Tổng quan
Các kha ́i niê ̣m cơ bản
1.1.1 Cảm biến và hệ thống điều khiển
Cảm biến và bộ chuyển đổi
Khi phân biệt cảm biến (sensor) và bộ chuyển đổi (transducer), cần hiểu rằng bộ chuyển đổi chuyển đổi một dạng năng lượng thành dạng năng lượng khác, trong khi cảm biến sử dụng các hiệu ứng vật lý tự nhiên để chuyển đổi trực tiếp năng lượng thành điện Khái niệm bộ chuyển đổi rộng hơn, bao gồm cả cảm biến; tuy nhiên, trong các cảm biến phức tạp, có thể tồn tại cả bộ phận chuyển đổi và phần tử cảm biến Ví dụ, cảm biến hóa học có bộ phận chuyển đổi năng lượng từ phản ứng hóa học thành nhiệt và phần tử cảm biến chuyển đổi nhiệt thành tín hiệu điện, cho thấy cấu trúc của nó bao gồm cả bộ chuyển đổi và cảm biến nhiệt độ để thực hiện chức năng chuyển đổi năng lượng hóa học thành tín hiệu điện.
Cảm biến hóa học là loại cảm biến phức tạp, bao gồm nhiều bộ chuyển đổi kết hợp với ít nhất một phần tử cảm biến Chức năng chính của chúng là biến đổi một dạng năng lượng nào đó thành năng lượng điện, như minh họa trong hình 1.1.
Hình 1.1: Cấu trúc cơ bản loại cảm biến phức hợp, trong đó e 1 , e 2 , e 3 là các dạng năng lượng khác nhau
Trình tự điều khiển qui trình tự động
Trong môi trường công nghiệp, việc đo đạc các đại lượng vật lý như áp suất, nhiệt độ, mức, lưu lượng, và độ ẩm là rất quan trọng, đặc biệt trong điều khiển quy trình Quy trình được hiểu là chuỗi hoạt động nhằm đạt được kết quả mong muốn, và có thể được điều khiển bởi con người hoặc máy móc tự động Tuy nhiên, tài liệu này sẽ tập trung vào việc điều khiển quy trình hoàn toàn tự động bằng máy móc.
Điều khiển qui trình trong công nghiệp là việc tự động duy trì các đại lượng vật lý quan trọng trong phạm vi nhất định Quá trình này có thể được chia thành nhiều bước, nhưng ba bước chính bao gồm: xác định các đại lượng cần điều khiển, thiết lập các thông số điều khiển và thực hiện điều chỉnh tự động để đảm bảo ổn định trong quá trình sản xuất.
Bước đầu tiên trong quy trình là bộ phận cảm biến thực hiện việc đo lường các đại lượng vật lý liên quan đến đầu ra của quy trình, sau đó gửi thông tin này đến bộ phận trung tâm hay còn gọi là bộ điều khiển.
Bước 2: Bộ điều khiển tiến hành so sánh các giá trị nhận được với các giá trị định trước mà quy trình cần đạt được, sau đó gửi tín hiệu điều chỉnh đến bộ phận thi hành, hay còn gọi là cơ cấu chấp hành.
Bước 3: bộ phận thi hành sẽ thay đổi giá trị các đại lượng vật lý trong qui trình cho phù hợp với mong muốn
Quá trình điều khiển tự động diễn ra qua hai bước lặp lại, tạo thành một vòng khép kín giúp hệ thống hoạt động độc lập và tự điều chỉnh Trong chu trình này, cảm biến đóng vai trò quan trọng, tương tự như các giác quan của con người, giúp thu thập thông tin cần thiết cho việc điều khiển Bài viết sẽ so sánh hoạt động của hệ thống điều khiển tự động với điều khiển bằng thao tác tay của con người để làm rõ hơn về sự khác biệt giữa hai phương pháp này.
Hình 1.2: Một hệ thống gia nhiệt nước đơn giản trong công nghiệp
Hệ thống gia nhiệt và cung cấp nước nóng đơn giản được mô tả trong hình 1.2, trong đó nước lạnh được làm nóng qua ống chứa hơi nóng thông qua bộ trao đổi nhiệt Nhiệt độ nước nóng đầu ra được theo dõi bằng bộ phận đo nhiệt độ, và việc điều chỉnh nhiệt độ theo giá trị mong muốn được thực hiện thông qua van hơi điều tiết lưu lượng dòng hơi nóng vào bộ trao đổi nhiệt.
Các thành phần chính của hệ thống điều khiển qui trình
Hình 1.3: Chu trình điều chỉnh nhiệt độ bằng thao tác tay
Sơ đồ trong hình 1.3 minh họa quá trình điều chỉnh nhiệt độ bằng tay Người điều khiển đọc giá trị nhiệt độ từ thiết bị đo, như nhiệt kế thủy ngân, và quyết định điều chỉnh nhiệt độ bằng cách xoay van hơi để tăng hoặc giảm lưu lượng hơi nóng Tuy nhiên, phương pháp này có nhiều nhược điểm, bao gồm thời gian phản hồi chậm, phụ thuộc vào kỹ năng của người điều khiển, và sai số lớn trong việc điều chỉnh do cả sai số của nhiệt kế và khả năng quan sát của con người Khi hệ thống trở nên phức tạp, việc vừa quan sát vừa điều chỉnh càng trở nên khó khăn hơn.
Hệ thống này hoạt động hoàn toàn tự động, như thể hiện trong sơ đồ hình 1.4 Để đạt được điều này, cảm biến nhiệt độ cần chuyển đổi giá trị nhiệt độ thành tín hiệu điện gửi về bộ điều khiển Do đó, cảm biến nhiệt độ không chỉ là thiết bị đo lường mà còn đóng vai trò quan trọng nhất trong các hệ thống điều khiển tự động, tương tự như sự kết hợp giữa nhiệt kế và mắt người điều khiển.
Tín hiệu đo Tín hiệu đi ề u k h i ể n Đo nhi ệ t đ ộ
Biến kéo theo (Lưu lư ợ n g )
Hình 1.4: Chu trình điều chỉnh nhiệt độ tự động
GT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
Trong hệ thống điều khiển qui trình tự động, các thành phần chính bao gồm cảm biến, bộ điều khiển và cơ cấu chấp hành Bộ điều khiển nhận tín hiệu từ cảm biến, xử lý và xuất tín hiệu điều khiển tới cơ cấu chấp hành Cơ cấu chấp hành chuyển đổi tín hiệu điện thành năng lượng khác, như van hơi trong hệ thống gia nhiệt, loa âm thanh chuyển tín hiệu thành sóng âm thanh, và động cơ điện chuyển điện năng thành cơ năng Do đó, cơ cấu chấp hành có thể được xem như một loại bộ chuyển đổi.
