BÀI GIẢNG KỸ THUẬT SENSOR

Chia sẻ: 124357689 124357689 | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:54

Thêm vào BST

Báo xấu

121
lượt xem 21
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Trong sản xuất cũng như trong nghiên cứu khoa học, trong các quá trình công nghệ mới, hay các quá trình sản xuất phức tạp hoặc trong công nghiệp hiện đại liên quan đến việc đo lường các đại lượng vật lý như cơ học, hoá học, quang học, nhiệt học. Các thiết bị đo hiện đại không chỉ tác dụng lên giác quan con người mà còn dùng vào việc tự động thu thập số liệu truyền kết quả đó đi xa, tính toán không cần sự tham gia của con người hay tự động điều khiển một quá...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: BÀI GIẢNG KỸ THUẬT SENSOR

BÀI GIẢNG KỸ THUẬT SENSOR http://www.ebook.edu.vn 1
Ch−¬ng I: Nh÷ng kiÕn thøc chung vÒ chuyÓn ®æi s¬ cÊp Bµi 1.1 Kh¸i niÖm vµ ®Þnh nghÜa 1. Kh¸i niÖm chung vÒ chuyÓn ®æi ®o l−êng Trong s¶n xuÊt còng nh− trong nghiªn cøu khoa häc, trong c¸c qu¸ tr×nh c«ng nghÖ míi, hay c¸c qu¸ tr×nh s¶n xuÊt phøc t¹p hoÆc trong c«ng nghiÖp hiÖn ®¹i liªn quan ®Õn viÖc ®o l−êng c¸c ®¹i l−îng vËt lý nh− c¬ häc, ho¸ häc, quang häc, nhiÖt häc. C¸c thiÕt bÞ ®o hiÖn ®¹i kh«ng chØ t¸c dông lªn gi¸c quan con ng−êi mµ cßn dïng vµo viÖc tù ®éng thu thËp sè liÖu truyÒn kÕt qu¶ ®ã ®i xa, tÝnh to¸n kh«ng cÇn sù tham gia cña con ng−êi hay tù ®éng ®iÒu khiÓn mét qu¸ tr×nh nµo ®ã. Do ®ã trªn quan ®iÓm kü thuËt qu¸ tr×nh ®o trong c¸c thiÕt bÞ hiÖn ®¹i lµ biÕn ®æi nh÷ng tin tøc vÒ ®¹i l−îng ®o thµnh d¹ng nµo ®ã thÝch hîp nhÊt ®èi víi con ng−êi hoÆc m¸y mãc ë tr×nh ®é ph¸t triÓn cña kü thuËt. ¦u ®iÓm cña ph−¬ng ph¸p ®iÖn ®Ó ®o c¸c ®aÞ l−îng kh«ng ®iÖn nh− sau: + Cã thÓ thay ®æi ®é nh¹y cña thiÕt bÞ mét c¸ch ®¬n gi¶n trong ph¹m vi réng cña ®¹i l−îng ®o v× vËy cho phÐp cã nh÷ng thiÕt bÞ v¹n n¨ng cã thÓ thu thËp ®−îc nh÷ng th«ng tin rÊt bÐ vµ rÊt lín. Kü thuËt ®iÖn tö cho phÐp khuÕch ®¹i lªn hµng ngµn lÇn, v× vËy ®é nh¹y cña thiÕt bÞ t¨ng lªn rÊt nhiÒu. + C¸c thiÕt bÞ ®iÖn cã qu¸n tÝnh nhá, cã d¶i tÇn sè réng. V× vËy kh«ng chØ ®o ®−îc c¸c ®¹i l−îng kh«ng ®iÖn biÕn ®æi chËm mµ cßn cã thÓ ®o ®−îc nh÷ng ®¹i l−îng biÕn ®æi nhanh mµ c¸c ph−¬ng ph¸p kh¸c kh«ng ®o ®−îc. + Cã kh¶ n¨ng ®o tõ xa, cho phÐp tËp trung ho¸ vµ cïng mét lóc cã thÓ ®o ®−îc nhiÒu ®¹i l−îng kh¸c nhau vÒ sè l−îng vµ tÝnh chÊt, cho phÐp truyÒn kÕt qu¶ ®o trªn kho¶ng c¸ch lín. + Cã kh¶ n¨ng liªn hîp c¸c thiÕt bÞ ®o vµ ®iÒu khiÓn tù ®éng nh÷ng khèi thiÕt bÞ cïng kiÓu. Vai trß quan träng ®Çu tiªn trong viÖc thu thËp th«ng tin ®o lµ c¸c bé chuyÓn ®æi ®o l−êng hay cßn gäi lµ c¸c bé c¶m biÕn (sensor). 2. §Þnh nghÜa vÒ chuyÓn ®æi ®o l−êng ChuyÓn ®æi ®o l−êng lµ thiÕt bÞ thùc hiÖn mét quan hÖ hµm ®¬n trÞ gi÷a hai ®¹i l−îng vËt lý víi mét ®é chÝnh x¸c nhÊt ®Þnh. http://www.ebook.edu.vn 3
