›
›

Bài giảng Kỹ thuật cảm biến - TS. Nguyễn Thị Lan Hương

pdf 185 trang phuongnguyen 90
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Kỹ thuật cảm biến - TS. Nguyễn Thị Lan Hương", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfbai_giang_ky_thuat_cam_bien_ts_nguyen_thi_lan_huong.pdf

Nội dung text: Bài giảng Kỹ thuật cảm biến - TS. Nguyễn Thị Lan Hương

  1. o i i Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  2. i i o o o o i o o i oeaeaooaoo ieoio oiie Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  3. i i i i i i i i o i i i i o i o i i i o o i o o o i o o o i Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  4. i i i i o i Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  5. oi i eo o i i i i i i i i i io i i i i i eo eo eo eo Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  6. Ví dụ về cảm biến thụ động ại l−ợng Thông số biến đổi Vật liệu làm cảm biến Nhiệt độ iện trở suất Kim loại : platine, nickel, đồng, chất bán dẫn Nhiệt độ rất thấp Hằng số điện môi Thuỷ tinh iện trở suất Hợp kim niken và silic mạ Biến dạng Hợp kim sắt từ ộ từ thẩm Vị trí iện trở suất Từ trở Từ thông của bức xạ iện trở suất Bán dẫn quang ộ ẩm iện trở suất Chlorure de lithium Hằng số điện môi Hợp kim polymere Mức Hằng số điện môi Cách điện lỏng Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  7. Ví dụ về cảm biến tích cực ại l−ợng vật lý cần đo Hiệu ứng sử dụng Tín hiệu ra Lực áp suất áp điện iện tích Gia tốc Nhiệt độ Nhiệt điện iện áp Tốc độ (vận tốc) Cm ứng điện từ iện áp Vị trí Hiệu ứng Hall iện áp Hoa quang iện tích Từ thông bức xạ quang Phát xạ quang Dòng điện Hiệu ứng quang áp iện áp Hiệu ứng quang điện từ iện áp Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  8. i o i i c. Các loại cảm biến hay đ−ợc sử dụng trong công nghiệp và dân dụng  Cảm biến đo nhiệt độ (37,29%*)  Cảm biến đo vị trí  Cảm biến đo di chuyển  Cảm biến đo áp suất  Cảm biến đo l−u l−ợng  Cảm biến đo mức  Cảm biến đo lực  Cảm biến đo độ ẩm *: Xếp theo số l−ợng các loại cảm biến bán đ−ợc tại Pháp năm 2002 Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  9. i o i i d. Các lĩnh vực ứng dụng  Xe hơi :  Sản xuất công nghiệp:  Điện gia dụng :  Văn phòng:  Y tế:  An toàn:  Môi tr−ờng:  Nông nghiệp: (4%*) *: Xếp theo số l−ợng các loại cảm biến bán đ−ợc tại Pháp năm 2002 Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  10. i i i oi i Encoder Biến trở Di chuyển Tr−ợt kích th−ớc Điện (L) cảm T( δ, L) Điện dung Μ áp điện Điện trở Khối l−ợng lực căng lực (M) áp từ Nhiệt điện Nhiệt độ Nhiệt điện trở Quang Φ điện Φ Quang Φ điện trở Φ Φ Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  11. i i i i i i i i Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  12. 4. Các dạng biến đổi chuẩn hoá th−ờng gặp  Hoà hợp tải giữa cảm biến và mạch đo  Cấp nguồn cho cảm biến thụ đông  Tuyến tính hoá đặc tính phi tuyến của cảm biến  Tuyến tính hoá tín hiệu ra của mạnh đo (VD cầu Wheastone)  Khuyếch đại tín hiệu ra của cảm biến  Lọc nhiễu tác động lên tín hiệu ra của cảm biến  Khuyếch đại đo l−ờng để triệt tiêu hoặc làm giảm các nhiễu tác động (điện áp ký sinh và dòng điện rò trên đ−ờng truyền) Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  13. a o Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  14. Chuyển đổi /tín hiệu Thống nhất hóa tín hiệu Khuếch đại, tuyến tính hoá Cặp nhiệt ngẫu và bù đầu tự do Nguồn nuôI, cấu hình 4 dây Nhiệt điện trở RTD và 3 dây, tuyến tính hóa Nguồn điện áp cung cấp Cảm biến điện trở cho cầu, cấu hình và lực căng tuyến tính hoá Đất chung Khuếch đại cách ly hoặc địên áp cao (cách ly quang) Thiết bị DAQ Các tảI yêu cầu chuyển Rơle điện cơ hoặc rơle mạch xoay chiều hoặc bán dẫn dòng điện lớn Các tín hiệu với Lọc thông thấp nhiễu tần số cao Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  15. o Nguồn ỏp Nguồn Tại đo lường Nguồn dũng tại đo Nguồn lường Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  16. o Nguồn điện tớch Khuếch đại đo lường Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  17. i Di o, ng−ỡng nhạy và phân gi i khả năng phân ly Độ nhạy và Tính tuyến tính của thiết bị Sai số hay độ chính xác Đặc tính động Một số thông số khác nh−: công suất tiêu thụ, tr kháng, kích th−ớc, trọng l−ợng của thiết bị Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  18. Ph ơ ng trinh cơ bn Y= F(X,a,b,c ) ∂F/ ∂X - ộ nhạy với x (Sensibility) ∂F/ ∂a - ộ nhạy của yếu tố anh h−ởng a hay nhiễu ∆F/ ∆X = KXt - ộ nhạy theo X ở Xt hay ng−ời ta còn ký hiệu là S Khi K=const -> X,Y là tuyến tính. K=f(X) -> X, Y là không tuyến tính - > sai số phi tuyến. Việc xác định K bằng thực nghiệm gọi là khắc độ thiết bị đo. Với một giá trị của X có thể có các giá trị Y khác nhau, hay K khác nhau. dK Xt /K Xt (Repeatability)Thể hiện tính ổn định của thiết bị đo hay tính lặp lại của thiết bị đo . dK Xt /K Xt = dS/S= γs- Sai số độ nhạy của thiết bị đo -> nhân tính. (Hysteresis) Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  19. Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  20. i Hysteresis) Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  21. i Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  22. i i ể đánh giá tính phi tuyến của thiết bị đo ta xác định hệ số phi tuyến của nó. Y Hệ số phi tuyến xác định theo công thức sau: ∆ = ∆Y ∆X . ∆Xmax - là sai lệch lớn nhất Ta th−ờng dùng khâu bù phi tuyến X Scb .S b= K (Nonlinearity Error) Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  23. o o Khoảng đo (Span/Full Scal/Range): Dx = Xmax Xmin Ng−ỡng nhạy, khả năng phân ly (Resolution): Khi gi m X mà Y cũng gi m theo, nh−ng với ∆X≤ εX khi đó không thể phân biệt đ−ợc ∆Y, εX đ−ợc gọi là ng−ỡng nhạy của thiết bị đo. Kh năng phân ly của cm bi n -Thiết bị t−ơng tự = ε -Thiết bị số: = = ε Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  24. 4.2.6. Đặc tính động của thiết bị (1) α Hàm truyền cơ bản : Y(p)=K(p).X(p) Đặc tính động: + Đặc tính quá độ + Đặc tính tần + Đặc tính xung Khi đại l−ợng X biến thiên theo thời gian ta sẽ có quan hệ α(t)=St[X(t)] Quan hệ đ−ợc biểu diễn bằng một ph−ơng trình vi phân. Ph−ơng trình vi phân ấy đ−ợc viết d−ới dạng toán tử. α(p)=S(p).X(p) S(p)- Gọi là độ nhạy của thiết bị đo trong quá trình đo đại l−ợng động Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  25. Đặc tính động của cảm biến (2) Khi đại l−ợng X biến thiên theo thời gian ta sẽ có quan hệ α(t)=St[X(t)] Quan hệ đ−ợc biểu diễn bằng một ph−ơng trình vi phân. Ph−ơng trình vi phân ấy đ−ợc viết d−ới dạng toán tử. α(p)=S(p).X(p) S(p)- Gọi là độ nhạy của thiết bị đo trong quá trình đo đại l−ợng động Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  26. α Đặc tính động của cảm biến (2) Nếu đại l−ợng vào có dạng xung hẹp X(t)= X δ(t-τ). t τ S(p)- thể hiện d−ới dạng hàm h(t) đặc tr−ng cho đặc tính xung của thiết bị đo. Đặc tính xung thiết bị đo có thể có giao động hoặc không tuỳ theo S(p) Nếu đại l−ợng có dạng xung b−ớc nhảy Xt=X t.1(t-τ) S(p) - thể hiện d−ới dạng h(t) theo quan hệ S(p) đặc tr−ng cho đặc tính quá độ của thiết bị đo và tuỳ theo ph−ơng trình đặc tính của nó, nó có thể giao động hoặc không giao động . Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  27. Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  28. i o i    a y  a a Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  29. 2.1. Nhiệt kế nhiệt địên trở 0 Nhiệt điện trở là là điện trở thay đổi theo sự đổi nhiệt độ của nó: R T = f(t ), đo R T có thể suy ra nhiệt độ. Nhiệt điện trở đ−ợc chia ra thành: Nhiệt điện trở kim loại và nhiệt điện trở bán dẫn. 2 3 Điện trở kim loại ( RTD) theo nhiệt độ RT =R 0(1+ αt + βt + γt ) Với Pt: α = 3.940. 10 -3 /0C β = -5.8 10 -7/ oC2 ;γ ≈ 0 trong khoảng 0-600 0C; γ = -4 10 -12 /0C3 Đôí với đồng từ -50 0C đến 200 0C: α = 4.27 10 -3/ 0C β và γ trong phạm vi sử dụng vơí độ chính xác không cao thì coi nh− không đáng kể và quan hệRT và t coi nh− tuyến tính. Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  30. A, Nhiệt điện trở kim loại 0 Điện trở chuẩn hoá R0=100 Ω tại 0 C Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  31. i i oi i λ α ρ Ω Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  32. Nhiệt điện trở kim loại Để đo những nhiệt độ từ -50 0C -600 0C ng−ời ta th−ờng dùng nhiệt điện trở PT-100 (Platin 100 Ω ở 00C Cu -100 (đồng 100 Ω ở 00C) Ni-100 (Ni 100 Ω ở 00C) nhiệt Quan-200 hệ giữa-190 nhiệt-180 độ và điện-170 trở của-160 Pt100-150 -140 -130 -120 -100 nhiệt độ, 0C độ, 0C Ω 17.28 21.65 25.98 39.29 34.56 38.80 43.02 47.21 51.38 55.52 Ω 0C -100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0C Ω 59.65 63.75 67.84 71.91 75.96 80.00 84.03 88.04 92.04 96.03 Ω 0C 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 0C Ω 100.0 103.9 107.9 108.5 