Cam bien cong nghiep

- 5-

Ch−¬ng I

Çc Kh¸i niÖm vµ ®Æc tr−ng c¬ b¶n

1.1. Kh¸i niÖm vµ ph©n lo¹i c¶m biÕn

1.1.1. Kh¸i niÖm

C¶m biÕn lµ thiÕt bÞ dïng ®Ó c¶m nhËn biÕn ®æi çc ®¹i l−îng vËt lý vµ çc ®¹i

l−îng kh«ng cã tÝnh chÊt ®iÖn cÇn ®o thµnh çc ®¹i l−îng ®iÖn cã thÓ ®o vµ xö lý

®−îc.

Çc ®¹i l−îng cÇn ®o (m) th−êng kh«ng cã tÝnh chÊt ®iÖn (nh− nhiÖt ®é, ¸p suÊt

...) t¸c ®éng lªn c¶m biÕn cho ta mét ®Æc tr−ng (s) mang tÝnh chÊt ®iÖn (nh− ®iÖn

tÝch, ®iÖn ¸p, dßng ®iÖn hoÆc trë kh¸ng) chøa ®ùng th«ng tin cho phÐp x¸c ®Þnh gi¸

trÞ cña ®¹i l−îng ®o. §Æc tr−ng (s) lµ hµm cña ®¹i l−îng cÇn ®o (m):

( )mFs = (1.1)

Ng−êi ta gäi (s) lµ ®¹i l−îng ®Çu ra hoÆc lµ ph¶n øng cña c¶m biÕn, (m) lµ ®¹i

l−îng ®Çu vµo hay kÝch thÝch (cã nguån gèc lµ ®¹i l−îng cÇn ®o). Th«ng qua ®o ®¹c

(s) cho phÐp nhËn biÕt gi¸ trÞ cña (m).

1.1.2. Ph©n lo¹i c¶m biÕn

Çc bé c¶m biÕn ®−îc ph©n lo¹i theo çc ®Æc tr−ng c¬ b¶n sau ®©y:

- Theo nguyªn lý chuyÓn ®æi gi÷a ®¸p øng vµ kÝch thÝch (b¶ng 1.1).

B¶ng 1.1

HiÖn t−îng ChuyÓn ®æi ®¸p øng vµ kÝch thÝch

HiÖn t−îng vËt lý

- NhiÖt ®iÖn

- Quang ®iÖn

- Quang tõ

- §iÖn tõ

- Quang ®µn håi

- Tõ ®iÖn

- NhiÖt tõ...

Ho¸ häc

- BiÕn ®æi ho¸ häc

- BiÕn ®æi ®iÖn ho¸

- Ph©n tÝch phæ ...

Sinh häc

- BiÕn ®æi sinh ho¸

- BiÕn ®æi vËt lý

- 6-

- HiÖu øng trªn c¬ thÓ sèng ...

- Ph©n lo¹i theo d¹ng kÝch thÝch (b¶ng 1.2)

B¶ng 1.2

¢m thanh

- Biªn pha, ph©n cùc

- Phæ

- Tèc ®é truyÒn sãng ...

§iÖn

- §iÖn tÝch, dßng ®iÖn

- §iÖn thÕ, ®iÖn ¸p

- §iÖn tr−êng (biªn, pha, ph©n cùc, phæ)

- §iÖn dÉn, h»ng sè ®iÖn m«i ...

Tõ

- Tõ tr−êng (biªn, pha, ph©n cùc, phæ)

- Tõ th«ng, c−êng ®é tõ tr−êng

- §é tõ thÈm ...

Quang

- Biªn, pha, ph©n cùc, phæ

- Tèc ®é truyÒn

- HÖ sè ph¸t x¹, khóc x¹

- HÖ sè hÊp thô, hÖ sè bøc x¹ ...

C¬

- VÞ trÝ

- Lùc, ¸p suÊt

- Gia tèc, vËn tèc

- øng suÊt, ®é cøng

- M« men

- Khèi l−îng, tØ träng

- VËn tèc chÊt l−u, ®é nhít ...

NhiÖt

- NhiÖt ®é

- Th«ng l−îng

- NhiÖt dung, tØ nhiÖt ...

Bøc x¹

- KiÓu

- N¨ng l−îng

- C−êng ®é ...

- 7-

- Theo tÝnh n¨ng cña bé c¶m biÕn (b¶ng 1.3)

B¶ng 1.3

- §é nh¹y

- §é chÝnh x¸c

- §é ph©n gi¶i

- §é chän läc

- §é tuyÕn tÝnh

- C«ng suÊt tiªu thô

- D¶i tÇn

- §é trÔ

- Kh¶ n¨ng qu¸ t¶i

- Tèc ®é ®¸p øng

- §é æn ®Þnh

- Tuæi thä

- §iÒu kiÖn m«i tr−êng

- KÝch th−íc, träng l−îng

- Ph©n lo¹i theo ph¹m vi sö dông ( b¶ng 1.4).

B¶ng 1.4

- C«ng nghiÖp

- Nghiªn cøu khoa häc

- M«i tr−êng, khÝ t−îng

- Th«ng tin, viÔn th«ng

- N«ng nghiÖp

- D©n dông

- Giao th«ng

- Vò trô

- Qu©n sù

- Ph©n lo¹i theo th«ng sè cña m« h×nh m¹ch thay thÕ :

+ C¶m biÕn tÝch cùc cã ®Çu ra lµ nguån ¸p hoÆc nguån dßng.

+ C¶m biÕn thô ®éng ®−îc ®Æc tr−ng b»ng çc th«ng sè R, L, C, M .... tuyÕn

tÝnh hoÆc phi tuyÕn.

1.2. §−êng cong chuÈn cña c¶m biÕn

1.2.1. Kh¸i niÖm

§−êng cong chuÈn c¶m biÕn lµ ®−êng cong biÓu diÔn sù phô thuéc cña ®¹i

l−îng ®iÖn (s) ë ®Çu ra cña c¶m biÕn vµo gi¸ trÞ cña ®¹i l−îng ®o (m) ë ®Çu vµo.

- 8-

§−êng cong chuÈn cã thÓ biÓu diÔn b»ng biÓu thøc ®¹i sè d−íi d¹ng ( )mFs = , hoÆc

b»ng ®å thÞ nh− h×nh 1.1a.

Dùa vµo ®−êng cong chuÈn cña c¶m biÕn, ta cã thÓ x¸c ®Þnh gi¸ trÞ mi ch−a

biÕt cña m th«ng qua gi¸ trÞ ®o ®−îc si cña s.

§Ó dÔ sö dông, ng−êi ta th−êng chÕ t¹o c¶m biÕn cã sù phô thuéc tuyÕn tÝnh

gi÷a ®¹i l−îng ®Çu ra vµ ®¹i l−îng ®Çu vµo, ph−¬ng tr×nh s= F(m) cã d¹ng s = am +b

víi a, b lµ çc hÖ sè, khi ®ã ®−êng cong chuÈn lµ ®−êng th¼ng (h×nh 1.1b).

1.2.2. Ph−¬ng ph¸p chuÈn c¶m biÕn

ChuÈn c¶m biÕn lµ phÐp ®o nh»m môc ®Ých x¸c lËp mèi quan hÖ gi÷a gi¸ trÞ s

®o ®−îc cña ®¹i l−îng ®iÖn ë ®Çu ra vµ gi¸ trÞ m cña ®¹i l−îng ®o cã tÝnh ®Õn çc

yÕu tè ¶nh h−ëng, trªn c¬ së ®ã x©y dùng ®−êng cong chuÈn d−íi d¹ng t−êng minh

(®å thÞ hoÆc biÓu thøc ®¹i sè). Khi chuÈn c¶m biÕn, víi mét lo¹t gi¸ trÞ ®· biÕt chÝnh

x¸c mi cña m, ®o gi¸ trÞ t−¬ng øng si cña s vµ dùng ®−êng cong chuÈn.

a) ChuÈn ®¬n gi¶n

Trong tr−êng hîp ®¹i l−îng ®o chØ cã mét ®¹i l−îng vËt lý duy nhÊt t¸c ®éng

lªn mét ®¹i l−îng ®o x¸c ®Þnh vµ c¶m biÕn sö dông kh«ng nh¹y víi t¸c ®éng cña çc

m1 m2

s1

s2

s

m

H×nh 1.2 Ph−¬ng ph¸p chuÈn c¶m biÕn

H×nh 1.1 §−êng cong chuÈn c¶m biÕn a) D¹ng ®−êng cong chuÈn b) §−êng cong chuÈn cña c¶m biÕn tuyÕn tÝnh

s

mi

si

m

a)

0

s

m

b)

0

- 9-

®¹i l−îng ¶nh h−ëng, ng−êi ta dïng ph−¬ng ph¸p chuÈn ®¬n gi¶n. Thùc chÊt cña

chuÈn ®¬n gi¶n lµ ®o çc gi¸ trÞ cña ®¹i l−îng ®Çu ra øng víi çc gi¸ x¸c ®Þnh kh«ng

®æi cña ®¹i l−îng ®o ë ®Çu vµo. ViÖc chuÈn ®−îc tiÕn hµnh theo hai çch:

- ChuÈn trùc tiÕp: çc gi¸ trÞ kh¸c nhau cña ®¹i l−îng ®o lÊy tõ çc mÉu

chuÈn hoÆc çc phÇn tö so s¸nh cã gi¸ trÞ biÕt tr−íc víi ®é chÝnh x¸c cao.

- ChuÈn gi¸n tiÕp: kÕt hîp c¶m biÕn cÇn chuÈn víi mét c¶m biÕn so s¸nh ®·

cã s½n ®−êng cong chuÈn, c¶ hai ®−îc ®Æt trong cïng ®iÒu kiÖn lµm viÖc. Khi t¸c

®éng lªn hai c¶m biÕn víi cïng mét gi¸ trÞ cña ®¹i l−îng ®o ta nhËn ®−îc gi¸ trÞ

t−¬ng øng cña c¶m biÕn so s¸nh vµ c¶m biÕn cÇn chuÈn. LÆp l¹i t−¬ng tù víi çc gi¸

trÞ kh¸c cña ®¹i l−îng ®o cho phÐp ta x©y dùng ®−îc ®−êng cong chuÈn cña c¶m

biÕn cÇn chuÈn.

b) ChuÈn nhiÒu lÇn

Khi c¶m biÕn cã phÇn tö bÞ trÔ (trÔ c¬ hoÆc trÔ tõ), gi¸ trÞ ®o ®−îc ë ®Çu ra phô

thuéc kh«ng nh÷ng vµo gi¸ trÞ tøc thêi cña ®¹i l−îng cÇn ®o ë ®Çu vµo mµ cßn phô

thuéc vµo gi¸ trÞ tr−íc ®ã cña cña ®¹i l−îng nµy. Trong tr−êng hîp nh− vËy, ng−êi ta

¸p dông ph−¬ng ph¸p chuÈn nhiÒu lÇn vµ tiÕn hµnh nh− sau:

- §Æt l¹i ®iÓm 0 cña c¶m biÕn: ®¹i l−îng cÇn ®o vµ ®¹i l−îng ®Çu ra cã gi¸ trÞ

t−¬ng øng víi ®iÓm gèc, m=0 vµ s=0.

- §o gi¸ trÞ ®Çu ra theo mét lo¹t gi¸ trÞ t¨ng dÇn ®Õn gi¸ trÞ cùc ®¹i cña ®¹i

l−îng ®o ë ®Çu vµo.

- LÆp l¹i qu¸ tr×nh ®o víi çc gi¸ trÞ gi¶m dÇn tõ gi¸ trÞ cùc ®¹i.

Khi chuÈn nhiÒu lÇn cho phÐp x¸c ®Þnh ®−êng cong chuÈn theo c¶ hai h−íng ®o

t¨ng dÇn vµ ®o gi¶m dÇn.

1.3. Çc ®Æc tr−ng c¬ b¶n

1.3.1. §é nh¹y cña c¶m biÕn

a) Kh¸i niÖm

§èi víi c¶m biÕn tuyÕn tÝnh, gi÷a biÕn thiªn ®Çu ra ∆s vµ biÕn thiªn ®Çu vµo

∆m cã sù liªn hÖ tuyÕn tÝnh:

m.Ss ∆=∆ (1.2)

§¹i l−îng S x¸c ®Þnh bëi biÓu thøc m

sS

∆∆

= ®−îc gäi lµ ®é nh¹y cña c¶m biÕn.

Tr−êng hîp tæng qu¸t, biÓu thøc x¸c ®Þnh ®é nh¹y S cña c¶m biÕn xung quanh

- 10-

gi¸ trÞ mi cña ®¹i l−îng ®o x¸c ®Þnh bëi tû sè gi÷a biÕn thiªn ∆s cña ®¹i l−îng ®Çu ra

vµ biÕn thiªn ∆m t−¬ng øng cña ®¹i l−îng ®o ë ®Çu vµo quanh gi¸ trÞ ®ã:

immm

sS

=

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛∆∆

= (1.3)

§Ó phÐp ®o ®¹t ®é chÝnh x¸c cao, khi thiÕt kÕ vµ sö dông c¶m biÕn cÇn lµm sao

cho ®é nh¹y S cña nã kh«ng ®æi, nghÜa lµ Ýt phô thuéc nhÊt vµo çc yÕu tè sau:

- Gi¸ trÞ cña ®¹i l−îng cÇn ®o m vµ tÇn sè thay ®æi cña nã.

- Thêi gian sö dông.

- ¶nh h−ëng cña çc ®¹i l−îng vËt lý kh¸c (kh«ng ph¶i lµ ®¹i l−îng ®o) cña

m«i tr−êng xung quanh.

Th«ng th−êng nhµ s¶n xuÊt cung cÊp gi¸ trÞ cña ®é nh¹y S t−¬ng øng víi

nh÷ng ®iÒu kiÖn lµm viÖc nhÊt ®Þnh cña c¶m biÕn.

b) §é nh¹y trong chÕ ®é tÜnh vµ tû sè chuyÓn ®æi tÜnh

§−êng chuÈn c¶m biÕn, x©y dùng trªn c¬ së ®o çc gi¸ trÞ si ë ®Çu ra t−¬ng øng

víi çc gi¸ trÞ kh«ng ®æi mi cña ®¹i l−îng ®o khi ®¹i l−îng nµy ®¹t ®Õn chÕ ®é lµm

viÖc danh ®Þnh ®−îc gäi lµ ®Æc tr−ng tÜnh cña c¶m biÕn. Mét ®iÓm Qi(mi,si) trªn ®Æc

tr−ng tÜnh x¸c ®Þnh mét ®iÓm lµm viÖc cña c¶m biÕn ë chÕ ®é tÜnh.

Trong chÕ ®é tÜnh, ®é nh¹y S x¸c ®Þnh theo c«ng thøc (1.3) chÝnh lµ ®é ®èc cña

®Æc tr−ng tÜnh ë ®iÓm lµm viÖc ®ang xÐt. Nh− vËy, nÕu ®Æc tr−ng tÜnh kh«ng ph¶i lµ

tuyÕn tÝnh th× ®é nh¹y trong chÕ ®é tÜnh phô thuéc ®iÓm lµm viÖc.

§¹i l−îng ri x¸c ®Þnh bëi tû sè gi÷a gi¸ trÞ si ë ®Çu ra vµ gi¸ trÞ mi ë ®Çu vµo

®−îc gäi lµ tû sè chuyÓn ®æi tÜnh:

iQ

i m

sr ⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛= (1.4)

Tõ (1.4), ta nhËn thÊy tû sè chuyÓn ®æi tÜnh ri kh«ng phô thuéc vµo ®iÓm lµm

viÖc Qi vµ chØ b»ng S khi ®Æc tr−ng tÜnh lµ ®−êng th¼ng ®i qua gèc to¹ ®é.

c) §é nh¹y trong chÕ ®é ®éng

§é nh¹y trong chÕ ®é ®éng ®−îc x¸c ®Þnh khi ®¹i l−îng ®o biÕn thiªn tuÇn

hoµn theo thêi gian.

Gi¶ sö biÕn thiªn cña ®¹i l−îng ®o m theo thêi gian cã d¹ng:

tcosmm)t(m 10 ω+= (1.5)

- 11-

Trong ®ã m0 lµ gi¸ trÞ kh«ng ®æi, m1 lµ biªn ®é vµ ω tÇn sè gãc cña biÕn thiªn

®¹i l−îng ®o.

ë ®Çu ra cña c¶m biÕn, håi ®¸p s cã d¹ng:

)tcos(ss)t(s 10 ϕ+ω+=

Trong ®ã:

- s0 lµ gi¸ trÞ kh«ng ®æi t−¬ng øng víi m0 x¸c ®Þnh ®iÓm lµm viÖc Q0 trªn

®−êng cong chuÈn ë chÕ ®é tÜnh.

- s1 lµ biªn ®é biÕn thiªn ë ®Çu ra do thµnh phÇn biÕn thiªn cña ®¹i l−îng ®o

g©y nªn.

- ϕ lµ ®é lÖch pha gi÷a ®¹i l−îng ®Çu vµo vµ ®¹i l−îng ®Çu ra.

Trong chÕ ®é ®éng, ®é nh¹y S cña c¶m biÕn ®−îc x¸c ®Þnh bëi tØ sè gi÷a biªn

®é cña biÕn thiªn ®Çu ra s1 vµ biªn ®é cña biÕn thiªn ®Çu vµo m1 øng víi ®iÓm lµm

viÖc ®−îc xÐt Q0, theo c«ng thøc:

0Q1

1

m

sS ⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

§é nh¹y trong chÕ ®é ®éng phô thuéc vµo tÇn sè ®¹i l−îng ®o, )f(SS = . Sù

biÕn thiªn cña ®é nh¹y theo tÇn sè cã nguån gèc lµ do qu¸n tÝnh c¬, nhiÖt hoÆc ®iÖn

cña ®Çu ®o, tøc lµ cña c¶m biÕn vµ çc thiÕt bÞ phô trî, chóng kh«ng thÓ cung cÊp

tøc thêi tÝn hiÖu ®iÖn theo kÞp biÕn thiªn cña ®¹i l−îng ®o. Bëi vËy khi xÐt sù håi ®¸p

cã phô thuéc vµo tÇn sè cÇn ph¶i xem xÐt s¬ ®å m¹ch ®o cña c¶m biÕn mét çch

tæng thÓ.

1.3.2. §é tuyÕn tÝnh

a) Kh¸i niÖm

Mét c¶m biÕn ®−îc gäi lµ tuyÕn tÝnh trong mét d¶i ®o x¸c ®Þnh nÕu trong d¶i

chÕ ®é ®ã, ®é nh¹y kh«ng phô thuéc vµo ®¹i l−îng ®o.

Trong chÕ ®é tÜnh, ®é tuyÕn tÝnh chÝnh lµ sù kh«ng phô thuéc cña ®é nh¹y cña

c¶m biÕn vµo gi¸ trÞ cña ®¹i l−îng ®o, thÓ hiÖn bëi çc ®o¹n th¼ng trªn ®Æc tr−ng

tÜnh cña c¶m biÕn vµ ho¹t ®éng cña c¶m biÕn lµ tuyÕn tÝnh chõng nµo ®¹i l−îng ®o

cßn n»m trong vïng nµy.

Trong chÕ ®é ®éng, ®é tuyÕn tÝnh bao gåm sù kh«ng phô thuéc cña ®é nh¹y ë

chÕ ®é tÜnh S(0) vµo ®¹i l−îng ®o, ®ång thêi çc th«ng sè quyÕt ®Þnh sù håi ®¸p (nh−

- 12-

tÇn sè riªng f0 cña dao ®éng kh«ng t¾t, hÖ sè t¾t dÇn ξ còng kh«ng phô thuéc vµo ®¹i

l−îng ®o.

NÕu c¶m biÕn kh«ng tuyÕn tÝnh, ng−êi ta ®−a vµo m¹ch ®o çc thiÕt bÞ hiÖu

chØnh sao cho tÝn hiÖu ®iÖn nhËn ®−îc ë ®Çu ra tØ lÖ víi sù thay ®æi cña ®¹i l−îng ®o

ë ®Çu vµo. Sù hiÖu chØnh ®ã ®−îc gäi lµ sù tuyÕn tÝnh ho¸.

b) §−êng th¼ng tèt nhÊt

Khi chuÈn c¶m biÕn, tõ kÕt qu¶ thùc nghiÖm ta nhËn ®−îc mét lo¹t ®iÓm t−¬ng

øng (si,mi) cña ®¹i l−îng ®Çu ra vµ ®¹i l−îng ®Çu vµo. VÒ mÆt lý thuyÕt, ®èi víi çc

c¶m biÕn tuyÕn tÝnh, ®−êng cong chuÈn lµ mét ®−êng th¼ng. Tuy nhiªn, do sai sè

khi ®o, çc ®iÓm chuÈn (mi, si) nhËn ®−îc b»ng thùc nghiÖm th−êng kh«ng n»m trªn

cïng mét ®−êng th¼ng.

§−êng th¼ng ®−îc x©y dùng trªn c¬ së çc sè liÖu thùc nghiÖm sao cho sai sè

lµ bÐ nhÊt, biÓu diÔn sù tuyÕn tÝnh cña c¶m biÕn ®−îc gäi lµ ®−êng th¼ng tèt nhÊt.

Ph−¬ng tr×nh biÓu diÔn ®−êng th¼ng tèt nhÊt ®−îc lËp b»ng ph−¬ng ph¸p b×nh

ph−¬ng bÐ nhÊt. Gi¶ sö khi chuÈn c¶m biÕn ta tiÕn hµnh víi N ®iÓm ®o, ph−¬ng tr×nh

cã d¹ng:

bams +=

Trong ®ã:

( )2i

2i

iiii

mm.N

m.sm.s.Na

∑ ∑∑ ∑∑

−

−=

( )∑ ∑

∑ ∑ ∑ ∑−

−=

2i

2i

iii2ii

mm.N

m.s.mm.sb

c) §é lÖch tuyÕn tÝnh

§èi víi çc c¶m biÕn kh«ng hoµn toµn tuyÕn tÝnh, ng−êi ta ®−a ra kh¸i niÖm ®é

lÖch tuyÕn tÝnh, x¸c ®Þnh bëi ®é lÖch cùc ®¹i gi÷a ®−êng cong chuÈn vµ ®−êng th¼ng

tèt nhÊt, tÝnh b»ng % trong d¶i ®o.

1.3.3. Sai sè vµ ®é chÝnh x¸c

Çc bé c¶m biÕn còng nh− çc dông cô ®o l−êng kh¸c, ngoµi ®¹i l−îng cÇn ®o

(c¶m nhËn) cßn chÞu t¸c ®éng cña nhiÒu ®¹i l−îng vËt lý kh¸c g©y nªn sai sè gi÷a

gi¸ trÞ ®o ®−îc vµ gi¸ trÞ thùc cña ®¹i l−îng cÇn ®o. Gäi ∆x lµ ®é lÖch tuyÖt ®èi gi÷a

gi¸ trÞ ®o vµ gi¸ trÞ thùc x (sai sè tuyÖt ®èi), sai sè t−¬ng ®èi cña bé c¶m biÕn ®−îc

tÝnh b»ng:

- 13-

100.x

x∆=δ [%]

Sai sè cña bé c¶m biÕn mang tÝnh chÊt −íc tÝnh bëi v× kh«ng thÓ biÕt chÝnh x¸c

gi¸ trÞ thùc cña ®¹i l−îng cÇn ®o. Khi ®¸nh gi¸ sai sè cña c¶m biÕn, ng−êi ta th−êng

ph©n chóng thµnh hai lo¹i: sai sè hÖ thèng vµ sai sè ngÉu nhiªn.

- Sai sè hÖ thèng: lµ sai sè kh«ng phô thuéc vµo sè lÇn ®o, cã gi¸ trÞ kh«ng ®æi

hoÆc thay ®æi chËm theo thêi gian ®o vµ thªm vµo mét ®é lÖch kh«ng ®æi gi÷a gi¸

trÞ thùc vµ gi¸ trÞ ®o ®−îc. Sai sè hÖ thèng th−êng do sù thiÕu hiÓu biÕt vÒ hÖ ®o, do

®iÒu kiÖn sö dông kh«ng tèt g©y ra. Çc nguyªn nh©n g©y ra sai sè hÖ thèng cã thÓ

lµ:

Do nguyªn lý cña c¶m biÕn.

+ Do gi¸ trÞ cña ®¹i l−îng chuÈn kh«ng ®óng.

+ Do ®Æc tÝnh cña bé c¶m biÕn.

+ Do ®iÒu kiÖn vµ chÕ ®é sö dông.

+Do xö lý kÕt qu¶ ®o.

- Sai sè ngÉu nhiªn: lµ sai sè xuÊt hiÖn cã ®é lín vµ chiÒu kh«ng x¸c ®Þnh. Ta

cã thÓ dù ®o¸n ®−îc mét sè nguyªn nh©n g©y ra sai sè ngÉu nhiªn nh−ng kh«ng thÓ

dù ®o¸n ®−îc ®é lín vµ dÊu cña nã. Nh÷ng nguyªn nh©n g©y ra sai sè ngÉu nhiªn cã

thÓ lµ:

+ Do sù thay ®æi ®Æc tÝnh cña thiÕt bÞ.

+ Do tÝn hiÖu nhiÔu ngÉu nhiªn.

+ Do çc ®¹i l−îng ¶nh h−ëng kh«ng ®−îc tÝnh ®Õn khi chuÈn c¶m biÕn.

Chóng ta cã thÓ gi¶m thiÓu sai sè ngÉu nhiªn b»ng mét sè biÖn ph¸p thùc

nghiÖm thÝch hîp nh− b¶o vÖ çc m¹ch ®o tr¸nh ¶nh h−ëng cña nhiÔu, tù ®éng ®iÒu

chØnh ®iÖn ¸p nguån nu«i, bï çc ¶nh h−ëng nhiÖt ®é, tÇn sè, vËn hµnh ®óng chÕ ®é

hoÆc thùc hiÖn phÐp ®o l−êng thèng kª.

1.3.4. §é nhanh vµ thêi gian håi ®¸p

§é nhanh lµ ®Æc tr−ng cña c¶m biÕn cho phÐp ®¸nh gi¸ kh¶ n¨ng theo kÞp vÒ

thêi gian cña ®¹i l−îng ®Çu ra khi ®¹i l−îng ®Çu vµo biÕn thiªn. Thêi gian håi ®¸p lµ

®¹i l−îng ®−îc sö dông ®Ó x¸c ®Þnh gi¸ trÞ sè cña ®é nhanh.

§é nhanh tr lµ kho¶ng thêi gian tõ khi ®¹i l−îng ®o thay ®æi ®ét ngét ®Õn khi

biÕn thiªn cña ®¹i l−îng ®Çu ra chØ cßn kh¸c gi¸ trÞ cuèi cïng mét l−îng giíi h¹n ε

tÝnh b»ng %. Thêi gian håi ®¸p t−¬ng øng víi ε% x¸c ®Þnh kho¶ng thêi gian cÇn

- 14-

thiÕt ph¶i chê ®îi sau khi cã sù biÕn thiªn cña ®¹i l−îng ®o ®Ó lÊy gi¸ trÞ cña ®Çu ra

víi ®é chÝnh x¸c ®Þnh tr−íc. Thêi gian håi ®¸p ®Æc tr−ng cho chÕ ®é qu¸ ®é cña c¶m

biÕn vµ lµ hµm cña çc th«ng sè thêi gian x¸c ®Þnh chÕ ®é nµy.

Trong tr−êng hîp sù thay ®æi cña ®¹i l−îng ®o cã d¹ng bËc thang, çc th«ng sè

thêi gian gåm thêi gian trÔ khi t¨ng (tdm) vµ thêi gian t¨ng (tm) øng víi sù t¨ng ®ét

ngét cña ®¹i l−îng ®o hoÆc thêi gian trÔ khi gi¶m (tdc) vµ thêi gian gi¶m (tc) øng víi

sù gi¶m ®ét ngét cña ®¹i l−îng ®o. Kho¶ng thêi gian trÔ khi t¨ng tdm lµ thêi gian cÇn

thiÕt ®Ó ®¹i l−îng ®Çu ra t¨ng tõ gi¸ trÞ ban ®Çu cña nã ®Õn 10% cña biÕn thiªn tæng

céng cña ®¹i l−îng nµy vµ kho¶ng thêi gian t¨ng tm lµ thêi gian cÇn thiÕt ®Ó ®¹i

l−îng ®Çu ra t¨ng tõ 10% ®Õn 90% biÕn thiªn biÕn thiªn tæng céng cña nã.

T−¬ng tù, khi ®¹i l−îng ®o gi¶m, thêi gian trÓ khi gi¶m tdc lµ thêi gian cÇn thiÕt

®Ó ®¹i l−îng ®Çu ra gi¶m tõ gi¸ trÞ ban ®Çu cña nã ®Õn 10% biÕn thiªn tæng céng

cña ®¹i l−îng nµy vµ kho¶ng thêi gian gi¶m tc lµ thêi gian cÇn thiÕt ®Ó ®¹i l−îng ®Çu

ra gi¶m tõ 10% ®Õn 90% biÕn thiªn biÕn thiªn tæng cæng cña nã.

Çc th«ng sè vÒ thêi gian tr, tdm, tm, tdc, tc cña c¶m biÕn cho phÐp ta ®¸nh gi¸ vÒ

thêi gian håi ®¸p cña nã.

1.3.5. Giíi h¹n sö dông cña c¶m biÕn

Trong qu¸ tr×nh sö dông, çc c¶m biÕn lu«n chÞu t¸c ®éng cña øng lùc c¬ häc,

t¸c ®éng nhiÖt... Khi çc t¸c ®éng nµy v−ît qu¸ ng−ìng cho phÐp, chóng sÏ lµm thay

®æi ®Æc tr−ng lµm viÖc cña c¶m biÕn. Bëi vËy khi sö dông c¶m biÕn, ng−êi sö dông

cÇn ph¶i biÕt râ çc giíi h¹n nµy.

a) Vïng lµm viÖc danh ®Þnh

H×nh 1.3 X¸c ®Þnh çc kho¶ng thêi gian ®Æc tr−ng cho chÕ ®é qu¸ ®é

m

m0

t

0s

s

0,9

t0,1

tdm tm tdc tc

- 15-

Vïng lµm viÖc danh ®Þnh t−¬ng øng víi nh÷ng ®iÒu kiÖn sö dông b×nh th−êng

cña c¶m biÕn. Giíi h¹n cña vïng lµ çc gi¸ trÞ ng−ìng mµ çc ®¹i l−îng ®o, çc ®¹i

l−îng vËt lý cã liªn quan ®Õn ®¹i l−îng ®o hoÆc çc ®¹i l−îng ¶nh h−ëng cã thÓ

th−êng xuyªn ®¹t tíi mµ kh«ng lµm thay ®æi çc ®Æc tr−ng lµm viÖc danh ®Þnh cña

c¶m biÕn.

b) Vïng kh«ng g©y nªn h− háng

Vïng kh«ng g©y nªn h− háng lµ vïng mµ khi mµ çc ®¹i l−îng ®o hoÆc çc ®¹i

l−îng vËt lý cã liªn quan vµ çc ®¹i l−îng ¶nh h−ëng v−ît qua ng−ìng cña vïng

lµm viÖc danh ®Þnh nh−ng vÉn cßn n»m trong ph¹m vi kh«ng g©y nªn h− háng, çc

®Æc tr−ng cña c¶m biÕn cã thÓ bÞ thay ®æi nh−ng nh÷ng thay ®æi nµy mang tÝnh

thuËn nghÞch, tøc lµ khi trë vÒ vïng lµm viÖc danh ®Þnh çc ®Æc tr−ng cña c¶m biÕn

lÊy l¹i gi¸ trÞ ban ®Çu cña chóng.

c) Vïng kh«ng ph¸ huû

Vïng kh«ng ph¸ hñy lµ vïng mµ khi mµ çc ®¹i l−îng ®o hoÆc çc ®¹i l−îng

vËt lý cã liªn quan vµ çc ®¹i l−îng ¶nh h−ëng v−ît qua ng−ìng cña vïng kh«ng

g©y nªn h− háng nh−ng vÉn cßn n»m trong ph¹m vi kh«ng bÞ ph¸ hñy, çc ®Æc tr−ng

cña c¶m biÕn bÞ thay ®æi vµ nh÷ng thay ®æi nµy mang tÝnh kh«ng thuËn nghÞch, tøc

lµ khi trë vÒ vïng lµm viÖc danh ®Þnh çc ®Æc tr−ng cña c¶m biÕn kh«ng thÓ lÊy l¹i

gi¸ trÞ ban ®Çu cña chóng. Trong tr−êng hîp nµy c¶m biÕn vÉn cßn sö dông ®−îc,

nh−ng ph¶i tiÕn hµnh chuÈn l¹i c¶m biÕn.

1.4. Nguyªn lý chung chÕ t¹o c¶m biÕn

Çc c¶m biÕn ®−îc chÕ t¹o dùa trªn c¬ së çc hiÖn t−îng vËt lý vµ ®−îc ph©n

lµm hai lo¹i:

- C¶m biÕn tÝch cùc: lµ çc c¶m biÕn ho¹t ®éng nh− mét m¸y ph¸t, ®¸p øng

(s) lµ ®iÖn tÝch, ®iÖn ¸p hay dßng.

- C¶m biÕn thô ®éng: lµ çc c¶m biÕn ho¹t ®éng nh− mét trë kh¸ng trong ®ã

®¸p øng (s) lµ ®iÖn trë, ®é tù c¶m hoÆc ®iÖn dung.

1.4.1. Nguyªn lý chÕ t¹o çc c¶m biÕn tÝch cùc

Çc c¶m biÕn tÝch cùc ®−îc chÕ t¹o dùa trªn c¬ së øng dông çc hiÖu øng vËt

lý biÕn ®æi mét d¹ng n¨ng l−îng nµo ®ã (nhiÖt, c¬ hoÆc bøc x¹) thµnh n¨ng l−îng

®iÖn. D−íi ®©y m« t¶ mét çch kh¸i qu¸t øng dông mét sè hiÖu øng vËt lý khi chÕ

t¹o c¶m biÕn.

- 16-

a) HiÖu øng nhiÖt ®iÖn

Hai d©y dÉn (M1) vµ (M2) cã b¶n chÊt ho¸ häc kh¸c nhau ®−îc hµn l¹i víi

nhau thµnh mét m¹ch ®iÖn kÝn, nÕu nhiÖt ®é ë hai mèi hµn lµ T1 vµ T2 kh¸c nhau,

khi ®ã trong m¹ch xuÊt hiÖn mét suÊt ®iÖn ®éng e(T1, T2) mµ ®é lín cña nã phô

thuéc chªnh lÖch nhiÖt ®é gi÷a T1 vµ T2.

HiÖu øng nhiÖt ®iÖn ®−îc øng dông ®Ó ®o nhiÖt ®é T1 khi biÕt tr−íc nhiÖt ®é

T2, th−êng chän T2 = 0oC.

b) HiÖu øng ho¶ ®iÖn

Mét sè tinh thÓ gäi lµ tinh thÓ ho¶ ®iÖn (vÝ dô tinh thÓ sulfate triglycine) cã tÝnh

ph©n cùc ®iÖn tù ph¸t víi ®é ph©n cùc phô thuéc vµo nhiÖt ®é, lµm xuÊt hiÖn trªn çc

mÆt ®èi diÖn cña chóng nh÷ng ®iÖn tÝch tr¸i dÊu. §é lín cña ®iÖn ¸p gi÷a hai mÆt

phô thuéc vµo ®é ph©n cùc cña tinh thÓ ho¶ ®iÖn.

HiÖu øng ho¶ ®iÖn ®−îc øng dông ®Ó ®o th«ng l−îng cña bøc x¹ ¸nh s¸ng. Khi

ta chiÕu mét chïm ¸nh s¸ng vµo tinh thÓ ho¶ ®iÖn, tinh thÓ hÊp thô ¸nh s¸ng vµ nhiÖt

®é cña nã t¨ng lªn, lµm thay ®æi sù ph©n cùc ®iÖn cña tinh thÓ. §o ®iÖn ¸p V ta cã

thÓ x¸c ®Þnh ®−îc th«ng l−îng ¸nh s¸ng Φ.

c) HiÖu øng ¸p ®iÖn

Mét sè vËt liÖu gäi chung lµ vËt liÖu ¸p ®iÖn (nh− th¹ch anh ch¼ng h¹n) khi bÞ

biÕn d¹ng d−íc t¸c ®éng cña lùc c¬ häc, trªn çc mÆt ®èi diÖn cña tÊm vËt liÖu xuÊt

T1

T2

(M1)

(M2)

(M2)

e

H×nh 1.4. S¬ ®å hiÖu øng nhiÖt ®iÖn.

T1

v Φ

H×nh 1.5 øng dông hiÖu øng ho¶ ®iÖn

Φ

- 17-

hiÖn nh÷ng l−îng ®iÖn tÝch b»ng nhau nh−ng tr¸i dÊu, ®−îc gäi lµ hiÖu øng ¸p ®iÖn.

§o V ta cã thÓ x¸c ®Þnh ®−îc c−êng ®é cña lùc t¸c dông F.

d) HiÖu øng c¶m øng ®iÖn tõ

Khi mét d©y dÉn chuyÓn ®éng trong tõ tr−êng kh«ng ®æi, trong d©y dÉn xuÊt

hiÖn mét suÊt ®iÖn ®éng tû lÖ víi tõ th«ng c¾t ngang d©y trong mét ®¬n vÞ thêi gian,

nghÜa lµ tû lÖ víi tèc ®é dÞch chuyÓn cña d©y. T−¬ng tù nh− vËy, trong mét khung

d©y ®Æt trong tõ tr−êng cã tõ th«ng biÕn thiªn còng xuÊt hiÖn mét suÊt ®iÖn ®éng tû

lÖ víi tèc ®é biÕn thiªn cña tõ th«ng qua khung d©y.

HiÖu øng c¶m øng ®iÖn tõ ®−îc øng dông ®Ó x¸c ®Þnh tèc ®é dÞch chuyÓn cña

vËt th«ng qua viÖc ®o suÊt ®iÖn ®éng c¶m øng.

e) HiÖu øng quang ®iÖn

- HiÖu øng quang dÉn: (hay cßn gäi lµ hiÖu øng quang ®iÖn néi) lµ hiÖn t−îng

gi¶i phãng ra çc h¹t dÉn tù do trong vËt liÖu (th−êng lµ b¸n dÉn) khi chiÕu vµo

chóng mét bøc x¹ ¸nh s¸ng (hoÆc bøc x¹ ®iÖn tõ nãi chung) cã b−íc sãng nhá h¬n

mét ng−ìng nhÊt ®Þnh.

- HiÖu øng quang ph¸t x¹ ®iÖn tö: (hay cßn gäi lµ hiÖu øng quang ®iÖn

ngoµi) lµ hiÖn t−îng çc ®iÖn tö ®−îc gi¶i phãng vµ tho¸t khái bÒ mÆt vËt liÖu t¹o

thµnh dßng cã thÓ thu l¹i nhê t¸c dông cña ®iÖn tr−êng.

g) HiÖu øng quang - ®iÖn - tõ

Khi t¸c dông mét tõ tr−êng B vu«ng gãc víi bøc x¹ ¸nh s¸ng, trong vËt liÖu b¸n

e ΩΩ

H×nh 1.7 øng dông hiÖu øng c¶m øng ®iÖn tõ

B

V F

H×nh 1.6 øng dông hiÖu øng ¸p ®iÖn

F

- 18-

dÉn ®−îc chiÕu s¸ng sÏ xuÊt hiÖn mét hiÖu ®iÖn thÕ theo h−íng vu«ng gãc víi tõ

tr−êng B vµ h−íng bøc x¹ ¸nh s¸ng.

h) HiÖu øng Hall

Khi ®Æt mét tÊm máng vËt liÖu máng (th−êng lµ b¸n dÉn), trong ®ã cã

dßng ®iÖn ch¹y qua, vµo trong mét tõ tr−êng B cã ph−¬ng t¹o víi dßng ®iÖn I

trong tÊm mét gãc θ, sÏ xuÊt hiÖn mét hiÖu ®iÖn thÕ VH theo h−íng vu«ng gãc víi

B vµ I. BiÓu thøc hiÖu ®iÖn thÕ cã d¹ng:

θ= sin.B.I.KV HH

Trong ®ã KH lµ hÖ sè phô thuéc vµo vËt liÖu vµ kÝch th−íc h×nh häc cña tÊm vËt

liÖu.

HiÖu øng Hall ®−îc øng dông ®Ó x¸c ®Þnh vÞ trÝ cña mét vËt chuyÓn ®éng. VËt

cÇn x¸c ®Þnh vÞ trÝ liªn kÕt c¬ häc víi thanh nam ch©m, ë mäi thêi ®iÓm, vÞ trÝ thanh

nam ch©m x¸c ®Þnh gi¸ trÞ cña tõ tr−êng B vµ gãc θ t−¬ng øng víi tÊm b¸n dÉn

máng lµm vËt trung gian. V× vËy, hiÖu ®iÖn thÕ VH ®o ®−îc gi÷a hai c¹nh tÊm b¸n

dÉn lµ hµm phô thuéc vµo vÞ trÝ cña vËt trong kh«ng gian.

B

Φ

V Φ

H×nh 1.8 øng dông hiÖu øng quang - ®iÖn - tõ

θ

B

SN

v

X

X

H×nh 1.9 øng dông hiÖu øng Hall

- 19-

1.4.2. Nguyªn chÕ t¹o c¶m biÕn thô ®éng

C¶m biÕn thô ®éng th−êng ®−îc chÕ t¹o tõ mét trë kh¸ng cã çc th«ng sè chñ

yÕu nh¹y víi ®¹i l−îng cÇn ®o. Gi¸ trÞ cña trë kh¸ng phô thuéc kÝch th−íc h×nh häc,

tÝnh chÊt ®iÖn cña vËt liÖu chÕ t¹o (nh− ®iÖn trë suÊt ρ, ®é tõ thÈm µ, h»ng sè ®iÖn

m«i ε). V× vËy t¸c ®éng cña ®¹i l−îng ®o cã thÓ ¶nh h−ëng riªng biÖt ®Õn kÝch

th−íc h×nh häc, tÝnh chÊt ®iÖn hoÆc ®ång thêi c¶ hai.

Sù thay ®æi th«ng sè h×nh häc cña trë kh¸ng g©y ra do chuyÓn ®éng cña phÇn

tö chuyÓn ®éng hoÆc phÇn tö biÕn d¹ng cña c¶m biÕn. Trong çc c¶m biÕn cã phÇn

tö chuyÓn ®éng, mçi vÞ trÝ cña phÇn tö ®éng sÏ øng víi mét gi¸ trÞ x¸c ®Þnh cña trë

kh¸ng, cho nªn ®o trë kh¸ng cã thÓ x¸c ®Þnh ®−îc vÞ trÝ cña ®èi t−îng. Trong c¶m

biÕn cã phÇn tö biÕn d¹ng, sù biÕn d¹ng cña phÇn tö biÕn d¹ng d−íi t¸c ®éng cña ®¹i

l−îng ®o (lùc hoÆc çc ®¹i l−îng g©y ra lùc) g©y ra sù thay ®æi cña trë kh¸ng cña

c¶m biÕn. Sù thay ®æi trë kh¸ng do biÕn d¹ng liªn quan ®Õn lùc t¸c ®éng, do ®ã liªn

quan ®Õn ®¹i l−îng cÇn ®o. X¸c ®Þnh trë kh¸ng ta cã thÓ x¸c ®Þnh ®−îc ®¹i l−îng

cÇn ®o.

Sù thay ®æi tÝnh chÊt ®iÖn cña c¶m biÕn phô thuéc vµo b¶n chÊt vËt liÖu chÕ t¹o

trë kh¸ng vµ yÕu tè t¸c ®éng (nhiÖt ®é, ®é chiÕu s¸ng, ¸p suÊt, ®é Èm ...). §Ó chÕ t¹o

c¶m biÕn, ng−êi ta chän sao cho tÝnh chÊt ®iÖn cña nã chØ nh¹y víi mét trong çc ®¹i

l−îng vËt lý trªn, ¶nh h−ëng cña çc ®¹i l−îng kh¸c lµ kh«ng ®¸ng kÓ. Khi ®ã cã thÓ

thiÕt lËp ®−îc sù phô thuéc ®¬n trÞ gi÷a gi¸ trÞ ®¹i l−îng cÇn ®o vµ gi¸ trÞ trë kh¸ng

cña c¶m biÕn.

Trªn b¶ng 1.1 giíi thiÖu çc ®¹i l−îng cÇn ®o cã kh¶ n¨ng lµm thay ®æi tÝnh

chÊt ®iÖn cña vËt liÖu sö dông chÕ t¹o c¶m biÕn.

B¶ng 1.1

§¹i l−îng cÇn ®o §Æc tr−ng nh¹y c¶m Lo¹i vËt liÖu sö dông

NhiÖt ®é ρ Kim lo¹i (Pt, Ni, Cu)

B¸n dÉn

Bøc x¹ ¸nh s¸ng ρ B¸n dÉn

BiÕn d¹ng ρ

Tõ thÈm (µ)

Hîp kim Ni, Si pha t¹p

Hîp kim s¾t tõ

VÞ trÝ (nam ch©m) ρ VËt liÖu tõ ®iÖn trë:Bi, InSb

- 20-

1.5. M¹ch ®o

1.5.1. S¬ ®å m¹ch ®o

M¹ch ®o bao gåm toµn bé thiÕt bÞ ®o (trong ®ã cã c¶m biÕn) cho phÐp x¸c ®Þnh

chÝnh x¸c gi¸ trÞ cña ®¹i l−îng cÇn ®o trong nh÷ng ®iÒu kiÖn tèt nhÊt cã thÓ.

ë ®Çu vµo cña m¹ch, c¶m biÕn chÞu t¸c ®éng cña ®¹i l−îng cÇn ®o g©y nªn tÝn

hiÖu ®iÖn mang theo th«ng tin vÒ ®¹i cÇn ®o.

ë ®Çu ra cña m¹ch, tÝn hiÖu ®iÖn ®· qua xö lý ®−îc chuyÓn ®æi sang d¹ng cã

thÓ ®äc ®−îc trùc tiÕp gi¸ trÞ cÇn t×m cña ®¹i l−îng ®o. ViÖc chuÈn hÖ ®o ®¶m b¶o

cho mçi gi¸ trÞ cña chØ thÞ ®Çu ra t−¬ng øng víi mét gi¸ trÞ cña ®¹i l−îng ®o t¸c ®éng

ë ®Çu vµo cña m¹ch.

D¹ng ®¬n gi¶n cña m¹ch ®o gåm mét c¶m biÕn, bé phËn biÕn ®æi tÝn hiÖu vµ

thiÕt bÞ chØ thÞ, vÝ dô m¹ch ®o nhiÖt ®é gåm mét cÆp nhiÖt ghÐp nèi trùc tiÕp víi mét

miliv«n kÕ.

