Giáo trình đo lường và cảm biến

TRƯỜNG CAO KINH TẾ - KỸ THUẬT VINATEX TP.HCM GIÁO TRÌNH ĐO LƯỜNG - CẢM BIẾN Thành Phố Hồ Chí Minh – 2017 CHƯƠNG I : KHI NIỆN VỀ ĐO LƯỜNG & CẢM BIẾN I/ CẤU TRÚC CỦA MỘT DỤNG CỤ ĐO KHÔNG ĐIỆN : X Chuyển đổi sơ cấp ( cảm biến ) Đại lượng không điện Y Cơ cấu thị Mạch đo Đại lượng điện Mạch đo gồm khâu : + Chuyển đổi ( sensor): thu nhận biến đổi thay đổi đại lượng không điện thành thay đổi đại lượng điện đầu + Mạch đo : gia công tín hiệu từ khâu chuyển đổi cho phù hợp với cấu thị Bao gồm : khuếch đại, dịch mức, lọc, phối hợp trở kháng + Cơ cấu thị : hiển thị kết qủa đo ( số, kim, điện tử ) II/ CÁC THÔNG SỐ ĐẶC TRƯNG CỦA CHUYỂN ĐỔI: 1/ Phương trình chuyển đổi: Đại lượng khơng điện X Chuyển đổi Y Đại lượng điện Đại lượng điện Y ngõ chuyển đổi cĩ thể biểu diễn theo ngõ vào không điện X theo hàm f : Y = f(X) Tác dụng nhiểu : Y = ( X, X1, X2, …, Xn ) Trong X1, X2,….Xn đại lượng nhiễu, điều kiện lý tưởng đại lượng + Phương pháp chuẩn cảm ứng : Chuẩn cảm ứng phép đo nhằm mục đích xác lập phương trình chuyển đổi cảm biến dạng phương trình dạng đồ thị Thực phép đo với tín hiệu ngõ vào X1 xác định để tìm ngõ Y1 xây dựng đường đặc tính + Chuẩn đơn giản + Chuẩn nhiều lần : áp dựng cảm biến có tính trễ : xây dựng đường đặc tính ngõ vào tăng lên xây dựng đường đặc tính ngõ vào giảm xuống 2/ Độ nhạy : Độ nhạy tỷ số biến thiên đầu theo biến thiên đầu vào Độ nhạy chủ đạo : SX = lim X  Y Y = X X Độ nhạy chủ đạo lớn tức khả đo đại lượng biến thiên đầu vào nhỏ đồng nghĩa với chuyển đổi tốt Độ nhạy phụ : SXi = lim Xi  Y Y = X X Độ nhạy phụ SX1 nhỏ tức ảnh hưởng đại lượng phụ (nhiễu) nhỏ đồng nghĩa với chuyển đổi tốt Độ chọn lựa: tỷ số độ nhạy chủ đạo độ nhạy phụ Ki = S S X Xi Cảm biến có Ki lớn tốt Ví dụ : cho cảm biến có độ nhạy bảng sau : Cảm biến SX -3 CB1 8.10 mV/kg CB2 9.10-3mV/kg Nên chọn cảm biến ? S S XCB1 X 1CB1  S S XCB SXi 4.10 mV/oC 8.10-6mV/oC -6  Chọn cảm biến X 1CB 3/ Ngưỡng độ nhạy giới hạn đo : Ngưỡng độ nhạy độ biến thiên lớn ngõ vào mà ngõ chưa thay đổi Y= ( X +∆0) ∆0 nhỏ tốt Giới hạn đo phạm vị biến thiên ngõ vào mà phương trình chuyển đổi cho nghiệm Khi chọn cảm biến phải chọn cảm biến có giới hạn đo lớn khoản muốn đo 4/ Độ tuyến tính : Một cảm biến gọi tuyến tính dải đo xác định dải đo độ nhạy khơng phụ thuộc vào giá trị đo Nếu cảm biến khơng tuyến tính, người ta sử dụng mạch đo để hiệu chỉnh thành tuyến tính gọi tuyến tính hóa 5/ Sai số : Là sai lệch giá trị thực giá trị đo gồm sai số tuyệt đối sai số tương đối Có loại sai số chủ yếu chuyển đổi đại lượng đo lường không điện : + Sai số phi tuyến sai số xuất kết qủa đo đặc