Chương 3: Cảm biến và ứng dụng

khieát hoaëc pha taïp Au, Cu, Sb, In, SbIn, AsIn, CdHgTe. - Caùc tính chaát cô baûn cuûa teá baøo quang daãn: + Ñieän trôû vuøng toái Rco phuï thuoäc vaøo hình daïng, kích thuôùc, nhieät ñoä vaø baûn chaát lyù hoaù cuûa vaät lieäu Caùc chaát PbS, CdS, CdSe coù ñieän trôû vuøng toái raát cao ( töø 104 tôùi 105 Ω ôû 25 oC), trong khi ñoù SbIn, AbSs, CdHgTe coù ñieän trôû vuøng toái töông ñoái nhoû (töø 10 tôùi 103 Ω ôû 25 oC). Khi ñöôïc chieáu saùng, ñieän trôû cöûa teá baøo quang daãn giaûm xuoáng raát nhanh, quan heä giöõ ñieän trôû cuûa teá baøo quang daãn vaø ñoä roïi saùng: ( )1.2. γ−Φ= aRc Trong ñoù a laø haèng soá phuï thuoäc vaøo vaät lieäu, 0,5 < γ < 1 Hình 2.1 bieåu dieãn quan heä giöõa ñieän trôû cuûa teá baøo quang daãn vaø ñoä roïi saùng. Hình 2.1 Quan heä giöõa ñoä roïi vaø ñieän trôû cuûa teá baøo quang daãn. Kyù heäu cuûa teá baøo quang daãn treân sô ñoà maïch: Hình 2.2 Kyù hieäu cuûa teá baøo quang daãn. + Ñoä nhaïy cuûa teá baøo quang daãn: Neáu ñaët leân 2 ñaàu teá baøo quang daãn moät ñieän aùp V, thì seõ coù moät doøng ñieän I chaûy qua teá baøo quang daãn: ( )2.2γΦ== a V R VI c Ñoä roïi saùng (Lux) Ñieän trôû (Ω) 107 106 105 104 103 102 108 0,01 0,1 1 10 1001000 Chöông III: Caûm bieán vaø öùng duïng 65 Ñoä nhaïy cuûa teá baøo quang daãn: ( )3.21−Φ=Φ= γ γ a V d dIs - ÖÙng duïng cuûa teá baøo quang daãn: Teá baøo quang daãn thöôøng ñöôïc duøng ñeå ño thoâng löôïng aùnh saùng, keát hôïp vôùi nguoàn saùng ñeå doø vaïch daãn döôøng cho caùc mobile robot, ñoïc maõ vaïch, phaùt hieän ñaàu baêng traéng, ñieàu khieån ñoùng ngaét Relay theo aùnh saùng … Sô ñoà duøng teá baøo quang daãn: VCC Q1 1 3 2 K2 RELAY SPDT 3 5 4 1 2 Hình 2.3 Sô ñoà ñieàu khieån ñoùng ngaét Relay theo aùnh saùng. VCC Tôùi VÑK hoaëc PLC1 3 2 Q1 R3 Hình 2.4 Sô ñoà duøng teá baøo quang daãn ñeå doø vaïch daãn ñöôøng, ñoïc maõ vaïch. b. Photo Diode: - Caáu taïo cuûa Photo Diode: Photo diode laø moät tieáp giaùp p-n ñöôïc taïo bôûi caùc vaät lieäu nhö: Ge, Si (Cho vuøng aùnh saùng troâng thaáy vaø gaàn hoàng ngoaïi), GaAs, InAs, CdHgTe, InSb cho vuøng aùnh saùng hoàng ngoaïi. Hình 2.5 Caáu taïo cuûa photo diode - Nguyeân lyù laøm vieäc cuûa photo diode: Khi chieáu saùng leân beà maët cuûa photo diode baèng böùc xaï coù böôùc soùng nhoû hôn böôùc soùng ngöôõng λ < λn seõ xuaát hieän theâm caùc caëp ñieän töû – loã troáng. Ñeå caùc haït naøy coù theå tham gia vaøo ñoä daãn vaø laøm taêng doøng ñieän I ta caàn phaûi ngaên quaù trình taùi hôïp cuûa chuùng Vuøng ngheøo p n Chuyeån tieáp E Chöông III: Caûm bieán vaø öùng duïng 66 nghóa laø phaûi nhanh choùng taùch caëp ñieän töû – loã troáng döôùi taùc duïng cuûa ñieän tröôøng. Quaù trình naøy chæ xaûy ra trong vuøng ngheøo vaø laøm taêng doøng ñieän ngöôïc. - Caùc cheá ñoä laøm vieäc cuûa photo Diode: + Cheá ñoä quang daãn: ÔÛ cheá ñoä quang daãn, photo diode ñöôïc phaân cöïc ngöôïc bôûi nguoàn söùc ñieän ñoäng E nhö hình 2.6: Hình 2.6 Sô ñoà phaân cöïc cho photo diode o cheá ñoä quang daãn. Doøng ñieän ngöôïi Ir chaûy qua diode: ( )4.2exp1 pdor IkT qV II +     −= Trong ñoù: Io laø doøng ngöôïc khi khoâng ñöôïc chieáu saùng, Ip laø doøng quang ñieän khi aùnh saùng ñaït tôùi vuøng ngheøo sau khi qua beà daøy X cuûa lôùp baùn daãn. ( )5.2Xop eKI α−Φ= K laø haèng soá, Φo laø quang thoâng beân ngoaøi lôùp baùn daãn, α ≈ 105 [cm-1], Vd laø ñieän aùp ngöôïc treân photo diode. Khi Vd coù giaù trò ñuû lôùn thì: Ir = Io + Ip (2.6) do Io thöôøng raát nhoû neân: Ir = Ip (2.7) Vieát phöông trình cho maïch ñieän hình 2.6: E = VR - Vd (2.8) Trong ñoù VR = R*Ir laø ñöôøng thaúng taûi. Hay ( )9.2 R V R EI dr += Hình 2.7 Ñaëc tuyeán I-V vôùi thoâng löôïng aùnh saùng khaùc nhau cuûa photo diode RE Ir 0-5-10-15-20-E-30-35 10 20 30 70 50 60 Ir 0 Vd 50 µW 100 µW 150 µW 200 µW ∆ Chöông III: Caûm bieán vaø öùng duïng 67 + Cheá ñoä quang theá: Trong cheá ñoä quang theá khoâng coù ñieän aùp ngoaøi ñaët vaøo Diode, Photo diode laøm vieäc nhö moät nguoàn doøng. Ñaëc ñieåm cuûa cheá ñoä naøy laø khoâng coù doøng ñieän toái do khoâng coù nguoàn phaân cöïc ngoaøi neân giaûm ñöôïc aûnh höôûng cuûa nhieãu vaø cho pheùp ño quang thoâng nhoû. Khi chieáu saùng vaøo photo diode, caùc haït daãn khoâng cô baûn taêng leân laøm cho haøng raøo ñieän theá cuûa tieáp giaùp thay ñoåi moät löôïng ∆vb khi ñoù ta coù : ( )10.201 =+    − ∆ p kT vq o IeI b ( )11.21ln     +=∆ o p b I I q kTv Söï thay ñoåi cuûa haøng raøo ñieän theá naøy ñöôïc xaùc ñònh baèng caùch ño hieäu ñieän theá treân photo diode ôû traïng thaùi hôû maïch. Khi chieáu saùng yeáu: Ip << Io, phöông trình (2.11) coù theå vieát laïi: ( )12.2 o X o o p b I eK q kT I I q kTv α−Φ==∆ Töø (2.12) ta thaáy ñieän aùp treân diode phuï thuoäc tuyeán tính vaøo thoâng löôïng aùnh saùng Φ. Khi chieáu saùng maïnh: Ip >> Io, (2.11) ñöôïc vieát laïi: ( )13.2ln    =∆ o p b I I q kTv Vôùi Ip ñöôïc tính trong coâng thöùc (2.5) thì töø (2.13) ta thaáy ñieän aùp treân photo diode phuï thuoäc theo thoâng löôïng aùnh saùng theo haøm logarit. - Ñoä nhaïy cuûa photo diode : ( )14.2X o p Ke d dI s α−=Φ= - ÖÙng duïng cuûa photo diode: Photo diode coù theå duøng ñeå do thoâng löôïng aùnh saùng, doø vaïch daãn ñöôøng cho mobile robot, laøm daàu thu trong caùc boä ñieàu khieån töø xa khoâng daây, ñoïc maõ vaïch … Sô ñoà duøng photo diode: Hình 2.7 Sô ñoà maïch ño doøng ngöôïc ôû cheá ñoä quang daãn E Vo + - 3 2 1 8 4 R1 R2 R3 Chöông III: Caûm bieán vaø öùng duïng 68 Vo + - 3 2 1 8 4 R1 R2 Hình 2.8 Sô ñoà maïch ño duøng photo diode ôû cheá ñoä quang theá c. Photo transistor: - Caáu taïo cuûa photo transistor vaø nguyeân lyù laøm vieäc cuûa transistor quang: Photo transistor laø transistor silic loaïi NPN maø vuøng Bazô coù theå ñöôïc chieáu saùng. Khi khoâng coù ñieän aùp ñaët leân Bazô chæ coù ñieän aùp ñaët leân Colector, chuyeån tieáp BC bò phaân cöïc ngöôïc nhö hình 2.9. Hình 2.9 Sô ñoà maïch ño duøng transistor quang Ñieän aùp