Giáo trình cảm biến (in lần thứ 6 có chỉnh sửa) phần 1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BACH KHOA HA NOI PHAN QUỐC PHÔ (chữ bién) - NGUYEN BUC CHIEN GIAO TRINH CAM BIEN In lần thứ có chỉnh sửa _ Lt NHA XUAT BAN KHOA HOC VA KY THUAT HÀ NOI - 2009 _ LOI NOI ĐẦU, “Cảm biến” tiéng Anh s gol ls sensor: xuất phát.từ chữ sense.e theo nghĩa la tinh cảm nhận Từ ngần xưa người tiên sử:đã nhờ vào giác quan xúc giác để cảm nhận, fìm hiểu đặc điểm giới tự nhiên học :cách sử dụng hiểu biết nhằm mụẻ đích khai thác giới xung quanh phục vụ cho:cuộc sống họ Trong thời đại phát triển khoa bọẻ kỹ thuật ngày người không dựa vào :cơ: quan xúc giác: thể: để khám phá giới Các chức xúc Side dé ,nhận giết vật thể, nghĩ: nhưnhững thiết tị¡ dàng để biến đổi cácine a vat lý„ sue R đại lượng không, điện cân đo thành, đại lượng điện đo (như dong thiết bi hay hệ thống điều khiến | tự động "Có thể nói nguyên lý hoạt động cảm biến, nhiều ane hop thực tế, quan trọng ‹ hoạt động người: :Ñh ting thành tựu mới, khoa học công nghệ, lĩnh vực vật liệu, thiết bịđiện fir va tin hoe, cảm biến “đã được” 'giảm thiểu kích thước, cải thiện tính nang va mở rộng phạm vĩ ứng dụng Giờ khơng có lĩnh vực mà khơng sử dụng cảm biến Chúng có mặt hệ thống tự động phức tạp, người máy, kiểm tra chất lượng sản phẩm, tiết kiệm lượng, chống ô nhiễm môi trường Cảm biến ứng dụng Tộng Tãi lĩnh vực giao thong vận tải, hàng tiêu dùng, bảo quản thực phẩm, ô tô, trồ chơi điện tử v.v "Trong năm gân cảm viên vật lý kỹ thuật, kỹ trò ứng dụng tiến khoa đời sống Cảm biến biến trở thành môn học bất buộc sinh sư vật lý tương lai, người đóng vai học vật lý vào kỹ thuật, công nghệ, sản xuất lĩnh vực nghiên cứu ứng dụng sinh viên đại học, sau đại học cán thuộc nhiều ngành khoa học kỹ thuật khác Vì vậy, sau xuất vào tháng 1/2000 2006 chúng tơi tiếp tục tái “giáo trình _ cầu đơng đảo bạn đọc muốn tìm hiểu dụng phịng thí nghiệm va in lai nam 2001, 2002, 2005, cảm biến” nhằm đáp ứng nhủ loại cảm biến khác sử môi trường cơng nghiệp Nội dung giáo trình chia thành-các chương, chương đề cập đến loại cảm biến (như cảm biến quang, cảm biến nhiệt độ, cảm biến vị:trí dịch chuyển, cảrh biến đo vận tốc, lưu lượng mức chất lưu; cảm biến chân khơng, cảm biến điện hóa, cảm biến thành phần khí v.v ) Trong chừng mực giới hạn tài liệu tham khảo cho phép, loại cảm biến, giới thiệu nguyêu lý cấu tạo, chế hoạt động; thông số đo lường, đặc biệt phạm:vi:ứng dụng để tiện cho việc lựa chọn cảm biến thích hợp cho ứng dụng cụ thể thực tế: Với nội dung trình bày ‘hon 300 trang, giáo trình viết để sử dụng cho sinh viên ngành kỹ sử vật lý ngành kỹ thuật khác