Giáo trình Kỹ thuật cảm biến - Trường Cao đẳng công nghiệp Phúc Yên

63 trang Gia Huy 20/05/2022 2210

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Kỹ thuật cảm biến - Trường Cao đẳng công nghiệp Phúc Yên", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

giao_trinh_ky_thuat_cam_bien_truong_cao_dang_cong_nghiep_phu.pdf

Nội dung text: Giáo trình Kỹ thuật cảm biến - Trường Cao đẳng công nghiệp Phúc Yên

KHOA ĐIỆN TỰ ĐỘNG HÓA Trường cao đẳng Công nghiệp Phúc Yên  GIÁO TRÌNH KỸ THUẬT CẢM BIẾN (Lưu hành nội bộ) 1
LỜI NÓI ĐẦU “Cảm biến” trong tiếng Anh gọi là sensor, xuất phát từ chữ sense theo nghĩa Latinh là nhận, từ ngày xưa người tiền sử đã nhờ vào các giác quan, xúc giác để cảm nhận tìm hiểu đặc điểm của thế giới tự nhiên và học cách sử dụng sự hiểu biết này nhằm phục vụ đời sống của họ. Trong thời đại phát trỉn của khoa học và kỹ thuật ngày nay con người không chỉ dựa vào các cơ quan xúc giác của cơ thể. Các chức năng xúc giác để nhận biết các vật thể, hiện tượng trong thế giới bao quanh được tăng cường nhờ phát triển các dụng cụ dùng để đo lường và phân tích mà ta gọi là cảm biến. Cảm biến được định nghĩa như một thiết bị dùng để biến đổi các đại lượng vật lý và các đại lượng không điện cần đo thành các đại lượng điện có thể đo được (như: dòng điện, điện thế, điện dung, trở kháng ). Nó là thành phần quan trọng nhất trong một thiết bị đo hay trong một hệ điều khiển tự động, có thể nói rằng nguyên lý hoạt động của một cảm biến, trong nhiều trường hợp thực tế cũng chính là nguyên lý của phép đo hay của phương pháp điều khiển tự động. Đã từ lâu cảm biến được sử dụng như những bộ phận để cảm nhận và phát hiện, nhưng chỉ vài chục năm trở lại đây chúng mới thể hiện rõ vai trò quan trọng kỹ thuật về công nghiệpđặc biệt là trong lĩnh vực đo lường, kiểm tra và điều khiển tự động. Nhờ các tiến bộ của khoa học kỹ thuật và công nghệ trong lĩnh vực vật liệu, thiết bị điện tủ và tin học, các cảm biến đã được giảm thiểu về kích thước cải thiện tính năng và ngày càng mở rộng phạm vi ứng dụng. Giờ đây không có một lĩnh vực nào mà ở đó không sử dụng cảm biến, chúng có mặt trong những hệ thống tự động phúc tạp như: Người máy, kiểm tra chất lượng sản phẩm, chúng tiết kiệm năng lượng, chống ô nhiễm môi trường. Cảm biến còn được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực giao thông vận tải, sản xuất, tiêu dùng, bảo quản thực phẩm, sản xuất ô tô, công nghệ nhiệt, hệ thống cung cấp truyền tải điện năng và bảo vệ hệ thống điện Nhằm phục vụ nhu cầu giảng dạy và học tập môn kỹ thuật cảm biến tại khoa Điện tự động hóa chúng tôi đã xây dựng bài giảng kỹ thuật cảm biến bao gồm 7 chương theo đề cương chi tiết đã ban hành. Mặc dù đã cố gắng nhưng quá trình biên soạn chắc chắn vẫn không tránh được thiếu xót rất mong nhận được ý kiến đóng góp từ phía bạn đọc để giáo trình ngày càng hoàn thiện hơn.Mọi ý kiến đóng góp xin gửi về Ths Đặng Thị Quỳnh Trang-bộ môn Tự động hóa-Khoa Điện-tự động hóa.Tác giả xin chân thành cảm ơn! 2
MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU .2 Chương 1. KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ CẢMBIẾN 5 1.1 Kh¸i niệm chung .5 1.1.1Vai trò của cảm biến trong đo lường và điều khiển 5 1.1.2 Các đặc trưng cơ bản 5 1.2 Ph©n lo¹i c¶m biÕn .9 1.2.1 ph©n lo¹i theo nguyªn lý chuyÓn ®æi 9 1.2.2 Ph©n lo¹i theo tÝnh chÊt nguån 9 1.2.3 Ph©n lo¹i theo ph¬ng ph¸p ®o 10 1.3 C¸c hiÖu øng thưêng dïng trong c¶m biÕn 10 1.4 Chuẩn cảm biến 12 1.4.1 Khái niệm .12 1.4.2 Phương pháp chuẩn cảm biến .12 Chương 2:c¶m biÕn quang 14 2.1.Nguồn phát quang sợi đốt và bán dẫn 14 2.1.1 Kh¸i niÖm c¬ b¶n vÒ ¸nh s¸ng 14 2.1.2 Nguån s¸ng .14 2.2.Quang trở, tế bào quang điện 15 2.2.1 TÕ bµo quang dÉn 15 2.2.2 Photodiot 16 2.2.3 Phototranzitor .19 2.3 Sợi quang 20 2.4 Sơ lược về áp dụng cảm biến quang 22 Chương 3. c¶m biÕn ®o nhiÖt ®é 23 3.1 Thang nhiệt độ, điểm chuẩn nhiệt độ 23 3.2. Cảm biến nhiệt điện trở 23 3.2.1 Nguyên lý .23 3.2.2 Nhiệt kế điện trở kim loại 24 3.3 Cảm biến cặp nhiệt. 27 3.3.1 Hiệu ứng nhiệt điện .27 3.3.2 Cấu tạo cặp nhiệt 28 3.4 Hoả kế, nhiệt kế bức xa 30 3.4.1.Hoả kế bức xạ toàn phần .30 3.4.2 Hoả kế quang điện 32 3.5 Nhiệt kế áp suất lỏng và khí 33 3.5.1Nhiệt kế áp suất chất khí .33 3.5.2 Nhiệt kế áp suất chất lỏng 34 Chương 4. c¶m biÕn vÞ trÝ .35 4.1Cảm biến điện cảm 35 4.2 Cảm biến hỗ cảm 37 4.3Cảm biến điện dung 38 4.4 Cảm biến Hall. 39 4.5 Cảm biến tiếp cận .39 3
Chương 5. c¶m biÕn ®o l•u l•îng vµ møc chÊt l•u 43 5.1 Đo lưu lượng bằng chênh lệch áp suất 43 5.2 Lưu lượng kế từ điện 44 5.3 Lưu lượng kế khối lượng nhiệt 46 5.4 Đo mức bằng phương pháp chênh áp 46 5.5 Đo mức sử dụng áp suất thủy tĩnh 46 5.6 Cảm biến đo mức kiểu điện dung 48 Chương 6. c¶m biÕn ®o ¸p suẤT 6.1 Khái niệm chung về áp suất . 50 6.2 Đo áp suất bằng chất lỏng cân bằng thủy tĩnh 50 6.3 Đo áp suất bằng phần tử nhạy cảm với biến dạng 51 Chương 7. c¶m biÕn ®o vËn tèc vµ c¸c c¶m biÕn kh¸c 7.1 Đo tốc độ quay động cơ 54 7.2 Tốc độ kế điện từ 57 7.3 Tốc độ kế xung 58 7.4 Các loại cảm biến khác 59 4
Chương 1. KHÁMI NIỆ CƠ BẢN VỀ CẢM BIẾN Mục tiêu :Trang bị cho sinh viên các khái niệm cơ bản về cảm biến, các thông số cơ bản khi sử dụng cảm biến và phương pháp chuẩn cảm biến 1.1 Kh¸i niệm chung 1.1.1Vai trò của cảm biến trong đo lường và điều khiển Các bộ cảm biến đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong lĩnh vực đo lường và điều khiển. Chúng cảm nhận và đáp ứng theo các kích thích thường là các đại lượng không điện, chuyển đổi các đại lượng này thành các đại lượng điện và truyền các thông tin về hệ thống đo lường điều khiển, giúp chúng ta nhận dạng đánh giá và điều khiển mọi biến trạng thái của đối tượng. 1.1.2 Các đặc trưng cơ bản 1.1.2.1 Độ nhạy của cảm biến  Khái niệm Đối với cảm biến tuyến tính, giữa biến thiên đầu ra Δs và biến thiên đầu vào Δm có sự liên hệ tuyến tính: .Δs = S.Δm Δ s (1.1) Đại lượng S xác định bởi biểu thức S = Δ m được gọi là độ nhạy của cảm biến Trường hợp tổng quát, biểu thức xác định độ nhạy S của cảm biến xung quanh giá trị mi của đại lượng đo xác định bởi tỷ số giữa biến thiên Δs của đại lượng đầu ra và biến thiên Δm tương ứng của đại lượng đo ở đầu vào quanh giá trị đó: S = Δs (1.2) Δm m=mi Để phép đo đạt độ chính xác cao, khi thiết kế và sử dụng cảm biến cần làm sao cho độ nhạy S của nó không đổi, nghĩa là ít phụ thuộc nhất vào các yếu tố sau: - Giá trị của đại lượng cần đo m và tần số thay đổi của nó. - Thời gian sử dụng. - Ảnh hưởng của các đại lượng vật lý khác (không phải là đại lượng đo) của môi trường xung quanh. Thông thường nhà sản xuất cung cấp giá trị của độ nhạy S tương ứng với những điều kiện làm việc nhất định của cảm biến. * Độ nhạy trong chế độ tĩnh và tỷ số chuyển đổi tĩnh Đường chuẩn cảm biến, xây dựng trên cơ sở đo các giá trị si ở đầu ra tương ứng với các giá trị không đổi mi của đại lượng đo khi đại lượng này đạt đến chế độ làm việc danh định được gọi là đặc trưng tĩnh của cảm biến. Một điểm Qi(mi,si) trên đặc trưng tĩnh xác định một điểm làm việc của cảm biến ở chế độ tĩnh. Trong chế độ tĩnh, độ nhạy S xác đị nh theo công thức (1.3) chính là độ đốc của đặc trưng tĩnh ở điểm làm việc đang xét. Như vậy, nếu đặc trưng tĩnh không phải là tuyến tính thì độ nhạy trong chế độ tĩnh phụ thuộc điểm làm việc. Đại lượng ri xác định bởi tỷ số giữa giá trị si ở đầu ra và giá trị mi ở đầu vào 5
được gọi là tỷ số chuyển đổi tĩnh: S r (1.4) i m Qi Từ (1.4), ta nhận thấy tỷ số chuyển đổi tĩnh ri không phụ thuộc vào điểm làm việc Qi và chỉ bằng S khi đặc trưng tĩnh là đường thẳng đi qua gốc toạ độ. * Độ nhạy trong chế độ động Độ nhạy trong chế độ động được xác định khi đại lượng đo biến thiên tuần ho àn theo thời gian. Giả sử biến thiên của đại lượng đo m theo thời gian có dạng: m(t) = m 0 + m1 cos ωt (1.5) Trong đó m0 là giá trị không đổi, m1 là biên độ và ω tần số góc của biến thiên đạị lượng đo ở đầu ra của cảm biến, hồi đáp s có dạng (1.5) s(t) = so + s1 cos(ωt + ϕ) - so là giá trị không đổi tương ứng với m0 xác định điểm làm việc Qo trên đường cong chuẩn ở chế độ tĩnh. - s1 là biên độ biến thiên ở đầu ra do th ành phần biến thiên của đại lượng đo gây nên. - ϕ là độ lệch pha giữa đại lượng đầu vào và đại lượng đầu ra. Trong chế độ động, độ nhạy S của cảm biến được xác định bởi tỉ số với điểm là việc xét Q0 theo công thức: S1 S m1 Q0 Độ nhạy trong chế độ động phụ thuộc vào tần số đại lượng đo, S = S(f ) . Sự biến thiên của độ nhạy theo tần số có nguồn gốc là do quán tính cơ, nhiệt hoặc điện của đầu đo, tức là của cảm biến và các thiết bị phụ trợ, chúng không thể cung cấp tức thời tín hiệu điện theo kịp biến thiên của đại lượng đo. Bởi vậy khi xét sự hồi đáp có phụ thuộc vào tần số cần phải xem xét sơ đồ mạch đo của cảm biến một cách tổng thể. 1.1.2.2 Độ tuyến tính  Khái niệm Một cảm biến được gọi là tuyến tính trong một dải đo xác định nếu trong dải chế độ đó, độ nhạy không phụ thuộc vào đại lượng đo. Trong chế độ tĩnh, độ tuyến tính chính là sự không phụ thuộc của độ nhạy của cảm biến vào giá trị của đại lượng đo, thể hiện bởi các đoạn thẳng trên đặc trưng tĩnh của cảm biến và hoạt động của cảm biến là tuyến tính chừng nào đại lượng đo còn nằm trong vùng này. Trong chế độ động, độ tuyến tính bao gồm sự không phụ thuộc của độ nhạy ở chế độ tĩnh S(0) vào đại lượng đo, đồng thời các thông số quyết định sự hồi đáp (như tần số riêng f0 của dao động không tắt, hệ số tắt dần ξ cũng không phụ thuộc vào đại lượng đo Nếu cảm biến không tuyến tính, người ta đưa vào mạch đo các thiết bị hiệu chỉnh sao cho tín hiệu điện nhận được ở đầu ra tỉ lệ với sự thay đổi của đại lượng 6
đo ở đầu vào. Sự hiệu chỉnh đó được gọi là sự tuyến tính hoá.  Đường thẳng tốt nhất Khi chuẩn cảm biến, từ kết quả thực nghiệm ta nhận được một loạt điểm tương ứng (si,m i) của đại lượng đầu ra và đại lượng đầu vào. Về mặt lý thuyết, đối với các cảm biến tuyến tính, đường cong chuẩn là một đường thẳng. Tuy nhiên, do sai số khi đo, các điểm chuẩn (mi, si) nhận được bằng thực nghiệm thường không nằm trên cùng một đường thẳng. Đường thẳng được xây dựng trên cơ sở các số liệu thực nghiệm sao cho sai số là bé nhất, biểu diễn sự tuyến tính của cảm biến được gọi là đường thẳng tốt nhất. Phương trình biểu diễn đường thẳng tốt nhất được lập bằng phương pháp bình phương bé nhất. Giả sử khi chuẩn cảm biến ta tiến hành với N điểm đo, phương trình có dạng: s = am + b Trong đó N S m S m i i i  i a 2 2 N.() mi  mi 2 S. mi m S m i  i i  i b 2 2 N.() mi  mi  Độ lệch tuyến tính Đối với các cảm biến không hoàn toàn tuyến tính, người ta đưa ra khái niệm độ lệch tuyế n tính, xác định bởi độ lệch cực đại giữa đường cong chuẩn và đường thẳng tốt nhất, tính bằng % trong dải đo. 1.1.2.3 Sai số và độ chính xác Các bộ cảm biến cũng như các dụng cụ đo lường khác, ngoài đại lượng cần đo (cảm nhận) còn chịu tác động của nhiều đại lượng vật lý khác gây nên sai số giữa giá trị đo được và giá trị thực của đại lượng cần đo. Gọi Δx là độ lệch tuyệt đối giữa giá trị đo và giá trị thực x (sai số tuyệt đối), sai số tương đối của bộ cảm biến được tính bằng: x  .100 %  x Sai số của bộ cảm biến mang tính chất ước tính bởi vì không thể biết chính xác giá trị thực của đại lượng cần đo. Khi đánh giá sai số của cảm biến, người ta thường phân chúng thành hai loại: sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên. - Sai số hệ thống: là sai số không phụ thuộc vào số lần đo, có giá trị không đổi hoặc thay đổi chậm theo thời gian đo và thêm vào một độ lệch không đổi giữa giá trị thực và giá trị đo được. Sai số hệ thống thường do sự thiếu hiểu biết về hệ đo, do điều kiện sử dụng không tốt gây ra. Các nguyên nhân gây ra sai số hệ thống có thể là: Do nguyên lý của cảm biến. + Do giá trị của đại lượng chuẩn không đúng. + Do đặc tính của bộ cảm biến. + Do điều kiện và chế độ sử dụng. +Do xử lý kết quả đo. 7
