Đề cương bài giảng: Kỹ thuật cảm biến

Chia sẻ: VŨ QUANG MINH | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:113

0
281
lượt xem
132
download

Đề cương bài giảng: Kỹ thuật cảm biến

Mô tả tài liệu
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Môn học kỹ thuật cảm biến là một môn học chuyên môn của học viên ngành điện công nghiệp. Mô đun này nhằm trang bị cho học viên những kiến thức về nguyên lý, cấu tạo, các mạch ứng dụng trong thực tế của một số loại cảm biến

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Đề cương bài giảng: Kỹ thuật cảm biến

  1. Đề cương bài giảng: Kỹ thuật cảm biến LỜI NÓI ĐẦU Trong nền công nghiệp sản xuất hiện đại ngày nay, rất nhiều nhà máy xí nghiệp đã trang bị cho mình những dây chuyền sản xuất tự động hoặc bán tự động. Các loại cảm biến đã có mặt trong hầu hết các lĩnh vực điều khiển tự động, nó đóng một vai trò rất quan trọng, không một thiết bị nào có thể thay thế được. Việc trang bị cho mình một kiến thức về các loại cảm biến là nhu cầu bức thiết của các kỹ thuật viên, kỹ sư ngành điện cũng như các ngành khác. Môn học kỹ thuật cảm biến là một môn học chuyên môn của học viên ngành điện công nghiệp. Mô đun này nhằm trang bị cho học viên những kiến thức về nguyên lý, cấu tạo, các mạch ứng dụng trong thực tế của một số loại cảm biến...Với các kiến thức này học viên có thể áp dụng trực tiếp vào lĩnh vực sản xuất cũng như đời sống. Ngoài ra các kiến thức này dùng làm phương tiện để học tiếp các mô đun chuyên ngành điện như trang bị điện, PLC cơ bản, PLC nâng cao... Mô đun này cũng có thể là tài liệu tham khảo cho các học viên, cán bộ kỹ thuật của các ngành khác quan tâm đến lĩnh vực này. Biên soạn: GV Nguyễn Đức Quý Page 1
  2. Đề cương bài giảng: Kỹ thuật cảm biến BÀI MỞ ĐẦU: CẢM BIẾN VÀ ỨNG DỤNG 1. Khái niệm cơ bản về các bộ cảm biến Trong quá trình sản xuất có nhiều đại lượng vật lý như: Nhiệt độ, áp suất, tốc độ, khoảng cách, lưu lượng... cần được xử lý cho đo lường và điều khiển. Các bộ cảm biến thực hiện chức năng này. Bộ cảm biến còn có tên gọi khác là đ ầu dò, bộ nhận biết. Cảm biến là một bộ chuyển đổi kỹ thuật để chuyển đổi các đại l ượng vật lý không mang bản chất điện như nhiệt độ, áp suất, khoảng cách...sang một đại lượng khác để đo, đếm được. Các đại lượng này phần lớn là tín hiệu điện như điện áp, dòng điện, điện trở, tần số...Các bộ cảm biến được định nghĩa theo nghĩa rộng là thiết bị cảm nhận và đáp ứng các tín hiệu. Cảm biến là một thiết bị chịu tác động của đại lượng cần kiểm tra m không có tính chất điện và cho ta một đặc trưng mang bản chất điện (như điện tích, điện áp, dòng điện hoặc trở kháng) ký hiệu là s. Đặc trưng điện s là hàm của đại lượng cần đo m. Công thức tính : s = f(m) Trong đó s là đại lượng đầu ra hoặc phản ứng của cảm biến và m là đại l ượng đầu vào hay kích thích (có nguồn gốc là đại lượng cần đo). Việc đo đ ạc s cho phép nhận biết giá trị của m. Biên soạn: GV Nguyễn Đức Quý Page 2
