TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC SÖ PHAÏM KYÕ THUAÄT TP. HOÀ CHÍ MINH KHOA CÔ KHÍ CHEÁ TAÏO MAÙY

BOÄ MOÂN CÔ ÑIEÄN TÖÛ --------------------

BAØI GIAÛNG

KYÕ THUAÄT

ÑO LÖÔØNG VAØ CAÛM BIEÁN

TP. HCM 2006 (LƯU HÀNH NỘI BỘ)

Chương 1: Những khái niệm và đặc trưng cơ bản của kỹ thuật đo lường và cảm biến................................................................................................................. 2 1.1 Một số định nghĩa và đặc trưng........................................................................ 2 1.2 Phân loại cảm biến.......................................................................................... 11 1.3 Các đại lượng ảnh hưởng................................................................................ 15 1.4 Mạch đo lường và gia công thông tin đo........................................................ 16 1.5 Sai số phép đo và gia công kết quả đo lường ................................................. 17 1.6 Chuẩn cảm biến .............................................................................................. 19 1.7 Độ nhạy........................................................................................................... 20 1.8 Độ tuyến tính .................................................................................................. 21 1.9 Độ nhanh-Thời gian hồi đáp........................................................................... 22 1.10 Giới hạn sử dụng cảm biến........................................................................... 23 1.11 Các mạch giao diện điện tử của các bộ cảm biến......................................... 24 Chương 2: Các chuyển đổi đo lường sơ cấp..................................................... 30 2.1 Khái niệm chung............................................................................................. 30 2.2 Các chuyển đổi điện trở.................................................................................. 33 2.3 Các chuyển đổi điện từ ................................................................................... 43 2.4 Các chuyển đổi tĩnh điện ................................................................................ 58 2.5 Các chuyển đổi nhiệt điện .............................................................................. 73 2.6 Các chuyển đổi hóa điện................................................................................. 84 2.7 Các chuyển đổi điện tử và ion ........................................................................ 96 2.8 Các chuyển đổi lượng tử................................................................................. 99 Chương 3 Cảm biến thông minh ..................................................................... 105 3.1 Sự ra đời của cảm biến thông minh.............................................................. 105 3.2 Vi điện tử hóa các chuyển đổi sơ cấp........................................................... 105 3.3 Xử lý sơ bộ kết quả đo trong cảm biến thông minh ..................................... 106 3.4 Cấu trúc của cảm biến thông minh ............................................................... 109 3.5 Một số ví dụ về cảm biến thông minh .......................................................... 110 3.7 Thiết bị đo thông minh và linh hoạt ............................................................. 113 Tài liệu tham khảo..................................................................................................

1

2

CHƯƠNG 1:

NHỮNG KHÁI NIỆM VÀ ĐẶC TRƯNG CƠ BẢN CỦA KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG VÀ CẢM BIẾN

1.1. MỘT SỐ ĐỊNH NGHĨA VÀ ĐẶC TRƯNG

1.1.1. Định nghĩa:

Trong thực tế đời sống và sản xuất, việc nắm bắt các thông tin trong quá trình hoạt động của các hệ thống, thiết bị là vô cùng quan trọng và cần thiết. Chỉ khi nắm bắt được các thông số của chúng, nói cách khác là đánh giá định lượng được chúng, chúng ta mới có thể làm chủ được hoàn toàn các thiết bị và hệ thống đó trên phương diện điều chỉnh, điều khiển. Các thông số này thường được thể hiện qua các đại lượng vật lý đặc trưng tương ứng như nhiệt độ, áp suất, lưu lượng... Vì vậy, không có cách nào khác là chúng ta phải có các phương pháp tương ứng để đo lường giá trị của các đại lượng vật lý này.

♦ Đo lường: là một quá trình đánh giá định lượng đại lượng cần đo để có kết quả bằng số so với đơn vị đo. [1]

(Như vậy, không phải đại lượng nào cũng có thể đo được một cách trực tiếp vì không có đơn vị mẫu của đại lượng đó để thực hiện so sánh, ví dụ: ứng suất cơ học… Khi đó người ta phải chuyển đổi đại lượng vật lý này sang dạng khác để thực hiện phép đo, ví dụ: chuyển sang dạng điện loadcell cảm biến lực căng và so sánh bằng tương quan điện)

♦ Đo lường học: là ngành khoa học nghiên cứu về các phương pháp để đo các đại lượng khác nhau, về mẫu và đơn vị đo. [1]

♦ Kỹ thuật đo lường: là ngành kỹ thuật nghiên cứu và ứng dụng các thành quả của đo lường học vào phục vụ sản xuất và đời sống. [1]

Cảm biến chính là một trong những sản phẩm quan trọng nhất của Kỹ thuật đo lường. Các đại lượng vật lý cần đo được cảm biến biến đổi thành một đại lượng điện tương ứng ở đầu ra. Đại lượng điện này phản ánh các thông tin cần thiết liên quan đến đại lượng cần đo.

♦ Cảm biến: là một thiết bị chịu tác động của đại lượng cần đo m không có tính chất điện và cho ta một đặc trưng mang bản chất điện (điện tích, điện áp, dòng điện hoặc trở kháng…) ký hiệu là s. Đặc trưng điện s là hàm của đại lượng cần đo: s = F(m).[2]

Rõ ràng rằng, với mỗi loại cảm biến thì mối quan hệ hàm số này sẽ có một dạng biểu thức hàm khác nhau. Nó phụ thuộc vào các yếu tố cấu thành của cảm

biến như: cấu trúc, vật liệu, môi trường … Tuy nhiên để đơn giản trong việc đo lường và xử lý tín hiệu, người ta thường cố gắng chế tạo các loại cảm biến sao cho quan hệ hàm đó là một hàm tuyến tính tức là có hệ số tỷ lệ hằng và đơn trị. Hệ số tỷ lệ đó thường được gọi dưới tên gọi là độ nhạy của cảm biến, ký hiệu S:

ms

dmdsS

∆∆

==

(1.1)

Hệ số S thường phụ thuộc vào các yếu tố:

+ Sự biến thiên giá trị của đại lượng cần đo (độ tuyến tính của đồ thị biến đổi đại lượng cần đo) và tần số thay đổi của nó (dải thông).

+ Thời gian sử dụng của cảm biến (độ già hoá)

+ Ảnh hưởng của các đại lượng vật lý khác (nhiễu từ môi trường xung quanh)

1.1.2. Các đặc trưng của kỹ thuật đo lường:

Kỹ thuật đo lường bao gồm các đặc trưng sau:

1.1.2.1. Đại lượng đo (hay tín hiệu đo):

♦ Theo tính chất thay đổi của đại lượng đo có thể chia thành đại lượng đo tiền định và đại lượng đo ngẫu nhiên:

a, Đại lượng đo tiền định: là đại lượng đo đã biết trước được quy luật thay đổi của nó theo thời gian nhưng có một hoặc một số thông số cần phải đo. Đó thường là tín hiệu một chiều, xoay chiều hình sin hay xung vuông với các thông số cần đo là biên độ, tần số, góc pha…

Ví dụ: đo độ lớn biên độ của tín hiệu hình sin.

b, Đại lượng đo ngẫu nhiên: là đại lượng đo có sự biến đổi theo thời gian một cách không có quy luật, nếu lấy bất kỳ giá trị nào của tín hiệu thì đó đều là giá trị ngẫu nhiên.

Ví dụ: độ ẩm của không khí.

Trong thực tế đa số các dạng tín hiệu đo đều là ngẫu nhiên. Tuy nhiên ở một chừng mực nào đó ta có thể giả thiết rằng trong suốt quá trình diễn ra phép đo, đại lượng đo là tín hiệu thay đổi chậm hoặc không đổi hoặc thay đổi theo quy luật đã biết.

Trong trường hợp đại lượng đo ngẫu nhiên biến đổi theo một tần số rất lớn thì không sử dụng được các phép đo thông thường mà phải đo bằng phương pháp đo lường thống kê.

3

4

♦ Theo cách biến đổi tín hiệu đo có thể chia thành tín hiệu đo rời rạc (số) và tín hiệu đo liên tục (tương tự):

a, Tín hiệu đo liên tục (tương tự): là biến đổi tín hiệu đo thành dạng tín hiệu khác tương tự với nó. Ứng với nó là các thiết bị đo tương tự.

Ví dụ: ampemet có kim chỉ đo cường độ dòng điện.

b, Đại lượng đo rời rạc (số): là biến đổi tín hiệu đo thành tín hiệu số. Ứng với nó là các thiết bị đo số.

♦ Theo bản chất của đại lượng đo có thể chia thành:

a, Đại lượng đo năng lượng: là đại lượng đo mà bản thân nó mang năng lượng như sức điện động, điện trường, từ trường, công suất, …

b, Đại lượng đo thông số: là các thông số của mạch điện như điện trở, điện cảm, điện dung hay hệ số từ trường …, hoặc các đại lượng đo vị trí, kích thước …

c, Đại lượng đo phụ thuộc thời gian: chu kỳ, tần số, góc pha …

d, Đại lượng đo không điện: để thực hiện đo được bằng phương pháp điện đòi hỏi phải có sự chuyển đổi chúng về dạng tín hiệu điện bằng bộ chuyển đổi đo lường sơ cấp.

1.1.2.2. Điều kiện đo:

Các thông tin đo lường bao giờ cũng gắn chặt với môi trường sinh ra đại lượng đo. Khi đo phải đảm bảo loại bỏ được các ảnh hưởng của môi trường đến thiết bị đo (những yếu tố khiến cho phép đo không thực hiện được trong điều kiện tiêu chuẩn đã định), đồng thời bản thân thiết bị đo cũng không được gây ảnh hưởng đến (làm biến đổi) đại lượng đo.

1.1.2.3. Đơn vị đo:

Là các giá trị mẫu chuẩn về một đại lượng nào đó đã được quốc tế quy định chung cho mọi quốc gia phục vụ cho việc so sánh với giá trị đo được để phép đo đưa ra được thông số cụ thể.

Hệ thống đơn vị quốc tế SI gồm 2 nhóm đơn vị:

+ Đơn vị cơ bản: được thể hiện bằng các đơn vị chuẩn với độ chính xác cao nhất mà khoa học và kỹ thuật hiện đại có thể thực hiện được. Các đơn vị cơ bản được chọn sao cho với số lượng ít nhất mà có thể suy ra các đơn vị kéo theo cho tất cả các đại lượng vật lý.

+ Đơn vị kéo theo: là đơn vị có liên quan đến các đơn vị cơ bản theo những quy luật xác định bằng công thức.

5

Bảng 1.1: Bảng đơn vị cơ bản và các đơn vị kéo theo.

STT Các đại lượng vật lý Tên đơn vị Ký hiệu

1

Các đại lượng cơ bản:

Độ dài

Khối lượng

Thời gian

Dòng điện

Nhiệt độ

Số lượng vật chất

Cường độ ánh sáng

Met

Kilogram

Giây

Ampe

Kelvin

Mol

Candela

m

kg

s

A

K

mol

Cd

2

Các đại lượng cơ học:

Tốc độ

Gia tốc

Năng lượng và công

Lực

Công suất

Năng lượng

Mét trên giây

Mét trên giây bình phương

Jun

Newton

Watt

Watt giây

m/s

m/s2

J

N

W

W.s

3

Các đại lượng điện:

Điện lượng

Điện áp, thế điện động

Cường độ điện trường

Điện dung

Điện trở

Điện trở riêng

Hệ số điện môi tuyệt đối

Culông

Vôn

Vôn trên mét

Fara

Ôm

Ôm mét

Fara trên mét

C

V

V/m

F

Ω

Ω.m

F/m

6

4

Các đại lượng từ:

Từ thông

Cảm ứng từ

Cường độ từ trường

Điện cảm

Hệ số từ thẩm

Webe

Tesla

Ampe trên mét

Henry

Henry trên mét

Wb

T

A/m

H

H/m

5

Các đại lượng quang:

Luồng (thông lượng) ánh sáng

Cường độ sáng riêng (độ chói)

Độ rọi

Năng lượng

Lumen

Candela trên mét vuông

Lumen trên mét vuông

Lumen giây

lm

Cd/m2

lm/m2 (hay lux)

lm.s

Bảng 1.2: Bảng các bội và ước số thường dùng của đơn vị cơ bản.

Tên của tiếp đầu ngữ

Giá trị ước số Ký hiệu Tên của tiếp đầu ngữ

Giá trị bội số Ký hiệu

pico

nano

micro

mili

centi

dexi

10-12

10-9

10-6

10-3

10-2

10-1

p

n

µ

m

c

d

deca

hecto

kilo

Mega

Giga

Tera

101

102

103

106

109

1012

da

h

k

M

G

T

(Các thông tin kỹ hơn về chuẩn quốc gia, mẫu và một số thiết bị tạo mẫu cho việc đo lường – tham khảo thêm trong tài liệu [2])

1.1.2.4. Thiết bị đo và phương pháp đo:

Thiết bị đo: là thiết bị kỹ thuật dùng để gia công tín hiệu mang thông tin đo thành dạng tiện lợi cho người quan sát. Chúng có các tính chất đo lường học tức là các tính chất ảnh hưởng đến kết quả đo và sai số của phép đo.

Phương pháp đo: là cách thức thực hiện quá trình đo, nó phụ thuộc vào phương pháp nhận thông tin và các yếu tố khác như độ lớn đại lượng đo, điều kiện đo, sai số yêu cầu … (xem thêm mục I.1.3)

1.1.2.5. Người quan sát:

Đó là người đo và gia công kết quả đo. Nhiệm vụ của người quan sát khi đo là nắm vững phương pháp đo, am hiểu về thiết bị đo mà mình sử dụng, kiểm tra điều kiện đo, phán đoán khoảng đo để chọn thiết bị phù hợp, chọn dụng cụ đo phù hợp sai số yêu cầu và môi trường xung quanh, biết điều khiển quá trình đo để có kết quả mong muốn, nắm được phương pháp gia công kết quả đo để tiến hành gia công kết quả đo. Biết xét đoán kết quả đã đạt yêu cầu hay chưa, có thể đo bằng phương pháp thông thường hay bằng phương pháp thống kê…

Có thể nói, sự phát triển của máy tính và kỹ thuật cảm biến ngày nay đã giảm thiểu rất nhiều công việc của người quan sát về quá trình đo và xử lý dữ liệu một cách tự động. Tuy nhiên, kinh nghiệm trong ứng dụng của người quan sát vẫn vô cùng quan trọng trong việc lựa chọn thiết bị và đánh giá độ tin cậy của các thiết bị đo lường đó trong thực tế làm việc.

1.1.2.6. Kết quả đo:

Kết quả đo ở một chừng mực nào đó có thể coi là chính xác và giá trị như vậy được gọi là giá trị ước lượng của đại lượng đo (giá trị được xác định bằng thực nghiệm bởi thiết bị đo). Giá trị này gần với giá trị thực ở một điều kiện nào đó có thể coi là thực.

Để đánh giá độ lệch giữa giá trị đo được và giá trị thực, người ta đưa ra khái niệm sai số của phép đo (trị tuyệt đối hiệu của 2 giá trị này). Đây chính là thông số cho phép đánh giá phép đo hay thiết bị thực hiện phép đo có đạt yêu cầu không.

1.1.3. Phương pháp đo:

Các phương pháp đo có thể phân loại như sau:

1.1.3.1. Phương pháp đo biến đổi thẳng:

Sơ đồ cấu trúc của phương pháp này có dạng biến đổi thẳng, tức là không có phản hồi:

Hình 1.1: Sơ đồ đo biến đổi thẳng

Nx/N0

N0

Nx

X0

X

X0

X

SSsố A/DBĐ

7

Trong đó: X: tín hiệu cần đo

X0: tín hiệu mẫu (dùng để chia vạch đơn vị trong thang đo)

Nx: thông số quy đổi giá trị độ lớn của tín hiệu cần đo

N0: thông số quy đổi giá trị độ lớn của đơn vị đo

BĐ: bộ biến đổi

A/D: bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số

SSsố: bộ so sánh số

Giá trị đo được là: X = X0.(Nx/N0)

Loại dụng cụ đo biến đổi thẳng thường vấp phải nhược điểm là sai số bằng tổng các sai số của các khâu vì vậy thường chỉ dùng ở các nhà máy, xí nghiệp để đo các thông số và kiểm tra các quá trình sản xuất với độ chính xác không cao.

1.1.3.2. Phương pháp đo kiểu so sánh:

Sơ đồ cấu trúc của phương pháp này có dạng vòng kín có phản hồi:

Hình 1.2: Sơ đồ đo kiểu so sánh

Trong đó: X: tín hiệu cần đo

Xk: tín hiệu phản hồi (là tín hiệu so sánh có giá trị tỷ lệ với đại lượng mẫu)

Nx: thông số quy đổi giá trị độ lớn của tín hiệu cần đo

BĐ: bộ biến đổi

D/A: bộ chuyển đổi tín hiệu số sang tương tự

A/D: bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số

X SS BĐ A/D ∆X

D/A

Nx

Xk

8

9

SSsố: bộ so sánh

Phép đo sẽ diễn ra cho đến khi tín hiệu phản hồi Xk có giá trị bằng với giá trị của đại lượng cần đo X.

Thiết bị đo kiểu này gọi là thiết bị đo kiểu so sánh hay thiết bị bù.

Tùy thuộc cách so sánh mà ta có thể phân chia phương pháp đo này thành:

1.1.3.2.1. Kiểu so sánh cân bằng:

Là phép so sánh tiến hành sao cho luôn giữ giá trị sai lệch ∆X = 0.

Khi đó giá trị đo được của tín hiệu là:

X = Xk = Nk.X0. (1.2)

Ví dụ: Điện thế kế dạng cầu đo cân bằng.

1.1.3.2.2. Kiểu so sánh không cân bằng:

Là phép so sánh tiến hành sao cho luôn giữ giá trị sai lệch ∆X = const ≠ 0.

Khi đó giá trị đo được của tín hiệu là:

X = ∆X + Xk (1.3)

Như vậy, độ chính xác của phép đo sẽ phụ thuộc vào phép đo ∆X: giá trị ∆X càng lớn so với X thì độ chính xác đó càng thấp. (khi ∆X = 0,1X thì chính xác thấp hơn khi ∆X = 0.01X).

Ví dụ: ứng dụng trong các phép đo các đại lượng không điện như nhiệt độ, ứng suất (dùng mạch cầu không cân bằng)…

1.1.3.2.3. Kiểu so sánh không đồng thời:

Quá trình đo diễn ra như sau: ban đầu cho tín hiệu cần đo X tác động vào hệ thống đo, sau đó lấy 1 tín hiệu mẫu Xk tác động vào hệ thống đo và điều chỉnh Xk sao cho tín hiệu đầu ra cũng giống hệt đối với X, khi đó X = Xk.

Kiểu đo này có độ chính xác chỉ phụ thuộc vào phép đo Xk. Ưu điểm của phương pháp này là khi thay tín hiệu đầu vào ta vẫn giữ nguyên các điều kiện làm việc của hệ thống đo và do đó loại bỏ được các ảnh hưởng ngoại lai.

Ví dụ: ứng dụng đo dòng điện xoay chiều thông qua dòng điện 1 chiều dựa trên tác dụng hiệu dụng trung gian là tác dụng nhiệt (ampemet nhiệt).

1.1.3.2.4. Kiểu so sánh đồng thời:

Phép so sánh này đo đồng thời giá trị của X và Xk, căn cứ vào rất nhiều các cặp điểm trùng nhau để suy ra giá trị cần đo.

Ví dụ: Đo quy đổi chiều dài của 1 inch sang mm: ta đặt 2 thước đo song song có gốc 0 trùng với nhau. Đọc được giá trị các điểm vạch chẵn trùng nhau tiếp theo là: 127mm – 5inches; 254mm – 10inches; 381mm – 15inches; … Từ đó suy ra:

1 inch = 127/5 = 254/10 = 381/15 = 25,4 mm

Phương pháp này dùng để thử nghiệm các đặc tính của các cảm biến hay của thiết bị đo để đánh giá sai số của chúng.

1.1.4. Hàm truyền của cảm biến:

Quan hệ giữa đáp ứng và kích thích của bộ cảm biến có thể cho dưới dạng bảng giá trị, graph hoặc biểu thức toán học. Hàm truyền của cảm biến là biểu diễn toán học của mối quan hệ này. Đó có thể là quan hệ tuyến tính:

s = a.m + b (1.4)

(a là độ nhạy của cảm biến, b là hằng số bằng tín hiệu ra của cảm biến khi kích thích vào bằng 0)

hoặc dạng hàm mũ, hàm loga, hàm luỹ thừa… (các dạng hàm toán học sơ cấp):

s = a.ekm (1.5)

s = 1 + a.lnm (1.6)

s = a0 + a1.mk (1.7)

(k là hằng số)

Các dạng hàm phi tuyến thường không có dạng hàm toán học sơ cấp nhưng có thể gần đúng bằng các hàm đa thức bậc cao. Ở các hàm phi tuyến, độ nhạy của cảm biến phụ thuộc từng điểm làm việc và có giá trị bằng giá trị của đạo hàm hàm truyền tại điểm làm việc:

0mdm

dsa = (1.8)

1.1.5. Độ lớn của tín hiệu vào:

Độ lớn của tín hiệu vào là giá trị lớn nhất của tín hiệu vào đặt vào bộ cảm biến mà sai số không vượt quá ngưỡng cho phép. Đối với các bộ cảm biến có đáp ứng phi tuyến, ngưỡng động của kích thích thường được biểu diễn bằng dexibel (bằng logarit của tỷ số công suất hoặc điện áp của tín hiệu ra và tín hiệu vào):

1

2

1

2

uu

lg20PP

lg10dB1 == (1.9)

10

11

Bảng 1.3: Quan hệ giữa tỷ số điện áp và tỷ số công suất tính theo dexibel

Dexibel 0,1 1,0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Tỷ số công suất 1,023 1,26 10 100 103 104 105 106 107 108 109 1010

Tỷ số điện áp (dòng điện) 1,012 1,12 3,16 10 31,6 100 316 103 3162 104 3.104 105

1.2. PHÂN LOẠI CẢM BIẾN

Cảm biến có thể được phân loại thep nhiều cơ sở khác nhau:

1.2.1. Theo thông số của mô hình mạch thay thế:

Cảm biến là một phần tử của mạch điện mà theo nguyên lý chế tạo ta có thể chia ra làm 2 loại cảm biến là cảm biến thụ động và cảm biến tích cực.

1.2.1.1. Cảm biến tích cực:

Là loại cảm biến có nguyên lý hoạt động là biến đổi các dạng năng lượng phi điện nào đó thành năng lượng điện với tín hiệu ra là dòng điện, điện áp, điện tích có tỷ lệ tương quan với đại lượng cần đo. Cảm biến loại này dựa trên các hiệu ứng biến đổi sau:

1.2.1.1.1. Hiệu ứng nhiệt điện:

Cặp nhiệt điện: 2 đoạn dây kim loại có bản chất hoá học khác nhau được hàn dính cả 2 đầu với nhau tạo thành một vòng kín. Khi nhiệt độ ở 2 đầu nối chênh lệch sẽ xuất hiện một sức điện động tương ứng tỷ lệ trong vòng dây. Tín hiệu này sẽ được đưa vào mạch điện gia công tín hiệu phía sau.

1.2.1.1.2. Hiệu ứng hoả điện:

Sử dụng khối tinh thể hoả điện (Sulfat triglycine) tức là khi nhiệt độ 2 bề mặt của khối tinh thể này chênh lệch nhau thì điện tích 2 bề mặt sẽ trái dấu và có độ lớn tỷ lệ thuận với độ phân cực điện hay độ chênh nhiệt độ. Độ chênh lệch điện tích này sẽ được đưa vào mạch điện gia công tín hiệu phía sau dưới hình thức điện tích trên 2 bản cực của tụ điện. (dùng trong việc đo thông lượng bức xạ ánh sáng)

1.2.1.1.3. Hiệu ứng áp điện:

Vật liệu áp điện (thạch anh) có tính chất là khi bị lực tác dụng làm biến dạng thì sẽ tạo ra các điện tích trái dấu trên các mặt đối diện có độ lớn tỷ lệ với độ lớn của lực. Độ chênh lệch điện tích này sẽ được đưa vào mạch điện gia công tín hiệu phía sau dưới hình thức điện tích trên 2 bản cực của tụ điện.

12

1.2.1.1.4. Hiệu ứng cảm ứng điện từ:

Khi một dây dẫn kín chuyển động trong từ trường không đổi (hoặc khung dây đứng yên trong một từ trường biến thiên) sẽ xuất hiện một suất điện động trong vòng dây tỷ lệ với lượng từ thông cắt ngang vòng dây trong một đơn vị thời gian, nói cách khác là tỷ lệ với tốc độ dịch chuyển của dây dẫn. Độ chênh lệch điện tích này sẽ được đưa vào mạch điện gia công tín hiệu phía sau. (ứng dụng trong đo tốc độ dịch chuyển của vật)

1.2.1.1.5. Hiệu ứng quang điện:

Dựa trên nguyên tắc: dưới tác dụng của bức xạ ánh sáng hoặc bức xạ điện từ có bước sóng ngắn hơn giá trị bước sóng ngưỡng của vật liệu, các vật liệu sẽ giải phóng ra các hạt dẫn tự do tạo ra dòng điện dẫn kích hoạt các phần tử tiếp theo trong mạch gia công tín hiệu đo. (ứng dụng trong cảm biến quang bật sáng đèn chiếu công cộng)

I.2.1.1.6. Hiệu ứng quang phát xạ điện tử:

Dựa trên hiện tượng các điện tử được giải phóng thoát khỏi vật liệu và được thu gom bởi điện trường để tạo ra dòng điện. Tín hiệu này sẽ được đưa vào mạch điện gia công tín hiệu phía sau.

1.2.1.1.7. Hiệu ứng quang điện trong chất bán dẫn:

Khi chiếu sáng vào một lớp tiếp giáp P-N thì sẽ làm phát sinh các các cặp điện tử và lỗ trống chuyển động dưới tác dụng của điện trường của lớp chuyển tiếp làm thay đổi hiệu điện thế giữa 2 đầu của lớp chuyển tiếp. Tín hiệu điện áp này sẽ được đưa vào mạch điện gia công tín hiệu phía sau.

1.2.1.1.8. Hiệu ứng quang điện tử:

Dựa trên hiện tượng: chiếu bức xạ ánh sáng và từ trường B (nam châm) vuông góc với nhau đồng thời lên một vật liệu bán dẫn thì sẽ hình thành một hiệu điện thế theo phương vuông góc với mặt phẳng tạo bởi phương bức xạ và phương từ trường. Hiệu điện thế này sẽ được đưa vào mạch điện gia công tín hiệu phía sau. (ứng dụng để đo các thông tin chứa đựng trong ánh sáng)

1.2.1.1.9. Hiệu ứng Hall:

Một vật liệu bán dẫn dạng tấm mỏng có dòng điện chạy qua khi đặt trong từ trường B có phương tạo với dòng điện I một góc θ, sẽ làm xuất hiện một hiệu điện thế VH có phương vuông góc với mặt phẳng tạo bởi I và B. Hiệu điện thế này sẽ được đưa vào mạch điện gia công tín hiệu phía sau.

Độ lớn của VH được xác định theo công thức:

13

VH = KH.I.B.sinθ. (1.10)

KH là hệ số phụ thuộc vật liệu và kích thước hình học của mẫu.

