C2 nguyen ly cam bien m

Cảm biến kỹ thuật đo - Chương Nguyên lý cảm biến 2-1 Chương Nguyên lý cảm biến 2.1.MỤC ĐÍCH SỬ DỤNG CẢM BIẾN Cảm biến phận cảm nhận biến thiên đại lượng vật lý chuyển thông tin nhận tới thiết bị thị Cảm biến thực chất dụng cụ dùng biến đổi đại lượng vật lý không điện lực, nhiệt độ, tốc độ, gia tốc …thành đại lượng điện Khi sử dụng đại lượng điện cho phép dễ đo, độ nhạy cao, dễ thực tự động hóa, đo từ xa kết hợp với máy tính để lưu trữ xử lý số liệu Theo nguyên lý có hai loại cảm biến loại khơng cần lượng bên ngồi loại cần lượng bên Bảng 2.1 Cảm biến khơng cần lượng bên ngồi Đại lượng đo Phần tử cảm biến Quan hệ Lực F Tinh thể piezoelectrique Q = k.F (cảm biến áp điện) Nhiệt độ T Cặp nhiệt ngẫu E= f(T) Thông lượng xạ Pin quang điện U = f(R) Tốc độ Máy phát cảm ứng E = f(d/dt) = k(dx/dt) Ký hiệu Bảng 2.2 Cảm biến cần lượng bên Đại lượng trung gian Các thông số biến đổi R = f( , l, S) : Điện trở suất; l: Chiều dài; S: Tiết diện dây C = f(S,δ,) S: Tiết diện cực; δ: Khoảng cách hai cực; : Hằng số điện môi L = f(l,S,,n) l: chiều dài; S: diện tích vịng dây; : Độ từ thẩm; n: số vịng dây Trần Thanh Hải Tùng, Bộ mơn Máy động lực, Khoa Cơ khí giao thơng, ĐHBK ĐN Cảm biến kỹ thuật đo - Chương Nguyên lý cảm biến 2-2 2.2 CÁC LOẠI CẢM BIẾN Cảm biến kiểu biến trở Lợi dụng tính chất biến trở thay đổi vị trí giá trị điện trở mạch thay đổi, dẫn đến điện áp thay đổi, áp dụng để đo mức, đo vị trí bàn đạp… R= l S : điện trở suất l: chiều dài đoạn biến trở S: tiết diện U=RI U=U1+U2 Hình 2.1 Cảm biến kiểu biến trở Cảm biến điện trở lực căng Thường dùng để đo biến dạng, đo lực, đo ứng suất Khi dán dây điện trở vào chỗ cần đo biến dạng, điện trở dây R =  Hình trịn: S = D Hình chữ nhật: S=a.b l (Strain Gauge) S dS 2dD = S D dS da db = + S a b dR d dl dS = + − R  l S Hình 2.2 Cảm biến điện trở lực căng dl độ biến dạng dài tương đối phương chiều dài, biến dạng theo l dD da db = = = −  ( hệ số poisson vật liệu) phương vng góc là: D a b Đặt  = d d     dR d    = +  + 2 =  1 + 2 + =  hệ số tỷ lệ với   R        Rút ra: dR =  k với k = (1 + 2 +  ) thay đổi biến dạng tỷ lệ với thay R đổi điện trở đo dạng điện Trần Thanh Hải Tùng, Bộ môn Máy động lực, Khoa Cơ khí giao thơng, ĐHBK ĐN Cảm biến kỹ thuật đo - Chương Nguyên lý cảm biến 2-3 Hình 2.3 Sơ đồ mắc cảm biến điện trở cầu đo Hình 2.4 Sơ đồ dán cảm biến điện trở lực căng để đo lực kéo mơ men uốn a, Một nhánh làm việc, có bù nhiệt; b,c, Hai nhánh làm việc, có bù nhiệt; d, bốn nhánh làm việc, có bù nhiêt Cảm biến điện trở nhiệt Lợi dụng thay đổi điện trở kim loại theo nhiệt độ người ta dùng cảm biến nhiệt điện trở để đo tốc độ, nhiệt độ dòng chảy Nguyên lý đo dựa đặc điểm nhiệt độ thay đổi điện trở suất  vật liệu thay