Giáo trình Đo lường và cảm biến - Trường CĐ Kinh tế - Kỹ thuật Vinatex TP. HCM

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:45

Thêm vào BST

Báo xấu

20
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Giáo trình Đo lường và cảm biến gồm có 6 chương với những nội dung chính sau: Chương I: Khái niệm về đo lường & cảm biến; Chương II: Đo lường vị trí & sự dịch chuyển; Chương III: Cảm biến & đo lường nhiệt độ; Chương IV: Đo lực & áp suất; Chương V: Đo lưu lượng – mức; Chương VI: Đo vận tốc & gia tốc. Mời các bạn cùng tham khảo để biết thêm nội dung chi tiết.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Đo lường và cảm biến - Trường CĐ Kinh tế - Kỹ thuật Vinatex TP. HCM

TRƯỜNG CAO KINH TẾ - KỸ THUẬT VINATEX TP.HCM GIÁO TRÌNH ĐO LƯỜNG - CẢM BIẾN Thành Phố Hồ Chí Minh – 2017 1
2
CHƯƠNG I : KHI NIỆN VỀ ĐO LƯỜNG & CẢM BIẾN I/ CẤU TRÚC CỦA MỘT DỤNG CỤ ĐO KHÔNG ĐIỆN : X Chuyển đổi sơ cấp Y Cơ cấu chỉ ( cảm biến ) Mạch đo thị Đại lượng Đại lượng điện không điện Mạch đo gồm 3 khâu : + Chuyển đổi ( sensor): thu nhận hoặc biến đổi sự thay đổi của đại lượng không điện thành sự thay đổi của đại lượng điện đầu ra. + Mạch đo : gia công tín hiệu từ khâu chuyển đổi cho phù hợp với cơ cấu chỉ thị. Bao gồm : khuếch đại, dịch mức, lọc, phối hợp trở kháng. + Cơ cấu chỉ thị : hiển thị kết qủa đo ( số, kim, điện tử ) II/ CÁC THÔNG SỐ ĐẶC TRƯNG CỦA CHUYỂN ĐỔI: 1/ Phương trình chuyển đổi: X Y Đại lượng Chuyển đổi Đại lượng điện không điện Đại lượng điện Y ở ngõ ra của chuyển đổi luôn cĩ thể biểu diễn theo ngõ vào không điện X theo 1 hàm f : Y = f(X) Tác dụng của nhiểu : Y = ( X, X1, X2, …, Xn ) Trong đó X1, X2,….Xn là những đại lượng nhiễu, do vậy điều kiện lý tưởng là các đại lượng này bằng 0. + Phương pháp chuẩn cảm ứng : Chuẩn cảm ứng là phép đo nhằm mục đích xác lập phương trình chuyển đổi của cảm biến hoặc dưới dạng phương trình hoặc dạng đồ thị. Thực hiện phép đo với những tín hiệu ngõ vào X1 xác định để tìm được ngõ ra Y1 xây dựng đường đặc tính. + Chuẩn đơn giản + Chuẩn nhiều lần : áp dựng các cảm biến có tính trễ : xây dựng đường đặc tính khi ngõ vào tăng lên và xây dựng đường đặc tính khi ngõ vào giảm xuống. 2/ Độ nhạy : Độ nhạy là tỷ số biến thiên đầu ra theo biến thiên đầu vào. Y Y Độ nhạy chủ đạo : SX = lim = X  0 X X 3
