Bài giảng Phần tử tự động: Bài 4

Bài 4

Ả

Ệ

Ả

Ế

C M BI N ĐI N DUNG. C M BI N ÁP

Ệ

Ở

Ế Ệ ĐI N. NHI T ĐI N TR

ọ Môn h c: PTTĐ

GV: Vũ Xuân Đ cứ

ụ

ệ ứ

ữ

ệ

ả

ế

ầ ử ả

ạ ộ

ế ự

ự

ệ

ổ

ủ

ữ

ả

c m bi n đi n theo các , di n tích các

ả ụ

ữ

ệ

ấ

2.3.1. Khái ni m, ng d ng Khái ni m:ệ C m bi n đi n dung là nh ng ph n t ho t đ ng d a trên s thay đ i đi n dung c a t ặ đ c tính c a nó nh : Kho ng cách gi a 2 b n t ả ụ hay tính ch t đi n môi gi a các b n t b n t

ủ ụ ệ ả ụ ệ .

Ứ

ụ

ng d ng:

ộ ị

ể

ị

ế + Đo đ d ch chuy n tuy n tính, d ch chuy n góc

ướ

ứ

ầ

ồ

+ Đo kích th

ộ c, góc, m c, n ng đ , phân tích thành ph n

ộ ẩ

ấ + Đo đ m, áp su t

+…

ọ Môn h c: PTTĐ

GV: Vũ Xuân Đ cứ

ee 0. d

ủ ả ự

ệ

S di n tích c a b n c c

ả

ữ

ố ệ

ủ

ằ

ườ

ả ự d kho ng cách gi a hai b n c c (cid:0) h ng s đi n môi c a môi tr (cid:0)

0 = 8,85.1012F/m;

ể

ệ

ổ

ủ ụ ệ

ổ

 đ thay đ i đi n dung c a t

ể đi n ta có th thay đ i S, d,

(cid:0) .

ọ Môn h c: PTTĐ

GV: Vũ Xuân Đ cứ

ệ ủ

ự

ệ

ổ

ố

ả

ự a. C m bi n đi n dung d a trên s thay đ i di n tích đ i di n c a

ế các c c Sự

TÊm dÞch chuyÓn

TÊm cè

®Þnh

S .

l .

0 d

ee a . . = 0 d

ủ ấ

ề ộ

Trong đó a là b r ng c a t m.

ọ Môn h c: PTTĐ

GV: Vũ Xuân Đ cứ

ế ả ạ ượ ể ạ C m bi n lo i này có th đ ng góc quay:

(

)

0 giá tr góc ban đ u c a 2 b n c c;

(cid:0) ể ượ ử ụ c s d ng đ đo đ i l ) ee 2 2 r r . 1 2 d 2 0 ầ ủ ả ự ị

(cid:0) ể ủ ế ộ ị ị

ầ ả ự ả ự ế ạ ớ giá tr góc quay c n đo, là góc d ch chuy n c a m t phi n i; b n c c so v i phi n b n c c cũn l

ả ự ủ ế r2 , r1 bán kính ngoài và bán kính trong c a phi n b n c c.

ọ Môn h c: PTTĐ

GV: Vũ Xuân Đ cứ

ế ệ ự ự ổ ả ả b) C m bi n đi n dung d a trên s thay đ i kho ng cách hai c c d

TÊm

cè ®Þnh

dÞch chuyÓn

S .

= ee .

a l . . .

0 d

1 d

ự

ế ể ạ ả ượ ộ ị ể ớ ụ ế C m bi n lo i này có th đo đ c đ d ch chuy n l n đ n hàng ch c cm

ọ Môn h c: PTTĐ

GV: Vũ Xuân Đ cứ

ổ ủ ự ế ệ ệ ấ ả . c) C m bi n đi n dung d a trên s thay đ i c a ch t đi n môi

l a

ee =

ự

C = C1+C2

�

l .(

+ )

e (

e + l .

e .(

l ).