Các loại biến số trong qui trình
Trong hệ thống điều khiển công nghiệp, các biến số của đại lượng vật lý được phân chia thành ba loại chính: biến đo, biến điều khiển và biến kéo theo Biến đo là các đại lượng được phát hiện bởi cảm biến, phản ánh trạng thái đầu ra hiện tại của quy trình Biến điều khiển là biến số mà hệ thống điều khiển thiết lập để điều chỉnh quy trình, thường là đối tượng điều khiển trực tiếp Trong hầu hết các trường hợp, biến điều khiển cũng đồng thời là biến đo, trừ khi biến đo được sử dụng chỉ để hiển thị hoặc truyền đi mà không tham gia vào quá trình điều khiển tự động.
Biến kéo theo là biến số trực tiếp được điều khiển bởi cơ cấu chấp hành, dễ gây nhầm lẫn với biến điều khiển, vì tất cả các biến trong hệ thống đều bị điều khiển theo lý thuyết Trong sơ đồ hình 1.4, biến điều khiển là nhiệt độ của nước nóng ra, trong khi biến kéo theo là lưu lượng dòng hơi nóng vào.
1.1.2 Cấu trúc mạch cảm biến
Trong các ứng dụng đơn giản, mạch điện cảm biến cơ bản thường bao gồm ba thành phần chính, như được minh họa trong hình 1.5.
Cảm biến là thiết bị chuyển đổi các đại lượng không điện thành tín hiệu điện, như dòng điện hoặc điện áp Tín hiệu điện này không chỉ cho biết sự hiện diện của đại lượng cần đo mà còn cung cấp thông tin về độ lớn tương ứng của nó.
Phân loại cảm biến
Cảm biến tích cực là thiết bị sử dụng các hiệu ứng tự nhiên để chuyển đổi trực tiếp đại lượng không điện thành đại lượng điện mà không cần nguồn năng lượng bên ngoài Một số hiệu ứng phổ biến được sử dụng trong cảm biến tích cực bao gồm cảm ứng điện từ, áp điện và quang điện.
Hiệu ứng nhiệt điện: chuyển đổi nhiệt độ thành tín hiệu điện
Hiệu ứng quang điện: chuyển đổi trực tiếp cường độ ánh sáng thành dòng điện trong chất bán dẫn
Hiệu ứng cảm ứng điện từ của Faraday cho phép chuyển đổi tốc độ quay thành sức điện động, từ đó đo lường tốc độ động cơ Ngoài ra, nó cũng có khả năng chuyển đổi tốc độ chảy của lưu chất thành sức điện động để đo lưu lượng.
Hiệu ứng áp điện: lực tác động lên vật liệu có tính chất áp điện làm xuất hiện điện áp trên hai bề mặt vật liệu
Cảm biến thụ động là thiết bị chuyển đổi các đại lượng không điện thành các đại lượng điện như điện trở, điện dung và điện cảm, dựa vào các hiện tượng tự nhiên Để tạo ra tín hiệu điện đầu ra, cảm biến thụ động cần được cung cấp nguồn điện bên ngoài Một số loại cảm biến thụ động phổ biến bao gồm cảm biến điện dung, điện cảm đo áp suất và dịch chuyển, cảm biến áp điện trở, nhiệt điện trở, và quang trở.
Cảm biến tương tự phát ra tín hiệu điện ngõ ra liên tục theo thời gian, phản ánh các đại lượng không điện trong tự nhiên Đa số các cảm biến hiện nay thuộc loại này, vì tín hiệu tương tự vẫn được sử dụng phổ biến trong hệ thống điều khiển tự động.
Cảm biến dạng số là thiết bị cung cấp tín hiệu đầu ra dưới dạng số, bao gồm xung vuông, nhị phân hoặc các bước Một số ví dụ tiêu biểu về cảm biến dạng số bao gồm Encoder dùng để đo tốc độ động cơ, với đầu ra là chuỗi xung vuông, và cảm biến tiệm cận.
Chương 1: Tổng quan về GT đo lường cảm biến trình bày các phương pháp phát hiện sự hiện diện hoặc vắng mặt của đối tượng, cùng với các loại công tắc quang có ngõ ra dạng On/Off, nhằm điều khiển việc đóng cắt mạch hiệu quả.
Cảm biến được phân loại thành hai loại chính: cảm biến dạng tuyệt đối và cảm biến dạng tương đối Cảm biến dạng tuyệt đối đo lường đối tượng dựa trên thang đo vật lý tuyệt đối, không bị ảnh hưởng bởi điều kiện đo Ngược lại, cảm biến dạng tương đối chỉ cung cấp tín hiệu liên quan đến các trường hợp cụ thể hoặc dựa trên thang đo tương đối.
Cảm biến nhiệt điện trở bán dẫn là một ví dụ điển hình của cảm biến dạng tuyệt đối, với đặc tính điện trở phụ thuộc trực tiếp vào thang đo nhiệt độ tuyệt đối Kelvin Ngược lại, cặp nhiệt ngẫu lại thuộc dạng tương đối, vì điện áp sinh ra là hàm số phụ thuộc vào sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai đầu dây kim loại Do đó, để xác định giá trị nhiệt độ của một đầu dây, cần phải tham chiếu đến giá trị nhiệt độ chuẩn của đầu dây còn lại.
Cảm biến áp suất có hai loại chính: cảm biến áp suất tuyệt đối và cảm biến áp suất tương đối Cảm biến áp suất tuyệt đối tạo ra tín hiệu dựa trên áp suất chân không, trong khi cảm biến áp suất tương đối tham chiếu đến một áp suất chuẩn khác, thường là áp suất không khí.
Đơn vi ̣ đo lường
Đơn vị đo thông dụng của một vài đại lượng vật lý tự nhiên và chỉ số bội số/ước số của đơn vị được trình bày ở bảng 1.1 và 1.2
Bảng 1.1: Đơn vị chuẩn một số đại lượng vật lý Đại lƣợng Ký hiệu Đơn vị Ghi chú
Chu kỳ f Hz hertz 1Hz=1s -1
Lực F N newton 1N=1kgm/s 2 Áp suất p
Pa pascal 1Pa=1N/m 2 atm atmosphere 1atm1,3kPa bar bar 1bar0kPa
Năng lượng, Nhiệt W, A J joule 1J=1Nm cal calorie 1cal=4,182J
Công suất P W watt 1W=1J/s Điện tích Q C coulomb 1Cs Điện áp, Điện thế U, E V volt 1V=1J/C Điện dung C F farad 1F/V
Dòng điện I A ampere 1A=1V/ Điện trở, Tổng trở R, Z ohm 1=1V/A Điện cảm L H henry 1H=1Wb/A Điện dẫn G S siemens 1S/V=1 -1
Từ thông Wb webber 1Wb=1Vs
Mật độ từ trường B T tesla 1T=1Wb/m 2
Quang thông lm lumen Độ rọi sáng E, E lx lux 1lx=1lm/m 2
Cường độ chiếu sáng I v cd candela 1cd=1lm/sr
Lưu lượng khối lượng m kg/s 1kg/s=2,205lb/s
Bảng 1.2: Ký hiệu chỉ số bội số, ước số thập phân
Chỉ số Ký hiệu Chỉ số Ký hiệu
Nguyên lý cảm biến
Cảm biến là thiết bị chuyển đổi các dạng năng lượng tự nhiên thành năng lượng điện, ứng dụng nhiều nguyên lý và hiện tượng tự nhiên Các nguyên lý này được trình bày chi tiết trong bảng 1.3 và 1.4.
Bảng 1.3: Nguyên lý cơ bản của cảm biến và ứng dụng Đối tƣợng Nguyên lý Cảm biến Ứng dụng
Khoảng cách, vị trí, dịch chuyển, mức, biến dạng
Sự giao thoa của sóng siêu âm, sóng quang, thời gian truyền sóng, điện trở
Giao thoa kế laser, Giao thoa kế siêu âm, các bộ thu-phát, điện trở tuyến tính, Encoder Định vị/điều khiển vị trí, tốc độ
Tốc độ Biến đổi tần số, sức điện động, sự truyền nhiệt
Robot, đo tốc độ gióLực, áp Sự biến dạng/điện trở, Áp điện trở, điện Đo khối lượng
GT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN cung cấp cái nhìn tổng quát về các loại cảm biến, bao gồm cảm biến suất, mômen xoắn, biến dạng/lực điện động, biến vị dung, điện cảm, áp điện, lò xo vật, cảm biến lực, và áp suất Bên cạnh đó, chương này cũng đề cập đến các yếu tố như độ sáng và màu sắc, giúp người đọc hiểu rõ hơn về ứng dụng và tầm quan trọng của các cảm biến trong các lĩnh vực khác nhau.
Hiệu ứng điện tử trong chất bán dẫn, sự khúc xạ
Kính quang phổ, CCD, PSD, Transistor/diode
Báo cháy, cảnh báo xâm nhập
Nhiê ̣t đô ̣ Sự giãn nở của chất khí, hiê ̣u ứng chất bán dẫn, sự phóng xa ̣ nhiê ̣t
Că ̣p nhiê ̣t, nhiê ̣t điê ̣n trở, cảm biến hồng ngoại, pin nhiê ̣t điê ̣n
Lò sưởi, máy điều hòa, trong công nghiệp Độ ẩm
Tính thấm nước và khả năng chịu nhiệt của máy điều hòa rất quan trọng, vì chúng ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động và độ bền của thiết bị Các yếu tố như sự hấp thu tia hồng ngoại và biến đổi dung lượng có thể tác động đến hiệu quả làm lạnh Đặc biệt, đầu/que dò độ ẩm và cảm biến độ ẩm đóng vai trò quyết định trong việc duy trì độ ẩm lý tưởng, đảm bảo không khí trong phòng luôn thoải mái và dễ chịu.
Lưu lươ ̣ng Biến đổi tốc đô ̣-động lươ ̣ng, đo lường thể tích
Lưu kế điê ̣n từ, máy đo da ̣ng phao, dạng dung tích, dạng sai áp, dạng cánh tua-bin
Lưu lượng kế Đo góc Dưới da ̣ng đo chiều dài
Không có cảm biến đă ̣c thù, chuyên du ̣ng mà thông qua những cảm biến đo các đa ̣i lươ ̣ng vâ ̣t lý khác
Gia tốc Dưới da ̣ng đo lực Gia tốc kế
Sóng âm, rung đô ̣ng Dưới da ̣ng đo áp suất Microphone
Tính đa ̀n hồi Biến da ̣ng đàn hồi, đo tốc đô ̣ âm thanh Độ cứng Phản xạ sóng siêu âm
Nhiê ̣t lượng Dưới da ̣ng đo nhiê ̣t đô ̣
Khói, hoả hoạn Kiểm tra phát hiê ̣n hồng ngoại, phát hiện chất khí
Tỉ trọng, mâ ̣t đô ̣ Phương pháp so sánh, các qui luật trọng lượng Mùi, vị Phản ứng hóa học
Bảng 1.4: Một số hiện tượng, hiệu ứng trong tự nhiên Đối tượng Hiê ̣u ứng Dạng biến đổi Hiê ̣n tươ ̣ng
Nhiễu xạ quang là hiện tượng ánh sáng không truyền thẳng, trong khi hiệu ứng Doppler quang liên quan đến sự thay đổi tần số sóng khi vật chuyển động Hiện tượng Zeeman quang từ xảy ra khi ánh sáng đi qua từ trường, dẫn đến sự tách các vạch quang phổ.
Doppler Âm Tần số là hiện tượng thay đổi tần số sóng khi vật chuyển động Khi âm điện áp chiếu sóng âm qua tinh thể bán dẫn, điện thế sẽ xuất hiện trên hai bề mặt của tinh thể.
Nhiê ̣t-âm Âm Nhiê ̣t Phát sinh dòng nhiệt gây ra bởi sóng âm Nhiễu xa ̣ Âm Âm Tần số sóng thay đổi theo đô ̣ lớn của vâ ̣t
Khi tăng từ trường lên vật từ tính, nhiệt độ của vật sẽ thay đổi Điện trở của kim loại hoặc chất bán dẫn cũng biến đổi khi chúng được đặt trong từ trường Hiện tượng này liên quan đến hiệu ứng Hall, trong đó điện thế được tạo ra do sự tương tác giữa điện trường và từ trường.
Phát sinh điện thế trên bề mặt tấm kim loa ̣i có dòng điê ̣n chạy qua đặt trong từ trường
Chất bán dẫn Đường hầm Dòng điện Dòng điện
Dòng điện có khả năng chảy qua lớp cách điện mỏng, tạo ra điện áp trên bề mặt do tác động của lực điện Đồng thời, lực điện cũng làm thay đổi điện trở của chất bán dẫn, dẫn đến hiện tượng áp điện trở.
Quang dẫn Quang Điện trở Điện trở giảm theo sự chiếu xạ của ánh sáng Quang điện Quang Dòng điện
Phát sinh điện tử theo sự chiếu xạ của ánh sáng
Joule- Thomson Áp suất Nhiệt độ Nhiệt độ thay đổi theo sự biến đổi áp suất đoạn nhiệt
Seebeck Nhiệt độ Sức điện động
Phát sinh sức điện động do chênh lệch nhiệt độ của hai thanh kim loại khác nhau Thomson Nhiệt độ Nhiệt
Sự hấp thu nhiệt giữa hai thanh kim loại khác nhau phụ thuộc vào chênh lệch nhiệt độ Khi có lực tác động, vật liệu áp điện sẽ phát sinh điện áp Hiện tượng này được gọi là áp điện, trong đó điện áp có thể biến đổi do sự biến dạng của vật liệu áp điện nghịch.
Khi áp điện được đặt lên vật liệu áp điện, hiện tượng biến dạng xảy ra do lực điện tác động Lực này làm thay đổi điện trở của vật liệu, tạo ra sự tương tác giữa điện áp và tính chất cơ học của vật liệu áp điện.
