cam bien va co che chap hanh 3833

8/20/2019 Cam Bien Va Co Che Chap Hanh 3833

1/56

Giáo trình:

Cảm biến và Cơ cấu chấp hành


2/56

Chương I: NHỮ NG KHÁI NIỆM VỀ CÁC BỘ CẢM BIẾN

1.1 Định ngh ĩa Trong các hệ thống đo lườ ng – điều khiển mọi quá trình đều được đặc trưng bở i các

biến tr ạng thái như nhiệt độ, áp suất, tốc độ, momen… các biến tr ạng thái này thườ ng làcác quá trình ta cần thu thập thông tin , đo đạc, theo dõi sự biến thiên của các biến tr ạngthái của quá trình. Các bộ cảm biến thực hiện chức năng này, chúng thu nhận và đáp ứngvớ i các tín hiệu và kích thích, là “tai mắt” của các hoạt động khoa học và công nghệ củacon ngườ i.

Các bộ cảm biến thường được định ngh ĩa theo nghĩa rộng là thiết bị cảm nhận và đápứng vớ i các tín hiệu và kích thích.

Trong thế giớ i tự nhiên các cơ thể sống thường đáp ứng vớ i các tín hiệu bên ngoài cóđặc tính điện hóa, dựa trên cơ sở trao đổi ion, ví dụ như hoạt động của hệ thần kinh…trong các quá trình đo lườ ng – điều khiển thông tin đượ c truyền tải và xử lý dướ i dạngđiện nhờ sự truyền tải của các điện tử.

Phương tr ình mô tả quan hệ giữa đáp ứng y và kích thích x ở bộ cảm biến có dạng :Y = f(x) (1.1)

Quan hệ (1.1) thườ ng r ất phức tạ p vì có quá nhiều yếu tố ảnh hưở ng tớ i quan hệ đápứng – kích thích.

Trong các hệ thống đo lườ ng – điều khiển hiện đại quá trình thu thậ p và xử lý tín hiệuthường do máy tính đảm nhiệm.

Trong sơ đồ hình 1.2 quá trình (đối tượng) được đặc trưng bằng các biến tr ạng thái vàđươc các bộ cảm biến thu nhận. đầu ra của các biến tr ạng thái đượ c phối ghép vớ i bộ vixử lý qua các giao diện. đầu ra của bộ vi xử lý đượ c phối ghép với cơ cấu chấ p hànhnhằm tác động lên quá trình (đối tượng). đây là sơ đồ điều khiển tự động quá trình (đốitượng), trong đó bộ cảm biến đóng vai tr ò cảm nhận, đo đạc và đánh giá các thông số củahệ thống. bộ vi xử lý làm nhiệm vụ xử lý thông tin và đưa ra tín hiệu điều khiển quá trình.

1.2 Phân loại các bộ cảm biến.a. Theo nguyên lý chuyển đổi giữa đáp ứng và kích thích.


3/56

b. Theo dạng kích thích có thể phân chia các bộ cảm biến như sau

c. Theo tính năng các bộ cảm biến


4/56

d. Theo phạm vi sử dụng các bộ cảm biến

e. Theo thông số của mô hình mạch thay thế o Cảm biến tích cực (có nguồn) đầu ra là nguồn áp hoặc nguồn dòng.o Cảm biến thụ động (thông nguồn) được đặc trưng bằng các thông số R, L , C, M, …

tuyến tính hoặc phi tuyến.

1.3 Các đơn vị đo lườ ng

Các đơn vị đo lường cơ sở của hệ đơn vị quốc tế SI(IE Systems International d’ Unites)như trong bảng:


5/56

1.4 Các đặc trưng cơ bản của bộ cảm biếnTheo quan điểm mô hình mạch tao coi bộ cảm biến như một hộp đen, có quan hệ đáp

ứng – kích thích được điều diễn bằng phương tr ình (1.1) quan hệ này được đặc trưng bằng nhiều đại lượng cơ bản cửa bộ cảm biến. ta có thể định ngh ĩa các đại lượng đặctrưng cơ bản của bộ cảm biến như sau : a. Hàm truyề n:

Quan hệ giữa đáp ứng và kích thích của bộ cảm biến có thể cho dướ i dạng bảng giá tr ị,graph hoặc biểu thức toán học. gọi x là kích thích, y là tín hiệu đáp ứng, hàm truyền chota quan hệ giữa đáp ứng và kích thích. Hàm truyền có thể đượ c biểu diễn dướ i dạng tuyếntính, phi tuyến, theo hàm logarit, hàm lũy thừa hoặc hàm mũ.

Quan hệ tuyến tính giữa đáp ứng và kích thích có dạng :Y = a + bx (1.2)


6/56

a là hằng số bằng tín hiệu ra khi tín hiệu vào bằng không, b là độ nhạy, y là một trongcác đặc trưng của tín hiệu ra có thể là biên độ, tần số hoặc pha tùy theo các tính chất của

bộ cảm biến.Hàm truyền logarit có dạng: y = 1 + blnx (1.3)

Dạng mũ : y = aekx (1.4)Dạng lũy thừa : y = ao + a1xk (1.5)K: hằng số Các bộ cảm biến phi tuyến không thể được đặc trưng bằng các hàm truyền k ể trên,

trong trườ ng hợ p này ta phải sử dụng các hàm gần đúng là các đa thức bậc cao. Trongnhiều trườ ng hợ p ta có thể làm gần đúng hàm truyền phi tuyến bằng phương pháp tuyếntính hóa từng đoạn.b. Độ lớ n của tín hiệu vào:

Độ lớ n của tín hiệu vào là giá tr ị lớ n nhất của tín hiệu đặt vào bộ cảm biến mà sai số mà

sai số không vượt quá ngưỡng cho phép. Đối vớ i các bộ cảm biến có đáp ứng phi tuyếnngưỡng động của kích thích thường đượ c biểu diển bằng dexibel, bằng logarit của tỷ số công suất hoặc điện áp của tín hiệu ra vào tín hiệu vào :

1 dB = 10 lg P2/ P1 Quan hệ giữa các tỷ số công suất, tỷ số điện áp ( hoặc dòng điện) tính theo dexibel

đượ c cho trong bảng:c. Sai số và độ chính xác:

Các bộ cảm biến cũng như các dụng cụ đo lường khác, ngoài đại lượ ng cần đo (cảmnhận) còn chịu tác động của nhiều đại lượ ng vật lý khác gây nên sai số giữa giá tr ị đo

đượ c và giá tr ị thực của đại lượ ng cần đo. Gọi ∆x độ lệch tuyệt đối giữa giá tr ị đo và giátr ị thực x, sai số tương đối của bộ cảm biến đượ c tính bằng :

δ% = ∆ .100∆x : sai số tuyệt đối.Ví dụ : một bộ cảm biến di chuyển thằng có độ nhạy 1mV trên 1mm di chuyển. nếu di

chuyển 10mm tạo nên điện áp 10,5mV thì tạo nên sai số tuyệt đối là 10,5 – 10 = 0,5mV.Sai số tuyệt đối của bộ cảm biến là :

δ% = , .100 = 5%

Khi đánh giá sai số của cảm biến ta thườ ng phân chúng thành hai loại : sai số hệ thốngvà sai số ngẫu nhiên.

Sai số hệ thống là sai số không phụ thuộc vào số lần đo, có giá trị không đổi hoặc thayđội chậm theo thời gian đo và thêm vào một độ lệch không đổi giữa tr ị thực và giá tr ị đođượ c. sai số hệ thống thườ ng do sự thiếu hiểu biết về hệ đo, do điều kiện sử dụng khôngtốt.


7/56

Các nguyên nhân gây sai số hệ thống có thể là :

Do nguyên lý của cảm biến

Giá tr ị đại lượ ng chuẩn không đúng.

Do đặc tính của bộ cảm biến.

Do điều kiện và chế độ sử dụng. Do xử lý k ết quả đo.

Sai số ngẫu nhiên là sai số xuất hiện có độ lớ n và chiều không xác định.Có thể dự đoán đượ c một số nguyên nhân của sai số ngẫu nhiên nhưng không thể dự

đoán độ lớ n và dấu của nó. Những nguyên nhân gây sai số ngẫu nhiên có thể là:

Do sự thay đổi đặc tính của thiết bị,

Do tín hiệu nhiễu ngẫu nhiên,

Do các đại lượ ng ảnh hưởng như các thông số môi trườ ng (nhiệt độ, độ ẩm, điệntừ trường, độ rung…) không được tính đến trong khi chuẩn cảm biến. có thể giảm

thiểu sai số ngẫu nhiên bằng một số biện pháp thực nghiệm thích hợp như bảo vệ các mạch đo tránh ảnh hưở ng của nhiễu, tự động điều chỉnh điện áp nguồn nôi, bùcác ảnh hưở ng nhiệt độ, tần số, vận hành sử dụng đúng chế độ hoặc thực hiện phépđo lườ ng thống kê.

1.5 Chuẩn các bộ cảm biến

Chuẩn các bộ cảm biến nhằm xác định dướ i dạng đồ thị, giải tích mối liên hệ giữa đápứng và kích thích của bộ cảm biến có tính đến tất cả các yếu tố ảnh hưở ng.

các thông số ảnh hưở ng có thể là các đại lượ ng vật lý liên quan đến đáp ứng như độ lớ n,chiều và tốc độ biến thiên của các kích thích. Ngoài ra chúng cũng có thể là các đại lượ ngvật lý không liên quan đến kích thích nhưng tác động đến bộ cảm biến khi sử dụng vàlàm thay đổi hồi đáp. Thông thường các đại lượ ng vật lý này là các thông số môi trườ ngnhư nhiệt độ, áp suất, độ ẩm… và các thông số của nguồn như biên độ, tần số, điện áplàm việc của các bộ cảm biến.a. Chuẩn đơn g iản:

Chuẩn đơn giản là ghép đo chỉ có một đại lượ ng duy nhất tác động lên một kích thíchxác định và sử dụng một cảm biến không nhạy với các đại lượ ng và không chịu tác động

của kích thích này. Đây là trườ ng hợp đặc biệt của các kích thích t ĩnh, nghĩa là các đạilượ ng có giá tr ị không đổi. trong những điều kiện này việc chuẩn cảm biến chính là sự k ết hợ p các giá tr ị hoàn toàn xác định của kích thích vớ i các giá tr ị tương ứng của đápứng đầu ra. Có thể chuẩn các bộ cảm biến bằng một trong các phương pháp sau đây: o Chuẩn tr ực tiế p : các giá tr ị khác nhau của kích thích lấy từ mẫu chuẩn hoặc các phần

tử so sánh có giá tr ị đã biết với độ chính xác cao.


8/56

o Chuẩn gián tiế p : sử dụng một bộ cảm biến chuẩn đã biết đườ ng cong chuẩn và sosánh vớ i bộ cảm biến cần định chuẩn và cả hai cùng được đặt trong cùng một điềukiện làm việc. khi tác động lần lượ t lên hai bộ cảm biến bằng cùng một kích thích ranhận đượ c các k ết quả tương ứng của cảm biến mẫu và cảm biến định chuẩn.

