CẢM BIẾN VÀ ỨNG DỤNG - PHẦN 1

Chia sẻ: Nguyễn Nhi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:6

Thêm vào BST

Báo xấu

400
lượt xem 140
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Trong các hệ thống điều khiển tự động, cảm biến đóng vai trò hết sức quan trọng vì nó là thiết bị cung cấp thông tin của quá trình điều khiển cho bộ điều khiển để bộ điều khiển đưa ra những quyết định phù hợp nhằm nâng cao chất lượng của quá trình điều khiển. Có thể so sánh các cảm biến trong hệ thống điều khiển tự động như là các giác quan của con người. Nội dung của chương này sẽ trình bày một số loại cảm biến thông dụng trong công nghiệp và các ứng dụng...

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: CẢM BIẾN VÀ ỨNG DỤNG - PHẦN 1

CAÛM BIEÁN VAØ ÖÙNG DUÏNG. Trong caùc heä thoáng ñieàu khieån töï ñoäng, caûm bieán ñoùng vai troø heát söùc quan troïng vì noù laø thieát bò cung caáp thoâng tin cuûa quaù trình ñieàu khieån cho boä ñieàu khieån ñeå boä ñieàu khieån ñöa ra nhöõng quyeát ñònh phuø hôïp nhaèm naâng cao chaát löôïng cuûa quaù trình ñieàu khieån. Coù theå so saùnh caùc caûm bieán trong heä thoáng ñieàu khieån töï ñoäng nhö laø caùc giaùc quan cuûa con ngöôøi. Noäi dung cuûa chöông naøy seõ trình baøy moät soá loaïi caûm bieán thoâng duïng trong coâng nghieäp vaø caùc öùng duïng cuûa noù. I. CAÙC ÑÒNH NGHÓA VAØ ÑAËC TRÖNG CHUNG: I.1 Ñònh Nghóa Caûm Bieán: Caùc heä thoáng ñieàu khieån töï ñoäng trong coâng nghieäp coù voâ soá caùc ñaïi löôïng vaät lyù caàn ño nhö: nhieät ñoä, aùp suaát, dòch chuyeån, löu löôïng, troïng löôïng … caàn ño. Caùc ñaïi löôïng vaät lyù naøy khoâng coù tính chaát ñieän, trong khi ñoù caùc boä ñieàu khieån vaø caùc cô caáu chæ thò laïi laøm vieäc vôùi tín hieäu ñieän vì theá phaûi coù thieát bò ñeå chuyeån ñoåi caùc ñaïi löôïng vaät lyù khoâng coù tính chaát ñieän thaønh ñaïi löôïng ñieän töông öùng mang ñaày ñuû caùc tính chaát cuûa ñaïi löôïng vaät lyù caàn ño. Thieát bò chuyeån ñoåi ñoù laø caûm bieán. a. Caûm bieán: Caûm bieán laø thieát bò chòu taùc ñoäng cuûa caùc ñaïi löôïng vaät lyù khoâng coù tính chaát ñieän m vaø cho ra moät ñaïi löôïng vaät lyù coù tính chaát ñieän x nhö: ñieän trôû, ñieän tích, ñieän aùp, doøng ñieän töông öùng vôùi m. Ñaïi löôïng Ñaïi löôïng Caûm bieán ñieän x caàn ño m Quan heä giöõa s vaø m x = f(m) ñöôïc goïi laø phöông trình chuyeån ñoåi cuûa caûm bieán, haøm