- Sai số ngẫu nhiên: là sai số xuất hiện có độ lớn và chiều không xác định. Ta có thể dự đoán được một số nguyên nhân gây ra sai số ngẫu nhiên nhưng không thể dự đoán được độ lớn và dấu của nó. Những nguyên nhân gây ra sai số ngẫu nhiên có thể là: + Do sự thay đổi đặc tính của thiết bị. + Do tín hiệu nhiễu ngẫu nhiên. + Do các đại lượng ảnh hưởng không được tính đến khi chuẩn cảm biến. Chúng ta có thể giảm thiểu sai số ngẫu nhiên bằng một số biện pháp thực nghiệm thích hợp như bảo vệ các mạch đo tránh ảnh hưởng của nhiễu, tự động điều chỉnh điện áp nguồn nuôi, bù các ảnh hưởng nhiệt độ, tần số, vận hành đúng chế độ hoặc thực hiện phép đo lường thống kê. 1.1.2.4. Độ nhanh và thời gian hồi đáp Độ nhanh là đặc trưng của cảm biến cho phép đánh giá khả năng theo kịp về thời gian của đại lượng đầu ra khi đại lượng đầu vào biến thiên. Thời gian hồi đáp là đại lượng được sử dụng để xác định giá trị số của độ nhanh. Độ nhanh tr là khoảng thời gian từ khi đại lượng đo thay đổi đột ngột đến khi biến thiên của đại lượng đầu ra chỉ còn khác giá trị cuối cùng một lượng giới hạn ε tính bằng %. Thời gian hồi đáp tương ứng với ε% xác định khoảng thời gian cần thiết phải chờ đợi sau khi có sự biến thiên của đại lượng đo để lấy giá trị của đầu ra với độ chính xác định trước. Thời gian hồi đáp đặc trưng cho chế độ quá độ của cảm biến và là hàm của các thông số thời gian xác định chế độ này. Trong trường hợp sự thay đổi của đại lượng đo có dạng bậc thang, các thông số thời gian gồm thời gian trễ khi tăng (tdm) và thời gian tăng (tm) ứng với sự tăng đột ngột của đại lượng đo hoặc thời gian trễ khi giảm (tdc) và thời gian giảm (tc) ứng với sự giảm đột ngột của đại lượng đo. Khoảng thời gian trễ khi tăng tdm là thời gian cần thiết để đại lượng đầu ra tăng từ giá trị ban đầu của nó đến 10% của biến thiên tổng cộng của đại lượng này và khoảng thời gian tăng tm là thời gian cần thiết để đại lượng đầu ra tăng từ 10% đến 90% biến thiên biến thiên tổng cộng của nó. m m0 t s/s0 Hình 1.1 Tương tự, khi đại lượng đo giảm, thời gian trể khi giảm tdc là thời gian cần thiết để đại lượng đầu ra giảm từ giá trị ban đầu của nó đến 10% biến thiên tổng cộng của đại lượng này và khoảng thời gian giảm tc là thời gian cần thiết để đại lượng đầu ra giảm từ 10% đến 90% biến thiên biến thiên tổng cổng của nó. 8
Các thông số về thời gian tr, tdm, tm, tdc, tc của cảm biến cho phép ta đánh giá về thời gian hồi đáp của nó. Tương tự, khi đại lượng đo giảm, thời gian trể khi giảm tdc là thời gian cần thiết để đại lượng đầu ra giảm từ giá trị ban đầu của nó đến 10% biến thiên tổng cộng của đại lượng này và khoảng thời gian giảm tc là thời gian cần thiết để đại lượng đầu ra giảm từ 10% đến 90% biến thiên biến thiên tổng cổng của nó. Các thông số về thời gian tr, tdm, tm, tdc, tc của cảm biến cho phép ta đánh giá về thời gian hồi đáp của nó. 1.1.2.5. Giới hạn sử dụng của cảm biến Trong quá trình sử dụng, các cảm biến luôn chịu tác động của ứng lực cơ học, tác động nhiệt Khi các tác động này vượt quá ngưỡng cho phép, chúng sẽ làm thay đổi đặc trưng làm việc của cảm biến. Bởi vậy khi sử dụng cảm biến, người sử dụng cần phải biết rõ các giới hạn này.  Vùng làm việc danh định 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, các đại lượng vật lý có liên quan đến đại lượng đo hoặc các đại lượng ảnh hưởng có thể thường xuyên đạt tới mà không làm thay đổi các đặc trưng làm việc danh định của cảm biến.  Vùng không gây nên hư hỏng Vùng không gây nên hư hỏng là vùng mà khi mà các đại lượng đo hoặc các đại lượng vật lý có liên quan và các đại lượng ảnh hưởng vượt qua ngưỡng của vùng làm việc danh định nhưng vẫn còn nằm trong phạm vi không gây nên hư hỏng, các đặc trưng của cảm biến có thể bị thay đổi nhưng những thay đổi này mang tính thuận nghịch, tức là khi trở về vùng làm việc danh định các đặc trưng của cảm biến lấy lại giá trị ban đầu của chúng. 1.2 Ph©n lo¹i c¶m biÕn 1.2.1 ph©n lo¹i theo nguyªn lý chuyÓn ®æi C¶m biÕn ®îc gäi tªn theo nguyªn lý chuyÓn ®æi sö dông trong c¶m biÕn. Nh- ững c¶m biÕn ®iÖn trë-c¶m biÕn cã chuyÓn ®æi lµ ®iÖn trë, c¶m biÕn ®iÖn tõ-c¶m biÕn cã chuyÓn ®æi lµm viÖc theo nguyªn lý vÒ lùc ®iÖn tõ c¸c ®¹i lîng kh«ng ®iÖn cÇn ®o ®- îc biÕn ®æi thµnh sù thay ®æi cña c¸c th«ng sè như ®iÖn c¶m hç c¶m hoÆc tõ th«ng, c¶m biÕn hãa ®iÖn- chuyÓn ®æi lµm viÖc dùa trªn hiÖn tîng hãa ®iÖn 1.2.2 Ph©n lo¹i theo tÝnh chÊt nguån - C¶m Ph¸t ®iÖn: c¶m biÕn cã ®¹i lîng ra lµ ®iÖn ¸p U, søc ®iÖn ®éng E, dßng ®iÖn I cßn ®Çu vµo lµ c¸c ®¹i lîng kh«ng ®iÖn cÇn ®o - C¶m biÕn th«ng sè: c¶m biÕn cã ®¹i lîng ra lµ c¸c th«ng sè nh: ®iÖn trë R, ®iÖn c¶m L, hç c¶m M ®Çu vµo lµ c¸c ®¹i lượng kh«ng ®iÖn cÇn ®o 1.2.3 Ph©n lo¹i theo ph¬ng ph¸p ®o - C¶m BiÕn cã chuyÓn ®æi biÕn ®æi trùc tiÕp - C¶m biÕn cã chuyÓn ®æi bï 1.3 C¸c hiÖu øng thêng dïng trong c¶m biÕn  Hiệu ứng nhiệt điện Hai dây dẫn (M1) và (M2) có bản chất hoá học khác nhau được hàn lại với nhau thành một mạch điện kín, nếu nhiệt độ ở hai mối hàn là T1 và T2 khác nhau, khi đó trong mạch xuất hiện một suất điện động e(T1, T2) mà độ lớn của nó phụ thuộc 9
chênh lệch nhiệt độ giữa T1 và T2. (M2) T1 (M1) e T1 T 2 (M2) Hình 1.2 Sơ đồ hiệu ứng nhiệt điện Hiệu ứng nhiệt điện được ứng dụng để đo nhiệt độ T1 khi biết trước nhiệt độ T2, o thường chọn T2 = 0 C.  Hiệu ứng hoả điện Một số tinh thể gọi là tinh thể hoả điện (ví dụ tinh thể sulfate triglycine) có tính phân cực điện tự phát với độ phân cực phụ thuộc vào nhiệt độ, làm xuất hiện trên các mặt đối diện của chúng những điện tích trái dấu. Độ lớn của điện áp giữa hai mặt phụ thuộc vào độ phân cực của tinh thể hoả điện. Φ v Φ Hình 1.3 Ứng dụng hiệu ứng hỏa điện Hiệu ứng hoả điện được ứng dụng để đo thông lượng của bức xạ ánh sáng. Khi ta chiếu một chùm ánh sáng vào tinh thể hoả điện, tinh thể hấp thụ ánh sáng và nhiệt độ của nó tăng lên, làm thay đổi sự phân cực điện của tinh thể. Đo điện áp V ta có thể xác định được thông lượng ánh sáng Φ.  Hiệu ứng áp điện Một số vật liệu gọi chung là vật liệu áp điện (như thạch anh chẳng hạn) khi bị biến dạng dước tác động của lực cơ họcc,ác trên mặt đối diện của tấm vật liệu xuất hiện những lượng điện tích bằng nhau nhưng trái dấu, được gọi là hiệu ứng áp điện. Đo V ta có thể xác định được cường độ của lực tác dụng F F V F Hình 1.4 Ứng dụng hiệu ứng áp điện  Hiệu ứng cảm ứng điện từ Khi một dây dẫn chuyển động trong từ trường không đổi, trong dây dẫn xuất hiệ n một suất điện động tỷ lệ với từ thông cắt ngang dây trong một đơn vị thời 10
gian, nghĩa là tỷ lệ với tốc độ dịch chuyển của dây. Tương tự như vậy, trong một khung dây đặt trong từ trường có từ thông biến thiên cũng xuất hiện một suất điện động tỷ lệ với tốc độ biến thiên của từ thông qua khung dây. B Ω e Ω Hình 1.5 Ứng dụng hiệu ứng điện từ Hiệu ứng cảm ứng điện từ được ứng dụng để xác định tốc độ dịch chuyển của vật thông qua việc đo suất điện động cảm ứng.  Hiệu ứng quang điện - Hiệu ứng quang dẫn: (hay còn gọi là hiệu ứng quang điện nội) là hiện tượng giải phóng ra các hạt dẫn tự do trong vật liệu (thường là bán dẫn) khi chiếu vào chúng một bức xạ ánh sáng (hoặc bức xạ điện từ nói chung) có bước sóng nhỏ hơn một ngưỡng nhất định. - Hiệu ứng quang phát xạ điện tử: (hay còn gọi là hiệu ứng quang điện ngoài) là hiện tượng các điện tử được giải phóng và thoát khỏi bề mặt vật liệu tạo thành dòng có thể thu lại nhờ tác dụng của điện trường.  Hiệu ứng quang - điện - từ Khi tác dụng một từ trường B vuông góc với bức xạ ánh sáng, trong vật liệu bán dẫn được chiếu sáng sẽ xuất hiện một hiệu điện thế theo hướng vuông góc với từ trường B và hướng bức xạ ánh sáng. Φ B V Φ Hình 1.6 Ứng dụng hiệu ứng quang – điện – từ  Hiệu ứng Hall Khi đặt một tấm mỏ ng vật liệu mỏng (thường là bán dẫn), trong đó có dòng điện chạy qua, vào trong một từ trường B có phương tạo với dòng điện I trong tấm một góc θ, sẽ xuất hiện một hiệu điện thế VH theo hướng vuông góc với B và I. Biểu thức hiệu điện thế có dạng: VH = K H .I.B. sin θ Trong đó KH là hệ số phụ thuộc vào vật liệu và kích thước hình học của tấm vật liệu 11
X N S B  V X Hình 1.7 Ứng dụng hiệu ứng Hall Hiệu ứng Hall được dùng để xác định vị trí của một vật chuyển động. Vật cần xácđịnh vị trí liên kết cơ học với thanh nam châm, ở mọi thời điểm, vị trí thanh nam châm xác định giá trị của từ trường B và góc θ tương ứng với tấm bán dẫn mỏng làm vật trung gian. Vì vậy, hiệu điện thế VH đo được giữa hai cạnh tấm bán dẫn là hàm phụ thuộc vào vị trí của vật trong không gian. 1.4 Chuẩn cảm biến 1.4.1 Khái niệm Đường cong chuẩn cảm biến là đường cong biểu diễn sự phụ th uộc của đại lượng điện (s) ở đầu ra của cảm biến vào giá trị của đại lượng đo (m) ở đầu vào. Đường cong chuẩn có thể biểu diễn bằng biểu thức đại số dưới dạng s = F(m ) , hoặc bằng đồ thị như hình 1.1a. S S a b S 1 Hình 1.8 Đường cong chuẩ n cảm biến a) Đường cong chuẩn b) Đường cong chuẩn cảm biến tuyến tính Dựa vào đường cong chuẩn của cảm biến, ta có thể xác định giá trị mi chưa biết của m thông qua giá trị đo được si của s. Để dễ sử dụng, người ta thường chế tạo cảm biến có sự phụ thuộc tuyến tính giữa đại lượng đầu ra và đại lượng đầu vào, phương trình s= F(m) có dạng s = am +b với a, b là các hệ số, khi đó đường cong chuẩn là đường thẳng (hình 1.1b). 1.4.2 Phương pháp chuẩn cảm biến Chuẩn cảm biến là phép đo nhằm mục đích xác lập mối quan hệ giữa giá trị s đo được của đại lượng điện ở đầu ra và giá trị m của đại lượng đo có tính đến các yếu tố ảnh hưởng, trên cơ sở đó xây dựng đường cong chuẩn dưới dạng tường minh (đồ thị hoặc biểu thức đại số). Khi chuẩn cảm biến, với một loạt giá trị đã biết chính xác mi của m, đo giá trị tương ứng si của s và dựng đường cong chuẩn. s S2 m1 m2 m S1 12
Hình 1.9 Phương pháp chuẩn cảm biến a, Chuẩn đơn giản Trong trường hợp đại lượng đo chỉ có một đại lượng vật lý duy nhất tác động lên một đại lượng đo xác định và cảm biến sử dụng không nhạy với tác động của các đạ i lượng ảnh hưởng, người ta dùng phương pháp chuẩn đơn giản. Thực chất của chuẩn đơn giản là đo các giá trị của đại lượng đầu ra ứng với các giá xác định không đổi của đại lượng đo ở đầu vào. Việc chuẩn được tiến hành theo hai cách: - Chuẩn trực tiếp: các giá trị khác nhau của đại lượng đo lấy từ các mẫu chuẩn hoặc các phần tử so sánh có giá trị biết trước với độ chính xác cao. - Chuẩn gián tiếp: kết hợp cảm biến cần chuẩn với một cảm biến so sánh đã có sẵn đường cong chuẩn, cả hai được đặt trong cùng điều kiện làm việc. Khi tác động lên hai cảm biến với cùng một giá trị của đại lượng đo ta nhận được giá trị tương ứng của cảm biến so sánh và cảm biến cần chuẩn. Lặp lại tương tự với các giá trị khác của đại lượng đo cho phép ta xây dựng được đường cong chuẩn của cảm biến cần chuẩn. b, Chuẩn nhiều lần Khi cảm biến có phần tử bị trễ (trễ cơ hoặc trễ từ), giá trị đo được ở đầu ra phụ thuộc không những vào giá trị tức thời của đại lượng cần đo ở đầu vào mà còn phụ thuộc vào giá trị trước đó của của đại lượng này. Trong trường hợp như vậy, người ta áp dụng phương pháp chuẩn nhiều lần và tiến hành như sau: - Đặt lại điểm 0 của cảm biến: đại lượng cần đo và đại lượng đầu ra có giá trị tương ứng với điểm gốc, m=0 và s=0. - Đo giá trị đầu ra theo một loạt giá trị tăng dần đến giá trị cực đại của đại lượng đo ở đầu vào. - Lặp lại quá trình đo với các giá trị giảm dần từ giá trị cực đại. Khi chuẩn nhiều lần cho phép xác định đường cong chuẩn theo cả hai hướng đo tăng dần và đo giảm dần. Chương 2:c¶m biÕn quang Mục tiêu :Trang bị cho sinh viên kiến cơ bản về các cảm biến quang, làm quen với một số thiết bị cảm biến quang có trên thị trường 2.1.Nguồn phát quang sợi đốt và bán dẫn 2.1.1 Kh¸i niÖm c¬ b¶n vÒ ¸nh s¸ng - C¶m biÕn quang ®•îc sö dông ®Ó chuyÓn ®æi th«ng tin tõ ¸nh s¸ng nhìn thÊy hoÆc tia hång ngo¹i, tia tö ngo¹i thµnh tÝn hiÖu ®iÖn - ¸nh s¸ng cã hai tÝnh chÊt c¬ b¶n lµ sãng vµ h¹t 13
- D¹ng sãng cña ¸nh s¸ng lµ sãng ®iÖn tõ ph¸t ra khi cã sù chuyÓn ®iÖn tö gia c¸c møc năng lîng cña nguyªn tö cña nguån s¸ng - TÝnh chÊt h¹t cña ¸nh s¸ng thÓ hiÖn qua sù t¬ng t¸c cña ¸nh s¸ng víi vËt chÊt. ¸nh s¸ng bao gåm c¸c h¹t photon cã năng lîng phô thuéc tÇn sè w=h, - tÇn sè ¸nh s¸ng, h»ng sè planck h=6.6256*10-34 Js - Trong vËt chÊt c¸c ®iÖn tö liªn kÕt trong nguyªn tö cã xu híng tho¸t khái nguyªn tö trë thµnh ®iÖn tö tù do. ®Ó gi¶i phãng c¸c ®iÖn tö liªn kÕt cÇn cung cÊp cho nã mét năng lîng b»ng năng lîng liªn kÕt. Nhìn chung lo¹i ®iÖn tÝch ®- îc gi¶i phãng do chiÕu s¸ng phô thuéc b¶n chÊt cña vËt liÖu bÞ chiÕu s¸ng. Khi chiÕu s¸ng chÊt ®iÖn m«i vµ b¸n dÉn tinh khiÕt c¸c ®iÖn tÝch ®îc gi¶i phãng lµ cÆp ®iÖn tö-lç trèng. HiÖn tîng gi¶i phãng c¸c h¹t dÉn díi t¸c ®éng cña ¸nh s¸ng do hiÖu øng quang ®iÖn g©y nªn sù thay ®æi tÝnh chÊt ®iÖn cña vËt liÖu. ®©y lµ nguyªn lý c¬ b¶n cña c¶m biÕn quang - B•íc sãng ngưỡng cña ¸nh s¸ng cã thÓ g©y nªn hiÖn tượng gi¶i phãng ®iÖn tö max=hc/w1 KÕt luËn: HiÖu øng quang ®iÖn tû lÖ thuËn víi sè lîng h¹t dÉn ®îc gi¶i phãng do t¸c dông cña ¸nh s¸ng trong mét ®¬n vÞ thêi gian. Tuy nhiªn ngay c¶ khi < max kh«ng ph¶i mäi photon chiÕu xuèng bÒ mÆt ®Òu tham gia vµo viÖc gi¶i phãng h¹t dÉn vì mét sè sÏ bÞ ph¶n x¹ tõ bÒ mÆt, mét sè kh¸c chuyÓn hãa thµnh năng lîng cña chóng thµnh nhiÖt 2.1.2 Nguån s¸ng - Nguån s¸ng quyÕt ®Þnh mäi ®Æc tÝnh quan träng cña bøc x¹. ViÖc sö dông c¶m biÕn quang chØ cã hiÖu qu¶ khi nã phï hîp víi bøc x¹ ¸nh s¸ng - C¸c nguån s¸ng th«ng dông: ®Ìn sîi ®èt, dièt ph¸t quang vµ Lazer a, §Ìn sîi ®èt - CÊu t¹o: gåm sîi vonfram ®Æt trong bãng thñy tinh hoÆc th¹ch anh chøa c¸c khÝ tr¬ hoÆc halogen ®Ó gi¶m bay h¬i cña sîi ®èt - ®Æc ®iÓm ®Ìn sîi ®èt • D¶i phæ réng • HiÖu suÊt ph¸t quang(tû sè quang th«ng trªn c«ng suÊt tiªu thô) thÊp • Qu¸n tÝnh nhiÖt lín nªn kh«ng thÓ thay ®æi bøc x¹ mét c¸ch nhanh chãng • Tuæi thä thÊp, ®é bÒn c¬ häc thÊp b, §iot ph¸t quang LED(light-Emitting-Diode) - Lµ nguån s¸ng b¸n dÉn trong ®ã n¨ng lưîng gi¶i phãng do t¸i hîp ®iÖn tö-lç trèng gÇn chuyÓn tiÕp p-n cña diode sÏ lµm ph¸t sinh c¸c photon - ®Æc ®iÓm cña ®Ìn LED • Thêi gian håi ®¸p nhá cì ns, cã kh¶ n¨ng ®iÒu biÕn ®Õn tÇn sè cao nhê nguån nu«i • Phæ ¸nh s¸ng hoµn toµn x¸c ®Þnh • Tuæi thä cao, ®¹t tíi 100.000 giê • KÝch thưíc nhá • Tiªu thô c«ng suÊt thÊp • ®é bÒn c¬ häc cao • Quang th«ng t¬ng ®èi nhá cì mW vµ nh¹y víi nhiÖt ®é c, Lazer 14
- Lazer(Light Amplification by stimulated Emission Radiation) ph¸t s¸ng ®¬n s¾c dùa trªn hiÖn tîng khuÕch ®¹i ¸nh s¸ng b»ng bøc x¹ kÝch thÝch - CÊu t¹o gåm 4 thµnh phÇn c¬ b¶n: M«i trêng t¸c dông, c¬ cÊu kÝch thÝch, c¬ cÊu ph¶n x¹ vµ bé phèi gÐp ®Çu ra 2.2.Quang trở, tế bào quang điện - C¶m biÕn quang ®iÖn thùc chÊt lµ c¸c linh kiÖn quang ®iÖn, thay ®æi tr¹ng th¸i ®iÖn khi cã ¸nh s¸ng thÝch hîp t¸c ®éng vµo bÒ mÆt cña nã 2.2.1 TÕ bµo quang dÉn - ®Æc trng cña tÕ bµo quang dÉn lµ ®iÖn trë cña nã phô thuéc vµo th«ng lîng cña bøc x¹ vµ phæ cña bøc x¹ ¸nh s¸ng. TÕ bµo quang dÉn lµ mét trong nh÷ng c¶m biÕn cã ®é nhËy cao.C¬ së vËt lý cña tÕ bµo quang dÉn lµ hiÖn tîng quang dÉn do kªt qu¶ cña hiÖu øng quang ®iÖn bªn trong. HiÖu øng quang ®iÖn lµ hiÖn tîng gi¶i phãng c¸c h¹t t¶i ®iÖn trong vËt liÖu b¸n dÉn díi t¸c dông cña ¸nh s¸ng - VËt liÖu chÕ t¹o c¶m biÕn Cds(cadmium sulfid), Cdse(Cadmium selenid), CdTe(Cadmium Telurid) - TÝnh chÊt cña c¶m biÕn quang dÉn:  ®iÖn trë tèi Rco phô thuéc vµo h×nh d¸ng, kÝch thíc, nhiÖt ®é vµ b¶n chÊt hãa lý cña vËt liÖu. Khi bÞ chiÕu s¸ng ®iÖn trë tèi gi¶m rÊt nhanh, quan hÖ Hình 2.1 Quan hệ giữa điện trở và độ chiếu sáng của cảm biến quang dẫn  gi÷a ®iÖn trë vµ ®é räi lµ phi tuyÕn  TÕ bµo quang dÉn cã ®é nhËy cao cho phÐp ®¬n gi¶n hãa trong c¸c øng dông nhng cã mét sè nhîc ®iÓm: . ®Æc tÝnh ®iÖn trë- ®é räi phi tuyÕn . Thêi gian håi ®¸p t¬ng ®èi lín . Th«ng sè kh«ng æn ®Þnh do giµ hãa . ®é nh¹y phô thuéc nhiÖt ®é  øng dông cña tÕ bµo quang dÉn + ®iÒu khiÓn r¬le 15
®iÒu khiÓn trùc tiÕp ®iÒu khiÓn qua transzitor Hình 2.2 Ứng dụng của tế bào quang dẫn Khi cã th«ng lîng ¸nh s¸ng chiÕu lªn tÕ bµo quang dÉn, ®iÖn trë R gi¶m xuèng ®¸ng kÓ ®ñ ®Ó cho dßng ®iÖn I ch¹y qua tÕ bµo. Dßng ®iÖn sö dông trùc tiÕp hoÆc th«ng qua khuÕch ®¹i ®Ó ®ãng më r¬le + Thu tÝn hiÖu quang: tÕ bµo quang dÉn cã thÓ ®îc sö dông biÕn xung quang thµnh xung ®iÖn. Sù ng¾t qu·ng cña xung ¸nh s¸ng chiÕu lªn tÕ bµo quang ®iÖn sÏ ®îc ph¶n ¸nh thµnh xung ®iÖn cña m¹ch ®o,vì vËy c¸c th«ng tin mµ xung ¸nh s¸ng mang tíi sÏ ®îc thÓ hiÖn trªn xung ®iÖn.Ngêi ta øng dông m¹ch ®o nµy ®Ó ®Õm vËt hoÆc ®o tèc ®é quay cña ®Üa. 2.2.2 Photodiot - TiÕp xóc giữa P vµ N t¹o nªn vïng nghÌo h¹t dÉn vì ë ®ã tån t¹i mét ®iÖn trư- êng vµ hình thµnh hµng rµo thÕ Vb. Khi đã dßng ®iÖn ®Æt lªn chuyÓn tiÕp I=0 - Nguyªn lý lµm viÖc: Khi chiÕu s¸ng lªn bÒ mÆt di«t b¸n dÉn b»ng bøc x¹ cã bíc sãng nhá h¬n bíc sãng ngìng <s sÏ lµm xuÊt hiÖn thªm c¸c cÆp ®iÖn tö vµ lç trèng. Vïng nghÌo ChuyÓn tiÕp N P ®iÖn tr•êng P + ChuyÓn tiÕp + - N 16
Hình 2.3 Cấu tạo cuả Photodiot Để c¸c h¹t nµy cã thÓ tham gia vµo ®é dÉn vµ lµm tang dßng ®iÖn I cÇn ng¨n c¶n qu¸ tr×nh t¸i hîp chóng tøc lµ ph¶i nhanh chãng t¸ch cÆp ®iÖn tö, lç trèng díi t¸c dông cña ®iÖn trêng. ®iÒu nµy chØ cã thÓ x¶y ra ë vïng nghÌo vµ sù chuyÓn rêi cña c¸c ®iÖn tÝch ®ã kÐo theo sù gia tăng dßng ®iÖn ngîc Ir. ®Ó ®¹t ®îc ®iÒu ®ã ¸nh s¸ng ph¶i ®¹t tíi vïng nghÌo sau khi ®· ®i qua bÒ dµy cña chÊt b¸n dÉn vµ tiªu hao năng lîng kh«ng nhiÒu.Cµng ®i s©u vµo chÊt b¸n dÉn quang th«ng cµng gi¶m (x)= 0.e-x thùc tÕ c¸c dièt cã líp b¸n dÉn rÊt máng ®Ó sö dông ¸nh s¸ng hữu Photodiot hiÖu ®ång thêi vïng nghÌo ph¶i ®ñ Hình 2.4 Sơ đồ thay thế ở réng ®Ó sù hÊp thô lµ cùc ®¹i chế độ quang dẫn - ChÕ ®é ho¹t ®éng + ChÕ ®é quang dÉn Es nguån ph©n cùc ngîc diot Rm- ®o tÝn hiÖu ®Æc tÝnh V«n-ampe cña photodiot øng víi møc quang th«ng kh¸c nhau Ir=Es/Rm+Vd/Rm Hình 2.5 Đặc tính V-A của Photodiot ứng với mức quang thông khác nhau +ChÕ ®é quang thÕ: trong chÕ ®é nµy kh«ng cã ®iÖn ¸p ngoµi ®Æt vµo ®ièt. Photodiot ho¹t ®éng gièng nh mét nguån dßng. Ngêi ta ®o thÕ hë m¹ch vµ dßng ng¾n m¹ch Voc vµ Isc. ®Æc ®iÓm ë chÕ ®é nµy lµ kh«ng cã dßng tèi do kh«ng cã nguån ®iÖn ph©n cùc ngoµi do ®ã cã thÓ gi¶m nhiÔu vµ cho phÐp ®o quang th«ng nhá - S¬ ®å sö dông photodiot : tïy thuéc môc ®Ých sö dông photodiot ngêi ta chän chÕ ®é lµm viÖc cho nã + chÕ ®é quang dÉn 17
Hình 2.6 Sơ đồ ứng dụng của Photodiot ở chế độ quang dẫn S¬ ®å t¸c ®éng nhanh V0=(R1+R2).Ir ®iÖn trë t¶i cña diot nhá vµ b»ng (R1+R2) /k K- hÖ sè khuÕch ®¹i ë tÇn sè lµm viÖc, C2 cã t¸c dông bï trõ ¶nh hëng cña tô ký sinh Cp1 víi ®iÒu kiÖn R1 Cp1=R2C2 + ChÕ ®é quang thÕ S¬ ®å tuyÕn tÝnh V0=Rm.Isc CP1 R R1 2 - Ir + Vo Eb C2 R1+R2 18
Rm - Isc + Vo R=R m Hình 2.7 Sơ đồ ứng dụng của Photodiot ở chế độ quang thế 2.2.3 Phototranzitor - Phototranzitor lµ tranzitor silic lo¹i NPN vïng bazo cã thÓ ®îc chiÕu s¸ng, kh«ng cã ®iÖn ¸p ®Æt lªn bazo, chØ cã ®iÖn ¸p ®Æt lªn C, chuyÓn tiÕp B-C ph©n cùc ngîc(h×nh a) a b Hình 2.8 Cấu tạo Phototranzitor -Nguyªn lý: khi chuyÓn tiÕp B-C ®îc chiÕu s¸ng nã ho¹t ®éng ho¹t ®éng gièng photodiot ë chÕ ®é quang dÉn víi dßng ngîc: Ir=I0+Ip trong ®ã: I0- dßng ®iÖn ngîc trong tèi Ip- dßng quang ®iÖn khi cã th«ng lîng ¸nh s¸ng chiÕu qua bÒ dµy X →Dßng Ir ®ãng vai trß lµ dßng bazo g©y nªn dßng colector Ic=(+1) Ir=(+1) I0 +(+1) Ip - hÖ sè khuÕch ®¹i dßng cña transzitor khi ®Êu chung emitor 19
+ cã thÓ coi Phototranzitor nh tæ hîp gåm mét photodiot vµ 1 tranzitor(h×nh b). Photodiot cung cÊp dßng quang ®iÖn t¹i bazo, cßn tranzitor cho hiÖu øng KhuÕch ®¹i . C¸c ®iÖn tö vµ lç trèng ph¸t sinh trong vïng bazo(díi t¸c dông cña ¸nh s¸ng) sÏ bÞ ph©n cùc díi t¸c dông cña ®iÖn trêng trªn chuyÓn tiÕp B-C - S¬ ®å dïng Phototranzitor: Phototranzitor cã thÓ dïng lµm bé chuyÓn m¹ch hoÆc lµm phÇn tö tuyÕn tÝnh. ChÕ ®é chuyÓn m¹ch phototranzitor cã u ®iÓm so víi photodiot lµ cho phÐp ®iÒu khiÓn trùc tiÕp dßng qua t¬ng ®èi lín.Ngîc l¹i ë chÕ ®é tuyÕn tÝnh, phototranzitor cã u ®iÓm lµ cho ®é khuÕch ®¹i nhưng ®é tuyÕn tÝnh cña photodiot tèt h¬n - + phototranzitor chuyÓn m¹ch a b c d Hình 2.9 Các sơ đồ ứng dụng Phototranszitor Th«ng tin sö dông d¹ng nhÞ ph©n: cã hay kh«ng cã bøc x¹, ¸nh s¸ng lín h¬n hay kh«ng lín h¬n ¸nh s¸ng ngưìng . H×nh a: ®iÒu khiÓn trùc tiÕp r¬le . H×nh b: Sau khi khuÕch ®¹i ®iÒu khiÓn r¬le . H×nh c: ®iÒu khiÓn cæng logic 20
. H×nh d: ®iÒu khiÓn thyristor 2.3 Sợi quang Sợi quang ứng dụng hiện tượng phản xạ toàn phần khi ánh sáng được chiếu từ môi trường trong xuốt có hệ số chiết quang n1 lớn (như nước, thủy tinh, chất dẻo trong xuốt) qua mặt phân cách sang một môi trường trong xuốt khác có chiết suất n2 nhỏ hơn(như không khí). Hiện tượng phản xạu toàn phần xảy ra khi góc tới (hình )lớn hơn góc phản xạ toàn phần 0 Hình 2.10 Truyền ánh sáng trong sợi quang Sợi quang thông thường có dạng trụ với lõi bằng vật liệu thạch anh hoặc thủy tinh đa thành phần hoặc nhựa tổng hợp trong suốt với chiết suất lớn hơn nhiều so với không khí. Bên ngoài lõi là một màng vỏ làm bằng chất có chiết suất nhỏ hơn. Như trên hình 2.10 ánh sáng đi vào sợi quang qua mặt đầu của sợi quang và phản xạ toàn phần liên tục giữa mặt phân cách lõi và màng vỏ rồi ra ngoài ở mặt đầu kia của sợi. Những tia sáng không phản xạ toàn phần được thì xuyên ra ngoài sợi quang và gây ra tổn hao năng lượng ánh sáng truyền. Các sợi quang được chế tạo để sợi có bị uốn thì phần lớn ánh vẫn được truyền dọc theo sợi. Hình 2.11 Cảm biến quang học dùng sợi quang kiểu ánh sáng xuyên a, và ánh sáng phản xạ b Hình 2.11 là sơ đồ lắp cảm biến quang học dạng sợi quang. Trên đó SQ: sợi quang, ĐT: đối tượng, TQ: Transzitor quang. Đường kính sợi quang cỡ 1mm.Ưu điểm của loại này là có thể cảm nhận những vật có kích thước nhỏ tới 1mm. Cảm biến chịu tốt các rung động, va đập vì đầu sợi quang không có mạch điện, thiết bị nào cả. Do sợi quang có đường kính nhỏ nên có thể luồn lách và đặt ở những nơi rất hẹp. 21
