CHÖÔNG 6: CAÛM BIEÁN ÑO LÖÔØNG

6.1 Ñaëc tính toång quaùt 6.2 Caûm bieán daïng ñieän trôû 6.3 Caûm bieán daïng ñieän caûm 6.4 Caûm bieán daïng hoå caûm 6.5 Caûm bieán daïng ñieän dung 6.6 Caûm bieán daïng ñieän aùp 6.7 Caûm bieán daïng doøng

ñieän

Chuong6 - 1

6.1 Ñaëc tính toång quaùt :

6.1.1 Ñònh nghóa:• Caûm bieán ( sensor) : thieát bò thu nhaän söï thay ñoåi caùc ñaïi löôïng vaät lyù …. Chuyeån sang ñaïi löôïng (tín hieäu) ñieän coù theå ño ñöôïc hoaëc ghi laïi• a device that detects a change in a physical stimulus and turns it into a a device that detects a change in a physical stimulus and turns it into a signal which can be measured or recordedsignal which can be measured or recorded; • boä chuyeån ñoåi ( transducer ): chuyeån ñoåi naêng löôïng töø heä thoáng naày sang heä thoáâng khaùc coù cuøng daïng hoaëc daïng khaùc.• a device that transfers energy from one system to another in the same or a device that transfers energy from one system to another in the same or in the different formin the different form'. • Cho neân caûm bieán vaø boä chuyeån ñoåi thöôøng ñöôïc duøng trong boä phaän daàu vaøo cuûa heä thoáng ño löôøng vaø ñieàu khieån.

Chuong 6 - 2

6.1.2 Ñoä chính xaùc: • Caùc caûm bieán coù ghi ñoächính xaùc hoaëc sai soá khi ñöôïc cheá taïo. Giaù trò kinh teá phuï thuoäc vaøo ñoä chính xaùc naày. • Ñoä chính xaùc thay ñoåi theo thôøi gian söû duïng6.1.3 Taàm ño : • Taàm hoaït ñoäng cuûa caûm bieán trong vuøng tuyeán tính cuûa ñaëc tuyeán caûm bieán.• Trong tröôøng hôïp taàm hoïat ñoäng cuûa caûm bieán trong vuøng phi tuyeán , phaûi söû duïng phöông phaùp tuyeán tính hoùa töøng ñoaïn . Nghóa laø chia taàm hoaït ñoäng ra nhieàu taàm ño.• Khi söû duïng phaûi bieát roû taàm ño cuûa caûm bieán , ñeå traùnh sai soá do taàm ño gaây ra.6.1.4 Ñoä nhaïy : • Moåi taàm ño cuûa caûm bieán coù moät ñoä nhaïy S ( ñoä doác cuûa ñoïan thaúng ñaëc tuyeán cuûa caûm bieán )• Heä soá khueách ñaïi cuûa maïch chuyeån ñoåi ( transducer) hoaëc cheá bieán tín hieäu ño (signal conditioning ) phuï thuoäc vaøo ñoä nhaïy cuûa caûm bieán.

Chuong 6 - 3

6.1.5 Ngöôõng ñoä nhaïy:Möùc ñoä nhoû nhaát cuûa söï thay ñoåi ñaïi löôïng ño maø caûm bieán ghi nhaän ñöôïc.Thí duï : caûm bieán nhieät ñoä coù ñoä nhaïy S = 40 µV/ o C vaø ngöôõng ñoä nhaïy 0,5 o C 6.1.6 ïKhaû naêng chòu ñöïng :• Moãi caûm bieán coù khaû naêng chòu ñöïng toái ña trò soá ñaïi löôïng ño.• Neâáu ño quaù trò soá naày caûm bieán seõ bò hoûng hoaëc bieán daïng .6.1.7 Tính treã ( hysteresis ) :• Söï thay ñoåi trò soá cuûa caûm bieán ñoái vôùi ñaïi löôïng ño gia taêng trò soá vaø suy giaûm trò soá coù söï khaùc nhau . ( ñaëc tuyeán cuûa caûm bieán khi ñaïi löôïng ño taêng vaø khi ñaïi löôïng ño giaûm khoâng truøng nhau ) 6.1.8 Tính moûi meät : • Sau thôøi söû duïng lieân tuïc coù moät soá caûm bieán coù ñaùp öùng bò suy giaûm, khi ñoù phaûi cho nghæ hoïat ñoäng ñeå coù söï hoài phuïc ( nhö caûm bieán ñieän trôû bieán daïng,caûm bieán quang ...)

