Đ I H C CÔNG NGHI P TP.HCM KHOA CÔNG NGH ĐI N T GIÁO TRÌNH LÝ THUY T K THU T C M BI N VÀ ĐO LƯ NG BIÊN SO N: TR N VĂN HÙNG LƯU HÀNH N I B 2012 Chương 1: Các Khái Ni m Chung Chương CÁC KHÁI NI M CHUNG 1.1 Gi i thi u C m bi n thi t b dùng ñ c m nh n bi n ñ i ñ i lư ng v t lý đ i lư ng khơng có tính ch t n c n đo thành đ i lư ng n có th đo x lý đư c Trong q trình s n xu t có nhi u đ i lư ng v t lý nhi t ñ , áp su t, t c ñ , t c ñ quay, n ng ñ pH, ñ nh n c n ñư c x lý cho đo lư ng, cho m c đích ñi u n truy n ñ ng Các b c m bi n th c hi n ch c này, chúng thu nh n, đáp ng kích thích C m bi n đư c xem k thu t ñ chuy n ñ i lư ng v t lý nhi t ñ , áp su t, kho ng cách sang m t ñ i lư ng khác đ có th đánh giá t t Các ñ i lư ng ph n l n tín hi u n Thí d : ði n áp, dịng n, n tr ho c t n s dao ñ ng Các tên khác c a khác c a b c m bi n: Sensor, b c m bi n ño lư ng, ñ u dò, van ño lư ng, b nh n bi t ho c b bi n ñ i Các ñ i lư ng c n ño (m) thư ng khơng có tính ch t n (nhi t ñ , áp su t…) tác ñ ng lên c m bi n cho ta m t ñ c trưng (s) mang tính ch t n (đi n áp, dịng n, tr kháng…) ch a thơng tin cho phép ta có th xác đ nh giá tr c a đ i lư ng n đó, đ c trưng (s) hàm c a đ i lư ng c n ño (m) s = F(m) (1.1) Ngư i ta g i (s) ñ i lư ng ñ u ph n ng c a c m bi n, (m) ñ i lư ng đ u vào hay g i kích thích Thơng qua đo đ c (s) cho phép nh n bi t giá tr c a (m) Hình nh c a lo i c m bi n thư ng dùng hi n đư c mơ t mơ hình 2.1 Trang Chương 1: Các Khái Ni m Chung Hình 1.1 Các lo i c m bi n thông d ng hi n Các b c m bi n ñư c s d ng nhi u lĩnh v c công nghi p dân d ng Các b c m bi n ñ c bi t r t nh y c m ñư c s d ng thí nghi m lĩnh v c nghiên c u khoa h c Trong lĩnh v c t đ ng hố ngư i ta s d ng sensor thông thư ng hay c m bi n có ch c đ c bi t 1.2 ðư ng cong chu n c a c m bi n 1.2.1 Khái ni m ðư ng cong chu n c m bi n ñư ng cong bi u di n s ph thu c c a ñ i lư ng ñi n (s) ñ u c a c m bi n vào giá tr c a ñ i lư ng ño (m) ñ u vào ðư ng cong chu n có th bi u di n b ng bi u th c ñ i s dư i d ng s=F(m), ho c b ng ñ th Hình 1.2 (a) ðư ng cong chu n b) ðư ng cong chu n c a c m bi n n tính hóa D a vào đư ng cong chu n c a c m bi n, ta có th xác đ nh giá tr mi chưa bi t c a m thơng qua giá tr đo ñư c si c a s ð d s d ng, ngư i ta thư ng ch t o c m Trang Chương 1: Các Khái Ni m Chung bi n có s ph thu c n tính gi a ñ i lư ng ñ u ñ i lư ng ñ u vào, phương trình s= F(m) sau phép bi n đ i n tính s có d ng: s = am +b (1.2) v i a, b h s , ñư ng cong chu n ñư ng th ng 1.2.2 Phương pháp chu n c m bi n Chu n c m bi n phép ño nh m m c đích xác l p m i quan h gi a giá tr s ño ñư c c a ñ i lư ng ñi n ñ u giá tr m c a ñ i lư ng ño có tính đ n y u t nh hư ng, s xây d ng đư ng cong chu n dư i d ng d nh n bi t (ñ th ho c bi u th c ñ i s ) Khi chu n c m bi n, v i m t lo t giá tr ñã bi t xác mi c a m, ño giá tr tương ng si c a s d ng ñư ng cong chu n a Chu n ñơn gi n Trong trư ng h p ñ i lư ng đo ch có m t đ i lư ng v t lý nh t tác ñ ng lên m t ñ i lư ng ño xác ñ nh c m bi n s d ng không nh y v i tác ñ ng c a ñ i lư ng nh hư ng, ngư i ta dùng phương pháp chu n ñơn gi n Th c ch t c a chu n ñơn gi n ño giá tr c a ñ i lư ng ñ u ng v i giá tr xác ñ nh khơng đ i c a đ i lư ng ño ñ u vào Vi c chu n ti n hành theo cách: o Chu n tr c ti p: giá tr khác c a ñ i lư ng ño l y t m u chu n ho c ph n t so sánh có giá tr bi t trư c v i đ xác cao o Chu n gián ti p: k t h p c m bi n c n chu n v i m t c m bi n so sánh ñã có s n ñư ng cong chu n, c hai ñư c ñ t ñi u ki n làm vi c b Chu n nhi u l n Khi c m bi n có ph n t b tr (tr ho c tr t ), giá tr đo đư c thu c khơng nh ng vào giá tr t c th i c a ñ i lư ng c n ño ñ u ph ñ u vào mà ph thu c vào giá tr trư c c a c a đ i lư ng Trong trư ng h p v y, ngư i ta áp d ng phương pháp chu n nhi u l n ti n hành sau: o ð t l i ñi m c a c m bi n: ð i lư ng c n ño ñ i lư ng ñ u có giá tr tương ng v i ñi m g c, m=0 s=0 Trang Chương 1: Các Khái Ni m Chung o ðo giá tr ñ u theo m t lo t giá tr tăng d n ñ n giá tr c c ñ i c a ñ i lư ng ño ñ u vào o L p l i q trình đo v i giá tr gi m d n t giá tr c c ñ i Khi chu n nhi u l n cho phép xác ñ nh ñư ng cong chu n theo c hai hư ng ño tăng d n ño gi m d n 1.3 Các ñ c trưng b n c a c m bi n 1.3.1 ð nh y c a c m bi n a Khái ni m ð i v i c m bi n n tính, gi a bi n thiên đ u ∆s bi n thiên đ u vào ∆m có s liên h n tính: ∆S = S ∆m ⇒S= (1.3) ∆S : g i ñ nh y c a c m bi n ∆m (1.4) Trư ng h p t ng quát, bi u th c xác ñ nh ñ nh y S c a c m bi n xung quanh giá tr mi c a ñ i lư ng ño xác ñ nh b i t s gi a bi n thiên ∆s c a ñ i lư ng ñ u bi n thiên ∆m tương ng c a ñ i lư ng ño ñ u vào quanh giá tr ñó:  ∆S  S =   ∆m  m=mi (1.5) b Lưu ý ð phép đo đ t đ xác cao, thi t k s d ng c m bi n c n th c hi n cho ñ nh y S c a khơng đ i, nghĩa ph thu c nh t vào y u t : o Giá tr c a ñ i lư ng c n ño m t n s thay đ i c a o Th i gian s d ng o nh hư ng c a ñ i lư ng v t lý khác (không ph i đ i lư ng đo) c a mơi trư ng xung quanh Thông thư ng nhà s n xu t cung c p giá tr c a ñ nh y S tương ng v i nh ng ñi u ki n làm vi c nh t ñ nh c a c m bi n Trang Chương 1: Các Khái Ni m Chung 1.3.2 ð n tính c a c m bi n a Khái ni m M t c m bi n ñư c g i n tính m t d i đo xác ñ nh n u d i ch ñ có đ nh y khơng ph thu c vào ñ i lư ng ño N u c m bi n khơng n tính, ngư i ta đưa vào m ch ño thi t b hi u ch nh cho tín hi u n nh n ñư c ñ u t l v i s thay ñ i c a ñ i lư ng ño ñ u vào S hi u ch nh ñó ñư c g i s n tính hố b ðư ng th ng t t nh t Khi chu n c m bi n, t k t qu th c nghi m ta nh n ñư c m t lo t ñi m tương ng (si ,mi) c a ñ i lư ng ñ u ñ i lư ng ñ u vào V m t lý thuy t, ñ i v i c m bi n n tính, đư ng cong chu n m t ñư ng th ng Tuy nhiên, sai s ño, ñi m chu n (mi, si) nh n ñư c b ng th c nghi m thư ng khơng n m m t đư ng th ng ðư ng th ng ñư c xây d ng s s li u th c nghi m cho sai s bé nh t, bi u di n s n tính c a c m bi n ñư c g i ñư ng th ng t t nh t Phương trình bi u di n ñư ng th ng t t nh t đư c l p b ng phương pháp bình phương bé nh t Gi s chu n c m bi n ta ti n hành v i N m đo, phương trình có d ng: S = a.m + b v i a= (1.6) N ∑ si mi − ∑ si ∑ mi N ∑ m − (∑ mi ) i ; b= ∑ s m − ∑ m s ∑ m N ∑ m − (∑ m ) i i i i i i (1.7) i c ð l ch n tính ð i v i c m bi n khơng hồn tồn n tính, ngư i ta ñưa khái ni m ñ l ch n tính, xác đ nh b i đ l ch c c ñ i gi a ñư ng cong chu n đư ng th ng t t nh t, tính b ng % d i ño 1.3.3 Sai s đ xác c a c m bi n a Sai s Trang Chương 1: Các Khái Ni m Chung Các b c m bi n d ng c đo lư ng khác, ngồi đ i lư ng c n ño (c m nh n) cịn ch u tác đ ng c a nhi u ñ i lư ng v t lý khác gây nên sai s gi a giá tr ño ñư c giá tr th c c a ñ i lư ng c n ño G i ∆x ñ l ch t ñ i gi a giá tr ño giá tr th c x (sai s t ñ i), sai s tương ñ i c a b c m bi n đư c tính b ng: δ = ∆x 100 [%] x (1.8) b Sai s c a b c m bi n mang tính ch t c tính B i khơng th bi t xác giá tr th c c a ñ i lư ng c n ño Khi ñánh giá sai s c a c m bi n, ngư i ta thư ng phân chúng thành hai lo i: Sai s h th ng sai s ng u nhiên Sai s h th ng: Là sai s không ph thu c vào s l n đo, có giá tr khơng đ i ho c thay ñ i ch m theo th i gian ño thêm vào m t ñ l ch khơng đ i gi a giá tr th c giá tr ño ñư c Sai s h th ng thư ng s thi u hi u bi t v h ño, ñi u ki n s d ng không t t gây Sai s ng u nhiên: Là sai s xu t hi n có đ l n chi u khơng xác đ nh Ta có th d đốn đư c m t s ngun nhân gây sai s ng u nhiên không th d đốn đư c đ l n d u c a Nh ng nguyên nhân gây sai s ng u nhiên có th là: o Do s thay đ i đ c tính c a thi t b o Do tín hi u nhi u ng u nhiên o Do ñ i lư ng nh hư ng khơng đư c tính đ n chu n c m bi n 1.3.4 ð nhanh th i gian ñáp ng c a c m bi n a ð nhanh c a c m bi n ð nhanh: Là ñ c trưng c a c m bi n cho phép ñánh giá kh theo k p v th i gian c a ñ i lư ng ñ u ñ i lư ng ñ u vào bi n thiên Th i gian ñáp ng ñ i lư ng ñư c s d ng ñ xác ñ nh giá tr s c a ñ nhanh Trang Chương 1: Các Khái Ni m Chung ð nhanh tr: Là kho ng th i gian t ñ i lư ng ño thay ñ i ñ t ng t ñ n bi n thiên c a đ i lư ng đ u ch cịn khác giá tr cu i m t lư ng gi i h n ε tính b ng % b Th i gian ñáp ng tương ng c a c m bi n Th i gian ñáp ng tương ng v i ε% xác ñ nh kho ng th i gian c n thi t ph i ch ñ i sau có s bi n thiên c a đ i lư ng ño ñ l y giá tr c a đ u v i đ xác đ nh