Kỹ thuật đo lường điện tử - Chương 9 ppsx

BomonKTDT-ĐHGTVT


104

chơng 9:

Đo lờng các đại lợng không điện

I. khái niệm chung
+ Đối tợng đo lờng là các đại lợng vật lý không điện nh nhiệt độ, áp
suất, là các đại lợng cần đo X. Sau khi tiến hành các quá trình thực nghiệm bằng
cách sử dụng các phơng tiện điện tử để xử lý tín hiệu, ở đầu ra ta đợc một đại
lợng tơng ứng. Sự biến đổi của đại lợng này chứa đựng tất cả các thông tin cần
thiết để nhận biết X, việc đo lờng đại lợng X thực hiện đợc là nhờ sử dụng các
cảm biến (
Sensor)
+ Định nghĩa cảm biến:
Cảm biến là một thiết bị dùng để biến đổi từ đại lợng vật lý này sang đại
lợng vật lý khác mang bản chất điện với một độ chính xác nhất định. Quan hệ giữa
đại lợng ra và đại lợng vào là quan hệ hàm đơn trị.



trong đó: X là đại lợng không điện cần đo
Y là đại lợng ra (đại lợng điện), là một hàm của đại lợng cần đo,
Y = F(X)
Việc đo lờng Y sẽ cho phép nhận biết giá trị của X; Y = F(X) là dạng lý
thuyết của định luật vật lý biểu diễn hoạt động của cảm biến, đồng thời là dạng số

biểu diễn sự phụ thuộc của nó vào cấu tạo (kích thớc và hình dạng), vật liệu chế
tạo cảm biến, đôi khi cả vào môi trờng và chế độ sử dụng (nhiệt độ, nguồn nuôi).
Vị trí của cảm biến trong thiết bị đo lờng chính là phần chuyển đổi sơ cấp
+ Lĩnh vực ứng dụng: cảm biến đợc sử dụng ở hầu hết các mặt của sản xuất
cũng nh đời sống xã hội.
ví dụ: Viễn thông: trong các cơ cấu tự động cảnh báo nhiệt độ, độ ẩm, báo cháy
của tổng đài, góp phần đảm bảo tổng đài hoạt động đợc liên tục; cảm biến tại các
thiết bị đầu cuối để chuyển âm thanh, hình ảnh thành tín hiệu điện; tại các thiết bị
truyền dẫn chuyển tín hiệu điện thành tín hiệu quang và ngợc lại.
Tự động hoá: sử dụng cảm biến để biết đợc các thông số của đối tợng cần
điều khiển (tốc độ động cơ, vận tốc của vật, xe cộ; hớng đi ) từ đó xây dựng
phơng pháp điều khiển

+ Nguyên tắc: cảm biến thờng dựa trên các hiệu ứng vật lý biến đổi một
dạng năng lợng nào đó (nhiệt, cơ, hoặc bức xạ) thành năng lợng điện
. (xem lại
phần chuyển đổi sơ cấp).
II. Các loại cảm biến

Dới đây là một số kiểu cảm biến thông dụng nhất
1. Cảm biến kiểu biến trở
+ Cấu tạo
: Gồm 3 phần: lõi, dây quấn và con trợt.
Cảm biến
Y
X

Chơng 9: Đo lờng các đại lợng không điện

105
Lõi:
Có hình dáng khác nhau:dạng hàm số, dạng nhảy cấp.
Chất liệu: làm bằng bakelit, sứ, kim loại có phủ lớp cách điện.
Dây quấn:
Có đờng kính khoảng
=(0,02 ữ 0,07)mm.
Chất liệu: làm bằng đồng, niken, pratin, mangamin. Đối với loại
mangamin thì điện trở là ổn định nhất.
Điện trở của dây: tuỳ từng loại có thể từ vài
đến 1000.
Con trợt: chế tạo bằng đồng faberin-fôtfo.
Lực tì khoảng: 0,01
ữ 0,05 N.

+ Nguyên tắc làm việc: khi đại lợng không điện tác động vào con trợt làm
con trợt di chuyển, điện trở của cảm biến sẽ thay đổi tơng ứng. Nghĩa là:
R = f(X)
Cảm biến điện trở chỉ cho ta phát hiện sự biến thiên điện trở bằng điện trở
của một vòng dây tơng ứng với một di chuyển bằng khoảng cách giữa hai vòng
dây.
+ ứng dụng:
Cảm biến biến trở thờng dùng để đo di chuyển nhỏ (2-3)mm, đo di chuyển
góc, đo lực áp suất >0,01N
2. Cảm biến điện trở lực căng (tenzômet)
+ Cấu tạo
: Hình bên là cấu tạo của cảm biến điện trở lực căng, bao gồm:
1. Tấm giấy mỏng.