2.4 Sơ lược về áp dụng cảm biến quang Cảm biến quang được sử dụng rất phổ biến trong công nghiệp để phát hiện sự có mặt của vật, đếm số sản phẩm. Phát hiện vật thể bóng loáng, gồ ghề 22
Chương 3. c¶m biÕn ®o nhiÖt ®é Mục tiêu : Trang bị cho sinh viên kiến cơ bản về các phương pháp đo nhiệt độ, làm quen với một số thiết bị đo nhiệt độ có trên thị trường 3.1 Thang nhiệt độ, điểm chuẩn nhiệt độ. - Thang Kelvin đơn vị 0K, trong thang đo Kelvin người ta gán cho điểm nhiệt độ cân bằng của trạng thái nước, nước đá: 273,150K - Thang Celcius 0C, một độ Celcius bằng một độ Kelvin. Quan hệ giữa độ Celcius và độ Kelvin được thể hiện: T(0C)=T(0K)-273,15 - Thang Fahrenheit 0F: 9 T(0F)= T(0C)+32 5 5 T(0C)=( T(0F)-32) 9 3.2. Cảm biến nhiệt điện trở. 3.2.1 Nguyên lý Nguyên lý chung đo nhiệt độ bằng các điện trở 2 Là dựa vào sự phụ thuộc điện trở suất của vật liệu theo nhiệt độ. Trong trường hợp tổng quát, sự thay đổi điện trở Theo nhiệt độ có dạng: R(T) = R0.F(T-T0) 3 R0 là điện trở ở nhiệt độ T0, F là hàm đặc trưng cho Vật liệu và F = 1 khi T = T0. 1 Hình 3.1 Nhiệt kế giãn nở Hiện nay thường sử dụng ba loại điện trở đo nhiệt độ đó là: điện trở kim loại, điện trở silic và điện trở chế tạo bằng hỗn hợp các oxyt bán dẫn. Trường hợp điện trở kim loại, hàm trên có dạng: 2 3 R(T) = R0(1 + AT + BT +CT ) o o Trong đó nhiệt độ T đo bằng C, T0=0 C và A, B, C là các hệ số thực nghiệm. Trường hợp điện trở là hỗn hợp các oxyt bán dẫn: 1 1 R(T)=R0.exp[ B( ) ] TT0 T là nhiệt độ tuyệt đối, B là hệ số thực nghiệm. Các hệ số được xác định chính xác bằng thực nghiệm khi đo những nhiệt độ đã biết trước. Khi đã biết giá trị các hệ số, từ giá trị của R người ta xác định được nhiệt độ cần đo. Khi độ biến thiên của nhiệt độ ΔT (xung quanh giá trị T) nhỏ, điện trở có thể coi như thay đổi theo hàm tuyến tính: R(T+ T)=R(T).(1+ R T) Trong đó: 1 dR . R RT() dT Được gọi hệ số nhiệt của điện trở hay còn gọi là độ nhạy nhiệt ở nhiệt độ T. 23
Độ nhạy nhiệt phụ thuộc vào vật liệu và nhiệt độ. o -3 o Ví dụ ở 0 C platin (Pt) có αR=3,9.10 / C. Chất lượng thiết bị đo xác định giá trị nhỏ nhất mà nó có thể đo được cũng R xác định sự thay đổi nhỏ nhất của nhiệt độ có thể phát hiện được: , R0 min Thực ra, điện trở không chỉ thay đổi khi nhiệt độ thay đổi do sự thay đổi điện trở suất mà còn chịu tác động của sự thay đổi kích thước hình học của nó. 3.2.2 Nhiệt kế điện trở kim loại  Vật liệu Yêu cầu chung đối với vật liệu làm điện trở: - Có điện trở suất ρ đủ lớn để điện trở ban đầu R0 lớn mà kích thước nhiệt kế vẫn nhỏ. - Hệ số nhiệt điện trở của nó tốt nhất là luôn luôn không đổi dấu, không triệt tiêu. - Có đủ độ bền cơ, hoá ở nhiệt độ làm việc. - Dễ gia công và có khả năng thay lẫn. Các cảm biến nhiệt thường được chế tạo bằng Pt và Ni. Ngoài ra còn dùng Cu, W. - Platin : + Có thể chế tạo với độ tinh khiết rất cao (99,999%) do đó tăng độ chính xác của các tính chất điện. + Có tính trơ về mặt hoá học và tính ổn định cấu trúc tinh thể cao do đó đảm bảo tính ổn định cao về các đặc tính dẫn điện trong quá trình sử dụng. + Hệ số nhiệt điện trở ở 0oC bằng 3,9.10-3/oC. + Điện trở ở 100oC lớn gấp 1,385 lần so với ở 0oC. + Dải nhiệt độ làm việc khá rộng từ -200oC ÷ 1000oC. - Nikel: + Có độ nhạy nhiệt cao, bằng 4,7.10-3/oC. + Điện trở ở 100oC lớn gấp 1,617 lần so với ở 0oC. + Dễ bị oxy hoá khi ở nhiệt độ cao làm giảm tính ổn định. + Dải nhiệt độ làm việc thấp hơn 250oC Đồng được sử dụng trong một số trường hợp nhờ độ tuyến tính cao của điện trở theo nhiệt độ. Tuy nhiên, hoạt tính hoá học của đồng cao nên nhiệt độ làm việc thường không vượt quá 180oC. Điện trở suất của đồng nhỏ, do đó để chế tạo điện trở có điện trở lớn phải tăng chiều dài dây làm tăng kích thước điện trở. Wonfram có độ nhạy nhiệt và độ tuyến tính cao hơn platin, có thể làm việc ở nhiệt độ cao hơn. Wonfram có thể chế tạo dạng sợi rất mảnh nên có thể chế tạo được các điện trở cao với kích thước nhỏ. Tuy nhiên, ứng suất dư sau khi kéo sợi khó bị triệt tiêu hoàn toàn bằng cách ủ do đó giảm tính ổn định của điện trở. 24
Bảng 3.1 Thông số Cu Ni Pt W o 1083 1453 1769 3380 Tf ( C) c (JoC-1kg- 400HH 450 135 125 1) λ (WoC- 400 90 73 120 1 -1 m ) 6 16,7 12,8 8,9 6 αl x10 o ( C) ρ x108 1,72 10 10,6 5,52 (Ωm) α x103 (oC- 3,9 4,7 3,9 4,5 1 ) 3.2.2.1 Cấu tạo nhiệt kế điện trở Để tránh sự làm nóng đầu đo dòng điện chạy qua điện trở thường giới hạn ở giá trị một vài mA và điện trở có độ nhạy nhiệt cao thì điện trở phải có giá trị đủ lớn. Muốn vậy phải giảm tiết diện dây hoặc tăng chiều dài dây. Tuy nhiên khi giảm tiết diện dây độ bền lại thấp, dây điện trở dễ bị đứ t, việc tăng chiều dài dây lại làm tăng kích thước điện trở. Để hợp lý người ta thường chọn điện trở R ở 00C có giá trị vào khoảng 100Ω, khi đó với điện trở platin sẽ có đường kính dây cỡ vài μm và chiều dài khoảng 10cm, sau khi quấn lại sẽ nhận được nhiệt kế có chiều dài cỡ 1cm. Các sản phẩm thương mại thường có điện trở ở 0oC là 50Ω, 500Ω và 1000Ω, các điện trở lớn thường được dùng để đo ở dải nhiệt độ thấp. - Nhiệt kế công nghiệp: Để sử dụng cho mục đích công nghiệp, các nhiệt kế phải có vỏ bọc tốt chống được va chạm mạnh và rung động, điện trở kim loại được cuốn và bao bọc trong thuỷ tinh hoặc gốm và đặt trong vỏ bảo vệ bằng thép. Trên hình 3.2 là các nhiệt kế dùng trong công nghiệp bằng điện trở kim loại platin 8 1 2 3 7 4 5 4 6 Hình 3.2 Nhiệt kế điện trở - Nhiệt kế bề mặt: Nhiệt kế bề mặt dùng để đo nhiệt độ trên bề mặt của vật rắn. Chúng thường được chế tạo bằng phương pháp quang hoá và sử dụng vật liệu làm điện trở là Ni, Fe-Ni hoặc Pt. Cấu trúc của một nhiệt kế bề mặt có dạng như hình vẽ 3.3. Chiều dày lớp 25
kim loại cỡ vài μm và kích thước nhiệt kế cỡ 1cm2 Hình 3.3 Nhiệt kế bề mặt Đặc trưng chính của nhiệt kế bề mặt: - Độ nhạy nhiệt : ~5.10-3/oC đối với trường hợp Ni và Fe-Ni ~4.10-3/oC đối với trường hợp Pt. - Dải nhiệt độ sử dụng: -195oC ÷ 260 oC đối với Ni và Fe-Ni. -260oC ÷ 1400 oC đối với Pt. Khi sử dụng nhiệt kế bề mặt cần đặc biệt lưu ý đến ảnh hưởng biến dạng của bề mặt đo. 3.2.2.2 Nhiệt kế điện trở silic Silic tinh khiết hoặc đơn tinh thể silic có hệ số nhiệt điện trở âm, tuy nhiên khi được kích tạp loại n thì trong khoảng nhiệt độ thấp chúng lại có hệ số nhiệt điện trở dương, hệ số nhiệt điện trở ~0,7%/oC ở 25oC. Phần tử cảm nhận nhiệt của cảm biến silic được chế tạo có kích thước 500x500x240 μm được mạ kim loại ở một phía còn phía kia là bề mặt tiếp xúc. Trong dải nhiệt độ làm việc ( -55 ÷ 200oC) có có thể lấy gần đúng giá trị điện trở Các cảm biến theo nhiệt độ theo công thức: R T = R 0 Trong đó R0 và T0 là điện trở và nhiệt độ tuyệt đối ở điểm chuẩn Sự thay đổi nhiệt của điện trở tương đối nhỏ nên có thể tuyến tính hóa bằng cách mắc them một điện trở phụ. 3.2.2.3 Nhiệt kế điện trở oxyt bán dẫn *Vật liệu chế tạo Nhiệt điện trở được chế tạo từ hỗn hợp oxyt bán dẫn đa tinh thể như: MgO, MgAl2O4, Mn2O3, Fe3O4, o2O3, NiO, ZnTiO4. Trong đó R0(Ω) là điện trở ở nhiệt độ T0(K). 26
Độ nhạy nhiệt có dạng:  b R T 2 Vì ảnh hưởng của hàm mũ đến điện trở chiếm ưu thế nên biểu thức có thể viết lại: Với B có giá trị trong khoảng 3.000 - 5.000K.  Cấu tạo Hỗn hợp oxuyt được trộn theo một tỷ lệ thích hợp Sau đó được nén định dạng và thiết kế nhiệt độ tới ~ 1000oC. Các dây nối kim loại được hàn tại hai điểm trên bề mặt được phủ một lớp kim loại, mặt ngoài có thể bọc bởi một lớp thủy tinh Hình 3.4 Cấu tạo nhiệt điện trở có vỏ bọc thủy tinh Nhiệt điện trở có độ nhạy nhiệt rất cao nên có thể dùng để phát hiện những biến thiên nhiệt độ rất nhỏ cỡ 10-4 -10-3K. Kích thước cảm biến nhỏ có thể đo nhiệt độ tại từng điểm. Nhiệt dung cảm biến nhỏ nên thời gian hồi đáp nhỏ. Tuỳ thuộc thành phần chế tạo, dải nhiệt độ làm việc của cảm biến nhiệt điện trở từ vài độ đến khoảng 300oC. 3.3 Cảm biến cặp nhiệt. 3.3.1 Hiệu ứng nhiệt điện Phương pháp đo nhiệt độ bằng cảm biến nhiệt ngẫu dựa trên cơ sở hiệu ứng nhiệt điện. Người ta nhận thấy rằng khi hai dây dẫn chế tạo từ vật liệu có bản chất hoá học khác nhau được nối với nhau bằng mối hàn thành một mạch kín và nhiệt độ hai mối hàn là t và t0 khác nhau thì trong mạch xuất hiện một dòng điện. Sức điện động xuất hiện do hiệu ứng nhiệt điện gọi là sức điện động nhiệt điện. Nếu một đầu của cặp nhiệt ngẫu hàn nối với nhau, còn đầu thứ hai để hở thì giữa hai cực xuất hiện một hiệu điện thế. Hiện tượng trên có thể giải thích như sau: Trong kim loại luôn luôn tồn tại một nồng độ điện tử tự do nhất định phụ thuộc bản chất kim loại và nhiệt độ. Thông thường khi nhiệt độ tăng, nồng độ điện tử tăng. Giả sử ở nhiệt độ T0 nồng độ điện trở t0 trong A là NA(t0), trong B là NB(t0) và 2 nhiệt độ T nồng độ điện trở trong A là NA(t), trong B là N (t), n u N (t ) > N (t ) thì nói B A 0 B 0 A B chung NA(t) > NB(t). Xét đầu làm việc (nhiệt độ t ), do NA(t)T1 t > NB(t) nên có sự khuyếch tán điện tử từ 1 A→ B và ở chỗ tiếp xúc xuất hiện một hiệu Hình 3.5 sơ đồ nguyên lý cặp nhiệt điện thế eAB(t) có tác dụng hạn chế sự khuyếch ngẫu Tương tự tại mặt tiếp xúc ở đầu tự do (nhiệt độ t0) cũng xuất hiện một hiệu điện thế eAB(t0). 27
Giữa hai đầu của một dây dẫn cũng có chênh lệch nồng độ điện tử tự do, do đó cũng có sự khuếch tán điện tử và hình thành hiệu điện thế tương ứng trong A là eA(t,t0) và trong B là eB(t,t0). Sức điện động tổng sinh ra do hiệu ứng nhiệt điện xác định bởi công thức sau: Phương trình gọi là phương trình cơ bản của cặp nhiệt ngẫu. Từ phương trình nhận thấy nếu giữ nhiệt độ t0 = const thì Chọn nhiệt độ ở một mối hàn t0 = const biết trước làm nhiệt độ so sánh và đo sức điện động sinh ra trong mạch ta có thể xác định được nhiệt độ t ở mối hàn thứ hai. Sức điện động của cặp nhiệt không thay đổi nếu chúng ta nối thêm vào mạch một dây dẫn thứ ba (hình 1.26) nếu nhiệt độ hai đầu nối của dây thứ ba giống nhau. Thật vậy: Trong trường hợp a: E ABC (t, t 0 ) = e AB (t) + e BC (t 0 ) + e CA (t 0 ) Vì: Nên: e AB (t 0 ) + e BC (t 0 ) + e CA (t 0 ) = 0 E ABC (t, t 0 ) = e AB (t) − e AB (t 0 ) t C 0 2 t0 t0 2 3 t 3 1 A B C 4 (a) (b) Hình 3.6 Sơ đồ nối cặp nhiệt với dây dẫn thứ 3 Trường hợp b: E ABC (t, t 1 , t 0 ) = e AB (t) − e AB (t 0 ) + e BC (t 1 ) + e CB (t 1 ) e BC (t 1 ) = −e CB (t 1 ) E ABC (t, t 0 ) = e AB (t) − e AB (t 0 ) Nếu nhiệt độ hai đầu nối khác nhau sẽ làm xuất hiện sức điện động ký sinh. 3.3.2 Cấu tạo cặp nhiệt  Vật liệu chế tạo Để chế tạo cực nhiệt điện có thể dùng nhiều kim loại và hợp kim khác nhau. Tuy nhiên chúng phải đảm bảo các yêu cầu sau: - Sức điện động đủ lớn (để dẽ dàng chế tạo dụng cụ đo thứ cấp). - Có đủ độ bền cơ học và hoá học ở nhiệt độ làm việc. - Dễ kéo sợi. - Có khả năng thay lẫn. - Giá thành rẽ. Hình 1.27 biểu diễn quan hệ giữa sức điện động và nhiệt độ của các vật liệu 28
