PDF giáo trình đo lường cảm biến, Lê Chí Kiên

giáo trình đo lường cảm biến, Lê Chí Kiên
320 trang

 

MỤC LỤC
Lời nói đầu .................................................................................................... 3
Chương 1: Tổng quan .................................................................................. 5
Mục đích chương .................................................................................. 5
1.1 Các khái niêṃ cơ bản ..................................................................... 6
1.1.1 Cảm biến và hệ thống điều khiển ....................................... 6
1.1.2 Cấu trúc mạch cảm biến ..................................................... 9
1.1.3 Phương trình chuyển đổi .................................................. 10
1.1.4 Độ chính xác .................................................................... 11
1.1.5 Độ nhạy và giới hạn đo của cảm biến .............................. 12
1.1.6 Sai số và cấp chính xác .................................................... 14
1.2 Phân loại cảm biến ........................................................................ 16
1.2.1 Tích cực – thụ động .......................................................... 16
1.2.2 Tương tự – số ................................................................... 16
1.2.3 Tuyệt đối – tương đối ....................................................... 17
1.3 Đơn vi ̣ đo lườ ng ............................................................................ 17
1.4 Nguyên lý cảm biến ...................................................................... 18
1.5 Mạch cầu Wheatstone ................................................................... 20
1.6 Ứng dụng Opamp trong mac̣ h đo ................................................. 21
1.7 Tuyến tính hoá .............................................................................. 29
Câu hỏi ôn tập .................................................................................... 32
Chương 2: Đo dịch chuyển ........................................................................ 35
Mục đích chương ................................................................................ 35
2.1 Giới thiêụ ...................................................................................... 36
2.2 Cảm biến điện trở ......................................................................... 37
2.2.1 Nguyên lý ......................................................................... 37
2.2.2 Đặc điểm chung ................................................................ 39
2.2.3 Phân loa ̣ i biến trở ............................................................. 40
314
2.2.4 Sai số trong biến trở dây quấn .......................................... 44
2.2.5 Mạch đo ............................................................................ 45
2.3 Cảm biến điện cảm ....................................................................... 46
2.3.1 Lõi sắt di chuyển trong cuộn dây ..................................... 46
2.3.2 Lõi sắt di chuyển ngoài cuộn dây ..................................... 51
2.4 Cảm biến điện dung ...................................................................... 54
2.4.1 Thay đổi khoảng cách ...................................................... 55
2.4.2 Thay đổ i tiết diêṇ thưc̣ ..................................................... 57
2.4.3 Thay đổ i điêṇ môi ............................................................ 59
2.5 Biến áp vi sai (LVDT) .................................................................. 61
2.5.1 Cấu taọ ............................................................................. 62
2.5.2 Nguyên lý hoaṭ đôṇ g ........................................................ 63
2.5.3 DC-LVDT ........................................................................ 64
2.5.4 Đặc điểm của LVDT ........................................................ 66
2.6 Cảm biến từ .................................................................................. 68
2.6.1 Cảm biến Hall .................................................................. 69
2.6.2 Cảm biến điện trở từ ......................................................... 74
Câu hỏi ôn tập .................................................................................... 83
Chương 3: Cảm biến tiệm cận .................................................................. 85
Mục đích chương ................................................................................ 85
3.1 Giới thiệu ...................................................................................... 86
3.1.1 Đặc điểm chung ................................................................ 87
3.1.2 Môṭ số khái niêṃ .............................................................. 88
3.1.3 Mạch ngõ ra ...................................................................... 90
3.2 Cảm biến tiệm cận điện cảm ......................................................... 92
3.2.1 Nguyên lý hoạt động ........................................................ 92
3.2.2 Phân loại ........................................................................... 94
3.2.3 Những yếu tố ảnh hưởng .................................................. 95
3.2.4 Lắp đăṭ cảm biến .............................................................. 96
3.2.5 Ưu điểm, nhươc̣ điểm ....................................................... 96
315
3.3 Cảm biến tiệm cận điện dung ....................................................... 96
3.3.1 Nguyên lý hoaṭ đôṇ g ........................................................ 96
3.3.2 Phân loại ........................................................................... 98
3.3.3 Những yếu tố ảnh hưởng .................................................. 99
3.3.4 Lắp đăṭ cảm biến ............................................................ 100
3.3.5 Ưu điểm, nhươc̣ điểm ..................................................... 101
3.4 Cảm biến quang .......................................................................... 101
3.4.1 Ứng dụng của phototransistor ........................................ 101
3.4.2 Cảm biến tiệm cận quang ............................................... 102
3.5 Cảm biến tiệm cận siêu âm ......................................................... 104
3.5.1 Nguyên lý ....................................................................... 104
3.5.2 Một số khái niệm ............................................................ 105
Câu hỏi ôn tập .................................................................................. 108
Chương 4: Đo lực, áp suất, gia tốc .......................................................... 111
Mục đích chương .............................................................................. 111
4.1 Giới thiệu .................................................................................... 112
4.2 Nguyên lý cơ bản ........................................................................ 112
4.2.1 Cảm biến áp điện trở ...................................................... 112
4.2.2 Load cell ......................................................................... 118
4.2.3 Cảm biến áp điện ............................................................ 120
4.3 Nguyên lý đo áp suất .................................................................. 123
4.3.1 Áp suất tuyệt đối, tương đối ........................................... 123
4.3.2 Chuyển đổi dạng cơ khí ................................................. 124
4.3.3 Chuyển đổi dạng điện ..................................................... 126
4.3.4 Mạch đo áp suất dùng cảm biến áp điện trở ................... 127
4.4 Đo gia tốc.................................................................................... 128
4.4.1 Gia tốc kế dịch chuyển ................................................... 128
4.4.2 Gia tốc kế điện trở .......................................................... 129
4.4.3 Gia tốc kế điện dung ...................................................... 129
4.4.4 Gia tốc kế áp điện trở ..................................................... 130
316
4.4.5 Gia tốc kế truyền nhiệt ................................................... 130