H
ình dáng thờng gặp của cảm biến biến tr
ở

a)
W
R
1
R
2

R
0

c) Quan hệ vào/ra của cảm
biến biến trở
R
1


R
2
R


R
0

0 x

b)
R
1
R
2

R
0

w
r
1
r
2
r
3
r
4
d)
w
R
1
R
2

R
0

e)
w

R
1
R
2

R
0



BomonKTDT-ĐHGTVT


106












2. Dây mảnh:
= 0,02 ữ 0,03mm.
Chế tạo bằng vật liệu constantan, nicrôm, hợp kim platin-iridi
Thông thờng

l
0
= 8 ữ 15mm, khi cần kích thớc nhỏ l
0
= 2,5mm.
Chiều rộng a = 3
ữ 10mm

Điện trở thay đổi từ 10 ữ 150. Khi chiều dài tác dụng không bị hạn chế l
0

có thể dài tới 100mm. Điện trở từ 800
ữ 1000.
3. Thanh dẫn là đờng tín hiệu, để nối với mạch đo

+Nguyên tắc làm việc: dựa trên hiệu ứng tenzô, có một số vật liệu mà khi nó
bị biến dạng thì điện trở của nó thay đổi. Khi đo biến dạng
l/l , cảm biến đợc dán
trên đối tợng đo, khi đối tợng đo bị biến dạng thì tenzô biến dạng theo và điện trở
của tenzô thay đổi một lợng
R/R.
Tức là
R/R=f(l/l)
Qua việc xác định biến thiên R, ta có thể xác định đợc lợng biến thiên về
chiều dài l
+ Phân loại: tenzômet chia làm các loại màng mỏng, lá mỏng, dây mảnh
+ Mạch đo: thờng dùng mạch cầu (cầu 1 chiều hoặc xoay chiều)


l

0
a

1
2
3




Chơng 9: Đo lờng các đại lợng không điện

107
+ ứng dụng:
Đo biến dạng.
Đo lực, đo áp suất, đo mômen quay, đo gia tốc và các đại lợng khác nếu có
thể biến đổi thành biến dạng đàn hồi với ứng suất không bé hơn (1
ữ 2)10
7
N/m
2
.
Loại cảm biến này có thể đo các đại lợng biến thiên tới vài chục KHz
3. Cảm biến kiểu điện cảm
+ Cấu tạo:
Cảm biến điện cảm là một cuộn dây quấn trên lõi thép có khe hở không khí
(mạch từ hở). Thông số của nó thay đổi dới tác động của đại lợng vào X
V
.

+ Nguyên tắc làm việc: Dới tác động của đại lợng đo X
V
làm cho phần ứng
3 di chuyển, khe hở không khí
thay đổi làm thay đổi từ trở của lõi thép, do đó điện
cảm và tổng trở của cảm biến cũng thay đổi theo. Điện cảm có thể thay đổi do tiết
diện khe hở không khí thay đổi hoặc thay đổi do tổn hao dòng điện xoáy dới tác
động của đại lợng đo X
V
Nếu bỏ qua điện trở thuần của cuộn dây và trở từ của lõi thép, ta có:
L = W
2
.
0.
s/
- W: số vòng dây của cuộn dây

V
~
X
V
~
b)
1
2
X

3
X
V

1

2
1
2
~
a)


BomonKTDT-ĐHGTVT


108
- : chiều dài khe hở không khí
-

0
: độ từ thẩm của không khí
- s: tiết diện thực của khe hở không khí
+ Mạch đo: cũng sử dụng mạch cầu là chủ yếu
+ ứng dụng:


Tuỳ từng loại cấu trúc của cảm biến mà cảm biến điện cảm có thể đo đợc các đại
lợng vật lý khác nhau.
- Đo di chuyển từ vài trục
m đến vài trục cm (hình bên)
- Đo chiều dày lớp phủ, đo độ bóng của chi tiết gia công
- Đo lực từ 1/10 N đến hàng chục, hàng trăm N.