đổi, thông thường thay đổi (T) phi tuyến, nhiên tính gần theo công thức sau:  (T ) = 0 1 +  (T − T0 ) (T): điện trở suất nhiệt độ T 0: điện trở suất nhiệt độ T0  Hệ số nhiệt vật liệu (k-1) T0,T: Nhiệt độ đầu nhiệt độ cuối Thông thường  xác định thông qua điện trở vật liệu hai giá trị nhiệt độ cách 1000C (R0, R100) = R100 − R0 R0 100 Dùng cảm biến điện trở nhiệt để đo tốc độ tức thời dịng chảy rối ví dụ lưu lượng khí (ống pitot đo tốc độ trung bình) Hình 2.5 Trần Thanh Hải Tùng, Bộ mơn Máy động lực, Khoa Cơ khí giao thơng, ĐHBK ĐN Cảm biến kỹ thuật đo - Chương Nguyên lý cảm biến Hình 2.5 Cảm biến điện trở nhiệt 2-4 Hình 2.6 Sơ đồ cầu Wheatston Nguyên lý mạch cầu đo: Cầu đo gồm bốn điện trở R1, R2, R3, R4 gọi nhánh cầu Trên nhánh chéo cầu đo cung cấp điện U, nhánh cịn lại mắc dụng cụ đo có điện trở R đ Trên nhánh cầu với điện trở R1, R2 có dịng điện I1, I2 qua, nhánh với điện trở R3, R4 có dịng Iđ qua Theo định luật Kiếc hốp mạch điện phân nhánh ta có: Id = U ( R2 R4 − R1 R3 ) Rd ( R1 + R4 )( R2 + R3 ) + R1R4 ( R2 + R3 ) + R2 R3 ( R1 + R4 ) Khi R2R4-R1R3=0, cầu cân Iđ=0 Khi Iđ  0, cầu cân bằng, mức độ cân thể qua điện kế G Ngun lý cảm biến “dây nóng”: Dây nóng dây điện trở nhiệt Rt mắc cầu điện trở Wheatston, có nguồn cung cấp nung lên tỏa nhiệt lượng W tỷ lệ với RI2 Khi có dịng chảy chảy qua, truyền nhiệt đối lưu, nhiệt lượng thay đổi lượng: Q = h (Tcảm biến - Tdịng chảy); Trong h hệ số trao đổi nhiệt đối lưu, h~Nu (chỉ số Nusselt), có nghĩa h ~ tốc độ dịng chảy v Như lượng nhiệt tỷ lệ với tốc độ dịng chảy, nhiệt độ dây nóng giảm làm cho điện trở giảm, cầu cân bằng, điều xác định điện kế G Dây nóng có kích thước nhỏ có khả đo biến thiên với tần số cao ngược lại Cảm biến điện dung Cảm biến thực chất tụ điện là: Tụ phẳng tụ hình trụ Đối với tụ phẳng, điện dung tụ: C =  S  +  số điện môi chất cách điện + S: tiết diện cực +  khe hở cực Trần Thanh Hải Tùng, Bộ mơn Máy động lực, Khoa Cơ khí giao thông, ĐHBK ĐN Cảm biến kỹ thuật đo - Chương Nguyên lý cảm biến 2-5 Hình 2.7 Cảm biến điện dung: a, loại phẳng; b, loại hình trụ; c, loại xoay Hình 2.8 Sơ đồ cảm biến điện dung Đối với tụ hình trụ, điện dung tụ: C = 2 l D ln D1 + l: chiều dài tác dụng tụ điện + r1, r2 bán kính hình trụ ngồi Điện trở tụ: RC = , thay đổi C thay đổi điện trở RC C. Cảm biến điện dung áp dụng để đo vị trí, dao động… Cảm biến điện cảm Thường áp dụng để đo dao động, tốc độ, vị trí… Trần Thanh Hải Tùng, Bộ mơn Máy động lực, Khoa Cơ khí giao thơng, ĐHBK ĐN Cảm biến kỹ thuật đo - Chương Nguyên lý cảm biến 2-6 Hình 2.9 Nguyên lý cảm biến điện cảm Cảm kháng cuộn dây tính theo cơng thức: L = N2 R N: số vòng dây RΣ: Tổng trở mạch từ RΣ = RS + RL RS = l 0  r S ; RL = 2 0 S l: chiều dài lõi sắt  hệ số từ trở