Cam bien cong nghiep
Transcript of Cam bien cong nghiep
- 5-
Ch−¬ng I
C¸c Kh¸i niÖm vµ ®Æc tr−ng c¬ b¶n
1.1. Kh¸i niÖm vµ ph©n lo¹i c¶m biÕn
1.1.1. Kh¸i niÖm
C¶m biÕn lµ thiÕt bÞ dïng ®Ó c¶m nhËn biÕn ®æi c¸c ®¹i l−îng vËt lý vµ c¸c ®¹i
l−îng kh«ng cã tÝnh chÊt ®iÖn cÇn ®o thµnh c¸c ®¹i l−îng ®iÖn cã thÓ ®o vµ xö lý
®−îc.
C¸c ®¹i l−îng cÇn ®o (m) th−êng kh«ng cã tÝnh chÊt ®iÖn (nh− nhiÖt ®é, ¸p suÊt
...) t¸c ®éng lªn c¶m biÕn cho ta mét ®Æc tr−ng (s) mang tÝnh chÊt ®iÖn (nh− ®iÖn
tÝch, ®iÖn ¸p, dßng ®iÖn hoÆc trë kh¸ng) chøa ®ùng th«ng tin cho phÐp x¸c ®Þnh gi¸
trÞ cña ®¹i l−îng ®o. §Æc tr−ng (s) lµ hµm cña ®¹i l−îng cÇn ®o (m):
( )mFs = (1.1)
Ng−êi ta gäi (s) lµ ®¹i l−îng ®Çu ra hoÆc lµ ph¶n øng cña c¶m biÕn, (m) lµ ®¹i
l−îng ®Çu vµo hay kÝch thÝch (cã nguån gèc lµ ®¹i l−îng cÇn ®o). Th«ng qua ®o ®¹c
(s) cho phÐp nhËn biÕt gi¸ trÞ cña (m).
1.1.2. Ph©n lo¹i c¶m biÕn
C¸c bé c¶m biÕn ®−îc ph©n lo¹i theo c¸c ®Æc tr−ng c¬ b¶n sau ®©y:
- Theo nguyªn lý chuyÓn ®æi gi÷a ®¸p øng vµ kÝch thÝch (b¶ng 1.1).
B¶ng 1.1
HiÖn t−îng ChuyÓn ®æi ®¸p øng vµ kÝch thÝch
HiÖn t−îng vËt lý
- NhiÖt ®iÖn
- Quang ®iÖn
- Quang tõ
- §iÖn tõ
- Quang ®µn håi
- Tõ ®iÖn
- NhiÖt tõ...
Ho¸ häc
- BiÕn ®æi ho¸ häc
- BiÕn ®æi ®iÖn ho¸
- Ph©n tÝch phæ ...
Sinh häc
- BiÕn ®æi sinh ho¸
- BiÕn ®æi vËt lý
- 6-
- HiÖu øng trªn c¬ thÓ sèng ...
- Ph©n lo¹i theo d¹ng kÝch thÝch (b¶ng 1.2)
B¶ng 1.2
¢m thanh
- Biªn pha, ph©n cùc
- Phæ
- Tèc ®é truyÒn sãng ...
§iÖn
- §iÖn tÝch, dßng ®iÖn
- §iÖn thÕ, ®iÖn ¸p
- §iÖn tr−êng (biªn, pha, ph©n cùc, phæ)
- §iÖn dÉn, h»ng sè ®iÖn m«i ...
Tõ
- Tõ tr−êng (biªn, pha, ph©n cùc, phæ)
- Tõ th«ng, c−êng ®é tõ tr−êng
- §é tõ thÈm ...
Quang
- Biªn, pha, ph©n cùc, phæ
- Tèc ®é truyÒn
- HÖ sè ph¸t x¹, khóc x¹
- HÖ sè hÊp thô, hÖ sè bøc x¹ ...
C¬
- VÞ trÝ
- Lùc, ¸p suÊt
- Gia tèc, vËn tèc
- øng suÊt, ®é cøng
- M« men
- Khèi l−îng, tØ träng
- VËn tèc chÊt l−u, ®é nhít ...
NhiÖt
- NhiÖt ®é
- Th«ng l−îng
- NhiÖt dung, tØ nhiÖt ...
Bøc x¹
- KiÓu
- N¨ng l−îng
- C−êng ®é ...
- 7-
- Theo tÝnh n¨ng cña bé c¶m biÕn (b¶ng 1.3)
B¶ng 1.3
- §é nh¹y
- §é chÝnh x¸c
- §é ph©n gi¶i
- §é chän läc
- §é tuyÕn tÝnh
- C«ng suÊt tiªu thô
- D¶i tÇn
- §é trÔ
- Kh¶ n¨ng qu¸ t¶i
- Tèc ®é ®¸p øng
- §é æn ®Þnh
- Tuæi thä
- §iÒu kiÖn m«i tr−êng
- KÝch th−íc, träng l−îng
- Ph©n lo¹i theo ph¹m vi sö dông ( b¶ng 1.4).
B¶ng 1.4
- C«ng nghiÖp
- Nghiªn cøu khoa häc
- M«i tr−êng, khÝ t−îng
- Th«ng tin, viÔn th«ng
- N«ng nghiÖp
- D©n dông
- Giao th«ng
- Vò trô
- Qu©n sù
- Ph©n lo¹i theo th«ng sè cña m« h×nh m¹ch thay thÕ :
+ C¶m biÕn tÝch cùc cã ®Çu ra lµ nguån ¸p hoÆc nguån dßng.
+ C¶m biÕn thô ®éng ®−îc ®Æc tr−ng b»ng c¸c th«ng sè R, L, C, M .... tuyÕn
tÝnh hoÆc phi tuyÕn.
1.2. §−êng cong chuÈn cña c¶m biÕn
1.2.1. Kh¸i niÖm
§−êng cong chuÈn c¶m biÕn lµ ®−êng cong biÓu diÔn sù phô thuéc cña ®¹i
l−îng ®iÖn (s) ë ®Çu ra cña c¶m biÕn vµo gi¸ trÞ cña ®¹i l−îng ®o (m) ë ®Çu vµo.
- 8-
§−êng cong chuÈn cã thÓ biÓu diÔn b»ng biÓu thøc ®¹i sè d−íi d¹ng ( )mFs = , hoÆc
b»ng ®å thÞ nh− h×nh 1.1a.
Dùa vµo ®−êng cong chuÈn cña c¶m biÕn, ta cã thÓ x¸c ®Þnh gi¸ trÞ mi ch−a
biÕt cña m th«ng qua gi¸ trÞ ®o ®−îc si cña s.
§Ó dÔ sö dông, ng−êi ta th−êng chÕ t¹o c¶m biÕn cã sù phô thuéc tuyÕn tÝnh
gi÷a ®¹i l−îng ®Çu ra vµ ®¹i l−îng ®Çu vµo, ph−¬ng tr×nh s= F(m) cã d¹ng s = am +b
víi a, b lµ c¸c hÖ sè, khi ®ã ®−êng cong chuÈn lµ ®−êng th¼ng (h×nh 1.1b).
1.2.2. Ph−¬ng ph¸p chuÈn c¶m biÕn
ChuÈn c¶m biÕn lµ phÐp ®o nh»m môc ®Ých x¸c lËp mèi quan hÖ gi÷a gi¸ trÞ s
®o ®−îc cña ®¹i l−îng ®iÖn ë ®Çu ra vµ gi¸ trÞ m cña ®¹i l−îng ®o cã tÝnh ®Õn c¸c
yÕu tè ¶nh h−ëng, trªn c¬ së ®ã x©y dùng ®−êng cong chuÈn d−íi d¹ng t−êng minh
(®å thÞ hoÆc biÓu thøc ®¹i sè). Khi chuÈn c¶m biÕn, víi mét lo¹t gi¸ trÞ ®· biÕt chÝnh
x¸c mi cña m, ®o gi¸ trÞ t−¬ng øng si cña s vµ dùng ®−êng cong chuÈn.
a) ChuÈn ®¬n gi¶n
Trong tr−êng hîp ®¹i l−îng ®o chØ cã mét ®¹i l−îng vËt lý duy nhÊt t¸c ®éng
lªn mét ®¹i l−îng ®o x¸c ®Þnh vµ c¶m biÕn sö dông kh«ng nh¹y víi t¸c ®éng cña c¸c
m1 m2
s1
s2
s
m
H×nh 1.2 Ph−¬ng ph¸p chuÈn c¶m biÕn
H×nh 1.1 §−êng cong chuÈn c¶m biÕn a) D¹ng ®−êng cong chuÈn b) §−êng cong chuÈn cña c¶m biÕn tuyÕn tÝnh
s
mi
si
m
a)
0
s
m
b)
0
- 9-
®¹i l−îng ¶nh h−ëng, ng−êi ta dïng ph−¬ng ph¸p chuÈn ®¬n gi¶n. Thùc chÊt cña
chuÈn ®¬n gi¶n lµ ®o c¸c gi¸ trÞ cña ®¹i l−îng ®Çu ra øng víi c¸c gi¸ x¸c ®Þnh kh«ng
®æi cña ®¹i l−îng ®o ë ®Çu vµo. ViÖc chuÈn ®−îc tiÕn hµnh theo hai c¸ch:
- ChuÈn trùc tiÕp: c¸c gi¸ trÞ kh¸c nhau cña ®¹i l−îng ®o lÊy tõ c¸c mÉu
chuÈn hoÆc c¸c phÇn tö so s¸nh cã gi¸ trÞ biÕt tr−íc víi ®é chÝnh x¸c cao.
- ChuÈn gi¸n tiÕp: kÕt hîp c¶m biÕn cÇn chuÈn víi mét c¶m biÕn so s¸nh ®·
cã s½n ®−êng cong chuÈn, c¶ hai ®−îc ®Æt trong cïng ®iÒu kiÖn lµm viÖc. Khi t¸c
®éng lªn hai c¶m biÕn víi cïng mét gi¸ trÞ cña ®¹i l−îng ®o ta nhËn ®−îc gi¸ trÞ
t−¬ng øng cña c¶m biÕn so s¸nh vµ c¶m biÕn cÇn chuÈn. LÆp l¹i t−¬ng tù víi c¸c gi¸
trÞ kh¸c cña ®¹i l−îng ®o cho phÐp ta x©y dùng ®−îc ®−êng cong chuÈn cña c¶m
biÕn cÇn chuÈn.
b) ChuÈn nhiÒu lÇn
Khi c¶m biÕn cã phÇn tö bÞ trÔ (trÔ c¬ hoÆc trÔ tõ), gi¸ trÞ ®o ®−îc ë ®Çu ra phô
thuéc kh«ng nh÷ng vµo gi¸ trÞ tøc thêi cña ®¹i l−îng cÇn ®o ë ®Çu vµo mµ cßn phô
thuéc vµo gi¸ trÞ tr−íc ®ã cña cña ®¹i l−îng nµy. Trong tr−êng hîp nh− vËy, ng−êi ta
¸p dông ph−¬ng ph¸p chuÈn nhiÒu lÇn vµ tiÕn hµnh nh− sau:
- §Æt l¹i ®iÓm 0 cña c¶m biÕn: ®¹i l−îng cÇn ®o vµ ®¹i l−îng ®Çu ra cã gi¸ trÞ
t−¬ng øng víi ®iÓm gèc, m=0 vµ s=0.
- §o gi¸ trÞ ®Çu ra theo mét lo¹t gi¸ trÞ t¨ng dÇn ®Õn gi¸ trÞ cùc ®¹i cña ®¹i
l−îng ®o ë ®Çu vµo.
- LÆp l¹i qu¸ tr×nh ®o víi c¸c gi¸ trÞ gi¶m dÇn tõ gi¸ trÞ cùc ®¹i.
Khi chuÈn nhiÒu lÇn cho phÐp x¸c ®Þnh ®−êng cong chuÈn theo c¶ hai h−íng ®o
t¨ng dÇn vµ ®o gi¶m dÇn.
1.3. C¸c ®Æc tr−ng c¬ b¶n
1.3.1. §é nh¹y cña c¶m biÕn
a) Kh¸i niÖm
§èi víi c¶m biÕn tuyÕn tÝnh, gi÷a biÕn thiªn ®Çu ra ∆s vµ biÕn thiªn ®Çu vµo
∆m cã sù liªn hÖ tuyÕn tÝnh:
m.Ss ∆=∆ (1.2)
§¹i l−îng S x¸c ®Þnh bëi biÓu thøc m
sS
∆∆
= ®−îc gäi lµ ®é nh¹y cña c¶m biÕn.
Tr−êng hîp tæng qu¸t, biÓu thøc x¸c ®Þnh ®é nh¹y S cña c¶m biÕn xung quanh
- 10-
gi¸ trÞ mi cña ®¹i l−îng ®o x¸c ®Þnh bëi tû sè gi÷a biÕn thiªn ∆s cña ®¹i l−îng ®Çu ra
vµ biÕn thiªn ∆m t−¬ng øng cña ®¹i l−îng ®o ë ®Çu vµo quanh gi¸ trÞ ®ã:
immm
sS
=
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛∆∆
= (1.3)
§Ó phÐp ®o ®¹t ®é chÝnh x¸c cao, khi thiÕt kÕ vµ sö dông c¶m biÕn cÇn lµm sao
cho ®é nh¹y S cña nã kh«ng ®æi, nghÜa lµ Ýt phô thuéc nhÊt vµo c¸c yÕu tè sau:
- Gi¸ trÞ cña ®¹i l−îng cÇn ®o m vµ tÇn sè thay ®æi cña nã.
- Thêi gian sö dông.
- ¶nh h−ëng cña c¸c ®¹i l−îng vËt lý kh¸c (kh«ng ph¶i lµ ®¹i l−îng ®o) cña
m«i tr−êng xung quanh.
Th«ng th−êng nhµ s¶n xuÊt cung cÊp gi¸ trÞ cña ®é nh¹y S t−¬ng øng víi
nh÷ng ®iÒu kiÖn lµm viÖc nhÊt ®Þnh cña c¶m biÕn.
b) §é nh¹y trong chÕ ®é tÜnh vµ tû sè chuyÓn ®æi tÜnh
§−êng chuÈn c¶m biÕn, x©y dùng trªn c¬ së ®o c¸c gi¸ trÞ si ë ®Çu ra t−¬ng øng
víi c¸c gi¸ trÞ kh«ng ®æi mi cña ®¹i l−îng ®o khi ®¹i l−îng nµy ®¹t ®Õn chÕ ®é lµm
viÖc danh ®Þnh ®−îc gäi lµ ®Æc tr−ng tÜnh cña c¶m biÕn. Mét ®iÓm Qi(mi,si) trªn ®Æc
tr−ng tÜnh x¸c ®Þnh mét ®iÓm lµm viÖc cña c¶m biÕn ë chÕ ®é tÜnh.
Trong chÕ ®é tÜnh, ®é nh¹y S x¸c ®Þnh theo c«ng thøc (1.3) chÝnh lµ ®é ®èc cña
®Æc tr−ng tÜnh ë ®iÓm lµm viÖc ®ang xÐt. Nh− vËy, nÕu ®Æc tr−ng tÜnh kh«ng ph¶i lµ
tuyÕn tÝnh th× ®é nh¹y trong chÕ ®é tÜnh phô thuéc ®iÓm lµm viÖc.
§¹i l−îng ri x¸c ®Þnh bëi tû sè gi÷a gi¸ trÞ si ë ®Çu ra vµ gi¸ trÞ mi ë ®Çu vµo
®−îc gäi lµ tû sè chuyÓn ®æi tÜnh:
iQ
i m
sr ⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛= (1.4)
Tõ (1.4), ta nhËn thÊy tû sè chuyÓn ®æi tÜnh ri kh«ng phô thuéc vµo ®iÓm lµm
viÖc Qi vµ chØ b»ng S khi ®Æc tr−ng tÜnh lµ ®−êng th¼ng ®i qua gèc to¹ ®é.
c) §é nh¹y trong chÕ ®é ®éng
§é nh¹y trong chÕ ®é ®éng ®−îc x¸c ®Þnh khi ®¹i l−îng ®o biÕn thiªn tuÇn
hoµn theo thêi gian.
Gi¶ sö biÕn thiªn cña ®¹i l−îng ®o m theo thêi gian cã d¹ng:
tcosmm)t(m 10 ω+= (1.5)
- 11-
Trong ®ã m0 lµ gi¸ trÞ kh«ng ®æi, m1 lµ biªn ®é vµ ω tÇn sè gãc cña biÕn thiªn
®¹i l−îng ®o.
ë ®Çu ra cña c¶m biÕn, håi ®¸p s cã d¹ng:
)tcos(ss)t(s 10 ϕ+ω+=
Trong ®ã:
- s0 lµ gi¸ trÞ kh«ng ®æi t−¬ng øng víi m0 x¸c ®Þnh ®iÓm lµm viÖc Q0 trªn
®−êng cong chuÈn ë chÕ ®é tÜnh.
- s1 lµ biªn ®é biÕn thiªn ë ®Çu ra do thµnh phÇn biÕn thiªn cña ®¹i l−îng ®o
g©y nªn.
- ϕ lµ ®é lÖch pha gi÷a ®¹i l−îng ®Çu vµo vµ ®¹i l−îng ®Çu ra.
Trong chÕ ®é ®éng, ®é nh¹y S cña c¶m biÕn ®−îc x¸c ®Þnh bëi tØ sè gi÷a biªn
®é cña biÕn thiªn ®Çu ra s1 vµ biªn ®é cña biÕn thiªn ®Çu vµo m1 øng víi ®iÓm lµm
viÖc ®−îc xÐt Q0, theo c«ng thøc:
0Q1
1
m
sS ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
§é nh¹y trong chÕ ®é ®éng phô thuéc vµo tÇn sè ®¹i l−îng ®o, )f(SS = . Sù
biÕn thiªn cña ®é nh¹y theo tÇn sè cã nguån gèc lµ do qu¸n tÝnh c¬, nhiÖt hoÆc ®iÖn
cña ®Çu ®o, tøc lµ cña c¶m biÕn vµ c¸c thiÕt bÞ phô trî, chóng kh«ng thÓ cung cÊp
tøc thêi tÝn hiÖu ®iÖn theo kÞp biÕn thiªn cña ®¹i l−îng ®o. Bëi vËy khi xÐt sù håi ®¸p
cã phô thuéc vµo tÇn sè cÇn ph¶i xem xÐt s¬ ®å m¹ch ®o cña c¶m biÕn mét c¸ch
tæng thÓ.
1.3.2. §é tuyÕn tÝnh
a) Kh¸i niÖm
Mét c¶m biÕn ®−îc gäi lµ tuyÕn tÝnh trong mét d¶i ®o x¸c ®Þnh nÕu trong d¶i
chÕ ®é ®ã, ®é nh¹y kh«ng phô thuéc vµo ®¹i l−îng ®o.
Trong chÕ ®é tÜnh, ®é tuyÕn tÝnh chÝnh lµ sù kh«ng phô thuéc cña ®é nh¹y cña
c¶m biÕn vµo gi¸ trÞ cña ®¹i l−îng ®o, thÓ hiÖn bëi c¸c ®o¹n th¼ng trªn ®Æc tr−ng
tÜnh cña c¶m biÕn vµ ho¹t ®éng cña c¶m biÕn lµ tuyÕn tÝnh chõng nµo ®¹i l−îng ®o
cßn n»m trong vïng nµy.
Trong chÕ ®é ®éng, ®é tuyÕn tÝnh bao gåm sù kh«ng phô thuéc cña ®é nh¹y ë
chÕ ®é tÜnh S(0) vµo ®¹i l−îng ®o, ®ång thêi c¸c th«ng sè quyÕt ®Þnh sù håi ®¸p (nh−
- 12-
tÇn sè riªng f0 cña dao ®éng kh«ng t¾t, hÖ sè t¾t dÇn ξ còng kh«ng phô thuéc vµo ®¹i
l−îng ®o.
NÕu c¶m biÕn kh«ng tuyÕn tÝnh, ng−êi ta ®−a vµo m¹ch ®o c¸c thiÕt bÞ hiÖu
chØnh sao cho tÝn hiÖu ®iÖn nhËn ®−îc ë ®Çu ra tØ lÖ víi sù thay ®æi cña ®¹i l−îng ®o
ë ®Çu vµo. Sù hiÖu chØnh ®ã ®−îc gäi lµ sù tuyÕn tÝnh ho¸.
b) §−êng th¼ng tèt nhÊt
Khi chuÈn c¶m biÕn, tõ kÕt qu¶ thùc nghiÖm ta nhËn ®−îc mét lo¹t ®iÓm t−¬ng
øng (si,mi) cña ®¹i l−îng ®Çu ra vµ ®¹i l−îng ®Çu vµo. VÒ mÆt lý thuyÕt, ®èi víi c¸c
c¶m biÕn tuyÕn tÝnh, ®−êng cong chuÈn lµ mét ®−êng th¼ng. Tuy nhiªn, do sai sè
khi ®o, c¸c ®iÓm chuÈn (mi, si) nhËn ®−îc b»ng thùc nghiÖm th−êng kh«ng n»m trªn
cïng mét ®−êng th¼ng.
§−êng th¼ng ®−îc x©y dùng trªn c¬ së c¸c sè liÖu thùc nghiÖm sao cho sai sè
lµ bÐ nhÊt, biÓu diÔn sù tuyÕn tÝnh cña c¶m biÕn ®−îc gäi lµ ®−êng th¼ng tèt nhÊt.
Ph−¬ng tr×nh biÓu diÔn ®−êng th¼ng tèt nhÊt ®−îc lËp b»ng ph−¬ng ph¸p b×nh
ph−¬ng bÐ nhÊt. Gi¶ sö khi chuÈn c¶m biÕn ta tiÕn hµnh víi N ®iÓm ®o, ph−¬ng tr×nh
cã d¹ng:
bams +=
Trong ®ã:
( )2i
2i
iiii
mm.N
m.sm.s.Na
∑ ∑∑ ∑∑
−
−=
( )∑ ∑
∑ ∑ ∑ ∑−
−=
2i
2i
iii2ii
mm.N
m.s.mm.sb
c) §é lÖch tuyÕn tÝnh
§èi víi c¸c c¶m biÕn kh«ng hoµn toµn tuyÕn tÝnh, ng−êi ta ®−a ra kh¸i niÖm ®é
lÖch tuyÕn tÝnh, x¸c ®Þnh bëi ®é lÖch cùc ®¹i gi÷a ®−êng cong chuÈn vµ ®−êng th¼ng
tèt nhÊt, tÝnh b»ng % trong d¶i ®o.
1.3.3. Sai sè vµ ®é chÝnh x¸c
C¸c bé c¶m biÕn còng nh− c¸c dông cô ®o l−êng kh¸c, ngoµi ®¹i l−îng cÇn ®o
(c¶m nhËn) cßn chÞu t¸c ®éng cña nhiÒu ®¹i l−îng vËt lý kh¸c g©y nªn sai sè gi÷a
gi¸ trÞ ®o ®−îc vµ gi¸ trÞ thùc cña ®¹i l−îng cÇn ®o. Gäi ∆x lµ ®é lÖch tuyÖt ®èi gi÷a
gi¸ trÞ ®o vµ gi¸ trÞ thùc x (sai sè tuyÖt ®èi), sai sè t−¬ng ®èi cña bé c¶m biÕn ®−îc
tÝnh b»ng:
- 13-
100.x
x∆=δ [%]
Sai sè cña bé c¶m biÕn mang tÝnh chÊt −íc tÝnh bëi v× kh«ng thÓ biÕt chÝnh x¸c
gi¸ trÞ thùc cña ®¹i l−îng cÇn ®o. Khi ®¸nh gi¸ sai sè cña c¶m biÕn, ng−êi ta th−êng
ph©n chóng thµnh hai lo¹i: sai sè hÖ thèng vµ sai sè ngÉu nhiªn.
- Sai sè hÖ thèng: lµ sai sè kh«ng phô thuéc vµo sè lÇn ®o, cã gi¸ trÞ kh«ng ®æi
hoÆc thay ®æi chËm theo thêi gian ®o vµ thªm vµo mét ®é lÖch kh«ng ®æi gi÷a gi¸
trÞ thùc vµ gi¸ trÞ ®o ®−îc. Sai sè hÖ thèng th−êng do sù thiÕu hiÓu biÕt vÒ hÖ ®o, do
®iÒu kiÖn sö dông kh«ng tèt g©y ra. C¸c nguyªn nh©n g©y ra sai sè hÖ thèng cã thÓ
lµ:
Do nguyªn lý cña c¶m biÕn.
+ Do gi¸ trÞ cña ®¹i l−îng chuÈn kh«ng ®óng.
+ Do ®Æc tÝnh cña bé c¶m biÕn.
+ Do ®iÒu kiÖn vµ chÕ ®é sö dông.
+Do xö lý kÕt qu¶ ®o.
- Sai sè ngÉu nhiªn: lµ sai sè xuÊt hiÖn cã ®é lín vµ chiÒu kh«ng x¸c ®Þnh. Ta
cã thÓ dù ®o¸n ®−îc mét sè nguyªn nh©n g©y ra sai sè ngÉu nhiªn nh−ng kh«ng thÓ
dù ®o¸n ®−îc ®é lín vµ dÊu cña nã. Nh÷ng nguyªn nh©n g©y ra sai sè ngÉu nhiªn cã
thÓ lµ:
+ Do sù thay ®æi ®Æc tÝnh cña thiÕt bÞ.
+ Do tÝn hiÖu nhiÔu ngÉu nhiªn.
+ Do c¸c ®¹i l−îng ¶nh h−ëng kh«ng ®−îc tÝnh ®Õn khi chuÈn c¶m biÕn.
Chóng ta cã thÓ gi¶m thiÓu sai sè ngÉu nhiªn b»ng mét sè biÖn ph¸p thùc
nghiÖm thÝch hîp nh− b¶o vÖ c¸c m¹ch ®o tr¸nh ¶nh h−ëng cña nhiÔu, tù ®éng ®iÒu
chØnh ®iÖn ¸p nguån nu«i, bï c¸c ¶nh h−ëng nhiÖt ®é, tÇn sè, vËn hµnh ®óng chÕ ®é
hoÆc thùc hiÖn phÐp ®o l−êng thèng kª.
1.3.4. §é nhanh vµ thêi gian håi ®¸p
§é nhanh lµ ®Æc tr−ng cña c¶m biÕn cho phÐp ®¸nh gi¸ kh¶ n¨ng theo kÞp vÒ
thêi gian cña ®¹i l−îng ®Çu ra khi ®¹i l−îng ®Çu vµo biÕn thiªn. Thêi gian håi ®¸p lµ
®¹i l−îng ®−îc sö dông ®Ó x¸c ®Þnh gi¸ trÞ sè cña ®é nhanh.
§é nhanh tr lµ kho¶ng thêi gian tõ khi ®¹i l−îng ®o thay ®æi ®ét ngét ®Õn khi
biÕn thiªn cña ®¹i l−îng ®Çu ra chØ cßn kh¸c gi¸ trÞ cuèi cïng mét l−îng giíi h¹n ε
tÝnh b»ng %. Thêi gian håi ®¸p t−¬ng øng víi ε% x¸c ®Þnh kho¶ng thêi gian cÇn
- 14-
thiÕt ph¶i chê ®îi sau khi cã sù biÕn thiªn cña ®¹i l−îng ®o ®Ó lÊy gi¸ trÞ cña ®Çu ra
víi ®é chÝnh x¸c ®Þnh tr−íc. Thêi gian håi ®¸p ®Æc tr−ng cho chÕ ®é qu¸ ®é cña c¶m
biÕn vµ lµ hµm cña c¸c th«ng sè thêi gian x¸c ®Þnh chÕ ®é nµy.
Trong tr−êng hîp sù thay ®æi cña ®¹i l−îng ®o cã d¹ng bËc thang, c¸c th«ng sè
thêi gian gåm thêi gian trÔ khi t¨ng (tdm) vµ thêi gian t¨ng (tm) øng víi sù t¨ng ®ét
ngét cña ®¹i l−îng ®o hoÆc thêi gian trÔ khi gi¶m (tdc) vµ thêi gian gi¶m (tc) øng víi
sù gi¶m ®ét ngét cña ®¹i l−îng ®o. Kho¶ng thêi gian trÔ khi t¨ng tdm lµ thêi gian cÇn
thiÕt ®Ó ®¹i l−îng ®Çu ra t¨ng tõ gi¸ trÞ ban ®Çu cña nã ®Õn 10% cña biÕn thiªn tæng
céng cña ®¹i l−îng nµy vµ kho¶ng thêi gian t¨ng tm lµ thêi gian cÇn thiÕt ®Ó ®¹i
l−îng ®Çu ra t¨ng tõ 10% ®Õn 90% biÕn thiªn biÕn thiªn tæng céng cña nã.
T−¬ng tù, khi ®¹i l−îng ®o gi¶m, thêi gian trÓ khi gi¶m tdc lµ thêi gian cÇn thiÕt
®Ó ®¹i l−îng ®Çu ra gi¶m tõ gi¸ trÞ ban ®Çu cña nã ®Õn 10% biÕn thiªn tæng céng
cña ®¹i l−îng nµy vµ kho¶ng thêi gian gi¶m tc lµ thêi gian cÇn thiÕt ®Ó ®¹i l−îng ®Çu
ra gi¶m tõ 10% ®Õn 90% biÕn thiªn biÕn thiªn tæng cæng cña nã.
C¸c th«ng sè vÒ thêi gian tr, tdm, tm, tdc, tc cña c¶m biÕn cho phÐp ta ®¸nh gi¸ vÒ
thêi gian håi ®¸p cña nã.
1.3.5. Giíi h¹n sö dông cña c¶m biÕn
Trong qu¸ tr×nh sö dông, c¸c c¶m biÕn lu«n chÞu t¸c ®éng cña øng lùc c¬ häc,
t¸c ®éng nhiÖt... Khi c¸c t¸c ®éng nµy v−ît qu¸ ng−ìng cho phÐp, chóng sÏ lµm thay
®æi ®Æc tr−ng lµm viÖc cña c¶m biÕn. Bëi vËy khi sö dông c¶m biÕn, ng−êi sö dông
cÇn ph¶i biÕt râ c¸c giíi h¹n nµy.
a) Vïng lµm viÖc danh ®Þnh
H×nh 1.3 X¸c ®Þnh c¸c kho¶ng thêi gian ®Æc tr−ng cho chÕ ®é qu¸ ®é
m
m0
t
0s
s
0,9
t0,1
tdm tm tdc tc
- 15-
Vïng lµm viÖc danh ®Þnh t−¬ng øng víi nh÷ng ®iÒu kiÖn sö dông b×nh th−êng
cña c¶m biÕn. Giíi h¹n cña vïng lµ c¸c gi¸ trÞ ng−ìng mµ c¸c ®¹i l−îng ®o, c¸c ®¹i
l−îng vËt lý cã liªn quan ®Õn ®¹i l−îng ®o hoÆc c¸c ®¹i l−îng ¶nh h−ëng cã thÓ
th−êng xuyªn ®¹t tíi mµ kh«ng lµm thay ®æi c¸c ®Æc tr−ng lµm viÖc danh ®Þnh cña
c¶m biÕn.
b) Vïng kh«ng g©y nªn h− háng
Vïng kh«ng g©y nªn h− háng lµ vïng mµ khi mµ c¸c ®¹i l−îng ®o hoÆc c¸c ®¹i
l−îng vËt lý cã liªn quan vµ c¸c ®¹i l−îng ¶nh h−ëng v−ît qua ng−ìng cña vïng
lµm viÖc danh ®Þnh nh−ng vÉn cßn n»m trong ph¹m vi kh«ng g©y nªn h− háng, c¸c
®Æc tr−ng cña c¶m biÕn cã thÓ bÞ thay ®æi nh−ng nh÷ng thay ®æi nµy mang tÝnh
thuËn nghÞch, tøc lµ khi trë vÒ vïng lµm viÖc danh ®Þnh c¸c ®Æc tr−ng cña c¶m biÕn
lÊy l¹i gi¸ trÞ ban ®Çu cña chóng.
c) Vïng kh«ng ph¸ huû
Vïng kh«ng ph¸ hñy lµ vïng mµ khi mµ c¸c ®¹i l−îng ®o hoÆc c¸c ®¹i l−îng
vËt lý cã liªn quan vµ c¸c ®¹i l−îng ¶nh h−ëng v−ît qua ng−ìng cña vïng kh«ng
g©y nªn h− háng nh−ng vÉn cßn n»m trong ph¹m vi kh«ng bÞ ph¸ hñy, c¸c ®Æc tr−ng
cña c¶m biÕn bÞ thay ®æi vµ nh÷ng thay ®æi nµy mang tÝnh kh«ng thuËn nghÞch, tøc
lµ khi trë vÒ vïng lµm viÖc danh ®Þnh c¸c ®Æc tr−ng cña c¶m biÕn kh«ng thÓ lÊy l¹i
gi¸ trÞ ban ®Çu cña chóng. Trong tr−êng hîp nµy c¶m biÕn vÉn cßn sö dông ®−îc,
nh−ng ph¶i tiÕn hµnh chuÈn l¹i c¶m biÕn.
1.4. Nguyªn lý chung chÕ t¹o c¶m biÕn
C¸c c¶m biÕn ®−îc chÕ t¹o dùa trªn c¬ së c¸c hiÖn t−îng vËt lý vµ ®−îc ph©n
lµm hai lo¹i:
- C¶m biÕn tÝch cùc: lµ c¸c c¶m biÕn ho¹t ®éng nh− mét m¸y ph¸t, ®¸p øng
(s) lµ ®iÖn tÝch, ®iÖn ¸p hay dßng.
- C¶m biÕn thô ®éng: lµ c¸c c¶m biÕn ho¹t ®éng nh− mét trë kh¸ng trong ®ã
®¸p øng (s) lµ ®iÖn trë, ®é tù c¶m hoÆc ®iÖn dung.
1.4.1. Nguyªn lý chÕ t¹o c¸c c¶m biÕn tÝch cùc
C¸c c¶m biÕn tÝch cùc ®−îc chÕ t¹o dùa trªn c¬ së øng dông c¸c hiÖu øng vËt
lý biÕn ®æi mét d¹ng n¨ng l−îng nµo ®ã (nhiÖt, c¬ hoÆc bøc x¹) thµnh n¨ng l−îng
®iÖn. D−íi ®©y m« t¶ mét c¸ch kh¸i qu¸t øng dông mét sè hiÖu øng vËt lý khi chÕ
t¹o c¶m biÕn.
- 16-
a) HiÖu øng nhiÖt ®iÖn
Hai d©y dÉn (M1) vµ (M2) cã b¶n chÊt ho¸ häc kh¸c nhau ®−îc hµn l¹i víi
nhau thµnh mét m¹ch ®iÖn kÝn, nÕu nhiÖt ®é ë hai mèi hµn lµ T1 vµ T2 kh¸c nhau,
khi ®ã trong m¹ch xuÊt hiÖn mét suÊt ®iÖn ®éng e(T1, T2) mµ ®é lín cña nã phô
thuéc chªnh lÖch nhiÖt ®é gi÷a T1 vµ T2.
HiÖu øng nhiÖt ®iÖn ®−îc øng dông ®Ó ®o nhiÖt ®é T1 khi biÕt tr−íc nhiÖt ®é
T2, th−êng chän T2 = 0oC.
b) HiÖu øng ho¶ ®iÖn
Mét sè tinh thÓ gäi lµ tinh thÓ ho¶ ®iÖn (vÝ dô tinh thÓ sulfate triglycine) cã tÝnh
ph©n cùc ®iÖn tù ph¸t víi ®é ph©n cùc phô thuéc vµo nhiÖt ®é, lµm xuÊt hiÖn trªn c¸c
mÆt ®èi diÖn cña chóng nh÷ng ®iÖn tÝch tr¸i dÊu. §é lín cña ®iÖn ¸p gi÷a hai mÆt
phô thuéc vµo ®é ph©n cùc cña tinh thÓ ho¶ ®iÖn.
HiÖu øng ho¶ ®iÖn ®−îc øng dông ®Ó ®o th«ng l−îng cña bøc x¹ ¸nh s¸ng. Khi
ta chiÕu mét chïm ¸nh s¸ng vµo tinh thÓ ho¶ ®iÖn, tinh thÓ hÊp thô ¸nh s¸ng vµ nhiÖt
®é cña nã t¨ng lªn, lµm thay ®æi sù ph©n cùc ®iÖn cña tinh thÓ. §o ®iÖn ¸p V ta cã
thÓ x¸c ®Þnh ®−îc th«ng l−îng ¸nh s¸ng Φ.
c) HiÖu øng ¸p ®iÖn
Mét sè vËt liÖu gäi chung lµ vËt liÖu ¸p ®iÖn (nh− th¹ch anh ch¼ng h¹n) khi bÞ
biÕn d¹ng d−íc t¸c ®éng cña lùc c¬ häc, trªn c¸c mÆt ®èi diÖn cña tÊm vËt liÖu xuÊt
T1
T2
(M1)
(M2)
(M2)
e
H×nh 1.4. S¬ ®å hiÖu øng nhiÖt ®iÖn.
T1
v Φ
H×nh 1.5 øng dông hiÖu øng ho¶ ®iÖn
Φ
- 17-
hiÖn nh÷ng l−îng ®iÖn tÝch b»ng nhau nh−ng tr¸i dÊu, ®−îc gäi lµ hiÖu øng ¸p ®iÖn.
§o V ta cã thÓ x¸c ®Þnh ®−îc c−êng ®é cña lùc t¸c dông F.
d) HiÖu øng c¶m øng ®iÖn tõ
Khi mét d©y dÉn chuyÓn ®éng trong tõ tr−êng kh«ng ®æi, trong d©y dÉn xuÊt
hiÖn mét suÊt ®iÖn ®éng tû lÖ víi tõ th«ng c¾t ngang d©y trong mét ®¬n vÞ thêi gian,
nghÜa lµ tû lÖ víi tèc ®é dÞch chuyÓn cña d©y. T−¬ng tù nh− vËy, trong mét khung
d©y ®Æt trong tõ tr−êng cã tõ th«ng biÕn thiªn còng xuÊt hiÖn mét suÊt ®iÖn ®éng tû
lÖ víi tèc ®é biÕn thiªn cña tõ th«ng qua khung d©y.
HiÖu øng c¶m øng ®iÖn tõ ®−îc øng dông ®Ó x¸c ®Þnh tèc ®é dÞch chuyÓn cña
vËt th«ng qua viÖc ®o suÊt ®iÖn ®éng c¶m øng.
e) HiÖu øng quang ®iÖn
- HiÖu øng quang dÉn: (hay cßn gäi lµ hiÖu øng quang ®iÖn néi) lµ hiÖn t−îng
gi¶i phãng ra c¸c h¹t dÉn tù do trong vËt liÖu (th−êng lµ b¸n dÉn) khi chiÕu vµo
chóng mét bøc x¹ ¸nh s¸ng (hoÆc bøc x¹ ®iÖn tõ nãi chung) cã b−íc sãng nhá h¬n
mét ng−ìng nhÊt ®Þnh.
- HiÖu øng quang ph¸t x¹ ®iÖn tö: (hay cßn gäi lµ hiÖu øng quang ®iÖn
ngoµi) lµ hiÖn t−îng c¸c ®iÖn tö ®−îc gi¶i phãng vµ tho¸t khái bÒ mÆt vËt liÖu t¹o
thµnh dßng cã thÓ thu l¹i nhê t¸c dông cña ®iÖn tr−êng.
g) HiÖu øng quang - ®iÖn - tõ
Khi t¸c dông mét tõ tr−êng B vu«ng gãc víi bøc x¹ ¸nh s¸ng, trong vËt liÖu b¸n
e ΩΩ
H×nh 1.7 øng dông hiÖu øng c¶m øng ®iÖn tõ
B
V F
H×nh 1.6 øng dông hiÖu øng ¸p ®iÖn
F
- 18-
dÉn ®−îc chiÕu s¸ng sÏ xuÊt hiÖn mét hiÖu ®iÖn thÕ theo h−íng vu«ng gãc víi tõ
tr−êng B vµ h−íng bøc x¹ ¸nh s¸ng.
h) HiÖu øng Hall
Khi ®Æt mét tÊm máng vËt liÖu máng (th−êng lµ b¸n dÉn), trong ®ã cã
dßng ®iÖn ch¹y qua, vµo trong mét tõ tr−êng B cã ph−¬ng t¹o víi dßng ®iÖn I
trong tÊm mét gãc θ, sÏ xuÊt hiÖn mét hiÖu ®iÖn thÕ VH theo h−íng vu«ng gãc víi
B vµ I. BiÓu thøc hiÖu ®iÖn thÕ cã d¹ng:
θ= sin.B.I.KV HH
Trong ®ã KH lµ hÖ sè phô thuéc vµo vËt liÖu vµ kÝch th−íc h×nh häc cña tÊm vËt
liÖu.
HiÖu øng Hall ®−îc øng dông ®Ó x¸c ®Þnh vÞ trÝ cña mét vËt chuyÓn ®éng. VËt
cÇn x¸c ®Þnh vÞ trÝ liªn kÕt c¬ häc víi thanh nam ch©m, ë mäi thêi ®iÓm, vÞ trÝ thanh
nam ch©m x¸c ®Þnh gi¸ trÞ cña tõ tr−êng B vµ gãc θ t−¬ng øng víi tÊm b¸n dÉn
máng lµm vËt trung gian. V× vËy, hiÖu ®iÖn thÕ VH ®o ®−îc gi÷a hai c¹nh tÊm b¸n
dÉn lµ hµm phô thuéc vµo vÞ trÝ cña vËt trong kh«ng gian.
B
Φ
V Φ
H×nh 1.8 øng dông hiÖu øng quang - ®iÖn - tõ
θ
B
SN
v
X
X
H×nh 1.9 øng dông hiÖu øng Hall
- 19-
1.4.2. Nguyªn chÕ t¹o c¶m biÕn thô ®éng
C¶m biÕn thô ®éng th−êng ®−îc chÕ t¹o tõ mét trë kh¸ng cã c¸c th«ng sè chñ
yÕu nh¹y víi ®¹i l−îng cÇn ®o. Gi¸ trÞ cña trë kh¸ng phô thuéc kÝch th−íc h×nh häc,
tÝnh chÊt ®iÖn cña vËt liÖu chÕ t¹o (nh− ®iÖn trë suÊt ρ, ®é tõ thÈm µ, h»ng sè ®iÖn
m«i ε). V× vËy t¸c ®éng cña ®¹i l−îng ®o cã thÓ ¶nh h−ëng riªng biÖt ®Õn kÝch
th−íc h×nh häc, tÝnh chÊt ®iÖn hoÆc ®ång thêi c¶ hai.
Sù thay ®æi th«ng sè h×nh häc cña trë kh¸ng g©y ra do chuyÓn ®éng cña phÇn
tö chuyÓn ®éng hoÆc phÇn tö biÕn d¹ng cña c¶m biÕn. Trong c¸c c¶m biÕn cã phÇn
tö chuyÓn ®éng, mçi vÞ trÝ cña phÇn tö ®éng sÏ øng víi mét gi¸ trÞ x¸c ®Þnh cña trë
kh¸ng, cho nªn ®o trë kh¸ng cã thÓ x¸c ®Þnh ®−îc vÞ trÝ cña ®èi t−îng. Trong c¶m
biÕn cã phÇn tö biÕn d¹ng, sù biÕn d¹ng cña phÇn tö biÕn d¹ng d−íi t¸c ®éng cña ®¹i
l−îng ®o (lùc hoÆc c¸c ®¹i l−îng g©y ra lùc) g©y ra sù thay ®æi cña trë kh¸ng cña
c¶m biÕn. Sù thay ®æi trë kh¸ng do biÕn d¹ng liªn quan ®Õn lùc t¸c ®éng, do ®ã liªn
quan ®Õn ®¹i l−îng cÇn ®o. X¸c ®Þnh trë kh¸ng ta cã thÓ x¸c ®Þnh ®−îc ®¹i l−îng
cÇn ®o.
Sù thay ®æi tÝnh chÊt ®iÖn cña c¶m biÕn phô thuéc vµo b¶n chÊt vËt liÖu chÕ t¹o
trë kh¸ng vµ yÕu tè t¸c ®éng (nhiÖt ®é, ®é chiÕu s¸ng, ¸p suÊt, ®é Èm ...). §Ó chÕ t¹o
c¶m biÕn, ng−êi ta chän sao cho tÝnh chÊt ®iÖn cña nã chØ nh¹y víi mét trong c¸c ®¹i
l−îng vËt lý trªn, ¶nh h−ëng cña c¸c ®¹i l−îng kh¸c lµ kh«ng ®¸ng kÓ. Khi ®ã cã thÓ
thiÕt lËp ®−îc sù phô thuéc ®¬n trÞ gi÷a gi¸ trÞ ®¹i l−îng cÇn ®o vµ gi¸ trÞ trë kh¸ng
cña c¶m biÕn.
Trªn b¶ng 1.1 giíi thiÖu c¸c ®¹i l−îng cÇn ®o cã kh¶ n¨ng lµm thay ®æi tÝnh
chÊt ®iÖn cña vËt liÖu sö dông chÕ t¹o c¶m biÕn.
B¶ng 1.1
§¹i l−îng cÇn ®o §Æc tr−ng nh¹y c¶m Lo¹i vËt liÖu sö dông
NhiÖt ®é ρ Kim lo¹i (Pt, Ni, Cu)
B¸n dÉn
Bøc x¹ ¸nh s¸ng ρ B¸n dÉn
BiÕn d¹ng ρ
Tõ thÈm (µ)
Hîp kim Ni, Si pha t¹p
Hîp kim s¾t tõ
VÞ trÝ (nam ch©m) ρ VËt liÖu tõ ®iÖn trë:Bi, InSb
- 20-
1.5. M¹ch ®o
1.5.1. S¬ ®å m¹ch ®o
M¹ch ®o bao gåm toµn bé thiÕt bÞ ®o (trong ®ã cã c¶m biÕn) cho phÐp x¸c ®Þnh
chÝnh x¸c gi¸ trÞ cña ®¹i l−îng cÇn ®o trong nh÷ng ®iÒu kiÖn tèt nhÊt cã thÓ.
ë ®Çu vµo cña m¹ch, c¶m biÕn chÞu t¸c ®éng cña ®¹i l−îng cÇn ®o g©y nªn tÝn
hiÖu ®iÖn mang theo th«ng tin vÒ ®¹i cÇn ®o.
ë ®Çu ra cña m¹ch, tÝn hiÖu ®iÖn ®· qua xö lý ®−îc chuyÓn ®æi sang d¹ng cã
thÓ ®äc ®−îc trùc tiÕp gi¸ trÞ cÇn t×m cña ®¹i l−îng ®o. ViÖc chuÈn hÖ ®o ®¶m b¶o
cho mçi gi¸ trÞ cña chØ thÞ ®Çu ra t−¬ng øng víi mét gi¸ trÞ cña ®¹i l−îng ®o t¸c ®éng
ë ®Çu vµo cña m¹ch.
D¹ng ®¬n gi¶n cña m¹ch ®o gåm mét c¶m biÕn, bé phËn biÕn ®æi tÝn hiÖu vµ
thiÕt bÞ chØ thÞ, vÝ dô m¹ch ®o nhiÖt ®é gåm mét cÆp nhiÖt ghÐp nèi trùc tiÕp víi mét
miliv«n kÕ.