Chuong 6 - 4

Chuong 6 - 5

• Moät bieán trôû goàm moät ñieän trôû coá ñònh Rn, vaø treân ñieän trôû coù moät tieáp ñieåm goïi laø con chaïy. Ñieän trôû R giöõa con chaïy vaø moät trong hai ñaàu coá ñònh cuûa bieán trôû .• Ñaïi löôïng ño : vò trí vaø ñoä dòch chuyeån.• Nguyeân lyù hoaït ñoäng: ñaïi löôïng ño laøm dòch chuyeån con chaïy.• Ñoä phaân giaûi cuûa bieán trôû phuï thuoäc vaøo trò soá ñieän trôû voøng daây quaán maø con chaïy tieáp xuùc.• Sai soá phuï thuoäc vaøo trò soá sai soá cuûa bieán trôû vaø heä soá nhieät cuûa vaät lieäu laøm ñieän trôû.• ÖÙng duïng ño vò trí vaø ñoä dòch chuyeån ñeå ño ñaïi löôïng thöù caáp nhö : löïc, aùp suaùât, phöông höôùng gioù thoåi …. Qua vaïât theå trung gian nhö ño aùp suaát duøng oáng Bourdon C.

1

R()

Rn

c)

3

L 1

2

R(l )

Rn

l

0

a)

M

2

1 3R()Rn

b)

Hình nhöõng daïng bieán trôû a) Bieán trôû thaúng; b) Bieán trôû goùc;

c) Bieán trôû heùlice

6.2 .1 BIEÁN TRÔÛ ÑO LÖÔØNG

6. 2 CAÛM BIEÁN DAÏNG ÑIEÄN TRÔÛ

chuong 6 - 6

Hình caùc vaïât theå trung gian duøng ñeå gaén bieán trôû ño löôøng ñeå ño aùp suaát.

Chuong 6 - 7

6.2 .2 ÑIEÄN TRÔÛ BIEÁN DAÏNG ( STRAIN GAGE )

Ñieän trôû bieán daïng : a) Kim loaïi; b) Baùn daãn

• Nguyeân lyù :söï bieán daïng cuûa ñieän trôû töông öùng söï bieán daïng cuûa vaät theå laép ñaët ñieän trôû bieán daïng.• Söï bieán daïng laøm thay ñoåi ΔL coù öùng suaát :• • Theo suaát ñaøn hoài Young Y : • σ söï neùn hoaëc caêng ( kg/m2 )• Heä soá bieán daïng ( gage factor ):

•

L

L

RR

GF

Y

Hôïp kim Thaønh phaàn Heä soá GF

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

Nichrome V 80% Ni, 20% Cr 2,5

Platine – tungsteøne 92% Pt, 8% W 4,1

Chuong 6 - 8

Thí duï: ñieän trôû bieán daïng coù ε = 1x 10-6 , trò soá ñieän trôû ban ñaàu R = 120 Ω vaø GF = 2,1 ( vaät lieäu baèng nhoâm ). Xaùc ñònh trò soá ñieän trôû thay ñoåi ΔR

• ÖÙng duïng :Caùc daïng vaät theå trung gian ñöôïc duøng ñeå daùn ñieän trôû bieán daïng J ño löïc F vaø momen xoaén cuûa ngaåu löïc cuûa truïc quay truyeàn ñoäng töø ñoäng cô ñeán taûi vaø ño aùp suaát duøng maøng moûng( diaphragm ).• Sai soá : Do trò soá ñieän trôû thay ñoåi theo nhieät ñoä moâi tröôøng. Caàn phaûi buø nhieät duøng theâm 1 ñieän trôû bieán daïng thay ñoåi theo nhieät ñoä moâi tröôøng hoïat ñoäng

Chuong 6 - 9

6.2 .3 NHIEÄT ÑIEÄN TRÔÛ

1.1. Nhieïât ñieän trôû kim loaïiNhieïât ñieän trôû kim loaïi((Resistance Temperature Detector RTD )Resistance Temperature Detector RTD )

• Heä soá nhieät döông• Bieåu thöùc ñieän trôû theo nhieät ñoä cuûa caûm bieán

Trò soá ñieän trôû ôû ToC

RRtt = = RRrefref ( 1 + ( 1 + ααΔΔTT ) )

Trò soá ñieän trôû ôû 0 oC

Heä soá nhieät

Khoaûng nhieät ñoä thay ñoåi töø 0 oC ñeán t oC

• Söû duïng trong vuøng tuyeán tính cuûa ñaëc tuyeán, heä soá nhieät ít thay ñoåi

