6.5 caÛm bieÁn ÑieÄn dung ( capacitive transducer )

6.5 CAÛM BIEÁN ÑIEÄN DUNG ( Capacitive transducer )1- Caáu taïo vaø nguyeân lyù:

• 2 loaïi : daïng ñôn ( hai baûn cöïc ) vaø daïng vi sai ( 1baûn cöïc chung A1

vaø 2 baûn cöïc rieâng A2 vaø A3 ).• Ñaïi löôïng ño laøm thay ñoåi vò trí baûn cöïc di ñoäng ( dieän tích ñoái maët A cuûa 2 baûn cöïc tuï ñieän thay ñoåi hoaëc khoaûng caùch D giöõa 2 baûn cöïc).• Ñaïi löôïng ño laøm thay ñoåi trò soá ñieän moâi ε .

Nguyeân lyù caûm bieán ñieän dung coù dieän tích ñoái maët thay ñoåiTuï ñieän ñôn: a) Xoay troøn; b) Dòch

chuyeån thaúngTuï ñieän vi sai: c) Xoay troøn; d) Dòch

chuyeån thaúng• Ñoái vôùi tuï phaúng:

• Ñoái vôùi tuï ñieän hình truï:

• Öu ñieåm cuûa caûm bieán vi sai laø khoaûng hoaït ñoäng tuyeán tính ñöôïc môû roäng. Choáng nhieåu ñieän tröôøng khoâng bò aûnh höôûng bôûi ñieàu kieän moâi tröôøng.

r oC A D/

r olCLogr r/

2 1

2

Nguyeân lyù cuûa caûm bieán ñieän dung coù khoaûng caùch thay ñoåi

a) Tuï ñieän ñôn, b) Tuï ñieän ñoâi vi sai.Chuong 6 - 22

xDisplacement

2 – ÖÙng duïng:• Ño ñoä dòch chuyeån ( displacement ) : ñieän moâi cuûa tuï ñieän dòch chuyeån laøm thay ñoåi dieän tích baûn cöïc.• Ño ñoä aåm cuûa vaät lieäu: ñieän moâi cuûa vaät lieäu thay ñoåi theo ñoä aåm.• ño möïc chaát loûng khoâng daãn ñieäân duøng caûm bieán daïng truï. Chieàu cao h coät chaát loûng thay ñoåi, laøm thay ñoåi trò soá tuï C.• ño löïc hoaëc aùp suaát thoâng qua ñaïi löôïng dòch chuyeån.

caûm bieán ñieän dung ño ñoä dòch chuyeån X

caûm bieán ñieän dung ño ñoä dòch chuyeån goùc quay

Chuong 6 - 23

6.6 CAÛM BIEÁN ÑIEÄN AÙP ( The self – generating type )• Caûm bieán daïng ñieän aùp khoâng caàn cung caáp naêng löôïng ( caëp nhieät ñieän, caûm bieán aùp ñieän,Caûm bieán quang ñieän aùp, maùy phaùt – toác, löu löôïng keá caûm öùng...

6.6.1Caëp nhieät ñieän ( thermocouple ):• Caáu taïo : goàm 2 kim loaïi A vaø B khaùc nhau noái vôùi nhau choå noái laø ñaàu ño, 2 ñaàu coøn laïi laø ñaàu chuaån ( ñaàu tham khaûo ).• Nguyeân lyù: Theo hieäu öùng Seebeck, ñieän aùp V ( söùc ñieän ñoäng nhieät ñieän ) phuï thuoäc vaøo nhieät ñoä T2 – T1 , khoâng phuï thuoäc nhieät ñoä doïc theo daây kim loaïi.• Ñoä nhaïy nhieät ñieän: αt = αA - αB

αA : ( mV/ 0 C ) heä soá nhieät ñieän cuûa kim loaïi A so vôùi baïch kim, αB heä soá nhieät cuûa kim loaïi B.• Bieåu thöùc V cuûa caëp nhieät ñieän :

• k(mV/oC2 ) haèng soá phuï thuoäc vaøo vaät lieäu.• Theo bieåu thöùc treân ñaëc tuyeán cuûa caëp nhieät ñieän theo nhieät ñoä khoâng tuyeán tính. Cho neân khi söû duïng chæ ño trong khoaûng nhieät ñoä cuûa vuøng tuyeán tính cuûa ñaëc tuyeán ( duøng haøm baäc nhaát cuûa bieåu thöùc )

Caáu taïo caëp nhieät ñieän

V = αt (T2 – T1) + k (T22 - T12)

