II. Các loại cảm biến
2. Cảm biến điện trở lực căng (tenzômet)
+ Cấu tạo: Hình bên là cấu tạo của cảm biến điện trở lực căng, bao gồm:
1. Tấm giấy mỏng.
2. Dây mảnh:Φ = 0,02ữ0,03mm.
Chế tạo bằng vật liệu constantan, nicrôm, hợp kim platin-iridi Thông th ờngl0= 8ữ15mm, khi cần kích th ớc nhỏl0= 2,5mm. Chiều rộng a = 3ữ10mm
Điện trở thay đổi từ 10ữ150Ω. Khi chiều dài tác dụng không bị hạn chế
l0có thể dài tới 100mm. Điện trở từ 800ữ1000Ω.
3. Thanh dẫn là đ ờng tín hiệu, để nối với mạch đo
+Nguyên tắc làm việc: dựa trên hiệu ứng tenzô, có một số vật liệu mà
khi nó bị biến dạng thì điện trở của nó thay đổi. Khi đo biến dạng∆l/l , cảm
biến đ ợc dán trên đối t ợng đo, khi đối t ợng đo bị biến dạng thì tenzô biến dạng theo và điện trở của tenzô thay đổi một l ợng∆R/R.
Tức là∆R/R=f(∆l/l)
Qua việc xác định biến thiên R, ta có thể xác định đ ợc l ợng biến thiên về chiều dài l
+ Phân loại: tenzômet chia làm các loại màng mỏng, lá mỏng, dây mảnh
+ Mạch đo: th ờng dùng mạch cầu (cầu 1 chiều hoặc xoay chiều)
l0
a
1 2
+ứng dụng:
Đo biến dạng.
Đo lực, đo áp suất, đo mômen quay, đo gia tốc và các đại l ợng khác nếu có thể biến đổi thành biến dạng đàn hồi với ứng suất không bé hơn (1 ữ
2)107N/m2.
Loại cảm biến này có thể đo các đại l ợng biến thiên tới vài chục KHz 3. Cảm biến kiểu điện cảm
+ Cấu tạo:
Cảm biến điện cảm là một cuộn dây quấn trên lõi thép có khe hở không khí (mạch từ hở). Thông số của nó thay đổi d ới tác động của đại l ợng vào XV.
+ Nguyên tắc làm việc: D ới tác động của đại l ợng đo XVlàm cho phần ứng 3 di chuyển, khe hở không khíδthay đổi làm thay đổi từ trở của lõi thép, do đó điện cảm và tổng trở của cảm biến cũng thay đổi theo. Điện cảm có thể thay đổi do tiết diện khe hở không khí thay đổi hoặc thay đổi do tổn hao dòng điện xoáy d ới tác động của đại l ợng đo XV
Nếu bỏ qua điện trở thuần của cuộn dây và trở từ của lõi thép, ta có:
ϕV ~ XV ~ b) 1 2 X δ 3 XV δ1 δ2 1 2 ~ a)
L = W2.à0.s/δ - W: số vòng dây của cuộn dây - δ: chiều dài khe hở không khí - à0: độ từ thẩm của không khí
- s: tiết diện thực của khe hở không khí
+ Mạch đo: cũng sử dụng mạch cầu là chủ yếu
+ ứng dụng:
Tuỳ từng loại cấu trúc của cảm biến mà cảm biến điện cảm có thể đo đ ợc các đại l ợng vật lý khác nhau.
- Đo di chuyển từ vài trụcàm đến vài trục cm (hình bên)
- Đo chiều dày lớp phủ, đo độ bóng của chi tiết gia công …
Sơ đồ cầu đo hai nhánh sử dụng cảm biến điện cảm
∆U≠ 0 C Chỉnh l u Khuyếch đại U0 ~ L- ∆L L+∆ L R0 Rc R2 R1 C T Chỉ thị
- Đo lực từ 1/10 N đến hàng chục, hàng trăm N. - Đo áp suất với dải đo: 10-3N/m2ữ10.000 N/m2
- Đo gia tốc: 10-2gữ100g.
Cùng loại còn có Hỗ cảm, áp từ, cảm ứng chúng là nhóm các cảm biến dựa trên quy luật điện từ: Đại l ợng không điện cần đo làm thay đổi điện cảm, hỗ cảm của cảm biến hay từ thông, độ từ thẩm của lõi thép.
4. Cảm biến kiểu áp điện
+ Cấu tạo:
Vật liệu chế tạo: Tinh thể thạch anh tự nhiên (Si02), Titanatbari BaTi03nhân tạo, Muối xênhét
. . .
Cấu trúc một tinh thể thạch anh nh sau:
Gồm 3 trục: OX - trục điện, OY - trục cơ, OZ - trục quang.
+ Nguyên tắc làm việc:
Nguyên tắc làm việc của cảm biến áp điện dựa trên hiệu ứng áp điện (còn gọi là hiệu ứng piezô). Có một số vật liệu khi chịu tác động một lực cơ học biến thiên trên bề mặt của nó xuất hiện các điện tích q, khi lực tác động ngừng các điện tích q cũng biến mất, hiệu ứng trên gọi là hiệu ứng áp điện thuận. Ng ợc lại, nếu đặt các vật liệu trên trong các điện tr ờng biến thiên, điện tr ờng tác động lên chúng làm biến dạng cơ học, hiện t ợng đó gọi là hiệu ứng áp điện ng ợc
Hiện t ợng áp điệnchỉ xẩy ra khi :
- Tác động theo trục X một lực Fx, sẽ gây ra hiệu ứng áp điện dọc với điện tích
a,Cấu trúc một tinh thể thạch anh
b) Mặt cắt của tinh thể thạch anh
a) b) X y Fx Fy Fy x Y Z X
q = d1.Fx, d1 là hằng số áp điện, điện tích sinh ra không phụ thuộc vào cấu trúc hình học của nó mà chỉ phụ thuộc vào độ lớn của lực Fx. Dấu của điện tích thay đổi với sự thay đổi dấu của lực Fx.
- Khi tác động theo trục Y một lực Fy thì sinh ra hiệu ứng áp điện ngang với điện tích q = -(
x y )d
1Fy. Điện tích này phụ thuộc vào kích th ớc hình học x, y là kích th ớc của chuyển đổi theo trục X và trục Y.
d1: là hằng số áp điện (còn gọi là mô đun áp điện). x, y: là kích th ớc của phần tử áp điện theo trục X và Y.
Dấu của điện tích q với hiệu ứng áp điện dọc và ngang ng ợc nhau nghĩa là lực Fx nén làm xuất hiện các điện tích cùng dấu với lực Fy kéo và ng ợc lại.
- Khi tác động theo trục quang (OZ) thì q = 0, không có hiệu ứng áp điện.
Chú ý:Tr ờng hợp các cạnh của cảm biến không song song với các trục chính hoặc các lực tác động không song song với các trục thì điện tích sinh ra bé hơn
+ Tính chất của một số vật liệu áp điện:
a, Thạch anh (SiO2):là vật liệu tự nhiên hoặc tổng hợp có các tính chất sau: Hằng số áp điện: d1= 2,1.10-12( C/N).
Hằng số điện môi:ε= 39,8.10-12(F/m). ứng suất cho phép:σ= 70ữ100 N/mm2.
Điện trở suất: ρ= 1016Ω/m nh ng phụ thuộc vào nhiệt độ và phụ thuộc
vào chiều trục (có giá trị khác nhau ở các chiều trục khác nhau). Từ 0ữ2000C thì d1không phụ thuộc vào nhiệt độ. Từ 200ữ5000C thì d1bị giảm đi.
Với 5730C thì tính chất áp điện không còn.
b, TitanatBari (BaTiO3):là loại vật liệu tổng hợp có tính chất sau: Hằng số áp điện: d1= 107.10-12( C/N).
Hằng số điện môi:ε= 1240.103(F/m). Mô đun đàn hồi: E = 115.101(F/mm2).
Các tính chất của BaTiO3 không phụ thuộc vào độ ẩm nh ng phụ thuộc vào tạp chất, công nghệ chế tạo và điện áp phân cực.
