Giáo trình Đo lường. Cảm biến

hời gian giảm tc là thời gian cần thiết để đại lượng đầu ra giảm từ 10% đến 90% biến thiên biến thiên tổng cổng của nó. Các thông số về thời gian tr, tdm, tm, tdc, tc của cảm biến cho phép ta đánh giá về thời gian hồi đáp của nó. 6.1.2.5. Giới hạn sử dụng của cảm biến Trong quá trình sử dụng, các cảm biến luôn chịu tác động của ứng lực cơ học, tác động nhiệt... Khi các tác động này vượt quá ngưỡng cho phép, chúng sẽ làm thay đổi đặc trưng làm việc của cảm biến. Bởi vậy khi sử dụng cảm biến, người sử dụng cần phải biết rõ các giới hạn này.  Vùng làm việc danh định Vùng làm việc danh định tương ứng với những điều kiện sử dụng bình thường của cảm biến. Giới hạn của vùng là các giá trị ngưỡng mà các đại lượng đo, các đại lượng vật lý có liên quan đến đại lượng đo hoặc các đại lượng ảnh hưởng có thể thường xuyên đạt tới mà không làm thay đổi các đặc trưng làm việc danh định của cảm biến. 53  Vùng không gây nên hư hỏng Vùng không gây nên hư hỏng là vùng mà khi mà các đại lượng đo hoặc các đại lượng vật lý có liên quan và các đại lượng ảnh hưởng vượt qua ngưỡng của vùng làm việc danh định nhưng vẫn còn nằm trong phạm vi không gây nên hư hỏng, các đặc trưng của cảm biến có thể bị thay đổi nhưng những thay đổi này mang tính thuận nghịch, tức là khi trở về vùng làm việc danh định các đặc trưng của cảm biến lấy lại giá trị ban đầu của chúng. 6.2 Ph©n lo¹i c¶m biÕn 6.2.1 ph©n lo¹i theo nguyªn lý chuyÓn ®æi C¶m biÕn ®îc gäi tªn theo nguyªn lý chuyÓn ®æi sö dông trong c¶m biÕn. Nh- ững c¶m biÕn ®iÖn trë-c¶m biÕn cã chuyÓn ®æi lµ ®iÖn trë, c¶m biÕn ®iÖn tõ-c¶m biÕn cã chuyÓn ®æi lµm viÖc theo nguyªn lý vÒ lùc ®iÖn tõ c¸c ®¹i lîng kh«ng ®iÖn cÇn ®o ®- îc biÕn ®æi thµnh sù thay ®æi cña c¸c th«ng sè như ®iÖn c¶m hç c¶m hoÆc tõ th«ng, c¶m biÕn hãa ®iÖn- chuyÓn ®æi lµm viÖc dùa trªn hiÖn tîng hãa ®iÖn 6.2.2 Ph©n lo¹i theo tÝnh chÊt nguån - C¶m Ph¸t ®iÖn: c¶m biÕn cã ®¹i lîng ra lµ ®iÖn ¸p U, søc ®iÖn ®éng E, dßng ®iÖn I cßn ®Çu vµo lµ c¸c ®¹i lîng kh«ng ®iÖn cÇn ®o - C¶m biÕn th«ng sè: c¶m biÕn cã ®¹i lîng ra lµ c¸c th«ng sè nh: ®iÖn trë R, ®iÖn c¶m L, hç c¶m M ®Çu vµo lµ c¸c ®¹i lượng kh«ng ®iÖn cÇn ®o 6.2.3 Ph©n lo¹i theo ph¬ng ph¸p ®o - C¶m BiÕn cã chuyÓn ®æi biÕn ®æi trùc tiÕp - C¶m biÕn cã chuyÓn ®æi bï 6.3 C¸c hiÖu øng thêng dïng trong c¶m biÕn  Hiệu ứng nhiệt điện Hai dây dẫn (M1) và (M2) có bản chất hoá học khác nhau được hàn lại với nhau thành một mạch điện kín, nếu nhiệt độ ở hai mối hàn là T1 và T2 khác nhau, khi đó trong mạch xuất hiện một suất điện động e(T1, T2) mà độ lớn của nó phụ thuộc chênh lệch nhiệt độ giữa T1 và T2. T1 T2 (M2) (M1) (M2) e  T1 54 Hình 6.2 Sơ đồ hiệu ứng nhiệt điện Hiệu ứng nhiệt điện được ứng dụng để đo nhiệt độ T1 khi biết trước nhiệt độ T2, thường chọn T2 = 0 o C.  Hiệu ứng hoả điện Một số tinh thể gọi là tinh thể hoả điện (ví dụ tinh thể sulfate triglycine) có tính phân cực điện tự phát với độ phân cực phụ thuộc vào nhiệt độ, làm xuất hiện trên các mặt đối diện của chúng những điện tích trái dấu. Độ lớn của điện áp giữa hai mặt phụ thuộc vào độ phân cực của tinh thể hoả điện. v Φ Hình 6.3 Ứng dụng hiệu ứng hỏa điện Hiệu ứng hoả điện được ứng dụng để đo thông lượng của bức xạ ánh sáng. Khi ta chiếu một chùm ánh sáng vào tinh thể hoả điện, tinh thể hấp thụ ánh sáng và nhiệt độ của nó tăng lên, làm thay đổi sự phân cực điện của tinh thể. Đo điện áp V ta có thể xác định được thông lượng ánh sáng Φ.  Hiệu ứng áp điện Một số vật liệu gọi chung là vật liệu áp điện (như thạch anh chẳng hạn) khi bị biến dạng dước tác động của lực cơ học, trên các mặt đối diện của tấm vật liệu xuất hiện những lượng điện tích bằng nhau nhưng trái dấu, được gọi là hiệu ứng áp điện. Đo V ta có thể xác định được cường độ của lực tác dụng F V F Hình6 .4 Ứng dụng hiệu ứng áp điện  Hiệu ứng cảm ứng điện từ Khi một dây dẫn chuyển động trong từ trường không đổi, trong dây dẫn xuất hiện một suất điện động tỷ lệ với từ thông cắt ngang dây trong một đơn vị thời gian, nghĩa là tỷ lệ với tốc độ dịch chuyển của dây. Tương tự như vậy, trong một khung dây đặt trong từ trường có từ thông biến thiên cũng xuất hiện một suất điện động tỷ lệ với tốc độ biến thiên của từ thông qua khung dây. Φ F 55 Ω e Ω Hình 6.5 Ứng dụng hiệu ứng điện từ Hiệu ứng cảm ứng điện từ được ứng dụng để xác định tốc độ dịch chuyển của vật thông qua việc đo suất điện động cảm ứng.  Hiệu ứng quang điện - Hiệu ứng quang dẫn: (hay còn gọi là hiệu ứng quang điện nội) là hiện tượng giải phóng ra các hạt dẫn tự do trong vật liệu (thường là bán dẫn) khi chiếu vào chúng một bức xạ ánh sáng (hoặc bức xạ điện từ nói chung) có bước sóng nhỏ hơn một ngưỡng nhất định. - Hiệu ứng quang phát xạ điện tử: (hay còn gọi là hiệu ứng quang điện ngoài) là hiện tượng các điện tử được giải phóng và thoát khỏi bề mặt vật liệu tạo thành dòng có thể thu lại nhờ tác dụng của điện trường.  Hiệu ứng quang - điện - từ Khi tác dụng một từ trường B vuông góc với bức xạ ánh sáng, trong vật liệu bán dẫn được chiếu sáng sẽ xuất hiện một hiệu điện thế theo hướng vuông góc với từ trường B và hướng bức xạ ánh sáng. V Φ Hình 1.6 Ứng dụng hiệu ứng quang – điện – từ  Hiệu ứng Hall Khi đặt một tấm mỏng vật liệu mỏng (thường là bán dẫn), trong đó có dòng điện chạy qua, vào trong một từ trường B có phương tạo với dòng điện I trong tấm một góc θ, sẽ xuất hiện một hiệu điện thế VH theo hướng vuông góc với B và I. Φ B B 56 Biểu thức hiệu điện thế có dạng: VH = K H .I.B. sin θ Trong đó KH là hệ số phụ thuộc vào vật liệu và kích thước hình học của tấm vật li Hình 6.7 Ứng dụng hiệu ứng Hall Hiệu ứng Hall được dùng để xác đ ịnh v ị t r í của mộ t vậ t chuyển động. Vật cần xácđịnh vị trí liên kết cơ học với thanh nam châm, ở mọi thời điểm, vị trí thanh nam châm xác định giá trị của từ trường B và góc θ tương ứng với tấm bán dẫn mỏng làm vật trung gian. Vì vậy, hiệu điện thế VH đo được giữa hai cạnh tấm bán dẫn là hàm phụ thuộc vào vị trí của vật trong không gian. 6.4 Chuẩn cảm biến 6.4.1 Khái niệm Đường cong chuẩn cảm biến là đường cong biểu diễn sự phụ thuộc của đại lượng điện (s) ở đầu ra của cảm biến vào giá trị của đại lượng đo (m) ở đầu vào. Đường cong chuẩn có thể biểu diễn bằng biểu thức đại số dưới dạng s = F(m ) , hoặc bằng đồ thị như hình 1.1a. a b Hình 6.8 Đường cong chuẩn cảm biến a) Đường cong chuẩn b) Đường cong chuẩn cảm biến tuyến S N X B  X V S S S1 57 tính Dựa vào đường cong chuẩn của cảm biến, ta có thể xác định giá trị mi chưa biết của m thông qua giá trị đo được si của s. Để dễ sử dụng, người ta thường chế tạo cảm biến có sự phụ thuộc tuyến tính giữa đại lượng đầu ra và đại lượng đầu vào, phương trình s= F(m) có dạng s = am +b với a, b là các hệ số, khi đó đường cong chuẩn là đường thẳng (hình 1.1b). 