Phân loại cảm biến

Chương 6 KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ CẢMBIẾN

6.2Phân loại cảm biến

6.2.1 phân loại theo nguyên lý chuyển đổi

Cảm biến đợc gọi tên theo nguyên lý chuyển đổi sử dụng trong cảm biến. Nh-

ững cảm biến điện trở-cảm biến có chuyển đổi là điện trở, cảm biến điện từ-cảm biến

có chuyển đổi làm việc theo nguyên lý về lực điện từ các đại lợng không điện cần đo đ- ợc biến đổi thành sự thay đổi của các thông số như điện cảm hỗ cảm hoặc từ thơng, cảm biến hóa điện- chuyển đổi làm việc dựa trên hiện tợng hóa điện…

6.2.2 Phân loại theo tính chất nguồn

- Cảm Phát điện: cảm biến có đại lợng ra là điện áp U, sức điện động E, dòng điện I còn đầu vào là các đại lợng không điện cần đo

- Cảm biến thơng số: cảm biến có đại lợng ra là các thông số nh: điện trở R, điện cảm L, hỗ cảm M… đầu vào là các đại lượng không điện cần đo

6.2.3 Phân loại theo phơng pháp đo

- Cảm Biến có chuyển đổi biến đổi trực tiếp - Cảm biến có chuyển đổi bù

6.3 Các hiệu ứng thờng dùng trong cảm biến

 Hiệu ứng nhiệt điện

Hai dõy dẫn (M1) và (M2) cú bản chất hoỏ học khỏc nhau được hàn lại với nhau thành một mạch điện kớn, nếu nhiệt độ ở hai mối hàn là T1 và T2 khỏc nhau, khi đú trong mạch xuất hiện một suất điện động e(T1, T2) mà độ lớn của nú phụ thuộc chờnh lệch nhiệt độ giữa T1 và T2. T1 T2 (M2) (M1) (M2) e  T1

Hỡnh 6.2 Sơ đồ hiệu ứng nhiệt điện

Hiệu ứng nhiệt điện được ứng dụng để đo nhiệt độ T1 khi biết trước nhiệt độ T2, thường chọn T2 = 0oC.

 Hiệu ứng hoả điện

Một số tinh thể gọi là tinh thể hoả điện (vớ dụ tinh thể sulfate triglycine) cú tớnh phõn cực điện tự phỏt với độ phõn cực phụ thuộc vào nhiệt độ, làm xuất hiện trờn cỏc mặt đối diện của chỳng những điện tớch trỏi dấu. Độ lớn của điện ỏp giữa hai mặt phụ thuộc vào độ phõn cực của tinh thể hoả điện.

v Φ

Hỡnh 6.3 Ứng dụng hiệu ứng hỏa điện

Hiệu ứng hoả điện được ứng dụng để đo thụng lượng của bức xạ ỏnh sỏng. Khi ta chiếu một chựm ỏnh sỏng vào tinh thể hoả điện, tinh thể hấp thụ ỏnh sỏng và nhiệt độ của nú tăng lờn, làm thay đổi sự phõn cực điện của tinh thể. Đo điện ỏp V ta cú thể xỏc định được thụng lượng ỏnh sỏng Φ.

 Hiệu ứng ỏp điện

Một số vật liệu gọi chung là vật liệu ỏp điện (như thạch anh chẳng hạn) khi bị biến dạng dước tỏc động của lực cơ học, trờn cỏc mặt đối diện của tấm vật liệu xuất hiện những lượng điện tớch bằng nhau nhưng trỏi dấu, được gọi là hiệu ứng ỏp điện. Đo V ta cú thể xỏc định được cường độ của lực tỏc dụng F

V F

Hỡnh6 .4 Ứng dụng hiệu ứng ỏp điện

 Hiệu ứng cảm ứng điện từ

Khi một dõy dẫn chuyển động trong từ trường khụng đổi, trong dõy dẫn xuất hiện một suất điện động tỷ lệ với từ thụng cắt ngang dõy trong một đơn vị thời gian, nghĩa là tỷ lệ với tốc độ dịch chuyển của dõy. Tương tự như vậy, trong một khung dõy đặt trong từ trường cú từ thụng biến thiờn cũng xuất hiện một suất điện động tỷ lệ với tốc độ biến thiờn của từ thụng qua khung dõy.

