Skip to content Skip to navigation Skip to collection information

OpenStax-CNX

You are here: Home » Content » Giáo trình thiết bị điện » Cảm biến

Navigation

Lenses

What is a lens?

Definition of a lens

Lenses

A lens is a custom view of the content in the repository. You can think of it as a fancy kind of list that will let you see content through the eyes of organizations and people you trust.

What is in a lens?

Lens makers point to materials (modules and collections), creating a guide that includes their own comments and descriptive tags about the content.

Who can create a lens?

Any individual member, a community, or a respected organization.

What are tags? tag icon

Tags are descriptors added by lens makers to help label content, attaching a vocabulary that is meaningful in the context of the lens.

This content is ...

Affiliated with (What does "Affiliated with" mean?)

This content is either by members of the organizations listed or about topics related to the organizations listed. Click each link to see a list of all content affiliated with the organization.
  • VOCW

    This module and collection are included inLens: Vietnam OpenCourseWare's Lens
    By: Vietnam OpenCourseWare

    Click the "VOCW" link to see all content affiliated with them.

Recently Viewed

This feature requires Javascript to be enabled.
 

Cảm biến

Module by: Lê Thành Bắc. E-mail the author

Summary: Phần này trình bày khái niệm chung về cảm biến

KHÁI NIỆM CHUNG

Khái niệm

Cảm biến là các phần tử nhạy cảm dùng để biến đổi các đại lượng đo lường, kiểm tra hay điều khiển từ dạng này sang dạng khác thuận tiện hơn cho việc tác động của các phần tử khác. Cảm biến là một thiết bị chịu tác động của đại lượng cần đo m không có tính chất điện và cho một đặc trưng mang bản chất điện (như điện tích, điện áp, dòng điện, trở kháng) kí hiệu là s có s = F(m). Cảm biến thường dùng ở khâu đo lường và kiểm tra.

Các loại cảm biến được sử dụng rộng rãi trong tự động hóa các quá trình sản xuất và điều khiển tự động các hệ thống khác nhau. Chúng có chức năng biến đổi sự thay đổi liên tục các đại lượng đầu vào (đại lượng đo lường - kiểm tra, là các đại lượng không điện nào đó thành sự thay đổi của các đại lượng đầu ra là đại lượng điện, ví dụ: điện trở, điện dung, điện kháng, dòng điện, tần số, điện áp rơi, góc pha,...

Căn cứ theo dạng đại lượng đầu vào người ta phân ra các loại cảm biến như: cảm biến chuyển dịch thẳng, chuyển dịch góc quay, tốc độ, gia tốc, mô men quay, nhiệt độ, áp suất, quang, bức xạ,...

Các thông số cơ bản của cảm biến

a) Độ nhạy S=ΔYΔXS=ΔYΔX size 12{S= { {ΔY} over {ΔX} } } {}

Với: +X: gia số đại lượng đầu vào.

+Y: gia số đại lượng đầu ra.

Trong thực tế còn sử dụng độ nhạy tương đối: S0=S0= size 12{S rSub { size 8{0} } = { { {ΔY} wideslash {Y} } over { {ΔX} wideslash {X} } } } {}

Với: Y là đại lượng ra.

X là đại lượng vào.

Cảm biến có thể là tuyến tính nếu S0=const hoặc là phi tuyến nếu S0= var. Cảm biến phi tuyến có độ nhạy phụ thuộc vào giá trị đại lượng vào (X).

b) Sai số

Sự phụ thuộc của đại lượng ra Y vào đại lượng đầu vào X gọi là đặc tính vào ra của cảm biến. Sự sai khác giữa đặc tính vào ra thực với đặc tính chuẩn (đặc tính tính toán hay đặc tính cho trong lí lịch) được đánh giá bằng sai số.

Phân làm hai loại sai số

+ Sai số tuyệt đối ΔX=X'XΔX=X'X size 12{ΔX=X' - X} {}

X': giá trị đo được; X: giá trị thực.

+ Sai số tương đối a=ΔXXa=ΔXX size 12{a= { {ΔX} over {X} } } {}

Các nguyên nhân ảnh hưởng tới sai số

Có nhiều nguyên nhân khách quan và chủ quan ảnh hưởng tới sai số, trong thực tế người ta đưa ra các tiêu chuẩn và các điều kiện kĩ thuật để hạn chế mức độ ảnh hưởng này trong phạm vi cho phép.

Sai số ở giá trị định mức do yếu tố của bên ngoài gọi là sai số cơ bản. Nếu yếu tố của bên ngoài vượt ra khỏi giới hạn định mức thì xuất hiện sai số phụ. Để giảm sai số phụ phải giảm độ nhạy của cảm biến với yếu tố ngoài hoặc hạn chế ảnh hưởng của chúng bằng màn chắn hay môi trường khác.

c) Các yêu cầu của cảm biến

Muốn có độ nhạy cao, sai số nhỏ, cảm biến cần có các tính chất sau:

+ Có dải thay đổi đại lượng vào cần thiết.

+ Thích ứng và thuận tiện với sơ đồ đo lường, kiểm tra.

+ Ảnh hưởng ít nhất đến đại lượng đầu vào.

+ Có quán tính nhỏ.

Hiện nay có rất nhiều loại cảm biến, chúng làm việc theo nhiều nguyên lí khác nhau, do vậy kết cấu của cảm biến rất đa dạng và phong phú. Bảng 7-1 là nguyên lí làm việc và lãnh vực của cảm biến cảm ứng, là loại phổ biến trong tự động hóa và điều khiển tự động.

d) Phân loại cảm biến

Có thể phân các cảm biến làm hai nhóm chính: là cảm biến tham số (thụ động) và cảm biến phát (chủ động hay tích cực).

