bài giảng đo lường điện

Ch.8: Các cảm biến dùng trong đo lường
8.1.Cảm biến đo vị trí và sự dịch chuyển.
8.2.Cảm biến đo tốc độ.
8.3.Đo nhiệt độ bằng điện trở.
8.4.Đo nhiệt độ bằng cặp nhiệt điện.
8.5.Đo nhiệt độ bằng diod và transistor.
8.6.Đo nhiệt độ bằng IC.
8.7.Đo nhiệt độ bằng thạch anh.
8.8.Cảm biến đo vận tốc chất lỏng.
8.9.Cảm biến đo lưu lượng chất lỏng.
8.10.Cảm biến đo và dò mực chất lỏng.

8.1.Cảm biến đo vị trí và sự dịch chuyển
•
Những cảm biến này rất thông dụng. Một mặt, do việc kiểm
soát vị trí, sự dịch chuyển rất quan trọng trong việc hiệu chỉnh
hoạt động các máy móc, máy công cụ chẳng hạn. Mặt khác,
một số đại lượng vật lý được đo từ sự dịch chuyển nhờ chi tiết
thử nghiệm, như lực, áp suất, gia tốc…Có 2 phương pháp :
•
Ph. ph.1 thường được dùng. Cảm biến tạo ra tín hiệu gắn liền
với vị trí của một trong những thành phần của cảm biến liên kết
cơ khí với đối tượng di động, tổng trở cảm biến phụ thuộc đặc
tính hình học hoặc kích thước cảm biến. Đó là các cảm biến:
Biến trở đo lường, điện cảm hay điện dung có lõi di động….
•
Ph. ph.2 ít thông dụng. Cảm biến tạo ra một xung ứng với mỗi
lần đối tượng di chuyển. Những cảm biến gọi là giới hạn 2 đầu
được đặc trưng bởi không có sự liên kết cơ khí với vật mà thay
vào đó là 1 trường (từ trường, điện trường, tĩnh điện) mà

cường độ ghép phụ thuộc vị trí tương đối giữa vật và cảm biến,
xác định đáp ứng của cảm biến.

8.1.1.Cảm biến dạng điện trở
1.Biến trở đo lường: a.Dạng hình học: Như hình trên.
Biến trở thẳng:R(l) = (l/L)R
n
;Biến trở góc: R(α)=(α/α
M
)R
n
.
Trong đó: Biến trở vòng α
M
<360
0
; Biến trở hélice
α
M
>360
0
.
1
R(α)
R
n
c)
3
L
1

2
R(l)
R
n
l
0
a)
α
α
M
2
1 3
R(α)
R
n
b)

b.Điện trở
•
Được cấu tạo bởi dây quấn hoặc dạng màng
(piste). Dây điện trở phải nêu những đặc tính
sau: Hệ số nhiệt độ của điện trở suất, sức điện
động nhiệt, độ ổn định tinh thể. Những hợp kim
thường được dùng: Ni-Cr, Ni-Cu, Ni-Cr-Fe, Ag-
Pd. Dây quấn được thực hiện trên vật liệu cách
điện (thủy tinh, gốm hoặc nhựa), dây quấn có
lớp vỏ cách điện. Điện trở màng được cấu tạo
bởi một miếng nhựa phủ lớp than dẫn điện
hoặc lớp oxyd kim loại, kích thước hạt kim loại
vào khoảng 10

-2
μm. Điện trở R
n
có giá trị từ
1kΩ đến 100kΩ và có thể đạt đến vài MΩ.

2.Biến trở không có con chạy dạng cơ
H. Biến trở con chạy dạng quang và biến trở góc loại từ