Trªn thùc tÕ, do c¸c yªu cÇu kh¸c nhau khi ®o, m¹ch ®o th−êng gåm nhiÒu
thµnh phÇn trong ®ã cã c¸c khèi ®Ó tèi −u ho¸ viÖc thu thËp vµ xö lý d÷ liÖu, ch¼ng
h¹n m¹ch tuyÕn tÝnh ho¸ tÝn hiÖu nhËn tõ c¶m biÕn, m¹ch khö ®iÖn dung ký sinh,
µV
H×nh 1.10 S¬ ®å m¹ch ®o nhiÖt ®é b»ng cÆp nhiÖt
FC (1)
D (2)
PA (3)
PC (4)
(5) ADC (6)
M¸y in
CPU (7)
Mµn h×nh
H×nh 1.11 M¹ch ®o ®iÖn thÕ bÒ mÆt 1) M¸y ph¸t chøc n¨ng 2) C¶m biÕn ®iÖn tÝch 3) TiÒn khuÕch ®¹i
4) So pha läc nhiÔu 5) KhuÕch ®¹i 6) ChuyÓn ®æi t−¬ng tù sè 7) M¸y tÝnh
- 21-
c¸c bé chuyÓn ®æi nhiÒu kªnh, bé khuÕch ®¹i, bé so pha läc nhiÔu, bé chuyÓn ®æi
t−¬ng tù - sè, bé vi xö lý, c¸c thiÕt bÞ hç trî... Trªn h×nh 1.11 biÓu diÔn s¬ ®å khèi
mét m¹ch ®iÖn ®o ®iÖn thÕ trªn bÒ mÆt mµng nh¹y quang ®−îc l¾p r¸p tõ nhiÒu phÇn
tö
1.5.2. Mét sè phÇn tö c¬ b¶n cña m¹ch ®o
a) Bé khuÕch ®¹i thuËt to¸n (K§TT)
Bé khuÕch ®¹i thuËt to¸n m¹ch tÝch hîp lµ bé khuÕch ®¹i dßng mét chiÒu cã
hai ®Çu vµo vµ mét ®Çu ra chung, th−êng gåm hµng tr¨m tranzito vµ c¸c ®iÖn trë, tô
®iÖn ghÐp nèi víi nhau. S¬ ®å bé khuÕch ®¹i thuËt to¸n biÓu diÔn trªn h×nh 1.12.
C¸c ®Æc tÝnh c¬ b¶n cña bé khuÕch ®¹i thuËt to¸n:
- Bé khuÕch ®¹i cã hai ®Çu vµo: mét ®Çu ®¶o (-), mét ®Çu kh«ng ®¶o (+).
- §iÖn trë vµo rÊt lín, cì hµng tr¨m MΩ ®Õn GΩ.
- §iÖn trë ra rÊt nhá, cì phÇn chôc Ω.
- §iÖn ¸p lÖch ®Çu vµo rÊt nhá, cì vµi nV.
- HÖ sè khuÕch ®¹i hë m¹ch rÊt lín, cì 100.000.
- D¶i tÇn lµm viÖc réng.
- HÖ sè suy gi¶m theo c¸ch nèi chung CMRR lµ tû sè hÖ sè khuÕch ®¹i cña bé
khuÕch ®¹i thuËt to¸n ®èi víi c¸c tÝn hiÖu sai lÖch vµ hÖ sè khuÕch ®¹i theo c¸ch nèi
chung cña cïng bé khuÕch ®¹i thuËt to¸n. Th«ng th−êng CMRR vµo kho¶ng 90 dB.
- Tèc ®é t¨ng h¹n chÕ sù biÕn thiªn cùc ®¹i cña ®iÖn ¸p tÝnh b»ng V/µs.
b) Bé khuÕch ®¹i ®o l−êng IA
Bé khuÕch ®¹i ®o l−êng IA cã hai ®Çu vµo vµ mét ®Çu ra. TÝn hiÖu ®Çu ra tû lÖ
víi hiÖu cña hai ®iÖn ¸p ®Çu vµo:
UA)UU(AUra ∆=−= −+
+
−
H×nh 1.12 S¬ ®å bé khuÕch ®¹i thuËt to¸n
K
Ura = K.Uvµo
Ura
- 22-
§Çu vµo vi sai ®ãng vai trß rÊt quan träng trong viÖc khö nhiÔu ë chÕ ®é chung
vµ t¨ng ®iÖn trë vµo cña K§TT. §iÖn ¸p trªn Ra ph¶i b»ng ®iÖn ¸p vi sai ®Çu vµo ∆U
vµ t¹o nªn dßng ®iÖn aR
Ui
∆= . C¸c ®iÖn ¸p ra tõ K§TT U1 vµ U2 ph¶i b»ng nhau vÒ
biªn ®é nh−ng ng−îc pha. §iÖn ¸p U3 cña tÇng thø hai biÕn ®æi ®Çu ra vi sai thµnh
®Çu ra ®¬n cùc. HÖ sè khuÕch ®¹i tæng cña IA b»ng:
1
3
a R
R
R
R21A ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+=
c) Khö ®iÖn ¸p lÖch
§èi víi mét bé khuÕch K§TT lý t−ëng khi hë m¹ch ph¶i cã ®iÖn ¸p ra b»ng
kh«ng khi hai ®Çu vµo nèi m¸t. Thùc tÕ v× c¸c ®iÖn ¸p bªn trong nªn t¹o ra mét ®iÖn
¸p nhá (®iÖn ¸p ph©n cùc) ë ®Çu vµo K§TT cì vµi mV, nh−ng khi sö dông m¹ch kÝn
®iÖn ¸p nµy ®−îc khuÕch ®¹i vµ t¹o nªn ®iÖn ¸p kh¸ lín ë ®Çu ra. §Ó khö ®iÖn ¸p
lÖch cã thÓ sö dông s¬ ®å h×nh 1.14, b»ng c¸ch ®iÒu chØnh biÕn trë R3.
H×nh 1.13 S¬ ®å bé khuÕch ®¹i ®o l−êng gåm ba K§TT ghÐp nèi ®iÖn trë
+
−
+
−
+
− R 10k
R 10k
Ra 1k
R2 10k R3 10k
R2 10k
R3
190k
U1
U2
U3
§Çu ra
−
+
H×nh 1.14 S¬ ®å m¹ch khö ®iÖn ¸p lÖch
+ 9V
R3 10k
R2
100k
- 9V
§Çu ra
+
−
1
2
3
45
6714
R1
1,01k§Çu vµo
7
- 23-
d) M¹ch lÆp l¹i ®iÖn ¸p
§Ó lÆp l¹i ®iÖn ¸p chÝnh x¸c, ng−êi ta sö dông bé K§TT lµm viÖc ë chÕ ®é
kh«ng ®¶o víi hÖ sè khuÕch ®¹i b»ng 1 s¬ ®å nh− h×nh 1.15.
Trong bé lÆp ®iÖn ¸p, cùc d−¬ng cña K§TT ®−îc nèi trùc tiÕp víi tÝn hiÖu vµo,
cßn cùc ©m ®−îc nèi trùc tiÕp víi ®Çu ra, t¹o nªn ®iÖn ¸p ph¶n håi 100% do ®ã hÖ sè
khuÕch ®¹i b»ng 1. M¹ch lÆp ®iÖn ¸p cã chøc n¨ng t¨ng ®iÖn trë ®Çu vµo, do vËy
th−êng dïng ®Ó nèi gi÷a hai kh©u trong m¹ch ®o.
e) M¹ch cÇu
CÇu Wheatstone th−êng ®−îc sö dông trong c¸c m¹ch ®o nhiÖt ®é, lùc, ¸p suÊt,
tõ tr−êng... CÇu gåm bèn ®iÖn trë R1, R2, R3 cè ®Þnh vµ R4 thay ®æi (m¾c nh− h×nh
1.16) ho¹t ®éng nh− cÇu kh«ng c©n b»ng dùa trªn viÖc ph¸t hiÖn ®iÖn ¸p qua ®−êng
chÐo cña cÇu.
Trong m¹ch cÇu, ®iÖn ¸p ra lµ hµm phi tuyÕn nh−ng ®èi víi biÕn ®æi nhá
(∆<0,05) cã thÓ coi lµ tuyÕn tÝnh. Khi R1 = R2 vµ R3 = R4 ®é nh¹y cña cÇu lµ cùc ®¹i.
Tr−êng hîp R1 >> R2 hoÆc R2 >> R1 ®iÖn ¸p ra cña cÇu gi¶m. §Æt K = R1/R2 ®é
nh¹y cña cÇu lµ:
( )2k1
K
R
U
+=α .
H×nh 1.15 S¬ ®å m¹ch lÆp ®iÖn ¸p
+ 9V
- 9V
§Çu ra
+
−2
3
4
6714
§Çu vµo
7
H×nh 1.15 S¬ ®å m¹ch cÇu
+
−
R1 R3
R2R4 = R(1+∆)
U Vra
- 24-
- 24 -
Ch−¬ng II
C¶m biÕn quang
2.1. TÝnh chÊt vµ ®¬n vÞ ®o ¸nh s¸ng
2.1.1. TÝnh chÊt cña ¸nh s¸ng
Nh− chóng ta ®· biÕt, ¸nh s¸ng võa cã tÝnh chÊt sãng võa cã tÝnh chÊt h¹t.
¸nh s¸ng lµ mét d¹ng cña sãng ®iÖn tõ, vïng ¸nh s¸ng nh×n thÊy cã b−íc sãng
tõ 0,4 - 0,75 µm. Trªn h×nh 2.1 biÓu diÔn phæ ¸nh s¸ng vµ sù ph©n chia thµnh c¸c d¶i
mµu cña phæ.
VËn tèc truyÒn ¸nh s¸ng trong ch©n kh«ng c = 299.792 km/s, trong m«i tr−êng
vËt chÊt vËn tèc truyÒn sãng gi¶m, ®−îc x¸c ®Þnh theo c«ng thøc:
n
cv =
n - chiÕt suÊt cña m«i tr−êng.
Mèi quan hÖ gi÷a tÇn sè ν vµ b−íc sãng λ cña ¸nh s¸ng x¸c ®Þnh bëi biÓu thøc:
- Khi m«i tr−êng lµ ch©n kh«ng : ν
=λc
- Khi m«i tr−êng lµ vËt chÊt : ν
=λv
.
Trong ®ã ν lµ tÇn sè ¸nh s¸ng.
TÝnh chÊt h¹t cña ¸nh s¸ng thÓ hiÖn qua sù t−¬ng t¸c cña ¸nh s¸ng víi vËt chÊt.
¸nh s¸ng gåm c¸c h¹t nhá gäi lµ photon, mçi h¹t mang mét n¨ng l−îng nhÊt ®Þnh,
n¨ng l−îng nµy chØ phô thuéc tÇn sè ν cña ¸nh s¸ng:
0,39
5
0,45
5
0,49
0
0,57
5
0,59
0
0,65
0
0,75
0
cùc tÝm tÝm lam lôc
vµng
da cam ®á hång ngo¹i
0,01 0,1 0,4 0,75 1,2 10 30 100
cùc tÝm hång ngo¹i h. ngo¹i xa
tr«n
g th
Êy
h.n.
ng¾n
λ(µm)
H×nh 2.1 Phæ ¸nh s¸ng
- 25 -
ν=φ hW (2.1)
Trong ®ã h lµ h»ng sè Planck (h = 6,6256.10-34J.s).
B−íc sãng cña bøc x¹ ¸nh s¸ng cµng dµi th× tÝnh chÊt sãng thÓ hiÖn cµng râ,
ng−îc l¹i khi b−íc sãng cµng ng¾n th× tÝnh chÊt h¹t thÓ hiÖn cµng râ.
2.1.2. C¸c ®¬n vÞ ®o quang
a) §¬n vÞ ®o n¨ng l−îng
- N¨ng l−îng bøc x¹ (Q): lµ n¨ng l−îng lan truyÒn hoÆc hÊp thô d−íi d¹ng bøc x¹ ®o
b»ng Jun (J).
- Th«ng l−îng ¸nh s¸ng (Φ): lµ c«ng suÊt ph¸t x¹, lan truyÒn hoÆc hÊp thô ®o b»ng
oat (W):
dt
dQ=Φ (2.2)
- C−êng ®é ¸nh s¸ng (I): lµ luång n¨ng l−îng ph¸t ra theo mét h−íng cho tr−íc øng
víi mét ®¬n vÞ gãc khèi, tÝnh b»ng oat/steriadian.
ΩΦ
=d
dI (2.3)
- §é chãi n¨ng l−îng (L): lµ tØ sè gi÷a c−êng ®é ¸nh s¸ng ph¸t ra bëi mét phÇn tö bÒ
mÆt cã diÖn tÝch dA theo mét h−íng x¸c ®Þnh vµ diÖn tÝch h×nh chiÕu dAn cña phÇn
tö nµy trªn mÆt ph¼ng P vu«ng gãc víi h−íng ®ã.
ndA
dIL = (2.4)
Trong ®ã dAn = dA.cosθ, víi θ lµ gãc gi÷a P vµ mÆt ph¼ng chøa dA.
§é chãi n¨ng l−îng ®o b»ng oat/Steriadian.m2.
- §é räi n¨ng l−îng (E): lµ tØ sè gi÷a luång n¨ng l−îng thu ®−îc bëi mét phÇn tö
bÒ mÆt vµ diÖn tÝch cña phÇn tö ®ã.
dA
dE
Φ= (2.5)
§é räi n¨ng l−îng ®o b»ng oat/m2.
b) §¬n vÞ ®o thÞ gi¸c
§é nh¹y cña m¾t ng−êi ®èi víi ¸nh s¸ng cã b−íc sãng kh¸c nhau lµ kh¸c nhau.
H×nh 2.2 biÓu diÔn ®é nh¹y t−¬ng ®èi cña m¾t V(λ) vµo b−íc sãng. C¸c ®¹i l−îng
thÞ gi¸c nhËn ®−îc tõ ®¹i l−îng n¨ng l−îng t−¬ng øng th«ng qua hÖ sè tØ lÖ K.V(λ).
- 26 -
Theo quy −íc, mét luång ¸nh s¸nh cã n¨ng l−îng 1W øng víi b−íc sãng λmax
t−¬ng øng víi luång ¸nh s¸ng b»ng 680 lumen, do ®ã K=680.
Do vËy luång ¸nh s¸ng ®¬n s¾c tÝnh theo ®¬n vÞ ®o thÞ gi¸c:
( ) ( ) ( )λΦλ=λΦ V680V lumen
§èi víi ¸nh s¸ng phæ liªn tôc:
λλλΦ
λ=Φ ∫λ
λ
dd
)(d)(V680
2
1
V lumen
T−¬ng tù nh− vËy ta cã thÓ chuyÓn ®æi t−¬ng øng c¸c ®¬n vÞ ®o n¨ng l−îng
vµ ®¬n vÞ ®o thÞ gi¸c.
B¶ng 2.1 liÖt kª c¸c ®¬n vÞ ®o quang c¬ b¶n.
B¶ng 2.1
§¹i l−îng ®o §¬n vÞ thÞ gi¸c §¬n vÞ n¨ng l−îng
Luång (th«ng l−îng) lumen(lm) oat(W)
C−êng ®é cadela(cd) oat/sr(W/sr)
§é chãi cadela/m2 (cd/m2) oat/sr.m2 (W/sr.m2)
§é räi lumen/m2 hay lux (lx) oat/m2 (W/m2)
N¨ng l−îng lumen.s (lm.s) jun (j)
2.2. C¶m biÕn quang dÉn
2.2.1. HiÖu øng quang dÉn
HiÖu øng quang dÉn (hay cßn gäi lµ hiÖu øng quang ®iÖn néi) lµ hiÖn t−îng
gi¶i phãng nh÷ng h¹t t¶i ®iÖn (h¹t dÉn) trong vËt liÖu d−íi t¸c dông cña ¸nh s¸ng
lµm t¨ng ®é dÉn ®iÖn cña vËt liÖu.
H×nh 2.2 §−êng cong ®é nh¹y t−¬ng ®èi cña m¾t
λ (µm)
V(λ)
0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8
0
0,5
1
λmax
- 27 -
Trong chÊt b¸n dÉn, c¸c ®iÖn tö liªn kÕt víi h¹t nh©n, ®Ó gi¶i phãng ®iÖn tö
khái nguyªn tö cÇn cung cÊp cho nã mét n¨ng l−îng tèi thiÓu b»ng n¨ng l−îng liªn
kÕt Wlk. Khi ®iÖn tö ®−îc gi¶i phãng khái nguyªn tö, sÏ t¹o thµnh h¹t dÉn míi trong
vËt liÖu.
H¹t dÉn ®−îc gi¶i phãng do chiÕu s¸ng phô thuéc vµo b¶n chÊt cña vËt liÖu bÞ
chiÕu s¸ng. §èi víi c¸c chÊt b¸n dÉn tinh khiÕt c¸c h¹t dÉn lµ cÆp ®iÖn tö - lç trèng.
§èi víi tr−êng hîp b¸n dÉn pha t¹p, h¹t dÉn ®−îc gi¶i phãng lµ ®iÖn tö nÕu lµ pha
t¹p dono hoÆc lµ lç trèng nÕu lµ pha t¹p acxepto.
Gi¶ sö cã mét tÊm b¸n dÉn ph¼ng thÓ tÝch V pha t¹p lo¹i N cã nång ®é c¸c
donor Nd, cã møc n¨ng l−îng n»m d−íi vïng dÉn mét kho¶ng b»ng Wd ®ñ lín ®Ó ë
nhiÖt ®é phßng vµ khi ë trong tèi nång ®é n0 cña c¸c donor bÞ ion ho¸ do nhiÖt lµ
nhá.
Khi ë trong tèi, nång ®é ®iÖn tö ®−îc gi¶i phãng trong mét ®¬n vÞ thêi gian tØ
lÖ víi nång ®é c¸c t¹p chÊt ch−a bÞ ion ho¸ vµ b»ng a(Nd -no), víi hÖ sè a x¸c ®Þnh
theo c«ng thøc:
+ læ trèng
- ®iÖn tö
hν
+ læ trèng hν
-
- ®iÖn tö
hν +
H×nh 2.3. ¶nh h−ëng cña b¶n chÊt vËt liÖu ®Õn h¹t dÉn ®−îc gi¶i phãng
+ ++ Wd
+ +++
hν hνVïng dÉn
Vïng ho¸ trÞ
H×nh 2.4. TÕ bµo quang dÉn vµ sù chuyÓn møc n¨ng l−îng cña ®iÖn tö
L
VchiÕu s¸ng
A
- 28 -
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛−=
kT
qWexpa d (2.6)
Trong ®ã q lµ trÞ tuyÖt ®èi cña ®iÖn tÝch ®iÖn tö, T lµ nhiÖt ®é tuyÖt ®èi cña
khèi vËt liÖu, k lµ h»ng sè.
Sè ®iÖn tö t¸i hîp víi c¸c nguyªn tö ®· bÞ ion ho¸ trong mét ®¬n vÞ thêi gian tØ
lÖ víi c¸c nguyªn tö ®· bÞ ion ho¸ n0 vµ nång ®é ®iÖn tö còng chÝnh b»ng n0 vµ b»ng
r. 20n , trong ®ã r lµ hÖ sè t¸i hîp.
Ph−¬ng tr×nh ®éng häc biÓu diÔn sù thay ®æi nång ®é ®iÖn tö tù do trong khèi
vËt liÖu cã d¹ng:
( ) 200d
0 n.rnNadt
dn−−=
ë tr¹ng th¸i c©n b»ng ta cã : 0dt
dn0 =
Suy ra:
2/1
d2
2
0 r
N.a
r4
a
r.2
an ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛++= (2.7)
§é dÉn trong tèi ®−îc biÓu diÔn bëi hÖ thøc:
00 nqµ=σ (2.8)
Trong ®ã µ lµ ®é linh ®éng cña ®iÖn tö.
Khi nhiÖt ®é t¨ng, ®é linh ®éng cña ®iÖn tö gi¶m, nh−ng sù t¨ng mËt ®é ®iÖn tö
tù do do sù kÝch thÝch nhiÖt lín h¬n nhiÒu nªn ¶nh h−ëng cña nã lµ nh©n tè quyÕt
®Þnh ®èi víi ®é dÉn.
Khi chiÕu s¸ng, c¸c photon sÏ ion ho¸ c¸c nguyªn tö donor, gi¶i phãng ra c¸c
®iÖn tö. Tuy nhiªn kh«ng ph¶i tÊt c¶ c¸c photon ®Ëp tíi bÒ mÆt vËt liÖu ®Òu gi¶i
phãng ®iÖn tö, mét sè bÞ ph¶n x¹ ngay ë bÒ mÆt, mét sè bÞ hÊp thô vµ chuyÓn n¨ng
l−îng cho ®iÖn tö d−íi d¹ng nhiÖt n¨ng, chØ phÇn cßn l¹i míi tham gia vµo gi¶i
phãng ®iÖn tö. Do vËy, sè ®iÖn tö (g) ®−îc gi¶i phãng do bÞ chiÕu s¸ng trong mét
gi©y øng víi mét ®¬n vÞ thÓ tÝch vËt liÖu, x¸c ®Þnh bëi c«ng thøc:
( )Φ
ν−η
==h
R1.
L.A
1
V
Gg (2.9)
Trong ®ã:
G - sè ®iÖn tö ®−îc gi¶i phãng trong thÓ tÝch V trong thêi gian mét gi©y.
V=A.L, víi A, L lµ diÖn tÝch mÆt c¹nh vµ chiÒu réng tÊm b¸n dÉn (h×nh 2.4).
- 29 -
η - hiÖu suÊt l−îng tö (sè ®iÖn tö hoÆc lç trèng trung b×nh ®−îc gi¶i phãng khi
mét photon bÞ hÊp thô).
R - lµ hÖ sè ph¶n x¹ cña bÒ mÆt vËt liÖu.
λ - b−íc sãng ¸nh s¸ng.
Φ - th«ng l−îng ¸nh s¸ng.
h - h»ng sè Planck.
Ph−¬ng tr×nh ®éng häc cña t¸i hîp trong tr−êng hîp nµy cã d¹ng:
( ) 2d n.rgnNa
dt
dn−+−=
Th«ng th−êng bøc x¹ chiÕu tíi ®ñ lín ®Ó sè ®iÖn tö ®−îc gi¶i phãng lín h¬n
rÊt nhiÒu so víi ®iÖn tö ®−îc gi¶i phãng do nhiÖt:
( )nNag d −>> vµ n>>n0
Trong ®iÒu kiÖn trªn, rót ra ph−¬ng tr×nh ®éng häc cho mËt ®é ®iÖn tö ë ®iÒu kiÖn
c©n b»ng d−íi t¸c dông chiÕu s¸ng:
2/1
r
gn ⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛= (2.10)
§é dÉn t−¬ng øng víi nång ®é ®iÖn tö ë ®iÒu kiÖn c©n b»ng:
nqµ=σ . (2.11)
Tõ c«ng thøc (2.9), (2.10) vµ (2.11) ta nhËn thÊy ®é dÉn lµ hµm kh«ng tuyÕn
tÝnh cña th«ng l−îng ¸nh s¸ng, nã tØ lÖ víi Φ1/2. Thùc nghiÖm cho thÊy sè mò cña
hµm Φ n»m trong kho¶ng 0,5 - 1.
2.2.2. TÕ bµo quang dÉn
a) VËt liÖu chÕ t¹o
TÕ bµo quang dÉn ®−îc chÕ t¹o c¸c b¸n dÉn ®a tinh thÓ ®ång nhÊt hoÆc ®¬n tinh
thÓ, b¸n dÉn riªng hoÆc b¸n dÉn pha t¹p.
- §a tinh thÓ: CdS, CdSe, CdTe.
PbS, PbSe, PbTe.
- §¬n tinh thÓ: Ge, Si tinh khiÕt hoÆc pha t¹p Au, Cu, Sb, In.
SbIn, AsIn, PIn, cdHgTe.
Vïng phæ lµm viÖc cña c¸c vËt liÖu nµy biÓu diÔn trªn h×nh 2.5
- 30 -
b) C¸c ®Æc tr−ng
- §iÖn trë : Gi¸ trÞ ®iÖn trë tèi RC0 cña c¸c quang ®iÖn trë phô thuéc rÊt lín vµo h×nh
d¹ng h×nh häc, kÝch th−íc, nhiÖt ®é vµ b¶n chÊt ho¸ lý cña vËt liÖu chÕ t¹o. C¸c chÊt
PbS, CdS, CdSe cã ®iÖn trë tèi rÊt lín ( tõ 104 Ω - 109 Ω ë 25oC), trong khi ®ã SbIn,
SbAs, CdHgTe cã ®iÖn trë tèi t−¬ng ®èi nhá ( tõ 10 Ω - 103 Ω ë 25oC). §iÖn trë Rc
cña c¶m biÕn gi¶m rÊt nhanh khi ®é räi t¨ng lªn. Trªn h×nh 2.6 lµ mét vÝ dô vÒ sù
thay ®æi cña ®iÖn trë c¶m biÕn theo ®é räi s¸ng.
TÕ bµo quang dÉn cã thÓ coi nh− mét m¹ch t−¬ng ®−¬ng gåm hai ®iÖn trë Rc0
vµ Rcp m¾c song song:
H×nh 2.5. Vïng phæ lµm viÖc cña mét sè vËt liÖu quang dÉn
0,2 0,6 1 2 3 4 5 10 20 30
CdS
CdSeCdTe
PbSPbSe
PbTeGe
SiGeCu
SnInAsIn
CdHg
λ, µm
H×nh 2.6. Sù phô thuéc cña ®iÖn trë vµo ®é räi s¸ng
§iÖn trë (Ω)
§é räi s¸ng (lx)0,1 1 10 100
102
104
106
106
1000
- 31 -
cpco
cpcoc RR
RRR
+= (2.12)
Trong ®ã:
Rco - ®iÖn trë trong tèi.
Rcp - ®iÖn trë khi chiÕu s¸ng: γ−Φ= aRcp .
a - hÖ sè phô thuéc vµo b¶n chÊt vËt liÖu, nhiÖt ®é, phæ bøc x¹.
γ - hÖ sè cã gi¸ trÞ tõ 0,5 - 1.
Th«ng th−êng Rcp <<Rc0, nªn cã thÓ coi Rc=Rcp. C«ng thøc (2.12) cho thÊy sù
phô thuéc cña ®iÖn trë cña tÕ bµo quang dÉn vµo th«ng l−îng ¸nh s¸ng lµ kh«ng
tuyÕn tÝnh, tuy nhiªn cã thÓ tuyÕn tÝnh hãa b»ng c¸ch sö dông mét ®iÖn trë m¾c song
song víi tÕ bµo quang dÉn. MÆt kh¸c, ®é nh¹y nhiÖt cña tÕ bµo quang dÉn phô thuéc
vµo nhiÖt ®é, khi ®é räi cµng lín ®é nh¹y nhiÖt cµng nhá.
- §é nh¹y: Theo s¬ ®å t−¬ng ®−¬ng cña tÕ bµo quang dÉn, ®é dÉn ®iÖn cña tÕ bµo
quang dÉn lµ tæng ®é dÉn trong tèi vµ ®é dÉn khi chiÕu s¸ng:
cpcoc GGG += (2.1)
Trong ®ã:
- Gco lµ ®é dÉn trong tèi: Gco = 1/Rco.
- Gcp lµ ®iÖn trë khi chiÕu s¸ng: Gco = 1/Rcp = Φγ/a.
Khi ®Æt ®iÖn ¸p V vµo tÕ bµo quang dÉn, dßng ®iÖn qua m¹ch:
P0cpco IIVGVGI +=+=
Trong ®iÒu kiÖn sö dông th«ng th−êng I0<<IP, do ®ã dßng quang ®iÖn cña tÕ bµo
quang dÉn x¸c ®Þnh bëi biÓu thøc:
γΦ=a
VIP (2.15)
§èi víi luång bøc x¹ cã phæ x¸c ®Þnh, tØ lÖ chuyÓn ®æi tÜnh:
1
a
VI −γΦ=Φ
(2.16)
Vµ ®é nh¹y:
1
a
VI −γΦγ=∆Φ∆
(2.17)
Tõ hai biÓu thøc (2.16) vµ (2.17) cã thÓ thÊy:
- 32 -
- TÕ bµo quang dÉn lµ mét c¶m biÕn kh«ng tuyÕn tÝnh, ®é nh¹y gi¶m khi bøc
x¹ t¨ng (trõ khi γ =1).
- Khi ®iÖn ¸p ®Æt vµo ®ñ nhá, ®é nh¹y tû lÖ thuËn víi ®iÖn ¸p ®Æt vµo tÕ bµo
quang dÉn. Khi ®iÖn ¸p ®Æt vµo lín, hiÖu øng Joule lµm t¨ng nhiÖt ®é, dÉn ®Õn ®é
nh¹y gi¶m (h×nh 2.7).
Tr−êng hîp bøc x¹ ¸nh s¸ng lµ ®¬n s¾c, Ip phô thuéc vµo λ, ®é nh¹y phæ cña tÕ
bµo quang dÉn x¸c ®Þnh nhê ®−êng cong biÓu diÔn sù phô thuéc cña håi ®¸p vµo
b−íc sãng (h×nh 2.8a)
)(
I)(S
λ∆Φ∆
=λ (2.28)
-150 -100 -50 0 50NhiÖt ®é (oC)
10
5
1
0,5
0,1
§é
nh¹y
t−¬n
g ®è
i
H×nh 2.7 ¶nh h−ëng cña nhiÖt ®é ®Õn ®é nh¹y cña tÕ bµo quang dÉn
H×nh 2.8 §é nh¹y cña tÕ bµo quang dÉn a) §−êng cong phæ håi ®¸p b) Sù thay ®æi cña ®é nh¹y theo nhiÖt ®é
a) B−íc sãng (µm)
§é
nh¹y
t−¬n
g ®è
i (%
)
1 2 31
3
5
10
30
50
100
b)NhiÖt ®é vËt ®en tuyÖt ®èi (K)
§é
nh¹y
t−¬n
g ®è
i
300 400 500 10-3
10-2
10-1
1
510
- 33 -
§é nh¹y phæ cña tÕ bµo quang dÉn lµ hµm phô thuéc nhiÖt ®é nguån s¸ng,
khi nhiÖt ®é t¨ng ®é nh¹y phæ t¨ng.
Khi bøc x¹ kh«ng ph¶i lµ ®¬n s¾c, dßng Ip vµ do ®ã ®é nh¹y toµn phÇn phô
thuéc phæ bøc x¹ (h×nh 2.8b).
c) §Æc ®iÓm vµ øng dông
§Æc ®iÓn chung cña c¸c tÕ bµo quang dÉn:
- Tû lÖ chuyÓn ®æi tÜnh cao.
- §é nh¹y cao.
- Håi ®¸p phô thuéc kh«ng tuyÕn tÝnh vµo th«ng l−îng.
- Thêi gian håi ®¸p lín.
- C¸c ®Æc tr−ng kh«ng æn ®Þnh do giµ ho¸.
- §é nh¹y phô thuéc nhiÖt ®é.
- Mét sè lo¹i ®ßi hái lµm nguéi.
Trong thùc tÕ, tÕ bµo quang dÉn ®−îc dïng trong hai tr−êng hîp:
- §iÒu khiÓn r¬ le: khi cã bøc x¹ ¸nh s¸ng chiÕu lªn tÕ bµo quang dÉn, ®iÖn trë
cña nã gi¶m ®¸ng kÓ, cho dßng ®iÖn ch¹y qua ®ñ lín, ®−îc sö dông trùc tiÕp hoÆc
qua khuÕch ®¹i ®Ó ®ãng më r¬le (h×nh 2.9).
- Thu tÝn hiÖu quang: dïng tÕ bµo quang dÉn ®Ó thu vµ biÕn tÝn hiÖu quang
thµnh xung ®iÖn. C¸c xung ¸nh s¸ng ng¾t qu¶ng ®−îc thÓ hiÖn qua xung ®iÖn, trªn
c¬ së ®ã cã thÓ lËp c¸c m¹ch ®Õm vËt hoÆc ®o tèc ®é quay cña ®Üa.
2.2.3. Photo®iot
a) CÊu t¹o vµ nguyªn lý ho¹t ®éng
XÐt hai tÊm b¸n dÉn, mét thuéc lo¹i N vµ mét thuéc lo¹i P, ghÐp tiÕp xóc nhau.
T¹i mÆt tiÕp xóc h×nh thµnh mét vïng nghÌo h¹t dÉn v× t¹i vïng nµy tån t¹i mét ®iÖn
tr−êng vµ h×nh thµnh hµng rµo thÕ Vb.
H×nh 2.9 Dïng tÕ bµo quang dÉn ®iÒu khiÓn r¬le a) §iÒu khiÓn trùc tiÕp b) §iÒu khiÓn th«ng qua tranzito khuÕch ®¹i
+ +
- 34 -
Khi kh«ng cã ®iÖn thÕ ë ngoµi ®Æt lªn chuyÓn tiÕp (V=0), dßmg ®iÖn ch¹y qua
chuyÓn tiÕp i = 0, thùc tÕ dßng I chÝnh lµ dßng tæng céng cña hai dßng ®iÖn b»ng
nhau vµ ng−îc chiÒu:
- Dßng khuÕch t¸n c¸c h¹t c¬ b¶n sinh ra khi ion ho¸ c¸c t¹p chÊt (lç trong
trong b¸n dÉn lo¹i P, ®iÖn tö trong b¸n dÉn lo¹i N) do n¨ng l−îng nhiÖt cña c¸c h¹t
dÉn c¬ b¶n ®ñ lín ®Ó v−ît qua hµng rµo thÕ.
- Dßng h¹t dÉn kh«ng c¬ b¶n sinh ra do kÝch thÝch nhiÖt (®iÖn tö trong b¸n dÉn
P, lç trèng trong b¸n dÉn N) chuyÓn ®éng d−íi t¸c dông cña ®iÖn tr−êng E trong
vïng nghÌo.
Khi cã ®iÖn ¸p ®Æt lªn ®i«t, hµng rµo thÕ thay ®æi kÐo theo sù thay ®æi dßng h¹t
c¬ b¶n vµ bÒ réng vïng nghÌo. Dßng ®iÖn qua chuyÓn tiÕp:
0d
0 IkT
qVexpII −⎥⎦
⎤⎢⎣⎡=
Khi ®iÖn ¸p ng−îc ®ñ lín (Vd<< - mV26q
kT−= ë 300K), chiÒu cao hµng rµo thÕ
lín ®Õn møc dßng khuÕch t¸n cña c¸c h¹t c¬ b¶n trë nªn rÊt nhá vµ cã thÓ bá qua
vµ chØ cßn l¹i dßng ng−îc cña ®i«t, khi ®ã i = I0.
Khi chiÕu s¸ng ®i«t b»ng bøc x¹ cã b−íc sãng nhá h¬n b−íc sãng ng−ìng, sÏ
xuÊt hiÖn thªm c¸c cÆp ®iÖn tö - lç trèng. §Ó c¸c h¹t dÉn nµy tham gia dÉn ®iÖn cÇn
ph¶i ng¨n c¶n sù t¸i hîp cña chóng, tøc lµ nhanh chãng t¸ch rêi cÆp ®iÖn tö - lç
trèng. Sù t¸ch cÆp ®iÖn tö - lç trèng chØ xÈy ra trong vïng nghÌo nhê t¸c dông cña
®iÖn tr−êng.
Vïng chuyÓn tiÕp
E P N
Vïng nghÌo
Vb
H×nh 2.10 S¬ ®å chuyÓn tiÕp P - N vµ hiÖu øng quang ®iÖn trong vïng nghÌo
− +
N
P
hν
−
+
Ir
Vïng nghÌo
- 35 -
Sè h¹t dÉn ®−îc gi¶i phãng phô thuéc vµo th«ng l−îng ¸nh s¸ng ®¹t tíi vïng
nghÌo vµ kh¶ n¨ng hÊp thô cña vïng nµy. Th«ng l−îng ¸nh s¸ng chiÕu tíi vïng
nghÌo phô thuéc ®¸ng kÓ vµo chiÒu dµy líp vËt liÖu mµ nã ®i qua:
x0e α−Φ=Φ
Trong ®ã hÖ sè α ≈ 105 cm-1. §Ó t¨ng th«ng l−îng ¸nh s¸ng ®Õn vïng nghÌo
ng−êi ta chÕ t¹o ®i«t víi phiÕn b¸n dÉn chiÒu dµy rÊt bÐ.
Kh¶ n¨ng hÊp thô bøc x¹ phô thuéc rÊt lín vµo bÒ réng vïng nghÌo. §Ó t¨ng kh¶
n¨ng më réng vïng nghÌo ng−êi ta dïng ®i«t PIN, líp b¸n dÉn riªng I kÑp gi÷a hai
líp b¸n dÉn P vµ N, víi lo¹i ®i«t nµy chØ cÇn ®iÖn ¸p ng−îc vµi v«n cã thÓ më réng
vïng nghÌo ra toµn bé líp b¸n dÉn I.
b) ChÕ ®é ho¹t ®éng
- ChÕ ®é quang dÉn:
S¬ ®å nguyªn lý (h×nh 2.12a) gåm mét nguån Es ph©n cùc ng−îc ®i«t vµ mét
®iÖn trë Rm ®Ó ®o tÝn hiÖu.
Dßng ng−îc qua ®i«t:
p0d
0r IIkT
qVexpII ++⎥⎦
⎤⎢⎣⎡−= (2.40)
H×nh 2.12 S¬ ®å nguyªn lý vµ chÕ ®é lµm viÖc
Vd
VR
Ir
Rm ES
a) b)
0 -10 -20 -30 -40
50µW
100µW
150µW
200µW
20
40
60
Th«ng l−îng
Ir
ES
−
+
I
N
P−
+
H×nh 2.11 CÊu t¹o ®i«t lo¹i PIN
Φ
- 36 -
Trong ®ã Ip lµ dßng quang ®iÖn:
( ) ( )Xexp
hc
R1qI 0p α−Φ
λ−η= (2.41)
Khi ®iÖn ¸p ng−îc Vd ®ñ lín, thµnh phÇn ⎥⎦⎤
⎢⎣⎡
kT
qVexp d → 0, ta cã:
P0R III +=
Th«ng th−êng I0 <<IP do ®ã IR ≈ IP.
Ph−¬ng tr×nh m¹ch ®iÖn:
DR VVE −=
Trong ®ã rmR IRV = cho phÐp vÏ ®−êng th¼ng t¶i ∆ (h×nh 2.11b).
Dßng ®iÖn ch¹y trong m¹ch:
mm
r R
V
R
EI +=
§iÓm lµm viÖc cña ®i«t lµ ®iÓm giao nhau gi÷a ®−îng th¼ng t¶i ∆ vµ ®−êng ®Æc
tuyÕn i-V víi th«ng l−îng t−¬ng øng. ChÕ ®é lµm viÖc nµy lµ tuyÕn tÝnh, VR tØ lÖ víi
th«ng l−îng.
- ChÕ ®é quang thÕ:
Trong chÕ ®é nµy kh«ng cã ®iÖn ¸p ngoµi ®Æt vµo ®i«t. §i«t lµm viÖc nh− mét
bé chuyÓn ®æi n¨ng l−îng t−¬ng ®−¬ng víi mét m¸y ph¸t vµ ng−êi ta ®o thÕ hë
m¹ch V0C hoÆc ®o dßng ng¾n m¹ch ISC.
§o thÕ hë m¹ch: Khi chiÕu s¸ng, dßng IP t¨ng lµm cho hµng rµo thÕ gi¶m mét
l−îng ∆Vb. Sù gi¶m chiÒu cao hµng rµo thÕ lµm cho dßng h¹t dÉn c¬ b¶n t¨ng lªn,
khi ®¹t c©n b»ng Ir = 0.
Ta cã: 0IIkT
qVexpI p0
d0 =++⎥⎦
⎤⎢⎣⎡−
Rót ra: ⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡+=∆
0
Pb I
I1log
q
kTV
§é gi¶m chiÒu cao ∆Vb cña hµng rµo thÕ cã thÓ x¸c ®Þnh ®−îc th«ng qua ®o ®iÖn
¸p gi÷a hai ®Çu ®i«t khi hë m¹ch.
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡+=
0
POC I
I1log
q
kTV
- 37 -
Khi chiÕu s¸ng yÕu IP <<I0:
0
POC I
I.
q
kTV =
Trong tr−êng hîp nµy VOC (kT/q=26mV ë 300K) nhá nh−ng phô thuéc tuyÕn tÝnh
vµo th«ng l−îng.
Khi chiÕu s¸ng m¹nh, IP >>I0 vµ ta cã:
0
POC I
Ilog
q
kTV =
Trong tr−êng hîp nµy VOC cã gi¸ trÞ t−¬ng ®èi lín (cì 0,1 - 0,6 V) nh−ng phô thuéc
vµo th«ng l−îng theo hµm logarit.
§o dßng ng¾n m¹ch: Khi nèi ng¾n m¹ch hai ®Çu ®i«t b»ng mét ®iÖn trë nhá h¬n
rd nµo ®ã, dßng ®o¶n m¹ch ISC chÝnh b»ng IP vµ tØ lÖ víi th«ng l−îng (h×nh 2.14):
PSC II =
H×nh 2.13 Sù phô thuéc cña thÕ hë m¹ch vµo th«ng l−îng
Th«ng lu−îng, mW0,1 1 10 100
0
0,2
0,4
VOC, V
H×nh 2.14 Sù phô thuéc cña dßng ng¾n m¹ch vµo th«ng l−îng ¸nh s¸ng
ISC,µV
Th«ng l−îng, mW0
10
20
0,1 0,2
- 38 -
§Æc ®iÓm quan träng cña chÕ ®é nµy lµ kh«ng cã dßng tèi, nhê vËy cã thÓ
gi¶m nhiÔu vµ cho phÐp ®o ®−îc th«ng l−îng nhá.
c) §é nh¹y
§èi víi bøc x¹ cã phæ x¸c ®Þnh, dßng quang ®iÖn IP tØ lÖ tuyÕn tÝnh víi th«ng
l−îng trong mét kho¶ng t−¬ng ®èi réng, cì 5 - 6 decad. §é nh¹y phæ x¸c ®Þnh theo
c«ng thøc:
( ) ( )
λα−−η
=∆Φ∆
=λhc
XexpR1qI)(S P
Víi λ ≤ λs.
§é nh¹y phæ phô thuéc vµo λ, hiÖu suÊt l−îng tö η, hÖ sè ph¶n x¹ R vµ hÖ sè
hÊp thô α.
Ng−êi sö dông cÇn ph¶i biÕt ®é nh¹y phæ dùa trªn ®−êng cong phæ håi ®¸p
S(λ)/S(λP) vµ gi¸ trÞ cña b−íc sãng λP øng víi ®é nh¹y cùc ®¹i. Th«ng th−êng S(λP)
n»m trong kho¶ng 0,1 - 1,0 A/W.
H×nh 2.15 Phæ ®é nh¹y cña photodiot
1,0
0,6
0,4
0,2
0,1
0,4 0,6 0,8 1,0 1,2
λ (µm)λP
0,04
S(λ) S(λP)
0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0λ (µm)
0
0,1
0,2
0,3
0,4
S (µA/µW)
H×nh 2.16 Sù phô thuéc cña ®é nh¹y vµo nhiÖt ®é
T1
T2>T1
T2
- 39 -
Khi nhiÖt ®é t¨ng, cùc ®¹i λP cña ®−êng cong phæ dÞch chuyÓn vÒ phÝa b−íc
sãng dµi. HÖ sè nhiÖt cña dßng quang dÉn dT
dI.
I
1 P
P cã gi¸ trÞ kho¶ng0,1%/oC.
d) S¬ ®å øng dông photodiot
- S¬ ®å lµm viÖc ë chÕ ®é quang dÉn:
§Æc tr−ng cña chÕ ®é quang dÉn:
+§é tuyÕn tÝnh cao.
+ Thêi gian håi ®¸p ng¾n.
+ D¶i th«ng lín.
H×nh 2.16 tr×nh bµy s¬ ®å ®o dßng ng−îc trong chÕ ®é quang dÉn.
S¬ ®å c¬ së (h×nh 2.17a):
r1
2m0 I
R
R1RV ⎥
⎦
⎤⎢⎣
⎡+=
Khi t¨ng ®iÖn trë Rm sÏ lµm gi¶m nhiÔu. Tæng trë vµo cña m¹ch khuÕch ®¹i
ph¶i lín ®Ó tr¸nh lµm gi¶m ®iÖn trë t¶i hiÖu dông cña ®i«t.
S¬ ®å t¸c ®éng nhanh (h×nh 2.17b):
( ) r210 IRRV +=
®iÖn trë cña ®iot nhá vµ b»ng K
RR 21 + trong ®ã K lµ hÖ sè khuÕch ®¹i ë tÇn sè lµm
viÖc. Tô C2 cã t¸c dông bï trõ ¶nh h−ëng cña tô kÝ sinh Cpl víi ®iÒu kiÖn
22pl1 CRCR = . Bé khuÕch ®¹i ë ®©y ph¶i cã dßng vµo rÊt nhá vµ sù suy gi¶m do nhiÖt
còng ph¶i kh«ng ®¸ng kÓ.
- S¬ ®å lµm viÖc ë chÕ ®é quang thÕ:
§Æc tr−ng cña chÕ ®é quang thÕ:
+ Cã thÓ lµm viÖc ë chÕ ®é tuyÕn tÝnh hoÆc logarit tuú thuéc vµo t¶i.
ES
Rm
Ir R1
R2
V0
CP1
Rm
ES
R1+R2
R1
V0
R2
H×nh 2.17 S¬ ®å m¹ch ®o dßng ng−îc trong chÕ ®é quang dÉn a) b)
+ +− −
C2
+
−
- 40 -
+ Ýt nhiÔu.
+ Thêi gian håi ®¸p lín.
+ D¶i th«ng nhá.
+ Nh¹y c¶m víi nhiÖt ®é ë chÕ ®é logarit.
S¬ ®å tuyÕn tÝnh (h×nh 2.18a): ®o dßng ng¾n m¹ch Isc.
Trong chÕ ®é nµy:
scm0 I.RV =
S¬ ®å logarit (h×nh 2.18b): ®o ®iÖn ¸p hë m¹ch Voc.
oc1
20 V
R
R1V ⎥
⎦
⎤⎢⎣
⎡+=
2.2.4. Phototranzito
a) CÊu t¹o vµ nguyªn lý ho¹t ®éng
Phototranzito lµ c¸c tranzito mµ vïng baz¬ cã thÓ ®−îc chiÕu s¸ng, kh«ng cã
®iÖn ¸p ®Æt lªn baz¬, chØ cã ®iÖn ¸p trªn C, ®ång thêi chuyÓn tiÕp B-C ph©n cùc
ng−îc.
H×nh 2.19 Phototranzito a) S¬ ®å m¹ch ®iÖn b) S¬ ®å t−¬ng ®−¬ng
c) T¸ch cÆp ®iÖn tö lç trèng khi chiÕu s¸ng baz¬
a) b) c)
| +
§iÖn thÕ
CBE
Vco
R1
R2
V0
+_IOC
R1=Rm
Rm
V0
_ +
H×nh 2.18 S¬ ®å m¹ch ®o ë chÕ ®é quang ¸p
a) b)
- 41 -
§iÖn ¸p ®Æt vµo tËp trung hÇu nh− toµn bé trªn chuyÓn tiÕp B-C (ph©n cùc
ng−îc) trong khi ®ã chªnh lÖch ®iÖn ¸p gi÷a E vµ B thay ®æi kh«ng ®¸ng kÓ (VBE ≈
0,6-0,7 V). Khi chuyÓn tiÕp B-C ®−îc chiÕu s¸ng, nã ho¹t ®éng gièng nh− photo®iot
ë chÕ ®é quang thÕ víi dßng ng−îc:
P0r III +=
Trong ®ã I0 lµ dßng ng−îc trong tèi, IP lµ dßng quang ®iÖn d−íi t¸c dông cña th«ng
l−îng Φ0 chiÕu qua bÒ dµy X cña baz¬ (b−íc sãng λ < λS):
( )
0P hc
)Xexp(R1qI Φλ
α−−η=
Dßng Ir ®ãng vai trß dßng baz¬, nã g©y nªn dßng colect¬ Ic:
( ) ( ) ( ) p0rc I1I1I1I +β++β=+β=
β - hÖ sè khuÕch ®¹i dßng cña tranzito khi ®Êu chung emit¬.
