Đo lường điện - Chương 4: Chuyển đổi đo lường và cảm biến

CHƯƠNG 4: CHUYỂN ĐỔI ĐO LƯỜNG VÀ CẢM BIẾNNội dungKhái niệm chungChuyển đổi điện trởChuyển đổi điện từChuyển đổi tĩnh điệnChuyển đổi nhiệt điệnChuyển đổi điện hóaChuyển đổi đo độ ẩmChuyển đổi điện tử và ionChuyển đổi lượng tửKhái niệm chungChuyển đổi đo lường: dụng cụ tạo quan hệ đơn trị giữa 2 đại lượng vật lý với độ chính xác nhất địnhChuyển đổi đo lường sơ cấp: đại lượng vào là đại lượng không điện, đại lượng ra là đại lượng điện.Cảm biến: chuyển đổi sơ cấp bao bọc trong khối hộp có kích thước nhất định, và có đầu nối tín hiệu ra.Cảm biếnSensorChuyển đổi sơ cấpKhái niệm chungCác đặc tính của chuyển đổi sơ cấp Y = f(X,Z)Khả năng thay thế các chuyển đổiChuyển đổi phải có đặc tính đơn trịĐường cong của chuyển đổi phải ổn địnhTín hiệu ra của chuyển đổi phải tiện cho việc ghép nối vào dụng cụ đo, hệ thống đo và máy tínhSai số: đặc tính quan trọng của chuyển đổiSai số cơ bảnSai số phụĐộ nhạy: quyết định cấu trúc của mạch đo Độ tác động nhanhKhái niệm chungPhân loại các chuyển đổi sơ cấpTheo nguyên lý chuyển đổi giữa đáp ứng và kích thíchChuyển đổi điện trởChuyển đổi điện từChuyển đổi tĩnh điệnChuyển đổi hóa điệnChuyển đổi nhiệt điệnChuyển đổi điện tử và ionChuyển đổi lượng tửTheo tính chất nguồn điệnChuyển đổi phát điện: chuyển đổi cảm ứng, chuyển đổi điện áp, cặp nhiệt điệnChuyển đổi thông số: đại lượng ra là các thông số R,L,CTheo phương pháp đo:Chuyển đổi biến đổi trực tiếpChuyển đổi bùChuyển đổi điện trở Chuyển đổi điện trởChuyển đổi biến trởMạch đo: thường dùng mạch biến trở, hoặc mạch cầu, hoặc mạch phân áp.Ứng dụng: dùng để đo các di chuyển thẳng (2-3mm) hoặc di chuyển góc. Ngoài ra còn ứng dụng trong các dụng cụ đo lực, áp suất, gia tốc hoặc các chuyển đổi ngược trong mạch cầu, điện thế kế tự động Chuyển đổi điện trởChuyển đổi điện trở lực căng:Nguyên lý hoạt động: dựa trên hiệu ứng tenzô: khi dây dẫn chịu biến dạng thì điện trở của nó thay đổi, còn gọi là chuyển đổi điện trở tenzô. Gồm có 3 loại chính: chuyển đổi điện trở lực căng dây mảnh, chuyển đổi điện trở lực căng lá mỏng và chuyển đổi điện trở lực căng màng mỏngCó thể thay đổi các tham số ρ, l, S để thay đổi điện trở RChuyển đổi điện trở Chuyển đổi điện trở lực căngMạch đo: chuyển đổi điện trở lực căng thường được dùng với mạch cầu một chiều hoặc xoay chiều và mạch phân áp.Ứng dụng: các chuyển đổi lực căng được dùng để đo lực, áp suất, mômen quay, gia tốc và các đại lượng khác nếu có thể biến đổi thành biến dạng đàn hồi với ứng suất cực tiểu lớn hơn hoặc bằng độ nhạy của chuyển đổi (thường cỡ 1.107 ÷ 2.107 N). Chuyển đổi điện trởMột số loại cảm biến lực trong thực tếChuyển đổi điện từCơ sở lý thuyếtLàm việc dựa trên quy luật điện từ3 loại: chuyển đổi điện cảm và hỗ cảm chuyển đổi cảm ứng chuyển đổi áp từChuyển đổi điện từChuyển đổi điện cảm   Loại này thường dùng đo khoảng cách, độ rung các gối đỡ các thiết bị điện Chuyển đổi điện từChuyển đổi hỗ cảm (chuyển đổi biến áp)    Sử dụng loại này an toàn hơn loại điện cảmỨng dụng đo khoảng cách hay dao độngChuyển đổi điện từChuyển đổi điện cảm và hỗ cảmMạch đo: mạch cầu không cân bằng với nguồn cung cấp xoay chiều có một nhánh hoạt động (chuyển đổi đơn) hoặc 2 nhánh hoạt động (chuyển đổi mắc vi sai)Sai số: kiểu mắc vi sai khử được các sai số do nguồn cung cấp và sai số do nhiệt độ môi trườngChuyển đổi điện từChuyển đổi áp từHiệu ứng áp điện: biến dạng đàn hồi cơ học làm cho lõi thép biến dạngđộ từ thẩm và từ trở của lõi sắt thay đổi  điện cảm và hỗ cảm thay đổiSai số hồi sai do hiện tượng áp từ trễ không trùng lặp giữa trạng thái tăng tải và giảm tảiSai số do dao động của dòng điện từ hóaSai số do dao động nhiệt độ của môi trườngChuyển đổi điện từChuyển đổi áp từMạch đo: thường dùng mạch vi sai để loại trừ các sai sốỨng dụng: Đo lực có giá trị lớn (105-106N) và đo áp suất trong điều kiện khó khăn và đo biến dạngCấu trúc đơn giản, độ tin cậy cao  đo áp suất, momen xoắn trong các máy khoan đất, đo lực cắt trong quá trình gia công kim loạiChuyển đổi điện từChuyển đổi cảm ứngChuyển đổi có cuộn dây di chuyểnChuyển đổi có di chuyển góc Chuyển đổi có lực tác dụng thay đổiChuyển đổi điện từChuyển đổi cảm ứng:Mạch đoSức điện động đầu ra ti lệ với tốc độ biến thiên tín hiệu đầu vàoỨng dụng Chuyển đổi có cuộn dây di chuyển: đo tốc độ quay, momen quay, tốc độ kếChuyển đổi có lõi thép di chuyển: đo di chuyển thắng, góc, đo biên độ rungĐộ nhạy cao cho phép đo các di chuyển nhỏ, đo tốc độ, gia tốc Độ nhạy của chuyển đổi qua toán tử mạchChuyển đổi tĩnh điệnChuyển đổi áp điện:Hiệu ứng áp điện thuận: vật liệu khi chịu tác động của một lực cơ học biến thiên thì trên bè mặt nó xuất hiện các điện tích, khi lực ngừng tác dụng thì các điện tích cũng biến mấtLực Fx tác động theo trục X qx = d1 . FxLực Fy tác động theo trục YChuyển đổi tĩnh điệnChuyển đổi áp điệnHiệu ứng áp điện ngược: đặt phần tử điện trong điện trường có cường độ Ex dọc trục X, nó sẽ biến dạng tương đối theo hướng X, Y một lượngChuyển đổi tĩnh điện Chuyển đổi áp điệnMạch đo: công suất của chuyển đổi nhỏ nên tổng trở vào của mạch đo phải lớnỨng dụng: đo lực biến thiên, đo áp suất và gia tốc trong dải tần 0,5-100kHzCó khả năng đo các lực biến thiên nhanhKhông đo được các lực tĩnhChuyển đổi tĩnh điệnChuyển đổi điện dung:Nguyên lý hoạt động: dựa trên sự tác động tương hỗ giữa 2 điện cực Chia thành 2 nhóm lớn: chuyển đổi máy phát và chuyển đổi thông sốChuyển đổi máy phát: đại lượng ra là điện áp máy phát, đại lượng vào là di chuyển thẳng, góc của bản điện cực độngĐiện áp ra trên 2 bản cực tụ điệnChuyển đổi tĩnh điệnChuyển đổi điện dungChuyển đổi điện dung thông số: đại lượng ra là sự thay đổi điện dung C của chuyển đổi, đại lượng vào là sự di chuyển của bản cực điện độngSự biến thiên tương đối của chuyển đổi điện dung là hàm phi tuyến hoặc tuyến tính tùy thuộc vào sự thay đổi của tham số Giảm khoang cách δ giữa 2 bản cực đến một giá trị nào đó để tránh điện áp đánh thủng cách điện.Chuyển đổi tĩnh điệnChuyển đổi điện dungMạch đo: thường là mạch cầu không cân bằng cung cấp bằng dòng xoay chiềuỨng dụng: Loại có khe hở thay đổi được: đo di chuyển nhỏLoại có bản cực thay đổi: đo di chuyển lớn và di chuyển góc (đến 270o)Chuyển đổi có điện môi thay đổi: đo độ ẩm (vải, chất dẻo), đo mức nước, đo chiều dày của các vật cách điện, đo lựcChuyển đổi nhiệt điệnCơ sở lý thuyết:Chuyển đổi điện