Bài giảng Kỹ thuật cảm biến - Chương 1: Cảm biến biến trở. Cảm biến điện cảm. Điện cảm

Chương 1 (tiếp theo) 
CẢM BIẾN BIẾN TRỞ. CẢM BIẾN ĐIỆN CẢM. 
1 
Môn học: PTTĐ 
GV: Vũ Xuân Đức 
Mục đích: 
Trang bị cho SV những kiến thức cơ bản như cấu tạo, nguyên tắc hoạt động, phạm vi ứng dụng, các ưu nhược điểm cũng như các đặc tính của các phần tử cảm biến biến trở, điện cảm 
Nội dung: 
2.1. Cảm biến biến trở 
2.2. Cảm biến điện cảm, 
Thời gian : 02 tiết lý thuyết 
Phương pháp: 
Giảng giải lý thuyết kết hợp với lấy ví dụ thực tế. 
Học viên quan sát, lắng nghe, ghi các ý chính kết hợp với đọc tài liệu tham khảo. 
 GIỚI THIỆU CHUNG 
2 
GV: Vũ Xuân Đức 
Môn học: PTTĐ 
2.1. Cảm biến biến trở 
2.1.1 . Khái niệm, công dụng: 
- Khái niệm: Cảm biến biến trở là phần tử cảm biến được thực hiện dưới dạng biến trở với con chạy dịch chuyển theo tác động của đại lượng cần đo đầu vào. 
- Công dụng: dùng để biến đổi độ dịch chuyển tuyến tính (thẳng) hoặc độ dịch chuyển góc thành giá trị điện trở, dòng điện hoặc điện áp tương ứng. 
 - Ứng dụng: 
+ Đo góc: 
+ Đo tốc độ góc: 
+ Đo gia tốc dài: 
+ Đo gia tốc góc: 
+ Đo áp suất: 
. 
 2. Cảm biến dựa trên sự thay đổi R,L,C 
3 
Môn học: PTTĐ 
GV: Vũ Xuân Đức 
- Căn cứ vào vật liệu của phần tử nhạy, cảm biến biến trở được chia ra thành 2 loại: 
+ CBBT dạng dây quấn 
+ CBBT dạng không dây quấn. 
- Căn cứ vào kết cấu, cảm biến biến trở được chia ra: 
+ CBBT với con chạy dịch chuyển thẳng (hình a) 
+ CBBT với con chạy dịch chuyển quay (hình b). 
	a b 
 2.1.2. Phân loại cảm biến biến trở  
4 
Môn học: PTTĐ 
GV: Vũ Xuân Đức 
a. Cấu tạo: 
1- Lõi: 
2- Dây quấn: Constan, Mn, hợp kim Ni-Cr, hợp kim Pt 
3- Con chạy (thanh quét): Pt 
 2.1 .3. Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động 
5 
Môn học: PTTĐ 
GV: Vũ Xuân Đức 
 2.1 .3. Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động (tt)   
6 
Môn học: PTTĐ 
GV: Vũ Xuân Đức 
b. Nguyên tắc hoạt động 
- Cơ sở hoạt động: Dựa vào biểu thức điện trở (đối với dây dẫn) 
R- điện trở dây. 
l - chiều dài dây. 
ρ - điện trở suất. 
S - tiết diện dây. 
Với ρ và S không thay đổi, điện trở của cảm biến tỷ lệ với độ dài l: R~l 
 2.1 .3. Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động (tt) 
7 
Môn học: PTTĐ 
GV: Vũ Xuân Đức 
- Nguyên tắc hoạt động : 
Trường hợp con chạy dịch chuyển thẳng: 
R ̴̴ l, r ̴̴ X 
R - điện trở toàn phần của cảm biến, 
 l - chiều dài biến trở 
 r - điện trở của một phần cuộn dây, trên đó con chạy dịch đi một khoảng . 
Điện áp đầu ra cảm biến: 
Trường hợp con chạy dịch chuyển quay: 
R ̴̴ 0 , r ̴̴ 
 0 – Góc toàn phần điện trở xoay . 
 – Góc dịch chuyển ứng với vị trí tiếp điểm trượt. 