trư c Th i gian ñáp ng ñ c trưng cho ch ñ ñ c a c m bi n hàm c a thông s th i gian xác ñ nh ch ñ o Trong trư ng h p s thay ñ i c a ñ i lư ng ño: Trong trư ng h p s thay ñ i c a ñ i lư ng đo có d ng b c thang, thơng s th i gian g m th i gian tr tăng (tdm) th i gian tăng (tm) ng v i s tăng ñ t ng t c a ñ i lư ng ño ho c th i gian tr gi m (tdc) th i gian gi m (tc) ng v i s gi m ñ t ng t c a đ i lư ng đo Hình 1.3 o Kho ng th i gian tr tăng tdm: Là th i gian c n thi t ñ ñ i lư ng ñ u tăng t giá tr ban đ u c a đ n 10% c a bi n thiên t ng c ng c a ñ i lư ng kho ng th i gian tăng tm th i gian c n thi t ñ ñ i lư ng ñ u tăng t 10% ñ n 90% bi n thiên bi n thiên t ng c ng c a o Th i gian tr gi m tdc: Th i gian tr gi m tdc th i gian c n thi t ñ ñ i lư ng ñ u gi m t 10% ñ n 90% bi n thiên bi n thiên t ng c ng c a Hình 1.3 Các kho ng th i gian ñ c trưng cho ch ñ ñ Trang Chương 1: Các Khái Ni m Chung 1.3.5 Gi i h n s d ng c a c m bi n Trong trình s d ng, c m bi n ln ch u tác đ ng c a ng l c h c, tác ñ ng nhi t Khi tác ñ ng vư t ngư ng cho phép, chúng s làm thay ñ i ñ c trưng làm vi c c a c m bi n B i v y s d ng c m bi n, ngư i s d ng c n ph i bi t rõ gi i h n o Vùng làm vi c ñ nh danh: Vùng làm vi c ñ nh danh tương ng v i nh ng ñi u ki n s d ng bình thư ng c a c m bi n Gi i h n c a vùng giá tr ngư ng mà ñ i lư ng ño, ñ i lư ng v t lý có liên quan ñ n ñ i lư ng ño ho c đ i lư ng nh hư ng có th thư ng xun đ t t i mà khơng làm thay ñ i ñ c trưng làm vi c ñ nh danh c a c m bi n o Vùng không gây nên hư h ng: Vùng không gây nên hư h ng vùng mà ñ i lư ng ño ho c ñ i lư ng v t lý có liên quan ñ i lư ng nh hư ng vư t qua ngư ng c a vùng làm vi c ñ nh danh v n n m ph m vi khơng gây nên hư h ng Các đ c trưng c a c m bi n có th b thay ñ i nh ng thay ñ i mang tính thu n ngh ch, t c tr v vùng làm vi c ñ nh danh ñ c trưng c a c m bi n l y l i giá tr ban ñ u c a chúng o Vùng không phá h y: Vùng không phá h y vùng mà ñ i lư ng ño ho c ñ i lư ng v t lý có liên quan đ i lư ng nh hư ng vư t qua ngư ng c a vùng không gây nên hư h ng v n cịn n m ph m vi khơng b phá h y, ñ c trưng c a c m bi n b thay ñ i nh ng thay đ i mang tính khơng thu n ngh ch, t c tr v vùng làm vi c ñ nh danh ñ c trưng c a c m bi n không th l y l i giá tr ban ñ u c a chúng Trong trư ng h p c m bi n v n cịn s d ng đư c, ph i ti n hành chu n l i c m bi n 1.4 Nguyên lý ch t o c a c m bi n Các c m bi n ñư c ch t o d a s hi n tư ng v t lý ñư c phân làm hai lo i: Trang Chương 1: Các Khái Ni m Chung o C m bi n tích c c: Là c m bi n ho t ñ ng m t máy phát, ñáp ng (s) n tích, n áp hay dịng o C m bi n th ñ ng: Là c m bi n ho t ñ ng m t tr kháng đáp ng (s) n tr , ñ t c m ho c ñi n dung Các c m bi n tích c c đư c ch t o d a s ng d ng