đề cương ôn tập cảm biến công nghiệp

Câu 1: nguyên lí đo nhiệt độ theo điện trở vật liệu? Vẽ sơ đồ
và trình bày cấu tạo, nguyên lý làm việc, đặc điểm, phạm vi
sử dụng của các loại nhiệt kế điện trở đo nhiệt độ?
1.

.Nguyên lý đo:
- dựa vào sự thay đổi điện trở của vật liệu khi nhiệt độ thay
đổi:

R( T ) = R0 . f ( T − T0 )

2.
a.

Nhiệt kế điện trở kim loại
Sơ đồ, Cấu tạo: chế tạo bằng điện trở kim loại.
- Loại điện trở dây quấn:

1


b.

Nguyên lý làm việc:

- dựa trên sự thay đổi điện trở:
- Khi biến thiên ∆T nhỏ:

αR =
- Hệ số:

αR =

:

)

R (T + ∆T ) = R ( T )(1 + α RT )

→ Hệ số nhiệt điện trở

1 dR 1 dρ 1 dl 1 ds
.
= .
+ .
− .
R dT ρ dT l dT s dT

αρ =
Đặt:

αR =
⇒

1 dR
.
R dT

(

R (T ) = R0 1 + AT + BT 2 + CT 3

1 dρ
1 dl
1 ds
; αl =
; αs =
= 2α l
ρ dT
l dT
s dT

1 dR
.
= α ρ + α l − 2.α l = α ρ − α l
R dT

Do αρ >> αl ⇒ αR ≈ αρ → sự thay đổi kích thước ảnh hưởng
không đáng kể.
Vậy: Khi nhiệt độ tăng điện trở suất vật liệu tăng ⇒ điện trở tăng
→ đo điện trở ⇒ nhiệt độ.
c.

Đặc điểm và phạm vi sử dụng

-

Kết cấu đơn giản, dễ chế tạo

-

Độ chính xác khá cao
2


⇒

⇒
3.
a.

Đo nhiệt độ bề mặt.

Nhiệt kế điện trở silic
Sơ đồ, Cấu tạo:
chế tạo từ đơn tinh thể Si pha tạp loại N, kích thước cỡ
500x500x240 (µm).

500m

-

Đo nhiệt độ thấp và trung bình (thường dưới 1000oC) môi
trường khí, lỏng, rắn.

500m

b.
-

240m

Nguyên lý làm việc:
Trong khoảng nhiệt độ (-55 ÷ 200oC) hệ số nhiệt điện trở
dương (~7.10-3/ oC ở 25 oC). Sự phụ thuộc của điện trở vào
nhiệt độ biểu diễn gần đúng theo công thức:

[

RT = R0 1 + A( T − T0 ) + B( T − T0 )

2

]

3


c) đặc điểm và phạm vi sử dụng
sự thay đổi nhiệt của điện trở tương đối nhỏ
4.
a.

Nhiệt kế điện trở oxyt bán dẫn
Sơ đồ, Cấu tạo:

được chế tạo từ hỗn hợp oxyt bán dẫn đa tinh thể như: MgO,
MgAl2O4, Mn2O3, Fe3O4, Co2O3, NiO, ZnTiO4.
Hỗn hợp bột oxyt được trộn theo tỉ lệ thích hợp → được nén định
dạng → thiêu kết ở nhiệt độ ~ 1000oC. Vỏ bọc bằng thủy tinh.

b.

Nguyên lý làm việc:
Sự phụ thuộc của điện trở của nhiệt điện trở vào nhiệt độ theo
2

biểu thức:

  1 1 
T 

R (T ) = R0   exp β  −
T
T
T
0 
 0
 

αR =
-

Hệ số nhiệt điện trở:

β +b
T2

  1 1 
R(T ) = R0 exp  B − 
  T T 0 

-

Gần đúng:

-

Với B = 3.000 - 5.000K.

αR = −
và

B
T2

4


c.
-

Đặc điểm, phạm vi sử dụng
Kích thước nhỏ → có thể đo T theo điểm.
Nhiệt dung nhỏ → thời gian hồi đáp bé.
Hệ số nhiệt điện trở lớn → đo được ∆Tmin =10-4 - 10-3K.