ñaët vaøo E haàu nhö taäp trung toaøn boä treân chuyeån tieáp B-C, trong khi ñoù söï cheânh leäch ñieän theá giöõa Emiter vaø Bazô laø khoâng ñaùng keå (VBE ≈ 0,7 [V]). Khi chuyeån tieáp B-C ñöôïc chieáu saùng, noù hoaït ñoäng nhö moät photo diode ôû cheá ñoä quang daãn vôùi doøng ñieän ngöôïc Ir = Io + Ip (2.15) Trong (2.15) Io laø doøng ñieän ngöôïc khi khoâng ñöôïc chieáu saùng, Ip laø doøng quang ñieän khi coù quang thoâng Φo chieáu qua beà daøy X cuûa lôùp baùn daãn. Ir ñoùng vai troø nhö doøng Bazô, noù seõ gaây neân doøng colector Ic: Ic = (β +1)Ir (2.16) Trong (2.16) thì β laø heä soá khueách ñaïi doøng khi emiter noái chung. - Ñoä nhaïy cuûa transistor quang: ( ) ( )17.21 X o c eK d dI s αβ −+=Φ= - ÖÙng duïng cuûa transistor quang: Transistor coù theå duøng ñeå do thoâng löôïng aùnh saùng, doø vaïch daãn ñöôøng cho mobile robot, laøm ñaàu thu trong caùc boä ñieàu khieån töø xa khoâng daây, ñoïc maõ vaïch, cheá taïo caùac caûm bieán quang trong coâng nghieäp … E R E Q3 NPN BCE R a. Sô ñoà phaân cöïc transistor quang b. Sô ñoà töông ñöông Chöông III: Caûm bieán vaø öùng duïng 69 d. Caûm bieán quang trong coâng nghieäp: - Caáu taïo: Caûm bieán quang trong coâng nghieäp coù caáu taïo: Caûm bieán goàm phaàn phaùt vaø phaàn thu: + Phaàn phaùt goàm moät Led phaùt hoàng ngoaïi hoaëc Led phaùt Laser coù vai troø nhö moät nguoàn phaùt saùng ñöôïc ñaët ngay taïi tieâu ñieåm cuûa thaáu kính hoäi tuï phaùt nhaèm muïc ñích taïo ra chuøm tia saùng heïp ñeå chieáu ñeán phaàn thu. + Phaàn thu goàm moät transistor quang ñaët ngay taïi tieâu ñieåm cuûa thaáu kính hoäi tuï thu mhaèm muïc ñích taäp trung aùnh saùng roïi vaøo trasistor. Transistor quang thu ñöôïc noái vaøo maïch ra ñeå taïo möùc logic ôû ngoõ ra. - Moät soá daïng cuûa caûm bieán quang trong coâng nghieäp: Sau ñaây laø moät soá daïng cuûa caûm bieán quang trong coâng nghieäp cuûa haõng OMRON: Hình 2.11 Daïng thu phaùt chung khoâng caàn göông phaûn xaï Ñaàu thu R Maïch ra Led phaùt Transistor quang thu Thaáu kính hoäi tuï Ñaàu phaùt Hình 2.10.a Caáu taïo caûm bieán quang daïng thu phaùt rieâng R Led phaùt Transistor quang thu Thaáu kính hoäi tuï Caûm bieán thu phaùt Hình 2.10.b Caáu taïo caûm bieán quang daïng thu phaùt chung Maïch ra Chöông III: Caûm bieán vaø öùng duïng 70 Hình 2.12 Daïng thu phaùt rieâng Hình 2.13 Daïng thu phaùt chung coù göông phaûn xaï Hình 2.14 Caûm bieán sôïi quang - Caáu truùc maïch ra cuûa caûm bieán quang: 1 8 3Maïch caûm bieán Taûi GND 10- Naâu Ñen Xanh Ñeøn baùo Hình 2.15 Mach ra kieåu transistor NPN cöc thu ñeå hôû 1 8 3 Maïch caûm bieán Taûi GND 10-30VDC Naâu Ñen Xanh Ñeøn baùo Hình 2.16 Maïch ra kieåu transistor PNP cöïc thu ñeå hôû Chöông III: Caûm bieán vaø öùng duïng 71 II.2 ÖÙng Duïng Cuûa Caûm Bieán Quang: Duøng ñeå phaùt hieän söï vaät theå taïi moät vò trí ñònh tröôùc nhö: duøng laøm caûm bieán phaùt hieän saûn phaåm trong caùc heä thoáng ñeám saûn phaåm vaø ñoùng thuøng saûn phaåm, phaùt hieän coù vaät caûn ngay cöûa cuûa caùc thang maùy, phaùt hieän chaám ñen ôû ñaàu bao bì trong caùc heä thoáng ñoùng goùi saûn phaåm, duøng ño toác ñoä ñoäng cô … Döôùi ñaây trình baøy moät soá ví duï öùng duïng cuûa caûm bieán quang. Ví duï 1: ÖÙng duïng caûm bieán quang ñeå phaùt hieän ñaàu vaät lieäu trong heä thoáng caét saûn phaåm theo chieàu daøi Hình 2.17 Heä thoáng caét saûn phaåm theo chieàu daøi Ví duï 2: ÖÙng duïng caûm bieán quang ñeå phaùt hieän chaám ñen ôû ñaàu bao bì trong heä thoáng ñoùng goùi saûn phaåm. Hình 2.18 Heä thoáng ñoùng goùi bao bì Ví duï 3: ÖÙng duïng caûm bieán quang ñeå phaùt hieän hoäp söõa baèng giaáy treân baêng taûi trong heä thoáng saûn xuaát söõa hoäp giaáy (hình 2.19). Dao caét Caûm bieán quang PLC Caûm bieán quang Chaám ñen Dao caét Rulo keùo phim Chöông III: Caûm bieán vaø öùng duïng 72 Ví duï 4: ÖÙng duïng caûm bieán quang ñeå phaùt hieän thöïc phaåm treân baêng taûi trong heä thoáng saûn xuaát thöïc phaåm (hình 2.20). Ví duï 5: ÖÙng duïng caûm bieán quang ñeå phaùt hieän chai treân baêng taûi vaø ñeám soá chai trong heä thoáng saûn xuaát nöôùc uoáng (hình 2.21). Hình 2.19 Phaùt hieän hoäp söõa. Hình 2.20 Phaùt hieän thöïc phaåm. Hình 2.21 Phaùt hieän vaø ñeám chai. Caûm bieán quang Hoäp söõa Baêng taûi Thaønh baêng taûi Caûm bieán quang Baêng taûi Thöïc phaåm Caûm bieán quang Baêng taûi Göông phaûn xaï Chöông III: Caûm bieán vaø öùng duïng 73 III. CAÛM LAÂN CAÄN (Proxmity Sensor) VAØ ÖÙNG DUÏNG: III.1 Caûm Bieán Laân Caän Daïng Ñieän Caûm: a. Caáu taïo: Caûm bieán laân caän daïng ñieän caûm coù caáu taïo goàm 4 boä phaän chính nhö hình 3.1 - Ñaàu phaùt hieän goàm 1 cuoän daây quaán treân loõi saét töø coù nhieäm vuï taïo ra töø tröôøng bieán thieân trong khoâng gian phía tröôùc. Caáu taïo vaø caùch boá trí cuoän daây vaø loõi saét cuûa ñaàu phaùt hieän nhö hình 3.2 - Maïch dao ñoäng coù nhieäm vuï taïo dao ñoäng ñieän töø taàn soá radio. - Maïch phaùt hieän möùc duøng ñeå so saùnh bieân ñoä tín hieäu cuûa maïch dao ñoäng. - Maïch ngoõ ra duøng ñeå taïo möùc logic cho tín hieäu ngoõ ra cuûa caûm bieán. b. Nguyeân lyù hoaït ñoäng cuûa caûm bieán laân caän ñieän caûm: Khi coù muïc tieâu caàn phaùt hieän (ñoái töôïng) baèng kim loaïi tôùi gaàn caûm bieán (vaøo vuøng töø tröôøng bieán thieân cuûa caûm bieán), töø tröôøng bieán thieân do maïch dao ñoäng gaây ra taäp trung ôû loõi saét seõ gaây neân moät doøng ñieän xoaùy treân beà maët cuûa ñoái töôïng. Doøng ñieän xoaùy sinh ra treân beà maët ñoái töôïng taïo neân moät taûi laøm giaûm bieân ñoä tín hieäu cuûa maïch dao ñoäng. Khi bieân ñoä cuûa tín hieäu ao ñoäng nhoû hôn moät ngöôõng ñònh tröôùc, maïch phaùt hieän möùc seõ taùc ñoäng maïch ngoõ ra ñeå ñaët traïng thaùi ngoõ ra leân ON. Khi ñoái töôïng rôøi khoûi vuøng töø tröôøng cuûa caûm bieán, bieân ñoä tín hieäu ôû maïch dao ñoäng taêng leân, khi tín hieäu ôû maïch dao ñoäng coù bieân Ñaàu phaùt hieän Maïch dao ñoäng Maïch phaùt hieän möùc Maïch ngoõ raMuïc tieâu Hình 3.1 Caáu taïo cuûa caûm bieán laân caän ñieän caûm Hình 3.2 Caáu taïo cuûa ñaàu phaùt hieän Cuoän daâyVoû boïc Loõi saét töø Boá trí cuûa ñaàu phaùt hieän Chöông III: Caûm bieán vaø öùng duïng 74 ñoä lôùn hôn ngöôõng, maïch phaùt hieäm möùc seõ taùc ñoäng maïch ngoõ ra taïo traïng thaùi ngoõ ra laø OFF. Hoaït ñoäng cuûa caûm bieán ñöôïc minh hoaï nhö hình 3.3 c. Moät soá daïng caûm bieán laân caän ñieän caûm trong coâng nghieäp: Sau ñaây laø moät soá daïng cuûa caûm bieán laân caän ñieän caûm trong coâng nghieäp cuûa haõng OMRON. Hình 3.4 Caûm bieán laân caän ñieän caûm daïng troøn Hình 3.4 Caûm bieán laân caän ñieän caûm daïng vuoâng III.2 Caûm Bieán Laân Caän Daïng Ñieän Dung: a. Caáu taïo: Caûm bieán laân caän daïng ñieän dung coù caáu taïo gaàm 4 phaàn töû nhö caûm bieán laân caän daïng ñieän caûm nhö hình 3.5: Ñoái töôïng Caûm bieán Tín hieäu maïch dao Soùng ra Maïch ra OFF ON Möùc taùc ñoäng Hình 3.3 Hoat ñoäng cuûa caûm bieán Chöông III: Caûm bieán vaø öùng duïng 75 Ñaàu phaùt hieän trong caûm bieán laân caän ñieän dung laø moät baûn cöïc cuûa tuï ñieän. b. Nguyeân lyù hoaït ñoäng cuûa caûm bieán laân caän ñieän dung: Khi muïc tieâu caàn phaùt hieän di chuyeån ñeán gaàn ñaàu phaùt hieän cuûa caûm bieán seõ laøm ñieän dung cuûa tuï ñieän (ñöôïc taïo bôûi moät baûn cöïc laø beà maët cuûa ñaàu thu vaø baûn cöïc coøn laïi chính laø ñoái töôïng) C bò thay ñoåi. Khi ñieän dung cuûa tuï ñieän bò thay ñoåi thì maïch dao ñoäng seõ taïo ra tín hieäu dao ñoäng. Khi tín hieäu dao ñoäng coù bieân ñoä lôùn hôn moät ngöôõng ñaët tröôùc maïch phaùt hieän möùc seõ ñieàu khieån maïch ra ôû traïng thaùi ON. Khi ñoái töôïng ôû xa caûm bieán, bieân ñoä tín hieäu ôû maïch dao ñoäng seõ nhoû, maïch phat hieän möùc seõ ñieàu khieån maïch ra ôû traïng thaùi OFF. c. Moät soá daïng cuûa caûm bieán laân caän ñieän dung: Döôùi ñaây giôùi thieäu moät soá daïng caûm bieán laân caän ñieän dung: Hình 3.6 Moät soá daïng caûm bieán laân caän ñieän dung cuûa haõng OMRON III.3 Caáu Truùc Maïch Ra Cuûa Caûm Bieán Laân Caän: Ñaàu phaùt hieän Maïch dao ñoäng Maïch phaùt hieän möùc Maïch ngoõ ra Muïc tieâu Hình 3.5 Caáu taïo cuûa caûm bieán laân caän ñieän dung 100 Maïch caûm bieán Taûi 24 VDC OUT 0 V Hình 3.7 Maïch ra daïng NPN cöïc thu ñeå hôû Chöông III: Caûm bieán vaø öùng duïng 76 III.4 ÖÙng Duïng Cuûa Caûm Bieán Laân Caän: - Caûm bieán laân caän ñieän caûm ñöôïc duøng ñeå phaùt hieän söï xuaát hieän cuûa moät vaät theå kim loaïi taïi moät vò trí xaùc ñònh tröôùc (vò trí ñaët caûm bieán) nhö: Phaùt hieän Cabin thang maùy taïi caùc taàng, phaùt hieän chai nöôùc ngoït coù naép hay khoâng (Naép cuûa chai nöôùc ngoït laøm baèng kim loai), xaùc ñònh vò trí hai ñaàu muùt cuûa muõi khoan, phaùt hieän traïng thaùi ñoùng hay môû van, ño toác ñoä quay cuûa ñoäng cô, phaùt hieän traïng thaùi ñoùng- môû cuûa caùc xi lanh … - Caûm bieán laân caän ñieän ung ñöôïc duøng ñeå phaùt hieän söï xuaát hieän cuûa moät vaät theå kim loaïi hoaëc phi kim loaïi taïi moät vò trí xaùc ñònh tröôùc (vò trí ñaët caûm bieán) nhö: Phaùt hieän thuûy tinh, nhöïa, chaát loûng … - Döôùi ñaây trình baøy moät soá ví duï öùng duïng caûm bieán laân caän. Ví duï 1: Duøng caûm bieán laân caän ñieän caûm ño toác ñoä ñoäng cô hình 3.9 Ví duï 2: Duøng caûm bieán ñieän dung ñeå xaùc ñònh möùc cuûa chaát loûng hình 3.10. Ví duï 3: Duøng caûm bieán ñieän dung ñeå phaùt hieän hoäp söõa khoâng ñaày trong daây chuyeàn saûn xuaát söûa hoäp hình 3.11. Hình 3.9 ÖÙng duïng caûm bieán ñieän caûm trong heä thoáng ño toác ñoä ñoäng cô Taûi 24 VDC OUT 0 V Hình 3.8 Maïch ra daïng PNP cöïc thu ñeå hôû 100 Maïch caûm bieán Ñoäng cô Caûm bieán Chöông III: Caûm bieán vaø öùng duïng 77 Hình 3.10 ÖÙng duïng caûm bieán ñieän dung ñeå phaùt hieän hoäp söõa khoâng ñaày Hình 3.11 ÖÙng duïng caûm bieán laân caän ñieän dung ñeå phaùt hieän möùc chaát loûng. IV. CAÛM BIEÁN NHIEÄT ÑOÄ: IV.1 Caûm Bieán Nhieät Ñieän Trôû: Caûm bieán nhieät ñieän trôû laø caûm bieán coù ñieän trôû thay ñoåi theo nhieät ñoä. Caûm bieán nhieät ñieän trôû coù 2 loaïi: - Caûm bieán nhieät ñieän trôû kim loaïi. - Thermistor. Caûm bieán Xy lanh PLC Hoà chöùa Van xaû Bôm Caûm bieán Caûm bieán OÁâng nhöïa Chöông III: Caûm bieán vaø öùng duïng 78 a. Caûm bieán nhieät ñieän trôû kim loaïi: a.1 Caáu taïo cuûa caûm bieán nhieät ñieän trôû kim loaïi: Caûm bieán nhieät ñieän trôû kim loaïi goàm moät daây daãn baèng kim loaïi nhö: Platin, Niken, Ñoàng quaán treân moät loõi caùch ñieän nhö hình 4.1. a.2 Hoaït ñoäng vaø phöông trình chuyeån ñoåi cuûa caûm bieán nhieät ñieän trôû kim loaïi: Khi nhieät ñoä cuûa caûm bieán thay ñoåi, ñieän trôû cuûa caûm bieán thay ñoåi theo phöông trình (4.1): )1.4()1()( 320 CTBTATRTR +++= Trong ñoù T ño baèng oC, R(T) laø ñieän trôû cuûa caûm bieán ôû nhieät ñoä T, R0 laø ñieän trôû cuûa caûm bieán ôû 0 oC, A, B, C laø caùc haèng soá vaø ñöôïc xaùc ñònh baèng caùch ño ñieän trôû cuûa caûm bieán taïi caùc nhieät ñoä ñaõ bieát tröôùc. ÔÛ nhieät ñoä thaáp, phöông trình chuyeån ñoåi cuûa caûm bieán laø tuyeán tính (4.2) )2.4()1()( 0 TRTR α+= Vôùi α laø heä soá nhieät cuûa ñieän trôû, tuyø thuoäc vaøo kim loaïi nhö ôû baûng sau: Kim loaïi Platin Ñoàng Niken α (/oC) 3,9.10-3 4,3.10-3 5,4.10-3 Do tính chaát cuûa caùc kim loaïi duøng cheá taïo caûm bieán coù tính chaát lyù hoaù khaùc nhau neân taàm ño cuûa caùc caûm bieán suû duïng caùc kim loaïi khaùc nhau cuõng khaùc nhau. Caûm bieán Platin Ñoàng Niken Taàm ño (oC) -200 - 1000 < 100 < 300 Do baïch kim coù ñoä beàn vaät lyù cao vaø khoâng bò oxy hoaù neân caûm bieán nhieät ñieän trôû baïch kim laø thoâng dung nhaát. Caùc caûm bieán nhieät ñieän trôû duøng baïch kim thöôøng ñöôïc cheát taïo coù ñieän trôû Ro laø 100; 200; 500; 1000 [Ω]. Caûm bieán nhieät ñieän trôû kim loaïi nhö hình 4.2. Voû caûm bieán Daây kim loaïi Söù caùch ñieän Boät caùch ñieän vaø ñònh hình Hình 4.1 : Caáu taïo cuûa caûm bieán nhieät ñieän trôû