Bài giảng Phần tử tự động: Bài 4 - GV. Vũ Xuân Đức

Chia sẻ: Quý Quý | Ngày: | Loại File: PPT | Số trang:29

Thêm vào BST

Báo xấu

104
lượt xem 10
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài 4 "Cảm biến điện dung, cảm biến áp điện, nhiệt điện trở" thuộc bài giảng Phần tử tự động cung cấp cho các bạn những nội dung về khái niệm, cấu tạo, nguyên lý hoạt động của cảm biến điện dung, cảm biến áp điện, nhiệt điện trở,...

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Phần tử tự động: Bài 4 - GV. Vũ Xuân Đức

Bài 4 CẢM BIẾN ĐIỆN DUNG. CẢM BIẾN ÁP ĐIỆN. NHIỆT ĐIỆN TRỞ Môn học: PTTĐ 1 GV: Vũ Xuân Đức
* 2.3.1. Khái niệm, ứng dụng Khái niệm: Cảm biến điện dung là những phần tử cảm biến hoạt động dựa trên sự thay đổi điện dung của tụ điện theo các đặc tính của nó như: Khoảng cách giữa 2 bản tụ, diện tích các bản tụ hay tính chất điện môi giữa các bản tụ. Ứng dụng: + Đo độ dịch chuyển tuyến tính, dịch chuyển góc + Đo kích thước, góc, mức, nồng độ, phân tích thành phần + Đo độ ẩm, áp suất +… Môn học: PTTĐ 2 GV: Vũ Xuân Đức
* d ε .ε 0 .S C= S d S diện tích của bản cực d khoảng cách giữa hai bản cực hằng số điện môi của môi trường 0 = 8,85.10 F/m; 12  để thay đổi điện dung của tụ điện ta có thể thay đổi S, d, . Môn học: PTTĐ 3 GV: Vũ Xuân Đức
* a. Cảm biến điện dung dựa trên sự thay đổi diện tích đối diện của các cực S TÊm dÞch chuyÓn C TÊm cè d S ®Þnh l l ε .ε 0 .S ε .ε 0 .a C= = .l d d Trong đó a là bề rộng của tấm. Môn học: PTTĐ 4 GV: Vũ Xuân Đức
* Cảm biến loại này có thể được sử dụng để đo đại lượng góc quay: ε .ε 0 .( r2 2 − r12 ) C= ( ϕ0 − ϕ ) 2δ 0 0 giá trị góc ban đầu của 2 bản cực; giá trị góc quay cần đo, là góc dịch chuyển của một phiến bản cực so với phiến bản cực cũn lại; r2 , r1 bán kính ngoài và bán kính trong của phiến bản cực. Môn học: PTTĐ 5 GV: Vũ Xuân Đức
* b) Cảm biến điện dung dựa trên sự thay đổi khoảng cách hai cực d C TÊm TÊm cè ®Þnh d dÞch chuyÓn S d ε .ε 0 .S 1 C= ε .ε 0 .a.l. = d d Cảm biến loại này có thể đo được độ dịch chuyển lớn đến hàng chục cm Môn học: PTTĐ 6 GV: Vũ Xuân Đức
* c) Cảm biến điện dung dựa trên sự thay đổi của chất điện môi. C1 C2 l1 l2 C = C1+C2 ε 0ε1l1a εε la C 1= , C2 = 0 2 2 d d ε 0a ε 0a ε 0a �C = (ε1.(l − l2 ) + ε 2l2 ) = ε1.l + .(ε 2 − ε1 ).l2 d d d l chiều dài tấm bản cực Cảm biến loại này được dùng để đo mức chất lỏng và chất bột, phân tích thành phần về nồng độ các chất trong hóa học, hóa dầu và trong các ngành công nghiệp khác. Đặc tính tĩnh của cảm biến điện Môn hdung lo ọc: PTTĐại này là tuyến tính. 7 GV: Vũ Xuân Đức
* Ưu điểm: • Cấu tạo đơn giản. • Kích thước, khối lượng nhỏ • Độ nhạy cao, đo tín hiệu vào nhỏ. • Không có tiếp xúc, tác động nhanh. Nhược điểm: • Công suất tín hiệu ra nhỏ. • Đặc tính không ổn định, thay đổi theo môi trường. Môn học: PTTĐ 8 GV: Vũ Xuân Đức