Trªn thùc tÕ, do çc yªu cÇu kh¸c nhau khi ®o, m¹ch ®o th−êng gåm nhiÒu

thµnh phÇn trong ®ã cã çc khèi ®Ó tèi −u ho¸ viÖc thu thËp vµ xö lý d÷ liÖu, ch¼ng

h¹n m¹ch tuyÕn tÝnh ho¸ tÝn hiÖu nhËn tõ c¶m biÕn, m¹ch khö ®iÖn dung ký sinh,

µV

H×nh 1.10 S¬ ®å m¹ch ®o nhiÖt ®é b»ng cÆp nhiÖt

FC (1)

D (2)

PA (3)

PC (4)

(5) ADC (6)

M¸y in

CPU (7)

Mµn h×nh

H×nh 1.11 M¹ch ®o ®iÖn thÕ bÒ mÆt 1) M¸y ph¸t chøc n¨ng 2) C¶m biÕn ®iÖn tÝch 3) TiÒn khuÕch ®¹i

4) So pha läc nhiÔu 5) KhuÕch ®¹i 6) ChuyÓn ®æi t−¬ng tù sè 7) M¸y tÝnh

- 21-

çc bé chuyÓn ®æi nhiÒu kªnh, bé khuÕch ®¹i, bé so pha läc nhiÔu, bé chuyÓn ®æi

t−¬ng tù - sè, bé vi xö lý, çc thiÕt bÞ hç trî... Trªn h×nh 1.11 biÓu diÔn s¬ ®å khèi

mét m¹ch ®iÖn ®o ®iÖn thÕ trªn bÒ mÆt mµng nh¹y quang ®−îc l¾p r¸p tõ nhiÒu phÇn

tö

1.5.2. Mét sè phÇn tö c¬ b¶n cña m¹ch ®o

a) Bé khuÕch ®¹i thuËt to¸n (K§TT)

Bé khuÕch ®¹i thuËt to¸n m¹ch tÝch hîp lµ bé khuÕch ®¹i dßng mét chiÒu cã

hai ®Çu vµo vµ mét ®Çu ra chung, th−êng gåm hµng tr¨m tranzito vµ çc ®iÖn trë, tô

®iÖn ghÐp nèi víi nhau. S¬ ®å bé khuÕch ®¹i thuËt to¸n biÓu diÔn trªn h×nh 1.12.

Çc ®Æc tÝnh c¬ b¶n cña bé khuÕch ®¹i thuËt to¸n:

- Bé khuÕch ®¹i cã hai ®Çu vµo: mét ®Çu ®¶o (-), mét ®Çu kh«ng ®¶o (+).

- §iÖn trë vµo rÊt lín, cì hµng tr¨m MΩ ®Õn GΩ.

- §iÖn trë ra rÊt nhá, cì phÇn chôc Ω.

- §iÖn ¸p lÖch ®Çu vµo rÊt nhá, cì vµi nV.

- HÖ sè khuÕch ®¹i hë m¹ch rÊt lín, cì 100.000.

- D¶i tÇn lµm viÖc réng.

- HÖ sè suy gi¶m theo çch nèi chung CMRR lµ tû sè hÖ sè khuÕch ®¹i cña bé

khuÕch ®¹i thuËt to¸n ®èi víi çc tÝn hiÖu sai lÖch vµ hÖ sè khuÕch ®¹i theo çch nèi

chung cña cïng bé khuÕch ®¹i thuËt to¸n. Th«ng th−êng CMRR vµo kho¶ng 90 dB.

- Tèc ®é t¨ng h¹n chÕ sù biÕn thiªn cùc ®¹i cña ®iÖn ¸p tÝnh b»ng V/µs.

b) Bé khuÕch ®¹i ®o l−êng IA

Bé khuÕch ®¹i ®o l−êng IA cã hai ®Çu vµo vµ mét ®Çu ra. TÝn hiÖu ®Çu ra tû lÖ

víi hiÖu cña hai ®iÖn ¸p ®Çu vµo:

UA)UU(AUra ∆=−= −+

+

−

H×nh 1.12 S¬ ®å bé khuÕch ®¹i thuËt to¸n

K

Ura = K.Uvµo

Ura

- 22-

§Çu vµo vi sai ®ãng vai trß rÊt quan träng trong viÖc khö nhiÔu ë chÕ ®é chung

vµ t¨ng ®iÖn trë vµo cña K§TT. §iÖn ¸p trªn Ra ph¶i b»ng ®iÖn ¸p vi sai ®Çu vµo ∆U

vµ t¹o nªn dßng ®iÖn aR

Ui

∆= . Çc ®iÖn ¸p ra tõ K§TT U1 vµ U2 ph¶i b»ng nhau vÒ

biªn ®é nh−ng ng−îc pha. §iÖn ¸p U3 cña tÇng thø hai biÕn ®æi ®Çu ra vi sai thµnh

®Çu ra ®¬n cùc. HÖ sè khuÕch ®¹i tæng cña IA b»ng:

1

3

a R

R

R

R21A ⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+=

c) Khö ®iÖn ¸p lÖch

§èi víi mét bé khuÕch K§TT lý t−ëng khi hë m¹ch ph¶i cã ®iÖn ¸p ra b»ng

kh«ng khi hai ®Çu vµo nèi m¸t. Thùc tÕ v× çc ®iÖn ¸p bªn trong nªn t¹o ra mét ®iÖn

¸p nhá (®iÖn ¸p ph©n cùc) ë ®Çu vµo K§TT cì vµi mV, nh−ng khi sö dông m¹ch kÝn

®iÖn ¸p nµy ®−îc khuÕch ®¹i vµ t¹o nªn ®iÖn ¸p kh¸ lín ë ®Çu ra. §Ó khö ®iÖn ¸p

lÖch cã thÓ sö dông s¬ ®å h×nh 1.14, b»ng çch ®iÒu chØnh biÕn trë R3.

H×nh 1.13 S¬ ®å bé khuÕch ®¹i ®o l−êng gåm ba K§TT ghÐp nèi ®iÖn trë

+

−

+

−

+

− R 10k

R 10k

Ra 1k

R2 10k R3 10k

R2 10k

R3

190k

U1

U2

U3

§Çu ra

−

+

H×nh 1.14 S¬ ®å m¹ch khö ®iÖn ¸p lÖch

+ 9V

R3 10k

R2

100k

- 9V

§Çu ra

+

−

1

2

3

45

6714

R1

1,01k§Çu vµo

7

- 23-

d) M¹ch lÆp l¹i ®iÖn ¸p

§Ó lÆp l¹i ®iÖn ¸p chÝnh x¸c, ng−êi ta sö dông bé K§TT lµm viÖc ë chÕ ®é

kh«ng ®¶o víi hÖ sè khuÕch ®¹i b»ng 1 s¬ ®å nh− h×nh 1.15.

Trong bé lÆp ®iÖn ¸p, cùc d−¬ng cña K§TT ®−îc nèi trùc tiÕp víi tÝn hiÖu vµo,

cßn cùc ©m ®−îc nèi trùc tiÕp víi ®Çu ra, t¹o nªn ®iÖn ¸p ph¶n håi 100% do ®ã hÖ sè

khuÕch ®¹i b»ng 1. M¹ch lÆp ®iÖn ¸p cã chøc n¨ng t¨ng ®iÖn trë ®Çu vµo, do vËy

th−êng dïng ®Ó nèi gi÷a hai kh©u trong m¹ch ®o.

e) M¹ch cÇu

CÇu Wheatstone th−êng ®−îc sö dông trong çc m¹ch ®o nhiÖt ®é, lùc, ¸p suÊt,

tõ tr−êng... CÇu gåm bèn ®iÖn trë R1, R2, R3 cè ®Þnh vµ R4 thay ®æi (m¾c nh− h×nh

1.16) ho¹t ®éng nh− cÇu kh«ng c©n b»ng dùa trªn viÖc ph¸t hiÖn ®iÖn ¸p qua ®−êng

chÐo cña cÇu.

Trong m¹ch cÇu, ®iÖn ¸p ra lµ hµm phi tuyÕn nh−ng ®èi víi biÕn ®æi nhá

(∆<0,05) cã thÓ coi lµ tuyÕn tÝnh. Khi R1 = R2 vµ R3 = R4 ®é nh¹y cña cÇu lµ cùc ®¹i.

Tr−êng hîp R1 >> R2 hoÆc R2 >> R1 ®iÖn ¸p ra cña cÇu gi¶m. §Æt K = R1/R2 ®é

nh¹y cña cÇu lµ:

( )2k1

K

R

U

+=α .

H×nh 1.15 S¬ ®å m¹ch lÆp ®iÖn ¸p

+ 9V

- 9V

§Çu ra

+

−2

3

4

6714

§Çu vµo

7

H×nh 1.15 S¬ ®å m¹ch cÇu

+

−

R1 R3

R2R4 = R(1+∆)

U Vra

- 24-

- 24 -

Ch−¬ng II

C¶m biÕn quang

2.1. TÝnh chÊt vµ ®¬n vÞ ®o ¸nh s¸ng

2.1.1. TÝnh chÊt cña ¸nh s¸ng

Nh− chóng ta ®· biÕt, ¸nh s¸ng võa cã tÝnh chÊt sãng võa cã tÝnh chÊt h¹t.

¸nh s¸ng lµ mét d¹ng cña sãng ®iÖn tõ, vïng ¸nh s¸ng nh×n thÊy cã b−íc sãng

tõ 0,4 - 0,75 µm. Trªn h×nh 2.1 biÓu diÔn phæ ¸nh s¸ng vµ sù ph©n chia thµnh çc d¶i

mµu cña phæ.

VËn tèc truyÒn ¸nh s¸ng trong ch©n kh«ng c = 299.792 km/s, trong m«i tr−êng

vËt chÊt vËn tèc truyÒn sãng gi¶m, ®−îc x¸c ®Þnh theo c«ng thøc:

n

cv =

n - chiÕt suÊt cña m«i tr−êng.

Mèi quan hÖ gi÷a tÇn sè ν vµ b−íc sãng λ cña ¸nh s¸ng x¸c ®Þnh bëi biÓu thøc:

- Khi m«i tr−êng lµ ch©n kh«ng : ν

=λc

- Khi m«i tr−êng lµ vËt chÊt : ν

=λv

.

Trong ®ã ν lµ tÇn sè ¸nh s¸ng.

TÝnh chÊt h¹t cña ¸nh s¸ng thÓ hiÖn qua sù t−¬ng t¸c cña ¸nh s¸ng víi vËt chÊt.

¸nh s¸ng gåm çc h¹t nhá gäi lµ photon, mçi h¹t mang mét n¨ng l−îng nhÊt ®Þnh,

n¨ng l−îng nµy chØ phô thuéc tÇn sè ν cña ¸nh s¸ng:

0,39

5

0,45

5

0,49

0

0,57

5

0,59

0

0,65

0

0,75

0

cùc tÝm tÝm lam lôc

vµng

da cam ®á hång ngo¹i

0,01 0,1 0,4 0,75 1,2 10 30 100

cùc tÝm hång ngo¹i h. ngo¹i xa

tr«n

g th

Êy

h.n.

ng¾n

λ(µm)

H×nh 2.1 Phæ ¸nh s¸ng

- 25 -

ν=φ hW (2.1)

Trong ®ã h lµ h»ng sè Planck (h = 6,6256.10-34J.s).

B−íc sãng cña bøc x¹ ¸nh s¸ng cµng dµi th× tÝnh chÊt sãng thÓ hiÖn cµng râ,

ng−îc l¹i khi b−íc sãng cµng ng¾n th× tÝnh chÊt h¹t thÓ hiÖn cµng râ.

2.1.2. Çc ®¬n vÞ ®o quang

a) §¬n vÞ ®o n¨ng l−îng

- N¨ng l−îng bøc x¹ (Q): lµ n¨ng l−îng lan truyÒn hoÆc hÊp thô d−íi d¹ng bøc x¹ ®o

b»ng Jun (J).

- Th«ng l−îng ¸nh s¸ng (Φ): lµ c«ng suÊt ph¸t x¹, lan truyÒn hoÆc hÊp thô ®o b»ng

oat (W):

dt

dQ=Φ (2.2)

- C−êng ®é ¸nh s¸ng (I): lµ luång n¨ng l−îng ph¸t ra theo mét h−íng cho tr−íc øng

víi mét ®¬n vÞ gãc khèi, tÝnh b»ng oat/steriadian.

ΩΦ

=d

dI (2.3)

- §é chãi n¨ng l−îng (L): lµ tØ sè gi÷a c−êng ®é ¸nh s¸ng ph¸t ra bëi mét phÇn tö bÒ

mÆt cã diÖn tÝch dA theo mét h−íng x¸c ®Þnh vµ diÖn tÝch h×nh chiÕu dAn cña phÇn

tö nµy trªn mÆt ph¼ng P vu«ng gãc víi h−íng ®ã.

ndA

dIL = (2.4)

Trong ®ã dAn = dA.cosθ, víi θ lµ gãc gi÷a P vµ mÆt ph¼ng chøa dA.

§é chãi n¨ng l−îng ®o b»ng oat/Steriadian.m2.

- §é räi n¨ng l−îng (E): lµ tØ sè gi÷a luång n¨ng l−îng thu ®−îc bëi mét phÇn tö

bÒ mÆt vµ diÖn tÝch cña phÇn tö ®ã.

dA

dE

Φ= (2.5)

§é räi n¨ng l−îng ®o b»ng oat/m2.

b) §¬n vÞ ®o thÞ gi¸c

§é nh¹y cña m¾t ng−êi ®èi víi ¸nh s¸ng cã b−íc sãng kh¸c nhau lµ kh¸c nhau.

H×nh 2.2 biÓu diÔn ®é nh¹y t−¬ng ®èi cña m¾t V(λ) vµo b−íc sãng. Çc ®¹i l−îng

thÞ gi¸c nhËn ®−îc tõ ®¹i l−îng n¨ng l−îng t−¬ng øng th«ng qua hÖ sè tØ lÖ K.V(λ).

- 26 -

Theo quy −íc, mét luång ¸nh s¸nh cã n¨ng l−îng 1W øng víi b−íc sãng λmax

t−¬ng øng víi luång ¸nh s¸ng b»ng 680 lumen, do ®ã K=680.

Do vËy luång ¸nh s¸ng ®¬n s¾c tÝnh theo ®¬n vÞ ®o thÞ gi¸c:

( ) ( ) ( )λΦλ=λΦ V680V lumen

§èi víi ¸nh s¸ng phæ liªn tôc:

λλλΦ

λ=Φ ∫λ

λ

dd

)(d)(V680

2

1

V lumen

T−¬ng tù nh− vËy ta cã thÓ chuyÓn ®æi t−¬ng øng çc ®¬n vÞ ®o n¨ng l−îng

vµ ®¬n vÞ ®o thÞ gi¸c.

B¶ng 2.1 liÖt kª çc ®¬n vÞ ®o quang c¬ b¶n.

B¶ng 2.1

§¹i l−îng ®o §¬n vÞ thÞ gi¸c §¬n vÞ n¨ng l−îng

Luång (th«ng l−îng) lumen(lm) oat(W)

C−êng ®é cadela(cd) oat/sr(W/sr)

§é chãi cadela/m2 (cd/m2) oat/sr.m2 (W/sr.m2)

§é räi lumen/m2 hay lux (lx) oat/m2 (W/m2)

N¨ng l−îng lumen.s (lm.s) jun (j)

2.2. C¶m biÕn quang dÉn

2.2.1. HiÖu øng quang dÉn

HiÖu øng quang dÉn (hay cßn gäi lµ hiÖu øng quang ®iÖn néi) lµ hiÖn t−îng

gi¶i phãng nh÷ng h¹t t¶i ®iÖn (h¹t dÉn) trong vËt liÖu d−íi t¸c dông cña ¸nh s¸ng

lµm t¨ng ®é dÉn ®iÖn cña vËt liÖu.

H×nh 2.2 §−êng cong ®é nh¹y t−¬ng ®èi cña m¾t

λ (µm)

V(λ)

0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8

0

0,5

1

λmax

- 27 -

Trong chÊt b¸n dÉn, çc ®iÖn tö liªn kÕt víi h¹t nh©n, ®Ó gi¶i phãng ®iÖn tö

khái nguyªn tö cÇn cung cÊp cho nã mét n¨ng l−îng tèi thiÓu b»ng n¨ng l−îng liªn

kÕt Wlk. Khi ®iÖn tö ®−îc gi¶i phãng khái nguyªn tö, sÏ t¹o thµnh h¹t dÉn míi trong

vËt liÖu.

H¹t dÉn ®−îc gi¶i phãng do chiÕu s¸ng phô thuéc vµo b¶n chÊt cña vËt liÖu bÞ

chiÕu s¸ng. §èi víi çc chÊt b¸n dÉn tinh khiÕt çc h¹t dÉn lµ cÆp ®iÖn tö - lç trèng.

§èi víi tr−êng hîp b¸n dÉn pha t¹p, h¹t dÉn ®−îc gi¶i phãng lµ ®iÖn tö nÕu lµ pha

t¹p dono hoÆc lµ lç trèng nÕu lµ pha t¹p acxepto.

Gi¶ sö cã mét tÊm b¸n dÉn ph¼ng thÓ tÝch V pha t¹p lo¹i N cã nång ®é çc

donor Nd, cã møc n¨ng l−îng n»m d−íi vïng dÉn mét kho¶ng b»ng Wd ®ñ lín ®Ó ë

nhiÖt ®é phßng vµ khi ë trong tèi nång ®é n0 cña çc donor bÞ ion ho¸ do nhiÖt lµ

nhá.

Khi ë trong tèi, nång ®é ®iÖn tö ®−îc gi¶i phãng trong mét ®¬n vÞ thêi gian tØ

lÖ víi nång ®é çc t¹p chÊt ch−a bÞ ion ho¸ vµ b»ng a(Nd -no), víi hÖ sè a x¸c ®Þnh

theo c«ng thøc:

+ læ trèng

- ®iÖn tö

hν

+ læ trèng hν

-

- ®iÖn tö

hν +

H×nh 2.3. ¶nh h−ëng cña b¶n chÊt vËt liÖu ®Õn h¹t dÉn ®−îc gi¶i phãng

+ ++ Wd

+ +++

hν hνVïng dÉn

Vïng ho¸ trÞ

H×nh 2.4. TÕ bµo quang dÉn vµ sù chuyÓn møc n¨ng l−îng cña ®iÖn tö

L

VchiÕu s¸ng

A

- 28 -

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛−=

kT

qWexpa d (2.6)

Trong ®ã q lµ trÞ tuyÖt ®èi cña ®iÖn tÝch ®iÖn tö, T lµ nhiÖt ®é tuyÖt ®èi cña

khèi vËt liÖu, k lµ h»ng sè.

Sè ®iÖn tö t¸i hîp víi çc nguyªn tö ®· bÞ ion ho¸ trong mét ®¬n vÞ thêi gian tØ

lÖ víi çc nguyªn tö ®· bÞ ion ho¸ n0 vµ nång ®é ®iÖn tö còng chÝnh b»ng n0 vµ b»ng

r. 20n , trong ®ã r lµ hÖ sè t¸i hîp.

Ph−¬ng tr×nh ®éng häc biÓu diÔn sù thay ®æi nång ®é ®iÖn tö tù do trong khèi

vËt liÖu cã d¹ng:

( ) 200d

0 n.rnNadt

dn−−=

ë tr¹ng th¸i c©n b»ng ta cã : 0dt

dn0 =

Suy ra:

2/1

d2

2

0 r

N.a

r4

a

r.2

an ⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛++= (2.7)

§é dÉn trong tèi ®−îc biÓu diÔn bëi hÖ thøc:

00 nqµ=σ (2.8)

Trong ®ã µ lµ ®é linh ®éng cña ®iÖn tö.

Khi nhiÖt ®é t¨ng, ®é linh ®éng cña ®iÖn tö gi¶m, nh−ng sù t¨ng mËt ®é ®iÖn tö

tù do do sù kÝch thÝch nhiÖt lín h¬n nhiÒu nªn ¶nh h−ëng cña nã lµ nh©n tè quyÕt

®Þnh ®èi víi ®é dÉn.

Khi chiÕu s¸ng, çc photon sÏ ion ho¸ çc nguyªn tö donor, gi¶i phãng ra çc

®iÖn tö. Tuy nhiªn kh«ng ph¶i tÊt c¶ çc photon ®Ëp tíi bÒ mÆt vËt liÖu ®Òu gi¶i

phãng ®iÖn tö, mét sè bÞ ph¶n x¹ ngay ë bÒ mÆt, mét sè bÞ hÊp thô vµ chuyÓn n¨ng

l−îng cho ®iÖn tö d−íi d¹ng nhiÖt n¨ng, chØ phÇn cßn l¹i míi tham gia vµo gi¶i

phãng ®iÖn tö. Do vËy, sè ®iÖn tö (g) ®−îc gi¶i phãng do bÞ chiÕu s¸ng trong mét

gi©y øng víi mét ®¬n vÞ thÓ tÝch vËt liÖu, x¸c ®Þnh bëi c«ng thøc:

( )Φ

ν−η

==h

R1.

L.A

1

V

Gg (2.9)

Trong ®ã:

G - sè ®iÖn tö ®−îc gi¶i phãng trong thÓ tÝch V trong thêi gian mét gi©y.

V=A.L, víi A, L lµ diÖn tÝch mÆt c¹nh vµ chiÒu réng tÊm b¸n dÉn (h×nh 2.4).

- 29 -

η - hiÖu suÊt l−îng tö (sè ®iÖn tö hoÆc lç trèng trung b×nh ®−îc gi¶i phãng khi

mét photon bÞ hÊp thô).

R - lµ hÖ sè ph¶n x¹ cña bÒ mÆt vËt liÖu.

λ - b−íc sãng ¸nh s¸ng.

Φ - th«ng l−îng ¸nh s¸ng.

h - h»ng sè Planck.

Ph−¬ng tr×nh ®éng häc cña t¸i hîp trong tr−êng hîp nµy cã d¹ng:

( ) 2d n.rgnNa

dt

dn−+−=

Th«ng th−êng bøc x¹ chiÕu tíi ®ñ lín ®Ó sè ®iÖn tö ®−îc gi¶i phãng lín h¬n

rÊt nhiÒu so víi ®iÖn tö ®−îc gi¶i phãng do nhiÖt:

( )nNag d −>> vµ n>>n0

Trong ®iÒu kiÖn trªn, rót ra ph−¬ng tr×nh ®éng häc cho mËt ®é ®iÖn tö ë ®iÒu kiÖn

c©n b»ng d−íi t¸c dông chiÕu s¸ng:

2/1

r

gn ⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛= (2.10)

§é dÉn t−¬ng øng víi nång ®é ®iÖn tö ë ®iÒu kiÖn c©n b»ng:

nqµ=σ . (2.11)

Tõ c«ng thøc (2.9), (2.10) vµ (2.11) ta nhËn thÊy ®é dÉn lµ hµm kh«ng tuyÕn

tÝnh cña th«ng l−îng ¸nh s¸ng, nã tØ lÖ víi Φ1/2. Thùc nghiÖm cho thÊy sè mò cña

hµm Φ n»m trong kho¶ng 0,5 - 1.

2.2.2. TÕ bµo quang dÉn

a) VËt liÖu chÕ t¹o

TÕ bµo quang dÉn ®−îc chÕ t¹o çc b¸n dÉn ®a tinh thÓ ®ång nhÊt hoÆc ®¬n tinh

thÓ, b¸n dÉn riªng hoÆc b¸n dÉn pha t¹p.

- §a tinh thÓ: CdS, CdSe, CdTe.

PbS, PbSe, PbTe.

- §¬n tinh thÓ: Ge, Si tinh khiÕt hoÆc pha t¹p Au, Cu, Sb, In.

SbIn, AsIn, PIn, cdHgTe.

Vïng phæ lµm viÖc cña çc vËt liÖu nµy biÓu diÔn trªn h×nh 2.5

- 30 -

b) Çc ®Æc tr−ng

- §iÖn trë : Gi¸ trÞ ®iÖn trë tèi RC0 cña çc quang ®iÖn trë phô thuéc rÊt lín vµo h×nh

d¹ng h×nh häc, kÝch th−íc, nhiÖt ®é vµ b¶n chÊt ho¸ lý cña vËt liÖu chÕ t¹o. Çc chÊt

PbS, CdS, CdSe cã ®iÖn trë tèi rÊt lín ( tõ 104 Ω - 109 Ω ë 25oC), trong khi ®ã SbIn,

SbAs, CdHgTe cã ®iÖn trë tèi t−¬ng ®èi nhá ( tõ 10 Ω - 103 Ω ë 25oC). §iÖn trë Rc

cña c¶m biÕn gi¶m rÊt nhanh khi ®é räi t¨ng lªn. Trªn h×nh 2.6 lµ mét vÝ dô vÒ sù

thay ®æi cña ®iÖn trë c¶m biÕn theo ®é räi s¸ng.

TÕ bµo quang dÉn cã thÓ coi nh− mét m¹ch t−¬ng ®−¬ng gåm hai ®iÖn trë Rc0

vµ Rcp m¾c song song:

H×nh 2.5. Vïng phæ lµm viÖc cña mét sè vËt liÖu quang dÉn

0,2 0,6 1 2 3 4 5 10 20 30

CdS

CdSeCdTe

PbSPbSe

PbTeGe

SiGeCu

SnInAsIn

CdHg

λ, µm

H×nh 2.6. Sù phô thuéc cña ®iÖn trë vµo ®é räi s¸ng

§iÖn trë (Ω)

§é räi s¸ng (lx)0,1 1 10 100

102

104

106

106

1000

- 31 -

cpco

cpcoc RR

RRR

+= (2.12)

Trong ®ã:

Rco - ®iÖn trë trong tèi.

Rcp - ®iÖn trë khi chiÕu s¸ng: γ−Φ= aRcp .

a - hÖ sè phô thuéc vµo b¶n chÊt vËt liÖu, nhiÖt ®é, phæ bøc x¹.

γ - hÖ sè cã gi¸ trÞ tõ 0,5 - 1.

Th«ng th−êng Rcp <<Rc0, nªn cã thÓ coi Rc=Rcp. C«ng thøc (2.12) cho thÊy sù

phô thuéc cña ®iÖn trë cña tÕ bµo quang dÉn vµo th«ng l−îng ¸nh s¸ng lµ kh«ng

tuyÕn tÝnh, tuy nhiªn cã thÓ tuyÕn tÝnh hãa b»ng çch sö dông mét ®iÖn trë m¾c song

song víi tÕ bµo quang dÉn. MÆt kh¸c, ®é nh¹y nhiÖt cña tÕ bµo quang dÉn phô thuéc

vµo nhiÖt ®é, khi ®é räi cµng lín ®é nh¹y nhiÖt cµng nhá.

- §é nh¹y: Theo s¬ ®å t−¬ng ®−¬ng cña tÕ bµo quang dÉn, ®é dÉn ®iÖn cña tÕ bµo

quang dÉn lµ tæng ®é dÉn trong tèi vµ ®é dÉn khi chiÕu s¸ng:

cpcoc GGG += (2.1)

Trong ®ã:

- Gco lµ ®é dÉn trong tèi: Gco = 1/Rco.

- Gcp lµ ®iÖn trë khi chiÕu s¸ng: Gco = 1/Rcp = Φγ/a.

Khi ®Æt ®iÖn ¸p V vµo tÕ bµo quang dÉn, dßng ®iÖn qua m¹ch:

P0cpco IIVGVGI +=+=

Trong ®iÒu kiÖn sö dông th«ng th−êng I0<<IP, do ®ã dßng quang ®iÖn cña tÕ bµo

quang dÉn x¸c ®Þnh bëi biÓu thøc:

γΦ=a

VIP (2.15)

§èi víi luång bøc x¹ cã phæ x¸c ®Þnh, tØ lÖ chuyÓn ®æi tÜnh:

1

a

VI −γΦ=Φ

(2.16)

Vµ ®é nh¹y:

1

a

VI −γΦγ=∆Φ∆

(2.17)

Tõ hai biÓu thøc (2.16) vµ (2.17) cã thÓ thÊy:

- 32 -

- TÕ bµo quang dÉn lµ mét c¶m biÕn kh«ng tuyÕn tÝnh, ®é nh¹y gi¶m khi bøc

x¹ t¨ng (trõ khi γ =1).

- Khi ®iÖn ¸p ®Æt vµo ®ñ nhá, ®é nh¹y tû lÖ thuËn víi ®iÖn ¸p ®Æt vµo tÕ bµo

quang dÉn. Khi ®iÖn ¸p ®Æt vµo lín, hiÖu øng Joule lµm t¨ng nhiÖt ®é, dÉn ®Õn ®é

nh¹y gi¶m (h×nh 2.7).

Tr−êng hîp bøc x¹ ¸nh s¸ng lµ ®¬n s¾c, Ip phô thuéc vµo λ, ®é nh¹y phæ cña tÕ

bµo quang dÉn x¸c ®Þnh nhê ®−êng cong biÓu diÔn sù phô thuéc cña håi ®¸p vµo

b−íc sãng (h×nh 2.8a)

)(

I)(S

λ∆Φ∆

=λ (2.28)

-150 -100 -50 0 50NhiÖt ®é (oC)

10

5

1

0,5

0,1

§é

nh¹y

t−¬n

g ®è

i

H×nh 2.7 ¶nh h−ëng cña nhiÖt ®é ®Õn ®é nh¹y cña tÕ bµo quang dÉn

H×nh 2.8 §é nh¹y cña tÕ bµo quang dÉn a) §−êng cong phæ håi ®¸p b) Sù thay ®æi cña ®é nh¹y theo nhiÖt ®é

a) B−íc sãng (µm)

§é

nh¹y

t−¬n

g ®è

i (%

)

1 2 31

3

5

10

30

50

100

b)NhiÖt ®é vËt ®en tuyÖt ®èi (K)

§é

nh¹y

t−¬n

g ®è

i

300 400 500 10-3

10-2

10-1

1

510

- 33 -

§é nh¹y phæ cña tÕ bµo quang dÉn lµ hµm phô thuéc nhiÖt ®é nguån s¸ng,

khi nhiÖt ®é t¨ng ®é nh¹y phæ t¨ng.

Khi bøc x¹ kh«ng ph¶i lµ ®¬n s¾c, dßng Ip vµ do ®ã ®é nh¹y toµn phÇn phô

thuéc phæ bøc x¹ (h×nh 2.8b).

c) §Æc ®iÓm vµ øng dông

§Æc ®iÓn chung cña çc tÕ bµo quang dÉn:

- Tû lÖ chuyÓn ®æi tÜnh cao.

- §é nh¹y cao.

- Håi ®¸p phô thuéc kh«ng tuyÕn tÝnh vµo th«ng l−îng.

- Thêi gian håi ®¸p lín.

- Çc ®Æc tr−ng kh«ng æn ®Þnh do giµ ho¸.

- §é nh¹y phô thuéc nhiÖt ®é.

- Mét sè lo¹i ®ßi hái lµm nguéi.

Trong thùc tÕ, tÕ bµo quang dÉn ®−îc dïng trong hai tr−êng hîp:

- §iÒu khiÓn r¬ le: khi cã bøc x¹ ¸nh s¸ng chiÕu lªn tÕ bµo quang dÉn, ®iÖn trë

cña nã gi¶m ®¸ng kÓ, cho dßng ®iÖn ch¹y qua ®ñ lín, ®−îc sö dông trùc tiÕp hoÆc

qua khuÕch ®¹i ®Ó ®ãng më r¬le (h×nh 2.9).

- Thu tÝn hiÖu quang: dïng tÕ bµo quang dÉn ®Ó thu vµ biÕn tÝn hiÖu quang

thµnh xung ®iÖn. Çc xung ¸nh s¸ng ng¾t qu¶ng ®−îc thÓ hiÖn qua xung ®iÖn, trªn

c¬ së ®ã cã thÓ lËp çc m¹ch ®Õm vËt hoÆc ®o tèc ®é quay cña ®Üa.

2.2.3. Photo®iot

a) CÊu t¹o vµ nguyªn lý ho¹t ®éng

XÐt hai tÊm b¸n dÉn, mét thuéc lo¹i N vµ mét thuéc lo¹i P, ghÐp tiÕp xóc nhau.

T¹i mÆt tiÕp xóc h×nh thµnh mét vïng nghÌo h¹t dÉn v× t¹i vïng nµy tån t¹i mét ®iÖn

tr−êng vµ h×nh thµnh hµng rµo thÕ Vb.

H×nh 2.9 Dïng tÕ bµo quang dÉn ®iÒu khiÓn r¬le a) §iÒu khiÓn trùc tiÕp b) §iÒu khiÓn th«ng qua tranzito khuÕch ®¹i

+ +

- 34 -

Khi kh«ng cã ®iÖn thÕ ë ngoµi ®Æt lªn chuyÓn tiÕp (V=0), dßmg ®iÖn ch¹y qua

chuyÓn tiÕp i = 0, thùc tÕ dßng I chÝnh lµ dßng tæng céng cña hai dßng ®iÖn b»ng

nhau vµ ng−îc chiÒu:

- Dßng khuÕch t¸n çc h¹t c¬ b¶n sinh ra khi ion ho¸ çc t¹p chÊt (lç trong

trong b¸n dÉn lo¹i P, ®iÖn tö trong b¸n dÉn lo¹i N) do n¨ng l−îng nhiÖt cña çc h¹t

dÉn c¬ b¶n ®ñ lín ®Ó v−ît qua hµng rµo thÕ.

- Dßng h¹t dÉn kh«ng c¬ b¶n sinh ra do kÝch thÝch nhiÖt (®iÖn tö trong b¸n dÉn

P, lç trèng trong b¸n dÉn N) chuyÓn ®éng d−íi t¸c dông cña ®iÖn tr−êng E trong

vïng nghÌo.

Khi cã ®iÖn ¸p ®Æt lªn ®i«t, hµng rµo thÕ thay ®æi kÐo theo sù thay ®æi dßng h¹t

c¬ b¶n vµ bÒ réng vïng nghÌo. Dßng ®iÖn qua chuyÓn tiÕp:

0d

0 IkT

qVexpII −⎥⎦

⎤⎢⎣⎡=

Khi ®iÖn ¸p ng−îc ®ñ lín (Vd<< - mV26q

kT−= ë 300K), chiÒu cao hµng rµo thÕ

lín ®Õn møc dßng khuÕch t¸n cña çc h¹t c¬ b¶n trë nªn rÊt nhá vµ cã thÓ bá qua

vµ chØ cßn l¹i dßng ng−îc cña ®i«t, khi ®ã i = I0.

Khi chiÕu s¸ng ®i«t b»ng bøc x¹ cã b−íc sãng nhá h¬n b−íc sãng ng−ìng, sÏ

xuÊt hiÖn thªm çc cÆp ®iÖn tö - lç trèng. §Ó çc h¹t dÉn nµy tham gia dÉn ®iÖn cÇn

ph¶i ng¨n c¶n sù t¸i hîp cña chóng, tøc lµ nhanh chãng t¸ch rêi cÆp ®iÖn tö - lç

trèng. Sù t¸ch cÆp ®iÖn tö - lç trèng chØ xÈy ra trong vïng nghÌo nhê t¸c dông cña

®iÖn tr−êng.

Vïng chuyÓn tiÕp

E P N

Vïng nghÌo

Vb

H×nh 2.10 S¬ ®å chuyÓn tiÕp P - N vµ hiÖu øng quang ®iÖn trong vïng nghÌo

− +

N

P

hν

−

+

Ir

Vïng nghÌo

- 35 -

Sè h¹t dÉn ®−îc gi¶i phãng phô thuéc vµo th«ng l−îng ¸nh s¸ng ®¹t tíi vïng

nghÌo vµ kh¶ n¨ng hÊp thô cña vïng nµy. Th«ng l−îng ¸nh s¸ng chiÕu tíi vïng

nghÌo phô thuéc ®¸ng kÓ vµo chiÒu dµy líp vËt liÖu mµ nã ®i qua:

x0e α−Φ=Φ

Trong ®ã hÖ sè α ≈ 105 cm-1. §Ó t¨ng th«ng l−îng ¸nh s¸ng ®Õn vïng nghÌo

ng−êi ta chÕ t¹o ®i«t víi phiÕn b¸n dÉn chiÒu dµy rÊt bÐ.

Kh¶ n¨ng hÊp thô bøc x¹ phô thuéc rÊt lín vµo bÒ réng vïng nghÌo. §Ó t¨ng kh¶

n¨ng më réng vïng nghÌo ng−êi ta dïng ®i«t PIN, líp b¸n dÉn riªng I kÑp gi÷a hai

líp b¸n dÉn P vµ N, víi lo¹i ®i«t nµy chØ cÇn ®iÖn ¸p ng−îc vµi v«n cã thÓ më réng

vïng nghÌo ra toµn bé líp b¸n dÉn I.

b) ChÕ ®é ho¹t ®éng

- ChÕ ®é quang dÉn:

S¬ ®å nguyªn lý (h×nh 2.12a) gåm mét nguån Es ph©n cùc ng−îc ®i«t vµ mét

®iÖn trë Rm ®Ó ®o tÝn hiÖu.

Dßng ng−îc qua ®i«t:

p0d

0r IIkT

qVexpII ++⎥⎦

⎤⎢⎣⎡−= (2.40)

H×nh 2.12 S¬ ®å nguyªn lý vµ chÕ ®é lµm viÖc

Vd

VR

Ir

Rm ES

a) b)

0 -10 -20 -30 -40

50µW

100µW

150µW

200µW

20

40

60

Th«ng l−îng

Ir

ES

−

+

I

N

P−

+

H×nh 2.11 CÊu t¹o ®i«t lo¹i PIN

Φ

- 36 -

Trong ®ã Ip lµ dßng quang ®iÖn:

( ) ( )Xexp

hc

R1qI 0p α−Φ

λ−η= (2.41)

Khi ®iÖn ¸p ng−îc Vd ®ñ lín, thµnh phÇn ⎥⎦⎤

⎢⎣⎡

kT

qVexp d → 0, ta cã:

P0R III +=

Th«ng th−êng I0 <<IP do ®ã IR ≈ IP.

Ph−¬ng tr×nh m¹ch ®iÖn:

DR VVE −=

Trong ®ã rmR IRV = cho phÐp vÏ ®−êng th¼ng t¶i ∆ (h×nh 2.11b).

Dßng ®iÖn ch¹y trong m¹ch:

mm

r R

V

R

EI +=

§iÓm lµm viÖc cña ®i«t lµ ®iÓm giao nhau gi÷a ®−îng th¼ng t¶i ∆ vµ ®−êng ®Æc

tuyÕn i-V víi th«ng l−îng t−¬ng øng. ChÕ ®é lµm viÖc nµy lµ tuyÕn tÝnh, VR tØ lÖ víi

th«ng l−îng.

- ChÕ ®é quang thÕ:

Trong chÕ ®é nµy kh«ng cã ®iÖn ¸p ngoµi ®Æt vµo ®i«t. §i«t lµm viÖc nh− mét

bé chuyÓn ®æi n¨ng l−îng t−¬ng ®−¬ng víi mét m¸y ph¸t vµ ng−êi ta ®o thÕ hë

m¹ch V0C hoÆc ®o dßng ng¾n m¹ch ISC.

§o thÕ hë m¹ch: Khi chiÕu s¸ng, dßng IP t¨ng lµm cho hµng rµo thÕ gi¶m mét

l−îng ∆Vb. Sù gi¶m chiÒu cao hµng rµo thÕ lµm cho dßng h¹t dÉn c¬ b¶n t¨ng lªn,

khi ®¹t c©n b»ng Ir = 0.

Ta cã: 0IIkT

qVexpI p0

d0 =++⎥⎦

⎤⎢⎣⎡−

Rót ra: ⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡+=∆

0

Pb I

I1log

q

kTV

§é gi¶m chiÒu cao ∆Vb cña hµng rµo thÕ cã thÓ x¸c ®Þnh ®−îc th«ng qua ®o ®iÖn

¸p gi÷a hai ®Çu ®i«t khi hë m¹ch.

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡+=

0

POC I

I1log

q

kTV

- 37 -

Khi chiÕu s¸ng yÕu IP <<I0:

0

POC I

I.

q

kTV =

Trong tr−êng hîp nµy VOC (kT/q=26mV ë 300K) nhá nh−ng phô thuéc tuyÕn tÝnh

vµo th«ng l−îng.

Khi chiÕu s¸ng m¹nh, IP >>I0 vµ ta cã:

0

POC I

Ilog

q

kTV =

Trong tr−êng hîp nµy VOC cã gi¸ trÞ t−¬ng ®èi lín (cì 0,1 - 0,6 V) nh−ng phô thuéc

vµo th«ng l−îng theo hµm logarit.

§o dßng ng¾n m¹ch: Khi nèi ng¾n m¹ch hai ®Çu ®i«t b»ng mét ®iÖn trë nhá h¬n

rd nµo ®ã, dßng ®o¶n m¹ch ISC chÝnh b»ng IP vµ tØ lÖ víi th«ng l−îng (h×nh 2.14):

PSC II =

H×nh 2.13 Sù phô thuéc cña thÕ hë m¹ch vµo th«ng l−îng

Th«ng lu−îng, mW0,1 1 10 100

0

0,2

0,4

VOC, V

H×nh 2.14 Sù phô thuéc cña dßng ng¾n m¹ch vµo th«ng l−îng ¸nh s¸ng

ISC,µV

Th«ng l−îng, mW0

10

20

0,1 0,2

- 38 -

§Æc ®iÓm quan träng cña chÕ ®é nµy lµ kh«ng cã dßng tèi, nhê vËy cã thÓ

gi¶m nhiÔu vµ cho phÐp ®o ®−îc th«ng l−îng nhá.

c) §é nh¹y

§èi víi bøc x¹ cã phæ x¸c ®Þnh, dßng quang ®iÖn IP tØ lÖ tuyÕn tÝnh víi th«ng

l−îng trong mét kho¶ng t−¬ng ®èi réng, cì 5 - 6 decad. §é nh¹y phæ x¸c ®Þnh theo

c«ng thøc:

( ) ( )

λα−−η

=∆Φ∆

=λhc

XexpR1qI)(S P

Víi λ ≤ λs.

§é nh¹y phæ phô thuéc vµo λ, hiÖu suÊt l−îng tö η, hÖ sè ph¶n x¹ R vµ hÖ sè

hÊp thô α.

Ng−êi sö dông cÇn ph¶i biÕt ®é nh¹y phæ dùa trªn ®−êng cong phæ håi ®¸p

S(λ)/S(λP) vµ gi¸ trÞ cña b−íc sãng λP øng víi ®é nh¹y cùc ®¹i. Th«ng th−êng S(λP)

n»m trong kho¶ng 0,1 - 1,0 A/W.

H×nh 2.15 Phæ ®é nh¹y cña photodiot

1,0

0,6

0,4

0,2

0,1

0,4 0,6 0,8 1,0 1,2

λ (µm)λP

0,04

S(λ) S(λP)

0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0λ (µm)

0

0,1

0,2

0,3

0,4

S (µA/µW)

H×nh 2.16 Sù phô thuéc cña ®é nh¹y vµo nhiÖt ®é

T1

T2>T1

T2

- 39 -

Khi nhiÖt ®é t¨ng, cùc ®¹i λP cña ®−êng cong phæ dÞch chuyÓn vÒ phÝa b−íc

sãng dµi. HÖ sè nhiÖt cña dßng quang dÉn dT

dI.

I

1 P

P cã gi¸ trÞ kho¶ng0,1%/oC.

d) S¬ ®å øng dông photodiot

- S¬ ®å lµm viÖc ë chÕ ®é quang dÉn:

§Æc tr−ng cña chÕ ®é quang dÉn:

+§é tuyÕn tÝnh cao.

+ Thêi gian håi ®¸p ng¾n.

+ D¶i th«ng lín.

H×nh 2.16 tr×nh bµy s¬ ®å ®o dßng ng−îc trong chÕ ®é quang dÉn.

S¬ ®å c¬ së (h×nh 2.17a):

r1

2m0 I

R

R1RV ⎥

⎦

⎤⎢⎣

⎡+=

Khi t¨ng ®iÖn trë Rm sÏ lµm gi¶m nhiÔu. Tæng trë vµo cña m¹ch khuÕch ®¹i

ph¶i lín ®Ó tr¸nh lµm gi¶m ®iÖn trë t¶i hiÖu dông cña ®i«t.

S¬ ®å t¸c ®éng nhanh (h×nh 2.17b):

( ) r210 IRRV +=

®iÖn trë cña ®iot nhá vµ b»ng K

RR 21 + trong ®ã K lµ hÖ sè khuÕch ®¹i ë tÇn sè lµm

viÖc. Tô C2 cã t¸c dông bï trõ ¶nh h−ëng cña tô kÝ sinh Cpl víi ®iÒu kiÖn

22pl1 CRCR = . Bé khuÕch ®¹i ë ®©y ph¶i cã dßng vµo rÊt nhá vµ sù suy gi¶m do nhiÖt

còng ph¶i kh«ng ®¸ng kÓ.

- S¬ ®å lµm viÖc ë chÕ ®é quang thÕ:

§Æc tr−ng cña chÕ ®é quang thÕ:

+ Cã thÓ lµm viÖc ë chÕ ®é tuyÕn tÝnh hoÆc logarit tuú thuéc vµo t¶i.

ES

Rm

Ir R1

R2

V0

CP1

Rm

ES

R1+R2

R1

V0

R2

H×nh 2.17 S¬ ®å m¹ch ®o dßng ng−îc trong chÕ ®é quang dÉn a) b)

+ +− −

C2

+

−

- 40 -

+ Ýt nhiÔu.

+ Thêi gian håi ®¸p lín.

+ D¶i th«ng nhá.

+ Nh¹y c¶m víi nhiÖt ®é ë chÕ ®é logarit.

S¬ ®å tuyÕn tÝnh (h×nh 2.18a): ®o dßng ng¾n m¹ch Isc.

Trong chÕ ®é nµy:

scm0 I.RV =

S¬ ®å logarit (h×nh 2.18b): ®o ®iÖn ¸p hë m¹ch Voc.

oc1

20 V

R

R1V ⎥

⎦

⎤⎢⎣

⎡+=

2.2.4. Phototranzito


Phototranzito lµ çc tranzito mµ vïng baz¬ cã thÓ ®−îc chiÕu s¸ng, kh«ng cã

®iÖn ¸p ®Æt lªn baz¬, chØ cã ®iÖn ¸p trªn C, ®ång thêi chuyÓn tiÕp B-C ph©n cùc

ng−îc.

H×nh 2.19 Phototranzito a) S¬ ®å m¹ch ®iÖn b) S¬ ®å t−¬ng ®−¬ng

c) T¸ch cÆp ®iÖn tö lç trèng khi chiÕu s¸ng baz¬

a) b) c)

| +

§iÖn thÕ

CBE

Vco

R1

R2

V0

+_IOC

R1=Rm

Rm

V0

_ +

H×nh 2.18 S¬ ®å m¹ch ®o ë chÕ ®é quang ¸p

a) b)

- 41 -

§iÖn ¸p ®Æt vµo tËp trung hÇu nh− toµn bé trªn chuyÓn tiÕp B-C (ph©n cùc

ng−îc) trong khi ®ã chªnh lÖch ®iÖn ¸p gi÷a E vµ B thay ®æi kh«ng ®¸ng kÓ (VBE ≈

0,6-0,7 V). Khi chuyÓn tiÕp B-C ®−îc chiÕu s¸ng, nã ho¹t ®éng gièng nh− photo®iot

ë chÕ ®é quang thÕ víi dßng ng−îc:

P0r III +=

Trong ®ã I0 lµ dßng ng−îc trong tèi, IP lµ dßng quang ®iÖn d−íi t¸c dông cña th«ng

l−îng Φ0 chiÕu qua bÒ dµy X cña baz¬ (b−íc sãng λ < λS):

( )

0P hc

)Xexp(R1qI Φλ

α−−η=

Dßng Ir ®ãng vai trß dßng baz¬, nã g©y nªn dßng colect¬ Ic:

( ) ( ) ( ) p0rc I1I1I1I +β++β=+β=

β - hÖ sè khuÕch ®¹i dßng cña tranzito khi ®Êu chung emit¬.

Cã thÓ coi phototranzito nh− tæ hîp cña mét photodiot vµ mét tranzito (h×nh 2.19b).

Phodiot cung cÊp dßng quang ®iÖn t¹i baz¬, cßn tranzito cho hiÖu øng khÕch ®¹i β.

Çc ®iÖn tö vµ lç trèng ph¸t sinh trong vïng baz¬ (d−íi t¸c dông cña ¸nh s¸ng) sÏ bÞ

ph©n chia d−íi t¸c dông cña ®iÖn tr−êng trªn chuyÓn tiÕp B - C.

Trong tr−êng hîp tranzito NPN, çc ®iÖn tö bÞ kÐo vÒ phÝa colect¬ trong khi lç

trèng bÞ gi÷ l¹i trong vïng baz¬ (h×nh 2.19c) t¹o thµnh dßng ®iÖn tö tõ E qua B ®Õn

C. HiÖn t−îng xÈy ra t−¬ng tù nh− vËy nÕu nh− lç trèng phun vµo baz¬ tõ mét nguån

bªn ngoµi: ®iÖn thÕ baz¬ t¨ng lªn lµm gi¶m hµng rµo thÕ gi÷a E vµ B, ®iÒu nµy g©y

nªn dßng ®iÖn tö IE ch¹y tõ E ®Õn B vµ khuÕch t¸n tiÕp tõ B vÒ phÝa C.

b) §é nh¹y

Khi nhËn ®−îc th«ng l−îng Φ0, ®iot baz¬-colect¬ sinh ra dßng quang ®iÖn Ip,

dßng nµy g©y nªn trong phototranzito mét dßng ( ) pcp I1I +β= , trong ®ã gi¸ trÞ cña

Icp ®−îc rót ra tõ c«ng thøc cña Ip:

( ) ( ) ( )

0cp hc

XexpR1q1I Φλ

α−−η+β=

§èi víi mét th«ng l−îng Φ0 cho tr−íc, ®−êng cong phæ håi ®¸p x¸c ®Þnh bëi

b¶n chÊt cña ®iot B-C: vËt liÖu chÕ t¹o (th−êng lµ Si) vµ lo¹i pha t¹p (h×nh 2.20). §èi

víi mét b−íc sãng cho tr−íc, dßng colect¬ Ic kh«ng ph¶i lµ hµm tuyÕn tÝnh cña

- 42 -

th«ng l−îng hoÆc ®é chiÕu s¸ng bëi v× hÖ sè khuÕch ®¹i β phô thuéc vµo dßng Ic (tøc

lµ còng phô thuéc th«ng l−îng), nghÜa lµ 0

cI

∆Φ∆

phô thuéc vµo Φ0.

§é nh¹y phæ S(λp) ë b−íc sãng t−¬ng øng víi ®iÓm cùc ®¹i cã gi¸ trÞ n»m

trong kho¶ng 1 - 100A/W.

c) S¬ ®å dïng phototranzito

Phototranzito cã thÓ dïng lµm bé chuyÓn m¹ch, hoÆc lµm phÇn tö tuyÕn tÝnh. ë

chÕ ®é chuyÓn m¹ch nã cã −u ®iÓm so víi photodiot lµ cho phÐp sö dông mét çch

trùc tiÕp dßng ch¹y qua t−¬ng ®èi lín. Ng−îc l¹i, ë chÕ ®é tuyÕn tÝnh, mÆc dï cho

®é khuÕch ®¹i nh−ng ng−êi ta thÝch dïng photo®iot v× nã cã ®é tuyÕn tÝnh tèt h¬n.

- Phototranzito chuyÓn m¹ch:

Trong tr−êng hîp nµy sö dông th«ng tin d¹ng nhÞ ph©n: cã hay kh«ng cã bøc

x¹, hoÆc ¸nh s¸ng nhá h¬n hay lín h¬n ng−ìng. Tranzito chÆn hoÆc b¶o hoµ cho

phÐp ®iÒu khiÓn trùc tiÕp (hoÆc sau khi khuÕch ®¹i) nh− mét r¬le, ®iÒu khiÓn mét

cæng logic hoÆc mét thyristo (h×nh 2.21).

S(λ) S(λp) (%)

100

80

60

40

20

0,4 0,6 0,8 1,0

λ (µm)

H×nh 2.20 §−êng cong phæ håi ®¸p cña photodiot

+ + +

+ +

H×nh 2.21 Photodiotzito trong chÕ ®é chuyÓn m¹ch a) R¬le b) R¬le sau khÕch ®¹i c) Cæng logic d) Thyristo

- 43 -

- Phototranzito trong chÕ ®é tuyÕn tÝnh:

Cã hai çch sö dông trong chÕ ®é tuyÕn tÝnh.

- Tr−êng hîp thø nhÊt: ®o ¸nh s¸ng kh«ng ®æi (gièng nh− mét luxmet).

- Tr−êng hîp thø hai: thu nhËn tÝn hiÖu thay ®æi d¹ng:

( ) ( )tt 10 Φ+Φ=Φ

( ) ( )t.SItI 10cc Φ+Φ=

2.2.5. Phototranzito hiÖu øng tr−êng

Phototranzito hiÖu øng tr−êng (photoFET) cã s¬ ®å t−¬ng ®−¬ng nh− h×nh

2.23.

Trong phototranzito hiÖu øng tr−êng, ¸nh s¸ng ®−îc sö dông ®Ó lµm thay ®æi

®iÖn trë kªnh. ViÖc ®iÒu khiÓn dßng m¸ng ID ®−îc thùc hiÖn th«ng qua sù thay ®æi

®iÖn ¸p VGS gi÷a cæng vµ nguån. Trong chÕ ®é ph©n cùc ng−îc chuyÓn tiÕp P-N gi÷a

cæng vµ kªnh, ®iÖn ¸p nµy sÏ x¸c ®Þnh ®é réng cña kªnh vµ do ®ã dßng m¸ng cã

d¹ng:

2

P

GSDSSD V

V1II ⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+=

Víi IDS - dßng m¸ng khi VGS = 0.

+

H×nh 2.22 S¬ ®å nguyªn lý luxmet

Trong ®ã Φ1(t) lµ thµnh phÇn

thay ®æi víi biªn ®é nhá ®Ó sao cho

kh«ng dÉn tíi phototranzito bÞ chÆn

hoÆc b¶o hoµ vµ cã thÓ coi ®é hh¹y

kh«ng ®æi. Trong ®iÒu kiÖn ®ã, dßng

colect¬ cã d¹ng:

H×nh 2.23 Phototranzito hiÖu øng tr−êng a) S¬ ®å cÊu t¹o b) S¬ ®å m¹ch

-

G

D

S

b)a)

S

G

D

+

- 44 -

VP - ®iÖn ¸p th¾t kªnh.

Khi bÞ chiÕu s¸ng, chuyÓn tiÕp P-N ho¹t ®éng nh− mét photodiot cho dßng ng−îc:

P0r III +=

IP = SgΦ - dßng quang ®iÖn.

I0 - dßng ®iÖn trong tèi.

Sg - ®é nh¹y cña ®iot cæng - kªnh.

Φ - th«ng l−îng ¸nh s¸ng.

Dßng Ir ch¹y qua ®iÖn trë Rg cña m¹ch cæng x¸c ®Þnh ®iÖn thÕ VGS vµ vµ dßng m¸ng:

( ) gP0gGS EIIRV −+=

Eg - thÕ ph©n cùc cña cæng.

Phototranzito hiÖu øng tr−êng ®−îc øng dông nhiÒu trong viÖc ®iÒu khiÓn ®iÖn

¸p b»ng ¸nh s¸ng.

2.3. C¶m biÕn quang ®iÖn ph¸t x¹

2.3.1. HiÖu øng quang ®iÖn ph¸t x¹

HiÖu øng quang ®iÖn ph¸t x¹ hay cßn ®−îc gäi lµ hiÖu øng quang ®iÖn ngoµi lµ

hiÖn t−îng çc ®iÖn tö ®−îc gi¶i phãng khái bÒ mÆt vËt liÖu t¹o thµnh dßng khi chiÕu

vµo chóng mét bøc x¹ ¸nh s¸ng cã b−íc sãng nhá h¬n mét ng−ìng nhÊt ®Þnh vµ cã

thÓ thu l¹i nhê t¸c dông cña ®iÖn tr−êng.

C¬ chÕ ph¸t x¹ ®iÖn tö khi chiÕu s¸ng vËt liÖu xÈy ra theo ba giai ®o¹n:

- HÊp thô photon vµ gi¶i phãng ®iÖn tö bªn trong vËt liÖu.

- §iÖn tö võa ®−îc gi¶i phãng di chuyÓn ®Õn bÒ mÆt.

- §iÖn tö tho¸t khái bÒ mÆt vËt liÖu.

Khi mét ®iÖn tö hÊp thô photon vµ ®−îc gi¶i phãng, di chuyÓn cña nã trong

khèi vËt liÖu mang tÝnh ngÉu nhiªn theo mäi h−íng, do ®ã chØ mét l−îng rÊt nhá

h−íng tíi bÒ mÆt. MÆt kh¸c, trong qu¸ tr×nh di chuyÓn, çc ®iÖn tö nµy cã thÓ va

ch¹m víi çc ®iÖn tö kh¸c vµ mÊt ®i mét phÇn n¨ng l−îng do ®ã chØ mét l−îng nhá

®iÖn tö ®−îc gi¶i phãng tíi ®−îc bÒ mÆt. MÆt kh¸c, sù ph¸t x¹ cña çc ®iÖn tö sau

khi ®· ®Õn ®−îc bÒ mÆt chØ cã thÓ xÈy ra khi ®éng n¨ng cña nã ®ñ th¾ng ®−îc hµng

rµo thÕ ph©n çch vËt liÖu víi m«i tr−êng.

Víi tÊt c¶ nh÷ng ®iÒu kiÖn trªn, sè ®iÖn tö ph¸t x¹ trung b×nh khi mét photon bÞ

hÊp thô (hiÖu suÊt l−îng tö ) th−êng nhá h¬n 10% vµ Ýt khi v−ît qu¸ 30%.

- 45 -

VËt liÖu chÕ t¹o: Phô thuéc vµo b−íc sãng ¸nh s¸ng, vËt liÖu chÕ t¹o photocatot

cã thÓ chän trong çc lo¹i sau:

- AgOCs nh¹y ë vïng hång ngo¹i.

- Cs3Sb, (Cs)Na2KSb vµ K2CsSb: nh¹y víi ¸nh s¸ng nh×n thÊy vµ vïng tö ngo¹i.

- Cs2Te, Rb2Te vµ CsTe chØ nh¹y trong vïng tö ngo¹i.

HiÖu suÊt l−îng tö cña çc vËt liÖu trªn ~ 1 - 30%.

Ngoµi ra cßn dïng çc hîp chÊt cña çc chÊt thuéc nhãm III - V, ®ã lµ çc hîp chÊt

GaAsxSb1-x , Ga1-xInxAs, InAsxP1-x, ng−ìng nh¹y s¸ng cña chóng n»m ë vïng hång

ngo¹i (λ ~1µm), hiÖu suÊt l−îng tö ®¹t tíi 30%.

2.3.2. TÕ bµo quang ®iÖn ch©n kh«ng

TÕ bµo quang ®iÖn ch©n kh«ng gåm mét èng h×nh trô cã mét cöa sæ trong suèt,

®−îc hót ch©n kh«ng (¸p suÊt ~ 10-6 - 10-8 mmHg). Trong èng ®Æt mét catot cã kh¶

n¨ng ph¸t x¹ khi ®−îc chiÕu s¸ng vµ mét anot.

S¬ ®å t−¬ng ®−¬ng vµ sù thay ®æi cña dßng anot Ia phô thuéc vµo ®iÖn thÕ anot -

catot Vak biÓu diÔn trªn h×nh 2.25.

A

K

H×nh 2.24 S¬ ®å cÊu t¹o tÕ bµo quang ®iÖn ch©n kh«ng

A

KΦ

A K

K

A Ia

E

Rm

Ia (µA)

Vak (V)

4,75 mW

2,37 mW

0,95 mW

4

3

2

1

0 20 40 60 80 100 120

H×nh 2.25 S¬ ®å t−¬ng ®−¬ng vµ ®Æc tr−ng I - v cña tÕ bµo quang ®iÖn ch©n kh«ng

a) b)

- 46 -

§Æc tr−ng I - V cã hai vïng râ rÖt:

+ Vïng ®iÖn tÝch kh«ng gian ®Æc tr−ng bëi sù t¨ng m¹nh cña dßng khi ®iÖn ¸p

t¨ng.

+ Vïng b¶o hoµ ®Æc tr−ng bëi sù phô thuéc kh«ng ®¸ng kÓ cña dßng vµo ®iÖn

¸p.

TÕ bµo quang ®iÖn ®−îc sö dông chñ yÕu trong vïng b¶o hoµ, khi ®ã nã gièng

nh− mét nguån dßng, gi¸ trÞ cña dßng chØ phô thuéc vµo th«ng l−îng ¸nh s¸ng mµ

nã nhËn ®−îc. §iÖn trë trong ρ cña tÕ bµo quang ®iÖn rÊt lín vµ cã thÓ x¸c ®Þnh tõ

®é dèc cña ®Æc tuyÕn ë vïng b¶o hoµ:

Φ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

ρ ak

a

dV

dI1

§é nh¹y phæ cña tÕ bµo quang ®iÖn ®−îc biÓu diÔn th«ng qua gi¸ trÞ cña dßng anot

trong vïng b·o hoµ, th−êng vµo cì 10 - 100 mA/W.

2.3.3. TÕ bµo quang ®iÖn d¹ng khÝ

TÕ bµo quang ®iÖn d¹ng khÝ cã cÊu t¹o t−¬ng tù tÕ bµo quang ®iÖn ch©n kh«ng,

chØ kh¸c ë chç thÓ tÝch bªn trong cña ®Ìn ®−îc ®iÒn ®Çy b»ng khÝ, th−êng lµ khÝ

acgon, d−íi ¸p suÊt cì 10-1 - 10-2 mmHg.

Khi ®iÖn ¸p thÊp h¬n 20V, ®Æc tuyÕn I - V cã d¹ng gièng nh− tÕ bµo quang

®iÖn ch©n kh«ng. Khi ®iÖn ¸p cao, ®iÖn tö chuyÓn ®éng víi tèc ®é lín lµm ion ho¸

çc nguyªn tö khÝ, kÕt qu¶ lµ dßng anot t¨ng lªn tõ 5 - 10 lÇn.

2.3.4. ThiÕt bÞ nh©n quang

Khi bÒ mÆt vËt r¾n bÞ b¾n ph¸ bëi çc ®iÖn tö cã n¨ng l−îng cao, nã cã thÓ ph¸t

x¹ çc ®iÖn tö (gäi lµ ph¸t x¹ thø cÊp). NÕu sè ®iÖn tö ph¸t x¹ thø cÊp lín h¬n sè

0,5.10-2 lm

H×nh 2.26 §Æc tr−ng vµ ®é nh¹y cña tÕ bµo quang ®iÖn d¹ng khÝ

Ia (µA)

Vak (V)

2

1

0 20 40 60 80 100 120

10-2 lm

1,5.10-2 lm

2.10-2 lm

Vak (V)

6

2

0 20 40 60 80

4

8

§é

nh¹y

t−¬n

g ®è

i

- 47 -

®iÖn tö tíi th× cã kh¶ n¨ng khuÕch ®¹i tÝn hiÖu. Sù khuÕch ®¹i ®−îc thùc hiÖn b»ng

çc thiÕt bÞ nh©n quang (h×nh 2.27).

Çc ®iÖn tö tíi (®iÖn tö s¬ cÊp) ®−îc ph¸t x¹ tõ mét photocatot ®Æt trong ch©n

kh«ng vµ bÞ chiÕu s¸ng. Sau ®ã chóng ®−îc tiªu tô trªn ®−îc cùc thø nhÊt cña d·y

çc ®iÖn cùc (dynode) nèi tiÕp. BÒ mÆt çc ®iÖn cùc nèi tiÕp phñ b»ng vËt liÖu cã

kh¶ n¨ng ph¸t x¹ ®iÖn tö thø cÊp. Theo chiÒu ®i tõ ®iÖn cùc thø nhÊt ®Õn çc ®iÖn

cùc tiÕp theo, ®iÖn thÕ cña çc ®iÖn cùc t¨ng dÇn sao cho çc ®iÖn tö sinh ra tõ ®iÖn

cùc thø k sÏ bÞ hót bëi ®iÖn cùc thø (k+1). KÕt qu¶ ë ®iÖn cùc sau sè ®iÖn tö lín h¬n

ë ®iÖn cùc tr−íc ®ã.

HÖ sè khuÕch ®¹i cña thiÕt bÞ nh©n quang x¸c ®Þnh theo c«ng thøc:

( )ntcM δηη=

ηc - hÖ sè thu nhËn ®iÖn tö h÷u hiÖu cña çc cùc.

ηt- hÖ sè chuyÓn t¶i h÷u hiÖu tõ ®iÖn cùc nµy sang ®iÖn cùc kh¸c.

δ - hÖ sè ph¸t x¹ thø cÊp (sè ®iÖn tö thø cÊp ph¸t ra khi cã mét ®iÖn tö ®Ëp vµo ®iÖn

cùc).

Víi sè ®iÖn cùc n = 5 - 15, hÖ sè ph¸t x¹ thø cÊp δ = 5 - 10 vµ ηt > 90%, th× M

~106 - 108.

H×nh 2.27 ThiÕt bÞ nh©n quang 1)b Photocatot 2) Dynode (®iÖn cùc thø cÊp)

K AΦ

1 2

- 48 -

- 48 -

Ch−¬ng III

C¶m biÕn ®o nhiÖt ®é

3.1. Kh¸i niÖm c¬ b¶n

NhiÖt ®é lµ mét trong sè nh÷ng ®¹i l−îng cã ¶nh h−ëng rÊt lín ®Õn tÝnh chÊt

vËt chÊt. Bëi vËy trong nghiªn cøu khoa häc, trong c«ng nghiÖp còng nh− trong ®êi

sèng hµng ngµy viÖc ®o nhiÖt ®é lµ rÊt cÇn thiÕt. Tuy nhiªn viÖc x¸c ®Þnh chÝnh x¸c

mét nhiÖt ®é lµ mét vÊn ®Ò kh«ng ®¬n gi¶n. §a sè çc ®¹i l−îng vËt lý ®Òu cã thÓ

x¸c ®Þnh trùc tiÕp nhê so s¸nh chóng víi mét ®¹i l−îng cïng b¶n chÊt. NhiÖt ®é lµ

®¹i l−îng chØ cã thÓ ®o gi¸n tiÕp dùa vµo sù phô thuéc cña tÝnh chÊt vËt liÖu vµo

nhiÖt ®é.

3.1.1. Thang ®o nhiÖt ®é

§Ó ®o nhiÖt ®é tr−íc hÕt ph¶i thiÕt lËp thang nhiÖt ®é. Thang nhiÖt ®é tuyÖt

®èi ®−îc thiÕt lËp dùa vµo tÝnh chÊt cña khÝ lý t−ëng.

Theo ®Þnh lý Carnot: hiÖu suÊt η cña mét ®éng c¬ nhiÖt thuËn nghÞch ho¹t

®éng gi÷a hai nguån cã nhiÖt ®é θ1 vµ θ2 trong mét thang ®o bÊt kú chØ phô thuéc

vµo θ1 vµ θ2:

( )( )2

1

F

F

θθ

=η (3.1)

D¹ng cña hµm F phô thuéc vµo thang ®o nhiÖt ®é. Ng−îc l¹i viÖc chän d¹ng hµm F

sÏ quyÕt ®Þnh thang ®o nhiÖt ®é. §Æt F(θ) = T, khi ®ã hiÖu suÊt nhiÖt cña ®éng c¬

nhiÖt thuËn nghÞch ®−îc viÕt nh− sau:

2

1

T

T1−=η (3.2)

Trong ®ã T1 vµ T2 lµ nhiÖt ®é ®éng häc tuyÖt ®èi cña hai nguån.

§èi víi chÊt khÝ lý t−ëng, néi n¨ng U chØ phô thuéc vµo nhiÖt ®é cña chÊt khÝ vµ

ph−¬ng tr×nh ®Æc tr−ng liªn hÖ gi÷a ¸p suÊt p, thÓ tÝch v vµ nhiÖt ®é cã d¹ng:

p.v=G(θ)

Cã thÓ chøng minh ®−îc r»ng:

G(θ)=RT

Trong ®ã R lµ h»ng sè khÝ lý t−ëng, T lµ nhiÖt ®é ®éng häc tuyÖt ®èi.

- 49 -

§Ó cã thÓ g¸n mét gi¸ trÞ sè cho T, cÇn ph¶i x¸c ®Þnh ®¬n vÞ cho nhiÖt ®é.

Muèn vËy chØ cÇn g¸n gi¸ trÞ cho nhiÖt ®é t−¬ng øng víi mét hiÖn t−îng nµo ®ã víi

®iÒu kiÖn hiÖn t−îng nµy hoµn toµn x¸c ®Þnh vµ cã tÝnh lÆp l¹i.

Thang Kelvin (Thomson Kelvin - 1852): Thang nhiÖt ®é ®éng häc tuyÖt ®èi,

®¬n vÞ nhiÖt ®é lµ K. Trong thang ®o nµy ng−êi ta g¸n cho nhiÖt ®é cña ®iÓm c©n

b»ng ba tr¹ng th¸i n−íc - n−íc ®¸ - h¬i mét gi¸ trÞ sè b»ng 273,15 K.

Thang Celsius (Andreas Celsius - 1742): Thang nhiÖt ®é b¸ch ph©n, ®¬n vÞ

nhiÖt ®é lµ oC vµ mét ®é Celsius b»ng mét ®é Kelvin.

NhiÖt ®é Celsius x¸c ®Þnh qua nhiÖt ®é Kelvin theo biÓu thøc:

T(oC)= T(K) - 273,15 (3.3)

Thang Fahrenheit (Fahrenheit - 1706): §¬n vÞ nhiÖt ®é lµ oF. Trong thang ®o

nµy, nhiÖt ®é cña ®iÓm n−íc ®¸ tan lµ 32oF vµ ®iÓm n−íc s«i lµ 212oF.

Quan hÖ gi÷a nhiÖt ®é Fahrenheit vµ nhiÖt Celssius:

( ) ( ) 32FT9

5CT oo −= (3.4)

( ) ( ) 32CT5

9FT oo += (3.5)

B¶ng 3.1 Cho çc gi¸ trÞ t−¬ng øng cña mét sè nhiÖt ®é quan träng theo çc thang

®o kh¸c nhau.

B¶ng 3.1

NhiÖ ®é Kelvin (K) Celsius (oC) Fahrenheit (oF)

§iÓm 0 tuyÖt ®èi 0 -273,15 -459,67

Hçn hîp n−íc - n−íc ®¸ 273,15 0 32

C©n b»ngn−íc - n−íc ®¸ - h¬i 273,16 0,01 32,018

N−íc s«i 373,15 100 212

3.1.2. NhiÖt ®é ®o ®−îc vµ nhiÖt ®é cÇn ®o

Gi¶ sö m«i tr−êng ®o cã nhiÖt ®é thùc b»ng Tx, nh−ng khi ®o ta chØ nhËn ®−îc

nhiÖt ®é Tc lµ nhiÖt ®é cña phÇn tö c¶m nhËn cña c¶m biÕn. NhiÖt ®é Tx gäi lµ nhiÖt

®é cÇn ®o, nhiÖt ®é Tc gäi lµ nhiÖt ®é ®o ®−îc. §iÒu kiÖn ®Ó ®o ®óng nhiÖt ®é lµ ph¶i

cã sù c©n b»ng nhiÖt gi÷a m«i tr−êng ®o vµ c¶m biÕn. Tuy nhiªn, do nhiÒu nguyªn

nh©n, nhiÖt ®é c¶m biÕn kh«ng bao giê ®¹t tíi nhiÖt ®é m«i tr−êng Tx, do ®ã tån t¹i

mét chªnh lÖch nhiÖt ®é Tx - Tc nhÊt ®Þnh. §é chÝnh x¸c cña phÐp ®o phô thuéc vµo

- 50 -

hiÖu sè Tx - Tc , hiÖu sè nµy cµng bÐ, ®é chÝnh x¸c cña phÐp ®o cµng cao. Muèn vËy

khi ®o cÇn ph¶i:

- T¨ng c−ênng sù trao ®æi nhiÖt gi÷a bé c¶m biÕn vµ m«i tr−êng ®o.

- Gi¶m sù trao ®æi nhiÖt gi÷a bé c¶m biÕn vµ m«i tr−êng bªn ngoµi.

Chóng ta h·y kh¶o s¸t tr−êng hîp ®o b»ng c¶m biÕn tiÕp xóc. L−îng nhiÖt

truyÒn tõ m«i tr−êng vµo bé c¶m biÕn x¸c ®Þnh theo c«ng thøc:

( )dtTTAdQ cx −α=

Víi: α - hÖ sè dÉn nhiÖt.

A - diÖn tÝch bÒ mÆt trao ®æi nhiÖt.

T - thêi gian trao ®æi nhiÖt.

L−îng nhiÖt c¶m biÕn hÊp thô:

cmCdTdQ =

Víi: m - khèi l−îng c¶m biÕn.

C - nhiÖt dung cña c¶m biÕn.

Nªu bá qua tæn thÊt nhiÖt cña c¶m biÕn ra m«i tr−êng ngoµi vµ gi¸ ®ì, ta cã:

( ) ccx mCdTdtTTA =−α

§Ó t¨ng c−êng trao ®æi nhiÖt gi÷a m«i tr−êng cã nhiÖt ®é cÇn ®o vµ c¶m biÕn

ta ph¶i dïng c¶m biÕn cã phÇn tö c¶m nhËn cã tØ nhiÖt thÊp, hÖ sè dÉn nhiÖt cao, ®Ó

h¹n chÕ tæn thÊt nhiÖt tõ c¶m biÕn ra ngoµi th× çc tiÕp ®iÓm dÉn tõ phÇn tö c¶m

nhËn ra m¹ch ®o bªn ngoµi ph¶i cã hÖ sè dÉn nhiÖt thÊp.

3.1.3. Ph©n lo¹i c¶m biÕn ®o nhiÖt ®é

Çc c¶m biÕn ®o nhiÖt ®é ®−îc chia lµm hai nhãm:

- C¶m biÕn tiÕp xóc: c¶m biÕn tiÕp xóc víi m«i tr−êng ®o, gåm:

+ C¶m biÕn gi¶n në (nhiÖt kÕ gi¶n në).

+ C¶m biÕn ®iÖn trë (nhiÖt ®iÖn trë).

§Æt τ=αA

mC, gäi lµ h»ng sè thêi

gian nhiÖt, ta cã:

τ

=−

dt

TT

dT

cx

c

NghiÖm cña ph−¬ng tr×nh cã d¹ng:

τ−

−=t

xc keTT H×nh 3.1. Trao ®æi nhiÖt cña c¶m biÕn

Tx

T1

0,63Tx

τ t

- 51 -

+ CÆp nhiÖt ngÉu.

- C¶m biÕn kh«ng tiÕp xóc: ho¶ kÕ.

D−íi ®©y nghiªn cøu mét sè lo¹i c¶m biÕn c¬ b¶n.

3.2. NhiÖt kÕ gi·n në

Nguyªn lý ho¹t ®éng cña nhiÖt kÕ gi·n në dùa vµo sù gi·n në cña vËt liÖu khi

t¨ng nhiÖt ®é. NhiÖt kÕ lo¹i nµy cã −u ®iÓm kÕt cÊu ®¬n gi¶n, dÔ chÕ t¹o.

3.2.1. NhiÖt kÕ gi·n në dïng chÊt r¾n

Th−êng cã hai lo¹i: gèm vµ kim lo¹i, kim lo¹i vµ kim lo¹i.

- NhiÖt kÕ gèm - kim lo¹i(Dilatomet): gåm mét thanh gèm (1) ®Æt trong èng kim

lo¹i (2), mét ®Çu thanh gèm liªn kÕt víi èng kim lo¹i, cßn ®Çu A nèi víi hÖ thèng

truyÒn ®éng tíi bé phËn chØ thÞ. HÖ sè gi·n në nhiÖt cña kim lo¹i vµ cña gèm lµ αk

vµ αg. Do αk > αg, khi nhiÖt ®é t¨ng mét l−îng dt, thanh kim lo¹i gi·n thªm mét

l−îng dlk, thanh gèm gi·n thªm dlg víi dlk>dlg, lµm cho thanh gèm dÞch sang ph¶i.

DÞch chuyÓn cña thanh gèm phô thuéc dlk - dlg do ®ã phô thuéc nhiÖt ®é.

- NhiÖt kÕ kim lo¹i - kim lo¹i: gåm hai thanh kim lo¹i (1) vµ (2) cã hÖ sè gi·n në

nhiÖt kh¸c nhau liªn kÕt víi nhau theo chiÒu däc. Gi¶ sö α1 > α2 , khi gi·n në nhiÖt

hai thanh kim lo¹i cong vÒ phÝa thanh (2). Dùa vµo ®é cong cña thanh kim lo¹i ®Ó

x¸c ®Þnh nhiÖt ®é.

NhiÖt kÕ gi·n në dïng chÊt r¾n th−êng dïng ®Ó ®o nhiÖt ®é d−íi 700oC.

3.2.2. NhiÖt kÕ gi·n në dïng chÊt láng

NhiÖt kÕ gåm b×nh nhiÖt (1), èng mao dÉn (2) vµ chÊt láng (3). ChÊt láng sö

dông th−êng dïng lµ thuû ng©n cã hÖ sè gi·n në nhiÖt α =18.10-5/oC, vá nhiÖt kÕ

b»ng thuû tinh cã α =2.10-5/oC.

Khi ®o nhiÖt ®é, b×nh nhiÖt ®−îc ®Æt tiÕp xóc víi m«i tr−êng ®o. Khi nhiÖt ®é

t¨ng, chÊt láng gi·n në vµ d©ng lªn trong èng mao dÉn. Thang ®o ®−îc chia ®é trªn

H×nh 3.2 NhiÖt kÕ gi·n në a) NhiÖt kÕ gèm - kim lo¹i b) NhiÖt kÕ kim lo¹i - kim lo¹i

2

1a)

1

2

b)

A

- 52 -

vá theo däc èng mao dÉn.

D¶i nhiÖt ®é lµm viÖc tõ - 50 ÷ 600oC tuú theo vËt liÖu chÕ t¹o vá bäc.

3.3. NhiÖt kÕ ®iÖn trë

3.3.1. Nguyªn lý

HiÖn nay th−êng sö dông ba lo¹i ®iÖn trë ®o nhiÖt ®é ®ã lµ: ®iÖn trë kim lo¹i,

®iÖn trë silic vµ ®iÖn trë chÕ t¹o b»ng hçn hîp çc oxyt b¸n dÉn.

Tr−êng hîp ®iÖn trë kim lo¹i, hµm trªn cã d¹ng:

( )320 CTBTAT1R)T(R +++= (3.6)

Trong ®ã nhiÖt ®é T ®o b»ng oC, T0=0oC vµ A, B, C lµ çc hÖ sè thùc nghiÖm.

Tr−êng hîp ®iÖn trë lµ hçn hîp çc oxyt b¸n dÉn:

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=

00 T

1

T

1Bexp.R)T(R (3.7)

T lµ nhiÖt ®é tuyÖt ®èi, B lµ hÖ sè thùc nghiÖm.

Çc hÖ sè ®−îc x¸c ®Þnh chÝnh x¸c b»ng thùc nghiÖm khi ®o nh÷ng nhiÖt ®é ®·

biÕt tr−íc. Khi ®· biÕt gi¸ trÞ çc hÖ sè, tõ gi¸ trÞ cña R ng−êi ta x¸c ®Þnh ®−îc nhiÖt

®é cÇn ®o.

Khi ®é biÕn thiªn cña nhiÖt ®é ∆T (xung quanh gi¸ trÞ T) nhá, ®iÖn trë cã thÓ

coi nh− thay ®æi theo hµm tuyÕn tÝnh:

( ) ( )( )T1TRTTR R∆α+=∆+ (3.8)

Trong ®ã:

( ) dT

dR

TR

1R =α (3.9)

Nguyªn lý chung ®o nhiÖt ®é b»ng çc ®iÖn trë

lµ dùa vµo sù phô thuéc ®iÖn trë suÊt cña vËt liÖu theo

nhiÖt ®é.

Trong tr−êng hîp tæng qu¸t, sù thay ®æi ®iÖn trë

theo nhiÖt ®é cã d¹ng:

( ) ( )00 TTF.RTR −=

R0 lµ ®iÖn trë ë nhiÖt ®é T0, F lµ hµm ®Æc tr−ng cho vËt

liÖu vµ F = 1 khi T = T0.

1

2

3

H×nh 3.3 NhiÖt kÕ gi¶n në dïng chÊt láng

- 53 -

®−îc gäi hÖ sè nhiÖt cña ®iÖn trë hay cßn gäi lµ ®é nh¹y nhiÖt ë nhiÖt ®é T. §é nh¹y

nhiÖt phô thuéc vµo vËt liÖu vµ nhiÖt ®é, vÝ dô ë 0oC platin (Pt) cã αR=3,9.10-3/oC.

ChÊt l−îng thiÕt bÞ ®o x¸c ®Þnh gi¸ trÞ nhá nhÊt mµ nã cã thÓ ®o ®−îc min0R

R∆, do ®ã

còng x¸c ®Þnh sù thay ®æi nhá nhÊt cña nhiÖt ®é cã thÓ ph¸t hiÖn ®−îc:

minoR

min R

R1T

∆α

=∆

VÝ dô nÕu 6

min0

10R

R −=∆

vµ víi nh÷ng phÐp ®o quanh ®iÓm 0oC, vËt liÖu lµ platin th×

4min 10.6,2T −=∆ oC.

Thùc ra, ®iÖn trë kh«ng chØ thay ®æi khi nhiÖt ®é thay ®æi do sù thay ®æi ®iÖn

trë suÊt mµ cßn chÞu t¸c ®éng cña sù thay ®æi kÝch th−íc h×nh häc cña nã. Bëi vËy

®èi víi mét ®iÖn trë d©y cã chiÒu dµi l vµ tiÕt diÖn s, hÖ sè nhiÖt ®é cã d¹ng:

dT

ds

s

1

dT

dl

l

1

dT

d1

dT

dR

R

1R −+

ρρ

==α

§Æt: dT

d1 ρρ

=αρ ; dT

dl

l

1l =α ;

dT

ds

s

1s =α

slR α−α+α=α ρ

Víi ls 2α=α ta cã: lR α−α=α ρ

Trªn thùc tÕ th−êng lα>>αρ nªn cã thÓ coi ρα=α R .

3.3.2. NhiÖt kÕ ®iÖn trë kim lo¹i

a) VËt liÖu

Yªu cÇu chung ®èi víi vËt liÖu lµm ®iÖn trë:

- Cã ®iÖn trë suÊt ρ ®ñ lín ®Ó ®iÖn trë ban ®Çu R0 lín mµ kÝch th−íc nhiÖt kÕ

vÉn nhá.

- HÖ sè nhiÖt ®iÖn trë cña nã tèt nhÊt lµ lu«n lu«n kh«ng ®æi dÊu, kh«ng triÖt

tiªu.

- Cã ®ñ ®é bÒn c¬, ho¸ ë nhiÖt ®é lµm viÖc.

- DÔ gia c«ng vµ cã kh¶ n¨ng thay lÉn.

Çc c¶m biÕn nhiÖt th−êng ®−îc chÕ t¹o b»ng Pt vµ Ni. Ngoµi ra cßn dïng Cu, W.

- Platin :

- 54 -

+ Cã thÓ chÕ t¹o víi ®é tinh khiÕt rÊt cao (99,999%) do ®ã t¨ng ®é chÝnh x¸c

cña çc tÝnh chÊt ®iÖn.

+ Cã tÝnh tr¬ vÒ mÆt ho¸ häc vµ tÝnh æn ®Þnh cÊu tróc tinh thÓ cao do ®ã ®¶m

b¶o tÝnh æn ®Þnh cao vÒ çc ®Æc tÝnh dÉn ®iÖn trong qu¸ tr×nh sö dông.

+ HÖ sè nhiÖt ®iÖn trë ë 0oC b»ng 3,9.10-3/oC.

+ §iÖn trë ë 100oC lín gÊp 1,385 lÇn so víi ë 0oC.

+ D¶i nhiÖt ®é lµm viÖc kh¸ réng tõ -200oC ÷ 1000oC.

- Nikel:

+ Cã ®é nh¹y nhiÖt cao, b»ng 4,7.10-3/oC.

+ §iÖn trë ë 100oC lín gÊp 1,617 lÇn so víi ë 0oC.

+ DÔ bÞ oxy ho¸ khi ë nhiÖt ®é cao lµm gi¶m tÝnh æn ®Þnh.

+ D¶i nhiÖt ®é lµm viÖc thÊp h¬n 250oC.

§ång ®−îc sö dông trong mét sè tr−êng hîp nhê ®é tuyÕn tÝnh cao cña ®iÖn trë

theo nhiÖt ®é. Tuy nhiªn, ho¹t tÝnh ho¸ häc cña ®ång cao nªn nhiÖt ®é lµm viÖc

th−êng kh«ng v−ît qu¸ 180oC. §iÖn trë suÊt cña ®ång nhá, do ®ã ®Ó chÕ t¹o ®iÖn trë

cã ®iÖn trë lín ph¶i t¨ng chiÒu dµi d©y lµm t¨ng kÝch th−íc ®iÖn trë.

Wonfram cã ®é nh¹y nhiÖt vµ ®é tuyÕn tÝnh cao h¬n platin, cã thÓ lµm viÖc ë

nhiÖt ®é cao h¬n. Wonfram cã thÓ chÕ t¹o d¹ng sîi rÊt m¶nh nªn cã thÓ chÕ t¹o ®−îc

çc ®iÖn trë cao víi kÝch th−íc nhá. Tuy nhiªn, øng suÊt d− sau khi kÐo sîi khã bÞ

triÖt tiªu hoµn toµn b»ng çch ñ do ®ã gi¶m tÝnh æn ®Þnh cña ®iÖn trë.

B¶ng 3.2

Th«ng sè 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

b) CÊu t¹o nhiÖt kÕ ®iÖn trë

§Ó tr¸nh sù lµm nãng ®Çu ®o dßng ®iÖn ch¹y qua ®iÖn trë th−êng giíi h¹n ë

gi¸ trÞ mét vµi mA vµ ®iÖn trë cã ®é nh¹y nhiÖt cao th× ®iÖn trë ph¶i cã gi¸ trÞ ®ñ lín.

- 55 -

Muèn vËy ph¶i gi¶m tiÕt diÖn d©y hoÆc t¨ng chiÒu dµi d©y. Tuy nhiªn khi gi¶m tiÕt

diÖn d©y ®é bÒn l¹i thÊp, d©y ®iÖn trë dÔ bÞ ®øt, viÖc t¨ng chiÒu dµi d©y l¹i lµm t¨ng

kÝch th−íc ®iÖn trë. §Ó hîp lý ng−êi ta th−êng chän ®iÖn trë R ë 0oC cã gi¸ trÞ vµo

kho¶ng 100Ω, khi ®ã víi ®iÖn trë platin sÏ cã ®−êng kÝnh d©y cì vµi µm vµ chiÒu

dµi kho¶ng 10cm, sau khi quÊn l¹i sÏ nhËn ®−îc nhiÖt kÕ cã chiÒu dµi cì 1cm. Çc

s¶n phÈm th−¬ng m¹i th−êng cã ®iÖn trë ë 0oC lµ 50Ω, 500Ω vµ 1000Ω, çc ®iÖn trë

lín th−êng ®−îc dïng ®Ó ®o ë d¶i nhiÖt ®é thÊp.

- NhiÖt kÕ c«ng nghiÖp: §Ó sö dông cho môc ®Ých c«ng nghiÖp, çc nhiÖt kÕ ph¶i cã

vá bäc tèt chèng ®−îc va ch¹m m¹nh vµ rung ®éng, ®iÖn trë kim lo¹i ®−îc cuèn vµ

bao bäc trong thuû tinh hoÆc gèm vµ ®Æt trong vá b¶o vÖ b»ng thÐp. Trªn h×nh 3.4 lµ

çc nhiÖt kÕ dïng trong c«ng nghiÖp b»ng ®iÖn trë kim lo¹i platin.

- NhiÖt kÕ bÒ mÆt:

NhiÖt kÕ bÒ mÆt dïng ®Ó ®o nhiÖt ®é trªn bÒ mÆt cña vËt r¾n. Chóng th−êng

®−îc chÕ t¹o b»ng ph−¬ng ph¸p quang ho¸ vµ sö dông vËt liÖu lµm ®iÖn trë lµ Ni,

Fe-Ni hoÆc Pt. CÊu tróc cña mét nhiÖt kÕ bÒ mÆt cã d¹ng nh− h×nh vÏ 3.5. ChiÒu dµy

líp kim lo¹i cì vµi µm vµ kÝch th−íc nhiÖt kÕ cì 1cm2.

8

H×nh 3.4 NhiÖt kÕ c«ng nghiÖp dïng ®iÖn trë platin 1) D©y platin 2) Gèm çch ®iÖn 3) èng platin 4) D©y nèi 5) Sø çch ®iÖn

6) Trôc g¸ 7) Çch ®iÖn 8) Vá bäc 9) Xi m¨ng

1 2 3

45

1

7

6

6 9

H×nh 3.5 NhiÖt kÕ bÒ mÆt

- 56 -

§Æc tr−ng chÝnh cña nhiÖt kÕ bÒ mÆt:

- §é nh¹y nhiÖt : ~5.10-3/oC ®èi víi tr−êng hîp Ni vµ Fe-Ni

~4.10-3/oC ®èi víi tr−êng hîp Pt.

- D¶i nhiÖt ®é sö dông: -195oC ÷ 260 oC ®èi víi Ni vµ Fe-Ni.

-260oC ÷ 1400 oC ®èi víi Pt.

Khi sö dông nhiÖt kÕ bÒ mÆt cÇn ®Æc biÖt l−u ý ®Õn ¶nh h−ëng biÕn d¹ng cña

bÒ mÆt ®o.

3.3.3. NhiÖt kÕ ®iÖn trë silic

Silic tinh khiÕt hoÆc ®¬n tinh thÓ silic cã hÖ sè nhiÖt ®iÖn trë ©m, tuy nhiªn khi

®−îc kÝch t¹p lo¹i n th× trong kho¶ng nhiÖt ®é thÊp chóng l¹i cã hÖ sè nhiÖt ®iÖn trë

d−¬ng, hÖ sè nhiÖt ®iÖn trë ~0,7%/oC ë 25oC. PhÇn tö c¶m nhËn nhiÖt cña c¶m biÕn

silic ®−îc chÕ t¹o cã kÝch th−íc 500x500x240 µm ®−îc m¹ kim lo¹i ë mét phÝa cßn

phÝa kia lµ bÒ mÆt tiÕp xóc.

3.3.4. NhiÖt kÕ ®iÖn trë oxyt b¸n dÉn


NhiÖt ®iÖn trë ®−îc chÕ t¹o tõ hçn hîp oxyt b¸n dÉn ®a tinh thÓ nh−: MgO,

MgAl2O4, Mn2O3, Fe3O4, Co2O3, NiO, ZnTiO4.

Sù phô thuéc cña ®iÖn trë cña nhiÖt ®iÖn trë theo nhiÖt ®é cho bëi biÓu thøc:

⎭⎬⎫

⎩⎨⎧

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−β⎥

⎦

⎤⎢⎣

⎡=

0

2

00 T

1

T

1exp

T

TR)T(R (3.11)

Trong ®ã R0(Ω) lµ ®iÖn trë ë nhiÖt ®é T0(K).

§é nh¹y nhiÖt cã d¹ng:

Trong d¶i nhiÖt ®é lµm viÖc ( -55 ÷

200oC) cã thÓ lÊy gÇn ®óng gi¸ trÞ ®iÖn trë

cña c¶m biÕn theo nhiÖt ®é theo c«ng thøc:

( ) ( )[ ]2000T TTBTTA1RR −+−+=

Trong ®ã R0 vµ T0 lµ ®iÖn trë vµ nhiÖt ®é

tuyÖt ®èi ë ®iÓm chuÈn.

Sù thay ®æi nhiÖt cña ®iÖn trë t−¬ng

®èi nhá nªn cã thÓ tuyÕn tÝnh ho¸ b»ng çch

m¾c thªm mét ®iÖn trë phô.

ToC400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

2200

2400

-50 0 50 100

R(Ω)

H×nh 3.6 Sù phô thuéc nhiÖt ®é cña ®iÖn trë silic

- 57 -

2R

T

b+β=α

V× ¶nh h−ëng cña hµm mò ®Õn ®iÖn trë chiÕm −u thÕ nªn biÓu thøc (3.11) cã thÓ viÕt

l¹i:

⎭⎬⎫

⎩⎨⎧

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=

00 T

1

T

1BexpR)T(R (3.12)

Vµ ®é nh¹y nhiÖt:

2R

T

B−=α

Víi B cã gi¸ trÞ trong kho¶ng 3.000 - 5.000K.

b) CÊu t¹o

NhiÖt ®iÖn trë cã ®é nh¹y nhiÖt rÊt cao nªn cã thÓ dïng ®Ó ph¸t hiÖn nh÷ng

biÕn thiªn nhiÖt ®é rÊt nhá cì 10-4 -10-3K. KÝch th−íc c¶m biÕn nhá cã thÓ ®o nhiÖt

®é t¹i tõng ®iÓm. NhiÖt dung c¶m biÕn nhá nªn thêi gian håi ®¸p nhá. Tuú thuéc

thµnh phÇn chÕ t¹o, d¶i nhiÖt ®é lµm viÖc cña c¶m biÕn nhiÖt ®iÖn trë tõ vµi ®é ®Õn

kho¶ng 300oC.

3.4. C¶m biÕn nhiÖt ngÉu

3.4.1. HiÖu øng nhiÖt ®iÖn

Ph−¬ng ph¸p ®o nhiÖt ®é b»ng c¶m biÕn nhiÖt ngÉu dùa trªn c¬ së hiÖu øng

nhiÖt ®iÖn. Ng−êi ta nhËn thÊy r»ng khi hai d©y dÉn chÕ t¹o tõ vËt liÖu cã b¶n chÊt

ho¸ häc kh¸c nhau ®−îc nèi víi nhau b»ng mèi hµn thµnh mét m¹ch kÝn vµ nhiÖt ®é

hai mèi hµn lµ t vµ t0 kh¸c nhau th× trong m¹ch xuÊt hiÖn mét dßng ®iÖn. Søc ®iÖn

®éng xuÊt hiÖn do hiÖu øng nhiÖt ®iÖn gäi lµ søc ®iÖn ®éng nhiÖt ®iÖn. NÕu mét ®Çu

cña cÆp nhiÖt ngÉu hµn nèi víi nhau, cßn ®Çu thø hai ®Ó hë th× gi÷a hai cùc xuÊt hiÖn

mét hiÖu ®iÖn thÕ. HiÖn t−îng trªn cã thÓ gi¶i thÝch nh− sau:

H×nh 3.7 CÊu t¹o nhiÖt ®iÖn trë cã vá bäc thuû tinh

Hçn hîp bét oxyt ®−îc trén theo tØ lÖ thÝch

hîp sau ®ã ®−îc nÐn ®Þnh d¹ng vµ thiªu kÕt ë nhiÖt

®é ~ 1000oC. Çc d©y nèi kim lo¹i ®−îc hµn t¹i hai

®iÓm trªn bÒ mÆt vµ ®−îc phñ b»ng mét líp kim

lo¹i. MÆt ngoµi cã thÓ bäc bëi vá thuû tinh.

- 58 -

Trong kim lo¹i lu«n lu«n tån t¹i mét nång ®é ®iÖn tö tù do nhÊt ®Þnh phô

thuéc b¶n chÊt kim lo¹i vµ nhiÖt ®é. Th«ng th−êng khi nhiÖt ®é t¨ng, nång ®é ®iÖn

tö t¨ng.

T−¬ng tù t¹i mÆt tiÕp xóc ë ®Çu tù do (nhiÖt ®é t0) còng xuÊt hiÖn mét hiÖu

®iÖn thÕ eAB(t0).

Gi÷a hai ®Çu cña mét d©y dÉn còng cã chªnh lÖch nång ®é ®iÖn tö tù do, do ®ã

còng cã sù khuÕch t¸n ®iÖn tö vµ h×nh thµnh hiÖu ®iÖn thÕ t−¬ng øng trong A lµ

eA(t,t0) vµ trong B lµ eB(t,t0).

Søc ®iÖn ®éng tæng sinh ra do hiÖu øng nhiÖt ®iÖn x¸c ®Þnh bëi c«ng thøc sau:

)t,t(e)t,t(e)t(e)t(eE 0B0A0BAABAB +++= (3.13)

V× eA(t0,t) vµ eB(t,t0) nhá vµ ng−îc chiÒu nhau cã thÓ bá qua, nªn ta cã:

)t(e)t(eE 0BAABAB +=

NÕu nhiÖt ®é hai mèi hµn b»ng nhau, ch¼ng h¹n b»ng t0 khi ®ã søc ®iÖn ®éng tæng:

0)t(e)t(eE 0BA0ABAB =+=

Hay:

)t(e)t(e 0AB0BA −= (3.14)

Nh− vËy:

)t(e)t(eE 0ABABAB −= (3.15)

Ph−¬ng tr×nh (3.15) gäi lµ ph−¬ng tr×nh c¬ b¶n cña cÆp nhiÖt ngÉu. Tõ ph−¬ng tr×nh

(3.15) nhËn thÊy nÕu gi÷ nhiÖt ®é t0 = const th×:

)t(fC)t(eE ABAB =+= (3.16)

H×nh 3. 8 S¬ ®å nguyªn lý cÆp nhiÖt ngÉu

t0

t

A B

2

1

Gi¶ sö ë nhiÖt ®é t0 nång ®é ®iÖn tö

trong A lµ NA(t0), trong B lµ NB(t0) vµ ë

nhiÖt ®é t nång ®é ®iÖn tö trong A lµ NA(t),

trong B lµ NB(t), nÕu NA(t0) > NB(t0) th× nãi

chung NA(t) > NB(t).

XÐt ®Çu lµm viÖc (nhiÖt ®é t), do NA(t)

> NB(t) nªn cã sù khuÕch t¸n ®iÖn tö tõ A →

B vµ ë chæ tiÕp xóc xuÊt hiÖn mét hiÖu ®iÖn

thÕ eAB(t) cã t¸c dông c¶n trë sù khuÕch t¸n.

Khi ®¹t c©n b»ng eAB(t) sÏ kh«ng ®æi.

- 59 -

Chän nhiÖt ®é ë mét mèi hµn t0 = const biÕt tr−íc lµm nhiÖt ®é so s¸nh vµ ®o søc

®iÖn ®éng sinh ra trong m¹ch ta cã thÓ x¸c ®Þnh ®−îc nhiÖt ®é t ë mèi hµn thø hai.

Søc ®iÖn ®éng cña cÆp nhiÖt kh«ng thay ®æi nÕu chóng ta nèi thªm vµo m¹ch

mét d©y dÉn thø ba (h×nh 3.9) nÕu nhiÖt ®é hai ®Çu nèi cña d©y thø ba gièng nhau.

ThËt vËy:

- Trong tr−êng hîp a:

)t(e)t(e)t(e)t,t(E 0CA0BCAB0ABC ++=

V×:

0)t(e)t(e)t(e 0CA0BC0AB =++

Nªn:

)t(e)t(e)t,t(E 0ABAB0ABC −=

- Tr−êng hîp b:

)t(e)t(e)t(e)t(e)t,t,t(E 1CB1BC0ABAB01ABC ++−=

V×:

)t(e)t(e 1CB1BC −=

Nªn:

)t(e)t(e)t,t(E 0ABAB0ABC −=

NÕu nhiÖt ®é hai ®Çu nèi kh¸c nhau sÏ lµm xuÊt hiÖn søc ®iÖn ®éng ký sinh.

3.4.2. CÊu t¹o cÆp nhiÖt


§Ó chÕ t¹o cùc nhiÖt ®iÖn cã thÓ dïng nhiÒu kim lo¹i vµ hîp kim kh¸c nhau.

H×nh 3.9 S¬ ®å nèi cÆp nhiÖt víi d©y dÉn thø ba

t

2 3 t0 t0

A B

C

1

a)

2

3

t0

t1

A

B

C

1

t

4t1

B

b)

- 60 -

Tuy nhiªn chóng ph¶i ®¶m b¶o çc yªu cÇu sau:

- Søc ®iÖn ®éng ®ñ lín (®Ó dÏ dµng chÕ t¹o dông cô ®o thø cÊp).

- Cã ®ñ ®é bÒn c¬ häc vµ ho¸ häc ë nhiÖt ®é lµm viÖc.

- DÔ kÐo sîi.

- Cã kh¶ n¨ng thay lÉn.

- Gi¸ thµnh rÏ.

H×nh 3.10 biÓu diÔn quan hÖ gi÷a søc ®iÖn ®éng vµ nhiÖt ®é cña çc vËt liÖu

dïng ®Ó chÕ t¹o ®iÖn cùc so víi ®iÖn cùc chuÈn platin.

- CÆp Platin - Ro®i/Platin:

Cùc d−¬ng lµ hîp kim Platin (90%) vµ r«®i (10%), cùc ©m lµ platin s¹ch.

NhiÖt ®é lµm viÖc ng¾n h¹n cho phÐp tíi 1600oC , E® =16,77mV.

NhiÖt ®é lµm viÖc dµi h¹n <1300oC.

§−êng ®Æc tÝnh cã d¹ng bËc hai, trong kho¶ng nhiÖt ®é 0 - 300oC th× E ≈ 0.

Trong m«i tr−êng cã SiO2 cã thÓ háng ë nhiÖt ®é 1000 - 1100oC.

§−êng kÝnh ®iÖn cùc th−êng chÕ t¹o φ = 0,5 mm.

Do sai kh¸c cña çc cÆp nhiÖt kh¸c nhau t−¬ng ®èi nhá nªn lo¹i cÆp nhiÖt nµy

th−êng ®−îc dïng lµm cÆp nhiÖt chuÈn.

- CÆp nhiÖt Chromel/Alumel:

Cùc d−¬ng lµ Chromel, hîp kim gåm 80%Ni + 10%Cr + 10%Fe. Cùc ©m lµ

Alumen, hîp kim gåm 95%Ni + 5%(Mn + Cr+Si).

NhiÖt ®é lµm viÖc ng¾n h¹n ~1100oC, E® = 46,16 mV.

H×nh 3.10 Søc ®iÖn ®éng cña mét sè vËt liÖu chÕ t¹o ®iÖn cùc

1) Telua 2) Chromel 3) S¾t 4) §ång 5) Graphit 6) Hîp kim platin-ro®i 7) Platin 8) Alumel 9) Niken 10) Constantan 11) Coben

21

3

8

9

10

54

6

7

11

T

Ed

- 61 -

NhiÖt ®é lµm viÖc dµi h¹n < 900oC.

§−êng kÝnh cùc φ = 3 mm.

- CÆp nhiÖt Chromel/Coben:

Cùc d−¬ng lµ chromel, cùc ©m lµ coben lµ hîp kim gåm 56%Cu + 44% Ni.

NhiÖt ®é lµm viÖc ng¾n h¹n 800oC, E® = 66 mV.

NhiÖt ®é lµm viÖc dµi h¹n < 600oC.

- CÆp nhiÖt §ång/Coben:

Cùc d−¬ng lµ ®ång s¹ch, cùc ©m lµ coben.

NhiÖt ®é lµm viÖc ng¾n h¹n 600oC.

NhiÖt ®é lµm viÖc dµi h¹n <300oC.

Lo¹i nµy ®−îc dïng nhiÒu trong thÝ nghiÖm v× dÔ chÕ t¹o.

Quan hÖ gi÷a søc ®iÖn ®éng vµ nhiÖt ®é cña mét sè cÆp nhiÖt cho ë h×nh 3.11.

b) CÊu t¹o

CÊu t¹o ®iÓn h×nh cña mét cÆp nhiÖt c«ng nghiÖp tr×nh bµy trªn h×nh 3.12.

H×nh 3.12 CÊu t¹o cÆp nhiÖt 1) Vá b¶o vÖ 2) Mèi hµn 3) D©y ®iÖn cùc 4) Sø çch ®iÖn

5) Bé phËn l¾p ®Æt 6) VÝt nèi d©y 7) D©y nèi 8) §Çu nèi d©y

1

3 2 4 5 6

7

8

H×nh 3.11 Søc ®iÖn ®éng cña mét sè cÆp nhiÖt ngÉu E-Chromel/Constantan R- Platin-Rodi (13%)/Platin J- S¾t/Constantan S- Platin-Rodi (10%)/Platin K- Chromel/Alumel B-Platin-rodi (30%)/ Platin-rodi (6%)

E

J

K

R

S

B

toC

E®

- 62 -

§Çu lµm viÖc cña çc ®iÖn cùc (3) ®−îc hµn nèi víi nhau b»ng hµn v¶y, hµn

khÝ hoÆc hµn b»ng tia ®iÖn tö. §Çu tù do nèi víi d©y nèi (7) tíi dông cô ®o nhê çc

vÝt nèi (6) d©y ®Æt trong ®Çu nèi d©y (8). §Ó çch ly çc ®iÖn cùc ng−êi ta dïng çc

èng sø çch ®iÖn (4), sø çch ®iÖn ph¶i tr¬ vÒ ho¸ häc vµ ®ñ ®é bÒn c¬ vµ nhiÖt ë

nhiÖt ®é lµm viÖc. §Ó b¶o vÖ çc ®iÖn cùc, çc cÆp nhiÖt cã vá b¶o vÖ (1) lµm b»ng

sø chÞu nhiÖt hoÆc thÐp chÞu nhiÖt. HÖ thèng vá b¶o vÖ ph¶i cã nhiÖt dung ®ñ nhá ®Ó

gi¶m bít qu¸n tÝnh nhiÖt vµ vËt liÖu chÕ t¹o vá ph¶i cã ®é dÉn nhiÖt kh«ng qu¸ nhá

nh−ng còng kh«ng ®−îc qu¸ lín. Tr−êng hîp vá b»ng thÐp mèi hµn ë ®Çu lµm viÖc

cã thÓ tiÕp xóc víi vá ®Ó gi¶m thêi gian håi ®¸p.

3.4.3. M¹ch ®o vµ dông cô thø cÊp

NhiÖt ®é cÇn ®o ®−îc x¸c ®Þnh th«ng qua viÖc ®o søc ®iÖn ®éng sinh ra ë hai

®Çu d©y cña cÆp nhiÖt ngÉu. §é chÝnh x¸c cña phÐp ®o søc ®iÖn ®éng cña cÆp nhiÖt

ngÉu phô thuéc nhiÒu yÕu tè. Muèn n©ng cao ®é chÝnh x¸c cÇn ph¶i:

- Gi¶m thiÓu ¶nh h−ëng cña t¸c ®éng cña m«i tr−êng ®o lªn nhiÖt ®é ®Çu tù do.

- Gi¶m thiÓu sù sôt ¸p do cã dßng ®iÖn ch¹y qua çc phÇn tö cña c¶m biÕn vµ

m¹ch ®o.

a) S¬ ®å m¹ch ®o dïng miliv«n kÕ

- S¬ ®å:

Trªn h×nh 3.13 biÓu diÔn s¬ ®å ®o th«ng dông sö dông miliv«n kÕ tõ ®iÖn.

Khi nhiÖt ®é hai ®Çu tù do (2) vµ (3) b»ng nhau th× søc ®iÖn ®éng trong m¹ch

chÝnh lµ søc ®iÖn ®éng cña cÆp nhiÖt, nÕu chóng kh¸c nhau th× trong m¹ch xuÊt hiÖn

suÊt ®iÖn ®éng ký sinh ë çc mèi nèi vµ lµm sai lÖch kÕt qu¶ ®o.

1

2 3

t

t0 t0

A B

C

H×nh 3.13 S¬ ®å m¹ch ®o

mV

1 2t1 t2

3 4 t0t0

H×nh3.14 S¬ ®å ®o vi sai

A A B

mV

- 63 -

§Ó ®o trùc tiÕp hiÖu nhiÖt ®é gi÷a hai ®iÓm ng−êi ta dïng s¬ ®å ®o vi sai nh−

h×nh 3.14.

Trong s¬ ®å nµy, c¶ hai ®Çu 1 vµ 2 cña cÆp nhiÖt lµ ®Çu lµm viÖc t−¬ng øng víi

nhiÖt ®é t1 vµ t2. KÕt qu¶ ®o cho phÐp ta x¸c ®Þnh trùc tiÕp gi¸ trÞ cña hiÖu sè hai

nhiÖt ®é t1- t2.

Tr−êng hîp nhiÖt ®é m«i tr−êng ®o kh«ng kh¸c nhiÒu nhiÖt ®é ®Çu tù do, ®Ó

t¨ng ®é nh¹y phÐp ®o cã thÓ m¾c theo s¬ ®å nèi tiÕp n cÆp nhiÖt nh− h×nh 3.15. Søc

®iÖn ®éng tæng cña bé m¾c nèi tiÕp b»ng )t,t(nE 0AB .

- Bï nhiÖt ®é ®Çu tù do:

Th«ng th−êng cÆp nhiÖt ngÉu ®−îc chuÈn víi t0 = 0oC øng víi:

)t(e)t(e)t,t(E 0ABAB0AB −=

NÕu nhiÖt ®é ®Çu tù do b»ng 0t '0 ≠ th× gi¸ trÞ søc ®iÖn ®éng ®o ®−îc:

)t(e)t(e)t,t(E '0ABAB

'0AB −=

Rót ra:

[ ])t(e)t(e)t,t(E)t,t(E 0AB'0AB

'0AB0AB −+=

Hay:

)t,t(E)t,t(E)t,t(E 0'0Ab

'0AB0AB +=

Gi¸ trÞ )t,t(E '0AB lµ l−îng hiÖu chØnh x¸c ®Þnh tõ thang chia ®é cña cÆp nhiÖt ngÉu

®· dïng theo gi¸ trÞ ®o ë nhiÖt ®é ®Çu tù do t’0.

D−íi ®©y tr×nh bµy mét sè ph−¬ng ph¸p bï nhiÖt ®é ®Çu tù do.

- Dïng d©y bï:

)t,t(E '0AB

)t,t(E 0'0AB

H×nh 3.16 HiÖu chØnh nhiÖt ®é ®Çu tù do

A A A AB B B B

H×nh 3.15 S¬ ®å m¾c nèi tiÕp

mV

toC

E

- 64 -

§Ó lo¹i trõ ¶nh h−ëng cña nhiÖt ®é ®èi t−îng ®o lªn ®Çu tù do cã thÓ m¾c

dông cô ®o theo s¬ ®å h×nh 3.17.

)t(e)t(e)t(e)t(eE 0CD'0BD

'0CAAB −+−=

Chän d©y dÉn C vµ D sao cho )t(e)t(e '0DB

'0CA = ( 3412 = ), khi ®ã:

)t(e)t(eE 0CDAB −=

V× e(t0) = 0, nªn:

)t(e)t(eE 0ABAB −=

- Dïng cÇu bï:

Trªn h×nh 3.18 giíi thiÖu s¬ ®å dïng cÇu bï tù ®éng nhiÖt ®é ®Çu tù do.

CÇu bï gåm ®iÖn trë R1, R2, R3 lµm b»ng manganin (hîp kim chøa 99,4%Cu,

0,6%Ni) cã hÖ sè nhiÖt ®iÖn trë b»ng kh«ng, cßn R® lµm b»ng ®ång cã hÖ sè nhiÖt

®iÖn trë 4,25 ÷4,28.10-3oC-1 . Khi nhiÖt ®é ®Çu tù do t0 = 0, cÇu c©n b»ng UAB=0. Gi¶

sö nhiÖt ®é ®Çu tù do t¨ng lªn t’0, khi ®ã R® t¨ng lªn lµm xuÊt hiÖn mét ®iÖn ¸p Uc®.

Ng−êi ta tÝnh to¸n sao cho ®iÖn ¸p nµy bï vµo søc ®iÖn ®éng nhiÖt mét l−îng ®óng

t0

Bé nguån

H×nh 3.18 CÇu bï nhiÖt ®é ®Çu tù do

Rd R1

R2 R3

F

D

C

mV

t1 t1

t0

A B t

H×nh 3.17 Bï nhiÖt ®é ®Çu tù do b»ng d©y bï

C

1

2 3

t

t’0 t’0

A B

t0

t0

D 1

2

3

4

C

A

D

B

E

t0

- 65 -

b»ng l−îng cÇn hiÖu chØnh, nghÜa lµ Uc® = EAB(t’0,t0). Nh− vËy trªn cöa vµo cña dông

cô ®o cã ®iÖn ¸p:

)t,t(EU)t,t(E 0ABcd'0AB =+

Sai sè bï cña cÇu tiªu chuÈn khi nhiÖt ®é t0 thay ®æi trong kho¶ng 0 - 50oC lµ ±3oC.

- ¶nh h−ëng cña ®iÖn trë m¹ch ®o:

XÐt m¹ch ®o dïng miliv«n kÕ ®iÖn tõ (h×nh 3.19).

Gäi: Rt lµ ®iÖn trë cña cÆp nhiÖt.

Rd lµ ®iÖn trë d©y nèi.

Rv lµ ®iÖn trë trong cña miliv«n kÕ.

Khi ®ã ®iÖn ¸p gi÷ hai ®Çu miliv«n kÕ x¸c ®Þnh bëi c«ng thøc:

Vdt

V0ABm RRR

R)t,t(EV

++=

Rót ra:

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡ ++=

V

dtm0AB R

RR1V)t,t(E (3.17)

Theo biÓu thøc (3.17) khi Rv >> Rt+Rd th×:

m0AB V)t,t(E ≈

- ¶nh h−ëng cña Rt: §èi víi cÆp cromen/alumen hoÆc cÆp cromen/coben cã ®iÖn

trë Rt kh¸ nhá nªn sù thay ®æi cña nã Ýt ¶nh h−ëng tíi kÕt qu¶ ®o. §èi víi cÆp PtRd -

Pt cã ®iÖn trë Rt kh¸ lín (~ 15Ω) nªn sù thay ®æi cña nã ¶nh h−ëng ®¸ng kÓ tíi kÕt

qu¶ ®o.

- ¶nh h−ëng cña Rd: th«ng th−êng Rd kh¸ nhá nªn Ýt ¶nh h−ëng tíi kÕt qu¶ ®o.

H×nh 3.19 ¶nh h−ëng cña ®iÖn trë m¹ch ®o

Rd

1

2 3

t

t1 t1

A B

t0

t0

Rt

RV

- 66 -

- ¶nh h−ëng cña RV : Rv = Rkd + Rf .

§iÖn trë phô Rf cña miliv«n kÕ th−êng chÕ t¹o b»ng vËt liÖu cã αR = 0 nªn

kh«ng ¶nh h−ëng, sù thay ®æi Rv khi nhiÖt ®é t¨ng chñ yÕu do sù thay ®æi cña ®iÖn

trë khung d©y Rkd (chÕ t¹o b»ng ®ång αR = 4,2.10-3/oC). §Ó gi¶m sai sè nªn chän

RP/Rkd lín.

b) S¬ ®å m¹ch ®o xung ®èi dïng ®iÖn thÕ kÕ

Trªn h×nh 3.20 tr×nh bµy s¬ ®å ®o b»ng ph−¬ng ph¸p xung ®èi, dùa theo

nguyªn t¾c so s¸nh ®iÖn ¸p cÇn ®o víi mét ®iÖn ¸p r¬i trªn mét ®o¹n ®iÖn trë.

Theo s¬ ®å h×nh (3.20a) ta cã:

)RRR(IRIE GxdPABCX +++=

P0C III +=

)RRR(IR)II(E GxdPABP0X ++++=

GXdAB

AB0XP RRRR

RIEI

+++−

=

NÕu EX = I0RAB th× IP = 0, tøc lµ ®iÖn thÕ kÕ chØ kh«ng, khi ®ã ®iÖn ¸p r¬i trªn AB

b»ng gi¸ trÞ EX cÇn ®o.

Ta cã:

RL

lR AB =

RL

lIE 0X =

G

K D

EX

E

EM

P

R®c

G

t

- +

EX RdRG

iP

i0 iC A B

R®c

E

Rx

H×nh 3.20 S¬ ®å ®o b»ng ph−¬ng ph¸p bï

a) b)

RRM

- 67 -

NÕu cè ®Þnh ®−îc I0, L, R ta cã Ex phô thuéc ®¬n trÞ vµo l tøc lµ phô thuéc vµo vÞ trÝ

con ch¹y cña ®ång hå ®o.

Trªn s¬ ®å h×nh (3.20b), EM lµ mét pin mÉu, RM lµ mét ®iÖn trë mÉu b»ng

manganin. Khi ®ãng P vµo K th× ®iÖn ¸p r¬i trªn RM ®−îc so s¸nh víi pin mÉu. NÕu

kim ®iÖn kÕ chØ kh«ng th× kh«ng cÇn ®iÒu chØnh dßng I0, nÕu kim ®iÖn kÕ lÖch khái

kh«ng th× dÞch chuyÓn R®c ®Ó kim ®iÖn kÕ vÒ kh«ng. Khi ®o ®ãng P vµo D vµ xª dÞch

biÕn trë R ®Ó kim ®iÖn kÕ chØ kh«ng, khi ®ã Ex = UAB.

3.5. Ho¶ kÕ

Çc c¶m biÕn quang thuéc lo¹i c¶m biÕn ®o nhiÖt ®é kh«ng tiÕp xóc, gåm: ho¶

kÕ bøc x¹ toµn phÇn, ho¶ kÕ quang häc.

3.5.1. Ho¶ kÕ bøc x¹ toµn phÇn

Nguyªn lý dùa trªn ®Þnh luËt: N¨ng l−îng bøc x¹ toµn phÇn cña vËt ®en tuyÖt

®èi tØ lÖ víi luü thõa bËc 4 cña nhiÖt ®é tuyÖt ®èi cña vËt.

4TE σ= (3.18)

Trong ®ã: σ lµ h»ng sè, T lµ nhiÖt ®é tuyÖt ®èi cña vËt ®en tuyÖt ®èi (K).

Th«ng th−êng cã hai lo¹i: ho¶ kÕ bøc x¹ cã èng kÝnh héi tô, ho¶ kÕ bøc x¹ cã kÝnh

ph¶n x¹.

Trong s¬ ®å h×nh (3.21a): ¸nh s¸ng tõ nguån bøc x¹ (1) qua thÊu kÝnh héi tô

(2) ®Ëp tíi bé phËn thu n¨ng l−îng tia bøc x¹ (4), bé phËn nµy ®−îc nèi víi dông cô

®o thø cÊp (5).

Trong s¬ ®å h×nh (3.21b): ¸nh s¸ng tõ nguån bøc x¹ (1) ®Ëp tíi g−¬ng ph¶n x¹

(3) vµ héi tô tíi bé phËn thu n¨ng l−îng tia bøc x¹ (4), bé phËn nµy ®−îc nèi víi

dông cô ®o thø cÊp (5).

5 5

H×nh 3.21 Ho¶ kÕ bøc x¹ toµn phÇn a) Lo¹i cã èng kÝnh héi tô b) Lo¹i cã kÝnh ph¶n x¹

1) Nguån bøc x¹ 2) ThÊu kÝnh héi tô 3) G−¬ng ph¶n x¹ 4) Bé ph©n thu n¨ng l−îng 5) Dông cô ®o thø cÊp

1 2 4

a) b)

1

3 4

- 68 -

Bé phËn thu n¨ng l−îngcã thÓ lµ mét vi nhiÖt kÕ ®iÖn trë hoÆc lµ mét tæ hîp

cÆp nhiÖt, chóng ph¶i tho¶ m·n çc yªu cÇu:

+ Cã thÓ lµm viÖc b×nh th−êng trong kho¶ng nhiÖt ®é 100 - 150oC.

+ Ph¶i cã qu¸n tÝnh nhiÖt ®ñ nhá vµ æn ®Þnh sau 3 - 5 gi©y.

+ KÝch th−íc ®ñ nhá ®Ó tËp trung n¨ng l−îng bøc x¹ vµo ®o.

30 - 40%. Tuy nhiªn lo¹i thø nhÊt l¹i

cã nh−îc ®iÓm lµ khi m«i tr−êng nhiÒu bôi, g−¬ng bÞ bÈn, ®é ph¶n x¹ gi¶m do ®ã

t¨ng sai sè.

Khi ®o nhiÖt ®é b»ng ho¶ kÕ bøc x¹ sai sè th−êng kh«ng v−ît qu¸ 27oC, trong

®iÒu kiÖn:

+ VËt ®o ph¶i cã ®é den xÊp xØ b»ng 1.

+ TØ lÖ gi÷a ®−êng kÝnh vËt bøc x¹ vµ kho¶ng çch ®o (D/L) kh«ng nhá h¬n

1/16.

+ NhiÖt ®é m«i tr−êng 20 ± 2oC.

Kho¶ng çch ®o tèt nhÊt lµ 1 ± 0,2 mÐt.

3.5.2. Ho¶ kÕ quang ®iÖn

Ho¶ kÕ quang ®iÖn chÕ t¹o dùa trªn ®Þnh luËt Pl¨ng:

Trªn h×nh 3.22 tr×nh bµy cÊu t¹o

cña mét bé thu lµ tæ hîp cÆp nhiÖt. Çc

cÆp nhiÖt (1) th−êng dïng cÆp

cr«men/c«ben m¾c nèi tiÕp víi nhau.

Çc vÖt ®en (2) phñ b»ng bét platin.

Ho¶ kÕ dïng g−¬ng ph¶n x¹ tæn

thÊt n¨ng l−îng thÊp ( ~ 10%), ho¶ kÕ

dïng thÊu kÝnh héi tô cã thÓ tæn thÊt tíi H×nh 3.22 Bé thu n¨ng l−îng 1) CÆp nhiÖt 2)Líp phñ platin

1

2

Trong thùc tÕ ®é ®en cña vËt ®o ε <1,

khi ®ã doc4

do T.1

Tε

= . Th«ng th−êng x¸c

®Þnh theo c«ng thøc sau:

T®o = T®äc + ∆T

Víi ∆T lµ l−îng hiÖu chØnh phô thuéc T®äc

vµ ®é ®en cña vËt ®o (h×nh 3.23).

ε1 ε2

ε3

∆T

T®äc

Hn×h 3.23 HiÖu chØnh nhiÖt ®é theo ®é ®en

- 69 -

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−λ

=λ

1e

CI

RT

C5

1

2T (3.19)

Trong ®ã λ lµ b−íc sãng, C1, C2 lµ çc h»ng sè.

Khi ®o, h−íng ho¶ kÕ vµo vËt cÇn ®o, ¸nh s¸ng tõ vËt bøc x¹ cÇn ®o nhiÖt ®é

(1) qua vËt kÝnh (2), kÝnh läc (3), vµ çc v¸ch ng¨n (4), (6), kÝnh läc ¸nh s¸nh ®á (7)

tíi thÞ kÝnh (8) vµ m¾t. BËt c«ng t¾c K ®Ó cÊp ®iÖn nung nãng d©y tãc bãng ®Ìn mÉu

(5), ®iÒu chØnh biÕn trë Rb ®Ó ®é s¸ng cña d©y tãc bãng ®Ìn trïng víi ®é s¸ng cña

vËt cÇn ®o.

Sai sè khi ®o:

Sai sè do ®é ®en cña vËt ®o ε < 1. Khi ®ã T®o x¸c ®Þnh bëi c«ng thøc:

Nguyªn t¾c ®o nhiÖt ®é b»ng ho¶ kÕ

quang häc lµ so s¸nh c−êng ®é s¸ng cña vËt

cÇn ®o vµ ®é s¸ng cña mét ®Ìn mÉu ë trong

cïng mét b−íc sãng nhÊt ®Þnh vµ theo cïng

mét h−íng. Khi ®é s¸ng cña chóng b»ng nhau

th× nhiÖt ®é cña chóng b»ng nhau.

Tõ h×nh 3.24 ta nhËn thÊy sù phô thuéc

gi÷a I vµ λ kh«ng ®¬n trÞ, do ®ã ng−êi ta

th−êng cè ®Þnh b−íc sãng ë 0,65µm.

λ

IλT T1

T2

T3

H×nh 3.24 Sù phô thuéc cña c−êng ®é ¸nh s¸ng vµo b−íc

sãng vµ nhiÖt ®é

0,65µm

mA

1 2 34 5 7

8

Rb

H×nh 3.25 S¬ ®å ho¶ kÕ quang häc 1) Nguån bøc x¹ 2)VËt kÝnh 3) KÝnh läc 4&6) Thµnh ng¨n

5) Bãng ®Ìn mÉu 7) KÝnh läc ¸nh s¸ng ®á 8) ThÞ kÝnh

6

K

- 70 -

ελ

λ=

1ln

CT

1

2do

C«ng thøc hiÖu chØnh: T®o = T®äc + ∆T

Gi¸ trÞ cña ∆T cho theo ®å thÞ.

Ngoµi ra sai sè cña phÐp ®o cßn do ¶nh h−ëng cña kho¶ng çch ®o, tuy nhiªn

sai sè nµy th−êng nhá. Khi m«i tr−êng cã bôi lµm bÈn èng kÝnh, kÕt qu¶ ®o còng bÞ

¶nh h−ëng.

- 71 -

Ch−¬ng IV

C¶m biÕn ®o vÞ trÝ vµ dÞch chuyÓn

4.1. Nguyªn lý ®o vÞ trÝ vµ dÞch chuyÓn

ViÖc x¸c ®Þnh vÞ trÝ vµ dÞch chuyÓn ®ãng vai trß rÊt quan träng trong kü thuËt.

HiÖn nay cã hai ph−¬ng ph¸p c¬ b¶n ®Ó x¸c ®Þnh vÞ trÝ vµ dÞch chuyÓn.

Trong ph−¬ng ph¸p thø nhÊt, bé c¶m biÕn cung cÊp tÝn hiÖu lµ hµm phô thuéc

vµo vÞ trÝ cña mét trong çc phÇn tö cña c¶m biÕn, ®ång thêi phÇn tö nµy cã liªn

quan ®Õn vËt cÇn x¸c ®Þnh dÞch chuyÓn.

Trong ph−¬ng ph¸p thø hai, øng víi mét dÞch chuyÓn c¬ b¶n, c¶m biÕn ph¸t ra

mét xung. ViÖc x¸c ®Þnh vÞ trÝ vµ dÞch chuyÓn ®−îc tiÕn hµnh b»ng çch ®Õm sè

xung ph¸t ra.

Mét sè c¶m biÕn kh«ng ®ßi hái liªn kÕt c¬ häc gi÷a c¶m biÕn vµ vËt cÇn ®o vÞ

trÝ hoÆc dÞch chuyÓn. Mèi liªn hÖ gi÷a vËt dÞch chuyÓn vµ c¶m biÕn ®−îc thùc hiÖn

th«ng qua vai trß trung gian cña ®iÖn tr−êng, tõ tr−êng hoÆc ®iÖn tõ tr−êng, ¸nh

s¸ng.

Trong ch−¬ng nµy tr×nh bµy çc lo¹i c¶m biÕn th«ng dông dïng ®Ó x¸c ®Þnh vÞ

trÝ vµ dÞch chuyÓn cña vËt nh− ®iÖn thÕ kÕ ®iÖn trë, c¶m biÕn ®iÖn c¶m, c¶m biÕn

®iÖn dung, c¶m biÕn quang, c¶m biÕn dïng sãng ®µn håi.

4.2. §iÖn thÕ kÕ ®iÖn trë

Lo¹i c¶m biÕn nµy cã cÊu t¹o ®¬n gi¶n, tÝn hiÖu ®o lín vµ kh«ng ®ßi hái m¹ch

®iÖn ®Æc biÖt ®Ó xö lý tÝn hiÖu. Tuy nhiªn víi çc ®iÖn thÕ kÕ ®iÖn trë cã con ch¹y c¬

häc cã sù cä x¸t g©y ån vµ mßn, sè lÇn sö dông thÊp vµ chÞu ¶nh h−ëng lín cña m«i

tr−êng khi cã bôi vµ Èm.

4.2.1. §iÖn thÕ kÕ dïng con ch¹y c¬ häc

a) CÊu t¹o vµ nguyªn lý lµm viÖc

C¶m biÕn gåm mét ®iÖn trë cè ®Þnh Rn, trªn ®ã cã mét tiÕp xóc ®iÖn cã thÓ di

chuyÓn ®−îc gäi lµ con ch¹y. Con ch¹y ®−îc liªn kÕt c¬ häc víi vËt chuyÓn ®éng

cÇn kh¶o s¸t. Gi¸ trÞ cña ®iÖn trë Rx gi÷a con ch¹y vµ mét ®Çu cña ®iÖn trë Rn lµ

hµm phô thuéc vµo vÞ trÝ con ch¹y, còng chÝnh lµ vÞ trÝ cña vËt chuyÓn ®éng.

- §èi víi ®iÖn thÕ kÕ chuyÓn ®éng th¼ng (h×nh 4.1a):

nx RL

lR = (4.1)

- 72 -

- Tr−êng hîp ®iÖn thÕ kÕ dÞch chuyÓn trßn hoÆc xo¾n:

nM

x RRαα

= (4.2)

Trong ®ã αM < 360o khi dÞch chuyÓn trßn (h×nh 4.1b) vµ αM > 360o khi dÞch chuyÓn

xo¾n. (h×nh 4.1c)

Çc ®iÖn trë ®−îc chÕ t¹o cã d¹ng cuén d©y hoÆc b¨ng dÉn.

Çc ®iÖn trë d¹ng cuén d©y th−êng ®−îc chÕ t¹o tõ çc hîp kim Ni - Cr, Ni -

Cu , Ni - Cr - Fe, Ag - Pd quÊn thµnh vßng xo¾n d¹ng lß xo trªn lâi çch ®iÖn (b»ng

thuû tinh, gèm hoÆc nhùa), gi÷a çc vßng d©y çch ®iÖn b»ng emay hoÆc líp oxyt bÒ

mÆt.

Çc ®iÖn trë d¹ng b¨ng dÉn ®−îc chÕ t¹o b»ng chÊt dÎo trén bét dÉn ®iÖn lµ

cacbon hoÆc kim lo¹i cì h¹t ~10-2µm.

Çc ®iÖn trë ®−îc chÕ t¹o víi çc gi¸ trÞ Rn n»m trong kho¶ng 1kΩ ®Õn 100kΩ,

®«i khi ®¹t tíi MΩ.

Çc con ch¹y ph¶i ®¶m b¶o tiÕp xóc ®iÖn tèt, ®iÖn trë tiÕp xóc ph¶i nhá vµ æn

®Þnh.

b) Çc ®Æc tr−ng

- Kho¶ng ch¹y cã Ých cña con ch¹y:

Rn, , L

Rx, l

Rα Rn

Rn

Rα

H×nh 4.1 Çc d¹ng ®iÖn thÕ kÕ 1) §iÖn trë 2) Con ch¹y

a)

b) c)

12

1

1

2 1

2

- 73 -

Th«ng th−êng ë ®Çu hoÆc cuèi ®−êng ch¹y cña con ch¹y tØ sè Rx/Rn kh«ng æn

®Þnh. Kho¶ng ch¹y cã Ých lµ kho¶ng thay ®æi cña x mµ trong kho¶ng ®ã Rx lµ hµm

tuyÕn tÝnh cña dÞch chuyÓn.

- N¨ng suÊt ph©n gi¶i:

§èi víi ®iÖn trë d©y cuèn, ®é ph©n gi¶i x¸c ®Þnh bëi l−îng dÞch chuyÓn cùc ®¹i

cÇn thiÕt ®Ó ®−a con ch¹y tõ vÞ trÝ tiÕp xóc hiÖn t¹i sang vÞ trÝ tiÕp xóc l©n cËn tiÕp

theo. Gi¶ sö cuén d©y cã n vßng d©y, cã thÓ ph©n biÖt 2n-2 vÞ trÝ kh¸c nhau vÒ ®iÖn

cña con ch¹y:

+ n vÞ trÝ tiÕp xóc víi mét vßng d©y.

+ n - 2 vÞ trÝ tiÕp xóc víi hai vßng d©y.

§é ph©n gi¶i cña ®iÖn trë d¹ng d©y phô thuéc vµo h×nh d¹ng vµ ®−êng kÝnh

cña d©y ®iÖn trë vµ vµo kho¶ng ~10µm.

§é ph©n gi¶i cña çc ®iÖn trë kiÓu b¨ng dÉn phô thuéc vµo kÝch th−íc h¹t,

th−êng vµo cì ~ 0,1 µm.

- Thêi gian sèng:

Thêi gian sèng cña ®iÖn kÕ lµ sè lÇn sö dông cña ®iÖn thÕ kÕ. Nguyªn nh©n g©y

ra h− háng vµ h¹n chÕ thêi gian sèng cña ®iÖn thÕ kÕ lµ sù mµi mßn con ch¹y vµ d©y

®iÖn trë trong qu¸ tr×nh lµm viÖc. Th−êng thêi gian sèng cña ®iÖn thÕ kÕ d¹ng d©y

dÉn vµo cì 106 lÇn, ®iÖn kÕ d¹ng b¨ng dÉn vµo cì 5.107 - 108 lÇn.

4.2.2. §iÖn thÕ kÕ kh«ng dïng con ch¹y c¬ häc

§Ó kh¾c phôc nh−îc ®iÓm cña ®iÖn thÕ kÕ dïng con ch¹y c¬ häc, ng−êi ta sö

dông ®iÖn thÕ kÕ liªn kÕt quang hoÆc tõ.

Kho¶ng ch¹y cã Ých

Cuèi ®−êng ch¹y

§Çu ®−êng ch¹y x

H×nh 4.2 Sù phô thuéc cña ®iÖn trë ®iÖn thÕ kÕ vµo vÞ trÝ con ch¹y

Rx

H×nh 4.3 §é ph©n gi¶i cña ®iÖn thÕ kÕ d¹ng d©y

- 74 -

a) §iÖn thÕ kÕ dïng con trá quang

H×nh 4.4 tr×nh bµy s¬ ®å nguyªn lý cña mét ®iÖn thÕ kÕ dïng con trá quang.

§iÖn thÕ kÕ trßn dïng con trá quang gåm ®iot ph¸t quang (1), b¨ng ®o (2),

b¨ng tiÕp xóc (3) vµ b¨ng quang dÉn (4). B¨ng ®iÖn trë ®o ®−îc ph©n çch víi b¨ng

tiÕp xóc bëi mét b¨ng quang dÉn rÊt m¶nh lµm b»ng CdSe trªn ®ã cã con trá quang

dÞch chuyÓn khi trôc cña ®iÖn thÕ kÕ quay. §iÖn trë cña vïng quang dÉn gi¶m ®¸ng

kÓ trong vïng ®−îc chiÕu s¸ng t¹o nªn sù liªn kÕt gi÷a b¨ng ®o vµ b¨ng tiÕp xóc.

Thêi gian håi ®¸p cña vËt liÖu quang dÉn cì vµi chôc ms.

b) §iÖn thÕ kÕ dïng con trá tõ

H×nh 4.5 tr×nh bµy s¬ ®å nguyªn lý mét ®iÖn thÕ kÕ tõ gåm hai tõ ®iÖn trë R1 vµ

R2 m¾c nèi tiÕp vµ mét nam ch©m vÜnh c÷u (g¾n víi trôc quay cña ®iÖn thÕ kÕ) bao

phñ lªn mét phÇn cña ®iÖn trë R1 vµ R2, vÞ trÝ phÇn bÞ bao phñ phô thuéc gãc quay

cña trôc.

§iÖn ¸p nguån ES ®−îc ®Æt gi÷a hai ®iÓm (1) vµ (3), ®iÖn ¸p ®o Vm lÊy tõ ®iÓm

chung (2) vµ mét trong hai ®Çu (1) hoÆc (3).

Khi ®ã ®iÖn ¸p ®o ®−îc x¸c ®Þnh bëi c«ng thøc:

S1

S21

1m E

R

RE

RR

RV =

+= (4.3)

H×nh 4.4 §iÖn thÕ kÕ quay dïng con trá quang 1) §iot ph¸t quang 2) B¨ng ®o 3) B¨ng tiÕp xóc 4) B¨ng quang dÉn

§iÖn trë

Thêi gian

1

2

3 4

~20 ms

- 75 -

Trong ®ã R1 lµ hµm phô thuéc vÞ trÝ cña trôc quay, vÞ trÝ nµy x¸c ®Þnh phÇn cña R1

chÞu ¶nh h−ëng cña tõ tr−êng cßn R = R1 + R2 = const.

Tõ h×nh 4.5b ta nhËn thÊy ®iÖn ¸p ®o chØ tuyÕn tÝnh trong mét kho¶ng ~90o ®èi

víi ®iÖn kÕ quay. §èi víi ®iÖn kÕ dÞch chuyÓn th¼ng kho¶ng tuyÕn tÝnh chØ cì vµi

mm.

4.3. C¶m biÕn ®iÖn c¶m

C¶m biÕn ®iÖn c¶m lµ nhãm çc c¶m biÕn lµm viÖc dùa trªn nguyªn lý c¶m

øng ®iÖn tõ. VËt cÇn ®o vÞ trÝ hoÆc dÞch chuyÓn ®−îc g¾n vµo mét phÇn tö cña m¹ch

tõ g©y nªn sù biÕn thiªn tõ th«ng qua cuén ®o. C¶m biÕn ®iÖn c¶m ®−îc chia ra:

c¶m biÕn tù c¶m vµ hç c¶m.

4.3.1. C¶m biÕn tù c¶m

a) C¶m biÕn tù c¶m cã khe tõ biÕn thiªn

- C¶m biÕn tù c¶m ®¬n: trªn h×nh 4.6 tr×nh bµy s¬ ®å nguyªn lý cÊu t¹o cña

mét sè lo¹i c¶m biÕn tù c¶m ®¬n.

H×nh 4.6 C¶m biÕn tù c¶m 1) Lâi s¾t tõ 2) Cuén d©y 3) PhÇn ®éng

XVXV

a) b) c)

1

2

3 12

31

2

R

δ

R2

R1

1

2

3

H×nh 4.5 §iÖn thÕ kÕ ®iÖn tõ

30%

50%

70%

0O 180O 360O

Vm/ES

a) b)

- 76 -

C¶m biÕn tù c¶m ®¬n gåm mét cuén d©y quÊn trªn lâi thÐp cè ®Þnh (phÇn tÜnh)

vµ mét lâi thÐp cã thÓ di ®éng d−íi t¸c ®éng cña ®¹i l−îng ®o (phÇn ®éng), gi÷a

phÇn tÜnh vµ phÇn ®éng cã khe hë kh«ng khÝ t¹o nªn mét m¹ch tõ hë.

S¬ ®å h×nh 4.6a: d−íi t¸c ®éng cña ®¹i l−îng ®o XV, phÇn øng cña c¶m biÕn di

chuyÓn, khe hë kh«ng khÝ δ trong m¹ch tõ thay ®æi, lµm cho tõ trë cña m¹ch tõ biÕn

thiªn, do ®ã hÖ sè tù c¶m vµ tæng trë cña cuén d©y thay ®æi theo.

S¬ ®å h×nh 4.6b: khi phÇn øng quay, tiÕt diÖn khe hë kh«ng khÝ thay ®æi, lµm

cho tõ trë cña m¹ch tõ biÕn thiªn, do ®ã hÖ sè tù c¶m vµ tæng trë cña cuén d©y thay

®æi theo.

HÖ sè tù c¶m cña cuén d©y còng cã thÓ thay ®æi do thay ®æi tæn hao sinh ra

bëi dßng ®iÖn xo¸y khi tÊm s¾t tõ dÞch chuyÓn d−íi t¸c ®éng cña ®¹i l−îng ®o Xv

(h×nh 4.6c).

NÕu bá qua ®iÖn trë cña cuén d©y vµ tõ trë cña lâi thÐp ta cã:

δµ

==δ

sW

R

WL 0

22

Trong ®ã:

W- sè vßng d©y.

s

R0µδ

=δ - tõ trë cña khe hë kh«ng khÝ.

δ - chiÒu dµi khe hë kh«ng khÝ.

s - tiÕt diÖn thùc cña khe hë kh«ng khÝ.

Tr−êng hîp W = const ta cã:

δδ∂

∂+

∂∂

= dL

dss

LdL

Víi l−îng thay ®æi h÷u h¹n ∆δ vµ ∆s ta cã:

( )

δ∆δ∆+δ

µ−∆

δµ

=∆2

0

002

0

02 sW

sW

L (4.4)

§é nh¹y cña c¶m biÕn tù c¶m khi khe hë kh«ng khÝ thay ®æi (s=const):

2

00

0

1

LLS

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛δδ∆

+δ

−=δ∆

∆=δ (4.5)

§é nh¹y cña c¶m biÕn tù c¶m khi thay ®æi tiÕt diÖn kh«ng khÝ (δ = const):

- 77 -

0

0s s

L

s

LS =

∆∆

= (4.6)

Tæng trë cña c¶m biÕn:

δµω

=ω=sW

LZ 02

(4.7)

Tõ c«ng thøc (4.7) ta thÊy tæng trë Z cña c¶m biÕn lµ hµm tuyÕn tÝnh víi tiÕt diÖn

khe hë kh«ng khÝ s vµ phi tuyÕn víi chiÒu dµi khe hë kh«ng khÝ δ.

§Æc tÝnh cña c¶m biÕn tù c¶m ®¬n Z = f(∆δ) lµ hµm phi tuyÕn vµ phô thuéc tÇn

sè nguån kÝch thÝch, tÇn sè nguån kÝch thÝch cµng cao th× ®é nh¹y cña c¶m biÕn

cµng cao (h×nh 4.7).

