BÀI GIẢNG KỸ THUẬT SENSO - CHƯƠNG 4 potx

http://www.ebook.edu.vn 29 Chơng 4. chuyển đổi tĩnh điện Bài1. Chuyển đổi điện dung a. Nguyên lý làm việc Chuyển đổi điện dung là chuyển đổi mà dựa trên sự tác động tơng hỗ giữa hai điện cực tạo thành 1 tụ điện. Điện dung của nó đợc thay đổi dới tác động của đại lợng vào. Điện dung C tạo bởi 2 tấm kim loại đặt song song có diện tích S cách nhau 1 khoảng đợc tính: C = S : hằng số điện môi giữa hai cực S, diện tích các bản cực và khoảng cách giữa chúng Vì vậy khi ta thay đổi , S và thì điện dung của chuyển đổi sẽ thay đổi Một số hình dáng của chuyển đổi điện dung Hình 3.24 Một số chuyển đổi điện dung b. Tính năng của chuyển đổi điện dung Nh trên ta biết rằng điện dung C có quan hệ với , S và nh sau: = S C Khi một trong 3 đại lợng , S và thay đổi dẫn tới điện dung cũng thay đổi. Độ thay đổi của điện dung C nh sau(với một lợng rất nhỏ): http://www.ebook.edu.vn 30 dC= + + d C dS S C d C Đa phơng trình về dạng sai phân ta đợc: () + + = 2 0 00 0 0 0 0 S S S C Với , S 0 , 0 là giá trị ban đầu của điện môi, tiết diện và khoảng cách giữa các bản cực. Đặt: C 0 = 0 00 S là giá trị điện dung ban đầu 2 0 0 0 0 0 0 0 1 C S S CC C + + = Ta có: SC 1 x c = = Nếu ta giữ cho tần số tín hiệu không đổi = const thì + + = d x dS S x d x dx CCC C Vậy ()() 00 22 00 00 00 1 C S x S SSS = + + Từ đây ta tính đợc độ nhạy +Độ nhạy khi thay đổi (, S = const) const x S 1 x S 0 C 00 C 0 = = = = 00 0 C S x 0 = +Độ nhạy khi S thay đổi ( , = const) http://www.ebook.edu.vn 31 () 00 2 00 0 0 1 C C s x x S S S SS S S == = + + S s phụ thuộc vào 0 S +Độ nhạy khi thay đổi (S, = const) S = () 0 0 22 00 0 0 1 C C x x S = = + + S phụ thuộc vào 0 +Nhận xét: Quan hệ giữa sự biến thiên điện kháng và sự thay đổi khoảng cách các cực là tuyến tính, còn quan hệ giữa sự biến thiên điện kháng và sự thay đổi diện tích các cực cũng nh hằng số điện môi là phi tuyến. Thực tế cho thấy khoảng mà quan hệ x C =f(S) và x C = f() có thể coi là tuyến tính nếu nh: 0.2 S S hoặc 0 0 đối với chuyển đổi đơn và 0.4 đối với chuyển đổi kép. -Xét quan hệ x C = f() ta thấy tín hiệu ra tỷ lệ nghịch với 0 , vì vậy ngời ta thiết kế sao cho 0 là nhỏ nhất nếu nh có thể, tuy nhiên việc giảm 0 bị hạn chế bởi các điều kiện sau: +Chỉ giảm 0 tới mức sao cho điện trờng giữa các cực nhỏ hơn 1 giá trị cho phép U đánh thủng 10KV/ 1cm (phải có mica thêm vào môi trờng giữa các cực) +Khi giảm 0 sẽ tăng lực hút tĩnh điện giữa các cực F = 2 2 2 SU Vì thế ta chỉ giảm sao cho tới mức lực này phải nhỏ hơn lực tác dụng của đại lợng đo. Riêng chuyển đổi vi sai thì không cần quan tâm vì lực hút tĩnh điện sẽ triệt tiêu nhau. ảnh hởng của điện dung ký sinh, của đờng dây nối từ mạch chuyển đổi tới mạch khuyếch đại vì vậy sẽ làm cho độ nhạy của chuyển đổi giảm đi. Do đó ta phải http://www.ebook.edu.vn 32 dùng những biện pháp để giảm điện dung ký sinh. Ví dụ nh rút ngắn khoảng cách từ chuyển đổi tới