Bài giảng kỹ thuật đo lường (trương thị bích thanh) chương 4 chuyển đổi đo lường và cảm biến

CHƯƠNG 4: CHUYỂN ĐỔI ĐO LƯỜNG VÀ CẢM BIẾN Nội dung • Khái niệm chung • Chuyển đổi điện trở • Chuyển đổi điện từ • Chuyển đổi tĩnh điện • Chuyển đổi nhiệt điện • Chuyển đổi điện hóa • Chuyển đổi đo độ ẩm • Chuyển đổi điện tử và ion • Chuyển đổi lượng tử Khái niệm chung Chuyển đổi sơ cấp Cảm biến Sensor • Chuyển đổi đo lường: dụng cụ tạo quan hệ đơn trị giữa đại lượng vật lý với độ chính xác nhất định • Chuyển đổi đo lường sơ cấp: đại lượng vào là đại lượng không điện, đại lượng là đại lượng điện • Cảm biến: chuyển đổi sơ cấp bao bọc khối hộp có kích thước nhất định, và có đầu nối tín hiệu Khái niệm chung • Các đặc tính của chuyển đổi sơ cấp Y = f(X,Z) • Khả thay thế các chuyển đổi • Chuyển đổi phải có đặc tính đơn trị • Đường cong của chuyển đổi phải ổn định • Tín hiệu của chuyển đổi phải tiện cho việc ghép nối vào dụng cụ đo, hệ thống đo và máy tính • Sai số: đặc tính quan trọng của chuyển đổi • Sai số bản • Sai số phụ • Độ nhạy: quyết định cấu trúc của mạch đo • Độ tác động nhanh Khái niệm chung • Phân loại các chuyển đổi sơ cấp • Theo nguyên lý chuyển đổi giữa đáp ứng và kích thích • Chuyển đổi điện trở • Chuyển đổi điện từ • Chuyển đổi tĩnh điện • Chuyển đổi hóa điện • Chuyển đổi nhiệt điện • Chuyển đổi điện tử và ion • Chuyển đổi lượng tử • Theo tính chất nguồn điện • Chuyển đổi phát điện: chuyển đổi cảm ứng, chuyển đổi điện áp, cặp nhiệt điện • Chuyển đổi thông số: đại lượng là các thông số R,L,C… • Theo phương pháp đo: • Chuyển đổi biến đổi trực tiếp • Chuyển đổi bù Chuyển đổi điện trở Chuyển đổi điện trở • Chuyển đổi biến trở • Mạch đo: thường dùng mạch biến trở, hoặc mạch cầu, hoặc mạch phân áp • Ứng dụng: dùng để đo di chuyển thẳng (2-3mm) di chuyển góc Ngoài ứng dụng dụng cụ đo lực, áp suất, gia tốc chuyển đổi ngược mạch cầu, điện kế tự động Chuyển đổi điện trở • Chuyển đổi điện trở lực căng: • Nguyên lý hoạt động: dựa hiệu ứng tenzô: dây dẫn chịu biến dạng điện trở thay đổi, gọi chuyển đổi điện trở tenzô • Gồm có loại chính: chuyển đổi điện trở lực căng dây mảnh, chuyển đổi điện trở lực căng mỏng chuyển đổi điện trở lực căng màng mỏng • Có thể thay đổi các tham số ρ, l, S để thay đổi điện trở R ∂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 Chuyển đổi điện trở • Chuyển đổi điện trở lực căng • Mạch đo: chuyển đổi điện trở lực căng thường dùng với mạch cầu chiều xoay chiều mạch phân áp • Ứng dụng: chuyển đổi lực căng dùng để đo lực, áp suất, mômen quay, gia tốc đại lượng khác biến đổi thành biến dạng đàn hồi với ứng suất cực tiểu lớn độ nhạy chuyển đổi (thường cỡ 1.107 ÷ 2.107 N) Chuyển đổi điện trở • Một số loại cảm biến lực thực tế Chuyển đổi điện hóa • Chuyển đổi điện dẫn • Để loại trừ hiện tượng phân cực và các tác dụng tương hỗ không mong muốn giữa các điện cực và dung dịch, ta có thể dùng chuyển đổi điện dẫn không tiếp xúc • Mạch đo: Chuyển đổi điện hóa • Chuyển đổi ganvanic: • Nguyên lý hoạt động: dựa vào phụ thuộc điện cực theo nồng độ, thành phần dung dịch • Độ pH của dung dịch : pH=-log[H+] • Hằng số phân ly : K = [H+].