Ngành "Kĩ thuật Đo lường" ngày nay đang được sử dụng rộng rãi trong các nhiệm vụ kiểm tra tự động, tự động hóa các quá trình sản xuất và công nghệ, cũng như trong các công tác nghiên cứu khoa học của tất cả các lĩnh vực khoa học và kĩ thuật khác nhau. Để thực hiện được các nhiệm vụ đó, cần thiết phải tiến hành đo các đại lượng vật lí khác nhau, đó là các đại lượng điện, các đại lượng hình học (kích thước), cơ học, nhiệt học, hóa học, các đại lượng từ, các đại lượng hạt nhân nguyên tử. Vì vậy, bộ sách 2 tập "Kỹ thuật đo lường các đại lượng vật lý" này sẽ được sử dụng rộng rãi không những cho sinh viên, kĩ sư, nghiên cứu sinh và các cán bộ khoa học chuyên ngành Đo lường mà còn cho tất cả các ngành kĩ thuật: điện, điện tử, cơ khí, dệt, xây dựng, mỏ, luyện kim, nhiệt kĩ thuật, hóa chất, thủy lợi, vật lí kĩ thuật, v.v. và những ai quan tâm đến nó. Tập một bao gồm 2 phần. Phần đầu trình bày một số kiến thức cơ bản của ngành kĩ thuật đo lường dưới tiêu đề “Cơ sở lí thuyết của kĩ thuật đo”, trong đó đề cập đến việc phân loại các phương pháp đo và thiết bị đo, các đặc trưng cơ bản của kĩ thuật đo lường, tiếp đến đề cập đến đơn vị đo, chuẩn và mẫu: nêu lên hệ thống đơn vị quốc tế SI, các chuẩn quốc tế, mẫu quốc gia và cách truyền chuẩn; chỉ ra cách thức kiểm tra và đánh giá một dụng cụ đo, cách tính toán sai số của phép đo và các phương pháp gia công kết quả đo trên cơ sở gia công thống kê; đề cập đến việc xây dựng đường cong thực nghiệm theo phương pháp bình phương cực tiểu từ các số liệu thực nghiệm. Phần thứ hai mô tả các khâu chức năng của một dụng cụ đo bao gồm ba phần cơ bản đó là các chuyển đổi sơ cấp, các mạch đo lường và các cơ cấu chỉ thị. Quyển 3: Phần II - CÁC PHẦN TỬ CHỨC NĂNG CỦA THIẾT BỊ ĐO (chương 7).
Trang 2PGS TS PHAM THƯỢNG HÀN (Chú biên) NGUYEN TRONG QUE - NGUYEN VAN HOA
Trang 3KY THUAT DO LUONG CAC DAI LUONG VAT LY
TAP MOT (QUYEN 3)
NHA XUAT BAN BACH KHOA HA NOI
Số 1 Đại Cồ Việt - Hai Bà Trưng - Hà Nội
VPGD: Ngõ 17 Tạ Quang Bửu - Hai Bà Trưng — Ha Nội
DT: 024 38684569; Fax: 024 38684570
https://nxbbachkhoa.vn
Chịu trách nhiệm xuất bản điện tử:
Giám đốc — Tổng biên tập: PGS TS BÙI ĐỨC HÙNG
Biên tập: — VŨ THỊ HÀNG Trinh bay: VU TH] HANG
Thiết kế bìa: DƯƠNG HOÀNG ANH
Xuất bản phẩm điện tử được đăng tải tại địa chỉ website: nxbbachkhoa.vn Định dạng: PDF Dung lượng: 18,8 MB
Số DKXB: 4372-2023/CXBIPH/15-72/BKHN ISBN: 978-604-3 16-430-5
Số QĐXB: 1256/QD-DHBK-BKHN ngày 25/12/2023 Số QĐPH: 20/QĐPH-ĐHBK-BKHN ngày 08/01/2024
Trang 4LỜI NÓI ĐÀU
Nhà bác học Mendeleev đã nói: "Khoa học bắt đầu từ khi người ta biết đo"
Thật vậy, ngành "Kĩ thuật Đo lường" ngày nay đang được sử dụng rộng rãi trong
các nhiệm vụ kiểm tra tự động, tự động hóa các quá trình sản xuất và công nghệ,
cũng như trong các công tác nghiên cứu khoa học của tất cả các lĩnh vực khoa học
và kĩ thuật khác nhau Đề thực hiện được các nhiệm vụ đó, cần thiết phái tiến hành
đo các đại lượng vật lí khác nhau, đó là các đại lượng điện, các đại lượng hình học (kích thước), cơ học, nhiệt học, hóa học, các đại lượng từ, các đại lượng hạt nhân
nguyên tử Vì vậy, bộ sách 2 tập "Kỹ thuật đo lường các đại lượng vật lý" này sẽ
được sử dụng rộng rãi không những cho sinh viên, kĩ sư, nghiên cứu sinh và các cán
bộ khoa học chuyên ngành Đo lường mà còn cho tất cả các ngành kĩ thuật: điện,
điện tử, cơ khí, dệt, xây dựng, mỏ, luyện kim, nhiệt kĩ thuật, hóa chất, thủy lợi, vật
lí kĩ thuật, v.v và những ai quan tâm đến nó
Để thực hiện việc đo bằng phương pháp điện, điện tử các đại lượng vật lí khác
nhau, trước tiên chúng được biến đổi thành đại lượng điện thông qua các chuyển đổi sơ cấp, sau đó chúng được đo bằng các phương pháp và thiết bị đo điện Các
phương pháp đo điện ngày càng chiếm ưu thế vì nó có những ưu điểm tuyệt đối so
với phép đo không phải bằng điện như: độ tác động nhanh cao, độ chính xác tốt
hơn, có thể đo ở khoảng cách xa, thiết bị gọn nhẹ hơn và có thể đưa vào máy tính để
xử lí và lưu kết quả
Thiết bị đo và hệ thống đo lường có sử dụng kĩ thuật vi điện tử, vi xử lí và v1
tính ngày càng hiện đại và có hiệu quả: người ta đã tạo ra các thiết bị đo thông minh nhờ cài đặt vào chúng các bộ vi xử lí hay vi tính đơn phiến Chúng có những tính
năng hơn hẳn thiết bị đo thông thường, đó là: tự xử lí và lưu giữ kết quả đo, làm
việc theo chương trình, tự động thu thập số liệu đo và có khả năng truyền số liệu đi
xa
Vì khối lượng kiến thức khá lớn, chúng tôi chia bộ sách này thành hai tập Trong tập một, trước tiên chúng tôi trình bày một số kiến thức cơ bản của ngành kĩ thuật đo lường dưới tiêu đề "Cơ sở lí thuyết của kĩ thuật đo" Trong đó đề cập đến việc phân loại các phương pháp đo và thiết bị đo, các đặc trưng cơ bản của kĩ thuật
đo lường, tiếp đến đề cập đến đơn vị đo, chuẩn và mẫu: nêu lên hệ thống đơn vị
quốc tế SI, các chuẩn quốc tế, mẫu quốc gia và cách truyền chuẩn; chỉ ra cách thức kiểm tra và đánh giá một dụng cụ đo, cách tính toán sai số của phép đo và các phương pháp gia công kết quá đo trên cơ sở gia công thống kê; đề cập đến việc xây dựng đường cong thực nghiệm theo phương pháp bình phương cực tiểu từ các số
liệu thực nghiệm.