⇒ Đo nhiệt độ trong khoảng 0 ÷ 300oC.
Câu 2. Nguyên lí đo nhiệt độ dựa trên hiệu ứng nhiệt điện?. t0
Vẽ sơ đồ và trình bày cấu tạo, nguyên lý làm việc, đặc điểm,
phạm vi sử dụng của cảm biến nhiệt ngẫu?

b.

Nguyên lí đo nhiệt độ dựa trên hiệu ứng nhiệt điện
A
Hiện tượng: Xét một mạch kín gồm 2 dây dẫn (A) và (B) khác
nhau về bản chất hóa học hàn nối với nhau bằng các mối hàn,
khi nhiệt độ hai mối hàn là (t) và (t0) khác nhau thì trong mạch
xuất hiện một sức điện động EAB phụ thuộc độ chênh nhiệt độ t
giữa hai mối hàn → Hiệu ứng nhiệt điện.
Sơ đồ cấu tạo dụng của cảm biến nhiệt ngẫu

c.

nguyên lý làm việc của cảm biến nhiệt ngẫu

a.
-

Đầu làm việc của các điện cực (3) được hàn nối với nhau bằng
hàn vảy, hàn khí hoặc hàn bằng tia điện tử. Đầu tự do nối với dây
nối (7) tới dụng cụ đo nhờ các vít nối (6) dây đặt trong đầu nối
5

1

B

2

dây (8). Đê cách ly các điện cực người ta dùng các ống sứ cách
điện (4), sứ cách điện phải trơ về hoá học và đủ độ bền cơ và
nhiệt ở nhiệt độ làm việc. Để bảo vệ các điện cực, các cặp nhiệt
có vỏ bảo vệ (1) làm bằng sứ chịu nhiệt hoặc thép chịu nhiệt. Hệ
thống vỏ bảo vệ phải có nhiệt dung đủ nhỏ để giảm bớt quán tính
nhiệt và vật liệu chế tạo vỏ phải có độ dẫn nhiệt không quá nhỏ
nhưng cũng không được quá lớn. Trường hợp vỏ bằng thép mối
hàn ở đầu làm việc có thể tiếp xúc với vỏ để giảm thời gian hồi
đáp.
d.

đặc điểm, phạm vi sử dụng của cảm biến nhiệt ngẫu

câu 3. Trình bày cấu tạo nguyên lý làm việc, đặc điểm của
điện thế kế con chạy cơ học đo vị trí và dịch chuyển?
1.

Cấu tạo và nguyên lý làm việc: gồm một điện trở cố định (Rm)
và một tiếp xúc điện (con chạy) liên kết với vật khảo sát. Khi
vật di chuyển, con chạy di chuyển theo, điện trở đo phụ thuộc
vào vị trí con chạy. Đo điện trở ⇒ vị trí.

•

Điện trở dạng dây cuộn: được chế tạo từ các hợp kim Ni Cr, Ni - Cu , Ni - Cr - Fe, Ag - Pd quấn thành vòng xoắn dạng
6


2.

-

lò xo trên lõi cách điện (bằng thuỷ tinh, gốm hoặc nhựa),
giữa các vòng dây cách điện bằng emay hoặc lớp oxyt bề
mặt.
• Điện trở dạng băng dẫn: được chế tạo bằng chất dẻo trộn
bột dẫn điện là cacbon hoặc kim loại cỡ hạt ~10-2µm.
Đặc điểm
Cấu tạo đơn giản.
Đo được dịch chuyển lớn.
Khoảng chạy có ích nhỏ hơn chiều dài điện trở (Lm).
Độ phân giải của điện trở dạng dây ~10µm, dạng băng dẫn ~
0,1 µm.
Thời gian sống thấp: dạng dây ~106 lần, dạng băng dẫn 5.107
- 108 lần.
Chịu ảnh hưởng lớn của bụi và ẩm.

Câu 4. Trình bày cấu tạo nguyên lý làm việc, đặc điểm của
điện thế kế con trỏ từ đo vị trí và dịch chuyển?
a)

Cấu tạo và nguyên lý làm việc:


Cấu tạo:

•

R1 và R2: từ điện trở.

