MÔN HỌC: CẢM BIẾN CÔNG NGHIỆP
Chương 1: Khái niệm và các đặc trưng cơ bản Chương 2: Cảm biến đo quang Chương 3: Cảm biến đo nhiệt độ Chương 4: Cảm biến đo vị trí & dịch chuyển Chương 5: Cảm biến đo biến dạng Chương 6: Cảm biến đo lực Chương 7: Cảm biến đo vận tốc, gia tốc và rung Chương 8: Cảm biến đo áp suất Chương 9: Cảm biến đo lưu lượng và mức chất lưu Đọc thêm: Cảm biến đo một số chỉ tiêu công nghệ - Truyền kết quả đi xa - Cảm biến thông minh
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Bài giảng CẢM BIẾN CÔNG NGHIỆP 2. Giáo trình CẢM BIẾN CÔNG NGHIỆP – Hoàng Minh Công – NXB XÂY DỰNG NĂM 2007.
1. 2. 3.
1. Khái niệm và phân loại
1.1. Khái niệm • Cảm biến là bộ phận dùng để cảm nhận và biến đổi các đại lượng vật lý cần đo (có tính chất điện hoặc không) thành các đại lượng đo (thường mang tính chất điện) chứa đựng thông tin cho phép xác định giá trị của đại lượng cần đo.
.
1.1. Khái niệm
• Đại lượng đầu vào (hay kích thích) (m): Tác động của đại lượng cần đo (có tính chất điện hoặc không) • Đại lượng đầu ra (hay đáp ứng )(s): Tín hiệu ra của CB (thường mang tính chất điện). • Đáp ứng (s) là hàm đơn trị của đại lượng )m(Fs = Thông qua đo (s) → xác định giá trị (m).
cần đo (m):
1.2. Phân loại cảm biến
2. Các đặc trưng cơ bản của cảm biến
2.1. Đường cong chuẩn 2.2. Độ nhạy 2.3. Độ tuyến tính 2.4. Độ chính xác 2.5. Độ nhanh và thời gian hồi đáp 2.6. Giới hạn sử dụng
2.1. Đường cong chuẩn
a) Khái niệm đường cong chuẩn: đường cong biểu diễn sự phụ thuộc của đáp ứng (s) ở đầu ra của cảm biến vào giá trị của đại lượng đo (m) ở đầu vào.
• Biểu diễn: + Bằng biểu thức đại số. + Bằng đồ thị.
2.1. Đường cong chuẩn
• Biểu diễn bằng biểu thức đại số
s= F(m)
s= a.m +b
Ví dụ cảm biến tuyến tính: Trong đó: a, b là các hằng số.
2.1. Đường cong chuẩn
2.1. Đường cong chuẩn
b) Chuẩn cảm biến: phép đo xác lập mối quan hệ giữa giá trị (s) đo được của đại lượng đầu ra của CB và giá trị (m) của đại lượng cần đo có tính đến các yếu tố ảnh hưởng, trên cơ sở đó xây dựng đường cong chuẩn dưới dạng tường minh (đồ thị hoặc biểu thức đại số).
2.1. Đường cong chuẩn
b) Phương pháp chuẩn: • Chuẩn đơn giản: áp dụng khi cảm biến chỉ chịu tác động của một đại lượng đo duy nhất.
• Chuẩn nhiều lần: áp dụng khi cảm biến có phần tử trễ, kết quả đo theo hai chiều tăng giảm của đại lượng đo khác nhau.
2.1. Đường cong chuẩn
• Chuẩn đơn giản: đo các giá trị của đại lượng đầu ra (si) ứng với một loạt các giá trị xác định không đổi của đại lượng đầu vào (mi). Chuẩn trực tiếp: giá trị của đại lượng đo lấy từ các mẫu chuẩn hoặc các phần tử so sánh có giá trị biết trước với độ chính xác cao.
(cid:222)
Chuẩn gián tiếp: kết hợp CB cần chuẩn với một CB so sánh đã có sẵn đường cong chuẩn (trong cùng điều kiện làm việc).
(cid:222)
2.1. Đường cong chuẩn
• Chuẩn nhiều lần: đo các giá trị (si) của
s si
si’ si
m
mi
m
mi
đại lượng đầu ra ứng với một loạt các giá trị (mi) của đại lượng đầu vào theo hai chiều tăng và giảm của đại lượng cần đo.