* 2.4.1. Khái niệm, ứngdụng: Khái niệm: Cảm biến áp điện là phần tử cảm biến hoạt động dựa trên hiệu ứng áp điện Hiệu ứng áp điện thuận Hiệu ứng áp điện nghịch Q Độ áp điện K d = F Q điện tích xuất hiện trên bề mặt F lực tác động : Ứng dụng: Đo lực, áp suất, gia tốc, khối lượng, vận tốc góc... Dải đo lực đến 10000N, áp suất đến 100N/mm2, gia tốc đến 1000g Môn học: PTTĐ 9 GV: Vũ Xuân Đức
* a. Vật liệu chế tạo: • Tự nhiên: thạch anh, tumali.. • Nhân tạo: gốm áp điện có tính phân cực trên nền Bari Titanat ( ), Chì Titanat ( ), Thiếc chì ( ). Vật liệu nhân tạo người ta hay dùng gốm PZT được chế tạo bằng cách nung các oxit Chì, Zirconi và Titan với công thức PbTi1ZrxO3 (x ̴ 0.5). b. Cấu trúc: X trục điện Y trục cơ Z trục quang Môn học: PTTĐ 10 GV: Vũ Xuân Đức
* c. Nguyên tắc hoạt động: Áp điện dọc: lực F tác động theo trục X, điện tích trên các mặt vuông góc với trục X : Q=Kd.F Áp điện ngang: lực F tác động theo trục Y b Q = −Kd F a a,b kích thước của cảm biến áp điện theo hướng trục X và Y (nhận xét)  Q=k’.F Q k ' .F k ' .F .a k ' .F .a Điện áp ở hai cực: U 0 = = = = = k * .F Cp Cp ε .S x ε .h.b .S x Cp – điện dung của phần tử áp điện: Cp a Sx=h.b – diện tích của phiến áp điện, ε – hằng số điện môi của phiến vật liệu áp điện Khi hướng tác động của F thay đổi (nén hoặc kéo), dấu của điện tích trên các mặt của cảm biến sẽ thay đổi. Khi tác động lực dọc theo trục Z, hiệu ứng áp điện không xuất hiện. Môn học: PTTĐ 11 GV: Vũ Xuân Đức
* Cơ chế áp điện: Trục X đi qua tâm,nối hai điện tích trái dấu trục điện Trục Y đi qua tâm, vuông góc với các cạnh – trục cơ Trục Z vuông góc với các trục X,Y – trục quang. Môn học: PTTĐ 12 GV: Vũ Xuân Đức
* Sơ đồ xếp chồng phiến áp điện: d) a) Hai phần tử song song b) Hai phần tử nối tiếp c) Nhiều phần tử song song d) Sơ đồ cấu tạo một cảm biến áp điện gồm nhiều phiến áp điện xếp song song Môn học: PTTĐ 13 GV: Vũ Xuân Đức
* Q Kd a. Khi không có tải: U0 = = .F C p Cp Độ nhạy của cảm biến K K0 = d Cp b. Khi có tải: Tải được nối với đầu ra bộ cảm biến áp điện, đặc trưng bởi điện trở RH và CH CH >> CP Khi sử dụng thạch anh CH
* Ưu điểm: • Đơn giản về cấu trúc, • Kích thước nhỏ, độ tin cậy cao, • Khả năng đo được các đại lượng thay đổi rất nhanh (ví dụ như độ rung). Nhược điểm: • Độ nhạy không cao, • Điện trở đầu vào mạch đo lớn, tín hi ệu đầu ra nhỏ. Môn học: PTTĐ 15 GV: Vũ Xuân Đức
* Phân loại cảm biến đo nhiệt độ: Có 2 nhóm chính: Cảm biến tiếp xúc: cảm biến tiếp xúc với môi trường đo, bao gồm:  Cảm biến giãn nở (nhiệt kế giãn nở);  Cảm biến điện trở (nhiệt điện trở);  Cặp nhiệt ngẫu; Cảm biến không tiếp xúc: hoả kế Môn học: PTTĐ 16 GV: Vũ Xuân Đức