6.4.2 Phương pháp chuẩn cảm biến Chuẩn cảm biến là phép đo nhằm mục đích xác lập mối quan hệ giữa giá trị s đo được của đại lượng điện ở đầu ra và giá trị m của đại lượng đo có tính đến các yếu tố ảnh hưởng, trên cơ sở đó xây dựng đường cong chuẩn dưới dạng tường minh (đồ thị hoặc biểu thức đại số). Khi chuẩn cảm biến, với một loạt giá trị đã biết chính xác mi của m, đo giá trị tương ứng si của s và dựng đường cong chuẩn. Hình 6.9 Phương pháp chuẩn cảm biến a, Chuẩn đơn giản Trong trường hợp đại lượng đo chỉ có một đại lượng vật lý duy nhất tác động lên một đại lượng đo xác định và cảm biến sử dụng không nhạy với tác động của các đại lượng ảnh hưởng, người ta dùng phương pháp chuẩn đơn giản. Thực chất của chuẩn đơn giản là đo các giá trị của đại lượng đầu ra ứng với các giá xác định không đổi của đại lượng đo ở đầu vào. Việc chuẩn được tiến hành theo hai cách: - Chuẩn trực tiếp: các giá trị khác nhau của đại lượng đo lấy từ các mẫu chuẩn hoặc các phần tử so sánh có giá trị biết trước với độ chính xác cao. - Chuẩn gián tiếp: kết hợp cảm biến cần chuẩn với một cảm biến so sánh đã có sẵn đường cong chuẩn, cả hai được đặt trong cùng điều kiện làm việc. Khi tác động lên hai cảm biến với cùng một giá trị của đại lượng đo ta nhận được giá trị tương ứng của cảm biến so sánh và cảm biến cần chuẩn. Lặp lại tương tự với các giá trị khác của đại lượng đo cho phép ta xây dựng được đường cong chuẩn của cảm s S2 S1 m1 m2 m 58 biến cần chuẩn. b, Chuẩn nhiều lần Khi cảm biến có phần tử bị trễ (trễ cơ hoặc trễ từ), giá trị đo được ở đầu ra phụ thuộc không những vào giá trị tức thời của đại lượng cần đo ở đầu vào mà còn phụ thuộc vào giá trị trước đó của của đại lượng này. Trong trường hợp như vậy, người ta áp dụng phương pháp chuẩn nhiều lần và tiến hành như sau: - Đặt lại điểm 0 của cảm biến: đại lượng cần đo và đại lượng đầu ra có giá trị tương ứng với điểm gốc, m=0 và s=0. - Đo giá trị đầu ra theo một loạt giá trị tăng dần đến giá trị cực đại của đại lượng đo ở đầu vào. - Lặp lại quá trình đo với các giá trị giảm dần từ giá trị cực đại. Khi chuẩn nhiều lần cho phép xác định đường cong chuẩn theo cả hai hướng đo tăng dần và đo giảm dần. 59 CHƯƠNG 7 : CẢM BIẾN ĐO NHIỆT ĐỘ Mục tiêu : Trang bị cho sinh viên kiến cơ bản về các phương pháp đo nhiệt độ, làm quen với một số thiết bị đo nhiệt độ có trên thị trường 7.1 Thang nhiệt độ, điểm chuẩn nhiệt độ. - Thang Kelvin đơn vị 0K, trong thang đo Kelvin người ta gán cho điểm nhiệt độ cân bằng của trạng thái nước, nước đá: 273,150K - Thang Celcius 0C, một độ Celcius bằng một độ Kelvin. Quan hệ giữa độ Celcius và độ Kelvin được thể hiện: T( 0 C)=T( 0 K)-273,15 - Thang Fahrenheit 0 F: T( 0 F)= 5 9 T( 0 C)+32 T( 0 C)=( T( 0 F)-32) 9 5 7.2. Cảm biến nhiệt điện trở. 7.2.1 Nguyên lý Nguyên lý chung đo nhiệt độ bằng các điện trở Là dựa vào sự phụ thuộc điện trở suất của vật liệu theo nhiệt độ. Trong trường hợp tổng quát, sự thay đổi điện trở Theo nhiệt độ có dạng: R(T) = R0.F(T-T0) R0 là điện trở ở nhiệt độ T0, F là hàm đặc trưng cho Vật liệu và F = 1 khi T = T0. Hiện nay thường sử dụng ba loại điện trở đo nhiệt độ đó là: điện trở kim loại, điện trở silic và điện trở chế tạo bằng hỗn hợp các oxyt bán dẫn. Trường hợp điện trở kim loại, hàm trên có dạng: Hình 7.1 Nhiệt kế giãn nở 2 3 1 60 R(T) = R0(1 + AT + BT 2 +CT 3 ) Trong đó nhiệt độ T đo bằng oC, T0=0 oC và A, B, C là các hệ số thực nghiệm. Trường hợp điện trở là hỗn hợp các oxyt bán dẫn: R(T)=R0.exp[ ) 11 ( 0TT B  ] T là nhiệt độ tuyệt đối, B là hệ số thực nghiệm. Các hệ số được xác định chính xác bằng thực nghiệm khi đo những nhiệt độ đã biết trước. Khi đã biết giá trị các hệ số, từ giá trị của R người ta xác định được nhiệt độ cần đo. Khi độ biến thiên của nhiệt độ ΔT (xung quanh giá trị T) nhỏ, điện trở có thể coi như thay đổi theo hàm tuyến tính: R(T+T)=R(T).(1+RT) Trong đó: dT dR TR R . )( 1  Được gọi hệ số nhiệt của điện trở hay còn gọi là độ nhạy nhiệt ở nhiệt độ T. Độ nhạy nhiệt phụ thuộc vào vật liệu và nhiệt độ. Ví dụ ở 0oC platin (Pt) có αR=3,9.10 -3 / o C. Chất lượng thiết bị đo xác định giá trị nhỏ nhất mà nó có thể đo được cũng xác định sự thay đổi nhỏ nhất của nhiệt độ có thể phát hiện được: min0 R R , Thực ra, điện trở không chỉ thay đổi khi nhiệt độ thay đổi do sự thay đổi điện trở suất mà còn chịu tác động của sự thay đổi kích thước hình học của nó. 7.2.2 Nhiệt kế điện trở kim loại  Vật liệu Yêu cầu chung đối với vật liệu làm điện trở: - Có điện trở suất ρ đủ lớn để điện trở ban đầu R0 lớn mà kích thước nhiệt kế vẫn nhỏ. - Hệ số nhiệt điện trở của nó tốt nhất là luôn luôn không đổi dấu, không triệt 61 tiêu. - Có đủ độ bền cơ, hoá ở nhiệt độ làm việc. - Dễ gia công và có khả năng thay lẫn. Các cảm biến nhiệt thường được chế tạo bằng Pt và Ni. Ngoài ra còn dùng Cu, W. - Platin : + Có thể chế tạo với độ tinh khiết rất cao (99,999%) do đó tăng độ chính xác của các tính chất điện. + Có tính trơ về mặt hoá học và tính ổn định cấu trúc tinh thể cao do đó đảm bảo tính ổn định cao về các đặc tính dẫn điện trong quá trình sử dụng. + Hệ số nhiệt điện trở ở 0oC bằng 3,9.10-3/oC. + Điện trở ở 100oC lớn gấp 1,385 lần so với ở 0oC. + Dải nhiệt độ làm việc khá rộng từ -200oC ÷ 1000oC. - Nikel: + Có độ nhạy nhiệt cao, bằng 4,7.10-3/oC. + Điện trở ở 100oC lớn gấp 1,617 lần so với ở 0oC. + Dễ bị oxy hoá khi ở nhiệt độ cao làm giảm tính ổn định. + Dải nhiệt độ làm việc thấp hơn 250oC Đồng được sử dụng trong một số trường hợp nhờ độ tuyến tính cao của điện trở theo nhiệt độ. Tuy nhiên, hoạt tính hoá học của đồng cao nên nhiệt độ làm việc thường không vượt quá 180oC. Điện trở suất của đồng nhỏ, do đó để chế tạo điện trở có điện trở lớn phải tăng chiều dài dây làm tăng kích thước điện trở. Wonfram có độ nhạy nhiệt và độ tuyến tính cao hơn platin, có thể làm việc ở nhiệt độ cao hơn. Wonfram có thể chế tạo dạng sợi rất mảnh nên có thể chế tạo được các điện trở cao với kích thước nhỏ. Tuy nhiên, ứng suất dư sau khi kéo sợi khó bị triệt tiêu hoàn toàn bằng cách ủ do đó giảm tính ổn định của điện trở. 62 Bảng 7.1 7.2.2.1Cấu tạo nhiệt kế điện trở Để tránh sự làm nóng đầu đo dòng điện chạy qua điện trở thường giới hạn ở giá trị một vài mA và điện trở có độ nhạy nhiệt cao thì điện trở phải có giá trị đủ lớn. Muốn vậy phải giảm tiết diện dây hoặc tăng chiều dài dây. Tuy nhiên khi giảm tiết diện dây độ bền lại thấp, dây điện trở dễ bị đứt, việc tăng chiều dài dây lại làm tăng kích thước điện trở. Để hợp lý người ta thường chọn điện trở R ở 00C có giá trị vào khoảng 100Ω, khi đó với điện trở platin sẽ có đường kính dây cỡ vài μm và chiều dài khoảng 10cm, sau khi quấn lại sẽ nhận được nhiệt kế có chiều dài cỡ 1cm. Các sản phẩm thương mại thường có điện trở ở 0oC là 50Ω, 500Ω và 1000Ω, các điện trở lớn thường được dùng để đo ở dải nhiệt độ thấp. - Nhiệt kế công nghiệp: Để sử dụng cho mục đích công nghiệp, các nhiệt kế phải có vỏ bọc tốt chống được va chạm mạnh và rung động, điện trở kim loại được cuốn và bao bọc trong thuỷ tinh hoặc gốm và đặt trong vỏ bảo vệ bằng thép. Trên hình 3 .2 là các nhiệt kế dùng trong công nghiệp bằng điện trở kim loại platin Thông số Cu Ni Pt W Tf ( o C) 1083 1453 1769 3380 c (JoC-1kg- 1) 400 450 135 125 λ (WoC-1m- 1) 400 90 73 120 αl x10 6 (oC) 16,7 12,8 8,9 6 ρ x108 (Ωm) 1,72 10 10,6 5,52 α x103 (oC-1) 3,9 4,7 3,9 4,5 1 2 3 8 6 5 7 4 4 63 Hình 7.2 Nhiệt kế điện - Nhiệt kế bề mặt: Nhiệt kế bề mặt dùng để đo nhiệt độ trên bề mặt của vật rắn. Chúng thường được chế tạo bằng phương pháp quang hoá và sử dụng vật liệu làm điện trở là Ni, Fe-Ni hoặc Pt. Cấu trúc của một nhiệt kế bề mặt có dạng như hình vẽ 3.3. Chiều dày lớp kim loại cỡ vài μm và kích thước nhiệt kế cỡ 1cm2. Hình 7.3 Nhiệt kế bề mặt Đặc trưng chính của nhiệt kế bề mặt: - Độ nhạy nhiệt : ~5.10-3/oC đối với trường hợp Ni và Fe-Ni ~4.10-3/oC đối với trường hợp Pt. - Dải nhiệt độ sử dụng: -195oC ÷ 260 oC đối với Ni và Fe-Ni. -260oC ÷ 1400 oC đối với Pt. Khi sử dụng nhiệt kế bề mặt cần đặc biệt lưu ý đến ảnh hưởng biến dạng của bề mặt đo. 7.2.2.2Nhiệt kế điện trở silic Silic tinh khiết hoặc đơn tinh thể silic có hệ số nhiệt điện trở âm, tuy nhiên khi được kích tạp loại n thì trong khoảng nhiệt độ thấp chúng lại có hệ số nhiệt điện trở dương, hệ số nhiệt điện trở ~0,7%/oC ở 25oC. Phần tử cảm nhận nhiệt của cảm biến silic được chế tạo có kích thước 500x500x240 μm được mạ kim loại ở một phía còn phía kia là bề mặt tiếp xúc. Trong dải nhiệt độ làm việc ( -55 ÷ 200oC) có có thể lấy gần đúng giá trị điện trở Các cảm biến theo nhiệt độ theo công thức: 64 R T = R 0 Trong đó R0 và T0 là điện trở và nhiệt độ tuyệt đối ở điểm chuẩn Sự thay đổi nhiệt của điện trở tương đối nhỏ nên có thể tuyến tính hóa bằng cách mắc them một điện trở phụ 7.2.2.3 Nhiệt kế điện trở oxyt bán dẫn *Vật liệu chế tạo Nhiệt điện trở được chế tạo từ hỗn hợp oxyt bán dẫn đa tinh thể như: MgO, MgAl2O4, Mn2O3, Fe3O4, o2O3, NiO, ZnTiO4. Trong đó R0(Ω) là điện trở ở nhiệt độ T0(K). Độ nhạy nhiệt có dạng: 2T b R     Vì ảnh hưởng của hàm mũ đến điện trở chiếm ưu thế nên biểu thức có thể viết lại: Với B có giá trị trong khoảng 3.000 - 5.000K.  Cấu tạo Hỗn hợp oxuyt được trộn theo một tỷ lệ thích hợp Sau đó được nén định dạng và thiết kế nhiệt độ tới ~ 1000oC. Các dây nối kim loại được hàn tại hai điểm trên bề mặt được phủ một lớp kim loại, mặt ngoài có thể bọc bởi một lớp thủy tinh Hình 7.4 Cấu tạo nhiệt điện trở có vỏ bọc thủy tinh Nhiệt điện trở có độ nhạy nhiệt rất cao nên có thể dùng để phát hiện những biến thiên nhiệt độ rất nhỏ cỡ 10-4 -10-3K. Kích thước cảm biến nhỏ có thể đo nhiệt độ tại từng điểm. Nhiệt dung cảm biến nhỏ nên thời gian hồi đáp nhỏ. Tuỳ thuộc thành phần chế tạo, dải nhiệt độ làm việc của cảm biến nhiệt điện trở từ vài độ đến khoảng 300oC. 65 7.3 Cảm biến cặp nhiệt. 7.3.1 Hiệu ứng nhiệt điện Phương pháp đo nhiệt độ bằng cảm biến nhiệt ngẫu dựa trên cơ sở hiệu ứng nhiệt điện. Người ta nhận thấy rằng khi hai dây dẫn chế tạo từ vật liệu có bản chất hoá học khác nhau được nối với nhau bằng mối hàn thành một mạch kín và nhiệt độ hai mối hàn là t và t0 khác nhau thì trong mạch xuất hiện một dòng điện. Sức điện động xuất hiện do hiệu ứng nhiệt điện gọi là sức điện động nhiệt điện. Nếu một đầu của cặp nhiệt ngẫu hàn nối với nhau, còn đầu thứ hai để hở thì giữa hai cực xuất hiện một hiệu điện thế. Hiện tượng trên có thể giải thích như sau: Trong kim loại luôn luôn tồn tại một nồng độ điện tử tự do nhất định phụ thuộc bản chất kim loại và nhiệt độ. Thông thường khi nhiệt độ tăng, nồng độ điện tử tăng. Giả sử ở nhiệt độ T0 nồng độ điện trở trong A là NA(t0), trong B là NB(t0) và nhiệt độ T nồng độ điện trở trong A là NA(t), trong B là NB(t), n u NA(t0) > NB(t0) thì nói chung NA(t) > NB(t). Xét đầu làm việc (nhiệt độ t ), do NA(t)T1 > NB(t) nên có sự khuyếch tán điện tử từ A→ B và ở chỗ tiếp xúc xuất hiện một hiệu điện thế eAB(t) có tác dụng hạn chế sự khuyếch Tương tự tại mặt tiếp xúc ở đầu tự do (nhiệt độ t 0 ) cũng xuất hiện một hiệu điện thế eAB(t0). Giữa hai đầu của một dây dẫn cũng có chênh lệch nồng độ điện tử tự do, do đó cũng có sự khuếch tán điện tử và hình thành hiệu điện thế tương ứng trong A là eA(t,t0) và trong B là eB(t,t0). Sức điện động tổng sinh ra do hiệu ứng