- Đo áp suất với dải đo: 10
-3
N/m
2
ữ 10.000 N/m
2

- Đo gia tốc: 10
-2
g ữ100g.
Sơ đồ cầu đo hai nhánh sử dụng cảm biến điện cảm
U
0
C

Chỉnh
lu
Khuyếch
đại
U
0
~
L-

L
L+
L
R
0

R
c

R
2
R
1

C
T
Chỉ
thị




Chơng 9: Đo lờng các đại lợng không điện

109

Cùng loại còn có Hỗ cảm, áp từ, cảm ứng chúng là nhóm các cảm biến dựa
trên quy luật điện từ: Đại lợng không điện cần đo làm thay đổi điện cảm, hỗ cảm
của cảm biến hay từ thông, độ từ thẩm của lõi thép.

4. Cảm biến kiểu áp điện
+ Cấu tạo:
Vật liệu chế tạo: Tinh thể thạch anh tự nhiên (Si0
2
),
Titanatbari BaTi0

3
nhân tạo,
Muối xênhét
. . .
Cấu trúc một tinh thể thạch anh nh sau:
Gồm 3 trục: OX - trục điện,
OY - trục cơ,
OZ - trục quang.
+ Nguyên tắc làm việc:
Nguyên tắc làm việc của cảm biến áp điện dựa trên hiệu ứng áp điện (còn gọi
là hiệu ứng piezô). Có một số vật liệu khi chịu tác động một lực cơ học biến thiên
trên bề mặt của nó xuất hiện các điện tích q, khi lực tác động ngừng các điện tích q
cũng biến mất, hiệu ứng trên gọi là hiệu ứng áp điện thuận. Ngợc lại, nếu đặt các
vật liệu trên trong các điện trờng biến thiên, điện trờng tác động lên chúng làm
biến dạng cơ học, hiện tợng đó gọi là hiệu ứng áp điện ngợc
Hiện tợng áp điện chỉ xẩy ra khi :
- Tác động theo trục X một lực Fx, sẽ gây ra hiệu ứng áp điện dọc với điện
tích
q = d
1
.Fx, d
1
là hằng số áp điện, điện tích sinh ra không phụ thuộc vào cấu
trúc hình học của nó mà chỉ phụ thuộc vào độ lớn của lực Fx. Dấu của điện tích thay
đổi với sự thay đổi dấu của lực Fx.
a,Cấu trúc một tinh thể thạch anh
b) Mặt cắt của tinh thể thạch anh
a)
b)
X

y
Fx
F
y
Fy
x
Y
Z
X


BomonKTDT-ĐHGTVT


110
- Khi tác động theo trục Y một lực Fy thì sinh ra hiệu ứng áp điện ngang với
điện tích q = -(
x
y
)d
1
Fy. Điện tích này phụ thuộc vào kích thớc hình học x, y là
kích thớc của chuyển đổi theo trục X và trục Y.
d
1
: là hằng số áp điện (còn gọi là mô đun áp điện).
x, y: là kích thớc của phần tử áp điện theo trục X và Y.
Dấu của điện tích q với hiệu ứng áp điện dọc và ngang ngợc nhau nghĩa là
lực Fx nén làm xuất hiện các điện tích cùng dấu với lực Fy kéo và ngợc lại.
- Khi tác động theo trục quang (OZ) thì q = 0, không có hiệu ứng áp điện.

Chú ý: Trờng hợp các cạnh của cảm biến không song song với các trục chính hoặc
các lực tác động không song song với các trục thì điện tích sinh ra bé hơn
+ Tính chất của một số vật liệu áp điện:
a, Thạch anh (SiO2): là vật liệu tự nhiên hoặc tổng hợp có các tính chất sau:
Hằng số áp điện: d
1
= 2,1.10
-12
( C/N).
Hằng số điện môi:
= 39,8.10
-12
(F/m).
ứng suất cho phép: = 70 ữ 100 N/mm
2
.
Điện trở suất:
= 10
16
/m nhng phụ thuộc vào nhiệt độ và phụ thuộc vào
chiều trục (có giá trị khác nhau ở các chiều trục khác nhau).
Từ 0
ữ 200
0
C thì d
1
không phụ thuộc vào nhiệt độ.
Từ 200
ữ 500
0

