Giáo trình: Cảm biến và Cơ cấu chấp hành

Chia sẻ: Bành Thị Liễu | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:56

Thêm vào BST

Báo xấu

825
lượt xem 272
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Trong các hệ thống đo lường – điều khiển mọi quá trình đều được đặc trưng bởi các biến trạng thái như nhiệt độ, áp suất, tốc độ, momen… các biến trạng thái này thường là các quá trình ta cần thu thập thông tin , đo đạc, theo dõi sự biến thiên của các biến trạng thái của quá trình. Các bộ cảm biến thực hiện chức năng này, chúng thu nhận và đáp ứng với các tín hiệu và kích thích, là “tai mắt” của các hoạt động khoa học và công nghệ của con người. ...

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình: Cảm biến và Cơ cấu chấp hành

Giáo trình: Cảm biến và Cơ cấu chấp hành
Chương I: NHỮNG KHÁI NIỆM VỀ CÁC BỘ CẢM BIẾN 1.1 Định nghĩa Trong các hệ thống đo lường – điều khiển mọi quá trình đều được đặc trưng bởi các biến trạng thái như nhiệt độ, áp suất, tốc độ, momen… các biến trạng thái này thường là các quá trình ta cần thu thập thông tin , đo đạc, theo dõi sự biến thiên của các biến trạng thái của quá trình. Các bộ cảm biến thực hiện chức năng này, chúng thu nhận và đáp ứng với các tín hiệu và kích thích, là “tai mắt” của các hoạt động khoa học và công nghệ của con người. Các bộ cảm biến thường được định nghĩa theo nghĩa rộng là thiết bị cảm nhận và đáp ứng với các tín hiệu và kích thích. Trong thế giới tự nhiên các cơ thể sống thường đáp ứng với các tín hiệu bên ngoài có đặc tính điện hóa, dựa trên cơ sở trao đổi ion, ví dụ như hoạt động của hệ thần kinh… trong các quá trình đo lường – điều khiển thông tin được truyền tải và xử lý dưới dạng điện nhờ sự truyền tải của các điện tử. Phương trình mô tả quan hệ giữa đáp ứng y và kích thích x ở bộ cảm biến có dạng : Y = f(x) (1.1) Quan hệ (1.1) thường rất phức tạp vì có quá nhiều yếu tố ảnh hưởng tới quan hệ đáp ứng – kích thích. Trong các hệ thống đo lường – điều khiển hiện đại quá trình thu thập và xử lý tín hiệu thường do máy tính đảm nhiệm. Trong sơ đồ hình 1.2 quá trình (đối tượng) được đặc trưng bằng các biến trạng thái và đươc các bộ cảm biến thu nhận. đầu ra của các biến trạng thái được phối ghép với bộ vi xử lý qua các giao diện. đầu ra của bộ vi xử lý được phối ghép với cơ cấu chấp hành nhằm tác động lên quá trình (đối tượng). đây là sơ đồ điều khiển tự động quá trình (đối tượng), trong đó bộ cảm biến đóng vai trò cảm nhận, đo đạc và đánh giá các thông số của hệ thống. bộ vi xử lý làm nhiệm vụ xử lý thông tin và đưa ra tín hiệu điều khiển quá trình. 1.2 Phân loại các bộ cảm biến. a. Theo nguyên lý chuyển đổi giữa đáp ứng và kích thích.
b. Theo dạng kích thích có thể phân chia các bộ cảm biến như sau c. Theo tính năng các bộ cảm biến
d. Theo phạm vi sử dụng các bộ cảm biến e. Theo thông số của mô hình mạch thay thế o Cảm biến tích cực (có nguồn) đầu ra là nguồn áp hoặc nguồn dòng. o Cảm biến thụ động (thông nguồn) được đặc trưng bằng các thông số R, L , C, M, … tuyến tính hoặc phi tuyến. 1.3 Các đơn vị đo lường Các đơn vị đo lường cơ sở của hệ đơn vị quốc tế SI(IE Systems International d’ Unites) như trong bảng:
1.4 Các đặc trưng cơ bản của bộ cảm biến Theo quan điểm mô hình mạch tao coi bộ cảm biến như một hộp đen, có quan hệ đáp ứng – kích thích được điều diễn bằng phương trình (1.1) quan hệ này được đặc trưng bằng nhiều đại lượng cơ bản cửa bộ cảm biến. ta có thể định nghĩa các đại lượng đặc trưng cơ bản của bộ cảm biến như sau : a. Hàm truyền: Quan hệ giữa đáp ứng và kích thích của bộ cảm biến có thể cho dưới dạng bảng giá trị, graph hoặc biểu thức toán học. gọi x là kích thích, y là tín hiệu đáp ứng, hàm truyền cho ta quan hệ giữa đáp ứng và kích thích. Hàm truyền có thể được biểu diễn dưới dạng tuyến tính, phi tuyến, theo hàm logarit, hàm lũy thừa hoặc hàm mũ. Quan hệ tuyến tính giữa đáp ứng và kích thích có dạng : Y = a + bx (1.2)
a là hằng số bằng tín hiệu ra khi tín hiệu vào bằng không, b là độ nhạy, y là một trong các đặc trưng của tín hiệu ra có thể là biên độ, tần số hoặc pha tùy theo các tính chất của bộ cảm biến. Hàm truyền logarit có dạng: y = 1 + blnx (1.3) Dạng mũ : y = aekx (1.4) Dạng lũy thừa : y = ao + a1xk (1.5) K: hằng số Các bộ cảm biến phi tuyến không thể được đặc trưng bằng các hàm truyền kể trên, trong trường hợp này ta phải sử dụng các hàm gần đúng là các đa thức bậc cao. Trong nhiều trường hợp ta có thể làm gần đúng hàm truyền phi tuyến bằng phương pháp tuyến tính hóa từng đoạn. b. Độ lớn của tín hiệu vào: Độ lớn của tín hiệu vào là giá trị lớn nhất của tín hiệu đặt vào bộ cảm biến mà sai số mà sai số không vượt quá ngưỡng cho phép. Đối với các bộ cảm biến có đáp ứng phi tuyến ngưỡng động của kích thích thường được biểu diển bằng dexibel, bằng logarit của tỷ số công suất hoặc điện áp của tín hiệu ra vào tín hiệu vào : 1 dB = 10 lg P2/ P1 Quan hệ giữa các tỷ số công suất, tỷ số điện áp ( hoặc dòng điện) tính theo dexibel được cho trong bảng: c. Sai số và độ chính xác: Các bộ cảm biến cũng như các dụng cụ đo lường khác, ngoài đại lượng cần đo (cảm nhận) còn chịu tác động của nhiều đại lượng vật lý khác gây nên sai số giữa giá trị đo được và giá trị thực của đại lượng cần đo. Gọi ∆x độ lệch tuyệt đối giữa giá trị đo và giá trị thực x, sai số tương đối của bộ cảm biến được tính bằng : ∆ δ% = . 100 ∆x : sai số tuyệt đối. Ví dụ : một bộ cảm biến di chuyển thằng có độ nhạy 1mV trên 1mm di chuyển. nếu di chuyển 10mm tạo nên điện áp 10,5mV thì tạo nên sai số tuyệt đối là 10,5 – 10 = 0,5mV. Sai số tuyệt đối của bộ cảm biến là : , δ% = . 100 = 5% Khi đánh giá sai số của cảm biến ta thường phân chúng thành hai loại : sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên. Sai số hệ thống là sai số không phụ thuộc vào số lần đo, có giá trị không đổi hoặc thay đội chậm theo thời gian đo và thêm vào một độ lệch không đổi giữa trị thực và giá trị đo được. sai số hệ thống thường do sự thiếu hiểu biết về hệ đo, do điều kiện sử dụng không tốt.