Trang 5Để bạn đọc nắm vững cấu trúc chung của một dụng cụ đo, chúng tôi đề cập
đến các sơ đồ cấu trúc chung của chúng dựa trên các phương pháp đo cơ bản mà
phân thành dụng cụ đo kiểu biến đồi thắng và dụng cụ đo kiểu so sánh
Trong phân thứ hai của tập một, chúng tôi có gắng mô tả các khâu chức năng
của một dụng cụ đo bao gồm ba phần cơ bản đó là các chuyển đổi sơ cấp, các mạch
do lường và các cơ cấu chỉ thị Chú ý mô tả từ nguyên lí làm việc, tính toán đến
thiết bị để bạn đọc có thể hình dung một dụng cụ đo bao gồm các khâu chức năng
ghép lại theo những quy luật của phương pháp đo
Trong tập hai của bộ sách, chúng tôi mô tả các phương pháp đo các đại lượng
vật lí khác nhau là dòng điện, điện áp, công suất, điện trở, điện cảm, điện dung, góc lệch pha, tần số, các đại lượng từ, kích thước thẳng và góc các đại lượng cơ học, lưu
lượng của chất khí, chất lỏng, nhiệt độ, nồng độ vật chất, v.v Chúng tôi cố gắng
giải thích nguyên lí của từng phương pháp, phân tích so sánh ưu khuyết điểm của chúng và chỉ rõ lĩnh vực ứng dụng để bạn đọc có thẻ dễ dàng hệ thống hóa và khi cần thiết có thể lựa chọn phương pháp đo phù hợp với yêu cầu của phép đo và hoàn
cảnh cũng như thiết bị đo hiện có
Dé ban đọc có thêm kiến thức, chúng tôi giới thiệu một số dụng cụ đo điện tử và tự ghỉ đặc biệt như máy đo hiện Sóng (ôsilôscóp), dao động kí tia sáng, máy phát tần số chuẩn, v.v ở một chương sau phần đo các đại lượng điện
Bộ sách này là kết quả nhiều năm giảng dạy và nghiên cứu của các tác giả chuyên ngành Kĩ thuật Đo lường của Đại học Bách khoa Hà Nội Các kiến thức trong sách đã tiếp cận được với những tiến bộ của khoa học kĩ thuật trong ngành Kĩ
thuật Đo lường trên thế giới
Bộ sách khó tránh khỏi những thiếu sót Chúng tôi rất mong nhận được nhiều
ý kiến đóng góp của bạn đọc Các ý kiến xin gửi về Ban Biên tập - Nhà xuất bản
Bách khoa Hà Nội
Thay mặt các tác giả Chủ biên
PGS TS PHAM THƯỢNG HÀN
Trang 6MỤC LỤC
Trang in Trang ebook
LỜI NÓI ĐẦU ::cccc22222222 re 4
Phần II
CAC PHAN TU CHUC NANG CUA THIET BI DO (Tiép)
§7.2: Các chuyên đối điện tfỞ‹z:ssisssssstsissisnttoitdsttritttuigdidggHet sai 162 11 §7.3 Chuyén đổi điện từ 168 17 §7.4 Chuyển đồi tĩnh điện 180 29 §7.5 Chuyên đổi nhiệt điện " 191 40 §7.6 Chuyên đổi hóa điện 222222222222t2EEEvererrrkrrrrrres 202 51
§7.8 Chuyên đổi lượng tử 230 79 §7.9 Chuyên đổi đo độ ẩm 22¿©2222zccccvvrrrrrrrrrrrrrrrree 233 82
§7.12 Một số ví dụ về cảm biến thông minh 244 93
§7.13 Thiết bị đo thông minh và linh hoạt - - + - + 245 94
Trang 7Chương 7 CÁC CHUYỂN ĐỔI ĐO LƯỜNG SƠ CẤP
§7-1 KHÁI NIEM CHUNG
7-1-1 Các định nghĩa
1 Chuyển đổi đo lường là thiết bị thực hiện một guan hé ham don tri giita hai dai lượng vật lí với một độ chính xác nhất định: l
Như thế chuyển đổi đo lường làm nhiệm vụ biến đổi từ đại lượng vật lí này sang đại
lượng vật lí khác Mối quan hệ hàm có thể là tuyến tính hay phi tuyến Tuy nhiên trong kĩ thuật đo lường người ta cố gắng tạo các chuyển đổi tuyến tính để nâng cao độ chính xác của phép đo ˆ °
2 Chuyển đổi đo lường sơ cấp là các chuyển đổi đo lường mà đại lượng vào là đại lượng không điện và đại lượng ra của nó là đại lượng điện
Phương trình của chuyển đổi được viết như sau:
gọi là đâu đo, bộ cảm biến hay cồn gọi là xen xơ (sensor)
Các đầu đo có thể chế tạo riêng rẽ thành thiết bị bán trên thị trường hay được đi liên
với thiết bi đo hay hệ thống do
Ví dụ : Can nhiệt là loại đầu đo nhiệt độ bao gồm chuyển đổi cặp nhiệt bên trong, bao bọc bên ngoài là ống kim loại được cách điện với chuyển đổi bởi sứ chịu nhiệt
Để thực hiện, các phép đo đại lượng không điện bằng phương pháp điện ta phải có
những đầu đo (cảm biến) mà phần tử cơ bản bên trong nó là các chuyển đổi sơ cấp
Đa số các chuyển đổi sơ cấp đều dựa trên các hiệu ứng vật lí V/ dự : hiệu ứng nhiệt
điện, quang điện, hóa điện, cộng hưởng từ hạt nhân v.v vì vậy mà độ chính xác, độ nhạy, độ tác động nhanh đều phụ thuộc vào các thành tựu khoa học mà vật lí đã đem lại và còn phụ thuộc vào công nghệ chế tạo chúng
7-1-2 Các đặc tính của chuyển đổi sơ cấp
Phương trình của chuyển đổi sơ cấp là :
Y = f(X)
Thực tế để có được đặc tính ấy người ta thường làm thực nghiệm để tìm ra mối quan hệ giữa X-và Y Mối quan hệ này thường là phi tuyến, nhưng để nang cao độ chính xác
158
Trang 8của thiết bị đo người ta tìm cách tuyến tính hóa nó bằng các mạch điện tử hay dùng các thuật toán thực hiện khi gia công bằng máy tính
Chúng ta cần lưu ý rằng trong thực tế tín hiệu ra Y của chuyển đổi không những chỉ
phụ thuộc vào X mà còn phụ thuộc vào điều kiện bên ngoài Z tức là :
._ Y=f(X,2)
Nghĩa là để bảo đảm độ chính xác của chuyển đổi; khi khắc độ ta phải cố định điêu
kiện Z
Khi đánh giá một chuyển đổi hay phải so sánh chúng với nhau ta cần phải chú ý
những đặc tính cơ bản sau đây :
1 Phải xét đến khả năng có thể thay thế các chuyển đổi Tức là khi chế tạo một loại chuyển đổi ta phải tính đến khả năng chế tạo nhiều chuyển đổi với các đặc tính như nhau đã cho trước Như thế mới có thể thay thế khi bị hư hỏng mà không mắc phải sai số
2 Chuyển đổi phải có đặc tính đơn trị, nghĩa là với đường cong hồi phục của chuyển
đổi ứng với một giá trị X ta nhận được chỉ một giá trị Y mà thôi
3, Đường cong của chuyển đổi phải ổn định, nghĩa là không được thay đổi theo thời gian
4 Tín hiệu ra của chuyển đổi yêu cầu phải tiện cho việc ghép nối vào dụng cụ đo, hệ
thống đo và máy tính
5 Đặc tính quan trọng của chuyển đổi là sai sé :
Sai số cơ bản của chuyển đổi là sai số gây ra do nguyên tắc của chuyển đổi, sự
không hoàn thiện của cấu trúc, sự yếu kém của công nghệ chế tạo
Sai số phụ là sai số gây ra do biến động của điều kiện bên ngoài khác với điểu kiện tiêu chuẩn
Để nâng cao độ chính xác của phép đo hay dụng cụ đo người ta cố gắng nâng cao độ
chính xác của các chuyển đổi sơ cấp vì đây chính là khâu cơ bản trong thiết bị đo mà độ
chính xác của nó phụ thuộc rất nhiều vào bản chất vật lí của chuyển đổi
6 Độ nhạy của chuyển đổi cũng là một tiêu chuẩn quan trọng Nó có tác dụng quyết định cấu trúc của mạch đo để đảm bảo cho phép đo có thể bắt nhạy với những biến động
nhỏ của đại lượng đo
7 Đặc tính động của chuyển đổi : khi cho tín hiệu đo vào chuyển đổi thường xuất
hiện quá trình quá độ Quá trình này có thể nhanh hay chậm tùy thuộc vào dạng chuyển đổi Đặc tính này được gọi là độ ác động nhanh Nếu độ tác động nhanh chậm tức là
Ta lấy ví dụ : chuyển đổi cặp nhiệt Khi nhiệt độ ở đầu vào thay đổi nhưng phải sau
một thời gian khá lâu mới có sự thay đổi điện áp ra của chuyển đổi tức là độ tác động nhanh kém Vì vậy khi lựa chọn chuyển đổi ta phải lưu ý độ tác động nhanh của nó phù hợp với tốc độ thay đổi của đạí lượng đo Nếu không phải tính toán để bù lại ảnh hưởng do sự chênh lệch đó gây ra Bởi vì độ tác động nhanh của chuyển đổi có ảnh hưởng đến sai số của phép đo (dụng cụ đo) và có ảnh hưởng đến tốc độ của phép do
8 Sự tác động ngược lại của chuyển đổi lên đại lượng đo làm thay đổi nó và tiếp đến
là gây ra sự thay đổi của tín hiệu ở đầu ra của chuyển đổi
159
Trang 9Ví dụ: Khi đặt nhiệt điện trở vào bên trong ống để đo tốc độ của chất khí nhưng đồn;