Cã thÓ coi phototranzito nh− tæ hîp cña mét photodiot vµ mét tranzito (h×nh 2.19b).
Phodiot cung cÊp dßng quang ®iÖn t¹i baz¬, cßn tranzito cho hiÖu øng khÕch ®¹i β.
C¸c ®iÖn tö vµ lç trèng ph¸t sinh trong vïng baz¬ (d−íi t¸c dông cña ¸nh s¸ng) sÏ bÞ
ph©n chia d−íi t¸c dông cña ®iÖn tr−êng trªn chuyÓn tiÕp B - C.
Trong tr−êng hîp tranzito NPN, c¸c ®iÖn tö bÞ kÐo vÒ phÝa colect¬ trong khi lç
trèng bÞ gi÷ l¹i trong vïng baz¬ (h×nh 2.19c) t¹o thµnh dßng ®iÖn tö tõ E qua B ®Õn
C. HiÖn t−îng xÈy ra t−¬ng tù nh− vËy nÕu nh− lç trèng phun vµo baz¬ tõ mét nguån
bªn ngoµi: ®iÖn thÕ baz¬ t¨ng lªn lµm gi¶m hµng rµo thÕ gi÷a E vµ B, ®iÒu nµy g©y
nªn dßng ®iÖn tö IE ch¹y tõ E ®Õn B vµ khuÕch t¸n tiÕp tõ B vÒ phÝa C.
b) §é nh¹y
Khi nhËn ®−îc th«ng l−îng Φ0, ®iot baz¬-colect¬ sinh ra dßng quang ®iÖn Ip,
dßng nµy g©y nªn trong phototranzito mét dßng ( ) pcp I1I +β= , trong ®ã gi¸ trÞ cña
Icp ®−îc rót ra tõ c«ng thøc cña Ip:
( ) ( ) ( )
0cp hc
XexpR1q1I Φλ
α−−η+β=
§èi víi mét th«ng l−îng Φ0 cho tr−íc, ®−êng cong phæ håi ®¸p x¸c ®Þnh bëi
b¶n chÊt cña ®iot B-C: vËt liÖu chÕ t¹o (th−êng lµ Si) vµ lo¹i pha t¹p (h×nh 2.20). §èi
víi mét b−íc sãng cho tr−íc, dßng colect¬ Ic kh«ng ph¶i lµ hµm tuyÕn tÝnh cña
- 42 -
th«ng l−îng hoÆc ®é chiÕu s¸ng bëi v× hÖ sè khuÕch ®¹i β phô thuéc vµo dßng Ic (tøc
lµ còng phô thuéc th«ng l−îng), nghÜa lµ 0
cI
∆Φ∆
phô thuéc vµo Φ0.
§é nh¹y phæ S(λp) ë b−íc sãng t−¬ng øng víi ®iÓm cùc ®¹i cã gi¸ trÞ n»m
trong kho¶ng 1 - 100A/W.
c) S¬ ®å dïng phototranzito
Phototranzito cã thÓ dïng lµm bé chuyÓn m¹ch, hoÆc lµm phÇn tö tuyÕn tÝnh. ë
chÕ ®é chuyÓn m¹ch nã cã −u ®iÓm so víi photodiot lµ cho phÐp sö dông mét c¸ch
trùc tiÕp dßng ch¹y qua t−¬ng ®èi lín. Ng−îc l¹i, ë chÕ ®é tuyÕn tÝnh, mÆc dï cho
®é khuÕch ®¹i nh−ng ng−êi ta thÝch dïng photo®iot v× nã cã ®é tuyÕn tÝnh tèt h¬n.
- Phototranzito chuyÓn m¹ch:
Trong tr−êng hîp nµy sö dông th«ng tin d¹ng nhÞ ph©n: cã hay kh«ng cã bøc
x¹, hoÆc ¸nh s¸ng nhá h¬n hay lín h¬n ng−ìng. Tranzito chÆn hoÆc b¶o hoµ cho
phÐp ®iÒu khiÓn trùc tiÕp (hoÆc sau khi khuÕch ®¹i) nh− mét r¬le, ®iÒu khiÓn mét
cæng logic hoÆc mét thyristo (h×nh 2.21).
S(λ) S(λp) (%)
100
80
60
40
20
0,4 0,6 0,8 1,0
λ (µm)
H×nh 2.20 §−êng cong phæ håi ®¸p cña photodiot
+ + +
+ +
H×nh 2.21 Photodiotzito trong chÕ ®é chuyÓn m¹ch a) R¬le b) R¬le sau khÕch ®¹i c) Cæng logic d) Thyristo
- 43 -
- Phototranzito trong chÕ ®é tuyÕn tÝnh:
Cã hai c¸ch sö dông trong chÕ ®é tuyÕn tÝnh.
- Tr−êng hîp thø nhÊt: ®o ¸nh s¸ng kh«ng ®æi (gièng nh− mét luxmet).
- Tr−êng hîp thø hai: thu nhËn tÝn hiÖu thay ®æi d¹ng:
( ) ( )tt 10 Φ+Φ=Φ
( ) ( )t.SItI 10cc Φ+Φ=
2.2.5. Phototranzito hiÖu øng tr−êng
Phototranzito hiÖu øng tr−êng (photoFET) cã s¬ ®å t−¬ng ®−¬ng nh− h×nh
2.23.
Trong phototranzito hiÖu øng tr−êng, ¸nh s¸ng ®−îc sö dông ®Ó lµm thay ®æi
®iÖn trë kªnh. ViÖc ®iÒu khiÓn dßng m¸ng ID ®−îc thùc hiÖn th«ng qua sù thay ®æi
®iÖn ¸p VGS gi÷a cæng vµ nguån. Trong chÕ ®é ph©n cùc ng−îc chuyÓn tiÕp P-N gi÷a
cæng vµ kªnh, ®iÖn ¸p nµy sÏ x¸c ®Þnh ®é réng cña kªnh vµ do ®ã dßng m¸ng cã
d¹ng:
2
P
GSDSSD V
V1II ⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+=
Víi IDS - dßng m¸ng khi VGS = 0.
+
H×nh 2.22 S¬ ®å nguyªn lý luxmet
Trong ®ã Φ1(t) lµ thµnh phÇn
thay ®æi víi biªn ®é nhá ®Ó sao cho
kh«ng dÉn tíi phototranzito bÞ chÆn
hoÆc b¶o hoµ vµ cã thÓ coi ®é hh¹y
kh«ng ®æi. Trong ®iÒu kiÖn ®ã, dßng
colect¬ cã d¹ng:
H×nh 2.23 Phototranzito hiÖu øng tr−êng a) S¬ ®å cÊu t¹o b) S¬ ®å m¹ch
-
G
D
S
b)a)
S
G
D
+
- 44 -
VP - ®iÖn ¸p th¾t kªnh.
Khi bÞ chiÕu s¸ng, chuyÓn tiÕp P-N ho¹t ®éng nh− mét photodiot cho dßng ng−îc:
P0r III +=
IP = SgΦ - dßng quang ®iÖn.
I0 - dßng ®iÖn trong tèi.
Sg - ®é nh¹y cña ®iot cæng - kªnh.
Φ - th«ng l−îng ¸nh s¸ng.
Dßng Ir ch¹y qua ®iÖn trë Rg cña m¹ch cæng x¸c ®Þnh ®iÖn thÕ VGS vµ vµ dßng m¸ng:
( ) gP0gGS EIIRV −+=
Eg - thÕ ph©n cùc cña cæng.
Phototranzito hiÖu øng tr−êng ®−îc øng dông nhiÒu trong viÖc ®iÒu khiÓn ®iÖn
¸p b»ng ¸nh s¸ng.
2.3. C¶m biÕn quang ®iÖn ph¸t x¹
2.3.1. HiÖu øng quang ®iÖn ph¸t x¹
HiÖu øng quang ®iÖn ph¸t x¹ hay cßn ®−îc gäi lµ hiÖu øng quang ®iÖn ngoµi lµ
hiÖn t−îng c¸c ®iÖn tö ®−îc gi¶i phãng khái bÒ mÆt vËt liÖu t¹o thµnh dßng khi chiÕu
vµo chóng mét bøc x¹ ¸nh s¸ng cã b−íc sãng nhá h¬n mét ng−ìng nhÊt ®Þnh vµ cã
thÓ thu l¹i nhê t¸c dông cña ®iÖn tr−êng.
C¬ chÕ ph¸t x¹ ®iÖn tö khi chiÕu s¸ng vËt liÖu xÈy ra theo ba giai ®o¹n:
- HÊp thô photon vµ gi¶i phãng ®iÖn tö bªn trong vËt liÖu.
- §iÖn tö võa ®−îc gi¶i phãng di chuyÓn ®Õn bÒ mÆt.
- §iÖn tö tho¸t khái bÒ mÆt vËt liÖu.
Khi mét ®iÖn tö hÊp thô photon vµ ®−îc gi¶i phãng, di chuyÓn cña nã trong
khèi vËt liÖu mang tÝnh ngÉu nhiªn theo mäi h−íng, do ®ã chØ mét l−îng rÊt nhá
h−íng tíi bÒ mÆt. MÆt kh¸c, trong qu¸ tr×nh di chuyÓn, c¸c ®iÖn tö nµy cã thÓ va
ch¹m víi c¸c ®iÖn tö kh¸c vµ mÊt ®i mét phÇn n¨ng l−îng do ®ã chØ mét l−îng nhá
®iÖn tö ®−îc gi¶i phãng tíi ®−îc bÒ mÆt. MÆt kh¸c, sù ph¸t x¹ cña c¸c ®iÖn tö sau
khi ®· ®Õn ®−îc bÒ mÆt chØ cã thÓ xÈy ra khi ®éng n¨ng cña nã ®ñ th¾ng ®−îc hµng
rµo thÕ ph©n c¸ch vËt liÖu víi m«i tr−êng.
Víi tÊt c¶ nh÷ng ®iÒu kiÖn trªn, sè ®iÖn tö ph¸t x¹ trung b×nh khi mét photon bÞ
hÊp thô (hiÖu suÊt l−îng tö ) th−êng nhá h¬n 10% vµ Ýt khi v−ît qu¸ 30%.
- 45 -
VËt liÖu chÕ t¹o: Phô thuéc vµo b−íc sãng ¸nh s¸ng, vËt liÖu chÕ t¹o photocatot
cã thÓ chän trong c¸c lo¹i sau:
- AgOCs nh¹y ë vïng hång ngo¹i.
- Cs3Sb, (Cs)Na2KSb vµ K2CsSb: nh¹y víi ¸nh s¸ng nh×n thÊy vµ vïng tö ngo¹i.
- Cs2Te, Rb2Te vµ CsTe chØ nh¹y trong vïng tö ngo¹i.
HiÖu suÊt l−îng tö cña c¸c vËt liÖu trªn ~ 1 - 30%.
Ngoµi ra cßn dïng c¸c hîp chÊt cña c¸c chÊt thuéc nhãm III - V, ®ã lµ c¸c hîp chÊt
GaAsxSb1-x , Ga1-xInxAs, InAsxP1-x, ng−ìng nh¹y s¸ng cña chóng n»m ë vïng hång
ngo¹i (λ ~1µm), hiÖu suÊt l−îng tö ®¹t tíi 30%.
2.3.2. TÕ bµo quang ®iÖn ch©n kh«ng
TÕ bµo quang ®iÖn ch©n kh«ng gåm mét èng h×nh trô cã mét cöa sæ trong suèt,
®−îc hót ch©n kh«ng (¸p suÊt ~ 10-6 - 10-8 mmHg). Trong èng ®Æt mét catot cã kh¶
n¨ng ph¸t x¹ khi ®−îc chiÕu s¸ng vµ mét anot.
S¬ ®å t−¬ng ®−¬ng vµ sù thay ®æi cña dßng anot Ia phô thuéc vµo ®iÖn thÕ anot -
catot Vak biÓu diÔn trªn h×nh 2.25.
A
K
H×nh 2.24 S¬ ®å cÊu t¹o tÕ bµo quang ®iÖn ch©n kh«ng
A
KΦ
A K
K
A Ia
E
Rm
Ia (µA)
Vak (V)
4,75 mW
2,37 mW
0,95 mW
4
3
2
1
0 20 40 60 80 100 120
H×nh 2.25 S¬ ®å t−¬ng ®−¬ng vµ ®Æc tr−ng I - v cña tÕ bµo quang ®iÖn ch©n kh«ng
a) b)
- 46 -
§Æc tr−ng I - V cã hai vïng râ rÖt:
+ Vïng ®iÖn tÝch kh«ng gian ®Æc tr−ng bëi sù t¨ng m¹nh cña dßng khi ®iÖn ¸p
t¨ng.
+ Vïng b¶o hoµ ®Æc tr−ng bëi sù phô thuéc kh«ng ®¸ng kÓ cña dßng vµo ®iÖn
¸p.
TÕ bµo quang ®iÖn ®−îc sö dông chñ yÕu trong vïng b¶o hoµ, khi ®ã nã gièng
nh− mét nguån dßng, gi¸ trÞ cña dßng chØ phô thuéc vµo th«ng l−îng ¸nh s¸ng mµ
nã nhËn ®−îc. §iÖn trë trong ρ cña tÕ bµo quang ®iÖn rÊt lín vµ cã thÓ x¸c ®Þnh tõ
®é dèc cña ®Æc tuyÕn ë vïng b¶o hoµ:
Φ⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
ρ ak
a
dV
dI1
§é nh¹y phæ cña tÕ bµo quang ®iÖn ®−îc biÓu diÔn th«ng qua gi¸ trÞ cña dßng anot
trong vïng b·o hoµ, th−êng vµo cì 10 - 100 mA/W.
2.3.3. TÕ bµo quang ®iÖn d¹ng khÝ
TÕ bµo quang ®iÖn d¹ng khÝ cã cÊu t¹o t−¬ng tù tÕ bµo quang ®iÖn ch©n kh«ng,
chØ kh¸c ë chç thÓ tÝch bªn trong cña ®Ìn ®−îc ®iÒn ®Çy b»ng khÝ, th−êng lµ khÝ
acgon, d−íi ¸p suÊt cì 10-1 - 10-2 mmHg.
Khi ®iÖn ¸p thÊp h¬n 20V, ®Æc tuyÕn I - V cã d¹ng gièng nh− tÕ bµo quang
®iÖn ch©n kh«ng. Khi ®iÖn ¸p cao, ®iÖn tö chuyÓn ®éng víi tèc ®é lín lµm ion ho¸
c¸c nguyªn tö khÝ, kÕt qu¶ lµ dßng anot t¨ng lªn tõ 5 - 10 lÇn.
2.3.4. ThiÕt bÞ nh©n quang
Khi bÒ mÆt vËt r¾n bÞ b¾n ph¸ bëi c¸c ®iÖn tö cã n¨ng l−îng cao, nã cã thÓ ph¸t
x¹ c¸c ®iÖn tö (gäi lµ ph¸t x¹ thø cÊp). NÕu sè ®iÖn tö ph¸t x¹ thø cÊp lín h¬n sè
0,5.10-2 lm
H×nh 2.26 §Æc tr−ng vµ ®é nh¹y cña tÕ bµo quang ®iÖn d¹ng khÝ
Ia (µA)
Vak (V)
2
1
0 20 40 60 80 100 120
10-2 lm
1,5.10-2 lm
2.10-2 lm
Vak (V)
6
2
0 20 40 60 80
4
8
§é
nh¹y
t−¬n
g ®è
i
- 47 -
®iÖn tö tíi th× cã kh¶ n¨ng khuÕch ®¹i tÝn hiÖu. Sù khuÕch ®¹i ®−îc thùc hiÖn b»ng
c¸c thiÕt bÞ nh©n quang (h×nh 2.27).
C¸c ®iÖn tö tíi (®iÖn tö s¬ cÊp) ®−îc ph¸t x¹ tõ mét photocatot ®Æt trong ch©n
kh«ng vµ bÞ chiÕu s¸ng. Sau ®ã chóng ®−îc tiªu tô trªn ®−îc cùc thø nhÊt cña d·y
c¸c ®iÖn cùc (dynode) nèi tiÕp. BÒ mÆt c¸c ®iÖn cùc nèi tiÕp phñ b»ng vËt liÖu cã
kh¶ n¨ng ph¸t x¹ ®iÖn tö thø cÊp. Theo chiÒu ®i tõ ®iÖn cùc thø nhÊt ®Õn c¸c ®iÖn
cùc tiÕp theo, ®iÖn thÕ cña c¸c ®iÖn cùc t¨ng dÇn sao cho c¸c ®iÖn tö sinh ra tõ ®iÖn
cùc thø k sÏ bÞ hót bëi ®iÖn cùc thø (k+1). KÕt qu¶ ë ®iÖn cùc sau sè ®iÖn tö lín h¬n
ë ®iÖn cùc tr−íc ®ã.
HÖ sè khuÕch ®¹i cña thiÕt bÞ nh©n quang x¸c ®Þnh theo c«ng thøc:
( )ntcM δηη=
ηc - hÖ sè thu nhËn ®iÖn tö h÷u hiÖu cña c¸c cùc.
ηt- hÖ sè chuyÓn t¶i h÷u hiÖu tõ ®iÖn cùc nµy sang ®iÖn cùc kh¸c.
δ - hÖ sè ph¸t x¹ thø cÊp (sè ®iÖn tö thø cÊp ph¸t ra khi cã mét ®iÖn tö ®Ëp vµo ®iÖn
cùc).
Víi sè ®iÖn cùc n = 5 - 15, hÖ sè ph¸t x¹ thø cÊp δ = 5 - 10 vµ ηt > 90%, th× M
~106 - 108.
H×nh 2.27 ThiÕt bÞ nh©n quang 1)b Photocatot 2) Dynode (®iÖn cùc thø cÊp)
K AΦ
1 2
- 48 -
- 48 -
Ch−¬ng III
C¶m biÕn ®o nhiÖt ®é
3.1. Kh¸i niÖm c¬ b¶n
NhiÖt ®é lµ mét trong sè nh÷ng ®¹i l−îng cã ¶nh h−ëng rÊt lín ®Õn tÝnh chÊt
vËt chÊt. Bëi vËy trong nghiªn cøu khoa häc, trong c«ng nghiÖp còng nh− trong ®êi
sèng hµng ngµy viÖc ®o nhiÖt ®é lµ rÊt cÇn thiÕt. Tuy nhiªn viÖc x¸c ®Þnh chÝnh x¸c
mét nhiÖt ®é lµ mét vÊn ®Ò kh«ng ®¬n gi¶n. §a sè c¸c ®¹i l−îng vËt lý ®Òu cã thÓ
x¸c ®Þnh trùc tiÕp nhê so s¸nh chóng víi mét ®¹i l−îng cïng b¶n chÊt. NhiÖt ®é lµ
®¹i l−îng chØ cã thÓ ®o gi¸n tiÕp dùa vµo sù phô thuéc cña tÝnh chÊt vËt liÖu vµo
nhiÖt ®é.
3.1.1. Thang ®o nhiÖt ®é
§Ó ®o nhiÖt ®é tr−íc hÕt ph¶i thiÕt lËp thang nhiÖt ®é. Thang nhiÖt ®é tuyÖt
®èi ®−îc thiÕt lËp dùa vµo tÝnh chÊt cña khÝ lý t−ëng.
Theo ®Þnh lý Carnot: hiÖu suÊt η cña mét ®éng c¬ nhiÖt thuËn nghÞch ho¹t
®éng gi÷a hai nguån cã nhiÖt ®é θ1 vµ θ2 trong mét thang ®o bÊt kú chØ phô thuéc
vµo θ1 vµ θ2:
( )( )2
1
F
F
θθ
=η (3.1)
D¹ng cña hµm F phô thuéc vµo thang ®o nhiÖt ®é. Ng−îc l¹i viÖc chän d¹ng hµm F
sÏ quyÕt ®Þnh thang ®o nhiÖt ®é. §Æt F(θ) = T, khi ®ã hiÖu suÊt nhiÖt cña ®éng c¬
nhiÖt thuËn nghÞch ®−îc viÕt nh− sau:
2
1
T
T1−=η (3.2)
Trong ®ã T1 vµ T2 lµ nhiÖt ®é ®éng häc tuyÖt ®èi cña hai nguån.
§èi víi chÊt khÝ lý t−ëng, néi n¨ng U chØ phô thuéc vµo nhiÖt ®é cña chÊt khÝ vµ
ph−¬ng tr×nh ®Æc tr−ng liªn hÖ gi÷a ¸p suÊt p, thÓ tÝch v vµ nhiÖt ®é cã d¹ng:
p.v=G(θ)
Cã thÓ chøng minh ®−îc r»ng:
G(θ)=RT
Trong ®ã R lµ h»ng sè khÝ lý t−ëng, T lµ nhiÖt ®é ®éng häc tuyÖt ®èi.
- 49 -
§Ó cã thÓ g¸n mét gi¸ trÞ sè cho T, cÇn ph¶i x¸c ®Þnh ®¬n vÞ cho nhiÖt ®é.
Muèn vËy chØ cÇn g¸n gi¸ trÞ cho nhiÖt ®é t−¬ng øng víi mét hiÖn t−îng nµo ®ã víi
®iÒu kiÖn hiÖn t−îng nµy hoµn toµn x¸c ®Þnh vµ cã tÝnh lÆp l¹i.
Thang Kelvin (Thomson Kelvin - 1852): Thang nhiÖt ®é ®éng häc tuyÖt ®èi,
®¬n vÞ nhiÖt ®é lµ K. Trong thang ®o nµy ng−êi ta g¸n cho nhiÖt ®é cña ®iÓm c©n
b»ng ba tr¹ng th¸i n−íc - n−íc ®¸ - h¬i mét gi¸ trÞ sè b»ng 273,15 K.
Thang Celsius (Andreas Celsius - 1742): Thang nhiÖt ®é b¸ch ph©n, ®¬n vÞ
nhiÖt ®é lµ oC vµ mét ®é Celsius b»ng mét ®é Kelvin.
NhiÖt ®é Celsius x¸c ®Þnh qua nhiÖt ®é Kelvin theo biÓu thøc:
T(oC)= T(K) - 273,15 (3.3)
Thang Fahrenheit (Fahrenheit - 1706): §¬n vÞ nhiÖt ®é lµ oF. Trong thang ®o
nµy, nhiÖt ®é cña ®iÓm n−íc ®¸ tan lµ 32oF vµ ®iÓm n−íc s«i lµ 212oF.
Quan hÖ gi÷a nhiÖt ®é Fahrenheit vµ nhiÖt Celssius:
( ) ( ) 32FT9
5CT oo −= (3.4)
( ) ( ) 32CT5
9FT oo += (3.5)
B¶ng 3.1 Cho c¸c gi¸ trÞ t−¬ng øng cña mét sè nhiÖt ®é quan träng theo c¸c thang
®o kh¸c nhau.
B¶ng 3.1
NhiÖ ®é Kelvin (K) Celsius (oC) Fahrenheit (oF)
§iÓm 0 tuyÖt ®èi 0 -273,15 -459,67
Hçn hîp n−íc - n−íc ®¸ 273,15 0 32
C©n b»ngn−íc - n−íc ®¸ - h¬i 273,16 0,01 32,018
N−íc s«i 373,15 100 212
3.1.2. NhiÖt ®é ®o ®−îc vµ nhiÖt ®é cÇn ®o
Gi¶ sö m«i tr−êng ®o cã nhiÖt ®é thùc b»ng Tx, nh−ng khi ®o ta chØ nhËn ®−îc
nhiÖt ®é Tc lµ nhiÖt ®é cña phÇn tö c¶m nhËn cña c¶m biÕn. NhiÖt ®é Tx gäi lµ nhiÖt
®é cÇn ®o, nhiÖt ®é Tc gäi lµ nhiÖt ®é ®o ®−îc. §iÒu kiÖn ®Ó ®o ®óng nhiÖt ®é lµ ph¶i
cã sù c©n b»ng nhiÖt gi÷a m«i tr−êng ®o vµ c¶m biÕn. Tuy nhiªn, do nhiÒu nguyªn
nh©n, nhiÖt ®é c¶m biÕn kh«ng bao giê ®¹t tíi nhiÖt ®é m«i tr−êng Tx, do ®ã tån t¹i
mét chªnh lÖch nhiÖt ®é Tx - Tc nhÊt ®Þnh. §é chÝnh x¸c cña phÐp ®o phô thuéc vµo
- 50 -
hiÖu sè Tx - Tc , hiÖu sè nµy cµng bÐ, ®é chÝnh x¸c cña phÐp ®o cµng cao. Muèn vËy
khi ®o cÇn ph¶i:
- T¨ng c−ênng sù trao ®æi nhiÖt gi÷a bé c¶m biÕn vµ m«i tr−êng ®o.
- Gi¶m sù trao ®æi nhiÖt gi÷a bé c¶m biÕn vµ m«i tr−êng bªn ngoµi.
Chóng ta h·y kh¶o s¸t tr−êng hîp ®o b»ng c¶m biÕn tiÕp xóc. L−îng nhiÖt
truyÒn tõ m«i tr−êng vµo bé c¶m biÕn x¸c ®Þnh theo c«ng thøc:
( )dtTTAdQ cx −α=
Víi: α - hÖ sè dÉn nhiÖt.
A - diÖn tÝch bÒ mÆt trao ®æi nhiÖt.
T - thêi gian trao ®æi nhiÖt.
L−îng nhiÖt c¶m biÕn hÊp thô:
cmCdTdQ =
Víi: m - khèi l−îng c¶m biÕn.
C - nhiÖt dung cña c¶m biÕn.
Nªu bá qua tæn thÊt nhiÖt cña c¶m biÕn ra m«i tr−êng ngoµi vµ gi¸ ®ì, ta cã:
( ) ccx mCdTdtTTA =−α
§Ó t¨ng c−êng trao ®æi nhiÖt gi÷a m«i tr−êng cã nhiÖt ®é cÇn ®o vµ c¶m biÕn
ta ph¶i dïng c¶m biÕn cã phÇn tö c¶m nhËn cã tØ nhiÖt thÊp, hÖ sè dÉn nhiÖt cao, ®Ó
h¹n chÕ tæn thÊt nhiÖt tõ c¶m biÕn ra ngoµi th× c¸c tiÕp ®iÓm dÉn tõ phÇn tö c¶m
nhËn ra m¹ch ®o bªn ngoµi ph¶i cã hÖ sè dÉn nhiÖt thÊp.
3.1.3. Ph©n lo¹i c¶m biÕn ®o nhiÖt ®é
C¸c c¶m biÕn ®o nhiÖt ®é ®−îc chia lµm hai nhãm:
- C¶m biÕn tiÕp xóc: c¶m biÕn tiÕp xóc víi m«i tr−êng ®o, gåm:
+ C¶m biÕn gi¶n në (nhiÖt kÕ gi¶n në).
+ C¶m biÕn ®iÖn trë (nhiÖt ®iÖn trë).
§Æt τ=αA
mC, gäi lµ h»ng sè thêi
gian nhiÖt, ta cã:
τ
=−
dt
TT
dT
cx
c
NghiÖm cña ph−¬ng tr×nh cã d¹ng:
τ−
−=t
xc keTT H×nh 3.1. Trao ®æi nhiÖt cña c¶m biÕn
Tx
T1
0,63Tx
τ t
- 51 -
+ CÆp nhiÖt ngÉu.
- C¶m biÕn kh«ng tiÕp xóc: ho¶ kÕ.
D−íi ®©y nghiªn cøu mét sè lo¹i c¶m biÕn c¬ b¶n.
3.2. NhiÖt kÕ gi·n në
Nguyªn lý ho¹t ®éng cña nhiÖt kÕ gi·n në dùa vµo sù gi·n në cña vËt liÖu khi
t¨ng nhiÖt ®é. NhiÖt kÕ lo¹i nµy cã −u ®iÓm kÕt cÊu ®¬n gi¶n, dÔ chÕ t¹o.
3.2.1. NhiÖt kÕ gi·n në dïng chÊt r¾n
Th−êng cã hai lo¹i: gèm vµ kim lo¹i, kim lo¹i vµ kim lo¹i.
- NhiÖt kÕ gèm - kim lo¹i(Dilatomet): gåm mét thanh gèm (1) ®Æt trong èng kim
lo¹i (2), mét ®Çu thanh gèm liªn kÕt víi èng kim lo¹i, cßn ®Çu A nèi víi hÖ thèng
truyÒn ®éng tíi bé phËn chØ thÞ. HÖ sè gi·n në nhiÖt cña kim lo¹i vµ cña gèm lµ αk
vµ αg. Do αk > αg, khi nhiÖt ®é t¨ng mét l−îng dt, thanh kim lo¹i gi·n thªm mét
l−îng dlk, thanh gèm gi·n thªm dlg víi dlk>dlg, lµm cho thanh gèm dÞch sang ph¶i.
DÞch chuyÓn cña thanh gèm phô thuéc dlk - dlg do ®ã phô thuéc nhiÖt ®é.
- NhiÖt kÕ kim lo¹i - kim lo¹i: gåm hai thanh kim lo¹i (1) vµ (2) cã hÖ sè gi·n në
nhiÖt kh¸c nhau liªn kÕt víi nhau theo chiÒu däc. Gi¶ sö α1 > α2 , khi gi·n në nhiÖt
hai thanh kim lo¹i cong vÒ phÝa thanh (2). Dùa vµo ®é cong cña thanh kim lo¹i ®Ó
x¸c ®Þnh nhiÖt ®é.
NhiÖt kÕ gi·n në dïng chÊt r¾n th−êng dïng ®Ó ®o nhiÖt ®é d−íi 700oC.
3.2.2. NhiÖt kÕ gi·n në dïng chÊt láng
NhiÖt kÕ gåm b×nh nhiÖt (1), èng mao dÉn (2) vµ chÊt láng (3). ChÊt láng sö
dông th−êng dïng lµ thuû ng©n cã hÖ sè gi·n në nhiÖt α =18.10-5/oC, vá nhiÖt kÕ
b»ng thuû tinh cã α =2.10-5/oC.
Khi ®o nhiÖt ®é, b×nh nhiÖt ®−îc ®Æt tiÕp xóc víi m«i tr−êng ®o. Khi nhiÖt ®é
t¨ng, chÊt láng gi·n në vµ d©ng lªn trong èng mao dÉn. Thang ®o ®−îc chia ®é trªn
H×nh 3.2 NhiÖt kÕ gi·n në a) NhiÖt kÕ gèm - kim lo¹i b) NhiÖt kÕ kim lo¹i - kim lo¹i
2
1a)
1
2
b)
A
- 52 -
vá theo däc èng mao dÉn.
D¶i nhiÖt ®é lµm viÖc tõ - 50 ÷ 600oC tuú theo vËt liÖu chÕ t¹o vá bäc.
3.3. NhiÖt kÕ ®iÖn trë
3.3.1. Nguyªn lý
HiÖn nay th−êng sö dông ba lo¹i ®iÖn trë ®o nhiÖt ®é ®ã lµ: ®iÖn trë kim lo¹i,
®iÖn trë silic vµ ®iÖn trë chÕ t¹o b»ng hçn hîp c¸c oxyt b¸n dÉn.
Tr−êng hîp ®iÖn trë kim lo¹i, hµm trªn cã d¹ng:
( )320 CTBTAT1R)T(R +++= (3.6)
Trong ®ã nhiÖt ®é T ®o b»ng oC, T0=0oC vµ A, B, C lµ c¸c hÖ sè thùc nghiÖm.
Tr−êng hîp ®iÖn trë lµ hçn hîp c¸c oxyt b¸n dÉn:
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−=
00 T
1
T
1Bexp.R)T(R (3.7)
T lµ nhiÖt ®é tuyÖt ®èi, B lµ hÖ sè thùc nghiÖm.
C¸c hÖ sè ®−îc x¸c ®Þnh chÝnh x¸c b»ng thùc nghiÖm khi ®o nh÷ng nhiÖt ®é ®·
biÕt tr−íc. Khi ®· biÕt gi¸ trÞ c¸c hÖ sè, tõ gi¸ trÞ cña R ng−êi ta x¸c ®Þnh ®−îc nhiÖt
®é cÇn ®o.
Khi ®é biÕn thiªn cña nhiÖt ®é ∆T (xung quanh gi¸ trÞ T) nhá, ®iÖn trë cã thÓ
coi nh− thay ®æi theo hµm tuyÕn tÝnh:
( ) ( )( )T1TRTTR R∆α+=∆+ (3.8)
Trong ®ã:
( ) dT
dR
TR
1R =α (3.9)
Nguyªn lý chung ®o nhiÖt ®é b»ng c¸c ®iÖn trë
lµ dùa vµo sù phô thuéc ®iÖn trë suÊt cña vËt liÖu theo
nhiÖt ®é.
Trong tr−êng hîp tæng qu¸t, sù thay ®æi ®iÖn trë
theo nhiÖt ®é cã d¹ng:
( ) ( )00 TTF.RTR −=
R0 lµ ®iÖn trë ë nhiÖt ®é T0, F lµ hµm ®Æc tr−ng cho vËt
liÖu vµ F = 1 khi T = T0.
1
2
3
H×nh 3.3 NhiÖt kÕ gi¶n në dïng chÊt láng
- 53 -
®−îc gäi hÖ sè nhiÖt cña ®iÖn trë hay cßn gäi lµ ®é nh¹y nhiÖt ë nhiÖt ®é T. §é nh¹y
nhiÖt phô thuéc vµo vËt liÖu vµ nhiÖt ®é, vÝ dô ë 0oC platin (Pt) cã αR=3,9.10-3/oC.
ChÊt l−îng thiÕt bÞ ®o x¸c ®Þnh gi¸ trÞ nhá nhÊt mµ nã cã thÓ ®o ®−îc min0R
R∆, do ®ã
còng x¸c ®Þnh sù thay ®æi nhá nhÊt cña nhiÖt ®é cã thÓ ph¸t hiÖn ®−îc:
minoR
min R
R1T
∆α
=∆
VÝ dô nÕu 6
min0
10R
R −=∆
vµ víi nh÷ng phÐp ®o quanh ®iÓm 0oC, vËt liÖu lµ platin th×
4min 10.6,2T −=∆ oC.
Thùc ra, ®iÖn trë kh«ng chØ thay ®æi khi nhiÖt ®é thay ®æi do sù thay ®æi ®iÖn
trë suÊt mµ cßn chÞu t¸c ®éng cña sù thay ®æi kÝch th−íc h×nh häc cña nã. Bëi vËy
®èi víi mét ®iÖn trë d©y cã chiÒu dµi l vµ tiÕt diÖn s, hÖ sè nhiÖt ®é cã d¹ng:
dT
ds
s
1
dT
dl
l
1
dT
d1
dT
dR
R
1R −+
ρρ
==α
§Æt: dT
d1 ρρ
=αρ ; dT
dl
l
1l =α ;
dT
ds
s
1s =α
slR α−α+α=α ρ
Víi ls 2α=α ta cã: lR α−α=α ρ
Trªn thùc tÕ th−êng lα>>αρ nªn cã thÓ coi ρα=α R .
3.3.2. NhiÖt kÕ ®iÖn trë kim lo¹i
a) VËt liÖu
Yªu cÇu chung ®èi víi vËt liÖu lµm ®iÖn trë:
- Cã ®iÖn trë suÊt ρ ®ñ lín ®Ó ®iÖn trë ban ®Çu R0 lín mµ kÝch th−íc nhiÖt kÕ
vÉn nhá.
- HÖ sè nhiÖt ®iÖn trë cña nã tèt nhÊt lµ lu«n lu«n kh«ng ®æi dÊu, kh«ng triÖt
tiªu.
- Cã ®ñ ®é bÒn c¬, ho¸ ë nhiÖt ®é lµm viÖc.
- DÔ gia c«ng vµ cã kh¶ n¨ng thay lÉn.
C¸c c¶m biÕn nhiÖt th−êng ®−îc chÕ t¹o b»ng Pt vµ Ni. Ngoµi ra cßn dïng Cu, W.
- Platin :
- 54 -
+ Cã thÓ chÕ t¹o víi ®é tinh khiÕt rÊt cao (99,999%) do ®ã t¨ng ®é chÝnh x¸c
cña c¸c tÝnh chÊt ®iÖn.
+ Cã tÝnh tr¬ vÒ mÆt ho¸ häc vµ tÝnh æn ®Þnh cÊu tróc tinh thÓ cao do ®ã ®¶m
b¶o tÝnh æn ®Þnh cao vÒ c¸c ®Æc tÝnh dÉn ®iÖn trong qu¸ tr×nh sö dông.
+ HÖ sè nhiÖt ®iÖn trë ë 0oC b»ng 3,9.10-3/oC.
+ §iÖn trë ë 100oC lín gÊp 1,385 lÇn so víi ë 0oC.
+ D¶i nhiÖt ®é lµm viÖc kh¸ réng tõ -200oC ÷ 1000oC.
- Nikel:
+ Cã ®é nh¹y nhiÖt cao, b»ng 4,7.10-3/oC.
+ §iÖn trë ë 100oC lín gÊp 1,617 lÇn so víi ë 0oC.
+ DÔ bÞ oxy ho¸ khi ë nhiÖt ®é cao lµm gi¶m tÝnh æn ®Þnh.
+ D¶i nhiÖt ®é lµm viÖc thÊp h¬n 250oC.
§ång ®−îc sö dông trong mét sè tr−êng hîp nhê ®é tuyÕn tÝnh cao cña ®iÖn trë
theo nhiÖt ®é. Tuy nhiªn, ho¹t tÝnh ho¸ häc cña ®ång cao nªn nhiÖt ®é lµm viÖc
th−êng kh«ng v−ît qu¸ 180oC. §iÖn trë suÊt cña ®ång nhá, do ®ã ®Ó chÕ t¹o ®iÖn trë
cã ®iÖn trë lín ph¶i t¨ng chiÒu dµi d©y lµm t¨ng kÝch th−íc ®iÖn trë.
Wonfram cã ®é nh¹y nhiÖt vµ ®é tuyÕn tÝnh cao h¬n platin, cã thÓ lµm viÖc ë
nhiÖt ®é cao h¬n. Wonfram cã thÓ chÕ t¹o d¹ng sîi rÊt m¶nh nªn cã thÓ chÕ t¹o ®−îc
c¸c ®iÖn trë cao víi kÝch th−íc nhá. Tuy nhiªn, øng suÊt d− sau khi kÐo sîi khã bÞ
triÖt tiªu hoµn toµn b»ng c¸ch ñ do ®ã gi¶m tÝnh æn ®Þnh cña ®iÖn trë.
B¶ng 3.2
Th«ng sè Cu Ni Pt W
Tf (oC) 1083 1453 1769 3380
c (JoC-1kg-1) 400 450 135 125
λ (WoC-1m-1) 400 90 73 120
αl x106 (oC) 16,7 12,8 8,9 6
ρ x108 (Ωm) 1,72 10 10,6 5,52
α x103 (oC-1) 3,9 4,7 3,9 4,5
b) CÊu t¹o nhiÖt kÕ ®iÖn trë
§Ó tr¸nh sù lµm nãng ®Çu ®o dßng ®iÖn ch¹y qua ®iÖn trë th−êng giíi h¹n ë
gi¸ trÞ mét vµi mA vµ ®iÖn trë cã ®é nh¹y nhiÖt cao th× ®iÖn trë ph¶i cã gi¸ trÞ ®ñ lín.
- 55 -
Muèn vËy ph¶i gi¶m tiÕt diÖn d©y hoÆc t¨ng chiÒu dµi d©y. Tuy nhiªn khi gi¶m tiÕt
diÖn d©y ®é bÒn l¹i thÊp, d©y ®iÖn trë dÔ bÞ ®øt, viÖc t¨ng chiÒu dµi d©y l¹i lµm t¨ng
kÝch th−íc ®iÖn trë. §Ó hîp lý ng−êi ta th−êng chän ®iÖn trë R ë 0oC cã gi¸ trÞ vµo
kho¶ng 100Ω, khi ®ã víi ®iÖn trë platin sÏ cã ®−êng kÝnh d©y cì vµi µm vµ chiÒu
dµi kho¶ng 10cm, sau khi quÊn l¹i sÏ nhËn ®−îc nhiÖt kÕ cã chiÒu dµi cì 1cm. C¸c
s¶n phÈm th−¬ng m¹i th−êng cã ®iÖn trë ë 0oC lµ 50Ω, 500Ω vµ 1000Ω, c¸c ®iÖn trë
lín th−êng ®−îc dïng ®Ó ®o ë d¶i nhiÖt ®é thÊp.
- NhiÖt kÕ c«ng nghiÖp: §Ó sö dông cho môc ®Ých c«ng nghiÖp, c¸c nhiÖt kÕ ph¶i cã
vá bäc tèt chèng ®−îc va ch¹m m¹nh vµ rung ®éng, ®iÖn trë kim lo¹i ®−îc cuèn vµ
bao bäc trong thuû tinh hoÆc gèm vµ ®Æt trong vá b¶o vÖ b»ng thÐp. Trªn h×nh 3.4 lµ
c¸c nhiÖt kÕ dïng trong c«ng nghiÖp b»ng ®iÖn trë kim lo¹i platin.
- NhiÖt kÕ bÒ mÆt:
NhiÖt kÕ bÒ mÆt dïng ®Ó ®o nhiÖt ®é trªn bÒ mÆt cña vËt r¾n. Chóng th−êng
®−îc chÕ t¹o b»ng ph−¬ng ph¸p quang ho¸ vµ sö dông vËt liÖu lµm ®iÖn trë lµ Ni,
Fe-Ni hoÆc Pt. CÊu tróc cña mét nhiÖt kÕ bÒ mÆt cã d¹ng nh− h×nh vÏ 3.5. ChiÒu dµy
líp kim lo¹i cì vµi µm vµ kÝch th−íc nhiÖt kÕ cì 1cm2.
8
H×nh 3.4 NhiÖt kÕ c«ng nghiÖp dïng ®iÖn trë platin 1) D©y platin 2) Gèm c¸ch ®iÖn 3) èng platin 4) D©y nèi 5) Sø c¸ch ®iÖn
6) Trôc g¸ 7) C¸ch ®iÖn 8) Vá bäc 9) Xi m¨ng
1 2 3
45
1
7
6
6 9
H×nh 3.5 NhiÖt kÕ bÒ mÆt
- 56 -
§Æc tr−ng chÝnh cña nhiÖt kÕ bÒ mÆt:
- §é nh¹y nhiÖt : ~5.10-3/oC ®èi víi tr−êng hîp Ni vµ Fe-Ni
~4.10-3/oC ®èi víi tr−êng hîp Pt.
- D¶i nhiÖt ®é sö dông: -195oC ÷ 260 oC ®èi víi Ni vµ Fe-Ni.
-260oC ÷ 1400 oC ®èi víi Pt.
Khi sö dông nhiÖt kÕ bÒ mÆt cÇn ®Æc biÖt l−u ý ®Õn ¶nh h−ëng biÕn d¹ng cña
bÒ mÆt ®o.
3.3.3. NhiÖt kÕ ®iÖn trë silic
Silic tinh khiÕt hoÆc ®¬n tinh thÓ silic cã hÖ sè nhiÖt ®iÖn trë ©m, tuy nhiªn khi
®−îc kÝch t¹p lo¹i n th× trong kho¶ng nhiÖt ®é thÊp chóng l¹i cã hÖ sè nhiÖt ®iÖn trë
d−¬ng, hÖ sè nhiÖt ®iÖn trë ~0,7%/oC ë 25oC. PhÇn tö c¶m nhËn nhiÖt cña c¶m biÕn
silic ®−îc chÕ t¹o cã kÝch th−íc 500x500x240 µm ®−îc m¹ kim lo¹i ë mét phÝa cßn
phÝa kia lµ bÒ mÆt tiÕp xóc.
3.3.4. NhiÖt kÕ ®iÖn trë oxyt b¸n dÉn
a) VËt liÖu chÕ t¹o
NhiÖt ®iÖn trë ®−îc chÕ t¹o tõ hçn hîp oxyt b¸n dÉn ®a tinh thÓ nh−: MgO,
MgAl2O4, Mn2O3, Fe3O4, Co2O3, NiO, ZnTiO4.
Sù phô thuéc cña ®iÖn trë cña nhiÖt ®iÖn trë theo nhiÖt ®é cho bëi biÓu thøc:
⎭⎬⎫
⎩⎨⎧
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−β⎥
⎦
⎤⎢⎣
⎡=
0
2
00 T
1
T
1exp
T
TR)T(R (3.11)
Trong ®ã R0(Ω) lµ ®iÖn trë ë nhiÖt ®é T0(K).
§é nh¹y nhiÖt cã d¹ng:
Trong d¶i nhiÖt ®é lµm viÖc ( -55 ÷
200oC) cã thÓ lÊy gÇn ®óng gi¸ trÞ ®iÖn trë
cña c¶m biÕn theo nhiÖt ®é theo c«ng thøc:
( ) ( )[ ]2000T TTBTTA1RR −+−+=
Trong ®ã R0 vµ T0 lµ ®iÖn trë vµ nhiÖt ®é
tuyÖt ®èi ë ®iÓm chuÈn.
Sù thay ®æi nhiÖt cña ®iÖn trë t−¬ng
®èi nhá nªn cã thÓ tuyÕn tÝnh ho¸ b»ng c¸ch
m¾c thªm mét ®iÖn trë phô.
ToC400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
2200
2400
-50 0 50 100
R(Ω)
H×nh 3.6 Sù phô thuéc nhiÖt ®é cña ®iÖn trë silic
- 57 -
2R
T
b+β=α
V× ¶nh h−ëng cña hµm mò ®Õn ®iÖn trë chiÕm −u thÕ nªn biÓu thøc (3.11) cã thÓ viÕt
l¹i:
⎭⎬⎫
⎩⎨⎧
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−=
00 T
1
T
1BexpR)T(R (3.12)
Vµ ®é nh¹y nhiÖt:
2R
T
B−=α
Víi B cã gi¸ trÞ trong kho¶ng 3.000 - 5.000K.
b) CÊu t¹o
NhiÖt ®iÖn trë cã ®é nh¹y nhiÖt rÊt cao nªn cã thÓ dïng ®Ó ph¸t hiÖn nh÷ng
biÕn thiªn nhiÖt ®é rÊt nhá cì 10-4 -10-3K. KÝch th−íc c¶m biÕn nhá cã thÓ ®o nhiÖt
®é t¹i tõng ®iÓm. NhiÖt dung c¶m biÕn nhá nªn thêi gian håi ®¸p nhá. Tuú thuéc
thµnh phÇn chÕ t¹o, d¶i nhiÖt ®é lµm viÖc cña c¶m biÕn nhiÖt ®iÖn trë tõ vµi ®é ®Õn
kho¶ng 300oC.