Độ nhạy chủ đạo càng lớn tức khả năng đo được các đại lượng biến thiên đầu vào càng nhỏ đồng nghĩa với chuyển đổi càng tốt. Y Y Độ nhạy phụ : SXi = lim = Xi  0 X X Độ nhạy phụ SX1 càng nhỏ tức ảnh hưởng của các đại lượng phụ (nhiễu) càng nhỏ đồng nghĩa với chuyển đổi càng tốt Độ chọn lựa: tỷ số giữa độ nhạy chủ đạo và độ nhạy phụ Ki = S X S Xi Cảm biến có Ki càng lớn càng tốt Ví dụ : cho 2 cảm biến có độ nhạy như bảng sau : Cảm biến SX SXi -3 CB1 8.10 mV/kg 4.10 mV/oC -6 CB2 9.10-3mV/kg 8.10-6mV/oC Nên chọn cảm biến nào ? tại sao . S S   Chọn cảm biến 1 XCB1 XCB 2 S X 1CB1 S X 1CB 2 3/ Ngưỡng độ nhạy và giới hạn đo : Ngưỡng độ nhạy là độ biến thiên lớn nhất của ngõ vào mà ngõ ra chưa thay đổi Y= ( X +∆0) ∆0 càng nhỏ càng tốt Giới hạn đo là phạm vị biến thiên ngõ vào mà phương trình chuyển đổi cho nghiệm đúng. Khi chọn cảm biến phải chọn cảm biến có giới hạn đo lớn hơn hoặc bằng khoản muốn đo. 4/ Độ tuyến tính : Một cảm biến được gọi là tuyến tính trong một dải đo xác định nếu trong dải đo đó độ nhạy không phụ thuộc vào giá trị đo. Nếu cảm biến không tuyến tính, người ta sử dụng các mạch đo để hiệu chỉnh thành tuyến tính gọi là sự tuyến tính hóa. 5/ Sai số : Là sai lệch giữa giá trị thực và giá trị đo được gồm sai số tuyệt đối và sai số tương đối. Có 3 loại sai số chủ yếu trong chuyển đổi đại lượng đo lường không điện : + Sai số phi tuyến là sai số xuất hiện trong kết qủa đo do đặc tính chuyển đổi là phi tuyến. Khắc phục: tuyến tính hóa đặc tính chuyển đổi + Sai số phụ là sai số xuất hiện do ảnh hưởng của các đại lượng phụ 4
Khắc phục: sử dụng cảm biến đng trong môi trường theo yêu cầu của nhà sản xuất, lộc nhiễu, bội nhiễu, phối hợp tổng trở, v.v … + Sai số ngưỡng: sai số do ngưỡng độ nhạy. Sai số này phụ thuộc vào công nghệ chế tạo nào không có cách khắc phục III/ PHÂN LOẠI CHUYỂN ĐỔI : Chuyển đổi có thể được phân loại theo 1 trong các tiêu chuẩn sau: + Yêu cầu về nguồn cung cấp : - Tích cực & thu động + Trạng thi tín hiệu ra : - Tương tự & số + Trạng thi đo lường : - Trạng thi lệch & cân bằng 1/ Chuyển đổi tích cực và thụ động : a/ Chuyển đổi tích cực : đòi hỏi sự cung cấp năng lượng bên ngoài hay tín hiệu kích thích để tác động. Nguyên lý chuyển đổi: dựa trên các hiệu ứng vật lý biến đổi một dạng năng lượng nào đó thành năng lượng điện. + Hiệu ứng nhiệt điện (M1) T1 (M2) e  T1 00 C (M1) + Hiệu ứng áp điện : F VF + Hiệu ứng cảm ứng điện từ : B e  + Hiệu ứng quang – điện - từ Ư I 5
Ngoài ra còn nhiều hiệu ứng khác như : hiệu ứng quang điện, hiệu ứng hall v.v… Đại lượng vật lý cần đo Hiệu ứng sử dụng Tín hiệu ra Lực Áp suất Áp điện Điện tích Gia tốc Nhiệt độ Nhiệt điện Điện áp Tốc độ ( vận tốc ) Cảm ứng điện từ Điện áp Vị trí Hiệu ứng Hall Điện áp Từ thông bức xạ quang Hoa quang Điện tích Phát xạ quang Dòng điện Hiệu ứng quang áp Điện áp Hiệu ứng quang điện từ Điện áp b/ Chuyển đổi thụ động : Phát tín hiệu đáp trả lại