dùng để chế tạo điện cực so với điện cực chuẩn platin Ed 1 2 4 5 3 6 7 T 8 9 10 11 Hình 3.7: Quan hệ giữa sức điện động và nhiệt độ - Cặp Platin - Rođi/Platin: Cực dương là hợp kim Platin (90%) và rôđi (10%), cực âm là platin sạch. o Nhiệt độ làm việc ngắn hạn cho phép tới 1600 C , Eđ =16,77mV. Nhiệt độ làm việc dài hạn <1300oC. o Đường đặc tính có dạng bậc hai, trong khoảng nhiệt độ 0 - 300 C thì E ≈ 0. o Trong môi trường có SiO2 có thể hỏng ở nhiệt độ 1000 - 1100 C. Đường kính điện cực thường chế tạo  = 0,5 mm. Do sai khác của các cặp nhiệt khác nhau tương đối nhỏ nên loại cặp nhiệt này thường được dùng làm cặp nhiệt chuẩn. - Cặp nhiệt Chromel/Alumel: Cực dương là Chromel, hợp kim gồm 80%Ni + 10%Cr + 10%Fe. Cực âm là Alumen, hợp kim gồm 95%Ni + 5%(Mn + Cr+Si). o Nhiệt độ làm việc ngắn hạn ~1100 C, Eđ = 46,16 mV. Nhiệt độ làm việc dài hạn < 900oC. Đường kính cực  = 3 mm. - Cặp nhiệt Chromel/Coben: Cực dương là chromel, cực âm là coben là hợp kim gồm 56%Cu + 44% Ni. o Nhiệt độ làm việc ngắn hạnE 800 C, đ = 66 mV. Nhiệt độ làm việc dài hạn < 600oC. - Cặp nhiệt Đồng/Coben: Cực dương là đồng sạch, cực âm là coben. Nhiệt độ làm việc ngắn hạn 600oC. Nhiệt độ làm việc dài hạn <300oC. Loại này được dùng nhiều trong thí nghiệm vì dễ chế tạo. Quan hệ giữa sức điện động và nhiệt độ của một số cặp nhiệt cho ở hình 3.8 29
Ed E J K R S B t0C Hình 3.8 Sức điện động của một số cặp nhiệt ngẫu E-Chromel/Constantan R- Platin-Rodi (13%)/Platin J- Sắt/Constantan S- Platin-Rodi (10%)/Platin K- Chromel/Alumel B-Platin-rodi (30%)/ Platin-rodi (6%)  Cấu tạo Cấu tạo điển hình của một cặp nhiệt công nghiệp trình bày trên hình 3.9. 4 5 2 3 6 7 8 1 Hình 3.9 Cấu tạo cặp nhiệt ngẫu 1) Vỏ bảo vệ 2) Mối hàn 3) Dây điện cực 4) sứ cách điện 5) bộ phận lớp đốt 6) Vít nối dây 7) Dây nối 8) đầu nối dây Đầu làm việc của các điện cực (3) được hàn nối với nhau bằng hàn vảy, hàn khí hoặc hàn bằng tia điện tử. Đầu tự do nối với dây nối (7) tới dụng cụ đo nhờ các vít nối (6) dây đặt trong đầu nối dây (8). Để cách ly các điện cực người ta dùng các ống sứ cách điện (4), sứ cách điện phải trơ về hoá học và đủ độ bền cơ và nhiệt ở nhiệt độ làm việc. Để bảo vệ các điện cực, các cặp nhiệt có vỏ bảo vệ (1) làm bằng sứ chịu nhiệt hoặc thép chịu nhiệt. Hệ thống vỏ bảo vệ phải có nhiệt dung đủ nhỏ để giảm bớt quán tính nhiệt và vật liệu chế tạo vỏ phải có độ dẫn nhiệt không quá nhỏ nhưng cũng không được quá lớn. Trường hợp vỏ bằng thép mối hàn ở đầu làm việc có thể tiếp xúc với vỏ để giảm thời gian hồi đáp 3.4 Hoả kế, nhiệt kế bức xa Các cảm biến quang thuộc loại cảm biến đo nhiệt độ không tiếp xúc, gồm: hoả kế bức xạ to àn phần, hoả kế quang học. 3.4.1.Hoả kế bức xạ toàn phần Nguyên lý dựa trên định luật: Năng lượng bức xạ toàn phần của vật đen tuyệt đối tỉ lệ với luỹ thừa bậc 4 của nhiệt độ tuyệt đối của vật. 30
4 E = σT 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. 1 2 4 4 3 1 5 5 a) b) Hình 3.10 Hỏa kế bức xạ toàn phần a) có ống kính b) có kính phản xạ 1) nguồn bức xạ 2) thấu kính hội tụ 3) gương phản xạ 4) bộ phận thu năng lượng 5) dụng cụ đo thứ cấp Trong sơ đồ hình (1.30a): ánh sáng từ nguồn bức xạ (1) qua thấu kính hội tụ (2) đập tới bộ phận thu năng lượng tia bức xạ (4), bộ phận này được nối với dụng cụ đo thứ cấp (5). Trong sơ đồ hình (1.30b): ánh sáng từ nguồn bức xạ (1) đập tới gương phản xạ (3) và hội tụ tới bộ phận thu năng lượng tia bức xạ (4), bộ phận này được 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 - 150oC. + 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. Trên hình 3.11 trình bày cấu tạo của một bộ thu là tổ hợp cặp nhiệt 1 (1) thường dùng cặp cromen/coben (2) Phủ bằng bột Hỏa kế dùng gương phản xạ tổn 2 thất năng lượng thấp ( ~ 10%), hỏa kế dùng thấu kính hội tụ tone thất từ 30 - 40%. Tuy nhiên loại thứ nhất lại có nhược điểm Hình 3.11 Bộ thu năng lượng là khi môi trường nhiều bụi, gương bị bẩn, 1) Cặp nhiệt 2)lớp phủ platin độ phản xạ giảm do đó tăng sai số. Khi đo nhiệt độ bằng hoả kế bức xạ sai số thường không vượt quá 27oC, trong điều kiện: + Vật đo phải có độ den xấp xỉ bằng 1. 31
+ Tỉ lệ giữa đường kính vật bức xạ và khoảng cách đo (D/L) không nhỏ hơn 1/16. + Nhiệt độ môi trường 20 ± 2oC. Trong thực tế độ đen của vật đo ε <1, khi đó T 1 2 3 Hình 3.12: hiệu chỉnh nhiệt độ theo độ đen Khoảng cách đo tốt nhất là 1 ± 0,2 mét 3.4.2 Hoả kế quang điện Hoả kế quang điện chế tạo dựa trên định luật Plăng: Trong đó λ là bước sóng, C1, C2 là các hằng số. IT T1 T2 T3 0.65 m  Hình 3.13 Sự phụ thuộc của cường độ ánh sáng vào bước sóng và nhiệt độ 32
Nguyên tắc đo nhiệt độ bằng hỏa kế quang học là so sánh cường độ ánh sáng của vật cần đo với độ sáng của một đèn mãu trong cùng một bước sóng nhất định và theo cùng một hướng. Khi sáng bằng nhau thì đnhiệt độ bằng nhau Trong hình (1.33) ta nhận thấy dự phụ thuộc giữa I và ; do đó người ta thường cố định bước sóng ở 0.65m. 4 5 3 6 7 8 1 2 Rb mA K Hình 3.14 Hỏa kế quang học 1) Nguồn bức xạ 2)vật kính 3) Kính lực 4&6) Thành ngăn 7, kính lọc ánh sáng đỏ 8, thị kính Khi đó hướng hỏa kế vào vật cần đo ánh sáng từ vật bức xạ cần đo nhiệt độ (1) qua vật kính (2), kính lọc (3), và các vách ngăn (4), (6), kính lọc ánh sánh đỏ (7) tới thị kính (8) và mắt. Bật công tắc K để cấp điện nung nóng dây tóc bóng đèn mẫu (5), điều chỉnh biến trở Rb để độ sáng của dây tóc bóng đèn trùng với độ sáng của vật cần đo. Sai số khi đo: Sai số do độ đen của vật đo ε < 1. Khi đó Tđo xác định bởi công thức: 1  1 ln TC  d0 2 Công thức hiệu chỉnh: Tđo = Tđọc + ΔT Giá trị của ΔT cho theo đồ thị. Ngoài ra sai số của phép đo còn do ảnh hưởng của khoảng cách đo, tuy nhiên sai số này thường nhỏ. Khi môi trường có bụi làm bẩn ống kính, kết quả đo cũng bị ảnh hưởng 3.5 Nhiệt kế áp suất lỏng và khí. Nguyên lý làm việc của áp kế nhiệt dựa trên sự phụ thuộc của áp suất làm việc của chất lỏng trong hệ thống nhiệt vào nhiệt độ.Tùy theo trạng thái làm việc của chất lỏng trong hệ thống nhiệt mà áp kế nhiệt chia thành loại khí, lỏng hay các chất ngưng tụ. 3.5.1Nhiệt kế áp suất chất khí Để đo nhiệt độ từ -1500C đến 6000C chất khí được dùng là Heeli và Nito. Nguyên lý làm việc của nhiệt kế dựa trên cơ sở định luật Gay-luxac: Pt=P0(1+t) Trong đó 0 0 Pt, P0: áp suất của khí ở 0 C và ở t C 1
: hệ số áp suất của khí bằng 1/273,15 Thay vào nhiệt độ P1, P2 và t1, t2 ta có: ()t2 t 1 PPPP 2 1 1 1 t1 P1, P2 là áp suất trong hệ thống nhiệt ở giá trị đầu và cuối, tương ứng với nhiệt độ t1, t2 của giá trị đầu và cuối của thang đo. 3.5.2 Nhiệt kế áp suất chất lỏng Chất lỏng được dùng làm nhiệt kế là thủy ngân dưới áp suất 10-15MPa trong buồng nhiệt ha toluel, xitilen .khi áp suất từ 0,5-5MPa.Phạm vi đo từ -300 đến 6000C với thủy ngân.Vì chất lỏng không chịu nén nên thể tích bình nhiệt trong nhiệt kế áp suất chất lỏng khác với khí. Khi nhiệt độ thay đổi từ giá trị đầu t1 đến giá trị cuối t2 thì thể tích chất lỏng đẩy ra từ bình nhiệt thể tích VT là: VVTTL ( 3 )(t2 t 1 ) Trong đó  L : hệ số giãn nở thể tích theo nhiệt độ của chất lỏng : hệ số giãn nở dài của vật liệu làm bình nhiệt Thể tích chất lỏng này được làm nguội từ nhiệt độ t1 đến nhiệt độ môi trường tm đến thể tích VT , khi đó áp suất trong hệ thống thay đổi một lượng P còn thể tích của , VM áp kế nén thay đổi một lượng VM , khi giá trị VVM T 1  L (t2 t 1 ) VM [1  L ( t2 t 1 ) VT (L 3 )(t2 t 1 ) 2
Chương 4. c¶m biÕn vÞ trÝ Mục tiêu :Trang bị cho sinh viên kiến cơ bản về các phương pháp đo vị trí, làm quen với một số thiết bị vị trí có trên thị trường Việc xác định vị trí và dịch chuyển đóng vai trò rất quan trọng trong kỹ thuật. Hiện nay có hai phương pháp cơ bản để xác định vị trí và dịch chuyển. Trong phương pháp thứ nhất, bộ cảm biến cung cấp tín hiệu là hàm phụ thuộc vào vị trí của một trong các phần tử của cảm biến, đồng thời phần tử này có liên quan đến vật cần xác định dịch chuyển. Trong phương pháp thứ hai, ứng với một dịch chuyển cơ bản, cảm biến phát ra một xung. Việc xác định vị trí và dịch chuyển được tiến hành bằng cách đếm số xung phát ra. Một số cảm biến không đòi hỏi liên kết cơ học giữa cảm biến và vật cần đo vị trí hoặc dịch chuyển. Mối liên hệ giữa vật dịch chuyển và cảm biến được thực hiện thông qua vai trò trung gian của điện trường, từ trường hoặc điện từ trường, ánh sáng. Trong chương này trình bày các loại cảm biến thông dụng dùng để xác định vị trí và dịch chuyển của vật như điện thế kế điện trở, cảm biến điện cảm, cảm biến điện dung, cảm biến quang, cảm biến dùng sóng đàn hồi 4.1 Cảm biến điện cảm Cảm biến vịt rí kiểu cảm ứng ( hay còn gọi là cảm biến điện cảm)làm việc dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ. Vật cần đo vị trí hoặc dịch chuyển được gắn vào một phần tử của mạch từ gây nên sự biến thiên từ thông qua cuộn đo. Cảm biến điện cảm được chia ra: cảm biến tự cảm và hỗ cảm.  Cảm biến tự cảm có khe từ biến thiên - Cảm biến tự cảm đơn: trên hình 1.10 trình bày sơ đồ nguyên lý cấu tạo của một số loại cảm biến tự cảm đơn. 1 2 3 1 2 XV Xv R 2 3 1 δ a) b) c) Hình 4.1 Cảm biến tự cảm đơn 1, lõi sắt từ 2, cuộn dây 3, phần động Cảm biến tự cảm đơn gồm một cuộn dây quấn trên lõi thép cố định (phần tĩnh) và một lõi thép có thể di động dưới tác động của đại lượng đo (phần động), giữa phần tĩnh và phần động có khe hở không khí tạo nên một mạch từ hở. Sơ đồ hình 4.1a: dưới tác động của đại lượng đo XV, phần ứng của cảm biến di chuyển, khe hở không khí δ trong mạch từ thay đổi, làm cho từ trở của mạch từ biến thiên, do đó hệ số tự cảm và tổng trở của cuộn dây thay đổi theo. 3
Sơ đồ hình 4.1b: khi phần ứng quay, tiết diện khe hở không khí thay đổi, làm cho từ trở của mạch từ biến thiên, do đó hệ số tự cảm và tổng trở của cuộn dây thay đổi theo. Hệ số tự cảm của cuộn dây cũng có thể thay đổi do thay đổi tổn hao sinh ra bởi dòng điện xoáy khi tấm sắt từ dịch chuyển dưới tác động của đại lượng đo Xv (hình 4.1c). Ta thấy tổng trở Z của cảm biến là hàm tuyến tính với tiết diện khe hở không khí s và phi tuyến với chiều dài khe hở không khí δ. Z, L  L=f( ) Z5000Hz=f( ) Z5000Hz=f( )  Hình 4.2 Sự phụ thuộc giữa L và Z với chiều dày khe hở không khí δ Đặc tính của cảm biến tự cảm đơn Z = f(Δδ) là hàm phi tuyến và phụ thuộc tần số nguồn kích thích, tần số nguồn kích thích càng cao thì độ nhạy của cảm biến càng cao (hình 4.2). - Cảm biến tự cảm kép lắp theo kiểu vi sai: Để tăng độ nhạy của cảm biến và tăng đoạn đặc tính tuyến tính người ta thường dùng cảm biến tự cảm kép mắc theo kiểu vi sai (hình 4.3). xV xv xv a) b) c) Hình 4.3 Cảm biến tự cảm kép mắc theo kiểu vi sai Đặc tính của cảm biến tự cảm kép vi sai có dạng như hình 4.4 4
L L = f(δ) L1 - L2 = f(δ) δ L2 = f(δ) Hình 4.4 Đặc tính của cảm biến tự cảm kép mắc kiểu vi sai  Cảm biến tự cảm có lõi từ di động Cảm biến gồm một cuộn dây bên trong có lõi từ di động được (hình 4.5). 1 2 X V l0 lf l Hình 4.5 Sơ đồ nguyên lý cảm biến tự cảm lõi sắt từ 1, cuộn dây 2, lõi sắt từ Dưới tác động của đại lượng đo XV, lõi từ dịch chuyển làm cho độ dài lf của lõi từ nằm trong cuộn dây thay đổi, kéo theo sự thay đổi hệ số tự cảm L của cuộn dây. Sự phụ thuộc của L vào lf là hàm không tuyến tính, tuy nhiên có thể cải thiện bằng cách ghép hai cuộn dây đồng dạng vào hai nhánh kề sát nhau của một cầu điện trở có chung một lõi sắt. 4.2 Cảm biến hỗ cảm Cấu tạo của cảm biến hỗ cảm tương tự cảm biến tự cảm chỉ khác ở chỗ có thêm một cuộn dây đo (hình 4.6). Trong các cảm biến đơn khi chiều dài khe hở không khí (hình 4 . 6 a) hoặc tiết diện khe không khí thay đổi (hình 4 . 6 b) hoặc tổn hao do dòng điện xoáy thay đổi (hình 4 . 6 c) sẽ làm cho từ thông của mạch từ biến thiên kéo theo suất điện động e trong cuộn đo thay đổi. - Cảm biến đơn có khe hở không khí ~ 1 3 1 2 xV 3 2 4 4 a b 5