dựa trên quá trình nhiệt như đốt nóng, làm lạnh, trao đổi nhiệtHiệu ứng nhiệt điệnBiến thiên điện trở dây dẫn hay chất bán dẫn khi nhiệt độ thay đổi2 loại chuyển đổi: chuyển đổi cặp nhiệt điện và chuyển đổi nhiệt điện trở.Chuyển đổi nhiệt điệnChuyển đổi cặp nhiệt điện:Nguyên lý hoạt động: dựa trên hiệu ứng nhiệt điệnHiệu ứng Thomson: trong một vật dẫn đồng nhất, giữa 2 điểm M và N có nhiệt độ khác nhau sẽ sinh ra sức điện độngNếu mạch là 2 vật dẫn khác nhau:Hiệu ứng Seebek: 2 dây dẫn nối với nhau tại 2 điểm , tạo thành mạch kín, và giữ nhiệt độ t1, t2, chúng tạo thành cặp nhiệt điện. Khi nhiệt độ 2 đầu khác nhau, các điện tích khuếch tán trong nhau, tạo sức điện động Chuyển đổi nhiệt điệnChuyển đổi cặp nhiệt điệnSai số: sai số do nhiệt độ đầu tự do thay đổi, sai số do sự thay đổi điện trở đường dây, cặp nhiệt và chỉ thị, hoặc sai số do đặt cặp nhiệt không đúng vị trí cần đo, diện tích tiếp xúc nhỏ.Mạch đo: sức điện động Seebek đo được giữa 2 đầu cặp nhiệt sẽ cung cấp thông tin về nhiệt độ cần đo. Ứng dụng: đo nhiệt độ, ngoài ra nó còn được sử dụng để đo các đại lượng không điện và điện khác như đo dòng điện (ở tần số cao), đo hướng chuyển động và lưu lượng của các dòng chảy, đo di chuyển, đo áp suất nhỏ (độ chân không) Chuyển đổi nhiệt điệnChuyển đổi nhiệt điện trở :Nguyên lý hoạt động: dựa vào sự thay đổi điện trở theo nhiệt độNhiệt điện trở không đốt nóng: dòng điện nhỏ, không làm tăng nhiệt độ điện trởNhiệt điện trở đốt nóng: dòng qua lớn, làm nhiệt độ tăng Chuyển đổi nhiệt điệnChuyển đổi nhiệt điện trởNhiệt điện trở dây: đồng, Platin, NikenNhiệt điện trở bán dẫn: CuO, CoO, MnOMạch đo: có thể dùng mạch đo bất kì để đo điện trở, thông thường dùng mạch cầu không cân bằng có chỉ thị là logomet hoặc cầu tự ghi.Sai số: chủ yếu do sự thay đổi điện trở đường dây khi nhiệt độ môi trường thay đổi.Ứng dụng: dùng đo nhiệt độ, đo các đại lượng không điện như đo di chuyển, đo áp suất và dùng để phân tích thành phần, nồng độ của một số hợp chất và chất khí Bài tập phần chuyển đổi nhiệt điện0C: 10 20 30 40 50 60 70 80tan 0.1 0.17 0.27 0.5 0.8 1.3 1.9 3.2 Nhiệt độ môi trường hiện tại là 300C, nhiệt độ hiển thị là 650CXác định nhiệt độ thực tế tại điểm đo.Chuyển đổi điện hóaCơ sở lý thuyết:dựa vào các hiện tượng điện hoá xảy ra khi cho dòng điện qua bình điện phân hoặc do quá trình oxi hoá khử các điện cực.Hiện tượng phân ly: Khi hòa tan vào nước hoặc dung dịch khác các muối, hoặc bazo, phân tử chất sẽ phân li thành các ion điện tích dương hoặc ion điện tích âm, tạo thành dung dịch dẫn điện.H2SO4KOH1/Ω.mg.mol/lHClĐiện dẫn dung dịch: γ = λ fc = λ.a (1/Ω.m) a – độ hoạt động của dung dịchChuyển đổi điện hóaĐiện thế cực:Khi nhúng điện cực kim loại vào nước hay dung dịch, giữa các điện cực và dung dịch xuất hiện điện thế cực. Với R=8,3178/C – hằng số khí F=96522 C/g.mol – hằng số FaradayV<0eHiện tượng điện phân:Quá trình biến đổi hóa học tách vật chất ra khỏi dung dịch khi cho dòng điện chạy qua dung dịch.Hiện tượng phân cực:Hiện tượng thay đổi điện thế cực do sự thay đổi nồng độ ở gần điện cực khi cho dòng điện chạy qua bình điện phân. Chuyển đổi điện hóaChuyển đổi điện dẫn dung dịchNguyên lý hoạt động: dựa vào sự phụ thuộc của điện dẫn dung dịch với thành phần và nồng độ chất điện phân cũng như khoảng cách l và tiết diện của điện cực s.