• Ñònh nghóa heä soá nhieät • ñieän trôû suaát cuûa vaät lieäu caûm bieán

dT

ddR

dTR

00

11

Chuong 6 - 10

Loại RTD Tầm đo nhiệt độ oC Hệ số nhiệt Alpha (α) Ω/Co

Platinum -184 to 815 0.0039

Nickel -73 to 149 0.0067

Copper -51 t0 149 0.0042

Tungsten -73 to 276 0.0045

Baûng caûm bieán nhieät ñieän trôû kim loaïi thöôøng duøng trong coâng nghieäp

Thí duï : Tính trò soá ñieän trôû baïch kim ôû nhieät ñoä 70oC khi trò soá ñieän trôû ôû 0oC laø 100 Ω vaø heä soá nhieät α70

oc= 0.00392.

Chuong 6 - 11

2. Nhieïât ñieän trôû baùn daãn2. Nhieïât ñieän trôû baùn daãn(( Thermistor - negative temperature Thermistor - negative temperature

coefficient NTCcoefficient NTC))

• Heä soá nhieät aâm• Bieåu thöùc ñieän trôû theo

nhieät ñoä cuûa caûm bieán.• Vaät lieäu baùn daãn ( oxid kim

loaïi hoaëc silicon ).• Taàm ño nhieät ñoä : - 50oC

ñeán +150oC• Ñaëc tuyeán khoâng tuyeán tính.• Bieåu thöùc trò soá ñieän trôû: T

( O K ), β ( haèng soá phuï thuoäc vaøo vaät lieäu baùn daãn, trò soá thay ñoåi töø 3000 O K ñeán 4000 O K

oTToT eRR

11

• Thí duï : Tính nhieät ñoä ño T ( O C), khi trò soá ñieän trôû ôû 27O C laø 1025 Ω coù β = 3140 O K vaø trò soá ñieän trôû taïi nhieât ñoä ño laø 2330 Ω . ( nhieät ñoä K = nhieät ñoä C + 273 )

Chuong 6 - 12

• Maïch ño duøng cho caûm bieán ñieän trôû kim loaïi vaø baùn daãn thöôøng duøng caàu Wheatstone.• Caûm bieán ñieän trôû thöôøng ñöôïc duøng ôû daïng 3 daây hoaëc 4 daây ñeå buø hoaëc boå chính söï thay ñoåi ñieän trôû daây daãn theo nhieät ñoä moâi tröôøng, khi caûm bieán ño ñaët caùch xa maïch ño vaø maïch cheá bieán tín hieäu ( caàu Wheatstone – signal conditioning circuit , khi ñoù ñoä chính xaùc ñöôïc taêng leân.• Veõ maïch caàu Wheatstone duøng cho caûm bieán RTD 3 daây.

Extra wires for RTD provide better accuracy in temperature measurement

Chuong 6 - 13

Hình löu löôïng keá duøng caûm bieán nhieät ñieän trôû

a) Nguyeân lyù caáu taïo oáng ño löu löôïng. b) Söï phaân boá nhieät ñoä veà hai phía daây ñieän trôû ñoát noùng c) Maïch ñun noùng vaø maïch ño.

Hình caûm bieán ñieän trôû RTD thöôøng ñöôïc duøng ôû daïng 3 daây

Chuong 6 - 14

6.2 .4 ÑIEÄN TRÔÛ QUANG ( photoresistor ) • Nguyeân lyù hoaït ñoäng cuûa ñieän trôû quang: Chaáât baùn daãn tieáp nhaän quang thoâng Φ kích thích söï ion hoùa caùc haït taûi mang ñieän tích laøm gia taêng söï daãn ñieän chaát baùn daãn. Ñaây laø hieäu öùng quang ñieän cuûa chaát baùn daãn.• Caùc chaát baùn daãn thöôøng ñöôïc duøng laøm ñieän trôû quang : Vaät lieäu ña tinh theå: CdS, CdSe, CdTe, PbS, PbSe, PbTe. Vaät lieäu ñôn tinh theå: Ge vaø Si nguyeân chaát hoaëc pha theâm vaøo Au, Cu, Sb, Zn, SbIn, AsIn, PIn, CdHgTe.• Hieäu öùng quang ñieän coøn phuï thuoäc vaøo ñoä daøi soùng λ cuûa quang thoâng ( vuøng phoå cuûa baùn daãn ).• Söï daãn ñieän coøn phuï thuoäc vaøo nhieät ñoä moâi tröôøng. Khi duøng laøm caûm bieán ño ñaïi löôïng quang caàn phaûi buø cho söï thay ñoåi nhieät ñoâï moâi tröôøng ( temperature compensation ).

