Cảm biến công nghiệp

Slide cảm biến công nghiệp đại học bách khoa đà nẵng. Đã thông qua thầy Công. Các bạn cứ yên tâm mà sử dụng. Đừng photo làm phao nhé các bạn.Slide cảm biến công nghiệp đại học bách khoa đà nẵng. Đã thông qua thầy Công. Các bạn cứ yên tâm mà sử dụng. Đừng photo làm phao nhé các bạnSlide cảm biến công nghiệp đại học bách khoa đà nẵng. Đã thông qua thầy Công. Các bạn cứ yên tâm mà sử dụng. Đừng photo làm phao nhé các bạn

Câu 1: Nguyên lí đo nhiệt độ theo điện trở vật liệu? Nhiệt kế điện trở đo nhiệt độ? Câu 2: Nguyên lí đo nhiệt độ theo hiệu ứng nhiệt điện?CB nhiệt ngẫu?

Câu 3: Điện thế kế con chạy cơ học đo vị trí dịch chuyển

Câu 4: Điện thế kế con trỏ từ đo vị trí và dịch chuyển.

Câu 5: Điện thế kế quang đo vị trí và dịch chuyển

Câu 6: Các CB quang đo vị trí và dịch chuyển

Câu 7: Nguyên lí đo biến dạng bằng các cảm biến điện trở? CB điện trở đo biến

dạng?

Câu 8: Nguyên lí đo lực đựa trên hiệu ứng áp điện? CB thạch anh đo lực?

Câu 9: Tốc kế điện từ xoay đo vận tốc góc kiểu máy phát đồng bộ

Câu 10: Tốc kế điện từ trở biến thiên đo vận tốc

Câu 11: Tốc độ kế quang đo vận tốc góc

Câu 12: CB Áp điện đo gia tốc rung

Câu 13: CB đo vận tốc rung

Câu 14: CB đo áp suất kiểu lò xo 1 vòng và bộ biến đổi độ tự cảm đơn có khe từ

biến thiên.

Câu 15: CB đo áp suất động của chất lưu bằng cảm biến màng đàn hồi và bộ

chuyển dổi điện kiểu áp điện

Câu 16: CB đo lưu lượng theo độ giảm áp dùng màng chắn và áp kế điện cảm kiểu

khe từ biến thiên

Câu 17: CB đo lưu lượng theo độ giảm áp tụ điện đơn

Câu 18: CB đo lưu lượng theo độ giảm áp dùng màng chắn và áp kế vành khuyên

Câu 1: Nguyên lí đo nhiệt độ theo điện trở vật

liệu

1 Nhiệt kế điện trở

Nguyên lý đo: dựa vào sự thay đổi điện trở của vật

liệu khi nhiệt độ thay đổi:

Ví dụ cảm biến kim loại:

Đo R(T)  T

 T R 0 f T T 0 

1 Nhiệt kế điện trở kim loại

a) Cấu tạo: chế tạo bằng điện trở kim loại.

- Loại điện trở dây quấn:

2 1

3

3

2 1

3

1 Vỏ 2 Dây điện trở 3 Lõi cách điện

1 Nhiệt kế điện trở kim loại

1

2

Độ nhạy nhiệt αR.10 3 ( o C -1 ) ~ 5,0 ~ 5.0 ~ 4,0 Khoảng n.độ làm việc ( o C) - 195260 - 195 260 - 260 1400

1 Nhiệt kế điện trở kim loại

• Nguyên lý làm việc: dựa trên sự thay đổi điện trở:

Khi biến thiên T nhỏ:

Hệ số:  Hệ số nhiệt điện trở

0 1 AT BT CT R

T

R( )    