Hệ số áp điện d1 không phải là hằng số. Nhiều tr ờng hợp giảm 20% sau 2 năm sử dụng, tính chất áp điện của nó không ổn định theo nhiệt độ.
Do có hiện t ợng trễ nên đặc tính q = f(F) không tuyến tính nh ng loại vật liệu này có độ bền cơ học cao, rẻ tiền, chế tạo đ ợc các hình dáng bất kỳ nên d ợc dùng rộng rãi.
Ngoài ra còn có vật liệu Titanat chì (PbTiO3) và Ziriconat chì (PbZnO3) có mô đun điện áp lớn gấp 4 lần BaTiO3.
+ Mạch điện ứng dụng:
Ví dụ sơ đồ cấu tạo của cảm biến áp điện để đo lực f(x). Cấu tạo gồm:
1. Phần tử áp điện. 2. Dây dẫn.
Khi lực F tác động có dạng F = Fmaxsinωt, thì điện áp ra sẽ là: Ur= . 1 1 1 . . 1 CoRo j Ro F d j Co j Ro Co j Ro I ω ω ω ω + = + + ứng dụng:
Dùng để đo lực biến thiên ( đến 10.000 N ). Đo áp suất ( 100 N/mm2)
Làm các gia tốc kế đo gia tốc tới 100g (g – gia tốc trọng tr ờng ) trong dải tần từ 0,5ữ100 kHz.
Đo các biến dạng , các di chuyển nhỏ 5. Cặp nhiệt điện
+ Cấu tạo:
Gồm hai hay thanh kim loại khác nhau đ ợc hàn với nhau tại một đầu, điểm hàn ấy gọi là điểm công tác hai đầu còn lại gọi là đầu tự do.
x
fX fV
1
2 3
Mạch đo của cảm biến áp điện
Ura C2 R2 R0 R0 C0 F i~
R0, R2, C0, C2là điện trở và điện dung thực của cảm biến và mạch khuyếch đại. Mạch KĐ
Để đảm bảo tránh h hỏng cơ học và ảnh h ởng ngẫu nhiên của các đối t ợng đo, các điện cực nhiệt đ ợc đặt trong các vỏ thép bảo vệ. Hình d ới đây là cấu tạo của một loại điện kế chuẩn.
Trên hình vẽ ng ời ta đặt các điện cực (3) trong vỏ bảo vệ (1) có chuỗi
cách điện (4). Mối hàn (2) tiếp xúc với đáy vỏ bảo vệ hay có thể cách ly bằng đầu sứ. Dây dẫn nối dài (7) đ ợc nối với điện cực ở đầu nối (8), vít (6) trên phíc cắm (5). Vỏ bảo vệ đ ợc giữ chắc và đ a vào đối t ợng đo, giữ chặt bằng mức (9). Để bảo đảm tiếp xúc chắc chắn, mối hàn (2) đ ợc thực hiện bằng máy hàn hơi. Vỏ bảo vệ có dạng hình trụ hay hình côn bằng vật liệu không thấm khí có đ ờng kính (15 – 25)mm và có chiều dài tuỳ thuộc vào yêu cầu của đối t ợng đo từ 100 đến (2500 – 3000)mm. Vật liệu để làm vỏ bảo vệ là các loại thép khác nhau. Đối với nhiệt độ cao, vỏ bảo vệ có thể bằng thạch anh hay gốm.
+ Nguyên tắc làm việc:
Nguyên tắc làm việc của cặp nhiệt điện dựa trên hiện t ợng nhiệt điện, nếu nhiệt độ mối hàn t1 và t0 khác nhau thì trong mạch khép kín có một dòng điện chạy qua. Chiều của dòng điện này phụ thuộc vào nhiệt độ t ơng ứng của mối hàn, nghĩa là nếu t1 > t0 thì dòng điện chạy theo h ớng ng ợc lại. Nếu để hở một đầu thì giữa hai cực xuất hiện một sức điện động nhiệt điện, cụ thể nh
Cặp nhiệt điện t1(điểm công tác) t0(đầu tự do) Eθ t0 t0 t1 a) b) a) 9 4 3 1 2 6 5 7 8 c) 4 3 1 2 b) 4 3 1 2
Cấu trúc của nhiệt kế cặp nhiệt
sau:
Khi ch a làm việc nhiệt độ t1= t0, do 2 thanh kim loại là khác nhau đ ợc hàn với nhau ở đầu t1 các điện tử tự do ở hai thanh kim loại là khác nhau do vậy chúng có thể khuyếch tán sang nhau nh ng sự khuyếch tán này là không đáng kể vì vậy suất điện động nhiệt điện ở hai đầu tự do Eθ≈0 .