4.4.6 Gia tốc kế Hall ............................................................... 131
Câu hỏi ôn tập .................................................................................. 133
Chương 5: Đo tốc độ quay ....................................................................... 135
Mục đích chương .............................................................................. 135
5.1 Đĩa mã hóa .................................................................................. 136
5.1.1 Đĩa mã hóa rãnh đơn ...................................................... 136
5.1.2 Đĩa mã hóa rãnh đôi ....................................................... 137
5.1.3 Đĩa mã hóa tuyệt đối ...................................................... 138
5.2 Máy đo góc tuyệt đối .................................................................. 142
5.3 Cảm biến Hall ............................................................................. 143
5.4 Tốc kế góc .................................................................................. 144
5.4.1 Tốc kế góc điện áp ......................................................... 145
5.4.2 Tốc kế góc quang ........................................................... 147
5.4.3 Tốc kế góc từ trường ...................................................... 148
5.4.4 Tốc kế góc Wiegand ....................................................... 149
5.4.5 Tốc kế góc áp điện trở .................................................... 149
5.4.6 Tốc kế góc công tắc ........................................................ 150
5.4.7 Stroboscope .................................................................... 151
Câu hỏi ôn tập .................................................................................. 155
Chương 6: Đo mứ c, lưu lươṇ g ................................................................ 157
Mục đích chương .............................................................................. 157
6.1 Đo mức ....................................................................................... 158
6.1.1 Ống trong suốt ................................................................ 159
6.1.2 Cảm biến áp suất ............................................................ 159
6.1.3 Ống bọt khí ................................................................. …160
6.1.4 Đầu dò điện dung ........................................................... 161
6.1.5 Cảm biến siêu âm ........................................................... 163
6.1.6 Dùng phao ...................................................................... 163
6.2 Đo lưu lượng ............................................................................... 164
317
6.2.1 Phương trình Bernoulli ................................................... 165
6.2.2 Đĩa đồng tâm .................................................................. 166
6.2.3 Ống Venturi ................................................................ …168
6.2.4 Vòi phun ......................................................................... 170
6.2.5 Lưu lượng kế điện từ ...................................................... 172
6.2.6 Lưu lượng kế thể tích ..................................................... 174
6.2.7 Lưu lượng kế tuabin ....................................................... 178
6.2.8 Lưu lượng kế kiểu phao ................................................. 179
6.2.9 Cảm biến siêu âm ........................................................... 181
6.2.10 Lưu lượng kế truyền nhiệt ............................................ 182
6.2.11 Ống Pitot ...................................................................... 185
6.2.12 Lưu lượng kế Coriolis .................................................. 186
Câu hỏi ôn tập .................................................................................. 190
Chương 7: Đo nhiêṭ đô .̣ ............................................................................ 193
Mục đích chương .............................................................................. 193
7.1 Giới thiệu .................................................................................... 194
7.2 Nhiệt điện trở bán dẫn ................................................................ 195
7.2.1 Công thức Steinhart–Hart............................................... 197
7.2.2 Công thức hệ số B .......................................................... 198
7.2.3 Mạch đo ......................................................................... 201
7.3 Nhiệt điện trở kim loại ................................................................ 205
7.3.1 Đặc tính điện trở–nhiêṭ đô .̣ ............................................. 206
7.3.2 Mạch điều khiển dòng điện ............................................ 206
7.3.3 Mạch điều khiển điện áp ................................................ 208
7.3.4 Phương pháp nối 3 dây ................................................... 209
7.4 Cặp nhiệt ngẫu ............................................................................ 211
7.4.1 Nguyên lý ....................................................................... 211
7.4.2 Phân loại cặp nhiệt ngẫu ................................................ 212
7.4.3 Mạch đo cặp nhiệt ngẫu ................................................. 215
7.5 Diode/Transistor ......................................................................... 216
318
7.6 IC đo nhiệt độ ............................................................................. 217
7.6.1 LM35 .............................................................................. 217
7.6.2 AD592 ............................................................................ 220
7.7 Đo nhiệt độ dùng bức xạ ............................................................. 222
7.7.1 Định luật Planck ............................................................. 222
7.7.2 Định luật Wien ............................................................... 224
7.7.3 Định luật Stefan-Boltzmann ........................................... 224
7.7.4 Nhiệt kế bức xạ .............................................................. 225
Câu hỏi ôn tập .................................................................................. 228
Chương 8: Cảm biến quang trở, siêu âm ............................................... 231
Mục đích chương .............................................................................. 231
8.1 Cảm biến quang trở .................................................................... 232
8.1.1 Độ rọi sáng ..................................................................... 232
8.1.2 Đặc tính .......................................................................... 233
8.1.3 Mạch dùng transistor ...................................................... 234
8.1.4 Mạch đóng/cắt rơle ......................................................... 236
8.1.5 Mạch điều khiển còi báo ................................................ 237
8.1.6 Mạch tự động bật/tắt đèn ................................................ 238
8.2 Cảm biến siêu âm ....................................................................... 239
8.2.1 Nguyên lý thu/phát siêu âm ............................................ 240
8.2.2 Mạch phát siêu âm ......................................................... 243
8.2.3 Mạch thu siêu âm ........................................................... 244
8.2.4 Nguyên lý ứng dụng ....................................................... 247
Câu hỏi ôn tập .................................................................................. 249
Phụ lục 1: Điện trở suất và sự biến dạng ............................................... 251
Phụ lục 2: Các hệ số của cặp nhiệt ngẫu ................................................ 253
Phụ lục 3: Catalog cảm biến .................................................................... 259
Phụ lục 4: Thuật ngữ Anh-Việt .............................................................. 293
Tài liệu tham khảo ................................................................................... 311
Mục lục ...................................................................................................... 313

