Bài giảng Các cảm biến dùng trong đo lường

uan trọng trong việc hiệu chỉnh hoạt động các máy mĩc, máy cơng cụ chẳng hạn. Mặt khác, một số đại lượng vật lý được đo từ sự dịch chuyển nhờ chi tiết thử nghiệm, như lực, áp suất, gia tốcCĩ 2 phương pháp :Ph. ph.1 thường được dùng. Cảm biến tạo ra tín hiệu gắn liền với vị trí của một trong những thành phần của cảm biến liên kết cơ khí với đối tượng di động, tổng trở cảm biến phụ thuộc đặc tính hình học hoặc kích thước cảm biến. Đĩ là các cảm biến: Biến trở đo lường, điện cảm hay điện dung cĩ lõi di động.Ph. ph.2 ít thơng dụng. Cảm biến tạo ra một xung ứng với mỗi lần đối tượng di chuyển. Những cảm biến gọi là giới hạn 2 đầu được đặc trưng bởi khơng cĩ sự liên kết cơ khí với vật mà thay vào đĩ là 1 trường (từ trường, điện trường, tĩnh điện) mà cường độ ghép phụ thuộc vị trí tương đối giữa vật và cảm biến, xác định đáp ứng của cảm biến.8.1.1.Cảm biến dạng điện trở1.Biến trở đo lường: a.Dạng hình học: Như hình trên.Biến trở thẳng:R(l) = (l/L)Rn;Biến trở gĩc: R(α)=(α/αM)Rn. Trong đĩ: Biến trở vịng αM3600.1R(α)Rnc)3L12R(l)Rnl0a)M213R()Rnb)b.Điện trởĐược cấu tạo bởi dây quấn hoặc dạng màng (piste). Dây điện trở phải nêu những đặc tính sau: Hệ số nhiệt độ của điện trở suất, sức điện động nhiệt, độ ổn định tinh thể. Những hợp kim thường được dùng: Ni-Cr, Ni-Cu, Ni-Cr-Fe, Ag-Pd. Dây quấn được thực hiện trên vật liệu cách điện (thủy tinh, gốm hoặc nhựa), dây quấn cĩ lớp vỏ cách điện. Điện trở màng được cấu tạo bởi một miếng nhựa phủ lớp than dẫn điện hoặc lớp oxyd kim loại, kích thước hạt kim loại vào khoảng 10-2 μm. Điện trở Rn cĩ giá trị từ 1kΩ đến 100kΩ và cĩ thể đạt đến vài MΩ.2.Biến trở khơng cĩ con chạy dạng cơH. Biến trở con chạy dạng quang và biến trở gĩc loại từ8.1.2.Cảm biến dạng điện cảm1.Nguyên lý và đặc tính tổng quát: Sự dịch chuyển mà ta muốn biến đổi thành tín hiệu điện được thực hiện nhờ một trong những phần tử mạch từ, kéo theo sự thay đổi từ thơng cuộn dây. Khi phần tử di chuyển là một lõi sắt, một sự chuyển đổi sự dịch chuyển thẳng hay quay trịn được thực hiện bởi:Sự thay đổi hệ số tự cảm hay sự thay đổi độ ghép giữa các cuộn dây sơ và thứ cấp tạo nên 1 sự thay đổi điện áp thứ cấp. Khi cuộn dây quay trịn so với 1 cuộn cố định thì 1 cuộn giữ vai trị phần cảm, cịn cuộn kia là phần ứng nĩ tác động như 1 biến áp cĩ độ ghép thay đổi. Những thay đổi hệ số tự cảm và hỗ cảm M theo sự dịch chuyển của lõi sắt thường cĩ sự tuyến tính kém, để cải thiện ta bố trí 2 cuộn dây theo cách mắc push-pull. Cảm biến điện cảm cĩ nguồn cung cấp là tín hiệu sin, cĩ tần số thường giới hạn cở hàng chục kHz. Những cảm biến điện cảm nhạy với những từ trường nhiễu nên cần cĩ màng bảo vệ từ.2.