3.4. C¶m biÕn nhiÖt ngÉu
3.4.1. HiÖu øng nhiÖt ®iÖn
Ph−¬ng ph¸p ®o nhiÖt ®é b»ng c¶m biÕn nhiÖt ngÉu dùa trªn c¬ së hiÖu øng
nhiÖt ®iÖn. Ng−êi ta nhËn thÊy r»ng khi hai d©y dÉn chÕ t¹o tõ vËt liÖu cã b¶n chÊt
ho¸ häc kh¸c nhau ®−îc nèi víi nhau b»ng mèi hµn thµnh mét m¹ch kÝn vµ nhiÖt ®é
hai mèi hµn lµ t vµ t0 kh¸c nhau th× trong m¹ch xuÊt hiÖn mét dßng ®iÖn. Søc ®iÖn
®éng xuÊt hiÖn do hiÖu øng nhiÖt ®iÖn gäi lµ søc ®iÖn ®éng nhiÖt ®iÖn. NÕu mét ®Çu
cña cÆp nhiÖt ngÉu hµn nèi víi nhau, cßn ®Çu thø hai ®Ó hë th× gi÷a hai cùc xuÊt hiÖn
mét hiÖu ®iÖn thÕ. HiÖn t−îng trªn cã thÓ gi¶i thÝch nh− sau:
H×nh 3.7 CÊu t¹o nhiÖt ®iÖn trë cã vá bäc thuû tinh
Hçn hîp bét oxyt ®−îc trén theo tØ lÖ thÝch
hîp sau ®ã ®−îc nÐn ®Þnh d¹ng vµ thiªu kÕt ë nhiÖt
®é ~ 1000oC. C¸c d©y nèi kim lo¹i ®−îc hµn t¹i hai
®iÓm trªn bÒ mÆt vµ ®−îc phñ b»ng mét líp kim
lo¹i. MÆt ngoµi cã thÓ bäc bëi vá thuû tinh.
- 58 -
Trong kim lo¹i lu«n lu«n tån t¹i mét nång ®é ®iÖn tö tù do nhÊt ®Þnh phô
thuéc b¶n chÊt kim lo¹i vµ nhiÖt ®é. Th«ng th−êng khi nhiÖt ®é t¨ng, nång ®é ®iÖn
tö t¨ng.
T−¬ng tù t¹i mÆt tiÕp xóc ë ®Çu tù do (nhiÖt ®é t0) còng xuÊt hiÖn mét hiÖu
®iÖn thÕ eAB(t0).
Gi÷a hai ®Çu cña mét d©y dÉn còng cã chªnh lÖch nång ®é ®iÖn tö tù do, do ®ã
còng cã sù khuÕch t¸n ®iÖn tö vµ h×nh thµnh hiÖu ®iÖn thÕ t−¬ng øng trong A lµ
eA(t,t0) vµ trong B lµ eB(t,t0).
Søc ®iÖn ®éng tæng sinh ra do hiÖu øng nhiÖt ®iÖn x¸c ®Þnh bëi c«ng thøc sau:
)t,t(e)t,t(e)t(e)t(eE 0B0A0BAABAB +++= (3.13)
V× eA(t0,t) vµ eB(t,t0) nhá vµ ng−îc chiÒu nhau cã thÓ bá qua, nªn ta cã:
)t(e)t(eE 0BAABAB +=
NÕu nhiÖt ®é hai mèi hµn b»ng nhau, ch¼ng h¹n b»ng t0 khi ®ã søc ®iÖn ®éng tæng:
0)t(e)t(eE 0BA0ABAB =+=
Hay:
)t(e)t(e 0AB0BA −= (3.14)
Nh− vËy:
)t(e)t(eE 0ABABAB −= (3.15)
Ph−¬ng tr×nh (3.15) gäi lµ ph−¬ng tr×nh c¬ b¶n cña cÆp nhiÖt ngÉu. Tõ ph−¬ng tr×nh
(3.15) nhËn thÊy nÕu gi÷ nhiÖt ®é t0 = const th×:
)t(fC)t(eE ABAB =+= (3.16)
H×nh 3. 8 S¬ ®å nguyªn lý cÆp nhiÖt ngÉu
t0
t
A B
2
1
Gi¶ sö ë nhiÖt ®é t0 nång ®é ®iÖn tö
trong A lµ NA(t0), trong B lµ NB(t0) vµ ë
nhiÖt ®é t nång ®é ®iÖn tö trong A lµ NA(t),
trong B lµ NB(t), nÕu NA(t0) > NB(t0) th× nãi
chung NA(t) > NB(t).
XÐt ®Çu lµm viÖc (nhiÖt ®é t), do NA(t)
> NB(t) nªn cã sù khuÕch t¸n ®iÖn tö tõ A →
B vµ ë chæ tiÕp xóc xuÊt hiÖn mét hiÖu ®iÖn
thÕ eAB(t) cã t¸c dông c¶n trë sù khuÕch t¸n.
Khi ®¹t c©n b»ng eAB(t) sÏ kh«ng ®æi.
- 59 -
Chän nhiÖt ®é ë mét mèi hµn t0 = const biÕt tr−íc lµm nhiÖt ®é so s¸nh vµ ®o søc
®iÖn ®éng sinh ra trong m¹ch ta cã thÓ x¸c ®Þnh ®−îc nhiÖt ®é t ë mèi hµn thø hai.
Søc ®iÖn ®éng cña cÆp nhiÖt kh«ng thay ®æi nÕu chóng ta nèi thªm vµo m¹ch
mét d©y dÉn thø ba (h×nh 3.9) nÕu nhiÖt ®é hai ®Çu nèi cña d©y thø ba gièng nhau.
ThËt vËy:
- Trong tr−êng hîp a:
)t(e)t(e)t(e)t,t(E 0CA0BCAB0ABC ++=
V×:
0)t(e)t(e)t(e 0CA0BC0AB =++
Nªn:
)t(e)t(e)t,t(E 0ABAB0ABC −=
- Tr−êng hîp b:
)t(e)t(e)t(e)t(e)t,t,t(E 1CB1BC0ABAB01ABC ++−=
V×:
)t(e)t(e 1CB1BC −=
Nªn:
)t(e)t(e)t,t(E 0ABAB0ABC −=
NÕu nhiÖt ®é hai ®Çu nèi kh¸c nhau sÏ lµm xuÊt hiÖn søc ®iÖn ®éng ký sinh.
3.4.2. CÊu t¹o cÆp nhiÖt
a) VËt liÖu chÕ t¹o
§Ó chÕ t¹o cùc nhiÖt ®iÖn cã thÓ dïng nhiÒu kim lo¹i vµ hîp kim kh¸c nhau.
H×nh 3.9 S¬ ®å nèi cÆp nhiÖt víi d©y dÉn thø ba
t
2 3 t0 t0
A B
C
1
a)
2
3
t0
t1
A
B
C
1
t
4t1
B
b)
- 60 -
Tuy nhiªn chóng ph¶i ®¶m b¶o c¸c yªu cÇu sau:
- Søc ®iÖn ®éng ®ñ lín (®Ó dÏ dµng chÕ t¹o dông cô ®o thø cÊp).
- Cã ®ñ ®é bÒn c¬ häc vµ ho¸ häc ë nhiÖt ®é lµm viÖc.
- DÔ kÐo sîi.
- Cã kh¶ n¨ng thay lÉn.
- Gi¸ thµnh rÏ.
H×nh 3.10 biÓu diÔn quan hÖ gi÷a søc ®iÖn ®éng vµ nhiÖt ®é cña c¸c vËt liÖu
dïng ®Ó chÕ t¹o ®iÖn cùc so víi ®iÖn cùc chuÈn platin.
- CÆp Platin - Ro®i/Platin:
Cùc d−¬ng lµ hîp kim Platin (90%) vµ r«®i (10%), cùc ©m lµ platin s¹ch.
NhiÖt ®é lµm viÖc ng¾n h¹n cho phÐp tíi 1600oC , E® =16,77mV.
NhiÖt ®é lµm viÖc dµi h¹n <1300oC.
§−êng ®Æc tÝnh cã d¹ng bËc hai, trong kho¶ng nhiÖt ®é 0 - 300oC th× E ≈ 0.
Trong m«i tr−êng cã SiO2 cã thÓ háng ë nhiÖt ®é 1000 - 1100oC.
§−êng kÝnh ®iÖn cùc th−êng chÕ t¹o φ = 0,5 mm.
Do sai kh¸c cña c¸c cÆp nhiÖt kh¸c nhau t−¬ng ®èi nhá nªn lo¹i cÆp nhiÖt nµy
th−êng ®−îc dïng lµm cÆp nhiÖt chuÈn.
- CÆp nhiÖt Chromel/Alumel:
Cùc d−¬ng lµ Chromel, hîp kim gåm 80%Ni + 10%Cr + 10%Fe. Cùc ©m lµ
Alumen, hîp kim gåm 95%Ni + 5%(Mn + Cr+Si).
NhiÖt ®é lµm viÖc ng¾n h¹n ~1100oC, E® = 46,16 mV.
H×nh 3.10 Søc ®iÖn ®éng cña mét sè vËt liÖu chÕ t¹o ®iÖn cùc
1) Telua 2) Chromel 3) S¾t 4) §ång 5) Graphit 6) Hîp kim platin-ro®i 7) Platin 8) Alumel 9) Niken 10) Constantan 11) Coben
21
3
8
9
10
54
6
7
11
T
Ed
- 61 -
NhiÖt ®é lµm viÖc dµi h¹n < 900oC.
§−êng kÝnh cùc φ = 3 mm.
- CÆp nhiÖt Chromel/Coben:
Cùc d−¬ng lµ chromel, cùc ©m lµ coben lµ hîp kim gåm 56%Cu + 44% Ni.
NhiÖt ®é lµm viÖc ng¾n h¹n 800oC, E® = 66 mV.
NhiÖt ®é lµm viÖc dµi h¹n < 600oC.
- CÆp nhiÖt §ång/Coben:
Cùc d−¬ng lµ ®ång s¹ch, cùc ©m lµ coben.
NhiÖt ®é lµm viÖc ng¾n h¹n 600oC.
NhiÖt ®é lµm viÖc dµi h¹n <300oC.
Lo¹i nµy ®−îc dïng nhiÒu trong thÝ nghiÖm v× dÔ chÕ t¹o.
Quan hÖ gi÷a søc ®iÖn ®éng vµ nhiÖt ®é cña mét sè cÆp nhiÖt cho ë h×nh 3.11.
b) CÊu t¹o
CÊu t¹o ®iÓn h×nh cña mét cÆp nhiÖt c«ng nghiÖp tr×nh bµy trªn h×nh 3.12.
H×nh 3.12 CÊu t¹o cÆp nhiÖt 1) Vá b¶o vÖ 2) Mèi hµn 3) D©y ®iÖn cùc 4) Sø c¸ch ®iÖn
5) Bé phËn l¾p ®Æt 6) VÝt nèi d©y 7) D©y nèi 8) §Çu nèi d©y
1
3 2 4 5 6
7
8
H×nh 3.11 Søc ®iÖn ®éng cña mét sè cÆp nhiÖt ngÉu E-Chromel/Constantan R- Platin-Rodi (13%)/Platin J- S¾t/Constantan S- Platin-Rodi (10%)/Platin K- Chromel/Alumel B-Platin-rodi (30%)/ Platin-rodi (6%)
E
J
K
R
S
B
toC
E®
- 62 -
§Çu lµm viÖc cña c¸c ®iÖn cùc (3) ®−îc hµn nèi víi nhau b»ng hµn v¶y, hµn
khÝ hoÆc hµn b»ng tia ®iÖn tö. §Çu tù do nèi víi d©y nèi (7) tíi dông cô ®o nhê c¸c
vÝt nèi (6) d©y ®Æt trong ®Çu nèi d©y (8). §Ó c¸ch ly c¸c ®iÖn cùc ng−êi ta dïng c¸c
èng sø c¸ch ®iÖn (4), sø c¸ch ®iÖn ph¶i tr¬ vÒ ho¸ häc vµ ®ñ ®é bÒn c¬ vµ nhiÖt ë
nhiÖt ®é lµm viÖc. §Ó b¶o vÖ c¸c ®iÖn cùc, c¸c cÆp nhiÖt cã vá b¶o vÖ (1) lµm b»ng
sø chÞu nhiÖt hoÆc thÐp chÞu nhiÖt. HÖ thèng vá b¶o vÖ ph¶i cã nhiÖt dung ®ñ nhá ®Ó
gi¶m bít qu¸n tÝnh nhiÖt vµ vËt liÖu chÕ t¹o vá ph¶i cã ®é dÉn nhiÖt kh«ng qu¸ nhá
nh−ng còng kh«ng ®−îc qu¸ lín. Tr−êng hîp vá b»ng thÐp mèi hµn ë ®Çu lµm viÖc
cã thÓ tiÕp xóc víi vá ®Ó gi¶m thêi gian håi ®¸p.
3.4.3. M¹ch ®o vµ dông cô thø cÊp
NhiÖt ®é cÇn ®o ®−îc x¸c ®Þnh th«ng qua viÖc ®o søc ®iÖn ®éng sinh ra ë hai
®Çu d©y cña cÆp nhiÖt ngÉu. §é chÝnh x¸c cña phÐp ®o søc ®iÖn ®éng cña cÆp nhiÖt
ngÉu phô thuéc nhiÒu yÕu tè. Muèn n©ng cao ®é chÝnh x¸c cÇn ph¶i:
- Gi¶m thiÓu ¶nh h−ëng cña t¸c ®éng cña m«i tr−êng ®o lªn nhiÖt ®é ®Çu tù do.
- Gi¶m thiÓu sù sôt ¸p do cã dßng ®iÖn ch¹y qua c¸c phÇn tö cña c¶m biÕn vµ
m¹ch ®o.
a) S¬ ®å m¹ch ®o dïng miliv«n kÕ
- S¬ ®å:
Trªn h×nh 3.13 biÓu diÔn s¬ ®å ®o th«ng dông sö dông miliv«n kÕ tõ ®iÖn.
Khi nhiÖt ®é hai ®Çu tù do (2) vµ (3) b»ng nhau th× søc ®iÖn ®éng trong m¹ch
chÝnh lµ søc ®iÖn ®éng cña cÆp nhiÖt, nÕu chóng kh¸c nhau th× trong m¹ch xuÊt hiÖn
suÊt ®iÖn ®éng ký sinh ë c¸c mèi nèi vµ lµm sai lÖch kÕt qu¶ ®o.
1
2 3
t
t0 t0
A B
C
H×nh 3.13 S¬ ®å m¹ch ®o
mV
1 2t1 t2
3 4 t0t0
H×nh3.14 S¬ ®å ®o vi sai
A A B
mV
- 63 -
§Ó ®o trùc tiÕp hiÖu nhiÖt ®é gi÷a hai ®iÓm ng−êi ta dïng s¬ ®å ®o vi sai nh−
h×nh 3.14.
Trong s¬ ®å nµy, c¶ hai ®Çu 1 vµ 2 cña cÆp nhiÖt lµ ®Çu lµm viÖc t−¬ng øng víi
nhiÖt ®é t1 vµ t2. KÕt qu¶ ®o cho phÐp ta x¸c ®Þnh trùc tiÕp gi¸ trÞ cña hiÖu sè hai
nhiÖt ®é t1- t2.
Tr−êng hîp nhiÖt ®é m«i tr−êng ®o kh«ng kh¸c nhiÒu nhiÖt ®é ®Çu tù do, ®Ó
t¨ng ®é nh¹y phÐp ®o cã thÓ m¾c theo s¬ ®å nèi tiÕp n cÆp nhiÖt nh− h×nh 3.15. Søc
®iÖn ®éng tæng cña bé m¾c nèi tiÕp b»ng )t,t(nE 0AB .
- Bï nhiÖt ®é ®Çu tù do:
Th«ng th−êng cÆp nhiÖt ngÉu ®−îc chuÈn víi t0 = 0oC øng víi:
)t(e)t(e)t,t(E 0ABAB0AB −=
NÕu nhiÖt ®é ®Çu tù do b»ng 0t '0 ≠ th× gi¸ trÞ søc ®iÖn ®éng ®o ®−îc:
)t(e)t(e)t,t(E '0ABAB
'0AB −=
Rót ra:
[ ])t(e)t(e)t,t(E)t,t(E 0AB'0AB
'0AB0AB −+=
Hay:
)t,t(E)t,t(E)t,t(E 0'0Ab
'0AB0AB +=
Gi¸ trÞ )t,t(E '0AB lµ l−îng hiÖu chØnh x¸c ®Þnh tõ thang chia ®é cña cÆp nhiÖt ngÉu
®· dïng theo gi¸ trÞ ®o ë nhiÖt ®é ®Çu tù do t’0.
D−íi ®©y tr×nh bµy mét sè ph−¬ng ph¸p bï nhiÖt ®é ®Çu tù do.
- Dïng d©y bï:
)t,t(E '0AB
)t,t(E 0'0AB
H×nh 3.16 HiÖu chØnh nhiÖt ®é ®Çu tù do
A A A AB B B B
H×nh 3.15 S¬ ®å m¾c nèi tiÕp
mV
toC
E
- 64 -
§Ó lo¹i trõ ¶nh h−ëng cña nhiÖt ®é ®èi t−îng ®o lªn ®Çu tù do cã thÓ m¾c
dông cô ®o theo s¬ ®å h×nh 3.17.
)t(e)t(e)t(e)t(eE 0CD'0BD
'0CAAB −+−=
Chän d©y dÉn C vµ D sao cho )t(e)t(e '0DB
'0CA = ( 3412 = ), khi ®ã:
)t(e)t(eE 0CDAB −=
V× e(t0) = 0, nªn:
)t(e)t(eE 0ABAB −=
- Dïng cÇu bï:
Trªn h×nh 3.18 giíi thiÖu s¬ ®å dïng cÇu bï tù ®éng nhiÖt ®é ®Çu tù do.
CÇu bï gåm ®iÖn trë R1, R2, R3 lµm b»ng manganin (hîp kim chøa 99,4%Cu,
0,6%Ni) cã hÖ sè nhiÖt ®iÖn trë b»ng kh«ng, cßn R® lµm b»ng ®ång cã hÖ sè nhiÖt
®iÖn trë 4,25 ÷4,28.10-3oC-1 . Khi nhiÖt ®é ®Çu tù do t0 = 0, cÇu c©n b»ng UAB=0. Gi¶
sö nhiÖt ®é ®Çu tù do t¨ng lªn t’0, khi ®ã R® t¨ng lªn lµm xuÊt hiÖn mét ®iÖn ¸p Uc®.
Ng−êi ta tÝnh to¸n sao cho ®iÖn ¸p nµy bï vµo søc ®iÖn ®éng nhiÖt mét l−îng ®óng
t0
Bé nguån
H×nh 3.18 CÇu bï nhiÖt ®é ®Çu tù do
Rd R1
R2 R3
F
D
C
mV
t1 t1
t0
A B t
H×nh 3.17 Bï nhiÖt ®é ®Çu tù do b»ng d©y bï
C
1
2 3
t
t’0 t’0
A B
t0
t0
D 1
2
3
4
C
A
D
B
E
t0
- 65 -
b»ng l−îng cÇn hiÖu chØnh, nghÜa lµ Uc® = EAB(t’0,t0). Nh− vËy trªn cöa vµo cña dông
cô ®o cã ®iÖn ¸p:
)t,t(EU)t,t(E 0ABcd'0AB =+
Sai sè bï cña cÇu tiªu chuÈn khi nhiÖt ®é t0 thay ®æi trong kho¶ng 0 - 50oC lµ ±3oC.
- ¶nh h−ëng cña ®iÖn trë m¹ch ®o:
XÐt m¹ch ®o dïng miliv«n kÕ ®iÖn tõ (h×nh 3.19).
Gäi: Rt lµ ®iÖn trë cña cÆp nhiÖt.
Rd lµ ®iÖn trë d©y nèi.
Rv lµ ®iÖn trë trong cña miliv«n kÕ.
Khi ®ã ®iÖn ¸p gi÷ hai ®Çu miliv«n kÕ x¸c ®Þnh bëi c«ng thøc:
Vdt
V0ABm RRR
R)t,t(EV
++=
Rót ra:
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡ ++=
V
dtm0AB R
RR1V)t,t(E (3.17)
Theo biÓu thøc (3.17) khi Rv >> Rt+Rd th×:
m0AB V)t,t(E ≈
- ¶nh h−ëng cña Rt: §èi víi cÆp cromen/alumen hoÆc cÆp cromen/coben cã ®iÖn
trë Rt kh¸ nhá nªn sù thay ®æi cña nã Ýt ¶nh h−ëng tíi kÕt qu¶ ®o. §èi víi cÆp PtRd -
Pt cã ®iÖn trë Rt kh¸ lín (~ 15Ω) nªn sù thay ®æi cña nã ¶nh h−ëng ®¸ng kÓ tíi kÕt
qu¶ ®o.
- ¶nh h−ëng cña Rd: th«ng th−êng Rd kh¸ nhá nªn Ýt ¶nh h−ëng tíi kÕt qu¶ ®o.
H×nh 3.19 ¶nh h−ëng cña ®iÖn trë m¹ch ®o
Rd
1
2 3
t
t1 t1
A B
t0
t0
Rt
RV
- 66 -
- ¶nh h−ëng cña RV : Rv = Rkd + Rf .
§iÖn trë phô Rf cña miliv«n kÕ th−êng chÕ t¹o b»ng vËt liÖu cã αR = 0 nªn
kh«ng ¶nh h−ëng, sù thay ®æi Rv khi nhiÖt ®é t¨ng chñ yÕu do sù thay ®æi cña ®iÖn
trë khung d©y Rkd (chÕ t¹o b»ng ®ång αR = 4,2.10-3/oC). §Ó gi¶m sai sè nªn chän
RP/Rkd lín.
b) S¬ ®å m¹ch ®o xung ®èi dïng ®iÖn thÕ kÕ
Trªn h×nh 3.20 tr×nh bµy s¬ ®å ®o b»ng ph−¬ng ph¸p xung ®èi, dùa theo
nguyªn t¾c so s¸nh ®iÖn ¸p cÇn ®o víi mét ®iÖn ¸p r¬i trªn mét ®o¹n ®iÖn trë.
Theo s¬ ®å h×nh (3.20a) ta cã:
)RRR(IRIE GxdPABCX +++=
P0C III +=
)RRR(IR)II(E GxdPABP0X ++++=
GXdAB
AB0XP RRRR
RIEI
+++−
=
NÕu EX = I0RAB th× IP = 0, tøc lµ ®iÖn thÕ kÕ chØ kh«ng, khi ®ã ®iÖn ¸p r¬i trªn AB
b»ng gi¸ trÞ EX cÇn ®o.
Ta cã:
RL
lR AB =
RL
lIE 0X =
G
K D
EX
E
EM
P
R®c
G
t
- +
EX RdRG
iP
i0 iC A B
R®c
E
Rx
H×nh 3.20 S¬ ®å ®o b»ng ph−¬ng ph¸p bï
a) b)
RRM
- 67 -
NÕu cè ®Þnh ®−îc I0, L, R ta cã Ex phô thuéc ®¬n trÞ vµo l tøc lµ phô thuéc vµo vÞ trÝ
con ch¹y cña ®ång hå ®o.
Trªn s¬ ®å h×nh (3.20b), EM lµ mét pin mÉu, RM lµ mét ®iÖn trë mÉu b»ng
manganin. Khi ®ãng P vµo K th× ®iÖn ¸p r¬i trªn RM ®−îc so s¸nh víi pin mÉu. NÕu
kim ®iÖn kÕ chØ kh«ng th× kh«ng cÇn ®iÒu chØnh dßng I0, nÕu kim ®iÖn kÕ lÖch khái
kh«ng th× dÞch chuyÓn R®c ®Ó kim ®iÖn kÕ vÒ kh«ng. Khi ®o ®ãng P vµo D vµ xª dÞch
biÕn trë R ®Ó kim ®iÖn kÕ chØ kh«ng, khi ®ã Ex = UAB.
3.5. Ho¶ kÕ
C¸c c¶m biÕn quang thuéc lo¹i c¶m biÕn ®o nhiÖt ®é kh«ng tiÕp xóc, gåm: ho¶
kÕ bøc x¹ toµn phÇn, ho¶ kÕ quang häc.
3.5.1. Ho¶ kÕ bøc x¹ toµn phÇn
Nguyªn lý dùa trªn ®Þnh luËt: N¨ng l−îng bøc x¹ toµn phÇn cña vËt ®en tuyÖt
®èi tØ lÖ víi luü thõa bËc 4 cña nhiÖt ®é tuyÖt ®èi cña vËt.
4TE σ= (3.18)
Trong ®ã: σ lµ h»ng sè, T lµ nhiÖt ®é tuyÖt ®èi cña vËt ®en tuyÖt ®èi (K).
Th«ng th−êng cã hai lo¹i: ho¶ kÕ bøc x¹ cã èng kÝnh héi tô, ho¶ kÕ bøc x¹ cã kÝnh
ph¶n x¹.
Trong s¬ ®å h×nh (3.21a): ¸nh s¸ng tõ nguån bøc x¹ (1) qua thÊu kÝnh héi tô
(2) ®Ëp tíi bé phËn thu n¨ng l−îng tia bøc x¹ (4), bé phËn nµy ®−îc nèi víi dông cô
®o thø cÊp (5).
Trong s¬ ®å h×nh (3.21b): ¸nh s¸ng tõ nguån bøc x¹ (1) ®Ëp tíi g−¬ng ph¶n x¹
(3) vµ héi tô tíi bé phËn thu n¨ng l−îng tia bøc x¹ (4), bé phËn nµy ®−îc nèi víi
dông cô ®o thø cÊp (5).
5 5
H×nh 3.21 Ho¶ kÕ bøc x¹ toµn phÇn a) Lo¹i cã èng kÝnh héi tô b) Lo¹i cã kÝnh ph¶n x¹
1) Nguån bøc x¹ 2) ThÊu kÝnh héi tô 3) G−¬ng ph¶n x¹ 4) Bé ph©n thu n¨ng l−îng 5) Dông cô ®o thø cÊp
1 2 4
a) b)
1
3 4
- 68 -
Bé phËn thu n¨ng l−îngcã thÓ lµ mét vi nhiÖt kÕ ®iÖn trë hoÆc lµ mét tæ hîp
cÆp nhiÖt, chóng ph¶i tho¶ m·n c¸c yªu cÇu:
+ Cã thÓ lµm viÖc b×nh th−êng trong kho¶ng nhiÖt ®é 100 - 150oC.
+ Ph¶i cã qu¸n tÝnh nhiÖt ®ñ nhá vµ æn ®Þnh sau 3 - 5 gi©y.
+ KÝch th−íc ®ñ nhá ®Ó tËp trung n¨ng l−îng bøc x¹ vµo ®o.
30 - 40%. Tuy nhiªn lo¹i thø nhÊt l¹i
cã nh−îc ®iÓm lµ khi m«i tr−êng nhiÒu bôi, g−¬ng bÞ bÈn, ®é ph¶n x¹ gi¶m do ®ã
t¨ng sai sè.
Khi ®o nhiÖt ®é b»ng ho¶ kÕ bøc x¹ sai sè th−êng kh«ng v−ît qu¸ 27oC, trong
®iÒu kiÖn:
+ VËt ®o ph¶i cã ®é den xÊp xØ b»ng 1.
+ TØ lÖ gi÷a ®−êng kÝnh vËt bøc x¹ vµ kho¶ng c¸ch ®o (D/L) kh«ng nhá h¬n
1/16.
+ NhiÖt ®é m«i tr−êng 20 ± 2oC.
Kho¶ng c¸ch ®o tèt nhÊt lµ 1 ± 0,2 mÐt.
3.5.2. Ho¶ kÕ quang ®iÖn
Ho¶ kÕ quang ®iÖn chÕ t¹o dùa trªn ®Þnh luËt Pl¨ng:
Trªn h×nh 3.22 tr×nh bµy cÊu t¹o
cña mét bé thu lµ tæ hîp cÆp nhiÖt. C¸c
cÆp nhiÖt (1) th−êng dïng cÆp
cr«men/c«ben m¾c nèi tiÕp víi nhau.
C¸c vÖt ®en (2) phñ b»ng bét platin.
Ho¶ kÕ dïng g−¬ng ph¶n x¹ tæn
thÊt n¨ng l−îng thÊp ( ~ 10%), ho¶ kÕ
dïng thÊu kÝnh héi tô cã thÓ tæn thÊt tíi H×nh 3.22 Bé thu n¨ng l−îng 1) CÆp nhiÖt 2)Líp phñ platin
1
2
Trong thùc tÕ ®é ®en cña vËt ®o ε <1,
khi ®ã doc4
do T.1
Tε
= . Th«ng th−êng x¸c
®Þnh theo c«ng thøc sau:
T®o = T®äc + ∆T
Víi ∆T lµ l−îng hiÖu chØnh phô thuéc T®äc
vµ ®é ®en cña vËt ®o (h×nh 3.23).
ε1 ε2
ε3
∆T
T®äc
Hn×h 3.23 HiÖu chØnh nhiÖt ®é theo ®é ®en
- 69 -
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−λ
=λ
1e
CI
RT
C5
1
2T (3.19)
Trong ®ã λ lµ b−íc sãng, C1, C2 lµ c¸c h»ng sè.
Khi ®o, h−íng ho¶ kÕ vµo vËt cÇn ®o, ¸nh s¸ng tõ vËt bøc x¹ cÇn ®o nhiÖt ®é
(1) qua vËt kÝnh (2), kÝnh läc (3), vµ c¸c v¸ch ng¨n (4), (6), kÝnh läc ¸nh s¸nh ®á (7)
tíi thÞ kÝnh (8) vµ m¾t. BËt c«ng t¾c K ®Ó cÊp ®iÖn nung nãng d©y tãc bãng ®Ìn mÉu
(5), ®iÒu chØnh biÕn trë Rb ®Ó ®é s¸ng cña d©y tãc bãng ®Ìn trïng víi ®é s¸ng cña
vËt cÇn ®o.
Sai sè khi ®o:
Sai sè do ®é ®en cña vËt ®o ε < 1. Khi ®ã T®o x¸c ®Þnh bëi c«ng thøc:
Nguyªn t¾c ®o nhiÖt ®é b»ng ho¶ kÕ
quang häc lµ so s¸nh c−êng ®é s¸ng cña vËt
cÇn ®o vµ ®é s¸ng cña mét ®Ìn mÉu ë trong
cïng mét b−íc sãng nhÊt ®Þnh vµ theo cïng
mét h−íng. Khi ®é s¸ng cña chóng b»ng nhau
th× nhiÖt ®é cña chóng b»ng nhau.
Tõ h×nh 3.24 ta nhËn thÊy sù phô thuéc
gi÷a I vµ λ kh«ng ®¬n trÞ, do ®ã ng−êi ta
th−êng cè ®Þnh b−íc sãng ë 0,65µm.
λ
IλT T1
T2
T3
H×nh 3.24 Sù phô thuéc cña c−êng ®é ¸nh s¸ng vµo b−íc
sãng vµ nhiÖt ®é
0,65µm
mA
1 2 34 5 7
8
Rb
H×nh 3.25 S¬ ®å ho¶ kÕ quang häc 1) Nguån bøc x¹ 2)VËt kÝnh 3) KÝnh läc 4&6) Thµnh ng¨n
5) Bãng ®Ìn mÉu 7) KÝnh läc ¸nh s¸ng ®á 8) ThÞ kÝnh
6
K
- 70 -
ελ
λ=
1ln
CT
1
2do
C«ng thøc hiÖu chØnh: T®o = T®äc + ∆T
Gi¸ trÞ cña ∆T cho theo ®å thÞ.
Ngoµi ra sai sè cña phÐp ®o cßn do ¶nh h−ëng cña kho¶ng c¸ch ®o, tuy nhiªn
sai sè nµy th−êng nhá. Khi m«i tr−êng cã bôi lµm bÈn èng kÝnh, kÕt qu¶ ®o còng bÞ
¶nh h−ëng.
- 71 -
Ch−¬ng IV
C¶m biÕn ®o vÞ trÝ vµ dÞch chuyÓn
4.1. Nguyªn lý ®o vÞ trÝ vµ dÞch chuyÓn
ViÖc x¸c ®Þnh vÞ trÝ vµ dÞch chuyÓn ®ãng vai trß rÊt quan träng trong kü thuËt.
HiÖn nay cã hai ph−¬ng ph¸p c¬ b¶n ®Ó x¸c ®Þnh vÞ trÝ vµ dÞch chuyÓn.
Trong ph−¬ng ph¸p thø nhÊt, bé c¶m biÕn cung cÊp tÝn hiÖu lµ hµm phô thuéc
vµo vÞ trÝ cña mét trong c¸c phÇn tö cña c¶m biÕn, ®ång thêi phÇn tö nµy cã liªn
quan ®Õn vËt cÇn x¸c ®Þnh dÞch chuyÓn.
Trong ph−¬ng ph¸p thø hai, øng víi mét dÞch chuyÓn c¬ b¶n, c¶m biÕn ph¸t ra
mét xung. ViÖc x¸c ®Þnh vÞ trÝ vµ dÞch chuyÓn ®−îc tiÕn hµnh b»ng c¸ch ®Õm sè
xung ph¸t ra.
Mét sè c¶m biÕn kh«ng ®ßi hái liªn kÕt c¬ häc gi÷a c¶m biÕn vµ vËt cÇn ®o vÞ
trÝ hoÆc dÞch chuyÓn. Mèi liªn hÖ gi÷a vËt dÞch chuyÓn vµ c¶m biÕn ®−îc thùc hiÖn
th«ng qua vai trß trung gian cña ®iÖn tr−êng, tõ tr−êng hoÆc ®iÖn tõ tr−êng, ¸nh
s¸ng.
Trong ch−¬ng nµy tr×nh bµy c¸c lo¹i c¶m biÕn th«ng dông dïng ®Ó x¸c ®Þnh vÞ
trÝ vµ dÞch chuyÓn cña vËt nh− ®iÖn thÕ kÕ ®iÖn trë, c¶m biÕn ®iÖn c¶m, c¶m biÕn
®iÖn dung, c¶m biÕn quang, c¶m biÕn dïng sãng ®µn håi.
4.2. §iÖn thÕ kÕ ®iÖn trë
Lo¹i c¶m biÕn nµy cã cÊu t¹o ®¬n gi¶n, tÝn hiÖu ®o lín vµ kh«ng ®ßi hái m¹ch
®iÖn ®Æc biÖt ®Ó xö lý tÝn hiÖu. Tuy nhiªn víi c¸c ®iÖn thÕ kÕ ®iÖn trë cã con ch¹y c¬
häc cã sù cä x¸t g©y ån vµ mßn, sè lÇn sö dông thÊp vµ chÞu ¶nh h−ëng lín cña m«i
tr−êng khi cã bôi vµ Èm.
4.2.1. §iÖn thÕ kÕ dïng con ch¹y c¬ häc
a) CÊu t¹o vµ nguyªn lý lµm viÖc
C¶m biÕn gåm mét ®iÖn trë cè ®Þnh Rn, trªn ®ã cã mét tiÕp xóc ®iÖn cã thÓ di
chuyÓn ®−îc gäi lµ con ch¹y. Con ch¹y ®−îc liªn kÕt c¬ häc víi vËt chuyÓn ®éng
cÇn kh¶o s¸t. Gi¸ trÞ cña ®iÖn trë Rx gi÷a con ch¹y vµ mét ®Çu cña ®iÖn trë Rn lµ
hµm phô thuéc vµo vÞ trÝ con ch¹y, còng chÝnh lµ vÞ trÝ cña vËt chuyÓn ®éng.
- §èi víi ®iÖn thÕ kÕ chuyÓn ®éng th¼ng (h×nh 4.1a):
nx RL
lR = (4.1)
- 72 -
- Tr−êng hîp ®iÖn thÕ kÕ dÞch chuyÓn trßn hoÆc xo¾n:
nM
x RRαα
= (4.2)
Trong ®ã αM < 360o khi dÞch chuyÓn trßn (h×nh 4.1b) vµ αM > 360o khi dÞch chuyÓn
xo¾n. (h×nh 4.1c)
C¸c ®iÖn trë ®−îc chÕ t¹o cã d¹ng cuén d©y hoÆc b¨ng dÉn.
C¸c ®iÖn trë d¹ng cuén d©y th−êng ®−îc chÕ t¹o tõ c¸c hîp kim Ni - Cr, Ni -
Cu , Ni - Cr - Fe, Ag - Pd quÊn thµnh vßng xo¾n d¹ng lß xo trªn lâi c¸ch ®iÖn (b»ng
thuû tinh, gèm hoÆc nhùa), gi÷a c¸c vßng d©y c¸ch ®iÖn b»ng emay hoÆc líp oxyt bÒ
mÆt.
C¸c ®iÖn trë d¹ng b¨ng dÉn ®−îc chÕ t¹o b»ng chÊt dÎo trén bét dÉn ®iÖn lµ
cacbon hoÆc kim lo¹i cì h¹t ~10-2µm.
C¸c ®iÖn trë ®−îc chÕ t¹o víi c¸c gi¸ trÞ Rn n»m trong kho¶ng 1kΩ ®Õn 100kΩ,
®«i khi ®¹t tíi MΩ.
C¸c con ch¹y ph¶i ®¶m b¶o tiÕp xóc ®iÖn tèt, ®iÖn trë tiÕp xóc ph¶i nhá vµ æn
®Þnh.
b) C¸c ®Æc tr−ng
- Kho¶ng ch¹y cã Ých cña con ch¹y:
Rn, , L
Rx, l
Rα Rn
Rn
Rα
H×nh 4.1 C¸c d¹ng ®iÖn thÕ kÕ 1) §iÖn trë 2) Con ch¹y
a)
b) c)
12
1
1
2 1
2
- 73 -
Th«ng th−êng ë ®Çu hoÆc cuèi ®−êng ch¹y cña con ch¹y tØ sè Rx/Rn kh«ng æn
®Þnh. Kho¶ng ch¹y cã Ých lµ kho¶ng thay ®æi cña x mµ trong kho¶ng ®ã Rx lµ hµm
tuyÕn tÝnh cña dÞch chuyÓn.
- N¨ng suÊt ph©n gi¶i:
§èi víi ®iÖn trë d©y cuèn, ®é ph©n gi¶i x¸c ®Þnh bëi l−îng dÞch chuyÓn cùc ®¹i
cÇn thiÕt ®Ó ®−a con ch¹y tõ vÞ trÝ tiÕp xóc hiÖn t¹i sang vÞ trÝ tiÕp xóc l©n cËn tiÕp
theo. Gi¶ sö cuén d©y cã n vßng d©y, cã thÓ ph©n biÖt 2n-2 vÞ trÝ kh¸c nhau vÒ ®iÖn
cña con ch¹y:
+ n vÞ trÝ tiÕp xóc víi mét vßng d©y.
+ n - 2 vÞ trÝ tiÕp xóc víi hai vßng d©y.
§é ph©n gi¶i cña ®iÖn trë d¹ng d©y phô thuéc vµo h×nh d¹ng vµ ®−êng kÝnh
cña d©y ®iÖn trë vµ vµo kho¶ng ~10µm.
§é ph©n gi¶i cña c¸c ®iÖn trë kiÓu b¨ng dÉn phô thuéc vµo kÝch th−íc h¹t,
th−êng vµo cì ~ 0,1 µm.
- Thêi gian sèng:
Thêi gian sèng cña ®iÖn kÕ lµ sè lÇn sö dông cña ®iÖn thÕ kÕ. Nguyªn nh©n g©y
ra h− háng vµ h¹n chÕ thêi gian sèng cña ®iÖn thÕ kÕ lµ sù mµi mßn con ch¹y vµ d©y
®iÖn trë trong qu¸ tr×nh lµm viÖc. Th−êng thêi gian sèng cña ®iÖn thÕ kÕ d¹ng d©y
dÉn vµo cì 106 lÇn, ®iÖn kÕ d¹ng b¨ng dÉn vµo cì 5.107 - 108 lÇn.
4.2.2. §iÖn thÕ kÕ kh«ng dïng con ch¹y c¬ häc
§Ó kh¾c phôc nh−îc ®iÓm cña ®iÖn thÕ kÕ dïng con ch¹y c¬ häc, ng−êi ta sö
dông ®iÖn thÕ kÕ liªn kÕt quang hoÆc tõ.
Kho¶ng ch¹y cã Ých
Cuèi ®−êng ch¹y
§Çu ®−êng ch¹y x
H×nh 4.2 Sù phô thuéc cña ®iÖn trë ®iÖn thÕ kÕ vµo vÞ trÝ con ch¹y
Rx
H×nh 4.3 §é ph©n gi¶i cña ®iÖn thÕ kÕ d¹ng d©y
- 74 -
a) §iÖn thÕ kÕ dïng con trá quang
H×nh 4.4 tr×nh bµy s¬ ®å nguyªn lý cña mét ®iÖn thÕ kÕ dïng con trá quang.
§iÖn thÕ kÕ trßn dïng con trá quang gåm ®iot ph¸t quang (1), b¨ng ®o (2),
b¨ng tiÕp xóc (3) vµ b¨ng quang dÉn (4). B¨ng ®iÖn trë ®o ®−îc ph©n c¸ch víi b¨ng
tiÕp xóc bëi mét b¨ng quang dÉn rÊt m¶nh lµm b»ng CdSe trªn ®ã cã con trá quang
dÞch chuyÓn khi trôc cña ®iÖn thÕ kÕ quay. §iÖn trë cña vïng quang dÉn gi¶m ®¸ng
kÓ trong vïng ®−îc chiÕu s¸ng t¹o nªn sù liªn kÕt gi÷a b¨ng ®o vµ b¨ng tiÕp xóc.
Thêi gian håi ®¸p cña vËt liÖu quang dÉn cì vµi chôc ms.
b) §iÖn thÕ kÕ dïng con trá tõ
H×nh 4.5 tr×nh bµy s¬ ®å nguyªn lý mét ®iÖn thÕ kÕ tõ gåm hai tõ ®iÖn trë R1 vµ
R2 m¾c nèi tiÕp vµ mét nam ch©m vÜnh c÷u (g¾n víi trôc quay cña ®iÖn thÕ kÕ) bao
phñ lªn mét phÇn cña ®iÖn trë R1 vµ R2, vÞ trÝ phÇn bÞ bao phñ phô thuéc gãc quay
cña trôc.
§iÖn ¸p nguån ES ®−îc ®Æt gi÷a hai ®iÓm (1) vµ (3), ®iÖn ¸p ®o Vm lÊy tõ ®iÓm
chung (2) vµ mét trong hai ®Çu (1) hoÆc (3).
Khi ®ã ®iÖn ¸p ®o ®−îc x¸c ®Þnh bëi c«ng thøc:
S1
S21
1m E
R
RE
RR
RV =
+= (4.3)
H×nh 4.4 §iÖn thÕ kÕ quay dïng con trá quang 1) §iot ph¸t quang 2) B¨ng ®o 3) B¨ng tiÕp xóc 4) B¨ng quang dÉn
§iÖn trë
Thêi gian
1
2
3 4
~20 ms
- 75 -
Trong ®ã R1 lµ hµm phô thuéc vÞ trÝ cña trôc quay, vÞ trÝ nµy x¸c ®Þnh phÇn cña R1
chÞu ¶nh h−ëng cña tõ tr−êng cßn R = R1 + R2 = const.
Tõ h×nh 4.5b ta nhËn thÊy ®iÖn ¸p ®o chØ tuyÕn tÝnh trong mét kho¶ng ~90o ®èi
víi ®iÖn kÕ quay. §èi víi ®iÖn kÕ dÞch chuyÓn th¼ng kho¶ng tuyÕn tÝnh chØ cì vµi
mm.
4.3. C¶m biÕn ®iÖn c¶m
C¶m biÕn ®iÖn c¶m lµ nhãm c¸c c¶m biÕn lµm viÖc dùa trªn nguyªn lý c¶m
øng ®iÖn tõ. VËt cÇn ®o vÞ trÝ hoÆc dÞch chuyÓn ®−îc g¾n vµo mét phÇn tö cña m¹ch
tõ g©y nªn sù biÕn thiªn tõ th«ng qua cuén ®o. C¶m biÕn ®iÖn c¶m ®−îc chia ra:
c¶m biÕn tù c¶m vµ hç c¶m.
4.3.1. C¶m biÕn tù c¶m
a) C¶m biÕn tù c¶m cã khe tõ biÕn thiªn
- C¶m biÕn tù c¶m ®¬n: trªn h×nh 4.6 tr×nh bµy s¬ ®å nguyªn lý cÊu t¹o cña
mét sè lo¹i c¶m biÕn tù c¶m ®¬n.
H×nh 4.6 C¶m biÕn tù c¶m 1) Lâi s¾t tõ 2) Cuén d©y 3) PhÇn ®éng
XVXV
a) b) c)
1
2
3 12
31
2
R
δ
R2
R1
1
2
3
H×nh 4.5 §iÖn thÕ kÕ ®iÖn tõ
30%
50%
70%
0O 180O 360O
Vm/ES
a) b)
- 76 -
C¶m biÕn tù c¶m ®¬n gåm mét cuén d©y quÊn trªn lâi thÐp cè ®Þnh (phÇn tÜnh)
vµ mét lâi thÐp cã thÓ di ®éng d−íi t¸c ®éng cña ®¹i l−îng ®o (phÇn ®éng), gi÷a
phÇn tÜnh vµ phÇn ®éng cã khe hë kh«ng khÝ t¹o nªn mét m¹ch tõ hë.
S¬ ®å h×nh 4.6a: d−íi t¸c ®éng cña ®¹i l−îng ®o XV, phÇn øng cña c¶m biÕn di
chuyÓn, khe hë kh«ng khÝ δ trong m¹ch tõ thay ®æi, lµm cho tõ trë cña m¹ch tõ biÕn
thiªn, do ®ã hÖ sè tù c¶m vµ tæng trë cña cuén d©y thay ®æi theo.
S¬ ®å h×nh 4.6b: khi phÇn øng quay, tiÕt diÖn khe hë kh«ng khÝ thay ®æi, lµm
cho tõ trë cña m¹ch tõ biÕn thiªn, do ®ã hÖ sè tù c¶m vµ tæng trë cña cuén d©y thay
®æi theo.
HÖ sè tù c¶m cña cuén d©y còng cã thÓ thay ®æi do thay ®æi tæn hao sinh ra
bëi dßng ®iÖn xo¸y khi tÊm s¾t tõ dÞch chuyÓn d−íi t¸c ®éng cña ®¹i l−îng ®o Xv
(h×nh 4.6c).
NÕu bá qua ®iÖn trë cña cuén d©y vµ tõ trë cña lâi thÐp ta cã:
δµ
==δ
sW
R
WL 0
22
Trong ®ã:
W- sè vßng d©y.
s
R0µδ
=δ - tõ trë cña khe hë kh«ng khÝ.
δ - chiÒu dµi khe hë kh«ng khÝ.
s - tiÕt diÖn thùc cña khe hë kh«ng khÝ.
Tr−êng hîp W = const ta cã:
δδ∂
∂+
∂∂
= dL
dss
LdL
Víi l−îng thay ®æi h÷u h¹n ∆δ vµ ∆s ta cã:
( )
δ∆δ∆+δ
µ−∆
δµ
=∆2
0
002
0
02 sW
sW
L (4.4)
§é nh¹y cña c¶m biÕn tù c¶m khi khe hë kh«ng khÝ thay ®æi (s=const):
2
00
0
1
LLS
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛δδ∆
+δ
−=δ∆
∆=δ (4.5)
§é nh¹y cña c¶m biÕn tù c¶m khi thay ®æi tiÕt diÖn kh«ng khÝ (δ = const):
- 77 -
0
0s s
L
s
LS =
∆∆
= (4.6)
Tæng trë cña c¶m biÕn:
δµω
=ω=sW
LZ 02
(4.7)
Tõ c«ng thøc (4.7) ta thÊy tæng trë Z cña c¶m biÕn lµ hµm tuyÕn tÝnh víi tiÕt diÖn
khe hë kh«ng khÝ s vµ phi tuyÕn víi chiÒu dµi khe hë kh«ng khÝ δ.
§Æc tÝnh cña c¶m biÕn tù c¶m ®¬n Z = f(∆δ) lµ hµm phi tuyÕn vµ phô thuéc tÇn
sè nguån kÝch thÝch, tÇn sè nguån kÝch thÝch cµng cao th× ®é nh¹y cña c¶m biÕn
cµng cao (h×nh 4.7).