kim loaïi trong coâng nghieäp Chöông III: Caûm bieán vaø öùng duïng 79 Hình 4.2 Caûm bieán nhieät ñieän trôû kim loaïi. a.3 Maïch ño söû duïng caûm bieán nhieät ñieän trôû kim loaïi: Ñeå chuyeån söï thay ñoåi ñieän trôû cuûa caûm bieán theo nhieät ñoä thaønh söï thay ñoåi ñieän aùp, ta keát noái caûm bieán vôùi maïch ño nhö hình 4.3. VCC Vo R R R Rx + - OP-07 3 2 6 7 1 4 8R1 R3 R2 R4 Hình 4.3: Maïch ño duøng caûm bieán nhieät ñieän trôû. Goïi Rx = R+∆R laø ñieän trôû cuûa caûm bieán. Vôùi R laø ñieän trôû cuûa caûm bieán ôû 0 [oC], choïn R1 = R3, R2 = R4 thì ñieän aùp ngoõ ra cuûa maïch ño laø: )3.4( 2)22 1 2 1 2 1 2 Vcc RR R R R Vcc RR RR R R Vo     ∆+ ∆−=   −∆+ ∆+−= b. Thermistor: b.1 Caáu taïo cuûa Thermistor: Thermistor ñöôïc cheá taïo töø caùc hoãn hôïp oxyt baùn daãn ña tinh theå nhö: MgO, MgAl2O4, Mn2O3, Fe3O4, Co2O3, NiO, ZnTiO4 döôùi daïng boät vaø ñöôïc troän vôùi nhau theo moät tyû leä nhaát ñònh. Sau khi troän vôùi nhau, ngöôøi ta neùn ñònh daïng hoãn hôïp thaønh phieán vaø nung ôû nhieät ñoä 1000 oC. Treân beà maët cuûa phieán sau khi nung, ngöôøi ta haøn caùc daây noái vaø phuû leân maët phieán moät lôùp kim loaïi. Hình 4.4: Thermistor b.2 Phöông trình chuyeån ñoåi cuûa Thermistor: Khi nhieät ñoä cuûa Thermistor thay ñoåi thì ñieän trôû cuûa noù thay ñoåi theo phöông trình: )4.4()( 0 11 0     −= TTeRTR β Phieán baùn daãn Daây noái Maøng kim loaïi Chöông III: Caûm bieán vaø öùng duïng 80 R(T) vaø R0 laø ñieän trôû ôû nhieät ñoä T vaø T0, T ñöôïc ño theo thang oK. β laø haèng soá coù giaù trò töø 3000 ñeán 5000 tuyø thuoäc vaøo caùch cheá taïo. Thermistor hoaït ñoäng trong khoaûng nhieät ñoä töø 50 ñeán 150 oC. Tuy nhieân do tính phi tuyeán cuûa noù neân ngöôøi ta khoâng duøng ñeå ño nhieät ñoä maø thöôøng duøng trong caùc maïch caûnh baùo quaù nhieät ñoä hay maïch buø nhieät. VCC VCC Tín hieäu caûnh baùo Q1 Rx R1 R2 + - LM339 7 6 1 3 12 R3 1 3 2 Hình 4.5: Maïch caûnh baùo nhieät ñoä duøng thermistor c. Caûm bieán nhieät ñoä baùn daãn: c.1 Caáu taïo cuûa caûm bieán nhieät ñoä baùn daãn: Caûm bieán nhieät ñoä baùn daãn ñöôïc cheá taïo goàm caùc tieáp giaùp P-N, keát hôïp vôùi maïch ño roài tích hôïp thaønh caùc vi maïch. Baûng sau giôùi thieäu moät soá vi maïch ño nhieät ñoä thoâng duïng cuûa haõng National Semiconductor. Teân vi maïch Taàm ño Ñoä chính xaùc Ñoä nhaïy LM 34 -50 -> 300 oF ± 3 oF 10 mV/oF LM 35A -55 -> 150 oC ± 1 oC 10 mV/oC LM 45B -20 -> 150 oC ± 2 oC 10 mV/oC LM 135A -55 -> 150 oC ± 1,3 oC 10 mV/oK LM 335A -40 -> 150 oC ± 2 oC 10 mV/oK Hình 4.6: Hình daïng, sô ñoà chaân cuûa vi maïch LM 335 Chöông III: Caûm bieán vaø öùng duïng 81 c.2 Hoaït ñoäng vaø phöông trình chuyeån ñoåi cuûa caûm bieán nhieät ñoä baùn daãn: Caûm bieán baùn daãn hoaït ñoäng treân nguyeân taéc cuûa tieáp giaùp P-N. Hình 4.7 Tieáp giaùp P-N. Phöông trình chuyeån ñoåi cuûa tieáp giaùp P –N )5.4(1 . 0     −= KT Vq D AK eII Trong ñoù: q laø ñieän tích cuûa 1 ñieän töû, K laø haèng soá Brizman, T laø nhieät ñoä tuyeät ñoái oK, Io laø doøng ñieän ngöôïc. Phöông trình (4.5) coù theå vieát laïi: )6.4(ln 0 0     += I II q KTV DAK Vôùi moät tieáp giaùp cuï theå thì I0 laø haèng soá. Neáu ta cho moät doøng ñieän khoâng ñoåi ID chaûy qua tieáp giaùp P-N thì VAK phuï thuoäc tuyeán tính vaøo nhieät ñoä cuûa tieáp giaùp. Phöông trình chuyeån ñoåi cuûa caûm bieán: )7.4(])[273.(][. CtsKTsV ooo +== c.3 Maïch ño duøng caûm bieán nhieät ñoä baùn daãn: Vcc Vcc Vo 1 3 2 + - 3 2 6 7 1 4 8 1 3 2 LM 335 2,73 V Hình 4.9: Maïch ño nhieät ñoä duøng vi maïch baùn daãn. d. Caëp nhieät ñieän (Thermocouple): d.1 Caáu taïo cuûa Thermocouple: Thermocouple goàm 2 kim loaïi khaùc nhau ñöôïc haøn chung vôùi nhau ôû moät ñaàu goïi laø ñaàu noùng, hai ñaàu coøn laïi khoâng haøn chung goïi laø ñaàu laïnh hay ñaàu chuaån. NP VAK VAK ID Hình 4.8: Maïch nguyeân lyù cuûa caûm bieán vi maïch VAK Maïch ño Vo Chöông III: Caûm bieán vaø öùng duïng 82 Hình 4.11 Moät soá daïng thermocouple trong coâng nghieäp Tuyø vaøo vaät lieäu duøng ñeå cheá taïo thermocouple, thermocouple coù caùc loaïi nhö sau: Loaïi caëp nhieät ñieän Vaät lieäu Daûi ño (oC) Ñoä chính xaùc Söùc ñieän ñoäng (mV) B Platin 30% - Rhodium (+) Platin 6% - Rhodium (-) 0 – 1700 ± 0,5 % 0 – 12,426 T Ñoàng - Constantan -270 – 370 ± 2 % -6,258 – 19,027 J Saét – Constantan -210 – 800 ± 3 % -8,095 – 45,498 K Crom – Alumel -270 – 1250 ± 3 % -5,354 – 50,633 E Crom – Constantan -276 – 870 ± 3 % -9,835 – 66,473 S Platin – Rhodium 10% -50 – 1500 ± 2,5 % -0,236 – 15,576 R Platin – Rhodium 13% -50 – 1500 ± 1,4 % 0,226 – 17,445 d.2 Nguyeân lyù hoaït ñoäng cuûa Thermocouple: Nguyeân lyù hoaït ñoäng cuûa thermocouple döïa treân hieäu öùng Seebeck. Theo hieäu öùng Seebeck, khi coù cheânh leäch nhieät ñoä giöõa ñaàu noùng vaø ñaàu laïnh cuûa caëp nhieät thì ôû ngoõ ra Voû caûm bieán Kim loaïi A Kim loaïi B Hình 4.10 : Caáu taïo cuûa Thermocouple Ñaàu noùng T1 Ñaàu laïnh T2 Chöông III: Caûm bieán vaø öùng duïng 83 cuûa thermocouple seõ xuaát hieän söùc ñieän ñoäng e phuï thuoäc vaøo cheâng leäch nhieät ñoä vaø phuï thuoäc vaøo baøn chaát cuûa vaät lieäu duøng cheá taïo caûm bieán. Xeùt moät caëp nhieät ñöôïc cheá taïo töø 2 kim loaïi A vaø B: Theo hieäu öùng Seebeck thì söùc ñieän ñoäng e sinh ra treân caëp nhieät: )8.4()()( 2121////// 221221 TTKTTKPPPeePPPe BA T BM T AM T BABA T BM T AM T BA −−−+++=−+++= Trong ñoù: 221 /// ,, T AM T BM T BA PPP laø söùc ñieän ñoäng Peltier, chæ phuï thuoäc vaøo nhieät ñoä cuûa tieáp xuùc giöõa 2 kim loaïi vaø baûn chaát cuûa 2 kim loaïi. eA, eB laø söùc ñieän ñoäng Thomson, KA, KB laø heä soá söùc ñieän ñoäng nhieät ñieän. (4.8) ñöôïc vieát laïi: )9.4()()( 2121/// 221 TTKTTKPPPe BA T BM T MA T BA −−−++−= )10.4()()()()( 2121//2121// 2121 TTKTTKPPTTKTTKPPe BA T BA T BABA T AB T BA −−−+−=−−−++==> hay: )11.4()())(()()()( 2121212121 TTKTTPKKTTKTTKTTPe BABA −=−−−=−−−+−= Vôùi K = KA – KB – P, P laø heä soá phuï thuoäc vaøo baûn chaát kim loaïi. Ta coù