Chương 3 chuyển đổi đo lường và cảm biến

Chương 3. Chuyển đổi đo lường và cảm biến
$1. Khái niệm chung
Chuyển đổi
sơ cấp

Cảm nhận sự biến đổi
tín hiệu ?????????????

Cảm biến
Sensor

• Chuyển đổi đo lường là dụng cụ dùng để tạo một quan hệ đơn trị
giữa hai đại lượng vật lí với một độ chính xác nhất định

10/23/15

• Cảm biến là chuyển đổi đo lường được đặt trong một khối hình
học có kích thước nhất định và có các đầu nối tín hiệu ra.
1


Đặc trưng của chuyển đổi
• Chuyển đổi (tranducer) ở đây xét loại chuyển thành tín hiệu
điện
• Hàm truyền đạt (Transfer function)
• Độ nhạy (Sensitivity)
• Dải công tác động (Span or Dynamic range)
• Độ chính xác hay độ không biết trước (Accuracy or
Uncertainty)
• Độ trễ (Hysteresis)
• Độ phi tuyến (Nonlinear)

• Độ ồn (Noise)
• Độ phân giải (Resolution)
• Dải thông (Bandwidth)


Một hệ thống đo lường và điều khiển




Chuyển đổi điện trở

ϕ

• Dùng để đo các đại lượng (di chuyển, góc quay) dựa trên sự biến
đổi của điện trở chuyển đổi.
• Biến trở được làm bằng dây điện trở hay thanh điện trở. Vật liệu
thường dùng là Mn
• Giá trị không thay đổi theo nhiệt độ.

10/23/15

6


Một số hình dạng biến trở thực tế

10/23/15

7

Linear Variable
Differential Transformer LVDT
10/23/15

8


Chuyển đổi điện trở-lực tenzo

R=ρl/S

∂R
∂R
∂R
∆R =
∆ρ +
∆l +
∆S
∂ρ
∂l
∂S
∆R ∆ρ ∆l ∆S
=
+ −
= ε ρ + εl − ε S = ε R
R
ρ
l

S
• Có thể thay đổi các tham số ρ, l, S để thay đổi R
• Thông thường ta chỉ quan tâm đến S và l, còn ρ được coi là không
đổi
10/23/15

9


Mạch đo dùng tenzo thường là mạch cầu
Cầu cân bằng:
R1/R2=R3/R4; thường chọn R10=R20=R3=R4=R0
Khi mất cân bằng: R1=R0+r; R2=R0-r
Ura=(U/2)-(U/2R0)(R0+r)=(U/2R0)r
Nếu chỉ có một điện trở biến đổi: R1=R0-r thì:

UR0
U
U .r
U ra = −
=
2 (2 R0 + r ) 2(2 R0 + r )

Nếu coi R0 >>r thì khi dùng một tenzo, độ nhạy bằng ½ khi dùng 2 tenzo đối xứng.

10/23/15

10

Một số dạng cảm biến lực trong thực tế

• Những cảm biến lực này được chế tạo với dải đo từ vài gam đến
vài chục tấn

10/23/15

11


Một số dạng cảm biến lực

• Những cảm biến lực dùng để đo lực lớn

10/23/15

12


$2. Chuyển đổi điện từ - điện cảm
W 2 W 2 µ0 s
L=
=
Rδ
δ
W 2 µ0
W 2 µ 0 s0
∆L =
∆s −
∆δ

2
δ0
( δ 0 + ∆δ )
Sδ =

∆L
=−
∆δ

L0
  ∆δ
δ 0 1 + 
  δ0


 



2

* Loại này thường
dùng đo khoảng
cách, độ rung của
các gối đỡ các thiết
bị điện

10/23/15

• Coi tiết diện làm việc s không đổi

13


Chuyển đổi điện từ - hỗ cảm
i = I sin ωt
W1W2 µ 0s
s
ωI = K
δ
δ
∆s
∆δ
∆E = k
− ks
δ0
( δ 0 + ∆δ ) 2
E=

Sδ =

E0
2
δ 0 [1 + ( ∆δ / δ 0 ) ]