•

NC: nam châm vĩnh cửu.

•

1-2-3: dây nối.

2

R2
R1
1

3
R1, R2: điện trở
1, 2, 3: dây nối



Nguyên lý:
7


•

Nam châm quay. Chiều dài từ điện trở nằm trong từ trường
thay đổi → điện trở thay đổi.
Vm =

Tín hiệu ra:
•

R1
R
ES = 1 ES
R1 + R2
R

Đo Vm⇒ vị trí góc.

Thường dùng trong khoảng tuyến tính: góc quay ~ 90o, dịch
chuyển thẳng ~ 1 – 2 mm.
b.

đặc điểm
??

câu 5. Trình bày cấu tạo nguyên lý làm việc, đặc điểm của
điện thế kế con trỏ quang đo vị trí và dịch chuyển?
a.

Cấu tạo và nguyên lý làm việc:

Điện thế kế tròn dùng con trỏ quang gồm điot phát quang (1),
băng đo (2), băng tiếp xúc (3) và băng quang dẫn (4). Băng điện
trở đo được phâncách với băng tiếp xúc bởi một băng quang dẫn
rất mảnh làm bằng CdSe trên đó có con trỏ quang dịch chuyển
khi trục của điện thế kế quay. Điện trở của vùng quang dẫn giảm
8

đáng kể trong vùng được chiếu sáng tạo nên sự liên kết giữa
băng đo và băng tiếp xúc.

b.

Đặc điểm:
•

Không có tiếp xúc cơ học tránh mòn, tránh gây tiếng ồn.

•

Tuổi thọ cao.

•

Thời gian hồi đáp ngắn (~20µs).

Câu 6. Vẽ sơ đồ và trình bày cấu tạo. nguyên lý làm việc, đặc
điểm cùa các loại cảm biến quang đo vị trí và dịch
chuyển?
a.

Cảm biến quang phản xạ
Sơ đồ cấu tạo

b.

nguyên lý làm việc

1.

hoạt động theo nguyên tắc dọi phản quang: đầu thu quang đặt
cùng phía với nguồn phát. Tia sang từ nguồn phát qua thấu
kính hội tụ đập tới một thước đo chuyển động cùng vật khảo
sát, trên thước có những vạch chia phản quang và không phản
9


quang kế tiếp nhau, khi tia sáng gặp phải vạch chia phản
quang sẽ bị phản xạ trở lại đầu thu quang.

a.

Đặc điểm
Nguồn phát, bộ thu bố trí một phía →Dễ bố trí.
Cự li cảm nhận bé.
Chịu ảnh hưởng của nhiễu từ nguồn sáng khác.
Cảm biến quang soi thấu
Sơ đồ cấu tạo

b.

nguyên lý làm việc

c.
2.

Khi thước đo (gắn với đối tượng khảo sát, chạy giữa thấu kính
hội tụ và lưới chia) có chuyển động tương đối so với nguồn sáng
sẽ làm xuất hiện một tín hiệu ánh sáng hình sin. Tín hiệu này
được thu bởi các tế bào quang điện đặt sau lưới chia. Các tín
hiệu đầu ra của cảm biến được khuếch đại trong một bộ tạo xung
điện tử tạo thành tín hiệu xung dạng chữ nhật.
c.
-

đặc điểm
Cự ly cảm nhận lớn.
10


-

Có khả năng thu được tín hiệu mạnh và tỉ số độ tương phản
sáng tối lớn.
Ít ảnh hưởng nhiễu của nguồn sáng khác.
Khó bố trí và chỉnh thẳng hàng nguồn phát và đầu thu.

Câu 7. Nguyên lí đo biến dạng bằng các cảm biến điện trở?
Trình bày vật liệu, cấu tạo, nguyên lí làm việc, đặc điểm của
các cảm biến điện trở đo biến dạng (điện trở kim loại áp trở
silic)?
1.

Nguyên lý đo
dựa vào sự thay đổi điện trở của vật liệu khi có biến dạng.
Kích thước cảm biến nhỏ từ vài mm đến vài cm, khi đo

chúng được dán trực tiếp lên cấu trúc biến dạng → dùng
phổ biến.

2.
a.

