THIẾT BỊ TRƯỜNG TRONG NHÀ MÁY

Đề Tài :
THIẾT BỊ TRƯỜNG TRONG NHÀ MÁY











Người Hướng Dẫn : TĂNG THẾ DŨNG

Kỹ Sư Thực Hiện : HỒ HOÀNG DUY

Nhơn Trạch_Tháng 9-2008









PVNT POWER







PV POWER
TỔNG CÔNG TY
ĐIỆN LỰC DẦU KHÍ VIỆT NAM
CÔNG TY
ĐIỆN LỰC DẦU KHÍ NHƠN TRẠCH
Trang 1
ĐỀ TÀI: Thiết Bị Trường Trong Nhà Máy KS: Hồ Hoàng Duy

Mục Lục
Mục Lục Trang 1
Chương 1: Các Khái Niệm Và Đặc Trưng Cơ Bản Trang 2
Chương 2: Cảm Biến Nhiệt Độ Trang 26

Chương 3: Cảm Biến Lưu Lượng Trang 47
Chương 4: Cảm Biến Áp Suất Trang 58
Chương 5: Cảm Biến Báo Mực, Vị Trí Trang 65
Chương 6: Cảm Biến Vận Tốc, Đo Độ Rung Trang 69
Chương 7: Thiết Bị Trường Trong Nhà Máy Điện Nhơn Trạch Trang 71


Thit B Trng Trong Nh Mỏy in
______________________________________________________________________
____________________________________________________________________
K S Thc Hin : H HONG DUY Trang 2
Chng I

CC KHI NIM V C TRNG C BN

1.1. Khỏi nim v phõn loi cm bin
1.1.1. Khỏi nim
Cảm biến l thiết bị dùng để cảm nhận biến đổi các đại lợng vật lý v các đại
luợng không có tính chất điện cần đo thnh các đại l-ợng điện có thể đo v xử lý
đuợc.
Các đại luợng cần đo (m) thờng không có tính chất điện (nh nhiệt độ, áp suất
) tác động lên cảm biến cho ta một đặc trng (s) mang tính chất điện (VD: điện
tích, điện áp, dòng điện hoặc trở kháng) chứa đựng thông tin cho phép xác định giá
trị của đại luợng đo. Đặc trung (s) l hm của đại lợng cần đo (m):
s
= F(m) (1.1)
Ta gọi (s) l phản ứng của cảm biến, (m) l đại l
ợng đầu vo hay kích thích.
Thông qua đo đạc (s) cho phép nhận biết giá trị của (m).
1.1.2. Phõn loi cm bin

Các bộ cảm biến đuợc phân loại theo các đặc trng cơ bản sau đây: -
Theo nguyên lý chuyển đổi giữa đáp ứng v kích thích (bảng 1.1).
Hiện tợn
g
Chu
y
ển đổi đá
p
ứn
g
v kích thích
Hiện tợng vật lý
- Nhiệt điện
- Quang điện
- Quang từ
- Điện từ
- Quang đn hồi
- Từ điện
Hoá học
- Biến đổi hoá học
- Biến đổi điện hoá
- Phân tích phổ
Sinh học
- Biến đổi sinh hoá
- Biến đổi vật lý
Thit B Trng Trong Nh Mỏy in
______________________________________________________________________
____________________________________________________________________
K S Thc Hin : H HONG DUY Trang 3

- Phân loại theo dạng kích thích (bảng 1.2)
Âm thanh
- Biên
p
ha,
p
hân cực
- Phổ
- Tốc độ truyền sóng
Điện
- Điện tích, dòn
g
điện
- Điện thế, điện áp
- Điện trờng (biên, pha, phân cực, phổ)
Điệ dẫ hằ ố điệ ôi
Từ
- Từ tr
ờn
g
(biên,
p
ha,
p
hân cực,
p
hổ)
- Từ thông, c
ờng độ từ trờng
- Độ từ thẩm

Quang
- Biên,
p
ha,
p
hân cực,
p
hổ
- Tốc độ truyền
- Hệ số phát xạ, khúc xạ
Cơ
- Vị tr
í
- Lực, áp suất
- Gia tốc, vận tốc
-
ứng suất, độ cứng
- Mô men
- Khối lợng, tỉ trọng
Nhiệt
- Nhiệt độ
- Thông l
ợng
- Nhiệt dung, tỉ nhiệt
Bức xạ
- Kiểu
- Năng l
ợng
- C
ờng độ

Thit B Trng Trong Nh Mỏy in
______________________________________________________________________
____________________________________________________________________
K S Thc Hin : H HONG DUY Trang 4

- Theo tính năng của bộ cảm biến (bảng 1.3)
Bảng 1.3
- Phân loại theo phạm vi sử dụng ( bảng 1.4).
Bảng 1.4
- Công nghiệp
- Nghiên cứu khoa học
- Môi trờng, khí tợng
- Thông tin, viễn thông
- Nông nghiệp
- Dân dụng
- Giao thông
- Vũ trụ
- Quân sự

- Phân loại theo thông số của mô hình mạch thay thế :
+ Cảm biến tích cực có đầu ra l nguồn áp hoặc nguồn dòng.
+ Cảm biến thụ động đ
ợc đặc trng bằng các thông số R, L, C, M tuyến
tính hoặc phi tuyến.


