Giao Trinh Cam Bien

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 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): s = F (m )

(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 - NhiÖt ®iÖn - Quang ®iÖn - Quang tõ

HiÖn t−îng vËt lý

- §iÖn tõ - Quang ®µn håi - Tõ ®iÖn - NhiÖt tõ... - BiÕn ®æi ho¸ häc

Ho¸ häc

- BiÕn ®æi ®iÖn ho¸ - Ph©n tÝch phæ ... - BiÕn ®æi sinh ho¸

Sinh häc

- BiÕn ®æi vËt lý - 5-

suu tam: [email protected]

- HiÖu øng trªn c¬ thÓ sèng ... - Ph©n lo¹i theo d¹ng kÝch thÝch (b¶ng 1.2) B¶ng 1.2 - Biªn pha, ph©n cùc ¢m thanh

- Phæ - Tèc ®é truyÒn sãng ... - §iÖn tÝch, dßng ®iÖn

§iÖn

- §iÖn thÕ, ®iÖn ¸p - §iÖn tr−êng (biªn, pha, ph©n cùc, phæ) - §iÖn dÉn, h»ng sè ®iÖn m«i ... - Tõ tr−êng (biªn, pha, ph©n cùc, phæ)

Tõ

- Tõ th«ng, c−êng ®é tõ tr−êng - §é tõ thÈm ... - Biªn, pha, ph©n cùc, phæ

Quang

- Tèc ®é truyÒn - HÖ sè ph¸t x¹, khóc x¹ - HÖ sè hÊp thô, hÖ sè bøc x¹ ... - VÞ trÝ - Lùc, ¸p suÊt - Gia tèc, vËn tèc

C¬

- øng suÊt, ®é cøng - M« men - Khèi l−îng, tØ träng - VËn tèc chÊt l−u, ®é nhít ... - NhiÖt ®é

NhiÖt

- Th«ng l−îng - NhiÖt dung, tØ nhiÖt ... - KiÓu

Bøc x¹

- N¨ng l−îng - C−êng ®é ...

Khoa dien - dai hoc Thanh Do

- 6-

suu tam: [email protected]

- Theo tÝnh n¨ng cña bé c¶m biÕn (b¶ng 1.3) B¶ng 1.3 - §é nh¹y

- Kh¶ n¨ng qu¸ t¶i

- §é chÝnh x¸c

- Tèc ®é ®¸p øng

- §é ph©n gi¶i

- §é æn ®Þnh

- §é chän läc

- Tuæi thä

- §é tuyÕn tÝnh

- §iÒu kiÖn m«i tr−êng

- C«ng suÊt tiªu thô

- KÝch th−íc, träng l−îng

- D¶i tÇn - §é trÔ - 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.

Khoa dien - dai hoc Thanh Do

- 7-

suu tam: [email protected]

§−êng cong chuÈn cã thÓ biÓu diÔn b»ng biÓu thøc ®¹i sè d−íi d¹ng s = F (m ) , hoÆc b»ng ®å thÞ nh− h×nh 1.1a.

s

s

si

0

mi

m

m

0

a)

b)

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

Dùa vµo ®−êng cong 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.

s s2 s1 m1

m2

m

H×nh 1.2 Ph−¬ng ph¸p chuÈn c¶m biÕn

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 Khoa dien - dai hoc Thanh Do

- 8-

suu tam: [email protected]

®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 Khi c¶m biÕn cã 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: ∆s = S.∆m

§¹i l−îng S x¸c ®Þnh bëi biÓu thøc S =

(1.2)

∆s ®−îc gäi lµ ®é nh¹y cña c¶m biÕn. ∆m

Tr−êng hîp tæng qu¸t, biÓu thøc x¸c ®Þnh ®é nh¹y S cña c¶m biÕn xung quanh

Khoa dien - dai hoc Thanh Do

- 9-

suu tam: [email protected]

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: ⎛ ∆s ⎞ S=⎜ ⎟ ⎝ ∆m ⎠ m = m

(1.3) i

§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.

b) §é nh¹y trong 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: ⎛s⎞ ri = ⎜ ⎟ ⎝ m ⎠Q

(1.4) i

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: m(t ) = m 0 + m 1 cos ωt

Khoa dien - dai hoc Thanh Do

- 10-

(1.5)

suu tam: [email protected]

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: s(t ) = s 0 + s1 cos(ωt + ϕ)

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: ⎛s ⎞ S = ⎜⎜ 1 ⎟⎟ ⎝ m1 ⎠Q

0

§é nh¹y trong chÕ ®é ®éng phô thuéc vµo tÇn sè ®¹i l−îng ®o, S = S (f ) . 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−

Khoa dien - dai hoc Thanh Do

- 11-

suu tam: [email protected]

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: s = am + b Trong ®ã: a=

b=

N.∑ s i .m i −∑ s i .∑ m i N.∑ m 2i − (∑ m i )

2

∑ s i .∑ m 2i − ∑ m i .s i .∑ m i 2 N.∑ m 2i − (∑ m i )

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:

Khoa dien - dai hoc Thanh Do

- 12-

suu tam: [email protected]

δ=

∆x .100 x

[%]

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 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 Khoa dien - dai hoc Thanh Do

- 13-

suu tam: [email protected]

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. m m0

t s s0

0,9 0,1

t tdm

tm

tdc

tc

H×nh 1.3 X¸c ®Þnh c¸c kho¶ng thêi gian ®Æc tr−ng cho chÕ ®é qu¸ ®é

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.

1.3.5. Giíi h¹n sö 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 Khoa dien - dai hoc Thanh Do

- 14-

suu tam: [email protected]

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 C¸c c¶m biÕn tÝch 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.

Khoa dien - dai hoc Thanh Do

- 15-

suu tam: [email protected]

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.

(M2)

T1

(M1)

T2

e

T1

(M2)

H×nh 1.4. S¬ ®å hiÖu øng nhiÖt ®iÖn.

HiÖu øng nhiÖt ®iÖn ®−îc øng dông ®Ó ®o nhiÖt ®é T1 khi biÕt tr−íc nhiÖt ®é T2, th−êng chän T2 = 0oC.

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. Φ

v

Φ

H×nh 1.5 øng dông hiÖu øng 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 cña nã t¨ng lªn, 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

Khoa dien - dai hoc Thanh Do

- 16-

suu tam: [email protected]

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.

F

V

F

H×nh 1.6 øng dông hiÖu øng ¸p ®iÖn

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. B Ω

e

Ω

H×nh 1.7 øng dông hiÖu øng c¶m øng ®iÖn tõ

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. - HiÖu øng quang 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

Khoa dien - dai hoc Thanh Do

- 17-

suu tam: [email protected]

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. Φ

V

B

Φ

H×nh 1.8 øng dông hiÖu øng quang - ®iÖn - tõ

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: VH = K H .I.B. sin θ

Trong ®ã KH lµ hÖ sè phô thuéc vµo vËt liÖu vµ kÝch th−íc h×nh häc cña tÊm vËt liÖu. N

X

S B θ

v

X

H×nh 1.9 øng dông hiÖu øng Hall 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.

Khoa dien - dai hoc Thanh Do

- 18-

suu tam: [email protected]

1.4.2. Nguyªn chÕ t¹o 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 NhiÖt ®é Bøc x¹ ¸nh s¸ng BiÕn d¹ng VÞ trÝ (nam ch©m)

Khoa dien - dai hoc Thanh Do

§Æc tr−ng nh¹y c¶m ρ

Lo¹i vËt liÖu sö dông Kim lo¹i (Pt, Ni, Cu) B¸n dÉn

ρ

B¸n dÉn

ρ

Hîp kim Ni, Si pha t¹p

Tõ thÈm (µ) ρ

Hîp kim s¾t tõ VËt liÖu tõ ®iÖn trë:Bi, InSb

- 19-

suu tam: [email protected]

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.

ë ®Çu vµo cña 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.

µV

H×nh 1.10 S¬ ®å m¹ch ®o nhiÖt ®é b»ng cÆp nhiÖt

FC (1)

D (2)

M¸y in

PC (4)

(5)

ADC (6)

CPU (7)

Mµn h×nh

PA (3)

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

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, Khoa dien - dai hoc Thanh Do

- 20-

suu tam: [email protected]

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.