ChuyÓn ®æi ®o l−êng s¬ cÊp lµ mét kh©u chøc n¨ng biÕn mét tÝn hiÖu kh«ng ®iÖn thµnh tÝn hiÖu ®iÖn. X ChuyÓn ®æi Y ®o l−êng s¬ cÊp(s) H×nh 3.1 S¬ ®å cÊu tróc cña chuyÓn ®æi ®o l−êng X: lµ tÝn hiÖu vµo thuéc nhiÒu ®¹i l−îng kh¸c nhau Y: lµ tÝn hiÖu ra th«ng th−êng lµ tÝn hiÖu ®iÖn Ph−¬ng tr×nh cña chuyÓn ®æi lµ: Y = f(X) Quan hÖ cña hµm nµy cã thÓ lµ tuyÕn tÝnh hoÆc phi tuyÕn, tuy nhiªn trong kü thuËt ng−êi ta cè g¾ng chän ®iÓm lµm viÖc trªn ®o¹n tuyÕn tÝnh cña quan hÖ ®ã ®Ó n©ng cao ®é chÝnh x¸c cña phÐp ®o. Bµi 1.2: C¸c ®Æc tÝnh cña chuyÓn ®æi ®o l−êng s¬ cÊp 1. §¹i l−îng chñ Khi lµm viÖc mçi chuyÓn ®æi chÞu ¶nh h−ëng cña ®ång thêi nhiÒu ®¹i l−îng t¸c dông, song nã chØ tiÕp thu mét ®¹i l−¬ng gäi lµ ®¹i l−îng chñ cña chuyÓn ®æi. VÝ dô nh− ®iÖn trë cña chuyÓn ®æi, biÕn trë chÞu ¶nh h−ëng nµo ®ã cña ®iÖn trë d©y quÊn, ®é Èm cña lâi…nh−ng ®¹i l−îng chñ cña chuyÓn ®æi lµ di chuyÓn cña con ch¹y. 2. §Æc tÝnh cña chuyÓn ®æi Ph−¬ng tr×nh cña chuyÓn ®æi: Y = f(X) (1) Quan hÖ trªn x¶y ra c¸c tr−êng hîp: + Quan hÖ (1) lµ tuyÕn tÝnh ΔY S= gäi lµ ®é nh¹y cña chuyÓn ®æi. §é nh¹y nµy th−êng cã thø nguyªn rÊt ΔX kh¸c nhau phô thuéc vµo b¶n chÊt cña c¸c ®¹i l−îng vµo ra, (trªn thùc tÕ ®Ó cã ®−îc ®Æc tÝnh Êy ng−êi ta cã thÓ tÝnh to¸n gi¶i tÝch hoÆc b»ng ph−¬ng ph¸p thùc nghiÖm) + Quan hÖ trªn lµ phi tuyÕn Ng−êi ta kh¾c phôc b»ng c¸ch tuyÕn tÝnh ho¸ quan hÖ ®ã b»ng c¸c m¹ch ®iÖn tö hoÆc dïng c¸c thuËt to¸n thùc hiÖn gia c«ng b»ng m¸y tÝnh, vi xö lý… + Quan hÖ trªn lµ ®a biÕn http://www.ebook.edu.vn 4
Thùc tÕ ®¹i l−îng ta cña chuyÓn ®æi kh«ng nh÷ng phô thuéc vµo X (®¹i l−îng chñ) mµ cßn phô thuéc vµo ®iÒu kiÖn bªn ngoµi Z: Y =f(X, Z) ; víi X lµ ®¹i l−îng chñ. VËy khi xÐt tíi ®Çu ra cña chuyÓn ®æi ta ph¶i cè ®Þnh ®iÒu kiÖn Z, gi¸ trÞ nhá nhÊt cña ®¹i l−îng vµo X mµ chuyÓn ®æi cã thÓ ph¸t hiÖn ®−îc mét c¸ch ch¾c ch¾n goÞ lµ ng−ìng ®é nh¹y. 3. Sai sè §Æc tÝnh quan träng nhÊt cña chuyÓn ®æi lµ sai sè: + Sai sè c¬ b¶n: lµ sai sè g©y ra do nguyªn t¾c cña chuyÓn ®æi, sù kh«ng hoµn thiÖn cña cÊu tróc, yÕu kÐm vÒ mÆt c«ng nghÖ chÕ t¹o. Theo tÝnh chÊt biÓu hiÖn ta cã thÓ chia thµnh 1 sè d¹ng sai sè c¬ b¶n nh− sau: - Sù lÖch cã hÖ thèng cña ®−êng ®Æc tÝnh ®èi víi hµm ®· lý t−ëng ho¸ - Sù phô thuéc cña ®−êng ®Æc tÝnh vµo chiÒu s©u cña ®¹i l−îng vµo, tøc lµ tÝnh trÔ hay cßn gäi lµ sù biÕn h×nh - Sù sai lÖch cña ®−êng ®Æc tÝnh ®èi víi nhiÔu - §é lÖch g©y ra bëi sù chän kh«ng tèt c¸c tham sè cña ®Æc tÝnh chuÈn tøc lµ sai sè do kh¾c ®é + Sai sè phô: G©y ra do c¸c ®iÒu kiÖn bªn ngoµi kh¸c ®iÒu kiÖn tiªu chuÈn nh− lµ ®iÖn ¸p nguån, nhiÖt ®é, tõ tr−êng, ®é chÊn ®éng v.v ChuyÓn ®æi lµ kh©u ®Çu tiªn ®Ó lÊy th«ng tin tõ ®èi t−îng, phôc vô cho c¸c hÖ thèng th«ng tin ®o l−êng, hÖ thèng ®iÒu khiÓn tù ®éng do vËy viÖc gi¶m sai sè cã ý nghÜa quan träng. d. §Æc tÝnh ®éng Lµ mét trong nh÷ng ®Æc tÝnh quan träng, khi ta ®−a tÝn hiÖu vµo chuyÓn ®æi th−êng xuÊt hiÖn qu¸ tr×nh qu¸ ®é. §Æc tÝnh ®éng thÓ hiÖn b»ng hµm truyÒn ®¹t cña chuyÓn ®æi S(p), tøc lµ quan hÖ gi÷a ®¹i l−îng ra vµ ®¹i l−îng vµo ë tr¹ng th¸i ®éng Z( p ) S(p) = X (p ) §Æc tÝnh ®éng thÓ hiÖn ë ®Æc tÝnh biªn tÇn A(ω) vµ pha tÇn ϕ(ω) e. Ph¶n t¸c dông cña chuyÓn ®æi lªn ®èi t−îng ®o Ph¶n t¸c dông cña chuyÓn ®æi thÓ hiÖn ë tiªu hao n¨ng l−îng cña ®èi t−îng cÇn ®o, tiªu hao n¨ng l−îng nµy ®−îc thÓ hiÖn ë ®iÖn trë vµo cña chuyÓn ®æi ®o l−êng http://www.ebook.edu.vn 5
Bµi 1.3 Ph©n lo¹i chuyÓn ®æi s¬ cÊp 1. Ph©n lo¹i dùa trªn nguyªn lý cña chuyÓn ®æi - ChuyÓn ®æi ®iÖn trë: lµ chuyÓn ®æi mµ ®¹i l−îng kh«ng ®iÖn X ®−îc biÕn thµnh ®¹i l−îng ra Y lµ ®iÖn trë cña chuyÓn ®æi - ChuyÓn ®æi ®iÖn tõ: lµ chuyÓn ®æi mµ ®¹i l−îng kh«ng ®iÖn X lµm thay ®æi c¸c th«ng sè cña m¹ch tõ nh−: L, M, ®é tõ thÈm μ, tõ th«ng φ… - ChuyÓn ®æi tÜnh ®iÖn: ®¹i l−îng kh«ng ®iÖn X lµm thay ®æi ®iÖn dung C hay ®iÖn tÝch cña nã - ChuyÓn ®æi ho¸ ®iÖn: ®¹i l−îng kh«ng ®iÖn X lµm thay ®æi ®iÖn dÉn hay søc ®iÖn ®éng ho¸ ®iÖn, ®iÖn c¶m… - ChuyÓn ®æi nhiÖt ®iÖn: ®¹i l−îng kh«ng ®iÖn X lµm thay ®æi søc ®iÖn ®éng nhiÖt ®iÖn hay ®iÖn trë ®Çu ra cña nã. 2. Ph©n lo¹i theo tÝnh chÊt cña nguån ®iÖn - ChuyÓn ®æi ph¸t ®iÖn: ®¹i l−îng kh«ng ®iÖn sÏ lµm thay ®æi tÝn hiÖu ®Çu ra lµ E, U, I, Q v.v - ChuyÓn ®æi th«ng sè: ®Çu ra cña chuyÓn ®æi lµ c¸c ®¹i l−îng R, L, C, M. Lóc ®ã cÇn thªm c¸c nguån ®iÖn phô th× míi biÕn ®æi thµnh c¸c ®¹i l−îng U, I 3. Ph©n lo¹i theo ph−¬ng ph¸p ®o - ChuyÓn ®æi biÕn ®æi trùc tiÕp: lµ chuyÓn ®æi trong ®ã c¸c ®¹i l−îng kh«ng ®iÖn ®−îc biÕn trùc tiÕp thµnh ®¹i l−îng ®iÖn - ChuyÓn ®æi bï: S¬ ®å nh− sau: ΔX Y X K Ta cã ®¹i l−îng cÇn ®o X ®−îc bï bëi ®¹i l−îng (-) cïng lo¹i Xk do m¹ch ph¶n håi t¹o ra: Xk ⎧ X k = βY β ⎪ ⇒ Y = ( X − X k ) K = ( X − Yβ ) K ⎨ΔX = X − X k ⎪Y = ΔX .K ⎩ H×nh 3.2 S¬ ®å cÊu tróc chuyÓn ®æi bï K ⇒ KX = Y + YβK ⇒ Y = X 1 + Kβ X NÕu K rÊt lín hay Kβ >>1, vËy Y = , lóc ®ã Y chØ phô thuéc vµo ®é chÝnh x¸c cña β m¹ch ph¶n håi. Do ®ã nÕu m¹ch thuËn cã sai sè lín. Song nÕu ®¶m b¶o hÖ sè K lín th× ®é chÝnh x¸c cña chuyÓn ®æi kiÓu bï chØ phô thuéc vµo ®é chÝnh x¸c cña m¹ch ph¶n håi http://www.ebook.edu.vn 6
(chuyÓn ®æi ng−îc), mµ th−êng chuyÓn ®æi ng−îc lµ chuyÓn ®æi biÕn ®æi trùc tiÕp nªn cã ®é chÝnh x¸c cao. Ch−¬ng 2. ChuyÓn ®æi ®iÖn trë Bµi 1. ChuyÓn ®æi ®iÖn trë tiÕp xóc 1. Nguyªn lý c¬ b¶n ChuyÓn ®æi ®iÖn trë tiÕp xóc lµ 1 chuyÓn ®æi ®o l−êng trong ®ã di chuyÓn c¬ häc ®−îc biÕn thµnh sù thµnh sù ®ãng më c¸c tiÕp ®iÓm, c¸c tiÕp ®iÓm nµy dïng ®Ó ®iÒu khiÓn m¹ch ®iÖn. §¹i l−îng chñ cña chuyÓn ®æi tiÕp xóc lµ sù chuyÓn rêi. ChuyÓn ®æi tiÕp xóc ®¬n gi¶n nhÊt lµ chuyÓn ®æi cã 1 giíi h¹n vµ mét cÆp tiÕp ®iÓm nh− h×nh vÏ trªn, sù ®ãng më tiÕp ®iÓm do sù di chuyÓn cña cÇn ®o. R 3 4 C 2 L 1 H×nh 3.3 ChuyÓn ®æi tiÕp xóc mét giíi h¹n VÝ dô: khi kÝch th−íc cña s¶n phÈm 1 thay ®æi (t¨ng), thanh tr−ît 2 di chuyÓn lµm cho phÇn tö tiÕp xóc g¾n trªn thanh 3 ®−îc tiÕp xóc víi 4. §iÖn trë tiÕp xóc cña 3 vµ 4 thay ®æi tõ Rtx = ∞ thµnh Rtx ≈ 0. Khi kiÓm tra kÝch th−íc s¶n phÈm ng−êi ta th−êng dïng chuyÓn ®æi nhiÒu giíi h¹n nh− h×nh vÏ sau: L H×nh 3.4 ChuyÓn ®æi tiÕp xóc nhiÒu giíi h¹n http://www.ebook.edu.vn 7