0 1 1 d l 2

l 2 2

a 0 d

0 2 2 d a = e 0 ) d

a e 0 d

- -

ề ấ ả ự l chi u dài t m b n c c

ả ế ượ ứ c dùng đ đo m c ch t l ng và ch t b t,

ạ ầ ể ấ ầ ộ

GV: Vũ Xuân Đ cứ

ấ ỏ ọ ủ ả ế ệ ặ

ế ấ ộ C m bi n lo i này đ ề ồ phân tích thành ph n v n ng đ các ch t trong hóa h c, hóa d u và ệ trong các ngành công nghi p khác. Đ c tính tĩnh c a c m bi n đi n ạ dung lo i này là tuy n tính. ọ Môn h c: PTTĐ

ơ ả

ỏ ố ượ ng nh

ệ

ế ộ

ượ

ể c đi m: ấ ệ

ặ ổ ổ ườ ng. Ư ể u đi m: • C u t o đ n gi n. ấ ạ • Kích th ướ c, kh i l • Đ nh y cao, đo tín hi u vào nh . ỏ ạ ộ • Không có ti p xúc, tác đ ng nhanh. Nh • Công su t tín hi u ra nh . ỏ • Đ c tính không n đ nh, thay đ i theo môi tr ị

ọ Môn h c: PTTĐ

GV: Vũ Xuân Đ cứ

ệ ứ ụ

ự ế ạ ộ c m bi n ho t đ ng d a trên 2.4.1. Khái ni m, ngd ng: ầ ử ả ệ ế Khái ni mệ : C m bi n áp đi n là ph n t ả

ệ ứ ệ hi u ng áp đi n

ệ ứ ệ ậ Hi u ng áp đi n thu n

ệ ứ ệ ị Hi u ng áp đi n ngh ch

ộ ệ Đ áp đi n

Q F Q đi n tích xu t hi n trên b m t

ề ặ ệ ệ ấ

ự ộ F l c tác đ ng :

Ứ

ụ ng d ng: ự ố ượ ố ấ Đo l c, áp su t, gia t c, kh i l ậ ố ng, v n t c góc...

ự ế ố ế ả ấ ế D i đo l c đ n 10000N, áp su t đ n 100N/mm2, gia t c đ n 1000g

ọ Môn h c: PTTĐ

GV: Vũ Xuân Đ cứ

ế ạ ậ ệ

ự ạ T nhiên: th ch anh , tumali..

ự ề ạ ố ), Chì a. V t li u ch t o: • • Nhân t o: g m áp đi n có tính phân c c trên n n Bari Titanat (

ế ệ ). Titanat ( ), Thi c chì (

ạ ậ ệ ườ ằ i ta hay dùng g m PZT đ

ượ ứ ố ớ ế ạ c ch t o b ng 1ZrxO3 (x ̴

V t li u nhân t o ng cách nung các oxit Chì, Zirconi và Titan v i công th c PbTi 0.5).

ấ b. C u trúc:

ệ

ụ X tr c đi n Y tr c cụ ơ ụ

Z tr c quang

ọ Môn h c: PTTĐ

GV: Vũ Xuân Đ cứ

ạ ộ

ắ c. Nguyên t c ho t đ ng:

ự

ệ

ặ

ớ

ộ

ụ

ệ ọ l c F tác đ ng theo tr c X, đi n tích trên các m t vuông góc v i

Áp đi n d c:

ụ

tr c X :

Q=Kd.F

ệ

ụ

Áp đi n ngang:

= -

ộ K

ự l c F tác đ ng theo tr c Y b a

ướ ủ ả

ế

ệ

ướ

ụ

ậ

c c a c m bi n áp đi n theo h

ng tr c X và Y (nh n xét)

* k F .

ở

ự

a,b kích th  Q=k’.F ệ Đi n áp

hai c c:

Q k F = C

. C

k F a . . e S .

k F a . . e h b . .