  3. Đề cương bài giảng: Kỹ thuật cảm biến Hình 1.1: Sự biến đổi của đại lượng cần kiểm tra m và phản ứng s theo thời gian. 2 Các đặc tính tĩnh và động của cảm biến. 2.1 Độ nhạy a) Định nghĩa Độ nhạy S xung quanh một giá trị không đổi mi của đại lượng cần kiểm tra được xác định bởi tỷ số biến thiên Δs của đại lượng ở đầu ra và biến thiên Δm tương ứng của đại lượng kiểm tra ở đầu vào:  ∆s  S=   ∆m  m=mi Thông thường cảm biến được sản xuất có những độ nhạy S tương ứng với những điều kiện làm việc nhất định của cảm biến. Điều này cho phép lựa chọn đ ược cảm biến thích hợp để sao cho mạch kiểm tra thoả mãn các điều kiện đặt ra. Đơn vị đo của độ nhạy phụ thuộc vào nguyên lý làm việc của cảm biến và các đại lượng liên quan, ví dụ: - Ω/OC đối với nhiệt điện trở. - µV/ OC đối với cặp nhiệt. Đối với các cảm biến khác nhau cùng dựa trên một nguyên lý vật lý, trị số của độ nhạy S có thể phụ thuộc vào vật liệu, kích thước hay kiểu lắp ráp. Vấn đề quan trọng là khi thiết kế và chế tạo cảm biến làm sao để khi sử dụng cảm biến độ nhạy S của chúng không đổi, nghĩa là S ít phụ thuộc nhất và các yếu tố sau: - Giá trị của đại lượng cần đo m (độ tuyến tính) và tần số thay đ ổi của nó (dải thông) - Thời gian sử dụng (độ già hoá). - Ảnh hưởng của các đại lượng vật lý khác (không phải đại lượng cần đo) của môi trường xung quanh. Đây chính là những căn cứ để so sánh và lựa chọn cảm biến. Biên soạn: GV Nguyễn Đức Quý Page 3
  4. Đề cương bài giảng: Kỹ thuật cảm biến b) Độ nhạy trong chế độ tĩnh. Chuẩn cảm biến ở chế độ tĩnh là dựng lại các giá trị si của đại lượng điện ở đầu ra tương ứng với các giá trị không đổi mi của đại lượng đo khi đại lượng này đạt giá trị làm việc danh định (ứng với giá trị cực đại tức thời). Đặc trưng tĩnh của cảm biến chính là dạng chuyển đổi đồ thị của việc chuẩn đó và điểm làm việc Q i của cảm biến chính là đặc trưng tĩnh tương ứng với các giá trị si, mi. Độ nhạy trong chế độ tĩnh chính là độ dốc của đặc tuyến tĩnh ở điểm làm việc. Nếu đặc tuyến tĩnh không phải là tuyến tính thì độ nhạy trong chế độ tĩnh phụ thuộc vào điểm làm việc. Với đặc tuyến tĩnh (đường cong chuẩn) của cảm biến thể hiện mối quan hệ giữa đối tượng tác động m và đại lượng đầu ra là tuyến tính thì độ nhạy của cảm biến phụ thuộc vào độ dốc của đặc trưng tĩnh đó. Nếu độ dốc của nó càng l ớn thì đ ộ nh ạy càng tăng, tức là với một sự biến thiên ∆m rất nhỏ cũng cho ta một đại lượng đầu ra ∆s tương đối lớn. Được mô tả trên hình vẽ sau. s § Æ trung tÜ 2 c nh s2 § Æ trung tÜ 1 c nh s1 m m Hình 1.2: Sự phụ thuộc của độ nhạy S vào độ dốc của đặc trưng tĩnh. Rõ ràng chúng ta thấy ∆s1 nhỏ hơn ∆s2 như vậy độ nhạy của cảm biến có đặc truyến với độ dốc lớn tức là biến thiên đầu vào nhỏ và cho ta 1 sự thay đổi lớn ở đầu ra. c) Độ nhạy trong chế độ động Biên soạn: GV Nguyễn Đức Quý Page 4
  5. Đề cương bài giảng: Kỹ thuật cảm biến Độ nhạy trong chế độ động được xác định khi đại lượng kiểm tra là hàm tuần hoàn của thời gian. Trong điều kiện như vậy, đại lượng đầu ra s ở chế đ ộ làm việc danh định cũng là hàm tuần hoàn theo thời gian giống như đại lượng kiểm tra. Giả sử đại lượng kiểm tra có dạng: m(t) = m0 + m1cosωt Trong đó: - m0 là giá trị không đổi - m1 là biên độ - f = ω/2π là tần số biến thiên của đại lượng kiểm tra. Vậy ở đầu ra của cảm biến ta thu được đại lượng s có dạng: s(t) = s0 + s1cos(ωt + φ) Trong đó: - s0 là đại lượng không đổi tương ứng với m 0 xác định điểm Q0 trên đường cong chuẩn ở chế độ tĩnh. - s1 là biên độ biến thiên ở đầu ra do thành phần biến thiên của đ ại l ượng ki ểm tra m1 gây nên. - φ là độ lệch pha giữa đầu vào và đầu ra của cảm biến. Độ nhạy trong trường hợp này được xác định như sau: s  S= 1   m1  Q0 Ngoài ra trong chế độ động độ nhạy của cảm biến còn phụ thuộc vào tần số của đại lượng đo m và ta có S(f) xác định đặc tính tần số của cảm biến. 2.2 Điều kiện có tuyến tính Một cảm biến được gọi là tuyến tính trong một dải đo xác định nếu trong dải đó độ nhạy không phụ thuộc vào giá trị của đại lượng đo. Biên soạn: GV Nguyễn Đức Quý Page 5