Φ

Ω e Ω

Hỡnh 6.5 Ứng dụng hiệu ứng điện từ

Hiệu ứng cảm ứng điện từ được ứng dụng để xỏc định tốc độ dịch chuyển của vật thụng qua việc đo suất điện động cảm ứng.

 Hiệu ứng quang điện

- Hiệu ứng quang dẫn: (hay cũn gọi là hiệu ứng quang điện nội) là hiện (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

tượng giải phúng ra cỏc hạt dẫn tự do trong vật liệu (thường là bỏn dẫn) khi chiếu vào chỳng

một bức xạ ỏnh sỏng (hoặc bức xạ điện từ núi chung) cú bước súng nhỏ hơn một ngưỡng nhất định.

- Hiệu ứng quang phỏt xạ điện tử: (hay cũn gọi là hiệu ứng quang điện ngoài) là hiện tượng cỏc điện tử được giải phúng và thoỏt khỏi bề mặt vật liệu tạo thành dũng cú thể thu lại nhờ tỏc dụng của điện trường.

 Hiệu ứng quang - điện - từ

Khi tỏc dụng một từ trường B vuụng gúc với bức xạ ỏnh sỏng, trong vật liệu bỏn dẫn được chiếu sỏng sẽ xuất hiện một hiệu điện thế theo hướng vuụng gúc với từ trường B và hướng bức xạ ỏnh sỏng.

V Φ

Hỡnh 1.6 Ứng dụng hiệu ứng quang – điện – từ

 Hiệu ứng Hall

Khi đặt một tấm mỏng vật liệu mỏng (thường là bỏn dẫn), trong đú cú dũng điện chạy qua, vào trong một từ trường B cú phương tạo với dũng điện I trong tấm một gúc θ, sẽ xuất hiện một hiệu điện thế VH theo hướng vuụng gúc với B và I.

Φ

B B

Biểu thức hiệu điện thế cú dạng:

VH = K H .I.B. sin θ

Trong đú KH là hệ số phụ thuộc vào vật liệu và kớch thước hỡnh học của tấm vật li

Hỡnh 6.7 Ứng dụng hiệu ứng Hall

Hiệu ứng Hall đư ợ c d ự n g đ ể x ỏ c đ ị n h v ị t r ớ c ủ a m ộ t v ậ t c h u yể n động. Vật cần xỏcđịnh vị trớ liờn kết cơ học với thanh nam chõm, ở mọi thời điểm, vị trớ thanh nam chõm xỏc định giỏ trị của từ trường B và gúc θ tương ứng với tấm bỏn dẫn mỏng làm vật trung gian. Vỡ vậy, hiệu điện thế VH đo được giữa hai cạnh tấm bỏn dẫn là hàm phụ thuộc vào vị trớ của vật trong khụng gian.

6.4 Chuẩn cảm biến 6.4.1 Khỏi niệm 6.4.1 Khỏi niệm

Đường cong chuẩn cảm biến là đường cong biểu diễn sự phụ thuộc của đại lượng điện (s) ở đầu ra của cảm biến vào giỏ trị của đại lượng đo (m) ở đầu vào. Đường cong chuẩn cú thể biểu diễn bằng biểu thức đại số dưới dạng s = F(m ), hoặc bằng đồ thị như hỡnh 1.1a.

a b

Hỡnh 6.8 Đường cong chuẩn cảm biến

a) Đường cong chuẩn b) Đường cong chuẩn cảm biến tuyến

S N X B  X V S S S1

tớnh

Dựa vào đường cong chuẩn của cảm biến, ta cú thể xỏc định giỏ trị mi chưa biết của m thụng qua giỏ trị đo được si của s.

Để dễ sử dụng, người ta thường chế tạo cảm biến cú sự phụ thuộc tuyến tớnh giữa đại lượng đầu ra và đại lượng đầu vào, phương trỡnh s= F(m) cú dạng s = am +b với a, b là cỏc hệ số, khi đú đường cong chuẩn là đường thẳng (hỡnh 1.1b).