Lậ p lại vớ i các giá tr ị khác nhau của kích thích ta xác định được đườ ng cong chuẩn cho bộ cảm biến.b. Chuẩ n nhiề u lần:

Khi bộ cảm biến có chứa những phần tử có độ tr ễ, giá tr ị đáp ứng không chỉ phụ thuộcvào giá tr ị tức thờ i của kích thích mà còn phụ thuộc vào các giá tr ị trước đó của kíchthích này. Khi đó cần phải tiến hành chuẩn nhiều lần theo trình tự sau đây: o Đặt lại điểm O của cảm biến , đó là điểm gốc khi kích thích bằng không thì đáp ứng

của bộ cảm biến phải bằng không.o Dựng lại đáp ứng bằng cách lúc đầu cho kích thích có giá tr ị cực đại sau đó giảm dần,

nhờ đó có thể xác định được đườ ng cong chuẩn theo 2 hướng kích thích tăng dần vàgiảm dần.

1.6 Độ tuyến tínhBộ cảm biến gọi tuyến tính trong một dải kích thích nếu trong dải đó độ nhạy không

phục thuộc vào giá tr ị của kích thích tức là độ nhạy là 1 hằng số Trong chế độ t ĩnh, độ tuyến t ĩnh đượ c thể hiện bằng các đoạn thẳng trên đặc tuyến tính

và hoạt động của bộ cảm biến là tuyến tính khi các kích thích tác động còn nằm trongvùng này.

Trong chế độ động, độ tuyến tính bao gồm sự không đổi của độ nhạy t ĩnh, đồng thờ icác thông số quyết định hồi đáp như tần số dao động riêng, hệ số suy giảm cũng không

phụ thuộc vào kích thích.

1.7 Tác động nhanh và đặc tính động của đáp ứ ngĐể đánh giá thờ i gian hồi đáp của đáp ứng theo kích thích ta sử dụng khái niệm độ tác

động nhanh của bộ cảm biến. Thờ i gian hồi đáp τ càng nhỏ chứng tỏ bộ cảm biến đápứng càng nhanh.

Khi kích thích có dạng bướ c nhảy đơn vị thì đặc tính của bộ cảm biến có thể có những

dạng sau đây o Đáp ứng tức thờ io Đáp ứng tr ễ theo hàm mũ o Đáp ứng tức thờ i và suy giảmo Đáp ứng tr ễ và suy giảmo Đáp ứng cộng hưở ng dải hẹ p


9/56

1.8 Bộ cảm biến tích cự c và thụ độngCác bộ cảm biến tích cực hoạt động như 1 nguồn áp hoặc 1 nguồn dòng đượ c biểu diễn

bằng mạng 2 cửa có nguồn. Còn bộ cảm biến thụ động đượ c biểu diễn bằng mạng 2 cửa

không nguồn có tr ở kháng phục thuộc vào kích thích. Sau đây giớ i thiệu sơ lượ c các hiệuứng vật lý ứng dụng trong các bộ cảm biến tích cực.a. Hiệu ứ ng cảm ứng điện t ừ :

Khi một thanh dẫn chuyển động trong môi trườ ng sẽ xuất hiện sức điện động tỷ lệ vớ i biến thiên từ thông, ngh ĩa là tỷ lệ vớ i tốc độ chuyển động của thanh dẫn.

Hiệu ứng cảm ứng điện từ đượ c ứng dụng để xác định tốc độ chuyển động của vậtthông qua việc đo sức điện động cảm ứngb. Hiệu ứ ng nhiệt điện:

Khi hai dây dẫn có bản chất hóa học khác nhau đượ c hàn kín sẽ xuất hiện một sức điện

động tỷ lệ vớ i nhiệt độ mối hàn.Hiệu ứng này thường đượ c ứng dụng để đo nhiệt độ. Ngượ c lại khi cho dòng điện chạy

từ chất có bản chất hóa học khác nhau sẽ tạo nên chênh lệch nhiệt độ.c. Hiệu ứ ng hỏa điện:

Một số tinh thể gọi là tinh thể hỏa điện có tính chất ohaan cực điện tự phát phụ thuộcvào nhệt độ. Trên các mặt đối diện của chúng xuất hiện các điện tích trái dấu phụ thuộcvào độ phân cực điện.

Hiệu ứng hỏa điện thường đượ c ứng dụng để đo thông lượ ng của bức xạ ánh sáng. Khitinh thể hỏa điện hấ p thụ ánh sáng nhiệt độ của chúng tăng lên làm thay đổi phân cực

điện làm xuất hiện điện áp trên hai cực của tụ điện phụ thuộc vào quang thông Φ d. Hiệu ứng áp điện:

Khi tác động ứng suất cơ lên bề mặt của vật liệu áp điện (thạch anh, muối segnet…)làm vật liệu bị biến dạng và xuất hiện các điện tích bằng nhau và trái dấu. thông qua việcđo điện áp trên 2 bản cực tụ điện ta có thể đo được các đại lượ ng cơ tác dụng lên vật liệuáp điện như áp suất, ứng suất…e. Hiệu ứng quang điện:

Bản chất là giải phóng các hạt dẫn tự do trong vật liệu dướ i tác dụng của bức xạ ánhsáng. Hiệu ứng này đượ c ứng dụng để chế tạo các cảm biến quang

f. Hiệu ứng quang điện t ừ :Khi tác động một từ trườ ng vuông góc vớ i bức xạ ánh sáng trong vật liệu bán dẫn đượ c

chiếu sáng sẽ xuất hiện một hiệu điện thế theo phương vuông góc vớ i từ trườ ng B và phương bức xạ ánh sáng.

Hiệu ứng này đượ c ứng dụng trong các bộ cảm biến đo các đại lượ ng quang hoặc biếnđổi các thông tin chứa đựng trong ánh sáng thành tín hiệu điện.


10/56

g. Hiệu ứ ng Hall:Trong vật liệu (thườ ng là bán dẫn) có dòng điện chạy qua đặt trong từ trườ ng B có

phương tạo thành góc θ vớ i dòng điện I sẽ xuất hiện điện áp U11 theo phương vuông gócvới B và I và có độ lớ n là :

U11 = K.I.B.sinθ K là hệ số phụ thuộc vào vật liệu và kích thướ c của mẫu.Hiệu ứng Hall đượ c sử dụng để đo các đại lượ ng từ, đại lượng điện hoặc xác định vị trí

chyển động hình.

1.9

Mạch giao diện của các bộ cảm biếna. C ác đặc tính đầu vào của mạch giao diện:

Đáp ứng của các bộ cảm biến nói chung không phù hợ p vớ i tải về điện áp, công suất…vì vậy cần có mạch giao diện giữa bộ cảm biến và tải. cần phải phối hợ p giữa đầu ra của

bộ cảm biến và đầu vào của hệ thống xử lý dữ liệu. Công việc này gọi là chuẩn hóa tínhiệu và các mạch điện tử giao diện thực hiện nhiệm vụ này.b. C ác đặc tính của bộ khuếch đại thuật toán (KĐTT):

Các mạch giao diện thường đượ c xây dựng trên cơ sở các bộ khuếch đại thuật toán. Đólà các bộ khuếch đại một chiều có hệ số khuếch đại r ất lớ n và tổng tr ở vào r ất lớ n.

Bộ khuếch đại thuật toán mạch tích hợ p có thể chứa hàng trăm tranzito và các điện tr ở ,tụ điện có :o hai đầu vào, một đầu đảo (-) và một dấu không đảo (+),o điện tr ờ vào r ất lớ n, cỡ hàng trăm MΩ hoặc có thể tới GΩ,

o

điện tr ở ra r ất nhỏ ( phần chục Ω), o điện áp lệch đầu vào e0 r ất nhỏ (cỡ vài nV),o dòng điện phân cực đầu vào i0 r ất nhỏ (cỡ vài pA)o hệ số khuếch đại hở mạch r ất lớ n (A0 = 100.000),o

dải tần làm việc r ộng,o hệ số suy giảm theo cách nói chung CMRR (khoảng 90 dB),o tốc độ tăng hạn chế sự biến thiên cực đại của điện áp tính bằng V/ µs. c. Bộ khuếch đại đo lườ ng IA:

Bộ khuếch đại IA có hai đầu vào và một đầu ra.

Hệ số khuếch đại của IA không cao (không quá 100) có hai đầu vào, tín hiệu ra tỷ lệ vớ i hiệu của hai điện áp vào:

Ura = A(U+ - U-) = A∆U

Điện áp trên Ra phải bằng điện áp vi sai đầu vào ∆U và tạo nên dòng điện I =∆

Hệ sống khuếch đại tổng của IA là:


11/56

A = (1 +)

d. Khử điện áp lệch:Tr ị số điện áp lệch cỡ một vài mV nhưng khi sử dụng mạch kín điện áp này đượ c

khuếch đại và tạo nên điện áp lệch đầu ra.e. M ạch lặ p lại điện áp:

KĐTT có thể đượ c sử dụng như bộ lặ p lại điện áp chính xác. Để làm việc này bộ KĐTT làm việc ở chế độ không đảo vớ i hệ số khuếch đại bằng 1

Mạch lặ p lại có chức năng tăng điện tr ở đầu vào, do vậy mà dùng để ghép nối giữa haikhâu trong mạch đó. f. Nguồn điện áp chính xác:

Để chuẩn các dụng cụ đo chính xác cần có điện áp chuẩn, pin mẫu weston tạo nên điệnáp chính xác 1,018 V được dùng như điện áp mẫu, tuy nhiên pin này có điện tr ở từ 1 ÷ 2K không còn là nguồn điện áp chính xác nếu dòng điện cỡ µA.g. M ạch cầu:

Cầu wheatstone gồm bốn điện tr ở hoạt động như cầu không cân bằng, dựa trên việc phát hiện điện áp qua đườ ng chéo của cầu. điện áp ra là hàm phi tuyến nhưng vớ i biếnđổi nhỏ ∆ < 0,05 có thể coi là tuyến tính.

Độ nhạy của cầu: α =

()

h. Bù nhiệt độ của các cầu điện tr ở :Sử dụng phương pháp nối tr ực tiế p mạch bù nhiệt độ vào sơ đồ cầu để bù lại sự mất

mát cho các điện tr ở do nhạy vớ i nhiệt độ trong sơ đồ wheatston.

1.10 Truyền dữ liệua. Truyề n d ữ liệu bằng đườ ng truyề n hai dây:

Để phối ghép từ bộ cảm biến đến thiết bị điều khiển và chị thỉ thườ ng sử dụng đườ ngtruyền hai dây.

Tín hiệu điện áp trên tải thích hợ p vớ i việc xử lý tiế p theo của các mạch điện tử.b. Đườ ng truyề n bố n dây:

Đôi khi ngườ i ta mong muốn bộ cảm biến vớ i mạch giao diện điều khiển từ xa. Khi bộ cảm biến có điện tr ở tương đối thấ p

c. Đườ ng truyề n sáu dây:Khi cầu wheatstone đượ c sử dụng từ xa điện áp của cầu đóng vai tr ò quan tr ọng trong

việc ổn định nhiệt của cầu.