Điện áp đầu ra cảm biến: 
 2.1.4. Đặc tính và hàm truyền  
8 
Môn học: PTTĐ 
GV: Vũ Xuân Đức 
a. Đặc tính tĩnh 
 Tổng quát phương trình tĩnh có dạng sau: 
U Ra = K . x 
x – Tín hiệu vào là độ dài hay góc. 
U Ra – Tín hiệu ra là điện trở hay điện áp. 
 2.1.4. Đặc tính và hàm truyền (tt) 
9 
Môn học: PTTĐ 
GV: Vũ Xuân Đức 
Cảm biến biến trở thay đổi với hướng dịch chuyển tín hiệu đầu vào: 
	a	 b	 
	 c 
a. Đầu ra so với điểm giữa cảm biến 
b. Đầu ra lấy trên con chạy hai cảm biến 
c. Đặc tính tĩnh đối với hai trường hợp 
 2.1.4. Đặc tính và hàm truyền (tt) 
10 
Môn học: PTTĐ 
GV: Vũ Xuân Đức 
b. Đặc tính động và hàm truyền 
Phương trình động học: 
 U Ra (t) = K . X(t)	 
X (t) – Tín hiệu vào là độ dài hay góc biến đổi theo thời gian. 
U R a (t) – Tín hiệu ra là điện trở hay điện áp biến đổi theo thời gian. 
Phương trình toán tử: 	 
U Ra (S) = K . X(S) 
- Hàm truyền: 
Nhận xét: Cảm biến biến trở có dạng là 1 khâu khuếch đại. 
 2.1.5. Sai số của cảm biến   
11 
Môn học: PTTĐ 
GV: Vũ Xuân Đức 
Nguyên nhân gây sai số: 
- Do sự không đồng nhất giữa đường kính của dây cuốn biến trở với điện trở riêng của dây cuốn, 
- Do sự thay đổi nhiệt độ của cảm biến trong quá trình làm việc dẫn đến sự thay đổi giá trị điện trở của biến trở, 
- Do có điện trở tiếp xúc con chạy – dây cuốn, 
 Do ảnh hưởng của trở kháng tải 
 2.1.5. Sai số của cảm biến (tt)   
12 
Môn học: PTTĐ 
GV: Vũ Xuân Đức 
Đặc tính tĩnh khi tính đến sự thay đổi rời rạc của giá trị điện trở: 
Sai số tuyệt đối: 
Vùng không nhạy: 
Sai số tương đối: 
Trong thực tế, w=200-2000, sai số tương đối khoảng 0,02-0,03% 
Sai số tổng cộng do sự không ổn định các tham số: 0,03-1% 
 2.1.5. Sai số của cảm biến (tt)   
13 
Môn học: PTTĐ 
GV: Vũ Xuân Đức 
Khi có tải: 
Khi 
Sai số tuyệt đối: 
Sai số tương đối: 
 2.1 . 6 . Ưu, nhược điểm của cảm biến biến trở  
14 
Môn học: PTTĐ 
GV: Vũ Xuân Đức 
- Ưu điểm: 
+ Rẻ tiền. 
+ Hoạt động đơn giản, phù hợp cho các ứng dụng không đòi hỏi phức tạp. 
+ Thích hợp đối với các phép đo có biên độ dịch chuyển lớn. 
+ Cung cấp đầu ra đủ lớn để thực hiện điều khiển. 
- Nhược điểm: 
+ Cần có lực lớn để dịch chuyển tiếp điểm trượt. 
+ Tiếp điểm trượt dễ bị mòn gây sai số. 
 2.2. Cảm biến điện cảm 
15 
Môn học: PTTĐ 
GV: Vũ Xuân Đức 
2.2 .1 . Khái niệm, ứng dụng 
Khái niệm : Cảm biến điện cảm là những cảm biến hoạt động dựa trên sự thay đổi giá trị điện cảm của cuộn dây quấn xung quanh một lõi sắt từ do sự thay đổi trở kháng trong mạch từ của cảm biến. 