  6. Đề cương bài giảng: Kỹ thuật cảm biến Nếu như cảm biến không phải là tuyến tính, người ta có thể đưa vào mạch đo các thiết bị hiệu chỉnh, gọi là tuyến tính hoá, có tác dụng làm cho tín hiệu điện tỷ lệ với sự thay đổi của đại lượng đo. Trong chế độ tĩnh, độ tuyến tính thể hiện bằng các đoạn thẳng trên đặc tuyến tĩnh và hoạt động của cảm biến là tuyến tính chừng nào các thay đổi của đại lượng kiểm tra còn ở trong vùng này. Trong chế độ động, độ tuyến tính bao gồm sự không phụ thuộc của độ nhạy ở chế độ tĩnh S(0) vào đại lượng đo m, đồng thời các thông số quy ết đ ịnh (nh ư t ần s ố riêng f0 của dao động không tắt, hệ số tắt dần ξ) cũng không phụ thuộc vào đ ại l ượng đo. 2.3 Độ nhanh và thời gian hồi đáp Độ nhanh là đặc trưng của cảm biến cho phép đánh giá xem đại lượng đầu ra có theo kịp về thời gian với biến thiên của đại lượng đo không. - Độ nhanh là khoảng thời gian mà từ khi đại lượng đo thay đổi đột ngột đến khi biến thiên của đại lượng đầu ra s của cảm biến chỉ còn khác giá tr ị cu ối cùng c ủa nó một lượng được quy định bằng ε%. - Thời gian hồi đáp là đại lượng được sử dụng để xác định giá trị của độ nhanh. Cảm biến càng nhanh thì thời gian hồi đáp càng nhỏ. Thời gian hồi đáp đặc trưng cho tốc độ thay đổi của quá trình quá độ và là hàm của các thông số xác định chế độ này. Biên soạn: GV Nguyễn Đức Quý Page 6
  7. Đề cương bài giảng: Kỹ thuật cảm biến m m0 0 t s s0 0 ,9 0,1 0 to t+ s t1 t- s t Hình 1.3: Các khoảng thời gian khác nhau đặc trưng cho quá trình quá độ Kết luận: Khi đánh giá lựa chọn một cảm biến hay phải so sánh chúng với nhau ta cần phải chú ý những đặc tính cơ bản sau đây: - Phải xét đến khả năng có thể thay thế các cảm biến. Tức là khi chế tạo một loại cảm biến ta phải tính đến khả năng chế tạo nhiều cảm biến với các đặc tính như nhau đã cho trước. Như thế mới có thể thay thế khi bị hư hỏng mà không mắc phải sai số. - Cảm biến phải có đặc tính đơn trị, nghĩa là với đường cong hồi phục của cảm biến ứng với giá trị m ta chỉ nhận được một giá trị s mà thôi. - Đặc tuyến của cảm biến phải ổn định, nghĩa là không được thay đổi theo thời gian. - Tín hiệu ra của cảm biến yêu cầu phải tiện cho việc ghép nối vào dụng cụ đo, hệ thống đo và hệ thống điều khiển. Biên soạn: GV Nguyễn Đức Quý Page 7
  8. Đề cương bài giảng: Kỹ thuật cảm biến - Đặc tính quan trọng của cảm biến là sai số: + Sai số cơ bản của cảm biếnlà sai số gây ra do nguyên tắc của cảm biến, sự không hoàn thiện của cấu trúc, sự yếu kém của công nghệ chế tạo. + Sai số phụ: là sai số gây ra do sự biến động của điều kiện bên ngoài khác với điều kiện tiêu chuẩn. - Độ nhạy của cảm biến cũng là một tiêu chuẩn quan trọng. Nó có tác dụng quyết định cấu trúc của mạch đo để đảm bảo cho phép đ có thể bắt nhạy với những biến động nhỏ của đại lượng đo. - Đặc tính động của cảm biến: Khi cho tín hiệu đo vào cảm biến thường xuất hiện quá trình quá độ. Quá trình này có thể nhanh hay chậm tuỳ thuộc vào dạng cảm biến. Đặc tính này được gọi là độ tác động nhanh. Nếu độ tác động nhanh chậm tức là phả ứng của tín hiệu ra của cảm biến