nhiệt điện xác định bởi công thức sau: Phương trình gọi là phương trình cơ bản của cặp nhiệt ngẫu. Từ phương trình nhận thấy nếu giữ nhiệt độ t0 = const thì Chọn nhiệt độ ở một mối hàn t0 = const biết trước làm nhiệt độ so sánh và đo sức điện động sinh ra trong mạch ta có thể xác định được nhiệt độ t ở mối hàn thứ hai. Hình 7.5 sơ đồ nguyên lý cặp nhiệt ngẫu t0 t A B 1 2 66 Sức điện động của cặp nhiệt không thay đổi nếu chúng ta nối thêm vào mạch một dây dẫn thứ ba (hình 1.26) nếu nhiệt độ hai đầu nối của dây thứ ba giống nhau. Thật vậy: Trong trường hợp a: E ABC (t, t 0 ) = e AB (t) + e BC (t 0 ) + e CA (t 0 ) Vì: Nên: e AB (t 0 ) + e BC (t 0 ) + e CA (t 0 ) = 0 E ABC (t, t 0 ) = e AB (t) − e AB (t 0 ) Hình 7.6 Sơ đồ nối cặp nhiệt với dây dẫn thứ 3 Trường hợp b: E ABC (t, t 1 , t 0 ) = e AB (t) − e AB (t 0 ) + e BC (t 1 ) + e CB (t 1 ) e BC (t 1 ) = −e CB (t 1 ) E ABC (t, t 0 ) = e AB (t) − e AB (t 0 ) Nếu nhiệt độ hai đầu nối khác nhau sẽ làm xuất hiện sức điện động ký sinh. A B C  4 3 2 t0 t1 (a) (b) C t0 t0 2 3 67 7.3.2 Cấu tạo cặp nhiệt  Vật liệu chế tạo Để chế tạo cực nhiệt điện có thể dùng nhiều kim loại và hợp kim khác nhau. Tuy nhiên chúng phải đảm bảo các yêu cầu sau: - Sức điện động đủ lớn (để dẽ dàng chế tạo dụng cụ đo thứ cấp). - Có đủ độ bền cơ học và hoá học ở nhiệt độ làm việc. - Dễ kéo sợi. - Có khả năng thay lẫn. - Giá thành rẽ. Hình 1.27 biểu diễn quan hệ giữa sức điện động và nhiệt độ của các vật liệu dùng để chế tạo điện cực so với điện cực chuẩn platin Hình 7.7: Quan hệ giữa sức điện động và nhiệt độ - Cặp Platin - Rođi/Platin Cực dương là hợp kim Platin (90%) và rôđi (10%), cực âm là platin sạch. Nhiệt độ làm việc ngắn hạn cho phép tới 1600oC , Eđ =16,77mV. Nhiệt độ làm việc dài hạn <1300oC. Đường đặc tính có dạng bậc hai, trong khoảng nhiệt độ 0 - 300oC thì E ≈ 0. Trong môi trường có SiO2 có thể hỏng ở nhiệt độ 1000 - 1100 oC. 1 2 4 5 3 6 7 8 9 10 11 Ed T 68 Đường kính điện cực thường chế tạo  = 0,5 mm. Do sai khác của các cặp nhiệt khác nhau tương đối nhỏ nên loại cặp nhiệt này thường được dùng làm cặp nhiệt chuẩn. - Cặp nhiệt Chromel/Alumel: Cực dương là Chromel, hợp kim gồm 80%Ni + 10%Cr + 10%Fe. Cực âm là Alumen, hợp kim gồm 95%Ni + 5%(Mn + Cr+Si). Nhiệt độ làm việc ngắn hạn ~1100oC, Eđ = 46,16 mV. Nhiệt độ làm việc dài hạn < 900oC. Đường kính cực  = 3 mm. - Cặp nhiệt Chromel/Coben: Cực dương là chromel, cực âm là coben là hợp kim gồm 56%Cu + 44% Ni. Nhiệt độ làm việc ngắn hạn 800oC, Eđ = 66 mV. Nhiệt độ làm việc dài hạn < 600oC. - Cặp nhiệt Đồng/Coben: Cực dương là đồng sạch, cực âm là coben. Nhiệt độ làm việc ngắn hạn 600oC. Nhiệt độ làm việc dài hạn <300oC. Loại này được dùng nhiều trong thí nghiệm vì dễ chế tạo. Quan hệ giữa sức điện động và nhiệt độ của một số cặp nhiệt cho ở hình 3.8 Hình 7.8 Sức điện động của một số cặp nhiệt ngẫu E-Chromel/Constantan R- Platin-Rodi Ed E J K R S B t 0 C 69 (13%)/Platin J- Sắt/Constantan S- Platin-Rodi (10%)/Platin K- Chromel/Alumel B-Platin-rodi (30%)/ Platin-rodi (6%)  Cấu tạo Cấu tạo điển hình của một cặp nhiệt công nghiệp trình bày trên hình 3.9. 2 3 4 5 6 7 8 1 Hình 7.9 Cấu tạo cặp nhiệt ngẫu 1) Vỏ bảo vệ 2) Mối hàn 3) Dây điện cực 4) sứ cách điện 5) bộ phận lớp đốt 6) Vít nối dây 7) Dây nối 8) đầu nối dây Đầu làm việc của các điện cực (3) được hàn nối với nhau bằng hàn vảy, hàn khí hoặc hàn bằng tia điện tử. Đầu tự do nối với dây nối (7) tới dụng cụ đo nhờ các vít nối (6) dây đặt trong đầu nối dây (8). Để cách ly các điện cực người ta dùng các ống sứ cách điện (4), sứ cách điện phải trơ về hoá học và đủ độ bền cơ và nhiệt ở nhiệt độ làm việc. Để bảo vệ các điện cực, các cặp nhiệt có vỏ bảo vệ (1) làm bằng sứ chịu nhiệt hoặc thép chịu nhiệt. Hệ thống vỏ bảo vệ phải có nhiệt dung đủ nhỏ để giảm bớt quán tính nhiệt và vật liệu chế tạo vỏ phải có độ dẫn nhiệt không quá nhỏ nhưng cũng không được quá lớn. Trường hợp vỏ bằng thép mối hàn ở đầu làm việc có thể tiếp xúc với vỏ để giảm thời gian hồi đáp 7.4 Hoả kế, nhiệt kế bức xa Các cảm biến quang thuộc loại cảm biến đo nhiệt độ không tiếp xúc, gồm: hoả kế bức xạ toàn phần, hoả kế quang học. 7.4.1.Hoả kế bức xạ toàn phần Nguyên lý dựa trên định luật: Năng lượng bức xạ toàn phần của vật đen tuyệt đối tỉ lệ với luỹ thừa bậc 4 của nhiệt độ tuyệt đối của vật. E = σT 4 70 Trong đó: σ là hằng số, T là nhiệt độ tuyệt đối của vật đen tuyệt đối (K). Thông thường có hai loại: hoả kế bức xạ có ống kính hội tụ, hoả kế bức xạ có k Trong sơ đồ hình (1.30b): ánh sáng từ nguồn bức xạ (1) đập tới gương phản xạ (3) và hội tụ tới bộ phận thu năng lượng tia bức xạ (4), bộ phận này được nối với dụng cụ đo thứ cấp (5). Bộ phận thu năng lượngcó thể là một vi nhiệt kế điện trở hoặc là một tổ hợp cặp nhiệt, chúng phải thoả mãn các yêu cầu: + Có thể làm việc bình thường trong khoảng nhiệt độ 100 - 150oC. + Phải có quán tính nhiệt đủ nhỏ và ổn định sau 3 - 5 giây. + Kích thước đủ nhỏ để tập trung năng lượng bức xạ vào đo. Trên hình 3.11 trình bày cấu tạo của một bộ thu là tổ hợp cặp nhiệt (1) thường dùng cặp cromen/coben (2) Phủ bằng bột Hỏa kế dùng gương phản xạ tổn thất năng lượng thấp ( ~ 10%), hỏa kế dùng thấu kính hội tụ tone thất từ 30 - 40%. Tuy nhiên loại thứ nhất lại có nhược điểm là khi môi trường nhiều bụi, gương bị bẩn, độ phản xạ giảm do đó tăng sai số. Khi đo nhiệt độ bằng hoả kế bức xạ sai số thường không vượt quá 27oC, trong điều kiện: + Vật đo phải có độ den xấp xỉ bằng 1 2 1 Hình 7.11 Bộ thu năng lượng 1) Cặp nhiệt 2)lớp phủ platin + Tỉ lệ giữa đường kính vật bức xạ và khoảng cách đo (D/L) không nhỏ hơn 1/16. + Nhiệt độ môi trường 20 ± 2oC. Trong thực tế độ đen của vật đo ε <1, khi đó Hình 7.12: hiệu chỉnh nhiệt độ theo độ đen Khoảng cách đo tốt nhất là 1 ± 0,2 mét 7.4.2 Hoả kế quang điện Hoả kế quang điện chế tạo dựa trên định luật Plăng: Trong đó λ là bước sóng, C1, C2 là các hằng số. Hình 7.13 Sự phụ thuộc của cường độ ánh sáng vào bước sóng và nhiệt độ 1 2 T 3 IT T1 T2 T3  0.65 m 1 Trong hình (1.33) ta