C thì d
1
bị giảm đi.
Với 573
0
C thì tính chất áp điện không còn.
b, TitanatBari (BaTiO3): là loại vật liệu tổng hợp có tính chất sau:
Hằng số áp điện: d
1
= 107.10
-12
( C/N).
Hằng số điện môi:
= 1240.10
3
(F/m).
Mô đun đàn hồi: E = 115.10
1
(F/mm
2
).
Các tính chất của BaTiO
3
không phụ thuộc vào độ ẩm nhng phụ thuộc vào
tạp chất, công nghệ chế tạo và điện áp phân cực.
Hệ số áp điện d
1
không phải là hằng số. Nhiều trờng hợp giảm 20% sau 2
năm sử dụng, tính chất áp điện của nó không ổn định theo nhiệt độ.
Do có hiện tợng trễ nên đặc tính q = f(F) không tuyến tính nhng loại vật

liệu này có độ bền cơ học cao, rẻ tiền, chế tạo đợc các hình dáng bất kỳ nên dợc
dùng rộng rãi.
Ngoài ra còn có vật liệu Titanat chì (PbTiO
3
) và Ziriconat chì (PbZnO
3
) có mô
đun điện áp lớn gấp 4 lần BaTiO
3
.
+ Mạch điện ứng dụng:
Ví dụ sơ đồ cấu tạo của cảm biến áp điện để đo lực f(x).
Cấu tạo gồm:
1. Phần tử áp điện.
2. Dây dẫn.
3. Cáp điện.

Và sơ đồ mạch đo của cảm biến áp điện nh hình vẽ trang bên:




Chơng 9: Đo lờng các đại lợng không điện

111
Khi lực F tác động có dạng F = F
max
sint, thì điện áp ra sẽ là:
U
r

=
.1
1
1
.
.
1
CoRoj
Ro
Fdj
Coj
Ro
Coj
Ro
I




+
=
+

+ ứng dụng:
Dùng để đo lực biến thiên ( đến 10.000 N ).
Đo áp suất ( 100 N/mm
2
)
Làm các gia tốc kế đo gia tốc tới 100g (g gia tốc trọng trờng ) trong dải tần
từ 0,5

ữ 100 kHz.
Đo các biến dạng , các di chuyển nhỏ

5. Cặp nhiệt điện
+ Cấu tạo:

Gồm hai hay thanh kim loại khác nhau đợc hàn với nhau tại một đầu, điểm
hàn ấy gọi là điểm công tác hai đầu còn lại gọi là đầu tự do.


x
f
X
f
V
1
2
3
Mạch đo của cảm biến á
p
điện
U
ra
C
2
R
2
R
0
R

0
C
0
F
i
~



R
0
, R
2
, C
0
, C
2
là điện trở và điện dung thực của cảm biến và mạch khuyếch đại.
Mạch KĐ


BomonKTDT-ĐHGTVT


112
Để đảm bảo tránh h hỏng cơ học và ảnh hởng ngẫu nhiên của các đối tợng
đo, các điện cực nhiệt đợc đặt trong các vỏ thép bảo vệ. Hình dới đây là cấu tạo
của một loại điện kế chuẩn.
Trên hình vẽ ngời ta đặt các điện cực (3) trong vỏ bảo vệ (1) có chuỗi cách
điện (4). Mối hàn (2) tiếp xúc với đáy vỏ bảo vệ hay có thể cách ly bằng đầu sứ.

Dây dẫn nối dài (7) đợc nối với điện cực ở đầu nối (8), vít (6) trên phíc cắm (5).
Vỏ bảo vệ đợc giữ chắc và đa vào đối tợng đo, giữ chặt bằng mức (9). Để bảo
đảm tiếp xúc chắc chắn, mối hàn (2) đợc thực hiện bằng máy hàn hơi. Vỏ bảo vệ
có dạng hình trụ hay hình côn bằng vật liệu không thấm khí có đờng kính (15
25)mm và có chiều dài tuỳ thuộc vào yêu cầu của đối tợng đo từ 100 đến (2500
3000)mm. Vật liệu để làm vỏ bảo vệ là các loại thép khác nhau. Đối với nhiệt độ
cao, vỏ bảo vệ có thể bằng thạch anh hay gốm.
+ Nguyên tắc làm việc:
Nguyên tắc làm việc của cặp nhiệt điện dựa trên hiện tợng nhiệt điện, nếu
nhiệt độ mối hàn t
1
và t
0
khác nhau thì trong mạch khép kín có một dòng điện chạy
qua. Chiều của dòng điện này phụ thuộc vào nhiệt độ tơng ứng của mối hàn, nghĩa
là nếu t
1
> t
0
thì dòng điện chạy theo hớng ngợc lại. Nếu để hở một đầu thì giữa
hai cực xuất hiện một sức điện động nhiệt điện, cụ thể nh sau:
Cặp nhiệt điện
t
1
(điểm côn
g
tác)
t
0
(đầu tự do)

