đề cương ôn tập cảm biến công nghiệp

Câu 1: nguyên lí đo nhiệt độ theo điện trở vật liệu? Vẽ sơ đồ trình bày cấu tạo, nguyên lý làm việc, đặc điểm, phạm vi sử dụng loại nhiệt kế điện trở đo nhiệt độ? .Nguyên lý đo: - dựa vào thay đổi điện trở vật liệu nhiệt độ thay đổi: R( T ) = R0 f ( T − T0 ) a Nhiệt kế điện trở kim loại Sơ đồ, Cấu tạo: chế tạo điện trở kim loại - Loại điện trở dây quấn: b Nguyên lý làm việc: - dựa thay đổi điện trở: - Khi biến thiên ∆T nhỏ: αR = - Hệ số: αR = : ) R (T + ∆T ) = R ( T )(1 + α RT ) → Hệ số nhiệt điện trở dR dρ dl ds = + − R dT ρ dT l dT s dT αρ = Đặt: αR = ⇒ dR R dT ( R (T ) = R0 + AT + BT + CT dρ dl ds ; αl = ; αs = = 2α l ρ dT l dT s dT dR = α ρ + α l − 2.α l = α ρ − α l R dT Do αρ >> αl ⇒ αR ≈ αρ → thay đổi kích thước ảnh hưởng không đáng kể Vậy: Khi nhiệt độ tăng điện trở suất vật liệu tăng ⇒ điện trở tăng → đo điện trở ⇒ nhiệt độ c Đặc điểm phạm vi sử dụng - Kết cấu đơn giản, dễ chế tạo - Độ xác cao ⇒ ⇒ a Đo nhiệt độ bề mặt Nhiệt kế điện trở silic Sơ đồ, Cấu tạo: chế tạo từ đơn tinh thể Si pha tạp loại N, kích thước cỡ 500x500x240 (µm) 500m - Đo nhiệt độ thấp trung bình (thường 1000oC) môi trường khí, lỏng, rắn 500m b - 240m Nguyên lý làm việc: Trong khoảng nhiệt độ (-55 ÷ 200oC) hệ số nhiệt điện trở dương (~7.10-3/ oC 25 oC) Sự phụ thuộc điện trở vào nhiệt độ biểu diễn gần theo công thức: [ RT = R0 + A( T − T0 ) + B( T − T0 ) ] c) đặc điểm phạm vi sử dụng thay đổi nhiệt điện trở tương đối nhỏ a Nhiệt kế điện trở oxyt bán dẫn Sơ đồ, Cấu tạo: chế tạo từ hỗn hợp oxyt bán dẫn đa tinh thể như: MgO, MgAl2O4, Mn2O3, Fe3O4, Co2O3, NiO, ZnTiO4 Hỗn hợp bột oxyt trộn theo tỉ lệ thích hợp → nén định dạng → thiêu kết nhiệt độ ~ 1000oC Vỏ bọc thủy tinh b Nguyên lý làm việc: Sự phụ thuộc điện trở nhiệt điện trở vào nhiệt độ theo biểu thức:   1  T   R (T ) = R0   exp β  − T T T   0   αR = - Hệ số nhiệt điện trở: β +b T2   1  R(T ) = R0 exp  B −    T T  - Gần đúng: - Với B = 3.000 - 5.000K αR = − B T2 c - Đặc điểm, phạm vi sử dụng Kích thước nhỏ → đo T theo điểm Nhiệt dung nhỏ → thời gian hồi đáp bé Hệ số nhiệt điện trở lớn → đo ∆Tmin =10-4 - 10-3K ⇒ Đo nhiệt độ khoảng ÷ 300oC Câu Nguyên lí đo nhiệt độ dựa hiệu ứng nhiệt điện? t0 Vẽ sơ đồ trình bày cấu tạo, nguyên lý làm việc, đặc điểm, phạm vi sử dụng cảm biến nhiệt ngẫu? b Nguyên lí đo nhiệt độ dựa hiệu ứng nhiệt điện A Hiện tượng: Xét mạch kín gồm dây dẫn (A) (B) khác chất hóa học hàn nối với mối hàn, nhiệt độ hai mối hàn (t) (t0) khác mạch xuất sức điện động EAB phụ thuộc độ chênh nhiệt độ t hai mối hàn → Hiệu ứng nhiệt điện Sơ đồ cấu tạo dụng cảm biến nhiệt ngẫu c nguyên lý làm việc cảm biến nhiệt ngẫu a - Đầu làm việc điện cực (3) hàn nối với hàn vảy, hàn khí hàn tia điện tử Đầu tự