nhận thấy dự phụ thuộc giữa I và ; do đó người ta thường cố định bước sóng ở 0.65m. Hình 7.14 Hỏa kế quang học 1) Nguồn bức xạ 2)vật kính 3) Kính lực 4&6) Thành ngăn 7, kính lọc ánh sáng đỏ 8, thị kính Khi đó hướng hỏa kế vào vật cần đo ánh sáng từ vật bức xạ cần đo nhiệt độ (1) qua vật kính (2), kính lọc (3), và các vách ngăn (4), (6), kính lọc ánh sánh đỏ (7) tới thị kính (8) và mắt. Bật công tắc K để cấp điện nung nóng dây tóc bóng đèn mẫu (5), điều chỉnh biến trở Rb để độ sáng của dây tóc bóng đèn trùng với độ sáng của vật cần đo. Sai số khi đo: Sai số do độ đen của vật đo ε < 1. Khi đó Tđo xác định bởi công thức:   1 ln 1 20 CTd  Công thức hiệu chỉnh: Tđo = Tđọc + ΔT 1 2 3 4 5 6 7 8 mA Rb K 2 Giá trị của ΔT cho theo đồ thị. Ngoài ra sai số của phép đo còn do ảnh hưởng của khoảng cách đo, tuy nhiên sai số này thường nhỏ. Khi môi trường có bụi làm bẩn ống kính, kết quả đo cũng bị ảnh hưởng 3 Chương 8:CẢM BIẾN QUANG Mục tiêu :Trang bị cho sinh viên kiến cơ bản về các cảm biến quang, làm quen với một số thiết bị cảm biến quang có trên thị trường 8.1.Nguồn phát quang sợi đốt và bán dẫn 8.1.1 Kh¸i niÖm c¬ b¶n vÒ ¸nh s¸ng - C¶m biÕn quang ®-îc sö dông ®Ó chuyÓn ®æi th«ng tin tõ ¸nh s¸ng nhìn thÊy hoÆc tia hång ngo¹i, tia tö ngo¹i thµnh tÝn hiÖu ®iÖn - ¸nh s¸ng cã hai tÝnh chÊt c¬ b¶n lµ sãng vµ h¹t - D¹ng sãng cña ¸nh s¸ng lµ sãng ®iÖn tõ ph¸t ra khi cã sù chuyÓn ®iÖn tö gia c¸c møc năng lîng cña nguyªn tö cña nguån 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 bao gåm c¸c h¹t photon cã năng lîng phô thuéc tÇn sè w=h, - tÇn sè ¸nh s¸ng, h-h»ng sè planck h=6.6256*10-34 Js - Trong vËt chÊt c¸c ®iÖn tö liªn kÕt trong nguyªn tö cã xu híng tho¸t khái nguyªn tö trë thµnh ®iÖn tö tù do. ®Ó gi¶i phãng c¸c ®iÖn tö liªn kÕt cÇn cung cÊp cho nã mét năng lîng b»ng năng lîng liªn kÕt. Nhìn chung lo¹i ®iÖn tÝch ®- îc gi¶i phãng do chiÕu s¸ng phô thuéc b¶n chÊt cña vËt liÖu bÞ chiÕu s¸ng. Khi chiÕu s¸ng chÊt ®iÖn m«i vµ b¸n dÉn tinh khiÕt c¸c ®iÖn tÝch ®îc gi¶i phãng lµ cÆp ®iÖn tö-lç trèng. HiÖn tîng gi¶i phãng c¸c h¹t dÉn díi t¸c ®éng cña ¸nh s¸ng do hiÖu øng quang ®iÖn g©y nªn sù thay ®æi tÝnh chÊt ®iÖn cña vËt liÖu. ®©y lµ nguyªn lý c¬ b¶n cña c¶m biÕn quang - B-íc sãng ngìng cña ¸nh s¸ng cã thÓ g©y nªn hiÖn tîng gi¶i phãng ®iÖn tö max=hc/w1 KÕt luËn: HiÖu øng quang ®iÖn tû lÖ thuËn víi sè lîng h¹t dÉn ®îc gi¶i phãng do t¸c dông cña ¸nh s¸ng trong mét ®¬n vÞ thêi gian. Tuy nhiªn ngay c¶ khi < max kh«ng ph¶i mäi photon chiÕu xuèng bÒ mÆt ®Òu tham gia vµo viÖc gi¶i phãng h¹t dÉn vì mét sè sÏ bÞ ph¶n x¹ tõ bÒ mÆt, mét sè kh¸c chuyÓn hãa thµnh năng lîng cña chóng thµnh nhiÖt 8.1.2 Nguån s¸ng - Nguån s¸ng quyÕt ®Þnh mäi ®Æc tÝnh quan träng cña bøc x¹. ViÖc sö dông c¶m biÕn quang chØ cã hiÖu qu¶ khi nã phï hîp víi bøc x¹ ¸nh s¸ng - C¸c nguån s¸ng th«ng dông: ®Ìn sîi ®èt, dièt ph¸t quang vµ Lazer a, §Ìn sîi ®èt - CÊu t¹o: gåm sîi vonfram ®Æt trong bãng thñy tinh hoÆc th¹ch anh chøa c¸c khÝ tr¬ hoÆc halogen ®Ó gi¶m bay h¬i cña sîi ®èt - ®Æc ®iÓm ®Ìn sîi ®èt • D¶i phæ réng • HiÖu suÊt ph¸t quang(tû sè quang th«ng trªn c«ng suÊt tiªu thô) thÊp 4 • Qu¸n tÝnh nhiÖt lín nªn kh«ng thÓ thay ®æi bøc x¹ mét c¸ch nhanh chãng • Tuæi thä thÊp, ®é bÒn c¬ häc thÊp b, §iot ph¸t quang LED(light-Emitting-Diode) - Lµ nguån s¸ng b¸n dÉn trong ®ã n¨ng lîng gi¶i phãng do t¸i hîp ®iÖn tö-lç trèng gÇn chuyÓn tiÕp p-n cña diode sÏ lµm ph¸t sinh c¸c photon - ®Æc ®iÓm cña ®Ìn LED • Thêi gian håi ®¸p nhá cì ns, cã kh¶ n¨ng ®iÒu biÕn ®Õn tÇn sè cao nhê nguån nu«i • Phæ ¸nh s¸ng hoµn toµn x¸c ®Þnh • Tuæi thä cao, ®¹t tíi 100.000 giê • KÝch thưíc nhá • Tiªu thô c«ng suÊt thÊp • ®é bÒn c¬ häc cao • Quang th«ng t¬ng ®èi nhá cì mW vµ nh¹y víi nhiÖt ®é c, Lazer - Lazer(Light Amplification by stimulated Emission Radiation) ph¸t s¸ng ®¬n s¾c dùa trªn hiÖn tîng khuÕch ®¹i ¸nh s¸ng b»ng bøc x¹ kÝch thÝch - CÊu t¹o gåm 4 thµnh phÇn c¬ b¶n: M«i trêng t¸c dông, c¬ cÊu kÝch thÝch, c¬ cÊu ph¶n x¹ vµ bé phèi gÐp ®Çu ra 8.2.Quang trở, tế bào quang điện - C¶m biÕn quang ®iÖn thùc chÊt lµ c¸c linh kiÖn quang ®iÖn, thay ®æi tr¹ng th¸i ®iÖn khi cã ¸nh s¸ng thÝch hîp t¸c ®éng vµo bÒ mÆt cña nã 8.2.1 TÕ bµo quang dÉn - ®Æc trng cña tÕ bµo quang dÉn lµ ®iÖn trë cña nã phô thuéc vµo th«ng lîng cña bøc x¹ vµ phæ cña bøc x¹ ¸nh s¸ng. TÕ bµo quang dÉn lµ mét trong nh÷ng c¶m biÕn cã ®é nhËy cao.C¬ së vËt lý cña tÕ bµo quang dÉn lµ hiÖn tîng quang dÉn do kªt qu¶ cña hiÖu øng quang ®iÖn bªn trong. HiÖu øng quang ®iÖn lµ hiÖn tîng gi¶i phãng c¸c h¹t t¶i ®iÖn trong vËt liÖu b¸n dÉn díi t¸c dông cña ¸nh s¸ng - VËt liÖu chÕ t¹o c¶m biÕn Cds(cadmium sulfid), Cdse(Cadmium selenid), CdTe(Cadmium Telurid) - TÝnh chÊt cña c¶m biÕn quang dÉn:  ®iÖn trë tèi Rco phô thuéc vµo h×nh d¸ng, kÝch thíc, nhiÖt ®é vµ b¶n chÊt hãa lý cña vËt liÖu. Khi bÞ chiÕu s¸ng ®iÖn trë tèi gi¶m rÊt nhanh, quan hÖ Hình 8.1 Quan hệ giữa điện trở và độ chiếu sáng của cảm biến quang dẫn 5  gi÷a ®iÖn trë vµ ®é räi lµ phi tuyÕn  TÕ bµo quang dÉn cã ®é nhËy cao cho phÐp ®¬n gi¶n hãa trong c¸c øng dông nhng cã mét sè nhîc ®iÓm:  ®Æc tÝnh ®iÖn trë- ®é räi phi tuyÕn  Thêi gian håi ®¸p t¬ng ®èi lín  Th«ng sè kh«ng æn ®Þnh do giµ hãa  ®é nh¹y phô thuéc nhiÖt ®é  øng dông cña tÕ bµo quang dÉn + ®iÒu khiÓn r¬le ®iÒu khiÓn trùc tiÕp ®iÒu khiÓn qua transzitor Hình 8.2 Ứng dụng của tế bào quang dẫn Khi cã th«ng lîng ¸nh s¸ng chiÕu lªn tÕ bµo quang dÉn, ®iÖn trë R gi¶m xuèng ®¸ng kÓ ®ñ ®Ó cho dßng ®iÖn I ch¹y qua tÕ bµo. Dßng ®iÖn sö dông trùc tiÕp hoÆc th«ng qua khuÕch ®¹i ®Ó ®ãng më r¬le + Thu tÝn hiÖu quang: tÕ bµo quang dÉn cã thÓ ®îc sö dông biÕn xung quang thµnh xung ®iÖn. Sù ng¾t qu·ng cña xung ¸nh s¸ng chiÕu lªn tÕ bµo quang ®iÖn sÏ ®îc ph¶n ¸nh thµnh xung ®iÖn cña m¹ch ®o,vì vËy c¸c th«ng tin mµ xung ¸nh s¸ng mang tíi sÏ ®îc thÓ hiÖn trªn xung ®iÖn.Ngêi ta øng dông m¹ch ®o nµy ®Ó ®Õm vËt hoÆc ®o tèc ®é quay cña ®Üa. 8.2.2 Photodiot - TiÕp xóc giữa P vµ N t¹o nªn vïng nghÌo h¹t dÉn vì ë ®ã tån t¹i mét ®iÖn trêng vµ hình thµnh hµng rµo thÕ Vb. Khi đã dßng ®iÖn ®Æt lªn chuyÓn tiÕp I=0 - Nguyªn lý lµm viÖc: Khi chiÕu s¸ng lªn bÒ mÆt di«t b¸n dÉn b»ng bøc x¹ cã bíc sãng nhá h¬n bíc sãng ngìng <s sÏ lµm xuÊt hiÖn thªm c¸c cÆp ®iÖn tö vµ lç trèng. 