Bài giảng Kỹ thuật cảm biến - Nguyễn Thị Lan Hương

thµnh ®iÖn ¸p 
hoÆc tÇn sè c¶m biÕn däc
®o lùc
c¶m biÕn ngang bï
nhiÖt ®é
105
Ví dụ
Siemens chÕ t¹o loadcell SiwarexK víi c¸c th«ng sè sau
T¶i träng 2.8 6 13 28 60 130 280 tÊn
Sai sè 0.2% 0.1%
HÖ sè nhiÖt ®é 0.050%/ 0C.
®é nh¹y 1.5mV/V
§iÖn trë ra 245 ± 0.2Ω
§iÖn trë c¸ch ®iÖn >20MΩ
106
Ví dụ
107
Lùc kÕ kiÓu biÕn d¹ng 
BiÕn d¹ng ®−îc tÝnh
F - lùc t¸c ®éng lªn loadcell
S- tiÕt diÖn phÇn tö ®µn håi
E - modul ®µn håi thÐp lµm loadcell
C¶m biÕn ®iÖn trë lùc c¨ng ®−îc nu«i cÊy trªn phÇn tö ®µn håi. Nã gåm 4 ®Þªn
trë, 2®iÖn trë däc lµ ®iÖn trë t¸c dông, 2 ®iÖn trë ngang lµ ®iÖn trë bï nhiÖt ®é. 4 
®iÖn trë nµy ®−îc nèi thµnh cÇu hai nh¸nh ho¹t ®éng. §iÖn ¸p ë chÐo cÇu:
UCC - ®iÖn ¸p cung cÊp cho cÇu
- biÕn thiªn ®iÖn trë do biÕn d¹ng cña phÇn tö ®µn håi
εl - biÕn d¹ng tÝnh theo c«ng thøc trªn
k - ®é nh¹y cña c¶m biÕn ®iÖn trë lùc c¨ng.
Khi chÕ t¹o xong nhµ chÕ t¹o cho ta ®é nh¹y cña load cell lµ (mV/V)
SE
F
l =ε
l
CCCC k
U
R
RU
U ε=
∆
⋅=∆
22
R
R∆
108
Lùc kÕ kiÓu biÕn d¹ng xuyÕn
Fεng
εd
a) b) c)
a) biÕn d¹ng ngang vµ däc cña dÇm h×nh xuyÕn. b) cÊu t¹o bªn ngoµi cña c¶m biÕn
sirieR cña Siemens. c) cÊu t¹o vµ kÝch th−íc cña c¶m biÕn
109
Mođun đàn hồi của một số vật liệu như sau
110
B, Lùc kÕ kiÓu di chuyÓn
Mét phÇn tö hay mét dÇm ®µn håi, lóc chÞu t¸c dông
cña mét lùc, sÏ cã biÕn d¹ng vµ t¹o ra di chuyÓn (kÕt
cÊu c«ng x«n)
h
h
F
la)
F
lb)
a) DÇm c«ng x«n tiÕt diÖn ®Òu
b) DÇm d¹ng c«ng x«n øng suÊt ®Òu EJ
Fl
2
1 3
=δ
111
B, Lùc kÕ kiÓu di chuyÓn (2)
Lùc kÕ dÇm c«ng
x«n kÐp
Lùc kÕ dÇm kÐo
Lùc kÕ nÐn h×nh
xuyÕn
Lùc kÕ kÐo hai ®Çu
dïng biÕn trë
EJ
Fr
149.0
3
v −=δ
112
3.3. §o ¸p suÊt
S
F
P =¸p suÊt:
F- lùc t¸c dông lªn bÒ mÆt t¸c dông
S- DiÖn tÝch thµnh cña mÆt t¸c dông
• ¸p suÊt tuyÖt ®èi
• ¸p suÊt t−¬ng ®èi
• ®¬n vÞ ®o
• Mü th−êng dïng ®¬n vÞ psi
113
Biến dạng màng
pe- ¸p suÊt, biÕn ®Çu vµo
IA, UH - tÝn hiÖu vµo vµ nguån cung cÊp
1 -èng dÉn kÕt nèi
2 -mµng ch¾n
3 -chÊt láng ®Ó truyÒn ¸p suÊt
4 -c¶m biÕn ®Þªn trë løc c¨ng mµng silic
5 -khuÕch ®¹i ®o l−êng
6 -chuyÓn ®æi ¸p tÇn
7 -vi ®iÒu khiÓn
8 -chuyÓn ®æi sè t−¬ng tù
9 -hiÖn thÞ t−¬ng tù ( lùa chän)
114
§o ¸p suÊt
d
2R
P
εt
BiÕn d¹ng ε d−íi t¸c
dông cña P
2
49.0
Ed
PR
−=ε
Ap suÊt ®−îc truyÒn lªn mét mµng ®o, 
lµ mét mµng biÕn d¹ng trªn Êy cã mét
cÇu ®o b»ng 4 ®iÖn trë lùc c¨ng b¸n
dÉn. Trªn mµng biÕn d¹ng nµy biÕn