 T 1 T 

R T

T

R(   )   R

dT

dR R

1 dT

dl l

1 dT

d

1 dT

dR R

1 Nhiệt kế điện trở kim loại

l

dT

dR R

1 Nhiệt kế điện trở kim loại

1 Nhiệt kế điện trở silic

a)Cấu tạo: chế tạo từ đơn tinh

thể Si pha tạp loại N, kích thước cỡ

500x500x240 (m)

b)Nguyên lí làm việc: Trong

khoảng nhiệt độ (-55  200oC) hệ

số nhiệt điện trở dương (~7.10-3/

oC ở 25 oC) Sự phụ thuộc của điện

trở vào nhiệt độ biểu diễn gần

0

T R 1 A T T B T T

1 Nhiệt kế điện trở oxyt bán dẫn

a)Cấu tạo: được chế tạo từ

hỗn hợp oxyt bán dẫn đa tinh thể

như: MgO, MgAl2O4, Mn2O3,

1 Nhiệt kế điện trở oxyt bán dẫn

1 exp

T

T R

) T ( R

2 R

1 B R

1 Nhiệt kế điện trở oxyt bán dẫn

b) Đặc điểm:

- Kích thước nhỏ  có thể đo T theo điểm.

Câu 2: Nguyên lí đo nhiệt độ dựa trên hiệu ứng nhiệt điện

CB nhiệt ngẫu

2 Cặp nhiệt ngẫu

4.1 Nguyên lí đo

Hiện tượng: Xét một mạch kín

gồm 2 dây dẫn (A) và (B) khác nhau

về bản chất hóa học hàn nối với

nhau bằng các mối hàn, khi nhiệt độ

hai mối hàn là (t) và (t0) khác nhau

thì trong mạch xuất hiện một sức

điện động EAB phụ thuộc độ chênh

nhiệt độ giữa hai mối hàn  Hiệu

Sơ đồ nguyên lý

2 Hiệu ứng nhiệt điện

- -

-EAB(t0)

NA(t) NB(t)

+ + +

- -

-EAB(t)

2 Hiệu ứng nhiệt điện

- Giữa hai đầu mỗi dây dẫn có chênh lệch nồng độ:

- Trong mạch kín:

) t , t ( e )

t , t ( e )

t ( e

) t ( e

EAB  AB  BA 0  A 0  B 0

) t , t ( e )

t , t ( e )

t ( e

) t ( e

EAB  AB  AB 0  A 0  B 0

) t ( e

) t ( e

EAB  AB  AB 0

)t(fC

)t(e

2 Hiệu ứng nhiệt điện

- Sức điện động của cặp nhiệt không thay đổi nếu chúng ta nối thêm vào mạch một dây dẫn thứ ba

và giữ cho nhiệt độ hai đầu nối của dây thứ ba giống nhau.

t0

t1A

B

C

1 t

4 t1B

Sơ đồ nối cặp nhiệt với dây dẫn thứ ba

2 Cấu tạo và vật liệu

1 3

Nguyên lí làm việc

Đầu làm việc của các điện cực 3 được hàn nối với nhau bằng hàn vảy, hàn khí hoặc hàn bằng tia điện tử Đầu tự do nối với dây nối 7 tới dụng cụ đo nhờ các viets nối 6 dây đặt trong đầu nối dây 8 để cách ly các điện cực người ta dùng các ống sứ cách điện 4, sứ cách điện phải trơ về hóa học va đủ độ bằng cơ và nhiệt ở nhiệt dộ làm việc Để bảo vệ các điện cực , các cặp nhiệt có vỏ bảo vệ 1 làm bằng sứ chịu nhiệt hoặc thép chịu nhiệt Hệ thống vỏ bảo vệ phải có nhiệt dung đủ nhỏ để giảm bớt quán tính nhiệt à vật liệu chế tạo vỏ phả có độ dẫn nhiệt không quá nhỏ nhưng cũng không được quá lơn Trường hợp vở bằng thép mối hàn ở đầu làm việc có thể tiếp xúc với vở để giảm thời gian hồi đáp

2 Cấu tạo và vật liệu

Câu 3: Điện thế kế con chạy cơ học đo vị trí

dịch chuyển

3 Điện thế kế điện trở

2.1 Điện thế kế dùng con chạy cơ học

a) Cấu tạo và nguyên lý làm việc: gồm một điện

trở cố định (Rm) và một tiếp xúc điện (con

chạy) liên kết với vật khảo sát Khi vật di

chuyển, con chạy di chuyển theo, điện trở đo phụ thuộc vào vị trí con chạy Đo điện trở  vị trí.