Chuong 6 - 24

Chuong 6 - 25

a)Voû khoâng caùch ñieän

b) Voû söù caùch ñieän

Caëp nhieät ñieän thöïc teá

Cöïc nhieät ñieän keùo daøi A’

Cöïc nhieät ñieän keùo daøi B’

+

-

Caàu ño Wheatstone

nhieät ñieän trôû

Ñaàu chuaån

Ñaàu ño

A

B

• Daây buø ( cöïc nhieät ñieän keùo daøi ) : trong tröôøng hôïp caëp nhieät ñieän ( A - B) laø kim loaïi ñaét tieàn ( platin vaø hôïp kim platin vaø Rhodium) ño nhieät ñoä cao khoâng theå keùo daøi . Khi ñoù duøng cöïc nhieät ñieän keùo daøi A’coù cuøng heä soá nhieät ñieän vôùi A vaø B’ coù cuøng heä soá nhieät B ( trong khoaûng nhieät ñoä hoaït ñoäng cuûa moái noáiA - A’, B – B’ ñeå khoâng phaùt sinh caëp nhieät ñieän môùi.

• Khi nhieät ñoä ñaàu chuaån thay ñoåi theo nhieät ñoä moâi tröôøng, ta duøng nhieät ñieän trôû laø phaàn töû cuûa caàu ño Wheatstone thay ñoåi theo ñeå coù ñieän aùp ra cuûa caàu thay ñoåi ñeå buø vôùi söï thay ñoåi ñieän aùp ra cuûa caëp nhieät ñieän do söï thay ñoåi nhieät ñoä ñaàu chuaån.

Chuong 6 - 26

Caëp nhieät ñieän Nh. ñoä söû duïng

E (mV) Caáp chính xaùc

Cu / Constantan – 270oCñeán 370oC

– 6,258ñeán

19,027

2%töø –100oC ñeán – 40oC

Loaïi T(ñöôøng kính 1,63

mm)

0,8%töø –40oC ñeán 100oC

0,75töø 100oC ñeán 350oC

Fer / ConstantanLoaïi J

(ñöôøng kính 3,25 mm)

– 210oCñeán 800oC

– 8,096ñeán

45,498

3oCtöø 0oC ñeán 400oC

0,75%töø 400oC ñeán 800oC

Chromel / Alumel – 270oCñeán 1250oC

– 5,354ñeán

50,633


Loaïi K(ñöôøng kính 3,25 mm)

0,75%töø 400oC ñeán 12500C

Chuong 6 - 27

Chromel/Constantan – 270oCñeán 870oC

– 9,835mVñeán

66,473


Loaïi E(ñöôøng kính 3,25

mm)


Platine – Rhodium(10%) / Platine

– 50oCñeán 1500oC

– 0,236 mV

ñeán 15,576

2,5oCtöø 0oC ñeán 600oC

Loaïi S(ñöôøng kính 0,51

mm)


Platine – Rhodium(13%) / Platine

Loaïi R(ñöôøng kính 0,51

mm)

–50ñeán 1500oC

– 0,226mVñeán

17,445

1,4oCtöø 0oC ñeán 538oC

0,25%töø 538oC ñeán 15000C

Platine – Rhodium(30%)/Platine – Rhodium (6%)

Loaïi B (ñöôøng kính 0,51 mm)

0oCñeán 1700oC

0mVñeán

12,426


Tungsteøne – Rheùnium (5%)/

Tungsteøne – Rheùnium (26%)

0oCñeán 2760oC

0mVñeán 38,45

Chuong 6 - 28

6.6. 2 Caûm bieán aùp ñieän :• Caáu taïo : vaät lieäu daïng tinh theå coù hieäu öùng piezoelectric ( aùp ñieän ) nhö thaïch anh (quartz, tourmaline, muoái Rochelle, Titanate barium …).• Nguyeân lyù: - Hieäu öùng thuaän: khi tinh theå bò bieán daïng bôûi ñaïi löôïng ño thì xuaát hieän ñieän tích ôû 2 beà maët ñoái cuûa tinh theå. ( duøng laøm caûm bieán ño ) - Hieäu öùng nghòch : khi tinh theå trong vuøng ñieän tröôøng thì bò bieán daïng ( duøng trong maïch dao ñoäng ñeå oån ñònh taàn soá dao ñoäng) • Khi tinh theå bò bieán daïng döôùi taùc ñoäng cuûa löïc F treân beà maët A cuûa tinh theå, ñieän tích Q xuaát hieän :

• Q = d F , d: ( coulomb/ m2 )/ ( newton/ m2 ) haèng soá aùp ñieän cuûa tinh theå