d¹ng ε (ë t©m) ®−îc tÝnh:
øng suÊt ë biªn
2
2
75.0
d
PR
b −=σ
Di chuyÓn t¹o nªn ë t©m mµng
3
4
17.0
Ed
PR
=δ
115
¸p suÊt MPX ( sö dông c¶m biÕn Piezo)
116
117
118
§Æc tuyÕn cña c¶m biÕn lo¹i nµy
119
3.5. §o hiÖu ¸p suÊt
1 - §Çu nhËn ¸p suÊt P1P2; 2 - th©n cña bé biÕn ®èi
3- ChÊt láng truyÒn ¸p suÊt 4 - mµng máng
5 - vßng O; 6 - gi÷a cña mµng
7 - c¶m biÕn ®iÖn trë lùc c¨ng silic
8 - khuÕch ®¹i ®o l−êng
9 - chuyÓn ®æi ¸p tÇn; 10 - vi xö lý
11 - chuyÓn ®æi sè t−¬ng tù; 12 - LCD
13 - chØ thÞ t−¬ng tù
2 - 60 mbar lo¹i C 
8.3 - 250 mbar lo¹i D 
20 - 600 mbar lo¹i E 
53 -1600 mbar lo¹i 
F160 - 5000 mbar lo¹i G
120
121
3.6. §o l−u tèc- hiÖu ¸p suÊt
•Mét trong nh÷ng ph−¬ng ph¸p ®−îc dïng rÊt nhiÒu trong C«ng nghiÖp lµ c¶m
biÕn hiÖu ¸p suÊt. 
• Trong mét èng dÉn chÊt láng hoÆc khÝ, khi cã mét vËt ch¾n ®Æt trªn èng dÉn th×
dßng ch¶y bÞ rèi vµ t¹o ra mét hiÖu ¸p suÊt tr−íc vµ sau vËt ch¾n. Theo c«ng thøc
Berloulli
ρµ=
ρ
µ= hSkq
h
Skq gv
qV - l−u tèc tÝnh b»ng thÓ tÝch cña chÊt láng.
qg - l−u tèc tÝnh b»ng träng l−îng cña chÊt láng.
k- HÖ sè phô thuéc vµo h×nh d¸ng hÖ sè biÕn ®æi kÝch th−íc gi÷a èng vµ lç
ch¾nvv..
µ - ®é nhít cña chÊt láng.
S- DiÖn tÝch cña èng dÉn
h- hiÖu ¸p suÊt tr−íc vµ sau lç ch¾n.
ρ- träng l−îng riªng cña chÊt láng.
122
Công thức Bernoulli
123
Màn chắn
q 0 1 3 5 8 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100%
∆
p
0 0.0
1
0.09 0.2
5
0.6
4
1 4 9 16 25 36 49 64 81 100%
124
125
B. L−u tèc kÕ kiÓu c¶m øng
ChÊt láng ®−îc chuyÓn trong mét èng c¸ch ®iÖn (Teflon) 2 ®iÖn cùc ®Æt vu«ng
gãc víi tõ tr−êng t¸c ®éng, ®Æt ®èi t©m qua èng dÉn. Quan hÖ gi÷a søc ®iÖn
®éng c¶m øng vµ l−u tèc cho bëi e = BdV
e- søc ®iÖn ®éng c¶m øng (V)
B - tõ c¶m øng cña tõ tr−êng xuyªn qua chÊt láng (Tesla)
d- ®−êng kÝnh trong cña èng (m)
V- tèc ®é trung b×nh cña chÊt láng (m/s)
126
127
C. L−u tèc kÕ kiÓu siªu ©m
F¸t SA Thu 
SA
V
C
¸p ®iÖn
thµnh
èng
tinh thÓ ¸p 
®iÖn
a) HiÖu øng Doppler trong ®o l−u tèc b»ng siªu ©m. 
b) nguyªn lý m¸y ®o l−u tèc b»ng siªu ©m
NÕu bé ph¸t siªu ©m vµ bé phËn thu ®Æt c¸ch nhau 1 kho¶ng D, ta cã thêi gian
truyÒn cña sãng siªu ©m tõ ®Çu ph¸t ®Õn ®Çu thu:
ThuËn chiÒu Ng−îc chiÒu
vµ ta cã
VC
D
T
+
=1 VC
D
T
−
=2
)(
2
211
21
21
FF
D
v
D
v
TT
−=→=−
128
Vận tốc của âm thanh trong các môi trường khác
nhau
129
130
D. L−u tèc kiÓu c¸nh qu¹t
§o tèc ®é quay cña c¸ch qu¹t cã thÓ suy ra v.