Điện cảm thay đổia.Mạch từ cĩ khe hở khơng khí thay đổi: Như hình trên. Điện cảm cuộn dây: L = μ0N2S(1/(l0+lf/μf)); Trong đĩ: μ0: Độ từ thẩm khơng khí; N: Số vịng dây quấn cuộn dây; S: Tiết diện mạch từ; lf, l0 : Chiều dài trung bình đường sức trong lõi sắt và trong khơng khí; μf: Độ từ thẩm tương đối của vật liệu sắt từ.b.Cuộn dây cĩ nịng di độngH.8.7.Cuộn dây cĩ nịng di động H.8.8.2 cuộn dây mắc push-pull. Điện cảm L của cuộn dây cĩ nịng di động :3.Biến áp vi saiVới; L2 = L’2 + L’’2 và R2 = R’2 + R’’2.4.MicrosynCuộn dây sơ cấp được cung cấp tín hiệu sin es cĩ biên độ tối đa khoảng vài chục vơn và tần số dưới 10kHz.Tín hiệu thu được ở cuộn thứ cấp: vm = 4aωΔαsinωt ; (Δα gĩc dịch chuyển bé)Hình 6.11: Nguyên tắc cấu tạo Microsyn5.Biến trở điện cảmSơ cấp được cung cấp i1 = I1cos(ωt+Ψ); cuộn dây thứ cấp thu được điện áp cĩ biên độ E2 = M0ωI1cosθ; (θ:Gĩc lệch giữa 2 cuộn dây, vị trí ban đầu θ =π/2 ).Ta đặt: θ = α+π/2 nên E2 = M0ωI1sinα . Suy ra: E2 = M0ωI1α , (đối với gĩc dịch chuyển α nhỏ); 8.1.3.Cảm biến dạng điện dung1.Nguyên lý và đặc tính tổng quát: Đây là những tụ điện dạng phẳng hoặc dạng trụ mà một trong những bản cực di động dẫn đến sự thay đổi điện dung. Đối với tụ phẳng: C = εrε0A/D. Đối với tụ điện trụ: C= 2πεrε0l/Log(r2/r1).Trường hợp tụ điện phẳng: Sự dịch chuyển trong một mặt phẳng song song với một bản cực cố định: A thay đổi, D cố định. Sự dịch chuyển trong mặt phẳng thẳng gĩc với bản cực cố định: D thay đổi, A cố định.Trường hợp tụ điện trụ: l thay đổi dọc trục.Những cảm biến điện dung được lưu ý bởi cấu tạo đơn giản, cho phép thực hiện cảm biến chắc chắn. Điện mơi sử dụng thường là khơng khí.2.Tụ điện cĩ tiết diện thay đổia.Tụ điện đơn: Điện dung thay đổi tuyến tính theo sự dịch chuyển x: C(x) = K.x.Đối với tụ điện xoay: K = ε0πr2/360.D, x = α: độ.Đối với tụ điện trụ: K = 2ε0π/Log(r2/r1), x = l: m.b.Tụ điện đơi vi sai: C21= C0(1+x/X); C31 = C0(1- x/X); Với KX = C0, X = L/2 (L chiều dài bản cực di động đối với tụ điện trụ), X = αM/2 (αM: gĩc tạo từ tâm của bản cực di động đối với tụ điện xoay).3.Tụ điện cĩ khoảng cách thay đổiĐây là những tụ điện để đo sự dịch chuyển thẳng.a.Tụ điện đơn: C(d) = ε0A/(D0+d).b.Tụ điện đơi: C21 = C0/(1-(d/D0)); C31 = C0/(1+(d/D0)); Với: ε0A/D0 = C0.8.1.4.Cảm biến đo sự dịch chuyển giới hạn 2 đầuLoại cảm biến này được đặc trưng bởi sự khơng cĩ liên kết cơ khí giữa cảm biến và vật chuyển động, mà bằng sự liên kết của một trường cĩ liên hệ với vị trí tương đối của vật chuyển động.Trường cảm ứng từ đối với những cảm biến từ trở thay đổi, hiệu ứng Hall đối với vật liệu kháng từ.Trường điện từ đối với những cảm biến dịng điện Foucault.Trường tỉnh điện đối với những cảm biến điện dung.Những ưu điểm của cảm biến đo sự dịch chuyển giới hạn 2 đầu: Băng thơng rộng, độ tin cậy lớn.Những điều bất lợi: Khoảng đo nhỏ (cở mm), hoạt động khơng tuyến tính.1.Cảm biến từ trở thay đổiĐiện áp thứ cấp cĩ dạng khơng tuyến tính khi cuộn sơ cấp được cung cấp tín hiệu sin, biên độ tín hiệu thu được: Vm = Vm0/(1+ax)2 ; x: Khoảng cách giữa đối tượng và cảm biến; Vm0: Phụ thuộc vào độ từ thẩm, dạng hình học và kích thước đối tượng.2.Cảm biến dịng điện FoucaultĐiện trở cuộn dây sơ cấp gia tăng: R1eq = R1 + M2ω2R2/(R22+L22ω2).