ầ ử

ủ

ệ

Cp – đi n dung c a ph n t

áp đi n:

ế

ệ

ậ ệ

ủ

ế

ằ

.(cid:0) S a ố ệ

ệ ε – h ng s đi n môi c a phi n v t li u áp

ủ Sx=h.b – di n tích c a phi n áp đi n,

đi nệ

ổ

Khi h

ấ ủ ọ

ặ ộ

ệ ụ

ự

ệ

ổ

ng tác đ ng c a F thay đ i (nén ho c kéo), d u c a đi n tích trên các m t c a c m bi n s thay đ i. Khi tác đ ng l c d c theo tr c Z, hi u ứ

ướ ặ ủ ả ệ

ộ ủ ế ẽ ấ

ệ

ng áp đi n không xu t hi n.

(cid:0)

ọ Môn h c: PTTĐ

GV: Vũ Xuân Đ cứ

ệ

ấ

ố

ệ ụ ụ ơ

ớ

ụ ụ ụ

ạ ụ

ụ

ớ

Tr c X đi qua tâm,n i hai đi n tích trái d u tr c đi n Tr c Y đi qua tâm, vuông góc v i các c nh – tr c c Tr c Z vuông góc v i các tr c X,Y – tr c quang.

ơ ế ệ C ch áp đi n:

ọ Môn h c: PTTĐ

GV: Vũ Xuân Đ cứ

ơ ồ ế

ồ

ế

ệ

S đ x p ch ng phi n áp đi n:

ầ ử

a) Hai ph n t

song song

b) Hai ph n t

ầ ử ố ế n i ti p

ầ ử

ề c) Nhi u ph n t

song song

ơ ồ ấ ạ

ộ ả

ế

ệ

ế

ề

ệ

ế

ồ

d) S đ c u t o m t c m bi n áp đi n g m nhi u phi n áp đi n x p song song

ọ Môn h c: PTTĐ

GV: Vũ Xuân Đ cứ

a. Khi không có t

i:ả

Q K = .d C C p

ộ

ế ạ ủ ả Đ nh y c a c m bi n

K C

b. Khi có t

ộ ả

ệ

ế

ệ

ặ

ở

i:ả ả ượ ố ớ ầ

c n i v i đ u ra b c m bi n áp đi n, đ c tr ng b i đi n tr R

T i đ

ở H và CH

ử ụ

ạ

CH >> CP Khi s d ng th ch anh

ệ

ố

ử ụ CH << CP Khi s d ng g m áp đi n

ộ

ạ ủ ả

ệ

Đ nh y c a c m bi n áp đi n: K

ế dU ra dF

d C

Qn .

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

ế

ệ

ồ

Khi có n phi n áp đi n x p ch ng song song:

Cr .

C H n

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

Hay v i ớ

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

d C H n

(cid:0)

ọ Môn h c: PTTĐ

GV: Vũ Xuân Đ cứ

u đi m:

ề ấ

ỏ ộ ướ ậ c nh , đ tin c y cao,

ượ ạ ượ ổ ấ c các đ i l ụ ư ộ ng thay đ i r t nhanh (ví d nh đ

Ư ể • Đ n gi n v c u trúc, ơ ả • Kích th • Kh năng đo đ ả rung).

ượ

ạ ộ

ệ ệ ầ ớ

ể Nh c đi m: • Đ nh y không cao, • Đi n tr đ u vào m ch đo l n, tín hi u đ u ra nh . ỏ ạ ở ầ

ọ Môn h c: PTTĐ

GV: Vũ Xuân Đ cứ

ạ ả ế Phân lo i c m bi n đo nhi ệ ộ t đ :

Có 2 nhóm chính:

ế ế ớ ườ ồ ả ế : c m bi n ti p xúc v i môi tr ng đo, bao g m:

ả ệ ế ở t k giãn n );

ệ ở ệ ở t đi n tr );

ệ ẫ t ng u;

ế : ho kả ế ả ế C m bi n ti p xúc  C m bi n giãn n (nhi ở ế  C m bi n đi n tr (nhi ệ ế ả  C p nhi ặ ế ả C m bi n không ti p xúc

