Giáo trình cảm biến công nghiệp

**************************************************************** Đại học đà nẵng Trờng đại học bách khoa Th.S Hoàng Minh Công Giáo trình Cảm biến công nghiệp - Đà Nẵng 2004 - **************************************************************** Lời mở đầu Cảm biến đợc định nghĩa nh thiết bị dùng để cảm nhận biến đổi đại lợng vật lý đại lợng không mang tính chất điện thành đại lợng điện đo đợc Nó thành phần quan trọng thiết bị đo hay hệ điều khiển tự động Đã từ lâu cảm biến đợc sử dụng nh phận để cảm nhận phát hiện, nhng từ vài ba chục năm trở lại chúng thể vai trò quan trọng kỹ thuật công nghiệp đặc biệt lĩnh vực đo lờng, kiểm tra điều khiển tự động Nhờ tiến khoa học công nghệ lĩnh vực vật liệu, thiết bị điện tử tin học, cảm biến đợc giảm thiểu kích thớc, cải thiện tính ngày mở rộng phạm vi ứng dụng Giờ lĩnh vực mà không sử dụng cảm biến Chúng có mặt hệ thống tự động phức tạp, ngời máy, kiểm tra chất lợng sản phẩm, tiết kiệm lợng, chống ô nhiễm môi trờng Cảm biến đợc ứng dụng rộng rãi lĩnh vực giao thông vận tải, sản xuất hàng tiêu dùng, bảo quản thực phẩm, sản xuất ô tô Bởi trang bị kiến thức cảm biến trở thành yêu cầu quan trọng cán kỹ thuật Đối với sinh viên ngành điện tử nh ngành tự động hoá trờng đại học kỹ thuật, môn học cảm biến công nghiệp môn học bắt buộc chơng trình đào tạo, nhằm trang bị kiến thức cảm biến để học tốt môn học chuyên ngành Giáo trình cảm biến công nghiệp đợc viết cho chuyên ngành điện tử gồm 10 chơng, giới thiệu kiến thức cảm biến, cấu tạo, nguyên lý hoạt động, đặc trng sơ đồ mạch đo cảm biến đợc sử dụng phổ biến công nghiệp nh thí nghiệm, nghiên cứu đợc xếp theo công dụng cảm biến Do nội dung giáo trình bao quát rộng, tài liệu tham khảo hạn chế trình độ có hạn ngời biên soạn nên chắn giáo trình không tránh khỏi sai sót Tác giả mong muốn nhận đợc góp ý bạn đọc đồng nghiệp để giáo trình đợc hoàn thiện Các nhận xét, góp ý xin gửi Khoa Cơ khí Trờng Đại học Bách Khoa, Đại học Đà Nẵng Tác giả Chơng I Các Khái niệm đặc trng 1.1 Khái niệm phân loại cảm biến 1.1.1 Khái niệm Cảm biến thiết bị dùng để cảm nhận biến đổi đại lợng vật lý đại lợng tính chất điện cần đo thành đại lợng điện đo xử lý đợc Các đại lợng cần đo (m) thờng tính chất điện (nh nhiệt độ, áp suất ) tác động lên cảm biến cho ta đặc trng (s) mang tính chất điện (nh điện tích, điện áp, dòng điện trở kháng) chứa đựng thông tin cho phép xác định giá trị đại lợng đo Đặc trng (s) hàm đại lợng cần đo (m): s = F (m ) (1.1) Ngời ta gọi (s) đại lợng đầu phản ứng cảm biến, (m) đại lợng đầu vào hay kích thích (có nguồn gốc đại lợng cần đo) Thông qua đo đạc (s) cho phép nhận biết giá trị (m) 1.1.2 Phân loại cảm biến Các cảm biến đợc phân loại theo đặc trng sau đây: - Theo nguyên lý chuyển đổi đáp ứng kích thích (bảng 1.1) Bảng 1.1 Hiện tợng Chuyển đổi đáp ứng kích thích - Nhiệt điện - Quang điện - Quang từ Hiện tợng vật lý - Điện từ - Quang đàn hồi - Từ điện - Nhiệt từ - Biến đổi hoá học Hoá học - Biến đổi điện hoá - Phân tích phổ - Biến đổi sinh hoá Sinh học - Biến đổi vật