tính chuyển đổi phi tuyến Khắc phục: tuyến tính hóa đặc tính chuyển đổi + Sai số phụ sai số xuất ảnh hưởng đại lượng phụ Khắc phục: sử dụng cảm biến đng môi trường theo yêu cầu nhà sản xuất, lộc nhiễu, bội nhiễu, phối hợp tổng trở, v.v … + Sai số ngưỡng: sai số ngưỡng độ nhạy Sai số phụ thuộc vào cơng nghệ chế tạo khơng có cách khắc phục III/ PHÂN LOẠI CHUYỂN ĐỔI : Chuyển đổi phân loại theo tiêu chuẩn sau: + Yêu cầu nguồn cung cấp : - Tích cực & thu động + Trạng thi tín hiệu : - Tương tự & số + Trạng thi đo lường : - Trạng thi lệch & cân 1/ Chuyển đổi tích cực thụ động : a/ Chuyển đổi tích cực : địi hỏi cung cấp lượng bên ngồi hay tín hiệu kích thích để tác động Nguyên lý chuyển đổi: dựa hiệu ứng vật lý biến đổi dạng lượng thành lượng điện + Hiệu ứng nhiệt điện (M1) T1 (M2) 00 C + Hiệu ứng áp điện : e  T1 (M1) F VF + Hiệu ứng cảm ứng điện từ : B e  + Hiệu ứng quang – điện - từ Ư I Ngoài nhiều hiệu ứng khác : hiệu ứng quang điện, hiệu ứng hall v.v… Đại lượng vật lý cần đo Lực Áp suất Gia tốc Hiệu ứng sử dụng Tín hiệu Áp điện Điện tích 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 xạ quang Hoa quang Phát xạ quang Hiệu ứng quang áp Hiệu ứng quang điện từ Điện tích Dịng điện Điện áp Điện áp b/ Chuyển đổi thụ động : Phát tín hiệu đáp trả lại tác động kích thích bên ngồi mà khơng cần lượng cung cấp từ bên ngồi Ví dụ : cặp nhiệt điện, chuyển đổi áp điện… Chuyển đổi thụ động thường chế tạo từ trở kháng có thơng số chủ yếu nhạy với đại lượng cần đo Đại lượng Nhiệt độ Nhiệt độ thấp Thông số biến đổi Điện trở suất Hằng số điện môi Điện trở suất Biến dạng Vật liệu làm cảm biến Kim loại : platine, nickel, Đồng, chất bán dẫn thủy tinh Hợp kim niken silic mạ Hợp kim sắt từ Vị trí Từ thẩm Điện trở suất Từ trở Từ thông xạ quang Điện trở suất Bán dẫn Độ ẩm Điện trở suất Chloure de lithium Mức Hằng số điện môi Hợp kim polymere 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 cường độ, thời gian, không gian Hầu hết giá trị đo lường vật lý mang tính chất tương tự Ví dụ : nhiệt độ, dịch chuyển, cường độ sáng b/ Chuyển đổi số : Tín hiệu giữ trạng thái bước rời rạc Tín hiệu số dễ dàng lập lại, đáng tin cạy dễ truyền xa Ví dụ : contact switch, Shaft Encoder,… 3/ Trạng thái hoạt động : a/ Chế độ lệch : tín hiệu phản hồi thay đổi ( lệch ) so với trạng thái ban đầu thiết bị đo Sự thay đổi tương ứng với gía trị đo b/ Chế độ cân : đưa ảnh hưởng tín hiệu đo lên hệ thống đo lường để chống lại tác động hệ thống đo lường Dụng cụ đo lường chế độ cân có kết qủa đo xác chế độ lệch đáp ứng thường chậm IV/ NHIỄU ĐO : Chia làm hai loại : nhiễu nội nhiễu đường truyền - Nhiễu