• ñieän aùp E = g t p , g [ ( V / m ) / ( N/ m2 ) ] : ñoä nhaïy ñieän aùp cuûa tinh theå

• d coøn phuï thuoäc vaøo phöông caét vaø phöông, chieàu cuûa löïc taùc ñoäng vaøo tinh theå.( xem baûng cho bieát d& g cuûa caùc vaät lieäu sau ñaây

• thí duï tinh theå thaïch anh :( X cut, length alongY ), löïc taùc ñoäng theo phöông truïc X thì coù ñieän tích q1

Maãu thaïch anh daïng Curie

Chuong 6 - 29

xuaát hieän ôû 2 maët thaúng goùc truïc X. q1 = 2,25 x 10– 12 Fx ( theo phöông X ) vaø q1 = - 2,25 x 10– 12 Fy ( theo phöông Y ). • neáu chieàu daøi theo phöông X ( beà daày) : q1 = - 2,04 x 10–

12 Fx ( theo phöông X ) . Caàn phaûi quan taâm ñeán vieäc phöông caét tinh theå aùp ñieän.

Chuong 6 - 30

• Ñaïi löôïng ño: caûm bieán aùp ñieän duøng ño gia toác,ñoä rung vaø ñòa chaán vaø ñöôïc duøng laøm ñaàu doø cho maùy ño sieâu aâm ( chuyeån ñoåi soùng cô sang tín hieäu ñieän vaø ngöôïc laïi) vì caùc tinh theå aùp ñieän coù ñaùp öùng toát ôû taàn soá cao.

Caùc kieåu gia toác keá aùp ñieän loaïi neùn

• Sai soá cuûa caûm bieán aùp ñieän: do coù aûnh höôûng bôûi söï thay ñoåi cuûa ñieän moâi tinh theå theo nhieät ñoä cuûa moâi tröôøng.

gia toác keá aùp ñieän chaán ñoäng

Chuong 6 - 31

6. 6. 3 Caûm bieán ño toác ñoä : (tachometer )• Caáu taïo : coù nam chaâm (phaàn coá ñònh, stator), cuoän daây ( phaàn quay, rotor). Choåi than queùt treân coå goùp laáy ñieän aùp ra DC.• Nguyeân lyù : ñieän aùp ra DC tæ leä vôùi vaän toác quay ñoái töôïng ño ñöôïc gheùp truïc vôùi truïc quay mang cuoän daây. • loaïi ñieän aùp ra AC ñoàng boä vaø khoâng ñoàng boä.

Caáu taïo toác ñoä keá ñieän töø DC

Maùy phaùt AC ñoàng boä a) Moät pha hai cöïc; b) Ba pha boán cöïc ñöôïc noái hình sao

maùy phaùt AC khoâng ñoàng boä

Chuong 6 - 32

6. 6. 4 Caûm bieán quang ñieän aùp : ( photovoltaic )

• Caáu taïo quang ñieän aùp gioáng nhö diod quang. Quang ñieän aùp khoâng ñöôïc phaân cöïc.• Hoaït ñoäng tuyeán tính hoaëc logarit tuøy theo caùch maéc maïch.• tröôøng hôïp quang thoâng nhoû: VCO =

• tröôøng hôïp quang thoâng lôùn :

VCO =

IO : doøng ñieän ræ raát nhoû khi khoâng coù aùnh saùng

ICC : doøng ngaén maïch cuûa quang ñieän aùp.( ngoû ra cuûa quang ñieän aùp coù Rm raát nhoû)IP : doøng quang ñieän ñöôïc taïo ra khi coù quang thoâng.VCO : ñieän aùp hôû maïch

Caùch maéc quang ñieän aùp : a) tuyeán tính. b) logarit

Doøng ngaén maïch theo quang thoâng ï

. ; pcc p

o

IKTI I

q I

. ; pcc p

o

IKTLog I I

q I

Chuong 6 - 33

a)Caùch maéc tuyeán tính: coù doøng ñieän ngaén maïch Icc, Vo = Rm.Icc b)Caùch maéc logarit: coù ñieän aùp hôû maïch VCO ,

•Ñaëc tính cuûa quang ñieän aùp gioáng nhö quang ñieän trôû phuï thuoäc vaøo phoå λ cuûa nguoàn saùng vaø nhaïy vôùi nhieät ñoä moâi tröôøng.