lý - Hiệu ứng thể sống - Phân loại theo dạng kích thích (bảng 1.2) Bảng 1.2 - Biên pha, phân cực Âm - Phổ - Tốc độ truyền sóng - Điện tích, dòng điện Điện - Điện thế, điện áp - Điện trờng (biên, pha, phân cực, phổ) - Điện dẫn, số điện môi - Từ trờng (biên, pha, phân cực, phổ) Từ - Từ thông, cờng độ từ trờng - Độ từ thẩm - Biên, pha, phân cực, phổ Quang - Tốc độ truyền - Hệ số phát xạ, khúc xạ - Hệ số hấp thụ, hệ số xạ - Vị trí - Lực, áp suất - Gia tốc, vận tốc Cơ - ứng suất, độ cứng - Mô men - Khối lợng, tỉ trọng - Vận tốc chất lu, độ nhớt - Nhiệt độ Nhiệt - Thông lợng - Nhiệt dung, tỉ nhiệt - Kiểu Bức xạ - Năng lợng - Cờng độ - Theo tính cảm biến (bảng 1.3) Bảng 1.3 - Độ nhạy - Khả tải - Độ xác - Tốc độ đáp ứng - Độ phân giải - Độ ổn định - Độ chọn lọc - Tuổi thọ - Độ tuyến tính - Điều kiện môi trờng - Công suất tiêu thụ - Kích thớc, trọng lợng - Dải tần - Độ trễ - Phân loại theo phạm vi sử dụng ( bảng 1.4) Bảng 1.4 - Công nghiệp - Nghiên cứu khoa học - Môi trờng, khí tợng - Thông tin, viễn thông - Nông nghiệp - Dân dụng - Giao thông - Vũ trụ - Quân - Phân loại theo thông số mô hình mạch thay : + Cảm biến tích cực có đầu nguồn áp nguồn dòng + Cảm biến thụ động đợc đặc trng thông số R, L, C, M tuyến tính phi tuyến 1.2 Đờng cong chuẩn cảm biến 1.2.1 Khái niệm Đờng cong chuẩn cảm biến đờng cong biểu diễn phụ thuộc đại lợng điện (s) đầu cảm biến vào giá trị đại lợng đo (m) đầu vào Đờng cong chuẩn biểu diễn biểu thức đại số dới dạng s = F (m ) , đồ thị nh hình 1.1a s s si mi a) m m b) Hình 1.1 Đờng cong chuẩn cảm biến a) Dạng đờng cong chuẩn b) Đờng cong chuẩn cảm biến tuyến tính Dựa vào đờng cong chuẩn cảm biến, ta xác định giá trị mi cha biết m thông qua giá trị đo đợc si s Để dễ sử dụng, ngời ta thờng chế tạo cảm biến có phụ thuộc tuyến tính đại lợng đầu đại lợng đầu vào, phơng trình s= F(m) có dạng s = am +b với a, b hệ số, đờng cong chuẩn đờng thẳng (hình 1.1b) 1.2.2 Phơng pháp chuẩn cảm biến Chuẩn cảm biến phép đo nhằm mục đích xác lập mối quan hệ giá trị s đo đợc đại lợng điện đầu giá trị m đại lợng đo có tính đến yếu tố ảnh hởng, sở xây dựng đờng cong chuẩn dới dạng tờng minh (đồ thị biểu thức đại số) Khi chuẩn cảm biến, với loạt giá trị biết xác mi m, đo giá trị tơng ứng si s dựng đờng cong chuẩn s s2 s1 m1 m2 m Hình 1.2 Phơng pháp chuẩn cảm biến a) Chuẩn đơn giản Trong trờng hợp đại lợng đo có đại lợng vật lý tác động lên đại lợng đo xác định cảm biến sử dụng không nhạy với tác động đại lợng ảnh hởng, ngời ta dùng phơng pháp chuẩn đơn giản Thực chất chuẩn đơn giản đo giá trị đại lợng đầu ứng với giá xác định không đổi đại lợng đo đầu vào Việc chuẩn đợc tiến hành theo hai cách: - Chuẩn trực tiếp: giá trị khác đại lợng đo lấy từ mẫu chuẩn phần tử so sánh có giá trị biết trớc với độ xác cao - Chuẩn gián tiếp: kết hợp cảm biến cần chuẩn với cảm biến so sánh có sẵn đờng cong chuẩn, hai đợc đặt điều kiện làm việc Khi tác động lên hai cảm biến với giá trị đại lợng đo ta nhận đợc giá trị tơng ứng cảm biến so sánh cảm biến cần chuẩn Lặp lại tơng tự với giá trị khác đại