6.4.2 Phương phỏp chuẩn cảm biến

Chuẩn cảm biến là phộp đo nhằm mục đớch xỏc lập mối quan hệ giữa giỏ trị s đo được của đại lượng điện ở đầu ra và giỏ trị m của đại lượng đo cú tớnh đến cỏc yếu tố ảnh hưởng, trờn cơ sở đú xõy dựng đường cong chuẩn dưới dạng tường minh (đồ thị hoặc biểu thức đại số). Khi chuẩn cảm biến, với một loạt giỏ trị đó biết chớnh xỏc mi của m, đo giỏ trị tương ứng si của s và dựng đường cong chuẩn.

Hỡnh 6.9 Phương phỏp chuẩn cảm biến

a, Chuẩn đơn giản (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

Trong trường hợp đại lượng đo chỉ cú một đại lượng vật lý duy nhất tỏc động lờn một đại lượng đo xỏc định và cảm biến sử dụng khụng nhạy với tỏc động của cỏc đại lượng ảnh hưởng, người ta dựng phương phỏp chuẩn đơn giản. Thực chất của chuẩn đơn giản là đo cỏc giỏ trị của đại lượng đầu ra ứng với cỏc giỏ xỏc định khụng đổi của đại lượng đo ở đầu vào. Việc chuẩn được tiến hành theo hai cỏch:

- Chuẩn trực tiếp: cỏc giỏ trị khỏc nhau của đại lượng đo lấy từ cỏc mẫu chuẩn hoặc cỏc phần tử so sỏnh cú giỏ trị biết trước với độ chớnh xỏc cao.

- Chuẩn giỏn tiếp: kết hợp cảm biến cần chuẩn với một cảm biến so sỏnh đó cú sẵn đường cong chuẩn, cả hai được đặt trong cựng điều kiện làm việc. Khi tỏc động lờn hai cảm biến với cựng một giỏ trị của đại lượng đo ta nhận được giỏ trị tương ứng của cảm biến so sỏnh và cảm biến cần chuẩn. Lặp lại tương tự với cỏc giỏ trị khỏc của đại lượng đo cho phộp ta xõy dựng được đường cong chuẩn của cảm

s

S2 S1

biến cần chuẩn.

b, Chuẩn nhiều lần

Khi cảm biến cú phần tử bị trễ (trễ cơ hoặc trễ từ), giỏ trị đo được ở đầu ra phụ thuộc khụng những vào giỏ trị tức thời của đại lượng cần đo ở đầu vào mà cũn phụ thuộc vào giỏ trị trước đú của của đại lượng này. Trong trường hợp như vậy, người ta ỏp dụng phương phỏp chuẩn nhiều lần và tiến hành như sau:

- Đặt lại điểm 0 của cảm biến: đại lượng cần đo và đại lượng đầu ra cú giỏ trị tương ứng với điểm gốc, m=0 và s=0.

- Đo giỏ trị đầu ra theo một loạt giỏ trị tăng dần đến giỏ trị cực đại của đại lượng đo ở đầu vào.

- Lặp lại quỏ trỡnh đo với cỏc giỏ trị giảm dần từ giỏ trị cực đại.

Khi chuẩn nhiều lần cho phộp xỏc định đường cong chuẩn theo cả hai hướng đo tăng dần và đo giảm dần.

CHƯƠNG 7 : CẢM BIẾN ĐO NHIỆT ĐỘ

Mục tiờu : Trang bị cho sinh viờn kiến cơ bản về cỏc phương phỏp đo nhiệt độ,

làm quen với một số thiết bị đo nhiệt độ cú trờn thị trường

7.1 Thang nhiệt độ, điểm chuẩn nhiệt độ.

- Thang Kelvin đơn vị 0K, trong thang đo Kelvin người ta gỏn cho điểm nhiệt độ cõn

bằng của trạng thỏi nước, nước đỏ: 273,150K

- Thang Celcius 0C, một độ Celcius bằng một độ Kelvin. Quan hệ giữa độ Celcius và

độ Kelvin được thể hiện:

T(0C)=T(0K)-273,15 - Thang Fahrenheit 0F: T(0F)= 5 9 T(0C)+32 T(0C)=( T(0F)-32) 9 5

7.2. Cảm biến nhiệt điện trở.

7.2.1 Nguyờn lý

Nguyờn lý chung đo nhiệt độ bằng cỏc điện trở Là dựa vào sự phụ thuộc điện trở suất của vật liệu theo nhiệt độ.