có liên cập đến giáo | trình bổ ích cho kỹ sư trẻ làm việc lĩnh VỰC CÓ Sử dụng cảm biến hệ thống thiết bị điều khiển tự đống, đo lưỡng tiêu chuẩn đánh giá chất lượng sản khẩn, kiểm tra môi trường làm việc: an ‘foun lao: động Do hạn chế, liệu tham khảo, giáo trình này: chắc, chắn cịn có khiếm khuyết cần bổ sung Chúng hy vọng nhận nhiều ý kiến đồng gốp độc giá để đội dung giáo trình ngày cảng hồn thiện nhằm đáp đứng nhủ cầu đa đạng việc đo lường phịng, thí nghiệm ` trọng mơi trường cơng nghiệp Hà nội, ngày 14 tháng 12 năm 2007 › CÁC TÁC GIÁ MỤC LỤC Eời nói đầu M uc UC scorecsensrecesssseeseensseersecees —— Chương]: Những nguyên lý đặc trưng:ổo lường.‹ 1,1 Các định đghĩa đặc trưng chung 1.2 Cảm biến tích cực 1.3 Căm biến thụ động I-4 Các đại lượng ảnh hướng ve „ L5 Mạch đo 1.6 Sai số phép đo 1.6.1, Sai số hệ thống nàn -1.6.2 Sai số ngẫu nhiên 1.6.3 Tính trung thực, tính đắn độ chính; xúc 1.7 Chuẩn cảm biết 1.7.1 Chuẩn đơn giản 1,7,2, Chuẩn nhiều lần + 1.8 Độ nhạy 1.8.1 Định nghĩa 1.8.2 Độ nhạy chế độ nh 1.8.3 Dé nhay ché độ động ts9 DO tun tính 1.9.1 Điều kiện có tuyến 1.9:2 Đường thắng tốt - độ lệch: tuyến tính.: `0: Độ nhanh - thời gian đápủ ứng N 1.11 Giới hạn sử dụng cảm biến Chương 2: Cảm ” b biến (HIANEb «e8 s2 Ney 2, Ảnh xắng phép đo 0908 Tính chất ‘Anh sang Các don vi quang 2.1.2.1 Các đơn vị đo lượng 2.1.2.2 Đơn vị đo thị giác 39 2.1.3 Nguồn sáng 2.1.3.1 Đèn sợi đốt wonfrảm: 2.1.3.2 Điot phất quang 10'° LH e¡i=5,6 >10" : ei=l03 Modun Young de n Ứng lực cực đại Nhiệt độ [lam viée Thay Yi=80 10 550 Y,.=19,3 Y„=30 Y33230 46 14 occ e | qƯNm? 15 ` | CC ‘ " f Peele 45 75 eee 2, ;=6,5 PZT5A su=1700 109 Y„=53 TH, 365 7.1.3 Cấu tạo cảm biến Các biến dụng cách ghép nối áp điện: Các biến dạng xắc định chế độ làm việc áp điện biểu điễn hình 1.2 Có nhiều cách ghép hai tụ điện Vì lý đo cấu trúc chế hoạt động cảm biến (thi du dam uiốn) đơn giản độ nay, hai phần tử dan với nối theo cực để nhận biến dạng chiéu hay ngược chiều "Trong trường hợp đấu song song hai áp điện ghép biểu diễn 160 Trường Đại học Bách khoa Hà Nội €hương 7: Cảm biến lực -hình:7.3a, điện tích điện dung cảm biến tăng lên gấp đôi so với trường hợp dùng áp điện Nếu đấu nối tiếp (h7.3b), điện áp hở mạchvà a) e} an wile a eae ˆ Hình 1,2: “Các biến dang co ¿ phi ` n dp cà DD! théo chiều: ngang; °¢ cat theo, bể a)a) theo chiéu doc; @) ct theo bé mat als trở kháng tăng lên gấp đôi, điện ‘dung thi giảm xuống hai lần Những nguyên tắc áp dụng cho trường hợp ghép nhiều áp điện ,với biểu diễn hình 7.3 b) „ Lf " ®) Hình 7.3:-: Giếp phần tử áp điện: ä) hải phần tử sôäg song? ' 77 b) hai phần tử nối tiếp; c).nhiều phần