lợng đo cho phép ta xây dựng đợc đờng cong chuẩn cảm biến cần chuẩn b) Chuẩn nhiều lần Khi cảm biến có phần tử bị trễ (trễ trễ từ), giá trị đo đợc đầu phụ thuộc vào giá trị tức thời đại lợng cần đo đầu vào mà phụ thuộc vào giá trị trớc của đại lợng Trong trờng hợp nh vậy, ngời ta áp dụng phơng pháp chuẩn nhiều lần tiến hành nh sau: - Đặt lại điểm cảm biến: đại lợng cần đo đại lợng đầu có giá trị tơng ứng với điểm gốc, m=0 s=0 - Đo giá trị đầu theo loạt giá trị tăng dần đến giá trị cực đại đại lợng đo đầu vào - Lặp lại trình đo với giá trị giảm dần từ giá trị cực đại Khi chuẩn nhiều lần cho phép xác định đờng cong chuẩn theo hai hớng đo tăng dần đo giảm dần 1.3 Các đặc trng 1.3.1 Độ nhạy cảm biến a) Khái niệm Đối với cảm biến tuyến tính, biến thiên đầu s biến thiên đầu vào m có liên hệ tuyến tính: s = S.m (1.2) Đại lợng S xác định biểu thức S = s đợc gọi độ nhạy cảm biến m Trờng hợp tổng quát, biểu thức xác định độ nhạy S cảm biến xung quanh giá trị mi đại lợng đo xác định tỷ số biến thiên s đại lợng đầu biến thiên m tơng ứng đại lợng đo đầu vào quanh giá trị đó: s S= m m = m i (1.3) Để phép đo đạt độ xác cao, thiết kế sử dụng cảm biến cần cho độ nhạy S không đổi, nghĩa phụ thuộc vào yếu tố sau: - Giá trị đại lợng cần đo m tần số thay đổi - Thời gian sử dụng - ảnh hởng đại lợng vật lý khác (không phải đại lợng đo) môi trờng xung quanh Thông thờng nhà sản xuất cung cấp giá trị độ nhạy S tơng ứng với điều kiện làm việc định cảm biến b) Độ nhạy chế độ tĩnh tỷ số chuyển đổi tĩnh Đờng chuẩn cảm biến, xây dựng sở đo giá trị si đầu tơng ứng với giá trị không đổi mi đại lợng đo đại lợng đạt đến chế độ làm việc danh định đợc gọi đặc trng tĩnh cảm biến Một điểm Qi(mi,si) đặc trng tĩnh xác định điểm làm việc cảm biến chế độ tĩnh Trong chế độ tĩnh, độ nhạy S xác định theo công thức (1.3) độ đốc đặc trng tĩnh điểm làm việc xét Nh vậy, đặc trng tĩnh tuyến tính độ nhạy chế độ tĩnh phụ thuộc điểm làm việc Đại lợng ri xác định tỷ số giá trị si đầu giá trị mi đầu vào đợc gọi tỷ số chuyển đổi tĩnh: s ri = m Q i (1.4) Từ (1.4), ta nhận thấy tỷ số chuyển đổi tĩnh ri không phụ thuộc vào điểm làm việc Qi S đặc trng tĩnh đờng thẳng qua gốc toạ độ c) Độ nhạy chế độ động Độ nhạy chế độ động đợc xác định đại lợng đo biến thiên tuần hoàn theo thời gian Giả sử biến thiên đại lợng đo m theo thời gian có dạng: m(t ) = m + m cos t (1.5) Trong m0 giá trị không đổi, m1 biên độ tần số góc biến thiên đại lợng đo đầu cảm biến, hồi đáp s có dạng: s(t ) = s + s1 cos(t + ) Trong đó: - s0 giá trị không đổi tơng ứng với m0 xác định điểm làm việc Q0 đờng cong chuẩn chế độ tĩnh - s1 biên độ biến thiên đầu thành phần biến thiên đại lợng đo gây nên - độ lệch pha đại lợng đầu vào đại lợng đầu Trong chế độ động, độ nhạy S cảm biến đợc xác định tỉ số biên độ biến thiên đầu s1 biên độ biến thiên đầu vào m1 ứng với điểm làm việc đợc xét Q0, theo công thức: s S = m1 Q Độ nhạy chế độ động phụ thuộc vào tần số đại lợng đo, S = S (f ) Sự biến thiên độ nhạy theo tần số có nguồn gốc quán tính cơ, nhiệt điện đầu đo, tức cảm biến