3 Điện thế kế con chạy cơ học

1 2

M

R

Rm

Đo dịch chuyển quay  < 360 o

1 2

3 Điện thế kế con chạy cơ học

• Điện trở dạng dây cuộn: được chế tạo từ các hợp kim Ni - Cr, Ni - Cu , Ni - Cr - Fe, Ag - Pd

quấn thành vòng xoắn dạng lò xo trên lõi cách điện (bằng thuỷ tinh, gốm hoặc nhựa), giữa các vòng dây cách điện bằng emay hoặc lớp oxyt

bề mặt.

• Điện trở dạng băng dẫn: được chế tạo bằng

chất dẻo trộn bột dẫn điện là cacbon hoặc kim loại cỡ hạt ~10-2m.

3 Điện thế kế con chạy cơ học

b) Đặc điểm:

• Cấu tạo đơn giản

• Đo được dịch chuyển lớn

• Khoảng chạy có ích nhỏ hơn chiều dài điện trở (Lm)

• Độ phân giải của điện trở dạng dây ~10m, dạng băng dẫn ~ 0,1 m

• Thời gian sống thấp: dạng dây ~106 lần, dạng băng dẫn 5.107 - 108 lần

• Chịu ảnh hưởng lớn của bụi và ẩm

Câu 4: Điện thế kế con trỏ từ đo vị trí và

dịch chuyển.

2 1

1

R

R E

R R

R





Câu 5: Điện thế kế quang đo vị trí và dịch chuyển

5 Điện thế kế con chạy quang và từ

2.2.1 Điện thế kế con chạy quang

a) Cấu tạo và nguyên lý làm việc:

Đ iện trở

Thời gian 1

2

1 Điot phát quang 2.Băng đo

3 Băng tiếp xúc 4 Băng quang dẫn

Nguyên lí làm việc:

Điện thế kế tròn dùng con trỏ quang gồm điot phát quang 1 băng đo 2 băng tiếp xúc 3 và băng quang dâzn 4 băng điện trở đo đuuợc phân

cách với băng tiếp xúc bởi một băng quang dẫn rất mảnh làm bằng CdSe trên đó có con trỏ

quang dịch chuyển khi trục của điện kế quay

Điện trwor của vùng quang dẫn giảm đáng kể trong vùng được chiếu sáng tạo nên sự liên kết giữa băng đo và băng tiếp xúc

5 Điện thế kế con chạy quang

Câu 6: Các CB quang đo vị trí và dịch chuyển

Nguyên lí làm việc

Hoạt động theo nguyên tắc dọi phản

quang: Đầu thu quang đặt cùng phía với

nguồn phát Tia sáng từ nguồn phát qua

thấu kính hội tự đạp tới một thước đo

chuyển động cùng vật khỏa sát, trên thước

có những vạch chia phản quang và không phản quang kế tiếp nhau, khi ttia sáng gặp phải vạch chia phản quang sẽ bị phản xạ

trở lại đầu thu quang.

6 Cảm biến quang soi thấu

a) Cấu tạo và nguyên lý làm việc:

1 Nguồn sáng

2 Thấu kính hội tụ

3 Thước đo

Tín Hiệu

ra V r1

Vr2

Tín hiệu chuẩn

Nguyên lí làm việc

Khi thước đo ( gắn với đối tượng khảo sát, chạy giữa thấu kính hội tụ và lưới chia) có chuyển động tương đối so với nguồn sáng sẽ làm xuất hiện một tín hiệu sánh sáng hình sin TÍn hiệu này được thu bởi các tế bào quang điện đạt sau lưới chia Các tín hiệu đầu ra của cảm biến được khuếch đại trong một bộ tạo xung điện tử tạo thành tín hiệu xung dạng chữ nhật.

