Download to read offline
![( )2
i
2
i
i
i
i
i
m
m
.
N
m
.
s
m
.
s
.
N
a
∑ ∑
∑ ∑
∑
−
−
=
( )
∑ ∑
∑ ∑ ∑ ∑
−
−
= 2
i
2
i
i
i
i
2
i
i
m
m
.
N
m
.
s
.
m
m
.
s
b
c) §é lÖch tuyÕn tÝnh
§èi víi c¸c c¶m biÕn kh«ng hoµn toµn tuyÕn tÝnh, ng−êi ta ®−a ra kh¸i niÖm ®é lÖch tuyÕn
tÝnh, x¸c ®Þnh bëi ®é lÖch cùc ®¹i gi÷a ®−êng cong chuÈn vµ ®−êng th¼ng tèt nhÊt, tÝnh b»ng
% trong d¶i ®o.
1.3.3. Sai sè vµ ®é chÝnh x¸c
C¸c bé c¶m biÕn còng nh− c¸c dông cô ®o l−êng kh¸c, ngoµi ®¹i l−îng cÇn ®o (c¶m
nhËn) cßn chÞu t¸c ®éng cña nhiÒu ®¹i l−îng vËt lý kh¸c g©y nªn sai sè gi÷a gi¸ trÞ ®o ®−îc vµ
gi¸ trÞ thùc cña ®¹i l−îng cÇn ®o. Gäi ∆x lµ ®é lÖch tuyÖt ®èi gi÷a gi¸ trÞ ®o vµ gi¸ trÞ thùc x
(sai sè tuyÖt ®èi), sai sè t−¬ng ®èi cña bé c¶m biÕn ®−îc tÝnh b»ng:
100
.
x
x
∆
=
δ [%]
Sai sè cña bé c¶m biÕn mang tÝnh chÊt −íc tÝnh bëi v× kh«ng thÓ biÕt chÝnh x¸c gi¸ trÞ
thùc cña ®¹i l−îng cÇn ®o. Khi ®¸nh gi¸ sai sè cña c¶m biÕn, ng−êi ta th−êng ph©n chóng
thµnh hai lo¹i: sai sè hÖ thèng vµ sai sè ngÉu nhiªn.
- Sai sè hÖ thèng: lµ sai sè kh«ng phô thuéc vµo sè lÇn ®o, cã gi¸ trÞ kh«ng ®æi hoÆc
thay ®æi chËm theo thêi gian ®o vµ thªm vµo mét ®é lÖch kh«ng ®æi gi÷a gi¸ trÞ thùc vµ gi¸ trÞ
®o ®−îc. Sai sè hÖ thèng th−êng do sù thiÕu hiÓu biÕt vÒ hÖ ®o, do ®iÒu kiÖn sö dông kh«ng tèt
g©y ra. C¸c nguyªn nh©n g©y ra sai sè hÖ thèng cã thÓ lµ:
Do nguyªn lý cña c¶m biÕn.
+ Do gi¸ trÞ cña ®¹i l−îng chuÈn kh«ng ®óng.
+ Do ®Æc tÝnh cña bé c¶m biÕn.
+ Do ®iÒu kiÖn vµ chÕ ®é sö dông.
+Do xö lý kÕt qu¶ ®o.
- Sai sè ngÉu nhiªn: lµ sai sè xuÊt hiÖn cã ®é lín vµ chiÒu kh«ng x¸c ®Þnh. Ta cã thÓ dù
®o¸n ®−îc mét sè nguyªn nh©n g©y ra sai sè ngÉu nhiªn nh−ng kh«ng thÓ dù ®o¸n ®−îc ®é lín
vµ dÊu cña nã. Nh÷ng nguyªn nh©n g©y ra sai sè ngÉu nhiªn cã thÓ lµ:
+ Do sù thay ®æi ®Æc tÝnh cña thiÕt bÞ.
+ Do tÝn hiÖu nhiÔu ngÉu nhiªn.
+ Do c¸c ®¹i l−îng ¶nh h−ëng kh«ng ®−îc tÝnh ®Õn khi chuÈn c¶m biÕn.
Chóng ta cã thÓ gi¶m thiÓu sai sè ngÉu nhiªn b»ng mét sè biÖn ph¸p thùc nghiÖm thÝch
hîp nh− b¶o vÖ c¸c m¹ch ®o tr¸nh ¶nh h−ëng cña nhiÔu, tù ®éng ®iÒu chØnh ®iÖn ¸p nguån](https://image.slidesharecdn.com/giaotrinhcambiencongnghiep-250702082053-a011d638/75/GiaoTrinhCamBienCongNghiep-aaaaaaaaaaaaa-pdf-10-2048.jpg)
![Silic tinh khiÕt hoÆc ®¬n tinh thÓ silic cã hÖ sè nhiÖt ®iÖn trë ©m, tuy nhiªn khi
®−îc kÝch t¹p lo¹i n th× trong kho¶ng nhiÖt ®é thÊp chóng l¹i cã hÖ sè nhiÖt ®iÖn trë
d−¬ng, hÖ sè nhiÖt ®iÖn trë ~0,7%/o
C ë 25o
C. PhÇn tö c¶m nhËn nhiÖt cña c¶m biÕn
silic ®−îc chÕ t¹o cã kÝch th−íc 500x500x240 µm ®−îc m¹ kim lo¹i ë mét phÝa cßn
phÝa kia lµ bÒ mÆt tiÕp xóc.
3.3.4. NhiÖt kÕ ®iÖn trë oxyt b¸n dÉn
a) VËt liÖu chÕ t¹o
NhiÖt ®iÖn trë ®−îc chÕ t¹o tõ hçn hîp oxyt b¸n dÉn ®a tinh thÓ nh−: MgO,
MgAl2O4, Mn2O3, Fe3O4, Co2O3, NiO, ZnTiO4.
Sù phô thuéc cña ®iÖn trë cña nhiÖt ®iÖn trë theo nhiÖt ®é cho bëi biÓu thøc:
⎭
⎬
⎫
⎩
⎨
⎧
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
−
β
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
=
0
2
0
0
T
1
T
1
exp
T
T
R
)
T
(
R (3.11)
Trong ®ã R0(Ω) lµ ®iÖn trë ë nhiÖt ®é T0(K).
§é nh¹y nhiÖt cã d¹ng:
2
R
T
b
+
β
=
α
V× ¶nh h−ëng cña hµm mò ®Õn ®iÖn trë chiÕm −u thÕ nªn biÓu thøc (3.11) cã thÓ viÕt
l¹i:
⎭
⎬
⎫
⎩
⎨
⎧
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
−
=
0
0
T
1
T
1
B
exp
R
)
T
(
R (3.12)
Vµ ®é nh¹y nhiÖt:
2
R
T
B
−
=
α
Trong d¶i nhiÖt ®é lµm viÖc ( -55 ÷
200o
C) cã thÓ lÊy gÇn ®óng gi¸ trÞ ®iÖn trë
cña c¶m biÕn theo nhiÖt ®é theo c«ng thøc:
( ) ( )
[ ]
2
0
0
0
T T
T
B
T
T
A
1
R
R −
+
−
+
=
Trong ®ã R0 vµ T0 lµ ®iÖn trë vµ nhiÖt ®é
tuyÖt ®èi ë ®iÓm chuÈn.
Sù thay ®æi nhiÖt cña ®iÖn trë t−¬ng
®èi nhá nªn cã thÓ tuyÕn tÝnh ho¸ b»ng c¸ch
m¾c thªm mét ®iÖn trë phô.
To
C
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
2200
2400
-50 0 50 100
R(Ω)
H×nh 3.6 Sù phô thuéc nhiÖt ®é
cña ®iÖn trë silic](https://image.slidesharecdn.com/giaotrinhcambiencongnghiep-250702082053-a011d638/75/GiaoTrinhCamBienCongNghiep-aaaaaaaaaaaaa-pdf-53-2048.jpg)
![Tr−êng hîp nhiÖt ®é m«i tr−êng ®o kh«ng kh¸c nhiÒu nhiÖt ®é ®Çu tù do, ®Ó t¨ng
®é nh¹y phÐp ®o cã thÓ m¾c theo s¬ ®å nèi tiÕp n cÆp nhiÖt nh− h×nh 3.15. Søc ®iÖn
®éng tæng cña bé m¾c nèi tiÕp b»ng )
t
,
t
(
nE 0
AB .
- Bï nhiÖt ®é ®Çu tù do:
Th«ng th−êng cÆp nhiÖt ngÉu ®−îc chuÈn víi t0 = 0o
C øng víi:
)
t
(
e
)
t
(
e
)
t
,
t
(
E 0
AB
AB
0
AB −
=
NÕu nhiÖt ®é ®Çu tù do b»ng 0
t'
0 ≠ th× gi¸ trÞ søc ®iÖn ®éng ®o ®−îc:
)
t
(
e
)
t
(
e
)
t
,
t
(
E '
0
AB
AB
'
0
AB −
=
Rót ra:
[ ]
)
t
(
e
)
t
(
e
)
t
,
t
(
E
)
t
,
t
(
E 0
AB
'
0
AB
'
0
AB
0
AB −
+
=
Hay:
)
t
,
t
(
E
)
t
,
t
(
E
)
t
,
t
(
E 0
'
0
Ab
'
0
AB
0
AB +
=
Gi¸ trÞ )
t
,
t
(
E '
0
AB lµ l−îng hiÖu chØnh x¸c ®Þnh tõ thang chia ®é cña cÆp nhiÖt ngÉu ®·
dïng theo gi¸ trÞ ®o ë nhiÖt ®é ®Çu tù do t’
0.
D−íi ®©y tr×nh bµy mét sè ph−¬ng ph¸p bï nhiÖt ®é ®Çu tù do.
- Dïng d©y bï:
§Ó lo¹i trõ ¶nh h−ëng cña nhiÖt ®é ®èi t−îng ®o lªn ®Çu tù do cã thÓ m¾c dông
cô ®o theo s¬ ®å h×nh 3.17.
)
t
(
e
)
t
(
e
)
t
(
e
)
t
(
e
E 0
CD
'
0
BD
'
0
CA
AB −
+
−
=
Chän d©y dÉn C vµ D sao cho )
t
(
e
)
t
(
e '
0
DB
'
0
CA = ( 34
12 = ), khi ®ã:
)
t
(
e
)
t
(
e
E 0
CD
AB −
=
V× e(t0) = 0, nªn:
)
t
(
e
)
t
(
e
E 0
AB
AB −
=
H×nh 3.17 Bï nhiÖt ®é ®Çu tù do b»ng d©y bï
C
1
2 3
t
t’
0 t’0
A B
t0
t0
D
1
2
3
4
C
A
D
B
E
t
0](https://image.slidesharecdn.com/giaotrinhcambiencongnghiep-250702082053-a011d638/75/GiaoTrinhCamBienCongNghiep-aaaaaaaaaaaaa-pdf-60-2048.jpg)
![- NÕu ta t¨ng sè l−îng N c¸c gi¸ trÞ ®o vµ nÕu víi ε > 0 mµ ta cã:
[ ] 0
P
lim *
N
=
ε
≥
ξ
−
ξ
∞
→
(10.4)
th× −íc l−îng ξ* ®−îc gäi lµ −íc l−îng cã c¨n cø.
- NÕu lÊy trung b×nh −íc l−îng mµ ta cã:
[ ] ξ
=
ξ*
M (10.5)
th× −íc l−îng ξ* ®−îc gäi lµ −íc l−îng kh«ng chÖch.
- NÕy trung b×nh b×nh ph−¬ng ®é sai lÖch (ph−¬ng sai) cña mét −íc l−îng ®·
cho *
1
ξ nµo ®ã kh«ng lín h¬n trung b×nh b×nh ph−¬ng ®é sai lÖch *
i
ξ cña bÊt kú −íc
l−îng thø i nµo:
( ) ( ) ⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡ ξ
−
ξ
>
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡ ξ
−
ξ
2
*
1
2
*
i M
M (10.6)
th× −íc l−îng ®ã ®−îc gäi lµ −íc l−îng cã hiÖu qu¶.
VÝ dô: Kú väng to¸n häc cña c¸c gi¸ trÞ mét ®iÓm ®o X cã −íc l−îng lµ *
x
m , ta cã:
[ ] ⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
=
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
= ∑
∑
=
=
N
1
i
i
N
1
i
i
*
x X
M
N
1
X
N
1
M
m
M (10.7)
[ ] x
x
N
1
i
i m
m
.
N
.
N
1
X
M
N
1
=
=
= ∑
=
Nh− vËy −íc l−îng kú väng to¸n häc *
x
m lµ −íc l−îng kh«ng chÖch.
T−¬ng tù ta cã thÓ chøng minh ®−îc r»ng:
[ ] 2
x
x
*
x D
D
M σ
=
= (10.8)
tøc lµ −íc l−îng cña ph−¬ng sai *
x
D cña c¸c gi¸ trÞ ®iÓm ®o X lµ mét −íc l−îng kh«ng
chÖch.
Gi¶ sö ta tiÕn hµnh n phÐp ®o cïng mét gi¸ trÞ X. Gi¸ trÞ ®¸ng tin nhÊt ®¹i ®iÖn cho
®¹i l−îng ®o X lµ gi¸ trÞ trung b×nh ®¹i sè cña d·y c¸c phÐp ®o nh− nhau X:
( )
∑
=
=
+
+
+
+
+
+
=
n
1
i
i
n
i
3
2
1
x
n
1
n
x
...
x
...
x
x
x
X (10.9)
Trong ®ã:
x1, x2, . . . , xn - kÕt qu¶ cña c¸c phÐp ®o riªng biÖt.
n - sè c¸c phÐp ®o.
−íc l−îng kú väng to¸n häc cña *
x
m cña ®¹i l−îng ®o sÏ b»ng X .](https://image.slidesharecdn.com/giaotrinhcambiencongnghiep-250702082053-a011d638/75/GiaoTrinhCamBienCongNghiep-aaaaaaaaaaaaa-pdf-155-2048.jpg)
![7 0,718 1,94 2,49 3,14 3,71 5,96
8 0,711 1,90 2,36 3,00 3,50 5,40
9 0,706 1,86 2,31 2,90 3,36 5,04
10 0,703 1,83 2,26 2,82 3,25 4,49
12 0,697 1,80 2,20 2,72 3,10 4,78
14 0,694 1,77 2,16 2,65 3,01 4,49
16 0,691 1,75 2,13 2,60 2,99 4,07
18 0,689 1,74 2,11 2,57 2,90 3,96
20 0,688 1,73 2,09 2,54 2,86 3,88
25 0,684 1,71 2,06 2,49 2,80 3,74
31 0,683 1,70 2,04 2,46 2,75 3,65
41 0,681 1,68 2,02 2,42 2,70 3,55
61 0,679 1,67 2,00 2,39 2,66 3,46
121 0,677 1,65 1,98 2,36 2,62 3,37
∞ 0,674 1,64 1,96 2,33 2,58 3,29
Sè liÖu b¶ng nµy ®−îc tÝnh theo c«ng thøc:
( ) ( )
( ) ( )
[ ] ( ) 2
/
n
2
n
/
t
1
1
.
2
/
1
n
.
1
n
!
2
/
n
n
;
t
S
+
−
−
π
= (10.16)
Trong ®ã: S(t;n) - mËt ®é ph©n bè Student.
( ) *
x
0 /
X
X
t σ
−
= .
n - sè lÇn ®o.
Tr−êng hîp n→ ∞ ( thùc tÕ n ≥ 20) th× ph©n bè Student sÏ tiÕn ®Õn ph©n bè chuÈn,
lóc ®ã hst cã thÓ thay thÕ b»ng hÖ sè k nh− biÓu thøc 10.14.
Nh− vËy kÕt qu¶ ®o víi −íc
l−îng kho¶ng, nhê cã ph©n bè
Student cã thÓ viÕt d−íi d¹ng:
( ) ( )
'
2
,
1
0
'
2
,
1 X
X
X ∆
+
<
<
∆
− (10.17)
Tõ (10.17) ta thÊy r»ng x¸c suÊt cña
®é lÖch trung b×nh ®¹i sè so víi gi¸
trÞ thùc cña ®¹i l−îng ®o kh«ng
v−ît qu¸ '
2
,
1
∆ .
Khi thùc hiÖn gia c«ng kÕt qu¶
®o ng−êi ta cßn x¸c ®Þnh kh¸i niÖm
sai sè b×nh qu©n ph−¬ng t−¬ng ®èi
B¾t ®Çu
n phÐp ®o xi
Kú väng to¸n häc [ ] X
x
M =
Sai sè d− X
x
v i
i −
=
TÝnh 0
v
n
1
i
i =
∑
=
n
2
v](https://image.slidesharecdn.com/giaotrinhcambiencongnghiep-250702082053-a011d638/75/GiaoTrinhCamBienCongNghiep-aaaaaaaaaaaaa-pdf-158-2048.jpg)
![NÕu c¸c kÕt qu¶ ®o trùc tiÕp Xi ®−îc x¸c ®Þnh víi sai sè b×nh qu©n ph−¬ng n
X
σ , th×:
2
X
2
n
2
X
2
21
2
X
2
1
n
2
1
X
Y
...
X
Y
X
Y
σ
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
∂
∂
+
+
σ
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
∂
∂
+
σ
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
∂
∂
=
σγ (10.23)
ë ®©y i
X
i
X
Y
σ
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
∂
∂
lµ sai sè riªng cña phÐp ®o gi¸n tiÕp thø i.
ë b¶ng 10.2 tr×nh bµy biÓu thøc tÝnh sai sè tuyÖt ®èi vµ sai sè t−¬ng ®èi cña mét sè
hµm Y th−êng gÆp nhÊt trong c¸c phÐp ®o gi¸n tiÕp.
B¶ng 10.2
Hµm Y Sai sè tuyÖt ®èi Y
∆ Sai sè t−¬ng ®èi
Y
Y
Y
∆
=
γ
X1 + X2 ( ) ( )2
2
2
1 X
X ∆
+
∆
± ( ) ( )
[ ] ( )2
2
1
2
2
2
1 X
X
/
X
X +
∆
+
∆
±
X1.X2 ( ) ( )2
1
2
2
2
2
2
1 X
X
X
X ∆
+
∆
±
2
2
2
2
1
1
X
X
X
X
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛ ∆
+
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛ ∆
±
2
1
X
X
( ) ( )
[ ] 4
2
2
2
2
2
2
1
2
1 X
X
X
X
X ∆
+
∆
±
2
2
2
2
1
1
X
X
X
X
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛ ∆
+
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛ ∆
±
n
X X
nX 1
n ∆
± − ( )
X
/
X
n ∆
±
10.4.5. Bï sai sè
a) Bï sai sè céng tÝnh
Trong c¶m biÕn cã sai sè céng tÝnh, ta cã:
a
X
X Y
X
K
Y ∆
+
= (10.24)
Víi
i
1
i
i
1
i
X
X
X
Y
Y
K
−
−
=
+
+
.
Gi¸ trÞ a
Y
∆ kh«ng thay ®æi theo X lµ sai sè céng tÝnh. (h×nh 10.11).
Lo¹i trõ sai sè lo¹i nµy b»ng mét bé trõ (h×nh 10.12).
Ta cã:
a
i
i
i Y
X
K
Y ∆
+
= (10.25)
CB
X
H×nh 10.11 S¬ ®å nguyªn lý c¶m
biÕn cã sai sè céng tÝnh
YX = KXX + ∆Ya
H×nh 10.12 Lo¹i trõ sai sè
céng tÝnh
X
CB
Xi
Y
Yi](https://image.slidesharecdn.com/giaotrinhcambiencongnghiep-250702082053-a011d638/75/GiaoTrinhCamBienCongNghiep-aaaaaaaaaaaaa-pdf-160-2048.jpg)
GiaoTrinhCamBienCongNghiep aaaaaaaaaaaaa.pdf
- 1. **************************************************************** §¹i häc ®µn½ng Tr−êng ®¹i häc b¸ch khoa ----------------------------------- Th.S. Hoµng Minh C«ng Gi¸o tr×nh C¶m biÕn c«ng nghiÖp - §µ N½ng 2004 - ****************************************************************
- 2. Lêi më ®Çu C¶mbiÕn ®−îc ®Þnh nghÜa nh− mét thiÕt bÞ dïng ®Ó c¶m nhËn vµ biÕn ®æi c¸c ®¹i l−îng vËt lý vµ c¸c ®¹i l−îng kh«ng mang tÝnh chÊt ®iÖn thµnh c¸c ®¹i l−îng ®iÖn cã thÓ ®o ®−îc. Nã lµ thµnh phÇn quan träng trong mét thiÕt bÞ ®o hay trong mét hÖ ®iÒu khiÓn tù ®éng. §· tõ l©u c¸c bé c¶m biÕn ®−îc sö dông nh− nh÷ng bé phËn ®Ó c¶m nhËn vµ ph¸t hiÖn, nh−ng chØ tõ vµi ba chôc n¨m trë l¹i ®©y chóng míi thÓ hiÖn vai trß quan träng trong kü thuËt vµ c«ng nghiÖp ®Æc biÖt lµ trong lÜnh vùc ®o l−êng, kiÓm tra vµ ®iÒu khiÓn tù ®éng. Nhê c¸c tiÕn bé cña khoa häc vµ c«ng nghÖ trong lÜnh vùc vËt liÖu, thiÕt bÞ ®iÖn tö vµ tin häc, c¸c c¶m biÕn ®· ®−îc gi¶m thiÓu kÝch th−íc, c¶i thiÖn tÝnh n¨ng vµ ngµy cµng më réng ph¹m vi øng dông. Giê ®©y kh«ng cã mét lÜnh vùc nµo mµ ë ®ã kh«ng sö dông c¶m biÕn. Chóng cã mÆt trong c¸c hÖ thèng tù ®éng phøc t¹p, ng−êi m¸y, kiÓm tra chÊt l−îng s¶n phÈm, tiÕt kiÖm n¨ng l−îng, chèng « nhiÔm m«i tr−êng. C¶m biÕn còng ®−îc øng dông réng r·i trong lÜnh vùc giao th«ng vËn t¶i, s¶n xuÊt hµng tiªu dïng, b¶o qu¶n thùc phÈm, s¶n xuÊt « t« ... Bëi vËy trang bÞ nh÷ng kiÕn thøc c¬ b¶n vÒ c¶m biÕn trë thµnh mét yªu cÇu quan träng ®èi víi c¸c c¸n bé kü thuËt. §èi víi sinh viªn ngµnh c¬ ®iÖn tö còng nh− c¸c ngµnh tù ®éng ho¸ trong c¸c tr−êng ®¹i häc kü thuËt, m«n häc c¶m biÕn c«ng nghiÖp lµ mét m«n häc b¾t buéc trong ch−¬ng tr×nh ®µo t¹o, nh»m trang bÞ nh÷ng kiÕn thøc c¬ b¶n vÒ c¶m biÕn ®Ó häc tèt c¸c m«n häc chuyªn ngµnh. Gi¸o tr×nh c¶m biÕn c«ng nghiÖp ®−îc viÕt cho chuyªn ngµnh c¬ ®iÖn tö gåm 10 ch−¬ng, giíi thiÖu nh÷ng kiÕn thøc c¬ b¶n vÒ c¶m biÕn, cÊu t¹o, nguyªn lý ho¹t ®éng, c¸c ®Æc tr−ng c¬ b¶n vµ s¬ ®å m¹ch ®o cña nh÷ng c¶m biÕn ®−îc sö dông phæ biÕn trong c«ng nghiÖp còng nh− trong thÝ nghiÖm, nghiªn cøu vµ ®−îc s¾p xÕp theo c«ng dông cña c¸c bé c¶m biÕn. Do néi dung gi¸o tr×nh bao qu¸t réng, tµi liÖu tham kh¶o h¹n chÕ vµ tr×nh ®é cã h¹n cña ng−êi biªn so¹n nªn ch¾c ch¾n gi¸o tr×nh kh«ng tr¸nh khái sai sãt. T¸c gi¶ mong muèn nhËn ®−îc sù gãp ý cña b¹n ®äc vµ ®ång nghiÖp ®Ó gi¸o tr×nh ®−îc hoµn thiÖn h¬n. C¸c nhËn xÐt, gãp ý xin göi vÒ Khoa C¬ khÝ Tr−êng §¹i häc B¸ch Khoa, §¹i häc §µ N½ng. T¸c gi¶
- 3. Ch−¬ng I C¸c Kh¸iniÖm vµ ®Æc tr−ng c¬ b¶n 1.1. Kh¸i niÖm vµ ph©n lo¹i c¶m biÕn 1.1.1. Kh¸i niÖm C¶m biÕn lµ thiÕt bÞ dïng ®Ó c¶m nhËn biÕn ®æi c¸c ®¹i l−îng vËt lý vµ c¸c ®¹i l−îng kh«ng cã tÝnh chÊt ®iÖn cÇn ®o thµnh c¸c ®¹i l−îng ®iÖn cã thÓ ®o vµ xö lý ®−îc. C¸c ®¹i l−îng cÇn ®o (m) th−êng kh«ng cã tÝnh chÊt ®iÖn (nh− nhiÖt ®é, ¸p suÊt ...) t¸c ®éng lªn c¶m biÕn cho ta mét ®Æc tr−ng (s) mang tÝnh chÊt ®iÖn (nh− ®iÖn tÝch, ®iÖn ¸p, dßng ®iÖn hoÆc trë kh¸ng) chøa ®ùng th«ng tin cho phÐp x¸c ®Þnh gi¸ trÞ cña ®¹i l−îng ®o. §Æc tr−ng (s) lµ hµm cña ®¹i l−îng cÇn ®o (m): ( ) m F s = (1.1) Ng−êi ta gäi (s) lµ ®¹i l−îng ®Çu ra hoÆc lµ ph¶n øng cña c¶m biÕn, (m) lµ ®¹i l−îng ®Çu vµo hay kÝch thÝch (cã nguån gèc lµ ®¹i l−îng cÇn ®o). Th«ng qua ®o ®¹c (s) cho phÐp nhËn biÕt gi¸ trÞ cña (m). 1.1.2. Ph©n lo¹i c¶m biÕn C¸c bé c¶m biÕn ®−îc ph©n lo¹i theo c¸c ®Æc tr−ng c¬ b¶n sau ®©y: - Theo nguyªn lý chuyÓn ®æi gi÷a ®¸p øng vµ kÝch thÝch (b¶ng 1.1). B¶ng 1.1 HiÖn t−îng ChuyÓn ®æi ®¸p øng vµ kÝch thÝch HiÖn t−îng vËt lý - NhiÖt ®iÖn - Quang ®iÖn - Quang tõ - §iÖn tõ - Quang ®µn håi - Tõ ®iÖn - NhiÖt tõ... Ho¸ häc - BiÕn ®æi ho¸ häc - BiÕn ®æi ®iÖn ho¸ - Ph©n tÝch phæ ... Sinh häc - BiÕn ®æi sinh ho¸ - BiÕn ®æi vËt lý - HiÖu øng trªn c¬ thÓ sèng ... - Ph©n lo¹i theo d¹ng kÝch thÝch (b¶ng 1.2) B¶ng 1.2
- 4. ¢m thanh - Biªnpha, ph©n cùc - Phæ - Tèc ®é truyÒn sãng ... §iÖn - §iÖn tÝch, dßng ®iÖn - §iÖn thÕ, ®iÖn ¸p - §iÖn tr−êng (biªn, pha, ph©n cùc, phæ) - §iÖn dÉn, h»ng sè ®iÖn m«i ... Tõ - Tõ tr−êng (biªn, pha, ph©n cùc, phæ) - Tõ th«ng, c−êng ®é tõ tr−êng - §é tõ thÈm ... Quang - Biªn, pha, ph©n cùc, phæ - Tèc ®é truyÒn - HÖ sè ph¸t x¹, khóc x¹ - HÖ sè hÊp thô, hÖ sè bøc x¹ ... C¬ - VÞ trÝ - Lùc, ¸p suÊt - Gia tèc, vËn tèc - øng suÊt, ®é cøng - M« men - Khèi l−îng, tØ träng - VËn tèc chÊt l−u, ®é nhít ... NhiÖt - NhiÖt ®é - Th«ng l−îng - NhiÖt dung, tØ nhiÖt ... Bøc x¹ - KiÓu - N¨ng l−îng - C−êng ®é ... - Theo tÝnh n¨ng cña bé c¶m biÕn (b¶ng 1.3) B¶ng 1.3 - §é nh¹y - §é chÝnh x¸c - Kh¶ n¨ng qu¸ t¶i - Tèc ®é ®¸p øng
- 5. - §é ph©ngi¶i - §é chän läc - §é tuyÕn tÝnh - C«ng suÊt tiªu thô - D¶i tÇn - §é trÔ - §é æn ®Þnh - Tuæi thä - §iÒu kiÖn m«i tr−êng - KÝch th−íc, träng l−îng - Ph©n lo¹i theo ph¹m vi sö dông ( b¶ng 1.4). B¶ng 1.4 - C«ng nghiÖp - Nghiªn cøu khoa häc - M«i tr−êng, khÝ t−îng - Th«ng tin, viÔn th«ng - N«ng nghiÖp - D©n dông - Giao th«ng - Vò trô - Qu©n sù - Ph©n lo¹i theo th«ng sè cña m« h×nh m¹ch thay thÕ : + C¶m biÕn tÝch cùc cã ®Çu ra lµ nguån ¸p hoÆc nguån dßng. + C¶m biÕn thô ®éng ®−îc ®Æc tr−ng b»ng c¸c th«ng sè R, L, C, M .... tuyÕn tÝnh hoÆc phi tuyÕn. 1.2. §−êng cong chuÈn cña c¶m biÕn 1.2.1. Kh¸i niÖm §−êng cong chuÈn c¶m biÕn lµ ®−êng cong biÓu diÔn sù phô thuéc cña ®¹i l−îng ®iÖn (s) ë ®Çu ra cña c¶m biÕn vµo gi¸ trÞ cña ®¹i l−îng ®o (m) ë ®Çu vµo. §−êng cong chuÈn cã thÓ biÓu diÔn b»ng biÓu thøc ®¹i sè d−íi d¹ng ( ) m F s = , hoÆc b»ng ®å thÞ nh− h×nh 1.1a. H×nh 1.1 §−êng cong chuÈn c¶m biÕn a) D¹ng ®−êng cong chuÈn b) §−êng cong chuÈn cña c¶m biÕn tuyÕn tÝnh s mi si m a) 0 s m b) 0
- 6. Dùa vµo ®−êngcong chuÈn cña c¶m biÕn, ta cã thÓ x¸c ®Þnh gi¸ trÞ mi ch−a biÕt cña m th«ng qua gi¸ trÞ ®o ®−îc si cña s. §Ó dÔ sö dông, ng−êi ta th−êng chÕ t¹o c¶m biÕn cã sù phô thuéc tuyÕn tÝnh gi÷a ®¹i l−îng ®Çu ra vµ ®¹i l−îng ®Çu vµo, ph−¬ng tr×nh s= F(m) cã d¹ng s = am +b víi a, b lµ c¸c hÖ sè, khi ®ã ®−êng cong chuÈn lµ ®−êng th¼ng (h×nh 1.1b). 1.2.2. Ph−¬ng ph¸p chuÈn c¶m biÕn ChuÈn c¶m biÕn lµ phÐp ®o nh»m môc ®Ých x¸c lËp mèi quan hÖ gi÷a gi¸ trÞ s ®o ®−îc cña ®¹i l−îng ®iÖn ë ®Çu ra vµ gi¸ trÞ m cña ®¹i l−îng ®o cã tÝnh ®Õn c¸c yÕu tè ¶nh h−ëng, trªn c¬ së ®ã x©y dùng ®−êng cong chuÈn d−íi d¹ng t−êng minh (®å thÞ hoÆc biÓu thøc ®¹i sè). Khi chuÈn c¶m biÕn, víi mét lo¹t gi¸ trÞ ®· biÕt chÝnh x¸c mi cña m, ®o gi¸ trÞ t−¬ng øng si cña s vµ dùng ®−êng cong chuÈn. a) ChuÈn ®¬n gi¶n Trong tr−êng hîp ®¹i l−îng ®o chØ cã mét ®¹i l−îng vËt lý duy nhÊt t¸c ®éng lªn mét ®¹i l−îng ®o x¸c ®Þnh vµ c¶m biÕn sö dông kh«ng nh¹y víi t¸c ®éng cña c¸c ®¹i l−îng ¶nh h−ëng, ng−êi ta dïng ph−¬ng ph¸p chuÈn ®¬n gi¶n. Thùc chÊt cña chuÈn ®¬n gi¶n lµ ®o c¸c gi¸ trÞ cña ®¹i l−îng ®Çu ra øng víi c¸c gi¸ x¸c ®Þnh kh«ng ®æi cña ®¹i l−îng ®o ë ®Çu vµo. ViÖc chuÈn ®−îc tiÕn hµnh theo hai c¸ch: - ChuÈn trùc tiÕp: c¸c gi¸ trÞ kh¸c nhau cña ®¹i l−îng ®o lÊy tõ c¸c mÉu chuÈn hoÆc c¸c phÇn tö so s¸nh cã gi¸ trÞ biÕt tr−íc víi ®é chÝnh x¸c cao. - ChuÈn gi¸n tiÕp: kÕt hîp c¶m biÕn cÇn chuÈn víi mét c¶m biÕn so s¸nh ®· cã s½n ®−êng cong chuÈn, c¶ hai ®−îc ®Æt trong cïng ®iÒu kiÖn lµm viÖc. Khi t¸c ®éng lªn hai c¶m biÕn víi cïng mét gi¸ trÞ cña ®¹i l−îng ®o ta nhËn ®−îc gi¸ trÞ t−¬ng øng cña c¶m biÕn so s¸nh vµ c¶m biÕn cÇn chuÈn. LÆp l¹i t−¬ng tù víi c¸c gi¸ trÞ kh¸c cña ®¹i l−îng ®o cho phÐp ta x©y dùng ®−îc ®−êng cong chuÈn cña c¶m biÕn cÇn chuÈn. b) ChuÈn nhiÒu lÇn m1 m2 s1 s2 s m H×nh 1.2 Ph−¬ng ph¸p chuÈn c¶m biÕn
- 7. Khi c¶m biÕncã phÇn tö bÞ trÔ (trÔ c¬ hoÆc trÔ tõ), gi¸ trÞ ®o ®−îc ë ®Çu ra phô thuéc kh«ng nh÷ng vµo gi¸ trÞ tøc thêi cña ®¹i l−îng cÇn ®o ë ®Çu vµo mµ cßn phô thuéc vµo gi¸ trÞ tr−íc ®ã cña cña ®¹i l−îng nµy. Trong tr−êng hîp nh− vËy, ng−êi ta ¸p dông ph−¬ng ph¸p chuÈn nhiÒu lÇn vµ tiÕn hµnh nh− sau: - §Æt l¹i ®iÓm 0 cña c¶m biÕn: ®¹i l−îng cÇn ®o vµ ®¹i l−îng ®Çu ra cã gi¸ trÞ t−¬ng øng víi ®iÓm gèc, m=0 vµ s=0. - §o gi¸ trÞ ®Çu ra theo mét lo¹t gi¸ trÞ t¨ng dÇn ®Õn gi¸ trÞ cùc ®¹i cña ®¹i l−îng ®o ë ®Çu vµo. - LÆp l¹i qu¸ tr×nh ®o víi c¸c gi¸ trÞ gi¶m dÇn tõ gi¸ trÞ cùc ®¹i. Khi chuÈn nhiÒu lÇn cho phÐp x¸c ®Þnh ®−êng cong chuÈn theo c¶ hai h−íng ®o t¨ng dÇn vµ ®o gi¶m dÇn. 1.3. C¸c ®Æc tr−ng c¬ b¶n 1.3.1. §é nh¹y cña c¶m biÕn a) Kh¸i niÖm §èi víi c¶m biÕn tuyÕn tÝnh, gi÷a biÕn thiªn ®Çu ra ∆s vµ biÕn thiªn ®Çu vµo ∆m cã sù liªn hÖ tuyÕn tÝnh: m . S s ∆ = ∆ (1.2) §¹i l−îng S x¸c ®Þnh bëi biÓu thøc m s S ∆ ∆ = ®−îc gäi lµ ®é nh¹y cña c¶m biÕn. Tr−êng hîp tæng qu¸t, biÓu thøc x¸c ®Þnh ®é nh¹y S cña c¶m biÕn xung quanh gi¸ trÞ mi cña ®¹i l−îng ®o x¸c ®Þnh bëi tû sè gi÷a biÕn thiªn ∆s cña ®¹i l−îng ®Çu ra vµ biÕn thiªn ∆m t−¬ng øng cña ®¹i l−îng ®o ë ®Çu vµo quanh gi¸ trÞ ®ã: i m m m s S = ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ∆ ∆ = (1.3) §Ó phÐp ®o ®¹t ®é chÝnh x¸c cao, khi thiÕt kÕ vµ sö dông c¶m biÕn cÇn lµm sao cho ®é nh¹y S cña nã kh«ng ®æi, nghÜa lµ Ýt phô thuéc nhÊt vµo c¸c yÕu tè sau: - Gi¸ trÞ cña ®¹i l−îng cÇn ®o m vµ tÇn sè thay ®æi cña nã. - Thêi gian sö dông. - ¶nh h−ëng cña c¸c ®¹i l−îng vËt lý kh¸c (kh«ng ph¶i lµ ®¹i l−îng ®o) cña m«i tr−êng xung quanh. Th«ng th−êng nhµ s¶n xuÊt cung cÊp gi¸ trÞ cña ®é nh¹y S t−¬ng øng víi nh÷ng ®iÒu kiÖn lµm viÖc nhÊt ®Þnh cña c¶m biÕn.
- 8. b) §é nh¹ytrong chÕ ®é tÜnh vµ tû sè chuyÓn ®æi tÜnh §−êng chuÈn c¶m biÕn, x©y dùng trªn c¬ së ®o c¸c gi¸ trÞ si ë ®Çu ra t−¬ng øng víi c¸c gi¸ trÞ kh«ng ®æi mi cña ®¹i l−îng ®o khi ®¹i l−îng nµy ®¹t ®Õn chÕ ®é lµm viÖc danh ®Þnh ®−îc gäi lµ ®Æc tr−ng tÜnh cña c¶m biÕn. Mét ®iÓm Qi(mi,si) trªn ®Æc tr−ng tÜnh x¸c ®Þnh mét ®iÓm lµm viÖc cña c¶m biÕn ë chÕ ®é tÜnh. Trong chÕ ®é tÜnh, ®é nh¹y S x¸c ®Þnh theo c«ng thøc (1.3) chÝnh lµ ®é ®èc cña ®Æc tr−ng tÜnh ë ®iÓm lµm viÖc ®ang xÐt. Nh− vËy, nÕu ®Æc tr−ng tÜnh kh«ng ph¶i lµ tuyÕn tÝnh th× ®é nh¹y trong chÕ ®é tÜnh phô thuéc ®iÓm lµm viÖc. §¹i l−îng ri x¸c ®Þnh bëi tû sè gi÷a gi¸ trÞ si ë ®Çu ra vµ gi¸ trÞ mi ë ®Çu vµo ®−îc gäi lµ tû sè chuyÓn ®æi tÜnh: i Q i m s r ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ = (1.4) Tõ (1.4), ta nhËn thÊy tû sè chuyÓn ®æi tÜnh ri kh«ng phô thuéc vµo ®iÓm lµm viÖc Qi vµ chØ b»ng S khi ®Æc tr−ng tÜnh lµ ®−êng th¼ng ®i qua gèc to¹ ®é. c) §é nh¹y trong chÕ ®é ®éng §é nh¹y trong chÕ ®é ®éng ®−îc x¸c ®Þnh khi ®¹i l−îng ®o biÕn thiªn tuÇn hoµn theo thêi gian. Gi¶ sö biÕn thiªn cña ®¹i l−îng ®o m theo thêi gian cã d¹ng: t cos m m ) t ( m 1 0 ω + = (1.5) Trong ®ã m0 lµ gi¸ trÞ kh«ng ®æi, m1 lµ biªn ®é vµ ω tÇn sè gãc cña biÕn thiªn ®¹i l−îng ®o. ë ®Çu ra cña c¶m biÕn, håi ®¸p s cã d¹ng: ) t cos( s s ) t ( s 1 0 ϕ + ω + = Trong ®ã: - s0 lµ gi¸ trÞ kh«ng ®æi t−¬ng øng víi m0 x¸c ®Þnh ®iÓm lµm viÖc Q0 trªn ®−êng cong chuÈn ë chÕ ®é tÜnh. - s1 lµ biªn ®é biÕn thiªn ë ®Çu ra do thµnh phÇn biÕn thiªn cña ®¹i l−îng ®o g©y nªn. - ϕ lµ ®é lÖch pha gi÷a ®¹i l−îng ®Çu vµo vµ ®¹i l−îng ®Çu ra. Trong chÕ ®é ®éng, ®é nh¹y S cña c¶m biÕn ®−îc x¸c ®Þnh bëi tØ sè gi÷a biªn ®é cña biÕn thiªn ®Çu ra s1 vµ biªn ®é cña biÕn thiªn ®Çu vµo m1 øng víi ®iÓm lµm viÖc ®−îc xÐt Q0, theo c«ng thøc: 0 Q 1 1 m s S ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ =
- 9. §é nh¹y trongchÕ ®é ®éng phô thuéc vµo tÇn sè ®¹i l−îng ®o, ) f ( S S = . Sù biÕn thiªn cña ®é nh¹y theo tÇn sè cã nguån gèc lµ do qu¸n tÝnh c¬, nhiÖt hoÆc ®iÖn cña ®Çu ®o, tøc lµ cña c¶m biÕn vµ c¸c thiÕt bÞ phô trî, chóng kh«ng thÓ cung cÊp tøc thêi tÝn hiÖu ®iÖn theo kÞp biÕn thiªn cña ®¹i l−îng ®o. Bëi vËy khi xÐt sù håi ®¸p cã phô thuéc vµo tÇn sè cÇn ph¶i xem xÐt s¬ ®å m¹ch ®o cña c¶m biÕn mét c¸ch tæng thÓ. 1.3.2. §é tuyÕn tÝnh a) Kh¸i niÖm Mét c¶m biÕn ®−îc gäi lµ tuyÕn tÝnh trong mét d¶i ®o x¸c ®Þnh nÕu trong d¶i chÕ ®é ®ã, ®é nh¹y kh«ng phô thuéc vµo ®¹i l−îng ®o. Trong chÕ ®é tÜnh, ®é tuyÕn tÝnh chÝnh lµ sù kh«ng phô thuéc cña ®é nh¹y cña c¶m biÕn vµo gi¸ trÞ cña ®¹i l−îng ®o, thÓ hiÖn bëi c¸c ®o¹n th¼ng trªn ®Æc tr−ng tÜnh cña c¶m biÕn vµ ho¹t ®éng cña c¶m biÕn lµ tuyÕn tÝnh chõng nµo ®¹i l−îng ®o cßn n»m trong vïng nµy. Trong chÕ ®é ®éng, ®é tuyÕn tÝnh bao gåm sù kh«ng phô thuéc cña ®é nh¹y ë chÕ ®é tÜnh S(0) vµo ®¹i l−îng ®o, ®ång thêi c¸c th«ng sè quyÕt ®Þnh sù håi ®¸p (nh− tÇn sè riªng f0 cña dao ®éng kh«ng t¾t, hÖ sè t¾t dÇn ξ còng kh«ng phô thuéc vµo ®¹i l−îng ®o. NÕu c¶m biÕn kh«ng tuyÕn tÝnh, ng−êi ta ®−a vµo m¹ch ®o c¸c thiÕt bÞ hiÖu chØnh sao cho tÝn hiÖu ®iÖn nhËn ®−îc ë ®Çu ra tØ lÖ víi sù thay ®æi cña ®¹i l−îng ®o ë ®Çu vµo. Sù hiÖu chØnh ®ã ®−îc gäi lµ sù tuyÕn tÝnh ho¸. b) §−êng th¼ng tèt nhÊt Khi chuÈn c¶m biÕn, tõ kÕt qu¶ thùc nghiÖm ta nhËn ®−îc mét lo¹t ®iÓm t−¬ng øng (si,mi) cña ®¹i l−îng ®Çu ra vµ ®¹i l−îng ®Çu vµo. VÒ mÆt lý thuyÕt, ®èi víi c¸c c¶m biÕn tuyÕn tÝnh, ®−êng cong chuÈn lµ mét ®−êng th¼ng. Tuy nhiªn, do sai sè khi ®o, c¸c ®iÓm chuÈn (mi, si) nhËn ®−îc b»ng thùc nghiÖm th−êng kh«ng n»m trªn cïng mét ®−êng th¼ng. §−êng th¼ng ®−îc x©y dùng trªn c¬ së c¸c sè liÖu thùc nghiÖm sao cho sai sè lµ bÐ nhÊt, biÓu diÔn sù tuyÕn tÝnh cña c¶m biÕn ®−îc gäi lµ ®−êng th¼ng tèt nhÊt. Ph−¬ng tr×nh biÓu diÔn ®−êng th¼ng tèt nhÊt ®−îc lËp b»ng ph−¬ng ph¸p b×nh ph−¬ng bÐ nhÊt. Gi¶ sö khi chuÈn c¶m biÕn ta tiÕn hµnh víi N ®iÓm ®o, ph−¬ng tr×nh cã d¹ng: b am s + = Trong ®ã:
- 10. ( )2 i 2 i i i i i m m . N m . s m . s . N a ∑ ∑ ∑∑ ∑ − − = ( ) ∑ ∑ ∑ ∑ ∑ ∑ − − = 2 i 2 i i i i 2 i i m m . N m . s . m m . s b c) §é lÖch tuyÕn tÝnh §èi víi c¸c c¶m biÕn kh«ng hoµn toµn tuyÕn tÝnh, ng−êi ta ®−a ra kh¸i niÖm ®é lÖch tuyÕn tÝnh, x¸c ®Þnh bëi ®é lÖch cùc ®¹i gi÷a ®−êng cong chuÈn vµ ®−êng th¼ng tèt nhÊt, tÝnh b»ng % trong d¶i ®o. 1.3.3. Sai sè vµ ®é chÝnh x¸c C¸c bé c¶m biÕn còng nh− c¸c dông cô ®o l−êng kh¸c, ngoµi ®¹i l−îng cÇn ®o (c¶m nhËn) cßn chÞu t¸c ®éng cña nhiÒu ®¹i l−îng vËt lý kh¸c g©y nªn sai sè gi÷a gi¸ trÞ ®o ®−îc vµ gi¸ trÞ thùc cña ®¹i l−îng cÇn ®o. Gäi ∆x lµ ®é lÖch tuyÖt ®èi gi÷a gi¸ trÞ ®o vµ gi¸ trÞ thùc x (sai sè tuyÖt ®èi), sai sè t−¬ng ®èi cña bé c¶m biÕn ®−îc tÝnh b»ng: 100 . x x ∆ = δ [%] Sai sè cña bé c¶m biÕn mang tÝnh chÊt −íc tÝnh bëi v× kh«ng thÓ biÕt chÝnh x¸c gi¸ trÞ thùc cña ®¹i l−îng cÇn ®o. Khi ®¸nh gi¸ sai sè cña c¶m biÕn, ng−êi ta th−êng ph©n chóng thµnh hai lo¹i: sai sè hÖ thèng vµ sai sè ngÉu nhiªn. - Sai sè hÖ thèng: lµ sai sè kh«ng phô thuéc vµo sè lÇn ®o, cã gi¸ trÞ kh«ng ®æi hoÆc thay ®æi chËm theo thêi gian ®o vµ thªm vµo mét ®é lÖch kh«ng ®æi gi÷a gi¸ trÞ thùc vµ gi¸ trÞ ®o ®−îc. Sai sè hÖ thèng th−êng do sù thiÕu hiÓu biÕt vÒ hÖ ®o, do ®iÒu kiÖn sö dông kh«ng tèt g©y ra. C¸c nguyªn nh©n g©y ra sai sè hÖ thèng cã thÓ lµ: Do nguyªn lý cña c¶m biÕn. + Do gi¸ trÞ cña ®¹i l−îng chuÈn kh«ng ®óng. + Do ®Æc tÝnh cña bé c¶m biÕn. + Do ®iÒu kiÖn vµ chÕ ®é sö dông. +Do xö lý kÕt qu¶ ®o. - Sai sè ngÉu nhiªn: lµ sai sè xuÊt hiÖn cã ®é lín vµ chiÒu kh«ng x¸c ®Þnh. Ta cã thÓ dù ®o¸n ®−îc mét sè nguyªn nh©n g©y ra sai sè ngÉu nhiªn nh−ng kh«ng thÓ dù ®o¸n ®−îc ®é lín vµ dÊu cña nã. Nh÷ng nguyªn nh©n g©y ra sai sè ngÉu nhiªn cã thÓ lµ: + Do sù thay ®æi ®Æc tÝnh cña thiÕt bÞ. + Do tÝn hiÖu nhiÔu ngÉu nhiªn. + Do c¸c ®¹i l−îng ¶nh h−ëng kh«ng ®−îc tÝnh ®Õn khi chuÈn c¶m biÕn. Chóng ta cã thÓ gi¶m thiÓu sai sè ngÉu nhiªn b»ng mét sè biÖn ph¸p thùc nghiÖm thÝch hîp nh− b¶o vÖ c¸c m¹ch ®o tr¸nh ¶nh h−ëng cña nhiÔu, tù ®éng ®iÒu chØnh ®iÖn ¸p nguån
- 11. nu«i, bï c¸c¶nh h−ëng nhiÖt ®é, tÇn sè, vËn hµnh ®óng chÕ ®é hoÆc thùc hiÖn phÐp ®o l−êng thèng kª. 1.3.4. §é nhanh vµ thêi gian håi ®¸p §é nhanh lµ ®Æc tr−ng cña c¶m biÕn cho phÐp ®¸nh gi¸ kh¶ n¨ng theo kÞp vÒ thêi gian cña ®¹i l−îng ®Çu ra khi ®¹i l−îng ®Çu vµo biÕn thiªn. Thêi gian håi ®¸p lµ ®¹i l−îng ®−îc sö dông ®Ó x¸c ®Þnh gi¸ trÞ sè cña ®é nhanh. §é nhanh tr lµ kho¶ng thêi gian tõ khi ®¹i l−îng ®o thay ®æi ®ét ngét ®Õn khi biÕn thiªn cña ®¹i l−îng ®Çu ra chØ cßn kh¸c gi¸ trÞ cuèi cïng mét l−îng giíi h¹n ε tÝnh b»ng %. Thêi gian håi ®¸p t−¬ng øng víi ε% x¸c ®Þnh kho¶ng thêi gian cÇn thiÕt ph¶i chê ®îi sau khi cã sù biÕn thiªn cña ®¹i l−îng ®o ®Ó lÊy gi¸ trÞ cña ®Çu ra víi ®é chÝnh x¸c ®Þnh tr−íc. Thêi gian håi ®¸p ®Æc tr−ng cho chÕ ®é qu¸ ®é cña c¶m biÕn vµ lµ hµm cña c¸c th«ng sè thêi gian x¸c ®Þnh chÕ ®é nµy. Trong tr−êng hîp sù thay ®æi cña ®¹i l−îng ®o cã d¹ng bËc thang, c¸c th«ng sè thêi gian gåm thêi gian trÔ khi t¨ng (tdm) vµ thêi gian t¨ng (tm) øng víi sù t¨ng ®ét ngét cña ®¹i l−îng ®o hoÆc thêi gian trÔ khi gi¶m (tdc) vµ thêi gian gi¶m (tc) øng víi sù gi¶m ®ét ngét cña ®¹i l−îng ®o. Kho¶ng thêi gian trÔ khi t¨ng tdm lµ thêi gian cÇn thiÕt ®Ó ®¹i l−îng ®Çu ra t¨ng tõ gi¸ trÞ ban ®Çu cña nã ®Õn 10% cña biÕn thiªn tæng céng cña ®¹i l−îng nµy vµ kho¶ng thêi gian t¨ng tm lµ thêi gian cÇn thiÕt ®Ó ®¹i l−îng ®Çu ra t¨ng tõ 10% ®Õn 90% biÕn thiªn biÕn thiªn tæng céng cña nã. T−¬ng tù, khi ®¹i l−îng ®o gi¶m, thêi gian trÓ khi gi¶m tdc lµ thêi gian cÇn thiÕt ®Ó ®¹i l−îng ®Çu ra gi¶m tõ gi¸ trÞ ban ®Çu cña nã ®Õn 10% biÕn thiªn tæng céng cña ®¹i l−îng nµy vµ kho¶ng thêi gian gi¶m tc lµ thêi gian cÇn thiÕt ®Ó ®¹i l−îng ®Çu ra gi¶m tõ 10% ®Õn 90% biÕn thiªn biÕn thiªn tæng cæng cña nã. C¸c th«ng sè vÒ thêi gian tr, tdm, tm, tdc, tc cña c¶m biÕn cho phÐp ta ®¸nh gi¸ vÒ thêi gian håi ®¸p cña nã. H×nh 1.3 X¸c ®Þnh c¸c kho¶ng thêi m m0 t 0 s s 0,9 t 0,1 tdm tm tdc tc
- 12. 1.3.5. Giíi h¹nsö dông cña c¶m biÕn Trong qu¸ tr×nh sö dông, c¸c c¶m biÕn lu«n chÞu t¸c ®éng cña øng lùc c¬ häc, t¸c ®éng nhiÖt... Khi c¸c t¸c ®éng nµy v−ît qu¸ ng−ìng cho phÐp, chóng sÏ lµm thay ®æi ®Æc tr−ng lµm viÖc cña c¶m biÕn. Bëi vËy khi sö dông c¶m biÕn, ng−êi sö dông cÇn ph¶i biÕt râ c¸c giíi h¹n nµy. a) Vïng lµm viÖc danh ®Þnh Vïng lµm viÖc danh ®Þnh t−¬ng øng víi nh÷ng ®iÒu kiÖn sö dông b×nh th−êng cña c¶m biÕn. Giíi h¹n cña vïng lµ c¸c gi¸ trÞ ng−ìng mµ c¸c ®¹i l−îng ®o, c¸c ®¹i l−îng vËt lý cã liªn quan ®Õn ®¹i l−îng ®o hoÆc c¸c ®¹i l−îng ¶nh h−ëng cã thÓ th−êng xuyªn ®¹t tíi mµ kh«ng lµm thay ®æi c¸c ®Æc tr−ng lµm viÖc danh ®Þnh cña c¶m biÕn. b) Vïng kh«ng g©y nªn h− háng Vïng kh«ng g©y nªn h− háng lµ vïng mµ khi mµ c¸c ®¹i l−îng ®o hoÆc c¸c ®¹i l−îng vËt lý cã liªn quan vµ c¸c ®¹i l−îng ¶nh h−ëng v−ît qua ng−ìng cña vïng lµm viÖc danh ®Þnh nh−ng vÉn cßn n»m trong ph¹m vi kh«ng g©y nªn h− háng, c¸c ®Æc tr−ng cña c¶m biÕn cã thÓ bÞ thay ®æi nh−ng nh÷ng thay ®æi nµy mang tÝnh thuËn nghÞch, tøc lµ khi trë vÒ vïng lµm viÖc danh ®Þnh c¸c ®Æc tr−ng cña c¶m biÕn lÊy l¹i gi¸ trÞ ban ®Çu cña chóng. c) Vïng kh«ng ph¸ huû Vïng kh«ng ph¸ hñy lµ vïng mµ khi mµ c¸c ®¹i l−îng ®o hoÆc c¸c ®¹i l−îng vËt lý cã liªn quan vµ c¸c ®¹i l−îng ¶nh h−ëng v−ît qua ng−ìng cña vïng kh«ng g©y nªn h− háng nh−ng vÉn cßn n»m trong ph¹m vi kh«ng bÞ ph¸ hñy, c¸c ®Æc tr−ng cña c¶m biÕn bÞ thay ®æi vµ nh÷ng thay ®æi nµy mang tÝnh kh«ng thuËn nghÞch, tøc lµ khi trë vÒ vïng lµm viÖc danh ®Þnh c¸c ®Æc tr−ng cña c¶m biÕn kh«ng thÓ lÊy l¹i gi¸ trÞ ban ®Çu cña chóng. Trong tr−êng hîp nµy c¶m biÕn vÉn cßn sö dông ®−îc, nh−ng ph¶i tiÕn hµnh chuÈn l¹i c¶m biÕn. 1.4. Nguyªn lý chung chÕ t¹o c¶m biÕn C¸c c¶m biÕn ®−îc chÕ t¹o dùa trªn c¬ së c¸c hiÖn t−îng vËt lý vµ ®−îc ph©n lµm hai lo¹i: - C¶m biÕn tÝch cùc: lµ c¸c c¶m biÕn ho¹t ®éng nh− mét m¸y ph¸t, ®¸p øng (s) lµ ®iÖn tÝch, ®iÖn ¸p hay dßng. - C¶m biÕn thô ®éng: lµ c¸c c¶m biÕn ho¹t ®éng nh− mét trë kh¸ng trong ®ã ®¸p øng (s) lµ ®iÖn trë, ®é tù c¶m hoÆc ®iÖn dung. 1.4.1. Nguyªn lý chÕ t¹o c¸c c¶m biÕn tÝch cùc
- 13. C¸c c¶m biÕntÝch cùc ®−îc chÕ t¹o dùa trªn c¬ së øng dông c¸c hiÖu øng vËt lý biÕn ®æi mét d¹ng n¨ng l−îng nµo ®ã (nhiÖt, c¬ hoÆc bøc x¹) thµnh n¨ng l−îng ®iÖn. D−íi ®©y m« t¶ mét c¸ch kh¸i qu¸t øng dông mét sè hiÖu øng vËt lý khi chÕ t¹o c¶m biÕn. a) HiÖu øng nhiÖt ®iÖn Hai d©y dÉn (M1) vµ (M2) cã b¶n chÊt ho¸ häc kh¸c nhau ®−îc hµn l¹i víi nhau thµnh mét m¹ch ®iÖn kÝn, nÕu nhiÖt ®é ë hai mèi hµn lµ T1 vµ T2 kh¸c nhau, khi ®ã trong m¹ch xuÊt hiÖn mét suÊt ®iÖn ®éng e(T1, T2) mµ ®é lín cña nã phô thuéc chªnh lÖch nhiÖt ®é gi÷a T1 vµ T2. HiÖu øng nhiÖt ®iÖn ®−îc øng dông ®Ó ®o nhiÖt ®é T1 khi biÕt tr−íc nhiÖt ®é T2, th−êng chän T2 = 0o C. b) HiÖu øng ho¶ ®iÖn Mét sè tinh thÓ gäi lµ tinh thÓ ho¶ ®iÖn (vÝ dô tinh thÓ sulfate triglycine) cã tÝnh ph©n cùc ®iÖn tù ph¸t víi ®é ph©n cùc phô thuéc vµo nhiÖt ®é, lµm xuÊt hiÖn trªn c¸c mÆt ®èi diÖn cña chóng nh÷ng ®iÖn tÝch tr¸i dÊu. §é lín cña ®iÖn ¸p gi÷a hai mÆt phô thuéc vµo ®é ph©n cùc cña tinh thÓ ho¶ ®iÖn. HiÖu øng ho¶ ®iÖn ®−îc øng dông ®Ó ®o th«ng l−îng cña bøc x¹ ¸nh s¸ng. Khi ta chiÕu mét chïm ¸nh s¸ng vµo tinh thÓ ho¶ ®iÖn, tinh thÓ hÊp thô ¸nh s¸ng vµ nhiÖt ®é T1 T2 (M1) (M2) (M2) e H×nh 1.4. S¬ ®å hiÖu øng nhiÖt ®iÖn. T1 v Φ H×nh 1.5 øng dông hiÖu øng ho¶ ®iÖn Φ
- 14. cña nã t¨nglªn, lµm thay ®æi sù ph©n cùc ®iÖn cña tinh thÓ. §o ®iÖn ¸p V ta cã thÓ x¸c ®Þnh ®−îc th«ng l−îng ¸nh s¸ng Φ. c) HiÖu øng ¸p ®iÖn Mét sè vËt liÖu gäi chung lµ vËt liÖu ¸p ®iÖn (nh− th¹ch anh ch¼ng h¹n) khi bÞ biÕn d¹ng d−íc t¸c ®éng cña lùc c¬ häc, trªn c¸c mÆt ®èi diÖn cña tÊm vËt liÖu xuÊt hiÖn nh÷ng l−îng ®iÖn tÝch b»ng nhau nh−ng tr¸i dÊu, ®−îc gäi lµ hiÖu øng ¸p ®iÖn. §o V ta cã thÓ x¸c ®Þnh ®−îc c−êng ®é cña lùc t¸c dông F. d) HiÖu øng c¶m øng ®iÖn tõ Khi mét d©y dÉn chuyÓn ®éng trong tõ tr−êng kh«ng ®æi, trong d©y dÉn xuÊt hiÖn mét suÊt ®iÖn ®éng tû lÖ víi tõ th«ng c¾t ngang d©y trong mét ®¬n vÞ thêi gian, nghÜa lµ tû lÖ víi tèc ®é dÞch chuyÓn cña d©y. T−¬ng tù nh− vËy, trong mét khung d©y ®Æt trong tõ tr−êng cã tõ th«ng biÕn thiªn còng xuÊt hiÖn mét suÊt ®iÖn ®éng tû lÖ víi tèc ®é biÕn thiªn cña tõ th«ng qua khung d©y. HiÖu øng c¶m øng ®iÖn tõ ®−îc øng dông ®Ó x¸c ®Þnh tèc ®é dÞch chuyÓn cña vËt th«ng qua viÖc ®o suÊt ®iÖn ®éng c¶m øng. e) HiÖu øng quang ®iÖn - HiÖu øng quang dÉn: (hay cßn gäi lµ hiÖu øng quang ®iÖn néi) lµ hiÖn t−îng gi¶i phãng ra c¸c h¹t dÉn tù do trong vËt liÖu (th−êng lµ b¸n dÉn) khi chiÕu vµo chóng mét bøc x¹ ¸nh s¸ng (hoÆc bøc x¹ ®iÖn tõ nãi chung) cã b−íc sãng nhá h¬n mét ng−ìng nhÊt ®Þnh. e Ω Ω H×nh 1.7 øng dông hiÖu øng c¶m øng ®iÖn tõ B V F H×nh 1.6 øng dông hiÖu øng ¸p ®iÖn F
- 15. - HiÖu øngquang ph¸t x¹ ®iÖn tö: (hay cßn gäi lµ hiÖu øng quang ®iÖn ngoµi) lµ hiÖn t−îng c¸c ®iÖn tö ®−îc gi¶i phãng vµ tho¸t khái bÒ mÆt vËt liÖu t¹o thµnh dßng cã thÓ thu l¹i nhê t¸c dông cña ®iÖn tr−êng. g) HiÖu øng quang - ®iÖn - tõ Khi t¸c dông mét tõ tr−êng B vu«ng gãc víi bøc x¹ ¸nh s¸ng, trong vËt liÖu b¸n dÉn ®−îc chiÕu s¸ng sÏ xuÊt hiÖn mét hiÖu ®iÖn thÕ theo h−íng vu«ng gãc víi tõ tr−êng B vµ h−íng bøc x¹ ¸nh s¸ng. h) HiÖu øng Hall Khi ®Æt mét tÊm máng vËt liÖu máng (th−êng lµ b¸n dÉn), trong ®ã cã dßng ®iÖn ch¹y qua, vµo trong mét tõ tr−êng B cã ph−¬ng t¹o víi dßng ®iÖn I trong tÊm mét gãc θ, sÏ xuÊt hiÖn mét hiÖu ®iÖn thÕ VH theo h−íng vu«ng gãc víi B vµ I. BiÓu thøc hiÖu ®iÖn thÕ cã d¹ng: θ = sin . B . I . K V H H Trong ®ã KH lµ hÖ sè phô thuéc vµo vËt liÖu vµ kÝch th−íc h×nh häc cña tÊm vËt liÖu. HiÖu øng Hall ®−îc øng dông ®Ó x¸c ®Þnh vÞ trÝ cña mét vËt chuyÓn ®éng. VËt cÇn x¸c ®Þnh vÞ trÝ liªn kÕt c¬ häc víi thanh nam ch©m, ë mäi thêi ®iÓm, vÞ trÝ thanh nam ch©m x¸c ®Þnh gi¸ trÞ cña tõ tr−êng B vµ gãc θ t−¬ng øng víi tÊm b¸n dÉn máng lµm vËt trung gian. V× vËy, hiÖu ®iÖn thÕ VH ®o ®−îc gi÷a hai c¹nh tÊm b¸n dÉn lµ hµm phô thuéc vµo vÞ trÝ cña vËt trong kh«ng gian. B Φ V Φ H×nh 1.8 øng dông hiÖu øng quang - ®iÖn - tõ θ B S N v X X H×nh 1.9 øng dông hiÖu øng Hall
- 16. 1.4.2. Nguyªn chÕt¹o c¶m biÕn thô ®éng C¶m biÕn thô ®éng th−êng ®−îc chÕ t¹o tõ mét trë kh¸ng cã c¸c th«ng sè chñ yÕu nh¹y víi ®¹i l−îng cÇn ®o. Gi¸ trÞ cña trë kh¸ng phô thuéc kÝch th−íc h×nh häc, tÝnh chÊt ®iÖn cña vËt liÖu chÕ t¹o (nh− ®iÖn trë suÊt ρ, ®é tõ thÈm µ, h»ng sè ®iÖn m«i ε). V× vËy t¸c ®éng cña ®¹i l−îng ®o cã thÓ ¶nh h−ëng riªng biÖt ®Õn kÝch th−íc h×nh häc, tÝnh chÊt ®iÖn hoÆc ®ång thêi c¶ hai. Sù thay ®æi th«ng sè h×nh häc cña trë kh¸ng g©y ra do chuyÓn ®éng cña phÇn tö chuyÓn ®éng hoÆc phÇn tö biÕn d¹ng cña c¶m biÕn. Trong c¸c c¶m biÕn cã phÇn tö chuyÓn ®éng, mçi vÞ trÝ cña phÇn tö ®éng sÏ øng víi mét gi¸ trÞ x¸c ®Þnh cña trë kh¸ng, cho nªn ®o trë kh¸ng cã thÓ x¸c ®Þnh ®−îc vÞ trÝ cña ®èi t−îng. Trong c¶m biÕn cã phÇn tö biÕn d¹ng, sù biÕn d¹ng cña phÇn tö biÕn d¹ng d−íi t¸c ®éng cña ®¹i l−îng ®o (lùc hoÆc c¸c ®¹i l−îng g©y ra lùc) g©y ra sù thay ®æi cña trë kh¸ng cña c¶m biÕn. Sù thay ®æi trë kh¸ng do biÕn d¹ng liªn quan ®Õn lùc t¸c ®éng, do ®ã liªn quan ®Õn ®¹i l−îng cÇn ®o. X¸c ®Þnh trë kh¸ng ta cã thÓ x¸c ®Þnh ®−îc ®¹i l−îng cÇn ®o. Sù thay ®æi tÝnh chÊt ®iÖn cña c¶m biÕn phô thuéc vµo b¶n chÊt vËt liÖu chÕ t¹o trë kh¸ng vµ yÕu tè t¸c ®éng (nhiÖt ®é, ®é chiÕu s¸ng, ¸p suÊt, ®é Èm ...). §Ó chÕ t¹o c¶m biÕn, ng−êi ta chän sao cho tÝnh chÊt ®iÖn cña nã chØ nh¹y víi mét trong c¸c ®¹i l−îng vËt lý trªn, ¶nh h−ëng cña c¸c ®¹i l−îng kh¸c lµ kh«ng ®¸ng kÓ. Khi ®ã cã thÓ thiÕt lËp ®−îc sù phô thuéc ®¬n trÞ gi÷a gi¸ trÞ ®¹i l−îng cÇn ®o vµ gi¸ trÞ trë kh¸ng cña c¶m biÕn. Trªn b¶ng 1.1 giíi thiÖu c¸c ®¹i l−îng cÇn ®o cã kh¶ n¨ng lµm thay ®æi tÝnh chÊt ®iÖn cña vËt liÖu sö dông chÕ t¹o c¶m biÕn. B¶ng 1.1 §¹i l−îng cÇn ®o §Æc tr−ng nh¹y c¶m Lo¹i vËt liÖu sö dông NhiÖt ®é ρ Kim lo¹i (Pt, Ni, Cu) B¸n dÉn Bøc x¹ ¸nh s¸ng ρ B¸n dÉn BiÕn d¹ng ρ Tõ thÈm (µ) Hîp kim Ni, Si pha t¹p Hîp kim s¾t tõ VÞ trÝ (nam ch©m) ρ VËt liÖu tõ ®iÖn trë:Bi, InSb 1.5. M¹ch ®o 1.5.1. S¬ ®å m¹ch ®o M¹ch ®o bao gåm toµn bé thiÕt bÞ ®o (trong ®ã cã c¶m biÕn) cho phÐp x¸c ®Þnh chÝnh x¸c gi¸ trÞ cña ®¹i l−îng cÇn ®o trong nh÷ng ®iÒu kiÖn tèt nhÊt cã thÓ.
