Chương 3 chuyển đổi đo lường và cảm biến

Chương 3. Chuyển đổi đo lường và cảm biến $1. Khái niệm chung Chuyển đổi sơ cấp Cảm nhận sự biến đổi tín hiệu ????????????? Cảm biến Sensor • Chuyển đổi đo lường là dụng cụ dùng để tạo một quan hệ đơn trị giữa hai đại lượng vật lí với một độ chính xác nhất định 10/23/15 • Cảm biến là chuyển đổi đo lường được đặt trong một khối hình học có kích thước nhất định và có các đầu nối tín hiệu ra. 1 Đặc trưng của chuyển đổi • Chuyển đổi (tranducer) ở đây xét loại chuyển thành tín hiệu điện • Hàm truyền đạt (Transfer function) • Độ nhạy (Sensitivity) • Dải công tác động (Span or Dynamic range) • Độ chính xác hay độ không biết trước (Accuracy or Uncertainty) • Độ trễ (Hysteresis) • Độ phi tuyến (Nonlinear) • Độ ồn (Noise) • Độ phân giải (Resolution) • Dải thông (Bandwidth) Một hệ thống đo lường và điều khiển Chuyển đổi điện trở ϕ • Dùng để đo các đại lượng (di chuyển, góc quay) dựa trên sự biến đổi của điện trở chuyển đổi. • Biến trở được làm bằng dây điện trở hay thanh điện trở. Vật liệu thường dùng là Mn • Giá trị không thay đổi theo nhiệt độ. 10/23/15 6 Một số hình dạng biến trở thực tế 10/23/15 7 Linear Variable Differential Transformer LVDT 10/23/15 8 Chuyển đổi điện trở-lực tenzo R=ρl/S ∂R ∂R ∂R ∆R = ∆ρ + ∆l + ∆S ∂ρ ∂l ∂S ∆R ∆ρ ∆l ∆S = + − = ε ρ + εl − ε S = ε R R ρ l S • Có thể thay đổi các tham số ρ, l, S để thay đổi R • Thông thường ta chỉ quan tâm đến S và l, còn ρ được coi là không đổi 10/23/15 9 Mạch đo dùng tenzo thường là mạch cầu Cầu cân bằng: R1/R2=R3/R4; thường chọn R10=R20=R3=R4=R0 Khi mất cân bằng: R1=R0+r; R2=R0-r Ura=(U/2)-(U/2R0)(R0+r)=(U/2R0)r Nếu chỉ có một điện trở biến đổi: R1=R0-r thì: UR0 U U .r U ra = − = 2 (2 R0 + r ) 2(2 R0 + r ) Nếu coi R0 >>r thì khi dùng một tenzo, độ nhạy bằng ½ khi dùng 2 tenzo đối xứng. 10/23/15 10 Một số dạng cảm biến lực trong thực tế • Những cảm biến lực này được chế tạo với dải đo từ vài gam đến vài chục tấn 10/23/15 11 Một số dạng cảm biến lực • Những cảm biến lực dùng để đo lực lớn 10/23/15 12 $2. Chuyển đổi điện từ - điện cảm W 2 W 2 µ0 s L= = Rδ δ W 2 µ0 W 2 µ 0 s0 ∆L = ∆s − ∆δ 2 δ0 ( δ 0 + ∆δ ) Sδ = ∆L =− ∆δ L0   ∆δ δ 0 1 +    δ0      2 * Loại này thường dùng đo khoảng cách, độ rung của các gối đỡ các thiết bị điện 10/23/15 • Coi tiết diện làm việc s không đổi 13 Chuyển đổi điện từ - hỗ cảm i = I sin ωt W1W2 µ 0s s ωI = K δ δ ∆s ∆δ ∆E = k − ks δ0 ( δ 0 + ∆δ ) 2 E= Sδ = E0 2 δ 0 [1 + ( ∆δ / δ 0 ) ] •Sử dụng loại này an toàn hơn loại điện cảm và độ nhạy cao hơn. •Dùng đo khoảng cách hay dao động 10/23/15 14 Bài tập chuyển đổi điện cảm-hỗ cảm • Bài 1: Một chuyển đổi điện cảm có 2000 vòng, s=1cm 2, δ0=3mm. µ0=4π.10-7 H/m. điện trở cuộn dây Rd=50 Ohm. Điện áp nguồn u=220VAC, tần số 50Hz. Hãy xác định biến thiên dòng điện khi ∆δ=1mm? Bài 2: Một chuyển đổi hỗ cảm có cuộn sơ cấp 2000 vòng, cuộn thứ cấp 100 