Bài giảng Kỹ thuật đo lường: Chương 4

ươ ươCh ng 4: ng 4: Ch Ổ Ể Ổ Ể CHUY N Đ I ĐO CHUY N Đ I ĐO NGƯỜ NGƯỜL L

Ệ 1. KHÁI NI M CHUNG

ổ

ể Chuy n đ i ơ ấ s c p

ế

ả

C m bi n

Sensor

Chuyển đổi đo lường là dụng cụ dùng để tạo một quan hệ đơn trị giữa hai đại lượng vật lí với một độ chính xác nhất định

Cảm biến là chuyển đổi đo lường được đặt trong một khối hình học có kích thước nhất định và có các đầu nối tín hiệu ra.

Chuyển đổi điện trở

Dùng để đo các đại lượng (di chuyển, góc quay) dựa trên sự biến đổi của điện trở chuyển đổi. Biến trở được làm bằng dây điện trở hay thanh

điện trở. Vật liệu thường dùng là Mn Giá trị không thay đổi theo nhiệt độ.

(cid:0)

• The output voltage depends on the wiper position and therefore is a function of the shaft position. • In figure below, the output voltage Eout is a fraction of ET, depending on the position of the wiper. • The element is considered perfectly linear if the resistance of the transducer is distributed uniformly along the length of travel of wiper.

(cid:0)

E out E T

R 2 RR 2

(cid:0)

Ví dụ

Một chuyển đổi điện trở dài 5.5 cm dùng trong mạch như hình vẽ. Điện trở tổng là 4.7kΩ. Nguồn cung cấp là ET= 3V. Con trượt có vị trí 0.9 cm tính từ điểm B, điện áp ra bằng bao nhiêu Eout?

Ứng dụng của chuyển đổi điện trở

 Đo các di chuyển thẳng (2-3mm) hoặc di

chuyển góc của các đối tượng đo.

 Đo lực, áp suất, gia tốc,…  Đo các đại lượng biến thiên với tần số không

lớn hơn 5Hz.

Chuyển đổi điện trở lực căng - Tenzo

R=(cid:0) l/S

(cid:0)

(cid:0) (cid:0) (cid:0)

R (cid:0)

(cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0)

R l

R S

(cid:0)

(cid:0) (cid:0) (cid:0)

(cid:0)

(cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0)

(cid:0)

R R

S S

Có thể thay đổi các tham số (cid:0) , l, S để thay đổi R Thông thường ta chỉ quan tâm đến S và l, còn (cid:0)

được coi là không đổi

(cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0)

Mạch đo dùng tenzo thường là mạch cầu

• Cầu cân bằng:

R1/R2=R3/R4; thường chọn R10=R20=R3=R4=R0

• Khi mất cân bằng: R1=R0+r; R2=R0-r

Ura=(U/2)-(U/2R0)(R0+r)=(U/2R0)r

2(2

)

U 2

U r . + R 0

Nếu chỉ có một điện trở biến đổi: R1=R0- r thì: UR = 0 + R ) 0

Nếu coi R0 >>r thì khi dùng một tenzo, độ nhạy bằng ½ khi dùng 2 tenzo đối xứng.

Ví dụ thực tế

ộ ố ạ

ế ự

ự ế

ả

M t s d ng c m bi n l c trong th c t

 Những cảm biến lực này được chế tạo với dải đo

từ vài gam đến vài chục tấn

ộ ố ạ

ế ự

ả

M t s d ng c m bi n l c

 Những cảm biến lực dùng để đo lực lớn

Chuyển đổi điện từ - điện cảm

(cid:0)

W R

(cid:0)

(cid:0) (cid:0)

W (cid:0)

(cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0)

(cid:0) 2 sW 00 (cid:0) (cid:0)

(cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0)

0 L 0

(cid:0)

L (cid:0)

(cid:0)

ạ

đo

ườ ng * Lo i này th kho ng ả dùng ủ ộ cách, đ rung c a các ị ế ỡ ố t b g i đ các thi đi nệ

(cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0)

ế

ệ

Coi ti

ổ ệ t di n làm vi c s không đ i

Chuyển đổi điện từ - hỗ cảm

(cid:0)

t sin (cid:0) sWW 0 2 (cid:0)

s (cid:0)

(cid:0)

(cid:0) (cid:0)

(cid:0)

(cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0)

(cid:0)

(cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0)

(cid:0)

(cid:0) 2

(cid:0)

E 0 (cid:0)

ử ụ ơ

ộ

•S d ng lo i này an ạ ệ ả ạ toàn h n lo i đi n c m ơ ạ và đ nh y cao h n.

ả

•Dùng đo kho ng cách hay dao đ ngộ

(cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0)

Chuyển đổi điện từ - áp từ

(cid:0)

(cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0)

(cid:0)

(cid:0) (cid:0) (cid:0)

(cid:0) 2

s s

1 l

L L 0

(cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0)

 Dựa vào sự biến đổi của độ từ thẩm, tiết diện, chiều dài làm việc của mạch từ theo lực để đo lực. Chủ yếu là đo biến dạng.