* Nhóm phát (làm việc như một máy phát hình 7-1) bao gồm các loại cảm biến sử dụng hiệu ứng cảm ứng điện từ, hiệu ứng điện áp, hiệu ứng Holl và sự xuất hiện sức điện động của cặp nhiệt ngẫu, tế bào quang điện.

+Hiệu ứng cảm ứng điện từ: trong một dây dẫn chuyển động trong một từ trường không đổi sẽ xuất hiện một sức điện động tỉ lệ với từ thông cắt ngang dây trong một đơn vị thời gian, nghĩa là tỉ lệ với tốc độ dịch chuyển của dây dẫn.

Hiệu ứng cảm ứng điện từ được ứng dụng để xác định tốc độ dịch chuyển của vật thông qua việc đo sức điện động cảm ứng.

+Hiệu ứng quang phát xạ điện tử: là hiện tượng các điện tử được giải phóng thoát ra khỏi vật liệu tạo thành dòng được thu lại dưới tác dụng của điện trường.

+Hiệu ứng quang điện trong chất bán dẫn: là hiện tượng khi một chuyển tiếp P-N được chiếu sáng sẽ phát sinh ra các cặp điện tử-lỗ trống, chúng chuyển động dưới tác dụng của điện trường chuyển tiếp làm thay đổi hiệu điện thế giữa hai đầu chuyển tiếp.

+Hiệu ứng Holl: trong vật liệu (thường là bán dẫn) dạng tấm mỏng có dòng điện chạy qua đặt trong từ trường B có phương tạo thành một góc với dòng điện I sẽ xuất hiện một hiệu điện thế U theo hướng vuông góc với B và I. Hiệu ứng Holl được ứng dụng để xác định vị trí của một vật chuyển động. Vật sẽ được ghép nối cơ học với một thanh nam châm, ở mọi thời điểm vị trí của thanh nam châm xác định giá trị của từ trường và góc lệch tương ứng với tấm bán dẫn mỏng làm trung gian. Hiệu điện thế đo được giữa hai cạnh tấm bán dẫn trong trường hợp này (gián tiếp) là hàm phụ thuộc vị trí của vật trong không gian.

Hình 1
Hình 1 (graphics1.png)

Cảm biến loại này là cảm biến tích cực vì trong trường hợp này nguồn của dòng điện I (chứ không phải đại lượng cần đo) cung cấp năng lượng liên quan đến tín hiệu đo.

+Hiệu ứng điện áp: khi tác dụng lực cơ học lên một vật làm bằng vật liệu áp điện (như thạch anh) sẽ gây nên biến dạng của vật đó và làm xuất hiện lượng điện tích bằng nhau nhưng trái dấu nhau trên các mặt đối diện của vật (là hiệu ứng điện áp). Hiệu ứng này được ứng dụng để xác định lực hoặc các đại lượng gây nên lực tác dụng vào vật liệu áp điện (như áp suất, gia tốc,...) thông qua việc đo điện áp trên hai bản cực tụ điện.

Ngoài ra còn cảm biến nhiệt điện, cảm biến hóa điện,...

*Cảm biến tham số (thụ động): thường được chế tạo từ những trở kháng có một trong các thông số chủ yếu nhạy với đại lượng cần đo. Một mặt giá trị của trở kháng phụ thuộc vào kích thước hình học của mẫu, nhưng mặt khác nó còn phụ thuộc vào tính chất điện của vật liệu như: điện trở suất, từ thẩm, hằng số điện môi. Vì vậy giá trị của trở kháng thay đổi dưới tác dụng của đại lượng đo ảnh hưởng riêng biệt đến tính chất hình học, tính chất điện hoặc đồng thời ảnh hưởng cả hai. Thông số hình học hoặc kích thước của trở kháng có thể thay đổi nếu cảm biến có phần tử chuyển động hoặc phần tử biến dạng.

+Trường hợp khi có phần tử động thì mỗi vị trí của phần tử sẽ tương ứng với một giá trị trở kháng, đo trở kháng sẽ xác định được vị trí đối tượng. Đây là nguyên lí nhiều cảm biến như cảm biến vị trí, cảm biến dịch chuyển.

+Trường hợp cảm biến có phần tử biến dạng, thì sự biến dạng gây nên bởi lực hoặc các đại lượng dẫn đến lực (áp suất, gia tốc) tác dụng trực tiếp hoặc gián tiếp lên cảm biến làm thay đổi trở kháng. Sự thay đổi trở kháng liên quan đến lực tác động lên cấu trúc, nghĩa là tác động của đại lượng cần đo được biến đổi thành tín hiệu điện (hiệu ứng áp trở).

Trở kháng của cảm biến thụ động và sự thay đổi của trở kháng dưới tác dụng của đại lượng cần đo chỉ có thể xác định được khi cảm biến là một thành phần của mạch điện. Trong thực tế tùy từng trường hợp cụ thể mà người ta chọn mạch đo thích hợp với cảm biến. Hình minh họa dưới đây biểu diễn một mạch điện đo điện thế trên bề mặt màng nhạy quang được lắp ráp từ nhiều phần tử.