thời nhiệt điện trở cản trở dòng khí và làm thay đổi tốc độ của dòng khí Kết quả là gây ra sai số, ảnh hưởng đến độ chính xác của kết quả đơ Vì vậy thiết kế thiết bi đo phải tính
9 Về kích thước của chuyển đổi mong muốn là phải nhỏ Có như vậy mới đưa đầu đo
vào những nơi hẹp, nhỏ nâng cao độ chính xác của phép đo
7-1-3 Phân loại các chuyển đổi sơ cấp
Có nhiều cách phân loại các chuyển đổi sơ cấp Dưới đây là một số phương pháp
phân loại chính:
1 Dựa trên nguyên lí của chuyển đổi mà phân thành:
a) Chuyển đổi điện trở là chuyển đổi, trong đó đại lượng không điện X biến đổi làm
b) Chuyển đổi điện từ là các chuyển đổi làm việc dựa trên các quy luật về lực điện từ Đại lượng không điện X làm thay đổi các thông số của mạch từ như điện cảm L, hỗ
cảm M, độ từ thẩm k và từ thông ở
c) Các chuyển đổi tĩnh điện là các chuyển đổi làm việc dựa trên các hiện tượng fnh điện Đại lượng không điện X là thay đổi điện dung C hay điện tích của nó v,
đ) Chuyển đổi hóa điện là chuyển đổi làm việc dựa trên các hiện tượng hóa điện Đại
lượng không điện X làm thay đổi điện dẫn Y, điện cảm, sức điện động hóa điện v.v
e) Chuyển đổi nhiệt điện là chuyển đổi dựa trên các hiện tượng nhiệt điện Đại lượng
không điện làm thay đổi sức điện động nhiệt điện hay điện trở của nó;
#) Chuyển đổi điện tử và ion là các chuyển đổi trong đó đại lượng không điện làm thay đổi dòng điện tử hay dòng ion chạy qua nó
8) Chuyển đổi lượng rử dựa trên hiện tượng cộng hưởng từ hạt nhân và cộng hưởng từ điện tử
2 Theo tính chất nguồn điện mà phân thành hai loại:
Chuyển đổi phát điện và chuyển đổi thông số
a) Chuyển đổi phát điện là chuyển đổi có đại lượng ra là điện áp-V, sức điện động E,
dòng điện I, đại lượng vào là các đại lượng không đổi cần đo
Ví dụ: Chuyển đổi cảm ứng, cặp nhiệt điện, chuyển đổi áp điện v.v Đại lượng vào
là các thông số cần do như tốc độ quay, nhiệt độ, áp suất, đại lượng ra là sức điện động
cảm ứng E, sức điện động nhiệt điện Eụp và điện tích q:
b) Chuyển đổi thông số trong đó đại lượng ra là các thông số điện như điện trở R,
điện cảm L, hỗ cảm M v.v như các chuyển đổi điện cảm, điện dung, hỗ cảm
3 Theo phương pháp đo phân thành:
Chuyển đổi biến đổi trực tiếp là chuyển đổi bù
a) Chuyển đổi biến đổi trực tiếp là các chuyển đổi trong đó đại lượng không điện được trực tiếp biến đổi thành đại lượng điện
160
Trang 10được chuyển đổi thuận biến thành
Y=—X B (7-3) 7-3
Từ biểu thức trên cho thấy Y chi phụ thuộc vào độ chính xác của chuyển đổi ngược
‘Do đó chuyển đổi thuận có thể rất phức tạp, qua nhiều lần biến đổi, sai số có thể lớn -
nhưng nếu bảo đảm hệ số biến đổi K rất lớn, thì độ chính xác của chuyển đổi bù chỉ phụ
thuộc vào độ chính xác của chuyển đổi ngược Chuyển đổi ngược thường là chuyển đổi
biến đổi trực tiếp, có độ chính xác cao và do vậy các chuyển đổi bù thường có độ chính
Xác cao
§7-2 CÁC CHUYỂN ĐỔI ĐIỆN TRỞ
Chuyển đổi điện trở là loại chuyển đổi, biến đại lượng không điện cần do thành sự thay đổi điện trở của nó
Có hai loại: chuyển đổi biến trở và chuyển đổi điện trở lực căng 7-2-1 Chuyển đổi biến trở
1 Cấu tạo và nguyên lí làm việc Chuyển đổi biến trở là một biến trở gồm một lõi bằng vật liệu cách điện như gốm, sứ, bakêelit hoặc bằng nhôm, đồng có phủ lớp cách điện
với hình dáng rất khác nhau (h.7-2)
Trên lõi quấn dây điện trở bằng maganin, niken, crôm, constantan, vonfram Đường
kính dây có thể từ 0,02 +.0,1mm điện trở của dây thay đổi từ vài chục ôm tới vài nghìn
ôm Các dây điện trở được tráng êmay cách điện để có thể quấn sát nhau Trên lõi và dây
quấn có con trượt được tráng êmay cách điện để có thể quấn sát nhau Trên lõi và dây quấn có con trượt Con trượt được chế tạo bằng hợp kim platin - iridi, hoặc platin - berin ` để có độ đàn hồi và tiếp xúc tốt, lực tì giữa con trượt và lỗi rất nhỏ cỡ 0,01 + 0,1N
161,
44.KT ĐL CĐL VẬT LÝ!1 A.
Trang 11Dưới tác dung của đại lượng vào,.con trượt di chuyển Quan hệ giữ đại lượng ra và
đại lượng vào được biểu diễn dưới dạng:
Hình 7-2 là hình dáng của một số loại chuyển đổi biến trở và đặc tính của nó
2 Độ nhạy và độ chính xác Chuyển đổi biến trở chỉ cho ta phát hiện sự biến thiên điện trở bằng điện trở của một vòng dây tương ứng với một di chuyển bằng khoảng cách
giữa hai vòng dây Nếu điện trở toàn phần của chuyển đổi là R với số vòng W Điện trở
quấn như nhau: : ; ; Re
2R 2W I Z
1 U
ARaia — điện trở toàn phần của một vòng dây;
W - số vòng dây
Sai số phi tuyến từ 0,I + 0,03%
Sai số nhiệt độ 0,1% trên 10°C
3 Mạch đo : Chuyển đổi biến trở là loại chuyển đổi thông số, đại lượng không điện
làm thay đổi điện trở ra R của nó Có thể dùng các mạch sau :
Mạch biến trở, mạch phân áp và mạch cầu * Mạch biến trở (h.7—3)
Trang 12Dòng điện trong mạch tỉ lệ nghịch với điện trở cần đo R„
Nhược điểm của: mạch là quan hệ giữa I = f(x) không tuyến tính, dòng điện không biến thiên được từ 0 trở đi
* Mach phan áp (h.7-4) :
4°R Ta có Uy
& lượng biến thiên điện trở tương đối
khi biến trở đi chuyển
Trang 13Ngoài ra còn dùng trong các dụng cụ đo lực, áp suất, gia tốc hoặc các chuyển đổi ngược trong mạch cầu, điện thế kế tự động : :
Chuyển đổi biến trở có thể dùng đo các đại lượng biến thiên với tần số không lớn
hơn 5H¿
7~2-2 Chuyển đổi điện trở lực căng
1 Nguyên lí tác dụng, cấu tạo và các quan hệ cơ bản
đổi điện trở làm việc dựa trên hiệu ứng tenzô gọi là |
căng Chuyển đổi điện trở lực căng chia làm ba loại
mỏng Phổ biến nhất là loại chuyển đổi điện trở lực căng dây mảnh, có cấu tạo như trên
hình 7-7 Trên tấm giấy mỏng bền 1, dán một sợi dây điện trở 2 hình răng lược, có đường kính từ 0,02 + 0,03 mm Dây được chế tạo bằng các vật liệu constantan, nicrôm, hợp kim platin - iriđi Hai đầu dây được hàn với lá đồng 3 dùng để nối với mạch đo Phía trên được
dán tấm giấy mỏng để cố định day Chiéu dai 1, la.chiéu dài tác dụng của chuyển đổi
Thông thường lọ = 8.+ 15 mm Khi cần có kích thước nhỏ lạ = 2,5 mm Chiểu rộng a
thay đổi từ 3 + 10 mm Điện trở thay đổi trong khoảng 10Q + 15O Khi chiều dài tác
dụng không bị hạn chế lạ có thể dài tới 100mm Điện trở từ 800 -+ 1000Q Khi đó biến
dạng eị = + chuyển đổi được dán lên đối tượng đo, lúc đối tượng đo bị biến dạng, chuyển đổi biến dạng theo và điện trở của chuyển đổi tenzô thay đổi một lượng AR/R
Ta có: AR Lg “) R 1 Hay &, = f(e,)
Ta biét rang R = p— trong đó s 1a tiét dién day, 1 1a chiéu dai day, p 1a-dién tré suat s
của dây
Dodó: SR 40, R p Al As 1 s
hay Ep = Ep + €) — &
trong đó: sạ = AR/R - sự biến thiên tương đối của điện trở chuyển đổi khi bị biến dạng;
€, = Al/l — sự biến thiên tương đối theo chiều dài dây dẫn;
£s = AS/s — sự biến thiên tương đối theo tiết diện dây dẫn, đặc trưng cho sự thay đổi kích thước hình học của chuyển đổi
-164
Trang 14&) = Ap/p — sự biến thiên tương đối của điện trở suất đặc trưng cho sự thay đổi
Trong cơ học đã biết es = -2K;£, (K; ~ hệ số poisson) và nếu đặt #p = me); m — hệ số tỉ lệ;
ta CÓ: £ạ = £ị (1+ 2K; + m) = Ke,
Đó là phương trình biến đổi tổng quát của chuyển đổi điện trở lực căng Độ nhạy của chuyển đổi là : K = e„/e,= 1 + 2Kp +m
Đối với vật liệu lỏng (thủy ngân, chất điện phân)
Khi thể tích v = l.s không thay đổi trong quá trình biến dạng ; hệ số K¿ = 0,5 và bỏ
_ qua m (vì m rất nhỏ); Ta có: K=2
Đối với kim loại : Ky = 0,24 + 4 Độ nhạy K = 0,5 + 8