vòng. s=1cm2, δ0=3mm. µ0=4π.10-7 H/m. điện trở cuộn dây sơ cấp Rd=50 Ohm. Điện áp nguồn u=220VAC, tần số 50Hz. Xác định điện áp ra trên cuộn thứ cấp khi ∆δ=1mm? 10/23/15 15 I0=U:Z0=220:72,58=3,03A ; 10/23/15 16 Chuyển đổi điện từ - áp từ ∆L ∆µ ∆s ∆l 1 = + − L0 µ s l [1 + ( ∆l / l ) ] 2 • Dựa vào sự biến đổi của độ từ thẩm, tiết diện, chiều dài làm việc của mạch từ theo lực để đo lực. Chủ yếu là đo biến dạng. 10/23/15 17 Mạch đo của chuyển đổi áp từ • Một mạch đo cụ thể 10/23/15 18 Chuyển đổi cảm ứng dΦ dx E=− =S dt dt dx da E = − Ba l = − Ba S a dt dt E là suất điện động cảm ứng, x hay a là khoảng dịch chuyển hay góc quay của chuyển đổi • Loại này dùng để đo tốc độ quay, góc quay, chuyển động thẳng, lực… 10/23/15 19 Chuyển đổi nhiệt điện E = f (t1 ) − f (t 2 ) t2 t1 t2 • Dùng để đo nhiệt độ đối tượng • Nguyên lí hoạt động: tham số của chuyển đổi bị biến đổi theo nhiệt độ. • Loại thứ nhất là cặp nhiệt • Lưu ý vấn đề hiệu chỉnh theo nhiệt độ (qui ước t 2 = 0) 10/23/15 20 Hiệu chỉnh cặp nhiệt theo nhiệt độ ∆E α1 10/23/15 α2 ∆E t2 t1 t’1 tan α1 t = t1 + t 2 tan α 2 ' 1 α 0 C • Thường trên đồng hồ đo nhiệt, người chế tạo ghi sẵn giá trị nhiệt độ và tanα. nhiệt độ môi trường thường được xác định bởi một dụng cụ khác hoặc ước lượng. Từ đo suy ra nhiệt độ thức đo theo đặc tính. Các dụng cụ đo nhiệt điện tử được ghi sẵn đặc tính hiệu chỉnh trong bộ nhớ 21 10/23/15 22 10/23/15 23 Bài tập phần chuyển đổi nhiệt điện C: 10 tanα 0.1 0 20 0.17 30 0.27 40 0.5 50 0.8 60 1.3 70 1.9 80 3.2 Nhiệt độ môi trường hiện tại là 300C, nhiệt độ hiển thị là 650C Xác định nhiệt độ thực tế tại điểm đo. Tại 650C, tan α = 1,6 0,27 t = 65 + 30 = 700 C 1,6 ' 1 10/23/15 24 Chuyển đổi nhiệt điện trở [ ] R(t ) = R (t0 ) 1 + at + bt 2 + ct 3 ... • Với nhiệt điện trở kim loại thường tính đến bậc 3 • Với nhiệt điện trở bán dẫn tính đến bậc cao hơn tuỳ cấp chính xác (thực tế giải tích là theo hàm mũ). 10/23/15 25 Phụ bài: Đo nhiệt độ bằng phương pháp hồng ngoại 10/23/15 26 Cảm biến hồng ngoại có độ nhạy cao 1.Bộ cảm biến sẵn sàng hoạt động khi được chiếu tia laser hồng ngoại (từ ống hình trụ bên trái). Hướng ban đầu của các nguyên tử Rubidium (trong hình tròn màu đỏ). 2. Bộ cảm biến phát hiện chất nổ. Hướng của các nguyên tử Rubidium thay đổi do tác động của từ trường (trong hình tròn màu hồng đậm). 10/23/15 3. Bộ cảm biến phát hiện chuột. Hướng của các nguyên tử Rubidium thay đổi khác với trong trường hợp phát hiện chất nổ (trong hình tròn màu hồng nhạt) 27 Đo nhiệt độ bằng cáp quang Laser phát Gương bán xạ Điểm gia nhiệt Laser thu phản xạ Cáp quang Laser thu thấu xạ t 10/23/15 Khoảng cách L=3.108.t/2 28 • Thiết bị này có khả năng phát hiện sự thay đổi của từ trường nhỏ đến mức 70 femtoteslas – tương đương với cường độ sóng não của một người đang trong trạng thái mơ màng. (1 femtoteslas = 0.000000000000001 Teslas – đơn vị đo cường độ từ trường). • Nhạy