thiết bị phụ trợ, chúng cung cấp tức thời tín hiệu điện theo kịp biến thiên đại lợng đo Bởi xét hồi đáp có phụ thuộc vào tần số cần phải xem xét sơ đồ mạch đo cảm biến cách tổng thể 1.3.2 Độ tuyến tính a) Khái niệm Một cảm biến đợc gọi tuyến tính dải đo xác định dải chế độ đó, độ nhạy không phụ thuộc vào đại lợng đo Trong chế độ tĩnh, độ tuyến tính không phụ thuộc độ nhạy cảm biến vào giá trị đại lợng đo, thể đoạn thẳng đặc trng tĩnh cảm biến hoạt động cảm biến tuyến tính chừng đại lợng đo nằm vùng Trong chế độ động, độ tuyến tính bao gồm không phụ thuộc độ nhạy chế độ tĩnh S(0) vào đại lợng đo, đồng thời thông số định hồi đáp (nh tần số riêng f0 dao động không tắt, hệ số tắt dần không phụ thuộc vào đại lợng đo Nếu cảm biến không tuyến tính, ngời ta đa vào mạch đo thiết bị hiệu chỉnh cho tín hiệu điện nhận đợc đầu tỉ lệ với thay đổi đại lợng đo đầu vào Sự hiệu chỉnh đợc gọi tuyến tính hoá b) Đờng thẳng tốt Khi chuẩn cảm biến, từ kết thực nghiệm ta nhận đợc loạt điểm tơng ứng (si,mi) đại lợng đầu đại lợng đầu vào Về mặt lý thuyết, cảm biến tuyến tính, đờng cong chuẩn đờng thẳng Tuy nhiên, sai số đo, điểm chuẩn (mi, si) nhận đợc thực nghiệm thờng không nằm đờng thẳng Đờng thẳng đợc xây dựng sở số liệu thực nghiệm cho sai số bé nhất, biểu diễn tuyến tính cảm biến đợc gọi đờng thẳng tốt Phơng trình biểu diễn đờng thẳng tốt đợc lập phơng pháp bình phơng bé Giả sử chuẩn cảm biến ta tiến hành với N điểm đo, phơng trình có dạng: s = am + b Trong đó: a= N. s i m i s i m i N. m 2i ( m i ) s i m 2i m i s i m i b= N. m 2i ( m i ) c) Độ lệch tuyến tính Đối với cảm biến không hoàn toàn tuyến tính, ngời ta đa khái niệm độ lệch tuyến tính, xác định độ lệch cực đại đờng cong chuẩn đờng thẳng tốt nhất, tính % dải đo 1.3.3 Sai số độ xác Các cảm biến nh dụng cụ đo lờng khác, đại lợng cần đo (cảm nhận) chịu tác động nhiều đại lợng vật lý khác gây nên sai số giá trị đo đợc giá trị thực đại lợng cần đo Gọi x độ lệch tuyệt đối giá trị đo giá trị thực x (sai số tuyệt đối), sai số tơng đối cảm biến đợc tính bằng: = x 100 [%] x Sai số cảm biến mang tính chất ớc tính biết xác giá trị thực đại lợng cần đo Khi đánh giá sai số cảm biến, ngời ta thờng phân chúng thành hai loại: sai số hệ thống sai số ngẫu nhiên - Sai số hệ thống: sai số không phụ thuộc vào số lần đo, có giá trị không đổi thay đổi chậm theo thời gian đo thêm vào độ lệch không đổi giá trị thực giá trị đo đợc Sai số hệ thống thờng thiếu hiểu biết hệ đo, điều kiện sử dụng không tốt gây Các nguyên nhân gây sai số hệ thống là: Do nguyên lý cảm biến + Do giá trị đại lợng chuẩn không + Do đặc tính cảm biến + Do điều kiện chế độ sử dụng +Do xử lý kết đo - Sai số ngẫu nhiên: sai số xuất có độ lớn chiều không xác định Ta dự đoán đợc số nguyên nhân gây sai số ngẫu nhiên nhng dự đoán đợc độ lớn dấu Những nguyên nhân gây sai số ngẫu nhiên là: + Do thay đổi đặc tính thiết bị + Do tín hiệu nhiễu ngẫu nhiên + Do đại lợng ảnh hởng không đợc tính đến chuẩn cảm biến Chúng ta giảm thiểu sai số ngẫu nhiên số biện pháp thực nghiệm thích hợp nh bảo vệ mạch đo