Bài giảng kỹ thuật đo lường (trương thị bích thanh) chương 4 chuyển đổi đo lường và cảm biến

CHƯƠNG 4: CHUYỂN ĐỔI ĐO
LƯỜNG VÀ CẢM BIẾN


Nội dung
• Khái niệm chung
• Chuyển đổi điện trở
• Chuyển đổi điện từ
• Chuyển đổi tĩnh điện
• Chuyển đổi nhiệt điện
• Chuyển đổi điện hóa
• Chuyển đổi đo độ ẩm
• Chuyển đổi điện tử và ion
• Chuyển đổi lượng tử


Khái niệm chung
Chuyển đổi
sơ cấp

Cảm biến
Sensor

• Chuyển đổi đo lường: dụng cụ tạo quan hệ đơn trị giữa 2 đại lượng

vật lý với độ chính xác nhất định
• Chuyển đổi đo lường sơ cấp: đại lượng vào là đại lượng không

điện, đại lượng ra là đại lượng điện.
• Cảm biến: chuyển đổi sơ cấp bao bọc trong khối hộp có kích thước

nhất định, và có đầu nối tín hiệu ra.


Khái niệm chung
• Các đặc tính của chuyển đổi sơ cấp

Y = f(X,Z)
• Khả năng thay thế các chuyển đổi
• Chuyển đổi phải có đặc tính đơn trị
• Đường cong của chuyển đổi phải ổn định
• Tín hiệu ra của chuyển đổi phải tiện cho việc ghép nối vào dụng cụ đo, hệ

thống đo và máy tính
• Sai số: đặc tính quan trọng của chuyển đổi
• Sai số cơ bản
• Sai số phụ

• Độ nhạy: quyết định cấu trúc của mạch đo
• Độ tác động nhanh


Khái niệm chung
• Phân loại các chuyển đổi sơ cấp
• Theo nguyên lý chuyển đổi giữa đáp ứng và kích thích
• Chuyển đổi điện trở
• Chuyển đổi điện từ
• Chuyển đổi tĩnh điện
• Chuyển đổi hóa điện
• Chuyển đổi nhiệt điện
• Chuyển đổi điện tử và ion

• Chuyển đổi lượng tử

• Theo tính chất nguồn điện
• Chuyển đổi phát điện: chuyển đổi cảm ứng, chuyển đổi điện áp, cặp nhiệt điện
• Chuyển đổi thông số: đại lượng ra là các thông số R,L,C…

• Theo phương pháp đo:
• Chuyển đổi biến đổi trực tiếp
• Chuyển đổi bù


Chuyển đổi điện trở


Chuyển đổi điện trở
• Chuyển đổi biến trở
• Mạch đo: thường dùng mạch biến trở, hoặc mạch cầu, hoặc mạch phân áp.
• Ứng dụng: dùng để đo các di chuyển thẳng (2-3mm) hoặc di chuyển góc.
Ngoài ra còn ứng dụng trong các dụng cụ đo lực, áp suất, gia tốc hoặc các
chuyển đổi ngược trong mạch cầu, điện thế kế tự động


Chuyển đổi điện trở
• Chuyển đổi điện trở lực căng:
• Nguyên lý hoạt động: dựa trên hiệu ứng tenzô: khi dây dẫn chịu biến dạng thì
điện trở của nó thay đổi, còn gọi là chuyển đổi điện trở tenzô.
• Gồm có 3 loại chính: chuyển đổi điện trở lực căng dây mảnh, chuyển đổi điện
trở lực căng lá mỏng và chuyển đổi điện trở lực căng màng mỏng

•

Có thể thay đổi các tham số ρ, l, S để thay đổi điện trở R

∂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


Chuyển đổi điện trở
• Chuyển đổi điện trở lực căng
• Mạch đo: chuyển đổi điện trở lực căng thường được dùng với mạch cầu một
chiều hoặc xoay chiều và mạch phân áp.
• Ứng dụng: các chuyển đổi lực căng được dùng để đo lực, áp suất, mômen
quay, gia tốc và các đại lượng khác nếu có thể biến đổi thành biến dạng đàn
hồi với ứng suất cực tiểu lớn hơn hoặc bằng độ nhạy của chuyển đổi (thường

cỡ 1.107 ÷ 2.107 N).


