Bài giảng Kỹ thuật cảm biến - Chương 4: Cảm biến điện dung. Cảm biến áp điện. Nhiệt điện trở

Bài 4 
CẢM BIẾN ĐIỆN DUNG. CẢM BIẾN ÁP ĐIỆN. NHIỆT ĐIỆN TRỞ 
1 
Môn học: PTTĐ 
GV: Vũ Xuân Đức 
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 
2 
 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 
3 
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 
4 
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 
5 
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 
6 
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 
7 
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 
8 
2.4.1. Khái niệm, ứngdụng: 
Khái niệm : Cảm biến áp điện là phần tử cảm biến hoạt động dựa trên hiệu ứng áp điện 
- Hiệu ứng áp điện thuận 
- Hiệu ứng áp điện nghịch 
Độ áp điện 
Q - điện tích xuất hiện trên bề mặt 
F - lực tác động : 
Ứng dụng: 
- Đo lực, áp suất, gia tốc, khối lượng, vận tốc góc... 
- Dải đo lực đến 10000N, áp suất đến 100N/mm2, gia tốc đến 1000g 
  2.4. Cảm biến áp điện (piezoelectric transducer) 
Môn học: PTTĐ 
GV: Vũ Xuân Đức 
9 
a. Vật liệu chế tạo: 
Tự nhiên: thạch anh , tumali.. 
Nhân tạo: gốm áp điện có tính phân cực trên nền Bari Titanat ( ), Chì Titanat ( ), Thiếc chì ( ). 
	Vật liệu nhân tạo người ta hay dùng gốm PZT được chế tạo bằng cách nung các oxit Chì, Zirconi và Titan với công thức PbTi 1 Zr x O 3 (x ̴ 0.5). 
b. Cấu trúc: 
X - trục điện 
Y - trục cơ 
Z - trục quang 
  2.4.2. Vật liệu chế tạo, cấu trúc và nguyên tắc hoạt động 
Môn học: PTTĐ 
GV: Vũ Xuân Đức 
10 
c. Nguyên tắc hoạt động: 
- Áp điện dọc: lực F tác động theo trục X, điện tích trên các mặt vuông góc với trục X : 	 Q=K d .F 
- Áp điện ngang: lực F tác động theo trục Y 
a,b - kích thước của cảm biến áp điện theo hướng trục X và Y (nhận xét) 
 Q=k’.F 
Điện áp ở hai cực: 
Cp – điện dung của phần tử áp điện: 
S x =h.b – diện tích của phiến áp điện, ε – hằng số điện môi của phiến vật liệu áp điện 
	Khi hướng tác động của F thay đổi (nén hoặc kéo), dấu của điện tích trên các mặt của cảm biến sẽ thay đổi. Khi tác động lực dọc theo trục Z, hiệu ứng áp điện không xuất hiện. 
  2.4.2. Vật liệu chế tạo, cấu trúc và nguyên tắc hoạt động 
Môn học: PTTĐ 
GV: Vũ Xuân Đức 
11 
  2.4.2. Vật liệu chế tạo, cấu trúc và nguyên tắc hoạt động 
Môn học: PTTĐ 
GV: Vũ Xuân Đức 
12 
Cơ chế áp điện: 
Trục X đi qua tâm,nối hai điện tích trái dấu - trục điện 
Trục Y đi qua tâm, vuông góc với các cạnh – trục cơ 
Trục Z vuông góc với các trục X,Y – trục quang. 
Sơ đồ xếp chồng phiến áp điện: 
	d) 
a) Hai phần tử song song 
b) Hai phần tử nối tiếp 
c) Nhiều phần tử song song 
d) Sơ đồ cấu tạo một cảm biến áp điện gồm nhiều phiến áp điện xếp song song 
  2.4.2. Vật liệu chế tạo, cấu trúc và nguyên tắc hoạt động 
Môn học: PTTĐ 
GV: Vũ Xuân Đức 
13 
a. Khi không có tải: 
 Độ nhạy của cảm biến 
b. Khi có tải: 
Tải được nối với đầu ra bộ cảm biến áp điện, đặc trưng bởi điện trở R H và C H 
  C H >> C P - Khi sử dụng thạch anh 
C H << C P - Khi sử dụng gốm áp điện 
Độ nhạy của cảm biến áp điện: 
Khi có n phiến áp điện xếp chồng song song: 
Hay với 
  2.4.3. Đặc tính của cảm biến áp điện 
Môn học: PTTĐ 
GV: Vũ Xuân Đức 
14 
Ưu điểm: 
Đơn giản về cấu trúc, 
Kích thước nhỏ, độ tin cậy cao, 
Khả năng đo được các đại lượng thay đổi rất nhanh (ví dụ như độ rung). 
Nhược điểm: 
Độ nhạy không cao, 
Điện trở đầu vào mạch đo lớn, tín hiệu đầu ra nhỏ. 