f() phuï thuoäc vaøo caáu taïo, vaät lieäu laøm caûm bieán … Ñeå cheá taïo caûm bieán, ngöôøi ta söû duïng caùc hieäu öùng vaät lyù. b. Caûm bieán tích cöïc: Caûm bieán tích cöïc hoaït ñoäng nhö moät nguoàn aùp hoaëc nguoàn doøng ñöôïc bieåu dieãn baèng moät maïng hai cöûa coù nguoàn. c. Caûm bieán thuï ñoäng: Caûm bieán thuï ñoäng ñöôïc moâ taû nhö moät maïng hai cöûa khoâng nguoàn, coù trôû khaùng phuï thuoäc vaøo caùc kích thích. I.2 Caùc Hieäu ÖÙng Vaät Lyù: a. hieäu öùng hoaû ñieän: Moät soá tinh theå goïi laø tinh theå hoaû ñieän (thí duï nhö tinh theå sulfate triglycine), coù tính phaân cöïc ñieän töï phaùt phuï thuoäc vaøo nhieät ñoä. Treân caùc beà maët ñoái dieän cuûa chuùng toàn taïi nhöõng ñieän tích traùi daáu coù ñoä lôùi tyû leä thuaän vôùi ñoä phaân cöïc ñieän. Hieäu öùng hoûa ñieän ñöôïc söû duïng ñeå cheá taïo caûm bieán ño thoâng löôïng buùc xaï cuûa aùnh saùng. Khi tinh theå hoaû ñieän haáp thuï aùnh saùng, nhieät ñoä cuûa noù taêng leân laøm thay ñoåi phaân cöïc ñieän. Söï thay ñoäi phaân cöïc naøy coù theå xaùc ñònh ñöôïc baèng caùch ño söï bieán thieân ñieän aùp treân hai cöïc cuûa tuï ñieän. 58
φ V→φ Hình 1.2 Hieäu öùng hoûa ñieän b. Hieäu öùng aùp ñieän: Khi taùc ñoäng moät löïc cô hoïc leân moät vaät laøm baèng chaát aùp ñieän (Ví duï nhö Thaïch anh), seõ laøm cho vaät ñoù bò bieán daïng vaø laøm xuaát hieän treân hai maët ñoái dieän cuûa vaät ñoù moät löôïng ñieän tích baèng nhau nhöng traùi daáu. Hieäu öùng naøy ñöôïc duøng ñeå cheá taïo caùc caûm bieán ño löïc, ño aùp suaát, gia toác … thoâng qua vieäc ño ñieän tích treân 2 cöïc cuûa tuï ñieän. F V→φ Hình 1.3 Hieäu öùng aùp ñieän Hieäu öùng naøy do nhaø vaät lyù hoïc ngöôøi phaùp laø Pierre Curie phaùt hieän vaøo naêm 1880. c. Hieäu öùng caûm öùng ñieän töø: Khi moät thanh daãn chuyeån ñoäng trong töø tröôøng seõ xuaát hieän moät söùc ñieän ñoäng tyû leä vôùi bieán thieân cuûa töø thoâng nghóa laø tyû leä vôùi toác ñoä chuyeån ñoäng cuûa thanh daãn. Hieäu öùng ñieän töø ñöôïc öùng duïng ñeå cheá taïo caûm bieán ño toác ñoä dòch chuyeån cuûa vaät thoâng qua vieäc ño söùc ñieän ñoäng caûm öùng. B ω e Hình 1.4 Hieäu öùng ñieän töø Hieäu öùng naøy do nhaø vaät lyù hoïc ngöôøi Anh laø M.Faraday phaùt hieän vaøo naêm 1831. d. Hieäu öùng quang ñieän: Baûn chaát cuûa hieäu öùng quang ñieän laø hieän töôïng giaûi phoùng caùc haït daãn töï do trong vaät