hi u ng v t lý bi n ñ i m t d ng lư ng ñó (nhi t, ho c b c x ) thành lư ng n Sau mơ t m t cách khái quát ng d ng m t s hi u ng v t lý ch t o c m bi n 1.4.1 Hi u ng nhi t ñi n Hi u ng nhi t ng d ng ch t o c m bi n nhi t ñ Hai dây d n (M1) (M2) có b n ch t hố h c khác ñư c hàn l i v i thành m t m ch n kín, n u nhi t ñ hai m i hàn T1 T2 khác nhau, m ch xu t hi n m t su t ñi n ñ ng e(T1, T2) mà đ l n c a ph thu c vào s chênh l ch nhi t ñ gi a T1 T2 Hình 1.4 Hi u ng nhi t ñi n Hi u ng nhi t ñi n ñư c ng d ng ñ ño nhi t ñ T1 bi t trư c nhi t ñ T2, thư ng ch n T2 = 0oC 1.4.2 Hi u ng h a nhi t M t s tinh th g i tinh th ho n (ví d tinh th sulfate triglycine) có tính phân c c n t phát v i ñ phân c c ph thu c vào nhi t ñ , làm xu t hi n m t ñ i di n c a chúng nh ng n tích trái d u ð l n c a ñi n áp gi a hai m t ph thu c vào ñ phân c c c a tinh th ho ñi n Trang Chương 6: C m bi n Nhi t Đ o Quan h gi a ñi n tr nhi t đ c a thermistor khơng n tính Hình 6.36 ð c n c a RDT M ch ño c a thermistor: Vi R2 R3 Vo RT RTD R1 Hình 6.37 M ch đo RDT o Thermistor ñư c n i vào m ch c u H hình v o Khi c u cân b ng: ∆E0 ∆RT R3 = EI ( RT + ∆RT + R2 ).( R3 + R4 ) o (6.36) Thông thư ng ngư i ta ch n R2=R3, Rt=R4 Khi ñó: ∆E0 ∆RT / RT = EI + ∆RT / RT + ∆RT / R2 + RT / R2 + R2 / RT Trang 208 (6.37) Chương 6: C m bi n Nhi t Đ H n ch c a phương pháp đo tr c ti p: Ngồi m t s ưu ñi m ñã ñư c nêu trên, phương pháp đo tr c ti p cịn m t s h n ch sau: o Không th ño nhi t ñ di n tích l n o Khơng đo đư c nh ng v t chuy n ñ ng o Ch dùng t m t -190oC đ n 1063oC o Có th nh hư ng ñ n c u trúc h th ng c n đo nhi t đ c m bi n có th tích l n … 6.6.2 ðo gián ti p (cách ly) a Các trư ng h p c n ño cách ly o Xác ñ nh nhi t ñ c a m t v t ñang di chuy n o Xác ñ nh nhi t ñ c a m t v t r t nóng khơng th đo ñư c b ng d ng c thông thư ng o Xác ñ nh nhi t ñ c a m t v t n m khu v c nguy hi m lò ph n ng h t nhân, lị nung, lị luy n kim… o Xác đ nh nhi t ñ c a m t khu v c có di n tích r ng o Xác đ nh nhi t đ mà khơng gây nh hư ng đ n ñ i tư ng c n ño o Xác ñ nh nhi t ñ mà không làm thay ñ i c u trúc c a v t c n ño b Nguyên lý ño nhi t ñ cách ly o Các v t th nhi t ñ l n 0oK phát m t b c x ñi n t b m t t l v i nhi t ñ c a v t o Ta ño nhi t ñ c a v t d a b c x n t v t phát o Liên h gi a cư ng ñ bư c sóng b c x v i nhi t ñ WA = 2πc h λ5 (e hc / kλT − 1) (6.38) − W:cư ng ñ quang ph b c x c a v t ñen Trang 209 Chương 6: C m bi n Nhi t Đ − λ : bư c sóng b c x − h : h ng s Planck − c : v n t ánh sáng − k : h ng s Boltmann o Ph phát x c a v t ñen theo bư c sóng Hình 6.38 Ph phát x c a v t đen theo bư c sóng c Các cách ño nhi t ñ cách ly o S d ng phương pháp quang (optical pyrometer) o S d ng phương pháp b c x ñi n t (photon detector) d