[OH-] • Chuyển đổi ganvanic thường dùng pH mét, đo độ pH dung dịch Chuyển đổi điện hóa • Chuyển đổi điện phân: • Nguyên lý hoạt động: dựa vào hiện tượng điện phân Q = ∫ idt = m.n.F A  Đại lượng vào có thể là điện lượng Q, hoặc biến thiên dòng điện theo thời gian t Đại lượng có thể là khối lượng chất giải phóng, hoặc sự thay đổi chiều dài, điện trở điện cực… • Ứng dụng: dùng làm đồng hồ đo thời gian làm việc của thiết bị Chuyển đổi điện hóa • Chuyển đổi khimotron • Nguyên lý làm việc: dựa việc sử dụng lớp “khoá”, lớp môi trường bị làm nghèo hạt mang điện tích • Ứng dụng: chế tạo dụng cụ đo áp suất, gia tốc tạo thành diot điện hoá Chuyển đổi đo độ ẩm • Khái niệm chung • Độ ẩm đối với nguyên, nhiên vật liệu thể rắn G − Gk W= a 100 (%) Gk • Độ ẩm tuyệt đối (γ) số gam nước có mét khối khí khô [g/m 3] • Độ ẩm tương đối (u) tỉ số độ ẩm tuyệt đối lượng nước bão hoà nhiệt độ áp suất • Nhiệt độ hóa sương: nhiệt độ cần làm lạnh không khí đến đó để đạt trạng thái bão hòa • Nhiệt độ ẩm: là nhiệt độ cân bằng của khối nước hóa và không khí Chuyển đổi đo độ ẩm • Chuyển đổi đo độ ẩm bằng phương pháp hấp thụ • Nguyên lý làm việc: dựa hấp thụ nước số chất LiCl, P2O5 • Đo độ ẩm ẩm kế hấp thụ: nung dung dịch muối chứa ẩm áp suất bão hoà phía dung dịch áp suất môi trường không khí bình thường  xác định áp suất nhiệt độ hoá sương Chuyển đổi đo độ ẩm • Chuyển đổi đo độ ẩm bằng biến thiên trở kháng: • Chuyển đổi có tính chất hút ẩm chế tạo dạng điện trở tụ điện • loại: ẩm kế điện trở và ẩm kế tụ điện • Ẩm kế điện trở : điện trở R phụ thuộc hàm lượng nước và nhiệt độ chất hút ẩm  Có thể đo độ ẩm loại vật liệu rời, với dải độ ẩm đo ÷ 95%, dải nhiệt độ -10 ÷ 60oC Thời gian hồi đáp cỡ 10s, đạt độ xác ±2 ÷ ±5 % • Ẩm kế tụ điện : tụ điện có lớp điện môi cực chất hút ẩm  đo nhiệt độ hoá sương Ts phạm vi từ -80oC ÷ 70oC, không dùng được môi trường ăn mòn NaCl, S Chuyển đổi điện tử và ion • Cơ sở lý thuyết • Nguyên lý làm việc: dựa vào sự thay đổi dòng ion và dòng điện tử dưới tác dụng của đại lượng đo • loại: chuyển đổi điện tử và ion và chuyển đổi ion hóa • Chuyển đổi phát xạ điện tử • Nguyên lý hoạt động: dưới tác dụng của điện trường mạnh(3kV), điện tử bị bắn khỏi catốt, đường chúng ion hoá phân tử khí tạo thành ion dương âm • Dòng điện chạy từ anốt đến catốt thay đổi theo mật độ không khí đèn hai cực • Ứng dụng: chế tạo thiết bị đo áp suất thấp (các chân không kế) Chuyển đổi điện tử và ion • Chuyển đổi có phát xạ nhiệt điện tử • Nguyên lý hoạt động: Khi catốt bị đốt nóng điện tử bắn khỏi tác dụng điện trường, điện tử chuyển động từ anốt đến catốt Trên đường điện tử ion hoá không khí tạo thành ion dương âm • Ứng dụng: đo độ chân không; chế tạo thiết bị đo đại lượng học đo độ di chuyển, đo áp suất • Chuyển đổi có phát xạ quang điện tử (chuyển đổi quang điện) • Nguyên lý hoạt động: dựa tượng giải phóng điện tích tác dụng dòng ánh sáng hiệu ứng quang điện gây nên thay đổi tính chất vật liệu • Các dạng bản: : tế bào quang điện, quang điện trở, phôtô điốt phôtô tranzito • Tạo nguồn sáng: - kích thích nguyên tử và phân tử của vật chất bằng đốt nóng - biến đổi từ một dạng lượng khác Chuyển đổi ion hóa • Nguyên lý làm việc: • Khi có tia phóng xạ Rơnghen vào vùng không khí, chất khí bị ion hóa thành điện tử ion; tác dụng điện trường E, dòng điện tử ion chuyển động đến điện cực tạo thành dòng điện (cỡ 10 -3 ÷ 10-7 μA) N CĐ BT • Nguồn phóng xạ: : nguồn tác nhân ion hóa thường nguồn phóng xạ tia α, tia β, tia γ, tia rơnghen • Bộ thu bức xạ: biến đổi lượng xạ hạt nhân thành điện Bộ thu xạ chia thành loại : bình ion hóa, máy đếm phóng điện chất khí, máy đếm nhấp nháy • Ứng dụng: • Đo di chuyển khoảng cách điện cực thay đổi, đo mật độ chất khí dải áp suất từ 0,1 N/m2 đến 100 kN/m2 Đo tốc độ dòng khí số điện tử ion ion hoá phụ thuộc vào tốc độ dòng khí qua bình ion Chuyển đổi lượng tử • Nguyên lý hoạt động: Dựa vào cấu tạo số hạt nhân nguyên tử tồn loại momen momen từ (dipol) μ momen khối lượng (spin) p Tỉ số γ = μ/p hệ số thuỷ từ hạt nhân, số • Mạch đo: • Ứng dụng: để đo dòng lớn Ngoài ra, y học, người ta sử dụng chuyển đổi để sản xuất máy chụp cắt lớp, để phát khối u bên thể Cảm biến thông minh • Vai trò của cảm biến thông minh • Sử dụng đa chức • Có khả chương trình hóa theo một chương trình định trước • Tự động xử lí kết quả đo • Tự động khắc độ, tự động chọn thang đo • Tự động bù sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên • Tự động bù ảnh hưởng của các yếu tố khác • Vi điện tử hóa các chuyển đổi sơ cấp • Chuyển đổi điện trở • Chuyển đổi quang điện • Công nghệ màng bán thấm có chọn lọc • Xử lý kết quả đo Y=f(x,a,b,c) : phương trình của cảm biến Cảm biến thông minh • Xử lý kết quả đo • Xử lý khắc độ: • Xử lý tuyến tính hóa từng đoạn • Bù sai số cộng tính • Bù sai số nhân tính • Bù sai số các yếu tố ảnh hưởng • Xử lý thống kê • Xử lý phép đo gián tiếp và hợp bộ Cảm biến thông minh • Cấu trúc của cảm biến thông minh • Nếu CĐ là CĐSC bình thường thì các đầu của chúng được đưa vào vi mạch công nghệ lai • Nếu CĐ đã được thực hiện bằng công nghệ vi mạch thì cả CĐ và các phần tử gia công phía sau được để một khối công nghệ mạch lai Cảm biến thông minh • Thiết bị đo thông minh và linh hoạt • Các vấn đề cần giải quyết thiết bị đo thông minh • Menu hóa các chế độ đo lường • Chuẩn độ tự động thiết bị • Tự động lập chương trình thử nghiệm [...]... không đúng vị trí cần đo, diện tích tiếp xúc nhỏ • Mạch đo: sức điện động Seebek đo được giữa 2 đầu cặp nhiệt sẽ cung cấp thông tin về nhiệt độ cần đo • Ứng dụng: đo nhiệt độ, ngoài ra nó còn được sử dụng để đo các đại lượng không điện và điện khác như đo dòng điện (ở tần số cao), đo hướng chuyển động và lưu lượng của các dòng chảy, đo di chuyển, đo áp suất nhỏ (độ chân không)... Mạch đo: có thể dùng mạch đo bất kì để đo điện trở, thông thường dùng mạch cầu không cân bằng có chỉ thị là logomet hoặc cầu tự ghi • Sai số: chủ yếu do sự thay đổi điện trở đường dây khi nhiệt độ môi trường thay đổi • Ứng dụng: dùng đo nhiệt độ, đo các đại lượng không điện như đo di chuyển, đo áp suất và dùng để phân tích thành phần, nồng độ của một số hợp chất và. .. và dùng để phân tích thành phần, nồng độ của một số hợp chất và chất khí 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 Chuyển đổi điện hóa • Cơ sở lý thuyết: • dựa vào các hiện tượng điện hoá xảy ra khi cho dòng điện qua bình điện