- Độ nhạy - Khả năng quá tải
- Độ chính xác - Tốc độ đáp ứng
- Độ phân giải - Độ ổn định
- Độ chọn lọc - Tuổi thọ

- Độ tuyến tính - Điều kiện môi trờng
- Công suất tiêu thụ - Kích thớc, trọng lợng - -
- Dải tần
- Độ trễ
Thit B Trng Trong Nh Mỏy in
______________________________________________________________________
____________________________________________________________________
K S Thc Hin : H HONG DUY Trang 5
1.2. Đ
ờng cong chuẩn của cảm biến
1.2.1. Khá i niệm
Đờng cong chuẩn cảm biến l đờng cong biểu diễn sự phụ thuộc của đại
l
ợng điện (s) ở đầu ra của cảm biến vo giá trị của đại lợng đo (m) ở đầu vo.
Đờng cong chuẩn có thể biểu diễn bằng biểu thức đại số dới dạng s= F(m), hoặc
bằng đồ thị nh hình 1.1a.
a) b)
Hình 1.1 Đờng cong chuẩn cảm biến

a) Dạng đ
ờng cong chuẩn b) Đờng cong chuẩn của cảm biến tuyến tính

Dựa vo đờng cong chuẩn của cảm biến, ta có thể xác định giá trị m
i
cha biết
của m thông qua giá trị đo đợc s
i
của s.
Để dễ sử dụng, ngời ta thờng chế tạo cảm biến có sự phụ thuộc tuyến tính
giữa đại lợng đầu ra v đại lợng đầu vo, phơng trình s= F(m) có dạng s = am +b

với a, b l các hệ số, khi đó đ
ờng cong chuẩn l đờng thẳng (hình 1.1b).

1.2.2. Phơng pháp chuẩn cảm biến
Chuẩn cảm biến l phép đo nhằm mục đích xác lập mối quan hệ giữa giá trị s
đo đợc của đại lợng điện ở đầu ra v giá trị m của đại lợng đo có tính đến các
yếu tố ảnh hởng, trên cơ sở đó xây dựng đờng cong chuẩn dới dạng tờng minh
(đồ thị hoặc biểu thức đại số). Khi chuẩn cảm biến, với một loạt giá trị đã biết chính
xác m
i
của m, đo giá trị tơng ứng s
i
của s v dựng đờng cong chuẩn.




Thit B Trng Trong Nh Mỏy in
______________________________________________________________________
____________________________________________________________________
K S Thc Hin : H HONG DUY Trang 6

Hình 1.2 Phơng pháp chuẩn cảm biến
a) Chuẩn đơn giản
Trong trờng hợp đại lợng đo chỉ có một đại lợng vật lý duy nhất tác động
lên một đại lợng đo xác định v cảm biến sử dụng không nhạy với tác động của các
đại lợng ảnh hởng, ngời ta dùng phơng pháp chuẩn đơn giản. Thực chất của
chuẩn đơn giản l đo các giá trị của đại lợng đầu ra ứng với các giá xác định không
đổi của đại lợng đo ở đầu vo. Việc chuẩn đợc tiến hnh theo hai cách:
- Chuẩn trực tiếp: các giá trị khác nhau của đại lợng đo lấy từ các mẫu chuẩn

hoặc các phần tử so sánh có giá trị biết trớc với độ chính xác cao.
- Chuẩn gián tiếp: kết hợp cảm biến cần chuẩn với một cảm biến so sánh đã có
sẵn đờng cong chuẩn, cả hai đợc đặt trong cùng điều kiện lm việc. Khi tác động
lên hai cảm biến với cùng một giá trị của đại lợng đo ta nhận đợc giá trị tơng ứng
của cảm biến so sánh v cảm biến cần chuẩn. Lặp lại tơng tự với các giá trị khác của
đại lợng đo cho phép ta xây dựng đợc đờng 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 đ
ợc ở đầu ra phụ
thuộc không những vo giá trị tức thời của đại lợng cần đo ở đầu vo m còn phụ
thuộc vo giá trị trớc đó của của đại lợng ny. Trong trờng hợp nh vậy, ngời ta
áp dụng phơng pháp chuẩn nhiều lần v tiến hnh nh sau:
- Đặt lại điểm 0 của cảm biến: đại lợng cần đo v đại lợng đầu ra có giá trị
tơng ứng với điểm gốc, m=0 v s=0.
- Đo giá trị đầu ra theo một loạt giá trị tăng dần đến giá trị cực đại của đại
l
ợng đo ở đầu vo.
- Lặp lại quá trình đo với các giá trị giảm dần từ giá trị cực đại.
Khi chuẩn nhiều lần cho phép xác định đờng cong chuẩn theo cả hai hớng đo
tăng dần v đo giảm dần.
Thit B Trng Trong Nh Mỏy in
______________________________________________________________________
____________________________________________________________________
K S Thc Hin : H HONG DUY Trang 7

1.3. Các đặc trng cơ bản
1.3.1. Độ nhạy của cảm biến
a) Khái niệm
Đối với cảm biến tuyến tính, giữa biến thiên đầu ra s v biến thiên đầu vo m
có sự liên hệ tuyến tính:

s = S. m (1.2)
s
Đại lợng S xác định bởi biểu thức S= ____ đợc gọi l độ nhạy của cảm biến.
m
Tr
ờng hợp tổng quát, biểu thức xác định độ nhạy S của cảm biến xung quanh
giá trị m
i
của đại lợng đo xác định bởi tỷ số giữa biến thiên s của đại lợng đầu ra
v biến thiên m tơng ứng của đại lợng đo ở đầu vo quanh giá trị đó:
(1.3)
Để phép đo đạt độ chính xác cao, khi thiết kế v sử dụng cảm biến cần lm sao
cho độ nhạy S của nó không đổi, nghĩa l ít phụ thuộc nhất vo các yếu tố sau:
- Giá trị của đại lợng cần đo m v tần số thay đổi của nó.
- Thời gian sử dụng.
- ảnh hởng của các đại lợng vật lý khác (không phải l đại lợng đo) của
môi tr
ờng xung quanh.
Thông thờng nh sản xuất cung cấp giá trị của độ nhạy S tơng ứng với những
điều kiện lm việc nhất định của cảm biến.
b) Độ nhạy trong chế độ tĩnh v tỷ số chuyển đổi tĩnh
Đờng chuẩn cảm biến, xây dựng trên cơ sở đo các giá trị s
i
ở đầu ra tơng ứng
với các giá trị không đổi m
i
của đại lợng đo khi đại lợng ny đạt đến chế độ lm
việc danh định đợc gọi l đặc trng tĩnh của cảm biến. Một điểm
Qi(mi,si)
trên đặc