6 Hình 8.3 Cấu tạo cuả Photodiot Để c¸c h¹t nµy cã thÓ tham gia vµo ®é dÉn vµ lµm tang dßng ®iÖn I cÇn ng¨n c¶n qu¸ tr×nh t¸i hîp chóng tøc lµ ph¶i nhanh chãng t¸ch cÆp ®iÖn tö, lç trèng díi t¸c dông cña ®iÖn trêng. ®iÒu nµy chØ cã thÓ x¶y ra ë vïng nghÌo vµ sù chuyÓn rêi cña c¸c ®iÖn tÝch ®ã kÐo theo sù gia tăng dßng ®iÖn ngîc Ir. ®Ó ®¹t ®îc ®iÒu ®ã ¸nh s¸ng ph¶i ®¹t tíi vïng nghÌo sau khi ®· ®i qua bÒ dµy cña chÊt b¸n dÉn vµ tiªu hao năng lîng kh«ng nhiÒu.Cµng ®i s©u vµo chÊt b¸n dÉn quang th«ng cµng gi¶m (x)= 0.e-x thùc tÕ c¸c dièt cã líp b¸n dÉn rÊt máng ®Ó sö dông ¸nh s¸ng hữu hiÖu ®ång thêi vïng nghÌo ph¶i ®ñ réng ®Ó sù hÊp thô lµ cùc ®¹i - ChÕ ®é ho¹t ®éng + ChÕ ®é quang dÉn ChuyÓn tiÕp Vïng nghÌo P N ®iÖn tr-êng N P ChuyÓn tiÕp + - + Hình 8.4 Sơ đồ thay thế Photodiot ở chế độ quang dẫn 7 Es nguån ph©n cùc ngîc diot Rm- ®o tÝn hiÖu ®Æc tÝnh V«n-ampe cña photodiot øng víi møc quang th«ng kh¸c nhau Ir=Es/Rm+Vd/Rm +ChÕ ®é quang thÕ: trong chÕ ®é nµy kh«ng cã ®iÖn ¸p ngoµi ®Æt vµo ®ièt. Photodiot ho¹t ®éng gièng nh mét nguån dßng. Ngêi ta ®o thÕ hë m¹ch vµ dßng ng¾n m¹ch Voc vµ Isc. ®Æc ®iÓm ë chÕ ®é nµy lµ kh«ng cã dßng tèi do kh«ng cã nguån ®iÖn ph©n cùc ngoµi do ®ã cã thÓ gi¶m nhiÔu vµ cho phÐp ®o quang th«ng nhá - S¬ ®å sö dông photodiot : tïy thuéc môc ®Ých sö dông photodiot ngêi ta chän chÕ ®é lµm viÖc cho nã + chÕ ®é quang dÉn S¬ ®å t¸c ®éng nhanh Hình 8.5 Đặc tính V-A của Photodiot ứng với mức quang thông khác nhau Hình 8.6 Sơ đồ ứng dụng của Photodiot ở chế độ quang dẫn 8 V0=(R1+R2).Ir ®iÖn trë t¶i cña diot nhá vµ b»ng (R1+R2) /k K- hÖ sè khuÕch ®¹i ë tÇn sè lµm viÖc, C2 cã t¸c dông bï trõ ¶nh hëng cña tô ký sinh Cp1 víi ®iÒu kiÖn R1 Cp1=R2C2 + ChÕ ®é quang thÕ S¬ ®å tuyÕn tÝnh V0=Rm.Isc - + Eb Ir Vo R2 R1 CP1 C2 R1+R2 - + Isc Vo Rm R=Rm Hình 8.7 Sơ đồ ứng dụng của Photodiot ở chế độ quang thế 9 8.2.3 Phototranzitor - Phototranzitor lµ tranzitor silic lo¹i NPN vïng bazo cã thÓ ®îc chiÕu s¸ng, kh«ng cã ®iÖn ¸p ®Æt lªn bazo, chØ cã ®iÖn ¸p ®Æt lªn C, chuyÓn tiÕp B-C ph©n cùc ngîc(h×nh a) -Nguyªn lý: khi chuyÓn tiÕp B-C ®îc chiÕu s¸ng nã ho¹t ®éng ho¹t ®éng gièng photodiot ë chÕ ®é quang dÉn víi dßng ngîc: Hình 8.8 Cấu tạo Phototranzitor Ir=I0+Ip trong ®ã: I0- dßng ®iÖn ngîc trong tèi Ip- dßng quang ®iÖn khi cã th«ng lîng ¸nh s¸ng chiÕu qua bÒ dµy X →Dßng Ir ®ãng vai trß lµ dßng bazo g©y nªn dßng colector Ic=(+1) Ir=(+1) I0 +(+1) Ip - hÖ sè khuÕch ®¹i dßng cña transzitor khi ®Êu chung emitor b a 10 + cã thÓ coi Phototranzitor nh tæ hîp gåm mét photodiot vµ 1 tranzitor(h×nh b). Photodiot cung cÊp dßng quang ®iÖn t¹i bazo, cßn tranzitor cho hiÖu øng KhuÕch ®¹i . C¸c ®iÖn tö vµ lç trèng ph¸t sinh trong vïng bazo(díi t¸c dông cña ¸nh s¸ng) sÏ bÞ ph©n cùc díi t¸c dông cña ®iÖn trêng trªn chuyÓn tiÕp B-C - S¬ ®å dïng Phototranzitor: Phototranzitor cã thÓ dïng lµm bé chuyÓn m¹ch hoÆc lµm phÇn tö tuyÕn tÝnh. ChÕ ®é chuyÓn m¹ch phototranzitor cã u ®iÓm so víi photodiot lµ cho phÐp ®iÒu khiÓn trùc tiÕp dßng qua t¬ng ®èi lín.Ngîc l¹i ë chÕ ®é tuyÕn tÝnh, phototranzitor cã u ®iÓm lµ cho ®é khuÕch ®¹i nhng ®é tuyÕn tÝnh cña photodiot tèt h¬n - + phototranzitor chuyÓn m¹ch Hình 8.9 Các sơ đồ ứng dụng Phototranszitor a b c d 11 Th«ng tin sö dông d¹ng nhÞ ph©n: cã hay kh«ng cã bøc x¹, ¸nh s¸ng lín h¬n hay kh«ng lín h¬n ¸nh s¸ng ngưìng  H×nh a: ®iÒu khiÓn trùc tiÕp r¬le  H×nh b: Sau khi khuÕch ®¹i ®iÒu khiÓn r¬le  H×nh c: ®iÒu khiÓn cæng logic  H×nh d: ®iÒu khiÓn thyristor 8.3 Sợi quang Sợi quang ứng dụng hiện tượng phản xạ toàn phần khi ánh sáng được chiếu từ môi trường trong xuốt có hệ số chiết quang n1 lớn (như nước, thủy tinh, chất dẻo trong xuốt) qua mặt phân cách sang một môi trường trong xuốt khác có chiết suất n2 nhỏ hơn(như không khí). Hiện tượng phản xạu toàn phần xảy ra khi góc tới (hình )lớn hơn góc phản xạ toàn phần 0 Hình 8.10 Truyền ánh sáng trong sợi quang Sợi quang thông thường có dạng trụ với lõi bằng vật liệu thạch anh hoặc thủy tinh đa thành phần hoặc nhựa tổng hợp trong suốt với chiết suất lớn hơn nhiều so với không khí. Bên ngoài lõi là một màng vỏ làm bằng chất có chiết suất nhỏ hơn. Như trên hình 8.10 ánh sáng đi vào sợi quang qua mặt đầu của sợi quang và phản xạ toàn phần liên tục giữa mặt phân cách lõi và màng vỏ rồi ra ngoài ở mặt đầu kia của sợi. Những tia sáng không phản xạ toàn phần được thì xuyên ra ngoài sợi quang và gây ra tổn hao năng lượng ánh sáng truyền. Các sợi quang được chế tạo để sợi có bị uốn thì phần lớn ánh vẫn được truyền dọc theo sợi. 12 Hình 8.11 Cảm biến quang học dùng sợi quang kiểu ánh sáng xuyên a, và ánh sáng phản xạ b Hình 8.11 là sơ đồ lắp cảm biến quang học dạng sợi quang. Trên đó SQ: sợi quang, ĐT: đối tượng, TQ: Transzitor quang. Đường kính sợi quang cỡ 1mm.Ưu điểm của loại này là có thể cảm nhận những vật có kích thước nhỏ tới 1mm. Cảm biến chịu tốt các rung động, va đập vì đầu sợi quang không có mạch điện, thiết bị nào cả. Do sợi quang có đường kính nhỏ nên có thể luồn lách và đặt ở những nơi rất hẹp. 8.4 Sơ lược về áp dụng cảm biến quang Cảm biến quang được sử dụng rất phổ biến trong công nghiệp để phát hiện sự có mặt của vật, đếm số sản phẩm. Phát hiện vật thể bóng loáng, gồ ghề 13 Chương 9.CẢM BIẾN VỊ TRÍ VÀ DỊCH CHUYỂN Mục tiêu :Trang bị cho sinh viên kiến cơ bản về các phương pháp đo vị trí, làm quen với một số thiết bị vị trí có trên thị trường 9.1 Cảm biến điện cảm Cảm biến vịt rí kiểu cảm ứng ( hay còn gọi là cảm biến điện cảm)làm việc dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ. Vật cần đo vị trí hoặc dịch chuyển được gắn vào một phần tử của mạch từ gây nên sự biến thiên từ thông qua cuộn đo. Cảm biến điện cảm được chia ra: cảm biến tự cảm và hỗ cảm.  