tránh ảnh hởng nhiễu, tự động điều chỉnh điện áp nguồn Nếu kết đo trực tiếp Xi đợc xác định với sai số bình quân phơng X n , thì: 2 Y Y Y X + X + + X = X X X 21 n (10.23) n Y X sai số riêng phép đo gián tiếp thứ i X i i bảng 10.2 trình bày biểu thức tính sai số tuyệt đối sai số tơng đối số hàm Y thờng gặp phép đo gián tiếp Bảng 10.2 Sai số tuyệt đối Y Hàm Y X1 + X2 Sai số tơng đối Y = (X )2 + (X )2 X1 X2 [X (X ) 2 ] + X (X ) X 2 2 X X + X1 X n(X / X ) nX n X Xn ] + (X ) / (X + X ) 2 2 X X + X1 X X 12 (X ) + X 22 (X ) X1.X2 [(X ) Y Y 10.4.5 Bù sai số a) Bù sai số cộng tính Trong cảm biến có sai số cộng tính, ta có: YX = K X X + Ya KX = Với (10.24) Yi +1 Yi X i +1 X i Giá trị Ya không thay đổi theo X sai số cộng tính (hình 10.11) Loại trừ sai số loại trừ (hình 10.12) X X CB CB YX = KXX + Ya Hình 10.11 Sơ đồ nguyên lý cảm biến có sai số cộng tính Y Yi Xi Hình 10.12 Loại trừ sai số cộng tính Ta có: Yi = K i X i + Ya (10.25) 2 Thực phép trừ theo vế (10.24) (10.25) biến đổi ta có: X Xi X X i = (YX Yi ) i +1 Yi +1 Yi (10.26) Bằng cách ta loại trừ đợc sai số cộng tính Ya b) Bù sai số nhân tính Trong cảm biến có sai số nhân tính, ta có: X YX = XK X (1 k ) YX CB (10.27) Y0 X0 Trong k sai số nhân tính Hình 10.12 Loại trừ sai số nhân tính Muốn bù sai số nhân tính ta dùng Nếu đại lợng vào Xo, ta có: Y0 = X K (1 k ) (10.28) Thực phép chia theo vế (10.27) (10.28) ta có: YX X K X (1 k ) X K X = = Y0 X K (1 k ) X K X= Nhận đợc Y K0 X0 Y0 K X (10.29) c) Bù sai số yếu tố ảnh hởng Một sai số khó loại trừ cảm biến sai số yếu tố ảnh hởng (hay yếu tố không mang thông tin) Khi nghiên cứu cảm biến, ngời ta đa vào biện pháp để loại trừ yếu tố đơn nhng nhiều cảm biến ảnh hởng khó loại trừ Không cảm biến khác công nghệ chế tạo, ảnh hởng khác nhau, cảm biến thông minh ngời ta thờng bù ảnh hởng yếu tố không mang thông tin cảm biến sử dụng Từ phơng trình biến đổi cảm biến ta viết sai số: Y = F F F X + a + b + X a b (10.30) Trong F a ảnh hởng yếu tố a đến kết đo Y Nhờ khả xử lý a máy tính ta sai phân hoá nội suy tuyến tính Bằng thực nghiệm ta lập bảng yếu tố ảnh hởng (bảng 10.3) Bảng 10.3 X X1 X2 A1 11 12 A2 21 22 A Xj Xn 1j 1n 2j 2n Ai i1 i2 ij in Am m1 m2 mj mn Từ giá trị Ai nhận đợc cảm biến đo phụ giá trị đại lợng đo Xj, tra bảng nhận đợc giá trị ij, sau nội suy giá trị phải bù để loại trừ sai số ảnh hởng yếu tố A Tài liệu tham khảo Lê Văn Doanh, Phạm Thợng Hàn, Nguyễn Văn Hoà, Võ Thạch Sơn, Đào Văn Tân Các cảm biến kỹ thuật đo lờng & điều khiển NXB Khoa học Kỹ thuật - 2001 Phan Quang Phô, Nguyễn Đức Chiến Giáo trình Cảm biến Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật - 2000 Tạ Duy Liêm Hệ thống điều khiển số cho máy công cụ Trờng Đại học Bách khoa Hà Nội - 1998 Đỗ Xuân Thụ (chủ biên) Kỹ thuật điện tử Nhà xuất Giáo dục - 2002 S.C Jomathon Lin Computer Nummerical Control Pelmar Publishers Inc Mục lục Lời mở đầu Chơng I Các khái niệm đặc trng 1.1 Khái niệm phân loại cảm biến 1.1.1 Khái niệm cảm biến 1.1.2 Phân loại cảm biến 1.2 Đờng cong chuẩn 1.2.1 Khái niệm 1.2.2 Phơng pháp chuẩn cảm