Hình 2
Hình 2 (graphics2.png)

Bảng 1: Một số loại cảm biến thông dụng

Bảng 1
Đại lượng đầu vào Phương pháp thay đổi từ dẫn
-Cảm biến chuyển dịch cơ học- Lực , hoặc áp suất.- Nhiệt độ.- Cường độ từ trường. -Thay đổi khe hở không khí-Dùng một trong hai phương pháp sau:+ Hiệu ứng đàn hồi từ (từ dẫn thay đổi dưới tác dụng của lực hoặc áp lực).+ Độ võng của màng dẻo và chuyển dịch của phần ứng liên kết với chúng thay đổi khe hở không khí.-Thay đổi độ từ thẩm mm size 12{m} {} .-Thay đổi độ từ thẩm mm size 12{m} {} (cuộn kháng bão hòa).

Bảng 7-2: Đặc điểm một số loại cảm biến

Bảng 2
Đại lượng cần đo Đặc trưng nhạy cảm Loại vật liệu sử dụng
Nhiệt độ (điện trở suất) Kim loại:Pt,Ni,CuBán dẫn
Bức xạ ánh sáng Bán dẫn
Biến dạng Từ thẩm () Hợp kim Ni,Si pha tạpHợp kim sắt từ
Vị trí (nam châm) Vật liệu từ trở Bi,InSb
Độ ẩm  (hằng số điện môi) LiClAl2O3,Polime
Mức Chất lưu cách điện

Ta chỉ khảo sát ở đây một số loại có nguyên lí làm việc gần với lãnh vực thiết bị điện, các cảm biến còn lại tham khảo các tài liệu khác.

CẢM BIẾN ĐIỆN TRỞ

Khái niệm

Cảm biến điện trở có đại lượng đầu vào là các đại lượng cơ: chuyển dịch cơ học thẳng hoặc chuyển dịch góc quay (hình minh họa), áp lực, độ biến dạng,...

Còn đại lượng đầu ra là điện trở hoặc sự thay đổi điện trở của cảm biến. Theo kết cấu cảm biến điện trở có các loại:

- Cảm biến điện trở dây quấn.

- Cảm biến điện trở tiếp xúc.

- Cảm biến điện trở biến dạng (tenzô).

Hình 3
Hình 3 (graphics3.png)

Cảm biến điện trở dây quấn

Nguyên lí loại này hoàn toàn giống một biến trở trong phòng thí nghiệm. Nếu cơ cấu đo (phần tử chuyển dịch) được liên hệ về cơ với tiếp điểm động (con trượt biến trở), thì sự chuyển dịch của tiếp điểm động sẽ phụ thuộc chuyển dịch của cơ cấu đo (lượng vào) dẫn đến điện trở đầu ra của cảm biến (lượng ra) thay đổi tương ứng. Tiếp điểm động có thể chuyển động thẳng hoặc quay (hình minh họa).

Cấu tạo: Các bộ phận chính của cảm biến gồm:

+ Khung của cảm biến thường bằng vật liệu cách điện, chịu nhiệt như ghetinắc, técxtôlít, sứ hoặc kim loại có phủ lớp cách điện, cách nhiệt bên ngoài. Tiết diện ngang của khung có thể không đổi (cảm biến tuyến tính) hoặc thay đổi (cảm biến phi tuyến).

+ Dây điện trở : làm bằng kim loại ít bị ôxy hóa có điện trở ít thay đổi theo thời gian và theo nhiệt độ như côngstăngtan, vonfram, maganin,... Bên ngoài dây được phủ một lớp sơn cách điện hoặc lớp oxit và một lớp sơn để gắn chặt dây quấn với khung. Độ lớn của dây quấn phụ thuộc vào độ chính xác yêu cầu của cảm biến. Đối với cảm biến có độ chính xác cao, dây có đường kính từ 0,03mm đến 0,1 mm, loại có độ chính xác thấp thì đường kính dây từ 0,1mm đến 0,4 mm.

+ Tiếp điểm: được làm bằng kim loại có tính dẫn điện tốt, chịu mài mòn và có điện trở tiếp xúc nhỏ, bề rộng tiếp xúc trên cuộn dây bằng 2 đến 3 lần đường kính dây. Dải này được tạo ra bằng cách dùng giấy nhám mỏng đánh bóng trên cuộn dây. Lực ép lên tiếp điểm bằng 0,5g đến 15 g.

Cảm biến tuyến tính

Thường được nối một cách đơn giản bằng ba cách như hình minh họa

Hình 4
Hình 4 (graphics4.png)

Ở chế độ không tải hoặc khi điện trở vào của mạch lớn hơn nhiều so với điện trở của cảm biến R0 thì điện áp ra UR0 phụ thuộc vào chuyển dịch x hoặc góc jj size 12{j} {} theo phương trình sau mà không phụ thuộc vào trị số điện trở R0:

- Cảm biến thẳng: UR0 = U0R0.r=U0l.x=s.xU0R0.r=U0l.x=s.x size 12{ { {U rSub { size 8{0} } } over {R rSub { size 8{0} } } } "." r= { {U rSub { size 8{0} } } over {l} } "." x=s "." x} {}

- Cảm biến quay : UR0 = U0R0.r=s.ϕU0R0.r=s.ϕ size 12{ { {U rSub { size 8{0} } } over {R rSub { size 8{0} } } } "." r=s "." ϕ} {}

Trong đó: s = U0lU0l size 12{ { {U rSub { size 8{0} } } over {l} } } {} gọi là độ nhạy của cảm biến, trên đặc tính góc hình 7-5, góc αα size 12{α} {} có : tg αα size 12{α} {} = s = U0lU0l size 12{ { {U rSub { size 8{0} } } over {l} } } {}.

Chú ý: nếu nối cảm biến theo sơ đồ a) và b) hình minh họa trên thì cực tính điện áp ra của cảm biến không thay đổi, nếu nối theo sơ đồ c) có thể thay đổi được điện áp ra lớn nhất giảm còn U0/2 nhưng ở cực tính điện áp ra vẫn bằng U0, có nghĩa là độ nhạy cảm biến tăng lên hai lần. Tuy nhiên cấu tạo cảm biến theo sơ đồ này sẽ phức tạp hơn. Ngoài các loại như hình minh họa a,b,c còn dùng sơ đồ kiểu cảm biến kép góc quay.

Hình 5
Hình 5 (graphics5.png)

Thông thường để tăng độ nhạy của cảm biến người ta nâng cao điện áp làm việc U0.

Việc này dẫn đến tăng công suất tiêu tán của cảm biến. Độ nhạy cực đại phụ thuộc vào công suất cho phép lớn nhất Pmax của điện trở cảm biến R0 được xác định theo công thức sau:

S max = P max . R 0 x max S max = P max . R 0 x max size 12{S rSub { size 8{"max"} } = { { sqrt {P rSub { size 8{"max"} } "." R rSub { size 8{0} } } } over {x rSub { size 8{"max"} } } } } {}

Trong đó: xmax là độ dịch chuyển lớn nhất của tiếp điểm động.

Độ nhạy của cảm biến điện trở đạt từ 3 đến 5 [V/mm].

Một số nguyên nhân sai số của cảm biến khi làm việc

+ Vùng không nhạy : do cảm biến gồm nhiều vòng dây quấn liên tiếp trên khung nên trong quá trình làm việc tiếp điểm động dịch chuyển từ vùng này sang vùng khác điện áp sẽ thay đổi nhảy cấp với giá trị DD size 12{D} {}U ( là điện áp rơi trên một vòng dây).

DD size 12{D} {}U = U0WU0W size 12{ { {U rSub { size 8{0} } } over {W} } } {}

Với W là số vòng dây của cảm biến.

Khi tiếp điểm chưa chuyển dịch đến vùng khác thì điện áp ra không đổi do đó đặc tính UR0 thực chất là đường bậc thang như hình minh họa.

Hình 6
Hình 6 (graphics6.png)

+ Sai số do tải: khi đặt tải Rt và điện áp vào Ro là U0 thì đặc tính UR = f (x) sẽ thay đổi hình dạng không còn là đường thẳng nữa. Xét cảm biến đơn tải như hình minh họa.

Hình 7
Hình 7 (graphics7.png)

Sau khi biến đổi ta có:

Ur=Ir.Rtr+RtI=U0(R0+r)+r.Rtr+RtUr=Ir.Rtr+RtI=U0(R0+r)+r.Rtr+Rtalignl { stack { size 12{U rSub { size 8{r} } =I { {r "." R rSub { size 8{t} } } over {r+R rSub { size 8{t} } } } } {} # I= { {U rSub { size 8{0} } } over { \( R rSub { size 8{0} } +r \) + { {r "." R rSub { size 8{t} } } over {r+R rSub { size 8{t} } } } } } {} } } {} .

Từ đó ta có :

Ur = I.r = U0.rR0+r.R0Rtr2RtU0.rR0+r.R0Rtr2Rt size 12{ { {U rSub { size 8{0} } "." r} over {R rSub { size 8{0} } + { {r "." R rSub { size 8{0} } } over {R rSub { size 8{t} } } } - { {r rSup { size 8{2} } } over {R rSub { size 8{t} } } } } } } {} ( 7.1)

-Nếu Rt >> R0 thì R0Rt0R0Rt0 size 12{ { {R rSub { size 8{0} } } over {R rSub { size 8{t} } } } approx 0} {} và r2Rt0r2Rt0 size 12{ { {r rSup { size 8{2} } } over {R rSub { size 8{t} } } } approx 0} {} ta có:

Ur = U0.rR0=U0U0.rR0=U0 size 12{U rSub { size 8{0} } "." { {r} over {R rSub { size 8{0} } } } =U rSub { size 8{0} } } {} .

Rt hầu như không ảnh hưởng đến điện áp ra và đặc tính gần dạng không tải.

-Nếu Rt »» size 12{»} {} R0 thì sai số gây ra sẽ là:

ΔU=U0.r2(R0r)R02Rt+R02.rR0.r2ΔU=U0.r2(R0r)R02Rt+R02.rR0.r2 size 12{ΔU= { {U rSub { size 8{0} } "." r rSup { size 8{2} } \( R rSub { size 8{0} } - r \) } over {R rSub { size 8{0} rSup { size 8{2} } } R rSub { size 8{t} } +R rSub { size 8{0} } rSup { size 8{2} } "." r - R rSub { size 8{0} } "." r rSup { size 8{2} } } } } {}.

Và ta có sai số tương đối lớn nhất:

amax = ΔUU0ΔUU0 size 12{ { {ΔU} over {U rSub { size 8{0} } } } } {} tại r = 23R023R0 size 12{ { {2} over {3} } R rSub { size 8{0} } } {} ứng với x = 23l23l size 12{ { {2} over {3} } l} {}

và amax = 427η427η size 12{ { {4} over {"27"η} } } {} với η=RtR0η=RtR0 size 12{η= { {R rSub { size 8{t} } } over {R rSub { size 8{0} } } } } {} là hệ số tải. Ta thấy hệ số tải càng lớn hh size 12{h} {} càng lớn thì sai số a càng nhỏ.