- C¶m biÕn tù c¶m kÐp l¾p theo kiÓu vi sai: §Ó t¨ng ®é nh¹y cña c¶m biÕn vµ t¨ng
®o¹n ®Æc tÝnh tuyÕn tÝnh ng−êi ta th−êng dïng c¶m biÕn tù c¶m kÐp m¾c theo kiÓu vi
sai (h×nh 4.8).
§Æc tÝnh cña c¶m biÕn tù c¶m kÐp vi sai cã d¹ng nh− h×nh 4.9.
XV
XV
XV
a) b) c)
H×nh 4.8 C¶m biÕn tù c¶m kÐp m¾c theo kiÓu vi sai
L = f(∆δ)
Z5000Hz = f(∆δ)
Z500Hz = f(∆δ)
H×nh 4.7 Sù phô thuéc gi÷a L, Z víi chiÒu dµy khe hë kh«ng khÝ δ
Z, L
∆δ
- 78 -
b) C¶m biÕn tù c¶m cã lâi tõ di ®éng
C¶m biÕn gåm mét cuén d©y bªn trong cã lâi tõ di ®éng ®−îc (h×nh 4.10).
D−íi t¸c ®éng cña ®¹i l−îng ®o XV, lâi tõ dÞch chuyÓn lµm cho ®é dµi lf cña lâi
tõ n»m trong cuén d©y thay ®æi, kÐo theo sù thay ®æi hÖ sè tù c¶m L cña cuén d©y.
Sù phô thuéc cña L vµo lf lµ hµm kh«ng tuyÕn tÝnh, tuy nhiªn cã thÓ c¶i thiÖn b»ng
c¸ch ghÐp hai cuén d©y ®ång d¹ng vµo hai nh¸nh kÒ s¸t nhau cña mét cÇu ®iÖn trë
cã chung mét lâi s¾t.
4.3.2. C¶m biÕn hç c¶m
CÊu t¹o cña c¶m biÕn hç c¶m t−¬ng tù c¶m biÕn tù c¶m chØ kh¸c ë chç cã thªm
mét cuén d©y ®o (h×nh 4.11).
Trong c¸c c¶m biÕn ®¬n khi chiÒu dµi khe hë kh«ng khÝ (h×nh 4.11a) hoÆc tiÕt
diÖn khe kh«ng khÝ thay ®æi (h×nh 4.11b) hoÆc tæn hao do dßng ®iÖn xo¸y thay ®æi
(h×nh 4.11c) sÏ lµm cho tõ th«ng cña m¹ch tõ biÕn thiªn kÐo theo suÊt ®iÖn ®éng e
trong cuén ®o thay ®æi.
- C¶m biÕn ®¬n cã khe hë kh«ng khÝ:
L1 = f(δ)
H×nh 4.9 §Æc tÝnh cña c¶m biÕn tù c¶m kÐp l¾p vi sai
L1 - L2 = f(δ)
L2 = f(δ)
δ
L
H×nh 4.10 S¬ ®å nguyªn lý c¶m biÕn tù c¶m cã lâi tõ 1) Cuén d©y 2) Lâi tõ
l0 lf
l
XV
12
- 79 -
Tõ th«ng tøc thêi: δµ
==Φδ
siW
R
iW 011t
i - gi¸ trÞ dßng ®iÖn tøc thêi trong cuén d©y kÝch thÝch W1.
Søc ®iÖn ®éng c¶m øng trong cuén d©y ®o W2:
dt
di.
sWW
dt
dWe 012t
2 δµ
−=Φ
−=
W2 - sè vßng d©y cña cuén d©y ®o.
Khi lµm viÖc víi dßng xoay chiÒu tsinIi m ω= , ta cã:
tcosIsWW
e m012 ωω
δµ
−=
vµ gi¸ trÞ hiÖu dông cña suÊt ®iÖn ®éng:
δ
=ωδµ
−=s
kIsWW
E 012
I - gi¸ trÞ hiÖu dông cña dßng ®iÖn, IWWk 012 ωµ= .
Víi c¸c gi¸ trÞ W2, W1, µ0, ω vµ I lµ h»ng sè, ta cã:
δδ∂
∂+
∂∂
= dE
dss
EdE
H×nh 4.11 C¶m biÕn hç c¶m 1) Cuén s¬ cÊp 2) G«ng tõ 3) lâi tõ di ®éng 4) Cuén thø cÊp (cuén ®o)
a)
3
XV
1
2
~
b)
1 2
3
c)
XV
3
4
~
XV
4
~
φ1 φ2
d)
XV
~ ~
e)
~
XV
~
®)
44
1
- 80 -
Hay ( )200
kss
kEδ∆+δ
δ∆−
∂∆
=∆ (4.8)
§é nh¹y cña c¶m biÕn víi sù thay ®æi cña chiÒu dµi khe hë kh«ng khÝ δ (s = const):
2
00
02
0
20 1
E
1
ksES
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛δδ∆
+δ
=
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛δδ∆
+δ
−=δ∆
∆=δ (4.9)
Cßn ®é nh¹y khi tiÕt diÖn khe hë kh«ng khÝ s thay ®æi (δ = const):
0
0
0S s
Ek
s
ES =
δ=
∆∆
= (4.10)
0
00
ksE
δ= - søc ®iÖn ®éng hç c¶m ban ®Çu trong cuén ®o W2 khi XV = 0.
Ta nhËn thÊy c«ng thøc x¸c ®Þnh ®é nh¹y cña c¶m biÕn hç c¶m cã d¹ng t−¬ng
tù nh− c¶m biÕn tù c¶m chØ kh¸c nhau ë gi¸ trÞ cña E0 vµ L0. §é nh¹y cña c¶m biÕn
hç c¶m Sδ vµ SS còng t¨ng khi tÇn sè nguån cung cÊp t¨ng.
- C¶m biÕn vi sai: ®Ó t¨ng ®é nh¹y vµ ®é tuyÕn tÝnh cña ®Æc tÝnh c¶m biÕn ng−êi
ta m¾c c¶m biÕn theo s¬ ®å vi sai (h×nh 4.11d,®,e). Khi m¾c vi sai ®é nh¹y cña c¶m
biÕn t¨ng gÊp ®«i vµ ph¹m vi lµm viÖc tuyÕn tÝnh më réng ®¸ng kÓ.
- BiÕn thÕ vi sai cã lâi tõ: gåm bèn cuén d©y ghÐp ®ång trôc t¹o thµnh hai c¶m
biÕn ®¬n ®èi xøng, bªn trong cã lâi tõ di ®éng ®−îc (h×nh 4.12). C¸c cuén thø cÊp
®−îc nèi ng−îc víi nhau sao cho suÊt ®iÖn ®éng trong chóng triÖt tiªu lÉn nhau.
VÒ nguyªn t¾c, khi lâi tõ ë vÞ trÝ trung gian, ®iÖn ¸p ®o Vm ë ®Çu ra hai cuén
thø cÊp b»ng kh«ng. Khi lâi tõ dÞch chuyÓn, lµm thay ®æi mèi quan hÖ gi÷a cuén s¬
cÊp víi c¸c cuén thø cÊp, tøc lµ lµm thay ®æi hÖ sè hç c¶m gi÷a cuén s¬ cÊp víi c¸c
H×nh 4.12 C¶m biÕn hç c¶m vi sai 1) Cuén s¬ cÊp 2) Cuén thø cÊp 3) Lâi tõ
~ ~1
2 2
3
- 81 -
cuén thø cÊp. Khi ®iÖn trë cña thiÕt bÞ ®o ®ñ lín, ®iÖn ¸p ®o Vm gÇn nh− tuyÕn tÝnh
víi hiÖu sè c¸c hÖ sè hç c¶m cña hai cuén thø cÊp.
4.4. C¶m biÕn ®iÖn dung
4.4.1. C¶m biÕn tô ®iÖn ®¬n
C¸c c¶m biÕn tô ®iÖn ®¬n lµ mét tô ®iÖn ph¼ng hoÆc h×nh trô cã mét b¶n cùc
g¾n cè ®Þnh (b¶n cùc tÜnh) vµ mét b¶n cùc di chuyÓn (b¶n cùc ®éng) liªn kÕt víi vËt
cÇn ®o. Khi b¶n cùc ®éng di chuyÓn sÏ kÐo theo sù thay ®æi ®iÖn dung cña tô ®iÖn.
- §èi víi c¶m biÕn h×nh 4.13a: d−íi t¸c ®éng cña ®¹i l−îng ®o XV, b¶n cùc ®éng
di chuyÓn, kho¶ng c¸c gi÷a c¸c b¶n cùc thay ®æi, kÐo theo ®iÖn dung tô ®iÖn biÕn
thiªn.
δεε
=s
C 0
ε - h»ng sè ®iÖn m«i cña m«i tr−êng.
ε0 - h»ng sè ®iÖn m«i cña ch©n kh«ng.
s - diÖn tÝch n»m gi÷a hai ®iÖn cùc.
δ - kho¶ng c¸ch gi÷a hai b¶n cùc.
- §èi víi c¶m biÕn h×nh 4.13b: d−íi t¸c ®éng cña ®¹i l−îng ®o XV, b¶n cùc ®éng
di chuyÓn quay, diÖn tÝch gi÷a c¸c b¶n cùc thay ®æi, kÐo theo sù thay ®æi cña ®iÖn
dung tô ®iÖn.
αδ
πε=
δε
= .360
rsC
200 (4.11)
α - gãc øng víi phÇn hai b¶n cùc ®èi diÖn nhau.
δ
XV α
XV
XV
a) b) c)
H×nh 4.13 C¶m biÕn tô ®iÖn ®¬n
- 82 -
§èi víi c¶m biÕn h×nh 4.13c: d−íi t¸c ®éng cña ®¹i l−îng ®o XV, b¶n cùc ®éng
di chuyÓn th¼ng däc trôc, diÖn tÝch gi÷a c¸c b¶n cùc thay ®æi, kÐo theo sù thay ®æi
cña ®iÖn dung.
l.)r/rlog(
2C
12
0πε= (4.12)
XÐt tr−êng hîp tô ®iÖn ph¼ng, ta cã:
δε
=s
C
δδ∂
∂+
∂∂
+εε∂
∂= d
Cds
s
Cd
CdC
§−a vÒ d¹ng sai ph©n ta cã:
( )
δ∆δ∆+δ
ε−∆
δε
+ε∆δ
=∆2
0
00
0
0
0
0 ss
sC (4.13)
Khi kho¶ng c¸ch gi÷a hai b¶n cùc thay ®æi ( ε = const vµ s=const), ®é nh¹y cña
c¶m biÕn:
( )20
00C
sCS
δ∆+δ
ε−=
δ∆∆
=δ (4.14)
Khi diÖn tÝch cña b¶n cùc thay ®æi ( ε = const vµ δ = const), ®é nh¹y cña c¶m
biÕn:
0
0SC s
CS
δε
=∆∆
= (4.15)
Khi h»ng sè ®iÖn m«i thay ®æi ( s = const vµ δ = const), ®é nh¹y cña c¶m biÕn:
0
0C
sCS
δ=
ε∆∆
=ε (4.16)
NÕu xÐt ®Õn dung kh¸ng:
sC
1Z
ωεδ
=ω
=
δδ∂∂
+∂∂
+εε∂
∂= d
Zds
s
Zd
ZdZ
§−a vÒ d¹ng sai ph©n:
( ) ( )
δ∆ωε
+∆∆+ωε
δ−ε∆
ε∆+εω
δ−=∆
002
00
02
00
0
s
1s
sssZ
T−¬ng tù trªn ta cã ®é nh¹y cña c¶m biÕn theo dung kh¸ng:
- 83 -
( )200
0Z
sS
ε∆+εω
δ−=ε (4.17)
( )200
0Zs
ssS
∆+ωε
δ−= (4.18)
00Z s
1S
ωε=δ (4.19)
Tõ c¸c biÓu thøc trªn cã thÓ rót ra:
- BiÕn thiªn ®iÖn dung cña c¶m biÕn tô ®iÖn lµ hµm tuyÕn tÝnh khi diÖn tÝch b¶n
cùc vµ h»ng sè ®iÖn m«i thay ®æi nh−ng phi tuyÕn khi kho¶ng c¸ch gi÷a hai b¶n cùc
thay ®æi.
- BiÕn thiªn dung kh¸ng cña c¶m biÕn tô ®iÖn lµ hµm tuyÕn tÝnh khi kho¶ng c¸ch
gi÷a hai b¶n cùc thay ®æi nh−ng phi tuyÕn khi diÖn tÝch b¶n cùc vµ h»ng sè ®iÖn m«i
thay ®æi.
Ngoµi ra gi÷a hai b¶n cùc khi cã ®iÖn ¸p ®Æt vµo sÏ ph¸t sinh lùc hót, lùc nµy
cÇn ph¶i nhá h¬n ®¹i l−îng ®o.
4.4.2. C¶m biÕn tô kÐp vi sai
Tô kÐp vi sai cã kho¶ng c¸ch gi÷a c¸c b¶n cùc biÕn thiªn dÞch chuyÓn th¼ng
(h×nh 4.14a) hoÆc cã diÖn tÝch b¶n cùc biÕn thiªn dÞch chuyÓn quay (h×nh 4.14b) vµ
dÞch chuyÓn th¼ng (h×nh 4.14c) gåm ba b¶n cùc. B¶n cùc ®éng A1 dÞch chuyÓn gi÷a
hai b¶n cùc cè ®Þnh A2 vµ A3 t¹o thµnh cïng víi hai b¶n cùc nµy hai tô ®iÖn cã ®iÖn
dung C21 vµ C31 biÕn thiªn ng−îc chiÒu nhau.
§é nh¹y vµ ®é tuyÕn tÝnh cña tô kÐp vi sai cao h¬n tô ®¬n vµ lùc t−¬ng hç gi÷a
c¸c b¶n cùc triÖt tiªu lÉn nhau do ng−îc chiÒu nhau.
b)
c)
H×nh 4.14 C¶m biÕn tô kÐp vi sai
δ
XV
a)
α
XV
XV
A2 A1 A3
A2
A1
A3
A2
A1
A3
- 84 -
4.4.3. M¹ch ®o
Th«ng th−êng m¹ch ®o dïng víi c¶m biÕn ®iÖn dung lµ c¸c m¹ch cÇu kh«ng
c©n b»ng cung cÊp b»ng dßng xoay chiÒu. M¹ch ®o cÇn tho¶ m·n c¸c yªu cÇu sau:
- Tæng trë ®Çu vµo tøc lµ tæng trë cña ®−êng chÐo cÇu ph¶i thËt lín.
- C¸c d©y dÉn ph¶i ®−îc bäc kim lo¹i ®Ó tr¸nh ¶nh h−ëng cña ®iÖn tr−êng
ngoµi.
- Kh«ng ®−îc m¾c c¸c ®iÖn trë song song víi c¶m biÕn.
- Chèng Èm tèt.
H×nh 4.15a lµ s¬ ®å m¹ch cÇu dïng cho c¶m biÕn tô kÐp vi sai víi hai ®iÖn trë.
Cung cÊp cho m¹ch cÇu lµ mét m¸y ph¸t tÇn sè cao.
H×nh 4.15b lµ s¬ ®å m¹ch mÆch cÇu biÕn ¸p víi hai nh¸nh tô ®iÖn.
4.5. C¶m biÕn quang
C¸c c¶m biÕn ®o vÞ trÝ vµ dÞch chuyÓn theo ph−¬ng ph¸p quang häc gåm nguån
ph¸t ¸nh s¸ng kÕt hîp víi mét ®Çu thu quang (th−êng lµ tÕ bµo quang ®iÖn).
Tuú theo c¸ch bè trÝ ®Çu thu quang, nguån ph¸t vµ th−íc ®o (hoÆc ®èi t−îng
®o), c¸c c¶m biÕn ®−îc chia ra:
- C¶m biÕn quang ph¶n x¹.
- C¶m biÕn quang soi thÊu.
4.5.1. C¶m biÕn quang ph¶n x¹
C¶m biÕn quang ph¶n x¹ (h×nh 4.16) ho¹t ®éng theo nguyªn t¾c däi ph¶n
quang: ®Çu thu quang ®Æt cïng phÝa víi nguån ph¸t. Tia s¸ng tõ nguån ph¸t qua thÊu
kÝnh héi tô ®Ëp tíi mét th−íc ®o chuyÓn ®éng cïng vËt kh¶o s¸t, trªn th−íc cã
nh÷ng v¹ch chia ph¶n quang vµ kh«ng ph¶n quang kÕ tiÕp nhau, khi tia s¸ng gÆp
ph¶i v¹ch chia ph¶n quang sÏ bÞ ph¶n x¹ trë l¹i ®Çu thu quang.
~ eS Ura A1A3
A2
R
R
~C0
Cx
Ura eS
H×nh 4.15 M¹ch ®o th−êng dïng víi c¶m biÕn tô ®iÖn
a) b)
- 85 -
C¶m biÕn lo¹i däi ph¶n quang, kh«ng cÇn d©y nèi qua vïng c¶m nhËn nh−ng
cù ly c¶m nhËn thÊp vµ chÞu ¶nh h−ëng cña ¸nh s¸ng tõ nguån s¸ng kh¸c.
4.5.2. C¶m biÕn quang soi thÊu
S¬ ®å cÊu tróc cña mét c¶m biÕn ®o vÞ trÝ vµ dÞch chuyÓn theo nguyªn t¾c soi
thÊu tr×nh bµy trªn h×nh 4.17a. C¶m biÕn gåm mét nguån ph¸t ¸nh s¸ng, mét thÊu
kÝnh héi tô, mét l−íi chia kÝch quang vµ c¸c phÇn tö thu quang (th−êng lµ tÕ bµo
quang ®iÖn).
Khi th−íc ®o (g¾n víi ®èi t−îng kh¶o s¸t, ch¹y gi÷a thÊu kÝnh héi tô vµ l−íi
chia) cã chuyÓn ®éng t−¬ng ®èi so víi nguån s¸ng sÏ lµm xuÊt hiÖn mét tÝn hiÖu ¸nh
s¸ng h×nh sin. TÝn hiÖu nµy ®−îc thu bëi c¸c tÕ bµo quang ®iÖn ®Æt sau l−íi chia. C¸c
tÝn hiÖu ®Çu ra cña c¶m biÕn ®−îc khuÕch ®¹i trong mét bé t¹o xung ®iÖn tö t¹o
thµnh tÝn hiÖu xung d¹ng ch÷ nhËt.
1 2
3
4
5
6
H×nh 4.17 a) S¬ ®å cÊu t¹o c¶m biÕn quang soi thÊu b) TÝn hiÖu ra 1) Nguån s¸ng 2) ThÊu kÝnh héi tô 3) Th−íc ®o 4) L−íi chia 5) TÕ bµo quang ®iÖn 6) M· chuÈn
TÝn hiÖu ra
Vr1
Vr2
TÝn hiÖu chuÈn
Chu kú chia
a) b)
H×nh 4.16 C¶m biÕn quang ph¶n x¹ 1) Nguån ph¸t 2) Th−íc ®o 3) §Çu thu quang
12
3
- 86 -
C¸c tÕ bµo quang ®iÖn bè trÝ thµnh hai d·y vµ ®Æt lÖch nhau mét phÇn t− ®é
chia nªn ta nhËn ®−îc hai tÝn hiÖu lÖch pha 90o (h×nh 4.17b), nhê ®ã kh«ng nh÷ng
x¸c ®Þnh ®−îc ®é dÞch chuyÓn mµ cßn cã thÓ nhËn biÕt ®−îc c¶ chiÒu chuyÓn ®éng.
§Ó kh«i phôc ®iÓm gèc trong tr−êng hîp mÊt ®iÖn nguån ng−êi ta trang bÞ
thªm mèc ®o chuÈn trªn th−íc ®o.
−u ®iÓm cña c¸c c¶m biÕn soi thÊu lµ cù ly c¶m nhËn xa, cã kh¶ n¨ng thu ®−îc
tÝn hiÖu m¹nh vµ tØ sè ®é t−¬ng ph¶n s¸ng tèi lín, tuy nhiªn cã h¹n chÕ lµ khã bè trÝ
vµ chØnh th¼ng hµng nguån ph¸t vµ ®Çu thu.
4.6. C¶m biÕn ®o dÞch chuyÓn b»ng sãng ®µn håi
4.6.1. Nguyªn lý ®o dÞch chuyÓn b»ng sãng ®µn håi
Tèc ®é truyÒn sãng ®µn håi v trong chÊt r¾n ~ 103m/s. Thêi gian truyÒn sãng
gi÷a hai ®iÓm trong vËt r¾n c¸ch nhau mét kho¶ng l x¸c ®Þnh bëi biÓu thøc:
v
lt P =
BiÕt tèc ®é truyÒn sãng v vµ ®o thêi gian truyÒn sãng tP ta cã thÓ x¸c ®Þnh ®−îc
kho¶ng c¸ch l cÇn ®o:
Pvtl =
S¬ ®å khèi cña mét thiÕt bÞ ®o dÞch chuyÓn b»ng sãng ®µn håi biÓu diÔn trªn
h×nh 4.18.
Thêi gian truyÒn sãng tP tõ khi tÝn hiÖu xuÊt hiÖn ë m¸y ph¸t ®Õn khi nã ®−îc
tiÕp nhËn ë m¸y thu ®−îc ®o b»ng m¸y ®Õm xung. M¸y ®Õm ho¹t ®éng khi b¾t ®Çu
ph¸t sãng vµ ®ãng l¹i khi tÝn hiÖu ®Õn ®−îc m¸y thu.
Gäi sè xung ®Õm ®−îc lµ N vµ chu kú cña xung ®Õm lµ tH, ta cã:
HP Ntt =
§ång hå M¸y ®Õm
M¸y ph¸t
M¸y thu
l
H×nh 4.18 S¬ ®å khèi cña mét thiÕt bÞ ®o dÞch chuyÓn b»ng sãng ®µn håi
- 87 -
Khi ®ã: HvNtl = (4.20)
4.6.2. C¶m biÕn sö dông phÇn tö ¸p ®iÖn
Trong c¸c c¶m biÕn ¸p ®iÖn, sãng ®µn håi ®−îc ph¸t vµ thu nhê sö dông hiÖu
øng ¸p ®iÖn. HiÖu øng ¸p ®iÖn lµ hiÖn t−îng khi mét tÊm vËt liÖu ¸p ®iÖn (thÝ dô
th¹ch anh) bÞ biÕn d¹ng d−íi t¸c dông cña mét lùc c¬ häc cã chiÒu nhÊt ®Þnh, trªn
c¸c mÆt ®èi diÖn cña tÊm xuÊt hiÖn mét l−îng ®iÖn tÝch b»ng nhau nh−ng tr¸i dÊu,
ng−îc l¹i d−íi t¸c ®éng cña ®iÖn tr−êng cã chiÒu thÝch hîp, tÊm vËt liÖu ¸p ®iÖn bÞ
biÕn d¹ng.
§Ó ®o dÞch chuyÓn ta cã thÓ sö dông hai d¹ng sãng ®µn håi:
- Sãng khèi: däc vµ ngang.
- Sãng bÒ mÆt.
Sãng khèi däc truyÒn cho c¸c phÇn tö cña vËt r¾n dÞch chuyÓn däc theo ph−¬ng
truyÒn sãng t¹o nªn sù nÐn råi l¹i gi·n në cña c¸c líp cña vËt r¾n. Sãng nµy ®−îc
kÝch thÝch b»ng phÇn tö ¸p ®iÖn rung theo bÒ dµy (h×nh 4.19a).
Sãng khèi ngang g©y nªn dÞch chuyÓn vu«ng gãc víi ph−¬ng truyÒn sãng, t¹o
ra chuyÓn ®éng tr−ît t−¬ng ®èi gi÷a c¸c líp cña vËt r¾n. Sãng nµy ®−îc kÝch thÝch
b»ng mét phÇn tö ¸p ®iÖn rung theo mÆt c¾t (h×nh 4.19b).
Sãng bÒ mÆt truyÒn trong líp bÒ mÆt cña vËt r¾n, biªn ®é cña chóng hÇu nh−
b»ng kh«ng ë ®é s©u 2λ d−íi bÒ mÆt. Sãng bÒ mÆt gåm mét thµnh phÇn sãng däc vµ
mét thµnh phÇn sãng ngang. Nguån kÝch thÝch sãng bÒ mÆt lµ mét hÖ ®iÖn cùc kiÓu
Ph−¬ng truyÒn sãng Ph−¬ng truyÒn sãng
H×nh 4.19 C¸c d¹ng sãng ®µn håi a) Sãng däc b) Sãng ngang c) Sãng bÒ mÆt vµ d¹ng ®iÖn cùc kÝch thÝch
V
λ
V V
a) b)
c)
- 88 -
r¨ng l−îc cµi nhau phñ lªn bÒ mÆt vËt liÖu ¸p ®iÖn (h×nh 4.19c). Kho¶ng c¸ch gi÷a
hai r¨ng kÒ nhau cña c¸c ®iÖn cùc ph¶i b»ng λ ®Ó cã thÓ g©y ra biÕn d¹ng khi cã
®iÖn ¸p V cïng pha ®Æt vµo vµ ®Ó t¨ng hiÖu øng cña chóng. M¸y thu sãng bÒ mÆt
còng cã cÊu t¹o t−¬ng tù nh− m¸y ph¸t ®−îc g¾n cè ®Þnh vµo bÒ mÆt vËt r¾n, khi cã
sãng bÒ mÆt ®i qua, c¸c r¨ng cña ®iÖn cùc lµm biÕn d¹ng bÒ mÆt vËt r¾n vµ g©y nªn
®iÖn ¸p do hiÖu øng ¸p ®iÖn.
4.6.3. C¶m biÕn ©m tõ
Sãng ®µn håi ph¸t ra nhê sö dông hiÖu øng Wiedemam: hiÖn t−îng xo¾n mét
èng trô s¾t tõ khi nã chÞu t¸c dông ®ång thêi cña mét tõ tr−êng däc vµ mét tõ tr−êng
ngang.
Sãng ®µn håi ®−îc thu trªn c¬ së sö dông hiÖu øng Vilari: søc c¨ng c¬ häc lµm
thay ®æi kh¶ n¨ng tõ ho¸ vµ ®é tõ thÈm cña vËt liÖu s¾t tõ.
S¬ ®å nguyªn lý vµ cÊu t¹o cña c¶m biÕn ©m tõ tr×nh bµy trªn h×nh 4.20.
CÊu t¹o cña c¶m biÕn gåm èng s¾t tõ (1), nam ch©m di ®éng (2) tr−ît däc èng
g¾n víi vËt cÇn x¸c ®Þnh vÞ trÝ. D©y dÉn (3) n»m gi÷a trôc èng vµ ®−îc nèi víi m¸y
ph¸t xung (4). M¸y thu (5) cã lâi tõ nèi c¬ häc víi èng.
Nguyªn lý ho¹t ®éng cña c¶m biÕn: M¸y ph¸t (4) cung cÊp mét xung ®iÖn
truyÒn qua d©y dÉn (3), xung nµy truyÒn víi vËn tèc ¸nh s¸ng (c), tõ tr−êng do nã
sinh ra cã ®−êng søc lµ ®−êng trßn ®ång t©m víi trôc èng. Khi sãng ®iÖn tõ truyÒn
®Õn vÞ trÝ nam ch©m (2), sù kÕt hîp cña hai tõ tr−êng lµm cho èng bÞ xo¾n côc bé,
xo¾n côc bé nµy truyÒn ®i trong èng d−íi d¹ng sãng ®µn håi víi vËn tèc v. Khi sãng
®µn håi ®Õn m¸y thu (5) nã lµm thay ®æi ®é tõ ho¸ g©y nªn tÝn hiÖu håi ®¸p.
§Çu thu
M¸y ph¸t xung
l
H×nh 4.20 S¬ ®å nguyªn lý c¶m biÕn ©m tõ 1) èng s¾t tõ 2) Nam ch©m 3) D©y dÉn 4) M¸y ph¸t xung 5) §Çu thu
1 2 3
4
5
- 89 -
Gäi tP lµ thêi gian tõ khi ph¸t xung hái ®Õn khi nhËn ®−îc xung håi ®¸p, do v
<< c ta cã:
v
lt P = (4.21)
Trong ®ã l lµ kho¶ng c¸ch tõ nam ch©m ®Õn ®Çu thu, tP ®−îc ®o b»ng ph−¬ng ph¸p
®Õm xung.
- 90 -
Ch−¬ng V
C¶m biÕn ®o biÕn d¹ng
D−íi t¸c ®éng cña øng lùc c¬ häc, trong m«i tr−êng chÞu øng lùc xuÊt hiÖn
biÕn d¹ng. Sù biÕn d¹ng cña c¸c cÊu tróc ¶nh h−ëng rÊt lín tíi kh¶ n¨ng lµm viÖc
còng nh− ®é an toµn khi lµm viÖc cña kÕt cÊu chÞu lùc. MÆt kh¸c gi÷a øng lùc vµ
biÕn d¹ng cã mèi quan hÖ víi nhau, dùa vµo mèi quan hÖ ®ã ng−êi ta cã thÓ x¸c
®Þnh ®−îc øng lùc khi ®o biÕn d¹ng do nã g©y ra. Bëi vËy ®o biÕn d¹ng lµ mét vÊn
®Ò ®−îc quan t©m nhiÒu trong kü thuËt.
5.1. BiÕn d¹ng vµ ph−¬ng ph¸p ®o
5.1.1. §Þng nghÜa mét sè ®¹i l−îng c¬ häc
- BiÕn d¹ng ε: lµ tØ sè gi÷a ®é biÕn thiªn kÝch th−íc (∆l) vµ kÝch th−íc ban ®Çu (l).
l
l∆=ε (5.1)
BiÕn d¹ng gäi lµ ®µn håi khi mµ øng lùc mÊt ®i th× biÕn d¹ng còng mÊt theo.
BiÕn d¹ng mµ cßn tån t¹i ngay c¶ sau khi øng lùc mÊt ®i ®−îc gäi lµ biÕn d¹ng
d−.
- Giíi h¹n ®µn håi: lµ øng lùc tèi ®a kh«ng g©y nªn biÕn d¹ng dÎo v−ît qu¸ 2%,
tÝnh b»ng kG/mm2. VÝ dô giíi h¹n ®µn håi cña thÐp ~20 - 80 kG/mm2.
- M«®un Young (Y): x¸c ®Þnh biÕn d¹ng theo ph−¬ng cña øng lùc.
σ==εY
1
S
F
Y
1|| (5.2)
F - lùc t¸c dông, kG.
S - tiÕt diÖn chÞu lùc. mm2.
σ - øng lùc, σ =F/S.
§¬n vÞ ®o mo®un Young lµ kG/mm2. Mo®un Young cña thÐp ~ 18.000 -
29.000 kG/mm2.
- HÖ sè poison ν: hÖ sè x¸c ®Þnh biÕn d¹ng theo ph−¬ng vu«ng gãc víi lùc t¸c
dông.
||νε−=ε⊥ (5.3)
Trong vïng biÕn d¹ng ®µn håi ν ≈ 0,3.
- 91 -
5.1.2. ph−¬ng ph¸p ®o biÕn d¹ng
T¸c ®éng cña øng lùc g©y ra sù biÕn d¹ng trong kÕt cÊu chÞu øng lùc. Gi÷a
biÕn d¹ng vµ øng lùc cã quan hÖ chÆt chÏ víi nhau, b»ng c¸ch ®o biÕn d¹ng ta cã thÓ
tÝnh ®−îc øng lùc t¸c ®éng lªn kÕt cÊu. §Ó ®o biÕn d¹ng ng−êi ta sö dông c¸c c¶m
biÕn biÕn d¹ng hay cßn gäi lµ ®Çu ®o biÕn d¹ng.
HiÖn nay sö dông phæ biÕn hai lo¹i ®Çu ®o biÕn d¹ng:
- §Çu ®o ®iÖn trë: ®©y lµ lo¹i ®Çu ®o dïng phæ biÕn nhÊt. Chóng ®−îc chÕ t¹o tõ
vËt liÖu cã ®iÖn trë biÕn thiªn theo møc ®é biÕn d¹ng, víi kÝch th−íc nhá tõ vµi mm
®Õn vµi cm, khi ®o chóng ®−îc d¸n trùc tiÕp lªn cÊu tróc biÕn d¹ng.
- §Çu ®o d¹ng d©y rung ®−îc dïng trong ngµnh x©y dùng. §Çu ®o ®−îc lµm b»ng
mét sîi d©y kim lo¹i c¨ng gi÷a hai ®iÓm cña cÊu tróc cÇn ®o biÕn d¹ng. TÇn sè cña
d©y rung lµ hµm cña søc c¨ng c¬ häc, tÇn sè nµy thay ®æi khi kho¶ng c¸ch hai ®iÓm
nèi thay ®æi.
Trong ch−¬ng nµy ®Ò cËp ®Õn c¸c ®Çu ®o biÕn d¹ng th−êng dïng trong c«ng
nghiÖp nh− ®Çu ®o ®iÖn trë kim lo¹i, ®Çu ®o ®iÖn trë b¸n dÉn - ¸p ®iÖn trë, øng suÊt
kÕ d©y rung vµ c¸c ®Çu ®o trong chÕ ®é ®éng.
5.2. §Çu ®o ®iÖn trë kim lo¹i
5.2.1. CÊu t¹o vµ nguyªn lý ho¹t ®éng
§Çu ®o ®iÖn trë kim lo¹i cã cÊu t¹o d¹ng l−íi. §èi víi ®Çu ®o d¹ng l−íi d©y,
®−îc lµm b»ng d©y ®iÖn trë cã tiÕt diÖn trßn (®−êng kÝnh d ≈ 20 µm) hoÆc tiÕt diÖn
ch÷ nhËt axb (h×nh 5.1a). §Çu ®o d¹ng l−íi mµng chÕ t¹o b»ng ph−¬ng ph¸p m¹ch in
(h×nh 5.1b). Sè nh¸nh n cña c¶m biÕn th−êng tõ 10 - 20 nh¸nh.
C¶m biÕn ®−îc cè ®Þnh trªn ®Õ c¸ch ®iÖn máng bÒ dµy ~ 0,1 mm lµm b»ng
giÊy hoÆc ~ 0,03 mm lµm b»ng chÊt dÎo (polyimide, epoxy). VËt liÖu lµm ®iÖn trë
th−êng thuéc hä hîp kim Ni ( b¶ng 5.1).
H×nh 5.1 S¬ ®å cÊu t¹o cña ®Çu ®o kim lo¹i a) §Çu ®o dïng d©y quÊn b) §Çu ®o dïng l−íi mµng
a) b)
- 92 -
B¶ng 5.1
Hîp kim Thµnh phÇn HÖ sè ®Çu ®o K
Constantan 45%Ni, 55%Cu 2,1
Isoelastic 52%Fe, 36%Ni, 8%Cr, 4%(Mn+Mo) 3,5
Karma 74%Ni, 20%Cr, 3%Cu, 3%Fe 2,1
Nicrome V 80%Ni, 20%Cr 2,5
B¹ch kim - vonfram 92%Pt, 8%W 4,1
Khi ®o c¶m biÕn ®−îc g¾n vµo bÒ mÆt cña cÊu tróc cÇn kh¶o s¸t (h×nh 5.2), kÕt
qu¶ lµ c¶m biÕn còng chÞu mét biÕn d¹ng nh− biÕn d¹ng cña cÊu tróc.
§iÖn trë cña c¶m biÕn x¸c ®Þnh bëi biÓu thøc :
S
lR
ρ= (5.4)
Ph−¬ng tr×nh sai ph©n:
ρρ∆
+∆
−∆
=∆
S
S
l
l
R
R
BiÕn d¹ng däc ∆ l cña d©y kÐo theo biÕn d¹ng ngang cña tiÕt diÖn, quan hÖ gi÷a biÕn
d¹ng ngang vµ biÕn d¹ng däc cã d¹ng:
l
l
d
d
b
b
a
a ∆ν−=
∆=
∆=
∆
TiÕt diÖn ngang cña d©y S = ab hoÆc S = πd2/4, ta cã:
l
l2
S
S ∆ν−=
∆
MÆt kh¸c, ®èi víi ®Çu ®o kim lo¹i:
V
VC∆
=ρρ∆
1 2 3 54 6
7
H×nh 5.2 C¸ch cè ®Þnh ®Çu ®o trªn bÒ mÆt kh¶o s¸t 1) BÒ mÆt kh¶o s¸t 2) C¶m biÕn 3)Líp b¶o vÖ 4) Mèi hµn
5) D©y dÉn 6) C¸p ®iÖn 7) Keo d¸n
- 93 -
C - h»ng sè Bridman.
V - thÓ tÝch d©y.
V× V = S.l, ta cã:
l
l)21(
V
V ∆ν−=
∆
Vµ:
l
l)21(C∆
ν−=ρρ∆
VËy ta cã:
( ) ( ) l
l.K
l
l21C21
R
R ∆=
∆ν−+ν+=
∆ (5.5)
HÖ sè K ®−îc gäi lµ hÖ sè ®Çu ®o, gi¸ trÞ x¸c ®Þnh theo biÓu thøc:
( )ν−+ν+= 21C21K (5.6)
V× ν ≈ 0,3, C ≈ 1, nªn ®Çu ®o kim lo¹i cã K ≈ 2.
5.2.2. C¸c ®Æc tr−ng chñ yÕu
- §iÖn trë suÊt : ®iÖn trë cña vËt liÖu lµm d©y ph¶i ®ñ lín ®Ó d©y kh«ng qu¸ dµi
lµm t¨ng kÝch th−íc c¶m biÕn vµ tiÕt diÖn d©y kh«ng qu¸ bÐ lµm gi¶m dßng ®o dÉn
®Õn lµm gi¶m ®é nh¹y.
- HÖ sè ®Çu ®o: th«ng th−êng K = 2 - 3, ngo¹i trõ isoelastic cã K = 3,5 vµ platin-
vonfram K = 4,1.
- ¶nh h−ëng cña lùc ®Õn ®é tuyÕn tÝnh: trong giíi h¹n ®µn håi, hÖ sè ®Çu ®o kh«ng
®æi do quan hÖ tuyÕn tÝnh gi÷a ®iÖn trë vµ biÕn d¹ng. Ngoµi giíi h¹n ®µn håi, khi
∆l/l > 0,5% - 20% tuú theo vËt liÖu, hÖ sè ®Çu ®o K ≈ 2.
- ¶nh h−ëng cña nhiÖt ®é: nãi chung K Ýt chÞu ¶nh h−ëng cña nhiÖt ®é, ngo¹i trõ
isoelastic. Trong kho¶ng nhiÖt ®é tõ - 100oC ÷ 300oC sù thay ®æi cña hÖ sè ®Çu ®o
K theo nhiÖt ®é cã thÓ biÓu diÔn bëi biÓu thøc:
( ) ( ) 0K0 TT1KTK −α+= (5.7)
K0 - hÖ sè ®Çu ®o ë nhiÖt ®é chuÈn T0 (th−êng T0 = 25oC).
αK - hÖ sè, phô thuéc vËt liÖu. Víi Nichrome V th× αK = -0,04%/oC, constantan
αK = +0,01%/oC
- §é nh¹y ngang: ngoµi c¸c nh¸nh däc cã ®iÖn trë RL c¶m biÕn cßn cã c¸c ®o¹n
nh¸nh ngang cã tæng ®é dµi lt , ®iÖn trë Rt, do ®ã ®iÖn trë tæng céng cña c¶m biÕn
- 94 -
b»ng R = RL + Rt. Trong qu¸ tr×nh biÕn d¹ng c¸c ®o¹n ngang còng bÞ biÕn d¹ng, Rt
thay ®æi còng lµm cho R thay ®æi. Tuy nhiªn do Rt << RL, ¶nh h−ëng cña biÕn d¹ng
ngang còng kh«ng lín.
5.3. C¶m biÕn ¸p trë silic
5.3.1. CÊu t¹o vµ nguyªn lý ho¹t ®éng
§Çu ®o b¸n dÉn ®−îc lµm b»ng ®¬n tinh thÓ silic pha t¹p. CÊu t¹o cña chóng
phô thuéc c¸c chÕ t¹o.
§Çu ®o lo¹i c¾t: chÕ t¹o b»ng c¸c mÈu c¾t tõ tÊm ®¬n tinh thÓ silic pha t¹p cã
s¬ ®å cÊu t¹o nh− h×nh 5.3. C¸c mÉu c¾t ®¬n tinh thÓ ®−îc lÊy song song víi ®−êng
chÐo cña tinh thÓ lËp ph−¬ng ®èi víi silic lo¹i P vµ song song víi c¹nh lËp ph−¬ng
nÕu lµ silic lo¹i N. MÉu c¾t cã chiÒu dµi tõ 0,1 mm ®Õn vµi mm vµ chiÒu dµy cì
10-2mm. C¸c mÉu c¾t ®−îc d¸n trªn ®Õ c¸ch ®iÖn b»ng nhùa.
§Çu ®o khuÕch t¸n: ®iÖn trë cña ®Çu ®o chÕ t¹o b»ng c¸ch khuÕch t¸n t¹p chÊt
vµo mét tÊm ®Õ ®¬n tinh thÓ silic pha t¹p. S¬ ®å cÊu t¹o cña lo¹i nµy tr×nh bµy trªn
h×nh 5.4.
§iÖn trë lo¹i N nhËn ®−îc b»ng c¸ch khuÕch t¸n vµo ®Õ silic lo¹i P mét t¹p
chÊt thuéc nhãm V trong b¶ng tuÇn hoµn (nh− P, Sb), cßn ®iÖn trë lo¹i P khuÕch t¸n
t¹p chÊt thuéc nhãm III (nh− Ga, In) vµo ®Õ silic lo¹i N. ChuyÓn tiÕp gi÷a ®Õ vµ
vïng khuÕch t¸n t¹o nªn mét ®iot vµ lu«n ®−îc ph©n cùc ng−îc (vïng P ©m h¬n
vïng N) ®Ó cho ®iÖn trë cña c¶m biÕn c¸ch biÖt víi ®Õ silic.
Si-NSi-P
SiO2
H×nh 5.4 §Çu ®o lo¹i khuÕch t¸n
P
PN
N
H×nh 5.3 §Çu ®o chÕ t¹o b»ng c¸c mÉu c¾t
N
- 95 -
BiÕn thiªn ®iÖn trë cña ®Çu ®o b¸n dÉn x¸c ®Þnh bëi c«ng thøc t−¬ng tù ®Çu ®o
kim lo¹i:
ρρ∆
+∆
−∆
=∆
S
S
l
l
R
R
§èi víi ®Çu ®o b¸n dÉn, biÕn thiªn ®iÖn trë suÊt do t¸c dông cña øng lùc cã d¹ng:
l
lY∆
π=πσ=ρρ∆
Trong ®ã π lµ hÖ sè ¸p ®iÖn trë, σ lµ øng lùc t¸c dông.
VËy:
( ) l
lY21
R
R ∆π+ν+=
∆ (5.8)
vµ hÖ sè ®Çu ®o:
Y21K π+ν+= (5.9)
Th«ng th−êng K = 100 - 200.
5.3.2. C¸c ®Æc tr−ng chñ yÕu
§èi víi ®Çu ®o b¸n dÉn, ®é pha t¹p lµ yÕu tè quyÕt ®Þnh ®Õn c¸c ®Æc tr−ng cña
chóng.
- §iÖn trë:
¶nh h−ëng cña ®é pha t¹p: khi t¨ng ®é pha t¹p, mËt ®é h¹t dÉn trong vËt liÖu t¨ng
lªnvµ ®iÖn trë suÊt cña nã gi¶m xuèng. BiÓu thøc chung cña ®iÖn trë suÊt cã d¹ng:
)pn(q
1
pn µ+µ=ρ
q - gi¸ trÞ tuyÖt ®èi cña ®iÖn tÝch ®iÖn trë hoÆc lç trèng.
n, p - mËt ®é ®iÖn tö vµ lç trèng tù do.
µn, µp - ®é linh ®éng cña ®iÖn tö vµ lç trèng.
Nång ®é t¹p chÊt/cm3
ρ (Ω
cm)
1014 1015 1016 1017 1018 101910-3
10-2
10-1
1
H×nh 5.5 Sù phô thuéc cña ®iÖn trë suÊt vµo nång ®é pha t¹p vµ nhiÖt ®é
ρ (Ω
cm)
-100 0 100 200 300 400 500
2
3
ToC
4 5
6
7
101
1020
1016
1014
- 96 -
¶nh h−ëng cña nhiÖt ®é: khi nhiÖt ®é nhá h¬n 120oC hÖ sè nhiÖt ®iÖn trë cã gi¸ trÞ
d−¬ng vµ gi¶m dÇn khi ®é pha t¹p t¨ng lªn.
¶nh h−ëng cña ®é biÕn d¹ng: HÖ sè ®Çu ®o phô thuéc vµo ®é biÕn d¹ng, quan hÖ cã
d¹ng:
2221 KKKK ε+ε+=
Tuy nhiªn víi ®é biÕn d¹ng d−íi mét gi¸ trÞ cùc ®¹i nµo ®ã cã thÓ coi K kh«ng ®æi.
¶nh h−ëng cña nhiÖt ®é: Khi nhiÖt ®é t¨ng hÖ sè ®Çu ®o gi¶m, tuy nhiªn khi ®é pha
t¹p lín (cì Nd = 1020cm-3) hÖ sè ®Çu ®o Ýt phô thuéc nhiÖt ®é.
5.4. §Çu ®o trong chÕ ®é ®éng
Khi ®o biÕn d¹ng trong chÕ ®é ®éng, ®Çu ®o ph¶i tho¶ m·n mét sè yªu cÇu
nhÊt ®Þnh nh− tÇn sè sö dông tèi ®a, giíi h¹n mái.
5.4.1. TÇn sè sö dông tèi ®a
TÇn sè cña ®Çu ®o kh«ng phô thuéc vµo vËt liÖu chÕ t¹o, silic cã thÓ truyÒn
kh«ng suy gi¶m c¸c dao ®éng víi tÇn sè lín h¬n 106 Hz. Tuy nhiªn tÇn sè lµm viÖc
l¹i phô thuéc vµo ph−¬ng ph¸p g¾n ®Çu ®o vµ kÝch th−íc cña nã.
§Ó cho c¸c biÕn d¹ng ®o ®−îc gÇn nh− ®ång bé trong ph¹m vi cña ®Çu ®o,
chiÒu dµi l cña c¸c nh¸nh ph¶i nhá h¬n nhiÒu lÇn b−íc sãng λ cña dao ®éng c¬ häc.
Quan hÖ gi÷a kÝch th−íc l vµ chiÒu dµi b−íc sãng ph¶i tho¶ m·n ®iÒu kiÖn:
λ≤ 1,0l
ChiÒu dµi b−íc sãng λ cña dao ®éng c¬ häc ®−îc x¸c ®Þnh bëi c«ng thøc:
f
v=λ (5.10)
Trong ®ã v lµ vËn tèc truyÒn sãng vµ f lµ tÇn sè dao ®éng.
ë nhiÖt ®é cao hÖ sè nhiÖt
®iÖn trë cã gi¸ trÞ ©m vµ kh«ng
phô thuéc vµo ®é pha t¹p.
- HÖ sè ®Çu ®o K:
¶nh h−ëng cña ®é pha t¹p: HÖ sè
®Çu ®o phô thuéc vµo ®é pha t¹p,
khi ®é pha t¹p t¨ng lªn, hÖ sè ®Çu
®o gi¶m (h×nh 5.6). H×nh 5.6 Sù phô thuéc cña K vµo ®é pha t¹p
-100 0 100 200 300 400 500 ToC
40
80
120 160
180
200
240
600
1020 3.1019
5.10181017/cm3
K
- 97 -
( )( )ν−ν+ν−
=211
1.
d
Yv
Y - lµ m«®un Young.