(chuyÓn ®æi ng−îc), mµ th−êng chuyÓn ®æi ng−îc lµ chuyÓn ®æi biÕn ®æi trùc tiÕp nªn cã ®é chÝnh x¸c cao. Ch−¬ng 2. ChuyÓn ®æi ®iÖn trë Bµi 1. ChuyÓn ®æi ®iÖn trë tiÕp xóc 1. Nguyªn lý c¬ b¶n ChuyÓn ®æi ®iÖn trë tiÕp xóc lµ 1 chuyÓn ®æi ®o l−êng trong ®ã di chuyÓn c¬ häc ®−îc biÕn thµnh sù thµnh sù ®ãng më c¸c tiÕp ®iÓm, c¸c tiÕp ®iÓm nµy dïng ®Ó ®iÒu khiÓn m¹ch ®iÖn. §¹i l−îng chñ cña chuyÓn ®æi tiÕp xóc lµ sù chuyÓn rêi. ChuyÓn ®æi tiÕp xóc ®¬n gi¶n nhÊt lµ chuyÓn ®æi cã 1 giíi h¹n vµ mét cÆp tiÕp ®iÓm nh− h×nh vÏ trªn, sù ®ãng më tiÕp ®iÓm do sù di chuyÓn cña cÇn ®o. R 3 4 C 2 L 1 H×nh 3.3 ChuyÓn ®æi tiÕp xóc mét giíi h¹n VÝ dô: khi kÝch th−íc cña s¶n phÈm 1 thay ®æi (t¨ng), thanh tr−ît 2 di chuyÓn lµm cho phÇn tö tiÕp xóc g¾n trªn thanh 3 ®−îc tiÕp xóc víi 4. §iÖn trë tiÕp xóc cña 3 vµ 4 thay ®æi tõ Rtx = ∞ thµnh Rtx ≈ 0. Khi kiÓm tra kÝch th−íc s¶n phÈm ng−êi ta th−êng dïng chuyÓn ®æi nhiÒu giíi h¹n nh− h×nh vÏ sau: L H×nh 3.4 ChuyÓn ®æi tiÕp xóc nhiÒu giíi h¹n http://www.ebook.edu.vn 7
TiÕp ®iÓm lµ bé phËn qua träng nhÊt cña chuyÓn ®æi tiÕp xóc, vËt liÖu cÊu t¹o vµ sù chÕ t¹o còng nh− chÕ ®é lµm viÖc cña nã sÏ quyÕt ®Þnh ®Õn ®é chÝnh x¸c, ®é tin cËy vµ tÝnh æn ®Þnh cña chuyÓn ®æi theo thêi gian. Sai sè ®ãng c¾t cña chuyÓn ®æi nµy lµ 1 ÷ 2μm 2. Yªu cÇu ®èi víi m¹ch ®o §Ó tr¸nh hå quang vµ tia löa ®iÖn ®¶m b¶o ®é bÒn cho c¸c tiÕp ®iÓm th× c«ng suÊt trong m¹ch lÊy tÝn hiÖu ph¶i nhá h¬n 150mW. V× vËy víi c¸c phÇn tö lÊy tÝn hiÖu, phÇn tö ®o hoÆc thõa hµnh nÕu nh− c«ng suÊt nhá h¬n 150mW th× cã thÓ nèi trùc tiÕp víi chuyÓn ®«Ø. NÕu c¸c phÇn tö thõa hµnh c«ng suÊt lín th× ta ph¶i nèi qua m¹ch khuyÕch ®¹i. Bµi 2. ChuyÓn ®æi biÕn trë 1. Nguyªn lý c¬ b¶n ChuyÓn ®æi biÕn trë lµ mét biÕn trë mµ con ch¹y cña nã di chuyÓn t−¬ng øng víi ®¹i R, l l−îng kh«ng ®iÖn cÇn ®o. §¹i l−îng chñ cña Rx, lx chuyÓn ®æi lµ sù di chuyÓn cña con ch¹y, cã thÓ lµ di chuyÓn dµi hoÆc di chuyÓn gãc cßn H×nh 3.5 ChuyÓn ®æi biÕn trë ®¹i l−îng ra lµ ®iÖn trë. §iÖn trë nµy biÕn thiªn theo mét quy luËt nµo ®ã phô thuéc vµo ®−êng ®i cña con ch¹y. Quan hÖ gi÷a ®¹i l−îng ra vµ ®¹i l−îng vµo lµ: R = f(Xv) 2. §é nh¹y vµ ®é chÝnh x¸c §©y lµ chuyÓn ®æi bËc thang v× sù biÕn thiªn liªn tôc cña ®¹i l−îng vµo t−¬ng øng víi sù biÕn ®æi bËc thang cña ®iÖn trë ra. §©y lµ nguyªn nh©n g©y ra sai sè. ChuyÓn ®æi biÕn trë chØ cã thÓ ph¸t hiÖn ra sù biÕn thiªn ®iÖn trë b»ng ®iÖn trë cña mét