Các nguyên nhân gây sai số hệ thống có thể là :  Do nguyên lý của cảm biến  Giá trị đại lượng chuẩn không đúng.  Do đặc tính của bộ cảm biến.  Do điều kiện và chế độ sử dụng.  Do xử lý kết quả đo. Sai số ngẫu nhiên là sai số xuất hiện có độ lớn và chiều không xác định. Có thể dự đoán được một số nguyên nhân của sai số ngẫu nhiên nhưng không thể dự đoán độ lớn và dấu của nó. Những nguyên nhân gây sai số ngẫu nhiên có thể là:  Do sự thay đổi đặc tính của thiết bị,  Do tín hiệu nhiễu ngẫu nhiên,  Do các đại lượng ảnh hưởng như các thông số môi trường (nhiệt độ, độ ẩm, điện từ trường, độ rung…) không được tính đến trong khi chuẩn cảm biến. có thể giảm thiểu sai số ngẫu nhiên bằng một số biện pháp thực nghiệm thích hợp như bảo vệ các mạch đo tránh ảnh hưởng của nhiễu, tự động điều chỉnh điện áp nguồn nôi, bù các ảnh hưởng nhiệt độ, tần số, vận hành sử dụng đúng chế độ hoặc thực hiện phép đo lường thống kê. 1.5 Chuẩn các bộ cảm biến Chuẩn các bộ cảm biến nhằm xác định dưới dạng đồ thị, giải tích mối liên hệ giữa đáp ứng và kích thích của bộ cảm biến có tính đến tất cả các yếu tố ảnh hưởng. các thông số ảnh hưởng có thể là các đại lượng vật lý liên quan đến đáp ứng như độ lớn, chiều và tốc độ biến thiên của các kích thích. Ngoài ra chúng cũng có thể là các đại lượng vật lý không liên quan đến kích thích nhưng tác động đến bộ cảm biến khi sử dụng và làm thay đổi hồi đáp. Thông thường các đại lượng vật lý này là các thông số môi trường như nhiệt độ, áp suất, độ ẩm… và các thông số của nguồn như biên độ, tần số, điện áp làm việc của các bộ cảm biến. a. Chuẩn đơn giản: Chuẩn đơn giản là ghép đo chỉ có một đại lượng duy nhất tác động lên một kích thích xác định và sử dụng một cảm biến không nhạy với các đại lượng và không chịu tác động của kích thích này. Đây là trường hợp đặc biệt của các kích thích tĩnh, nghĩa là các đại lượng có giá trị không đổi. trong những điều kiện này việc chuẩn cảm biến chính là sự kết hợp các giá trị hoàn toàn xác định của kích thích với các giá trị tương ứng của đáp ứng đầu ra. Có thể chuẩn các bộ cảm biến bằng một trong các phương pháp sau đây: o Chuẩn trực tiếp : các giá trị khác nhau của kích thích lấy từ mẫu chuẩn hoặc các phần tử so sánh có giá trị đã biết với độ chính xác cao.