−

Ura

K + Ura = K.Uvµo

H×nh 1.12 S¬ ®å bé khuÕch ®¹i thuËt to¸n

C¸c ®Æc tÝnh c¬ 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 ra = A(U + − U − ) = A∆U

Khoa dien - dai hoc Thanh Do

- 21-

suu tam: [email protected] U1 −

−

+

R3 10k

R2 10k

+ R 10k Ra 1k

−

+

R 10k

− +

U3 §Çu ra

R2 10k R3 190k

U2

H×nh 1.13 S¬ ®å bé khuÕch ®¹i ®o l−êng gåm ba K§TT ghÐp nèi ®iÖn trë

§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 i =

∆U . C¸c ®iÖn ¸p ra tõ K§TT U1 vµ U2 ph¶i b»ng nhau vÒ Ra

biªn ®é nh−ng ng−îc pha. §iÖn ¸p U3 cña tÇng thø hai biÕn ®æi ®Çu ra vi sai thµnh ®Çu ra ®¬n cùc. HÖ sè khuÕch ®¹i tæng cña IA b»ng: ⎛ 2R ⎞ R 3 ⎟⎟ A = ⎜⎜1 + R ⎝ a ⎠ R1

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. + 9V 7 2

+

3

−

6

714 4

- 9V

R2 100k

1 5 R3 10k

§Çu ra R1 1,01k

§Çu vµo

H×nh 1.14 S¬ ®å m¹ch khö ®iÖn ¸p lÖch

Khoa dien - dai hoc Thanh Do

- 22-

suu tam: [email protected]

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. + 9V 7 2

−

3

+

6

714 4 - 9V

§Çu ra

§Çu vµo

H×nh 1.15 S¬ ®å m¹ch lÆp ®iÖn ¸p

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 khuÕch ®¹i b»ng 1. 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. R1

R3

U + R2

R4 = R(1+∆)

Vra

−

H×nh 1.15 S¬ ®å m¹ch 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: α=

Khoa dien - dai hoc Thanh Do

U K . R (1 + k )2

- 23-

suu tam: [email protected]

Khoa dien - dai hoc Thanh Do

- 24-

suu tam: [email protected]

Ch−¬ng II

C¶m biÕn quang 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

tÝm lam

lôc

0,750

0,650

0,575 0,590

0,490

vµng

cùc tÝm

0,455

0,395

mµu cña phæ.

da cam

®á

hång ngo¹i

λ(µm) 0,4 0,75 1,2

cùc tÝm

h.n.ng¾n

0,1

tr«ng thÊy

0,01

10

30

hång ngo¹i

100

h. ngo¹i xa

H×nh 2.1 Phæ ¸nh s¸ng

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: v=

c n

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:

λ=

- Khi m«i tr−êng lµ ch©n kh«ng :

- Khi m«i tr−êng lµ vËt chÊt : λ =

c ν

v . ν

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: - 24 Khoa dien - dai hoc Thanh Do

suu tam: [email protected]

Wφ = hν

(2.1)

Trong ®ã h lµ h»ng sè Planck (h = 6,6256.10-34J.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): Φ=

dQ dt

(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. I=

dΦ dΩ

(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. L=

dI dA n

(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. E=

dΦ dA

(2.5)

§é räi n¨ng l−îng ®o b»ng oat/m2. b) §¬n vÞ ®o thÞ gi¸c

§é nh¹y cña m¾t 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). - 25 Khoa dien - dai hoc Thanh Do

suu tam: [email protected] V(λ) 1

0,5

λ (µm)

0 0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

λmax

H×nh 2.2 §−êng cong ®é nh¹y t−¬ng ®èi cña m¾t

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: Φ V (λ ) = 680V(λ )Φ (λ )

lumen

§èi víi ¸nh s¸ng phæ liªn tôc: λ2

Φ V = 680 ∫ V(λ ) λ1

dΦ ( λ ) dλ lumen dλ

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

HiÖu øng quang dÉn (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. - 26 Khoa dien - dai hoc Thanh Do

suu tam: [email protected]

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. - ®iÖn tö

- ®iÖn tö hν

+

-

hν

hν

+ læ trèng

+ læ trèng

H×nh 2.3. ¶nh h−ëng cña b¶n chÊt vËt liÖu ®Õn h¹t dÉn ®−îc gi¶i phãng

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.

chiÕu s¸ng V

A L

hν

hν

+

+

Vïng dÉn Wd

+

+

+

+

+

Vïng ho¸ trÞ

H×nh 2.4. TÕ bµo quang dÉn vµ sù chuyÓn møc n¨ng l−îng cña ®iÖn tö

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:

- 27 Khoa dien - dai hoc Thanh Do

suu tam: [email protected]

⎛ qWd ⎞ a = exp⎜ − ⎟ ⎝ kT ⎠

(2.6)

Trong ®ã q 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. n 02 , 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: dn 0 = a (N d − n 0 ) − r.n 02 dt

ë tr¹ng th¸i c©n b»ng ta cã :

dn 0 =0 dt

a ⎛ a 2 a.N d n0 = +⎜ + 2.r ⎜⎝ 4 r 2 r

Suy ra:

⎞ ⎟⎟ ⎠

1/ 2

(2.7)

§é dÉn trong tèi ®−îc biÓu diÔn bëi hÖ thøc: σ 0 = qµn 0

(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: g=

G 1 η(1 − R ) = . Φ V A.L hν

(2.9)

Trong ®ã: 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).

- 28 Khoa dien - dai hoc Thanh Do

suu tam: [email protected]

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: dn = a (N d − n ) + g − r.n 2 dt 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: g >> a (N d − n ) 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: ⎛g⎞ n=⎜ ⎟ ⎝r⎠

1/ 2

(2.10)

§é dÉn t−¬ng øng víi nång ®é ®iÖn tö ë ®iÒu kiÖn c©n b»ng: σ = qµn .

(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.

Vïng phæ lµm viÖc cña c¸c vËt liÖu nµy biÓu diÔn trªn h×nh 2.5

- 29 Khoa dien - dai hoc Thanh Do

suu tam: [email protected] CdS CdSe CdTe PbS PbSe PbTe Ge Si GeCu SnIn AsIn CdHg

0,6

0,2

1

2

3

4 5

10

20

30

λ, µm

H×nh 2.5. Vïng phæ lµm viÖc cña mét sè vËt liÖu quang dÉn

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 25oC), trong khi ®ã SbIn, SbAs, CdHgTe cã ®iÖn trë tèi t−¬ng ®èi nhá ( tõ 10 Ω - 103 Ω ë 25oC). §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. §iÖn trë (Ω) 106

106

104

102

0,1

1

10

100

1000

§é räi s¸ng (lx)

H×nh 2.6. Sù phô thuéc cña ®iÖn trë vµo ®é räi s¸ng

TÕ bµo quang dÉn cã thÓ coi nh− mét m¹ch t−¬ng ®−¬ng gåm hai ®iÖn trë Rc0 vµ Rcp m¾c song song:

- 30 Khoa dien - dai hoc Thanh Do

suu tam: [email protected]

Rc =

R co R cp

(2.12)

R co + R cp

Trong ®ã: Rco - ®iÖn trë trong tèi. Rcp - ®iÖn trë khi chiÕu s¸ng: R cp = aΦ − γ . 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 <
- §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:

G c = G co + G cp

(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:

I = VG co + VG cp = I 0 + I P Trong ®iÒu kiÖn sö dông th«ng th−êng I0<
V γ Φ a

(2.15)

§èi víi luång bøc x¹ cã phæ x¸c ®Þnh, tØ lÖ chuyÓn ®æi tÜnh: I V γ −1 = Φ Φ a

(2.16)

∆I V = γ Φ γ −1 ∆Φ a

(2.17)

Vµ ®é nh¹y:

Tõ hai biÓu thøc (2.16) vµ (2.17) cã thÓ thÊy: - 31 Khoa dien - dai hoc Thanh Do

suu tam: [email protected]

- 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) §é nh¹y t−¬ng ®èi

10 5

1

0,5

0,1

-150

-100

-50

0 50 NhiÖt ®é (oC)

§é nh¹y t−¬ng ®èi (%)