Ngoài ra sai số của cảm biến còn do sự thay đổi của nhiệt độ, ma sát do điện áp rơi trên tiếp xúc gây ra.

Cảm biến phi tuyến

Trong kĩ thuật ngoài cảm biến điện trở tuyến tính còn cần cả những cảm biến điện trở phi tuyến là loại có đặc tính quan hệ Ur = f(x) dạng phi tuyến. Để tạo ra loại cảm biến có quan hệ Ur = f(x) theo yêu cầu cho trước có thể thực hiện theo các phương pháp sau:

a) Thay đổi đường kính dây quấn.

b) Thay đổi bước dây quấn.

c) Thay đổi tiết diện ngang của khung dây.

d) Mắc điện trở sun vào từng phân đoạn của cảm biến tuyến tính có trị số khác nhau.

Thực tế phương pháp a và b rất khó thực hiện do công nghệ chế tạo, chỉ có hai phương pháp sau thường được sử dụng. Phương pháp thay đổi tiết diện ngang của khung dây thường để đơn giản cho chế tạo. Người ta sử dụng dây quấn tiết diện không đổi và bề mặt khung như nhau suốt chiều dài khung (như hình minh họa).

Hình 8
Hình 8 (graphics8.png)

Trong đó có:

hx là chiều cao khung tại vị trí x.

l:chiều dài làm việc của cảm biến .

W: số vòng dây.

R0 là điện trở toàn bộ của cảm biến.

S là tiết diện dây quấn.

rx là điện trở ứng với vị trí x.

Nếu tiếp điểm động dịch chuyển từ vị trí x đi một đoạn dx thì điện trở ứng với độ dịch chuyển đó là:

drx = ρ..2(b+hx).Wl.dxsρ..2(b+hx).Wl.dxs size 12{ { {ρ "." "." 2 \( b+h rSub { size 8{x} } \) "." { {W} over {l} } "." ital "dx"} over {s} } } {}

Hình 7-9: Mạch đo mức chất lỏng dùng cảm biến Vì b<< hx và coi như b+hx »» size 12{»} {}hx nên có:

drx ρ..2.hx.Wl.sρ..2.hx.Wl.s size 12{ approx { {ρ "." "." 2 "." h rSub { size 8{x} } "." W} over {l "." s} } } {} .

Ứng dụng cảm biến điện trở trong bể đo mức chất lỏng hình 7-9.

Trong đó:

  1. Bể chất lỏng.
  2. Phao nối với bộ phận cơ khí.
  3. Tiếp điểm động.
  4. Cảm biến. 5- Lô gô mét.

Cảm biến điện trở tiếp xúc (biến trở than)

Dựa trên nguyên lí sự thay đổi điện trở tiếp xúc giữa các hạt than khi lực ép lên (áp lực) trên chúng thay đổi.

Cấu tạo: gồm các hạt than được kết dính theo một phương pháp nhất định thành các đĩa đường kính từ 5 đến 30 mm dày 1mm đến 2mm. Mỗi cảm biến gồm 10 đến 15 đĩa than xếp chồng nên nhau và có điện trở khoảng vài chục Ôm. Để tăng độ ổn định khi làm việc cảm biến được đặt dưới áp suất ban đầu (khi không tải) khoảng 20kg/cm2, áp suất lớn nhất khi làm việc (có tải) đến (50  60) kg/cm2 thì điện trở cảm biến giảm (20  30)%. Đại lượng vào là lực F ra là Rk đặc tính vào ra như hình minh họa.

Hình 9
Hình 9 (graphics9.png)

quan hệ Rk = f(F) mô tả theo công thức : Rk=KFm+Rk0Rk=KFm+Rk0 size 12{R rSub { size 8{k} } = { {K} over {F rSup {m} } } size 12{+R rSub {k rSub { size 6{0} } } }} {}, với:

K:hãû säú phuû thuäüc váût liãûu âéa thanm:hãû säú phuû thuäüc daûng tiãúp xuïcRk0:âiãûn tråí tåïi haûn våïi aïp læûc eïp tåïi haûn.{{K:hãû säú phuû thuäüc váût liãûu âéa thanm:hãû säú phuû thuäüc daûng tiãúp xuïcRk0:âiãûn tråí tåïi haûn våïi aïp læûc eïp tåïi haûn.{{ size 12{alignl { stack { left lbrace size 10{K: } size 11{"hãû säú phuû thuäüc váût liãûu âéa than"} {} # right none left lbrace size 12{ size 10{m: } size 11{"hãû säú phuû thuäüc daûng tiãúp xuïc"}} {} # right none left lbrace size 12{ size 10{R rSub { size 8{"k0"} } : } size 11{"âiãûn tråí tåïi haûn våïi aïp læûc eïp tåïi haûn" "." }} {} # right no } } size 12{ lbrace }} {}Nếu cảm biến gồm n đĩa thì:

R k = ( n 1 ) K F m + R k 0 R k = ( n 1 ) K F m + R k 0 size 12{R rSub { size 8{k} } = \( n - 1 \) left ( { {K} over {F rSup { size 8{m} } } } +R rSub { size 8{k rSub { size 6{0} } } } right )} {}

Quan hệ Rk = f(F) là phi tuyến khi F tăng đến một giá trị nào đó thì Rk không giảm nữa và có tính chất trễ như đặc tính hình 7-10 là do tính chất không đàn hồi của vật liệu tạo nên. Đây là một nguyên nhân gây ra sai số, ngoài ra khi nhiệt độ  tăng thì điện trở cảm biến giảm ( tăng do môi trường hoặc do tổn hao trong cảm biến).