ν - hÖ sè poisson.
d - träng l−îng riªng vËt liÖu chÕ t¹o d©y.
VËy tÇn sè cùc ®¹i fmax cña dao ®éng khi chiÒu dµi nh¸nh cña ®Çu ®o lµ l b»ng:
l.10
vfmax =
5.4.2. Giíi h¹n mái
BiÕn d¹ng nhiÒu lÇn lµm t¨ng ®iÖn trë ®Çu ®o do hiÖu øng mái, hiÖu øng nµy
cµng lín khi biªn ®é biÕn d¹ng cµng lín.
Giíi h¹n mái ®−îc x¸c ®Þnh bëi sè chu kú biÕn d¹ng N víi biªn ®é cho tr−íc
g©y nªn biÕn thiªn ®iÖn trë b»ng 10-4 øng víi chu kú biÕn d¹ng gi¶ ®Þnh. §èi víi
biªn ®é biÕn d¹ng cì ±2.10-3 giíi h¹n mái n»m trong kho¶ng tõ 104 (constantan) ®Õn
108(isoelastic) chu kú.
5.5. øng suÊt kÕ d©y rung
øng suÊt kÕ d©y rung ®−îc dïng ®Ó theo dâi kiÓm tra c¸c c«ng tr×nh x©y dùng
nh− ®Ëp, cÇu, ®−êng hÇm ...
CÊu t¹o cña øng suÊt kÕ d©y rung gåm mét d©y thÐp c¨ng gi÷a hai gi¸ g¾n vµo
cÊu tróc cÇn nghiªn cøu biÕn d¹ng. Khi cã biÕn d¹ng, sù c¨ng c¬ häc cña d©y kÐo
theo sù thay ®æi tÇn sè dao ®éng N cña d©y, b»ng c¸ch ®o tÇn sè dao ®éng cña d©y
cã thÓ biÕt ®−îc ®é lín cña biÕn d¹ng.
TÇn sè dao ®éng cña sîi d©y x¸c ®Þnh theo c«ng thøc:
Sd
F
l2
1N = (5.11)
l - kho¶ng c¸ch gi÷a hai ®iÓm c¨ng d©y.
F - lùc t¸c dông.
S - tiÕt diÖn d©y.
d - khèi l−îng riªng cña vËt liÖu chÕ t¹od©y.
D−íi t¸c dông cña lùc F, ®é dµi d©y biÕn thiªn mét l−îng ∆l x¸c ®Þnh tõ biÓu thøc:
S
F
Y
1
l
l=
∆ (5.12)
- 98 -
Do ®ã tÇn sè dao ®éng cña d©y:
l
l
d
Y
l2
1N
∆=
Suy ra:
222
N.KNY
dl4
l
l==
∆ (5.13)
Gi¶ sö ∆l0 lµ ®é kÐo dµi ban ®Çu vµ N0 lµ tÇn sè t−¬ng øng khi ch−a cã biÕn d¹ng:
20
0 N.Kl
l=
∆
Khi cã biÕn d¹ng, ®é kÐo dµi tæng céng cña d©y lµ ∆l1 vµ tÇn sè lµ N1, ta cã:
21
1 N.Kl
l=
∆
V× ®é kÐo dµi do biÕn d¹ng ∆l = ∆l1 - ∆l0, suy ra:
( )20
21 NNK
l
l−=
∆ (5.14)
§o N0 vµ N1 ta cã thÓ tÝnh ®−îc biÕn d¹ng cña cÊu tróc.
- 99 -
Ch−¬ng VI
C¶m biÕn ®o lùc
6.1. Nguyªn lý ®o lùc
X¸c ®Þnh øng lùc c¬ häc t¸c ®éng lªn c¸c cÊu tróc trong nh÷ng ®iÒu kiÖn x¸c
®Þnh lµ vÊn ®Ò hµng ®Çu trong viÖc ®¸nh gi¸ ®é an toµn cho ho¹t ®éng cña m¸y mãc,
thiÕt bÞ.
Theo ®Þnh luËt c¬ b¶n cña ®éng lùc häc, lùc ®−îc x¸c ®Þnh bëi biÓu thøc:
aMF = (6.1)
Trong ®ã:
F - lùc t¸c dông (N).
M - khèi l−îng cña vËt (kg).
a - gia tèc cña vËt (m/s2).
Theo c«ng thøc (6.1), khi mét lùc cã c−êng ®é F (N) t¸c ®éng vµo mét vËt cã
khèi l−îng M (kg) sÏ g©y ra gia tèc a (m/s2).
Nguyªn t¾c ®o lùc lµ lµm c©n b»ng lùc cÇn ®o víi mét lùc ®èi kh¸ng sao cho
lùc tæng céng vµ momen tæng cña chóng b»ng kh«ng.
Trong c¸c c¶m biÕn ®o lùc th−êng cã mét vËt trung gian chÞu t¸c ®éng cña lùc
cÇn ®o vµ biÕn d¹ng. BiÕn d¹ng cña vËt trung gian lµ nguyªn nh©n g©y ra lùc ®èi
kh¸ng vµ trong giíi h¹n ®µn håi biÕn d¹ng tØ lÖ víi lùc ®èi kh¸ng.
BiÕn d¹ng vµ lùc g©y ra biÕn d¹ng cã thÓ ®o trùc tiÕp b»ng c¶m biÕn biÕn d¹ng,
hoÆc ®o gi¸n tiÕp nÕu mét trong nh÷ng tÝnh chÊt ®iÖn cña vËt liÖu chÕ t¹o vËt trung
gian phô thuéc vµo biÕn d¹ng.
Ta còng cã thÓ x¸c ®Þnh mét lùc b»ng c¸ch c©n b»ng nã víi mét lùc ®· biÕt.
Theo c«ng thøc x¸c ®Þnh träng lùc cña mét vËt trong träng tr−êng tr¸i ®Êt:
gMP =
Trong m«i tr−êng cã g biÕt tr−íc, c©n khèi l−îng M cña vËt ta cã thÓ x¸c ®Þnh
®−îc träng lùc cña vËt ®ã, ng−îc l¹i nÕu sö dông mét vËt cã khèi l−îng ®· biÕt sÏ cã
®−îc mét lùc x¸c ®Þnh. §©y chÝnh lµ nguyªn t¾c chuÈn c¶m biÕn b»ng m¸y ®o cã
khèi l−îng treo.
Trong ch−¬ng nµy nghiªn cøu c¸c bé c¶m biÕn ®o lùc phæ biÕn nh− c¶m biÕn
¸p ®iÖn, c¶m biÕn tõ gi¶o, c¶m biÕn dùa trªn phÐp ®o dÞch chuyÓn, c¶m biÕn xóc
gi¸c.
- 100 -
6.2. C¶m biÕn ¸p ®iÖn
6.2.1. CÊu t¹o vµ nguyªn lý ho¹t ®éng
C¶m biÕn ¸p ®iÖn ho¹t ®éng dùa trªn nguyªn lý cña hiÖu øng ¸p ®iÖn.
PhÇn tö c¬ b¶n cña mét c¶m biÕn ¸p ®iÖn cã cÊu t¹o t−¬ng tù mét tô ®iÖn ®−îc
chÕ t¹o b»ng c¸ch phñ hai b¶n cùc lªn hai mÆt ®èi diÖn cña mét phiÕn vËt liÖu ¸p
®iÖn máng. VËt liÖu ¸p ®iÖn th−êng dïng lµ th¹ch anh v× nã cã tÝnh æn ®Þnh vµ ®é
cøng cao. Tuy nhiªn hiÖn nay vËt liÖu gèm (vÝ dô gèm PZT) do cã −u ®iÓm ®é bÒn
vµ ®é nh¹y cao, ®iÖn dung lín, Ýt chÞu ¶nh h−ëng cña ®iÖn tr−êng ký sinh, dÔ s¶n
xuÊt vµ gi¸ thµnh chÕ t¹o thÊp còng ®−îc sö dông ®¸ng kÓ.
§Æc tr−ng vËt lý cña mét sè vËt liÖu ¸p ®iÖn ®−îc tr×nh bµy trªn b¶ng 6.1.
B¶ng 6.1
VËt liÖu
§é thÈm thÊu
§iÖn trë suÊt
(Ω.m)
Modun Young
(109 N.m-2)
øng lùc cùc ®¹i
(107 N.m-2)
NhiÖt ®é lµm viÖc Tmax (
oC) Th¹ch anh ε11=4,5 1012 Y11=80 10 550
Muèi
seignette
ε11=350 >1010 Y11=19,3
Y22=30
1,4 45
L.H. ε11=5,6 >1010 46 1,5 75
PZT5A ε11=1.700 1011 Y33=53 7-8 365
D−íi t¸c dông cña lùc c¬ häc, tÊm ¸p ®iÖn bÞ biÕn d¹ng, lµm xuÊt hiÖn trªn hai
b¶n cùc c¸c ®iÖn tÝch tr¸i dÊu. HiÖu ®iÖn thÕ xuÊt hiÖn gi÷a hai b¶n cùc tØ lÖ víi lùc
t¸c dông.
C¸c biÕn d¹ng c¬ b¶n x¸c ®Þnh chÕ ®é lµm viÖc cña b¶n ¸p ®iÖn. Trªn h×nh 6.1
biÓu diÔn c¸c biÕn d¹ng c¬ b¶n cña b¶n ¸p ®iÖn.
H×nh 6.1 C¸c d¹ng biÕn d¹ng c¬ b¶n
a) Theo chiÒu däc b) Theo chiÒu ngang c) C¾t theo bÒ dµy d) C¾t theo bÒ mÆt
+−
+ −
+−
− +
a) b)
c) d)
- 101 -
Trong nhiÒu tr−êng hîp c¸c b¶n ¸p ®iÖn ®−îc ghÐp thµnh bé theo c¸ch ghÐp
nèi tiÕp hoÆc song song.
Tr−êng hîp ghÐp song song hai b¶n ¸p ®iÖn (h×nh 6.2a), ®iÖn dung cña c¶m
biÕn t¨ng gÊp ®«i so víi tr−êng hîp mét b¶n ¸p ®iÖn. Khi ghÐp nèi tiÕp (h×nh 6.2b)
®iÖn ¸p hë m¹ch vµ trë kh¸ng trong t¨ng gÊp ®«i nh−ng ®iÖn dung gi¶m xuèng cßn
mét nöa. Nh÷ng nguyªn t¾c trªn ¸p dông cho c¶ tr−êng hîp ghÐp nhiÒu b¶n ¸p ®iÖn
víi nhau nh− biÓu diÔn trªn h×nh 6.2c.
6.2.2. C¶m biÕn th¹ch anh kiÓu vßng ®Öm
C¸c c¶m biÕn th¹ch anh kiÓu vßng ®Öm cã cÊu t¹o nh− h×nh 6.3, chóng gåm
c¸c phiÕn c¾t h×nh vßng ®Öm ghÐp víi nhau vµ chØ nh¹y víi lùc nÐn t¸c dông däc
theo trôc.
Giíi h¹n trªn cña d¶i ®o phô thuéc vµo diÖn tÝch bÒ mÆt cña c¸c vßng ®Öm, cì
tõ vµi kN (víi ®−êng kÝnh ~ 1 cm) ®Õn 103 kN ( víi ®−êng kÝnh ~ 10 cm).
Ng−êi ta còng cã thÓ dïng c¶m biÕn lo¹i nµy ®Ó ®o lùc kÐo b»ng c¸ch t¹o lùc
nÐn ®Æt tr−íc (dïng c¸c bul«ng xiÕt chÆt c¸c vßng ®Öm), khi ®ã lùc kÐo ®−îc ®o nh−
sù sôt gi¶m cña lùc nÐn. Tuy nhiªn, khi ®ã ®é nh¹y gi¶m 5 - 10%.
+ − + −
+ −
+ − + −
+ − −
+ − + − + − + − + − + − + − + −
+
H×nh 6.2 C¸ch ghÐp c¸c phÇn tö ¸p ®iÖn a) Hai phÇn tö song song b) Hai phÇn tö nèi tiÕp c) NhiÒu phÇn tö song song
H×nh 6.3 CÊu t¹o cña c¶m biÕn vßng ®Öm th¹ch anh 1) C¸c vßng ®Öm 2) C¸c tÊm ®Õ 3) §Çu nèi d©y
1
2 3
a)
b) c)
- 102 -
6.2.3. C¶m biÕn th¹ch anh nhiÒu thµnh phÇn
Trong c¶m biÕn lo¹i nµy, c¸c vßng ®Öm th¹ch anh ®−îc c¾t theo c¸c h−íng
kh¸c nhau, khi ®ã chóng chØ nh¹y víi mét h−íng x¸c ®Þnh cña lùc.
Th¹ch anh cã n¨m hÖ sè ®iÖn ¸p d11, d12, d14, d25, d26, do ®ã mét vßng ®Öm c¾t
theo ph−¬ng cña trôc X chØ nh¹y víi lùc nÐn (v× cã d11), c¸c lùc ký sinh t¸c ®éng
theo c¹nh bªn ®Òu kh«ng g©y nªn hiÖu øng víi vßng ®Öm vµ c¸c øng lùc mµ hiÖu
øng cña chóng liªn quan ®Õn d12, d14 sÏ kh«ng cã mÆt. T−¬ng tù nh− vËy, mét vßng
®Öm c¾t theo ph−¬ng Y chØ nh¹y víi lùc c¾t theo bÒ dµy (v× cã d26) vµ b»ng c¸ch l¾p
ghÐp hîp lý cã thÓ lo¹i trõ hiÖu øng cña c¸c øng lùc liªn quan ®Õn d25 (c¾t theo mÆt).
Hai mÆt c¾t ®Æc biÖt nµy biÓu diÔn trªn h×nh 6.4b, chóng ®−îc sö dông ®Ó chÕ t¹o
c¸c c¶m biÕn th¹ch anh nhiÒu thµnh phÇn.
Trªn h×nh 6.4c biÓu diÔn mét c¶m biÕn ba thµnh phÇn vu«ng gãc gåm ba cÆp
vßng trßn ghÐp víi nhau, mét cÆp nh¹y víi lùc nÐn Fx, hai mÆt cßn l¹i nh¹y víi lùc
c¾t Fy vµ Fz vu«ng gãc víi Fx.
6.2.4. S¬ ®å m¹ch ®o
a) S¬ ®å t−¬ng ®−¬ng cña c¶m biÕn
b)
dQ dt
Rg CgdQ dt
ρ
λ
γ
Rg Cg
a) c)
H×nh 6.5 S¬ ®å t−¬ng ®−¬ng cña c¶m biÕn ¸p ®iÖn a) Trong d¶i th«ng réng b) Trong d¶i th«ng cã Ých c) Nèi víi m¹ch ngoµi
dQ dt
RS CS
1gs R
1
R
1
R
1+=
1gS CCC +=
x
y
z
H×nh 6.4 C¶m biÕn th¹ch anh nhiÒu thµnh phÇn a) Ký hiÖu c¸c trôc b) C¸c phiÕn c¾t ®Æc biÖt c) C¶m biÕn ba thµnh phÇn vu«ng gãc
a) b) c)
- 103 -
Trong d¶i th«ng réng, c¶m biÕn t−¬ng ®−¬ng víi mét nguån dßng m¾c song
song víi trë kh¸ng trong (gåm ba nh¸nh) cña c¶m biÕn (h×nh6.5a). Nh¸nh ρ, λ, γ
®Æc tr−ng cho céng h−ëng ®iÖn c¬ thø nhÊt ë tÇn sè cao n»m ngoµi d¶i th«ng cña
c¶m biÕn. §iÖn trë trong Rg lµ ®iÖn trë c¸ch ®iÖn cña vËt liÖu ¸p ®iÖn, khi ë tÇn sè
thÊp nã trë thµnh trë kh¸ng trong cña c¶m biÕn. Tô ®iÖn Cg lµ ®iÖn dung cña nguån
ph¸t ®iÖn tÝch, khi ë tÇn sè trung b×nh vµ cao nã trë thµnh trë kh¸ng cña c¶m biÕn.
Trªn thùc tÕ ë d¶i th«ng th−êng sö dông, ng−êi ta dïng m¹ch t−¬ng ®−¬ng
biÓu diÔn ë h×nh 6.5b.
Khi nèi c¶m biÕn víi m¹ch ngoµi b»ng c¸p dÉn, trë kh¸ng cña c¸p dÉn t−¬ng
®−¬ng ®iÖn trë R1 vµ tô ®iÖn C1 m¾c song song víi c¶m biÕn, khi ®ã m¹ch t−¬ng
®−¬ng cã d¹ng h×nh 6.5c.
b) S¬ ®å khuÕch ®¹i ®iÖn ¸p
Trë kh¸ng vµo cña bé khuÕch ®¹i ®iÖn ¸p t−¬ng ®−¬ng víi mét ®iÖn trë Re m¾c
song song víi mét tô Ce, khi ®ã m¹ch t−¬ng ®−¬ng cã d¹ng h×nh 6.6.
§iÖn ¸p ë lèi vµo cña khuÕch ®¹i x¸c ®Þnh bëi c«ng thøc:
PCR1
PCR.
C
QV
eqeq
eqeq
qm +=
c) S¬ ®å khuÕch ®¹i ®iÖn tÝch
Trong m¹ch khuÕch ®¹i ®iÖn tÝch, sù di chuyÓn cña ®iÖn tÝch ë lèi vµo sÏ g©y
nªn ë lèi ra mét ®iÖn ¸p tØ lÖ víi ®iÖn tÝch ®Çu vµo. Bé khuÕch ®¹i ®iÖn tÝch gåm mét
bé biÕn ®æi ®iÖn tÝch - ®iÖn ¸p ®Çu vµo, mét tÇng chuÈn ®é nh¹y, mét bé läc trung
gian vµ mét sè tÇng khuÕch ®¹i ë ®Çu ra ®Ó cung cÊp tÝn hiÖu ra (h×nh 6.7a).
dQ dt RS CS Re Ce
Vm
C¶m biÕn vµ c¸p nèi Trë kh¸ng vµo vµ khuÕc ®¹i ®iÖn thÕ
H×nh 6.6 S¬ ®å t−¬ng ®−¬ng cña c¶m biÕn m¾c nèi tiÕp víi bé khuÕch ®¹i ®iÖn thÕ
Vm dQ dt
Req Ceq
eSeq R
1
R
1
R
1+=
eSeq CCC +=
- 104 -
S¬ ®å m¹ch ghÐp nèi c¶m biÕn víi bé chuyÓn ®æi ®iÖn ¸p - ®iÖn tÝch tr×nh bµy
trªn h×nh 6.7b.
6.3. C¶m biÕn tõ gi¶o
6.3.1. HiÖu øng tõ gi¶o
D−íi t¸c ®éng cña tõ tr−êng, mét sè vËt liÖu s¾t tõ thay ®æi tÝnh chÊt h×nh häc
hoÆc tÝnh chÊt c¬ häc (hÖ sè Young). HiÖn t−îng nµy ®−îc gäi lµ hiÖu øng tõ gi¶o.
Khi cã t¸c dông cña lùc c¬ häc g©y ra øng lùc trong vËt liÖu s¾t tõ lµm thay ®æi
®−êng cong tõ ho¸ cña chóng, khi ®ã dùa vµo sù thay ®æi cña ®é tõ thÈm hoÆc tõ d−
cã thÓ x¸c ®Þnh®−îc ®é lín cña lùc t¸c dông. §©y lµ hiÖu øng tõ gi¶o nghÞch.
- C¬ chÕ tõ ho¸: Nh− chóng ta ®· biÕt trong vËt liÖu s¾t tõ, mçi nguyªn tö ®−îc
®Æc tr−ng bëi mét m«men tõ. §Ó gi¶m thiÓu n¨ng l−îng tæng céng, momen tõ cña
c¸c nguyªn tö trong cïng mét miÒn tõ ho¸ tù nhiªn (domen) ph¶i h−íng theo mét
h−íng chung. H−íng chung nµy ®Þnh h−íng theo mét sè h−íng −u tiªn cña m¹ng
tinh thÓ gäi lµ h−íng dÔ tõ ho¸. H−íng cña c¸c m«men tõ trong c¸c domen c¹nh
nhau kh«ng trïng nhau.
Khi cã tõ tr−êng ngoµi H t¸c ®éng, sù ®Þnh h−íng cña m« men tõ trong mét
domen theo mét h−íng chung t¨ng dÇn. Khi H nhá, c¸c v¸ch domen tõ dÞch chuyÓn
§Çu vµo (®iÖn tÝch) §Çu ra (®iÖn ¸p)
Bé chuyÓn ®æi ®iÖn tÝch
ChuÈn ®é nh¹y vµ khuÕch ®¹i vi sai
Bé läc
Bé khuÕch ®¹i ®Çu ra
a)
H×nh 6.7 S¬ ®å khuÕch ®¹i ®iÖn tÝch a) S¬ ®å khèi b) S¬ ®å ghÐp nèi c¶m biÕn vµ bé chuyÓn ®æi ®iÖn tÝch - ®iÖn ¸p
Vε dQ dt
RS CS V0
+Q −Q
Cr
b)
- 105 -
vµ kÝch th−íc cña c¸c domen tõ cã h−íng tõ ho¸ thuËn lîi trïng víi h−íng cña tõ
tr−êng bªn ngoµi t¨ng lªn. Khi tõ tr−êng ngoµi t¨ng lªn ®Õn møc nµo ®ã x¶y ra hiÖn
t−îng ®¶o h−íng cña c¸c domen theo h−íng tõ tr−êng ngoµi. Khi tõ tr−êng ngoµi ®ñ
m¹nh sÏ lµm quay h−íng dÔ tõ ho¸ cña c¸c domen tõ theo h−íng tõ tr−êng ngoµi
dÉn ®Õn b¶o hoµ (hinhd 6.8a).
- HiÖn t−îng tõ trÓ: Sau khi tõ ho¸ lÇn ®Çu ®Õn b¶o hoµ (H = Hm), nÕu vÉn gi÷
nguyªn ph−¬ng tõ tr−êng vµ thùc hiÖn mét chu tr×nh khÐp kÝn (Hm,0,- Hm,0) ta nhËn
®−îc ®−êng cong tõ ho¸ nh− h×nh 6.8b gäi lµ ®−êng cong tõ trÓ víi ®é tõ d− Br lµ
kh¸ng tõ Hc.
6.3.2. C¶m biÕn tõ thÈm biÕn thiªn
CÊu t¹o cña c¶m biÕn gåm mét cuén d©y cã lâi tõ hîp víi mét khung s¾t tõ t¹o
thµnh mét m¹ch tõ kÝn (h×nh 6.10). D−íi t¸c dông cña lùc F, lâi tõ bÞ biÕn d¹ng kÐo
B
H
B
H
Br
Hc
H×nh 6.8 §−êng cong tõ ho¸ a) Tõ ho¸ lÇn ®Çu b) Chu tr×nh tõ trÔ
Khi trong vËt liÖu s¾t tõ cã
øng lùc, kÝch th−íc m¹ng tinh
thÓ thay ®æi, c¸c h−íng dÔ tõ
ho¸ thay ®æi dÉn ®Õn lµm thay
®æi ®Þnh h−íng cña c¸c domen.
HiÖn t−îng nµy gäi lµ hiÖu øng
tõ gi¶o nghÞch.
Trªn h×nh 6.9 biÓu diÔn
¶nh h−ëng cña øng lùc ®Õn
®−êng cong tõ ho¸ cña
permalloy 68.
B(Wb/m2)
σ=0
σ=20N/mm2
H×nh 6.9 Sù biÕn d¹ng cña ®−êng cong tõ ho¸ d−íi t¸c dông cña lùc kÐo
H (A/m)
a) b)
- 106 -
theo sù thay ®æi ®é tõ thÈm µ, lµm cho tõ trë m¹ch tõ thay ®æi do ®ã ®é tù c¶m cña
cuén d©y còng thay ®æi. Sù thay ®æi t−¬ng ®èi cña L, R hoÆc µ tØ lÖ víi øng lùc σ,
tøc lµ víi lùc cÇn ®o F:
σ=∆
=∆
=µµ∆
.KL
L
R
R
6.3.3. C¶m biÕn tõ d− biÕn thiªn
PhÇn tö c¬ b¶n cña c¶m biÕn tõ d− biÕn thiªn lµ mét lâi tõ lµm b»ng Ni tinh
khiÕt cao, cã tõ d− Br. D−íi t¸c dông cña lùc cÇn ®o, thÝ dô lùc nÐn (dσ < 0), Br t¨ng
lªn:
2
29r
m.N
m.Wb10.5,1
d
dB−
−−−=
σ
Sù thay ®æi cña tõ th«ng sÏ lµm xuÊt hiÖn trong cuén d©y mét suÊt ®iÖn ®éng tØ lÖ
víi dBr/dt. BiÓu thøc cña ®iÖn ¸p hë m¹ch cã d¹ng:
dt
d
d
dBK
dt
dBKV rr
mσ
σ==
Trong ®ã K lµ hÖ sè tØ lÖ víi sè vßng d©y vµ tiÕt diÖn vßng d©y.
6.4. C¶m biÕn ®o lùc dùa trªn phÐp ®o dÞch chuyÓn
Trong c¶m biÕn lo¹i nµy, lùc cÇn ®o t¸c dông lªn vËt trung gian vµ g©y nªn sù
thay ®æi kÝch th−íc ∆l cña nã. Sù thay ®æi kÝch th−íc ®−îc ®o b»ng mét c¶m biÕn
dÞch chuyÓn. Khi ®ã tÝn hiÖu ra Vm vµ lùc t¸c dông ®−îc biÓu diÔn b»ng biÓu thøc:
F
l
l
V
F
V mm ∆∆
=
Trong ®ã:
- Vm/∆l gäi lµ tØ sè truyÒn ®¹t cña c¶m biÕn.
- ∆l/F gäi lµ ®é mÒm cña vËt trung gian.
H×nh 6.10 C¶m biÕn tõ gi¶o cã tõ thÈm biÕn thiªn
F
F
- 107 -
VËt trung gian lµ vßng ®o lùc, c¸c dÇm d¹ng console hoÆc lß xo.
Tuú theo ®iÒu kiÖn sö dông cã thÓ sö dông nhiÒu lo¹i c¶m biÕn dÞch chuyÓn kh¸c
nhau nh−:
- §iÖn thÕ kÕ ®iÖn trë.
- C¶m biÕn tõ trë biÕn thiªn.
- C¶m biÕn tô ®iÖn.
6.5. C¶m biÕn xóc gi¸c
PhÇn chÝnh cña c¶m biÕn lµ mét ®Õ c¸ch ®iÖn trªn ®ã cã mét l−íi dÉn ®iÖn
(h×nh 6.11a) ®−îc ®Æt d−íi ®iÖn ¸p V. L−íi ®iÖn gåm hai hÖ thèng d©y dÉn (X1,
X2,...) vµ (Y1, Y2,...) vu«ng gãc víi nhau t¹o thµnh nh÷ng « vu«ng nhá, mçi « vu«ng
nhá ®Òu cã mét ®iÖn cùc ®−îc c¸ch ®iÖn víi d©y dÉn cña l−íi bao quanh nã, c¸c
®iÖn cùc nµy nèi víi ®Êt th«ng qua m¹ch ®o dßng. MÆt trªn cña hÖ thèng ®−îc phñ
cao su cã pha c¸c h¹t dÉn ®iÖn. Khi cã lùc nÐn t¸c dông lªn mét phÇn nµo ®ã cña
tÊm cao su, kho¶ng c¸ch gi÷a c¸c h¹t dÉn ®iÖn ë phÇn ®ã ng¾n l¹i, ®iÖn trë gi¶m
xuèng, dßng ®iÖn t¨ng lªn (h×nh 6.11b). To¹ ®é cña vïng cã dßng ®iÖn t¨ng lªn sÏ
x¸c ®Þnh vÞ trÝ cña lùc t¸c dông vµ gi¸ trÞ cña nã x¸c ®Þnh gi¸ trÞ cña lùc.
F
I0 I0 I1 I2 I0
H×nh 6.11 C¶m biÕn xóc t¸c a) HÖ thèng cùc ®o b) T¸c dông cña lùc lªn ®iÖn cùc
a) b)
- 108 -
Ch−¬ng VII
c¶m biÕn vËn tèc, gia tèc vµ rung
7.1. C¶m biÕn ®o vËn tèc
7.1.1. Nguyªn lý ®o vËn tèc
Trong c«ng nghiÖp, phÇn lín tr−êng hîp ®o vËn tèc lµ ®o tèc ®é quay cña
m¸y. §é an toµn còng nh− chÕ ®é lµm viÖc cña m¸y phô thuéc rÊt lín vµo tèc ®é
quay. Trong tr−êng hîp chuyÓn ®éng th¼ng, viÖc ®o vËn tèc dµi còng th−êng ®−îc
chuyÓn vÒ ®o tèc ®é quay. Bëi vËy, c¸c c¶m biÕn ®o vËn tèc gãc ®ãng vai trß quan
träng trong viÖc ®o vËn tèc.
§Ó ®o vËn tèc gãc th−êng øng dông c¸c ph−¬ng ph¸p sau ®©y:
- Sö dông tèc ®é kÕ vßng kiÓu ®iÖn tõ: nguyªn lý ho¹t ®éng dùa trªn hiÖn t−îng
c¶m øng ®iÖn tõ. C¶m biÕn gåm cã hai phÇn: phÇn c¶m (nguån tõ th«ng) vµ phÇn
øng (phÇn cã tõ th«ng ®i qua). Khi cã chuyÓn ®éng t−¬ng ®èi gi÷a phÇn c¶m vµ
phÇn øng, tõ th«ng ®i qua phÇn øng biÕn thiªn, trong nã xuÊt hiÖn suÊt ®iÖn ®éng
c¶m øng x¸c ®Þnh theo c«ng thøc:
dt
de
Φ−=
Th«ng th−êng tõ th«ng qua phÇn øng cã d¹ng:
( ) ( )xFx 0Φ=Φ
Trong ®ã x lµ biÕn sè cña vÞ trÝ thay ®æi theo vÞ trÝ gãc quay hoÆc theo ®−êng th¼ng,
khi ®ã suÊt ®iÖn ®éng e xuÊt hiÖn trong phÇn øng cã d¹ng:
dt
dx
dx
)x(dFe 0Φ−=
SuÊt ®iÖn ®éng nµy tØ lÖ víi vËn tèc cÇn ®o.
- Sö dông tèc ®é kÕ vßng lo¹i xung: lµm viÖc theo nguyªn t¾c ®o tÇn sè chuyÓn
®éng cña phÇn tö chuyÓn ®éng tuÇn hoµn, vÝ dô chuyÓn ®éng quay. C¶m biÕn lo¹i
nµy th−êng cã mét ®Üa ®−îc m· ho¸ g¾n víi trôc quay, ch¼ng h¹n gåm c¸c phÇn
trong suèt xen kÏ c¸c phÇn kh«ng trong suèt. Cho chïm s¸ng chiÕu qua ®Üa ®Õn mét
®Çu thu quang, xung ®iÖn lÊy tõ ®Çu thu quang cã tÇn sè tØ lÖ víi vËn tèc quay cÇn
®o.
7.1.2. Tèc ®é kÕ ®iÖn tõ
a) Tèc ®é kÕ ®iÖn tõ ®o vËn tèc gãc
- 109 -
- Tèc ®é kÕ dßng mét chiÒu:
S¬ ®å cÊu t¹o cña mét tèc ®é kÕ dßng mét chiÒu biÓu diÔn trªn h×nh 7.1.
Stato (phÇn c¶m) lµ mét nam ch©m ®iÖn hoÆc nam ch©m vÜnh cöu, roto (phÇn
øng) lµ mét trôc s¾t gåm nhiÒu líp ghÐp l¹i, trªn mÆt ngoµi roto xÏ c¸c r·nh song
song víi trôc quay vµ c¸ch ®Òu nhau. Trong c¸c r·nh ®Æt c¸c d©y dÉn b»ng ®ång gäi
lµ d©y chÝnh, c¸c d©y chÝnh ®−îc nèi víi nhau tõng ®«i mét b»ng c¸c d©y phô. Cæ
gãp lµ mét h×nh trô trªn mÆt cã g¾n c¸c l¸ ®ång c¸ch ®iÖn víi nhau, mçi l¸ nèi víi
mét d©y chÝnh cña roto. Hai chæi quÐt Ðp s¸t vµo cæ gãp ®−îc bè trÝ sao cho t¹i mét
thêi ®iÓm chóng lu«n tiÕp xóc víi hai l¸ ®ång ®èi diÖn nhau.
Khi r« to quay, suÊt ®iÖn ®éng xuÊt hiÖn trong mét d©y dÉn x¸c ®Þnh theo biÓu
thøc:
dt
de i
iφ
−=
Trong ®ã dφi lµ tõ th«ng mµ d©y dÉn c¾t qua trong thêi gian dt:
iNcici BdSBdSdd ==φ
dSc lµ tiÕt diÖn bÞ c¾t trong kho¶ng thêi gian dt:
rdtllvdtdSc ω==
Trong ®ã:
l - chiÒu dµi d©y dÉn.
v - vËn tèc dµi cña d©y.
ω - vËn tèc gãc cña d©y.
r - b¸n kÝnh quay cña d©y.
BiÓu thøc cña suÊt ®iÖn ®éng xuÊt hiÖn trong mét d©y:
iNi rlBe ω−=
H×nh 7.1 S¬ ®å cÊu t¹o cña m¸y ph¸t dßng mét chiÒu 1) Stato 2) R«to 3) Cæ gãp 4) Chæi quÐt
1
N S
2
34
- 110 -
SuÊt ®iÖn ®éng øng víi mét nöa sè d©y ë bªn ph¶i ®−êng trung tÝnh:
00p nNN2
E φ−=φπω
−=
N - tæng sè d©y chÝnh trªn roto.
n - sè vßng quay trong mét gi©y.
φ0 - lµ tõ th«ng xuÊt ph¸t tõ cùc nam ch©m.
T−¬ng tù tÝnh ®−îc suÊt ®iÖn ®éng øng víi mét nöa sè d©y ë bªn tr¸i:
0t nNE φ= (7.1)
Nguyªn t¾c nèi d©y lµ nèi thµnh hai côm, trong mçi côm c¸c d©y m¾c nèi tiÕp
víi nhau, cßn hai côm th× m¾c ng−îc pha nhau.
b) Tèc ®é kÕ dßng xoay chiÒu
- M¸y ph¸t ®ång bé:
S¬ ®å cÊu t¹o cña mét tèc ®é kÕ dßng xoay chiÒu kiÓu m¸y ph¸t ®ång bé biÓu
diÔn trªn h×nh 7.2.
Thùc chÊt ®©y lµ mét m¸y ph¸t ®iÖn xoay chiÒu nhá. Roto (phÇm c¶m) cña
m¸y ph¸t lµ mét nam ch©m hoÆc tæ hîp cña nhiÒu nam ch©m nhá. PhÇn øng gåm
c¸c cuén d©y bè trÝ c¸ch ®Òu trªn mÆt trong cña stato lµ n¬i cung cÊp suÊt ®iÖn ®éng
c¶m øng h×nh sin cã biªn ®é tØ lÖ víi tèc ®é quay cña roto.
tsinEe Ω= (7.2)
Trong ®ã ω= 1KE , ω=Ω 2K , K1 vµ K2 lµ c¸c th«ng sè ®Æc tr−ng cho m¸y ph¸t.
Gi¸ trÞ cña ω cã thÓ tÝnh ®−îc theo E hoÆc Ω.
- X¸c ®Þnh ω tõ biªn ®é suÊt ®iÖn ®éng:
Cuén c¶m øng cã trë kh¸ng trong:
Ω+= iii jLRZ
H×nh 7.2 S¬ ®å cÊu t¹o cña m¸y ph¸t ®ång bé 1) Stato 2) R«to
N
S
N
N
S
S1
21
2
- 111 -
Trong ®ã Ri, Li lµ ®iÖn trë vµ tù c¶m cña cuén d©y. §iÖn ¸p ë hai ®Çu cuén øng víi
t¶i R cã gi¸ trÞ:
( ) ( ) ( ) ( )2i2
2i
1
2i
2i LKRR
RK
LRR
REU
ω++
ω=
Ω++= (7.3)
Tõ biÓu thøc (7.3), ta thÊy ®iÖn ¸p U kh«ng ph¶i lµ hµm tuyÕn tÝnh cña tèc ®é
quay ω. §iÒu kiÖn ®Ó sö dông m¸y ph¸t nh− mét c¶m biÕn vËn tèc lµ R>>Zi ®Ó sao
cho cã thÓ coi U ≈ E.
§iÖn ¸p ë ®Çu ra ®−îc chØnh l−u thµnh ®iÖn ¸p mét chiÒu, ®iÖn ¸p nµy kh«ng
phô thuéc chiÒu quay vµ hiÖu suÊt läc gi¶m khi tÇn sè thÊp. MÆt kh¸c, sù cã mÆt cña
bé läc lµm t¨ng thêi gian håi ®¸p cña c¶m biÕn.
- X¸c ®Þnh b»ng c¸ch ®o tÇn sè cña suÊt ®iÖn ®éng: ph−¬ng ph¸p nµy cã −u ®iÓm lµ
tÝn hiÖu cã thÓ truyÒn ®i xa mµ sù suy gi¶m tÝn hiÖu kh«ng ¶nh h−ëng tíi ®é chÝnh
x¸c cña phÐp ®o.
- M¸y ph¸t kh«ng ®ång bé:
CÊu t¹o cña m¸y ph¸t kh«ng ®ång bé t−¬ng tù nh− ®éng c¬ kh«ng ®ång bé hai
pha (h×nh 7.3).
Roto lµ mét ®Üa h×nh trô kim lo¹i máng vµ dÞ tõ quay cïng tèc ®é víi trôc cÇn
®o, khèi l−îng vµ qu¸n tÝnh cña nã kh«ng ®¸ng kÓ.
Stato lµm b»ng thÐp tõ tÝnh, trªn ®ã bè trÝ hai cuén d©y, mét cuén lµ cuén kÝch
thÝch ®−îc cung cÊp ®iÖn ¸p Vc cã biªn ®é Ve vµ tÇn sè ωe æn ®Þnh tcosVV eec ω= .
Cuén d©y thø hai lµ cuén d©y ®o. Gi÷a hai ®Çu ra cña cuén nµy xuÊt hiÖn mét
suÊt ®iÖn ®éng em cã biªn ®é tØ lÖ víi tèc ®é gãc cÇn ®o:
( ) ( )ϕ+ωω=ϕ+ω= tcosVktcosEe eeemm
ω
2
3
2
Ve
em
H×nh 7.3 S¬ ®å cÊu t¹o m¸y ph¸t kh«ng ®ång bé 1) Cuén kÝch 2) R«to 3) Cuén ®o
- 112 -
Trong ®ã k lµ h»ng sè phô thuéc vµo kÕt cÊu cña m¸y, ϕ lµ ®é lÖch pha.
c) Tèc ®é kÕ ®iÖn tõ ®o vËn tèc dµi
Khi ®o vËn tèc dµi, víi ®é dÞch chuyÓn lín cña vËt kh¶o s¸t (> 1m) th−êng
chuyÓn thµnh ®o vËn tèc gãc. Tr−êng hîp ®o vËn tèc cña dÞch chuyÓn th¼ng nhá cã
thÓ dïng c¶m biÕn vËn tèc dµi gåm hai phÇn tö c¬ b¶n: mét nam ch©m vµ mét cuén
d©y. Khi ®o, mét phÇn tö ®−îc gi÷ cè ®Þnh, phÇn tö thø hai liªn kÕt víi vËt chuyÓn
®éng. ChuyÓn ®éng t−¬ng ®èi gi÷a cuén d©y vµ nam ch©m lµm xuÊt hiÖn trong cuén
d©y mét suÊt ®iÖn ®éng tØ lÖ víi vËn tèc cÇn ®o.
S¬ ®å c¶m biÕn cã cuén d©y di ®éng biÓu diÔn trªn h×nh 7.4.
SuÊt ®iÖn ®éng xuÊt hiÖn trong cuén d©y cã d¹ng:
lBvrNBv2e =π=
N - sè vßng d©y.
r - b¸n kÝnh vßng d©y.
B - gi¸ trÞ cña c¶m øng tõ.
v - tèc ®é dÞch chuyÓn cña vßng d©y.
l - tæng chiÒu dµi cña d©y.
Tèc ®é kÕ lo¹i nµy ®o ®−îc ®é dÞch chuyÓn vµi mm víi ®é nh¹y ~ 1V/m.s.
Khi ®é dÞch chuyÓn lín h¬n (tíi 0,5 m) ng−êi ta dïng tèc ®é kÕ cã nam ch©m di
®éng (h×nh 7.5).
C¶m biÕn gåm mét nam ch©m di chuyÓn däc trôc cña hai cuén d©y quÊn ng−îc
chiÒu nhau vµ m¾c nèi tiÕp. Khi nam ch©m di chuyÓn, suÊt ®iÖn ®éng xuÊt hiÖn
trong tõng cuén d©y tØ lÖ víi tèc ®é cña nam ch©m nh−ng ng−îc chiÒu nhau. Hai
cuén d©y ®−îc m¾c nèi tiÕp vµ quÊn ng−îc chiÒu nªn nhËn ®−îc suÊt ®iÖn ®éng ë
®Çu ra kh¸c kh«ng.
H×nh 7.4 C¶m biÕn dïng cuén d©y di ®éng 1) Nam ch©m 2) Cuén d©y
NS S
v
1
2
- 113 -
7.1.3. Tèc ®é kÕ xung
Tèc ®é kÕ xung th−êng cã cÊu t¹o ®¬n gi¶n, ch¾c ch¾n, chÞu ®ùng tèt trong
m«i tr−êng ®éc h¹i, kh¶ n¨ng chèng nhiÔu vµ chèng suy gi¶m tÝn hiÖu cao, dÔ biÕn
®æi tÝn hiÖu sang d¹ng sè.
Tuú thuéc vµo b¶n chÊt cña vËt quay vµ dÊu hiÖu m· ho¸ trªn vËt quay, ng−êi
ta sö dông lo¹i c¶m biÕn thÝch hîp.
- C¶m biÕn tõ trë biÕn thiªn: sö dông khi vËt quay lµ s¾t tõ.
- C¶m biÕn tõ ®iÖn trë: sö dông khi vËt quay lµ mét hay nhiÒu nam ch©m nhá.
- C¶m biÕn quang cïng víi nguån s¸ng: sö dông khi trªn vËt quay cã c¸c lç,
®−êng v¸t, mÆt ph¶n x¹.
a) Tèc ®é kÕ tõ trë biÕn thiªn
CÊu t¹o cña c¶m biÕn tõ trë biÕn thiªn gåm mét cuén d©y cã lâi s¾t tõ chÞu t¸c
®éng cña mét nam ch©m vÜnh cöu ®Æt ®èi diÖn víi mét ®Üa quay lµm b»ng vËt liÖu
s¾t tõ trªn ®ã cã khÝa r¨ng. Khi ®Üa quay, tõ trë cña m¹ch tõ biÕn thiªn mét c¸ch
tuÇn hoµn lµm cho tõ th«ng qua cuén d©y biªn thiªn, trong cuén d©y xuÊt hiÖn mét
suÊt ®iÖn ®éng c¶m øng cã tÇn sè tØ lÖ víi tèc ®é quay.
3
2
1
H×nh 7.6 S¬ ®å cÊu t¹o cña c¶m biÕn tõ trë biÕn thiªn 1) §Üa quay (b¸nh r¨ng) 2) Cuén d©y 3) Nam ch©m vÜnh cöu
Khe tõ
H×nh 7.5 C¶m biÕn cã lâi tõ di déng a) CÊu t¹o b) S¬ ®å nguyªn lý
1) Nam ch©m 2) Cuén d©y
v
1 2
a) b)
- 114 -
TÇn sè cña suÊt ®iÖn ®éng trong cuén d©y x¸c ®Þnh bëi biÓu thøc:
pnf =
p - sè l−îng r¨ng trªn ®Üa.
n - sè vßng quay cña ®Üa trong mét gi©y.
Biªn ®é E cña suÊt ®iÖn ®éng trong cuén d©y phô thuéc hai yÕu tè:
- Kho¶ng c¸ch gi÷a cuén d©y vµ ®Üa quay: kho¶ng c¸ch cµng lín E cµng nhá.
- Tèc ®é quay: Tèc ®é quay cµng lín, E cµng lín. Khi tèc ®é quay nhá, biªn ®é
E rÊt bÐ vµ khã ph¸t hiÖn, do vËy tån t¹i mét vïng tèc ®é quay kh«ng thÓ ®o ®−îc,
ng−êi ta gäi vïng nµy lµ vïng chÕt.
D¶i ®o cña c¶m biÕn phô thuéc vµo sè r¨ng cña ®Üa. Khi p lín, tèc ®é nmin ®o
®−îc cã gi¸ trÞ bÐ. Khi p nhá, tèc ®é nmax ®o ®−îc sÏ lín. ThÝ dô víi p = 60 r¨ng, d¶i
tèc ®é ®o ®−îc n = 50 - 500 vßng/phót, cßn víi p =15 r¨ng d¶i tèc ®é ®o ®−îc 500 -
10.000 vßng/phót.
b) Tèc ®é kÕ quang
H×nh 7.7 tr×nh bµy s¬ ®å nguyªn lý cña mét tèc ®é kÕ quang ®o tèc ®é quay.
Nguån s¸ng ph¸t tia hång ngo¹i lµ mét diot ph¸t quang (LED). §Üa quay, ®Æt
gi÷a nguån s¸ng vµ ®Çu thu, cã c¸c lç bè trÝ c¸ch ®Òu trªn mét vßng trßn. §Çu thu lµ
mét photodiode hoÆc phototranzitor. Khi ®Üa quay, ®Çu thu chØ chuyÓn m¹ch khi
nguån s¸ng, lç, nguån ph¸t s¸ng th¼ng hµng. KÕt qu¶ lµ khi ®Üa quay, ®Çu thu quang
nhËn ®−îc mét th«ng l−îng ¸nh s¸ng biÕn ®iÖu vµ ph¸t tÝn hiÖu cã tÇn sè tØ lÖ víi tèc
®é quay nh−ng biªn ®é kh«ng phô thuéc tèc ®é quay.
Trong c¸c c¶m biÕn quang ®o tèc ®é, ng−êi ta còng cã thÓ dïng ®Üa quay cã
c¸c vïng ph¶n x¹ ¸nh s¸ng bè trÝ tuÇn hoµn trªn mét vßng trßn ®Ó ph¶n x¹ ¸nh s¸ng
tíi ®Çu thu quang.
1 2
3
4
H×nh 7.7 S¬ ®å nguyªn lý cña tèc ®é kÕ quang 1) Nguån s¸ng 2) ThÊu kÝnh héi tô 3) §Üa quay 4) §Çu thu quang
- 115 -
Ph¹m vi tèc ®é ®o ®−îc phô thuéc vµo hai yÕu tè chÝnh:
- Sè l−îng lç trªn ®Üa.
- D¶i th«ng cña ®Çu thu quang vµ cña m¹ch ®iÖn tö.
§Ó ®o tèc ®é nhá (~ 0,1 vßng/phót) ph¶i dïng ®Üa cã sè l−îng lç lín (500 -
1.000 lç). Trong tr−êng hîp ®o tèc ®é lín ( ~ 105 - 106 vßng/phót) ph¶i sö dông ®Üa
quay chØ mét lç, khi ®ã tÇn sè ng¾t cña m¹ch ®iÖn x¸c ®Þnh tèc ®é cùc ®¹i cã thÓ ®o
®−îc.