tr
ng tĩnh xác định một điểm lm việc của cảm biến ở chế độ tĩnh.
Trong chế độ tĩnh, độ nhạy S xác định theo công thức (1.3) chính l độ đốc của
đặc trng tĩnh ở điểm lm việc đang xét. Nh vậy, nếu đặc trng tĩnh không phải l
tuyến tính thì độ nhạy trong chế độ tĩnh phụ thuộc điểm lm việc.
(1.4)
Thit B Trng Trong Nh Mỏy in
______________________________________________________________________
____________________________________________________________________
K S Thc Hin : H HONG DUY Trang 8
Đại lợng r
i
xác định bởi tỷ số giữa giá trị s
i
ở đầu ra v giá trị m
i
ở đầu vo
đợc gọi l tỷ số chuyển đổi tĩnh:

Từ (1.4), ta nhận thấy tỷ số chuyển đổi tĩnh r
i
không phụ thuộc vo điểm lm
việc Q
i
v chỉ bằng S khi đặc trng tĩnh l đờng thẳng đi qua gốc toạ độ.
c) Độ nhạy trong chế độ động
Độ nhạy trong chế độ động đ-ợc xác định khi đại l-ợng đo biến thiên tuần hon
theo thời gian.
Giả sử biến thiên của đại lợng đo m theo thời gian có dạng:
m(t) = m

0
+ m
1
cos t

Trong đó m
0
l giá trị không đổi, m
1
l biên độ v tần số góc của biến thiên đại
lợng đo.
ở đầu ra của cảm biến, hồi đáp s có dạng:
s(t) = + s
0
s
1
cos( t + M )
Trong đó:
- s
0
l giá trị không đổi tơng ứng với m
0
xác định điểm lm việc Q
0
trên đờng
cong chuẩn ở chế độ tĩnh.
- s
1
l biên độ biến thiên ở đầu ra do thnh phần biến thiên của đại lợng đo gây
nên.

- M l độ lệch pha giữa đại lợng đầu vo v đại lợng đầu ra.
Trong chế độ động, độ nhạy S của cảm biến đợc xác định bởi tỉ số giữa biên
độ của biến thiên đầu ra s
1
v biên độ của biến thiên đầu vo m
1
ứng với điểm lm
việc đ
ợc xét Q
0
, theo công thức:

Độ nhạy trong chế độ động phụ thuộc vo tần số đại l
ợng đo, S= S(f ). Sự
biến thiên của độ nhạy theo tần số có nguồn gốc l do quán tính cơ, nhiệt hoặc điện
Thit B Trng Trong Nh Mỏy in
______________________________________________________________________
____________________________________________________________________
K S Thc Hin : H HONG DUY Trang 9
của đầu đo, tức l của cảm biến v các thiết bị phụ trợ, chúng không thể cung cấp tức
thời tín hiệu điện theo kịp biến thiên của đại lợng đo. Bởi vậy khi xét sự hồi đáp có
phụ thuộc vo tần số cần phải xem xét sơ đồ mạch đo của cảm biến một cách tổng
thể.
1.3.2. Độ tuyến tính
a) Khái niệm
Một cảm biến đợc gọi l tuyến tính trong một dải đo xác định nếu trong dải
chế độ đó, độ nhạy không phụ thuộc vo đại lợng đo.
Trong chế độ tĩnh, độ tuyến tính chính l sự không phụ thuộc của độ nhạy của
cảm biến vo giá trị của đại l
ợng đo, thể hiện bởi các đoạn thẳng trên đặc trng tĩnh

của cảm biến v hoạt động của cảm biến l tuyến tính chừng no đại l
ợng đo còn
nằm trong vùng ny.
Trong chế độ động, độ tuyến tính bao gồm sự không phụ thuộc của độ nhạy ở
chế độ tĩnh S(0) vo đại lợng đo, đồng thời các thông số quyết định sự hồi đáp (nh
tần số riêng f
0
của dao động không tắt, hệ số tắt dần cũng không phụ thuộc vo đại
lợng đo.
Nếu cảm biến không tuyến tính, ngời ta đa vo mạch đo các thiết bị hiệu
chỉnh sao cho tín hiệu điện nhận đợc ở đầu ra tỉ lệ với sự thay đổi của đại lợng đo
ở đầu vo. Sự hiệu chỉnh đó đợc gọi l sự tuyến tính hoá.
b) Đờng thẳng tốt nhất
Khi chuẩn cảm biến, từ kết quả thực nghiệm ta nhận đợc một loạt điểm tơng
ứng (s
i
,m
i
) của đại lợng đầu ra v đại lợng đầu vo. Về mặt lý thuyết, đối với các
cảm biến tuyến tính, đờng cong chuẩn l một đờng thẳng. Tuy nhiên, do sai số
khi đo, các điểm chuẩn (m
i
, s
i
) nhận đợc bằng thực nghiệm thờng không nằm trên
cùng một đờng thẳng.
Đờng thẳng đợc xây dựng trên cơ sở các số liệu thực nghiệm sao cho sai số
l bé nhất, biểu diễn sự tuyến tính của cảm biến đợc gọi l đờng thẳng tốt nhất.
Phơng trình biểu diễn đờng thẳng tốt nhất đợc lập bằng phơng pháp bình
ph