vßng d©y t−¬ng øng víi sù di chuyÓn b»ng kho¶ng c¸ch gi÷a hai vßng d©y kÕ tiÕp. Ta gäi ®iÖn trë toµn phÇn cña chuyÓn ®æi lµ R, sè vßng d©y lµ w R , vµ εR = r ®−îc gäi lµ ng−ìng §iÖn trë nhá nhÊt cã thÓ ph¸t hiÖn ®−îc lµ r = w nh¹y cña chuyÓn ®æi theo ®iÖn trë NÕu chiÒu dµi cña chuyÓn ®æi lµ l th× ®é di chuyÓn bÐ nhÊt cã thÓ ph¸t hiÖn ®−îc lµ x0 l vµ εL = x0 ®−îc gäi lµ ng−ìng nh¹y cña chuyÓn ®æi theo ®é dÞch chuyÓn cña con ch¹y = w http://www.ebook.edu.vn 8
εR εl 1 Sai sè rêi r¹c cña chuyÓn ®æi lµ: γ = == 100% 2R 2l 2w Ta nhËn thÊy muèn gi¶m sai sè th× ta cÇn ph¶i t¨ng sè vßng d©y w. Ngµi ra chuyÓn ®æi nµy cßn m¾c sai sè phi tuyÕn lµ 0.1 ÷ 0.3% vµ sai sè nhiÖt ®é lµ 0.1% /10 0C. Sai sè phi tuyÕn sinh ra do khi chuyÓn ®æi lµm viÖc th× tiÕt diÖn cña d©y ®iÖn trë bÞ mßn khi con ch¹y di chuyÓn. U 3. M¹ch ®o cña chuyÓn ®æi I x R0 a. M¹ch ®o di chuyÓn th¼ng Rx U U = I= x Rx + R0 l R0 + R l H×nh 3.6 M¹ch ®o di chuyÓn th¼ng R0: Tæng trë ®Çu vµo cña m¹ch lÊy tÝn hiÖu R: §iÖn trë cña toµn bé biÕn trë x: kho¶ng di chuyÓn cña con ch¹y Dßng ®iÖn trong m¹ch tû lÖ nghÞch víi Rx, ta thÊy quan hÖ I = f(x) trªn lµ phi tuyÕn, dßng ®iÖn kh«ng biÕn thiªn tõ 0 trë ®i cho nªn m¹ch nµy Ýt ®−îc sö dông b. M¹ch ph©n ¸p + U Ta cã: I = I R xR v R − Rx + Rx − Rv U l Rx x Ux RR R xR v U Ux = I x v = R xR v Rv Rx + Rv Rx + Rv R − Rx + Rx + Rv H×nh 3.7 M¹ch ph©n ¸p R xRv RR ≈ x v = Rx NÕu Rv >> R th× Rx + Rv Rv UR x R Ux x =U x = R =U VËy: Ux = R − Rx + Rx R Rl l Quan hÖ gi÷a Ux vµ x lµ tuyÕn tÝnh, Ux biÕn thiªn tõ 0 ®Õn U khi Rx biÕn thiªn tõ 0 ®Õn R (th−êng Rv ≥ (10 ÷ 20)R) http://www.ebook.edu.vn 9
c. M¹ch cÇu R2 + R1 ThiÕt kÕ sao cho khi chuyÓn ®æi ch−a lµm U viÖc th× R1 = R2 = R3 =R4 =R vµ Rv >> R, lóc Rv, Uv R4 ®ã ®iÖn ¸p Uv = 0 vµ cÇu c©n b»ng R3 Khi chuyÓn ®æi lµm viÖc th× R1 biÕn thiªn mét l−îng lµ ΔR. §iÖn ¸p Uv lµ H×nh 3.8 M¹ch cÇu ⎛ R2 ⎞ R − ΔR ΔR ⎛ 1⎞ UR1 UR2 R1 Uv = − + =U ⎜− + ⎟ =U ⎜− + ⎟ =U R1 + R4 R3 + R2 ⎝ R1 + R4 R3 + R2 ⎠ ⎝ R − ΔR + R 2 ⎠ 4R − ΔR Chọn sao cho khoảng di chuyển ΔR
Bµi 3. ChuyÓn ®æi tenzo (®iÖn trë lùc c¨ng) 1. Nguyªn lý vµ cÊu t¹o a. Nguyªn lý: Nguyªn lý lµm viÖc cña chuyÓn ®æi nµy dùa trªn hiÖu øng tenzo, cã nghÜa lµ sù thay ®æi cña ®iÖn trë d©y dÉn khi d©y dÉn bÞ biÕn d¹ng c¬ häc. l Ta biÕt r»ng ®iÖn trë cña d©y dÉn ®−îc tÝnh theo c«ng thøc sau: R = ρ S ΔR Δl Δρ ΔS = + − Khi biÕn d¹ng ta cã: ρ R l S Δl Δρ Trong ®ã: lµ biÕn thiªn t−¬ng ®èi theo chiÒu dµi d©y dÉn, lµ sù biÕn ρ l thiªn t−¬ng ®èi theo ®iÖn trë xuÊt ®Æc tr−ng cho sù thay ®æi tÝnh chÊt vËt liÖu cña ΔS chuyÓn ®æi, lµ sù biÕn thiªn t−¬ng ®èi theo thiÕt diÖn d©y dÉn ®Æc tr−ng cho sù biÕn S ΔR thiªn h×nh häc cña chuyÓn ®æi, lµ sù biÕn thiªn t−¬ng ®èi cña ®iÖn trë d©y dÉn. Ta R cã thÓ viÕt gän nh− sau: ξR = ξρ + ξl − ξS MÆt kh¸c ta cã: ξ S = −2K p ξ l , Kp lµ hÖ sè poisson Vµ ta ®Æt: ξ ρ = m ξ l , m lµ hÖ sè tû lÖ Ph−¬ng tr×nh tæng qu¸t cña chuyÓn ®æi ξ R = ξ l (1 + 2K p + m ) = Kξ l K: hÖ sè ®Æc tr−ng cho hiªu øng tenzo cña c¸c vËt liÖu. Khi thiÕt kÕ vµ tÝnh to¸n hÖ sè K cã thÓ tra trong c¸c sæ tay kü thuËt øng víi tõng lo¹i vËt liÖu cô thÓ hoÆc nã ®−îc ghi ngay trªn bÒ mÆt cña chuyÓn ®æi b. CÊu t¹o http://www.ebook.edu.vn 11