  2.4.4. Ưu, nhược điểm củacảm biến áp điện 
Môn học: PTTĐ 
GV: Vũ Xuân Đức 
15 
Phân loại cảm biến đo nhiệt độ: 
Có 2 nhóm chính: 
- Cảm biến tiếp xúc : cảm biến tiếp xúc với môi trường đo, bao gồm: 
 Cảm biến giãn nở (nhiệt kế giãn nở); 
 Cảm biến điện trở (nhiệt điện trở); 
 Cặp nhiệt ngẫu; 
- Cảm biến không tiếp xúc : hoả kế 
  3. Cảm biến nhiệt độ 
Môn học: PTTĐ 
GV: Vũ Xuân Đức 
16 
3.1.1. Khái niệm: Cảm biến nhiệt điện trở là phần tử cảm biến dùng để đo nhiệt độ hoạt động dựa trên sự thay đổi điện trở theo sự thay đổi của nhiệt độ 
3.1.2. Nguyên lý hoạt động của cảm biến nhiệt điện trở 
Nguyên lý chung: dựa vào sự thay đổi điện trở suất của vật liệu dẫn điện hoặc vật liệu bán dẫn theo nhiệt độ. 
Tổng quát: 
R 0 - điện trở vật liệu tại nhiệt độ T 0 quy ước nào đó; 
F - hàm đặc trưng cho vật liệu chế tạo cảm biến, F=1 khi T=T 0 
Vật liệu chế tạo: 
Kim loại: (Platin, Wonfram, Niken, Đồng...): 
- Bán dẫn:(Silic, Germany,) 
Oxyt bán dẫn. 
(A,B,C - các hệ số được tính theo thực nghiệm cho từng loại vật liệu khác nhau 
  3.1. Cảm biến nhiệt điện trở 
Môn học: PTTĐ 
GV: Vũ Xuân Đức 
17 
 Khi thay đổi nhiệt độ T xung quanh một giá trị Δ T không lớn: 
	 - hệ số nhiệt (độ nhạy nhiệt) của điện trở tại nhiệt độ T 
Yêu cầu chung đối với vật liệu làm điện trở: 
- Có điện trở suất ρ đủ lớn để điện trở ban đầu R 0 lớn mà kích thước nhiệt kế vẫn nhỏ. 
- Hệ số nhiệt điện trở ổn định, tốt nhất là luôn luôn không đổi dấu, không triệt tiêu. 
- Có đủ độ bền cơ, hoá ở dải nhiệt độ làm việc. 
- Dễ gia công và có khả năng thay thế. 
  3.1.2. Nguyên lý hoạt động của cảm biến nhiệt điện trở (tt) 
Môn học: PTTĐ 
GV: Vũ Xuân Đức 
18 
a. Vật liệu chế tạo: 
Các cảm biến nhiệt điện trở kim loại (Resistance Temperature Detector - RTD) thường được chế tạo bằng Platin và Niken, Đồng, Vonfram. 
Đặc trưng của Cu : 
- Dải nhiệt độ làm việc: 50 0 C-180 0 C; 
Quan hệ giữa điện trở và nhiệt độ: R t =R 0 (1+αt), 
 α là hệ số nhiệt của Cu. Ở khoảng nhiệt độ 0 0 C-100 0 C: α =3,9.10 -3 / 0 C 
 R 0 - điện trở tại nhiệt độ 0 0 C 
 Khi chưa biết R 0 có thể sử dụng biểu thức: 
 R t1 và R t2 là điện trở của cảm biến ứng với nhiệt độ t 1 và t 2 , 
 τ =1/α - hằng số, τ = 234 
  3.1. 3 . C ảm biến nhiệt điện trở kim loại (RTD) 
Môn học: PTTĐ 
GV: Vũ Xuân Đức 
19 
a. Vật liệu chế tạo (tt) 
Đặc trưng của Pt : 
- Dải nhiệt độ làm việc khá rộng từ -200 0 C →1000 0 C 
- Hệ số nhiệt điện trở ở 0 0 C bằng 3,97.10 -3 / 0 C . 
