Khi sử dụng cảm biến đo áp suất bằng phần tử biến dạng, để chuyển đổi tín hiệu cơ trung gian thành tín hiệu điện người ta dùng các bộ chuyển đổi. Theo cách chuyển đổi người ta chia các bộ chuyển đổi thành hai loại:
- Biến đổi sự dịch chuyển của phần tử biến dạng thành tín hiệu đo. Các chuyển đổi loại này thường dùng là: cuộn cảm, biến áp vi sai, điện dung, điện trở...
- Biến đổi ứng suất thành tín hiệu đo. Các bộ chuyển đổi là các phần tử áp điệnhoặc áp trở.
Bộ biến đổi đo áp suất kiểu điện cảm
Cấu tạo của bộ chuyển đổi kiểu điện cảm biểu diễn trên hình 20.10. Bộ chuyển đổi gồm tấm sắt từ động gắn trên màng (1) và nam châm điện có lõi sắt (2) và cuộn dây (3).
Hình 20.10: Bộ chuyển đổi kiểu cảm ứng
1) Tấm sắt từ 2) Lõi sắt từ 3) Cuộn dây
Dưới tác dụng của áp suất đo, màng (1) dịch chuyển làm thay đổi khe hở từ (d) giữa tấm sắt từ và lõi từ của nam châm điện, do đó thay đổi độ tự cảm của cuộn dây. Nếu bỏ qua điện trở cuộn dây, từ thông tản và tổn hao trong lõi từ thì độ tự cảm của bộ biến đổi xác định bởi công thức sau:
(20.20) Trong đó:
ltb, Stb: chiều dài và diện tích trung bình của lõi từ. δ, S0- chiều dài và tiết diện khe hở không khí . μ, μ0- độ từ thẩm của lõi từ và không khí.
Thông thường ltb/(μStb) << d/(μ0S0), do đó có thể tính L theo công thức gần đúng:
Với δ = kp, ta có phương trình đặc tính tĩnh của cảm biến áp suất dùng bộ biến đổi cảm ứng:
(20.21)
Để đo độ tự cảm L người ta dùng cầu đo xoay chiều hoặc mạch cộng hưởng LC.
Bộ biến đổi kiểu biến áp vi sai
Bộ biến đổi áp suất kiểu biến áp vi sai (hình 20.11) gồm một lò xo vòng (1) và phần tử biến đổi (2). Phần tử biến đổi gồm một khung cách điện trên đó quấn cuộn sơ cấp (7). Cuộn thứ cấp gồm hai cuộn dây (4) và (5) quấn ngược chiều nhau. Lõi thép di động nối với lò xo (1). Đầu ra của cuộn thứ cấp nối với điện trở R1, cho phép điều chỉnh giới hạn đo trong phạm vi ±25%.
5) Lõi thép 6) Cuộn sơ cấp
Nguyên lý làm việc: dòng điện I1 chạy trong cuộn sơ cấp sinh ra từ thông biến thiên trong hai nửa cuộn thứ cấp, làm xuất hiện trong hai nửa cuộn dây này các suất điện động cảm ứng e và e :
Trong đó M1
và M2 là hỗ cảm giữa cuộn sơ cấp và các nửa cuộn thứ cấp.
Hai nửa cuộn dây đấu ngược chiều nhau, do đó suất điện động trong cuộn thứ cấp:
(20.22)
Đối với phần tử biến đổi chuẩn có điện trở cửa ra R1 và R2 thì điện áp ra của bộ biến đổi xác định bởi công thức:
(20.23)
Giá trị hỗ cảm Mra phụ thuộc độ dịch chuyển của lõi thép:
Trong đó Mmax là hỗ cảm lớn nhất của cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp ứng với độ dịch chuyển lớn nhất của lõi thép.
Từ phương trình (8.23) và (8.24), tìm được điện áp ra của bộ biến đổi:
Bộ biến đổi kiểu điện dung
Sơ đồ cảm biến kiểu điện dung trình bày trên hình 20.12
Hình 20.12: Bộ chuyển đổi kiểu điện dung
1) Bản cực động 2&3) Bản cực tĩnh 4) Cách diện 4) Dầu silicon
Hình 20.12a trình bày cấu tạo một bộ biến đổi kiểu điện dung gồm bản cực động là màng kim loại (1), và bản cực tĩnh (2) gắn với đế bằng cách điện thạch anh (4).
Sự phụ thuộc của điện dung C vào độ dịch chuyển của màng có dạng:
(20.25) Trong đó:
ε - hằng số điện môi của cách điện giữa hai bản cực. δ0 - khoảng cách giữa các điện cực khi áp suất bằng 0. δ - độ dịch chuyển của màng.
Hình 20.12b là một bộ biến đổi điện dung kiểu vi sai gồm hai bản cực tĩnh (2) và (3) gắn với chất điện môi cứng (4), kết hợp với màng (1) nằm giữa hai bản cực để tạo thành hai tụ điện C12 và C13. Khoảng trống giữa các bản cực và màng điền đầy bởi dầu silicon (5).
(20.26)
Để biến đổi biến thiên điện dung C thành tín hiệu đo lường, thường dùng mạch cầu xoay chiều hoặc mạch vòng cộng hưởng LC.