trễ so với sự thay đổi của tín hiệu vào. - Sự tác động ngược lại của cảm biến lên đại lượng đo làm thay đổi nó và tiếp đến là gây ra sự thay đổi của tín hiệu ở đầu ra của cảm biến. - Về kích thước của cảm biến mong muốn là phải nhỏ có như vậy mới đ ưa được vào những nơi hẹp, nâng cao độ chính xác của phép đo. 3. Phạm vi ứng dụng: Các bộ cảm biến được sử dụng nhiều trong các lĩnh vực: Công nghiệp, nghiên cứu khoa học, môi trường, khí tượng, thông tin viễn thông, nông nghiệp, dân dụng, giao thông vận tải... Theo khảo sát ta có các số liệu về tình hình sử dụng cảm biến như sau: Các lĩnh vực ứng dụng: Xe hơi 38% Sản xuất công 20% nghiệp Điện gia dụng 11% Văn phòng 9% Y tế 8% An toàn 6% Nông nghiệp 4% Môi trường 4% Các loại cảm biến hay được sử dụng trong công nghiệp và dân dụng: Biên soạn: GV Nguyễn Đức Quý Page 8
  9. Đề cương bài giảng: Kỹ thuật cảm biến Cảm biến đo nhiệt độ 37,29% Cảm biến đo vị trí 27,12% Cảm biến đo di 16,27% chuyển Cảm biến đo áp suất 12,88% Cảm biến đo lưu 1,36% lượng Cảm biến đo mức 1,2% Cảm biến đo lực 1,2% Cảm biến đo độ ẩm 0,81% 4. Phân loại các bộ cảm biến - Theo nguyên lý chuyển đổi giữa đáp ứng về kích thích Hiện tượng Chuyển đổi đáp ứng về kích thích Hiện tượng vật lý - Nhiệt điện - Quang điện - Quang từ - Điện từ - Quang đμn hồi - Từ điện - Nhiệt từ... Hoá học - Biến đổi hoá học - Biến đổi điện hoá - Phân tích phổ ... Sinh học - Biến đổi sinh hoá - Biến đổi vật lý - Hiệu ứng trên cơ thể sống ... Biên soạn: GV Nguyễn Đức Quý Page 9
  10. Đề cương bài giảng: Kỹ thuật cảm biến Hình 1.4: Phân loại cảm biến theo đại lượng vật lý tác động - Phân loại theo dạng kích thích Kích thích Các đặc tính của kích thích Âm thanh - Biên pha, phân cực - Phổ Biên soạn: GV Nguyễn Đức Quý Page 10
  11. Đề cương bài giảng: Kỹ thuật cảm biến - Tốc độ truyền sóng ... Điện - Điện tích, dòng điện - Điện thế, điện áp - Điện trường (biên, pha, phân cực, phổ) - Điện dẫn, hằng số điện môi ... Từ - Từ trường (biên, pha, phân cực, phổ) - Từ thông, cường độ từ trường - Độ từ thẩm ... Quang - Biên, pha, phân cực, phổ - Tốc độ truyền - Hệ số phát xạ, khúc xạ - Hệ số hấp thụ, hệ số bức xạ ... Cơ - Vị trí - Lực, áp suất - Gia tốc, vận tốc - ứng suất, độ cứng - Mô men - Khối lượng, tỉ trọng - Vận tốc chất lưu, độ nhớt ... Nhiệt - Nhiệt độ - Thông lượng Biên soạn: GV Nguyễn Đức Quý Page 11
  12. Đề cương bài giảng: Kỹ thuật cảm biến - Nhiệt dung, tỉ nhiệt ... Bức xạ - Kiểu - Năng lượng - Cường độ ... - Theo tính năng của bộ cảm biến - Độ nhạy - Khả năng quá tải - Độ chính xác - Tốc độ đáp ứng - Độ phân giải - Độ ổn định - Độ chọn lọc - Tuổi thọ - Độ tuyến tính - Điều kiện môi trường - Công suất tiêu thụ - Kích thước, trọng lượng - Dải tần - Độ trễ - Phân loại theo phạm vi sử dụng - Công nghiệp - Dân dụng - Nghiên cứu khoa học - Giao thông - Môi trường, khí tượng - Vũ trụ - Thông tin, viễn thông - Quân sự - Nông nghiệp - Phân loại theo thông số của mô hình mạch thay thế: + Cảm biến tích cực có đầu ra lμ nguồn áp hoặc nguồn dòng. + Cảm biến thụ động được đặc trưng bằng các thông số R, L, C, M .... tuyến tính hoặc phi tuyến. BÀI 1.CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ Biên soạn: GV Nguyễn Đức Quý Page 12