khuyếch đại. c. Mạch đo và ứng dụng + Mạch đo nguồn xoay chiều Mạch đo của chuyển đổi điện dung thờng là mạch cầu xoay chiều không cân bằng, công suất ra của chuyển đổi nhỏ nên bắt buộc phải dùng khuyếch đại, bộ khuyếch đại phải có điện trở lớn nối ở đờng chéo của cầu, để tăng công suất ra nguồn cung cấp phải có tần số rất lớn cỡ hàng chục MHz. Đờng dây từ chuyển đổi tới mạch khuyếch đại phải đợc bọc kim để tránh ảnh hởng của điện trờng ngoài. Ví dụ: mạch đo dùng chuyển đổi điện dung mắc vi sai nh sau: Nguồn là mạch phát với điện áp có tần số rất cao, trong sơ đồ này cha kể tới điện dung ký sinh. +Mạch đo nguồn một chiều Để đo đợc các đại lợng biến thiên nhanh ngời ta thờng dùng mạch một chiều nh hình vẽ: Mạch này có biến thiên do đại lợng vào biến thiên. Khi mà C S khá nhỏ (đờng dây ngắn) ta có thể bỏ qua. Ta đi tìm quan hệ giữa và U r là điện áp ra. += idt C 1 iRU t0 hay CU 0 = CiR t + idt với U 0 là điện áp nguồn cung cấp, điện áp này bằng const Đạo hàm hai vế theo thời gian t iR,i d t dCi R d t dC U tt0 =+= r U :cóta mặt khác U 0 R t C U r Máy phát (tần số cao) KĐ C 0 + C C 0 - C R 1 R 2 Hình 3.25 Mạch đo nguồn xoay chiều Hình 3.26 Mạch đo nguồn một chiều http://www.ebook.edu.vn 33 Cho nên: 00r0 dC = U (*) dt rrr t dCU dU UdC dC UiU C dt dt dt dt R =+ + + Với C 0, 0 U là giá trị điện dung và điện áp ra ban đầu Thông thờng << 0 , mà ta có C = dt dS dt dCS 2 0 Ta có: () dt dS dt dC dt dS dt dS dt d d dC dt dCS C 2 0 2 0 2 0 + = = = Thay vào (*) ta có: () 0 00 0 2 2 0 0 rr rr r r tt US dU U dU UddC Sd UC C UU dt dt dt R dt R dt = + + += Vì 0 >> U 0 >> U r Vậy 00 2 0 rr t dU U S d CU dt R dt + Chuyển sang dạng toán tử Laplace 0 0 2 0 () () () r r t US Up CpU p p p R += Nhân hai vế với R t ta có: 0 02 2 0 () () () t tr USR CRpU p U p p p += Đặt =C 0 R t : hằng số thời gian của mạch K = 0 2 00 US C : Hệ số khuyếch đại của mạch chuyển đổi Phơng trình còn lại: pU r (p) + U r (p) = Kp(p) Hàm truyền của mạch hay còn gọi là độ nhạy động của chuyển đổi. http://www.ebook.edu.vn 34 S(p) = p1 pK )p( )p(U r + = , đây là khâu vi phân thực Gọi U rxl là điện áp xác lập U rxl = )p(pUlim)t(Ulim r 0p r t = với các giả thiết: = A = const Vậy: p A )p( = , U r (p) = (p)S(p) = )p( p1 pK + Xét 00 lim ( ) lim 0 1 r pp Kp A Upp pp == + Nếu giả thiết =At (p) = 2 p A U rxl = = + == AK p A p1 pK plim)p(pUlim)t(Ulim 2 0p r 0p r t +ứng dụng Chuyển đổi điện dung có biến thiên từ vài m đến vài mm, chuyển đổi điện dung dùng trong mạch một chiều để đo các đại lợng động và tốc độ, các đại lợng biến thành di chuyển (lực, p) Chuyển đổi điện dung có S thay đổi đo những di chuyển lớn (tới 1cm) và đo những di chuyển góc tới 270 0 Chuyển đổi điện dung có thay đổi dùng để đo độ ẩm của các vật rắn nh vải, chất dẻo, hạt. Ngoài ra chuyển đổi điện dung còn dùng để đo mức, kiểm tra bề dày của tấm cách điện và đôi khi dùng để đo lực U, AK At = Hình 3.27 Quan hệ giữa U r và sự biến thiên