất làm việc, độ an toàn và tuổi thọ của máy móc và thiết bị.
• Độ rung được đặc trưng bởi độ dịch chuyển (z), tốc độ (v) hoặc gia tốc (a) ở các điểm trên vật rung
Đo rung: đo một trong những đặc trưng trên
CB đo rung: CB đo dịch chuyển, CB đo tốc độ hoặc cảm biến đo gia tốc c) Sơ đồ nguyên lý cảm biến đo gia tốc và rung:
Sơ đồ nguyên lý cảm biến đo gia tốc và rung
1 Khối rung; 2 Vỏ hộp; 3 Phần tử nhạy cảm; 4 Giảm chấn
• Phương trình cân bằng lực:
Mô tả bằng toán tử laplace:
= CM → Hệ số tắc dần
Cảm biến đo đại lượng sơ cấp m1, bao gồm độ dịch chuyển h0, vận tốc dh0/dt và gia tốc d²h0/dt², được cấu tạo dựa trên công thức (*) và phụ thuộc vào đại lượng đo thứ cấp m2, như z, dz/dt hoặc d²z/dt², cùng với dải tần số làm việc.
• Cảm biến thứ cấp thường sử dụng:
- Cảm biến đo vị trí tương đối của khối lương rung M so với vỏ hộp
- Cảm biến đo lực hoặc cảm biến đo biến dạng
- Cảm biến đo tốc độ đối tượng
= = 7.2.2 Cảm biến đo tốc độ rung a) Cấu tạo và nguyên lý làm việc:
Sơ đồ nguyên lý cảm biến đo vận tốc rung
1 Vỏ hộp; 2 Khối rung; 3 Lõi nam châm;
4 Cuộn dây; 5 Lò xo; 6 Giảm chấn
• Đại lượng đo sơ cấp m1 là tốc độ rung dh0/dt
• Đại lượng đo thứ cấp m2 là dịch chuyển tương đối z hoặc tốc độ dịch chuyển tương đối dz/dt b) Đặc điểm:
• Sai số do lực cản của cuộn dây CB thứ cấp
• Tín hiệu ra là điện áp
• Đo rung tần sô thấp
7.2.3 Gia tốc kế áp điện a) Cấu tạo và nguyên lý làm việc:
Sơ đồ cấu tạo gia tốc kế áp điện kiểu nén
1 Khối lượng rung; 2 Phiến áp điện; 3 Đai ốc; 4 Đế; 5 Vỏ hộp
Sơ đồ cấu tạo gia tốc kế áp điện kiểu uốn cong
1 Khối lượng rung; 2 Phiến áp điện; 3 Vỏ hộp b) Đặc điểm:
• Có tần số cộng hưởng cao
• Nhạy với ứng lực của đế
• Tần số và gia tốc rung đo được bị hạn chế c) Độ nhạy: S Q S S 1 2
• Độ nhạy của CB thứ cấp: 1
• Độ nhạy của CB sơ cấp:
7.2.4 Gia tốc kế áp trở a) Cấu tạo và nguyên lý làm việc:
Sơ đồ nguyên lý của cảm biến gia tốc kế áp trở
1 Khối rung; 2 Tấm đàn hồi; 3 Áp trở; 4 Đế b) Độ nhạy: V m V m 1 2
• Độ nhạy điện của cầu Wheatstone: