C2 nguyen ly cam bien m

Chương 2 Nguyên lý cảm biến 2.1.MỤC ĐÍCH SỬ DỤNG CẢM BIẾN Cảm biến là bộ phận cảm nhận sự biến thiên của một đại lượng vật lý và chuyển thông tin nhận được tới thiết bị chỉ thị.. Cảm b

Chương 2

Nguyên lý cảm biến

2.1.MỤC ĐÍCH SỬ DỤNG CẢM BIẾN

Cảm biến là bộ phận cảm nhận sự biến thiên của một đại lượng vật lý và chuyển thông tin nhận được tới thiết bị chỉ thị Cảm biến thực chất là các dụng cụ dùng biến đổi các đại lượng vật lý không điện như lực, nhiệt độ, tốc độ, gia tốc …thành đại lượng điện Khi sử dụng các đại lượng điện cho phép dễ đo, độ nhạy cao, dễ thực hiện tự động hóa, đo từ xa và kết hợp với máy tính để lưu trữ và xử lý số liệu Theo nguyên lý sẽ có hai loại cảm biến cơ bản đó là loại không cần năng lượng bên ngoài và loại cần năng lượng bên ngoài

Bảng 2.1 Cảm biến không cần năng lượng bên ngoài

Lực F Tinh thể piezoelectrique

(cảm biến áp điện)

Q = k.F

Thông lượng bức xạ Pin quang điện U = f(R)

Tốc độ Máy phát cảm ứng E = f(d/dt)

= k(dx/dt)

Bảng 2.2 Cảm biến cần năng lượng bên ngoài

Đại lượng trung gian Các thông số biến đổi

R = f( , l, S)

: Điện trở suất; l: Chiều dài; S: Tiết diện dây

C = f(S,δ,) S: Tiết diện bản cực; δ: Khoảng cách giữa hai bản cực; :

Hằng số điện môi

L = f(l,S,,n) l: chiều dài; S: diện tích vòng dây; : Độ từ thẩm; n: số

vòng dây

2 Cảm biến điện trở lực căng

Thường dùng để đo biến dạng, đo lực, đo ứng suất Khi dán dây điện trở vào chỗ cần

đo biến dạng, điện trở của dây là

S

l

R= (Strain Gauge)

Hình tròn:

4

2

D

S =

D

dD S

dS 2

=

Hình chữ nhật: S=a.b

b

db a

da S

dS = +

S

dS l

dl d

R

dR

− +

=





Đặt

l

dl

=

 độ biến dạng dài tương đối phương chiều dài, khi đó biến dạng theo

phương vuông góc sẽ là: = = = −

b

db a

da D

dD

( là hệ số poisson của vật liệu)

























+ +

= + +

=



















d d

R

dR

2 1







=

d

là hệ số tỷ lệ

R

dR



= với k=(1+2+)do đó sự thay đổi của biến dạng tỷ lệ với sự thay đổi của điện trở và được đo dưới dạng điện

S

: điện trở suất

l: là chiều dài đoạn biến trở

S: tiết diện

U=RI

U=U1+U2

Hình 2.1 Cảm biến kiểu biến trở

Hình 2.2 Cảm biến điện trở lực căng

Hình 2.3 Sơ đồ mắc cảm biến điện trở trong cầu đo

Hình 2.4 Sơ đồ dán cảm biến điện trở lực căng để đo lực kéo và mô men uốn

a, Một nhánh làm việc, có bù nhiệt; b,c, Hai nhánh làm việc, có bù nhiệt; d, bốn nhánh

làm việc, có bù nhiêt

3 Cảm biến điện trở nhiệt

Lợi dụng sự thay đổi của điện trở kim loại theo nhiệt độ người ta dùng cảm biến nhiệt điện trở để đo tốc độ, nhiệt độ dòng chảy Nguyên lý đo này được dựa trên đặc điểm khi nhiệt độ thay đổi điện trở suất  của vật liệu thay đổi, thông thường sự thay đổi

(T) là phi tuyến, tuy nhiên có thể tính gần đúng theo công thức sau:

)

(T =0 + T−T0



(T): điện trở suất ở nhiệt độ T

0: điện trở suất ở nhiệt độ T0

 Hệ số nhiệt của vật liệu (k-1)

T0,T: Nhiệt độ đầu và nhiệt độ cuối

Thông thường  được xác định thông qua điện trở của vật liệu ở hai giá trị nhiệt độ cách nhau 1000C (R0, R100)

100

0

R R R

−

=



Dùng cảm biến điện trở nhiệt để đo tốc độ tức thời của dòng chảy rối ví dụ như lưu lượng khí (ống pitot chỉ đo được tốc độ trung bình) Hình 2.5

Nguyên lý mạch cầu đo:

Cầu đo gồm bốn điện trở R1, R2, R3, R4 gọi là các nhánh của cầu Trên một nhánh chéo của cầu đo cung cấp điện thế U, nhánh còn lại mắc dụng cụ đo có điện trở trong Rđ Trên các nhánh của cầu với điện trở R1, R2 sẽ có các dòng điện I1, I2 đi qua, còn trên các nhánh với điện trở R3, R4 sẽ có cả dòng Iđ đi qua Theo định luật Kiếc hốp đối với mạch điện phân nhánh ta có:

d

d

U R R R R I

R R R R R R R R R R R R R

−

=

Khi R2R4-R1R3=0, cầu cân bằng Iđ=0

Khi Iđ  0, cầu mất cân bằng, mức độ mất cân bằng thể hiện qua điện kế G

Nguyên lý cảm biến “dây nóng”: Dây nóng chính là một dây điện trở nhiệt Rt mắc trong cầu điện trở Wheatston, khi có nguồn cung cấp nó được nung lên tỏa ra nhiệt lượng W tỷ lệ với RI2 Khi có dòng chảy chảy qua, do truyền nhiệt đối lưu, nhiệt lượng thay đổi một lượng:

Q = h (Tcảm biến - Tdòng chảy);

Trong đó h là hệ số trao đổi nhiệt đối lưu, h~Nu (chỉ số Nusselt), có nghĩa h ~ tốc độ dòng chảy v Như vậy lượng nhiệt mất đi tỷ lệ với tốc độ dòng chảy, khi nhiệt độ dây nóng giảm làm cho điện trở giảm, cầu mất cân bằng, điều đó được xác định bằng điện

kế G Dây nóng có kích thước càng nhỏ càng có khả năng đo được biến thiên với tần

số cao và ngược lại

4 Cảm biến điện dung

Cảm biến thực chất là một tụ điện có thể là: Tụ phẳng hoặc tụ hình trụ

Đối với tụ phẳng, điện dung của tụ: C .S



=

+  hằng số điện môi của chất cách điện

+ S: tiết diện bản cực

Hình 2.5 Cảm biến điện trở nhiệt

Hình 2.6 Sơ đồ cầu Wheatston

Hình 2.7 Cảm biến điện dung: a, loại phẳng; b, loại hình trụ; c, loại xoay

Hình 2.8 Sơ đồ cảm biến điện dung

Đối với tụ hình trụ, điện dung của tụ:

2 1

2 ln

l C

D D

 

=

+ l: là chiều dài tác dụng của tụ điện

+ r1, r2 bán kính của hình trụ ngoài và trong

Điện trở trong của tụ: 2

1



C

R C = , như vậy khi thay đổi C có thể thay đổi điện trở RC Cảm biến điện dung áp dụng để đo vị trí, dao động…

5 Cảm biến điện cảm

Thường được áp dụng để đo dao động, tốc độ, vị trí…

Hình 2.9 Nguyên lý cảm biến điện cảm

Cảm kháng của cuộn dây được tính theo công thức:



=

R

N L

2

N: số vòng dây

RΣ: Tổng trở của mạch từ

RΣ = RS + RL

S

l R

r

S = 0 ; R L 0S

2





=

l: chiều dài lõi sắt

 hệ số từ trở của không khí

r: hệ số từ trở tương đối của sắt

S: Tiết diện lõi sắt

 Khe hở không khí

Hình 2.10 Cảm biến điện cảm: a, loại đơn; b, loại ghép

Vậy:

S S l

N L

0

2

2







=

Thay đổi  sẽ thay đổi được cảm kháng L, tuy nhiên loại cảm biến này không phù hợp với môi trường có nhiệt độ cao

6 Cảm biến nhiệt điện

Còn gọi là cặp nhiệt ngẫu Cảm biến này dựa trên hiệu ứng nhiệt điện, khi hai dây kim loại được hàn lại với nhau tại một điểm thì trong mạch của hai dây kim loại này sẽ có dòng điện nếu như đầu nối chung được đốt nóng Thế hiệu của hai đầu dây được xác định:



= 1

2

T

T

T

; trong đó T1, T2 là nhiệt độ môi trường và nhiệt độ tại đầu đo

 hệ số Pelltier

Cặp nhiệt ngẫu được áp dụng khá nhiều để đo nhiệt độ

Hình 2.11 Cảm biến nhiệt điện

7 Cảm biến quang điện

Cảm biến quang điện thực chất là sử dụng các linh kiện quang điện, sẽ bị thay đổi trạng thái điện khi có ánh sáng thích hợp tác động vào bề mặt của nó

+ Tế bào quang điện: Đặc trưng cơ bản của tế bào quang điện là điện trở của nó phụ thuộc vào thông lượng của bức xạ và phổ của bức xạ đó Cơ sở vật lý của tế bào quang điện là hiện tượng quang dẫn do kết quả của hiệu ứng quang điện bên trong, đó là hiện tượng giải phóng hạt tải điện trong vật liệu bán dẫn dưới tác dụng của ánh sáng Cảm biến này thường được dùng để đo tốc độ, gia tốc

Hình 2.12 Cảm biến quang điện

Hình 2.13 Cảm biến áp điện

Điện lượng sinh ra trên tinh thể khi có lực P tác dụng được xác định như sau: Q=k.P

Với k là hệ số áp điện đối với SiO2 thì k=2,1.10-2 C/N

P: Lực tác dụng (N)

Trên hình 2.14 và 2.15 thể hiện sơ đồ khối của các hệ thống đo dùng cảm biến

Hình 2.14 Sơ đồ hệ thống đo thuộc nhóm 1

Hình 2.15 Sơ đồ hệ thống đo thuộc nhóm 2 (điều khiển)

Áp suất

Điện cực Tinh thể Tinh thể

Áp suất Điện cực

Trên hình 2.16 thể hiện kết cấu một số loại cảm biến thông dụng

Hình 2.16 Kết cấu một số loại cảm biến thông dụng

2 Cảm biến điện trở lực căng: 2

3 Cảm biến điện trở nhiệt: 3

4 Cảm biến điện dung: 4

5 Cảm biến điện cảm: 5

6 Cảm biến nhiệt điện: 7

7 Cảm biến quang điện: 7

8 Cảm biến áp điện: 8