Giáo án các môn học khối lớp 2 - Tuần 10 năm 2007

+ Do vùng không nhạy : Do cấu tạo cảm biến gồm nhiều vòng dây quấn liên tiếp nhau cho nên khi tiếp điểm động chuyển động từ vòng dây này sang vòng dây khác thì điện áp U ra cảm biến b[r]

(1)

ĐH Bách Khoa Hà Nội

§3 Cảm Biến Nhiệt Độ

- Để đo nhiệt độ hệ thống tự động có nhiều biện pháp khác Trên sở người ta sử dụng cảm biến nhiệt độ với nguyên lý làm việc khác VD : nhiệt điện trở, nhiệt ngẫu, quang…

1 Thang đo nhiệt độ :

Được xác định từ định luật nhiệt động

a Thang nhiệt độ nhiệt động tuyệt đối : Thang Kenvin (0K) nhiệt độ cân điểm cân trạng thái nước, nước đá

b.Thang Celcius : thang nhiệt độ bách phân (0C) 15 273 ) C ( t ) K (

T  

c Thang Farenheit :

  32 ) C ( T ) F ( T 32 ) C ( T ) C ( T 0 0    

2 Cảm biến nhiệt điện trở :

- Cảm biến nhiệt điện trở cảm biến có điện trở biến đổi theo nhiệt độ - Kim loại điện trở biến đổi theo nhiệt độ, thể qua α (hệ số nhiệt điện trở)

- Phân loại : loại

+ Cảm biến nhiệt điện trở kim loại + Cảm biến nhiệt điện trở bán dẫn + Nhiệt điện trở

a Cảm biến nhiệt điện trở kim loại Có loại :

- Dây kim loại : gồm sợi dây kim loại dán bìa cách điện Vật liệu thường dùng Pt, Ni, W, Cu

Khoảng nhiệt độ đo : Pt (2000C ÷ 12000C)

Ni (-1900C ÷ 2500C)

Cu (-500C ÷ 1800C)

) ( R

R  0  nhiệt độ θ tăng dẫn đến R tăng theo Qua R đo ta xác định nhiệt độ qua công thức

Để cảm biến có độ nhạy cao ta phải chọn kim loại có điện trở suất (ρ) lớn

q l

R  R tăng l tăng, q giảm

Điện trở R lớn độ nhạy cao dải đo hẹp

(2)

b.Cảm biến nhiệt điện trở silic (bán dẫn)

- Các vật liệu bán dẫn nhạy cảm với nhiệt độ Do người ta dùng vật liệu bán dẫn để chế tạo cảm biến đo nhiệt độ

- Silic tinh khiết có hệ số nhiệt điện trở α < 0, tác động dải nhiệt độ α >

θ < 2000C α > θ > 2000C α <

 2

0

T R A(T T ) B(T T )

R     

Trong : R0, T0 điện trở, nhiệt độ điểm chuẩn (00K)

A = 0,007874 (K-1) B = 1,874.105 (K-2) c Nhiệt điện trở :

- Được chế tạo từ hỗn hợp bán dẫn oxit dạng tinh thể Các hỗn hợp dạng bột với tỉ lệ định sau nén định dạng thiêu kết 10000C

- So với loại cảm biến khác loại có độ nhạy cao gấp hàng chục lần so với cảm biến nhiệt điện trở kim loại

- Gồm loại :

+ cảm biến nhiệt điện trở có α > + cảm biến nhiệt điện trở có α < Cảm biến cặp nhiệt ngẫu

a Cấu tạo : gồm dây kim loại có chất hóa học khác hàn kín với

b.Nguyên lý làm việc : dựa vào hiệu ứng nhiệt điện, hình thành từ sở hiệu ứng Thomson hiệu ứng Seebek

- Hiệu ứng Thomson : dây dẫn có điểm nhiệt độ khác chúng có hiệu điện hay sức điện động sđđ, phụ thuộc chất vật dẫn nhiệt độ điểm

- Hiệu ứng Seebek : mạch điện vật dẫn khác nối kín điểm giữ nhiệt độ t1,t2 Chúng tạo thành cặp nhiệt điện, t1 ≠ t2

các điện tích khuếch tán sang tạo nên sức điện động Do mạch có dịng điện i

Khi t1 = t2 EABeAB(t1)eBA(t2)0eAB(t1)eBA(t2) Khi t1 t2thì EAB(t)eAB(t1)eBA(t2)eAB(t1)eAB(t2)