~ xv ~ xv xv   1 2 ~ ~ ~ Hình 4.6 Cảm biến hỗ cảm 1, cuộn sơ cấp 2, gồn từ 3, lõi từ di động 4, cuộn thứ cấp (cuộn đo) W2 - số vòng dây của cuộn dây đo. Khi làm việc với dòng xoay chiều i = I m sin ωt , ta có: e = -W2*d*Φt = -W2*W1*µoS di dt δ dt Ta nhận thấy công thức xác định độ nhạy của cảm biến hỗ cảm có dạng tương tự như cảm biến tự cảm chỉ khác nhau ở giá trị của E0 và L0. Độ nhạy của cảm biến hỗ cảm Sδ và SS cũng tăng khi tần số nguồn cung cấp tăng. - Cảm biến vi sai: để tăng độ nhạy và độ tuyến tính của đặc tính cảm biến người ta mắc cảm biến theo sơ đồ vi sai (hình 4.6 d,đ,e). Khi mắc vi sai độ nhạy của cảm biến tăng gấp đôi và phạm vi làm việc tuyến tính mở rộng đáng kể. - Biến thế vi sai có lõi từ: gồm bốn cuộn dây ghép đồng trục tạo th ành hai cảm biến đơn đối xứng, bên trong có lõi từ di động được (hình 4.7). Các cuộn thứ cấp được nối ngược với nhau sao cho suất điện động trong chúng triệt tiêu lẫn nhau. 2 2 3 1 ~ ~ Hình 4.7 Cảm biến hỗ cảm vi sai 1, cuộn sơ cấp 2, cuộ thứ cấp 3, lõi từ Về nguyên tắc, khi lõi từ ở vị trí trung gian, điện áp đo Vm ở đầu ra hai cuộn thứ cấp bằng không. Khi lõi từ dịch chuyển, làm thay đổi mối quan hệ giữa cuộn sơ cấp với các cuộn thứ cấp, tức là làm thay đổi hệ số hỗ cảm giữa cuộn sơ cấp với các cuộn thứ cấp. Khi điện trở của thiết bị đo đủ lớn, điện áp đo Vm gần như tuyến tính với hiệu số các hệ số hỗ cảm của hai cuộn thứ cấp 4.3 Cảm biến điện dung. 6
Hình 4.8 Mét sè hình d¸ng cña c¶m biÕn ®iÖn dung thưêng gÆp - Nguyªn lý lµm viÖc cña c¸c c¶m biÕn ®iÖn dung dùa trªn sù t¸c ®éng t¬ng hç gi÷a hai ®iÖn cùc t¹o thµnh mét tô ®iÖn.®iÖn dung cña nã sÏ thay ®æi díi t¸c ®éng cña ®¹i lîng ®Çu vµo. - C¶m biÕn ®iÖn dung chia thµnh hai nhãm chÝnh: c¶m biÕn m¸y ph¸t vµ c¶m biÕn th«ng sè - C¶m biÕn ®iÖn dung m¸y ph¸t ®¹i lîng ra lµ ®iÖn ¸p m¸y ph¸t, ®¹i lîng vµo lµ di chuyÓn th¼ng, di chuyÓn gãc cña b¶n ®iÖn cùc ®éng cña cña c¶m biÕn. Lo¹i nµy thêng dïng ®o c¸c ®¹i lîng c¬ häc U=q/c=(q)/(S) - C¶m biÕn ®iÖn dung th«ng sè cã ®¹i lîng ra lµ sù thay ®æi ®iÖn dung cña c¶m biÕn ®¹i lîng ®¹i lîng vµo vµo lµ sù di chuyÓn. c=(S)/ 4.4 Cảm biến Hall. Cảm biến Hall là một mảnh bán dẫn mỏng có kết cấu đặc biệt. Khi có dòng điện I chạy dọc theo tấm bán dẫn, đồng thời có từ cảm B tác động lên tấm này thì trên hai cực ngang của nó xuất hiện suất điện động Hall. EH = kH.I.B.sin I: dòng điện dọc theo cảm biến B: từ cảm xuyên qua cảm biến  góc lệch giữa I và B kH: hệ số Hall Hình 4.9 Nguyên lý cảm biến hall Cảm biến Hall được dùng rộng rãi trong các thiết bị đo từ, cảm biến tiếp cận, có dải đo từ 1 106 Gauss. 4.5 Cảm biến tiếp cận - C¶m biÕn tiÖm cËn ®îc sö dông ®Ó ph¸t hiÖn sù cã mÆt hay kh«ng cã mÆt cña ®èi tîng b»ng kü thuËt c¶m biÕn kh«ng cã tiÕp xóc c¬ häc. - C¶m biÕn tiÖm cËn sö dông nguyªn lý thay ®æi ®iÖn c¶m hay ®iÖn dung cña phÇn tö m¹ch ®iÖn khi cã mÆt hoÆc kh«ng cã mÆt ®èi tîng. C¶m biÕn nµy cã cÊu tróc t¬ng ®èi ®¬n gi¶n, kh«ng ®ßi hái tiÕp xóc c¬ häc nhng tÇm ho¹t ®éng bÞ h¹n chÕ víi kho¶ng c¸ch tèi ®a 100mm - HiÖn nay c¸c c¶m biÕn tiÖm cËn dùa trªn nguyªn lý vi sãng vµ quang häc cã tÇm ho¹t ®éng lín vµ ®îc sö dông réng r·i trong thùc tÕ 7
4.5.1 C¶m biÕn tiÖm cËn ®iÖn c¶m Hình 4.10 Sơ đồ cấu tạo nguyên lý của cảm biến tiệm cận điện cảm - CÊu t¹o: 1 bé c¶m biÕn tiÖm cËn ®iÖn c¶m gåm 4 khèi chÝnh: • Cuén d©y vµ lâi Ferit • M¹ch dao ®éng • M¹ch ph¸t hiÖn • M¹ch ®Çu ra - Nguyªn lý lµm viÖc: M¹ch dao ®éng ph¸t dao ®éng ®iÖn tõ tÇn sè radio. Tõ tr•êng biÕn thiªn tËp trung tõ lâi s¾t sÏ mãc vßng ®èi tîng kim lo¹i ®Æt ®èi diÖn víi nã. Khi ®èi tîng l¹i gÇn sÏ cã dßng ®iÖn Foucault c¶m øng trªn bÒ mÆt ®èi tîng t¹o nªn mét t¶i lµm gi¶m biªn ®é tÝn hiÖu dao ®éng. Bé ph¸t hiÖn sÏ ph¸t hiÖn ra sù thay ®æi tr¹ng th¸i biªn ®é m¹ch dao ®éng M¹ch bÞ ph¸t hiÖn sÏ ë vÞ trÝ ON ph¸t tÝn hiÖu lµm m¹ch ra ë vÞ trÝ ON. Khi môc tiªu rêi khái Trưêng cña bé c¶m biÕn biªn ®é m¹ch dao ®éng t¨ng lªn trªn gi¸ trÞ ng•ìng vµ bé ph¸t hiÖn trë vÒ vÞ trÝ OFF lµ vÞ trÝ b×nh th•êng Hình 4.11 Giản đồ phát hiện vật của cảm biến tiệm cận điện cảm HiÖu sè biªn ®é t¸c ®éng vµ kh«ng t¸c ®éng cña bé t¸c ®éng t•¬ng øng víi sù trÔ víi c¶m biÕn. Nã tư¬ng øng víi ®iÓm ph¸t hiÖn vµ ®iÓm nh¶ cña c¶m biÕn ®èi diÖn bÒ mÆt ®èi tîng. - Ph¹m vi cña c¶m biÕn tiÖm cËn ®iÖn c¶m liªn quan ®Õn kho¶ng c¸ch giữa bÒ mÆt cña c¶m biÕn vµ ®èi tîng cã liªn quan ®Õn h×nh d¸ng cña lâi vµ d©y quÊn. 8
- Nh÷ng yÕu tè ¶nh hưëng ®Õn tÇm(ph¹m vi) cña c¶m biÕn • KÝch th•íc vµ h×nh d¸ng lâi, cuén d©y, vËt liÖu lâi • VËt liÖu vµ kÝch th•íc ®èi tîng • §iÒu kiÖn ®iÖn tõ xung quanh • NhiÖt ®é m«i trêng xung quanh 4.5.2 C¶m biÕn tiÖm cËn ®iÖn dung - C¶m biÕn tiÖm cËn ®iÖn dung: sù cã mÆt cña ®èi tîng lµm thay ®æi ®iÖn dung cña c¸c b¶n cùc c¶m biÕn. C¶m biÕn tiÖm cËn ®iÖn dung còng gåm 4 bé phËn + C¶m biÕn(c¸c b¶n cùc c¸ch ®iÖn) + M¹ch dao ®éng + Bé ph¸t hiÖn + M¹ch ®Çu ra - ®Æc ®iÓm: c¶m biÕn tiÖm cËn ®iÖn dung kh«ng ®ßi hái ®èi tượng lµ kim lo¹i. ®èi tượng ph¸t hiÖn cã thÓ lµ chÊt láng, vËt liÖu phi kim, thñy tinh, nhùa. Tèc ®é chuyÓn m¹ch t¬ng ®èi nhanh, cã thÓ ph¸t hiÖn c¸c ®èi tùîng kÝch th•íc nhá, ph¹m vi c¶m nhËn lín VËt ph¸t hiÖn C¶m biÕn Hình 4.12 Cấu tạo cảm biến tiệm cận điện dung - H¹n chÕ cña c¶m biÕn tiÖm cËn ®iÖn dung lµ chÞu ¶nh h•ëng cña ®é Èm vµ bôi. C¶m biÕn tiÖm cËn ®iÖn dung cã vïng c¶m nhËn lín h¬n vïng c¶m nhËn cña c¶m biÕn tiÖm cËn ®iÖn c¶m. VÝ dô víi èng 18mm c¶m biÕn ®iÖn dung cã vïng c¶m nhËn lµ 10mm, 9
vïng c¶m nhËn cña c¶m biÕn tiÖn cËn ®iÖn c¶m lµ 8mm. Víi èng 30mm vïng c¶m nhËn cña c¶m biÕn tiÖm cËn ®iÖn dung lµ 25 mm, ®iÖn c¶m lµ 15mm - §Ó bï ¶nh h•ëng cña m«i trêng c¸c c¶m biÕn tiÖm cËn ®iÖn dung th•êng cã chiÕt ¸p ®iÒu chØnh 10
Chương 5. c¶m biÕn ®o l•u l•îng vµ møc chÊt l•u Mục tiêu : Trang bị cho sinh viên kiến cơ bản về các phương pháp đo lưu lượng và đo mức, làm quen với một số thiết bị đo lưu lượng và đo mức có trên thị trường 5.1 Đo lưu lượng bằng chênh lệch áp suất - Mét trong nh÷ng nguyªn t¾c phæ biÕn ®Ó ®o lu lîng chÊt láng, khÝ vµ h¬i lµ nguyªn t¾c thay ®æi ®é gi¶m ¸p suÊt qua èng thu hÑp. ¦u ®iÓm cña c¸c dông cô nµy lµ ®¬n gi¶n ch¾c ch¾n kh«ng cã tiÕng ån, dÔ chÕ t¹o hµng lo¹t, ®o ®îc ë bÊt kú m«i trêng, nhiÖt ®é vµ ¸p suÊt nµo, gi¸ thµnh thÊp - Kh¶o s¸t nguyªn lý dßng ch¶y trong mét èng dÉn cã ®Æt thiÕt bÞ thu hÑp. Khi cã dßng chÊt láng ch¶y qua lç thu hÑp th× tèc ®é cña nã t¨ng lªn so víi tèc ®é tríc lç thu hÑp. Do ®ã ¸p suÊt dßng ch¶y ë cöa ra cña lç thu hÑp gi¶m xuèng t¹o nªn sù chªnh lÖch ¸p suÊt phÝa tríc vµ phÝa sau lç thu hÑp. Sö dông ¸p kÕ vi sai ®o ®- îc sù chªnh lÖch ¸p suÊt nµy tõ ®ã ®o ®îc lu lîng nµy Hình 5.1 Nguyên lý đo lưu lượng bằng chênh lệch áp suất - Tèc ®é dßng ch¶y sau èng thu hÑp lín h¬n tríc èng do ®ã ¸p suÊt sau èng lín h¬n 2 2 p p v2 v1 1 2 2 (5.1) - L•u l•îng phô thuéc vµo tèc ®é nªn còng phô thuéc vµo ®é chªnh lÖch ¸p suÊt d 2 G 2 (p p ) 4 1 2 (5.2) d 2 2 Q ()p p 4 1 2 11
d: ®•êng kÝnh lç thu hÑp; - hÖ sè l•u l•îng - mËt ®é dßng ch¶y 5.2 Lưu lượng kế từ điện Nguyªn lý ho¹t ®éng cña lu lîng kÕ tõ ®iÖn dùa trªn ®Þnh luËt c¶m øng ®iÖn tõ cña Faraday. Khi cã d©y dÉn chuyÓn ®éng trong tõ trêng c¾t c¸c ®êng søc, trong d©y dÉn c¶m øng 1 søc ®iÖn ®éng tØ lÖ víi tèc Hình 5.2 Sơ đồ nguyên lý lưu lượng kế từ điện ®é chuyÓn ®éng d©y dÉn. NÕu dïng 1 chÊt láng dÉn ®iÖn ch¶y qua giữa hai cùc cña 1 nam ch©m vµ ®o søc ®iÖn ®éng sinh ra trong chÊt láng thì cã thÓ x¸c ®Þnh ®îc tèc ®é dßng ch¶y hay lu lîng kÕ thÓ tÝch s¬ ®å ®o nh• h×nh 5-2 - Giữa hai cùc N vµ S cña mét nam ch©m ngêi ta ®Æt mét èng kim lo¹i kh«ng tõ tÝnh 3 vu«ng gãc víi ®êng søc tõ trêng. MÆt trong cña èng 3 phñ 1 líp vËt liÖu c¸ch ®iÖn (s¬n emay, thñy tinh hữu c¬).Trong mÆt ph¼ng vu«ng gãc víi ®êng søc ngêi ta ®Æt 2 ®iÖn cùc 1,2. c¸c ®iÖn cùc nµy ®îc nèi víi ®ång hå ®o 4 milivonke hay ®iÖn thÕ kÕ. Søc ®iÖn ®éng c¶m øng trong tõ trêng kh«ng ®æi lµ: 4B E BWD Q (5.3) D B : C•êng ®é tõ tr•êng W : vËn tèc dßng ch¶y D : §•êng kÝnh dßng ch¶y Q : L•u l•îng thÓ tÝch - Khi B=const søc ®iÖn ®éng phô thuéc tuyÕn tÝnh vµo lu lîng thÓ tÝch cña chÊt láng - Lu lîng kÕ tõ ®iÖn dïng ®Ó ®o c¸c chÊt láng cã ®é ®iÖn dÉn kh«ng nhá h¬n 10- 510-6 simen/m - Nhîc ®iÓm chñ yÕu cña lu lîng kÕ cã tõ trêng kh«ng ®æi lµ xuÊt hiÖn c¸c ®iÖn cùc søc ®iÖn ®éng Galvanic vµ søc ®iÖn ®éng ph©n cùc lµm yÕu c¶m øng hữu Ých lµm tăng sai sè cña phÐp ®o. S®® ký sinh ph©n cùc thùc tÕ cã thÓ lo¹i trõ khi dïng nam ch©m ®iÖn xoay chiÒu, nhng dïng nam ch©m xoay chiÒu l¹i t¹o ra 12
mét sè hiÖu øng lµm mÐo tÝn hiÖu h÷u Ých. Tuy nhiªn trong c«ng nghiÖp ngêi ta vÉn dïng lu lîng kÕ nam ch©m xoay chiÒu v× cã nh÷ng u ®iÓm sau: + Khi ®o l¬ng lîng thÓ tÝch kh«ng ph¶i ®o tû träng chÊt láng + ChØ thÞ cña lu lîng kÕ kh«ng chÞu ¶nh hëng ngoµi ®a vµo chÊt láng - Lu lîng kÕ tõ ®iÖn hiÖn nay cho phÐp ®o lu lîng trong ph¹m vi réng 12500 m3/giê cho c¸c èng dÉn cã ®êng kÝnh 101000nm víi tèc ®é chuyÓn ®éng ®Òu tõ 0,610m/s. CÊp chÝnh x¸c cña lu lîng kÕ: 1; 2,5 5.3 Lưu lượng kế khối lượng nhiệt - CÊu t¹o: + èng kim lo¹i m¶nh cã ®êng kÝnh nhá + PhÝa ngoµi èng kim lo¹i ®îc cuèn 1 sîi d©y ®èt b»ng ®iÖn trë ë chÝnh gi÷a + Hai c¶m biÕn nhiÖt ®é ®Ó ®o T1 ë thîng nguån(®Çu vµo) vµ T2 h¹ lu(®Çu ra) ®îc ®Æt ë 2 phÝa cña sîi ®èt vµ ®èi xøng nhau qua sîi ®èt. Nung nãng T1 T2 C¶m biÕn nhiÖt ®é T T2 T1 Kh«ng cã dßng ch¶y Cã dßng ch¶y Hình 5.3 Cấu tạo của lưu lượng kế khối lượng nhiệt 13
Khi kh«ng cã dßng ch¶y lu lîng b»ng 0(Q=0), sù truyÒn nhiÖt ra hai phÝa cña sîi ®èt lµ nh nhau, hiÖu øng nung nãng sÏ ®èi xøng trêng hîp nµy T1=T2. - Khi l•u l•îng kh¸c kh«ng(Q0): T1 gi¶m, T2 t¨ng chªnh lÖch T1 vµ T2( T=T1-T2) tû lÖ víi l•u l•îng Q 5.4 Đo mức bằng phương pháp chênh áp 5.4.1 Kh¸i niÖm - Møc lµ chiÒu cao ®iÒn ®Çy cña chÊt láng hay c¸c h¹t trong c¸c thiÕt bÞ c«ng nghÖ. Møc cña m«i trêng lµm viÖc lµ mét tham sè c«ng nghÖ, th«ng tin vÒ nã ®•îc sö dông ®Ó kiÓm tra chÕ ®é lµm viÖc cña c¸c thiÕt bÞ c«ng nghÖ, trong 1 sè tr•êng hîp dïng ®Ó ®iÒu khiÓn c¸c qu¸ tr×nh s¶n xuÊt - Ng•êi ta chÝ phÐp ®o møc thµnh: ®o møc m«i trêng lµm viÖc, ®o khèi lîng chÊt láng trong c¸c thiÕt bÞ c«ng nghÖ, truyÒn tÝn hiÖu møc cña m«i trêng lµm viÖc. Theo ph¹m vi ®o ngêi ta chia thµnh ph¹m vi ®o réng vµ hÑp. Ph¹m vi ®o réng (giíi h¹n 0,520m) dïng cho c¸c qu¸ tr×nh kiÓm kª hµng, ph¹m vi ®o (0100mm) hay (0450mm) th•êng dïng trong hÖ thèng ®iÒu chØnh tù ®éng 5.4.2 §o møc b»ng ph•¬ng ph¸p chªnh ¸p Hình 5.4 Sơ đồ đo mức bằng phương pháp chênh áp 5.5 Đo mức sử dụng áp suất thủy tĩnh Nguyên lý chung của phương pháp dựa trên nguyên tắc cân bằng áp suất chất lưu với áp suất thuỷ tĩnh của chất lỏng làm việc trong áp kế. 5.5.1Áp kế vi sai kiểu phao Áp kế vi sai kiểu phao gồm hai bình thông nhau, bình lớn có tiết diện F và bình nhỏ có tiết diện f (hình 5.1). Chất lỏng làm việc là thuỷ ngân hay dầu biến áp. Khi đo, áp suất lớn (p1) được đưa vào bình lớn, áp suất bé (p2) được đưa vào bình nhỏ. Để tránh chất lỏng làm việc phun ra ngoài khi cho áp suất tác động về một phía người ta mở van (4) và khi áp suất hai bên cân bằng van (4) được khoá lại. Khi đạt sự cân bằng áp suất, ta có: p1 − p 2 = g(ρm − ρ)(h1 + h 2 ) (5.4) 14