1.11 Nhiễu trong các bộ cảm biến và mạch


12/56

Nhiễu trong các bộ cảm biến và mạch là nguồn gốc của sai số mà ta phải tìm các biện pháp khắc phục. giống như bệnh tật nhiễu không thể loại tr ừ hoàn toàn mà chỉ có thể phòng ngừa, làm giảm ảnh hưở ng của chúng và việc khắc phục nhiễu đòi hỏi nhiều biện pháp tổng hợ p. có hai loại nhiễu : nhiễu nội tại và nhiễu tác động trên mạch truyền dẫn

tín hiệu.a. Nhiễ u nội t ại: Nhiễu nội tại phát sinh do sự không hoàn thiện trong việc thiết k ế, công nghệ chế tạo,

tính chất vật liệu của các bộ cảm biến… do đó đáp ứng có thể bị méo mó so vớ i dạng lýtưở ng. sự méo mó của tín hiệu ra có thể có tính hệ thống hoặc ngẫu nhiên. Dạng tín hiệura liên quan chặt chẽ đến hàm truyền, đặc tính tuyến tính và đặc tính động của bộ cảm

biến.Từ bộ cảm biến tín hiệu đượ c khuếch đại và chuyển đổi thành dạng số không biểu thị

bằng độ lớn và đặc tính phổ mà theo độ phân giải số. khi tăng độ phân giải số tr ị số của

bit tr ọng số thấ p sẽ giảm.Điện áp lệch đầu vào và dòng điện phân cực có thể bị trôi. Tín hiệu nhiễu (điện áp và

dòng điện) do cơ chế vật lý xảy ra trong các điện tr ở và tranzitor sử dụng để chế tạomạch. Một nguyên nhân gây nhiễu là do tính chất r ờ i r ạc của dòng điện, bở i vì dòng điệnlà dòng của các điện tích chuyển động, mỗi điện tích mang một giá tr ị xác định. ở mứcnguyên tử dòng điện r ất linh động, chuyển động của chúng phụ thuộc vào nhiệt độ. Giátr ị quân phương của điện áp nhiễu có thể đượ c tính theo công thức :

= 4k TR ∆f (V2/Hz)Trong đó: k là hằng số boltzman = 1,38.10-23 (J/K)

T là nhiệt độ (K)R là điện tr ở (Ω) ∆f là độ r ộng r ải tần (Hz)

Ở nhiệt độ phòng mật độ nhiễu do điện tr ở tạo nên có thể tính bằng ̅ = 0,13√ tính bằng nV/√ , vớ i dải tần 100Hz, điện tr ở 10 MΩ có điện áp nhiễu bằng 4 µVb. Nhiễ u do truyề n d ẫ n:

Để chống nhiễu ta thườ ng sử dụng k ỹ thuật vi sai phối hợ p bộ cảm biến từng đôi, trongđó tín hiệu ra là hiệu của hai tín hiệu ra của từng bộ. một bộ cảm biến gọi là cảm biếnchính và bộ kia là cảm biến chuẩn được đặt trong màn chắn.c. Màn chắ n, vỏ bọc về điện:

Nhiễu có nguyên nhân điện trườ ng và t ĩnh điện có thể giảm đáng kể bằng cách làm mànchắn, bọc bộ cảm biến và mạch, đặc biệt là các phần tử có tổng tr ở và phi tuyến. từng vấnđề màn chắn phải đượ c phân tích riêng một cách tỷ mỷ. điều quan tr ọng là phải nhậndạng đúng nguồn nhiễu và mối liên hệ của nhiễu vớ i mạch. Màn chắn có hai mục đích,đầu tiên là giớ i hạn nhiễu trong miền nhỏ tránh nhiễu lây lan sang mạch lân cận. mục


13/56

đích thứ 2 của màn chắn là nếu có tồn tại nhiễu trong mạch thì màn chắn bố trí xungquanh các bộ phận nhạy cảm của bộ cảm biến sẽ ngăn nhiễu ảnh hưở ng tớ i các phần này.Màn có thể là hộ p kim loại hoặc bọc kim cho cáp tín hiệu.d. Màn t ừ :

Chống ảnh hưở ng của từ trường khó hơn chống ảnh hưở ng của điện trường và trườ ngt ĩnh điện bở i vì từ trườ ng thâm nhậ p vào vật dẫn. việc bọc kim quanh dây dẫn và nối đấtmột phía ảnh hưởng ít đến điện áp cảm ứng do từ trườ ng. từ trườ ng thâm nhậ p vào màn,

biên độ của nó giảm theo hàm số mũ. Một số giải pháp chống ảnh hưở ng của từ trường như sau :

o Bố trí mạch thu xa nguồn gây ra từ trườ ng,o Tránh các dây song song vớ i từ trườ ng, nên thay bằng dây vuông góc vớ i từ trườ ng,o Làm màn từ bằng vật liệu thích hợ p, tùy theo tần số và cường độ từ trườ ngo Sử dụng đôi dây xoắn để dẫn dòng điện lớ n, nếu các dòng điện trong đôi dây bằng

nhau về tr ị số và ngượ c dấu trong mỗi chu k ỳ xoắn từ trườ ng của nó bằng không.o Sử dụng màn chắn cáp như mạch tr ở về, nếu dòng i2 bằng ngượ c dấu dòng điện trong

lõi cáp thì từ trườ ng của cáp bằng không.

Chương II: CÁC LOẠI CẢM BIẾN

2.1 Cảm biến đo nhiệt độ

2.1.1 Thang nhiệt độ.- Thang nhiệt độ nhiệt động tuyệt đối(Thang Kelvin): Đơn vị là K, nhiệt độ cho

điểm cân bằng của 3 tr ạng thái nướ c - nước đá - hơi bằng 273,15 K.-

Thang nhiệt độ bách phân (Thang Celsius): Đơn vị là C (oC), ta có:T(oC) = T(K)- 273,15

2.1.2 Nhiệt độ đo đượ c và nhiệt độ cần đo. Nhiệt độ đo đượ c bằng cảm biến T phụ thuộc vào nhiệt độ môi trườ ng Tx và sự trao đổi

nhiệt trong đó. Để đo đúng hiệu số Tx – T phải cực tiểu.Có 2 biện pháp nâng cao độ chính xác đo:

-

Tăng cường trao đổi nhiệt giữa bộ cảm biến và nhiệt độ môi trườ ng cần đo - Giảm trao đổi nhiệt giữa bộ cảm biến và nhiệt độ môi trườ ng bên ngoài

Bộ cảm biến nhiệt tiế p xúc gồm các bộ phận sau đây: - Phần t ử cảm nhận: bằng vật liệu có đặc tính thay đổi theo nhiệt độ, có tỷ nhiệt

thấ p, nhiệt dẫn suất cao, nhạy vớ i nhiệt độ.- Tiếp điể m d ẫ n: từ phần tử cảm nhận và mạch điện tử bên ngoài.


14/56

- V ỏ bảo vệ: phân cách cảm biến với môi trườ ng. Vỏ bảo vệ phải có nhiệt tr ở thấ p,cách điện tốt, chịu ẩm và các yếu tố ăn mòn.

Bộ cảm biến nhiệt độ không tiế p xúc là bộ cảm biến bức xạ nhiệt có cửa sổ quang họcqua đó bức xạ nhiệt có thể truyền tớ i.

2.1.3 Cảm biến nhiệt điện trở .Có ưu điểm đơn giản, độ nhạy cao, ổn định dài hạn. Đượ c chia làm 3 loại: điện tr ở kim

loại, điện tr ở bán dẫn và nhiệt điện tr ở .a. Nhiệt điện tr ở kim loại:Thườ ng có dạng dây kim loại hoặc màng mỏng kim loại có điện tr ở suất thay đổi theo

nhiệt độ. Dựa vào dải nhiệt độ cần đo và các tính chất môi trường ta thường làm điện tr ở bằng Platin, Niken đôi khi là đồng và vonfram.

Để đạt được độ nhạy cao, điện tr ở phải lớ n, muốn vậy cần giảm tiết diện và tăng chiều

dài dây. Tuy nhiên để có độ bền cơ học tốt các nhiệt điện tr ở kim loại cần có điện tr ở Rvào khoảng 100Ω ở 0oC. Thực tế các điện tr ở trên thị trường có điện tr ở ở 0oC là 50, 500,1000 Ω. Các nhiệt điện tr ở có các tr ị số lớn thưởng dùng đo ở dải nhiệt độ thấ p, ở đó cho

phép thu được độ nhạy tốt. Để sử dụng trong công nghiệ p các nhiệt điện tr ở thườ ng có vỏ bọc tốt, chống đượ c va chạm và rung động.

b. C ảm biế n nhiệt điện tr ở silic:Silic tinh khiết hoặc đơn tinh thể có hệ số điện tr ở âm tuy nhiên khi đượ c kích tạ p loại n

ở một dải nhiệt độ nào đó hệ số nhiệt điện tr ở của nó tr ở thành dương do điện tích mangchuyển sang nhiệt độ thấp hơn. Ở các nhiệt độ cao hơn số điện tích tụ do tăng lên do điện

tích tự phát và đặc tính của silic chiếm đa số do vậy dướ i 200o

C điện tr ở suất của silic cóhệ số nhiệt dương nhưng trên 200oC hệ số nhiệt điện tr ở là âm.

2.1.4 Nhiệt điện trở .Đặc tính quan tr ọng của loại điện tr ở này là có độ nhạy nhiệt r ất cao gấ p hàng chục lần

độ nhạy của điện tr ở kim loại. Gồm 2 loại:- Nhiệt điện tr ở có hệ số nhiệt điện tr ở dương -

Nhiệt điện tr ở có hệ số nhiệt điện tr ở âm Nhiệt điện tr ở đượ c làm từ hỗn hợ p oxit bán dẫn đa tinh thể như MgO,NiO,……

Nhiệt điện tr ở đượ c chế tạo dướ i dạng bột oxit, tr ộn vớ i nhau theo tỉ lệ nhất định sauđó được nén định dạng và thiêu k ết ở nhiệt độ 1000 oC. Các dây nối kim loại đượ c hàn tại2 điểm trên bề mặt và đượ c phủ bằng 1 lớ p kim loại. Các nhiệt điện tr ở đượ c chế tạo vớ icác hình dáng khác nhau. Cảm biến có kích thướ c nhỏ cho phép đo nhiệt độ tại từngđiểm, đồng thờ i do nhiệt dung nhỏ nên thờ i gian hồi đáp nhỏ.