ơng bé nhất. Giả sử khi chuẩn cảm biến ta tiến hnh với N điểm đo, phơng trình
có dạng:
Thit B Trng Trong Nh Mỏy in
______________________________________________________________________
____________________________________________________________________
K S Thc Hin : H HONG DUY Trang 10

c) Độ lệch tuyến tính
Đối với các cảm biến không hon ton tuyến tính, ng
ời ta đa ra khái niệm độ
lệch tuyến tính, xác định bởi độ lệch cực đại giữa đ
ờng cong chuẩn v đờng thẳng
tốt nhất, tính bằng % trong dải đo.
1.3.3. Sai số v độ chính xác
Các bộ cảm biến cũng nh
các dụng cụ đo lờng khác, ngoi đại lợng cần
đo (cảm nhận) còn chịu tác động của nhiều đại lợng vật lý khác gây nên sai số
giữa giá trị đo đợc v giá trị thực của đại lợng cần đo. Gọi x l độ lệch tuyệt
đối giữa giá trị đo v giá trị thực x (sai số tuyệt đối), sai số tơng đối của bộ cảm
biến đợc tính bằng:

Sai số của bộ cảm biến mang tính chất ớc tính bởi vì không thể biết chính xác
giá trị thực của đại l
ợng cần đo. Khi đánh giá sai số của cảm biến, ngời ta
th
ờng phân chúng thnh hai loại: sai số hệ thống v sai số ngẫu nhiên.
- Sai số hệ thống: l sai số không phụ thuộc vo số lần đo, có giá trị không đổi
hoặc thay đổi chậm theo thời gian đo v thêm vo một độ lệch không đổi giữa giá
trị thực v giá trị đo đ
ợc. Sai số hệ thống thờng 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 l:
Do nguyên lý của cảm biến.
+ Do giá trị của đại lợng chuẩn không đúng.
+ Do đặc tính của bộ cảm biến.
Thit B Trng Trong Nh Mỏy in
______________________________________________________________________
____________________________________________________________________
K S Thc Hin : H HONG DUY Trang 11
+ Do điều kiện v chế độ sử dụng.
+Do xử lý kết quả đo.
- Sai số ngẫu nhiên: l sai số xuất hiện có độ lớn v chiều không xác định. Ta
có thể dự đoán đợc một số nguyên nhân gây ra sai số ngẫu nhiên nhng không
thể dự đoán đợc độ lớn v dấu của nó. Những nguyên nhân gây ra sai số ngẫu
nhiên có thể l:
+ Do sự thay đổi đặc tính của thiết bị.
+ Do tín hiệu nhiễu ngẫu nhiên.
+ Do các đại lợng ảnh hởng không đợc 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 nh bảo vệ các mạch đo tránh ảnh hởng của nhiễu, tự động
điều chỉnh điện áp nguồn nuôi, bù các ảnh hởng nhiệt độ, tần số, vận hnh đúng
chế độ hoặc thực hiện phép đo lờng thống kê.
1.3.4. Độ nhanh v thời gian hồi đáp
Độ nhanh l đặc trng của cảm biến cho phép đánh giá khả năng theo kịp về
thời gian của đại l-ợng đầu ra khi đại lợng đầu vo biến thiên. Thời gian hồi đáp l
đại l-ợng đợc sử dụng để xác định giá trị số của độ nhanh.
Độ nhanh t
r
l khoảng thời gian từ khi đại lợng đo thay đổi đột ngột đến khi
biến thiên của đại lợng đầu ra chỉ còn khác giá trị cuối cùng một lợng giới hạn

tính bằng %. Thời gian hồi đáp tơng ứng với % xác định khoảng thời gian cần
thiết phải chờ đợi sau khi có sự biến thiên của đại l
ợng đo để lấy giá trị của đầu ra
với độ chính xác định trớc. Thời gian hồi đáp đặc trng cho chế độ quá độ của cảm
biến v l hm của các thông số thời gian xác định chế độ ny.
Trong trờng hợp sự thay đổi của đại lợng đo có dạng bậc thang, các thông số
thời gian gồm thời gian trễ khi tăng
(tdm)
v thời gian tăng (t
m
) ứng với sự tăng đột
ngột của đại lợng đo hoặc thời gian trễ khi giảm
(tdc)
v thời gian giảm (t
c
) ứng với
sự giảm đột ngột của đại lợng đo. Khoảng thời gian trễ khi tăng
tdm
l thời gian cần
thiết để đại l
ợng đầu ra tăng từ giá trị ban đầu của nó đến 10% của biến thiên tổng
cộng của đại l
ợng ny v khoảng thời gian tăng t
m
l thời gian cần thiết để đại
l
ợng đầu ra tăng từ 10% đến 90% biến thiên biến thiên tổng cộng của nó.
Thit B Trng Trong Nh Mỏy in
______________________________________________________________________
____________________________________________________________________