biến 1.3 Các đặc trng 1.3.1 Độ nhạy 1.3.2 Độ tuyến tính 11 1.3.3 Sai số độ xác 12 1.3.4 Độ nhanh thời gian hồi đáp 13 1.3.5 Giới hạn sử dụng cảm biến 14 1.4 Nguyên lý chế tạo cảm biến 15 1.4.1 Nguyên lý chế tạo cảm biến tích cực 15 1.4.2 Nguyên lý chế tạo cảm biến thụ động 19 1.5 Mạch đo 20 1.5.1 Sơ đồ mạch đo 20 1.5.2 Một số phần tử mạch đo 21 Chơng II Cảm biến quang 2.1 Tính chất đơn vị đo ánh sáng 24 2.1.1 Tính chất ánh sáng 24 2.1.2 Các đơn vị đo quang 25 2.2 Cảm biến quang dẫn 26 2.2.1 Hiệu ứng quang dẫn 26 2.2.2 Tế bào quang dẫn 29 2.2.3 Photodiot 33 2.2.4 Phototranzito 40 2.2.5 Phototranzito hiệu ứng trờng 43 2.3 Cảm biến quang điện phát xạ 44 2.3.1 Hiệu ứng quang điện pháp xạ 44 2.3.2 Tế bào quang điện chân không 45 2.3.3 Tế bào quang điện dạng khí 46 2.3.4 Thiết bị nhân quang 46 Chơng III Cảm biến đo nhiệt độ 3.1 Khái niệm 48 3.1.1 Nhiệt độ thang đo nhiệt độ 48 3.1.2 Nhiệt độ đo đợc nhiệt độ cần đo 49 3.1.3 Phân loại cảm biến đo nhiệt độ 50 3.2 Nhiệt kế giản nở 51 3.2.1 Nhiệt kế giản nở dùng chất rắn 51 3.2.2 Nhiệt kế giản nở dùng chất lỏng 51 3.3 Nhiệt kế điện trở 52 3.3.1 Nguyên lý chung 52 3.3.2 Nhiệt kế điện trở kim loại 53 3.3.3 Nhiệt kế điện trở silic 56 3.3.4 Nhiệt kế điện trở oxyt bán dẫn 56 3.4 Cảm biến nhiệt ngẫu 57 3.4.1 Hiệu ứng nhiệt điện 57 3.4.2 Cấu tạo cặp nhiệt 59 3.4.3 Mạch đo dụng cụ thứ cấp 62 3.5 Hoả kế 67 3.5.1 Hoả kế xạ toàm phần 67 3.5.2 Hoả kế quang điện 68 Chơng IV Cảm biến đo vị trí dịch chuyển 4.1 Nguyên lý đo vị trí dịch chuyển 71 4.2 Điện kế điện trở 71 4.2.1 Điện kế điện trở dùng chạy học 71 4.2.2 Điện kế điện trở không dùng chạy học 73 4.3 Cảm biến điện cảm 75 4.3.1 Cảm biến tự cảm 75 4.3.2 Cảm biến hỗ cảm 78 4.4 Cảm biến điện dung 81 4.4.1 Cảm biến tụ đơn 81 4.4.2 Cảm biến tụ kép vi sai 83 4.4.3 Mạch đo 84 4.5 Cảm biến quang 84 4.5.1 Cảm biến quang phản xạ 84 4.5.2 Cảm biến quang soi thấu 85 4.6 Cảm biến đo dịch chuyển sóng đàn hồi 86 4.6.1 Nguyên lý đo dịch chuyển sóng đàn hồi 86 4.6.2 Cảm biến sử dụng phần tử áp điện 87 4.6.3 Cảm biến âm từ 88 Chơng V Cảm biến đo biến dạng 5.1 Biến dạng phơng pháp đo 90 5.1.1 Định nghĩa số đại lợng co học 90 5.1.2 Phơng pháp đo biến dạng 91 5.2 Đầu đo điện trở kim loại 91 5.2.1 Cấu tạo nguyên lý hoạt động 91 5.2.2 Các đặc trng chủ yếu 93 5.3 Cảm biến áp trở silic 94 5.3.1 Cấu tạo nguyên lý hoạt động 94 5.3.2 Các đặc trng chủ yếu 95 5.4 Đầu đo chế độ động 96 5.4.1 Tần số sử dụng tối đa 96 5.4.2 Giới hạn mỏi 97 5.5 ứng suất kế dây rung 97 Chơng VI Cảm biến đo lực 6.1 Nguyên lý đo lực 99 6.2 Cảm biến áp điện 100 6.2.1 Cấu tạo nguyên lý hoạt động 100 6.2.2 Cảm biến thạch anh kiểu vòng đệm 101 6.2.3 Cảm biến thạch anh nhiều thành phần 102 6.2.4 Sơ đồ mạch đo 102 6.3 Cảm biến từ giảo 104 6.3.1 Hiệu ứng từ giảo 104 6.3.2 Cảm biến từ thẩm biến thiên 105 6.3.3 Cảm biến từ d biến thiên 106 6.4 Cảm biến dựa phép đo dịch chuyển 106 6.5 Cảm biến xúc giác 107 Chơng VII Cảm biến đo vận tốc, gia tốc rung 7.1 Cảm biến đo vận tốc 108 7.1.1 Nguyên lý đo vận tốc 108 7.1.2 Tốc độ kế điện từ 108 7.1.3 Tốc độ kế xung 