Do ứng suất có ở trong chỉ tiết cần nghiên cứu liên quan với môdun đàn hồi E của vật liệu chi tiết do đó :
ơ =E (AI/I) và phương trình biến đổi của chuyển đổi lực căng có thể biểu diễn dưới
dang: :
AR _ Ks R- xEh
Ứng suất cơ của các chỉ tiết và của dây chế tạo chuyển đổi không được vượt quá giới
hạn biến dạng đàn hồi vì điều đó có thể dẫn đến sự thay đổi đặc tính của nó ó Ứng suất cơ học trong các chỉ tiết được giới hạn từ 20 + 30% giới hạn đàn hồi
2 Tính chất của các chuyển đổi điện trở lực căng Để các chuyển đổi điện trở lực ì căng làm việc tốt trong thực tiễn, yêu cầu vật liệu chế tạo chuyển đổi có độ nhạy lớn để
độ nhạy đạt được cao Mặt khác hệ số nhiệt độ của chuyển đổi điện trở lực căng (œ) cần : bé, vì trong kim loại, độ biến đạng tương đối e, trong giới hạn đàn hồi không lớn hơn 2,5.10? do- đó su vào khoảng (1,25-+ 10) tức là sự thay đổi điện trở tương đối không vượt
quá 1% khi đối tượng đo chịu ứng suất lớn nhất
4 Trong khi dé su d6t néng dién trở có thể làm điện trở của chuyển đổi thay đổi một lượng cũng gần bằng lượng điện trở do biến dạng Vì vậy hệ số nhiệt độ của dây điện trở càng nhỏ càng tốt, cần phải bù nhiệt độ trong mạch đo
Vật liệu chế tạo dây điện trở cần có điện trở suất (p) lớn để kích thước của chuyển
Độ nhạy của các chuyển đổi loại dây mảnh không giống độ nhạy của vật liệu chế tạo
nó vì quá trình chế tạo hình răng lược, phần bị uốn không chịu biến dạng theo hướng cần
đo, làm độ nhạy giảm 25 + 30% Muốn vậy phải tăng độ dài tác dụng l„, mặt khác các phần uốn lại chịu lực tác dụng vuông góc với trục của chuyển đổi gây sai số trong quá trình đo
— Hệ số nhiệt độ của chuyển đổi ở, khác với hệ số nhiệt độ œ của đối tượng đo, khi nhiệt độ thay đổi gây biến dạng phụ trong quá trình đo
165
Trang 15- * Ngay nay để giảm kích thước của chuyển đổi tăng điện trở tác dụng của nó cũng
như có thể chế tạo được chuyển đổi với hình dáng phức tạp hơn người ta chế tạo chuyển
đổi kiểu màng mỏng và lá mỏng Chuyển đổi lá mỏng được chế tạo từ một lá kim loại mỏng với chiểu dày
0,004 + 0/012 mm Nhờ
phương pháp quang khắc, hình dáng của chuyển đổi
được tạo thành khác nhau
như hình `7-8a Hình 7-8 :
Chuyển đổi điện trở lực căng kiểu màng mỏng được chế tạo bằng cách cho bốc hơi
kim loại lên một khung với hình dáng định trước (h.7-8b)
Ưu điểm của hai chuyển đổi trên là điện trở lớn, kích thước nhỏ tăng được độ nhạy
Ngoài ra các vật liệu bán dẫn như Silic, Gemani (Ge), Asenua v.v cũng được dùng
chế tạo các chuyển đổi điện trở lực căng
Ưu điểm của các loại này là hệ số độ nhạy lớn K = (-200 + 800) ; Kích thước nhỏ (2,5mm), nhiệt độ làm việc từ - 250°C + 250C
Nhược điểm của chúng là độ bên cơ học kém
Các chuyển đổi điện trở lực căng được dán lên đối tượng đo bằng loại keo dán đặc
biét nhu 6 -2; 6{® -4; axêtônxenluloit v.v
3 Mạch đo Thông thường chuyển đổi điện trở lực căng được dùng với mạch cầu một chiều hoặc xoay chiều và mạch phân áp l
Khi mạch câu chỉ có một nhánh hoạt động (tức là chỉ một chuyển đổi hoạt dong) van dé
bù nhiệt độ phải được thực hiện đo vậy người ta dùng một chuyển đổi cùng loại dán lên chỉ tiết không làm việc cùng vật liệu với đối tượng đo và đặt trong cùng một nhiệt độ (h.7—9a)
~_—>._
& #
Hình 7-9
166
Trang 16Khi đối tượng đo làm việc R+ thay đổi thành egR+,
Cầu mất cân bằng và điện áp ra:
Với cầu 4 nhánh hoạt động, điện áp ra của mạch cầu là lớn nhất tăng gấp bốn lần, sai số nhiệt độ cũng bị loại trừ
Ngoài mạch cầu người ta còn dùng mạch phân áp như hình 7-9c
Mạch trên dùng để đo biến dạng động với tân số lớn hơn 1000Hz ví dụ biến dạng đo va đập Điện áp ra được đo trên Rr mắc nối tiếp với điện trở R Để loại trừ thành phần
một chiều người ta mắc thêm tụ C
Ry
R+R,
Điện áp rơi trên tenzô: U;=U
Khi có biến dạng với tan sé a:
Điện áp ra chỉ lấy với thành phần xoay chiều :
U„>U R+Ra Ep sinat
4 Sai số và phạm vi ting dung : Sai số của thiết bị đo dùng chuyển đổi tenzô chủ yếu
do độ chính xác khác độ các chuyển đổi Không thể khắc độ trực tiếp đơn chiếc, chúng
được chế tạo hàng loạt và được chuẩn sơ bộ
Khi sử dụng cần phải có công nghệ dán chuẩn và chọn vị trí chính xác Sai số có thể
dat toi 1 + 5%
Khi chuẩn trực tiếp chuyển đổi với mạch đo sai số có thể giảm đến 0,2 + 0,5% khi
đo biến dạng tĩnh và I + 1,5% khi đo biến dạng động Ngoài ra còn có sai số biến dạng dư của keo dán khi sấy khô, do sự dãn nở khác nhau giữa chuyển đổi và chi tiết dán Các
chuyển đổi lực căng được dùng để đo lực áp suất, mô men quay, gia tốc và các đại lượng
khác nếu có thể biến đổi thành biến dạng đàn hồi với ứng suất không bé hơn (1 + 2) 10” N/nẺ Chuyển đổi điện trở lực căng có thể đo các đại lượng biến thiên tới vài chuc kHz
167
Trang 17§7-3 CHUYỂN ĐỔI ĐIỆN TỪ
Chuyển đổi điện từ là nhóm các chuyển đổi làm việc dựa trên quy luật điện từ Đại
lượng không điện cần đo làm thay đổi điện cảm; hỗ cảm của chuyển đổi hay từ thông, độ từ thẩm của lõi thép Chuyển đổi điện từ được phân thành : chuyển đổi điện cảm và hỗ cảm, chuyển đổi cảm ứng, chuyển đổi áp từ
7-3-1 Chuyển đổi điện cảm và hỗ cảm
1 Chuyển đổi điện cẩm là một cuộn dây quấn trên lõi thép có khe hở không khí
(mạch từ hở h.7-10) Thông số của nó thay đổi dưới tác động của đại lượng vào Xy
Hình 7—10 Một số dạng của chuyển đổi điện cảm:
1) Lõi sắt từ ; 2) Cuộn đây ; 3) Phân ứng di động được ; Š là khe hở không khí
Dưới tác động của đại lượng đo Xy làm cho phần ứng 3 di chuyển, khe hở không khí
ö thay đổi làm thay đổi từ trở của lõi thép do đó điện cảm và tổng trở của chuyển đổi
cũng thay đổi theo (h.7-10a) Điện cảm có thể thay đổi đo tiết diện khe hở không khí thay đổi (h.7-10b) hoặc thay đổi do tổn hao dòng điện xoáy dưới tác động của đại lượng
trong đó :'W - số vòng cuộn dây ;
Rs = _: từ trở của khe hở không khí ; Hos
& —chiéu dai khe hé khong khí ;
168
Trang 18Họ — độ từ thẩm của không khí;
s — tiết diện thực của khe hở không khí
Với W = const ta có:
ôL ổL › đL= —ds+—“dồ
So va 6, — gid tri ban đầu của s va 6 (khi đại lượng vao Xy = 0)
Độ nhạy của chuyển đổi điện cảm với khe hở không khí thay đổi (s = const):
Z¿— giá trị tổng trở ban đầu khi Xy = 0,
Từ biểu thức (7-7) thấy rằng tổng trở của chuyển đổi là một hàm tuyến tính với tiết
diện khe hở không khí s và phi tuyến (hypebol) với chiều dài khe.khí ồ
Nói cách khác, độ nhạy của chuyển đổi khi độ dài của khe hở không khí thay đổi
không phải là hằng số mà phụ thuộc vào tỉ số =, (7-8)
Trang 19trên độ phi tuyến của chuyển đổi không vượt quá 1%
Tuy nhiên nếu đo tổng dẫn Y = Zz Độ nhạy của chuyển đổi sẽ tuyến tính với độ dài khè hở không khí thay đổi (khi đó dòng điện I chạy cuộn dây với điện áp U cho trước
lam viéc ngudi ta ệ : Z1; = (40) +,=/(/
có thêm một cuộn dây do (h.7-12 a, b) Khi chiéu dai hoac tiét dién khe hở không khí
thay đổi làm cho từ thông của mạch từ thay đổi và xuất hiện sức điện động e
Từ thông tức thời : ¿,= DO ~ Miposl Ry 8
hỗ cảm (chuyển đổi biến áp) Cấu tạo
của chuyển đổi hỗ
W, - số vòng cuộn dây do
Khi làm việc với dòng xoay chiéu i = I, sinot
Trang 20
Hình 7-12 Các chuyển đổi kiểu hỗ cảm:
a) Các chuyển đổi đơn; b) Các chuyển đổi kiểu vì sai
1~ giá trị hiệu dụng của dòng điện
trị W;, W¿, Hạ, @ và I là hằng số ta có: :
dE = & as + as Os 0
hay: ỗo ————m (89 + A8)?
