Chuong4 doluong

CHƯƠNG 4: CHUYỂN ĐỔI ĐO LƯỜNG VÀ CẢM BIẾN Nội dung • Khái niệm chung • Chuyển đổi điện trở • Chuyển đổi điện từ • Chuyển đổi tĩnh điện • Chuyển đổi nhiệt điện • Chuyển đổi điện hóa • Chuyển đổi đo độ ẩm • Chuyển đổi điện tử và ion • Chuyển đổi lượng tử Khái niệm chung Chuyển đổi sơ cấp (Transduccer) Cảm biến Sensor • Chuyển đổi đo lường: dụng cụ tạo quan hệ đơn trị đại lượng vật lý với độ xác định • Chuyển đổi đo lường sơ cấp: đại lượng vào đại lượng không điện, đại lượng đại lượng điện • Cảm biến: chuyển đổi sơ cấp bao bọc khối hộp có kích thước định, có đầu nối tín hiệu Khái niệm chung • Các đặc tính chuyển đổi sơ cấp cảm biến Y = f(X,Z) • Khả thay thế chuyển đổi • Chuyển đổi phải có đặc tính đơn trị • Đường cong chuyển đổi phải ổn định • Tín hiệu chuyển đổi phải tiện cho việc ghép nối vào dụng cụ đo, hệ thống đo và máy tính • Sai sớ: đặc tính quan trọng chuyển đổi • Sai sớ • Sai sớ phụ • Đợ nhạy: thay đổi đầu theo biến thiên tín hiệu cần đo đầu vào • Đặc tính động (độ tác động nhanh): đặc tính chuyển đổi cảm biến q trình q độ Khái niệm chung • Phân loại chuyển đổi sơ cấp • Theo nguyên lý chuyển đổi đáp ứng kích thích • Chuyển đổi điện trở • Chuyển đổi điện từ • Chuyển đổi tĩnh điện • Chuyển đổi hóa điện • Chuyển đổi nhiệt điện • Chuyển đổi điện tử ion • Chuyển đổi lượng tử • Theo tính chất nguồn điện • Chuyển đổi phát điện: chuyển đổi cảm ứng, chuyển đổi điện áp, cặp nhiệt điện • Chuyển đổi thơng số: đại lượng thơng số R,L,C… • Theo phương pháp đo: • Chuyển đổi biến đổi trực tiếp • Chuyển đổi bù Chuyển đổi điện trở (Resistive transducer) • Chuyển đổi biến trở • Nguyên lý: dựa thay đổi điện trở thay đổi vị trí trượt • Độ nhạy: = = • Độ dịch chuyển nhỏ phát được: = • Sai số rời rạc chuyển đổi = ∆ Chuyển đổi điện trở • Chuyển đổi biến trở • Mạch đo: thường dùng mạch biến trở, mạch cầu, mạch phân áp • Ứng dụng: dùng để đo di chuyển thẳng (2-3mm) di chuyển góc Ngồi cịn ứng dụng dụng cụ đo lực, áp suất, gia tốc chuyển đổi ngược mạch cầu, điện kế tự động Chuyển đổi điện trở • Đối với mạch biến trở = + = + • Đối với mạch phân áp = − + + = Chuyển đổi điện trở • Đối với mạch cầu điện trở = + − + Chuyển đổi điện trở • Đối với mạch cầu điện trở sơ đồ a = ∆ 2(2 + ∆ ) = ∆ ∆ 1+2 Với biến thiên nhỏ DR, ta xấp xỉ ∆ = Chuyển đổi đo độ ẩm (Humidity transducer) • Khái niệm chung • Đợ ẩm nguyên, nhiên vật liệu thể rắn G  Gk W a 100 (%) Gk • Độ ẩm tuyệt đối (γ) số gam nước có mét khối khí khơ [g/m3] • Độ ẩm tương đối (u) tỉ số độ ẩm tuyệt đối lượng nước bão hoà nhiệt độ áp suất • Nhiệt đợ hóa sương: nhiệt đợ cần làm lạnh không khí đến đó để đạt trạng thái bão hịa • Nhiệt