nối với dây nối (7) tới dụng cụ đo nhờ vít nối (6) dây đặt đầu nối B dây (8) Đê cách ly điện cực người ta dùng ống sứ cách điện (4), sứ cách điện phải trơ hoá học đủ độ bền nhiệt nhiệt độ làm việc Để bảo vệ điện cực, cặp nhiệt có vỏ bảo vệ (1) làm sứ chịu nhiệt thép chịu nhiệt Hệ thống vỏ bảo vệ phải có nhiệt dung đủ nhỏ để giảm bớt quán tính nhiệt vật liệu chế tạo vỏ phải có độ dẫn nhiệt không nhỏ không lớn Trường hợp vỏ thép mối hàn đầu làm việc tiếp xúc với vỏ để giảm thời gian hồi đáp d đặc điểm, phạm vi sử dụng cảm biến nhiệt ngẫu câu Trình bày cấu tạo nguyên lý làm việc, đặc điểm điện kế chạy học đo vị trí dịch chuyển? Cấu tạo nguyên lý làm việc: gồm điện trở cố định (Rm) tiếp xúc điện (con chạy) liên kết với vật khảo sát Khi vật di chuyển, chạy di chuyển theo, điện trở đo phụ thuộc vào vị trí chạy Đo điện trở ⇒ vị trí • Điện trở dạng dây cuộn: chế tạo từ hợp kim Ni Cr, Ni - Cu , Ni - Cr - Fe, Ag - Pd quấn thành vòng xoắn dạng - lò xo lõi cách điện (bằng thuỷ tinh, gốm nhựa), vòng dây cách điện emay lớp oxyt bề mặt • Điện trở dạng băng dẫn: chế tạo chất dẻo trộn bột dẫn điện cacbon kim loại cỡ hạt ~10-2µm Đặc điểm Cấu tạo đơn giản Đo dịch chuyển lớn Khoảng chạy có ích nhỏ chiều dài điện trở (Lm) Độ phân giải điện trở dạng dây ~10µm, dạng băng dẫn ~ 0,1 µm Thời gian sống thấp: dạng dây ~106 lần, dạng băng dẫn 5.107 - 108 lần Chịu ảnh hưởng lớn bụi ẩm Câu Trình bày cấu tạo nguyên lý làm việc, đặc điểm điện kế trỏ từ đo vị trí dịch chuyển? a) Cấu tạo nguyên lý làm việc:  Cấu tạo: • R1 R2: từ điện trở • NC: nam châm vĩnh cửu • 1-2-3: dây nối R2 R1 R1, R2: điện trở 1, 2, 3: dây nối  Nguyên lý: • Nam châm quay Chiều dài từ điện trở nằm từ trường thay đổi → điện trở thay đổi Vm = Tín hiệu ra: • R1 R ES = ES R1 + R2 R Đo Vm⇒ vị trí góc Thường dùng khoảng tuyến tính: góc quay ~ 90o, dịch chuyển thẳng ~ – mm b đặc điểm ?? câu Trình bày cấu tạo nguyên lý làm việc, đặc điểm điện kế trỏ quang đo vị trí dịch chuyển? a Cấu tạo nguyên lý làm việc: Điện kế tròn dùng trỏ quang gồm điot phát quang (1), băng đo (2), băng tiếp xúc (3) băng quang dẫn (4) Băng điện trở đo phâncách với băng tiếp xúc băng quang dẫn mảnh làm CdSe có trỏ quang dịch chuyển trục điện kế quay Điện trở vùng quang dẫn giảm đáng kể vùng chiếu sáng tạo nên liên kết băng đo băng tiếp xúc b Đặc điểm: • Không có tiếp xúc học tránh mòn, tránh gây tiếng ồn • Tuổi thọ cao • Thời gian hồi đáp ngắn (~20µs) Câu Vẽ sơ đồ trình bày cấu tạo nguyên lý làm việc, đặc điểm cùa loại cảm biến quang đo vị trí dịch chuyển? a Cảm biến quang phản xạ Sơ đồ cấu tạo b nguyên lý làm việc hoạt động theo nguyên tắc dọi phản quang: đầu thu quang đặt phía với nguồn phát Tia sang từ nguồn phát qua thấu kính hội tụ đập tới thước đo chuyển