Độ nhạy của chuyển đổi với sự thay đổi chiều dài khe khí ỗ (s = const):
171
Trang 21AE E
Ss = AEs Be c ca (7-10)
Að i( as) ¿[1+ (A8 /8„)]?
65)14— °
Còn độ nhạy khi tiết diện khe hay thay đổi (5 = const): E
So sánh hai biểu thức (7—10) và (7-11) với biểu thức (7~5) và (7-6)
Ta thấy rằng độ nhạy của chuyển đổi hỗ cảm khi I và œ không biến đổi chỉ khác với độ nhạy của chuyển đổi điện cảm ở giá tri E, va Ly
Ngoài ra độ nhạy của chuyển đổi hỗ cảm Ss và S, tăng khi tần số nguồn cung cấp
Do vậy trong mạch cầu chỉ cần cân bằng với thành phần biên độ
Để đảm bảo chế độ điện áp cho trước, điện trở của chỉ thị chỉ không Rcr trong mạch cầu cần nhỏ hơn điện trở các nhánh từ 5 + 10 lần
: Nếu lõi sắt từ làm bằng vật liệu đặc sẽ gây nên hiệu ứng bề mặt và độ nhạy của
chuyển đổi sẽ là một hàm khá phức tạp
Khi chế tạo các chuyển đổi điện cảm và hỗ cảm cần phải tính đến lực cơ điện tác
động lên phần động của lõi thép
của nguồn cung cấp
Đặc tính động của các chuyển đổi điện cảm và hỗ cảm được xác định chủ yếu ở hệ thống cơ của phần động
Tần số làm việc rất rộng tùy theo cấu trúc của a phần động có thể đo được các đại
lượng biến thiên từ 500Hz + vai kHz
172
Trang 223 Mach do Thường người ta dùng mạch cầu không cân bằng với nguồn cung cấp xoay chiều có một nhánh hoạt động (chuyển đổi đơn) hoặc hai nhánh hoạt động (chuyển
đổi mắc kiểu vi sai)
Ví dụ mạch cầu hình 7—12c Đó là mạch cầu với chuyển đổi mắc kiểu vi sai (cầu 6 nhánh) Điện trở R„ và C dùng để cân
chuyển đổi hỗ cảm người ta Z+AL = L-AL
thường dùng phương pháp đo điện ^ : <
áp đòng xoay chiều Khi cần thiết ag a xác định dấu của đại lượng đo có WA
thể dùng chỉnh lưu nhạy pha
trong nhiều trường hợp không cần
4 Sai số và ứng dụng Các chuyển đổi điện cảm làm việc với mạch cầu không cân
bằng, nguồn cung cấp cho mạch cầu cần phải ổn định Nếu điện áp nguồn cung cấp thay
đổi 1% có thể gây sai số tới 1% :
Tan số của nguồn cung cấp thay đổi 1% gây sai số 2% Với mạch cầu cân bằng sai
số có thể giảm tới 0,5 + 1% Khi nhiệt độ môi trường thay đổi làm cho độ từ thẩm của
mạch từ và điện trở thực của cuộn dây thay đổi cũng có thể gây sai số Sai số trên được *
Chuyển đổi điện cảm và hỗ cảm có thể do đại lượng không điện khác nhau tùy theo cấu trúc của từng loại chuyển đổi Chúng có thể do di chuyển từ vài chục micrô mét đến
hàng chục centimet, đo chiều dày lớp phủ, đo độ bóng của chỉ tiết gia công v.v
Ngoài ra còn có thể đo lực từ một phần mười Niutơn đến hàng chục, hàng trăm
Niutơn Đo áp suất với dải đo từ 10”) N/m”+ chục nghìn N/m” đo gia tốc từ 10”g đến
hàng trăm đơn vị gia tốc trọng trường :
7-3-2 Chuyển đổi áp từ
1 Cấu tạo và nguyên lí làm việc
Chuyển đổi áp từ là một đạng của chuyển đổi điện cảm và hỗ cảm Khác với hai loại trên, mạch từ của chuyển đổi áp từ là mạch từ kín Nguyên lí làm việc của chuyển đổi áp
từ dựa trên hiệu ứng áp từ Dưới tác dụng biến dạng đàn hồi cơ học, độ từ thẩm kụ và các tính chất khác của vật
liệu sắt từ thay đổi Hình 7-13 là một số dạng khác nhau của chuyển đổi áp từ Chuyển đổi áp từ dựa trên hiệu ứng áp từ có thể là chuyển đổi áp từ kiểu điện cảm (h.7-13a) hoặc hỗ cảm (h.7—13b) Dưới tác dụng của ứng lực cơ học làm cho lõi thép biến dạng, độ từ
173
Trang 23thẩm pt thay đổi và từ trở của mạch từ Rụ thay đổi làm cho điện cảm L hoặc hỗ cảm M thay đổi theo
a) Kiểu điện cảm; b) Kiểu hỗ cảm
Tổng trở của chuyển đổi:
Từ biểu thức (7-12) với.W = const,
Ta có: dL= We aye dss Hat, Ou 6 a
Với lượng thay đổi Ah, As và Al ta có:
Am As AI 1
AL = Ly\——- + —-— 5 Ms” 1 [1+(AL/D]
Trang 24L, ~ giá trị điện cảm ban đầu khi chưa có lực tác động
` z AL afb As AI 1
Giả sử rằng As/s = —K, Al/l (K, — hệ s6 poisson)”
va Al/l << | trong gidi han bién dang đàn hồi
Thì độ nhạy tương đối của-chuyển đổi khi biến dạng sẽ là:
AL/Lẹ [An/u
Ss = Kp +1)/=S,,-(K, +1 7-14 A clare ae THẾ đc et
y= ETE — a9 nhạy áp từ, đặc trưng của lõi vat liệu
Đối với loại thép Pecmalôi §¡, có thể tới 200 và lớn hơn, do đó Su >> Ky + L Với độ chính xác tương đối có thể coi độ sae tương đối của oo đổi:
Au/u
—— =§ 7-15
Độ nhạy † thực của chuyển đổi khi tính đến điện trở của cuộn dây, tổn hao trên lõi
thép sẽ giảm so với độ nhạy áp từ
Từ công thức (7—13) ta thấy rằng độ nhạy của chuyển đổi áp từ đối với tổng trở Z bằng độ nhạy áp từ của nó
Zz
So = uA
Trang 25Mach do của chuyển đổi áp từ tương tự như mạch đo của chuyển đổi điện cảm và hỗ cảm Đặc tính động của chuyển đổi áp từ được quyết định chủ yếu ở mạch đo, có thể làm
việc với các đại lượng biến thiên đến hàng chục kHz
Hình (7-14) là ví dụ về cấu tạo của chuyển đổi áp từ kiểu vi sai và mạch đo của nó
2 Sai số và ứng dụng
Sai số của các chuyển đổi áp từ có thể gồm những yếu tố sau :
~ 8ai số hồi sai do hiện tượng áp từ trễ không trùng lặp trạng thái từ khi tăng tải và khi giảm tải Sự phân tán các giá trị Au/u = f(F) ở chu kì đầu -
Khi tăng tải và giảm tải đạt đến 10% Sau khi lặp lại chu trình tăng tải và giảm tải nhiều lần sự phân tán giảm xuống đến 1% và sai số do hiện tượng áp từ trễ không giảm nữa
— Sai số gây bởi sự dao động của dòng điện từ hóa, làm thay đổi độ từ thẩm ban đầu
Để giảm sai số trên người ta chọn giá trị dòng điện như-thế nào đó để lõi thép làm
việc với cường độ từ trường tương ứng với độ từ thẩm lớn nhất Sai số sẽ không lớn hơn 0,3 + 0,4% khi điện áp nguồn dao động 1%
~ Sai số gây bởi sự dao dong nhiệt độ của môi trường
Khi nhiệt độ thay đổi làm điện trở thực của cuộn dây, độ từ thẩm ban đầu và hiệu ứng áp từ của chuyển đổi thay đổi
Sai số do nhiệt độ môi trường thay đổi từ 0,5 + 1,5% trén 10°C
Chuyển đổi áp từ thường dùng đo lực lớn (10° + 10° N) va đo áp suất trong điều kiện
Khó khăn
Mặc dù độ chính xác thấp (3 + 5%) nhưng do có cấu trúc đơn giản, độ tin cậy cao
nên được sử dụng nhiều ở ngoài hiện trường để đo áp suất, mômen xoắn trong các máy
khoan đất, đo lực cất trong quá trình gia công -kim loại v.v
7-3-3 Chuyển đổi cảm ứng
Chuyển đổi cảm ứng là chuyển đổi gồm có nam châm vĩnh cửu hoặc nam châm điện