Nếu t2 t0 const: EAB(t)eAB(t)Cf(t) với CeAB(t0) Như cách đo sức điện động nhiệt E, ta xác định nhiệt độ vật cần đo

(3)

c – dây dẫn

Hình 3a

Hình 1b

1 - Mối hàn làm việc ; Mối hàn tự ; – Mối hàn trung hòa ; c – dây dẫn

c Đo nhiệt độ bán dẫn diode, tranzitor : - Dùng diode :

mV C

3 B A

1

t0 t

mV A

t0

1

t B

C

(4)

Hình 2a Hình 2b - Dùng tranzitor

Khi nhiệt độ tăng I tăng, U tăng Qua U ta xác định nhiệt độ - Dải đo : -500C ÷ 1500C

- Độ nhạy :

dt du

s (khoảng 2.5mV/0C) Cảm biến quang đo nhiệt độ :

- Hỏa kế xạ (3000C ÷ 60000C) đo gián tiếp - Hỏa kế quang học (8000C ÷ 60000C)

- Hỏa kế quang điện (8000C ÷ 60000C) Nhiệt kế áp suất (áp kế nhiệt) :

- Dựa vào phụ thuộc áp suất làm việc chất hệ thống vào nhiệt độ Tùy theo trạng thái làm việc chất mà nhiệt kế áp suất chia làm loại : khí lỏng

- Dải đo : -1500C ữ 6000C

Đ4 Cm Bin V Trớ V Di Chuyển A – Khái niệm chung :

- Trong tự động điều kiện làm việc xác định vị trí di chuyển đóng vai trị quan trọng Có phương pháp để xác định vị trí di chuyển

- Phương pháp : cảm biến cung cấp tín hiệu hàm phụ thuộc vào vị trí vật (phần tử bản) Phần tử có liên quan đến vật di chuyển cần xác định

- Phương pháp : ứng với di chuyển bản, cảm biến phát xung Việc xác định vị trí vật xác định việc đếm số xung phát

- Các cảm biến có thơng số : R, L, C, M, E

Ngoài phương pháp cịn có phương pháp đại : + phương pháp song đàn hồi từ

+ phương pháp quang học laser + phương pháp sợi quang

I

U

I

(5)

B - Cảm biến điện trở :

- Định nghĩa : cảm biến điện trở cảm biến mà đương lượng đầu vào di chuyển (thẳng quay) đương lượng đầu biến đổi điện trở tương ứng

- Phân loại : loại

+ Cảm biến điện trở dây quấn + Cảm biến điện trở tiếp xúc + Cảm biến điện trở biến dạng 1.Cảm biến điện trở dây quấn :

- Cấu tạo, nguyên lý làm việc giống biến trở điều chỉnh Đương lượng đầu vào đương lượng vào tác động trực tiếp vào tiếp điểm động cảm biến dẫn đến trị số đầu cảm biến biến đổi tương ứng Tiếp điểm động cảm biến chuyển động thẳng quay

Hình 1a Hình 1b

- Cấu tạo : gồm phận

+ Khung quấn dây : làm vật liệu cách điện chịu nhiệt có tiết diện khơng đổi (tuyến tính) thay đổi (phi tuyến)

+ Dây điện trở : sử dụng có điện trở suất lớn, bị oxi hóa hệ số nhiệt điện trở α thấp Bên dây phủ lớp sơn cách điện Độ lớn điện trở dây phụ thuộc độ xác cảm biến

d = (0.03 ÷ 0.1)mm : độ xác cao d = (0.1 ÷ 0.5)mm : độ xác thấp

+ Tiếp điểm động : làm vật liệu dẫn điện tốt, chịu mài mịn, có điện trở bé

x Uv

Ur



(6)

- Nguyên lý : Khi x biến đổi dẫn đến điện trở cảm biến biến đổi theo Điện áp đầu biến đổi theo điện trở cảm biến Qua Ura đo ta xác định

được x

- Phân loại : gồm loại theo kết cấu + Cảm biến điện trở dây quấn tuyến tính + Cảm biến điện trở dây quấn phi tuyến 1.Cảm biến điện trở tuyến tính :

- Định nghĩa : loại cảm biến mà quan hệ Ura x dạng đường

thẳng

- Các cách mắc : mắc phân áp mắc biến trở

Hình 1.1 Hình 1.2 - Khi không tải (Rt = ∞) :

Hình 1.3

x s l x U r R U

U 0

0

r0    với s độ nhạy

Uv

Ur

Uv

Ur

U0

Ur

(7)

r điện trở tương ứng với dịch chuyển x R0 l x r

- Cảm biến quay :  s.