Khi làm việc, nhiệt độ t1≠to, sự khuyếch tán các điện tử tự do sang nhau là nhiều hơn⇒ xuất hiện hiệu điện thế ở 2 đầu tự do.
Eθ= f(t1) – f(t0)
Nếu cố định nhiệt độ ở đầu tự do⇒ f(t0) = C = const.
⇒ Eθ= f(t1) – C = f(t1)
Đặc tính kỹ thuật của các cặp nhiệt ngẫu thông dụng: Cặp nhiệt ngẫu Dải nhiệt độ làm việc
oC Sức điện độngmV Đồng/ Constantan Φ = 1,63 mm -270-370 -6,258-19,027 Sắt/ Constantan Φ = 3,25 mm -210-800 -8,095-45,498 Chromel/Alumen Φ = 3,25 mm -270-1250 -5,354-50,633 Chromel/Constantan Φ = 3,25 mm -270-870 -9,835-66,473 Platin-Rođi (10%) /Platin Φ = 0,51 mm -50-1500 -0,236-15,576 Platin-Rođi (13%) /Platin Φ = 0,51 mm -50-1500 -0,226-17,445 Platin-Rođi (30%) /Platin- Rođi (6%) Φ = 0,51 mm 0-1700 0-12,426 Vonfram-Reni (5%)/Vonfram-Reni (26%) 0-2700 0-38,45 + Mạch đo:
Dùng mạch đo khuyếch đại kết hợp với mV (kim chỉ) hoặc là kết hợp với các chỉ thị số
Mạch đo đơn giản dùng mạch khuyếch đại kết hợp với chỉ thị
- Dùng điện kế một chiều :
Đây là dụng cụ đo theo ph ơng pháp so sánh.
Muốn thực hiện ph ơng pháp đo thì phải tiến hành theo 2 b ớc. - Đóng khoá K→ vào A điều chỉnh Rđc sao cho điện kế chỉ 0
⇒ UCĐ= Em = ICT. R0⇒ ICT= 10181 0181 , 1 R E 0 m = = 10-4A.
- Đóng khoá K → sang vị trí B. Điều chỉnh Rmsao cho điện kế chỉ 0. Lúc điện kế chỉ 0 thì UDE= EX= Ict. RDE= K.RDE với ICT= const
Trên hộp điện trở mẫu Rmcó khắc luôn giá trị điện áp
+ ứng dụng:
Đo nhiệt độ cao cỡ vài trăm độữ17000C. Đo áp suất nhỏ (10-3ữ10-4mmHg).
Đo các đại l ợng vật lý khác: Đo tốc độ của gió, tốc độ của dòng chảy, đo di chuyển.
6. Nhiệt điện trở
+ Cấu tạo:
Các nhiệt trở dây (Cu, Ni, Pt) gồm:
Lõi để quấn các nhiệt điện trở lõi bằng gốm sứ, Bakếlit, vật liệu cách điện chịu đ ợc nhiệt độ cao.
ống xuyến cách điện, bằng gốm, sứ. Dây nhiệt điện trở đ ờng kính
Φ = (0,02ữ0,07) mm với chiều dài (5ữ20)mm.
Mạch đo nhiệt độ dùng điện thế kế một chiều
C E EX A B K CT Rđc Rm R0 Em E0 ICT E0: nguồn cung cấp, Em: nguồn pin mẫu, Em = 1,0181V, Rđc: điện trở điều chỉnh, dòng cung cấp, R0: điện trở mẫu, R0= 10181Ω, Rm: hộp điện trở mẫu, Ex: điện áp cần đo. CT: chỉ thị (điện kế chỉ 0)
Hộp đầu ra (để lấy tín hiệu ra bên ngoài).