(trong một số trường hợp) và cuộn dây :
Khi từ thông ® thay đổi, móc vòng qua cuộn dây sẽ sinh ra một:'sức điện động :
Từ thông thay đổi do vị trí của cuộn dây di chuyển trong từ trường hoặc do từ trở của
mạch từ thay đổi khi vị trí của lõi thép thay đổi Hình 7-15 là cấu tạo của một số loại
Hinh 7-15a 1a loai chuyén đổi cảm ứng có cuộn dây di chuyển Khi cuộn dây di
chuyển từ thông ® móc vòng trong cuộn dây thay đổi, cảm ứng một sức điện động : E= -#“ -_pi#Š -_pzpw dt dt 45 - s4% dt dt
B- là độ từ cảm của khe hở không khí;
LL= xDW - chiều dài thực của cuộn dây;
Trang 26D- dường kính trung bình của cuộn day;
W - số vòng dây;
X - sự đi chuyển của cuộn day ;
S=-BzD W - độ nhạy của chuyển đổi -
Chuyển đổi cảm ứng với cuộn dây di chuyển theo góc quay (h.7—15b) Sức điện động
sinh ra khi cuộn đây quay một góc a dx da e =— Byl— hoac ot: dt : e = -Bgsg — vs th
bị biến
dạng (dựa
trên hiệu
Trang 27Ba — cảm ứng từ của khe hở không khí ; L1=zDW - chiều dài thực của cuộn day đo ;
nD?
Sq = W - tiết diện thực của cuộn dây; D - đường kính trung bình của cuộn dây ;
X, œ tương ứng với độ di chuyển thẳng hay góc của cuộn dậy
Đối với chuyển đổi cảm ứng có lõi thép di chuyển (h.7—lốc, d);
-W——=-W
dt dt\ Ru Rị dt F,, — sức từ động của nam châm
Gia st rang Ryu = Ruo + kK Ruy X (Rao - từ trở của mạch từ khi X =0, k - hệ số phụ
thuộc vào cấu trúc của chuyển đổi) và coi ARu << Rựo ta có phương trình :
`
Nếu lõi sắt từ quay quanh trục (h.7-15d) theo luật hình sin tức là khe hở không khí giữa các đầu cực từ thay đổi theo luật hình sin (hai lần cho một vòng quay) Một cách gần đúng ta có từ trở của mạch từ và từ thông sẽ thay đổi theo dạng hình sin
2
®, = Prax + Pin
2 sin 2@t Sức điện động trong cuộn day:
=
= - wo - = —WoBs, cos 2at Dax» Pmin — gid tri từ thông lớn nhất và nhỏ nhất ;
„ - tiết diện của cuộn dây
Đối với các chuyển đổi cảm ứng loại thứ ba (h.L5 e, f)
Doan lI— l của mạch từ chịu lực tác động theo thời gian f, (hoặc mômen M, biến thành lực f,) (h.7-15Ø, do hiệu ứng áp từ làm cho từ trở của đoạn đé thay đổi, đo đó từ thông móc vòng quanh cuộn dây cũng thay đổi và sinh ra sức điện động cảm ứng tỉ lệ với
diy _g! dfy
hát PP ár
e=S
1¡.¡ = chiều dài đoạn mạch từ bị biến dạng ; `
Sw S,’ — độ nhạy tương ứng khi thay đổi 1 và khi thay đổi f,
Qua trên ta thấy rằng đối với chuyển đổi cảm ứng, phương trình biến đổi chung cé dang:
178 : 12.KT ĐL CĐL VẬT LÝ/1 Baie
Trang 28§ - độ nhạy của chuyển đổi phụ thuộc vào cấu trúc của nó;
X - đại lượng vào của chuyển đổi (di chuyển thẳng hoặc góc hay lực)
Khi sử dụng các chuyển đổi cảm ứng cần chú ý đến sai số do tần số thay đổi Mạch
điện tương đương của chuyển đổi cảm ứng như hình 7-16
Trên sơ đồ Rị và L - điện trở thực và điện cảm của cuộn dây; R¿ - điện trở tải
Ứng với điều kiện ban đầu, độ nhạy toán tử của mạch có dạng : SR:.p Tp ot AUP egy,
thép di chuyển (h.7-15c, d) có đặc tính phi tuyến và từ trễ do đó chỉ sử dụng trong các
mạch điều tần hoặc điều pha
Từ các phương trình đặc trưng của
chuyển đổi ta cũng thấy rằng sức điện
động ở đầu ra tỉ lệ với tốc độ biến thiên của tín hiệu vào, do đó muốn đo tín hiệu
phải lắp thêm bộ tích phân ở đầu ra của
chuyển đổi:
dx |
Ung dung : Các chuyển đổi cảm ứng có cuộn dây di chuyển dùng đo tốc độ quay và
mômen quay như các tốc độ kế
Các chuyển đổi có lõi thép di chuyển dùng đo di chuyển thẳng, di chuyển góc, đo
biên độ rung (vãi phần trăm milimét đến vài milimét)
Tín hiệu ra của các chuyển đổi cảm điện đạt được cao (vài phần vôn đến hàng chục
vôn) nên mạch đo đơn giản không cần khuếch đại
Độ nhạy cao của chuyển đổi cho phép đo được các di chuyển nhỏ, đo tốc độ, gia tốc và các đại lượng khác với tần số đến 15 + 30kHz
Sai số của chuyển đổi với nam châm vĩnh cửu và cuộn dây di chuyển đạt được từ
0,2 + 0,5% `
Trang 29›
§7-4 CHUYỂN ĐỔI TĨNH ĐIỆN
Chuyển đổi tĩnh điện được phân thành hai loại : chuyển đổi áp điện và chuyển đổi
điện dung ‘
7-4-1 Chuyển đổi áp điện (còn gọi là chuyển đổi piezô)
1 Nguyên lí làm việc Chuyển đổi áp điện dựa trên hiệu ứng áp điện Có một số vật
liệu khi chịu tác động một lực cơ học biến thiên, trên bể mặt của nó xuất hiện các điện tích, khi lực tác dụng ngừng các điện tích cũng biến mất, hiện tượng trên gọi là hiệu ứng áp điện thuận Ngược lại nếu đặt các vật liệu trên trong điện trường biến thiên, điện trường tác động lên chúng làm biến dạng cơ học Hiện tượng đó gọi là hiệu ứng áp điện
ngược ,
Các chuyển đổi làm việc dựa trên hiện tượng áp điện gọi là chuyển đổi áp điện
° Vật liệu dùng chế tạo các chuyển đổi áp điện là tỉnh thể thạch anh (SiO,), titanatbari
(BaTiOa), muối xênhét, tuamalin v:v Hình 7—l7a là cấu trúc của một tỉnh thể thạch anh ; nó có ba trục chính : trục quang z, trục điện X và trục cơ Y
Nếu cắt tỉnh thể áp điện thành hình khối có ba cạnh ứng với ba trục điện, cơ, quang thì ta được chuyển đổi áp điện (h.7-17b) Lực F„ gây ra hiệu ứng điện đọc với điện tích q = đ,F, Điện tích sinh ra không phụ thuộc vào kích thước hình học của nó mà chỉ phụ thuộc.vào độ lớn của lực Dấu của điện tích thay đổi với sự thay đổi dấu của lực F,
Điện tích này phụ thuộc vào kích thước hình học của chuyển đổi
dị -hằng số áp điện (còn gọi là môđun áp điện);
y, x ~ kích thước của chuyển đổi theo trục X và Y
180
Trang 30Dấu của điện tích q với hiệu ứng áp điện dọc và ngang ngược nhau nghĩa là lực F„ nén làm xuất hiện các điện tích cùng dấu với lực Fy kéo và ngược lại
Khi tác động lực theo hướng trục quang z không xảy ra hiện tượng áp điện
Trường hợp các cạnh của chuyển đổi không song song với các trục chính hoặc lực
tác động không song song với các trục, điện tích sinh ra sẽ bé hơn Hình 7—18 là các dạng
biến dạng của các chuyển đổi áp điện
Hinh 7-18 Một số hình dáng biến dạng của phần tử áp điện
Thạch anh là vật liệu tự nhiên hoặc tổng hợp, có các tính chất sau:
— Hằng số áp điện: dị = 2,1.10”!2C/N ~ Hàng số điện môi: e = 39,8.10!?F/m
~ Ứng suất cho phép ơ = 70 + 100N/mm?