l U U

max r0 Đặc tính cảm biến

Hình 1.4

Nhược điểm : đặc tính vào khơng đổi dấu ( khơng nhảy cực tính )

- Để khắc phục nhược điểm dùng cảm biến điện trở dây quấn có cực tính

Hình 1.5



0 l

U0

U

x tgx =s

Uv

Ur

(8)

Hình 1.6

Khi Ur = f(x) đường thẳng

Nhược điểm : điện áp lớn U0/2 Nên giảm độ nhạy cảm biến

- Để khắc phục nhược điểm người ta sử dụng cảm biến cực tính kép ( ghép cảm biến đơn giống có tiếp điểm động chuyển động ngược chiều nhau, nối liên động với nhau)

Hình 1.7

- l/2 l/2

2

1

x U

U0/2

- U0/2

U0

Ur

R0

(9)

- Ưu điểm : tăng độ nhạy cảm biến, thay đồi dấu điện áp

Trong trình làm việc cảm biến có sai số nhiều nguyên nhân : chủ quan, khách quan

+ Do vùng không nhạy : Do cấu tạo cảm biến gồm nhiều vòng dây quấn liên tiếp tiếp điểm động chuyển động từ vòng dây sang vòng dây khác điện áp Ura cảm biến biến đổi nhày cấp với ∆Ura điện áp

trên vòng dây cảm biến w U

U

ra 

 với w số vòng dây cảm biến

Hình 1.8

Đường kính dây nhỏ độ xác cao Do để giảm sai số cảm biến ta phải giảm đường kính dây quấn tăng số vòng dây quấn

b Sai số tải :

Hình 1.9 Hình 1.10 x

U0

Ur

Rt

R0

r

U0

Ur

Rt

R0- r

(10)

Khi có tải Rt ta có sơ đồ hình vẽ

Hình 1.11 ta có t t td R r R r R   R r R . r I R . I U t td r    t t r td 0 r r R R R R r U U R r R U I       

Ta thấy điện áp Ura phụ thuộc Rt

+ Khi Rt >> R0 : không tải

0 r 0 r U R r U

U  

Đặc tính Ur0 = f(x) đường thẳng

+ Khi Rt ≈ R0 có sai số

2 t 2 t t 0 r r R R ) r R ( r U r r R R R R r U r R U U U

U  

      

Sai số tương đối : (*)

R R ) r R ( r U U a 2 t    

Ta nhận thấy a phụ thuộc r để tìm amax ta xét

l x a a R r dr da max           

Thay giá trị a vào (*) ta có

   27 R 27 R a t

max với

0 t

R R



 gọi hệ số tải Rtđ

R0- r

r

Ur

(11)

Nhận xét : amax phụ thuộc Rt suy Rt tăng a giảm ngược lại Do

đó để giảm sai số phải tăng Rt

Hình 1.12

Như ảnh hưởng Rt nên đặc tính Ur = f(x) khơng phải đường

thẳng mà đường cong có hình dạng phụ thuộc giá trị tải Do ảnh hưởng Rt cảm biến có sai số ΔU Sai số lớn Rt nhỏ ngược

lại

Hình 1.13

Ngồi ngun nhân cịn có nhiều ngun nhân khác gây sai số cho cảm biến VD : nhiệt độ, ma sát, điện áp tiếp xúc…

2.Cảm biến điện trở phi tuyến :

Rt=

2/3l Ur

1 2 3 1>2>3

x

Umax

3 2

1

2/3 l l x

(12)

- Đặc tính Ur = f(x) phi tuyến

- Các biện pháp chế tạo cảm biến phi tuyến: + Thay đổi đường kính dây quấn

+ Thay đổi bước dây quấn

+ Thay đổi tiết diện ngang khung dây

+ Mắc điện trở vào phân đoạn khác cảm biến tuyến tính phương pháp đầu khơng dùng lí công nghệ, chủ yếu dùng phương pháp sau

a Thay đổi tiết diện ngang khung dây : - d = const

- bước dây quấn không đổi

- giữ nguyên bề rộng khung dây (b)