o Chuẩn gián tiếp : sử dụng một bộ cảm biến chuẩn đã biết đường cong chuẩn và so sánh với bộ cảm biến cần định chuẩn và cả hai cùng được đặt trong cùng một điều kiện làm việc. khi tác động lần lượt lên hai bộ cảm biến bằng cùng một kích thích ra nhận được các kết quả tương ứng của cảm biến mẫu và cảm biến định chuẩn. Lập lại với các giá trị khác nhau của kích thích ta xác định được đường cong chuẩn cho bộ cảm biến. b. Chuẩn nhiều lần: Khi bộ cảm biến có chứa những phần tử có độ trễ, giá trị đáp ứng không chỉ phụ thuộc vào giá trị tức thời của kích thích mà còn phụ thuộc vào các giá trị trước đó của kích thích này. Khi đó cần phải tiến hành chuẩn nhiều lần theo trình tự sau đây: o Đặt lại điểm O của cảm biến , đó là điểm gốc khi kích thích bằng không thì đáp ứng của bộ cảm biến phải bằng không. o Dựng lại đáp ứng bằng cách lúc đầu cho kích thích có giá trị cực đại sau đó giảm dần, nhờ đó có thể xác định được đường cong chuẩn theo 2 hướng kích thích tăng dần và giảm dần. 1.6 Độ tuyến tính Bộ cảm biến gọi tuyến tính trong một dải kích thích nếu trong dải đó độ nhạy không phục thuộc vào giá trị của kích thích tức là độ nhạy là 1 hằng số Trong chế độ tĩnh, độ tuyến tĩnh được thể hiện bằng các đoạn thẳng trên đặc tuyến tính và hoạt động của bộ cảm biến là tuyến tính khi các kích thích tác động còn nằm trong vùng này. Trong chế độ động, độ tuyến tính bao gồm sự không đổi của độ nhạy tĩnh, đồng thời các thông số quyết định hồi đáp như tần số dao động riêng, hệ số suy giảm cũng không phụ thuộc vào kích thích. 1.7 Tác động nhanh và đặc tính động của đáp ứng Để đánh giá thời gian hồi đáp của đáp ứng theo kích thích ta sử dụng khái niệm độ tác động nhanh của bộ cảm biến. Thời gian hồi đáp τ càng nhỏ chứng tỏ bộ cảm biến đáp ứng càng nhanh. Khi kích thích có dạng bước nhảy đơn vị thì đặc tính của bộ cảm biến có thể có những dạng sau đây o Đáp ứng tức thời o Đáp ứng trễ theo hàm mũ o Đáp ứng tức thời và suy giảm o Đáp ứng trễ và suy giảm o Đáp ứng cộng hưởng dải hẹp
1.8 Bộ cảm biến tích cực và thụ động Các bộ cảm biến tích cực hoạt động như 1 nguồn áp hoặc 1 nguồn dòng được biểu diễn bằng mạng 2 cửa có nguồn. Còn bộ cảm biến thụ động được biểu diễn bằng mạng 2 cửa không nguồn có trở kháng phục thuộc vào kích thích. Sau đây giới thiệu sơ lược các hiệu ứng vật lý ứng dụng trong các bộ cảm biến tích cực. a. Hiệu ứng cảm ứng điện từ: Khi một thanh dẫn chuyển động trong môi trường sẽ xuất hiện sức điện động tỷ lệ với biến thiên từ thông, nghĩa là tỷ lệ với tốc độ chuyển động của thanh dẫn. Hiệu ứng cảm ứng điện từ được ứng dụng để xác định tốc độ chuyển động của vật thông qua việc đo sức điện động cảm ứng b. Hiệu ứng nhiệt điện: Khi hai dây dẫn có bản chất hóa học khác nhau được hàn kín sẽ xuất hiện một sức điện động tỷ lệ với nhiệt độ mối hàn. Hiệu ứng này thường được ứng dụng để đo nhiệt độ. Ngược lại khi cho dòng điện chạy từ chất có bản chất hóa học khác nhau sẽ tạo nên chênh lệch nhiệt độ. c. Hiệu ứng hỏa điện: Một số tinh thể gọi là tinh thể hỏa điện có tính chất ohaan cực điện tự phát phụ thuộc vào nhệt độ. Trên các mặt đối diện của chúng xuất hiện các điện tích trái dấu phụ thuộc vào độ phân cực điện. Hiệu ứng hỏa điện thường được ứng dụng để đo thông lượng của bức xạ ánh sáng. Khi tinh thể hỏa điện hấp thụ ánh sáng nhiệt độ của chúng tăng lên làm thay đổi phân cực điện làm xuất hiện điện áp trên hai cực của tụ điện phụ thuộc vào quang thông Φ d. Hiệu ứng áp điện: Khi tác động ứng suất cơ lên bề mặt của vật liệu áp điện (thạch anh, muối segnet…) làm vật liệu bị biến dạng và xuất hiện các điện tích bằng nhau và trái dấu. thông qua việc đo điện áp trên 2 bản cực tụ điện ta có thể đo được các đại lượng cơ tác dụng lên vật liệu áp điện như áp suất, ứng suất… e. Hiệu ứng quang điện: Bản chất là giải phóng các hạt dẫn tự do trong vật liệu dưới tác dụng của bức xạ ánh sáng. Hiệu ứng này được ứng dụng để chế tạo các cảm biến quang f. Hiệu ứng quang điện từ: Khi tác động một từ trường vuông góc với bức xạ ánh sáng trong vật liệu bán dẫn được chiếu sáng sẽ xuất hiện một hiệu điện thế theo phương vuông góc với từ trường B và phương bức xạ ánh sáng. Hiệu ứng này được ứng dụng trong các bộ cảm biến đo các đại lượng quang hoặc biến đổi các thông tin chứa đựng trong ánh sáng thành tín hiệu điện.