8.1.2.Cảm biến dạng điện cảm
1.Nguyên lý và đặc tính tổng quát: Sự dịch chuyển mà ta muốn
biến đổi thành tín hiệu điện được thực hiện nhờ một trong
những phần tử mạch từ, kéo theo sự thay đổi từ thông cuộn
dây. Khi phần tử di chuyển là một lõi sắt, một sự chuyển đổi sự
dịch chuyển thẳng hay quay tròn được thực hiện bởi:
•
Sự thay đổi hệ số tự cảm hay sự thay đổi độ ghép giữa các
cuộn dây sơ và thứ cấp tạo nên 1 sự thay đổi điện áp thứ cấp.
Khi cuộn dây quay tròn so với 1 cuộn cố định thì 1 cuộn giữ vai
trò phần cảm, còn cuộn kia là phần ứng nó tác động như 1 biến
áp có độ ghép thay đổi. Những thay đổi hệ số tự cảm và hỗ
cảm M theo sự dịch chuyển của lõi sắt thường có sự tuyến tính
kém, để cải thiện ta bố trí 2 cuộn dây theo cách mắc push-pull.
Cảm biến điện cảm có nguồn cung cấp là tín hiệu sin, có tần số
thường giới hạn cở hàng chục kHz. Những cảm biến điện cảm
nhạy với những từ trường nhiễu nên cần có màng bảo vệ từ.

2.Điện cảm thay đổi
a.Mạch từ có khe hở không khí thay đổi: Như hình trên.
Điện cảm cuộn dây: L = μ

0
N
2
S(1/(l
0
+l
f
/μ
f
)); Trong đó:
μ
0
: Độ từ thẩm không khí; N: Số vòng dây quấn cuộn dây; S:
Tiết diện mạch từ; l
f
,

l
0
: Chiều dài trung bình đường sức trong lõi
sắt và trong không khí; μ
f
: Độ từ thẩm tương đối của vật liệu sắt
từ.

b.Cuộn dây có nòng di động
H.8.7.Cuộn dây có nòng di động H.8.8.2 cuộn dây mắc push-pull.
• Điện cảm L của cuộn dây có nòng di động :
( ) ( )( ) ( )
[ ]

fffffff
lllSSSklSlS
l
N
L
−−++−+=
.121
000
2
2
0
µµµ

3.Biến áp vi sai
•
Với; L
2
= L
’
2
+ L
’’
2
và R
2
= R
’
2
+ R
’’

2
.
[ ]
[ ]
[ ]
2'''
21
2
211221
1
'''
))()(()()(
)()(
xMxMLLRRLRLjRRR
exMxMRj
v
ii
i
m
−+−++++
−
=
ωω
ω

4.Microsyn
•
Cuộn dây sơ cấp được cung cấp tín hiệu sin e
s
có biên

độ tối đa khoảng vài chục vôn và tần số dưới
10kHz.Tín hiệu thu được ở cuộn thứ cấp:
v
m
= 4aωΔαsinωt ; (Δα góc dịch chuyển bé)
Hình 6.11: Nguyeân taéc caáu taïo Microsyn

5.Biến trở điện cảm
•
Sơ cấp được cung cấp i
1
= I
1
cos(ωt+Ψ); cuộn dây thứ
cấp thu được điện áp có biên độ E
2
= M
0
ωI
1
cosθ;
(θ:Góc lệch giữa 2 cuộn dây, vị trí ban đầu θ =π/2 ).
•
Ta đặt: θ = α+π/2 nên E
2
= M
0
ωI
1
sinα . Suy ra:

E
2
= M
0
ωI
1
α , (đối với góc dịch chuyển α nhỏ);

8.1.3.Cảm biến dạng điện dung
1.Nguyên lý và đặc tính tổng quát: Đây là những tụ điện
dạng phẳng hoặc dạng trụ mà một trong những bản
cực di động dẫn đến sự thay đổi điện dung. Đối với tụ
phẳng: C = ε
r
ε
0
A/D. Đối với tụ điện trụ:
C= 2πε
r
ε
0
l/Log(r
2
/r
1
).
•
Trường hợp tụ điện phẳng: Sự dịch chuyển trong một
mặt phẳng song song với một bản cực cố định: A thay
đổi, D cố định. Sự dịch chuyển trong mặt phẳng thẳng

góc với bản cực cố định: D thay đổi, A cố định.
•
Trường hợp tụ điện trụ: l thay đổi dọc trục.
•
Những cảm biến điện dung được lưu ý bởi cấu tạo
đơn giản, cho phép thực hiện cảm biến chắc chắn.
Điện môi sử dụng thường là không khí.