Chuyển đổi điện trở
• Một số loại cảm biến lực trong thực tế


Chuyển đổi điện từ
• Cơ sở lý thuyết
• Làm việc dựa trên quy luật điện từ
• 3 loại: chuyển đổi điện cảm và hỗ cảm

chuyển đổi cảm ứng
chuyển đổi áp từ


Chuyển đổi điện từ
• Chuyển đổi điện cảm

∆Z L0
Ss =
=
∆s s0
• Loại này thường dùng đo khoảng cách, độ rung các gối đỡ các thiết bị điện


Chuyển đổi điện từ
• Chuyển đổi hỗ cảm (chuyển đổi biến áp)

Ss =

∆E K E0
=
=
∆s δ 0 s0

• Sử dụng loại này an toàn hơn loại điện

cảm
• Ứng dụng đo khoảng cách hay dao
động


Chuyển đổi điện từ
• Chuyển đổi điện cảm và hỗ cảm
• Mạch đo: mạch cầu không cân bằng với nguồn cung cấp xoay chiều có một
nhánh hoạt động (chuyển đổi đơn) hoặc 2 nhánh hoạt động (chuyển đổi mắc vi
sai)
• Sai số: kiểu mắc vi sai khử được các
sai số do nguồn cung cấp và sai số do
nhiệt độ môi trường


Chuyển đổi điện từ
• Chuyển đổi áp từ
• Hiệu ứng áp điện: biến dạng đàn hồi cơ học làm cho lõi thép biến dạngđộ từ
thẩm và từ trở của lõi sắt thay đổi  điện cảm và hỗ cảm thay đổi

∆L ∆µ ∆s ∆l
1

=
+
− .
L0
µ 0 s0 l0 [1 + ( ∆l / l ) ] 2

SL =

∆L / L
= S µ − ( K p + 1)
∆l / l

• Sai số hồi sai do hiện tượng áp từ

trễ không trùng lặp giữa trạng thái
tăng tải và giảm tải
• Sai số do dao động của dòng điện
từ hóa
• Sai số do dao động nhiệt độ của
môi trường


Chuyển đổi điện từ
• Chuyển đổi áp từ
• Mạch đo: thường dùng mạch vi sai để loại trừ các sai số
• Ứng dụng:
• Đo lực có giá trị lớn (105-106N) và đo áp suất trong điều kiện khó khăn và đo biến

dạng
• Cấu trúc đơn giản, độ tin cậy cao  đo áp suất, momen xoắn trong các máy khoan

đất, đo lực cắt trong quá trình gia công kim loại


Chuyển đổi điện từ
• Chuyển đổi cảm ứng
Chuyển đổi có cuộn dây di chuyển

dΦ
dX
E = −W
=S
dt
dt
Chuyển đổi có di chuyển góc

E = − Bα l

dx
dα
= − Bα sα .
dt
dt

Chuyển đổi có lực tác dụng thay đổi

dll −1
' df v
E = Sµ
= Sµ
dt

dt


Chuyển đổi điện từ
• Chuyển đổi cảm ứng:
• Mạch đo
Độ nhạy của chuyển đổi qua toán tử mạch
S ( p) =

S .Rt . p
Ur
τ.p
=
= S0
X v Rt + RL + pL
1+τ .p

Sức điện động đầu ra ti lệ với tốc độ biến thiên tín hiệu đầu vào
dX
U = ∫ edt = ∫ S
= S.X
dt
•Ứng dụng
• Chuyển đổi có cuộn dây di chuyển: đo tốc độ quay, momen quay, tốc độ kế
• Chuyển đổi có lõi thép di chuyển: đo di chuyển thắng, góc, đo biên độ rung
• Độ nhạy cao cho phép đo các di chuyển nhỏ, đo tốc độ, gia tốc …