Ưu điểm : đơn giản, chất tạo từ vật liệu rẻ tiền, công suất tương đối lớn tới hàng trăm W và dòng qua đến vài A, không cần cơ cấu khuếch đại. Thường dùng đo áp lực và trong các bộ phận tự động điều chỉnh điện áp máy phát một chiều và xoay chiều.

Ví dụ: cảm biến trong tự động điều chỉnh điện áp máy phát một chiều hình 7-11 gồm:

Hình 7-11: Tự động điều chỉnh điện áp máy điện một chiều1-nam châm điện một chiều có cuộn dây nối song song với điện áp máy phát, lực hút nam châm sẽ thay đổi tùy điện áp ra.

2- lò xo cân bằng với lực nam châm 1, tạo ra lực ép lên đĩa than nhờ tay đòn 3, bộ phận thừa hành là cảm biến 4 nối với mạch kích từ máy phát.

Cảm biến kiểu biến dạng (tenzô)

Ta biết rằng khi có lực tác dụng vào vật dẫn thì kích thước và cấu trúc của chúng sẽ thay đổi làm điện trở thay đổi. Lợi dụng tính chất này người ta chế tạo cảm biến biến dạng dùng để đo và kiểm tra các lực biến dạng cơ của các chi tiết máy, có loại kiểu dây quấn, kiểu bán dẫn.

CẢM BIẾN ĐIỆN CẢM

Cảm biến có điện cảm thay đổi

Hình 10
Hình 10 (graphics10.png)

Hình minh họa là loại cảm biến điện cảm đơn giản nếu bỏ qua từ trở lõi thép, từ thông rò và từ thông tản khe hở không khí làm việc thì ta có điện cảm.

L = W 2 G δ = W 2 μ 0 S δ [ H ] Våïi: W laì säú voìng dáy cuäün dáy μ 0 : = 1,25 . 10 -6 [ H/m ] laì âäü tæì tháøm cuía khäng khê . S : tiãút diãûn ngang maûch tæì [ m 2 ] . δ : chiãöu daìi khe håí laìm viãûc [ m ] . Ta coï: I = U ( R T + R ) 2 + ( ωL ) 2 = U R 0 2 + ( fW 2 G δ ) 2 L = W 2 G δ = W 2 μ 0 S δ [ H ] Våïi: W laì säú voìng dáy cuäün dáy μ 0 : = 1,25 . 10 -6 [ H/m ] laì âäü tæì tháøm cuía khäng khê . S : tiãút diãûn ngang maûch tæì [ m 2 ] . δ : chiãöu daìi khe håí laìm viãûc [ m ] . Ta coï: I = U ( R T + R ) 2 + ( ωL ) 2 = U R 0 2 + ( fW 2 G δ ) 2 alignl { stack { size 12{L=W rSup { size 8{2} } G rSub { size 8{δ} } =W rSup { size 8{2} } μ rSub { size 8{0} } { {S} over {δ} } \[ H \] } {} # "Våïi: W" size 10{" laì säú voìng dáy cuäün dáy"} {} # size 10{μ rSub { size 8{0} } :" = 1,25" "." "10" rSup { size 8{"-6"} } \[ ital "H/m" \] ` ital "laì"" âäü tæì tháøm cuía khäng khê" "." } {} # size 12{"S : tiãút diãûn ngang maûch tæì " \[ m rSup { size 8{2} } \] "." } {} # size 12{δ" : chiãöu daìi khe håí laìm viãûc " \[ m \] "." } {} # size 12{"Ta coï:"} {} # size 12{ I= { { size 12{U} } over { size 12{ sqrt { \( R rSub { size 8{T} } +R \) rSup { size 8{2} } + \( ωL \) rSup { size 8{2} } } } } } = { { size 12{U} } over { size 12{ sqrt {R rSub { size 8{0} rSup { size 8{2} } } + \( 2π ital "fW" rSup { size 8{2} } G rSub { size 8{δ} } \) rSup { size 8{2} } } } } } } {} } } {}

RT: điện trở tải, R: điện trở cuộn dây. Điện cảm L sẽ thay đổi nếu ta làm thay đổi khe hở , diện tích S hoặc độ từ thẩm , dẫn đến dòng điện i biến thiên tương ứng. Ứ́ng dụng hiện tượng này người ta chế tạo các loại cảm biến điện cảm khác nhau.

Cảm biến có phần ứng chuyển dịch ngang như hình 7-13. Độ nhạy của cảm biến khi khe hở thay đổi :

K δ = ΔL Δδ = L 0 δ 0 ( 1 + Δδ δ 0 ) 2 K δ = ΔL Δδ = L 0 δ 0 ( 1 + Δδ δ 0 ) 2 alignl { stack { size 12{K rSub { size 8{δ} } = - { {ΔL} over {Δδ} } = { {L rSub { size 8{0} } } over {δ rSub { size 8{0} } \( 1+ { {Δδ} over {δ rSub { size 8{0} } } } \) rSup { size 8{2} } } } } {} # {} } } {}

Diện tích khe hở thay đổi là: Kδ=ΔLΔS=L0S0Kδ=ΔLΔS=L0S0alignl { stack { {} # size 12{K rSub { size 8{δ} } = - { {ΔL} over {ΔS} } = { {L rSub { size 8{0} } } over {S rSub { size 8{0} } } } } {} } } {}

L0 : giá trị điện cảm ban đầu của cảm biến ở  = 0; S = S0.

 và S : độ thay đổi khe hở và diện tích.