söùc ñieän ñoäng sinh ra ôû 2 ñaàu caëp nhieät: )12.4()( 21 TKTTKe ∆=−= Trong ñoù heä soá K coù theå xaùc ñònh baèng thöïc nghieäm baèng caùch ño söùc ñieän ñoäng cuûa caûm bieán ôû nhieät ñoä ñaõ bieát, döïa vaøo phöông trình (4.12) ta xaùc ñònh ñöôïc K Ñaëc tuyeán vaøo ra cuûa thermocouple nhö hình 4.12 Hình 4.12 Quan heä vaøo ra cuûa thermocouple Töø (4.12) ta thaáy: Söùc ñieän ñoäng nhieät ñieän sinh ra treân Thermocouple phuï thuoäc vaøo hieäu soá cuûa nhieät ñoä ñaàu noùng T1 vaø nhieät ñoä ñaàu laïnh T2 vì vaäy khi ño nhieät ñoä duøng thermocouple, ta phaûi giöõ nhieät ñoä ñaàu laïnh khoâng ñoåi. Tuy nhieân nhieät ñoä ñaàu laïnh T2 T2 T1 A B e M M Daây noái 0 200 600 1000 1400 T[oC] E[mV 10 20 30 40 50 60 70 80 E J K Chöông III: Caûm bieán vaø öùng duïng 84 thöôøng chính laø nhieät ñoä moâi tröôøng neân vieäc giöõ coá ñònh raát khoù vì vaäy ngöôøi ta thöôøng duøng bieän phaùp loaïi boû söï aûnh höôûng cuûa nhieät ñoä ñaàu laïnh baèng chaùch buø nhieät. Hình 4.12: Sô ñoà buø nhieät ñoä ñaàu laïnh cho thermocouple. d.3 Maïch ño duøng Thermocouple: Trong maïch treân : )13.4(211 KTKTV −= )14.4(.10.)73,2)273(10( 2 2 1 2 2 2 1 2 2 TR RT R RV −− =−+= ( ) )15.4(1011 22 1 2 21 7 8 21 7 8     +−    +=+    += − T R RKTKT R R VV R R Vo Chænh tyû soá 1 2 R R sao cho 22 1 2 10 KT R R =− khi ñoù: )16.4(1 1 1 2 KT R RVo     += Maïch ño Maïch buø KT2 Vo = KT1 – KT2 + KT2 = KT1 T1 Hình 4.13: Maïch ño nhieät ñoä duøng Thermocouple buø nhieät duøng LM 335 Vcc Vcc Vo + - U2 3 2 6 7 1 4 8 1 3 2 1 3 2 + - 3 2 6 7 1 4 8 + - U3 OP-07 3 2 6 7 1 4 8 2,73[V] R1 R3 R2 R4 R5 R6 R7 R8 R9 Maïch buø nhieät duøng LM 335 V1 V2 Chöông III: Caûm bieán vaø öùng duïng 85 V. CAÛM BIEÁN VÒ TRÍ VAØ DÒCH CHUYEÅN: V.1 Caûm Bieán Bieán Trôû: a. Caáu taïo cuûa caûm bieán bieán trôû: Caûm bieán bieán trôû coù caáu taïo ñôn giaûn vaø giaù thaønh reû. Caûm bieán bao goàm daây quaán thöôøng ñöôïc laøm baèng hôïp kim coù khaû naêng chòu maøi moøn toát nhö: Ni-Cr, Ni-Cu, Ni-Cu-Fe, Ag-Pd …, coù ñöôøng kính töø 0,02 ñeán 0,1 mm, ñöôïc quaán ñöôïc quaán treân moät loõi laøm baèng vaät lieäu caùch ñieän nhö : goám, söù, bakelit …. Daây quaán thöôøng coù ñieän trôû töø vaøi chuïc ohm tôùi vaøi nghìn ohm, ñöôïc traùng moät lôùp caùch ñieän ñeå coù theå quaán saùt nhau. Treân loõi vaø daây quaán coù moät con tröôït ñöôïc laøm baèng hôïp kim coù löïc ñaøn hoài vaø tieáp xuùc toát. Hình 5.1 Caûm bieán dòch chuyeån bieán trôû vaø quan heä giöõa bieán trôû vaø di chuyeån cuûa con tröôït b. Hoaït ñoäng vaø phöông trình chuyeån ñoåi cuûa caûm bieán bieân trôû: Con tröôït ñöôïc lieân keát cô khí vôùi ñoái töôïng caàn ño ñòch chuyeån. Khi ñoái töôïng di chuyeån seõ laøm cho con tröôït di chuyeån laøm cho ñieän trôû Rx thay ñoåi. )1.5(x L RRx = Trong (5.1) L laø chieàu daøi cuûa caûm bieán, x laø dòch chuyeån cuûa con chaïy. Caûm bieán bieán trôû chæ cho pheùp phaùt hieän bieán thieân cuûa di chuyeån baèng khoaûng caùch giöõa 2 voøng daây. Neáu goïi khoaûng caùch giöõa 2 voøng daây laø lo, soá voøng daây cuûa caûm bieán laø W thì caûm bieán bieán trôû chæ phaùt hieän ñöôïc bieán thieân di chuyeån laø: )2.5( W Llo = Nhö vaäy sai soá cuûa caûm bieán laø: )3.5( 22 R RL W Llo ∆±=±=±=ε Trong heä thöùc (5.3) thì ∆R laø ñieän trôû cuûa moät voøng daây. c. Maïch ño duøng caûm bieán bieán trôû: Ñeå chuyeån söï thay ñoåi ñieän trôû cuûa caûm bieán theo dòch chuyeån thaønh söï thay ñoåi ñieän aùp, ta keát noái caûm bieán vôùi maïch ño nhö hình 5.2. Rx x 0 Rx Loõi caùch ñieän Con tröôït R Chöông III: Caûm bieán vaø öùng duïng 86 Hình 5.2: Maïch ño duøng caûm bieán bieán trôû. )4.5(11 1 2 1 2 xV L R R RV R R R RV ccccxo     +=    += Töø heä thöùc (5.4) ta thaáy ñieän aùp ra cuûa maïch ño tuyeán tính theo dòch chuyeån. V.2 Caûm Bieán Töø: Caûm bieán töø duøng ñeå ño dòch chuyeån hoaëc khoaûng caùch nhoû. a. Caáu taïo vaø hoaït ñoäng cuûa caûm bieán ñieän töø: Caûm bieán ñieän töø coù caáu taïo laø moät khung daây hôûn nhö hình 5.3 Muïc tieâu laø moät phaàn cuûa ñoái töôïng caàn ño dòch chuyeån hay khoaûng caùch nhoû, khi muïc tieâu di chuyeån laø cho khe hôû khoâng khí δ thay ñoåi laø cho töø trôû cuûa maïch töø thay ñoåi laøm cho ñieän caûm cuûa cuoän daây thay ñoåi. Neáu boû qua ñieän trôû cuûa daây daãn vaø boû qua töø trôû cuûa loõi saét töø thì ñieän caûm cuûa cuoän daây: )5.5(1 0 0 2 f fll sWL µ µ + = Trong (5.5): l0 vaø lf laø chieàu daøi trung bình cuûa ñöôøng söùc töø trong loõi saét töø vaø trong khoâng khí, l0 = 2δ = ∆x, µ0 laø ñoä töø thaåm cuûa khoâng khí 70 104 −= πµ , µf laø ñoä töø thaåm cuûa loõi saét töø 43 1010 ÷=fµ , s laø tieát dieän cuûa khe hôû khoâng khí, W laø soá voøng daây, - Maïch ño: Maïch ño laø moät caàu xoay chieàu nhö hình 5.4 Vcc Vo 1 3 2 + - U2 3 2 6 7 1 4 8 R1 R2 Rx Muïc tieâu Loõi saét töø Cuoän daây Lx δ ∆x Hình 5.3 Caáu taïo cuûa caûm bieán töø Chöông III: Caûm bieán vaø öùng duïng 87 V~ . 1 3 2 1 3 2 1 5 4 8 - + 1 4 3 2 Lx Lo Tôùi maïch xöû lyù Hình 5.4 Maïch ño duøng caûm bieàn töø - Maïch xöû lyù tín hieäu ño: Maïch xöû lyù tín hieäu ño laø moät khoái rôøi coù cô caáu chæ thò vaø cho pheùp caøi ñaët daïng tín hieäu ngoõ ra laø tuyeán tính hay laø tín hieäu ñieàu khieån nhö hình 5.5 Hình 5.5 Caûmbieán töø vaø boä xöû lyù tín hieäu. b. ÖÙng duïng cuûa caûm bieán ñeän töø: Caûm bieán ñieän töø thöôøng ñöôïc duøng ñeå ño dòch chuyeån nhoû khoaûng vaøi mm, ño ñoä leäch taâm cuûa caùc cô caáu cam, ño ñoä daøy moûng cuûa kim loaïi. Sau ñaây laø moät soá ví duï öùng duïng cuûa caûm bieán töø. Ví duï 1: Ño ñoä daøy moûng cuûa kim loaïi. Hình 5.6 Duøng caûm bieán töø ño ñoä daøy cuûa taám theùp Boä xöû lyù tín hieäu Caûm bieán töø Boä xöû lyù Caûm bieán Baêng taûi Taám theùp Chöông III: Caûm bieán vaø öùng duïng 88 Ví duï 2: Duøng caûm bieán töø ño ñoä cao cuûa ñinh oác Hình 5.7 Duøng caûm bieán töø ño ñoä cao cuûa ñinh oác Ví duï 3: Duøng caûm bieán töø ño ñoä leäch taâm cuûa cô caáu cam Hình 5.8 Duøng caûm bieán