Hiệu ứng Hall được ứng dụng trong cảm biến xác định vị trí của một vật chuyển động. Người ta gắn một thanh nam châm lên vật đó. Vị trí của vật (và do đó vị trí của thanh nam châm) sẽ xác định giá trị của từ trường B và góc lệch θ tương ứng. Như vậy, VH là một hàm phụ thuộc vào vị trí của vật trong không gian.

Chú ý rằng cảm biến vị trí kiểu này không chuyển đổi năng lượng (từ vị trí sang giá trị điện áp) mà năng lượng để tạo tín hiệu điện áp ra là nguồn của dòng điện I chứ không phải là đại lượng cần đo (vị trí).

Cảm biến kiểu hiệu ứng Hall là cảm biến tích cực vì thông tin ra liên quan đến sức điện động.

1.2.1.1.10. Các hiệu ứng khác:

Ngoài ra còn có các hiệu ứng biến đổi tín hiệu kiểu sinh học như: biến đổi sinh hoá, hiệu ứng trên cơ thể sống, phân tích phổ…

1.2.1.2. Cảm biến thụ động:

Là loại cảm biến hoạt động dựa trên nguyên tắc: đại lượng cần đo có tác động ảnh hưởng làm thay đổi giá trị trở kháng của cảm biến và do đó làm thay đổi giá trị kiến tạo mạch điện xử lý gia công thông tin đo phía sau một cách tương ứng. (ví dụ: làm lệch cầu điện trở (vốn cân bằng khi chưa thực hiện phép đo)…)

Giá trị trở kháng này thường phụ thuộc đồng thời vào kích thước hình học của mẫu đo và các tính chất điện của vật liệu như điện trở suất ρ, độ từ thẩm µ, hằng số điện môi ε. Trong các phép đo, các thuộc tính này có thể có ảnh hưởng một cách riêng biệt hoặc đồng thời đến trở kháng của cảm biến.

♣Thuộc tính kích thước hình học: thường có ảnh hưởng khi trong quá trình đo vật di chuyển hoặc bị làm biến dạng.

+ Với vật di chuyển: cảm biến sẽ chứa phần tử động (lõi thép động trong cảm biến cảm ứng, nắp lõi từ cảm biến điện thế, bản cực di động của tụ điện…) và khi phần tử này di chuyển sẽ kéo theo sự thay đổi trở kháng tương ứng.

+ Với vật chịu biến dạng: cảm biến sẽ chứa phần tử biến dạng chịu tác dụng trực tiếp hoặc gián tiếp của lực tác dụng hoặc các đại lượng dẫn đến lực (áp suất, gia tốc). Ví dụ: bản cực di động của tụ điện chịu tác dụng của áp suất vi sai, cảm biến đo ứng lực có liên quan chặt chẽ đến cấu trúc chịu tác động của ứng suất.

♣Thuộc tính tính chất điện: mỗi vật liệu đều có thể nhạy với các tác động của nhiều đại lượng vật lý khác nhau như ánh sáng, nhiệt độ, áp suất,…Trong thực tế, khi

14

tiến hành đo cảm biến luôn chịu ảnh hưởng tác động của yếu tố môi trường, nếu các vật liệu chế tạo cảm biến nhạy với quá nhiều đại lượng vật lý sẽ làm cho phép đo dễ gặp phải rất nhiều sai số không mong muốn. Vì vậy, cảm biến luôn được chế tạo sao cho chỉ một trong số các đại lượng trên có thể thay đổi trở kháng của nó trong khi những đại lượng còn lại là không đổi. Chỉ khi đó ta mới có tương quan đơn trị giữa trở kháng của cảm biến với giá trị cần đo.

1.2.2. Theo dạng kích thích:

Bảng 1.4: Bảng liệt kê các đặc tính của kích thích

STT Kích thước Các đặc tính của kích thích

1 Âm thanh Biên pha, phân cực, phổ, tốc độ truyền sóng…

2 Điện Điện tích, dòng điện, điện thế, điện áp, điện trường (biên pha, phân cực, phổ), điện dẫn, hằng số điện môi…

3 Từ Từ trường (biên pha, phân cực, phổ), từ thông, cường độ từ trường, độ từ thẩm…

4 Quang Biên pha, phân cực, phổ, tốc độ truyền,hệ số phát xạ, khúc xạ, hệ số hấp thụ, hệ số bức xạ…

5 Cơ Vị trí, lực, áp suất, gia tốc, vận tốc, ứng suất, độ cứng, mômen, khối lượng, tỷ trọng, vận tốc chất lưu, độ nhớt…

6 Nhiệt Nhiệt độ, thông lượng, nhiệt dung, tỷ nhiệt…

7 Bức xạ Kiểu, năng lượng, cường độ…

1.2.3. Theo tính năng các bộ cảm biến:

15

Bảng 1.5: Bảng liệt kê các tính năng của bộ cảm biến

STT Tính năng STT Tính năng

1 Độ nhạy 8 Độ trễ

2 Độ chính xác 9 Khả năng quá tải

3 Độ phân giải 10 Tốc độ đáp ứng

4 Độ chọn lọc 11 Độ ổn định (ngắn hạn và dài hạn)

5 Độ tuyến tính 12 Tuổi thọ

6 Công suất tiêu thụ 13 Điều kiện môi trường

7 Dải tần 14 Kích thước, trọng lượng……

1.2.4. Theo phạm vi sử dụng các bộ cảm biến:

+ Cảm biến trong Công nghiệp

+ Cảm biến trong Nghiên cứu khoa học

+ Cảm biến trong Môi trường khí tượng

+ Cảm biến trong Thông tin, viễn thông

+ Cảm biến trong Nông nghiệp

+ Cảm biến trong Dân dụng

+ Cảm biến trong Giao thông

+ Cảm biến trong Vũ trụ

+ Cảm biến trong Quân sự…

1.3. CÁC ĐẠI LƯỢNG ẢNH HƯỞNG

Các đại lượng ảnh hưởng hay đại lượng nhiễu là các đại lượng có thể tác động đến tín hiệu ở đầu ra của cảm biến đồng thời với đại lượng cần đo. Bao gồm:

+ Áp suất, gia tốc, dao động (rung): gây ra biến dạng và ứng suất trong một số thành phần của cảm biến khiến tín hiệu hồi đáp bị sai lệch.

16

+ Độ ẩm: làm thay đổi tính chất điện của vật liệu như: hằng số điện môi ε, điện trở suất ρ.

+ Nhiệt độ: làm thay đổi các đặc trưng điện, cơ và kích thước của cảm biến.

+ Từ trường: có thể gây nên suất điện động cảm ứng chồng lên tín hiệu có ích, làm thay đổi tính chất điện của vật liệu cấu thành cảm biến.

+ Biên độ và tần số của điện áp nuôi (ví dụ ở biến thế vi sai) ảnh hưởng đến đại lượng điện đầu ra.

Trong mọi phép đo, người ta luôn cố gắng tìm cách giảm thiểu nhiều nhất ảnh hưởng của các yếu tố ngoại lai này bằng các biện pháp chống nhiễu trong đo lường như:

- Sử dụng các biện pháp chống rung, chống từ trường, cách điện…

- Ổn định các đại lượng ảnh hưởng ở những giá trị biết trước và chuẩn cảm biến trong các điều kiện đó (ví dụ: bình ổn nhiệt, nguồn điện áp có bộ phận điều chỉnh…)

- Sử dụng các sơ đồ ghép nối cho phép cho phép bù trừ ảnh hưởng của đại lượng gây nhiễu.

1.4. MẠCH ĐO LƯỜNG VÀ GIA CÔNG THÔNG TIN ĐO

Mạch đo bao gồm toàn bộ các thiết bị đo (kể cả cảm biến trong đó) cho phép xác định chính xác đại lượng cần đo trong những điều kiện tốt nhất có thể.

Tín hiệu tác động vào đầu vào của mạch qua cảm biến (một cách trực tiếp nếu là cảm biến tích cực và gián tiếp thông qua bộ chuyển đổi nếu là cảm biến thụ động) đưa ra ở đầu ra của cảm biến tín hiệu điện mang thông tin của đại lượng cần đo.

Tiếp theo, tín hiệu điện này có thể được khuếch đại hoặc tinh lọc, được xử lý tổi ưu hoá … (ở những hệ thống đo đòi hỏi độ chính xác không cao có thể không cần các thiết bị này), sau đó được chuyển đổi thành các dạng có thể đọc được trực tiếp giá trị trước khi được đưa ra đầu ra của mạch. Đầu ra này có thể được ghép nối với bộ hiển thị thông số, có thể ghép nối máy tính, vi xử lý…để tiếp tục xử lý cho các mục đích điều chỉnh của hệ thống…

Việc chuẩn hệ đo đảm bảo cho mỗi giá trị chỉ thị ở đầu ra tương ứng với chỉ 1 giá trị đại lượng đo tác động ở đầu vào.

Dưới đây là một ví dụ sơ đồ khối cấu trúc của một hệ đo lường điện thế trên bề mặt màng nhạy quang được lắp ráp từ nhiều phần tử: [1]

FC

PA

D PC

MÁY IN

MÀN HÌNH

CPU 7

ADC 5

1 - Máy phát chức năng 2 - Cảm biến điện tích

3 - Tiền khuếch đại 4 - So pha lọc nhiễu

5 - Khuếch đại 6 - Chuyển đổi số tương tự

7 - Máy tính

Hình 1.3: Mạch đo điện thế bề mặt

1.5. SAI SỐ PHÉP ĐO VÀ GIA CÔNG KẾT QUẢ ĐO LƯỜNG

Sai số của phép đo là hiệu số giữa giá trị thực và giá trị đo được. Sai số phép đo chỉ có thể được đánh giá một cách ước tính bởi vì không thể biết được giá trị thực của đại lượng đo.

Sai số có thể chia thành các loại sau:

1.5.1. Sai số hệ thống:

Sai số hệ thống là sai lệch luôn luôn tồn tại giữa giá trị đo được trung bình và giá trị thực của đại lượng cần đo mà không phụ thuộc vào số lần đo liên tiếp.

Sai số hệ thống có thể không đổi hoặc biến đổi chậm theo thời gian.

Sai số hệ thống có nguyên nhân do sự hiểu biết thiên lệch hoặc không đầy đủ về hệ đo hoặc cũng có thể do điều kiện sử dụng không tốt.

Có thể chia sai số hệ thống theo các nguyên nhân sau:

1.5.1.1. Sai số do giá trị của đại lượng chuẩn không đúng:

Ví dụ: lệch điểm gốc 0 trên thang đo…

Sai số này có thể loại bỏ được bằng cách kiểm tra kỹ các thiết bị trước khi sử dụng.

1.5.1.2. Sai số do đặc tính của cảm biến:

Ví dụ: sai số độ nhạy hoặc sai số của đường cong chuẩn, sai khác giữa các sản phẩm cảm biến khác nhau ngay cả trong cùng loạt sản xuất, sự già hoá của các cảm biến…

17

18

Để giảm thiểu sai số này yêu cầu người sử dụng phải thường xuyên tiến hành chuẩn lại cảm biến.

1.5.1.3. Sai số do điều kiện và chế độ sử dụng:

Ví dụ: cảm biến nhiệt độ có tốc độ hồi đáp khác nhau khi đặt trong chất lỏng chảy liên tục và chất lỏng đứng yên; bản thân điện trở của cảm biến làm ảnh hưởng đến giá trị điện trở của hệ thống được đo…

1.5.1.4. Sai số do xử lý kết quả đo:

Ví dụ: kết quả đo lệch khỏi tuyến tính trong khi sử dụng cảm biến giả thiết là tuyến tính (giả thiết sai về sự biến đổi của đại lượng đo); độ dẫn nhiệt của vỏ cảm biến và dây dẫn khiến nhiệt độ đo được của cảm biến và nhiệt độ cần đo khác nhau…

1.5.2. Sai số ngẫu nhiên:

Sai số ngẫu nhiên là sai số có độ lớn, dấu và tần suất xuất hiện là không tuân theo bất kỳ một quy luật biết trước nào.

Có thể chia sai số ngẫu nhiên theo các nguyên nhân sau:

1.5.2.1. Sai số do tính không xác định của đặc trưng thiết bị:

Với mỗi thiết bị đo lường thường thì giữa các nấc đo có một độ phân biệt nhất định về độ lớn của đại lượng đầu vào. Nói cách khác, nếu tín hiệu vào không đủ một độ lớn tối thiểu nào đó thì sẽ không gây ra sự biến đổi ở đầu ra của cảm biến. Như vậy, đó cũng là một yếu tố gây nên sai số gọi là sai số linh động và giá trị lớn nhất của mức sai số này chính bằng giá trị phân giải tối thiểu của cảm biến.

Một yếu tố khác là sai số do đọc sai dữ liệu, nguyên nhân là do chất lượng của bộ chỉ thị (VD: độ mảnh của kim chỉ thị…) hoặc do thói quen của người thực hiện.

Sai số trễ là sai số xuất hiện khi trong mạch đo có chứa thành phần có độ trễ (trễ từ, trễ cơ…)

1.5.2.2. Sai số do tín hiệu nhiễu ngẫu nhiên:

Là do các nhiễu nền gây nên kích thích nhiệt đến các hạt dẫn trong các điện trở dẫn đến làm thăng giáng điện áp đầu ra, cũng có thể là sự tác động của cảm ứng ký sinh do bức xạ điện từ gây nên sai số… Nói chung các thăng giáng này không thể phân biệt với biến thiên của đại lượng đo.

1.5.2.3. Sai số do các đại lượng ảnh hưởng:

Trong quá trình chuẩn cảm biến đã có sự tác động của các đại lượng ảnh hưởng từ môi trường vào cảm biến nên bản thân kết quả chuẩn cảm biến đó đã bao hàm những sai số do các đại lượng ảnh hưởng đem lại.

19

Biện pháp giảm sai số ngẫu nhiên: thường thực hiện bằng các biện pháp thực nghiệm thích hợp: bảo vệ mạch đo bằng cách ổn định các thông số của môi trường (như nhiệt độ, độ ẩm…), nối đất, che chắn các thiết bị đo điện, lọc tín hiệu…

(Về các loại nhiễu, nguyên nhân của nhiễu và các biện pháp khắc phục xem thêm trong [3])

1.6. CHUẨN CẢM BIẾN

Chuẩn cảm biến có mục đích diễn giải tường minh, dưới dạng đồ thị hoặc đại số, mối quan hệ giữa các giá trị m của đại lượng đo và giá trị s đo được của đại lượng điện ở đầu ra có tính đến các thông số ảnh hưởng.

Các thông số ảnh hưởng này có thể là các đại lượng vật lý liên quan đến đại lượng đo (mà cảm biến rất nhạy với những biến thiên của chúng), thí dụ như chiều cao, tốc độ biến thiên của đại lượng đo. Chúng cũng có thể là các đại lượng vật lý không liên quan đến đại lượng đo nhưng tác động đến cảm biến trong quá trình sử dụng và làm thay đổi hồi đáp, thí dụ các đại lượng ảnh hưởng của môi trường như nhiệt độ, độ ẩm hay các đại lượng ảnh hưởng của nguồn nuôi như biên độ, tần số, điện áp làm việc của cảm biến.

Có thể chia việc chuẩn cảm biến thành các dạng sau:

1.6.1. Chuẩn đơn giản:

Chuẩn đơn giản là phép đo trong đó chỉ có một đại lượng vật lý duy nhất tác động lên một đại lượng đo xác định và sử dụng một cảm biến không nhạy với các đại lượng ảnh hưởng và cũng không chịu tác động của các đại lượng này. Đây là trường hợp đặc biệt của các đại lượng đo tĩnh, nghĩa là các đại lượng có giá trị không đổi, thí dụ đo khoảng cách cố định bằng một cảm biến mà chỉ thị của nó không phụ thuộc vào nhiệt độ và các đại lượng ảnh hưởng, đo một nhiệt độ không đổi bằng một cặp nhiệt điện…

Trong những điều kiện như vậy, chuẩn cảm biến chính là kết hợp của những giá trị hoàn toàn xác định của đại lượng đo với các giá trị tương ứng của đại lượng điện ở đầu ra. Việc chuẩn được tiến hành bằng một trong cách cách sau đây:

+ Chuẩn trực tiếp: các giá trị khác nhau của đại lượng đo lấy từ các mẫu chuẩn hoặc các phần tử so sánh có giá trị biết trước với độ chính xác cao.

+ Chuẩn gián tiếp: sử dụng kết hợp đồng thời một cảm biến cần chuẩn với một cảm biến so sánh có sẵn đường cong chuẩn được đặt cùng trong một điều kiện làm việc như nhau. Khi tác động lần lượt lên các cảm biến bằng cùng một giá trị của đại lượng đo sẽ thu được ở 2 đầu ra của 2 cảm biến các kết quả tương ứng. Lặp lại với nhiều giá trị khác nhau và chỉnh dần sẽ tạo được đường cong chuẩn cho cảm biến cần chuẩn.

1.6.2. Chuẩn nhiều lần:

Khi cảm biến có chứa những phần tử có độ trễ (thường là trễ cơ hoặc trễ từ), giá trị đo được ở đầu ra phụ thuộc không những vào giá trị tức thời của đại lượng cần đo mà còn phụ thuộc vào giá trị trước đó của đại lượng này. Phương pháp chuẩn nhiều lần sẽ được tiến hành với các trường hợp này. Trình tự như sau:

B1: Đặt lại điểm 0 của cảm biến: đại lượng cần đo và đại lượng đầu ra có các giá trị tương đương với điểm gốc, m = 0, s = 0.

B2: Dựng lại đại lượng đầu ra: lúc đầu tăng giá trị của đại lượng cần đo ở đầu vào đến cực đại, sau đó giảm giá trị đo. Các giá trị biết trước của đại lượng cần đo cho phép xác định đường cong chuẩn theo cả 2 hướng tăng dần và giảm dần.

Các tính chất vật lý của vật liệu chịu tác động của đại lượng cần đo có thể là một trong những thông số quyết định ảnh hưởng đến hồi đáp của cảm biến. Thí dụ điện dung của cảm biến tụ điện đo mức chất lỏng không những phụ thuộc vào chiều cao của chất lỏng mà còn phụ thuộc vào hằng số điện môi ε của nó. Điện trở của đầu đo nhiệt độ bề mặt của một vật là một hàm của nhiệt độ bề mặt và bản chất của lớp vật liệu nằm dưới bề mặt đó, sự dãn nở của lớp vật liệu này gây nên ứng lực cho cảm biến. Trong những trường hợp tương tự như vậy, cẩn phải tiến hành chuẩn cảm biến riêng biệt đối với từng loại vật liệu. [1]

1.7. ĐỘ NHẠY

Độ nhạy S xung quanh một giá trị không đổi mi của đại lượng đo được xác định bởi tỷ số giữa biến thiên ∆s của đại lượng đầu ra và biến thiên ∆m tương ứng của đại lượng đo ở đầu vào: [1]

immm

sS=

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛∆∆

= (1.11)

Giá trị của độ nhạy phụ thuộc vào từng chế độ (điều kiện) làm việc của cảm biến nên thường được nhà sản xuất cung cấp dưới dạng bảng kê thông số tương ứng với các điều kiện khác nhau, nhằm giúp người sử dụng chọn lựa cảm biến một cách phù hợp.

Độ nhạy thường phụ thuộc vật liệu, kích thước, kiểu lắp ráp, điều kiện môi trường, tần số biến thiên của đại lượng đo…

Người ta thường phân biệt độ nhạy ở 2 chế độ sau:

1.7.1. Trong chế độ tĩnh:

Độ nhạy trong chế độ tĩnh là tỷ số giữa gia số ∆s và số gia ∆m tương ứng, đó chính là độ dốc của đặc trưng tĩnh ở điểm làm việc. Rõ ràng nếu đặc 20

trưng tĩnh không tuyến tính thì độ nhạy không thể là hằng số, nói cách khác nó có giá trị khác nhau ở những điểm làm việc khác nhau.

(BÀI TẬP: tính độ nhạy với đặc trưng tính là đường thẳng (chính là hệ số góc của đường thẳng) và đường cong có phương trình cho trước (đạo hàm và thay thông số si và mi ở điểm làm việc đó vào để suy ra Si))

Tỷ số chuyển đổi tĩnh ri là tỷ số giữa giá trị si đầu ra và giá trị mi tương ứng của đại lượng đo ở đầu vào:

iQ

i msr ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛= (1.12)

Tỷ số chuyển đổi tĩnh không phụ thuộc vào điểm làm việc Qi và chỉ bằng S khi đặc trưng tĩnh là đường thẳng đi qua gốc toạ độ. [1]

1.7.2. Trong chế độ động:

Độ nhạy trong chế độ động được xác định khi đại lượng đo là hàm tuần hoàn của thời gian. Trong điều kiện như vậy, đại lượng đầu ra s ở chế độ làm việc danh định cũng là hàm tuần hoàn của thời gian giống như đại lượng đo. Trong chế độ động, sự phụ thuộc của độ nhạy vào tần số của đại lượng đo S(f) xác định đặc tính tần của cảm biến. Nguyên nhân là do quán tính cơ, nhiệt hoặc điện của đầu đo (của cảm biến và các thiết bị phụ trợ) khiến chúng không thể đáp ứng được tức thời so với sự biến thiên của đại lượng đo.

(trong trường đại lượng đo biến thiên, quá trình xử lý tín hiệu sẽ dính dáng đến yếu tố tần số và do đó tất cả các thành phần quán tính cơ, nhiệt, điện (từ trường cuộn dây, điện trường tụ điện) đều có liên quan đến độ nhạy của cảm biến nên cần được xem xét một cách tổng thể khi xét độ nhạy)

1.8. ĐỘ TUYẾN TÍNH:

1.8.1. Điều kiện có tuyến tính:

Trong dải đo, nếu một cảm biến có độ nhạy không phụ thuộc vào độ lớn của đại lượng đo. Độ tuyến tính thể hiện trong chế độ tĩnh là các đoạn đặc tuyến đáp ứng có dạng đường thẳng của cảm biến. Trong chế độ động (quá độ), độ tuyến tính thể hiện là sự không phụ thuộc vào đại lượng đo của đồng thời độ nhạy và các thông số quyết định hồi đáp (tần số riêng f0 của dao động không tắt, hệ số tắt dần ξ). (chế độ quá độ sẽ phân tích thành các thành phần dao động và có hệ số tắt dần - giống trong điều khiển tự động)

1.8.2. Đường thẳng tốt nhất - độ lệch tuyến tính:

21

Trong thực tế khi thử nghiệm cảm biến dù được cho là tuyến tính nhất thì tập hợp kết quả cũng không bao giờ cho ta một đường thẳng. Nhưng theo lý thuyết xác xuất thống kê ta hoàn toàn có thể tìm được một đường thẳng mô tả tập hợp nghiệm đó (đáp ứng đường thẳng tốt nhất của cảm biến) bằng phương pháp cực tiểu bình phương (phương pháp gia công số liệu):

s = a.m + b (1.13)

với: a = ( )∑ ∑∑ ∑ ∑

−

−22.

..

ii

iiii

mmN

msmsN

b = ( )∑ ∑∑ ∑∑ ∑−

−22

2

.

..

ii

iiiii

mmN

mmsms

si , mi : là các cặp giá trị thực nghiệm tương ứng.

1.9. ĐỘ NHANH – THỜI GIAN HỒI ĐÁP:

Độ nhanh là thông số đặc trưng cho khả năng xử lý tín hiệu của cảm biến có theo kịp sự biến đổi theo thời gian của đại lượng đo không.

Độ nhanh tr là thời gian từ khi đại lượng đo thay đổi đột ngột đến khi biến thiên của đại lượng ra s của cảm biến chỉ còn khác giá trị cuối cùng một lượng giới hạn quy định ε%. [1]

Độ nhanh được xác định thông qua thời gian hồi đáp. Giá trị thời gian này đặc trưng cho tốc độ thay đổi của quá trình quá độ. Nó là hàm của các thông số gây xác định chế độ này.

Hình 1.4: Các khoảng thời gian đặc trưng cho chế độ quá độ

m

t

t

tc tdmtc tdm

0

00,1

0,9

S/S0

m0

22

23

1.10. GIỚI HẠN SỬ DỤNG CẢM BIẾN:

Bất kỳ cảm biến nào khi làm việc cũng cần được duy trì trong một phạm vi chịu đựng nhất định. Phạm vi đó thường được quyết định từ yêu cầu về khả năng không bị phá huỷ và tính chính xác của thông số đầu ra của cảm biến. Rõ ràng cảm biến sẽ không thể làm việc được nữa khi nó bị phá huỷ về cơ hoặc mạch điện bên trong. Như đã nói trên, trong quá trình làm việc, cảm biến luôn chịu các tác động nhiễu từ môi trường. Ở một chừng mực nhất định thì những ảnh hưởng này là không đáng kể, nhưng khi chúng vượt ngưỡng chịu đựng của cảm biến thì tín hiệu ra của cảm biến sẽ không còn đạt độ tin cậy cần thiết nữa. Những ngưỡng giới hạn này, thường được quy định bởi nhà sản xuất, bao gồm:

♦ Vùng làm việc danh định:

Đó là vùng giá trị ứng với những điều kiện làm việc bình thường của cảm biến. Biên giới của vùng này chính là ngưỡng giới hạn mà các đại lượng đo, các đại lượng vật lý liên quan đến đại lượng đo hoặc các đại lượng ảnh hưởng có thể thường xuyên đạt tới mà không làm thay đổi các đặc trưng làm việc danh định của cảm biến.

♦ Vùng không gây nên hư hỏng:

Là vùng vượt quá ngưỡng giới hạn của các đại lượng đo, các đại lượng liên quan, các đại lượng ảnh hưởng nhưng vẫn chưa gây nên hư hỏng (về tính chính xác) cho cảm biến. Ở vùng này, thông số ra của cảm biến không còn chính xác. Nhưng khi điều kiện làm việc trở về vùng giá trị danh định thì thông số đầu ra của cảm biến lại cho kết quả chính xác.

♦ Vùng không phá huỷ:

Là vùng mà các đại lượng đo, đại lượng liên quan và đại lượng ảnh hưởng vượt ra ngoài giá trị ngưỡng của vùng không gây nên hư hỏng nhưng vẫn còn trong vùng không phá huỷ. Khi đó thông số của chính cảm biến không còn khả năng tự phục hồi trở lại khi điều kiện làm việc trở lại vùng giá trị danh định. Khi đó muốn sử dụng lại cảm biến, ta phải chuẩn lại thông số của nó.

Dải đo của cảm biến được xác định bởi nhiều giá trị giới hạn của vùng đại lượng đo mà trong vùng đó hoạt động của cảm biến đáp ứng được các yêu cầu đề ra. Chính vì mức độ yêu cầu này là khác nhau ở mỗi ứng dụng nên dải đo có thể hẹp hơn hoặc rộng hơn vùng giá trị danh định.

24

1.11. CÁC MẠCH ĐIỆN TỬ GIAO DIỆN CỦA CÁC BỘ CẢM BIẾN:

Đáp ứng đầu ra của các bộ cảm biến nói chung là không phù hợp với tải (phía sau nó) về điện áp, công suất,… (do thường tín hiệu ra của các bộ chuyển đổi chỉ là các tín hiệu điện rất nhỏ và thay đổi tuỳ theo sự biến thiên của đại lượng đo). Chính vì vậy, cần phải có mạch giao diện hay gia công về mặt năng lượng điện nằm giữa đầu ra của cảm biến và tải (ở đây tải trước hết chính là hệ thống xử lý dữ liệu phía sau). Công việc này được gọi là chuẩn hoá tín hiệu.

(Tổng trở của mạch giao diện (và các mạch điện tử nói chung) là thương số giữa giá trị điện áp và dòng điện phức ở đầu vào của nó).