phân... ∆x = d1 U x y ∆y = − d1 U x x Chuyển đổi tĩnh điện • Chuyển đổi áp điện • Mạch đo: công suất của chuyển đổi nhỏ nên tổng trở vào của mạch đo phải lớn • Ứng dụng: đo lực biến thiên, đo áp suất và gia tốc trong dải tần 0,5-100kHz • Có khả năng đo các lực biến thiên nhanh • Không đo được các lực tĩnh Chuyển đổi tĩnh điện • Chuyển đổi điện dung: • Nguyên lý... môi trường Chuyển đổi điện từ • Chuyển đổi áp từ • Mạch đo: thường dùng mạch vi sai để loại trừ các sai số • Ứng dụng: • Đo lực có giá trị lớn (105-106N) và đo áp suất trong điều kiện khó khăn và đo biến dạng • Cấu trúc đơn giản, độ tin cậy cao  đo áp suất, momen xoắn trong các máy khoan đất, đo lực cắt trong quá trình gia công kim loại Chuyển đổi điện... thể dùng chuyển đổi điện dẫn không tiếp xúc • Mạch đo: Chuyển đổi điện hóa • Chuyển đổi ganvanic: • Nguyên lý hoạt động: dựa vào sự phụ thuộc của điện thế cực theo nồng độ, và thành phần của dung dịch • Độ pH của dung dịch : pH=-log[H+] • Hằng số phân ly : K = [H+].[OH-] • Chuyển đổi ganvanic thường dùng trong các pH mét, đo độ pH của dung dịch Chuyển đổi điện hóa • Chuyển... trị nào đo để tránh điện áp đánh thủng cách điện Chuyển đổi tĩnh điện • Chuyển đổi điện dung • Mạch đo: thường là mạch cầu không cân bằng cung cấp bằng dòng xoay chiều • Ứng dụng: • Loại có khe hở thay đổi được: đo di chuyển nhỏ • Loại có bản cực thay đổi: đo di chuyển lớn và di chuyển góc (đến 270 o) • Chuyển đổi có điện môi thay đổi: đo độ ẩm... hóa • Chuyển đổi điện dẫn dung dịch • Nguyên lý hoạt động: dựa vào sự phụ thuộc của điện dẫn dung dịch với thành phần và nồng độ chất điện phân cũng như khoảng cách l và tiết diện của điện cực s • Để loại trừ sai số do phân cực cùng với việc cung cấp điện áp xoay chiều, người ta thường dùng chuyển đổi 4 điện cực Chuyển đổi điện hóa • Chuyển đổi điện dẫn • Để loại... ứng: • Mạch đo Độ nhạy của chuyển đổi qua toán tử mạch S ( p) = S Rt p Ur τ.p = = S0 X v Rt + RL + pL 1+τ p Sức điện động đầu ra ti lệ với tốc độ biến thiên tín hiệu đầu vào dX U = ∫ edt = ∫ S = S.X dt •Ứng dụng • Chuyển đổi có cuộn dây di chuyển: đo tốc độ quay, momen quay, tốc độ kế • Chuyển đổi có lõi thép di chuyển: đo di chuyển thắng, góc, đo biên độ... di chuyển nhỏ • Loại có bản cực thay đổi: đo di chuyển lớn và di chuyển góc (đến 270 o) • Chuyển đổi có điện môi thay đổi: đo độ ẩm (vải, chất dẻo), đo mức nước, đo chiều dày của các vật cách điện, đo lực Chuyển đổi nhiệt điện • Cơ sở lý thuyết: • Chuyển đổi điện dựa trên quá trình nhiệt như đốt nóng, làm lạnh, trao đổi nhiệt • Hiệu ứng nhiệt điện ... tenzô: dây dẫn chịu biến dạng điện trở thay đổi, gọi chuyển đổi điện trở tenzô • Gồm có loại chính: chuyển đổi điện trở lực căng dây mảnh, chuyển đổi điện trở lực căng mỏng chuyển đổi điện trở lực... dùng đo nhiệt độ, đo đại lượng không điện đo di chuyển, đo áp suất dùng để phân tích thành phần, nồng độ số hợp chất chất khí Bài tập phần chuyển đổi nhiệt điện C: 10 tanα 0.1 20 0.17 30 0.27 40 ... Mạch đo: chuyển đổi điện trở lực căng thường dùng với mạch cầu chiều xoay chiều mạch phân áp • Ứng dụng: chuyển đổi lực căng dùng để đo lực, áp suất, mômen quay, gia tốc đại lượng khác biến đổi