g. Hiệu ứng Hall: Trong vật liệu (thường là bán dẫn) có dòng điện chạy qua đặt trong từ trường B có phương tạo thành góc θ với dòng điện I sẽ xuất hiện điện áp U11 theo phương vuông góc với B và I và có độ lớn là : U11 = K.I.B.sinθ K là hệ số phụ thuộc vào vật liệu và kích thước của mẫu. Hiệu ứng Hall được sử dụng để đo các đại lượng từ, đại lượng điện hoặc xác định vị trí chyển động hình. 1.9 Mạch giao diện của các bộ cảm biến a. Các đặc tính đầu vào của mạch giao diện: Đáp ứng của các bộ cảm biến nói chung không phù hợp với tải về điện áp, công suất… vì vậy cần có mạch giao diện giữa bộ cảm biến và tải. cần phải phối hợp giữa đầu ra của bộ cảm biến và đầu vào của hệ thống xử lý dữ liệu. Công việc này gọi là chuẩn hóa tín hiệu và các mạch điện tử giao diện thực hiện nhiệm vụ này. b. Các đặc tính của bộ khuếch đại thuật toán (KĐTT): Các mạch giao diện thường được xây dựng trên cơ sở các bộ khuếch đại thuật toán. Đó là các bộ khuếch đại một chiều có hệ số khuếch đại rất lớn và tổng trở vào rất lớn. Bộ khuếch đại thuật toán mạch tích hợp có thể chứa hàng trăm tranzito và các điện trở, tụ điện có : o hai đầu vào, một đầu đảo (-) và một dấu không đảo (+), o điện trờ vào rất lớn, cỡ hàng trăm MΩ hoặc có thể tới GΩ, o điện trở ra rất nhỏ ( phần chục Ω), o điện áp lệch đầu vào e0 rất nhỏ (cỡ vài nV), o dòng điện phân cực đầu vào i0 rất nhỏ (cỡ vài pA) o hệ số khuếch đại hở mạch rất lớn (A0 = 100.000), o dải tần làm việc rộng, o hệ số suy giảm theo cách nói chung CMRR (khoảng 90 dB), o tốc độ tăng hạn chế sự biến thiên cực đại của điện áp tính bằng V/µs. c. Bộ khuếch đại đo lường IA: Bộ khuếch đại IA có hai đầu vào và một đầu ra. Hệ số khuếch đại của IA không cao (không quá 100) có hai đầu vào, tín hiệu ra tỷ lệ với hiệu của hai điện áp vào: Ura = A(U+ - U-) = A∆U ∆ Điện áp trên Ra phải bằng điện áp vi sai đầu vào ∆U và tạo nên dòng điện I = Hệ sống khuếch đại tổng của IA là:
A = (1 + ) d. Khử điện áp lệch: Trị số điện áp lệch cỡ một vài mV nhưng khi sử dụng mạch kín điện áp này được khuếch đại và tạo nên điện áp lệch đầu ra. e. Mạch lặp lại điện áp: KĐTT có thể được sử dụng như bộ lặp lại điện áp chính xác. Để làm việc này bộ KĐTT làm việc ở chế độ không đảo với hệ số khuếch đại bằng 1 Mạch lặp lại có chức năng tăng điện trở đầu vào, do vậy mà dùng để ghép nối giữa hai khâu trong mạch đó. f. Nguồn điện áp chính xác: Để chuẩn các dụng cụ đo chính xác cần có điện áp chuẩn, pin mẫu weston tạo nên điện áp chính xác 1,018 V được dùng như điện áp mẫu, tuy nhiên pin này có điện trở từ 1 ÷ 2 K không còn là nguồn điện áp chính xác nếu dòng điện cỡ µA. g. Mạch cầu: Cầu wheatstone gồm bốn điện trở hoạt động như cầu không cân bằng, dựa trên việc phát hiện điện áp qua đường chéo của cầu. điện áp ra là hàm phi tuyến nhưng với biến đổi nhỏ ∆ < 0,05 có thể coi là tuyến tính. Độ nhạy của cầu: α = ( ) h. Bù nhiệt độ của các cầu điện trở: Sử dụng phương pháp nối trực tiếp mạch bù nhiệt độ vào sơ đồ cầu để bù lại sự mất mát cho các điện trở do nhạy với nhiệt độ trong sơ đồ wheatston. 1.10 Truyền dữ liệu a. Truyền dữ liệu bằng đường truyền hai dây: Để phối ghép từ bộ cảm biến đến thiết bị điều khiển và chị thỉ thường sử dụng đường truyền hai dây. Tín hiệu điện áp trên tải thích hợp với việc xử lý tiếp theo của các mạch điện tử. b. Đường truyền bốn dây: Đôi khi người ta mong muốn bộ cảm biến với mạch giao diện điều khiển từ xa. Khi bộ cảm biến có điện trở tương đối thấp c. Đường truyền sáu dây: Khi cầu wheatstone được sử dụng từ xa điện áp của cầu đóng vai trò quan trọng trong việc ổn định nhiệt của cầu. 1.11 Nhiễu trong các bộ cảm biến và mạch
Nhiễu trong các bộ cảm biến và mạch là nguồn gốc của sai số mà ta phải tìm các biện pháp khắc phục. giống như bệnh tật nhiễu không thể loại trừ hoàn toàn mà chỉ có thể phòng ngừa, làm giảm ảnh hưởng của chúng và việc khắc phục nhiễu đòi hỏi nhiều biện pháp tổng hợp. có hai loại nhiễu : nhiễu nội tại và nhiễu tác động trên mạch truyền dẫn tín hiệu. a. Nhiễu nội tại: Nhiễu nội tại phát sinh do sự không hoàn thiện trong việc thiết kế, công nghệ chế tạo, tính chất vật liệu của các bộ cảm biến… do đó đáp ứng có thể bị méo mó so với dạng lý tưởng. sự méo mó của tín hiệu ra có thể có tính hệ thống hoặc ngẫu nhiên. Dạng tín hiệu ra liên quan chặt chẽ đến hàm truyền, đặc tính tuyến tính và đặc tính động của bộ cảm biến. Từ bộ cảm biến tín hiệu được khuếch đại và chuyển đổi thành dạng số không biểu thị bằng độ lớn và đặc tính phổ mà theo độ phân giải số. khi tăng độ phân giải số trị số của bit trọng số thấp sẽ giảm. Điện áp lệch đầu vào và dòng điện phân cực có thể bị trôi. Tín hiệu nhiễu (điện áp và dòng điện) do cơ chế vật lý xảy ra trong các điện trở và tranzitor sử dụng để chế tạo mạch. Một nguyên nhân gây nhiễu là do tính chất rời rạc của dòng điện, bởi vì dòng điện là dòng của các điện tích chuyển động, mỗi điện tích mang một giá trị xác định. ở mức nguyên tử dòng điện rất linh động, chuyển động của chúng phụ thuộc vào nhiệt độ. Giá trị quân phương của điện áp nhiễu có thể được tính theo công thức : = 4k TR∆f (V2/Hz) Trong đó: k là hằng số boltzman = 1,38.10-23 (J/K) T là nhiệt độ (K) R là điện trở (Ω) ∆f là độ rộng rải tần (Hz) Ở nhiệt độ phòng mật độ nhiễu do điện trở tạo nên có thể tính bằng ̅ = 0,13√ tính bằng nV/√ , với dải tần 100Hz, điện trở 10 MΩ có điện áp nhiễu bằng 4 µV b. Nhiễu do truyền dẫn: Để chống nhiễu ta thường sử dụng kỹ thuật vi sai phối hợp bộ cảm biến từng đôi, trong đó tín hiệu ra là hiệu của hai tín hiệu ra của từng bộ. một bộ cảm biến gọi là cảm biến chính và bộ kia là cảm biến chuẩn được đặt trong màn chắn. c. Màn chắn, vỏ bọc về điện: Nhiễu có nguyên nhân điện trường và tĩnh điện có thể giảm đáng kể bằng cách làm màn chắn, bọc bộ cảm biến và mạch, đặc biệt là các phần tử có tổng trở và phi tuyến. từng vấn đề màn chắn phải được phân tích riêng một cách tỷ mỷ. điều quan trọng là phải nhận dạng đúng nguồn nhiễu và mối liên hệ của nhiễu với mạch. Màn chắn có hai mục đích, đầu tiên là giới hạn nhiễu trong miền nhỏ tránh nhiễu lây lan sang mạch lân cận. mục