— Điện trở suất'p = 10!°Q/m nhưng phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ và có giá: trị khác nhau ở các chiều trục khác nhau
Ở nhiệt độ 200°C, dị không phụ thuộc vào nhiệt độ, từ 200 + 500°C d; thay đổi
không đáng kể, với 573°C tinh chất áp điện bị phá hủy
TitanatBari (BaTiO‡) là loại vật liệu tổng hợp, có các tính chất sau :
Môdun áp điện dị không phải là hằng số, trong nhiều trường hợp giảm 20% trong hai
năm Do có hiện tượng trễ nên đặc tính q = f(F) không tuyến tính, song loại vật liệu này
có độ bên cơ học cao, rẻ tiền chế tạo được hình dáng bất kì nên được dùng rộng rãi
Gần đây người ta đã tìm ra các loại Titanat chì (PbTiO¿) và Ziriconat chì (PbZnO3) có môđun áp
điện lớn hơn BaTiO; gấp 4 lần
181
Trang 313 Mạch đo và đặc tính tần của chuyển đổi áp điện
Giới hạn dưới của tân số quyết định bởi các tham số điện của chuyển đổi và của
mạch đo, công suất ra của chuyển đổi rất bé vì.vậy tổng trở vào của mạch đo, phải rất lớn, cỡ 10% + 10!4Q Dạy nối từ chuyển đổi vào mạch đo cần được bọc kim để chống điện tích rò Hình 7—18a là sơ đồ cấu tạo của một chuyển đổi áp điện dùng để đo lực fy
Hai phần tử áp điện được đặt sao cho điện tích phân cực ngược nhau khi bị va đập
Điện tích được lấy ra trên thanh dẫn 2 ở giữa hai phần tử 1, dây dẫn là dây cáp bọc kim 3
Hình 7~19 a) Chuyển đổi áp điện đo lực
Khi có tác động lực dạng hình sin E = Ez„sinot Điện áp ra:
=] R.1/J@c _ R a R+1/joc = jody F——_— 1+ jocR
va do nhay phitc cia chuyén déi:
SGjo) = địR „ẩL jot 1+ joCR C 1+ jot
t=RC= Rọ Ra +Œạ)
+ là hằng số thời gian của mạch và chuyển đổi, Ros RoC C, va C, — dién tro va dién dung thực của chuyển đổi và mạch khuếch đại
Từ biểu thức trên cho ta thấy
rằng chuyển đổi áp điện là một khâu vi phân Sai số tần số của nó
sẽ không đáng kể khi tần số của
tín hiệu tương đối cao tức là:
ot >>l (đường cong I hình
T~19c) Hình 7-19 b) Mạch đo của chuyển đổi áp điện
Để giảm sai số tần số ở dải tần thấp cần tăng hằng số thời gian của mạch đo vì tổng trở vào của mạch khuếch đại rất lớn Nhưng tăng hằng số thời gian bằng cách tăng điện
Trong thực tế lực tác động lên chuyển đổi không phải chỉ là lực F„ mà là lực F (trong
_ đó kể cả lực làm biến dạng cơ học và lực điện)
182
Trang 32Với lực F tác động, phương trình được biểu diễn dưới dạng:
Độ nhạy của chuyển đổi tính với biến dạng cơ học:
đường cong 1 là đặc tính điện, 2 là đặc
tính cơ và 3 là đặc tính cơ điện
Từ biểu thức trên ta thấy rằng đặc tính biên - tần thực của chuyển đổi áp
điện do tính chất quán tính cơ nên khác
nhiêu so với đặc tính của khâu vi phân Độ nhạy của chuyển đổi sẽ không phụ thuộc vào tân số của quá trình đo
Trang 33Khi sử dụng chuyển đổi áp điện cần tính đến hiệu ứng dây cáp vì trong điều kiện bị
rung bản thân dây cáp cũng sinh ra điện tích do đó làm sai lệch kết quả đo
Ee 3 2 § =
we
` —> > z 3 a
' ra có thể lớn hơn điện
tích' của bản thân phần từ áp điện vì vậy phải sử dụng loại cáp đặc biệt chống rung
(ví dụ loại ABK)
4 Lĩnh vực ứng ` dựng
Chuyển đổi áp - điện được dùng để đo
lực: biến thiên (đến
10.000N), đo áp suất (100N/mm?) va gia
tốc (tới 1000g) trong
dai tan từ 0,5 đến 100kHz
Ưu điểm của chuyển đổi loại này là
cấu trúc đơn giản,
kích thước nhỏ, độ tin
cậy cao, có khả năng
đo các đại lượng biến
thiên nhanh
Nhược điểm của
nó là không đo được
lực tĩnh, khó khác độ
Phần tử áp điện và mạch đo cần phải chống ẩm tốt Phần tử có trễ và đặc tính phi
tuyến (do môđun áp điện dị phụ thuộc vào lực và áp suất)
Hình 7-20 Một số hình dáng của các chuyển đổi điện dung thường gặp.
Trang 34Ngoài việc sử dụng các hiệu ứng áp điện thuận của chuyển đổi áp điện người tạ còn dùng hiệu ứng áp điện ngược để chế tạo các chuyển đổi ngược do di chuyển và các thiết
bị để kích thích đao động siêu âm ở tần số dao động cơ (ví du dao động kí cơ học)
Nếu đặt phần tử áp điện trong điện trường có cường độ F„ dọc trục X, nó sẽ bị biến
7-4-2 Chuyển đổi điện dung
1 Tính chất chung và các dạng cơ bản của chuyển đổi điện dung
Nguyên lí lầm việc của các chuyển đổi điện dung dựa trên sự tác động tương hỗ giữa hai điện cực, tạo thành một tụ điện Điện dung của nó được thay đổi dưới tác động của đại lượng vào Hình 7-20 là cấu tạo của một số loại điện dung cơ bản
Chuyển đổi điện dung có thể chia thành hai nhóm lớn, chuyển đổi máy phát và
chuyển đổi thông số l
Đại lượng ra của các chuyển đổi điện dung máy phát thường là điện áp ra của máy
phát Đại lượng vào là sự di chuyển thẳng, di chuyển góc của bản điện cực động của chuyển đổi Loại này thường dùng đo các đại lượng cơ học Đại lượng vào của các chuyển
đổi điện dung thông số là sự di chuyển; đại lượng ra là sự thay đổi điện dung C của chuyển đổi
Phương trình của chuyển đổi điện dưng phát điện (h.7-21a) có thể nhận được từ biểu thức
Trang 35Nếu điện áp U đặt trên hai cực của tụ điện, điện áp này liên quan với các thông số
như sau: /
(7-19) U= a 20g
1 q?