+ Nguyên tắc làm việc:
Dựa trên các hiệu ứng nhiệt độ. Có một số vật liệu (Cu,Ni) khi nhiệt độ thay đổi thì điện trở của nó cũng thay đổi theo, từ đó ng ời ta chế tạo ra các nhiệt điện trở.
RT= R0(1 +αt)
R0là điện trở của dây ở 00c;
αlà hệ số nhiệt độ: Đồng là 4,3.10-3 1/ 0C
Niken là 5.10-3 1/ 0C Nhiệt điện trở chia làm 2 loại:
Nhiệt điện trở không đốt nóng: Dòng điện đi qua nó rất nhỏ, để đo nhiệt độ -500Cữ1500C.
Nhiệt điện trở đốt nóng: Dòng đi qua nó rất lớn làm cho nhiệt điện trở lớn lên từ vài chục đến vài trăm độ.
Các nhiệt điện trở bán dẫn làm bằng các chất bán dẫn CuO, CoO, MnO...
+Cấu tạo:
Đ ợc chế tạo từ một số oxit kim loại khác nhau nh CuO, CoO, MnO... nh hình vẽ trang bên.
+ Nguyên tắc làm việc:
Quan hệ giữa nhiệt độ và điện trở của nó RT= Aeβ/T
A là hằng số phụ thuộc vào tính chất vật lý của chất bán dẫn, kích th ớc hình dáng của nhiệt điện trở,
βlà hằng số phụ thuộc vào tính chất vật lý của chất bán dẫn T là nhiệt độ tuyệt đối, sức điện động là cơ số logarit tự nhiên.
ống xuyến cách điện Hộp đầu ra
Vỏ bảo vệ Dây nhiệt điện trở
130
Hệ số nhiệtα của chất bán dẫn mang dấu âm và có giá trị từ 0,02ữ0,08
[1/0C]lớn gấp 8 ữ10 lần kim loại và phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ. Điện trở suất lớn do đó kích th ớc của nó rất nhỏ.
+ Mạch đo: thông th ờng hay dùng mạch cầu không cân bằng chỉ có chỉ
thị là logôm mét (hình trang bên)
+ ứng dụng:
Đo nhiệt độ
Đo các đại l ợng không điện nh đo di chuyển, đo áp suất.
Dùng để phân tích thành phần, nồng độ của một số hợp chất và chất khí. dẫn chứng đo dịch chuyển: Ví dụ đo dịch chuyển: 1. Tấm chắn. 2. Màng rung. 3. Bộ rung điện từ.
Cấu tạo của một số cảm biến nhiệt điện trở bán dẫn c) 2,5 Φ 5 Φ 19 20 ,5 Φ6 3 4 1 2 3 a) 1 1, 2 1,4 3 3 b) 1 2 4 3 d) 1.Dây dặt trong ống sứ. 2.Vỏ bảo vệ. 3.Đầu ra. 4.Giá đỡ. XV R2 R1 2 1
R1, R2là các nhiệt điện trở.
+ Nguyên tắc đo:
Khi ch a có di chuyển XV thì lá chắn ở giữa, hai khe hở thổi vào hai cảm biến là nh nhau.
Khi có XV tác động, lá chắn di chuyển hai lá chắn là khác nhau, l ợng gió thổi vào hai cảm biến là khác nhau→ hai điện trở có giá trị khác, gắp 2 điện trở này vào 2 nhánh cầu để chỉ thị.
7. Cảm biến quang
+ Cấu tạo:
Các cảm biến quang đ ợc sử dụng để chuyển thông tin từ ánh sáng nhìn thấy hoặc tia hồng ngoại (IR) và tia tử ngoại (UV) thành tín hiệu điện
Phần cảm biến quang ta đã xem xét kỹ l ỡng ở phần Cầu kiện Điện tử, ở