THIẾT BỊ ĐIỆN HẠ ÁP
3. Cảm biến tuyến tính
Thường được nối một cách đơn giản bằng ba cách như hình 7-4.
Hình 7-4 Cảm biến điện trở tuyến tính U0
Ur
x
Rx l
U0
Ur
c) a) b)
R0
Ở chế độ không tải hoặc khi điện trở vào của mạch lớn hơn nhiều so với điện trở của cảm biến R0
thì điện áp ra UR0 phụ thuộc vào chuyển dịch x hoặc góc ϕ theo phương trình sau mà không phụ thuộc vào trị số điện trở R0:
- Cảm biến thẳng: UR0 = . x s . x l
r U R .
U 0
0
0 = =
- Cảm biến quay : UR0 = .r=s.ϕ R
U
0 0
Trong âọ: s = l U0
gọi là độ nhạy của cảm biến, trên đặc tính góc hình 7-5, góc α có : tgα = s = l U0
.
Hình 7-5: Đặc tính cảm biến tuyến tính Chú ý: nếu nối cảm biến theo sơ đồ a) và b) hình 7-
4 thì cực tính điện áp ra của cảm biến không thay đổi, nếu nối theo sơ đồ c) có thể thay đổi được điện áp ra lớn nhất giảm còn U0/2nhưng ở cực tính điện áp ra vẫn bằng U0, có nghĩa là độ nhạy cảm biến tăng lên hai lần. Tuy nhiên cấu tạo cảm biến theo sơ đồ này sẽ phức tạp hơn. Ngoài các loại như hình 7-4 a,b,c còn dùng sơ đồ kiểu cảm biến kép góc quay.
α
I,X U0
Thông thường để tăng độ nhạy của cảm biến người ta nâng cao điện áp làm việc U0.
Việc này dẫn đến tăng công suất tiêu tán của
cảm biến. Độ nhạy cực đại phụ thuộc vào công suất cho phép lớn nhất Pmax của điện trở cảm biến R0 được xác định theo công thức sau:
max 0 max
max x
R .
S = P
Trong đó: xmax là độ dịch chuyển lớn nhất của tiếp điểm động.
Độ nhạy của cảm biến điện trở đạt từ 3 đến 5 [V/mm].
Một số nguyên nhân sai số của cảm biến khi làm việc
+ Vùng không nhạy : do cảm biến gồm nhiều vòng dây quấn liên tiếp trên khung nên trong quá trình làm việc tiếp điểm động dịch chuyển từ vùng này
sang vùng khác điện áp sẽ thay đổi nhảy cấp với giá trị U ( là điện áp rơi trên một vòng dáy).
∆
Hình 7-6:Vùng không nhạy của cảm biến
∆U = W U0
Với W là số vòng dây của cảm biến.
Khi tiếp điểm chưa chuyển dịch đến vùng khác thì điện áp ra không đổi do đó đặc tính UR0 thực chất là đường bậc thang như hình 7- 6.
+ Sai số do tải: khi đặt tải Rt và điện áp vào Ro là U0 thì đặc tính UR = f (x) sẽ thay đổi hình dạng không còn là đường thẳng nữa. Xét cảm biến đơn tải như hình 7-7.
Hình 7-7:Cảm biến đơn tải
U0 R0
r RT
Ur
Ur
X U
∆X
∆
Sau khi biến đổi ta có:
t t 0
0 t t r
R r
R . ) r r R ( I U
R r
R . I r U
+ + +
=
= +
.
Từ đó ta có :
Ur = I.r =
t 2
t 0 0
R r R
R . r
r . U
0 −
R +
83
( 7.1) -Nếu Rt >> R0 thì 0
R R
t
0 ≈ vaì 0
R r
t
2 ≈ ta cọ:
Ur = 0
0
0 U
R . r
U = .
Rt hầu như không ảnh hưởng đến điện áp ra và đặc tính gần dạng không tải.
-Nếu Rt ≈R0 thì sai số gây ra sẽ là:
2
0 2 0 t 2 0
0 2 0
r . R r . R R R
) r R ( r . U U
− +
= −
∆ .
Và ta có sai số tương đối lớn nhất:
amax = U0
∆U
tải r = R0 3
2 ứng với x = l 3 2
vaì amax = 27η
4 với
0 t
R
= R
η là hệ số tải. Ta thấy hệ số tải càng lớn η càng lớn thì sai số a càng nhỏ.
Ngoài ra sai số của cảm biến còn do sự thay đổi của nhiệt độ, ma sát do điện áp rơi trên tiếp xúc gáy ra.
4. Cảm biến phi tuyến
Trong kĩ thuật ngoài cảm biến điện trở tuyến tính còn cần cả những cảm biến điện trở phi tuyến là loại có đặc tính quan hệ Ur = f(x) dạng phi tuyến. Để tạo ra loại cảm biến có quan hệ Ur = f(x) theo yêu cầu cho trước có thể thực hiện theo các phương pháp sau:
a) Thay đổi đường kính dây quấn.
b) Thay đổi bước dây quấn.
c) Thay đổi tiết diện ngang của khung dây.
d) Mắc điện trở sun vào từng phân đoạn của cảm biến tuyến tính có trị số khác nhau.
