Toàn bộ mạch điện tử sẽ hoạt đông theo nguyên tắc. Tín hiệu được đưa cùng vào hai tụ điện.Nếu tín điện dung trên trên hai cảm biến là giống nhau ∆C= C1 – C2 = 0 (không có sự biến thiên điện dung) thì tại tín ở lối ra= 0; Tín hiệu trên kênh cảm biến và kênh tham chiếu được so sánh về biên độ tại cùng một thời điểm vì thế pha giữa hai kênh không ảnh hưởng đến tín hiệu lối ra của cảm biến.
Nếu tín hiệu xuất hiện trên hai cảm biến là khác nhau về biên độ, ∆C= C1 – C2
≠ 0 Bộ khuếch đaị vi sai sẽ khuếch đại tín hiệu và đưa ra lối ra.
Hình 3. 4Sơ đồ nguyên lý mạch điện tử của cảm biến
Mạch RC lấy tín hiệu trên tụ C nên là mạch lọc thông thấp (mạch tích phân), mạch thông thấp cho các tín hiệu có tần số cắt qua hoàn toàn, tín hiệu có tần số cao bị suy giảm biên độ. Tín hiệu ra trễ pha so với tín hiệu lối vào .
Tần số cắt: fc= 1
2𝛱𝑅𝐶 (3.1)
tại tần số cắt điện áp ra có biên độ V0 = 𝑉𝑖
2 (3.2) Tín hiệu lối vào Vin(t) = Vr(t) + Vc (t) (3.3) Điều kiện là f(i) >> fc= 1
2𝛱𝑅𝐶 (3.4) Suy ra : R >> Zc = 1
2𝛱𝑓𝑖.𝐶 (3.5) Và do vậy VR(t) ) >> Vc(t) suy ra: i(t)=𝑉𝑖(𝑡)
𝑅 ( Điện áp ra V0(t)= Vc(t)= 1 𝐶 𝑖 𝑡 𝑑𝑡 = 1 𝐶 𝑉𝑖(𝑡) 𝑅 𝑑𝑡= 1 𝑅𝐶 𝑉𝑖 𝑡 𝑑𝑡
Như vậy điện áp lối ra V0(t) của mạch lọc thông thấp (mạch tích phân RC) tỷ lệ với tích phân theo thời gian của điện áp vào 𝑉𝑖 𝑡 với hằng số tỷ lệ K=1
𝑅𝐶 ;Khi tần số fi rất lớn so với tần số cắt fc.
Với mạch thiết kế trong luận văn là mạch tạo tín hiệu hình sin dạng Vi(t)= Vm.sin(𝝎t) được đưa vào tụ cảm biến (1) và tụ cảm biến (2)
Thì điện áp lối ra của mạch RC là: V0(t)=1 𝑅𝐶 𝑉𝑖 𝑡 𝑑𝑡=1 𝑅𝐶 𝑉𝑚.𝑆𝑖𝑛 𝜔𝑡 𝑑𝑡 V0(t) = − 𝑉𝑚 𝜔𝑅𝐶 𝐶𝑜𝑠(𝜔𝑡)= 𝑉𝑚 𝜔𝑅𝐶 𝑆𝑖𝑛(𝜔𝑡 − 𝛱 2) Theo công thức thì điện áp lối ra sẽ bị trễ pha 𝛱
2 hay 900 so với tín hiệu lối vào và biên độ giảm xuống với hệ số: 1
𝜔𝑅𝐶
Một mạch điện tương tự sẽ tín hiệu điện áp lối ra sớm pha 900 so với tín hiệu lối vào. Như vậy bài toán thiết kế chế tạo mạch theo sơ đồ nguyên lý như hình 3.6, và
hình 3.7bên dưới đã được giải.
Do trên mạch sử dụng nguồn đối xứng cho các khuếch đại thuật toán và bộ khuếch đại vi sai nên bộ nguồn thiết kế để chuyển đổi DC 12V sang +9 và -9V. (hình 3.5) và bộ ICL7660 là IC chuyển đổi từ +9V sang -9V.[9]
Hình 3. 5Mạch nguồn của cảm biến
Mạch phát tín hiệu sine
Hình 3. 6Mạch phát xung hình sin
Tần sốđược tính toán theo công thức:
F= 1 2𝛱𝑅𝐶
Chọn các giá trị của mạch với:
R=R1=R2; C=C1=C2 và R3=22 KΩ ; R4=10 KΩ và giá trị K =3 Tính được: F= 15,9 KHz với R= 10 KΩ và C = 1nF
Hình 3. 7Mạch đo tụ điện dùng Khuếch đại thuật toán và lọc thông thấp
Hình 3.7 là sơ đồ mạch đo điện dung, cảm biến Csen1 và Csen2 đưa tín hiệu sin vào mạch khuếch đại, khi Csen1 và Csen2 thay đổi thì Zcsen1 và Zcsen2 thay đổi và tín hiệu đuợc khuếch đại một nửa chu kỳ bởi khuếch đại thuật toán nguồn đơn MC34074. Tín hiệu đo đuợc cho qua mạch lọc thông thấp bởi Rf1,Rf2, Cf1, và Cf2. Rf1=Rf2= 10KOhm, Cf1=Cf2= 0.1 uF.
Hình 3. 8Mạch điện tử khuếch đại vi sai dùng IC AD 620
Khuếch đại vi sai dùng IC AD620 để đọc ra tín hiệu. khi có sự chênh lệch của hai cảm biến Csen1 và Csen2 thì tín hiệu qua hai bộ lọc thông thấp có sự t chênh lệch
với nhau, tín hiệu chênh lệch này đuợc qua bộ khuếch đại vi sai để chuyển thành tín hiệu ra. Mạch này có ưu điểm là triệt tiêu được các nguồn nhiễu đồng pha ở hai kênh đặc biệt là nhiễu điện từ với nguồn là mạng điện lưới.
Mạch khuếch đại điện tích
Hình 3. 9 Mạch khuếch đại điện tích (Change Amplifier)
Cả điện dung C(x) của cảm biến và điện dung ký sinh Cp nối đất phải bao gồm bởi vì các kết nối giữa bộ cảm biến và bộ khuếch đại luôn luôn bổ sung thêm một lượng điện dung ký sinh. Ở đây, một bộ khuếch đại điện trở truyền (hình 2.7) được sử dụng để xác định dòng điện qua tụ C(x).
Ưu điểm của cấu hình này là vì đất ảo tại đầu vào bộ khuếch đại, có điện tích không đáng kể trên các tụ điện điện ký sinh và do đó nó không ảnh hưởng nhiều đến đo lường. Giá trị của C(x) có thể xác định từ biên độ đầu ra sóng sine.
Từ sơ đồ nguyên lý chế tạo mạch điện tử tích hợp mạch nguồn, tạo sóng hình sin, mạch đo tụ điện lọc thông thấp và khuếch đại vi sai. Được tích hợp trên bản mạch điện tử kích thước cỡ (40 x80 mm).
Chƣơng 4. THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ HOẠT ĐỘNG CẢM BIẾN 4.1 Thiết lập mạch đo
Một thiết lập đo lường gồm tín hiệu lối ra của hệ thống cảm biến điện dung. Hệ thống bơm chất lưu qua kênh dẫn đặt trên cực của cảm biến, tín hiệu lối ra của cảm biến được đưa qua card NI DAQ-50 kết nối với máy tính để thu thập và xử lý số liệu.
Hình 4. 1Thiết lập hệ thống đo lường cảm biến điện dung