ọ Môn h c: PTTĐ

GV: Vũ Xuân Đ cứ

ế ế ể ả ở t đi n tr là ph n t

3.1.1. Khái ni m: ệ ạ ộ ệ C m bi n nhi ự ầ ử ả ự ở ệ ộ ổ ủ ự ệ ệ ổ t đ ho t đ ng d a trên s thay đ i đi n tr theo s thay đ i c a nhi c m bi n dùng đ đo ệ t

nhi độ

ủ ả ạ ộ ế ệ ở 3.1.2. Nguyên lý ho t đ ng c a c m bi n nhi

ệ t đi n tr ở ấ ủ ậ ệ ự ự ệ ệ ẫ

(cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) ặ ậ ệ ổ Nguyên lý chung: d a vào s thay đ i đi n tr su t c a v t li u d n đi n ệ ộ ẫ ho c v t li u bán d n theo nhi t đ . TR TTFR 0

ổ T ng quát:

ở ậ ệ ạ ệ ướ i nhi c nào đó; t đ T R0 đi n tr v t li u t

ậ ệ ư ế ặ F hàm đ c tr ng cho v t li u ch t o c m bi n, F=1 khi T=T

ệ ộ 0 quy ế ạ ả

+ AT BT

0 :[ C]

CT ồ

ế ạ ậ ệ

)

( R T

exp

T K :[

]

R 0

1 T 0

� � 1 -� B � T � �

� � , � � � �

V t li u ch t o: T R R T ( ) Kim lo i: (Platin, Wonfram, Niken, Đ ng...): ạ 0

GV: Vũ Xuân Đ cứ

ệ ố ượ ạ ậ ệ ừ ệ ￯￯ � ￯￯ ẫ Bán d n:(Silic, Germany,…) Oxyt bán d n.ẫ (A,B,C các h s đ c tính theo th c nghi m cho t ng lo i v t li u khác ự 17

ọ Môn h c: PTTĐ nhau

ổ ệ ộ Khi thay đ i nhi

(cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0) ị ΔT không l n: ớ t đ T xung quanh m t giá tr (cid:0)T ộ (cid:0)1

1 TR

TdR dT

(cid:0) R đ Tộ

(cid:0) (cid:0) (cid:0) ệ ố ệ ạ ộ ệ ở ạ ủ ệ h s nhi t (đ nh y nhi ệ t) c a đi n tr t i nhi t (cid:0) (cid:0)

ầ ở ệ

0 l n mà kích th

ρ ố ớ ậ ệ Yêu c u chung đ i v i v t li u làm đi n tr : ầ ủ ớ ể ệ ở ớ ướ ệ đ l n đ đi n tr ban đ u R Có đi n tr su t c nhi t

ệ ở ấ ỏ ế ẫ k v n nh .

ấ t nh t là luôn luôn không đ i d u, không

ệ ệ ị ố ổ ấ ở ổ t đi n tr n đ nh, t

ệ ố H s nhi ệ t tiêu. tri

ở ả ệ ộ ệ ủ ộ ề ơ Có đ đ b n c , hoá d i nhi t đ làm vi c.

ễ ả ế D gia công và có kh năng thay th .

ọ Môn h c: PTTĐ

GV: Vũ Xuân Đ cứ

ậ ệ ế ạ a. V t li u ch t o:

ệ

ạ (Resistance Temperature Detector ồ

ế ườ ằ ở ệ t đi n tr kim lo i Các c m bi n nhi ế ạ ượ ng đ c ch t o b ng Platin và Niken, Đ ng, Vonfram.

ả RTD) th ư ặ ủ Đ c tr ng c a Cu :

0C1800C;

ệ ệ ộ t đ làm vi c: 50

t=R0(1+ t),α

ệ ộ ệ ữ ệ ở t đ : R

3/0C

α α Ở ả ệ ủ kho ng nhi ệ ộ 0C1000C: t đ 0 =3,9.10 ả D i nhi Quan h gi a đi n tr và nhi ệ ố là h s nhi t c a Cu.