•Sử dụng loại này an toàn
hơn loại điện cảm và độ
nhạy cao hơn.
•Dùng đo khoảng cách
hay dao động

10/23/15

14


Bài tập chuyển đổi điện cảm-hỗ cảm
• Bài 1: Một chuyển đổi điện cảm có 2000 vòng, s=1cm 2,
δ0=3mm. µ0=4π.10-7 H/m. điện trở cuộn dây Rd=50 Ohm.
Điện áp nguồn u=220VAC, tần số 50Hz. Hãy xác định
biến thiên dòng điện khi ∆δ=1mm?

Bài 2: Một chuyển đổi hỗ cảm có cuộn sơ cấp 2000
vòng, cuộn thứ cấp 100 vòng. s=1cm2, δ0=3mm.
µ0=4π.10-7 H/m. điện trở cuộn dây sơ cấp Rd=50 Ohm.
Điện áp nguồn u=220VAC, tần số 50Hz. Xác định điện
áp ra trên cuộn thứ cấp khi ∆δ=1mm?

10/23/15

15


I0=U:Z0=220:72,58=3,03A

;

10/23/15

16

Chuyển đổi điện từ - áp từ
∆L ∆µ ∆s ∆l
1
= + −
L0 µ s l [1 + ( ∆l / l ) ] 2

• Dựa vào sự biến đổi của độ từ thẩm, tiết diện, chiều dài làm việc
của mạch từ theo lực để đo lực. Chủ yếu là đo biến dạng.
10/23/15

17


Mạch đo của chuyển đổi áp từ

• Một mạch đo cụ thể
10/23/15

18


Chuyển đổi cảm ứng

dΦ
dx
E=−
=S
dt

dt
dx
da
E = − Ba l
= − Ba S a
dt
dt
E là suất điện động cảm ứng, x hay
a là khoảng dịch chuyển hay góc
quay của chuyển đổi

• Loại này dùng để đo tốc độ quay, góc quay, chuyển động thẳng,
lực…

10/23/15

19


Chuyển đổi nhiệt điện

E = f (t1 ) − f (t 2 )
t2
t1
t2

• Dùng để đo nhiệt độ đối tượng
• Nguyên lí hoạt động: tham số của chuyển đổi bị biến đổi theo nhiệt độ.
• Loại thứ nhất là cặp nhiệt
• Lưu ý vấn đề hiệu chỉnh theo nhiệt độ (qui ước t 2 = 0)

10/23/15

20


Hiệu chỉnh cặp nhiệt theo nhiệt độ

∆E

α1

10/23/15

α2

∆E
t2

t1 t’1

tan α1
t = t1 + t 2
tan α 2
'
1

α
0
C

• Thường trên đồng hồ đo nhiệt, người chế tạo ghi sẵn giá trị nhiệt
độ và tanα. nhiệt độ môi trường thường được xác định bởi một
dụng cụ khác hoặc ước lượng. Từ đo suy ra nhiệt độ thức đo
theo đặc tính. Các dụng cụ đo nhiệt điện tử được ghi sẵn đặc
tính hiệu chỉnh trong bộ nhớ

21


10/23/15

22


10/23/15

23


Bài tập phần chuyển đổi nhiệt điện
C: 10
tanα 0.1
0

20
0.17

30
0.27

40
0.5

50
0.8

60
1.3

70
1.9

80
3.2

Nhiệt độ môi trường hiện tại là 300C, nhiệt độ hiển thị là 650C
Xác định nhiệt độ thực tế tại điểm đo.
Tại 650C, tan α = 1,6

0,27
t = 65 + 30
= 700 C
1,6
'
1

10/23/15

24

Chuyển đổi nhiệt điện trở

[

]

R(t ) = R (t0 ) 1 + at + bt 2 + ct 3 ...

• Với nhiệt điện trở kim loại thường tính đến bậc 3
• Với nhiệt điện trở bán dẫn tính đến bậc cao hơn tuỳ cấp chính xác
(thực tế giải tích là theo hàm mũ).

10/23/15

25