tử:song song.' ; ote Vong-dém thach anh: a ` bdo que :Các cảm: biến áp điện đo lực: thường chế tao’0 dưới: dang vòng'đệm làm thạch anh (h 7.4) Chúng nhạy với lực tác dụng đọc theo Trường Đại học Bách khoa: Hà Nội 161 Chương - 7: ‘Cam biến lực -mục Diện tích bể mặt vịng đệm chịu tác dụng lực định giới hạn đái đo, khoảng từ vài kN (đối với đường kính cỡ cm) đến 10 kN (khi đường kính đạt tới 10 cm) Vì vịng đệm chế tạo với kích thước đường kính khác để sử dụng cho đải đo khác Nếu sử đụng ứng lực đặt trước hai ốc xiết chặt vịng đệm vịng đệm thạch anh Hình 7.4: Vịng đệm thạch anh mở rộng phạm vị sử dụng cảm biến để đo lực nến lực kéo Lực kéo giảm sút ứng lực ban đầu Trong tr ường hợp độ nhạy thấp từ đến 10% (so với tr ường hợp đo lực nén) có thêm hệ thống học để tạo ứng lực ban dau Cẩm biến thạch anh nhiều thành phần: Có thể dùng vòng đệm thạch anh cất theo hướng khác nhau, đó, phụ thuộc vào điều kiện sử dụng đặc biệt, chúng nhạy với hướng xác định lực Thạch anh có năm hệ số áp điện d,,, dia, dig, as, dae Một vòng đệm cất theo X nhạy với lực nén có d,¡, lực ký sinh tác động theo cạnh bên khơng gây nên hiệu ứng với vịng đệm, ứng lực mà hiệu ứng chúng liên quan đến d,„, d,, khơng có mặt Cũng vậy, vòng đệm cất theo Y nhạy với lực cắt theo bé day vi cé dy,, giải pháp lắp ráp khí hợp lý loại trừ hiệu ứng ứng lực liên quan đến hệ số d;; (cất theo bể mặU; Hai mặt cắt đặc biệt biểu điễn hình 7:5a Chúng sử dụng để chế tạo cảm biến thạch anh nhiều thành phần Cam biến thạch anh ba thành phần (h 7.5b) hình trụ gồm ba cap vòng tròn ghép với nhau, cặp nhạy với lực nén Fx hai cặp nhạy với lực cắt Fy Fz theo hướng vng góc với Fx Cảm biến thạch anh ba thành phần hoạt động theo nguyên tắc : nhung vòng tròn:được trang bị nhiều vịng đệm có chức mắc song song điện (h 7.5c), 162 Trường Đại : học Bách khoa Hà Nội Chương Cảm biến hai thành phân, lực Cảm bien F mônen tite M biểu Để đo mơmen, vịng đệm nhạy với lực cắt cho trục nhạy cảm chúng đặt theo phương tiếp tròn Trong cảm biến đoại cần phải có ngẫu thành: phan theo hướng trục bởi-Vì cdc | lực cắt Pay Cảm biển độ nhạy cao: diễn hình 7.5d ghép thành vòng tròn tuyến với chu vi vòng lực đặt trước vào truyền btản ‘ma sat dƯặt ¿ trường Ì hp nh vay Âcú th s dng: cỏc cu trỳcâ dang dầmne T 7, 6a) dang xà (h 7.Ób) Các cấu trúc có cấu tạo gồm hai ghép lại với Khi“có:lực tac: dụng lên cảm biến, mét bị din trong: khác bị colại Fre mg i Davi’ vr hoe ¬ Bach cánh k hioral Ha ‘ NGI owen 163 Chuang 7:- Cam biến: lực Để đo lực cắt theo bề mặt phải đùng mỏng ghép hình 7.