Để loại trừ sai số do phân cực cùng với việc cung cấp điện áp xoay chiều, người ta thường dùng chuyển đổi 4 điện cựcChuyển đổi điện hóaChuyển đổi điện dẫnĐể loại trừ hiện tượng phân cực và các tác dụng tương hỗ không mong muốn giữa các điện cực và dung dịch, ta có thể dùng chuyển đổi điện dẫn không tiếp xúc.Mạch đo:Chuyển đổi điện hóaChuyển đổi ganvanic:Nguyên lý hoạt động: dựa vào sự phụ thuộc của điện thế cực theo nồng độ, và thành phần của dung dịchĐộ pH của dung dịch : pH=-log[H+]Hằng số phân ly : K = [H+].[OH-] Chuyển đổi ganvanic thường dùng trong các pH mét, đo độ pH của dung dịch Chuyển đổi điện hóaChuyển đổi điện phân:Nguyên lý hoạt động: dựa vào hiện tượng điện phân  Đại lượng vào có thể là điện lượng Q, hoặc biến thiên dòng điện theo thời gian t. Đại lượng ra có thể là khối lượng chất giải phóng, hoặc sự thay đổi chiều dài, điện trở điện cực Ứng dụng: dùng làm đồng hồ đo thời gian làm việc của thiết bịChuyển đổi điện hóaChuyển đổi khimotronNguyên lý làm việc: dựa trên việc sử dụng lớp “khoá”, đó là lớp môi trường bị làm nghèo đi các hạt mang điện tích.Ứng dụng: chế tạo các dụng cụ đo áp suất, gia tốc và tạo thành các diot điện hoá.Chuyển đổi đo độ ẩmKhái niệm chungĐộ ẩm đối với nguyên, nhiên vật liệu thể rắnĐộ ẩm tuyệt đối (γ) là số gam hơi nước có trong một mét khối khí khô [g/m3].Độ ẩm tương đối (u) là tỉ số giữa độ ẩm tuyệt đối và lượng nước bão hoà ở cùng một nhiệt độ và áp suất đó.Nhiệt độ hóa sương: nhiệt độ cần làm lạnh không khí đến đó để đạt trạng thái bão hòaNhiệt độ ẩm: là nhiệt độ cân bằng của khối nước hóa hơi và không khíChuyển đổi đo độ ẩmChuyển đổi đo độ ẩm bằng phương pháp hấp thụNguyên lý làm việc: dựa trên sự hấp thụ hơi nước của một số chất như LiCl, P2O5.Đo độ ẩm bằng ẩm kế hấp thụ: nung dung dịch muối chứa trong ẩm kế đến khi áp suất hơi bão hoà ở phía trên dung dịch bằng áp suất hơi của môi trường không khí bình thường  xác định được áp suất hơi và nhiệt độ hoá sương.Chuyển đổi đo độ ẩmChuyển đổi đo độ ẩm bằng biến thiên trở kháng:Chuyển đổi có tính chất hút ẩm được chế tạo dưới dạng điện trở hoặc tụ điện2 loại: ẩm kế điện trở và ẩm kế tụ điệnẨm kế điện trở : điện trở R phụ thuộc hàm lượng nước và nhiệt độ chất hút ẩm. Có thể đo được độ ẩm của các loại vật liệu rời, với dải độ ẩm đo được 5 ÷ 95%, và dải nhiệt độ -10 ÷ 60oC. Thời gian hồi đáp cỡ 10s, và đạt độ chính xác ±2 ÷ ±5 %.Ẩm kế tụ điện : 1 tụ điện có lớp điện môi giữa 2 bản cực là các chất hút ẩm.  đo nhiệt độ hoá sương Ts trong phạm vi từ -80oC ÷ 70oC, không dùng được trong môi trường ăn mòn như NaCl, S Chuyển đổi điện tử và ionCơ sở lý thuyếtNguyên lý làm việc: dựa vào sự thay đổi dòng ion và dòng điện tử dưới tác dụng của đại lượng đo.2 loại: chuyển đổi điện tử và ion và chuyển đổi ion hóaChuyển đổi phát xạ điện tửNguyên lý hoạt động: dưới tác dụng của điện trường mạnh(3kV), các điện tử bị bắn ra khỏi catốt, trên đường đi chúng ion hoá các phân tử khí tạo thành ion dương và âm. Dòng điện chạy từ anốt đến catốt thay đổi theo mật độ không khí trong đèn hai cựcỨng dụng: chế tạo