CHƢƠNG 2 GHÉP NỐI CẢM BIẾN VÀO HỆ ĐO
2.2 Một số cách ghép thƣờng dùng
2.2.1 Sử dụng mạch cầu [2]
Tính chất tạp nhiễu của phần tử đầu vào (cảm biến, detector) và của tầng khuếch đại đầu tiên là rất quan trọng trong các hệ thu tín hiệu nhỏ. Để tăng cường chất lượng khuếch đại tín hiệu hữu ích, đồng thời giảm thiểu tạp nhiễu ở lối vào, người ta thường sử dụng các mạch cầu (điện trở, điện dung) ghép với cảm biến. a) Mạch cầu Wheatstone
Cầu Wheatstone thường được sử dụng trong các mạch đo nhiệt độ, lực, áp suất, từ trường...Cầu gồm bốn điện trở, trong đó R1, R2, R3 có trị số cố định và R4 có trị số thay đổi. (hình 2.2). R4 chính là điện trở của phần tử đo ở đầu vào hệ đo. Hai điểm của cầu được ni bằng hiệu điện thế U, hai điểm cịn lại là hai điểm đo (Uđo). Khi cầu cân bằng (tỷ số các điện trở trên hai nhánh bằng nhau), Uđo = 0. Do tác động của đại lượng đo, điện trở R4 bị thay đổi, làm cho cầu bị lệch cân bằng, dẫn đến Uđo 0.
Quan hệ giữa điện áp Uđo của cầu và R4 là một hàm phi tuyến, nhưng trong một giới hạn biến đổi nhỏ của R4 (cỡ 5%), có thể coi quan hệ này là tuyến tính.
Khi R1 >> R2 hoặc R2 >> R1, điện áp ra Uđo của cầu giảm, độ nhậy thấp. Khi R1 = R2 và R3 = R4, Uđo của cầu có độ nhậy cực đại theo sự thay đổi vi lượng của điện trở R4.
Sử dụng mạch cầu này ở đầu đo có những ưu điểm:
- Tín hiệu đo ban đầu Uđo = 0 nhờ việc chỉnh cầu ở trạng thái cân bằng. Các mức điện áp một chiều bị loại, dễ dàng tăng hệ số khuếch đại để quan sát rõ tín hiệu. - Loại được những thăng giáng của nguồn nuôi U
- Loại được các nhiễu điện, nhiệt bên ngoài đồng thời tác dụng vào các nhánh cầu đo
Hình 2.2. Sơ đồ mạch cầu điện trở
Hình 2.3 mơ tả một mạch cầu cân bằng dùng để đo mức chất lỏng trong bể chứa. Người ta dùng một cái phao nổi trên mặt chất lỏng, một thanh thẳng được gắn giữa phao và biến trở (điện trở có mũi tên của nhánh trái cầu). Sự thay đổi mức chất lỏng làm thay đổi giá trị biến trở, cầu lệch khỏi vị trí cân bằng và sự thay đổi đó được phát hiện thơng qua hiệu điện thế ở lối ra cầu.
Hình 2.3. Cảm biến mức chất lỏng dùng cầu điện trở
b) Mạch cầu Sauty [2,7]
Cầu Sauty được sử dụng để đo điện dung tụ điện. Nó cũng được dùng trong phép đo sử dụng cảm biến cấu trúc dạng tụ điện. Mạch cầu Sauty gồm có bốn nhánh trong đó hai nhánh là điện trở, hai nhánh là tụ điện (hình 2.4a).
R1, R2 là các điện trở thuần, R3 là biến trở dùng để cân bằng cầu. Cho rằng góc tổn hao trên tụ rất nhỏ (tụ lý tưởng, khơng có dịng rị), cầu cân bằng khi:
1 2 1 2 3 R C C R R (2.10) + -
30
tụ làm cảm biến đo như trên hình 2.4b (ví dụ các cảm biến tụ điện đo mức chất lỏng, xác định thủy phần nông sản…). Điện dung tụ điện trụ được tính theo cơng thức:
2 0 2 1 Q h C r U Ln r (2.11)
Sự thay đổi (liên quan đến vật chất bên trong tụ) làm điện dung C của tụ thay đổi. Sự thay đổi điện dung của cảm biến được cầu đo phát hiện, trong khi nhiễu tác dụng vào mạch cầu bị khử mạnh.
Ví dụ, vùng khơng gian bên trong tụ được lấy đầy một phần nơng sản, có thể phân tích điện dung thành hai tụ mắc song song với nhau; tụ C0 là phần tụ khơng khí, tụ Cm là phần tụ có chứa mẫu đo.