113 7.1.4 Máy đo góc tuyệt đối 115 7.1.5 Đổi hớng kế 116 7.2 Cảm biến đo rung gia tốc 118 7.2.1 Khái niệm 118 7.2.2 Cảm biến đo tốc độ rung 121 7.2.3 Gia tốc kế áp điện 122 7.2.4 Gia tốc kế áp trở 123 Chơng VIII Cảm biến đo áp suất chất lu 8.1 áp suất nguyên lý đo áp suất 126 8.1.1 áp suất đơn vị đo 126 8.1.2 Nguyên lý đo áp suất 127 8.2 áp kế vi sai dựa nguyên tắc cân thuỷ tĩnh 128 8.2.1 áp kế vi sai kiểu phao 128 8.2.2 áp kế vi sai kiểu chuông 129 8.3 Cảm biến áp suất dựa phép đo biến dạng 130 8.3.1 Phần tử biến dạng 131 8.3.2 Các chuyển đổi điện 135 Chơng IX Cảm biến đo lu lợng mức chất lu 9.1 Cảm biến đo lu lợng 142 9.1.1 Lu lợng đơn vị đo 142 9.1.2 Công tơ thể tích 142 9.1.3 Công tơ tốc độ 144 9.1.4 Lu lợng kế màng chắn 146 9.1.5 Lu lợng kế điện từ 149 9.2 Cảm biến đo phát mức chất lu 150 9.2.1 Mục đích phơng pháp đo 150 9.2.2 Phơng pháp thuỷ tỉnh 151 9.2.3 Phơng pháp điện 152 9.2.4 Phơng pháp xạ 153 Chơng X Cảm biến thông minh 10.1 Khái niệm cảm biến thông minh 155 10.2 Cấu trúc cảm biến thông minh 156 10.3 Các khâu chức cảm biến thông minh 157 10.3.1 Bộ chuyển đổi chuẩn hoá 157 10.3.2 Bộ dồn kênh MUX 159 10.3.3 Bộ chuyển đổi tơng tự - số A/D 160 10.4 Các thuật toán xử lý cảm biến thông minh 10.4.1 Tự động khắc độ 163 10.4.2 Xử lý tuyến tính hoá đoạn 163 10.4.3 Gia công kết đo 166 10.4.4 Sai số kết phép đo gián tiếp 171 Tài liệu tham khảo 174 Mục lục 175 163 [...]... biến thiên biến thiên tổng cổng của nó Các thông số về thời gian tr, tdm, tm, tdc, tc của cảm biến cho phép ta đánh giá về thời gian hồi đáp của nó 1.3.5 Giới hạn sử dụng của cảm biến Trong quá trình sử dụng, các cảm biến luôn chịu tác động của ứng lực cơ học, tác động nhiệt Khi các tác động này vợt quá ngỡng cho phép, chúng sẽ làm thay đổi đặc trng làm việc của cảm biến Bởi vậy khi sử dụng cảm biến, ... cảm biến bị thay đổi và những thay đổi này mang tính không thuận nghịch, tức là khi trở về vùng làm việc danh định các đặc trng của cảm biến không thể lấy lại giá trị ban đầu của chúng Trong trờng hợp này cảm biến vẫn còn sử dụng đợc, nhng phải tiến hành chuẩn lại cảm biến 1.4 Nguyên lý chung chế tạo cảm biến Các cảm biến đợc chế tạo dựa trên cơ sở các hiện tợng vật lý và đợc phân làm hai loại: - Cảm. .. đợc phân làm hai loại: - Cảm biến tích cực: là các cảm biến hoạt động nh một máy phát, đáp ứng (s) là điện tích, điện áp hay dòng - Cảm biến thụ động: là các cảm biến hoạt động nh một trở kháng trong đó đáp ứng (s) là điện trở, độ tự cảm hoặc điện dung 1.4.1 Nguyên lý chế tạo các cảm biến tích cực Các cảm biến tích cực đợc chế tạo dựa trên cơ sở ứng dụng các hiệu ứng vật lý biến đổi một dạng năng lợng... hoặc phần tử biến dạng của cảm biến Trong các cảm biến có phần tử chuyển động, mỗi vị trí của phần tử động sẽ ứng với một giá trị xác định của trở kháng, cho nên đo trở kháng có thể xác định đợc vị trí của đối tợng Trong cảm biến có phần tử biến dạng, sự biến dạng của phần tử biến dạng dới tác động của đại lợng đo (lực hoặc các đại lợng gây ra lực) gây ra sự thay đổi của trở kháng của cảm biến Sự