đích thứ 2 của màn chắn là nếu có tồn tại nhiễu trong mạch thì màn chắn bố trí xung quanh các bộ phận nhạy cảm của bộ cảm biến sẽ ngăn nhiễu ảnh hưởng tới các phần này. Màn có thể là hộp kim loại hoặc bọc kim cho cáp tín hiệu. d. Màn từ: Chống ảnh hưởng của từ trường khó hơn chống ảnh hưởng của điện trường và trường tĩnh điện bởi vì từ trường thâm nhập vào vật dẫn. việc bọc kim quanh dây dẫn và nối đất một phía ảnh hưởng ít đến điện áp cảm ứng do từ trường. từ trường thâm nhập vào màn, biên độ của nó giảm theo hàm số mũ. Một số giải pháp chống ảnh hưởng của từ trường như sau : o Bố trí mạch thu xa nguồn gây ra từ trường, o Tránh các dây song song với từ trường, nên thay bằng dây vuông góc với từ trường, o Làm màn từ bằng vật liệu thích hợp, tùy theo tần số và cường độ từ trường o Sử dụng đôi dây xoắn để dẫn dòng điện lớn, nếu các dòng điện trong đôi dây bằng nhau về trị số và ngược dấu trong mỗi chu kỳ xoắn từ trường của nó bằng không. o Sử dụng màn chắn cáp như mạch trở về, nếu dòng i2 bằng ngược dấu dòng điện trong lõi cáp thì từ trường của cáp bằng không. Chương II: CÁC LOẠI CẢM BIẾN 2.1 Cảm biến đo nhiệt độ 2.1.1 Thang nhiệt độ. - Thang nhiệt độ nhiệt động tuyệt đối(Thang Kelvin): Đơn vị là K, nhiệt độ cho điểm cân bằng của 3 trạng thái nước - nước đá - hơi bằng 273,15 K. - Thang nhiệt độ bách phân (Thang Celsius): Đơn vị là C (oC), ta có: T(oC) = T(K)- 273,15 2.1.2 Nhiệt độ đo được và nhiệt độ cần đo. Nhiệt độ đo được bằng cảm biến T phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường Tx và sự trao đổi nhiệt trong đó. Để đo đúng hiệu số Tx – T phải cực tiểu. Có 2 biện pháp nâng cao độ chính xác đo: - Tăng cường trao đổi nhiệt giữa bộ cảm biến và nhiệt độ môi trường cần đo - Giảm trao đổi nhiệt giữa bộ cảm biến và nhiệt độ môi trường bên ngoài Bộ cảm biến nhiệt tiếp xúc gồm các bộ phận sau đây: - Phần tử cảm nhận: bằng vật liệu có đặc tính thay đổi theo nhiệt độ, có tỷ nhiệt thấp, nhiệt dẫn suất cao, nhạy với nhiệt độ. - Tiếp điểm dẫn: từ phần tử cảm nhận và mạch điện tử bên ngoài.
Vỏ bảo vệ: phân cách cảm biến với môi trường. Vỏ bảo vệ phải có nhiệt trở thấp, - cách điện tốt, chịu ẩm và các yếu tố ăn mòn. Bộ cảm biến nhiệt độ không tiếp xúc là bộ cảm biến bức xạ nhiệt có cửa sổ quang học qua đó bức xạ nhiệt có thể truyền tới. 2.1.3 Cảm biến nhiệt điện trở. Có ưu điểm đơn giản, độ nhạy cao, ổn định dài hạn. Được chia làm 3 loại: điện trở kim loại, điện trở bán dẫn và nhiệt điện trở. a. Nhiệt điện trở kim loại: Thường có dạng dây kim loại hoặc màng mỏng kim loại có điện trở suất thay đổi theo nhiệt độ. Dựa vào dải nhiệt độ cần đo và các tính chất môi trường ta thường làm điện trở bằng Platin, Niken đôi khi là đồng và vonfram. Để đạt được độ nhạy cao, điện trở phải lớn, muốn vậy cần giảm tiết diện và tăng chiều dài dây. Tuy nhiên để có độ bền cơ học tốt các nhiệt điện trở kim loại cần có điện trở R vào khoảng 100Ω ở 0oC. Thực tế các điện trở trên thị trường có điện trở ở 0oC là 50, 500, 1000 Ω. Các nhiệt điện trở có các trị số lớn thưởng dùng đo ở dải nhiệt độ thấp, ở đó cho phép thu được độ nhạy tốt. Để sử dụng trong công nghiệp các nhiệt điện trở thường có vỏ bọc tốt, chống được va chạm và rung động. b. Cảm biến nhiệt điện trở silic: Silic tinh khiết hoặc đơn tinh thể có hệ số điện trở âm tuy nhiên khi được kích tạp loại n ở một dải nhiệt độ nào đó hệ số nhiệt điện trở của nó trở thành dương do điện tích mang chuyển sang nhiệt độ thấp hơn. Ở các nhiệt độ cao hơn số điện tích tụ do tăng lên do điện tích tự phát và đặc tính của silic chiếm đa số do vậy dưới 200oC điện trở suất của silic có hệ số nhiệt dương nhưng trên 200oC hệ số nhiệt điện trở là âm. 2.1.4 Nhiệt điện trở. Đặc tính quan trọng của loại điện trở này là có độ nhạy nhiệt rất cao gấp hàng chục lần độ nhạy của điện trở kim loại. Gồm 2 loại: - Nhiệt điện trở có hệ số nhiệt điện trở dương - Nhiệt điện trở có hệ số nhiệt điện trở âm Nhiệt điện trở được làm từ hỗn hợp oxit bán dẫn đa tinh thể như MgO,NiO,…… Nhiệt điện trở được chế tạo dưới dạng bột oxit, trộn với nhau theo tỉ lệ nhất định sau đó được nén định dạng và thiêu kết ở nhiệt độ 1000 oC. Các dây nối kim loại được hàn tại 2 điểm trên bề mặt và được phủ bằng 1 lớp kim loại. Các nhiệt điện trở được chế tạo với các hình dáng khác nhau. Cảm biến có kích thước nhỏ cho phép đo nhiệt độ tại từng điểm, đồng thời do nhiệt dung nhỏ nên thời gian hồi đáp nhỏ.