đợ ẩm: nhiệt đợ cân khối nước hóa và khơng khí Chuyển đổi đo đợ ẩm • Chuyển đổi đo độ ẩm phương pháp hấp thụ • Nguyên lý làm việc: dựa hấp thụ nước số chất LiCl, P2 O • Đo độ ẩm ẩm kế hấp thụ: nung dung dịch muối chứa ẩm áp suất bão hồ phía dung dịch áp suất mơi trường khơng khí bình thường è xác định áp suất nhiệt độ hoá sương Chuyển đổi đo đợ ẩm • Chuyển đổi đo đợ ẩm biến thiên trở kháng: • Chuyển đổi có tính chất hút ẩm chế tạo dạng điện trở tụ điện • loại: ẩm kế điện trở và ẩm kế tụ điện • Ẩm kế điện trở : điện trở R phụ thuộc hàm lượng nước và nhiệt đợ chất hút ẩm è Có thể đo độ ẩm loại vật liệu rời, với dải độ ẩm đo ÷ 95%, dải nhiệt độ -10 ÷ 60oC Thời gian hồi đáp cỡ 10s, đạt độ xác ±2 ÷ ±5 % • Ẩm kế tụ điện : tụ điện có lớp điện môi cực chất hút ẩm è đo nhiệt độ hoá sương Ts phạm vi từ -80oC ÷ 70oC, khơng dùng mơi trường ăn mịn NaCl, S Chuyển đổi điện tử và ion • Cơ sở lý thuyết • Nguyên lý làm việc: dựa vào sự thay đổi dòng ion và dòng điện tử tác dụng đại lượng đo • loại: chuyển đổi điện tử và ion và chuyển đổi ion hóa • Chuyển đổi phát xạ điện tử • Nguyên lý hoạt động: tác dụng điện trường mạnh(3kV), điện tử bị bắn khỏi catốt, đường chúng ion hoá phân tử khí tạo thành ion dương âm • Dịng điện chạy từ anốt đến catốt thay đổi theo mật độ khơng khí đèn hai cực • Ứng dụng: chế tạo thiết bị đo áp suất thấp (các chân khơng kế) Chuyển đổi điện tử và ion • Chuyển đổi có phát xạ nhiệt điện tử • Ngun lý hoạt động: Khi catốt bị đốt nóng điện tử bắn khỏi tác dụng điện trường, điện tử chuyển động từ anốt đến catốt Trên đường điện tử ion hố khơng khí tạo thành ion dương âm • Ứng dụng: đo độ chân không; chế tạo thiết bị đo đại lượng học đo độ di chuyển, đo áp suất • Chuyển đổi có phát xạ quang điện tử (chuyển đổi quang điện) • Nguyên lý hoạt động: dựa tượng giải phóng điện tích tác dụng dịng ánh sáng hiệu ứng quang điện gây nên thay đổi tính chất vật liệu • Các dạng bản: tế bào quang điện, quang điện trở, phôtô điốt phôtô tranzito • Tạo nguồn sáng: - kích thích nguyên tử và phân tử vật chất đốt nóng - biến đổi từ dạng lượng khác Chuyển đổi ion hóa • Ngun lý làm việc: • Khi có tia phóng xạ Rơnghen vào vùng khơng khí, chất khí bị ion hóa thành điện tử ion; tác dụng điện trường E, dòng điện tử ion chuyển động đến điện cực tạo thành dịng điện (cỡ 10-3 ÷ 10-7 μA) N CĐ BT • Nguồn phóng xạ: : nguồn tác nhân ion hóa thường nguồn phóng xạ tia α, tia β, tia γ, tia rơnghen • Bộ thu xạ: biến đổi lượng xạ hạt nhân thành điện Bộ thu xạ chia thành loại : bình ion hóa, máy đếm phóng điện chất khí, máy đếm nhấp nháy • Ứng dụng: • Đo di chuyển khoảng cách điện cực thay đổi, đo mật độ chất khí