7.1.4. M¸y ®o gãc tuyÖt ®èi
M¸y ®o gãc tuyÖt ®èi gåm hai phÇn: phÇn ®éng g¾n liÒn víi trôc quay chøa
cuén s¬ cÊp ®−îc kÝch thÝch b»ng sãng mang cã tÇn sè 2 - 10 kHz qua m¸y biÕn ¸p
quay (h×nh 7.8a). PhÇn tÜnh cã hai d©y quÊn thø cÊp (cuén sin vµ cuén cos) ®Æt lÖch
nhau 90o.
Khi trôc quay, ë ®Çu ra cña hai d©y quÊn thø cÊp ta thu ®−îc hai tÝn hiÖu ®iÒu
biªn UU0sinωtsinθ vµ UU0sinωtcosθ (h×nh 7.8b). §−êng bao cña biªn ®é kªnh tÝn
hiÖu ra chøa th«ng tin vÒ vÞ trÝ tuyÖt ®èi (gãc θ) cña roto m¸y ®o tøc lµ vÞ trÝ tuyÖt
®èi cña trôc quay.
Cã hai c¸ch xö lý th«ng tin thu ®−îc. C¸ch thø nhÊt lµ hiÖu chØnh söa sai gãc
thu ®−îc ®−îc trªn c¬ së so s¸nh gãc víi mét sè vi m¹ch s½n cã. C¸c vi m¹ch nµy
cho tÝn hiÖu gãc d¹ng sè víi ®é ph©n gi¶i 10 - 16 bit/1vßng vµ mét tèc ®é quay d¹ng
t−¬ng tù. §é ph©n gi¶i cña ph−¬ng ph¸p nµy phô thuéc vµo th«ng sè cña m¹ch ®iÒu
chØnh.
H×nh 7.8 S¬ ®å nguyªn lý m¸y ®o gãc tuyÖt ®èi
sin
cos
θ
U0sinωt
UU0sinωtcosθ
UU0sinωtsinθ
sin
cos
a) b)
t
t
- 116 -
C¸ch thø hai, cã chÊt l−îng cao h¬n, lµ dïng hai bé chuyÓn ®æi t−¬ng tù - sè ®Ó
lÊy mÉu trùc tiÕp tõ ®Ønh tÝn hiÖu ®iÒu chÕ. Trong tr−êng hîp nµy cÇn ®ång bé chÆt
chÏ gi÷a thêi ®iÓm lÊy mÉu vµ kh©u t¹o tÝn hiÖu kÝch thÝch 2 - 10 kHz sau ®ã dïng
bé läc ®Ó chuyÓn xung h×nh ch÷ nhËt thµnh tÝn hiÖu kÝch thÝch h×nh sin.
§é ph©n gi¶i cña phÐp ®o dïng m¸y ®o gãc tuyÖt ®èi hoµn toµn phô thuéc vµo
®é ph©n gi¶i cña bé chuyÓn ®æi t−¬ng tù sè.
Khi biÕt gãc quay tuyÖt ®èi θ, lÊy ®¹o hµm ta nhËn ®−îc tèc ®é gãc ω cÇn ®o.
7.1.5. §æi h−íng kÕ
§æi h−íng kÕ ®−îc g¾n vµo vËt chuyÓn ®éng ®Ó ®o tèc ®é gãc cña vËt. Hai
d¹ng ®æi h−íng kÕ th−êng dïng lµ: ®æi h−íng kÕ c¬ häc dïng con quay håi chuyÓn,
®æi h−íng kÕ quang dïng laze vµ c¸p quang dùa trªn hiÖn t−îng truyÒn sãng ¸nh
s¸ng.
a) §æi h−íng kÕ dïng con quay håi chuyÓn
Con quay håi chuyÓn gåm mét roto l¾p trªn mét khung ®éng vµ ®−îc quay
quanh trôc Y’Y víi tèc ®é lín (~104vßng/phót) nhê mét ®éng c¬.
Tèc ®é quay ω cÇn ®o theo trôc Z’Z vu«ng gãc víi trôc Y’Y lµm xuÊt hiÖn mét
ngÉu lùc Cg tØ lÖ víi ω theo h−íng X’X vu«ng gãc víi hai trôc Y’Y vµ Z’Z cã xu
h−íng lµm cho khung ®éng cña con quay håi chuyÓn quay theo. NgÉu lùc Cg ®−îc
c©n b»ng bëi ngÉu lùc ®µn håi Cr cña hai lß xo g©y nªn cã gi¸ trÞ tØ lÖ víi gãc quay
α cña khung.
ë tr¹ng th¸i c©n b»ng:
Y
X
Y’
Z
Z’
X’ ω
H×nh 7.9 S¬ ®å nguyªn lý ®æi h−íng kÕ dïng con quay håi chuyÓn 1) Con quay håi chuyÓn 2) Khung ®éng 3) Lß xo 4) §iÖn thÕ kÕ
1
2
3 4
- 117 -
Cg = Cr (7.4).
víi Cr = kα (k lµ hÖ sè ®µn håi cña lß xo) vµ Cg = ωH ( H lµ m«men ®éng häc cña
r«to). Thay c¸c gi¸ trÞ vµo c«ng thøc (7.4) ta cã c«ng thøc x¸c ®Þnh gãc α:
k
Hω=α (7.5)
Gãc quay α cña khung ®éng cña con quay håi chuyÓn tØ lÖ víi vËn tèc gãc ω cÇn ®o.
§Ó tiÖn cho xö lý, gãc quay α ®−îc chuyÓn ®æi thµnh tÝn hiÖu ®iÖn nhê mét ®iÖn thÕ
kÕ.
C¸c th«ng sè cña m¸y ®o nh− sau:
- D¶i ®o tõ ± 7o/s ®Õn ± 360o/s.
- Sai lÖch khái ®é tuyÕn tÝnh <± 1,5% cña d¶i ®o.
b) §æi h−íng kÕ quang
§æi h−íng kÕ quang gåm nguån ph¸t chïm tia laze (1), cuén d©y sîi quang (2)
cã chiÒu dµi L quÊn thµnh vßng b¸n kÝnh R quay víi cïng vËn tèc gãc ω víi vËt
quay.
Chïm tia xuÊt ph¸t tõ nguån ph¸t (1) qua b¶n ph©n t¸ch (3) t¹o thµnh hai chïm
tia truyÒn theo hai h−íng ng−îc nhau trong sîi c¸p quang. Khi ra khái c¸p, do
qu¶ng ®−êng truyÒn sãng kh¸c nhau, hai tia lÖch pha nhau, ®é lÖch pha gi÷a hai
chïm tia b»ng:
c
RL4
λωπ
=∆Φ (7.6)
λ - b−íc sãng tia laze.
H×nh 7.10 S¬ ®å nguyªn lý ®æi h−íng kÕ quang dïng laze vµ c¸p quang 1) Nguån ph¸t laze 2) C¸p quang 3) B¶n ph©n t¸ch 4) §Çu thu
1
2
3
4
- 118 -
c - vËn tèc ¸nh s¸ng.
Trªn ®Çu thu (4) ta thu ®−îc hÖ v©n giao thoa cña hai chïm tia. B»ng c¸ch ®Õm
sè v©n giao thoa ∆Z bÞ dÞch chuyÓn do c¸p quang quay, ta cã thÓ tÝnh ®−îc tèc ®é
quay theo c«ng thøc:
c
LR2Z
λω
=∆ (7.7)
7.2. C¶m biÕn rung vµ gia tèc
7.2.1. Kh¸i niÖm c¬ b¶n
a) D¶i gia tèc vµ ph−¬ng ph¸p ®o gia tèc
Theo nguyªn lý c¬ b¶n cña c¬ häc, gia tèc lµ ®¹i l−îng vËt lý thÓ hiÖn mèi
quan hÖ gi÷a lùc vµ khèi l−îng. PhÐp ®o gia tèc cã thÓ thùc hiÖn qua viÖc ®o lùc
(c¶m biÕn ¸p ®iÖn, c¶m biÕn c©n b»ng ngÉu lùc) hoÆc ®o gi¸n tiÕp th«ng qua sù biÕn
d¹ng hay di chuyÓn cña vËt trung gian.
Tuú theo møc gia tèc vµ d¶i tÇn cña hiÖn t−îng kh¶o s¸t ng−êi ta ph©n biÖt c¸c
d¶i gia tèc sau:
- §o gia tèc chuyÓn ®éng cña mét khèi l−îng nµo ®ã, trong ®ã chuyÓn ®éng
cña träng t©m lu«n gi÷ ë tÇn sè t−¬ng ®èi thÊp (tõ 0 ®Õn vµi chôc Hz), gi¸ trÞ cña gia
tèc nhá. C¸c c¶m biÕn th−êng dïng lµ c¸c c¶m biÕn gia tèc ®o dÞch chuyÓn vµ c¶m
biÕn gia tèc ®o biÕn d¹ng.
- §o gia tèc rung cña c¸c cÊu tróc cøng hoÆc cÊu tróc cã khèi l−îng lín, tÇn
sè rung ®¹t tíi hµng tr¨m Hz. C¶m biÕn gia tèc th−êng dïng lµ c¶m biÕn tõ trë biÕn
thiªn, ®Çu ®o biÕn d¹ng kim lo¹i hoÆc ¸p ®iÖn trë.
- §o gia tèc rung møc trung b×nh vµ d¶i tÇn t−¬ng ®èi cao (~10kHz), th−êng
gÆp khi vËt cã khèi l−îng nhá. C¶m biÕn gia tèc sö dông lµ lo¹i ¸p trë hoÆc ¸p ®iÖn.
- §o gia tèc khi va ®Ëp, thay ®æi gia tèc cã d¹ng xung. C¶m biÕn gia tèc sö
dông lµ c¸c lo¹i cã d¶i th«ng réng vÒ c¶ hai phÝa tÇn sè thÊp vµ tÇn sè cao.
C¶m biÕn ®o gia tèc lµ c¶m biÕn chuyÓn ®éng kh«ng cÇn cã ®iÓm mèc, chóng
kh¸c víi c¸c c¶m biÕn dÞch chuyÓn bëi v× khi ®o dÞch chuyÓn cña mét vËt ng−êi ta
ph¶i ®o chuyÓn ®éng t−¬ng ®èi cña vËt ®ã so víi mét vËt kh¸c cè ®Þnh lÊy lµm mèc.
b) ChuyÓn ®éng rung vµ ph−¬ng ph¸p ®o
§o ®é rung trong c«ng nghiÖp cã tÇm quan träng ®Æc biÖt v× c¸c lý do:
- Nh»m khèng chÕ biªn ®é rung ®Ó tr¸nh g©y tiÕn ån cã h¹i cho søc khoÎ.
- 119 -
- H¹n chÕ møc rung ë giíi h¹n cho phÐp ®Ó ®¶m b¶o ®é an toµn cho c«ng
tr×nh.
- Rung ®éng liªn quan ®Õn tr¹ng th¸i mµi mßn vµ bÒn mái cña chi tiÕt c¬ khÝ
trong m¸y mãc. §o ®é rung gióp cho ng−êi qu¶n lý n¾m ®−îc t×nh tr¹ng mßn cña
chi tiÕt tõ ®ã cã kÕ ho¹ch b¶o d−ìng, söa ch÷a kÞp thêi.
§é rung ®−îc ®Æc tr−ng bëi ®é dÞch chuyÓn, tèc ®é hoÆc gia tèc ë c¸c ®iÓm
trªn vËt rung. Bëi vËy khi ®o rung ®éng ng−êi ta ®o mét trong nh÷ng ®Æc tr−ng trªn.
C¶m biÕn rung cã thÓ lµ c¶m biÕn dÞch chuyÓn, c¶m biÕn tèc ®é hoÆc c¶m
biÕn gia tèc nh−ng cã thÓ m« t¶ nguyªn lý ho¹t ®éng cña chóng b»ng m« h×nh hÖ c¬
häc cã mét bËc tù do nh− tr×nh bµy ë h×nh 7.11.
C¶m biÕn gåm mét phÇn tö nh¹y c¶m (lß xo, tinh thÓ ¸p ®iÖn... ) nèi víi mét
khèi l−îng rung vµ ®−îc ®Æt chung trong mét vá hép. ChuyÓn ®éng rung cña khèi
l−îng M t¸c ®éng lªn phÇn tö nh¹y c¶m cña c¶m biÕn vµ ®−îc chuyÓn thµnh tÝn hiÖu
®iÖn ë ®Çu ra.
Gäi h0 lµ tung ®é cña ®iÓm a cña vá hép, h lµ tung ®é ®iÓm b cña khèi l−îng
rung. Khi kh«ng cã gia tèc t¸c ®éng lªn vá hép tung ®é cña a vµ b b»ng nhau.
DÞch chuyÓn t−¬ng ®èi cña khèi l−îng M so víi vá hép x¸c ®Þnh bëi biÓu thøc:
0hhz −= (7.8)
Khi ®ã ph−¬ng tr×nh c©n b»ng lùc cã d¹ng:
Czdt
dzF
dt
hdM
2
2
−−=
Cz - ph¶n lùc cña lß xo.
dt
dzF - lùc ma s¸t nhít.
bb’
h
h0
H×nh 7.11 S¬ ®å nguyªn lý c¶m biÕn ®o gia tèc vµ rung 1) Khèi rung 2) Vá hép 3) PhÇn tö nh¹y c¶m 4) Gi¶m chÊn
M
a
1
2
3
4z
- 120 -
2
2
dt
hdM - lùc do gia tèc cña khèi M g©y nªn.
Hay:
Czdt
dzF
dt
zdM
dt
hdM
2
2
20
2
++=− (7.9)
Tõ c«ng thøc (7.9), ta nhËn thÊy cÊu t¹o cña c¶m biÕn ®Ó ®o ®¹i l−îng s¬ cÊp
m1 (®é dÞch chuyÓn h0, vËn tèc dh0/dt hoÆc gia tèc d2h0/dt2) phô thuéc vµo ®¹i l−îng
®−îc chän ®Ó lµm ®¹i l−îng ®o thø cÊp m2 (z, dz/dt hoÆc d2z/dt2) vµ d¶i tÇn sè lµm
viÖc. D¶i tÇn sè lµm viÖc quyÕt ®Þnh sè h¹ng nµo trong vÕ ph¶i ph−¬ng tr×nh chiÕm
−u thÕ (Cz, Fdz/dt hoÆc Md2z/dt2).
Trªn thùc tÕ c¶m biÕn thø cÊp th−êng sö dông lµ:
- C¶m biÕn ®o vÞ trÝ t−¬ng ®èi cña khèi l−îng rung M so víi vá hép.
- C¶m biÕn ®o lùc hoÆc c¶m biÕn ®o biÕn d¹ng.
- C¶m biÕn ®o tèc ®é t−¬ng ®èi.
Dïng to¸n tö laplace (p) cã thÓ m« t¶ ho¹t ®éng cña c¶m biÕn rung b»ng biÓu
thøc sau:
CzFpzzMphMp 20
2 ++=−
HoÆc:
1p
2p
p
h
z
020
2
202
0 +ω
ξ+ω
ω−=
Víi:
00 f2M
Cπ==ω lµ tÇn sè riªng cña M trªn lß xo cã ®é cøng C.
CM2
F=ξ lµ hÖ sè t¾t dÇn.
§é nh¹y cña c¶m biÕn cã thÓ tÝnh b»ng tØ sè gi÷a ®¹i l−îng ®iÖn ®Çu ra s vµ ®¹i
l−îng ®o s¬ cÊp m1.
2121
2
1
S.Sm
s.
m
m
m
sS ===
Trong ®ã:
- 121 -
1
21 m
mS = lµ ®é nh¹y c¬ cña ®¹i l−îng ®o s¬ cÊp.
2
2 m
sS = lµ ®é nh¹y cña c¶m biÕn thø cÊp.
7.2.2. C¶m biÕn ®o tèc ®é rung
S¬ ®å c¶m biÕn ®o tèc ®é rung tr×nh bµy trªn h×nh 7.12.
Trong c¶m biÕn lo¹i nµy, ®¹i l−îng ®o s¬ cÊp m1 lµ tèc ®é rung dh0/dt, ®¹i
l−îng ®o thø cÊp m2 lµ dÞch chuyÓn t−¬ng ®èi z. §é nh¹y s¬ cÊp S1 x¸c ®Þnh bëi biÓu
thøc:
1p
2p
/p
ph
z
m
mS
020
2
20
01
21
+ω
ξ+ω
ω−===
§Ó tiÖn lîi trong sö dông, ng−êi ta còng sö dông ®¹i l−îng ®o thø cÊp m2 lµ tèc
®é dÞch chuyÓn t−¬ng ®èi dz/dt.
ViÖc chuyÓn ®æi tèc ®é t−¬ng ®èi cña khèi l−îng rung so víi vá hép thµnh tÝn
hiÖu ®iÖn thùc hiÖn bëi mét c¶m biÕn vÞ trÝ t−¬ng ®èi kiÓu ®iÖn tõ gåm mét cuén d©y
vµ mét lâi nam ch©m. Cuén d©y g¾n víi khèi l−îng rung, lâi nam ch©m ®Æt bªn
trong cuén d©y vµ g¾n víi vá c¶m biÕn. B»ng c¸ch ®o suÊt ®iÖn ®éng cña cuén d©y
cã thÕ ®¸nh gi¸ ®−îc tèc ®é rung cÇn ®o.
Mét ®iÒu cÇn quan t©m khi sö dông c¶m biÕn lo¹i nµy ®ã lµ ph¶n øng cña c¶m
biÕn thø cÊp ®èi víi chuyÓn ®éng cña khèi l−îng rung thÓ hiÖn th«ng qua ph¶n lùc
i.l.Bf = t¸c ®éng lªn cuén d©y khi cuén d©y chuyÓn ®éng trong tõ tr−êng c¶m øng
H×nh 7.12 S¬ ®å nguyªn lý c¶m biÕn ®o vËn tèc rung 1) Vá hép 2) Khèi rung 3) Lâi nam ch©m 4) Cuén d©y 5) Lß xo 6) Gi¶m chÊn
bb
M2
1
34
5
6
- 122 -
B. Gi¶ thiÕt bá qua trë kh¸ng cña cuén d©y Lω, khi ®ã ph¶n lùc f tØ lÖ víi tèc ®é
t−¬ng ®èi:
( )dt
dz
R
1Blf 2=
Lùc nµy chèng l¹i chuyÓn ®éng cña khèi l−îng rung, lµm thay ®æi hÖ sè t¾t dÇn cña
chuyÓn ®éng.
7.2.3. Gia tèc kÕ ¸p ®iÖn
a) CÊu t¹o vµ nguyªn lý ho¹t ®éng
CÊu t¹o chung cña gia tèc kÕ ¸p ®iÖn gåm mét khèi l−îng rung M vµ mét phÇn
tö ¸p ®iÖn ®Æt trªn gi¸ ®ì cøng, vµ toµn bé ®−îc ®Æt trong mét vá hép kÝn.
Th«ng th−êng cÇn ph¶i ®o gia tèc theo hai h−íng däc theo trôc nh¹y c¶m. Tuú
thuéc vµo b¶n chÊt lùc t¸c dông (nÐn, kÐo hoÆc c¾t) trong bé c¶m biÕn ph¶i cã bé
phËn c¬ khÝ t¹o øng lùc c¬ häc ®Æt tr−íc lªn phÇn tö ¸p ®iÖn ®Ó më réng d¶i ®o gia
tèc theo hai chiÒu.
Trªn h×nh 7.13 tr×nh bµy s¬ ®å cÊu t¹o cña c¸c gia tèc kÕ ¸p ®iÖn kiÓu nÐn.
C¶m biÕn lo¹i nµy cã tÇn sè céng h−ëng cao, kÕt cÊu ch¾c ch¾n, nh¹y víi øng
lùc cña ®Õ.
S¬ ®å cÊu t¹o cña gia tèc kÕ kiÓu uèn cong tr×nh bµy trªn h×nh 7.14.
PhÇn tö ¸p ®iÖn cña c¶m biÕn gåm hai phiÕn ¸p ®iÖn máng d¸n víi nhau, mét
®Çu g¾n cè ®Þnh lªn vá hép c¶m biÕn, mét ®Çu g¾n víi khèi l−îng rung. C¶m biÕn
lo¹i nµy cho ®é nh¹y rÊt cao nh−ng tÇn sè vµ gia tèc rung ®o ®−îc bÞ h¹n chÕ.
H×nh 7.13 S¬ ®å cÊu t¹o gia tèc kÕ ¸p ®iÖn kiÓu nÐn 1) Khèi l−îng rung 2) PhiÕn ¸p ®iÖn 3) §ai èc 4) §Õ 5) Vá hép
1
2
3
4
5
- 123 -
b) §Æc tr−ng cña c¶m biÕn
§é nh¹y ®−îc biÓu diÔn bëi biÓu thøc:
21SSa
QS ==
Trong ®ã:
a - gia tèc cña c¶m biÕn.
Q - ®iÖn tÝch ®−îc t¹o ra khi c¶m biÕn rung víi gia tèc a.
S1 - ®é nh¹y c¬ cña hÖ thèng khèi l−îng rung.
S2 - ®é nh¹y ®iÖn cña c¶m biÕn.
Gi¸ trÞ cña S1 vµ S2 x¸c ®Þnh nh− sau:
2
020
220
1
21
1
a
zS
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ωω
ξ+⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
ωω
−ω
==
2
0
2
1
1dC
z
QS
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ωω
+
==
Trong ®ã:
d - h»ng sè ®iÖn m«i.
c - ®é cøng cña phÇn tö nh¹y c¶m.
τ
=ω1
- tÇn sè t¾t d−íi cña hÖ thèng c¶m biÕn - m¹ch ®o.
7.2.4. Gia tèc kÕ ¸p trë
CÊu t¹o chung cña mét gia tèc kÕ ¸p trë gåm mét tÊm máng ®µn håi mét ®Çu
g¾n víi gi¸ ®ì, mét ®Çu g¾n víi khèi l−îng rung, trªn ®ã cã g¾n tõ 2 ®Õn 4 ¸p trë
H×nh 7.14 S¬ ®å cÊu t¹o gia tèc kÕ ¸p ®iÖn kiÓu uèn cong 1) Khèi l−îng rung 2) PhiÕn ¸p ®iÖn 3) Vá hép
M
123
- 124 -
m¾c trong mét m¹ch cÇu Wheatstone. D−íi t¸c dông cña gia tèc, tÊm ®µn håi bÞ uèn
cong, g©y nªn biÕn d¹ng trong ®Çu ®o mét c¸ch trùc tiÕp hoÆc gi¸n tiÕp qua bé
khuÕch ®¹i c¬.
Trªn h×nh 7.15 giíi thiÖu s¬ ®å nguyªn lý cña mét c¶m biÕn gia tèc ¸p trë.
§é nh¹y cña c¶m biÕn ®−îc biÓu diÔn b»ng biÓu thøc:
ε
ε== m
21V
.a
SSS
- §é nh¹y ®iÖn cña cÇu Wheatstone S1: v× 4 ®Çu ®o ®Òu cã cïng mét biÕn d¹ng ε
nªn ®iÖn ¸p ra Vm cña ®Çu ®o b»ng:
ε=∆
= KeR
ReV ssm
Suy ra:
s2 KeS =
Trong ®ã:
es - ®iÖn ¸p nu«i cÇu (10 - 15 V).
K - hÖ sè ®Çu ®o ¸p trë.
R - ®iÖn trë mét ®Çu ®o.
- §é nh¹y c¬ S1 cña hÖ thèng c¬ khÝ x¸c ®Þnh theo biÓu thøc:
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ωω
ξ+⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
ωω
−ω
=
0
2
20
220
1
21
1AS
Gi¸ trÞ cña A vµ ω0 phô thuéc vµo kÕt cÊu cña hÖ chÞu uèn, vÝ dô víi c¶m biÕn cho ë
h×nh 7.15:
H×nh 7.15 S¬ ®å nguyªn lý cña c¶m biÕn gia tèc ¸p trë 1) Khèi rung 2) TÊm ®µn håi 3) ¸p trë 4) §Õ
1
2
3
4
bL
e
G
F
M
- 125 -
ML4
Yle3
3
0 =ω
3L
be5,1A =
Trong ®ã Y lµ m«®un Young.
- 126 -
Ch−¬ng VIII
C¶m biÕn ®o ¸p suÊt CHÊT l−u
8.1. ¸p suÊt vµ nguyªn lý ®o ¸p suÊt
8.1.1. ¸p suÊt vµ ®¬n vÞ ®o
¸p suÊt lµ ®¹i l−îng cã gi¸ trÞ b»ng tØ sè gi÷a lùc t¸c dông vu«ng gãc lªn mét
mÆt víi diÖn tÝch cña nã:
ds
dFp = (8.1)
§èi víi c¸c chÊt láng, khÝ hoÆc h¬i (gäi chung lµ chÊt l−u), ¸p suÊt lµ mét th«ng
sè quan träng x¸c ®Þnh tr¹ng th¸i nhiÖt ®éng häc cña chóng. Trong c«ng nghiÖp,
viÖc ®o ¸p suÊt chÊt l−u cã ý nghÜa rÊt lín trong viÖc ®¶m b¶o an toµn cho thiÕt bÞ
còng nh− gióp cho viÖc kiÓm tra vµ ®iÒu khiÓn ho¹t ®éng cña m¸y mãc thiÕt bÞ cã sö
dông chÊt l−u.
Trong hÖ ®¬n vÞ quèc tÕ (SI) ®¬n vÞ ¸p suÊt lµ pascal (Pa): 1 Pa lµ ¸p suÊt t¹o bëi
mét lùc cã ®é lín b»ng 1N ph©n bè ®ång ®Òu trªn mét diÖn tÝch 1m2 theo h−íng
ph¸p tuyÕn.
§¬n vÞ Pa t−¬ng ®èi nhá nªn trong c«ng nghiÖp ng−êi ta cßn dïng ®¬n vÞ ¸p suÊt
lµ bar (1 bar = 105 Pa) vµ mét sè ®¬n vÞ kh¸c.
B¶ng 8.1 tr×nh bµy c¸c ®¬n vÞ ®o ¸p suÊt vµ hÖ sè chuyÓn ®æi gi÷a chóng.
B¶ng 8.1
§¬n vÞ
¸p suÊt
pascal
(Pa)
bar
(b) kg/cm2
atmotsphe
(atm) mmH2O mmHg mbar
1Pascal 1 10-5 1,02.10-5 0,987.10-5 1,02.10-1 0,75.10-2 10-2
1 bar 105 1 1,02 0,987 1,02.104 750 103
1 kg/cm2 9,8.104 0,980 1 0,986 104 735 9,80.102
1 atm 1,013.105 1,013 1,033 1 1,033.104 760 1,013.103
1mmH2O 9,8 9,8.10-5 10-3 0,968.10-4 1 0,0735 0,098
1mmHg 133,3 13,33.10-4 1,36.10-3 1,315.10-3 136 1 1,33
1mbar 100 10-3 1,02.10-3 0,987.10-3 1,02 0,750 1
- 127 -
8.1.2. Nguyªn lý ®o ¸p suÊt
§èi víi chÊt l−u kh«ng chuyÓn ®éng, ¸p suÊt chÊt l−u lµ ¸p suÊt tÜnh (pt):
tpp = (8.2)
Do vËy ®o ¸p suÊt chÊt l−u thùc chÊt lµ x¸c ®Þnh lùc t¸c dông lªn mét diÖn tÝch thµnh
b×nh. §èi víi chÊt l−u kh«ng chuyÓn ®éng chøa trong mét èng hë ®Æt th¼ng ®øng, ¸p
suÊt tÜnh t¹i mét ®iÓm M c¸ch bÒ mÆt tù do mét kho¶ng (h) x¸c ®Þnh theo c«ng thøc
sau:
ghpp 0 ρ+= (8.3)
Trong ®ã:
p0 - ¸p suÊt khÝ quyÓn.
ρ - khèi l−îng riªng chÊt l−u.
g- gia tèc träng tr−êng.
§Ó ®o ¸p suÊt tÜnh cã thÓ tiÕn hµnh b»ng c¸c ph−¬ng ph¸p sau:
- §o ¸p suÊt chÊt l−u lÊy qua mét lç ®−îc khoan trªn thµnh b×nh nhê c¶m biÕn
thÝch hîp.
- §o trùc tiÕp biÕn d¹ng cña thµnh b×nh do ¸p suÊt g©y nªn.
Trong c¸ch ®o thø nhÊt, ph¶i sö dông mét c¶m biÕn ®Æt s¸t thµnh b×nh. Trong
tr−êng hîp nµy, ¸p suÊt cÇn ®o ®−îc c©n b»ng víi ¸p suÊt thuû tØnh do cét chÊt láng
mÉu t¹o nªn hoÆc t¸c ®éng lªn mét vËt trung gian cã phÇn tö nh¹y c¶m víi lùc do ¸p
suÊt g©y ra. Khi sö dông vËt trung gian ®Ó ®o ¸p suÊt, c¶m biÕn th−êng trang bÞ thªm
bé phËn chuyÓn ®æi ®iÖn. §Ó sai sè ®o nhá, thÓ tÝch chÕt cña kªnh dÉn vµ c¶m biÕn
ph¶i kh«ng ®¸ng kÓ so víi thÓ tÝch tæng céng cña chÊt l−u cÇn ®o ¸p suÊt.
Trong c¸ch ®o thø hai, ng−êi ta g¾n lªn thµnh b×nh c¸c c¶m biÕn ®o øng suÊt
®Ó ®o biÕn d¹ng cña thµnh b×nh. BiÕn d¹ng nµy lµ hµm cña ¸p suÊt.
§èi víi chÊt l−u chuyÓn ®éng, ¸p suÊt chÊt l−u (p) lµ tæng ¸p suÊt tÜnh (pt) vµ
¸p suÊt ®éng (p®) :
dt ppp += (8.4)
¸p suÊt tÜnh t−¬ng øng víi ¸p suÊt g©y nªn khi chÊt láng kh«ng chuyÓn ®éng, ®−îc
®o b»ng mét trong c¸c ph−¬ng ph¸p tr×nh bµy ë trªn. ¸p suÊt ®éng do chÊt l−u
chuyÓn ®éng g©y nªn vµ cã gi¸ trÞ tØ lÖ víi b×nh ph−¬ng vËn tèc chÊt l−u:
2
vp
2
dρ
= (8.5)
- 128 -
Trong ®ã ρ lµ khèi l−îng riªng chÊt l−u.
Khi dßng ch¶y va ®Ëp vu«ng gãc víi mét mÆt ph¼ng, ¸p suÊt ®éng chuyÓn
thµnh ¸p suÊt tÜnh, ¸p suÊt t¸c dông lªn mÆt ph¼ng lµ ¸p suÊt tæng. Do vËy, ¸p suÊt
®éng ®−îc ®o th«ng qua ®o chªnh lÖch gi÷a ¸p suÊt tæng vµ ¸p suÊt tÜnh. Th«ng
th−êng viÖc ®o hiÖu (p - pt) thùc hiÖn nhê hai c¶m biÕn nèi víi hai ®Çu ra cña mét
èng Pitot, trong ®ã c¶m biÕn (1) ®o ¸p suÊt tæng cßn c¶m biÕn (2) ®o ¸p suÊt tÜnh.
Cã thÓ ®o ¸p suÊt ®éng b»ng c¸ch ®Æt ¸p suÊt tæng lªn mÆt tr−íc vµ ¸p suÊt tÜnh lªn
mÆt sau cña mét mµng ®o (h×nh 8.2), nh− vËy tÝn hiÖu do c¶m biÕn cung cÊp chÝnh lµ
chªnh lÖch gi÷a ¸p suÊt tæng vµ ¸p suÊt tÜnh.
8.2. ¸p kÕ vi sai dùa trªn nguyªn t¾c c©n b»ng thuû tÜnh
Nguyªn lý chung cña ph−¬ng ph¸p dùa trªn nguyªn t¾c c©n b»ng ¸p suÊt chÊt
l−u víi ¸p suÊt thuû tÜnh cña chÊt láng lµm viÖc trong ¸p kÕ.
8.2.1. ¸p kÕ vi sai kiÓu phao
¸p kÕ vi sai kiÓu phao gåm hai b×nh th«ng nhau, b×nh lín cã tiÕt diÖn F vµ
b×nh nhá cã tiÕt diÖn f (h×nh 8.3). ChÊt láng lµm viÖc lµ thuû ng©n hay dÇu biÕn ¸p.
Khi ®o, ¸p suÊt lín (p1) ®−îc ®−a vµo b×nh lín, ¸p suÊt bÐ (p2) ®−îc ®−a vµo b×nh
nhá. §Ó tr¸nh chÊt láng lµm viÖc phun ra ngoµi khi cho ¸p suÊt t¸c ®éng vÒ mét phÝa
ng−êi ta më van (4) vµ khi ¸p suÊt hai bªn c©n b»ng van (4) ®−îc kho¸ l¹i.
Khi ®¹t sù c©n b»ng ¸p suÊt, ta cã:
( )( )21m21 hhgpp +ρ−ρ=−
c¶m biÕn 2
c¶m biÕn 1
H×nh 8.1 §o ¸p suÊt ®éng b»ng èng Pitot
p pt
H×nh 8.2 §o ¸p suÊt ®éng b»ng mµng 1) Mµng ®o 2) PhÇn tö ¸p ®iÖn
1 2
- 129 -
Trong ®ã:
g - gia tèc träng tr−êng.
ρm - träng l−îng riªng cña chÊt láng lµm viÖc.
ρ - träng l−îng riªng cña chÊt láng hoÆc khÝ cÇn ®o.
¸p kÕ vi sai kiÓu phao dïng ®Ó ®o ¸p suÊt tÜnh kh«ng lín h¬n 25MPa. Khi thay
®æi tØ sè F/f (b»ng c¸ch thay èng nhá) ta cã thÓ thay ®æi ®−îc ph¹m vi ®o.
CÊp chÝnh x¸c cña ¸p suÊt kÕ lo¹i nµy cao (1; 1,5) nh−ng chøa chÊt láng ®éc
h¹i mµ khi ¸p suÊt thay ®æi ®ét ngét cã thÓ ¶nh h−ëng ®Õn ®èi t−îng ®o vµ m«i
tr−êng.
8.2.2. ¸p kÕ vi sai kiÓu chu«ng
CÊu t¹o cña ¸p kÕ vi sai kiÓu chu«ng gåm chu«ng (1) nhóng trong chÊt láng
lµm viÖc chøa trong b×nh (2).
MÆt kh¸c tõ c©n b»ng thÓ tÝch ta cã:
21 h.fh.F =
Suy ra:
( )( ) ( )21m
1 pp.gf/F1
1h −
ρ−ρ+= (8.6)
Khi møc chÊt láng trong b×nh lín thay
®æi (h1 thay ®æi), phao cña ¸p kÕ dÞch
chuyÓn vµ qua c¬ cÊu liªn kÕt lµm quay kim
chØ thÞ trªn ®ång hå ®o. BiÓu thøc (8.6) lµ
ph−¬ng tr×nh ®Æc tÝnh tÜnh cña ¸p kÕ vi sai
kiÓu phao. H×nh 8.3. ¸p kÕ vi sai kiÓu phao
p1p2
h2
h1
1
23
4 5 6
7
H×nh 8.4 ¸p kÕ vi sai kiÓu chu«ng 1) Chu«ng 2) B×nh chøa 3) ChØ thÞ
dx
p1
p2
dy
3
p1
p2
A
B
3
dH
a) b)
1
2
- 130 -
Khi ¸p suÊt trong buång (A) vµ (B) b»ng nhau th× n¾p chu«ng (1) ë vÞ trÝ c©n
b»ng (h×nh8.4a), khi cã biÕn thiªn ®é chªnh ¸p d(p1-p2) >0 th× chu«ng ®−îc n©ng lªn
(h×nh 8.4b). Khi ®¹t c©n b»ng ta cã:
( ) ( ) ( )ρ−ρ∆+=− m21 g.fdydHF.ppd (8.8)
Víi:
dydxdh +=
( ) ( )gdhppd m21 ρ−ρ=−
( )dxFdH.ffdy −Φ+∆=
Trong ®ã:
F - tiÕt diÖn ngoµi cña chu«ng.
dH - ®é di chuyÓn cña chu«ng.
dy - ®é dÞch chuyÓn cña møc chÊt láng trong chu«ng.
dx - ®é dÞch chuyÓn cña møc chÊt láng ngoµi chu«ng.
∆f - diÖn tÝch tiÕt diÖn thµnh chu«ng.
Φ - diÖn tÝch tiÕt diÖn trong cña b×nh lín.
dh - chªnh lÖch møc chÊt láng ë ngoµi vµ trong chu«ng.
f - diÖn tÝch tiÕt diÖn trong cña chu«ng.
Gi¶i c¸c ph−¬ng tr×nh trªn ta cã:
( ) ( )21m
ppdg.f
fdH −
ρ−ρ∆=
LÊy tÝch ph©n giíi h¹n tõ 0 ®Õn (p1 - p2) nhËn ®−îc ph−¬ng tr×nh ®Æc tÝnh tÜnh
cña ¸p kÕ vi sai kiÓu chu«ng:
( ) ( )21m
ppg.f
fH −
ρ−ρ∆= (8.9)
¸p kÕ vi sai cã ®é chÝnh x¸c cao cã thÓ ®o ®−îc ¸p suÊt thÊp vµ ¸p suÊt ch©n
kh«ng.
8.3. C¶m biÕn ¸p suÊt dùa trªn phÐp ®o biÕn d¹ng
Nguyªn lý chung cña c¶m biÕn ¸p suÊt lo¹i nµy dùa trªn c¬ së sù biÕn d¹ng
®µn håi cña phÇn tö nh¹y c¶m víi t¸c dông cña ¸p suÊt. C¸c phÇn tö biÕn d¹ng
th−êng dïng lµ èng trô, lß xo èng, xi ph«ng vµ mµng máng.
- 131 -
8.3.1. PhÇn tö biÕn d¹ng
a) èng trô
S¬ ®å cÊu t¹o cña phÇn tö biÕn d¹ng h×nh èng trô tr×nh bµy trªn h×nh 8.5. èng
cã d¹ng h×nh trô, thµnh máng, mét ®Çu bÞt kÝn, ®−îc chÕ t¹o b»ng kim lo¹i.
§èi víi èng dµi (L>>r), khi ¸p suÊt chÊt l−u t¸c ®éng lªn thµnh èng lµm cho
èng biÕn d¹ng, biÕn d¹ng ngang (ε1) vµ biÕn d¹ng däc (ε2) cña èng x¸c ®Þnh bëi biÓu
thøc:
pke
r
Y
p
21 11 =⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛ ν−=ε
pke
r
Y
p
2
121 =⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛ ν−=ε
Trong ®ã:
p - ¸p suÊt.
Y - m« ®un Young.
ν - hÖ sè poisson.
r - b¸n kÝnh trong cña èng.
e - chiÒu dµy thµnh èng.
§Ó chuyÓn tÝn hiÖu c¬ (biÕn d¹ng) thµnh tÝn hiÖu ®iÖn ng−êi ta dïng bé chuyÓn
®æi ®iÖn (thÝ dô c¶m biÕn lùc).
b) Lß xo èng
CÊu t¹o cña c¸c lß xo èng dïng trong c¶m biÕn ¸p suÊt tr×nh bµy trªn h×nh 8.6.
Lß xo lµ mét èng kim lo¹i uèn cong, mét ®Çu gi÷ cè ®Þnh cßn mét ®Çu ®Ó tù
do. Khi ®−a chÊt l−u vµo trong èng, ¸p suÊt t¸c dông lªn thµnh èng lµm cho èng bÞ
biÕn d¹ng vµ ®Çu tù do dÞch chuyÓn.
J1
J2
J4
J3
a) b)
H×nh 8.5 PhÇn tö biÕn d¹ng kiÓu èng h×nh trô a) S¬ ®å cÊu t¹o b) VÞ trÝ g¾n c¶m biÕn
ε1
ε2 r
e
- 132 -
Trªn h×nh (8.6a) lµ s¬ ®å lß xo èng mét vßng, tiÕt diÖn ngang cña èng h×nh tr¸i
xoan. D−íi t¸c dông cña ¸p suÊt d− trong èng, lß xo sÏ gi·n ra, cßn d−íi t¸c dông
cña ¸p suÊt thÊp nã sÏ co l¹i.
§èi víi c¸c lß xo èng thµnh máng biÕn thiªn gãc ë t©m (γ) d−íi t¸c dông cña
¸p suÊt (p) x¸c ®Þnh bëi c«ng thøc:
22
222
xa
b1
bh
R.
Y
1p
+β
α⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−
ν−γ=γ∆ (8.10)
Trong ®ã:
ν - hÖ sè poisson.
Y - m« ®un Young.
R - b¸n kÝnh cong.
h - bÒ dµy thµnh èng.
a, b - c¸c b¸n trôc cña tiÕt diÖn «van.
α, β - c¸c hÖ sè phô thuéc vµo h×nh d¸ng tiÕt diÖn ngang cña èng.
x = Rh/a2 - tham sè chÝnh cña èng.
Lùc thµnh phÇn theo h−íng tiÕp tuyÕn víi trôc èng (èng thµnh máng h/b = 0,6 - 0,7)
ë ®Çu tù do x¸c ®Þnh theo theo biÓu thøc:
pkcos.sinsin43
sin.
x
s48
a
b1pabN 122
2
t =γγ+γ−γ
γ−γ+ε⎟
⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−= (8.11)
Lùc h−íng kÝnh:
pkcos.sin
cos.
x
s48
a
b1pabN 222
2
r =γγ−γ
γ−γ+ε⎟
⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−= (8.12)
Trong ®ã s vµ ε c¸c hÖ sè phô thuéc vµo tØ sè b/a.
p
b) c)
H×nh 8.6 Lß xo èng
p
N1
Nr
N
a)
γ
R 2a
2b
A
A
- 133 -
Gi¸ trÞ cña k1, k2 lµ h»ng sè ®èi víi mçi lß xo èng nªn ta cã thÓ viÕt ®−îc biÓu thøc
x¸c ®Þnh lùc tæng hîp:
kpp.kkN 22
21 =+= (8.13)
Víi ) R, h, b, f(a,kkk 22
21 γ=+= .
B»ng c¸ch thay ®æi tØ sè a/b vµ gi¸ trÞ cña R, h, γ ta cã thÓ thay ®æi ®−îc gi¸ trÞ cña
∆γ , N vµ ®é nh¹y cña phÐp ®o.
Lß xo èng mét vßng cã gãc quay nhá, ®Ó t¨ng gãc quay ng−êi ta dïng lß xo
èng nhiÒu vßng cã cÊu t¹o nh− h×nh (8.6b). §èi víi lß xo èng d¹ng vßng th−êng
ph¶i sö dông thªm c¸c c¬ cÊu truyÒn ®éng ®Ó t¨ng gãc quay.
§Ó t¹o ra gãc quay lín ng−êi ta dïng lß xo xo¾n cã tiÕt diÖn « van hoÆc h×nh
r¨ng khÝa nh− h×nh 8.6c, gãc quay th−êng tõ 40 - 60o, do ®ã kim chØ thÞ cã thÓ g¾n
trùc tiÕp trªn ®Çu tù do cña lß xo.
Lß xo èng chÕ t¹o b»ng ®ång thau cã thÓ ®o ¸p suÊt d−íi 5 MPa, hîp kim nhÑ
hoÆc thÐp d−íi 1.000 MPa, cßn trªn 1.000 MPa ph¶i dïng thÐp giã.
c) Xiph«ng
CÊu t¹o cña xiph«ng tr×nh bµy trªn h×nh 8.7.
èng xiph«ng lµ mét èng h×nh trô xÕp nÕp cã kh¶ n¨ng biÕn d¹ng ®¸ng kÓ d−íi
t¸c dông cña ¸p suÊt. Trong giíi h¹n tuyÕn tÝnh, tØ sè gi÷a lùc t¸c dông vµ biÕn d¹ng
cña xiph«ng lµ kh«ng ®æi vµ ®−îc gäi lµ ®é cøng cña xiph«ng. §Ó t¨ng ®é cøng
th−êng ng−êi ta ®Æt thªm vµo trong èng mét lß xo. VËt liÖu chÕ t¹o lµ ®ång, thÐp
cacbon, thÐp hîp kim ... §−êng kÝnh xiph«ng tõ 8 - 100mm, chiÒu dµy thµnh 0,1 -
0,3 mm.
§é dÞch chuyÓn (δ) cña ®¸y d−íi t¸c dông cña lùc chiÒu trôc (N) x¸c ®Þnh theo
c«ng thøc:
H×nh 8.7 S¬ ®å cÊu t¹o èng xiph«ng
α
2Rb
2Rng
r
p
- 134 -
2b02
2100
2
R/hBAAA
n
Yh
1.N
+α+α−−
ν−=δ (8.14)
Trong ®ã:
h0 - chiÒu dµy thµnh èng xiph«ng.
n - sè nÕp lµm viÖc.
α - gãc bÞt kÝn.
ν - hÖ sè poisson.
A0, A1, B0 - c¸c hÖ sè phô thuéc Rng/Rtr, r/R+r.
Rng, Rtr - b¸n kÝnh ngoµi vµ b¸n kÝnh trong cña xi ph«ng.
r - b¸n kÝnh cong cña nÕp uèn.
Lùc chiÒu trôc t¸c dông lªn ®¸y x¸c ®Þnh theo c«ng thøc:
( ) pRR5
N 2trng ∆+
π= (8.15)
d) Mµng
Mµng dïng ®Ó ®o ¸p suÊt ®−îc chia ra mµng ®µn håi vµ mµng dÎo.
Mµng ®µn håi cã d¹ng trßn ph¼ng hoÆc cã uèn nÕp ®−îc chÕ t¹o b»ng thÐp.
Khi ¸p suÊt t¸c dông lªn hai mÆt cña mµng kh¸c nhau g©y ra lùc t¸c ®éng lªn
mµng lµm cho nã biÕn d¹ng. BiÕn d¹ng cña mµng lµ hµm phi tuyÕn cña ¸p suÊt vµ
kh¸c nhau tuú thuéc ®iÓm kh¶o s¸t. Víi mµng ph¼ng, ®é phi tuyÕn kh¸ lín khi ®é
vâng lín, do ®ã th−êng chØ sö dông trong mét ph¹m vi hÑp cña ®é dÞch chuyÓn cña
mµng.
§é vâng cña t©m mµng ph¼ng d−íi t¸c dông cña ¸p suÊt t¸c dông lªn mµng
x¸c ®Þnh theo c«ng thøc sau:
( )3
42
Yh
pR1
16
3ν−=δ (8.16)
D
h
p
D
p
H×nh 8.8 S¬ ®å mµng ®o ¸p suÊt
- 135 -
Mµng uèn nÕp cã ®Æc tÝnh phi tuyÕn nhá h¬n mµng ph¼ng nªn cã thÓ sö dông
víi ®é vâng lín h¬n mµng ph¼ng. §é vâng cña t©m mµng uèn nÕp x¸c ®Þnh theo
c«ng thøc:
4
4
3
3
Yh
pR
h
b
ha =
δ+
δ= (8.17)
Víi a, b lµ c¸c hÖ sè phô thuéc h×nh d¹ng vµ bÒ dµy cña mµng.
Khi ®o ¸p suÊt nhá ng−êi ta dïng mµng dÎo h×nh trßn ph¼ng hoÆc uèn nÕp, chÕ
t¹o tõ v¶i cao su. Trong mét sè tr−êng hîp ng−êi ta dïng mµng dÎo cã t©m cøng, khi
®ã ë t©m mµng ®−îc kÑp cøng gi÷a hai tÊm kim lo¹i.
§èi víi mµng dÎo th−êng, lùc di chuyÓn t¹o nªn ë t©m mµng x¸c ®Þnh bëi biÓu
thøc:
p.12
DN
2π= (8.19)
Víi D lµ ®−êng kÝnh æ ®ì mµng.