  13. Đề cương bài giảng: Kỹ thuật cảm biến Trong tất cả các đại lượng vật lý, nhiệt độ là một trong các đại lượng được quan tâm nhiều nhất vì nhiệt độ đóng vai trò quyết định đến nhiều tính chất của vật chất. Nhiệt độ có thể làm ảnh hưởng đến các đại lượng chịu tác dụng của nó. Thí dụ như áp suất, thể tích của chất khí…vv. Bởi vậy trong công nghiệp cũng như đời sống hàng ngày phải đo nhiệt độ. Dụng cụ đo nhiệt độ đơn giản nhất là nhiệt kế sử dụng hiện tượng giãn nở nhiệt. Để chế tạo các bộ cảm biến nhiệt độ người ta sử dụng nhiều nguyên lý cảm biến khác nhau như:  Phương pháp quang dựa trên sự phân bố phổ bức xạ nhiệt do dao động nhiệt ( hiệu ứng Doppler).  Phương pháp dựa trên sự giãn nở của vật rắn, chất lỏng hoặc chất khí ( với áp suất không đổi) hoặc dựa trên tốc độ âm.  Phương pháp điện dựa trên sự phụ thuộc của các điện trở vào nhiệt độ. Để đo được trị số chính xác của nhiệt độ là vấn đề không đ ơn giản. Nhiệt đ ộ là đại lượng chỉ có thể đo gián tiếp trên cơ sở tính chất của vật phụ thuộc vào nhiệt đ ộ. Trước khi đo nhiệt độ ta cần đề cập đến thang đo nhiệt độ. 1.1 Đại cương 1.1.1 Thang đo nhiệt độ. Việc xác định thang nhiệt độ xuất phát từ các định luật nhiệt động học. Thang đo nhiệt độ tuyệt đối được xác định dựa trên tính chất của khí lý t ưởng. Đ ịnh luật Carnot nêu rõ: Hiệu suất η của một động cơ nhiệt thuận nghịch hoạt động giữa 2 nguồn có nhiệt độ t1 và t2 trong một thang đo bất kỳ chỉ phụ thuộc vào t1 và t2: F(θ1) η= F(θ 2 ) Dạng của hàm F chỉ phụ thuộc vào thang đo nhiệt độ. Ngược lại, việc lựa chọn hàm F sẽ quyết định thang đo nhiệt độ. Đặt F() = T chúng ta sẽ xác định T như là nhiệt độ nhiệt động học tuyệt đối và hiệu suất của động cơ nhiệt thuận nghịch sẽ được viết như sau: T1 η = 1− T2 Trong đó: T1 và T2 là nhiệt độ nhiệt động học tuyệt đối của hai nguồn.  Thang Kelvin Năm 1664 Robert Hook thiết lập điểm không là điểm động của nước cất.Thomson (Kelvin) nhà vật lý Anh, năm 1852 xác định thang nhiệt độ. Thang Kelvin Biên soạn: GV Nguyễn Đức Quý Page 13
  14. Đề cương bài giảng: Kỹ thuật cảm biến đơn vị là 0K, người ta gán cho nhiệt độ của điểm cân bằng của 3 trạng thái nước – nước đá – hơi một trị số bằng 273,15 0K.  Thang Celsius Năm 1742 Andreas Celsius là nhà vật lý Thụy Điển đưa ra thang nhiệt độ bách phân. Trong thang này đơn vị đo nhiệt độ là 0C, một độ Celsius bằng một độ Kelvin. Quan hệ giữa nhiệt độ Celsius và nhiệt độ Kelvin được xác định bằng biểu thức: T(0C) = T(0K) – 273,15  Thang Fahrenheit Năm 1706 Fahrenheit nhà vật lý Hà Lan đưa ra thang nhiệt độ có điểm nước đá tan là 32 và sôi ở 2120. Đơn vị nhiệt độ là Fahrenheit (0F). Quan hệ giữa nhiệt độ Celsius và 0 Fahrenheit được cho theo biểu thức: { T(0C) = T(0F) − 32} 5 9 9 0 T(0F) = T( C) + 32 5 Bảng 1.1 Thông số đặc trưng của một số thang đo nhiệt độ khác nhau Nhiệt độ Kelvin (0K) Celsius (0C) Fahrenheit (0F) Điểm 0 tuyệt đối 0 -273,15 -459,67 Hỗn hợp nước – nước đá 273,15 0 32 Cân bằng nước – nước đá – 273,16 0,01 32,018 hơi nước Nước sôi 373,15 100 212 1.1.2 Nhiệt độ được đo và nhiệt độ cần đo.  Nhiệt độ đo được Nhiệt độ đo được nhờ một điện trở hay một cặp nhiệt, chính bằng nhiệt độ của cảm biến và kí hiệu là TC. Nó phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường TX và vào sự trao đổi nhiệt độ trong đó. Nhiệm vụ của người thực nghiệm là làm thế nào để giảm hiệu số TX – TC xuống nhỏ nhất. Có hai biện pháp để giảm sự khác biệt giữa TX và TC: - Tăng trao đổi nhiệt giữa cảm biến và môi trường đo. - Giảm trao đổi nhiệt giữa cảm biến và môi trường bên ngoài.  Đo nhiệt độ trong lòng vật rắn Biên soạn: GV Nguyễn Đức Quý Page 14
