Tài liệu Các chuyển đối đo lường sơ cấp_chương 7 pptx

GIÁO ÁN_KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CHƯƠNG 7: CÁC CHUYỂN ĐỔI ĐO LƯỜNG SƠ CẤP
GV: Lê Quốc Huy_Bộ môn TĐ-ĐL_Khoa Điện 1
C
C
H
H
Ư
Ư
Ơ
Ơ
N
N
G
G


7
7
.
.




C
C
Á
Á
C
C

C
C
H
H
U
U
Y
Y
Ể
Ể
N
N


Đ
Đ
Ổ
Ổ
I
I


Đ
Đ
O
O


L

L
Ư
Ư
Ờ
Ờ
N
N
G
G


S
S
Ơ
Ơ


C
C
Ấ
Ấ
P
P


(
(
5
5

L
L
T
T
)
)




7.1. Khái niệm chung.
Chuyn i o lng s cp thc hin quan h hàm n tr gia hai i lng
vt lý vi mt  chính xác nht nh, trong ó i lng vào cn o là i lng
không in và i lng ra là i lng in, x lý i lng in này bng các
mch o  có c kt qu o.
Các chuyn i o lng s cp thng da trên các hiu ng vt lý vì vy độ
chính xác của nó phụ thuộc rất nhiều vào bản chất vật lý của chuyển đổi.  nâng
cao  chính xác ca phép o và dng c o cn nâng cao  chính xác ca chuyn
i s cp vì ây là khâu c bn trong thit b o.
7.1.1. Các định nghĩa.
- Chuyển đổi đo lường (tranducer): là thit b thc hin mt quan h hàm n
tr gia hai i lng vt lý vi mt  chính xác nht nh.
- Chuyển đổi đo lường sơ cấp (primary tranducer): là các chuyn i o
lng mà i lng vào là i lng không in và i lng ra là i lng in.
a s các chuyn i o lng s cp u da trên các hiu ng vt lý nh: hiu
ng nhit in, quang in, hóa in, cng hng t ht nhân…vì vy mà  chính
xác,  nhy,  tác ng nhanh…u ph thuc vào các thành tu ca ngành vt lý
và ph thuc vào công ngh ch to.
- Đầu đo (sensor): là chuyn i s cp c t trong mt hp và có kích

thc và hình dng khác nhau phù hp vi ch t ca im o. Còn gi là b cm
bin, xenx (sensor).
7.1.2. Các đặc tính của chuyển đổi sơ cấp.
Theo quan im môhình mch ta coi b cm bin nh mt hp en, có quan h
áp ng-kích thích c biu din bng phng trình ca chuyn i s cp là:
)(XfY =

(7.1)


Hình 7.1. Mô hình mạch của chuyển đổi đo lường sơ cấp.
vi X là i lng u vào (i lng không in cn o), Y là i lng ra (i
lng in sau chuyn i).
Trong thc t mi quan h này thng c tìm thông qua thc nghim. Mi
quan h (7.1) thng là phi tuyn, nhng  nâng cao  chính xác ca thit b o
cn phi tìm cách tuyn tính hóa bng các mch in t hay s dng các thut toán
thc hin khi gia công bng máy tính.
Tín hiu ra Y ca chuyn i o lng s cp trong thc t không ch ph thuc
tín hiu vào X mà còn ph thuc vào các iu kin bên ngoài Z, tc là:
GIÁO ÁN_KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CHƯƠNG 7: CÁC CHUYỂN ĐỔI ĐO LƯỜNG SƠ CẤP
GV: Lê Quốc Huy_Bộ môn TĐ-ĐL_Khoa Điện 2
),( ZXfY =

nh vy mun m bo  chính xác ca chuyn i thì s nh hng ca iu kin
ngoài Z cn phi c chú ý loi tr bng các phng pháp thích hp.
Quan h (7.1) c c trng bng nhiu c trng c bn ca b cm bin. Khi
ánh giá mt chuyn i hay phi so sánh chúng vi nhau cn phi chú ý nhng
c tính c bn sau:
- Khả năng thay thế các chuyển đổi: cn có nhiu chuyn i vi các c tính
tng t  thay th khi h hng mà không b mc phi sai s.

- Chuyển đổi phải có đặc tính đơn trị: ngha là vi ng cong hi phc ca
chuyn i ng vi mt giá tr X ch có mt giá tr Y.

Hình 7.2. Tính không đơn trị của đặc tính của chuyển đổi.
- Đường cong đặc tính của chuyển đổi phải ổn định: ngha là không c
thay i theo thi gian (không b già hóa).
- Tín hiệu ra của chuyển đổi phải tiện cho việc ghép nối vào dụng cụ đo, hệ
thống đo và máy tính: hin nay có 2 chun tín hiu ra ph bin là tín hiu in áp
0-5V, 0-10V…; tín hiu dòng in 0-20mA, 4-20mA.
- Sai số: là c tính quan trng ca chuyn i o. Yêu cu sai s phi tha mãn
yêu cu, gim sai s càng nh càng tt. Khi xét theo nguyên nhân gây sai s thng
có sai s c bn và sai s ph:

Sai số cơ bản: sai s gây ra do nguyên lý hot ng ca chuyn i, s
không hoàn thin ca cu trúc, công ngh ch to không tt…

Sai số phụ: sai s gây ra do s bin ng ca iu kin bên ngoài khác vi
iu kin tiêu chun.
- Độ nhạy: là mt tiêu chun quan trng có tác dng quyt nh cu trúc ca
mch o  m bo cho phép o có th o c nhng bin ng nh ca i
lng o. Yêu cu  nhy ca chuyn i i vi i lng o càng ln càng tt,
tuy nhiên bên cnh o cng yêu cu  nhy ca chuyn i vi nhiu phi thp 
hn ch thp nht nh hng ca nhiu lên kt qu o.
- Độ tuyến tính của đường đặc tính: yêu cu ng c tính quan h i
lng o và tín hiu ra càng tuyn tính càng tt.
GIÁO ÁN_KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CHƯƠNG 7: CÁC CHUYỂN ĐỔI ĐO LƯỜNG SƠ CẤP
GV: Lê Quốc Huy_Bộ môn TĐ-ĐL_Khoa Điện 3

Hình 7.3. Đặc tính thể hiện độ nhạy của chuyển đổi đo lường.
- Đặc tính động: khi tín hiu o X tác ng vào chuyn i LSC thng phi

có quá trình quá  (tng ng vi mt khong thi gian 
q
) mi có tín hiu ra Y
tng ng  u ra.