Chuẩn đơn giản
Chuẩn nhiều lần
2.2. Độ nhạy
a) Độ nhạy trong chế độ tĩnh: xác định bởi tỉ số giữa biến thiên đầu ra (D s) trên biến thiên đầu vào (D m).
=
S
D
s m
D
=
=
const
D
s m
D
S - Cảm biến tuyến tính:
(cid:222) Không phụ thuộc điểm làm việc của CB.
2.2. Độ nhạy
=
S
const
D (cid:246) (cid:230) „ (cid:247) (cid:231)
s m
= imm
D ł Ł - Cảm biến phi tuyến tính:
(cid:222)
s
s
(si,mi)
α
α
m
m
Độ nhạy phụ thuộc điểm làm việc của CB.
2.2. Độ nhạy
b) Hệ số chuyển đổi tĩnh: xác định bởi tỷ số giữa giá trị ở đầu ra và giá trị ở đầu vào tại điểm làm việc Qi đang xét:
=
(cid:246) (cid:230)
r
i
(cid:247) (cid:231)
s m
iQ
ł Ł
(cid:222)
Hệ số CĐT bằng độ nhạy S khi đặc trưng tĩnh của cảm biến là đường thẳng đi qua gốc tọa độ.
2.2. Độ nhạy
c) Độ nhạy trong chế độ động: được xác định khi đại lượng đo biến thiên tuần hoàn theo thời gian.
t )j+
w
= s
w • Kích thích: • Đáp ứng:
( ) + .mmtm cos 0 1 ( ( ) = + ts .s cos t 1
0
(cid:246) (cid:230)
=
S
s 1 m
(cid:222) (cid:247) (cid:231) Độ nhạy: (cid:247) (cid:231)
1
0Q
ł Ł
2.3. Độ tuyến tính
a) Khái niệm: • Trong chế độ tĩnh, độ tuyến tính biểu thị sự không phụ thuộc của độ nhạy vào giá trị của đại lượng đo (cid:222) đặc trưng tĩnh là đoạn thẳng.
• Trong chế độ động, biểu thị sự không phụ thuộc của độ nhạy S, của các thông số hồi đáp của CB (f0,x …)vào giá trị của đại lượng đo.
2.3. Độ tuyến tính
b) Đường thẳng tốt nhất: đường thẳng xây dựng trên cơ sở các số liệu thực nghiệm khi chuẩn cảm biến sao cho sai số là bé + nhất.
=
- (cid:229) (cid:229) (cid:229)
bm.as .N m.s i
i
i
=
a
m.s i )2
(
m
m.N
i
2 i
Trong đó: - (cid:229) (cid:229)
=
b
- (cid:229) (cid:229) (cid:229) (cid:229)
m.s.m i i i ( ) 2 m i
2 m.s i i 2 m.N i
- (cid:229) (cid:229)
2.3. Độ tuyến tính
s
c) Độ lệch tuyến tính: xác định bởi độ lệch cực đại giữa đường cong chuẩn và đường thẳng tốt nhất, tính bằng % trong dải đo.
m
e
2.4. Sai số và độ chính xác
a) Sai số: sai lệch giữa giá trị đo được (m) và giá trị thực của đại lượng cần đo (A).
100.
Am-=d Am - =e • Sai số tương đối: (%) A
• Sai số tuyệt đối:
• Theo nguyên nhân chia ra:
- Sai số hệ thống.
- Sai số ngẫu nhiên.
2.4. Sai số và độ chính xác
• Sai số hệ thống: sai số mà giá trị và quy
luật có thể biết trước.
• Nguyên nhân:
+ Do giá trị của đại lượng chuẩn không đúng. + Do đặc tính của cảm biến. + Sai số do điều kiện và chế độ sử dụng. + Sai số do xử lý kết quả sai.
2.4. Sai số và độ chính xác
• Sai số ngẫu nhiên: Sai số xuất hiện ngẫu nhiên, dấu và biên độ của nó mang tính không xác định. • Nguyên nhân:
+ Sai số do tính không xác định của đặc trưng cảm biến; + Sai số do tín hiệu nhiễu ngẫu nhiên; + Sai số do sự thay đổi của các đại lượng ảnh hưởng.