Cảm biến tự cảm có khe từ biến thiên - Cảm biến tự cảm đơn: trên hình 1.10 trình bày sơ đồ nguyên lý cấu tạo của một số loại cảm biến tự cảm đơn. 1 3 1 2 2 XV R 2 3 1 δ a) b) c) Hình 9.1 Cảm biến tự cảm đơn 1, lõi sắt từ 2, cuộn dây 3, phần động Cảm biến tự cảm đơn gồm một cuộn dây quấn trên lõi thép cố định (phần tĩnh) và một lõi thép có thể di động dưới tác động của đại lượng đo (phần động), giữa phần tĩnh và phần động có khe hở không khí tạo nên một mạch từ hở. Sơ đồ hình 9.1a: dưới tác động của đại lượng đo XV, phần ứng của cảm biến di chuyển, khe hở không khí δ trong mạch từ thay đổi, làm cho từ trở của mạch từ biến thiên, do đó hệ số tự cảm và tổng trở của cuộn dây thay đổi theo. Sơ đồ hình 9.1b: khi phần ứng quay, tiết diện khe hở không khí thay đổi, làm Xv 14 cho từ trở của mạch từ biến thiên, do đó hệ số tự cảm và tổng trở của cuộn dây thay đổi theo. Hệ số tự cảm của cuộn dây cũng có thể thay đổi do thay đổi tổn hao sinh ra bởi dòng điện xoáy khi tấm sắt từ dịch chuyển dưới tác động của đại lượng đo Xv (hình 9.1c). Ta thấy tổng trở Z của cảm biến là hàm tuyến tính với tiết diện khe hở không khí s và phi tuyến với chiều dài khe hở không khí δ. Hình 9.2 Sự phụ thuộc giữa L và Z với chiều dày khe hở không khí δ Đặc tính của cảm biến tự cảm đơn Z = f(Δδ) là hàm phi tuyến và phụ thuộc tần số nguồn kích thích, tần số nguồn kích thích càng cao thì độ nhạy của cảm biến càng cao (hình 9.2). - Cảm biến tự cảm kép lắp theo kiểu vi sai: Để tăng độ nhạy của cảm biến và tăng đoạn đặc tính tuyến tính người ta thường dùng cảm biến tự cảm kép mắc theo kiểu vi sai (hình 4.3). x V a) b) c) Hình 9.3 Cảm biến tự cảm kép mắc theo kiểu vi sai xv xv Z, L L=f() Z5000Hz=f() Z5000Hz=f()  15 Đặc tính của cảm biến tự cảm kép vi sai có dạng như hình 9.4 L L = f(δ) L1 - L2 = f(δ) δ L2 = f(δ) Hình 9.4 Đặc tính của cảm biến tự cảm kép mắc kiểu vi sai  Cảm biến tự cảm có lõi từ di động Cảm biến gồm một cuộn dây bên trong có lõi từ di động được (hình 4.5). 1 2 XV l0 lf l Hình 9.5 Sơ đồ nguyên lý cảm biến tự cảm lõi sắt từ 1, cuộn dây 2, lõi sắt từ Dưới tác động của đại lượng đo XV, lõi từ dịch chuyển làm cho độ dài lf của lõi từ nằm trong cuộn dây thay đổi, kéo theo sự thay đổi hệ số tự cảm L của cuộn dây. Sự phụ thuộc của L vào lf là hàm không tuyến tính, tuy nhiên có thể cải thiện bằng cách ghép hai cuộn dây đồng dạng vào hai nhánh kề sát nhau của một cầu điện trở có chung một lõi sắt. 9.2Cảm biến hỗ cảm 16 Cấu tạo của cảm biến hỗ cảm tương tự cảm biến tự cảm chỉ khác ở chỗ có thêm một cuộn dây đo (hình 4.6). Trong các cảm biến đơn khi chiều dài khe hở không khí (hình 4 . 6 a) hoặc tiết diện khe không khí thay đổi (hình 4 . 6 b) hoặc tổn hao do dòng điện xoáy thay đổi (hình 4 . 6 c) sẽ làm cho từ thông của mạch từ biến thiên kéo theo suất điện động e trong cuộn đo thay đổi. - Cảm biến đơn có khe hở không khí: 1 3 1 2 x V ~ Hình 9.6 Cảm biến hỗ cảm 1, cuộn sơ cấp 2, gồn từ 3, lõi từ di động 4, cuộn thứ cấp (cuộn đo) W2 - số vòng dây của cuộn dây đo. Khi làm việc với dòng xoay chiều i = I m sin ωt , ta có: e = -W2*d*Φt = -W2*W1*µoS di dt δ dt Ta nhận thấy công thức xác định độ nhạy của cảm biến hỗ cảm có dạng tương tự như cảm biến tự cảm chỉ khác nhau ở giá trị của E0 và L0. Độ nhạy của cảm biến hỗ cảm Sδ và SS cũng tăng khi tần số nguồn cung cấp tăng. - Cảm biến vi sai: để tăng độ nhạy và độ tuyến tính của đặc tính cảm biến ~ 2 4 4 3 a b ~ xv 1 2 xv xv ~ 17 người ta mắc cảm biến theo sơ đồ vi sai (hình 9.6 d,đ,e). Khi mắc vi sai độ nhạy của cảm biến tăng gấp đôi và phạm vi làm việc tuyến tính mở rộng đáng kể. - Biến thế vi sai có lõi từ: gồm bốn cuộn dây ghép đồng trục tạo thành hai cảm biến đơn đối xứng, bên trong có lõi từ di động được (hình9.7). Các cuộn thứ cấp được nối ngược với nhau sao cho suất điện động trong chúng triệt tiêu lẫn nhau. ~ ~ Hình 9.7 Cảm biến hỗ cảm vi sai 1, cuộn sơ cấp 2, cuộ thứ cấp 3, lõi từ Về nguyên tắc, khi lõi từ ở vị trí trung gian, điện áp đo Vm ở đầu ra hai cuộn thứ cấp bằng không. Khi lõi từ dịch chuyển, làm thay đổi mối quan hệ giữa cuộn sơ cấp với các cuộn thứ cấp, tức là làm thay đổi hệ số hỗ cảm giữa cuộn sơ cấp với các cuộn thứ cấp. Khi điện trở của thiết bị đo đủ lớn, điện áp đo Vm gần như tuyến tính với hiệu số các hệ số hỗ cảm của hai cuộn thứ cấp 9.3Cảm biến điện dung. Mét sè hình d¸ng cña c¶m biÕn ®iÖn dung thưêng gÆp Hình 9.8 Mét sè hình d¸ng cña c¶m biÕn ®iÖn dung thưêng gÆp Nguyªn lý lµm viÖc cña c¸c c¶m biÕn ®iÖn dung dùa trªn sù t¸c ®éng t¬ng hç gi÷a hai ®iÖn cùc t¹o thµnh mét tô ®iÖn.®iÖn dung cña nã sÏ thay ®æi díi t¸c ®éng cña ®¹i lưîng ®Çu vµo. - C¶m biÕn ®iÖn dung chia thµnh hai nhãm chÝnh: c¶m biÕn m¸y ph¸t vµ c¶m biÕn th«ng sè 1 2 2 3 18 - C¶m biÕn ®iÖn dung m¸y ph¸t ®¹i lîng ra lµ ®iÖn ¸p m¸y ph¸t, ®¹i lîng vµo lµ di chuyÓn th¼ng, di chuyÓn gãc cña b¶n ®iÖn cùc ®éng cña cña c¶m biÕn. Lo¹i nµy thêng dïng ®o c¸c ®¹i lîng c¬ häc U=q/c=(q)/(S) - C¶m biÕn ®iÖn dung th«ng sè cã ®¹i lîng ra lµ sù thay ®æi ®iÖn dung cña c¶m biÕn ®¹i lîng ®¹i lîng vµo vµo lµ sù di chuyÓn. c=(S)/ 9.4Cảm biến Hall. Cảm biến Hall là một mảnh bán dẫn mỏng có kết cấu đặc biệt. Khi có dòng điện I chạy dọc theo tấm bán dẫn, đồng thời có từ cảm B tác động lên tấm này thì trên hai cực ngang của nó xuất hiện suất điện động Hall. EH = kH.I.B.sin I: dòng điện dọc theo cảm biến B: từ cảm xuyên qua cảm biến  góc lệch giữa I và B kH: hệ số Hall Cảm biến Hall được dùng rộng rãi trong các thiết bị đo từ, cảm biến tiếp cận, có dải đo từ 1  106 Gauss. 