H×nh 2.7 ¶nh h−ëng cña nhiÖt ®é ®Õn ®é nh¹y cña tÕ bµo quang dÉn

§é nh¹y t−¬ng ®èi

100 50 30

10

10 5 1

10-1

5 10-2

3

1 1

10-3

3

2

300

B−íc sãng (µm)

a)

400 500 NhiÖt ®é vËt ®en tuyÖt ®èi (K)

b)

H×nh 2.8 §é nh¹y cña tÕ bµo quang dÉn a) §−êng cong phæ håi ®¸p b) Sù thay ®æi cña ®é nh¹y theo nhiÖt ®é

S (λ ) =

∆I ∆Φ(λ )

(2.28)

- 32 Khoa dien - dai hoc Thanh Do

suu tam: [email protected]

§é nh¹y phæ cña 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

2.2.3. Photo®iot a) CÊu t¹o 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. - 33 Khoa dien - dai hoc Thanh Do

suu tam: [email protected]

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. Vïng nghÌo Vïng chuyÓn tiÕp

Ir

hν

P

P

−+

N

Vïng nghÌo

E

−

+ N

Vb H×nh 2.10 S¬ ®å chuyÓn tiÕp P - N vµ hiÖu øng quang ®iÖn 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: ⎡ qV ⎤ I = I 0 exp ⎢ d ⎥ − I 0 ⎣ kT ⎦

Khi ®iÖn ¸p ng−îc ®ñ lín (Vd<< -

kT = −26 mV ë 300K), chiÒu cao hµng rµo thÕ q

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. 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. - 34 Khoa dien - dai hoc Thanh Do

suu tam: [email protected]

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: Φ = Φ 0 e − αx 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. Φ

P −

I

+ N

H×nh 2.11 CÊu t¹o ®i«t lo¹i PIN

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. Ir

-40 Th«ng l−îng

Vd +

ES

Rm

VR

-30

-20 ES

-10

0 20

50µW 100µW

40

150µW

−

60

200µW

a)

b)

Ir

H×nh 2.12 S¬ ®å nguyªn lý vµ chÕ ®é lµm viÖc

Dßng ng−îc qua ®i«t: ⎡ qV ⎤ I r = −I 0 exp ⎢ d ⎥ + I 0 + I p ⎣ kT ⎦

- 35 Khoa dien - dai hoc Thanh Do

(2.40)

suu tam: [email protected]

Trong ®ã Ip lµ dßng quang ®iÖn: Ip =

qη(1 − R )λ Φ 0 exp(− αX ) hc

(2.41)

⎡ qV ⎤ Khi ®iÖn ¸p ng−îc Vd ®ñ lín, thµnh phÇn exp ⎢ d ⎥ → 0, ta cã: ⎣ kT ⎦

IR = I0 + IP

Th«ng th−êng I0 <
E = VR − VD Trong ®ã VR = R m I r cho phÐp vÏ ®−êng th¼ng t¶i ∆ (h×nh 2.11b). Dßng ®iÖn ch¹y trong m¹ch: Ir =

E V + Rm Rm

§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:

⎡ qV ⎤ − I 0 exp ⎢ d ⎥ + I 0 + I p = 0 ⎣ kT ⎦

Rót ra:

∆Vb =

⎡ I ⎤ kT log ⎢1 + P ⎥ q ⎣ I0 ⎦

§é gi¶m chiÒu cao ∆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. VOC =

⎡ I ⎤ kT log ⎢1 + P ⎥ q ⎣ I0 ⎦ - 36 -

Khoa dien - dai hoc Thanh Do

suu tam: [email protected]

Khi chiÕu s¸ng yÕu IP <
kT I P . q I0

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: VOC =

I kT log P q I0

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. VOC, V

0,4

0,2

0 0,1

1

10

100 Th«ng lu−îng, mW

H×nh 2.13 Sù phô thuéc cña thÕ hë m¹ch vµo th«ng l−îng

§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): I SC = I P ISC,µV

20

10

0

0,1

0,2 Th«ng l−îng, mW

H×nh 2.14 Sù phô thuéc cña dßng ng¾n m¹ch vµo th«ng l−îng ¸nh s¸ng

- 37 Khoa dien - dai hoc Thanh Do

suu tam: [email protected]

§Æc ®iÓm quan träng 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: S (λ ) =

∆I P qη(1 − R )exp(− αX ) = λ ∆Φ hc

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. S(λ) 1,0 S(λP) 0,6 0,4 0,2 0,1

0,04

0,4

0,6

0,8

1,0

λP

1,2

λ (µm)

H×nh 2.15 Phæ ®é nh¹y cña photodiot

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. S (µA/µW)

0,4 T2

0,3

T1

0,2 0,1 T2>T1 0 0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0 λ (µm)

H×nh 2.16 Sù phô thuéc cña ®é nh¹y vµo nhiÖt ®é

- 38 Khoa dien - dai hoc Thanh Do

suu tam: [email protected]

Khi nhiÖt ®é t¨ng, cùc ®¹i λP cña ®−êng cong phæ dÞch chuyÓn vÒ phÝa b−íc sãng dµi. HÖ sè nhiÖt cña dßng quang dÉn

1 dI P . I P dT

cã gi¸ trÞ kho¶ng0,1%/oC.

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 ⎤ V0 = R m ⎢1 + 2 ⎥ I r R1 ⎦ ⎣ ES

CP1

R2 R1

+ −

Rm

− +

V0

Ir

R1

Rm ES

R2

− +

R1+R2

C2

V0

b) a) H×nh 2.17 S¬ ®å m¹ch ®o dßng ng−îc trong chÕ ®é quang dÉn

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): V0 = (R 1 + R 2 )I r

®iÖn trë cña ®iot nhá vµ b»ng

R1 + R 2 K

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 R 1C pl = R 2 C 2 .

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: §Æc tr−ng cña chÕ ®é quang thÕ: + Cã thÓ lµm viÖc ë chÕ ®é tuyÕn tÝnh hoÆc logarit tuú thuéc vµo t¶i. - 39 Khoa dien - dai hoc Thanh Do

suu tam: [email protected]

+ 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: V0 = R m .I sc

S¬ ®å logarit (h×nh 2.18b): ®o ®iÖn ¸p hë m¹ch Voc. ⎡ R ⎤ V0 = ⎢1 + 2 ⎥ Voc ⎣ R1 ⎦

R2

Rm _

IOC

+ _

+

Vco R1

V0

V0

R1=Rm

b)

a)

H×nh 2.18 S¬ ®å m¹ch ®o ë chÕ ®é quang ¸p

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. §iÖn thÕ

| +

a)

b)

c)

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¬

- 40 Khoa dien - dai hoc Thanh Do

C B E

suu tam: [email protected]

§iÖn ¸p ®Æt vµo 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: I r = I0 + I P

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): IP =

qη(1 − R )exp(−αX ) λΦ 0 hc

Dßng Ir ®ãng vai trß dßng baz¬, nã g©y nªn dßng colect¬ Ic: I c = (β + 1)I r = (β + 1)I 0 + (β + 1)I p 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 I cp = (β + 1)I p , trong ®ã gi¸ trÞ cña Icp ®−îc rót ra tõ c«ng thøc cña Ip: I cp =

(β + 1)qη(1 − R )exp(− αX ) λΦ hc

0

§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

- 41 Khoa dien - dai hoc Thanh Do

suu tam: [email protected]

th«ng l−îng hoÆc ®é chiÕu 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

∆I c phô thuéc vµo Φ0. ∆Φ 0

S(λ) 100 S(λp) (%) 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

§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). +

+

+

H×nh 2.21 Photodiotzito trong chÕ ®é chuyÓn m¹ch a) R¬le b) R¬le sau khÕch ®¹i c) Cæng logic d) Thyristo

- 42 Khoa dien - dai hoc Thanh Do

+

+

suu tam: [email protected]

- Phototranzito trong chÕ ®é tuyÕn tÝnh: Cã hai c¸ch sö 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: Φ (t ) = Φ 0 + Φ 1 (t )

+

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 2.22 S¬ ®å nguyªn lý luxmet

I c (t ) = I c Φ 0 + S.Φ1 (t ) 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. + G D

D

S

G

S

a)

b)

H×nh 2.23 Phototranzito hiÖu øng tr−êng a) S¬ ®å cÊu t¹o b) S¬ ®å m¹ch

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: ⎛ V I D = I DSS ⎜⎜1 + GS VP ⎝

⎞ ⎟⎟ ⎠

2

Víi IDS - dßng m¸ng khi VGS = 0. - 43 Khoa dien - dai hoc Thanh Do

suu tam: [email protected]

VP - ®iÖn ¸p th¾t kªnh. Khi bÞ chiÕu s¸ng, chuyÓn tiÕp P-N ho¹t ®éng nh− mét photodiot cho dßng ng−îc: I r = I0 + I P

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: VGS = R g (I 0 + I P ) − E g

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%.