2.Tụ điện có tiết diện thay đổi
a.Tụ điện đơn: Điện dung thay đổi tuyến tính theo sự dịch chuyển
x: C(x) = K.x.
Đối với tụ điện xoay: K = ε
0
πr
2
/360.D, x = α: độ.
Đối với tụ điện trụ: K = 2ε
0
π/Log(r
2
/r
1
), x = l: m.
b.Tụ điện đôi vi sai: C
21
= C
0
(1+x/X); C
31
= C

0
(1- x/X); Với KX = C
0
, X
= L/2 (L chiều dài bản cực di động đối với tụ điện trụ),
X = α
M
/2 (α
M
: góc tạo từ tâm của bản cực di động đối với tụ điện
xoay).

3.Tụ điện có khoảng cách thay đổi
•
Đây là những tụ điện để đo sự dịch chuyển thẳng.
a.Tụ điện đơn: C(d) = ε
0
A/(D
0
+d).
b.Tụ điện đôi: C
21
= C
0
/(1-(d/D
0
)); C
31
= C
0

/(1+(d/D
0
));
Với: ε
0
A/D
0
= C
0
.

8.1.4.Cảm biến đo sự dịch chuyển
giới hạn 2 đầu
•
Loại cảm biến này được đặc trưng bởi sự không có
liên kết cơ khí giữa cảm biến và vật chuyển động, mà
bằng sự liên kết của một trường có liên hệ với vị trí
tương đối của vật chuyển động.
•
Trường cảm ứng từ đối với những cảm biến từ trở
thay đổi, hiệu ứng Hall đối với vật liệu kháng từ.
•
Trường điện từ đối với những cảm biến dòng điện
Foucault.
•
Trường tỉnh điện đối với những cảm biến điện dung.
•
Những ưu điểm của cảm biến đo sự dịch chuyển giới
hạn 2 đầu: Băng thông rộng, độ tin cậy lớn.
•

Những điều bất lợi: Khoảng đo nhỏ (cở mm), hoạt
động không tuyến tính.

1.Cảm biến từ trở thay đổi
•
Điện áp thứ cấp có dạng không tuyến tính khi cuộn sơ
cấp được cung cấp tín hiệu sin, biên độ tín hiệu thu
được: V
m
= V
m0
/(1+ax)
2
; x: Khoảng cách giữa đối
tượng và cảm biến; V
m0
: Phụ thuộc vào độ từ thẩm,
dạng hình học và kích thước đối tượng.

2.Cảm biến dòng điện Foucault
•
Điện trở cuộn dây sơ cấp gia tăng:
R
1eq
= R
1
+ M
2
ω
2

R
2
/(R
2
2
+L
2
2
ω
2
).
•
Điện cảm cuộn dây sơ cấp giảm:
L
1eq
= L
1
- M
2
ω
2
L
2
/(R
2
2
+L
2
2
ω

2
).

3.Cảm biến hiệu ứng Hall
Hình 8.19.Nguyên lý hiệu ứng Hall.
Điện áp hiệu ứng Hall: V
H
= K
H
IB
N
/e.
Hằng số Hall K
H
= -1/qn; q: Điện tích âm điện tử, n: Mật
độ âm điện tử, B
N
: Thành phần từ trường theo trục z.

8.2.Cảm biến đo tốc độ
•
Trong công nghiệp, đo tốc độ quay thường gặp. Trong trường
hợp đo vận tốc dịch chuyển thẳng ta thường quy về việc đo
vận tốc quay tròn, vì thế các cảm biến đo tốc độ thường là các
cảm biến đo tốc độ góc. Trong công nghiệp, các cảm biến dùng
để đo tốc độ quay dựa trên định luật Faraday, đó là các tốc độ
kế loại điện từ. Khi các chuyển động có tính tuần hoàn như
chuyển động quay tròn chẳng hạn, việc đo tốc độ có thể bắt
đầu từ việc đo tần số, đó là cảm biến đo dịch chuyển giới hạn 2
đầu mà cảm biến đo đặt cách đối tượng một khoảng cách thay

đổi tuần hoàn và tín hiệu thu được có tần số bằng hoặc là bội
số (tuỳ theo cấu tạo của đối tượng) với tần số chuyển động.
Loại tốc độ kế này gọi là tốc độ kế loại xung. Trong trường hợp
những chuyển động rất chậm, ví dụ góc quay kém hơn 1 độ/1
giờ, những phương pháp trên không thể áp dụng được, khi đó
người ta có thể dùng hồi chuyển kế Laser mà nguyên tắc dựa
trên sự khác biệt bước sóng giữa 2 sóng từ nguồn Laser truyền
theo 2 chiều ngược nhau trong một môi trường chuyển động
quay tròn và được thể hiện trong giao thoa kế.