http://www.ebook.edu.vn 35 Bài 2. Chuyển đổi áp điện 1. Nguyên lý làm việc Nguyên lý làm việc của chuyển đổi này dựa trên hiệu ứng áp điện -Hiệu ứng áp điện thuận là sự xuất hiện điện tích trên bề mặt của một số chất điện môi khi chất điện môi này chịu tác dụng của ứng xuất cơ học. Khi không còn ứng xuất chất điện môi lại trở về trạng thái không mang điện. Chất điện môi nh vậy gọi là chất áp điện (ví dụ nh thạch anh) -Hiệu ứng áp điện ngợc là sự thay đổi kích thớc hình học của chất áp điện khi đặt nó trong điện trờng Chuyển đổi áp điện là chuyển đổi phát điện vì dới tác dụng của lực F x (theo hớng trục điện) thì q trên bề mặt của chất áp điện đợc tính: q = d 1 F x Trong đó d 1 đợc gọi là hằng số áp điện có đơn vị là C/N Dới tác dụng của lực ngoài , điện tích sẽ xuất hiện trên bề mặt của chất áp điện. Tuy nhiên điện tích này chỉ xuất hiện khi không có sự rò rỉ, nghĩa là trở kháng vào của mạch khuyếch đại phải bằng vô cùng, tuy nhiên điều này không thể thực hiện đợc. Vì vậy chuyển đổi áp điện không thể dùng đo các đại lợng tĩnh. Khi lực tác dụng biến đổi điện tích sẽ đợc bổ xung luôn luôn nên có thể tạo thành dòng điện trong mạch đo, vì vậy chuyển đổi áp điện dùng để đo các đại lợng động. 2. Mạch đo và đặc tính động của chuyển đổi áp điện Do điện trở của chuyển đổi áp điện rất lớn và công suất ra nhỏ nên bộ khuyếch đại nối với chuyển đổi phải có yêu cầu là tổng trở vào lớn, thờng là bằng 10 8 ữ 10 14 () F x + + + + + + + - - - - - - - - - - Hình 3.28 Hiệu ứng áp điện http://www.ebook.edu.vn 36 Sơ đồ thay thế tơng đơng của chuyển đổi nh hình vẽ: Hình 3.29 Sơ đồ thay thế tơng đơng của chuyển đổi áp điện Trong đó: C 1 điện dung của phần tử áp điện C K điện dung của cáp dẫn từ chuyển đổi tới khuyếch đại C f là điện dung hiệu chỉnh (cải thiện đặc tính trong miền tần thấp) C y điện dung của mạch khuyếch đại R 1 điện trở dò của phần tử áp điện R k điện trở dò của dây cáp R y điện trở vào của mạch khuyếch đaị Sơ đồ tơng đơng của phần tử áp điện nh sau Trong đó: R = yky1k1 yk1 RRRRRR RRR ++ Mà ta có: i = d t dq ; với q =d 1 f x Với f x là hàm tức thời của lực tác dụng F x Vì vậy ta có: i =d 1 d t dF x Mà i = i r + i C , với i r = d t dU C; R U rr = C i Thay vào ta có: dt dU C R U dt dF d rrx 1 += Để xét đặc tính động ta đa về dạng toán tử Laplatxo nh sau: ~ i R 1 C 1 C k R k C f R y C y ~ U r R C Hình 3.30 Sơ đồ thay thế http://www.ebook.edu.vn 37 += += Cp R 1 )p(U)p(pFd )p(CpU R )p(U )p(pFd rx1 r r x1 Độ nhạy động hay hàm truyền đạt S(p) = CRp1 Rpd Cp R 1 pd )p(F )p(U 11 x r + = + = Đặt =RC gọi là hằng số thời gian của chuyển đổi Đặt K =d 1 /C là hệ số khuyếch đại Ta có: S(p) = 1p )p(K + Xét đặc tính tần số: Thay p = j () () () () 2 1 K S j1 jK )(S + = + = : Biên độ hàm truyền = 2 - arctg K còn đợc gọi là độ nhạy lý tởng của chuyển đổi ở tần số cao vì khi tần số cao thì >> 1 và () KS = Khi = 0 thì S =0 nh vậy chuyển đổi không dung đo các đại lợng