131
Chương 4. Thiết bị đo mức
133
4.1. §o møc b»ng ph−¬ng ph¸p phao næi
Hch
R
puli
sensor quang
hx
hmøc
Khi qu¶ nÆng r¬i xuèng puli quay vµ gãc quay biÕn
thµnh sè xung
αx - gãc quay
NX - sè xung ®Õm ®−îc
α0 - gãc cña mét l−îng tö gãc quay 
n- sè xung t−¬ng øng víi 1 vßng quay cña
encoder.
Ng−êi ta bè trÝ nh− sau: Khi qu¶ nÆng ®i qua mét
®iÓm chuÈn, mét tÕ bµo quang ®iÖn khëi ®éng bé ®Õm. 
Khi qu¶ nÆng tiÕp xóc víi mÆt n−íc mét bé phËn tù
®éng (r¬le tíi h¹n) ®ãng m¹ch ®iÖn. Ta cã
hx = Hch - hmøc = (NX/n)2piR
Møc n−íc : hmøc= HchuÈn - hx
n
pi
=α
2
0
134
Biến trở trượt
135
136
Ví dụ Phương pháp kiểu phao
137
4.2. Phương pháp mức áp suất
¸p suÊt d−íi ®¸y cña mét cét n−íc
®−îc tÝnh
P = ρh.
P- ¸p suÊt ë ®¸y cét n−íc
ρ - träng l−îng riªng cña chÊt láng
h- chiÒu cao cét n−íc hay møc
n−íc
138
Ví dụ:
• Tính tóan áp suất của cột nước cao 5m ?
– Trọng lượng riêng của nước 9800N/m3
– Áp suất của cột nước
9800 x 5m = 49 kN/m2 = 49kPa
139
140
4.3. Ph−¬ng ph¸p ®Þªn dung ®o møc
§iÖn dung cña mét tô ph¼ng ®−îc tÝnh
C- ®iÖn dung cña tô ®iÖn
ε - h»ng sè ®Þªn m«i cña chÊt c¸ch ®iÖn gi÷a hai b¶n cùc
d - kho¶ng c¸ch c¸c ®iÖn cùc
Khi møc dÇu ë 0 tøc lµ trong thïng kh«ng cã dÇu, ta cã
C0 - ®iÖn dung cña tô khi ®iÖn m«i lµ kh«ng khÝ
h - chiÒu cao b¶n cùc
b - chiÒu réng b¶n cùc
d - kho¶ng c¸ch c¸c b¶n cùc
Khi ®Çy dÇu
Khi dÇu ë møc hx ta chia ®−îc thµnh hai phÇn
§o Cx cã thÓ suy ra hx. Trong c¶m biÕn nµy C0, CX ®Òu nhá (cì pF) v×
thÕ nªn m¹ch ®o th−êng dïng ë tÇn sè cao.
d
S
C
ε
=
d
hb
C 00
ε
=
d
hb
C dd
ε
=
d
hhb
d
bh
C xxdx
)(0 −ε+
ε
=
141
• Ngày 26 tháng 3 học môn KT Cảm biến
• Tiết 2-3
142
Ví dụ đối với nước
143
Công thức tính tóan tụ điện
144
Hằng số điện môi
145
146
147
4.4. Dïng siªu ©m ®Ó ®o møc
H
hm
hx
F¸t
SA
Thu 
SA
Néi dung ph−¬ng ph¸p nh− sau: ë trªn ®Ønh xil« ®Æt
mét nguån ph¸t siªu ©m m¹nh. Nguån ph¸t ph¸t ra
luång siªu ©m theo chiÒu xuèng ®¸y xil«. Khi luång
siªu ©m gÆp mÆt chÊt láng (hoÆt h¹t) nã ph¶n x¹ lªn vµ
®Õn ®Çu thu, thêi gian tõ lóc ph¸t ®Õn lóc thu
TX - thêi gian tõ lóc ph¸t ®Õn lóc thu siªu ©m
hx - kho¶ng c¸ch tõ ®Ønh xil« ®Õn mÆt chÊt láng.
C - tèc ®é truyÒn siªu ©m trong kh«ng khÝ (vµo
kho¶ng 300m/s). 