115.7 119.7 123.1 127.4 131.3 135.2 Ω 0 6 1 8 0 0 9 7 4 Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  33. B, Nhiệt điện trở bán dẫn (NTC-PTC) β Nhiệt điện trở bán dẫn = e A và β đều không ổn định. Ta cũng có thể tính α= (-2.5% +-4%)/ 0C o oi i e o ii oi eo i i i Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  34. Nhiệt điện trở bán dẫn Một số nhiệt địên trở bán dẫn 0 a) KMT và MMT b) MKMT c) Quan hệ giữa RT( t) 1.Nhiệt điện trở đồng 2. Nhiệt điện trở bán dẫn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  35. Nhiệt điện trở bán dẫn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  36. C, Cấu tạo Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  37. Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  38. Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  39. o = = Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  40. o e e Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  41. Bù điện trở dây     =  −   + +  Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  42. Sơ đồ bộ biến đổi nhiệt điện trở  Nguồn dòng 2.5mA tạo ra một sự biến thiên điện áp trên điện trở là 100mV/100 0C. 0 RT = R 0 (1+ αt); α = 0.385% / C  Nếu RT đ−ợc cung cấp bằng nguồn dòng 259 mA thì khi nhiệt độ biến thiên 100 0C ∆U = ∆RT . I = 0.385 x 2.58 =100mV  Điện áp rơi trên RT đ−ợc đ−a vào khuếch đại bù điện áp ở 00C và biến đổi áp thành dòng (4- 20mA) để đ−a vào hệ thống thu thập số đo. 1- Nhiệt điện trở 2- Modul vào 3- Dòng cung cấp (hằng) 4- Điện áp một chiều khuếch đại 5- Modul ra 6- Điều chỉnh điện áp Mạch chuẩn hoá Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  43. 2.2. Cặp nhiệt ngẫu Nguyên lý : Hiệu ứng Seebeck Dựa trên hiện t−ợng nhiệt điện. Nếu hai dây dẫn khác nhau (hình vẽ) nối với nhau tại hai điểm và một trong hai điểm đó đ−ợc đốt nóng thì trong mạch sẽ xuất hiện một dòng điện gây bởi sức điện động gọi là sức điện động nhiệt điện, đ−ợc cho bởi công thức ET = K T (tn - ttd ) Trong đó: K T - hệ số hiệu ứng nhiệt điện tn - nhiệt độ đầu nóng ttd - nhiệt độ đầu tự do Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  44. Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  45. Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  46. i i i i eiei i i i i i ooo i i i i i i = ∫ Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  47. ư o a i a Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  48. o o i Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  49. Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  50. Các kiểu cặp nhiệt ngẫu Ký hiệu Ký hiệu hinh Vật liệu cấu thành Dạc điểm cần l−u tâm thức B - Patin Rhodium 30- Dây d−ơng nh− là hợp kim 70%Pt, 30% Rh. Platin.Rhomdium 6 Dây âm là hợp kim 94%Pt, 6% Rh. Loại B bền hơn loại R, giai đo nhiệt độ đến 1800 0C, con các đặc tính khác th nh− loại R R - PtRh 13 - Pt Dây d−ơng là loại hợp kim 87% Pt, 13% Rh. Dây âm là Pt nguyên chất. Cặp này rất chính xác, bền với nhiệt và ổn định. Không nên dùng ở nh ng môi tr−ờng có hơi kim loại S - PtRh10-Pt Dây d−ơng là hợp kim 90% Pt, 10%Rh. Dây âm là Pt nguyên chất. Các đặc tính khác nh− loại R K CA Cromel-Alumel Dây d−ơng là hợp kim gồm chủ yếu là Nivà Cr. Dây âm là hợp kim chủ yếu là Ni. Dùng rộng rãi trong Công nghiệp, bền với môi tr−ờng oxy hoá. Không đ−ợc dùng ở môi tr−ờng có CO, SO 2 hay khí S có H E CRC Cromel- Constantan Dây d−ơng n− đốivới loại K. Dây âm nh− loại J. Có sức địên động nhiệt điện cao và th−ờng dùng ở môi tr−ờng acid Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  51. Các kiểu cặp nhiệt ngẫu Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  52. Giới hạn nhiệt độ và các ống bảo vệ D−ờng kính của dây Giới hạn nhiệt độ làm việc ống bao vệ O.D x I.D Dạng của cặp nhiệt ký hiệu đ−ờng giới hạn giới hạn trên ống bao vệ bằng ống bao vệ kính bên chuẩn im loại ( φ mm) không bằng kim ngoài loại ( φ mm) B Pt Rh 30%/ Pt L 0.5 1500 0C 1700 0c _ 15 x11 Rh 6% R Pt Rh 13%- Pt L 0.5 1400 0C 1600 0C _ 15 x 11 S Pt Rh 10%-Pt L 0.5 1400 0C 1600 0C _ 15 x 11 K (Chromel_Alumel) D 3.2 1000 0C 1200 0C 21.7 x 16.1 17 x 13 C 2.3 900 0C 1100 0C 21.7 x 16.1 17 x 13 B 1.6 860 0C 1050 0C 15 x 11 15 x 11 A 1.0 750 0C 950 0C 12 x 9 15 x11 H 0.65 650 0C 850 0C 10 x7 10 x 6 Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  53. o i i o i o i i  +    a = +    Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  54. Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  55. Bù nhiệt độ đầu tự đo Mạch bù nhiệt độ đầu tự do đ−ợc thực hiện bằng 1 mạch cầu 4 nhánh trên ấy có một nhiệt điện trở, hoạt động của nó nh− sau: 00C 4 nhánh của cầu cân bằng điện áp ở đ−ờng chéo cầu ∆U=0, khi nhiệt độ ở trên đầu hộp nối dây tức là nhiệt độ đầu tự do thay đổi: ∆ ∆ = = α 4 4 Ta lại có ET = K T (tnóng - ttựdo ) = K T tnóng -KTttự do Để bù ảnh h−ởng của nhiệt độ đầu tự do ta có 4 = α → = −o 4 −o α Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  56. Bộ cặp nhiệt ngẫu của SIEMENS IA và UH - Tín hiệu ra một chiều và nguồn cung cấp. 1- Cặp nhiệt ngẫu 2- Đầu vào của mạch cầu 3- Đầu lạnh của cặp nhiệt 4- nguồn dòng hằng 5- Điện áp một chiều khuếch đại 6- Modul ra 7- điều chỉnh điện áp Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  57. IA và UH - Tín hiệu ra một chiều và nguồn cung cấp. 1- Cặp nhiệt ngẫu 2- Đầu vào của mạch cầu 3- Đầu lạnh của cặp nhiệt 4- nguồn dòng hằng 5- Điện áp một chiều khuếch đại 6- Modul ra 7- điều chỉnh điện áp Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  58. o i i io i eo i     = e  −     i i = + o − o − o Φ i i o Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  59. Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  60. Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  61. Nhiệt điện trở bán dẫn Nguồn áp : LM35 Mạch đo với nhiệt điện trở bán dẫn Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  62. Nhiệt điện trở bán dẫn Độ nhạy nhiệt của diode và trans. mắc theo kiểu diode: S=dV/dT cỡ -25mV/ 0C Mạch chuẩn hoá         − =     ae = à °     Giả sử 2 Transistor giống nhau, có cùng nhiệt độ ′′ = = ′′ + ′′    ′′    Từ đó : = +  +   S = fct(T) đ−ợc cải thiện  ′′        Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  63. Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  64. o Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  65. Bộ biến đổi thông minh đo nhiệt độ Siemens Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  66. Đầu vào Các dầu vào (2) Hợp kênh MUX (3) Khuếch đại (4) Nguồn dòng dùng để đo nhiệt độ Nhiệt điện trở (1) Mạch khắc độ (9) Vi điều khiển(10) Bộ biến đổi t−ơng tự số (5) Lọc thông thấp để là bằng kết quả (6) Khối tuyến tính hoá phục vụ cho các đặc tính phi tuyến của cảm biến (7) Bộ điều chế độ rộng xung đầu ra (8) Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  67. Đầu ra Bộ cách ly về điện (13) Bộ ra với tín hiệu xung điều chế độ rộng (17) và bộ biến đổi số t−ơng tự Đẩu ra để kiểm tra để theo dõi tín hiệu ra (18) Cảm biến phụ, rơle (14) Kiểm tra và hiện thị Giao diện nối tiếp (11) để hỏi đáp và đặt các thông số Nút ẩn để kiểm tra cho nhiệt điện trở hay để khắc độ các cảm biến điện trở Đầu báo (làm việc và có sự cố) Nguồn cung cấp 24V một chiều nối vào l−ới điện Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  68. 2.4. Hoả quang kế  Đo nhiệt độ không tiếp xúc dải nhiệt độ cao > 1600 0C  Mật độ phổ năng l−ợng phát xạ theo b−ớc sóng của vật đen lý t−ởng khi bị đốt nóng − λ = λ e λ − λ - b−ớc sóng; T - nhiệt độ tuyệt đối ; C1= 37,03 .10 -17 Jm 2/s 0C ; C2= 1,432. 10 -2 m0C  3 ph−ơng pháp:  Hoả quang kế bức xạ  Hoả quang kế c−ờng độ sáng  Hoả quang kế mầu sắc: Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  69. i Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  70. Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  71. 6.4.1. Hoả quang kế bức xạ - a) C ấu tạo của hoả quang kế bức xạ b) Cặp nhiệt hình rẻ quạt cromel-copel 1. Thân dụng cụ 2- vít chỉnh vật kính 3- Vật kính 4- Rãnh đặt cặp nhiệt thu 5- Thân g cặp nhiệt 6- Toa nhiệt đầu tự do 7- đầu ra của bộ thu 8- Giá đỡ vật kính 9- vật kính 10- lọc ánh sáng 11- đầu dây cáp ra 12 - ống dẫn cáp ra 13- Tai để gá thiết bị 14- chỉnh tiêu điểm Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  72. 6.4.2. Đo nhiệt độ bằng ph−ơng pháp quang học: hồng ngoại IR Năng l−ợng bức xạ: 4 ET=KT.E bx =K TσT Ng−ời ta dùng điốt hồng ngoại để thu năng l−ợng này Ng−ời ta đặt một điốt lazer phát ra một trùm tia hẹp song song với với trục của hoả quang kế. Vòng tròn sáng của Lazer chỉnh vào vùng ta đo nhiệt độ Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  73. Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  74. 6.4.3. Hoả quang kế mu sắc i i i o Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  75. Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  76. 