  15. Đề cương bài giảng: Kỹ thuật cảm biến Thông thường cảm biến được trang bị một lớp vỏ bọc bên ngoài. Để đo nhiệt đ ộ của một vật rắn bằng cảm biến nhiệt độ, từ bề mặt của vật người ta khoan một l ỗ nhỏ đường kính bằng r và độ sâu bằng L. Lỗ này dùng để đ ưa cảm biến vào sâu trong chất rắn. Để tăng độ chính xác của kết quả phải đảm bảo hai điều kiện: - Chiều sâu của lỗ khoan phải bằng hoặc lớn hơn gấp 10 lần đường kính c ủa nó (L≥ 10r). - Giảm trở kháng nhiệt giữa vật rắn và cảm biến bằng cách giảm khoảng cách giữa vỏ cảm biến và thành lỗ khoan. khoảng cách giữa vỏ cảm biến và thành lỗ khoan phải được lấp đầy bằng một vật liệu dẫn nhiệt tốt. 1.2 Nhiệt điện trở với Platin và Nickel 1.2.1 Điện trở kim loại thay đổi theo nhiệt độ Sự chuyển động của các hạt mang điện tích theo một hướng hình thành một dòng điện trong kim loại. Sự chuyển động này có thể do một lực cơ học hay điện trường gây ên và điện tích có thể là âm hay dương dịch chuyển với chiều ngược nhau. Độ dẫn điện của kim loại ròng tỉ lệ nghịch với nhiệt độ hay điện trở của kim loại có hệ số nhiệt độ dương. Trong hình 1.1 ta có các đặc tuyến điện trở của các kim loại theo nhiệt độ. Như thế điện trở kim loại có hệ số nhiệt điện trở dương PTC (Positive Temperature Coefficient): điện trở kim loại tăng khi nhiệt độ tăng. Để hiệu ứng này có thể sử dụng được trong việc đo nhiệt độ, hệ số nhiệt độ cần phải lớn.Điều đó có nghĩa là có s ự thay đổi điện trở khá lớn đối với nhiệt độ. Ngoài ra các tính chất của kim loại không được thay đổi nhiều sau một thời gian dài. Hệ số nhiệt độ không phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất và không bị ảnh hưởng bởi các hóa chất. Giữa nhiệt độ và điện trở thường không có sự tuyến tính, nó được diễn tả bởi một đa thức bậc cao: R(t) = R0 (1 + A.t + B.t2 + C.t3 +…) - R0: điện trở được xác định ở một nhiệt độ nhất định. - t2, t3: các phần tử được chú ý nhiều hay ít tùy theo yêu cầu của phép đo. - A, B, C: các hệ số tùy theo vật liệu kim loại và diễn tả sự liên hệ giữa nhiệt độ và điện trở một cách rõ ràng. Thông thường đặc tính của nhiệt điện trở được thể hiện bởi chỉ một hệ số a (alpha), nó thay thế cho hệ số nhiệt độ trung bình trong thang đo (ví dụ từ 0 0C đến 1000C.) Alpha = (R100 - R0) / 100. R0 (°C-1) 1.2.2 Nhiệt điện trở Platin Biên soạn: GV Nguyễn Đức Quý Page 15
  16. Đề cương bài giảng: Kỹ thuật cảm biến Platin là vật liệu cho nhiệt điện trở được dùng rộng rãi trong công nghiệp. Có 2 tiêu chuẩn đối với nhiệt điện trở platin, sự khác nhau giữa chúng nằm ở mức đ ộ tinh khiết của vật liệu. Hầu hết các quốc gia sử dụng tiêu chuẩn quốc tế DIN IEC751- 1983 (được sửa đổi lần thứ nhất vào năm 1986, lần thứ 2 vào năm 1995), USA vẫn tiếp tục sử dụng tiêu chuẩn riêng. Ở cả 2 tiêu chuẩn đều sử dụng phương trình Callendar - Van Dusen: R(t) = R0 (1 + A.t + B.t2 + C[t - 1000C].t3) R0 là trị số điện trở định mức ở 00C. Alpha R0 Standard Hệ sô Đất nước Ohms/Ohm/°C Ohms Úc, Áo, Bỉ, Brazil, 200°C < t < 0°C Bulgaria, Canada, Cộng A = 3.90830x10-3 hòa Czech, Đan mạch, Ai B = -5.77500x10-7 IEC751 Cập, Phần Lan, Pháp, 0.00385055 100 C = -4.18301x10-12 (Pt100) Đức, Israel, Ý, Nhật, Ba 0°C < t < 850°C Lan, Rumania, Nam phi, A &B như trên, riêng Thổ Nhĩ Kì, Nga, Anh, C = 0.0 