C
h
T xX
2
=
Chương 5 . Phương pháp đo thông số chuyển
động và kích thước hình học
149
C¸c th«ng sè chuyÓn ®éng
Di chuyÓn hay kho¶ng dêi A
Tèc ®é chuyÓn ®éng
Gia tèc chuyÓn ®éng
§èi víi chi tiÕt giao ®éng h×nh sin th× tèc ®é giao
®éng
Gia tèc
dt
dA
v =
2
2
dt
Ad
dt
dv
==γ
tcosA
dt
)tsinA(d
v m
m
i ωω=
ω
=
tsinA
dt
dv 2
mt ωω==γ
150
5.1. §o di chuyÓn
• Phương pháp phát tia lade/rada với khoảng cách xa- thông
qua thời gian truyền sóng
• Tính góc lệch pha của sóng
• Phương pháp quang học
• Phương pháp thông qua vận tốc quay
151
Phương pháp thời gian truyền
• Xác định thời gian truyền sóng
• TOF tính theo biên độ phản xạ lớn nhất
152
Di chuyển theo góc lệch pha
153
154
B. §o di chuyÓn kiÓu ®Üa quang
155
Ví dụ: Encorder
156
Φ TX K§T §X CT
§K
Φ - Photo®ièt
TX - T¹o xung
K§T- Kho¸ ®iÖn tö
§X- §Õm xung
CT- ChØ thÞ
§k - ®iÒu khiÓn
5.2. §o vËn tèc
Sö dông m¸y ph¸t tèc: mét chiÒu vµ xoay chiÒu
Søc ®iÖn ®éng c¶m øng: E= KφWn
tsinmaxt ωΨ=Ψ
Søc ®iÖn ®éng c¶m øng dt
d
e t
Ψ
= tcosEtcose mmax ω=ωωΨ=
157
5.3. Tèc kÕ
Tèc ®é kÕ mÉu c¶m biÕn
1- §Üa nh«m; 2- kim chØ; 4- lß xo 
ph¶n kh¸ng
Mq=KI.B.IC
R
BK
R
E
I 2cuc
ω
== ω=
R
BKK
M
2
21
q
α=K.ω hay α=Kn.
A. kiÓu c¶m øng
158
B. Gia tèc kÕ kiÓu ¸p ®iÖn
Gia tèc kÕ kiÓu ¸p ®iÖn
1- Th©n c¶m biÕn; 2- Ren
b¾t vµo ®èi t−îng; 3-
ChuyÓn ®æi ¸p ®iÖn ; 4-
Khèi qu¸n tÝnh; 5- ®Çu d©y
ra; 6- c¸p ®ång trôc
§iÖn tÝch sinh ra trong chuyÓn ®æi ¸p ®iÖn q=d1F
q g©y ra ®iÖn ¸p trªn ®iÖn cùc cña chuyÓn ®æi ¸p ®iÖn
q=CU γ=
C
Md
U 1
159
160
C. §o gia tèc kiÓu ®iÖn dung
161
162
163
5.6.Đo mômen xoắn- công suất
• Công thức tính công suất của một vật chuyển động
– N=M.ω
• Trong đó: M- mômen xoắn (N.m); ω- vận tốc góc
164
Giản đồ bố trí các thiết bị được dùng để đo
mômen và công suất
165
Phương pháp đo góc lệch của 2 cuộn dây cảm ứng
166
5.7. Các loại cảm biến tiệm cận
• Từ tính
• Cảm ứng
• Siêu âm
• Vi sóng
• Quang
• Điện dung
167
Cảm biến tiệm cận từ
• Công tắc từ ( Geskon??)
• Có thể dùng cảm biến Hall
168
A. C¶m biÕn Hall ®o di chuyÓn
Di chuyÓn gãc
Di chuyÓn th¼ng
169
Hiệu ứng Hall
• Sức điện động Hall được tính
• Cường độ điện trường H
– Trong đó : N – số điện tử tự do;
• Cường độ ánh sáng c
170
Mạch tương đương của cảm biến Hall
171
Ví dụ: Một số đặc tính của cảm biến Hall
172
173
174
Cảm biến tiệm cận cảm ứng
• Sơ đồ khối của cảm biến tiệm cận kiểu ECKO
175
Cảm biến tiệm cận điện dung
• Tương tự cảm biến điện cảm- Con phát hiện được cảm
biến điện môi.
176
Sơ đồ mạch đo
177
A capacitive probe with a guard ring: (A) cross-sectional view; (B) outside 
view.
(Courtesy of ADE Technologies, Inc., Newton, MA.)
178
Cảm biến tiệm cận kiểu siêu âm
179
Cảm biến tiệm cận kiểu vi sóng
180
Cảm biến tiệm cận quang
181
182
C¶m biÕn c¸p sîi quang
183
Ví dụ đo vị trí
184
185