ðo nhi t ñ cach ly dùng phương pháp quang (optical pyrometer) o Dùng ñ ño nhi t ñ kho ng t 973 - 4273oK o Pyrometer ho t ñ ng d a nguyên t c so sánh ñ sáng c a dây tóc bóng ñèn v i ñ sáng c a v t c n ño o ð sáng c a bóng đèn đư c chu n hóa v i m t ngu n đen t ñ i phát x m t nhi t ñ bi t trư c Trang 210 Chương 6: C m bi n Nhi t Đ Hình 6.39 ðo nhi t đ cách ly b ng phương pháp quang o Khi cư ng đ sáng c a n n dây tóc b ng ta có phương trình: ε ℓ C / λr T −1 = ℓ C / λr T f −1 (6.39) − λ bư c sóng c a ánh sáng đ kho ng 0.63µm − ε h s phát x c a v t − Tf nhi t ñ c a dây tóc bóng đèn − T nhi t c a v t − Khi T < 4273oK ta có: ℓ C2 / λT 〉〉1 T = λr (ln ε ) / C2 + / T f (6.40) e ðo nhi t ñ cach ly dùng phương pháp b c x ñi n t (photon detector) o Có r t nhi u ng d ng địi h i ph i xác ñ nh nhi t ñ khơng ti p xúc như: đo lư ng nhi t ñ tòa nhà, h th ng ng d n, khu v c có di n tích r ng, ho c nh ng lò luy n kim… o Thi t b ño nhi t ñ s d ng Photon Detector gi i pháp cho v n ñ o Photon Detector m t lo i sensor mà ñáp ng c a n áp t l v i m t đ dịng photon t p trung b m t c m bi n Trang 211 Chương 6: C m bi n Nhi t Đ Hình 6.41 Hình d ng c m bi n đo nhi t ñ b c x ñi n t Nguyên lý ho t đ ng: Hình 6.42 C m bi n đo nhi t đ d ng cách ly Cơng th c: D2 E0 = kt εg (T ) 4f o (6.41) kt : ñ nh y c a h th ng (bao g m h s truy n, ñ l i ñi n áp ñ nh y c a c m bi n) o Do có nhi u ng d ng thương m i công nghi p s d ng photon detector nên t m ño c a r t đa d ng o V i m t máy ño nhi t ñ quang b n có th s d ng đ đo nhi t ñ kho ng 253 ñ n 1873oK Trang 212 Chương 6: C m bi n Nhi t Đ 30oC 0.1o o ð nh y c a scanner o H th ng ño lư ng nhi t ñ b ng h ng ngo i o Các v t th nhi t ñ l n 0oK phát m t b c x ñi n t b m t t l v i nhi t ñ c a v t Hình 6.43 H th ng đo lư ng nhi t ñ b ng h ng ngo i Hình 6.44 Sơ đ kh i h th ng đo lư ng nhi t ñ b ng h ng ngo i Hình 6.45 B u n nhi t c m tay dùng ánh sáng h ng ngo i o Ba bư c đ đo nhi t đ c a v t: Bư c 1: Chuy n tín hi u h ng ngo i phát x t v t nh n đư c tín hi u ñi n Bư c 2: Bù nhi t ñ n n c a mơi trư ng c n đo Trang 213 Chương 6: C m bi n Nhi t Đ : Bư c 3: Tuy n tính hóa k t qu nh n đ c xu t thơng tin v nhi t ñ ñư c n ño 6.7 M ch ño 6.7.1 o Gi i thi u IC (LM135/235/335) h n ch v t m ño t -55oC ñ n +1500C, ñ u (áp) n tính v i nhi t đ v “d ” s d ng o Khi mu n có t m đo l n h ho c mu n có ñ nh y cao h ph i s d ng hơn sensor khác Thermocouple, RTD ho c Thermistor o V i sensor RTD, Thermistor ñ i lư ng thay ñ i tương ng vơi nhi t ñ ương ñi n tr , cịn v i Thermocouple n áp, r t nh ( V) S thay ịn đ i khơng n tính v i nhi t đ o Có thêm m ch gia cơng tín hi u ñ bi n ñ i thành ñi n áp, khu ch ñ i ành ñ n t m mong mu n 6.7.2 ðo dùng m ch c u Wheatstone Hình 6.46 M ch