đề cương môn sensor có đáp án

Mục lục Mục lục Câu Trình bày khái niệm phân loại cảm biến .3 Câu Trình bày đặc trưng cb: Độ nhạy cảm biến Câu Nêu nguyên lý chung chế tạo cảm biến tích cực Câu Trình bày cấu tạo, nguyên lý hoạt động ứng dụng cảm biến quang dẫn loại photodiot Cấu tạo nguyên lý hoạt động : Xét hai bán dẫn, thuộc loại N thuộc loại P, ghép tiếp xúc Tại mặt tiếp xúc hình thành vùng nghèo hạt dẫn vùng tồn điện trường hình thành hàng rào Vb .5 Câu Nêu cấu tạo, nguyên lý hoạt động ứng dụng nhiệt kế điện trở kim loại Câu Nêu cấu tạo, nguyên lý hoạt động ứng dụng cảm biến nhiệt ngẫu Câu Nêu cấu tạo, nguyên lý hoạt động ứng dụng cảm biến thạch anh kiểu vòng đệm Câu Nêu cấu tạo, nguyên lý hoạt động ứng dụng cảm biến tự cảm Câu 10 Nêu cấu tạo, nguyên lý hoạt động ứng dụng cảm biến điện dung 11 Câu 11 Nêu cấu tạo, nguyên lý hoạt động ứng dụng cảm biến biến dạng điện trở kim loại13 Câu 12 Nêu cấu tạo, nguyên lý hoạt động ứng dụng tốc độ kế xung .15 Câu 13 Nêu cấu tạo, nguyên lý hoạt động ứng dụng áp kế vi sai kiểu phao Áp kế vi sai kiểu phao gồm hai bình thông nhau, bình lớn có tiết diện F bình nhỏ có tiết diện f (hình 8.3) Chất lỏng làm việc thuỷ ngân hay dầu biến áp Khi đo, áp suất lớn (p1) đưa vào bình lớn, áp suất bé (p2) đưa vào bình nhỏ Để tránh chất lỏng làm việc phun cho áp suất tác động phía người ta mở van (4) áp suất hai bên cân van (4) khoá lại Khi đạt cân áp suất, ta có: p1-p2=g(ρm-ρ).(h1-h2) / Trong đó: g - gia tốc trọng trường./ ρm - trọng lượng riêng chất lỏng làm việc / ρ - trọng lượng riêng chất lỏng khí cần đo / Mặt khác từ cân thể tích ta có: F.h1=f.h2 Suy ra: h1= 1.(p1-p2) / (1+ F/f).g(ρm- ρ) / Khi mức chất lỏng bình lớn thay đổi (h1 thay đổi), phao áp kế dịch chuyển qua cấu liên kết làm quay kim thị đồng hồ đo Biểu thức (8.8) phương trình đặc tính tĩnh áp kế vi sai kiểu phao .17 Câu 14 Nêu cấu tạo, nguyên lý hoạt động ứng dụng công tơ thể tích .17 Câu 15 Nêu cấu tạo, nguyên lý hoạt động ứng dụng lưu lượng kế điện từ .19 Câu 16 Nêu cấu tạo, nguyên lý hoạt động ứng dụng cảm biến đo phát mức chất lưu theo phương pháp thuỷ tĩnh 20 Câu 18 So sánh nhiệt kế điện trở oxyt bán dẫn nhiệt kế điện trở kim loại 21 khac 21 Vật liệu chế tạo 21 Cấu tạo 21 ứng dụng 21 Câu 19 So sánh điện kế điện trở dùng chạy học điện kế không dùng chạy học .22 điện kế không dùng chạy học .22 Câu 21 So sánh tốc độ kế điện từ đo vận tốc góc dòng chiều xoay chiều 24 Câu 22 So sánh áp kế vi sai kiểu chuông áp kế vi sai kiểu phao 26 khác 26 kiểu chuông 26 kiểu phao 26 Cấu tạo 26 Áp kế vi sai kiểu phao gồm hai bình thông nhau, bình lớn có tiết diện F bình nhỏ có tiết diện f Chất lỏng làm việc thuỷ ngân hay dầu biến áp Khi đo, áp suất lớn (p1) đưa vào bình lớn, áp suất bé (p2) đưa vào bình nhỏ Để tránh chất lỏng làm việc phun cho áp suất tác động phía người ta mở van (4) áp suất hai bên cân van (4) khoá lại .26 Nguyên lí hoạt động 27 .27 ứng dụng 27 Câu 23 So sánh biến đổi đo áp suất kiểu điện cảm biến đổi đo áp suất kiểu điện dung 28 biến đổi đo áp suất kiểu điện dung 28 Câu 24 So sánh cảm biến đo mức theo phương pháp thuỷ tĩnh phương pháp điện .30 Câu Trình bày khái niệm phân loại cảm biến 1.1 Khái niệm phân loại cảm biến 1.1.1 Khái niệm: Cb thiết bị dùng để cảm nhận biến đổi đại lg vật lý đại lg k có t/c điện cần đo thành đại lg điện đo xử lý được.