- 44 Khoa dien - dai hoc Thanh Do

suu tam: [email protected]

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. HiÖu suÊt l−îng tö 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.

Φ

K A

A K

K

A

H×nh 2.24 S¬ ®å cÊu t¹o tÕ bµo quang ®iÖn ch©n kh«ng

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. Ia (µA) A

Ia

4,75 mW 4 E

3 2,37 mW 2

K

0,95 mW Rm

1 0

a)

20

40

b)

60

80

100

120

Vak (V)

H×nh 2.25 S¬ ®å t−¬ng ®−¬ng vµ ®Æc tr−ng I - v cña tÕ bµo quang ®iÖn ch©n kh«ng

- 45 Khoa dien - dai hoc Thanh Do

suu tam: [email protected]

§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 nhËn ®−îc. §iÖn trë 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: 1 ⎛ dI a ⎞ ⎟ =⎜ ρ ⎜⎝ dVak ⎟⎠ Φ

§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.

2.10-2 lm

2

1,5.10-2 lm 10-2 lm

1

0,5.10-2 lm

0

20

40

60

80

100

§é nh¹y t−¬ng ®èi

Ia (µA) 8 6 4 2 0

120

20

40

60

Vak (V)

80

Vak (V)

H×nh 2.26 §Æc tr−ng vµ ®é nh¹y cña tÕ bµo quang ®iÖn d¹ng khÝ

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 - 46 Khoa dien - dai hoc Thanh Do

suu tam: [email protected]

®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 hót bëi ®iÖn cùc thø (k+1). KÕt qu¶ ë ®iÖn cùc sau sè ®iÖn tö lín h¬n ë ®iÖn cùc tr−íc ®ã.

1 2 Φ

K

A

H×nh 2.27 ThiÕt bÞ nh©n quang 1)b Photocatot 2) Dynode (®iÖn cùc thø cÊp)

HÖ sè khuÕch ®¹i cña thiÕt bÞ nh©n quang x¸c ®Þnh theo c«ng thøc: M = ηc (η t δ )

n

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.

- 47 Khoa dien - dai hoc Thanh Do

suu tam: [email protected]

- 48 Khoa dien - dai hoc Thanh Do

suu tam: [email protected]

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: η=

F (θ 1 ) F (θ 2 )

(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: η = 1−

T1 T2

(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.

- 48 -

Khoa dien - dai hoc Thanh Do

suu tam: [email protected]

§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. Thang Kelvin (Thomson Kelvin - 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 oC vµ mét ®é Celsius b»ng mét ®é Kelvin. NhiÖt ®é Celsius x¸c ®Þnh qua nhiÖt ®é Kelvin theo biÓu thøc: T(oC)= T(K) - 273,15

(3.3)

Thang Fahrenheit (Fahrenheit - 1706): §¬n vÞ nhiÖt ®é lµ oF. Trong thang ®o nµy, nhiÖt ®é cña ®iÓm n−íc ®¸ tan lµ 32oF vµ ®iÓm n−íc s«i lµ 212oF. Quan hÖ gi÷a nhiÖt ®é Fahrenheit vµ nhiÖt Celssius:

T oC =

( )

5 T o F − 32 9

( )

9 o T C + 32 5

T oF =

{( )

}

(3.4)

( )

(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 Kelvin (K)

Celsius (oC)

Fahrenheit (oF)

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

NhiÖ ®é §iÓm 0 tuyÖt ®èi

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 - 49 -

Khoa dien - dai hoc Thanh Do

suu tam: [email protected]

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.

-

Gi¶m sù trao ®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: dQ = αA(Tx − Tc )dt

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: dQ = mCdTc

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: αA(Tx − Tc )dt = mCdTc

mC = τ , gäi lµ h»ng sè thêi αA gian nhiÖt, ta cã: dTc dt = Tx − Tc τ NghiÖm cña ph−¬ng tr×nh cã d¹ng:

Tx T1

§Æt

Tc = Tx − ke

−

0,63Tx

τ

t τ

t

H×nh 3.1. Trao ®æi nhiÖt cña c¶m biÕn

§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). - 50 -

Khoa dien - dai hoc Thanh Do

suu tam: [email protected]

+ 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

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. 2

A

1

a)

1

2 b)

H×nh 3.2 NhiÖt kÕ gi·n në a) NhiÖt kÕ gèm - kim lo¹i b) NhiÖt kÕ kim lo¹i - 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 700oC. 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/oC, vá nhiÖt kÕ b»ng thuû tinh cã α =2.10-5/oC. 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 - 51 -

Khoa dien - dai hoc Thanh Do

suu tam: [email protected]

vá theo däc èng mao dÉn. D¶i nhiÖt ®é lµm viÖc tõ - 50 ÷ 600oC tuú theo vËt liÖu chÕ t¹o vá bäc. 3.3. NhiÖt kÕ ®iÖn trë 3.3.1. Nguyªn lý 2

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.

3

Trong tr−êng hîp tæng qu¸t, sù thay ®æi ®iÖn trë theo nhiÖt ®é cã d¹ng: R(T ) = R 0 .F (T − T0 )

1

R0 lµ ®iÖn trë ë nhiÖt ®é T0, F lµ hµm ®Æc tr−ng cho vËt

H×nh 3.3 NhiÖt kÕ gi¶n në dïng chÊt láng

liÖu vµ F = 1 khi T = T0. HiÖn nay th−êng sö 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:

(

R(T ) = R 0 1 + AT + BT 2 + CT 3

)

(3.6)

Trong ®ã nhiÖt ®é T ®o b»ng oC, T0=0oC 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: ⎡ ⎛ 1 1 ⎞⎤ R(T ) = R 0 . exp ⎢B⎜⎜ − ⎟⎟⎥ ⎣ ⎝ T T0 ⎠ ⎦

(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: R(T + ∆T ) = R(T )(1 + α R ∆T )

(3.8)

Trong ®ã: αR =

1 dR R(T ) dT

(3.9)

- 52 -

Khoa dien - dai hoc Thanh Do

suu tam: [email protected]

®−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 0oC platin (Pt) cã αR=3,9.10-3/oC. ChÊt l−îng thiÕt bÞ ®o x¸c ®Þnh gi¸ trÞ nhá nhÊt mµ nã cã thÓ ®o ®−îc

∆R R0

, do ®ã min

còng x¸c ®Þnh sù thay ®æi nhá nhÊt cña nhiÖt ®é cã thÓ ph¸t hiÖn ®−îc: ∆Tmin =

VÝ dô nÕu

∆R R0

1 ∆R αR Ro

min

= 10 −6 vµ víi nh÷ng phÐp ®o quanh ®iÓm 0oC, vËt liÖu lµ platin th× min

∆Tmin = 2,6.10 −4 oC.

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: αR =

αρ =

§Æt:

1 dR 1 dρ 1 dl 1 ds = + − R dT ρ dT l dT s dT

1 dρ 1 dl ; αl = ; ρ dT l dT

αs =

1 ds s dT

αR = αρ + αl − αs α s = 2α l

Víi

ta cã: α R = α ρ − α l

Trªn thùc tÕ th−êng α ρ >> α l nªn cã thÓ coi α R = α ρ .

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 : - 53 -

Khoa dien - dai hoc Thanh Do

suu tam: [email protected]

+ 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 0oC b»ng 3,9.10-3/oC. + §iÖn trë ë 100oC lín gÊp 1,385 lÇn so víi ë 0oC. + D¶i nhiÖt ®é lµm viÖc kh¸ réng tõ -200oC ÷ 1000oC.