K S Thc Hin : H HONG DUY Trang 12

Hình 1.3 Xác định các khoảng thời gian đặc tr-ng cho chế độ quá độ
Tơng tự, khi đại lợng đo giảm, thời gian trể khi giảm
tdc
l thời gian cần thiết
để đại lợng đầu ra giảm từ giá trị ban đầu của nó đến 10% biến thiên tổng cộng của
đại lợng ny v khoảng thời gian giảm t
c
l thời gian cần thiết để đại lợng đầu ra
giảm từ 10% đến 90% biến thiên biến thiên tổng cổng của nó.
Các thông số về thời gian t
r
,
tdm,
tm,
tdc,
t
c
của cảm biến cho phép ta đánh giá về
thời gian hồi đáp của nó.
1.3.5. 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 ny v
ợt quá ngỡng cho phép, chúng sẽ lm thay
đổi đặc tr
ng lm việc của cảm biến. Bởi vậy khi sử dụng cảm biến, ngời sử dụng
cần phải biết rõ các giới hạn ny.
a) Vùng lm việc danh định
Vùng lm việc danh định tơng ứng với những điều kiện sử dụng bình thờng

của cảm biến. Giới hạn của vùng l các giá trị ngỡng m các đại lợng đo, các
đại lợng vật lý có liên quan đến đại lợng đo hoặc các đại lợng ảnh hởng có
thể thờng xuyên đạt tới m không lm thay đổi các đặc trng lm việc danh
định của cảm biến.
b) Vùng không gây nên h
hỏng
Vùng không gây nên h hỏng l vùng m khi m các đại lợng đo hoặc các đại
Thit B Trng Trong Nh Mỏy in
______________________________________________________________________
____________________________________________________________________
K S Thc Hin : H HONG DUY Trang 13
lợng vật lý có liên quan v các đại lợng ảnh hởng vợt qua ngỡng của vùng lm
việc danh định nhng vẫn còn nằm trong phạm vi không gây nên h hỏng, các đặc
trng của cảm biến có thể bị thay đổi nhng những thay đổi ny mang tính thuận
nghịch, tức l khi trở về vùng lm việc danh định các đặc tr
ng của cảm biến lấy lại
giá trị ban đầu của chúng.
c) Vùng không phá huỷ
Vùng không phá hủy l vùng m khi m các đại l
ợng đo hoặc các đại lợng
vật lý có liên quan v các đại l
ợng ảnh hởng vợt qua ngỡng của vùng không gây
nên h
hỏng nhng vẫn còn nằm trong phạm vi không bị phá hủy, các đặc trng của
cảm biến bị thay đổi v những thay đổi ny mang tính không thuận nghịch, tức l khi
trở về vùng lm việc danh định các đặc trng của cảm biến không thể lấy lại giá trị
ban đầu của chúng. Trong trờng hợp ny cảm biến vẫn còn sử dụng đợc, nhng
phải tiến hnh chuẩn lại cảm biến.
1.4. Nguyên lý chung chế tạo cảm biến
Các cảm biến đợc chế tạo dựa trên cơ sở các hiện tợng vật lý v đợc phân

lm hai loại:
- Cảm biến tích cực: l các cảm biến hoạt động nh một máy phát, đáp ứng (s)
l điện tích, điện áp hay dòng.
- Cảm biến thụ động: l các cảm biến hoạt động nh một trở kháng trong đó
đáp ứng (s) l điện trở, độ tự cảm hoặc điện dung.
1.4.1. Nguyên lý chế tạo các cảm biến tích cực
Các cảm biến tích cực đ
ợc chế tạo dựa trên cơ sở ứng dụng các hiệu ứng vật lý
biến đổi một dạng năng lợng no đó (nhiệt, cơ hoặc bức xạ) thnh năng lợng điện.
D
ới đây mô tả một cách khái quát ứng dụng một số hiệu ứng vật lý khi chế tạo cảm
biến.
a) Hiệu ứng nhiệt điện
Hai dây dẫn (M
1
) v (M
2
) có bản chất hoá học khác nhau đợc hn lại với nhau
thnh một mạch điện kín, nếu nhiệt độ ở hai mối hn l T
1
v T
2
khác nhau, khi đó
trong mạch xuất hiện một suất điện động e(T
1
, T
2
) m độ lớn của nó phụ thuộc chênh
lệch nhiệt độ giữa T
1

v T
2
.

Thit B Trng Trong Nh Mỏy in
_____________________________________________________________________
_
____________________________________________________________________
K S Thc Hin : H HONG DUY Trang 14
Hình 1.4. Sơ đồ hiệu ứng nhiệt điện.
Hiệu ứng nhiệt điện đợc ứng dụng để đo nhiệt độ T
1
khi biết trớc nhiệt độ T
2
,
thờng chọn T
2
= 0
o
C.
b) Hiệu ứng hoả điện
Một số tinh thể gọi l tinh thể hoả điện (ví dụ tinh thể sulfate triglycine) có tính
phân cực điện tự phát với độ phân cực phụ thuộc vo nhiệt độ, lm xuất hiện trên các
mặt đối diện của chúng những điện tích trái dấu. Độ lớn của điện áp giữa hai mặt
phụ thuộc vo độ phân cực của tinh thể hoả điện.
Hình 1.5 ứng dụng hiệu ứng hoả điện
Hiệu ứng hoả điện đợc ứng dụng để đo thông lợng của bức xạ ánh sáng. Khi
ta chiếu một chùm ánh sáng vo tinh thể hoả điện, tinh thể hấp thụ ánh sáng v nhiệt
độ của nó tăng lên, lm thay đổi sự phân cực điện của tinh thể. Đo điện áp V ta có
thể xác định đợc thông lợng ánh sáng .

c) Hiệu ứng áp điện
Một số vật liệu gọi chung l vật liệu áp điện (nh thạch anh chẳng hạn) khi bị
biến dạng d
ới tác động của lực cơ học, trên các mặt đối diện của tấm vật liệu xuất
hiện những lợng điện tích bằng nhau nhng trái dấu, đợc gọi l hiệu ứng áp điện.
Đo V ta có thể xác định đ-ợc cờng độ của lực tác dụng F.
e T
1
T
1
T
2
v
V F
Thit B Trng Trong Nh Mỏy in
______________________________________________________________________
____________________________________________________________________
K S Thc Hin : H HONG DUY Trang 15
Hình 1.6 ứng dụng hiệu ứng áp điện
d) Hiệu ứng cảm ứng điện từ
Khi một dây dẫn chuyển động trong từ tr
ờng không đổi, trong dây dẫn xuất
hiện một suất điện động tỷ lệ với từ thông cắt ngang dây trong một đơn vị thời gian,
nghĩa l tỷ lệ với tốc độ dịch chuyển của dây. T
ơng tự nh vậy, trong một khung
dây đặt trong từ trờng 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