óc a) b) Hình 7.6: Nguyên lý cấu tạo cảm biến độ nhạy cao: a) đầm; b) xà; c) xoắn 7.1.4 Sơ đồ đo Sơ đề tương đương cảm biến: Sự địch chuyển điện tích Q = KE tác dụng lực F lên áp điện có liên quan đến dịng điện dQ/dt Do điện tích ban đầu Q khơng nên có dQ dt a Ry [ey g bein b) +L at BR, Te, Ì đc Ái +4 Rs Rg Ry 22 C= Ca +t, 4) Hinh 7.7: Sơ đồ tương đương cảm biển áp điện: a) dai rộng; b).trong dải thơng có ích;, c) cảm biến nối với mạch (tương đương với điện trở R, mắc song song với tu dién C,) thể biển diễn cảm biến đà nguồn điện tích) nguồn dong i= i dQ Nguồn đòng mắc song song với ¡trở kháng (gồm ba nhánh) cảm biến (h 7.74) : Nhánh: Ð; ae y dac trung cho cong hưởng điện thứ tân Số : cao nằm dải thông cảm biến Điện trở Rg điện trở cách điện vật liệu 164 Trường Đại học Bách khoa Hàc Nội Chuong:.7:;°C am biển:thực áp điện, tần số thấp trở thành trở kháng cảm biến: Tụ điện Cg án cho điện dung máy phát điện tích, tan số trung bình tần số cae nd tro: thành trở kháng bảm b T _ Trên ra, va tu Song thực'tế:người ta sử dụng: mach-tuong đường cảm biến nối với một: đường: :dẫn mạch điện tương đương đường này: vững song thành mạch tương đương bản-chất n hình Tp - Ngồi ngồi, phần tử điện trở tần: số có ích sẽ: ghép (h 7.7€): : ?: Giác có cụ + đương với.một tụđiện C, mac song song với ¡ điện trở R, > cha | sơ đồ dương đường tổng thể nhận có bẩn chất (h AR) cảm biến đường nối ¬ mm trở kháng vào vã khuếch đại điện (7.2) Đối với tần số “lớn fe tích có dạng: ma ica cm méi i quan hệ điện áp điện - ar (7.3) Trường Đại-họe-Bách:khoa' Hà Nội 165 Chuang 7:.Cam lực biển Sở đồ khuếch đại điện tích:: Trong thạch khuếch đại điện tích, di chuyển điển tíchở lối3 Vào gây nên lối điện áp tỷ lệ với điện tích đầu vào Bộ khuếch đại điện tích (h.:7.9):gồm chuyển đổi điện tích-điện ấp đầu vào;:một tầng: chuẩn độ nháy, lọc trung gian số tầng: “khuếch đại.ở đầu để.cung: cấp tín hiệu Sơ đồ mạch ghép nối cảm biến:với “chuyển đổi điện tíclPoi điện áp biểu diễn hình 7.10 : : eae Bộ chuyển đổi | điện tích CL 1) | Te Ị Chuẩn độ nhạy ` khuếàh dai ‘ Bộ | PT) tee Ƒ |: vÏ sai ' ‹ en Bộ khuếch đại | | dara Ti du (dién ap) đầu vào (điện tích) Hinh 79: Sơ đồ khối khuếch đại điện tích tụ ¢ Điện tích Q đưa đến tuC, lam cho tunày tích điện Trêén cực xuất điện ấp tỷ lể với điện tích Q.Giả thiết hệ số khuếch đại vơ lớn, điện áp đầu vào V¿ giảm xuống đến Trở kháng vào chuyển đổi lý tưởng khơng, khí tính hệ số khuếch đạt chuyển d Si: (7.4) Hình 7.10: Mạch ghép nối cảm biến với chuyển đổi điện tích-điện áp 166 Trường Đại học Bách khoa: Hà Nội Chương 7-: Cảm biến- lực: 7.2 Cảm biến từ giáo Tưới tác động của'từ trường chất sắt từ thay đổi tính chất hình học (thay đổi kích thước kéd theo boặc khơng kèm theo thay đổi