Khi tụ khơng chứa mẫu đo thì Cm= 0 và điện dung tương đương của tụ là:
2 0 0 2 1 h CMN C Ckk r Ln r
Giả sử trong tụ có chứa một phần mẫu đo, thể tích là 2 ( r2r x1) với x là độ cao của mẫu và ε là hằng số điện mơi của mẫu đo. Phần khơng khí trong tụ có độ cao là (h-x). Khi đó, điện dung tương đương của tụ là:
2 0( ) 2 0 0 2 2 1 1 2 0 2 0 ( 1) 2 2 1 1 2 0( 1) . 2 1 h x x CMN C Cm r r Ln Ln r r h x CMN r r Ln Ln r r CMN Ckk r x Ln r
Biểu thức trên cho thấy điện dung tương đương CMN của tụ phụ thuộc tuyến tính theo lượng mẫu chứa trong vùng không gian giữa hai bản tụ. Điện dung của tụ lớn nhất khi khoảng không gian giữa hai bản cực được lấp đầy mẫu.
Nguồn ni cầu có dạng sóng hình sin được đưa vào hai điểm 1 và 2. Tín hiệu ra của cầu trên các điểm 3 và 4 được đưa vào mạch khuếch đại vi sai và chỉ thị đo. Cầu Sauty cho phép loại trừ mức điện áp một chiều và khuếch đại mạnh tín hiệu khi cầu bị lệch khỏi vị trí cân bằng do biến đổi điện dung cảm biến C2. Có thể sử dụng C1 làm cảm biến, tụ C2 là tụ đối xứng trên nhánh cầu.
a) R1 R2 R3 C1 C2 1 2 3 4 b)
Hình 2.4. Cầu Sauty (a) và tụ điện trụ (b)
c) Cầu điện dung Booton 72B [9]
Cầu Booton 72B là một thiết bị chuẩn, sản xuất công nghiệp tại Mỹ. Một số thông số kỹ thuật của cầu như sau:
Tần số dao động ni cầu: 1MHz Biên độ sóng 1MHz ni cầu: 15mV Dải thang đo: 1012-3.109 F
Độ phân giải: 5.103 pF Hằng số thời gian: 1ms
Tạp bình phương trung bình: <1mV Mạch cầu có cấu tạo như hình 2.5 dưới đây:
Hình 2.5. Mạch cầu Boonton 72B
32
Trong đó dao động 1MHz được đưa vào cầu thông qua hai cuộn dây L1, L2. Hai cuộn này đồng thời là hai nhánh cầu. Hai nhánh còn lại là tụ tinh chỉnh C104 và lối TEST dùng cho mẫu đo.
Mạch cầu này không chỉ cho phép đo các điện dung khơng đổi mà cịn cho phép đo các điện dung bị tác động bởi điều kiện bên ngoài như các xung điện áp, lực, điện môi v.v… Với độ nhậy, độ phân giải cao, khả năng chống nhiễu tốt, cầu Booton 72B được sử dụng nhiều trong các phép đo liên quan đến biến đổi điện dung nhỏ của cảm biến.
Hình 2.6 mơ tả ngun lý thu tín hiệu S của cảm biến nhờ mạch cầu. Cảm biến có thể được đặt ở một trong 4 nhánh cầu.
Hình 2.6. Thu tín hiệu của cảm biến trên mạch cầu a) Cầu điện trở b) Cầu điện trở-điện dung a) Cầu điện trở b) Cầu điện trở-điện dung
Do có dịch pha trên các tụ điện nên điều kiện để cầu trên hình 2.6b cân bằng là: R2R3 = R1R4
C2R2 = C1R1
2.2.2 Sử dụng mạch vi sai
Mạch vi sai thường được phối hợp với các phần tử cảm biến chuyển đổi tín hiệu khơng điện sang tín hiệu điện. Một trong những đặc điểm nổi bật của mạch là khả năng chống nhiễu. Nó tăng cường các tín hiệu ngược pha và khử các tín hiệu đồng pha. Mạch này thường được áp dụng trong các cuộn dây cảm nhận tín hiệu
điện thế hoặc các mạch khuếch đại. Các nhiễu đồng pha tác động vào mạch có thể là các thăng giáng nguồn ni, sóng điện từ ngẫu nhiên hay biến động của nhiệt độ môi trường... Các nhiễu này tác động đồng thời vào hai nhánh và bị khử ở lối ra mạch vi sai.