đo dùng c u Wheatstone Vd: v i RTD 00C, R = 100 Vout = V o , TC = 0.385 /0C R + ∆R R + 2∆R ⇒ ∆V = V ∆R R + ∆R (6.42) ∆R ði n áp thay ñ i r t nh V = I (R + ∆R ) ⇒ ∆V = I * ∆R Trang 214 (6.43) Chương 6: C m bi n Nhi t Đ o ði n áp thay đ i khơng n tính v i ∆R o Áp l n I l n o I không th l n o Gi i h n công su t o To nhi t ph n t ño o Có m t phương pháp tơt s d ng c u Wheatstone s d ng ngu n dòng/áp Có lo i c u Wheatstone ngu n áp thông d ng VB VB R R+∆R R R Vo Vo: VB Sai s TT: ∆R R+∆R/2 VB ∆R R+∆R/2 R-∆R Vo R+∆R R-∆R R 0,5%/% 0,5%/% R-∆R R+∆R Vo R+∆R R VB R Vo R+∆R R VB ∆R VB R R+∆R ∆R VB R Hình 6.47 Các d ng c u Wheatstone ngu n áp o C u Wheatstone v i ph n t thay đ i Áp khơng n tính (có th gi i quy t b ng ph n m m ho c kĩ thu t m ch) ð nh y 0.5%/% o C u Wheatstone v i ph n t thay đ i (d ng 1) Khơng n tính (0.5%/%) ð nh y tăng g p ñôi so v i trư ng h p ñ u o C u Wheatstone v i ph n t thay ñ i (d ng 2) Trang 215 Chương 6: C m bi n Nhi t Đ Tuy n tính ð nh y tăng g p đơi so v i trư ng h p ñ u C u thư ng dùng cho c m bi n áp su t ho c lưu lư ng o C u Wheatstone v i ph n t thay ñ i Tuy n tính ð nh y tăng g p so v i trư ng h p ñ u C u d ng thư ng dùng v i Loadcell B n d ng c u Wheatstone v i ngu n dòng IB IB R R+∆R R R Vo ∆R IB R+∆R/4 Sai s TT: 0,25%/% IBR Vo: Vo R+∆R R IB R-∆R R+∆R R Vo R+∆R R IB IB ∆R Vo R+∆R R-∆R R ∆R R-∆R R+∆R IB ∆R Hình 6.48 Các d ng c u Wheatstone ngu n dịng o Ưu m: ði n tr dây, ti p xúc không gây sai l ch k t qu Có th dùng dây d n ñơn gi n, r 6.7.3 o Tuy n tính hóa – khu ch đ i tín hi u sau c u Tín hi u đưa cịn nh (vài ch c – vài trăm mV), c n ph i ñư c khu ch ñ i trư c ñưa vào b ADC ho c x lý ti p Khu ch đ i đơn gi n có th dùng b OpAmp Trang 216 Chương 6: C m bi n Nhi t Đ VB RF R R R R+∆R +VS VS Hình 6.49 M ch khu ch đ i ñơn gi n dùng Opamp o M ch cho đ xác khơng cao ð khu ch đ i ph thu c vào ñi n tr c u, RF T ng tr không cân b ng ngõ vào Áp khơng n tính ch đơn thu n b khu ch ñ i VB R +VS R VREF=VB RG R REF VOUT R+∆R -VS VOUT= VB ∆R R+∆R/2 GAIN Hình 6.50 M ch khu ch đ i n tính có ch nh đ l i o M ch cho đ xác cao o Ưu m: ð xác l n ñ khu ch ñ i ch ph thu c vào Rg T ng tr vào l n nên không nh hư ng ñ n c u ño ñi n tr c u đo khơng nh hư ng đ n m ch s cân b ng c a b khu ch ñ i o Khuy t ñi m: Áp khơng n tính, kh c ph c b ng software Trang 217 Chương 6: C m bi n Nhi t Đ M ch v a khu ch đ i, v a n tính hố Vout so v i ∆R VB R +VS R VOUT +VS -VS R+∆R R VOUT= VB ∆R R -VS 1+ R1 R2 Hình 6.51 M ch khu ch đ i n tính dùng Opamp ð c n c a lo i c m bi n Hình 6.52 ð c n c a lo i c m bi n 6.7.4 Nguyên lý x lý tín hi u t RTD Thermistor Dùng m ch Opamp Hình 6.53 M ch x lý tín hi u Thermistor dùng opamp Trang 218 Chương 6: C m bi n Nhi t Đ : Dùng m ch c u cân