Cảm biến điện trở - Chương 2 doc

Đối với những cảm biến điện có đại lượng ra là tổng trở, ta đo được đại lượng ra này bằng mạch đo tổng trở, dòng hoặc áp sẽ xuất hiện ở đầu ra của mạch đo.. Điều đó có nghĩa là để làm ho

Chương 2 cảm biến điện trở

2.1 Cảm biến điện và cảm biến điện trở

Nội dung chúng ta bàn đến trong các chương tiếp theo là đo các đại lượng không điện bằng điện, vì vậy chúng ta chỉ nghiên cứu sâu loại cảm biến chuyển đổi các đại lượng không điện thành điện Nói một cách khác, theo cách thức phân nhóm căn cứ vào các đại lượng ra như mục 1.2 đã nêu, loại cảm biến chúng ta quan tâm thuộc nhóm cảm biến điện

Đại lượng vào của cảm biến điện là đối tượng cần đo - một đại lượng vật lý nào đó, đại lượng ra của nó là dòng, áp, hoặc tổng trở Như vậy, cuối cùng đại lượng ra của cảm biến điện luôn luôn là công suất điện

Đối với những cảm biến điện có đại lượng ra là tổng trở, ta đo được đại lượng ra này bằng mạch đo tổng trở, dòng hoặc áp sẽ xuất hiện ở đầu ra của mạch đo Điều đó có nghĩa là để làm hoạt động các cảm biến điện có đại lượng ra là tổng trở cần thiết phải có năng lượng điện phụ (năng lượng phụ).Về nguyên tắc, đối với các cảm biến điện có đại lượng ra trực tiếp là dòng hoặc áp, việc sử dụng năng lượng phụ là không cần thiết Tuy nhiên trong thực tế cũng có những trường hợp cụ thể xảy ra đối với một vài cảm biến loại này, ở đó ta cũng phải dùng năng lượng phụ Căn cứ vào ý nghĩa trên, ta

có thể chia cảm biến điện thành hai nhóm:

Nhóm 1: Gồm những cảm biến điện thụ động (hững cảm biến khi hoạt

động cần có năng lượng phụ) chúng có những dạng chính sau: cảm biến điện trở, cảm biến điện cảm, cảm biến điện dung

Nhóm 2 Bao gồm những cảm biến điện chủ động (những cảm biến khi

hoạt động không cần năng lượng phụ) Chúng ta sẽ nghiên cứu kỹ những những dạng sau: cảm biến từ cảm, cảm biến từ trở, cảm biến nhiệt điện, cảm biến áp điện, cảm biến quang điện

Cảm biến điện trở là những cảm biến điện, chúng chuyển đổi các đại

lượng cần đo bằng sự thay đổi điện trở Cảm biến điện trở có mặt hầu khắp các lĩnh vực khoa học kỹ thuật nhất là trong lĩnh vực kỹ thuật điện, ta có thể bắt gặp chúng hàng ngày Chúng được chia thành tám dạng chính sau:

1 Điện trở tiếp xúc

2 Điện trở tiếp xúc trượt

3 Điện trở tiếp xúc thuỷ ngân

4 Điện trở phụ thuộc áp suất

5 Điện trở biến dạng

6 Điện trở phụ thuộc nhiệt độ

7 Điện trở chất điện phân

8 Quang trở

Các dạng cảm biến điện trở từ 5 đến 8 sẽ được giới thiệu kỹ ở những

chương riêng biệt của chúng về cảm biến tem biến dạng; cảm biến nhiệt điện;

cảm biến hoá điện và cảm biến quang điện Trong chương này, chúng ta sẽ

bàn kỹ về bốn dạng đầu tiên (từ 1 đến 4) của cảm biến điện trở

2.2 Cảm biến điện trở tiếp xúc

Cảm biến điện trở tiếp xúc - gọi tắt là cảm biến tiếp xúc được cấu tạo

sao cho khi các tiếp điểm dịch chuyển (theo độ dài hoặc góc) chúng sẽ đóng

hoặc mở mạch điện Các loại rơ-le (điện từ, nhiệt, thời gian ), chuyển mạch

đều hoạt động trên cơ sở này

Ghi chú: F- Lực gây tiếp xúc;

a) Tiếp xúc điểm, b) Tiếp xúc đường, c) Tiếp xúc mặt

Hình 2.1 Các kiểu cảm biến tiếp xúc

F b)