Độ nhạy K là hàm phi tuyến với  trong đó các trường hợp làm việc có độ phi tuyến nhỏ có thể chọn Δδδ0=0,2Δδδ0=0,2 size 12{ { {Δδ} over {δ rSub { size 8{0} } } } =0,2} {}.

Sai số của cảm biến

Sai số của cảm biến chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố như :

+ Độ ổn định của biên độ và tần số nguồn cung cấp

+ Ảnh hưởng của nhiệt độ đến điện trở dây quấn và kích thước khe hở làm việc.

Nhược điểm

Cảm biến điện cảm có các nhược điểm sau:

a) Xuất hiện lực hút điện từ tác dụng lên phần ứng, tạo ra phụ tải cơ trên phần tử cần đo lường, kiểm tra nên dẫn đến giảm độ chính xác khi cảm biến làm việc.

b) Dòng trong mạch luôn khác không, giá trị nhỏ nhất của nó ứng với vị trí khe hở  bé nhất (diện tích S lớn nhất) và bằng dòng từ hóa i0. Điều này không thuận tiện trong quá trình đo lường và làm việc.

c) Vì cảm biến có khe hở  lớn, để giảm kích thước và giá thành thì dùng nguồn cung cấu có tần số cao (100  3000) Hz và lớn hơn.

Ứng dụng cảm biến điện cảm như trong thiết bị tự động đo áp suất bình hơi từ xa,...

Ngoài ra còn cảm biến kiểu biến điện áp, biến áp vi sai và cảm biến đàn hồi từ.

Hình 11
Hình 11 (graphics11.png)

CẢM BIẾN CẢM ỨNG - CẢM BIẾN ĐIỆN DUNG - CẢM BIẾN ĐIỂM

Nguyên lí cảm biến cảm ứng

Làm việc dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ. Nếu từ thông móc vòng qua cuộn dây thay đổi thì sẽ xuất hiện một sức điện động cảm ứng trên cuộn dây. Loại này được chế tạo làm hai loại, cuộn dây chuyển động trong từ trường và cuộn dây đứng yên trong từ trường biến thiên.

Ứng dụng : làm cảm biến đo tốc độ.

Cảm biến điện dung

Nguyên lí : sự thay đổi thông số cần đo dẫn đến thay đổi thông số của điện dung tụ điện (khoảng cách hay bề mặt diện tích đặt lực thay đổi).

Cảm biến điểm

Là loại đơn giản nhất, đại lượng vào là độ chuyển dời, còn đại lượng ra là trạng thái đóng hay mở (độ dẫn điện của hệ thống tiếp điểm).

Với một khoảng chuyển dời quy định nào đó tiếp điểm của nó sẽ đóng hay mở làm xuất hiện tín hiệu ra cho ta biết độ dịch chuyển (độ dời lớn hay nhỏ so với quy định).

Dùng trong kiểm tra kích thước và phân loại chi tiết theo kích thước.

CẢM BIẾN QUANG

Tế bào quang dẫn

Các tế bào quang dẫn là một trong những cảm biến quang có độ nhạy cao. Cơ sở vật lí của tế bào quang dẫn là hiện tượng quang dẫn do kết quả của hiệu ứng quang điện nội (hiện tượng giải phóng hạt tải điện trong vật liệu dưới tác dụng của ánh sáng làm tăng độ dẫn điện của vật liệu).

a) Vật liệu để chế tạo cảm biến

Cảm biến quang thường được chế tạo bằng các chất bán dẫn đa tinh thể đồng nhất hoặc đơn tinh thể, bán dẫn riêng hoặc bán dẫn pha tạp, ví dụ như:

+Đa tinh thể :CdS, CdSe, CdTe, PbS, PbSe, PbTe.

+Đơn tinh thể:Ge, Si tinh khiết hoặc pha tạp Au, Cu, Sb, In, SbIn, AsIn, PIn, CdHgTe.

Vùng phổ làm việc của các vật liệu này khác nhau.

b) Các đặc trưng

+ Điện trở: giá trị điện trở tối Rc0 phụ thuộc vào dạng hình học, kích thước, nhiệt độ và bản chất lí hóa của vật liệu quang dẫn. Điện trở Rc của cảm biến khi bị chiếu sáng giảm rất nhanh khi độ rọi tăng lên. Sự phụ thuộc của điện trở vào thông lượng ánh sáng không tuyến tính, tuy nhiên có thể tuyến tính hóa bằng cách sử dụng một điện trở mắc song song với tế bào quang dẫn.

+Độ nhạy: độ dẫn của tế bào quang dẫn là tổng của độ dẫn trong tối và độ dẫn khi chiếu sáng. Độ nhạy phổ là hàm của nhiệt độ nguồn sáng: khi nhiệt độ tăng thì độ nhạy phổ tăng lên.

  1. Ứng dụng của tế bào quang dẫn

Tế bào quang dẫn được ứng dụng nhiều bởi chúng có tỉ lệ chuyển đổi tĩnh và độ nhạy cao cho phép đơn giản hóa trong việc ứng dụng (ví dụ điều khiển các rơle hình 7-14). Nhược điểm chính của tế bào quang dẫn là:

+Hồi đáp phụ thuộc một cách không tuyến tính vào thông lượng.

+Thời gian hồi đáp lớn.

+Các đặc trưng không ổn định (già hóa).

+Độ nhạy phụ thuộc vào nhiệt độ.