Điện trở kim loại
Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

11


Nguyên lí làm việc: Khi đo cảm biến được gắn vào bề mặt
của cấu trúc cần khảo sát, kết quả là cảm biến cũng chịu một
biến dạng như biến dạng của cấu trúc.
b.

Vật liệu chế tạo

c.

Đặc điểm
Vật liệu chế tạo điện trở cần có ρ đủ lớn.
Hệ số đầu đo nhỏ: thông thường K = 2 ÷ 3, (isoelastic
3,5 và platin-vonfram K = 4,1). Trong giới hạn đàn
K=const, Ngoài giới hạn đàn hồi (khi ∆l/l > 0,5% - 20%
liệu) → K ≈ 2.
Ảnh hưởng của T:
trong khoảng - 100 oC ÷

-

-

-

K ( T ) = K 0 [1 + α K ( T − T0 ) ]

có K =
hồi →
tùy vật
300oC:

(K0 ứng với T = 25oC, constantan αK
= +0,01%/oC, isoelastic khá lớn).
Ảnh hưởng của biến dạng ngang→sai số (không đáng kể có
thể bỏ qua).

12


áp trở silic
3.1.
Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
3.

•

Điện trở: các mẫu cắt từ đơn tinh thể silic pha tạp P hoặc N,
kích thước: dài ~ 0,1÷ 2 mm và chiều dày ~ 0,01mm.

•

Đế cách điện: nhựa.

•

Để tăng tín hiệu có thể ghép nối tiếp, song song nhiều mảnh
cắt.

13


-

Nguyên lí hoạt động:

Dựa vào độ biến thiên của điện trở để xác định biến dạng của đối
tượng.

3.2.

đặc điểm

14


ρ=
-

Điện trở (R): + Phụ thuộc độ pha tạp:

1
q( µ n n + µ p p)

+ Phụ thuộc nhiệt độ:
tăng khi T <120oC (αR>0),
giảm khi T>120oC (αR<0),
-

Hệ số đầu đo (K):
• Lớn: K = 100 ÷ 200.
• Phụ thuộc vào độ pha tạp: độ pha tạp tăng → K giảm.
• Phụ thuộc vào nhiệt độ: nhiệt độ tăng → K giảm, độ pha
tạp lớn (Nd>1020/cm3) K ít phụ thuộc.
•

K = K 1 + K 2ε + K 2ε 2

Phụ thuộc độ biến dạng:
Khi ε nhỏ → có thể coi K = const.

Câu 8. Nguyên lý đo lực dựa trên hiệu ứng áp điện? Vẽ sơ đồ
cấu tạo, trình bày nguyên lí làm việc, đặc điểm của các loại
cảm biến thạch anh đo lực (kiểu vòng đệm và kiểu nhiều
thành phần)?
1.

Nguyên lý đo lực dựa trên hiệu ứng áp điện:

Nguyên lý hoạt đôông: dựa trên cơ sở hiêôu ứng áp điêôn: Dưới tác
dụng của lực cơ học, tấm áp điện bị biến dạng, làm xuất hiện trên
hai bản cực các điện tích trái dấu. Hiệu điện thế xuất hiện giữa
hai bản cực (V) tỉ lệ với lực tác dụng (F).

15


a.

CB thạch anh kiểu vòng đệm
Vẽ sơ đồ cấu tạo

b.

Nguyên lí làm việc

2.

dựa trên hiệu ứng áp điện, khi cảm biến chịu tác dụng của một
lực dọc trục nó sẽ làm thay đổi điện áp tại đầu ra 3, bằng việc đo
điện áp tại đó ta sẽ xác định được lực tác dụng.
c.
-

Đặc điểm
Chỉ nhạy với lực nén theo chiều trục → đo lực nén (có thể đo
lực kéo bằng cách nén trước).
Giới hạn trên của dải đo cỡ từ vài kN (với đường kính ~ 1 cm)
đến 103 kN ( với đường kính ~ 10 cm).

16


c.