- Các đại lg cần đo (m) thường k có t/c điện (như nhiệt độ, áp suất ) tác động lên cbcho ta đặc trưng (s) mang t/c điện (như điện tích, điện áp, dòng điện trở kháng) chứa đựng thông tin cho phép xđ gtrị đại lg đo Đặc trưng (s) hàm đại lg cần đo (m):s = F (m) - Ngta gọi (s) đại lg đầu phản ứng cb, (m) đại lg đầu vào hay kích thích (có nguồn gốc đại lg cần đo) Thông qua đo đạc (s) cho phép nhận biết giá trị (m) 1.1.2 Phân loại cảm biếnCác cảm biến phân loại theo đặc trưng :- Theo nguyên lý chuyển đổi đáp ứng kích thích - Phân loại theo dạng kích thích -Theo tính cảm biến - Phân loại theo phạm vi sử dụng -Phân loại theo thông số mô hình mạch thay thế: +Cảm biến tích cực có đầu nguồn áp nguồn dòng +Cảm biến thụ động đặc trưng thông số R, L, C, M tuyến tính phi tuyến Câu Trình bày đặc trưng cb: Độ nhạy cảm biến a K/n:Đối với cb tuyến tính, biến thiên đầu ∆s biến thiên đầu vào ∆m có liên hệ tuyến tính:∆s = S ∆m Đại lg S xđ biểu thức S = ∆s / ∆m đgl độ nhạy cb Trg hợp tổng quát, biểu thức xđ độ nhạy S cb xung quanh giá trị m i đại lg đo xđ tỷ số biến thiên ∆s  ∆s   đại lg đầu biến thiên ∆m tương ứng đại lg đo đầu vào quanh gtrị đó: S =  - Để  ∆m  m=mi 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 lượng cần đo m tần số thay đổi - Thời gian sử dụng - ảnh hưởng đại lượng vật lý khác (không phải đại lượng đo) môi trg xung quanh 1.3.2 Độ tuyến tính a K/n Một cb đgl tuyến tính dải đo xđ dải chế độ đó, độ nhạy k phụ thuộc vào đại lg đo Trg chế độ tĩnh, độ tuyến tính k phụ thuộc độ nhạy cb vào giá trị đại lg đo, thể đoạn thẳng đặc trưng tĩnh cbvà h/động cblà tuyến tính chừng đại lg đo nằm trg vùng này.-Trong chế độ động, độ tuyến tính bao gồm k phụ thuộc độ nhạy chế độ tĩnh S(0) vào đại lg đo, đồng thời thông số qđ hồi đáp (như tần số riêng f dao động không tắt, hệ số tắt dần ξ không phụ thuộc vào đại lượng đo Nếu cb k tuyến tính, ngta đưa vào mạch đo t.bị hiệu chỉnh cho tín hiệu điện nhận đầu tỉ lệ với thay đổi đại lg đo đầu vào Sự hiệu chỉnh đgl tuyến tính hoá.1.3.3 Sai số độ xác: Các cb dụng cụ đo lường khác, đại lg cần đo (cảm nhận) chịu tác động nhiều đại lg vật lý khác gây nên sai số giá trị đo gtrị thực đại lg cần đo Gọi ∆x độ lệch tuyệt đối gtrị đo gthực x (sai số tuyệt đối), sai số tg đối cảm biến tính bằng: δ = ∆x ⋅ 100 Sai số cb mang t/c ước tính biết xác gtrị thực x đại lg cần đo Khi đánh giá sai số cb, ngta thường 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 Sai số hệ thống thường 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 lượng 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 số nguyên nhân gây sai số ngẫu nhiên dự đoán 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 lượng ảnh hưởng không tính đến chuẩn cảm biến.