6.4.3. Hoả quang kế mu sắc i o i o i i i o i i ooe i a) đặc tính phổ củ vật đốt nóng b) sơ đồ khối của hoả quang kế màu sắc Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  77. Hoả quang kế c−ờng độ sáng 1. Đèn sợi đốt 2. Vật kính, chỉnh vật kính 1 2 3. ống tr−ợt và vật kính 4. Chiết áp chỉnh dòng điện đốt đèn 5. Thấu kính 5 4 3 a) Nhiệt độ dây đèn bằng nhiệt độ đối t−ợng a) b) c) b) Nhiệt độ dây đèn cao hơn nhiệt độ đối t−ợng c) Nhiệt độ dây đèn thấp hơn nhiệt độ đối t−ợng Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  78. Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  79. i Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  80. Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  81. e oi Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  82. Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  83. Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  84. i o i i Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  85. 3.1. Các loại cảm biến đ−ợc sử dụng để đo lực Cảm biến điện trở lực căng Cảm biến áp điện Cảm biến điện cảm Cảm biến áp từ Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  86. A, Cảm biến địên trở lực căng  Nguyên lý làm việc : hiệu ứng tenzo (piezoresistive/ strain gauge),  Cảm biến loại này có 3 thông số chính  Kích th−ớc của đế  Giá trị điện trở Rcb  Dòng địên tối đa cho phép a) điện trở lực căng lá mỏng; b) điện trở lực căng kiểu màng mỏng Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  87. A, Cảm biến địên trở lực căng ∆ ∆ Ta có = −hay εR = εl ∆ ∆ρ ∆ ∆ Mặt khác ta có = + − ρ εR= ερ + εl - εS Trong cơ học ta có εS =-2K Pεl ; Kp hệ số Poisson εR = εl (1+ 2K p + m) = Kεl ộ nhạy của chuyển đổi: K = εR/εl = 1+ 2K p + m Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  88. Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  89. B. Cảm biến áp điện  Dựa trên hiệu ứng áp điện.  Vật liệu dùng chế tạo các chuyển đổi áp điện th−ờng là tinh thể thạch anh (SiO 2), titanatbari (BaTiO 3), muối Xenhét, tuamalin  Lực FX gây ra hiệu ứng áp điện dọc với điện tích q=d 1Fx  Nếu tác động một lực theo trục Y, gây ra hiệu ứng áp điện ngang với điện tích q, phụ thuộc vào kích th−ớc hình học của chuyển đổi: q= -d1(y/x)F y. d1 - hằng số áp điện ( gọi là môdun áp điện) y, x - kích th−ớc của chuyển đổi theo trục X và Y Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  90. i i i ơ ơ Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  91. B. Cảm biến áp điện (2) Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  92. i i Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  93. i i oeieoeieoeieoeeiieoo ieeeeo iei oo o ooiieeoeoeie eiee ieioie ioeoieieieo eioee oei iieeieiioieee oieo eieoie ieieieieo iiieiioie oieoioo ei oiieeioeeiio eieioe eeioeieie Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  94. Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  95. Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  96. C. Cảm biến áp từ iện cảm của chuyển đổi áp từ à = = D−ới tác dụng của biến W- số vòng cuộn dây dạng đàn hồi cơ học, độ từ R- từ trở của mạch từ thẩm à và các tính chất S, l - diện tích và chiều dài của mạch từ à độ từ thẩm của lõi thép khác của vật liệu sắt từ thay đổi. Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  97. D. Cảm biến điện cảm Nếu bỏ qua điện trở thuần của cuộn dây và từ trở của lõi thép à = = δ δ Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  98. E. Cảm biến điện cảm Nh− vậy đặc tuyến của chuyển đổi điện cảm khi dộ dài khe hở không khí δ thay đổi Z=f( ∆δ ) th−ờng là phi tuyến và phụ thuộc vào tần số của nguồn kích thích. Tần số dòng kích thích càng lớn thì độ nhạy càng cao. ∂ ∂ = + δ ∂ ∂δ ∆ δ = = − ∆δ δ   ∆δ  +     δ  Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  99. E. Cảm biến hỗ cảm Từ thông tức thời i ài φ = = δ δ i- giá trị dòng tức thời trong cuộn dây kích thích W1. Sức điện động của cuộn dây đo W 2: φ à i e = − = − δ Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  100. 3.2. Đo biến dạng Mọi cảm biến dùng để đo ∆ chiều dài hay di chuyển Biến dạng ε = dài đều có thể dùng đo biến dạng  Chọn vị trí đo biến dạng và dự kiến giá trị biến dạng tại nơi đo.  Việc chọn vị trí đo biến dạng dựa trên sự phân tích về lực phân bố trên các chi tiết.  Dán cảm biến vào chi tiết : Nguyên tắc dán cảm biến là cảm biến bám chặt vào chi tiết để cho biến dạng của chi tiết truyền vào cảm biến.  