động vật khảo sát, thước có vạch chia phản quang không phản quang nhau, tia sáng gặp phải vạch chia phản quang bị phản xạ trở lại đầu thu quang a Đặc điểm Nguồn phát, thu bố trí phía →Dễ bố trí Cự li cảm nhận bé Chịu ảnh hưởng nhiễu từ nguồn sáng khác Cảm biến quang soi thấu Sơ đồ cấu tạo b nguyên lý làm việc c Khi thước đo (gắn với đối tượng khảo sát, chạy thấu kính hội tụ lưới chia) có chuyển động tương đối so với nguồn sáng làm xuất tín hiệu ánh sáng hình sin Tín hiệu thu tế bào quang điện đặt sau lưới chia Các tín hiệu đầu cảm biến khuếch đại tạo xung điện tử tạo thành tín hiệu xung dạng chữ nhật c - đặc điểm Cự ly cảm nhận lớn 10 a) Cấu tạo nguyên lý làm viêêc: • Khi đĩa quay → khe hở δ biến thiên → từ trở mạch từ biến thiên → Φ qua cuôôn dây biến thiên → cuôôn dây xuất hiêôn s.đ.đ cảm ứng (e) có tần số (f) tỉ lêô với tốc đôô quay (n): f = pn(p – số của đĩa) b) Đăêc điểm: • Biên đôô (E) s.đ.đ cảm ứng phụ thuôôc: khoảng cách cuôôn dây - đĩa quay tốc đôô quay (δmin↓, n↑ → E↑) Với n≤nmin định E bé đo → vùng chết • Dải đo cảm biến phụ thuộc vào số (p) đĩa: p lớn → nmin nhỏ, p nhỏ → nmax lớn Ví dụ: p = 60 → dải đo n = 50 ÷ 500 vg/ph, p = 15 → dải đo n = 500 ÷ 10.000 vg/ph Câu 11 Trình bày cấu tạo, nguyên lí làm việc, đặc điểm phạm vi sử dụng tốc độ kế quang đo vận tốc góc? a) Cấu tạo nguyên lý làm viêêc: 19 - Nguyên lí: Nguồn sáng phát tia hồng ngoại diot phát quang (LED) Đĩa quay, đặt nguồn sáng đầu thu, có lỗ bố trí cách vòng tròn Đầu thu photodiode phototranzitor Khi đĩa quay, đầu thu chuyển mạch nguồn sáng, lỗ, nguồn phát sáng thẳng hàng Kết đĩa quay, đầu thu quang nhận thông lượng ánh sáng biến điệu phát tín hiệu có tần số tỉ lệ với tốc độ quay biên độ không phụ thuộc tốc độ quay b) Đăêc điểm pham vi sử dụng • Phạm vi đo phụ thuôôc: + Số lượng lỗ đĩa + Dải thông đầu thu quang mạch điện tử Để đo tốc độ nhỏ (~ 0,1 v/ph) phải dùng đĩa có số lượng lỗ lớn (500 ÷ 1.000 lỗ) với tốc độ lớn (~ 10 - 106 v/ph) phải sử dụng đĩa quay lỗ, tần số ngắt mạch điện xác định tốc độ cực đại đo 20 Câu 12 Vẽ sơ đồ cấu tạo, trình bày nguyên lí làm việc cảm biến áp điện đo gia tốc rung? Viết biểu thức xác định độ nhạy cảm biến? a) Cấu tạo nguyên lý làm viêêc: b) Nguyên lý làm việc 21 Phép đo gia tốc rung thể qua việc đo lực( cảm biến áp điện ) Khi khối lượng rung M chuyển động tác dụng lên phiến áp điện chuyển thành tín hiệu đầu Dưới tác dụng lực học, phiến áp điện bị biến dạng, làm xuất cực điện tích trái dấu, hiệu điện xuất cực tỉ lệ với lực tác dụng Đo V ta xác định lực tác dụng F, qua xác định gia tốc chuyển động rung Câu 13 Vẽ sơ đồ cấu tạo, trình bày nguyên lí làm việc cảm biến đo vận tốc rung? Viết biểu thức xác định độ nhạy cảm biến? a) Cấu tạo & nguyên lý làm viêêc: 22 • • Đại lượng đo sơ cấp m1 tốc độ rung dh0/dt Đại lượng đo thứ cấp m2 dịch chuyển tương đối z hoăôc tốc đôô dịch chuyển tương đối dz/dt - Nguyên lý: Việc chuyển đổi tốc độ tương đối khối lượng rung so với vỏ hộp thành tín hiệu điện thực cảm biến vị trí tương đối kiểu điện từ gồm cuộn dây lõi nam châm Cuộn dây gắn với khối lượng rung, lõi nam châm đặt bên cuộn dây gắn với vỏ cảm biến Bằng cách đo suất điện động cuộn dây đánh giá tốc độ rung cần đo c) Độ nhạy Độ nhạy sơ cấp: -m1: đại lượng đo sơ cấp m2: đại lượng đo thứ cấp 23  - - Câu 14 Vẽ sơ đồ cấu tạo, trình bày nguyên lí làm việc cảm biến đo áp suất kiểu lò xo vòng biến đổi độ tự cảm đơn có khe từ biến thiên? Viết biểu thức xác định độ nhạy cảm biến? Lò xo vòng a) Cấu tạo & nguyên lý làm viêêc: Vâôt liêôu: đồng thau, hợp kim nhẹ, thép cacbon, thép gió Nguyên lí làm việc Khi p = p0, lò xo trạng thái cân Khi (p > p0), lò xo giản , ngược lại (p < p 0) lò xo co lại→ đầu tự dịch chuyển −ν R  b  α ∆ γ = pγ 1 −  Y bh  a  β + x Biến thiên góc tâm (γ): Lực cân đầu tự do:  b  48s γ − sin γ N t = pab1 −  = k1 p a ε + x γ − sin γ + sin γ cos γ   24  b  48s γ − cos γ N r = pab1 −  = k2 p a ε + x γ − sin γ cos γ   N = k12 + k 22 p = kp Độ nhạy: S= L.p= k2/k.k1 biến đổi độ tự cảm đơn có khe từ biến thiên a) Cấu tạo & nguyên lý làm viêêc:  Nguyên lí làm việc • Khi p thay đổi → màng đàn hồi biến dạng →δ thay đổi→ từ trở thay đổi→ Đôô tự cảm L thay đổi W2 L= ltb / ( µS tb ) + δ / ( µ S ) 25  Độ nhạy: S= ? Câu 15 Vẽ sơ đồ cấu tạo, giải thích nguyên lí làm việc cảm biến đo áp suất động chất lưu cảm biến màng đàn hồi chuyển đổi điện kiểu áp điện? viết biểu thức xác định độ nhạy cảm biến? Áp kế màng a) Cấu tạo nguyên lý làm viêêc:  Nguyên lí: 26 • • Dưới tác dụng áp suất hai măôt màng chênh lêôch ∆p = p1-p0 → màng biến dạng, tâm màng dịch chuyển Đôô võng tâm màng đàn hồi: ∆p.R δ= −ν 16 Yh3 ( + Loại phẳng: + Loại uốn nếp: ) δ bδ ∆p.R a= + = h h Yh4 (a, b: hêô số) • Lực di chuyển tâm màng dẻo: Độ nhạy: S= Q/=k1.k2 chuyển đổi điện kiểu áp điện a) Cấu tạo nguyên lý làm viêêc: 27 - Nguyên lí: 28 Độ nhạy: suy từ ct Câu 16 Vẽ sơ đồ cấu tạo, giải thích nguyên lí làm việc cảm biến đo lưu lượng theo độ giảm áp dùng màng chắn áp kế điện cảm kiểu khe từ biến thiên? Viết biểu thức xác dịnh độ nhạy cảm biến? a) cảm biến đo lưu lượng theo độ giảm áp dùng màng chắn sơ đồ cấu tạo 29 b) c) nguyên lí làm việc Cảm biến đo lưu lượng theo đôô giảm áp dựa nguyên tắc đo đôô giảm áp suất dòng chảy qua môôt thiết bị thu hẹp, chảy qua thiết bị thu hẹp, vâôn tốc chất lưu tăng lên tạo nên đôô chênh áp trước sau màng ngăn, Sử dụng áp kế điêôn cảm kiểu khe từ biến thiên đo đôô chênh áp xác định đc lưu lượng dòng chảy Tại thời điểm ban đầu, chưa có chênh áp khe hở từo Khi có chất lưu xuất độ chênh áp suất trước sau màng chắn, phụ thuộc vào lưu lượng Q=k1., độ chênh áp gây nên dịch chuyển sắt từ, làm thay đổi , với phụ thuộc k2(p2p1)+o Khe hở từ thay đổi làm thay đổi độ tự cảm cuộn dây với phụ thuộc L = k3/ Và ta dùng mạch cộng hưởng LC cầu đo xoay chiều để đo đc độ tự cảm L độ nhạy L= 30 Câu 17 Vẽ sơ đồ cấu tạo trình bày nguyên lý làm viê êc cảm biến đo lưu lượng theo đọ giảm áp tụ điê ên đơn? Viết biểu thức xác định đôê nhạy bôê cảm biến? a) Sơ đồ cấu tạo b) Nguyên lí làm việc Cảm biến đo lưu lượng theo đôô giảm áp dựa nguyên tắc đo đôô giảm áp suất dòng chảy qua môôt thiết bị thu hẹp, chảy qua thiết bị thu hẹp, vâôn tốc chất lưu tăng lên tạo nên đôô chênh áp trước sau màng ngăn, Sử áp kế điêôn cảm kiểu tụ điêôn đơn đôô chênh áp xác định đc lưu lượng dòng chảy.Tại thời điểm ban đầu, chưa có chênh áp khe hở hai cực o Khi có chất lưu xuất độ chênh áp suất trước sau màng chắn, độ 31 chênh áp phụ thuộc vào lưu lượng Q=k1., độ chênh áp gây nên dịch chuyển cực tụ điện , làm thay đổi , với phụ thuộc k2(p2-p1)+o Khoảng cách hai cực tụ điện thay đổi làm thay đổi điện dung tụ điện C= k3/ Và ta dùng mạch cộng hưởng LC cầu đo xoay chiều để đo đc điện dung C tụ điện c) Biểu thức xác định độ nhạy cảm biến : C= Câu 18 Vẽ sơ đồ cấu tạo trình bày nguyên lý làm viê êc cảm biến đo lưu lượng theo đôê giảm áp dùng màng chắn áp kế vành khuyên.? Viết biểu thức xác định đôê nhạy bôê cảm biến.? a) Sơ đồ cấu tạo b) Nguyên lý lam việc 32 Cảm biến đo lưu lượng theo đôô giảm áp dựa nguyên tắc đo đôô giảm áp suất dòng chảy qua môôt thiết bị thu hẹp, chảy qua thiết bị thu hẹp, vâôn tốc chất lưu tăng lên tạo nên đôô chênh áp trước sau màng ngăn, Sử dụng áp kế vành khuyên đo đôô chênh áp xác định đc lưu lượng dòng chảy.Tại thời điểm ban đầu, chưa có chênh áp vành khuyên đứng yên góc quay Khi có chất lưu xuất độ chênh áp suất trước sau màng chắn, độ chênh áp phụ thuộc vào lưu lượng Q=k1., độ chênh áp làm cho vành khuyên quay làm thay đổi góc , góc quay phụ thuộc vào độ chênh áp Và ta dựa vào góc quay đê xác định đc lưu lượng Q c) Biểu thức xác định độ nhạy cảm biến : = k2 33 ... thích nguyên lí làm việc cảm biến đo lưu lượng theo độ giảm áp dùng màng chắn áp kế điện cảm kiểu khe từ biến thiên? Viết biểu thức xác dịnh độ nhạy cảm biến? a) cảm biến đo lưu lượng theo độ... nguyên lý làm viêêc: • Khi đĩa quay → khe hở δ biến thiên → từ trở mạch từ biến thiên → Φ qua cu ôn dây biến thiên → cu ôn dây xuất hi ôn s.đ.đ cảm ứng (e) có tần số (f) tỉ lêô với tốc đôô quay... cấu tạo, trình bày nguyên lí làm việc cảm biến đo áp suất kiểu lò xo vòng biến đổi độ tự cảm đơn có khe từ biến thiên? Viết biểu thức xác định độ nhạy cảm biến? Lò xo vòng a) Cấu tạo & nguyên