2.1.5 Cảm biến cặp nhiệt ngẫu. a. Nguyên lý làm việc: Bộ cảm biến cặp nhiệt ngẫu là 1 mạch có từ 2 hay nhiều thanh dẫn điện gồm 2 đầu dây dẫn A và B. Chỗ nối giữa 2 thanh kim loại 1 và 2 được hàn với nhau. Seebeck đã chứng minh rằng, nếu nhiệt độ các mối hàn t và t0 khác nhau thì trong mạch khép kín có 1 dòng điện chạy qua. Chiều của dòng nhiệt điện này phụ thuộc vào nhiệt độ tương ứng của mối hàn, nếu t > t0 thì dòng điện chạy theo hướng ngược lại. Nếu để hở 1 đầu thì giữa 2 cực xuất hiện 1 sức điện động nhiệt. b. Các phương pháp mắc cặp nhiệt ngẫu mẫu: Việc nối các cặp nhiệt ngẫu mẫu có thể thực hiện tùy theo trường hợp cụ thể để nâng cao độ chính xác. Có 3 cách mắc: - Nối vi sai các cặp nhiệt ngẫu - Mắc nối tiếp n cặp nhiệt ngẫu - Nối vi sai biến đổi c.Phương pháp đo tín hiệu nhiệt ngẫu: Sử dụng milivon kế từ điện, điện thế kế và thiết bị biến đổi chuẩn. 2.1.6 Đo nhiệt độ bằng Diode và tranzitor. Linh kiện điện tử nhạy cảm với nhiệt độ, do đó có thể sử dụng một số linh kiện bán dẫn như diode hoặc tranzitor nối theo kiểu diode phân cực thuận có dòng điện không đổi, khi đó điện áp giữa 2 cực là hàm của nhiệt độ. Dải nhiệt độ làm việc bị hạn chế trong khoảng T=-50oC ÷150oC. Trong khoảng này bộ cảm biến có độ ổn định cao. 2.1.7 Cảm biến quang đo nhiệt độ. a. Hỏa kế bức xạ: Tất cả các vật thể nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ tuyệt đối đều phát ra các bức xạ nhiệt. Bức xạ nhiệt là các bức xạ điện từ tạo ra từ các chất do nội năng của chúng (với bức xạ huỳnh quang do kích thích của nguồn ngoài). Cường độ bức xạ nhiệt giảm mạnh khi nhiệt độ của vật giảm. Hỏa kế được dùng chủ yếu để đo nhiệt độ từ 300 - 6000 oC và cao hơn. Hỏa kế sử dụng các bức xạ nhìn thấy và hồng ngoại. Đo nhiệt độ của vật bằng bức xạ nhiệt dựa trên cơ sở các quy luật với vật đen tuyệt đối. Khi đo nhiệt độ bằng hỏa kế thì độ chói của phổ năng lượng là 1 đại lượng cơ bản. Để đo độ chói của vật mang nhiệt độ ta dùng hỏa kế quang học và hỏa kế quang điện.
b. Hỏa kế quang học: được sử dụng trong phòng thí nghiệm để đo nhiệt độ lớn hơn 800 o C. Nguyên lý hoạt động là dựa trên cơ sở so sánh độ chói quang phổ của vật đo với độ chói chuẩn bằng mắt thường để xác định sự trùng của độ chói đo với độ chói chuẩn. c. Hỏa kế quang điện: là dụng cụ đo tự động. Phần tử thu năng lượng bức xạ có thể là tế bào quang điện, điện trở quang điện hay diode quang điện. Nguyên lý hoạt động cũng dựa trên cơ sở sự phụ thuộc quang phổ độ chói của vật vào nhiệt độ của nó. Theo nguyên lý hoạt đông, hỏa kế quang điện được phân thành 2 loại: + Dụng cụ nhận năng lượng bức xạ truyền tới phần tử thu và làm thay đổi các tham số của nó (dòng quang điện, điện trở) + Đo năng lượng bức xạ bằng phương pháp bù. Hỏa kế quang điện có thể đo được nhiệt độ từ 800 ÷ 2000 oC có cấp chính xác 1 và 1,5. 2.1.8 Áp kế nhiệt. Nguyên lý hoạt động của áp kế nhiệt dựa trên sự phụ thuộc của áp suất làm việc của các chất trong hệ thống nhiệt vào nhiệt độ. Áp kế nhiệt có thể đo nhiệt độ từ -150 ÷ 600 oC. Nhiệt kế đặc biệt (kim loại nóng chảy) có thể đo được nhiệt độ từ 100 ÷ 1000 oC. Nhiệt kế áp suất gồm một bình nhiệt 1, một ống mao dẫn 2 và lò xo áp kế 3. Phần tử nhạy cảm với nhiệt độ (bình nhiệt) được nhúng chìm vào đối tượng đo, chất mang nhiệt trong bình chứa nhiệt đạt tới nhiệt độ của môi trường. Khi nhiệt độ của chất trong bình thay đổi, truyền qua ống mao dẫn tới lò xo của áp kế làm quay kim chỉ thị của nhiệt kế 2.1.9 Cảm biến siêu âm nhiệt độ. Trong một số môi trường khó đo nhiệt độ như trong khu vực nhiệt độ thấp, vùng có mức bức xạ cao trong lò phản ứng hạt nhân hoặc trong khu vực hoàn toàn kín, không tiện bố trí bộ cảm biến ta có thể dùng phương pháp âm thanh để đo nhiệt độ. Nguyên lý hoạt động của bộ cảm biến siêu âm nhiệt độ dựa trên quan hệ giữa nhiệt độ và môi trường truyền âm. Cấu tạo của bộ cảm biến âm nhiệt độ gồm 3 bộ phận: máy phát siêu âm, máy thu siêu âm và ống kính chứa khí khô. 2.2 Cảm biến vị trí và di chuyển 2.2.1 Khái niệm chung Có 2 phương pháp cơ bản để xác định vị trí và di chuyển: - Phương pháp 1: Bộ cảm biến cung cấp tín hiệu là hàm phụ thuộc vào vị trí của một trong các phần tử cảm biến, đồng thời phần tử này có liên quan đến vật di động cần xác định di chuyển.