15/56

2.1.5 Cảm biến cặp nhiệt ngẫu.

a. Nguyên lý làm việc:Bộ cảm biến cặ p nhiệt ngẫu là 1 mạch có từ 2 hay nhiều thanh dẫn điện gồm 2 đầu dây

dẫn A và B. Chỗ nối giữa 2 thanh kim loại 1 và 2 đượ c hàn vớ i nhau. Seebeck đã chứngminh r ằng, nếu nhiệt độ các mối hàn t và t0 khác nhau thì trong mạch khép kín có 1 dòngđiện chạy qua. Chiều của dòng nhiệt điện này phụ thuộc vào nhiệt độ tương ứng của mốihàn, nếu t > t0 thì dòng điện chạy theo hướng ngượ c lại. Nếu để hở 1 đầu thì giữa 2 cựcxuất hiện 1 sức điện động nhiệt.b. Các phương pháp mắ c cặ p nhiệt ngẫ u mẫ u:

Việc nối các cặ p nhiệt ngẫu mẫu có thể thực hiện tùy theo trườ ng hợ p cụ thể để nângcao độ chính xác. Có 3 cách mắc:

- Nối vi sai các cặ p nhiệt ngẫu

-

Mắc nối tiế p n cặ p nhiệt ngẫu- Nối vi sai biến đổi

c.Phương pháp đo tín hiệu nhiệt ngẫ u:Sử dụng milivon k ế từ điện, điện thế k ế và thiết bị biến đổi chuẩn.

2.1.6 Đo nhiệt độ bằng Diode và tranzitor.Linh kiện điện tử nhạy cảm vớ i nhiệt độ, do đó có thể sử dụng một số linh kiện bán dẫn

như diode hoặc tranzitor nối theo kiểu diode phân cực thuận có dòng điện không đổi, khiđó điện áp giữa 2 cực là hàm của nhiệt độ.

Dải nhiệt độ làm việc bị hạn chế trong khoảng T=-50o

C ÷150o

C. Trong khoảng này bộ cảm biến có độ ổn định cao.

2.1.7 Cảm biến quang đo nhiệt độ.

a. H ỏa k ế bứ c xạ: Tất cả các vật thể nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ tuyệt đối đều phát ra các bức xạ nhiệt. Bức xạ nhiệt là các bức xạ điện từ tạo ra từ các chất do nội năng của chúng(vớ i bức xạ huỳnh quang do kích thích của nguồn ngoài). Cường độ bức xạ nhiệt giảmmạnh khi nhiệt độ của vật giảm.

Hỏa k ế đượ c dùng chủ yếu để đo nhiệt độ từ 300 - 6000 oC và cao hơn. Hỏa k ế sử dụngcác bức xạ nhìn thấy và hồng ngoại. Đo nhiệt độ của vật bằng bức xạ nhiệt dựa trên cơ sở các quy luật vớ i vật đen tuyệt đối.

Khi đo nhiệt độ bằng hỏa k ế thì độ chói của phổ năng lượng là 1 đại lượng cơ bản. Để đo độ chói của vật mang nhiệt độ ta dùng hỏa k ế quang học và hỏa k ế quang điện.


16/56

b. H ỏa k ế quang học: đượ c sử dụng trong phòng thí nghiệm để đo nhiệt độ lớn hơn 800 oC. Nguyên lý hoạt động là dựa trên cơ sở so sánh độ chói quang phổ của vật đo với độ chói chuẩn bằng mắt thường để xác định sự trùng của độ chói đo với độ chói chuẩn.c. H ỏa k ế quang điện: là dụng cụ đo tự động. Phần tử thu năng lượ ng bức xạ có thể là tế

bào quang điện, điện tr ở quang điện hay diode quang điện. Nguyên lý hoạt động cũngdựa trên cơ sở sự phụ thuộc quang phổ độ chói của vật vào nhiệt độ của nó. Theo nguyênlý hoạt đông, hỏa k ế quang điện đượ c phân thành 2 loại:+ Dụng cụ nhận năng lượ ng bức xạ truyền tớ i phần tử thu và làm thay đổi các tham số

của nó (dòng quang điện, điện tr ở )+ Đo năng lượ ng bức xạ bằng phương pháp bù.

Hỏa k ế quang điện có thể đo đượ c nhiệt độ từ 800 ÷ 2000 oC có cấ p chính xác 1 và 1,5.

2.1.8 Áp kế nhiệt.

Nguyên lý hoạt động của áp k ế nhiệt dựa trên sự phụ thuộc của áp suất làm việc của cácchất trong hệ thống nhiệt vào nhiệt độ. Áp k ế nhiệt có thể đo nhiệt độ từ -150 ÷ 600 oC.

Nhiệt k ế đặc biệt (kim loại nóng chảy) có thể đo đượ c nhiệt độ từ 100 ÷ 1000 oC. Nhiệt k ế áp suất gồm một bình nhiệt 1, một ống mao dẫn 2 và lò xo áp k ế 3. Phần tử

nhạy cảm vớ i nhiệt độ (bình nhiệt) đượ c nhúng chìm vào đối tượng đo, chất mang nhiệttrong bình chứa nhiệt đạt tớ i nhiệt độ của môi trườ ng. Khi nhiệt độ của chất trong bìnhthay đổi, truyền qua ống mao dẫn tớ i lò xo của áp k ế làm quay kim chỉ thị của nhiệt k ế

2.1.9 Cảm biến siêu âm nhiệt độ.

Trong một số môi trường khó đo nhiệt độ như trong khu vực nhiệt độ thấ p, vùng cómức bức xạ cao trong lò phản ứng hạt nhân hoặc trong khu vực hoàn toàn kín, không tiện

bố trí bộ cảm biến ta có thể dùng phương pháp âm thanh để đo nhiệt độ. Nguyên lý hoạt động của bộ cảm biến siêu âm nhiệt độ dựa trên quan hệ giữa nhiệt độ

và môi trườ ng truyền âm. Cấu tạo của bộ cảm biến âm nhiệt độ gồm 3 bộ phận: máy phátsiêu âm, máy thu siêu âm và ống kính chứa khí khô.

2.2 Cảm biến vị trí và di chuyển

2.2.1 Khái niệm chungCó 2 phương pháp cơ bản để xác định vị trí và di chuyển:

- Phương pháp 1: Bộ cảm biến cung cấ p tín hiệu là hàm phụ thuộc vào vị trí của mộttrong các phần tử cảm biến, đồng thờ i phần tử này có liên quan đến vật di động cần xácđịnh di chuyển.


17/56

- Phương pháp 2: Ứ ng vớ i 1 dịch chuyển cơ bản bộ cảm biến sẽ phát ra 1 xung. Việc xácđịnh vị trí và dịch chuyển sẽ tiến hành bằng cách đếm số sung phát ra.

2.2.2 Đo di chuyển nhỏ bằng phương pháp sóng đàn hồi

a. Phát sóng đàn hồi bằng tác động của tia laser lên đối phương :Các sóng đàn hồi còn gọi là sóng âm hoặc siêu âm là các sóng cơ học chuyển dịch

trong vật chất. trong vật r ắn đẳng hướ ng và vô hạn có thể truyền hai sóng: sóng dọc vàsóng ngang. Tốc độ truyền sóng dọc luôn lớn hơn tốc độ truyền sóng ngang. Các tốc độ này không phụ thuộc vào phương truyền và vào khoảng vài nghìn mét trong một giây.

Tùy theo mật độ công suất, sự va đậ p của xung ánh sáng lên mặt tự do của vật r ắn màtạo nên các sóng đàn hồi có cơ chế khác nhau theo hai loại:

o Loại sóng làm thay đổi tr ạng thái bề mặt (hiện tượ ng cắt)

o

Loại sóng không làm thay đổi tr ạng thái bề mặt (áp suất bức xạ hiệu ứng nhiệuđàn hồi)

Khi mật độ công suất ánh sáng không tạo nên sự bay hơi vật liệu, hiệu ứng dãn nở cục bộ do sự phát sóng là chủ yếu ( chế độ nhiệt đàn hồi) so vớ i áp suất bức xạ. sự dãn nở nhiệ gây ra các lực lượ ng song song vớ i mặt tự do.

Ba chế độ phát sóng đàn hồi do laser tạo nên.1. Chế độ đàn hồi nhiệt

Khi tia bức xạ có cường độ ánh sáng trên mặt kim loại nhỏ hơn ngưỡ ng cắttrường điện từ cảm ứng một dòng điện dẫn lân cận bề mặt. một phần năng

lượ ng tớ i bị hấ p thu do hiệu ứng Joule và biến đổi thành nhiệt còn phần khác bị phản xạ. vì hiệu ứng màn của các điện tử dẫn hiện tượng này đượ c tậ p trung lị gần bề mặt kim loại trong một lớ p mỏng (hiệu ứng mặt ngoài). Laser cường độ yếu đóng vai tr ò nguồn nhiệt và gây ra biến dạng cơ học. nguồn đàn hồi nhiệtkhông tạo nên sóng dọc nếu nguồn nằm trong vật r ắn. khi có bề mặt là nguồngốc biến đổi thành sóng ngang. Sự phối hợ p của các chuyển dịch dọc và ngangtạo nên sóng Rayleigh lan truyền trên bề mặt chất r ắn.

2. Mô hình một chiềuMô hình một chiều là mô hình đơn giản, bỏ qua khuếch tán nhiệt trong khoảng

thờ i gian r ất ngắn (từ 10 đến 100ns).Mô hình một chiều chỉ đúng khi chiều ngang của nguồn lớn hơn bướ c sóng âm.Trong thực tế cho thờ i gạn xung laser từ 30 đến 50ns, kích thướ c ngang củanguồn cỡ mm, ngh ĩa là kích thướ c chùm tia A ≈ 1 cm2 , mật độ công suất tr ở nên quá nhỏ để biên độ lớ n.

3. Mô hình nguồn điểm


18/56

Sự bức xạ của một nguồn đàn hồi nhiệt có kích thướ c tùy ý đượ c tính toán từ nguồn điểm

b. Chế độ cắ t:

Khi mật độ công suất ánh sáng hấ p thụ I (W/m2

) đủ lớ n tia laser gây nóng chảy r ồi làm bay hơi một lượ ng vật chất. ứng dụng công nghiệ p của chế độ này r ất phổ biến.Chế độ cắt xuất hiện bắt đầu từ ngưỡ ng

I > ∆ /

( − ) Phụ thuộc vào nhiệt độ bay hơi Tv và nhiệt độ ban đầu Ti của vật liệu.

c. T ăng hiệu quả:Trong l ĩnh vực kiểm tra không phá hỏng mẫu chế độ đàn hồi nhiệt tránh được hư hỏng

bề mặt mẫu. biên độ di chuyển cơ nhỏ dẫn tớ i phát hiện quang học khó khăn. Có thể tănghiệu quả phát nếu sử dụng một lướ i nguồn di động để phân bố công suất trên bề mặt r ộng.sự có mặt một màng mỏng hấ p thụ hoặc một lớ p trong suốt trên bề mặt vật liệu cũng làmthay đổi loại nguồn đàn hồi nhiệt theo chiều hướ ng có lợ i.

d. M ạng lướ i nguồn: Nguyên lý của lướ i cảm biến (phased array) đượ c dùng trong thiết bị y tế có thể dùng

cho laser.Đối vớ i phát hiên khuyết tật không tiếp xúc cơ, kỹ thuật này có hai ưu điểm :

o

Độ nhạy đượ c cải thiện (> 20dB) theo tỷ số tín hiệu nhiễuo Hướ ng chùm tia âm có thể được điều khiển bằng cách thay đổi độ tr ễ 1, 2…o để quét nhanh mẫu cần kiểm tra.