Hình 7.4. Đặc tính động của chuyển đổi đo lường.
Quá trình này có th nhanh hay chm ph thuc vào dng chuyn i. c tính
này gi là  tác ng nhanh: nu  tác ng nhanh chm tc là phn ng ca tín
hiu ra ca chuyn i tr so vi s thay i ca tín hiu vào, nh vy thit b o có
th không áp ng c yêu cu v tính nng thi gian thc.
Khi la chn chuyn i phi lu ý  tác ng nhanh ca nó phi phù hp vi
tc  thay i ca i lng cn o hoc phi tính toán  bù li nh hng do s
chênh lch ó gây ra.  tác ng nhanh ca chuyn i có nh hng n sai s
ca phép o và tc  ca phép o.
GIÁO ÁN_KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CHƯƠNG 7: CÁC CHUYỂN ĐỔI ĐO LƯỜNG SƠ CẤP
GV: Lê Quốc Huy_Bộ môn TĐ-ĐL_Khoa Điện 4
- Ảnh hưởng của chuyển đổi lên đại lượng đo: khi a chuyn i vào h
thng cn o  xác nh i lng o thì chuyn i do và c dng c o có nh
hng nht nh n h thng c o trong ó có nh hng n i lng o,
nh vy u ra ca chuyn i cng b nh hng.
Các chuyn i o lng và các thit b o phi c ch to và s dng sao cho ít
gây nh hng n h thng c o và i lng o nht, ví d: vônmét phi có
in tr trong rt ln, ampemét phi có in tr trong rt nh…
- Kích thước, khối lượng của chuyển đổi: thng yêu cu phi phù hp vi
ng dng, thng càng nh càng tt, nh vy mi a c u o vào nhng ni
nh hp  nâng cao  chính xác ca phép o.
7.1.3. Phân loại các chuyển đổi sơ cấp.
a) Theo nguyên lý chuyển đổi giữa đáp ứng và kích thích:

Hiện tượng Loại chuyển đổi
Vật lý
Điện trở
Điện từ
Tĩnh điện
Nhiệt điện
Điện tử và ion
Quang điện
Quang từ
Quang đàn hồi
Từ điện
Nhiệt từ
Nhiệt quang
…
Hóa học
Biến đổi hóa học
Điệnhóa
Phân tích phổ
…
Sinh học
Biến đổi sinh hóa
Hiệu ứng trên cơ thể sống
…
b) Theo dạng kích thích:
Kích thích Các đặc tính của kích thích
Âm thanh
biên pha, phân cực
phổ
tốc độ truyền sóng
..

Điện
điện tích, dòng điện
điện thế, điện áp
điện trường
điện dẫn, hằng số điện môi
…
Từ
từ trường (biên độ, pha, phân cực, phổ)
từ thông, cường độ từ trường
độ từ thẩm
…
GIÁO ÁN_KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CHƯƠNG 7: CÁC CHUYỂN ĐỔI ĐO LƯỜNG SƠ CẤP
GV: Lê Quốc Huy_Bộ môn TĐ-ĐL_Khoa Điện 5
Quang
biên, pha , phân cực, phổ
tốc độ truyền
hệ số phát xạ, khúc xạ
hệ số hấp thụ, hệ số bức xạ
…
Cơ
vị trí, vận tốc, gia tốc
lực, mômen, áp suất
ứng suất, độ cứng
khối lượng, tỉ trọng
vận tốc chất lưu, độ nhớt, lưu lượng
…
Nhiệt
nhiệt độ
thông lượng
nhiệt dung, tỉ nhiệt

..
Bức xạ
kiểu
năng lượng
cường độ
…
c) Theo tính năng của chuyển đổi:
độ nhạy
độ chính xác
độ phân giải
độ chọn lọc
độ tuyến tính
công suất tiêu thụ
dải tần
khả năng quá tải
tốc độ đáp ứng
độ trễ
độ ổn định
tuổi thọ
điều kiện môi trường
kích thước, trọng lượng
d) Theo phạm vi sử dụng của chuyển đổi:
công nghiệp
nghiên cứu khoa học
môi trường, khí tượng
thông tin, viễn thông
nông nghiệp
dân dụng
giao thông
quân sự, vũ trụ

e) Theo thông số của mô hình mạch thay thế:
- Cảm biến tích cực: có ngun u ra là ngun áp hoc ngun dòng.
- Cảm biến thụ động: c c trng bi các thông s R, L, C, M…tuyn tính
hoc phi tuyn.
7.2. Các chuyển đổi điện trở.
Là loi chuyn i thc hin chuyn i i lng không in cn o thành s
thay i in tr ca nó.
Có hai loi chuyn i in tr ch yu:
7.2.1. Chuyển đổi biến trở.
a) Cấu tạo và nguyên lý làm việc: là mt bin tr gm có lõi bng vt liu cách
in trên có qun dây dn in, dây qun c ph lp cách in. Trên lõi và dây
qun có con trt, di tác dng ca i lng vào con trt di chuyn làm cho
in tr thay i.
GIÁO ÁN_KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CHƯƠNG 7: CÁC CHUYỂN ĐỔI ĐO LƯỜNG SƠ CẤP
GV: Lê Quốc Huy_Bộ môn TĐ-ĐL_Khoa Điện 6
Quan h gia i lng vào và ra c biu din:
)(
v
XfR =


Hình 7.5. Hình dáng một số loại biến trở và đặc tính của nó.
b) Các đặc tính cơ bản: chuyn i bin tr ch phát hin s thay i in tr
nh nht là bng in tr mt vòng dây tng ng vi mt di chuyn bng khong
cách gia hai vòng dây.
- Độ nhạy của chuyển đổi: nu in tr toàn phn ca chuyn i là R vi s
vòng là W thì  nhy ca chuyn i (in tr bé nht có th phát hin) R
0
là:
W

R
R =
0

- Độ di chuyển bé nhất có thể phát hiện: gi L là chiu dài ca bin tr thì  di
chuyn bé nht có th phát hin là:
W
L
X =
0

- Sai số rời rạc của chuyển đổi đối với cuộn dây quấn như nhau:
WR
R
R
R
2
1
22
0
min
==
∆
=
γ

vi R
min
là in tr toàn phn ca mt vòng dây.


Sai s phi tuyn: 0,1-0,03%

Sai s nhit : 0,1% /10
0
C
c) Mạch đo: chuyn i bin tr là loi chuyn i thông s, các mch thng
dùng gm: mch bin tr, mch phân áp, mch cu.
- Mạch biến trở: nh hình 7.6a: i lng u ra là dòng in trong mch I:

)(
.
Xf
R
l
X
R
U
RR
U
I
CT
CTx
=
+
=
+
=

vi R
CT

là in tr ca c cu ch th (ampemét). Dòng in t l nghch vi lng
di chuyn X.
Nhc im ca mch này là quan h I=f(X) không tuyn tính, dòng in không
bin thiên c t 0 tr i (I
min
=U/R > 0).
- Mạch phân áp: nh hình 7.6b: i lng ra là in áp ly trên mt phn ca
GIÁO ÁN_KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CHƯƠNG 7: CÁC CHUYỂN ĐỔI ĐO LƯỜNG SƠ CẤP
GV: Lê Quốc Huy_Bộ môn TĐ-ĐL_Khoa Điện 7
bin tr U
X
:
)//.(
)//()(
)//.(
VX
VXX
VXX
RR
RRRR
U
RRIU
+−
==

nu
XVXXV
RRRRR ≈⇒>> )//(
, có:
)().()..(

1
..
)(
Xf
l
X
U
l
X
R
R
U
R
R
UR
RRR
U
U
X
X
XX
X
====
+−
=

nh vy quan h gia i lng ra U
X
và i lng vào X là quan h tuyn tính, t l
thun. U

X
bin thiên t [0, U] khi X bin thiên t [0, l].


a) Mạch biến trở b) Mạch phân áp


c) mạch cầu d) Mạch lôgômét
Hình 7.6. Cách mắc chuyển đổi biến trở trong mạch.
- Mạch cầu: nh hình 7.6c: i lng ra là in áp ly trên cu U
g
:
vi
4321
,,, RRRRR
g
>>
có:
).(
23
3
4
4
RR
R
RR
R
UU
X
g

