Giỏo trỡnh Cm bin cụng nghip Chơng I Các Khái niệm đặc trng 1.1 Khái niệm phân loại cảm biến 1.1.1 Khái niệm Cảm biến thiết bị dùng để cảm nhận biến đổi đại lợng vật lý đại lợng tính chất điện cần đo thành đại lợng điện đo xử lý đợc Các đại lợng cần ®o (m) th−êng kh«ng cã tÝnh chÊt ®iƯn (nh− nhiƯt độ, áp suất ) tác động lên cảm biến cho ta đặc trng (s) mang tính chất điện (nh điện tích, điện áp, dòng điện trở kháng) chứa đựng thông tin cho phép xác định giá trị đại lợng đo Đặc trng (s) hàm đại lợng cần đo (m): s = F (m ) (1.1) Ngời ta gọi (s) đại lợng đầu phản ứng cảm biến, (m) đại lợng đầu vào hay kích thích (có nguồn gốc đại lợng cần đo) Thông qua đo đạc (s) cho phép nhận biết giá trị (m) 1.1.2 Phân loại cảm biến Các cảm biến đợc phân loại theo đặc trng sau đây: - Theo nguyên lý chuyển đổi đáp ứng kích thích (bảng 1.1) Bảng 1.1 Hiện tợng Chuyển đổi đáp ứng kích thÝch - NhiƯt ®iƯn - Quang ®iƯn - Quang tõ Hiện tợng vật lý - Điện từ - Quang đàn håi - Tõ ®iƯn - NhiƯt tõ - BiÕn ®ỉi ho¸ häc Ho¸ häc - BiÕn ®ỉi ®iƯn ho¸ - Phân tích phổ - Biến đổi sinh hoá Sinh häc - BiÕn ®ỉi vËt lý - 5- - Hiệu ứng thể sống - Phân loại theo dạng kích thích (bảng 1.2) Bảng 1.2 - Biên pha, phân cực Âm - Phổ - Tốc độ truyền sóng - Điện tích, dòng điện Điện - Điện thế, điện áp - Điện trờng (biên, pha, phân cực, phổ) - Điện dẫn, số điện môi - Từ trờng (biên, pha, phân cực, phổ) Từ - Từ thông, cờng độ từ trờng - Độ từ thẩm - Biên, pha, phân cực, phổ Quang - Tốc độ truyền - Hệ số phát xạ, khúc xạ - HƯ sè hÊp thơ, hƯ sè bøc x¹ - Vị trí - Lực, áp suất - Gia tốc, vận tốc Cơ - ứng suất, độ cứng - Mô men - Khèi l−ỵng, tØ träng - VËn tèc chÊt l−u, độ nhớt - Nhiệt độ Nhiệt - Thông lợng - NhiƯt dung, tØ nhiƯt - KiĨu Bøc x¹ - Năng lợng - Cờng độ - 6- - Theo tính cảm biến (bảng 1.3) Bảng 1.3 - Độ nhạy - Khả tải - Độ xác - Tốc độ đáp ứng - Độ phân giải - Độ ổn định - Độ chọn lọc - Ti thä - §é tun tÝnh - §iỊu kiƯn môi trờng - Công suất tiêu thụ - Kích thớc, trọng lợng - Dải tần - Độ trễ - Phân loại theo phạm vi sử dụng ( bảng 1.4) Bảng 1.4 - Công nghiệp - Nghiên cứu khoa học - Môi trờng, khí tợng - Thông tin, viễn thông - Nông nghiệp - Dân dụng - Giao thông - Vũ trụ - Quân - Phân loại theo thông số mô hình mạch thay : + Cảm biến tích cực có đầu nguồn áp nguồn dòng + Cảm biến thụ động đợc đặc trng thông số R, L, C, M tuyến tính phi tuyến 1.2 Đờng cong chuẩn cảm biến 1.2.1 Khái niệm Đờng cong chuẩn cảm biến đờng cong biểu diễn phụ thuộc đại lợng điện (s) đầu cảm biến vào giá trị đại lợng đo (m) đầu vào - 7- Đờng cong chuẩn biểu diễn biểu thức đại số dới dạng s = F (m ) , đồ thị nh hình 1.1a s s si mi m m a) b) Hình 1.1 Đờng cong chuẩn cảm biến a) Dạng đờng cong chuẩn b) Đờng cong chuẩn cảm biến tuyến tính Dựa vào đờng cong chuẩn cảm biến, ta xác định giá trị mi cha biết m thông qua giá trị đo đợc si s Để dễ sử dụng, ngời ta thờng chế tạo cảm biến có phụ thuộc tuyến tính đại lợng đầu đại lợng đầu vào, phơng trình s= F(m) có dạng s = am +b với a, b hệ số, đờng cong chuẩn đờng thẳng (hình 1.1b) 1.2.2 Phơng pháp chuẩn cảm biến Chuẩn cảm biến phép đo nhằm mục đích xác lập mối quan hệ giá trị s đo đợc đại lợng điện đầu giá trị m đại lợng đo có tính đến yếu tố ảnh hởng, sở xây dựng đờng cong chuẩn dới dạng tờng minh (đồ thị biểu thức đại số) Khi chuẩn cảm biến, với loạt giá trị đà biết xác mi m, đo giá trị tơng ứng si s dựng đờng cong chuẩn s s2 s1 m1 m2 m Hình 1.2 Phơng pháp chuẩn cảm biến a) Chuẩn đơn giản Trong trờng hợp đại lợng đo có đại lợng vật lý tác động lên đại lợng đo xác định cảm biến sử dụng không nhạy với tác động - 8- g - gia tốc trọng trờng Trên sơ đồ hình 9.9c, sử dụng cảm biến áp suất vi sai dạng màng (1) đặt sát đáy bình chứa Một mặt màng cảm biến chịu áp suất chÊt l−u g©y ra: p = p + ρgh Mặt khác màng