Thực tế phương pháp a và b rất khó thực hiện do công nghệ chế tạo, chỉ có hai phương pháp sau thường được sử dụng. Phương pháp thay đổi tiết diện ngang của khung dây thường để đơn giản cho chế tạo. Người ta sử dụng dây quấn tiết diện không đổi và bề mặt khung như nhau suốt chiều dài khung (như hỗnh 7-8).
Hình 7-8: Cảm biến điện trở phi tuyến
l
dx x
hx
Trong âọ cọ:
hx là chiều cao khung tại vị trí x.
l:chiều dài làm việc của cảm biến . W: số vòng dây.
R0 là điện trở toàn bộ của cảm biến.
S là tiết diện dây quấn.
rx là điện trở ứng với vị trí x.
Nếu tiếp điểm động dịch chuyển từ vị trí x đi một đoạn dx thì điện trở ứng với độ dịch chuyển đó là:
drx =
s
dx l . ).W h b ( 2
.. + x
ρ
Vỗ b<< hx vaỡ coi nhỉ b+hx ≈hx nón cọ:
drx
s . l
W . h . 2 .. x
≈ρ .
Hình 7-9: Mạch đo mức chất lỏng dùng cảm biến Ứng dụng cảm biến điện trở trong bể
đo mức chất lỏng hình 7-9.
Trong âọ:
1- Bể chất lỏng.
2- Phao nối với bộ phận cơ khí.
3- Tiếp điểm động.
4- Cảm biến. 5- Lô gô mét.
5. Cảm biến điện trở tiếp xúc (biến trở than)
Dổỷa trón nguyón lờ sổỷ thay đổi điện trở tiếp xúc giữa các hạt than khi lỉûc ẹp lãn (ạp lỉûc) trãn chụng thay đổi.
Cấu tạo: gồm các hạt than được kết dính theo một phương pháp nhất định thành các đĩa đường kính từ 5 đến 30 mm dày 1mm đến 2mm. Mỗi cảm biến gồm 10 đến 15 đĩa than xếp chồng nên nhau và có điện trở khoảng vài chục Ôm. Để tăng độ ổn định khi làm việc cảm biến được đặt dưới áp suất ban đầu (khi không tải) khoảng 20kg/cm2, áp suất lớn nhất khi làm việc (có tải) đến (50 ÷ 60) kg/cm2 thì điện trở cảm biến giảm (20 ÷ 30)%. Đại lượng vào là lực F ra là Rk đặc tính vào ra như hình 7-10.
quan hệ Rk = f(F) mô tả theo công thức : k m Rk0 F
R = K + , với:
⎪⎪
⎩
⎪⎪⎨
⎧
hản.
tới eùp lổỷc ạp hạn với tới
điện trở
xuùc tiếp dảng thuọỹc phuû số hệ
than âéa liệu vật thuọỹc phuû số hệ
k0 : R
: m
: K
Hình 7-10: Cảm biến điện trở tiếp xúc và đặc tính R
b)
F[kg]
2 1
a) F I Nếu cảm biến gồm n đĩa thì:
⎟
⎠
⎜ ⎞
⎝
⎛ +
−
= m k0
k R
F ) K 1 n ( R
Quan hệ Rk = f(F) là phi tuyến khi F tăng đến một giá trị nào đó thì Rk không giảm nữa và có tính chất trễ như đặc tính hình 7- 10 là do tính chất không đàn hồi của vật liệu tạo nên. Đây là một nguyên nhân gây ra sai số, ngoài ra khi nhiệt độ θ tăng thì điện trở cảm biến giảm (θ tăng do môi trường hoặc do tổn hao trong cảm biến).
Ưu điểm : đơn giản, chất tạo từ vật liệu rẻ tiền, công suất tương đối lớn tới hàng trăm W và dòng qua đến vài A, không cần cơ cấu khuếch đại. Thường dùng đo áp lực và trong các bộ phận tự động điều chỉnh điện áp máy phát một chiều và xoay chiều.
Ví dụ: cảm biến trong tự động điều chỉnh điện áp máy phát một chiều hình 7-11 gồm:
85
1-nam châm điện một chiều có cuộn dây nối song song với điện áp máy phát, lực hút nam châm sẽ thay đổi tùy điện áp ra.
2- lò xo cân bằng với lực nam châm 1, tạo ra lực ép lên đĩa than nhờ tay đòn 3, bộ phận thừa hành là cảm biến 4 nối với mạch kích từ máy phát.
6. Cảm biến kiểu biến dạng (tenzô) Ta biết rằng khi có lực tác dụng vào vật dẫn thì kích thước và cấu trúc của chúng sẽ thay đổi làm điện trở thay
đổi. Lợi dụng tính chất này người ta chế tạo cảm biến biến dạng dùng để đo và kiểm tra các lực biến dạng cơ của các chi tiết máy, có loại kiểu dây quấn, kiểu bán dẫn.
Hình 7-11: Tự động điều chỉnh điện áp máy điện một chiều
7.3. CẢM BIẾN ĐIỆN CẢM