Comment [S2]:

Cảm biến tiếp xúc, căn cứ vào diện tiếp xúc, có thể chia làm ba nhóm: tiếp xúc điểm, tiếp xúc đường và tiếp xúc mặt (xem hình 2.1) Tiếp xúc điểm, theo lý thuyết, chỉ có một điểm tiếp xúc Tiếp xúc đường là tiếp xúc dọc suốt theo mọi điểm trên đường tiếp xúc Theo lý thuyết, tiếp xúc mặt là toàn bộ mặt tiếp xúc phải tiếp xúc với nhau, tuy nhiên trong thực tế chỉ có một phần của mặt tiếp xúc đáp ứng yêu cầu này

Những số liệu đặc trưng của cảm biến tiếp xúc là:

- Cường độ dòng tiếp xúc cực đại

- Lực cần thiết đảm bảo tiếp xúc là cực tiểu

1 Đồng đỏ: Rẻ nhưng dễ bị ô-xy hoá

2 Bạc: Không đắt lắm lại bảo đảm được các yêu cầu trên nên được sử dụng rộng rãi

3 Vàng, Platin, Platin-iridum: Nhờ có độ bền lý hoá cao (không bị ăn mòn, không bị ô-xy hóa) và dẫn nhiệt, dẫn điện tốt nên lực tiếp xúc và do đó

áp tiếp xúc nhỏ rất thích hợp cho việc chế tạo tiếp điểm Nhược điểm lớn nhất của loại vật liệu này là giá thành cao

4 Wolfram: Cứng, điểm nóng chảy cao nên thường được sử dụng rộng rãi đặc biệt ở những vị trí tiếp xúc có dòng lớn

Do yêu cầu đặc biệt của địa chỉ ứng dụng, cảm biến tiếp xúc cũng có những dạng cấu tạo đặc biệt tương ứng Hình 2.2 giới thiệu một loại cảm biến

tiếp xúc bằng thuỷ ngân Khi hệ thống xoay một góc ±(đẫ ấn định, sự tiếp xúc chấm dứt, mạch dẫn (qua hai cọc dẫn A và B) bị đứt đoạn

Hình 2.2 Cảm biến tiếp xúc thuỷ ngân

Tiếp xúc trong chân không sẽ tránh được sự mài mòn mặt lớp tiếp xúc

do tia lửa điện gây nên (xem hình 2.3)

Ghi chú: F: lực gây tiếp xúc, Po: áp suất môi trường,

pv: áp suất chân không

Hình 2.3 Cảm biến tiếp xúc chân không

Hình 2.4 a) giới thiệu nguyên lý cấu tạo của một cảm biến dãy tiếp xúc

Khi trụ tiếp xúc được đẩy lên cao (x), dãy tiếp điểm (đầu tiếp xúc) lần lượt

đóng lại, nối ngắn mạch các điện trở tương ứng Điện trở ra giữa A và B (RAB)

trượt (của đầu tiếp xúc) nhỏ những khi làm việc, lớp tiếp xúc được lau sạch (tự lau)

Ghi chú: x là mức dịch chuyển, RAB là điện trở ra

Hình 2 4 Cảm biến tiếp xúc dãy Nhược điểm:

1 Chế độ làm việc đứt đoạn, do đó chỉ thích hợp cho việc chỉ thị, không dùng được vào việc do quá trình liên tục

2 Sự phóng tia lửa điện (trừ trường hợp tiếp xúc trong chân không) sẽ làm tổn hại lớp tiếp xúc và gây nhiễu

3 Nhạy với quá tải, vì khi dòng qúa tải chạy qua điện trở quá độ sẽ sinh nhiệt làm nóng chảy bề mặt tiếp xúc

Trong các lĩnh vực kỹ thuật đo lường và điều khiển người ta thường sử dụng kiểu cảm biến tiếp xúc điểm (diện tiếp xúc bé), vì ứng với lực đè nhỏ (lực gây tiếp xúc F) ta đã có được áp suất tiếp xúc lớn

