Ch.8: Các cảm biến dùng trong đo lường 8.1.Cảm biến đo vị trí và sự dịch chuyển. 8.2.Cảm 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.Cảm biến đo vận tốc chất lỏng. 8.9.Cảm biến đo lưu lượng chất lỏng. 8.10.Cảm biến đo và dò mực chất lỏng. 8.1.Cảm 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.Cảm biến dạng điện trở 1.Biến trở đo lường: a.Dạng hình học: Như hình trên. Biến trở thẳng:R(l) = (l/L)R n ;Biến trở góc: R(α)=(α/α M )R n . Trong đó: Biến trở vòng α M <360 0 ; Biến trở hélice α M >360 0 . 1 R(α) R n c) 3 L 1 2 R(l) R n l 0 a) α α M 2 1 3 R(α) R n b) b.Điện trở • Được cấu tạo bởi dây quấn hoặc dạng màng (piste). Dây điện trở phải nêu những đặc tính sau: Hệ số nhiệt độ của điện trở suất, sức điện động nhiệt, độ ổn định tinh thể. Những hợp kim thường được 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 được cấu tạo bởi một miếng nhựa phủ lớp than dẫn điện hoặc lớp oxyd kim loại, kích thước hạt kim loại vào khoảng 10 -2 μm. Điện trở R n có giá trị từ 1kΩ đến 100kΩ và có thể đạt đến vài MΩ. 2.Biến trở không có con chạy dạng cơ H. Biến trở con chạy dạng quang và biến trở góc loại từ 8.1.2.Cảm 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, kéo theo sự thay đổi từ thông cuộn dây. Khi phần tử di chuyển là một lõi sắt, một sự chuyển đổi sự dịch chuyển thẳng hay quay tròn được thực hiện bởi: • 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 cuộn dây quay tròn so với 1 cuộn cố định thì 1 cuộn giữ vai trò phần cảm, còn cuộn kia là phần ứng nó tác động như 1 biến áp có độ ghép thay đổi. Những thay đổi hệ số tự cảm và hỗ cảm M theo sự dịch chuyển của lõi sắt thường có sự tuyến tính kém, để cải thiện ta bố trí 2 cuộn dây theo cách mắc push-pull. Cảm biến điện cảm có nguồn cung cấp là tín hiệu sin, có tần số thường giới hạn cở hàng chục kHz. Những cảm biến điện cảm nhạy với những từ trường nhiễu nên cần có màng bảo vệ từ. 2.Điện cảm thay đổi a.Mạch từ có khe hở không khí thay đổi: Như hình trên. Điện cảm cuộn dây: L = μ 0 N 2 S(1/(l 0 +l f /μ f )); Trong đó: μ 0 : Độ từ thẩm không khí; N: Số vòng dây quấn cuộn dây; S: Tiết diện mạch từ; l f , l 0 : Chiều dài trung bình đường sức trong lõi sắt và trong không khí; μ f : Độ từ thẩm tương đối của vật liệu sắt từ. b.Cuộn dây có nòng di động H.8.7.Cuộn dây có nòng di động H.8.8.2 cuộn dây mắc push-pull. • Điện cảm L của cuộn dây có nòng di động : ( ) ( )( ) ( ) [ ] fffffff lllSSSklSlS l N L −−++−+= .121 000 2 2 0 µµµ 3.Biến áp vi sai • Với; L 2 = L ’ 2 + L ’’ 2 và R 2 = R ’ 2 + R ’’ 2 . [ ] [ ] [ ] 2''' 21 2 211221 1 ''' ))()(()()( )()( xMxMLLRRLRLjRRR exMxMRj v ii i m −+−++++ − = ωω ω 4.Microsyn • Cuộn dây sơ cấp được cung cấp tín hiệu sin e s có biên độ tối đa khoảng vài chục vôn và tần số dưới 10kHz.Tín hiệu thu được ở cuộn thứ cấp: v m = 4aωΔαsinωt ; (Δα góc dịch chuyển bé) Hình 6.11: Nguyeân taéc caáu taïo Microsyn [...]... tích âm điện tử, n: Mật độ âm điện tử, BN: Thành phần từ trường theo trục z 8.2 .Cảm 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 Trong công nghiệp, các cảm biến dùng để đo tốc độ quay dựa trên định luật Faraday, đó là các tốc... 