Sử dụng mạch cầu và khuếch đại dòng đo biến dạng. Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  101. o i Điện áp ra của đ−ờng chéo cầu của cầu 2 nhánh hoạt động đ−ợc tính: ∆ ∆ = = ε kcb là độ nhạy của cảm biến ( nếu cảm ∆∆∆ biến là dây mảnh hay lá mỏng kcb =1.8- 2.2 còn cảm biến bán dẫn kcb có thể lên tới 200) Đo ∆U có thể suy ra εl ∆U chỉ có giá trị cỡ mV vì vậy cần phải khuếch đại tr−ớc khi vào bộ tự ghi hay bộ thu thập số liệu Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  102. i i Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  103. 7.3. Đo lực và trọng l−ợng Hiện nay các lực kế dựa trên nguyên tắc sau: •F →ε : Lực biến thành biến dạng •F →δ : Lực biến thành di chuyển •Lực kế kiểu bù: Fxll = Fklk ll cách tay đòn bên phải lực đo lk tay đòn bên phía lực bù Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  104. A, Lực kế kiểu biến dạng ( Load Cell) Trong loại lực kế này lực tác dụng F gây ra ứng suất và biến dạng, sau đó biến dạng đ−ợc biến thành điện áp hoặc tần số ảm biến dọc đo lực cảm biến ngang bù nhiệt độ Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  105. Siemens chế tạo loadcell SiwarexK với các thông số sau Tải trọng 2.8 6 13 28 60 130 280 tấn Sai số 0.2% 0.1% Hệ số nhiệt độ 0.050%/ 0C. độ nhạy 1.5mV/V Điện trở ra 245 ± 0.2 Ω Điện trở cách điện >20M Ω Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  106. Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  107. Lực kế kiểu biến dạng Biến dạng đ−ợc tính ε = F - lực tác động lên loadcell S- tiết diện phần tử đàn hồi E - modul đàn hồi thép làm loadcell Cảm biến điện trở lực căng đ−ợc nuôi cấy trên phần tử đàn hồi. Nó gồm 4 địên trở, 2điện trở dọc là điện trở tác dụng, 2 điện trở ngang là điện trở bù nhiệt độ. 4 điện trở này đ−ợc nối thành cầu hai nhánh hoạt động. Điện áp ở chéo cầu: ∆ ∆ = ⋅ = ε 2 2 UCC - điện áp cung cấp cho cầu ∆ - biến thiên điện trở do biến dạng của phần tử đàn hồi εl - biến dạng tính theo công thức trên k - độ nhạy của cảm biến điện trở lực căng. Khi chế tạo xong nhà chế tạo cho ta độ nhạy của load cell là (mV/V) Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  108. Lực kế kiểu biến dạng xuyến ε ε a) biến dạng ngang và dọc của dầm hình xuyến. b) cấu tạo bên ngoài của cảm biến sirieR của Siemens. c) cấu tạo và kích th−ớc của cảm biến Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  109. o i i Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  110. B, Lực kế kiểu di chuyển Một phần tử hay một dầm đàn hồi, lúc chịu tác dụng của một lực, sẽ có biến dạng và tạo ra di chuyển (kết cấu công xôn) F h a) l F h b) l a) Dầm công xôn tiết diện đều δ = b) Dầm dạng công xôn ứng suất đều Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  111. B, Lực kế kiểu di chuyển (2) δ = − Lực kế dầm công xôn kép Lực kế dầm kéo Lực kế nén hình Lực kế kéo hai đầu xuyến dùng biến trở Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  112. 3.3. Đo áp suất = áp suất: F- lực tác dụng lên bề mặt tác dụng S- Diện tích thành của mặt tác dụng áp suất tuyệt đối áp suất t−ơng đối đơn vị đo Mỹ th−ờng dùng đơn vị psi Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  113. Bi ến dạng màng pe- áp suất, biến đầu vào IA, U H - tín hiệu vào và nguồn cung cấp 1 -ống dẫn kết nối 2 -màng chắn 3 -chất lỏng để truyền áp suất 4 -cảm biến địên trở lức căng màng silic 5 -khuếch đại đo l−ờng 6 -chuyển đổi áp tần 7 -vi điều khiển 8 -chuyển đổi số t−ơng tự 9 -hiện thị t−ơng tự ( lựa chọn) Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  114. Đo áp suất Ap suất đ−ợc truyền lên một màng đo, là một màng biến dạng trên ấy có một cầu đo bằng 4 điện trở lực căng bán dẫn. Trên màng biến dạng này biến dạng ε (ở tâm) đ−ợc tính: ε ε = − .0 49 2 Biến dạng εεε d−ới tác ứng suất ở biên dụng của P σ = − Di chuyển tạo nên ở tâm màng δ = Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  115. áp suất MPX ( sử dụng cảm biến Piezo) Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  116. Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  117. Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  118. Đặc tuyến của cảm biến loại này Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  119. 