ChuyÓn ®æi tenzo trong c«ng nghiÖp th−êng cã 3 lo¹i lµ chuyÓn ®æi tenzo d©y m¶nh, l¸ máng vµ mµng máng. Tuy nhiªn phæ biÕn nhÊt lµ chuyÓn ®æi d©y m¶nh cã cÊu t¹o nh− h×nh vÏ sau: 1 2 3 TÊm giÊy máng lo¹i bÒn 1 a D©y ®iÖn trë tenzo 2 cã ®−êng kÝnh 0.02 ÷ 0.05mm d¸n lªn tÊm giÊy máng 1. §Çu d©y cña ®iÖn trë ®−îc l0 nèi víi d©y dÉn b»ng ®ång 3 H×nh 3.10 CÊu t¹o cña chuyÓn ®æi tenzo d©y m¶nh PhÝa trªn th−êng ®−îc phñ b»ng s¬n hoÆc d¸n mét tÊm giÊy lªn ®Ó cè ®Þnh sau ®ã ng−êi ta ghi c¸c th«ng sè cña chuyÓn ®æi sau: R0 : §iÖn trë cña chuyÓn ®æi khi ch−a cã biÕn d¹ng I: Dßng ®iÖn cho phÐp K: HÖ sè ®é nh¹y l0: ChiÒu dµi t¸c dông cña chuyÓn ®æi (th−êng b»ng 0.8 ÷ 15 mm) 2. M¹ch ®o cña chuyÓn ®æi tenzo C¸c chuyÓn ®æi tenzo th−êng dïng víi m¹ch cÇu 1 chiÒu, xoay chiÒu hoÆc m¹ch ph©n ¸p a. M¹ch cÇu 1 nh¸nh ho¹t ®éng P1 R4 R1=RT U P2=0 Ura R3 R2=RT0 H×nh 3.11 M¹ch cÇu mét nh¸nh ho¹t ®éng Trong m¹ch nµy ng−êi ta dïng hai chuyÓn ®æi cïng lo¹i ®Æt ë hai nh¸nh cña cÇu, trong ®ã 1nh¸nh kh«ng lµm viÖc ®Ó bï nhiÖt vµ do ®ã m¹ch nµy sÏ lo¹i trõ ®−îc sai sè do nhiÖt ®é. http://www.ebook.edu.vn 12
+ Khi chuyÓn ®æi ch−a lµm viÖc tøc lµ P1=0. Lóc ®ã ta ph¶i chÕ t¹o vµ hiÖu chØnh sao cho cÇu ë tr¹ng th¸i c©n b»ng, tøc lµ R1R2 = R3R4 R1 = RT0, R2 =RT0 víi RT0 lµ ®iÖn trë cña chuyÓn ®æi khi ch−a lµm viÖc. + Khi P1 ≠ 0 lµm cho R1 biÕn thiªn, tøc lµ: R1 = Rt =RT0(1 + ξ RT) ΔR Trong ®ã ξ RT = lµ biÕn thiªn t−¬ng ®èi cña ®iÖn trë RT R T0 Quan hÖ gi÷a ®iÖn ¸p ra víi sù biÕn thiªn ®iÖn trë cña tenzo: R T 0 (1 + ξ RT )R 4 − R T 0 R 4 U ra = U [(1 + ξ RT )R T 0 + R 2 ](R 4 + R 3 ) NÕu ®¶m b¶o R3 = R4 th× Ura ≈ 0,25UΔR/RT0; P b. M¹ch cÇu hai nh¸nh biªn thiªn ng−îc chiÒu nhau RT M¹ch nµy cã ®é chÝnh x¸c cao R3 h¬n, hai n¸h cña cÇu ®−îc d¸n ®iÖn RT' Ur trë tenzo vµ cïng ho¹t ®éng ng−îc R0 R4 chiÒu nhau. §iÖn ¸p ra cña m¹ch cÇu U t¨ng gÊp hai lÇn, kh¶ n¨ng bï nhiÖt H×nh 3.12 M¹ch cÇu hai nh¸nh biÕn thiªn ng−îc nhau tèt h¬n, sai sè do nhiÖt ®é bÞ lo¹i trõ. U Ur = ξ RT 2 Ngoµi ra cßn cã m¹ch cÇu 4 nh¸nh, m¹ch nµy cã ®iÖn ¸p ra t¨ng gÊp 4 lÇn U r = Uξ RT c. M¹ch ph©n ¸p R1 M¹ch nµy th−êng dïng do c¸c C U biÕn d¹ng ®éng cã tÇn sè nhá h¬n Ut Ura Rt 1000Hz. §Ó lo¹i trõ thµnh phÇn 1 chiÒu ng−êi ta m¾c thªm 1 tô C H×nh 3.13 M¹ch ph©n ¸p http://www.ebook.edu.vn 13
UR T Ta cã: U T = R T + R1 XÐt khi cã biÕn d¹ng (sù dao ®éng víi tÇn sè cao) (1 + ξ R sin ωt ) , ω lµ tÇn sè dao ®éng cña ®èi t−îng U T = URTo R1 + RTo (1 + ξ R sin ωt ) Th«ng th−êng ξ R