Điện cảm cuộn dây sơ cấp giảm: L1eq = L1 - M2ω2L2/(R22+L22ω2).3.Cảm biến hiệu ứng Hall Hình 8.19.Nguyên lý hiệu ứng Hall. Điện áp hiệu ứng Hall: VH = KHIBN/e.Hằng số Hall KH = -1/qn; q: Điện tích âm điện tử, n: Mật độ âm điện tử, BN: Thành phần từ trường theo trục z.8.2.Cảm biến đo tốc độTrong cơng nghiệp, đo tốc độ quay thường gặp. Trong trường hợp đo vận tốc dịch chuyển thẳng ta thường quy về việc đo vận tốc quay trịn, vì thế các cảm biến đo tốc độ thường là các cảm biến đo tốc độ gĩc. Trong cơng nghiệp, các cảm biến dùng để đo tốc độ quay dựa trên định luật Faraday, đĩ là các tốc độ kế loại điện từ. Khi các chuyển động cĩ tính tuần hồn như chuyển động quay trịn chẳng hạn, việc đo tốc độ cĩ thể bắt đầu từ việc đo tần số, đĩ là cảm biến đo dịch chuyển giới hạn 2 đầu mà cảm biến đo đặt cách đối tượng một khoảng cách thay đổi tuần hồn và tín hiệu thu được cĩ tần số bằng hoặc là bội số (tuỳ theo cấu tạo của đối tượng) với tần số chuyển động. Loại tốc độ kế này gọi là tốc độ kế loại xung. Trong trường hợp những chuyển động rất chậm, ví dụ gĩc quay kém hơn 1 độ/1 giờ, những phương pháp trên khơng thể áp dụng được, khi đĩ người ta cĩ thể dùng hồi chuyển kế Laser mà nguyên tắc dựa trên sự khác biệt bước sĩng giữa 2 sĩng từ nguồn Laser truyền theo 2 chiều ngược nhau trong một mơi trường chuyển động quay trịn và được thể hiện trong giao thoa kế.8.2.1.Cảm biến đo tốc độ gĩc loại điện từ1.Tốc độ kế điện từ DC: Như hình trên. Sức điện động thu được ở 2 đầu cổ gĩp: E = ωpnΦ0/2πa ; p: Số đơi cực; ω: vận tốc gĩc; a: Số đường quấn song song; n: Số dây dẫn.2.Tốc độ kế điện từ ACa.Máy phát đồng bộ: Gồm 2 loại 1 pha và 3 pha.Sức điện động thu được ở stator cĩ dạng: e = EsinΩt. Với: E = K1ω; Ω = K2ω ; K1,K2 phụ thuộc vào cấu tạo máy; ω: vận tốc quay của rotor.b.Máy phát khơng đồng bộCuộn kích từ được cung cấp điện áp ve= Vecosωet. Cuộn dây đo thu được: em = Emcos(ωet+Φ); Với Em= KωVe. Gĩc lệch pha khoảng vài độ. Khi rotor khơng quay sẽ xuất hiện 1 điện áp bé (gọi là điện áp lệch cở mV) ở 2 đầu cuộn dây đo, do cơng nghệ chế tạo khơng hồn tồn đối xứng: Sự khơng đối xứng của rotor hoặc sự bố trí 2 cuộn dây khơng hồn tồn thẳng gĩc .8.2.2.Tốc độ kế điện từ đo tốc độ thẳngTrường hợp sự dịch chuyển thẳng tương đối lớn, việc đo vận tốc thẳng được qui về vận tốc gĩc. Trường hợp vận tốc dịch chuyển bé một cảm biến điện từ được hình thành nhờ 1 nam châm và 1 cuộn dây, 1 trong 2 thành phần này cố định, thành phần cịn lại được nối với đối tượng di động cần xác định vận tốc. Sức điện động thu được từ cuộn dây: e = 2πrnBV = lBV. Trong đĩ: r: Bán kính cuộn dây; n: Số vịng dây quấn cuộn dây; V: Vận tốc dịch chuyển; B: Từ trường tạo bởi phần cảm.8.2.3.Tốc độ kế loại tín hiệu xungSử dụng chi tiết thử nghiệm thường là 1 điã được gắn lên trục quay cần xác định vận tốc gĩc. Điã thường được cấu tạo cĩ dạng tuần hồn, thường được chia làm p phần bằng nhau, mỗi phần được đánh dấu mang một đặc tính như: lỗ, răng v.v. Một cảm biến được đặt đối diện với chi tiết thử nghiệm, phân tích số phần tử đánh dấu đi ngang qua đồng thời tạo ra một tín hiệu xung tương ứng. Tần số f của tín hiệu xung: f = pN (Hz). Việc chọn cảm biến được gắn liền với loại vật liệu làm điã quay cũng như phần tử đánh dấu trên điã. Điều lợi của tốc độ kế loại xung là: Cấu tạo đơn giản, chắc chắn, bảo quản dễ dàng. Mặt khác, nĩ khơng tạo nên tiếng ồn, nhiễu ký sinh, hơn nữa việc biến đổi thành tín hiệu số rất đơn giản.a.Cảm biến từ trở thay đổiĐĩa bằng vật liệu sắt từ cĩ mang hình p răng, p rảnh. Cuộn dây được đặt đối diện với điã cho phép 1 từ thơng đi qua nĩ tạo ra từ 1 nam châm thường trực. Như thế cuộn dây sẽ cĩ sức điện động cảm ứng mà tần số tỉ lệ với vận tốc quay. Độ lớn sức điện động thu được tùy thuộc vào khoảng cách giữa cuộn dây với điã và cịn tỉ lệ với vận tốc quay. Đối với những vận tốc bé, độ lớn sức điện động thu được quá nhỏ ta gọi là vùng chết khơng thể đo được. b.Tốc độ kế quang họcGồm 1 nguồn sáng + thấu kính và 1bộ phận phân tích quang loại diod hoặc transistor quang. Điã quay được trang bị những phần trong suốt và ngăn sáng xen kẻ nhau. Bộ phận phân tích quang nhận được một lượng sáng được điều khiển bằng đĩa quay, sẽ tạo nên tín hiệu cĩ tần số tỉ lệ với vận tốc quay, cịn biên độ độc lập với vận tốc. Khoảng đo vận tốc phụ thuộc số phần tử đánh dấu trên đĩa, băng thơng của bộ phận phân tích và mạch điện đi kèm.c.Cảm biến dịng điện FoucaultTrong cảm biến này, điã quay bằng vật liệu khơng từ tính nhưng dẫn điện và cĩ mang p răng, p rảnh. Cuộn dây cĩ điện cảm L là 1 phần tử của mạch dao động sin. Ta biết khi đưa 1 thanh kim loại đến gần cuộn dây thì đặc tính L và R cuộn dây thay đổi, điều này dẫn đến sự tắt của mạch dao động. Như thế khi điã quay, mỗi lần điã đưa phần răng đến đối diện với cuộn dây sẽ làm tắt mạch dao động và điều này cĩ thể phân tích được. Tín hiệu thu được cĩ tần số tỉ lệ với vận tốc quay và biên độ của nĩ khơng phụ thuộc vào vận tốc này, nên khơng cĩ vùng chết và thường dùng để đo vận tốc bé.8.3.Đo nhiệt độ bằng điện trở8.3.1.Độ nhạy nhiệt: Một cách tổng quát giá trị điện trở tùy thuộc vào nhiệt độ T: R(T)=R0.F(T-T0). R0: Điện trở ở nhiệt độ T0 và hàm F phụ thuộc vào đặc tính của vật liệu, cĩ giá trị là 1 khi T=T0.Đối với điện trở kim loại: R(T) = R0(1+AT+BT2+CT3); T tính bằng 0C, T0 = 0 0C.Đối với nhiệt điện trở bằng oxyde kim loại: R(T) = R0.exp(B(1/T-1/T0)); T: nhiệt độ tuyệt đối (0K).Với sự thay đổi nhỏ ΔT của nhiệt độ chung quanh giá trị T, sự thay đổi điện trở cĩ thể được tuyến tính hĩa: R(T+ ΔT) = R(T).(1+αR ΔT); Với αR = (1/R(T))dR/dT là hệ số phụ thuộc nhiệt độ của điện trở hay cịn gọi độ nhạy nhiệt độ ở nhiệt độ T, αR tùy thuộc nhiệt độ và vật liệu. Ví dụ ở 00C đối với platine αR = 3,9x10-3/0C. Sự thay đổi điện trở theo nhiệt độ về nguyên lý liên quan đến sự thay đổi điện trở suất ρ và kích thước hình học của điện trở. Ta cĩ: αR = αρ – αl . Trong phạm vi sử dụng αρ cở 10-3/0C trong khi αl cở 10-5/0C như vậy trong thực tế αR ≈ αρ. 8.3.2.Điện trở kim loại Hình 8.1.Các điện trở mẫu bằng bạch kimTùy thuộc vào nhiệt độ đo mà người ta chọn vật liệu thích hợp, người ta thường sử dụng điện trở bằng bạch kim, nickel và đơi khi bằng đồng hay tungstène.Bạch kim: Cĩ thể cấu tạo rất tinh khiết (99,999%) điều này cho phép ta biết được đặc tính điện của nĩ một cách chính xác. Thường sử dụng ở nhiệt độ -200 đến 10000C.Nickel: Ưu điểm là độ nhạy nhiệt rất cao, nickel chống lại sự oxyde hĩa, thường được dùng ở nhiệt độ 1800C, và vì điện trở suất bé nên khi dùng để đảm bảo cĩ giá trị nhất định, chiều dài dây phải lớn gây nên cồng kềnh, bất tiện.Tungstène: Độ nhạy nhiệt của điện trở lớn hơn bạch kim khi nhiệt độ cao hơn 1000K và nĩ thường được sử dụng ở nhiệt độ cao hơn bạch kim với độ tuyến tính hơn bạch kim. Tungstène cĩ thể cấu tạo dưới dạng những sợi rất mảnh cho phép chế tạo điện trở cảm biến cĩ trị số lớn, như vậy với trị số điện trở cho trước, chiều dài dây sẽ giảm thiểu.8.3.3.Nhiệt điện trởLoại điện trở này cĩ độ nhạy nhiệt rất cao, vào khoảng 10 lần điện trở kim loại. Mặt khác, hệ số nhiệt độ cĩ giá trị âm và tùy thuộc vào nhiệt độ. Chúng được cấu tạo từ hỗn hợp các oxyde kim loại như: MgO, MgAl2O4, Mn2O3, Fe3O4, CO2O3, NiO, ZnTiO4.Những oxyde kim loại bán dẫn ở dạng bột được nén lại dưới áp suất và được nung lên nĩng chảy ở nhiệt độ khoảng 10000C và sau đĩ rĩt vào các khuơn rồi để nguội hình thành các dạng : đĩa, trụ, nhẫn..Các vật liệu cĩ điện trở suất lớn cho phép chế tạo những điện trở đo cĩ kích thước điện trở bé (cở mm), kết quả: Điện trở cĩ kích thước bé cho phép đo nhiệt độ chính xác. Một lượng calo bé khiến cho vận tốc đáp ứng cao. Sự ổn định của nhiệt điện trở tùy thuộc vào việc chế tạo và những điều kiện sử dụng. Dạng điện trở kín hay dạng cĩ vỏ bọc cho phép che chở chống lại sự ăn mịn hĩa học. Nhiệt độ sử dụng từ vài độ tuyệt đối đến lối 3000C. Trên thị trường nhiệt điện trở cĩ trị số từ 500Ω đến vài chục MΩ ở 250C.8.3.4.Điện trở siliciumLoại điện trở bán dẫn này được phân biệt với nhiệt điện trở bởi những điểm sau:Hệ số nhiệt độ của điện trở suất cĩ giá trị dương vào khoảng 0,7x10-2/0C ở 250C và sự thay đổi theo nhiệt độ của hệ số nhiệt độ rất bé, điều này cho phép chế tạo cảm biến cĩ tính tuyến tính cao.Phạm vi sử dụng trong khoảng -500C đến 1200C, các điện trở này thường là loại bán dẫn N được chế tạo bởi phương pháp cho khuếch tán chất khác vào tinh thể đơn chất silicium. Việc kiểm sốt các thơng số ấn định trị giá điện trở cho phép giảm thiểu sai số dưới 1% so với danh định. Sự thay đổi theo nhiệt độ của điện trở suất của silicium phụ thuộc vào cách chế tạo và nhiệt độ.8.4.