Mạch cầu Wheatstone
Mạch cầu Wheatstone được sử dụng phổ biến trong các mạch cảm biến nhờ vào khả năng nhạy bén với những thay đổi nhỏ Việc áp dụng mạch cầu trong cấu hình mắc vi sai tạo ra mối quan hệ tuyến tính giữa điện áp ra và đại lượng biến đổi, điều này rất quan trọng trong các mạch đo vì giúp tránh sai số do tính phi tuyến Hơn nữa, việc sử dụng mạch cầu bán phần hoặc toàn phần còn giúp triệt tiêu các yếu tố gây nhiễu, nâng cao độ chính xác trong quá trình đo lường.
GT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN hoàn toàn những ảnh hưởng do môi trường, nhiễu tác động lên phần tử cảm biến
Hình 1.13: Mạch cầu Wheatstone Điện áp ra của mạch cầu được xác định theo công thức:
Biến đổi công thức trên, ta có điện áp ra viết dưới dạng:
Khi chọn R 1 /R 2 =R 4 /R 3 , ta có R 1 R 3 =R 2 R 4 có nghĩa là điện áp ra V o =0 Đây được gọi là điều kiện cân bằng của mạch cầu Wheatstone
Khi mạch cầu ở trạng thái cân bằng, bất kỳ sự thay đổi nhỏ nào tại nhánh nào cũng sẽ làm điện áp ra khác 0, dẫn đến mạch cầu mất cân bằng Tính chất này giúp mạch cầu trở thành một ứng dụng phổ biến trong các mạch đo cảm biến.
1.6 ỨNG DỤNG OPAMP TRONG MẠCH ĐO
Hình 1.14: Ký hiệu các chân của LF351 (LM741 cũng tương tự)
Opamp là linh kiện có tính năng cao, được ứng dụng rộng rãi trong cả mạch tương tự và mạch số, với dải tần số hoạt động từ điện một chiều đến cao tần Nguồn cấp cho Opamp có thể là nguồn đơn từ +3V đến +30V hoặc nguồn đôi ±15V hay ±12V Trong mạch số, Opamp thường sử dụng nguồn đơn +5V tương tự như các linh kiện khác.
Opamp là một thành phần quan trọng trong mạch điện, với ký hiệu tiêu biểu được thể hiện trong hình 1.14 Để điều chỉnh offset cho Opamp, sơ đồ mạch chỉnh được trình bày trong hình 1.15 Bài viết này sẽ tóm tắt một số ứng dụng phổ biến của Opamp trong các mạch cảm biến.
Hình 1.15: Nối offset (chỉnh 0) của LF351
Hình 1.16: Mạch khuyếch đại không đảo, đảo, và vi sai
GT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
Mạch khuyếch đại đo lường
Trong mạch điện hình 1.18, điện trở R1 tạo mạch hồi tiếp âm, dẫn đến việc khi điện áp vào tăng, điện áp ngõ ra bộ đệm cũng tăng theo Điều này làm cho điện áp hồi tiếp âm tăng, khiến điện áp tại chân () của bộ đệm gần bằng điện áp vào Khi điện thế tại chân () và chân () bằng nhau, tình huống này được gọi là ngắn mạch giả lập (imaginary short) Do đó, điện thế tại điểm (a) và (b) sẽ tương ứng trở thành V1 và V2.
Hình 1.18: Khuếch đại đo lường (Instrumentation amplifier)
Giả sử dòng điện chạy giữa 2 ngõ ra của bộ đệm là I thì ta có:
Từ công thức này, ta rút ra điện áp ngõ ra của bộ đệm 1 là:
Tương tự, lấy (1.13)R1 – (1.14)R2 ta được:
Suy ra điện áp ngõ ra của bộ đệm 2 là:
Các điện áp Vo1, Vo2 cũng chính là ngõ vào của khâu khuếch đại vi sai nên theo công thức hình 1.17, điện áp ngõ ra của mạch V o là:
Thay V o1 , V o2 từ công thức trên vào, ta có:
Rút gọn công thức trên ta được:
Trong mạch điện, biến trở R2 cho phép điều chỉnh điện áp ra Vo, dẫn đến sự thay đổi của hệ số khuếch đại điện áp vi sai Khi R2 có giá trị rất lớn hoặc được loại bỏ, công thức khuếch đại điện áp vi sai sẽ được áp dụng theo công thức (1.21).
Hình 1.19: Mạch so sánh cơ bản
GT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
Bộ so sánh là mạch điện dùng để so sánh hai điện áp ngõ vào, nhằm xác định ngõ vào nào có điện áp cao hơn hoặc thấp hơn Trong mạch này, biến trở VR được sử dụng để điều chỉnh điện áp mức so sánh V S.
0 Đi ệ n á p r a bão hòa âm Đi ệ n áp ra bão h ò a d ương
Hình 1.20: Đặc tính điện áp ngõ ra của bộ so sánh
Khi sử dụng nguồn đôi, nếu điện áp ngõ vào chân (+) nhỏ hơn điện áp ngõ vào chân (−) (V i < V S), điện áp ngõ ra Vo sẽ trở thành điện áp bão hòa âm −VoL Khi điện áp ngõ vào V i tăng đến ngưỡng Vi = VS, điện áp ngõ ra sẽ đảo cực tính.
Khi điện áp ngõ vào Vi lớn hơn điện áp ngõ vào chân (), điện áp ngõ ra Vo trở thành điện áp ra bão hòa dương VoH Giá trị điện áp ngõ vào Vi mà tại đó điện áp ngõ ra đảo chiều được gọi là điện áp ngưỡng (điện áp so sánh) Hình (1.20b) minh họa đặc tính điện áp ngõ ra trong trường hợp sử dụng nguồn đơn, cho thấy khi Vi nhỏ hơn VS, điện áp ngõ ra Vo gần bằng 0.
Mạch so sánh trễ ( Hysteresis Comparator)
Nối GND nếu là nguồn đơn
Hình 1.21: Mạch so sánh trễ
Mạch so sánh trễ, như được minh họa trong hình 1.21, bao gồm một bộ so sánh và hai điện trở R1, R2 với hồi tiếp dương, nhằm ngăn chặn hiện tượng chuyển mạch liên tục không mong muốn (chattering) do tín hiệu đầu vào không ổn định hoặc nhiễu Điện áp chuẩn so sánh VS được giữ cố định Khi điện áp Vi vượt qua giá trị ViH lớn hơn VS, ngõ ra sẽ chuyển trạng thái Ngược lại, khi Vi giảm xuống dưới giá trị ViL nhỏ hơn VS, ngõ ra lại chuyển trạng thái Đặc tính điện áp trong mạch so sánh trễ được thể hiện qua hình 1.22 và 1.23, với V H = ViH – ViL được gọi là độ trễ điện áp.