Hiệu ứng cảm ứng điện từ đợc ứng dụng để xác định tốc độ dịch chuyển của
vật thông qua việc đo suất điện động cảm ứng.

e) Hiệu ứng quang điện
- Hiệu ứng quang dẫn: (hay còn gọi l hiệu ứng quang điện nội) l hiện tợng giải
phóng ra các hạt dẫn tự do trong vật liệu (thờng l bán dẫn) khi chiếu vo chúng
một bức xạ ánh sáng (hoặc bức xạ điện từ nói chung) có bớc sóng nhỏ hơn một
ngỡng nhất định.
- Hiệu ứng quang phát xạ điện tử: (hay còn gọi l hiệu ứng quang điện ngoi) l
hiện t
ợng các điện tử đợc giải phóng v thoát khỏi bề mặt vật liệu tạo thnh dòng
có thể thu lại nhờ tác dụng của điện tr
ờng.
g) Hiệu ứng quang - điện - từ
Khi tác dụng một từ trờng B vuông góc với bức xạ ánh sáng, trong vật liệu bán
dẫn đợc chiếu sáng sẽ xuất hiện một hiệu điện thế theo hớng vuông góc với từ
trờng B v hớng bức xạ ánh sáng.


Thit B Trng Trong Nh Mỏy in
______________________________________________________________________
____________________________________________________________________
K S Thc Hin : H HONG DUY Trang 16
ứng dụng hiệu ứng quang - điện - từ
h) Hiệu ứng Hall
Khi đặt một tấm mỏng vật liệu mỏng (thờng l bán dẫn), trong đó có
dòng điện chạy qua, vo trong một từ trờng B có phơng tạo với dòng điện I
trong tấm một góc , sẽ xuất hiện một hiệu điện thế V
H
theo hớng vuông góc với B
v I. Biểu thức hiệu điện thế có dạng:

Trong đó K

H
l hệ số phụ thuộc vo vật liệu v kích thớc hình học của tấm vật
liệu.

Hiệu ứng Hall đ
ợc ứng dụng để xác định vị trí của một vật chuyển động. Vật
cần xác định 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 trờng B v góc tơng ứng với tấm bán dẫn mỏng
lm vật trung gian. Vì vậy, hiệu điện thế V
H
đo đợc giữa hai cạnh tấm bán dẫn l
hm phụ thuộc vo vị trí của vật trong không gian.
ệ
Thit B Trng Trong Nh Mỏy in
______________________________________________________________________
____________________________________________________________________
K S Thc Hin : H HONG DUY Trang 17
1.4.2. Nguyên chế tạo cảm biến thụ động
Cảm biến thụ động thờng đợc chế tạo từ một trở kháng có các thông số chủ
yếu nhạy với đại lợng cần đo. Giá trị của trở kháng phụ thuộc kích thớc hình học,
tính chất điện của vật liệu chế tạo (nh
điện trở suất , độ từ thẩm à, hằng số điện
môi
). Vì vậy tác động của đại lợng đo có thể ảnh hởng riêng biệt đến kích thớc
hình học, tính chất điện hoặc đồng thời cả hai.
Sự thay đổi thông số hình học của trở kháng gây ra do chuyển động của phần
tử chuyển động hoặc phần tử biến dạng của cảm biến. Trong các cảm biến có phần tử
chuyển động, mỗi vị trí của phần tử động sẽ ứng với một giá trị xác định của trở
kháng, cho nên đo trở kháng có thể xác định đ
ợc vị trí của đối tợng. Trong cảm

biến có phần tử biến dạng, sự biến dạng của phần tử biến dạng d
ới tác động của đại
lợng đo (lực hoặc các đại lợng gây ra lực) gây ra sự thay đổi của trở kháng của
cảm biến. Sự thay đổi trở kháng do biến dạng liên quan đến lực tác động, do đó liên
quan đến đại lợng cần đo. Xác định trở kháng ta có thể xác định đợc đại lợng cần
đo.
Sự thay đổi tính chất điện của cảm biến phụ thuộc vo bản chất vật liệu chế tạo
trở kháng v yếu tố tác động (nhiệt độ, độ chiếu sáng, áp suất, độ ẩm ). Để chế tạo
cảm biến, ngời ta chọn sao cho tính chất điện của nó chỉ nhạy với một trong các đại
lợng vật lý trên, ảnh h-ởng của các đại lợng khác l không đáng kể. Khi đó có thể
thiết lập đợc sự phụ thuộc đơn trị giữa giá trị đại lợng cần đo v giá trị trở kháng
của cảm biến.
Trên bảng 1.1 giới thiệu các đại l
ợng cần đo có khả năng lm thay đổi tính
chất điện của vật liệu sử dụng chế tạo cảm biến.
Bảng 1.1
Đại lợn
g
cần đo Đặc trn
g
nhạ
y
cảm Loại vật liệu sử dụn
g