- Phương pháp 2: Ứng với 1 dịch chuyển cơ bản bộ cảm biến sẽ phát ra 1 xung. Việc xác định vị trí và dịch chuyển sẽ tiến hành bằng cách đếm số sung phát ra. 2.2.2 Đo di chuyển nhỏ bằng phương pháp sóng đàn hồi a. Phát sóng đàn hồi bằng tác động của tia laser lên đối phương: Các sóng đàn hồi còn gọi là sóng âm hoặc siêu âm là các sóng cơ học chuyển dịch trong vật chất. trong vật rắn đẳng hướng và vô hạn có thể truyền hai sóng: sóng dọc và sóng ngang. Tốc độ truyền sóng dọc luôn lớn hơn tốc độ truyền sóng ngang. Các tốc độ này không phụ thuộc vào phương truyền và vào khoảng vài nghìn mét trong một giây. Tùy theo mật độ công suất, sự va đập của xung ánh sáng lên mặt tự do của vật rắn mà tạo nên các sóng đàn hồi có cơ chế khác nhau theo hai loại: o Loại sóng làm thay đổi trạng thái bề mặt (hiện tượng cắt) o Loại sóng không làm thay đổi trạng thái bề mặt (áp suất bức xạ hiệu ứng nhiệu đàn hồi) Khi mật độ công suất ánh sáng không tạo nên sự bay hơi vật liệu, hiệu ứng dãn nở cục bộ do sự phát sóng là chủ yếu ( chế độ nhiệt đàn hồi) so với áp suất bức xạ. sự dãn nở nhiệ gây ra các lực lượng song song với mặt tự do. Ba chế độ phát sóng đàn hồi do laser tạo nên. 1. Chế độ đàn hồi nhiệt Khi tia bức xạ có cường độ ánh sáng trên mặt kim loại nhỏ hơn ngưỡng cắt trường điện từ cảm ứng một dòng điện dẫn lân cận bề mặt. một phần năng lượng tới bị hấp thu do hiệu ứng Joule và biến đổi thành nhiệt còn phần khác bị phản xạ. vì hiệu ứng màn của các điện tử dẫn hiện tượng này được tập trung lị gần bề mặt kim loại trong một lớp mỏng (hiệu ứng mặt ngoài). Laser cường độ yếu đóng vai trò nguồn nhiệt và gây ra biến dạng cơ học. nguồn đàn hồi nhiệt không tạo nên sóng dọc nếu nguồn nằm trong vật rắn. khi có bề mặt là nguồn gốc biến đổi thành sóng ngang. Sự phối hợp của các chuyển dịch dọc và ngang tạo nên sóng Rayleigh lan truyền trên bề mặt chất rắn. 2. Mô hình một chiều Mô hình một chiều là mô hình đơn giản, bỏ qua khuếch tán nhiệt trong khoảng thời gian rất ngắn (từ 10 đến 100ns). Mô hình một chiều chỉ đúng khi chiều ngang của nguồn lớn hơn bước sóng âm. Trong thực tế cho thời gạn xung laser từ 30 đến 50ns, kích thước ngang của nguồn cỡ mm, nghĩa là kích thước chùm tia A ≈ 1 cm2 , mật độ công suất trở nên quá nhỏ để biên độ lớn. 3. Mô hình nguồn điểm
Sự bức xạ của một nguồn đàn hồi nhiệt có kích thước tùy ý được tính toán từ nguồn điểm b. Chế độ cắt: Khi mật độ công suất ánh sáng hấp thụ I (W/m2) đủ lớn tia laser gây nóng chảy rồi làm bay hơi một lượng vật chất. ứng dụng công nghiệp của chế độ này rất phổ biến. Chế độ cắt xuất hiện bắt đầu từ ngưỡng / ( ) − I> ∆ Phụ thuộc vào nhiệt độ bay hơi Tv và nhiệt độ ban đầu Ti của vật liệu. c. Tăng hiệu quả: Trong lĩnh vực kiểm tra không phá hỏng mẫu chế độ đàn hồi nhiệt tránh được hư hỏng bề mặt mẫu. biên độ di chuyển cơ nhỏ dẫn tới phát hiện quang học khó khăn. Có thể tăng hiệu quả phát nếu sử dụng một lưới nguồn di động để phân bố công suất trên bề mặt rộng. sự có mặt một màng mỏng hấp thụ hoặc một lớp trong suốt trên bề mặt vật liệu cũng làm thay đổi loại nguồn đàn hồi nhiệt theo chiều hướng có lợi. d. Mạng lưới nguồn: Nguyên lý của lưới cảm biến (phased array) được dùng trong thiết bị y tế có thể dùng cho laser. Đối với phát hiên khuyết tật không tiếp xúc cơ, kỹ thuật này có hai ưu điểm : o Độ nhạy được cải thiện (> 20dB) theo tỷ số tín hiệu nhiễu o Hướng chùm tia âm có thể được điều khiển bằng cách thay đổi độ trễ 1, 2… o để quét nhanh mẫu cần kiểm tra. Ảnh hưởng của màng mỏng: Sự có mặt của một màng mỏng (ví dụ lớp dầu) làm tăng độ hấp thụ tia sáng, làm nhiệt độ màng tăng lên, sự bay hơi tạo nên việc truyền một phần di chuyển và lực pháp tuyến trong chế độ cắt. Phản ứng này đặc biệt có lợi đối với việc phát sóng dọc. 2.2.3 Phát hiện di chuyển cơ học bằng phương pháp quang đàn hồi Thiết bị này không nhạy bằng cảm biến áp điện nhưng có ưu điểm cơ bản là xem xét cục bộ. không có tiếp xúc cơ học và có dải thông rất rộng. Tương tác của một chùm tia sáng đường kính d với một sóng âm bước sóng λ làm thay đổi : o Hướng chùm tia nếu d < λ, tia sáng bị lệch do sóng bề mặt. o Cường độ chùm tia nếu d > λ , chùm tia sáng nhiều bước sóng bị khúc xạ bằng một lưới pha phối hợp với sóng đàn hồi.