USA A= 3.97869x10-3 SAMA 0.0039200 98.129 B = -5.86863x10-7 USA RC-4 C = -4.16696x10-12 R0 của nhiệt điện trở Pt 100 là 100, của Pt 500 là 500, của Pt 1000 là 1000. Các loại Pt 500, Pt 1000 có hệ số nhiệt độ lớn hơn, do đó độ nhạy lớn hơn: đi ện tr ở thay đổi mạnh hơn theo nhiệt độ. ngoài ra còn có loại Pt 10 có đ ộ nhạy kém dùng đ ể đo nhiệt độ trên 6000C. Tiêu chuẩn IEC751 chỉ định nghĩa 2 “đẳng cấp” dung sai A, B. Trên thực tế xuất hiện thêm loại C và D (xem bảng phía dưới). Các tiêu chuẩn này cũng áp dụng cho các loại nhiệt điện trở khác. Đẳng cấp dung sai Dung sai (°C) A t =± (0.15 + 0.002.| t |) B t = ± (0.30 + 0.005. | t |) C t =± (0.40 + 0.009. | t |) D t = ± (0.60 + 0.0018. | t |) Biên soạn: GV Nguyễn Đức Quý Page 16
  17. Đề cương bài giảng: Kỹ thuật cảm biến Theo tiêu chuẩn DIN vật liệu platin dùng làm nhiệt điện trở có pha tạp. Do đó khi bị các tạp chất khác thẩm thấu trong quá trình sử dụng sự thay đổi trị số điện của nó ít hơn so với các platin ròng. Nhờ thế có sự ổn định lâu dài theo thời gian, thích hợp hơn trong công nghiệp. Trong công nghiệp nhiệt điện trở platin thường dùng có đường kính 30µm (so sánh với đường kính sợi tóc khoảng 100µm). 1.2.3 Nhiệt điện trở nickel Nhiệt điện trở nickel so với platin rẻ tiền hơn và có hệ số nhiệt đ ộ lớn gần gấp hai lần (6,18.10-3 0C-1). Tuy nhiên dải đo chỉ từ -600C đến +2500C, vì trên 3500C nickel có sự thay đổi về pha. Cảm biến nickel 100 thường dùng trong công nghiệp điều hòa nhiệt độ phòng. R(t) = R0 (1 + A.t +B.t2 +D.t4 +F.t6) A = 5.485x10-3 B = 6.650x10-6 D = 2.805x10-11 F = -2.000x10-17. Với các trường hợp không đòi hỏi sự chính xác cao ta sử dụng phương trình sau: R(t) = R0 (1 + a.t) a = alpha= 0.00672 0C-1 Từ đó dễ dàng chuyển đổi thành giá trị nhiệt độ: t = (Rt / R0 - 1) / a = (Rt / R0 - 1) / 0.00672 1.2.4 Cách nối dây đo Nhiệt điện trở thay đổi điện trở theo nhiệt độ. Với một dòng điện không thay đổi qua nhiệt điện trở, ta có điện thế đo được U = R.I. Để cảm biến không bị nóng lên qua phép đo, dòng điện cần phải nhỏ khoảng 1mA. Với Pt 100 ở 0C ta có điện thế khoảng 0,1V. Điện thế này cần được đưa đến máy đo qua dây đo. Ta có 4 kỹ thuật nối dây đo. Hình 1.3 Cách nối dây nhiệt điện trở Tiêu chuẩn IEC 751 yêu cầu dây nối đến cùng đầu nhiệt điện trở phải có màu giống nhau (đỏ hoặc trắng) và dây nối đến 2 đầu phải khác màu.  Kỹ thuật hai dây Biên soạn: GV Nguyễn Đức Quý Page 17
  18. Đề cương bài giảng: Kỹ thuật cảm biến Hình 1.4 Giữa nhiệt điện trở và mạch điện tử được nối bởi hai dây. Bất cứ dây dẫn điện nào đều có điện trở, điện trở này nối nối tiếp với nhiệt điện trở. Với hai điện tr ở c ủa hai dây đo, mạch điện trở sẽ nhận được một điện thế cao hơn điện thế cần đo. Kết quả ta có chỉ thị nhiệt kế cao hơn nhiệt độ cần đo. Nếu khoảng cách quá xa, điện trở dây đo có thể lên đến vài Ohm Ví dụ với dây đồng: Diện tích mặt cắt dây đo: 0,5mm2 Điện trở suất: 0,0017mm2m-1 Chiều dài: 100m R = 6,8 , với 6,8 tương ứng cho nhiệt điện trở Pt 100 một thay đổi nhiệt độ là 170C. Để tránh sai số của phép đo do điện trở của dây đo gây ra, người ta bù trừ điện trở của dây đo bằng một mạch điện như sau: Một biến trở bù tr ừ đ ược nối vào một trong hai dây đo và nhiệt điện trở được thay thế bằng một điện trở 100. Mạch điện tử được thiết kế với điện trở dự phòng của dây đo là 10 . Ta chỉnh biến trở sao cho có chỉ thị 00C: Biến trở và điện trở của dây đo là 10 .  Kỹ thuật 3 dây: Hình 1.5 Từ nhiệt điện trở của dây đo được nối thêm (h1.5). Với cách nối dây này ta có hai mạch đo được hình thành, một trong hai mạch được dùng làm mạch chuẩn. Với kỹ thuật 3 dây, sai số cho phép đo do điện trở dây đo và s ự thay đ ổi c ủa nó do nhi ệt đ ộ Biên soạn: GV Nguyễn Đức Quý Page 18