sự tác động kích thích bên ngoài mà không cần năng lượng cung cấp từ bên ngoài. Ví dụ : cặp nhiệt điện, chuyển đổi áp điện….. Chuyển đổi thụ động thường được chế tạo từ những trở kháng có thông số chủ yếu nhạy với đại lượng cần đo. Đại lượng Thông số biến đổi Vật liệu làm cảm biến Nhiệt độ Điện trở suất Kim loại : platine, nickel, Nhiệt độ rất thấp Hằng số điện môi Đồng, chất bán dẫn thủy tinh Điện trở suất Hợp kim niken và silic mạ. Biến dạng Hợp kim sắt từ Từ thẩm Vị trí Điện trở suất Từ trở Từ thông của bức xạ quang Điện trở suất Bán dẫn Độ ẩm Điện trở suất Chloure de lithium 6
Hằng số điện môi Hợp kim polymere Mức Hằng số điện môi Cách điện lỏng 2/ Chuyển đổi tương tự & chuyển đổi số : a/ Chuyển đổi tương tự : cung cấp tín hiệu liên tục trong cả cường độ, thời gian, không gian. Hầu hết các giá trị đo lường vật lý mang tính chất tương tự Ví dụ : nhiệt độ, sự dịch chuyển, cường độ sáng b/ Chuyển đổi số : Tín hiệu ra giữ ở trạng thái các bước hoặc rời rạc Tín hiệu số dễ dàng lập lại, đáng tin cạy và dễ truyền đi xa. Ví dụ : contact switch, Shaft Encoder,… 3/ Trạng thái hoạt động : a/ Chế độ lệch : tín hiệu phản hồi là sự thay đổi ( lệch ) so với trạng thái ban đầu của thiết bị đo. Sự thay đổi này tương ứng với gía trị đo. b/ Chế độ cân bằng : đưa ảnh hưởng của tín hiệu đo lên hệ thống đo lường để chống lại tác động của hệ thống đo lường. Dụng cụ đo lường ở chế độ cân bằng có thể có kết qủa đo chính xác hơn ở chế độ lệch nhưng đáp ứng thường chậm hơn. IV/ NHIỄU ĐO : Chia làm hai loại chính : nhiễu nội tại và nhiễu đường truyền - Nhiễu nội tại phát sinh do không hoàn thiện trong việc thiết kế, chế tạo các bộ cảm biến. Nhiễu nội tại không thể khắc phục nhưng có thể giảm thiểu. - Nhiễu do đường truyền phát sinh do những nguồn nhiễu từ trường, trường điện từ, sóng radio, do mạch phối hợp trên đường truyền hoặc phát sinh tại máy thu. Để giảm nhiễu trên đường truyền ta có thể sử dụng một số phương pháp như : cách ly nguồn, lọc nguồn, nối đất, bố trí linh kiện hợp lý,… Một số biện pháp khắc phục nhiễu Nguồn nhiễu Độ lớn Biện pháp khắc phục Nguồn 50Hz 100pA Cách ly nguồn nuôi, màn, nối đất Nguồn 100Hz 3 V Lọc nguồn 150Hz do máy biến áp bị 0,5  V Bố trí linh kiện hợp lý bảo hòa Đài phát thanh 1mV Màn chắn Tia lửa do chuyển mạch 1mV Lọc, nối đất, màn chắn Dao động 10pA Ghép nối cơ khí, không để dây cao áp gần đầu vào chuyển đổi Dao động cáp mối 100pA Sử dụng cáp ít nhiễu ( điện môi tẩm cacbon ) Bảng mạch 0,01-10pA Lâu sạch, dùng cách điện Teflon Các bước để lưa chọn cảm biến : 7