- 17. ë ®Çu vµocña m¹ch, c¶m biÕn chÞu t¸c ®éng cña ®¹i l−îng cÇn ®o g©y nªn tÝn hiÖu ®iÖn mang theo th«ng tin vÒ ®¹i cÇn ®o. ë ®Çu ra cña m¹ch, tÝn hiÖu ®iÖn ®· qua xö lý ®−îc chuyÓn ®æi sang d¹ng cã thÓ ®äc ®−îc trùc tiÕp gi¸ trÞ cÇn t×m cña ®¹i l−îng ®o. ViÖc chuÈn hÖ ®o ®¶m b¶o cho mçi gi¸ trÞ cña chØ thÞ ®Çu ra t−¬ng øng víi mét gi¸ trÞ cña ®¹i l−îng ®o t¸c ®éng ë ®Çu vµo cña m¹ch. D¹ng ®¬n gi¶n cña m¹ch ®o gåm mét c¶m biÕn, bé phËn biÕn ®æi tÝn hiÖu vµ thiÕt bÞ chØ thÞ, vÝ dô m¹ch ®o nhiÖt ®é gåm mét cÆp nhiÖt ghÐp nèi trùc tiÕp víi mét miliv«n kÕ. Trªn thùc tÕ, do c¸c yªu cÇu kh¸c nhau khi ®o, m¹ch ®o th−êng gåm nhiÒu thµnh phÇn trong ®ã cã c¸c khèi ®Ó tèi −u ho¸ viÖc thu thËp vµ xö lý d÷ liÖu, ch¼ng h¹n m¹ch tuyÕn tÝnh ho¸ tÝn hiÖu nhËn tõ c¶m biÕn, m¹ch khö ®iÖn dung ký sinh, c¸c bé chuyÓn ®æi nhiÒu kªnh, bé khuÕch ®¹i, bé so pha läc nhiÔu, bé chuyÓn ®æi t−¬ng tù - sè, bé vi xö lý, c¸c thiÕt bÞ hç trî... Trªn h×nh 1.11 biÓu diÔn s¬ ®å khèi mét m¹ch ®iÖn ®o ®iÖn thÕ trªn bÒ mÆt mµng nh¹y quang ®−îc l¾p r¸p tõ nhiÒu phÇn tö 1.5.2. Mét sè phÇn tö c¬ b¶n cña m¹ch ®o a) Bé khuÕch ®¹i thuËt to¸n (K§TT) Bé khuÕch ®¹i thuËt to¸n m¹ch tÝch hîp lµ bé khuÕch ®¹i dßng mét chiÒu cã hai ®Çu vµo vµ mét ®Çu ra chung, th−êng gåm hµng tr¨m tranzito vµ c¸c ®iÖn trë, tô ®iÖn ghÐp nèi víi nhau. S¬ ®å bé khuÕch ®¹i thuËt to¸n biÓu diÔn trªn h×nh 1.12. µV H×nh 1.10 S¬ ®å m¹ch ®o nhiÖt ®é b»ng cÆp nhiÖt FC (1) D (2) PA (3) PC (4) (5) ADC (6) M¸y in CPU (7) Mµn h×nh H×nh 1.11 M¹ch ®o ®iÖn thÕ bÒ mÆt 1) M¸y ph¸t chøc n¨ng 2) C¶m biÕn ®iÖn tÝch 3) TiÒn khuÕch ®¹i 4) So pha läc nhiÔu 5) KhuÕch ®¹i 6) ChuyÓn ®æi t−¬ng tù sè 7) M¸y tÝnh
- 18. C¸c ®Æc tÝnhc¬ b¶n cña bé khuÕch ®¹i thuËt to¸n: - Bé khuÕch ®¹i cã hai ®Çu vµo: mét ®Çu ®¶o (-), mét ®Çu kh«ng ®¶o (+). - §iÖn trë vµo rÊt lín, cì hµng tr¨m MΩ ®Õn GΩ. - §iÖn trë ra rÊt nhá, cì phÇn chôc Ω. - §iÖn ¸p lÖch ®Çu vµo rÊt nhá, cì vµi nV. - HÖ sè khuÕch ®¹i hë m¹ch rÊt lín, cì 100.000. - D¶i tÇn lµm viÖc réng. - HÖ sè suy gi¶m theo c¸ch nèi chung CMRR lµ tû sè hÖ sè khuÕch ®¹i cña bé khuÕch ®¹i thuËt to¸n ®èi víi c¸c tÝn hiÖu sai lÖch vµ hÖ sè khuÕch ®¹i theo c¸ch nèi chung cña cïng bé khuÕch ®¹i thuËt to¸n. Th«ng th−êng CMRR vµo kho¶ng 90 dB. - Tèc ®é t¨ng h¹n chÕ sù biÕn thiªn cùc ®¹i cña ®iÖn ¸p tÝnh b»ng V/µs. b) Bé khuÕch ®¹i ®o l−êng IA Bé khuÕch ®¹i ®o l−êng IA cã hai ®Çu vµo vµ mét ®Çu ra. TÝn hiÖu ®Çu ra tû lÖ víi hiÖu cña hai ®iÖn ¸p ®Çu vµo: U A ) U U ( A Ura ∆ = − = − + §Çu vµo vi sai ®ãng vai trß rÊt quan träng trong viÖc khö nhiÔu ë chÕ ®é chung vµ t¨ng ®iÖn trë vµo cña K§TT. §iÖn ¸p trªn Ra ph¶i b»ng ®iÖn ¸p vi sai ®Çu vµo ∆U vµ t¹o nªn dßng ®iÖn a R U i ∆ = . C¸c ®iÖn ¸p ra tõ K§TT U1 vµ U2 ph¶i b»ng nhau vÒ biªn ®é nh−ng ng−îc pha. H×nh 1.13 S¬ ®å bé khuÕch ®¹i ®o l−êng gåm ba K§TT ghÐp nèi ®iÖn trë + − + − + − R 10k R 10k Ra 1k R2 10k R3 10k R2 10k R3 190k U1 U2 U3 §Çu ra − + + − H×nh 1.12 S¬ ®å bé khuÕch ®¹i thuËt to¸n K Ura = K.Uvµo Ura
- 19. §iÖn ¸p U3cña tÇng thø hai biÕn ®æi ®Çu ra vi sai thµnh ®Çu ra ®¬n cùc. HÖ sè khuÕch ®¹i tæng cña IA b»ng: 1 3 a R R R R 2 1 A ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ + = c) Khö ®iÖn ¸p lÖch §èi víi mét bé khuÕch K§TT lý t−ëng khi hë m¹ch ph¶i cã ®iÖn ¸p ra b»ng kh«ng khi hai ®Çu vµo nèi m¸t. Thùc tÕ v× c¸c ®iÖn ¸p bªn trong nªn t¹o ra mét ®iÖn ¸p nhá (®iÖn ¸p ph©n cùc) ë ®Çu vµo K§TT cì vµi mV, nh−ng khi sö dông m¹ch kÝn ®iÖn ¸p nµy ®−îc khuÕch ®¹i vµ t¹o nªn ®iÖn ¸p kh¸ lín ë ®Çu ra. §Ó khö ®iÖn ¸p lÖch cã thÓ sö dông s¬ ®å h×nh 1.14, b»ng c¸ch ®iÒu chØnh biÕn trë R3. d) M¹ch lÆp l¹i ®iÖn ¸p §Ó lÆp l¹i ®iÖn ¸p chÝnh x¸c, ng−êi ta sö dông bé K§TT lµm viÖc ë chÕ ®é kh«ng ®¶o víi hÖ sè khuÕch ®¹i b»ng 1 s¬ ®å nh− h×nh 1.15. Trong bé lÆp ®iÖn ¸p, cùc d−¬ng cña K§TT ®−îc nèi trùc tiÕp víi tÝn hiÖu vµo, cßn cùc ©m ®−îc nèi trùc tiÕp víi ®Çu ra, t¹o nªn ®iÖn ¸p ph¶n håi 100% do ®ã hÖ sè H×nh 1.14 S¬ ®å m¹ch khö ®iÖn ¸p lÖch + 9V R3 10k R2 100k - 9V §Çu ra + − 1 2 3 4 5 6 714 R1 1,01k §Çu vµo 7 H×nh 1.15 S¬ ®å m¹ch lÆp ®iÖn ¸p + 9V - 9V §Çu ra + − 2 3 4 6 714 §Çu vµo 7
- 20. khuÕch ®¹i b»ng1. M¹ch lÆp ®iÖn ¸p cã chøc n¨ng t¨ng ®iÖn trë ®Çu vµo, do vËy th−êng dïng ®Ó nèi gi÷a hai kh©u trong m¹ch ®o. e) M¹ch cÇu CÇu Wheatstone th−êng ®−îc sö dông trong c¸c m¹ch ®o nhiÖt ®é, lùc, ¸p suÊt, tõ tr−êng... CÇu gåm bèn ®iÖn trë R1, R2, R3 cè ®Þnh vµ R4 thay ®æi (m¾c nh− h×nh 1.16) ho¹t ®éng nh− cÇu kh«ng c©n b»ng dùa trªn viÖc ph¸t hiÖn ®iÖn ¸p qua ®−êng chÐo cña cÇu. Trong m¹ch cÇu, ®iÖn ¸p ra lµ hµm phi tuyÕn nh−ng ®èi víi biÕn ®æi nhá (∆<0,05) cã thÓ coi lµ tuyÕn tÝnh. Khi R1 = R2 vµ R3 = R4 ®é nh¹y cña cÇu lµ cùc ®¹i. Tr−êng hîp R1 >> R2 hoÆc R2 >> R1 ®iÖn ¸p ra cña cÇu gi¶m. §Æt K = R1/R2 ®é nh¹y cña cÇu lµ: ( )2 k 1 K R U + = α . H×nh 1.15 S¬ ®å m¹ch cÇu + − R1 R3 R2 R4 = R(1+∆) U Vra
- 21. Ch−¬ng II C¶m biÕnquang 2.1. TÝnh chÊt vµ ®¬n vÞ ®o ¸nh s¸ng 2.1.1. TÝnh chÊt cña ¸nh s¸ng Nh− chóng ta ®· biÕt, ¸nh s¸ng võa cã tÝnh chÊt sãng võa cã tÝnh chÊt h¹t. ¸nh s¸ng lµ mét d¹ng cña sãng ®iÖn tõ, vïng ¸nh s¸ng nh×n thÊy cã b−íc sãng tõ 0,4 - 0,75 µm. Trªn h×nh 2.1 biÓu diÔn phæ ¸nh s¸ng vµ sù ph©n chia thµnh c¸c d¶i mµu cña phæ. VËn tèc truyÒn ¸nh s¸ng trong ch©n kh«ng c = 299.792 km/s, trong m«i tr−êng vËt chÊt vËn tèc truyÒn sãng gi¶m, ®−îc x¸c ®Þnh theo c«ng thøc: n c v = n - chiÕt suÊt cña m«i tr−êng. Mèi quan hÖ gi÷a tÇn sè ν vµ b−íc sãng λ cña ¸nh s¸ng x¸c ®Þnh bëi biÓu thøc: - Khi m«i tr−êng lµ ch©n kh«ng : ν = λ c - Khi m«i tr−êng lµ vËt chÊt : ν = λ v . Trong ®ã ν lµ tÇn sè ¸nh s¸ng. TÝnh chÊt h¹t cña ¸nh s¸ng thÓ hiÖn qua sù t−¬ng t¸c cña ¸nh s¸ng víi vËt chÊt. ¸nh s¸ng gåm c¸c h¹t nhá gäi lµ photon, mçi h¹t mang mét n¨ng l−îng nhÊt ®Þnh, n¨ng l−îng nµy chØ phô thuéc tÇn sè ν cña ¸nh s¸ng: ν = φ h W (2.1) 0,395 0,455 0,490 0,575 0,590 0,650 0,750 cùc tÝm tÝm lam lôc vµng da cam ®á hång ngo¹i 0,01 0,1 0,4 0,75 1,2 10 30 100 cùc tÝm hång ngo¹i h. ngo¹i xa tr«ng thÊy h.n.ng¾n λ(µm) H×nh 2.1 Phæ ¸nh s¸ng
- 22. Trong ®ã hlµ h»ng sè Planck (h = 6,6256.10-34 J.s). B−íc sãng cña bøc x¹ ¸nh s¸ng cµng dµi th× tÝnh chÊt sãng thÓ hiÖn cµng râ, ng−îc l¹i khi b−íc sãng cµng ng¾n th× tÝnh chÊt h¹t thÓ hiÖn cµng râ. 2.1.2. C¸c ®¬n vÞ ®o quang a) §¬n vÞ ®o n¨ng l−îng - N¨ng l−îng bøc x¹ (Q): lµ n¨ng l−îng lan truyÒn hoÆc hÊp thô d−íi d¹ng bøc x¹ ®o b»ng Jun (J). - Th«ng l−îng ¸nh s¸ng (Φ): lµ c«ng suÊt ph¸t x¹, lan truyÒn hoÆc hÊp thô ®o b»ng oat (W): dt dQ = Φ (2.2) - C−êng ®é ¸nh s¸ng (I): lµ luång n¨ng l−îng ph¸t ra theo mét h−íng cho tr−íc øng víi mét ®¬n vÞ gãc khèi, tÝnh b»ng oat/steriadian. Ω Φ = d d I (2.3) - §é chãi n¨ng l−îng (L): lµ tØ sè gi÷a c−êng ®é ¸nh s¸ng ph¸t ra bëi mét phÇn tö bÒ mÆt cã diÖn tÝch dA theo mét h−íng x¸c ®Þnh vµ diÖn tÝch h×nh chiÕu dAn cña phÇn tö nµy trªn mÆt ph¼ng P vu«ng gãc víi h−íng ®ã. n dA dI L = (2.4) Trong ®ã dAn = dA.cosθ, víi θ lµ gãc gi÷a P vµ mÆt ph¼ng chøa dA. §é chãi n¨ng l−îng ®o b»ng oat/Steriadian.m2 . - §é räi n¨ng l−îng (E): lµ tØ sè gi÷a luång n¨ng l−îng thu ®−îc bëi mét phÇn tö bÒ mÆt vµ diÖn tÝch cña phÇn tö ®ã. dA d E Φ = (2.5) §é räi n¨ng l−îng ®o b»ng oat/m2 . b) §¬n vÞ ®o thÞ gi¸c
- 23. §é nh¹y cñam¾t ng−êi ®èi víi ¸nh s¸ng cã b−íc sãng kh¸c nhau lµ kh¸c nhau. H×nh 2.2 biÓu diÔn ®é nh¹y t−¬ng ®èi cña m¾t V(λ) vµo b−íc sãng. C¸c ®¹i l−îng thÞ gi¸c nhËn ®−îc tõ ®¹i l−îng n¨ng l−îng t−¬ng øng th«ng qua hÖ sè tØ lÖ K.V(λ). Theo quy −íc, mét luång ¸nh s¸nh cã n¨ng l−îng 1W øng víi b−íc sãng λmax t−¬ng øng víi luång ¸nh s¸ng b»ng 680 lumen, do ®ã K=680. Do vËy luång ¸nh s¸ng ®¬n s¾c tÝnh theo ®¬n vÞ ®o thÞ gi¸c: ( ) ( ) ( ) λ Φ λ = λ Φ V 680 V lumen §èi víi ¸nh s¸ng phæ liªn tôc: λ λ λ Φ λ = Φ ∫ λ λ d d ) ( d ) ( V 680 2 1 V lumen T−¬ng tù nh− vËy ta cã thÓ chuyÓn ®æi t−¬ng øng c¸c ®¬n vÞ ®o n¨ng l−îng vµ ®¬n vÞ ®o thÞ gi¸c. B¶ng 2.1 liÖt kª c¸c ®¬n vÞ ®o quang c¬ b¶n. B¶ng 2.1 §¹i l−îng ®o §¬n vÞ thÞ gi¸c §¬n vÞ n¨ng l−îng Luång (th«ng l−îng) lumen(lm) oat(W) C−êng ®é cadela(cd) oat/sr(W/sr) §é chãi cadela/m2 (cd/m2 ) oat/sr.m2 (W/sr.m2 ) §é räi lumen/m2 hay lux (lx) oat/m2 (W/m2 ) N¨ng l−îng lumen.s (lm.s) jun (j) 2.2.C¶m biÕn quang dÉn 2.2.1. HiÖu øng quang dÉn H×nh 2.2 §−êng cong ®é nh¹y t−¬ng ®èi cña m¾t λ (µm) V(λ) 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0 0,5 1 λmax
- 24. HiÖu øng quangdÉn (hay cßn gäi lµ hiÖu øng quang ®iÖn néi) lµ hiÖn t−îng gi¶i phãng nh÷ng h¹t t¶i ®iÖn (h¹t dÉn) trong vËt liÖu d−íi t¸c dông cña ¸nh s¸ng lµm t¨ng ®é dÉn ®iÖn cña vËt liÖu. Trong chÊt b¸n dÉn, c¸c ®iÖn tö liªn kÕt víi h¹t nh©n, ®Ó gi¶i phãng ®iÖn tö khái nguyªn tö cÇn cung cÊp cho nã mét n¨ng l−îng tèi thiÓu b»ng n¨ng l−îng liªn kÕt Wlk. Khi ®iÖn tö ®−îc gi¶i phãng khái nguyªn tö, sÏ t¹o thµnh h¹t dÉn míi trong vËt liÖu. H¹t dÉn ®−îc gi¶i phãng do chiÕu s¸ng phô thuéc vµo b¶n chÊt cña vËt liÖu bÞ chiÕu s¸ng. §èi víi c¸c chÊt b¸n dÉn tinh khiÕt c¸c h¹t dÉn lµ cÆp ®iÖn tö - lç trèng. §èi víi tr−êng hîp b¸n dÉn pha t¹p, h¹t dÉn ®−îc gi¶i phãng lµ ®iÖn tö nÕu lµ pha t¹p dono hoÆc lµ lç trèng nÕu lµ pha t¹p acxepto. Gi¶ sö cã mét tÊm b¸n dÉn ph¼ng thÓ tÝch V pha t¹p lo¹i N cã nång ®é c¸c donor Nd, cã møc n¨ng l−îng n»m d−íi vïng dÉn mét kho¶ng b»ng Wd ®ñ lín ®Ó ë nhiÖt ®é phßng vµ khi ë trong tèi nång ®é n0 cña c¸c donor bÞ ion ho¸ do nhiÖt lµ nhá. Khi ë trong tèi, nång ®é ®iÖn tö ®−îc gi¶i phãng trong mét ®¬n vÞ thêi gian tØ lÖ víi nång ®é c¸c t¹p chÊt ch−a bÞ ion ho¸ vµ b»ng a(Nd -no), víi hÖ sè a x¸c ®Þnh theo c«ng thøc: + læ trèng - ®iÖn tö hν + læ trèng hν - - ®iÖn tö hν + H×nh 2.3. ¶nh h−ëng cña b¶n chÊt vËt liÖu ®Õn h¹t dÉn ®−îc gi¶i phãng + + + Wd + + + + hν hν Vïng dÉn Vïng ho¸ trÞ H×nh 2.4. TÕ bµo quang dÉn vµ sù chuyÓn møc n¨ng l−îng cña ®iÖn tö L V chiÕu s¸ng A
- 25. ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − = kT qW exp a d (2.6) Trong ®ãq lµ trÞ tuyÖt ®èi cña ®iÖn tÝch ®iÖn tö, T lµ nhiÖt ®é tuyÖt ®èi cña khèi vËt liÖu, k lµ h»ng sè. Sè ®iÖn tö t¸i hîp víi c¸c nguyªn tö ®· bÞ ion ho¸ trong mét ®¬n vÞ thêi gian tØ lÖ víi c¸c nguyªn tö ®· bÞ ion ho¸ n0 vµ nång ®é ®iÖn tö còng chÝnh b»ng n0 vµ b»ng r. 2 0 n , trong ®ã r lµ hÖ sè t¸i hîp. Ph−¬ng tr×nh ®éng häc biÓu diÔn sù thay ®æi nång ®é ®iÖn tö tù do trong khèi vËt liÖu cã d¹ng: ( ) 2 0 0 d 0 n . r n N a dt dn − − = ë tr¹ng th¸i c©n b»ng ta cã : 0 dt dn0 = Suy ra: 2 / 1 d 2 2 0 r N . a r 4 a r . 2 a n ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ + + = (2.7) §é dÉn trong tèi ®−îc biÓu diÔn bëi hÖ thøc: 0 0 n qµ = σ (2.8) Trong ®ã µ lµ ®é linh ®éng cña ®iÖn tö. Khi nhiÖt ®é t¨ng, ®é linh ®éng cña ®iÖn tö gi¶m, nh−ng sù t¨ng mËt ®é ®iÖn tö tù do do sù kÝch thÝch nhiÖt lín h¬n nhiÒu nªn ¶nh h−ëng cña nã lµ nh©n tè quyÕt ®Þnh ®èi víi ®é dÉn. Khi chiÕu s¸ng, c¸c photon sÏ ion ho¸ c¸c nguyªn tö donor, gi¶i phãng ra c¸c ®iÖn tö. Tuy nhiªn kh«ng ph¶i tÊt c¶ c¸c photon ®Ëp tíi bÒ mÆt vËt liÖu ®Òu gi¶i phãng ®iÖn tö, mét sè bÞ ph¶n x¹ ngay ë bÒ mÆt, mét sè bÞ hÊp thô vµ chuyÓn n¨ng l−îng cho ®iÖn tö d−íi d¹ng nhiÖt n¨ng, chØ phÇn cßn l¹i míi tham gia vµo gi¶i phãng ®iÖn tö. Do vËy, sè ®iÖn tö (g) ®−îc gi¶i phãng do bÞ chiÕu s¸ng trong mét gi©y øng víi mét ®¬n vÞ thÓ tÝch vËt liÖu, x¸c ®Þnh bëi c«ng thøc: ( )Φ ν − η = = h R 1 . L . A 1 V G g (2.9) Trong ®ã:
- 26. G - sè®iÖn tö ®−îc gi¶i phãng trong thÓ tÝch V trong thêi gian mét gi©y. V=A.L, víi A, L lµ diÖn tÝch mÆt c¹nh vµ chiÒu réng tÊm b¸n dÉn (h×nh 2.4). η - hiÖu suÊt l−îng tö (sè ®iÖn tö hoÆc lç trèng trung b×nh ®−îc gi¶i phãng khi mét photon bÞ hÊp thô). R - lµ hÖ sè ph¶n x¹ cña bÒ mÆt vËt liÖu. λ - b−íc sãng ¸nh s¸ng. Φ - th«ng l−îng ¸nh s¸ng. h - h»ng sè Planck. Ph−¬ng tr×nh ®éng häc cña t¸i hîp trong tr−êng hîp nµy cã d¹ng: ( ) 2 d n . r g n N a dt dn − + − = Th«ng th−êng bøc x¹ chiÕu tíi ®ñ lín ®Ó sè ®iÖn tö ®−îc gi¶i phãng lín h¬n rÊt nhiÒu so víi ®iÖn tö ®−îc gi¶i phãng do nhiÖt: ( ) n N a g d − >> vµ n>>n0 Trong ®iÒu kiÖn trªn, rót ra ph−¬ng tr×nh ®éng häc cho mËt ®é ®iÖn tö ë ®iÒu kiÖn c©n b»ng d−íi t¸c dông chiÕu s¸ng: 2 / 1 r g n ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ = (2.10) §é dÉn t−¬ng øng víi nång ®é ®iÖn tö ë ®iÒu kiÖn c©n b»ng: n qµ = σ . (2.11) Tõ c«ng thøc (2.9), (2.10) vµ (2.11) ta nhËn thÊy ®é dÉn lµ hµm kh«ng tuyÕn tÝnh cña th«ng l−îng ¸nh s¸ng, nã tØ lÖ víi Φ1/2 . Thùc nghiÖm cho thÊy sè mò cña hµm Φ n»m trong kho¶ng 0,5 - 1. 2.2.2. TÕ bµo quang dÉn a) VËt liÖu chÕ t¹o TÕ bµo quang dÉn ®−îc chÕ t¹o c¸c b¸n dÉn ®a tinh thÓ ®ång nhÊt hoÆc ®¬n tinh thÓ, b¸n dÉn riªng hoÆc b¸n dÉn pha t¹p. - §a tinh thÓ: CdS, CdSe, CdTe. PbS, PbSe, PbTe. - §¬n tinh thÓ: Ge, Si tinh khiÕt hoÆc pha t¹p Au, Cu, Sb, In. SbIn, AsIn, PIn, cdHgTe.
- 27. Vïng phæ lµmviÖc cña c¸c vËt liÖu nµy biÓu diÔn trªn h×nh 2.5 b) C¸c ®Æc tr−ng - §iÖn trë : Gi¸ trÞ ®iÖn trë tèi RC0 cña c¸c quang ®iÖn trë phô thuéc rÊt lín vµo h×nh d¹ng h×nh häc, kÝch th−íc, nhiÖt ®é vµ b¶n chÊt ho¸ lý cña vËt liÖu chÕ t¹o. C¸c chÊt PbS, CdS, CdSe cã ®iÖn trë tèi rÊt lín ( tõ 104 Ω - 109 Ω ë 25o C), trong khi ®ã SbIn, SbAs, CdHgTe cã ®iÖn trë tèi t−¬ng ®èi nhá ( tõ 10 Ω - 103 Ω ë 25o C). §iÖn trë Rc cña c¶m biÕn gi¶m rÊt nhanh khi ®é räi t¨ng lªn. Trªn h×nh 2.6 lµ mét vÝ dô vÒ sù thay ®æi cña ®iÖn trë c¶m biÕn theo ®é räi s¸ng. H×nh 2.5. Vïng phæ lµm viÖc cña mét sè vËt liÖu quang dÉn 0,2 0,6 1 2 3 4 5 10 20 30 CdS CdSe CdTe PbS PbSe PbTe Ge Si GeCu SnIn AsIn CdHg λ, µm H×nh 2.6. Sù phô thuéc cña ®iÖn trë vµo ®é räi s¸ng §iÖn trë (Ω) §é räi s¸ng (lx) 0,1 1 10 100 102 104 106 106 1000
- 28. TÕ bµo quangdÉn cã thÓ coi nh− mét m¹ch t−¬ng ®−¬ng gåm hai ®iÖn trë Rc0 vµ Rcp m¾c song song: cp co cp co c R R R R R + = (2.12) Trong ®ã: Rco - ®iÖn trë trong tèi. Rcp - ®iÖn trë khi chiÕu s¸ng: γ − Φ = a Rcp . a - hÖ sè phô thuéc vµo b¶n chÊt vËt liÖu, nhiÖt ®é, phæ bøc x¹. γ - hÖ sè cã gi¸ trÞ tõ 0,5 - 1. Th«ng th−êng Rcp <<Rc0, nªn cã thÓ coi Rc=Rcp. C«ng thøc (2.12) cho thÊy sù phô thuéc cña ®iÖn trë cña tÕ bµo quang dÉn vµo th«ng l−îng ¸nh s¸ng lµ kh«ng tuyÕn tÝnh, tuy nhiªn cã thÓ tuyÕn tÝnh hãa b»ng c¸ch sö dông mét ®iÖn trë m¾c song song víi tÕ bµo quang dÉn. MÆt kh¸c, ®é nh¹y nhiÖt cña tÕ bµo quang dÉn phô thuéc vµo nhiÖt ®é, khi ®é räi cµng lín ®é nh¹y nhiÖt cµng nhá. - §é nh¹y: Theo s¬ ®å t−¬ng ®−¬ng cña tÕ bµo quang dÉn, ®é dÉn ®iÖn cña tÕ bµo quang dÉn lµ tæng ®é dÉn trong tèi vµ ®é dÉn khi chiÕu s¸ng: cp co c G G G + = (2.1) Trong ®ã: - Gco lµ ®é dÉn trong tèi: Gco = 1/Rco. - Gcp lµ ®iÖn trë khi chiÕu s¸ng: Gco = 1/Rcp = Φγ /a. Khi ®Æt ®iÖn ¸p V vµo tÕ bµo quang dÉn, dßng ®iÖn qua m¹ch: P 0 cp co I I VG VG I + = + = Trong ®iÒu kiÖn sö dông th«ng th−êng I0<<IP, do ®ã dßng quang ®iÖn cña tÕ bµo quang dÉn x¸c ®Þnh bëi biÓu thøc: γ Φ = a V IP (2.15) §èi víi luång bøc x¹ cã phæ x¸c ®Þnh, tØ lÖ chuyÓn ®æi tÜnh:
- 29. 1 a V I − γ Φ = Φ (2.16) Vµ ®énh¹y: 1 a V I − γ Φ γ = ∆Φ ∆ (2.17) Tõ hai biÓu thøc (2.16) vµ (2.17) cã thÓ thÊy: - TÕ bµo quang dÉn lµ mét c¶m biÕn kh«ng tuyÕn tÝnh, ®é nh¹y gi¶m khi bøc x¹ t¨ng (trõ khi γ =1). - Khi ®iÖn ¸p ®Æt vµo ®ñ nhá, ®é nh¹y tû lÖ thuËn víi ®iÖn ¸p ®Æt vµo tÕ bµo quang dÉn. Khi ®iÖn ¸p ®Æt vµo lín, hiÖu øng Joule lµm t¨ng nhiÖt ®é, dÉn ®Õn ®é nh¹y gi¶m (h×nh 2.7). Tr−êng hîp bøc x¹ ¸nh s¸ng lµ ®¬n s¾c, Ip phô thuéc vµo λ, ®é nh¹y phæ cña tÕ bµo quang dÉn x¸c ®Þnh nhê ®−êng cong biÓu diÔn sù phô thuéc cña håi ®¸p vµo b−íc sãng (h×nh 2.8a) -150 -100 -50 0 50 NhiÖt ®é (o C) 10 5 1 0,5 0,1 §é nh¹y t−¬ng ®èi H×nh 2.7 ¶nh h−ëng cña nhiÖt ®é ®Õn ®é nh¹y cña tÕ bµo quang dÉn H×nh 2.8 §é nh¹y cña tÕ bµo quang dÉn a) B−íc sãng (µm) §é nh¹y t−¬ng ®èi (%) 1 2 3 1 3 5 10 30 50 100 b) NhiÖt ®é vËt ®en tuyÖt ®èi (K) §é nh¹y t−¬ng ®èi 300 400 500 10-3 10-2 10-1 1 5 10
- 30. ) ( I ) ( S λ ∆Φ ∆ = λ (2.28) §é nh¹y phæcña tÕ bµo quang dÉn lµ hµm phô thuéc nhiÖt ®é nguån s¸ng, khi nhiÖt ®é t¨ng ®é nh¹y phæ t¨ng. Khi bøc x¹ kh«ng ph¶i lµ ®¬n s¾c, dßng Ip vµ do ®ã ®é nh¹y toµn phÇn phô thuéc phæ bøc x¹ (h×nh 2.8b). c) §Æc ®iÓm vµ øng dông §Æc ®iÓn chung cña c¸c tÕ bµo quang dÉn: - Tû lÖ chuyÓn ®æi tÜnh cao. - §é nh¹y cao. - Håi ®¸p phô thuéc kh«ng tuyÕn tÝnh vµo th«ng l−îng. - Thêi gian håi ®¸p lín. - C¸c ®Æc tr−ng kh«ng æn ®Þnh do giµ ho¸. - §é nh¹y phô thuéc nhiÖt ®é. - Mét sè lo¹i ®ßi hái lµm nguéi. Trong thùc tÕ, tÕ bµo quang dÉn ®−îc dïng trong hai tr−êng hîp: - §iÒu khiÓn r¬ le: khi cã bøc x¹ ¸nh s¸ng chiÕu lªn tÕ bµo quang dÉn, ®iÖn trë cña nã gi¶m ®¸ng kÓ, cho dßng ®iÖn ch¹y qua ®ñ lín, ®−îc sö dông trùc tiÕp hoÆc qua khuÕch ®¹i ®Ó ®ãng më r¬le (h×nh 2.9). - Thu tÝn hiÖu quang: dïng tÕ bµo quang dÉn ®Ó thu vµ biÕn tÝn hiÖu quang thµnh xung ®iÖn. C¸c xung ¸nh s¸ng ng¾t qu¶ng ®−îc thÓ hiÖn qua xung ®iÖn, trªn c¬ së ®ã cã thÓ lËp c¸c m¹ch ®Õm vËt hoÆc ®o tèc ®é quay cña ®Üa. H×nh 2.9 Dïng tÕ bµo quang dÉn ®iÒu khiÓn r¬le a) §iÒu khiÓn trùc tiÕp b) §iÒu khiÓn th«ng qua tranzito khuÕch ®¹i + +
- 31. 2.2.3. Photo®iot a) CÊut¹o vµ nguyªn lý ho¹t ®éng XÐt hai tÊm b¸n dÉn, mét thuéc lo¹i N vµ mét thuéc lo¹i P, ghÐp tiÕp xóc nhau. T¹i mÆt tiÕp xóc h×nh thµnh mét vïng nghÌo h¹t dÉn v× t¹i vïng nµy tån t¹i mét ®iÖn tr−êng vµ h×nh thµnh hµng rµo thÕ Vb. Khi kh«ng cã ®iÖn thÕ ë ngoµi ®Æt lªn chuyÓn tiÕp (V=0), dßmg ®iÖn ch¹y qua chuyÓn tiÕp i = 0, thùc tÕ dßng I chÝnh lµ dßng tæng céng cña hai dßng ®iÖn b»ng nhau vµ ng−îc chiÒu: - Dßng khuÕch t¸n c¸c h¹t c¬ b¶n sinh ra khi ion ho¸ c¸c t¹p chÊt (lç trong trong b¸n dÉn lo¹i P, ®iÖn tö trong b¸n dÉn lo¹i N) do n¨ng l−îng nhiÖt cña c¸c h¹t dÉn c¬ b¶n ®ñ lín ®Ó v−ît qua hµng rµo thÕ. - Dßng h¹t dÉn kh«ng c¬ b¶n sinh ra do kÝch thÝch nhiÖt (®iÖn tö trong b¸n dÉn P, lç trèng trong b¸n dÉn N) chuyÓn ®éng d−íi t¸c dông cña ®iÖn tr−êng E trong vïng nghÌo. Khi cã ®iÖn ¸p ®Æt lªn ®i«t, hµng rµo thÕ thay ®æi kÐo theo sù thay ®æi dßng h¹t c¬ b¶n vµ bÒ réng vïng nghÌo. Dßng ®iÖn qua chuyÓn tiÕp: 0 d 0 I kT qV exp I I − ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ = Khi ®iÖn ¸p ng−îc ®ñ lín (Vd<< - mV 26 q kT − = ë 300K), chiÒu cao hµng rµo thÕ lín ®Õn møc dßng khuÕch t¸n cña c¸c h¹t c¬ b¶n trë nªn rÊt nhá vµ cã thÓ bá qua vµ chØ cßn l¹i dßng ng−îc cña ®i«t, khi ®ã i = I0. Vïng chuyÓn tiÕp E P N Vïng nghÌo Vb H×nh 2.10 S¬ ®å chuyÓn tiÕp P - N vµ hiÖu øng quang ®iÖn trong vïng nghÌo − + N P hν − + Ir Vïng nghÌo
- 32. Khi chiÕu s¸ng®i«t b»ng bøc x¹ cã b−íc sãng nhá h¬n b−íc sãng ng−ìng, sÏ xuÊt hiÖn thªm c¸c cÆp ®iÖn tö - lç trèng. §Ó c¸c h¹t dÉn nµy tham gia dÉn ®iÖn cÇn ph¶i ng¨n c¶n sù t¸i hîp cña chóng, tøc lµ nhanh chãng t¸ch rêi cÆp ®iÖn tö - lç trèng. Sù t¸ch cÆp ®iÖn tö - lç trèng chØ xÈy ra trong vïng nghÌo nhê t¸c dông cña ®iÖn tr−êng. Sè h¹t dÉn ®−îc gi¶i phãng phô thuéc vµo th«ng l−îng ¸nh s¸ng ®¹t tíi vïng nghÌo vµ kh¶ n¨ng hÊp thô cña vïng nµy. Th«ng l−îng ¸nh s¸ng chiÕu tíi vïng nghÌo phô thuéc ®¸ng kÓ vµo chiÒu dµy líp vËt liÖu mµ nã ®i qua: x 0e α − Φ = Φ Trong ®ã hÖ sè α ≈ 105 cm-1 . §Ó t¨ng th«ng l−îng ¸nh s¸ng ®Õn vïng nghÌo ng−êi ta chÕ t¹o ®i«t víi phiÕn b¸n dÉn chiÒu dµy rÊt bÐ. Kh¶ n¨ng hÊp thô bøc x¹ phô thuéc rÊt lín vµo bÒ réng vïng nghÌo. §Ó t¨ng kh¶ n¨ng më réng vïng nghÌo ng−êi ta dïng ®i«t PIN, líp b¸n dÉn riªng I kÑp gi÷a hai líp b¸n dÉn P vµ N, víi lo¹i ®i«t nµy chØ cÇn ®iÖn ¸p ng−îc vµi v«n cã thÓ më réng vïng nghÌo ra toµn bé líp b¸n dÉn I. b) ChÕ ®é ho¹t ®éng - ChÕ ®é quang dÉn: S¬ ®å nguyªn lý (h×nh 2.12a) gåm mét nguån Es ph©n cùc ng−îc ®i«t vµ mét ®iÖn trë Rm ®Ó ®o tÝn hiÖu. H×nh 2.12 S¬ ®å nguyªn lý vµ chÕ ®é lµm viÖc Vd VR Ir Rm ES a) b) 0 -10 -20 -30 -40 50µW 100µW 150µW 200µW 20 40 60 Th«ng l−îng Ir ES − + I N P − + H×nh 2.11 CÊu t¹o ®i«t lo¹i PIN Φ
- 33. Dßng ng−îc qua®i«t: p 0 d 0 r I I kT qV exp I I + + ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ − = (2.40) Trong ®ã Ip lµ dßng quang ®iÖn: ( ) ( ) X exp hc R 1 q I 0 p α − Φ λ − η = (2.41) Khi ®iÖn ¸p ng−îc Vd ®ñ lín, thµnh phÇn ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ kT qV exp d → 0, ta cã: P 0 R I I I + = Th«ng th−êng I0 <<IP do ®ã IR ≈ IP. Ph−¬ng tr×nh m¹ch ®iÖn: D R V V E − = Trong ®ã r m R I R V = cho phÐp vÏ ®−êng th¼ng t¶i ∆ (h×nh 2.11b). Dßng ®iÖn ch¹y trong m¹ch: m m r R V R E I + = §iÓm lµm viÖc cña ®i«t lµ ®iÓm giao nhau gi÷a ®−îng th¼ng t¶i ∆ vµ ®−êng ®Æc tuyÕn i-V víi th«ng l−îng t−¬ng øng. ChÕ ®é lµm viÖc nµy lµ tuyÕn tÝnh, VR tØ lÖ víi th«ng l−îng. - ChÕ ®é quang thÕ: Trong chÕ ®é nµy kh«ng cã ®iÖn ¸p ngoµi ®Æt vµo ®i«t. §i«t lµm viÖc nh− mét bé chuyÓn ®æi n¨ng l−îng t−¬ng ®−¬ng víi mét m¸y ph¸t vµ ng−êi ta ®o thÕ hë m¹ch V0C hoÆc ®o dßng ng¾n m¹ch ISC. §o thÕ hë m¹ch: Khi chiÕu s¸ng, dßng IP t¨ng lµm cho hµng rµo thÕ gi¶m mét l−îng ∆Vb. Sù gi¶m chiÒu cao hµng rµo thÕ lµm cho dßng h¹t dÉn c¬ b¶n t¨ng lªn, khi ®¹t c©n b»ng Ir = 0. Ta cã: 0 I I kT qV exp I p 0 d 0 = + + ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ − Rót ra: ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ + = ∆ 0 P b I I 1 log q kT V
- 34. §é gi¶m chiÒucao ∆Vb cña hµng rµo thÕ cã thÓ x¸c ®Þnh ®−îc th«ng qua ®o ®iÖn ¸p gi÷a hai ®Çu ®i«t khi hë m¹ch. ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ + = 0 P OC I I 1 log q kT V Khi chiÕu s¸ng yÕu IP <<I0: 0 P OC I I . q kT V = Trong tr−êng hîp nµy VOC (kT/q=26mV ë 300K) nhá nh−ng phô thuéc tuyÕn tÝnh vµo th«ng l−îng. Khi chiÕu s¸ng m¹nh, IP >>I0 vµ ta cã: 0 P OC I I log q kT V = Trong tr−êng hîp nµy VOC cã gi¸ trÞ t−¬ng ®èi lín (cì 0,1 - 0,6 V) nh−ng phô thuéc vµo th«ng l−îng theo hµm logarit. §o dßng ng¾n m¹ch: Khi nèi ng¾n m¹ch hai ®Çu ®i«t b»ng mét ®iÖn trë nhá h¬n rd nµo ®ã, dßng ®o¶n m¹ch ISC chÝnh b»ng IP vµ tØ lÖ víi th«ng l−îng (h×nh 2.14): P SC I I = H×nh 2.13 Sù phô thuéc cña thÕ hë m¹ch vµo th«ng l−îng Th«ng lu−îng, mW 0,1 1 10 100 0 0,2 0,4 VOC, V ISC,µV 10 20
- 35. §Æc ®iÓm quanträng cña chÕ ®é nµy lµ kh«ng cã dßng tèi, nhê vËy cã thÓ gi¶m nhiÔu vµ cho phÐp ®o ®−îc th«ng l−îng nhá. c) §é nh¹y §èi víi bøc x¹ cã phæ x¸c ®Þnh, dßng quang ®iÖn IP tØ lÖ tuyÕn tÝnh víi th«ng l−îng trong mét kho¶ng t−¬ng ®èi réng, cì 5 - 6 decad. §é nh¹y phæ x¸c ®Þnh theo c«ng thøc: ( ) ( )λ α − − η = ∆Φ ∆ = λ hc X exp R 1 q I ) ( S P Víi λ ≤ λs. §é nh¹y phæ phô thuéc vµo λ, hiÖu suÊt l−îng tö η, hÖ sè ph¶n x¹ R vµ hÖ sè hÊp thô α. Ng−êi sö dông cÇn ph¶i biÕt ®é nh¹y phæ dùa trªn ®−êng cong phæ håi ®¸p S(λ)/S(λP) vµ gi¸ trÞ cña b−íc sãng λP øng víi ®é nh¹y cùc ®¹i. Th«ng th−êng S(λP) n»m trong kho¶ng 0,1 - 1,0 A/W. H×nh 2.14 Sù phô thuéc cña dßng ng¾n m¹ch vµo th«ng l−îng ¸nh s¸ng Th«ng l−îng, mW 0 0,1 0,2 H×nh 2.15 Phæ ®é nh¹y cña photodiot 1,0 0,6 0,4 0,2 0,1 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 λ (µm) λP 0,04 S(λ) S(λP) 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 λ (µm) 0 0,1 0,2 0,3 0,4 S (µA/µW) H×nh 2.16 Sù phô thuéc cña ®é nh¹y vµo nhiÖt ®é T1 T2>T1 T2
- 36. Khi nhiÖt ®ét¨ng, cùc ®¹i λP cña ®−êng cong phæ dÞch chuyÓn vÒ phÝa b−íc sãng dµi. HÖ sè nhiÖt cña dßng quang dÉn dT dI . I 1 P P cã gi¸ trÞ kho¶ng0,1%/o C. d) S¬ ®å øng dông photodiot - S¬ ®å lµm viÖc ë chÕ ®é quang dÉn: §Æc tr−ng cña chÕ ®é quang dÉn: +§é tuyÕn tÝnh cao. + Thêi gian håi ®¸p ng¾n. + D¶i th«ng lín. H×nh 2.16 tr×nh bµy s¬ ®å ®o dßng ng−îc trong chÕ ®é quang dÉn. S¬ ®å c¬ së (h×nh 2.17a): r 1 2 m 0 I R R 1 R V ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ + = Khi t¨ng ®iÖn trë Rm sÏ lµm gi¶m nhiÔu. Tæng trë vµo cña m¹ch khuÕch ®¹i ph¶i lín ®Ó tr¸nh lµm gi¶m ®iÖn trë t¶i hiÖu dông cña ®i«t. S¬ ®å t¸c ®éng nhanh (h×nh 2.17b): ( ) r 2 1 0 I R R V + = ®iÖn trë cña ®iot nhá vµ b»ng K R R 2 1 + trong ®ã K lµ hÖ sè khuÕch ®¹i ë tÇn sè lµm viÖc. Tô C2 cã t¸c dông bï trõ ¶nh h−ëng cña tô kÝ sinh Cpl víi ®iÒu kiÖn 2 2 pl 1 C R C R = . Bé khuÕch ®¹i ë ®©y ph¶i cã dßng vµo rÊt nhá vµ sù suy gi¶m do nhiÖt còng ph¶i kh«ng ®¸ng kÓ. - S¬ ®å lµm viÖc ë chÕ ®é quang thÕ: ES Rm Ir R1 R2 V0 CP1 Rm ES R1+R2 R1 V0 R2 H×nh 2.17 S¬ ®å m¹ch ®o dßng ng−îc trong chÕ ®é quang dÉn a) b) + + − − C2 + −
- 37. §Æc tr−ng cñachÕ ®é quang thÕ: + Cã thÓ lµm viÖc ë chÕ ®é tuyÕn tÝnh hoÆc logarit tuú thuéc vµo t¶i. + Ýt nhiÔu. + Thêi gian håi ®¸p lín. + D¶i th«ng nhá. + Nh¹y c¶m víi nhiÖt ®é ë chÕ ®é logarit. S¬ ®å tuyÕn tÝnh (h×nh 2.18a): ®o dßng ng¾n m¹ch Isc. Trong chÕ ®é nµy: sc m 0 I . R V = S¬ ®å logarit (h×nh 2.18b): ®o ®iÖn ¸p hë m¹ch Voc. oc 1 2 0 V R R 1 V ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ + = 2.2.4. Phototranzito a) CÊu t¹o vµ nguyªn lý ho¹t ®éng Phototranzito lµ c¸c tranzito mµ vïng baz¬ cã thÓ ®−îc chiÕu s¸ng, kh«ng cã ®iÖn ¸p ®Æt lªn baz¬, chØ cã ®iÖn ¸p trªn C, ®ång thêi chuyÓn tiÕp B-C ph©n cùc ng−îc. H×nh 2.19 Phototranzito a) S¬ ®å m¹ch ®iÖn b) S¬ ®å t−¬ng ®−¬ng c) T¸ch cÆp ®iÖn tö lç trèng khi chiÕu s¸ng baz¬ a) b) c) | + §iÖn thÕ C B E Vco R1 R2 V0 + _ IOC R1=Rm Rm V0 _ + H×nh 2.18 S¬ ®å m¹ch ®o ë chÕ ®é quang ¸p a) b)
- 38. §iÖn ¸p ®Ætvµo tËp trung hÇu nh− toµn bé trªn chuyÓn tiÕp B-C (ph©n cùc ng−îc) trong khi ®ã chªnh lÖch ®iÖn ¸p gi÷a E vµ B thay ®æi kh«ng ®¸ng kÓ (VBE ≈ 0,6-0,7 V). Khi chuyÓn tiÕp B-C ®−îc chiÕu s¸ng, nã ho¹t ®éng gièng nh− photo®iot ë chÕ ®é quang thÕ víi dßng ng−îc: P 0 r I I I + = Trong ®ã I0 lµ dßng ng−îc trong tèi, IP lµ dßng quang ®iÖn d−íi t¸c dông cña th«ng l−îng Φ0 chiÕu qua bÒ dµy X cña baz¬ (b−íc sãng λ < λS): ( ) 0 P hc ) X exp( R 1 q I Φ λ α − − η = Dßng Ir ®ãng vai trß dßng baz¬, nã g©y nªn dßng colect¬ Ic: ( ) ( ) ( ) p 0 r c I 1 I 1 I 1 I + β + + β = + β = β - hÖ sè khuÕch ®¹i dßng cña tranzito khi ®Êu chung emit¬. Cã thÓ coi phototranzito nh− tæ hîp cña mét photodiot vµ mét tranzito (h×nh 2.19b). Phodiot cung cÊp dßng quang ®iÖn t¹i baz¬, cßn tranzito cho hiÖu øng khÕch ®¹i β. C¸c ®iÖn tö vµ lç trèng ph¸t sinh trong vïng baz¬ (d−íi t¸c dông cña ¸nh s¸ng) sÏ bÞ ph©n chia d−íi t¸c dông cña ®iÖn tr−êng trªn chuyÓn tiÕp B - C. Trong tr−êng hîp tranzito NPN, c¸c ®iÖn tö bÞ kÐo vÒ phÝa colect¬ trong khi lç trèng bÞ gi÷ l¹i trong vïng baz¬ (h×nh 2.19c) t¹o thµnh dßng ®iÖn tö tõ E qua B ®Õn C. HiÖn t−îng xÈy ra t−¬ng tù nh− vËy nÕu nh− lç trèng phun vµo baz¬ tõ mét nguån bªn ngoµi: ®iÖn thÕ baz¬ t¨ng lªn lµm gi¶m hµng rµo thÕ gi÷a E vµ B, ®iÒu nµy g©y nªn dßng ®iÖn tö IE ch¹y tõ E ®Õn B vµ khuÕch t¸n tiÕp tõ B vÒ phÝa C. b) §é nh¹y Khi nhËn ®−îc th«ng l−îng Φ0, ®iot baz¬-colect¬ sinh ra dßng quang ®iÖn Ip, dßng nµy g©y nªn trong phototranzito mét dßng ( ) p cp I 1 I + β = , trong ®ã gi¸ trÞ cña Icp ®−îc rót ra tõ c«ng thøc cña Ip: ( ) ( ) ( ) 0 cp hc X exp R 1 q 1 I Φ λ α − − η + β = §èi víi mét th«ng l−îng Φ0 cho tr−íc, ®−êng cong phæ håi ®¸p x¸c ®Þnh bëi b¶n chÊt cña ®iot B-C: vËt liÖu chÕ t¹o (th−êng lµ Si) vµ lo¹i pha t¹p (h×nh 2.20). §èi víi mét b−íc sãng cho tr−íc, dßng colect¬ Ic kh«ng ph¶i lµ hµm tuyÕn tÝnh cña th«ng
- 39. l−îng hoÆc ®échiÕu s¸ng bëi v× hÖ sè khuÕch ®¹i β phô thuéc vµo dßng Ic (tøc lµ còng phô thuéc th«ng l−îng), nghÜa lµ 0 c I ∆Φ ∆ phô thuéc vµo Φ0. §é nh¹y phæ S(λp) ë b−íc sãng t−¬ng øng víi ®iÓm cùc ®¹i cã gi¸ trÞ n»m trong kho¶ng 1 - 100A/W. c) S¬ ®å dïng phototranzito Phototranzito cã thÓ dïng lµm bé chuyÓn m¹ch, hoÆc lµm phÇn tö tuyÕn tÝnh. ë chÕ ®é chuyÓn m¹ch nã cã −u ®iÓm so víi photodiot lµ cho phÐp sö dông mét c¸ch trùc tiÕp dßng ch¹y qua t−¬ng ®èi lín. Ng−îc l¹i, ë chÕ ®é tuyÕn tÝnh, mÆc dï cho ®é khuÕch ®¹i nh−ng ng−êi ta thÝch dïng photo®iot v× nã cã ®é tuyÕn tÝnh tèt h¬n. - Phototranzito chuyÓn m¹ch: Trong tr−êng hîp nµy sö dông th«ng tin d¹ng nhÞ ph©n: cã hay kh«ng cã bøc x¹, hoÆc ¸nh s¸ng nhá h¬n hay lín h¬n ng−ìng. Tranzito chÆn hoÆc b¶o hoµ cho phÐp ®iÒu khiÓn trùc tiÕp (hoÆc sau khi khuÕch ®¹i) nh− mét r¬le, ®iÒu khiÓn mét cæng logic hoÆc mét thyristo (h×nh 2.21). - Phototranzito trong chÕ ®é tuyÕn tÝnh: S(λ) S(λp) (%) 100 80 60 40 20 0,4 0,6 0,8 1,0 λ (µm) H×nh 2.20 §−êng cong phæ håi ®¸p cña photodiot + + + + + H×nh 2.21 Photodiotzito trong chÕ ®é chuyÓn m¹ch a) R¬le b) R¬le sau khÕch ®¹i c) Cæng logic d) Thyristo
- 40. Cã hai c¸chsö dông trong chÕ ®é tuyÕn tÝnh. - Tr−êng hîp thø nhÊt: ®o ¸nh s¸ng kh«ng ®æi (gièng nh− mét luxmet). - Tr−êng hîp thø hai: thu nhËn tÝn hiÖu thay ®æi d¹ng: ( ) ( ) t t 1 0 Φ + Φ = Φ ( ) ( ) t . S I t I 1 0 c c Φ + Φ = 2.2.5. Phototranzito hiÖu øng tr−êng Phototranzito hiÖu øng tr−êng (photoFET) cã s¬ ®å t−¬ng ®−¬ng nh− h×nh 2.23. Trong phototranzito hiÖu øng tr−êng, ¸nh s¸ng ®−îc sö dông ®Ó lµm thay ®æi ®iÖn trë kªnh. ViÖc ®iÒu khiÓn dßng m¸ng ID ®−îc thùc hiÖn th«ng qua sù thay ®æi ®iÖn ¸p VGS gi÷a cæng vµ nguån. Trong chÕ ®é ph©n cùc ng−îc chuyÓn tiÕp P-N gi÷a cæng vµ kªnh, ®iÖn ¸p nµy sÏ x¸c ®Þnh ®é réng cña kªnh vµ do ®ã dßng m¸ng cã d¹ng: 2 P GS DSS D V V 1 I I ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ + = Víi IDS - dßng m¸ng khi VGS = 0. VP - ®iÖn ¸p th¾t kªnh. Khi bÞ chiÕu s¸ng, chuyÓn tiÕp P-N ho¹t ®éng nh− mét photodiot cho dßng ng−îc: P 0 r I I I + = + H×nh 2.22 S¬ ®å nguyªn lý luxmet Trong ®ã Φ1(t) lµ thµnh phÇn thay ®æi víi biªn ®é nhá ®Ó sao cho kh«ng dÉn tíi phototranzito bÞ chÆn hoÆc b¶o hoµ vµ cã thÓ coi ®é hh¹y kh«ng ®æi. Trong ®iÒu kiÖn ®ã, dßng colect¬ cã d¹ng: H×nh 2.23 Phototranzito hiÖu øng tr−êng a) S¬ ®å cÊu t¹o b) S¬ ®å m¹ch - G D S b) a) S G D +
- 41. IP = SgΦ- dßng quang ®iÖn. I0 - dßng ®iÖn trong tèi. Sg - ®é nh¹y cña ®iot cæng - kªnh. Φ - th«ng l−îng ¸nh s¸ng. Dßng Ir ch¹y qua ®iÖn trë Rg cña m¹ch cæng x¸c ®Þnh ®iÖn thÕ VGS vµ vµ dßng m¸ng: ( ) g P 0 g GS E I I R V − + = Eg - thÕ ph©n cùc cña cæng. Phototranzito hiÖu øng tr−êng ®−îc øng dông nhiÒu trong viÖc ®iÒu khiÓn ®iÖn ¸p b»ng ¸nh s¸ng. 2.3.C¶m biÕn quang ®iÖn ph¸t x¹ 2.3.1. HiÖu øng quang ®iÖn ph¸t x¹ HiÖu øng quang ®iÖn ph¸t x¹ hay cßn ®−îc gäi lµ hiÖu øng quang ®iÖn ngoµi lµ hiÖn t−îng c¸c ®iÖn tö ®−îc gi¶i phãng khái bÒ mÆt vËt liÖu t¹o thµnh dßng khi chiÕu vµo chóng mét bøc x¹ ¸nh s¸ng cã b−íc sãng nhá h¬n mét ng−ìng nhÊt ®Þnh vµ cã thÓ thu l¹i nhê t¸c dông cña ®iÖn tr−êng. C¬ chÕ ph¸t x¹ ®iÖn tö khi chiÕu s¸ng vËt liÖu xÈy ra theo ba giai ®o¹n: - HÊp thô photon vµ gi¶i phãng ®iÖn tö bªn trong vËt liÖu. - §iÖn tö võa ®−îc gi¶i phãng di chuyÓn ®Õn bÒ mÆt. - §iÖn tö tho¸t khái bÒ mÆt vËt liÖu. Khi mét ®iÖn tö hÊp thô photon vµ ®−îc gi¶i phãng, di chuyÓn cña nã trong khèi vËt liÖu mang tÝnh ngÉu nhiªn theo mäi h−íng, do ®ã chØ mét l−îng rÊt nhá h−íng tíi bÒ mÆt. MÆt kh¸c, trong qu¸ tr×nh di chuyÓn, c¸c ®iÖn tö nµy cã thÓ va ch¹m víi c¸c ®iÖn tö kh¸c vµ mÊt ®i mét phÇn n¨ng l−îng do ®ã chØ mét l−îng nhá ®iÖn tö ®−îc gi¶i phãng tíi ®−îc bÒ mÆt. MÆt kh¸c, sù ph¸t x¹ cña c¸c ®iÖn tö sau khi ®· ®Õn ®−îc bÒ mÆt chØ cã thÓ xÈy ra khi ®éng n¨ng cña nã ®ñ th¾ng ®−îc hµng rµo thÕ ph©n c¸ch vËt liÖu víi m«i tr−êng. Víi tÊt c¶ nh÷ng ®iÒu kiÖn trªn, sè ®iÖn tö ph¸t x¹ trung b×nh khi mét photon bÞ hÊp thô (hiÖu suÊt l−îng tö ) th−êng nhá h¬n 10% vµ Ýt khi v−ît qu¸ 30%. VËt liÖu chÕ t¹o: Phô thuéc vµo b−íc sãng ¸nh s¸ng, vËt liÖu chÕ t¹o photocatot cã thÓ chän trong c¸c lo¹i sau: - AgOCs nh¹y ë vïng hång ngo¹i. - Cs3Sb, (Cs)Na2KSb vµ K2CsSb: nh¹y víi ¸nh s¸ng nh×n thÊy vµ vïng tö ngo¹i. - Cs2Te, Rb2Te vµ CsTe chØ nh¹y trong vïng tö ngo¹i.
- 42. HiÖu suÊt l−îngtö cña c¸c vËt liÖu trªn ~ 1 - 30%. Ngoµi ra cßn dïng c¸c hîp chÊt cña c¸c chÊt thuéc nhãm III - V, ®ã lµ c¸c hîp chÊt GaAsxSb1-x , Ga1-xInxAs, InAsxP1-x, ng−ìng nh¹y s¸ng cña chóng n»m ë vïng hång ngo¹i (λ ~1µm), hiÖu suÊt l−îng tö ®¹t tíi 30%. 2.3.2. TÕ bµo quang ®iÖn ch©n kh«ng TÕ bµo quang ®iÖn ch©n kh«ng gåm mét èng h×nh trô cã mét cöa sæ trong suèt, ®−îc hót ch©n kh«ng (¸p suÊt ~ 10-6 - 10-8 mmHg). Trong èng ®Æt mét catot cã kh¶ n¨ng ph¸t x¹ khi ®−îc chiÕu s¸ng vµ mét anot. S¬ ®å t−¬ng ®−¬ng vµ sù thay ®æi cña dßng anot Ia phô thuéc vµo ®iÖn thÕ anot - catot Vak biÓu diÔn trªn h×nh 2.25. §Æc tr−ng I - V cã hai vïng râ rÖt: + Vïng ®iÖn tÝch kh«ng gian ®Æc tr−ng bëi sù t¨ng m¹nh cña dßng khi ®iÖn ¸p t¨ng. + Vïng b¶o hoµ ®Æc tr−ng bëi sù phô thuéc kh«ng ®¸ng kÓ cña dßng vµo ®iÖn ¸p. TÕ bµo quang ®iÖn ®−îc sö dông chñ yÕu trong vïng b¶o hoµ, khi ®ã nã gièng nh− mét nguån dßng, gi¸ trÞ cña dßng chØ phô thuéc vµo th«ng l−îng ¸nh s¸ng mµ nã A K H×nh 2.24 S¬ ®å cÊu t¹o tÕ bµo quang ®iÖn ch©n kh«ng A K Φ A K K A Ia E Rm Ia (µA) Vak (V) 4,75 mW 2,37 mW 0,95 mW 4 3 2 1 0 20 40 60 80 100 120 H×nh 2.25 S¬ ®å t−¬ng ®−¬ng vµ ®Æc tr−ng I - v cña tÕ bµo quang ®iÖn ch©n kh«ng a) b)
- 43. nhËn ®−îc. §iÖntrë trong ρ cña tÕ bµo quang ®iÖn rÊt lín vµ cã thÓ x¸c ®Þnh tõ ®é dèc cña ®Æc tuyÕn ë vïng b¶o hoµ: Φ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ = ρ ak a dV dI 1 §é nh¹y phæ cña tÕ bµo quang ®iÖn ®−îc biÓu diÔn th«ng qua gi¸ trÞ cña dßng anot trong vïng b·o hoµ, th−êng vµo cì 10 - 100 mA/W. 2.3.3. TÕ bµo quang ®iÖn d¹ng khÝ TÕ bµo quang ®iÖn d¹ng khÝ cã cÊu t¹o t−¬ng tù tÕ bµo quang ®iÖn ch©n kh«ng, chØ kh¸c ë chç thÓ tÝch bªn trong cña ®Ìn ®−îc ®iÒn ®Çy b»ng khÝ, th−êng lµ khÝ acgon, d−íi ¸p suÊt cì 10-1 - 10-2 mmHg. Khi ®iÖn ¸p thÊp h¬n 20V, ®Æc tuyÕn I - V cã d¹ng gièng nh− tÕ bµo quang ®iÖn ch©n kh«ng. Khi ®iÖn ¸p cao, ®iÖn tö chuyÓn ®éng víi tèc ®é lín lµm ion ho¸ c¸c nguyªn tö khÝ, kÕt qu¶ lµ dßng anot t¨ng lªn tõ 5 - 10 lÇn. 2.3.4. ThiÕt bÞ nh©n quang Khi bÒ mÆt vËt r¾n bÞ b¾n ph¸ bëi c¸c ®iÖn tö cã n¨ng l−îng cao, nã cã thÓ ph¸t x¹ c¸c ®iÖn tö (gäi lµ ph¸t x¹ thø cÊp). NÕu sè ®iÖn tö ph¸t x¹ thø cÊp lín h¬n sè ®iÖn tö tíi th× cã kh¶ n¨ng khuÕch ®¹i tÝn hiÖu. Sù khuÕch ®¹i ®−îc thùc hiÖn b»ng c¸c thiÕt bÞ nh©n quang (h×nh 2.27). C¸c ®iÖn tö tíi (®iÖn tö s¬ cÊp) ®−îc ph¸t x¹ tõ mét photocatot ®Æt trong ch©n kh«ng vµ bÞ chiÕu s¸ng. Sau ®ã chóng ®−îc tiªu tô trªn ®−îc cùc thø nhÊt cña d·y c¸c ®iÖn cùc (dynode) nèi tiÕp. BÒ mÆt c¸c ®iÖn cùc nèi tiÕp phñ b»ng vËt liÖu cã kh¶ n¨ng ph¸t x¹ ®iÖn tö thø cÊp. Theo chiÒu ®i tõ ®iÖn cùc thø nhÊt ®Õn c¸c ®iÖn cùc tiÕp theo, ®iÖn thÕ cña c¸c ®iÖn cùc t¨ng dÇn sao cho c¸c ®iÖn tö sinh ra tõ ®iÖn cùc thø k sÏ bÞ 0,5.10-2 lm H×nh 2.26 §Æc tr−ng vµ ®é nh¹y cña tÕ bµo quang ®iÖn d¹ng khÝ Ia (µA) Vak (V) 2 1 0 20 40 60 80 100 120 10-2 lm 1,5.10-2 lm 2.10-2 lm Vak (V) 6 2 0 20 40 60 80 4 8 §é nh¹y t−¬ng ®èi
- 44. hót bëi ®iÖncùc thø (k+1). KÕt qu¶ ë ®iÖn cùc sau sè ®iÖn tö lín h¬n ë ®iÖn cùc tr−íc ®ã. HÖ sè khuÕch ®¹i cña thiÕt bÞ nh©n quang x¸c ®Þnh theo c«ng thøc: ( )n t c M δ η η = ηc - hÖ sè thu nhËn ®iÖn tö h÷u hiÖu cña c¸c cùc. ηt- hÖ sè chuyÓn t¶i h÷u hiÖu tõ ®iÖn cùc nµy sang ®iÖn cùc kh¸c. δ - hÖ sè ph¸t x¹ thø cÊp (sè ®iÖn tö thø cÊp ph¸t ra khi cã mét ®iÖn tö ®Ëp vµo ®iÖn cùc). Víi sè ®iÖn cùc n = 5 - 15, hÖ sè ph¸t x¹ thø cÊp δ = 5 - 10 vµ ηt > 90%, th× M ~106 - 108 . H×nh 2.27 ThiÕt bÞ nh©n quang 1)b Photocatot 2) Dynode (®iÖn cùc thø cÊp) K A Φ 1 2
- 45. Ch−¬ng III C¶m biÕn®o nhiÖt ®é 3.1. Kh¸i niÖm c¬ b¶n NhiÖt ®é lµ mét trong sè nh÷ng ®¹i l−îng cã ¶nh h−ëng rÊt lín ®Õn tÝnh chÊt vËt chÊt. Bëi vËy trong nghiªn cøu khoa häc, trong c«ng nghiÖp còng nh− trong ®êi sèng hµng ngµy viÖc ®o nhiÖt ®é lµ rÊt cÇn thiÕt. Tuy nhiªn viÖc x¸c ®Þnh chÝnh x¸c mét nhiÖt ®é lµ mét vÊn ®Ò kh«ng ®¬n gi¶n. §a sè c¸c ®¹i l−îng vËt lý ®Òu cã thÓ x¸c ®Þnh trùc tiÕp nhê so s¸nh chóng víi mét ®¹i l−îng cïng b¶n chÊt. NhiÖt ®é lµ ®¹i l−îng chØ cã thÓ ®o gi¸n tiÕp dùa vµo sù phô thuéc cña tÝnh chÊt vËt liÖu vµo nhiÖt ®é. 3.1.1. Thang ®o nhiÖt ®é §Ó ®o nhiÖt ®é tr−íc hÕt ph¶i thiÕt lËp thang nhiÖt ®é. Thang nhiÖt ®é tuyÖt ®èi ®−îc thiÕt lËp dùa vµo tÝnh chÊt cña khÝ lý t−ëng. Theo ®Þnh lý Carnot: hiÖu suÊt η cña mét ®éng c¬ nhiÖt thuËn nghÞch ho¹t ®éng gi÷a hai nguån cã nhiÖt ®é θ1 vµ θ2 trong mét thang ®o bÊt kú chØ phô thuéc vµo θ1 vµ θ2: ( ) ( ) 2 1 F F θ θ = η (3.1) D¹ng cña hµm F phô thuéc vµo thang ®o nhiÖt ®é. Ng−îc l¹i viÖc chän d¹ng hµm F sÏ quyÕt ®Þnh thang ®o nhiÖt ®é. §Æt F(θ) = T, khi ®ã hiÖu suÊt nhiÖt cña ®éng c¬ nhiÖt thuËn nghÞch ®−îc viÕt nh− sau: 2 1 T T 1− = η (3.2) Trong ®ã T1 vµ T2 lµ nhiÖt ®é ®éng häc tuyÖt ®èi cña hai nguån. §èi víi chÊt khÝ lý t−ëng, néi n¨ng U chØ phô thuéc vµo nhiÖt ®é cña chÊt khÝ vµ ph−¬ng tr×nh ®Æc tr−ng liªn hÖ gi÷a ¸p suÊt p, thÓ tÝch v vµ nhiÖt ®é cã d¹ng: p.v=G(θ) Cã thÓ chøng minh ®−îc r»ng: G(θ)=RT Trong ®ã R lµ h»ng sè khÝ lý t−ëng, T lµ nhiÖt ®é ®éng häc tuyÖt ®èi. §Ó cã thÓ g¸n mét gi¸ trÞ sè cho T, cÇn ph¶i x¸c ®Þnh ®¬n vÞ cho nhiÖt ®é. Muèn vËy chØ cÇn g¸n gi¸ trÞ cho nhiÖt ®é t−¬ng øng víi mét hiÖn t−îng nµo ®ã víi ®iÒu kiÖn hiÖn t−îng nµy hoµn toµn x¸c ®Þnh vµ cã tÝnh lÆp l¹i.
- 46. Thang Kelvin (ThomsonKelvin - 1852): Thang nhiÖt ®é ®éng häc tuyÖt ®èi, ®¬n vÞ nhiÖt ®é lµ K. Trong thang ®o nµy ng−êi ta g¸n cho nhiÖt ®é cña ®iÓm c©n b»ng ba tr¹ng th¸i n−íc - n−íc ®¸ - h¬i mét gi¸ trÞ sè b»ng 273,15 K. Thang Celsius (Andreas Celsius - 1742): Thang nhiÖt ®é b¸ch ph©n, ®¬n vÞ nhiÖt ®é lµ o C vµ mét ®é Celsius b»ng mét ®é Kelvin. NhiÖt ®é Celsius x¸c ®Þnh qua nhiÖt ®é Kelvin theo biÓu thøc: T(o C)= T(K) - 273,15 (3.3) Thang Fahrenheit (Fahrenheit - 1706): §¬n vÞ nhiÖt ®é lµ o F. Trong thang ®o nµy, nhiÖt ®é cña ®iÓm n−íc ®¸ tan lµ 32o F vµ ®iÓm n−íc s«i lµ 212o F. Quan hÖ gi÷a nhiÖt ®é Fahrenheit vµ nhiÖt Celssius: ( ) ( ) { } 32 F T 9 5 C T o o − = (3.4) ( ) ( ) 32 C T 5 9 F T o o + = (3.5) B¶ng 3.1 Cho c¸c gi¸ trÞ t−¬ng øng cña mét sè nhiÖt ®é quan träng theo c¸c thang ®o kh¸c nhau. B¶ng 3.1 NhiÖ ®é Kelvin (K) Celsius (o C) Fahrenheit (o F) §iÓm 0 tuyÖt ®èi 0 -273,15 -459,67 Hçn hîp n−íc - n−íc ®¸ 273,15 0 32 C©n b»ngn−íc - n−íc ®¸ - h¬i 273,16 0,01 32,018 N−íc s«i 373,15 100 212 3.1.2. NhiÖt ®é ®o ®−îc vµ nhiÖt ®é cÇn ®o Gi¶ sö m«i tr−êng ®o cã nhiÖt ®é thùc b»ng Tx, nh−ng khi ®o ta chØ nhËn ®−îc nhiÖt ®é Tc lµ nhiÖt ®é cña phÇn tö c¶m nhËn cña c¶m biÕn. NhiÖt ®é Tx gäi lµ nhiÖt ®é cÇn ®o, nhiÖt ®é Tc gäi lµ nhiÖt ®é ®o ®−îc. §iÒu kiÖn ®Ó ®o ®óng nhiÖt ®é lµ ph¶i cã sù c©n b»ng nhiÖt gi÷a m«i tr−êng ®o vµ c¶m biÕn. Tuy nhiªn, do nhiÒu nguyªn nh©n, nhiÖt ®é c¶m biÕn kh«ng bao giê ®¹t tíi nhiÖt ®é m«i tr−êng Tx, do ®ã tån t¹i mét chªnh lÖch nhiÖt ®é Tx - Tc nhÊt ®Þnh. §é chÝnh x¸c cña phÐp ®o phô thuéc vµo hiÖu sè Tx - Tc , hiÖu sè nµy cµng bÐ, ®é chÝnh x¸c cña phÐp ®o cµng cao. Muèn vËy khi ®o cÇn ph¶i: - T¨ng c−ênng sù trao ®æi nhiÖt gi÷a bé c¶m biÕn vµ m«i tr−êng ®o.
- 47. - Gi¶m sùtrao ®æi nhiÖt gi÷a bé c¶m biÕn vµ m«i tr−êng bªn ngoµi. Chóng ta h·y kh¶o s¸t tr−êng hîp ®o b»ng c¶m biÕn tiÕp xóc. L−îng nhiÖt truyÒn tõ m«i tr−êng vµo bé c¶m biÕn x¸c ®Þnh theo c«ng thøc: ( )dt T T A dQ c x − α = Víi: α - hÖ sè dÉn nhiÖt. A - diÖn tÝch bÒ mÆt trao ®æi nhiÖt. T - thêi gian trao ®æi nhiÖt. L−îng nhiÖt c¶m biÕn hÊp thô: c mCdT dQ = Víi: m - khèi l−îng c¶m biÕn. C - nhiÖt dung cña c¶m biÕn. Nªu bá qua tæn thÊt nhiÖt cña c¶m biÕn ra m«i tr−êng ngoµi vµ gi¸ ®ì, ta cã: ( ) c c x mCdT dt T T A = − α §Ó t¨ng c−êng trao ®æi nhiÖt gi÷a m«i tr−êng cã nhiÖt ®é cÇn ®o vµ c¶m biÕn ta ph¶i dïng c¶m biÕn cã phÇn tö c¶m nhËn cã tØ nhiÖt thÊp, hÖ sè dÉn nhiÖt cao, ®Ó h¹n chÕ tæn thÊt nhiÖt tõ c¶m biÕn ra ngoµi th× c¸c tiÕp ®iÓm dÉn tõ phÇn tö c¶m nhËn ra m¹ch ®o bªn ngoµi ph¶i cã hÖ sè dÉn nhiÖt thÊp. 3.1.3. Ph©n lo¹i c¶m biÕn ®o nhiÖt ®é C¸c c¶m biÕn ®o nhiÖt ®é ®−îc chia lµm hai nhãm: - C¶m biÕn tiÕp xóc: c¶m biÕn tiÕp xóc víi m«i tr−êng ®o, gåm: + C¶m biÕn gi¶n në (nhiÖt kÕ gi¶n në). + C¶m biÕn ®iÖn trë (nhiÖt ®iÖn trë). + CÆp nhiÖt ngÉu. - C¶m biÕn kh«ng tiÕp xóc: ho¶ kÕ. D−íi ®©y nghiªn cøu mét sè lo¹i c¶m biÕn c¬ b¶n. 3.2. NhiÖt kÕ gi·n në §Æt τ = αA mC , gäi lµ h»ng sè thêi gian nhiÖt, ta cã: τ = − dt T T dT c x c NghiÖm cña ph−¬ng tr×nh cã d¹ng: τ − − = t x c ke T T H×nh 3.1. Trao ®æi nhiÖt cña c¶m biÕn Tx T1 0,63Tx τ t
- 48. Nguyªn lý ho¹t®éng cña nhiÖt kÕ gi·n në dùa vµo sù gi·n në cña vËt liÖu khi t¨ng nhiÖt ®é. NhiÖt kÕ lo¹i nµy cã −u ®iÓm kÕt cÊu ®¬n gi¶n, dÔ chÕ t¹o. 3.2.1. NhiÖt kÕ gi·n në dïng chÊt r¾n Th−êng cã hai lo¹i: gèm vµ kim lo¹i, kim lo¹i vµ kim lo¹i. - NhiÖt kÕ gèm - kim lo¹i(Dilatomet): gåm mét thanh gèm (1) ®Æt trong èng kim lo¹i (2), mét ®Çu thanh gèm liªn kÕt víi èng kim lo¹i, cßn ®Çu A nèi víi hÖ thèng truyÒn ®éng tíi bé phËn chØ thÞ. HÖ sè gi·n në nhiÖt cña kim lo¹i vµ cña gèm lµ αk vµ αg. Do αk > αg, khi nhiÖt ®é t¨ng mét l−îng dt, thanh kim lo¹i gi·n thªm mét l−îng dlk, thanh gèm gi·n thªm dlg víi dlk>dlg, lµm cho thanh gèm dÞch sang ph¶i. DÞch chuyÓn cña thanh gèm phô thuéc dlk - dlg do ®ã phô thuéc nhiÖt ®é. - NhiÖt kÕ kim lo¹i - kim lo¹i: gåm hai thanh kim lo¹i (1) vµ (2) cã hÖ sè gi·n në nhiÖt kh¸c nhau liªn kÕt víi nhau theo chiÒu däc. Gi¶ sö α1 > α2 , khi gi·n në nhiÖt hai thanh kim lo¹i cong vÒ phÝa thanh (2). Dùa vµo ®é cong cña thanh kim lo¹i ®Ó x¸c ®Þnh nhiÖt ®é. NhiÖt kÕ gi·n në dïng chÊt r¾n th−êng dïng ®Ó ®o nhiÖt ®é d−íi 700o C. 3.2.2. NhiÖt kÕ gi·n në dïng chÊt láng NhiÖt kÕ gåm b×nh nhiÖt (1), èng mao dÉn (2) vµ chÊt láng (3). ChÊt láng sö dông th−êng dïng lµ thuû ng©n cã hÖ sè gi·n në nhiÖt α =18.10-5 /o C, vá nhiÖt kÕ b»ng thuû tinh cã α =2.10-5 /o C. Khi ®o nhiÖt ®é, b×nh nhiÖt ®−îc ®Æt tiÕp xóc víi m«i tr−êng ®o. Khi nhiÖt ®é t¨ng, chÊt láng gi·n në vµ d©ng lªn trong èng mao dÉn. Thang ®o ®−îc chia ®é trªn vá theo däc èng mao dÉn. D¶i nhiÖt ®é lµm viÖc tõ - 50 ÷ 600o C tuú theo vËt liÖu chÕ t¹o vá bäc. 3.3. NhiÖt kÕ ®iÖn trë 3.3.1. Nguyªn lý Nguyªn lý chung ®o nhiÖt ®é b»ng c¸c ®iÖn trë lµ dùa vµo sù phô thuéc ®iÖn trë suÊt cña vËt liÖu theo nhiÖt ®é. Trong tr−êng hîp tæng qu¸t, sù thay ®æi ®iÖn trë 2 3 H×nh 3.2 NhiÖt kÕ gi·n në a) NhiÖt kÕ gèm - kim lo¹i b) NhiÖt kÕ kim lo¹i - kim lo¹i 2 1 a) 1 2 b) A
- 49. HiÖn nay th−êngsö dông ba lo¹i ®iÖn trë ®o nhiÖt ®é ®ã lµ: ®iÖn trë kim lo¹i, ®iÖn trë silic vµ ®iÖn trë chÕ t¹o b»ng hçn hîp c¸c oxyt b¸n dÉn. Tr−êng hîp ®iÖn trë kim lo¹i, hµm trªn cã d¹ng: ( ) 3 2 0 CT BT AT 1 R ) T ( R + + + = (3.6) Trong ®ã nhiÖt ®é T ®o b»ng o C, T0=0o C vµ A, B, C lµ c¸c hÖ sè thùc nghiÖm. Tr−êng hîp ®iÖn trë lµ hçn hîp c¸c oxyt b¸n dÉn: ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ − = 0 0 T 1 T 1 B exp . R ) T ( R (3.7) T lµ nhiÖt ®é tuyÖt ®èi, B lµ hÖ sè thùc nghiÖm. C¸c hÖ sè ®−îc x¸c ®Þnh chÝnh x¸c b»ng thùc nghiÖm khi ®o nh÷ng nhiÖt ®é ®· biÕt tr−íc. Khi ®· biÕt gi¸ trÞ c¸c hÖ sè, tõ gi¸ trÞ cña R ng−êi ta x¸c ®Þnh ®−îc nhiÖt ®é cÇn ®o. Khi ®é biÕn thiªn cña nhiÖt ®é ∆T (xung quanh gi¸ trÞ T) nhá, ®iÖn trë cã thÓ coi nh− thay ®æi theo hµm tuyÕn tÝnh: ( ) ( )( ) T 1 T R T T R R ∆ α + = ∆ + (3.8) Trong ®ã: ( ) dT dR T R 1 R = α (3.9) ®−îc gäi hÖ sè nhiÖt cña ®iÖn trë hay cßn gäi lµ ®é nh¹y nhiÖt ë nhiÖt ®é T. §é nh¹y nhiÖt phô thuéc vµo vËt liÖu vµ nhiÖt ®é, vÝ dô ë 0o C platin (Pt) cã αR=3,9.10-3 /o C. ChÊt l−îng thiÕt bÞ ®o x¸c ®Þnh gi¸ trÞ nhá nhÊt mµ nã cã thÓ ®o ®−îc min 0 R R ∆ , do ®ã còng x¸c ®Þnh sù thay ®æi nhá nhÊt cña nhiÖt ®é cã thÓ ph¸t hiÖn ®−îc: min o R min R R 1 T ∆ α = ∆
- 50. VÝ dô nÕu6 min 0 10 R R − = ∆ vµ víi nh÷ng phÐp ®o quanh ®iÓm 0o C, vËt liÖu lµ platin th× 4 min 10 . 6 , 2 T − = ∆ o C. Thùc ra, ®iÖn trë kh«ng chØ thay ®æi khi nhiÖt ®é thay ®æi do sù thay ®æi ®iÖn trë suÊt mµ cßn chÞu t¸c ®éng cña sù thay ®æi kÝch th−íc h×nh häc cña nã. Bëi vËy ®èi víi mét ®iÖn trë d©y cã chiÒu dµi l vµ tiÕt diÖn s, hÖ sè nhiÖt ®é cã d¹ng: dT ds s 1 dT dl l 1 dT d 1 dT dR R 1 R − + ρ ρ = = α §Æt: dT d 1 ρ ρ = αρ ; dT dl l 1 l = α ; dT ds s 1 s = α s l R α − α + α = α ρ Víi l s 2α = α ta cã: l R α − α = α ρ Trªn thùc tÕ th−êng l α >> αρ nªn cã thÓ coi ρ α = αR . 3.3.2. NhiÖt kÕ ®iÖn trë kim lo¹i a) VËt liÖu Yªu cÇu chung ®èi víi vËt liÖu lµm ®iÖn trë: - Cã ®iÖn trë suÊt ρ ®ñ lín ®Ó ®iÖn trë ban ®Çu R0 lín mµ kÝch th−íc nhiÖt kÕ vÉn nhá. - HÖ sè nhiÖt ®iÖn trë cña nã tèt nhÊt lµ lu«n lu«n kh«ng ®æi dÊu, kh«ng triÖt tiªu. - Cã ®ñ ®é bÒn c¬, ho¸ ë nhiÖt ®é lµm viÖc. - DÔ gia c«ng vµ cã kh¶ n¨ng thay lÉn. C¸c c¶m biÕn nhiÖt th−êng ®−îc chÕ t¹o b»ng Pt vµ Ni. Ngoµi ra cßn dïng Cu, W. - Platin : + Cã thÓ chÕ t¹o víi ®é tinh khiÕt rÊt cao (99,999%) do ®ã t¨ng ®é chÝnh x¸c cña c¸c tÝnh chÊt ®iÖn. + Cã tÝnh tr¬ vÒ mÆt ho¸ häc vµ tÝnh æn ®Þnh cÊu tróc tinh thÓ cao do ®ã ®¶m b¶o tÝnh æn ®Þnh cao vÒ c¸c ®Æc tÝnh dÉn ®iÖn trong qu¸ tr×nh sö dông. + HÖ sè nhiÖt ®iÖn trë ë 0o C b»ng 3,9.10-3 /o C. + §iÖn trë ë 100o C lín gÊp 1,385 lÇn so víi ë 0o C. + D¶i nhiÖt ®é lµm viÖc kh¸ réng tõ -200o C ÷ 1000o C. - Nikel: + Cã ®é nh¹y nhiÖt cao, b»ng 4,7.10-3 /o C.
- 51. + §iÖn trëë 100o C lín gÊp 1,617 lÇn so víi ë 0o C. + DÔ bÞ oxy ho¸ khi ë nhiÖt ®é cao lµm gi¶m tÝnh æn ®Þnh. + D¶i nhiÖt ®é lµm viÖc thÊp h¬n 250o C. §ång ®−îc sö dông trong mét sè tr−êng hîp nhê ®é tuyÕn tÝnh cao cña ®iÖn trë theo nhiÖt ®é. Tuy nhiªn, ho¹t tÝnh ho¸ häc cña ®ång cao nªn nhiÖt ®é lµm viÖc th−êng kh«ng v−ît qu¸ 180o C. §iÖn trë suÊt cña ®ång nhá, do ®ã ®Ó chÕ t¹o ®iÖn trë cã ®iÖn trë lín ph¶i t¨ng chiÒu dµi d©y lµm t¨ng kÝch th−íc ®iÖn trë. Wonfram cã ®é nh¹y nhiÖt vµ ®é tuyÕn tÝnh cao h¬n platin, cã thÓ lµm viÖc ë nhiÖt ®é cao h¬n. Wonfram cã thÓ chÕ t¹o d¹ng sîi rÊt m¶nh nªn cã thÓ chÕ t¹o ®−îc c¸c ®iÖn trë cao víi kÝch th−íc nhá. Tuy nhiªn, øng suÊt d− sau khi kÐo sîi khã bÞ triÖt tiªu hoµn toµn b»ng c¸ch ñ do ®ã gi¶m tÝnh æn ®Þnh cña ®iÖn trë. B¶ng 3.2 Th«ng sè Cu Ni Pt W Tf (o C) 1083 1453 1769 3380 c (Jo C-1 kg-1 ) 400 450 135 125 λ (Wo C-1 m-1 ) 400 90 73 120 αl x106 (o C) 16,7 12,8 8,9 6 ρ x108 (Ωm) 1,72 10 10,6 5,52 α x103 (o C-1 ) 3,9 4,7 3,9 4,5 b) CÊu t¹o nhiÖt kÕ ®iÖn trë §Ó tr¸nh sù lµm nãng ®Çu ®o dßng ®iÖn ch¹y qua ®iÖn trë th−êng giíi h¹n ë gi¸ trÞ mét vµi mA vµ ®iÖn trë cã ®é nh¹y nhiÖt cao th× ®iÖn trë ph¶i cã gi¸ trÞ ®ñ lín. Muèn vËy ph¶i gi¶m tiÕt diÖn d©y hoÆc t¨ng chiÒu dµi d©y. Tuy nhiªn khi gi¶m tiÕt diÖn d©y ®é bÒn l¹i thÊp, d©y ®iÖn trë dÔ bÞ ®øt, viÖc t¨ng chiÒu dµi d©y l¹i lµm t¨ng kÝch th−íc ®iÖn trë. §Ó hîp lý ng−êi ta th−êng chän ®iÖn trë R ë 0o C cã gi¸ trÞ vµo kho¶ng 100Ω, khi ®ã víi ®iÖn trë platin sÏ cã ®−êng kÝnh d©y cì vµi µm vµ chiÒu dµi kho¶ng 10cm, sau khi quÊn l¹i sÏ nhËn ®−îc nhiÖt kÕ cã chiÒu dµi cì 1cm. C¸c s¶n phÈm th−¬ng m¹i th−êng cã ®iÖn trë ë 0o C lµ 50Ω, 500Ω vµ 1000Ω, c¸c ®iÖn trë lín th−êng ®−îc dïng ®Ó ®o ë d¶i nhiÖt ®é thÊp. - NhiÖt kÕ c«ng nghiÖp: §Ó sö dông cho môc ®Ých c«ng nghiÖp, c¸c nhiÖt kÕ ph¶i cã vá bäc tèt chèng ®−îc va ch¹m m¹nh vµ rung ®éng, ®iÖn trë kim lo¹i ®−îc cuèn vµ bao
- 52. bäc trong thuûtinh hoÆc gèm vµ ®Æt trong vá b¶o vÖ b»ng thÐp. Trªn h×nh 3.4 lµ c¸c nhiÖt kÕ dïng trong c«ng nghiÖp b»ng ®iÖn trë kim lo¹i platin. - NhiÖt kÕ bÒ mÆt: NhiÖt kÕ bÒ mÆt dïng ®Ó ®o nhiÖt ®é trªn bÒ mÆt cña vËt r¾n. Chóng th−êng ®−îc chÕ t¹o b»ng ph−¬ng ph¸p quang ho¸ vµ sö dông vËt liÖu lµm ®iÖn trë lµ Ni, Fe-Ni hoÆc Pt. CÊu tróc cña mét nhiÖt kÕ bÒ mÆt cã d¹ng nh− h×nh vÏ 3.5. ChiÒu dµy líp kim lo¹i cì vµi µm vµ kÝch th−íc nhiÖt kÕ cì 1cm2 . §Æc tr−ng chÝnh cña nhiÖt kÕ bÒ mÆt: - §é nh¹y nhiÖt : ~5.10-3 /o C ®èi víi tr−êng hîp Ni vµ Fe-Ni ~4.10-3 /o C ®èi víi tr−êng hîp Pt. - D¶i nhiÖt ®é sö dông: -195o C ÷ 260 o C ®èi víi Ni vµ Fe-Ni. -260o C ÷ 1400o C ®èi víi Pt. Khi sö dông nhiÖt kÕ bÒ mÆt cÇn ®Æc biÖt l−u ý ®Õn ¶nh h−ëng biÕn d¹ng cña bÒ mÆt ®o. 3.3.3. NhiÖt kÕ ®iÖn trë silic 8 H×nh 3.4 NhiÖt kÕ c«ng nghiÖp dïng ®iÖn trë platin 1) D©y platin 2) Gèm c¸ch ®iÖn 3) èng platin 4) D©y nèi 5) Sø c¸ch ®iÖn 6) Trôc g¸ 7) C¸ch ®iÖn 8) Vá bäc 9) Xi m¨ng 1 2 3 4 5 1 7 6 6 9 H×nh 3.5 NhiÖt kÕ bÒ mÆt
- 53. Silic tinh khiÕthoÆc ®¬n tinh thÓ silic cã hÖ sè nhiÖt ®iÖn trë ©m, tuy nhiªn khi ®−îc kÝch t¹p lo¹i n th× trong kho¶ng nhiÖt ®é thÊp chóng l¹i cã hÖ sè nhiÖt ®iÖn trë d−¬ng, hÖ sè nhiÖt ®iÖn trë ~0,7%/o C ë 25o C. PhÇn tö c¶m nhËn nhiÖt cña c¶m biÕn silic ®−îc chÕ t¹o cã kÝch th−íc 500x500x240 µm ®−îc m¹ kim lo¹i ë mét phÝa cßn phÝa kia lµ bÒ mÆt tiÕp xóc. 3.3.4. NhiÖt kÕ ®iÖn trë oxyt b¸n dÉn a) VËt liÖu chÕ t¹o NhiÖt ®iÖn trë ®−îc chÕ t¹o tõ hçn hîp oxyt b¸n dÉn ®a tinh thÓ nh−: MgO, MgAl2O4, Mn2O3, Fe3O4, Co2O3, NiO, ZnTiO4. Sù phô thuéc cña ®iÖn trë cña nhiÖt ®iÖn trë theo nhiÖt ®é cho bëi biÓu thøc: ⎭ ⎬ ⎫ ⎩ ⎨ ⎧ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ − β ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ = 0 2 0 0 T 1 T 1 exp T T R ) T ( R (3.11) Trong ®ã R0(Ω) lµ ®iÖn trë ë nhiÖt ®é T0(K). §é nh¹y nhiÖt cã d¹ng: 2 R T b + β = α V× ¶nh h−ëng cña hµm mò ®Õn ®iÖn trë chiÕm −u thÕ nªn biÓu thøc (3.11) cã thÓ viÕt l¹i: ⎭ ⎬ ⎫ ⎩ ⎨ ⎧ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ − = 0 0 T 1 T 1 B exp R ) T ( R (3.12) Vµ ®é nh¹y nhiÖt: 2 R T B − = α Trong d¶i nhiÖt ®é lµm viÖc ( -55 ÷ 200o C) cã thÓ lÊy gÇn ®óng gi¸ trÞ ®iÖn trë cña c¶m biÕn theo nhiÖt ®é theo c«ng thøc: ( ) ( ) [ ] 2 0 0 0 T T T B T T A 1 R R − + − + = Trong ®ã R0 vµ T0 lµ ®iÖn trë vµ nhiÖt ®é tuyÖt ®èi ë ®iÓm chuÈn. Sù thay ®æi nhiÖt cña ®iÖn trë t−¬ng ®èi nhá nªn cã thÓ tuyÕn tÝnh ho¸ b»ng c¸ch m¾c thªm mét ®iÖn trë phô. To C 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 -50 0 50 100 R(Ω) H×nh 3.6 Sù phô thuéc nhiÖt ®é cña ®iÖn trë silic
- 54. Víi B cãgi¸ trÞ trong kho¶ng 3.000 - 5.000K. b) CÊu t¹o NhiÖt ®iÖn trë cã ®é nh¹y nhiÖt rÊt cao nªn cã thÓ dïng ®Ó ph¸t hiÖn nh÷ng biÕn thiªn nhiÖt ®é rÊt nhá cì 10-4 -10-3 K. KÝch th−íc c¶m biÕn nhá cã thÓ ®o nhiÖt ®é t¹i tõng ®iÓm. NhiÖt dung c¶m biÕn nhá nªn thêi gian håi ®¸p nhá. Tuú thuéc thµnh phÇn chÕ t¹o, d¶i nhiÖt ®é lµm viÖc cña c¶m biÕn nhiÖt ®iÖn trë tõ vµi ®é ®Õn kho¶ng 300o C. 3.4. C¶m biÕn nhiÖt ngÉu 3.4.1. HiÖu øng nhiÖt ®iÖn Ph−¬ng ph¸p ®o nhiÖt ®é b»ng c¶m biÕn nhiÖt ngÉu dùa trªn c¬ së hiÖu øng nhiÖt ®iÖn. Ng−êi ta nhËn thÊy r»ng khi hai d©y dÉn chÕ t¹o tõ vËt liÖu cã b¶n chÊt ho¸ häc kh¸c nhau ®−îc nèi víi nhau b»ng mèi hµn thµnh mét m¹ch kÝn vµ nhiÖt ®é hai mèi hµn lµ t vµ t0 kh¸c nhau th× trong m¹ch xuÊt hiÖn mét dßng ®iÖn. Søc ®iÖn ®éng xuÊt hiÖn do hiÖu øng nhiÖt ®iÖn gäi lµ søc ®iÖn ®éng nhiÖt ®iÖn. NÕu mét ®Çu cña cÆp nhiÖt ngÉu hµn nèi víi nhau, cßn ®Çu thø hai ®Ó hë th× gi÷a hai cùc xuÊt hiÖn mét hiÖu ®iÖn thÕ. HiÖn t−îng trªn cã thÓ gi¶i thÝch nh− sau: Trong kim lo¹i lu«n lu«n tån t¹i mét nång ®é ®iÖn tö tù do nhÊt ®Þnh phô thuéc b¶n chÊt kim lo¹i vµ nhiÖt ®é. Th«ng th−êng khi nhiÖt ®é t¨ng, nång ®é ®iÖn tö t¨ng. H×nh 3.7 CÊu t¹o nhiÖt ®iÖn trë cã vá bäc thuû i h H×nh 3. 8 S¬ ®å nguyªn lý cÆp nhiÖt t0 t A B 2 1 Gi¶ sö ë nhiÖt ®é t0 nång ®é ®iÖn tö trong A lµ NA(t0), trong B lµ NB(t0) vµ ë nhiÖt ®é t nång ®é ®iÖn tö trong A lµ NA(t), trong B lµ NB(t), nÕu NA(t0) > NB(t0) th× nãi chung NA(t) > NB(t). XÐt ®Çu lµm viÖc (nhiÖt ®é t), do NA(t) > NB(t) nªn cã sù khuÕch t¸n ®iÖn tö tõ A → B vµ ë chæ tiÕp xóc xuÊt hiÖn mét hiÖu ®iÖn thÕ eAB(t) cã t¸c dông c¶n trë sù khuÕch t¸n. Khi ®¹t c©n b»ng eAB(t) sÏ kh«ng ®æi. Hçn hîp bét oxyt ®−îc trén theo tØ lÖ thÝch hîp sau ®ã ®−îc nÐn ®Þnh d¹ng vµ thiªu kÕt ë nhiÖt ®é ~ 1000o C. C¸c d©y nèi kim lo¹i ®−îc hµn t¹i hai ®iÓm trªn bÒ mÆt vµ ®−îc phñ b»ng mét líp kim lo¹i. MÆt ngoµi cã thÓ bäc bëi vá thuû tinh.
- 55. T−¬ng tù t¹imÆt tiÕp xóc ë ®Çu tù do (nhiÖt ®é t0) còng xuÊt hiÖn mét hiÖu ®iÖn thÕ eAB(t0). Gi÷a hai ®Çu cña mét d©y dÉn còng cã chªnh lÖch nång ®é ®iÖn tö tù do, do ®ã còng cã sù khuÕch t¸n ®iÖn tö vµ h×nh thµnh hiÖu ®iÖn thÕ t−¬ng øng trong A lµ eA(t,t0) vµ trong B lµ eB(t,t0). Søc ®iÖn ®éng tæng sinh ra do hiÖu øng nhiÖt ®iÖn x¸c ®Þnh bëi c«ng thøc sau: ) t , t ( e ) t , t ( e ) t ( e ) t ( e E 0 B 0 A 0 BA AB AB + + + = (3.13) V× eA(t0,t) vµ eB(t,t0) nhá vµ ng−îc chiÒu nhau cã thÓ bá qua, nªn ta cã: ) t ( e ) t ( e E 0 BA AB AB + = NÕu nhiÖt ®é hai mèi hµn b»ng nhau, ch¼ng h¹n b»ng t0 khi ®ã søc ®iÖn ®éng tæng: 0 ) t ( e ) t ( e E 0 BA 0 AB AB = + = Hay: ) t ( e ) t ( e 0 AB 0 BA − = (3.14) Nh− vËy: ) t ( e ) t ( e E 0 AB AB AB − = (3.15) Ph−¬ng tr×nh (3.15) gäi lµ ph−¬ng tr×nh c¬ b¶n cña cÆp nhiÖt ngÉu. Tõ ph−¬ng tr×nh (3.15) nhËn thÊy nÕu gi÷ nhiÖt ®é t0 = const th×: ) t ( f C ) t ( e E AB AB = + = (3.16) Chän nhiÖt ®é ë mét mèi hµn t0 = const biÕt tr−íc lµm nhiÖt ®é so s¸nh vµ ®o søc ®iÖn ®éng sinh ra trong m¹ch ta cã thÓ x¸c ®Þnh ®−îc nhiÖt ®é t ë mèi hµn thø hai. Søc ®iÖn ®éng cña cÆp nhiÖt kh«ng thay ®æi nÕu chóng ta nèi thªm vµo m¹ch mét d©y dÉn thø ba (h×nh 3.9) nÕu nhiÖt ®é hai ®Çu nèi cña d©y thø ba gièng nhau. ThËt vËy: - Trong tr−êng hîp a: ) t ( e ) t ( e ) t ( e ) t , t ( E 0 CA 0 BC AB 0 ABC + + = V×: 0 ) t ( e ) t ( e ) t ( e 0 CA 0 BC 0 AB = + + Nªn: ) t ( e ) t ( e ) t , t ( E 0 AB AB 0 ABC − = 2 3 t0 t0 A B C 2 3 t0 t1 C 4 B
- 56. - Tr−êng hîpb: ) t ( e ) t ( e ) t ( e ) t ( e ) t , t , t ( E 1 CB 1 BC 0 AB AB 0 1 ABC + + − = V×: ) t ( e ) t ( e 1 CB 1 BC − = Nªn: ) t ( e ) t ( e ) t , t ( E 0 AB AB 0 ABC − = NÕu nhiÖt ®é hai ®Çu nèi kh¸c nhau sÏ lµm xuÊt hiÖn søc ®iÖn ®éng ký sinh. 3.4.2. CÊu t¹o cÆp nhiÖt a) VËt liÖu chÕ t¹o §Ó chÕ t¹o cùc nhiÖt ®iÖn cã thÓ dïng nhiÒu kim lo¹i vµ hîp kim kh¸c nhau. Tuy nhiªn chóng ph¶i ®¶m b¶o c¸c yªu cÇu sau: - Søc ®iÖn ®éng ®ñ lín (®Ó dÏ dµng chÕ t¹o dông cô ®o thø cÊp). - Cã ®ñ ®é bÒn c¬ häc vµ ho¸ häc ë nhiÖt ®é lµm viÖc. - DÔ kÐo sîi. - Cã kh¶ n¨ng thay lÉn. - Gi¸ thµnh rÏ. H×nh 3.10 biÓu diÔn quan hÖ gi÷a søc ®iÖn ®éng vµ nhiÖt ®é cña c¸c vËt liÖu dïng ®Ó chÕ t¹o ®iÖn cùc so víi ®iÖn cùc chuÈn platin. 2 1 3 8 9 10 5 4 6 7 11 T Ed
- 57. - CÆp Platin- Ro®i/Platin: Cùc d−¬ng lµ hîp kim Platin (90%) vµ r«®i (10%), cùc ©m lµ platin s¹ch. NhiÖt ®é lµm viÖc ng¾n h¹n cho phÐp tíi 1600o C , E® =16,77mV. NhiÖt ®é lµm viÖc dµi h¹n <1300o C. §−êng ®Æc tÝnh cã d¹ng bËc hai, trong kho¶ng nhiÖt ®é 0 - 300o C th× E ≈ 0. Trong m«i tr−êng cã SiO2 cã thÓ háng ë nhiÖt ®é 1000 - 1100o C. §−êng kÝnh ®iÖn cùc th−êng chÕ t¹o φ = 0,5 mm. Do sai kh¸c cña c¸c cÆp nhiÖt kh¸c nhau t−¬ng ®èi nhá nªn lo¹i cÆp nhiÖt nµy th−êng ®−îc dïng lµm cÆp nhiÖt chuÈn. - CÆp nhiÖt Chromel/Alumel: Cùc d−¬ng lµ Chromel, hîp kim gåm 80%Ni + 10%Cr + 10%Fe. Cùc ©m lµ Alumen, hîp kim gåm 95%Ni + 5%(Mn + Cr+Si). NhiÖt ®é lµm viÖc ng¾n h¹n ~1100o C, E® = 46,16 mV. NhiÖt ®é lµm viÖc dµi h¹n < 900o C. §−êng kÝnh cùc φ = 3 mm. - CÆp nhiÖt Chromel/Coben: Cùc d−¬ng lµ chromel, cùc ©m lµ coben lµ hîp kim gåm 56%Cu + 44% Ni. NhiÖt ®é lµm viÖc ng¾n h¹n 800o C, E® = 66 mV. NhiÖt ®é lµm viÖc dµi h¹n < 600o C. - CÆp nhiÖt §ång/Coben: Cùc d−¬ng lµ ®ång s¹ch, cùc ©m lµ coben. NhiÖt ®é lµm viÖc ng¾n h¹n 600o C. NhiÖt ®é lµm viÖc dµi h¹n <300o C. Lo¹i nµy ®−îc dïng nhiÒu trong thÝ nghiÖm v× dÔ chÕ t¹o. Quan hÖ gi÷a søc ®iÖn ®éng vµ nhiÖt ®é cña mét sè cÆp nhiÖt cho ë h×nh 3.11. E J K R E®
- 58. b) CÊu t¹o CÊut¹o ®iÓn h×nh cña mét cÆp nhiÖt c«ng nghiÖp tr×nh bµy trªn h×nh 3.12. §Çu lµm viÖc cña c¸c ®iÖn cùc (3) ®−îc hµn nèi víi nhau b»ng hµn v¶y, hµn khÝ hoÆc hµn b»ng tia ®iÖn tö. §Çu tù do nèi víi d©y nèi (7) tíi dông cô ®o nhê c¸c vÝt nèi (6) d©y ®Æt trong ®Çu nèi d©y (8). §Ó c¸ch ly c¸c ®iÖn cùc ng−êi ta dïng c¸c èng sø c¸ch ®iÖn (4), sø c¸ch ®iÖn ph¶i tr¬ vÒ ho¸ häc vµ ®ñ ®é bÒn c¬ vµ nhiÖt ë nhiÖt ®é lµm viÖc. §Ó b¶o vÖ c¸c ®iÖn cùc, c¸c cÆp nhiÖt cã vá b¶o vÖ (1) lµm b»ng sø chÞu nhiÖt hoÆc thÐp chÞu nhiÖt. HÖ thèng vá b¶o vÖ ph¶i cã nhiÖt dung ®ñ nhá ®Ó gi¶m bít qu¸n tÝnh nhiÖt vµ vËt liÖu chÕ t¹o vá ph¶i cã ®é dÉn nhiÖt kh«ng qu¸ nhá nh−ng còng kh«ng ®−îc qu¸ lín. Tr−êng hîp vá b»ng thÐp mèi hµn ë ®Çu lµm viÖc cã thÓ tiÕp xóc víi vá ®Ó gi¶m thêi gian håi ®¸p. 3.4.3. M¹ch ®o vµ dông cô thø cÊp NhiÖt ®é cÇn ®o ®−îc x¸c ®Þnh th«ng qua viÖc ®o søc ®iÖn ®éng sinh ra ë hai ®Çu d©y cña cÆp nhiÖt ngÉu. §é chÝnh x¸c cña phÐp ®o søc ®iÖn ®éng cña cÆp nhiÖt ngÉu phô thuéc nhiÒu yÕu tè. Muèn n©ng cao ®é chÝnh x¸c cÇn ph¶i: - Gi¶m thiÓu ¶nh h−ëng cña t¸c ®éng cña m«i tr−êng ®o lªn nhiÖt ®é ®Çu tù do. H×nh 3.12 CÊu t¹o cÆp nhiÖt 1) Vá b¶o vÖ 2) Mèi hµn 3) D©y ®iÖn cùc 4) Sø c¸ch ®iÖn 5) Bé phËn l¾p ®Æt 6) VÝt nèi d©y 7) D©y nèi 8) §Çu nèi d©y 1 3 2 4 5 6 7 8
- 59. - Gi¶m thiÓusù sôt ¸p do cã dßng ®iÖn ch¹y qua c¸c phÇn tö cña c¶m biÕn vµ m¹ch ®o. a) S¬ ®å m¹ch ®o dïng miliv«n kÕ - S¬ ®å: Trªn h×nh 3.13 biÓu diÔn s¬ ®å ®o th«ng dông sö dông miliv«n kÕ tõ ®iÖn. Khi nhiÖt ®é hai ®Çu tù do (2) vµ (3) b»ng nhau th× søc ®iÖn ®éng trong m¹ch chÝnh lµ søc ®iÖn ®éng cña cÆp nhiÖt, nÕu chóng kh¸c nhau th× trong m¹ch xuÊt hiÖn suÊt ®iÖn ®éng ký sinh ë c¸c mèi nèi vµ lµm sai lÖch kÕt qu¶ ®o. §Ó ®o trùc tiÕp hiÖu nhiÖt ®é gi÷a hai ®iÓm ng−êi ta dïng s¬ ®å ®o vi sai nh− h×nh 3.14. Trong s¬ ®å nµy, c¶ hai ®Çu 1 vµ 2 cña cÆp nhiÖt lµ ®Çu lµm viÖc t−¬ng øng víi nhiÖt ®é t1 vµ t2. KÕt qu¶ ®o cho phÐp ta x¸c ®Þnh trùc tiÕp gi¸ trÞ cña hiÖu sè hai nhiÖt ®é t1- t2. 1 2 3 t t0 t0 A B C H×nh 3.13 S¬ ®å m¹ch ®o mV 1 2 t1 t2 3 4 t0 t0 H×nh3.14 S¬ ®å ®o vi sai A A B mV ) t , t ( E ' 0 AB ) t , t ( E 0 ' 0 AB H×nh 3.16 HiÖu chØnh nhiÖt ®é ®Çu tù do A A A A B B B B H×nh 3.15 S¬ ®å m¾c nèi tiÕp mV to C E
- 60. Tr−êng hîp nhiÖt®é m«i tr−êng ®o kh«ng kh¸c nhiÒu nhiÖt ®é ®Çu tù do, ®Ó t¨ng ®é nh¹y phÐp ®o cã thÓ m¾c theo s¬ ®å nèi tiÕp n cÆp nhiÖt nh− h×nh 3.15. Søc ®iÖn ®éng tæng cña bé m¾c nèi tiÕp b»ng ) t , t ( nE 0 AB . - Bï nhiÖt ®é ®Çu tù do: Th«ng th−êng cÆp nhiÖt ngÉu ®−îc chuÈn víi t0 = 0o C øng víi: ) t ( e ) t ( e ) t , t ( E 0 AB AB 0 AB − = NÕu nhiÖt ®é ®Çu tù do b»ng 0 t' 0 ≠ th× gi¸ trÞ søc ®iÖn ®éng ®o ®−îc: ) t ( e ) t ( e ) t , t ( E ' 0 AB AB ' 0 AB − = Rót ra: [ ] ) t ( e ) t ( e ) t , t ( E ) t , t ( E 0 AB ' 0 AB ' 0 AB 0 AB − + = Hay: ) t , t ( E ) t , t ( E ) t , t ( E 0 ' 0 Ab ' 0 AB 0 AB + = Gi¸ trÞ ) t , t ( E ' 0 AB lµ l−îng hiÖu chØnh x¸c ®Þnh tõ thang chia ®é cña cÆp nhiÖt ngÉu ®· dïng theo gi¸ trÞ ®o ë nhiÖt ®é ®Çu tù do t’ 0. D−íi ®©y tr×nh bµy mét sè ph−¬ng ph¸p bï nhiÖt ®é ®Çu tù do. - Dïng d©y bï: §Ó lo¹i trõ ¶nh h−ëng cña nhiÖt ®é ®èi t−îng ®o lªn ®Çu tù do cã thÓ m¾c dông cô ®o theo s¬ ®å h×nh 3.17. ) t ( e ) t ( e ) t ( e ) t ( e E 0 CD ' 0 BD ' 0 CA AB − + − = Chän d©y dÉn C vµ D sao cho ) t ( e ) t ( e ' 0 DB ' 0 CA = ( 34 12 = ), khi ®ã: ) t ( e ) t ( e E 0 CD AB − = V× e(t0) = 0, nªn: ) t ( e ) t ( e E 0 AB AB − = H×nh 3.17 Bï nhiÖt ®é ®Çu tù do b»ng d©y bï C 1 2 3 t t’ 0 t’0 A B t0 t0 D 1 2 3 4 C A D B E t 0
- 61. - Dïng cÇubï: Trªn h×nh 3.18 giíi thiÖu s¬ ®å dïng cÇu bï tù ®éng nhiÖt ®é ®Çu tù do. CÇu bï gåm ®iÖn trë R1, R2, R3 lµm b»ng manganin (hîp kim chøa 99,4%Cu, 0,6%Ni) cã hÖ sè nhiÖt ®iÖn trë b»ng kh«ng, cßn R® lµm b»ng ®ång cã hÖ sè nhiÖt ®iÖn trë 4,25 ÷4,28.10-3o C-1 . Khi nhiÖt ®é ®Çu tù do t0 = 0, cÇu c©n b»ng UAB=0. Gi¶ sö nhiÖt ®é ®Çu tù do t¨ng lªn t’0, khi ®ã R® t¨ng lªn lµm xuÊt hiÖn mét ®iÖn ¸p Uc®. Ng−êi ta tÝnh to¸n sao cho ®iÖn ¸p nµy bï vµo søc ®iÖn ®éng nhiÖt mét l−îng ®óng b»ng l−îng cÇn hiÖu chØnh, nghÜa lµ Uc® = EAB(t’0,t0). Nh− vËy trªn cöa vµo cña dông cô ®o cã ®iÖn ¸p: ) t , t ( E U ) t , t ( E 0 AB cd ' 0 AB = + Sai sè bï cña cÇu tiªu chuÈn khi nhiÖt ®é t0 thay ®æi trong kho¶ng 0 - 50o C lµ ±3o C. - ¶nh h−ëng cña ®iÖn trë m¹ch ®o: XÐt m¹ch ®o dïng miliv«n kÕ ®iÖn tõ (h×nh 3.19). Gäi: Rt lµ ®iÖn trë cña cÆp nhiÖt. Rd lµ ®iÖn trë d©y nèi. t0 Bé nguån H×nh 3.18 CÇu bï nhiÖt ®é ®Çu tù do Rd R1 R2 R3 F D C mV t1 t1 t0 A B t H×nh 3.19 ¶nh h−ëng cña ®iÖn trë m¹ch ®o Rd 1 2 3 t t1 t1 A B t0 t0 Rt RV
- 62. Rv lµ ®iÖntrë trong cña miliv«n kÕ. Khi ®ã ®iÖn ¸p gi÷ hai ®Çu miliv«n kÕ x¸c ®Þnh bëi c«ng thøc: V d t V 0 AB m R R R R ) t , t ( E V + + = Rót ra: ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ + + = V d t m 0 AB R R R 1 V ) t , t ( E (3.17) Theo biÓu thøc (3.17) khi Rv >> Rt+Rd th×: m 0 AB V ) t , t ( E ≈ - ¶nh h−ëng cña Rt: §èi víi cÆp cromen/alumen hoÆc cÆp cromen/coben cã ®iÖn trë Rt kh¸ nhá nªn sù thay ®æi cña nã Ýt ¶nh h−ëng tíi kÕt qu¶ ®o. §èi víi cÆp PtRd - Pt cã ®iÖn trë Rt kh¸ lín (~ 15Ω) nªn sù thay ®æi cña nã ¶nh h−ëng ®¸ng kÓ tíi kÕt qu¶ ®o. - ¶nh h−ëng cña Rd: th«ng th−êng Rd kh¸ nhá nªn Ýt ¶nh h−ëng tíi kÕt qu¶ ®o. - ¶nh h−ëng cña RV : Rv = Rkd + Rf . §iÖn trë phô Rf cña miliv«n kÕ th−êng chÕ t¹o b»ng vËt liÖu cã αR = 0 nªn kh«ng ¶nh h−ëng, sù thay ®æi Rv khi nhiÖt ®é t¨ng chñ yÕu do sù thay ®æi cña ®iÖn trë khung d©y Rkd (chÕ t¹o b»ng ®ång αR = 4,2.10-3 /o C). §Ó gi¶m sai sè nªn chän RP/Rkd lín. b) S¬ ®å m¹ch ®o xung ®èi dïng ®iÖn thÕ kÕ Trªn h×nh 3.20 tr×nh bµy s¬ ®å ®o b»ng ph−¬ng ph¸p xung ®èi, dùa theo nguyªn t¾c so s¸nh ®iÖn ¸p cÇn ®o víi mét ®iÖn ¸p r¬i trªn mét ®o¹n ®iÖn trë. G K D EX E EM P R®c G t - + EX Rd RG iP i0 iC A B R®c E Rx H×nh 3.20 S¬ ®å ®o b»ng ph−¬ng ph¸p bï a) b) R RM
- 63. Theo s¬ ®åh×nh (3.20a) ta cã: ) R R R ( I R I E G x d P AB C X + + + = P 0 C I I I + = ) R R R ( I R ) I I ( E G x d P AB P 0 X + + + + = G X d AB AB 0 X P R R R R R I E I + + + − = NÕu EX = I0RAB th× IP = 0, tøc lµ ®iÖn thÕ kÕ chØ kh«ng, khi ®ã ®iÖn ¸p r¬i trªn AB b»ng gi¸ trÞ EX cÇn ®o. Ta cã: R L l RAB = R L l I E 0 X = NÕu cè ®Þnh ®−îc I0, L, R ta cã Ex phô thuéc ®¬n trÞ vµo l tøc lµ phô thuéc vµo vÞ trÝ con ch¹y cña ®ång hå ®o. Trªn s¬ ®å h×nh (3.20b), EM lµ mét pin mÉu, RM lµ mét ®iÖn trë mÉu b»ng manganin. Khi ®ãng P vµo K th× ®iÖn ¸p r¬i trªn RM ®−îc so s¸nh víi pin mÉu. NÕu kim ®iÖn kÕ chØ kh«ng th× kh«ng cÇn ®iÒu chØnh dßng I0, nÕu kim ®iÖn kÕ lÖch khái kh«ng th× dÞch chuyÓn R®c ®Ó kim ®iÖn kÕ vÒ kh«ng. Khi ®o ®ãng P vµo D vµ xª dÞch biÕn trë R ®Ó kim ®iÖn kÕ chØ kh«ng, khi ®ã Ex = UAB. 3.5. Ho¶ kÕ C¸c c¶m biÕn quang thuéc lo¹i c¶m biÕn ®o nhiÖt ®é kh«ng tiÕp xóc, gåm: ho¶ kÕ bøc x¹ toµn phÇn, ho¶ kÕ quang häc. 3.5.1. Ho¶ kÕ bøc x¹ toµn phÇn Nguyªn lý dùa trªn ®Þnh luËt: N¨ng l−îng bøc x¹ toµn phÇn cña vËt ®en tuyÖt ®èi tØ lÖ víi luü thõa bËc 4 cña nhiÖt ®é tuyÖt ®èi cña vËt. 4 T E σ = (3.18) Trong ®ã: σ lµ h»ng sè, T lµ nhiÖt ®é tuyÖt ®èi cña vËt ®en tuyÖt ®èi (K). Th«ng th−êng cã hai lo¹i: ho¶ kÕ bøc x¹ cã èng kÝnh héi tô, ho¶ kÕ bøc x¹ cã kÝnh ph¶n x¹. 5 5 1 2 4 a) b) 1 3 4
- 64. Trong s¬ ®åh×nh (3.21a): ¸nh s¸ng tõ nguån bøc x¹ (1) qua thÊu kÝnh héi tô (2) ®Ëp tíi bé phËn thu n¨ng l−îng tia bøc x¹ (4), bé phËn nµy ®−îc nèi víi dông cô ®o thø cÊp (5). Trong s¬ ®å h×nh (3.21b): ¸nh s¸ng tõ nguån bøc x¹ (1) ®Ëp tíi g−¬ng ph¶n x¹ (3) vµ héi tô tíi bé phËn thu n¨ng l−îng tia bøc x¹ (4), bé phËn nµy ®−îc nèi víi dông cô ®o thø cÊp (5). Bé phËn thu n¨ng l−îngcã thÓ lµ mét vi nhiÖt kÕ ®iÖn trë hoÆc lµ mét tæ hîp cÆp nhiÖt, chóng ph¶i tho¶ m·n c¸c yªu cÇu: + Cã thÓ lµm viÖc b×nh th−êng trong kho¶ng nhiÖt ®é 100 - 150o C. + Ph¶i cã qu¸n tÝnh nhiÖt ®ñ nhá vµ æn ®Þnh sau 3 - 5 gi©y. + KÝch th−íc ®ñ nhá ®Ó tËp trung n¨ng l−îng bøc x¹ vµo ®o. 30 - 40%. Tuy nhiªn lo¹i thø nhÊt l¹i cã nh−îc ®iÓm lµ khi m«i tr−êng nhiÒu bôi, g−¬ng bÞ bÈn, ®é ph¶n x¹ gi¶m do ®ã t¨ng sai sè. Khi ®o nhiÖt ®é b»ng ho¶ kÕ bøc x¹ sai sè th−êng kh«ng v−ît qu¸ 27o C, trong ®iÒu kiÖn: + VËt ®o ph¶i cã ®é den xÊp xØ b»ng 1. + TØ lÖ gi÷a ®−êng kÝnh vËt bøc x¹ vµ kho¶ng c¸ch ®o (D/L) kh«ng nhá h¬n 1/16. Trªn h×nh 3.22 tr×nh bµy cÊu t¹o cña mét bé thu lµ tæ hîp cÆp nhiÖt. C¸c cÆp nhiÖt (1) th−êng dïng cÆp cr«men/c«ben m¾c nèi tiÕp víi nhau. C¸c vÖt ®en (2) phñ b»ng bét platin. Ho¶ kÕ dïng g−¬ng ph¶n x¹ tæn thÊt n¨ng l−îng thÊp ( ~ 10%), ho¶ kÕ dïng thÊu kÝnh héi tô cã thÓ tæn thÊt tíi H×nh 3.22 Bé thu n¨ng l−îng 1) CÆp nhiÖt 2)Líp phñ platin 1 2
- 65. + NhiÖt ®ém«i tr−êng 20 ± 2o C. Kho¶ng c¸ch ®o tèt nhÊt lµ 1 ± 0,2 mÐt. 3.5.2. Ho¶ kÕ quang ®iÖn Ho¶ kÕ quang ®iÖn chÕ t¹o dùa trªn ®Þnh luËt Pl¨ng: ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ − λ = λ 1 e C I RT C 5 1 2 T (3.19) Trong ®ã λ lµ b−íc sãng, C1, C2 lµ c¸c h»ng sè. Trong thùc tÕ ®é ®en cña vËt ®o ε <1, khi ®ã doc 4 do T . 1 T ε = . Th«ng th−êng x¸c ®Þnh theo c«ng thøc sau: T®o = T®äc + ∆T Víi ∆T lµ l−îng hiÖu chØnh phô thuéc T®äc vµ ®é ®en cña vËt ®o (h×nh 3.23). ε1 ε2 ε3 ∆T T®äc Hn×h 3.23 HiÖu chØnh nhiÖt ®é theo ®é ®en Nguyªn t¾c ®o nhiÖt ®é b»ng ho¶ kÕ quang häc lµ so s¸nh c−êng ®é s¸ng cña vËt cÇn ®o vµ ®é s¸ng cña mét ®Ìn mÉu ë trong cïng mét b−íc sãng nhÊt ®Þnh vµ theo cïng mét h−íng. Khi ®é s¸ng cña chóng b»ng nhau th× nhiÖt ®é cña chóng b»ng nhau. Tõ h×nh 3.24 ta nhËn thÊy sù phô thuéc gi÷a I vµ λ kh«ng ®¬n trÞ, do ®ã ng−êi ta th−êng cè ®Þnh b−íc sãng ë 0,65µm. λ IλT T1 T2 T3 H×nh 3.24 Sù phô thuéc cña c−êng ®é ¸nh s¸ng vµo b−íc sãng vµ nhiÖt ®é 0,65µm mA 1 2 3 4 5 7 8 Rb H×nh 3.25 S¬ ®å ho¶ kÕ quang häc 1) Nguån bøc x¹ 2)VËt kÝnh 3) KÝnh läc 4&6) Thµnh ng¨n 6 K
- 66. Khi ®o, h−íngho¶ kÕ vµo vËt cÇn ®o, ¸nh s¸ng tõ vËt bøc x¹ cÇn ®o nhiÖt ®é (1) qua vËt kÝnh (2), kÝnh läc (3), vµ c¸c v¸ch ng¨n (4), (6), kÝnh läc ¸nh s¸nh ®á (7) tíi thÞ kÝnh (8) vµ m¾t. BËt c«ng t¾c K ®Ó cÊp ®iÖn nung nãng d©y tãc bãng ®Ìn mÉu (5), ®iÒu chØnh biÕn trë Rb ®Ó ®é s¸ng cña d©y tãc bãng ®Ìn trïng víi ®é s¸ng cña vËt cÇn ®o. Sai sè khi ®o: Sai sè do ®é ®en cña vËt ®o ε < 1. Khi ®ã T®o x¸c ®Þnh bëi c«ng thøc: ελ λ = 1 ln C T 1 2 do C«ng thøc hiÖu chØnh: T®o = T®äc + ∆T Gi¸ trÞ cña ∆T cho theo ®å thÞ. Ngoµi ra sai sè cña phÐp ®o cßn do ¶nh h−ëng cña kho¶ng c¸ch ®o, tuy nhiªn sai sè nµy th−êng nhá. Khi m«i tr−êng cã bôi lµm bÈn èng kÝnh, kÕt qu¶ ®o còng bÞ ¶nh h−ëng.
- 67. Ch−¬ng IV C¶m biÕn®o vÞ trÝ vµ dÞch chuyÓn 4.1. Nguyªn lý ®o vÞ trÝ vµ dÞch chuyÓn ViÖc x¸c ®Þnh vÞ trÝ vµ dÞch chuyÓn ®ãng vai trß rÊt quan träng trong kü thuËt. HiÖn nay cã hai ph−¬ng ph¸p c¬ b¶n ®Ó x¸c ®Þnh vÞ trÝ vµ dÞch chuyÓn. Trong ph−¬ng ph¸p thø nhÊt, bé c¶m biÕn cung cÊp tÝn hiÖu lµ hµm phô thuéc vµo vÞ trÝ cña mét trong c¸c phÇn tö cña c¶m biÕn, ®ång thêi phÇn tö nµy cã liªn quan ®Õn vËt cÇn x¸c ®Þnh dÞch chuyÓn. Trong ph−¬ng ph¸p thø hai, øng víi mét dÞch chuyÓn c¬ b¶n, c¶m biÕn ph¸t ra mét xung. ViÖc x¸c ®Þnh vÞ trÝ vµ dÞch chuyÓn ®−îc tiÕn hµnh b»ng c¸ch ®Õm sè xung ph¸t ra. Mét sè c¶m biÕn kh«ng ®ßi hái liªn kÕt c¬ häc gi÷a c¶m biÕn vµ vËt cÇn ®o vÞ trÝ hoÆc dÞch chuyÓn. Mèi liªn hÖ gi÷a vËt dÞch chuyÓn vµ c¶m biÕn ®−îc thùc hiÖn th«ng qua vai trß trung gian cña ®iÖn tr−êng, tõ tr−êng hoÆc ®iÖn tõ tr−êng, ¸nh s¸ng. Trong ch−¬ng nµy tr×nh bµy c¸c lo¹i c¶m biÕn th«ng dông dïng ®Ó x¸c ®Þnh vÞ trÝ vµ dÞch chuyÓn cña vËt nh− ®iÖn thÕ kÕ ®iÖn trë, c¶m biÕn ®iÖn c¶m, c¶m biÕn ®iÖn dung, c¶m biÕn quang, c¶m biÕn dïng sãng ®µn håi. 4.2. §iÖn thÕ kÕ ®iÖn trë Lo¹i c¶m biÕn nµy cã cÊu t¹o ®¬n gi¶n, tÝn hiÖu ®o lín vµ kh«ng ®ßi hái m¹ch ®iÖn ®Æc biÖt ®Ó xö lý tÝn hiÖu. Tuy nhiªn víi c¸c ®iÖn thÕ kÕ ®iÖn trë cã con ch¹y c¬ häc cã sù cä x¸t g©y ån vµ mßn, sè lÇn sö dông thÊp vµ chÞu ¶nh h−ëng lín cña m«i tr−êng khi cã bôi vµ Èm. 4.2.1. §iÖn thÕ kÕ dïng con ch¹y c¬ häc a) CÊu t¹o vµ nguyªn lý lµm viÖc C¶m biÕn gåm mét ®iÖn trë cè ®Þnh Rn, trªn ®ã cã mét tiÕp xóc ®iÖn cã thÓ di chuyÓn ®−îc gäi lµ con ch¹y. Con ch¹y ®−îc liªn kÕt c¬ häc víi vËt chuyÓn ®éng cÇn kh¶o s¸t. Gi¸ trÞ cña ®iÖn trë Rx gi÷a con ch¹y vµ mét ®Çu cña ®iÖn trë Rn lµ hµm phô thuéc vµo vÞ trÝ con ch¹y, còng chÝnh lµ vÞ trÝ cña vËt chuyÓn ®éng. - §èi víi ®iÖn thÕ kÕ chuyÓn ®éng th¼ng (h×nh 4.1a): n x R L l R = (4.1) - Tr−êng hîp ®iÖn thÕ kÕ dÞch chuyÓn trßn hoÆc xo¾n:
- 68. n M x R R α α = (4.2) Trong ®ãαM < 360o khi dÞch chuyÓn trßn (h×nh 4.1b) vµ αM > 360o khi dÞch chuyÓn xo¾n. (h×nh 4.1c) C¸c ®iÖn trë ®−îc chÕ t¹o cã d¹ng cuén d©y hoÆc b¨ng dÉn. C¸c ®iÖn trë d¹ng cuén d©y th−êng ®−îc chÕ t¹o tõ c¸c hîp kim Ni - Cr, Ni - Cu , Ni - Cr - Fe, Ag - Pd quÊn thµnh vßng xo¾n d¹ng lß xo trªn lâi c¸ch ®iÖn (b»ng thuû tinh, gèm hoÆc nhùa), gi÷a c¸c vßng d©y c¸ch ®iÖn b»ng emay hoÆc líp oxyt bÒ mÆt. C¸c ®iÖn trë d¹ng b¨ng dÉn ®−îc chÕ t¹o b»ng chÊt dÎo trén bét dÉn ®iÖn lµ cacbon hoÆc kim lo¹i cì h¹t ~10-2 µm. C¸c ®iÖn trë ®−îc chÕ t¹o víi c¸c gi¸ trÞ Rn n»m trong kho¶ng 1kΩ ®Õn 100kΩ, ®«i khi ®¹t tíi MΩ. C¸c con ch¹y ph¶i ®¶m b¶o tiÕp xóc ®iÖn tèt, ®iÖn trë tiÕp xóc ph¶i nhá vµ æn ®Þnh. b) C¸c ®Æc tr−ng - Kho¶ng ch¹y cã Ých cña con ch¹y: Th«ng th−êng ë ®Çu hoÆc cuèi ®−êng ch¹y cña con ch¹y tØ sè Rx/Rn kh«ng æn ®Þnh. Kho¶ng ch¹y cã Ých lµ kho¶ng thay ®æi cña x mµ trong kho¶ng ®ã Rx lµ hµm tuyÕn tÝnh cña dÞch chuyÓn. Rn, , L Rx, l Rα Rn Rn Rα H×nh 4.1 C¸c d¹ng ®iÖn thÕ kÕ 1) §iÖn trë 2) Con ch¹y a) b) c) 1 2 1 1 2 1 2
- 69. - N¨ng suÊtph©n gi¶i: §èi víi ®iÖn trë d©y cuèn, ®é ph©n gi¶i x¸c ®Þnh bëi l−îng dÞch chuyÓn cùc ®¹i cÇn thiÕt ®Ó ®−a con ch¹y tõ vÞ trÝ tiÕp xóc hiÖn t¹i sang vÞ trÝ tiÕp xóc l©n cËn tiÕp theo. Gi¶ sö cuén d©y cã n vßng d©y, cã thÓ ph©n biÖt 2n-2 vÞ trÝ kh¸c nhau vÒ ®iÖn cña con ch¹y: + n vÞ trÝ tiÕp xóc víi mét vßng d©y. + n - 2 vÞ trÝ tiÕp xóc víi hai vßng d©y. §é ph©n gi¶i cña ®iÖn trë d¹ng d©y phô thuéc vµo h×nh d¹ng vµ ®−êng kÝnh cña d©y ®iÖn trë vµ vµo kho¶ng ~10µm. §é ph©n gi¶i cña c¸c ®iÖn trë kiÓu b¨ng dÉn phô thuéc vµo kÝch th−íc h¹t, th−êng vµo cì ~ 0,1 µm. - Thêi gian sèng: Thêi gian sèng cña ®iÖn kÕ lµ sè lÇn sö dông cña ®iÖn thÕ kÕ. Nguyªn nh©n g©y ra h− háng vµ h¹n chÕ thêi gian sèng cña ®iÖn thÕ kÕ lµ sù mµi mßn con ch¹y vµ d©y ®iÖn trë trong qu¸ tr×nh lµm viÖc. Th−êng thêi gian sèng cña ®iÖn thÕ kÕ d¹ng d©y dÉn vµo cì 106 lÇn, ®iÖn kÕ d¹ng b¨ng dÉn vµo cì 5.107 - 108 lÇn. 4.2.2. §iÖn thÕ kÕ kh«ng dïng con ch¹y c¬ häc §Ó kh¾c phôc nh−îc ®iÓm cña ®iÖn thÕ kÕ dïng con ch¹y c¬ häc, ng−êi ta sö dông ®iÖn thÕ kÕ liªn kÕt quang hoÆc tõ. a) §iÖn thÕ kÕ dïng con trá quang H×nh 4.4 tr×nh bµy s¬ ®å nguyªn lý cña mét ®iÖn thÕ kÕ dïng con trá quang. §iÖn thÕ kÕ trßn dïng con trá quang gåm ®iot ph¸t quang (1), b¨ng ®o (2), b¨ng tiÕp xóc (3) vµ b¨ng quang dÉn (4). B¨ng ®iÖn trë ®o ®−îc ph©n c¸ch víi b¨ng tiÕp xóc Kho¶ng ch¹y cã Ých Cuèi ®−êng ch¹y §Çu ®−êng ch¹y x H×nh 4.2 Sù phô thuéc cña ®iÖn trë ®iÖn thÕ kÕ vµo vÞ trÝ con ch¹y Rx H×nh 4.3 §é ph©n gi¶i cña ®iÖn thÕ kÕ d¹ng d©y
- 70. bëi mét b¨ngquang dÉn rÊt m¶nh lµm b»ng CdSe trªn ®ã cã con trá quang dÞch chuyÓn khi trôc cña ®iÖn thÕ kÕ quay. §iÖn trë cña vïng quang dÉn gi¶m ®¸ng kÓ trong vïng ®−îc chiÕu s¸ng t¹o nªn sù liªn kÕt gi÷a b¨ng ®o vµ b¨ng tiÕp xóc. Thêi gian håi ®¸p cña vËt liÖu quang dÉn cì vµi chôc ms. b) §iÖn thÕ kÕ dïng con trá tõ H×nh 4.5 tr×nh bµy s¬ ®å nguyªn lý mét ®iÖn thÕ kÕ tõ gåm hai tõ ®iÖn trë R1 vµ R2 m¾c nèi tiÕp vµ mét nam ch©m vÜnh c÷u (g¾n víi trôc quay cña ®iÖn thÕ kÕ) bao phñ lªn mét phÇn cña ®iÖn trë R1 vµ R2, vÞ trÝ phÇn bÞ bao phñ phô thuéc gãc quay cña trôc. §iÖn ¸p nguån ES ®−îc ®Æt gi÷a hai ®iÓm (1) vµ (3), ®iÖn ¸p ®o Vm lÊy tõ ®iÓm chung (2) vµ mét trong hai ®Çu (1) hoÆc (3). Khi ®ã ®iÖn ¸p ®o ®−îc x¸c ®Þnh bëi c«ng thøc: S 1 S 2 1 1 m E R R E R R R V = + = (4.3) Trong ®ã R1 lµ hµm phô thuéc vÞ trÝ cña trôc quay, vÞ trÝ nµy x¸c ®Þnh phÇn cña R1 chÞu ¶nh h−ëng cña tõ tr−êng cßn R = R1 + R2 = const. H×nh 4.4 §iÖn thÕ kÕ quay dïng con trá quang 1) §iot ph¸t quang 2) B¨ng ®o 3) B¨ng tiÕp xóc 4) B¨ng quang dÉn §iÖn trë Thêi gian 1 2 3 4 ~20 ms R1 2 70% Vm/ES
- 71. Tõ h×nh 4.5bta nhËn thÊy ®iÖn ¸p ®o chØ tuyÕn tÝnh trong mét kho¶ng ~90o ®èi víi ®iÖn kÕ quay. §èi víi ®iÖn kÕ dÞch chuyÓn th¼ng kho¶ng tuyÕn tÝnh chØ cì vµi mm. 4.3. C¶m biÕn ®iÖn c¶m C¶m biÕn ®iÖn c¶m lµ nhãm c¸c c¶m biÕn lµm viÖc dùa trªn nguyªn lý c¶m øng ®iÖn tõ. VËt cÇn ®o vÞ trÝ hoÆc dÞch chuyÓn ®−îc g¾n vµo mét phÇn tö cña m¹ch tõ g©y nªn sù biÕn thiªn tõ th«ng qua cuén ®o. C¶m biÕn ®iÖn c¶m ®−îc chia ra: c¶m biÕn tù c¶m vµ hç c¶m. 4.3.1. C¶m biÕn tù c¶m a) C¶m biÕn tù c¶m cã khe tõ biÕn thiªn - C¶m biÕn tù c¶m ®¬n: trªn h×nh 4.6 tr×nh bµy s¬ ®å nguyªn lý cÊu t¹o cña mét sè lo¹i c¶m biÕn tù c¶m ®¬n. C¶m biÕn tù c¶m ®¬n gåm mét cuén d©y quÊn trªn lâi thÐp cè ®Þnh (phÇn tÜnh) vµ mét lâi thÐp cã thÓ di ®éng d−íi t¸c ®éng cña ®¹i l−îng ®o (phÇn ®éng), gi÷a phÇn tÜnh vµ phÇn ®éng cã khe hë kh«ng khÝ t¹o nªn mét m¹ch tõ hë. H×nh 4.6 C¶m biÕn tù c¶m 1) Lâi s¾t tõ 2) Cuén d©y 3) PhÇn ®éng XV XV a) b) c) 1 2 3 1 2 3 1 2 R δ
- 72. S¬ ®å h×nh4.6a: d−íi t¸c ®éng cña ®¹i l−îng ®o XV, phÇn øng cña c¶m biÕn di chuyÓn, khe hë kh«ng khÝ δ trong m¹ch tõ thay ®æi, lµm cho tõ trë cña m¹ch tõ biÕn thiªn, do ®ã hÖ sè tù c¶m vµ tæng trë cña cuén d©y thay ®æi theo. S¬ ®å h×nh 4.6b: khi phÇn øng quay, tiÕt diÖn khe hë kh«ng khÝ thay ®æi, lµm cho tõ trë cña m¹ch tõ biÕn thiªn, do ®ã hÖ sè tù c¶m vµ tæng trë cña cuén d©y thay ®æi theo. HÖ sè tù c¶m cña cuén d©y còng cã thÓ thay ®æi do thay ®æi tæn hao sinh ra bëi dßng ®iÖn xo¸y khi tÊm s¾t tõ dÞch chuyÓn d−íi t¸c ®éng cña ®¹i l−îng ®o Xv (h×nh 4.6c). NÕu bá qua ®iÖn trë cña cuén d©y vµ tõ trë cña lâi thÐp ta cã: δ µ = = δ s W R W L 0 2 2 Trong ®ã: W- sè vßng d©y. s R 0 µ δ = δ - tõ trë cña khe hë kh«ng khÝ. δ - chiÒu dµi khe hë kh«ng khÝ. s - tiÕt diÖn thùc cña khe hë kh«ng khÝ. Tr−êng hîp W = const ta cã: δ δ ∂ ∂ + ∂ ∂ = d L ds s L dL Víi l−îng thay ®æi h÷u h¹n ∆δ vµ ∆s ta cã: ( ) δ ∆ δ ∆ + δ µ − ∆ δ µ = ∆ 2 0 0 0 2 0 0 2 s W s W L (4.4) §é nh¹y cña c¶m biÕn tù c¶m khi khe hë kh«ng khÝ thay ®æi (s=const): 2 0 0 0 1 L L S ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ δ δ ∆ + δ − = δ ∆ ∆ = δ (4.5) §é nh¹y cña c¶m biÕn tù c¶m khi thay ®æi tiÕt diÖn kh«ng khÝ (δ = const):
- 73. 0 0 s s L s L S = ∆ ∆ = (4.6) Tæng trëcña c¶m biÕn: δ µ ω = ω = s W L Z 0 2 (4.7) Tõ c«ng thøc (4.7) ta thÊy tæng trë Z cña c¶m biÕn lµ hµm tuyÕn tÝnh víi tiÕt diÖn khe hë kh«ng khÝ s vµ phi tuyÕn víi chiÒu dµi khe hë kh«ng khÝ δ. §Æc tÝnh cña c¶m biÕn tù c¶m ®¬n Z = f(∆δ) lµ hµm phi tuyÕn vµ phô thuéc tÇn sè nguån kÝch thÝch, tÇn sè nguån kÝch thÝch cµng cao th× ®é nh¹y cña c¶m biÕn cµng cao (h×nh 4.7). - C¶m biÕn tù c¶m kÐp l¾p theo kiÓu vi sai: §Ó t¨ng ®é nh¹y cña c¶m biÕn vµ t¨ng ®o¹n ®Æc tÝnh tuyÕn tÝnh ng−êi ta th−êng dïng c¶m biÕn tù c¶m kÐp m¾c theo kiÓu vi sai (h×nh 4.8). XV XV XV a) b) c) H×nh 4.8 C¶m biÕn tù c¶m kÐp m¾c theo kiÓu vi sai L = f(∆δ) Z5000Hz = f(∆δ) Z500Hz = f(∆δ) H×nh 4.7 Sù phô thuéc gi÷a L, Z víi chiÒu dµy khe hë kh«ng khÝ δ Z, L ∆δ
- 74. §Æc tÝnh cñac¶m biÕn tù c¶m kÐp vi sai cã d¹ng nh− h×nh 4.9. b) C¶m biÕn tù c¶m cã lâi tõ di ®éng C¶m biÕn gåm mét cuén d©y bªn trong cã lâi tõ di ®éng ®−îc (h×nh 4.10). D−íi t¸c ®éng cña ®¹i l−îng ®o XV, lâi tõ dÞch chuyÓn lµm cho ®é dµi lf cña lâi tõ n»m trong cuén d©y thay ®æi, kÐo theo sù thay ®æi hÖ sè tù c¶m L cña cuén d©y. Sù phô thuéc cña L vµo lf lµ hµm kh«ng tuyÕn tÝnh, tuy nhiªn cã thÓ c¶i thiÖn b»ng c¸ch ghÐp hai cuén d©y ®ång d¹ng vµo hai nh¸nh kÒ s¸t nhau cña mét cÇu ®iÖn trë cã chung mét lâi s¾t. 4.3.2. C¶m biÕn hç c¶m CÊu t¹o cña c¶m biÕn hç c¶m t−¬ng tù c¶m biÕn tù c¶m chØ kh¸c ë chç cã thªm mét cuén d©y ®o (h×nh 4.11). Trong c¸c c¶m biÕn ®¬n khi chiÒu dµi khe hë kh«ng khÝ (h×nh 4.11a) hoÆc tiÕt diÖn khe kh«ng khÝ thay ®æi (h×nh 4.11b) hoÆc tæn hao do dßng ®iÖn xo¸y thay ®æi (h×nh 4.11c) sÏ lµm cho tõ th«ng cña m¹ch tõ biÕn thiªn kÐo theo suÊt ®iÖn ®éng e trong cuén ®o thay ®æi. L1 = f(δ) H×nh 4.9 §Æc tÝnh cña c¶m biÕn tù c¶m kÐp l¾p vi sai L1 - L2 = f(δ) L2 = f(δ) δ L H×nh 4.10 S¬ ®å nguyªn lý c¶m biÕn tù c¶m cã lâi tõ 1) Cuén d©y 2) Lâi tõ l0 lf l XV 1 2
- 75. - C¶m biÕn®¬n cã khe hë kh«ng khÝ: Tõ th«ng tøc thêi: δ µ = = Φ δ s iW R iW 0 1 1 t i - gi¸ trÞ dßng ®iÖn tøc thêi trong cuén d©y kÝch thÝch W1. Søc ®iÖn ®éng c¶m øng trong cuén d©y ®o W2: dt di . s W W dt d W e 0 1 2 t 2 δ µ − = Φ − = W2 - sè vßng d©y cña cuén d©y ®o. Khi lµm viÖc víi dßng xoay chiÒu t sin I i m ω = , ta cã: t cos I s W W e m 0 1 2 ω ω δ µ − = vµ gi¸ trÞ hiÖu dông cña suÊt ®iÖn ®éng: δ = ω δ µ − = s k I s W W E 0 1 2 I - gi¸ trÞ hiÖu dông cña dßng ®iÖn, I W W k 0 1 2 ω µ = . Víi c¸c gi¸ trÞ W2, W1, µ0, ω vµ I lµ h»ng sè, ta cã: H×nh 4.11 C¶m biÕn hç c¶m 1) Cuén s¬ cÊp 2) G«ng tõ 3) lâi tõ di ®éng 4) Cuén thø cÊp (cuén ®o) a) 3 XV 1 2 ~ b) 1 2 3 c) XV 3 4 ~ XV 4 ~ φ1 φ2 d) XV ~ ~ e) ~ XV ~ ®) 4 4 1
- 76. δ δ ∂ ∂ + ∂ ∂ = d E ds s E dE Hay ( )2 0 0 ks s k E δ ∆ + δ δ ∆ − ∂ ∆ = ∆ (4.8) §énh¹y cña c¶m biÕn víi sù thay ®æi cña chiÒu dµi khe hë kh«ng khÝ δ (s = const): 2 0 0 0 2 0 2 0 1 E 1 ks E S ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ δ δ ∆ + δ = ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ δ δ ∆ + δ − = δ ∆ ∆ = δ (4.9) Cßn ®é nh¹y khi tiÕt diÖn khe hë kh«ng khÝ s thay ®æi (δ = const): 0 0 0 S s E k s E S = δ = ∆ ∆ = (4.10) 0 0 0 ks E δ = - søc ®iÖn ®éng hç c¶m ban ®Çu trong cuén ®o W2 khi XV = 0. Ta nhËn thÊy c«ng thøc x¸c ®Þnh ®é nh¹y cña c¶m biÕn hç c¶m cã d¹ng t−¬ng tù nh− c¶m biÕn tù c¶m chØ kh¸c nhau ë gi¸ trÞ cña E0 vµ L0. §é nh¹y cña c¶m biÕn hç c¶m Sδ vµ SS còng t¨ng khi tÇn sè nguån cung cÊp t¨ng. - C¶m biÕn vi sai: ®Ó t¨ng ®é nh¹y vµ ®é tuyÕn tÝnh cña ®Æc tÝnh c¶m biÕn ng−êi ta m¾c c¶m biÕn theo s¬ ®å vi sai (h×nh 4.11d,®,e). Khi m¾c vi sai ®é nh¹y cña c¶m biÕn t¨ng gÊp ®«i vµ ph¹m vi lµm viÖc tuyÕn tÝnh më réng ®¸ng kÓ. - BiÕn thÕ vi sai cã lâi tõ: gåm bèn cuén d©y ghÐp ®ång trôc t¹o thµnh hai c¶m biÕn ®¬n ®èi xøng, bªn trong cã lâi tõ di ®éng ®−îc (h×nh 4.12). C¸c cuén thø cÊp ®−îc nèi ng−îc víi nhau sao cho suÊt ®iÖn ®éng trong chóng triÖt tiªu lÉn nhau. H×nh 4.12 C¶m biÕn hç c¶m vi sai 1) Cuén s¬ cÊp 2) Cuén thø cÊp 3) Lâi tõ ~ ~ 1 2 2 3
- 77. VÒ nguyªn t¾c,khi lâi tõ ë vÞ trÝ trung gian, ®iÖn ¸p ®o Vm ë ®Çu ra hai cuén thø cÊp b»ng kh«ng. Khi lâi tõ dÞch chuyÓn, lµm thay ®æi mèi quan hÖ gi÷a cuén s¬ cÊp víi c¸c cuén thø cÊp, tøc lµ lµm thay ®æi hÖ sè hç c¶m gi÷a cuén s¬ cÊp víi c¸c cuén thø cÊp. Khi ®iÖn trë cña thiÕt bÞ ®o ®ñ lín, ®iÖn ¸p ®o Vm gÇn nh− tuyÕn tÝnh víi hiÖu sè c¸c hÖ sè hç c¶m cña hai cuén thø cÊp. 4.4. C¶m biÕn ®iÖn dung 4.4.1. C¶m biÕn tô ®iÖn ®¬n C¸c c¶m biÕn tô ®iÖn ®¬n lµ mét tô ®iÖn ph¼ng hoÆc h×nh trô cã mét b¶n cùc g¾n cè ®Þnh (b¶n cùc tÜnh) vµ mét b¶n cùc di chuyÓn (b¶n cùc ®éng) liªn kÕt víi vËt cÇn ®o. Khi b¶n cùc ®éng di chuyÓn sÏ kÐo theo sù thay ®æi ®iÖn dung cña tô ®iÖn. - §èi víi c¶m biÕn h×nh 4.13a: d−íi t¸c ®éng cña ®¹i l−îng ®o XV, b¶n cùc ®éng di chuyÓn, kho¶ng c¸c gi÷a c¸c b¶n cùc thay ®æi, kÐo theo ®iÖn dung tô ®iÖn biÕn thiªn. δ εε = s C 0 ε - h»ng sè ®iÖn m«i cña m«i tr−êng. ε0 - h»ng sè ®iÖn m«i cña ch©n kh«ng. s - diÖn tÝch n»m gi÷a hai ®iÖn cùc. δ - kho¶ng c¸ch gi÷a hai b¶n cùc. - §èi víi c¶m biÕn h×nh 4.13b: d−íi t¸c ®éng cña ®¹i l−îng ®o XV, b¶n cùc ®éng di chuyÓn quay, diÖn tÝch gi÷a c¸c b¶n cùc thay ®æi, kÐo theo sù thay ®æi cña ®iÖn dung tô ®iÖn. δ XV α XV XV a) b) c) H×nh 4.13 C¶m biÕn tô ®iÖn ®¬n
- 78. α δ π ε = δ ε = . 360 r s C 2 0 0 (4.11) α -gãc øng víi phÇn hai b¶n cùc ®èi diÖn nhau. §èi víi c¶m biÕn h×nh 4.13c: d−íi t¸c ®éng cña ®¹i l−îng ®o XV, b¶n cùc ®éng di chuyÓn th¼ng däc trôc, diÖn tÝch gi÷a c¸c b¶n cùc thay ®æi, kÐo theo sù thay ®æi cña ®iÖn dung. l . ) r / r log( 2 C 1 2 0 πε = (4.12) XÐt tr−êng hîp tô ®iÖn ph¼ng, ta cã: δ ε = s C δ δ ∂ ∂ + ∂ ∂ + ε ε ∂ ∂ = d C ds s C d C dC §−a vÒ d¹ng sai ph©n ta cã: ( ) δ ∆ δ ∆ + δ ε − ∆ δ ε + ε ∆ δ = ∆ 2 0 0 0 0 0 0 0 s s s C (4.13) Khi kho¶ng c¸ch gi÷a hai b¶n cùc thay ®æi ( ε = const vµ s=const), ®é nh¹y cña c¶m biÕn: ( )2 0 0 0 C s C S δ ∆ + δ ε − = δ ∆ ∆ = δ (4.14) Khi diÖn tÝch cña b¶n cùc thay ®æi ( ε = const vµ δ = const), ®é nh¹y cña c¶m biÕn: 0 0 S C s C S δ ε = ∆ ∆ = (4.15) Khi h»ng sè ®iÖn m«i thay ®æi ( s = const vµ δ = const), ®é nh¹y cña c¶m biÕn: 0 0 C s C S δ = ε ∆ ∆ = ε (4.16)
- 79. NÕu xÐt ®Õndung kh¸ng: s C 1 Z ωε δ = ω = δ δ ∂ ∂ + ∂ ∂ + ε ε ∂ ∂ = d Z ds s Z d Z dZ §−a vÒ d¹ng sai ph©n: ( ) ( ) δ ∆ ωε + ∆ ∆ + ωε δ − ε ∆ ε ∆ + ε ω δ − = ∆ 0 0 2 0 0 0 2 0 0 0 s 1 s s s s Z T−¬ng tù trªn ta cã ®é nh¹y cña c¶m biÕn theo dung kh¸ng: ( )2 0 0 0 Z s S ε ∆ + ε ω δ − = ε (4.17) ( )2 0 0 0 Zs s s S ∆ + ωε δ − = (4.18) 0 0 Z s 1 S ωε = δ (4.19) Tõ c¸c biÓu thøc trªn cã thÓ rót ra: - BiÕn thiªn ®iÖn dung cña c¶m biÕn tô ®iÖn lµ hµm tuyÕn tÝnh khi diÖn tÝch b¶n cùc vµ h»ng sè ®iÖn m«i thay ®æi nh−ng phi tuyÕn khi kho¶ng c¸ch gi÷a hai b¶n cùc thay ®æi. - BiÕn thiªn dung kh¸ng cña c¶m biÕn tô ®iÖn lµ hµm tuyÕn tÝnh khi kho¶ng c¸ch gi÷a hai b¶n cùc thay ®æi nh−ng phi tuyÕn khi diÖn tÝch b¶n cùc vµ h»ng sè ®iÖn m«i thay ®æi. Ngoµi ra gi÷a hai b¶n cùc khi cã ®iÖn ¸p ®Æt vµo sÏ ph¸t sinh lùc hót, lùc nµy cÇn ph¶i nhá h¬n ®¹i l−îng ®o. 4.4.2. C¶m biÕn tô kÐp vi sai b) c) H×nh 4.14 C¶m biÕn tô kÐp vi sai δ XV a) α XV XV A2 A1 A3 A2 A1 A3 A2 A1 A3
- 80. Tô kÐp visai cã kho¶ng c¸ch gi÷a c¸c b¶n cùc biÕn thiªn dÞch chuyÓn th¼ng (h×nh 4.14a) hoÆc cã diÖn tÝch b¶n cùc biÕn thiªn dÞch chuyÓn quay (h×nh 4.14b) vµ dÞch chuyÓn th¼ng (h×nh 4.14c) gåm ba b¶n cùc. B¶n cùc ®éng A1 dÞch chuyÓn gi÷a hai b¶n cùc cè ®Þnh A2 vµ A3 t¹o thµnh cïng víi hai b¶n cùc nµy hai tô ®iÖn cã ®iÖn dung C21 vµ C31 biÕn thiªn ng−îc chiÒu nhau. §é nh¹y vµ ®é tuyÕn tÝnh cña tô kÐp vi sai cao h¬n tô ®¬n vµ lùc t−¬ng hç gi÷a c¸c b¶n cùc triÖt tiªu lÉn nhau do ng−îc chiÒu nhau. 4.4.3. M¹ch ®o Th«ng th−êng m¹ch ®o dïng víi c¶m biÕn ®iÖn dung lµ c¸c m¹ch cÇu kh«ng c©n b»ng cung cÊp b»ng dßng xoay chiÒu. M¹ch ®o cÇn tho¶ m·n c¸c yªu cÇu sau: - Tæng trë ®Çu vµo tøc lµ tæng trë cña ®−êng chÐo cÇu ph¶i thËt lín. - C¸c d©y dÉn ph¶i ®−îc bäc kim lo¹i ®Ó tr¸nh ¶nh h−ëng cña ®iÖn tr−êng ngoµi. - Kh«ng ®−îc m¾c c¸c ®iÖn trë song song víi c¶m biÕn. - Chèng Èm tèt. H×nh 4.15a lµ s¬ ®å m¹ch cÇu dïng cho c¶m biÕn tô kÐp vi sai víi hai ®iÖn trë. Cung cÊp cho m¹ch cÇu lµ mét m¸y ph¸t tÇn sè cao. H×nh 4.15b lµ s¬ ®å m¹ch mÆch cÇu biÕn ¸p víi hai nh¸nh tô ®iÖn. 4.5. C¶m biÕn quang C¸c c¶m biÕn ®o vÞ trÝ vµ dÞch chuyÓn theo ph−¬ng ph¸p quang häc gåm nguån ph¸t ¸nh s¸ng kÕt hîp víi mét ®Çu thu quang (th−êng lµ tÕ bµo quang ®iÖn). ~ eS Ura A1 A3 A2 R R ~ C0 Cx Ura eS H×nh 4.15 M¹ch ®o th−êng dïng víi c¶m biÕn tô ®iÖn a) b)
- 81. Tuú theo c¸chbè trÝ ®Çu thu quang, nguån ph¸t vµ th−íc ®o (hoÆc ®èi t−îng ®o), c¸c c¶m biÕn ®−îc chia ra: - C¶m biÕn quang ph¶n x¹. - C¶m biÕn quang soi thÊu. 4.5.1. C¶m biÕn quang ph¶n x¹ C¶m biÕn quang ph¶n x¹ (h×nh 4.16) ho¹t ®éng theo nguyªn t¾c däi ph¶n quang: ®Çu thu quang ®Æt cïng phÝa víi nguån ph¸t. Tia s¸ng tõ nguån ph¸t qua thÊu kÝnh héi tô ®Ëp tíi mét th−íc ®o chuyÓn ®éng cïng vËt kh¶o s¸t, trªn th−íc cã nh÷ng v¹ch chia ph¶n quang vµ kh«ng ph¶n quang kÕ tiÕp nhau, khi tia s¸ng gÆp ph¶i v¹ch chia ph¶n quang sÏ bÞ ph¶n x¹ trë l¹i ®Çu thu quang. C¶m biÕn lo¹i däi ph¶n quang, kh«ng cÇn d©y nèi qua vïng c¶m nhËn nh−ng cù ly c¶m nhËn thÊp vµ chÞu ¶nh h−ëng cña ¸nh s¸ng tõ nguån s¸ng kh¸c. 4.5.2. C¶m biÕn quang soi thÊu S¬ ®å cÊu tróc cña mét c¶m biÕn ®o vÞ trÝ vµ dÞch chuyÓn theo nguyªn t¾c soi thÊu tr×nh bµy trªn h×nh 4.17a. C¶m biÕn gåm mét nguån ph¸t ¸nh s¸ng, mét thÊu kÝnh héi tô, mét l−íi chia kÝch quang vµ c¸c phÇn tö thu quang (th−êng lµ tÕ bµo quang ®iÖn). 1 2 3 4 5 6 H×nh 4.17 a) S¬ ®å cÊu t¹o c¶m biÕn quang soi thÊu b) TÝn hiÖu ra 1) Nguån s¸ng 2) ThÊu kÝnh héi tô 3) Th−íc ®o 4) L−íi chia 5) TÕ bµo quang ®iÖn 6) M· chuÈn TÝn hiÖu ra Vr1 Vr2 TÝn hiÖu chuÈn Chu kú chia a) b) H×nh 4.16 C¶m biÕn quang ph¶n x¹ 1) Nguån ph¸t 2) Th−íc ®o 3) §Çu thu quang 1 2 3
- 82. Khi th−íc ®o(g¾n víi ®èi t−îng kh¶o s¸t, ch¹y gi÷a thÊu kÝnh héi tô vµ l−íi chia) cã chuyÓn ®éng t−¬ng ®èi so víi nguån s¸ng sÏ lµm xuÊt hiÖn mét tÝn hiÖu ¸nh s¸ng h×nh sin. TÝn hiÖu nµy ®−îc thu bëi c¸c tÕ bµo quang ®iÖn ®Æt sau l−íi chia. C¸c tÝn hiÖu ®Çu ra cña c¶m biÕn ®−îc khuÕch ®¹i trong mét bé t¹o xung ®iÖn tö t¹o thµnh tÝn hiÖu xung d¹ng ch÷ nhËt. C¸c tÕ bµo quang ®iÖn bè trÝ thµnh hai d·y vµ ®Æt lÖch nhau mét phÇn t− ®é chia nªn ta nhËn ®−îc hai tÝn hiÖu lÖch pha 90o (h×nh 4.17b), nhê ®ã kh«ng nh÷ng x¸c ®Þnh ®−îc ®é dÞch chuyÓn mµ cßn cã thÓ nhËn biÕt ®−îc c¶ chiÒu chuyÓn ®éng. §Ó kh«i phôc ®iÓm gèc trong tr−êng hîp mÊt ®iÖn nguån ng−êi ta trang bÞ thªm mèc ®o chuÈn trªn th−íc ®o. −u ®iÓm cña c¸c c¶m biÕn soi thÊu lµ cù ly c¶m nhËn xa, cã kh¶ n¨ng thu ®−îc tÝn hiÖu m¹nh vµ tØ sè ®é t−¬ng ph¶n s¸ng tèi lín, tuy nhiªn cã h¹n chÕ lµ khã bè trÝ vµ chØnh th¼ng hµng nguån ph¸t vµ ®Çu thu. 4.6. C¶m biÕn ®o dÞch chuyÓn b»ng sãng ®µn håi 4.6.1. Nguyªn lý ®o dÞch chuyÓn b»ng sãng ®µn håi Tèc ®é truyÒn sãng ®µn håi v trong chÊt r¾n ~ 103 m/s. Thêi gian truyÒn sãng gi÷a hai ®iÓm trong vËt r¾n c¸ch nhau mét kho¶ng l x¸c ®Þnh bëi biÓu thøc: v l tP = BiÕt tèc ®é truyÒn sãng v vµ ®o thêi gian truyÒn sãng tP ta cã thÓ x¸c ®Þnh ®−îc kho¶ng c¸ch l cÇn ®o: P vt l = S¬ ®å khèi cña mét thiÕt bÞ ®o dÞch chuyÓn b»ng sãng ®µn håi biÓu diÔn trªn h×nh 4.18. Thêi gian truyÒn sãng tP tõ khi tÝn hiÖu xuÊt hiÖn ë m¸y ph¸t ®Õn khi nã ®−îc tiÕp nhËn ë m¸y thu ®−îc ®o b»ng m¸y ®Õm xung. M¸y ®Õm ho¹t ®éng khi b¾t ®Çu ph¸t sãng vµ ®ãng l¹i khi tÝn hiÖu ®Õn ®−îc m¸y thu. §ång hå M¸y ®Õm M¸y ph¸t M¸y thu l
- 83. Gäi sè xung®Õm ®−îc lµ N vµ chu kú cña xung ®Õm lµ tH, ta cã: H P Nt t = Khi ®ã: H vNt l = (4.20) 4.6.2. C¶m biÕn sö dông phÇn tö ¸p ®iÖn Trong c¸c c¶m biÕn ¸p ®iÖn, sãng ®µn håi ®−îc ph¸t vµ thu nhê sö dông hiÖu øng ¸p ®iÖn. HiÖu øng ¸p ®iÖn lµ hiÖn t−îng khi mét tÊm vËt liÖu ¸p ®iÖn (thÝ dô th¹ch anh) bÞ biÕn d¹ng d−íi t¸c dông cña mét lùc c¬ häc cã chiÒu nhÊt ®Þnh, trªn c¸c mÆt ®èi diÖn cña tÊm xuÊt hiÖn mét l−îng ®iÖn tÝch b»ng nhau nh−ng tr¸i dÊu, ng−îc l¹i d−íi t¸c ®éng cña ®iÖn tr−êng cã chiÒu thÝch hîp, tÊm vËt liÖu ¸p ®iÖn bÞ biÕn d¹ng. §Ó ®o dÞch chuyÓn ta cã thÓ sö dông hai d¹ng sãng ®µn håi: - Sãng khèi: däc vµ ngang. - Sãng bÒ mÆt. Sãng khèi däc truyÒn cho c¸c phÇn tö cña vËt r¾n dÞch chuyÓn däc theo ph−¬ng truyÒn sãng t¹o nªn sù nÐn råi l¹i gi·n në cña c¸c líp cña vËt r¾n. Sãng nµy ®−îc kÝch thÝch b»ng phÇn tö ¸p ®iÖn rung theo bÒ dµy (h×nh 4.19a). Sãng khèi ngang g©y nªn dÞch chuyÓn vu«ng gãc víi ph−¬ng truyÒn sãng, t¹o ra chuyÓn ®éng tr−ît t−¬ng ®èi gi÷a c¸c líp cña vËt r¾n. Sãng nµy ®−îc kÝch thÝch b»ng mét phÇn tö ¸p ®iÖn rung theo mÆt c¾t (h×nh 4.19b). H×nh 4.18 S¬ ®å khèi cña mét thiÕt bÞ ®o dÞch chuyÓn b»ng sãng ®µn håi Ph−¬ng truyÒn sãng Ph−¬ng truyÒn sãng H×nh 4.19 C¸c d¹ng sãng ®µn håi a) Sãng däc b) Sãng ngang c) Sãng bÒ mÆt vµ d¹ng ®iÖn cùc kÝch thÝch V λ V V a) b) c)
- 84. Sãng bÒ mÆttruyÒn trong líp bÒ mÆt cña vËt r¾n, biªn ®é cña chóng hÇu nh− b»ng kh«ng ë ®é s©u 2λ d−íi bÒ mÆt. Sãng bÒ mÆt gåm mét thµnh phÇn sãng däc vµ mét thµnh phÇn sãng ngang. Nguån kÝch thÝch sãng bÒ mÆt lµ mét hÖ ®iÖn cùc kiÓu r¨ng l−îc cµi nhau phñ lªn bÒ mÆt vËt liÖu ¸p ®iÖn (h×nh 4.19c). Kho¶ng c¸ch gi÷a hai r¨ng kÒ nhau cña c¸c ®iÖn cùc ph¶i b»ng λ ®Ó cã thÓ g©y ra biÕn d¹ng khi cã ®iÖn ¸p V cïng pha ®Æt vµo vµ ®Ó t¨ng hiÖu øng cña chóng. M¸y thu sãng bÒ mÆt còng cã cÊu t¹o t−¬ng tù nh− m¸y ph¸t ®−îc g¾n cè ®Þnh vµo bÒ mÆt vËt r¾n, khi cã sãng bÒ mÆt ®i qua, c¸c r¨ng cña ®iÖn cùc lµm biÕn d¹ng bÒ mÆt vËt r¾n vµ g©y nªn ®iÖn ¸p do hiÖu øng ¸p ®iÖn. 4.6.3. C¶m biÕn ©m tõ Sãng ®µn håi ph¸t ra nhê sö dông hiÖu øng Wiedemam: hiÖn t−îng xo¾n mét èng trô s¾t tõ khi nã chÞu t¸c dông ®ång thêi cña mét tõ tr−êng däc vµ mét tõ tr−êng ngang. Sãng ®µn håi ®−îc thu trªn c¬ së sö dông hiÖu øng Vilari: søc c¨ng c¬ häc lµm thay ®æi kh¶ n¨ng tõ ho¸ vµ ®é tõ thÈm cña vËt liÖu s¾t tõ. S¬ ®å nguyªn lý vµ cÊu t¹o cña c¶m biÕn ©m tõ tr×nh bµy trªn h×nh 4.20. CÊu t¹o cña c¶m biÕn gåm èng s¾t tõ (1), nam ch©m di ®éng (2) tr−ît däc èng g¾n víi vËt cÇn x¸c ®Þnh vÞ trÝ. D©y dÉn (3) n»m gi÷a trôc èng vµ ®−îc nèi víi m¸y ph¸t xung (4). M¸y thu (5) cã lâi tõ nèi c¬ häc víi èng. §Çu thu M¸y ph¸t xung l H×nh 4.20 S¬ ®å nguyªn lý c¶m biÕn ©m tõ 1) èng s¾t tõ 2) Nam ch©m 3) D©y dÉn 4) M¸y ph¸t xung 5) §Çu thu 1 2 3 4 5
- 85. Nguyªn lý ho¹t®éng cña c¶m biÕn: M¸y ph¸t (4) cung cÊp mét xung ®iÖn truyÒn qua d©y dÉn (3), xung nµy truyÒn víi vËn tèc ¸nh s¸ng (c), tõ tr−êng do nã sinh ra cã ®−êng søc lµ ®−êng trßn ®ång t©m víi trôc èng. Khi sãng ®iÖn tõ truyÒn ®Õn vÞ trÝ nam ch©m (2), sù kÕt hîp cña hai tõ tr−êng lµm cho èng bÞ xo¾n côc bé, xo¾n côc bé nµy truyÒn ®i trong èng d−íi d¹ng sãng ®µn håi víi vËn tèc v. Khi sãng ®µn håi ®Õn m¸y thu (5) nã lµm thay ®æi ®é tõ ho¸ g©y nªn tÝn hiÖu håi ®¸p. Gäi tP lµ thêi gian tõ khi ph¸t xung hái ®Õn khi nhËn ®−îc xung håi ®¸p, do v << c ta cã: v l tP = (4.21) Trong ®ã l lµ kho¶ng c¸ch tõ nam ch©m ®Õn ®Çu thu, tP ®−îc ®o b»ng ph−¬ng ph¸p ®Õm xung.
- 86. Ch−¬ng V C¶m biÕn®o biÕn d¹ng D−íi t¸c ®éng cña øng lùc c¬ häc, trong m«i tr−êng chÞu øng lùc xuÊt hiÖn biÕn d¹ng. Sù biÕn d¹ng cña c¸c cÊu tróc ¶nh h−ëng rÊt lín tíi kh¶ n¨ng lµm viÖc còng nh− ®é an toµn khi lµm viÖc cña kÕt cÊu chÞu lùc. MÆt kh¸c gi÷a øng lùc vµ biÕn d¹ng cã mèi quan hÖ víi nhau, dùa vµo mèi quan hÖ ®ã ng−êi ta cã thÓ x¸c ®Þnh ®−îc øng lùc khi ®o biÕn d¹ng do nã g©y ra. Bëi vËy ®o biÕn d¹ng lµ mét vÊn ®Ò ®−îc quan t©m nhiÒu trong kü thuËt. 5.1. BiÕn d¹ng vµ ph−¬ng ph¸p ®o 5.1.1. §Þng nghÜa mét sè ®¹i l−îng c¬ häc - BiÕn d¹ng ε: lµ tØ sè gi÷a ®é biÕn thiªn kÝch th−íc (∆l) vµ kÝch th−íc ban ®Çu (l). l l ∆ = ε (5.1) BiÕn d¹ng gäi lµ ®µn håi khi mµ øng lùc mÊt ®i th× biÕn d¹ng còng mÊt theo. BiÕn d¹ng mµ cßn tån t¹i ngay c¶ sau khi øng lùc mÊt ®i ®−îc gäi lµ biÕn d¹ng d−. - Giíi h¹n ®µn håi: lµ øng lùc tèi ®a kh«ng g©y nªn biÕn d¹ng dÎo v−ît qu¸ 2%, tÝnh b»ng kG/mm2 . VÝ dô giíi h¹n ®µn håi cña thÐp ~20 - 80 kG/mm2 . - M«®un Young (Y): x¸c ®Þnh biÕn d¹ng theo ph−¬ng cña øng lùc. σ = = ε Y 1 S F Y 1 || (5.2) F - lùc t¸c dông, kG. S - tiÕt diÖn chÞu lùc. mm2 . σ - øng lùc, σ =F/S. §¬n vÞ ®o mo®un Young lµ kG/mm2 . Mo®un Young cña thÐp ~ 18.000 - 29.000 kG/mm2 . - HÖ sè poison ν: hÖ sè x¸c ®Þnh biÕn d¹ng theo ph−¬ng vu«ng gãc víi lùc t¸c dông. || νε − = ε⊥ (5.3) Trong vïng biÕn d¹ng ®µn håi ν ≈ 0,3.
- 87. 5.1.2. ph−¬ng ph¸p®o biÕn d¹ng T¸c ®éng cña øng lùc g©y ra sù biÕn d¹ng trong kÕt cÊu chÞu øng lùc. Gi÷a biÕn d¹ng vµ øng lùc cã quan hÖ chÆt chÏ víi nhau, b»ng c¸ch ®o biÕn d¹ng ta cã thÓ tÝnh ®−îc øng lùc t¸c ®éng lªn kÕt cÊu. §Ó ®o biÕn d¹ng ng−êi ta sö dông c¸c c¶m biÕn biÕn d¹ng hay cßn gäi lµ ®Çu ®o biÕn d¹ng. HiÖn nay sö dông phæ biÕn hai lo¹i ®Çu ®o biÕn d¹ng: - §Çu ®o ®iÖn trë: ®©y lµ lo¹i ®Çu ®o dïng phæ biÕn nhÊt. Chóng ®−îc chÕ t¹o tõ vËt liÖu cã ®iÖn trë biÕn thiªn theo møc ®é biÕn d¹ng, víi kÝch th−íc nhá tõ vµi mm ®Õn vµi cm, khi ®o chóng ®−îc d¸n trùc tiÕp lªn cÊu tróc biÕn d¹ng. - §Çu ®o d¹ng d©y rung ®−îc dïng trong ngµnh x©y dùng. §Çu ®o ®−îc lµm b»ng mét sîi d©y kim lo¹i c¨ng gi÷a hai ®iÓm cña cÊu tróc cÇn ®o biÕn d¹ng. TÇn sè cña d©y rung lµ hµm cña søc c¨ng c¬ häc, tÇn sè nµy thay ®æi khi kho¶ng c¸ch hai ®iÓm nèi thay ®æi. Trong ch−¬ng nµy ®Ò cËp ®Õn c¸c ®Çu ®o biÕn d¹ng th−êng dïng trong c«ng nghiÖp nh− ®Çu ®o ®iÖn trë kim lo¹i, ®Çu ®o ®iÖn trë b¸n dÉn - ¸p ®iÖn trë, øng suÊt kÕ d©y rung vµ c¸c ®Çu ®o trong chÕ ®é ®éng. 5.2. §Çu ®o ®iÖn trë kim lo¹i 5.2.1. CÊu t¹o vµ nguyªn lý ho¹t ®éng §Çu ®o ®iÖn trë kim lo¹i cã cÊu t¹o d¹ng l−íi. §èi víi ®Çu ®o d¹ng l−íi d©y, ®−îc lµm b»ng d©y ®iÖn trë cã tiÕt diÖn trßn (®−êng kÝnh d ≈ 20 µm) hoÆc tiÕt diÖn ch÷ nhËt axb (h×nh 5.1a). §Çu ®o d¹ng l−íi mµng chÕ t¹o b»ng ph−¬ng ph¸p m¹ch in (h×nh 5.1b). Sè nh¸nh n cña c¶m biÕn th−êng tõ 10 - 20 nh¸nh. C¶m biÕn ®−îc cè ®Þnh trªn ®Õ c¸ch ®iÖn máng bÒ dµy ~ 0,1 mm lµm b»ng giÊy hoÆc ~ 0,03 mm lµm b»ng chÊt dÎo (polyimide, epoxy). VËt liÖu lµm ®iÖn trë th−êng thuéc hä hîp kim Ni ( b¶ng 5.1). B¶ng 5.1 H×nh 5.1 S¬ ®å cÊu t¹o cña ®Çu ®o kim lo¹i a) §Çu ®o dïng d©y quÊn b) §Çu ®o dïng l−íi mµng a) b)
- 88. Hîp kim ThµnhphÇn HÖ sè ®Çu ®o K Constantan 45%Ni, 55%Cu 2,1 Isoelastic 52%Fe, 36%Ni, 8%Cr, 4%(Mn+Mo) 3,5 Karma 74%Ni, 20%Cr, 3%Cu, 3%Fe 2,1 Nicrome V 80%Ni, 20%Cr 2,5 B¹ch kim - vonfram 92%Pt, 8%W 4,1 Khi ®o c¶m biÕn ®−îc g¾n vµo bÒ mÆt cña cÊu tróc cÇn kh¶o s¸t (h×nh 5.2), kÕt qu¶ lµ c¶m biÕn còng chÞu mét biÕn d¹ng nh− biÕn d¹ng cña cÊu tróc. §iÖn trë cña c¶m biÕn x¸c ®Þnh bëi biÓu thøc : S l R ρ = (5.4) Ph−¬ng tr×nh sai ph©n: ρ ρ ∆ + ∆ − ∆ = ∆ S S l l R R BiÕn d¹ng däc ∆ l cña d©y kÐo theo biÕn d¹ng ngang cña tiÕt diÖn, quan hÖ gi÷a biÕn d¹ng ngang vµ biÕn d¹ng däc cã d¹ng: l l d d b b a a ∆ ν − = ∆ = ∆ = ∆ TiÕt diÖn ngang cña d©y S = ab hoÆc S = πd2 /4, ta cã: l l 2 S S ∆ ν − = ∆ MÆt kh¸c, ®èi víi ®Çu ®o kim lo¹i: V V C ∆ = ρ ρ ∆ C - h»ng sè Bridman. V - thÓ tÝch d©y. 1 2 3 5 4 6 7 H×nh 5.2 C¸ch cè ®Þnh ®Çu ®o trªn bÒ mÆt kh¶o s¸t 1) BÒ mÆt kh¶o s¸t 2) C¶m biÕn 3)Líp b¶o vÖ 4) Mèi hµn 5) D©y dÉn 6) C¸p ®iÖn 7) Keo d¸n
- 89. V× V =S.l, ta cã: l l ) 2 1 ( V V ∆ ν − = ∆ Vµ: l l ) 2 1 ( C ∆ ν − = ρ ρ ∆ VËy ta cã: ( ) ( ) { } l l . K l l 2 1 C 2 1 R R ∆ = ∆ ν − + ν + = ∆ (5.5) HÖ sè K ®−îc gäi lµ hÖ sè ®Çu ®o, gi¸ trÞ x¸c ®Þnh theo biÓu thøc: ( ) ν − + ν + = 2 1 C 2 1 K (5.6) V× ν ≈ 0,3, C ≈ 1, nªn ®Çu ®o kim lo¹i cã K ≈ 2. 5.2.2. C¸c ®Æc tr−ng chñ yÕu - §iÖn trë suÊt : ®iÖn trë cña vËt liÖu lµm d©y ph¶i ®ñ lín ®Ó d©y kh«ng qu¸ dµi lµm t¨ng kÝch th−íc c¶m biÕn vµ tiÕt diÖn d©y kh«ng qu¸ bÐ lµm gi¶m dßng ®o dÉn ®Õn lµm gi¶m ®é nh¹y. - HÖ sè ®Çu ®o: th«ng th−êng K = 2 - 3, ngo¹i trõ isoelastic cã K = 3,5 vµ platin-vonfram K = 4,1. - ¶nh h−ëng cña lùc ®Õn ®é tuyÕn tÝnh: trong giíi h¹n ®µn håi, hÖ sè ®Çu ®o kh«ng ®æi do quan hÖ tuyÕn tÝnh gi÷a ®iÖn trë vµ biÕn d¹ng. Ngoµi giíi h¹n ®µn håi, khi ∆l/l > 0,5% - 20% tuú theo vËt liÖu, hÖ sè ®Çu ®o K ≈ 2. - ¶nh h−ëng cña nhiÖt ®é: nãi chung K Ýt chÞu ¶nh h−ëng cña nhiÖt ®é, ngo¹i trõ isoelastic. Trong kho¶ng nhiÖt ®é tõ - 100o C ÷ 300o C sù thay ®æi cña hÖ sè ®Çu ®o K theo nhiÖt ®é cã thÓ biÓu diÔn bëi biÓu thøc: ( ) ( ) { } 0 K 0 T T 1 K T K − α + = (5.7) K0 - hÖ sè ®Çu ®o ë nhiÖt ®é chuÈn T0 (th−êng T0 = 25o C). αK - hÖ sè, phô thuéc vËt liÖu. Víi Nichrome V th× αK = -0,04%/o C, constantan αK = +0,01%/o C - §é nh¹y ngang: ngoµi c¸c nh¸nh däc cã ®iÖn trë RL c¶m biÕn cßn cã c¸c ®o¹n nh¸nh ngang cã tæng ®é dµi lt , ®iÖn trë Rt, do ®ã ®iÖn trë tæng céng cña c¶m biÕn b»ng R = RL + Rt. Trong qu¸ tr×nh biÕn d¹ng c¸c ®o¹n ngang còng bÞ biÕn d¹ng, Rt thay ®æi còng lµm cho R thay ®æi. Tuy nhiªn do Rt << RL, ¶nh h−ëng cña biÕn d¹ng ngang còng kh«ng lín.
- 90. 5.3. C¶m biÕn¸p trë silic 5.3.1. CÊu t¹o vµ nguyªn lý ho¹t ®éng §Çu ®o b¸n dÉn ®−îc lµm b»ng ®¬n tinh thÓ silic pha t¹p. CÊu t¹o cña chóng phô thuéc c¸c chÕ t¹o. §Çu ®o lo¹i c¾t: chÕ t¹o b»ng c¸c mÈu c¾t tõ tÊm ®¬n tinh thÓ silic pha t¹p cã s¬ ®å cÊu t¹o nh− h×nh 5.3. C¸c mÉu c¾t ®¬n tinh thÓ ®−îc lÊy song song víi ®−êng chÐo cña tinh thÓ lËp ph−¬ng ®èi víi silic lo¹i P vµ song song víi c¹nh lËp ph−¬ng nÕu lµ silic lo¹i N. MÉu c¾t cã chiÒu dµi tõ 0,1 mm ®Õn vµi mm vµ chiÒu dµy cì 10-2 mm. C¸c mÉu c¾t ®−îc d¸n trªn ®Õ c¸ch ®iÖn b»ng nhùa. §Çu ®o khuÕch t¸n: ®iÖn trë cña ®Çu ®o chÕ t¹o b»ng c¸ch khuÕch t¸n t¹p chÊt vµo mét tÊm ®Õ ®¬n tinh thÓ silic pha t¹p. S¬ ®å cÊu t¹o cña lo¹i nµy tr×nh bµy trªn h×nh 5.4. §iÖn trë lo¹i N nhËn ®−îc b»ng c¸ch khuÕch t¸n vµo ®Õ silic lo¹i P mét t¹p chÊt thuéc nhãm V trong b¶ng tuÇn hoµn (nh− P, Sb), cßn ®iÖn trë lo¹i P khuÕch t¸n t¹p chÊt thuéc nhãm III (nh− Ga, In) vµo ®Õ silic lo¹i N. ChuyÓn tiÕp gi÷a ®Õ vµ vïng khuÕch t¸n t¹o nªn mét ®iot vµ lu«n ®−îc ph©n cùc ng−îc (vïng P ©m h¬n vïng N) ®Ó cho ®iÖn trë cña c¶m biÕn c¸ch biÖt víi ®Õ silic. BiÕn thiªn ®iÖn trë cña ®Çu ®o b¸n dÉn x¸c ®Þnh bëi c«ng thøc t−¬ng tù ®Çu ®o kim lo¹i: ρ ρ ∆ + ∆ − ∆ = ∆ S S l l R R §èi víi ®Çu ®o b¸n dÉn, biÕn thiªn ®iÖn trë suÊt do t¸c dông cña øng lùc cã d¹ng: l l Y ∆ π = πσ = ρ ρ ∆ Trong ®ã π lµ hÖ sè ¸p ®iÖn trë, σ lµ øng lùc t¸c dông. Si-N Si-P SiO2 H×nh 5.4 §Çu ®o lo¹i khuÕch t¸n P P N N H×nh 5.3 §Çu ®o chÕ t¹o b»ng c¸c mÉu c¾t N
- 91. VËy: ( ) { } l l Y 2 1 R R∆ π + ν + = ∆ (5.8) vµ hÖ sè ®Çu ®o: Y 2 1 K π + ν + = (5.9) Th«ng th−êng K = 100 - 200. 5.3.2. C¸c ®Æc tr−ng chñ yÕu §èi víi ®Çu ®o b¸n dÉn, ®é pha t¹p lµ yÕu tè quyÕt ®Þnh ®Õn c¸c ®Æc tr−ng cña chóng. - §iÖn trë: ¶nh h−ëng cña ®é pha t¹p: khi t¨ng ®é pha t¹p, mËt ®é h¹t dÉn trong vËt liÖu t¨ng lªnvµ ®iÖn trë suÊt cña nã gi¶m xuèng. BiÓu thøc chung cña ®iÖn trë suÊt cã d¹ng: ) p n ( q 1 p n µ + µ = ρ q - gi¸ trÞ tuyÖt ®èi cña ®iÖn tÝch ®iÖn trë hoÆc lç trèng. n, p - mËt ®é ®iÖn tö vµ lç trèng tù do. µn, µp - ®é linh ®éng cña ®iÖn tö vµ lç trèng. ¶nh h−ëng cña nhiÖt ®é: khi nhiÖt ®é nhá h¬n 120o C hÖ sè nhiÖt ®iÖn trë cã gi¸ trÞ d−¬ng vµ gi¶m dÇn khi ®é pha t¹p t¨ng lªn. Nång ®é t¹p chÊt/cm3 ρ (Ωcm) 1014 1015 1016 1017 1018 1019 10-3 10-2 10-1 1 H×nh 5.5 Sù phô thuéc cña ®iÖn trë suÊt vµo nång ®é pha t¹p vµ nhiÖt ®é ρ (Ωcm) -100 0 100 200 300 400 500 2 3 To C 4 5 6 7 101 1020 1016 1014 ë nhiÖt ®é cao hÖ sè nhiÖt ®iÖn trë cã gi¸ trÞ ©m vµ kh«ng phô thuéc vµo ®é pha t¹p. - HÖ sè ®Çu ®o K: ¶nh h−ëng cña ®é pha t¹p: HÖ sè ®Çu ®o phô thuéc vµo ®é pha t¹p, khi ®é pha t¹p t¨ng lªn, hÖ sè ®Çu ®o gi¶m (h×nh 5.6). H×nh 5.6 Sù phô thuéc cña K vµo ®é pha t¹p -100 0 100 200 300 400 500 To C 40 80 120 160 180 200 240 600 1020 3.1019 5.1018 1017 /cm3 K
- 92. ¶nh h−ëng cña®é biÕn d¹ng: HÖ sè ®Çu ®o phô thuéc vµo ®é biÕn d¹ng, quan hÖ cã d¹ng: 2 2 2 1 K K K K ε + ε + = Tuy nhiªn víi ®é biÕn d¹ng d−íi mét gi¸ trÞ cùc ®¹i nµo ®ã cã thÓ coi K kh«ng ®æi. ¶nh h−ëng cña nhiÖt ®é: Khi nhiÖt ®é t¨ng hÖ sè ®Çu ®o gi¶m, tuy nhiªn khi ®é pha t¹p lín (cì Nd = 1020 cm-3 ) hÖ sè ®Çu ®o Ýt phô thuéc nhiÖt ®é. 5.4. §Çu ®o trong chÕ ®é ®éng Khi ®o biÕn d¹ng trong chÕ ®é ®éng, ®Çu ®o ph¶i tho¶ m·n mét sè yªu cÇu nhÊt ®Þnh nh− tÇn sè sö dông tèi ®a, giíi h¹n mái. 5.4.1. TÇn sè sö dông tèi ®a TÇn sè cña ®Çu ®o kh«ng phô thuéc vµo vËt liÖu chÕ t¹o, silic cã thÓ truyÒn kh«ng suy gi¶m c¸c dao ®éng víi tÇn sè lín h¬n 106 Hz. Tuy nhiªn tÇn sè lµm viÖc l¹i phô thuéc vµo ph−¬ng ph¸p g¾n ®Çu ®o vµ kÝch th−íc cña nã. §Ó cho c¸c biÕn d¹ng ®o ®−îc gÇn nh− ®ång bé trong ph¹m vi cña ®Çu ®o, chiÒu dµi l cña c¸c nh¸nh ph¶i nhá h¬n nhiÒu lÇn b−íc sãng λ cña dao ®éng c¬ häc. Quan hÖ gi÷a kÝch th−íc l vµ chiÒu dµi b−íc sãng ph¶i tho¶ m·n ®iÒu kiÖn: λ ≤ 1 , 0 l ChiÒu dµi b−íc sãng λ cña dao ®éng c¬ häc ®−îc x¸c ®Þnh bëi c«ng thøc: f v = λ (5.10) Trong ®ã v lµ vËn tèc truyÒn sãng vµ f lµ tÇn sè dao ®éng. ( )( ) ν − ν + ν − = 2 1 1 1 . d Y v Y - lµ m«®un Young. ν - hÖ sè poisson. d - träng l−îng riªng vËt liÖu chÕ t¹o d©y. VËy tÇn sè cùc ®¹i fmax cña dao ®éng khi chiÒu dµi nh¸nh cña ®Çu ®o lµ l b»ng: l . 10 v fmax = 5.4.2. Giíi h¹n mái BiÕn d¹ng nhiÒu lÇn lµm t¨ng ®iÖn trë ®Çu ®o do hiÖu øng mái, hiÖu øng nµy cµng lín khi biªn ®é biÕn d¹ng cµng lín. Giíi h¹n mái ®−îc x¸c ®Þnh bëi sè chu kú biÕn d¹ng N víi biªn ®é cho tr−íc g©y nªn biÕn thiªn ®iÖn trë b»ng 10-4 øng víi chu kú biÕn d¹ng gi¶ ®Þnh. §èi víi biªn ®é biÕn d¹ng cì ±2.10-3 giíi h¹n mái n»m trong kho¶ng tõ 104 (constantan) ®Õn 108 (isoelastic) chu kú.
- 93. 5.5. øng suÊtkÕ d©y rung øng suÊt kÕ d©y rung ®−îc dïng ®Ó theo dâi kiÓm tra c¸c c«ng tr×nh x©y dùng nh− ®Ëp, cÇu, ®−êng hÇm ... CÊu t¹o cña øng suÊt kÕ d©y rung gåm mét d©y thÐp c¨ng gi÷a hai gi¸ g¾n vµo cÊu tróc cÇn nghiªn cøu biÕn d¹ng. Khi cã biÕn d¹ng, sù c¨ng c¬ häc cña d©y kÐo theo sù thay ®æi tÇn sè dao ®éng N cña d©y, b»ng c¸ch ®o tÇn sè dao ®éng cña d©y cã thÓ biÕt ®−îc ®é lín cña biÕn d¹ng. TÇn sè dao ®éng cña sîi d©y x¸c ®Þnh theo c«ng thøc: Sd F l 2 1 N = (5.11) l - kho¶ng c¸ch gi÷a hai ®iÓm c¨ng d©y. F - lùc t¸c dông. S - tiÕt diÖn d©y. d - khèi l−îng riªng cña vËt liÖu chÕ t¹od©y. D−íi t¸c dông cña lùc F, ®é dµi d©y biÕn thiªn mét l−îng ∆l x¸c ®Þnh tõ biÓu thøc: S F Y 1 l l = ∆ (5.12) Do ®ã tÇn sè dao ®éng cña d©y: l l d Y l 2 1 N ∆ = Suy ra: 2 2 2 N . K N Y d l 4 l l = = ∆ (5.13) Gi¶ sö ∆l0 lµ ®é kÐo dµi ban ®Çu vµ N0 lµ tÇn sè t−¬ng øng khi ch−a cã biÕn d¹ng: 2 0 0 N . K l l = ∆ Khi cã biÕn d¹ng, ®é kÐo dµi tæng céng cña d©y lµ ∆l1 vµ tÇn sè lµ N1, ta cã: 2 1 1 N . K l l = ∆ V× ®é kÐo dµi do biÕn d¹ng ∆l = ∆l1 - ∆l0, suy ra:
- 94. ( ) 2 0 2 1 N N K l l − = ∆ (5.14) §oN0 vµ N1 ta cã thÓ tÝnh ®−îc biÕn d¹ng cña cÊu tróc.
- 95. Ch−¬ng VI C¶m biÕn®o lùc 6.1. Nguyªn lý ®o lùc X¸c ®Þnh øng lùc c¬ häc t¸c ®éng lªn c¸c cÊu tróc trong nh÷ng ®iÒu kiÖn x¸c ®Þnh lµ vÊn ®Ò hµng ®Çu trong viÖc ®¸nh gi¸ ®é an toµn cho ho¹t ®éng cña m¸y mãc, thiÕt bÞ. Theo ®Þnh luËt c¬ b¶n cña ®éng lùc häc, lùc ®−îc x¸c ®Þnh bëi biÓu thøc: a M F = (6.1) Trong ®ã: F - lùc t¸c dông (N). M - khèi l−îng cña vËt (kg). a - gia tèc cña vËt (m/s2 ). Theo c«ng thøc (6.1), khi mét lùc cã c−êng ®é F (N) t¸c ®éng vµo mét vËt cã khèi l−îng M (kg) sÏ g©y ra gia tèc a (m/s2 ). Nguyªn t¾c ®o lùc lµ lµm c©n b»ng lùc cÇn ®o víi mét lùc ®èi kh¸ng sao cho lùc tæng céng vµ momen tæng cña chóng b»ng kh«ng. Trong c¸c c¶m biÕn ®o lùc th−êng cã mét vËt trung gian chÞu t¸c ®éng cña lùc cÇn ®o vµ biÕn d¹ng. BiÕn d¹ng cña vËt trung gian lµ nguyªn nh©n g©y ra lùc ®èi kh¸ng vµ trong giíi h¹n ®µn håi biÕn d¹ng tØ lÖ víi lùc ®èi kh¸ng. BiÕn d¹ng vµ lùc g©y ra biÕn d¹ng cã thÓ ®o trùc tiÕp b»ng c¶m biÕn biÕn d¹ng, hoÆc ®o gi¸n tiÕp nÕu mét trong nh÷ng tÝnh chÊt ®iÖn cña vËt liÖu chÕ t¹o vËt trung gian phô thuéc vµo biÕn d¹ng. Ta còng cã thÓ x¸c ®Þnh mét lùc b»ng c¸ch c©n b»ng nã víi mét lùc ®· biÕt. Theo c«ng thøc x¸c ®Þnh träng lùc cña mét vËt trong träng tr−êng tr¸i ®Êt: g M P = Trong m«i tr−êng cã g biÕt tr−íc, c©n khèi l−îng M cña vËt ta cã thÓ x¸c ®Þnh ®−îc träng lùc cña vËt ®ã, ng−îc l¹i nÕu sö dông mét vËt cã khèi l−îng ®· biÕt sÏ cã ®−îc mét lùc x¸c ®Þnh. §©y chÝnh lµ nguyªn t¾c chuÈn c¶m biÕn b»ng m¸y ®o cã khèi l−îng treo. Trong ch−¬ng nµy nghiªn cøu c¸c bé c¶m biÕn ®o lùc phæ biÕn nh− c¶m biÕn ¸p ®iÖn, c¶m biÕn tõ gi¶o, c¶m biÕn dùa trªn phÐp ®o dÞch chuyÓn, c¶m biÕn xóc gi¸c. 6.2. C¶m biÕn ¸p ®iÖn 6.2.1. CÊu t¹o vµ nguyªn lý ho¹t ®éng C¶m biÕn ¸p ®iÖn ho¹t ®éng dùa trªn nguyªn lý cña hiÖu øng ¸p ®iÖn.
- 96. PhÇn tö c¬b¶n cña mét c¶m biÕn ¸p ®iÖn cã cÊu t¹o t−¬ng tù mét tô ®iÖn ®−îc chÕ t¹o b»ng c¸ch phñ hai b¶n cùc lªn hai mÆt ®èi diÖn cña mét phiÕn vËt liÖu ¸p ®iÖn máng. VËt liÖu ¸p ®iÖn th−êng dïng lµ th¹ch anh v× nã cã tÝnh æn ®Þnh vµ ®é cøng cao. Tuy nhiªn hiÖn nay vËt liÖu gèm (vÝ dô gèm PZT) do cã −u ®iÓm ®é bÒn vµ ®é nh¹y cao, ®iÖn dung lín, Ýt chÞu ¶nh h−ëng cña ®iÖn tr−êng ký sinh, dÔ s¶n xuÊt vµ gi¸ thµnh chÕ t¹o thÊp còng ®−îc sö dông ®¸ng kÓ. §Æc tr−ng vËt lý cña mét sè vËt liÖu ¸p ®iÖn ®−îc tr×nh bµy trªn b¶ng 6.1. B¶ng 6.1 VËt liÖu §é thÈm thÊu §iÖn trë suÊt (Ω.m) Modun Young (109 N.m-2 ) øng lùc cùc ®¹i (107 N.m-2 ) NhiÖt ®é lµm viÖc Tmax (o C) Th¹ch anh ε11=4,5 1012 Y11=80 10 550 Muèi seignette ε11=350 >1010 Y11=19,3 Y22=30 1,4 45 L.H. ε11=5,6 >1010 46 1,5 75 PZT5A ε11=1.700 1011 Y33=53 7-8 365 D−íi t¸c dông cña lùc c¬ häc, tÊm ¸p ®iÖn bÞ biÕn d¹ng, lµm xuÊt hiÖn trªn hai b¶n cùc c¸c ®iÖn tÝch tr¸i dÊu. HiÖu ®iÖn thÕ xuÊt hiÖn gi÷a hai b¶n cùc tØ lÖ víi lùc t¸c dông. C¸c biÕn d¹ng c¬ b¶n x¸c ®Þnh chÕ ®é lµm viÖc cña b¶n ¸p ®iÖn. Trªn h×nh 6.1 biÓu diÔn c¸c biÕn d¹ng c¬ b¶n cña b¶n ¸p ®iÖn. Trong nhiÒu tr−êng hîp c¸c b¶n ¸p ®iÖn ®−îc ghÐp thµnh bé theo c¸ch ghÐp nèi tiÕp hoÆc song song. + − + − + − + − + − + − − + − + − + − + − + − + − + − + − + H×nh 6.2 C¸ch ghÐp c¸c phÇn tö ¸p ®iÖn H×nh 6.1 C¸c d¹ng biÕn d¹ng c¬ b¶n a) Theo chiÒu däc b) Theo chiÒu ngang c) C¾t theo bÒ dµy d) C¾t theo bÒ mÆt + − + − + − − + a) b) c) d) a) c)
- 97. Tr−êng hîp ghÐpsong song hai b¶n ¸p ®iÖn (h×nh 6.2a), ®iÖn dung cña c¶m biÕn t¨ng gÊp ®«i so víi tr−êng hîp mét b¶n ¸p ®iÖn. Khi ghÐp nèi tiÕp (h×nh 6.2b) ®iÖn ¸p hë m¹ch vµ trë kh¸ng trong t¨ng gÊp ®«i nh−ng ®iÖn dung gi¶m xuèng cßn mét nöa. Nh÷ng nguyªn t¾c trªn ¸p dông cho c¶ tr−êng hîp ghÐp nhiÒu b¶n ¸p ®iÖn víi nhau nh− biÓu diÔn trªn h×nh 6.2c. 6.2.2. C¶m biÕn th¹ch anh kiÓu vßng ®Öm C¸c c¶m biÕn th¹ch anh kiÓu vßng ®Öm cã cÊu t¹o nh− h×nh 6.3, chóng gåm c¸c phiÕn c¾t h×nh vßng ®Öm ghÐp víi nhau vµ chØ nh¹y víi lùc nÐn t¸c dông däc theo trôc. Giíi h¹n trªn cña d¶i ®o phô thuéc vµo diÖn tÝch bÒ mÆt cña c¸c vßng ®Öm, cì tõ vµi kN (víi ®−êng kÝnh ~ 1 cm) ®Õn 103 kN ( víi ®−êng kÝnh ~ 10 cm). Ng−êi ta còng cã thÓ dïng c¶m biÕn lo¹i nµy ®Ó ®o lùc kÐo b»ng c¸ch t¹o lùc nÐn ®Æt tr−íc (dïng c¸c bul«ng xiÕt chÆt c¸c vßng ®Öm), khi ®ã lùc kÐo ®−îc ®o nh− sù sôt gi¶m cña lùc nÐn. Tuy nhiªn, khi ®ã ®é nh¹y gi¶m 5 - 10%. 6.2.3. C¶m biÕn th¹ch anh nhiÒu thµnh phÇn Trong c¶m biÕn lo¹i nµy, c¸c vßng ®Öm th¹ch anh ®−îc c¾t theo c¸c h−íng kh¸c nhau, khi ®ã chóng chØ nh¹y víi mét h−íng x¸c ®Þnh cña lùc. H×nh 6.3 CÊu t¹o cña c¶m biÕn vßng ®Öm th¹ch anh 1) C¸c vßng ®Öm 2) C¸c tÊm ®Õ 3) §Çu nèi d©y 1 2 3 b) x y z H×nh 6.4 C¶m biÕn th¹ch anh nhiÒu thµnh phÇn a) Ký hiÖu c¸c trôc b) C¸c phiÕn c¾t ®Æc biÖt c) C¶m biÕn ba thµnh phÇn vu«ng gãc a) b) c)
- 98. Th¹ch anh cãn¨m hÖ sè ®iÖn ¸p d11, d12, d14, d25, d26, do ®ã mét vßng ®Öm c¾t theo ph−¬ng cña trôc X chØ nh¹y víi lùc nÐn (v× cã d11), c¸c lùc ký sinh t¸c ®éng theo c¹nh bªn ®Òu kh«ng g©y nªn hiÖu øng víi vßng ®Öm vµ c¸c øng lùc mµ hiÖu øng cña chóng liªn quan ®Õn d12, d14 sÏ kh«ng cã mÆt. T−¬ng tù nh− vËy, mét vßng ®Öm c¾t theo ph−¬ng Y chØ nh¹y víi lùc c¾t theo bÒ dµy (v× cã d26) vµ b»ng c¸ch l¾p ghÐp hîp lý cã thÓ lo¹i trõ hiÖu øng cña c¸c øng lùc liªn quan ®Õn d25 (c¾t theo mÆt). Hai mÆt c¾t ®Æc biÖt nµy biÓu diÔn trªn h×nh 6.4b, chóng ®−îc sö dông ®Ó chÕ t¹o c¸c c¶m biÕn th¹ch anh nhiÒu thµnh phÇn. Trªn h×nh 6.4c biÓu diÔn mét c¶m biÕn ba thµnh phÇn vu«ng gãc gåm ba cÆp vßng trßn ghÐp víi nhau, mét cÆp nh¹y víi lùc nÐn Fx, hai mÆt cßn l¹i nh¹y víi lùc c¾t Fy vµ Fz vu«ng gãc víi Fx. 6.2.4. S¬ ®å m¹ch ®o a) S¬ ®å t−¬ng ®−¬ng cña c¶m biÕn Trong d¶i th«ng réng, c¶m biÕn t−¬ng ®−¬ng víi mét nguån dßng m¾c song song víi trë kh¸ng trong (gåm ba nh¸nh) cña c¶m biÕn (h×nh6.5a). Nh¸nh ρ, λ, γ ®Æc tr−ng cho céng h−ëng ®iÖn c¬ thø nhÊt ë tÇn sè cao n»m ngoµi d¶i th«ng cña c¶m biÕn. §iÖn trë trong Rg lµ ®iÖn trë c¸ch ®iÖn cña vËt liÖu ¸p ®iÖn, khi ë tÇn sè thÊp nã trë thµnh trë kh¸ng trong cña c¶m biÕn. Tô ®iÖn Cg lµ ®iÖn dung cña nguån ph¸t ®iÖn tÝch, khi ë tÇn sè trung b×nh vµ cao nã trë thµnh trë kh¸ng cña c¶m biÕn. Trªn thùc tÕ ë d¶i th«ng th−êng sö dông, ng−êi ta dïng m¹ch t−¬ng ®−¬ng biÓu diÔn ë h×nh 6.5b. Khi nèi c¶m biÕn víi m¹ch ngoµi b»ng c¸p dÉn, trë kh¸ng cña c¸p dÉn t−¬ng ®−¬ng ®iÖn trë R1 vµ tô ®iÖn C1 m¾c song song víi c¶m biÕn, khi ®ã m¹ch t−¬ng ®−¬ng cã d¹ng h×nh 6.5c. b) S¬ ®å khuÕch ®¹i ®iÖn ¸p Trë kh¸ng vµo cña bé khuÕch ®¹i ®iÖn ¸p t−¬ng ®−¬ng víi mét ®iÖn trë Re m¾c song song víi mét tô Ce, khi ®ã m¹ch t−¬ng ®−¬ng cã d¹ng h×nh 6.6. b) dQ dt Rg Cg dQ dt ρ λ γ Rg Cg a) c) H×nh 6.5 S¬ ®å t−¬ng ®−¬ng cña c¶m biÕn ¸p ®iÖn a) Trong d¶i th«ng réng b) Trong d¶i th«ng cã Ých c) Nèi víi m¹ch ngoµi dQ dt RS CS 1 g s R 1 R 1 R 1 + = 1 g S C C C + = dQ dt Vm dQ dt Ceq
- 99. §iÖn ¸p ëlèi vµo cña khuÕch ®¹i x¸c ®Þnh bëi c«ng thøc: P C R 1 P C R . C Q V eq eq eq eq q m + = c) S¬ ®å khuÕch ®¹i ®iÖn tÝch Trong m¹ch khuÕch ®¹i ®iÖn tÝch, sù di chuyÓn cña ®iÖn tÝch ë lèi vµo sÏ g©y nªn ë lèi ra mét ®iÖn ¸p tØ lÖ víi ®iÖn tÝch ®Çu vµo. Bé khuÕch ®¹i ®iÖn tÝch gåm mét bé biÕn ®æi ®iÖn tÝch - ®iÖn ¸p ®Çu vµo, mét tÇng chuÈn ®é nh¹y, mét bé läc trung gian vµ mét sè tÇng khuÕch ®¹i ë ®Çu ra ®Ó cung cÊp tÝn hiÖu ra (h×nh 6.7a). S¬ ®å m¹ch ghÐp nèi c¶m biÕn víi bé chuyÓn ®æi ®iÖn ¸p - ®iÖn tÝch tr×nh bµy trªn h×nh 6.7b. 6.3. C¶m biÕn tõ gi¶o 6.3.1. HiÖu øng tõ gi¶o RS CS Re Ce Vm C¶m biÕn vµ c¸p nèi Trë kh¸ng vµo vµ khuÕc ®¹i ®iÖn thÕ H×nh 6.6 S¬ ®å t−¬ng ®−¬ng cña c¶m biÕn m¾c nèi tiÕp víi bé khuÕch ®¹i ®iÖn thÕ Req e S eq R 1 R 1 R 1 + = e S eq C C C + = §Çu vµo (®iÖn tÝch) §Çu ra (®iÖn ¸p) Bé chuyÓn ®æi ®iÖn tÝch ChuÈn ®é nh¹y vµ khuÕch ®¹i vi sai Bé läc Bé khuÕch ®¹i ®Çu ra a) H×nh 6.7 S¬ ®å khuÕch ®¹i ®iÖn tÝch a) S¬ ®å khèi b) S¬ ®å ghÐp nèi c¶m biÕn vµ bé chuyÓn ®æi ®iÖn tÝch - ®iÖn ¸p Vε dQ dt RS CS V0 +Q −Q Cr b)
- 100. D−íi t¸c ®éngcña tõ tr−êng, mét sè vËt liÖu s¾t tõ thay ®æi tÝnh chÊt h×nh häc hoÆc tÝnh chÊt c¬ häc (hÖ sè Young). HiÖn t−îng nµy ®−îc gäi lµ hiÖu øng tõ gi¶o. Khi cã t¸c dông cña lùc c¬ häc g©y ra øng lùc trong vËt liÖu s¾t tõ lµm thay ®æi ®−êng cong tõ ho¸ cña chóng, khi ®ã dùa vµo sù thay ®æi cña ®é tõ thÈm hoÆc tõ d− cã thÓ x¸c ®Þnh®−îc ®é lín cña lùc t¸c dông. §©y lµ hiÖu øng tõ gi¶o nghÞch. - C¬ chÕ tõ ho¸: Nh− chóng ta ®· biÕt trong vËt liÖu s¾t tõ, mçi nguyªn tö ®−îc ®Æc tr−ng bëi mét m«men tõ. §Ó gi¶m thiÓu n¨ng l−îng tæng céng, momen tõ cña c¸c nguyªn tö trong cïng mét miÒn tõ ho¸ tù nhiªn (domen) ph¶i h−íng theo mét h−íng chung. H−íng chung nµy ®Þnh h−íng theo mét sè h−íng −u tiªn cña m¹ng tinh thÓ gäi lµ h−íng dÔ tõ ho¸. H−íng cña c¸c m«men tõ trong c¸c domen c¹nh nhau kh«ng trïng nhau. Khi cã tõ tr−êng ngoµi H t¸c ®éng, sù ®Þnh h−íng cña m« men tõ trong mét domen theo mét h−íng chung t¨ng dÇn. Khi H nhá, c¸c v¸ch domen tõ dÞch chuyÓn vµ kÝch th−íc cña c¸c domen tõ cã h−íng tõ ho¸ thuËn lîi trïng víi h−íng cña tõ tr−êng bªn ngoµi t¨ng lªn. Khi tõ tr−êng ngoµi t¨ng lªn ®Õn møc nµo ®ã x¶y ra hiÖn t−îng ®¶o h−íng cña c¸c domen theo h−íng tõ tr−êng ngoµi. Khi tõ tr−êng ngoµi ®ñ m¹nh sÏ lµm quay h−íng dÔ tõ ho¸ cña c¸c domen tõ theo h−íng tõ tr−êng ngoµi dÉn ®Õn b¶o hoµ (hinhd 6.8a). - HiÖn t−îng tõ trÓ: Sau khi tõ ho¸ lÇn ®Çu ®Õn b¶o hoµ (H = Hm), nÕu vÉn gi÷ nguyªn ph−¬ng tõ tr−êng vµ thùc hiÖn mét chu tr×nh khÐp kÝn (Hm,0,- Hm,0) ta nhËn ®−îc ®−êng cong tõ ho¸ nh− h×nh 6.8b gäi lµ ®−êng cong tõ trÓ víi ®é tõ d− Br lµ kh¸ng tõ Hc. B H B H Br Hc H×nh 6.8 §−êng cong tõ ho¸ a) Tõ ho¸ lÇn ®Çu b) Chu tr×nh tõ trÔ Khi trong vËt liÖu s¾t tõ cã øng lùc, kÝch th−íc m¹ng tinh thÓ thay ®æi, c¸c h−íng dÔ tõ ho¸ thay ®æi dÉn ®Õn lµm thay ®æi ®Þnh h−íng cña c¸c domen. HiÖn t−îng nµy gäi lµ hiÖu øng tõ gi¶o nghÞch. Trªn h×nh 6.9 biÓu diÔn B(Wb/m2 ) σ=0 σ=20N/mm2 H (A/m) a) b)
- 101. 6.3.2. C¶m biÕntõ thÈm biÕn thiªn CÊu t¹o cña c¶m biÕn gåm mét cuén d©y cã lâi tõ hîp víi mét khung s¾t tõ t¹o thµnh mét m¹ch tõ kÝn (h×nh 6.10). D−íi t¸c dông cña lùc F, lâi tõ bÞ biÕn d¹ng kÐo theo sù thay ®æi ®é tõ thÈm µ, lµm cho tõ trë m¹ch tõ thay ®æi do ®ã ®é tù c¶m cña cuén d©y còng thay ®æi. Sù thay ®æi t−¬ng ®èi cña L, R hoÆc µ tØ lÖ víi øng lùc σ, tøc lµ víi lùc cÇn ®o F: σ = ∆ = ∆ = µ µ ∆ . K L L R R 6.3.3. C¶m biÕn tõ d− biÕn thiªn PhÇn tö c¬ b¶n cña c¶m biÕn tõ d− biÕn thiªn lµ mét lâi tõ lµm b»ng Ni tinh khiÕt cao, cã tõ d− Br. D−íi t¸c dông cña lùc cÇn ®o, thÝ dô lùc nÐn (dσ < 0), Br t¨ng lªn: 2 2 9 r m . N m . Wb 10 . 5 , 1 d dB − − − − = σ Sù thay ®æi cña tõ th«ng sÏ lµm xuÊt hiÖn trong cuén d©y mét suÊt ®iÖn ®éng tØ lÖ víi dBr/dt. BiÓu thøc cña ®iÖn ¸p hë m¹ch cã d¹ng: dt d d dB K dt dB K V r r m σ σ = = Trong ®ã K lµ hÖ sè tØ lÖ víi sè vßng d©y vµ tiÕt diÖn vßng d©y. 6.4. C¶m biÕn ®o lùc dùa trªn phÐp ®o dÞch chuyÓn H×nh 6.10 C¶m biÕn tõ gi¶o cã tõ thÈm biÕn thiªn F F
- 102. Trong c¶m biÕnlo¹i nµy, lùc cÇn ®o t¸c dông lªn vËt trung gian vµ g©y nªn sù thay ®æi kÝch th−íc ∆l cña nã. Sù thay ®æi kÝch th−íc ®−îc ®o b»ng mét c¶m biÕn dÞch chuyÓn. Khi ®ã tÝn hiÖu ra Vm vµ lùc t¸c dông ®−îc biÓu diÔn b»ng biÓu thøc: F l l V F V m m ∆ ∆ = Trong ®ã: - Vm/∆l gäi lµ tØ sè truyÒn ®¹t cña c¶m biÕn. - ∆l/F gäi lµ ®é mÒm cña vËt trung gian. VËt trung gian lµ vßng ®o lùc, c¸c dÇm d¹ng console hoÆc lß xo. Tuú theo ®iÒu kiÖn sö dông cã thÓ sö dông nhiÒu lo¹i c¶m biÕn dÞch chuyÓn kh¸c nhau nh−: - §iÖn thÕ kÕ ®iÖn trë. - C¶m biÕn tõ trë biÕn thiªn. - C¶m biÕn tô ®iÖn. 6.5. C¶m biÕn xóc gi¸c PhÇn chÝnh cña c¶m biÕn lµ mét ®Õ c¸ch ®iÖn trªn ®ã cã mét l−íi dÉn ®iÖn (h×nh 6.11a) ®−îc ®Æt d−íi ®iÖn ¸p V. L−íi ®iÖn gåm hai hÖ thèng d©y dÉn (X1, X2,...) vµ (Y1, Y2,...) vu«ng gãc víi nhau t¹o thµnh nh÷ng « vu«ng nhá, mçi « vu«ng nhá ®Òu cã mét ®iÖn cùc ®−îc c¸ch ®iÖn víi d©y dÉn cña l−íi bao quanh nã, c¸c ®iÖn cùc nµy nèi víi ®Êt th«ng qua m¹ch ®o dßng. MÆt trªn cña hÖ thèng ®−îc phñ cao su cã pha c¸c h¹t dÉn ®iÖn. Khi cã lùc nÐn t¸c dông lªn mét phÇn nµo ®ã cña tÊm cao su, kho¶ng c¸ch gi÷a c¸c h¹t dÉn ®iÖn ë phÇn ®ã ng¾n l¹i, ®iÖn trë gi¶m xuèng, dßng ®iÖn t¨ng lªn (h×nh 6.11b). To¹ ®é cña vïng cã dßng ®iÖn t¨ng lªn sÏ x¸c ®Þnh vÞ trÝ cña lùc t¸c dông vµ gi¸ trÞ cña nã x¸c ®Þnh gi¸ trÞ cña lùc. F I0 I0 I1 I2 I0 H×nh 6.11 C¶m biÕn xóc t¸c a) HÖ thèng cùc ®o b) T¸c dông cña lùc lªn ®iÖn cùc a) b)
- 103. Ch−¬ng VII c¶m biÕnvËn tèc, gia tèc vµ rung 7.1. C¶m biÕn ®o vËn tèc 7.1.1. Nguyªn lý ®o vËn tèc Trong c«ng nghiÖp, phÇn lín tr−êng hîp ®o vËn tèc lµ ®o tèc ®é quay cña m¸y. §é an toµn còng nh− chÕ ®é lµm viÖc cña m¸y phô thuéc rÊt lín vµo tèc ®é quay. Trong tr−êng hîp chuyÓn ®éng th¼ng, viÖc ®o vËn tèc dµi còng th−êng ®−îc chuyÓn vÒ ®o tèc ®é quay. Bëi vËy, c¸c c¶m biÕn ®o vËn tèc gãc ®ãng vai trß quan träng trong viÖc ®o vËn tèc. §Ó ®o vËn tèc gãc th−êng øng dông c¸c ph−¬ng ph¸p sau ®©y: - Sö dông tèc ®é kÕ vßng kiÓu ®iÖn tõ: nguyªn lý ho¹t ®éng dùa trªn hiÖn t−îng c¶m øng ®iÖn tõ. C¶m biÕn gåm cã hai phÇn: phÇn c¶m (nguån tõ th«ng) vµ phÇn øng (phÇn cã tõ th«ng ®i qua). Khi cã chuyÓn ®éng t−¬ng ®èi gi÷a phÇn c¶m vµ phÇn øng, tõ th«ng ®i qua phÇn øng biÕn thiªn, trong nã xuÊt hiÖn suÊt ®iÖn ®éng c¶m øng x¸c ®Þnh theo c«ng thøc: dt d e Φ − = Th«ng th−êng tõ th«ng qua phÇn øng cã d¹ng: ( ) ( ) x F x 0 Φ = Φ Trong ®ã x lµ biÕn sè cña vÞ trÝ thay ®æi theo vÞ trÝ gãc quay hoÆc theo ®−êng th¼ng, khi ®ã suÊt ®iÖn ®éng e xuÊt hiÖn trong phÇn øng cã d¹ng: dt dx dx ) x ( dF e 0 Φ − = SuÊt ®iÖn ®éng nµy tØ lÖ víi vËn tèc cÇn ®o. - Sö dông tèc ®é kÕ vßng lo¹i xung: lµm viÖc theo nguyªn t¾c ®o tÇn sè chuyÓn ®éng cña phÇn tö chuyÓn ®éng tuÇn hoµn, vÝ dô chuyÓn ®éng quay. C¶m biÕn lo¹i nµy th−êng cã mét ®Üa ®−îc m· ho¸ g¾n víi trôc quay, ch¼ng h¹n gåm c¸c phÇn trong suèt xen kÏ c¸c phÇn kh«ng trong suèt. Cho chïm s¸ng chiÕu qua ®Üa ®Õn mét ®Çu thu quang, xung ®iÖn lÊy tõ ®Çu thu quang cã tÇn sè tØ lÖ víi vËn tèc quay cÇn ®o. 7.1.2. Tèc ®é kÕ ®iÖn tõ a) Tèc ®é kÕ ®iÖn tõ ®o vËn tèc gãc - Tèc ®é kÕ dßng mét chiÒu: S¬ ®å cÊu t¹o cña mét tèc ®é kÕ dßng mét chiÒu biÓu diÔn trªn h×nh 7.1.
- 104. Stato (phÇn c¶m)lµ mét nam ch©m ®iÖn hoÆc nam ch©m vÜnh cöu, roto (phÇn øng) lµ mét trôc s¾t gåm nhiÒu líp ghÐp l¹i, trªn mÆt ngoµi roto xÏ c¸c r·nh song song víi trôc quay vµ c¸ch ®Òu nhau. Trong c¸c r·nh ®Æt c¸c d©y dÉn b»ng ®ång gäi lµ d©y chÝnh, c¸c d©y chÝnh ®−îc nèi víi nhau tõng ®«i mét b»ng c¸c d©y phô. Cæ gãp lµ mét h×nh trô trªn mÆt cã g¾n c¸c l¸ ®ång c¸ch ®iÖn víi nhau, mçi l¸ nèi víi mét d©y chÝnh cña roto. Hai chæi quÐt Ðp s¸t vµo cæ gãp ®−îc bè trÝ sao cho t¹i mét thêi ®iÓm chóng lu«n tiÕp xóc víi hai l¸ ®ång ®èi diÖn nhau. Khi r« to quay, suÊt ®iÖn ®éng xuÊt hiÖn trong mét d©y dÉn x¸c ®Þnh theo biÓu thøc: dt d e i i φ − = Trong ®ã dφi lµ tõ th«ng mµ d©y dÉn c¾t qua trong thêi gian dt: iN c i c i B dS B d S d d = = φ dSc lµ tiÕt diÖn bÞ c¾t trong kho¶ng thêi gian dt: rdt l lvdt dSc ω = = Trong ®ã: l - chiÒu dµi d©y dÉn. v - vËn tèc dµi cña d©y. ω - vËn tèc gãc cña d©y. r - b¸n kÝnh quay cña d©y. BiÓu thøc cña suÊt ®iÖn ®éng xuÊt hiÖn trong mét d©y: iN i rlB e ω − = SuÊt ®iÖn ®éng øng víi mét nöa sè d©y ë bªn ph¶i ®−êng trung tÝnh: 0 0 p nN N 2 E φ − = φ π ω − = H×nh 7.1 S¬ ®å cÊu t¹o cña m¸y ph¸t dßng mét chiÒu 1) Stato 2) R«to 3) Cæ gãp 4) Chæi quÐt 1 N S 2 3 4
- 105. N - tængsè d©y chÝnh trªn roto. n - sè vßng quay trong mét gi©y. φ0 - lµ tõ th«ng xuÊt ph¸t tõ cùc nam ch©m. T−¬ng tù tÝnh ®−îc suÊt ®iÖn ®éng øng víi mét nöa sè d©y ë bªn tr¸i: 0 t nN E φ = (7.1) Nguyªn t¾c nèi d©y lµ nèi thµnh hai côm, trong mçi côm c¸c d©y m¾c nèi tiÕp víi nhau, cßn hai côm th× m¾c ng−îc pha nhau. b) Tèc ®é kÕ dßng xoay chiÒu - M¸y ph¸t ®ång bé: S¬ ®å cÊu t¹o cña mét tèc ®é kÕ dßng xoay chiÒu kiÓu m¸y ph¸t ®ång bé biÓu diÔn trªn h×nh 7.2. Thùc chÊt ®©y lµ mét m¸y ph¸t ®iÖn xoay chiÒu nhá. Roto (phÇm c¶m) cña m¸y ph¸t lµ mét nam ch©m hoÆc tæ hîp cña nhiÒu nam ch©m nhá. PhÇn øng gåm c¸c cuén d©y bè trÝ c¸ch ®Òu trªn mÆt trong cña stato lµ n¬i cung cÊp suÊt ®iÖn ®éng c¶m øng h×nh sin cã biªn ®é tØ lÖ víi tèc ®é quay cña roto. t sin E e Ω = (7.2) Trong ®ã ω = 1 K E , ω = Ω 2 K , K1 vµ K2 lµ c¸c th«ng sè ®Æc tr−ng cho m¸y ph¸t. Gi¸ trÞ cña ω cã thÓ tÝnh ®−îc theo E hoÆc Ω. - X¸c ®Þnh ω tõ biªn ®é suÊt ®iÖn ®éng: Cuén c¶m øng cã trë kh¸ng trong: Ω + = i i i jL R Z Trong ®ã Ri, Li lµ ®iÖn trë vµ tù c¶m cña cuén d©y. §iÖn ¸p ë hai ®Çu cuén øng víi t¶i R cã gi¸ trÞ: H×nh 7.2 S¬ ®å cÊu t¹o cña m¸y ph¸t ®ång bé 1) Stato 2) R«to N S N N S S 1 2 1 2
- 106. ( ) () ( ) ( )2 i 2 2 i 1 2 i 2 i L K R R RK L R R RE U ω + + ω = Ω + + = (7.3) Tõ biÓu thøc (7.3), ta thÊy ®iÖn ¸p U kh«ng ph¶i lµ hµm tuyÕn tÝnh cña tèc ®é quay ω. §iÒu kiÖn ®Ó sö dông m¸y ph¸t nh− mét c¶m biÕn vËn tèc lµ R>>Zi ®Ó sao cho cã thÓ coi U ≈ E. §iÖn ¸p ë ®Çu ra ®−îc chØnh l−u thµnh ®iÖn ¸p mét chiÒu, ®iÖn ¸p nµy kh«ng phô thuéc chiÒu quay vµ hiÖu suÊt läc gi¶m khi tÇn sè thÊp. MÆt kh¸c, sù cã mÆt cña bé läc lµm t¨ng thêi gian håi ®¸p cña c¶m biÕn. - X¸c ®Þnh b»ng c¸ch ®o tÇn sè cña suÊt ®iÖn ®éng: ph−¬ng ph¸p nµy cã −u ®iÓm lµ tÝn hiÖu cã thÓ truyÒn ®i xa mµ sù suy gi¶m tÝn hiÖu kh«ng ¶nh h−ëng tíi ®é chÝnh x¸c cña phÐp ®o. - M¸y ph¸t kh«ng ®ång bé: CÊu t¹o cña m¸y ph¸t kh«ng ®ång bé t−¬ng tù nh− ®éng c¬ kh«ng ®ång bé hai pha (h×nh 7.3). Roto lµ mét ®Üa h×nh trô kim lo¹i máng vµ dÞ tõ quay cïng tèc ®é víi trôc cÇn ®o, khèi l−îng vµ qu¸n tÝnh cña nã kh«ng ®¸ng kÓ. Stato lµm b»ng thÐp tõ tÝnh, trªn ®ã bè trÝ hai cuén d©y, mét cuén lµ cuén kÝch thÝch ®−îc cung cÊp ®iÖn ¸p Vc cã biªn ®é Ve vµ tÇn sè ωe æn ®Þnh t cos V V e e c ω = . Cuén d©y thø hai lµ cuén d©y ®o. Gi÷a hai ®Çu ra cña cuén nµy xuÊt hiÖn mét suÊt ®iÖn ®éng em cã biªn ®é tØ lÖ víi tèc ®é gãc cÇn ®o: ( ) ( ) ϕ + ω ω = ϕ + ω = t cos V k t cos E e e e e m m Trong ®ã k lµ h»ng sè phô thuéc vµo kÕt cÊu cña m¸y, ϕ lµ ®é lÖch pha. c) Tèc ®é kÕ ®iÖn tõ ®o vËn tèc dµi ω 2 3 2 Ve em H×nh 7.3 S¬ ®å cÊu t¹o m¸y ph¸t kh«ng ®ång bé 1) Cuén kÝch 2) R«to 3) Cuén ®o
- 107. Khi ®o vËntèc dµi, víi ®é dÞch chuyÓn lín cña vËt kh¶o s¸t (> 1m) th−êng chuyÓn thµnh ®o vËn tèc gãc. Tr−êng hîp ®o vËn tèc cña dÞch chuyÓn th¼ng nhá cã thÓ dïng c¶m biÕn vËn tèc dµi gåm hai phÇn tö c¬ b¶n: mét nam ch©m vµ mét cuén d©y. Khi ®o, mét phÇn tö ®−îc gi÷ cè ®Þnh, phÇn tö thø hai liªn kÕt víi vËt chuyÓn ®éng. ChuyÓn ®éng t−¬ng ®èi gi÷a cuén d©y vµ nam ch©m lµm xuÊt hiÖn trong cuén d©y mét suÊt ®iÖn ®éng tØ lÖ víi vËn tèc cÇn ®o. S¬ ®å c¶m biÕn cã cuén d©y di ®éng biÓu diÔn trªn h×nh 7.4. SuÊt ®iÖn ®éng xuÊt hiÖn trong cuén d©y cã d¹ng: lBv rNBv 2 e = π = N - sè vßng d©y. r - b¸n kÝnh vßng d©y. B - gi¸ trÞ cña c¶m øng tõ. v - tèc ®é dÞch chuyÓn cña vßng d©y. l - tæng chiÒu dµi cña d©y. Tèc ®é kÕ lo¹i nµy ®o ®−îc ®é dÞch chuyÓn vµi mm víi ®é nh¹y ~ 1V/m.s. Khi ®é dÞch chuyÓn lín h¬n (tíi 0,5 m) ng−êi ta dïng tèc ®é kÕ cã nam ch©m di ®éng (h×nh 7.5). C¶m biÕn gåm mét nam ch©m di chuyÓn däc trôc cña hai cuén d©y quÊn ng−îc chiÒu nhau vµ m¾c nèi tiÕp. Khi nam ch©m di chuyÓn, suÊt ®iÖn ®éng xuÊt hiÖn trong tõng cuén d©y tØ lÖ víi tèc ®é cña nam ch©m nh−ng ng−îc chiÒu nhau. Hai cuén d©y ®−îc m¾c nèi tiÕp vµ quÊn ng−îc chiÒu nªn nhËn ®−îc suÊt ®iÖn ®éng ë ®Çu ra kh¸c kh«ng. H×nh 7.4 C¶m biÕn dïng cuén d©y di ®éng 1) Nam ch©m 2) Cuén d©y N S S v 1 2 v 1 2 a) b)
- 108. 7.1.3. Tèc ®ékÕ xung Tèc ®é kÕ xung th−êng cã cÊu t¹o ®¬n gi¶n, ch¾c ch¾n, chÞu ®ùng tèt trong m«i tr−êng ®éc h¹i, kh¶ n¨ng chèng nhiÔu vµ chèng suy gi¶m tÝn hiÖu cao, dÔ biÕn ®æi tÝn hiÖu sang d¹ng sè. Tuú thuéc vµo b¶n chÊt cña vËt quay vµ dÊu hiÖu m· ho¸ trªn vËt quay, ng−êi ta sö dông lo¹i c¶m biÕn thÝch hîp. - C¶m biÕn tõ trë biÕn thiªn: sö dông khi vËt quay lµ s¾t tõ. - C¶m biÕn tõ ®iÖn trë: sö dông khi vËt quay lµ mét hay nhiÒu nam ch©m nhá. - C¶m biÕn quang cïng víi nguån s¸ng: sö dông khi trªn vËt quay cã c¸c lç, ®−êng v¸t, mÆt ph¶n x¹. a) Tèc ®é kÕ tõ trë biÕn thiªn CÊu t¹o cña c¶m biÕn tõ trë biÕn thiªn gåm mét cuén d©y cã lâi s¾t tõ chÞu t¸c ®éng cña mét nam ch©m vÜnh cöu ®Æt ®èi diÖn víi mét ®Üa quay lµm b»ng vËt liÖu s¾t tõ trªn ®ã cã khÝa r¨ng. Khi ®Üa quay, tõ trë cña m¹ch tõ biÕn thiªn mét c¸ch tuÇn hoµn lµm cho tõ th«ng qua cuén d©y biªn thiªn, trong cuén d©y xuÊt hiÖn mét suÊt ®iÖn ®éng c¶m øng cã tÇn sè tØ lÖ víi tèc ®é quay. TÇn sè cña suÊt ®iÖn ®éng trong cuén d©y x¸c ®Þnh bëi biÓu thøc: pn f = p - sè l−îng r¨ng trªn ®Üa. 3 2 1 H×nh 7.6 S¬ ®å cÊu t¹o cña c¶m biÕn tõ trë biÕn thiªn 1) §Üa quay (b¸nh r¨ng) 2) Cuén d©y 3) Nam ch©m vÜnh cöu Khe tõ
- 109. n - sèvßng quay cña ®Üa trong mét gi©y. Biªn ®é E cña suÊt ®iÖn ®éng trong cuén d©y phô thuéc hai yÕu tè: - Kho¶ng c¸ch gi÷a cuén d©y vµ ®Üa quay: kho¶ng c¸ch cµng lín E cµng nhá. - Tèc ®é quay: Tèc ®é quay cµng lín, E cµng lín. Khi tèc ®é quay nhá, biªn ®é E rÊt bÐ vµ khã ph¸t hiÖn, do vËy tån t¹i mét vïng tèc ®é quay kh«ng thÓ ®o ®−îc, ng−êi ta gäi vïng nµy lµ vïng chÕt. D¶i ®o cña c¶m biÕn phô thuéc vµo sè r¨ng cña ®Üa. Khi p lín, tèc ®é nmin ®o ®−îc cã gi¸ trÞ bÐ. Khi p nhá, tèc ®é nmax ®o ®−îc sÏ lín. ThÝ dô víi p = 60 r¨ng, d¶i tèc ®é ®o ®−îc n = 50 - 500 vßng/phót, cßn víi p =15 r¨ng d¶i tèc ®é ®o ®−îc 500 - 10.000 vßng/phót. b) Tèc ®é kÕ quang H×nh 7.7 tr×nh bµy s¬ ®å nguyªn lý cña mét tèc ®é kÕ quang ®o tèc ®é quay. Nguån s¸ng ph¸t tia hång ngo¹i lµ mét diot ph¸t quang (LED). §Üa quay, ®Æt gi÷a nguån s¸ng vµ ®Çu thu, cã c¸c lç bè trÝ c¸ch ®Òu trªn mét vßng trßn. §Çu thu lµ mét photodiode hoÆc phototranzitor. Khi ®Üa quay, ®Çu thu chØ chuyÓn m¹ch khi nguån s¸ng, lç, nguån ph¸t s¸ng th¼ng hµng. KÕt qu¶ lµ khi ®Üa quay, ®Çu thu quang nhËn ®−îc mét th«ng l−îng ¸nh s¸ng biÕn ®iÖu vµ ph¸t tÝn hiÖu cã tÇn sè tØ lÖ víi tèc ®é quay nh−ng biªn ®é kh«ng phô thuéc tèc ®é quay. Trong c¸c c¶m biÕn quang ®o tèc ®é, ng−êi ta còng cã thÓ dïng ®Üa quay cã c¸c vïng ph¶n x¹ ¸nh s¸ng bè trÝ tuÇn hoµn trªn mét vßng trßn ®Ó ph¶n x¹ ¸nh s¸ng tíi ®Çu thu quang. Ph¹m vi tèc ®é ®o ®−îc phô thuéc vµo hai yÕu tè chÝnh: - Sè l−îng lç trªn ®Üa. - D¶i th«ng cña ®Çu thu quang vµ cña m¹ch ®iÖn tö. 1 2 3 4 H×nh 7.7 S¬ ®å nguyªn lý cña tèc ®é kÕ quang 1) Nguån s¸ng 2) ThÊu kÝnh héi tô 3) §Üa quay 4) §Çu thu quang
- 110. §Ó ®o tèc®é nhá (~ 0,1 vßng/phót) ph¶i dïng ®Üa cã sè l−îng lç lín (500 - 1.000 lç). Trong tr−êng hîp ®o tèc ®é lín ( ~ 105 - 106 vßng/phót) ph¶i sö dông ®Üa quay chØ mét lç, khi ®ã tÇn sè ng¾t cña m¹ch ®iÖn x¸c ®Þnh tèc ®é cùc ®¹i cã thÓ ®o ®−îc. 7.1.4. M¸y ®o gãc tuyÖt ®èi M¸y ®o gãc tuyÖt ®èi gåm hai phÇn: phÇn ®éng g¾n liÒn víi trôc quay chøa cuén s¬ cÊp ®−îc kÝch thÝch b»ng sãng mang cã tÇn sè 2 - 10 kHz qua m¸y biÕn ¸p quay (h×nh 7.8a). PhÇn tÜnh cã hai d©y quÊn thø cÊp (cuén sin vµ cuén cos) ®Æt lÖch nhau 90o . Khi trôc quay, ë ®Çu ra cña hai d©y quÊn thø cÊp ta thu ®−îc hai tÝn hiÖu ®iÒu biªn UU0sinωtsinθ vµ UU0sinωtcosθ (h×nh 7.8b). §−êng bao cña biªn ®é kªnh tÝn hiÖu ra chøa th«ng tin vÒ vÞ trÝ tuyÖt ®èi (gãc θ) cña roto m¸y ®o tøc lµ vÞ trÝ tuyÖt ®èi cña trôc quay. Cã hai c¸ch xö lý th«ng tin thu ®−îc. C¸ch thø nhÊt lµ hiÖu chØnh söa sai gãc thu ®−îc ®−îc trªn c¬ së so s¸nh gãc víi mét sè vi m¹ch s½n cã. C¸c vi m¹ch nµy cho tÝn hiÖu gãc d¹ng sè víi ®é ph©n gi¶i 10 - 16 bit/1vßng vµ mét tèc ®é quay d¹ng t−¬ng tù. §é ph©n gi¶i cña ph−¬ng ph¸p nµy phô thuéc vµo th«ng sè cña m¹ch ®iÒu chØnh. C¸ch thø hai, cã chÊt l−îng cao h¬n, lµ dïng hai bé chuyÓn ®æi t−¬ng tù - sè ®Ó lÊy mÉu trùc tiÕp tõ ®Ønh tÝn hiÖu ®iÒu chÕ. Trong tr−êng hîp nµy cÇn ®ång bé chÆt chÏ gi÷a thêi ®iÓm lÊy mÉu vµ kh©u t¹o tÝn hiÖu kÝch thÝch 2 - 10 kHz sau ®ã dïng bé läc ®Ó chuyÓn xung h×nh ch÷ nhËt thµnh tÝn hiÖu kÝch thÝch h×nh sin. H×nh 7.8 S¬ ®å nguyªn lý m¸y ®o gãc tuyÖt ®èi sin cos θ U0sinωt UU0sinωtcosθ UU0sinωtsinθ sin cos a) b) t t
- 111. §é ph©n gi¶icña phÐp ®o dïng m¸y ®o gãc tuyÖt ®èi hoµn toµn phô thuéc vµo ®é ph©n gi¶i cña bé chuyÓn ®æi t−¬ng tù sè. Khi biÕt gãc quay tuyÖt ®èi θ, lÊy ®¹o hµm ta nhËn ®−îc tèc ®é gãc ω cÇn ®o. 7.1.5. §æi h−íng kÕ §æi h−íng kÕ ®−îc g¾n vµo vËt chuyÓn ®éng ®Ó ®o tèc ®é gãc cña vËt. Hai d¹ng ®æi h−íng kÕ th−êng dïng lµ: ®æi h−íng kÕ c¬ häc dïng con quay håi chuyÓn, ®æi h−íng kÕ quang dïng laze vµ c¸p quang dùa trªn hiÖn t−îng truyÒn sãng ¸nh s¸ng. a) §æi h−íng kÕ dïng con quay håi chuyÓn Con quay håi chuyÓn gåm mét roto l¾p trªn mét khung ®éng vµ ®−îc quay quanh trôc Y’Y víi tèc ®é lín (~104 vßng/phót) nhê mét ®éng c¬. Tèc ®é quay ω cÇn ®o theo trôc Z’Z vu«ng gãc víi trôc Y’Y lµm xuÊt hiÖn mét ngÉu lùc Cg tØ lÖ víi ω theo h−íng X’X vu«ng gãc víi hai trôc Y’Y vµ Z’Z cã xu h−íng lµm cho khung ®éng cña con quay håi chuyÓn quay theo. NgÉu lùc Cg ®−îc c©n b»ng bëi ngÉu lùc ®µn håi Cr cña hai lß xo g©y nªn cã gi¸ trÞ tØ lÖ víi gãc quay α cña khung. ë tr¹ng th¸i c©n b»ng: Cg = Cr (7.4). víi Cr = kα (k lµ hÖ sè ®µn håi cña lß xo) vµ Cg = ωH ( H lµ m«men ®éng häc cña r«to). Thay c¸c gi¸ trÞ vµo c«ng thøc (7.4) ta cã c«ng thøc x¸c ®Þnh gãc α: Y X Y’ Z Z’ X’ ω H×nh 7.9 S¬ ®å nguyªn lý ®æi h−íng kÕ dïng con quay håi chuyÓn 1) Con quay håi chuyÓn 2) Khung ®éng 3) Lß xo 4) §iÖn thÕ kÕ 1 2 3 4
- 112. k H ω = α (7.5) Gãc quay αcña khung ®éng cña con quay håi chuyÓn tØ lÖ víi vËn tèc gãc ω cÇn ®o. §Ó tiÖn cho xö lý, gãc quay α ®−îc chuyÓn ®æi thµnh tÝn hiÖu ®iÖn nhê mét ®iÖn thÕ kÕ. C¸c th«ng sè cña m¸y ®o nh− sau: - D¶i ®o tõ ± 7o /s ®Õn ± 360o /s. - Sai lÖch khái ®é tuyÕn tÝnh <± 1,5% cña d¶i ®o. b) §æi h−íng kÕ quang §æi h−íng kÕ quang gåm nguån ph¸t chïm tia laze (1), cuén d©y sîi quang (2) cã chiÒu dµi L quÊn thµnh vßng b¸n kÝnh R quay víi cïng vËn tèc gãc ω víi vËt quay. Chïm tia xuÊt ph¸t tõ nguån ph¸t (1) qua b¶n ph©n t¸ch (3) t¹o thµnh hai chïm tia truyÒn theo hai h−íng ng−îc nhau trong sîi c¸p quang. Khi ra khái c¸p, do qu¶ng ®−êng truyÒn sãng kh¸c nhau, hai tia lÖch pha nhau, ®é lÖch pha gi÷a hai chïm tia b»ng: c RL 4 λ ω π = ∆Φ (7.6) λ - b−íc sãng tia laze. c - vËn tèc ¸nh s¸ng. H×nh 7.10 S¬ ®å nguyªn lý ®æi h−íng kÕ quang dïng laze vµ c¸p quang 1) Nguån ph¸t laze 2) C¸p quang 3) B¶n ph©n t¸ch 4) §Çu thu 1 2 3 4
- 113. Trªn ®Çu thu(4) ta thu ®−îc hÖ v©n giao thoa cña hai chïm tia. B»ng c¸ch ®Õm sè v©n giao thoa ∆Z bÞ dÞch chuyÓn do c¸p quang quay, ta cã thÓ tÝnh ®−îc tèc ®é quay theo c«ng thøc: c LR 2 Z λ ω = ∆ (7.7) 7.2. C¶m biÕn rung vµ gia tèc 7.2.1. Kh¸i niÖm c¬ b¶n a) D¶i gia tèc vµ ph−¬ng ph¸p ®o gia tèc Theo nguyªn lý c¬ b¶n cña c¬ häc, gia tèc lµ ®¹i l−îng vËt lý thÓ hiÖn mèi quan hÖ gi÷a lùc vµ khèi l−îng. PhÐp ®o gia tèc cã thÓ thùc hiÖn qua viÖc ®o lùc (c¶m biÕn ¸p ®iÖn, c¶m biÕn c©n b»ng ngÉu lùc) hoÆc ®o gi¸n tiÕp th«ng qua sù biÕn d¹ng hay di chuyÓn cña vËt trung gian. Tuú theo møc gia tèc vµ d¶i tÇn cña hiÖn t−îng kh¶o s¸t ng−êi ta ph©n biÖt c¸c d¶i gia tèc sau: - §o gia tèc chuyÓn ®éng cña mét khèi l−îng nµo ®ã, trong ®ã chuyÓn ®éng cña träng t©m lu«n gi÷ ë tÇn sè t−¬ng ®èi thÊp (tõ 0 ®Õn vµi chôc Hz), gi¸ trÞ cña gia tèc nhá. C¸c c¶m biÕn th−êng dïng lµ c¸c c¶m biÕn gia tèc ®o dÞch chuyÓn vµ c¶m biÕn gia tèc ®o biÕn d¹ng. - §o gia tèc rung cña c¸c cÊu tróc cøng hoÆc cÊu tróc cã khèi l−îng lín, tÇn sè rung ®¹t tíi hµng tr¨m Hz. C¶m biÕn gia tèc th−êng dïng lµ c¶m biÕn tõ trë biÕn thiªn, ®Çu ®o biÕn d¹ng kim lo¹i hoÆc ¸p ®iÖn trë. - §o gia tèc rung møc trung b×nh vµ d¶i tÇn t−¬ng ®èi cao (~10kHz), th−êng gÆp khi vËt cã khèi l−îng nhá. C¶m biÕn gia tèc sö dông lµ lo¹i ¸p trë hoÆc ¸p ®iÖn. - §o gia tèc khi va ®Ëp, thay ®æi gia tèc cã d¹ng xung. C¶m biÕn gia tèc sö dông lµ c¸c lo¹i cã d¶i th«ng réng vÒ c¶ hai phÝa tÇn sè thÊp vµ tÇn sè cao. C¶m biÕn ®o gia tèc lµ c¶m biÕn chuyÓn ®éng kh«ng cÇn cã ®iÓm mèc, chóng kh¸c víi c¸c c¶m biÕn dÞch chuyÓn bëi v× khi ®o dÞch chuyÓn cña mét vËt ng−êi ta ph¶i ®o chuyÓn ®éng t−¬ng ®èi cña vËt ®ã so víi mét vËt kh¸c cè ®Þnh lÊy lµm mèc. b) ChuyÓn ®éng rung vµ ph−¬ng ph¸p ®o §o ®é rung trong c«ng nghiÖp cã tÇm quan träng ®Æc biÖt v× c¸c lý do: - Nh»m khèng chÕ biªn ®é rung ®Ó tr¸nh g©y tiÕn ån cã h¹i cho søc khoÎ. - H¹n chÕ møc rung ë giíi h¹n cho phÐp ®Ó ®¶m b¶o ®é an toµn cho c«ng tr×nh.
- 114. - Rung ®éngliªn quan ®Õn tr¹ng th¸i mµi mßn vµ bÒn mái cña chi tiÕt c¬ khÝ trong m¸y mãc. §o ®é rung gióp cho ng−êi qu¶n lý n¾m ®−îc t×nh tr¹ng mßn cña chi tiÕt tõ ®ã cã kÕ ho¹ch b¶o d−ìng, söa ch÷a kÞp thêi. §é rung ®−îc ®Æc tr−ng bëi ®é dÞch chuyÓn, tèc ®é hoÆc gia tèc ë c¸c ®iÓm trªn vËt rung. Bëi vËy khi ®o rung ®éng ng−êi ta ®o mét trong nh÷ng ®Æc tr−ng trªn. C¶m biÕn rung cã thÓ lµ c¶m biÕn dÞch chuyÓn, c¶m biÕn tèc ®é hoÆc c¶m biÕn gia tèc nh−ng cã thÓ m« t¶ nguyªn lý ho¹t ®éng cña chóng b»ng m« h×nh hÖ c¬ häc cã mét bËc tù do nh− tr×nh bµy ë h×nh 7.11. C¶m biÕn gåm mét phÇn tö nh¹y c¶m (lß xo, tinh thÓ ¸p ®iÖn... ) nèi víi mét khèi l−îng rung vµ ®−îc ®Æt chung trong mét vá hép. ChuyÓn ®éng rung cña khèi l−îng M t¸c ®éng lªn phÇn tö nh¹y c¶m cña c¶m biÕn vµ ®−îc chuyÓn thµnh tÝn hiÖu ®iÖn ë ®Çu ra. Gäi h0 lµ tung ®é cña ®iÓm a cña vá hép, h lµ tung ®é ®iÓm b cña khèi l−îng rung. Khi kh«ng cã gia tèc t¸c ®éng lªn vá hép tung ®é cña a vµ b b»ng nhau. DÞch chuyÓn t−¬ng ®èi cña khèi l−îng M so víi vá hép x¸c ®Þnh bëi biÓu thøc: 0 h h z − = (7.8) Khi ®ã ph−¬ng tr×nh c©n b»ng lùc cã d¹ng: Cz dt dz F dt h d M 2 2 − − = Cz - ph¶n lùc cña lß xo. dt dz F - lùc ma s¸t nhít. 2 2 dt h d M - lùc do gia tèc cña khèi M g©y nªn. b b’ h h0 H×nh 7.11 S¬ ®å nguyªn lý c¶m biÕn ®o gia tèc vµ rung 1) Khèi rung 2) Vá hép 3) PhÇn tö nh¹y c¶m 4) Gi¶m chÊn M a 1 2 3 4 z
- 115. Hay: Cz dt dz F dt z d M dt h d M 2 2 2 0 2 + + = − (7.9) Tõc«ng thøc (7.9), ta nhËn thÊy cÊu t¹o cña c¶m biÕn ®Ó ®o ®¹i l−îng s¬ cÊp m1 (®é dÞch chuyÓn h0, vËn tèc dh0/dt hoÆc gia tèc d2 h0/dt2 ) phô thuéc vµo ®¹i l−îng ®−îc chän ®Ó lµm ®¹i l−îng ®o thø cÊp m2 (z, dz/dt hoÆc d2 z/dt2 ) vµ d¶i tÇn sè lµm viÖc. D¶i tÇn sè lµm viÖc quyÕt ®Þnh sè h¹ng nµo trong vÕ ph¶i ph−¬ng tr×nh chiÕm −u thÕ (Cz, Fdz/dt hoÆc Md2 z/dt2 ). Trªn thùc tÕ c¶m biÕn thø cÊp th−êng sö dông lµ: - C¶m biÕn ®o vÞ trÝ t−¬ng ®èi cña khèi l−îng rung M so víi vá hép. - C¶m biÕn ®o lùc hoÆc c¶m biÕn ®o biÕn d¹ng. - C¶m biÕn ®o tèc ®é t−¬ng ®èi. Dïng to¸n tö laplace (p) cã thÓ m« t¶ ho¹t ®éng cña c¶m biÕn rung b»ng biÓu thøc sau: Cz Fpz z Mp h Mp 2 0 2 + + = − HoÆc: 1 p 2 p p h z 0 2 0 2 2 0 2 0 + ω ξ + ω ω − = Víi: 0 0 f 2 M C π = = ω lµ tÇn sè riªng cña M trªn lß xo cã ®é cøng C. CM 2 F = ξ lµ hÖ sè t¾t dÇn. §é nh¹y cña c¶m biÕn cã thÓ tÝnh b»ng tØ sè gi÷a ®¹i l−îng ®iÖn ®Çu ra s vµ ®¹i l−îng ®o s¬ cÊp m1. 2 1 2 1 2 1 S . S m s . m m m s S = = = Trong ®ã: 1 2 1 m m S = lµ ®é nh¹y c¬ cña ®¹i l−îng ®o s¬ cÊp. 2 2 m s S = lµ ®é nh¹y cña c¶m biÕn thø cÊp.
- 116. 7.2.2. C¶m biÕn®o tèc ®é rung S¬ ®å c¶m biÕn ®o tèc ®é rung tr×nh bµy trªn h×nh 7.12. Trong c¶m biÕn lo¹i nµy, ®¹i l−îng ®o s¬ cÊp m1 lµ tèc ®é rung dh0/dt, ®¹i l−îng ®o thø cÊp m2 lµ dÞch chuyÓn t−¬ng ®èi z. §é nh¹y s¬ cÊp S1 x¸c ®Þnh bëi biÓu thøc: 1 p 2 p / p ph z m m S 0 2 0 2 2 0 0 1 2 1 + ω ξ + ω ω − = = = §Ó tiÖn lîi trong sö dông, ng−êi ta còng sö dông ®¹i l−îng ®o thø cÊp m2 lµ tèc ®é dÞch chuyÓn t−¬ng ®èi dz/dt. ViÖc chuyÓn ®æi tèc ®é t−¬ng ®èi cña khèi l−îng rung so víi vá hép thµnh tÝn hiÖu ®iÖn thùc hiÖn bëi mét c¶m biÕn vÞ trÝ t−¬ng ®èi kiÓu ®iÖn tõ gåm mét cuén d©y vµ mét lâi nam ch©m. Cuén d©y g¾n víi khèi l−îng rung, lâi nam ch©m ®Æt bªn trong cuén d©y vµ g¾n víi vá c¶m biÕn. B»ng c¸ch ®o suÊt ®iÖn ®éng cña cuén d©y cã thÕ ®¸nh gi¸ ®−îc tèc ®é rung cÇn ®o. Mét ®iÒu cÇn quan t©m khi sö dông c¶m biÕn lo¹i nµy ®ã lµ ph¶n øng cña c¶m biÕn thø cÊp ®èi víi chuyÓn ®éng cña khèi l−îng rung thÓ hiÖn th«ng qua ph¶n lùc i . l . B f = t¸c ®éng lªn cuén d©y khi cuén d©y chuyÓn ®éng trong tõ tr−êng c¶m øng B. Gi¶ thiÕt bá qua trë kh¸ng cña cuén d©y Lω, khi ®ã ph¶n lùc f tØ lÖ víi tèc ®é t−¬ng ®èi: ( ) dt dz R 1 Bl f 2 = Lùc nµy chèng l¹i chuyÓn ®éng cña khèi l−îng rung, lµm thay ®æi hÖ sè t¾t dÇn cña chuyÓn ®éng. H×nh 7.12 S¬ ®å nguyªn lý c¶m biÕn ®o vËn tèc rung 1) Vá hép 2) Khèi rung 3) Lâi nam ch©m 4) Cuén d©y 5) Lß xo 6) Gi¶m chÊn b b M 2 1 3 4 5 6
- 117. 7.2.3. Gia tèckÕ ¸p ®iÖn a) CÊu t¹o vµ nguyªn lý ho¹t ®éng CÊu t¹o chung cña gia tèc kÕ ¸p ®iÖn gåm mét khèi l−îng rung M vµ mét phÇn tö ¸p ®iÖn ®Æt trªn gi¸ ®ì cøng, vµ toµn bé ®−îc ®Æt trong mét vá hép kÝn. Th«ng th−êng cÇn ph¶i ®o gia tèc theo hai h−íng däc theo trôc nh¹y c¶m. Tuú thuéc vµo b¶n chÊt lùc t¸c dông (nÐn, kÐo hoÆc c¾t) trong bé c¶m biÕn ph¶i cã bé phËn c¬ khÝ t¹o øng lùc c¬ häc ®Æt tr−íc lªn phÇn tö ¸p ®iÖn ®Ó më réng d¶i ®o gia tèc theo hai chiÒu. Trªn h×nh 7.13 tr×nh bµy s¬ ®å cÊu t¹o cña c¸c gia tèc kÕ ¸p ®iÖn kiÓu nÐn. C¶m biÕn lo¹i nµy cã tÇn sè céng h−ëng cao, kÕt cÊu ch¾c ch¾n, nh¹y víi øng lùc cña ®Õ. S¬ ®å cÊu t¹o cña gia tèc kÕ kiÓu uèn cong tr×nh bµy trªn h×nh 7.14. PhÇn tö ¸p ®iÖn cña c¶m biÕn gåm hai phiÕn ¸p ®iÖn máng d¸n víi nhau, mét ®Çu g¾n cè ®Þnh lªn vá hép c¶m biÕn, mét ®Çu g¾n víi khèi l−îng rung. C¶m biÕn lo¹i nµy cho ®é nh¹y rÊt cao nh−ng tÇn sè vµ gia tèc rung ®o ®−îc bÞ h¹n chÕ. H×nh 7.13 S¬ ®å cÊu t¹o gia tèc kÕ ¸p ®iÖn kiÓu nÐn 1) Khèi l−îng rung 2) PhiÕn ¸p ®iÖn 3) §ai èc 4) §Õ 5) Vá hép 1 2 3 4 5 H×nh 7.14 S¬ ®å cÊu t¹o gia tèc kÕ ¸p ®iÖn kiÓu uèn cong 1) Khèi l−îng rung 2) PhiÕn ¸p ®iÖn 3) Vá hép M 1 2 3
- 118. b) §Æc tr−ngcña c¶m biÕn §é nh¹y ®−îc biÓu diÔn bëi biÓu thøc: 2 1S S a Q S = = Trong ®ã: a - gia tèc cña c¶m biÕn. Q - ®iÖn tÝch ®−îc t¹o ra khi c¶m biÕn rung víi gia tèc a. S1 - ®é nh¹y c¬ cña hÖ thèng khèi l−îng rung. S2 - ®é nh¹y ®iÖn cña c¶m biÕn. Gi¸ trÞ cña S1 vµ S2 x¸c ®Þnh nh− sau: 2 0 2 0 2 2 0 1 2 1 1 a z S ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ω ω ξ + ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ω ω − ω = = 2 0 2 1 1 dC z Q S ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ω ω + = = Trong ®ã: d - h»ng sè ®iÖn m«i. c - ®é cøng cña phÇn tö nh¹y c¶m. τ = ω 1 - tÇn sè t¾t d−íi cña hÖ thèng c¶m biÕn - m¹ch ®o. 7.2.4. Gia tèc kÕ ¸p trë CÊu t¹o chung cña mét gia tèc kÕ ¸p trë gåm mét tÊm máng ®µn håi mét ®Çu g¾n víi gi¸ ®ì, mét ®Çu g¾n víi khèi l−îng rung, trªn ®ã cã g¾n tõ 2 ®Õn 4 ¸p trë m¾c trong mét m¹ch cÇu Wheatstone. D−íi t¸c dông cña gia tèc, tÊm ®µn håi bÞ uèn cong, g©y nªn biÕn d¹ng trong ®Çu ®o mét c¸ch trùc tiÕp hoÆc gi¸n tiÕp qua bé khuÕch ®¹i c¬. Trªn h×nh 7.15 giíi thiÖu s¬ ®å nguyªn lý cña mét c¶m biÕn gia tèc ¸p trë. 1 2 3 4 b L e G F M
- 119. §é nh¹y cñac¶m biÕn ®−îc biÓu diÔn b»ng biÓu thøc: ε ε = = m 2 1 V . a S S S - §é nh¹y ®iÖn cña cÇu Wheatstone S1: v× 4 ®Çu ®o ®Òu cã cïng mét biÕn d¹ng ε nªn ®iÖn ¸p ra Vm cña ®Çu ®o b»ng: ε = ∆ = K e R R e V s s m Suy ra: s 2 Ke S = Trong ®ã: es - ®iÖn ¸p nu«i cÇu (10 - 15 V). K - hÖ sè ®Çu ®o ¸p trë. R - ®iÖn trë mét ®Çu ®o. - §é nh¹y c¬ S1 cña hÖ thèng c¬ khÝ x¸c ®Þnh theo biÓu thøc: ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ω ω ξ + ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ω ω − ω = 0 2 2 0 2 2 0 1 2 1 1 A S Gi¸ trÞ cña A vµ ω0 phô thuéc vµo kÕt cÊu cña hÖ chÞu uèn, vÝ dô víi c¶m biÕn cho ë h×nh 7.15: M L 4 Yle 3 3 0 = ω 3 L be 5 , 1 A = Trong ®ã Y lµ m«®un Young.
- 120. Ch−¬ng VIII C¶m biÕn®o ¸p suÊt CHÊT l−u 8.1. ¸p suÊt vµ nguyªn lý ®o ¸p suÊt 8.1.1. ¸p suÊt vµ ®¬n vÞ ®o ¸p suÊt lµ ®¹i l−îng cã gi¸ trÞ b»ng tØ sè gi÷a lùc t¸c dông vu«ng gãc lªn mét mÆt víi diÖn tÝch cña nã: ds dF p = (8.1) §èi víi c¸c chÊt láng, khÝ hoÆc h¬i (gäi chung lµ chÊt l−u), ¸p suÊt lµ mét th«ng sè quan träng x¸c ®Þnh tr¹ng th¸i nhiÖt ®éng häc cña chóng. Trong c«ng nghiÖp, viÖc ®o ¸p suÊt chÊt l−u cã ý nghÜa rÊt lín trong viÖc ®¶m b¶o an toµn cho thiÕt bÞ còng nh− gióp cho viÖc kiÓm tra vµ ®iÒu khiÓn ho¹t ®éng cña m¸y mãc thiÕt bÞ cã sö dông chÊt l−u. Trong hÖ ®¬n vÞ quèc tÕ (SI) ®¬n vÞ ¸p suÊt lµ pascal (Pa): 1 Pa lµ ¸p suÊt t¹o bëi mét lùc cã ®é lín b»ng 1N ph©n bè ®ång ®Òu trªn mét diÖn tÝch 1m2 theo h−íng ph¸p tuyÕn. §¬n vÞ Pa t−¬ng ®èi nhá nªn trong c«ng nghiÖp ng−êi ta cßn dïng ®¬n vÞ ¸p suÊt lµ bar (1 bar = 105 Pa) vµ mét sè ®¬n vÞ kh¸c. B¶ng 8.1 tr×nh bµy c¸c ®¬n vÞ ®o ¸p suÊt vµ hÖ sè chuyÓn ®æi gi÷a chóng. B¶ng 8.1 §¬n vÞ ¸p suÊt pascal (Pa) bar (b) kg/cm2 atmotsphe (atm) mmH2O mmHg mbar 1Pascal 1 10-5 1,02.10-5 0,987.10-5 1,02.10-1 0,75.10-2 10-2 1 bar 105 1 1,02 0,987 1,02.104 750 103 1 kg/cm2 9,8.104 0,980 1 0,986 104 735 9,80.102 1 atm 1,013.105 1,013 1,033 1 1,033.104 760 1,013.103 1mmH2O 9,8 9,8.10-5 10-3 0,968.10-4 1 0,0735 0,098 1mmHg 133,3 13,33.10-4 1,36.10-3 1,315.10-3 136 1 1,33 1mbar 100 10-3 1,02.10-3 0,987.10-3 1,02 0,750 1
- 121. 8.1.2. Nguyªn lý®o ¸p suÊt §èi víi chÊt l−u kh«ng chuyÓn ®éng, ¸p suÊt chÊt l−u lµ ¸p suÊt tÜnh (pt): t p p = (8.2) Do vËy ®o ¸p suÊt chÊt l−u thùc chÊt lµ x¸c ®Þnh lùc t¸c dông lªn mét diÖn tÝch thµnh b×nh. §èi víi chÊt l−u kh«ng chuyÓn ®éng chøa trong mét èng hë ®Æt th¼ng ®øng, ¸p suÊt tÜnh t¹i mét ®iÓm M c¸ch bÒ mÆt tù do mét kho¶ng (h) x¸c ®Þnh theo c«ng thøc sau: gh p p 0 ρ + = (8.3) Trong ®ã: p0 - ¸p suÊt khÝ quyÓn. ρ - khèi l−îng riªng chÊt l−u. g- gia tèc träng tr−êng. §Ó ®o ¸p suÊt tÜnh cã thÓ tiÕn hµnh b»ng c¸c ph−¬ng ph¸p sau: - §o ¸p suÊt chÊt l−u lÊy qua mét lç ®−îc khoan trªn thµnh b×nh nhê c¶m biÕn thÝch hîp. - §o trùc tiÕp biÕn d¹ng cña thµnh b×nh do ¸p suÊt g©y nªn. Trong c¸ch ®o thø nhÊt, ph¶i sö dông mét c¶m biÕn ®Æt s¸t thµnh b×nh. Trong tr−êng hîp nµy, ¸p suÊt cÇn ®o ®−îc c©n b»ng víi ¸p suÊt thuû tØnh do cét chÊt láng mÉu t¹o nªn hoÆc t¸c ®éng lªn mét vËt trung gian cã phÇn tö nh¹y c¶m víi lùc do ¸p suÊt g©y ra. Khi sö dông vËt trung gian ®Ó ®o ¸p suÊt, c¶m biÕn th−êng trang bÞ thªm bé phËn chuyÓn ®æi ®iÖn. §Ó sai sè ®o nhá, thÓ tÝch chÕt cña kªnh dÉn vµ c¶m biÕn ph¶i kh«ng ®¸ng kÓ so víi thÓ tÝch tæng céng cña chÊt l−u cÇn ®o ¸p suÊt. Trong c¸ch ®o thø hai, ng−êi ta g¾n lªn thµnh b×nh c¸c c¶m biÕn ®o øng suÊt ®Ó ®o biÕn d¹ng cña thµnh b×nh. BiÕn d¹ng nµy lµ hµm cña ¸p suÊt. §èi víi chÊt l−u chuyÓn ®éng, ¸p suÊt chÊt l−u (p) lµ tæng ¸p suÊt tÜnh (pt) vµ ¸p suÊt ®éng (p®) : d t p p p + = (8.4) ¸p suÊt tÜnh t−¬ng øng víi ¸p suÊt g©y nªn khi chÊt láng kh«ng chuyÓn ®éng, ®−îc ®o b»ng mét trong c¸c ph−¬ng ph¸p tr×nh bµy ë trªn. ¸p suÊt ®éng do chÊt l−u chuyÓn ®éng g©y nªn vµ cã gi¸ trÞ tØ lÖ víi b×nh ph−¬ng vËn tèc chÊt l−u:
- 122. 2 v p 2 d ρ = (8.5) Trong ®ã ρlµ khèi l−îng riªng chÊt l−u. Khi dßng ch¶y va ®Ëp vu«ng gãc víi mét mÆt ph¼ng, ¸p suÊt ®éng chuyÓn thµnh ¸p suÊt tÜnh, ¸p suÊt t¸c dông lªn mÆt ph¼ng lµ ¸p suÊt tæng. Do vËy, ¸p suÊt ®éng ®−îc ®o th«ng qua ®o chªnh lÖch gi÷a ¸p suÊt tæng vµ ¸p suÊt tÜnh. Th«ng th−êng viÖc ®o hiÖu (p - pt) thùc hiÖn nhê hai c¶m biÕn nèi víi hai ®Çu ra cña mét èng Pitot, trong ®ã c¶m biÕn (1) ®o ¸p suÊt tæng cßn c¶m biÕn (2) ®o ¸p suÊt tÜnh. Cã thÓ ®o ¸p suÊt ®éng b»ng c¸ch ®Æt ¸p suÊt tæng lªn mÆt tr−íc vµ ¸p suÊt tÜnh lªn mÆt sau cña mét mµng ®o (h×nh 8.2), nh− vËy tÝn hiÖu do c¶m biÕn cung cÊp chÝnh lµ chªnh lÖch gi÷a ¸p suÊt tæng vµ ¸p suÊt tÜnh. 8.2. ¸p kÕ vi sai dùa trªn nguyªn t¾c c©n b»ng thuû tÜnh Nguyªn lý chung cña ph−¬ng ph¸p dùa trªn nguyªn t¾c c©n b»ng ¸p suÊt chÊt l−u víi ¸p suÊt thuû tÜnh cña chÊt láng lµm viÖc trong ¸p kÕ. 8.2.1. ¸p kÕ vi sai kiÓu phao ¸p kÕ vi sai kiÓu phao gåm hai b×nh th«ng nhau, b×nh lín cã tiÕt diÖn F vµ b×nh nhá cã tiÕt diÖn f (h×nh 8.3). ChÊt láng lµm viÖc lµ thuû ng©n hay dÇu biÕn ¸p. Khi ®o, ¸p suÊt lín (p1) ®−îc ®−a vµo b×nh lín, ¸p suÊt bÐ (p2) ®−îc ®−a vµo b×nh nhá. §Ó tr¸nh chÊt láng lµm viÖc phun ra ngoµi khi cho ¸p suÊt t¸c ®éng vÒ mét phÝa ng−êi ta më van (4) vµ khi ¸p suÊt hai bªn c©n b»ng van (4) ®−îc kho¸ l¹i. c¶m biÕn 2 c¶m biÕn 1 H×nh 8.1 §o ¸p suÊt ®éng b»ng èng Pitot p pt H×nh 8.2 §o ¸p suÊt ®éng b»ng mµng 1) Mµng ®o 2) PhÇn tö ¸p ®iÖn 1 2
- 123. Khi ®¹t sùc©n b»ng ¸p suÊt, ta cã: ( )( ) 2 1 m 2 1 h h g p p + ρ − ρ = − Trong ®ã: g - gia tèc träng tr−êng. ρm - träng l−îng riªng cña chÊt láng lµm viÖc. ρ - träng l−îng riªng cña chÊt láng hoÆc khÝ cÇn ®o. ¸p kÕ vi sai kiÓu phao dïng ®Ó ®o ¸p suÊt tÜnh kh«ng lín h¬n 25MPa. Khi thay ®æi tØ sè F/f (b»ng c¸ch thay èng nhá) ta cã thÓ thay ®æi ®−îc ph¹m vi ®o. CÊp chÝnh x¸c cña ¸p suÊt kÕ lo¹i nµy cao (1; 1,5) nh−ng chøa chÊt láng ®éc h¹i mµ khi ¸p suÊt thay ®æi ®ét ngét cã thÓ ¶nh h−ëng ®Õn ®èi t−îng ®o vµ m«i tr−êng. 8.2.2. ¸p kÕ vi sai kiÓu chu«ng CÊu t¹o cña ¸p kÕ vi sai kiÓu chu«ng gåm chu«ng (1) nhóng trong chÊt láng lµm viÖc chøa trong b×nh (2). MÆt kh¸c tõ c©n b»ng thÓ tÝch ta cã: 2 1 h . f h . F = Suy ra: ( )( ) ( ) 2 1 m 1 p p . g f / F 1 1 h − ρ − ρ + = (8.6) Khi møc chÊt láng trong b×nh lín thay ®æi (h1 thay ®æi), phao cña ¸p kÕ dÞch chuyÓn vµ qua c¬ cÊu liªn kÕt lµm quay kim chØ thÞ trªn ®ång hå ®o. BiÓu thøc (8.6) lµ ph−¬ng tr×nh ®Æc tÝnh tÜnh cña ¸p kÕ vi sai H×nh 8.3. ¸p kÕ vi sai kiÓu phao p1 p2 h2 h1 1 2 3 4 5 6 7 H×nh 8.4 ¸p kÕ vi sai kiÓu chu«ng 1) Chu«ng 2) B×nh chøa 3) ChØ thÞ dx p1 p2 dy 3 p1 p2 A B 3 dH a) b) 1 2
- 124. Khi ¸p suÊttrong buång (A) vµ (B) b»ng nhau th× n¾p chu«ng (1) ë vÞ trÝ c©n b»ng (h×nh8.4a), khi cã biÕn thiªn ®é chªnh ¸p d(p1-p2) >0 th× chu«ng ®−îc n©ng lªn (h×nh 8.4b). Khi ®¹t c©n b»ng ta cã: ( ) ( ) ( ) ρ − ρ ∆ + = − m 2 1 g . f dy dH F . p p d (8.8) Víi: dy dx dh + = ( ) ( )g dh p p d m 2 1 ρ − ρ = − ( )dx F dH . f fdy − Φ + ∆ = Trong ®ã: F - tiÕt diÖn ngoµi cña chu«ng. dH - ®é di chuyÓn cña chu«ng. dy - ®é dÞch chuyÓn cña møc chÊt láng trong chu«ng. dx - ®é dÞch chuyÓn cña møc chÊt láng ngoµi chu«ng. ∆f - diÖn tÝch tiÕt diÖn thµnh chu«ng. Φ - diÖn tÝch tiÕt diÖn trong cña b×nh lín. dh - chªnh lÖch møc chÊt láng ë ngoµi vµ trong chu«ng. f - diÖn tÝch tiÕt diÖn trong cña chu«ng. Gi¶i c¸c ph−¬ng tr×nh trªn ta cã: ( ) ( ) 2 1 m p p d g . f f dH − ρ − ρ ∆ = LÊy tÝch ph©n giíi h¹n tõ 0 ®Õn (p1 - p2) nhËn ®−îc ph−¬ng tr×nh ®Æc tÝnh tÜnh cña ¸p kÕ vi sai kiÓu chu«ng: ( ) ( ) 2 1 m p p g . f f H − ρ − ρ ∆ = (8.9) ¸p kÕ vi sai cã ®é chÝnh x¸c cao cã thÓ ®o ®−îc ¸p suÊt thÊp vµ ¸p suÊt ch©n kh«ng. 8.3. C¶m biÕn ¸p suÊt dùa trªn phÐp ®o biÕn d¹ng Nguyªn lý chung cña c¶m biÕn ¸p suÊt lo¹i nµy dùa trªn c¬ së sù biÕn d¹ng ®µn håi cña phÇn tö nh¹y c¶m víi t¸c dông cña ¸p suÊt. C¸c phÇn tö biÕn d¹ng th−êng dïng lµ èng trô, lß xo èng, xi ph«ng vµ mµng máng.
- 125. 8.3.1. PhÇn töbiÕn d¹ng a) èng trô S¬ ®å cÊu t¹o cña phÇn tö biÕn d¹ng h×nh èng trô tr×nh bµy trªn h×nh 8.5. èng cã d¹ng h×nh trô, thµnh máng, mét ®Çu bÞt kÝn, ®−îc chÕ t¹o b»ng kim lo¹i. §èi víi èng dµi (L>>r), khi ¸p suÊt chÊt l−u t¸c ®éng lªn thµnh èng lµm cho èng biÕn d¹ng, biÕn d¹ng ngang (ε1) vµ biÕn d¹ng däc (ε2) cña èng x¸c ®Þnh bëi biÓu thøc: p k e r Y p 2 1 1 1 = ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ν − = ε p k e r Y p 2 1 2 1 = ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ν − = ε Trong ®ã: p - ¸p suÊt. Y - m« ®un Young. ν - hÖ sè poisson. r - b¸n kÝnh trong cña èng. e - chiÒu dµy thµnh èng. §Ó chuyÓn tÝn hiÖu c¬ (biÕn d¹ng) thµnh tÝn hiÖu ®iÖn ng−êi ta dïng bé chuyÓn ®æi ®iÖn (thÝ dô c¶m biÕn lùc). b) Lß xo èng CÊu t¹o cña c¸c lß xo èng dïng trong c¶m biÕn ¸p suÊt tr×nh bµy trªn h×nh 8.6. Lß xo lµ mét èng kim lo¹i uèn cong, mét ®Çu gi÷ cè ®Þnh cßn mét ®Çu ®Ó tù do. Khi ®−a chÊt l−u vµo trong èng, ¸p suÊt t¸c dông lªn thµnh èng lµm cho èng bÞ biÕn d¹ng vµ ®Çu tù do dÞch chuyÓn. J1 J2 J4 J3 a) b) H×nh 8.5 PhÇn tö biÕn d¹ng kiÓu èng h×nh trô a) S¬ ®å cÊu t¹o b) VÞ trÝ g¾n c¶m biÕn ε1 ε2 r e
- 126. Trªn h×nh (8.6a)lµ s¬ ®å lß xo èng mét vßng, tiÕt diÖn ngang cña èng h×nh tr¸i xoan. D−íi t¸c dông cña ¸p suÊt d− trong èng, lß xo sÏ gi·n ra, cßn d−íi t¸c dông cña ¸p suÊt thÊp nã sÏ co l¹i. §èi víi c¸c lß xo èng thµnh máng biÕn thiªn gãc ë t©m (γ) d−íi t¸c dông cña ¸p suÊt (p) x¸c ®Þnh bëi c«ng thøc: 2 2 2 2 2 x a b 1 bh R . Y 1 p + β α ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ − ν − γ = γ ∆ (8.10) Trong ®ã: ν - hÖ sè poisson. Y - m« ®un Young. R - b¸n kÝnh cong. h - bÒ dµy thµnh èng. a, b - c¸c b¸n trôc cña tiÕt diÖn «van. α, β - c¸c hÖ sè phô thuéc vµo h×nh d¸ng tiÕt diÖn ngang cña èng. x = Rh/a2 - tham sè chÝnh cña èng. Lùc thµnh phÇn theo h−íng tiÕp tuyÕn víi trôc èng (èng thµnh máng h/b = 0,6 - 0,7) ë ®Çu tù do x¸c ®Þnh theo theo biÓu thøc: p k cos . sin sin 4 3 sin . x s 48 a b 1 pab N 1 2 2 2 t = γ γ + γ − γ γ − γ + ε ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ − = (8.11) Lùc h−íng kÝnh: p k cos . sin cos . x s 48 a b 1 pab N 2 2 2 2 r = γ γ − γ γ − γ + ε ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ − = (8.12) Trong ®ã s vµ ε c¸c hÖ sè phô thuéc vµo tØ sè b/a. Gi¸ trÞ cña k1, k2 lµ h»ng sè ®èi víi mçi lß xo èng nªn ta cã thÓ viÕt ®−îc biÓu thøc x¸c ®Þnh lùc tæng hîp: p b) c) H×nh 8.6 Lß xo èng p N1 Nr N a) γ R 2a 2b A A
- 127. kp p . k k N 2 2 2 1 = + = (8.13) Víi) R, h, b, f(a, k k k 2 2 2 1 γ = + = . B»ng c¸ch thay ®æi tØ sè a/b vµ gi¸ trÞ cña R, h, γ ta cã thÓ thay ®æi ®−îc gi¸ trÞ cña ∆γ , N vµ ®é nh¹y cña phÐp ®o. Lß xo èng mét vßng cã gãc quay nhá, ®Ó t¨ng gãc quay ng−êi ta dïng lß xo èng nhiÒu vßng cã cÊu t¹o nh− h×nh (8.6b). §èi víi lß xo èng d¹ng vßng th−êng ph¶i sö dông thªm c¸c c¬ cÊu truyÒn ®éng ®Ó t¨ng gãc quay. §Ó t¹o ra gãc quay lín ng−êi ta dïng lß xo xo¾n cã tiÕt diÖn « van hoÆc h×nh r¨ng khÝa nh− h×nh 8.6c, gãc quay th−êng tõ 40 - 60o , do ®ã kim chØ thÞ cã thÓ g¾n trùc tiÕp trªn ®Çu tù do cña lß xo. Lß xo èng chÕ t¹o b»ng ®ång thau cã thÓ ®o ¸p suÊt d−íi 5 MPa, hîp kim nhÑ hoÆc thÐp d−íi 1.000 MPa, cßn trªn 1.000 MPa ph¶i dïng thÐp giã. c) Xiph«ng CÊu t¹o cña xiph«ng tr×nh bµy trªn h×nh 8.7. èng xiph«ng lµ mét èng h×nh trô xÕp nÕp cã kh¶ n¨ng biÕn d¹ng ®¸ng kÓ d−íi t¸c dông cña ¸p suÊt. Trong giíi h¹n tuyÕn tÝnh, tØ sè gi÷a lùc t¸c dông vµ biÕn d¹ng cña xiph«ng lµ kh«ng ®æi vµ ®−îc gäi lµ ®é cøng cña xiph«ng. §Ó t¨ng ®é cøng th−êng ng−êi ta ®Æt thªm vµo trong èng mét lß xo. VËt liÖu chÕ t¹o lµ ®ång, thÐp cacbon, thÐp hîp kim ... §−êng kÝnh xiph«ng tõ 8 - 100mm, chiÒu dµy thµnh 0,1 - 0,3 mm. §é dÞch chuyÓn (δ) cña ®¸y d−íi t¸c dông cña lùc chiÒu trôc (N) x¸c ®Þnh theo c«ng thøc: 2 b 0 2 2 1 0 0 2 R / h B A A A n Yh 1 . N + α + α − − ν − = δ (8.14) H×nh 8.7 S¬ ®å cÊu t¹o èng xiph«ng α 2Rb 2Rng r p
- 128. Trong ®ã: h0 -chiÒu dµy thµnh èng xiph«ng. n - sè nÕp lµm viÖc. α - gãc bÞt kÝn. ν - hÖ sè poisson. A0, A1, B0 - c¸c hÖ sè phô thuéc Rng/Rtr, r/R+r. Rng, Rtr - b¸n kÝnh ngoµi vµ b¸n kÝnh trong cña xi ph«ng. r - b¸n kÝnh cong cña nÕp uèn. Lùc chiÒu trôc t¸c dông lªn ®¸y x¸c ®Þnh theo c«ng thøc: ( ) p R R 5 N 2 tr ng ∆ + π = (8.15) d) Mµng Mµng dïng ®Ó ®o ¸p suÊt ®−îc chia ra mµng ®µn håi vµ mµng dÎo. Mµng ®µn håi cã d¹ng trßn ph¼ng hoÆc cã uèn nÕp ®−îc chÕ t¹o b»ng thÐp. Khi ¸p suÊt t¸c dông lªn hai mÆt cña mµng kh¸c nhau g©y ra lùc t¸c ®éng lªn mµng lµm cho nã biÕn d¹ng. BiÕn d¹ng cña mµng lµ hµm phi tuyÕn cña ¸p suÊt vµ kh¸c nhau tuú thuéc ®iÓm kh¶o s¸t. Víi mµng ph¼ng, ®é phi tuyÕn kh¸ lín khi ®é vâng lín, do ®ã th−êng chØ sö dông trong mét ph¹m vi hÑp cña ®é dÞch chuyÓn cña mµng. §é vâng cña t©m mµng ph¼ng d−íi t¸c dông cña ¸p suÊt t¸c dông lªn mµng x¸c ®Þnh theo c«ng thøc sau: ( ) 3 4 2 Yh pR 1 16 3 ν − = δ (8.16) Mµng uèn nÕp cã ®Æc tÝnh phi tuyÕn nhá h¬n mµng ph¼ng nªn cã thÓ sö dông víi ®é vâng lín h¬n mµng ph¼ng. §é vâng cña t©m mµng uèn nÕp x¸c ®Þnh theo c«ng thøc: D h p D p H×nh 8.8 S¬ ®å mµng ®o ¸p suÊt
- 129. 4 4 3 3 Yh pR h b h a = δ + δ = (8.17) Víia, b lµ c¸c hÖ sè phô thuéc h×nh d¹ng vµ bÒ dµy cña mµng. Khi ®o ¸p suÊt nhá ng−êi ta dïng mµng dÎo h×nh trßn ph¼ng hoÆc uèn nÕp, chÕ t¹o tõ v¶i cao su. Trong mét sè tr−êng hîp ng−êi ta dïng mµng dÎo cã t©m cøng, khi ®ã ë t©m mµng ®−îc kÑp cøng gi÷a hai tÊm kim lo¹i. §èi víi mµng dÎo th−êng, lùc di chuyÓn t¹o nªn ë t©m mµng x¸c ®Þnh bëi biÓu thøc: p . 12 D N 2 π = (8.19) Víi D lµ ®−êng kÝnh æ ®ì mµng. §èi víi mµng dÎo t©m cøng, lùc di chuyÓn t¹o nªn ë t©m mµng x¸c ®Þnh bëi biÓu thøc: ( ) p . 12 d Dd D N 2 2 + + π = (8.20) Víi D lµ ®−êng kÝnh mµng, d lµ d−êng kÝnh ®Üa cøng. 8.3.2. C¸c bé chuyÓn ®æi ®iÖn Khi sö dông c¶m biÕn ®o ¸p suÊt b»ng phÇn tö biÕn d¹ng, ®Ó chuyÓn ®æi tÝn hiÖu c¬ trung gian thµnh tÝn hiÖu ®iÖn ng−êi ta dïng c¸c bé chuyÓn ®æi. Theo c¸ch chuyÓn ®æi ng−êi ta chia c¸c bé chuyÓn ®æi thµnh hai lo¹i: - BiÕn ®æi sù dÞch chuyÓn cña phÇn tö biÕn d¹ng thµnh tÝn hiÖu ®o. C¸c chuyÓn ®æi lo¹i nµy th−êng dïng lµ: cuén c¶m, biÕn ¸p vi sai, ®iÖn dung, ®iÖn trë... - BiÕn ®æi øng suÊt thµnh tÝn hiÖu ®o. C¸c bé chuyÓn ®æi lµ c¸c phÇn tö ¸p ®iÖn hoÆc ¸p trë. a) Bé biÕn ®æi ®o ¸p suÊt kiÓu ®iÖn c¶m H×nh 8.9 S¬ ®å cÊu t¹o mµng dÎo cã t©m cøng CÊu t¹o cña bé chuyÓn ®æi kiÓu ®iÖn c¶m biÓu diÔn trªn h×nh 8.10. Bé chuyÓn ®æi gåm tÊm s¾t tõ ®éng g¾n p 1
- 130. tù c¶m cñacuén d©y. NÕu bá qua ®iÖn trë cuén d©y, tõ th«ng t¶n vµ tæn hao trong lâi tõ th× ®é tù c¶m cña bé biÕn ®æi x¸c ®Þnh bëi c«ng thøc sau: ( ) ( ) 0 0 tb tb 2 S / S / l W L µ δ + µ = (8.21) Trong ®ã: W - sè vßng d©y cña cuén d©y. ltb, Stb: chiÒu dµi vµ diÖn tÝch trung b×nh cña lâi tõ. δ, S0 - chiÒu dµi vµ tiÕt diÖn khe hë kh«ng khÝ . µ, µ0 - ®é tõ thÈm cña lâi tõ vµ kh«ng khÝ. Th«ng th−êng ltb/(µStb) << δ/(µ0S0), do ®ã cã thÓ tÝnh L theo c«ng thøc gÇn ®óng: δ µ = 0 0 2 S . W L Víi δ = kp, ta cã ph−¬ng tr×nh ®Æc tÝnh tÜnh cña c¶m biÕn ¸p suÊt dïng bé biÕn ®æi c¶m øng: kp S . W L 0 0 2 µ = (8.22) §Ó ®o ®é tù c¶m L ng−êi ta dïng cÇu ®o xoay chiÒu hoÆc m¹ch céng h−ëng LC. b) Bé biÕn ®æi kiÓu biÕn ¸p vi sai Bé biÕn ®æi ¸p suÊt kiÓu biÕn ¸p vi sai (h×nh 8.11) gåm mét lß xo vßng (1) vµ phÇn tö biÕn ®æi (2). PhÇn tö biÕn ®æi gåm mét khung c¸ch ®iÖn trªn ®ã quÊn cuén s¬ cÊp (7). Cuén thø cÊp gåm hai cuén d©y (4) vµ (5) quÊn ng−îc chiÒu nhau. Lâi thÐp di
- 131. ®éng nèi víilß xo (1). §Çu ra cña cuén thø cÊp nèi víi ®iÖn trë R1, cho phÐp ®iÒu chØnh giíi h¹n ®o trong ph¹m vi ±25%. Nguyªn lý lµm viÖc: dßng ®iÖn I1 ch¹y trong cuén s¬ cÊp sinh ra tõ th«ng biÕn thiªn trong hai nöa cuén thø cÊp, lµm xuÊt hiÖn trong hai nöa cuén d©y nµy c¸c suÊt ®iÖn ®éng c¶m øng e1 vµ e2: 1 1 1 M I . f 2 e π = 2 1 2 M I . f 2 e π = Trong ®ã M1 vµ M2 lµ hç c¶m gi÷a cuén s¬ cÊp vµ c¸c nöa cuén thø cÊp. Hai nöa cuén d©y ®Êu ng−îc chiÒu nhau, do ®ã suÊt ®iÖn ®éng trong cuén thø cÊp: ( ) M fI 2 M M fI 2 e e E 1 2 1 1 2 1 π = − π = − = (8.23) §èi víi phÇn tö biÕn ®æi chuÈn cã ®iÖn trë cöa ra R1 vµ R2 th× ®iÖn ¸p ra cña bé biÕn ®æi x¸c ®Þnh bëi c«ng thøc: ra 1 ra M fI 2 V π = (8.24) Gi¸ trÞ hç c¶m Mra phô thuéc ®é dÞch chuyÓn cña lâi thÐp: max max ra M M δ δ = Trong ®ã Mmax lµ hç c¶m lín nhÊt cña cuén s¬ cÊp vµ cuén thø cÊp øng víi ®é dÞch chuyÓn lín nhÊt cña lâi thÐp. Tõ ph−¬ng tr×nh (8.23) vµ (8.24), t×m ®−îc ®iÖn ¸p ra cña bé biÕn ®æi: δ δ π = max max 1 ra M fI 2 V (8.25) c) Bé biÕn ®æi kiÓu ®iÖn dung 1 p E Ur 2 3 4 6 H×nh 8.11 S¬ ®å cÊu t¹o nguyªn lý cña bé biÕn ®æi kiÓu biÕn ¸p vi sai 1) Lß xo vßng 2) PhÇn tö biÕn ®æi 3&4) Cuén thø cÊp 5) Lâi thÐp 6) Cuén s¬ cÊp 5 R1 I1 R2
- 132. S¬ ®å c¶mbiÕn kiÓu ®iÖn dung tr×nh bµy trªn h×nh 8.12 H×nh 8.12a tr×nh bµy cÊu t¹o mét bé biÕn ®æi kiÓu ®iÖn dung gåm b¶n cùc ®éng lµ mµng kim lo¹i (1), vµ b¶n cùc tÜnh (2) g¾n víi ®Õ b»ng c¸ch ®iÖn th¹ch anh (4). Sù phô thuéc cña ®iÖn dung C vµo ®é dÞch chuyÓn cña mµng cã d¹ng: 0 s C δ + δ ε = (8.26) Trong ®ã: ε - h»ng sè ®iÖn m«i cña c¸ch ®iÖn gi÷a hai b¶n cùc. δ0 - kho¶ng c¸ch gi÷a c¸c ®iÖn cùc khi ¸p suÊt b»ng 0. δ - ®é dÞch chuyÓn cña mµng. H×nh 8.12b lµ mét bé biÕn ®æi ®iÖn dung kiÓu vi sai gåm hai b¶n cùc tÜnh (2) vµ (3) g¾n víi chÊt ®iÖn m«i cøng (4), kÕt hîp víi mµng (1) n»m gi÷a hai b¶n cùc ®Ó t¹o thµnh hai tô ®iÖn C12 vµ C13. Kho¶ng trèng gi÷a c¸c b¶n cùc vµ mµng ®iÒn ®Çy bëi dÇu silicon (5). C¸c ¸p suÊt p1 vµ p2 cña hai m«i tr−êng ®o t¸c ®éng lªn mµng, lµm mµng dÞch chuyÓn gi÷a hai b¶n cùc tÜnh vµ t¹o ra tÝn hiÖu im (cung cÊp bëi nguån nu«i) tØ lÖ víi ¸p suÊt gi÷a hai m«i tr−êng: ) p p ( K C C C C K i 2 1 2 1 2 1 1 m − = + − = (8.27) §Ó biÕn ®æi biÕn thiªn ®iÖn dung C thµnh tÝn hiÖu ®o l−êng, th−êng dïng m¹ch cÇu xoay chiÒu hoÆc m¹ch vßng céng h−ëng LC. Bé c¶m biÕn kiÓu ®iÖn dung ®o ®−îc ¸p suÊt ®Õn 120 MPa, sai sè ± (0,2 - 5)%. 3.2.4. Bé biÕn ®æi kiÓu ¸p trë H×nh 8.12 Bé chuyÓn ®æi kiÓu ®iÖn dung 1) B¶n cùc ®éng 2&3) B¶n cùc tÜnh 4) C¸ch diÖn 4) DÇu silicon p 1 2 4 a) b) p1 p2 1 2 3 4 5
- 133. CÊu t¹o cñaphÇn tö biÕn ®æi ¸p trë biÓu diÔn trªn h×nh 8.13a. C¶m biÕn ¸p trë gåm ®Õ silic lo¹i N (1) trªn ®ã cã khuÕch t¸n t¹p chÊt t¹o thµnh líp b¸n dÉn lo¹i P (2) , mÆt trªn ®−îc bäc c¸ch ®iÖn vµ cã hai tiÕp xóc kim lo¹i ®Ó nèi d©y dÉn (3). Trªn h×nh 8.13b lµ tr−êng hîp mµng ®Þnh h−íng (100) cã g¾n 4 c¶m biÕn ¸p trë, trong ®ã cã hai c¶m biÕn ®Æt ë t©m theo h−íng (110) vµ hai c¶m biÕn ®Æt ë biªn t¹o thµnh víi h−íng (100) mét gãc 60o . Víi c¸ch ®Æt nh− vËy, biÕn thiªn ®iÖn trë cña hai cÆp c¶m biÕn khi cã øng suÊt néi sÏ b»ng nhau nh−ng tr¸i dÊu: R R R R R 4 2 3 1 ∆ = ∆ − = ∆ − = ∆ = ∆ §Ó ®o biÕn thiªn ®iÖn trë ng−êi ta dïng m¹ch cÇu, khi ®ã ë hai ®Çu ®−êng chÐo cÇu ®−îc nu«i b»ng dßng mét chiÒu sÏ lµ: ( ) R I R R R R 4 I V 4 3 2 1 m ∆ = ∆ − ∆ + ∆ − ∆ = Sù thay ®æi t−¬ng ®èi cña trë kh¸ng theo øng lùc σ tÝnh x¸c ®Þnh theo biÓu thøc: πσ = ∆ 0 R R Trong ®ã π lµ hÖ sè ¸p trë cña tinh thÓ (~ 4.10-10 m2 /N), khi ®ã biÓu thøc ®iÖn ¸p cã d¹ng: σ π = 0 m IR V (8.28) Bé chuyÓn ®æi kiÓu ¸p trë lµm viÖc trong d¶i nhiÖt ®é tõ - 40o C ®Õn 125o C phô thuéc vµo ®é pha t¹p. Ng−êi ta còng cã thÓ bï trõ ¶nh h−ëng cña nhiÖt ®é b»ng c¸ch ®−a thªm vµo bé chuyÓn ®æi mét bé phËn hiÖu chØnh ®−îc ®iÒu khiÓn qua ®Çu ®o nhiÖt ®é JT. d) Bé chuyÓn ®æi kiÓu ¸p ®iÖn H×nh 8.13. S¬ ®å nguyªn lý c¶m biÕn ¸p trë a) S¬ ®å cÊu t¹o b) VÞ trÝ ®Æt trªn mµng 1) §Õ silic-N 2) B¸n dÉn P 3) D©y dÉn 1 2 3 R1 R2 R3 R4 JT 60o a) b)
- 134. Bé chuyÓn ®æikiÓu ¸p ®iÖn, dïng phÇn tö biÕn ®æi lµ phÇn tö ¸p ®iÖn, cho phÐp biÕn ®æi trùc tiÕp øng lùc d−íi t¸c ®éng cña lùc F do ¸p suÊt g©y nªn thµnh tÝn hiÖu ®iÖn. ¸p suÊt (p) g©y nªn lùc F t¸c ®éng lªn c¸c b¶n ¸p ®iÖn, lµm xuÊt hiÖn trªn hai mÆt cña b¶n ¸p ®iÖn mét®iÖn tÝch Q tØ lÖ víi lùc t¸c dông: kF Q = Víi F = p.S, do ®ã: kpS Q = Trong ®ã: k - h»ng sè ¸p ®iÖn, trong tr−êng hîp th¹ch anh k = 2,22.10-12 C/N. S - diÖn tÝch h÷u Ých cña mµng. §Ó t¨ng ®iÖn tÝch Q ng−êi ta ghÐp song song mét sè b¶n cùc víi nhau. §èi víi phÇn tö ¸p ®iÖn d¹ng èng, ®iÖn tÝch trªn c¸c b¶n cùc x¸c ®Þnh theo c«ng thøc: 2 2 d D dh 4 kF Q − = (8.29) Trong ®ã: D, d - ®−êng kÝnh ngoµi vµ ®−êng kÝnh trong cña phÇn tö ¸p ®iÖn. h - chiÒu cao phÇn phñ kim lo¹i. Giíi h¹n trªn cña c¶m biÕn ¸p suÊt dïng bé biÕn ®æi ¸p ®iÖn tõ 2,5 - 100 MPa, cÊp chÝnh x¸c 1,5;2. Bé biÕn ®æi ¸p ®iÖn cã håi ®¸p tÇn sè rÊt tèt nªn th−êng dïng ®Ó ®o ¸p suÊt thay ®æi nhanh, tuy nhiªn chóng cã nh−îc ®iÓm lµ nh¹y c¶m víi sù thay ®æi nhiÖt ®é. H×nh 8.14 C¶m biÕn kiÓu ¸p trë a) PhÇn tö ¸p ®iÖn d¹ng tÊm b) PhÇn tö ¸p ®iÖn d¹ng èng p a) Trôc quang Trôc ®iÖn d D b)
- 135. Ch−¬ng IX C¶m biÕn®o l−u l−îng Vµ MøC CHÊT l−u 9.1. C¶m biÕn ®o l−u l−îng 9.1.1. L−u l−îng vµ ®¬n vÞ ®o L−u l−îng chÊt l−u lµ l−îng chÊt l−u ch¶y qua tiÕt diÖn ngang cña èng trong mét ®¬n vÞ thêi gian. Tuú theo ®¬n vÞ tÝnh l−îng chÊt l−u (theo thÓ tÝch hoÆc khèi l−îng) ng−êi ta ph©n biÖt: - L−u l−îng thÓ tÝch (Q) tÝnh b»ng m3 /s, m3 /giê ... - L−u l−îng khèi (G) tÝnh b»ng kg/s, kg/giê ... L−u l−îng trung b×nh trong kho¶ng thêi gian ∆t = t2 - t1 x¸c ®Þnh bëi biÓu thøc: t V Qtb ∆ ∆ = hoÆc t m Gtb ∆ ∆ = (9.1) Trong ®ã ∆V, ∆m lµ thÓ tÝch vµ khèi l−îng chÊt l−u ch¶y qua èng trong thêi kho¶ng gian kh¶o s¸t. L−u l−îng tøc thêi x¸c ®Þnh theo c«ng thøc: dt dV Q = hoÆc dt dm G = (9.2) §Ó ®o l−u l−îng ng−êi ta dïng c¸c l−u l−îng kÕ. Tuú thuéc vµo tÝnh chÊt chÊt l−u, yªu cÇu c«ng nghÖ, ng−êi ta sö dông c¸c l−u l−îng kÕ kh¸c nhau. Nguyªn lý ho¹t ®éng cña c¸c l−u l−îng kÕ dùa trªn c¬ së: - §Õm trùc tiÕp thÓ tÝch chÊt l−u ch¶y qua c«ng t¬ trong mét kho¶ng thêi gian x¸c ®Þnh ∆t. - §o vËn tèc chÊt l−u ch¶y qua c«ng t¬ khi l−u l−îng lµ hµm cña vËn tèc. - §o ®é gi¶m ¸p qua tiÕt diÖn thu hÑp trªn dßng ch¶y, l−u l−îng lµ hµm phô thuéc ®é gi¶m ¸p. TÝn hiÖu ®o biÕn ®æi trùc tiÕp thµnh tÝn hiÖu ®iÖn hoÆc nhê bé chuyÓn ®æi ®iÖn thÝch hîp. 9.1.2. C«ng t¬ thÓ tÝch C«ng t¬ thÓ tÝch ®o thÓ tÝch chÊt l−u ch¶y qua c«ng t¬ b»ng c¸c ®Õm trùc tiÕp l−îng thÓ tÝch ®i qua buång chøa cã thÓ tÝch x¸c ®Þnh cña c«ng t¬. S¬ ®å nguyªn lý cña c«ng t¬ thÓ tÝch kiÓu b¸nh r¨ng h×nh «van tr×nh bµy trªn h×nh 9.1. C«ngt¬ gåm hai b¸nh r¨ng h×nh «van (1) vµ (2) truyÒn ®éng ¨n khíp víi nhau (h×nh 9.1a). D−íi t¸c ®éng cña dßng chÊt láng, b¸nh r¨ng (2) quay vµ truyÒn chuyÓn
- 136. ®éng tíi b¸nhr¨ng (1) (h×nh 9.1b) cho ®Õn lóc b¸nh r¨ng (2) ë vÞ trÝ th¼ng ®øng, b¸nh r¨ng (1) n»m ngang. ChÊt láng trong thÓ tÝch V1 ®−îc ®Èy sang cöa ra. Sau ®ã b¸nh r¨ng (1) quay vµ qu¸ tr×nh t−¬ng tù lÆp l¹i, thÓ tÝch chÊt láng trong buång V2 ®−îc ®Èy sang cöa ra. Trong mét vßng quay cña c«ngt¬ thÓ tÝch chÊt láng qua c«ngt¬ b»ng bèn lÇn thÓ tÝch V0 (b»ng V1 hoÆc V2). Trôc cña mét trong hai b¸nh r¨ng liªn kÕt víi c¬ cÊu ®Õm ®Æt ngoµi c«ngt¬. ThÓ tÝch chÊt l−u ch¶y qua c«ngt¬ trong thêi gian ∆t = t2 - t1 tØ lÖ víi sè vßng quay x¸c ®Þnh bëi c«ng thøc: ( ) 1 2 v N N q V − = ∆ (9.3) Trong ®ã: qV - thÓ tÝch chÊt l−u ch¶y qua c«ng t¬ øng víi mét vßng quay. N1, N2 - tæng sè vßng quay cña c«ng t¬ t¹i thêi ®iÓm t1 vµ t2. Th«ng th−êng thÓ tÝch chÊt l−u ch¶y qua c«ng t¬ ®−îc biÓu diÔn d−íi d¹ng: ( ) 1 c 2 c c N N q V − = ∆ (9.4) qc - hÖ sè c«ng t¬ (thÓ tÝch chÊt l−u ch¶y qua c«ng t¬ øng víi mét ®¬n vÞ chØ thÞ trªn c«ng t¬). Nc1, Nc2 - sè trªn chØ thÞ c«ng t¬ t¹i thêi ®iÓm t1 vµ t2. L−u l−îng trung b×nh: ( ) 1 2 1 2 v tb t t N N q t V Q − − = ∆ ∆ = (9.5) L−u l−îng tøc thêi: n q dt dN q dt dV Q v v = = = (9.6) Víi dt dN n = lµ tèc ®é quay trªn trôc c«ng t¬. §Ó ®Õm sè vßng quay vµ chuyÓn thµnh tÝn hiÖu ®iÖn ng−êi ta dïng mét trong ba c¸ch d−íi ®©y: - Dïng mét nam ch©m nhá g¾n trªn trôc quay cña cña c«ng t¬, khi nam ch©m ®i qua mét cuén d©y ®Æt cè ®Þnh sÏ t¹o ra xung ®iÖn. §Õm sè xung ®iÖn theo thêi gian sÏ tÝnh ®−îc tèc ®é quay cña trôc c«ng t¬. - Dïng tèc ®é kÕ quang. - Dïng m¹ch ®o thÝch hîp ®Ó ®o tÇn sè hoÆc ®iÖn ¸p. Giíi h¹n ®o cña c«ng t¬ lo¹i nµy tõ 0,01 - 250 m3 /giê, ®é chÝnh x¸c cao ±(0,5 - 1)%, tæn thÊt ¸p suÊt nhá nh−ng cã nh−îc ®iÓm lµ chÊt láng ®o ph¶i ®−îc läc tèt vµ g©y ån khi lµm viÖc. §Ó ®o l−u l−îng dßng khÝ ng−êi ta sö dông c«ng t¬ khÝ kiÓu quay. C«ng t¬ (h×nh 9.2) gåm vá h×nh trô (1), c¸c c¸nh (2,4,7,8), tang quay (3) vµ cam (6). Khi c¸nh (4) ë vÞ trÝ nh− h×nh vÏ , ¸p suÊt chÊt khÝ t¸c ®éng lªn c¸nh lµm cho tang (3) quay. Trong qu¸ tr×nh quay c¸c c¸nh V1 V2 2 1 H×nh 9.1 S¬ ®å nguyªn lý c«ng t¬ thÓ tÝch a) b) c)
- 137. ®éng quay cñatang ®−îc truyÒn ®Õn c¬ cÊu ®Õm ®Æt bªn ngoµi vá c«ng t¬. C«ng t¬ khÝ kiÓu quay cã thÓ ®o l−u l−îng ®Õn 100 - 300 m3 /giê, cÊp chÝnh x¸c 0,25; 0,5. 9.1.3. C«ng t¬ tèc ®é H×nh 9.3 tr×nh bµy s¬ ®å cÊu t¹o cña mét c«ng t¬ tèc ®é tuabin h−íng trôc. Bé phËn chÝnh cña c«ng t¬ lµ mét tuabin h−íng trôc nhá (2) ®Æt theo chiÒu chuyÓn ®éng cña dßng ch¶y. Tr−íc tuabin cã ®Æt bé chØnh dßng ch¶y (1) ®Ó san ph¼ng dßng rèi vµ lo¹i bá xo¸y. ChuyÓn ®éng quay cña tuabin qua bé b¸nh r¨ng - trôc vÝt (3) truyÒn tíi thiÕt bÞ ®Õm (4). Tèc ®é quay cña c«ng t¬ tØ lÖ víi tèc ®é dßng ch¶y: kW n = Trong ®ã: k - hÖ sè tØ lÖ phô thuéc cÊu t¹o c«ng t¬. W- tèc ®é dßng ch¶y. L−u l−îng thÓ tÝch chÊt l−u ch¶y qua c«ng t¬: n k F WF Q = = (9.7) Víi: F - tiÕt diÖn dßng ch¶y. n - tèc ®é quay cña tuabin (sè vßng quay trong mét gi©y). NÕu dïng c¬ cÊu ®Õm ®Ó ®Õm tæng sè vßng quay cña c«ng t¬ trong mét kho¶ng thêi gian tõ t1 ®Õn t2 sÏ nhËn ®−îc thÓ tÝch chÊt láng ch¶y qua c«ng t¬: ndt k F dQdt dV = = ∫ = 2 1 t t ndt k F V H×nh 9.3 S¬ ®å cÊu t¹o c«ng t¬ tèc ®é tuabin h−íng trôc 1) Bé chØnh dßng ch¶y 2) Tuabin 3) Bé truyÒn b¸nh r¨ng-trôc vÝt 4) ThiÕt bÞ ®Õm 1 2 3 4
- 138. Hay: ( ) 1 2 N N k F V− = (9.8) Víi ∫ = − 2 1 t t 1 2 ndt k F N N C«ng t¬ tèc ®é tuabin h−íng trôc víi ®−êng kÝnh tuabin tõ 50 - 300 mm cã ph¹m vi ®o tõ 50 - 300 m3 /giê, cÊp chÝnh x¸c 1; 1,5; 2. §Ó ®o l−u l−îng nhá ng−êi ta dïng c«ng t¬ tèc ®é kiÓu tiÕp tuyÕn cã s¬ ®å cÊu t¹o nh− h×nh 9.4. Tuabin c«ng t¬ (1) ®Æt trªn trôc quay vu«ng gãc víi dßng ch¶y. ChÊt l−u qua mµng läc (2) qua èng dÉn (3) vµo c«ng t¬ theo h−íng tiÕp tuyÕn víi tuabin lµm quay tuabin. C¬ cÊu ®Õm liªn kÕt víi trôc tuabin ®Ó ®−a tÝn hiÖu ®Õn m¹ch ®o. C«ng t¬ kiÓu tiÕp tuyÕn víi ®−êng kÝnh tuabin tõ 15 - 40 mm cã ph¹m vi ®o tõ 3 - 20 m3 /giê, cÊp chÝnh x¸c 2; 3. 9.1.4. L−u l−îng kÕ mµng ch¾n a) Nguyªn lý ®o C¸c c¶m biÕn lo¹i nµy ho¹t ®éng dùa trªn nguyªn t¾c ®o ®é gi¶m ¸p suÊt cña dßng ch¶y khi ®i qua mµng ng¨n cã lç thu hÑp. Trªn h×nh 9.5 tr×nh bµy s¬ ®å nguyªn lý ®o l−u l−îng dïng mµng ng¨n tiªu chuÈn. Khi ch¶y qua lç thu hÑp cña mµng ng¨n, vËn tèc chÊt l−u t¨ng lªn vµ ®¹t cùc ®¹i (W2) t¹i tiÕt diÖn B-B, do ®ã t¹o ra sù chªnh ¸p tr−íc vµ sau lç thu hÑp. Sö dông mét ¸p kÕ vi sai ®o ®é chªnh ¸p nµy cã thÓ x¸c ®Þnh ®−îc l−u l−îng cña dßng ch¶y. Gi¶ sö chÊt láng kh«ng bÞ nÐn, vµ dßng ch¶y lµ liªn tôc, vËn tèc cùc ®¹i cña dßng ch¶y t¹i tiÕt diÖn B-B ®−îc x¸c ®Þnh theo biÓu thøc: ( ) 2 1 2 2 2 p p 2 m 1 W − ρ µ − ξ = Trong ®ã: p1’, p2’ - ¸p suÊt tÜnh t¹i tiÕt diÖn A-A vµ B-B. ρ - tØ träng chÊt l−u. ξ - hÖ sè tæn thÊt thuû lùc. m - tØ sè thu hÑp cña mµng ng¨n, m = F0/F1. µ - hÖ sè thu hÑp dßng ch¶y, µ = F2/F0. H×nh 9.4 C«ng t¬ tèc ®é kiÓu tuabin tiÕp tuyÕn 1) Tuabin 2) Mµng läc 3) èng dÉn 1 2 3 F1 F0 F2 W1 W2 p’2 p’1 p’1 p’2 p2 ∆p p1 p3’ δp A B C
- 139. Th−êng ng−êi takh«ng ®o ®é gi¶m ¸p ∆p’ = p’1 - p’2 ë tiÕt diÖn A-A vµ B-B, mµ ®o ®é gi¶m ¸p ∆p = p1 - p2 ngay tr−íc vµ sau lç thu hÑp. Quan hÖ gi÷a ∆p’ vµ ∆p cã d¹ng: 2 1 ' 2 ' 1 p p p p − ψ = − Khi ®ã: ( ) 2 1 2 2 2 p p 2 m W − ρ µ − ξ ψ = vµ l−u l−îng khèi l−îng cña chÊt l−u: ( ) 2 1 0 2 2 0 2 2 2 p p 2 F m F W F W G − ρ µ − ξ µψ = ρ µ = ρ = Hay: ( ) 2 1 0 p p 2 F G − ρ α = (9.9) Víi 2 2 m µ − ξ µψ = α gäi lµ hÖ sè l−u l−îng. Tõ c¸c biÓu thøc trªn vµ F0 = πd2 /4, ta nhËn ®−îc c«ng thøc x¸c ®Þnh l−u l−îng khèi (G) vµ l−u l−îng thÓ tÝch (Q) cña dßng chÊt l−u: ( ) 2 1 2 p p 2 4 d G − ρ π α = (9.10) ( ) 2 1 2 p p 2 4 d Q − ρ π α = (9.11) Trong tr−êng hîp m«i tr−êng chÊt l−u chÞu nÐn, th× khi ¸p suÊt gi¶m, chÊt l−u gi¶n në, lµm t¨ng tèc ®é dßng ch¶y so víi khi kh«ng chÞu nÐn, do ®ã ph¶i ®−a thªm vµo hÖ sè hiÖu chØnh ε (ε < 1), khi ®ã c¸c ph−¬ng tr×nh trªn cã d¹ng: ( ) 2 1 p p c G − ρ αε = (9.12) ( ) 2 1 p p 1 c Q − ρ αε = (9.13) ë ®©y: ( ) 4 / 2 c π = lµ h»ng sè. ρ - tØ träng chÊt l−u t¹i cöa vµo cña lç thu hÑp. §èi víi c¸c dßng chÊt l−u cã trÞ sè Reynol nhá h¬n gi¸ trÞ tíi h¹n, khi ®o kh«ng thÓ dïng mµng ng¨n lç thu hÑp tiªu chuÈn v× khi ®ã hÖ sè l−u l−îng kh«ng ph¶i lµ
- 140. h»ng sè. Trongtr−êng hîp nµy, ng−êi ta dïng c¸c mµng ng¨n cã lç thu hÑp ®Æc biÖt nh− mµng ng¨n cã lç c«n (h×nh 9.6a), gicl¬ h×nh trô (h×nh 9.6b), gicl¬ cong (h×nh 9.6c) ... Trªn c¬ së thùc nghiÖm ng−êi ta x¸c ®Þnh hÖ sè l−u l−îng cho mçi lç thu hÑp vµ xem nh− kh«ng ®æi trong ph¹m vi sè Reynol giíi h¹n. b) S¬ ®å hÖ thèng ®o Tuú theo yªu cÇu sö dông, ng−êi ta cã thÓ sö dông hÖ thèng ®o thÝch hîp. Trªn h×nh 9.7 tr×nh bµy s¬ ®å khèi cña mét sè hÖ thèng ®o dïng mµng ch¾n. 9.1.5. L−u l−îng kÕ ®iÖn tõ Nguyªn lý cña l−u l−îng kÕ ®iÖn tõ dùa trªn ®Þnh luËt c¶m øng ®iÖn tõ: khi cã mét d©y dÉn chuyÓn ®éng trong tõ tr−êng, c¾t c¸c ®−êng søc cña tõ tr−êng th× trong d©y dÉn xuÊt hiÖn mét suÊt ®iÖn ®éng c¶m øng tØ lÖ víi tèc ®é chuyÓn ®éng cña d©y dÉn. S¬ ®å nguyªn lý cña l−u l−îng kÕ ®iÖn tõ biÓu diÔn trªn h×nh 9.8. L−u l−îng kÕ gåm èng kim lo¹i kh«ng tõ tÝnh (3) bªn trong cã phñ líp vËt liÖu c¸ch ®iÖn (s¬n ªmay, thuû tinh h÷u c¬) ®Æt gi÷a hai cùc cña mét nam ch©m (5) sao cho trôc èng vu«ng gãc víi ®−êng søc cña tõ tr−êng. Trong mÆt ph¼ng vu«ng gãc víi H×nh 9.6 CÊu t¹o mµng ng¨n lç thu hÑp ®Æc biÖt dïng ®Ó ®o l−u l−îng dßng ch¶y chÊt l−u cã sè Reynol nhá a) b) c) 2 1 Q 3 1 Q 5 4 3 1 Q 4 6 8 7 3 1 Q 4 6 11 7 10 9 3 1 Q 4 6 7 9 12 H×nh 9.7 S¬ ®å hÖ thèng ®o l−u l−îng dïng mµng ng¨n 1) Mµng ng¨n 2) L−u l−îng kÕ vi sai 3) Bé biÕn ®æi ®é gi¶m ¸p 4) Dông cô ®o thø cÊp 5) Bé tÝch ph©n l−u l−îng 6) Dông cô tÝnh khèi l−îng chÊt l−u 7) ThiÕt bÞ tÝnh to¸n 8) BiÕn ®æi tØ träng chÊt l−u trong ®iÒu kiÖn lµm viÖc 9) Bé biÕn ®æi nhiÖt ®é 10) Bé biÕn ®æi ¸p suÊt 11) Bé biÕn ®æi tØ träng trong ®iÒu kiÖn ®Þnh møc 12) Bé biÕn ®æi tØ träng chÊt l−u ë 20o C a) b) c) d) ®) N S 1 2 3 4 H×nh 9.8 S¬ ®å l−u l−îng kÕ ®iÖn tõ 1 & 2) §iÖn cùc 3) èng kim lo¹i 4) Miliv«n kÕ 5) Nam ch©m 5
- 141. ®−êng søc, cãhai ®iÖn cùc (1) vµ (2) ®−îc nèi víi miliv«n kÕ (4). Khi chÊt l−u cã tÝnh dÉn ®iÖn ch¶y qua èng, trong chÊt l−u xuÊt hiÖn mét suÊt ®iÖn ®éng c¶m øng (E) : Q D B 4 BWD E π = = (9.14) Trong ®ã: B - c−êng ®é tõ tr−êng. W- tèc ®é trung b×nh cña dßng ch¶y. D - ®−êng kÝnh trong cña èng. Q - l−u l−îng thÓ tÝch cña chÊt l−u. Khi B = const th× E søc ®iÖn ®éng c¶m øng tØ lÖ víi l−u l−îng thÓ tÝch Q. L−u l−îng kÕ ®iÖn tõ víi tõ tr−êng kh«ng ®æi cã nh−îc ®iÓm lµ trªn c¸c cùc xuÊt hiÖn c¸c søc ®iÖn ®éng phô (do ph©n cùc) lµm sai lÖch kÕt qu¶ ®o. §Ó kh¾c phôc nh−îc ®iÓm trªn, ng−êi ta dïng l−u l−îng kÕ ®iÖn tõ dïng nam ch©m ®iÖn xoay chiÒu, tuy nhiªn tõ tr−êng xoay chiÒu l¹i lµm mÐo tÝn hiÖu ra. L−u l−îng kÕ ®iÖn tõ ®−îc dïng ®Ó ®o l−u l−îng cña chÊt láng cã ®é dÉn ®iÖn kh«ng nhá h¬n 10-5 - 10-6 Simen/m. Chóng cã −u ®iÓm: ®o l−u l−îng kh«ng cÇn ph¶i ®o tØ träng chÊt láng, c¸c phÇn tö h¹t, bät khÝ vµ t¸c ®éng cña m«i tr−êng (nh− nhiÖt ®é, ¸p suÊt, ...) nÕu chóng kh«ng lµm thay ®æi ®é dÉn ®iÖn cña chÊt l−u sÏ kh«ng ¶nh h−ëng ®Õn kÕt qu¶ ®o. L−u l−îng kÕ ®iÖn tõ víi ®−êng kÝnh èng tõ 10 - 1.000 mm cã thÓ ®o l−u l−îng trong tõ 1 - 2.500 m3 /giê víi vËn tèc dßng ch¶y tõ 0,6 - 10 m/s víi cÊp chÝnh x¸c 1; 2,5. 9.2. C¶m biÕn ®o vµ ph¸t hiÖn møc chÊt l−u 9.2.1. Môc ®Ých vµ ph−¬ng ph¸p ®o Môc ®Ých viÖc ®o vµ phÊt hiÖn møc chÊt l−u lµ x¸c ®Þnh møc ®é hoÆc khèi l−îng chÊt l−u trong b×nh chøa. Cã hai d¹ng ®o: ®o liªn tôc vµ x¸c ®Þnh theo ng−ìng. Khi ®o liªn tôc biªn ®é hoÆc tÇn sè cña tÝn hiÖu ®o cho biÕt thÓ tÝch chÊt l−u cßn l¹i trong b×nh chøa. Khi x¸c ®Þnh theo ng−ìng, c¶m biÕn ®−a ra tÝn hiÖu d¹ng nhÞ ph©n cho biÕt th«ng tin vÒ t×nh tr¹ng hiÖn t¹i møc ng−ìng cã ®¹t hay kh«ng. Cã ba ph−¬ng ph¸p hay dïng trong kü thuËt ®o vµ ph¸t hiÖn møc chÊt l−u: - Ph−¬ng ph¸p thuû tÜnh dïng biÕn ®æi ®iÖn. - Ph−¬ng ph¸p ®iÖn dùa trªn tÝnh chÊt ®iÖn cña chÊt l−u. - Ph−¬ng ph¸p bøc x¹ dùa trªn sù t−¬ng t¸c gi÷a bøc x¹ vµ chÊt l−u. 9.2.2. Ph−¬ng ph¸p thuû tÜnh Ph−¬ng ph¸p thuû tÜnh dïng ®Ó ®o møc chÊt l−u trong b×nh chøa. Trªn h×nh 9.9 giíi thiÖu mét sè s¬ ®å ®o møc b»ng ph−¬ng ph¸p thuû tÜnh. Trong s¬ ®å h×nh 9.9a, phao (1) næi trªn mÆt chÊt l−u ®−îc nèi víi ®èi träng (5) b»ng d©y mÒm (2) qua c¸c rßng räc (3), (4). Khi møc chÊt l−u thay ®æi, phao (1) n©ng H×nh 9.9 S¬ ®å ®o møc theo ph−¬ng ph¸p thuû tÜnh a) Dïng phao cÇu b) Dïng phao trô c) Dïng c¶m biÕn ¸p suÊt vi sai 1 2 3 4 6 5 1 2 h h p0 1
- 142. lªn hoÆc h¹xuèng lµm quay rßng räc (4), mét c¶m biÕn vÞ trÝ g¾n víi trôc quay cña rßng räc sÏ cho tÝn hiÖu tØ lÖ víi møc chÊt l−u. Trong s¬ ®å h×nh 9.9b, phao h×nh trô (1) nhóng ch×m trong chÊt l−u, phÝa trªn ®−îc treo bëi mét c¶m biÕn ®o lùc (2). Trong qu¸ tr×nh ®o, c¶m biÕn chÞu t¸c ®éng cña mét lùc F tØ lÖ víi chiÒu cao chÊt l−u: gSh P F ρ − = Trong ®ã: P - träng l−îng phao. h - chiÒu cao phÇn ngËp trong chÊt l−u cña phao. S - tiÕt diÖn mÆt c¾t ngang cña phao. ρ - khèi l−îng riªng cña chÊt l−u. g - gia tèc träng tr−êng. Trªn s¬ ®å h×nh 9.9c, sö dông mét c¶m biÕn ¸p suÊt vi sai d¹ng mµng (1) ®Æt s¸t ®¸y b×nh chøa. Mét mÆt cña mµng c¶m biÕn chÞu ¸p suÊt chÊt l−u g©y ra: gh p p 0 ρ + = MÆt kh¸c cña mµng c¶m biÕn chÞu t¸c ®éng cña ¸p suÊt p0 b»ng ¸p suÊt ë ®Ønh b×nh chøa. Chªnh lÖch ¸p suÊt p - p0 sinh ra lùc t¸c dông lªn mµng cña c¶m biÕn lµm nã biÕn d¹ng. BiÕn d¹ng cña mµng tØ lÖ víi chiÒu cao h cña chÊt l−u trong b×nh chøa, ®−îc chuyÓn ®æi thµnh tÝn hiÖu ®iÖn nhê c¸c bé biÕn ®æi ®iÖn thÝch hîp. 9.2.3. Ph−¬ng ph¸p ®iÖn C¸c c¶m biÕn ®o møc b»ng ph−¬ng ph¸p ®iÖn ho¹t ®éng theo nguyªn t¾c chuyÓn ®æi trùc tiÕp biÕn thiªn møc chÊt láng thµnh tÝn hiÖu ®iÖn dùa vµo tÝnh chÊt ®iÖn cña chÊt l−u. C¸c c¶m biÕn th−êng dïng lµ c¶m biÕn dé dÉn vµ c¶m biÕn ®iÖn dung. a) C¶m biÕn ®é dÉn C¸c c¶m biÕn lo¹i nµy dïng ®Ó ®o møc c¸c chÊt l−u cã tÝnh dÉn ®iÖn (®é dÉn ®iÖn ~ 50µScm-1 ). Trªn h×nh 9.10 giíi thiÖu mét sè c¶m biÕn ®é dÉn ®o møc th«ng dông. S¬ ®å c¶m biÕn h×nh 9.10a gåm hai ®iÖn cùc h×nh trô nhóng trong chÊt láng dÉn ®iÖn. Trong chÕ ®é ®o liªn tôc, c¸c ®iÖn cùc ®−îc nèi víi nguån nu«i xoay chiÒu ~ 10V (®Ó tr¸nh hiÖn t−îng ph©n cùc cña c¸c ®iÖn cùc). Dßng ®iÖn ch¹y qua c¸c ®iÖn cùc cã biªn ®é tØ lÖ víi chiÒu dµi cña phÇn ®iÖn cùc nhóng ch×m trong chÊt láng. S¬ ®å c¶m biÕn h×nh 9.10b chØ sö dông mét ®iÖn cùc, ®iÖn cùc thø hai lµ b×nh chøa b»ng kim lo¹i. S¬ ®å c¶m biÕn h×nh 9.10c dïng ®Ó ph¸t hiÖn ng−ìng, gåm hai ®iÖn cùc ng¾n ®Æt theo ph−¬ng ngang, ®iÖn cùc cßn l¹i nèi víi thµnh b×nh kim lo¹i,vÞ trÝ mçi ®iÖn cùc ng¾n øng víi mét møc ng−ìng. Khi møc chÊt láng ®¹t tíi ®iÖn cùc, dßng ®iÖn trong m¹ch thay ®æi m¹nh vÒ biªn ®é. h h hmin a) b) c) H×nh 9.10 C¶m biÕn ®é dÉn a) C¶m biÕn hai ®iÖn cùc b) C¶m biÕn mét ®iÖn cùc c) C¶m biÕn ph¸t hiÖn møc
- 143. b) C¶m biÕntô ®iÖn Khi chÊt láng lµ chÊt c¸ch ®iÖn, cã thÓ t¹o tô ®iÖn b»ng hai ®iÖn cùc h×nh trô nhóng trong chÊt láng hoÆc mét ®iÖn cùc kÕt hîp víi ®iÖn cùc thø hai lµ thµnh b×nh chøa nÕu thµnh b×nh lµm b»ng kim lo¹i. ChÊt ®iÖn m«i gi÷a hai ®iÖn cùc chÝnh lµ chÊt láng ë phÇn ®iÖn cùc bÞ ngËp vµ kh«ng khÝ ë phÇn kh«ng cã chÊt láng. ViÖc ®o møc chÊt l−u ®−îc chuyÓn thµnh ®o ®iÖn dung cña tô ®iÖn, ®iÖn dung nµy thay ®æi theo møc chÊt láng trong b×nh chøa. §iÒu kiÖn ®Ó ¸p dông ph−¬ng ph¸p nµy h»ng sè ®iÖn m«i cña chÊt láng ph¶i lín h¬n ®¸ng kÓ h»ng sè ®iÖn m«i cña kh«ng khÝ (th−êng lµ gÊp ®«i). Trong tr−êng hîp chÊt l−u lµ chÊt dÉn ®iÖn, ®Ó t¹o tô ®iÖn ng−êi ta dïng mét ®iÖn cùc kim lo¹i bªn ngoµi cã phñ c¸ch ®iÖn, líp phñ ®ãng vai trß chÊt ®iÖn m«i cßn chÊt l−u ®ãng vai trß ®iÖn cùc thø hai. 9.2.4. Ph−¬ng ph¸p bøc x¹ C¶m biÕn bøc x¹ cho phÐp ®o møc chÊt l−u mµ kh«ng cÇn tiÕp xóc víi m«i tr−êng ®o, −u ®iÓm nµy rÊt thÝch hîp khi ®o møc ë ®iÒu kiÖn m«i tr−êng ®o cã nhiÖt ®é, ¸p suÊt cao hoÆc m«i tr−êng cã tÝnh ¨n mßn m¹nh. Trong ph−¬ng ph¸p nµy c¶m biÕn gåm mét nguån ph¸t tia (1) vµ bé thu (2) ®Æt ë hai phÝa cña b×nh chøa. Nguån ph¸t th−êng lµ mét nguån bøc x¹ tia γ (nguån 60 Co hoÆc 137 Cs), bé thu lµ mét buång ion ho¸. ë chÕ ®é ph¸t hiÖn møc ng−ìng(h×nh 9.11a), nguån ph¸t vµ bé thu ®Æt ®èi diÖn nhau ë vÞ trÝ ngang møc ng−ìng cÇn ph¸t hiÖn, chïm tia cña nguån ph¸t m¶nh vµ gÇn nh− song song. Tuú thuéc vµo møc chÊt l−u (3) cao h¬n hay thÊp h¬n møc ng−ìng mµ chïm tia ®Õn bé thu sÏ bÞ suy gi¶m hoÆc kh«ng, bé thu sÏ ph¸t ra tÝn hiÖu t−¬ng øng víi c¸c tr¹ng th¸i so víi møc ng−ìng. ë chÕ ®é ®o møc liªn tôc (h×nh 9.11b), nguån ph¸t (1) ph¸t ra chïm tia víi mét gãc më réng quÐt lªn toµn bé chiÒu cao cña møc chÊt l−u cÇn kiÓm travµ bé thu. Khi møc chÊt l−u (3) t¨ng do sù hÊp thô cña chÊt l−u t¨ng, chïm tia ®Õn bé thu (2) sÏ bÞ suy gi¶m, do ®ã tÝn hiÖu ra tõ bé thu gi¶m theo. Møc ®é suy gi¶m cña chïm tia bøc x¹ tØ lÖ víi møc chÊt l−u trong b×nh chøa 1 2 3 a) h 1 2 3 b) H×nh 9.11 C¶m biÕn ®o møc b»ng tia bøc x¹ a) C¶m biÕn ph¸t hiÖn ng−ìng b) C¶m biÕn ®o møc liªn tôc 1) Nguån ph¸t tia bøc x¹ 2) Bé thu 3) ChÊt l−u
- 144. Ch−¬ng X C¶m biÕnth«ng minh 10.1. Kh¸i niÖm vÒ c¶m biÕn th«ng minh Kü thuËt ®o l−êng vµ ®iÒu khiÓn tù ®éng hiÖn ®¹i ngµy nay cã nh÷ng tiÕn bé v−ît bËc nhê viÖc sö dông c¸c vi m¹ch ®iÖn tö: vi xö lý (µP) vµ vi ®iÒu khiÓn (µC). §Ó nhËn ®−îc nh÷ng ®Æc tÝnh míi cho dông cô ®o nh−: tù ®éng chän thang ®o, tù ®éng xö lý th«ng tin ®o, tù ®éng bï sai sè ... ng−êi ta ph¶i sö dông c¸c bé vi xö lý hay vi ®iÒu khiÓn kÕt hîp víi c¸c c¶m biÕn kh¸c nhau ®Ó t¹o ra mét lo¹i c¶m biÕn míi gäi lµ c¶m biÕn th«ng minh (Intelligent Sensor). C¸c c¶m biÕn th«ng minh cã thÓ thùc hiÖn ®−îc c¸c chøc n¨ng míi mµ c¸c c¶m biÕn th«ng th−êng kh«ng thÓ thùc hiÖn ®−îc, ®ã lµ: - Chøc n¨ng thu thËp sè liÖu ®o tõ nhiÒu ®¹i l−îng ®o kh¸c nhau víi c¸c kho¶ng ®o kh¸c nhau. - Chøc n¨ng ch−¬ng tr×nh ho¸ qu¸ tr×nh ®o, tøc lµ ®o theo mét ch−¬ng tr×nh ®Þnh s½n, ch−¬ng tr×nh nµy cã thÓ thay ®æi b»ng thiÕt bÞ lËp tr×nh. - Cã thÓ gia c«ng s¬ bé kÕt qu¶ ®o theo c¸c thuËt to¸n ®· ®Þnh s½n vµ ®−a ra kÕt qu¶ (hiÓn thÞ trªn mµn h×nh m¸y tÝnh hoÆc m¸y in). - Cã thÓ thay ®æi to¹ ®é b»ng c¸ch ®−a thªm vµo c¸c thõa sè nh©n thÝch hîp. - TiÕn hµnh tÝnh to¸n ®−a ra kÕt qu¶ ®o khi thùc hiÖn c¸c phÐp ®o gi¸n tiÕp hay hîp bé hoÆc ®o thèng kª. - HiÖu chØnh sai sè cña phÐp ®o. - Bï c¸c kÕt qu¶ ®o bÞ sai lÖch do ¶nh h−ëng cña sù biÕn ®éng c¸c th«ng sè m«i tr−êng nh−: nhiÖt ®é, ®é Èm ... §iÒu khiÓn c¸c kh©u cña dông cô ®o cho phï hîp víi ®¹i l−îng ®o, vÝ dô tù ®éng chän thang ®o. - M· ho¸ tÝn hiÖu. - GhÐp nèi c¸c thiÕt bÞ ngo¹i vi nh− mµn h×nh, m¸y in, bµn phÝm hoÆc víi c¸c kªnh liªn l¹c ®Ó truyÒn ®i xa theo chu kú hay ®Þa chØ. - Cã kh¶ n¨ng tù ®éng kh¾c ®é. - Sö dông µP cã thÓ thùc hiÖn c¸c phÐp tÝnh nh−: céng, trõ, nh©n chia, tÝch ph©n, vi ph©n, phÐp tuyÕn tÝnh ho¸ ®Æc tÝnh phi tuyÕn cña c¶m biÕn, ®iÒu khiÓn qu¸ tr×nh ®o, ®iÒu khiÓn sù lµm viÖc cña c¸c kh©u kh¸c nh−: chuyÓn ®æi t−¬ng tù - sè (A/D) hay c¸c bé dån kªnh (MUX)...
- 145. - Sö dôngµP cã kh¶ n¨ng ph¸t hiÖn nh÷ng vÞ trÝ háng hãc trong thiÕt bÞ ®o vµ ®−a ra th«ng tin vÒ chóng nhê cµi ®Æt ch−¬ng tr×nh kiÓm tra vµ chÈn ®o¸n kü thuËt vÒ sù lµm viÖc cña c¸c thiÕt bÞ ®o. C¸c c¶m biÕn th«ng minh, víi sù kÕt hîp gi÷a µP vµ c¸c bé c¶m biÕn th«ng th−êng, thùc sù ®· t¹o ra mét tiÕn bé v−ît bËc trong kü thuËt ®o. 10.2. CÊu tróc cña mét c¶m biÕn th«ng minh CÊu tróc cña mét c¶m biÕn th«ng minh cã thÓ biÓu diÔn b»ng s¬ ®å khèi nh− h×nh sau (h×nh 10.1): Tõ ®èi t−îng ®o, qua c¸c c¶m biÕn s¬ cÊp S, c¸c ®¹i l−îng ®o vµ c¸c ®¹i l−îng cña yÕu tè ¶nh h−ëng chuyÓn thµnh tÝn hiÖu ®iÖn vµ ®−îc ®−a vµo c¸c bé chuyÓn ®æi chuÈn ho¸ C§CH. C¸c bé chuyÓn ®æi chuÈn ho¸ lµm nhiÖm vô t¹o ra tÝn hiÖu chuÈn, th−êng lµ ®iÖn ¸p tõ 0 - 5V hoÆc 0 - 10V ®Ó ®−a vµo bé dån kªnh MUX. Bé dån kªnh MUX lµm nhiÖm vô ®−a c¸c tÝn hiÖu vµo bé chuyÓn ®æi t−¬ng tù - sè A/D tr−íc khi vµo bé vi xö lý µP. ViÖc thùc hiÖn mét bé c¶m biÕn th«ng minh cã thÓ tiÕn hµnh theo hai c¸ch: - C¸ch 1: nÕu bé c¶m biÕn ë ®Çu vµo lµ lo¹i c¶m biÕn th«ng th−êng th× ®Çu ra cña chóng ®−îc ®−a vµo mét vi m¹ch c«ng nghÖ lai, bao gåm c¸c C§CH, MUX, A/D vµ µP trong mét khèi cã ®Çu ra qua bé ghÐp nèi ®Ó truyÒn th«ng tin ®i xa hay vµo m¸y tÝnh cÊp trªn hay bé ghi ch−¬ng tr×nh cho EPROM. - C¸ch 2: nÕu b¶n th©n c¶m biÕn lµ vi m¹ch th× c¶ c¶m biÕn lÉn nh÷ng thiÕt bÞ sau ®Òu ®−îc ®Ó trong mét khèi c«ng nghÖ lai. CÊu tróc trªn lµ cÊu tróc phæ biÕn cña mét c¶m biÕn th«ng minh. Sù ho¹t ®éng cña c¶m biÕn lµ do µP ®¶m nhËn, nã tæ chøc sù t¸c ®éng lÉn nhau gi÷a c¸c kh©u theo mét thuËt to¸n chän tÇn suÊt xuÊt hiÖn cña tÝn hiÖu, x¸c ®Þnh giíi h¹n ®o cña tõng kªnh, tÝnh to¸n sai sè cña phÐp ®o ... Trong qu¸ tr×nh ho¹t ®éng xÈy ra sù trao ®æi lÖnh gi÷a c¸c kh©u th«ng qua mét ng«n ng÷ chung (th−êng lµ hîp ng÷ ASSEMBLY). C¸c ch−¬ng tr×nh phÇn mÒm b¶o ®¶m mäi ho¹t ®éng cña c¶m biÕn bao gåm: - Ch−¬ng tr×nh thu thËp d÷ liÖu: khëi ®éng c¸c thiÕt bÞ nh− ng¨n xÕp, cæng th«ng tin nèi tiÕp, ®äc sè liÖu tõ cæng vµo ADC, ®iÒu khiÓn ho¹t ®éng cña MUX. - Ch−¬ng tr×nh biÕn ®æi vµ xö lý th«ng tin ®o: biÕn ®æi c¸c gi¸ trÞ ®o ®−îc thµnh m· BCD, m· 7 thanh, m· ASCII, c¸c ch−¬ng tr×nh xö lý sè liÖu ®o. S1 S1 Sn C§CH1 C§CH2 C§CHn MUX D A µP S2 §èi t−îng ®o C¶m biÕn th«ng minh H×nh 10.1. S¬ ®å cÊu tróc mét c¶m biÕn th«ng minh . . .
- 146. - Ch−¬ng tr×nhgiao diÖn: ®−a hiÓn thÞ ra LED hay mµn h×nh, m¸y in, ®äc bµn phÝm vµ xö lý ch−¬ng tr×nh bµn phÝm, ®−a kÕt qu¶ ra cæng th«ng tin hay truyÒn vµo m¹ng, hay göi cho m¸y tÝnh cÊp trªn. 10.3. C¸c kh©u chøc n¨ng cña c¶m biÕn th«ng minh Ngoµi c¸c c¶m biÕn th«ng th−êng ®· ®Ò cËp, c¶m biÕn th«ng minh cßn bao gåm c¸c kh©u c¬ b¶n sau: c¸c chuyÓn ®æi chuÈn ho¸ (C§CH), bé dån kªnh (MUX), chuyÓn ®æi t−¬ng tù sè (A/D) vµ bé vi xö lý (µP). 10.3.1. ChuyÓn ®æi chuÈn ho¸ ChuyÓn ®æi chuÈn ho¸ lµm nhiÖm vô biÕn ®æi tÝn hiÖu ®iÖn sau c¶m biÕn thµnh tÝn hiÖu chuÈn th−êng lµ ¸p tõ 0 - 5V hay 0 - 10V hoÆc dßng 0 - 20 mA hay 4 - 20 mA. Gi÷a c¸c c¶m biÕn vµ chuyÓn ®æi A/D råi vµo µP tÝn hiÖu nhÊt thiÕt ph¶i qua c¸c C§CH sao cho bÊt kÓ kho¶ng ®o nµo cña c¸c ®¹i l−îng ®o th× còng t−¬ng øng víi mét giíi h¹n ®o cña C§CH. C¸c chuyÓn ®æi chuÈn ho¸ cã thÓ phôc vô riªng cho tõng c¶m biÕn vµ ®Æt tr−íc MUX hay cho mét nhãm c¶m biÕn gièng nhau vÒ lo¹i vµ kho¶ng ®o ®Æt sau MUX. §Æc tÝnh ra cña chuyÓn ®æi chuÈn ho¸ th−êng lµ tuyÕn tÝnh, tøc lµ cã d¹ng: kx y y 0 + = (10.1) Thay c¸c gi¸ trÞ ®Çu vµo vµ ®Çu ra cña C§CH ta cã: ⎩ ⎨ ⎧ + = + = 2 0 1 0 kX y Y kX y 0 Gi¶i ra ta ®−îc: ⎪ ⎪ ⎩ ⎪ ⎪ ⎨ ⎧ − = − = 1 2 1 2 1 0 X X Y k X X X Y y Thay vµo (10.1) ta cã ®Æc tÝnh cña C§CH: Khi qua C§CH tÝn hiÖu ®−îc biÕn ®æi tû lÖ, nÕu tÝn hiÖu vµo x n»m trong kho¶ng tõ X1 ÷ X2 th× tÝn hiÖu ra y ph¶i lµ 0 ÷ Y (h×nh 10.2) C§CH x y H×nh 10.2 S¬ ®å nguyªn lý chuyÓn ®æi chuÈn ho¸
- 147. x X X Y X X X Y y 1 2 1 2 1 − + − − = (10.2) ChuyÓn ®æichuÈn ho¸ cã ®Çu ra lµ tÝn hiÖu mét chiÒu (lµ dßng hay ¸p) ®−îc thùc hiÖn qua hai b−íc: - B−íc 1: Trõ ®i gi¸ trÞ ban ®Çu x = X1, ®Ó t¹o ra ë ®Çu ra cña C§CH gi¸ trÞ y = 0. - B−íc 2: thùc hiÖn khuÕch ®¹i (K > 1) hay suy gi¶m (K < 1). §Ó thùc hiÖn viÖc trõ ®i gi¸ trÞ ban ®Çu ng−êi ta th−êng sö dông kh©u tù ®éng bï tÝn hiÖu ë ®Çu vµo hoÆc thay ®æi hÖ sè ph¶n håi cña bé khuÕch ®¹i. Ta xÐt vÝ dô sau ®©y s¬ ®å C§CH sö dông cÆp nhiÖt, cã ®Çu ra lµ ¸p mét chiÒu (h×nh 10.3). §Ó ®o nhiÖt ®é ta sö dông cÆp nhiÖt ngÉu. ë nhiÖt ®é t0 cña m«i tr−êng ta lu«n cã ë ®Çu ra cña cÆp nhiÖt mét ®iÖn ¸p V0 (t−¬ng ®−¬ng gi¸ trÞ X1 ®Çu vµo C§CH) nh−ng yªu cÇu ë ®Çu ra cña C§CH ph¶i lµ y = 0, ta ph¶i t¹o ®−îc mét ®iÖn ¸p - V0 ®Ó bï. MÆt kh¸c khi t0 thay ®æi th× V0 còng thay ®æi theo, do vËy ta ph¶i sö dông mét cÇu ®iÖn trë cã mét nh¸nh bï lµ nhiÖt ®iÖn trë Rt ®Ó khi nhiÖt ®é ®Çu tù do t0 thay ®æi th× nhiÖt ®iÖn trë Rt còng thay ®æi theo sao cho ®iÖn ¸p xuÊt hiÖn ë ®Çu ra cña cÇu ®óng b»ng -V0. KÕt qu¶ lµ ®iÖn ¸p ë ®Çu vµo khuÕch ®¹i b»ng 0 khi ë nhiÖt ®é b×nh th−êng. §iÖn ¸p ë ®Çu ra cña cÇu ®−îc tÝnh to¸n t−¬ng øng víi c¸c lo¹i cÆp nhiÖt kh¸c nhau (§-P, C-A, C- K). Trong thùc tÕ, ®Ó truyÒn ®i xa ng−êi ta dïng nguån dßng nªn khi truyÒn tÝn hiÖu trªn ®−êng d©y, ®iÖn trë cña d©y cã thay ®æi còng kh«ng g©y ¶nh h−ëng ®¸ng kÓ ®Õn kÕt qu¶ phÐp ®o. TÝn hiÖu ®Çu ra cña C§CH lµ dßng tõ 0 - 20mA hay 4 - 20mA. Víi dßng Vra=0÷Vx H×nh 10.3 Bé chuyÓn ®æi chuÈn ho¸ ®Çu ra lµ ¸p mét chiÒu -V0 V0 tx C-K C-A §-P Rt R1 R2 R3
- 148. 4 -20mA th×4mA dïng ®Ó cung cÊp cho m¹ch ®iÖn tö cßn tõ 0 - 16mA lµ tÝn hiÖu ®o. Nguån dßng ®−îc t¹o bëi bé biÕn dßng (vÝ dô dïng tranzito ch¼ng h¹n). S¬ ®å mét bé chuyÓn ®æi chuÈn ho¸ ®Çu ra lµ dßng mét chiÒu ®−îc tr×nh bµy trªn h×nh 10.4. Tõ c¶m biÕn qua bé C§CH tÝn hiÖu ®Çu ra sÏ thay ®æi theo ®é lín cña tÝn hiÖu sau c¶m biÕn (0 - 16mA). M¹ch ®iÖn tö ®−îc cÊp dßng 4 mA qua bé æn ¸p. Dßng thay ®æi tõ 4 - 20 mA ®−îc ®o b»ng c¸ch biÕn ®æi dßng thµnh ¸p b»ng c¸ch cho dßng r¬i trªn mét ®iÖn trë mÉu vµ ®o ®iÖn ¸p ®ã suy ra ®¹i l−îng ®o. 10.3.2. Bé dån kªnh MUX (multiplexer) NhiÖm vô cña MUX lµ dån kªnh, biÕn tÝn hiÖu song song tõ c¸c c¶m biÕn thµnh nèi tiÕp ®Ó d−a vµo A/D vµ µP. §Ó d¶m b¶o ®é t¸c ®éng nhanh, ng−êi ta ph¶i sö dông c¸c kho¸ ®iÖn tö, tøc lµ thùc hiÖn viÖc ®æi nèi kh«ng tiÕp xóc. §æi nèi nµy cã −u ®iÓm lµ ®é t¸c ®éng nhanh cao (tÇn sè ®æi nèi cã thÓ ®¹t hµng chôc MHz). Tuy nhiªn chóng cã nh−îc ®iÓm lµ khi ®ãng m¹ch ®iÖn trë thuËn kh¸c 0 (cã thÓ ®Õn hµng tr¨m Ω) cßn khi hë m¹ch ®iÖn trë ng−îc kh¸c ∞ (cì vµi tr¨m kΩ). V× vËy c¸c bé dån kªnh th−êng ®−îc bè trÝ sau C§CH, ë ®ã tÝn hiÖu ®· ®−îc chuÈn ho¸. Bé ®æi næi cã hai chÕ ®é lµm viÖc: - ChÕ ®é chu tr×nh: tÝn hiÖu c¸c c¶m biÕn sÏ lÇn l−ît ®−a vµo A/D theo mét chu tr×nh. TÇn sè lÆp l¹i cña tÝn hiÖu sÏ ®−îc lùa chän tuú thuéc sai sè cña phÐp ®o cho tr−íc. - ChÕ ®é ®Þa chØ: bé ®æi næi lµm viÖc theo mét ch−¬ng tr×nh ®· ®Þnh s½n. Do sai sè cña bé dån kªnh t¨ng khi sè l−îng kªnh t¨ng nªn ®èi víi c¸c c¶m biÕn th«ng minh ng−êi ta th−êng h¹n chÕ sè kªnh sö dông. Trªn h×nh 10.5 lµ s¬ ®å nguyªn lý cña mét bé ®æi nèi ®iÖn tö MUX 8 bit lo¹i CD 4051. C§CH S æn ¸p 4 mA 4 - 20 mA H×nh 10.4 ChuyÓn ®æi chuÈn ho¸ ®Çu ra lµ dßng mét chiÒu Bé biÕn ®æi 23 22 §Çu ra ®Õn A/D K7
- 149. C¸c bit ®iÒukhiÓn tõ µP ®−îc ®−a ®Õn bé biÕn ®æi møc logic ®Ó ®iÒu khiÓn register cho ra xung ®ãng më t¸m kho¸ K0, K1, ..., K7 ®−a tÝn hiÖu tõ t¸m kªnh ®Çu vµo dån ®Õn mét ®Çu ra ®Ó ®−a ®Õn bé chuyÓn ®æi A/D. Ngµy nay c¸c lo¹i MUX ®−îc s¶n xuÊt d−íi d¹ng m¹ch IC rÊt tiÖn cho viÖc sö dông vµo thiÕt bÞ ®o. Tuy nhiªn nh− thÕ th−êng sè l−îng kªnh vµo lµ cè ®Þnh, kh«ng thay ®æi ®−îc theo yªu cÇu thùc tÕ. 10.3.3. Bé chuyÓn ®æi t−¬ng tù sè A/D Bé chuyÓn ®æi A/D lµm nhiÖm vô biÕn ®æi tÝn hiÖu t−¬ng tù thµnh sè tr−íc khi ®−a th«ng tin vµo µP. Cã ba ph−¬ng ph¸p kh¸c nhau ®Ó t¹o mét bé chuyÓn ®æi A/D: - Ph−¬ng ph¸p song song: §iÖn ¸p vµo ®ång thêi so s¸nh víi n ®iÖn ¸p chuÈn vµ x¸c ®Þnh chÝnh x¸c xem nã ®ang n»m ë gi÷a møc nµo. KÕt qu¶ ta cã mét bËc cña tÝn hiÖu xÊp xØ. Ph−¬ng ph¸p nµy cã gi¸ thµnh cao v× mçi mét sè ta ph¶i cÇn mét bé so s¸nh. VÝ dô trong ph¹m vi biÕn ®æi tõng nÊc tõ 0 - 100 cÇn ®Õn 100 bé so s¸nh. −u ®iÓm cña ph−¬ng ph¸p nµy lµ ®é t¸c ®éng nhanh cao. - Ph−¬ng ph¸p träng sè: viÖc so s¸nh diÔn ra cho tõng bit cña sè nhÞ ph©n. C¸ch so s¸nh nh− sau: tho¹t tiªn ta x¸c ®Þnh xem ®iÖn ¸p vµo cã v−ît ®iÖn ¸p chuÈn cña bit giµ hay kh«ng. NÕu v−ît th× kÕt qu¶ cã gi¸ trÞ “1” vµ lÊy ®iÖn ¸p vµo trõ ®i ®iÖn ¸p chuÈn. PhÇn d− ®em so s¸nh víi c¸c bit trÎ l©n cËn. Râ rµng lµ cã bao nhiªu bit trong mét sè nhÞ ph©n th× cÇn bÊy nhiªu b−íc so s¸nh vµ bÊy nhiªu ®iÖn ¸p chuÈn. - Ph−¬ng ph¸p sè: ®©y lµ ph−¬ng ph¸p ®¬n gi¶n nhÊt. ë tr−êng hîp nµy ta tÝnh ®Õn sè l−îng c¸c tæng sè ®iÖn ¸p chuÈn cña c¸c bit trÎ dïng ®Ó biÓu diÔn ®iÖn ¸p vµo.
- 150. NÕu sè l−îngcùc ®¹i dïng ®Ó m« t¶ b»ng n th× do ®ã còng cÇn tèi ®a n b−íc ®Ó nhËn ®−îc kÕt qu¶. Ph−¬ng ph¸p nµy ®¬n gi¶n, rÏ tiÒn nh−ng chËm. C¸c chuyÓn ®æi sè trong c«ng nghiÖp rÊt ®a d¹ng, d−íi ®©y giíi thiÖu mét sè bé ®iÓn h×nh. Trªn h×nh 10.6 lµ s¬ ®å mét bé chuyÓn ®æi sè MC 14433 s¶n xuÊt theo c«ng nghÖ CMOS cña h·ng MOTOROLA cã ®Çu vµo lµ ®iÖn ¸p mét chiÒu DC INPUT. Lo¹i A/D nµy cã mét ®Çu vµo vµ ®Çu ra lµ sè 4 bit. Trong thùc tÕ ng−êi ta th−êng chÕ t¹o kÕt hîp gi÷a hai bé MUX vµ chuyÓn ®æi A/D vµ cho vµo cïng mét vá. §¹i diÖn cho linh kiÖn lo¹i nµy lµ ADC 0809 (h×nh 10.7). Lo¹i A/D nµy cã ®Çu vµo lµ t¸m kªnh mét chiÒu (0 - 5V) vµ ®Çu ra t¸m bit, sè liÖu cã thÓ ®−a lªn BUS d÷ liÖu cña µP. S¬ ®å khèi cña ADC 0809 tr×nh bµy trªn h×nh 10.8. §Ó ®iÒu khiÓn ho¹t ®éng cña A/D 0809, ba bit ®Þa chØ A, B, C ®−îc chèt vµ gi¶i m· ®Ó chän mét trong t¸m kªnh ®−êng truyÒn tÝn hiÖu t−¬ng tù vµ bé so s¸nh. Khi cã xung START vµ CLOCK th× qu¸ tr×nh so s¸nh b¾t ®Çu xÈy ra. §iÖn ¸p vµo ®−îc so s¸nh víi ®iÖn ¸p do bé kho¸ h×nh c©y vµ bé 256 R t¹o ra. Khi qu¸ tr×nh biÕn ®æi kÕt thóc, bé ®iÒu khiÓn ph¸t ra tÝn hiÖu EOC (End of Converter). Sè liÖu ®−îc ®−a ra thanh ghi ®Öm vµ chèt l¹i. µP muèn ®äc sè liÖu tõ A/D th× ph¶i ph¸t ra mét tÝn hiÖu vµo ch©n OE (output - enable) qu¸ tr×nh ®äc ®−îc tiÕn hµnh. DC INPUT 3 9 14 2 17 24 7 8 20 10 11 330K 15 21 22 23 6 5 4 13 1 VI DU EOC VRREP CIK1 CIK2 OR Q0 Q1 Q2 Q3 0,1µC + 2V + 5V - 5V MC1443 H×nh 10.6 ChuyÓn ®æi A/D MC 14433 §Çu vµo 8 kªnh 26 27 28 1 4 3 5 VCC 10 15 ALE 25 EOC 7 22 IN0 IN1 REF + Clock ADD -C D0 G 2 + 5V ADC 0809 9 6 23 24 17 14 18 8 19 20 21 §Çu ra 8 bit IN2 IN5 IN3 IN4 IN6 IN7 REF - START ENABLE ADD -B ADD -A D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7
- 151. Bé chuyÓn ®æiA/D 0809 lµ mét chip gãi theo tiªu chuÈn 28 ch©n chÕ t¹o theo c«ng nghÖ CMOS. ADC 0809 kh«ng cã m¹ch bï zªr« phô vµ m¹ch chØnh full-scale. ADC 0809 cã −u ®iÓm lµ dÔ dµng kÕt nèi víi µP hay µC v× ®−îc cung cÊp chèt ®Þa chØ kªnh vµ chèt TTL - TRISTATE ë ®Çu ra, cã tèc ®é cao, ®é chÝnh x¸c cao vµ Ýt phô thuéc vµo nhiÖt ®é, tiªu thô c«ng suÊt nhá. 10.4. C¸c thuËt to¸n xö lý trong c¶m biÕn th«ng minh Nh− ®· ®Ò cËp ë trªn, ph−¬ng tr×nh c¬ b¶n cña c¶m biÕn bï y = f(x). Tuy nhiªn ngoµi ®èi sè x lµ ®¹i l−îng ®o cßn cã mét sè yÕu tè kh¸c ¶nh h−ëng ®Õn kÕt qu¶ ®o, ®ã lµ c¸c yÕu tè m«i tr−êng nh− nhiÖt ®é, ®é Èm, ®iÖn tõ tr−êng, ®é rung ... nghÜa lµ y = f(x, a, b, c, ... ), trong ®ã a, b, c ...lµ c¸c yÕu tè ¶nh h−ëng cÇn lo¹i trõ. Trong c¸c c¶m biÕn th«ng minh, ng−êi ta sö dông kh¶ n¨ng tÝnh to¸n cña c¸c bé vi xö lý ®Ó n©ng cao c¸c ®Æc tÝnh kü thuËt cña bé c¶m biÕn nh− n©ng cao ®é chÝnh x¸c, lo¹i trõ sai sè phi tuyÕn, bï c¸c ¶nh h−ëng cña c¸c yÕu tè m«i tr−êng... D−íi ®©y tr×nh bµy mét sè phÐp xö lý ®−îc thùc hiÖn trong c¶m biÕn th«ng minh. 10.4.1. Tù ®éng kh¾c ®é MUX §Þa chØ §K thêi gian SAR Bé kho¸ c©y 256 RESTOR Chèt ®Þa chØ kªnh 8 bit ®Çu ra 8 kªnh vµo So s¸nh START Clock H×nh 10.8 S¬ ®å khèi A/D 0809 ALE A B C OE
- 152. Qu¸ tr×nh tù®éng kh¾c ®é ®−îc tiÕn hµnh nh− sau: §Çu tiªn ng−êi ta ®o c¸c gi¸ trÞ cña tÝn hiÖu chuÈn vµ ghi vµo bé nhí, sau ®ã ®o c¸c gi¸ trÞ cña ®¹i l−îng cÇn ®o vµ b»ng c¸c c«ng cô to¸n häc (d−íi d¹ng thuËt to¸n) cã thÓ so s¸nh, gia c«ng kÕt qu¶ ®o vµ lo¹i trõ sai sè. C«ng viÖc nµy cã thÓ thùc hiÖn cho tõng c¶m biÕn. Khi m¾c c¸c c¶m biÕn vµo hÖ thèng, µP lµm nhiÖm vô ®iÒu khiÓn tÝn hiÖu chuÈn thay ®æi, bé nhí sÏ ghi l¹i c¸c gi¸ trÞ y ë ®Çu ra cña c¶m biÕn t−¬ng øng. Khi ®o, ®¹i l−îng ®o x t¸c ®éng vµo c¶m biÕn, t−¬ng øng víi gi¸ trÞ nµo cña x bé nhí sÏ ®−a ra gi¸ trÞ t−¬ng øng cña tÝn hiÖu chuÈn ®· ®−îc ghi tõ tr−íc. Víi c¸ch ®ã chóng ta cã thÓ lo¹i trõ ®−îc sai sè phi tuyÕn cña ®Æc tÝnh c¶m biÕn mµ dông cô sè th«ng th−êng kh«ng thùc hiÖn ®−îc. Ph−¬ng ph¸p nµy ®ßi hái c¸c c¶m biÕn ph¶i hoµn toµn gièng nhau ®Ó trong tr−êng hîp háng hãc cÇn ph¶i thay thÕ sÏ kh«ng g©y ra sai sè ®¸ng kÓ. Ng−îc l¹i nÕu c¶m biÕn thay thÕ kh«ng gièng c¶m biÕn ®· kh¾c ®é th× ph¶i kh¾c ®é l¹i víi c¶m biÕn míi. 10.4.2. Xö lý tuyÕn tÝnh ho¸ tõng ®o¹n Tr−êng hîp ®Æc tÝnh cña tÝn hiÖu x sau c¶m biÕn lµ mét hµm phi tuyÕn cña ®¹i l−îng ®o ξ, tøc lµ x(ξ) lµ mét hµm phi tuyÕn. Thay v× kh¾c ®é ®Æc tÝnh ®o vµo bé nhí nh− ®· ®Ò cËp ë trªn, ta cã thÓ thay x(ξ) b»ng mét ®−êng gÊp khóc tuyÕn tÝnh ho¸ tõng ®o¹n víi sai sè ε0 (h×nh 10.9). Ph−¬ng ph¸p nµy gäi lµ ph−¬ng ph¸p néi suy tuyÕn tÝnh. ThuËt to¸n ®Ó lùa chän ®o¹n tuyÕn tÝnh ho¸ ®−îc thùc hiÖn nh− sau: - ë gi¸ trÞ ξ0 cña ®¹i l−îng ®o, ®−êng cong x(ξ) cho ta gi¸ trÞ x0. - x0 ®−îc nhí vµo RAM cña µP. x(ξ) ξ x*(ξ) x(ξ) ε0 ε0 ξ0 H×nh 10.9 Ph−¬ng ph¸p néi suy tuyÕn tÝnh ξk
- 153. - ë gi¸trÞ ξ1 ta cã x1. - x1 ®−îc nhí vµo RAM cña µP. - ë gi¸ trÞ ξ2 ta cã x2. - x2 ®−îc nhí vµo RAM cña µP. - TÝnh tØ sè c¸c gia sè bËc mét cña ®a thøc néi suy Lagrange ( ) ξ * 1 x ®i qua hai ®iÓm x0 vµ x1: ( ) 0 2 0 2 0 2 x x , ξ − ξ − = ξ ξ ∇ - TÝnh gi¸ trÞ cña ®a thøc néi suy ë ®iÓm ξ1: ( ) ( )( ) 0 1 0 2 0 1 * 1 , x x ξ − ξ ξ ξ ∇ + = ξ - TÝnh ®é sai lÖch ë ®iÓm ξ1: ( ) ( ) 1 * 1 1 1 1 x x ξ − = ξ ε - So s¸nh ε1(ξ1) víi sai sè ®· cho ε0: nÕu ε1(ξ1) < ε0 th× gi¸ trÞ tÝn hiÖu kh«ng ®−îc chÊp nhËn. - ë gi¸ trÞ ξ3 ta cã x3. - Nhí x3 vµo RAM cña µP. - TÝnh tØ sè c¸c gia sè bËc mét cña ®a thøc néi suy Lagrange ( ) ξ * 2 x : ( ) 0 3 0 3 0 3 x x , ξ − ξ − = ξ ξ ∇ - TÝnh gi¸ trÞ cña ®a thøc néi suy ë ®iÓm ξ1, ξ2: ( ) ( )( ) 0 1 0 3 0 1 * 2 , x x ξ − ξ ξ ξ ∇ + = ξ ( ) ( )( ) 0 2 0 3 0 2 * 2 , x x ξ − ξ ξ ξ ∇ + = ξ - TÝnh ®é sai lÖch cña phÐp néi suy ë ®iÓm ξ1, ξ2: ( ) ( ) 1 * 2 1 1 2 x x ξ − = ξ ε ( ) ( ) 2 * 2 2 2 2 x x ξ − = ξ ε - So s¸nh ε2(ξ1) vµε2(ξ2) víi ε0: nÕu ε2(ξ1) < ε0 vµ ε2(ξ2) < ε0 th× gi¸ trÞ tÝn hiÖu kh«ng ®−îc chÊp nhËn. - ë ®iÓm ξk ta cã xk mµ ®a thøc néi suy sÏ lµ: ( ) ( )( ) 0 0 k 0 * 1 k , x x ξ − ξ ξ ξ ∇ + = ξ −
- 154. Víi ( ) 0 k 0 k 0 k x x , ξ − ξ − = ξ ξ ∇ Mµ tacã: ( ) ( ) 0 j * k j j 1 k x x ε ≥ ξ − = ξ ε − Víi j lµ mét ®iÓm nµo ®ã n»m trong kho¶ng 0 ®Õn k. - Kho¶ng néi suy khi ®ã sÏ b»ng: 0 k k ξ − ξ = ξ ∇ ∆ Vµ gi¸ trÞ xk sÏ ®−îc chÊp nhËn nh− lµ ®iÓm cuèi cña ®o¹n th¼ng cña ®−êng xÊp xØ ho¸ tõng ®o¹n. - Víi phÐp néi suy tuyÕn tÝnh qu¸ tr×nh håi phôc sÏ ®−îc tiÕn hµnh theo c¸ch nèi liÒn c¸c ®iÓm b»ng ®o¹n th¼ng: ( ) ( ) 0 0 k 0 k 0 * x x x x ξ − ξ ξ − ξ − + = ξ §o¹n th¼ng tiÕp theo sÏ ®i qua ®iÓm xk. Tæng qu¸t ta cã ®o¹n th¼ng thø i cña ®−êng gÊp khóc cã d¹ng: ( ) ( ) i i 1 i i 1 i i * i x x x x ξ − ξ ξ − ξ − + = ξ + + (10.3) ®Ó håi phôc gi¸ trÞ ®o ta chØ viÖc tÝnh ( ) ξ * i x theo ®èi sè ξ lµ c¸c ®¹i l−îng ®o ®−îc tõ c¶m biÕn. C¸c gi¸ trÞ tÝnh ®−îc theo ®−êng néi suy tuyÕn tÝnh lu«n ®¶m b¶o sai sè cho phÐp lµ ε0. 10.4.3. Gia c«ng kÕt qu¶ ®o Khi tÝnh to¸n sai sè ngÉu nhiªn, ng−êi ta th−êng sö dông c¸c ®Æc tÝnh cña chóng, ®ã lµ kú väng to¸n häc vµ ®é lÖch b×nh qu©n ph−¬ng. C¸c ®Æc tr−ng thèng kª nµy ®ñ ®Ó ®¸nh gi¸ sai sè cña kÕt qu¶ ®o. ViÖc tÝnh c¸c ®Æc tÝnh sè nµy lµ néi dung c¬ b¶n trong qu¸ tr×nh gia c«ng kÕt qu¶ ®o. §Ó tÝnh kú väng to¸n häc vµ ®é lÖch b×nh qu©n ph−¬ng ta ph¶i cã sè l−îng phÐp ®o rÊt lín. Tuy nhiªn trong thùc tÕ sè l−îng c¸c phÐp ®o n lµ cã h¹n, v× thÕ ta chØ t×m ®−îc −íc l−îng cña kú väng to¸n häc vµ ®é lÖch b×nh qu©n ph−¬ng mµ th«i. Th−êng c¸c −íc l−îng nµy ®èi víi c¸c ®¹i l−îng ®o vËt lý cã c¸c tÝnh chÊt c¬ b¶n lµ c¸c −íc l−îng cã c¨n cø, kh«ng chÖch vµ cã hiÖu qu¶. NÕu gäi ξ* lµ −íc l−îng cña ®Æc tÝnh thèng kª ξ th×:
- 155. - NÕu tat¨ng sè l−îng N c¸c gi¸ trÞ ®o vµ nÕu víi ε > 0 mµ ta cã: [ ] 0 P lim * N = ε ≥ ξ − ξ ∞ → (10.4) th× −íc l−îng ξ* ®−îc gäi lµ −íc l−îng cã c¨n cø. - NÕu lÊy trung b×nh −íc l−îng mµ ta cã: [ ] ξ = ξ* M (10.5) th× −íc l−îng ξ* ®−îc gäi lµ −íc l−îng kh«ng chÖch. - NÕy trung b×nh b×nh ph−¬ng ®é sai lÖch (ph−¬ng sai) cña mét −íc l−îng ®· cho * 1 ξ nµo ®ã kh«ng lín h¬n trung b×nh b×nh ph−¬ng ®é sai lÖch * i ξ cña bÊt kú −íc l−îng thø i nµo: ( ) ( ) ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ ξ − ξ > ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ ξ − ξ 2 * 1 2 * i M M (10.6) th× −íc l−îng ®ã ®−îc gäi lµ −íc l−îng cã hiÖu qu¶. VÝ dô: Kú väng to¸n häc cña c¸c gi¸ trÞ mét ®iÓm ®o X cã −íc l−îng lµ * x m , ta cã: [ ] ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ = ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ = ∑ ∑ = = N 1 i i N 1 i i * x X M N 1 X N 1 M m M (10.7) [ ] x x N 1 i i m m . N . N 1 X M N 1 = = = ∑ = Nh− vËy −íc l−îng kú väng to¸n häc * x m lµ −íc l−îng kh«ng chÖch. T−¬ng tù ta cã thÓ chøng minh ®−îc r»ng: [ ] 2 x x * x D D M σ = = (10.8) tøc lµ −íc l−îng cña ph−¬ng sai * x D cña c¸c gi¸ trÞ ®iÓm ®o X lµ mét −íc l−îng kh«ng chÖch. Gi¶ sö ta tiÕn hµnh n phÐp ®o cïng mét gi¸ trÞ X. Gi¸ trÞ ®¸ng tin nhÊt ®¹i ®iÖn cho ®¹i l−îng ®o X lµ gi¸ trÞ trung b×nh ®¹i sè cña d·y c¸c phÐp ®o nh− nhau X: ( ) ∑ = = + + + + + + = n 1 i i n i 3 2 1 x n 1 n x ... x ... x x x X (10.9) Trong ®ã: x1, x2, . . . , xn - kÕt qu¶ cña c¸c phÐp ®o riªng biÖt. n - sè c¸c phÐp ®o. −íc l−îng kú väng to¸n häc cña * x m cña ®¹i l−îng ®o sÏ b»ng X .
- 156. NÕu kh«ng cãsai sè hÖ thèng th× X sÏ lµ gÝa trÞ thùc cña ®¹i l−îng ®o. TÊt c¶ c¸c gi¸ trÞ ®o sÏ ph©n t¸n xung quanh gi¸ trÞ X nµy. §é lÖch kÕt qu¶ mçi lÇn ®o so víi gi¸ trÞ trung b×nh (theo gi¸ trÞ sè vµ dÊu) ®−îc x¸c ®Þnh tõ biÓu thøc: i i v X x = − (10.10) Víi vi lµ sai sè d−. Sai sè d− cã c¸c tÝnh chÊt sau ®©y: - Tæng c¸c sai sè d− b»ng 0. 0 v n 1 i i = ∑ = - Tæng cña b×nh ph−¬ng cña chóng cã gi¸ trÞ nhá nhÊt: Min v n 1 i 2 i = ∑ = (10.11) Nh÷ng tÝnh chÊt nµy ®−îc sö dông khi gia c«ng kÕt qu¶ ®o ®Ó kiÓm tra ®é chÝnh x¸c cña viÖc tÝnh X . Theo tæng b×nh ph−¬ng cña tÊt c¶ c¸c sai sè d− ng−êi ta x¸c ®Þnh −íc l−îng ®é lÖch b×nh qu©n ph−¬ng σ*, tiªu biÓu cho møc ®é ¶nh h−ëng cña sai sè ngÉu nhiªn ®Õn kÕt qu¶ ®o. Theo lý thuyÕt x¸c suÊt viÖc tÝnh σ* ®−îc thùc hiÖn theo c«ng thøc Besel: ∑ = − = σ n 1 i 2 i * ) 1 n /( v (10.12) −íc l−îc nµy lµ kh«ng chÖch, cã c¨n cø vµ cã hiÖu qu¶. ViÖc chia tæng b×nh ph−¬ng sai sè d− cho (n-1) thay cho n cã thÓ chÊp nhËn ®−îc v× kÕt qu¶ gÇn b»ng nhau vµ n cµng lín th× sù sai lÖch cµng nhá. −íc l−îng ®é lÖch b×nh qu©n ph−¬ng σ* ®Æc tr−ng cho ®é chÝnh x¸c cña mét d·y phÐp ®o vµ ®−îc x¸c ®Þnh bëi mét tËp c¸c ®iÒu kiÖn ®o (c¸c ®Æc tÝnh kü thuËt cña dông cô ®o, c¸c ®Æc ®iÓm cña ng−êi lµm thÝ nghiÖm, c¸c yÕu tè bªn ngoµi ¶nh h−ëng ®Õn phÐp ®o). −íc l−îng σ* ®Æc tr−ng cho ®é ph©n t¸n cña kÕt qu¶ ®o xung quanh gi¸ trÞ trung b×nh ®¹i sè cña nã. V× gi¸ trÞ trung b×nh ®¹i sè cßn cã mét sai sè ngÉu nhiªn nµo ®ã, nªn ta ®−a ra kh¸i niÖm −íc l−îng ®é lÖch b×nh ph−¬ng cña gi¸ trÞ trung b×nh ®¹i sè:
- 157. ( ) ( )( ) n ) 1 n n v ) 1 n n x x * n 1 i 2 i n 1 i 2 i * X σ = − = − − = σ ∑ ∑ = = (10.13) −íc l−îng nµy ®Æc tr−ng cho sai sè ®ã cña kÕt qu¶ ®o. −íc l−îng ®· kh¶o s¸t trªn ®©y ®−îc gäi lµ −íc l−îng ®iÓm bao gåm: X X0 = , * X σ , n. −íc l−îng ®iÓm cña sai sè phÐp ®o kh«ng hoµn chØnh bëi v× * X σ chØ thÓ hiÖn kho¶ng mµ gi¸ trÞ thùc cã thÓ n»m trong kho¶ng ®ã nh−ng l¹i kh«ng nãi g× vÒ x¸c suÊt r¬i cña X0 vµo kho¶ng ®ã. −íc l−îng ®iÓm chØ cho phÐp ®−a ra mét vµi kÕt luËn nµo ®ã vÒ ®é chÝnh x¸c cña c¸c phÐp ®o mµ th«i. D−íi ®©y ta kh¶o s¸t mét kh¸i niÖm −íc l−îng kh¸c lµ −íc l−îng kho¶ng. §ã lµ kho¶ng ®¸ng tin mµ trong giíi h¹n ®ã víi mét x¸c suÊt nhÊt ®Þnh ta t×m thÊy gi¸ trÞ thùc X0. Cho tr−íc gi¸ trÞ x¸c suÊt ®¸ng tin P víi ®¹i l−îng ngÉu nhiªn cã ph©n bè chuÈn vµ sè l−îng phÐp ®o lµ v« h¹n n→ ∞, th× theo b¶ng 10.1 ta t×m ®−îc hÖ sè k vµ nh− vËy t×m ®−îc kho¶ng ®¸ng tin ∆1,2 = kσ*. Khi sè l−îng c¸c phÐp ®o cã h¹n (n ≥ 20) kho¶ng tin cËy ®ã cã thÓ tÝnh gÇn ®óng theo biÓu thøc: * X 2 , 1 kσ = ∆ (10.14) Trong thùc tÕ ta kh«ng thÓ tiÕn hµnh nhiÒu phÐp ®o ®−îc, th−êng chØ h¹n chÕ trong 2 ≤ n ≤ 20, khi ®ã kho¶ng tin cËy ®−îc tÝnh theo biÓu thøc sau: * X st 2 , 1 h σ = ∆ (10.15) ë ®©y hst - hÖ sè ph©n bè Student phô thuéc vµo x¸c suÊt ®· cho P vµ sè l−îng phÐp ®o n ®−îc x¸c ®Þnh theo b¶ng 10.1. B¶ng 10.1 n 0,5 0,9 0,95 0,98 0,99 0,999 2 1,000 6,31 12,7 31,8 63,7 637 3 0,816 2,92 4,30 6,96 9,92 31,6 4 0,765 2,35 2,35 4,54 5,84 13,0 5 0,741 2,13 2,78 3,75 4,60 8,61 6 0,727 2,02 2,57 3,36 4,04 6,86
- 158. 7 0,718 1,942,49 3,14 3,71 5,96 8 0,711 1,90 2,36 3,00 3,50 5,40 9 0,706 1,86 2,31 2,90 3,36 5,04 10 0,703 1,83 2,26 2,82 3,25 4,49 12 0,697 1,80 2,20 2,72 3,10 4,78 14 0,694 1,77 2,16 2,65 3,01 4,49 16 0,691 1,75 2,13 2,60 2,99 4,07 18 0,689 1,74 2,11 2,57 2,90 3,96 20 0,688 1,73 2,09 2,54 2,86 3,88 25 0,684 1,71 2,06 2,49 2,80 3,74 31 0,683 1,70 2,04 2,46 2,75 3,65 41 0,681 1,68 2,02 2,42 2,70 3,55 61 0,679 1,67 2,00 2,39 2,66 3,46 121 0,677 1,65 1,98 2,36 2,62 3,37 ∞ 0,674 1,64 1,96 2,33 2,58 3,29 Sè liÖu b¶ng nµy ®−îc tÝnh theo c«ng thøc: ( ) ( ) ( ) ( ) [ ] ( ) 2 / n 2 n / t 1 1 . 2 / 1 n . 1 n ! 2 / n n ; t S + − − π = (10.16) Trong ®ã: S(t;n) - mËt ®é ph©n bè Student. ( ) * x 0 / X X t σ − = . n - sè lÇn ®o. Tr−êng hîp n→ ∞ ( thùc tÕ n ≥ 20) th× ph©n bè Student sÏ tiÕn ®Õn ph©n bè chuÈn, lóc ®ã hst cã thÓ thay thÕ b»ng hÖ sè k nh− biÓu thøc 10.14. Nh− vËy kÕt qu¶ ®o víi −íc l−îng kho¶ng, nhê cã ph©n bè Student cã thÓ viÕt d−íi d¹ng: ( ) ( ) ' 2 , 1 0 ' 2 , 1 X X X ∆ + < < ∆ − (10.17) Tõ (10.17) ta thÊy r»ng x¸c suÊt cña ®é lÖch trung b×nh ®¹i sè so víi gi¸ trÞ thùc cña ®¹i l−îng ®o kh«ng v−ît qu¸ ' 2 , 1 ∆ . Khi thùc hiÖn gia c«ng kÕt qu¶ ®o ng−êi ta cßn x¸c ®Þnh kh¸i niÖm sai sè b×nh qu©n ph−¬ng t−¬ng ®èi B¾t ®Çu n phÐp ®o xi Kú väng to¸n häc [ ] X x M = Sai sè d− X x v i i − = TÝnh 0 v n 1 i i = ∑ = n 2 v
- 159. 10.4.4. Sai sècña kÕt qu¶ c¸c phÐp ®o gi¸n tiÕp Khi tÝnh to¸n c¸c sai sè ngÉu nhiªn cña phÐp ®o gi¸n tiÕp cÇn ph¶i nhí r»ng ®¹i l−îng cÇn ®o Y cã quan hÖ hµm víi mét hay nhiÒu ®¹i l−îng ®o trùc tiÕp X1, X2, . . . , Xn, tøc lµ: ( ) n 2 1 X ,..., X , X f Y = (10.20) V× thÕ mµ sai sè tuyÖt ®èi cña kÕt qu¶ ®o gi¸n tiÕp nh− sau: 2 n 2 n 2 2 2 2 2 1 2 1 X X Y ... X X Y X X Y Y ∆ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ∂ ∂ + + ∆ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ∂ ∂ + ∆ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ∂ ∂ = ∆ (10.21) vµ sai sè t−¬ng ®èi cña kÕt qu¶ ®o sÏ lµ: 2 n 2 n 2 2 2 2 2 1 2 1 Y X Y Y X ... X Y Y X X Y Y X Y Y ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ∆ ∂ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ∂ + + ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ∆ ∂ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ∂ + ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ∆ ∂ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ∂ = ∆ = γ 2 Xn 2 2 X 2 1 X ... γ + + γ + γ = (10.22) Trong ®ã 1 X γ , 2 X γ , . . ., n X γ - lµ sai sè t−¬ng ®èi cña c¸c ®¹i l−îng ®o trùc tiÕp X1, X2, . . . , Xn.
- 160. NÕu c¸c kÕtqu¶ ®o trùc tiÕp Xi ®−îc x¸c ®Þnh víi sai sè b×nh qu©n ph−¬ng n X σ , th×: 2 X 2 n 2 X 2 21 2 X 2 1 n 2 1 X Y ... X Y X Y σ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ∂ ∂ + + σ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ∂ ∂ + σ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ∂ ∂ = σγ (10.23) ë ®©y i X i X Y σ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ∂ ∂ lµ sai sè riªng cña phÐp ®o gi¸n tiÕp thø i. ë b¶ng 10.2 tr×nh bµy biÓu thøc tÝnh sai sè tuyÖt ®èi vµ sai sè t−¬ng ®èi cña mét sè hµm Y th−êng gÆp nhÊt trong c¸c phÐp ®o gi¸n tiÕp. B¶ng 10.2 Hµm Y Sai sè tuyÖt ®èi Y ∆ Sai sè t−¬ng ®èi Y Y Y ∆ = γ X1 + X2 ( ) ( )2 2 2 1 X X ∆ + ∆ ± ( ) ( ) [ ] ( )2 2 1 2 2 2 1 X X / X X + ∆ + ∆ ± X1.X2 ( ) ( )2 1 2 2 2 2 2 1 X X X X ∆ + ∆ ± 2 2 2 2 1 1 X X X X ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ∆ + ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ∆ ± 2 1 X X ( ) ( ) [ ] 4 2 2 2 2 2 2 1 2 1 X X X X X ∆ + ∆ ± 2 2 2 2 1 1 X X X X ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ∆ + ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ∆ ± n X X nX 1 n ∆ ± − ( ) X / X n ∆ ± 10.4.5. Bï sai sè a) Bï sai sè céng tÝnh Trong c¶m biÕn cã sai sè céng tÝnh, ta cã: a X X Y X K Y ∆ + = (10.24) Víi i 1 i i 1 i X X X Y Y K − − = + + . Gi¸ trÞ a Y ∆ kh«ng thay ®æi theo X lµ sai sè céng tÝnh. (h×nh 10.11). Lo¹i trõ sai sè lo¹i nµy b»ng mét bé trõ (h×nh 10.12). Ta cã: a i i i Y X K Y ∆ + = (10.25) CB X H×nh 10.11 S¬ ®å nguyªn lý c¶m biÕn cã sai sè céng tÝnh YX = KXX + ∆Ya H×nh 10.12 Lo¹i trõ sai sè céng tÝnh X CB Xi Y Yi
- 161. Thùc hiÖn phÐptrõ theo vÕ (10.24) vµ (10.25) vµ biÕn ®æi ta cã: ( ) ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ − − − = − + + i 1 i i 1 i i X i Y Y X X Y Y X X (10.26) B»ng c¸ch nµy ta ®· lo¹i trõ ®−îc sai sè céng tÝnh a Y ∆ . b) Bï sai sè nh©n tÝnh NÕu ®¹i l−îng vµo lµ Xo, ta cã: ( ) k 0 0 0 1 K X Y γ − = (10.28) Thùc hiÖn phÐp chia theo vÕ (10.27) vµ (10.28) ta cã: ( ) ( ) 0 X 0 k 0 k X 0 0 X K K X X 1 K 1 K X X Y Y = γ − γ − = NhËn ®−îc 0 X 0 0 X K K Y Y X = (10.29) c) Bï sai sè do c¸c yÕu tè ¶nh h−ëng Mét trong nh÷ng sai sè khã lo¹i trõ nhÊt trong c¸c c¶m biÕn lµ sai sè do c¸c yÕu tè ¶nh h−ëng (hay c¸c yÕu tè kh«ng mang th«ng tin). Khi nghiªn cøu c¸c c¶m biÕn, ng−êi ta còng ®−a vµo c¸c biÖn ph¸p ®Ó lo¹i trõ nh÷ng yÕu tè ®¬n nh−ng trong nhiÒu c¶m biÕn ¶nh h−ëng nµy rÊt khã lo¹i trõ. Kh«ng nh÷ng thÕ ë c¸c c¶m biÕn kh¸c nhau cïng mét c«ng nghÖ chÕ t¹o, ¶nh h−ëng nµy còng kh¸c nhau, v× thÕ trong c¸c c¶m biÕn th«ng minh ng−êi ta th−êng bï ¶nh h−ëng cña c¸c yÕu tè kh«ng mang th«ng tin ngay trªn c¶m biÕn sö dông. Tõ ph−¬ng tr×nh biÕn ®æi cña c¶m biÕn ta cã thÓ viÕt sai sè: ... b b F a a F X X F Y + ∆ ∂ ∂ + ∆ ∂ ∂ + ∆ ∂ ∂ = ∆ (10.30) H×nh 10.12 Lo¹i trõ sai sè nh©n tÝnh X CB X0 YX Y0 Trong c¶m biÕn cã sai sè nh©n tÝnh, ta cã: ( ) k X X 1 XK Y γ − = (10.27) Trong ®ã k γ lµ sai sè nh©n tÝnh. Muèn bï sai sè nh©n tÝnh ta dïng
- 162. Trong ®ã a a F ∆ ∂ ∂ lµ¶nh h−ëng cña yÕu tè a ®Õn kÕt qu¶ ®o Y. Nhê kh¶ n¨ng xö lý cña m¸y tÝnh ta cã thÓ sai ph©n ho¸ vµ néi suy tuyÕn tÝnh. B»ng thùc nghiÖm ta lËp ra b¶ng yÕu tè ¶nh h−ëng (b¶ng 10.3). B¶ng 10.3 X1 X2 Xj Xn A1 ∆11 ∆12 . . . ∆1j ∆1n A2 ∆21 ∆22 . . . ∆2j ∆2n . . . Ai ∆i1 ∆i2 . . . ∆ij ∆in Am ∆m1 ∆m2 .... ∆mj ∆mn Tõ gi¸ trÞ Ai nhËn ®−îc do mét c¶m biÕn ®o phô vµ gi¸ trÞ cña ®¹i l−îng ®o Xj, tra b¶ng nhËn ®−îc gi¸ trÞ ∆ij, sau ®ã néi suy ra gi¸ trÞ ph¶i bï ®Ó lo¹i trõ sai sè do ¶nh h−ëng cña yÕu tè A. Tµi liÖu tham kh¶o 1. Lª V¨n Doanh, Ph¹m Th−îng Hµn, NguyÔn V¨n Hoµ, Vâ Th¹ch S¬n, §µo V¨n T©n. C¸c bé c¶m biÕn trong kü thuËt ®o l−êng & ®iÒu khiÓn. NXB Khoa häc vµ Kü thuËt - 2001. 2. Phan Quang Ph«, NguyÔn §øc ChiÕn. Gi¸o tr×nh C¶m biÕn. Nhµ xuÊt b¶n Khoa häc vµ Kü thuËt - 2000. 3. T¹ Duy Liªm. HÖ thèng ®iÒu khiÓn sè cho m¸y c«ng cô. Tr−êng §¹i häc B¸ch khoa Hµ Néi - 1998. 4. §ç Xu©n Thô (chñ biªn). Kü thuËt ®iÖn tö. Nhµ xuÊt b¶n Gi¸o dôc - 2002. 5. S.C. Jomathon Lin. Computer Nummerical Control. Pelmar Publishers Inc. A X
- 163. Môc lôc Lêi më®Çu 3 Ch−¬ng I. C¸c kh¸i niÖm vµ ®Æc tr−ng c¬ b¶n 1.1. Kh¸i niÖm vµ ph©n lo¹i c¶m biÕn 5 1.1.1. Kh¸i niÖm vÒ c¶m biÕn 5 1.1.2. Ph©n lo¹i c¶m biÕn 5 1.2. §−êng cong chuÈn 7 1.2.1. Kh¸i niÖm 7 1.2.2. Ph−¬ng ph¸p chuÈn c¶m biÕn 8 1.3. C¸c ®Æc tr−ng c¬ b¶n 9 1.3.1. §é nh¹y 9 1.3.2. §é tuyÕn tÝnh 11 1.3.3. Sai sè vµ ®é chÝnh x¸c 12 1.3.4. §é nhanh vµ thêi gian håi ®¸p 13 1.3.5. Giíi h¹n sö dông cña c¶m biÕn 14 1.4. Nguyªn lý chÕ t¹o c¶m biÕn 15 1.4.1. Nguyªn lý chÕ t¹o c¶m biÕn tÝch cùc 15 1.4.2. Nguyªn lý chÕ t¹o c¶m biÕn thô ®éng 19
- 164. 1.5. M¹ch ®o 20 1.5.1.S¬ ®å m¹ch ®o 20 1.5.2. Mét sè phÇn tö c¬ b¶n cña m¹ch ®o 21 Ch−¬ng II. C¶m biÕn quang 2.1. TÝnh chÊt vµ ®¬n vÞ ®o ¸nh s¸ng 24 2.1.1. TÝnh chÊt ¸nh s¸ng 24 2.1.2. C¸c ®¬n vÞ ®o quang 25 2.2. C¶m biÕn quang dÉn 26 2.2.1. HiÖu øng quang dÉn 26 2.2.2. TÕ bµo quang dÉn 29 2.2.3. Photodiot 33 2.2.4. Phototranzito 40 2.2.5. Phototranzito hiÖu øng tr−êng 43 2.3. C¶m biÕn quang ®iÖn ph¸t x¹ 44 2.3.1. HiÖu øng quang ®iÖn ph¸p x¹ 44 2.3.2. TÕ bµo quang ®iÖn ch©n kh«ng 45 2.3.3. TÕ bµo quang ®iÖn d¹ng khÝ 46
- 165. 2.3.4. ThiÕt bÞnh©n quang 46 Ch−¬ng III. C¶m biÕn ®o nhiÖt ®é 3.1. Kh¸i niÖm c¬ b¶n 48 3.1.1. NhiÖt ®é vµ thang ®o nhiÖt ®é 48 3.1.2. NhiÖt ®é ®o ®−îc vµ nhiÖt ®é cÇn ®o 49 3.1.3. Ph©n lo¹i c¶m biÕn ®o nhiÖt ®é 50 3.2. NhiÖt kÕ gi¶n në 51 3.2.1. NhiÖt kÕ gi¶n në dïng chÊt r¾n 51 3.2.2. NhiÖt kÕ gi¶n në dïng chÊt láng 51 3.3. NhiÖt kÕ ®iÖn trë 52 3.3.1.Nguyªn lý chung 52 3.3.2.NhiÖt kÕ ®iÖn trë kim lo¹i 53 3.3.3.NhiÖt kÕ ®iÖn trë silic 56 3.3.4.NhiÖt kÕ ®iÖn trë oxyt b¸n dÉn 56 3.4. C¶m biÕn nhiÖt ngÉu 57 3.4.1. HiÖu øng nhiÖt ®iÖn 57 3.4.2. CÊu t¹o cÆp nhiÖt 59
- 166. 3.4.3. M¹ch ®ovµ dông cô thø cÊp 62 3.5. Ho¶ kÕ 67 3.5.1.Ho¶ kÕ bøc x¹ toµm phÇn 67 3.5.2.Ho¶ kÕ quang ®iÖn 68 Ch−¬ng IV. C¶m biÕn ®o vÞ trÝ vµ dÞch chuyÓn 4.1. Nguyªn lý ®o vÞ trÝ vµ dÞch chuyÓn 71 4.2. §iÖn thÕ kÕ ®iÖn trë 71 4.2.1. §iÖn thÕ kÕ ®iÖn trë dïng con ch¹y c¬ häc 71 4.2.2. §iÖn thÕ kÕ ®iÖn trë kh«ng dïng con ch¹y c¬ häc 73 4.3. C¶m biÕn ®iÖn c¶m 75 4.3.1. C¶m biÕn tù c¶m 75 4.3.2. C¶m biÕn hç c¶m 78 4.4. C¶m biÕn ®iÖn dung 81 4.4.1. C¶m biÕn tô ®¬n 81 4.4.2. C¶m biÕn tô kÐp vi sai 83 4.4.3. M¹ch ®o 84 4.5. C¶m biÕn quang 84
- 167. 4.5.1. C¶m biÕnquang ph¶n x¹ 84 4.5.2. C¶m biÕn quang soi thÊu 85 4.6. C¶m biÕn ®o dÞch chuyÓn b»ng sãng ®µn håi 86 4.6.1. Nguyªn lý ®o dÞch chuyÓn b»ng sãng ®µn håi 86 4.6.2. C¶m biÕn sö dông phÇn tö ¸p ®iÖn 87 4.6.3. C¶m biÕn ©m tõ 88 Ch−¬ng V. C¶m biÕn ®o biÕn d¹ng 5.1. BiÕn d¹ng vµ ph−¬ng ph¸p ®o 90 5.1.1. §Þnh nghÜa mét sè ®¹i l−îng co häc 90 5.1.2. Ph−¬ng ph¸p ®o biÕn d¹ng 91 5.2. §Çu ®o ®iÖn trë kim lo¹i 91 5.2.1. CÊu t¹o vµ nguyªn lý ho¹t ®éng 91 5.2.2. C¸c ®Æc tr−ng chñ yÕu 93 5.3. C¶m biÕn ¸p trë silic 94 5.3.1. CÊu t¹o vµ nguyªn lý ho¹t ®éng 94 5.3.2. C¸c ®Æc tr−ng chñ yÕu 95 5.4. §Çu ®o trong chÕ ®é ®éng 96
- 168. 5.4.1. TÇn sèsö dông tèi ®a 96 5.4.2. Giíi h¹n mái 97 5.5. øng suÊt kÕ d©y rung 97 Ch−¬ng VI. C¶m biÕn ®o lùc 6.1. Nguyªn lý ®o lùc 99 6.2. C¶m biÕn ¸p ®iÖn 100 6.2.1. CÊu t¹o vµ nguyªn lý ho¹t ®éng 100 6.2.2. C¶m biÕn th¹ch anh kiÓu vßng ®Öm 101 6.2.3. C¶m biÕn th¹ch anh nhiÒu thµnh phÇn 102 6.2.4. S¬ ®å m¹ch ®o 102 6.3. C¶m biÕn tõ gi¶o 104 6.3.1. HiÖu øng tõ gi¶o 104 6.3.2. C¶m biÕn tõ thÈm biÕn thiªn 105 6.3.3. C¶m biÕn tõ d− biÕn thiªn 106 6.4. C¶m biÕn dùa trªn phÐp ®o dÞch chuyÓn 106 6.5. C¶m biÕn xóc gi¸c 107
- 169. Ch−¬ng VII. C¶mbiÕn ®o vËn tèc, gia tèc vµ rung 7.1. C¶m biÕn ®o vËn tèc 108 7.1.1. Nguyªn lý ®o vËn tèc 108 7.1.2. Tèc ®é kÕ ®iÖn tõ 108 7.1.3. Tèc ®é kÕ xung 113 7.1.4. M¸y ®o gãc tuyÖt ®èi 115 7.1.5. §æi h−íng kÕ 116 7.2. C¶m biÕn ®o rung vµ gia tèc 118 7.2.1. Kh¸i niÖm c¬ b¶n 118 7.2.2. C¶m biÕn ®o tèc ®é rung 121 7.2.3. Gia tèc kÕ ¸p ®iÖn 122 7.2.4. Gia tèc kÕ ¸p trë 123 Ch−¬ng VIII. C¶m biÕn ®o ¸p suÊt chÊt l−u 8.1. ¸p suÊt vµ nguyªn lý ®o ¸p suÊt 126 8.1.1. ¸p suÊt vµ ®¬n vÞ ®o 126
- 170. 8.1.2. Nguyªn lý®o ¸p suÊt 127 8.2. ¸p kÕ vi sai dùa trªn nguyªn t¾c c©n b»ng thuû tÜnh 128 8.2.1. ¸p kÕ vi sai kiÓu phao 128 8.2.2. ¸p kÕ vi sai kiÓu chu«ng 129 8.3. C¶m biÕn ¸p suÊt dùa trªn phÐp ®o biÕn d¹ng 130 8.3.1. PhÇn tö biÕn d¹ng 131 8.3.2. C¸c bé chuyÓn ®æi ®iÖn 135 Ch−¬ng IX. C¶m biÕn ®o l−u l−îng vµ møc chÊt l−u 9.1. C¶m biÕn ®o l−u l−îng 142 9.1.1. L−u l−îng vµ ®¬n vÞ ®o 142 9.1.2. C«ng t¬ thÓ tÝch 142 9.1.3. C«ng t¬ tèc ®é 144 9.1.4. L−u l−îng kÕ mµng ch¾n 146 9.1.5. L−u l−îng kÕ ®iÖn tõ 149 9.2. C¶m biÕn ®o vµ ph¸t hiÖn møc chÊt l−u 150
- 171. 9.2.1. Môc ®Ýchvµ ph−¬ng ph¸p ®o 150 9.2.2. Ph−¬ng ph¸p thuû tØnh 151 9.2.3. Ph−¬ng ph¸p ®iÖn 152 9.2.4. Ph−¬ng ph¸p bøc x¹ 153 Ch−¬ng X. C¶m biÕn th«ng minh 10.1. Kh¸i niÖm vÒ c¶m biÕn th«ng minh 155 10.2. CÊu tróc cña mét c¶m biÕn th«ng minh 156 10.3. C¸c kh©u chøc n¨ng cña c¶m biÕn th«ng minh 157 10.3.1. Bé chuyÓn ®æi chuÈn ho¸ 157 10.3.2. Bé dån kªnh MUX 159 10.3.3. Bé chuyÓn ®æi t−¬ng tù - sè A/D 160 10.4. C¸c thuËt to¸n xö lý trong c¶m biÕn th«ng minh 163 10.4.1. Tù ®éng kh¾c ®é 163 10.4.2. Xö lý tuyÕn tÝnh ho¸ tõng ®o¹n 163 10.4.3. Gia c«ng kÕt qu¶ ®o 166 10.4.4. Sai sè cña kÕt qu¶ c¸c phÐp ®o gi¸n tiÕp 171 Tµi liÖu tham kh¶o 174 Môc lôc 175