gấp 1.000 lần so với loại cảm biến thu nhỏ, có dạng chip ở trên 10/23/15 29 Chuyển đổi tĩnh điện – áp điện q = d1 Fx y q = −d1 Fy x • Nguyên tắc hoạt động: dựa trên hiệu ứng áp điện thuận và hiệu ứng áp điện nghịch • Loại này chỉ đo được lực động 10/23/15 30 Chuyển đổi Hall (Áp điện AC) 10/23/15 31 10/23/15 32 Một số đặc tính điện 10/23/15 33 10/23/15 34 10/23/15 35 10/23/15 36 10/23/15 37 10/23/15 38 10/23/15 39 10/23/15 40 Đặc tính vào ra 10/23/15 41 Chuyển đổi áp điện - điện dung 10/23/15 • Chuyển đổi điện dung thường dùng trong môi trường dung dịch điện phân, kể cả tiếp xúc và không tiếp xúc. 42 Một số loại cảm biến trong thực tế 10/23/15 43 Một số loại cảm biến trong thực tế 10/23/15 44 10/23/15 45 $9 Chuyển đổi điện hóa • 1. Chuyển đổi điện hóa dùng để đo các đại lượng trong hóa học • 2. cơ sở lí thuyết: dựa trên hiện tượng hóa điện xảy ra khi cho dòng điện đi qua dung dịch điện phân hoặc do quá trình ôxy hóa khử các điện cực. 1/Ω.m • 3. Hiện tượng phân li H2SO4 V[...]... gấp 1.000 lần so với loại cảm biến thu nhỏ, có dạng chip ở trên 10/ 23/ 15 29 Chuyển đổi tĩnh điện – áp điện q = d1 Fx y q = −d1 Fy x • Nguyên tắc hoạt động: dựa trên hiệu ứng áp điện thuận và hiệu ứng áp điện nghịch • Loại này chỉ đo được lực động 10/ 23/ 15 30 Chuyển đổi Hall (Áp điện AC) 10/ 23/ 15 31 10/ 23/ 15 32 Một số đặc tính điện 10/ 23/ 15 33 10/ 23/ 15 34 10/ 23/ 15 35 10/ 23/ 15 36 ... vào sự biến đổi của độ từ thẩm, tiết diện, chiều dài làm việc của mạch từ theo lực để đo lực Chủ yếu là đo biến dạng 10/ 23/ 15 17 Mạch đo của chuyển đổi áp từ • Một mạch đo cụ thể 10/ 23/ 15 18 Chuyển đổi cảm ứng dΦ dx E=− =S dt dt dx da E = − Ba l = − Ba S a dt dt E là suất điện động cảm ứng, x hay a là khoảng dịch chuyển hay góc quay của chuyển đổi • Loại này dùng để đo tốc độ quay, góc quay, chuyển động...Một số dạng cảm biến lực trong thực tế • Những cảm biến lực này được chế tạo với dải đo từ vài gam đến vài chục tấn 10/ 23/ 15 11 Một số dạng cảm biến lực • Những cảm biến lực dùng để đo lực lớn 10/ 23/ 15 12 $2 Chuyển đổi điện từ - điện cảm W 2 W 2 µ0 s L= = Rδ δ W 2 µ0 W 2 µ 0 s0 ∆L = ∆s − ∆δ 2 δ0 ( δ 0 + ∆δ ) Sδ = ∆L =− ∆δ L0   ∆δ δ 0 1 +    δ0      2 * Loại này thường dùng đo khoảng cách,... điện 10/ 23/ 15 • Coi tiết diện làm việc s không đổi 13 Chuyển đổi điện từ - hỗ cảm i = I sin ωt W1W2 µ 0s s ωI = K δ δ ∆s ∆δ ∆E = k − ks δ0 ( δ 0 + ∆δ ) 2 E= Sδ = E0 2 δ 0 [1 + ( ∆δ / δ 0 ) ] •Sử dụng loại này an toàn hơn loại điện cảm và độ nhạy cao hơn •Dùng đo khoảng cách hay dao động 10/ 23/ 15 14 Bài tập chuyển đổi điện cảm- hỗ cảm • Bài 1: Một chuyển đổi điện cảm có 2000 vòng, s=1cm 2, δ0=3mm µ0=4π.10-7... giá trị nhiệt độ và tanα nhiệt độ môi trường thường được xác định bởi một dụng cụ khác hoặc ước lượng Từ đo suy ra nhiệt độ thức đo theo đặc tính Các dụng cụ đo nhiệt điện tử được ghi sẵn đặc tính hiệu chỉnh trong bộ nhớ 21 10/ 23/ 15 22 10/ 23/ 15 23 Bài tập phần chuyển đổi nhiệt điện C: 10 tanα 0.1 0 20 0.17 30 0.27 40 0.5 50 0.8 60 1 .3 70 1.9 80 3. 