- Có thể chế tạo với độ tinh khiết rất cao (99,999%) do đó tăng độ chính xác của các tính chất điện; 
- Có tính trơ về mặt hoá học và tính ổn định cấu trúc tinh thể cao do đó đảm bảo tính ổn định cao về các đặc tính dẫn điện; 
Có đặc tính phi tuyến: 
Trong thực tế người ta thường sử dụng nhiệt điện trở Platin được chế tạo dưới dạng chuẩn P t100 để làm cảm biến đo nhiệt độ từ 0 0 C-100 0 C. Khi đó : 
R t =R 0 (1+αt), α ≈ 3,9.10 -3 / 0 C 
  3.1. 3 . C ảm biến nhiệt điện trở kim loại (tt) 
Môn học: PTTĐ 
GV: Vũ Xuân Đức 
20 
a. Vật liệu chế tạo (tt) 
Đặc trưng của Ni : 
- Dải nhiệt độ làm việc: 195 0 C-260 0 C; 
- Hệ số nhiệt điện trở cao, trong khoảng 0 0 C-100 0 C thì 
	Điện trở ở 100 0 Clớn gấp 1,617 lần điện trở ở 0 0 C. Do độ nhạy nhiệt cao nên cho phép chế tạo cảm biến với kích thước nhỏ 
- Dễ bị oxy hoá khi ở nhiệt độ cao làm giảm sự ổn định hệ số nhiệt 
Điện trở suất của Ni cao gấp 5 lần Cu 
  3.1. 3 . C ảm biến nhiệt điện trở kim loại (tt) 
Môn học: PTTĐ 
GV: Vũ Xuân Đức 
21 
b. Cấu tạo 
- Phần tử nhiệt điện trở: là một điện trở thay đổi trị số theo nhiệt độ 
- Các dây nối phần tử và máy đo 
- Gá đỡ định vị phần tử nhiệt điện trở 
  3.1. 3 . C ảm biến nhiệt điện trở kim loại (tt) 
Môn học: PTTĐ 
GV: Vũ Xuân Đức 
22 
	Phần tử nhiệt điện trở thường là một cuộn dây hoặc màng điện dẫn. Dây cuốn theo nhiều kiểu: kiểu đơn hoặc chập đôi. Thông thường dây được cuốn trên lõi cách điện chịu nhiệt cao 
a) Kiểu dây cuốn đơn 
b) Kiểu dây cuốn chập đôi 
c) Kiểu màng mỏng 
  3.1. 3 . C ảm biến nhiệt điện trở kim loại (tt) 
Môn học: PTTĐ 
GV: Vũ Xuân Đức 
23 
c. Ưu, nhược điểm của cảm biến RTD 
Ưu điểm: 
Hoạt động ổn định; 
Độ chính xác cao; 
Không cần bù nhiệt. 
  Nhược điểm: 
Giá thành cao; 
Độ nhạy thấp 
Thời gian đáp ứng chậm; 
Dải nhiệt độ đo không cao (không quá 600 0 C ). 
  3.1. 3 . C ảm biến nhiệt điện trở kim loại (tt) 
Môn học: PTTĐ 
GV: Vũ Xuân Đức 
24 
Cảm biến nhiệt điện trở oxit bán dẫn (Thermistor) được chế tạo từ hỗn hợp oxit bán dẫn đa tinh thể như: MgO, MgAl 2 O 4 , Mn 2 O 3 , Fe 3 O 4 , NiO, ZnTiO 4,... 
 R 0 (T) - điện trở ở nhiệt độ T 0 (K). 
Độ nhạy nhiệt có dạng: 
  3.1. 4 . C ảm biến nhiệt điện trở oxit bán dẫn ( Thermistor) 
Môn học: PTTĐ 
GV: Vũ Xuân Đức 
25 
Ưu, nhược điểm của cảm biến nhiệt độ Thermistor: 
Ưu điểm: 
Độ nhạy cao với sự thay đổi nhỏ của nhiệt độ; dải đo nhiệt độ từ vài độ K đến 300 0 C 
Độ ổn định làm việc cao; 
Độchính xác cao (±0.02 0 C) 
Kích thước nhỏ. 
Nhược điểm: 
Giới hạn đo thấp. 
Quan hệ R-T phi tuyến 
  3.1. 4 . C ảm biến nhiệt điện trở oxit bán dẫn ( Thermistor) 
Môn học: PTTĐ 
GV: Vũ Xuân Đức 
26 
Ứng dụng Thermistor 
 Trong gia đình: tủlạnh, máy rửa chén, nồi cơm điện, máy sấy tóc, 
 Trong xe hơi: đo nhiệt độ nước làm lạnh hay dầu, theo dõi nhiệt độ của khí thải, đầu xilanh hay hệ thống thắng, 
 Hệ thống điều hòa và sưởi: theo dõi nhiệt độphòng, nhiệt độ khí thải hay lò đốt, 
 Trong công nghiệp: ổn định nhiệt cho diode laser hay các phần tử quang, bù nhiệt cho cuộn dây đồng, 
 Trong viễn thông: đo và bù nhiệt cho điện thoại di động 
  3.1. 4 . C ảm biến nhiệt điện trở oxit bán dẫn ( Thermistor) 
Môn học: PTTĐ 
GV: Vũ Xuân Đức 
27 
Nội dung bài học hôm nay: 
2.3. Cảm biến điện dung 
2.4. Cảm biến áp điện 
3.1. Cảm biến nhiệt điện trở 
Nội dung bài học kế tiếp: “ Cảm biến cặp nhiệt điện ” 
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 
HẾT BÀI 4 
29 
Môn học: PTTĐ 
GV: Vũ Xuân Đức