Nguyên lí làm việc

dựa trên hiệu ứng áp điện, khi cảm biến chịu tác dụng của một
lực dọc trục nó sẽ làm thay đổi điện áp tại đầu ra 3, bằng việc đo
điện áp tại đó ta sẽ xác định được lực tác dụng.
d) đặc điểm
Các vòng đệm thạch anh được cắt theo hướng khác nhau , khi
đó chúng chỉ nhạy với 1 hướng xác định của lực
Câu 9. Vẽ sơ đồ cấu tạo, trình bày nguyên lí làm việc của tốc
kế điện từ xoay chiều đo vận tốc góc kiểu máy phát đồng
bộ?
a.

sơ đồ cấu tạo
17


b.
-

nguyên lí làm việc
Khi rôto (phần cảm) quay, trong các cuôôn dây của stato (phần
ứng) xuất hiêôn s.đ.đ. cảm ứng:

e = E. sin Ωt

-

K1 và K2 là các thông số phụ thuôôc cấu tạo của máy phát.
⇒ Đo E hoăôc Ω→ ω.
Đo E ⇒ ω: có sai số do ảnh hưởng của tổng trở cuôôn ứng và
suy giảm tín hiêôu khi truyền đi xa. Điêôn áp V ở hai đầu cuôôn
R.E
R.K1ω
V=

ứng:
-

E = K1.ω
Ω = K 2 .ω

( R + Ri ) 2 + ( Li .Ω) 2

Khi điêôn trở tải

=

( R + Ri ) 2 + ( K 2 Li .ω ) 2

R >> Z i = Ri + j.Li .Ω

→

phi tuyến

(tổng trở của cuôôn ứng)

→V ≈ E

Đo Ω→ ω: có thể truyền tín hiêôu đi xa không ảnh hưởng đến
đôô chính xác.
Câu 10. Vẽ sơ đồ cấu tạo, trình bày nguyên lí làm việc, đặc
điểm của tốc kế điện từ trở biến thiên đo vận tốc?
18


a) Cấu tạo và nguyên lý làm viêêc:

•

Khi đĩa quay → khe hở δ biến thiên → từ trở mạch từ biến
thiên → Φ qua cuôôn dây biến thiên → trong cuôôn dây xuất
hiêôn s.đ.đ cảm ứng (e) có tần số (f) tỉ lêô với tốc đôô quay (n):

f = pn(p – số răng của đĩa)
b) Đăêc điểm:
•

Biên đôô (E) của s.đ.đ cảm ứng phụ thuôôc: khoảng cách giữa
cuôôn dây - đĩa quay và tốc đôô quay (δmin↓, n↑ → E↑). Với
n≤nmin nhất định E quá bé không thể đo được → vùng chết.

•

Dải đo của cảm biến phụ thuộc vào số răng (p) của đĩa: p
lớn → nmin nhỏ, p nhỏ → nmax lớn. Ví dụ: p = 60 răng → dải
đo n = 50 ÷ 500 vg/ph, p = 15 răng → dải đo n = 500 ÷
10.000 vg/ph.

Câu 11. Trình bày cấu tạo, nguyên lí làm việc, đặc điểm và
phạm vi sử dụng của tốc độ kế quang đo vận tốc góc?
a) Cấu tạo và nguyên lý làm viêêc:

19


-

Nguyên lí:

Nguồn sáng phát tia hồng ngoại là một diot phát quang (LED).
Đĩa quay, đặt giữa nguồn sáng và đầu thu, có các lỗ bố trí cách
đều trên một vòng tròn. Đầu thu là một photodiode hoặc
phototranzitor. Khi đĩa quay, đầu thu chỉ chuyển mạch khi
nguồn sáng, lỗ, nguồn phát sáng thẳng hàng. Kết quả là khi đĩa
quay, đầu thu quang nhận được một thông lượng ánh sáng biến
điệu và phát tín hiệu có tần số tỉ lệ với tốc độ quay nhưng biên độ
không phụ thuộc tốc độ quay.
b)

Đăêc điểm và pham vi sử dụng
•

Phạm vi đo phụ thuôôc:

+ Số lượng lỗ trên đĩa.
+ Dải thông của đầu thu quang và mạch điện tử.
Để đo tốc độ nhỏ (~ 0,1 v/ph) phải dùng đĩa có số lượng lỗ
lớn (500 ÷ 1.000 lỗ). với tốc độ lớn (~ 10 5 - 106 v/ph) phải sử dụng
đĩa quay chỉ một lỗ, khi đó tần số ngắt của mạch điện xác định tốc
độ cực đại có thể đo được.