9.5Cảm biến tiếp cận - C¶m biÕn tiÖm cËn ®îc sö dông ®Ó ph¸t hiÖn sù cã mÆt hay kh«ng cã mÆt cña ®èi tượng b»ng kü thuËt c¶m biÕn kh«ng cã tiÕp xóc c¬ häc. - C¶m biÕn tiÖm cËn sö dông nguyªn lý thay ®æi ®iÖn c¶m hay ®iÖn dung cña phÇn tö m¹ch ®iÖn khi cã mÆt hoÆc kh«ng cã mÆt ®èi tîng. C¶m biÕn nµy cã cÊu tróc tư¬ng ®èi ®¬n gi¶n, kh«ng ®ßi hái tiÕp xóc c¬ häc nhng tÇm ho¹t ®éng bÞ h¹n chÕ víi kho¶ng c¸ch tèi ®a 100mm - HiÖn nay c¸c c¶m biÕn tiÖm cËn dùa trªn nguyªn lý vi sãng vµ quang häc cã tÇm ho¹t ®éng lín vµ ®îc sö dông réng r·i trong thùc tÕ 9.5.1 C¶m biÕn tiÖm cËn ®iÖn c¶m 19 - CÊu t¹o: 1 bé c¶m biÕn tiÖm cËn ®iÖn c¶m gåm 4 khèi chÝnh: • Cuén d©y vµ lâi Ferit • M¹ch dao ®éng • M¹ch ph¸t hiÖn • M¹ch ®Çu ra - Nguyªn lý lµm viÖc: M¹ch dao ®éng ph¸t dao ®éng ®iÖn tõ tÇn sè radio. Tõ tr-êng biÕn thiªn tËp trung tõ lâi s¾t sÏ mãc vßng ®èi tîng kim lo¹i ®Æt ®èi diÖn víi nã. Khi ®èi tîng l¹i gÇn sÏ cã dßng ®iÖn Foucault c¶m øng trªn bÒ mÆt ®èi tîng t¹o nªn mét t¶i lµm gi¶m biªn ®é tÝn hiÖu dao ®éng. Bé ph¸t hiÖn sÏ ph¸t hiÖn ra sù thay ®æi tr¹ng th¸i biªn ®é m¹ch dao ®éng...M¹ch bÞ ph¸t hiÖn sÏ ë vÞ trÝ ON ph¸t tÝn hiÖu lµm m¹ch ra ë vÞ trÝ ON. Khi môc tiªu rêi khái Trêng cña bé c¶m biÕn biªn ®é m¹ch dao ®éng t¨ng lªn trªn gi¸ trÞ ng-ìng vµ bé ph¸t hiÖn trë vÒ vÞ trÝ OFF lµ vÞ trÝ b×nh th-êng 20 HiÖu sè biªn ®é t¸c ®éng vµ kh«ng t¸c ®éng cña bé t¸c ®éng t-¬ng øng víi sù trÔ víi c¶m biÕn. Nã t¬ng øng víi ®iÓm ph¸t hiÖn vµ ®iÓm nh¶ cña c¶m biÕn ®èi diÖn bÒ mÆt ®èi tîng. - Ph¹m vi cña c¶m biÕn tiÖm cËn ®iÖn c¶m liªn quan ®Õn kho¶ng c¸ch giữa bÒ mÆt cña c¶m biÕn vµ ®èi tîng cã liªn quan ®Õn h×nh d¸ng cña lâi vµ d©y quÊn. - Nh÷ng yÕu tè ¶nh hëng ®Õn tÇm(ph¹m vi) cña c¶m biÕn • KÝch th-íc vµ h×nh d¸ng lâi, cuén d©y, vËt liÖu lâi • VËt liÖu vµ kÝch th-íc ®èi tîng • §iÒu kiÖn ®iÖn tõ xung quanh • NhiÖt ®é m«i trêng xung quanh 9.5.2 C¶m biÕn tiÖm cËn ®iÖn dung - C¶m biÕn tiÖm cËn ®iÖn dung: sù cã mÆt cña ®èi tîng lµm thay ®æi ®iÖn dung cña c¸c b¶n cùc c¶m biÕn. C¶m biÕn tiÖm cËn ®iÖn dung còng gåm 4 bé phËn + C¶m biÕn(c¸c b¶n cùc c¸ch ®iÖn) + M¹ch dao ®éng + Bé ph¸t hiÖn + M¹ch ®Çu ra - ®Æc ®iÓm: c¶m biÕn tiÖm cËn ®iÖn dung kh«ng ®ßi hái ®èi tîng lµ kim lo¹i. ®èi tîng ph¸t hiÖn cã thÓ lµ chÊt láng, vËt liÖu phi kim, thñy tinh, nhùa. Tèc ®é chuyÓn m¹ch t¬ng ®èi nhanh, cã thÓ ph¸t hiÖn c¸c ®èi tùîng kÝch th-íc nhá, ph¹m vi c¶m nhËn lín C¶m biÕn VËt ph¸t hiÖn 21 - H¹n chÕ cña c¶m biÕn tiÖm cËn ®iÖn dung lµ chÞu ¶nh h-ëng cña ®é Èm vµ bôi. C¶m biÕn tiÖm cËn ®iÖn dung cã vïng c¶m nhËn lín h¬n vïng c¶m nhËn cña c¶m biÕn tiÖm cËn ®iÖn c¶m. VÝ dô víi èng 18mm c¶m biÕn ®iÖn dung cã vïng c¶m nhËn lµ 10mm, vïng c¶m nhËn cña c¶m biÕn tiÖn cËn ®iÖn c¶m lµ 8mm. Víi èng 30mm vïng c¶m nhËn cña c¶m biÕn tiÖm cËn ®iÖn dung lµ 25 mm, ®iÖn c¶m lµ 15mm - §Ó bï ¶nh h-ëng cña m«i trêng c¸c c¶m biÕn tiÖm cËn ®iÖn dung th-êng cã chiÕt ¸p ®iÒu chØnh 22 Chương 10 ĐO LƯU LƯỢNG VẬN TỐC LƯU CHẤT VÀ MỨC 10.1 Đo lưu lượng bằng chênh lệch áp suất - Mét trong nh÷ng nguyªn t¾c phæ biÕn ®Ó ®o lu lîng chÊt láng, khÝ vµ h¬i lµ nguyªn t¾c thay ®æi ®é gi¶m ¸p suÊt qua èng thu hÑp. ¦u ®iÓm cña c¸c dông cô nµy lµ ®¬n gi¶n ch¾c ch¾n kh«ng cã tiÕng ån, dÔ chÕ t¹o hµng lo¹t, ®o ®îc ë bÊt kú m«i trêng, nhiÖt ®é vµ ¸p suÊt nµo, gi¸ thµnh thÊp - Kh¶o s¸t nguyªn lý dßng ch¶y trong mét èng dÉn cã ®Æt thiÕt bÞ thu hÑp. Khi cã dßng chÊt láng ch¶y qua lç thu hÑp th× tèc ®é cña nã t¨ng lªn so víi tèc ®é tríc lç thu hÑp. Do ®ã ¸p suÊt dßng ch¶y ë cöa ra cña lç thu hÑp gi¶m xuèng t¹o nªn sù chªnh lÖch ¸p suÊt phÝa tríc vµ phÝa sau lç thu hÑp. Sö dông ¸p kÕ vi sai ®o ®- îc sù chªnh lÖch ¸p suÊt nµy tõ ®ã ®o ®îc lu lîng nµy - Tèc ®é dßng ch¶y sau èng thu hÑp lín h¬n tríc èng do ®ã ¸p suÊt sau èng lín h¬n - L-u l-îng phô thuéc vµo tèc ®é nªn còng phô thuéc vµo ®é chªnh lÖch ¸p suÊt d: ®-êng kÝnh lç thu hÑp; - hÖ sè l-u l-îng - mËt ®é dßng ch¶y 10.2 Đo mức bằng cảm biến điện dung 2 2 1 2 221 vvpp     )( 2 4 )(2 4 21 2 21 2 pp d Q pp d G          23 - Sö dông sù phô thuéc ®iÖn dung cña phÇn tö nh¹y c¶m cña bé chuyÓn ®æi vµo møc chÊt láng - CÊu t¹o: phÇn tö nh¹y c¶m ®iÖn dung ®îc thùc hiÖn díi d¹ng c¸c ®iÖn cùc hình trô trßn ®Æt ®ång trôc hay c¸c ®iÖn cùc ph¼ng ®Æt song song víi nhau. CÊu t¹o cña c¸c phÇn tö thô c¶m ®iÖn dung ®îc x¸c ®Þnh theo tÝnh chÊt hãa lý cña chÊt láng. Víi chÊt láng c¸ch ®iÖn(cã ®iÖn dÉn suÊt nhá h¬n 10-6 simen/m) ta cã c¸c s¬ ®å c¶m biÕn nh hình díi ®©y C¶m biÕn ®o møc chÊt láng c¸ch ®iÖn Hình 10.2 Cảm biến đo mức chất lỏng cách - H×nh a: phÇn tö thô c¶m gåm 2 ®iÖn cùc ®ång trôc 1 vµ 2 cã phÇn nhóng ch×m vµo chÊt láng. C¸c ®iÖn cùc t¹o thµnh 1 tô ®iÖn h×nh trßn, gi÷a hai ®iÖn cùc ®iÒn ®Çy chÊt láng cã chiÒu cao h, H-h lµ kh«ng gian chøa hçn hîp h¬i khÝ. ®iÖn dung cña tô ®iÖn h×nh trô ®-îc x¸c ®Þnh b»ng ph-¬ng tr×nh: h H 1 2 3 d D a h H 2 1 b )/ln( 0 2 dD H c   1 Trong ®ã: + : h»ng sè cña ®iÖn m«i ®iÒn ®Çy gi÷a 2 ®iÖn cùc + 0: h»ng sè ®iÖn m«i cña ch©n kh«ng H: chiÒu cao ®iÖn cùc + D, d: ®-êng kÝnh ngoµi vµ trong cña ®iÖn cùc - Víi tô h×nh trô trßn h×nh a cã h»ng sè ®iÖn m«i kh¸c nhau, ®iÖn dung cña tô lµ: c=c0+ c1+c2 ë ®©y c0: ®iÖn dung cña c¸ch ®iÖn xuyªn qua n¾p c1: ®iÖn dung giữa hai ®iÖn cùc cã chøa chÊt láng c2: ®iÖn dung cña kh«ng gian chøa h¬i vµ khÝ VËy - ®èi víi h¬i vµ khÝ r=1 cßn c0= h»ng sè nªn Ph-¬ng tr×nh ®Æc tÝnh tÜnh cña phÇn tö nh¹y ®iÖn dung ®èi víi m«i tr-êng c¸ch ®iÖn - ®Ó ®o møc c¸c chÊt láng dÉn ®iÖn (cã ®iÖn dÉn suÊt >10-4 simen/m) ngêi ta sö dông phÇn tö thô c¶m cã c¸ch ®iÖn ngoµi(h×nh b), phÇn tö thô c¶m lµ c¸c ®iÖn cùc kim lo¹i 1 cã phñ líp c¸ch ®iÖn 2 vµ nhóng ch×m vµo chÊt láng. ®iÖn cùc thø 2 lµ thµnh bÓ chøa (nÕu lµ kim lo¹i) hay lµ ®iÖn cùc riªng. - ®iÖn dung toµn phÇn cña phÇn tö nh¹y c¶m ®îc tÝnh b»ng trong ®ã c0: ®iÖn dung cña c¸ch ®iÖn xuyªn qua n¾p )/ln( )(2 )/ln( 2 00 0 dD hH dD h cc rL      ])1(1[ )/ln( 2 0 0 H h dD H cc L      21 21 0 cc cc cc   2 c1: ®iÖn dung gi÷a ®iÖn cùc 1 vµ bÒ mÆt chÊt láng trªn giíi h¹n cã c¸ch ®iÖn c2: ®iÖn dung cña tô ®iÖn t¹o bëi mÆt chÊt láng trªn mÆt giíi h¹n c¸ch ®iÖn vµ thµnh bÓ 3 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Lê Văn Doanh - Phạm Thượng Hàn - Nguyễn Văn Hoà – Võ Thạch Sơn – Đoàn Văn Tân,(2002), Các Bộ cảm biến trong kỹ thuật Đo lường và điều khiển; NXB Khoa học kỹ thuật; 2. Th.s Hoàng Minh Thông, Giáo trình cảm biến công nghiệp, NXB Khoa học kỹ thuật; 3. Phạm Công Hoà, Kỹ thuật cảm biến , NXB Khoa học kỹ thuật 4. Ngô Văn Ky, Kỹ thuật đo, Trường Đại Học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh, 1993.