-

Nikel: + Cã ®é nh¹y nhiÖt cao, b»ng 4,7.10-3/oC. + §iÖn trë ë 100oC lín gÊp 1,617 lÇn so víi ë 0oC. + DÔ bÞ oxy ho¸ khi ë nhiÖt ®é cao lµm gi¶m tÝnh æn ®Þnh. + D¶i nhiÖt ®é lµm viÖc thÊp h¬n 250oC. §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¸ 180oC. §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 (oC)

1083

1453

1769

3380

c (JoC-1kg-1)

400

450

135

125

λ (WoC-1m-1)

400

90

73

120

αl x106 (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

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. - 54 -

Khoa dien - dai hoc Thanh Do

suu tam: [email protected]

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 0oC 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 0oC 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 bäc trong thuû tinh 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. 1

2

3

1

8

7 5

4

6

9

6

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

- 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.

H×nh 3.5 NhiÖt kÕ bÒ mÆt - 55 -

Khoa dien - dai hoc Thanh Do

suu tam: [email protected]

§Æc tr−ng chÝnh cña nhiÖt kÕ bÒ mÆt: - §é nh¹y nhiÖt :

~5.10-3/oC ®èi víi tr−êng hîp Ni vµ Fe-Ni ~4.10-3/oC ®èi víi tr−êng hîp Pt.

- D¶i nhiÖt ®é sö dông:

-195oC ÷ 260 oC ®èi víi Ni vµ Fe-Ni. -260oC ÷ 1400 oC ®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

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%/oC ë 25oC. 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 R(Ω)

phÝa kia lµ bÒ mÆt tiÕp xóc.

2400

Trong d¶i nhiÖt ®é lµm viÖc ( -55 ÷ 200oC) cã thÓ lÊy gÇn ®óng gi¸ trÞ ®iÖn trë cña c¶m biÕn theo nhiÖt ®é theo c«ng thøc:

[

R T = R 0 1 + A(T − T0 ) + B(T − T0 )

2

2200 2000 1800 1600

]

Trong ®ã R0 vµ T0 lµ ®iÖn trë vµ nhiÖt ®é

1400 1200 1000 800

tuyÖt ®èi ë ®iÓm chuÈn.

600

Sù thay ®æi nhiÖt cña ®iÖn trë t−¬ng ®èi nhá nªn cã thÓ tuyÕn tÝnh ho¸ b»ng c¸ch

400 -50

0

50

100

ToC

H×nh 3.6 Sù phô thuéc nhiÖt ®é cña ®iÖn trë silic

m¾c thªm mét ®iÖn trë phô.

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: 2

⎧ ⎛ 1 1 ⎞⎫ ⎡T⎤ ⎟⎟⎬ R(T ) = R 0 ⎢ ⎥ exp ⎨β⎜⎜ − T T T ⎣ 0⎦ 0 ⎠⎭ ⎩ ⎝

Trong ®ã R0(Ω) lµ ®iÖn trë ë nhiÖt ®é T0(K). §é nh¹y nhiÖt cã d¹ng: - 56 -

Khoa dien - dai hoc Thanh Do

(3.11)

suu tam: [email protected]

αR =

β+b T2

V× ¶nh h−ëng cña hµm mò ®Õn ®iÖn trë chiÕm −u thÕ nªn biÓu thøc (3.11) cã thÓ viÕt l¹i: ⎧ ⎛1 1 R(T ) = R 0 exp ⎨B⎜⎜ − ⎩ ⎝ T T0

⎞⎫ ⎟⎟⎬ ⎠⎭

(3.12)

Vµ ®é nh¹y nhiÖt: αR = −

B T2

Víi B cã gi¸ trÞ trong kho¶ng 3.000 - 5.000K.

b) CÊu t¹o Hçn hîp bét oxyt ®−îc trén theo tØ lÖ thÝch hîp sau ®ã ®−îc nÐn ®Þnh d¹ng vµ thiªu kÕt ë nhiÖt ®é ~ 1000oC. C¸c d©y nèi kim lo¹i ®−îc hµn t¹i hai ®iÓm trªn bÒ mÆt vµ ®−îc phñ b»ng mét líp kim

H×nh 3.7 CÊu t¹o nhiÖt ®iÖn trë cã vá bäc thuû tinh

lo¹i. MÆt ngoµi cã thÓ bäc bëi vá thuû tinh. 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 -10-3K. 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 300oC.

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:

- 57 -

Khoa dien - dai hoc Thanh Do

suu tam: [email protected]

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.

Gi¶ sö ë nhiÖt ®é t0 nång ®é ®iÖn tö t0

trong A lµ NA(t0), trong B lµ NB(t0) vµ ë

2

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).

A

B

XÐt ®Çu lµm viÖc (nhiÖt ®é t), do NA(t) > NB(t) nªn cã sù khuÕch t¸n ®iÖn tö tõ A →

t

1

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.

H×nh 3. 8 S¬ ®å nguyªn lý cÆp nhiÖt ngÉu

T−¬ng tù t¹i mÆt 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: E AB = e AB (t ) + e BA (t 0 ) + e A (t 0 , t ) + e B (t, t 0 )

(3.13)

V× eA(t0,t) vµ eB(t,t0) nhá vµ ng−îc chiÒu nhau cã thÓ bá qua, nªn ta cã: E AB = e AB (t ) + e BA (t 0 )

NÕu nhiÖt ®é hai mèi hµn b»ng nhau, ch¼ng h¹n b»ng t0 khi ®ã søc ®iÖn ®éng tæng: E AB = e AB (t 0 ) + e BA (t 0 ) = 0

Hay: e BA (t 0 ) = −e AB (t 0 )

(3.14)

E AB = e AB (t ) − e AB (t 0 )

(3.15)

Nh− vËy:

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×: E AB = e AB (t ) + C = f (t ) - 58 -

Khoa dien - dai hoc Thanh Do

(3.16)

suu tam: [email protected]

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: E ABC (t, t 0 ) = e AB (t ) + e BC (t 0 ) + e CA (t 0 )

V×: e AB (t 0 ) + e BC (t 0 ) + e CA (t 0 ) = 0

Nªn: E ABC (t, t 0 ) = e AB (t ) − e AB (t 0 ) t0

C t0

2

t0

2 3

B t1

3 A

B

A

1

C

4 t1 1 B

t

t b)

a)

H×nh 3.9 S¬ ®å nèi cÆp nhiÖt víi d©y dÉn thø ba

-

Tr−êng hîp b: E ABC (t, t 1 , t 0 ) = e AB (t ) − e AB (t 0 ) + e BC (t 1 ) + e CB (t 1 )

V×: e BC (t 1 ) = −e CB (t 1 ) Nªn: E ABC (t, t 0 ) = e AB (t ) − e AB (t 0 ) 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. - 59 -

Khoa dien - dai hoc Thanh Do

suu tam: [email protected]

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. Ed

1

2

4

5

3

6 7

T

8 9 11

10

H×nh 3.10 Søc ®iÖn ®éng cña mét sè vËt liÖu chÕ t¹o ®iÖn cùc 1) Telua 2) Chromel 3) S¾t 4) §ång 5) Graphit 6) Hîp kim platin-ro®i 7) Platin 8) Alumel 9) Niken 10) Constantan 11) Coben

-

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 1600oC , E® =16,77mV. NhiÖt ®é lµm viÖc dµi h¹n <1300oC. §−êng ®Æc tÝnh cã d¹ng bËc hai, trong kho¶ng nhiÖt ®é 0 - 300oC th× E ≈ 0. Trong m«i tr−êng cã SiO2 cã thÓ háng ë nhiÖt ®é 1000 - 1100oC. §−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 ~1100oC, E® = 46,16 mV. - 60 -

Khoa dien - dai hoc Thanh Do

suu tam: [email protected]

NhiÖt ®é lµm viÖc dµi h¹n < 900oC. §−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 800oC, E® = 66 mV. NhiÖt ®é lµm viÖc dµi h¹n < 600oC. -

CÆp nhiÖt §ång/Coben:

Cùc d−¬ng lµ ®ång s¹ch, cùc ©m lµ coben. NhiÖt ®é lµm viÖc ng¾n h¹n 600oC. NhiÖt ®é lµm viÖc dµi h¹n <300oC. 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®

E J K

R S B

toC H×nh 3.11 Søc ®iÖn ®éng cña mét sè cÆp nhiÖt ngÉu E-Chromel/Constantan R- Platin-Rodi (13%)/Platin J- S¾t/Constantan S- Platin-Rodi (10%)/Platin K- Chromel/Alumel B-Platin-rodi (30%)/ Platin-rodi (6%)

b) CÊu t¹o

CÊu t¹o ®iÓn h×nh cña mét cÆp nhiÖt c«ng nghiÖp tr×nh bµy trªn h×nh 3.12. 3

2

5

4

6 7 8

1 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 - 61 -

Khoa dien - dai hoc Thanh Do

suu tam: [email protected]

§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.