lieäu döôùi taùc duïng cuûa böùc xaï aùnh saùng. Hieäu öùng naøy do Einstein phaùt hieän vaøo naêm 1905 vaø ñöôïc öùng duïng ñeå cheá taïo caùc caûm bieán quang. e. Hieäu öùng quang ñieän trong chaát baùn daãn: Khi moät chuyeån tieáp P-N ñöôïc chieáu saùng seõ phaùt sinh ra caùc caëp ñieän töû – loã troáng, chuùng chuyeån ñoäng döôùi taùc duïng cuûa ñieän tröôøng cuûa chuyeån tieáp laøm thay ñoåi hieäu ñieän theá giöõa hai ñaàu chuyeån tieáp. Hieäu öùng naøy cuõng thöôøng ñöôïc duøng ñeå cheá taïo caûm bieán quang. 59
f. Hieäu öùng nhieät ñieän: Khi hai daây daãn coù baûn chaát hoùa hoïc khaùc nhau, ñöôïc haøn kín seõ xuaát hieän moät söùc ñieän ñoäng tyû leä vôùi nhieät ñoä moái haøn. Hieäu öùng naøy do Seebeck phaùy hieän vaøo naêm 1821 vaø ñöôïc öùng duïng ñeå cheá taïo caûm bieán nhieät ñoä. I.2 Caùc thoâng soá ñaëc tröng cuûa caûm bieán: a. Ñoä nhaïy cuûa caûm bieán: Ñoä nhaïy cuûa caûm bieán ôû giaù trò m = m0 laø tyû soá giöõa bieán thieân ôû ngoõ ra cöûa caûm bieán ∆x vaø bieán thieân ôû ngoõ vaøo ∆m trong laân caän cuûa m0. Goïi s laø ñoä nhaïy cuûa caûm bieán: ∆x ∆x ∂x (1.1) s= = lim = ∆m m → m0 ∆m ∂m m → m0 m = m0 b. Sai soá cuûa caûm bieán: Sai soá cuûa caûm bieán laø sai leäch giöõa giaù trò ño ñöôïc baèng caûm bieán vaø giaù trò thöïc cuûa ñaïi löôïng caàn ño, ñöôïc ñaùnh giaù baèng %. Neáu goïi x laø giaù trò thöïc cuûa ñaïi löôïng caàn ño, ∆x laø sai leäch giöõa giaù trò ño vaø giaù trò thöïc (goïi laø sai soá tuyeät ñoái), thì sai soá cuûa caûm bieán laø δ ñöôïc xaùc ñònh nhö sau: ∆x (1.2) δ= .100 x Ví duï: Moät caûm bieán nhieät ñoä coù ñoä nhaïy laø: s = 0,1 [mV/oC], taïo ra ñieän aùp ôû 100 [0C] laø 10,5 [mV] thì sai soá cuûa caûm bieán laø: 10,5 − 10 (1.3) δ= .100 = 5% 10 Sai soá cuûa caûm bieán ñöôïc chia thaønh 2 loaïi: sai soá heä thoáng vaø sai soá ngaãu nhieân. Sai soá heä thoáng: Sai soá heä thoáng laø sai soá khoâng phuï thuoäc vaøo soá laàn ño, coù giaù trò khoâng ñoåi hoaëc thay ñoåi chaâm theo thôøi gian. Caùc nguyeân nhaân gaây ra sai soá heä thoáng: - Do nguyeân lyù cuûa caûm bieán. - Do ñaëc tính cuûa boä caûm bieán. - Do cheá ñoä vaø ñieàu kieän söû duïng caûm bieán. - Do xöû lyù keát quaû ño. Sai soá ngaãu nhieân: Sai soá ngaãu nhieân laø sai soá xuaát hieän coù ñoä lôùn vaø chieàu khoâng xaùc ñònh. Nguyeân nhaân gaây sai soá ngaãu nhieân: - Do söï thay ñoåi ñaëc tính cuûa thieát bò. - Do tín hieäu nhieãu ngaãu nhieân. - Do aûnh höôûng bôûi caùc thoâng soá moâi tröôøng nhö: töø tröôøng, nhieät ñoä, ñoä aûm, ñoä rung … c. Ñoä tuyeán tính cuûa caûm bieán: Caûm bieán ñöôïc goïi laø tuyeán tình trong moät daûi ño neáu coù ñoä nhaïy khoâng ñoåi trong ôû moïi ñieåm trong daûi ño. 60