6 Cảm biến quang soi thấu

Câu 7: Nguyên lí đo biến dạng bằng các cảm biến điện trở?

CB điện trở đo biến dạng

Nguyên lí đo:

Dựa vào sự thay đổi điện trở của vật liệu khi có biến dạng Kích thước cảm biến nhỏ từ vài

mm đến vài cm, khi đo chúng được dán trực tiếp lên cấu trúc biến dạng=> dùng phổ biến

7 Cảm biến điện trở kim loại

2.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động:

• Dây điện trở tiết diện tròn d20m hoặc chữ nhật

Số nhánh n = 10 20 nhánh

• Đế cách điện: giấy (~ 0,1 mm), chất dẻo (~ 0,03 mm)

Đế cách điện

Dây điện trở

Đế cách điện

Màng điện trở

Nguyên lí làm việc:

khi đo cảm viến được gắn vào beef mt của cấu trúc cần khỏa sát, kết quả là cảm biến cũng chịu một biến dạng như biến dạng của cấu trúc.

7 Cảm biến điện trở kim loại

• Vật liệu chế tạo điện trở:

Isoelastic 52%Fe, 36%Ni, 8%Cr, 4%(Mn+Mo) 3,5

Karma 74%Ni, 20%Cr, 3%Cu, 3%Fe 2,1

Bạch kim -

vonfram

7 Cảm biến điện trở kim loại

• Sơ đồ cố định cảm biến trên bề mặt đo biến dạng:

7

1.Bề mặt khảo sát 2.Cảm biến

3.Lớp bảo vệ 4.Mối hàn

5 Dây dẫn

6 Cáp điện

7 Keo dán

7 Cảm biến điện trở kim loại

• Điện trở của cảm biến:



;Với

l R

R

l

l S

l C

1 2

1

K

7 Cảm biến điện trở kim loại

2.2 Đặc điểm:

 Vật liệu chế tạo điện trở cần có  đủ lớn.

 Hệ số đầu đo nhỏ: thông thường K = 2  3, (isoelastic có K = 3,5 và platin-vonfram K = 4,1) Trong giới hạn đàn hồi  K=const, Ngoài giới hạn đàn hồi (khi l/l > 0,5% - 20% tùy vật liệu)  K  2.

• Ảnh hưởng của T: trong khoảng - 100 o C  300 o C:

(K0 ứng với T = 25 o C, constantan  K = +0,01%/ o C, isoelastic khá lớn).

• Ảnh hưởng của biến dạng ngangsai số (không đáng kể có thể

bỏ qua)

 T K01 T T0 

7 Cảm biến áp trở silic

3.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động:

P P N

N NN N N

Điện trở Đế cách điện

c) Song song d) Song song

a) Loại dùng mẫu cắt

7 Cảm biến áp trở silic

• Điện trở: các mẫu cắt từ đơn tinh thể silic pha tạp P

hoặc N, kích thước: dài ~ 0,1 2 mm và chiều dày ~ 0,01mm

• Đế cách điện: nhựa.

• Để tăng tín hiệu có thể ghép nối tiếp, song song

nhiều mảnh cắt

7 Cảm biến áp trở silic

b) Loại khuếch tán:

• Điện trở: silic pha tạp loại P (hoặc N).

• Đế: silic pha tạp loại N (hoặc P).

• Lớp tiếp giáp P – N phân cực ngược.

Đế (Si-N)

Điện trở (Si-P)

SiO2

Dây nối

Nguyên lí làm việc

Dựa vào độ biến thiên của điện trở để xách định biến dạng của đối tượng

7 Cảm biến áp trở silic

• Điện trở của cảm biến:



;Với

l R

R

l

l S

l Y

1

200 100

( q

• Phụ thuộc vào nhiệt độ: nhiệt độ

tăng  K giảm, độ pha tạp lớn

(Nd>1020/cm3) K ít phụ thuộc

-100 0 100 200 300 400 500

T o C

40 80

120160

180200240

• Phụ thuộc độ biến dạng:

Khi  nhỏ  có thể coi K = const

2 2 2

K

Câu 8: Nguyên lí đo lực đựa trên hiệu ứng áp điện,

CB thạch anh đo lực

8 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Nguyên lý hoạt đ ng: ô dựa trên cơ sở hi u ứng áp ê

đi n: Dưới tác dụng của lực cơ học, tấm áp điện bị êbiến dạng, làm xuất hiện trên hai bản cực các điện tích trái dấu Hiệu điện thế xuất hiện giữa hai bản cực (V) tỉ lệ với lực tác dụng (F)



+ V~ F F

F

+ + + + + + + + + +

+Q -Q

8 CB thạch anh kiểu vòng đệm

a) Cấu tạo:

• Các vòng đ m: phiến cắt từ đơn tinh thể thạch anh, ê

nhạy với lực nén dọc theo chiều trục

1

2 Các tấm đế

Nguyên lí làm việc

Dựa trên hiệu ứng áp điên, khi cảm biến chịu tác dụng của một lực dọc trục nó sẽ làm thay đổi điên áp tại đầu ra 3, bằng việc đo điện áp tại đso ta sẽ xác định được lực tác dụng.

8 CB thạch anh nhiều thành phần

a) Cấu tạo:

a) Các phiến cắt

b) Cảm biến ba thành phần vuông góc

Nguyên lí làm việc

Dựa trên hiệu ứng áp điện, khi cảm beiesn chịu tác dụng của một lục dọc trục nó sẽ là thay đổi điện áp tại đầu ra 3, bằng việc đo điện áp tại đó ta sẽ xách định được lực tác dụng.

Đặc điểm:

Các vòng đệm thạch anh được cắt theo hướng khác nhau, khi đó chúng chỉ nhạy với 1 hướng xác định của lực

Câu 9:

Tốc kế điện từ xoay đo vận tốc góc kiểu máy phát đồng bộ

N

S

E





2 i

1 2

i

2

K R

L R

R

E

R V

Câu 10: Tốc kế điện từ trở biến thiên đo vận

tốc

10 Tốc đ kế xung ô

1.3.1 Tốc độ kế từ trở biến thiên

a) Cấu tạo và nguyên lý làm vi c:ê

1 Đĩa quay (bánh răng)

2 Cuộn dây

3 Nam châm vĩnh cửu

3 2

1

Khe từ ( )



10 Tốc độ kế từ trở biến thiên

• Nguyên lí làm việc

Khi đĩa quay  khe hở  biến thiên  từ trở mạch từ biến thiên   qua cu n dây biến ô thiên  trong cu n dây xuất hi n s.đ.đ cảm ô ê ứng (e) có tần số (f) tỉ l với tốc đ quay (n): ê ô

pn

10 Tốc độ kế từ trở biến thiên

b) Đ c điểm: ă

• Biên đ (E) của s.đ.đ cảm ứng phụ thu c: khoảng ô ô

cách giữa cu n dây - đĩa quay và tốc đ quay (ô ô min, n  E) Với nnmin nhất định E quá bé không thể

đo được  vùng chết

• Dải đo của cảm biến phụ thuộc vào số răng (p) của đĩa: p lớn  nmin nhỏ, p nhỏ  nmax lớn Ví dụ: p = 60 răng  dải đo n = 50  500 vg/ph, p = 15 răng  dải

đo n = 500  10.000 vg/ph

Câu 11: tốc độ kế quang đo vận tốc góc;

11 Tốc độ kế quang

1 Nguồn sáng 2 Thấu kính hội tụ

3 Đĩ a quay 4 Đầu thu quang

nhận được một thông lương ánh sang biến điệu và

phát tín hiệu có tần số tỉ lệ với tốc độ quay nhưng biên

đọ không phụ thuộc tốc độ quay

11 Tốc độ kế quang

b) Đ c điểm: ă

• Phạm vi đo phụ thu c:ô

+ Số lượng lỗ trên đĩa

+ Dải thông của đầu thu quang và 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 (~ 105 -