//Chúng ta giảm thiểu sai số ngẫu nhiên số biện pháp thực nghiệm thích hợp bảo vệ mạch đo tránh ảnh hưởng nhiễu, tự động điều chỉnh điện áp nguồn nuôi, bù ảnh hưởng nhiệt độ, tần số, vận hành chế độ thực phép đo lường thống kê 1.3.4 Độ nhanh tgian hồi đáp:Độ nhanh đặc trưng cảm biến cho phép đánh giá khả theo kịp thời gian đại lượng đầu đại lượng đầu vào biến thiên Thời gian hồi đáp đại lượng sử dụng để xác định giá trị số độ nhanh.1.3.5 Giới hạn sd cb:Trong trình sử dụng, cảm biến chịu tác động ứng lực học, tác động nhiệt Khi tác động vượt ngưỡng cho phép, chúng làm thay đổi đặc trưng làm việc cảm biến Bởi sử dụng cảm biến, người sử dụng cần phải biết rõ giới hạn này.a Vùng làm việc danh định:Vùng làm việc danh định tương ứng với điều kiện sử dụng bình thường cảm biến Giới hạn vùng giá trị ngưỡng mà đại lượng đo, đại lượng vật lý có liên quan đến đại lượng đo đại lượng ảnh hưởng thường xuyên đạt tới mà không làm thay đổi đặc trưng làm việc danh định cảm biến.b Vùng không gây nên hư hỏng: Vùng không gây nên hư hỏng vùng mà mà đại lượng đo đại lượng vật lý có liên quan đại lượng ảnh hưởng vượt qua ngưỡng vùng làm việc danh định nằm phạm vi không gây nên hư hỏng, đặc trưng cảm biến bị thay đổi thay đổi mang tính thuận nghịch, tức trở vùng làm việc danh định đặc trưng cảm biến lấy lại giá trị ban đầu chúng/c Vùng không phá huỷ: Vùng không phá hủy vùng mà mà đại lượng đo đại lượng vật lý có liên quan đại lượng ảnh hưởng vượt qua ngưỡng vùng không gây nên hư hỏng nằm phạm vi không bị phá hủy, đặc trưng cảm biến bị thay đổi thay đổi mang tính không thuận nghịch, tức trở vùng làm việc danh định đặc trưng cảm biến lấy lại giá trị ban đầu chúng Trong trường hợp cảm biến sử dụng được, phải tiến hành chuẩn lại cảm biến Câu Nêu nguyên lý chung chế tạo cảm biến tích cực Nguyên lý chế tạo cb tích cực: Các cảm biến tích cực chế tạo dựa sở ứng dụng hiệu ứng vật lý biến đổi dạng lượng (nhiệt, xạ) thành lượng điện Dưới mô tả cách khái quát ứng dụng số hiệu ứng vật lý chế tạo cảm biến a Hiệu ứng nhiệt điện: Hai dây dẫn (M1) (M2) có chất hoá học khác hàn lại với thành mạch điện kín, nhiệt độ hai mối hàn T T2 khác nhau, mạch xuất suất điện động e(T1, T2) mà độ lớn phụ thuộc chênh lệch nhiệt độ T1 T2 Hiệu ứng nhiệt điện ứng dụng để đo nhiệt độ T biết trước nhiệt độ T2, thường chọn T2 = 0oC.b Hiệu ứng hoả điện :Một số tinh thể gọi tinh thể hoả điện (ví dụ tinh thể sulfate triglycine) có tính phân cực điện tự phát với độ phân cực phụ thuộc vào nhiệt độ, làm xuất mặt đối diện chúng điện tích trái dấu Độ lớn điện áp hai mặt phụ thuộc vào độ phân cực tinh thể hoả điện./Hiệu ứng hoả điện ứng dụng để đo thông lượng xạ ánh sáng Khi ta chiếu chùm ánh sáng vào tinh thể hoả điện, tinh thể hấp thụ ánh sáng nhiệt độ tăng lên, làm thay đổi phân cực điện tinh thể Đo điện áp V ta xác định thông lượng ánh sáng Φ c Hiệu ứng áp điện:Một số vật liệu gọi chung vật liệu áp điện (như thạch anh chẳng hạn) bị biến dạng dước tác động lực học, mặt đối diện vật liệu xuất lượng điện tích trái dấu, gọi hiệu ứng áp điện Đo V ta xác định cường độ lực tác dụng F.d Hiệu ứng cảm ứng điện từ: Khi dây dẫn chuyển động từ trường không đổi, dây dẫn xuất suất điện động tỷ lệ với từ thông cắt ngang dây đơn vị thời gian, nghĩa tỷ lệ với tốc độ dịch chuyển dây Tương tự vậy, khung dây đặt từ trường có từ thông biến thiên xuất suất điện động tỷ lệ với tốc độ biến thiên từ thông qua khung dây./Hiệu ứng cảm ứng điện từ ứng dụng để xác định tốc độ dịch chuyển vật thông qua việc đo suất điện động cảm ứng e Hiệu ứng quang điện- Hiệu ứng quang dẫn: (hay gọi hiệu ứng quang điện nội) tượng giải phóng hạt dẫn tự vật liệu (thường bán dẫn) chiếu vào chúng xạ ánh sáng (hoặc xạ điện từ nói chung) có bước sóng nhỏ ngưỡng định - Hiệu ứng quang phát xạ điện tử: (hay gọi hiệu ứng quang điện ngoài) tượng điện tử giải phóng thoát khỏi bề mặt vật liệu tạo thành dòng thu lại nhờ tác dụng điện trường.g Hiệu ứng quang - điện – từ: Khi tác dụng từ trường B vuông góc với xạ ánh sáng, vật liệu bán dẫn chiếu sáng xuất hiệu điện theo hướng vuông góc với từ trường B hướng xạ ánh sáng.h Hiệu ứng Hall: Khi đặt mỏng vật liệu mỏng (thường bán dẫn), có dòng điện chạy qua, vào từ trường B có phương tạo với dòng điện I góc θ, xuất hiệu điện V H theo hướng vuông góc với B I Biểu thức hiệu điện có dạng VH = K H ⋅ I ⋅ B ⋅ sin θ Trong KH hệ số phụ thuộc vào vật liệu kích thước hình học vật liệu./Hiệu ứng Hall ứng dụng để xác định vị trí vật chuyển động Vật cần xác định vị trí liên kết học với nam châm, thời điểm, vị trí nam châm xác định giá trị từ trường B góc θ tương ứng với bán dẫn mỏng làm vật trung gian Vì vậy, hiệu điện VH đo hai cạnh bán dẫn hàm phụ thuộc vào vị trí vật không gian Câu Trình bày cấu tạo, nguyên lý hoạt động ứng dụng cảm biến quang dẫn loại photodiot Cấu tạo nguyên lý hoạt động : Xét hai bán dẫn, thuộc loại N thuộc loại P, ghép tiếp xúc Tại mặt tiếp xúc hình thành vùng nghèo hạt dẫn vùng tồn điện trường hình thành hàng rào Vb Khi điện đặt lên chuyển tiếp (U = 0), dòng điện chạy qua chuyển tiếp I = 0, thực tế dòng I dòng tổng cộng hai dòng điện ngược chiều: -Dòng khuếch tán hạt sinh ion hoá tạp chất (lỗ trong bán dẫn loại P, điện tử bán dẫn loại N) lượng nhiệt hạt dẫn đủ lớn để vượt qua hàng rào -Dòng hạt dẫn không sinh kích thích nhiệt (điện tử bán dẫn P, lỗ trống bán dẫn N) chuyển động tác dụng điện trường E vùng nghèo /Khi có điện áp đặt lên điôt, hàng rào thay đổi kéo theo thay đổi dòng hạt bề rộng vùng nghèo Dòng điện qua chuyển tiếp:I=Io.exp[qUd/kT]-Io / Khi điện áp ngược đủ lớn ( Ud> Zi để cho coi U ≈ E /Điện áp đầu chỉnh lưu thành điện áp chiều, điện áp không phụ thuộc chiều quay hiệu suất lọc giảm tần số thấp Mặt khác, có mặt lọc làm tăng thời gian hồi đáp cảm biến Ep = − ω Nφ0 = −nNφ0 2π n = ω / 2π N - tổng số dây roto./n - số vòng quay giây./ φ0 - từ thông xuất phát từ cực nam châm./Tương tự tính suất điện động ứng với nửa số dây bên trái: Et = nNφ0 Nguyên tắc nối dây nối thành hai cụm, cụm dây mắc nối tiếp với nhau, hai cụm mắc ngược pha ứng Máy phát điện chiều máy phát điện xoay chiều nhỏ dụng 25 Câu 22 So sánh áp kế vi sai kiểu chuông áp kế vi sai kiểu phao khác kiểu chuông kiểu phao Cấu Áp kế vi sai kiểu phao gồm Cấu tạo áp kế vi sai kiểu chuông gồm chuông (1) nhúng chất lỏng làm việc chứa bình (2) tạo hai bình thông nhau, bình lớn có tiết diện F bình nhỏ có tiết diện f Chất lỏng làm việc thuỷ ngân hay dầu biến áp Khi đo, áp suất lớn (p1) đưa vào bình lớn, áp suất bé (p2) đưa vào bình nhỏ Để tránh