§èi víi mµng dÎo t©m cøng, lùc di chuyÓn t¹o nªn ë t©m mµng x¸c ®Þnh bëi
biÓu thøc:
( )
p.12
dDdDN
22 ++π= (8.20)
Víi D lµ ®−êng kÝnh mµng, d lµ d−êng kÝnh ®Üa cøng.
8.3.2. C¸c bé chuyÓn ®æi ®iÖn
Khi sö dông c¶m biÕn ®o ¸p suÊt b»ng phÇn tö biÕn d¹ng, ®Ó chuyÓn ®æi tÝn
hiÖu c¬ trung gian thµnh tÝn hiÖu ®iÖn ng−êi ta dïng c¸c bé chuyÓn ®æi. Theo c¸ch
chuyÓn ®æi ng−êi ta chia c¸c bé chuyÓn ®æi thµnh hai lo¹i:
- BiÕn ®æi sù dÞch chuyÓn cña phÇn tö biÕn d¹ng thµnh tÝn hiÖu ®o. C¸c chuyÓn
®æi lo¹i nµy th−êng dïng lµ: cuén c¶m, biÕn ¸p vi sai, ®iÖn dung, ®iÖn trë...
H×nh 8.9 S¬ ®å cÊu t¹o mµng dÎo cã t©m cøng
- 136 -
- BiÕn ®æi øng suÊt thµnh tÝn hiÖu ®o. C¸c bé chuyÓn ®æi lµ c¸c phÇn tö ¸p ®iÖn
hoÆc ¸p trë.
a) Bé biÕn ®æi ®o ¸p suÊt kiÓu ®iÖn c¶m
tù c¶m cña cuén d©y. NÕu bá qua ®iÖn trë cuén d©y, tõ th«ng t¶n vµ tæn hao trong
lâi tõ th× ®é tù c¶m cña bé biÕn ®æi x¸c ®Þnh bëi c«ng thøc sau:
( ) ( )00tbtb
2
S/S/l
WL
µδ+µ= (8.21)
Trong ®ã:
W - sè vßng d©y cña cuén d©y.
ltb, Stb: chiÒu dµi vµ diÖn tÝch trung b×nh cña lâi tõ.
δ, S0 - chiÒu dµi vµ tiÕt diÖn khe hë kh«ng khÝ .
µ, µ0 - ®é tõ thÈm cña lâi tõ vµ kh«ng khÝ.
Th«ng th−êng ltb/(µStb) << δ/(µ0S0), do ®ã cã thÓ tÝnh L theo c«ng thøc gÇn ®óng:
δ
µ= 00
2 S.WL
Víi δ = kp, ta cã ph−¬ng tr×nh ®Æc tÝnh tÜnh cña c¶m biÕn ¸p suÊt dïng bé
biÕn ®æi c¶m øng:
kp
S.WL 0
02 µ= (8.22)
§Ó ®o ®é tù c¶m L ng−êi ta dïng cÇu ®o xoay chiÒu hoÆc m¹ch céng h−ëng
LC.
CÊu t¹o cña bé chuyÓn ®æi kiÓu
®iÖn c¶m biÓu diÔn trªn h×nh 8.10. Bé
chuyÓn ®æi gåm tÊm s¾t tõ ®éng g¾n
trªn mµng (1) vµ nam ch©m ®iÖn cã
lâi s¾t (2) vµ cuén d©y (3).
D−íi t¸c dông cña ¸p suÊt ®o,
mµng (1) dÞch chuyÓn lµm thay ®æi
khe hë tõ (δ) gi÷a tÊm s¾t tõ vµ lâi tõ
cña nam ch©m ®iÖn, do ®ã thay ®æi ®é
p
H×nh 8.10 Bé chuyÓn ®æi kiÓu c¶m øng1) TÊm s¾t tõ 2) Lâi s¾t tõ 3) Cuén d©y
1
2
3
δ
- 137 -
b) Bé biÕn ®æi kiÓu biÕn ¸p vi sai
Bé biÕn ®æi ¸p suÊt kiÓu biÕn ¸p vi sai (h×nh 8.11) gåm mét lß xo vßng (1) vµ
phÇn tö biÕn ®æi (2). PhÇn tö biÕn ®æi gåm mét khung c¸ch ®iÖn trªn ®ã quÊn cuén
s¬ cÊp (7). Cuén thø cÊp gåm hai cuén d©y (4) vµ (5) quÊn ng−îc chiÒu nhau. Lâi
thÐp di ®éng nèi víi lß xo (1). §Çu ra cña cuén thø cÊp nèi víi ®iÖn trë R1, cho phÐp
®iÒu chØnh giíi h¹n ®o trong ph¹m vi ±25%.
Nguyªn lý lµm viÖc: dßng ®iÖn I1 ch¹y trong cuén s¬ cÊp sinh ra tõ th«ng biÕn
thiªn trong hai nöa cuén thø cÊp, lµm xuÊt hiÖn trong hai nöa cuén d©y nµy c¸c suÊt
®iÖn ®éng c¶m øng e1 vµ e2:
111 MI.f2e π=
212 MI.f2e π=
Trong ®ã M1 vµ M2 lµ hç c¶m gi÷a cuén s¬ cÊp vµ c¸c nöa cuén thø cÊp.
Hai nöa cuén d©y ®Êu ng−îc chiÒu nhau, do ®ã suÊt ®iÖn ®éng trong cuén thø cÊp:
( ) MfI2MMfI2eeE 121121 π=−π=−= (8.23)
§èi víi phÇn tö biÕn ®æi chuÈn cã ®iÖn trë cöa ra R1 vµ R2 th× ®iÖn ¸p ra cña bé biÕn
®æi x¸c ®Þnh bëi c«ng thøc:
ra1ra MfI2V π= (8.24)
Gi¸ trÞ hç c¶m Mra phô thuéc ®é dÞch chuyÓn cña lâi thÐp:
max
maxra MMδδ
=
Trong ®ã Mmax lµ hç c¶m lín nhÊt cña cuén s¬ cÊp vµ cuén thø cÊp øng víi ®é dÞch
chuyÓn lín nhÊt cña lâi thÐp.
1
pE Ur
2 3
4
6
H×nh 8.11 S¬ ®å cÊu t¹o nguyªn lý cña bé biÕn ®æi kiÓu biÕn ¸p vi sai 1) Lß xo vßng 2) PhÇn tö biÕn ®æi 3&4) Cuén thø cÊp
5) Lâi thÐp 6) Cuén s¬ cÊp
5
R1I1
R2
- 138 -
Tõ ph−¬ng tr×nh (8.23) vµ (8.24), t×m ®−îc ®iÖn ¸p ra cña bé biÕn ®æi:
δδ
π=
max
max1ra
MfI2V (8.25)
c) Bé biÕn ®æi kiÓu ®iÖn dung
S¬ ®å c¶m biÕn kiÓu ®iÖn dung tr×nh bµy trªn h×nh 8.12
H×nh 8.12a tr×nh bµy cÊu t¹o mét bé biÕn ®æi kiÓu ®iÖn dung gåm b¶n cùc
®éng lµ mµng kim lo¹i (1), vµ b¶n cùc tÜnh (2) g¾n víi ®Õ b»ng c¸ch ®iÖn th¹ch anh
(4).
Sù phô thuéc cña ®iÖn dung C vµo ®é dÞch chuyÓn cña mµng cã d¹ng:
0
sC
δ+δε= (8.26)
Trong ®ã:
ε - h»ng sè ®iÖn m«i cña c¸ch ®iÖn gi÷a hai b¶n cùc.
δ0 - kho¶ng c¸ch gi÷a c¸c ®iÖn cùc khi ¸p suÊt b»ng 0.
δ - ®é dÞch chuyÓn cña mµng.
H×nh 8.12b lµ mét bé biÕn ®æi ®iÖn dung kiÓu vi sai gåm hai b¶n cùc tÜnh (2)
vµ (3) g¾n víi chÊt ®iÖn m«i cøng (4), kÕt hîp víi mµng (1) n»m gi÷a hai b¶n cùc ®Ó
t¹o thµnh hai tô ®iÖn C12 vµ C13. Kho¶ng trèng gi÷a c¸c b¶n cùc vµ mµng ®iÒn ®Çy
bëi dÇu silicon (5).
C¸c ¸p suÊt p1 vµ p2 cña hai m«i tr−êng ®o t¸c ®éng lªn mµng, lµm mµng dÞch
chuyÓn gi÷a hai b¶n cùc tÜnh vµ t¹o ra tÝn hiÖu im (cung cÊp bëi nguån nu«i) tØ lÖ víi
¸p suÊt gi÷a hai m«i tr−êng:
)pp(KCC
CCKi 21
21
211m −=
+−
= (8.27)
H×nh 8.12 Bé chuyÓn ®æi kiÓu ®iÖn dung 1) B¶n cùc ®éng 2&3) B¶n cùc tÜnh 4) C¸ch diÖn 4) DÇu silicon
p 1
2 4
a) b)
p1 p2
1 2
34
5
- 139 -
§Ó biÕn ®æi biÕn thiªn ®iÖn dung C thµnh tÝn hiÖu ®o l−êng, th−êng dïng m¹ch
cÇu xoay chiÒu hoÆc m¹ch vßng céng h−ëng LC.
Bé c¶m biÕn kiÓu ®iÖn dung ®o ®−îc ¸p suÊt ®Õn 120 MPa, sai sè ± (0,2 - 5)%.
3.2.4. Bé biÕn ®æi kiÓu ¸p trë
CÊu t¹o cña phÇn tö biÕn ®æi ¸p trë biÓu diÔn trªn h×nh 8.13a. C¶m biÕn ¸p trë
gåm ®Õ silic lo¹i N (1) trªn ®ã cã khuÕch t¸n t¹p chÊt t¹o thµnh líp b¸n dÉn lo¹i P
(2) , mÆt trªn ®−îc bäc c¸ch ®iÖn vµ cã hai tiÕp xóc kim lo¹i ®Ó nèi d©y dÉn (3).
Trªn h×nh 8.13b lµ tr−êng hîp mµng ®Þnh h−íng (100) cã g¾n 4 c¶m biÕn ¸p
trë, trong ®ã cã hai c¶m biÕn ®Æt ë t©m theo h−íng (110) vµ hai c¶m biÕn ®Æt ë biªn
t¹o thµnh víi h−íng (100) mét gãc 60o. Víi c¸ch ®Æt nh− vËy, biÕn thiªn ®iÖn trë
cña hai cÆp c¶m biÕn khi cã øng suÊt néi sÏ b»ng nhau nh−ng tr¸i dÊu:
RRRRR 4231 ∆=∆−=∆−=∆=∆
§Ó ®o biÕn thiªn ®iÖn trë ng−êi ta dïng m¹ch cÇu, khi ®ã ë hai ®Çu ®−êng chÐo cÇu
®−îc nu«i b»ng dßng mét chiÒu sÏ lµ:
( ) RIRRRR4
IV 4321m ∆=∆−∆+∆−∆=
Sù thay ®æi t−¬ng ®èi cña trë kh¸ng theo øng lùc σ tÝnh x¸c ®Þnh theo biÓu thøc:
πσ=∆
0R
R
Trong ®ã π lµ hÖ sè ¸p trë cña tinh thÓ (~ 4.10-10 m2/N), khi ®ã biÓu thøc ®iÖn ¸p cã
d¹ng:
σπ= 0m IRV (8.28)
H×nh 8.13. S¬ ®å nguyªn lý c¶m biÕn ¸p trë a) S¬ ®å cÊu t¹o b) VÞ trÝ ®Æt trªn mµng 1) §Õ silic-N 2) B¸n dÉn P 3) D©y dÉn
12
3
R1
R2
R3
R4
JT
60o
a) b)
- 140 -
Bé chuyÓn ®æi kiÓu ¸p trë lµm viÖc trong d¶i nhiÖt ®é tõ - 40oC ®Õn 125oC phô
thuéc vµo ®é pha t¹p. Ng−êi ta còng cã thÓ bï trõ ¶nh h−ëng cña nhiÖt ®é b»ng c¸ch
®−a thªm vµo bé chuyÓn ®æi mét bé phËn hiÖu chØnh ®−îc ®iÒu khiÓn qua ®Çu ®o
nhiÖt ®é JT.
d) Bé chuyÓn ®æi kiÓu ¸p ®iÖn
Bé chuyÓn ®æi kiÓu ¸p ®iÖn, dïng phÇn tö biÕn ®æi lµ phÇn tö ¸p ®iÖn, cho
phÐp biÕn ®æi trùc tiÕp øng lùc d−íi t¸c ®éng cña lùc F do ¸p suÊt g©y nªn thµnh tÝn
hiÖu ®iÖn.
¸p suÊt (p) g©y nªn lùc F t¸c ®éng lªn c¸c b¶n ¸p ®iÖn, lµm xuÊt hiÖn trªn hai
mÆt cña b¶n ¸p ®iÖn mét®iÖn tÝch Q tØ lÖ víi lùc t¸c dông:
kFQ =
Víi F = p.S, do ®ã:
kpSQ =
Trong ®ã:
k - h»ng sè ¸p ®iÖn, trong tr−êng hîp th¹ch anh k = 2,22.10-12 C/N.
S - diÖn tÝch h÷u Ých cña mµng.
§Ó t¨ng ®iÖn tÝch Q ng−êi ta ghÐp song song mét sè b¶n cùc víi nhau.
§èi víi phÇn tö ¸p ®iÖn d¹ng èng, ®iÖn tÝch trªn c¸c b¶n cùc x¸c ®Þnh theo
c«ng thøc:
22 dD
dh4kFQ
−= (8.29)
Trong ®ã:
D, d - ®−êng kÝnh ngoµi vµ ®−êng kÝnh trong cña phÇn tö ¸p ®iÖn.
h - chiÒu cao phÇn phñ kim lo¹i.
H×nh 8.14 C¶m biÕn kiÓu ¸p trë a) PhÇn tö ¸p ®iÖn d¹ng tÊm b) PhÇn tö ¸p ®iÖn d¹ng èng
p
a)
Trôc quang
Trôc ®iÖn
d
D
b)
- 141 -
Giíi h¹n trªn cña c¶m biÕn ¸p suÊt dïng bé biÕn ®æi ¸p ®iÖn tõ 2,5 - 100 MPa,
cÊp chÝnh x¸c 1,5;2. Bé biÕn ®æi ¸p ®iÖn cã håi ®¸p tÇn sè rÊt tèt nªn th−êng dïng
®Ó ®o ¸p suÊt thay ®æi nhanh, tuy nhiªn chóng cã nh−îc ®iÓm lµ nh¹y c¶m víi sù
thay ®æi nhiÖt ®é.
- 142 -
Ch−¬ng IX
C¶m biÕn ®o l−u l−îng Vµ MøC CHÊT l−u
9.1. C¶m biÕn ®o l−u l−îng
9.1.1. L−u l−îng vµ ®¬n vÞ ®o
L−u l−îng chÊt l−u lµ l−îng chÊt l−u ch¶y qua tiÕt diÖn ngang cña èng trong
mét ®¬n vÞ thêi gian. Tuú theo ®¬n vÞ tÝnh l−îng chÊt l−u (theo thÓ tÝch hoÆc khèi
l−îng) ng−êi ta ph©n biÖt:
- L−u l−îng thÓ tÝch (Q) tÝnh b»ng m3/s, m3/giê ...
- L−u l−îng khèi (G) tÝnh b»ng kg/s, kg/giê ...
L−u l−îng trung b×nh trong kho¶ng thêi gian ∆t = t2 - t1 x¸c ®Þnh bëi biÓu thøc:
t
VQtb ∆
∆= hoÆc
t
mGtb ∆
∆= (9.1)
Trong ®ã ∆V, ∆m lµ thÓ tÝch vµ khèi l−îng chÊt l−u ch¶y qua èng trong thêi kho¶ng
gian kh¶o s¸t.
L−u l−îng tøc thêi x¸c ®Þnh theo c«ng thøc:
dt
dVQ = hoÆc
dt
dmG = (9.2)
§Ó ®o l−u l−îng ng−êi ta dïng c¸c l−u l−îng kÕ. Tuú thuéc vµo tÝnh chÊt chÊt l−u,
yªu cÇu c«ng nghÖ, ng−êi ta sö dông c¸c l−u l−îng kÕ kh¸c nhau. Nguyªn lý ho¹t
®éng cña c¸c l−u l−îng kÕ dùa trªn c¬ së:
- §Õm trùc tiÕp thÓ tÝch chÊt l−u ch¶y qua c«ng t¬ trong mét kho¶ng thêi
gian x¸c ®Þnh ∆t.
- §o vËn tèc chÊt l−u ch¶y qua c«ng t¬ khi l−u l−îng lµ hµm cña vËn tèc.
- §o ®é gi¶m ¸p qua tiÕt diÖn thu hÑp trªn dßng ch¶y, l−u l−îng lµ hµm phô
thuéc ®é gi¶m ¸p.
TÝn hiÖu ®o biÕn ®æi trùc tiÕp thµnh tÝn hiÖu ®iÖn hoÆc nhê bé chuyÓn ®æi ®iÖn
thÝch hîp.
9.1.2. C«ng t¬ thÓ tÝch
C«ng t¬ thÓ tÝch ®o thÓ tÝch chÊt l−u ch¶y qua c«ng t¬ b»ng c¸c ®Õm trùc tiÕp
l−îng thÓ tÝch ®i qua buång chøa cã thÓ tÝch x¸c ®Þnh cña c«ng t¬.
S¬ ®å nguyªn lý cña c«ng t¬ thÓ tÝch kiÓu b¸nh r¨ng h×nh «van tr×nh bµy trªn
h×nh 9.1.
- 143 -
C«ngt¬ gåm hai b¸nh r¨ng h×nh «van (1) vµ (2) truyÒn ®éng ¨n khíp víi nhau
(h×nh 9.1a). D−íi t¸c ®éng cña dßng chÊt láng, b¸nh r¨ng (2) quay vµ truyÒn chuyÓn
®éng tíi b¸nh r¨ng (1) (h×nh 9.1b) cho ®Õn lóc b¸nh r¨ng (2) ë vÞ trÝ th¼ng ®øng,
b¸nh r¨ng (1) n»m ngang. ChÊt láng trong thÓ tÝch V1 ®−îc ®Èy sang cöa ra. Sau ®ã
b¸nh r¨ng (1) quay vµ qu¸ tr×nh t−¬ng tù lÆp l¹i, thÓ tÝch chÊt láng trong buång V2
®−îc ®Èy sang cöa ra. Trong mét vßng quay cña c«ngt¬ thÓ tÝch chÊt láng qua
c«ngt¬ b»ng bèn lÇn thÓ tÝch V0 (b»ng V1 hoÆc V2). Trôc cña mét trong hai b¸nh
r¨ng liªn kÕt víi c¬ cÊu ®Õm ®Æt ngoµi c«ngt¬.
ThÓ tÝch chÊt l−u ch¶y qua c«ngt¬ trong thêi gian ∆t = t2 - t1 tØ lÖ víi sè vßng
quay x¸c ®Þnh bëi c«ng thøc:
( )12v NNqV −=∆ (9.3)
Trong ®ã:
qV - thÓ tÝch chÊt l−u ch¶y qua c«ng t¬ øng víi mét vßng quay.
N1, N2 - tæng sè vßng quay cña c«ng t¬ t¹i thêi ®iÓm t1 vµ t2.
Th«ng th−êng thÓ tÝch chÊt l−u ch¶y qua c«ng t¬ ®−îc biÓu diÔn d−íi d¹ng:
( )1c2cc NNqV −=∆ (9.4)
qc - hÖ sè c«ng t¬ (thÓ tÝch chÊt l−u ch¶y qua c«ng t¬ øng víi mét ®¬n vÞ chØ thÞ
trªn c«ng t¬).
Nc1, Nc2 - sè trªn chØ thÞ c«ng t¬ t¹i thêi ®iÓm t1 vµ t2.
L−u l−îng trung b×nh:
( )
12
12vtb tt
NNq
t
VQ
−−
=∆∆
= (9.5)
L−u l−îng tøc thêi:
V1
V2
2
1
H×nh 9.1 S¬ ®å nguyªn lý c«ng t¬ thÓ tÝch
a) b) c)
- 144 -
nqdt
dNq
dt
dVQ vv === (9.6)
Víi dt
dNn = lµ tèc ®é quay trªn trôc c«ng t¬.
§Ó ®Õm sè vßng quay vµ chuyÓn thµnh tÝn hiÖu ®iÖn ng−êi ta dïng mét trong
ba c¸ch d−íi ®©y:
- Dïng mét nam ch©m nhá g¾n trªn trôc quay cña cña c«ng t¬, khi nam
ch©m ®i qua mét cuén d©y ®Æt cè ®Þnh sÏ t¹o ra xung ®iÖn. §Õm sè xung ®iÖn theo
thêi gian sÏ tÝnh ®−îc tèc ®é quay cña trôc c«ng t¬.
- Dïng tèc ®é kÕ quang.
- Dïng m¹ch ®o thÝch hîp ®Ó ®o tÇn sè hoÆc ®iÖn ¸p.
Giíi h¹n ®o cña c«ng t¬ lo¹i nµy tõ 0,01 - 250 m3/giê, ®é chÝnh x¸c cao ±(0,5 -
1)%, tæn thÊt ¸p suÊt nhá nh−ng cã nh−îc ®iÓm lµ chÊt láng ®o ph¶i ®−îc läc tèt vµ
g©y ån khi lµm viÖc.
®éng quay cña tang ®−îc truyÒn ®Õn c¬ cÊu ®Õm ®Æt bªn ngoµi vá c«ng t¬.
C«ng t¬ khÝ kiÓu quay cã thÓ ®o l−u l−îng ®Õn 100 - 300 m3/giê, cÊp chÝnh x¸c
0,25; 0,5.
9.1.3. C«ng t¬ tèc ®é
H×nh 9.3 tr×nh bµy s¬ ®å cÊu t¹o cña mét c«ng t¬ tèc ®é tuabin h−íng trôc.
Bé phËn chÝnh cña c«ng t¬ lµ mét tuabin h−íng trôc nhá (2) ®Æt theo chiÒu
chuyÓn ®éng cña dßng ch¶y. Tr−íc tuabin cã ®Æt bé chØnh dßng ch¶y (1) ®Ó san
ph¼ng dßng rèi vµ lo¹i bá xo¸y. ChuyÓn ®éng quay cña tuabin qua bé b¸nh r¨ng -
trôc vÝt (3) truyÒn tíi thiÕt bÞ ®Õm (4).
§Ó ®o l−u l−îng dßng khÝ ng−êi ta sö
dông c«ng t¬ khÝ kiÓu quay. C«ng t¬ (h×nh
9.2) gåm vá h×nh trô (1), c¸c c¸nh (2,4,7,8),
tang quay (3) vµ cam (6). Khi c¸nh (4) ë vÞ
trÝ nh− h×nh vÏ , ¸p suÊt chÊt khÝ t¸c ®éng
lªn c¸nh lµm cho tang (3) quay. Trong qu¸
tr×nh quay c¸c c¸nh lu«n tiÕp xóc víi mÆt
ngoµi cam (6) nhê c¸c con l¨n (5). Trong
mét vßng quay thÓ tÝch chÊt khÝ b»ng thÓ
tÝch vµnh chÊt khÝ gi÷a vá vµ tang. ChuyÓn
H×nh 9.2 C«ng t¬ khÝ kiÓu quay 1) Vá 2, 4,7&8) C¸nh 3) Tang
quay 5) Con l¨n 6) Cam
1
2
3
4
5
7
8
6
- 145 -
Tèc ®é quay cña c«ng t¬ tØ lÖ víi tèc ®é dßng ch¶y:
kWn =
Trong ®ã:
k - hÖ sè tØ lÖ phô thuéc cÊu t¹o c«ng t¬.
W- tèc ®é dßng ch¶y.
L−u l−îng thÓ tÝch chÊt l−u ch¶y qua c«ng t¬:
nk
FWFQ == (9.7)
Víi:
F - tiÕt diÖn dßng ch¶y.
n - tèc ®é quay cña tuabin (sè vßng quay trong mét gi©y).
NÕu dïng c¬ cÊu ®Õm ®Ó ®Õm tæng sè vßng quay cña c«ng t¬ trong mét
kho¶ng thêi gian tõ t1 ®Õn t2 sÏ nhËn ®−îc thÓ tÝch chÊt láng ch¶y qua c«ng t¬:
ndtk
FdQdtdV ==
∫=2
1
t
t
ndtk
FV
Hay:
( )12 NNk
FV −= (9.8)
Víi ∫=−2
1
t
t12 ndt
k
FNN
H×nh 9.3 S¬ ®å cÊu t¹o c«ng t¬ tèc ®é tuabin h−íng trôc 1) Bé chØnh dßng ch¶y 2) Tuabin
3) Bé truyÒn b¸nh r¨ng-trôc vÝt 4) ThiÕt bÞ ®Õm
1
2
3
4
- 146 -
C«ng t¬ tèc ®é tuabin h−íng trôc víi ®−êng kÝnh tuabin tõ 50 - 300 mm cã
ph¹m vi ®o tõ 50 - 300 m3/giê, cÊp chÝnh x¸c 1; 1,5; 2.
§Ó ®o l−u l−îng nhá ng−êi ta dïng c«ng t¬ tèc ®é kiÓu tiÕp tuyÕn cã s¬ ®å cÊu
t¹o nh− h×nh 9.4.
Tuabin c«ng t¬ (1) ®Æt trªn trôc quay vu«ng gãc víi dßng ch¶y. ChÊt l−u qua
mµng läc (2) qua èng dÉn (3) vµo c«ng t¬ theo h−íng tiÕp tuyÕn víi tuabin lµm
quay tuabin. C¬ cÊu ®Õm liªn kÕt víi trôc tuabin ®Ó ®−a tÝn hiÖu ®Õn m¹ch ®o.
C«ng t¬ kiÓu tiÕp tuyÕn víi ®−êng kÝnh tuabin tõ 15 - 40 mm cã ph¹m vi ®o tõ
3 - 20 m3/giê, cÊp chÝnh x¸c 2; 3.
9.1.4. L−u l−îng kÕ mµng ch¾n
a) Nguyªn lý ®o
C¸c c¶m biÕn lo¹i nµy ho¹t ®éng dùa trªn nguyªn t¾c ®o ®é gi¶m ¸p suÊt cña
dßng ch¶y khi ®i qua mµng ng¨n cã lç thu hÑp. Trªn h×nh 9.5 tr×nh bµy s¬ ®å nguyªn
lý ®o l−u l−îng dïng mµng ng¨n tiªu chuÈn.
Khi ch¶y qua lç thu hÑp cña mµng ng¨n, vËn tèc chÊt l−u t¨ng lªn vµ ®¹t cùc
®¹i (W2) t¹i tiÕt diÖn B-B, do ®ã t¹o ra sù chªnh ¸p tr−íc vµ sau lç thu hÑp. Sö dông
mét ¸p kÕ vi sai ®o ®é chªnh ¸p nµy cã thÓ x¸c ®Þnh ®−îc l−u l−îng cña dßng ch¶y.
Gi¶ sö chÊt láng kh«ng bÞ nÐn, vµ dßng ch¶y lµ liªn tôc, vËn tèc cùc ®¹i cña
dßng ch¶y t¹i tiÕt diÖn B-B ®−îc x¸c ®Þnh theo biÓu thøc:
( )21222 pp2
m
1W −
ρµ−ξ=
Trong ®ã:
p1’, p2’ - ¸p suÊt tÜnh t¹i tiÕt diÖn A-A vµ B-B.
ρ - tØ träng chÊt l−u.
H×nh 9.4 C«ng t¬ tèc ®é kiÓu tuabin tiÕp tuyÕn 1) Tuabin 2) Mµng läc 3) èng dÉn
12
3
- 147 -
ξ - hÖ sè tæn thÊt thuû lùc.
m - tØ sè thu hÑp cña mµng ng¨n, m = F0/F1.
µ - hÖ sè thu hÑp dßng ch¶y, µ = F2/F0.
Th−êng ng−êi ta kh«ng ®o ®é gi¶m ¸p ∆p’ = p’1 - p’2 ë tiÕt diÖn A-A vµ B-B,
mµ ®o ®é gi¶m ¸p ∆p = p1 - p2 ngay tr−íc vµ sau lç thu hÑp. Quan hÖ gi÷a ∆p’ vµ ∆p
cã d¹ng:
21'2
'1 pppp −ψ=−
Khi ®ã:
( )21222 pp2
mW −
ρµ−ξ
ψ=
vµ l−u l−îng khèi l−îng cña chÊt l−u:
( )210220222 pp2Fm
FWFWG −ρµ−ξ
µψ=ρµ=ρ=
Hay:
( )210 pp2FG −ρα= (9.9)
Víi 22mµ−ξ
µψ=α gäi lµ hÖ sè l−u l−îng.
H×nh 9.5 Ph©n bè v©n tèc vµ ¸p suÊt cña mét dßng ch¶y lý t−ëng qua lç thu hÑp
F1 F0 F2
W1 W2
p’2p’1
p’1
p’2p2
∆p
p1
w1w2
p3’
δp
w3
A B C
- 148 -
Tõ c¸c biÓu thøc trªn vµ F0 = πd2/4, ta nhËn ®−îc c«ng thøc x¸c ®Þnh l−u l−îng khèi
(G) vµ l−u l−îng thÓ tÝch (Q) cña dßng chÊt l−u:
( )21
2
pp24
dG −ρ
πα= (9.10)
( )21
2
pp2
4
dQ −
ρπ
α= (9.11)
Trong tr−êng hîp m«i tr−êng chÊt l−u chÞu nÐn, th× khi ¸p suÊt gi¶m, chÊt l−u
gi¶n në, lµm t¨ng tèc ®é dßng ch¶y so víi khi kh«ng chÞu nÐn, do ®ã ph¶i ®−a thªm
vµo hÖ sè hiÖu chØnh ε (ε < 1), khi ®ã c¸c ph−¬ng tr×nh trªn cã d¹ng:
( )21 ppcG −ραε= (9.12)
( )21 pp1
cQ −ρ
αε= (9.13)
ë ®©y:
( ) 4/2c π= lµ h»ng sè.
ρ - tØ träng chÊt l−u t¹i cöa vµo cña lç thu hÑp.
§èi víi c¸c dßng chÊt l−u cã trÞ sè Reynol nhá h¬n gi¸ trÞ tíi h¹n, khi ®o
kh«ng thÓ dïng mµng ng¨n lç thu hÑp tiªu chuÈn v× khi ®ã hÖ sè l−u l−îng kh«ng
ph¶i lµ h»ng sè. Trong tr−êng hîp nµy, ng−êi ta dïng c¸c mµng ng¨n cã lç thu hÑp
®Æc biÖt nh− mµng ng¨n cã lç c«n (h×nh 9.6a), gicl¬ h×nh trô (h×nh 9.6b), gicl¬ cong
(h×nh 9.6c) ... Trªn c¬ së thùc nghiÖm ng−êi ta x¸c ®Þnh hÖ sè l−u l−îng cho mçi lç
thu hÑp vµ xem nh− kh«ng ®æi trong ph¹m vi sè Reynol giíi h¹n.
H×nh 9.6 CÊu t¹o mµng ng¨n lç thu hÑp ®Æc biÖt dïng ®Ó ®o l−u l−îng dßng ch¶y chÊt l−u cã sè Reynol nhá
a) b) c)
- 149 -
b) S¬ ®å hÖ thèng ®o
Tuú theo yªu cÇu sö dông, ng−êi ta cã thÓ sö dông hÖ thèng ®o thÝch hîp. Trªn
h×nh 9.7 tr×nh bµy s¬ ®å khèi cña mét sè hÖ thèng ®o dïng mµng ch¾n.
9.1.5. L−u l−îng kÕ ®iÖn tõ
Nguyªn lý cña l−u l−îng kÕ ®iÖn tõ dùa trªn ®Þnh luËt c¶m øng ®iÖn tõ: khi cã
mét d©y dÉn chuyÓn ®éng trong tõ tr−êng, c¾t c¸c ®−êng søc cña tõ tr−êng th× trong
d©y dÉn xuÊt hiÖn mét suÊt ®iÖn ®éng c¶m øng tØ lÖ víi tèc ®é chuyÓn ®éng cña d©y
dÉn. S¬ ®å nguyªn lý cña l−u l−îng kÕ ®iÖn tõ biÓu diÔn trªn h×nh 9.8.
2
1
Q
3
1
Q
5
43
1
Q
4
6
8
7
3
1
Q
4
6
11
7
10 9 3
1
Q
4
67
9 12
H×nh 9.7 S¬ ®å hÖ thèng ®o l−u l−îng dïng mµng ng¨n 1) Mµng ng¨n 2) L−u l−îng kÕ vi sai 3) Bé biÕn ®æi ®é gi¶m ¸p 4) Dông cô ®o thø cÊp
5) Bé tÝch ph©n l−u l−îng 6) Dông cô tÝnh khèi l−îng chÊt l−u 7) ThiÕt bÞ tÝnh to¸n 8) BiÕn ®æi tØ träng chÊt l−u trong ®iÒu kiÖn lµm viÖc 9) Bé biÕn ®æi nhiÖt ®é 10) Bé biÕn ®æi ¸p suÊt
11) Bé biÕn ®æi tØ träng trong ®iÒu kiÖn ®Þnh møc 12) Bé biÕn ®æi tØ träng chÊt l−u ë 20oC
a) b) c)
d) ®)
N S
1
2
3 4
H×nh 9.8 S¬ ®å l−u l−îng kÕ ®iÖn tõ 1 & 2) §iÖn cùc 3) èng kim lo¹i 4) Miliv«n kÕ 5) Nam ch©m
5
- 150 -
L−u l−îng kÕ gåm èng kim lo¹i kh«ng tõ tÝnh (3) bªn trong cã phñ líp vËt liÖu
c¸ch ®iÖn (s¬n ªmay, thuû tinh h÷u c¬) ®Æt gi÷a hai cùc cña mét nam ch©m (5) sao
cho trôc èng vu«ng gãc víi ®−êng søc cña tõ tr−êng. Trong mÆt ph¼ng vu«ng gãc
víi ®−êng søc, cã hai ®iÖn cùc (1) vµ (2) ®−îc nèi víi miliv«n kÕ (4). Khi chÊt l−u
cã tÝnh dÉn ®iÖn ch¶y qua èng, trong chÊt l−u xuÊt hiÖn mét suÊt ®iÖn ®éng c¶m øng
(E) :
QD
B4BWDE
π== (9.14)
Trong ®ã:
B - c−êng ®é tõ tr−êng.
W- tèc ®é trung b×nh cña dßng ch¶y.
D - ®−êng kÝnh trong cña èng.
Q - l−u l−îng thÓ tÝch cña chÊt l−u.
Khi B = const th× E søc ®iÖn ®éng c¶m øng tØ lÖ víi l−u l−îng thÓ tÝch Q.
L−u l−îng kÕ ®iÖn tõ víi tõ tr−êng kh«ng ®æi cã nh−îc ®iÓm lµ trªn c¸c cùc
xuÊt hiÖn c¸c søc ®iÖn ®éng phô (do ph©n cùc) lµm sai lÖch kÕt qu¶ ®o. §Ó kh¾c
phôc nh−îc ®iÓm trªn, ng−êi ta dïng l−u l−îng kÕ ®iÖn tõ dïng nam ch©m ®iÖn xoay
chiÒu, tuy nhiªn tõ tr−êng xoay chiÒu l¹i lµm mÐo tÝn hiÖu ra.
L−u l−îng kÕ ®iÖn tõ ®−îc dïng ®Ó ®o l−u l−îng cña chÊt láng cã ®é dÉn ®iÖn
kh«ng nhá h¬n 10-5 - 10-6 Simen/m. Chóng cã −u ®iÓm: ®o l−u l−îng kh«ng cÇn ph¶i
®o tØ träng chÊt láng, c¸c phÇn tö h¹t, bät khÝ vµ t¸c ®éng cña m«i tr−êng (nh− nhiÖt
®é, ¸p suÊt, ...) nÕu chóng kh«ng lµm thay ®æi ®é dÉn ®iÖn cña chÊt l−u sÏ kh«ng ¶nh
h−ëng ®Õn kÕt qu¶ ®o.
L−u l−îng kÕ ®iÖn tõ víi ®−êng kÝnh èng tõ 10 - 1.000 mm cã thÓ ®o l−u l−îng
trong tõ 1 - 2.500 m3/giê víi vËn tèc dßng ch¶y tõ 0,6 - 10 m/s víi cÊp chÝnh x¸c 1;
2,5.
9.2. C¶m biÕn ®o vµ ph¸t hiÖn møc chÊt l−u
9.2.1. Môc ®Ých vµ ph−¬ng ph¸p ®o
Môc ®Ých viÖc ®o vµ phÊt hiÖn møc chÊt l−u lµ x¸c ®Þnh møc ®é hoÆc khèi
l−îng chÊt l−u trong b×nh chøa.
Cã hai d¹ng ®o: ®o liªn tôc vµ x¸c ®Þnh theo ng−ìng.
- 151 -
Khi ®o liªn tôc biªn ®é hoÆc tÇn sè cña tÝn hiÖu ®o cho biÕt thÓ tÝch chÊt l−u
cßn l¹i trong b×nh chøa. Khi x¸c ®Þnh theo ng−ìng, c¶m biÕn ®−a ra tÝn hiÖu d¹ng
nhÞ ph©n cho biÕt th«ng tin vÒ t×nh tr¹ng hiÖn t¹i møc ng−ìng cã ®¹t hay kh«ng.
Cã ba ph−¬ng ph¸p hay dïng trong kü thuËt ®o vµ ph¸t hiÖn møc chÊt l−u:
- Ph−¬ng ph¸p thuû tÜnh dïng biÕn ®æi ®iÖn.
- Ph−¬ng ph¸p ®iÖn dùa trªn tÝnh chÊt ®iÖn cña chÊt l−u.
- Ph−¬ng ph¸p bøc x¹ dùa trªn sù t−¬ng t¸c gi÷a bøc x¹ vµ chÊt l−u.
9.2.2. Ph−¬ng ph¸p thuû tÜnh
Ph−¬ng ph¸p thuû tÜnh dïng ®Ó ®o møc chÊt l−u trong b×nh chøa. Trªn h×nh 9.9
giíi thiÖu mét sè s¬ ®å ®o møc b»ng ph−¬ng ph¸p thuû tÜnh.
Trong s¬ ®å h×nh 9.9a, phao (1) næi trªn mÆt chÊt l−u ®−îc nèi víi ®èi träng
(5) b»ng d©y mÒm (2) qua c¸c rßng räc (3), (4). Khi møc chÊt l−u thay ®æi, phao (1)
n©ng lªn hoÆc h¹ xuèng lµm quay rßng räc (4), mét c¶m biÕn vÞ trÝ g¾n víi trôc quay
cña rßng räc sÏ cho tÝn hiÖu tØ lÖ víi møc chÊt l−u.
Trong s¬ ®å h×nh 9.9b, phao h×nh trô (1) nhóng ch×m trong chÊt l−u, phÝa trªn
®−îc treo bëi mét c¶m biÕn ®o lùc (2). Trong qu¸ tr×nh ®o, c¶m biÕn chÞu t¸c ®éng
cña mét lùc F tØ lÖ víi chiÒu cao chÊt l−u:
gShPF ρ−=
Trong ®ã:
P - träng l−îng phao.
h - chiÒu cao phÇn ngËp trong chÊt l−u cña phao.
S - tiÕt diÖn mÆt c¾t ngang cña phao.
ρ - khèi l−îng riªng cña chÊt l−u.
H×nh 9.9 S¬ ®å ®o møc theo ph−¬ng ph¸p thuû tÜnh a) Dïng phao cÇu b) Dïng phao trô c) Dïng c¶m biÕn ¸p suÊt vi sai
1
2 3 4
6
5
1
2
h
h
p0
1
- 152 -
g - gia tèc träng tr−êng.
Trªn s¬ ®å h×nh 9.9c, sö dông mét c¶m biÕn ¸p suÊt vi sai d¹ng mµng (1) ®Æt
s¸t ®¸y b×nh chøa. Mét mÆt cña mµng c¶m biÕn chÞu ¸p suÊt chÊt l−u g©y ra:
ghpp 0 ρ+=
MÆt kh¸c cña mµng c¶m biÕn chÞu t¸c ®éng cña ¸p suÊt p0 b»ng ¸p suÊt ë ®Ønh b×nh
chøa. Chªnh lÖch ¸p suÊt p - p0 sinh ra lùc t¸c dông lªn mµng cña c¶m biÕn lµm nã
biÕn d¹ng. BiÕn d¹ng cña mµng tØ lÖ víi chiÒu cao h cña chÊt l−u trong b×nh chøa,
®−îc chuyÓn ®æi thµnh tÝn hiÖu ®iÖn nhê c¸c bé biÕn ®æi ®iÖn thÝch hîp.
9.2.3. Ph−¬ng ph¸p ®iÖn
C¸c c¶m biÕn ®o møc b»ng ph−¬ng ph¸p ®iÖn ho¹t ®éng theo nguyªn t¾c
chuyÓn ®æi trùc tiÕp biÕn thiªn møc chÊt láng thµnh tÝn hiÖu ®iÖn dùa vµo tÝnh chÊt
®iÖn cña chÊt l−u. C¸c c¶m biÕn th−êng dïng lµ c¶m biÕn dé dÉn vµ c¶m biÕn ®iÖn
dung.
a) C¶m biÕn ®é dÉn
C¸c c¶m biÕn lo¹i nµy dïng ®Ó ®o møc c¸c chÊt l−u cã tÝnh dÉn ®iÖn (®é dÉn
®iÖn ~ 50µScm-1). Trªn h×nh 9.10 giíi thiÖu mét sè c¶m biÕn ®é dÉn ®o møc th«ng
dông.
S¬ ®å c¶m biÕn h×nh 9.10a gåm hai ®iÖn cùc h×nh trô nhóng trong chÊt láng
dÉn ®iÖn. Trong chÕ ®é ®o liªn tôc, c¸c ®iÖn cùc ®−îc nèi víi nguån nu«i xoay chiÒu
~ 10V (®Ó tr¸nh hiÖn t−îng ph©n cùc cña c¸c ®iÖn cùc). Dßng ®iÖn ch¹y qua c¸c
®iÖn cùc cã biªn ®é tØ lÖ víi chiÒu dµi cña phÇn ®iÖn cùc nhóng ch×m trong chÊt
láng.
S¬ ®å c¶m biÕn h×nh 9.10b chØ sö dông mét ®iÖn cùc, ®iÖn cùc thø hai lµ b×nh
chøa b»ng kim lo¹i.
h h
hmin
a) b) c)
H×nh 9.10 C¶m biÕn ®é dÉn a) C¶m biÕn hai ®iÖn cùc b) C¶m biÕn mét ®iÖn cùc c) C¶m biÕn ph¸t hiÖn møc
- 153 -
S¬ ®å c¶m biÕn h×nh 9.10c dïng ®Ó ph¸t hiÖn ng−ìng, gåm hai ®iÖn cùc ng¾n
®Æt theo ph−¬ng ngang, ®iÖn cùc cßn l¹i nèi víi thµnh b×nh kim lo¹i,vÞ trÝ mçi ®iÖn
cùc ng¾n øng víi mét møc ng−ìng. Khi møc chÊt láng ®¹t tíi ®iÖn cùc, dßng ®iÖn
trong m¹ch thay ®æi m¹nh vÒ biªn ®é.
b) C¶m biÕn tô ®iÖn
Khi chÊt láng lµ chÊt c¸ch ®iÖn, cã thÓ t¹o tô ®iÖn b»ng hai ®iÖn cùc h×nh trô
nhóng trong chÊt láng hoÆc mét ®iÖn cùc kÕt hîp víi ®iÖn cùc thø hai lµ thµnh b×nh
chøa nÕu thµnh b×nh lµm b»ng kim lo¹i. ChÊt ®iÖn m«i gi÷a hai ®iÖn cùc chÝnh lµ
chÊt láng ë phÇn ®iÖn cùc bÞ ngËp vµ kh«ng khÝ ë phÇn kh«ng cã chÊt láng. ViÖc ®o
møc chÊt l−u ®−îc chuyÓn thµnh ®o ®iÖn dung cña tô ®iÖn, ®iÖn dung nµy thay ®æi
theo møc chÊt láng trong b×nh chøa. §iÒu kiÖn ®Ó ¸p dông ph−¬ng ph¸p nµy h»ng sè
®iÖn m«i cña chÊt láng ph¶i lín h¬n ®¸ng kÓ h»ng sè ®iÖn m«i cña kh«ng khÝ
(th−êng lµ gÊp ®«i).
Trong tr−êng hîp chÊt l−u lµ chÊt dÉn ®iÖn, ®Ó t¹o tô ®iÖn ng−êi ta dïng mét
®iÖn cùc kim lo¹i bªn ngoµi cã phñ c¸ch ®iÖn, líp phñ ®ãng vai trß chÊt ®iÖn m«i
cßn chÊt l−u ®ãng vai trß ®iÖn cùc thø hai.
9.2.4. Ph−¬ng ph¸p bøc x¹
C¶m biÕn bøc x¹ cho phÐp ®o møc chÊt l−u mµ kh«ng cÇn tiÕp xóc víi m«i
tr−êng ®o, −u ®iÓm nµy rÊt thÝch hîp khi ®o møc ë ®iÒu kiÖn m«i tr−êng ®o cã nhiÖt
®é, ¸p suÊt cao hoÆc m«i tr−êng cã tÝnh ¨n mßn m¹nh.
Trong ph−¬ng ph¸p nµy c¶m biÕn gåm mét nguån ph¸t tia (1) vµ bé thu (2)
®Æt ë hai phÝa cña b×nh chøa. Nguån ph¸t th−êng lµ mét nguån bøc x¹ tia γ (nguån 60Co hoÆc 137Cs), bé thu lµ mét buång ion ho¸.
ë chÕ ®é ph¸t hiÖn møc ng−ìng(h×nh 9.11a), nguån ph¸t vµ bé thu ®Æt ®èi diÖn
nhau ë vÞ trÝ ngang møc ng−ìng cÇn ph¸t hiÖn, chïm tia cña nguån ph¸t m¶nh vµ
gÇn nh− song song. Tuú thuéc vµo møc chÊt l−u (3) cao h¬n hay thÊp h¬n møc
ng−ìng mµ chïm tia ®Õn bé thu sÏ bÞ suy gi¶m hoÆc kh«ng, bé thu sÏ ph¸t ra tÝn
hiÖu t−¬ng øng víi c¸c tr¹ng th¸i so víi møc ng−ìng.
ë chÕ ®é ®o møc liªn tôc (h×nh 9.11b), nguån ph¸t (1) ph¸t ra chïm tia víi
mét gãc më réng quÐt lªn toµn bé chiÒu cao cña møc chÊt l−u cÇn kiÓm travµ bé thu.
- 154 -
Khi møc chÊt l−u (3) t¨ng do sù hÊp thô cña chÊt l−u t¨ng, chïm tia ®Õn bé thu
(2) sÏ bÞ suy gi¶m, do ®ã tÝn hiÖu ra tõ bé thu gi¶m theo. Møc ®é suy gi¶m cña
chïm tia bøc x¹ tØ lÖ víi møc chÊt l−u trong b×nh chøa
1 2
3
a)
h
1 2
3
b)
H×nh 9.11 C¶m biÕn ®o møc b»ng tia bøc x¹ a) C¶m biÕn ph¸t hiÖn ng−ìng b) C¶m biÕn ®o møc liªn tôc
1) Nguån ph¸t tia bøc x¹ 2) Bé thu 3) ChÊt l−u