ở ạ ệ i nhi ệ ộ 0C t đ 0 R0 đi n tr t

ư Khi ch a bi t R

ể ứ + t t ( ) 2 + t t ( ) 1

ế 0 có th s d ng bi u th c: ể ử ụ = R R t t 1

ở ủ ả ế ứ ệ ớ t đ t Rt1 và Rt2 là đi n tr c a c m bi n ng v i nhi ệ ộ 1 và t2,

α τ ằ τ =1/ ố h ng s , = 234

ọ Môn h c: PTTĐ

GV: Vũ Xuân Đ cứ

ậ ệ

a. V t li u ch t o

ế ạ (tt)

ủ

ặ

Đ c tr ng c a Pt

ệ ộ

ộ

ừ

ả D i nhi

ệ t đ làm vi c khá r ng t

200

0C 1000→

ệ

ệ ố H s nhi

ệ t đi n tr

ằ ở ở 0C b ng 3,97.10

3/0C .

ớ ộ

ế ấ

ủ

ộ

Có th ch t o v i đ tinh khi

t r t cao (99,999%) do đó tăng đ chính xác c a các

ể ế ạ ệ

ấ tính ch t đi n;

ể

ấ

ả

ọ

ị

Có tính tr v m t hoá h c và tính n đ nh c u trúc tinh th cao do đó đ m b o tính

ẫ

ổ ệ

ơ ề ặ ề

ị

ổ

n đ nh cao v các đ c tính d n đi n;

ế

ặ

ặ Có đ c tính phi tuy n: = (cid:0)

(

)

(

0 650

R 0

= -

C R T (

) =

1 (

)

C R T

) + AT BT , + + 2 AT BT

+ 1

200 0

C T (

100)

R 0

(cid:0) -

= -

= - C

3,96.10 /

;

5,847.10 /

4,356.10

ượ

ế ạ ướ

ử ụ ng s d ng nhi

c ch t o d

ế

Trong th c t ạ d ng chu n P

ở t đi n tr Platin đ ệ ộ ừ 0C1000C. Khi đó :

ệ t đ t

ệ 0

ự ế ườ ườ ng i ta th ả ể ẩ t100 đ làm c m bi n đo nhi

3,9.10

3/0C

Rt=R0(1+ t),

α α ≈ 20

- - -

ọ Môn h c: PTTĐ

GV: Vũ Xuân Đ cứ

ậ ệ a. V t li u ch t o

ủ ư ặ Đ c tr ng c a Ni ế ạ (tt) :

0C2600C;

4,7.10 /

ệ ộ ệ ả D i nhi t đ làm vi c: 195 -

a 0C1000C thì

ệ ệ ả ở ệ ố H s nhi t đi n tr cao, trong kho ng 0

Ni ộ ở ở 0C. Do đ nh y nhi

ệ ở ở ệ ầ ớ ạ ệ 100 t cao

ớ ỏ ấ 0Cl n g p 1,617 l n đi n tr Đi n tr ế ế ạ ả nên cho phép ch t o c m bi n v i kích th 0 ướ c nh

ễ ị ở ệ ộ ệ ố ự ổ ả ị ệ D b oxy hoá khi nhi t đ cao làm gi m s n đ nh h s nhi t

ở ấ ủ ệ ấ ầ Đi n tr su t c a Ni cao g p 5 l n Cu

ọ Môn h c: PTTĐ

GV: Vũ Xuân Đ cứ

ở t đi n tr : là m t đi n tr thay đ i tr s theo nhi

ấ ạ b. C u t o ầ ử ệ ổ ị ố ệ ệ ộ ở Ph n t nhi ệ ộ t đ

ầ ử ố Các dây n i ph n t và máy đo

ỡ ị ầ ử ị ệ ở Gá đ đ nh v ph n t nhi ệ t đi n tr

ọ Môn h c: PTTĐ

GV: Vũ Xuân Đ cứ

ệ ệ nhi

ộ ậ ườ ượ ặ ng là m t cu n dây ho c màng đi n d n. Dây c ệ ẫ ng dây đ

ở ườ ể ị ầ ử t đi n tr th Ph n t ơ ể ề ố cu n theo nhi u ki u: ki u đ n ho c ch p đôi. Thông th ệ ệ ố cu n trên lõi cách đi n ch u nhi ộ ặ t cao