töø ño ñoä leäch taâm cuûa cô caáu cam V.2 Caûm Bieán Bieán AÙp Vi Sai: a. Caáu taïo vaø nguyeân lyù cuûa bieán aùp vi sai: Caûm bieán bieán aùp vi sai goàm coù moät cuoän sô caáp vaø hai cuoän thöù caáp quaán treân moät oáng hình truï, trong oáng coù moät loõi ferite di chueån töï do. Hai cuoän thöù caáp ñöôïc maéc ñoái xöùng so vôùi cuoän sô caáp sao cho söùc ñieän doäng caûm öùng sinh ra treân hai cuoän daây naøy ngöôïc pha vôùi nhau. Cuoän daây sô caáp ñöôïc nuoâi baèng nguoàn xoay chieàu Vi. Hình 5.9 Caáu taïo cuûa bieán aùp vi sai Sô ñoà nguyeân lyù cuûa bieán aùp vi sai nhö hình 5.10 Hình 5.10 Sô ñoà nguyeân lyù cuûa bieán aùp vi sai. Cô caáu cam Caûm bieán Boä xöû lyù Caûm bieán Ñinh oác Boä xöû lyù Vi Vo Loõi saét töø x x Vo = e1 – e2e1 e2 Vi Chöông III: Caûm bieán vaø öùng duïng 89 Loõi ferite ñöôïc lieân keát cô khí vôùi ñoái töôïng caàn ño vò trí. Khi loõi ferite naèm ôû vò trí caùch ñeàu giöõa 2 cuoän daây thöù caáp (x=0), söùc ñieän e1 = e2 neân Vo = 0. Khi ñoái töôïng di chuyeån laøm loõi ferite di chuyeån vaø naèm leäch so vôùi 2 cuoän daây thöù caáp, khi ñoù söùc ñieän ñoäng sinh ea treân 2 cuoän thöù caáp khoâng baèng nhau laøm xuaát hieän ñieän aùp ra Vo = e1 – e2 = α.x.Vi tyû leä vôùi dòch chuyeån x cuûa loõi ferite. Hình 5.11 Caûm bieán bieán aùp vi sai Hình 5.12 Maïch ñieän ngoõ ra vaø ñaëc tuyeán ngoõ ra cuûa caûm bieán bieán aùp vi sai b. ÖÙng duïng cuûa caûm bieán bieán aùp vi sai: Caûm bieán bieán aùp vi sai ñöôïc duøng ñeå ño dòch chuyeån, ño ñoä daøy cuûa vaät lieäu, ño khoaûng caùch, ño ñoä phaúng cuûa beà maët … Sau ñaây laø moät soá ví duï öùng duïng cuûa caûm bieán bieán aùp vi sai. Ví duï 1: Duøng bieán aùp vi sai ño ñoä nhaün cuûa beà maët chi tieát cô khí. Hình 5.13 Ño ñoä nhaün cuûa beá maët chi tieát cô khí Voøi phun daàu boâi trôn Caûm bieán Chi tieát Chöông III: Caûm bieán vaø öùng duïng 90 Ví duï 2: Ño ñoä daøy moûng duøng bieán aùp vi sai. Hình 5.14 Ño ñoä daøy moûng duøng bieán aùp vi sai V.3 Encoder: a. Caáu taïo vaø nguyeân lyù laøm vieän cuûa Encoder: Encoder coù caáu taïo goàm moât ñóa maõ coù khaéc vaïch saùng toái, ñaët giöõa nguoàn saùng vaø transistor quang (phototransistor). Encoder coù 2 loaïi: Encoder töông ñoái vaø encoder tuyeát ñoái. - Encoder töông ñoái: Encoder töông ñoái coù caáu taïo goàm moät ñóa maõ treân ñoù coù khaéc moät voøng caùc vaïch toái saùng nhö hình 5.15 Boä thu phaùt hoàng ngoaïi coù caáu taïo goàm ba caëp thu phaùt hoàng ngoaïi boá trí nhö hình 5.16 Hình 5.16 Sô ñoà thu phaùt hoàng ngoaïi vaø boá trí caùc caëp thu phaùt trong encoder Hai caëp thu phaùt A, B ñöôïc boá trí sao cho truïc tia saùng naèm treân ñöôøng troøn qua taâm loã troáng nhöng leäch nhau, khi truïc tia saùng cuûa caëp A ñi qua taâm cuûa moät loã troáng thì truïc tia saùng caêp B seõ chieáu qua bieân cuûa loã troáng. Caëp Z ñöôïc boá trí coù truïc tia saùng ñi chæ ñi qua loã troáng lôùn maø khoâng qua caùc loã troáng coøn laïi. Caûm bieán Chi tieát Ñóa maõ Loã troáng Truïc tia saùng Ñóa maõ Boä thu phaùt hoàng ngoaïi OÅ bi Voû Truïc quay Led hoàng ngoaïi Phototransistor Hình 5.15 Caáu taïo cuûa encoder töông ñoái Daây daãn Led A Led B Led Z Phototransistor A Phototransistor B Phototransistor Z Vcc Vcc Out 1 3 Chöông III: Caûm bieán vaø öùng duïng 91 Khi ñóa maõ quay, loã troáng seõ laàn löôït ñi qua caùc truïc tia saùng cuûa caëp A vaø caëp B. Khi truïc tia saùng cuûa caëp naøo xuyeân qua loã troáng thì ôû phototransistor seõ cho ra tín hieäu möùc 1, ngöôïc laïi thì ôû phototransistor seõ cho ra tín hieäu möùc 0. Soá xung phaùt ra ôû ngoõ ra cuûa moãi phototransistor A, B seõ baèng soá loã troáng treân ñóa maõ. Khi ñóa maõ quay ñöôïc moät voøng thì phototransistor Z seõ phaùt ra moät xung. Giaûn ñoà xung cuûa Encoder töông ñoái nhö hình 5.17. Döïa vaøo thöù töï xuaát hieän cuûa caùc xung ta coù theå xaùc ñònh ñöôïc chieàu quay cuûa encoder. Hình 5.18 hình daïng cuûa encoder töông ñoái Ñoä phaân giaûi cuûa encoder tuyø thuoäc vaøo soá loã troáng (vaïch saùng toái) treân ñóa maõ. Thöôøng thì ñóa maõ coù soá loã troáng laø: 100, 200, 500, 1000 loã. Neáu goïi soá loã troáng treân ñóa maõ (soá xung phaùt ra) laø n thí ñoä phaân giaûi cuûa encoder laø s: )6.5(360 n s o = - Encoder tuyeät ñoái (Absolute Encoder): Encoder tuyeät ñoái coù caáu taïo goàm moät ñóa maõ treân ñoù coù khaéc nhieàu voøng caùc vaïch toái saùng nhö hình 5.15. Soá voøng caùc loã troáng treân ñóa maõ chính laø soá bit cuûa encoder. A B Z Quay ngöôïc A B Z Quay thuaän Hình 5.17 Giaûn ñoà xung cuûa encoder töông ñoái Truïc tia Ñóa maõ Boä thu phaùt hoàng ngoaïi OÅ bi Voû Truïc Led hoàng ngoaïi Phototransisto Hình 5.19 Caáu taïo cuûa encoder tuyeät ñoái 3 bit Daây daãn 000 001 Ñóa maõ Loã troáng 010 011 100 101 110 111 Chöông III: Caûm bieán vaø öùng duïng 92 Boä thu phaùt hoàng ngoaïi coù caáu taïo goàm ba caëp thu phaùt hoàng ngoaïi boá trí nhö hình 5.16 Hình 5.20 Sô ñoà thu phaùt hoàng ngoaïi trong emcoder tuyeät ñoái Caùc caëp thu phaùt hoàng ngoaïi ñöôïc boá trí thaúng haøng sao cho truïc tia saùng cuûa moãi caëp thu phaùt seõ ñi qua taâm cuûa moät loã troáng. Khi ñóa maõ quay thì ôû ngoõ ra seõ taïo ra moät soá nhò phaân, maõ BCD hoaëc maõ Gray tuyø vaøo caùch ñuïc loã treân ñóa maõ. Neáu goïi soá bit ngoõ ra cuûa encoder tuyeät ñoái laø n thì khi encoder quay moät voøng seõ cho ra 2n giaù trò, goïi ñoä phaân giaûi cuûa encoder laø s: )7.5( 2 3600 ns = Hình 5.21 Hình daïng cuûa encoder tuyeät ñoái Maïch ngoõ ra cuûa encoder: Hình 5.22 Maïch ngoõ ra cuûa encoder b. ÖÙng duïng cuûa encoder: Encoder ñöôïc duøng ñeå ño toác ñoä, ño chieàu daøi, ño dòch chuyeån, ño vò trí, ño goùc quay …. D0 (LSB) D1 D2 Chöông III: Caûm bieán vaø öùng duïng 93 Ví duï 1: Duøng encoder ñeå ño toác ñoä baêng taûi trong maùy roùt nöôùc chai. Hình 5.23 Duøng encoder ño toác ñoä baêng taûi Ví duï 2: Duøng encoder ñeå ño chieáu daøi trong maùy caét kim loaïi. Hình 5.24 duøng encoder ño chieàu