dải áp suất từ 0,1 N/m2 đến 100 kN/m2 Đo tốc độ dòng khí số điện tử ion ion hố phụ thuộc vào tốc độ dịng khí qua bình ion Chuyển đổi lượng tử • Nguyên lý hoạt động: Dựa vào cấu tạo số hạt nhân nguyên tử tồn loại momen momen từ (dipol) μ momen khối lượng (spin) p Tỉ số γ = μ/p hệ số thuỷ từ hạt nhân, số • Mạch đo: • Ứng dụng: để đo dịng lớn Ngồi ra, y học, người ta sử dụng chuyển đổi để sản xuất máy chụp cắt lớp, để phát khối u bên thể Cảm biến thơng minh • Vai trò cảm biến thơng minh • Sử dụng đa chức • Có khả chương trình hóa theo chương trình định trước • Tự động xử lí kết đo • Tự động khắc đợ, tự động chọn thang đo • Tự động bù sai sớ hệ thống và sai sớ ngẫu nhiên • Tự động bù ảnh hưởng yếu tớ khác • Vi điện tử hóa chuyển đổi sơ cấp • Chuyển đổi điện trở • Chuyển đổi quang điện • Cơng nghệ màng bán thấm có chọn lọc • Xử lý kết đo Y=f(x,a,b,c) : phương trình cảm biến Cảm biến thơng minh • Xử lý kết đo • Xử lý khắc độ: • Xử lý tuyến tính hóa đoạn • Bù sai số cộng tính • Bù sai số nhân tính • Bù sai số yếu tố ảnh hưởng • Xử lý thống kê • Xử lý phép đo gián tiếp hợp Cảm biến thơng minh • Cấu trúc cảm biến thơng minh • Nếu CĐ CĐSC bình thường đầu chúng đưa vào vi mạch cơng nghệ lai • Nếu CĐ thực cơng nghệ vi mạch CĐ phần tử gia cơng phía sau để khối cơng nghệ mạch lai Cảm biến thơng minh • Thiết bị đo thơng minh linh hoạt • Các vấn đề cần giải thiết bị đo thông minh • Menu hóa chế độ đo lường • Chuẩn độ tự động thiết bị • Tự động lập chương trình thử nghiệm Một số tập tham khảo Bài 1: Một mạch cầu điện trở đo độ biến dạng lò xo Các điện trở R1 = R2 = R3 = R4 = 250ohm, nguồn cung cấp = 110 (V) Khi R1 biến thiên lượng DR = (Ω), cầu đo cân a) Vẽ sơ đồ mạch đo b) Xác định điện áp mạch cầu Vout = ? Một số tập tham khảo Bài 2: Một chuyển đổi điện cảm có 1000 vòng dây, chiều dài khe hở làm việc 2(mm), độ từ thẩm 0.1 H/mm Tiết diện lõi thép (cm2) Nguồn cấp cho chuyển đổi nguồn xoay chiều 30VAC, 50Hz Tính độ dịch chuyển đo dòng qua cuộn dây chuyển đổi đo 0,1 (A) = ( ±∆ ) Một số tập tham khảo Bài 3: Một cảm biến tenzo có điện trở R = 350 + 0,07t + 0,002t2 Ω Quan hệ lực F biến thiên điện trở là: ∆R = (1/1328)*F a Hãy xác định điện trở tenzo F = 110 (N) nhiệt độ 40 0C b Mắc chuyển đổi tenzo vào mạch cầu không cân bằng, với điện trở nhánh cầu R2=R3=R4=350(Ohm), U = 10 (V), điện áp Uout = ? Một số tập tham khảo Bài 4: Sử dụng cặp nhiệt điện Cromel/Alumel để đo nhiệt độ lò luyện kim Giả sử cặp nhiệt điện làm việc tuyến tính a) Khi nhiệt độ lị luyện kim = 1120 (oC) suất điện động nhiệt ET = ? (mV) b) Độ xác dải nhiệt độ tương ứng 0.75 Xác định sai số tuyệt đối chuyển đổi dải nhiệt độ đo