ViL được gọi là các điện áp ngưỡng (threshold voltage) sẽ được xác định như trình bày bên dưới
V iL V iH Đi ệ n á p r a bão hòa Đi ệ n áp ra bão h ò a d ương
Hình 1.22: Đặc tính điện áp ra, vào mạch so sánh trễ
V H chattering Đi ệ n á p r a b ộ so sánh thư ờ n g Đi ệ n á p r a m ạ c h s o s á n h t r ễ Đi ệ n áp vào b ị n h i ễ u chattering Đi ệ n áp vào không b ị n h i ễ u
Hình 1.23: Điện áp ra mạch so sánh trễ tránh hiện tượng chattering
Vì điện trở ngõ vào của Opamp là cực lớn nên có thể xem như I1=I2
Do vậy áp dụng định luật Ohm ta có:
Đối với mạch điện trong hình 1.21, điện áp nguồn VS bằng điện áp n Theo nguyên lý hoạt động của bộ so sánh, khi Vp bằng VS, ngõ ra sẽ chuyển trạng thái Do đó, khi thay Vp bằng VS vào công thức, chúng ta có thể tìm được điện áp đầu vào Vi.
GT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
Khi Vo chuyển từ mức thấp sang cao, cho Vi=ViH, Vo= VoL ta có:
Khi Vo chuyển từ mức cao sang thấp, cho Vi=ViL, Vo= VoH ta có:
Từ đây, độ trễ điện áp V H được xác định:
Lưu ý là trong hình 1.22 ta thấy V S nằm trong khoảng V iL ~V iH , nhưng
VS không phải nằm chính giữa (giá trị trung bình) trong khoảng ViL~ViH, tức là VS(ViL+ViH)/2
(b) Mạch cộng đ ả o (a) Mạch cộng không đ ả o
Hình 1.24: Mạch cộng hai điện áp
Hình 1.25: Mạch trừ hai điện áp
Mạch trừ hai điện áp thực chất chính là mạch khuyếch đại vi sai nhưng
4 điện trở được chọn giá trị bằng nhau
Hình 1.26: Mạch logarith điện áp
Điện áp nhiệt của diode (VT) được tính bằng công thức VT = kT/q, trong đó IS là dòng điện bão hòa ngược, T là nhiệt độ của diode tính bằng Kelvin, k là hằng số Boltzmann (1,38×10^-23), và q là điện tích của electron (1,6×10^-19).
Hình 1.27: Mạch lũy thừa điện áp
Mạch nhân 2 điện áp được ghép bởi 2 mạch logarith, 1 mạch cộng và 1 mạch lũy thừa Nguyên lý mạch nhân biểu diễn qua sơ đồ sau:
Mạch lũy thừa Mạch logarith
Hình 1.28: Sơ đồ khối nguyên lý mạch nhân hai điện áp
GT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
Mạch chia 2 điện áp được ghép bởi 2 mạch logarith, 1 mạch trừ và 1 mạch lũy thừa Sơ đồ khối mạch chia như sau:
Mạch lũy thừa Mạch logarith
Hình 1.29: Sơ đồ khối nguyên lý mạch chia hai điện áp
Quan hệ tuyến tính giữa đại lượng ngõ vào và ngõ ra của cảm biến là rất quan trọng, giúp tín hiệu điện dễ xử lý và quan sát Khi mối quan hệ vào-ra phi tuyến, việc tuyến tính hóa trở thành một bước cần thiết trong mạch đo Quá trình tuyến tính hóa này có nhiều phương pháp đa dạng và phức tạp, tùy thuộc vào từng trường hợp cụ thể.
(a) Mạch chia đi ệ n á p (b) Quan hệ đi ệ n áp ra và đi ệ n t r ở
Hình 1.30: Mạch phân áp và đặc tính của mạch
Với mạch phân áp như hình 1.30a thì điện áp Vout được xác định:
Nếu R1 là hằng số và R2 là cảm biến có điện trở thay đổi theo tác động cần đo, thì Vout sẽ phụ thuộc vào R2 theo một mối quan hệ phi tuyến, thể hiện qua đồ thị (A) trong hình 1.30b.
Để đảm bảo quan hệ giữa đại lượng vào-ra của cảm biến là tuyến tính, ta có thể chọn R1 lớn hơn nhiều so với R2, tức là R1 + R2 xấp xỉ R1 Khi áp dụng điều này, công thức (1.28) có thể được viết lại một cách đơn giản hơn.
Tuyến tính hoá
Quan hệ tuyến tính giữa đại lượng ngõ vào và ngõ ra của cảm biến là điều cần thiết cho hầu hết các loại cảm biến, giúp tín hiệu điện dễ xử lý và quan sát hơn Khi mối quan hệ vào-ra là phi tuyến, việc tuyến tính hóa trở thành một bước quan trọng trong mạch đo Quá trình tuyến tính hóa này rất đa dạng và phức tạp, tùy thuộc vào từng trường hợp cụ thể.
(a) Mạch chia đi ệ n á p (b) Quan hệ đi ệ n áp ra và đi ệ n t r ở
Hình 1.30: Mạch phân áp và đặc tính của mạch
Với mạch phân áp như hình 1.30a thì điện áp Vout được xác định:
Nếu R1 là hằng số và R2 là cảm biến có điện trở thay đổi theo tác động cần đo, thì Vout sẽ phụ thuộc vào R2 theo mối quan hệ hàm phi tuyến, được thể hiện qua đồ thị (A) trong hình 1.30b.
Để đạt được mối quan hệ tuyến tính giữa đại lượng vào-ra của cảm biến, ta có thể chọn R1 lớn hơn nhiều so với R2, nghĩa là R1 + R2 gần bằng R1 Khi áp dụng điều này, công thức (1.28) có thể được viết lại một cách đơn giản hơn.
Mối quan hệ giữa Vout và R2 trong trường hợp này gần như là tuyến tính, được thể hiện qua đồ thị (B) trong hình trên Khi điện áp ra nhỏ, có thể áp dụng các mạch khuyếch đại để tăng điện áp ra theo yêu cầu một cách dễ dàng.
Tuyến tính hóa tín hiệu tương tự
Ví dụ ta có một quan hệ vào-ra của cảm biến là phi tuyến dạng:
Mong muốn quan hệ điện áp ra của mạch Vout và đại lượng X tuyến tính dạng V out K.X nên ta viết lại Vout dưới dạng sau:
Từ đây, có thể lập được sơ đồ khối nguyên lý một mạch tuyến tính hóa cho tín hiệu tương tự được trình bày ở hình 1.31
Hình 1.31: Sơ đồ khối mạch tuyến tính hóa tín hiệu V o =1/X
Một cách biến đổi khác cũng có thể tuyến tính hóa tín hiệu trên được trình bày như sau