Đo nhiệt độ bằng cặp nhiệt điện8.4.1.Đặc tính tổng quát: Một cặp nhiệt điện gồm 2 dây dẫn A và B được cấu tạo bằng vật liệu khác nhau, tại điểm nối chung của chúng cĩ nhiệt độ T2, và 2 đầu cịn lại cĩ nhiệt độ T1 sẽ xuất hiện sức điện động nhiệt điện (cịn gọi sức điện động Seebeck là kết quả của hiệu ứng Peltier và Thomson) cĩ độ lớn phụ thuộc vào vật liệu A và B cũng như sự sai biệt giữa T2 và T1. T2 là nhiệt độ mối nối chung ( cịn gọi là mối nối đo) là nhiệt độ Tc đạt được khi đặt mối nối chung trong mơi trường nghiên cứu cĩ nhiệt độ Tx. Mối nối chuẩn cĩ nhiệt độ T1 được giữ khơng đổi và bằng Tref.Cặp nhiệt điện được cấu tạo với kích thước bé, nĩ cho phép đo nhiệt độ chính xác, số lượng calo của cảm biến được thu nhỏ cho phép vận tốc đáp ứng nhanh. Ngồi ra, tín hiệu được tạo ra dưới dạng sức điện động mà khơng cần tạo ra dịng điện chạy qua cảm biến như vậy tránh được hiện tượng đốt nĩng cảm biến. Tuy nhiên, nĩ cĩ điểm bất lợi là trong khi đo, nhiệt độ mối nối chuẩn phải biết rõ, tất cả sự khơng chính xác của Tref sẽ dẫn đến sự khơng chính xác cuả Tc.Cặp nhiệt điện được cấu tạo bởi các kim loại hoặc hợp kim khác nhau và cĩ khoảng đo từ -2700C đến 27000C, đáp ứng của cặp nhiệt điện khơng tuyến tính khi nhiệt độ thay đổi lớn, tính khơng tuyến tính được thể hiện qua cơng thức sau: E: Tính bằng μV; T: 0C; số phần tử ai cũng như giá trị của nĩ phụ thuộc vào cặp nhiệt điện và nhiệt độ đo. Hoặc đơn giản ta cĩ thể sử dụng cơng thức gần đúng:E = C(T2-T1)+K(T22 – T12); C, K là các hằng số.Độ nhạy : là 1 hàm theo nhiệt độ và thường khơng vượt quá 60μV/0C 8.4.2.Cách sử dụng và lắp đặt cảm biến1.Cách thực hiện và bảo vệ: Cần tránh những sức điện động ký sinh trong khi mắc dây cảm biến hoặc do cấu tạo khơng đồng nhất của cảm biến làm thay đổi đặc tính nhiệt điện của cảm biến. Những sự khơng đồng nhất trong cấu tạo cĩ 3 nguyên nhân chính:Lực ép cơ khí cĩ được do sự sắp xếp hoặc do sự căng dây, thường cĩ thể loại bỏ được nhờ sự nung lại.Những tác động hĩa học: Hai dây dẫn phải được che chở chống lại mọi tác nhân cĩ thể tác động đến chúng, đặc biệt điều chế vật liệu phải tinh khiết.Những tia bức xạ hạt nhân gây ra những chuyển đổi trong vài hợp kim cặp nhiệt điện.Phần hàn mối nối cặp nhiệt điện phải cĩ thể tích giảm thiểu nhằm tránh những điểm cĩ nhiệt độ khác nhau tại mối nối. Ba kỷ thuật hàn được sử dụng: Hàn thiếc (cặp nhiệt điện loại T), hàn tự sinh bằng giĩ đá (thường sử dụng) và hàn điện.2.Nhiệt độ chuẩnTa biết rằng sức điện động nhiệt điện phụ thuộc vào sự sai biệt nhiệt độ Tc và nhiệt độ chuẩn Tref, để xác định Tc ta cần phân biệt 3 trường hợp: Tref giữ nguyên khơng đổi ở 00C: Việc đo sức điện động nhiệt