- C¶m biÕn tù c¶m kÐp l¾p theo kiÓu vi sai: §Ó t¨ng ®é nh¹y cña c¶m biÕn vµ t¨ng

®o¹n ®Æc tÝnh tuyÕn tÝnh ng−êi ta th−êng dïng c¶m biÕn tù c¶m kÐp m¾c theo kiÓu vi

sai (h×nh 4.8).

§Æc tÝnh cña c¶m biÕn tù c¶m kÐp vi sai cã d¹ng nh− h×nh 4.9.

XV

XV

XV

a) b) c)

H×nh 4.8 C¶m biÕn tù c¶m kÐp m¾c theo kiÓu vi sai

L = f(∆δ)

Z5000Hz = f(∆δ)

Z500Hz = f(∆δ)

H×nh 4.7 Sù phô thuéc gi÷a L, Z víi chiÒu dµy khe hë kh«ng khÝ δ

Z, L

∆δ

- 78 -

b) C¶m biÕn tù c¶m cã lâi tõ di ®éng

C¶m biÕn gåm mét cuén d©y bªn trong cã lâi tõ di ®éng ®−îc (h×nh 4.10).

D−íi t¸c ®éng cña ®¹i l−îng ®o XV, lâi tõ dÞch chuyÓn lµm cho ®é dµi lf cña lâi

tõ n»m trong cuén d©y thay ®æi, kÐo theo sù thay ®æi hÖ sè tù c¶m L cña cuén d©y.

Sù phô thuéc cña L vµo lf lµ hµm kh«ng tuyÕn tÝnh, tuy nhiªn cã thÓ c¶i thiÖn b»ng

çch ghÐp hai cuén d©y ®ång d¹ng vµo hai nh¸nh kÒ s¸t nhau cña mét cÇu ®iÖn trë

cã chung mét lâi s¾t.

4.3.2. C¶m biÕn hç c¶m

CÊu t¹o cña c¶m biÕn hç c¶m t−¬ng tù c¶m biÕn tù c¶m chØ kh¸c ë chç cã thªm

mét cuén d©y ®o (h×nh 4.11).

Trong çc c¶m biÕn ®¬n khi chiÒu dµi khe hë kh«ng khÝ (h×nh 4.11a) hoÆc tiÕt

diÖn khe kh«ng khÝ thay ®æi (h×nh 4.11b) hoÆc tæn hao do dßng ®iÖn xo¸y thay ®æi

(h×nh 4.11c) sÏ lµm cho tõ th«ng cña m¹ch tõ biÕn thiªn kÐo theo suÊt ®iÖn ®éng e

trong cuén ®o thay ®æi.

- C¶m biÕn ®¬n cã khe hë kh«ng khÝ:

L1 = f(δ)

H×nh 4.9 §Æc tÝnh cña c¶m biÕn tù c¶m kÐp l¾p vi sai

L1 - L2 = f(δ)

L2 = f(δ)

δ

L

H×nh 4.10 S¬ ®å nguyªn lý c¶m biÕn tù c¶m cã lâi tõ 1) Cuén d©y 2) Lâi tõ

l0 lf

l

XV

12

- 79 -

Tõ th«ng tøc thêi: δµ

==Φδ

siW

R

iW 011t

i - gi¸ trÞ dßng ®iÖn tøc thêi trong cuén d©y kÝch thÝch W1.

Søc ®iÖn ®éng c¶m øng trong cuén d©y ®o W2:

dt

di.

sWW

dt

dWe 012t

2 δµ

−=Φ

−=

W2 - sè vßng d©y cña cuén d©y ®o.

Khi lµm viÖc víi dßng xoay chiÒu tsinIi m ω= , ta cã:

tcosIsWW

e m012 ωω

δµ

−=

vµ gi¸ trÞ hiÖu dông cña suÊt ®iÖn ®éng:

δ

=ωδµ

−=s

kIsWW

E 012

I - gi¸ trÞ hiÖu dông cña dßng ®iÖn, IWWk 012 ωµ= .

Víi çc gi¸ trÞ W2, W1, µ0, ω vµ I lµ h»ng sè, ta cã:

δδ∂

∂+

∂∂

= dE

dss

EdE

H×nh 4.11 C¶m biÕn hç c¶m 1) Cuén s¬ cÊp 2) G«ng tõ 3) lâi tõ di ®éng 4) Cuén thø cÊp (cuén ®o)

a)

3

XV

1

2

~

b)

1 2

3

c)

XV

3

4

~

XV

4

~

φ1 φ2

d)

XV

~ ~

e)

~

XV

~

®)

44

1

- 80 -

Hay ( )200

kss

kEδ∆+δ

δ∆−

∂∆

=∆ (4.8)

§é nh¹y cña c¶m biÕn víi sù thay ®æi cña chiÒu dµi khe hë kh«ng khÝ δ (s = const):

2

00

02

0

20 1

E

1

ksES

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛δδ∆

+δ

=

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛δδ∆

+δ

−=δ∆

∆=δ (4.9)

Cßn ®é nh¹y khi tiÕt diÖn khe hë kh«ng khÝ s thay ®æi (δ = const):

0

0

0S s

Ek

s

ES =

δ=

∆∆

= (4.10)

0

00

ksE

δ= - søc ®iÖn ®éng hç c¶m ban ®Çu trong cuén ®o W2 khi XV = 0.

Ta nhËn thÊy c«ng thøc x¸c ®Þnh ®é nh¹y cña c¶m biÕn hç c¶m cã d¹ng t−¬ng

tù nh− c¶m biÕn tù c¶m chØ kh¸c nhau ë gi¸ trÞ cña E0 vµ L0. §é nh¹y cña c¶m biÕn

hç c¶m Sδ vµ SS còng t¨ng khi tÇn sè nguån cung cÊp t¨ng.

- C¶m biÕn vi sai: ®Ó t¨ng ®é nh¹y vµ ®é tuyÕn tÝnh cña ®Æc tÝnh c¶m biÕn ng−êi

ta m¾c c¶m biÕn theo s¬ ®å vi sai (h×nh 4.11d,®,e). Khi m¾c vi sai ®é nh¹y cña c¶m

biÕn t¨ng gÊp ®«i vµ ph¹m vi lµm viÖc tuyÕn tÝnh më réng ®¸ng kÓ.

- BiÕn thÕ vi sai cã lâi tõ: gåm bèn cuén d©y ghÐp ®ång trôc t¹o thµnh hai c¶m

biÕn ®¬n ®èi xøng, bªn trong cã lâi tõ di ®éng ®−îc (h×nh 4.12). Çc cuén thø cÊp

®−îc nèi ng−îc víi nhau sao cho suÊt ®iÖn ®éng trong chóng triÖt tiªu lÉn nhau.

VÒ nguyªn t¾c, khi lâi tõ ë vÞ trÝ trung gian, ®iÖn ¸p ®o Vm ë ®Çu ra hai cuén

thø cÊp b»ng kh«ng. Khi lâi tõ dÞch chuyÓn, lµm thay ®æi mèi quan hÖ gi÷a cuén s¬

cÊp víi çc cuén thø cÊp, tøc lµ lµm thay ®æi hÖ sè hç c¶m gi÷a cuén s¬ cÊp víi çc

H×nh 4.12 C¶m biÕn hç c¶m vi sai 1) Cuén s¬ cÊp 2) Cuén thø cÊp 3) Lâi tõ

~ ~1

2 2

3

- 81 -

cuén thø cÊp. Khi ®iÖn trë cña thiÕt bÞ ®o ®ñ lín, ®iÖn ¸p ®o Vm gÇn nh− tuyÕn tÝnh

víi hiÖu sè çc hÖ sè hç c¶m cña hai cuén thø cÊp.

4.4. C¶m biÕn ®iÖn dung

4.4.1. C¶m biÕn tô ®iÖn ®¬n

Çc c¶m biÕn tô ®iÖn ®¬n lµ mét tô ®iÖn ph¼ng hoÆc h×nh trô cã mét b¶n cùc

g¾n cè ®Þnh (b¶n cùc tÜnh) vµ mét b¶n cùc di chuyÓn (b¶n cùc ®éng) liªn kÕt víi vËt

cÇn ®o. Khi b¶n cùc ®éng di chuyÓn sÏ kÐo theo sù thay ®æi ®iÖn dung cña tô ®iÖn.

- §èi víi c¶m biÕn h×nh 4.13a: d−íi t¸c ®éng cña ®¹i l−îng ®o XV, b¶n cùc ®éng

di chuyÓn, kho¶ng çc gi÷a çc b¶n cùc thay ®æi, kÐo theo ®iÖn dung tô ®iÖn biÕn

thiªn.

δεε

=s

C 0

ε - h»ng sè ®iÖn m«i cña m«i tr−êng.

ε0 - h»ng sè ®iÖn m«i cña ch©n kh«ng.

s - diÖn tÝch n»m gi÷a hai ®iÖn cùc.

δ - kho¶ng çch gi÷a hai b¶n cùc.

- §èi víi c¶m biÕn h×nh 4.13b: d−íi t¸c ®éng cña ®¹i l−îng ®o XV, b¶n cùc ®éng

di chuyÓn quay, diÖn tÝch gi÷a çc b¶n cùc thay ®æi, kÐo theo sù thay ®æi cña ®iÖn

dung tô ®iÖn.

αδ

πε=

δε

= .360

rsC

200 (4.11)

α - gãc øng víi phÇn hai b¶n cùc ®èi diÖn nhau.

δ

XV α

XV

XV

a) b) c)

H×nh 4.13 C¶m biÕn tô ®iÖn ®¬n

- 82 -

§èi víi c¶m biÕn h×nh 4.13c: d−íi t¸c ®éng cña ®¹i l−îng ®o XV, b¶n cùc ®éng

di chuyÓn th¼ng däc trôc, diÖn tÝch gi÷a çc b¶n cùc thay ®æi, kÐo theo sù thay ®æi

cña ®iÖn dung.

l.)r/rlog(

2C

12

0πε= (4.12)

XÐt tr−êng hîp tô ®iÖn ph¼ng, ta cã:

δε

=s

C

δδ∂

∂+

∂∂

+εε∂

∂= d

Cds

s

Cd

CdC

§−a vÒ d¹ng sai ph©n ta cã:

( )

δ∆δ∆+δ

ε−∆

δε

+ε∆δ

=∆2

0

00

0

0

0

0 ss

sC (4.13)

Khi kho¶ng çch gi÷a hai b¶n cùc thay ®æi ( ε = const vµ s=const), ®é nh¹y cña

c¶m biÕn:

( )20

00C

sCS

δ∆+δ

ε−=

δ∆∆

=δ (4.14)

Khi diÖn tÝch cña b¶n cùc thay ®æi ( ε = const vµ δ = const), ®é nh¹y cña c¶m

biÕn:

0

0SC s

CS

δε

=∆∆

= (4.15)

Khi h»ng sè ®iÖn m«i thay ®æi ( s = const vµ δ = const), ®é nh¹y cña c¶m biÕn:

0

0C

sCS

δ=

ε∆∆

=ε (4.16)

NÕu xÐt ®Õn dung kh¸ng:

sC

1Z

ωεδ

=ω

=

δδ∂∂

+∂∂

+εε∂

∂= d

Zds

s

Zd

ZdZ

§−a vÒ d¹ng sai ph©n:

( ) ( )

δ∆ωε

+∆∆+ωε

δ−ε∆

ε∆+εω

δ−=∆

002

00

02

00

0

s

1s

sssZ

T−¬ng tù trªn ta cã ®é nh¹y cña c¶m biÕn theo dung kh¸ng:

- 83 -

( )200

0Z

sS

ε∆+εω

δ−=ε (4.17)

( )200

0Zs

ssS

∆+ωε

δ−= (4.18)

00Z s

1S

ωε=δ (4.19)

Tõ çc biÓu thøc trªn cã thÓ rót ra:

- BiÕn thiªn ®iÖn dung cña c¶m biÕn tô ®iÖn lµ hµm tuyÕn tÝnh khi diÖn tÝch b¶n

cùc vµ h»ng sè ®iÖn m«i thay ®æi nh−ng phi tuyÕn khi kho¶ng çch gi÷a hai b¶n cùc

thay ®æi.

- BiÕn thiªn dung kh¸ng cña c¶m biÕn tô ®iÖn lµ hµm tuyÕn tÝnh khi kho¶ng çch

gi÷a hai b¶n cùc thay ®æi nh−ng phi tuyÕn khi diÖn tÝch b¶n cùc vµ h»ng sè ®iÖn m«i

thay ®æi.

Ngoµi ra gi÷a hai b¶n cùc khi cã ®iÖn ¸p ®Æt vµo sÏ ph¸t sinh lùc hót, lùc nµy

cÇn ph¶i nhá h¬n ®¹i l−îng ®o.

4.4.2. C¶m biÕn tô kÐp vi sai

Tô kÐp vi sai cã kho¶ng çch gi÷a çc b¶n cùc biÕn thiªn dÞch chuyÓn th¼ng

(h×nh 4.14a) hoÆc cã diÖn tÝch b¶n cùc biÕn thiªn dÞch chuyÓn quay (h×nh 4.14b) vµ

dÞch chuyÓn th¼ng (h×nh 4.14c) gåm ba b¶n cùc. B¶n cùc ®éng A1 dÞch chuyÓn gi÷a

hai b¶n cùc cè ®Þnh A2 vµ A3 t¹o thµnh cïng víi hai b¶n cùc nµy hai tô ®iÖn cã ®iÖn

dung C21 vµ C31 biÕn thiªn ng−îc chiÒu nhau.

§é nh¹y vµ ®é tuyÕn tÝnh cña tô kÐp vi sai cao h¬n tô ®¬n vµ lùc t−¬ng hç gi÷a

çc b¶n cùc triÖt tiªu lÉn nhau do ng−îc chiÒu nhau.

b)

c)

H×nh 4.14 C¶m biÕn tô kÐp vi sai

δ

XV

a)

α

XV

XV

A2 A1 A3

A2

A1

A3

A2

A1

A3

- 84 -

4.4.3. M¹ch ®o

Th«ng th−êng m¹ch ®o dïng víi c¶m biÕn ®iÖn dung lµ çc m¹ch cÇu kh«ng

c©n b»ng cung cÊp b»ng dßng xoay chiÒu. M¹ch ®o cÇn tho¶ m·n çc yªu cÇu sau:

- Tæng trë ®Çu vµo tøc lµ tæng trë cña ®−êng chÐo cÇu ph¶i thËt lín.

- Çc d©y dÉn ph¶i ®−îc bäc kim lo¹i ®Ó tr¸nh ¶nh h−ëng cña ®iÖn tr−êng

ngoµi.

- Kh«ng ®−îc m¾c çc ®iÖn trë song song víi c¶m biÕn.

- Chèng Èm tèt.

H×nh 4.15a lµ s¬ ®å m¹ch cÇu dïng cho c¶m biÕn tô kÐp vi sai víi hai ®iÖn trë.

Cung cÊp cho m¹ch cÇu lµ mét m¸y ph¸t tÇn sè cao.

H×nh 4.15b lµ s¬ ®å m¹ch mÆch cÇu biÕn ¸p víi hai nh¸nh tô ®iÖn.

4.5. C¶m biÕn quang

Çc c¶m biÕn ®o vÞ trÝ vµ dÞch chuyÓn theo ph−¬ng ph¸p quang häc gåm nguån

ph¸t ¸nh s¸ng kÕt hîp víi mét ®Çu thu quang (th−êng lµ tÕ bµo quang ®iÖn).

Tuú theo çch bè trÝ ®Çu thu quang, nguån ph¸t vµ th−íc ®o (hoÆc ®èi t−îng

®o), çc c¶m biÕn ®−îc chia ra:

- C¶m biÕn quang ph¶n x¹.

- C¶m biÕn quang soi thÊu.

4.5.1. C¶m biÕn quang ph¶n x¹

C¶m biÕn quang ph¶n x¹ (h×nh 4.16) ho¹t ®éng theo nguyªn t¾c däi ph¶n

quang: ®Çu thu quang ®Æt cïng phÝa víi nguån ph¸t. Tia s¸ng tõ nguån ph¸t qua thÊu

kÝnh héi tô ®Ëp tíi mét th−íc ®o chuyÓn ®éng cïng vËt kh¶o s¸t, trªn th−íc cã

nh÷ng v¹ch chia ph¶n quang vµ kh«ng ph¶n quang kÕ tiÕp nhau, khi tia s¸ng gÆp

ph¶i v¹ch chia ph¶n quang sÏ bÞ ph¶n x¹ trë l¹i ®Çu thu quang.

~ eS Ura A1A3

A2

R

R

~C0

Cx

Ura eS

H×nh 4.15 M¹ch ®o th−êng dïng víi c¶m biÕn tô ®iÖn

a) b)

- 85 -

C¶m biÕn lo¹i däi ph¶n quang, kh«ng cÇn d©y nèi qua vïng c¶m nhËn nh−ng

cù ly c¶m nhËn thÊp vµ chÞu ¶nh h−ëng cña ¸nh s¸ng tõ nguån s¸ng kh¸c.

4.5.2. C¶m biÕn quang soi thÊu

S¬ ®å cÊu tróc cña mét c¶m biÕn ®o vÞ trÝ vµ dÞch chuyÓn theo nguyªn t¾c soi

thÊu tr×nh bµy trªn h×nh 4.17a. C¶m biÕn gåm mét nguån ph¸t ¸nh s¸ng, mét thÊu

kÝnh héi tô, mét l−íi chia kÝch quang vµ çc phÇn tö thu quang (th−êng lµ tÕ bµo

quang ®iÖn).

Khi th−íc ®o (g¾n víi ®èi t−îng kh¶o s¸t, ch¹y gi÷a thÊu kÝnh héi tô vµ l−íi

chia) cã chuyÓn ®éng t−¬ng ®èi so víi nguån s¸ng sÏ lµm xuÊt hiÖn mét tÝn hiÖu ¸nh

s¸ng h×nh sin. TÝn hiÖu nµy ®−îc thu bëi çc tÕ bµo quang ®iÖn ®Æt sau l−íi chia. Çc

tÝn hiÖu ®Çu ra cña c¶m biÕn ®−îc khuÕch ®¹i trong mét bé t¹o xung ®iÖn tö t¹o

thµnh tÝn hiÖu xung d¹ng ch÷ nhËt.

1 2

3

4

5

6

H×nh 4.17 a) S¬ ®å cÊu t¹o c¶m biÕn quang soi thÊu b) TÝn hiÖu ra 1) Nguån s¸ng 2) ThÊu kÝnh héi tô 3) Th−íc ®o 4) L−íi chia 5) TÕ bµo quang ®iÖn 6) M· chuÈn

TÝn hiÖu ra

Vr1

Vr2

TÝn hiÖu chuÈn

Chu kú chia

a) b)

H×nh 4.16 C¶m biÕn quang ph¶n x¹ 1) Nguån ph¸t 2) Th−íc ®o 3) §Çu thu quang

12

3

- 86 -

Çc tÕ bµo quang ®iÖn bè trÝ thµnh hai d·y vµ ®Æt lÖch nhau mét phÇn t− ®é

chia nªn ta nhËn ®−îc hai tÝn hiÖu lÖch pha 90o (h×nh 4.17b), nhê ®ã kh«ng nh÷ng

x¸c ®Þnh ®−îc ®é dÞch chuyÓn mµ cßn cã thÓ nhËn biÕt ®−îc c¶ chiÒu chuyÓn ®éng.

§Ó kh«i phôc ®iÓm gèc trong tr−êng hîp mÊt ®iÖn nguån ng−êi ta trang bÞ

thªm mèc ®o chuÈn trªn th−íc ®o.

−u ®iÓm cña çc c¶m biÕn soi thÊu lµ cù ly c¶m nhËn xa, cã kh¶ n¨ng thu ®−îc

tÝn hiÖu m¹nh vµ tØ sè ®é t−¬ng ph¶n s¸ng tèi lín, tuy nhiªn cã h¹n chÕ lµ khã bè trÝ

vµ chØnh th¼ng hµng nguån ph¸t vµ ®Çu thu.

4.6. C¶m biÕn ®o dÞch chuyÓn b»ng sãng ®µn håi

4.6.1. Nguyªn lý ®o dÞch chuyÓn b»ng sãng ®µn håi

Tèc ®é truyÒn sãng ®µn håi v trong chÊt r¾n ~ 103m/s. Thêi gian truyÒn sãng

gi÷a hai ®iÓm trong vËt r¾n çch nhau mét kho¶ng l x¸c ®Þnh bëi biÓu thøc:

v

lt P =

BiÕt tèc ®é truyÒn sãng v vµ ®o thêi gian truyÒn sãng tP ta cã thÓ x¸c ®Þnh ®−îc

kho¶ng çch l cÇn ®o:

Pvtl =

S¬ ®å khèi cña mét thiÕt bÞ ®o dÞch chuyÓn b»ng sãng ®µn håi biÓu diÔn trªn

h×nh 4.18.

Thêi gian truyÒn sãng tP tõ khi tÝn hiÖu xuÊt hiÖn ë m¸y ph¸t ®Õn khi nã ®−îc

tiÕp nhËn ë m¸y thu ®−îc ®o b»ng m¸y ®Õm xung. M¸y ®Õm ho¹t ®éng khi b¾t ®Çu

ph¸t sãng vµ ®ãng l¹i khi tÝn hiÖu ®Õn ®−îc m¸y thu.

Gäi sè xung ®Õm ®−îc lµ N vµ chu kú cña xung ®Õm lµ tH, ta cã:

HP Ntt =

§ång hå M¸y ®Õm

M¸y ph¸t

M¸y thu

l

H×nh 4.18 S¬ ®å khèi cña mét thiÕt bÞ ®o dÞch chuyÓn b»ng sãng ®µn håi

- 87 -

Khi ®ã: HvNtl = (4.20)

4.6.2. C¶m biÕn sö dông phÇn tö ¸p ®iÖn

Trong çc c¶m biÕn ¸p ®iÖn, sãng ®µn håi ®−îc ph¸t vµ thu nhê sö dông hiÖu

øng ¸p ®iÖn. HiÖu øng ¸p ®iÖn lµ hiÖn t−îng khi mét tÊm vËt liÖu ¸p ®iÖn (thÝ dô

th¹ch anh) bÞ biÕn d¹ng d−íi t¸c dông cña mét lùc c¬ häc cã chiÒu nhÊt ®Þnh, trªn

çc mÆt ®èi diÖn cña tÊm xuÊt hiÖn mét l−îng ®iÖn tÝch b»ng nhau nh−ng tr¸i dÊu,

ng−îc l¹i d−íi t¸c ®éng cña ®iÖn tr−êng cã chiÒu thÝch hîp, tÊm vËt liÖu ¸p ®iÖn bÞ

biÕn d¹ng.

§Ó ®o dÞch chuyÓn ta cã thÓ sö dông hai d¹ng sãng ®µn håi:

- Sãng khèi: däc vµ ngang.

- Sãng bÒ mÆt.

Sãng khèi däc truyÒn cho çc phÇn tö cña vËt r¾n dÞch chuyÓn däc theo ph−¬ng

truyÒn sãng t¹o nªn sù nÐn råi l¹i gi·n në cña çc líp cña vËt r¾n. Sãng nµy ®−îc

kÝch thÝch b»ng phÇn tö ¸p ®iÖn rung theo bÒ dµy (h×nh 4.19a).

Sãng khèi ngang g©y nªn dÞch chuyÓn vu«ng gãc víi ph−¬ng truyÒn sãng, t¹o

ra chuyÓn ®éng tr−ît t−¬ng ®èi gi÷a çc líp cña vËt r¾n. Sãng nµy ®−îc kÝch thÝch

b»ng mét phÇn tö ¸p ®iÖn rung theo mÆt c¾t (h×nh 4.19b).

Sãng bÒ mÆt truyÒn trong líp bÒ mÆt cña vËt r¾n, biªn ®é cña chóng hÇu nh−

b»ng kh«ng ë ®é s©u 2λ d−íi bÒ mÆt. Sãng bÒ mÆt gåm mét thµnh phÇn sãng däc vµ

mét thµnh phÇn sãng ngang. Nguån kÝch thÝch sãng bÒ mÆt lµ mét hÖ ®iÖn cùc kiÓu

Ph−¬ng truyÒn sãng Ph−¬ng truyÒn sãng

H×nh 4.19 Çc d¹ng sãng ®µn håi a) Sãng däc b) Sãng ngang c) Sãng bÒ mÆt vµ d¹ng ®iÖn cùc kÝch thÝch

V

λ

V V

a) b)

c)

- 88 -

r¨ng l−îc cµi nhau phñ lªn bÒ mÆt vËt liÖu ¸p ®iÖn (h×nh 4.19c). Kho¶ng çch gi÷a

hai r¨ng kÒ nhau cña çc ®iÖn cùc ph¶i b»ng λ ®Ó cã thÓ g©y ra biÕn d¹ng khi cã

®iÖn ¸p V cïng pha ®Æt vµo vµ ®Ó t¨ng hiÖu øng cña chóng. M¸y thu sãng bÒ mÆt

còng cã cÊu t¹o t−¬ng tù nh− m¸y ph¸t ®−îc g¾n cè ®Þnh vµo bÒ mÆt vËt r¾n, khi cã

sãng bÒ mÆt ®i qua, çc r¨ng cña ®iÖn cùc lµm biÕn d¹ng bÒ mÆt vËt r¾n vµ g©y nªn

®iÖn ¸p do hiÖu øng ¸p ®iÖn.

4.6.3. C¶m biÕn ©m tõ

Sãng ®µn håi ph¸t ra nhê sö dông hiÖu øng Wiedemam: hiÖn t−îng xo¾n mét

èng trô s¾t tõ khi nã chÞu t¸c dông ®ång thêi cña mét tõ tr−êng däc vµ mét tõ tr−êng

ngang.

Sãng ®µn håi ®−îc thu trªn c¬ së sö dông hiÖu øng Vilari: søc c¨ng c¬ häc lµm

thay ®æi kh¶ n¨ng tõ ho¸ vµ ®é tõ thÈm cña vËt liÖu s¾t tõ.

S¬ ®å nguyªn lý vµ cÊu t¹o cña c¶m biÕn ©m tõ tr×nh bµy trªn h×nh 4.20.

CÊu t¹o cña c¶m biÕn gåm èng s¾t tõ (1), nam ch©m di ®éng (2) tr−ît däc èng

g¾n víi vËt cÇn x¸c ®Þnh vÞ trÝ. D©y dÉn (3) n»m gi÷a trôc èng vµ ®−îc nèi víi m¸y

ph¸t xung (4). M¸y thu (5) cã lâi tõ nèi c¬ häc víi èng.

Nguyªn lý ho¹t ®éng cña c¶m biÕn: M¸y ph¸t (4) cung cÊp mét xung ®iÖn

truyÒn qua d©y dÉn (3), xung nµy truyÒn víi vËn tèc ¸nh s¸ng (c), tõ tr−êng do nã

sinh ra cã ®−êng søc lµ ®−êng trßn ®ång t©m víi trôc èng. Khi sãng ®iÖn tõ truyÒn

®Õn vÞ trÝ nam ch©m (2), sù kÕt hîp cña hai tõ tr−êng lµm cho èng bÞ xo¾n côc bé,

xo¾n côc bé nµy truyÒn ®i trong èng d−íi d¹ng sãng ®µn håi víi vËn tèc v. Khi sãng

®µn håi ®Õn m¸y thu (5) nã lµm thay ®æi ®é tõ ho¸ g©y nªn tÝn hiÖu håi ®¸p.

§Çu thu

M¸y ph¸t xung

l

H×nh 4.20 S¬ ®å nguyªn lý c¶m biÕn ©m tõ 1) èng s¾t tõ 2) Nam ch©m 3) D©y dÉn 4) M¸y ph¸t xung 5) §Çu thu

1 2 3

4

5

- 89 -

Gäi tP lµ thêi gian tõ khi ph¸t xung hái ®Õn khi nhËn ®−îc xung håi ®¸p, do v

<< c ta cã:

v

lt P = (4.21)

Trong ®ã l lµ kho¶ng çch tõ nam ch©m ®Õn ®Çu thu, tP ®−îc ®o b»ng ph−¬ng ph¸p

®Õm xung.

- 90 -

Ch−¬ng V

C¶m biÕn ®o biÕn d¹ng

D−íi t¸c ®éng cña øng lùc c¬ häc, trong m«i tr−êng chÞu øng lùc xuÊt hiÖn

biÕn d¹ng. Sù biÕn d¹ng cña çc cÊu tróc ¶nh h−ëng rÊt lín tíi kh¶ n¨ng lµm viÖc

còng nh− ®é an toµn khi lµm viÖc cña kÕt cÊu chÞu lùc. MÆt kh¸c gi÷a øng lùc vµ

biÕn d¹ng cã mèi quan hÖ víi nhau, dùa vµo mèi quan hÖ ®ã ng−êi ta cã thÓ x¸c

®Þnh ®−îc øng lùc khi ®o biÕn d¹ng do nã g©y ra. Bëi vËy ®o biÕn d¹ng lµ mét vÊn

®Ò ®−îc quan t©m nhiÒu trong kü thuËt.

5.1. BiÕn d¹ng vµ ph−¬ng ph¸p ®o

5.1.1. §Þng nghÜa mét sè ®¹i l−îng c¬ häc

- BiÕn d¹ng ε: lµ tØ sè gi÷a ®é biÕn thiªn kÝch th−íc (∆l) vµ kÝch th−íc ban ®Çu (l).

l

l∆=ε (5.1)

BiÕn d¹ng gäi lµ ®µn håi khi mµ øng lùc mÊt ®i th× biÕn d¹ng còng mÊt theo.

BiÕn d¹ng mµ cßn tån t¹i ngay c¶ sau khi øng lùc mÊt ®i ®−îc gäi lµ biÕn d¹ng

d−.

- Giíi h¹n ®µn håi: lµ øng lùc tèi ®a kh«ng g©y nªn biÕn d¹ng dÎo v−ît qu¸ 2%,

tÝnh b»ng kG/mm2. VÝ dô giíi h¹n ®µn håi cña thÐp ~20 - 80 kG/mm2.

- M«®un Young (Y): x¸c ®Þnh biÕn d¹ng theo ph−¬ng cña øng lùc.

σ==εY

1

S

F

Y

1|| (5.2)

F - lùc t¸c dông, kG.

S - tiÕt diÖn chÞu lùc. mm2.

σ - øng lùc, σ =F/S.

§¬n vÞ ®o mo®un Young lµ kG/mm2. Mo®un Young cña thÐp ~ 18.000 -

29.000 kG/mm2.

- HÖ sè poison ν: hÖ sè x¸c ®Þnh biÕn d¹ng theo ph−¬ng vu«ng gãc víi lùc t¸c

dông.

||νε−=ε⊥ (5.3)

Trong vïng biÕn d¹ng ®µn håi ν ≈ 0,3.

- 91 -

5.1.2. ph−¬ng ph¸p ®o biÕn d¹ng

T¸c ®éng cña øng lùc g©y ra sù biÕn d¹ng trong kÕt cÊu chÞu øng lùc. Gi÷a

biÕn d¹ng vµ øng lùc cã quan hÖ chÆt chÏ víi nhau, b»ng çch ®o biÕn d¹ng ta cã thÓ

tÝnh ®−îc øng lùc t¸c ®éng lªn kÕt cÊu. §Ó ®o biÕn d¹ng ng−êi ta sö dông çc c¶m

biÕn biÕn d¹ng hay cßn gäi lµ ®Çu ®o biÕn d¹ng.

HiÖn nay sö dông phæ biÕn hai lo¹i ®Çu ®o biÕn d¹ng:

- §Çu ®o ®iÖn trë: ®©y lµ lo¹i ®Çu ®o dïng phæ biÕn nhÊt. Chóng ®−îc chÕ t¹o tõ

vËt liÖu cã ®iÖn trë biÕn thiªn theo møc ®é biÕn d¹ng, víi kÝch th−íc nhá tõ vµi mm

®Õn vµi cm, khi ®o chóng ®−îc d¸n trùc tiÕp lªn cÊu tróc biÕn d¹ng.

- §Çu ®o d¹ng d©y rung ®−îc dïng trong ngµnh x©y dùng. §Çu ®o ®−îc lµm b»ng

mét sîi d©y kim lo¹i c¨ng gi÷a hai ®iÓm cña cÊu tróc cÇn ®o biÕn d¹ng. TÇn sè cña

d©y rung lµ hµm cña søc c¨ng c¬ häc, tÇn sè nµy thay ®æi khi kho¶ng çch hai ®iÓm

nèi thay ®æi.

Trong ch−¬ng nµy ®Ò cËp ®Õn çc ®Çu ®o biÕn d¹ng th−êng dïng trong c«ng

nghiÖp nh− ®Çu ®o ®iÖn trë kim lo¹i, ®Çu ®o ®iÖn trë b¸n dÉn - ¸p ®iÖn trë, øng suÊt

kÕ d©y rung vµ çc ®Çu ®o trong chÕ ®é ®éng.

5.2. §Çu ®o ®iÖn trë kim lo¹i

5.2.1. CÊu t¹o vµ nguyªn lý ho¹t ®éng

§Çu ®o ®iÖn trë kim lo¹i cã cÊu t¹o d¹ng l−íi. §èi víi ®Çu ®o d¹ng l−íi d©y,

®−îc lµm b»ng d©y ®iÖn trë cã tiÕt diÖn trßn (®−êng kÝnh d ≈ 20 µm) hoÆc tiÕt diÖn

ch÷ nhËt axb (h×nh 5.1a). §Çu ®o d¹ng l−íi mµng chÕ t¹o b»ng ph−¬ng ph¸p m¹ch in

(h×nh 5.1b). Sè nh¸nh n cña c¶m biÕn th−êng tõ 10 - 20 nh¸nh.

C¶m biÕn ®−îc cè ®Þnh trªn ®Õ çch ®iÖn máng bÒ dµy ~ 0,1 mm lµm b»ng

giÊy hoÆc ~ 0,03 mm lµm b»ng chÊt dÎo (polyimide, epoxy). VËt liÖu lµm ®iÖn trë

th−êng thuéc hä hîp kim Ni ( b¶ng 5.1).

H×nh 5.1 S¬ ®å cÊu t¹o cña ®Çu ®o kim lo¹i a) §Çu ®o dïng d©y quÊn b) §Çu ®o dïng l−íi mµng

a) b)

- 92 -

B¶ng 5.1

Hîp kim Thµnh phÇn HÖ sè ®Çu ®o K

Constantan 45%Ni, 55%Cu 2,1

Isoelastic 52%Fe, 36%Ni, 8%Cr, 4%(Mn+Mo) 3,5

Karma 74%Ni, 20%Cr, 3%Cu, 3%Fe 2,1

Nicrome V 80%Ni, 20%Cr 2,5

B¹ch kim - vonfram 92%Pt, 8%W 4,1

Khi ®o c¶m biÕn ®−îc g¾n vµo bÒ mÆt cña cÊu tróc cÇn kh¶o s¸t (h×nh 5.2), kÕt

qu¶ lµ c¶m biÕn còng chÞu mét biÕn d¹ng nh− biÕn d¹ng cña cÊu tróc.

§iÖn trë cña c¶m biÕn x¸c ®Þnh bëi biÓu thøc :

S

lR

ρ= (5.4)

Ph−¬ng tr×nh sai ph©n:

ρρ∆

+∆

−∆

=∆

S

S

l

l

R

R

BiÕn d¹ng däc ∆ l cña d©y kÐo theo biÕn d¹ng ngang cña tiÕt diÖn, quan hÖ gi÷a biÕn

d¹ng ngang vµ biÕn d¹ng däc cã d¹ng:

l

l

d

d

b

b

a

a ∆ν−=

∆=

∆=

∆

TiÕt diÖn ngang cña d©y S = ab hoÆc S = πd2/4, ta cã:

l

l2

S

S ∆ν−=

∆

MÆt kh¸c, ®èi víi ®Çu ®o kim lo¹i:

V

VC∆

=ρρ∆

1 2 3 54 6

7

H×nh 5.2 Çch cè ®Þnh ®Çu ®o trªn bÒ mÆt kh¶o s¸t 1) BÒ mÆt kh¶o s¸t 2) C¶m biÕn 3)Líp b¶o vÖ 4) Mèi hµn

5) D©y dÉn 6) Çp ®iÖn 7) Keo d¸n

- 93 -

C - h»ng sè Bridman.

V - thÓ tÝch d©y.

V× V = S.l, ta cã:

l

l)21(

V

V ∆ν−=

∆

Vµ:

l

l)21(C∆

ν−=ρρ∆

VËy ta cã:

( ) ( ) l

l.K

l

l21C21

R

R ∆=

∆ν−+ν+=

∆ (5.5)

HÖ sè K ®−îc gäi lµ hÖ sè ®Çu ®o, gi¸ trÞ x¸c ®Þnh theo biÓu thøc:

( )ν−+ν+= 21C21K (5.6)

V× ν ≈ 0,3, C ≈ 1, nªn ®Çu ®o kim lo¹i cã K ≈ 2.

5.2.2. Çc ®Æc tr−ng chñ yÕu

- §iÖn trë suÊt : ®iÖn trë cña vËt liÖu lµm d©y ph¶i ®ñ lín ®Ó d©y kh«ng qu¸ dµi

lµm t¨ng kÝch th−íc c¶m biÕn vµ tiÕt diÖn d©y kh«ng qu¸ bÐ lµm gi¶m dßng ®o dÉn

®Õn lµm gi¶m ®é nh¹y.

- HÖ sè ®Çu ®o: th«ng th−êng K = 2 - 3, ngo¹i trõ isoelastic cã K = 3,5 vµ platin-

vonfram K = 4,1.

- ¶nh h−ëng cña lùc ®Õn ®é tuyÕn tÝnh: trong giíi h¹n ®µn håi, hÖ sè ®Çu ®o kh«ng

®æi do quan hÖ tuyÕn tÝnh gi÷a ®iÖn trë vµ biÕn d¹ng. Ngoµi giíi h¹n ®µn håi, khi

∆l/l > 0,5% - 20% tuú theo vËt liÖu, hÖ sè ®Çu ®o K ≈ 2.

- ¶nh h−ëng cña nhiÖt ®é: nãi chung K Ýt chÞu ¶nh h−ëng cña nhiÖt ®é, ngo¹i trõ

isoelastic. Trong kho¶ng nhiÖt ®é tõ - 100oC ÷ 300oC sù thay ®æi cña hÖ sè ®Çu ®o

K theo nhiÖt ®é cã thÓ biÓu diÔn bëi biÓu thøc:

( ) ( ) 0K0 TT1KTK −α+= (5.7)

K0 - hÖ sè ®Çu ®o ë nhiÖt ®é chuÈn T0 (th−êng T0 = 25oC).

αK - hÖ sè, phô thuéc vËt liÖu. Víi Nichrome V th× αK = -0,04%/oC, constantan

αK = +0,01%/oC

- §é nh¹y ngang: ngoµi çc nh¸nh däc cã ®iÖn trë RL c¶m biÕn cßn cã çc ®o¹n

nh¸nh ngang cã tæng ®é dµi lt , ®iÖn trë Rt, do ®ã ®iÖn trë tæng céng cña c¶m biÕn

- 94 -

b»ng R = RL + Rt. Trong qu¸ tr×nh biÕn d¹ng çc ®o¹n ngang còng bÞ biÕn d¹ng, Rt

thay ®æi còng lµm cho R thay ®æi. Tuy nhiªn do Rt << RL, ¶nh h−ëng cña biÕn d¹ng

ngang còng kh«ng lín.

5.3. C¶m biÕn ¸p trë silic


§Çu ®o b¸n dÉn ®−îc lµm b»ng ®¬n tinh thÓ silic pha t¹p. CÊu t¹o cña chóng

phô thuéc çc chÕ t¹o.

§Çu ®o lo¹i c¾t: chÕ t¹o b»ng çc mÈu c¾t tõ tÊm ®¬n tinh thÓ silic pha t¹p cã

s¬ ®å cÊu t¹o nh− h×nh 5.3. Çc mÉu c¾t ®¬n tinh thÓ ®−îc lÊy song song víi ®−êng

chÐo cña tinh thÓ lËp ph−¬ng ®èi víi silic lo¹i P vµ song song víi c¹nh lËp ph−¬ng

nÕu lµ silic lo¹i N. MÉu c¾t cã chiÒu dµi tõ 0,1 mm ®Õn vµi mm vµ chiÒu dµy cì

10-2mm. Çc mÉu c¾t ®−îc d¸n trªn ®Õ çch ®iÖn b»ng nhùa.

§Çu ®o khuÕch t¸n: ®iÖn trë cña ®Çu ®o chÕ t¹o b»ng çch khuÕch t¸n t¹p chÊt

vµo mét tÊm ®Õ ®¬n tinh thÓ silic pha t¹p. S¬ ®å cÊu t¹o cña lo¹i nµy tr×nh bµy trªn

h×nh 5.4.

§iÖn trë lo¹i N nhËn ®−îc b»ng çch khuÕch t¸n vµo ®Õ silic lo¹i P mét t¹p

chÊt thuéc nhãm V trong b¶ng tuÇn hoµn (nh− P, Sb), cßn ®iÖn trë lo¹i P khuÕch t¸n

t¹p chÊt thuéc nhãm III (nh− Ga, In) vµo ®Õ silic lo¹i N. ChuyÓn tiÕp gi÷a ®Õ vµ

vïng khuÕch t¸n t¹o nªn mét ®iot vµ lu«n ®−îc ph©n cùc ng−îc (vïng P ©m h¬n

vïng N) ®Ó cho ®iÖn trë cña c¶m biÕn çch biÖt víi ®Õ silic.

Si-NSi-P

SiO2

H×nh 5.4 §Çu ®o lo¹i khuÕch t¸n

P

PN

N

H×nh 5.3 §Çu ®o chÕ t¹o b»ng çc mÉu c¾t

N

- 95 -

BiÕn thiªn ®iÖn trë cña ®Çu ®o b¸n dÉn x¸c ®Þnh bëi c«ng thøc t−¬ng tù ®Çu ®o

kim lo¹i:

ρρ∆

+∆

−∆

=∆

S

S

l

l

R

R

§èi víi ®Çu ®o b¸n dÉn, biÕn thiªn ®iÖn trë suÊt do t¸c dông cña øng lùc cã d¹ng:

l

lY∆

π=πσ=ρρ∆

Trong ®ã π lµ hÖ sè ¸p ®iÖn trë, σ lµ øng lùc t¸c dông.

VËy:

( ) l

lY21

R

R ∆π+ν+=

∆ (5.8)

vµ hÖ sè ®Çu ®o:

Y21K π+ν+= (5.9)

Th«ng th−êng K = 100 - 200.

5.3.2. Çc ®Æc tr−ng chñ yÕu

§èi víi ®Çu ®o b¸n dÉn, ®é pha t¹p lµ yÕu tè quyÕt ®Þnh ®Õn çc ®Æc tr−ng cña

chóng.

- §iÖn trë:

¶nh h−ëng cña ®é pha t¹p: khi t¨ng ®é pha t¹p, mËt ®é h¹t dÉn trong vËt liÖu t¨ng

lªnvµ ®iÖn trë suÊt cña nã gi¶m xuèng. BiÓu thøc chung cña ®iÖn trë suÊt cã d¹ng:

)pn(q

1

pn µ+µ=ρ

q - gi¸ trÞ tuyÖt ®èi cña ®iÖn tÝch ®iÖn trë hoÆc lç trèng.

n, p - mËt ®é ®iÖn tö vµ lç trèng tù do.

µn, µp - ®é linh ®éng cña ®iÖn tö vµ lç trèng.

Nång ®é t¹p chÊt/cm3

ρ (Ω

cm)

1014 1015 1016 1017 1018 101910-3

10-2

10-1

1

H×nh 5.5 Sù phô thuéc cña ®iÖn trë suÊt vµo nång ®é pha t¹p vµ nhiÖt ®é

ρ (Ω

cm)

-100 0 100 200 300 400 500

2

3

ToC

4 5

6

7

101

1020

1016

1014

- 96 -

¶nh h−ëng cña nhiÖt ®é: khi nhiÖt ®é nhá h¬n 120oC hÖ sè nhiÖt ®iÖn trë cã gi¸ trÞ

d−¬ng vµ gi¶m dÇn khi ®é pha t¹p t¨ng lªn.

¶nh h−ëng cña ®é biÕn d¹ng: HÖ sè ®Çu ®o phô thuéc vµo ®é biÕn d¹ng, quan hÖ cã

d¹ng:

2221 KKKK ε+ε+=

Tuy nhiªn víi ®é biÕn d¹ng d−íi mét gi¸ trÞ cùc ®¹i nµo ®ã cã thÓ coi K kh«ng ®æi.

¶nh h−ëng cña nhiÖt ®é: Khi nhiÖt ®é t¨ng hÖ sè ®Çu ®o gi¶m, tuy nhiªn khi ®é pha

t¹p lín (cì Nd = 1020cm-3) hÖ sè ®Çu ®o Ýt phô thuéc nhiÖt ®é.

5.4. §Çu ®o trong chÕ ®é ®éng

Khi ®o biÕn d¹ng trong chÕ ®é ®éng, ®Çu ®o ph¶i tho¶ m·n mét sè yªu cÇu

nhÊt ®Þnh nh− tÇn sè sö dông tèi ®a, giíi h¹n mái.

5.4.1. TÇn sè sö dông tèi ®a

TÇn sè cña ®Çu ®o kh«ng phô thuéc vµo vËt liÖu chÕ t¹o, silic cã thÓ truyÒn

kh«ng suy gi¶m çc dao ®éng víi tÇn sè lín h¬n 106 Hz. Tuy nhiªn tÇn sè lµm viÖc

l¹i phô thuéc vµo ph−¬ng ph¸p g¾n ®Çu ®o vµ kÝch th−íc cña nã.

§Ó cho çc biÕn d¹ng ®o ®−îc gÇn nh− ®ång bé trong ph¹m vi cña ®Çu ®o,

chiÒu dµi l cña çc nh¸nh ph¶i nhá h¬n nhiÒu lÇn b−íc sãng λ cña dao ®éng c¬ häc.

Quan hÖ gi÷a kÝch th−íc l vµ chiÒu dµi b−íc sãng ph¶i tho¶ m·n ®iÒu kiÖn:

λ≤ 1,0l

ChiÒu dµi b−íc sãng λ cña dao ®éng c¬ häc ®−îc x¸c ®Þnh bëi c«ng thøc:

f

v=λ (5.10)

Trong ®ã v lµ vËn tèc truyÒn sãng vµ f lµ tÇn sè dao ®éng.

ë nhiÖt ®é cao hÖ sè nhiÖt

®iÖn trë cã gi¸ trÞ ©m vµ kh«ng

phô thuéc vµo ®é pha t¹p.

- HÖ sè ®Çu ®o K:

¶nh h−ëng cña ®é pha t¹p: HÖ sè

®Çu ®o phô thuéc vµo ®é pha t¹p,

khi ®é pha t¹p t¨ng lªn, hÖ sè ®Çu

®o gi¶m (h×nh 5.6). H×nh 5.6 Sù phô thuéc cña K vµo ®é pha t¹p

-100 0 100 200 300 400 500 ToC

40

80

120 160

180

200

240

600

1020 3.1019

5.10181017/cm3

K

- 97 -

( )( )ν−ν+ν−

=211

1.

d

Yv

Y - lµ m«®un Young.