GV: Vũ Xuân Đ cứ

ố ố

ể ể ọ Môn h c: PTTĐ ể ỏ a) Ki u dây cu n đ n ậ b) Ki u dây cu n ch p đôi c) Ki u màng m ng

ủ ả ế ể Ư ượ c đi m c a c m bi n RTD

ổ u đi m: ạ ộ

ộ

ượ

ộ

ứ ậ

0C ).

t đ đo không cao (không quá 600 c. u, nh Ư ể • Ho t đ ng n đ nh; ị • Đ chính xác cao; • Không c n bù nhi ệ ầ ể Nh c đi m: • Giá thành cao; • Đ nh y th p ấ ạ • Th i gian đáp ng ch m; ờ • D i nhi ệ ộ ả

ọ Môn h c: PTTĐ

GV: Vũ Xuân Đ cứ

ế ệ ẫ ượ c ch t o t h n

ệ t đi n tr oxit bán d n (Thermistor) đ ẫ ể ư ế ạ ừ ỗ 2O4, Mn2O3, Fe3O4, NiO,

)

( R T

exp

R 0

1 T 0

� � 1 -� B � T � �

� � � � � �

ở ả C m bi n nhi ợ h p oxit bán d n đa tinh th nh : MgO, MgAl ZnTiO4,...

(cid:0) (cid:0)

R t đ T

(cid:0) ệ ộ 0(K).

B 2T

ở ở ệ nhi R0(T) đi n tr

, (

K 3000 5000 )

R 1 R 2

1 ln �-� � 1 1 � T T � � 1 2

ộ ệ ạ Đ nh y nhi ạ t có d ng: = (cid:0)

ọ Môn h c: PTTĐ

GV: Vũ Xuân Đ cứ

ể Ư ượ ủ ả ế ệ ộ c đi m c a c m bi n nhi t đ Thermistor:

u đi m: ạ ớ ự ỏ ủ ộ ổ ệ ộ ả t đ ; d i đo nhi ệ ộ ừ t đ t ộ vài đ u, nh Ư ể • Đ nh y cao v i s thay đ i nh c a nhi

ế K đ n 300

ị ệ ộ ổ

ướ ỏ c nh .

ể c đi m:

ớ ạ ấ

ệ

0C • Đ n đ nh làm vi c cao; • Đ chính xác cao (±0.02 ộ 0C) • Kích th ượ Nh • Gi i h n đo th p. • Quan h RT phi tuy n ế

ọ Môn h c: PTTĐ

GV: Vũ Xuân Đ cứ

ụ

ử ệ ấ ồ ơ l nh, máy r a chén, n i c m đi n, máy s y tóc,…

ạ ệ ộ ủ ầ c làm l nh hay d u, theo dõi nhi t đ c a

ả ắ ệ ộ ướ t đ n ệ ố khí th i, đ u xilanh hay h th ng th ng,…

ệ ố ưở ệ ộ ệ ộ ả Ứ ng d ng Thermistor  Trong gia đình: t ủ ạ  Trong xe h i: đo nhi ơ ầ  H th ng đi u hòa và s i: theo dõi nhi t đ phòng, nhi t đ khí th i

ề hay lò đ t,…ố

ệ ầ ử t cho diode laser hay các ph n t quang,

ị ồ ệ bù nhi

 Trong công nghi p: n đ nh nhi ệ ổ ộ t cho cu n dây đ ng,…  Trong vi n thông: đo và bù nhi

ễ ệ ệ ạ ộ t cho đi n tho i di đ ng