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 tỉnh điện đối với những cảm biến điện dung • Những ưu điểm của cảm biến đo sự dịch chuyển giới hạn 2 đầu: Băng thông rộng, độ tin cậy lớn • Những điều bất lợi: Khoảng đo nhỏ (cở mm), hoạt động không tuyến tính 1 .Cảm biến từ trở thay đổi • Điện. .. Khoảng cách giữa đối tượng và cảm biến; Vm0: Phụ thuộc vào độ từ thẩm, dạng hình học và kích thước đối tượng 2 .Cảm 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) 3 .Cảm biến hiệu ứng Hall Hình 8.19.Nguyên lý hiệu ứng Hall Điện áp hiệu ứng Hall: VH = KHIBN/e Hằng số Hall KH = -1 /qn; q: Điện tích... của bản cực di động đối với tụ điện xoay) 3.Tụ điện có khoảng cách thay đổi • Đây là những tụ điện để đo sự dịch chuyển thẳng a.Tụ điện đơn: C(d) = ε0A/(D0+d) b.Tụ điện đôi: C21 = C0/( 1-( d/D0)); C31 = C0/(1+(d/D0)); Với: ε0A/D0 = C0 8.1.4 .Cảm biến đo sự dịch chuyển giới hạn 2 đầu • Loại cảm biến này được đặc trưng bởi sự không có liên kết cơ khí giữa cảm biến và vật chuyển động, mà bằng sự liên kết... 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, đó là cảm biến đo dịch chuyển giới hạn 2 đầu mà cảm biến đo đặt cách đối tượng một khoảng cách thay đổi tuần hoàn và tín hiệu thu được có tần số bằng hoặc là bội số (tuỳ theo cấu tạo của đối tượng) với tần số chuyển động Loại tốc độ kế này gọi là tốc độ kế loại xung Trong. .. nhiệt điện và nhiệt độ đo Hoặc đơn giản ta có thể sử dụng công thức gần đúng: E = C(T2-T1)+K(T22dE TT012C C, K là các hằng số – ); S (Tc ) = A / B Độ nhạy : là 1 hàm theo nhiệt độ và thường không dTc i= n i= 0 i i C vượt quá 60μV/0C 0 8.4.2.Cách sử dụng và lắp đặt cảm biến 1.Cách thực hiện và bảo vệ: Cần tránh những sức điện động ký sinh trong khi mắc dây cảm biến hoặc do cấu tạo không đồng nhất của cảm. .. Việc đo sức điện động nhiệt điện cho phép ta xác định ngay nhiệt độ T c nhờ sử dụng bảng đặc tính của cặp nhiệt điện sử dụng • 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 T C hơn nhiệt độ môi trường Bằng cách sử dụng0 bảng đặc tính EA/ B của cặp nhiệt điện sử dụng ta biết được , khi đo sức điện độngCnhiệtTđiện của cảm biến, ... dụng αρ cở 1 0-3 /0C trong khi αl cở 1 0-5 /0C như vậy trong thực 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... và sau đó rót vào các khuôn rồi để nguội hình thành các dạng : đĩa, trụ, nhẫn Các vật liệu có điện trở suất lớn cho phép chế tạo những điện trở đo có kích thước điện trở bé (cở mm), kết quả: Điện trở có kích thước bé cho phép đo nhiệt độ chính xác Một lượng calo bé khiến cho vận tốc đáp ứng cao Sự ổn định của nhiệt điện trở tùy thuộc vào việc chế tạo và những điều kiện sử dụng Dạng điện trở kín hay... Đối với tụ điện trụ: C= 2πεrε0l/Log(r2/r1) • Trường hợp tụ điện phẳng: Sự dịch chuyển trong một mặt phẳng song song với một bản cực cố định: A thay đổi, D cố định Sự dịch chuyển trong mặt phẳng thẳng góc với bản cực cố định: D thay đổi, A cố định • Trường hợp tụ điện trụ: l thay đổi dọc trục • Những cảm biến điện dung được lưu ý bởi cấu tạo đơn giản, cho phép thực hiện cảm biến chắc chắn Điện môi sử . Ch.8: Các cảm biến dùng trong đo lường 8.1 .Cảm biến đo vị trí và sự dịch chuyển. 8.2 .Cảm 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. việc đo vận tốc quay tròn, vì thế các cảm biến đo tốc độ thường là các cảm biến đo tốc độ góc. Trong công nghiệp, các cảm biến dùng để đo tốc độ quay dựa trên định luật Faraday, đó là các tốc. 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