Trong đó: g - gia tốc trọng trường. ρm - trọng lượng riêng của chất lỏng làm việc. ρ - trọng lượng riêng của chất lỏng hoặc khí cần đo Mặt khác từ cân bằng thể tích ta có: F.h1 = f.h 2 (5.5) Suy ra: Khi mức chất lỏng trong bình lớn P1 P2 thay đổi (h1 thay đổi), phao c ủa áp kế dịch chuyển và qua qua cơ cấu liên kết làm quay kim chỉ thị trên đồng hồ đo. 5 4 6 7 h2 3 2 h1 1 Hình 5.5. Áp kế vi sai kiểu phao Áp kế vi sai kiểu phao dùng để đo áp suất tĩnh không lớn hơn 25MPa. Khi thay đổi tỉ số F/f (bằng cách thay ống nhỏ) ta có thể thay đổi được phạm vi đo. Cấp chính xác của áp suất kế loại này cao (1; 1,5) nhưng chứa chất lỏng độc hại mà khi áp suất thay đổi đột ngột có thể ảnh hưởng đến đối tượng đo và môi trường. 5.5.2 Áp kế vi sai kiểu chuông Cấu tạo của áp kế vi sai kiểu chuông gồm chuông (1) nhúng trong chất lỏng làm việc chứa trong bình (2). 3 3 P2 1 P2 A 2 dx B dH dy P1 P 1 (a) (b) Hình 5.6 áp kế vi sai kiểu chuông 1) Chuông 2) Bình chứa 3) chỉ thị Khi áp suất trong buồng (A) và (B) bằng nhau thì nắp chuông (1) ở vị trí cân bằng (hình 5.6a), khi có biến thiên độ chênh áp d(p1-p2) >0 thì chuông được nâng lên(hình 5.6b). Khi đạt cân bằng ta có: 15
d(p1 − p 2 ).F = (dH + dy)Δf.g(ρm − ρ) (5.6) d(p1 − p 2 ) = dh(ρm − ρ)g fdy = Δf.dH + (Φ − F )dx (5.7) F - tiết diện ngoài của chuông. dH - độ di chuyển của chuông. dy - độ dịch chuyển của mức chất lỏng trong chuông. dx - độ dịch chuyển của mức chất lỏng ngoài chuông. Δf - diện tích tiết diện thành chuông. Φ - diện tích tiết diện trong của bình lớn. dh - chênh lệch mức chất lỏng ở ngoài và trong chuông. f - diện tích tiết diện trong của chuông. Giải các phương trình trên ta có: f dH d() P1 P 2 (5.8) f.() g Pm P Lấy tích phân giới hạn từ 0 đến (p1 - p2) nhận được phương trình đặc tính tĩnh của áp kế vi sai kiểu chuông: Áp kế vi sai có độ chính xác cao có thể đo được áp suất thấp và áp suất chân không. 5.6 Cảm biến đo mức kiểu điện dung - Sö dông sù phô thuéc ®iÖn dung cña phÇn tö nh¹y c¶m cña bé chuyÓn ®æi vµo møc chÊt láng - CÊu t¹o: phÇn tö nh¹y c¶m ®iÖn dung ®îc thùc hiÖn díi d¹ng c¸c ®iÖn cùc hình trô trßn ®Æt ®ång trôc hay c¸c ®iÖn cùc ph¼ng ®Æt song song víi nhau. CÊu t¹o cña c¸c phÇn tö thô c¶m ®iÖn dung ®îc x¸c ®Þnh theo tÝnh chÊt hãa lý cña chÊt láng. Víi chÊt láng c¸ch ®iÖn(cã ®iÖn dÉn suÊt nhá h¬n 10-6 simen/m) ta cã c¸c s¬ ®å c¶m biÕn như hình díi ®©y 3 1 2 2 H H h h d 1 D b a 16
Hình 5.7 Cảm biến đo mức chất lỏng cách điện - H×nh a: phÇn tö thô c¶m gåm 2 ®iÖn cùc ®ång trôc 1 vµ 2 cã phÇn nhóng ch×m vµo chÊt láng. C¸c ®iÖn cùc t¹o thµnh 1 tô ®iÖn h×nh trßn, gi÷a hai ®iÖn cùc ®iÒn ®Çy chÊt láng cã chiÒu cao h, H-h lµ kh«ng gian chøa hçn hîp h¬i khÝ. ®iÖn dung cña tô ®iÖn h×nh trô ®•îc x¸c ®Þnh b»ng ph•¬ng tr×nh: 2 H (5.9) 0 c ln(D / d ) Trong ®ã: + : h»ng sè cña ®iÖn m«i ®iÒn ®Çy gi÷a 2 ®iÖn cùc + 0: h»ng sè ®iÖn m«i cña ch©n kh«ng H: chiÒu cao ®iÖn cùc + D, d: ®•êng kÝnh ngoµi vµ trong cña ®iÖn cùc - Víi tô h×nh trô trßn h×nh a cã h»ng sè ®iÖn m«i kh¸c nhau, ®iÖn dung cña tô lµ: c=c0+ c1+c2 ë ®©y c0: ®iÖn dung cña c¸ch ®iÖn xuyªn qua n¾p c1: ®iÖn dung giữa hai ®iÖn cùc cã chøa chÊt láng c2: ®iÖn dung cña kh«ng gian chøa h¬i vµ khÝ VËy 2L 0h 2 r  0 (H h ) c c0 (5.10) ln(D / d ) ln(D / d ) - ®èi víi h¬i vµ khÝ r=1 cßn c0= h»ng sè nªn 2 0H h c c0 [1 ( L 1) ] (5.11) ln(D / d ) H Ph •¬ng tr×nh ®Æc tÝnh tÜnh cña phÇn tö nh¹y ®iÖn dung ®èi víi m«i tr•êng c¸ch ®iÖn - ®Ó ®o møc c¸c chÊt láng dÉn ®iÖn (cã ®iÖn dÉn suÊt >10-4 simen/m) ngêi ta sö dông phÇn tö thô c¶m cã c¸ch ®iÖn ngoµi(h×nh b), phÇn tö thô c¶m lµ c¸c ®iÖn cùc kim lo¹i 1 cã phñ líp c¸ch ®iÖn 2 vµ nhóng ch×m vµo chÊt láng. ®iÖn cùc thø 2 lµ thµnh bÓ chøa (nÕu lµ kim lo¹i) hay lµ ®iÖn cùc riªng. - ®iÖn dung toµn phÇn cña phÇn tö nh¹y c¶m ®îc tÝnh b»ng c c c c 1 2 0 c c trong ®ã 1 2 c0: ®iÖn dung cña c¸ch ®iÖn xuyªn qua n¾p c1: ®iÖn dung gi÷a ®iÖn cùc 1 vµ bÒ mÆt chÊt láng trªn giíi h¹n cã c¸ch ®iÖn c2: ®iÖn dung cña tô ®iÖn t¹o bëi mÆt chÊt láng trªn mÆt giíi h¹n c¸ch ®iÖn vµ thµnh bÓ 1
Chương 6. c¶m biÕn ®o ¸p suẤT Mục tiêu : Trang bị cho sinh viên kiến cơ bản về các phương pháp đoáp suất, làm quen với một số thiết bị đo áp suất có trên thị trường 6.1 Khái niệm chung về áp suất - Khi chøa chÊt láng hay chÊt khÝ(gäi chung lµ chÊt lu) vµo mét bình nã sÏ g©y nªn mét lùc lªn thµnh bình gäi lµ ¸p suÊt. ¸p suÊt phô thuéc b¶n chÊt chÊt lưu thÓ tÝch mµ nã chiÕm trước vµ sau khi ®a vµo bình vµ nhiÖt ®é - Kh¸i niÖm ¸p suÊt: ¸p suÊt lµ tû sè giữa lùc t¸c dông vu«ng gãc lªn mét mÆt víi diÖn tÝch cña nã. ¸p suÊt lµ 1 ®¹i lượng c¬ b¶n ®Ó x¸c ®Þnh tr¹ng th¸i nhiÖt ®éng häc cña c¸c chÊt. - ®¬n vÞ ®o ¸p suÊt: trong hÖ ®¬n vÞ quèc tÕ SI lµ pascal(Pa) lµ ¸p suÊt t¹o bëi lùc 1N ph©n bè ®ång ®Òu trªn diÖn tÝch 1 m2 vu«ng gãc víi ph¸p tuyÕn - Ph©n lo¹i: theo lo¹i ¸p suÊt cÇn ®o vµ nguyªn lý t¸c dông - Theo lo¹i ¸p suÊt cÇn ®o: - ¸p kÕ ®o ¸p suÊt dư - ¸p kÕ tuyÖt ®èi ®Ó ®o ¸p suÊt tÝnh tõ ®é 0 tuyÖt ®èi - KhÝ ¸p kÕ ®o ¸p suÊt khÝ quyÓn - Ch©n kh«ng kÕ ®o ®é ch©n kh«ng - Theo nguyªn lý lµm viÖc, dông cô ®o ¸p suÊt chia thµnh: ®o ¸p suÊt chÊt láng, chÊt khÝ dùa trªn nguyªn lý biÕn d¹ng, ion hãa vµ nhiÖt ®iÖn - HiÖn nay dông cô ®o ¸p suÊt cã thÓ ®o ¸p suÊt tõ 10-12 ®Õn 1011 Pa 6.2 Đo áp suất bằng chất lỏng cân bằng thủy tĩnh ë lo¹i dông cô ®o nµy ¸p suÊt ®o lµ chiÒu cao chÊt láng lµm viÖc, chÊt láng mÉu lµ níc cÊt, thñy ng©n hay etyl hay dÇu biÕn ¸p - ¸p kÕ vi sai kiÓu phao Hình 6.1 Sơ đồ nguyên lý áp kế vi sai k kiểu phao - CÊu t¹o: ¸p kÕ vi sai gåm 2 bình th«ng nhau.TiÕt diÖn bình lín 1 lµ F > tiÕt diÖn èng 7 f. Trong khoang trèng cña bình ngêi ta ®iÒn ®Çy chÊt láng lµm viÖc (thñy ng©n hay dÇu biÕn ¸p) cho tíi v¹ch sè 0. Sù chªnh lÖch ¸p suÊt ®îc chØ b»ng c¬ cÊu 3 g¾n trªn phao 2. - Nguyªn lý lµm viÖc: dùa trªn c¬ së c©n b»ng ¸p suÊt chÊt láng so víi ¸p suÊt thñy tÜnh cña chÊt láng lµm viÖc chøa trong ¸p kÕ. Khi ®o ¸p suÊt lín ®îc ®a 2
vµo bình 1 cßn ¸p suÊt nhá ®îc ®a vµo bình 7. ¸p suÊt ®îc truyÒn qua van 5 vµ van 6. Van 4 ng¨n kh«ng cho chÊt láng mÉu phun ra ngoµi khi truyÒn ¸p suÊt vµo mét phÝa. Víi môc ®Ých nµy tríc khi m¾c dông cô ®o víi ®èi tîng ®o, van 4 më ra, sau khi ¸p suÊt ®· æn ®Þnh trong 2 bình khãa van 4, sau ®ã ®ãng van 5 vµ 6. Trong qu¸ trình ®o chÊt láng trong bình 1 nÐn phao 2 lµm cho kim chØ thÞ lÖch ®i cho ®Õn khi cã c©n b»ng víi cét thñy tÜnh. Khi cã sù c©n b»ng ¸p suÊt ta cã p1 p 2 g( m )( h1 h 2 ) Trong ®ã: g - gia tèc r¬i tù do h1, h2: chiÒu cao møc dÞch chuyÓn cña chÊt láng mÉu m : tû träng chÊt láng mÉu : tû träng chÊt láng cÇn ®o 1 mµ F1h1=F2h2 nªn ta cã h .( p p ) 1 F 1 2 1( )( )g f m ph•¬ng tr×nh trªn ®îc gäi lµ ph¬ng trình ®Æc tÝnh tÜnh cña ¸p kÕ vi sai kiÓu phao NhËn xÐt: ®Ó nhËn ®îc sù dÞch chuyÓn nh nhau h1 cña phao khi ®o hiÖu sè ¸p suÊt trong ph¹m vi kh¸c nhau, chØ cÇn thay ®æi tû sè F/f nghÜa lµ chØ thay ®æi èng cã tiÕt diÖn f b»ng èng cã ®êng kÝnh kh¸c. C¬ cÊu truyÒn ¸p suÊt vi sai kiÓu phao ®îc øng dông ®Ó ®o lu lîng c¸c chÊt. ¸p kÕ cã ®é chÝnh x¸c cao, cã kh¶ năng ghi l¹i c¸c kÕt qu¶ ®o mµ kh«ng cÇn nguån năng lîng ngoµi. Nhîc ®iÓm chøa chÊt láng mÉu ®éc h¹i(thñy ng©n) khi ¸p suÊt thay ®æi ®ét ngét cã thÓ ¶nh hëng ®Õn ®èi tîng ®o vµ m«i trêng 6.3 Đo áp suất bằng phần tử nhạy cảm với biến dạng - Nguyªn lý dông cô ®o ¸p suÊt b»ng biÕn d¹ng dùa trªn c¬ së biÕn d¹ng ®µn håi cña c¸c phÇn tö c¶m biÕn hay sù t¹o ra øng lùc trong chóng 6.3.1 Đo ¸p suÊt dùa trªn sù biÕn d¹ng kiÓu c¶m øng - S¬ ®å cña bé c¶m biÕn ®o kiÓu c¶m øng Hình 6.2 Sơ đồ nguyên lý đo áp suất dựa trên biến dạng 3
- Mµng 1 lµ má thÐp ®éng cña mét nam ch©m ®iÖn 2 cã quÊn cuén d©y 3. Díi t¸c dông cña ¸p suÊt ®o, mµng 1 ®îc dÞch chuyÓn lµm thay ®æi ®iÖn c¶m cña phÇn tö biÕn ®æi c¶m øng. NÕu bá qua ®iÖn trë t¸c dông cña cuén d©y, tõ th«ng t¶n vµ tæn hao trong lâi thÐp thì ®é tù c¶m cña phÇn tö biÕn ®æi ®îc x¸c ®Þnh w2 L l/(.) S /(  S) tb tb tb 0 Trong ®ã: w- sè vßng d©y cña cuén d©y ltb, stb: chiÒu dµi vµ diÖn tÝch trung bình cña lâi thÐp : chiÒu dµi khe hë kh«ng khÝ tb, 0 : ®é tõ thÈm cña lâi thÐp vµ kh«ng khÝ S: tiÕt diÖn ngang cña khe hë kh«ng khÝ Trong qu¸ trình ®o gi¸ trÞ Ltb/(tb.stb)<</(0s) w2 S L 0  Gi¸ trÞ biÕn d¹ng cña mµng tØ lÖ víi ¸p suÊt cÇn ®o =k1P w2 S L 0 k P 1 ®©y lµ ph¬ng trình ®Æc tÝnh tÜnh cña bé biÕn ®æi ®o ¸p suÊt kiÓu c¶m øng - ®o ®é tù c¶m L sÏ x¸c ®Þnh ®îc ¸p suÊt P, ®o ®é tù c¶m L thêng ®îc thùc hiÖn b»ng cÇu ®o xoay chiÒu hay m¹ch céng hëng L-C. Khi ®o ¸p suÊt tõ 0,5 1MPa bÒ dµy mµng b»ng 0,10,3mm, khi ®o ¸p suÊt tõ 2030MPa, bÒ dµy mµng b»ng 1,3mm. Sai sè bé biÕn ®æi ®o ¸p suÊt kiÓu C¶m øng lµ (0,25)% 6.2.2 Đo ¸p suÊt dùa trªn sù biÕn d¹ng sö dông bé biÕn ®æi ¸p suÊt thµnh tÝn hiÖu ®iÖn b»ng biÕn ¸p vi sai Hình 6.3 Sơ đồ nguyên lý bộ biến đổi áp suất thành tín hiệu điện bằng biến áp vi sai 4
- Bé biÕn ®æi ¸p suÊt kiÓu biÕn ¸p vi sai gåm 1 c¶m biÕn biÕn d¹ng 1 vµ phÇn tö biÕn ®æi 2 - PhÇn tö biÕn ®æi lµ mét khung c¸ch ®iÖn trªn cã quÊn cuén d©y s¬ cÊp 6. Cuén thø cÊp gåm 2 cuén (3) vµ (4) ®Êu ngîc chiÒu nhau. Trong r·nh cña cuén d©y ngêi ta ®Æt lâi thÐp ®éng 5 nèi víi lß xo 1 vµ ®Çu kÐo căng.®Çu ra thø cÊp nèi víi ®iÖn trë R1 ta cã thÓ thay ®æi giíi h¹n ®o trong ph¹m vi 25% - Nguyªn lý: Khi cã dßng ®iÖn I1 ch¹y qua cuén s¬ cÊp sÏ t¹o ra 1 tõ th«ng trong hai nöa cuén d©y thø cÊp, lµm xuÊt hiÖn trong hai nöa cuén d©y nµy c¸c s®® c¶m øng e1, e2. ®é lín cña chóng phô thuéc hç c¶m giữa cuén s¬ cÊp M1 vµ M2 ®èi víi mçi nöa cuén d©y e1=2fI1M1 , e2=2fI1M2 - NÕu 2 nöa cuén d©y ®Êu ngîc chiÒu quÊn th× E=e1-e2=2fI1(M1-M2)=2fI1M M- hç c¶m giữa cuén s¬ cÊp vµ thø cÊp, víi phÇn tö biÕn ®æi chuÈn cã ®iÖn trë cöa ra R1 vµ R2 ®iÖn ¸p ra cña bé biÕn ®æi ®îc tÝnh theo c«ng thøc Ura= 2fI1Mra Gi¸ trÞ hç c¶m Mra phô thuéc vµo ®é dÞch chuyÓn  cña lâi thÐp: Mra=Mmax./max Mmax- gi¸ trÞ hç c¶m lín nhÊt giữa cuén s¬ cÊp vµ thø cÊp t¬ng øng víi ®é dÞch chuyÓn lín nhÊt max cña lâi thÐp, nh vËy M max U ra 2 fI1 .  max - BiÕn ®æi ¸p suÊt ®o thµnh tÝn hiÖu Ura ®îc thùc hiÖn b»ng c¸ch biÕn ®æi ¸p suÊt thµnh sù biÕn d¹ng cña phÇn tö c¶m øng g¾n víi lâi s¾t 5 vµ sau ®ã biÕn ®æi sù dÞch chuyÓn cña lâi s¾t 5 thµnh tÝn hiÖu ®iÖn - ®Æc tÝnh tÜnh cña c¶m biÕn: M U 2 fI max .kP ra 1  k: hÖ sè biÕn ®æi max 5