điện cho phép ta xác định ngay nhiệt độ Tc nhờ sử dụng bảng đặc tính của cặp nhiệt điện sử dụng.Tref khơng đổi nhưng khác với 00C: Khi nhiệt độ mơi trường thay đổi lớn, trong cơng nghiệp người ta chọn Tref khơng đổi và lớn hơn nhiệt độ mơi trường. Bằng cách sử dụng bảng đặc tính của cặp nhiệt điện sử dụng ta biết được , khi đo sức điện động nhiệt điện của cảm biến, ta sẽ tính được: từ đĩ xác định được Tc .Tref bằng với nhiệt độ mơi trường: Khi biết trước nhiệt độ mơi trường Ta đồng thời tiến hành đo sức điện động nhiệt điện của cảm biến ở nhiệt độ Tc, từ đĩ xác định Tc như sau:Trong trường hợp này cần cĩ mạch bù nhiệt độ chuẩn Tref (thay đổi theo nhiệt độ mơi trường) để tạo nên điện áp thay đổi tự động theo nhiệt độ mơi trường (H.a). Điện áp V(Ta) cĩ được nhờ sử dụng nhiệt điện trở R(Ta) được giữ ở nhiệt độ mơi trường và được mắc vào cầu Wheatstone DC. Cầu này cho phép bù nhiệt độ khi nhiệt độ mơi trường thay đổi xung quanh 00C. Các trị giá R0, R0’, R0’’ được chọn làm sao để cĩ:3.Phương pháp đoHai phương pháp thường sử dụng để đo sức điện động nhiệt điện:Sử dụng millivơn kế cĩ nội trở lớn: Như hình trên. Gọi Rt là điện trở cặp nhiệt điện, Rl là điện trở dây nối, Rv là điện trở millivơn kế. Để kết quả đo chính xác ta cần phải cĩ: Rv >> Rt + Rl.Phương pháp biến trở: Được trình bày ở phần 2.4, cho ta kết quả chính xác hơn phương pháp millivơn kế4.Dây bùNgười ta lắp đặt để sử dụng chiều dài dây dẫn cặp nhiệt điện ngắn nhất, trong các trường hợp sau:Tránh làm đứt dây dẫn cặp nhiệt điện khi mà điều kiện đo sử dụng dây dẫn cặp nhiệt điện rất mảnh, khi đĩ người ta đặt xen kẻ giữa cặp nhiệt điện và mạch đo các dây A’ và B’ cùng loại với cặp nhiệt điện và cĩ tiết diện lớn hơn mà khơng làm thay đổi sức điện động nhiệt điện tạo ra bởi cặp nhiệt điện.Vì lý do tiết kiệm, khi dùng cặp nhiệt điện cĩ giá thành cao như Pt-Rh/Pt để giảm giá thành, ta nối thêm vào các dây dẫn khác loại với cặp nhiệt điện nhưng cĩ đặc tính biết trước: Đĩ là dây bù mà khơng làm thay đổi sức điện động nhiệt điện tạo ra bởi cặp nhiệt điện. Điều kiện: Các mối nối A/A’ và B/B’ cĩ cùng T2; Các cặp A’/B’ và A/B cĩ cùng sức điện động nhiệt điện ở T2.8.5.Đo nhiệt độ bằng diod, transistor8.5.1.Đặc tính tổng quát, độ nhạy nhiệt: Các diod, transistor được mắc như diod được cung cấp dịng điện thuận I khơng đổi như hình a và b, điện áp V ở 2 đầu cực của chúng tùy thuộc vào nhiệt độ, điều này cĩ thể xem như tín hiệu đi ra từ cảm biến tùy thuộc vào nhiệt độ. Độ nhạy S = dV/dT vào khoảng -2,5mV/0C và khơng hồn tồn độc lập với nhiệt độ, để cải thiện sự tuyến tính ta dùng 2 transistor cĩ cách mắc như hình c. Độ nhạy của diod và transistor lớn hơn cặp nhiệt điện. Phạm vi đo nhiệt độ từ -500C đến 1500C, trong khoảng này đặc tính điện của cảm biến rất ổn định.8.5.2.Sự liên hệ điện áp và nhiệt độH.8.6:Cảm biến transistor đo nhiệt độ. a.So sánh sai số tuyến tính transistor với điện trở bạch kim và cặp nhiệt điện. b.Mạch đo.1.Diod hay transistor mắc như diod:V = V1T/T1+VФ(1-T/T1)+mKT/q.Log(T1/T); VФ: Độ cao vùng cấm, đối với silicium cĩ trị giá 1,12V; m: Thường cĩ trị giá gằn bằng 3; K: Hằng số Boltzman; T: 0K.2.