nội phát sinh khơng hồn thiện việc thiết kế, chế tạo cảm biến Nhiễu nội khắc phục giảm thiểu - Nhiễu đường truyền phát sinh nguồn nhiễu từ trường, trường điện từ, sóng radio, mạch phối hợp đường truyền phát sinh máy thu Để giảm nhiễu đường truyền ta sử dụng số phương pháp : cách ly nguồn, lọc nguồn, nối đất, bố trí linh kiện hợp lý,… Một số biện pháp khắc phục nhiễu Nguồn nhiễu Độ lớn Nguồn 50Hz 100pA Nguồn 100Hz 3 V 150Hz máy biến áp bị 0,5  V bảo hòa Đài phát 1mV Tia lửa chuyển mạch 1mV Dao động 10pA Dao động cáp mối 100pA Bảng mạch 0,01-10pA Biện pháp khắc phục Cách ly nguồn nuôi, màn, nối đất Lọc nguồn Bố trí linh kiện hợp lý Màn chắn Lọc, nối đất, chắn Ghép nối khí, khơng để dây cao áp gần đầu vào chuyển đổi Sử dụng cáp nhiễu ( điện môi tẩm cacbon ) Lâu sạch, dùng cách điện Teflon Các bước để lưa chọn cảm biến : Chức : - Đại lượng vật lý cần đo - Phương pháp đo - Độ 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 : ĐO LƯỜNG VỊ TRÍ & SỰ DỊCH CHUYỂN I/ CẢM BIẾN SỰ DỊCH CHUYỂN DÙNG ĐIỆN TRỞ Gồm điện trở cố định Rn tiếp xúc điểm di chuyển gắn với chuyển động cần đo Vị trí chạy tỷ lệ với gía trị điện trở đầu tiếp xúc điểm + Dịch chuyển thẳng R(l) = Rn l L + Dịch chuyển quay R(  ) = Rn   Đặc tính : + Gía trị điện trở từ 1K  100K, đơi lên đến MΩ + Độ phân giải : Thông thường đạt cở 10m + Tuổi thọ chạy : 106 lần với dạng xoay 107 – 108 với dạng dịch chuyển + Độ tuyến tính : đầu đường chạy cuối đường chạy độ tuyến tính II/ CẢM BIẾN SỰ DỊCH CHUYỂN DÙNG ĐIỆN DUNG Nguyên lý làm việc : Thay đổi gía trị điện dung tác động dịch chuyển làm thay đổi vị trí cực Cảm biến đặc trưng độ nhạy: + Độ nhạy điện dung : Sc = ∆C/∆x + Độ nhạy điện kháng: Sz = ∆Z/∆x Điện dung phụ thuộc vào tiết điện, khoản cách cực điện môi cực C(x) = f ( A, d,  ) Ví dụ : dịch chuyển theo chiếu dọc A Sự thay đổi điện dung C ( )      X X   = 8,85.10-12 F/m : số điện mơi C(X) khơng tuyến tính theo độ dịch chuyển Độ nhạy : dC (  ) A.    d ( ) X dC (  ) A    C(X )      d ( ) X X X dC ( X ) d(X )  C( X ) X Độ biến thiên điện dung với độ biến thiên dịch chuyển ngược chiều Để tuyến tính hóa, người ta dùng mạch điện sau cho trường hợp trên: iX  i f  e X  e i e  ei  1/ C f 1/ Cx e0   C f eX Cx  C f eX A o  Qua mạch điện ngõ eo tuyến tính với dịch chuyển X 10 Cảm biến từ thẩm    Cảm biến từ dư R L   K  R L Vm  K dB r dB d K r  dt d dt 2 dBr  Wb.m  1.5.10 d N m  K: hệ số tỉ lệ với số vịng dây kích thước dây;  : ứng lực; Br : từ dư III/ CẢM BIẾN ĐO ÁP SUẤT LƯU CHẤT : Khi chứa chất lỏng hay chất khí ( gọi chung lưu chất ) vào bình chứa gây nên lực lên thành bình gọi áp suất Áp suất phụ thuộc vào chất