+Một số loại đòi hỏi phải làm nguội.

Người ta không dùng tế bào quang dẫn để xác định chính xác thông lượng. Thông thường chúng được sử dụng để phân biệt mức sáng khác nhau (trạng thái tối- sáng hoặc xung ánh sáng). Thực tế thì tế bào quang dẫn thường ứng dụng trong hai trường hợp:

+Để điều khiển rơle thì khi có thông lượng ánh sáng chiếu lên tế bào quang dẫn, điện trở của nó giảm đáng kể đủ để cho dòng điện I chạy qua tế bào. Dòng điện này được sử dụng trực tiếp hoặc thông qua khuếch đại để đóng mở rơle.

+Thu tín hiệu quang dùng để biến đổi xung quang thành xung điện. Sự ngắt quãng của xung ánh sáng chiếu lên tế bào quang dẫn sẽ được phản ánh trung thực qua xung điện của mạch đo, ứng dẫn để đo tốc độ quay của đĩa hoặc đếm vật.

Hình 12
Hình 12 (graphics12.png)

Cáp quang

a) Cấu tạo và các tính chất chung

Hình 7-15 biểu diễn dạng đơn giản của cáp quang. Nó gồm một lõi với chiết suất n1 bán kính a (10 đến 100m) và một vỏ có chiết suất n2 < n1 dày khoảng 50m. Vật liệu để chế tạo cáp quang bao gồm:

+SiO2 tinh khiết hoặc pha tạp nhẹ.

+Thủy tinh, thành phần của SiO2 và phụ gia Na2O3, B2O3, PbO,..

+Polime(trong một số trường hợp).

Hình 13
Hình 13 (graphics13.png)

Ở mặt phân cách giữa hai môi trường có chiết suất tương ứng bằng n1 và n2 các góc 1 và 2 do tia sáng tạo thành với đường trực giác của mặt phẳng (hình 7-16) liên hệ với nhau bởi biểu thức Descates n1sin1= n2 sin2.

Khi n1> n2 sẽ xảy ra phản xạ toàn phần nếu:

1> Arcsin(n2/n1) = 0

Với điều kiện như vậy, trong cáp quang tia sáng sẽ bị giam giữ trong lõi và được truyền đi bằng phản xạ liên tục nối tiếp nhau (hình 7-16b). Ví dụ nếu n1=1,15 và n2= 1,50 sẽ có góc giới hạn 0=83030’.

Hình 14
Hình 14 (graphics14.png)

b)Ứng dụng của cáp quang

+Trong truyền tin: đây là ứng dụng quan trọng nhất, truyền thông tin dưới dạng tín hiệu ánh sáng lan truyền trong cáp quang là để tránh các tín hiệu điện từ kí sinh hoặc để đảm bảo cách điện giữa mạch điện nguồn và máy thu. Trong ứng dụng này thông tin được truyền đi chủ yếu bằng cách mã hóa các xung ánh sáng. Đôi khi người ta có thể truyền thông tin đi bằng cách biến điệu biên độ hoặc tần số của ánh sáng. Khi thiết lập một đường dây truyền tin bằng cáp quang, phải đánh giá công suất của tín hiệu thu được cũng như sự tiêu hao năng lượng do cáp quang và các mối nối gây ra.

+Quan sát và đo bằng phương tiện quang học: cáp quang cho phép quan sát hoặc đo đạc bằng các phương pháp quang ở những chỗ khó tiếp cận hoặc trong các môi trường độc hại. Sử dụng cáp quang có thể dẫn ánh sáng tới được những vị trí mà trong điều kiện bình thường ánh sáng không thể chiếu tới được.

Collection Navigation

Content actions

Download:

Collection as:

EPUB (?)

What is an EPUB file?

EPUB is an electronic book format that can be read on a variety of mobile devices.

Downloading to a reading device

For detailed instructions on how to download this content's EPUB to your specific device, click the "(?)" link.

| More downloads ...

Module as:

PDF | More downloads ...

Add:

Collection to:

My Favorites (?)

'My Favorites' is a special kind of lens which you can use to bookmark modules and collections. 'My Favorites' can only be seen by you, and collections saved in 'My Favorites' can remember the last module you were on. You need an account to use 'My Favorites'.

| A lens I own (?)

Definition of a lens

Lenses

A lens is a custom view of the content in the repository. You can think of it as a fancy kind of list that will let you see content through the eyes of organizations and people you trust.

What is in a lens?

Lens makers point to materials (modules and collections), creating a guide that includes their own comments and descriptive tags about the content.

Who can create a lens?

Any individual member, a community, or a respected organization.

What are tags? tag icon

Tags are descriptors added by lens makers to help label content, attaching a vocabulary that is meaningful in the context of the lens.

| External bookmarks

Module to:

My Favorites (?)

'My Favorites' is a special kind of lens which you can use to bookmark modules and collections. 'My Favorites' can only be seen by you, and collections saved in 'My Favorites' can remember the last module you were on. You need an account to use 'My Favorites'.

| A lens I own (?)

Definition of a lens

Lenses

A lens is a custom view of the content in the repository. You can think of it as a fancy kind of list that will let you see content through the eyes of organizations and people you trust.

What is in a lens?

Lens makers point to materials (modules and collections), creating a guide that includes their own comments and descriptive tags about the content.

Who can create a lens?

Any individual member, a community, or a respected organization.

What are tags? tag icon

Tags are descriptors added by lens makers to help label content, attaching a vocabulary that is meaningful in the context of the lens.

| External bookmarks