Điện áp sai biệt giữa 2 transistor: Vd = KTLogn/q; Với n = I1/I28.6.Đo nhiệt độ bằng ICKỹ thuật vi điện tử cho phép chế tạo những mạch kết gồm những transistor giống nhau được sử dụng để làm cảm biến hồn hảo đo nhiệt độ dựa vào việc đo sự khác biệt điện áp VBE dưới tác động của nhiệt độ. Các cảm biến này tạo ra dịng điện hoặc điện áp tỉ lệ với nhiệt độ tuyệt đối, với độ tuyến tính cao, lợi thế của nĩ là vận hành đơn giản, tuy nhiên phạm vi hoạt động giới hạn từ -500C đến 1500C. Ví dụ cảm biến IC AD 590.Cảm biến này tạo ra một dịng điện thay đổi tuyến tính theo nhiệt độ tuyệt đối, được dùng đo nhiệt độ trong trường hợp dùng dây dẫn với khoảng cách xa. Sơ đồ đơn giản về cấu tạo cảm biến như hình 8.8.H.8.8: Cảm biến đo nhiệt độ dùng IC AD 590. a.Sơ đồ nguyên lý; b.Mạch đo nhiệt độ; c.Mạch bù trừ8.7.Đo nhiệt độ bằng thạch anhMột ứng dụng cổ điển của thạch anh là thực hiện bộ dao động cĩ độ vững lớn, tần số dao động chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ. Bản thạch anh cĩ phương tinh thể định trước đặc trưng cho sự thay đổi nhiệt độ ảnh hưởng đến tần số dao động .Khi dùng làm cảm biến đo nhiệt độ , bản thạch anh cĩ phương tinh thể làm cho tần số dao động thay đổi gần như tuyến tính với nhiệt độ của bản thạch anh. Cảm biến này rất chính xác và nhạy, mặt khác việc xác định nhiệt độ dẫn đến việc đếm tần số cĩ lợi do:Việc đo rất chính xác.Việc chuyển đổi ra dạng số rất dễ dàng đối với thơng tin liên quan đến tần số.8.7.1.Cộng hưởng cơ của thạch anhH.8.9.Tinh thể thạch anh: a.Dạng tổng quát. b.Tiết diện thẳng gĩc với trục quang. Tinh thể thạch anh SiO2 cĩ dạng lăng kính 6 mặt, cấu trúc của nĩ cĩ những đặc tính vật lý cĩ thể đặc trưng bởi 3 nhĩm trục: Trục quang Z nối liền những điểm đỉnh của tinh thể và trong mặt phẳng thẳng gĩc với trục Z: Ba trục điện X, X’, X’’ mỗi trục nối liền hai đỉnh đối diện của hình lục giác. Ba trục cơ Y, Y’,Y’’ mỗi trục thẳng gĩc với hai cạnh đối diện của hình lục giác. Hình 8.10: a.Lực cắt X. b.Lực cắt AT.Bản thạch anh cĩ thể xảy ra các dao động cơ liên quan đến các loại biến dạng khác nhau: Sự kéo dài ra, uốn cong, cắt. Tần số dao động được xác định bởi dạng hình học, kích thước, phương tinh thể của bản thạch anh : Trong đĩ:c: Độ lớn đàn hồi, phụ thuộc phương tinh thể; ρ: Trọng lượng riêng của thạch anh; l: kích thước bản thạch anh theo phương truyền dao động; n: Số nguyên, 12. Trường hợp chất lỏng dẫn điện, người ta chỉ sử dụng 1 điện cực được bao phủ bằng vật liệu cách điện, đĩng vai trị điện mơi của tụ điện và bản cực cịn lại được hình thành do sự tiếp xúc với chất lỏng dẫn điện.