 Ứng dụng: 
+ kiểm tra giám sát được sự dịch chuyển cơ học, lực, nhiệt độ, tính chất của vật liệu từ; 
+ xác định được lỗi của chi tiết, độ dày của lớp phủ không nhiễm từ trên vật liệu thép 
  2.2.2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động  
16 
Môn học: PTTĐ 
GV: Vũ Xuân Đức 
Cấu tạo 
1-Lõi sắt từ 
2-Cuộn dây 
3-Nắp sắt từ (phần ứng di chuyển được) 
  2.2.2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động (tt)  
17 
Môn học: PTTĐ 
GV: Vũ Xuân Đức 
b. Nguyên tắc hoạt động 
Điện cảm của cuộn dây : 
	 w – số vòng dây 
	 r m - từ trở của mạch từ 
	 r δ - từ trở của khe hở không khí 
	 δ - độ rộng của khe hở không khí 
	S - tiết diện thực của khe hở không khí 
	 - Độ từ thẩm của không khí 
Vì: 
  2.2.2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động (tt)  
18 
Môn học: PTTĐ 
GV: Vũ Xuân Đức 
Giá trị hiệu dụng của dòng điện trong mạch bộ cảm biến: 
Trong điều kiện thực tế thì X L >> R nên ta có: 
 là một hằng số 
  2.2.3. Đặc tính và hàm truyền  
19 
Môn học: PTTĐ 
GV: Vũ Xuân Đức 
a. Đặc tính tĩnh: 
Phương trình tĩnh: 
Đặc tính tĩnh là một đường thẳng đi qua gốc toạ độ với độ dốc 
1- Đặc tính tĩnh thực tế 
2- Đặc tính tĩnh lý tưởng 
Đặc tính thực tế của cảm biến điện cảm sẽ không hoàn toàn giống như đặc tính lý tưởng do khi δ lớn sẽ làm sụt giảm giá trị điện cảm L và R ̴ L . Điều này sẽ gây ra sự méo của đặc tính thực tế so với đặc tính lý tưởng 
b. Đặc tính động và hàm truyền 
- Phương trình động học: 
U ra (t) = K . δ ( t) 
- Phương trình toán tử: 	 
U ra (S) = K . δ ( S) 
- Hàm truyền: 
Nhận xét: Cảm biến điện cảm có dạng là 1 khâu khuếch đại . 
  2.2.3 . Đặc tính và hàm truyền (tt)  
Môn học: PTTĐ 
GV: Vũ Xuân Đức 
20 
Cảm biến điện cảm mắc theo sơ đồ kép 
 Sơ đồ vi sai	 Sơ đồ cầu 
  2.2.3 . Đặc tính và hàm truyền (tt)  
Môn học: PTTĐ 
GV: Vũ Xuân Đức 
21 
a	b 
Hình 3-10. Cảm biến điện cảm mắc theo sơ đồ kép 
Sơ đồ vi sai 
Sơ đồ cầu 
Dạng dòng điện qua tải của cảm biến theo sơ đồ kép	Đặc tính tĩnh 
Trong ca hai sơ đồ thì: 
  2.2.3 . Đặc tính và hàm truyền (tt)  
Môn học: PTTĐ 
GV: Vũ Xuân Đức 
22 
a	b 
Hình 3-10. Cảm biến điện cảm mắc theo sơ đồ kép 
Sơ đồ vi sai 
Sơ đồ cầu 
Ưu điểm: 
Đơn giản, chắc chắn trong cấu trúc. Không có con chạy tiếp xúc. Độ tin cậy, ổn định cao. 
Độ nhạy cao (đến 100V/mm), Hệ số khuếch đại lớn 
Có khả năng đo các độ dịch chuyển nhỏ (từ  m đếm vài mm). 
 Nhược điểm: 
Chỉ hoạt động với nguồn xoay chiều. 
Vùng tuyến tính bị hạn chế. 
Vì cảm biến có khe hở lớn, để giảm kích thước và giá thành thì dùng nguồn cung cấu có tần số cao (100 - 3000 Hz và lớn hơn) 
  2.2 .4 . Ưu, nhược điểm cảm biến điện cảm 
Môn học: PTTĐ 
GV: Vũ Xuân Đức 
23 
a	b 
Hình 3-10. Cảm biến điện cảm mắc theo sơ đồ kép 
Sơ đồ vi sai 
Sơ đồ cầu 
2.3 .1. Khái niệm, ứng dụng 
- Khái niệm: Cảm biến điện dung là những phần tử cảm biến hoạt động dựa trên sự thay đổi điện dung của tụ điện theo các đặc tính của nó như: Khoảng cách giữa 2 bản tụ, diện tích các bản tụ hay tính chất điện môi giữa các bản tụ. 