Trong trường hợp tổng quỏt, sự thay đổi điện trở Theo nhiệt độ cú dạng:

R(T) = R0.F(T-T0)

R0 là điện trở ở nhiệt độ T0, F là hàm đặc trưng cho Vật liệu và F = 1 khi T = T0.

Hiện nay thường sử dụng ba loại điện trở đo nhiệt độ đú là: điện trở kim loại, điện trở silic và điện trở chế tạo bằng hỗn hợp cỏc oxyt bỏn dẫn. Trường hợp điện trở kim loại, hàm trờn cú dạng:

Hỡnh 7.1 Nhiệt kế gión nở

2 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

3

R(T) = R0(1 + AT + BT 2 +CT3)

Trong đú nhiệt độ T đo bằng oC, T0=0oC và A, B, C là cỏc hệ số thực nghiệm. Trường hợp điện trở là hỗn hợp cỏc oxyt bỏn dẫn:

R(T)=R0.exp[ (1 1)

0

T T

B  ]

T là nhiệt độ tuyệt đối, B là hệ số thực nghiệm.

Cỏc hệ số được xỏc định chớnh xỏc bằng thực nghiệm khi đo những nhiệt độ đó biết trước. Khi đó biết giỏ trị cỏc hệ số, từ giỏ trị của R người ta xỏc định được nhiệt độ cần đo.

Khi độ biến thiờn của nhiệt độ ΔT (xung quanh giỏ trị T) nhỏ, điện trở cú thể coi như thay đổi theo hàm tuyến tớnh:

R(T+T)=R(T).(1+RT) Trong đú: dT dR T R R . ) ( 1  

Được gọi hệ số nhiệt của điện trở hay cũn gọi là độ nhạy nhiệt ở nhiệt độ T. Độ nhạy nhiệt phụ thuộc vào vật liệu và nhiệt độ.

Vớ dụ ở 0oC platin (Pt) cú αR=3,9.10-3/oC.

Chất lượng thiết bị đo xỏc định giỏ trị nhỏ nhất mà nú cú thể đo được cũng xỏc định sự thay đổi nhỏ nhất của nhiệt độ cú thể phỏt hiện được:

min 0 R R  ,

Thực ra, điện trở khụng chỉ thay đổi khi nhiệt độ thay đổi do sự thay đổi điện trở suất mà cũn chịu tỏc động của sự thay đổi kớch thước hỡnh học của nú.

7.2.2 Nhiệt kế điện trở kim loại

 Vật liệu

Yờu cầu chung đối với vật liệu làm điện trở:

- Cú điện trở suất ρ đủ lớn để điện trở ban đầu R0 lớn mà kớch thước nhiệt kế vẫn nhỏ.

tiờu.

- Cú đủ độ bền cơ, hoỏ ở nhiệt độ làm việc. - Dễ gia cụng và cú khả năng thay lẫn.

Cỏc cảm biến nhiệt thường được chế tạo bằng Pt và Ni. Ngoài ra cũn dựng Cu, W.

- Platin :

+ Cú thể chế tạo với độ tinh khiết rất cao (99,999%) do đú tăng độ chớnh xỏc của cỏc tớnh chất điện.

+ Cú tớnh trơ về mặt hoỏ học và tớnh ổn định cấu trỳc tinh thể cao do đú đảm bảo tớnh ổn định cao về cỏc đặc tớnh dẫn điện trong quỏ trỡnh sử dụng.

+ Hệ số nhiệt điện trở ở 0oC bằng 3,9.10-3/oC. + Điện trở ở 100oC lớn gấp 1,385 lần so với ở 0oC. + Dải nhiệt độ làm việc khỏ rộng từ -200oC ữ 1000oC.

- Nikel:

+ Cú độ nhạy nhiệt cao, bằng 4,7.10-3/o

C. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

+ Điện trở ở 100oC lớn gấp 1,617 lần so với ở 0oC.

+ Dễ bị oxy hoỏ khi ở nhiệt độ cao làm giảm tớnh ổn định. + Dải nhiệt độ làm việc thấp hơn 250oC

Đồng được sử dụng trong một số trường hợp nhờ độ tuyến tớnh cao của điện trở theo nhiệt độ. Tuy nhiờn, hoạt tớnh hoỏ học của đồng cao nờn nhiệt độ làm việc thường khụng vượt quỏ 180oC. Điện trở suất của đồng nhỏ, do đú để chế tạo điện trở cú điện trở lớn phải tăng chiều dài dõy làm tăng kớch thước điện trở.