Chuyển đổi tĩnh điện
• Chuyển đổi áp điện:

• Hiệu ứng áp điện thuận: vật liệu khi chịu tác động của một lực cơ học biến thiên
thì trên bè mặt nó xuất hiện các điện tích, khi lực ngừng tác dụng thì các điện
tích cũng biến mất
•

Lực Fx tác động theo trục X
q x = d1 . F x

•

Lực Fy tác động theo trục Y
q y = − d1

y
Fy
x


Chuyển đổi tĩnh điện
• Chuyển đổi áp điện
• Hiệu ứng áp điện ngược: đặt phần tử điện trong điện trường có cường độ E x
dọc trục X, nó sẽ biến dạng tương đối theo hướng X, Y một lượng
∆x
= d1 E x
x

∆y
= d1 E x
y

∆x = d1 .U x
y
∆y = − .d1 .U x
x


Chuyển đổi tĩnh điện
• Chuyển đổi áp điện
• Mạch đo: công suất của chuyển đổi nhỏ nên tổng trở vào của mạch đo phải lớn
• Ứng dụng: đo lực biến thiên,

đo áp suất và gia tốc trong dải
tần 0,5-100kHz
• Có khả năng đo các lực biến
thiên nhanh
• Không đo được các lực tĩnh


Chuyển đổi tĩnh điện
• Chuyển đổi điện dung:
• Nguyên lý hoạt động: dựa trên sự tác động tương hỗ giữa 2 điện cực
• Chia thành 2 nhóm lớn: chuyển đổi máy phát và chuyển đổi thông số
• Chuyển đổi máy phát: đại lượng ra là điện áp máy phát, đại lượng vào là di
chuyển thẳng, góc của bản điện cực động

Điện áp ra trên 2 bản cực tụ điện
U=

q δ
=

.q
C ε .s

dU =

∂U
∂U
δ
q
1
dq +
dδ = dq + dδ =
dq + E0 .dδ
∂q
∂δ
εs
εs
C0


Chuyển đổi tĩnh điện
• Chuyển đổi điện dung
• Chuyển đổi điện dung thông số: đại lượng ra là sự thay đổi điện dung C của
chuyển đổi, đại lượng vào là sự di chuyển của bản cực điện động

C =ε

s
δ

∆C ∆ε ∆s
1
=
+
−
C 0 ε 0 s0  ∆δ
1 +
 δ0
∆C / C0
Ss =
=1
∆s / S 0

∆δ
2
 δ0



• Sự biến thiên tương đối của chuyển đổi điện dung là hàm phi tuyến hoặc tuyến

tính tùy thuộc vào sự thay đổi của tham số
• Giảm khoang cách δ giữa 2 bản cực đến một giá trị nào đó để tránh điện áp
đánh thủng cách điện.


Chuyển đổi tĩnh điện
• Chuyển đổi điện dung
• Mạch đo: thường là mạch cầu không cân bằng cung cấp bằng dòng xoay chiều

•

Ứng dụng:
• Loại có khe hở thay đổi được: đo di chuyển nhỏ
• Loại có bản cực thay đổi: đo di chuyển lớn và di chuyển góc (đến 270 o)
• Chuyển đổi có điện môi thay đổi: đo độ ẩm (vải, chất dẻo), đo mức nước,
đo chiều dày của các vật cách điện, đo lực


Chuyển đổi nhiệt điện
• Cơ sở lý thuyết:
• Chuyển đổi điện dựa trên quá trình nhiệt như đốt nóng, làm lạnh, trao đổi nhiệt
• Hiệu ứng nhiệt điện
• Biến thiên điện trở dây dẫn hay chất bán dẫn khi nhiệt độ thay đổi
• 2 loại chuyển đổi: chuyển đổi cặp nhiệt điện và chuyển đổi nhiệt điện trở.