các thiết bị đo áp suất thấp (các chân không kế)Chuyển đổi điện tử và ionChuyển đổi có phát xạ nhiệt điện tửNguyên lý hoạt động: Khi catốt bị đốt nóng các điện tử bắn ra khỏi nó và dưới tác dụng của điện trường, các điện tử chuyển động từ anốt đến catốt. Trên đường đi các điện tử ion hoá không khí tạo thành các ion dương và âm. Ứng dụng: đo độ chân không; chế tạo các thiết bị đo các đại lượng cơ học như đo độ di chuyển, đo áp suất ... Chuyển đổi có phát xạ quang điện tử (chuyển đổi quang điện)Nguyên lý hoạt động: dựa trên hiện tượng giải phóng điện tích dưới tác dụng của dòng ánh sáng do hiệu ứng quang điện gây nên sự thay đổi tính chất của vật liệu. Các dạng cơ bản: : tế bào quang điện, quang điện trở, phôtô điốt và phôtô tranzito.Tạo nguồn sáng: - kích thích nguyên tử và phân tử của vật chất bằng đốt nóng - biến đổi từ một dạng năng lượng khác Chuyển đổi ion hóaNguyên lý làm việc: Khi có tia phóng xạ hoặc Rơnghen đi vào vùng không khí, các chất khí bị ion hóa thành điện tử và ion; dưới tác dụng của điện trường E, các dòng điện tử và ion chuyển động đến các điện cực tạo thành dòng điện (cỡ 10-3 ÷ 10-7 μA).NCĐBTNguồn phóng xạ: : nguồn tác nhân ion hóa thường là các nguồn phóng xạ như tia α, tia β, tia γ, tia rơnghen.Bộ thu bức xạ: biến đổi năng lượng bức xạ hạt nhân thành điện năng. Bộ thu bức xạ chia thành 3 loại : bình ion hóa, máy đếm phóng điện trong chất khí, máy đếm nhấp nháy. Ứng dụng:Đo di chuyển khi khoảng cách giữa 2 điện cực thay đổi, đo mật độ chất khí trong dải áp suất từ 0,1 N/m2 đến 100 kN/m2. Đo tốc độ dòng khí trong đó số điện tử và ion được ion hoá phụ thuộc vào tốc độ dòng khí qua bình ion.Chuyển đổi lượng tửNguyên lý hoạt động: Dựa vào cấu tạo của một số hạt nhân nguyên tử tồn tại 2 loại momen là momen từ (dipol) μ và momen khối lượng (spin) p. Tỉ số γ = μ/p là hệ số thuỷ từ của hạt nhân, nó là hằng số.Mạch đo: Ứng dụng: để đo dòng lớn. Ngoài ra, trong y học, người ta sử dụng chuyển đổi này để sản xuất máy chụp cắt lớp, để phát hiện khối u bên trong cơ thể. Cảm biến thông minhVai trò của cảm biến thông minhSử dụng đa chức Có khả năng chương trình hóa theo một chương trình định trướcTự động xử lí kết quả đoTự động khắc độ, tự động chọn thang đoTự động bù sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiênTự động bù ảnh hưởng của các yếu tố khác nhauVi điện tử hóa các chuyển đổi sơ cấpChuyển đổi điện trởChuyển đổi quang điệnCông nghệ màng bán thấm có chọn lọcXử lý kết quả đo Y=f(x,a,b,c) : phương trình của cảm biếnCảm biến thông minhXử lý kết quả đoXử lý khắc độ:Xử lý tuyến tính hóa từng đoạnBù sai số cộng tínhBù sai số nhân tínhBù sai số do các yếu tố ảnh hưởngXử lý thống kêXử lý trong phép đo gián tiếp và hợp bộCảm biến thông minhCấu trúc của cảm biến thông minhNếu CĐ là CĐSC bình thường thì các đầu ra của chúng được đưa vào vi mạch công nghệ laiNếu CĐ đã được thực hiện bằng công nghệ vi mạch thì cả CĐ và các phần tử gia công phía sau được để trong một khối công nghệ mạch laiCảm biến thông minhThiết bị đo thông minh và linh hoạtCác vấn đề cần giải quyết trong thiết bị đo thông minhMenu hóa các chế độ đo lườngChuẩn độ tự động thiết bịTự động lập chương trình thử nghiệm