2.3 Cảm biến điện trở tiếp xúc trượt

2.3.1 Nguyên lý cấu tạo

Tên gọi quen thuộc của cảm biến điện trở tiếp xúc trượt là chiết áp

Nguyên lý làm việc của nó được thể hiện trên sơ đồ khối hình 2.5 Đại lượng vào là độ dịch chuyển theo chiều dài hoặc góc, đại lượng ra là điện trở

Hình 2.5 Sơ đồ khối của cảm biến điện trở tiếp xúc trượt

Căn cứ vào nguyên lý cấu tạo của chiết áp ta có thể chia chúng ra ba dạng cơ bản Dạng dịch chuyển trên đoạn dây điện trở được sử dụng khi điện trở ra bé, thường không vượt quá 10 Ohm Lực gây nên độ dịch chuyển cần đo

x sẽ làm trượt đầu tiếp xúc (được nối ra cọc C), cùng với các cọc nối ra từ hai

đầu đoạn dây điện trở A - B ta có thể đo được giữa A - C hoặc B - C những

điện trở ra của chiết áp (xem hình 2.6a) Đối với điện trở lớn (trong khoảng từ vài Ohm đến 105

Ohm) ta thường sử dụng dạng chiết áp hình trụ (dây điện trở

được quấn quanh trụ cách điện) Nguyên tắc hoạt động giống như dạng trên (hình 2.6 b) Để có được dạng dịch chuyển góc, người ta uốn cong khép kín dạng chiết áp hình trụ, nói một cách khác, người ta tạo ra dạng chiết áp hình xuyến (hình 2.6 c) Khi đại lượng vào dịch chuyển một góc nào đó, ở các cọc

ra sẽ đo được các điện trở tương ứng Sau đây, ta có thể gọi ngắn gọn dịch

cảm biến

điện trở tiếp xúc trượt

Dịch chuyển góc ϕ

R là điện trở cực đaị của chiết áp giữa các cọc ra;

L là đoạn trượt cực đại (ứng với R cực đại);

x là đoạn đoạn trượt tính từ điểm đầu (điện trở bằng không);

φ là góc trượt cực đại (ứng với R cực đại);

ϕ là góc trượt tính từ điểm đầu (điện trở bằng không)

Hình 2.6 Nguyên lý cấu tạo của các dạng cảm biến điện trở tiếp xúc trượt

Từ các đặc tuyến tĩnh trên ta có thể suy ra các độ nhạy Sx và Sϕtương ứng với các dạng chiết áp trượt thẳng và trượt góc, ta có:

cụ thể đều đã được cho trước, vì vậy trong những trường hợp cụ thể đó ta coi như độ nhạy cũng đã được cho trước

Để xác định đặc tuyến động của chiết áp trước hết ta cần nắm rõ bản chất động học của loại phần tử này Để thực hiện được chuyển động trượt (thẳng hoặc góc), ngoại lực cần phải thắng quán tính ì của đầu tiếp xúc và lực

ma sát giữa đầu tiếp xúc với dây điện trở Đầu tiếp xúc sẽ còn bất động chừng nào ngoại lực vẫn còn bé hơn lực ma sát Như vậy, phương trình vi phân đặc trưng cho tính động học của chiết áp dạng trượt thẳng sẽ là:

Sau đây, ta lần lượt xem xét những số liệu đặc trưng của chiết áp (hãy

luôn nhớ cái tên dài dòng của chúng là cảm biến điện trở tiếp xúc trượt)

2.3.2 Những số liệu đặc trưng của cảm biến điện trở tiếp xúc trượt

1 Khả năng phân giải (độ phân giải)

Loại trừ dạng cấu tạo chỉ có một đoạn dây điện trở (xem hình 2.6 a), ở mọi dạng khác, điện trở của chiết áp không thay đổi liên tục mà thay đổi theo từng bước khi đầu trượt chuyển dịch Hiện tượng này do những khoảng cách giữa các vòng quấn của dây điện trở gây nên

Khả năng phân giải của chiết áp được tính bằng công thức:

100

N Trong đó, f là độ phân giải

N là số vòng quấn của dây điện trở ứng với góc trượt 360o

của chiết áp Khả năng phân giải tốt khi giá trị của f = 0, 5 đến 0,05%

Đối với chiết áp trượt thẳng, khả năng phân giải được tính bằng công thức:

L

N Trong đó, L là độ dài tác dụng của chiết áp; N là số vòng quấn của chiết áp Khả năng phân giải được cải thiện tốt hơn nếu ta sử dụng dây điện trở mỏng để quấn chiết áp