2 Nhiệt độ môi trường hiện tại là 30 0C, nhiệt độ hiển... biến thiên dòng điện khi ∆δ=1mm? Bài 2: Một chuyển đổi hỗ cảm có cuộn sơ cấp 2000 vòng, cuộn thứ cấp 100 vòng s=1cm2, δ0=3mm µ0=4π.10-7 H/m điện trở cuộn dây sơ cấp Rd=50 Ohm Điện áp nguồn u=220VAC, tần số 50Hz Xác định điện áp ra trên cuộn thứ cấp khi ∆δ=1mm? 10/ 23/ 15 15 I0=U:Z0=220:72,58 =3, 03A ; 10/ 23/ 15 16 Chuyển đổi điện từ - áp từ ∆L ∆µ ∆s ∆l 1 = + − L0 µ s l [1 + ( ∆l / l ) ] 2 • Dựa vào sự biến. .. thực tế tại điểm đo Tại 650C, tan α = 1,6 0,27 t = 65 + 30 = 700 C 1,6 ' 1 10/ 23/ 15 24 Chuyển đổi nhiệt điện trở [ ] R(t ) = R (t0 ) 1 + at + bt 2 + ct 3 • Với nhiệt điện trở kim loại thường tính đến bậc 3 • Với nhiệt điện trở bán dẫn tính đến bậc cao hơn tuỳ cấp chính xác (thực tế giải tích là theo hàm mũ) 10/ 23/ 15 25 Phụ bài: Đo nhiệt độ bằng phương pháp hồng ngoại 10/ 23/ 15 26 Cảm biến hồng ngoại... lực… 10/ 23/ 15 19 Chuyển đổi nhiệt điện E = f (t1 ) − f (t 2 ) t2 t1 t2 • Dùng để đo nhiệt độ đối tượng • Nguyên lí hoạt động: tham số của chuyển đổi bị biến đổi theo nhiệt độ • Loại thứ nhất là cặp nhiệt • Lưu ý vấn đề hiệu chỉnh theo nhiệt độ (qui ước t 2 = 0) 10/ 23/ 15 20 Hiệu chỉnh cặp nhiệt theo nhiệt độ ∆E α1 10/ 23/ 15 α2 ∆E t2 t1 t’1 tan α1 t = t1 + t 2 tan α 2 ' 1 α 0 C • Thường trên đồng hồ đo nhiệt,... có độ nhạy cao 1.Bộ cảm biến sẵn sàng hoạt động khi được chiếu tia laser hồng ngoại (từ ống hình trụ bên trái) Hướng ban đầu của các nguyên tử Rubidium (trong hình tròn màu đỏ) 2 Bộ cảm biến phát hiện chất nổ Hướng của các nguyên tử Rubidium thay đổi do tác động của từ trường (trong hình tròn màu hồng đậm) 10/ 23/ 15 3 Bộ cảm biến phát hiện chuột Hướng của các nguyên tử Rubidium thay đổi khác với trong... màu hồng nhạt) 27 Đo nhiệt độ bằng cáp quang Laser phát Gương bán xạ Điểm gia nhiệt Laser thu phản xạ Cáp quang Laser thu thấu xạ t 10/ 23/ 15 Khoảng cách L =3. 108.t/2 28 • Thiết bị này có khả năng phát hiện sự thay đổi của từ trường nhỏ đến mức 70 femtoteslas – tương đương với cường độ sóng não của một người đang trong trạng thái mơ màng (1 femtoteslas = 0.000000000000001 Teslas – đơn vị đo cường độ từ ... nhiệt độ chuyển đổi điện phân Chuyển đổi Gavanic Chuyển đổi cực phổ Chuyển đổi điện cực cứng Chuyển đổi điện cực giọt Hg Chuyển đổi Simotron Chuyển đổi điện động Bài tập phần tenzo Một chuyển đổi. .. Hiện tượng điện động ] Một số chuyển đổi điện hóa Chuyển đổi điện trở-dung dịch Chuyển đổi điện phân di chuyển học Chuyển đổi điện phân đo nồng độ chất điện phân Chuyển đổi điện phân không tiếp xúc... Dải thông (Bandwidth) Một hệ thống đo lường điều khiển Chuyển đổi điện trở ϕ • Dùng để đo đại lượng (di chuyển, góc quay) dựa biến đổi điện trở chuyển đổi • Biến trở làm dây điện trở hay điện