Bài giảng kỹ thuật đo lường: Chương 4 CHUYỂN ĐỔI ĐO LƯỜNG

Chương 4:
CHUYỂN ĐỔI
ĐO LƯỜNG


1. KHÁI NIỆM CHUNG
Chuyển đổi
sơ cấp
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
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.


Chuyển đổi điện trở


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.


• The output voltage depends on the wiper position and
therefore is a function of the shaft position.

• In figure below, the output voltage Eout is a fraction of
ET, depending on the position of the wiper.
• The element is considered perfectly linear if the
resistance of the transducer is distributed uniformly along
the length of travel of wiper.

Eout
R2

ET
R1  R2


Ví dụ
Một chuyển đổi điện trở dài 5.5 cm dùng trong mạch
như hình vẽ. Điện trở tổng là 4.7kΩ. Nguồn cung cấp
là ET= 3V.
Con trượt có vị trí 0.9 cm tính từ điểm B, điện áp ra
bằng bao nhiêu Eout?


Ứng dụng của chuyển đổi điện trở
 Đo các di chuyển thẳng (2-3mm) hoặc di
chuyển góc của các đối tượng đo.
 Đo lực, áp suất, gia tốc,…
 Đo các đại lượng biến thiên với tần số không
lớn hơn 5Hz.


Chuyển đổi điện trở-lực tenzo

R=l/S

R
R
R
R 
 
l 
S

l
S
R  l S

 
    l  S   R
R

l
S

Có thể thay đổi các tham số , l, S để thay đổi R
Thông thường ta chỉ quan tâm đến S và l, còn 
được coi là không đổi


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.


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


Một số dạng cảm biến lực

 Những cảm biến lực dùng để đo lực lớn


Chuyển đổi điện từ - điện cảm
W 2 W 2 0 s
L

R


L 
S 

W 2 0

0

W 2  0 s0
s 

2
 0   

L



L0
  
 0 1  
  0


 



2

* Loại này thường

dùng đo khoảng cách,
độ rung của các gối
đỡ các thiết bị điện
Coi tiết diện làm việc s không đổi


Chuyển đổi điện từ - hỗ cảm
i  I sin t
E

W1W2  0s



I  K

s




E  k
 ks
0
 0   2
s

E0
S 
 0 1   /  0 2

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


Chuyển đổi điện từ - áp từ

L  s l
1
  
L0  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.


Mạch đo của chuyển đổi áp từ


Chuyển đổi cảm ứng

d
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…


Chuyển đổi nhiệt điện
E  f (t1 )  f (t2 )
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 t2 = 0)


Hiệu chỉnh cặp nhiệt theo nhiệt độ

E

1

2


0C

E

t2

tan 1
t  t1  t2
tan  2
'
1

t1 t’1

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


Ví dụ
0C:

10
tan 0.1

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 = 1,6

0,27
t  65  30
 700 C
1,6

'
1


Chuyển đổi nhiệt điện trở
RTD-Resistance Temperature Detector





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).


Hình ảnh của một số RTD


Đo nhiệt độ bằng phương pháp hồng ngoại


Chuyển đổi tĩnh điện – áp điện

q  d1 Fx
y
q  d1 Fy
x

Nguyên tắc hoạt động: dựa trên hiệu ứng áp
điện
Loại này chỉ đo được lực động.




Các ứng dụng

Loadcell