E


t
0
t
0
t
1
a)
b)
a)
9
4

3
1
2
6

5
7
8
c)
4
3
1
2
b)
4

3
1
2
Cấu trúc của nhiệt kế cặ
p
nhiệ
t





Chơng 9: Đo lờng các đại lợng không điện

113
Khi cha làm việc nhiệt độ t
1
= t
0
, do 2 thanh kim loại là khác nhau đợc hàn
với nhau ở đầu t
1
các điện tử tự do ở hai thanh kim loại là khác nhau do vậy chúng
có thể khuyếch tán sang nhau nhng sự khuyếch tán này là không đáng kể vì vậy
suất điện động nhiệt điện ở hai đầu tự do E

0 .
Khi làm việc, nhiệt độ t
1
t

o
, sự khuyếch tán các điện tử tự do sang nhau là
nhiều hơn
xuất hiện hiệu điện thế ở 2 đầu tự do.
E

= f(t
1
) f(t
0
)
Nếu cố định nhiệt độ ở đầu tự do
f(t
0
) = C = const.

E


= f(t
1
) C = f(t
1
)

Đặc tính kỹ thuật của các cặp nhiệt ngẫu thông dụng:
Cặp nhiệt ngẫu Dải nhiệt độ làm việc
o
C
Sức điện động

mV
Đồng/ Constantan
= 1,63 mm

-270-370

-6,258-19,027
Sắt/ Constantan
= 3,25 mm
-210-800 -8,095-45,498
Chromel/Alumen
= 3,25 mm
-270-1250 -5,354-50,633
Chromel/Constantan
= 3,25 mm
-270-870 -9,835-66,473
Platin-Rođi (10%) /Platin
= 0,51 mm

-50-1500


-0,236-15,576
Platin-Rođi (13%) /Platin
= 0,51 mm

-50-1500

-0,226-17,445
Platin-Rođi (30%) /Platin-

Rođi (6%)
= 0,51 mm

0-1700

0-12,426
Vonfram-Reni
(5%)/Vonfram-Reni (26%)
0-2700 0-38,45

+ Mạch đo:
Dùng mạch đo khuyếch đại kết hợp với mV (kim chỉ) hoặc là kết hợp với các
chỉ thị số







Mạch đo đơn giản dùng mạch khu
y
ếch đại kết hợp với chỉ thị

KĐ


BomonKTDT-ĐHGTVT

114
- Dùng điện kế một chiều :






















Đây là dụng cụ đo theo phơng pháp so sánh.
Muốn thực hiện phơng pháp đo thì phải tiến hành theo 2 bớc.
- Đóng khoá K
vào A điều chỉnh Rđc sao cho điện kế chỉ 0

U

CĐ
= Em = I
CT
. R
0
I
CT
=
10181
0181,1
R
E
0
m
=
= 10
-4
A.
- Đóng khoá K
sang vị trí B. Điều chỉnh R
m
sao cho điện kế chỉ 0. Lúc điện
kế chỉ 0 thì U
DE
= E
X
= I
ct
. R
DE

= K.R
DE
với I
CT
= const
Trên hộp điện trở mẫu R
m
có khắc luôn giá trị điện áp
+ ứng dụng:
Đo nhiệt độ cao cỡ vài trăm độ
ữ 1700
0
C.
Đo áp suất nhỏ (10
-3
ữ 10
-4
mmHg).
Đo các đại lợng vật lý khác: Đo tốc độ của gió, tốc độ của dòng chảy, đo di
chuyển.



6. Nhiệt điện trở
+ Cấu tạo:
Các nhiệt trở dây (Cu, Ni, Pt) gồm:
Lõi để quấn các nhiệt điện trở lõi bằng gốm sứ, Bakếlit, vật liệu cách điện
chịu đợc nhiệt độ cao.
ống xuyến cách điện, bằng gốm, sứ.
Dây nhiệt điện trở đờng kính

= (0,02 ữ 0,07) mm với chiều dài (5 ữ 20)mm.