tĩnh Để mở rộng dải tần của đại lợng đo về phía tần số thấp ta cần tăng hằng số thời gian : = RC. Thông thờng ngời ta tăng giá trị của C f 3. Sai số và ứng dụng Những thành phần cơ bản của sai số trong chuyển đổi áp điện là sai số do sự thay đổi tham số của mạch đo, sự thay đổi nhiệt độ dẫn đến sự thay đổi hằng số áp điện d 1 , sai số do tần số và một vài sai số khác Chuyển đổi áp điện thờng dung đo các biến thiên nhanh, đo áp suất tới 100N/mm 2 . Đo gia tốc trong dải tần từ 0.5 100KHz http://www.ebook.edu.vn 38 Ưu điểm chủ yếu của chuyển đổi này là có kích thớc nhỏ, cấu tạo đơn giản, làm việc tin cậy có thể đo đợc các đại lợng biến thiên nhanh Bài 3. Chuyển đổi Electric 1. Nguyên lý hoạt động Electric là chất điện môi có tính cực hoá cố định (tính nạp điện). Tức là trên bề mặt tồn tại điện tích có dấu khác nhau và đợc giữ trong thời gian dài Có nhiều phơng pháp tạo nên Electric. Song nói chung là phải đặt chất điện môi trong một điện trờng mạnh. Electric thờng có dạng tấm phẳng cỡ vài mm, tròn hoặc hình xuyến, bề dài của Electric phẳng cơ vài mm, đờng kính của loại tròn tới vài cm. Để chế tạo Electric thờng dùng những điện môi thiên nhiên và nhân tạo nh nhựa đờng, ebônit, xáp ong Electric làm nguồn điện trờng không đổi và đợc đặc trng bằng mật độ điện tích bề mặt . Với các Electric khác nhau thì mật độ điện tích khác nhau nhng thờng nằm trong giới hạn (0.1 ữ 1)10 -5 C/m 2 Xét một tấm Electric phẳng đặt giữa hai tấm kim loại 2 và 3. Hai tấm này đợc nối với nhau nh hình vẽ Điện trờng E đợc tính E = () 10 CC Q + Với Q = S là điện tích trên bề mặt của Electric C 0 điện dung riêng của Electric C 1 điện dung riêng của khe hở không khí khoảng cách của khe hở không khí Xét khi Electric có chiều dày là l, diện tích bề mặt là S, hằng số điện môi của vật liệu là thì: C 0 = l S + + + + + + + + - - - - - - - - - - - l 2 3 - 1 + 1 E 1 E 2 + - + + + + + + + + - - - - - - - - - - - Hình 3.31 Chuyển đổi Electric [...]... điểm của chuyển đổi này là tính không ổn định của điện tích theo thời gian Tuy nhiên về nguyên tắc chuyển đổi này đợc sử dụng theo hai hớng -Hớng thứ nhất: Để đo những tham số về dòng điện, trơng trờng hợp đó điện áp ra sẽ tỷ lệ với vận tốc di chuyển của điện cực -Hớng thứ hai: Để đo những đại lợng ảnh hởng đến tham số của Electric là và Chơng 5 chuyển đổi nhiệt điện 1 Khái niệm chung http://www.ebook.edu.vn . liệu là thì: C 0 = l S + + + + + + + + - - - - - - - - - - - l 2 3 - 1 + 1 E 1 E 2 + - + + + + + + + + - - - - - - - - - - - Hình 3.31 Chuyển đổi Electric http://www.ebook.edu.vn. chuyển đổi phải có yêu cầu là tổng trở vào lớn, thờng là bằng 10 8 ữ 10 14 () F x + + + + + + + - - - - - - - - - - Hình 3.28 Hiệu ứng áp điện http://www.ebook.edu.vn 36 Sơ đồ thay. http://www.ebook.edu.vn 35 Bài 2. Chuyển đổi áp điện 1. Nguyên lý làm việc Nguyên lý làm việc của chuyển đổi này dựa trên hiệu ứng áp điện -Hiệu ứng áp điện thuận là sự xuất hiện