+
−
+
=
vi
l
X
RR
X
.
1
=

vi
RRRRR ====
4321
có:
)(.
2
).(
23
3
4
4
Xf
Xl
XlU
RR
R
RR

R
UU
X
g
=
+
−
=
+
−
+
=

nh vy quan h gia i lng ra U
g
và i lng vào X là quan h phi tuyn, t l
nghch.
- Mạch lôgômét: nh hình 7.6d: i lng ra là góc quay  ca kim ch th ca
lôgômét:
Khi con chy trt lng X làm R
X
thay i, dòng in I
1
, I
2
thay i theo làm
cho góc quay  ca lôgômét thay i:
)()/(
21
XfIIf ==

α

d) Ứng dụng: chuyn i bin tr thng c ng dng  o các di chuyn
GIÁO ÁN_KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CHƯƠNG 7: CÁC CHUYỂN ĐỔI ĐO LƯỜNG SƠ CẤP
GV: Lê Quốc Huy_Bộ môn TĐ-ĐL_Khoa Điện 8
thng (2-3mm) hoc di chuyn góc. Ngoài ra còn ng dng trong các dng c o
lc, áp sut, gia tc hoc các chuyn i ngc trong mch cu, in th k t ng.
Chuyn i bin tr có th dùng  o các i lng bin thiên vi tn s không ln
hn 5Hz.
7.2.2. Chuyển đổi điện trở lực căng.
a) Cấu tạo và nguyên lý làm việc: da trên hiu ng tenzô: khi dây dn chu
bin dng thì in tr ca nó thay i, còn gi là chuyn i in tr tenzô.
Gm có 3 loi chính: chuyn i in tr lc cng dây mnh, chuyn i in
tr lc cng lá mng và chuyn i in tr lc cng màng mng.
Ph bin nht là chuyn i in tr lc cng dây mnh, có cu to nh hình
7.7a: trên tm giy mng bn 1 dán mt si dây in tr 2 (hình rng lc có ng
kính t 0,02-0,03mm; ch to bng constantan, nicrôm, hp kim platin-irii...). Hai
u dây c hàn vi lá ng 3 dùng  ni vi mch o. Phía trên c dán tm
giy mng  c nh dây. Chiu dài l
0
là chiu dài tác dng ca chuyn i.

a) Kiểu dây mảnh b) Kiểu lá mỏng c) Kiểu màng mỏng
Hình 7.7. Cấu tạo của chuyển đổi điện trở lực căng.
Chuyn i c dán lên i tng o, khi i tng o b bin dng s làm cho
chuyn i tenzô bin dng theo mt lng tng i
ll
l
/
∆=

ε
và in tr ca nó
thay i mt lng tng i là
RR
R
/∆=
ε
vi:
)(
lR
f
l
l
f
R
R
εε
=






∆
=
∆
=

có c phng trình bin i tng quát ca bin tr lc cng là:

lplR
KmK
εεε
.)21.(
=++=

vi: K
p
: h s Poisson, i vi kim loi K
p
=0,24-0,4.
m: h s t l,
l
m
εε
ρ
/=
, vi
ρρε
ρ
/∆=
là bin thiên tng i ca in tr
sut c trng cho s thay i tính cht vt lý ca chuyn i.
 nhy ca chuyn i là:
mKK
p
++= 21
; K=0,5-8 i vi kim loi.
 gim kích thc ca chuyn i, tng in tr tác dng cng nh có th ch
to c chuyn i vi hình dng phc tp hn ngi ta ch to chuyn i kiu

màng mng và lá mng:
Chuyển đổi lực căng kiểu lá mỏng:c ch to t mt lá kim loi mng vi
chiu dày 0,004 ÷ 0,012mm. Nh phng pháp quang khc hình dáng ca chuyn
i c to thành khác nhau nh hình 7.7b.
Chuyển đổi lực căng kiểu màng mỏng: c ch to bng cách cho bc hi kim
loi lên mt khung vi hình dáng nh trc.
u im ca hai kiu chuyn i trên là in tr ln, tng c  nhy, kích
GIÁO ÁN_KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CHƯƠNG 7: CÁC CHUYỂN ĐỔI ĐO LƯỜNG SƠ CẤP
GV: Lê Quốc Huy_Bộ môn TĐ-ĐL_Khoa Điện 9
thc gim.
Ngoài ra các vt liu bán dn nh silic, gemani, asen…cng c dùng  ch
to các chuyn i in tr lc cng. u im ca loi này là h s nhy ln (K=-
200-800), kích thc nh, nhit  làm vic t -250-250
0
C. Nhc im ca chúng
là  bn c hc kém.
b) Các đặc tính cơ bản:
- Yêu cu i vi vt liu ch to chuyn i: có  nhy ln, dây in tr có h
s nhit  nh, in tr sut  ln, s thay i in tr tng i không vt quá
1% khi i tng o chu ng sut ln nht ( bin dng tng i 
1
trong gii
hn àn hi không ln hn 2,5.10
-3
do ó 
R
vào khong 1,25-10).
-  nhy ca chuyn i dây mnh khác vi  nhy ca vt liu ch to ban
u do có thêm phn b un cong ca chuyn i không chu bin dng theo hng
cn o, iu này làm gim  nhy c 25-30%. Mt khác các phn un còn gây ra

sai s trong quá trình o. Mun tng  nhy phi tng chiu dài tác dng l
0
.
- H s nhit ca chuyn i thng khác vi h s nhit ca i tng o nên
khi nhit  thay i gây bin dng ph trong quá trình o.
- Sai s ca thit b o dùng chuyn i tenzô ch yu do  chính xác khc 
ca các chuyn i. Thng chúng c ch to hàng lot và khc chun s b nên
khi s dng phi khc chun trc tip chuyn i vi mch o, khi ó sai s có th
gim n 0,2-0,5% khi o bin dng tnh và 1-1,5% khi o bin dng ng.
- Ngoài ra còn có sai s do bin dng d ca keo dán khi sy khô, s giãn n
khác nhau gia chuyn i và chi tit dán…
- Khi s dng phi có công ngh dán chun và chn v trí chính xác.
c) Mạch đo: các chuyn i in tr lc cng c dán lên i tng o bng
các lai keo dán c bit (nh axêtônxenlulôit…). Thông thng chuyn i in
tr lc cng c dùng vi mch cu mt chiu hoc xoay chiu và mch phân áp.
- Bù nhiệt độ: ngoài s thay iin tr do i tng o gây ra thì khi nhit 
thay i cng làm cho in tr ca chuyn i b thay i. Nu mch cu ch có mt
nhánh hot ng (tc là ch có mt chuyn i mc vào mt nhánh ca cu) cn
phi thc hin bù nhit . Thng s dng thêm mt chuyn i cùng loi c
dán thích hp  thc hin bù nhit .

a) b) c)
Hình 7.8. Mắc chuyển đổi điện trở lực căng bằng mạch cầu đo.
- Mạch cầu một nhánh hoạt động và một nhánh không hoạt động: s dng thêm
mt chuyn i dán lên mt chi tit không làm vic nhng có cùng vt liu và t
GIÁO ÁN_KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CHƯƠNG 7: CÁC CHUYỂN ĐỔI ĐO LƯỜNG SƠ CẤP
GV: Lê Quốc Huy_Bộ môn TĐ-ĐL_Khoa Điện 10
trong cùng mt nhit  vi i tng o, nh hình 7.8a:
Khi cu không làm vic ( trng thái cân bng):
K