thể tích) học (hệ số Young), ‘Day la hiéu ứng từ giáo, ứng dụng để: chế tạo chuyển đổi siêu âm phần tử sắt từ hoạt động chế độ cộng hưởng học Moi ting luc vat riệu lực cần đo gây nên làm thay đổi đường cong từ hóa người ta khai thác thay đổi ccủa ado từ thấm từ dư để đánh giá độ lớn lực Cơ chế từ hóa: Trong vật liệu sắt từ, nguyên tử đặc trưng mômen n từ 'Để giảm thiểu lượng tổng cộng chất sắt từ, mômen từ các:nguyên tử đomen phải hướng theo hướng chung Hướng chung phải định vị theo số hướng ưu tiên mạng, tinh thể, gọi hướng dé tir hoa Vật liệu sắt từ chia thành đomen từ (ích thước từ 101 đến 102 pum) Trong domen, cấc mômen xếp song song với theo hướng dễ từ hóa, hướng để từ hóa đomen cạnh khác “ Chụ trình từ hóa: Q trình từ hóa đến bio hịa chất sắt từ: t tác¿ dụng: từừ trường: H theo hướng xác định 6ó biên độ tăng dần xảy 1a theo’ ‘ba giai đoạn (h 7.11a) ¬ GEES Khi từ trường H nhỏ; các.vách domen:-dịch.chuyển đồng thời với:sự tang dan kích thước domen có hướng.:từ hóa: xhuận lợi: trùng v với Thuong ừ: trường bên đột "¬ tị nại Khi từ trường H đạt giá trị trung bình xảy tượng 'đảo.hướng domen theo hướng từ trường, tác động bên ngoai Khi từ trường bên ngồi đủ mạnh làm quay hướng, để từ hóa c domen theo hướng từ trường tic động dan đến bã hịa Hiện Tượng từ trễ: Sau từ hóa lần đầu đạt đến bão hoà i= H,), néu m vin giữ nguyên:n hướng từ trường thực một;chu kỳ khép, kín (Hy, 0, -H„„ 0) nhận đường từ hóa hình ib gọi la đường cong t từ trễ với t t dur B, va khang tH ~ Trường Đại: học Bách khovs Hà “Nội — 67 Chưởơng 7: Cảm biến lực b) Hình 7.11; Đường cong từ hóa: a) chế từ hỏa lân đầu; b) chu trình từ trễ, Từ giảo: Khi có ứng lực bên ngồi làm thay đổi kích thước mạng tỉnh thể, hướng dễ từ hóa bị thay đổi làm thay đổi định hướng miền tir (domen) va vách chúng, nghĩa thay đổi tính chất từ vật liệu Đây hiệu ứng từ giáo nghịch Từ du Br độ từ thẩm ¡phụ thuộc vào vật liệu vào dấu ứng lực ø tác dụng Trên hình 7.12 mơ tả ảnh hưởng ứng lực đến đường cong từ hóa permalloy 68 (Ni 68%, Fe 32%) Cẩm biến từ thi biến thiên Sự thay đổi độ từ thấm ụ đưới ảnh hưởng ứng lực dẫn đến thay đổi -của độ tự cảm L cuộn dây ' Xét trường hợp cảm biến độ tự cảm biến thiên biểu diễn hình 7.13 Cảm biến có cấu tạo gồm cuộn dây có lõi bị biến dạng đưới tác dụng lực cần os Sự thay đổi Ayescủa độ từ thấm trung bình Tối với thay đổi từ trở xác định sit thay déi AL cia‘ dé ty cam L cuộn dây.` : 168 Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội AA: permalloy 68 ` (nikel: 6B%; sắt: 32%) 8B, B+ Niket siéu mach tir kin — lõi sắt từ~~] Hình 7.13: Cảm biến từ giảo dựa hiệu ứng độ tự cảm biến thiên Sự thay đổi tương đối L,:R cần do:., : La "` Trường Đại.