I.3 Maïch Xöû Lyù Tín Hieäu Caûm Bieán: Ñaùp öùng ngoõ ra cuûa caûm bieán thöôøng laø khoâng phuø hôïp vôùi caùc cô caáu chæ thò hoaëc caùc thieát bò ñoïc tín hieäu hoài tieáp trong caùc heä thoáng ñieàu khieån vì vaäy caàn coù moät maïch xöû lyù (chuyeån ñoåi tín hieäu) cho phuø hôïp vôùi caùc cô caáu naøy. Sô ñoà khoái minh hoïa vieäc keát hôïp giöõa caûm bieán vaø maïch xöû lyù tín hieäu nhö hình I.5 Ñaïi löôïng ño Tôùi cô caáu ño Maïch xuû lyù Caûm bieán tín hieäu ño Hình 1.5 Maïch ño vaø caûm bieán a. Caùc maïch khueách ñaïi trong ño löôøng: Do caùc tín hieäu ñieän ôû ngoõ ra cuûa caùc caûm bieán thöôøng raát nhoû, ñeå taêng giaù trò cuûa caùc tín hieäu naøy ta duøng caùc maïch khueách ñaïi. - Maïch khueách ñaïi ñaûo: R2 3 2 81 4 1 R2 Ñaàu vaøo OP-07 2 Ñaàu ra - 6 3 + 7 Hình 1.6 Maïch khueách ñaïi ñaûo vôùi bieán trôû chænh offset R2 (1.4) Vo = − Vi R1 Vôùi Vo laø ñieän aùp ôû ñaàu ra, Vi laø ñieän aùp ôû ñaàu vaøo. - Maïch khueách ñaïi khoâng ñaûo: 7 Ñaàu vaøo OP-07 3 Ñaàu ra + 6 2 - 4 38 1 2 R2 1 R1 Hình 1.7 Maïch khueách ñaïi khoâng ñaûo vôùi bieán trôû chænh offset 61
 R (1.5) Vo = 1 + 2 Vi  R1    Vôùi Vo laø ñieän aùp ôû ñaàu ra, Vi laø ñieän aùp ôû ñaàu vaøo. - Maïch laëp laïi ñieän aùp: U2 7 1 Ñaàu vaøo 3 Ñaàu ra + 6 2 - OP07 4 8 Hình 1.8 Maïch laëp laïi ñieän aùp Vo = Vi (1.6) Vôùi Vo laø ñieän aùp ôû ñaàu ra, Vi laø ñieän aùp ôû ñaàu vaøo. - Maïch khueách ñaïi vi sai: R2 U2 R1 V1 2 Vo - 6 V2 3 + R3 OP07 R4 Hình 1.9 Maïch khueách ñaïi vi sai R2 (V1 − V2 ) (1.7 ) Choïn R1 = R3, R2 = R4 thì: Vo = − R1 - Maïch khueách ñaïi duïng cuï: V1 3 R2 R3 + 6 2 - R OP07 2 Vo - 6 Ra 3 + OP07 R 2 R2 - 6 V2 3 + R3 OP07 Hình 1.10 Maïch khueách ñaïi duïng cuï 62
 2 R  R3  (V1 − V2 ) (1.8) Vo =  1 + Ra  R2  b. Maïch caàu Wheatstone: Maïch caàu Wheastone duøng ñeå chuyeån ñoåi söï thay ñoåi cuûa ñieän trôû thaønh söï thay ñoåi cuûa ñieän aùp treân ñöôøng cheùo cuûa caàu. Vcc Ro Ro V+ V- Ro Rx Hình 1.11 Maïch caàu wheastone Trong sô ñoà treân Rx = Ro + ∆R, ∆U = V+ - V- ta coù:  R + ∆R 1  ∆R (1.9) ∆U =  o  2 R + ∆R − 2 Vcc = 2(2 R + ∆R ) Vcc  o  o Neáu ∆R