thay... thiết lập đợc sự phụ thuộc đơn trị giữa giá trị đại lợng cần đo và giá trị trở kháng của cảm biến Trên bảng 1.1 giới thiệu các đại lợng cần đo có khả năng làm thay đổi tính chất điện của vật liệu sử dụng chế tạo cảm biến Bảng 1.1 Đại lợng cần đo Nhiệt độ Bức xạ ánh sáng Biến dạng Vị trí (nam châm) Đặc trng nhạy cảm Loại vật liệu sử dụng Kim loại (Pt, Ni, Cu) Bán dẫn Bán dẫn Hợp kim Ni, Si pha tạp... của trở kháng của cảm biến Sự thay đổi trở kháng do biến dạng liên quan đến lực tác động, do đó liên quan đến đại lợng cần đo Xác định trở kháng ta có thể xác định đợc đại lợng cần đo Sự thay đổi tính chất điện của cảm biến phụ thuộc vào bản chất vật liệu chế tạo trở kháng và yếu tố tác động (nhiệt độ, độ chiếu sáng, áp suất, độ ẩm ) Để chế tạo cảm biến, ngời ta chọn sao cho tính chất điện của nó chỉ... dây Tơng tự nh vậy, trong một khung dây đặt trong từ trờng có từ thông biến thiên cũng xuất hiện một suất điện động tỷ lệ với tốc độ biến thiên của từ thông qua khung dây B e Hình 1.7 ứng dụng hiệu ứng cảm ứng điện từ Hiệu ứng cảm ứng điện từ đợc ứng dụng để xác định tốc độ dịch chuyển của vật thông qua việc đo suất điện động cảm ứng e) Hiệu ứng quang điện - Hiệu ứng quang dẫn: (hay còn gọi là hiệu... vào của mạch Dạng đơn giản của mạch đo gồm một cảm biến, bộ phận biến đổi tín hiệu và thiết bị chỉ thị, ví dụ mạch đo nhiệt độ gồm một cặp nhiệt ghép nối trực tiếp với một milivôn kế àV Hình 1.10 Sơ đồ mạch đo nhiệt độ bằng cặp nhiệt FC (1) D (2) Máy in PC (4) (5) ADC (6) PA (3) CPU (7) Màn hình Hình 1.11 Mạch đo điện thế bề mặt 1) Máy phát chức năng 2) Cảm biến điện tích 3) Tiền khuếch đại 4) So pha... và góc tơng ứng với tấm bán dẫn mỏng làm vật trung gian Vì vậy, hiệu điện thế VH đo đợc giữa hai cạnh tấm bán dẫn là hàm phụ thuộc vào vị trí của vật trong không gian 1.4.2 Nguyên chế tạo cảm biến thụ động Cảm biến thụ động thờng đợc chế tạo từ một trở kháng có các thông số chủ yếu nhạy với đại lợng cần đo Giá trị của trở kháng phụ thuộc kích thớc hình học, tính chất điện của vật liệu chế tạo (nh... các đại lợng ảnh hởng vợt qua ngỡng của vùng làm việc danh định nhng vẫn còn nằm trong phạm vi không gây nên h hỏng, các đặc trng của cảm biến có thể bị thay đổi nhng những thay đổi này mang tính thuận nghịch, tức là khi trở về vùng làm việc danh định các đặc trng của cảm biến lấy lại giá trị ban đầu của chúng c) Vùng không phá huỷ Vùng không phá hủy là vùng mà khi mà các đại lợng đo hoặc các đại lợng ... tuyến 1.2 Đờng cong chuẩn cảm biến 1.2.1 Khái niệm Đờng cong chuẩn cảm biến đờng cong biểu diễn phụ thuộc đại lợng điện (s) đầu cảm biến vào giá trị đại lợng đo (m) đầu vào Đờng cong chuẩn biểu... nh hình 1.1a s s si mi a) m m b) Hình 1.1 Đờng cong chuẩn cảm biến a) Dạng đờng cong chuẩn b) Đờng cong chuẩn cảm biến tuyến tính Dựa vào đờng cong chuẩn cảm biến, ta xác định giá trị mi cha... ảnh hởng, sở xây dựng đờng cong chuẩn dới dạng tờng minh (đồ thị biểu thức đại số) Khi chuẩn cảm biến, với loạt giá trị biết xác mi m, đo giá trị tơng ứng si s dựng đờng cong chuẩn s s2 s1 m1 m2