Mạch đo nhiệt độ dùng điện thế kế một chiều
C

E
E
X
A B
K
CT
Rđc
R
m
R
0

E
m

E
0

I
CT


E

0
: nguồn cung cấp,
Em: nguồn pin mẫu,
Em = 1,0181V,
R
đc
: điện trở điều chỉnh,
dòng cung cấp,
R
0
: điện trở mẫu,
R
0
= 10181,
R
m
: hộp điện trở mẫu,
E
x
: điện áp cần đo.
CT: chỉ thị (điện kế chỉ 0)




Chơng 9: Đo lờng các đại lợng không điện

115

Hộp đầu ra (để lấy tín hiệu ra bên ngoài).

+ Nguyên tắc làm việc:
Dựa trên các hiệu ứng nhiệt độ. Có một số vật liệu (Cu,Ni) khi nhiệt độ thay
đổi thì điện trở của nó cũng thay đổi theo, từ đó ngời ta chế tạo ra các nhiệt điện
trở.
R
T
= R
0
(1 + t)
R
0
là điện trở của dây ở 00c;
là hệ số nhiệt độ: Đồng là 4,3.10-3 1/ 0C
Niken là 5.10-3 1/ 0C
Nhiệt điện trở chia làm 2 loại:

Nhiệt điện trở không đốt nóng: Dòng điện đi qua nó rất nhỏ, để đo nhiệt độ
-50
0
C ữ 150
0
C.
Nhiệt điện trở đốt nóng: Dòng đi qua nó rất lớn làm cho nhiệt điện trở lớn
lên từ vài chục đến vài trăm độ.
Các nhiệt điện trở bán dẫn làm bằng các chất bán dẫn CuO, CoO, MnO

+Cấu tạo
:
Đợc chế tạo từ một số oxit kim loại khác nhau nh CuO, CoO, MnO nh
hình vẽ trang bên.
+ Nguyên tắc làm việc:
Quan hệ giữa nhiệt độ và điện trở của nó
R
T
= Ae

/T

A là hằng số phụ thuộc vào tính chất vật lý của chất bán dẫn, kích thớc hình
dáng của nhiệt điện trở,
là hằng số phụ thuộc vào tính chất vật lý của chất bán dẫn
T là nhiệt độ tuyệt đối, sức điện động là cơ số logarit tự nhiên.
Hệ số nhiệt
của chất bán dẫn mang dấu âm và có giá trị từ 0,02 ữ 0,08
[1/
0

C] lớn gấp 8 ữ 10 lần kim loại và phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ. Điện trở suất lớn
do đó kích thớc của nó rất nhỏ.




ống xuyến
cách điện
Hộp đầu ra
Vỏ bảo vệ
Dây nhiệt điện tr
ở
Cấu tạo của nhiệt điện trở dây


BomonKTDT-ĐHGTVT


116

+ Mạch đo: thông thờng hay dùng mạch cầu không cân bằng chỉ có chỉ thị là
logôm mét (hình trang bên)

+ ứng dụng
:
Đo nhiệt độ
Đo các đại lợng không điện nh đo di chuyển, đo áp suất.
Dùng để phân tích thành phần, nồng độ của một số hợp chất và chất khí.
dẫn chứng đo dịch chuyển:

Ví dụ đo dịch chuyển:

1. Tấm chắn.
2. Màng rung.

3. Bộ rung điện từ.
R
1
, R
2
là các nhiệt điện trở.






Cấu tạo của một số cảm biến nhiệt điện trở
bán dẫn
c
)
2,5
5
19
20,5
6
3
4
1
2
3
a
)

1

1,2
1,4
3
3
b
)
1
2
4
3
d
)

1.Dây dặt trong ống sứ.
2.Vỏ bảo vệ.
3.Đầu ra.
4.Giá đỡ.
X
V
R
2
U
xc
R
1
2
1

Chơng 9: Đo lờng các đại lợng không điện

117

+ Nguyên tắc đo:
Khi cha có di chuyển
X
V
thì lá chắn ở giữa, hai khe
hở thổi vào hai cảm biến là
nh nhau.
Khi có X
V
tác động, lá
chắn di chuyển hai lá chắn là
khác nhau, lợng gió thổi vào
hai cảm biến là khác nhau

hai điện trở có giá trị khác,
gắp 2 điện trở này vào 2
nhánh cầu để chỉ thị.





7. Cảm biến quang
+ Cấu tạo:
Các cảm biến quang đợc sử dụng để chuyển thông tin từ ánh sáng nhìn

thấy hoặc tia hồng ngoại (IR) và tia tử ngoại (UV) thành tín hiệu điện

Phần cảm biến quang ta đã xem xét kỹ lỡng ở phần Cầu kiện Điện tử, ở
đây không xét lại
+ ứng dụng:
Trong thực tế, các tế bào quang dẫn thờng đợc ứng dụng trong hai trờng
hợp:
- Phát hiện tín hiệu quang.
- Tế bào quang dẫn có thể đợc sử dụng để biến đổi xung quang thành xung
điện. Sự ngắt quãng của xung ánh sáng chiếu lên tế bào quang dẫn sẽ đợc phản ánh
trung thực qua xung điện của mạch đo, do vậy các thông tin mà xung ánh sáng
mang đến sẽ đợc thể hiện trên xung điện. Ngời ta ứng dụng mạch đo kiểu này để
đếm hoặc đo tốc độ quay của đĩa.
- Đo nhiệt độ
- Xác định vị trí
- Đo vận tốc

Sau đây là 2 ví dụ
Ví dụ 1: Sử dụng bộ cảm biến quang tốc độ
Hình dới là sơ đồ sử dụng bộ cảm biến quang tốc độ. Đĩa mã hoá gắn trên
trục động cơ gồm các lỗ, trên hình có tám lỗ. Đĩa đặt giữa nguồn tia hồng ngoại do
điôt phát quang LED cung cấp và đầu thu là tranzito quang (hình b). Khi đĩa quay
tranzito quang sẽ chỉ chuyển mạch nếu vị trí LED, lỗ, tranzito quang thẳng hàng.
Khi đó tranzito đa điện áp trên R
2
về mức thấp. Khi đĩa ngăn ánh sáng thì tranzito
bị khoá, kết quả điện áp trên R
2
về mức cao.
Kết quả là khi đĩa mã hoá quay, ứng với hình a trên đầu ra R

2
ta đợc tám
xung chữ nhật. Tần số xung phụ thuộc vào tốc độ đĩa.


M
ạch lôgômmé
t
R
T
w
2
w
1
Rd
1
R
1
R
2
R
B
E
B
Rd
3
Rd
2
= f(I
1

/I
2
)


BomonKTDT-ĐHGTVT


118



Nếu ta muốn duy trì tốc độ quay của rôto ở tốc độ không đổi nào đó ứng với
chu kỳ tín hiệu do bộ cảm biến tốc độ tạo nên, chu kỳ này xác định điểm đặt tốc độ.
Để xác định chiều quay (thuận hoặc nghịch) cần sử dụng bộ cảm biến kép gồm có
hai LED và hai tranzito quang, hai đĩa mã hoá. Khi đĩa quay ta nhận đợc hai xung
chữ nhật lệch nhau 90
o
. Chiều quay đợc xác định bằng vị trí tơng đối của hai tín
hiệu ra. Tốc độ bằng 0 có nghĩa là xung tiếp theo không bao giờ tới. Trong thực tế
áp dụng ta sử dụng bộ thời gian tràn khi các xung đến lớn hơn 65536 bằng bộ đếm
thời gian thanh ghi.
Thông thờng các bộ cảm biến quang tốc độ còn kèm theo khả năng xử lý
sờn các xung tín hiệu và trên cơ sở đó cho phép tăng số lợng vạch đếm trong một
vòng đĩa lên bốn lần. Chuỗi xung A hoặc B đợc đa tới cửa vào của khâu đếm tiến,
biết số xung trong một chu kỳ, ta tính đợc tốc độ quay của động cơ:
n [
vòng/phút] =
n
TN

N
0
4
60

trong đó:
T
n
là chu kỳ điều chỉnh tốc độ, ở đây chu kỳ đếm xung tính bằng
giây.
N
0
là số xung trong một vòng, còn gọi là độ phân giải của bộ cảm
biến tốc độ.
N là số xung trong thời gian T
n
.
Để nâng cao độ phân giải của phép đo tốc độ ta có giải pháp là tăng số lỗ
trong một rãnh, ta có đĩa mã hoá gồm nhiều rãnh, mỗi rãnh có số lỗ tăng dần theo
quan hệ 2
n
, n là số rãnh .