-

Gi¶m thiÓu sù 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.

mV

mV

C

2 A

t0

3

t0 3 t

B

A

B

t0 4

t0

A 1 t1

2

t2

1 H×nh3.14 S¬ ®å ®o vi sai

H×nh 3.13 S¬ ®å m¹ch ®o

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.

- 62 -

Khoa dien - dai hoc Thanh Do

suu tam: [email protected]

§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. E mV

E AB (t, t '0 ) A

B

B A

B A

A

B

E AB (t '0 , t 0 ) toC H×nh 3.16 HiÖu chØnh nhiÖt ®é ®Çu tù do

H×nh 3.15 S¬ ®å m¾c nèi tiÕp

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 nE AB (t, t 0 ) . - Bï nhiÖt ®é ®Çu tù do:

Th«ng th−êng cÆp nhiÖt ngÉu ®−îc chuÈn víi t0 = 0oC øng víi: E AB (t, t 0 ) = e AB (t ) − e AB (t 0 ) NÕu nhiÖt ®é ®Çu tù do b»ng t '0 ≠ 0 th× gi¸ trÞ søc ®iÖn ®éng ®o ®−îc: E AB (t, t '0 ) = e AB (t ) − e AB (t '0 )

Rót ra:

[

E AB (t, t 0 ) = E AB (t, t '0 ) + e AB (t '0 ) − e AB (t 0 )

]

Hay: E AB (t, t 0 ) = E AB (t, t '0 ) + E Ab (t '0 , t 0 )

Gi¸ trÞ E AB (t, t '0 ) 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:

- 63 -

Khoa dien - dai hoc Thanh Do

suu tam: [email protected]

§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. E = e AB (t ) − e CA (t '0 ) + e BD (t '0 ) − e CD (t 0 )

Chän d©y dÉn C vµ D sao cho e CA (t '0 ) = e DB (t '0 ) ( 12 = 34 ), khi ®ã: E = e AB (t ) − e CD (t 0 )

V× e(t0) = 0, nªn: E = e AB (t ) − e AB (t 0 )

t’0

2

3 t’0

A

B

C

t0

D

t0

E

C 1

A

2 D

1

3 4

0

t

B t

H×nh 3.17 Bï nhiÖt ®é ®Çu tù do b»ng d©y bï

-

Dïng cÇu bï: Trªn h×nh 3.18 giíi thiÖu s¬ ®å dïng cÇu bï tù ®éng nhiÖt ®é ®Çu tù do. t0

C

F Rd

t1

t1

D A

B

R1

mV

t0 R2

R3

t Bé nguån

H×nh 3.18 CÇu bï 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 ÷4,28.10-3oC-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

- 64 -

Khoa dien - dai hoc Thanh Do

suu tam: [email protected]

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: E AB (t, t '0 ) + U cd = E AB ( t, t 0 )

Sai sè bï cña cÇu tiªu chuÈn khi nhiÖt ®é t0 thay ®æi trong kho¶ng 0 - 50oC lµ ±3oC. - ¶nh h−ëng cña ®iÖn trë m¹ch ®o:

XÐt m¹ch ®o dïng miliv«n kÕ ®iÖn tõ (h×nh 3.19). t0 2 t1

3 t1

A

Rd

t0

RV

B Rt 1 t

H×nh 3.19 ¶nh h−ëng cña ®iÖn trë m¹ch ®o

Gäi:

Rt lµ ®iÖn trë cña cÆp nhiÖt. Rd lµ ®iÖn trë d©y nèi. Rv lµ ®iÖn trë trong cña miliv«n kÕ.

Khi ®ã ®iÖn ¸p gi÷ hai ®Çu miliv«n kÕ x¸c ®Þnh bëi c«ng thøc: Vm = E AB (t, t 0 )

RV Rt + Rd + R V

Rót ra:

⎡ R + Rd ⎤ E AB (t, t 0 ) = Vm ⎢1 + t ⎥ RV ⎦ ⎣

(3.17)

Theo biÓu thøc (3.17) khi Rv >> Rt+Rd th×: E AB (t, t 0 ) ≈ Vm

-

¶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. - 65 -

Khoa dien - dai hoc Thanh Do

suu tam: [email protected]

-

¶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/oC). §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. E

E R®c i0

iC A B

Rd

EX -

EM P

+

K

Rx t

R

G

iP

RG G

R®c

RM

EX D

a)

b)

H×nh 3.20 S¬ ®å ®o b»ng ph−¬ng ph¸p bï

Theo s¬ ®å h×nh (3.20a) ta cã: E X = I C R AB + I P (R d + R x + R G ) IC = I0 + IP E X = (I 0 + I P )R AB + I P (R d + R x + R G ) IP =

NÕu

E X − I 0 R AB R AB + R d + R X + R G

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 AB =

l R L

EX = I0

l R L - 66 -

Khoa dien - dai hoc Thanh Do

suu tam: [email protected]

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.

E = σT 4

(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. 2

1

3

4

4 1

5

5 b)

a)

H×nh 3.21 Ho¶ kÕ bøc x¹ toµn phÇn a) Lo¹i cã èng kÝnh héi tô b) Lo¹i cã kÝnh ph¶n x¹ 1) Nguån bøc x¹ 2) ThÊu kÝnh héi tô 3) G−¬ng ph¶n x¹ 4) Bé ph©n thu n¨ng l−îng 5) Dông cô ®o thø cÊp

Trong s¬ ®å h×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). - 67 -

Khoa dien - dai hoc Thanh Do

suu tam: [email protected]

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 - 150oC. + 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. 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

1

cÆp

cr«men/c«ben m¾c nèi tiÕp víi nhau. C¸c vÖt ®en (2) phñ b»ng bét platin.

2

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

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¸ 27oC, 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. + NhiÖt ®é m«i tr−êng 20 ± 2oC. Trong thùc tÕ ®é ®en cña vËt ®o ε <1,

∆T

ε1 ε2 ε3

1 khi ®ã Tdo = 4 .Tdoc . Th«ng th−êng x¸c ε

®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).

T®äc Hn×h 3.23 HiÖu chØnh nhiÖt ®é theo ®é ®en

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: - 68 -

Khoa dien - dai hoc Thanh Do

suu tam: [email protected]

I λT =

C1

(3.19)

⎛ C2 ⎞ λ5 ⎜ e RT − 1⎟ ⎜ ⎟ ⎝ ⎠

Trong ®ã λ lµ b−íc sãng, C1, C2 lµ c¸c h»ng sè. Nguyªn t¾c ®o nhiÖt ®é b»ng ho¶ kÕ quang häc lµ so s¸nh c−êng ®é s¸ng cña vËt

IλT

T1

cÇn ®o vµ ®é s¸ng cña mét ®Ìn mÉu ë trong

T2

cïng mét b−íc sãng nhÊt ®Þnh vµ theo cïng mét h−íng. Khi ®é s¸ng cña chóng b»ng nhau

T3

th× nhiÖt ®é cña chóng b»ng nhau.

0,65µm

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

λ

H×nh 3.24 Sù phô thuéc cña c−êng ®é ¸nh s¸ng vµo b−íc sãng vµ nhiÖt ®é

th−êng cè ®Þnh b−íc sãng ë 0,65µm.

2

1

4

5

3

mA

6

7

8

Rb

K 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 5) Bãng ®Ìn mÉu 7) KÝnh läc ¸nh s¸ng ®á 8) ThÞ kÝnh

Khi ®o, h−íng ho¶ 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: - 69 -

Khoa dien - dai hoc Thanh Do

suu tam: [email protected]

1 λ 1 = ln Tdo C 2 ελ 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.