Chức năng : - Đại lượng vật lý cần đo - Phương pháp đo - Độ chính xác - Sai số - Độ phân giải Môi trường : - Khí hậu, nhiệt độ, áp suất, độ ẩm… - Điện, từ trường … Kết nối : - Điện : nguồn cung cấp điện áp, công suất - Tương tự ( dòng điện, điện áp, tần số ) - Số ( kết nối nối tiếp, song song ) - Cơ : chọn loại đầu nối. CHƯƠNG 2 : ĐO LƯỜNG VỊ TRÍ & SỰ DỊCH CHUYỂN 8
I/ CẢM BIẾN SỰ DỊCH CHUYỂN DÙNG ĐIỆN TRỞ Gồm một điện trở cố định Rn và một tiếp xúc điểm có thể di chuyển gắn với chuyển động cần đo. Vị trí con chạy tỷ lệ với gía trị điện trở tại đầu ra của tiếp xúc điểm. + Dịch chuyển thẳng l R(l) = Rn L + Dịch chuyển quay  R(  ) = Rn  Đặc tính : + Gía trị điện trở từ 1K  100K, đôi khi lên đến MΩ + Độ phân giải : Thông thường đạt cở 10m + Tuổi thọ của con chạy : 106 lần với dạng xoay và 107 – 108 với dạng dịch chuyển + Độ tuyến tính : ở đầu đường chạy hoặc cuối đường chạy độ tuyến tính kém II/ CẢM BIẾN SỰ DỊCH CHUYỂN DÙNG ĐIỆN DUNG Nguyên lý làm việc : Thay đổi gía trị điện dung dưới tác động dịch chuyển làm thay đổi vị trí 2 bản cực Cảm biến được đặc trưng bởi độ nhạy: 9
+ Độ nhạy điện dung : Sc = ∆C/∆x + Độ nhạy điện kháng: Sz = ∆Z/∆x Điện dung sẽ phụ thuộc vào tiết điện, khoản cách 2 bản cực và điện môi giữa 2 bản cực C(x) = f ( A, d,  ) Ví dụ : dịch chuyển theo chiếu dọc Sự thay đổi điện dung A  .  . X C ( )  X   = 8,85.10-12 F/m : hằng số điện môi C(X) không tuyến tính theo độ dịch chuyển Độ nhạy : dC (  ) A. .   . d ( ) X 2 dC (  ) A . .  1 C(X )      d ( ) X X X dC ( X ) d(X )  C( X ) X Độ biến thiên điện dung bằng với độ biến thiên của sự dịch chuyển nhưng ngược chiều. Để tuyến tính hóa, người ta có thể dùng mạch điện sau cho trường hợp trên: iX  i f  0 e X  e i e 0  ei  1/ C f 1/ Cx C f eX C f eX e0     Cx A o Qua mạch điện thì ngõ ra eo tuyến tính với sự dịch chuyển X 10
Tụ có khoảng cách biến thiên có thế đo được sự dịch chuyển nhỏ, trong khi đó tụ có điện tích biến thiên chỉ đo được dịch chuyển lớn đến 1cm Ví dụ : dịch chuyển theo chiều ngang  . o .(   VX ) C( X )  d C(X) tuyến tính theo độ dịch chuyển Ví dụ : thay đổi điện môi 0 C( X )   ( 1 .VX   2 (   VX ) d 0 C( X )   ( 2 . A  ( 1   2 ).VX ) d C(X) tuyến tính theo độ dịch chuyển III/ CẢM BIẾN SỰ DỊCH CHUYỂN DÙNG ĐIỆN CẢM 1. Lõi sắt 2. Cuộn dây 3. Phần ứng di chuyển được 4. Khe hở không khí Xv tác động làm phần ứng 3 dịch chuyển  khe hở không khí  thay đổi  thay đổi từ trở của lõi thép  điện cảm và tổng trở của cảm biến cũng thay đổi theo. W 2 W 2 . . 0 .S Điện cảm : L   R   Với R  . 0 .S R : từ trở của khe hở không khí S : tiết điện thực của khe hở không khí 0 = 4.10-7 H/m : hằng số từ thẩm Điện cảm sẽ phụ thuộc vào khoảng cách khe hở không khí. 11