Vuøng phoå söû duïng ñoái vôùi caùc vaät lieäu ñieän trôû quang khaùc nhau

Chuong 6 - 15

Söï thay ñoåi cuûa ñieän trôû quang

döôùi taùc ñoäng cuûa nguoàn saùng

•Öu ñieåm : ñoä nhaïy cao, caùch maéc ñôn giaûn vaø ñaùp öùng nhanh vôùi söï thay ñoåi cuûa aùnh saùng ( ñaùp öùng vôùi tín hieäu xung aùnh saùng) .

•Khuyeát ñieåm : ñaëc tuyeán cuûa söï thay ñoåi ñieän trôû theo cöôøng ñoä saùng hoaëc chieáu ñoä khoâng tuyeán tính.Chæ ñöôïc söû duïng trong khoaûng nhoû tuyeán tính, thí duï trong khoaûng ño [ 10 – 100 lux ].

ÖÙng duïng : •Bieán trôû ño löôøng coù con chaïy laø

nguoàn saùng di chuyeån laøm thay ñoåi ñieän trôû lôùp quang daãn.

• Ño toác ñoä baèng ñóa quay ñuïc loå vaø caûm bieán quang.

•Xaùc ñònh soá saûn phaåm duøng phöông phaùp ñeám soá xung aùnh saùng thay ñoåi.

•Caûm bieán phaân tích phoå trong quang phoå keá

( spectrometer )

Hình caáu taïo bieán trôû con chaïy daïng quang

Hình ño toác ñoä duøng caûm bieán quang

Chuong 6 - 16

6. 3 CAÛM BIEÁN DAÏNG ÑIEÄN CAÛM

Caûm bieán ñieän caûm coù khe hôû khoâng khí thay ñoåi

• Nguyeân lyù hoaït ñoäng: ñieän caûm L thay ñoåi do ñaïi löôïng ño laøm thay ñoåi töø trôû R cuûa maïch töø cuûa cuoän daây

• n : soá voøng daây quaán cuûa cuoän daây

•

• lf chieàu daøi cuûa maïch töø, l0 khe hôû khoâng khí, µo ñoä töø thaåm cuûa khoâng khí, µf ñoä töø thaåm cuûa maïch töø vaø Sf = So thieát dieän maïch töø.• Ñieän caûm vi sai : coù öu ñieåm hôn ñieän caûm ñôn vì khoaûng tuyeán tính roäng hôn nhôø söï keát hôïp L vaø L’( ñaïi löôïng ño taùc ñoäng vaøo daãn ñeán L taêng thì L’ giaûm ( hoaëc L giaûm thì L’ taêng ).• ñieän caûm vi sai choáng nhieåu toát hôn. • Caûm bieán ñieän caûm ño: ñaïi löôïng dòch chuyeån, vò trí, toác ñoä quay

RL n

2

f o

o ff o o

l lR

S S

Ñieän caûm vi sai : Toå hôïp hai loõi maïch töø coù khe hôû khoâng khí thay ñoåi ngöôïc chieàu.

Chuong 6 - 17

Nguyeân taéc cuûa toác ñoä keá loaïi töø trôû thay ñoåi

Caûm bieán ño vaän toác thaúng cuoän daây di ñoäng

ÖÙng duïng : Caûm bieán ñieän caûm ño vaän toác

Caûm bieán loaïi nam chaâm di ñoäng

a) Caáu taïo; b) Noái giöõa caùc cuoän daây ño

Chuong 6 - 18

6.4 – CAÛM BIEÁN DAÏNG HOÅ CAÛM6.4.1Caûm Bieán bieán aùp vi sai

(Linear Variable Differential Transformer (LVDT)

• Caáu taïo : 1cuoän sô caáp , 2 cuoän thöù caáp vaø loûi ( noøng ) di ñoäng veà 2 phía.

• Nguyeân lyù hoaït ñoäng: ñaïi löôïng ño laøm thay ñoåi vò trí loûi daãn ñeán heä soá hoå caûm M’ vaø M’’ do töø trôû cuûa maïch töø thay ñoåi ( M’taêng thì M’’ giaûm hoaëc ngöôïc laïi ).

• ñieän aùp ngoû ra Vm cuûa 2 cuoän thöù caáp thay ñoåi töông öùng vôùi M’ – M’’ theo vò trí cuûa loûi.