Các mạch giao diện thường được xây dựng trên cơ sở các bộ khuếch đại thuật toán.

Bộ khuếch đại thuật toán có các đặc điểm sau:

+ Hai đầu vào: một đầu đảo (-) và một đầu không đảo (+)

+ Tổng trở vào rất lớn (hàng trăm MΩ hoặc hàng GΩ)

+ Điện trở ra rất nhỏ (vài phần chục Ω )

+ Điện áp lệch đầu vào e0 rất nhỏ (cỡ vài nV) nên thường được coi bằng 0

VN = VP (1.14)

+ Dòng điện phân cực đầu vào i0 rất nhỏ (cỡ pA) nên thường được coi bằng 0 i0 = iv = 0 (1.15)

+ Hệ số khuếch đại mạch hở rất lớn (A0 = 100000)

+ Dải tần làm việc rộng.

+ Hệ số suy giảm theo cách nối chung CMRR (Common Mode Rejection Ratio) (là tỷ số hệ số khuếch đại thuật toán đối với các tín hiệu sai lệch và hệ số khuếch đại theo cách nối chung của cùng bộ khuếch đại thuật toán) thường vào khoảng 90dB.

+ Tốc độ tăng hạn chế sự biến thiên cực đại của điện áp tính bằng V/µs.

1.11.1. Bộ khuếch đại đo lường IA: (Instrumentational Amplifier)

Hệ số khuếch đại của IA không cao (< 100), tín hiệu ra tỷ lệ với hiệu hai điện áp đặt ở 2 đầu vào:

Ura = A(U+ - U-) = A∆U (1.16)

Đầu vào vi sai đóng vai trò rất quan trọng trong việc khử nhiễu ở chế độ chung và tăng điện trở vào của khuếch đại thuật toán. Điện áp trên Ra phải bằng điện áp vi sai đầu vào ∆U và tạo nên dòng điện i = ∆U/Ra. Các điện áp ra từ khuếch đại thuật toán U1 và U2

bằng nhau về biên độ nhưng ngược pha nhau. Khuếch đại thuật toán U3 biến đổi điện áp vi sai thành điện áp đơn cực ở đầu ra của nó.

Hệ số khuếch đại tổng: A = 2

3

a RR

RR21 ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+ (1.17)

R3

-

+

U2

Ra

R2

Ura

U_

R3

R1

U+

-

+U1

R1R2

-

+

U3

Hình 1.6: Mạch khuếch đại đo lường IA

1.11.2. Mạch khử điện áp lệch:

Trong thực tế, khuếch đại thuật toán luôn có một độ lệch điện áp nhất định ở đẩu ra, nguyên nhân là do các điện áp bên trong nên tạo ra một điện áp nhỏ ở đầu vào của khuếch đại thuật toán ngay cả khi hở mạch. Trị số điện áp này vào khoảng vài mV nhưng khi sử dụng mạch kín, điện áp này được khuếch đại và tạo nên điện áp lệch đầu ra. Vì vậyđể khử điện áp lệch này người ta gắn thêm biến trở R3 như trong sơ đồ sau.Bằng cách điều chỉnh biến trở này sẽ đưa giá trị điện áp lệch về 0 (một trong các thao tác chuẩn cảm biến):

\

25

-9V

-

+

741

3

26

754 1

Uv

R2

+9V

Ura

R1

R3

Hình 1.7: Mạch khử điện áp lệch

1.11.3. Mạch lặp điện áp:

Đây là một trong những ứng dụng rất thường gặp của khuếch đại thuật toán nhằm tăng điện trở đầu vào dùng để ghép nối giữa 2 khâu trong mạch đo. Hệ số khuếch đại của mạch bằng +1. Tín hiệu vào được đưa trực tiếp vào đầu vào không đảo còn đầu vào đảo được nối trực tiếp với đầu ra (phản hồi 100%).

-9V

Ura-

+3

26

74

Uv

+9V

Hình 1.8: Mạch lặp lại điện áp

1.11.4. Nguồn điện áp chính xác:

Để chuẩn các dụng cụ đo chính xác cần 1 nguồn điện áp chính xác. Pin mẫu Weston tạo nên điện áp chính xác 1,018V được dùng như điện áp mẫu, tuy nhiên do pin có điện trở cỡ 1-2K nên sẽ không còn chính xác nếu dòng điện cỡ µA. Chính vì vậy để khắc phục người ta kết hợp pin với mạch lặp điện áp có điều chỉnh điện áp lệch offset để tạo ra bộ pin chính xác có dòng ra lên đến 5mA do trở kháng ra gần bằng 0. Dòng điện cấp từ pin cho khuếch đại thuật toán chỉ cỡ 0,03µA.

26

1,018V R1

-9VR2

Pin Weston

Ura1,018V

+9V

-

+

741

3

26

754 1

Hình 1.9: Mạch cấp nguồn điện áp chính xác

1.11.5. Mạch cầu Wheatstone:

Cầu Wheatstone gồm 4 điện trở hoạt động như cầu không cân bằng, dựa trên việc phát hiện điện áp qua đường chéo của cầu. Điện áp ra là hàm phi tuyến nhưng với biến đổi nhỏ ∆<0,005 có thể coi là tuyến tính.

R3: là điện trở có giá trị biến đổi theo sự biến thiên của đại lượng đo.

R4: là biến trở dùng để chỉnh định trạng thái cân bằng của cầu khi chưa tiến hành đo.

Điện áp ra của cầu có biểu thức:

)x+k+1)(k+1(kxV=

R+RR

)x+1(R+kR)x+1(RV

=R+R

RR+R

RV=V

cc44

4

00

0cc

41

4

32

3ccout

(1.18)

Cầu cân bằng khi Vout = 0 : kRR

RR 2

4

1 == (khi đó R3 = R vì x = 0)

Độ nhạy của cầu là:

2ccccout

)xk1(kV

)xk1)(k1(kx

dxdV

dxdVS

++=⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+++

== (1.19)

Độ nhạy của cầu đạt cực đại khi:

0)xk1(

kx1V)xk1(

kdkdV

dkdS

3cc2cc =++−+

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛++

= ⇔ k = 1+x (1.20)

27

R3 = R(1+x)R4

R2

1

2

3

4Vcc

Vout-

+3

26

R1

Hình 1.10: Mạch cầu Wheatstone

1.11.6. Mạch bù nhiệt độ của các cầu điện trở:

Mạch cầu Wheatstone thường được sử dụng trong các mạch đo nhiệt độ, lực, ứng suất, áp suất, từ trường… Trong nhiều trường hợp điện trở này nhạy với nhiệt độ nên cần phải bù nhiệt ảnh hưởng của nhiệt độ lên điện trở. Một trong số các phương pháp thường dùng là nối trực tiếp mạch bù nhiệt độ lên cầu điện trở. Có thể sử dụng các sơ đồ như sau:

A, Sử dụng nhiệt điện trở:

Ura

+E

Hình 1.11: Mạch bù nhiệt độ dùng nhiệt điện trở

B, Sử dụng điện trở cố định:

Ura

VoRc

+E

Hình 1.12: Mạch bù nhiệt độ dùng diện trở cố định

C, Sử dụng nguồn áp khống chế theo nhiệt độ:

28

Vo

+E

Ura

Vc

Hình 1.13: Mạch bù nhiệt độ dùng nguồn áp khống chế

D, Sử dụng nguồn dòng khống chế theo nhiệt độ:

Ic

Ura

+E

Vo

Hình 1.14: Mạch bù nhiệt độ dùng nguồn dòng khống chế

E, Sử dụng 4 điện trở nhiệt:

Hai điện trở tx dùng để đo nhiệt độ.

Hai điện trở t0 dùng để bù nhiệt độ môi trường.

Rt

Rt Rt

1

2

3

4

txRt

Ura

toVcc

tx

to

Hình 1.15: Mạch bù nhiệt độ dùng 4 nhiệt điện trở

29

30

CHƯƠNG 2:

CÁC CHUYỂN ĐỔI ĐO LƯỜNG SƠ CẤP

2.1. KHÁI NIỆM CHUNG:

2.1.1. Các định nghĩa:

2.1.1.1. Chuyển đổi đo lường:

Là thiết bị thực hiện một quan hệ hàm đơn trị giữa hai đại lượng vật lý với một độ chính xác nhất định.

(như vậy nói chung thì chúng chuyển đổi từ đại lượng vật lý này sang đại lượng vật lý khác (không nhất thiết là điện) và có quan hệ hàm có thể là phi tuyến, tuy nhiên để nâng cao độ chính xác người ta luôn cố gắng tạo hàm tuyến tính)

2.1.1.2. Chuyển đổi đo lường sơ cấp:

Là các chuyển đổi đo lường mà đại lượng vật lý vào là không điện nhưng đại lượng ra là đại lượng điện.

2.1.1.3. Đầu đo:

Chuyển đổi sơ cấp được đặt trong một vỏ hộp có kích thước và hình dáng rất khác nhau phù hợp với chỗ đặt của điểm đo để tạo thành một loại dụng cụ gọi là đầu đo hay bộ cảm biến hoặc sensor.

Các đầu đo có thể được chế tạo riêng rẽ thành thiết bị bán trên thị trường hoặc đi liền với các thiết bị đo hay hệ thống đo.

Nói chung, độ nhạy, độ chính xác và độ tác động nhanh của các thiết bị này đều phụ thuộc rất nhiều vào công nghệ chế tạo ra chúng và các thành tựu khoa học hiện tại trong các lĩnh vực vật lý liên quan.

2.1.2. Các đặc tính của chuyển đổi sơ cấp:

Phương trình của chuyển đổi sơ cấp có dạng:Y = f(X, Z) (2.1)

Trong đó: X là đại lượng không điện cần đo

Z là tác động từ môi trường xung quanh

Thực tế thì để có được đặc tính này người ta phải tiến hành thực nghiệm. Và thông thường thì các đặc tính thu được đều là phi tuyến. Song người ta luôn cố gắng tìm cách tuyến tính hoá nó bằng các mạch điện tử hoặc bằng các thuật toán xử lý thông số trong quá trình gia công thông tin đo. Để đảm bảo độ chính xác cho quá trình chuyển đổi ta phải luôn tính đến điều kiện Z.

31

Khi đánh giá một chuyển đổi hay phải so sánh chúng với nhau ta cần phải chú ý các đặc tính cơ bản sau:

1. Phải xét đến khả năng có thể thay thế được của các chuyển đổi: tức là khi chế tạo một loại chuyển đổi ta phải tính đến khả năng chế tạo nhiều chuyển đổi với các đặc tính như nhau đã cho trước. Như thế mới có thể thay thế khi bị hư hỏng mà không mắc phải sai số.

2. Chuyển đổi phải có đặc tính đơn trị: tức là với đường cong hồi phục của chuyển đổi, ứng với mỗi giá trị của X chỉ tương ứng một giá trị của Y mà thôi.

3. Đường cong của chuyển đổi phải ổn định: tức là không được thay đổi theo thời gian.

4. Tín hiệu ra của chuyển đổi yêu cầu phải phù hợp cho việc ghép nối vào dụng cụ đo, hệ thống đo và máy tính.

5. Đặc tính quan trọng của chuyển đổi là sai số:

+ Sai số cơ bản: là sai số gây ra do nguyên tắc của chuyển đổi, sự không hoàn thiện của cấu trúc , sự yếu kém trong công nghệ chế tạo.

+ Sai số phụ: là sai số gây ra do sự biến động của điều kiện bên ngoài khác với điều kiện chuẩn.

Để nâng cao độ chính xác của phép đo hay dụng cụ đo người ta thường cố gắng nâng cao độ chính xác của các chuyển đổi sơ cấp vì đây chính là khâu cơ bản nhất trong thiết bị mà độ chính xác của nó phụ thuộc rất nhiều vào bản chất vật lý của chuyển đổi.

6. Độ nhạy của chuyển đổi: là một yếu tố quan trọng, nó có tác dụng quyết định cấu trúc của mạch đo để đảm bảo cho phép đo có thể bắt nhạy với những biến động nhỏ của đại lượng đo.

7. Đặc tính động của chuyển đổi: khi có tín hiệu tác động vào chuyển đổi thì luôn gây nên quá trình quá độ ban đầu trong chuyển đổi, quá trình này diễn ra nhanh hay chậm hoàn toàn phụ thuộc vào dạng chuyển đổi. Đặc điểm này được gọi là độ tác động nhanh của chuyển đổi. Nếu độ tác động nhanh mà chậm thì phản ứng của tín hiệu ra của chuyển đổi có sự trễ so với sự thay đổi của tín hiệu vào.

8. Sự tác động ngược lại của chuyển đổi lên đại lượng đo: có thể làm thay đổi đại lượng đo và tiếp đến gây ra sự thay đổi của tín hiệu ở đầu ra của chuyển đổi.

9. Kích thước của chuyển đổi: về mong muốn là phải nhỏ để có thể đưa đầu đo vào những nơi hẹp, nhỏ, nâng cao độ chính xác của các phép đo.

2.1.3. Phân loại các chuyển đổi sơ cấp:

Có thể phân loại theo các phương pháp chính sau:

32

2.1.3.1. Theo nguyên lý của chuyển đổi:

a, Chuyển đổi điện trở: là chuyển đổi trong đó đại lượng không điện X biến đổi làm thay đổi điện trở của nó.

b, Chuyển đổi điện từ: là chuyển đổi làm việc dựa trên các nguyên tắc về lực điện từ. Đại lượng không điện X làm thay đổi các thông số của mạch từ như điện cảm L, hỗ cảm M, độ từ thẩm µ, từ thông Φ.

c, Chuyển đổi tĩnh điện: là các chuyển đổi làm việc dựa trên các hiện tượng tĩnh điện. Đại lượng không điện X làm thay đổi điện dung C hay điện tích của nó.

d, Chuyển đổi hoá điện: là các chuyển đổi làm việc dựa trên các hiện tượng hoá điện. Đại lượng không điện X làm thay đổi các thông số điện dẫn Y, điện cảm, sức điện động hoá điện…

e, Chuyển đổi nhiệt điện: là các chuyển đổi dựa trên các hiện tượng nhiệt điện. Đại lượng không điện X làm thay đổi sức điện động nhiệt điện hay điện trở của nó.

f, Chuyển đổi điện tử và ion: là các chuyển đổi trong đó đại lượng không điện X làm thay đổi dòng điện tử hay ion chạy qua nó.

g, Chuyển đổi lượng tử: dựa trên hiện tượng cộng hưởng từ hạt nhân và cộng hưởng từ điện tử.

2.1.3.2. Theo tính chất nguồn điện của chuyển đổi:

a, Chuyển đổi phát điện: là chuyển đổi có đại lượng ra là điện áp V, sức điện động E, dòng điện I và đại lượng vào là đại lượng không điện cần đo. (chính là dạng Cam biến năng lượng)

Ví dụ: Chuyển đổi cảm ứng, cặp nhiệt điện, chuyển đổi áp điện …

b, Chuyển đổi thông số: là các chuyển đổi có đại lượng ra là các thông số điện như điện trở R, điện cảm L, hỗ cảm M,… như các chuyển đổi điện cảm, điện dung, hỗ cảm. (chính là dạng cảm biến thông số)

2.1.3.3. Theo phương pháp đo của chuyển đổi:

a, Chuyển đổi trực tiếp: là chuyển đổi mà qua đó đại lượng không điện được trực tiếp biến đổi thành đại lượng điện.

b, Chuyển đổi bù: đại lượng không điện cần đo X được bù bởi đại lượng cùng loại Xk do chuyển đổi ngược tạo ra:

Xk = β.Y (2.2)

Độ sai lệch ∆X giữa X và Xk được chuyển đổi thuận biến thành đại lượng Y:

Y = K(X - Xk) = K.X – K.β.Y (2.3)

Suy ra:

X.K1

KYβ+

= (2.4)

Nếu Kβ>>1 thì:

Y = (1/β).X (2.5)

Từ biểu thức này ta thấy Y chỉ phụ thuộc vào độ chính xác của chuyển đổi ngược. Do đó chuyển đổi thuận có thể rất phức tạp qua nhiều lần biến đổi, sai số có thể lớn, song nếu bảo đảm hệ số biến đổi K rất lớn thì độ chính xác của chuyển đổi bù chỉ phụ thuộc vào độ chính xác của chuyển đổi ngược. Chuyển đổi ngược thường là chuyển đổi trực tiếp có độ chính xác cao nên chuyển đổi bù thường cũng sẽ có độ chính xác cao.

2.2. CÁC CHUYỂN ĐỔI ĐIỆN TRỞ:

Là loại chuyển đổi biến sự thay đổi của đại lượng không điện cần đo thành sự thay đổi giá trị điện trở của nó. Có 2 loại sau:

2.2.1. Chuyển đổi biến trở:

2.2.1.1. Cấu tạo và nguyên lý làm việc:

Chuyển đổi biến trở là một biến trở gồm:

+ Một lõi bằng vật liệu cách điện (gốm, sứ, bakelit… hoặc nhôm, đồng mà có phủ lớp cách điện) ở hình dáng rất khác nhau.

+ Trên lõi quấn liên tiếp các vòng dây điện trở (bằng manganin, niken, crom, constantan, wolfram) được tráng sơn emay cách điện (nên có thể xếp xít nhau). Đường kính dây khoảng 0,02÷0,1mm, điện trở của dây có thể thay đổi từ vài chục Ω đến vài KΩ.

+ Trên lõi dây quấn có con trượt chế tạo bằng hợp kim platin-iridi hoặc platin-berin để có độ đàn hồi và tiếp xúc tốt, lực tì giữa con trượt và lõi rất nhỏ chỉ cỡ 0,01÷0,1N.

Dưới tác dụng của đại lượng vào con trượt sẽ bị dịch chuyển. Quan hệ giữa đại lượng ra và đại lượng vào có dạng:

R = f(XV). (2.6)

33

Hình 2.1: Chuyển đổi biến trở

2.2.1.2. Độ nhạy và độ chính xác:

Chuyển đổi biến trở chỉ cho ta phát hiện sự biến thiên điện trở bằng điện trở của một vòng dây tương ứng với một di chuyển bằng khoảng cách giữa 2 vòng dây. Như vậy, nếu điện trở toàn phần của chuyển đổi là R với số vòng dây W thì điện trở nhỏ nhất có thể phát hiện được (độ phân giải) là:

R0 = R/W (2.7)

R0 là ngưỡng nhạy của chuyển đổi.

Nếu chiều dài của biến trở là l thì độ di chuyển tối thiểu có thể phát hiện được sẽ là:

X0 = l/W (2.8)

Sai số rời rạc của chuyển đổi với cuộn dây quấn như nhau:

W2l

R2R min =

∆=γ (2.9)

Trong đó:

∆Rmin là điện trở toàn phần của 1 vòng dây

R là điện trở chuyển đổi

W: số vòng dây của biến trở

Sai số phi tuyến từ 0,1÷0,03%

34

Sai số nhiệt độ 0,1% trên từng 10oC.

2.2.1.3. Mạch đo:

Có thể dùng các mạch đo sau:

a, Mạch biến trở:

lxR+R

U=R+R

U=ICT

CTx (2.10)

Dòng điện trong mạch tỷ lệ nghịch với điện trở cần đo Rx.

Nhược điểm của mạch là quan hệ giữa I = f(x) không tuyến tính, dòng điện không biến thiên được từ 0 trở đi.

Hình 2.2: Sơ đồ mạch đo kiểu biến trở

b, Mạch phân áp:

Hình 2.3: Sơ đồ mạch phân áp

vx

vxx R+R

RR+R-R

U=I (2.11)

35

vx

vx

vx

vxx

vx

vxx R+R

RR.

R+RRR

+R-R

U=R+R

RR.I=U (2.12)

nếu Rv >> R thì xxv

xv R¡ÖR+R

RR và do đó:

lxU

RlxR

.UR

R.U

RRRR.U

U x

xv

xx ===

+−= (2.13)

Quan hệ giữa Ux và x là tuyến tính, Ux biến thiên từ 0 đến U khi Rx biến thiên từ 0 đến R (thường Rx ≥ (10÷20)R).

c, Mạch cầu:

Nếu R1 = R2 = R3 = R và Rg >> R thì ta có:

Ug ≈ RR.

4U ∆

(2.14)

Trong đó RR∆ là lượng biến thiên điện trở tương đối khi biến trở di chuyển.

Hình 2.4: Sơ đồ mạch cầu

d, Mạch logomet:

R: là biến trở

R1, R2: là điện trở cuộn dây logomet

R3, R4: là điện trở phụ xác định theo thông số của chuyển đổi logomet. Khi Rx thay đổi làm dòng điện I1 và I2 thay đổi và góc quay α = f(I1, I2) = f(R1, R2) = f(x).

36

Hình 2.4: Sơ đồ mạch đo dùng Lôgômét

2.2.1.4. Ứng dụng:

Chuyển đổi biến trở thường dùng để đo các di chuyển thẳng (2–3mm) hoặc di chuyển góc của các đối tượng đo.

Ngoài ra còn dùng cho các dụng cụ đo lực, áp suất, gia tốc hoặc các chuyển đổi ngược trong các mạch cầu và điện thế kế tự động.

Chuyển đổi biến trở chỉ có thể dùng đo các đại lượng biến thiên với tần số không lớn (<5Hz).

2.2.2. Chuyển đổi điện trở lực căng:

2.2.2.1. Nguyên lý tác dụng, cấu tạo và các quan hệ cơ bản:

Khi dây dẫn chịu biến dạng cơ khí thì điện trở của nó cũng thay đổi. Hiện tượng đó gọi là hiệu ứng tenzô. Chuyển đổi điện trở làm việc dựa trên hiệu ứng này được gọi là chuyển đổi điện trở tenzô hay chuyển đổi điện trở lực căng. Chuyển đổi điện trở kiểu này được chia làm 3 loại:

+ chuyển đổi điện trở lực căng dây mảnh

+ chuyển đổi điện trở lực căng lá mỏng

+ chuyển đổi điện trở lực căng màng mỏng

Phổ biến nhất là loại chuyển đổi điện trở lực căng dây mảnh: Trên một tấm giấy mỏng bền, người ta dán 1 dây điện trở theo kiểu hình răng lược có đường kính khoảng 0,02÷0,03mm. Dây được chế tạo từ vật liệu constantan, nicrom, hoặc hợp kim platin-iridi. Hai đầu dây được hàn với lá đồng dùng để nối với mạch đo. Phía trên lại được dán một lớp giấy mỏng để cố định dây. Chiều dài l0 của “răng lược” là chiều dài tác dụng của chuyển đổi.

37

Hình 2.5: Cấu tạo của chuyển đổi điện trở lực căng kiểu dây mảnh

Thông thường l0 = 8÷15mm. Khi cần có kích thước nhỏ l0 = 2,5mm. Chiều rộng a thay đổi từ 3÷10mm. Điện trở dây thay đổi từ 10÷150Ω. Khi chiều dài tác dụng không bị hạn chế, l0 có thể đạt 100mm. Điện trở 800÷1000Ω.

Khi đo biến dạng ε1 = ∆l/l, chuyển đổi được dán trực tiếp lên đối tượng đo. Lúc đối tượng đo bị biến dạng chuyển đổi sẽ biến dạng theo và điện trở của chuyển đổi thay đổi một lượng εR = ∆R/R.

Ta có: ∆R/R = f(∆l/l) (2.15)

hay εR = f(ε1)

Ta biết rằng R = ρl/s (s là tiết diện, l là chiều dài, ρ là điện trở suất của dây)

do đó: ss

ll

RR ∆

−∆

+ρρ∆

=∆

(2.16)

hay εR = ερ + εl - εs

trong đó:

εR = ∆R/R: là sự biến thiên tương đối của điện trở chuyển đổi khi bị biến dạng

εl = ∆l/l : là sự biến thiên tương đối theo chiều dài dây dẫn

εs = ∆s/s : là sự biến thiên tương đối theo tiết diện dây dẫn, đặc trưng cho sự thay đổi kích thước hình học của chuyển đổi.

ερ = ∆ρ/ρ: là sự biến thiên tương đối của điện trở suất, đặc trưng cho sự thay đổi tính chất vật lý của vật liệu chuyển đổi.

Trong cơ học đã biết:

εs = - 2Kpεl (2.17)

(Kp là hệ số poisson)

38

nếu lại đặt ερ = m.εl (2.18)

với m là hệ số tỷ lệ,

thì ta có: εR = εl(1 + 2Kp + m) = K.εl (2.19)

đó là phương trình biến đổi tổng quát của chuyển đổi biến trở lực căng.

Độ nhạy của chuyển đổi là: K = εR/εl = 1 + 2Kp + m (2.20)

♣ Đối với vật liệu lỏng (thuỷ ngân, chất điện phân):

Khi thể tích v = l.s không thay đổi trong quá trình biến dạng, hệ số Kp = 0,5 và bỏ qua m vì m rất nhỏ thì:

Kvậtliệulỏng = 1 + 2.0,5 = 2 (2.21)

♣ Đối với vật liệu kim loại rắn:

Ta có Kp = 0,24 ÷ 4 nên độ nhạy:

Kvậtliệukimloạirắn = 1,5 ÷ 4 (2.22) Do ứng suất có ở trong chi tiết cần nghiên cứu có liên quan với module đàn hồi E của vật liệu chi tiết do đó: σ = E(∆l/l) và phương trình biến đổi của chuyển đổi lực căng có thể biểu diễn dưới dạng:

σ=∆

Ek

RR

(2.23)

Ứng suất cơ của chi tiết và của dây chế tạo chuyển đổi không được vượt quá giới hạn biến dạng đàn hồi vì điều đó có thể dẫn đến sự thay đổi đặc tính của nó. Ứng suất cơ học trong các chi tiết được giới hạn trong khoảng 20 ÷ 30 % giới hạn đàn hồi.

2.2.2.2. Tính chất của các chuyển đổi điện trở lực căng:

Để các chuyển đổi điện trở lực căng làm việc tốt trong thực tế, yêu cầu vật liệu chế tạo chuyển đổi có độ nhạy lớn để độ nhạy đạt được cao. Mặt khác, hệ số nhiệt độ của chuyển đổi điện trở lực căng (α) cần bé vì trong kim loại độ biến dạng tương đối εl trong giới hạn đàn hồi không lớn hơn 2,5.10-3, do đó εR vào khoảng (1,25 ÷ 10) tức là sự thay đổi điện trở tương đối không vượt quá 1% khi đối tượng đo chịu áp suất lớn nhất.

Trong khi đó, sự đốt nóng điện trở cũng có thể làm điện trở của chuyển đổi thay đổi một lượng cũng gần bằng lượng điện trở do biến dạng. Vì vậy, hệ số nhiệt độ của dây điện trở càng nhỏ càng tốt, cần phải bù nhiệt độ cho mạch đo.

Vật liệu chế tạo dây điện trở cần có điện trở suất lớn để kích thước của chuyển đổi nhỏ.

39

Độ nhạy của các chuyển đổi loại dây mảnh không giống độ nhạy của vật liệu chế tạo nó vì trong quá trình chế tạo hình răng lược, phần bị uốn không chịu biến dạng theo hướng cần đo, làm độ nhạy giảm 25 – 30 %. Muốn vậy, phải tăng độ dài tác dụng l0, mặt khác các phần uốn lại chịu lực tác dụng vuông góc với trục của chuyển đổi gây sai số trong quá trình đo.

Hệ số nhiệt độ của chuyển đổi α, khác với hệ số nhiệt độ α của đối tượng đo, khi nhiệt độ thay đổi gây biến dạng phụ trong quá trình đo.

Ngày nay, để giảm kích thước của chuyển đổi, tăng điện trở tác dụng của nó cũng như có thể chế tạo được chuyển đổi có hình dạng phức tạp hơn, người ta chế tạo chuyển đổi kiểu màng mỏng và lá mỏng.

+ Chuyển đổi lá mỏng: được chế tạo từ một lá kim loại mỏng với chiều dày 0,004 ÷ 0,012mm. Nhờ phương pháp quang khắc, hình dáng của chuyển đổi có thể được tạo thành một cách rất khác nhau.

+ Chuyển đổi màng mỏng: được chế tạo bằng cách cho bốc hơi kim loại lên một khung có hình dạng định trước.

Ưu điểm của 2 loại chuyển đổi này là điện trở lớn, kích thước nhỏ, tăng được độ nhạy.

Hình 2.6: Cấu trúc chuyển đổi điện trở lực căng dạng lá mỏng và màng mỏng

♦ Ngoài ra các vật liệu bán dẫn như silic, germany, asenua,… cũng được sử dụng để chế tạo các chuyển đổi điện trở lực căng. Các loại chuyển đổi lực căng dùng vật liệu này có độ bền cơ học kém, song có các ưu điểm là:

+ hệ số độ nhạy lớn K = (-200 ÷ +800)

40

+ kích thước nhỏ (2,5mm)

+ nhiệt độ làm việc từ -250oC đến + 250oC

Keo dán dùng để dán các chuyển đổi lực căng cũng là loại keo dán đặc biệt như BΦ-2, BΦ-4, axetolxeluloit…

2.2.2.3. Mạch đo:

Thông thường chuyển đổi điện trở lực căng được dùng với mạch cầu một chiều hoặc xoay chiều và mạch phân áp.

Khi mạch cầu chỉ có một nhánh hoạt động, tức là chỉ có 1 chuyển đổi hoạt động, vấn đề bù nhiệt cần được đảm bảo. Người ta sẽ dùng một chuyển đổi cùng loại dán lên chi tiết không làm việc cùng vật liệu với đối tượng đo và đặt trong cùng 1 nhiệt độ.

Khi cầu không làm việc sẽ có trạng thái cân bằng:

KRR

RR

4

3

2

T == (2.24)

Khi đối tượng đo làm việc RT thay đổi thành εRRT, cầu mất cân bằng và điện áp ra:

[ ] )RR(RR)1(RRRR)1(.UU

324TR

423TRa ++ε+

−ε+= (2.25)

Nếu R2 = R3; R4 = RTo (RTo là điện trở chi tiết dán trên chi tiết không biến dạng) thì ta có:

Ua ≈ 0,25.U.εR (2.26)

Thuận tiện hơn là sơ đồ hình 7.9b trong đó 2 nhánh cầu được dán chuyển đổi tenzô và cùng hoạt động. Điện áp ra của mạch cần tăng gấp 2 lần và bù nhiệt độ tốt hơn: sai số nhiệt độ bị loại trừ.

41

Hình 2.7: Một số kiểu mạch đo của chuyển đổi điện trở lực căng

Với cầu 4 nhánh hoạt động, điện áp ra của mạch cầu là lớn nhất tăng gấp 4 lần, sai số nhiệt độ cũng bị loại trừ.

Ngoài mạch cầu còn có thể dùng mạch phân áp:

Mạch trên dùng để đo biến dạng động với tần số > 1000Hz, ví dụ biến dạng do va đập. Điện áp ra đo được trên RT mắc nối tiếp với điện trở R. Để loại trừ thành phần một chiều người ta mắc thêm tụ C.

Điện áp rơi trên tenzô: RRRUUT

TT += (2.27)

Khi có biến dạng với tần số ω:

)tsin1(RR)tsin1(R.UU

RT

RTT ωε++

ωε+= (2.28)

Với εR << 1 thì ta có:

T

T

T

RTT RR

RRR

tsinR.UU+

++

ωε≈ (2.29)

Điện áp ra chỉ lấy với thành phần xoay chiều:

tsinRR

R.UU RT

Ta ωε

+≈ (2.30)

42

43

2.2.2.4. Sai số và phạm vi ứng dụng:

Sai số của thiết bị đo dùng chuyển đổi Tenzô chủ yếu do độ chính xác khắc độ của chuyển đổi. Không thể khắc độ trực tiếp đơn chiếc mà chúng được chế tạo hàng loạt và được chuẩn sơ bộ.

Khi sử dụng cần phải có công nghệ dán chuẩn và chọn vị trí chính xác. Sai số về điều này có thể đạt tới 1 – 5%.

Khi chuẩn trực tiếp chuyển đổi với mạch đo sai số có thể giảm đến 0,2 – 0,5% khi đo biến dạng tĩnh và1 – 1,5% khi đo biến dạng động. Ngoài ra còn có sai số biến dạng dư của keo dán khi sấy khô, do sự dãn nở khác nhau giữa chuyển đổi và chi tiết dán.

Các chuyển đổi loại này dùng để đo lực, áp suất, momen quay, gia tốc và các đại lượng khác nếu có thể biến đổi thành biến dạng đàn hồi với ứng suất không bé hơn (1÷2)107 N/m2.

2.3. CÁC CHUYỂN ĐỔI ĐIỆN TỪ:

Chuyển đổi điện từ là nhóm các chuyển đổi làm việc dựa trên quy luật điện từ. Đại lượng không điện cần đo làm thay đổi điện cảm, hỗ cảm của chuyển đổi hay từ thông, độ từ thẩm của lõi thép. Chuyển đổi điện từ được phân thành: chuyển đổi điện cảm và hỗ cảm, chuyển đổi cảm ứng, chuyển đổi áp từ.

1. Chuyển đổi điện cảm và hỗ cảm:

A, Chuyển đổi điện cảm:

Là một cuộn dây quấn trên lõi thép có khe hở không khí (mạch từ hở). Thông số của nó thay đổi dưới tác động của đại lượng vào Xv.

Hình 2.8: Một số dạng chuyển đổi điện cảm

1-Lõi sắt từ; 2-Cuộn dây; 3-Phần ứng di động được; δ-khe hở không khí

Dưới tác động của đại lượng đo, phần ứng sẽ di chuyển, khe hở không khí δ thay đổi từ trở của lõi thép do đó điện cảm và tổng trở của chuyển đổi cũng thay đổi theo.

Nếu bỏ qua điện trở thuần của cuộn dây và trở từ của lõi thép ta có:

δµ

==δ

sWRWL o

22

(2.31)

Trong đó: W: số vòng dây của cuộn dây

Rδ = δ/(µos): từ trở của không khí

δ : chiều dài khe hở không khí

µo : độ từ thẩm của không khí

s : tiết diện thực của khe hở không khí

Với W = const ta có:

δδ∂

∂+

∂∂

= dLdssLdL (2.32)

Với lượng thay đổi hữu hạn ∆s và ∆δ ta có:

δ∆δ∆+δ

µ−∆

δµ

=∆ 2o

oo2

o

o2

)(sWsWL (2.33)

trong đó: so và δo là các giá trị ban đầu của s và δ (khi đại lượng vào Xv = 0)

Độ nhạy của chuyển đổi điện cảm với khe hở không khí thay đổi Sδ (giữ s = const):

44

2

oo

o

1

LLS

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛δδ∆

+δ

−=δ∆

∆=δ (2.34)

Độ nhạy của chuyển đổi điện cảm với tiết diện không khí thay đổi Ss (giữ δ = const):

o

os s

LsLS =∆∆

= (2.35)

trong đó: o

oo2

osW

Lδµ

= là giá trị điện cảm ban đầu của chuyển đổi

Khi δ = δo, s = so và tổng trở Z của chuyển đổi:

δµω

=ω= o2W

LZ (2.36)

Độ nhạy tương đối của chuyển đổi khi tính tổng trở Z với khe hở không khí thay đổi:

2

o

o

o'

1

1/Z/Z

S

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛δδ∆

+

−=δδ∆

∆=δ (2.37)

trong đó Zo là giá trị tổng trở ban đầu khi Xv = 0

Từ biểu thức (2.35) thấy rằng tổng trở của chuyển đổi là một hàm tuyến tính với tiết diện khe hở không khí s và phi tuyến (hypebol) với chiều dài khe hở không khí.

Nói cách khác, độ nhạy của chuyển đổi khi độ dài của khe hở không khí thay đổi không phải là hằng số mà phụ thuộc vào tỷ số ∆δ/δo.

Độ nhạy của chuyển đổi khi tiết diện của khe hở không khí thay đổi là hằng số và không phụ thuộc vào lượng thay đổi ∆s.

Trong các chuyển đổi điện cảm với khe hở không khí thay đổi giá trị ∆δ/δo không vượt quá 0,2 đối với chuyển đổi đơn và 0,4 đối với chuyển đổi mắc kiểu vi sai, với giá trị trên độ phi tuyến của chuyển đỏi không vượt quá 1%.

Tuy nhiên nếy đo tổng dẫn Y = 1/Z, độ nhạy của chuyển đổi sẽ tuyến tính đối với độ thay đổi độ dài khe hở không khí (khi đó dòng điện I chạy qua cuộn dây với điện áp U cho trước tuyến tính) do:

)(sW

UI oo

2 δ∆+δµω

= (2.38)

45

Đặc tính của chuyển đổi điện cảm khi độ dài khe hở không khí δ thay đổi Z = f(∆δ) thường phi tuyến và đặc tính Z = f(∆δ) phụ thuộc tần số của nguồn kích thích. Tần số dòng kích thích càng lớn độ nhạy càng cao.

Để tăng độ nhạy chuyển đổi và tăng đoạn đặc tính tuyến tính làm việc, người ta thường dùng chuyển đổi điện cảm mắc theo kiểu vi sai.

Hình 2.9: Đặc tính của chuyển đổi điện từ

B, Chuyển đổi hỗ cảm: (chuyển đổi biến áp)

Cấu tạo của chuyển đổi hỗ cảm cũng giống như chuyển đổi điện cảm chỉ khác ở chỗ có thêm cuộn dây đo. Khi chiều dài hoặc tiết diện khe hở không khí thay đổi làm cho từ thông của mạch từ thay đổi và xuất hiện sức điện động e.

Từ thông tức thời:

δµ

==Φδ

siWRWi o11

t (2.39)

46

trong đó: i là giá trị dòng tức thời trong cuộn dây kích thích W1.

Hình 2.10: Các chuyển đổi kiểu hỗ cảm

a) Các chuyển đổi đơn; b) Các chuyển đổi mắc kiểu vi sai

Sức điện động tạo thành trong cuộn dây đo W2 (số vòng dây của cuộn dây đo là W2):

dtdisW.W

dtd

We o12t2 δ

µ−=

Φ−= (2.40)

Khi làm việc với dòng xoay chiều i = Imsinωt

Ta có: tcosIsW.W

e mo12 ωω

δµ

−= (2.41)

47

Và giá trị hiệu dụng của sức điện động:

δ

=ωδµ

=sKI

sW.WE o12 (2.42)

trong đó: I: là giá trị hiệu dụng của dòng điện

K = W1W2µoωI

Biểu thức (2.41) là phương trình của chuyển đổi hỗ cảm. Với các giá trị W2, W1, µo, ω, I là hằng số ta có:

δδ∂

∂+

∂∂

= dEdssEdE (2.43)

hay 2oo )(

ksskEδ∆+δ

δ∆−

δ∆

=∆ (2.44)

Độ nhạy của chuyển đổi với sự thay đổi chiều dài khe khí δ (s = const)

2

oo

o2

o

2o 1

E

1

ksES

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛δδ∆

+δ

=

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛δδ∆

+δ

−=δ∆

∆=δ (2.45)

Còn độ nhạy khi tiết diện khe khí thay đổi (δ = const):

o

o

oS S

EksES =

δ=

∆∆

= (2.46)

trong đó: o

oo

ksE

δ= là sức điện động hỗ cảm ban đầu trong cuộn dây đo W2 khi xv =

0.

So sánh biểu thức (2.45) và (2.46) với các biểu thức (2.34) và (2.35) ta thấy rằng độ nhạy của chuyển đổi hỗ cảm khi I và ω không biến đổi chỉ khác với độ nhạy của chuyển đổi điện cảm ở giá trị Eo và Lo.

Ngoài ra độ nhạy của chuyển đổi hỗ cảm Ss và Sδ tăng khi tần số nguồn cung cấp tăng.

Đối với chuyển đổi điện cảm và hỗ cảm, trên các đoạn sắt từ của mạch từ có tổn hao từ trễ và dòng xoáy làm thay đổi từ trở và do đó tổng trở cũng bị thay đổi. Tín hiệu ra sẽ thay đổi cả biên độ và pha. Tuy vậy sự thay đổi về pha có thể khắc phục nếu chuyển đổi được cung cấp với điện áp ổn định cho trước. Do vậy trong mạch cầu chỉ cần cân bằng với thành phần biên độ.

Để đảm bảo chế độ điện áp cho trước, điện trở của chỉ thị chỉ không RCT trong mạch cầu cần nhỏ hơn điện trở của các nhánh 5 ÷ 10 lần.

48

Nếu lõi sắt từ làm bằng vật liệu đặc thì sẽ gây nên hiệu ứng bề mặt và độ nhạy của chuyển đổi sẽ là một hàm khá phức tạp.

Khi chế tạo các chuyển đổi điện cảm và hỗ cảm cần phải tính đến lực cơ điện tác dụng lên phần động của lõi thép:

+ Khi chiều dài khe khí thay đổi:

( LI21F 2

δ∂∂

=δ ) (2.47)

+ Khi tiết diện khe khí thay đổi:

( LIs2

1F 2s ∂

∂= ) (2.48)

Nếu dòng điện I là không đổi thì một cách gần đúng ta có:

δ∂

∂=δ

LI21F 2 và

sLI

21F 2

s ∂∂

= (2.49)

Giá trị tức thời của lực thay đổi với tần số gấp 2 lần tần số của nguồn cung cấp (xem lại trong [9]). Vì vậy cần tránh tần số cộng hưởng riêng của lõi phần động không được lớn bằng 2 lần tần số nguồn cung cấp.

Đặc tính động của chuyển đổi hỗ cảm và điện cảm được xác định chủ yếu ở hệ thống cơ của phần động.

Tần số làm việc của loại chuyển đổi này rất rộng, tuỳ theo cấu trúc của phần động có thể đo được các đại lượng biến thiên từ 500Hz ÷ vài kHz.

C, Mạch đo:

Thường thì người ta dùng mạch cầu không cân bằng với nguồn cung cấp xoay chiếu có một nhánh hoạt động (chuyển đổi đơn) hoặc 2 nhánh hoạt động (chuyển đổi mắc kiểu vi sai).

Ví dụ mạch cầu hình 2.11. Đó là mạch cầu với chuyển đổi mắc kiểu vi sai (cầu 6 nhánh):

49

Hình 2.11: Mạch đo của chuyển đổi điện từ kiểu cầu vi sai 6 nhánh

+ Điện trở Rc và C dùng để cân bằng thành phần ảo (góc pha). (cơ cấu tạo sớm trễ pha)

+ Điện trở Ro cân bằng thành phần thực (biên độ): Ro << R

+ Chỉ thị là dụng cụ từ điện.

Đối với các chuyển đổi hỗ cảm thì người ta thường dùng phương pháp đo điện áp xoay chiều. Khi cần thiết xác định dấu của đại lượng đo có thể dùng chỉnh lưu nhạy pha.

Công suất ra của chuyển đổi hỗ cảm thường lớn (vài chục Watt) nên trong nhiều trường hợp không cần mạch khuếch đại.

D, Sai số và ứng dụng:

Các chuyển đổi điện cảm làm việc với mạch cầu không cân bằng, nguồn cung cấp cho mạch cầu cần ổn định.

+ Nếu điện áp cung cấp thay đổi 1% thì có thể gây ra sai số 1%.

+ Nếu tần số của nguồn cung cấp thay đổi 1% gây ra sai số 0,2% (với mạch cầu cân bằng sai số có thể giảm tới 0,5 ÷ 1%).

+ Khi nhiệt độ môi trường thay đổi làm cho độ từ thẩm của mạch từ và điện trở thực của cuộn dây thay đổi cũng có thể gây ra sai số. Sai số trên được khắc phục khi sử dụng chuyển đổi mắc kiểu vi sai.

Chuyển đổi điện cảm và hỗ cảm có thể đo các đại lượng không điện khác nhau tuỳ theo cấu trúc của từng loại chuyển đổi:

50

- đo di chuyển từ vài chục µm đến hàng chục cm;

- đo độ dày lớp phủ;

- đo độ bóng của chi tiết gia công; …

- đo lực từ 0,1N đến hàng chục, hàng trăm N;

- đo áp suất với dải đo từ 10-3 N/m2 đến hàng chục ngàn N/m2;

- đo gia tốc từ 10-2g đến hàng trăm đơn vị gia tốc trọng lượng.

2. Chuyển đổi áp từ:

A, Cấu tạo và nguyên lý làm việc:

Chuyển đổi áp từ là một dạng của chuyển đổi điện cảm và hỗ cảm. Khác với hai loại trên, mạch từ của chuyển đổi áp từ là mạch từ kín. Nguyên lý làm việc của chuyển đổi áp từ là hiệu ứng áp từ.

Hình 2.12: Các chuyển đổi áp từ

Dưới tác dụng biến dạng đàn hồi cơ học, độ từ thẩm µ và các tính chất khác của vật liệu sắt từ thay đổi. Chuyển đổi áp từ dựa trên hiệu ứng áp từ có thể là chuyển đổi áp từ kiểu điện cảm, hoặc chuyển đổi kiểu hỗ cảm. Dưới tác dụng của ứng lực cơ học làm cho lõi thép bị biến dạng, độ từ thẩm µ thay đổi và từ trở của mạch từ Rµ thay đổi làm cho điện cảm L hoặc hỗ cảm M thay đổi theo.

Nếu bỏ qua tổn hao dòng xoáy và từ trễ, điện cảm của chuyển đổi từ sẽ là:

l

s..WR

WL22 µ

== (2.50)

trong đó: + W số vòng cuộn dây

+ R từ trở của mạch từ

51

+ s, l tiết diện và chiều dài của mạch từ

+ µ độ từ thẩm của lõi thép

Tổng trở của chuyển đổi:

l

sWLZ2µω

=ω= (2.51)

Từ biểu thức (2.50) nếu W = const ta có:

dssLdl

lLdLdL

∂∂

+∂∂

+µµ∂∂

= (2.52)

với lượng thay đổi ∆µ, ∆s, ∆l ta có:

( )[ ] ⎭

⎬⎫

⎩⎨⎧

∆+∆

−∆

+µµ∆

=∆ 2o l/l11

ll

ssLL (2.53)

Lo là giá trị điện cảm ban đầu khi chưa có lực tác động.

Suy ra: ( )[ ] ⎭

⎬⎫

⎩⎨⎧

∆+∆

−∆

+µµ∆

=∆

2o l/l1

1ll

ss

LL

giả sử rằng ∆s/s = -Kp∆l/l (Kp là hệ số Poisson) và ∆l/l << 1 trong giới hạn đàn hồi, ta có độ nhạy tương đối của chuyển đổi khi biến dạng là:

( ) ( 1KS1Kl/l

/l/lL/L

S ppo

L +−=⎥⎦⎤

⎢⎣⎡ +−∆

µµ∆=

∆∆

= µ ) (2.54)

trong đó l/l

/S∆

µµ∆=µ là độ nhạy áp từ, đặc trưng của lõi thép vật liệu.

Đối với loại thép Pecmatôi Sµ có thể lên đến 200 hoặc lớn hơn, do đó Sµ >> Kp + 1. Với độ chính xác tương đối có thể coi chuyển đổi tương đối:

µ=∆

µµ∆= S

l/l/SL (2.55)

Độ nhạy thực của chuyển đổi khi tính đến tổn hao trên lõi thép, điện trở của cuộn dây sẽ giảm so với độ nhạy áp từ.

Từ biểu thức (2.51) ta thấy độ nhạy của chuyển đổi đối với độ thay đổi của tổng trở Z bằng độ nhạy áp từ của nó:

µ==∆∆

= SSl/lZ/ZS LZ (2.56)

52

Trong thực tế người ta dùng khái niệm độ nhạy tương đối Sσ đối với ứng suất cơ học σ:

(2.57)

trong đó σ = E(∆l/l); E là module đàn hồi.

B, Mạch đo:

Mạch đo của chuyển đổi áp từ tương tự mạch đo của chuyển đổi điện cảm và hỗ cảm.

Đặc tính động của chuyển đổi áp từ được quyết định chủ yếu bởi mạch đo, có thể làm việc với các đại lượng biến đổi lên đến hàng chục kHz.

Hình 2.13: Cấu tạo của chuyển đổi áp từ kiểu vi sai và mạch đo

C, Sai số và ứng dụng:

♦Sai số của chuyển đổi áp từ có thể gồm các yếu tố sau:

+ Sai số hồi sai do hiện tượng áp từ trễ không trùng lặp trạng thái từ khi tăng tải và khi giảm tải. Khi tăng tải và giảm tải đạt đến 10%. Sau khi lặp lại chu trình tăng tải và giảm tải nhiều lần, sự phân tán giảm xuống đến 1% và sai số do hiện tượng áp từ trễ không giảm nữa.

+ Sai số gây bởi sự dao động của dòng điện từ hoá, làm thay đổi độ từ thẩm ban đầu và thay đổi độ lớn của hiệu ứng áp từ. Để giảm sai số này người ta chọn giá trị dòng điện như thế nào đó để lõi thép làm việc với cường độ từ trường tương ứng với độ từ thẩm lớn nhất. Sai số sẽ không lớn hơn 0,3 ÷ 0,4% khi điện áp nguồn dao động 1%.

53

+ Sai số gây bởi sự dao động nhiệt độ của môi trường: Khi nhiệt độ thay đổi làm điện trở thực của cuộn dây, độ từ thẩm ban đầu và hiệu ứng áp từ của chuyển đổi thay đổi. Sai số do nhiệt độ môi trường thay đổi từ 0,5 ÷ 1,5% trên 10oC.

♦Ứng dụng:

+ Chuyển đổi áp từ thường dùng đo lực lớn 105 ÷ 106 N và đo áp suất trong các điều kiện khó khăn.

+ Mặc dù độ chính xác thấp (3 ÷ 5%) nhưng do có cấu trúc đơn giản, độ tin cậy cao nên được sử dụng nhiều ở bên ngoài hiện trường để đo áp suất, momen xoay trong các máy khoan đất, đo lực cắt trong quá trình gia công kim loại…

3. Chuyển đổi cảm ứng:

A, Cấu tạo và nguyên lý làm việc:

Chuyển đổi cảm ứng là chuyển đổi gồm có nam châm vĩnh cửu (hoặc trong một số trường hợp là nam châm điện) và cuộn dây.

Khi từ thông Φ thay đổi, móc vòng qua cuộn dây sẽ sinh ra một sức điện động:

dtdWe Φ

−= (2.58)

Từ thông thay đổi do vị trí của cuộn dây di chuyển trong từ trường hoặc do từ trở của mạch từ thay đổi khi vị trí của lõi thép thay đổi. Hình sau thể hiện cấu tạo một số loại chuyển đổi cảm ứng thường gặp.

Loại chuyển đổi Di chuyển thẳng Di chuyển góc

Cuộn dây di chuyển

54

Lõi sắt từ di chuyển

Lõi sắt từ bị biến dạng (dựa trên hiệu ứng áp

từ)

Hình 2.14: Một số dạng của chuyển đổi kiểu cảm ứng

Hình 2.14a là loại chuyển đổi cảm ứng có cuộn dây di chuyển. Khi cuộn dây di chuyển, từ thông Φ móc vòng trong cuộn dây tạo ra một sức điện động cảm ứng:

dtdxS

dtdxWBD

dtdxBl

dtdE =π−=−=Φ

−= (2.59)

trong đó: B: là độ từ cảm của khe hở không khí

l = πDW: là chiều dài thực của cuộn dây

D: là đường kính trung bình của cuộn dây

W: số vòng dây

x: sự di chuyển của cuộn dây

S = -BDWπ: là độ nhạy của chuyển đổi

Chuyển đổi cảm ứng với cuộn dây di chuyển theo góc quay (hình 2.14b). Sức điện động sinh ra khi cuộc dây quay một góc α là:

dtdxlBe α−= hoặc

dtdsBe α

−= αα (2.60)

trong đó: Bα: là cảm ứng từ của khe hở không khí

l = πDW: là chiều dài thực của cuộn dây

55

D: là đường kính trung bình của cuộn dây

sα = πD2W/4 là tiết diện thực của cuộn dây

x, α: tương ứng là độ dịch chuyển thẳng hay góc của cuộn dây

Đối với chuyển đổi cảm ứng có lõi thép di chuyển (hình 2.14c,d), sức điện động cảm ứng bằng:

dt

dRR

WFRF

dtdW

dtdWe M

2M

M

M

M =⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=

Φ−= (2.61)

trong đó FM : là sức từ động của nam châm.

Giả sử rằng: RM = RMo + kRMoX và coi ∆RM << RMo

(RMo là từ trở của mạch từ khi X = 0, và k là hệ số phụ thuộc vào cấu trúc của chuyển đổi)

thì ta có phương trình:

dtdxS

dtdx

RkWF

eMo

M == (2.62)

với: Mo

M

RkWFS = là độ nhạy của chuyển đổi (2.63)

x: là đại lượng đo

Nếu lõi sắt từ quay quanh trục (hình 2.14d) theo quy luật hình sin tức là khe hở không khí giữa các đầu cực từ theo quy luật hình sin (2 lần cho 1 vòng quay). Một cách gần đúng ta có từ trở của mạch từ và từ thông sẽ thay đổi theo dạng hình sin:

t2sin22

minmaxminmaxl ω⎟

⎠

⎞⎜⎝

⎛ Φ−Φ+

Φ+Φ=Φ (2.64)

Sức điện động trong cuộn dây:

t2cosBsWdt

)t(dWe ωω−=Φ

−= α (2.65)

trong đó: Φmax, Φmin là giá trị từ thông lớn nhất và nhỏ nhất

sα: là tiết diện của cuộn dây

Đối với chuyển đổi cảm ứng loại thứ 3 (hình 2.14e,f):

Đoạn 1 - 1 của mạch từ chịu lực tác động theo thời gian fv (hoặc mômen Mv biến thành lực fv như ở hình 2.14f), do hiệu ứng áp từ làm cho từ trở của đoạn đó thay đổi, do

56

đó từ thông móc vòng quanh cuộn dây cũng thay đổi và sinh ra lực điện động cảm ứng tỷ lệ với tốc độ thay đổi của lực fv, quan hệ trên được biểu diễn bởi phương trình:

dtdf

Sdt

dlSe v'11

µ−

µ ==

(2.66)

trong đó: l1-1: là chiều dài đoạn mạch từ biến dạng

Sµ , S’µ : là độ nhạy tương ứng khi thay đổi l và khi thay đổi fv

Từ đó ta thấy rằng đối với chuyển đổi cảm ứng, phương trình biến đổi chung có dạng:

dtdxSe = (2.67)

trong đó: S: là độ nhạy của chuyển đổi cảm ứng phụ thuộc vào cấu trúc của nó

x: là đại lượng vào của chuyển đổi (di chuyển thẳng hoặc góc hay lực)

Khi sử dụng các chuyển đổi cảm ứng cần chú ý đến sai số do tần số thay đổi. Mạch điện tương đương của chuyển đổi cảm ứng như hình 2.15.

Hình 2.15: Mạch điện tương đương của chuyển đổi cảm ứng

Trên sơ đồ RL và L là điện trở thực và điện cảm của cuộn dây

Rt là điện trở tải

Ứng với điều kiện ban đầu độ nhạy toán tử của mạch có dạng:

p1

pSpLRR

pSRXU

)p(S oLt

tr

τ+τ

=++

== (2.68)

trong đó: tL RR

L+

=τ là hằng số thời gian của mạch

L

SRS t

o = là hệ số tỷ lệ của chuyển đổi khi ωτ >> 1.

57

Qua công thức (2.68) cho thấy chuyển đổi cảm ứng là khâu vi phân.

Từ các dạng cấu trúc khác nhau ta thấy rằng các chuyển đổi cảm ứng có cuộn dây di chuyển (hình 2.14a,b) có đặc tính tuyến tính và có độ chính xác cao hơn. Các chuyển đổi có lõi thép di chuyển (hình 2.14c,d) có đặc tính phi tuyến và từ trễ do đó chỉ sử dụng trong các mạch điều tần hoặc điều pha.

B, Mạch đo:

Từ các phương trình đặc trưng của chuyển đổi ta cũng thấy rằng sức điện động ở đầu ra tỷ lệ với tốc độ biến thiên của tín hiệu vào (đặc điểm của khâu có tính chất vi phân), do đó muốn đo tín hiệu phải lắp thêm bộ tích phân ở đầu ra của chuyển đổi.

∫ ∫ === SxdtdxSedtU (2.69)

C, Ứng dụng:

+ Các chuyển đổi cảm ứng có cuộn dây di chuyển dùng đo tốc độ quay và mômen quay như các tốc kế.

+ Các chuyển đổi có lõi thép di chuyển dùng trong phép đo các di chuyển thẳng, di chuyển góc quay, đo biên độ rung (vài phần trăm milimét đến vài milimét)

+ Tín hiệu ra của các chuyển đổi điện cảm đạt được cao (vài phần V đến hàng chục V) nên mạch đơn giản không cần khuếch đại

+ Độ nhạy cao của chuyển đổi cho phép đo được các di chuyển nhỏ, đo tốc độ, gia tốc và các đại lượng khác với tần số đến 15 ÷ 30 kHz.

+ Sai số của chuyển đổi với nam châm vĩnh cửu và cuộn dây di chuyển đạt được từ 0,2 ÷ 0,5%.

2.4. CÁC CHUYỂN ĐỔI TĨNH ĐIỆN:

Các chuyển đổi tĩnh điện được phân chia thành 2 loại:

1. Chuyển đổi áp điện (chuyển đổi piezô):

A, Nguyên lý làm việc:

Chuyển đổi áp điện dựa trên hiệu ứng áp điện. Có một số vật liệu khi chịu tác dụng của một lực cơ học biến thiên thì trên bề mặt của nó xuất hiện các điện tích, khi lực tác dụng ngừng thì các điện tích trên cũng biến mất, hiện tượng đó gọi là hiệu ứng áp điện thuận. Ngược lại, nếu đặt các vật liệu trên trong điện trường biến thiên thì điện trường tác động lên chúng làm chúng bị biến dạng, hiện tượng đó gọi là hiệu ứng áp điện ngược.

Các chuyển đổi làm việc dựa trên hiện tượng áp điện gọi là chuyển đổi áp điện.

58

Vật liệu dùng chế tạo các chuyển đổi áp điện là tinh thể thạch anh (SiO2), titanatbari (BiTiO3), muối xenhét, tuamalin…

Hình 2.16: Cấu trúc tinh thể thạch anh

Hình 2.16a là cấu trúc của một tinh thể thạch anh, nó có 3 trục chính: trục quang Z, trục điện X và trục cơ Y.

Nếu cắt tinh thể áp điện thành các hình khối có 3 cạnh ứng với 3 trục quang, điện và cơ thì ta được chuyển đổi áp điện (hình 2.16b).

+ Lực Fx tác dụng theo hướng trục điện X gây ra hiệu ứng áp điện dọc với điện tích:

qd = d1Fx (2.70)

Điện tích sinh ra không phụ thuộc vào kích thước hình học của nó mà chỉ phụ thuộc vào độ lớn của lực. Dấu của điện tích thay đổi với sự thay đổi dấu của lực Fx.

+ Nếu tác động một lực Fy theo trục cơ Y thì sẽ gây ra hiệu ứng áp điện ngang với điện tích:

qng = -d1(y/x)Fy (2.71)

Điện tích này phụ thuộc vào kích thước hình học của chuyển đổi.

d1: là hằng số áp điện (còn gọi là module áp điện)

y, x: là kích thước của chuyển đổi theo trục Y, X

Dấu của điện tích q với hiệu ứng áp dọc và ngang là ngược nhau nghĩa là lực Fx nén làm xuất hiện các điện tích cùng dấu với lực Fy kéo và ngược lại.

+ Khi tác dụng lực theo hướng của trục quang Z không xảy ra hiện tượng áp điện.

59

Trường hợp các cạnh của chuyển đổi không song song với các trục chính hoặc lực tác động không song song với các trục, điện tích sinh ra sẽ bé hơn. Hình2.17 là các dạng biến dạng của các chuyển đổi áp điện.

Hình 2.17: Một số hình dáng biến dạng của chuyển đổi áp điện

B, Tính chất của một số vật liệu áp điện:

Thạch anh: là vật liệu tự nhiên hoặc tổng hợp, có tính chất sau:

- Hằng số áp điện: d1 = 2,1.10-12 C/N (Ở nhiệt độ 200oC, d1 không phụ thuộc vào nhiệt độ; từ 200oC đến 500oC thì d1 thay đổi nhưng không đáng kể; với 573oC tính chất áp điện bị phá hủy)

- Hằng số điện môi: ε = 39,8.10-12 F/m

- Ứng suất cho phép: σ = 70 ÷ 100 N/mm2

- Điện trở suất: ρ = 1016 Ω/m (nhưng phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ và có giá trị khác nhau ở các chiều trục khác nhau).

TitanatBari(BaTiO3) : là loại vật liệu tổng hợp có tính chất sau:

- Hằng số áp điện: d1 = 107.10-12 C/N (Module áp điện d1 không phải là hằng số, trong nhiều trường hợp giảm 20% trong 2 năm. Do có hiện tượng trễ nên đặc tính q = f(F) không tuyến tính, song loại vật liệu này có tính bền cơ học cao, rẻ tiền, chế tạo được hình dáng bất kỳ nên được dùng rộng dãi)

- Hằng số điện môi: ε = 1240.10-11 F/m

- Module đàn hồi: E = 115.103 N/mm2

Các tính chất của TitanatBari không phụ thuộc độ ẩm nhưng phụ thuộc nhiều vào tạp chất, công nghệ chế tạo và điện áp phân cực.

60

Gần đây người ta đã tìm ra các loại Titanat Chì (PbTiO3) và Ziriconat Chì (PbZnO3) có module áp điện lớn hơn TitanatBari gấp 4 lần.

C, Mạch đo và đặc tính tần của chuyển đổi áp điện:

Chuyển đổi áp điện dùng để đo các đại lượng biến thiên trong đó.

Giới hạn dưới của tần số được quyết định bởi các tham số điện của chuyển đổi và của mạch đo, công suất ra của chuyển đổi rất bé vì vậy tổng trở vào của mạch đo, phải rất lớn, cỡ 108 ÷ 1014Ω. Dây nối từ chuyển đổi vào mạch đo cần được bọc kim để chống điện tích rò.

Hình 2.18 là sơ đồ cấu tạo của một chuyển đổi áp điện dùng để đo lực fx. Hai phần tử áp điện được đặt sao cho điện tích phân cực ngược nhau khi va đập. Điện tích được lấy ra trên thanh dẫn 2 ở giữa hai phần tử 1, dây dẫn là dây bọc kim 3.

Hình 2.18: Chuyển đổi áp điện đo lực

Khi có tác dụng lực hình sin F = Fmaxsinωt, điện áp ra sẽ là:

CRj1

RFdjCj/1R

Cj/1.RIU 1r ω+ω=

ω+ω

= (2.72)

và độ nhạy phức của chuyển đổi:

ωτ+

ωτ=

+ω=ω

j1j

Cd

1jRCRd)j(S 11 (2.73)

với )CC(RR

RRRC 2o2o

2o ++

==τ là hằng số thời gian của mạch và chuyển

đổi Ro, R2, Co, C2 là các điện trở và điện dung thực của chuyển đổi và khuếch đại. (hình 2.19)

61

Hình 2.19: Mạch đo của chuyển đổi áp điện

Từ biểu thức trên cho thấy rằng chuyển đổi áp điện là một khâu vi phân.

Sai số tần số của nó sẽ không đáng kể nếu tần số của tín hiệu tương đối cao: ωτ>>1 (đường cong 1 hình 2.20).

Để giảm sai số tần số ở dải tần thấp cần tăng hằng số thời gian của mạch đo vì tổng trở vào của mạch khuếch đại rất lớn. Nhưng nếu tăng hằng số thời gian bằng cách tăng điện dung C sẽ dẫn đến giảm tín hiệu ra.

Trong thực tế lực tác động lên chuyển đổi không phải là lực Fx mà là lực F (trong đó kể cả lực gây biến dạng cơ học và lực điện).

Với lực tác dụng F, phương trình được biểu diễn dưới dạng:

FxCdt

xdPdt

xdm o2

2

=∆+∆

+∆ (2.74)

Đưa về dạng toán tử ta có:

mp2 + Pp + Co∆x = F

trong đó m, P, Co là khối lượng, hệ số cản dịu và hệ số phản kháng của phần tử áp điện.

Mặt khác lực Fx = sE.∆x/x với s, E, x là diện tích, module đàn hồi và chiều dày của phần tử áp điện, quan hệ giữa Fx và F có dạng:

o

2x CPpmpF

xsEF

++= (2.75)

Độ nhạy của chuyển đổi tính với biến dạng cơ học:

o

22o

c 2j1

mxsE)j(S

βωω+ω−ω=ω (2.76)

trong đó: mCo

o =ω là tần số dao động riêng cơ học

62

omC2

P=β là mức độ cản dịu

Độ nhạy của chuyển tính với cả lực điện và lực cơ:

ωτ+

ωτβωω+ω−ω

=ωj1

j2j

1x

sECd)j(S

o22

o

1c (2.77)

Đặc tính độ nhạy của chuyển đổi được biểu diễn trên hình 2.20 trong đó đường cong 1 là đặc tính điện, 2 là đặc tính cơ và 3 là đặc tính cơ điện.

Hình 2.20: Đặc tính tần số

Từ biểu thức trên ta thấy rằng đặc tính biên - tần thực của chuyển đổi áp điện do tính chất quán tính cơ nên khác nhiều so với đặc tính của khâu vi phân.

Độ nhạy của chuyển đổi sẽ không phụ thuộc vào tần số của quá trình đo với điều kiện ωo >> ω >> 1/τ, lúc đó độ nhạy cơ điện của nó sẽ là:

2o

1cdcd

1mxsE

Cd)j(SS

ω=ω= (2.78)

Khi sử dụng chuyển đổi áp điện cần tính đến hiệu ứng dây cáp vì trong điều kiện bị rung bản thân dây cáp cũng sinh ra điện tích do đó làm sai lệch kết quả đo.

Trong thực tế với độ rung ở tần số 60 ÷ 80 kHz điện tích do dây cáp rung sinh ra có thể lớn hơn điện tích của bản thân phần tử áp điện vì vậy phải sử dụng loại cáp đặc biệt chống rung (ví dụ loại ABK).

D, Ứng dụng:

Chuyển đổi áp điện được dùng để đo lực biến thiên (đến 10000N), đo áp suất (100 N/mm2) và gia tốc (tới 1000.g) trong dải tần từ 0,5 đến 100kHz.

Ưu điểm của chuyển đổi loại này là cấu trúc đơn giản, có kích thước nhỏ, độ tin cậy cao, có khả năng đo các đại lượng biến thiên nhanh.

63

Nhược điểm của nó là không đo được lực tĩnh, khó khắc độ.

Phần tử áp điện và mạch đo cần phải chống ấm tốt. Phần tử áp điện có trễ và đặc tính phi tuyến (do module áp điện d1 phụ thuộc lực và áp suất).

Ngoài việc sử dụng các hiệu ứng áp điện thuận của chuyển đổi áp điện, người ta còn sử dụng hiệu ứng áp điện ngược để chế tạo các chuyển đổi ngược đo di chuyển và các thiết bị kích thích dao động siêu âm ở tần số dao động cơ (ví dụ dao động ký cơ học).

Nếu đặt phần tử áp điện trong điện trường có cường độ Fx dọc trục X, nó sẽ bị biến dạng tương đối theo hướng trục này một lượng ∆x/x = d1Ex; còn theo hướng trục Y là ∆y/y = -d1Ex. Biết rằng Ex = Ux (điện áp đặt lên phần tử áp điện), ta có:

∆x = d1Ux ; ∆y = -(y/x)d1Ux (2.79)

Nhược điểm của loại chuyển đổi này là độ biến dạng của phần tử điện áp rất nho, vài phần micromet.

2. Chuyển đổi điện dung:

A, Tính chất chung và các dạng cơ bản của chuyển đổi điện dung:

Nguyên lý làm việc chung của các chuyển đổi điện dung là dựa trên sự tác động tương hỗ giữa 2 điện cực, tạo thành một tụ điện. Điện dung của nó được thay đổi dưới tác động của đại lượng đầu vào. Hình 2.21 là cấu tạo của một số loại chuyển đổi điện dung cơ bản.

Chuyển đổi điện dung có thể chia thành 2 nhóm lớn: chuyển đổi máy phát và chuyển đổi thông số.

+ Đại lượng ra của chuyển đổi điện dung máy phát thường là điện áp ra của máy phát. Đại lượng vào là sự di chuyển thẳng, di chuyển góc của bản điện cực động của chuyển đổi. Loại này thường dùng đo các đại lượng cơ học.

+ Đại lượng vào của các chuyển đổi điện dung thông số là các di chuyển. Đại lượng ra là sự thay đổi điện dung C của chuyển đổi.

♠ Phương trình của chuyển đổi điện dung phát điện (hình 2.22) có thể nhận được từ biểu thức sau:

Nếu điện áp U đặt vào 2 điện cực của tụ điện, điện áp này liên quan đến các thông số như sau:

qsC

qUεδ

== (2.80)

64

trong đó: q: điện tích trên bản cực ; C = εs/δ

ε: điện môi giữa 2 bản cực

s, δ: diện tích của bản cực và khoảng cách giữa chúng

Hình 2.22: Chuyển đổi điện dung và sơ đồ tương đương

Lực cơ F tác động lên bản cực động gồm 2 thành phần:

+ Lực tác động do điện tích tương hỗ:

s

q21sU

21F

2

22

d ε=

δε

= (2.81)

+ Lực đẩy cơ học Fc = S(p)δ gây nên bởi cực động và bằng:

( )δ++= o2

c CpPmpF (2.82)

và lực tổng hợp:

( δ+++ε

=+= o2

2

cd CpPmps

q21FFF ) (2.83)

Từ biểu thức trên ta thấy rằng chuyển đổi điện dung có tính chất phi tuyến vì vậy phương trình biến đổi của chuyển đổi có thể viết dưới dạng:

δ+=δε

+εδ

=δδ∂

∂+

∂∂

= dEdqC1d

sqdq

sdUdq

qUdU o

o

(2.84)

( ) δ+=δ+ε

=δδ∂

∂+

∂∂

= dS(p)dqEdpSdqs

qdFdqqFdF o (2.85)

trong đó: m: là khối lượng của cực động

P: là hệ số cản dịu

Co: là hệ số phản kháng (là điện dung ban đầu tương ứng với khoảng cách δo giữa 2 bản cực)

65

s

qC

qUEoo

o

o

oo ε

=δ

=δ

= : là cường độ điện trường ban đầu của tụ

điện

66

Với

sự t

hay đổ

i tổn

hao điện

môi

Vi s

ai

Hằn

g số

điệ

n m

ôi th

ayy đổ

i

Đơn

V

i sai

Tiét

diệ

n s t

hay đổ

i

Đơn

V

i sai

Khe

hở

khôg

n kh

í δ th

ay đổi

Đơn

Hình 2.21: Một số dạng chuyển đổi điện dung thường gặp

67

Nếu chuyển đổi làm việc trong khoảng di chuyển nhỏ phương trình sẽ được biểu diễn dưới dạng thay đổi ∆δ:

qkCpPmp

qEo

o2

o ∆=++

∆=δ∆ (2.86)

Từ biểu thức (2.79) ta thấy rằng hệ số ko của chuyển đổi điện dung phát điện là một hàm tuyến tính với điện áp U (điện áp trên 2 bản cực):

oo

o

o

ooo C

qk

UkkEk

δ=

δ== (2.87)

♠ Phương trình của chuyển đổi điện dung thông số biểu diễn như sau:

Với một tụ điện phẳng C = εs/δ, khi một trong 3 đại lượng δ, ε hay s thay đổi, điện dung cũng thay đổi theo, với một sự thay đổi rất nhỏ của điện dung ta có:

δδ∂

∂+

∂∂

+εε∂

∂= dCds

sCdCdC (2.88)

Đưa về dạng sai phân ta được:

( )

δ∆δ∆+δ

ε−∆

δε

+ε∆δ

=∆ 2o

oo

o

o

o

o ss

sC (2.89)

Sự biến thiên tương đối của điện dung:

o

2

o

ooo1

1s

sC

Cδδ∆

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛δδ∆

+

−∆

+εε∆

=∆ (2.90)

trong đó: εo, δo, so là các giá trị ban đầu của điện môi, tiết diện và khoảng cách giữa hai bản cực

Co là giá trị điện dung ban đầu khi không có tín hiệu vào.

Với sự thay đổi của khoảng cách giữa 2 bản cực khi ε = const và S = const ta có độ nhạy của chuyển đổi điện dung:

2

o

o

o

1

1/C/C

S

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛δδ∆

+

−=δδ∆

∆=δ (2.91)

Khi diện tích của bản cực thay đổi (nhưng vẫn giữ δ = const, ε = const) thì ta có:

1s/sC/C

So

o =∆∆

=δ (2.92)

và khi hằng số điện môi thay đổi (nhưng vẫn giữ δ = const, s = const) thì ta có:

68

1/C/C

So

o =εε∆

∆=δ (2.93)

Nếu xét đến dung kháng X = 1/ωC với ω = const ta có:

dss

Xd

Xd

XdX ccc

c ∂∂

+δδ∂

∂+ε

ε∂∂

= (2.94)

Với sự thay đổi hữu hạn ∆s, ∆δ, ∆ε ta có các độ nhạy tương đối:

1/X/X

So

o' =δδ∆

∆=δ (2.95)

2

o

o

o'

1

1/X/XS

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛εε∆

+

−=εε∆

∆=ε

2

o

o

o's

ss1

1s/sX/XS

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ ∆+

−=∆∆

=

với Xco là giá trị dung kháng ban đầu.

Từ các biểu thức trên ta thấy rằng sự biến thiên tương đối của chuyển đổi điện dung là hàm tuyến tính khi tiết diện bản cực và hằng số điện môi thay đổi, nhưng phi tuyến khi khoảng cách giữa 2 bản cực thay đổi.

Ngược lại, sự biến thiên tương đối giá trị điện kháng của chuyển đổi điện dung là hàm tuyến tính khi khoảng cách giữa 2 bản cực thay đổi và phi tuyến đối với tiết diện bản cực và hằng số điện môi thay đổi.

Trị số biến thiên tương đối ∆s/so và ∆ε/εo thường đạt từ 0,15 ÷ 0,2 đối với chuyển đổi đơn và 0,4 đối với chuyển đổi mắc kiểu vi sai.

Khi khoảng cách ∆δ thay đổi, sự biến thiên điện kháng ∆Xc của chuyển đổi sẽ tăng khi δo giảm đi và điện áp ra của mạch đo tăng lên. Tuy nhiên giảm khoảng cách δ giữa 2 bản cực chỉ thực hiện đến 1 giá trị nào đó để tránh điện áp đánh thủng cách điện. (Ví dụ: đối với không khí, cường độ điện trường không được lớn hơn 10KV/cm).

Mặt khác giữa 2 bản cực khi có điện áp đặt vào sẽ sinh lực hút:

2

2

hs

2UF

δε

−= (2.96)

Lực này cần phải nhỏ hơn đại lượng đo. Đối với chuyển đổi mắc kiểu vi sai, lực hút giữa 2 bản tụ có module bằng nhau nhưng ngược chiều nên bù lẫn nhau.

69

Trong thực tế, do có điện dung ký sinh Cks hình thành ở dây nối và bản thân cấu trúc của chuyển đổi làm độ nhạy của nó giảm đi.

)C/C(1

C/CCC

oks

oo

td

td

+∆

=∆ (2.97)

Ctd là điện dung tác dụng

Độ nhạy có kể đến điện dung ký sinh sẽ là:

o

kso

CtdCtd'

CC1

1/

X/XS+

=δδ∆

∆=δ (2.98)

( )o

ks2

oo

CtdCtd'

CC1

1/1

1/

X/XS+εε∆+

−=εε∆

∆=ε

( )o

ks2

oo

CtdCtd's

CC1

1s/s1

1s/sX/XS

+∆+−=

∆∆

=

Độ nhạy sẽ càng giảm nhiều khi tỷ số Cks/Co càng lớn.

B, Mạch đo:

Thông thường mạch đo dùng với chuyển đổi điện dung là các machj cầu không cân bằng cung cấp bằng dòng xoay chiều. Mạch đo cần phải thực hiện các yêu cầu sau:

+ Tổng trở đầu vào (tức là điện trở của đường chéo cầu) phải thật lớn

+ Các dây dẫn phải được bọc kim loại để tránh ảnh hưởng của điện trường ngoài

+ Không được mắc điện trở song song với chuyển đổi làm giảm tổng trở của nó

+ Chống ẩm tốt

+ Tần số nguồn cung cấp cần phải cao để tăng công suất ra của chuyển đổi có thể tới hàng chục MHz.

Hình 2.23 là một số sơ đồ mạch đo dùng với chuyển đổi điện dung:

Hình 2.23a là sơ đồ mạch đo của chuyển đổi điện dung vi sai mắc theo kiểu mạch cầu với 2 điện trở R1 và R2. Các điện dung ký sinh Cks1, Cks2, Cks3 song song với hai điện trở và chỉ thị nên có trị số bé không đáng kể.

70

Do điện dung của tụ nhỏ (chục µF) để đảm bảo công suất ra lớn người ta dùng một khuếch đại có độ nhạy cao.

Cung cấp cho mạch cầu là một máy phát tần số lớn (MF). Hình 2.23b là sơ

đồ mạch cầu biến áp với 2 nhánh điện cảm, trong sơ đồ này điện dung ký sinh Cks1 và Cks2 là rất nhỏ do nối song song với 2 cuộn sơ cấp biến áp.

Hình 2.23: Các mạch đo thường dùng với các chuyển đổi điện dung

Để đo đại lượng biến thiên, cùng với mạch cầu người ta còn dùng mạch đo dòng 1 chiều. Nếu bỏ qua điện dung ký sinh của phụ tải Ct song song với điện trở Rt thì ta có:

∫+= idtC1RiU io hay ∫+= idtRiCCU io (2.99)

Vi phân phương trình trên theo thời gian ta được:

idtdCRi

dtdiCR

dtdCU toto ++= (2.100)

trong đó: Co là điện dung ban đầu, coi là hằng số.

Nếu gọi: iRt = Ur và Ridi/dt = dUr từ phương trình (2.92) ta có:

t

rr

roo R

UdtdCU

dtdUC

dtdCU ++= (2.101)

Với sự di chuyển nhỏ ∆δ << δo một cách gần đúng có thể viết:

71

dtdC

dtds

dtdC

o

o2o

o δδ

=δ

δε

= (2.102)

đặt giá trị dC/dt vào công thức (2.94) ta có:

dtd)UU(U

dtdU

ro2o

rr δ

−δτ

=+τ (2.103)

với τ = RtCo là hằng số thời gian của mạch

Với điều kiện ∆δ << δo và Ur << Uo ta có phương trình gần đúng của chuyển đổi dưới dạng:

dtdUU

dtdU

o2o

rr δ

δτ

=+τ

Viết dưới dạng toán tử ta có:

δδτ

=+τ pUU)1p( oo

r (2.104)

Độ nhạy toán tử:

p1

pUU)p(So

or

τ+τ

δ=

δ= (2.105)

và độ nhạy phức:

τω+

τω=

τω+τω

δ=

δ=

j1jS

j1jUUS '

oo

or (2.106)

với So’ = Uo/δo.

Mạch đo trên có tính chất là một khâu vi phân, để tăng độ tuyến tính của chuyển đổi và tăng độ nhạy của mạch ta có thể dùng mạch như hình 2.24 ở hai chế độ làm việc:

Hình 2.24: Sơ đồ mạch đo dòng một chiều

72

73

- Đo biên độ rung: Trong trường hợp này hằng số thời gian τ = RtCt phải lớn bằng cách tăng Rt (tăng điện trở vào của khuếch đại)

- Đo tốc độ (đạo hàm của di chuyển) thì ngược lại hằng số thời gian τ phải nhỏ.

Thiết bị dùng chuyển đổi điện dung với dòng điện 1 chiều chỉ có thể khắc độ ở chế động.

C, Ứng dụng:

+ Loại có khe hở không khí thay đổi được dùng đo những di chuyển nhỏ (từ vài µm đến vài mm)

Nếu dùng chuyển đổi điện dung trong mạch cung cấp băng điện áp một chiều có thể đo được tốc độ, độ dịch chuyển biến thiên và các đại lượng khác có thể biến đổi thành di chuyển (lực, áp suất, gia tốc).

+ Loại có diện tích bản cực thay đổi dùng đo các di chuyển lớn (hơn 1cm) và di chuyển góc (đến 270o).

+ Chuyển đổi có điện môi ε thay đổi dùng để đo độ ẩm (vải, chất dẻo), đo mức nước, chiều dày của các vật cách điện, đo lực.

+ Chuyển đổi có tổn hao điện môi thay đổi (mạch đo dùng đo góc tổn hao tgδ của tụ trong mạch xoay chiều) dùng để xác định các tham số vật lý của vật liệu nào đó đặt giữa 2 bản cực…

2.5. CÁC CHUYỂN ĐỔI NHIỆT ĐIỆN:

Chuyển đổi nhiệt điện là những chuyển đổi dựa trên các quá trình nhiệt như đốt nóng, làm lạnh, trao đổi nhiêt,… Thực tế khi đo lường các đại lượng không điện theo phương pháp điện thường dùng 2 hiện tượng: đó là hiệu ứng nhiệt điện và hiệu ứng thay đổi điện trở của dây dẫn hay chất bán dẫn khi nhiệt độ thay đổi. Tương ứng với 2 hiệu ứng này ta có 2 loại chuyển đổi cặp nhiệt điện và chuyển đổi nhiệt điện trở.

1. Chuyển đổi cặp nhiệt điện:

A, Nguyên lý làm việc:

Nguyên lý làm việc của cặp nhiệt điện dựa trên hiện tượng nhiệt điện: nếu 2 dây dẫn có bản chất hoá học khác nhau nối với nhau tại 2 điểm 1 và 2 tạo nên vòng dây kín (hình 2.25) và tại một trong hai điểm được đốt nóng hơn so với điểm kia thì sẽ xuất hiện một sức điện động và do đó hình thành nên dòng điện trong vòng dây. Sức điện động đó được gọi là sức điện động nhiệt điện, là hiệu số của các hàm số nhiệt độ của 2 điểm nối:

ET = f(t1) – f(t2) (2.107) Mạch điện như trên gọi là cặp nhiệt điện hay cặp nhiệt ngẫu.

Hình 2.25: Cặp nhiệt điện

Điểm được đốt nóng gọi là đầu công tác, điểm còn lại gọi là đầu tự do. Nếu giữ nhiệt độ của điểm tự do (điểm 2) là hằng số f(t2) = C = const thì ta có:

ET = f(t1) – f(t2) = f(t1) – C = f*(t1) (2.108)

Đây chính là biểu thức cơ sở cho phép đo nhiệt độ bằng cặp nhiệt điện. Theo phương pháp này, việc đo nhiệt độ (t1) sẽ dẫn tới việc đo sức điện động của cặp nhiệt điện khi giữ cố định nhiệt độ ở đầu tự do của nó. (hình 2.25)

Vật liệu dùng để chế tạo cặp nhiệt ngẫu cần đảm bảo các yêu cầu sau:

• quan hệ giữa nhiệt độ và sức điện động nhiệt điện là một hàm đơn trị

• tính chất nhiệt điện không thay đổi

• độ bền hoá và cơ với nhiệt độ phải cao

• dẫn nhiệt tốt

• có trị số sức điện động nhiệt điện lớn

Bảng 2.1: Một số cặp nhiệt điện thông thường

Giới hạn nhiệt độ trên oC TT Tên cặp nhiệt điện

Đo lâu dài Đo ngắn hạn

Sức điện động nhiệt điện với 100oC (mV)

1 Platin – Platin Rôđi (90% Pt + 10% Rh) (ΠΠ) 1300 1750 0,64

2 Crômmel (90% Ni + 10% Cr) – Alumel (95% Ni + 5% Al) (XA) 900 1300 4,10

3 Crômmel – Côpei (56% Cu + 44% Ni) (XK) 600 800 6,95

4 Đồng – Côpei 350 500 4,75

74

5 Đồng – Constantan 350 500 4,15

6 Vonfram (5% Reni) – Vonfram (20% Reni) (BP - 5/20) 1800 2500 1,33

Hình 2.26 là một số dạng khác nhau của các chuyển đổi cặp nhiệt điện.

Hình 2.26: Sơ đồ mạch đo dòng một chiều

Cặp nhiệt điện được nối với nhau bằng phương pháp hàn và đặt trong thiết bị bảo vệ tránh bị ăn mòn hoá học. Thiết bị này được chế tạo từ vật liệu dẫn nhiệt tốt, bền cơ học, không thấm khí.

Thiết bị trên thường là các ống được chế tạo bằng thép đặc biệt. Đối với cặp nhiệt điện quý, ống chế tạo được bảo vệ bằng thạch anh và gốm. Để cách điện người ta dùng amiăng (300oC), ống thạch anh (1000oC) hoặc ống sứ (1400oC).

B, Những nguyên nhân gây sai số và cách hiệu chỉnh chúng:

Ta biết rằng phương trình biến đổi của cặp nhiệt điện trong trường hợp chung, một cách gần đúng, có thể viết dưới dạng:

ET = At + Bt2 + Ct3 (2.109) trong đó: ET: sức điện động nhiệt điện

t: hiệu nhiệt độ giữa đầu công tác và đầu tự do.

A, B, C: là các hằng số phụ thuộc vào vật liệu của dây làm cặp nhiệt điện

Và độ nhạy của chuyển đổi này sẽ là:

75

2TT Ct3Bt2A

dtdES ++=≈ (2.110)

Độ nhạy không phải là hằng số mà phụ thuộc vào nhiệt độ.

Do vậy các cặp nhiệt điện công nghiệp thường cho trước một bảng sức điện động ứng với các nhiệt độ khác nhau trong khoảng 1oC với nhiệt độ ở đầu tự do là 0oC.

Các nguyên nhân chủ yếu gây ra sai số đối với cặp nhiệt điện là:

a, Sai số do nhiệt độ đầu tự do thay đổi:

Khi khắc độ các cặp nhiệt điện, đầu tự do được đặt trong môi trường có nhiệt độ 0oC, nhưng trong thực tế sử dụng, nhiệt độ đầu tự do đặt trong môi trường khác 0oC.

Khắc phục sai số trên có thể có nhiều cách:

• Hiệu chỉnh hệ số k trên từng đoạn của đường cong đặc tính ET = f(t).

Hình 2.27 là đường cong biểu diễn quan hệ giữa ET = f(t) với nhiệt độ đầu tự do 0oC.

Giả sử rằng cặp nhiệt điện có thể đo ở nhiệt độ t với nhiệt độ đầu tự do t’ > to, lúc đó:

Sức điện động E(t,to’) sẽ nhỏ hơn sức điện động E(t,to) một lượng:

∆ET = E(t,to) – E(t,to’)

76

EX

EX’ α

to to’ET

∆E

∆Eα t tX’ tX

ET

Hình 2.27: Đường cong quan hệ ET = f(t)

Theo hình vẽ ta có:

(t – t’) = (to’ – to)tgα/tgα’ = (to’ – to )k

k = tgα/tgα’ : gọi là hệ số hiệu chỉnh nhiệt độ đầu tự do, nó là hàm số của t và do đó ở mỗi đoạn đường cong là khác nhau. Trong khi khắc độ, đường cong được phân chia thành nhiều đoạn, ứng với mỗi đoạn là 100oC, mỗi đoạn có 1 hệ số hiệu chỉnh K, và được lập thành bảng. Đối với cặp nhiệt điện đặc tính là tuyến tính thì hệ số k bằng đơn vị.

Có thể coi k = 0,8 ÷ 1 đối với cặp nhiệt điện bình thường và k = 0,5 ÷ 0,6 đối với cặp nhiệt điện quý.

• Dùng thiết bị hiệu chỉnh nhiệt độ tự động nhiệt độ đầu tự do:

Trường hợp này có thể mắc một mạch cầu trong đó 3 nhánh làm bằng điện trở không thay đổi theo nhiệt độ (manganin) và một nhánh điện trở thay đổi theo nhiệt độ (đồng, niken)

Hình 2.28: Cầu bù nhiệt độ tự động

Cầu được tính toán cân bằng ở nhiệt độ 0oC, mắc nối tiếp với đầu tự do của cặp nhiệt điện. Khi điện trở của môi trường thay đổi điện trở (đồng, niken) thay đổi theo, cầu mất cân bằng, trên đường chéo cầu xuất hiện một điện áp ∆U. Điện áp này bù cho lượng ∆E bị giảm khi môi trường có nhiệt độ khác 0oC. Ngoài ra, người ta còn dùng dụng cụ điện thế kế tự động tự ghi để đo nhiệt độ của cặp nhiệt điện. Thiết bị này sẽ tự động bù nhiệt độ của đầu tự do.

b, Sai số do sự thay đổi điện trở của đường dây, cặp nhiệt và chỉ thị:

Cặp nhiệt điện thường được đo sức điện động bằng milivonmét hoặc điện thế kế điện trở nhỏ điều chỉnh bằng tay hoặc tự động với giới hạn đo đến 100mV.

Khi đo sức điện động bằng milivonmét, dòng điện chạy trong mạch là:

dNDCT

T

RRRE

I++

= (2.111)

trong đó: ET: sức điện động nhiệt điện

77

RCT: điện trở của chỉ thị milivonmét

RND: điện trở của cặp nhiệt điện

Rd: điện trở của đường dây dẫn

Điện áp rơi trên milivonmét là:

dNDCT

CTdNDCT RRR

R.E)RR(I'EU

++=+−= (2.112)

Từ công thức trên ta thấy cần giữ cho RND và Rd không thay đổi. Khi khắc độ thường được tính (RND + Rd) bằng 5Ω. Nguyên nhân gây ra sai số chủ yếu là do điện trở của milivonmét thay đổi vì vậy điện trở của nó chọn có trị số lớn hơn 40 đến 50 lần điện trở của cặp nhiệt điện để giảm sai số.

c, Ngoài các sai số trên còn có : sai số gây nên do đặt cặp nhiệt điện không đúng vị trí cần đo, không đúng hướng và diện tích tiếp xúc của cặp nhiệt điện với đối tượng đo quá nhỏ. Những sai số trên cần được khắc phục.

C, Ứng dụng:

Ứng dụng chủ yếu của cặp nhiệt điện là để đo nhiệt độ, ngoài ra còn được dùng để đo các đại lượng không điện và điện khác như: đo dòng điện (ở tần số cao), đo hướng chuyển đổi và lưu lượng của các dòng chảy, đo di chuyển, đo áp suất nhỏ (độ chân không) …

2. Nhiệt điện trở:

Nhiệt điện trở là chuyển đổi có điện trở thay đổi theo sự thay đổi nhiệt độ của nó.

Tuỳ theo tác dụng nhiệt của dòng điện cung cấp chạy qua nó người ta phân ra: nhiệt điện trở đốt nóng và nhiệt điện trở không đốt nóng.

Trong nhiệt điện trở không đốt nóng, dòng điện chạy qua nó rất nhỏ không làm tăng nhiệt độ của điện trở và nhiệt độ của nó bằng nhiệt độ của môi trường. Nhiệt điện trở loại này dùng để đo nhiệt độ và các đại lượng cơ học như đo dịch chuyển.

Trong nhiệt điện trở đốt nóng, dòng điện qua nó rất lớn làm nhiệt độ của nó tăng lên cao hơn nhiệt độ môi trường, nên có sự toả nhiệt ra môi trường xung quanh. Nhiệt điện trở loại này được dùng để đo lưu lượng, lưu tốc của dòng chảy và phân tích các chất hoá học…

Nhiệt điện trở được chế tạo có thể bằng dây hoặc chất bán dẫn. Yêu cầu đối với các vật liệu chế tạo là: có hệ số nhiệt độ lớn, bền hoá học khi có tác dụng của môi trường, điện trở suất lớn, khó nóng chảy.

Để giảm tổn hao nhiệt dẫn, chiều dài điện trở phải lớn hơn đường kính dây gấp nhiều lần (ví dụ 200 lần)

78

79

A, Nhiệt điện trở dây:

Chuyển đổi nhiệt điện trở dây thông thường được chế tạo từ đồng, platin và niken, đường kính dây từ 0,02 ÷ 0,06 mm với chiều dài từ 5 ÷ 20 mm.

♦ Nhiệt điện trở đồng:

Dải nhiệt độ làm việc của nhiệt điện trở đồng trong khoảng –50 ÷ 180oC. Phương trình đặc trưng của nó được biểu diễn dưới dạng:

RT = Ro(1 + αt) (2.113)

trong khoảng nhiệt độ từ 0 ÷ 100oC

α: hệ số nhiệt độ của nhiệt điện trở, α = 4,3.10-3 1/oC

t: nhiệt độ

Ro: điện trở của chuyển đổi ở 0oC.

Nếu không biết giá trị của Ro ta dùng biểu thức:

RT2 = RT1(τ + t2)/(τ + t1) (2.114)

với: RT1, RT2 là các giá trị điện trở ứng với các nhiệt độ t1 và t2.

τ = 1/α là hằng số, phụ thuộc vàp loại vật liệu (τ = 234 với đồng)

Khi tính điện trở R2 ở nhiệt độ t2 chỉ cần biết điện trở R1 ở nhiệt độ t1 bất kỳ.

♦ Nhiệt điện trở platin:

Platin có thể chịu được nhiệt độ lên đến 1200oC mà không bị ôxi hoá hoặc nóng chảy.

Phương trình đặc trưng của nó được biểu diễn dưới dạng:

+ trong khoảng nhiệt độ từ 0 ÷ 660oC:

RT = Ro(1 + At + Bt2) (2.115)

+ trong khoảng nhiệt độ từ -180oC ÷ 0oC:

RT = Ro[1 + At + Bt2 + C(t – 100)3] (2.116)

với Ro: là điện trở ở 0oC

A, B, C: là hằng số

Đặc tính của có dạng phi tuyến. Với nhiệt độ > 660oC và < -180oC quan hệ giữa RT = f(t) được chuẩn hoá và cho dưới dạng bảng.

Nhược điểm của chuyển đổi nhiệt điện trở Platin là đặc tính phi tuyến, không dùng được trong môi trường ôxi hoá khử, nhưng do độ bền hoá học cao, tính dẻo lớn, người ta có thể chế tạo thành sợi rất mỏng (đến 1,25µm) nên được sử dụng rộng rãi.

♦ Nhiệt điện trở Niken:

Niken có thể sử dụng đến nhiệt độ 250 ÷ 300oC, ở nhiệt độ cao hơn quan hệ RT = f(t) không còn đơn trị. Trong khoảng nhiệt độ từ 0 ÷ 100oC, α ≈ 5.10-3 1/oC. Tính chất điện của Niken phụ thuộc nhiều vào tạp chất và quá trình nhiệt luyện. Ưu điểm cơ bản của Niken là điện trở suất cao (gấp 5 lần đồng), hệ số nhiệt điện lớn cho phép chế tạo được các chuyển đổi có kích thước nhỏ.

Hình 2.29 và hình 2.30 cho ta thấy một số loại nhiệt điện trở thường dùng trong công nghiệp.

Hình 2.29 là sơ đồ cấu tạo của nhiệt điện trở trong đó dây nhiệt điện trở được luồn vào 2 hoặc 4 ống sứ (2) và được bọc ngoài bằng bột ôxit nhôm (3) (ôxit nhôm cách điện tốt, bén nhiệt và dẫn nhiệt tốt).

Hình 2.30 là cấu tạo của loại chuyển đổi nhiệt điện trở dùng trong công nghiệp, chúng gồm có: dây (1) đặt trong ống sứ, bên ngoài là thiết bị bảo vệ (2) được chế tạo bằng loại thép tốt không gỉ, để gắn chuyển đổi lên đối tượng do người ta dùng ổ đỡ tĩnh hoặc động (3) và hộp đầu ra (4). Đối với loại không có hộp đầu ra như hình 2.30b.

Hình 2.29: Một số loại nhiệt điện trở thường gặp

1) Dây điện trở; 2) Vỏ bảo vệ; 3) Bột ôxit nhôm

80

Hình 2.30: Một số loại nhiệt điện trở thường gặp

1) Dây đặt trong ống sứ; 2) Vỏ bảo vệ; 3) Ổ đỡ; 4) Hộp đầu ra

B, Nhiệt điện trở bán dẫn:

Nhiệt điện trở bán dẫn được chế tạo từ một số oxit kim loại khác nhau như CuO, CoO, MnO v.v… Quan hệ giữa điện trở và nhiệt độ của nó được biểu diễn bởi biểu thức:

RT = AeβT (2.117)

Trong đó: A: là hằng số phụ thuộc vào tính chất vật lý của chất bán dẫn, kích thước và hình dáng của nhiệt điện trở.

β: là hằng số phụ thuộc vào tính chất vật lý của chất bán dẫn

T: là nhiệt độ tuyệt đối

e: hằng số logarit tự nhiên

Hệ số nhiệt độ α của chất bán dẫn mang dấu âm và có giá trị từ 0,02 ÷ 0,08 1/oC, lớn gấp 8 ÷ 10 lần kim loại và phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ. Điện trở suất lớn do đó kích thước của nó nhỏ.

α = -β/T2 (2.118)

Cấu tạo của nhiệt điện trở bán dẫn có thể ở dạng thanh, dạng đĩa và hình cầu.

Nhược điểm của các nhiệt điện trở bán dẫn là đặc tính nhiệt độ không tuyến tính, khó khắc độ.

Bảng sau cho thấy những thông số của một số nhiệt điện trở dây và hình dáng cấu tạo, thông số cơ bản của nhiệt điện trở bán dẫn.

81

Bảng 2.2: Thông số của một số nhiệt điện trở dây

Sai số tương đối ∆Ro/Ro

Sai số tuyệt đối∆t (oC) Vật liệu dây

Khoảng nhiệt độ

(oC)

Điện trở Ro (Ω)

Cấp I Cấp II Cấp I Cấp II Cấp III

Platin 0 ÷ 650

-200 ÷ 0

10 ÷ 46

100

±0,05

±0,1

±(0,15±3.10-3t)

±(0,15±4,5.10-3t)

-

±(0,3±6.10-3t)

-

-

Đồng -50 ÷ 180

53 ÷ 100 ±0,05 ±0,1 - ±(0,3±3,5.10-3t) ±(0,3±6.10-

3t)

Bảng 2.3: Cấu tạo và thông số một số nhiệt điện trở bán dẫn

Loại điện trở Hệ số nhiệt điện trở,

%/oC

Điện trở bán dẫn

Nhiệt độ làm việc lớn nhất

oC

Hằng số thời gian trong không khí

(s)

Ứng dụng

-2,4÷-3,4 1÷200 +120 85÷115 Đo nhiệt độ

-2,3÷-3,4 0,01÷5 +120 85÷115 Hiệu chỉnh

nhiệt độ

82

-4,5÷-60 0,5÷3,0 +120 - Đo nhiệt độ

- - - 1÷10

Đo nhiệt độ biến thiên

của chất khí không xâm

thực

C, Mạch đo:

Mạch đo của chuyển đổi nhiệt điện trở có thể dùng mạch bất kỳ để đo điện trở của nó. Thông thường người ta hay dùng mạch cầu không cân bằng có chỉ thị là lôgômét hoặc cầu tự động ghi. Để giảm sai số của điện trở đường dây có thể dùng mạch cầu 3 dây như hình 2.31.

Hình 2.31: Mạch đo dùng với chuyển đổi nhiệt điện trở

a) Mạch logomet; b) Mạch cầu 3 dây dùng logomet; c) Mạch cầu 3 dây

83

84

Sai số của nhiệt kế điện trở chủ yếu là do điện trở đường dây khi nhiệt độ môi trường thay đổi. Điện trở đường dây có thể đạt tới 5Ω trong khi đó điện trở của bản thân nhiệt điện trở vào khoảng 40 ÷ 100Ω, do đó khi điện trở đường dây thay đổi sẽ gây nên sai số đáng kể.

Ngoài ra, dòng điện chạy qua nhiệt điện trở gây nóng cũng làm cho điện trở tăng gây sai số. Mặt khác, nhiệt điện trở được bọc ngoài bằng một vỏ thép nên bị tổn hao nhiệt và gây sai số.

D, Ứng dụng:

Chuyển đổi nhiệt điện trở dùng đo nhiệt độ, đo các đại lượng không điện như đo độ di chuyển, đo áp suất và dùng để phân tích thành phần, nồng độ của một số hợp chất và khí.

2.6. CÁC CHUYỂN ĐỔI HOÁ ĐIỆN:

1. Nguyên lý làm việc của chuyển đổi hoá điện:

Chuyển đổi hoá điện là những chuyển đổi dựa trên các hiện tượng hoá điện xảy ra khi cho dòng điện đi qua bình điện phân hoặc do quá trình ôxi hoá khử các điện cực. Các hiện tượng này phụ thuộc vào tính chất của các điện cực, bản chất và nồng độ của các dung dịch. Do đó chuyển đổi hoá điện thường là một bình điện phân chứa một dung dịch nào đó, có 2 hay nhiều cực để nối với mạch đo lường. Giống như phần tử của một mạch điện, chuyển đổi hoá điện có thể được đặc trưng bằng sức điện động mà nó sinh ra, sụt áp khi dòng điện qua nó hoặc là các phần tử điện trở, điện cảm, điện dung. Nguyên lý làm việc của các chuyển đổi này là dựa vào quan hệ giữa các thành phần, các tính chất các dung dịch với các thông số điện nói trên. Quan hệ này phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như nhiệt độ, áp suất, tốc độ dịch chuyển, các thông số khác của dung dịch và của điện cực, do vậy phương trình biến đổi của các chuyển đổi hoá điện là các hàm rất phức tạp.

Khi tăng một sự phụ thuộc này và giảm đến mức thấp nhất các sự phụ thuộc khác có thể chế tạo ra các chuyển đổi hoá điện không chỉ để xác định thành phần, nồng độ các dung dịch mà còn dùng để đo nhiều đại lượng không điện khác như các di chuyển, áp suất, tốc độ, gia tốc…

Để hiểu được nguyên lý làm việc của các chuyển đổi hoá điện cần hiểu được các hiện tượng điện hoá cơ bản sau:

A, Hiện tượng phân ly:

Khi hoà tan vào nước hoặc các dung dịch khác các hợp chất muối, axit, bazơ…, phân tử của các chất này sẽ phân ly thành các ion điện tích dương (cation) và các ion điện tích âm (anion) tạo thành dung dịch có khả năng dẫn điện. Sự chuyển động của các hạt mang điện trong chất điện ly hay giữa chất điện ly và các điện cực chỉ diễn ra dưới dạng chuyển động của các ion hoặc tách ion trên các điện cực.

Nồng độ của dung dịch càng lớn thì điện dẫn của các dung dịch càng tăng. Điện dẫn của nước tinh khiết bằng 0, điện dẫn của dung dịch bất kỳ được tính bằng công thức:

γ = λfc = λa (1/Ωm) (2.119)

trong đó: c: là nồng độ tương đương hay nồng độ phân tử (gmol/lit)

f: là hệ số hoạt động của dung dịch (f = 1 ở dung dịch loãng, giảm khi nồng độ tăng)

a = fc: là độ hoạt động của dung dịch

λ: là hệ số, còn gọi là điện dẫn tương đương.

Hình 2.32 là đặc tính của một số dung dịch.

Hình 2.32: Đặc tính của một số dung dịch

Điện dẫn của các dung dịch phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ. Hệ số nhiệt độ của các dung dịch điện dẫn khác nhau vào khoảng 1,5 ÷ 2,5% trên 1oC.

B, Điện thế cực:

Khi nhúng một điện cực kim loại vào nước hay dung dịch, giữa các điện cực và dung dịch xuất hiện một điện thế gọi là điện thế cực. Điện thế cực này được tạo ra do các ion dương kim loại đi vào dung dịch. Khi đó xác lập một trạng thái cân bằng động giữa kim loại và dung dịch, trên bề mặt kim loại xuất hiện một điện thế nhảy cấp, chính là điện thế cực. Khi nồng độ dung dịch thấp, các ion kim loại đi vào dung dịch nên điện cực có thế âm hơn so với dung dịch. Ngược lại ở nồng độ cao, các ion kim loại được tách ra bám vào bề mặt điện cực làm cho điện cực có điện thế dương so với dung dịch. Điện thế cực không chỉ xuất hiện trên các điện cực kim loại mà còn xuất hiện trên các điện cực phi kim loại. Người ta lấy điện cực hyđro làm điện cực chuẩn, điện thế cực của nó bằng 0.

85

Điện thế cực của các chất khác nhau đối với điện thế cực chuẩn không vượt quá ±3V. Ví dụ: điện thế cực Kali EoK = -2,92V; Kẽm EoZn = -0,76V; Đồng EoCu = +0,34V (Eo là điện thế cực chuẩn với nồng độ 1g-mol/l và nhiệt độ 18oC).

+ Điện thế cực ở nhiệt độ và nồng độ bất kỳ:

alnnFRTEE o += (2.120)

trong đó R: là hằng số khí, R = 8,3178/C

T: nhiệt độ tuyệt đối oK

n: hoá trị ion

F: hằng số Faraday, F = 96522 C/g-mol

+ Nếu hai điện cực nhúng môi trường, trên các điện cực sẽ xảy ra các phản ứng ôxi hoá khử và tạo thành một phần tử ganvanic, sức điện động của nó bằng hiệu điện thế giữa 2 điện cực. Mỗi điện cực gọi là bán phần tử.

2

102012112 a

alnnFRTEEEEE +−=−= (2.121)

Ngoài điện thế cực ra, trên biên của hai dung dịch cũng có một hiệu điện thế gọi là điện thế biên sinh ra do độ cơ động của các ion trong 2 dung dịch khác nhau. Điện thế biên cỡ vài milivon đến vài chục milivon.

C, Hiện tượng điện phân và sự phân cực:

Nếu cho một dòng điện chạy qua dung dịch thì sẽ xảy ra hiện tượng điện phân, đó là quá trình biến đổi hoá học tách vật chất ra khỏi dung dịch. Để tách một gam tương đương một chất bất kỳ ra khỏi dung dịch cần có một lượng điện tích bằng 96522 culong. Nguyên lý làm việc của các chuyển đổi điện phân dựa trên hiện tượng này.

Hiện tượng phân cực là hiện tượng thay đổi điện thế cực do sự thay đổi nồng độ ở gần điện cực khi có dòng điện chạy qua bình điện phân. Dựa trên hiện tượng phân cực người ta chế tạo các thiết bị dùng để phân tích định tính và định lượng dung dịch, thiết bị đó gọi là phân cực ký.

Nếu dòng đi qua bình điện phân là dòng xoay chiều thì điện áp phân cực cũng sẽ biến thiên, điện áp và dòng điện lệch pha nhau một góc 90o.

86

Điện áp rơi trên bình điện phân bao gồm điện áp rơi trên điện trở dung dịch và điện áp phân cực trên các điện cực ∆U.

Khi đo điện trở dung dịch bằng dòng một chiều, sai số do phân cực bằng ∆U/U và có thể đạt tới 10% nếu điện áp trên 2 cực U = 20V. Đối với dòng điện xoay chiều sai số sẽ giảm nhiều khi ∆U << U và bằng0,5∆U/U2, vì điện áp rơi trên điện trở bình điện phân và điện áp phân cực lệch pha nhau 90o.

2. Chuyển đổi điện dẫn dung dịch:

A, Nguyên lý làm việc:

Chuyển đổi điện dẫn dung dịch hoạt động dựa vào sự phụ thuộc của điện dẫn dung dịch với thành phần và nồng độ của chất điện phân cũng như khoảng cách l và tiết diện s của điện cực. Một cách gần đúng phương trình của chuyển đổi có dạng:

sl

fc1

sl1R

λ=

γ= (2.122)

B, Mạch đo:

Chuyển đổi điện dẫn dung dịch thường dùng với mạch cầu. Hình 2.33 là sơ đồ chuyển đổi điện dẫn dung dịch đo nồng độ. Nó gồm: vỏ (1), điện cực Platin (2), bình đo (3) có lỗ (4) để lắp chuyển đổi vào. Các bình này cho phép đo nồng độ dung dịch đang chảy hoặc nhờ bơm cao su (5) để khuấy dung dịch.

Hình 2.33: Chuyển đổi điện dẫn dung dịch đo nồng độ

87

Hằng số k = l/s trong khoảng 30 ÷ 70 1/m, được xác định bằng thực nghiệm với sai số ±1%. Chuyển đổi được cung cấp bằng điện áp xoay chiều 50Hz ÷ 1000Hz để loại trừ sai số do hiện tượng phân cực.

Trong công nghiệp, khi cần đo nồng độ các dung dịch người ta dùng chuyển đổi có điện cực dạng 2 hình trụ đồng tâm và cho dung dịch cần đo chảy qua. Tuỳ theo bản chất của dung dịch, điện cực có thể được làm bằng graphit, platin, thép không nung hay các vật liệu khác không tương tác với dung dịch.

Để loại trừ sai số do sự phân cực, cùng với việc cung cấp bằng điện áp xoay chiều, người ta còn dùng chuyển đổi 4 điện cực hình 2.34 trong đó có 2 bản điện cực dòng (1 và 2) cung cấp bằng dòng điện xoay chiều ổn định và 2 điện cực áp (3 và 4) dùng để đo điện áp.

Hình 2.34: Sơ đồ chuyển đổi dùng 4 điện cực

Để loại trừ hiện tượng phân cực và các tác dụng tương hỗ không mong muốn khác giữa các điện cực và dung dịch, người ta dùng chuyển đổi điện dẫn không tiếp xúc (hình 2.35).