R
R
R
R
T
==
4
3
2

Khi i tng o làm vic
T
R
thay i thành
TR
R.
ε
, cu mt cân bng và có in
áp ra:
)].()1[(
)1(
.
324
423
RRRR
RRRR
UU
TR
TR
ra

+++
−+
=
ε
ε

Nu
32
RR =
;
04 T
RR =
(vi
0T
R
là in tr ca chuyn i tenzô dán lên chi tit
không bin dng) thì in áp ra là:
Rra
UU
ε
..25,0≈
.
- Mạch cầu có hai nhánh hoạt động: có hai nhánh cu c dán chuyn i
tenzô và cùng hot ng nh hình 7.8b. in áp ra ca mch cu tng gp 2 ln và
bù nhit  tt hn, sai s nhit  cng b loi tr.
- Cầu 4 nhánh hoạt động: in áp ra ca mch cu tng 4 ln, sai s nhit  b
loi tr.
- Mạch phân áp: nh hình 7.8c, thng c ng dng  o bin dng ng
vi tn s ln hn 1000Hz (ví d bin dng do va p), t C trong mch có tác dng
lc thành phn mt chiu.

in áp ri trên tenzô:
T
T
T
R
RR
U
U .
+
=

Khi có bin dng vi tn s :
)]sin1(.[
)sin1(
tR
RtR
U
U
RT
RT
T
ωε
ωε
+
++
=

vi
)(])sin1([1 RRRtR
TRTR

+≈++⇒<<
ωεε
có:






+
+
+
≈
RR
tR
RR
R
UU
T
RT
T
T
T
)sin(
.
ωε

in áp ra ch ly thành phn xoay chiu:
t
RR

R
UU
T
RT
T
ω
ε
sin.
+
≈

d) Ứng dụng: các chuyn i lc cng c dùng  o lc, áp sut, mômen
quay, gia tc và các i lng khác nu có th bin i thành bin dng àn hi vi
ng sut cc tiu ln hn hoc bng  nhy ca chuyn i (thng c 1.10
7
÷
2.10
7
N). Chuyn i lc cng có th o các i lng bin thiên ti vài chc kHz.
7.3. Các chuyển đổi điện từ.
- Định nghĩa: Là nhóm các chuyn i làm vic da trên các quy lut in t.
i lng vt lý không in cn o làm thay i các i lng t ca chuyn i
nh: in cm, h cm, t thông,  t thm…
- Phân loại: chuyn i in t c phân thành 3 loi ch yu sau:

Chuyn i in cm và h cm.
GIÁO ÁN_KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CHƯƠNG 7: CÁC CHUYỂN ĐỔI ĐO LƯỜNG SƠ CẤP
GV: Lê Quốc Huy_Bộ môn TĐ-ĐL_Khoa Điện 11

Chuyn i cm ng.


Chuyn i áp t.
7.3.1. Chuyển đổi điện cảm và hỗ cảm.
a) Chuyển đổi điện cảm:
Cấu tạo và nguyên lý hoạt động: chuyn i in cm là mt cun dây qun
trên lõi thép có khe h không khí nh hình 7.9:

a) b) c)
Hình 7.9. Một số dạng của chuyển đổi điện cảm.
Di tác ng ca i lng o X
v
có th tác ng lên chuyn i theo các cách
sau:
- Làm cho phn ng 3 di chuyn, khe h không khí  thay i làm thay i t
tr ca lõi thép do ó in cm và tng tr ca chuyn i cng thay i theo (hình
7.9a).
- Làm cho tit din khe h không khí thay i dn n thay i in cm ca
chuyn i (hình 7.9b).
- Làm cho phn ng 1 di chuyn dn n thay i tn hao dòng in xoáy làm
cho in cm ca chuyn i thay i (hình 7.9c).
- Điện cảm của chuyển đổi:
δ
µ
δ
s
W
R
W
L
0

2
2
==

(b qua in tr thun ca cun dây và t tr ca lõi thép)
vi: W là s vòng ca cun dây

δµ
δ
/
0
sR =
là t tr ca khe h không khí; : chiu dài khe h không khí

0
µ
:  t thm ca khôngkhí; s: tit din thc ca khe h không khí
Lng thay i ca in cm khi có X
v
tác ng là (vi W = const ):
δ
δ
d
L
ds
s
L
dL
∂
∂

+
∂
∂
=

δ
δδ
µ
δ
µ
∆
∆+
+∆=∆⇒
2
0
00
2
0
0
2
)(
..
s
WsWL

vi:
00
,
δ
s

: tit din và khe h ban u (khi cha có i lng o X
v
tác ng).
GIÁO ÁN_KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CHƯƠNG 7: CÁC CHUYỂN ĐỔI ĐO LƯỜNG SƠ CẤP
GV: Lê Quốc Huy_Bộ môn TĐ-ĐL_Khoa Điện 12
- Tổng trở của chuyển đổi:
δ
µ
ωω
s
WLZ
0
2
.==
: là mt hàm tuyn tính vi
tit din khe h không khí s và là hàm phi tuyn (hypebol) vi chiu dài khe h
không khí .
Lng thay i ca tng tr Z khi có X
v
tác ng là:






∆
∆+
−∆=∆=∆
δ

δδ
µ
δ
µ
ωω
2
0
00
2
0
0
2
)(
....
s
WsWLZ

Các đặc tính cơ bản:
- Độ nhạy của chuyển đổi khi tiết diện khe hở không khí s thay đổi ( dài ca
khe h không khí  = const):
0
0
s
L
s
L
S
s
=
∆

∆
=

vi
0
00
2
0
δ
µ
s
WL =
là giá tr in cm ban u ca chuyn i (khi X
v
cha tác ng).

Hình 7.10. Đặc tính của chuyển đổi điện cảm khi khe hở không khí thay đổi:
a) khi mắc theo kiểu đơn ; b) khi mắc theo kiểu vi sai
- Độ nhạy của chuyển đổi khi khe hở không khí δ thay đổi (tit din ca khe h
không khí s = const):
)(
1.
2
0
0
0
δ
δ
δ
δ

δ
δ
∆=






∆
+
=
∆
∆
= f
L
L
S

nh vy  nhy này ph thuc vào t s
0
/
δδ
∆
tc là ph thuc s thay i ca tit
din khe h không khí
δ
∆
mà không ph thuc vào din tích ca khe h không khí.
Vi chuyn i in cm dng n thì

2,0/
0
≤∆
δδ
; vi chuyn i in cm mc
kiu vi sai thì
4,0/
0
≤∆
δδ
m bo  phi tuyn ca chuyn i di 1%.
c tính ca chuyn i in cm khi khe h không khí thay i thng phi
tuyn và t l thun vi tn s ca ngun kích thích nh hình 7.10a.
 tng  nhy và  tuyn tính ca chuyn i in cm ngi ta thng mc
chuyn i này theo kiu vi sai có c tính nh hình 7.10b.