Nhiệt độ
ủ
Kim loại (Pt, Ni, Cu)
Bán dẫn
Bức xạ ánh sán

g

ủ
Bán dẫn
Biến dạng
ủ
T
ừ
thẩm
(à)
Hợ
p
kim Ni, Si
p
ha tạ
p

Hợp kim sắt từ
Vị trí (nam châm)
ủ
Vật liệu từ điện trở:Bi, InSb
Thit B Trng Trong Nh Mỏy in
______________________________________________________________________
____________________________________________________________________
K S Thc Hin : H HONG DUY Trang 18
1.5. Mạch đo
1.5.1. Sơ đồ mạch đo
Mạch đo bao gồm ton bộ thiết bị đo (trong đó có cảm biến) cho phép xác định
chính xác giá trị của đại lợng cần đo trong những điều kiện tốt nhất có thể.
ở đầu vo của mạch, cảm biến chịu tác động của đại lợng cần đo gây nên tín

hiệu điện mang theo thông tin về đại cần đo.
ở đầu ra của mạch, tín hiệu điện đã qua xử lý đ
ợc chuyển đổi sang dạng có thể
đọc đợc trực tiếp giá trị cần tìm của đại lợng đo. Việc chuẩn hệ đo đảm bảo cho
mỗi giá trị của chỉ thị đầu ra t
ơng ứng với một giá trị của đại lợng đo tác động ở đầu
vo của mạch.
Dạng đơn giản của mạch đo gồm một cảm biến, bộ phận biến đổi tín hiệu v
thiết bị chỉ thị, ví dụ mạch đo nhiệt độ gồm một cặp nhiệt ghép nối trực tiếp với một
milivôn kế
.
Thit B Trng Trong Nh Mỏy in
______________________________________________________________________
____________________________________________________________________
K S Thc Hin : H HONG DUY Trang 19

Trên thực tế, do các yêu cầu khác nhau khi đo, mạch đo thờng gồm nhiều thnh phần trong
đó có các khối để tối u hoá việc thu thập v xử lý dữ liệu, chẳng hạn mạch tuyến tính hoá tín
hiệu nhận từ cảm biến, mạch khử điện dung ký sinh, các bộ chuyển đổi nhiều kênh, bộ khuếch
đại, bộ so pha lọc nhiễu, bộ chuyển đổi tơng tự số, bộ vi xử lý, các thiết bị hỗ trợ Trên
hình 1.11 biểu diễn sơ đồ khối một mạch điện đo điện thế trên bề mặt mng nhạy quang đợc
lắp ráp từ nhiều phần tử
1.5.2. Một số phần tử cơ bản của mạch đo
a) Bộ khuếch đại thuật toán (KĐTT)
Bộ khuếch đại thuật toán mạch tích hợp l bộ khuếch đại dòng một chiều có hai đầu vo
v một đầu ra chung, th
ờng gồm hng trăm tranzito v các điện trở, tụ điện ghép nối với
nhau. Sơ đồ bộ khuếch đại thuật toán biểu diễn trên hình 1.12.

Thit B Trng Trong Nh Mỏy in
______________________________________________________________________
____________________________________________________________________
K S Thc Hin : H HONG DUY Trang 20
Các đặc tính cơ bản của bộ khuếch đại thuật toán:
- Bộ khuếch đại có hai đầu vo: một đầu đảo (-), một đầu không đảo (+). - Điện trở
vo rất lớn, cỡ hng trăm M: đến G:.
- Điện trở ra rất nhỏ, cỡ phần chục :.
- Điện áp lệch đầu vo rất nhỏ, cỡ vi nV.
- Hệ số khuếch đại hở mạch rất lớn, cỡ 100.000.
- Dải tần lm việc rộng.
- Hệ số suy giảm theo cách nối chung CMRR l tỷ số hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại
thuật toán đối với các tín hiệu sai lệch v hệ số khuếch đại theo cách nối chung của cùng bộ
khuếch đại thuật toán. Thông th-ờng CMRR vo khoảng 90 dB.
- Tốc độ tăng hạn chế sự biến thiên cực đại của điện áp tính bằng V/às.
b) Bộ khuếch đại đo lờng IA
Bộ khuếch đại đo lờng IA có hai đầu vo v một đầu ra. Tín hiệu đầu ra tỷ lệ với hiệu
của hai điện áp đầu vo:



Đầu vo vi sai đóng vai trò rất quan trọng trong việc khử nhiễu ở chế độ chung v tăng điện trở
vo của KĐTT. Điện áp trên R
a
phải bằng điện áp vi sai đầu vo U
v tạo nên dòng điện .

Thit B Trng Trong Nh Mỏy in
______________________________________________________________________
____________________________________________________________________

K S Thc Hin : H HONG DUY Trang 21
Các điện áp ra từ KĐTT U
1
v U
2
phải bằng nhau về R
a

biên độ nhng ngợc pha. Điện áp U
3
của tầng thứ hai biến đổi đầu ra vi sai thnh đầu ra đơn
cực. Hệ số khuếch đại tổng của IA bằng:

c) Khử điện áp lệch
Đối với một bộ khuếch KĐTT lý tởng khi hở mạch phải có điện áp ra bằng không khi
hai đầu vo nối mát. Thực tế vì các điện áp bên trong nên tạo ra một điện áp nhỏ (điện áp phân
cực) ở đầu vo KĐTT cỡ vi mV, nh
ng khi sử dụng mạch kín điện áp ny đợc khuếch đại v
tạo nên điện áp khá lớn ở đầu ra. Để khử điện áp lệch có thể sử dụng sơ đồ hình 1.14, bằng
cách điều chỉnh biến trở R
3
.

Hình 1.14 Sơ đồ mạch khử điện áp lệch
d) Mạch lặp lại điện áp
Để lặp lại điện áp chính xác, ng-ời ta sử dụng bộ KĐTT lm việc ở chế độ không đảo với
hệ số khuếch đại bằng 1 sơ đồ nh hình 1.15.