Hình 2.35: Chuyển đổi điện dẫn không tiễp xúc

88

Tuỳ theo tần số cung cấp cho chuyển đổi mà phân thành chuyển đổi tần thấp và chuyển đổi cao tần.

Hình 2.35a là một chuyển đổi âm tần kiểu biến áp có cuộn dây ngắn mạch (đó là một ống thuỷ tinh chứa dung dịch cần đo). Dòng điện trong cuộn dây sơ cấp phụ thuộc vào tổng trở của mạch thứ cấp. Bản thân mạch thứ cấp lại có tổng trở phụ thuộc vào nồng độ dung dịch cần đo. Chuyển đổi này dùng để đo nồng độ dung dịch có điện trở suất trong khoảng γ = 0 ÷ 50 (1/Ωm)

Nhược điểm là kết cấu phức tạp do phải chế tạo vòng đựng chất lỏng. Gần đây để đo các nồng độ nhỏ người ta dùng các loại chuyển đổi điện dẫn không tiếp xúc cao tần (vài MHz).

Hình 2.35b là loại chuyển đổi điện dẫn kiểu điện dung, gồm một ống thuỷ tinh hoặc chất dẻo có đặt các điện cực bằng kim loại ở phía ngoài.

Các chuyển đổi cao tần kiểu điện cảm (hình 2.35c) trong đó các điện cực được thay bằng dây quấn quanh ống.

Các chuyển đổi cao tần được nối với mạch cộng hưởng do một máy phát cao tần cung cấp (hình 2.36)

Hình 2.36: Mạch cộng hưởng cao tần

Để đo nồng độ dung dịch nhỏ có thể dùng mạch 7.32a, mạch cộng hưởng gồm các phần tử được mắc song song với nhau. Với nồng độ lớn hơn, người ta dùng mạch gồm các dụng cụ mắc nối tiếp. Dụng cụ được khắc độ theo mẫu có nồng độ đã biết.

C, Ứng dụng:

Chuyển đổi điện dẫn dung dịch được sử dụng rộng rãi để đo nồng độ của dung dịch R khi giữ l và s không thay đổi:

λ

=γ=1.k)(fR (2.123)

89

hoặc đo các đại lượng có R = f(l/s) khi nồng độ dung dịch không đổi.

3. Chuyển đổi gavanic:

A, Nguyên lý làm việc:

Chuyển đổi Gavanic hoạt động dựa vào sự phụ thuộc của điện thế cực theo nồng độ, và thành phần của dung dịch. Gavanic thường được dùng rộng rãi để đo hoạt độ của các ion Hyđrô, qua đó xác định được thành phần và tính chất của dung dịch cần nghiên cứu.

Sự phân ly của nước diễn ra như sau:

H2O = H+ + OH –

Nếu gọi aH+ và aOH- là hoạt độ của các ion H+ và OH – thì K = aH+.aOH- là một hằng số gọi là hằng số phân ly ở nhiệt độ 25oC, K = 10-14.

Với nước sạch hoặc dung dịch trung hoà: aH+ = aOH- = 10-7

Với dung dịch axit: aH+ > aOH-

Với dung dịch kiềm: aH+ < aOH-

Trong thực tế để tiện cho việc tính toán và ghi chép, người ta dùng đơn vị pH = - lg aH+. Vì aH+ thay đổi từ 100 ÷ 1014 nên pH nằm trong khoảng 0 ÷ 14.

Các dụng cụ đo pH được gọi là pH-mét, trong đó có chuyển đổi Gavanic. Chuyển đổi Gavanic gồm có bán phần tử Calômen (1) và điện cực đo lường thuỷ tinh (2). (Hình 2.37)

Hình 2.37: Cấu tạo chuyển đổi Gavanic

Điện cực bán phần tử Calomen là một ống thuỷ ngân trong đó có dung dịch Calomen bão hoà khó hoà tan (Hg2Cl2). Sự tiếp xúc điện của bán phần tử với dung dịch thí nghiệm cần được thực hiện qua dung dịch KCl (khoá điện ly) để giảm điện thế khuếch tán, do trên biên của dung dịch KCl điện thế khuếch tán có trị số nhỏ.

90

91

Điện cực thuỷ tinh (2) là một bình thuỷ tinh có thành mỏng (chứa Natri). Khi nhúng bình thuỷ tinh vào dung dịch các ion Natri từ thành bình sẽ đi vào dung dịch còn các ion Hyđrô từ dung dịch vào chiếm chỗ của chúng do đó bề mặt của lớp thuỷ tinh được làm bão hoà bởi các ion Hyđrô và điện cực thuỷ tinh có tính chất như điện cực Hyđrô.

Để lấy điện thế ở bên trong điện cực thuỷ tinh, bình được đổ đầy dung dịch mẫu có pHm đã biết. Trong bình thuỷ tinh có điện cực Clorua bạc (3).

Với độ pHx cần đo, sức điện động E của chuyển đổi Gavanic có thể biểu diễn dưới dạng:

E = Eo + b.pH (2.124)

Trong đó Eo: là suất điện động của chuyển đổi khi pH = 0

b: là hệ số phụ thuộc vào nhiệt độ và loại điện cực sử dụng.

B, Sai số:

Sai số của chuyển đổi Gavanic chủ yếu do ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường và điện thế biên. Sự thay đổi nhiệt độ dẫn đến sự thay đổi điện thế cực và điện trở của chuyển đổi. Để giảm sai số này có thể dùng mạch hiệu chỉnh nhiệt độ. (xem mạch cuối chương 1)

Sai số động của chuyển đổi có điện cực thuỷ tinh phụ thuộc vào chiều dày của bình. Với thành bình rất mỏng (0,05mm), thế của điện cực thuỷ tinh thay đổi tức thời theo sự thay đổi của độ pH trong dung dịch.

Khắc độ được tiến hành theo dung dịch mẫu có độ pH ổn định và có thể đạt được với sai số tuyệt đối ±0,01pH.

C, Mạch đo:

Do tín hiệu ra của chuyển đổi Gavanic rất nhỏ (tổng trở ra lớn) nên mạch đo cần có tổng trở vào lớn (108 ÷ 1012Ω).

Khi đo sức điện động của chuyển đổi Gavanic thường dùng mạch đo kiểu bù có thiết bị tự động hiệu chỉnh sai số nhiệt độ.

D, Ứng dụng:

Các pH-mét công nghiệp có thể đô được độ pH của dung dịch và bùn ở nhiệt độ từ 0 ÷ 100oC với sai số cơ bản 0,02 đơn vị pH. Các pH-mét trong phòng thí nghiệm với điện cực thuỷ tinh có màn chắn và có thiết bị hiệu chỉnh nhiệt độ đạt được sai số không lớn hơn 0,01 đơn vị pH và dải làm việc trong khoảng từ 0 ÷ 100oC.

4. Chuyển đổi điện phân (chuyển đổi Culong):

A, Nguyên lý làm việc:

Chuyển đổi điện phân hoạt động dựa trên hiện tượng điện phân. Theo định luật Faraday, quan hệ giữa điện lượng Q và lượng vật chất tách ra trên điện cực được biểu diễn theo phương trình:

∫ ==A

F.n.midtQ (2.125)

trong đó m: khối lượng chất được giải phóng

n: hoá trị ion

A: trọng lượng nguyên tử chất

F: hằng số Faraday (F = 96522 C/g-mol)

Chuyển đổi điện phân là một khâu tích phân, đại lượng vào có thể là điện lượng Q hoặc sự thay đổi dòng điện với thời gian t. Đại lượng ra có thể là khối lượng chất giải phóng hoặc sự thay đổi chiều dài, điện trở của điện cực, độ trong suốt quang học của điện cực và dung dịch.

B, Sai số và ứng dụng:

Chuyển đổi điện phân đơn giản nhất là đồng hồ thời gian hình 7.34a, dùng để đo thời gian làm việc của các thiết bị. Nó gồm có vỏ thuỷ tinh (1) đặt 2 điện cực bằng đồng Anốt (2) và Catốt (3). Catốt nằm trong ống mao quản, dọc theo ống mao quản có thang chia độ 5. Dung dịch chứa trong bình là sunfat đồng CuSO4. Khi có dòng điện một chiều đi qua sẽ xảy ra hiện tượng điện phân. Anốt tan vào dung dịch còn Catốt được bám vào một lượng đồng làm tăng độ dài của nó.

92

Hình 2.38: Chuyền đổi điện phân và sơ đồ mắc một chiều, xoay chiều

Với dòng điện không thay đổi, độ dài của cực Catốt khi tăng một lượng ∆l có thể viết dưới dạng:

t.kt.sI.

nFAl =δ

=∆ (2.126)

trong đó δ là mật độ dòng điện

s là tiết diện Catốt

t là thời gian đo

Hình 2.38b và 2.38c tương ứng là sơ đồ mắc của đồng hồ với dòng điện một chiều và xoay chiều. Đồng hồ thời gian trên được chế tạo với giới hạn đo 5 ÷ 10000h với dòng chảy từ 0,01 ÷ 1mA. Sai số khoảng 5% khi cân Catốt và 20% khi tính theo thang chia độ.

Ngoài đồng hồ thời gian, chuyển đổi điện phân còn được chế tạo thành các dụng cụ để đo điện lượng khi phóng nạp ắcquy và các điện trở điều khiển dùng trong các mạch điều khiển và mạch điều chỉnh.

5. Chuyển đổi Khimôtrôn:

A, Nguyên lý làm việc:

93

94

Khimôtrôn là một chuyển đổi điện hoá, nguyên lý làm việc của nó (tương tự như điốt và tranzito bán dẫn), dựa trên việc sử dụng lớp “khoá”, đó là lớp môi trường làm nghèo đi các hạt mang điện tích. Chuyển đổi Khimôtrôn là một bình điện phân chứa đầy dung dịch IottuaKali được duy trì dưới dạng ôxi hoá và dạng khử của một loại ion nhất định. Các điện cực được làm bằng kim loại không tương tác hoá học với chất điện phân (vàng, bạch kim…)

Khi ở dạng dung dịch, IottuaKali phân ly thành:

KI = K+ + I-

Nếu ta đặt vào hai điện cực Anốt và Catốt một điện áp cỡ 1V. Các ion sẽ chuyển động và dẫn điện. Điện dẫn của dung dịch chủ yếu là do các anion I-, còn cation K+ không tham gia dẫn điện vì Catốt có điện thế âm cỡ -2V (trong khi đó điện thế thoát của K+ khoảng –1,8V)

Dưới tác dụng của điện trường giữa Anốt và Catốt, các ion I- di chuyển đến Anốt và cho Anốt điện tử để tạo thành I-

3:

3I- → I-3 + 2e

Các ion I- giảm liên tục và rất nhanh cho đến khi dòng điện giảm đến không (I = 0) do I- biến hết thành I-

3. Nhờ sự khuếch tán trong dung dịch, các ion I-3 chạm vào cực

Catốt, chúng nhận được điện tử để tạo thành dòng khuếch tán:

I-3 + 2e → 3I-

Dòng điện khuếch tán này rất nhỏ cỡ 10µA ở nhiệt độ bình thường. Bằng phương pháp nào đó người ta đẩy các ion I-

3 về điện cực Catốt, các ion I-3 nhận điện tử để biến

thành 3I- và dòng điện tăng lên rất nhanh.

Dòng điện I phụ thuộc chủ yếu vào lượng chuyển động của ion I-3 về phía Catốt,

tức là phụ thuộc vào tác động của đại lượng cơ học nào đó.

B, Sai số:

C, Ứng dụng:

Ứng dụng chủ yếu của chuyển đổi Khimôtrôn là dùng trong các dụng cụ đo áp suất, gia tốc và tạo thành điốt điện hóa.

Hình 2.39 là ví dụ về một loại chuyển đổi Khimôtrôn được chế tạo thành thiết bị đo áp suất và đặc tính Von-Ampe của nó (hình 2.40). Thiết bị gồm có bình (1) được gắn kín bởi 2 màng đàn hồi (2).

Bên trong bình gồm có cực Catốt làm bằng Platin (3) có lỗ ở giữa để dung dịch đi qua, hai Anốt (4) được đặt ở hai phía của Catốt, đó là những tấm lưới Platin, bên trong bình chứa dung dịch KI. Khi các điện cực được mắc với nguồn điện ngoài, dung dịch ở trạng thái đứng yên, dòng điện chạy trong mạch rất yếu và chủ yếu là dòng khuếch

tán (hình 2.40). Dưới tác dụng của áp suất bên ngoài, màng đàn hồi ép dung dịch KI có các ion I-

3 qua lỗ của Catốt (3). Các ion I-3 nhận điện tử tạo thành 3I- và dòng điện

tăng lên.

Dòng chảy của dung dịch qua lỗ càng nhiều, dòng càng tăng nhanh nhưng các đường cong đặc tính hình 2.40.

Hình 2.39: Chuyền đổi Khimôtrôn

Hình 2.40: Đặc tính Vôn-Ampe của chuyền đổi Khimôtrôn

95

Hình 2.41: Chuyển đổi đo gia tốc góc

1) Bình chứa dung dịch; 2) Ống chứa dung dịch

Các đường cong này tương tự như đặc tính Von-Ampe của tranzito. Hình 7.36 là sơ đồ nguyên lý của chuyển đổi đo gia tốc góc. Trong chuyển đổi này không có màng đàn hồi, bình chứa dung dịch có dạng ống tròn. Dưới tác dụng của gia tốc góc, dung dịch bị di chuyển qua lỗ của cực Catốt và dòng điện thay đổi theo sự thay đổi gia tốc.

2.7. CÁC CHUYỂN ĐỔI ĐIỆN TỬ VÀ ION:

1. Phân loại:

Nhóm các chuyển đổi điện tử và ion là nhóm gồm nhiều loại chuyển đổi khác nhau. Nguyên lý làm việc của các loại chuyển đổi này dựa vào sự thay đổi dòng ion và dòng điện tử dưới tác động của các đại lượng đo. Người ta chia các chuyển đổi điện tử và ion thành 2 loại: chuyển đổi điện tử và chuyển đổi ion hoá.Trong các chuyển đổi điện tử, chúng được phân thành: chuyển đổi tự phát xạ điện tử, chuyển đổi phát xạ nhiệt điện tử và chuyển đổi phát xạ quang điện tử.

2. Chuyển đổi tự phát xạ điện từ là các đèn 2 cực:

Dưới tác dụng của điện trường mạnh (với điện áp trên Anốt và Catốt cỡ 3000V), các điện tử bắn ra khỏi Catốt. Trên đường đi chúng ion hoá các phân tử khí tạo thành các ion dương và ion âm. Dòng điện chảy từ Anốt đến Catốt thay đổi theo mật độ không khí trong đèn 2 cực.

Ứng dụng nguyên lý trên người ta chế tạo các thiết bị đo áp suất thấp còn gọi là các chân không kế. Ví dụ: chân không kế loại BM B-1 của Liên Xô cũ đo độ chân không 2.10-6 ÷ 8.10-4 mmHg.

3. Chuyển đổi có phát xạ nhiệt điện tử:

Các loại chuyển đổi này được chế tạo dưới dạng đèn điện tử hai cực và ba cực. Do Catốt bị đốt nóng, các điện tử bắn ra khỏi nó và dưới tác dụng của điện trường, các điện tử chuyển động từ Anốt đến Catốt. Trên đường đi của điện tử, chúng làm ion hoá

96

97

không khí tạo thành các ion dương và ion âm, cũng như loại chuyển đổi tự phát xạ điện tử, chuyển đổi loại này dùng đo độ chân không tới 10-6 mmHg.

Nếu giữ cho đèn có độ chân không ổn định , dòng điện chạy trong mạch phụ thuộc vào khoảng cách giữa 2 cực Anốt và Catốt. Ứng dụng hiện tượng trên, người ta chế tạo các thiết bị đo các đại lượng cơ như đo độ dịch chuyển, đo áp suất…

4. Chuyển đổi có phát xạ quang điện tử:

Dưới tác dụng của các dòng ánh sáng với bước sóng thích hợp chiếu vào Catốt, điện tử từ Catốt bị bật ra tạo thành dòng điện. Chuyển đổi quang điện được phân thành 3 loại:

+ Tế bào quang điện: là phần tử quang điện sử dụng hiệu ứng quang điện ngoài. Đó là một đèn chân không hay có khí mà Catốt của nó sẽ phát ra các điện tử dưới tác dụng của dòng ánh sáng.

+ Quang điện trở: là loại chuyển đổi quang điện dựa vào hiệu ứng quang điện trong. Điện trở của một vài chất bán dẫn thay đổi dưới tác dụng của dòng ánh sáng. Các chất có hiệu ứng quang điện trong mạnh là Selen, muối Sunfit Cadimi, hợp chất của Tal, Bismut hoặc chì với lưu huỳnh.

+ Phôtô điốt (Van quang điện) là chuyển đổi quang điện, dưới tác dụng của ánh sáng, lớp khoá của một số mặt ghép các chất bán dẫn sẽ trở thành nguồn dòng điện.

5. Ứng dụng của chuyển đổi quang điện:

Chuyển đổi quang điện dùng để đo các đại lượng không điện khác nhau. Chúng rất khác nhau về kết cấu và hệ thống quang học, điều đó xác định tác dụng của dòng ánh sáng lên phần tử quang điện. Song về cơ bản có thể phân các chuyển đổi quang điện thành 2 nhóm:

+ Nhóm 1: gồm các chuyển đổi làm việc trong chế độ điều biến biên độ, dòng quang điện phụ thuộc vào đại lượng không điện cần đo. Do đó, chúng đòi hỏi các đặc tuyến không bị phụ thuộc vào thời gian và tác động của các nhân tố bên ngoài (như nhiệt độ, điện áp nguồn dao động…).

+ Nhóm 2: gồm các chuyển đổi làm việc trong chế độ điều biến tần số (điều tần), dòng quang điện không phải là hàm của đại lượng cần đo.

Hình 2.42 là ví dụ các phương pháp sử dụng các chuyển đổi quang điện để đo các đại lượng không điện.

Hình 2.42a: đối tượng A là nguồn sáng, dòng ánh sáng của nó di chuyển đến chuyển đổi quang điện làm thay đổi đặc tính của đèn. Ứng dụng nguyên lý trên người ta chế tạo các thiết bị như hoả quang kế cường độ sáng để đo nhiệt độ bằng phương pháp không tiếp xúc.

Hình 2.42b: đèn sợi đốt hay nguồn sáng bất kỳ đóng vai trò là nguồn phát sáng, dòng ánh sáng khi đi đến phần tử quang điện phải qua đối tượng đo A và bị hấp thụ một phần, mức độ hấp thụ nhiều ít phụ thuộc vào tham số cần đo của bình A. Đó là các thiết bị so màu dùng để đo độ đục và độ trong suốt của dung dịch và môi trường khí.

Hình 2.42c: nguồn sáng (đèn Đ) chiếu sáng đối tượng A và được phản chiếu trở lại đến phần tử quang điện. Khả năng phản xạ của đối tượng A phụ thuộc vào chất lượng và trạng thái bề mặt và có thể là hàm số của đại lượng cần đo, ví dụ dụng cụ đo độ bóng chi tiết, đo tốc độ quay của trục quay…

Hình 2.42d: nguồn sáng Đ đến phần tử quang điện bị chắn bởi lá chắn A. Mức độ chắn tuỳ thuộc vào vị trí của lá chắn tức là tuỳ thuộc vào độ di chuyển của nó. Đó là cơ sở của dụng cụ đo độ di chuyển, các bộ đếm…

Hình 2.42: Các phương pháp sử dụng các chuyển đổi quang điện

6. Chuyển đổi ion hoá:

a, Nguyên lý làm việc:

Dưới tác dụng của các tia phóng xạ và tia Rơnghen, chất khí sẽ bị ion hoá. Nếu bình ion hoá được đặt một điện áp thì các điện tử và ion sẽ chuyển động có hướng tạo thành dòng điện ion.

Dòng ion phụ thuộc vào điện áp đặt lên bình, tính chất của tác nhân ion, môi trường ion hoá, vật liệu của thành bình và các vật thể khác nằm trên đường đi của các tác nhân ion hoá. Các tác nhân ion hoá là các tia phóng xạ như tia α, tia β, tia γ và tia Rơnghen.

98

Chuyển đổi ion hoá có nhiều loại khác nhau, song bất kỳ loại nào cũng cần có nguồn phóng xạ và thiết bị thu các sản phẩm của quá trình ion hoá để tạo thành dòng điện.Thiết bị đó gọi là bộ thu bức xạ.

b, Bộ thu bức xạ:

Có nhiệm vụ biến đổi năng lượng bức xạ hạt nhân thành điện năng. Bộ thu bức xạ dựa vào hiện tượng ion hoá chất khí khi cho tia phóng xạ đi qua nó hoặc dựa vào hiện tượng phát quang của một số chất dưới tác dụng của năng lượng bức xạ hạt nhân.

Có 3 loại bình thu bức xạ:

+ Bình ion hoá

+ Máy đếm phóng điện trong chất khí

+ Máy đếm nhấp nháy.

Hình 2.43a là đặc tính Von-Ampe của bình ion hoá và hình 2.43b cấu tạo của một bình ion hoá bằng tia α. Dòng quang điện thường rất nhỏ (cỡ 10-3 ÷ 10-7 µA). Điện áp đặt lên điện cực cao áp (vỏ bình) cỡ hàng nghìn Von, dòng điện ion lấy qua cực lưới được khuếch đại bằng bộ khuếch đại đo lường.

Hình 2.43: Cấu tạo và đặc tính Vôn-Ampe của bình ion hoá

Để tránh dòng điện dò, cách điện giữa cực lưới và vỏ (cực cao áp) phải đạt tới (108 ÷ 1013 MΩ), vì thế điện cực lưới được bọc bởi cực bảo vệ nối đất với mạch đo lường để thu dòng điện dò từ cực cao áp.

Ứng dụng của các chuyển đổi ion hoá dùng để đo các đại lượng không điện như chiều dày lớp phủ bề mặt các chi tiết, đo di chuyển, đo áp suất (100 kN/m2 ÷ 0,1 N/m2), tốc độ dòng khí, tạp chất trong không khí…

2.8. CÁC CHUYỂN ĐỔI LƯỢNG TỬ:

99

100

Là loại chuyển đổi dựa trên hiện tượng vật lý hạt nhân nguyên tử. Ta hãy xét sau đây một loại chuyển đổi lượng tử phổ biến nhất, đó là chuyển đổi dựa trên hiện tượng công hưởng từ hạt nhân. Trong những năm 1960, giáo sư S.A.Spektor ở trường đại học Bách khoa Pêtecbua đã sử dụng hiện tượng cộng hưởng từ hạt nhân vào kỹ thuật đo lường. Nhờ đó việc đo cường độ từ trường cũng như các đại lượng khác có quan hệ với nó chẳng hạn như dòng điện lớn đã nâng cao được độ chính xác lên rất nhiều lần.

1. Nguyên lý làm việc của chuyển đổi:

Ta biết rằng nhiều hạt nhân nguyên tử có chứa một mômen từ được gọi là dipol khí hiệu là µ và mômen khối lượng chuyển động được gọi là spin p. Tỷ số của các mômen ấy là γ=µ/p gọi là hệ số thuỷ từ của hạt nhân. Nó là một hằng số mà đại lượng của nó không phụ thuộc vào các điều kiện bên ngoài.

101

Hình 2.44: Chu n đổi lượng tử

Nếu ta đặt vật liệu (ví dụ: nước nặng) trong một ống thí nghiệm. Sau đó đặt cả ống

yể

nghiệm vào trong một từ trường đều (hình 44a) có độ từ cảm B thì các mômen từ µ sẽ quay xung quanh vectơ B (hình 44b). Lúc đó mômen lực M tác dụng lên các mômen ừ µ được thể hiện bằng phươ g trình:

tn

BM µ= (2.127)

còn ng tr h ch n động sẽ có dạng: phươ ìn uyể

BMdtPd

µ== (2.128)

g mặNhưn t khác:

ω= PdtPd (2.129)

ần số quay của mômen từ xung quanh B.

ω - là t

Từ đó ta có: ω=µ PB

Suy ra: BPB

γ=µ

=ω (2.130)

ta tạo ra một t trườừ ng xoay chiều Nếu trong m ng ặt phẳng vuông góc với từ trườ BB′ có tần số cao cùng quay với mômen dipol thì khi vectơ B′ quay đồng bộ với các

men từ dipol µ sẽ gây ra sự thay đổi của từ trường cao tần v ẽ xuất hiện mômen tác mô à s

động lên dipol µ làm cho góc ϕ giữa B và µ thay đổi. Khi có sự cân bằng giữa tần số quay ω của mômen từ µ xung quanh B và ần số quay của vectơ t B′ sẽ sinh ra cộng hưởng. Đó là hiện tượng ng hưởng từ hạt nhân.

Như vậy có thể xác định B theo giá trị tần số cộn

cộ

g hưởng ω và hệ số thuỷ từ γ. Hệ số γ đối

p đo từ trường này phụ thuộc các yếu tố sau:

0,001%

05 ÷ 0,1%

rong khi đó bằng các

iệm (1) chứa một chất (ví dụ nước nặng D) đặt vào trong một cuộn dây

đổi cộng hưởng từ hạt nhân

với mỗi chất có thể xác định chính xác đến 0,001% còn sai số đo ω có thể đạt đến 0,001% bằng tần số kế chỉ thị số. Cho nên nếu sử dụng loại chuyển đổi này có thể đo độ từ cảm của từ trường với độ chính xác cao hơn hẳn các phương pháp thông thường khác.

2. Sai số:

Sai số của phé

+ Sai số do tần số có thể đạt đến 0,001%

+ Sai số do việc xác định hệ số thuỷ từ là

+ Sai số do việc tìm điểm cộng hưởng có thể đạt 0,

Do đó phép đo từ trường này có thể đạt đến sai số 0,1 ÷ 0,2%. Tphương pháp thông thường sai số cỡ 1,5 ÷ 2%.

3. Mạch đo:

Một ống ngh(2). Cuộn dây này cùng với điện dung C (có thể thay đổi được) tạo thành một máy phát cao tần LC. Ống nghiệm và cuộn dây được đặt trong một từ trường đều có độ từ cảm cần đo Bx của nam châm vĩnh cửu (4). (hình 2.45)

Hình 2.45: Mạch đo của chuyển

102

103

Khi xảy ra hiện tượng cộng hưởng từ hạt nhân là lúc mà tần số quay của prôtôn (hạt

hiệu điều chế 50Hz qua bộ điều chỉnh pha vào 2 bản cực Y của

này được biểu diễn ở hình 2.46a tín hiệu điều chế 50Hz có chu kỳ là TM. ứ m

ào 2 cực X của dao động ký ta có thể tách

Hình 2.46: a, Tín hiệu cộng hưởng từ hạt nhân

h dao động ký điện tử

nhân Hyđrô) bằng tần số của máy phát cao tần ở một giá trị nào đó của độ từ cảm B. Ở trạng thái đó sẽ xảy ra sự mất mát năng lượng làm giảm biên độ dao động của máy phát. Để nhắc lại hiện tượng cộng hưởng và nhận được tín hiệu liện tục, từ trường không thay đổi Bx được điều chế bởi một từ trường xoay chiều có tần số thấp 50Hz bằng một cuộn dây phụ (3) đặt trong từ trường. Như vậy điện áp cao tần của máy phát cũng bị điều chế. Sau đó vào khuếch đại cao tần qua tách sóng vào khuếch đại âm tần và đi đến 2 bản cực Y của dao động ký điện tử.

Mặt khác ta đưa tín dao động ký.