GIÁO ÁN_KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CHƯƠNG 7: CÁC CHUYỂN ĐỔI ĐO LƯỜNG SƠ CẤP
GV: Lê Quốc Huy_Bộ môn TĐ-ĐL_Khoa Điện 13
b) Chuyển đổi hỗ cảm (chuyển đổi biến áp):
Cấu tạo và nguyên lý hoạt động: nh hình 7.11a,b: có cu to ging vi chuyn
i in cm, ch khác là có thêm mt cun dây o W
2
.
Khi chiu dài hoc tit din ca khe h không khí thay i s làm cho t thông
ca mch t thay i và xut hin sc in ng cm ng e:
dt
d
We
t
Φ

−=
.
2

vi
)(..
.
0
1
1
if
s
Wi
R
Wi
t
===Φ
δ
µ
δ

dt
di
sW
We ..
01
2
δ
µ
−=⇒

Hình 7.11. Các chuyển đổi hỗ cảm:
a) chuyển đổi đơn; b) chuyển đổi kiểu vi sai
Khi làm vic vi dòng in xoay chiu
tIi
m
ω
sin.
=
thì giá tr sc in ng
trong cun dây o W
2
là:
tI
sWW
e
m
ωω
δ
µ
cos...
..
021







−=

GIÁO ÁN_KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CHƯƠNG 7: CÁC CHUYỂN ĐỔI ĐO LƯỜNG SƠ CẤP
GV: Lê Quốc Huy_Bộ môn TĐ-ĐL_Khoa Điện 14
có giá tr hiu dng là:
δ
ω
δ
µ
s
KI
sWW
E
m
...
..
021
==

là phng trình ca chuyn i h cm, vi h s K là hng s ph thuc cu to và
ngun cung cp ca chuyn i.
Khi khe h hoc tit din ca khe h không khí thay i ta có lng thay i ca
in áp ra là:
δ
δ
d
E
ds
s
E

dE
..
∂
∂
+
∂
∂
=

δ
δδ
δ
∆
∆+
−∆=∆⇒
.
)(
.
.
2
0
0
sK
s
K
E

Các đặc tính cơ bản:
- Độ nhạy của chuyển đổi với sự thay đổi chiều dài của khe hở không khí δ (khi
tit din khe h không khí không i s = const) là:

[]
)(
)/(1.
2
00
0
δ
δδδ
δ
δ
∆=
∆+
=
∆
∆
= f
E
E
S

- Độ nhạy của chuyển đổi với sự thay đổi của tiết diện khe hở không khí s (khi
chiu dài khe h không khí không i = const) là:
const
s
E
s
E
S
s
==

∆
∆
=
0
0

vi
0
0
0
.
δ
sK
E =
là sc in ng h cm ban u trong cun dây o W
2
khi i lng
o X
v
cha tác ng lên chuyn i.
 nhy ca chuyn i h cm t l thun vi tn s ca ngun cung cp.
c) Mạch đo: thng s dng mch cu không cân bng vi ngun cung cp xoay
chiu có mt nhánh hot ng (chuyn i n) hoc hai nhánh hot ng (chuyn
i mc kiu vi sai).
Ví d xét mch cu vi chuyn i mc kiu vi sai nh hình 7.12:

Hình 7.12. Mạch cầu với chuyển đổi điện cảm mắc kiểu vi sai
Trong ó in tr R
0
dùng  cân bng thành phn thc (biên ) và R

0
<< R. Ch
th là dng c t in.
GIÁO ÁN_KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CHƯƠNG 7: CÁC CHUYỂN ĐỔI ĐO LƯỜNG SƠ CẤP
GV: Lê Quốc Huy_Bộ môn TĐ-ĐL_Khoa Điện 15
i vi các chuyn i h cm thng dùng phng pháp o in áp xoay
chiu. Khi cn xác nh du ca i lng o có th dng chnh lu nhy pha. Công
sut ra ca chuyn i h cm thng ln (c vài chc oát) nên trong nhiu trng
hp không cn khuch i.
Sai s ca mch ph thuc nhiu vào sai s ca ngun cung cp, c bit i vi
mch cu không cân bng. Ngoài ra sai s có th gp phi khi nhit  môi trng
thay i làm cho  t thm ca mch t và in tr thc ca cun dây thay i.
Tuy nhiên khi mc theo kiu vi sai s kh c các sai s trên.
d) Ứng dụng: chuyn i in cm và h cm có th o các i lng không
in khác nhau tùy thuc vào cu trúc ca tng loi chuyn i c th.
- o di chuyn t vài chc µm n hành chc cm
- o chiu dày lp ph, o  bóng ca chi tit gia công…
- o lc t c 0,1N ÷ c 10
2
N
-
o áp sut vi di o t 10
-3
N/m
2
÷ c 10
4
N/m
2
- o gia tc t 10

-2
g n c 10
2
g.
c tính ng ca chuyn i c xác nh ch yu ph thuc vào h thng c
ca phn ng. Tn s làm vic rt rng tùy theo cu trúc ca phn ng có th o
c các i lng bin thiên t 500Hz ÷ vài kHz.
7.3.3. Chuyển đổi áp từ:
a) Cấu tạo và nguyên lý hoạt động: chuyn i áp t là mt dng ca chuyn
i in cm và h cm. Tuy nhiên khác vi hai loi trên, mch t ca chuyn i
áp t là mch t kín. Nguyên lý làm vic ca nó da trên hiu ng áp t:
Hình 7.13 là cu to ca mt s dng khác nhau ca chuyn i áp t:
- Chuyển đổi áp từ kiểu điện cảm: hình 7.13a
- Chuyển đổi áp từ kiểu hỗ cảm: hình 7.13b

Hình 7.13.Các dạng của chuyển đổi áp từ:
a) kiểu điện cảm b) kiểu hỗ cảm
Di tác dng ca bin dng àn hi c hc làm cho lõi thép bin dng dn n
các tính cht ca vt liu st t b thay i, c th là  t thm µ và t tr ca mch
GIÁO ÁN_KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CHƯƠNG 7: CÁC CHUYỂN ĐỔI ĐO LƯỜNG SƠ CẤP
GV: Lê Quốc Huy_Bộ môn TĐ-ĐL_Khoa Điện 16
t R
µ
thay i, làm cho in cm L hoc h cm M thay i theo.
C th, nu b qua tn hao dòng xoáy và t tr thì in cm ca chuyn i áp t
là:
l
s
W
R

W
L
.
.
2
2
µ
==

vi: W: s vòng ca cun dây
R: t tr ca mch t ; µ:  t thm ca lõi thép
l, s : chiu dài và tit din ca mch t.
Suy ra tng tr ca chuyn i là:
l
sW
LZ
..
.
2
µω
ω
==

Vi W = const thì khi có tác ng ca i lng o gây nên bin dng àn hi
c hc s làm cho in cm ca chuyn i thay i là:
[]







∆+
∆
−
∆
+
∆
=∆
2
0
)/(1
..
ll
l
l
l
s
s
LL
µ
µ

b) Các đặc tính cơ bản:
- Độ nhạy của chuyển đổi áp từ đối với điện cảm L:
)1(
/
/
+−=
∆

∆
=
pL
KS
ll
LL
S
µ

vi:
ll
S
/
/
∆
∆
=
µµ
µ
: là  nhy áp t, c trng ca lõi vt liu.

ll
ss
K
p
/
/
∆
∆
−=

: là h s poisson
Thng
)1( +>>
p
KS
µ
nên có th coi  nhy tng i ca chuyn i bng 
nhy áp t:
µ
SS
L
=

 nhy thc ca chuyn i khi tính n in tr cun dây, tn hao trên lõi
thép s nh hn so vi  nhy áp t.
- Độ nhạy của chuyển đổi áp từ đối với tổng trở Z:
µ
SS
ll
ZZ
S
LZ
==
∆
∆
=
/
/

Thc t thng dùng khái nim  nhy tng i S


i vi ng sut c hc :
E
S
llE
ZZZZ
S
Z
=
∆
∆
=
∆
=
)/.(
//
σ
σ

vi E là môun àn hi.
- Sai số: sai s ca chuyn i áp t có th do các nguyên nhân sau:

Sai s hi sai do hin tng áp t tr không trùng lp gia trng thái t khi
tng ti và khi gim ti. Do s phân tán các giá tr
)(/ Ff=∆
µµ
 chu k u.
Sai s này ln nht  các chu k u tuy nhiên khi lp li chu k tng và gim
ti nhiu ln thì sai s gim xung còn c 1%.