ν - hÖ sè poisson.

d - träng l−îng riªng vËt liÖu chÕ t¹o d©y.

VËy tÇn sè cùc ®¹i fmax cña dao ®éng khi chiÒu dµi nh¸nh cña ®Çu ®o lµ l b»ng:

l.10

vfmax =

5.4.2. Giíi h¹n mái

BiÕn d¹ng nhiÒu lÇn lµm t¨ng ®iÖn trë ®Çu ®o do hiÖu øng mái, hiÖu øng nµy

cµng lín khi biªn ®é biÕn d¹ng cµng lín.

Giíi h¹n mái ®−îc x¸c ®Þnh bëi sè chu kú biÕn d¹ng N víi biªn ®é cho tr−íc

g©y nªn biÕn thiªn ®iÖn trë b»ng 10-4 øng víi chu kú biÕn d¹ng gi¶ ®Þnh. §èi víi

biªn ®é biÕn d¹ng cì ±2.10-3 giíi h¹n mái n»m trong kho¶ng tõ 104 (constantan) ®Õn

108(isoelastic) chu kú.

5.5. øng suÊt kÕ d©y rung

øng suÊt kÕ d©y rung ®−îc dïng ®Ó theo dâi kiÓm tra çc c«ng tr×nh x©y dùng

nh− ®Ëp, cÇu, ®−êng hÇm ...

CÊu t¹o cña øng suÊt kÕ d©y rung gåm mét d©y thÐp c¨ng gi÷a hai gi¸ g¾n vµo

cÊu tróc cÇn nghiªn cøu biÕn d¹ng. Khi cã biÕn d¹ng, sù c¨ng c¬ häc cña d©y kÐo

theo sù thay ®æi tÇn sè dao ®éng N cña d©y, b»ng çch ®o tÇn sè dao ®éng cña d©y

cã thÓ biÕt ®−îc ®é lín cña biÕn d¹ng.

TÇn sè dao ®éng cña sîi d©y x¸c ®Þnh theo c«ng thøc:

Sd

F

l2

1N = (5.11)

l - kho¶ng çch gi÷a hai ®iÓm c¨ng d©y.

F - lùc t¸c dông.

S - tiÕt diÖn d©y.

d - khèi l−îng riªng cña vËt liÖu chÕ t¹od©y.

D−íi t¸c dông cña lùc F, ®é dµi d©y biÕn thiªn mét l−îng ∆l x¸c ®Þnh tõ biÓu thøc:

S

F

Y

1

l

l=

∆ (5.12)

- 98 -

Do ®ã tÇn sè dao ®éng cña d©y:

l

l

d

Y

l2

1N

∆=

Suy ra:

222

N.KNY

dl4

l

l==

∆ (5.13)

Gi¶ sö ∆l0 lµ ®é kÐo dµi ban ®Çu vµ N0 lµ tÇn sè t−¬ng øng khi ch−a cã biÕn d¹ng:

20

0 N.Kl

l=

∆

Khi cã biÕn d¹ng, ®é kÐo dµi tæng céng cña d©y lµ ∆l1 vµ tÇn sè lµ N1, ta cã:

21

1 N.Kl

l=

∆

V× ®é kÐo dµi do biÕn d¹ng ∆l = ∆l1 - ∆l0, suy ra:

( )20

21 NNK

l

l−=

∆ (5.14)

§o N0 vµ N1 ta cã thÓ tÝnh ®−îc biÕn d¹ng cña cÊu tróc.

- 99 -

Ch−¬ng VI

C¶m biÕn ®o lùc

6.1. Nguyªn lý ®o lùc

X¸c ®Þnh øng lùc c¬ häc t¸c ®éng lªn çc cÊu tróc trong nh÷ng ®iÒu kiÖn x¸c

®Þnh lµ vÊn ®Ò hµng ®Çu trong viÖc ®¸nh gi¸ ®é an toµn cho ho¹t ®éng cña m¸y mãc,

thiÕt bÞ.

Theo ®Þnh luËt c¬ b¶n cña ®éng lùc häc, lùc ®−îc x¸c ®Þnh bëi biÓu thøc:

aMF = (6.1)

Trong ®ã:

F - lùc t¸c dông (N).

M - khèi l−îng cña vËt (kg).

a - gia tèc cña vËt (m/s2).

Theo c«ng thøc (6.1), khi mét lùc cã c−êng ®é F (N) t¸c ®éng vµo mét vËt cã

khèi l−îng M (kg) sÏ g©y ra gia tèc a (m/s2).

Nguyªn t¾c ®o lùc lµ lµm c©n b»ng lùc cÇn ®o víi mét lùc ®èi kh¸ng sao cho

lùc tæng céng vµ momen tæng cña chóng b»ng kh«ng.

Trong çc c¶m biÕn ®o lùc th−êng cã mét vËt trung gian chÞu t¸c ®éng cña lùc

cÇn ®o vµ biÕn d¹ng. BiÕn d¹ng cña vËt trung gian lµ nguyªn nh©n g©y ra lùc ®èi

kh¸ng vµ trong giíi h¹n ®µn håi biÕn d¹ng tØ lÖ víi lùc ®èi kh¸ng.

BiÕn d¹ng vµ lùc g©y ra biÕn d¹ng cã thÓ ®o trùc tiÕp b»ng c¶m biÕn biÕn d¹ng,

hoÆc ®o gi¸n tiÕp nÕu mét trong nh÷ng tÝnh chÊt ®iÖn cña vËt liÖu chÕ t¹o vËt trung

gian phô thuéc vµo biÕn d¹ng.

Ta còng cã thÓ x¸c ®Þnh mét lùc b»ng çch c©n b»ng nã víi mét lùc ®· biÕt.

Theo c«ng thøc x¸c ®Þnh träng lùc cña mét vËt trong träng tr−êng tr¸i ®Êt:

gMP =

Trong m«i tr−êng cã g biÕt tr−íc, c©n khèi l−îng M cña vËt ta cã thÓ x¸c ®Þnh

®−îc träng lùc cña vËt ®ã, ng−îc l¹i nÕu sö dông mét vËt cã khèi l−îng ®· biÕt sÏ cã

®−îc mét lùc x¸c ®Þnh. §©y chÝnh lµ nguyªn t¾c chuÈn c¶m biÕn b»ng m¸y ®o cã

khèi l−îng treo.

Trong ch−¬ng nµy nghiªn cøu çc bé c¶m biÕn ®o lùc phæ biÕn nh− c¶m biÕn

¸p ®iÖn, c¶m biÕn tõ gi¶o, c¶m biÕn dùa trªn phÐp ®o dÞch chuyÓn, c¶m biÕn xóc

gi¸c.

- 100 -

6.2. C¶m biÕn ¸p ®iÖn


C¶m biÕn ¸p ®iÖn ho¹t ®éng dùa trªn nguyªn lý cña hiÖu øng ¸p ®iÖn.

PhÇn tö c¬ b¶n cña mét c¶m biÕn ¸p ®iÖn cã cÊu t¹o t−¬ng tù mét tô ®iÖn ®−îc

chÕ t¹o b»ng çch phñ hai b¶n cùc lªn hai mÆt ®èi diÖn cña mét phiÕn vËt liÖu ¸p

®iÖn máng. VËt liÖu ¸p ®iÖn th−êng dïng lµ th¹ch anh v× nã cã tÝnh æn ®Þnh vµ ®é

cøng cao. Tuy nhiªn hiÖn nay vËt liÖu gèm (vÝ dô gèm PZT) do cã −u ®iÓm ®é bÒn

vµ ®é nh¹y cao, ®iÖn dung lín, Ýt chÞu ¶nh h−ëng cña ®iÖn tr−êng ký sinh, dÔ s¶n

xuÊt vµ gi¸ thµnh chÕ t¹o thÊp còng ®−îc sö dông ®¸ng kÓ.

§Æc tr−ng vËt lý cña mét sè vËt liÖu ¸p ®iÖn ®−îc tr×nh bµy trªn b¶ng 6.1.

B¶ng 6.1

VËt liÖu

§é thÈm thÊu

§iÖn trë suÊt

(Ω.m)

Modun Young

(109 N.m-2)

øng lùc cùc ®¹i

(107 N.m-2)

NhiÖt ®é lµm viÖc Tmax (

oC) Th¹ch anh ε11=4,5 1012 Y11=80 10 550

Muèi

seignette

ε11=350 >1010 Y11=19,3

Y22=30

1,4 45

L.H. ε11=5,6 >1010 46 1,5 75

PZT5A ε11=1.700 1011 Y33=53 7-8 365

D−íi t¸c dông cña lùc c¬ häc, tÊm ¸p ®iÖn bÞ biÕn d¹ng, lµm xuÊt hiÖn trªn hai

b¶n cùc çc ®iÖn tÝch tr¸i dÊu. HiÖu ®iÖn thÕ xuÊt hiÖn gi÷a hai b¶n cùc tØ lÖ víi lùc

t¸c dông.

Çc biÕn d¹ng c¬ b¶n x¸c ®Þnh chÕ ®é lµm viÖc cña b¶n ¸p ®iÖn. Trªn h×nh 6.1

biÓu diÔn çc biÕn d¹ng c¬ b¶n cña b¶n ¸p ®iÖn.

H×nh 6.1 Çc d¹ng biÕn d¹ng c¬ b¶n

a) Theo chiÒu däc b) Theo chiÒu ngang c) C¾t theo bÒ dµy d) C¾t theo bÒ mÆt

+−

+ −

+−

− +

a) b)

c) d)

- 101 -

Trong nhiÒu tr−êng hîp çc b¶n ¸p ®iÖn ®−îc ghÐp thµnh bé theo çch ghÐp

nèi tiÕp hoÆc song song.

Tr−êng hîp ghÐp song song hai b¶n ¸p ®iÖn (h×nh 6.2a), ®iÖn dung cña c¶m

biÕn t¨ng gÊp ®«i so víi tr−êng hîp mét b¶n ¸p ®iÖn. Khi ghÐp nèi tiÕp (h×nh 6.2b)

®iÖn ¸p hë m¹ch vµ trë kh¸ng trong t¨ng gÊp ®«i nh−ng ®iÖn dung gi¶m xuèng cßn

mét nöa. Nh÷ng nguyªn t¾c trªn ¸p dông cho c¶ tr−êng hîp ghÐp nhiÒu b¶n ¸p ®iÖn

víi nhau nh− biÓu diÔn trªn h×nh 6.2c.

6.2.2. C¶m biÕn th¹ch anh kiÓu vßng ®Öm

Çc c¶m biÕn th¹ch anh kiÓu vßng ®Öm cã cÊu t¹o nh− h×nh 6.3, chóng gåm

çc phiÕn c¾t h×nh vßng ®Öm ghÐp víi nhau vµ chØ nh¹y víi lùc nÐn t¸c dông däc

theo trôc.

Giíi h¹n trªn cña d¶i ®o phô thuéc vµo diÖn tÝch bÒ mÆt cña çc vßng ®Öm, cì

tõ vµi kN (víi ®−êng kÝnh ~ 1 cm) ®Õn 103 kN ( víi ®−êng kÝnh ~ 10 cm).

Ng−êi ta còng cã thÓ dïng c¶m biÕn lo¹i nµy ®Ó ®o lùc kÐo b»ng çch t¹o lùc

nÐn ®Æt tr−íc (dïng çc bul«ng xiÕt chÆt çc vßng ®Öm), khi ®ã lùc kÐo ®−îc ®o nh−

sù sôt gi¶m cña lùc nÐn. Tuy nhiªn, khi ®ã ®é nh¹y gi¶m 5 - 10%.

+ − + −

+ −

+ − + −

+ − −

+ − + − + − + − + − + − + − + −

+

H×nh 6.2 Çch ghÐp çc phÇn tö ¸p ®iÖn a) Hai phÇn tö song song b) Hai phÇn tö nèi tiÕp c) NhiÒu phÇn tö song song

H×nh 6.3 CÊu t¹o cña c¶m biÕn vßng ®Öm th¹ch anh 1) Çc vßng ®Öm 2) Çc tÊm ®Õ 3) §Çu nèi d©y

1

2 3

a)

b) c)

- 102 -

6.2.3. C¶m biÕn th¹ch anh nhiÒu thµnh phÇn

Trong c¶m biÕn lo¹i nµy, çc vßng ®Öm th¹ch anh ®−îc c¾t theo çc h−íng

kh¸c nhau, khi ®ã chóng chØ nh¹y víi mét h−íng x¸c ®Þnh cña lùc.

Th¹ch anh cã n¨m hÖ sè ®iÖn ¸p d11, d12, d14, d25, d26, do ®ã mét vßng ®Öm c¾t

theo ph−¬ng cña trôc X chØ nh¹y víi lùc nÐn (v× cã d11), çc lùc ký sinh t¸c ®éng

theo c¹nh bªn ®Òu kh«ng g©y nªn hiÖu øng víi vßng ®Öm vµ çc øng lùc mµ hiÖu

øng cña chóng liªn quan ®Õn d12, d14 sÏ kh«ng cã mÆt. T−¬ng tù nh− vËy, mét vßng

®Öm c¾t theo ph−¬ng Y chØ nh¹y víi lùc c¾t theo bÒ dµy (v× cã d26) vµ b»ng çch l¾p

ghÐp hîp lý cã thÓ lo¹i trõ hiÖu øng cña çc øng lùc liªn quan ®Õn d25 (c¾t theo mÆt).

Hai mÆt c¾t ®Æc biÖt nµy biÓu diÔn trªn h×nh 6.4b, chóng ®−îc sö dông ®Ó chÕ t¹o

çc c¶m biÕn th¹ch anh nhiÒu thµnh phÇn.

Trªn h×nh 6.4c biÓu diÔn mét c¶m biÕn ba thµnh phÇn vu«ng gãc gåm ba cÆp

vßng trßn ghÐp víi nhau, mét cÆp nh¹y víi lùc nÐn Fx, hai mÆt cßn l¹i nh¹y víi lùc

c¾t Fy vµ Fz vu«ng gãc víi Fx.

6.2.4. S¬ ®å m¹ch ®o

a) S¬ ®å t−¬ng ®−¬ng cña c¶m biÕn

b)

dQ dt

Rg CgdQ dt

ρ

λ

γ

Rg Cg

a) c)

H×nh 6.5 S¬ ®å t−¬ng ®−¬ng cña c¶m biÕn ¸p ®iÖn a) Trong d¶i th«ng réng b) Trong d¶i th«ng cã Ých c) Nèi víi m¹ch ngoµi

dQ dt

RS CS

1gs R

1

R

1

R

1+=

1gS CCC +=

x

y

z

H×nh 6.4 C¶m biÕn th¹ch anh nhiÒu thµnh phÇn a) Ký hiÖu çc trôc b) Çc phiÕn c¾t ®Æc biÖt c) C¶m biÕn ba thµnh phÇn vu«ng gãc

a) b) c)

- 103 -

Trong d¶i th«ng réng, c¶m biÕn t−¬ng ®−¬ng víi mét nguån dßng m¾c song

song víi trë kh¸ng trong (gåm ba nh¸nh) cña c¶m biÕn (h×nh6.5a). Nh¸nh ρ, λ, γ

®Æc tr−ng cho céng h−ëng ®iÖn c¬ thø nhÊt ë tÇn sè cao n»m ngoµi d¶i th«ng cña

c¶m biÕn. §iÖn trë trong Rg lµ ®iÖn trë çch ®iÖn cña vËt liÖu ¸p ®iÖn, khi ë tÇn sè

thÊp nã trë thµnh trë kh¸ng trong cña c¶m biÕn. Tô ®iÖn Cg lµ ®iÖn dung cña nguån

ph¸t ®iÖn tÝch, khi ë tÇn sè trung b×nh vµ cao nã trë thµnh trë kh¸ng cña c¶m biÕn.

Trªn thùc tÕ ë d¶i th«ng th−êng sö dông, ng−êi ta dïng m¹ch t−¬ng ®−¬ng

biÓu diÔn ë h×nh 6.5b.

Khi nèi c¶m biÕn víi m¹ch ngoµi b»ng çp dÉn, trë kh¸ng cña çp dÉn t−¬ng

®−¬ng ®iÖn trë R1 vµ tô ®iÖn C1 m¾c song song víi c¶m biÕn, khi ®ã m¹ch t−¬ng

®−¬ng cã d¹ng h×nh 6.5c.

b) S¬ ®å khuÕch ®¹i ®iÖn ¸p

Trë kh¸ng vµo cña bé khuÕch ®¹i ®iÖn ¸p t−¬ng ®−¬ng víi mét ®iÖn trë Re m¾c

song song víi mét tô Ce, khi ®ã m¹ch t−¬ng ®−¬ng cã d¹ng h×nh 6.6.

§iÖn ¸p ë lèi vµo cña khuÕch ®¹i x¸c ®Þnh bëi c«ng thøc:

PCR1

PCR.

C

QV

eqeq

eqeq

qm +=

c) S¬ ®å khuÕch ®¹i ®iÖn tÝch

Trong m¹ch khuÕch ®¹i ®iÖn tÝch, sù di chuyÓn cña ®iÖn tÝch ë lèi vµo sÏ g©y

nªn ë lèi ra mét ®iÖn ¸p tØ lÖ víi ®iÖn tÝch ®Çu vµo. Bé khuÕch ®¹i ®iÖn tÝch gåm mét

bé biÕn ®æi ®iÖn tÝch - ®iÖn ¸p ®Çu vµo, mét tÇng chuÈn ®é nh¹y, mét bé läc trung

gian vµ mét sè tÇng khuÕch ®¹i ë ®Çu ra ®Ó cung cÊp tÝn hiÖu ra (h×nh 6.7a).

dQ dt RS CS Re Ce

Vm

C¶m biÕn vµ çp nèi Trë kh¸ng vµo vµ khuÕc ®¹i ®iÖn thÕ

H×nh 6.6 S¬ ®å t−¬ng ®−¬ng cña c¶m biÕn m¾c nèi tiÕp víi bé khuÕch ®¹i ®iÖn thÕ

Vm dQ dt

Req Ceq

eSeq R

1

R

1

R

1+=

eSeq CCC +=

- 104 -

S¬ ®å m¹ch ghÐp nèi c¶m biÕn víi bé chuyÓn ®æi ®iÖn ¸p - ®iÖn tÝch tr×nh bµy

trªn h×nh 6.7b.

6.3. C¶m biÕn tõ gi¶o

6.3.1. HiÖu øng tõ gi¶o

D−íi t¸c ®éng cña tõ tr−êng, mét sè vËt liÖu s¾t tõ thay ®æi tÝnh chÊt h×nh häc

hoÆc tÝnh chÊt c¬ häc (hÖ sè Young). HiÖn t−îng nµy ®−îc gäi lµ hiÖu øng tõ gi¶o.

Khi cã t¸c dông cña lùc c¬ häc g©y ra øng lùc trong vËt liÖu s¾t tõ lµm thay ®æi

®−êng cong tõ ho¸ cña chóng, khi ®ã dùa vµo sù thay ®æi cña ®é tõ thÈm hoÆc tõ d−

cã thÓ x¸c ®Þnh®−îc ®é lín cña lùc t¸c dông. §©y lµ hiÖu øng tõ gi¶o nghÞch.

- C¬ chÕ tõ ho¸: Nh− chóng ta ®· biÕt trong vËt liÖu s¾t tõ, mçi nguyªn tö ®−îc

®Æc tr−ng bëi mét m«men tõ. §Ó gi¶m thiÓu n¨ng l−îng tæng céng, momen tõ cña

çc nguyªn tö trong cïng mét miÒn tõ ho¸ tù nhiªn (domen) ph¶i h−íng theo mét

h−íng chung. H−íng chung nµy ®Þnh h−íng theo mét sè h−íng −u tiªn cña m¹ng

tinh thÓ gäi lµ h−íng dÔ tõ ho¸. H−íng cña çc m«men tõ trong çc domen c¹nh

nhau kh«ng trïng nhau.

Khi cã tõ tr−êng ngoµi H t¸c ®éng, sù ®Þnh h−íng cña m« men tõ trong mét

domen theo mét h−íng chung t¨ng dÇn. Khi H nhá, çc v¸ch domen tõ dÞch chuyÓn

§Çu vµo (®iÖn tÝch) §Çu ra (®iÖn ¸p)

Bé chuyÓn ®æi ®iÖn tÝch

ChuÈn ®é nh¹y vµ khuÕch ®¹i vi sai

Bé läc

Bé khuÕch ®¹i ®Çu ra

a)

H×nh 6.7 S¬ ®å khuÕch ®¹i ®iÖn tÝch a) S¬ ®å khèi b) S¬ ®å ghÐp nèi c¶m biÕn vµ bé chuyÓn ®æi ®iÖn tÝch - ®iÖn ¸p

Vε dQ dt

RS CS V0

+Q −Q

Cr

b)

- 105 -

vµ kÝch th−íc cña çc domen tõ cã h−íng tõ ho¸ thuËn lîi trïng víi h−íng cña tõ

tr−êng bªn ngoµi t¨ng lªn. Khi tõ tr−êng ngoµi t¨ng lªn ®Õn møc nµo ®ã x¶y ra hiÖn

t−îng ®¶o h−íng cña çc domen theo h−íng tõ tr−êng ngoµi. Khi tõ tr−êng ngoµi ®ñ

m¹nh sÏ lµm quay h−íng dÔ tõ ho¸ cña çc domen tõ theo h−íng tõ tr−êng ngoµi

dÉn ®Õn b¶o hoµ (hinhd 6.8a).

- HiÖn t−îng tõ trÓ: Sau khi tõ ho¸ lÇn ®Çu ®Õn b¶o hoµ (H = Hm), nÕu vÉn gi÷

nguyªn ph−¬ng tõ tr−êng vµ thùc hiÖn mét chu tr×nh khÐp kÝn (Hm,0,- Hm,0) ta nhËn

®−îc ®−êng cong tõ ho¸ nh− h×nh 6.8b gäi lµ ®−êng cong tõ trÓ víi ®é tõ d− Br lµ

kh¸ng tõ Hc.

6.3.2. C¶m biÕn tõ thÈm biÕn thiªn

CÊu t¹o cña c¶m biÕn gåm mét cuén d©y cã lâi tõ hîp víi mét khung s¾t tõ t¹o

thµnh mét m¹ch tõ kÝn (h×nh 6.10). D−íi t¸c dông cña lùc F, lâi tõ bÞ biÕn d¹ng kÐo

B

H

B

H

Br

Hc

H×nh 6.8 §−êng cong tõ ho¸ a) Tõ ho¸ lÇn ®Çu b) Chu tr×nh tõ trÔ

Khi trong vËt liÖu s¾t tõ cã

øng lùc, kÝch th−íc m¹ng tinh

thÓ thay ®æi, çc h−íng dÔ tõ

ho¸ thay ®æi dÉn ®Õn lµm thay

®æi ®Þnh h−íng cña çc domen.

HiÖn t−îng nµy gäi lµ hiÖu øng

tõ gi¶o nghÞch.

Trªn h×nh 6.9 biÓu diÔn

¶nh h−ëng cña øng lùc ®Õn

®−êng cong tõ ho¸ cña

permalloy 68.

B(Wb/m2)

σ=0

σ=20N/mm2

H×nh 6.9 Sù biÕn d¹ng cña ®−êng cong tõ ho¸ d−íi t¸c dông cña lùc kÐo

H (A/m)

a) b)

- 106 -

theo sù thay ®æi ®é tõ thÈm µ, lµm cho tõ trë m¹ch tõ thay ®æi do ®ã ®é tù c¶m cña

cuén d©y còng thay ®æi. Sù thay ®æi t−¬ng ®èi cña L, R hoÆc µ tØ lÖ víi øng lùc σ,

tøc lµ víi lùc cÇn ®o F:

σ=∆

=∆

=µµ∆

.KL

L

R

R

6.3.3. C¶m biÕn tõ d− biÕn thiªn

PhÇn tö c¬ b¶n cña c¶m biÕn tõ d− biÕn thiªn lµ mét lâi tõ lµm b»ng Ni tinh

khiÕt cao, cã tõ d− Br. D−íi t¸c dông cña lùc cÇn ®o, thÝ dô lùc nÐn (dσ < 0), Br t¨ng

lªn:

2

29r

m.N

m.Wb10.5,1

d

dB−

−−−=

σ

Sù thay ®æi cña tõ th«ng sÏ lµm xuÊt hiÖn trong cuén d©y mét suÊt ®iÖn ®éng tØ lÖ

víi dBr/dt. BiÓu thøc cña ®iÖn ¸p hë m¹ch cã d¹ng:

dt

d

d

dBK

dt

dBKV rr

mσ

σ==

Trong ®ã K lµ hÖ sè tØ lÖ víi sè vßng d©y vµ tiÕt diÖn vßng d©y.

6.4. C¶m biÕn ®o lùc dùa trªn phÐp ®o dÞch chuyÓn

Trong c¶m biÕn lo¹i nµy, lùc cÇn ®o t¸c dông lªn vËt trung gian vµ g©y nªn sù

thay ®æi kÝch th−íc ∆l cña nã. Sù thay ®æi kÝch th−íc ®−îc ®o b»ng mét c¶m biÕn

dÞch chuyÓn. Khi ®ã tÝn hiÖu ra Vm vµ lùc t¸c dông ®−îc biÓu diÔn b»ng biÓu thøc:

F

l

l

V

F

V mm ∆∆

=

Trong ®ã:

- Vm/∆l gäi lµ tØ sè truyÒn ®¹t cña c¶m biÕn.

- ∆l/F gäi lµ ®é mÒm cña vËt trung gian.

H×nh 6.10 C¶m biÕn tõ gi¶o cã tõ thÈm biÕn thiªn

F

F

- 107 -

VËt trung gian lµ vßng ®o lùc, çc dÇm d¹ng console hoÆc lß xo.

Tuú theo ®iÒu kiÖn sö dông cã thÓ sö dông nhiÒu lo¹i c¶m biÕn dÞch chuyÓn kh¸c

nhau nh−:

- §iÖn thÕ kÕ ®iÖn trë.

- C¶m biÕn tõ trë biÕn thiªn.

- C¶m biÕn tô ®iÖn.

6.5. C¶m biÕn xóc gi¸c

PhÇn chÝnh cña c¶m biÕn lµ mét ®Õ çch ®iÖn trªn ®ã cã mét l−íi dÉn ®iÖn

(h×nh 6.11a) ®−îc ®Æt d−íi ®iÖn ¸p V. L−íi ®iÖn gåm hai hÖ thèng d©y dÉn (X1,

X2,...) vµ (Y1, Y2,...) vu«ng gãc víi nhau t¹o thµnh nh÷ng « vu«ng nhá, mçi « vu«ng

nhá ®Òu cã mét ®iÖn cùc ®−îc çch ®iÖn víi d©y dÉn cña l−íi bao quanh nã, çc

®iÖn cùc nµy nèi víi ®Êt th«ng qua m¹ch ®o dßng. MÆt trªn cña hÖ thèng ®−îc phñ

cao su cã pha çc h¹t dÉn ®iÖn. Khi cã lùc nÐn t¸c dông lªn mét phÇn nµo ®ã cña

tÊm cao su, kho¶ng çch gi÷a çc h¹t dÉn ®iÖn ë phÇn ®ã ng¾n l¹i, ®iÖn trë gi¶m

xuèng, dßng ®iÖn t¨ng lªn (h×nh 6.11b). To¹ ®é cña vïng cã dßng ®iÖn t¨ng lªn sÏ

x¸c ®Þnh vÞ trÝ cña lùc t¸c dông vµ gi¸ trÞ cña nã x¸c ®Þnh gi¸ trÞ cña lùc.

F

I0 I0 I1 I2 I0

H×nh 6.11 C¶m biÕn xóc t¸c a) HÖ thèng cùc ®o b) T¸c dông cña lùc lªn ®iÖn cùc

a) b)

- 108 -

Ch−¬ng VII

c¶m biÕn vËn tèc, gia tèc vµ rung

7.1. C¶m biÕn ®o vËn tèc

7.1.1. Nguyªn lý ®o vËn tèc

Trong c«ng nghiÖp, phÇn lín tr−êng hîp ®o vËn tèc lµ ®o tèc ®é quay cña

m¸y. §é an toµn còng nh− chÕ ®é lµm viÖc cña m¸y phô thuéc rÊt lín vµo tèc ®é

quay. Trong tr−êng hîp chuyÓn ®éng th¼ng, viÖc ®o vËn tèc dµi còng th−êng ®−îc

chuyÓn vÒ ®o tèc ®é quay. Bëi vËy, çc c¶m biÕn ®o vËn tèc gãc ®ãng vai trß quan

träng trong viÖc ®o vËn tèc.

§Ó ®o vËn tèc gãc th−êng øng dông çc ph−¬ng ph¸p sau ®©y:

- Sö dông tèc ®é kÕ vßng kiÓu ®iÖn tõ: nguyªn lý ho¹t ®éng dùa trªn hiÖn t−îng

c¶m øng ®iÖn tõ. C¶m biÕn gåm cã hai phÇn: phÇn c¶m (nguån tõ th«ng) vµ phÇn

øng (phÇn cã tõ th«ng ®i qua). Khi cã chuyÓn ®éng t−¬ng ®èi gi÷a phÇn c¶m vµ

phÇn øng, tõ th«ng ®i qua phÇn øng biÕn thiªn, trong nã xuÊt hiÖn suÊt ®iÖn ®éng

c¶m øng x¸c ®Þnh theo c«ng thøc:

dt

de

Φ−=

Th«ng th−êng tõ th«ng qua phÇn øng cã d¹ng:

( ) ( )xFx 0Φ=Φ

Trong ®ã x lµ biÕn sè cña vÞ trÝ thay ®æi theo vÞ trÝ gãc quay hoÆc theo ®−êng th¼ng,

khi ®ã suÊt ®iÖn ®éng e xuÊt hiÖn trong phÇn øng cã d¹ng:

dt

dx

dx

)x(dFe 0Φ−=

SuÊt ®iÖn ®éng nµy tØ lÖ víi vËn tèc cÇn ®o.

- Sö dông tèc ®é kÕ vßng lo¹i xung: lµm viÖc theo nguyªn t¾c ®o tÇn sè chuyÓn

®éng cña phÇn tö chuyÓn ®éng tuÇn hoµn, vÝ dô chuyÓn ®éng quay. C¶m biÕn lo¹i

nµy th−êng cã mét ®Üa ®−îc m· ho¸ g¾n víi trôc quay, ch¼ng h¹n gåm çc phÇn

trong suèt xen kÏ çc phÇn kh«ng trong suèt. Cho chïm s¸ng chiÕu qua ®Üa ®Õn mét

®Çu thu quang, xung ®iÖn lÊy tõ ®Çu thu quang cã tÇn sè tØ lÖ víi vËn tèc quay cÇn

®o.

7.1.2. Tèc ®é kÕ ®iÖn tõ

a) Tèc ®é kÕ ®iÖn tõ ®o vËn tèc gãc

- 109 -

- Tèc ®é kÕ dßng mét chiÒu:

S¬ ®å cÊu t¹o cña mét tèc ®é kÕ dßng mét chiÒu biÓu diÔn trªn h×nh 7.1.

Stato (phÇn c¶m) lµ mét nam ch©m ®iÖn hoÆc nam ch©m vÜnh cöu, roto (phÇn

øng) lµ mét trôc s¾t gåm nhiÒu líp ghÐp l¹i, trªn mÆt ngoµi roto xÏ çc r·nh song

song víi trôc quay vµ çch ®Òu nhau. Trong çc r·nh ®Æt çc d©y dÉn b»ng ®ång gäi

lµ d©y chÝnh, çc d©y chÝnh ®−îc nèi víi nhau tõng ®«i mét b»ng çc d©y phô. Cæ

gãp lµ mét h×nh trô trªn mÆt cã g¾n çc l¸ ®ång çch ®iÖn víi nhau, mçi l¸ nèi víi

mét d©y chÝnh cña roto. Hai chæi quÐt Ðp s¸t vµo cæ gãp ®−îc bè trÝ sao cho t¹i mét

thêi ®iÓm chóng lu«n tiÕp xóc víi hai l¸ ®ång ®èi diÖn nhau.

Khi r« to quay, suÊt ®iÖn ®éng xuÊt hiÖn trong mét d©y dÉn x¸c ®Þnh theo biÓu

thøc:

dt

de i

iφ

−=

Trong ®ã dφi lµ tõ th«ng mµ d©y dÉn c¾t qua trong thêi gian dt:

iNcici BdSBdSdd ==φ

dSc lµ tiÕt diÖn bÞ c¾t trong kho¶ng thêi gian dt:

rdtllvdtdSc ω==

Trong ®ã:

l - chiÒu dµi d©y dÉn.

v - vËn tèc dµi cña d©y.

ω - vËn tèc gãc cña d©y.

r - b¸n kÝnh quay cña d©y.

BiÓu thøc cña suÊt ®iÖn ®éng xuÊt hiÖn trong mét d©y:

iNi rlBe ω−=

H×nh 7.1 S¬ ®å cÊu t¹o cña m¸y ph¸t dßng mét chiÒu 1) Stato 2) R«to 3) Cæ gãp 4) Chæi quÐt

1

N S

2

34

- 110 -

SuÊt ®iÖn ®éng øng víi mét nöa sè d©y ë bªn ph¶i ®−êng trung tÝnh:

00p nNN2

E φ−=φπω

−=

N - tæng sè d©y chÝnh trªn roto.

n - sè vßng quay trong mét gi©y.

φ0 - lµ tõ th«ng xuÊt ph¸t tõ cùc nam ch©m.

T−¬ng tù tÝnh ®−îc suÊt ®iÖn ®éng øng víi mét nöa sè d©y ë bªn tr¸i:

0t nNE φ= (7.1)

Nguyªn t¾c nèi d©y lµ nèi thµnh hai côm, trong mçi côm çc d©y m¾c nèi tiÕp

víi nhau, cßn hai côm th× m¾c ng−îc pha nhau.

b) Tèc ®é kÕ dßng xoay chiÒu

- M¸y ph¸t ®ång bé:

S¬ ®å cÊu t¹o cña mét tèc ®é kÕ dßng xoay chiÒu kiÓu m¸y ph¸t ®ång bé biÓu

diÔn trªn h×nh 7.2.

Thùc chÊt ®©y lµ mét m¸y ph¸t ®iÖn xoay chiÒu nhá. Roto (phÇm c¶m) cña

m¸y ph¸t lµ mét nam ch©m hoÆc tæ hîp cña nhiÒu nam ch©m nhá. PhÇn øng gåm

çc cuén d©y bè trÝ çch ®Òu trªn mÆt trong cña stato lµ n¬i cung cÊp suÊt ®iÖn ®éng

c¶m øng h×nh sin cã biªn ®é tØ lÖ víi tèc ®é quay cña roto.

tsinEe Ω= (7.2)

Trong ®ã ω= 1KE , ω=Ω 2K , K1 vµ K2 lµ çc th«ng sè ®Æc tr−ng cho m¸y ph¸t.

Gi¸ trÞ cña ω cã thÓ tÝnh ®−îc theo E hoÆc Ω.

- X¸c ®Þnh ω tõ biªn ®é suÊt ®iÖn ®éng:

Cuén c¶m øng cã trë kh¸ng trong:

Ω+= iii jLRZ

H×nh 7.2 S¬ ®å cÊu t¹o cña m¸y ph¸t ®ång bé 1) Stato 2) R«to

N

S

N

N

S

S1

21

2

- 111 -

Trong ®ã Ri, Li lµ ®iÖn trë vµ tù c¶m cña cuén d©y. §iÖn ¸p ë hai ®Çu cuén øng víi

t¶i R cã gi¸ trÞ:

( ) ( ) ( ) ( )2i2

2i

1

2i

2i LKRR

RK

LRR

REU

ω++

ω=

Ω++= (7.3)

Tõ biÓu thøc (7.3), ta thÊy ®iÖn ¸p U kh«ng ph¶i lµ hµm tuyÕn tÝnh cña tèc ®é

quay ω. §iÒu kiÖn ®Ó sö dông m¸y ph¸t nh− mét c¶m biÕn vËn tèc lµ R>>Zi ®Ó sao

cho cã thÓ coi U ≈ E.

§iÖn ¸p ë ®Çu ra ®−îc chØnh l−u thµnh ®iÖn ¸p mét chiÒu, ®iÖn ¸p nµy kh«ng

phô thuéc chiÒu quay vµ hiÖu suÊt läc gi¶m khi tÇn sè thÊp. MÆt kh¸c, sù cã mÆt cña

bé läc lµm t¨ng thêi gian håi ®¸p cña c¶m biÕn.

- X¸c ®Þnh b»ng çch ®o tÇn sè cña suÊt ®iÖn ®éng: ph−¬ng ph¸p nµy cã −u ®iÓm lµ

tÝn hiÖu cã thÓ truyÒn ®i xa mµ sù suy gi¶m tÝn hiÖu kh«ng ¶nh h−ëng tíi ®é chÝnh

x¸c cña phÐp ®o.

- M¸y ph¸t kh«ng ®ång bé:

CÊu t¹o cña m¸y ph¸t kh«ng ®ång bé t−¬ng tù nh− ®éng c¬ kh«ng ®ång bé hai

pha (h×nh 7.3).

Roto lµ mét ®Üa h×nh trô kim lo¹i máng vµ dÞ tõ quay cïng tèc ®é víi trôc cÇn

®o, khèi l−îng vµ qu¸n tÝnh cña nã kh«ng ®¸ng kÓ.

Stato lµm b»ng thÐp tõ tÝnh, trªn ®ã bè trÝ hai cuén d©y, mét cuén lµ cuén kÝch

thÝch ®−îc cung cÊp ®iÖn ¸p Vc cã biªn ®é Ve vµ tÇn sè ωe æn ®Þnh tcosVV eec ω= .

Cuén d©y thø hai lµ cuén d©y ®o. Gi÷a hai ®Çu ra cña cuén nµy xuÊt hiÖn mét

suÊt ®iÖn ®éng em cã biªn ®é tØ lÖ víi tèc ®é gãc cÇn ®o:

( ) ( )ϕ+ωω=ϕ+ω= tcosVktcosEe eeemm

ω

2

3

2

Ve

em

H×nh 7.3 S¬ ®å cÊu t¹o m¸y ph¸t kh«ng ®ång bé 1) Cuén kÝch 2) R«to 3) Cuén ®o

- 112 -

Trong ®ã k lµ h»ng sè phô thuéc vµo kÕt cÊu cña m¸y, ϕ lµ ®é lÖch pha.

c) Tèc ®é kÕ ®iÖn tõ ®o vËn tèc dµi

Khi ®o vËn tèc dµi, víi ®é dÞch chuyÓn lín cña vËt kh¶o s¸t (> 1m) th−êng

chuyÓn thµnh ®o vËn tèc gãc. Tr−êng hîp ®o vËn tèc cña dÞch chuyÓn th¼ng nhá cã

thÓ dïng c¶m biÕn vËn tèc dµi gåm hai phÇn tö c¬ b¶n: mét nam ch©m vµ mét cuén

d©y. Khi ®o, mét phÇn tö ®−îc gi÷ cè ®Þnh, phÇn tö thø hai liªn kÕt víi vËt chuyÓn

®éng. ChuyÓn ®éng t−¬ng ®èi gi÷a cuén d©y vµ nam ch©m lµm xuÊt hiÖn trong cuén

d©y mét suÊt ®iÖn ®éng tØ lÖ víi vËn tèc cÇn ®o.

S¬ ®å c¶m biÕn cã cuén d©y di ®éng biÓu diÔn trªn h×nh 7.4.

SuÊt ®iÖn ®éng xuÊt hiÖn trong cuén d©y cã d¹ng:

lBvrNBv2e =π=

N - sè vßng d©y.

r - b¸n kÝnh vßng d©y.

B - gi¸ trÞ cña c¶m øng tõ.

v - tèc ®é dÞch chuyÓn cña vßng d©y.

l - tæng chiÒu dµi cña d©y.

Tèc ®é kÕ lo¹i nµy ®o ®−îc ®é dÞch chuyÓn vµi mm víi ®é nh¹y ~ 1V/m.s.

Khi ®é dÞch chuyÓn lín h¬n (tíi 0,5 m) ng−êi ta dïng tèc ®é kÕ cã nam ch©m di

®éng (h×nh 7.5).

C¶m biÕn gåm mét nam ch©m di chuyÓn däc trôc cña hai cuén d©y quÊn ng−îc

chiÒu nhau vµ m¾c nèi tiÕp. Khi nam ch©m di chuyÓn, suÊt ®iÖn ®éng xuÊt hiÖn

trong tõng cuén d©y tØ lÖ víi tèc ®é cña nam ch©m nh−ng ng−îc chiÒu nhau. Hai

cuén d©y ®−îc m¾c nèi tiÕp vµ quÊn ng−îc chiÒu nªn nhËn ®−îc suÊt ®iÖn ®éng ë

®Çu ra kh¸c kh«ng.

H×nh 7.4 C¶m biÕn dïng cuén d©y di ®éng 1) Nam ch©m 2) Cuén d©y

NS S

v

1

2

- 113 -

7.1.3. Tèc ®é kÕ xung

Tèc ®é kÕ xung th−êng cã cÊu t¹o ®¬n gi¶n, ch¾c ch¾n, chÞu ®ùng tèt trong

m«i tr−êng ®éc h¹i, kh¶ n¨ng chèng nhiÔu vµ chèng suy gi¶m tÝn hiÖu cao, dÔ biÕn

®æi tÝn hiÖu sang d¹ng sè.

Tuú thuéc vµo b¶n chÊt cña vËt quay vµ dÊu hiÖu m· ho¸ trªn vËt quay, ng−êi

ta sö dông lo¹i c¶m biÕn thÝch hîp.

- C¶m biÕn tõ trë biÕn thiªn: sö dông khi vËt quay lµ s¾t tõ.

- C¶m biÕn tõ ®iÖn trë: sö dông khi vËt quay lµ mét hay nhiÒu nam ch©m nhá.

- C¶m biÕn quang cïng víi nguån s¸ng: sö dông khi trªn vËt quay cã çc lç,

®−êng v¸t, mÆt ph¶n x¹.

a) Tèc ®é kÕ tõ trë biÕn thiªn

CÊu t¹o cña c¶m biÕn tõ trë biÕn thiªn gåm mét cuén d©y cã lâi s¾t tõ chÞu t¸c

®éng cña mét nam ch©m vÜnh cöu ®Æt ®èi diÖn víi mét ®Üa quay lµm b»ng vËt liÖu

s¾t tõ trªn ®ã cã khÝa r¨ng. Khi ®Üa quay, tõ trë cña m¹ch tõ biÕn thiªn mét çch

tuÇn hoµn lµm cho tõ th«ng qua cuén d©y biªn thiªn, trong cuén d©y xuÊt hiÖn mét

suÊt ®iÖn ®éng c¶m øng cã tÇn sè tØ lÖ víi tèc ®é quay.

3

2

1

H×nh 7.6 S¬ ®å cÊu t¹o cña c¶m biÕn tõ trë biÕn thiªn 1) §Üa quay (b¸nh r¨ng) 2) Cuén d©y 3) Nam ch©m vÜnh cöu

Khe tõ

H×nh 7.5 C¶m biÕn cã lâi tõ di déng a) CÊu t¹o b) S¬ ®å nguyªn lý

1) Nam ch©m 2) Cuén d©y

v

1 2

a) b)

- 114 -

TÇn sè cña suÊt ®iÖn ®éng trong cuén d©y x¸c ®Þnh bëi biÓu thøc:

pnf =

p - sè l−îng r¨ng trªn ®Üa.

n - sè vßng quay cña ®Üa trong mét gi©y.

Biªn ®é E cña suÊt ®iÖn ®éng trong cuén d©y phô thuéc hai yÕu tè:

- Kho¶ng çch gi÷a cuén d©y vµ ®Üa quay: kho¶ng çch cµng lín E cµng nhá.

- Tèc ®é quay: Tèc ®é quay cµng lín, E cµng lín. Khi tèc ®é quay nhá, biªn ®é

E rÊt bÐ vµ khã ph¸t hiÖn, do vËy tån t¹i mét vïng tèc ®é quay kh«ng thÓ ®o ®−îc,

ng−êi ta gäi vïng nµy lµ vïng chÕt.

D¶i ®o cña c¶m biÕn phô thuéc vµo sè r¨ng cña ®Üa. Khi p lín, tèc ®é nmin ®o

®−îc cã gi¸ trÞ bÐ. Khi p nhá, tèc ®é nmax ®o ®−îc sÏ lín. ThÝ dô víi p = 60 r¨ng, d¶i

tèc ®é ®o ®−îc n = 50 - 500 vßng/phót, cßn víi p =15 r¨ng d¶i tèc ®é ®o ®−îc 500 -

10.000 vßng/phót.

b) Tèc ®é kÕ quang

H×nh 7.7 tr×nh bµy s¬ ®å nguyªn lý cña mét tèc ®é kÕ quang ®o tèc ®é quay.

Nguån s¸ng ph¸t tia hång ngo¹i lµ mét diot ph¸t quang (LED). §Üa quay, ®Æt

gi÷a nguån s¸ng vµ ®Çu thu, cã çc lç bè trÝ çch ®Òu trªn mét vßng trßn. §Çu thu lµ

mét photodiode hoÆc phototranzitor. Khi ®Üa quay, ®Çu thu chØ chuyÓn m¹ch khi

nguån s¸ng, lç, nguån ph¸t s¸ng th¼ng hµng. KÕt qu¶ lµ khi ®Üa quay, ®Çu thu quang

nhËn ®−îc mét th«ng l−îng ¸nh s¸ng biÕn ®iÖu vµ ph¸t tÝn hiÖu cã tÇn sè tØ lÖ víi tèc

®é quay nh−ng biªn ®é kh«ng phô thuéc tèc ®é quay.

Trong çc c¶m biÕn quang ®o tèc ®é, ng−êi ta còng cã thÓ dïng ®Üa quay cã

çc vïng ph¶n x¹ ¸nh s¸ng bè trÝ tuÇn hoµn trªn mét vßng trßn ®Ó ph¶n x¹ ¸nh s¸ng

tíi ®Çu thu quang.

1 2

3

4

H×nh 7.7 S¬ ®å nguyªn lý cña tèc ®é kÕ quang 1) Nguån s¸ng 2) ThÊu kÝnh héi tô 3) §Üa quay 4) §Çu thu quang

- 115 -

Ph¹m vi tèc ®é ®o ®−îc phô thuéc vµo hai yÕu tè chÝnh:

- Sè l−îng lç trªn ®Üa.

- D¶i th«ng cña ®Çu thu quang vµ cña m¹ch ®iÖn tö.

§Ó ®o tèc ®é nhá (~ 0,1 vßng/phót) ph¶i dïng ®Üa cã sè l−îng lç lín (500 -

1.000 lç). Trong tr−êng hîp ®o tèc ®é lín ( ~ 105 - 106 vßng/phót) ph¶i sö dông ®Üa

quay chØ mét lç, khi ®ã tÇn sè ng¾t cña m¹ch ®iÖn x¸c ®Þnh tèc ®é cùc ®¹i cã thÓ ®o

®−îc.