Ảnh hưở ng của màng mỏng: Sự có mặt của một màng mỏng (ví dụ lớ p dầu) làm tăngđộ hấ p thụ tia sáng, làm nhiệt độ màng tăng lên, sự bay hơi tạo nên việc truyền một phầndi chuyển và lực pháp tuyến trong chế độ cắt. Phản ứng này đặc biệt có lợi đối vớ i việc

phát sóng dọc.

2.2.3 Phát hiện di chuyển cơ học bằng phương pháp quang đàn hồi

Thiết bị này không nhạy bằng cảm biến áp điện nhưng có ưu điểm cơ bản là xem xétcục bộ. không có tiếp xúc cơ học và có dải thông r ất r ộng.Tương tác của một chùm tia sáng đườ ng kính d vớ i một sóng âm bướ c sóng λ làm thay

đổi :o Hướ ng chùm tia nếu d < λ, tia sáng bị lệch do sóng bề mặt.o Cường độ chùm tia nếu d > λ , chùm tia sáng nhiều bướ c sóng bị khúc xạ bằng

một lướ i pha phối hợ p với sóng đàn hồi.


19/56

o Pha chùm tia do sự thay đổi đườ ng tia sáng do sự di chuyển của bề mặt theo pháp tuyến.

o Tần số chùm tia do hiệu ứng Doppler.Các cảm biến di chuyển cơ học bằng quang đàn hồi gồm hai loại :

o

Cảm biến không giao thoa, khai thác sự lệch hay khúc xạ tia sáng,o

Cảm biến giao thoa khai thác điều biến pha hay điều biến tần số của sóng ánhsáng.

a. Phương pháp không giao thoa:Phương pháp này đượ c sử dụng để xem xét sóng tạo nên sóng bề mặt như sóng

Rayleigh. Các sóng này đượ c quét nhanh trên bề mặt.- Sự lệch tia: Hình vẽ minh họa nguyên lý của phương pháp này. Tia sáng bướ c sóng λ

phản xạ trên bề mặt bị dao động khi sóng bề mặt qua. Chùm tia đượ c che bằng mộtkhuôn để cường độ dòng quang điện được điều biến theo tần số sóng (trong thực tế là bờ

cảm biến quang)K ỹ thuật này r ất đơn giản và hiệu quả đượ c sử dụng r ộng rãi để quan sát trườ ng âm bề

mặt nhưng có nhược điểm là cần bề mặt tr ạng thái tốt.Thiết bị Slam ( scanning laser Acoustic Microscope) có nguyên lý đượ c trình bày trên

hình vẽ, chi tiết cần xem xét đượ c nhúng trong bình nướ c triệt tâm đối vớ i tia siêu âm.Tia sáng quét trên mặt nhẵn và đượ c kim loại hóa một tấm thủy tinh hữu cơ và tạo nênhình ảnh sóng âm đượ c truyền qua mẫu.- Sự khúc xạ: K ỹ thuật này đượ c sử dụng ở chế độ xác lậ p, phân bố không gian của tiasóng đàn hồi bề mặt.

b. C ác phương pháp nhiễ u xạ:- C ảm biến đồng dao động:Hình 5.18a là sơ đồ nhiễu xạ k ế michelson trong đó tia lasercông suất PL đượ c chia thành hai thành phần bằng nhau đượ c phản xạ vào đối tượ ng ( tiaS) và trên gương (tia R) và đượ c tr ộn lẫn vào photodiot. Một bộ cách ly ngăn phần chiatr ở lại nguồn thâm nhậ p vào hốc cộng hưở ng của laser và dẫn đến mất ổn định. Cường độ dòng quang điện phụ thuộc vào hình sin vào bướ c sóng ^, vào hiệu LS.

Vị trí của gương chuẩn được điều chỉnh sao cho duy trì điểm làm việc vuông pha trongvị trí này không phụ thuộc vào các biến thiên ngẫu nhiên của quãng đườ ng quang.

- C ảm biế n ngoại sai:Trong nhiễu xạ k ế ngoại sai tần số của một hoặc hai tia lệch nhau- C ấ u trúc quang compact : Cấu trúc của nhiễu xạ k ế michelson được thay đổi, trong đó

bộ phận chia các tia đượ c thay bằng bộ điều khiển âm quang có nhiều nhược điểm. các tiacảm biến và chuẩn không vuông góc.

Thấu kính tiêu thụ tia cảm biến trên đối tượ ng cải thiện độ phân giải không gian làmtăng số lượ ng ánh sáng thu thập trong trườ ng hợ p mặt khuếch tán và làm bộ cảm biến ít


20/56

nhạy vớ i mẫu nghiêng khi di chuyển. sự lệch so vớ i tr ục của hai khối làm khử tín hiệunhiễu do sự lệch của các tia S và R tạo nên trên mặt phân cách của bộ phận chia B. điềuchỉnh bộ cảm biến này nhanh bở i vì bộ điều biến chỉ cho tia cảm biến cắt qua một lần vàhai tia song song hoặc vuông góc. Vì bộ phận quang làm việc chắc chắn nên ổn định.

2.2.4.Nhiễu xạ kế DopplerTrong các nhiễu xạ k ế miêu tả ở trên, sóng phản xạ có thể bị thay đổi, xáo tr ộn vớ i 1

sóng chuẩn. Trườ ng hợ p mặt khuếch tán các sóng này chỉ có thể thu thậ p ánh sáng liênk ết cùng pha, về hình học nó kéo dài vô hạn. Để khắc phục nhược điểm này chỉ cần dùng1 sóng đến bề mặt và có thể đo đượ c di chuyển. Thông tin về di chuyển là do phách giữamột phần của sóng này và phần sóng khác có thờ i gian tr ễ .

Phương pháp quang đo di chuyển cơ của bề mặt có độ phân dải 10-6 mm/√ Ưu điểm là không đòi hỏi tiếp xúc cơ học và có dải thông r ất r ộng và không làm nhiễu

loạn việc truyền sóng đàn hồi.

2.2.5 Cảm biến cáp sợi quang đo vị trí và di chuyểnCác cảm biến điều biên đơn giản và r ẻ tiền đã đượ c áp dụng từ những năm 60 để đo vị

trí, khoảng cách và di chuyển.Cảm biến gồm khoảng 900 sợ i quang ghép trong cùng một sợ i cáp kèm thêm một sợ i

kim loại ở giữa để đảm bảo độ cứng mong muốn. đường kính trong 2,2mm , đườ ng kínhngoài 3,2 mm. có hai phương án : cảm biến hai sợ i quang và một sợ i ánh sáng tớ i và tr ở về qua cùng một cáp.

Tia sáng tới sau khi đậ p vào mục tiêu sẽ tr ở về sợ i quang thứ haiKhoảng cách giữa đầu sợ i quang và mục tiêu là thông số chính của hệ thống đo. Nếu

khoảng cách quá bé ánh sáng phản xạ tr ực tiế p và hầu như không nhận đượ c ánh sáng tr ở về. ngượ c lại nếu khoảng cách quá lớ n vì sự phân k ỳ của mặt phản xạ cũng không nhậnđượ c tia tr ở về, do vậy cũng có một khoảng cách tối ưu ở đó thu đượ c giá tr ị đáp ứng cựcđại. các sợ i quang phát và nhận có thể đượ c phân bố tùy ý, phân bố trong một nửa vòngtròn hoặc đồng tâm. ứng vói các cách bố trí này có thể nhận được các đường cong đápứng khác nhau.

2.2.6 Cảm biến tiếp cậnCảm biến tiế p cận đượ c sử dụng để phát hiện sự có mặt hoặc không có mặt của đối

tượ ng bằng k ỹ thuật cảm biến không có tiếp xúc cơ học. các công tắc hành trình đòi hỏisự tiế p xúc của đối tượ ng sẽ không được đề cậ p ở đây.

Các cảm biến tiế p cận sử dụng nguyên lý thay đổi điện cảm hay điện dung của phần tử mạch điện khi có mặt hoặc không có mặt đối tượ ng có cấu trúc tương đối đơn giản,


21/56

không đòi hỏi tiếp xúc cơ học nhưng tầm hoạt động hạn chế vớ i khoảng cách tối đa100mm. các k ỹ thuật tiế p cận dựa trên nguyên lý vì sóng và quang học có tầm hoạt độnglớ n và sử dụng r ộng rãi trong thực tế.a. C ảm biế n tiế p cận điện cảm:Một bộ cảm biến điện cảm gồm có bốn khối chính o

Cuộn dây và lõi ferito

Mạch dao độngo Mạch phát hiệno Mạch đầu ra

Mạch dao động phát dao điện từ tần số radio. Từ trườ ng biến thiên tậ p trung từ lõi sắtsẽ móc vòng với đối tượ ng kim loại đặt đối diện với nó. Khi đối tượ ng lại gần sẽ có dòngđiện foucault cảm ứng trên mặt đội tượ ng tạo nên một tải làm giảm biên độ tín hiệu daođộng. bộ phát điện sẽ phát hiện sự thay đổi tr ạng thái biên độ mạch dao động (hình 5.33).mạch bị phát điện sẽ ở vị trí ON phát hiện tín hiệu làm mạch ra ở vị trí ON. Khi mục tiêu

r ờ i khỏi trườ ng của bộ cảm biến biên độ mạch dao động tăng lên trên giá trị ngưỡ ng và bộ phát hiện tr ở về vị trí OFF là vị trí bình thườ ng.

Những yếu tố sau đây ảnh hưởng đến tần cảm biến :o Kích thướ c và hình dáng lõi, cuộn dây, vật liệu lõi.o

Vật liệu và kích thước đối tượ ng.o Điều kiện điện từ xung quanh.o Nhiệt độ môi trườ ng.

b. C ảm biế n tiế p cận điện dung:Trong cảm biến tiế p cận điện dung sự có mặt của đối tượng làm thay đổi điện dung C

của các bản cực. cảm biến tiế p cần điệ dung cũng gồm có bốn bộ phận chính là:1. Cảm biến (các bản cực cách điện)2.

Mạch dao động3. Bộ phát hiện4.

Mạch đầu raTuy nhiên cảm biến điện dung không đòi hỏi đối tượ ng là kim loại. đối tượ ng phát hiện

có thể là chất lỏng, vật liệu phi kim loại : thủy tinh, nhựa. tốc độ chuyển mạch tương đốinhanh, có thể phát hiện các đối tượng kích thướ c nhỏ, phạm vi cảm nhận lớ n.

Hạn chế chủ yếu của cảm biến dung là chịu ảnh hưở ng của độ ẩm và bụi. cảm biến tiế p

cận điện dung có vùng cảm nhận lớn hơn vùng cảm nhận của cảm biến điện cảm.Để có thể bù ảnh hưở ng của môi trường và đối tượ ng các cảm biến tiế p cận điện dung

thườ ng có một chiết áp điều chỉnh.c. M ột số ứ ng d ụng của cảm biế n tiế p cận:


22/56

2.2.7 Cảm biến tiếp cận quang học

Các cảm biến tiế p cận theo phương pháp quang học sử dụng nguồn sáng và cảm biếnquang. Đối tượ ng cần phát hiện sẽ cắt chùm tia sáng làm cảm biến tác động.

a. Cách bố trí cảm biế n và nguồn phát:


23/56

- Cảm biến đặt đối diện vớ i nguồn phát:Ưu điểm:

o Cự ly cảm nhận xa.o Có khả năng thu đượ c tín hiệu mạnh.o Tỷ số độ tương phản sáng/tối lớ n nhấto

Đối tượ ng phát hiện có thể lặ p lại.Hạn chế của cách bố trí này là :

o Đỏi hỏi dây nối qua vùng phát hiện giữa nguồn sáng và cảm biến.o

Khó chỉnh thằng hằng giữa nguồn sáng và cảm biến.o Nếu đối tượng có kích thướ c nhỏ hơn đườ ng kính hiệu dụng của chùm tia cần

có thâu kính để thu hẹ p chùm tia.- Cảm biến đặt cùng phía vớ i nguồn phát quang: Ánh sáng đậ p vào mặt phản xạ tr ở về cảm biến. vì hành trình của tia sáng theo cả hai chiêu đi và về nên cự ly cảm nhận thấ phơn so với phương pháp đặt đối diện, nhưng không cần dây nói qua khu vực cảm nhận.hạn chế chính của cách bố trí này là nguồn sáng khác chiếu vào mặt phản xạ có thể gâytác động sai.- Phát hiện đối tượ ng nhờ tia phản xạ sử dụng bộ lọc phân cực: Đặt bộ lọc phân cực giữanguồn sáng và gương phản xạ sao cho cảm biến chỉ nhận đượ c tia tr ở về từ gương phảnxạ. cách bố trí này khắc phục đượ c sự tác động sai do các nguồn sáng ngoài chiếu vàogương phản xạ vì bộ cảm biến chỉ cảm nhận tia sáng bị phân cực.

Phương pháp bố trí này có ưu điểm sau đây: o Không bị tác động sai.o Tỷ số độ tương phản sáng/tối lớ n.


24/56

o Dễ bố trí và căn chỉnh. Chỉ cần nối dây một phía.Tuy nhiên có một số hạn chế:

o Cự ly tác động giảm do tổn thất của bộ lọc tín hiệuo Cảm biến tia phản xạ phân cực không làm việc nếu vật phản chiến có thủy tinh,

do đó nếu mục tiêu bọc bằng chất dẻo trong có thể tác động sai.- Phát hiện gần nhờ ánh sáng phản chiếu khuếch tán: Nguồn sáng và bộ cảm biến đặtcùng phía nhưng ở đây đối tượng đóng vai tr ò gương phản chiếu. trong trườ ng hợ p nàyđối tượng đặt khá gần nguồn sáng.

Ưu điểm của phương pháp này là : o Lắp đặt và chỉnh định đơn giảno Chỉ cần nối dây một phía vùng cảm nhậno Có thể phát hiện với độ phản chiếu khác nhau.

Những hạn chế là:

o

Vùng cảm nhận bị hạn chế.o Độ tương phản sáng/ tối và khoảng cách cảm nhận phụ thuộc vào độ phản

chiếu của bề mặt đối tượ ng- Chỉnh định hệ thố ng cảm biế n ánh sáng: Cáp quang dùng trong mạch cảm biến và điềukhiển thườ ng có hai loại :

o Loại không phân nhánh một đầu nối vớ i nguồn phát quang hoặc máy thu, mộtđầu nối vớ i bộ cảm biến.

o Loại phân nhánh một đầu nối vớ i nguồn phát quang đầu phân nhánh kia nốivớ i máy thu còn đầu kia nối vớ i bộ cảm biến. loại này thườ ng dùng cho cảm

biến tiế p cận và có thể bố trí thêm thấu kính tiêu thụ Chỉnh định vị trí giữa nguồn phát và cảm biến đượ c tiến hành như sau:

o Đối vớ i cách bố trí đối diện : có thể tiến hành xoay nguồn phát theo các mặtnằm ngang và thẳng đứng.

o

Đối vớ i cách bố trí một phía. Tiến hành định vị trí gương phản xạ theo cácchiều phải trái, lên xuống.

o Đối vớ i cách bố trí tiế p cận : tiến hành chỉnh định nguồn thu và phát như cách bố trí đối diện, ngh ĩa là quay phải trái hoặc lên xuống.

2.2.8 Cảm biến di chuyển sử dụng tia lasera. Nguyên lý:

Cảm biến di chuyển laser gồm phần tử phát quang và phần tử cảm nhận. laser bán dẫnđượ c tụ tiêu trên mục tiêu nhờ các thấu kính. Mục tiêu phản chiếu tia laser và đượ c tiêu tụ trên bộ cảm biến vệt sáng. Vệt sáng sẽ chuyển động khi mục tiêu chuyển động, do đó có


25/56

thể phát hiện sự chuyển động của các chi tiết bằng cách theo dõi sự chuyển động của cácvệt sáng.b. M ột số ứ ng d ụng của cảm biế n laser

2.2.9 Cảm biến vi sóngCác cảm biến vi sóng là thiết bị điện tử sử dụng sóng cực ngắn để đo di chuyển tốc độ,chiều chiều động, khoảng cách, phát hiện.a. Phân loại:

K ỹ thuật cảm biến vi sóng có thể được chia thành năm loại :- Cảm biến chuyển động phát hiện đối tượ ng chuyển động đi vào vùng bảo vệ.- Cảm biến tốc độ : đo tốc độ của đối tượ ng, ví dụ máy đo tốc độ oto của cảnh sát.- Phát hiện hướ ng chuyển động của đối tượ ng (chạy tiến, lùi của máy quay).- Cảm biến tiế p cận : phát hiện sự hiện diện của đối tượ ng.

- Cảm biến khoảng cách : đo khoảng cách từ cảm biến đến đối tượ ng, có thể áp dụng đomức dầu trong bình…

b. C ác đặc điể m của cảm biế n vi sóng:- Không tiế p xúc vớ cơ khí: do không tiếp xúc cơ khí với đối tượ ng cảm biến vi sóng cóthể làm việc trong các môi trường độc hại, dễ cháy nổ, có thể thâm nhậ p vào bề mặtkhông kim loại như sợ i thủy tinh, phát hiện mức, phát hiện đối tượ ng bằng cáctong…- Bền vững : cảm biến vi sóng không có bộ phận chuyển động, có thể đượ c bọc kín.- Vùng tác động r ộng : cảm biến vi sóng có thể phát hiện các đối tượ ng xa từ 25 đến

45.000 mm và lớn hơn, phụ thuộc vào kích thướ c của đối tượ ng, công suất nguồn vàanten.- Kích thướ c nhỏ : mặc dù có kích thướ c lớn hơn cảm biến tiế p cận điện cảm, điện dungnhưng khi sử dụng tần số cao và mạch điện tử công nghệ cao có thể giảm kích thướ c vàgiá thành.- Kích thướ c mục tiêu : cảm biến vi sóng phù hợ p vớ i các mục tiêu phát hiện k ể cả mụctiêu nhỏ như một hạt cát.- Môi trườ ng làm việc : có thể làm việc trong điều kiện môi trường khó khăn từ -550C tớ i+1250C, môi trườ ng bụi bẩn, ô nhiễm, độc hại.

c. Nguyên lý hoạt động:Cảm biến vi sóng gồm có ba phần chính : nguồn, anten tụ tiêu, máy thu và xử lý tín

hiệu. Khi tia phản xạ lại máy thu ddiot tr ộn sẽ phối hợ p vói một phần tín hiệu phát. Nếumục tiêu chuyển động pha của hai tín hiệu phát và tr ở về khác nhau do hiệu ứng doppler.Tín hiệu đến máy thu cỡ µV đến mV cần đượ c khuếch đại. ngoài khuếch đại, so sánh có


26/56

thêm mạch rowle đầu ra để phù hợ p vớ i ứng dụng. hình 5.53 trình bày cấu trúc mooduncảm biến vi sóng.

2.2.10 Bộ cảm biến phát hiện hư hỏng trong các bộ phận chuyển động của máy

2.2.11 Cảm biến điện từ Cảm biến điện từ là nhóm các bộ cảm biến làm việc dựa trên nguyên lý điện từ. đại

lượng không điện cần đo làm thay đổi điện cảm, hỗ cảm của cảm biến hay từ thông, độ từ thẩm của lõi thép.

a. C ảm biến điện cảm và hỗ cảm:- Cảm biến điện cảm là một cuộn dây quấn trên lõi thép có khe hở không khí (mạch từ

hở hình 5.55). thông số của nó thay đổi dưới tác động của đại lượ ng vào XV.

Dưới tác động của đại lượng đo XV làm cho phần ứng 3 di chuyển, khe hở không khí δthay đổi từ tr ở của lõi thép do đó điện cảm và tổng tr ở của cảm biến cũng thay đổi theohình 5.55a. điện cảm có thể thay đổi do tiết diện khe hở không khí thay đổi (hình 5.55b)hoặc thay đổi do tổn hao dòng điện xoáy dưới tác động của đại lượng đo XV (hình 5.55c)

Để tăng độ nhạy cảm biến và tăng đoạn đặc tính tuyến tính làm việc người ta thườ ngdùng cảm biến điện cảm mắc theo kiểu vi sai.- Cảm biến hỗ cảm (chuyển đổi biến áp): Cấu tạo của cảm biến hỗ cảm giống như cảm

biến điện cảm, chỉ khác ở chỗ có thêm một cuộn dây đo, khi chiều dài hoặc tiết diện khehở không khí thay đổi làm cho từ thông của mạch từ thay đổi và suất hiện sức điện động

e. Đối vớ i cảm biến điện cảm và hỗ cảm, trên các đoạn sắt từ của mạch từ có tổn hao tr ễ và dòng xoáy làm thay đổi từ tr ở và do đó tổng tr ở cũng bị thay đổi. tín hiệu ra sẽ thayđổi của biên độ và pha. Tuy vật sự thay đổi về pha có thể đượ c khắc phục nếu cảm biếnđượ c cung cấ p bằng điện áp ổn định.

Đặc tính động của các cảm biến điện cảm và hỗ cảm được xác định chủ yếu ở hệ thốngcơ của phần động.