Chương 7. c¶m biÕn ®o vËn tèc vµ c¸c c¶m biÕn kh¸c Mục tiêu : Trang bị cho sinh viên kiến cơ bản về các phương pháp đo tốc độ và đo vận tốc, làm quen với một số thiết bị đo tốc độ góc, tốc độ dài có trên thị trường 7.1 Đo tốc độ quay động cơ - §Ó ®o tèc ®é rotor cã thÓ sö dông c¸c ph¬ng ph¸p sau ®©y . Sö dông m¸y ph¸t tèc . Sö dông c¶m biÕn quang tèc ®é víi ®Üa m· hãa . Sö dông m¸y ®o gãc tuyÖt ®èi . X¸c ®Þnh tèc ®é gi¸n tiÕp qua phÐp ®o dßng ®iÖn vµ ®iÖn ¸p stator mµ kh«ng cÇn dïng bé c¶m biÕn tèc ®é 7.1.1 Tèc ®é kÕ dßng 1 chiÒu(m¸y ph¸t ®iÖn 1 chiÒu c«ng suÊt nhá) - CÊu t¹o: stator, rotor vµ cùc gãp chæi quÐt + Stator(phÇn c¶m) lµ mét nam ch©m ®iÖn hoÆc nam ch©m vÜnh cöu cã 2 cùc nam vµ b¾c n»m phÝa ngoµi Rotor: lµ 1 trôc s¾t gåm nhiÒu líp ghÐp l¹i vµ quay gi÷a c¸c cùc stator. MÆt chu vi cña rotor kh¾c r·nh song song víi trôc vµ c¸ch ®Òu nhau, trong r·nh ®Æt d©y dÉn b»ng ®ång + Cùc gãp: h×nh trô ®ång trôc víi rotor nhng cã b¸n kÝnh nhá h¬n. Trªn bÒ mÆt cùc gãp cã c¸c l¸ ®ång c¸ch ®iÖn, mçi l¸ ®îc nèi víi 1 d©y ®ång chÝnh cña rotor + Hai chæi quÐt ®îc ¸p s¸t vµo cùc gãp sao cho ë mäi thêi ®iÓm chóng lu«n lu«n tiÕp xóc víi 2 l¸ ®ång ®èi diÖn nhau - Nguyªn lý lµm viÖc: Khi d©y dÉn quay quanh trôc trong tõ trêng, ë 2 ®Çu d©y dÉn xuÊt hiÖn mét suÊt ®iÖn ®éng e . Trong ®ã: - tèc ®é trôc quay(tèc ®é rotor) n- Tæng sè d©y chÝnh trªn rotor 0- tõ th«ng xuÊt ph¸t tõ cùc nam ch©m N- sè vßng quay trong mét gi©y Nh• vËy ®o søc ®iÖn ®éng Er sÏ tÝnh ®îc tèc ®é quay  •u ®iÓm cña thiÕt bÞ nµy lµ tÝn hiÖu ®Çu ra ®æi dÊu khi ®æi chiÒu quay. Trong khi chÕ t¹o ngêi ta thêng sö dông nam ch©m vÜnh cöu ®Ó tr¸nh dïng nguån kÝch thÝch Hình 7.1 Một số máy phát một chiều công suất nhỏ 6
7.1.2 Tèc ®é kÕ xoay chiÒu(m¸y ph¸t ®iÖn xoay chiÒu) - ¦u ®iÓm tèc ®é kÕ xoay chiÒu lµ kh«ng cã cæ gãp vµ chæi quÐt nªn cã tuæi thä cao, kh«ng cã sù t¨ng gi¶m ®iÖn thÕ trªn chæi. - Nhîc ®iÓm cña tèc ®é kÕ xoay chiÒu lµ m¹ch ®iÖn phøc t¹p h¬n, ®Ó x¸c ®Þnh biªn ®é ph¶i chØnh lu vµ läc tÝn hiÖu - M¸y ph¸t xoay chiÒu cã 2 lo¹i: m¸y ph¸t ®ång bé vµ m¸y ph¸t kh«ng ®ång bé a, M¸y ph¸t ®ång bé: - ChÝnh lµ m¸y ph¸t xoay chiÒu nhá. Rotor cña m¸y ph¸t ®ång bé ®îc g¾n víi trôc cÇn ®o tèc ®é quay.Rotor nµy lµ 1 nam ch©m hoÆc tËp hîp nhiÒu nam ch©m nhá. Stator ®îc cuèn d©y lµm phÇn c¶m øng cã thÓ lµ 1 pha hoÆc nhiÒu pha, lµ n¬i cung cÊp s®® h×nh sin cã biªn ®é tØ lÖ tèc ®é quay rotor e=Esint, trong ®ã E=k1 , =k2  k1, k2- c¸c th«ng sè ®Æc trng cho m¸y ph¸t - ë ®Çu ra ®iÖn ¸p ph¶i ®îc chØnh lu ®Ó nhËn ®îc ®iÖn ¸p 1 chiÒu. ®iÖn ¸p nµy kh«ng phô thuéc chiÒu quay vµ hiÖu suÊt läc gi¶m ®i khi tÇn sè thÊp. Sù cã mÆt bé läc sÏ lµm t¨ng thêi gian håi ®¸p cña c¶m biÕn - Tèc ®é quay cã thÓ x¸c ®Þnh b»ng c¸ch ®o tÇn sè suÊt ®iÖn ®éng. Ph¬ng ph¸p nµy ®îc sö dông khi ph¶i ®o trªn kho¶ng c¸ch lín. TÝn hiÖu tõ m¸y ph¸t ®ång bé cã thÓ truyÒn ®i xa vµ sù suy gi¶m tÝn hiÖu trªn ®êng ®i kh«ng ¶nh hëng ®Õn ®é chÝnh x¸c cña phÐp ®o. b, M¸y ph¸t kh«ng ®ång bé - CÊu t¹o m¸y ph¸t kh«ng ®ång Cuén kÝch bé t¬ng tù nh ®éng c¬ kh«ng Ve ®ång bé 2 pha + Rotor lµ 1 h×nh trô kim lo¹i  m¶nh vµ dÞ tõ ®îc quay víi vËn tèc  cÇn ®o + Stator lµm b»ng t«n tõ tÝnh cã 2 cuén d©y ®îc bè trÝ nh h×nh vÏ. em Rotor Cuén ®o Hình 7.2 sơ đồ nguyên lý máy phát không đồng bộ Cuén d©y thø nhÊt ®ãng vai trß cuén kÝch ®îc cung cÊp ®iÖn ¸p Ve vµ tÇn sè e æn ®Þnh. Cuén thø 2 lµ cuén d©y ®o, gi÷a 2 ®Çu cuén nµy sÏ xuÊt hiÖn suÊt ®iÖn ®éng em cã biªn ®é tû lÖ vËn tèc gãc cÇn ®o em= Emcos(e t+)=k Ve cos(e t+) k- h»ng sè phô thuéc cÊu tróc cô thÓ cña m¸y ph¸t, - ®é lÖch pha. 7.1.3 Sö dông c¶m biÕn quang tèc ®é víi ®Üa m· hãa - §Üa m· hãa g¾n trªn trôc ®éng c¬ gåm c¸c lç vÝ dô nh trªn h×nh a cã t¸m lç. ®Üa ®Æt gi÷a nguån tia hång ngo¹i do diot ph¸t quang LED cung cÊp, ®Çu thu lµ Tranzitor quang. Khi ®Üa quay tranzitor quang sÏ chØ chuyÓn m¹ch nÕu vÞ trÝ LED, lç vµ tranzitor quang th¼ng hµng. Khi ®ã tranzitor quang ®a ®iÖn ¸p trªn R2 vÒ møc thÊp. Khi ®Üa ng¨n ¸nh s¸ng th× tranzitor quang bÞ khãa ®iÖn ¸p trªn R2 vÒ møc cao nh vËy khi ®Üa m· hãa quay trªn ®Çu ra R2 ®îc t¸m xung ch÷ nhËt tÇn sè xung phô thuéc tèc ®é quay cña ®Üa. 7
®Üa m· hãa ®Üa m· hãa T©m trôc c¬ khÝ ®•êng t©m ¸nh s¸ng LED Phototranzitor a,S¬ ®å c¶m biÕn quang tèc ®é R2 R1 180 2,2k b,S¬ ®å nguyªn lý Tranzitor quang Hình 7.3 Sơ đồ cảm biến quang tốc độ - ®Ó x¸c ®Þnh chiÒu quay (thuËn hoÆc ngîc) sö dông bé c¶m biÕn kÐ gåm 2 LED vµ 2 tranzitor quang, hai ®Üa m· hãa. Khi ®Üa quay ta nhËn ®îc 2 xung ch÷ nhËt lÖch nhau 900, chiÒu quay ®îc x¸c ®Þnh b»ng vÞ trÝ t¬ng ®èi cña 2 tÝn hiÖu ra - C¶m biÕn quang tèc ®é thêng cßn kÌm theo kh¶ n¨ng xö lý sên c¸c xung tÝn hiÖu vµ trªn c¬ së ®ã cho phÐp t¨ng sè lîng v¹ch ®Õm trong 1 vßng ®Üa lªn bèn lÇn. Chuçi xung A hoÆc B ®îc ®a tíi cöa vµo cña kh©u ®Õm tiÕn, biÕt sè xung trong mét chu kú, ta tÝnh ®îc tèc ®é quay cña ®éng c¬. 60N n(/) vòng phút 4NT0 n Trong ®ã: Tn- chu kú ®iÒu chØnh tèc ®é, chu kú ®Õm xung N0- Sè xung ®Õm trong 1 vßng, cßn gäi lµ ®é ph©n gi¶i cña c¶m biÕn tèc ®é 8
N- Sè xung ra trong thêi gian Tn Hình 7.4 Hình ảnh Encoder 7.2 Tốc độ kế điện từ Khi đo vận tốc dài với độ dịch chuyển lớn của vật khảo sát (>1m) thường chuyển thành đo vận tốc góc. Trường hợp đo vận tốc của dịch chuyển thẳng nhỏ có thể dùng cảm biến vận tốc dài gồm hai phần tử cơ bản : một nam châm và một cuộn dây.Khi đo một phần tử được giữ cố định , phần tử thứ hai liên kết với vật chuyển động.Chuyển động tương đối giữa cuộn dây và nam châm làm xuất hiện trong cuộn dây một suất điện động tỉ lệ với vận tốc cần đo.Sơ đồ cảm biến có cuộn dây di động được biểu diễn trên hình Hình 7.5 Tốc độ kế từ điện có cuộn dây di chuyển 1- Nam châm, 2- Cuộn dây Suất điện động xuất hiện trong cuộn dây có dạng e=2 rNBv=lBv trong đó : N- số vòng dây r- bán kính vòng dây B- Giá trị cảm ứng từ v- Tốc độ di chuyển của vòng dây l- tổng chiều dài vòng dây Tốc độ kế loại này đo được dịch chuyển vài mm với độ nhạy 1V/m.s Khi độ dịch chuyển lớn hơn( tới 0.5m) người ta dùng tốc độ kế có nam châm di động như hình 7.6 9
Cảm biến gồm một nam châm di chuyển dọc trục của hai cuộn dây quấn ngược chiều nhau và mắc nối tiếp. Khi nam châm di chuyển suất điện động xuất hiện trong từng cuộn dây tỉ lệ tốc độ nam châm nhưng ngược chiều nhau. Hai cuộn dây được mắc nối tiếp và quấn ngược chiều nhau nên nhận được suất điện động ở đầu ra khác không Hình 7.6 Cảm biến có lõi từ di động a, cấu tạo b, Sơ đồ nguyên lý 1-Nam châm ,2- Cuộn dây 7.3 Tốc độ kế xung 1- ®i· quay 2- Cuén d©y 3- NC vÜnh cö 3 2 Khe hë 1 Hình 7.7 Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý tôc độ kế xung - CÊu t¹o: gåm 1 cuén d©y cã lâi s¾t tõ chÞu t¸c ®éng cña mét nam ch©m vÜnh cöu ®Æt ®èi diÖn víi 1 ®Üa quay lµm b»ng vËt liÖu s¾t tõ trªn ®ã cã khÝa r¨ng. Khi ®Üa quay tõ trë cña m¹ch tõ biÕn thiªn 1 c¸ch tuÇn hoµn lµm cho tõ th«ng qua cuén d©y biÕn thiªn trong cuén d©y xuÊt hiÖn 1 suÊt ®iÖn ®éng c¶m øng cã tÇn sè tû lÖ víi tèc ®é quay - TÇn sè cña suÊt ®iÖn ®éng trong cuén d©y x¸c ®Þnh theo biÓu thøc f=p.n p- sè l•îng r¨ng trªn ®Üa n- sè vßng quay cña ®Üa trong 1 gi©y - Biªn ®é E cña s®® trong cuén d©y phô thuéc 2 yÕu tè 10
- + Kho¶ng c¸ch gi÷a cuén vµ ®Üa quay. Kho¶ng c¸ch cµng lín E cµng nhá - + Tèc ®é quay cµng lín th× E cµng lín khi tèc ®é quay nhá, biªn ®é E rÊt bÐ vµ khã ph¸t hiÖn, do vËy Tån t¹i 1 vïng tèc ®é quay kh«ng thÓ ®o ®îc gäi lµ vïng chÕt. - D¶i ®o cña c¶m biÕn phô thuéc vµo sè r¨ng cña ®Üa, khi p lín tèc ®é nmin ®o ®îc cã gi¸ trÞ bÐ. Khi p nhá tèc ®é nmax ®o ®îc sÏ lín. vÝ dô p=60 r¨ng d¶i tèc ®é ®o ®îc n=50500 vßng/phót, víi p=15 r¨ng d¶i tèc ®é ®o ®îc 500 10.000 vßng/phót. 7.4 Các loại cảm biến khác 7.4.1 Tốc kế quang Tốc kế quang là cảm biến đo vận tốc đơn giản nhất gồm một nguồn sáng và một đầu thu quang (photodiode hoặc phototransistor) Vật quay được gắn đồng trục với đĩa tròn có các vùng phản xạ hoặc các vùng trong suốt bố trí xen kẽ các phần chắn sáng đặt giữa nguồn sáng và đầu thu quang. Hình 7.8 Hình ảnh tốc độ kế quang Đầu thu quang nhận thông lượng biến điệu và phát tín hiệu có tần số tỉ lệ với vận tốc quay nhưng biên độ không đổi. Phạm vi tốc độ đo phụ thuộc vào 2 yếu tố chính: - Số lượng lỗ trên đĩa quay. - Dãi thông của đầu thu quang và mạch điện. Để đo vận tốc thấp ~ 0,1 vòng/phút dùng đĩa có số lượng 7.4.2 Cảm biến công tắc (switch sensor) Cảm biến công tắc được dùng nhiều trong các ứng dụng robot. Cảm biến công tắc được sử dụng với nhiều mục đích, chẳng hạn: - Cảm biến va chạm (tiếp xúc): cảm biến công tắc được dùng để phát hiện khi có va chạm cơ học với một vật nào đó. Thí dụ, cảm biến công tắc tạo ra một sự chuyển mạch khi thân robot chạy vào tường hoặc chạm giới hạn đường chạy của robot. - Cảm biến giới hạn: tương tự như cảm biến tiếp xúc, cảm biến giới hạn phát hiện một vật đã di chuyển đến cuối hành trình của nó, khi đó tín hiệu điều khiển motor sẽ tắt. 11
- Mã hóa trục quay (shaft): một trục quay kết hợp với một công tắc chạm sẽ được ấn một lần ở một vòng quay. Phần mềm đếm số lần ấn để xác định số vòng và tốc độ quay của trục. Loại cảm biến này không cần nguồn cung cấp và chịu được dòng lớn. Nó có thể phát hiện sự tiếp xúc của bất kỳ vật thể nào từ bất kỳ góc độ nào. Do đó chúng rất thuận lợi cho việc thiết kế robot đặc biệt được ứng dụng trong giới hạn hành trình của robot. Activation force Switch nub Hình 7.9 Cảm biến giới hạn Có hai dạng công tắc cơ bản, bao gồm: - Công tắc nhỏ (microswitch), có dạng hình chữ nhật và thường ở một trạng thái xác định. Công tắc nhỏ thường có ba chân:m NO – nor ally open (thường hở), NC – normally closed (thường đóng), C – common (chung). Chân chung có thể được nối với một trong hai chân kia tùy thuộc vào công tắc có được ấn hay không. Ở trạng thái không ấn, chân chung được nối với tiếp điểm thường đóng, khi ấn, chân chung được nối với trạng thái thường hở. - Công tắc nút ấn (pushbutton) đơn giản hơn. Khi được ấn, hai tiếp điểm được nối với nhau. Cũng có một số công tắc thường đóng nhưng ít phổ biến. Hình 7.9Hình ảnh một số công tắc 7.4.3 Cảm biến vị trí - Điện trở 7.4.3.1 Cấu tạo Gồm một điện trở cố định R, trên có một tiếp xúc điện có thể di chuyển 12
gọi là con chạy. Giá trị của điện trở đo được giữa con chạy và một đầu của điện trở R là hàm phụ thuộc vị trí con chạy và bản thân điện trở R. Nếu điện trở được chế tạo đồng đều thì R sẽ tỉ lệ tuyến tính với vị trí con chạy. Có hai dạng cảm biến vị trí điện trở: Hình 7.10 Cấu tạo cảm biến vị trí kiểu điện trở l - Điện trở dịch chuyển thẳng: R(l) R L  - Điện trở dịch chuyển tròn: R( ) R   m Đối với điện trở tròn: αM 360 Hợp kim thường dùng làm điện trở là Ni – Cr, Ni – Cu, Ni – G – Fe, Ag – Pd. Dây điện trở được cuốn trên lõi cách điện còn dây được cách điện bằng emay. R nằm trong khoảng từ 1K – 100KΩ, có thể đạt đến vài MΩ. Con chạy phải tiếp xúc tốt, không tạo ra suất điện động tiếp xúc, điện trở tiếp xúc nhỏ và ổn định. Các tiêu chuẩn này phải đảm bảo trong điều kiện dao 13
động và tốc độ dịch chuyển lớn. 7.4.3.2 Đặc điểm - Khoảng cách có ích của con chạy Giá trị R(x)/R thường không ổn định ở cuối đường chạy của con trỏ hoặc ở các chỗ nối mạch điện. Khoảng cách có ích là khoảng mà trong đó R(x) là hàm tuyến tính của dịch chuyển. - Độ phân giải Điện trở của n vòng dây, có thể phân biệt thành 2n – 1 vị trí của con chạy: n vị trí con chạy tiếp xúc một vòng dây n – 1 vị trí con chạy tiếp xúc đồng thời 2 vòng dây. Điện trở thay đổi khi di chuyển từ vị trí này sang vị trí khác. 7.4.3.3 Tuổi thọ Thời gian sử dụng của điện trở bị hạn chế do sự cọ sát giữa con chạy và dây dẫn làm mài mòn con chạy và điện trở. Số lần sử dụng của điện trở khoảng 106 lần. 14
TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Lê Văn Doanh - Phạm Thượng Hàn - Nguyễn Văn Hoà – Võ Thạch Sơn – Đoàn Văn Tân,(2002), Các Bộ cảm biến trong kỹ thuật Đo lường và điều khiển; NXB Khoa học kỹ thuật; 2. Th.s Hoàng Minh Thông, Giáo trình cảm biến công nghiệp, NXB Khoa học kỹ thuật; 3. Phạm Công Hoà, Kỹ thuật cảm biến , NXB Khoa học kỹ thuật 1