7.1.4. M¸y ®o gãc tuyÖt ®èi

M¸y ®o gãc tuyÖt ®èi gåm hai phÇn: phÇn ®éng g¾n liÒn víi trôc quay chøa

cuén s¬ cÊp ®−îc kÝch thÝch b»ng sãng mang cã tÇn sè 2 - 10 kHz qua m¸y biÕn ¸p

quay (h×nh 7.8a). PhÇn tÜnh cã hai d©y quÊn thø cÊp (cuén sin vµ cuén cos) ®Æt lÖch

nhau 90o.

Khi trôc quay, ë ®Çu ra cña hai d©y quÊn thø cÊp ta thu ®−îc hai tÝn hiÖu ®iÒu

biªn UU0sinωtsinθ vµ UU0sinωtcosθ (h×nh 7.8b). §−êng bao cña biªn ®é kªnh tÝn

hiÖu ra chøa th«ng tin vÒ vÞ trÝ tuyÖt ®èi (gãc θ) cña roto m¸y ®o tøc lµ vÞ trÝ tuyÖt

®èi cña trôc quay.

Cã hai çch xö lý th«ng tin thu ®−îc. Çch thø nhÊt lµ hiÖu chØnh söa sai gãc

thu ®−îc ®−îc trªn c¬ së so s¸nh gãc víi mét sè vi m¹ch s½n cã. Çc vi m¹ch nµy

cho tÝn hiÖu gãc d¹ng sè víi ®é ph©n gi¶i 10 - 16 bit/1vßng vµ mét tèc ®é quay d¹ng

t−¬ng tù. §é ph©n gi¶i cña ph−¬ng ph¸p nµy phô thuéc vµo th«ng sè cña m¹ch ®iÒu

chØnh.

H×nh 7.8 S¬ ®å nguyªn lý m¸y ®o gãc tuyÖt ®èi

sin

cos

θ

U0sinωt

UU0sinωtcosθ

UU0sinωtsinθ

sin

cos

a) b)

t

t

- 116 -

Çch thø hai, cã chÊt l−îng cao h¬n, lµ dïng hai bé chuyÓn ®æi t−¬ng tù - sè ®Ó

lÊy mÉu trùc tiÕp tõ ®Ønh tÝn hiÖu ®iÒu chÕ. Trong tr−êng hîp nµy cÇn ®ång bé chÆt

chÏ gi÷a thêi ®iÓm lÊy mÉu vµ kh©u t¹o tÝn hiÖu kÝch thÝch 2 - 10 kHz sau ®ã dïng

bé läc ®Ó chuyÓn xung h×nh ch÷ nhËt thµnh tÝn hiÖu kÝch thÝch h×nh sin.

§é ph©n gi¶i cña phÐp ®o dïng m¸y ®o gãc tuyÖt ®èi hoµn toµn phô thuéc vµo

®é ph©n gi¶i cña bé chuyÓn ®æi t−¬ng tù sè.

Khi biÕt gãc quay tuyÖt ®èi θ, lÊy ®¹o hµm ta nhËn ®−îc tèc ®é gãc ω cÇn ®o.

7.1.5. §æi h−íng kÕ

§æi h−íng kÕ ®−îc g¾n vµo vËt chuyÓn ®éng ®Ó ®o tèc ®é gãc cña vËt. Hai

d¹ng ®æi h−íng kÕ th−êng dïng lµ: ®æi h−íng kÕ c¬ häc dïng con quay håi chuyÓn,

®æi h−íng kÕ quang dïng laze vµ çp quang dùa trªn hiÖn t−îng truyÒn sãng ¸nh

s¸ng.

a) §æi h−íng kÕ dïng con quay håi chuyÓn

Con quay håi chuyÓn gåm mét roto l¾p trªn mét khung ®éng vµ ®−îc quay

quanh trôc Y’Y víi tèc ®é lín (~104vßng/phót) nhê mét ®éng c¬.

Tèc ®é quay ω cÇn ®o theo trôc Z’Z vu«ng gãc víi trôc Y’Y lµm xuÊt hiÖn mét

ngÉu lùc Cg tØ lÖ víi ω theo h−íng X’X vu«ng gãc víi hai trôc Y’Y vµ Z’Z cã xu

h−íng lµm cho khung ®éng cña con quay håi chuyÓn quay theo. NgÉu lùc Cg ®−îc

c©n b»ng bëi ngÉu lùc ®µn håi Cr cña hai lß xo g©y nªn cã gi¸ trÞ tØ lÖ víi gãc quay

α cña khung.

ë tr¹ng th¸i c©n b»ng:

Y

X

Y’

Z

Z’

X’ ω

H×nh 7.9 S¬ ®å nguyªn lý ®æi h−íng kÕ dïng con quay håi chuyÓn 1) Con quay håi chuyÓn 2) Khung ®éng 3) Lß xo 4) §iÖn thÕ kÕ

1

2

3 4

- 117 -

Cg = Cr (7.4).

víi Cr = kα (k lµ hÖ sè ®µn håi cña lß xo) vµ Cg = ωH ( H lµ m«men ®éng häc cña

r«to). Thay çc gi¸ trÞ vµo c«ng thøc (7.4) ta cã c«ng thøc x¸c ®Þnh gãc α:

k

Hω=α (7.5)

Gãc quay α cña khung ®éng cña con quay håi chuyÓn tØ lÖ víi vËn tèc gãc ω cÇn ®o.

§Ó tiÖn cho xö lý, gãc quay α ®−îc chuyÓn ®æi thµnh tÝn hiÖu ®iÖn nhê mét ®iÖn thÕ

kÕ.

Çc th«ng sè cña m¸y ®o nh− sau:

- D¶i ®o tõ ± 7o/s ®Õn ± 360o/s.

- Sai lÖch khái ®é tuyÕn tÝnh <± 1,5% cña d¶i ®o.

b) §æi h−íng kÕ quang

§æi h−íng kÕ quang gåm nguån ph¸t chïm tia laze (1), cuén d©y sîi quang (2)

cã chiÒu dµi L quÊn thµnh vßng b¸n kÝnh R quay víi cïng vËn tèc gãc ω víi vËt

quay.

Chïm tia xuÊt ph¸t tõ nguån ph¸t (1) qua b¶n ph©n t¸ch (3) t¹o thµnh hai chïm

tia truyÒn theo hai h−íng ng−îc nhau trong sîi çp quang. Khi ra khái çp, do

qu¶ng ®−êng truyÒn sãng kh¸c nhau, hai tia lÖch pha nhau, ®é lÖch pha gi÷a hai

chïm tia b»ng:

c

RL4

λωπ

=∆Φ (7.6)

λ - b−íc sãng tia laze.

H×nh 7.10 S¬ ®å nguyªn lý ®æi h−íng kÕ quang dïng laze vµ çp quang 1) Nguån ph¸t laze 2) Çp quang 3) B¶n ph©n t¸ch 4) §Çu thu

1

2

3

4

- 118 -

c - vËn tèc ¸nh s¸ng.

Trªn ®Çu thu (4) ta thu ®−îc hÖ v©n giao thoa cña hai chïm tia. B»ng çch ®Õm

sè v©n giao thoa ∆Z bÞ dÞch chuyÓn do çp quang quay, ta cã thÓ tÝnh ®−îc tèc ®é

quay theo c«ng thøc:

c

LR2Z

λω

=∆ (7.7)

7.2. C¶m biÕn rung vµ gia tèc

7.2.1. Kh¸i niÖm c¬ b¶n

a) D¶i gia tèc vµ ph−¬ng ph¸p ®o gia tèc

Theo nguyªn lý c¬ b¶n cña c¬ häc, gia tèc lµ ®¹i l−îng vËt lý thÓ hiÖn mèi

quan hÖ gi÷a lùc vµ khèi l−îng. PhÐp ®o gia tèc cã thÓ thùc hiÖn qua viÖc ®o lùc

(c¶m biÕn ¸p ®iÖn, c¶m biÕn c©n b»ng ngÉu lùc) hoÆc ®o gi¸n tiÕp th«ng qua sù biÕn

d¹ng hay di chuyÓn cña vËt trung gian.

Tuú theo møc gia tèc vµ d¶i tÇn cña hiÖn t−îng kh¶o s¸t ng−êi ta ph©n biÖt çc

d¶i gia tèc sau:

- §o gia tèc chuyÓn ®éng cña mét khèi l−îng nµo ®ã, trong ®ã chuyÓn ®éng

cña träng t©m lu«n gi÷ ë tÇn sè t−¬ng ®èi thÊp (tõ 0 ®Õn vµi chôc Hz), gi¸ trÞ cña gia

tèc nhá. Çc c¶m biÕn th−êng dïng lµ çc c¶m biÕn gia tèc ®o dÞch chuyÓn vµ c¶m

biÕn gia tèc ®o biÕn d¹ng.

- §o gia tèc rung cña çc cÊu tróc cøng hoÆc cÊu tróc cã khèi l−îng lín, tÇn

sè rung ®¹t tíi hµng tr¨m Hz. C¶m biÕn gia tèc th−êng dïng lµ c¶m biÕn tõ trë biÕn

thiªn, ®Çu ®o biÕn d¹ng kim lo¹i hoÆc ¸p ®iÖn trë.

- §o gia tèc rung møc trung b×nh vµ d¶i tÇn t−¬ng ®èi cao (~10kHz), th−êng

gÆp khi vËt cã khèi l−îng nhá. C¶m biÕn gia tèc sö dông lµ lo¹i ¸p trë hoÆc ¸p ®iÖn.

- §o gia tèc khi va ®Ëp, thay ®æi gia tèc cã d¹ng xung. C¶m biÕn gia tèc sö

dông lµ çc lo¹i cã d¶i th«ng réng vÒ c¶ hai phÝa tÇn sè thÊp vµ tÇn sè cao.

C¶m biÕn ®o gia tèc lµ c¶m biÕn chuyÓn ®éng kh«ng cÇn cã ®iÓm mèc, chóng

kh¸c víi çc c¶m biÕn dÞch chuyÓn bëi v× khi ®o dÞch chuyÓn cña mét vËt ng−êi ta

ph¶i ®o chuyÓn ®éng t−¬ng ®èi cña vËt ®ã so víi mét vËt kh¸c cè ®Þnh lÊy lµm mèc.

b) ChuyÓn ®éng rung vµ ph−¬ng ph¸p ®o

§o ®é rung trong c«ng nghiÖp cã tÇm quan träng ®Æc biÖt v× çc lý do:

- Nh»m khèng chÕ biªn ®é rung ®Ó tr¸nh g©y tiÕn ån cã h¹i cho søc khoÎ.

- 119 -

- H¹n chÕ møc rung ë giíi h¹n cho phÐp ®Ó ®¶m b¶o ®é an toµn cho c«ng

tr×nh.

- Rung ®éng liªn quan ®Õn tr¹ng th¸i mµi mßn vµ bÒn mái cña chi tiÕt c¬ khÝ

trong m¸y mãc. §o ®é rung gióp cho ng−êi qu¶n lý n¾m ®−îc t×nh tr¹ng mßn cña

chi tiÕt tõ ®ã cã kÕ ho¹ch b¶o d−ìng, söa ch÷a kÞp thêi.

§é rung ®−îc ®Æc tr−ng bëi ®é dÞch chuyÓn, tèc ®é hoÆc gia tèc ë çc ®iÓm

trªn vËt rung. Bëi vËy khi ®o rung ®éng ng−êi ta ®o mét trong nh÷ng ®Æc tr−ng trªn.

C¶m biÕn rung cã thÓ lµ c¶m biÕn dÞch chuyÓn, c¶m biÕn tèc ®é hoÆc c¶m

biÕn gia tèc nh−ng cã thÓ m« t¶ nguyªn lý ho¹t ®éng cña chóng b»ng m« h×nh hÖ c¬

häc cã mét bËc tù do nh− tr×nh bµy ë h×nh 7.11.

C¶m biÕn gåm mét phÇn tö nh¹y c¶m (lß xo, tinh thÓ ¸p ®iÖn... ) nèi víi mét

khèi l−îng rung vµ ®−îc ®Æt chung trong mét vá hép. ChuyÓn ®éng rung cña khèi

l−îng M t¸c ®éng lªn phÇn tö nh¹y c¶m cña c¶m biÕn vµ ®−îc chuyÓn thµnh tÝn hiÖu

®iÖn ë ®Çu ra.

Gäi h0 lµ tung ®é cña ®iÓm a cña vá hép, h lµ tung ®é ®iÓm b cña khèi l−îng

rung. Khi kh«ng cã gia tèc t¸c ®éng lªn vá hép tung ®é cña a vµ b b»ng nhau.

DÞch chuyÓn t−¬ng ®èi cña khèi l−îng M so víi vá hép x¸c ®Þnh bëi biÓu thøc:

0hhz −= (7.8)

Khi ®ã ph−¬ng tr×nh c©n b»ng lùc cã d¹ng:

Czdt

dzF

dt

hdM

2

2

−−=

Cz - ph¶n lùc cña lß xo.

dt

dzF - lùc ma s¸t nhít.

bb’

h

h0

H×nh 7.11 S¬ ®å nguyªn lý c¶m biÕn ®o gia tèc vµ rung 1) Khèi rung 2) Vá hép 3) PhÇn tö nh¹y c¶m 4) Gi¶m chÊn

M

a

1

2

3

4z

- 120 -

2

2

dt

hdM - lùc do gia tèc cña khèi M g©y nªn.

Hay:

Czdt

dzF

dt

zdM

dt

hdM

2

2

20

2

++=− (7.9)

Tõ c«ng thøc (7.9), ta nhËn thÊy cÊu t¹o cña c¶m biÕn ®Ó ®o ®¹i l−îng s¬ cÊp

m1 (®é dÞch chuyÓn h0, vËn tèc dh0/dt hoÆc gia tèc d2h0/dt2) phô thuéc vµo ®¹i l−îng

®−îc chän ®Ó lµm ®¹i l−îng ®o thø cÊp m2 (z, dz/dt hoÆc d2z/dt2) vµ d¶i tÇn sè lµm

viÖc. D¶i tÇn sè lµm viÖc quyÕt ®Þnh sè h¹ng nµo trong vÕ ph¶i ph−¬ng tr×nh chiÕm

−u thÕ (Cz, Fdz/dt hoÆc Md2z/dt2).

Trªn thùc tÕ c¶m biÕn thø cÊp th−êng sö dông lµ:

- C¶m biÕn ®o vÞ trÝ t−¬ng ®èi cña khèi l−îng rung M so víi vá hép.

- C¶m biÕn ®o lùc hoÆc c¶m biÕn ®o biÕn d¹ng.

- C¶m biÕn ®o tèc ®é t−¬ng ®èi.

Dïng to¸n tö laplace (p) cã thÓ m« t¶ ho¹t ®éng cña c¶m biÕn rung b»ng biÓu

thøc sau:

CzFpzzMphMp 20

2 ++=−

HoÆc:

1p

2p

p

h

z

020

2

202

0 +ω

ξ+ω

ω−=

Víi:

00 f2M

Cπ==ω lµ tÇn sè riªng cña M trªn lß xo cã ®é cøng C.

CM2

F=ξ lµ hÖ sè t¾t dÇn.

§é nh¹y cña c¶m biÕn cã thÓ tÝnh b»ng tØ sè gi÷a ®¹i l−îng ®iÖn ®Çu ra s vµ ®¹i

l−îng ®o s¬ cÊp m1.

2121

2

1

S.Sm

s.

m

m

m

sS ===

Trong ®ã:

- 121 -

1

21 m

mS = lµ ®é nh¹y c¬ cña ®¹i l−îng ®o s¬ cÊp.

2

2 m

sS = lµ ®é nh¹y cña c¶m biÕn thø cÊp.

7.2.2. C¶m biÕn ®o tèc ®é rung

S¬ ®å c¶m biÕn ®o tèc ®é rung tr×nh bµy trªn h×nh 7.12.

Trong c¶m biÕn lo¹i nµy, ®¹i l−îng ®o s¬ cÊp m1 lµ tèc ®é rung dh0/dt, ®¹i

l−îng ®o thø cÊp m2 lµ dÞch chuyÓn t−¬ng ®èi z. §é nh¹y s¬ cÊp S1 x¸c ®Þnh bëi biÓu

thøc:

1p

2p

/p

ph

z

m

mS

020

2

20

01

21

+ω

ξ+ω

ω−===

§Ó tiÖn lîi trong sö dông, ng−êi ta còng sö dông ®¹i l−îng ®o thø cÊp m2 lµ tèc

®é dÞch chuyÓn t−¬ng ®èi dz/dt.

ViÖc chuyÓn ®æi tèc ®é t−¬ng ®èi cña khèi l−îng rung so víi vá hép thµnh tÝn

hiÖu ®iÖn thùc hiÖn bëi mét c¶m biÕn vÞ trÝ t−¬ng ®èi kiÓu ®iÖn tõ gåm mét cuén d©y

vµ mét lâi nam ch©m. Cuén d©y g¾n víi khèi l−îng rung, lâi nam ch©m ®Æt bªn

trong cuén d©y vµ g¾n víi vá c¶m biÕn. B»ng çch ®o suÊt ®iÖn ®éng cña cuén d©y

cã thÕ ®¸nh gi¸ ®−îc tèc ®é rung cÇn ®o.

Mét ®iÒu cÇn quan t©m khi sö dông c¶m biÕn lo¹i nµy ®ã lµ ph¶n øng cña c¶m

biÕn thø cÊp ®èi víi chuyÓn ®éng cña khèi l−îng rung thÓ hiÖn th«ng qua ph¶n lùc

i.l.Bf = t¸c ®éng lªn cuén d©y khi cuén d©y chuyÓn ®éng trong tõ tr−êng c¶m øng

H×nh 7.12 S¬ ®å nguyªn lý c¶m biÕn ®o vËn tèc rung 1) Vá hép 2) Khèi rung 3) Lâi nam ch©m 4) Cuén d©y 5) Lß xo 6) Gi¶m chÊn

bb

M2

1

34

5

6

- 122 -

B. Gi¶ thiÕt bá qua trë kh¸ng cña cuén d©y Lω, khi ®ã ph¶n lùc f tØ lÖ víi tèc ®é

t−¬ng ®èi:

( )dt

dz

R

1Blf 2=

Lùc nµy chèng l¹i chuyÓn ®éng cña khèi l−îng rung, lµm thay ®æi hÖ sè t¾t dÇn cña

chuyÓn ®éng.

7.2.3. Gia tèc kÕ ¸p ®iÖn


CÊu t¹o chung cña gia tèc kÕ ¸p ®iÖn gåm mét khèi l−îng rung M vµ mét phÇn

tö ¸p ®iÖn ®Æt trªn gi¸ ®ì cøng, vµ toµn bé ®−îc ®Æt trong mét vá hép kÝn.

Th«ng th−êng cÇn ph¶i ®o gia tèc theo hai h−íng däc theo trôc nh¹y c¶m. Tuú

thuéc vµo b¶n chÊt lùc t¸c dông (nÐn, kÐo hoÆc c¾t) trong bé c¶m biÕn ph¶i cã bé

phËn c¬ khÝ t¹o øng lùc c¬ häc ®Æt tr−íc lªn phÇn tö ¸p ®iÖn ®Ó më réng d¶i ®o gia

tèc theo hai chiÒu.

Trªn h×nh 7.13 tr×nh bµy s¬ ®å cÊu t¹o cña çc gia tèc kÕ ¸p ®iÖn kiÓu nÐn.

C¶m biÕn lo¹i nµy cã tÇn sè céng h−ëng cao, kÕt cÊu ch¾c ch¾n, nh¹y víi øng

lùc cña ®Õ.

S¬ ®å cÊu t¹o cña gia tèc kÕ kiÓu uèn cong tr×nh bµy trªn h×nh 7.14.

PhÇn tö ¸p ®iÖn cña c¶m biÕn gåm hai phiÕn ¸p ®iÖn máng d¸n víi nhau, mét

®Çu g¾n cè ®Þnh lªn vá hép c¶m biÕn, mét ®Çu g¾n víi khèi l−îng rung. C¶m biÕn

lo¹i nµy cho ®é nh¹y rÊt cao nh−ng tÇn sè vµ gia tèc rung ®o ®−îc bÞ h¹n chÕ.

H×nh 7.13 S¬ ®å cÊu t¹o gia tèc kÕ ¸p ®iÖn kiÓu nÐn 1) Khèi l−îng rung 2) PhiÕn ¸p ®iÖn 3) §ai èc 4) §Õ 5) Vá hép

1

2

3

4

5

- 123 -

b) §Æc tr−ng cña c¶m biÕn

§é nh¹y ®−îc biÓu diÔn bëi biÓu thøc:

21SSa

QS ==

Trong ®ã:

a - gia tèc cña c¶m biÕn.

Q - ®iÖn tÝch ®−îc t¹o ra khi c¶m biÕn rung víi gia tèc a.

S1 - ®é nh¹y c¬ cña hÖ thèng khèi l−îng rung.

S2 - ®é nh¹y ®iÖn cña c¶m biÕn.

Gi¸ trÞ cña S1 vµ S2 x¸c ®Þnh nh− sau:

2

020

220

1

21

1

a

zS

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ωω

ξ+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

ωω

−ω

==

2

0

2

1

1dC

z

QS

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ωω

+

==

Trong ®ã:

d - h»ng sè ®iÖn m«i.

c - ®é cøng cña phÇn tö nh¹y c¶m.

τ

=ω1

- tÇn sè t¾t d−íi cña hÖ thèng c¶m biÕn - m¹ch ®o.

7.2.4. Gia tèc kÕ ¸p trë

CÊu t¹o chung cña mét gia tèc kÕ ¸p trë gåm mét tÊm máng ®µn håi mét ®Çu

g¾n víi gi¸ ®ì, mét ®Çu g¾n víi khèi l−îng rung, trªn ®ã cã g¾n tõ 2 ®Õn 4 ¸p trë

H×nh 7.14 S¬ ®å cÊu t¹o gia tèc kÕ ¸p ®iÖn kiÓu uèn cong 1) Khèi l−îng rung 2) PhiÕn ¸p ®iÖn 3) Vá hép

M

123

- 124 -

m¾c trong mét m¹ch cÇu Wheatstone. D−íi t¸c dông cña gia tèc, tÊm ®µn håi bÞ uèn

cong, g©y nªn biÕn d¹ng trong ®Çu ®o mét çch trùc tiÕp hoÆc gi¸n tiÕp qua bé

khuÕch ®¹i c¬.

Trªn h×nh 7.15 giíi thiÖu s¬ ®å nguyªn lý cña mét c¶m biÕn gia tèc ¸p trë.

§é nh¹y cña c¶m biÕn ®−îc biÓu diÔn b»ng biÓu thøc:

ε

ε== m

21V

.a

SSS

- §é nh¹y ®iÖn cña cÇu Wheatstone S1: v× 4 ®Çu ®o ®Òu cã cïng mét biÕn d¹ng ε

nªn ®iÖn ¸p ra Vm cña ®Çu ®o b»ng:

ε=∆

= KeR

ReV ssm

Suy ra:

s2 KeS =

Trong ®ã:

es - ®iÖn ¸p nu«i cÇu (10 - 15 V).

K - hÖ sè ®Çu ®o ¸p trë.

R - ®iÖn trë mét ®Çu ®o.

- §é nh¹y c¬ S1 cña hÖ thèng c¬ khÝ x¸c ®Þnh theo biÓu thøc:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ωω

ξ+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

ωω

−ω

=

0

2

20

220

1

21

1AS

Gi¸ trÞ cña A vµ ω0 phô thuéc vµo kÕt cÊu cña hÖ chÞu uèn, vÝ dô víi c¶m biÕn cho ë

h×nh 7.15:

H×nh 7.15 S¬ ®å nguyªn lý cña c¶m biÕn gia tèc ¸p trë 1) Khèi rung 2) TÊm ®µn håi 3) ¸p trë 4) §Õ

1

2

3

4

bL

e

G

F

M

- 125 -

ML4

Yle3

3

0 =ω

3L

be5,1A =

Trong ®ã Y lµ m«®un Young.

- 126 -

Ch−¬ng VIII

C¶m biÕn ®o ¸p suÊt CHÊT l−u

8.1. ¸p suÊt vµ nguyªn lý ®o ¸p suÊt

8.1.1. ¸p suÊt vµ ®¬n vÞ ®o

¸p suÊt lµ ®¹i l−îng cã gi¸ trÞ b»ng tØ sè gi÷a lùc t¸c dông vu«ng gãc lªn mét

mÆt víi diÖn tÝch cña nã:

ds

dFp = (8.1)

§èi víi çc chÊt láng, khÝ hoÆc h¬i (gäi chung lµ chÊt l−u), ¸p suÊt lµ mét th«ng

sè quan träng x¸c ®Þnh tr¹ng th¸i nhiÖt ®éng häc cña chóng. Trong c«ng nghiÖp,

viÖc ®o ¸p suÊt chÊt l−u cã ý nghÜa rÊt lín trong viÖc ®¶m b¶o an toµn cho thiÕt bÞ

còng nh− gióp cho viÖc kiÓm tra vµ ®iÒu khiÓn ho¹t ®éng cña m¸y mãc thiÕt bÞ cã sö

dông chÊt l−u.

Trong hÖ ®¬n vÞ quèc tÕ (SI) ®¬n vÞ ¸p suÊt lµ pascal (Pa): 1 Pa lµ ¸p suÊt t¹o bëi

mét lùc cã ®é lín b»ng 1N ph©n bè ®ång ®Òu trªn mét diÖn tÝch 1m2 theo h−íng

ph¸p tuyÕn.

§¬n vÞ Pa t−¬ng ®èi nhá nªn trong c«ng nghiÖp ng−êi ta cßn dïng ®¬n vÞ ¸p suÊt

lµ bar (1 bar = 105 Pa) vµ mét sè ®¬n vÞ kh¸c.

B¶ng 8.1 tr×nh bµy çc ®¬n vÞ ®o ¸p suÊt vµ hÖ sè chuyÓn ®æi gi÷a chóng.

B¶ng 8.1

§¬n vÞ

¸p suÊt

pascal

(Pa)

bar

(b) kg/cm2

atmotsphe

(atm) mmH2O mmHg mbar

1Pascal 1 10-5 1,02.10-5 0,987.10-5 1,02.10-1 0,75.10-2 10-2

1 bar 105 1 1,02 0,987 1,02.104 750 103

1 kg/cm2 9,8.104 0,980 1 0,986 104 735 9,80.102

1 atm 1,013.105 1,013 1,033 1 1,033.104 760 1,013.103

1mmH2O 9,8 9,8.10-5 10-3 0,968.10-4 1 0,0735 0,098

1mmHg 133,3 13,33.10-4 1,36.10-3 1,315.10-3 136 1 1,33

1mbar 100 10-3 1,02.10-3 0,987.10-3 1,02 0,750 1

- 127 -

8.1.2. Nguyªn lý ®o ¸p suÊt

§èi víi chÊt l−u kh«ng chuyÓn ®éng, ¸p suÊt chÊt l−u lµ ¸p suÊt tÜnh (pt):

tpp = (8.2)

Do vËy ®o ¸p suÊt chÊt l−u thùc chÊt lµ x¸c ®Þnh lùc t¸c dông lªn mét diÖn tÝch thµnh

b×nh. §èi víi chÊt l−u kh«ng chuyÓn ®éng chøa trong mét èng hë ®Æt th¼ng ®øng, ¸p

suÊt tÜnh t¹i mét ®iÓm M çch bÒ mÆt tù do mét kho¶ng (h) x¸c ®Þnh theo c«ng thøc

sau:

ghpp 0 ρ+= (8.3)

Trong ®ã:

p0 - ¸p suÊt khÝ quyÓn.

ρ - khèi l−îng riªng chÊt l−u.

g- gia tèc träng tr−êng.

§Ó ®o ¸p suÊt tÜnh cã thÓ tiÕn hµnh b»ng çc ph−¬ng ph¸p sau:

- §o ¸p suÊt chÊt l−u lÊy qua mét lç ®−îc khoan trªn thµnh b×nh nhê c¶m biÕn

thÝch hîp.

- §o trùc tiÕp biÕn d¹ng cña thµnh b×nh do ¸p suÊt g©y nªn.

Trong çch ®o thø nhÊt, ph¶i sö dông mét c¶m biÕn ®Æt s¸t thµnh b×nh. Trong

tr−êng hîp nµy, ¸p suÊt cÇn ®o ®−îc c©n b»ng víi ¸p suÊt thuû tØnh do cét chÊt láng

mÉu t¹o nªn hoÆc t¸c ®éng lªn mét vËt trung gian cã phÇn tö nh¹y c¶m víi lùc do ¸p

suÊt g©y ra. Khi sö dông vËt trung gian ®Ó ®o ¸p suÊt, c¶m biÕn th−êng trang bÞ thªm

bé phËn chuyÓn ®æi ®iÖn. §Ó sai sè ®o nhá, thÓ tÝch chÕt cña kªnh dÉn vµ c¶m biÕn

ph¶i kh«ng ®¸ng kÓ so víi thÓ tÝch tæng céng cña chÊt l−u cÇn ®o ¸p suÊt.

Trong çch ®o thø hai, ng−êi ta g¾n lªn thµnh b×nh çc c¶m biÕn ®o øng suÊt

®Ó ®o biÕn d¹ng cña thµnh b×nh. BiÕn d¹ng nµy lµ hµm cña ¸p suÊt.

§èi víi chÊt l−u chuyÓn ®éng, ¸p suÊt chÊt l−u (p) lµ tæng ¸p suÊt tÜnh (pt) vµ

¸p suÊt ®éng (p®) :

dt ppp += (8.4)

¸p suÊt tÜnh t−¬ng øng víi ¸p suÊt g©y nªn khi chÊt láng kh«ng chuyÓn ®éng, ®−îc

®o b»ng mét trong çc ph−¬ng ph¸p tr×nh bµy ë trªn. ¸p suÊt ®éng do chÊt l−u

chuyÓn ®éng g©y nªn vµ cã gi¸ trÞ tØ lÖ víi b×nh ph−¬ng vËn tèc chÊt l−u:

2

vp

2

dρ

= (8.5)

- 128 -

Trong ®ã ρ lµ khèi l−îng riªng chÊt l−u.

Khi dßng ch¶y va ®Ëp vu«ng gãc víi mét mÆt ph¼ng, ¸p suÊt ®éng chuyÓn

thµnh ¸p suÊt tÜnh, ¸p suÊt t¸c dông lªn mÆt ph¼ng lµ ¸p suÊt tæng. Do vËy, ¸p suÊt

®éng ®−îc ®o th«ng qua ®o chªnh lÖch gi÷a ¸p suÊt tæng vµ ¸p suÊt tÜnh. Th«ng

th−êng viÖc ®o hiÖu (p - pt) thùc hiÖn nhê hai c¶m biÕn nèi víi hai ®Çu ra cña mét

èng Pitot, trong ®ã c¶m biÕn (1) ®o ¸p suÊt tæng cßn c¶m biÕn (2) ®o ¸p suÊt tÜnh.

Cã thÓ ®o ¸p suÊt ®éng b»ng çch ®Æt ¸p suÊt tæng lªn mÆt tr−íc vµ ¸p suÊt tÜnh lªn

mÆt sau cña mét mµng ®o (h×nh 8.2), nh− vËy tÝn hiÖu do c¶m biÕn cung cÊp chÝnh lµ

chªnh lÖch gi÷a ¸p suÊt tæng vµ ¸p suÊt tÜnh.

8.2. ¸p kÕ vi sai dùa trªn nguyªn t¾c c©n b»ng thuû tÜnh

Nguyªn lý chung cña ph−¬ng ph¸p dùa trªn nguyªn t¾c c©n b»ng ¸p suÊt chÊt

l−u víi ¸p suÊt thuû tÜnh cña chÊt láng lµm viÖc trong ¸p kÕ.

8.2.1. ¸p kÕ vi sai kiÓu phao

¸p kÕ vi sai kiÓu phao gåm hai b×nh th«ng nhau, b×nh lín cã tiÕt diÖn F vµ

b×nh nhá cã tiÕt diÖn f (h×nh 8.3). ChÊt láng lµm viÖc lµ thuû ng©n hay dÇu biÕn ¸p.

Khi ®o, ¸p suÊt lín (p1) ®−îc ®−a vµo b×nh lín, ¸p suÊt bÐ (p2) ®−îc ®−a vµo b×nh

nhá. §Ó tr¸nh chÊt láng lµm viÖc phun ra ngoµi khi cho ¸p suÊt t¸c ®éng vÒ mét phÝa

ng−êi ta më van (4) vµ khi ¸p suÊt hai bªn c©n b»ng van (4) ®−îc kho¸ l¹i.

Khi ®¹t sù c©n b»ng ¸p suÊt, ta cã:

( )( )21m21 hhgpp +ρ−ρ=−

c¶m biÕn 2

c¶m biÕn 1

H×nh 8.1 §o ¸p suÊt ®éng b»ng èng Pitot

p pt

H×nh 8.2 §o ¸p suÊt ®éng b»ng mµng 1) Mµng ®o 2) PhÇn tö ¸p ®iÖn

1 2

- 129 -

Trong ®ã:

g - gia tèc träng tr−êng.

ρm - träng l−îng riªng cña chÊt láng lµm viÖc.

ρ - träng l−îng riªng cña chÊt láng hoÆc khÝ cÇn ®o.

¸p kÕ vi sai kiÓu phao dïng ®Ó ®o ¸p suÊt tÜnh kh«ng lín h¬n 25MPa. Khi thay

®æi tØ sè F/f (b»ng çch thay èng nhá) ta cã thÓ thay ®æi ®−îc ph¹m vi ®o.

CÊp chÝnh x¸c cña ¸p suÊt kÕ lo¹i nµy cao (1; 1,5) nh−ng chøa chÊt láng ®éc

h¹i mµ khi ¸p suÊt thay ®æi ®ét ngét cã thÓ ¶nh h−ëng ®Õn ®èi t−îng ®o vµ m«i

tr−êng.

8.2.2. ¸p kÕ vi sai kiÓu chu«ng

CÊu t¹o cña ¸p kÕ vi sai kiÓu chu«ng gåm chu«ng (1) nhóng trong chÊt láng

lµm viÖc chøa trong b×nh (2).

MÆt kh¸c tõ c©n b»ng thÓ tÝch ta cã:

21 h.fh.F =

Suy ra:

( )( ) ( )21m

1 pp.gf/F1

1h −

ρ−ρ+= (8.6)

Khi møc chÊt láng trong b×nh lín thay

®æi (h1 thay ®æi), phao cña ¸p kÕ dÞch

chuyÓn vµ qua c¬ cÊu liªn kÕt lµm quay kim

chØ thÞ trªn ®ång hå ®o. BiÓu thøc (8.6) lµ

ph−¬ng tr×nh ®Æc tÝnh tÜnh cña ¸p kÕ vi sai

kiÓu phao. H×nh 8.3. ¸p kÕ vi sai kiÓu phao

p1p2

h2

h1

1

23

4 5 6

7

H×nh 8.4 ¸p kÕ vi sai kiÓu chu«ng 1) Chu«ng 2) B×nh chøa 3) ChØ thÞ

dx

p1

p2

dy

3

p1

p2

A

B

3

dH

a) b)

1

2

- 130 -

Khi ¸p suÊt trong buång (A) vµ (B) b»ng nhau th× n¾p chu«ng (1) ë vÞ trÝ c©n

b»ng (h×nh8.4a), khi cã biÕn thiªn ®é chªnh ¸p d(p1-p2) >0 th× chu«ng ®−îc n©ng lªn

(h×nh 8.4b). Khi ®¹t c©n b»ng ta cã:

( ) ( ) ( )ρ−ρ∆+=− m21 g.fdydHF.ppd (8.8)

Víi:

dydxdh +=

( ) ( )gdhppd m21 ρ−ρ=−

( )dxFdH.ffdy −Φ+∆=

Trong ®ã:

F - tiÕt diÖn ngoµi cña chu«ng.

dH - ®é di chuyÓn cña chu«ng.

dy - ®é dÞch chuyÓn cña møc chÊt láng trong chu«ng.

dx - ®é dÞch chuyÓn cña møc chÊt láng ngoµi chu«ng.

∆f - diÖn tÝch tiÕt diÖn thµnh chu«ng.

Φ - diÖn tÝch tiÕt diÖn trong cña b×nh lín.

dh - chªnh lÖch møc chÊt láng ë ngoµi vµ trong chu«ng.

f - diÖn tÝch tiÕt diÖn trong cña chu«ng.

Gi¶i çc ph−¬ng tr×nh trªn ta cã:

( ) ( )21m

ppdg.f

fdH −

ρ−ρ∆=

LÊy tÝch ph©n giíi h¹n tõ 0 ®Õn (p1 - p2) nhËn ®−îc ph−¬ng tr×nh ®Æc tÝnh tÜnh

cña ¸p kÕ vi sai kiÓu chu«ng:

( ) ( )21m

ppg.f

fH −

ρ−ρ∆= (8.9)

¸p kÕ vi sai cã ®é chÝnh x¸c cao cã thÓ ®o ®−îc ¸p suÊt thÊp vµ ¸p suÊt ch©n

kh«ng.

8.3. C¶m biÕn ¸p suÊt dùa trªn phÐp ®o biÕn d¹ng

Nguyªn lý chung cña c¶m biÕn ¸p suÊt lo¹i nµy dùa trªn c¬ së sù biÕn d¹ng

®µn håi cña phÇn tö nh¹y c¶m víi t¸c dông cña ¸p suÊt. Çc phÇn tö biÕn d¹ng

th−êng dïng lµ èng trô, lß xo èng, xi ph«ng vµ mµng máng.

- 131 -

8.3.1. PhÇn tö biÕn d¹ng

a) èng trô

S¬ ®å cÊu t¹o cña phÇn tö biÕn d¹ng h×nh èng trô tr×nh bµy trªn h×nh 8.5. èng

cã d¹ng h×nh trô, thµnh máng, mét ®Çu bÞt kÝn, ®−îc chÕ t¹o b»ng kim lo¹i.

§èi víi èng dµi (L>>r), khi ¸p suÊt chÊt l−u t¸c ®éng lªn thµnh èng lµm cho

èng biÕn d¹ng, biÕn d¹ng ngang (ε1) vµ biÕn d¹ng däc (ε2) cña èng x¸c ®Þnh bëi biÓu

thøc:

pke

r

Y

p

21 11 =⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ ν−=ε

pke

r

Y

p

2

121 =⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ ν−=ε

Trong ®ã:

p - ¸p suÊt.

Y - m« ®un Young.


r - b¸n kÝnh trong cña èng.

e - chiÒu dµy thµnh èng.

§Ó chuyÓn tÝn hiÖu c¬ (biÕn d¹ng) thµnh tÝn hiÖu ®iÖn ng−êi ta dïng bé chuyÓn

®æi ®iÖn (thÝ dô c¶m biÕn lùc).

b) Lß xo èng

CÊu t¹o cña çc lß xo èng dïng trong c¶m biÕn ¸p suÊt tr×nh bµy trªn h×nh 8.6.

Lß xo lµ mét èng kim lo¹i uèn cong, mét ®Çu gi÷ cè ®Þnh cßn mét ®Çu ®Ó tù

do. Khi ®−a chÊt l−u vµo trong èng, ¸p suÊt t¸c dông lªn thµnh èng lµm cho èng bÞ

biÕn d¹ng vµ ®Çu tù do dÞch chuyÓn.

J1

J2

J4

J3

a) b)

H×nh 8.5 PhÇn tö biÕn d¹ng kiÓu èng h×nh trô a) S¬ ®å cÊu t¹o b) VÞ trÝ g¾n c¶m biÕn

ε1

ε2 r

e

- 132 -

Trªn h×nh (8.6a) lµ s¬ ®å lß xo èng mét vßng, tiÕt diÖn ngang cña èng h×nh tr¸i

xoan. D−íi t¸c dông cña ¸p suÊt d− trong èng, lß xo sÏ gi·n ra, cßn d−íi t¸c dông

cña ¸p suÊt thÊp nã sÏ co l¹i.

§èi víi çc lß xo èng thµnh máng biÕn thiªn gãc ë t©m (γ) d−íi t¸c dông cña

¸p suÊt (p) x¸c ®Þnh bëi c«ng thøc:

22

222

xa

b1

bh

R.

Y

1p

+β

α⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

ν−γ=γ∆ (8.10)

Trong ®ã:


Y - m« ®un Young.

R - b¸n kÝnh cong.

h - bÒ dµy thµnh èng.

a, b - çc b¸n trôc cña tiÕt diÖn «van.

α, β - çc hÖ sè phô thuéc vµo h×nh d¸ng tiÕt diÖn ngang cña èng.

x = Rh/a2 - tham sè chÝnh cña èng.

Lùc thµnh phÇn theo h−íng tiÕp tuyÕn víi trôc èng (èng thµnh máng h/b = 0,6 - 0,7)

ë ®Çu tù do x¸c ®Þnh theo theo biÓu thøc:

pkcos.sinsin43

sin.

x

s48

a

b1pabN 122

2

t =γγ+γ−γ

γ−γ+ε⎟

⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−= (8.11)

Lùc h−íng kÝnh:

pkcos.sin

cos.

x

s48

a

b1pabN 222

2

r =γγ−γ

γ−γ+ε⎟

⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−= (8.12)

Trong ®ã s vµ ε çc hÖ sè phô thuéc vµo tØ sè b/a.

p

b) c)

H×nh 8.6 Lß xo èng

p

N1

Nr

N

a)

γ

R 2a

2b

A

A

- 133 -

Gi¸ trÞ cña k1, k2 lµ h»ng sè ®èi víi mçi lß xo èng nªn ta cã thÓ viÕt ®−îc biÓu thøc

x¸c ®Þnh lùc tæng hîp:

kpp.kkN 22

21 =+= (8.13)

Víi ) R, h, b, f(a,kkk 22

21 γ=+= .

B»ng çch thay ®æi tØ sè a/b vµ gi¸ trÞ cña R, h, γ ta cã thÓ thay ®æi ®−îc gi¸ trÞ cña

∆γ , N vµ ®é nh¹y cña phÐp ®o.

Lß xo èng mét vßng cã gãc quay nhá, ®Ó t¨ng gãc quay ng−êi ta dïng lß xo

èng nhiÒu vßng cã cÊu t¹o nh− h×nh (8.6b). §èi víi lß xo èng d¹ng vßng th−êng

ph¶i sö dông thªm çc c¬ cÊu truyÒn ®éng ®Ó t¨ng gãc quay.

§Ó t¹o ra gãc quay lín ng−êi ta dïng lß xo xo¾n cã tiÕt diÖn « van hoÆc h×nh

r¨ng khÝa nh− h×nh 8.6c, gãc quay th−êng tõ 40 - 60o, do ®ã kim chØ thÞ cã thÓ g¾n

trùc tiÕp trªn ®Çu tù do cña lß xo.

Lß xo èng chÕ t¹o b»ng ®ång thau cã thÓ ®o ¸p suÊt d−íi 5 MPa, hîp kim nhÑ

hoÆc thÐp d−íi 1.000 MPa, cßn trªn 1.000 MPa ph¶i dïng thÐp giã.

c) Xiph«ng

CÊu t¹o cña xiph«ng tr×nh bµy trªn h×nh 8.7.

èng xiph«ng lµ mét èng h×nh trô xÕp nÕp cã kh¶ n¨ng biÕn d¹ng ®¸ng kÓ d−íi

t¸c dông cña ¸p suÊt. Trong giíi h¹n tuyÕn tÝnh, tØ sè gi÷a lùc t¸c dông vµ biÕn d¹ng

cña xiph«ng lµ kh«ng ®æi vµ ®−îc gäi lµ ®é cøng cña xiph«ng. §Ó t¨ng ®é cøng

th−êng ng−êi ta ®Æt thªm vµo trong èng mét lß xo. VËt liÖu chÕ t¹o lµ ®ång, thÐp

cacbon, thÐp hîp kim ... §−êng kÝnh xiph«ng tõ 8 - 100mm, chiÒu dµy thµnh 0,1 -

0,3 mm.

§é dÞch chuyÓn (δ) cña ®¸y d−íi t¸c dông cña lùc chiÒu trôc (N) x¸c ®Þnh theo

c«ng thøc:

H×nh 8.7 S¬ ®å cÊu t¹o èng xiph«ng

α

2Rb

2Rng

r

p

- 134 -

2b02

2100

2

R/hBAAA

n

Yh

1.N

+α+α−−

ν−=δ (8.14)

Trong ®ã:

h0 - chiÒu dµy thµnh èng xiph«ng.

n - sè nÕp lµm viÖc.

α - gãc bÞt kÝn.


A0, A1, B0 - çc hÖ sè phô thuéc Rng/Rtr, r/R+r.

Rng, Rtr - b¸n kÝnh ngoµi vµ b¸n kÝnh trong cña xi ph«ng.

r - b¸n kÝnh cong cña nÕp uèn.

Lùc chiÒu trôc t¸c dông lªn ®¸y x¸c ®Þnh theo c«ng thøc:

( ) pRR5

N 2trng ∆+

π= (8.15)

d) Mµng

Mµng dïng ®Ó ®o ¸p suÊt ®−îc chia ra mµng ®µn håi vµ mµng dÎo.

Mµng ®µn håi cã d¹ng trßn ph¼ng hoÆc cã uèn nÕp ®−îc chÕ t¹o b»ng thÐp.

Khi ¸p suÊt t¸c dông lªn hai mÆt cña mµng kh¸c nhau g©y ra lùc t¸c ®éng lªn

mµng lµm cho nã biÕn d¹ng. BiÕn d¹ng cña mµng lµ hµm phi tuyÕn cña ¸p suÊt vµ

kh¸c nhau tuú thuéc ®iÓm kh¶o s¸t. Víi mµng ph¼ng, ®é phi tuyÕn kh¸ lín khi ®é

vâng lín, do ®ã th−êng chØ sö dông trong mét ph¹m vi hÑp cña ®é dÞch chuyÓn cña

mµng.

§é vâng cña t©m mµng ph¼ng d−íi t¸c dông cña ¸p suÊt t¸c dông lªn mµng

x¸c ®Þnh theo c«ng thøc sau:

( )3

42

Yh

pR1

16

3ν−=δ (8.16)

D

h

p

D

p

H×nh 8.8 S¬ ®å mµng ®o ¸p suÊt

- 135 -

Mµng uèn nÕp cã ®Æc tÝnh phi tuyÕn nhá h¬n mµng ph¼ng nªn cã thÓ sö dông

víi ®é vâng lín h¬n mµng ph¼ng. §é vâng cña t©m mµng uèn nÕp x¸c ®Þnh theo

c«ng thøc:

4

4

3

3

Yh

pR

h

b

ha =

δ+

δ= (8.17)

Víi a, b lµ çc hÖ sè phô thuéc h×nh d¹ng vµ bÒ dµy cña mµng.

Khi ®o ¸p suÊt nhá ng−êi ta dïng mµng dÎo h×nh trßn ph¼ng hoÆc uèn nÕp, chÕ

t¹o tõ v¶i cao su. Trong mét sè tr−êng hîp ng−êi ta dïng mµng dÎo cã t©m cøng, khi

®ã ë t©m mµng ®−îc kÑp cøng gi÷a hai tÊm kim lo¹i.

§èi víi mµng dÎo th−êng, lùc di chuyÓn t¹o nªn ë t©m mµng x¸c ®Þnh bëi biÓu

thøc:

p.12

DN

2π= (8.19)

Víi D lµ ®−êng kÝnh æ ®ì mµng.