lưu chất, thể tích mà chiếm trước sau đưa vào bình, vào nhiệt độ Áp suất p lưu chất xác định từ lực dF tác dụng vng góc lên điện tích ds thành bình P dF ds 1Pa = 1N/m 31 + Đo áp suất tĩnh : Nguyên tắc chung : áp suất điểm M cách bề mặt tự khoảng h xác định theo công thức ; p  p0   g.h P0 : áp suất khí  : trọng lượng riêng chất lưu g : gia tốc trọng trường Nguyên tắc đo lưu chất tĩnh : - Đo áp suất lấy qua lỗ nhỏ có tiết điện trịn khoan thành bình - Đo trực tiếp biến dạng thành bình áp suất gây - Đo cảm biến áp suất chuyển tín hiệu thành tín hiệu điện tương ứng + Áp kế vi sai kiểu phao : Khi có cân áp suất : p1  p  g (  m   )(h1  h2) M : F1.h1 = F2.h2 ta có : h1   ( p1  p ) (1  F / f )(  m   ) g + Cảm biến đo áp suất dựa biến dạng : 32 CHƯƠNG : ĐO LƯU LƯỢNG – MỨC I/ ĐO LƯU LƯỢNG : Lưu lượng thể tích : Q = dV/dt ( m3/s ; m3/h ) Lưu lượng khối : G = dm/dt ( kg/s ; kg/h ) Nguyên lý hoạt động chung : - Đếm thể tích chất lưu chảy qua cơng tơ đơn vị thời gian - Đo vận tốc lưu chất chảy qua công tơ - Đo giảm áp qua tiết diện thu hẹp dòng chảy Dòng chảy chất lỏng Công thức bernoulli p1  12 p  22   h1    h2 chọn h1 = h2  g g  g g  p1  p    12   22 1/ Đo lưu lượng phương pháp chênh áp : Tốc độ dòng chảy sau ống thu hẹp lớn trước ống thu hẹp  áp suất sau ống lớn p1  p    22   12 Lưu lượng phụ thuộc vào tốc độ nên lưu lượng phụ thuộc vào độ chênh áp suất 33 G  Q   d 2  ( p1  p )  d 2  ( p1  p ) * Công tơ tốc độ : Bộ chỉnh dòng chảy Tuabin Tốc độ quay cơng tơ tỷ lệ với tốc độ dịng chảy n = k.W Lưu lượng chất lỏng chảy qua công tơ : Q  w.F  n F k F : tiết diện dòng chảy b/ Đo lưu lượng PD ( cơng tơ thể tích ): Đo thể tích chất lỏng chảy qua thiết bị đo cách đếm lượng thể tích qua buồng chứa tích xác định 34 V  qV ( N  N ) qV : thể tích chất lỏng chảy qua thiết bị ứng với vòng xoay N1 v N2 : tổng số vòng quay thời điểm t1 t2 * Lưu lượng kế điện từ : Chất lưu có tính dẫn điện chảy ống  xuất sức điện động ; E  BWD  4B Q D B : cường độ từ trường W : vận tốc dịng chảy D : đường kính ống Q : lưu lượng thể tích a/ Đo lưu lượng sử dụng sóng siêu âm Thời gian sóng siêu âm : t12  LW c   a cos  t 21  LW c   a cos  35 Tốc độ dịng chảy tính cơng thức a   LW  1  D         cos   t12 t 21  cos   sin   t12 t 21  b/ Đo lưu lượng thay đổi nhiệt độ Nguyên tắc : - Một đầu đốt nóng làm giá trị điện trở Sensor tăng mạch cầu cân - Khi có dòng chảy lưu chất, nhiệt độ Sensor giảm nên mạch cầu cân bằng, - Đo điện áp ngõ xác định tốc độ dòng chảy Q = dV/dt = A.dx/dt = A.v A : tiết điện V : vận tốc dòng chảy II/ ĐO MỨC 1/ Cảm biến độ dẫn - Hai điện cực cấp dòng điện xoay chiều  dòng điện qua