X 1 ln X ln out K.X Ke Ke
GT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
Hình 1.32: Một dạng mạch khác tuyến tính hóa tín hiệu V o =1/X
1 Hãy phân biệt khái niệm cảm biến với bộ chuyển đổi Cảm biến có thể có cấu tạo gồm nhiều bộ chuyển đổi được không?
2 Giải thích điều khiển qui trình là gì? Trình bày ba bước chính của điều khiển qui trình thông dụng trong công nghiệp
3 Hãy xác định quá trình điều khiển, biến đo, biến điều khiển, biến kéo theo, và các thành phần bộ điều khiển, cơ cấu chấp hành, cảm biến trong hình 1.33 dưới
Van nư ớ c Ống thủy tinh song song
Hình 1.33: Ví dụ điều khiển qui trình bằng tay
4 Cơ cấu chấp hành trong hệ thống điều khiển tự động có phải là một bộ chuyển đổi không? Giải thích cụ thể và cho ví dụ minh họa
5 Định nghĩa những thông số chính của cảm biến như độ nhạy chủ đạo, độ nhạy phụ, ngưỡng độ nhạy (độ phân giải), và giới hạn đo
6 Hãy vẽ sơ đồ nguyên lý dạng tương tự hình 1.4 cho một hệ thống máy lạnh gia đình và hệ thống máy lạnh trung tâm dành cho văn phòng Chỉ rõ tên từng thành phần trong hệ thống và các loại biến
7 Một cảm biến đo dịch chuyển có phương trình chuyển đổi:
Điện áp ra của cảm biến được xác định bởi công thức V = V0 + k1*x - k2*T - k3*m, trong đó V0 là điện áp cơ bản, x là khoảng dịch chuyển (4mm), T là nhiệt độ môi trường (25°C), và m là khối lượng đặt lên cảm biến (20g) Để tính toán độ nhạy chủ đạo và độ nhạy phụ của cảm biến, cần áp dụng các giá trị trên vào công thức và phân tích kết quả.
8 Một cảm biến đo khối lượng có quan hệ vào-ra là tuyến tính Cảm biến có độ nhạy 2mV/kg, và điện áp ra là 3V khi khối lượng đặt lên cảm biến là 1000kg Xác định phương trình chuyển đổi của cảm biến trên
GT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
9 Một cảm biến đo nhiệt độ có dải đo –50~100C với sai số tuyệt đối (độ chính xác tuyệt đối) là 0,3C Sai số qui dẫn (độ chính xác toàn dải đo %FS) của cảm biến nhiệt độ này là bao nhiêu?
10 Một cảm biến đo khoảng cách có dải đo 0~250cm với sai số qui dẫn là
0,2% Sai số tuyệt đối của cảm biến này sẽ là bao nhiêu?
11 Độ chính xác lặp lại Precision của đồng hồ dạng số Voltmeter là bao nhiêu với định dạng số của đồng hồ có dạng XX,XXX[V] Nếu độ chính xác của kết quả (Accuracy) được cho là 1/2digit thì độ chính xác này sẽ là bao nhiêu Volt?
12 Một dạng mạch cầu Wheatstone được biểu diễn ở hình 1.34 Hãy tính các giá trị điện áp VA, VB trong bảng 1.5 và cho biết khi nào VA>VB, VA10 triê ̣u lần), đô ̣ phân giải tốt (100 /mm,
0,001mm) Gốm kim loa ̣i Độ phân giải tốt, nhiễu thấp, tuổi tho ̣ cao
Dây trượt có cấu tạo đơn giản, cho phép đo khoảng cách lớn với ngõ ra tuyến tính, công suất cao, điện trở nhỏ, ít nhiễu và tuổi thọ cao Trong khi đó, dây quấn nổi bật với công suất lớn, tuổi thọ vượt trội (>10 triệu lần), độ chắc chắn và độ tin cậy cao.
Màng kim loại Bị mòn
Màng carbon Viê ̣c bi ̣ bào mòn ta ̣o lớp ha ̣t đo ̣ng ở bề mă ̣t tiếp xúc gây sai số, điê ̣n trở thay đổi theo nhiê ̣t đô ̣ Màng plastic Bị mòn
Cảm biến điện dung
2.4.1 Thay đổi khoả ng cách
Hình 2.17 mô tả nguyên lý đo dịch chuyển bằng điện dung, trong đó khoảng cách giữa hai bản cực thay đổi Một bản cực cố định, trong khi bản cực còn lại di chuyển theo chuyển động cần đo Khi chưa có dịch chuyển, khoảng cách giữa hai bản cực là d0 Khi một bản cực dịch chuyển một khoảng x, điện dung sẽ được tính bằng công thức: x/d.
Hình 2.17: Đo dịch chuyển với khoảng cách bản cực tụ điện thay đổi x
Hình 2.18: Đặc tính của tụ điện khi khoảng cách bản cực thay đổi
Công thức (2.49) mô tả phương trình chuyển đổi của cảm biến điện dung, hoạt động dựa trên nguyên lý khoảng cách giữa hai bản cực thay đổi Theo nguyên lý này, điện dung tự điện phụ thuộc phi tuyến vào khoảng dịch chuyển, thể hiện qua mối quan hệ hàm hyperbol như hình 2.18 Độ nhạy của cảm biến điện dung này là một yếu tố quan trọng cần được xem xét.
(2.50) sẽ giảm mạnh khi khoảng dịch chuyển tăng lên
Mắc vi sai khoảng cách thay đổi
Nguyên lý hoạt động của cảm biến điện dung đo dịch chuyển được mô tả khi khoảng cách giữa hai bản cực thay đổi do sự dịch chuyển Khoảng cách ban đầu giữa hai bản cực được ký hiệu là d (khi bản cực chưa di chuyển), và khi bản cực di chuyển, khoảng cách sẽ trở thành d+x hoặc d-x.
Hình 2.19: Mắc vi sai khoảng cách bản cực thay đổi
Hình 2.20: Mạch cầu đo mắc vi sai khoảng cách bản cực thay đổi
Khi bản cực di chuyển về một phía một khoảng x, khoảng cách giữa hai bản cực của tụ điện C1 và C2 lần lượt là d - x và d + x Do đó, điện dung của tụ điện C1 và C2 sẽ được tính theo công thức: C1 = ε0 * (S / (d - x)) và C2 = ε0 * (S / (d + x)), trong đó ε0 là hằng số điện môi và S là diện tích bản cực.
Nối hai tu ̣ đi ện C1, C2 vào hai nhánh của mạ ch cầu Wheatstone như hình 2.20 ta có điê ̣n áp ra ma ̣ch cầu là:
GT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN CHƯƠNG 2 : ĐO DỊCH CHUYỂN với X 1 =1/(C1), X 2 =1/(C2) lần lượt là dung kháng tu ̣ điê ̣n C 1, C 2 Viết lại công thức trên ta được:
Thay C1, C2 từ công thức (2.51) ta có:
Suy ra điê ̣n áp ra của ma ̣ch cầu là:
Điện áp ra của mạch đo phụ thuộc vào khoảng dịch chuyển, cho phép chúng ta dễ dàng xử lý tín hiệu và hiển thị kết quả đo Dấu (–) trong công thức cũng thể hiện chiều dịch chuyển tương tự như trường hợp mắc vi sai điện cảm đã đề cập trước đó.