§èi víi mµng dÎo t©m cøng, lùc di chuyÓn t¹o nªn ë t©m mµng x¸c ®Þnh bëi

biÓu thøc:

( )

p.12

dDdDN

22 ++π= (8.20)

Víi D lµ ®−êng kÝnh mµng, d lµ d−êng kÝnh ®Üa cøng.

8.3.2. Çc bé chuyÓn ®æi ®iÖn

Khi sö dông c¶m biÕn ®o ¸p suÊt b»ng phÇn tö biÕn d¹ng, ®Ó chuyÓn ®æi tÝn

hiÖu c¬ trung gian thµnh tÝn hiÖu ®iÖn ng−êi ta dïng çc bé chuyÓn ®æi. Theo çch

chuyÓn ®æi ng−êi ta chia çc bé chuyÓn ®æi thµnh hai lo¹i:

- BiÕn ®æi sù dÞch chuyÓn cña phÇn tö biÕn d¹ng thµnh tÝn hiÖu ®o. Çc chuyÓn

®æi lo¹i nµy th−êng dïng lµ: cuén c¶m, biÕn ¸p vi sai, ®iÖn dung, ®iÖn trë...

H×nh 8.9 S¬ ®å cÊu t¹o mµng dÎo cã t©m cøng

- 136 -

- BiÕn ®æi øng suÊt thµnh tÝn hiÖu ®o. Çc bé chuyÓn ®æi lµ çc phÇn tö ¸p ®iÖn

hoÆc ¸p trë.

a) Bé biÕn ®æi ®o ¸p suÊt kiÓu ®iÖn c¶m

tù c¶m cña cuén d©y. NÕu bá qua ®iÖn trë cuén d©y, tõ th«ng t¶n vµ tæn hao trong

lâi tõ th× ®é tù c¶m cña bé biÕn ®æi x¸c ®Þnh bëi c«ng thøc sau:

( ) ( )00tbtb

2

S/S/l

WL

µδ+µ= (8.21)

Trong ®ã:

W - sè vßng d©y cña cuén d©y.

ltb, Stb: chiÒu dµi vµ diÖn tÝch trung b×nh cña lâi tõ.

δ, S0 - chiÒu dµi vµ tiÕt diÖn khe hë kh«ng khÝ .

µ, µ0 - ®é tõ thÈm cña lâi tõ vµ kh«ng khÝ.

Th«ng th−êng ltb/(µStb) << δ/(µ0S0), do ®ã cã thÓ tÝnh L theo c«ng thøc gÇn ®óng:

δ

µ= 00

2 S.WL

Víi δ = kp, ta cã ph−¬ng tr×nh ®Æc tÝnh tÜnh cña c¶m biÕn ¸p suÊt dïng bé

biÕn ®æi c¶m øng:

kp

S.WL 0

02 µ= (8.22)

§Ó ®o ®é tù c¶m L ng−êi ta dïng cÇu ®o xoay chiÒu hoÆc m¹ch céng h−ëng

LC.

CÊu t¹o cña bé chuyÓn ®æi kiÓu

®iÖn c¶m biÓu diÔn trªn h×nh 8.10. Bé

chuyÓn ®æi gåm tÊm s¾t tõ ®éng g¾n

trªn mµng (1) vµ nam ch©m ®iÖn cã

lâi s¾t (2) vµ cuén d©y (3).

D−íi t¸c dông cña ¸p suÊt ®o,

mµng (1) dÞch chuyÓn lµm thay ®æi

khe hë tõ (δ) gi÷a tÊm s¾t tõ vµ lâi tõ

cña nam ch©m ®iÖn, do ®ã thay ®æi ®é

p

H×nh 8.10 Bé chuyÓn ®æi kiÓu c¶m øng1) TÊm s¾t tõ 2) Lâi s¾t tõ 3) Cuén d©y

1

2

3

δ

- 137 -

b) Bé biÕn ®æi kiÓu biÕn ¸p vi sai

Bé biÕn ®æi ¸p suÊt kiÓu biÕn ¸p vi sai (h×nh 8.11) gåm mét lß xo vßng (1) vµ

phÇn tö biÕn ®æi (2). PhÇn tö biÕn ®æi gåm mét khung çch ®iÖn trªn ®ã quÊn cuén

s¬ cÊp (7). Cuén thø cÊp gåm hai cuén d©y (4) vµ (5) quÊn ng−îc chiÒu nhau. Lâi

thÐp di ®éng nèi víi lß xo (1). §Çu ra cña cuén thø cÊp nèi víi ®iÖn trë R1, cho phÐp

®iÒu chØnh giíi h¹n ®o trong ph¹m vi ±25%.

Nguyªn lý lµm viÖc: dßng ®iÖn I1 ch¹y trong cuén s¬ cÊp sinh ra tõ th«ng biÕn

thiªn trong hai nöa cuén thø cÊp, lµm xuÊt hiÖn trong hai nöa cuén d©y nµy çc suÊt

®iÖn ®éng c¶m øng e1 vµ e2:

111 MI.f2e π=

212 MI.f2e π=

Trong ®ã M1 vµ M2 lµ hç c¶m gi÷a cuén s¬ cÊp vµ çc nöa cuén thø cÊp.

Hai nöa cuén d©y ®Êu ng−îc chiÒu nhau, do ®ã suÊt ®iÖn ®éng trong cuén thø cÊp:

( ) MfI2MMfI2eeE 121121 π=−π=−= (8.23)

§èi víi phÇn tö biÕn ®æi chuÈn cã ®iÖn trë cöa ra R1 vµ R2 th× ®iÖn ¸p ra cña bé biÕn

®æi x¸c ®Þnh bëi c«ng thøc:

ra1ra MfI2V π= (8.24)

Gi¸ trÞ hç c¶m Mra phô thuéc ®é dÞch chuyÓn cña lâi thÐp:

max

maxra MMδδ

=

Trong ®ã Mmax lµ hç c¶m lín nhÊt cña cuén s¬ cÊp vµ cuén thø cÊp øng víi ®é dÞch

chuyÓn lín nhÊt cña lâi thÐp.

1

pE Ur

2 3

4

6

H×nh 8.11 S¬ ®å cÊu t¹o nguyªn lý cña bé biÕn ®æi kiÓu biÕn ¸p vi sai 1) Lß xo vßng 2) PhÇn tö biÕn ®æi 3&4) Cuén thø cÊp

5) Lâi thÐp 6) Cuén s¬ cÊp

5

R1I1

R2

- 138 -

Tõ ph−¬ng tr×nh (8.23) vµ (8.24), t×m ®−îc ®iÖn ¸p ra cña bé biÕn ®æi:

δδ

π=

max

max1ra

MfI2V (8.25)

c) Bé biÕn ®æi kiÓu ®iÖn dung

S¬ ®å c¶m biÕn kiÓu ®iÖn dung tr×nh bµy trªn h×nh 8.12

H×nh 8.12a tr×nh bµy cÊu t¹o mét bé biÕn ®æi kiÓu ®iÖn dung gåm b¶n cùc

®éng lµ mµng kim lo¹i (1), vµ b¶n cùc tÜnh (2) g¾n víi ®Õ b»ng çch ®iÖn th¹ch anh

(4).

Sù phô thuéc cña ®iÖn dung C vµo ®é dÞch chuyÓn cña mµng cã d¹ng:

0

sC

δ+δε= (8.26)

Trong ®ã:

ε - h»ng sè ®iÖn m«i cña çch ®iÖn gi÷a hai b¶n cùc.

δ0 - kho¶ng çch gi÷a çc ®iÖn cùc khi ¸p suÊt b»ng 0.

δ - ®é dÞch chuyÓn cña mµng.

H×nh 8.12b lµ mét bé biÕn ®æi ®iÖn dung kiÓu vi sai gåm hai b¶n cùc tÜnh (2)

vµ (3) g¾n víi chÊt ®iÖn m«i cøng (4), kÕt hîp víi mµng (1) n»m gi÷a hai b¶n cùc ®Ó

t¹o thµnh hai tô ®iÖn C12 vµ C13. Kho¶ng trèng gi÷a çc b¶n cùc vµ mµng ®iÒn ®Çy

bëi dÇu silicon (5).

Çc ¸p suÊt p1 vµ p2 cña hai m«i tr−êng ®o t¸c ®éng lªn mµng, lµm mµng dÞch

chuyÓn gi÷a hai b¶n cùc tÜnh vµ t¹o ra tÝn hiÖu im (cung cÊp bëi nguån nu«i) tØ lÖ víi

¸p suÊt gi÷a hai m«i tr−êng:

)pp(KCC

CCKi 21

21

211m −=

+−

= (8.27)

H×nh 8.12 Bé chuyÓn ®æi kiÓu ®iÖn dung 1) B¶n cùc ®éng 2&3) B¶n cùc tÜnh 4) Çch diÖn 4) DÇu silicon

p 1

2 4

a) b)

p1 p2

1 2

34

5

- 139 -

§Ó biÕn ®æi biÕn thiªn ®iÖn dung C thµnh tÝn hiÖu ®o l−êng, th−êng dïng m¹ch

cÇu xoay chiÒu hoÆc m¹ch vßng céng h−ëng LC.

Bé c¶m biÕn kiÓu ®iÖn dung ®o ®−îc ¸p suÊt ®Õn 120 MPa, sai sè ± (0,2 - 5)%.

3.2.4. Bé biÕn ®æi kiÓu ¸p trë

CÊu t¹o cña phÇn tö biÕn ®æi ¸p trë biÓu diÔn trªn h×nh 8.13a. C¶m biÕn ¸p trë

gåm ®Õ silic lo¹i N (1) trªn ®ã cã khuÕch t¸n t¹p chÊt t¹o thµnh líp b¸n dÉn lo¹i P

(2) , mÆt trªn ®−îc bäc çch ®iÖn vµ cã hai tiÕp xóc kim lo¹i ®Ó nèi d©y dÉn (3).

Trªn h×nh 8.13b lµ tr−êng hîp mµng ®Þnh h−íng (100) cã g¾n 4 c¶m biÕn ¸p

trë, trong ®ã cã hai c¶m biÕn ®Æt ë t©m theo h−íng (110) vµ hai c¶m biÕn ®Æt ë biªn

t¹o thµnh víi h−íng (100) mét gãc 60o. Víi çch ®Æt nh− vËy, biÕn thiªn ®iÖn trë

cña hai cÆp c¶m biÕn khi cã øng suÊt néi sÏ b»ng nhau nh−ng tr¸i dÊu:

RRRRR 4231 ∆=∆−=∆−=∆=∆

§Ó ®o biÕn thiªn ®iÖn trë ng−êi ta dïng m¹ch cÇu, khi ®ã ë hai ®Çu ®−êng chÐo cÇu

®−îc nu«i b»ng dßng mét chiÒu sÏ lµ:

( ) RIRRRR4

IV 4321m ∆=∆−∆+∆−∆=

Sù thay ®æi t−¬ng ®èi cña trë kh¸ng theo øng lùc σ tÝnh x¸c ®Þnh theo biÓu thøc:

πσ=∆

0R

R

Trong ®ã π lµ hÖ sè ¸p trë cña tinh thÓ (~ 4.10-10 m2/N), khi ®ã biÓu thøc ®iÖn ¸p cã

d¹ng:

σπ= 0m IRV (8.28)

H×nh 8.13. S¬ ®å nguyªn lý c¶m biÕn ¸p trë a) S¬ ®å cÊu t¹o b) VÞ trÝ ®Æt trªn mµng 1) §Õ silic-N 2) B¸n dÉn P 3) D©y dÉn

12

3

R1

R2

R3

R4

JT

60o

a) b)

- 140 -

Bé chuyÓn ®æi kiÓu ¸p trë lµm viÖc trong d¶i nhiÖt ®é tõ - 40oC ®Õn 125oC phô

thuéc vµo ®é pha t¹p. Ng−êi ta còng cã thÓ bï trõ ¶nh h−ëng cña nhiÖt ®é b»ng çch

®−a thªm vµo bé chuyÓn ®æi mét bé phËn hiÖu chØnh ®−îc ®iÒu khiÓn qua ®Çu ®o

nhiÖt ®é JT.

d) Bé chuyÓn ®æi kiÓu ¸p ®iÖn

Bé chuyÓn ®æi kiÓu ¸p ®iÖn, dïng phÇn tö biÕn ®æi lµ phÇn tö ¸p ®iÖn, cho

phÐp biÕn ®æi trùc tiÕp øng lùc d−íi t¸c ®éng cña lùc F do ¸p suÊt g©y nªn thµnh tÝn

hiÖu ®iÖn.

¸p suÊt (p) g©y nªn lùc F t¸c ®éng lªn çc b¶n ¸p ®iÖn, lµm xuÊt hiÖn trªn hai

mÆt cña b¶n ¸p ®iÖn mét®iÖn tÝch Q tØ lÖ víi lùc t¸c dông:

kFQ =

Víi F = p.S, do ®ã:

kpSQ =

Trong ®ã:

k - h»ng sè ¸p ®iÖn, trong tr−êng hîp th¹ch anh k = 2,22.10-12 C/N.

S - diÖn tÝch h÷u Ých cña mµng.

§Ó t¨ng ®iÖn tÝch Q ng−êi ta ghÐp song song mét sè b¶n cùc víi nhau.

§èi víi phÇn tö ¸p ®iÖn d¹ng èng, ®iÖn tÝch trªn çc b¶n cùc x¸c ®Þnh theo

c«ng thøc:

22 dD

dh4kFQ

−= (8.29)

Trong ®ã:

D, d - ®−êng kÝnh ngoµi vµ ®−êng kÝnh trong cña phÇn tö ¸p ®iÖn.

h - chiÒu cao phÇn phñ kim lo¹i.

H×nh 8.14 C¶m biÕn kiÓu ¸p trë a) PhÇn tö ¸p ®iÖn d¹ng tÊm b) PhÇn tö ¸p ®iÖn d¹ng èng

p

a)

Trôc quang

Trôc ®iÖn

d

D

b)

- 141 -

Giíi h¹n trªn cña c¶m biÕn ¸p suÊt dïng bé biÕn ®æi ¸p ®iÖn tõ 2,5 - 100 MPa,

cÊp chÝnh x¸c 1,5;2. Bé biÕn ®æi ¸p ®iÖn cã håi ®¸p tÇn sè rÊt tèt nªn th−êng dïng

®Ó ®o ¸p suÊt thay ®æi nhanh, tuy nhiªn chóng cã nh−îc ®iÓm lµ nh¹y c¶m víi sù

thay ®æi nhiÖt ®é.

- 142 -

Ch−¬ng IX

C¶m biÕn ®o l−u l−îng Vµ MøC CHÊT l−u

9.1. C¶m biÕn ®o l−u l−îng

9.1.1. L−u l−îng vµ ®¬n vÞ ®o

L−u l−îng chÊt l−u lµ l−îng chÊt l−u ch¶y qua tiÕt diÖn ngang cña èng trong

mét ®¬n vÞ thêi gian. Tuú theo ®¬n vÞ tÝnh l−îng chÊt l−u (theo thÓ tÝch hoÆc khèi

l−îng) ng−êi ta ph©n biÖt:

- L−u l−îng thÓ tÝch (Q) tÝnh b»ng m3/s, m3/giê ...

- L−u l−îng khèi (G) tÝnh b»ng kg/s, kg/giê ...

L−u l−îng trung b×nh trong kho¶ng thêi gian ∆t = t2 - t1 x¸c ®Þnh bëi biÓu thøc:

t

VQtb ∆

∆= hoÆc

t

mGtb ∆

∆= (9.1)

Trong ®ã ∆V, ∆m lµ thÓ tÝch vµ khèi l−îng chÊt l−u ch¶y qua èng trong thêi kho¶ng

gian kh¶o s¸t.

L−u l−îng tøc thêi x¸c ®Þnh theo c«ng thøc:

dt

dVQ = hoÆc

dt

dmG = (9.2)

§Ó ®o l−u l−îng ng−êi ta dïng çc l−u l−îng kÕ. Tuú thuéc vµo tÝnh chÊt chÊt l−u,

yªu cÇu c«ng nghÖ, ng−êi ta sö dông çc l−u l−îng kÕ kh¸c nhau. Nguyªn lý ho¹t

®éng cña çc l−u l−îng kÕ dùa trªn c¬ së:

- §Õm trùc tiÕp thÓ tÝch chÊt l−u ch¶y qua c«ng t¬ trong mét kho¶ng thêi

gian x¸c ®Þnh ∆t.

- §o vËn tèc chÊt l−u ch¶y qua c«ng t¬ khi l−u l−îng lµ hµm cña vËn tèc.

- §o ®é gi¶m ¸p qua tiÕt diÖn thu hÑp trªn dßng ch¶y, l−u l−îng lµ hµm phô

thuéc ®é gi¶m ¸p.

TÝn hiÖu ®o biÕn ®æi trùc tiÕp thµnh tÝn hiÖu ®iÖn hoÆc nhê bé chuyÓn ®æi ®iÖn

thÝch hîp.

9.1.2. C«ng t¬ thÓ tÝch

C«ng t¬ thÓ tÝch ®o thÓ tÝch chÊt l−u ch¶y qua c«ng t¬ b»ng çc ®Õm trùc tiÕp

l−îng thÓ tÝch ®i qua buång chøa cã thÓ tÝch x¸c ®Þnh cña c«ng t¬.

S¬ ®å nguyªn lý cña c«ng t¬ thÓ tÝch kiÓu b¸nh r¨ng h×nh «van tr×nh bµy trªn

h×nh 9.1.

- 143 -

C«ngt¬ gåm hai b¸nh r¨ng h×nh «van (1) vµ (2) truyÒn ®éng ¨n khíp víi nhau

(h×nh 9.1a). D−íi t¸c ®éng cña dßng chÊt láng, b¸nh r¨ng (2) quay vµ truyÒn chuyÓn

®éng tíi b¸nh r¨ng (1) (h×nh 9.1b) cho ®Õn lóc b¸nh r¨ng (2) ë vÞ trÝ th¼ng ®øng,

b¸nh r¨ng (1) n»m ngang. ChÊt láng trong thÓ tÝch V1 ®−îc ®Èy sang cöa ra. Sau ®ã

b¸nh r¨ng (1) quay vµ qu¸ tr×nh t−¬ng tù lÆp l¹i, thÓ tÝch chÊt láng trong buång V2

®−îc ®Èy sang cöa ra. Trong mét vßng quay cña c«ngt¬ thÓ tÝch chÊt láng qua

c«ngt¬ b»ng bèn lÇn thÓ tÝch V0 (b»ng V1 hoÆc V2). Trôc cña mét trong hai b¸nh

r¨ng liªn kÕt víi c¬ cÊu ®Õm ®Æt ngoµi c«ngt¬.

ThÓ tÝch chÊt l−u ch¶y qua c«ngt¬ trong thêi gian ∆t = t2 - t1 tØ lÖ víi sè vßng

quay x¸c ®Þnh bëi c«ng thøc:

( )12v NNqV −=∆ (9.3)

Trong ®ã:

qV - thÓ tÝch chÊt l−u ch¶y qua c«ng t¬ øng víi mét vßng quay.

N1, N2 - tæng sè vßng quay cña c«ng t¬ t¹i thêi ®iÓm t1 vµ t2.

Th«ng th−êng thÓ tÝch chÊt l−u ch¶y qua c«ng t¬ ®−îc biÓu diÔn d−íi d¹ng:

( )1c2cc NNqV −=∆ (9.4)

qc - hÖ sè c«ng t¬ (thÓ tÝch chÊt l−u ch¶y qua c«ng t¬ øng víi mét ®¬n vÞ chØ thÞ

trªn c«ng t¬).

Nc1, Nc2 - sè trªn chØ thÞ c«ng t¬ t¹i thêi ®iÓm t1 vµ t2.

L−u l−îng trung b×nh:

( )

12

12vtb tt

NNq

t

VQ

−−

=∆∆

= (9.5)

L−u l−îng tøc thêi:

V1

V2

2

1

H×nh 9.1 S¬ ®å nguyªn lý c«ng t¬ thÓ tÝch

a) b) c)

- 144 -

nqdt

dNq

dt

dVQ vv === (9.6)

Víi dt

dNn = lµ tèc ®é quay trªn trôc c«ng t¬.

§Ó ®Õm sè vßng quay vµ chuyÓn thµnh tÝn hiÖu ®iÖn ng−êi ta dïng mét trong

ba çch d−íi ®©y:

- Dïng mét nam ch©m nhá g¾n trªn trôc quay cña cña c«ng t¬, khi nam

ch©m ®i qua mét cuén d©y ®Æt cè ®Þnh sÏ t¹o ra xung ®iÖn. §Õm sè xung ®iÖn theo

thêi gian sÏ tÝnh ®−îc tèc ®é quay cña trôc c«ng t¬.

- Dïng tèc ®é kÕ quang.

- Dïng m¹ch ®o thÝch hîp ®Ó ®o tÇn sè hoÆc ®iÖn ¸p.

Giíi h¹n ®o cña c«ng t¬ lo¹i nµy tõ 0,01 - 250 m3/giê, ®é chÝnh x¸c cao ±(0,5 -

1)%, tæn thÊt ¸p suÊt nhá nh−ng cã nh−îc ®iÓm lµ chÊt láng ®o ph¶i ®−îc läc tèt vµ

g©y ån khi lµm viÖc.

®éng quay cña tang ®−îc truyÒn ®Õn c¬ cÊu ®Õm ®Æt bªn ngoµi vá c«ng t¬.

C«ng t¬ khÝ kiÓu quay cã thÓ ®o l−u l−îng ®Õn 100 - 300 m3/giê, cÊp chÝnh x¸c

0,25; 0,5.

9.1.3. C«ng t¬ tèc ®é

H×nh 9.3 tr×nh bµy s¬ ®å cÊu t¹o cña mét c«ng t¬ tèc ®é tuabin h−íng trôc.

Bé phËn chÝnh cña c«ng t¬ lµ mét tuabin h−íng trôc nhá (2) ®Æt theo chiÒu

chuyÓn ®éng cña dßng ch¶y. Tr−íc tuabin cã ®Æt bé chØnh dßng ch¶y (1) ®Ó san

ph¼ng dßng rèi vµ lo¹i bá xo¸y. ChuyÓn ®éng quay cña tuabin qua bé b¸nh r¨ng -

trôc vÝt (3) truyÒn tíi thiÕt bÞ ®Õm (4).

§Ó ®o l−u l−îng dßng khÝ ng−êi ta sö

dông c«ng t¬ khÝ kiÓu quay. C«ng t¬ (h×nh

9.2) gåm vá h×nh trô (1), çc çnh (2,4,7,8),

tang quay (3) vµ cam (6). Khi çnh (4) ë vÞ

trÝ nh− h×nh vÏ , ¸p suÊt chÊt khÝ t¸c ®éng

lªn çnh lµm cho tang (3) quay. Trong qu¸

tr×nh quay çc çnh lu«n tiÕp xóc víi mÆt

ngoµi cam (6) nhê çc con l¨n (5). Trong

mét vßng quay thÓ tÝch chÊt khÝ b»ng thÓ

tÝch vµnh chÊt khÝ gi÷a vá vµ tang. ChuyÓn

H×nh 9.2 C«ng t¬ khÝ kiÓu quay 1) Vá 2, 4,7&8) Çnh 3) Tang

quay 5) Con l¨n 6) Cam

1

2

3

4

5

7

8

6

- 145 -

Tèc ®é quay cña c«ng t¬ tØ lÖ víi tèc ®é dßng ch¶y:

kWn =

Trong ®ã:

k - hÖ sè tØ lÖ phô thuéc cÊu t¹o c«ng t¬.

W- tèc ®é dßng ch¶y.

L−u l−îng thÓ tÝch chÊt l−u ch¶y qua c«ng t¬:

nk

FWFQ == (9.7)

Víi:

F - tiÕt diÖn dßng ch¶y.

n - tèc ®é quay cña tuabin (sè vßng quay trong mét gi©y).

NÕu dïng c¬ cÊu ®Õm ®Ó ®Õm tæng sè vßng quay cña c«ng t¬ trong mét

kho¶ng thêi gian tõ t1 ®Õn t2 sÏ nhËn ®−îc thÓ tÝch chÊt láng ch¶y qua c«ng t¬:

ndtk

FdQdtdV ==

∫=2

1

t

t

ndtk

FV

Hay:

( )12 NNk

FV −= (9.8)

Víi ∫=−2

1

t

t12 ndt

k

FNN

H×nh 9.3 S¬ ®å cÊu t¹o c«ng t¬ tèc ®é tuabin h−íng trôc 1) Bé chØnh dßng ch¶y 2) Tuabin

3) Bé truyÒn b¸nh r¨ng-trôc vÝt 4) ThiÕt bÞ ®Õm

1

2

3

4

- 146 -

C«ng t¬ tèc ®é tuabin h−íng trôc víi ®−êng kÝnh tuabin tõ 50 - 300 mm cã

ph¹m vi ®o tõ 50 - 300 m3/giê, cÊp chÝnh x¸c 1; 1,5; 2.

§Ó ®o l−u l−îng nhá ng−êi ta dïng c«ng t¬ tèc ®é kiÓu tiÕp tuyÕn cã s¬ ®å cÊu

t¹o nh− h×nh 9.4.

Tuabin c«ng t¬ (1) ®Æt trªn trôc quay vu«ng gãc víi dßng ch¶y. ChÊt l−u qua

mµng läc (2) qua èng dÉn (3) vµo c«ng t¬ theo h−íng tiÕp tuyÕn víi tuabin lµm

quay tuabin. C¬ cÊu ®Õm liªn kÕt víi trôc tuabin ®Ó ®−a tÝn hiÖu ®Õn m¹ch ®o.

C«ng t¬ kiÓu tiÕp tuyÕn víi ®−êng kÝnh tuabin tõ 15 - 40 mm cã ph¹m vi ®o tõ

3 - 20 m3/giê, cÊp chÝnh x¸c 2; 3.

9.1.4. L−u l−îng kÕ mµng ch¾n

a) Nguyªn lý ®o

Çc c¶m biÕn lo¹i nµy ho¹t ®éng dùa trªn nguyªn t¾c ®o ®é gi¶m ¸p suÊt cña

dßng ch¶y khi ®i qua mµng ng¨n cã lç thu hÑp. Trªn h×nh 9.5 tr×nh bµy s¬ ®å nguyªn

lý ®o l−u l−îng dïng mµng ng¨n tiªu chuÈn.

Khi ch¶y qua lç thu hÑp cña mµng ng¨n, vËn tèc chÊt l−u t¨ng lªn vµ ®¹t cùc

®¹i (W2) t¹i tiÕt diÖn B-B, do ®ã t¹o ra sù chªnh ¸p tr−íc vµ sau lç thu hÑp. Sö dông

mét ¸p kÕ vi sai ®o ®é chªnh ¸p nµy cã thÓ x¸c ®Þnh ®−îc l−u l−îng cña dßng ch¶y.

Gi¶ sö chÊt láng kh«ng bÞ nÐn, vµ dßng ch¶y lµ liªn tôc, vËn tèc cùc ®¹i cña

dßng ch¶y t¹i tiÕt diÖn B-B ®−îc x¸c ®Þnh theo biÓu thøc:

( )21222 pp2

m

1W −

ρµ−ξ=

Trong ®ã:

p1’, p2’ - ¸p suÊt tÜnh t¹i tiÕt diÖn A-A vµ B-B.

ρ - tØ träng chÊt l−u.

H×nh 9.4 C«ng t¬ tèc ®é kiÓu tuabin tiÕp tuyÕn 1) Tuabin 2) Mµng läc 3) èng dÉn

12

3

- 147 -

ξ - hÖ sè tæn thÊt thuû lùc.

m - tØ sè thu hÑp cña mµng ng¨n, m = F0/F1.

µ - hÖ sè thu hÑp dßng ch¶y, µ = F2/F0.

Th−êng ng−êi ta kh«ng ®o ®é gi¶m ¸p ∆p’ = p’1 - p’2 ë tiÕt diÖn A-A vµ B-B,

mµ ®o ®é gi¶m ¸p ∆p = p1 - p2 ngay tr−íc vµ sau lç thu hÑp. Quan hÖ gi÷a ∆p’ vµ ∆p

cã d¹ng:

21'2

'1 pppp −ψ=−

Khi ®ã:

( )21222 pp2

mW −

ρµ−ξ

ψ=

vµ l−u l−îng khèi l−îng cña chÊt l−u:

( )210220222 pp2Fm

FWFWG −ρµ−ξ

µψ=ρµ=ρ=

Hay:

( )210 pp2FG −ρα= (9.9)

Víi 22mµ−ξ

µψ=α gäi lµ hÖ sè l−u l−îng.

H×nh 9.5 Ph©n bè v©n tèc vµ ¸p suÊt cña mét dßng ch¶y lý t−ëng qua lç thu hÑp

F1 F0 F2

W1 W2

p’2p’1

p’1

p’2p2

∆p

p1

w1w2

p3’

δp

w3

A B C

- 148 -

Tõ çc biÓu thøc trªn vµ F0 = πd2/4, ta nhËn ®−îc c«ng thøc x¸c ®Þnh l−u l−îng khèi

(G) vµ l−u l−îng thÓ tÝch (Q) cña dßng chÊt l−u:

( )21

2

pp24

dG −ρ

πα= (9.10)

( )21

2

pp2

4

dQ −

ρπ

α= (9.11)

Trong tr−êng hîp m«i tr−êng chÊt l−u chÞu nÐn, th× khi ¸p suÊt gi¶m, chÊt l−u

gi¶n në, lµm t¨ng tèc ®é dßng ch¶y so víi khi kh«ng chÞu nÐn, do ®ã ph¶i ®−a thªm

vµo hÖ sè hiÖu chØnh ε (ε < 1), khi ®ã çc ph−¬ng tr×nh trªn cã d¹ng:

( )21 ppcG −ραε= (9.12)

( )21 pp1

cQ −ρ

αε= (9.13)

ë ®©y:

( ) 4/2c π= lµ h»ng sè.

ρ - tØ träng chÊt l−u t¹i cöa vµo cña lç thu hÑp.

§èi víi çc dßng chÊt l−u cã trÞ sè Reynol nhá h¬n gi¸ trÞ tíi h¹n, khi ®o

kh«ng thÓ dïng mµng ng¨n lç thu hÑp tiªu chuÈn v× khi ®ã hÖ sè l−u l−îng kh«ng

ph¶i lµ h»ng sè. Trong tr−êng hîp nµy, ng−êi ta dïng çc mµng ng¨n cã lç thu hÑp

®Æc biÖt nh− mµng ng¨n cã lç c«n (h×nh 9.6a), gicl¬ h×nh trô (h×nh 9.6b), gicl¬ cong

(h×nh 9.6c) ... Trªn c¬ së thùc nghiÖm ng−êi ta x¸c ®Þnh hÖ sè l−u l−îng cho mçi lç

thu hÑp vµ xem nh− kh«ng ®æi trong ph¹m vi sè Reynol giíi h¹n.

H×nh 9.6 CÊu t¹o mµng ng¨n lç thu hÑp ®Æc biÖt dïng ®Ó ®o l−u l−îng dßng ch¶y chÊt l−u cã sè Reynol nhá

a) b) c)

- 149 -

b) S¬ ®å hÖ thèng ®o

Tuú theo yªu cÇu sö dông, ng−êi ta cã thÓ sö dông hÖ thèng ®o thÝch hîp. Trªn

h×nh 9.7 tr×nh bµy s¬ ®å khèi cña mét sè hÖ thèng ®o dïng mµng ch¾n.

9.1.5. L−u l−îng kÕ ®iÖn tõ

Nguyªn lý cña l−u l−îng kÕ ®iÖn tõ dùa trªn ®Þnh luËt c¶m øng ®iÖn tõ: khi cã

mét d©y dÉn chuyÓn ®éng trong tõ tr−êng, c¾t çc ®−êng søc cña tõ tr−êng th× trong

d©y dÉn xuÊt hiÖn mét suÊt ®iÖn ®éng c¶m øng tØ lÖ víi tèc ®é chuyÓn ®éng cña d©y

dÉn. S¬ ®å nguyªn lý cña l−u l−îng kÕ ®iÖn tõ biÓu diÔn trªn h×nh 9.8.

2

1

Q

3

1

Q

5

43

1

Q

4

6

8

7

3

1

Q

4

6

11

7

10 9 3

1

Q

4

67

9 12

H×nh 9.7 S¬ ®å hÖ thèng ®o l−u l−îng dïng mµng ng¨n 1) Mµng ng¨n 2) L−u l−îng kÕ vi sai 3) Bé biÕn ®æi ®é gi¶m ¸p 4) Dông cô ®o thø cÊp

5) Bé tÝch ph©n l−u l−îng 6) Dông cô tÝnh khèi l−îng chÊt l−u 7) ThiÕt bÞ tÝnh to¸n 8) BiÕn ®æi tØ träng chÊt l−u trong ®iÒu kiÖn lµm viÖc 9) Bé biÕn ®æi nhiÖt ®é 10) Bé biÕn ®æi ¸p suÊt

11) Bé biÕn ®æi tØ träng trong ®iÒu kiÖn ®Þnh møc 12) Bé biÕn ®æi tØ träng chÊt l−u ë 20oC

a) b) c)

d) ®)

N S

1

2

3 4

H×nh 9.8 S¬ ®å l−u l−îng kÕ ®iÖn tõ 1 & 2) §iÖn cùc 3) èng kim lo¹i 4) Miliv«n kÕ 5) Nam ch©m

5

- 150 -

L−u l−îng kÕ gåm èng kim lo¹i kh«ng tõ tÝnh (3) bªn trong cã phñ líp vËt liÖu

çch ®iÖn (s¬n ªmay, thuû tinh h÷u c¬) ®Æt gi÷a hai cùc cña mét nam ch©m (5) sao

cho trôc èng vu«ng gãc víi ®−êng søc cña tõ tr−êng. Trong mÆt ph¼ng vu«ng gãc

víi ®−êng søc, cã hai ®iÖn cùc (1) vµ (2) ®−îc nèi víi miliv«n kÕ (4). Khi chÊt l−u

cã tÝnh dÉn ®iÖn ch¶y qua èng, trong chÊt l−u xuÊt hiÖn mét suÊt ®iÖn ®éng c¶m øng

(E) :

QD

B4BWDE

π== (9.14)

Trong ®ã:

B - c−êng ®é tõ tr−êng.

W- tèc ®é trung b×nh cña dßng ch¶y.

D - ®−êng kÝnh trong cña èng.

Q - l−u l−îng thÓ tÝch cña chÊt l−u.

Khi B = const th× E søc ®iÖn ®éng c¶m øng tØ lÖ víi l−u l−îng thÓ tÝch Q.

L−u l−îng kÕ ®iÖn tõ víi tõ tr−êng kh«ng ®æi cã nh−îc ®iÓm lµ trªn çc cùc

xuÊt hiÖn çc søc ®iÖn ®éng phô (do ph©n cùc) lµm sai lÖch kÕt qu¶ ®o. §Ó kh¾c

phôc nh−îc ®iÓm trªn, ng−êi ta dïng l−u l−îng kÕ ®iÖn tõ dïng nam ch©m ®iÖn xoay

chiÒu, tuy nhiªn tõ tr−êng xoay chiÒu l¹i lµm mÐo tÝn hiÖu ra.

L−u l−îng kÕ ®iÖn tõ ®−îc dïng ®Ó ®o l−u l−îng cña chÊt láng cã ®é dÉn ®iÖn

kh«ng nhá h¬n 10-5 - 10-6 Simen/m. Chóng cã −u ®iÓm: ®o l−u l−îng kh«ng cÇn ph¶i

®o tØ träng chÊt láng, çc phÇn tö h¹t, bät khÝ vµ t¸c ®éng cña m«i tr−êng (nh− nhiÖt

®é, ¸p suÊt, ...) nÕu chóng kh«ng lµm thay ®æi ®é dÉn ®iÖn cña chÊt l−u sÏ kh«ng ¶nh

h−ëng ®Õn kÕt qu¶ ®o.

L−u l−îng kÕ ®iÖn tõ víi ®−êng kÝnh èng tõ 10 - 1.000 mm cã thÓ ®o l−u l−îng

trong tõ 1 - 2.500 m3/giê víi vËn tèc dßng ch¶y tõ 0,6 - 10 m/s víi cÊp chÝnh x¸c 1;

2,5.

9.2. C¶m biÕn ®o vµ ph¸t hiÖn møc chÊt l−u

9.2.1. Môc ®Ých vµ ph−¬ng ph¸p ®o

Môc ®Ých viÖc ®o vµ phÊt hiÖn møc chÊt l−u lµ x¸c ®Þnh møc ®é hoÆc khèi

l−îng chÊt l−u trong b×nh chøa.

Cã hai d¹ng ®o: ®o liªn tôc vµ x¸c ®Þnh theo ng−ìng.

- 151 -

Khi ®o liªn tôc biªn ®é hoÆc tÇn sè cña tÝn hiÖu ®o cho biÕt thÓ tÝch chÊt l−u

cßn l¹i trong b×nh chøa. Khi x¸c ®Þnh theo ng−ìng, c¶m biÕn ®−a ra tÝn hiÖu d¹ng

nhÞ ph©n cho biÕt th«ng tin vÒ t×nh tr¹ng hiÖn t¹i møc ng−ìng cã ®¹t hay kh«ng.

Cã ba ph−¬ng ph¸p hay dïng trong kü thuËt ®o vµ ph¸t hiÖn møc chÊt l−u:

- Ph−¬ng ph¸p thuû tÜnh dïng biÕn ®æi ®iÖn.

- Ph−¬ng ph¸p ®iÖn dùa trªn tÝnh chÊt ®iÖn cña chÊt l−u.

- Ph−¬ng ph¸p bøc x¹ dùa trªn sù t−¬ng t¸c gi÷a bøc x¹ vµ chÊt l−u.

9.2.2. Ph−¬ng ph¸p thuû tÜnh

Ph−¬ng ph¸p thuû tÜnh dïng ®Ó ®o møc chÊt l−u trong b×nh chøa. Trªn h×nh 9.9

giíi thiÖu mét sè s¬ ®å ®o møc b»ng ph−¬ng ph¸p thuû tÜnh.

Trong s¬ ®å h×nh 9.9a, phao (1) næi trªn mÆt chÊt l−u ®−îc nèi víi ®èi träng

(5) b»ng d©y mÒm (2) qua çc rßng räc (3), (4). Khi møc chÊt l−u thay ®æi, phao (1)

n©ng lªn hoÆc h¹ xuèng lµm quay rßng räc (4), mét c¶m biÕn vÞ trÝ g¾n víi trôc quay

cña rßng räc sÏ cho tÝn hiÖu tØ lÖ víi møc chÊt l−u.

Trong s¬ ®å h×nh 9.9b, phao h×nh trô (1) nhóng ch×m trong chÊt l−u, phÝa trªn

®−îc treo bëi mét c¶m biÕn ®o lùc (2). Trong qu¸ tr×nh ®o, c¶m biÕn chÞu t¸c ®éng

cña mét lùc F tØ lÖ víi chiÒu cao chÊt l−u:

gShPF ρ−=

Trong ®ã:

P - träng l−îng phao.

h - chiÒu cao phÇn ngËp trong chÊt l−u cña phao.

S - tiÕt diÖn mÆt c¾t ngang cña phao.

ρ - khèi l−îng riªng cña chÊt l−u.

H×nh 9.9 S¬ ®å ®o møc theo ph−¬ng ph¸p thuû tÜnh a) Dïng phao cÇu b) Dïng phao trô c) Dïng c¶m biÕn ¸p suÊt vi sai

1

2 3 4

6

5

1

2

h

h

p0

1

- 152 -

g - gia tèc träng tr−êng.

Trªn s¬ ®å h×nh 9.9c, sö dông mét c¶m biÕn ¸p suÊt vi sai d¹ng mµng (1) ®Æt

s¸t ®¸y b×nh chøa. Mét mÆt cña mµng c¶m biÕn chÞu ¸p suÊt chÊt l−u g©y ra:

ghpp 0 ρ+=

MÆt kh¸c cña mµng c¶m biÕn chÞu t¸c ®éng cña ¸p suÊt p0 b»ng ¸p suÊt ë ®Ønh b×nh

chøa. Chªnh lÖch ¸p suÊt p - p0 sinh ra lùc t¸c dông lªn mµng cña c¶m biÕn lµm nã

biÕn d¹ng. BiÕn d¹ng cña mµng tØ lÖ víi chiÒu cao h cña chÊt l−u trong b×nh chøa,

®−îc chuyÓn ®æi thµnh tÝn hiÖu ®iÖn nhê çc bé biÕn ®æi ®iÖn thÝch hîp.

9.2.3. Ph−¬ng ph¸p ®iÖn

Çc c¶m biÕn ®o møc b»ng ph−¬ng ph¸p ®iÖn ho¹t ®éng theo nguyªn t¾c

chuyÓn ®æi trùc tiÕp biÕn thiªn møc chÊt láng thµnh tÝn hiÖu ®iÖn dùa vµo tÝnh chÊt

®iÖn cña chÊt l−u. Çc c¶m biÕn th−êng dïng lµ c¶m biÕn dé dÉn vµ c¶m biÕn ®iÖn

dung.

a) C¶m biÕn ®é dÉn

Çc c¶m biÕn lo¹i nµy dïng ®Ó ®o møc çc chÊt l−u cã tÝnh dÉn ®iÖn (®é dÉn

®iÖn ~ 50µScm-1). Trªn h×nh 9.10 giíi thiÖu mét sè c¶m biÕn ®é dÉn ®o møc th«ng

dông.

S¬ ®å c¶m biÕn h×nh 9.10a gåm hai ®iÖn cùc h×nh trô nhóng trong chÊt láng

dÉn ®iÖn. Trong chÕ ®é ®o liªn tôc, çc ®iÖn cùc ®−îc nèi víi nguån nu«i xoay chiÒu

~ 10V (®Ó tr¸nh hiÖn t−îng ph©n cùc cña çc ®iÖn cùc). Dßng ®iÖn ch¹y qua çc

®iÖn cùc cã biªn ®é tØ lÖ víi chiÒu dµi cña phÇn ®iÖn cùc nhóng ch×m trong chÊt

láng.

S¬ ®å c¶m biÕn h×nh 9.10b chØ sö dông mét ®iÖn cùc, ®iÖn cùc thø hai lµ b×nh

chøa b»ng kim lo¹i.

h h

hmin

a) b) c)

H×nh 9.10 C¶m biÕn ®é dÉn a) C¶m biÕn hai ®iÖn cùc b) C¶m biÕn mét ®iÖn cùc c) C¶m biÕn ph¸t hiÖn møc

- 153 -

S¬ ®å c¶m biÕn h×nh 9.10c dïng ®Ó ph¸t hiÖn ng−ìng, gåm hai ®iÖn cùc ng¾n

®Æt theo ph−¬ng ngang, ®iÖn cùc cßn l¹i nèi víi thµnh b×nh kim lo¹i,vÞ trÝ mçi ®iÖn

cùc ng¾n øng víi mét møc ng−ìng. Khi møc chÊt láng ®¹t tíi ®iÖn cùc, dßng ®iÖn

trong m¹ch thay ®æi m¹nh vÒ biªn ®é.

b) C¶m biÕn tô ®iÖn

Khi chÊt láng lµ chÊt çch ®iÖn, cã thÓ t¹o tô ®iÖn b»ng hai ®iÖn cùc h×nh trô

nhóng trong chÊt láng hoÆc mét ®iÖn cùc kÕt hîp víi ®iÖn cùc thø hai lµ thµnh b×nh

chøa nÕu thµnh b×nh lµm b»ng kim lo¹i. ChÊt ®iÖn m«i gi÷a hai ®iÖn cùc chÝnh lµ

chÊt láng ë phÇn ®iÖn cùc bÞ ngËp vµ kh«ng khÝ ë phÇn kh«ng cã chÊt láng. ViÖc ®o

møc chÊt l−u ®−îc chuyÓn thµnh ®o ®iÖn dung cña tô ®iÖn, ®iÖn dung nµy thay ®æi

theo møc chÊt láng trong b×nh chøa. §iÒu kiÖn ®Ó ¸p dông ph−¬ng ph¸p nµy h»ng sè

®iÖn m«i cña chÊt láng ph¶i lín h¬n ®¸ng kÓ h»ng sè ®iÖn m«i cña kh«ng khÝ

(th−êng lµ gÊp ®«i).

Trong tr−êng hîp chÊt l−u lµ chÊt dÉn ®iÖn, ®Ó t¹o tô ®iÖn ng−êi ta dïng mét

®iÖn cùc kim lo¹i bªn ngoµi cã phñ çch ®iÖn, líp phñ ®ãng vai trß chÊt ®iÖn m«i

cßn chÊt l−u ®ãng vai trß ®iÖn cùc thø hai.

9.2.4. Ph−¬ng ph¸p bøc x¹

C¶m biÕn bøc x¹ cho phÐp ®o møc chÊt l−u mµ kh«ng cÇn tiÕp xóc víi m«i

tr−êng ®o, −u ®iÓm nµy rÊt thÝch hîp khi ®o møc ë ®iÒu kiÖn m«i tr−êng ®o cã nhiÖt

®é, ¸p suÊt cao hoÆc m«i tr−êng cã tÝnh ¨n mßn m¹nh.

Trong ph−¬ng ph¸p nµy c¶m biÕn gåm mét nguån ph¸t tia (1) vµ bé thu (2)

®Æt ë hai phÝa cña b×nh chøa. Nguån ph¸t th−êng lµ mét nguån bøc x¹ tia γ (nguån 60Co hoÆc 137Cs), bé thu lµ mét buång ion ho¸.

ë chÕ ®é ph¸t hiÖn møc ng−ìng(h×nh 9.11a), nguån ph¸t vµ bé thu ®Æt ®èi diÖn

nhau ë vÞ trÝ ngang møc ng−ìng cÇn ph¸t hiÖn, chïm tia cña nguån ph¸t m¶nh vµ

gÇn nh− song song. Tuú thuéc vµo møc chÊt l−u (3) cao h¬n hay thÊp h¬n møc

ng−ìng mµ chïm tia ®Õn bé thu sÏ bÞ suy gi¶m hoÆc kh«ng, bé thu sÏ ph¸t ra tÝn

hiÖu t−¬ng øng víi çc tr¹ng th¸i so víi møc ng−ìng.

ë chÕ ®é ®o møc liªn tôc (h×nh 9.11b), nguån ph¸t (1) ph¸t ra chïm tia víi

mét gãc më réng quÐt lªn toµn bé chiÒu cao cña møc chÊt l−u cÇn kiÓm travµ bé thu.

- 154 -

Khi møc chÊt l−u (3) t¨ng do sù hÊp thô cña chÊt l−u t¨ng, chïm tia ®Õn bé thu

(2) sÏ bÞ suy gi¶m, do ®ã tÝn hiÖu ra tõ bé thu gi¶m theo. Møc ®é suy gi¶m cña

chïm tia bøc x¹ tØ lÖ víi møc chÊt l−u trong b×nh chøa

1 2

3

a)

h

1 2

3

b)

H×nh 9.11 C¶m biÕn ®o møc b»ng tia bøc x¹ a) C¶m biÕn ph¸t hiÖn ng−ìng b) C¶m biÕn ®o møc liªn tôc

1) Nguån ph¸t tia bøc x¹ 2) Bé thu 3) ChÊt l−u

Documents

Cam bien cong nghiep