- thay đổi chiều cao khung dây (h) : tìm h(x) phù hợp với Ur = f(x) cho

Ví dụ : Tìm h(x) cảm biến biết Ur = f(x)

b - bề rộng khung l - chiều dài cảm biến w - số vòng dây

R0 - điện trở cảm biến

S - tiết diện dây quấn

rx - điện trở dây quấn ứng với x

Hình

Khi tiếp điểm động cảm biến chuyển dịch đoạn dx điện trở cảm biến thay đổi lượng tương ứng drx

dx l w ) h b ( s

drx    x

Do b << hx nên b + hx ≈ hx dx

l w h s drx  x 

Đồng thời điện áp Ur biến đổi lượng tương ứng dUr

dx x

b l

(13)

ĐH Bách Khoa Hà Nội dx ls R w h U dr R U dU x x 0 r    dx dU K h dx dU K dx dU w U ls R h r x r r 0

x   

 



b.Mắc điện trở vào phân đoạn khác cảm biến tuyến tính - Sử dụng cảm biến điện trở tuyến tính chia làm nhiều đoạn Tại đoạn ta mắc song song với điện trở Rsi có trị số phù

hợp cho điện áp rơi đoạn điện áp chọn

td

R U

I với 

  si si td R r R r R

- Khi tiếp điểm động vị trí i U U I.r (*)

1 i k ix i k ri      r R r I R r R r R I R U I I I I si si si si si i si si i       

Vậy )

r R r ( I I si i   

Thay Ii vào phương trình (*) :

r Rs1

r Rs2

r Rsn

(14)

i i i i i

i k

k

i k

ix si

k

ri ).r U I.K.K x A B x

r R

r ( I U

U    

  

 

  



Ta nhận thấy phân đoạn thứ i : Usi =f(xi) có dạng đường thẳng

nghiêng với trục x góc αi với tgαi = Bi Giá trị αi tuỳ thuộc vào Rsi Do

Usi =f(xi) đường gãy khúc gồm nhiều đoạn thẳng với góc nghiêng

khác nối với Nếu phi tuyến hoá ta đường cong liên tục, sai số giảm phân đoạn nhiều

Hình

Ưu điểm :

- Kết cấu đơn giản, độ xác cao, trọng lượng khối lượng nhỏ - Có thể tạo dạng điện áp Ur tuỳ ý

- Đặc tính tương đối ổn định dùng cho nguồn chiều xoay chiều Nhược điểm :

- Do có tiếp xúc nên tuổi thọ bị ảnh hưởng - Độ nhạy không cao

- Tổn hao nhiệt trình làm việc 2.Cảm biến điện trở tiếp xúc

- Cảm biến điện trở tiếp xúc cảm biến mà đương lượng đầu vào lực tác động, đương lượng đầu biến đổi giá trị điện trở tiếp xúc

- Cấu tạo : gồm nhiều đĩa than xếp chồng lên Mỗi đĩa có chiều dày từ 1-2 mm , đường kính d = 3÷5 mm Một cảm biến thường có 10÷15 đĩa than

x xi

0



Uri

(15)

Hình

- Đặc tính vào ra: Rtx = f(F)

0 tx m

tx R

F K

R  

k hệ số phụ thuộc vật liệu đĩa than

m hệ số phụ thuộc dạng tiếp xúc ( m = 1) Rtx điện trở tiếp xúc 0oC

Hình

+ Đặc tính có dạng trễ (vì vật liệu đĩa than khơng có tính chất đàn hồi ) + Có sai số, đồng thời nhiệt độ mơi trường gây sai số cảm biến + Đặc tính Rtx = f(F) có dạng phi tuyến

- Ứng dụng : dùng để đo áp lực đo tải trọng dùng việc ổn định điện áp máy phát điện chiều

- Ưu điểm : kết đơn giản, công suất lớn, giá thành rẻ - Nhược điểm : độ bền không cao

3.Cảm biến điện trở biến dạng :

- Nguyên lý : có lực tác động vào vật dẫn điện kích thước cấu trúc chúng bị biến đổi, điện trở biến đổi theo

- Loại cảm biến thường dùng để đo lực tác động biến đổi chi tiết máy

F

Rtx

F Fth

(16)

- Phân loại : loại + kiểu dây + dát mỏng + bán dẫn

a Cảm biến kiểu dây :

- Cấu tạo : gồm màng mỏng đặc biệt có dán dây dẫn mảnh có điện trở suất lớn ( d = 0,002÷0,05 mm) R = 100÷200 Ω gồm 40 mắt ziczắc

Hình

- Nguyên lý : lực tác động F biến đổi làm cho điện trở R biến đổi nên điện áp đầu biến đổi

- Với loại cảm biến việc biến đổi theo chiều dài cảm biến có tác dụng biến đổi tiết diện Để khắc phục sai số cảm biến nhiệt độ

người ta thường dùng sơ đồ cầu để đo

F

R=const

R+R

U R1

R1

(17)