2.4.2 Thay đổi tiết diện thƣ̣c x d
Hình 2.21: Đo di ̣ch chuyển với tiết diê ̣n thực hai bản cực thay đổi
Nguyên lý đo dịch chuyển với tiết diện thực hai bản cực được trình bày ở hình 2.21 Khi hai bản cực di chuyển với khoảng cách x, tiết diện thực giữa chúng trở thành A1 = A - ΔA = A - ax Do đó, điện dung điện trở thành:
Công thức trên mô tả phương trình chuyển đổi của cảm biến trong trường hợp tiết diện thực giữa hai bản cực thay đổi, thể hiện mối quan hệ tuyến tính giữa điện dung và khoảng dịch chuyển Độ nhạy của cảm biến điện dung trong trường hợp này được xác định bởi đại lượng d a dx.
S dC 0 (2.58) là hằng số không phụ thuộc vào khoảng dịch chuyển x
Mắc vi sai tiết diê ̣n thƣ̣c thay đổi
Hình 2.22 mô tả nguyên lý mắc vi sai trong trường hợp tiết diện thực giữa hai bản cực, với bản cực di chuyển ban đầu ở vị trí chính giữa hai bản cực đối diện Khi đó, điện dung các tụ điện lần lượt được xác định.
C 2 0 A 0 (2.60) với A 0 là một nửa tiết diện toàn bộ bản cực (A0=A/2) a
Hình 2.22: Mắc vi sai tiết diê ̣n thực thay đổi (vớ i A 0 là tiết diện một nửa bản cực, A 0 =A/2)
Hình 2.23: Mạch cầu đo mắc vi sai tiết diện thực thay đổi
GT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN CHƯƠNG 2 : ĐO DỊCH CHUYỂN
Dùng mạch đo như hình 2.23 với C 1 , C2 theo biểu thứ c (2.59), (2.60) ta cũng sẽ xác định được điện áp ra:
Thay hai công thứ c này vào công thức (2.61), ta có:
Hình 2.24: Đo dịch chuyển với điê ̣n môi giữa hai bản cực thay đổi
Hình 2.25: Hai tụ điê ̣n thành phần mắc song song
Trong trường hợp lớp điện môi giữa hai bản cực di chuyển theo chuyển động, ban đầu điện môi giữa hai bản cực là ε1 Khi lớp điện môi này dịch chuyển một khoảng x, sẽ hình thành hai lớp điện môi mới là ε1 và ε2, tạo thành hai tụ điện C11 và C22 mắc song song Giá trị của hai tụ điện này được xác định lần lượt.
C 22 2 0 A 2 (2.66) với các tiết diê ̣n A 1 +A2=A, A2=ax A1=A–ax
Do tu ̣ điê ̣n C tương đương hai tu ̣ điê ̣n C 11 và C 22 mắc song song nhau nên giá tri ̣ điê ̣n dung C bằng tổng C11 và C 22
Công thức C = ε1ε0A + ε2 - ε1ε0 (2.67) mô tả sự chuyển đổi của cảm biến trong trường hợp điện môi giữa hai bản cực dịch chuyển, với mối quan hệ giữa điện dung và khoảng dịch chuyển là tuyến tính Độ nhạy của cảm biến trong trường hợp này được xác định dựa trên các yếu tố này.
S dC 2 1 0 (2.68) cũng là một hằng số không phụ thuộc vào khoảng dịch chuyển x
Mắc vi sai điê ̣n môi thay đổi d x
Hình 2.26: Mắc vi sai điện môi thay đổi, với A 0 =A/2
Nguyên lý mắc vi sai điện môi có thể được mô tả như sau: Ban đầu, lớp điện môi 1 và 2 nằm ở vị trí chính giữa tiết diện của bản cực A 0=A/2 Khi lớp điện môi 1 dịch chuyển một khoảng x, dẫn đến việc tiết diện trên bản cực thay đổi một lượng A=ax, thì các tụ điện C1 và C2 sẽ được hình thành từ hai tụ điện thành phần mắc song song tương ứng với lớp điện môi 1 và 2, như đã trình bày trong hình 2.25.
GT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN CHƯƠNG 2 : ĐO DỊCH CHUYỂN
Hình 2.27: Mạch cầu đo mắc vi sai điện môi thay đổi
Cũng sử dụng mạch cầu Wheatstone tương tự những trường hợp mắc vi sai trước thì điê ̣n áp ra ma ̣ch cầu vẫn có da ̣ng:
Thay kết quả này vào công thức (2.71) ta có quan hê ̣ điê ̣n áp ra ma ̣ch cầu và khoảng di ̣ch chuyển x có da ̣ng tuyến tính:
Biến a ́p vi sai (LVDT)
Biến áp vi sai đo dịch chuyển (LVDT) là thiết bị cơ điện chuyển đổi chuyển động thẳng thành tín hiệu điện Cảm biến LVDT có khả năng đo dịch chuyển thẳng với phạm vi từ ±1mm đến ±50cm, tùy thuộc vào loại và hãng sản xuất Hình dạng bên ngoài của một số loại LVDT do hãng RDP chế tạo được minh họa trong hình 2.28.
Hình 2.28: Hình dạng LVDT của hãng RDP Electronics Ltd (Anh)
Hình 2.29: Cấu tạo của biến áp vi sai đo di ̣ch chuyển LVDT
Hình 2.29 mô tả cấu trúc và thành phần của biến áp vi sai LVDT điển hình Bên trong LVDT có một cuộn dây sơ cấp nằm ở giữa, trong khi hai cuộn dây thứ cấp được mắc nối tiếp nhưng ngược chiều nhau, sắp xếp đối xứng với cuộn sơ cấp Các cuộn dây này được quấn trên một lõi rỗng ổn định về nhiệt, được bảo vệ bằng lớp nhựa epoxy chống ẩm và bao bọc bởi lớp vỏ có độ từ thẩm cao Tất cả được đặt trong một vỏ ngoài hình trụ bằng sắt không gỉ để chống va đập và tác động từ môi trường Thành phần di chuyển của LVDT là một lõi sắt hình ống, làm từ vật liệu có độ từ thẩm cao, có khả năng di chuyển tự do bên trong lõi rỗng mà không tiếp xúc với các cuộn dây, và được gắn kết cơ khí với đối tượng cần đo dịch chuyển.
GT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN CHƯƠNG 2 : ĐO DỊCH CHUYỂN
2.5.2 Nguyên lý hoa ̣t đô ̣ng
Hình 2.30: Nguyên lý hoạt động cơ bản của LVDT
Nguyên lý hoạt động của LVDT được mô tả qua hình 2.30, trong đó cuộn dây sơ cấp nhận nguồn điện áp AC biến đổi không đổi Vin (khoảng 3VRMS, tần số 3kHz) Từ thông do cuộn sơ cấp tạo ra đi qua lõi sắt cảm ứng, dẫn đến hai cuộn thứ cấp sinh ra hai điện áp V1 và V2 luôn ngược chiều nhau.