- 70 -

Khoa dien - dai hoc Thanh Do

suu tam: [email protected]

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):

Rx =

l Rn L

(4.1)

- 71 -

Khoa dien - dai hoc Thanh Do

suu tam: [email protected]

-

Tr−êng hîp ®iÖn thÕ kÕ dÞch chuyÓn trßn hoÆc xo¾n: Rx =

α Rn αM

(4.2)

Trong ®ã αM < 360o khi dÞch chuyÓn trßn (h×nh 4.1b) vµ αM > 360o khi dÞch chuyÓn xo¾n. (h×nh 4.1c) Rx, l

2

1 1

Rn, , L a) 2

1 1 2

Rn

Rn

Rα

Rα

c)

b) H×nh 4.1 C¸c d¹ng ®iÖn thÕ kÕ 1) §iÖn trë 2) Con ch¹y

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 ~10-2µm. 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:

- 72 -

Khoa dien - dai hoc Thanh Do

suu tam: [email protected]

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. Rx Cuèi ®−êng ch¹y

Kho¶ng ch¹y cã Ých

§Çu ®−êng ch¹y

x

H×nh 4.2 Sù phô thuéc cña ®iÖn trë ®iÖn thÕ kÕ vµo vÞ trÝ con ch¹y

H×nh 4.3 §é ph©n gi¶i cña ®iÖn thÕ kÕ d¹ng d©y

- N¨ng suÊt ph©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. - 73 -

Khoa dien - dai hoc Thanh Do

suu tam: [email protected]

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 bëi mét b¨ng quang 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. 4

3

2 1

§iÖn trë

~20 ms

Thêi gian

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

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: Vm =

R1 R ES = 1 ES R1 + R 2 R - 74 -

Khoa dien - dai hoc Thanh Do

(4.3)

suu tam: [email protected]

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. 2 Vm/ES R1

70%

R2

50% 1

3

30%

0O

a)

180O b)

360O

H×nh 4.5 §iÖn thÕ kÕ ®iÖn tõ

Tõ h×nh 4.5b ta 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. 1

3

2

1

2 XV

XV

R 2 δ a)

1

3 b) H×nh 4.6 C¶m biÕn tù c¶m 1) Lâi s¾t tõ 2) Cuén d©y 3) PhÇn ®éng - 75 -

Khoa dien - dai hoc Thanh Do

c)

suu tam: [email protected]

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. S¬ ®å h×nh 4.6a: 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: W 2 W 2µ 0s = L= δ Rδ Trong ®ã: W- sè vßng d©y.

Rδ =

δ - tõ trë cña khe hë kh«ng khÝ. µ0s

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: dL =

∂L ∂L ds + dδ ∂s ∂δ

Víi l−îng thay ®æi h÷u h¹n ∆δ vµ ∆s ta cã: ∆L =

W 2µ0 W 2 µ 0s0 ∆s − ∆δ δ0 (δ 0 + ∆δ)2

(4.4)

§é nh¹y cña c¶m biÕn tù c¶m khi khe hë kh«ng khÝ thay ®æi (s=const): Sδ =

∆L =− ∆δ

L0 ⎡ ⎛ ∆δ ⎞⎤ δ 0 ⎢1 + ⎜⎜ ⎟⎟⎥ ⎣ ⎝ δ 0 ⎠⎦

2

§é nh¹y cña c¶m biÕn tù c¶m khi thay ®æi tiÕt diÖn kh«ng khÝ (δ = const): - 76 -

Khoa dien - dai hoc Thanh Do

(4.5)

suu tam: [email protected]

Ss =

∆L L 0 = ∆s s 0

(4.6)

Tæng trë cña c¶m biÕn: ωW 2 µ 0 s Z = ωL = δ

(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.

Z, L L = f(∆δ) Z5000Hz = f(∆δ) Z500Hz = f(∆δ) ∆δ H×nh 4.7 Sù phô thuéc gi÷a L, Z víi chiÒu dµy 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) H×nh 4.8 C¶m biÕn tù c¶m kÐp m¾c theo kiÓu vi sai

§Æc tÝnh cña c¶m biÕn tù c¶m kÐp vi sai cã d¹ng nh− h×nh 4.9.

- 77 -

Khoa dien - dai hoc Thanh Do

c)

suu tam: [email protected]

L L1 = f(δ) L1 - L2 = f(δ) δ L2 = f(δ) H×nh 4.9 §Æc tÝnh cña c¶m biÕn tù c¶m kÐp l¾p vi sai

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). 1

2

l0

XV

lf 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

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. - C¶m biÕn ®¬n cã khe hë kh«ng khÝ:

- 78 -

Khoa dien - dai hoc Thanh Do

suu tam: [email protected]

Φt =

Tõ th«ng tøc thêi:

iW1 iW1µ 0 s = δ Rδ

i - gi¸ trÞ dßng ®iÖn tøc thêi trong cuén d©y kÝch thÝch W1. ~

4

1

3

1

2

XV

1

XV

3 3 4

2 4 a)4

~

b)

c)

~

~

XV

XV XV

φ1

φ2 ~

~

e)

®)

d)

~

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)

Søc ®iÖn ®éng c¶m øng trong cuén d©y ®o W2: e = − W2

dΦ t W W µ s di =− 2 1 0 . dt δ dt

W2 - sè vßng d©y cña cuén d©y ®o. Khi lµm viÖc víi dßng xoay chiÒu i = I m sin ωt , ta cã:

W2 W1µ 0 s ωI m cos ωt δ

e=−

vµ gi¸ trÞ hiÖu dông cña suÊt ®iÖn ®éng: E=−

W2 W1µ 0 s s ωI = k δ δ

I - gi¸ trÞ hiÖu dông cña dßng ®iÖn, k = W2 W1µ 0 ωI . Víi c¸c gi¸ trÞ W2, W1, µ0, ω vµ I lµ h»ng sè, ta cã: dE =

∂E ∂E ds + dδ ∂s ∂δ - 79 -

Khoa dien - dai hoc Thanh Do

suu tam: [email protected]

Hay

∆E = k

∆δ ∆s − ks ∂0 (δ 0 + ∆δ)2

(4.8)

§é nh¹y cña c¶m biÕn víi sù thay ®æi cña chiÒu dµi khe hë kh«ng khÝ δ (s = const): Sδ =

∆E =− ∆δ

ks ⎛ ∆δ ⎞ ⎟ δ 02 ⎜⎜1 + δ 0 ⎟⎠ ⎝

2

E0

=

⎛ ∆δ ⎞ ⎟ δ 0 ⎜⎜1 + δ 0 ⎟⎠ ⎝

2

(4.9)

Cßn ®é nh¹y khi tiÕt diÖn khe hë kh«ng khÝ s thay ®æi (δ = const): SS = E0 =

∆E k E 0 = = ∆s δ 0 s 0

(4.10)

ks 0 - søc ®iÖn ®éng hç c¶m ban ®Çu trong cuén ®o W2 khi XV = 0. δ0

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. 2

2

3 1 ~

~

H×nh 4.12 C¶m biÕn hç c¶m vi sai 1) Cuén s¬ cÊp 2) Cuén thø cÊp 3) Lâi tõ

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 - 80 -

Khoa dien - dai hoc Thanh Do

suu tam: [email protected]

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. C=

εε 0 s δ

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.

δ

XV α

XV

XV

c)

b)

a)

H×nh 4.13 C¶m biÕn tô ®iÖn ®¬n

-

§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. C=

ε 0 s ε 0 πr 2 .α = 360δ δ

(4.11)

α - gãc øng víi phÇn hai b¶n cùc ®èi diÖn nhau.