b ng Hình 6.54 M ch x lý tín hi u RTD dùng c u cân b ng Dùng IC vi x lý Hình 6.54 M ch x lý tín hi u Thermistor dùng IC ùng Trang 219 M CL C Chương – CÁC KHÁI NI M CHUNG 1.1 Gi i thi u 1.2 ðư ng cong chu n c a c m bi n 1.3 Các ñ c trưng b n c a c m bi n 1.4 Nguyên lý ch t o c a c m bi n 1.5 Phân lo i c m bi n 13 1.6 M ch ño 17 Chương – C M BI N TI M C N (Proximity Sensor) 2.1 Gi i thi u 21 2.2 ð c ñi m c m bi n ti m c n 21 2.3 C m bi n ti m c n c m ng t (Magnectic sensor) 22 2.4 C m bi n ñi n dung (Capacitive Sensor) 48 2.5 C m bi n siêu âm: (Ultrasonic sensor) 59 Chương – C M BI N QUANG (Optical_sensor) 3.1 Khái ni m 73 3.2 Các lo i c m bi n quang công nghi p 90 3.3 Các thu t ng thư ng s d ng 98 Chương – C M BI N V TRÍ VÀ KHO NG CÁCH (Sensors for distance and displacement) 4.1 Khái ni m 101 4.2 C m bi n ño kho ng cách ngõ d ng analog 101 4.3 Chi t áp (B phân th ): (Potentiometer) 119 4.4 C m bi n đo v n t c vịng quay góc quay: (Tachometter) 124 4.5 ðo v n t c vịng quay b ng phương pháp quang n t (Encoder) 127 4.6 ðo v n t c vịng quay v i ngun t c n tr t 140 Chương – C M BI N L C VÀ ÁP SU T (Sensors for force and pressure) 5.1 Khái ni m 147 5.2 C m bi n l c (Force Sensor) 148 5.3 C m bi n lưu lư ng áp su t (Pressure and Flowmeters sensor) 157 Chương – C M BI N NHI T ð (Temperature Sensors) 6.1 Khái ni m 178 6.2 Các đ c tính c a c m bi n nhiêt ñ 178 6.3 Nhi t ñi n tr v i Platin Nickel 181 6.4 C m bi n nhi t ñ v i v t li u bán d n silic 185 6.5 Cách n i dây ño 191 6.6 Phương pháp ño nhi t ñ 295 6.7 M ch ño 213 TÀI LI U THAM KH O TÀI LI U THAM KH O [1] Festo-Sensors for Sensor for distance and displacement (Work book), 2001 [2] Festo-Sensors for Proximity sensor (Work book), 2001 [3] Festo-Sensors for Sensors for force and pressure (Work book), 2001 [4] C m bi n ng d ng , Dương Minh Trí Nhà xu t b n Khoa h c K thu t Hà N i, 2001 [5] Giáo trình C m bi n, Phan Qu c Phô, Nguy n ð c Chi n Nhà xu t b n Khoa h c K thu t, 2001 [7] CD Omron Sensor selection Guide [8] National Semiconductor’s Temperature Sensor Handbook [9] Fundamentals of Sensing - Training Manual of Rockwell Automation/Allen Bradley ... m bi n có ph n t b tr (tr ho c tr t ), giá tr đo đư c thu c khơng nh ng vào giá tr t c th i c a ñ i lư ng c n ño ñ u ph đ u vào mà cịn ph thu c vào giá tr trư c c a c a đ i lư ng Trong trư ng... lư ng đo đ u vào quanh giá tr đó:  ∆S  S =   ∆m  m=mi (1.5) b Lưu ý ð phép đo đ t đ xác cao, thi t k s d ng c m bi n c n th c hi n cho đ nh y S c a khơng đ i, nghĩa ph thu c nh t vào y... y khơng ph thu c vào ñ i lư ng ño N u c m bi n khơng n tính, ngư i ta ñưa vào m ch ño thi t b hi u ch nh cho tín hi u n nh n ñư c ñ u t l v i s thay ñ i c a ñ i lư ng ño ñ u vào S hi u ch nh