Ví dụ 1 : từ trở của tổng mạch từ R = RA + R C + RG Trong đó RA : từ trở trong lõi di chuyển RC : từ trở trong ống dây RG : từ trở trong không khí L LC 2x R  RC  RG    . 0 .  C . 0 .a  0 .a 2x LC LA R    0 .a  C . 0 .a  A . 0 . A Đặt Ro là từ trở mạch khi khe hở x bằng 0 LC LA R0   C . 0 .a  A . 0 . A 2 R = Ro + K.x với K  o .A 2 2 n2 n n R0 L0 L    Điện cảm R R0  K .x 1  K .x 1   .x R0 L phi tuyến theo x Ví dụ 2 : L01 L1  1   (l  x) 12
L02 L2  1   (l  x) Đo vi sai Với cách đo này thì độ nhạy tăng lên so với cách đo trước 2 lần và giảm đáng kể sự không tuyến tính. IV/ CẢM BIẾN SỰ DỊCH CHUYỂN DÙNG HỔ CẢM i.W1 W1 . 0 .s.i Từ thông do cuộn sơ cấp tạo ra : t   R  13
Sức điện động của cảm ứng trong cuộn dây đo W2 d t W 2 .W1 . 0 .s di e  W 2 .  dt  dt Làm việc với dòng điện xoay chiều i = ImSint W2 .W1.0 .s di W .W . .s e   2 1 0 I m cos t  dt  Xét gía trị hiệu dụng W2 .W1.0 .s s E I  k   V/ CẢM BIẾN TIỆM CẬN ( ĐO VỊ TRÍ ) Đặc điểm : + Phát hiện vật không cần tiếp xúc + Tốc độ đáp ứng nhanh + Đầu cảm biến nhỏ, thuận lợi trong sử dụng + Sử dụng được trong môi trường khắc nhiệt Một số định nghĩa : + Vật chuẩn : Các tính chất của vật phải phù hợp phát huy hết các đặc tính của cảm biến. 14
+ Khoản cách phát hiện : Khoảng cách xa nhất từ đầu cảm biến đến vị trí vật chuẩn m cảm biến có thể phát hiện được. + Khoảng cách cài đặt : khoảng cách để cảm biến có thể nhận biết vật một cách ổn định ( thường bằng 70% - 80% khoảng cách phát hiện ) + Thời gian đáp ứng : t1 : thời gian từ lúc đối tượng đi vào vùng phát hiện của cảm biến đến lúc cảm biến báo tín hiệu. t2 : thời gian từ lúc đối tượng chuẩn đi ra khỏi vùng phát hiện cho đến khi cảm biến hết báo tín hiệu. + Tần số đáp ứng : số lần lập lại trong 1 giây khi vật cảm biến đi qua vùng phát hiện. 1/ Cảm biến tiệm cận điện cảm : 15
Những yếu tố ảnh hưởng đến tầm của cảm biến + Kích thước, hình dạng, vật liệu lõi và cuộn dây + Vật liệu & kích thước đối tượng + Nhiệt độ môi trường Nguyên lý hoạt động : Mạch dao động tạo dao động điện từ . Từ trường biến thiên từ lõi sắt sẽ tác động với vật kim loại đặt trước nó. Khi có đối tượng lại gần  xuất hiện dòng điện cảm ứng chống lại sự thay đổi dòng điện  giảm biên độ tín hiệu dao động. Bộ phát hiện sẽ phát hiện sự thay đổi tín hiệu và tác động để mạch ra lên mức On. 2/ Cảm biến tiệm cận điện dung : Bao gồm 4 bộ phận chính : + Cảm biến ( các bản cực cách điện ) + Mạch dao động 16