điện cực tỷ lệ với chiều dài phần điện cực nhúng chất lỏng - Cảm biến điện cực cảm biến phát mức sử dụng thành bình kim loại 36 2/ Đo mức phương pháp chênh lệch p  p  g. L L  L  L  P  P0 g. L p  p0 p  p1 L g l p  p1 37 3/ Cảm biến điện dung : - Khi chất lỏng chất cách điện tạo tụ điện điện cực hình trụ nhúng chất lỏng điện cực kết hợp với thành bình kim loại C 2 L d d2 ln  ln  d1  d 1 d d  ln  C  ln    d1  d  L 2 4/ Đo mực chất lỏng sử dụng sóng siêu âm Đo thời gian lần phát thu  tìm mức chất lỏng Thích hợp cho chất lỏng có độ nhớt lớn dầu nặng v v 5/ Đo mức chất lỏng sử dụng áp suất thủy tinh : 38 CHƯƠNG : ĐO VẬN TỐC VÀ GIA TỐC I/ ĐO TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ; 39 1/ Một số phương pháp đo tốc độ động + Dùng cảm biến quang đo tốc độ với đĩa mã hóa Encoder thiết bị phát chuyển động hay vị trí vật Encoder sử dụng cảm biến quang để sinh chuỗi xung, từ chuyển sang phát chuyển động Khuyết điểm : cần nhiều lỗ để nâng cao độ xác nên đễ làm hư hỏng đĩa quay + Đĩa mã hóa tương đối : Gọi Tn thời gian đếm xung, N0 số xung vòng ( độ phân giải cảm biến tốc độ, phụ thuộc vào số lỗ ), N l số xung thời gian Tn N N ( vòng/ giây ) = N Tn + Đĩa mã hóa tuyệt đối : Đĩa mã hóa tuyệt đối thiết kế để ln xác định vị trí vật cách xác Đĩa encoder tuyệt đối sử dụng nhiều vịng phân đoạn theo hình đồng tâm 40 - Vịng xác định đĩa quay nằm vòng tròn - Kết hợp vòng với vòng xác định đĩa quay nằm ¼ vịng trịn nào… Ví dụ : Đo tốc độ tuyệt đối rãnh Rãnh xác định rơto quay nửa vòng tròn Rãnh kết hợp với rãnh thứ xác định rơto quay ¼ vịng trịn Kết hợp rãnh biết rơto quay góc 1/8 Để đếm đo vị trí vận tốc sử dụng đo tốc độ tuyệt đối, người ta dùng bảng mã Gray Ví dụ Gray bit : Dec Bit 0 1 Bit 0 1 Bit Bit 1 2/ Đo tốc độ dựa cảm biến hiệu ứng Hall Hiệu ứng Hall hiệu ứng vật lý thực áp dụng từ trường vng góc lên làm kim loại hay chất bán dẫn điện nói chung ( Hall ) có dịng điện chạy qua Lúc người ta nhận hiệu điện ( hiệu Hall ) sinh mặt đối diện Hall 41 a/ Máy phát tốc DC Suất điện động tổng máy phát điện tạo : E r  ( n.0 ) / 2   N n.0  Trong tốc độ trục quay, n tổng số dây rơto  từ thông xuất phát từ cực nam châm, N số vòng quay giây, đo suất điện động ta tính tốc độ quay 42 b/ Máy phát tốc AC + Dùng máy phát đồng + Dùng máy phát không đồng Biện độ điện áp ngõ máy phát tốc tỷ lệ với tốc độ quay động II/ ĐO GIA TỐC 1/ Đo gia tốc sử dụng piezoelectric ( hiệu ứng áp điện ) q  d ij F  d ij m.a q : điện tích nạp dij : hệ số vật liệu piezoelectric Vật liệu thường sử dụng : + Lead-zirconate titanate ceramic ( PTZ ) + Quartz Hệ số dản nở PTZ lớn nhiều so với thạch anh nên