  19. Đề cương bài giảng: Kỹ thuật cảm biến không còn nữa. Tuy nhiên 3 dây đo cần có cùng trị số kỹ thuật và có cùng một nhiệt độ. Kỹ thuật 3 dây rất phổ biến.  Kỹ thuật 4 dây. Hình 1.6 Với kỹ thuật 4 dây người ta đạt kết quả đo tốt nhất. Hai dây được dùng để cho một dòng điện không đổi qua nhiệt điện trở. Hai dây khác được dùng làm dây đo điện thế trên nhiệt điện trở. Trường hợp tổng trở ngõ vào của mạch đo rất lớn so với điện trở dây đo, điện trở dây đo đó coi như không đáng kể. Điện thế đo đ ược không bị ảnh hưởng bởi điện trở dây đo và sự thay đổi của nó do nhiệt.  Kỹ thuật 2 dây với bộ biến đổi tín hiệu đo. Người ta vẫn có thể dùng hai dây đo mà không bị sai số cho phép đo với bộ biến đổi tín hiệu đo. Bộ biến đổi tín hiệu đo biến đổi tín hiệu của cảm biến thành một dòng điện chuẩn, tuyến tính so với nhiệt độ có cường độ từ 4mA đến 20mA. Dòng điện nuôi cho bộ biến đổi được tải qua hai dây đo với cường độ khoảng 4mA. Với kỹ thuật này tín hiệu được khuếch đại trước khi truyền tải do đó không bị nhiễu nhiều. 1.3 Cảm biến nhiệt độ với vật liệu silic Cảm biến nhiệt độ với vật liệu silic đang ngày càng đóng vai trò quan trọng trong các hệ thống điện tử. Với cảm biến silic, bên cạnh đặc điểm tuyến tính, sự chính xác, phí tổn thấp, và có thể được tích hợp trong 1 IC cùng với bộ phận khuếch đại và các yêu cầu xử lí tín hiệu khác. Hệ thống trở nên nhỏ gọn, mức độ phức tạp cao hơn và chạy nhanh hơn. Kỹ thuật cảm biến truyền thống như cặp nhiệt, nhiệt điện trở có đặc tuyến không tuyến tính và yêu cầu sự điều chỉnh để có thể chuyển đổi chính xác từ giá trị nhiệt độ sang đại lượng điện (dòng hoặc áp), đang được thay thế dần bởi các cảm biến silic với lợi điểm là sự nhỏ gọn của mạch điện tích hợp và dễ sử dụng. 1.3.1 Nguyên tắc Biên soạn: GV Nguyễn Đức Quý Page 19
  20. Đề cương bài giảng: Kỹ thuật cảm biến Hình 1.7 thể hiện cấu trúc cơ bản của một cảm biến. kích thước của cảm biến là 500 x 500 x 200 µm. Mặt trên của cảm biến là một lớp SiO2 có một vùng hình tròn được mạ kim loại có đường kính khoảng 20µm, toàn bộ mặt đáy được mạ kim loại. Hình 1.7 Hình 1.8 biểu diễn mạch điện tương đương tượng trưng thay thế cho cảm biến silic (sản xuất theo nguyên tắc điện trở phân rải (spreading resistance)).Sự sắp xếp này dẫn đến sự phân bố dòng qua tinh thể có dạng hình nón, đây là nguồn gốc của tên gọi điện trở phân rải (spreading resistance). Hình 1.8 Điện trở điện trở cảm biến nhiệt R được xác định như sau: R = ρ / π .d R: điện trở cảm biến nhiệt. ρ : điện trở suất của vật liệu silic ( ρ lệ thuộc vào nhiệt độ). d: đường kính của hình tròn vùng mạ kim loại mặt trên. 1.3.1. Đặc trưng kỹ thuật cơ bản của dòng cảm biến KTY Với sự chính xác và ổn định lâu dài của cảm biến với vật liệu silic KTY sử dụng công nghệ điện trở phân rải là một sử thay thế tốt cho các loại cảm biến nhiệt độ truyền thống.  Các ưu điểm chính  Sự ổn định: Biên soạn: GV Nguyễn Đức Quý Page 20

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

Đồng bộ tài khoản