khơng khí r: hệ số từ trở tương đối sắt S: Tiết diện lõi sắt  Khe hở khơng khí Hình 2.10 Cảm biến điện cảm: a, loại đơn; b, loại ghép Vậy: L = N2 l 0  r S + 2 0 S Thay đổi  thay đổi cảm kháng L, nhiên loại cảm biến không phù hợp với môi trường có nhiệt độ cao Trần Thanh Hải Tùng, Bộ mơn Máy động lực, Khoa Cơ khí giao thơng, ĐHBK ĐN Cảm biến kỹ thuật đo - Chương Nguyên lý cảm biến 2-7 Cảm biến nhiệt điện Còn gọi cặp nhiệt ngẫu Cảm biến dựa hiệu ứng nhiệt điện, hai dây kim loại hàn lại với điểm mạch hai dây kim loại có dịng điện đầu nối chung đốt nóng Thế hiệu hai đầu dây xác định: UT = T1   T dT ; T1, T2 nhiệt độ môi trường nhiệt độ đầu đo T2  hệ số Pelltier Cặp nhiệt ngẫu áp dụng nhiều để đo nhiệt độ Hình 2.11 Cảm biến nhiệt điện Cảm biến quang điện Cảm biến quang điện thực chất sử dụng linh kiện quang điện, bị thay đổi trạng thái điện có ánh sáng thích hợp tác động vào bề mặt + Tế bào quang điện: Đặc trưng tế bào quang điện điện trở phụ thuộc vào thơng lượng xạ phổ xạ Cơ sở vật lý tế bào quang điện tượng quang dẫn kết hiệu ứng quang điện bên trong, tượng giải phóng hạt tải điện vật liệu bán dẫn tác dụng ánh sáng Cảm biến thường dùng để đo tốc độ, gia tốc Hình 2.12 Cảm biến quang điện Trần Thanh Hải Tùng, Bộ mơn Máy động lực, Khoa Cơ khí giao thông, ĐHBK ĐN Cảm biến kỹ thuật đo - Chương Nguyên lý cảm biến 2-8 Cảm biến áp điện Dựa nguyên lý hiệu ứng áp điện số tinh thể khoáng chất thạch anh, loại tinh thể tác dụng lực học, tinh thể xuất phân cực, điện tích tích điện tỷ lệ với tải trọng tác dụng vào tinh thể Trong thí nghiệm động thường dùng tinh thể thạch anh SiO2 để đo áp suất buồng cháy có sức bền cao, chịu nhiệt độ cao ổn định Áp suất Điện cực Điện cực Tinh thể Tinh thể Áp suất Hình 2.13 Cảm biến áp điện Điện lượng sinh tinh thể có lực P tác dụng xác định sau: Q=k.P Với k hệ số áp điện SiO2 k=2,1.10-2 C/N P: Lực tác dụng (N) Trên hình 2.14 2.15 thể sơ đồ khối hệ thống đo dùng cảm biến Hình 2.14 Sơ đồ hệ thống đo thuộc nhóm Hình 2.15 Sơ đồ hệ thống đo thuộc nhóm (điều khiển) Trần Thanh Hải Tùng, Bộ môn Máy động lực, Khoa Cơ khí giao thơng, ĐHBK ĐN Cảm biến kỹ thuật đo - Chương Nguyên lý cảm biến Trên hình 2.16 thể kết cấu số loại cảm biến thơng dụng Hình 2.16 Kết cấu số loại cảm biến thông dụng Trần Thanh Hải Tùng, Bộ mơn Máy động lực, Khoa Cơ khí giao thông, ĐHBK ĐN 2-9 Cảm biến kỹ thuật đo - Chương Nguyên lý cảm biến Contents Chương Nguyên lý cảm biến 2.1.MỤC ĐÍCH SỬ DỤNG CẢM BIẾN 2.2 CÁC LOẠI CẢM BIẾN Cảm biến kiểu biến trở: 2 Cảm biến điện trở lực căng: Cảm biến điện trở nhiệt: Cảm biến điện dung: Cảm biến điện cảm: Cảm biến nhiệt điện: 7 Cảm biến quang điện: Cảm biến áp điện: Trần Thanh Hải Tùng, Bộ môn Máy động lực, Khoa Cơ khí giao thơng, ĐHBK ĐN 2-10