•Ñaïi löôïng ño : caûm bieán ño trong maùy ño ñoä saùng( luxmeter ),quang phoå keá( spectrometer ) duøng trong lónh vöïc hoùa phaân tích,quang hoûa keá ( pyrometer) ño nhieät ñoä duøng söï böùc xaï aùnh saùng töø nguoàn nhieät ôû nhieät ñoä cao ( vaøi ngaøn ñoä trôû leân)

o CoR

V VR

( ) 2

1

1

Chuong 6 - 34

6. 7 CAÛM BIEÁN DAÏNG DOØNG ÑIEÄN 6. 7 . 1 Caûm bieán hieäu öùng Hall :• Caáu taïo : vaät lieäu baùn daãn (GaAs, InAs,InSb) coù doøng ñieän phaân cöïc I ñi qua theo phöông cuûa truïc X, trong vuøng töø tröôøng theo phöông truïc Z.• nguyeân lyù hoïat ñoäng: Ex ñieän tröôøng do coù söï phaân cöïc cuûa doøng ñieän I do ñieän aùp V = Ex . L.• Hieäu öùng Hall do löïc Laplace FL taùc ñoäng leân ñieän tích chaïy theo phöông X , q laø ñieän tích vaø µ laø ñoä linh ñoäng:

Caûm bieán duøng hieäu öùng Hall

FL = q EX BN

EY = EX BN

•löïc naày laøm tích tuï ñieän tích aâm vaø döông taïi 2 beà maët thaúng goùc truïc Y taïo ra ñieän tröôøng EY cho ñeán khi löïc Laplace theo phöông Y baèng phöông X:

• Ñieän aùp giöõa 2 beà maët theo phöông cuûa truïc Y laø ñieän aùp Hall: VH = - l EX BN ( l beà roäng tinh theå ) Do ñoù eVH = KH I BN ( e, beà daày ; I = qµelEX , I doøng ñieän phaân cöïc vaø KH = - 1 / qn, haèng soá Hall cuûa vaät lieäu)

Chuong 6 - 35

6 .7. 2 Caûm bieán DIOD vaø TRANSISTOR ño nhieät ñoä:

a) Diod; b) Transistor maéc nhö diod c) Hai transistor gioáng nhau ñöôïc maéc nhö diod

• diod vaø transistor ñöôc phaân cöïc doøng ñieän I, ñöôïc duøng laøm caûm bieán ño nhieät ñoä.• Ñoä nhaïy nhieät : S = dV/dT = - 2 ,5mV/0 C• Taàm ño nhieät ñoä – 50 0

C ñeán 150 0 C

Caûm bieán transistor ño nhieät ñoä

Chuong 6 - 36

6 .7. 2 Caûm bieán DIOD QUANG vaø TRANSISTOR QUANG

Maïch phaân cöïc cho diod quang

• Maïch phaân cöïc cho diod quang : phaân cöïc nghòch• khi quang thoâng baèng khoâng ( vuøng toái ) : doøng Ir doøng ñieän nghòch nhoû (nA).• khi coù aùnh saùng chieáu vaøo Ir = IΦ doøng quang ñieän tæ leä vôùi quang thoâng vaø ñoä daøi soùng λ .• Maïch ñieän töông ñöông rd coù trò soá raát lôùn, rs trò soá vaøi chuïc ohm.• Doøng quang ñieän coøn phuï thuoäc nhieät ñoä.söï thay ñoåi trò soá 0,1%/ 0 C . • Trò soá Cd coù trò soá nhoû cho ñaùp öùng vôùi taàn soá cao.

Maïch ñieän töông ñöông cuûa diod quang

• Caùch maéc diod quang vôùi maïch khueách ñaïi cho doøng quang ñieän tuyeán tính vaø ñaùp öùng taàn soá cao vaø coù maïch khueách ñaïi baêng thoâng roäng.

Chuong 6 - 37

a) Caùch phaân cöïc cho transistor quang; b) Maïch töông ñöôngc) söï di chuyeån caùc ñieän tích töï do khi coù söï chieáu saùng cöïc neàn

Transistor quang:• cöïc neàn cuûa transistor khoâng phaân cöïc, cöïc C vaø E ñöôïc phaân cöïc nhö transistor thöôøng.• Doøng IE = ( β + 1) ( Io + Ip ); Io doøng phaân cöïc nghòch C- B khi khoâng coù quang thoâng ( khoaûng nA ) vaø phuï thuoäc nhieät ñoä ; Ip doøng quang ñieän chaïy qua cöïc neàn thu khi coù quang thoâng.

Caùch maéc transistor quang cho pheùp gia taêng vaän toác chuyeån

ñoåi a) Caùch maéc cöïc neàn chung; b)

Bieán ñoåi doøng - aùp

6.5 caÛm bieÁn ÑieÄn dung ( capacitive transducer )

Documents