Tần số làm việc r ất r ộng tùy theo cấu trúc của phần động có thể đo được các đại lượ ng biến thiên từ 500 Hz ÷ vài kHz.- Mạch đo: Thường ngườ i ta dùng mạch cầu không cân bằng vớ i nguồn cung cấ p xoay

chiều có một nhánh hoạt động (cảm biến đơn) hoặc hai nhánh hoạt động (cảm biến visai).- Sai số và ứng dụng . các cảm biế điện cảm làm việc vó mạch cầu không cân bằng,nguồn cung cấ p cho mạch cầu cần phải ổn định. Nếu điện áp ngườ i cung cấp thay đổi 1%có thể gây sai số tớ i 1%.


27/56

b. C ảm biế n cảm ứ ng:Cảm biến cảm ứng gồm có nam châm v ĩnh cửu hoặc nam châm điện (trong một số

trườ ng hợ p) và cuộn dây.

2.2.12 Cảm biến điện dunga. Tính chấ t chung và các d ạng cơ bản của cảm biến điện dung: Nguyên lý làm việc của các cảm biến điện dung dựa trên sự tác động tương hỗ giữa hai

điện cực, tạo thành một tụ điện. điện dung của nó được thay đổi dưới tác động của đạilượ ng vào.

Cảm biến điện dung có thể chia thành hai nhóm chính, cảm biến máy phát và cảm biếnthông số.

Đại lượ ng ra của các cảm biến điện dung máy phát thường là điện áp ra của máy phát.Đại lượ ng vào là sự di chuyển thẳng, di chuyển góc của bản điện cực động của cảm biến.

loại này thường dùng đo các đại lượng cơ học. Đại lượ ng vào của các cảm biến điện dungthông số là sự di chuyển, đại lượ ng ra là sự thay đổi điện dung C của cảm biến.b.M ạch đo: Thông thườ ng mạch đo dùng vớ i cảm biến điện dung là các mạch cầu khôngcân bằng cung cấ p bằng dòng xoay chiều. mạch đo cần phải thỏa mãn các yêu cầu sau :tổng tr ở đầu vào tức là tổng tr ở của đườ ng chéo cần phải thật lớ n, các dây dãn đượ c bọckim để tránh ảnh hưở ng của điện trường ngoài à không đượ c mắc điện tr ở song song vớ icảm biến làm giảm tổng tr ở của nó và chống ẩm tốt. tần số nguồn cung cấ p cẩn phải cao,để tăng công suất ra của cảm biến có thể tớ i hàng chục MHz.

Để đo đại lượ ng biến thiên cùng vớ i mạch cầu ngườ i ra còn dùng mạch đo dòng một

chiều.c.Phạm vi ứ ng d ụng:

o Loại có khe hở không khí thay đổi được dùng đo những di chuyển nhỏ (từ vàimicromet đến vài milimet).

o

Nếu dùng cảm biến điện dung trong mạch cung cấ p bằng điện áp một chiều cóthể đo đượ c tốc độ, độ dịch chuyển biến thiên và các đại lượ ng khác có thể

biến đổi thành di chuyển (lực, áp suất, gia tốc).o Loại có điện tích bản cực thay đổi dùng đo các di chuyển lớn (hơn 1 cm) và di

chuyển góc (đến 2700C).

o

Cảm biến có hằng số điện môi ε thay đổi dùng đo độ ẩm (vải, chất dẻo) đo mứcnướ c, chiều dày của các vật cách điện, đo lực.

o Cảm biến có tổn hao điện môi thay đổi (mạch đo dùng đo góc tổn tao tgδ củatụ trong mạch xoay chiều) dùng để xác định các tham số vật lý của vật liệu nàođó đặt giữa hai bản cực…

o


28/56

2.3 Cảm biến vận tốc và gia tốc

2.3.1 Đo tốc độ quay của động cơ. Để đo tốc độ roto ta có thể sử dụng các phương pháp sau:

-

Sử dụng bộ cảm biến quang tốc độ với đĩa mã hóa- Sử dụng máy đo góc tuyệt đối- Xác định tốc độ gián tiếp qua phép đo dòng điện và điện áp stato mà không cần

dùng bộ cảm biến tốc độ

a. S ử d ụng bộ cảm biế n quang t ốc độ với đĩa mã hóa (Incremetal Encoder).Đĩa mã hóa gắn trên tr ục động cơ gồm các lỗ. Đĩa đặt giữa nguồn tia hồng ngoại do

diode phát quang LED cung cấp và đầu thu là tr anzitor quang. Khi đĩa quang tranzitorquang sẽ chỉ chuyển mạch nếu vị trí LED, lỗ, tranzitor quang thẳng hàng. Khi đó

tranzitor quang đưa điện áp trên R 2 về mức thấp. Khi đĩa ngăn ánh sáng thì tranzito quang bị khóa, k ết quả là điện áp trên R 2 về mức cao. Khi đĩa mã hóa quay trên đầu ra R 2 đếmđượ c 8 xung hình chữ nhật. Tần số xung phụ thuộc vào tốc độ đĩa.

Để xác định chiều quay cần sử dụng bộ cảm biến kép gồm có 2 LED và 2 tranzitoquang, 2 đĩa mã hóa. Khi đĩa quay ta nhận đượ c 2 xung chữ nhật lệch nhay 90o. Chiềuquay được xác định bằng vị trí tương đối của 2 tín hiệu ra. Tốc độ bằng 0 tức là xung tiế ptheo không bao giờ tớ i.

b. S ử d ụng máy đo góc tuyệt đố i (Resolver).

Cấu tạo gồm 2 phần: + Phần động: gắn liền vớ i tr ục quay động cơ chứa cuộn sơ cấ pđượ c kích thích bằng sóng mang tần số 2-10 kHz qua máy biến áp quay.

+ Phần t ĩnh: có 2 dây quấn thứ cấ p (cuộn sin và cuộn cos) đặtlệch nhau 90o

Đầu ra của 2 cuộn dây thứ cấp ta thu đượ c 2 tín hiệu điều biên UU0sintsin vàUU0sintcos. Đườ ng bao của biên độ kênh tín hiệu ra chứa thông tin về vị trí tuyệt đối(góc ) của roto máy đo – vị trí tuyệt đối của roto động cơ.

Có 2 cách thu nhậ p thông tin về . Cách thứ 1 là hiệu chỉnh sửa sai góc thu đượ c trêncơ sở so sánh góc và đượ c cài đặt sẵn trong 1 số vi mạch sẵn có. Các vi mạch này cho tín

hiệu góc dạng số với độ phân giải 10 – 16 bit/1 vòng và 1 tín hiệu tốc độ quay dạngtương tự. Cách thứ 2 có chất lượng cao hơn là dùng 2 bộ đổi tương tự - số để lấy mẫutr ực tiế p từ đỉnh tín hiệu điều chế.

Máy đo góc tuyệt đối ít nhạy vớ i nhiệt độ và ít bị nhiễm điện từ, tuy vậy chúng khôngđạt được độ phân giải cao như như bộ cảm biến quang tốc độ vớ i tín hiệu hình sin.


29/56

c. Phương pháp không sử d ụng bộ cảm biế n t ốc độ.Các phương pháp sử dụng máy phát tốc độ hoặc bộ cảm biến tốc độ có một số nhượ c

điểm là làm cho hệ thống truyền động không đồng nhất do phải lắ p thêm vào tr ục độngcơ các cảm biến, và nhiễu do truyền dẫn tín hiệu từ bộ cảm biến đến tủ điều khiển có thể

ảnh hưở ng tớ i hệ thống.Để khắc phục nhược điểm trên, ta dùng hệ thống truyền động không sử dụng bộ cảm biến. Trong hệ thống này tốc độ động cơ được ước lượ ng từ điện áp và dòng điện stato vàsử dụng làm tín hiệu phản hồi của vòng điều chỉnh tốc độ.

2.3.2 Tốc độ kế sợ i quangLà dụng cụ đo tốc độ của các đối tượ ng bằng cách truyền dẫn (đối vớ i dòng chất lỏng)

hoặc bằng phản xạ (đối vớ i vật r ắn chuyển động dưới đầu laser). Dải đo rất r ộng từ 10-6 –105 m/s. Phép đo không làm thay chuyển động của hệ.

Nguyên lý tốc độ k ế sợ i quang là chiếu sáng đối tượ ng cần đo tốc độ bằng 1 lướ i cácvân sáng. Ánh sáng khuếch tán từ đối tượ ng tuân theo hiệu ứng Doppler ngh ĩa là tần số của nó khác vớ i tần số ánh sáng nguồn. Độ lệch tần số này phụ thuộc vào tốc độ của vật.

2.3.3 Gia tốc kế sợ i quangGia tốc k ế đượ c sử dụng r ộng rãi để theo dõi chấn động của các máy quay. Nó cho biết

tình tr ạng cân bằng kém và tìm các biện pháp khắc phục.Gia tốc k ế sử dụng giao thoa sợi quang có độ nhạy cao nhất. Gia tốc cần đo tác động

vào 1 hệ thống gồm 1 khối lượ ng khoảng 1g, 1 phần tủ treo đàn hồi giữa 2 sợ i quang dài

khoảng 1 cm tạo nên 2 nhánh của một giao thoa k ế Michelson hoặc Mach-Zehndes. Nếugia tốc đặt trên tr ục các sợ i lực quán tính dẫn đến sự sai khác bướ c giữa 2 sợ i.

Một phương án khác là gia tốc k ế 2 cuộn dây sợ i quang phân cách bằng 1 ngăn chứađầy chất lỏng. Mỗi cuộn dậy là 1 nhánh của giao thoa k ế. Khi ngăn đượ c gia tốc dọc theotr ục đối xứng của nó, áp suất vi sai sinh ra trong chất lỏng đượ c truyền vào các sợ i quangvà tạo nên các bướ c sóng khác nhau, có thể khai thác để đo đạc.

2.3.4 Đổi hướ ng kế sợ i quang và con quay hồi chuyển

a. Đổi hướ ng kế sợ i quang:Đổi hướ ng k ế sợ i quang đơn mode khai thác giao thoa kế Sagnac. Vớ i một sợ i quang

chiều dài L bố trí thành 1 vòng bán kính R quay vớ i vận tốc Ω hiệu số pha giữa 2 chùmtia có chiều ngượ c nhau xuất phát từ giao thoa k ế là:

∆Φ = 4π RL. Ω/λoCλo: bướ c sóng tia laser


30/56

C: vận tốc ánh sáng Nói chung tốc độ quay mà đối hướ ng k ế laser từ 0,1 – 400o/h. Dải pha cần đo từ 10-7-10

rad. Có thể dùng k ỹ thuật phát hiện ngoại sai hoặc 1 tần số.Các nhiễu loạn tác động như nhau đối với 2 đường tia sáng ngượ c chiều nhau của giao

thao k ế Sagnac. Chỉ có sự quay tạo nên sự lệch pha này. Phương án cấu trúc thuận nghịchgồm 1 sợi quang đơn mode và 1 bộ lọc phân cực I/O của giao thoa k ế. Hệ thống cho phépkhắc phục sự không thuận nghịch của bộ phân cách và loại tr ừ đượ c hiện tượng lưỡ ngchiết tồn tại trong sợ i quang. Điều chỉnh bướ c sóng nguồn cho phép đảm bảo tính ổnđịnh.

b. Đổi hướ ng kế con quay hồi chuyể n:Đổi hướ ng k ế hoạt động dựa theo nguyên lý quay hai-ba bậc tự do của con quay hồi

chuyển. Con quay hồi chuyển đượ c lắ p trên một khung động và quay quang tr ục YY’ vớ i

tốc độ lớ n (~104

vg/ph) nhờ 1 động cơ. Tốc độ quay ω cần đo theo trục ZZ’ vuông gócvớ i YY’ làm xuất hiện 1 ngẫu lực Cg tỉ lệ vớ i ω theo hướng X’X và có xu hướ ng làm chokhung động của con quay hồi chuyển quay theo. Ngẫu lực Cg đượ c cân bằng bở i ngẫulực đàn hồi Cr do 2 lò xo gây nên và có giá tr ị tỉ lệ vớ i góc α của khung.