2 Mô - men làm việc (mô men hoạt động)

Với các chiết áp thông thường, mô men làm việc nằm trong khoảng từ

50 ữ100.10-4

N.m; ở các chiết áp đặc biệt giá trị này nằm trong khoảng từ 1 ữ 10.10-4

N.m, do đó, chiết áp đặc biệt có giá thành cao

Mô men hoạt động của chiết áp (mô men làm việc) thường chỉ bằng một nửa mô men khởi động nó

3 Độ tuyến tính

Sai số tuyến tính được biểu hiện rõ trên hình 2.7, có hai đường đặc trưng cho sự hoạt động của chiết áp, đó là đường lý thuyết O - R (R là giá trị danh định của chiết áp) và đường thực tế A-B (đường mấp mô nối từ A đến B) Căn cứ vào sự phân bố điểm của đường thực tế ta có thể kẻ được đường thẳng trung bình phù hợp nhất của đường mấp mô này (đường gạch rời) qua hai

điểm A và B ta sẽ có được đường thẳng đặc trưng cho đường thực tế qua các

điểm đầu cuối Điện trở của chiết áp tại điểm x = 0 phải bằng một giá trị rAnào đó tại điểm A Tại vị trí x = L, giá trị của chiết áp không phải bằng R

mà bằng một giá trị tương ứng rB tại điểm B

Hình 2.7 Sai số tuyến tính của các cảm biến điện trở tiếp xúc trượt

r

A

Dựa vào ba đường thẳng đã nêu (đường thẳng trung bình, đường thẳng

lý thuyết và đường thẳng qua các điểm đầu, cuối) ta có thể ấn định được ba loại sai số tuyến tính theo các định nghĩa sau:

a) Sai số tuyến tính độc lập

Độ chênh lệch cực đại Δrtđ giữa đường thực tế và đường thẳng trung bình so với điện trở R (giá trị chính xác, chuẩn) tính theo giá trị % được gọi là sai số tuyến tính độc lập và được ký hiệu là stđ

Δrtđ

R

b) Sai số tuyến tính lý thuyết:

Độ lệch cực đại Δrtl giữa đường thực tế và đường thẳng lý thuyết so với

điện trở R (giá trị chính xác, chuẩn) tính theo giá trị % được gọi là sai số tuyến tính lý thuyết và được ký hiệu là stl

Δrtl

R

c) Sai số tuyến tính điểm cuối

Độ lệch cực đại Δrtc giữa đường thực tế và đường thẳng qua các điểm cuối (so với điện trở R - giá trị chính xác, chuẩn) tính theo giá trị % được gọi

là sai số tuyến tính điểm cuối (còn được gọi là sai số tuyến tính cực đại stmax)

và được ký hiệu là stc ( hoặc stmax):

Δrc

R Khi ấn định các sai số tuyến tính ta cần phải ấn định các chỉ tiêu liên quan ở những chiết áp có độ chính xác cao thường có sai số tuyến tính độc lập (stđ) bằng 0,05% Sai số này chỉ bằng 0,5% ở các chiết áp thường

4 Khả năng chịu tải

Đối với chiết áp, khả năng chịu tải chính là khả năng cho dòng cực đại

chạy qua, còn gọi là dòng cực đại cho phép

5 Khoảng hoạt động tích cực

Khoảng hoạt động tích cực (chủ động) là khoảng dài hoặc góc mà đầu tiếp xúc có thể tự trượt hoặc xoay (trượt góc) được trong đó Chiều dài và vùng

góc được quấn dây điện trở bao giờ cũng lớn hơn khoảng hoạt động tích cực một giá trị nào đó

Chọn vật liệu để chế tạo chiết áp cũng là một khâu kỹ thuật quan trọng, vật liệu phải đảm bảo các yêu cầu:

- Điện trở suất (ρ) của vật liệu phải lớn và ổn định

Hình 2.8 Một số kết cấu điển hình đặc trưng của chiết áp

Căn cứ vào những đối tượng đo cụ thể với những yêu cầu kỹ thuật và độ dịch chuyển (dài, góc) khác nhau mà ta chọn hoặc chế tạo các chiết áp có hình dáng tương ứng khác nhau Tuy nhiên, ở chúng có những đặc trưng cấu tạo cũng như những giải pháp kỹ thuật giống nhau nhằm nâng cao độ chính xác

và độ tin cậy của chúng Hình 2.8 a), b), c), giới thiệu hình dạng và giải pháp

kỹ thuật của ba trường hợp thường gặp của chiết áp Trong hình a), chiết áp có

đầu tiếp xúc cấu tạo theo kiểu lò xo tấm uốn cong nhằm bảo đảm tiếp xúc tốt

ở hình b), để chống lại sự rung đập do dao động riêng của cần tiếp xúc gây nên (và đồng thời đảm bảo tiếp xúc chắc chắn) người ta đã bố trí các cần tiếp xúc song song có độ ngắn dài khác nhau theo các rãnh xẻ nông sâu tương ứng (lò xo tấm xẻ rãnh tạo nên dãy cần tiếp xúc) Nhờ vậy, các cần tiếp xúc sẽ có những dao động riêng khác nhau Khả năng trong cùng một lúc mọi đầu tiếp xúc đều bị hở đã được loại trừ Trên hình c) giới thiệu kết cấu của loại chiết áp thường gặp trong kỹ thuật vi chỉnh với tên gọi là chiết áp vi chỉnh hay chiết áp vô cấp Chiết áp này được cấu tạo để mở rộng góc xoay của đầu tiếp xúc, góc

được mở rộng là bội số của góc đầy và có trị số thường dùng là 10 x 360o

Đầu tiếp xúc không những xoay tròn mà còn dịch chuyển theo hướng trục xuyên tâm của chiết áp (theo đường xoắn ốc) làm cho chiết áp có khả năng tạo ra nhiều giá trị bé nhỏ (khả năng vi chỉnh lớn) Sai số tuyến tính ấn định của chiết áp vô cấp là stt < 0,1%

Khi thanh trượt chuyển động (trượt thẳng hoặc trượt góc), đặc biệt là chuyển động nhanh sẽ xuất hiện chấn động rung Đây là một vấn đề tương đối rắc rối trong quá trình chế tạo cảm biến điện trở loại này Để chống lại hiện tượng đó, cần phải khảo sát kỹ tốc độ gây trượt của đối tượng cần đo Cần phải xác định tốc độ trượt tương ứng với độ phẳng của đường trượt (độ phẳng giữa mặt vòng dây) để loại trừ khả năng trùng lặp với dao động riêng của hệ tiếp

xúc Từ đó, ta xác định độ dày hợp lý của cần tiếp xúc Cần tiếp xúc được chế tạo theo các độ dày mỏng khác nhau với dao động riêng khác nhau Cần

mỏng ứng với dao động tần số thấp và cần càng dày càng ứng với dao động tần số cao như thể hiện trên hình 2.10

Hình 2.10 Cảm biến điện trở tiếp xúc trượt với các cần trượt

có tần số rung tự nhiên khác nhau

điện trở

2.3.3 Những ưu nhược điểm của cảm biến điện trở tiếp xúc trượt

Ngoài việc sử dụng đo độ dịch chuyển thẳng và góc, chiết áp còn được

sử dụng để tạo ra các đặc tuyến đã được định trước (vẽ đồ thị theo ý muốn)

Về nguyên tắc, có thể thiết lập được bất kỳ dạng đặc tuyến nào ta muốn bằng

việc quấn dây điện trở quanh các suốt (khung) có dạng hình học tương ứng với

Bây giờ ta đi sâu vào khảo sát mối quan hệ giữa đặc tuyến tĩnh và dạng hình học của suốt dựa theo hình 2.11 Đây là một chiết áp tạo đường cong có chiều dài L, điện trở R với số vòng là N

Tương ứng với khoảng cách x tính từ điểm cuối A là điện trở r Theo quan điểm toán học, ta hoàn toàn có thể tính được trị số biến đổi trở dr ứng với biến đổi trượt dx Dựa vào biến đổi dx ta suy ra được biến đổi số vòng dN tương ứng theo biểu thức:

L

Ta gọi chiều cao trung bình của các vòng quấn nằm trong khoảng x

và (x + dx) là h, điện trở suất của dây là ρ, thiết diện của dây là a Khi ấy, biến đổi điện trở ứng với đoạn trượt sẽ là:

N 2.h .dx

L

a Với điều kiện suốt là một tấm mỏng lý tưởng Và vì dây quấn ở cả hai mặt của suốt nên xuất hiện hệ số 2 ở biểu thức trên

Trong thực tế, chiết áp tạo dạng đường cong này sẽ tương ứng với một chiết áp có khung (suốt) hình chữ nhật với những trị số L, N, R, kích thước dây và vật liệu dây vẫn như vậy Ta gọi chiều cao của chiết áp khung hình chữ nhật tương ứng đó là chiều cao hình dáng danh định ho Sau đây, ta sẽ dùng ho

vào việc biểu diễn các thông số đặc trưng của chiết áp tạo đặc tuyến tĩnh

1 Điện trở của chiết áp

2.ho.N

a Chia biểu thức (2.13) cho biểu thức (2.14) ta được:

R ho L

Hãy luôn ghi nhớ rằng, h là hàm số của x, h = h(x), vì chiều cao hình dáng ho luôn thay đổi dọc theo dịch chuyển dài x

Sau đây ta hãy xét một vài ví dụ tương đối điển hình để làm sáng tỏ nội dung trên:

Ví dụ 1 Khung chiết áp hình chữ nhật (hàm bậc nhất)

ho R dx L

Rõ ràng hàm hình dáng là một đường thẳng vì chiều cao hình dáng tương đối tỷ lệ với độ chuyển dịch cuả đầu tiếp xúc

Bảng 2.2 giới thiệu đặc tuyến, chiều cao hình dáng tương đối và hàm

hình dáng tương ứng với đặc tuyến của những chiết áp tạo dáng hàm đã nêu Trong thực tế, việc chế tạo chiết áp tạo đường cong (dáng hàm) vấp phải một vấn đề kỹ thuật tương đối nan giải, đó là nếu độ dốc của đường cong quá lớn, nghĩa là độ dốc của suốt quá lớn, sẽ làm các vòng dây trượt, chập vào

nhau Để khỏi trượt dốc, ta phải làm bậc thang, ta sử dụng phương pháp gần

đúng hình chữ nhật, đó là ghép nối nhiều đoạn thẳng để tạo thành đường cong

Trên hình 2.12 a) và b) giới thiệu chiết áp đường cong lý thuyết và giải pháp

gần đúng hình chữ nhật để chế tạo nó

Những đặc tính quan trọng của chiết áp tạo hàm

Điều kiện ràng buộc khi thực hiện giải pháp gần đúng là phải bảo đảm

sao cho các giá trị của chiết áp lý thuyết và gần đúng tại các điểm gần đúng

tương ứng phải trùng nhau Đương nhiên điều này cũng có nghĩa là điện trở

toàn bộ của chiết áp gần đúng trùng với điện trở toàn bộ của chiết áp tạo

dạng đường cong lý thuyết

a)

b)

Ghi chú: a) Dạng lý thuyết; thực tế không thể thực hiện được vì không

thể quấn dây theo suốt cong;

b) Dạng gần đúng: nhiều đoạn thẳng tạo thành đường cong

Hình 2.12 Nguyên lý cấu tạo chiết áp tạo dạng đường cong

Như trên đã nêu, chiều cao hình dáng tương đối là tham số quan trọng của chiết áp tạo dáng đường cong mà chúng ta đã làm quen và xác định nó ở trường hợp nguyên lý (lý thuyết) Trong trường hợp chiết áp tạo dáng đường cong gần đúng theo giải pháp hình chữ nhật, ta phải xác định các chiều cao hình dáng tương đối trên từng đoạn thẳng hợp thành Dựa vào hình 2.13, ta sẽ xác định được các giá trị đó

Ta ký hiệu xi là điểm đầu của một đoạn với giá trị điện trở là ri và xk là

điểm cuối của đoạn đó với giá trị điện trở là rk Đường cong gần đúng phải

được hình thành sao cho khi đầu tiếp xúc trựơt từ xi đến xk thì điện trở trong khoảng đó đúng bằng rk - ri

Vẫn với chiều dài và điện trở toàn bộ của chiết áp là L và R, chiều cao hình dáng danh định của chiết áp là ho (xem hình 2.11), theo biểu thức (2.18)

ta có:

rk - ri = (xk - xi) (2.20)