Bộ cảm biến quang tốc độ với đĩa mã hoá
a) Sơ đồ cảm biến quang tốc độ.

b) Sơ đồ nguyên lý tranzito quang.
LED
Phototranzito
Đờng tâm
ánh sáng
Đĩa mã hoá
Tâm trục cơ khí
Đĩa mã hoá
a
)

b)
R
2
2,2k
R
1
180
+5V+5V




Chơng 9: Đo lờng các đại lợng không điện

119



Ví dụ 2: Tốc kế sợi quang (vấn đề này khá phức tạp, ở đây chỉ trình bày Nguyên

tắc)
Tốc kế laser sử dụng hiệu ứng Doppler là dụng cụ đo tốc độ của các đối tợng
bằng cách truyền dẫn (đối với dòng chất lỏng) hoặc bằng phản xạ (đối với vật rắn
chuyển động dới đầu laser). Dải đo rất rộng từ
10
-6
- 10
5
m/s. Phép đo không làm
thay đổi chuyển động của hệ.
Nguyên tắc hoạt động của tốc kế sợi quang là chiếu sáng đối tợng cần đo tốc
độ bằng một lới các vân sáng.
ánh sáng sáng khuyếch tán từ đối tợng tuân theo
hiệu ứng Doppler nghĩa là tần số của nó khác với tần số ánh sáng nguồn. Độ
lệch tần số này phụ thuộc vào tốc độ của vật.
Trong trờng hợp cần đo tốc độ dòng chảy nên cho vào dòng chảy các hạt
kích thớc đủ nhỏ để không làm ảnh hởng tới tốc độ của dòng chảy. Các hạt này sẽ
khuyếch tán ánh sáng khi có nguồn sáng cắt qua. Tín hiệu quang do các hạt phát ra
đợc điều biến cờng độ các vân tối, sáng với tần số tỷ lệ với tốc độ dòng chảy.
Tần số điều biến ánh sáng do các hạt khuyếch tán là:
f = | V | / y
với | V | là thành phần tốc độ của các hạt vuông góc với vân sáng,
y là khoảng cách giữa các vân sáng.
Theo một phơng pháp khác, hạt cắt qua một trong hai tia sáng không song
song đến từ một nguồn laser
He,Ne. Ta nhận đợc hai tia khuyếch tán từ hạt, mỗi
tia đợc đặc trng bằng tần số Doppler. Giao thoa của hai tia này tạo nên một số f
(phách tần ) có thể suy ra gia tốc của tốc độ nhng không biết chiều chuyển động.
Có thể khắc phục điều này bằng cách sử dụng hai tốc độ kế vuông góc. Ta đã biết
hai thành phần tốc độ do vậy có thể xây dựng đợc vectơ V.

Ta cũng có thể điều pha
của một trong hai tia ở tốc độ d/dt nhờ khối
Bragg. Các vân lệch pha với tốc độ V
0
:

dt
dy
V

= .
2
0


và ánh sáng khuyếch tán bị điều biến ở tần số
f = | V V
0
| /y
a) Bộ cảm biến quang tốc độ chiều quay;
b) Xác định chiều quay bằng so sánh pha 2 tín hiệu
a)
b
)

360
o
(
1
)

90
o
(
1
)

B
A


BomonKTDT-ĐHGTVT


120
Ta chọn d/dt sao cho V
0
luôn lớn hơn vận tốc V của các hạt. Theo phơng
pháp này ta biết cả độ lớn và chiều của tốc độ.
Một điot laser có thể sử dụng trớc khối laser Bragg dùng để điều biến dòng
phát. Các sợi quang phối hợp với một điot quang để tạo nên thiết bị đo hoàn chỉnh
(hình vẽ), với điot laser bớc sóng
850 nm, công suất 5 mW, F
1
sợi đơn mode dài
5m, F
2
sợi đa mode dài 5m.

Đo tốc độ kế Doppler diode laser và sợi quang;
a) Chùm tia chiếu qua vật đo vận tốc bằng hệ thống thông thờng;
b) Chia chùm tia bằng bộ nối ghép quang

a
)
F
2

Đối tợng
chuyển
động
L
2

L
1

F
1
Diode laser
L
1
, L
2
là thấu kính
Máy phân
tích phổ
Thấu kính
Bộ ghép nối
b)

Chơng 9: Đo lờng các đại lợng không điện

121
Một số gợi ý:

+ Đo nhiệt độ: có thể sử dụng: cặp nhiệt điện, điện trở nhiệt
+ Đo tốc độ tròn: dùng cảm biến quang
+ Đo tốc độ dài, có phạm vi di chuyển nhỏ: dung cảm biến điện cảm.
+ Đo tốc độ dài, phạm vi di chuyển và tốc độ lớn, có thể dùng cảm biến quang
+ Đo lực dùng cảm biến kiểu áp điện.
+ Đo độ rung có thể dùng tenzômét