2 €s
Từ biểu thức trên ta thấy chuyển đổi điện dung có tính chất phi tuyến vì vậy phương
trình biến đổi của chuyển đổi có thể viết đưới dạng:
dU = C“dq+ a8 = 2 dq +48 =—dq + Eqs 9q 1g &s I es Co eo ` ap = hays “3 -4 =-4dq+S(p)dồ = Eodq + S(p)dồ
(7-21)
C, — điện dung bah đầu tương ứng với khoảng cách ồ,„ giữa hai bản cực
Yo đo ae cường độ điện trường ban đầu của tụ điện
Từ biểu thức (7-22) ta thấy hệ số kụ của chuyển đổi điện dung phát điện là một hàm
tuyến tính với điện áp U (điện tích trên 2 bản cực):
"“ ` f 5 ©5965 °
Phương trình của chuyển đổi điện dung thông số được biểu diễn như sau:
cũng thay đổi theo, với một sự thay di rat nhỏ của điện dung ta có
186
Trang 36dc= Cae + Las + Cas oe Os đ Đưa về dạng sai phân ta được:
Trang 37Từ các biểu thức trên ta thấy sự biến thiên tương đối của chuyển đổi điện dung là hàm tuyến tính khi tiết điện bản cực và hằng số điện mơi thay đổi, nhưng phi tuyến khi
khoảng cách giữa hai bản cực thay đổi
Nhưng sự biến thiên tương đối điện kháng của chuyển đổi điện dung là hàm tuyến
tính khi khoảng cách giữa hai bản cực thay đổi (Aồ) và phi tuyến với diện tích bản cực và
hằng số điện mơi thay đổi
Trị số biến thiên tương đối As/so và Ae/eo thường đạt được từ 0,15 + 0,2 đối với
chuyển đổi dơn và 0,4 với chuyển đổi mắc kiểu vi sai
Khi khoảng cách Aõ thay đổi, sự biến thiên điện kháng Ax¿ của chuyển đổi sẽ tăng khi õo giảm đi và điện áp ra của mạch đo tăng lên Tuy nhiên giảm khoảng cách ơ giữa
hai bản cực chỉ thực hiện đến một giá trị nào đĩ để tránh điện áp đánh thủng cách diện Ví dụ: với khơng khí, cường độ điện trường khơng được lớn hơn 10kV/cm
Mặt khác giữa hai bản cực khi cĩ điện áp đặt vào sẽ sinh lực hút F, = er
Lực này cần phải nhỏ hơn đại lượng đo Đối với chuyển đổi mắc kiểu vi sai, lực hút giữa hai bản tụ cĩ mơdun bằng nhau nhưng ngược chiều nhau nên bù lẫn nhau
Trong thực tế do cĩ điện dung kí sinh Cự, hình thành ở đây nối va bản thân cấu trúc của chuyển đổi làm độ nhạy của nĩ giảm đi
AC ig | ACG ICs Cá 1+ (Cy /Co)
‘Cig — điện dung tác dụng
Độ nhạy cĩ kể đến điện dung kí sinh :
AE/Eo 1+ (Ae /ey)? 1 + Cs /Co
Độ nhạy sẽ giảm nhiéu khi C,,/C, cang lén
2 Mach do:
Thơng thường mạch đo dùng với chuyển đổi điện dung là các mạch cầu khơng cân
bằng cung cấp bằng địng xoay chiều Mạch đo cần phải thực hiện các yêu cầu: sau: tổng `
trở đầu vào tức là điện trở của đường chéo cầu phải thật lớn, các dây dẫn được bọc kim để tránh ảnh hưởng của điện trường ngồi và khơng được mắc điện trở song song với chuyển
đổi làm giảm tổng trở của nĩ và chống ẩm tốt Tần số nguồn cung cấp cần phải cao, để
Hinh 7-21b, c 1a một số sơ đồ mạch do dùng với chuyển đổi điện dung
188
Trang 38Hình 7~21 b, c) Các mạch điện đo thường dùng với các chuyển đổi điện dung
Hình 7-2lb, là sơ đồ mạch đo của chuyển đổi điện dung vi sai mắc theo mạch cầu với hai điện trở Rị và Rạ
Các điện dung kí sinh C¿v¡, C¿„¿ và C¿¿ạ song song với hai điện trở và chỉ thị nên trị
số bé không đáng kể †
Do điện dung của tụ điện.nhỏ (chục micrôphara) để đảm bảo công suất ra lớn người ta dùng một khuếch đại có độ nhạy cao:
Cung cấp cho mạch cầu là một máy phát tần số lớn (MF) Hình 7-2Ic là sơ đồ mạch
cầu biến áp với hai nhánh điện cảm, trong sơ đồ này điện dung ki sinh Cy, va Cy.2 rất nhỏ do nối song song với hai cuộn so cấp biến áp
Để do đại lượng biến thiên cùng với mạch cầu
người ta còn dùng mạch đo dòng một chiều
Hình 7-22 là sơ đồ một mạch đo đòng một chiều
Nếu bỏ qua điện dung kí sinh của phụ tải Cc
song song với điện trở tải R, ta có: : : Yo =R
U, =iR, + 2 idt hay U,C = iR,C + fiat
Vỉ phân phương trình trên theo thời gian ta được: Hình 7-22
C, — 1a dién dung ban đầu coi là hằng số
Néu goi iR, = U, va Ro =dU, từ phương trình (7-27) ta có :
Uy 4C=c, đỨr ¿ụ, đ€ + =r dt dt dt R, (7-28)
Véi su di chuyén nho Ad <<6, mot cdch gan ding có thể viết:
189
Trang 39
và độ nhạy toán tử: S(p) = Ur = Uy (7-29) & 6, l+1p
Bo nhay phic: $= Ur Uo jot _e _jot ồ ỗc l+ j@t 1+ jot (7-30)
tì sạ JU
w
Mạch đo trên có tính chất là một khâu vi phân, để tăng độ tuyến tính của chuyển đổi
và tăng độ nhạy của mạch ta có thể dùng mạch trên (h.7-22) ở hai chế độ làm việc '
— Đo biên độ rung Trong trường hợp này hằng số thời gian + = R,C, phải lớn, bằng
cách tăng R, (tăng điện trở vào của khuếch đại)
— Đo tốc độ (đạo hàm của di chuyển) thì ngược lại, hằng số thời gian r phải rất nhỏ Thiết bị dùng chuyển đổi điện dung với đồng một chiều chỉ có thể khắc độ trong chế
độ động
3 Pham vi ting dung ,
~ Loại có khe hở không khí thay đổi được dùng đo những di chuÿển nhỏ (từ vài micrômét
đến vài milimét)
Nếu dùng chuyển đổi điện dung trong mạch cung cấp bằng điện áp một chiều có thể
đo được tốc độ, độ dịch chuyển biến thiên và các đại lượng khác có thể biến đổi thành di
~ Loại có điện tích bản cực thay đổi dùng đo các di chuyển lớn (hơn Iem) và di
~ Chuyển đổi có điện môi e thay đổi dùng để đo độ ẩm (vải, chất dẻo), đo mức nước, chiều dày của các vật cách điện, đo luc
— Chuyển đổi có tổn hao điện môi thay đổi (mạch đo dùng đo góc tổn hao tgỗ của tụ
trong mạch xoay chiều) dùng để xác định các tham số vật lí của vật liệu nào đó đặt giữa bai bản cực v.v
190
Trang 40§7-5 CHUYỂN ĐỔI NHIỆT ĐIỆN
Chuyển đổi nhiệt điện là những chuyển đổi điện trên các quá trình nhiệt như đốt
nóng, làm lạnh, trao đổi nhiệt v.v
Thực tế khi đo các đại lượng theo phương pháp điện người ta thường sử dụng hai biện tượng, đó là hiệu ứng nhiệt điện và hiệu ứng thay đổi điện trở của dây dẫn hay chất bán dẫn khi nhiệt độ thay đổi Tương ứng với hai hiện tượng trên người ta phân thành hai
loại đó là chuyển đổi cặp nhiệt điện và chuyển đổi nhiệt điện trở 7—5—1 Chuyển đổi cặp nhiệt điện
1 Nguyên lí làm việc của cặp nhiệt điện dựa trên hiệu ứng nhiệt điện Nếu có hai dây dẫn khác nhau (K;¡, Kạ) (h.7-23a) nối với nhau tại hai điểm tị và t; và một trong hai
điểm đó (ví dụ điểm t¡) được đốt nóng thì trong mạch sẽ xuất hiện một dòng điện gây bởi
sức điện động nhiệt điện l
Hình 7-23
Sự tạo ra sức điện động nhiệt điện là do tác động của hai hiệu ứng đó là hiệu ứng Thomson và hiệu ứng Seebek ;
Hiệu ứng Thomson nói rằng, trong một vật dẫn đồng nhất, giữa hai điểm M và N có
nhiệt độ khác nhau sẽ sinh ra một sức điện động Sức điện động này chỉ phụ: thuộc vào bản chất của vật dẫn và nhiệt độ ở hai điểm M và N (h.7-23b):
3 Ụ Eạ= |ødt
tị
ø - hệ số Thomson với vật liệu cho trước
Nếu mạch là hai vật dẫn khác nhau Ky, Ky (h.7-23c) thì sức điện động được tính theo biểu thức: