Giáo trình Kỹ thuật cảm biến

KỸ THUẬT CẢM BIẾN
Biên tập bởi:
Khoa CNTT ĐHSP KT Hưng Yên
KỸ THUẬT CẢM BIẾN
Biên tập bởi:
Khoa CNTT ĐHSP KT Hưng Yên
Các tác giả:
Khoa CNTT ĐHSP KT Hưng Yên
Phiên bản trực tuyến:
MỤC LỤC
1. LỜI NÓI ĐẦU
2. Bài 1: CÁC KHÁI NIỆM VÀ ĐẶC TRƯNG CƠ BẢN
2.1. Khái niệm và phân loại cảm biến
2.2. Đường cong chuẩn của cảm biến
2.3. Các đặc trưng cơ bản
3. Bài 2: NGUYÊN LÝ CHẾ TẠO VÀ MẠCH ĐO
3.1. Nguyên lý chung chế tạo cảm biến
3.2. Mạch đo
3.3. Dụng cụ và kỹ thuật đo
4. Bài 1: CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ
4.1. Khái niệm cơ bản
4.2. Nhiệt kế giãn nở
4.3. Nhiệt kế điện trở
5. Bài 5: CÁC LOẠI CẢM BIẾN NHIỆT
5.1. Cảm biến nhiệt ngẫu
5.2. Hoả kết
6. Bài 7: CẢM BIẾN QUANG
6.1. Tính chất và đơn vị đo ánh sáng
6.2. Cảm biến quang dẫn
7. Bài 8: CÁC LOẠI CẢM BIẾN QUANG
7.1. Photodiode
7.2. Phototransisto
7.3. Phototransisto hiệu ứng trường
7.4. Một số kinh kiện khác
8. Bài 10: CẢM BIẾN ĐO VỊ TRÍ DỊCH CHUYỂN
8.1. Nguyên lý đo vị trí và dịch chuyển
8.2. Công tắc giới hạn
8.3. Điện thế kế điện trở
8.4. Cảm biến điện cảm
8.5. Cảm biến điện dung
9. Bài 12: CÁC LOẠI CẢM BIẾN ĐO VỊ TRÍ
9.1. Cảm biến quang
9.2. Cảm biến đo dịch chuyển bằng sóng đàn hồi
1/191
10. Bài 14: CẢM BIẾN ĐO BIẾN DẠNG
10.1. Biến dạng và phương pháp đo
10.2. Đầu đo điện trở kim loại
10.3. Cảm biến áp trở silic
10.4. Ứng suất kế dây rung
11. Bài 16: CẢM BIẾN ĐO LỰC
11.1. Nguyên lý đo lực
11.2. Cảm biến áp điện
11.3. Cảm biến từ giảo
11.4. Cảm biến đo lực dựa trên phép đo dịch chuyển
11.5. Cảm biến xúc giác
12. Bài 18: CẢM BIẾN VẬN TỐC, GIA TỐC VÀ ĐỘ RUNG
12.1. Khái niệm cơ bản1
12.2. Cảm biến đo vận tốc
12.3. Gia tốc kế áp điện
12.4. Gia tốc kế áp trở
12.5. Cảm biến đo tốc độ rung
13. Bài 20: CẢM BIẾN ĐO ÁP SUẤT VÀ LƯU LƯỢNG CHẤT LƯU
13.1. Áp suất và nguyên lý đo áp suất
13.2. Áp kế vi sai dựa trên nguyên tắc cân bằng thuỷ tĩnh
13.3. Cảm biến áp suất dựa trên phép đo biến dạng
13.4. Cảm biến đo lưu lượng
13.5. Cảm biến đo và phát hiện mức chất lưu
14. TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tham gia đóng góp
2/191
LỜI NÓI ĐẦU
LỜI NÓI ĐẦU
Module Kỹ thuật cảm biến cung cấp các kiến thức về cảm biến và ứng dụng của các cảm
biến. Module này giới thiệu các loại cảm biến: quang, nhiệt, điện, âm thanh, cảm biến
hình ảnh; Kỹ thuật lắp ráp các mạch chuyển đổi sơ cấp từ đại lượng không điện thành
đại lượng điện; Kỹ thuật thiết kế mạch điều khiển ứng dụng cảm biến.
Cuốn đề cương này được biên soạn dựa trên khung chương trình module “Kỹ thuật cảm
biến” thuộc chương trình đào tạo theo định hướng nghề nghiệp trong khuôn khổ dự án
Hà Lan.
Cuốn đề cương này chứa nội dung của 21 bài học theo đúng trình tự và mục tiêu thiết
kế của chương trình. Các bài học lý thuyết được biên tập khá chi tiết, cập nhật các kiến
thức mới và có tính ứng dụng cao.
Để tiếp thu tốt module này yêu cầu sinh viên cần học trước các module kỹ thuật điện tử,
điện tử số.
3/191
Bài 1: CÁC KHÁI NIỆM VÀ ĐẶC TRƯNG
CƠ BẢN
Khái niệm và phân loại cảm biến
Khái niệm
Cảm biến là thiết bị dùng để cảm nhận biến đổi các đại lượng vật lý và các đại lượng
không có tính chất điện cần đo thành các đại lượng điện có thể đo và xử lý được.
Các đại lượng cần đo (m) thường không có tính chất điện (như nhiệt độ, áp suất ...) tác
động lên cảm biến cho ta một đặc trưng (s) mang tính chất điện (như điện tích, điện áp,
dòng điện hoặc trở kháng) chứa đựng thông tin cho phép xác định giá trị của đại lượng
đo. Đặc trưng (s) là hàm của đại lượng cần đo (m):
s = F(m) (1.1)
Người ta gọi (s) là đại lượng đầu ra hoặc là phản ứng của cảm biến, (m) là đại lượng đầu
vào hay kích thích (có nguồn gốc là đại lượng cần đo). Thông qua đo đạc (s) cho phép
nhận biết giá trị của (m).
Phân loại cảm biến
Tùy theo các đặc trưng phân loại, cảm biến có thể được chia thành nhiều loại khác nhau.
Theo nguyên lý chuyển đổi giữa đáp ứng và kích thích (bảng 1.1).
Bảng 1.1
Hiện tượng Chuyển đổi giữa đáp ứng-kích thích
Hiện tượng vật lý
• Nhiệt điện
• Quang điện
• Quang từ
• Điện từ
• Quang đàn hồi
• Từ điện
• Nhiệt từ
Hoá học • Biến đổi hoá học
4/191
• Biến đổi điện hoá
• Phân tích phổ
Sinh học
• Biến đổi sinh hoá
• Biến đổi vật lý
• Hiệu ứng trên cơ thể sống
Theo dạng kích thích (bảng 1.2).
Bảng 1.2
Âm
thanh - Biên pha, phân cực - Phổ - Tốc độ truyền sóng
Điện - Điện tích, dòng điện - Điện thế, điện áp - Điện trường (biên, pha, phân cực,phổ) - Điện dẫn, hằng số điện môi ...
Từ - Từ trường (biên, pha, phân cực, phổ) - Từ thông, cường độ từ trường - Độtừ thẩm
Quang - Biên, pha, phân cực, phổ - Tốc độ truyền - Hệ số phát xạ, khúc xạ - Hệ sốhấp thụ, hệ số bức xạ
Cơ - Vị trí - Lực, áp suất - Gia tốc, vận tốc - Ứng suất, độ cứng - Mô men - Khốilượng, tỉ trọng - Vận tốc chất lưu, độ nhớt
Nhiệt - Nhiệt độ - Thông lượng - Nhiệt dung, tỉ nhiệt
Bức
xạ - Kiểu - Năng lượng - Cường độ ...
Theo tính năng của bộ cảm biến (bảng 1.3)
Bảng 1.3
- Độ nhạy - Độ chính xác - Độ phân
giải - Độ chọn lọc - Độ tuyến tính -
Công suất tiêu thụ - Dải tần
- Khả năng quá tải - Tốc độ đáp ứng - Độ ổn
định - Tuổi thọ - Điều kiện môi trường -
Kích thước, trọng lượng- Độ trễ
Phân loại theo phạm vi sử dụng ( bảng 1.4).
Bảng 1.4
- Công nghiệp
5/191
- Nghiên cứu khoa học
- Môi trường, khí tượng
- Thông tin, viễn thông
- Nông nghiệp
- Dân dụng
- Giao thông
- Vũ trụ
- Quân sự
- Phân loại theo thông số của mô hình mạch thay thế :
+ Cảm biến tích cực có đầu ra là nguồn áp hoặc nguồn dòng.
+ Cảm biến thụ động được đặc trưng bằng các thông số R, L, C, M .... tuyến tính hoặc
phi tuyến.
6/191
Đường cong chuẩn của cảm biến
Khái niệm
Đường cong chuẩn cảm biến là đường cong biểu diễn sự phụ thuộc của đại lượng điện
(s) ở đầu ra của cảm biến vào giá trị của đại lượng đo (m) ở đầu vào.
Đường cong chuẩn có thể biểu diễn bằng biểu thức đại số dưới dạng s = F(m), hoặc bằng
đồ thị như hình 1.1a.
Hình 1.1 : Đường cong chuẩn cảm biến
a) Dạng đường cong chuẩn b) Đường cong chuẩn của cảm biến tuyến tính
Dựa vào đường cong chuẩn của cảm biến, ta có thể xác định giá trị mi chưa biết của m
thông qua giá trị đo được si của s.
Để dễ sử dụng, người ta thường chế tạo cảm biến có sự phụ thuộc tuyến tính giữa đại
lượng đầu ra và đại lượng đầu vào, phương trình s= F(m) có dạng s = am +b với a, b là
các hệ số, khi đó đường cong chuẩn là đường thẳng (hình 1.1b).
Phương pháp chuẩn cảm biến
Chuẩn cảm biến là phép đo nhằm mục đích xác lập mối quan hệ giữa giá trị s đo được
của đại lượng điện ở đầu ra và giá trị m của đại lượng đo có tính đến các yếu tố ảnh
hưởng, trên cơ sở đó xây dựng đường cong chuẩn dưới dạng tường minh (đồ thị hoặc
biểu thức đại số). Khi chuẩn cảm biến, với một loạt giá trị đã biết chính xác mi của m,
đo giá trị tương ứng si của s và dựng đường cong chuẩn.
7/191
Hình 1.2 : Phương pháp chuẩn cảm biến
Chuẩn đơn giản
Trong trường hợp đại lượng đo chỉ có một đại lượng vật lý duy nhất tác động lên một
đại lượng đo xác định và cảm biến sử dụng không nhạy với tác động của các đại lượng
ảnh hưởng, người ta dùng phương pháp chuẩn đơn giản. Thực chất của chuẩn đơn giản
là đo các giá trị của đại lượng đầu ra ứng với các giá xác định không đổi của đại lượng
đo ở đầu vào. Việc chuẩn được tiến hành theo hai cách:
- Chuẩn trực tiếp: các giá trị khác nhau của đại lượng đo lấy từ các mẫu chuẩn hoặc các
phần tử so sánh có giá trị biết trước với độ chính xác cao.
- Chuẩn gián tiếp: kết hợp cảm biến cần chuẩn với một cảm biến so sánh đã có sẵn
đường cong chuẩn, cả hai được đặt trong cùng điều kiện làm việc. Khi tác động lên hai
cảm biến với cùng một giá trị của đại lượng đo ta nhận được giá trị tương ứng của cảm
biến so sánh và cảm biến cần chuẩn. Lặp lại tương tự với các giá trị khác của đại lượng
đo cho phép ta xây dựng được đường cong chuẩn của cảm biến cần chuẩn.
Chuẩn nhiều lần
Khi cảm biến có phần tử bị trễ (trễ cơ hoặc trễ từ), giá trị đo được ở đầu ra phụ thuộc
không những vào giá trị tức thời của đại lượng cần đo ở đầu vào mà còn phụ thuộc vào
giá trị trước đó của của đại lượng này. Trong trường hợp như vậy, người ta áp dụng
phương pháp chuẩn nhiều lần và tiến hành như sau:
- Đặt lại điểm 0 của cảm biến: đại lượng cần đo và đại lượng đầu ra có giá trị tương ứng
với điểm gốc, m=0 và s=0.
- Đo giá trị đầu ra theo một loạt giá trị tăng dần đến giá trị cực đại của đại lượng đo ở
đầu vào.
- Lặp lại quá trình đo với các giá trị giảm dần từ giá trị cực đại.
Khi chuẩn nhiều lần cho phép xác định đường cong chuẩn theo cả hai hướng đo tăng
dần và đo giảm dần.
8/191
Các đặc trưng cơ bản
Độ nhạy của cảm biến
Đối với cảm biến tuyến tính, giữa biến thiên đầu ra Δs và biến thiên đầu vào Δm có sự
liên hệ tuyến tính:
Δs = S.Δm (1.2)
Đại lượng S xác định bởi biểu thức
được gọi là độ nhạy của cảm biến.
Trường hợp tổng quát, biểu thức xác định độ nhạy S của cảm biến xung quanh giá trị mi
của đại lượng đo xác định bởi tỷ số giữa biến thiên Δs của đại lượng đầu ra và biến thiên
Δm tương ứng của đại lượng đo ở đầu vào quanh giá trị đó:
(1.2)
Để phép đo đạt độ chính xác cao, khi thiết kế và sử dụng cảm biến cần làm sao cho độ
nhạy S của nó không đổi, nghĩa là ít phụ thuộc nhất vào các yếu tố sau:
- Giá trị của đại lượng cần đo m và tần số thay đổi của nó.
- Thời gian sử dụng.
- Ảnh hưởng của các đại lượng vật lý khác (không phải là đại lượng đo) của môi trường
xung quanh. Thông thường nhà sản xuất cung cấp giá trị của độ nhạy S tương ứng với
những điều kiện làm việc nhất định của cảm biến.
Độ nhạy trong chế độ tĩnh và tỷ số chuyển đổi tĩnh
Đường chuẩn cảm biến, xây dựng trên cơ sở đo các giá trị si ở đầu ra tương ứng với các
giá trị không đổi mi của đại lượng đo khi đại lượng này đạt đến chế độ làm việc danh
định được gọi là đặc trưng tĩnh của cảm biến. Một điểm Qi(mi,si) trên đặc trưng tĩnh xác
định một điểm làm việc của cảm biến ở chế độ tĩnh.
9/191
Trong chế độ tĩnh, độ nhạy S xác định theo công thức (1.3) chính là độ đốc của đặc trưng
tĩnh ở điểm làm việc đang xét. Như vậy, nếu đặc trưng tĩnh không phải là tuyến tính thì
độ nhạy trong chế độ tĩnh phụ thuộc điểm làm việc.
Đại lượng ri xác định bởi tỷ số giữa giá trị si ở đầu ra và giá trị mi ở đầu vào được gọi là
tỷ số chuyển đổi tĩnh:
(1.4)
Từ (1.4), ta nhận thấy tỷ số chuyển đổi tĩnh ri không phụ thuộc vào điểm làm việc Qi và
chỉ bằng S khi đặc trưng tĩnh là đường thẳng đi qua gốc toạ độ.
Độ nhạy trong chế độ động
Độ nhạy trong chế độ động được xác định khi đại lượng đo biến thiên tuần hoàn theo
thời gian.
Độ tuyến tính
Một cảm biến được gọi là tuyến tính trong một dải đo xác định nếu trong dải chế độ đó,
độ nhạy không phụ thuộc vào đại lượng đo.
Trong chế độ tĩnh, độ tuyến tính chính là sự không phụ thuộc của độ nhạy của cảm biến
vào giá trị của đại lượng đo, thể hiện bởi các đoạn thẳng trên đặc trưng tĩnh của cảm
biến và hoạt động của cảm biến là tuyến tính chừng nào đại lượng đo còn nằm trong
vùng này.
Trong chế độ động, độ tuyến tính bao gồm sự không phụ thuộc của độ nhạy ở chế độ
tĩnh S(0) vào đại lượng đo, đồng thời các thông số quyết định sự hồi đáp như tần số
riêng f0 của dao động không tắt, hệ số tắt dần ? cũng không phụ thuộc vào đại lượng đo.
Nếu cảm biến không tuyến tính, người ta đưa vào mạch đo các thiết bị hiệu chỉnh sao
cho tín hiệu điện nhận được ở đầu ra tỉ lệ với sự thay đổi của đại lượng đo ở đầu vào. Sự
hiệu chỉnh đó được gọi là sự tuyến tính hoá.
Sai số và độ chính xác
Các bộ cảm biến cũng như các dụng cụ đo lường khác, ngoài đại lượng cần đo (cảm
nhận) còn chịu tác động của nhiều đại lượng vật lý khác gây nên sai số giữa giá trị đo
10/191
được và giá trị thực của đại lượng cần đo. Gọi Δx là độ lệch tuyệt đối giữa giá trị đo và
giá trị thực x (sai số tuyệt đối), sai số tương đối của bộ cảm biến được tính bằng:
Sai số của bộ cảm biến mang tính chất ước tính bởi vì không thể biết chính xác giá
trị thực của đại lượng cần đo. Khi đánh giá sai số của cảm biến, người ta thường phân
chúng thành hai loại: sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên.
- Sai số hệ thống: là sai số không phụ thuộc vào số lần đo, có giá trị không đổi hoặc thay
đổi chậm theo thời gian đo và thêm vào một độ lệch không đổi giữa giá trị thực và giá
trị đo được. Sai số hệ thống thường do sự thiếu hiểu biết về hệ đo, do điều kiện sử dụng
không tốt gây ra. Các nguyên nhân gây ra sai số hệ thống có thể là:
Do nguyên lý của cảm biến.
+ Do giá trị của đại lượng chuẩn không đúng.
+ Do đặc tính của bộ cảm biến.
+ Do điều kiện và chế độ sử dụng.
+Do xử lý kết quả đo.
- Sai số ngẫu nhiên: là sai số xuất hiện có độ lớn và chiều không xác định. Ta có thể dự
đoán được một số nguyên nhân gây ra sai số ngẫu nhiên nhưng không thể dự đoán được
độ lớn và dấu của nó. Những nguyên nhân gây ra 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 lượng ảnh hưởng không được tính đến khi chuẩn cảm biến.
Chúng ta 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 hưởng của nhiễu, tự động điều chỉnh điện áp
nguồn nuôi, bù các ảnh hưởng nhiệt độ, tần số, vận hành đúng chế độ hoặc thực hiện
phép đo lường thống kê.
11/191
Độ nhanh và thời gian hồi đáp
Độ nhanh là đặc trưng của cảm biến cho phép đánh giá khả năng theo kịp về thời gian
của đại lượng đầu ra khi đại lượng đầu vào biến thiên. Thời gian hồi đáp là đại lượng
được sử dụng để xác định giá trị số của độ nhanh.
Độ nhanh tr là khoảng thời gian từ khi đại lượng đo thay đổi đột ngột đến khi biến thiên
của đại lượng đầu ra chỉ còn khác giá trị cuối cùng một lượng giới hạn ε tính bằng %.
Thời gian hồi đáp tương ứng với ε% xác định khoảng thời gian cần thiết phải chờ đợi
sau khi có sự biến thiên của đại lượng đo để lấy giá trị của đầu ra với độ chính xác định
trước. Thời gian hồi đáp đặc trưng cho chế độ quá độ của cảm biến và là hàm của các
thông số thời gian xác định chế độ này.
Trong trường hợp sự thay đổi của đại lượng đo có dạng bậc thang, các thông số thời
gian gồm thời gian trễ khi tăng (tdm) và thời gian tăng (tm) ứng với sự tăng đột ngột của
đại lượng đo hoặc thời gian trễ khi giảm (tdc) và thời gian giảm (tc) ứng với sự giảm đột
ngột của đại lượng đo. Khoảng thời gian trễ khi tăng tdm là thời gian cần thiết để đại
lượng đầu ra tăng từ giá trị ban đầu của nó đến 10% của biến thiên tổng cộng của đại
lượng này và khoảng thời gian tăng tm là thời gian cần thiết để đại lượng đầu ra tăng từ
10% đến 90% biến thiên biến thiên tổng cộng của nó.
Hình 1.3: Xác định các khoảng thời gian đặc trưng cho chế độ quá độ
Tương tự, khi đại lượng đo giảm, thời gian trể khi giảm tdc là thời gian cần thiết để đại
lượng đầu ra giảm từ giá trị ban đầu của nó đến 10% biến thiên tổng cộng của đại lượng
này và khoảng thời gian giảm tc là thời gian cần thiết để đại lượng đầu ra giảm từ 10%
đến 90% biến thiên biến thiên tổng cổng của nó.
12/191
Các thông số về thời gian tr, tdm, tm, tdc, tc của cảm biến cho phép ta đánh giá về thời
gian hồi đáp của nó.
Giới hạn sử dụng của cảm biến
Trong quá trình sử dụng, các cảm biến luôn chịu tác động của ứng lực cơ học, tác động
nhiệt... Khi các tác động này vượt quá ngưỡng cho phép, chúng sẽ làm thay đổi đặc
trưng làm việc của cảm biến. Bởi vậy khi sử dụng cảm biến, người sử dụng cần phải biết
rõ các giới hạn này.
Vùng làm việc danh định
Vùng làm việc danh định tương ứng với nhữ ... 
Hình 20.16: Công tơ tốc độ kiểu tuabin tiếp tuyến
1) Tuabin 2) Màng lọc 3) ống dẫn
Công tơ kiểu tiếp tuyến với đường kính tuabin từ 15 - 40 mm có phạm vi đo từ 3 - 20
m3/giờ, cấp chính xác 2; 3.
Lưu lượng kế màng chắn
* Nguyên lý đo
Các cảm biến loại này hoạt động dựa trên nguyên tắc đo độ giảm áp suất của dòng chảy
khi đi qua màng ngăn có lỗ thu hẹp. Trên hình 20.17 trình bày sơ đồ nguyên lý đo lưu
lượng dùng màng ngăn tiêu chuẩn.
Khi chảy qua lỗ thu hẹp của màng ngăn, vận tốc chất lưu tăng lên và đạt cực đại (W2)
tại tiết diện B-B, do đó tạo ra sự chênh áp trước và sau lỗ thu hẹp. Sử dụng một áp kế vi
sai đo độ chênh áp này có thể xác định được lưu lượng của dòng chảy.
Giả sử chất lỏng không bị nén, và dòng chảy là liên tục, vận tốc cực đại của dòng chảy
tại tiết diện B-B được xác định theo biểu thức:
174/191
Trong đó:
p1’, p2’ - áp suất tĩnh tại tiết diện Aưa và B-B.
ρ - tỉ trọng chất lưu.
ξ - hệ số tổn thất thuỷ lực.
m - tỉ số thu hẹp của màng ngăn, m = F0/F1.
μ - hệ số thu hẹp dòng chảy, μ = F2 /F0 .
Hình 20.17: Phân bố vân tốc và áp suất
của một dòng chảy lý tưởng qua lỗ thu hẹp
Thường người ta không đo độ giảm áp Δp’ = p’1 - p’2 ở tiết diện Aưa và B-B, mà đo độ
giảm áp Δp = p1 - p2 ngay trước và sau lỗ thu hẹp. Quan hệ giữa Δp’ và Δp có dạng:
Khi đó:
175/191
và lưu lượng khối lượng của chất lưu:
Hay:
(20.35)
Với
gọi là hệ số lưu lượng.
Từ các biểu thức trên và F0 = πd2/4, ta nhận được công thức xác định lưu lượng khối
(G) và lưu lượng thể tích (Q) của dòng chất lưu:
(20.36)
(20.37)
Trong trường hợp môi trường chất lưu chịu nén, thì khi áp suất giảm, chất lưu giản nở,
làm tăng tốc độ dòng chảy so với khi không chịu nén, do đó phải đưa thêm vào hệ số
hiệu chỉnh ε (ε < 1), khi đó các phương trình trên có dạng:
(20.38)
176/191
(20.39)
ở đây:
ρ - tỉ trọng chất lưu tại cửa vào của lỗ thu hẹp.
Đối với các dòng chất lưu có trị số Reynol nhỏ hơn giá trị tới hạn, khi đo không thể dùng
màng ngăn lỗ thu hẹp tiêu chuẩn vì khi đó hệ số lưu lượng không phải là hằng số. Trong
trường hợp này, người ta dùng các màng ngăn có lỗ thu hẹp đặc biệt như màng ngăn có
lỗ côn (hình 10.18a), giclơ hình trụ (hình 20.18b), giclơ cong (hình 20.18c) ... Trên cơ
sở thực nghiệm người ta xác định hệ số lưu lượng cho mỗi lỗ thu hẹp và xem như không
đổi trong phạm vi số Reynol giới hạn.
Hình 20.18: Cấu tạo màng ngăn lỗ thu hẹp đặc biệt
dùng để đo lưu lượng dòng chảy chất lưu có số Reynol nhỏ
* Sơ đồ hệ thống đo
Tuỳ theo yêu cầu sử dụng, người ta có thể sử dụng hệ thống đo thích hợp. Trên hình
20.19 trình bày sơ đồ khối của một số hệ thống đo dùng màng chắn.
177/191
Hình 20.19: Sơ đồ hệ thống đo lưu lượng dùng màng ngăn
1) Màng ngăn 2) Lưu lượng kế vi sai 3) Bộ biến đổi độ giảm áp
4) Dụng cụ đo thứ cấp5) Bộ tích phân lưu lượng
6) Dụng cụ tính khối lượng chất lưu 7) Thiết bị tính toán
8) Biến đổi tỉ trọng chất lưu trong điều kiện làm việc
9) Bộ biến đổi nhiệt độ 10) Bộ biến đổi áp suất
11) Bộ biến đổi tỉ trọng trong điều kiện định mức
12) Bộ biến đổi tỉ trọng chất lưu ở 20 o C
178/191
Cảm biến đo và phát hiện mức chất lưu
Mục đích và phương pháp đo
Mục đích việc đo và phất hiện mức chất lưu là xác định mức độ hoặc khối lượng chất
lưu trong bình chứa.
Có hai dạng đo: đo liên tục và xác định theo ngưỡng.
Khi đo liên tục biên độ hoặc tần số của tín hiệu đo cho biết thể tích chất lưu còn lại trong
bình chứa. Khi xác định theo ngưỡng, cảm biến đưa ra tín hiệu dạng nhị phân cho biết
thông tin về tình trạng hiện tại mức ngưỡng có đạt hay không.
Có ba phương pháp hay dùng trong kỹ thuật đo và phát hiện mức chất lưu:
- Phương pháp thuỷ tĩnh dùng biến đổi điện.
- Phương pháp điện dựa trên tính chất điện của chất lưu.
- Phương pháp bức xạ dựa trên sự tương tác giữa bức xạ và chất lưu.
Phương pháp thuỷ tĩnh
Phương pháp thuỷ tĩnh dùng để đo mức chất lưu trong bình chứa. Trên hình 20.20 giới
thiệu một số sơ đồ đo mức bằng phương pháp thuỷ tĩnh.
Hình 20.20: Sơ đồ đo mức theo phương pháp thuỷ tĩnh
a) Dùng phao cầu b) Dùng phao trụ c) Dùng cảm biến áp suất vi sai
Trong sơ đồ hình 20.20a, phao (1) nổi trên mặt chất lưu được nối với đối trọng (5) bằng
dây mềm (2) qua các ròng rọc (3), (4). Khi mức chất lưu thay đổi, phao (1) nâng lên
179/191
hoặc hạ xuống làm quay ròng rọc (4), một cảm biến vị trí gắn với trục quay của ròng rọc
sẽ cho tín hiệu tỉ lệ với mức chất lưu.
Trong sơ đồ hình 20.20b, phao hình trụ (1) nhúng chìm trong chất lưu, phía trên được
treo bởi một cảm biến đo lực (2). Trong quá trình đo, cảm biến chịu tác động của một
lực F tỉ lệ với chiều cao chất lưu:
Trong đó:
P - trọng lượng phao.
h - chiều cao phần ngập trong chất lưu của phao.
S - tiết diện mặt cắt ngang của phao.
ρ - khối lượng riêng của chất lưu.
g - gia tốc trọng trường.
Trên sơ đồ hình 20.20c, sử dụng một cảm biến áp suất vi sai dạng màng (1) đặt sát đáy
bình chứa. Một mặt của màng cảm biến chịu áp suất chất lưu gây ra:
Mặt khác của màng cảm biến chịu tác động của áp suất p0 bằng áp suất ở đỉnh bình chứa.
Chênh lệch áp suất p - p0 sinh ra lực tác dụng lên màng của cảm biến làm nó biến dạng.
Biến dạng của màng tỉ lệ với chiều cao h của chất lưu trong bình chứa được chuyển đổi
thành tín hiệu điện nhờ các bộ biến đổi điện thích hợp.
Phương pháp điện
Các cảm biến đo mức bằng phương 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 của chất
lưu. Các cảm biến thường dùng là cảm biến dộ dẫn và cảm biến điện dung.
Phương pháp bức xạ
Cảm biến bức xạ cho phép đo mức chất lưu mà không cần tiếp xúc với môi trường đo,
ưu điểm này rất thích hợp khi đo mức ở điều kiện môi trường đo có nhiệt độ, áp suất cao
hoặc môi trường có tính ăn mòn mạnh.
180/191
Trong phương pháp này cảm biến gồm một nguồn phát tia (1) và bộ thu (2) đặt ở hai
phía của bình chứa. Nguồn phát thường là một nguồn bức xạ tia γ (nguồn 60Co hoặc
137Cs), bộ thu là một buồng ion hoá. Ở chế độ phát hiện mức ngưỡng (hình 20.21a),
nguồn phát và bộ thu đặt đối diện nhau ở vị trí ngang mức ngưỡng cần phát hiện, chùm
tia của nguồn phát mảnh và gần như song song. Tuỳ thuộc vào mức chất lưu (3) cao hơn
hay thấp hơn mức ngưỡng mà chùm tia đến bộ thu sẽ bị suy giảm hoặc không, bộ thu sẽ
phát ra tín hiệu tương ứng với các trạng thái so với mức ngưỡng.
Ở chế độ đo mức liên tục (hình 20.21b), nguồn phát (1) phát ra chùm tia với một góc
mở rộng quét lên toàn bộ chiều cao của mức chất lưu cần kiểm tra và bộ thu.
Hình 20.21: Cảm biến đo mức bằng tia bức xạ
a) Cảm biến phát hiện ngưỡng b) Cảm biến đo mức liên tục
1) Nguồn phát tia bức xạ 2) Bộ thu 3) Chất lưu
Khi mức chất lưu (3) tăng do sự hấp thụ của chất lưu tăng, chùm tia đến bộ thu (2) sẽ bị
suy giảm, do đó tín hiệu ra từ bộ thu giảm theo. Mức độ suy giảm của chùm tia bức xạ
tỉ lệ với mức chất lưu trong bình chứa
Một số loại cảm biến đo mức chất lưu
* Cảm biến độ dẫn
Các cảm biến loại này dùng để đo mức các chất lưu có tính dẫn điện (độ dẫn điện ~
50μScm-1). Trên hình 20.22 giới thiệu một số cảm biến độ dẫn đo mức thông dụng.
181/191
Hình 20.22: Cảm biến độ dẫn
a) Cảm biến hai điện cực b) Cảm biến một điện cực
c) Cảm biến phát hiện mức
Sơ đồ cảm biến hình 20.22a gồm hai điện cực hình trụ nhúng trong chất lỏng dẫn điện.
Trong chế độ đo liên tục, các điện cực được nối với nguồn nuôi xoay chiều ~ 10V (để
tránh hiện tượng phân cực của các điện cực). Dòng điện chạy qua các điện cực có biên
độ tỉ lệ với chiều dài của phần điện cực nhúng chìm trong chất lỏng.
Sơ đồ cảm biến hình 20.22b chỉ sử dụng một điện cực, điện cực thứ hai là bình chứa
bằng kim loại.
Sơ đồ cảm biến hình 20.22c dùng để phát hiện ngưỡng, gồm hai điện cực ngắn đặt theo
phương ngang, điện cực còn lại nối với thành bình kim loại,vị trí mỗi điện cực ngắn ứng
với một mức ngưỡng. Khi mức chất lỏng đạt tới điện cực, dòng điện trong mạch thay
đổi mạnh về biên độ.
* Cảm biến tụ điện
Khi chất lỏng là chất cách điện, có thể tạo tụ điện bằng hai điện cực hình trụ nhúng trong
chất lỏng hoặc một điện cực kết hợp với điện cực thứ hai là thành bình chứa nếu thành
bình làm bằng kim loại. Chất điện môi giữa hai điện cực chính là chất lỏng ở phần điện
cực bị ngập và không khí ở phần không có chất lỏng. Việc đo mức chất lưu được chuyển
thành đo điện dung của tụ điện, điện dung này thay đổi theo mức chất lỏng trong bình
chứa. Điều kiện để áp dụng phương pháp này hằng số điện môi của chất lỏng phải lớn
hơn đáng kể hằng số điện môi của không khí (thường là gấp đôi).
Trong trường hợp chất lưu là chất dẫn điện, để tạo tụ điện người ta dùng một điện cực
kim loại bên ngoài có phủ cách điện, lớp phủ đóng vai trò chất điện môi còn chất lưu
đóng vai trò điện cực thứ hai.
182/191
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Lê Văn Doanh, "Các bộ cảm biến kỹ thuật đo lường và điều khiển", NXB Khoa
học Kỹ thuật, 2001
[2] Nguyễn Văn Hòa, Bùi Đăng Thành, Hoàng Sỹ Hồng, “Giáo trình đo lường và cảm
biến đo lường”, NXB Giáo dục, 2005
[3] Phan Quốc Phô, Nguyễn Đức Chiến, "Cảm biến", NXB Khoa học Kỹ thuật, 2000
183/191
Tham gia đóng góp
Tài liệu: KỸ THUẬT CẢM BIẾN
Biên tập bởi: Khoa CNTT ĐHSP KT Hưng Yên
URL: 
Giấy phép: 
Module: LỜI NÓI ĐẦU
Các tác giả: Khoa CNTT ĐHSP KT Hưng Yên
URL: 
Giấy phép: 
Module: Khái niệm và phân loại cảm biến
Các tác giả: Khoa CNTT ĐHSP KT Hưng Yên
URL: 
Giấy phép: 
Module: Đường cong chuẩn của cảm biến
Các tác giả: Khoa CNTT ĐHSP KT Hưng Yên
URL: 
Giấy phép: 
Module: Các đặc trưng cơ bản
Các tác giả: Khoa CNTT ĐHSP KT Hưng Yên
URL: 
Giấy phép: 
Module: Nguyên lý chung chế tạo cảm biến
Các tác giả: Khoa CNTT ĐHSP KT Hưng Yên
URL: 
Giấy phép: 
Module: Mạch đo
Các tác giả: Khoa CNTT ĐHSP KT Hưng Yên
URL: 
184/191
Giấy phép: 
Module: Dụng cụ và kỹ thuật đo
Các tác giả: Khoa CNTT ĐHSP KT Hưng Yên
URL: 
Giấy phép: 
Module: Khái niệm cơ bản
Các tác giả: Khoa CNTT ĐHSP KT Hưng Yên
URL: 
Giấy phép: 
Module: Nhiệt kế giãn nở
Các tác giả: Khoa CNTT ĐHSP KT Hưng Yên
URL: 
Giấy phép: 
Module: Nhiệt kế điện trở
Các tác giả: Khoa CNTT ĐHSP KT Hưng Yên
URL: 
Giấy phép: 
Module: Cảm biến nhiệt ngẫu
Các tác giả: Khoa CNTT ĐHSP KT Hưng Yên
URL: 
Giấy phép: 
Module: Hoả kết
Các tác giả: Khoa CNTT ĐHSP KT Hưng Yên
URL: 
Giấy phép: 
Module: Tính chất và đơn vị đo ánh sáng
Các tác giả: Khoa CNTT ĐHSP KT Hưng Yên
URL: 
Giấy phép: 
185/191
Module: Cảm biến quang dẫn
Các tác giả: Khoa CNTT ĐHSP KT Hưng Yên
URL: 
Giấy phép: 
Module: Photodiode
Các tác giả: Khoa CNTT ĐHSP KT Hưng Yên
URL: 
Giấy phép: 
Module: Phototransisto
Các tác giả: Khoa CNTT ĐHSP KT Hưng Yên
URL: 
Giấy phép: 
Module: Phototransisto hiệu ứng trường
Các tác giả: Khoa CNTT ĐHSP KT Hưng Yên
URL: 
Giấy phép: 
Module: Một số kinh kiện khác
Các tác giả: Khoa CNTT ĐHSP KT Hưng Yên
URL: 
Giấy phép: 
Module: Nguyên lý đo vị trí và dịch chuyển
Các tác giả: Khoa CNTT ĐHSP KT Hưng Yên
URL: 
Giấy phép: 
Module: Công tắc giới hạn
Các tác giả: Khoa CNTT ĐHSP KT Hưng Yên
URL: 
Giấy phép: 
Module: Điện thế kế điện trở
186/191
Các tác giả: Khoa CNTT ĐHSP KT Hưng Yên
URL: 
Giấy phép: 
Module: Cảm biến điện cảm
Các tác giả: Khoa CNTT ĐHSP KT Hưng Yên
URL: 
Giấy phép: 
Module: Cảm biến điện dung
Các tác giả: Khoa CNTT ĐHSP KT Hưng Yên
URL: 
Giấy phép: 
Module: Cảm biến quang
Các tác giả: Khoa CNTT ĐHSP KT Hưng Yên
URL: 
Giấy phép: 
Module: Cảm biến đo dịch chuyển bằng sóng đàn hồi
Các tác giả: Khoa CNTT ĐHSP KT Hưng Yên
URL: 
Giấy phép: 
Module: Biến dạng và phương pháp đo
Các tác giả: Khoa CNTT ĐHSP KT Hưng Yên
URL: 
Giấy phép: 
Module: Đầu đo điện trở kim loại
Các tác giả: Khoa CNTT ĐHSP KT Hưng Yên
URL: 
Giấy phép: 
Module: Cảm biến áp trở silic
Các tác giả: Khoa CNTT ĐHSP KT Hưng Yên
187/191
URL: 
Giấy phép: 
Module: Ứng suất kế dây rung
Các tác giả: Khoa CNTT ĐHSP KT Hưng Yên
URL: 
Giấy phép: 
Module: Nguyên lý đo lực
Các tác giả: Khoa CNTT ĐHSP KT Hưng Yên
URL: 
Giấy phép: 
Module: Cảm biến áp điện
Các tác giả: Khoa CNTT ĐHSP KT Hưng Yên
URL: 
Giấy phép: 
Module: Cảm biến từ giảo
Các tác giả: Khoa CNTT ĐHSP KT Hưng Yên
URL: 
Giấy phép: 
Module: Cảm biến đo lực dựa trên phép đo dịch chuyển
Các tác giả: Khoa CNTT ĐHSP KT Hưng Yên
URL: 
Giấy phép: 
Module: Cảm biến xúc giác
Các tác giả: Khoa CNTT ĐHSP KT Hưng Yên
URL: 
Giấy phép: 
Module: Khái niệm cơ bản1
Các tác giả: Khoa CNTT ĐHSP KT Hưng Yên
URL: 
188/191
Giấy phép: 
Module: Cảm biến đo vận tốc
Các tác giả: Khoa CNTT ĐHSP KT Hưng Yên
URL: 
Giấy phép: 
Module: Gia tốc kế áp điện
Các tác giả: Khoa CNTT ĐHSP KT Hưng Yên
URL: 
Giấy phép: 
Module: Gia tốc kế áp trở
Các tác giả: Khoa CNTT ĐHSP KT Hưng Yên
URL: 
Giấy phép: 
Module: Cảm biến đo tốc độ rung
Các tác giả: Khoa CNTT ĐHSP KT Hưng Yên
URL: 
Giấy phép: 
Module: Áp suất và nguyên lý đo áp suất
Các tác giả: Khoa CNTT ĐHSP KT Hưng Yên
URL: 
Giấy phép: 
Module: Áp kế vi sai dựa trên nguyên tắc cân bằng thuỷ tĩnh
Các tác giả: Khoa CNTT ĐHSP KT Hưng Yên
URL: 
Giấy phép: 
Module: Cảm biến áp suất dựa trên phép đo biến dạng
Các tác giả: Khoa CNTT ĐHSP KT Hưng Yên
URL: 
Giấy phép: 
189/191
Module: Cảm biến đo lưu lượng
Các tác giả: Khoa CNTT ĐHSP KT Hưng Yên
URL: 
Giấy phép: 
Module: Cảm biến đo và phát hiện mức chất lưu
Các tác giả: Khoa CNTT ĐHSP KT Hưng Yên
URL: 
Giấy phép: 
Module: TÀI LIỆU THAM KHẢO
Các tác giả: Khoa CNTT ĐHSP KT Hưng Yên
URL: 
Giấy phép: 
190/191
Chương trình Thư viện Học liệu Mở Việt Nam
Chương trình Thư viện Học liệu Mở Việt Nam (Vietnam Open Educational Resources
– VOER) được hỗ trợ bởi Quỹ Việt Nam. Mục tiêu của chương trình là xây dựng kho
Tài nguyên giáo dục Mở miễn phí của người Việt và cho người Việt, có nội dung phong
phú. Các nội dung đểu tuân thủ Giấy phép Creative Commons Attribution (CC-by) 4.0
do đó các nội dung đều có thể được sử dụng, tái sử dụng và truy nhập miễn phí trước
hết trong trong môi trường giảng dạy, học tập và nghiên cứu sau đó cho toàn xã hội.
Với sự hỗ trợ của Quỹ Việt Nam, Thư viện Học liệu Mở Việt Nam (VOER) đã trở thành
một cổng thông tin chính cho các sinh viên và giảng viên trong và ngoài Việt Nam. Mỗi
ngày có hàng chục nghìn lượt truy cập VOER (www.voer.edu.vn) để nghiên cứu, học
tập và tải tài liệu giảng dạy về. Với hàng chục nghìn module kiến thức từ hàng nghìn
tác giả khác nhau đóng góp, Thư Viện Học liệu Mở Việt Nam là một kho tàng tài liệu
khổng lồ, nội dung phong phú phục vụ cho tất cả các nhu cầu học tập, nghiên cứu của
độc giả.
Nguồn tài liệu mở phong phú có trên VOER có được là do sự chia sẻ tự nguyện của các
tác giả trong và ngoài nước. Quá trình chia sẻ tài liệu trên VOER trở lên dễ dàng như
đếm 1, 2, 3 nhờ vào sức mạnh của nền tảng Hanoi Spring.
Hanoi Spring là một nền tảng công nghệ tiên tiến được thiết kế cho phép công chúng dễ
dàng chia sẻ tài liệu giảng dạy, học tập cũng như chủ động phát triển chương trình giảng
dạy dựa trên khái niệm về học liệu mở (OCW) và tài nguyên giáo dục mở (OER) . Khái
niệm chia sẻ tri thức có tính cách mạng đã được khởi xướng và phát triển tiên phong
bởi Đại học MIT và Đại học Rice Hoa Kỳ trong vòng một thập kỷ qua. Kể từ đó, phong
trào Tài nguyên Giáo dục Mở đã phát triển nhanh chóng, được UNESCO hỗ trợ và được
chấp nhận như một chương trình chính thức ở nhiều nước trên thế giới.
191/191