 

TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Giáo trình đo lường điện và cảm biến đo lường, Nguyễn Văn Hòa,
Bùi Đăng Thảnh, Hoàng Sỹ Hồng, Nhà xuất bản Giáo Dục, 2005
[2] Các bộ cảm biến trong kỹ thuật đo lường và điều khiển, Lê Văn
Doanh, Phạm Thượng Hàn, Nguyễn Văn Hòa, Võ Thạch Sơn, Đào
Văn Tân, Nhà xuất bản Khoa Học và Kỹ Thuật, 2006
[3] Đo lường và điều khiển bằng máy tính, Ngô Diên Tập, Nhà xuất bản
Khoa Học và Kỹ Thuật, 2004
[4] Kỹ thuật đo lường các đại lượng vật lý, Tập một và Tập hai, Phạm
Thượng Hàn, Nguyễn Trọng Quế, Nguyễn Văn Hòa, Nhà xuất bản
Giáo Dục, 2007
[5] Cơ sở vật lý, Tập ba–Nhiệt học, David Halliday, Robert Resnick, Jearl
Walker, Ngô Quốc Quýnh (Chủ biên dịch), Nhà xuất bản Giáo Dục,
2008
[6] Cơ sở vật lý, Tập bốn–Điện học, David Halliday, Robert Resnick,
Jearl Walker, Ngô Quốc Quýnh (Chủ biên dịch), Nhà xuất bản Giáo
Dục, 2008
[7] Cơ sở kỹ thuật đo lường điện tử, Vũ Quý Điềm, Phạm Văn Tuân, Đỗ
Lê Phú, Nhà xuất bản Khoa Học và Kỹ Thuật, 2004
[8] Handbook of Modern Sensors: Physics, Designs, and Applications, 3rd
Edition, Jacob Fraden, Springer-Verlag New York, 2004
[9] Sensors and Transducers, Ronald K. Jurgen, Society of Automotive
Engineers International, 2003
[10] Sensors and Transducers, 3rd Edition, Ian R. Sinclair, Newnes, 2001
[11] Sensors and Signal Conditioning, 2nd Edition, Pallàs-Areny R., J.
Webster, Toronto, Ontario, John Wiley & Sons, 2001
[12] Sensors for Measurement and Control, Peter Elgar, Prentice Hall, 1998
312
[13] Industrial Instrumentation, Jerry D. Faulk, Al Sutko, Delmar
Publishers, 1996
[14] Instrumentation for Engineering Measurements, James W. Dally, K.
G. McConnell, W. F. Riley, John Wiley & Sons Inc, 1993
[15] Electrical Sensors and Transducers, James R. Carstens, Prentice Hall,
1993
[16] An Introduction to Operational Amplifiers with Linear IC
Applications, Luces M. Faulkenberry, John Wiley & Sons Inc, Second
Edition, 1982