chất lỏng làm việc 1) Chuông 2) Bình chứa 3) Chỉ thị phun cho áp suất tác động phía người ta mở van (4) áp suất hai bên cân van (4) khoá lại 26 Khi đạt cân áp suất, ta có: p1 - p2 =g(ρm - ρ)(h1 + h2 ) n lí /Trong đó: g - gia tốc trọng ho trường./ρm - trọng lượng riêng chất lỏng làm việc /ρ ạt trọng lượng riêng chất độ lỏng khí cần đo /Mặt khác từ cân thể tích ta ng có: /F.h1 = f.h2 /Suy ra: Nguyê h1 = ⋅ ( p1 − p2 ) (1 + F / f ) ⋅ ( ρ m − ρ ) g Khi mức chất lỏng bình lớn thay đổi (h1 thay đổi), phao áp kế dịch chuyển qua cấu liên kết làm quay kim thị đồng hồ đo Biểu thức (8.8) phương trình đặc tính tĩnh áp kế vi sai kiểu phao Khi áp suất buồng (A) (B) nắp chuông (1) vị trí cân (hình 8.4a), có biến thiên độ chênh áp d (p1 - p2) > chuông nâng lên (hình 8.4b) Khi đạt cân ta có: d ( p1 − p2 ) ⋅ F = (dH + dy ) ⋅ ∆ f ⋅ g ⋅ ( ρ m − ρ ) Với: dh = dx + dy d ( p1 − p2 ) = dh( ρ m − ρ ) g f.dy = ∆f.dH + (Φ - F)dx Trong đó: F - tiết diện chuông./dH - độ di chuyển chuông./dy - độ dịch chuyển mức chất lỏng chuông./ dx - độ dịch chuyển mức chất lỏng chuông./ ∆f - diện tích tiết diện thành chuông./Φ - diện tích tiết diện bình lớn./dh chênh lệch mức chất lỏng chuông f - diện tích tiết diện chuông./Giải phương trình ta có: dH = f ⋅ d ( p1 − p2 ) ∆ f ⋅ g ⋅ (ρ m − ρ ) Lấy tích phân giới hạn từ đến (p1 - p2) nhận phương trình đặc tính tĩnh áp kế vi sai kiểu chuông: H= ứng dụ ng Áp kế vi sai kiểu phao dùng để đo áp suất tĩnh không lớn 25MPa Khi thay đổi tỉ số F/f (bằng cách thay ống nhỏ) ta thay đổi phạm vi đo /Cấp xác áp suất kế loại cao (1; 1,5) chứa chất lỏng độc hại mà áp suất thay đổi đột ngột ảnh hưởng đến đối tượng đo môi trường f ⋅ ( p1 − p2 ) ∆ f ⋅ g ⋅ (ρ m − ρ ) Áp kế vi sai có độ xác cao đo áp suất thấp áp suất chân không 27 Câu 23 So sánh biến đổi đo áp suất kiểu điện cảm biến đổi đo áp suất kiểu điện dung khác biến đổi đo áp suất kiểu biến đổi đo áp suất kiểu điện điện cảm Cấu tạo dung Bộ chuyển đổi gồm sắt từ động gắn màng (1) nam châm điện có lõi sắt (2) cuộn dây (3) 1) Bản cực động 2&3) Bản cực tĩnh 4) Cách điện 5) Dầu silicon biến đổi kiểu điện dung gồm cực động màng kim loại (1), cực tĩnh (2) gắn với đế cách điện thạch anh (4) Nguyên lí Dưới tác dụng áp suất đo, màng (1) dịch chuyển hoạt động làm thay đổi khe hở từ (δ) sắt từ lõi từ nam châm điện, thay đổi độ tự cảm cuộn dây./Nếu bỏ qua điện trở cuộn dây, từ thông tản tổn hao lõi từ độ tự cảm biến đổi xác định công thức sau: Sự phụ thuộc điện dung C vào độ dịch chuyển màng có C =ε ⋅ dạng: đó: s δ + δ0 / Trong ε - số điện môi cách điện hai cực /δ0 khoảng cách điện cực áp suất /δ - độ dịch chuyển màng /Hình 8.12b biến đổi điện dung kiểu W L= vi sai gồm hai cực tĩnh (2) ltb /( µStb ) + δ /( µ0 S0 ) (3) gắn với chất điện môi /Trong đó: W - số cứng (4), kết hợp với màng (1) vòng dây cuộn dây /ltb, nằm hai cực để tạo Stb: chiều dài diện tích thành hai tụ điện C12 C13 trung bình lõi từ /δ, S0 - Khoảng trống cực chiều dài tiết diện khe hở màng điền đầy dầu silicon không khí /µ, µ0 - độ từ (5) /Các áp suất p1 p2 hai thẩm lõi từ không môi trường đo tác động lên khí /Thông thường ltb/ màng, làm màng dịch chuyển ( µStb)