106 v/ph) phải sử dụng đĩa quay chỉ một lỗ, khi đó

tần số ngắt của mạch điện xác định tốc độ cực đại có thể đo được

Câu 12: CB Áp điện đo gia tốc rung

12 Gia tốc kế áp điện

Kiểu uốn cong:

M

1 2

3

1 Khối lượng rung

2 Phiến áp điện

3 Vỏ hộp

Nguyên lí làm việc:

Phép đo gia tốc rung được thể hiện qua việc đo lực ( cảm biến áp điện) Khi khối lượng rung M chuyển động tác dụng lên phiến áp điện và chuyển thành tín hiệu ở đầu ra Dưới tác dụng của lực cơ học, phiến áp điện bị biến dạng, làm xuất hiện trên 2 cản cực các điện thích trái dấu, hiệu điện thế xuất hiện giữa 2 bản cực tỉ lệ với lực tác dụng Đo V ta có thể xác định dược lực tác dụng F, qua đó xác định được gia tốc và chuyển động rung

• Nhạy với ứng lực của đế.

Kiểu uốn cong:

• Độ nhạy rất cao

• Tần số và gia tốc rung đo được bị hạn chế

2 0

2 2

0

1

2 1

1 a

z S

2

1

1 dC

z

Q S

2

1 S

S a

Q

Câu 13: cảm biến đo vận tốc rung

13 Cảm biến đo tốc độ rung

a) Cấu tạo & nguyên lý làm vi c: ê

bb

M 2

1

3 4 5

• Đại lượng đo sơ cấp m1 là tốc độ rung dh0/dt

• Đại lượng đo thứ cấp m2 là dịch chuyển tương đối z

ho c tốc đ dịch chuyển tương đối dz/dt.ă ô

Nguyên lí làm viêc

việc chuyển đổi tốc độ tương đối của khối lượng rung so với vỏ hộp thành tín hiệu điện thực hiện bởi mộ cảm biến vị trí tương đối kiểu didenj từ gồm một cuộn dây và một lõi nam châm Cuộn dây gắn với khối lượng rung, lõi nam châm đặt bên grong cuộn dây và gắn với vở cảm biến Bằng cách đo suất điện dộng của cuộn dây có thể đánh giá được tốc

độ rung cần đo

13 Cảm biến đo tốc độ rung

b) Đ c điểm: ă

• Kết cấu đơn giản

• Sai số do lực cản của cu n dây CB thứ cấp.ô

• Tín hi u ra là đi n áp.ê ê

• Đo rung tần số thấp

Độ nhạy:

Câu 14: CB đo áp suất kiểu lò xo 1 vòng và bộ biến đổi độ tự cảm đơn có khe từ biến thiên.

a) Lò xo một vòng

 R 2a

2b

A

V t li u: đồng thau, hợp kim nhẹ, thép cacbon, thép â êgió

14 Áp kế lò xo

• Nguyên lí làm việc

Khi p = p 0 , lò xo ở trạng thái cân bằng

• Khi (p > p 0 ), lò xo giản , ngược lại (p < p 0 ) lò xo co lại đầu tự

do dịch chuyển

• Biến thiên góc ở tâm ():

• Lực cân bằng ở đầu tự do:

2 2

2 2

2

x a

b 1 bh

R Y

1 p

sin sin

4 3

sin

x

s

48 a

b 1 pab

sin

cos

x

s

48 a

b 1 pab

k k

N  12  22 

14 Áp kế lò xo

b) Đ c điểm: ă

• Cấu tạo đơn giản,

• Góc quay phụ thu c hình dạng: loại m t vòng góc quay ô ô nhỏ, loại nhiều vòng ho c lò xo xoắn góc quay lớn ă

14 Áp kế điện cảm

a) Áp kế điện cảm kiểu khe từ biến thiên:

 Cấu tạo & nguyên lý làm vi c: ê



S /

l

W L

Câu 15: CB đo áp suất động của chất lưu bằng cảm biến màng đàn hồi và bộ chuyển dổi điện kiểu áp điện