Khi lõi sắt ở vị trí chính giữa hai cuộn thứ cấp (vị trí 0), điện áp cảm ứng sinh ra trên hai cuộn dây này bằng nhau do từ thông cảm ứng lên hai cuộn dây đều nhau Vì hai cuộn dây thứ cấp được nối ngược chiều nhau, điện áp sinh ra trên chúng, V1 và V2, luôn ngược chiều nhau, dẫn đến độ lớn điện áp ngõ ra |V out| = |V1 – V2| Kết quả là điện áp vi sai ngõ ra Vout bằng 0, như được biểu diễn trong hình 2.30b.
Khi lõi sắt di chuyển về phía cuộn thứ cấp 1, điện áp cảm ứng V1 sẽ tăng lên do cuộn dây sơ cấp tạo ra nhiều từ thông hơn cho cuộn thứ cấp 1, trong khi điện áp V2 ở cuộn thứ cấp 2 giảm xuống Điều này dẫn đến điện áp đầu ra Vout tăng lên và cùng chiều với V1 Ngược lại, khi lõi sắt di chuyển về phía cuộn thứ cấp 2, điện áp cảm ứng V2 tăng lên, trong khi V1 giảm xuống, làm cho điện áp Vout cũng tăng lên và cùng chiều với V2.
Hình 2.31 minh họa sự biến đổi của điện áp V out theo vị trí của lõi sắt Giá trị V out tại vị trí 100% trong phạm vi đo phụ thuộc vào biên độ của điện áp kích thích sơ cấp và đặc tính tuyến tính của LVDT Theo nguyên lý hoạt động của LVDT, pha của điện áp đầu ra V out so với điện áp kích thích sơ cấp là yếu tố quan trọng cần lưu ý.
V sự đảo ngược đột ngột 180 xảy ra khi lõi sắt di chuyển qua vị trí 0, cho thấy sự thay đổi này được sử dụng để xác định chiều dịch chuyển của lõi sắt.
Hình 2.31: Quan hệ giữa độ lớn điê ̣n áp AC ngõ ra với sự di ̣ch chuyển
2.5.3 DC-LVDT Để đươ ̣c ứng dụng rộng rãi và thuận tiện trong điều khiển, người ta chế tạo biến áp vi sai dùng điê ̣n áp mô ̣t chiều (DC-LVDT) có sơ đồ khối biểu diễn như hình 2.32 Trong biến áp vi sai mô ̣t chiều , mạch bảo vệ đảo cực đươ ̣c thiết kế để bảo vê ̣ thiết bi ̣ khỏi hư hỏng do nối nhầm cực tính nguồn
Nguồn DC được cung cấp cho mạch tạo dao động, hoạt động giống như mạch nghịch lưu, và được dẫn đến mạch lọc thông thấp RC cũng như mạch khuếch đại tín hiệu ngõ ra.
Hình 2.32: Sơ đồ khối biến á p vi sai một chiều
GT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN CHƯƠNG 2 : ĐO DỊCH CHUYỂN
(c) Lõ i s ắ t di chuyể n v ê ̀ phí a c u ô ̣ n thứ c â ́ p 1
(d) Lõ i s ắ t di chuyể n v ê ̀ phí a c u ô ̣ n thứ c â ́ p 2
Hình 2.33: Dạng điện áp ra V 0 =V ab +V cd của mạch điều chế pha trước khi qua mạch lọc RC
Mạch dao động tạo ra điện áp AC dạng sin tần số cao với biên độ không đổi, cung cấp cho cuộn dây sơ cấp của biến áp Điện áp AC từ hai cuộn dây thứ cấp được điều chế để nhận biết pha và đưa đến mạch lọc thông thấp RC, sau đó khuếch đại tín hiệu trước khi xuất ra Nguyên lý cơ bản của mạch điều chế pha được trình bày trong hình 2.33 Đối với DC-LVDT, sự đảo pha của điện áp ra so với điện áp kích thích được biểu diễn bằng sự thay đổi cực tính điện áp DC tại vị trí 0, và độ lớn điện áp ra phụ thuộc vào vị trí tương đối của lõi sắt so với vị trí 0 như mô tả trong hình 2.34 Trong phạm vi đo, đặc tính điện áp-dịch chuyển được coi là tuyến tính, nhưng ngoài phạm vi này, đặc tính có độ phi tuyến lớn nên không được sử dụng.
Hình 2.34: Đặc tính điện áp DC ngõ ra của DC-LVDT
LVDT có nhiều đặc điểm và ưu điểm nổi bật nhờ vào nguyên lý hoạt động cơ bản, vật liệu, công nghệ và cấu tạo của nó Điện áp đầu ra của LVDT gần như tuyến tính trong dải đo, như thể hiện trong hình 2.31 và 2.34, và không được sử dụng ngoài phạm vi này Một số đặc điểm khác của LVDT cũng rất đáng chú ý.
Một trong những đặc điểm quan trọng nhất của LVDT là hoạt động trong trạng thái không có ma sát Thông thường, lõi sắt và các cuộn dây không tiếp xúc nhau, do vậy không có sự cọ xát hay bất kỳ dạng ma sát nào Đặc điểm này đặc biệt hữu dụng trong các trường hợp như thử nghiệm vật liệu, đo những dịch chuyển có sự rung động, hoặc trong những hệ thống đo đạc kích thước cần độ phân giải cao.
Độ phân giải vô hạn
LVDT hoạt động dựa trên nguyên lý liên kết điện từ trong cấu trúc không ma sát, cho phép đo lường những thay đổi vị trí cực nhỏ của lõi sắt Khả năng phân giải vô hạn của LVDT phụ thuộc vào khả năng xử lý nhiễu của các mạch điều chế tín hiệu và độ phân giải của bộ phận hiển thị Những yếu tố này làm cho LVDT nổi bật với độ chính xác lặp lại cao.
GT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN CHƯƠNG 2 : ĐO DỊCH CHUYỂN
Tuổi thọ cơ khí cao
LVDT sở hữu lõi sắt chuyển động không tiếp xúc với cuộn dây, giúp loại bỏ mài mòn và cọ xát, dẫn đến tuổi thọ cơ khí gần như không giới hạn Đặc điểm này rất quan trọng trong các ứng dụng yêu cầu độ tin cậy cao như máy bay, vệ tinh, phương tiện không gian, và thiết bị hạt nhân Ngoài ra, tính năng này của LVDT cũng được áp dụng trong các hệ thống tự động trong nhà máy và dây chuyền công nghiệp.
Chống hư hỏng do di ̣ch chuyển quá giới hạn
Bộ phận nóng của hầu hết các loại LVDT có thiết kế thông suốt hai đầu, cho phép lõi sắt xuyên qua cảm biến mà không gây hư hại cho thiết bị, ngay cả khi chuyển động vượt quá phạm vi Đặc tính này giúp LVDT trở thành lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng như máy đo biến dạng dài gắn với thiết bị thử sức căng, hoặc trong các máy đo thử nghiệm vật liệu chống hư hỏng.
Nhạy theo chiều dọc trục