UR T Ta cã: U T = R T + R1 XÐt khi cã biÕn d¹ng (sù dao ®éng víi tÇn sè cao) (1 + ξ R sin ωt ) , ω lµ tÇn sè dao ®éng cña ®èi t−îng U T = URTo R1 + RTo (1 + ξ R sin ωt ) Th«ng th−êng ξ R
Bµi 1. ChuyÓn ®æi ®iÖn c¶m ChuyÓn ®æi ®iÖn c¶m lµ chuyÓn ®æi biÕn ®æi gi¸ trÞ ®¹i l−îng ®o thµnh trÞ sè ®iÖn c¶m a. Mét sè lo¹i chuyÓn ®æi th−êng gÆp nh− sau: P W W δ (b) (c) (a) P R P δ2 δ1 (e) (d) U≈ H×nh 3.14 Mét sè chuyÓn ®æi ®iÖn c¶m th−êng gÆp -H×nh a lµ chuyÓn ®æi ®¬n kh¸ phæ biÕn, d−íi t¸c dông cña ®¹i l−îng c¬ häc P vÝ dô nh− lùc, ¸p xuÊt, sù di chuyÓn v.v sÏ lµm thay ®æi khe hë kh«ng khÝ δ nªn lµm thay ®æi tõ trë toµn bé m¹ch tõ. Nh− vËy sÏ lµm thay ®æi tæng trë Z còng nh− ®iÖn c¶m L cña cuén d©y. H×nh b, c d−íi t¸c dông cña ®¹i l−îng c¬ häc P sÏ lµm thay ®æi khe hë kh«ng khÝ δ. ChuyÓn ®æi nµy th−êng dïng ®Ó ®o nh÷ng di chuyÓn tõ 5 ÷ 20mm hoÆc di chuyÓn gãc. H×nh d lµ chuyÓn ®æi lµm thay ®æi dßng ®iÖn xo¸y, gåm mét cuén d©y kh«ng lâi thÐp ®−îc m¾c vµo ®iÖn ¸p cã tÇn sè rÊt cao(cì vµi Mhz). Khi ta di chuyÓn tÊm kim lo¹i hoÆc vßng d©y ng¾n m¹ch sÏ lµm thay ®æi tæn hao tõ trong cuén d©y, do vËy ®iÖn c¶m L cña cuén d©y còng thay ®æi theo. H×nh a, b, c, d cßn gäi lµ chuyÓn ®æi ®iÖn tõ ®¬n. H×nh e lµ chuyÓn ®æi lµm thay ®æi khe hë kh«ng khÝ kiÓu vi sai, gåm hai cuén d©y gièng hÖt nhau. Khi chuyÓn ®æi ch−a lµm viÖc th×: δ1 = δ2 =δ0, Z1 = Z2 =Z0 NÕu chuyÓn ®æi lµm viÖc th×: δ1 ≠ δ2, Z1 = Z0 ± ΔZ, Z2 = Z ± ΔZ b. TÝnh n¨ng cña chuyÓn ®æi ®iÖn c¶m NÕu ta bá qua tõ trë cña m¹ch tõ th×: http://www.ebook.edu.vn 15
w 2 μ 0 w 2S δ L= = , víi R μ = δ μ 0S Rμ w: lµ sè vßng d©y, μ0 = 4π.10-7 lµ hÖ sè dÉn tõ cña kh«ng khÝ, δ lµ chiÒu dµi khe hë kh«ng khÝ, S tiÕt diÖn hiÖu dông cña khe hë kh«ng khÝ, Rμ lµ tõ trë cña khe hë kh«ng khÝ VËy L phô thuéc vµo S vµ δ, sù biÕn thiªn cña L theo S vµ δ nh− sau: ∂L ∂L Ta cã: dL = dS + dδ ∂S ∂δ víi l−îng thay ®æi h÷u h¹n Δδ vµ ΔS th× μ0w 2 μ w 2S0 ΔL = ΔS − 0 Δδ δ0 (δ 0 + Δδ) 2 Trong ®ã S0, δ0 lµ gi¸ trÞ ban ®Çu cña S vµ δ khi chuyÓn ®æi ch−a lµm viÖc +§é nh¹y cña chuyÓn ®æi khi tiÕt diÖn thay ®æi (δ = δ0 =const) ΔL w 2 μ 0 w 2 μ 0 S 0 L 0 = = = = const Ss = Δδ δ0 δ 0S0 S0 μ 0 w 2S0 Víi L0 = lµ gi¸ trÞ ®iÖn c¶m ban ®Çu cña chuyÓn ®æi δ0 + §é nh¹y cña chuyÓn ®æi khi δ thay ®æi lµ (S = S0 =const): μ 0 w 2S 0 ΔL L0 Sδ = = =− (δ 0 + Δ δ )2 Δδ 2 ⎡ ⎛ Δδ ⎞⎤ δ 0 ⎢1 + ⎜ ⎜ δ ⎟⎥ ⎟ ⎝ 0 ⎠⎦ ⎣ Δδ Ta thÊy ®é nh¹y cña chuyÓn ®æi phô thuéc vµo δ0 NhËn xÐt: §é nh¹y cña chuyÓn ®æi khi S thay ®æi b»ng h»ng sè, cßn khi δ thay ®æi Δδ , vËy quan hÖ gi÷a L=f(δ) lµ phi tuyÕn. Thùc tÕ cho thÊy quan hÖ th× phô thuéc vµo δ0 Δδ Δδ L = f(δ) lµ tuyÕn tÝnh khi ≤ 0.2 ®èi víi chuyÓn ®æi ®¬n, vµ ≤ 0.4 ®èi víi δ0 δ0 chuyÓn ®æi vi sai. http://www.ebook.edu.vn 16