Mạch đo của chuyển đổi áp từ

Chuyển đổi cảm ứng

(cid:0)

dx dt

d dt

(cid:0) (cid:0) (cid:0)

lB a

SB a

dx dt

da dt

(cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0)

ộ ấ ệ ả ị

ả ứ ủ ể ể

E là su t đi n đ ng c m ng, x hay a là kho ng d ch ổ chuy n hay góc quay c a chuy n đ i Loại này dùng để đo tốc độ quay, góc quay, chuyển

động thẳng, lực…

Chuyển đổi tĩnh điện – áp điện

Fd x 1

(cid:0)

F y

d 1

y x

Nguyên tắc hoạt động: dựa trên hiệu ứng áp

điện thuận và hiệu ứng áp điện nghịch

Loại này chỉ đo được lực động.

(cid:0) (cid:0)

Các ứng dụng

Loadcell

Chuyển đổi áp điện - điện dung

The capacitance of a parallel plate is given

• by:

(cid:0) (cid:0)

C

k= dielectric constant A= area of the plate o=8.854x10-12 F/m d= plate spacing

(cid:0) kA d

• Since the capacitance in inversely proportional to the spacing of the parallel plates, any variations in d will cause a variation in capacitance.

Ví dụ: An electrode-diaphragm pressure transducer has plates whose area is 5x10-3 m2 and distance between plates is 1x10-3. Calculate its capacitance if it measures air pressure with k=1.

Chuyển đổi áp điện - điện dung

 Chuyển đổi điện dung thường dùng trong môi trường dung dịch điện phân, kể cả tiếp xúc và không tiếp xúc.

Chuyển đổi nhiệt điện

t (

)

t )( 1

(cid:0) (cid:0)

 Dùng để đo nhiệt độ đối tượng  Nguyên lí hoạt động: tham số của chuyển đổi bị biến

đổi theo nhiệt độ.

 Loại thứ nhất là cặp nhiệt  Lưu ý vấn đề hiệu chỉnh theo nhiệt độ (qui ước t2 = 0)

ệ

ặ

ỉ

ệ

Hi u ch nh c p nhi

t theo nhi

ệ ộ t đ

' t 1

t 1

(cid:0) (cid:0)

tan tan

(cid:0) E (cid:0) (cid:0) (cid:0)

(cid:0)

(cid:0) E (cid:0)

t2 t1

tan(cid:0) hoặc ước lượng. Từ đó suy ra nhiệt độ thực đo theo đặc tính. Các dụng cụ đo nhiệt điện tử được ghi sẵn đặc tính hiệu chỉnh trong bộ nhớ

t’1  Thường trên đồng hồ đo nhiệt, người chế tạo ghi sẵn giá trị nhiệt độ và . nhiệt độ môi trường thường được xác định bởi một dụng cụ khác

Ví dụ

0C: 10 0.1

20 30 70 60 40

tan(cid:0) 80 50 0.17 0.27 0.5 0.8 1.3 1.9 3.2

Nhiệt độ môi trường hiện tại là 300C, nhiệt độ hiển thị là 650C Xác định nhiệt độ thực tế tại điểm đo.

0C, tan(cid:0)

(cid:0) T i 65ạ = 1,6

' t 1

27,0 6,1

(cid:0) (cid:0) (cid:0)

Chuyển đổi nhiệt điện trở RTD-Resistance Temperature Detector

tR )(

tR (

(cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0)

(cid:0)...

 Với nhiệt điện trở kim loại thường tính đến bậc 3  Với nhiệt điện trở bán dẫn tính đến bậc cao hơn tuỳ cấp

chính xác (thực tế giải tích là theo hàm mũ).

Hình ảnh của một số RTD

Đo nhiệt độ bằng phương pháp hồng ngoại

ộ ố ạ ả

ự ế

ế

M t s lo i c m bi n trong th c t

ộ ố ạ ả

ự ế

ế

M t s lo i c m bi n trong th c t

Chuyển đổi điện hóa

 1. Chuyển đổi điện hóa dùng để đo các đại lượng trong hóa học  2. cơ sở lí thuyết: dựa trên hiện tượng hóa điện xảy ra khi cho dòng điện đi qua dung dịch điện phân hoặc do quá trình ôxy hóa khử các điện cực.  3. Hiện tượng phân li

1/Ω.m

H2SO4

V<0

g.mol/l

ệ

ồ

ệ ấ ẫ Quan h su t d n đi n dung ộ ị d ch và n ng đ

KOH

ậ ầ Bài t p ph n tenzo

ổ ể ố бU=2mV/V.

ộ ồ ấ ệ

tenzo s là bao nhiêu?