o Pha chùm tia do sự thay đổi đường tia sáng do sự di chuyển của bề mặt theo pháp tuyến. o Tần số chùm tia do hiệu ứng Doppler. Các cảm biến di chuyển cơ học bằng quang đàn hồi gồm hai loại : o Cảm biến không giao thoa, khai thác sự lệch hay khúc xạ tia sáng, o Cảm biến giao thoa khai thác điều biến pha hay điều biến tần số của sóng ánh sáng. a. Phương pháp không giao thoa: Phương pháp này được sử dụng để xem xét sóng tạo nên sóng bề mặt như sóng Rayleigh. Các sóng này được quét nhanh trên bề mặt. - Sự lệch tia: Hình vẽ minh họa nguyên lý của phương pháp này. Tia sáng bước sóng λ phản xạ trên bề mặt bị dao động khi sóng bề mặt qua. Chùm tia được che bằng một khuôn để cường độ dòng quang điện được điều biến theo tần số sóng (trong thực tế là bờ cảm biến quang) Kỹ thuật này rất đơn giản và hiệu quả được sử dụng rộng rãi để quan sát trường âm bề mặt nhưng có nhược điểm là cần bề mặt trạng thái tốt. Thiết bị Slam ( scanning laser Acoustic Microscope) có nguyên lý được trình bày trên hình vẽ, chi tiết cần xem xét được nhúng trong bình nước triệt tâm đối với tia siêu âm. Tia sáng quét trên mặt nhẵn và được kim loại hóa một tấm thủy tinh hữu cơ và tạo nên hình ảnh sóng âm được truyền qua mẫu. - Sự khúc xạ: Kỹ thuật này được sử dụng ở chế độ xác lập, phân bố không gian của tia sóng đàn hồi bề mặt. b. Các phương pháp nhiễu xạ: - Cảm biến đồng dao động:Hình 5.18a là sơ đồ nhiễu xạ kế michelson trong đó tia laser công suất PL được chia thành hai thành phần bằng nhau được phản xạ vào đối tượng ( tia S) và trên gương (tia R) và được trộn lẫn vào photodiot. Một bộ cách ly ngăn phần chia trở lại nguồn thâm nhập vào hốc cộng hưởng của laser và dẫn đến mất ổn định. Cường độ dòng quang điện phụ thuộc vào hình sin vào bước sóng ^, vào hiệu LS. Vị trí của gương chuẩn được điều chỉnh sao cho duy trì điểm làm việc vuông pha trong vị trí này không phụ thuộc vào các biến thiên ngẫu nhiên của quãng đường quang. - Cảm biến ngoại sai:Trong nhiễu xạ kế ngoại sai tần số của một hoặc hai tia lệch nhau - Cấu trúc quang compact: Cấu trúc của nhiễu xạ kế michelson được thay đổi, trong đó bộ phận chia các tia được thay bằng bộ điều khiển âm quang có nhiều nhược điểm. các tia cảm biến và chuẩn không vuông góc. Thấu kính tiêu thụ tia cảm biến trên đối tượng cải thiện độ phân giải không gian làm tăng số lượng ánh sáng thu thập trong trường hợp mặt khuếch tán và làm bộ cảm biến ít
nhạy với mẫu nghiêng khi di chuyển. sự lệch so với trục của hai khối làm khử tín hiệu nhiễu do sự lệch của các tia S và R tạo nên trên mặt phân cách của bộ phận chia B. điều chỉnh bộ cảm biến này nhanh bởi vì bộ điều biến chỉ cho tia cảm biến cắt qua một lần và hai tia song song hoặc vuông góc. Vì bộ phận quang làm việc chắc chắn nên ổn định. 2.2.4.Nhiễu xạ kế Doppler Trong các nhiễu xạ kế miêu tả ở trên, sóng phản xạ có thể bị thay đổi, xáo trộn với 1 sóng chuẩn. Trường hợp mặt khuếch tán các sóng này chỉ có thể thu thập ánh sáng liên kết cùng pha, về hình học nó kéo dài vô hạn. Để khắc phục nhược điểm này chỉ cần dùng 1 sóng đến bề mặt và có thể đo được di chuyển. Thông tin về di chuyển là do phách giữa một phần của sóng này và phần sóng khác có thời gian trễ . Phương pháp quang đo di chuyển cơ của bề mặt có độ phân dải 10-6 mm/√ Ưu điểm là không đòi hỏi tiếp xúc cơ học và có dải thông rất rộng và không làm nhiễu loạn việc truyền sóng đàn hồi. 2.2.5 Cảm biến cáp sợi quang đo vị trí và di chuyển Các cảm biến điều biên đơn giản và rẻ tiền đã được áp dụng từ những năm 60 để đo vị trí, khoảng cách và di chuyển. Cảm biến gồm khoảng 900 sợi quang ghép trong cùng một sợi cáp kèm thêm một sợi kim loại ở giữa để đảm bảo độ cứng mong muốn. đường kính trong 2,2mm , đường kính ngoài 3,2 mm. có hai phương án : cảm biến hai sợi quang và một sợi ánh sáng tới và trở về qua cùng một cáp. Tia sáng tới sau khi đập vào mục tiêu sẽ trở về sợi quang thứ hai Khoảng cách giữa đầu sợi quang và mục tiêu là thông số chính của hệ thống đo. Nếu khoảng cách quá bé ánh sáng phản xạ trực tiếp và hầu như không nhận được ánh sáng trở về. ngược lại nếu khoảng cách quá lớn vì sự phân kỳ của mặt phản xạ cũng không nhận được tia trở về, do vậy cũng có một khoảng cách tối ưu ở đó thu được giá trị đáp ứng cực đại. các sợi quang phát và nhận có thể được phân bố tùy ý, phân bố trong một nửa vòng tròn hoặc đồng tâm. ứng vói các cách bố trí này có thể nhận được các đường cong đáp ứng khác nhau. 2.2.6 Cảm biến tiếp cận Cảm biến tiếp cận được sử dụng để phát hiện sự có mặt hoặc không có mặt của đối tượng bằng kỹ thuật cảm biến không có tiếp xúc cơ học. các công tắc hành trình đòi hỏi sự tiếp xúc của đối tượng sẽ không được đề cập ở đây. Các cảm biến tiếp cận sử dụng nguyên lý thay đổi điện cảm hay điện dung của phần tử mạch điện khi có mặt hoặc không có mặt đối tượng có cấu trúc tương đối đơn giản,