Sai s gây ra bi s dao ng ca dòng in t hóa làm thay i t thm ban
u và thay i  ln ca hiu ng áp t. Gim sai s này bng cách chn giá
tr dòng t hóa  cho lõi thép làm vic vi cng  t trng tng ng vi
GIÁO ÁN_KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CHƯƠNG 7: CÁC CHUYỂN ĐỔI ĐO LƯỜNG SƠ CẤP
GV: Lê Quốc Huy_Bộ môn TĐ-ĐL_Khoa Điện 17
 t thm ln nht. Khi ó sai s s nh hn 0,3% ÷ 0,4% khi in áp ngun
nuôi dao ng 1%.

Sai s gây ra bi s dao ng nhit  ca môi trng: khi nhit  thay i
s làm cho in tr ca cun dây,  t thm ban u và hiu ng áp t ca
chuyn i b thay i. Sai s do nhit  t (0,5% ÷ 1,5%)/10
0
C.
c) Mạch đo: mch o ca chuyn i áp t tng t nh mch o ca chuyn
i in cm và h cm. c tính ng ca chuyn i áp t c quyt nh ch
yu  mch o và có th làm vic vi các i lng bin thiên n hàng chc kHz.
Ví d v cu to ca chuyn i áp t kiu vi sai và mch o ca nó nh hình
7.14:

Hình 7.14. Cấu tạo của chuyển đổi áp từ kiểu vi sai và mạch đo của nó
d) Ứng dụng: chuyn i áp t thng dùng  o lc có giá tr ln (10
5
÷ 10
6
N)
và o áp sut trong iu kin khó khn.
Nhc im ca chuyn i áp t là  chính xác thp (c 3% ÷ 5%) nhng có
u im là cu trúc n gin,  tin cy cao nên thng c s dng nhiu  ngoài
hin trng  o áp sut, mômen xon trong các máy khoan t, o lc ct trong
quá trình gia công kim loi…

7.3.4. Chuyển đổi cảm ứng.
a) Cấu tạo và nguyên lý hoạt động: gm có nam châm vnh cu hoc nam châm
in và cun dây, có nhiu loi khác nhau vi cu to nh hình 7.15.
Khi i lng o tác ng lên chuyn i s làm cho cun dây di chuyn dn
n t thông b thay i hoc v trí lõi thép thay i làm cho t tr ca mch t thay
i. Các loi chuyn i cm ng khác nhau bao gm: chuyn i cm ng có cun
dây di chuyn (di chuyn thng hoc di chuyn góc), chuyn i cm ng có lõi st
t di chuyn (di chuyn thng hoc di chuyn góc), chuyn i cm ng có lõi st t
b bin dng.
- Chuyển đổi cảm ứng có cuộn dây di chuyển:
i vi loi chuyn i cm ng có cun dây di chuyn thng (nh hình 7.15a)
thì khi cun dây di chuyn thì t thông  móc vòng qua cun dây thay i s sinh
ra sc in ng cm ng E c tính:
GIÁO ÁN_KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CHƯƠNG 7: CÁC CHUYỂN ĐỔI ĐO LƯỜNG SƠ CẤP
GV: Lê Quốc Huy_Bộ môn TĐ-ĐL_Khoa Điện 18
dt
dX
S
dt
d
WE .. =
Φ
−=

vi: X:  di chuyn thng ca cun dây

WDBS ...
π
−=
là  nhy ca chuyn i.

B:  t cm ca khe h không khí
D: ng kính trung bình ca cun dây
W: s vòng ca cun dây

Hình 7.15. Chuyển đổi cảm ứng có cuộn dây di chuyển:
a) cuộn dây di chuyển thẳng b) cuộn dây di chuyển góc
i vi loi chuyn i cm ng có cun dây quay mt góc  (nh hình 7.15b)
thì:
dt
d
sB
dt
dX
lBE
α
ααα
.... −=−=

vi: :  di chuyn góc ca cun dây

α
B
: cm ng t ca khe h không khí

WDl ..
π
=
: tng chiu dài thc ca cun dây

W

D
s .
4
.
2
π
α
=
: tng tit din thc ca cun dây
- Chuyển đổi cảm ứng có lõi sắt từ di chuyển: di chuyn thng hoc di chuyn
góc (hình 7.16a,b):

Hình 7.16. Chuyển đổi cảm ứng có lõi sắt từ di chuyển:
a) di chuyển thẳng b) di chuyển góc
i vi trng hp lõi st di chuyn thng thì sc in ng cm ng là:
dt
dX
S
dt
d
WE .=
Φ
−=

vi: X:  di chuyn thng ca lõi thép
GIÁO ÁN_KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CHƯƠNG 7: CÁC CHUYỂN ĐỔI ĐO LƯỜNG SƠ CẤP
GV: Lê Quốc Huy_Bộ môn TĐ-ĐL_Khoa Điện 19

0
..

M
M
R
FWk
S =
:  nhy ca chuyn i
k: h s ph thuc vào cu trúc ca chuyn i
F
M
: sc t ng ca nam châm
R
M0
: t tr ca mch t khi cha có i lng o tác ng (khi X=0)
i vi trng hp lõi st di chuyn góc quay quanh trc theo qui lut hình sin,
tc là khe h không khí gia các u cc t thay i theo qui lut hình sin thì sc
in ng sinh ra là:
tsBW
dt
d
WE
ωω
α
2cos....−=
Φ
−=

- Chuyển đổi cảm ứng có lõi sắt từ bị biến dạng (da trên hiu ng áp t): di
chuyn thng hoc di chuyn góc (hình 7.17a,b):

Hình 7.17. Chuyển đổi cảm ứng có lõi sắt từ bị biến dạng (dựa trên hiệu ứng áp từ):

a) biến dạng thẳng b) biến dạng góc
on 1-1 ca mch t chu lc tác ng theo f
v
(hoc mômen M
v
bin thành lc
f
v
), do hiu ng áp t s làm cho t tr ca on 1-1 thay i, do ó t thông móc
vòng qua cun dây cng thay i và sinh ra sc in ng cm ng E t l vi tc
 thay i ca lc f
v
:
dt
df
S
dt
dl
SE
v
.
'
11
µ
µ
==
−

vi: l
1-1

: chiu dài ca on mch t b bin dng (on 1-1)

'
,
µµ
SS
:  nhy tng ng khi thay i l và khi thay i f
v

- Kết luận chung: nh vy i vi chuyn i cm ng thì phng trình bin i
chung có dng:
dt
dX
SE .=

vi: S:  nhy ca chuyn i
X: i lng vào ca chuyn i (di chuyn thng, di chuyn góc hoc lc)
Mch tng ng ca chuyn i cm ng nh hình 7.18: trong ó:
R
L
, L: in tr thc và in cm thc ca cun dây
R
t
: in tr thc ca ti (ví d ca c cu ch th ni vi chuyn i)
ng vi iu kin ban u thì  nhy ca chuyn i có dng:
p
p
SpS
τ
τ

+
=
1
.)(
0

GIÁO ÁN_KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CHƯƠNG 7: CÁC CHUYỂN ĐỔI ĐO LƯỜNG SƠ CẤP
GV: Lê Quốc Huy_Bộ môn TĐ-ĐL_Khoa Điện 20
vi:
tL
RR
L
+
=
τ
: hng s thi gian ca mch

L
RS
S
t
.
0
=
: h s t l ( nhy ca chuyn i khi
1>>
ωτ
)
nh vy chuyn i cm ng là mt khâu quán tính-vi phân.