daøi Maïch ño töø 0 ÷99 duøng encoder töông ñoái: Hình 5.25 Maïch ño 2 digit duøng IC ñeám leân/xuoáng Hex Encoder Encoder Vcc Vcc D CK Q QN RS CLK D/U QA QB QC QD 1 2 3 RS CLK D/U QA QB QC QD 1 2 3 U5 7 1 2 6 3 4 5 13 12 11 10 9 15 14 A B C D LT BI LE A B C D E F G 7 1 2 6 3 4 5 13 12 11 10 9 15 14 A B C D LT BI LE A B C D E F G R1 1 16 2 15 3 14 4 13 5 12 6 11 7 10 8 9 R2 1 16 2 15 3 14 4 13 5 12 6 11 7 10 8 9 A B A Chöông III: Caûm bieán vaø öùng duïng 94 VI. CAÛM BIEÁN LÖÏC, TROÏNG LÖÔÏNG: VI.1 Caûm Bieán Bieán Daïng : a. Caáu taïo cuûa caûm bieán bieán daïng: Caûm bieán bieán daïng goàm moät sôïi daây daãn coù ñieän trôû suaát ρ (thöôøng duøng hôïp kim cuûa Niken) coù chieàu daøi laø l vaø coù tieát dieän s, ñöôïc coá dònh treân moät phieán caùch ñieän nhö hình 6.1 Khi ño bieán daïng cuûa moät beà maët duøng strain gage, ngöôøi ta daùn chaët strain gage leân treân beà maët caàn ño sao cho khi beà maët bò bieán daïng thì strain gage cuõng bò bieán daïng. Ñieän trôû cuûa caûm bieán: )1.6( s lR ρ= Khi caûm bieán bò bieán daïng, do kích thöôùc cuûa daây daãn bò thay ñoåi neân ñieän trôû cuûa caûm bieán thay ñoåi moät löôïng ∆R: )2.6( s s l l R R ∆−∆+∆=∆ ρ ρ Trong ñoù: ∆l laø bieán thieân chieáu daøi cuûa daây daãn, ∆ρ laø bieán thieân ñieän trôû suaát cuûa daây daãn vaø ∆s laø bieán thieân tieát dieän cuûa daây daãn, R laø ñieän trôû cuûa caûm bieán khi chöa bò bieán daïng. Bieán daïng doïc cuûa daây daãn keùo theo bieán daïng ngang cuûa daây. Neáu daây daãn hình chöõ nhaät coù caùc caïnh a, b hoaëc daây daãn troøn coù ñöôøng kính d thì quan heä giöõa bieán daïng doïc vaø ngang cuûa daây nhö (6.3). )3.6( l l d d b b a a ∆−=∆=∆=∆ ν Trong ñoù ν laø heä soá Poisson. Trong vuøng ñaøn hoài, ν ≈ 0,3. Tieát dieän s cuûa daây 4 . 2dbas π== neân: )4.6(2 l l s s ∆−=∆ ν Söï thay ñoåi cuûa ñieän trôû suaát cuûa daây daãn tuaân theo quan heä: ( ) )5.6(21 l lC V VC ∆−=∆=∆ νρ ρ Trong ñoù C laø haèng soá Bridman. V = l.s, ∆V laø theå tích vaø löôïng bieán thieân theå tích cuûa daây daãn. Phieán caùch ñieän Daây daãn Hình 6.1 Caûm bieán bieán daïng Rx=R+∆R Chöông III: Caûm bieán vaø öùng duïng 95 Thay (6.4), (6.5) vaøo (6.2) ta ñöôïc: ( ) )6.6(221 l lK l lCC R R ∆=∆−++=∆ νν Vôùi ( )νν CCK 221 −++= . Hình 6.2 Caûm bieán bieán daïng (Strain gage) b. ÖÙng duïng cuûa caûm bieán bieán daïng: Strain gage ñöôïc duøng ñeå ño löïc, ño moâ men xoaén cuûa truïc, ño bieán daïng beà maët cuûa chi tieát cô khí, duøng ñeå cheá taïo caûm bieán troïng löôïng (Loadcell), caûm bieán ño öùng suaát … - Ño löïc duøng caûm bieán bieán daïng: Ñeå ño löïc taùc ñoäng leân moät vaät theå, ta daùn strain gage vaøo moät vaät öùng löïc (vaät chöùng) ñaët giöõa ñieåm taùc duïng löïc vaø vaät chòu taùc ñoäng sao cho bieán daïng cuûa caûm bieán baèng vôùi bieán daïng cuûa vaät chöùng, döôùi taùc duïng cuûa löïc taùc ñoäng, vaät chöùng bò bieán daïng seõ laøm caûm bieán bieán daïng laø thay ñoåi ñieän trôû cuûa caûm bieán, ño söï thay doåi ñieän trôû cuûa caûm bieán ta suy ra löïc taùc duïng. Khi vaät chöùng bò taùc duïng bôûi löïc F noù seõ bò bieán daïng theo phöông öùng löïc moät löôïng ε: )7.6(11 S F YYl l ==∆= σε Trong ñoù: ε laø bieán daïng cuûa vaät chöùng, σ laø öùng löïc, Y laø module Young, S laø tieát dieän cuûa vaät chöùng, F laø löïc taùc duïng. Töông öùng vôùi caùc vaät lieäu khaùc nhau thì module Young seõ khaùc nhau. Ví duï: Ño löïc eùp cho maùy eùp coïc beâ toâng hình 6.4: Strain gage Vaät chöùng Hình 6.3 Caûm bieán bieán daïng Rx=R+∆R Löïc taùc ñoäng F Vaät chòu löïc Chöông III: Caûm bieán vaø öùng duïng 96 - Ño moâ men xoaén duøng caûm bieán bieán daïng: Ñeå ño moâ men xoaén cuûa truïc quay, ta daùn 2 strain gage leân treân truïc quay theo höôùng cuûa öùng suaát (Nghieâng 45o so vôùi truïc) vaø 2 strain gage coù truïc vuoâng goùc vôùi nhau nhö hình 6.5 vaø 2 strain gage ñöôïc boá trí sao cho moät strain gage neùn vaø moät strain gage giaõn. Khi chòu taùc duïng cuûa ngaãu löïc, treân beà maët cuûa truïc quay seõ xuaát hieän moät bieán daïng ε )8.6(16 3 4 3 4 2D T YYl l πγε == ∆= Trong ñoù: T laø moâ men taùc ñoäng leân truïc, Y laø module Young, D laø baùn kính beà maët truïc Ví duï: Ño moâ men xoaén treân truïc cuûa heä tuabin maùy phaùt: Hình 6.7 Caûm bieán ño moâ men xoaén - Maïch ño duøng strain gage: Trong tröôøng hôïp duøng 2 strain gage thì Rx1 seõ laø strain gage neùn ( Rx1 = R - ∆R), Rx2 seõ laø strain gage giaõn ( Rx1 = R + ∆R). Trong maïch ño hình 6.8a thí ñieän aùp ngoõ ra Vo laø: Hình 6.4 Maùy eùp coïc beâ toâng Taûi giöõ giaù eùp Giaù eùp Taûi giöõ giaù eùp Xy lanh thuûy Coïc beâ toângVaät chöùng Hình 6.5 Daùn strain gage leân truïc ñeå ño moâ men xoaén 450 450 A B Tua bin Maùy phaùt Chaân maùy Truïc quay Hình 6.6 Heä tua bin maùy phaùt Chöông III: Caûm bieán vaø öùng duïng 97 a. Maïch ño moät strain gage b. Maïch ño 2 strain gage Hình 6.8 Maïch ño duøng Strain gage )9.6( )2(22 1 2 1 2 1 2 cccco VRR R R RV RR RR R RV ∆+ ∆−=   −∆+ ∆+−= Trong maïch ño hình 6.8b, ñieän aùp ngoõ ra Vo laø: )10.6( 22 1 2 1 2 1 2 cccco VR R R RV R RR R RV ∆−=   −∆+−= VI.2 Caûm Bieán Troïng Löôïng (Loadcell) : a. Caáu taïo cuûa Loadcell: - Loadcell goàm moät vaät chöùng ñaøn hoài, laø moät khoái nhoâm hoaëc theùp khoâng ræ ñöôïc xöû lyù ñaëc bieät, treân vaät chöùng coù daùn 4 strain gage. Khi vaät chöùng bò bieán daïng döôùi taùc duïng cuûa troïng löôïng taùc ñoäng vaøo loadcell thì coù theå coù 2 hoaëc 4 strain gage bò taùc ñoäng. Tuyø vaøo daïng cuûa vaät chöùng ta coù caùc loaïi loadcell. Hình 6.9 Caáu taïo cuûa loadcell VCC Vo R R R Rx + - OP-07 3 2 6 7 1 4 8R1 R3 R2 R4 Vcc Vo R R Rx1 Rx2 + - U1 OP-07 3 2 6 7 1 4 8R1 R2 R3 R4 Vaät chöùng Starin gage 1 Starin gage 2 Starin gage 4Starin gage 3 Maøng baûo veä Chöông III: Caûm bieán vaø öùng duïng 98 - Moät soá daïng cuûa loadcell: - Caùc strain gage trong loadcell ñöôïc keát noái thaønh moät maïch caàu Wheastone nhö hình 6.11. Caùc strain gage trong maïch caàu