Bieán aùp vi sai: a) Loaïi dòch chuyeån thaúng,b) Dòch chuyeån goùc, c) Sô ñoà maïch ñieän töông

ñöông.Bieán aùp vi sai thöïc teá coù maïch cheá bieán tín hieäu

RnnM /21

• Heä soá hoå caûm M phuï thuoäc vaøo n1 soá voøng daây cuoän sô caáp vaø n2 soá voøng daây cuoän thöù caáp ; R töø trôû cuûa maïch töø:

Chuong 6 - 19

• ÖÙng duïng cuï theå cuûa LVDT: ño caùc ñaïi löôïng nhö ; löïc, aùp suaát, söï bieán daïng ….qua trung gian cuûa ñaïi löôïng dòch chuyeån• Öu ñieåm : khoaûng ño tuyeán tính roäng, choáng nhieåu toát vaø ñoä chính xaùc cao.

Tín hieäu ra cuûa cuoän thöù caáp 1( sec.1 output) vaø tín hieäu ra cuoän thöù caáp 2 ( sec.2 output) Sau cuøng laø tín hieäu ra ôû 2 ñaàu cuoän thöù caáp 1 vaø 2 noái vôùi nhau ( sec.1 + sec.2 )

Chuong 6 - 20

6.4.2 Microsyn: • Caáu taïo : maùy ñieän nhoû, goàm coù

stator boán cöïc quaán 4 cuoän daây sô vaø thöù caáp vaø rotor baèng vaät lieäu saét töø.

• Nguyeân lyù hoïat ñoäng: ñaïi löôïng ño laøm rotor quay goùc , khi es = sin t. ñoù ñieän aùp phaàn thöù caáp Vm coù ñieän aùp phuï thuoäc goùc quay. caáu taïo Microsyn : 4

cuoän daây stator vaø 1 rotor

vm = 4a sin t.

• Khoaûng ño 10o.• Sai soá tuyeán tính 0,5 ñeán 1 %

6.4. 3 Maùy töï ñoàng boä(Self Synchrodetor):• Caáu taïo : goàm coù 2 maùy phaùt vaø thu ñöôïc noái vôùi nhau töông öùng 3 cuoän daây stator, cuoän daây rotor ñöôïc cung caáp tín hieäu Ecost.• Nguyeân lyù hoaït ñoäng: khi ñaïi löôïng ño quay rotor moät goùc θt thì cuoän daây rotor cuûa maùy thu coù ñieän aùp caûm öùng töông öùng laøm quay rotor moât goùc θr = θt ( maùy thu töï ñoâng boä vôùi maùy phaùt) . • Caûm bieán naày ñöôïc duøng ño vaø ñieàu khieån goùc quay töø xa

caáu taïo cuûa sel - syn

Chuong 6 - 21

6.4.4 - Caûm bieán doøng ñieän xoaùy ( doøng Foucault ,eddy current )

Caûm bieán doøng ñieän xoaùy vaø maïch töông ñöông

• Nguyeân lyù hoaït ñoäng : caûm bieán laø moät cuoän daây ñöôïc cung caáp doøng ñieän taàn soá voâ tuyeán ( lôùn hôn 500 kHz, radio frequency ) noù seõ taïo ra moät töø tröôøng xung quanh cuoän daây. Caùc vaät lieäu kim loaïi töø tính hoaëc khoâng töø tính trong vuøng töø tröôøng naày phaùt sinh doøng ñieän xoaùy theo ñònh luaät Lenz, taïo ra töø thoâng caûm öùng choáng laïi töø thoâng cuûa cuoän daây nhö maïch töông ñöông.Heä soá hoå caûm M phuï thuoäc vaøo vò trí cuûa ñoái töôïng vaø vaät lieäu ( ñieän trôû suaát ,ñoä töø thaåm vaø kích thöôùc hình hoïc ). • Ñaïi löôïng ño : khoaûng caùch, vò trí vaø doø tìm kim loaïi.• Sai soá : phuï thuoäc nhieàu vaøo ñieàu kieän moâi tröôøng ( ñoä aåm, nhieät ñoä vaø töø tröôøng nhieåu )

eqM

R R RR L

2 2

1 1 22 2 22 2

eqM

L L LR L

2 2

1 1 22 2 22 2

• Khi coù ñoái töôïng ( R2 vaø L2 ) vaø M

• M = K K, heä soá gheùp phuï thuoäc vò trí ñoái töôïng• Cuoän daây cuûa caûm bieán seõ thay ñoåi sang trò soá R1eq vaø L1eq theo bieåu thöùc :

1 2L L