Hình 7.18. Mạch tương đương của chuyển đổi cảm ứng
b) Các đặc tính cơ bản: T các dng cu trúc khác nhau có nhn xét là: các
chuyn i cm ng có cun dây di chuyn có c tính tuyn tính và  chính xác
cao hn. Các chuyn i có lõi thép di chuyn ngc li có c tính phi tuyn và t
tr do ó ch s dng trong các mch iu tn hoc iu pha.
Tín hiu ra ca các chuyn i cm ng có biên  cao (c 10
-1
÷ 10
1
V) nên
mch o n gin và không cn khuch i.
Khi s dng các chuyn i cm ng cn phi chú ý n sai s do tn s thay
i. Sai s ca chuyn i vi nam châm vnh cu và cun dây di chuyn t c
t 0,2% ÷ 0,5%.
c) Mạch đo: t các phng trình c trng ca chuyn i ta cng thy rng sc
in ng  u ra ca các chuyn i cm ng t l vi tc  bin thiên ca tín
hiu u vào, do ó mun o tín hiu thì phi mc thêm b tích phân  u ra ca
chuyn i, khi ó tín hiu in áp ra nhn c là:
∫∫
=== XS
dt
dX
SEdtU ..

là mt i lng n nh t l vi bin thiên ca i lng vào (i lng cn o) .
d) Ứng dụng:
- Các chuyn i cm ng có cun dây di chuyn: dùng o tc  quay và
mômen quay, dùng làm tc  k.
- Các chuyn i có lõi thép di chuyn: dùng o di chuyn thng, o di chuyn
góc, o biên  rung t 10

-2
mm ÷ vài mm.
 nhy cao ca chuyn i cho phép o c các di chuyn nh, o tc , gia
tc và các i lng khác vi di tn s n 15 ÷ 30kHz.
7.4. Chuyển đổi tĩnh điện.
Chuyn i tnh in c phân thành hai loi là: chuyn i áp in và chuyn
i in dung.
7.4.1. Chuyển đổi áp điện (chuyển đổi piezo):
a) Cấu tạo và nguyên lý hoạt động: chuyn i áp in hot ng da trên hiu
ng áp in, gm có hiu ng áp in thun và hiu ng áp in ngc:
- Hiệu ứng áp điện thuận: vt liu khi chu tác ng ca mt lc c hc bin
thiên thì trên b mt ca nó xut hin các in tích, khi lc ngng tác dng thì các
GIÁO ÁN_KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CHƯƠNG 7: CÁC CHUYỂN ĐỔI ĐO LƯỜNG SƠ CẤP
GV: Lê Quốc Huy_Bộ môn TĐ-ĐL_Khoa Điện 21
in tích bin mt.
Vt liu dùng ch to các chuyn i áp in là các tinh th thch anh (SiO
2
),
mui BariTitanat (BaTiO
3
), mui xênhét, tuamalin…
Hình 7.19 là cu trúc ca mt tinh th thch anh: gm có 3 trc chính: trc
quang Z, trc in X và trc c Y:

Hình 7.19. a) Cấu trúc của một tinh thể thạch anh: gồm có 3 trục chính:
trục quang Z; trục điện X; trục cơ Y
b) Chuyển đổi áp điện
Nu ct tinh th áp in thành hình khi có 3 cnh ng vi 3 trc quang, c, in
thì ta c chuyn i áp in nh hình 7.19b.


Lực F
x
tác động theo trục điện X: gây ra hiu ng in dc vi in tích:
xx
Fdq .
1
=

vi d
1
là hng s áp in (còn gi là môun áp in).
in tích sinh ra này không ph thuc kích thc hình hc ca chuyn i mà
ch ph thuc  ln ca lc tác ng F
x
, du ca in tích thay i theo du ca lc
F
x
.

Lực F
y
tác động theo trục cơ Y: gây ra hiu ng áp in ngang vi in tích
là:
yy
F
x
y
dq ..
1
−=

vi: y,x là kích thc ca chuyn i tng ng theo trc X và Y.
Du ca in tích q
x
và q
y
ngc nhau, ngha là lc F
x
nén s làm xut hin in
tích cùng du khi F
y
là lc kéo và ngc li.

Lực tác dụng theo trục quang Z: không xy ra hiu ng áp in.
Trng hp các cnh ca chuyn i không song song vi các trc chính hoc
lc tác ng không song song vi các trc thì in tích sinh ra s có giá tr nh hn.
Hình 7.20 là các dng bin dng ca chuyn i áp in.
- Hiệu ứng áp điện ngược: nu t vt liu trong t trng bin thiên thì in
trng tác dng lên chúng s sinh ra bin dng c hc. C th nu t phn t in
trong in trng có cng  E
x
dc trc X, nó s b bin dng tng i theo
hng trc này mt lng:
x
Ed
x
x
1
=
∆

GIÁO ÁN_KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CHƯƠNG 7: CÁC CHUYỂN ĐỔI ĐO LƯỜNG SƠ CẤP
GV: Lê Quốc Huy_Bộ môn TĐ-ĐL_Khoa Điện 22
vi:
xUE
xx
.=
: cng  in trng tác ng lên chuyn i
U
x
: in áp t lên phn t áp in
T ó xác nh c các bin dng c hc t l vi cng  in trng:
x
Udx .
1
=∆

x
Ud
x
y
y ..
1
−=∆


Hình 7.20. Các dạng biến dạng của chuyển đổi áp điện
 tng in tích u ra ca chuyn i áp in có th mc song song nhiu
chuyn i nh hình 7.21:

Hình 7.21. mắc song song nhiều chuyển đổi áp điện để tăng điện tích đầu ra
b) Các đặc tính cơ bản: các c tính c bn ca mt s loi vt liu áp in
thông dng nh sau:
- Thạch anh: là vt liu t nhiên hoc tng hp vi các c tính:

Hng s áp in: d
1
= 2,1.10
-12
C/N

Hng s in môi:  = 39,8.10
-12
F/m

ng sut cho phép:  = 70 ÷ 100N/mm
2


in tr sut:  = 10
16
/m, ph thuc nhiu vào nhit  và các trc.
 nhit  200
0
C thì d
1
không ph thuc nhit , t 200
0
C ÷ 500
0

C thì d
1
thay
i áng k, t nhit  537
0
C thì tính cht áp in b phá hy.
- Muối BariTitanat (BaTiO
3
): là loi vt liu tng hp vi các c tính:

Hng s áp in: d
1
= 107.10
-12
C/N, tuy nhiên hng s áp in không phi
là hng s mà trong nhiu trng hp nó b gim ti 20% trong 2 nm.