3.5. Đo hiệu áp suất 2 - 60 mbar loại C 8.3 - 250 mbar loại D 20 - 600 mbar loại E 53 -1600 mbar loại F160 - 5000 mbar loại G 1 - Đầu nhận áp suất P1P2; 2 - thân của bộ biến đối 3- Chất lỏng truyền áp suất 4 - màng mỏng 5 - vòng O; 6 - giữa của màng 7 - cảm biến điện trở lực căng silic 8 - khuếch đại đo l−ờng 9 - chuyển đổi áp tần; 10 - vi xử lý 11 - chuyển đổi số t−ơng tự; 12 - LCD 13 - chỉ thị t−ơng tự Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  120. Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  121. 3.6. Đo l−u tốc- hiệu áp suất Một trong những ph−ơng pháp đ−ợc dùng rất nhiều trong Công nghiệp là cảm biến hiệu áp suất. Trong một ống dẫn chất lỏng hoặc khí, khi có một vật chắn đặt trên ống dẫn thì dòng chảy bị rối và tạo ra một hiệu áp suất tr−ớc và sau vật chắn. Theo công thức Berloulli = à = à ρ ρ qV - l−u tốc tính bằng thể tích của chất lỏng. qg - l−u tốc tính bằng trọng l−ợng của chất lỏng. k- Hệ số phụ thuộc vào hình dáng hệ số biến đổi kích th−ớc giữa ống và lỗ chắnvv à - độ nhớt của chất lỏng. S- Diện tích của ống dẫn h- hiệu áp suất tr−ớc và sau lỗ chắn. ρ- trọng l−ợng riêng của chất lỏng. Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  122. eoi Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  123. Màn ch ắn q 0 1 3 5 8 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100% ∆ 0 0.0 0.09 0.2 0.6 1 4 9 16 25 36 49 64 81 100% p 1 5 4 Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  124. Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  125. B. L−u tốc kế kiểu cảm ứng Chất lỏng đ−ợc chuyển trong một ống cách điện (Teflon) 2 điện cực đặt vuông góc với từ tr−ờng tác động, đặt đối tâm qua ống dẫn. Quan hệ giữa sức điện động cảm ứng và l−u tốc cho bởi e = BdV e- sức điện động cảm ứng (V) B - từ cảm ứng của từ tr−ờng xuyên qua chất lỏng (Tesla) d- đ−ờng kính trong của ống (m) V- tốc độ trung bình của chất lỏng (m/s) Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  126. Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  127. C. L−u tốc kế kiểu siêu âm Fát SA Thu tinh thể áp SA điện thành ống áp điện C V a) Hiệu ứng Doppler trong đo l−u tốc bằng siêu âm. b) nguyên lý máy đo l−u tốc bằng siêu âm Nếu bộ phát siêu âm và bộ phận thu đặt cách nhau 1 khoảng D, ta có thời gian truyền của sóng siêu âm từ đầu phát đến đầu thu: Thuận chiều = Ng−ợc chiều 2 = 1 + − 1 1 2 − = → = ( − ) và ta có 1 2 1 2 2 Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  128. o i Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  129. Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  130. D. L−u tốc kiểu cánh quạt Đo tốc độ quay của cách quạt có thể suy ra v. Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  131. Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  132. i o Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  133. 4.1. Đo mức bằng ph−ơng pháp phao nổi Khi quả nặng rơi xuống puli quay và góc quay biến i thành số xung 2π α = 0 αx - góc quay eo NX - số xung đếm đ−ợc α0 - góc của một l−ợng tử góc quay n- số xung t−ơng ứng với 1 vòng quay của encoder. Ng−ời ta bố trí nh− sau: Khi quả nặng đi qua một điểm chuẩn, một tế bào quang điện khởi động bộ đếm. Khi quả nặng tiếp xúc với mặt n−ớc một bộ phận tự động (rơle tới hạn) đóng mạch điện. Ta có hx = Hch - hmức = (N X/n)2 πR Mức n−ớc : hmức = Hchuẩn - hx Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  134. i Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  135. Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  136. i o Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  137. áp suất d−ới đáy của một cột n−ớc đ−ợc tính P = ρh. P- áp suất ở đáy cột n−ớc ρ - trọng l−ợng riêng của chất lỏng h- chiều cao cột n−ớc hay mức n−ớc Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  138. o i Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  139. Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  140. 4.3. Ph−ơng pháp địên dung đo mức Điện dung của một tụ phẳng đ−ợc tính ε = C- điện dung của tụ điện ε - hằng số địên môi của chất cách điện giữa hai bản cực d - khoảng cách các điện cực Khi mức dầu ở 0 tức là trong thùng không có dầu, ta có C0 - điện dung của tụ khi điện môi là không khí h - chiều cao bản cực ε = 0 b - chiều rộng bản cực 0 d - khoảng cách các bản cực ε Khi đầy dầu = Khi dầu ở mức hx ta chia đ−ợc thành hai phần ε ε ( − ) = + 0 Đo Cx có thể suy ra hx. Trong cảm biến này C0, C X đều nhỏ (cỡ pF) vì thế nên mạch đo th−ờng dùng ở tần số cao. Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  141. i i Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  142. i i Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  143. i Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  144. i i Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  145. Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  146. Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  147. 4.4. Dùng siêu âm để đo mức Nội dung ph−ơng pháp nh− sau: ở trên đỉnh xilô đặt một nguồn phát siêu âm mạnh. Nguồn phát phát ra luồng siêu âm theo chiều xuống đáy xilô. Khi luồng siêu âm gặp mặt chất lỏng (hoặt hạt) nó phản xạ lên và đến đầu thu, thời gian từ lúc phát đến lúc thu = T - thời gian từ lúc phát đến lúc thu siêu âm X h - khoảng cách từ đỉnh xilô đến mặt chất lỏng. x C - tốc độ truyền siêu âm trong không khí (vào khoảng 300m/s). Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  148. o Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  149. Các thông số chuyển động Di chuyển hay khoảng dời A Tốc độ chuyển động = Gia tốc chuyển động γ = = Đối với chi tiết giao động hình sin thì tốc độ giao động i ω = = ωoω i Gia tốc γ = = ω i ω Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  150. Đo di chuyển i e i o i i Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  151. i i i i eo i Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  152. i eo Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  153. Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  154. B. Đo di chuyển kiểu đĩa quang Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  155. oe Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  156. 5.2. Đo vận tốc Sử dụng máy phát tốc: một chiều và xoay chiều Ψ = Ψ i ω Sức điện động cảm ứng: E= KφWn Ψ e = Sức điện động cảm ứng e = Ψ ωoω = oω Φ - Photođiốt TX - Tạo xung KĐT- Khoá điện tử ĐX- Đếm xung CT- Chỉ thị Đk - điều khiển Φ TX KĐT ĐX CT ĐK Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  157. 5.3. Tốc kế A. kiểu cảm ứng Mq=K I.B.I C ω = = = ω α=K. ω hay α=Kn. Tốc độ kế mẫu cảm biến 1- Đĩa nhôm; 2- kim chỉ; 4- lò xo phản kháng Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  158. B. Gia tốc kế kiểu áp điện Điện tích sinh ra trong chuyển đổi áp điện q=d 1F q gây ra điện áp trên điện cực của chuyển đổi áp điện q=CU = γ Gia tốc kế kiểu áp điện 1- Thân cảm biến; 2- Ren bắt vào đối t−ợng; 3- Chuyển đổi áp điện ; 4- Khối quán tính; 5- đầu dây ra; 6- cáp đồng trục Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  159. Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  160. C. Đo gia tốc kiểu điện dung Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  161. Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  162. Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  163. oe o ω o e o ω Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  164. ư o e Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  165. o Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  166. oi i i i i i Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  167. i i eo i Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  168. A. Cảm biến Hall đo di chuyển Di chuyển góc Di chuyển thẳng Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  169. i i i o i o Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  170. i Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  171. i Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  172. Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  173. Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  174. i i i i i i Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  175. i i i i i o i i i i Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  176. o Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  177. eeeee e eeee Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  178. i i i i Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  179. i i i i Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  180. i i Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  181. Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  182. Cảm biến cáp sợi quang Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  183. o Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  184. Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn
  185. Sưu tầm bởi: www.daihoc.com.vn