20


Câu 12. Vẽ sơ đồ cấu tạo, trình bày nguyên lí làm việc của
cảm biến áp điện đo gia tốc rung? Viết biểu thức xác định độ
nhạy của bộ cảm biến?
a)

Cấu tạo và nguyên lý làm viêêc:

b)

Nguyên lý làm việc

21


Phép đo gia tốc rung được thể hiện qua việc đo lực( cảm biến
áp điện ). Khi khối lượng rung M chuyển động tác dụng lên
phiến áp điện và chuyển thành tín hiệu ở đầu ra. Dưới tác
dụng của lực cơ học, phiến áp điện bị biến dạng, làm xuất

hiện trên 2 bản cực các điện tích trái dấu, hiệu điện thế xuất
hiện giữa 2 bản cực tỉ lệ với lực tác dụng. Đo V ta có thể xác
định được lực tác dụng F, qua
đó xác định được gia tốc và chuyển động rung .

Câu 13. Vẽ sơ đồ cấu tạo, trình bày nguyên lí làm việc của
cảm biến đo vận tốc rung? Viết biểu thức xác định độ nhạy
của bộ cảm biến?
a) Cấu tạo & nguyên lý làm viêêc:

22


•
•

Đại lượng đo sơ cấp m1 là tốc độ rung dh0/dt.
Đại lượng đo thứ cấp m2 là dịch chuyển tương đối z

hoăôc tốc đôô dịch chuyển tương đối dz/dt.
-

Nguyên lý:

Việc chuyển đổi tốc độ tương đối của khối lượng rung so với vỏ
hộp thành tín hiệu điện thực hiện bởi một cảm biến vị trí tương
đối kiểu điện từ gồm một cuộn dây và một lõi nam châm. Cuộn
dây gắn với khối lượng rung, lõi nam châm đặt bên
trong cuộn dây và gắn với vỏ cảm biến. Bằng cách đo suất điện
động của cuộn dây có thế đánh giá được tốc độ rung cần đo.

c)

Độ nhạy

Độ nhạy sơ cấp:

-m1: đại lượng đo sơ cấp. m2: đại lượng đo thứ cấp
23


1.


-

-

Câu 14. Vẽ sơ đồ cấu tạo, trình bày nguyên lí làm việc của
cảm biến đo áp suất kiểu lò xo 1 vòng và bộ biến đổi độ tự
cảm đơn có khe từ biến thiên? Viết biểu thức xác định độ
nhạy của bộ cảm biến?
Lò xo 1 vòng
a) Cấu tạo & nguyên lý làm viêêc:

Vâôt liêôu: đồng thau, hợp kim nhẹ, thép cacbon, thép gió.
Nguyên lí làm việc
Khi p = p0, lò xo ở trạng thái cân bằng.
Khi (p > p0), lò xo giản , ngược lại (p < p 0) lò xo co lại→ đầu tự
do dịch chuyển.
1 −ν 2 R 2  b 2  α

∆ γ = pγ
. 1 − 2 
Y bh  a  β + x 2
Biến thiên góc ở tâm (γ):
Lực cân bằng ở đầu tự do:

 b 2  48s
γ − sin γ
N t = pab1 − 2 
.
= k1 p
2
a
ε
+
x
3
γ
−
4
sin
γ
+
sin
γ
.
cos
γ



24


 b 2  48s
γ − cos γ
N r = pab1 − 2 
.
= k2 p
2
a
ε
+
x
γ
−
sin
γ
.
cos
γ



N = k12 + k 22 . p = kp
Độ nhạy: S= L.p= k2/k.k1
2.

bộ biến đổi độ tự cảm đơn có khe từ biến thiên
a) Cấu tạo & nguyên lý làm viêêc:



Nguyên lí làm việc
• Khi p thay đổi → màng đàn hồi biến dạng →δ thay đổi→ từ
trở thay đổi→ Đôô tự cảm L thay đổi.

W2
L=
ltb / ( µS tb ) + δ / ( µ 0 S 0 )

25