- Muốn đo lực tác động lên vật người ta dán cảm biến lên vật Khi F biến đổi dẫn đến điện trở cảm biến R biến đổi Qua icb đo ta

xác định giá trị lực F ( E – mô đun đàn hồi) Es

F l

l

 

- Ưu điểm : đặc tính ổn định, kết cấu đơn giản - Nhược điểm : độ nhạy không cao

b.Cảm biến kiểu dát mỏng :

- Dây điện trở dạng dây dẹt, công nghệ chế tạo cảm biến giống công nghệ chế tạo mạch in Dán kim loại mỏng lên bề mặt vật liệu cách điện, sau dùng phương pháp ăn mịn hố học chế tạo cảm biến theo dạng tuỳ ý Độ dày kim loại nhỏ 10-3 mm

- Do dây dẫn kiểu dẹt nên khả toả nhiệt tốt

- Do chế tạo cảm biến có dạng tuỳ ý nên loại cảm biến đo lực theo nhiều phương khác

c Cảm biến bán dẫn

- Dán phiến bán dẫn lên bía cách điện Do đặc điểm vật liệu bán dẫn có độ nhạy cao, bị lực tác dụng Do người ta ứng dụng nguyên tắc chế tạo cảm biến đo lực biến dạng Nhưng nhược điểm độ biến dạng vật liệu nhỏ, đo lực biến dạng nhỏ

C Cảm Biến Điện Cảm

- Cảm biến điện cảm cảm biến mà đương lượng đầu vào chuyển dịch lực đương lượng đầu biến đổi điện cảm L tương ứng

- Phân loại

+ Cảm biến điện cảm biến đổi + Cảm biến điện cảm kiểu biến áp + Cảm biến kiểu đàn hồi từ

1 Cảm biến điện cảm biến đổi :

Hình U

R, L



x()

(18)

- Cấu tạo : gồm mạch từ tĩnh có cuộn dây mạch từ động gắn vào vật di chuyển cần đo

- Đại lượng đầu vào dịch chuyển x, đại lượng đầu biến đổi dòng điện i

- Nguyên lý : Khi x biến đổi điện cảm L biến đổi, dẫn đến dịng i biến đổi Qua i đo ta xác định x

2 L t) X

R R ( U Z U I    

mà XL = ωL = ω.w2.Gδ =

  .w2 0.s

khi x biến đổi →δ biến đổi → L biến đổi : đo chuyển động ngang x biến đổi → s biến đổi → L biến đổi : đo chuyển động dọc

- Đặc tính cảm biến : I = f(x) = f(s)

Hình 2 0 L L K                 

L0 giá trị điện cảm ban đầu δ = δ0 s0 0 s s L s L K    

- Nhược điểm :

+ Dịng tải khơng đổi dấu ( It khơng nhạy cực tính)

+ Do ảnh hưởng lực hút điện từ tác động lên phần động cảm biến gây sai số

+ Do ảnh hưởng dịng điện I0 nên gây khó khăn cho phép đo

điều khiển Để khắc phục nhược điểm người ta sử dụng cảm biến điều chỉnh vi sai

I0

I I

s

(19)

Phần tử tự động

-Đặc tính It dốc tuyến tính độ nhậy cao

I

s 0 s/2

It

δ

Uv

S1 S2

I1

(20)

-lực hút điện từ tự động lên phần động chuyển biến trị số ngược dấu →triệt tiêu

-t¹i s=

2

s

th× It=0

- Dấu It phụ thuộc chiều chuyển động nắp so với vị trí trung gian -Độ lớn It thể chuyển đổi x tương ứng

*ưu điểm : Độ nhậy cao , giới hạn đo lớn -ít bị ảnh hưởng nhiệt độ

- S biến đổi đo :0.01ữ5 mm - S biến đổi đo :0.5ữ15 mm

2/ Cảm biến điện cảm kiểu biến áp (cảm biến hỗ cảm) -Cấu tạo :máy biến áp bình thường

-W1 nối với nguồn -W0 nối với dơng ®o

Khác nắp mạch từ cuộn dây gắn vào phần tử cần đo → phần tử chuyển động → Ura biến đổi dựa vào Ura ta xác định vị trí phần tử

+cảm biến nắp chuyển dịch , cuộn dây sơ cấp đứng yên + Cuộn dây chuyển động

Định dạng
Số trang	20
Dung lượng	285,47 KB