Wonfram cú độ nhạy nhiệt và độ tuyến tớnh cao hơn platin, cú thể làm việc ở nhiệt độ cao hơn. Wonfram cú thể chế tạo dạng sợi rất mảnh nờn cú thể chế tạo được cỏc điện trở cao với kớch thước nhỏ. Tuy nhiờn, ứng suất dư sau khi kộo sợi khú bị triệt tiờu hoàn toàn bằng cỏch ủ do đú giảm tớnh ổn định của điện trở.

Bảng 7.1

7.2.2.1Cấu tạo nhiệt kế điện trở

Để trỏnh sự làm núng đầu đo dũng điện chạy qua điện trở thường giới hạn ở giỏ trị một vài mA và điện trở cú độ nhạy nhiệt cao thỡ điện trở phải cú giỏ trị đủ lớn. Muốn vậy phải giảm tiết diện dõy hoặc tăng chiều dài dõy. Tuy nhiờn khi giảm tiết diện dõy độ bền lại thấp, dõy điện trở dễ bị đứt, việc tăng chiều dài dõy lại làm tăng kớch thước điện trở. Để hợp lý người ta thường chọn điện trở R ở 00C cú giỏ trị vào khoảng 100Ω, khi đú với điện trở platin sẽ cú đường kớnh dõy cỡ vài μm và chiều dài khoảng 10cm, sau khi quấn lại sẽ nhận được nhiệt kế cú chiều dài cỡ

1cm. Cỏc sản phẩm thương mại thường cú điện trở ở 0oC là 50Ω, 500Ω và 1000Ω, cỏc

điện trở lớn thường được dựng để đo ở dải nhiệt độ thấp.

- Nhiệt kế cụng nghiệp: Để sử dụng cho mục đớch cụng nghiệp, cỏc nhiệt kế phải cú vỏ bọc tốt chống được va chạm mạnh và rung động, điện trở kim loại được cuốn và bao bọc trong thuỷ tinh hoặc gốm và đặt trong vỏ bảo vệ bằng thộp. Trờn hỡnh 3 . 2 là cỏc nhiệt kế dựng trong cụng nghiệp bằng điện trở kim loại platin

Thụng số Cu Ni Pt W Tf (oC) 1083 1453 1769 3380 c (JoC-1kg- 1) 400 450 135 125 λ (WoC-1m- 1) 400 90 73 120 αl x106 (oC) 16,7 12,8 8,9 6 ρ x108 (Ωm) 1,72 10 10,6 5,52 α x103 (oC-1) 3,9 4,7 3,9 4,5 1 2 3 8 6 5 7 4

Hỡnh 7.2 Nhiệt kế điện

- Nhiệt kế bề mặt:

Nhiệt kế bề mặt dựng để đo nhiệt độ trờn bề mặt của vật rắn. Chỳng thường được chế tạo bằng phương phỏp quang hoỏ và sử dụng vật liệu làm điện trở là Ni, Fe-Ni hoặc Pt. Cấu trỳc của một nhiệt kế bề mặt cú dạng như hỡnh vẽ 3.3. Chiều dày lớp kim loại cỡ vài μm và kớch thước nhiệt kế cỡ 1cm2.

Hỡnh 7.3 Nhiệt kế bề mặt

Đặc trưng chớnh của nhiệt kế bề mặt:

- Độ nhạy nhiệt : ~5.10-3/oC đối với trường hợp Ni và Fe-Ni

~4.10-3/oC đối với trường hợp Pt.

- Dải nhiệt độ sử dụng: -195oC ữ 260 oC đối với Ni và Fe-Ni.

-260oC ữ 1400 oC đối với Pt.

Khi sử dụng nhiệt kế bề mặt cần đặc biệt lưu ý đến ảnh hưởng biến dạng của bề mặt đo.

7.2.2.2Nhiệt kế điện trở silic

Silic tinh khiết hoặc đơn tinh thể silic cú hệ số nhiệt điện trở õm, tuy nhiờn khi được kớch tạp loại n thỡ trong khoảng nhiệt độ thấp chỳng lại cú hệ số nhiệt điện