Hng s in môi:  = 1240.10
-11
F/m

Môun àn hi: E = 115.10
3
N/mm
2


Các tính cht ca BariTitanat ph thuc nhiu vào lng tp cht, công ngh
ch to và in áp phân cc.
GIÁO ÁN_KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CHƯƠNG 7: CÁC CHUYỂN ĐỔI ĐO LƯỜNG SƠ CẤP

GV: Lê Quốc Huy_Bộ môn TĐ-ĐL_Khoa Điện 23

Do có hin tng tr nên c tính q = f(F) không tuyn tính
Tuy nhiên do có  bn c hc cao, giá thành thp và có th ch to di hình
dng bt k nên loi vt liu này c s dng rng rãi.
Hin nay ã tìm ra các loi vt liu áp in khác nh Titanát chì (PbTiO
3
),
Ziriconat chì (PbZnO
3
) có môun áp in ln hn BaTiO
3
gp ti 4 ln.
c) Mạch đo: công sut ra ca chuyn i rt nh vì vy yêu cu tng tr vào ca
mch o phi rt ln (c 10
8
÷ 10
14
). Dây ni t chuyn i vào mch o cn phi
c bc kim  chóng li in tích rò.
Hình 7.22 là s  cu to ca mt chuyn i áp in dùng o lc F
x
: hai phn
t áp in 1 c t sao cho in tích phân cc ngc nhau khi b va p. in
tích ra c ly trên thanh dn 2  gia hai phn t 1, dây dn là cáp bc kim 3.

Hình 7.22. Sơ đồ cấu tạo của một chuyển đổi áp điện dùng đo lực f
x
u ra ca chuyn i áp in c mc vi mch o (mch khuch i) có s
 mch tng ng nh hình 7.23. u ra nhn c in áp V

m
t l vi lc tác
dng lên chuyn i.


Hình 7.23. Mắc đầu ra của chuyển đổi áp điện với mạch đo (mạch khuếch đại)
và sơ đồ mạch tương đương
- Dải tần làm việc của chuyển đổi áp điện: khi làm vic  di tn s cao thì sai
s ca chuyn i áp in do tn s không áng k, tuy nhiên sai s  di tn s
thp là áng k và ti mt gii hn di ca tn s (quyt nh bi tham s ca
chuyn i và ca c mch o) thì chuyn i không còn hot ng chính xác. 
gim sai s  tn s thp thì phi tng hng s thi gian  ca mch o, vi  c
GIÁO ÁN_KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CHƯƠNG 7: CÁC CHUYỂN ĐỔI ĐO LƯỜNG SƠ CẤP
GV: Lê Quốc Huy_Bộ môn TĐ-ĐL_Khoa Điện 24
tính:
).(
.
.
es
es
es
eqeq
CC
RR
RR
CR
+
+
==
τ

- Độ nhạy thực của chuyển đổi: trong thc t thì lc tác ng lên chuyn i
ngoài lc f
x
(theo phng X) còn có các lc bin dng c hc, lc in, khi ó c
tính  nhy S ca chuyn i có dng nh hình 7.24.  nhy ca chuyn i s
không còn ph thuc vào tn s khi tha mãn iu kin:
τ
ωω
1
0
>>>>

vi
mC /
00
=
ω
là tn s dao ng riêng c hc và
ω
là tn s dao ng ca lc
tác ng lên chuyn i. Khi ó  nhy c in ca chuyn i là:
2
0
1
1
..
ω
mx
sE

C
d
S
=

vi m là khi lng ca phn t áp in.

Hình 7.24. đặc tính độ nhạy của chuyển đổi áp điện:
1) đặc tính điện 2) đặc tính cơ 3) đặc tính cơ điện
- Ảnh hưởng của dây cáp nối chuyển đổi: khi s dng chuyn i áp in cn
tính n hiu ng ca dây cáp ni chuyn i vì trong iu kin b rung bn thân
dây cáp cng sinh ra in tích do ó làm sai lch kt qu o. Trong thc t vi 
rung  tn s 60÷80kHz in tích do dây cáp rung sinh ra có th ln hn in tích
do dây cáp rung sinh ra có th ln hn in tích ca bn thân phn t áp in vì vy
phi s dng loi cáp c bit chng rung (ví d loi ABK).
Phn t áp in và mch o cn phi c chng m tt.
d) Ứng dụng: chuyn i áp in c dùng  o lc bin thiên (n 10
3
N), o
áp sut 10
2
(N/mm
2
) và gia tc (ti 10
3
g) trong di tn t 0,5÷100kHz.
u im ca chuyn i loi này là cu trúc n gin, kích thc nh,  tin cy
cao, có kh nng o các i lng bin thiên nhanh. Nhc im ca nó là không
o c lc tnh, khó khc .
Ngoài vic s dng các hiu ng áp in thun ca chuyn i áp in ngi ta

còn dùng hiu ng áp in ngc  to các chuyn i ngc do di chuyn và các
thit b  kích thích dao ng siêu âm  tn s dao ng c (ví d dao ng kí c
hc). Nhc im ca loi chuyn i này là  bin dng ca phn t in áp nh
(ch vài phn micromet).

GIÁO ÁN_KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CHƯƠNG 7: CÁC CHUYỂN ĐỔI ĐO LƯỜNG SƠ CẤP
GV: Lê Quốc Huy_Bộ môn TĐ-ĐL_Khoa Điện 25
7.4.2. Chuyển đổi điện dung.
a) Cấu tạo và nguyên lý hoạt động: các chuyn i in dung làm vic da trên
nguyên lý v s tác ng tng h gia hai in cc to thành mt t in có in
dung thay i di tác ng ca i lng vào.
Chuyn i in dung có th chia thành hai nhóm ln là chuyn i máy phát và
chuyn i thông s:

Chuyển đổi máy phát: có i lng ra thng là in áp ra ca máy phát; i
lng vào là s di chuyn thng, di chuyn góc ca bn in cc ng ca
chuyn i. Loi này thng dùng o các i lng c hc.

Chuyển đổi thông số: có i lng vào là s di chuyn ca bn in cc
ng; i lng ra là s thay i in dung C ca chuyn i.
- Chuyển đổi điện dung máy phát: hình 7.25 là cu to ca chuyn i in
dung phát in và s  mch tng ng:

Hình 7.25. Cấu tạo của một loại chuyển đổi điện dung cơ bản
và sơ đồ mạch tương đương
i lng ra là in áp U t trên hai cc ca t in, in áp này liên quan vi
các thông s nh sau :
s
q
C

q
U
ε
δ
==

vi: q - in tích trên bn cc

δ
ε
s
C =
: in dung ca t in to bi hai bn cc
ε - in môi gia hai bn cc
s, δ - din tích ca bn cc và khong cách gia chúng
i lng vào là lc c F tác ng lên bn cc ng gm hai thành phn: lc tác
ng do in tích tng h F

và lc y c hc F
c
gây nên bi cc ng, vi:
s
qs
UF
d
ε
δ
ε
2
2

2
.
2
1
..
2
1
==
;
δ
).( pSF
c
=

vi:
p
kpPmppS ++=
2
)(


m - khi lng ca bn cc ng
P - h s cn du; k
p
- h s phn kháng
Suy ra phng trình ca chuyn i là:
δ
ε
).(.
2

1
2
pS
s
q
FFF
cd
+=+=