có độ nhạy tốt cấu tạo nhỏ Lực tác động F = m.a phụ thuộc vào gia tốc khối lượng 2/ Đo gia tốc sử dụng piezoresistive ( hiệu ứng áp trở ): Điện trở vật liệu bị thay đổi tùy theo hiệu ứng căng nén Lực tác động làm biến dạng : F= m.a Với m = const  biến dạng phụ thuộc vào gia tốc 43 3/ Đo gia tốc sử dụng điện dung vi sai Nguyên lý : thay đổi điện dung tỷ lệ với gia tốc C   S d d = d0 + m.a/k k = hệ số đàn hồi f  ( d  m.a / k ) 6   f  B.m.a / k 2 R.C 2 R.  S Đo tần số ngõ mạch tần số ban đầu chưa có dao động  gia tốc MỤC LỤC Chương I : Khái niện đo lường & cảm biến Trang 01 I Cấu trúc dụng cụ đo không điện………………………………………………… 01 II Các thông số đặc trưng chuyển đổi…………………………………………………….01 44 III Phân loại chuyển đổi……………………………………………………………………….03 IV Nhiễu đo 05 Chương II : Đo lường vị trí & dịch chuyển Trang 07 I Cảm biến dịch chuyển dùng điện trở…………………………………………………… 07 II Cảm biến dịch chuyển dùng điện dung………………………………………………… 07 III Cảm biến dịch chuyển dùng điện cảm………………………………………………… 09 IV Cảm biến dịch chuyển dùng hổ cảm…………………………………………………….11 V Cảm biến tiệm cận ( đo vị trí ) …………………………………………………………… 12 Chương III : Cảm biến & đo lường nhiệt độ Trang 16 I Thang đo nhiệt độ 16 II Nhiệt điện trở ……………………………………………………………………………… 16 III Cặp nhiệt ngẫu …………………………………………………………………………… 18 IV Đo nhiệt độ dùng Diode & Trasistor ……………………………………………………….21 V Vi mạch cảm biến tích hợp ( IC ) ………………………………………………………… 21 VI Hỏa quang kế ………………………………………………………………………………23 VII Nhiệt kế xạ ………………………………………………………………………… 24 Chương IV : Đo lực & áp suất Trang 25 I Khái niệm …………………………………………………………………………………… 25 II Cảm biến đo lực & ứng suất ……………………………………………………………… 25 III Cảm biến đo áp suất lưu chất ………………………………………………………………29 Chương V : Đo lưu lượng – mức Trang 31 I Đo Lưu Lượng ……………………………………………………………………………… 31 II Đo mức …………………………………………………………………………………… 43 Chương VI : Đo vận tốc & gia Tốc Trang 38 I Đo tốc độ động ………………………………………………………………………… 38 II Đo gia tốc ………………………………………………………………………………… 41 45 ... Khi chọn cảm biến phải chọn cảm biến có giới hạn đo lớn khoản muốn đo 4/ Độ tuyến tính : Một cảm biến gọi tuyến tính dải đo xác định dải đo độ nhạy khơng phụ thuộc vào giá trị đo Nếu cảm biến... thiết bị đo Sự thay đổi tương ứng với gía trị đo b/ Chế độ cân : đưa ảnh hưởng tín hiệu đo lên hệ thống đo lường để chống lại tác động hệ thống đo lường Dụng cụ đo lường chế độ cân có kết qủa đo xác... lượng + Phương pháp chuẩn cảm ứng : Chuẩn cảm ứng phép đo nhằm mục đích xác lập phương trình chuyển đổi cảm biến dạng phương trình dạng đồ thị Thực phép đo với tín hiệu ngõ vào X1 xác định để tìm