Ở tr ạng thái cân bằng: Cg = CrGóc quay của khung động của con quay hồi chuyển tỉ lệ vớ i vận tốc góc cần đo ω. Góc

α đượ c mã hóa thành tín hiệu điện.Dải đo: 7 – 360o/sĐộ sai lệch: < ± 1,5% dải đo

2.3.5 Cảm biến tốc độ quay thạch anhCảm biến tốc độ thạch anh (Quartz Rate Sensor)đượ c sử dụng có k ết quả trong thực tế

vì có kích thướ c nhỏ, tiêu thụ công suất bé. Nó có kích thướ c cỡ miếng thạch anh trongđồng hồ thạch anh gồm 2 phần phần quay và cảm nhận.

Phần quay tác động chính xác như 1 chạc quay có kích thướ c nhỏ. Mỗi chạc có khốilượ ng và tốc độ hướ ng kính biến thiên hình sim. Khi quay ổn định moment động của 2chạc bằng 0 và không có năng lượ ng truyền từ các chạc vào đế. Khi chạc quay quanh tr ụcđối xứng hệ thống chịu ảnh hưở ng bở i lực Coriolis.

Phần cảm biến cảm nhận lực tỉ lệ vớ i tốc độ quay, do đó khi các chạc cảm biến khôngchuyển động QRS phát hiện góc quay bằng 0, sau đó điện áp này sẽ đượ c khuếch đại vàxử lý.

2.3.6 Gia tốc kế rung, điện dung, áp trở, áp điệna. Gia t ố c k ế rung:


31/56


32/56

Theo định luật hooke trong vùng giớ i hạn đàn hồi ứng lực tỷ lệ vớ i biến dạng do nó gâynên.

Modun Young Y xác định biến dạng theo phương của ứng lực

= =

trong đó ứng lực σ =

Đơn vị đo modun Young là kglực/mm2. Sau đây là modun Young của một số vật liệu :o Thép từ 18.000 đến 29.000o Đồng từ 9900 đến 140000o Chì từ 500 đến 1400

Hệ số poisson ν: xác định biến dạng theo phương vuông góc vớ i lực: ε⊥ = −ν ε trong vùng đàn hồi ν = 0,3.

2.4.2. Nguyên lý của cảm biến biến dạngĐầu đo biến dạng loại điện tr ở thườ ng là sợ i dây kim loại mảnh đượ c gắn tr ực tiế p lên

bề mặt cấu trúc cần khảo sát. Sự biến dạng của cấu trúc kéo theo biến dạng của cảm biếnvà làm cho điện tr ở của nó bị thay đổi.

2.4.3 Các loại đầu đo kim loạiĐầu đo dây kim loại có đườ ng kính r ất mảnh d ≈ 20µm, giá đỡ 0,1 mm (giấy) hoặc

0,03mm (epoxy). Các đầu đo dùng lưới màng thường đượ c chế tạo bằng phương phápmạch in để giảm kích thước và cho phép đo từng điểm.

Các thông số chủ yếu của đầu đo kim loại là :o Điện tr ở suất : điện tr ở suất của vật liệu phải đủ lớn để tránh dây kim loại quá

dài làm tăng kích thướ c của bộ cảm biến nhưng tiết diện không nên quá nhỏ để dòng điện đo đủ lớ n nhằm tăng độ nhạy.

o Hệ số đầu đo K thườ ng từ 2 ÷ 3.o

Ảnh hưở ng của lực đên độ tuyến tính : trong giớ i hạn đàn hồi hệ số đầu đokhông đổi do quan hệ tuyến tính giữa điện tr ở và biến dạng

o Ảnh hưở ng của nhiệt độ : nói chung K ít chịu ảnh hưở ng của nhiệt độ.o Độ nhạy ngang

2.4.4 Cảm biến áp trở silica. Nguyên lý: Sự thay đổi điện tr ở của vật r ắn dướ i tác dụng của ứng suất, đối với Si đượ ccho bởi phương tr ình:

∆ =

∆ +

∆ −

∆ −

∆

R: điện tr ở : điện tr ở suấtl: chiều dài : chiều dầy


33/56

: chiều r ộng của cảm biến silic b. C ấ u t ạo:

Cảm biến áp tr ở đượ c chế tạo từ đơn tinh thể Si tinh khiết và thể hiện tính đối xứng, dovậy cần quy định các phương x, y và mặt phẳng của cảm biến

c. Các thông số cơ bản của đầu đo silic:- Điện tr ở : khi tăng nồng độ pha tạ p, mật độ hạt dẫn trong vật liệu tăng lên và điện tr ở suất của chúng giảm đi. Biểu thức chung của điện tr ở suất có dạng :

ρ =

( )

trong đó q là giá trị tuyệt đối của điện tích điện tử hoặc lỗ (1,6.10-19C), n và p là mật độ điện tử và lỗ tr ống tự do, µn và µ p là độ linh động của chúng.- Ảnh hưở ng của nhiệt độ : khi nhiệt độ nhỏ hơn 1200c hệ số nhiệt độ của nó có giá tr ị dương và giảm dần khi độ pha tạp tăng lên. ở nhiệt độ cao điện tr ở suất giảm khi nhiệt độ tăng và hệ số nhiệt độ của nó có giá tr ị âm và không phụ thuộc vào độ pha tạ p.- Hệ số đầu đo K : hệ số đầu đo phụ thuộc vào độ pha tạp. khi độ pha tạp tăng lên, hệ số đầu đo giảm

2.4.5 Đầu đo trong chế độ động

a. T ần số sử d ụng t ối đa:Tần số làm việc của đầu đo không phụ thuộc vào vật liệu chế tạo tuy vậy tần số làm vệc

phụ thuộc vào phương pháp gắn đầu đo và kích thướ c của nó.Quan hệ giữa kích thướ c l của đầu đo và chiều dài bướ c sóng phải thỏa mãn điều kiện.

l ≤ 0,1 Tần số sử dụng cực đại của đầu đo có chiều dài l là :

f max =

Đối vớ i thép f max = 60 kHz khi l = 1 cm.b. Giớ i hạn mỏi:

Biến dạng lặ p lại nhiều lần sẽ dẫn đến làm tăng điện tr ở đầu đo. Đó là hiệu ứng mỏi,hiệu ứng này càng mạnh khi biên độ biến dạng càng lớ n.

Giớ i hạn mỏi được xác định bằng chu k ỳ biến dạng N với biên độ cho trướ c gây nên

biến thiên điện tr ở tương đương vớ i biến dạng giả định bằng 10-4.Với biên độ biến dạng ± 2.10-3 giớ i hạn mỏi phụ thuộc dạng đầu đo và nằm trong

khoảng từ 104 (constantan) đến 108 ( isoelastic) chu k ỳ.

2.4.6 Cảm biến dao động sử dụng hiệu ứ ng doppler


34/56

Một sợi quang 1mm đưa ánh sáng từ laser He- Ne vào đĩa cánh, ánh sáng phản xạ từ cánh, do hiệu ứng Doppler bị lệch tần số và đượ c sợ i quang này truyền về thiết bị đo.

Dụng cụ có thể đạt được độ chính xác đo tần số dao động của các cánh là 0,12%

2.4.7 Cảm biến ghép sợ i quangSử dụng 2 sợi quang đơn mode, cùng chiết suất (n1=1,62), đườ ng kính nhỏ (1 µm) cùngđặt trong một vỏ đườ ng kính ngoài 250 µm,n2=1,52, đặt cạnh nhau vớ i khoảng cách 2 µm.Ta nhận thấy có sự liên hệ về quang giữa 2 sợ i. Một phần ánh sáng phát trong một sợ iđượ c thấy trong sợ i kia. Cách ghép này nhạy vớ i biến dạng dài và cũng chịu ảnh hưở ngcủa nhiệt độ.

2.4.8 Hologram (ảnh toàn ký) giao thoa Nguyên lý: Ảnh toàn ký là một phép ghi trên cùng một bản nhạy ánh sáng khác nhau

của cùng một vật đang chịu niến dạng. Sự lệch giữa hai ảnh này tạo nên giao thoa. Cácvân giao thoa đặc trưng cho biến dạn này. Ảnh toàn ký giao thoa đượ c sử dụng trong

phép đo biến dạng chính xác như chong chóng máy bay trực thăng, buồng đẩy tên lửa.

2.4.9 Kiểm tra trạng thái bề mặtKhi chiếu sáng một bề mặt bằng tia laser ngườ i quan sát tháy nhiều hạt gồ ghề trên bề

mặt. Hiện tượ ng này la do các hạt tạo ra giao thoa giữa các tia tớ i và tia phản xạ bở i bề mặt này. Ghi hình ảnh của đối tượng đang chịu ứng suất hoặc dao động nhỏ ta nhận đượ c


35/56

các vân giao thoa đặc trưng cho vật. Hình ảnh này có thể đượ c truyền bằng sợ i quang dokích thướ c của nó lớn hơn kích thướ c của mỗi sợ i.

K ỹ thuật có thể tổng quát hóa, chỉ cần một camera CCD ma tr ận 500 x 500 điểm để xácđịnh toàn bộ mặt r ộng đồng thờ i và hầu như tức thời, độ lớ n và pha của mỗi kiểu chấn

động của các chi tiết phức tạ p.

2.5 Cảm biến lự c và ứ ng suất

2.5.1 Đại cương về cảm biến đo lự c và ứ ng suấtPhép đo lực là yêu cầu đối với cơ học vật r ắn, còn đối với cơ học chất lỏng và chất khí

người ta chu ý đến áp suất. Lực đượ c chu ý khi tác động lên một điểm còn áp suất đượ cđo khi lực phân bố trên diện r ộng. Các bộ cảm biến lực có thể phân thành hai lớ p : các bộ cảm biến định lượng và định tính. Các bộ cảm biến định lượng dùng để đo lực có giá tr ị

đượ c thể hiện bằng tín h

cam bien va co che chap hanh 3833

Documents