Quá trìnhC ỗi chu kỳ TM điều kiện cộng hưởng được nhắc lại 2 lần. Vì khi tín hiệu điều chế đi qua điểm “0” giá trị B tại đó có cộng hưởng sẽ nhắc lại. Như thế trên màn hình của dao động kế sẽ xuất hiện 2 tín hiệu (hình 2.46b).

Điều chỉnh pha của tín hiệu điều chế vthành 2 tín hiệu như hình 2.46b. Điểm giao nhau ở giữa Đ sẽ là điểm cộng hưởng. Khi điểm Đ đạt vị trí ở giữa màn hình của dao động ký thì ta đo tần số cao tần bằng tần số kế chỉ thị số. Từ đó theo công thức (2.123) ta tính được giá trị độ từ cảm Bx cần đo.

b, Tín hiệu cộng hưởng trên màn hìn

104

4. Ứng dụng:

ể trên được dùng để đo độ từ cảm của từ trường đều từ 0,005T trở đi. iới

0,5T

ợc từ 1,0T trở đi.

rộng rãi trong thực tế

hân người ta còn sử dụng chuyển đổi cộng ưởn

ức sau:

Phương pháp kG hạn đo phụ thuộc vào hạt nhân nguyên tử của chất mà ta sử dụng.

Ví dụ: Nếu hạt nhân là Hyđrô (H2) thì ta có thể đo từ trường đến

Nếu dùng Li7 thì đo từ 0,5 ÷ 1,0T

Nếu là nước nặng D thì có thể đo đư

Ngoài việc đo từ trường, phương pháp này còn được sử dụng để đo dòng điện lớn. Trong lĩnh vực Y học, người ta sử dụng loại chuyển đổi này để chế tạo máy chụp cắt lớp (TURBOGRAPH) là loại máy hiện đại để phát hiện các khối u trong não hoặc trong cơ thể thay cho việc sử dụng tia X độc hại.

5. Chuyển đổi cộng hưởng từ điện tử:

Ngoài chuyển đổi cộng hưởng từ hạt nh g từ điện tử. Trong chuyển đổi này phương pháp và thiết bị để tìm cộng hưởng giống như đối với chuyển đổi cộng hưởng từ hạt nhân.

Hệ số thuỷ từ điện tử được tính theo công th

Cm2

e=γ

edt (2.131)

Trong đó: e: điện tích của điện tử

cộng hưởng từ điện tử có:

hơn cỡ 3 lần.

+ S ng từ điện tử lớn hơn cộng hưởng từ hạt nhân vì

+ C ừ điện tử cũng sử dụng để đo từ trường đều và các đại lượng liên

me: khối lượng của điện tử

C: tốc độ ánh sáng

So sánh với cộng hưởng từ hạt nhân thì

+ Hệ số thuỷ từ lớn hơn gấp 103 lần và tần số cộng hưởng cũng lớn

+ Tín hiệu cộng hưởng từ điện tử cũng lớn hơn tín hiệu cộng hưởng từ hạt nhân vì thế mà có thể đo Bx nhỏ hơn (từ 1.10-5 ÷ 5.10-4T) mà phương pháp cộng hưởng từ hạt nhân khó có thể đạt được.

ai số của phương pháp cộng hưởđộ rộng của cộng hưởng khá lớn do vậy mà việc tìm cộng hưởng vấp phải sai số lớn hơn.

ộng hưởng tquan đến từ trường đều.

CHƯƠNG 3:

CẢM BIẾN THÔNG MINH

3.1. SỰ RA ĐỜI CỦA CẢM BIẾN THÔNG MINH

Cảm biến làm nhiệm vụ biến đổi từ đại lượng đo phi điện thành điện trong các hệ thống thông tin đo lường và điều khiển. Đây là khâu cơ bản nhất quyết định sai số của hệ thống đo hay dụng cụ đo. Việc cải tiến các đặc tính kỹ thuật của cảm biến nhằm giảm thiểu các sai số của chúng vẫn luôn được quan tâm và nghiên cứu. Một trong những cách làm đem lại nhiều hiệu quả nhất hiện nay chính là việc áp dụng các thành tựu của công nghệ vi điện tử và tin học trong đo lường. Với những tính năng ưu việt mà các bộ vi xử lý, vi điều khiển (khi kết hợp chúng với các bộ cảm biến khác nhau) đem lại như: khả năng tự động chọn thang đo, tự động xử lý kết quả đo, thông tin đo và bù sai số... đã khiến cho xu hướng này được nhanh chóng ứng dụng một cách rộng rãi trên thế giới. Ngoài ra, với sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật chip điện tử, giá thành của chúng cũng không quá đắt thậm chí làm cho giá thành của các bộ cảm biến thông minh tăng lên không đáng kể so với các cảm biến thông thường khác.

Việc kết hợp vi xử lý với các cảm biến thông thường tạo nên cảm biến thông minh với các ưu điểm vượt trội điển hình như:

• Sử dụng đa chức năng, có thể đo nhiều đại lượng khác nhau với các khoảng đo khác nhau.

• Có khả năng chương trình hoá với ý nghĩa là quá trình đo có thể theo một chương trình định trước, chương trình này có thể thay đổi bằng các thiết bị ghi chương trình.

• Tự động xử lý kết quả đo: tự động khắc độ, tự động chọn thang đo, tự động bù sai số hệ thống và ngẫu nhiên, tự động bù ảnh hưởng các yếu tố khác nhau, tự động truyền kết quả đo lên cấp trên.

3.2. VI ĐIỆN TỬ HOÁ CÁC CHUYỂN ĐỔI SƠ CẤP

Để nâng cao tính năng của các cảm biến, người ta đã cố gắng đưa công nghệ vi điện tử vào các chuyển đổi đo lường sơ cấp điển hình hoá chúng và nâng cao đặc tính kỹ thuật của chúng làm phần tử cơ bản của cảm biến thông minh.

1. Chuyển đổi điện trở:

Người ta đã làm ra các nhiệt điện trở chính xác và thậm chí các cầu đo bằng kỹ thuật vi điện tử. Người ta cũng đã chế tạo ra các chuyển đổi điện trở lực căng bằng công nghệ này, nuôi cấy đa tinh thể trên đơn tinh thể được ứng dụng trong các cảm biến đo trọng lượng (cân), các áp kế (đo áp suất) và các hiệu áp kế (đo lưu

105

lượng). Người ta cũng đã chế tạo cả các điện trở bù nhiệt độ ngay trên các cảm biến để loại trừ ảnh hưởng của nhiệt độ lên kết quả đo.

Nhiệt độ, áp suất, lưu lượng là ba đại lượng thường gặp nhất trong các hệ thống tự động hoá quá trình sản xuất. Các chuyển đổi điện trở lực căng này được nuôi cấy trên màng kim loại, vì thế không bị ảnh hưởng của hiện tượng trượt gây nên bởi công nghệ dán điện trở.

2. Chuyển đổi quang điện:

Phôtô điốt, ôptrôn, ống dẫn quang với công nghệ vi điện tử sẽ đạt được kích thước nhỏ và hiệu quả cao. Optron kết hợp với cáp quang làm tăng hiệu quả của các phương pháp đo quang điện.

Ví dụ: thiết bị đo tốc độ (optron tachometic) các quang kế, quang phổ kế, các máy so màu đo độ đục đã có kích thước giảm một cách đáng kể, dẫn đến giảm bớt kích thước mẫu thử và thậm chí có thể thực hiện phép đo tại chỗ trong cơ thể. Các cảm biến được kết hợp với khả năng xử lý của máy tính đã trở thành các thiết bị phân tích thông minh.

3. Công nghệ màng bán thấm có chọn lọc:

Công nghệ này tạo ra được các chuyển pHmét với các khuếch đại bán dẫn trường ở đầu vào đạt kích thước không quá 1mm, cho phép linh hoạt hoá các phép đo pH với các yêu cầu khác nhau.

Trong phân tích nồng độ vật chất, màng lọc có chọn lọc trở thành những bộ phận rất quý, các máy phân tích khí hậu hiện đại có độ chọn lọc cao với nồng độ thấp.

Nghiên cứu các cảm biến đa chức năng với chuyển đổi sơ cấp điện tử là một nội dung của việc nghiên cứu để tạo ra các cảm biến thông minh.

3.3. XỦ LÝ SƠ BỘ KẾT QUẢ ĐO TRONG CẢM BIẾN THÔNG MINH

Trong các cảm biến thông minh, người ta sử dụng khả năng tính toán của các bộ vi xử lý để nâng cao các đặc tính kỹ thuật của bộ cảm biến như: nâng cao độ chính xác, loại trừ sai số phi tuyến, bù ảnh hưởng của yếu tố môi trường...

3.3.1. Tự động khắc độ:

Quá trình tự động khắc độ tiến hành như sau:

Ban đầu, tiến hành đo các giá trị của đại lượng vào chuẩn để ghi vào bộ nhớ, sau đó đo các giá trị của đại lượng cần đo và bằng các công cụ toán học (thuật toán) có thể so sánh, gia công kết quả đo và loại trừ sai số. Công việc này được thực hiện cho từng cảm biến. Khi mắc cảm biến vào hệ thống, vi xử lý làm nhiệm vụ điều khiển tín hiệu chuẩn thay đổi, bộ nhớ sẽ ghi lại các giá trị ở đầu ra y của cảm biến một cách tương ứng.

106

Khi đo, đại lượng đo x tác động vào cảm biến tương ứng với giá trị nào của x thì bộ nhớ sẽ đưa ra giá trị tương ứng của tín hiệu chuẩn đã được ghi từ trước. Với cách làm đó, chúng ta có thể loại trừ được các sai số phi tuyến của đặc tính của cảm biến mà các dụng cụ số thông thường không làm được. Phương pháp này đòi hỏi các cảm biến phải hoàn toàn giống nhau để trong trường hợp hỏng hóc cần thay thế sẽ không gây ra sai số đáng kể. Nếu không, khi thay thế cảm biến mới không hoàn toàn giống thì phải tiến hành khắc độ lại.

3.3.2. Xử lý tuyến tính hoá từng đoạn:

Trường hợp đặc tính của tín hiệu x sau cảm biến là một hàm phi tuyến của đại lượng đo ξ, tức là x(ξ) là một hàm phi tuyến. Thay vì khắc độ đặc tính đo vào bộ nhớ như trên, ta có thể thay thế đặc tính x(ξ) bằng một đường gấp khúc tuyến tính hoá từng đoạn với sai số εo cho trước tức là sai số xấp xỉ hoá không vượt quá εo. Đó chính là phương pháp nội suy tuyến tính.

Thuật toán lưạ chọn đoạn tuyến tính hóa như sau:

• Ở giá trị ξo của đại lượng đo đường cong x(ξ) cho tương ứng một giá trị xo.

xo được lưu lại trong RAM của vi xử lý

• Ở giá trị ξ1 của đại lượng đo đường cong x(ξ) cho tương ứng một giá trị x1.

x1 được lưu lại trong RAM của vi xử lý

• Ở giá trị ξ2 của đại lượng đo đường cong x(ξ) cho tương ứng một giá trị x2.

x2 được lưu lại trong RAM của vi xử lý

• Tính tỷ số các số gia bậc một của đa thức nội suy Lagrange đi qua

2 điểm x

)(x*1 ξ

o, x1: o2

o2o2

xx),(

ξ−ξ−

=ξξ∇

• Tính giá trị của đa thức nội suy ở điểm ξ1:

))(,(x)(x o1o2o1*1 ξ−ξξξ∇+=ξ

• Tính độ sai lệch ở điểm ξ1:

)(xx)( 1*1111 ξ−=ξε

• So sánh ε1(ξ1) với sai số đã cho εo. Nếu ε1(ξ1) < εo thì giá trị tín hiệu sẽ không được chấp nhận.

107

• Ở điểm ξ3 ta có x3

• Giá trị của x3 được lưu trong RAM

• Tính tỷ số các số gia bậc một của đa thức nội suy Lagrange :

)(x*2 ξ

o3

o3o3

xx),(

ξ−ξ−

=ξξ∇

• Tính giá trị của đa thức nội suy ở các điểm ξ1, ξ2:

))(,(x)(x o1o3o1*2 ξ−ξξξ∇+=ξ

))(,(x)(x o2o3o2*2 ξ−ξξξ∇+=ξ

• Tính độ sai lệch ở điểm ξ1, ξ2:

)(xx)( 1*2112 ξ−=ξε

)(xx)( 2*2222 ξ−=ξε

• So sánh ε2(ξ1) và ε2(ξ2) với sai số đã cho εo. Nếu thì giá trị

tín hiệu sẽ không được chấp nhận và không được coi là điểm cuối của đoạn tuyến tính hoá.

⎩⎨⎧

ε<ξεε<ξε

o22

o12

)()(

• Ở điểm ξk nào đó ta có xk và đa thức nội suy sẽ là:

))(,(x)(x ojokoj*

1k ξ−ξξξ∇+=ξ−

ok

okok

xx),(

ξ−ξ−

=ξξ∇

mà ta có oj*

1kjj1k )(xx)( ε≥ξ−=ξε −−

đối với một điểm j nào đó, thêm vào đó 0 < j < k.

• Khoảng nội suy lúc đó sẽ bằng:

108

okk ξ−ξ=ξ∇∆

Lúc đó giá trị xk sẽ được chấp nhận như là điểm cuối của đoạn thẳng của đường xấp xỉ hoá từng đoạn.

• Với phép nội suy tuyến tính, quá trình hồi phục sẽ được tiến hành bằng cách nối liền các điểm bằng các đoạn thẳng:

)(xx

x)(x ook

oko

* ξ−ξξ−ξ

−+=ξ

Đoạn thẳng tiếp theo sẽ đi qua điểm ξk và giá trị của quá trình tuyến tính hoá từng đoạn.

Một cách tổng quát: đoạn thẳng thứ i của đường gấp khúc có dạng:

)(xx

x)(x ii1i

i1ii

*k ξ−ξ

ξ−ξ−

+=ξ+

+

Để phục hồi các giá trị đo ta chỉ việc tính theo đối số ξ là các đại lượng đo được từ cảm biến. Các giá trị tính được theo đường nội suy tuyến tính luôn luôn đảm bảo sai số cho phép là ε

)(x*i ξ

o.

3.3.3. Gia công kết quả đo:

Khi tính toán sai số ngẫu nhiên, người ta thường sử dụng các đặc tính của chúng, đó là kỳ vọng toán học và độ lệch bình quân phương. Các đặc trưng thống kê này để đánh giá sai số của kết quả đo. Việc tính các đặc tính số này là nội dung cơ bản trong quá trình gia công kết quả đo.

Để tính kỳ vọng toán học và độ lệch bình quân phương ta phải có số lượng các phép đo rất lớn. Tuy nhiên trong thực tế số lượng các phép đo n là có hạn, vì thế ta chỉ tìm được ước lượng của kỳ vọng toán học và độ lệch bình quân phương mà thôi. Thường các ước lượng đối với các lượng đo vật lý có các tính chất cơ bản là các ước lượng có căn cứ không chệch và có hiệu quả.

3.4. CẤU TRÚC CỦA CẢM BIẾN THÔNG MINH

Qua những phân tích về chuyển đổi sơ cấp, về các nội dung phải xử lý trong các hệ thống đo lường các đại lượng vật lý có thể suy ra cấu trúc của cảm biến thông minh sẽ bao gồm:

• Các chuyển đổi sơ cấp dùng để biến đổi đại lượng cần đo thành đại lượng điện. Các đại lượng này có thể chính là đại lượng chủ cần thiết cho phép đo, cũng có thể là đại lượng ảnh hưởng dùng để loại trừ sai số do ảnh hưởng của chúng.

• Các đại lượng điện sau đó được đưa qua các khâu chuyển đổi chuẩn hoá.

109

• Sau cùng được đưa vào bộ dồn kênh MUX và qua chuyển đổi A/D trước khi vào vi xử lý.

Có 2 loại công nghệ:

+ Nếu các chuyển đổi là loại chuyển đổi sơ cấp bình thường thì các đầu ra của chúng được đưa vào một vi mạch công nghệ lai gồm các biến đổi chuẩn hoá, MUX, A/D và vi xử lý trong một khối có đầu nối liền máy tính cấp trên và bộ ghi chương trình cho EPROM.

+ Nếu các chuyển đổi là loại chuyển đổi thực hiện bằng công nghệ vi mạch thì cả chuyển đổi lẫn các phần tử gia công phía sau được để trong một khối công nghệ mạch lai.

Các cảm biến thông minh dạng trên đã phát triển vì thế việc hệ thống hoá các cảm biến, chọn cấu trúc thế nào cho có tính linh hoạt cao, việc chương trình hoá được dễ dàng, đây là các nội dung cần nghiên cứu về cảm biến thông minh.

3.5. MỘT SỐ VÍ DỤ VỀ CẢM BIẾN THÔNG MINH

3.5.1. Cảm biến đo áp suất thông minh 4301:

Cảm biến đo áp suất thông minh 4301 là một cảm biến áp suất đo từ xa, có thể sử dụng để đo cả áp suất, mức, lưu lượng (kết hợp với các bộ biến đổi khác). Cảm biến thông minh được chế tạo từ cảm biến điện dung. Thiết bị được chế tạo bằng công nghệ cao và tin cậy. Kỹ thuật số được áp dụng cho 4301 tạo ra khả năng truyền dữ liệu đi xa và dễ dàng ghép nối với các thiết bị ngoại vi giữa đối tượng đo và phòng điều khiển trung tâm của xí nghiệp công nghiệp.

Sơ đồ khối của cảm biến thông minh được biểu diễn ở hình dưới đây. Cảm biến được sử dụng là cảm biến điện dung kiểu vi sai. Ở cảm biến này áp suất P1, P2 tác động lên 2 phía của cảm biến CH, CL (ở đây P1 ≥ P2). Khi P1 > P2 màng đàn hồi của cảm biến bị đẩy sang phía P2 tạo sự chênh lệch điện dung của 2 phía. Một phía điện dung tăng lên CH còn phía kia điện dung bị giảm CL. Đó là cảm biến kiểu vi sai.

Sau khi mắc cảm biến vào mạch đo chuẩn hoá (MĐCH) tín hiệu phát ra dưới dạng tần số. Qua mạch cách ly bằng phôtôđiốt tín hiệu được đưa vào CPU. MUX được cài đặt

110

để ngoài tín hiệu đo còn đưa tín hiệu nhiệt độ môi trường vào để hiệu chỉnh sai số qua một cảm biến nhiệt độ sau đó qua A/D để đưa vào vi xử lý, RAM... trong CPU. CPU làm nhiệm vụ quản lý mọi thao tác của tất cả các khâu trong bộ cảm biến như tuyến tính hoá từng đoạn đường cong của cảm biến và truyền thông tin đi xa qua MODEM hoặc vào máy tính.

Chương trình được cất giữ ở PROM bên trong vi xử lý khi thu thập số liệu, thông tin được nhớ vào RAM. Thông tin trong RAM sẽ bị mất khi ngắt nguồn vì vậy CPU có chứa thêm EEPROM để lưu trữ thông tin này. Ví dụ về thao tác này là quá trình khắc độ, sắp xếp và nhận biết cho ra số liệu đo.

Một bộ EEPROM khác cũng được lắp đặt để ghi và đọc thông tin về độ chênh lệch áp suất và nhiệt độ môi trường. Bộ đầu ra OUTPUT thực hiện nhiệm vụ đưa thông tin ra dưới dạng tương tự (qua D/A-126A) dưới dạng dòng một chiều DC 4 – 20 mA hoặc ra chỉ thị số, hoặc truyền đi xa hay vào máy tính (thông qua MODEM EELL-202). Sử dụng MODEM để điều hcế tần số dạng mã ứng với mức “1” là tần số 1200Hz và ứng với mức “0” là tần số 2200Hz khi truyền tần số hoặc truyền dòng điện 1 chiều DC 4 – 20 mA. Nguồn cung cấp có dòng là 3,9mA.

Tuỳ thuộc vào cách sử dụng, bộ cảm biến thông minh có thể có các chức năng sau:

+ Đo trực tiếp đại lượng đo x: sử dụng trong trường hợp đo áp suất, độ chênh áp suất và đo mức.

+ Đo căn bậc 2 của x ( x ): trong trường hợp đo lưu lượng với các chuyển đổi áp suất kiểu vi sai.

+ Đo căn bậc 2 của x3 ( 3x ): sử dụng cho trường hợp đo lưu lượng một kênh nước mở có tiết diện hình thang.

+ Đo căn bậc 2 của x5 ( 5x ): sử dụng cho trường hợp đo lưu lượng một kênh nước mở có tiết diện hình chữ V.

+ Tín hiệu áp suất được sắp xếp theo bảng biểu có 16 điểm hay biến đổi thành mức của một bể chứa hình trụ.

+ Quá trình diễn ra luôn được so sánh với một giá trị đặt trước (Setpoint). Sự sai lệch so với giá trị đặt sẽ được đưa vào điều khiển bởi thuật toán PID.

+ Quá trình hiệu chỉnh được thực hiện cho không những mức cao, mức thấp mà còn cho các chức năng khác như: đầu vào, đầu ra, các dạng thao tác, chỉ thị, điều chỉnh giá trị đặt, điều chỉnh các thông số của bộ PID... một cách tự động hoàn toàn.

+ ...

111

3.5.2. Cảm biến đo áp suất vi sai thông minh:(SMART 3000 - Honeywell)

Đây là cảm biến áp suất vi sai (DPS - Differential Pressure Sensor) kết hợp với cảm biến áp suất tĩnh (SPS - Static Pressure Sensor) và một cảm biến nhiệt độ (TS – Temperature Sensor). Hai loại cảm biến sau để phân tích và phản ánh các đại lượng ảnh hưởng đến phép đo và hiệu chỉnh đại lượng cần đo là áp suất vi sai. Toàn bộ 3 cảm biến này nằm trong một hộp tiêu thụ dòng điện khoảng 4 – 20 mA. Việc trao đổi giữa cảm biến và nhân viên vận hành nhờ bàn phím. Sơ đồ như vẽ:

112

Khối cảm biến ở đây gồm 3 cảm biến DPS, SPS, TS; tiếp theo là bộ điều biến độ rộng xung PWM dùng để chuẩn hoá tín hiệu đo. Tiếp đến tín hiệu tương tự thu được sẽ được số hoá và xử lý thông qua bộ vi xử lý, vi điều khiển và bộ xử lý tín hiệu DSP (Digital Signal Processor) (bộ xử lý chuyên dùng này thường được dùng ở những nơi cần tăng cường khả năng tính toán. Chương trình của chúng thường chứa nhiều lệnh số học hơn các lệnh di chuyển dữ liệu hoặc xử lý vào ra).

3.6. THIẾT BỊ ĐO THÔNG MINH VÀ LINH HOẠT

Cũng trên cơ sở của cảm biến thông minh người ta đã chế tạo ra các thiết bị đo linh hoạt và thông minh. Các thiết bị đo thông minh thường được dùng vào các hệ thống thông tin đo lường sau:

• Hệ thống tự động nghiên cứu khoa học

• Hệ thống tự động kiểm tra xuất xưởng và kiểm tra tiếp nhận hàng hoá

• Hệ thống tự động phân tích nồng độ vật chất trong công nghiệp, sinh hoá, sinh học

• Hệ chuẩn đoán kỹ thuật.

Trong các hệ thống trên người ta đã giải quyết các vấn đề sau:

1. Menu hoá các chế độ đo lường:

2. Chuẩn độ tự động thiết bị:

3. Tự động lập chương trình thử nghiệm:

Các thử nghiệm đều tuân thủ một trình tự thử, thu thập kết quả, xử lý và báo cáo theo một mẫu nhất định. Với một menu nhất định máy tự động lập trình thử, lấy số liệu và in kết quả đo.

Các ví dụ thực tế về máy đo thông minh:

1. Máy TOC-5000: (hãng Shimadzu, Nhật Bản)

Máy hoạt động dựa trên nguyên lý đốt và phân tích khí kiểu hồng ngoại. Khoảng đo 4.10-9 đến 4.10-3, sai số không vượt quá 1% đến 2% tuỳ theo chế độ làm việc.

113

Máy có các khả năng đo lường sau:

• Phân tích TC (nồng độ cacbon toàn phần)

• Phân tích IC (nồng độ cacbon vô cơ)

• Phân tích TOC (nồng độ cacbon hữu cơ toàn phần)

• Phân tích NPOC (nồng độ cacbon hữu cơ không sục)

Trên cơ sở tín hiệu phân tích có thể thực hiện các nhiệm vụ:

+ Tự động hoá điều khiển van, lò, motơ... để thực hiện phép đo theo menu.

+ Tự động chọn chế độ tối ưu cho việc phân tích

+ Tự động chọn đường cong khắc độ thích hợp nhất cho việc phân tích

+ Tự động chọn khối lượng chất thử nghiệm thích hợp cho việc thử (4÷2500µl)

+ Tư động lặp lại phép đo 10 lần xử lý gia công ngẫu nhiên

+ Tự động tính toán diện tích các xung pick nhọn để suy ra nồng độ

+ Tự động trình bày kết quả dưới nhiều dạng khác nhau tuỳ theo yêu cầu.

2. Máy 7457-5700A: (công ty Fluke, Mỹ)

Máy có khả năng tự động kiểm tra các thiết bị đo:

+ Kiểm tra các multimet (vạn năng kế) tương tự hoặc số với các giải đo khác nhau.

+ Đo điện áp một chiều và xoay chiều (220mV đến 1100V) với sai số không lớn hơn 10 phần triệu.

+ Đo dòng điện một chiều và xoay chiều (220µA đến 2,2A) có thể mở rộng thang đo đến 11A.

+ Đo điện trở từ 1Ω đến 100MΩ.

114

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1]. Nguyễn Đức Chiến, Vũ Quý Điềm, Phạm Văn Tuân, Đỗ Lê Phú; Giáo trình cảm biến; NXB Khoa học và kỹ thuật.

[2]. Phạm Thượng Hàn, Nguyễn Trọng Quế, Nguyễn Văn Hoà; Kỹ thuật đo lường các đại lượng vật lý ; NXB Giáo dục.

[3]. Lê Văn Doanh, Phạm Thượng Hàn, Nguyễn Văn Hòa, Võ Thạch Sơn, Đào Văn Tân; Các bộ cảm biến trong kỹ thuật đo lường và điều khiển; NXB Khoa học và kỹ thuật.

[4]. Nguyễn Ngọc Tân, Ngô Tấn Nhơn, Ngô Văn Ky; Kỹ thuật đo; Đại học Bách Khoa TpHCM.

[5]. Bùi Văn Yên ;Đo điện thực hành; NXB Hải Phòng.

[6]. Dương Minh Trí ;Cảm biến và ứng dụng; NXB Khoa học và kỹ thuật.

[7]. Giáo trình đo lường các đại lượng điện và không điện; Vụ Trung học chuyên nghiệp - Dạy nghề.

[8]. Vũ Quý Điềm, Phạm Văn Tuân, Đỗ Lê Phú; Cơ sở kỹ thuật đo lường điện tử; NXB Khoa học và kỹ thuật.

[9]. Bộ sách giáo trình Vật lý đại cương đã học trong giai đoạn đại cương.

[10]. Manual for Theory; PEPPERL FUCHS company

[11]. Jacob Fraden; Handbook of modern sensors; Springer

[12]. Ian R. Sinclair; Sensor and Tranducers; Planta Tree

[13]. Jon Wilson; Sensor technology handbook;Elsevier

[14]. Thomas Putruzzelles;Alarm, Sensor & Security circuit Cookbook; Mc Graw-Hill