2.4. Sai số và độ chính xác
• Đánh giá sai số: - Sai số hệ thống: kiểm tra cảm biến và thiết
bị phụ trợ. -Sai số ngẫu nhiên: ước lượng bằng phương pháp xử lý thống kê fi xác định giá trị xác suất của đại lượng đo, giới hạn của sai số.
2.4. Sai số và độ chính xác
2
..
2 n
=s
=
ø Ø d
y
exp.
2
d++d+d 2 2 1 2 n
- Với œ Œ
2
1 2
s p s ß º
2.4. Sai số và độ chính xác
b) Độ chính xác: đánh giá bởi tính đúng đắn
và tính trung thực của cảm biến.
• Tính đúng đắn cao: sai số hệ thống bé, giá trị xác suất thường gặp gần với giá trị thực. • Tính trung thực cao: sai số ngẫu nhiên nhỏ, kết quả các lần đo tập trung xung quanh giá trị trung bình. CB có độ chính xác cao là CB biến cho kết quả đo đơn lẽ gần với giá trị thực của đại lượng đo.
2.4. Sai số và độ chính xác
2.4. Sai số và độ chính xác
• Cấp chính xác của CB: xác định theo sai
-
100.
mm i M
số quy dẫn: =c %
c Cấp chính xác là sai số quy dẫn cực đại max. Thường gặp: 0,5; 1,0; 1,5
2.5. Độ nhanh và thời gian hồi đáp
a) Khái niệm: Độ nhanh là khả năng theo kịp về thời gian của đại lượng đầu ra khi đại lượng đầu vào biến thiên (cid:222) xác định bởi thời gian hồi đáp (th): khoảng thời gian cần thiết phải chờ đợi sau khi có sự biến thiên của đại lượng cần đo để lấy giá trị của đầu ra với độ chính xác định trước.
2.5. Độ nhanh và thời gian hồi đáp
s 0s
t
t
t trê
g trê
2.6. Giới hạn sử dụng của cảm biến
a) Vùng làm việc danh định: tương ứng với những điều kiện sử dụng bình thường của cảm biến.
• Giới hạn của vùng là các giá trị ngưỡng mà các đại lượng đo, các đại lượng vật lý liên quan, các đại lượng ảnh hưởng thường xuyên đạt tới mà không làm thay đổi các đặc trưng làm việc danh định của cảm biến.
2.6. Giới hạn sử dụng của cảm biến
b) Vùng không gây nên hư hỏng: vùng mà khi các đại lượng đo, các đại lượng vật lý có liên quan, các đại lượng ảnh hưởng vượt qua ngưỡng của vùng làm việc danh định nhưng vẫn còn nằm trong phạm vi:
đổi mang tính thuận nghịch. • Không gây nên hư hỏng. • Các đặc trưng của cảm biến có thể bị thay
2.6. Giới hạn sử dụng của cảm biến
c)Vùng không phá hủy: các đại lượng đo, các đại lượng vật lý có liên quan, các đại lượng ảnh hưởng vượt qua ngưỡng của vùng không gây nên hư hỏng nhưng vẫn còn nằm trong phạm vi:
• CB không bị phá hủy. • Các đặc trưng của cảm biến bị thay đổi
(cid:222) mang tính không thuận nghịch. phải tiến hành chuẩn lại cảm biến.
3. Nguyên lý chế tạo CB
3.1. Nguyên lý chế tạo cảm biến tích cực:
dựa trên các hiệu ứng vật lý:
• Hiệu ứng nhiệt điện • Hiệu ứng hoả điện • Hiệu ứng áp điện • Hiệu ứng cảm ứng điện từ • Hiệu ứng quang điện • Hiệu ứng quang - điện - từ • Hiệu ứng Hall
3.1. Nguyên lý chế tạo CB tích cực
3.1. Nguyên lý chế tạo CB tích cực
3.1. Nguyên lý chế tạo CB tích cực
V
3.1. Nguyên lý chế tạo CB tích cực
3.1. Nguyên lý chế tạo CB tích cực
H
3.1. Nguyên lý chế tạo CB tích cực
3.2. Nguyên chế tạo cảm biến thụ động
, e …).
• Cảm biến là một trở kháng có các thông số chủ yếu nhạy với đại lượng cần đo. Khi đại lượng đo tác động đến kích thước hình học hoặc tính chất điện (r , m hoặc đồng thời cả hai (cid:222) kháng. Đo trở kháng fi thay đổi trở đại lượng đo.