* 3.1.1. Khái niệm: Cảm biến nhiệt điện trở là phần tử cảm biến dùng để đo nhiệt độ hoạt động dựa trên sự thay đ ổi điện trở theo sự thay đổi của nhiệt độ 3.1.2. Nguyên lý hoạt động của cảm biến nhiệt điện trở Nguyên lý chung: dựa vào sự thay đổi điện trở suất của vật liệu dẫn điện hoặc vật liệu bán d RT ẫ Rn theo nhi 0 .F T T0 ệt độ. Tổng quát: R0 điện trở vật liệu tại nhiệt độ T0 quy ước nào đó; F hàm đặc trưng cho vật liệu chế tạo cảm biến, F=1 khi T=T0 Vật liệu chế tạo: 2 3 0 Kim loại: (Platin, Wonfram, Niken, Đ R(T ) = R0 (1 + AT + BT +ồCT ), T :[ C] ng...): ￯￯ � �1 1 �� R ( T ) = R0 exp � B� − � �, T :[K ] Bán dẫn:(Silic, Germany,…) ￯￯ T T �� 0 � � Oxyt bán dẫn. (A,B,C các h Môn h ọc: PTTĐ ệ số được tính theo thự17c nghiệm cho từng loại vật li ệu khác ức GV: Vũ Xuân Đ
* Khi thay đổi nhiệt độ T xung quanh m ột giá trị ΔT không lớn: RT T RT 1 R T 1 dR T R hệ số nhiệt (độ nhạy nhiệt) của điện trở tại nhiệt độ T R T dT Yêu cầu chung đối với vật liệu làm điện trở: Có điện trở suất ρ đủ lớn để điện trở ban đầu R0 lớn mà kích thước nhiệt kế vẫn nhỏ. Hệ số nhiệt điện trở ổn định, tốt nhất là luôn luôn không đổi dấu, không triệt tiêu. Có đủ độ bền cơ, hoá ở dải nhiệt độ làm việc. Dễ gia công và có khả năng thay thế. Môn học: PTTĐ 18 GV: Vũ Xuân Đức
* a. Vật liệu chế tạo: Các cảm biến nhiệt điện trở kim loại (Resistance Temperature Detector RTD) thường được chế tạo bằng Platin và Niken, Đồng, Vonfram. Đặc trưng của Cu: Dải nhiệt độ làm việc: 500C1800C; Quan hệ giữa điện trở và nhiệt độ: Rt=R0(1+αt), α là hệ số nhiệt của Cu. Ở khoảng nhiệt độ 00C1000C: α =3,9.103/0C R0 điện trở tại nhiệt độ 00C Khi chưa biết R0 có thể sử dụng bi ểu thức: (τ + t2 ) Rt2 = Rt1 . (τ + t1 ) Rt1 và Rt2 là điện trở của cảm biến ứng với nhiệt độ t1 và t2, τ =1/α hằng số, τ = 234 Môn học: PTTĐ 19 GV: Vũ Xuân Đức
* a. Vật liệu chế tạo (tt) Đặc trưng của Pt: Dải nhiệt độ làm việc khá rộng từ 2000C →10000C Hệ số nhiệt điện trở ở 00C bằng 3,97.103/0C . Có thể chế tạo với độ tinh khiết rất cao (99,999%) do đó tăng độ chính xác của các tính chất điện; Có tính trơ về mặt hoá học và tính ổn định cấu trúc tinh thể cao do đó đảm bảo tính ổn định cao về các đặc tính dẫn điện; Có đặc tính phi tuyến: T = 0 6500 C : R ( T ) = R0 ( 1 + AT + BT 2 ) , T = −200 00 C : R ( T ) = R0 ( 1 + AT + BT 2 + C (T − 100)3 ) , A = 3,96.10−3 / 0 C; B = −5,847.10 −7 / 0 C 2 , C = −4,356.10 −12 / 0 C 3 Trong thực tế người ta thường sử dụng nhiệt điện trở Platin được chế tạo dưới dạng chuẩn Pt100 để làm cảm biến đo nhiệt độ từ 00C1000C. Khi đó : Rt=R0(1+αt), α ≈ 3,9.103/0C Môn học: PTTĐ 20 GV: Vũ Xuân Đức