- Ứng dụng: 
+ Đo độ dịch chuyển tuyến tính, dịch chuyển góc 
+ Đo kích thước, góc, mức, nồng độ, phân tích thành phần 
+ Đo độ ẩm, áp suất 
+ 
  2.3. Cảm biến điện dung 
Môn học: PTTĐ 
GV: Vũ Xuân Đức 
24 
 S - diện tích của bản cực 
 d - khoảng cách giữa hai bản cực 
  - hằng số điện môi của môi trường 
  0 = 8,85.10 -12 F/m; 
 để thay đổi điện dung của tụ điện ta có thể thay đổi S, d,  . 
  2.3.2 . Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 
Môn học: PTTĐ 
GV: Vũ Xuân Đức 
25 
a. Cảm biến điện dung dựa trên sự thay đổi diện tích đối diện của các cực S 
Trong đó a là bề rộng của tấm. 
  2.3.2 . Cấu tạo và nguyên lý hoạt động (tt) 
Môn học: PTTĐ 
GV: Vũ Xuân Đức 
26 
a	b 
Hình 3-10. Cảm biến điện cảm mắc theo sơ đồ kép 
Sơ đồ vi sai 
Sơ đồ cầu 
Cảm biến loại này có thể được sử dụng để đo đại lượng góc quay: 
	 	 0 - giá trị góc ban đầu của 2 bản cực; 
 	 - giá trị góc quay cần đo, là góc dịch chuyển của một phiến bản cực so với phiến bản cực cũn lại; 
	r 2 , r 1 - bán kính ngoài và bán kính trong của phiến bản cực. 
  2.3.2 . Cấu tạo và nguyên lý hoạt động (tt) 
Môn học: PTTĐ 
GV: Vũ Xuân Đức 
27 
a	b 
Hình 3-10. Cảm biến điện cảm mắc theo sơ đồ kép 
Sơ đồ vi sai 
Sơ đồ cầu 
b) Cảm biến điện dung dựa trên sự thay đổi khoảng cách hai cực d 
Cảm biến loại này có thể đo được độ dịch chuyển lớn đến hàng chục cm 
  2.3.2 . Cấu tạo và nguyên lý hoạt động (tt) 
Môn học: PTTĐ 
GV: Vũ Xuân Đức 
28 
a	b 
Hình 3-10. Cảm biến điện cảm mắc theo sơ đồ kép 
Sơ đồ vi sai 
Sơ đồ cầu 
c) Cảm biến điện dung dựa trên sự thay đổi của chất điện môi . 
C = C 1 +C 2 
l - chiều dài tấm bản cực 
	Cảm biến loại này được dùng để đo mức chất lỏng và chất bột, phân tích thành phần về nồng độ các chất trong hóa học, hóa dầu và trong các ngành công nghiệp khác. Đặc tính tĩnh của cảm biến điện dung loại này là tuyến tính. 
  2.3.2 . Cấu tạo và nguyên lý hoạt động (tt) 
Môn học: PTTĐ 
GV: Vũ Xuân Đức 
29 
Ưu điểm: 
Cấu tạo đơn giản. 
Kích thước, khối lượng nhỏ 
Độ nhạy cao, đo tín hiệu vào nhỏ. 
Không có tiếp xúc, tác động nhanh. 
Nhược điểm: 
Công suất tín hiệu ra nhỏ. 
Đặc tính không ổn định, thay đổi theo môi trường. 
  2.3.3 . Ưu, nhược điểm cảm biến điện dung 
Môn học: PTTĐ 
GV: Vũ Xuân Đức 
30 
Nội dung bài học hôm nay: 
Cảm biến biến trở 
Cảm biến điện cảm, 
Cảm biến điện dung 
Nội dung bài học kế tiếp: “ Cảm biến nhiệt điện trở ” 
Môn học: PTTĐ 
GV: Vũ Xuân Đức 
31 
a	b 
Hình 3-10. Cảm biến điện cảm mắc theo sơ đồ kép 
Sơ đồ vi sai 
Sơ đồ cầu 
HẾT BÀI 4 
32 
Môn học: PTTĐ 
GV: Vũ Xuân Đức