8.2.1.Cảm biến đo tốc độ góc loại
điện từ
1.Tốc độ kế điện từ DC: Như hình trên.
Sức điện động thu được ở 2 đầu cổ góp:
E = ωpnΦ
0
/2πa ; p: Số đôi cực; ω: vận tốc góc; a: Số
đường quấn song song; n: Số dây dẫn.

2.Tốc độ kế điện từ AC
a.Máy phát đồng bộ: Gồm 2 loại 1 pha và 3 pha.
Sức điện động thu được ở stator có dạng: e = EsinΩt.
Với: E = K
1
ω; Ω = K
2
ω ; K
1
,K
2

phụ thuộc vào cấu tạo
máy; ω: vận tốc quay của rotor.

b.Máy phát không đồng bộ
•
Cuộn kích từ được cung cấp điện áp v
e
= V
e
cosω
e
t. Cuộn dây đo
thu được: e
m
= E
m
cos(ω
e
t+Φ); Với E
m
= KωV
e
. Góc lệch pha
khoảng vài độ. Khi rotor không quay sẽ xuất hiện 1 điện áp bé
(gọi là điện áp lệch cở mV) ở 2 đầu cuộn dây đo, do công nghệ
chế tạo không hoàn toàn đối xứng: Sự không đối xứng của
rotor hoặc sự bố trí 2 cuộn dây không hoàn toàn thẳng góc .

8.2.2.Tốc độ kế điện từ đo tốc độ thẳng
•

Trường hợp sự dịch chuyển thẳng tương đối lớn, việc đo vận
tốc thẳng được qui về vận tốc góc. Trường hợp vận tốc dịch
chuyển bé một cảm biến điện từ được hình thành nhờ 1 nam
châm và 1 cuộn dây, 1 trong 2 thành phần này cố định, thành
phần còn lại được nối với đối tượng di động cần xác định vận
tốc. Sức điện động thu được từ cuộn dây: e = 2πrnBV = lBV.
Trong đó: r: Bán kính cuộn dây; n: Số vòng dây quấn cuộn dây;
V: Vận tốc dịch chuyển; B: Từ trường tạo bởi phần cảm.

8.2.3.Tốc độ kế loại tín hiệu xung
•
Sử dụng chi tiết thử nghiệm thường là 1 điã được gắn
lên trục quay cần xác định vận tốc góc. Điã thường
được cấu tạo có dạng tuần hoàn, thường được chia
làm p phần bằng nhau, mỗi phần được đánh dấu
mang một đặc tính như: lỗ, răng v.v. Một cảm biến
được đặt đối diện với chi tiết thử nghiệm, phân tích số
phần tử đánh dấu đi ngang qua đồng thời tạo ra một
tín hiệu xung tương ứng. Tần số f của tín hiệu xung: f
= pN (Hz). Việc chọn cảm biến được gắn liền với loại
vật liệu làm điã quay cũng như phần tử đánh dấu trên
điã. Điều lợi của tốc độ kế loại xung là: Cấu tạo đơn
giản, chắc chắn, bảo quản dễ dàng. Mặt khác, nó
không tạo nên tiếng ồn, nhiễu ký sinh, hơn nữa việc
biến đổi thành tín hiệu số rất đơn giản.

a.Cảm biến từ trở thay đổi
•
Đĩa bằng vật liệu sắt từ có mang hình p răng, p rảnh. Cuộn dây
được đặt đối diện với điã cho phép 1 từ thông đi qua nó tạo ra

từ 1 nam châm thường trực. Như thế cuộn dây sẽ có sức điện
động cảm ứng mà tần số tỉ lệ với vận tốc quay. Độ lớn sức điện
động thu được tùy thuộc vào khoảng cách giữa cuộn dây với
điã và còn tỉ lệ với vận tốc quay. Đối với những vận tốc bé, độ
lớn sức điện động thu được quá nhỏ ta gọi là vùng chết không
thể đo được.