+ Mạch phát hiện + Mạch đầu ra Nguyên lý hoạt động: Trong loại cảm ứng này, sự có mặt của đối tượng làm thay đổi điện dung của các bản cực. Đối tượng không nhất thiết phải là kim loại, có thể là chất lỏng, vật phi kim loại: nhựa, thủy tinh, … Tốc độ phát hiện nhanh, có thể phát hiện đối tượng kích thước nhỏ . CHƯƠNG 3 : CẢM BIẾN & ĐO LƯỜNG NHIỆT ĐỘ I/ THANG NHIỆT ĐỘ : 17
+ Thang Kelvin ( đơn vị 0K ) : Trong thang kelvin người ta gán cho điểm nhiệt độ cân bằng của trạng thi nước, nước đá : 273,150K. + Thang Celsius ( 0C ) : Một độ Celsius bằng 1 độ Kelvin. Quan hệ giữa nhiệt độ Celsiua và nhiệt độ Kelvin được thể hiện : T(0C) = T(0K) – 273,15 + Thang Fahrenheit ( 0F ) : 9 T ( 0F )  T ( 0 C )  32 5 5 T ( 0 C )  (T ( 0 F )  32). 9 II/ NHIỆT ĐIỆN TRỞ : 1/ Nhiệt điện trở kim loại: RTD ( resistive temperature detector ) Nguyên lý : Sự thay đổi gía trị điện trở tuyến tính dương với nhiệt độ : khi nóng thì gía trị điện trở tăng và khi lạnh thì gía trị điện trở giảm. Xem như tuyến tính : R = R0 (1+∆T) Ro điện trở danh định tại nhiệt độ To ∆T Chênh lệch nhiệt độ so với nhiệt độ chuẩn To 2/ Nhiệt điện trở bán dẫn : Là thiết bị có điện trở thay đổi tương ứng nhiệt độ. Có độ nhạy và độ ổn định rất cao. Bao gồm 2 loại. + PTC ( Positive temperatur ceofficient ) : Nhiệt điện trở bán dẫn có hệ số nhiệt điện trở dương: gía trị điện trở tăng khi nhiệt độ tăng. + NTC ( Negative temperatur coefficient ) : Nhiệt điện trở bán dẫn có hệ số nhiệt điện trở âm: gía trị điện trở giảm khi nhiệt độ tăng. Nhiệt điện trở được chế tạo nhiều hình dạng khác nhau, phần tử nhạy cảm hoặc được bọc một lớp bảo vệ hoặc để trần. a/ Nhiệt điện trở có hệ số nhiệt điện trở âm (NTC ) : Đối với NTC thì điện trở giảm từ 3% - 5,5%/ 1độ 18
Đường đặc trưng nhiệt độ – điện trở của 1 NTC RNTC tại 200C = 5,5K RNTC tại 1000C = 400 Đặc tính của NTC không tuyến tính nên phải tuyến tính hóa. Cách đơn giản là mắc điện trở nhiệt NTC thành mạch chia áp e R 1   e s R  RT 1  RT / R e0 1  e s 1   T RT0 / R Tỷ lệ của RT0 / R quyết định vùng làm việc tuyến tính của mạch chia điện áp. Mạch chia điện áp sử dụng NTC có độ nhạy tốt hơn nhiều so với sử dụng cặp nhiệt ngẫu hoặc nhiệt điện trở kim loại. 19
b/ Nhiệt điện trở có hệ số nhiệt điện trở dương ( PTC ) : Đường đặc tính của PTC chia làm 3 vùng + Vùng nhiệt độ thấp < TA : giống NTC + Vùng hệ số nhiệt tăng chậm ( TA, TN ) + Vùng làm việc > TN Ứng dụng : Mạch bảo vệ qúa tải III/ CẶP NHIỆT NGẪU : * Hiệu ứng nhiệt điện : + Hiệu ứng Peltier Tại mối nối của 2 dây dẫn A & B khác nhau nhưng có cùng nhiệt độ sẽ hình thành 1 điện áp chỉ phụ thuộc vào loại dây dẩn và nhiệt độ Vm  Vn  PAT/ B Định luật volta : trong một mạch kín đẳng nhiệt, tổng các sức điện động Peltier bằng 0. 20