coù taùc duïng buø aûnh höôûng cuûa nhieät ñoä. Hình 6.10 Moät soá daïng Loadcell Chöông III: Caûm bieán vaø öùng duïng 99 Hình 6.11 Keát noái caùc strain gage trong loadcell - Khi khoâng bò taùc ñoäng, ñieän trôû cuûa caùc strain gage baèng nhau caàu ôû traïng thaùi caân baèng. Khi bò taùc ñoäng, vaät chöùng bò bieán daïng, caùc strain gage thay ñoåi ñieän trôû laøm caàu leäch caân baèng laø xuaát hieän ôû ngoõ ra moät ñieän aùp Vo. + Khi loadcell coù 2 strain gage tích cöïc (R2 , R4 giaõn, R1 = R3 = R coá ñònh): )11.6( 22243 3 21 2 cccco VRR RV RR R RR RRVcc RR R RR RV ∆+ ∆=   ∆+−∆+ ∆+=    +−+= Thöôøng thì giaù trò cuûa ∆R << R neân heä thöùc (6.11) coù theå vieát laïi: )12.6( 2 RKV R RV cco ∆=∆= + Khi loadcell coù 4 strain gage tích cöïc (R2 = R4 = R + ∆R, R1 = R3 = R -∆R). Ñieän aùp ra cuûa caàu Vo: )13.6( 22 RKV R RV R RR R RRV cccco ∆=∆=   ∆−−∆+= - Töø (6.11) vaø (6.12) ta thaáy ñieän aùp ngoõ ra cuûa caàu tyû leä vôùi löôïng thay ñoåi ñieän trôû cuûa strain gage. - Maïch töông ñöông cuûa loadcell: Töø sô ñoà keát noái cuûa loadcell (hình 6.11), ta coù sô ñoà töông ñöông Thevenin cuûa loadcell nhö hình 6.13. Trong ñoù Rtñ laø toång trôû töông ñöông cuûa maïch khi ngaén maïch nguoàn cung caáp, Vo laø ñieän aùp ôû ngoõ ra cuûa loadcell khi hôû maïch. Hình 6.13 Maïch töông ñöông thevenin cuûa loadcell - Khi heä thoáng söû duïng nhieàu loadcell nhö caùc heä thoáng caân xe (Thöôøng laø 2, 4, 6 hoaëc 8 loadcell), vieäc keát noái nhieàu loadcell vaøo moät cô caáu chæ thò phaûi ñaûm baûo sao cho cuøng moät A B V1 1 2 R4 R3 R1 R2 Vo A B Vo 1 2 Rtd Chöông III: Caûm bieán vaø öùng duïng 100 Exc Sig- LoadcellLoadcellLoadcell R R RR V R Exc Sig+ Loadcell V R V R V R khoái löôïng taùc ñoäng vaøo caùc loadcell thì chæ soá treân cô caáu chæ thò phaûi nhö nhau. Ñeå ñaûm baûo ñöôïc yeâu caàu naøy thì caùc loadcell phaûi ñöôïc noái vaøo maïch coäng tín hieäu tröôùc khi ñöa veà ñaàu caân ñeå xöû lyù. Vì moãi loadcell coù moät ñoä nhaïy khaùc nhau cho duø duøng cuøng loaïi, neân Junction box coù boán bieán trôû ñieàu chænh ñeå caùc loadcell cuøng ra moät sai leäch ñieän aùp ñoái vôùi cuøng moät taûi troïng. Caùc bieán trôû naøy ñöôïc maéc vaøo nguoàn cung caáp cho loadcell vì thay ñoåi aùp nguoàn cung caáp seõ laøm thay ñoåi tín hieäu ñieän aùp ra. Ngoøai ra ñeå coù theå coäng caùc tín hieäu laïi vôùi nhau, ngöôøi ta duøng theâm moät ñieän trôû maéc ôû ngoõ ra cuûa caùc loadcell. Sô ñoà nguyeân lyù cuûa Junction Box nhö hình 6.15: - Khi noái theâm bieán trôû chænh nguoàn vaø ñieän trôû coäng tín hieäu vaøo loadcell, thì ñieän aùp ngoõ ra cuûa moãi loadcell: )14.6(. 22 cccc V VRR RV VRR R R RR R RRV + ∆=+   ∆−−∆+= )15.6( 2 RVR RRRtd + ∆−= Sô ñoà töông ñöông thevenin nhö hình 6.14. Hình 6.14 Sô ñoà keát noái 1 loadcell vaø maïch töông ñöông thevenin Hình 6.15 Sô ñoà junction Box 4 loadcell Ta coù sô ñoàng thay theá cuûa maïch Junction Box: Sig+ Sig- V1 R1 R2 R3R4 VR R Sig+ Sig- V Rtd Chöông III: Caûm bieán vaø öùng duïng 101 Hình 6.16 Maïch töông ñöông cuûa Junction Box Goïi U = Sig+ - Sig- laø ñieän aùp ngoõ ra cuûa Junction Box, Rtd1, Rtd2, Rtd3, Rtd4 laø toång trôû töông ñöông thevenin cuûa moãi loadcell. Ta coù: )16.6(0 4 4 3 3 2 2 1 1 =−+−+−+− Rtd VU Rtd VU Rtd VU Rtd VU )17.6( 4 4 3 3 2 2 1 1 4321 Rtd V Rtd V Rtd V Rtd V Rtd U Rtd U Rtd U Rtd U +++=+++⇒ )18.6( 4 4 3 3 2 2 1 1 4321 Rtd V Rtd V Rtd V Rtd V Rtd U Rtd U Rtd U Rtd U +++=+++⇒ Neáu toång trôû töông ñöôg cuûa caùc loadcell laø gioáng nhau thì töø (6.18) ta coù: )19.6( 4 4321 VVVVU +++= b. ÖÙng duïng cuûa loadcell: Loadcell ñöôïnc söû duïng trong caùc heä thoáng caân nhö caân oâtoâ, caân ñònh löôïng trong caùc heä thoáng troän phoái lieäu nhö: Beâ toâng, thöùc aên gia suùc, phaân boùn, xi maêng …; Caùc heä thoáng caân ñoùng bao. Ngoaøi ra Loadcell coøn coù theå ñöôïc duøng ñeå ño löïc, ño moâmen … Hình 6.17 Heä thoáng caân xe oâtoâ taûi troïng lôùn Sig- Sig+ V1 Rtd1 V2 Rtd2 Rtd3 V3 Rtd4 V4 U Chöông III: Caûm bieán vaø öùng duïng 102 Hình 6.17 Moät soá öùng duïng cuûa loadcell VII. CAÛM BIEÁN AÙP SUAÁT: VII.1 Caáu Taïo Vaø Nguyeân Lyù Hoaït Ñoäng Cuûa Caûm Bieán AÙp Suaát: a. Caûm bieán aùp suaát kieåu ñieän trôû: Caûm bieán aùp suaát kieåu ñieän trôû coù caáu taïo goàm 1 strain gauge ñöôïc daùn coá ñònh treân maøng moûng (phaân caùch phaàn aùp suaát cao vaø phaàn aùp suaát thaáp) bieán daïng nhö hình hình 7.1. Khi aùp suaát chaát löu taùc ñoäng leân caûm bieán ôû phaàn aùp suaát cao, maøng phaân caùch bò bieán daïng laøm cho Strain gauge bò bieán daïng theo. Khi strain gauge bò bieán daïng, ñieän trôû cuûa noù seõ thay ñoåi nhö (6.6). Hình 7.1 Caáu taïo vaø moät soá daïng cuûa caûm bieán aùp suaát kieåu ñieän trôû. Chöông III: Caûm bieán vaø öùng duïng 103 - Maïch ño cuûa caûm bieán aùp suaát kieåu ñieän trôû: Hình 7.2 Maïch ño duøng caûm bieán aùp suaát. b. Caûm bieán aùp suaát kieåu aùp ñieän: Caûm bieán aùp suaát kieåu aùp ñieän coù caáu taïo nhö hình 7.3 P Q Hình 7.3 Caáu taïo vaø hình daïng cuûa caûm bieán aùp suaát aùp ñieän. Trong caáu taïo cuûa caûm bieán, phaàn töû nhaïy caûm chính laø caùc chaát aùp ñieän nhö: caùc tinh theå thaïch anh, Titan, Bari …. Khi aùp suaát cuûa chaát löu taùc ñoäng leân caûm bieán seõ laøm caùc tinh theå aùp ñieän bò bieán daïng (bò neùn) thí treân beà maët cuûa chaát aùp ñieän seõ xuaát hieän ñieän tích Q phuï thuoäc vaøo aùp suaát neùn. Q = K.P (7.1) Vôùi K laø heä soá phuï thuoäc vaøo kích thöôùc vaø baûn chaát cuûa chaát aùp ñieän. VII.2 ÖÙng Duïng Cuûa Caûm Bieán AÙp Suaát: Caûm bieán aùp suaát ñöôïc duøng ñeå ño aùp suaát chaát löu nhö: Ño aùp suaát chaát loûng trong ñöôøng oáng, ño aùp suaát khí trong caùc ñöôøng oáng daãn khí, ño aùp suaát hôi trong noài hôi… Ngoaøi ra caûm bieán aùp suaát coøn coù theå ñöôïc duøng ñeå ño cao trình coät chaát loûng thoâng qua aùp suaát thuyû tónh. VCC Vo R R R Rx + - OP-07 3 2 6 7 1 4 8R1 R3 R2 R4 Maøng phaân caùch Voû caûm bieán Tinh theå aùp ñieän