cảm biến chịu tác động áp suất p0 áp suất đỉnh bình chứa Chênh lệch áp suất p - p0 sinh lực tác dụng lên màng cảm biến làm biến dạng Biến dạng màng tỉ lệ với chiều cao h chất lu bình chứa, đợc chuyển đổi thành tín hiệu điện nhờ biến đổi điện thích hợp 9.2.3 Phơng pháp điện Các cảm biến đo mức phơng pháp điện hoạt động theo nguyên tắc chuyển đổi trực tiếp biến thiên mức chất lỏng thành tín hiệu điện dựa vào tính chất điện chất lu Các cảm biến thờng dùng cảm biến dộ dẫn cảm biến điện dung a) Cảm biến độ dẫn Các cảm biến loại dùng để đo mức chất lu có tính dẫn điện (độ dẫn điện ~ 50àScm-1) Trên hình 9.10 giới thiệu số cảm biến độ dẫn đo mức thông dụng h h hmin a) c) b) Hình 9.10 Cảm biến độ dẫn a) Cảm biến hai điện cực b) Cảm biến điện cực c) Cảm biến phát mức Sơ đồ cảm biến hình 9.10a gồm hai điện cực hình trụ nhúng chất lỏng dẫn điện Trong chế độ đo liên tục, điện cực đợc nối với nguồn nuôi xoay chiều ~ 10V (để tránh tợng phân cực điện cực) Dòng điện chạy qua điện cực có biên độ tỉ lệ với chiều dài phần điện cực nhúng chìm chất lỏng Sơ đồ cảm biến hình 9.10b sử dụng điện cực, điện cực thứ hai bình chứa kim loại - 152 - Sơ đồ cảm biến hình 9.10c dùng để phát ngỡng, gồm hai điện cực ngắn đặt theo phơng ngang, điện cực lại nối với thành bình kim loại,vị trí điện cực ngắn ứng với mức ngỡng Khi mức chất lỏng đạt tới điện cực, dòng điện mạch thay đổi mạnh biên độ b) Cảm biến tụ điện Khi chất lỏng chất cách điện, tạo tụ điện hai điện cực hình trụ nhúng chất lỏng điện cực kết hợp với điện cực thứ hai thành bình chứa thành bình làm kim loại Chất điện môi hai điện cực chất lỏng phần điện cực bị ngập không khí phần chất lỏng Việc đo mức chất lu đợc chuyển thành đo điện dung tụ điện, điện dung thay đổi theo mức chất lỏng bình chứa Điều kiện để áp dụng phơng pháp số điện môi chất lỏng phải lớn đáng kể số điện môi không khí (thờng gấp đôi) Trong trờng hợp chất lu chất dẫn ®iƯn, ®Ĩ t¹o tơ ®iƯn ng−êi ta dïng mét ®iƯn cực kim loại bên có phủ cách điện, lớp phủ đóng vai trò chất điện môi chất lu đóng vai trò điện cực thứ hai 9.2.4 Phơng pháp xạ Cảm biến xạ cho phép đo mức chất lu mà không cần tiếp xúc với môi trờng đo, u điểm thích hợp đo mức điều kiện môi trờng đo có nhiệt độ, áp suất cao môi trờng có tính ăn mòn mạnh Trong phơng pháp cảm biến gồm nguồn phát tia (1) thu (2) đặt hai phía bình chứa Nguồn phát thờng nguồn xạ tia (nguồn 60 Co 137Cs), thu buồng ion hoá chế độ phát mức ngỡng(hình 9.11a), nguồn phát thu đặt đối diện vị trí ngang mức ngỡng cần phát hiện, chùm tia nguồn phát mảnh gần nh song song Tuú thuéc vµo møc chÊt l−u (3) cao hay thấp mức ngỡng mà chùm tia đến thu bị suy giảm không, thu phát tín hiệu tơng ứng với trạng thái so với mức ngỡng chế độ đo mức liên tục (hình 9.11b), nguồn phát (1) phát chùm tia với góc mở rộng quét lên toàn chiều cao mức chất lu cần kiểm travà thu - 153 - 1 2 3 h a) b) Hình 9.11 Cảm biến đo mức tia xạ a) Cảm biến phát ngỡng b) Cảm biến đo mức liên tục 1) Nguồn phát tia bøc x¹ 2) Bé thu 3) ChÊt l−u Khi møc chất lu (3) tăng hấp thụ chất lu tăng, chùm tia đến thu (2) bị suy giảm, tín hiệu từ thu giảm theo Mức độ suy giảm chùm tia xạ tỉ lệ với mức chất lu bình chứa - 154 - ... tuyến 1.2 Đờng cong chuẩn cảm biến 1.2.1 Khái niệm Đờng cong chuẩn cảm biến đờng cong biểu diễn phụ thuộc đại lợng điện (s) đầu cảm biến vào giá trị đại lợng đo (m) đầu vào - 7- Đờng cong chuẩn biểu... nh hình 1.1a s s si mi m m a) b) Hình 1.1 Đờng cong chuẩn cảm biến a) Dạng đờng cong chuẩn b) Đờng cong chuẩn cảm biến tuyến tính Dựa vào đờng cong chuẩn cảm biến, ta xác định giá trị mi cha... hởng, sở xây dựng đờng cong chuẩn dới dạng tờng minh (đồ thị biểu thức đại số) Khi chuẩn cảm biến, với loạt giá trị đà biết xác mi m, đo giá trị tơng ứng si s dựng đờng cong chuÈn s s2 s1 m1 m2