-học Bách ại k tỷ lệ với “ng lực ơ, tức là:với lực F gy khoa Hà Nội 169 Chương 7: Cam bién SE aia tye =Ko (7.5) Cẩm biến từ dư biến thiên: Phần tử cảm biến từ dư biến thiên lõi sắt có từ dư B, Lõi từ thường làm nikel có độ tính khiết cao Dưới tác dụng lực cần đo, thí dụ lực nén dơ < 0, B, tăng lên; : dB, =-15.10 Won” m? “2 / (7.6) Sự thay đổi từ thông lầm xuất cuộn day suất điện động tỷ lệ với dB,/dt Biểu thức điện &, đo hở mạch có dạng: "` đB,d dt” = dt (17) K hệ số tỷ lệ với số vòng dây tiết điện vòng day Đây loại cảm biến tích cực, việc sử dụng chúng giới hạn chế độ động cần đo thay đổi dơ/dt ứng suất theo thời gian 7.3 Cảm biến lực dựa phép đo độ dịch chuyển ' Trong cảm biến loại này, lực đặt lên vật trung gian gây nên thay đổi kích thước A/của Sự thay đổi kích thước đo cảm biến dịch chuyển Tỷ lệ tín hiệu V,, va luc tác dụng biểu ; diễn biểu thức: 78) VaAe AeF Va, oF V : đó: - V./A£ gọi tỷ số truyền đạt cảm biến - A#ƒ/E gọi độ mềm vat trung gian Độ mềm lớn độ nhạy cao Vậi trung gian: Các cảm biến loại thường dong để đo Tực tương đối nhỏ cho nên: vật trung gian phải có độ mềm lớn Các vật trung gian thường sử đụng 170 Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Chương 7: Cảm biển- lực vòng đo lực đầm dạng console Déi người ta sử dung lò so cho me, me dich Trên hình 14 biểu, diễn ảnh, hưởng kích v vật trúng Đối với công thức: gian: 16 so,; p < DA, độ mềm: duoc biểu diễn Di Hình 7.14: 4&4 heen $ 10 errr l ied IF ener LY v4 Lò so dùng làm vật trung gian: a) mặt cắt; b) phụ thuộc hệ số ứng lực vào kích thước hình học Cảm biến dịch chuyển: Tùy theo điều kiện sử dụng yêu cầu, dùng nhiều loại cảm biến dịch ` chuyển khác để đo ứng lực: - Điện kế điện trở, cần kết hợp với khuếch đại - Cảm biến cảm ứng từ trở biến thiên - Cảm biến tụ điện Trường Đạt học Bách khoa Hà Nội s T7I Chương 7: Cảm biến lực 7.4, Cam biến xúc tác - da nhận tạo Đây loại cảm biến dùng tự động hóa Cấu tạo cảm biến gồm đế cách điện có lưới đẫn điện (h 15a) đặt điện áp V Lưới gồm hại hệ thống dây dẫn (X,, X,, ) VA ƠY, Yo :) vng góc với tạo thành vng nhỏ Mỗi vng có điện cực đo cách điện với dây dẫn (Của lưới) bao quanh Các điện cực nối đất thơng qua mạch đo dịng Mặt hệ thống phủ cao sử a) OF Hình 7.15: Cảm biến xúc tác: : a) théng dién cutc do: ,b) tác dụng lực lên điện cực “he có pha hạt dẫn điện Khi có lực nén tác đụng cao su, khoảng cách hạt dẫn điện giảm xuống, đòng điện tăng lên (h 7.15b) Toa tăng xác định vị trí lực tác dụng, trị số lực 172 Trường Đại học lên phần phần ngắn lại, điện trở độ vùng có dịng điện dịng xác định độ lớn Bách Khoa Hà Nội