L L1 = f1(δ) L L = f(δ) Δδ Δδ δ L1-L2=f3(δ) L2 = f2(δ) δ δ0 ChuyÓn ®æi ®¬n ChuyÓn ®æi vi sai H×nh 3.15 Quan hÖ gi÷a ®iÖn c¶m vµ sù biÕn thiªn δ cña chuyÓn ®æi ®iÖn c¶m c. M¹ch ®o cña chuyÓn ®æi Sù biÕn thiªn ®iÖn c¶m sÏ lµm biÕn thiªn trë kh¸ng trong toµn m¹ch. M¹ch ®o cã nhiÖm vô biÕn ®æi tiÕp tÝn hiÖu thµnh ®¹i l−îng ®iÖn ®ñ lín ®Ó cã thÓ ph¸t ra c¸c tÝn hiÖu khèng chÕ mét c¸ch ch¾c ch¾n, biÕn thiªn ®iÖn c¶m trong m¹ch cã thÓ dÉn ®Õn biÕn thiªn vÒ biªn ®é hoÆc pha hoÆc tÇn sè cña ®iÖn ¸p hay dßng ®iÖn ®Çu ra. M¹ch ®o cã tªn t−¬ng øng lµ m¹ch ®iÒu biªn, ®iÒu pha hoÆc ®iÒu tÇn. Ta sÏ nghiªn cøu m¹ch th«ng dông lµ m¹ch ®iÒu biªn. M¹ch nµy th−êng lµ m¹ch cÇu vi sai nh− sau: Z1, Z2 lµ trë kh¸ng cña chuyÓn ®æi vi sai. Zb lµ trë kh¸ng phèi hîp víi Z1 vµ Z2 Z1 Zb Z0 trë kh¸ng cña dông cô ®o. Ur Uh U nguån cung cÊp, Z0 E Zb Z2 +Khi trôc ®o n»m ë vÞ trÝ c©n b»ng δ1 = δ2 = δ0, Z1 = Z2 = Z H×nh 3.16 M¹ch cÇu vi sai chuyÓn ®æi ®iÖn c¶m CÇu c©n b»ng vµ Ura = 0 +Khi trôc ®o lÖch khái vÞ trÝ c©n b»ng tøc lµ δ1 vµ δ2 biÕn thiªn ng−îc nhau 1 l−îng lµ Δδ, khi ®ã Z1 vµ Z2 còng biÕn thiªn mét l−îng lµ ΔZ. Ta gi¶ sö Z1 = Z + ΔZ, Z2 = Z - ΔZ Ta ®i t×m quan hÖ gi÷a sù biÕn thiªn cña ®iÖn ¸p Ur theo sù biÕn thiªn ΔZ nh− sau: + Gäi Uh lµ ®iÖn ¸p khi hë m¹ch ®o ( Z0 = ∞ ) EZ b EZ b Uh = − ( Z − ΔZ) + Z b ( Z + ΔZ) + Z b http://www.ebook.edu.vn 17
EZ b Z + EZ b Δ Z + EZ 2 − EZ b Z − EZ b Δ Z + EZ 2 = b b (Z + Z b )2 − (Δ Z )2 2EZ b ΔZ 2EZ b ΔZ = 2 EZ b Δ Z2 ≈ = (Z + Z b ) − (ΔZ) (Z + Z b ) 2 2 2 (Z + Z b ) + Gäi Uz lµ ®iÖn ¸p r¬i trªn c¸c phÇn tö cña chuyÓn ®æi vi sai khi chuyÓn ®æi ch−a Z2 Z1 EZ lµm viÖc: Uz = Z + Zb 2Z b ΔZU z VËy ta cã Uh = (Z + Z b )Z Zb Zb + Trë kh¸ng trong cña cÇu Z0 I0 Zi = Z 1 Z b + Z 2 Z b Z1 + Z b Z 2 + Z b Uh H×nh 3.17 M¹ch thay thÕ cña chuyÓn ®æi vi sai Thay Z1 = Z + ΔZ, Z2 = Z - ΔZ, quy ®ång mÉu sè vµ rót gän ta ®−îc 2 2 Zi = 2 Z Z b + 2 ZZ2b − 2 Z b ΔZ 2 (Z + Z b ) − ΔZ 2 V× ΔZ kh¸ nhá cho nªn ta cã thÓ bá qua ΔZ2 Zi ≈ 2 ZZ b (Z + Z b ) = 2 ZZ b (Z + Z b ) Z + Zb 2 +Quan hÖ gi÷a dßng ®iÖn I0 vµ ®iÖn ¸p Ura theo sù biÕn thiªn ΔZ lµ: 2Z b ΔZ U0 1 = Uz VËy I0 = Zi + Z0 Z + Z b Z Zi + Z0 Z 0 ΔZ 2Z b Hay U '0 = U ra = I 0 Z 0 = UZ Z + Z b Zi + Z0 Z + §é nh¹y vÒ dßng vµ ¸p cña cÇu: I0 2Z b 1 K SI = = Uz ΔZ Z Z + Z 0 Z i + Z 0 U 0' 2Zb Z0 = = U z = Z o .K SI K SU ΔZ Z Z + Z 0 Zi + Z 0 B»ng c¸ch tÝnh t−¬ng tù ta cã thÓ tÝnh ®−îc ®é nh¹y dßng vµ ¸p cña nhiÒu m¹ch chuyÓn ®æi d. ¦u nh−îc ®iÓm vµ øng dông http://www.ebook.edu.vn 18
Nh−îc ®iÓm cña chuyÓn ®æi ®iÖn c¶m lµ ph¶n t¸c dông lªn ®èi t−îng ®o rÊt lín. Tuy nhiªn nã vÉn ®−îc sö dông réng r·i trong c«ng nghiÖp ®Ó ®o c¸c di chuyÓn tõ vµi chôc μm ®Õn vµi chôc cm. Ngoµi ra cßn dïng ®Ó ®o lùc, ¸p xuÊt, ®é bãng cña chi tiÕt. ChuyÓn ®æi ®iÖn c¶m dÔ m¾c sai sè do ®iÖn ¸p nguån thay ®æi, tÇn sè, nhiÖt ®é thay ®æi. V× vËy khi thiÕt kÕ ta ph¶i chó ý ®Õn ¶nh h−ëng cña c¸c yÕu tè trªn. http://www.ebook.edu.vn 19