Thit B Trng Trong Nh Mỏy in
______________________________________________________________________

____________________________________________________________________
K S Thc Hin : H HONG DUY Trang 22
Hình 1.15 Sơ đồ mạch lặp điện áp
Trong bộ lặp điện áp, cực dơng của KĐTT đ-ợc nối trực tiếp với tín hiệu vo, còn cực
âm đợc nối trực tiếp với đầu ra, tạo nên điện áp phản hồi 100% do đó hệ số khuếch đại bằng 1.
Mạch lặp điện áp có chức năng tăng điện trở đầu vo, do vậy th
ờng dùng để nối giữa hai
khâu trong mạch đo.
e) Mạch cầu
Cầu Wheatstone th-ờng đ
ợc sử dụng trong các mạch đo nhiệt độ, lực, áp suất, từ trờng
Cầu gồm bốn điện trở R
1
, R
2
, R
3
cố định v R
4
thay đổi (mắc nh hình 1.16) hoạt động nh-
cầu không cân bằng dựa trên việc phát hiện điện áp qua đ-ờng chéo của cầu.


Trong mạch cầu, điện áp ra l hm phi tuyến nhng đối với biến đổi nhỏ (<0,05) có thể
coi l tuyến tính. Khi R
1
= R
2
v R
3

= R
4
độ nhạy của cầu l cực đại. Trờng hợp R
1
>> R
2

hoặc R
2
>> R
1
điện áp ra của cầu giảm. Đặt K =
R
1
/
R
2

độ nhạy của cầu l:


Thit B Trng Trong Nh Mỏy in
_____________________________________________________________________
_____________________________________________________________________
K S Thc Hin : H HONG DUY Trang 26
Chơng I I
Cảm biến đo n h i ệ t độ
2.1. Khái niệm cơ bản
Nhiệt độ l một trong số những đại lợng có ảnh hởng rất lớn đến tính chất
vật chất. Bởi vậy trong nghiên cứu khoa học, trong công nghiệp cũng nh trong đời

sống hng ngy việc đo nhiệt độ l rất cần thiết. Tuy nhiên việc xác định chính xác
một nhiệt độ l một vấn đề không đơn giản. Đa số các đại l
ợng vật lý đều có thể
xác định trực tiếp nhờ so sánh chúng với một đại l
ợng cùng bản chất. Nhiệt độ l
đại lợng chỉ có thể đo gián tiếp dựa vo sự phụ thuộc của tính chất vật liệu vo
nhiệt độ.
2.1.1. Thang đo nhiệt độ
Để đo nhiệt độ trớc hết phải thiết lập thang nhiệt độ. Thang nhiệt độ tuyệt
đối đợc thiết lập dựa vo tính chất của khí lý tởng.
Theo định lý Carnot: hiệu suất của một động cơ nhiệt thuận nghịch hoạt
động giữa hai nguồn có nhiệt độ
1
v
2
trong một thang đo bất kỳ chỉ phụ thuộc
vo
1
v
2
:

(2.1)

Dạng của hm F phụ thuộc vo thang đo nhiệt độ. Ngợc lại việc chọn dạng hm F
sẽ quyết định thang đo nhiệt độ. Đặt F(
) = T, khi đó hiệu suất nhiệt của động cơ
nhiệt thuận nghịch đợc viết nh sau:

(2.2)

Trong đó T
1
v T
2
l nhiệt độ động học tuyệt đối của hai nguồn.
Đối với chất khí lý t
ởng, nội năng U chỉ phụ thuộc vo nhiệt độ của chất khí v
ph
ơng trình đặc trng liên hệ giữa áp suất p, thể tích v v nhiệt độ có dạng:
p.v=G()
Thit B Trng Trong Nh Mỏy in
_____________________________________________________________________
_____________________________________________________________________
K S Thc Hin : H HONG DUY Trang 27
Có thể chứng minh đợc rằng:
G()=RT
Trong đó R l hằng số khí lý tởng, T l nhiệt độ động học tuyệt đối.
Để có thể gán một giá trị số cho T, cần phải xác định đơn vị cho nhiệt độ.
Muốn vậy chỉ cần gán giá trị cho nhiệt độ tơng ứng với một hiện t-ợng no đó với
điều kiện hiện tợng ny hon ton xác định v có tính lặp lại.
Thang Kelvin (Thomson Kelvin - 1852): Thang nhiệt độ động học tuyệt đối,
đơn vị nhiệt độ l K. Trong thang đo ny ngời ta gán cho nhiệt độ của điểm cân
bằng ba trạng thái nớc - nớc đá - hơi một giá trị số bằng 273,15 K.
Thang Celsius (Andreas Celsius - 1742): Thang nhiệt độ bách phân, đơn vị
nhiệt độ l
o
C v một độ Celsius bằng một độ Kelvin.
Nhiệt độ Celsius xác định qua nhiệt độ Kelvin theo biểu thức:
T(
o

C)= T(K) - 273,15 (2.3)
Thang Fahrenheit (Fahrenheit - 1706): Đơn vị nhiệt độ l
o
F. Trong thang đo
ny, nhiệt độ của điểm nớc đá tan l 32
o
F v điểm nớc sôi l 212
o
F.
Quan hệ giữa nhiệt độ Fahrenheit v nhiệt Celssius:
(2.4)
Bảng 2.1 Cho các giá trị tơng ứng của một số nhiệt độ quan trọng theo các thang
đo khác nhau.
Bảng 2.1
Nhiệ độ Kelvin (K) Celsius (
o
C) Fahrenheit (
o
F)
Điểm 0 tu
y
ệt đối 0 -273,15 -459,67
Hỗn hợ
p
nớc - nớc đá 273,15 0 32
Cân bằn
g
n
ớ
c - nớc đá - hơi 273,16 0,01 32,018

Nớc sôi 373,15 100 212
2.1.2. Nhiệt độ đo đợc v nhiệt độ cần đo
Giả sử môi tr
ờng đo có nhiệt độ thực bằng T
x
, nhng khi đo ta chỉ nhận đợc