- 81 -

Khoa dien - dai hoc Thanh Do

suu tam: [email protected]

§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. C=

2 πε 0 .l log( r2 / r1 )

(4.12)

XÐt tr−êng hîp tô ®iÖn ph¼ng, ta cã: C=

εs δ ∂C ∂C ∂C dε + ds + dδ ∂ε ∂s ∂δ

dC =

§−a vÒ d¹ng sai ph©n ta cã: s0 ε ε 0s0 ∆ε + 0 ∆s − ∆δ δ0 δ0 (δ 0 + ∆δ )2

∆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: SCδ =

ε0s0 ∆C =− ∆δ (δ 0 + ∆δ )2

(4.14)

Khi diÖn tÝch cña b¶n cùc thay ®æi ( ε = const vµ δ = const), ®é nh¹y cña c¶m biÕn: SCS =

∆C ε 0 = ∆s δ 0

(4.15)

Khi h»ng sè ®iÖn m«i thay ®æi ( s = const vµ δ = const), ®é nh¹y cña c¶m biÕn: SCε =

∆C s 0 = ∆ε δ 0

(4.16)

NÕu xÐt ®Õn dung kh¸ng: Z=

δ 1 = ωC ωεs

dZ =

∂Z ∂Z ∂Z dε + ds + dδ ∂ε ∂s ∂δ

§−a vÒ d¹ng sai ph©n: ∆Z = −

δ0

ωs 0 (ε 0 + ∆ε )

2

∆ε −

δ0

ωε 0 (s 0 + ∆s )

2

∆s +

1 ∆δ ωε 0 s 0

T−¬ng tù trªn ta cã ®é nh¹y cña c¶m biÕn theo dung kh¸ng: - 82 -

Khoa dien - dai hoc Thanh Do

suu tam: [email protected]

S Zε = − S Zs = −

S Zδ =

δ0

(4.17)

ωs 0 (ε 0 + ∆ε )

2

δ0

(4.18)

ωε 0 (s 0 + ∆s )

2

1 ωε 0 s 0

(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 XV A2 A 1 A3

XV A1

A2

α

A1

XV

A3

A2 δ a)

A3

c) b) H×nh 4.14 C¶m biÕn tô kÐp vi sai

Tô kÐp vi sai 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. - 83 -

Khoa dien - dai hoc Thanh Do

suu tam: [email protected]

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. Cx R eS ~

A2 A1 A3

Ura

C0

eS ~

Ura

R b)

a)

H×nh 4.15 M¹ch ®o th−êng dïng víi c¶m biÕn 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). Tuú theo c¸ch bè 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. - 84 -

Khoa dien - dai hoc Thanh Do

suu tam: [email protected] 1

2

3

H×nh 4.16 C¶m biÕn quang ph¶n x¹ 1) Nguån ph¸t 2) Th−íc ®o 3) §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). TÝn hiÖu ra

Vr1

3 1

Chu kú chia

2 5

Vr2

TÝn hiÖu chuÈn

6 a)

4 b)

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

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.

- 85 -

Khoa dien - dai hoc Thanh Do

suu tam: [email protected]

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 ~ 103m/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: tP =

l v

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: l = vt P 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 thu l

M¸y ph¸t

H×nh 4.18 S¬ ®å khèi cña mét thiÕt bÞ ®o dÞch chuyÓn b»ng sãng ®µn håi

Gäi sè xung ®Õm ®−îc lµ N vµ chu kú cña xung ®Õm lµ tH, ta cã: t P = Nt H - 86 -

Khoa dien - dai hoc Thanh Do

suu tam: [email protected]

l = vNt H

Khi ®ã:

(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).

Ph−¬ng truyÒn sãng

Ph−¬ng truyÒn sãng

V

V b)

λ

a) V

c)

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

Sãng bÒ mÆt truyÒn 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 - 87 -

Khoa dien - dai hoc Thanh Do

suu tam: [email protected]

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. 1

§Çu thu

2

3

5

l M¸y ph¸t xung 4

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

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.

- 88 -

Khoa dien - dai hoc Thanh Do

suu tam: [email protected]

Gäi tP lµ thêi gian tõ khi ph¸t xung hái ®Õn khi nhËn ®−îc xung håi ®¸p, do v << c ta cã: tP =

l v

(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.

- 89 -

Khoa dien - dai hoc Thanh Do

suu tam: [email protected]

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).

ε=

∆l l

(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. ε || =

1 F 1 = σ YS Y

(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. ε ⊥ = −νε ||

(5.3)

Trong vïng biÕn d¹ng ®µn håi ν ≈ 0,3.

- 90 Khoa dien - dai hoc Thanh Do

suu tam: [email protected]

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.

b)

a)

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

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). - 91 Khoa dien - dai hoc Thanh Do

suu tam: [email protected]

B¶ng 5.1 Hîp kim

Thµnh phÇn

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.

2

1

3

4

5

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

§iÖn trë cña c¶m biÕn x¸c ®Þnh bëi biÓu thøc : R=

ρl S

(5.4)

Ph−¬ng tr×nh sai ph©n: ∆R ∆l ∆S ∆ρ = − + R l S ρ 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: ∆a ∆b ∆d ∆l = = = −ν a b d l

TiÕt diÖn ngang cña d©y S = ab hoÆc S = πd2/4, ta cã: ∆S ∆l = −2ν S l MÆt kh¸c, ®èi víi ®Çu ®o kim lo¹i: ∆ρ ∆V =C ρ V

- 92 Khoa dien - dai hoc Thanh Do

suu tam: [email protected]

C - h»ng sè Bridman. V - thÓ tÝch d©y. V× V = S.l, ta cã: ∆V ∆l = (1 − 2ν) V l Vµ: ∆ρ ∆l = C (1 − 2ν) ρ l

VËy ta cã: ∆R ∆l ∆l = {(1 + 2ν ) + C (1 − 2ν )} = K. R l l

(5.5)

HÖ sè K ®−îc gäi lµ hÖ sè ®Çu ®o, gi¸ trÞ x¸c ®Þnh theo biÓu thøc: K = 1 + 2ν + C (1 − 2ν )

(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 - 100oC ÷ 300oC sù thay ®æi cña hÖ sè ®Çu ®o K theo nhiÖt ®é cã thÓ biÓu diÔn bëi biÓu thøc:

K (T ) = K 0 {1 + α K (T − T0 )}

(5.7)

K0 - hÖ sè ®Çu ®o ë nhiÖt ®é chuÈn T0 (th−êng T0 = 25oC). αK - hÖ sè, phô thuéc vËt liÖu. Víi Nichrome V th× αK = -0,04%/oC, constantan αK = +0,01%/oC -

§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 - 93 Khoa dien - dai hoc Thanh Do

suu tam: [email protected]

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. 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 10-2mm. C¸c mÉu c¾t ®−îc d¸n trªn ®Õ c¸ch ®iÖn b»ng nhùa.

P N P N N

H×nh 5.3 §Çu ®o chÕ t¹o b»ng c¸c mÉu c¾t

§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. SiO2

Si-N

Si-P

H×nh 5.4 §Çu ®o lo¹i khuÕch t¸n

§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. - 94 Khoa dien - dai hoc Thanh Do

suu tam: [email protected]

BiÕn thiªn ®iÖn trë cña ®Çu ®o b¸n dÉn x¸c ®Þnh bëi c«ng thøc t−¬ng tù ®Çu ®o kim lo¹i: ∆R ∆l ∆S ∆ρ = − + ρ R l S

§èi víi ®Çu ®o b¸n dÉn, biÕn thiªn ®iÖn trë suÊt do t¸c dông cña øng lùc cã d¹ng: ∆ρ ∆l = πσ = πY ρ l

Trong ®ã π lµ hÖ sè ¸p ®iÖn trë, σ lµ øng lùc t¸c dông. VËy: ∆l ∆R = {(1 + 2ν ) + πY} R l

(5.8)

K = 1 + 2ν + πY

(5.9)

vµ hÖ sè ®Çu ®o: 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: ρ=

1 q (µ n n + µ p p )

q - gi¸ trÞ tuyÖt ®èi cña ®iÖn tÝch ®iÖn trë hoÆc lç trèng. n, p - mËt ®é ®iÖn tö vµ lç trèng tù do.

ρ (Ωcm)

ρ (Ωcm)

µn, µp - ®é linh ®éng cña ®iÖn tö vµ lç trèng. 7 6

1014

10-1

5 4

1016

10-2

3

101

2

1020

1

10-3 1014

1015

1016

-100

1017 1018 1019 Nång ®é t¹p chÊt/cm3

0

100 200 300

400

500

H×nh 5.5 Sù phô thuéc cña ®iÖn trë suÊt vµo nång ®é pha t¹p vµ nhiÖt ®é

- 95 Khoa dien - dai hoc Thanh Do

ToC

suu tam: [email protected]

¶nh h−ëng cña nhiÖt ®é: khi nhiÖt ®é nhá h¬n 120oC hÖ sè nhiÖt ®iÖn trë cã gi¸ trÞ

d−¬ng vµ gi¶m dÇn khi ®é pha t¹p t¨ng lªn. ë nhiÖt ®é cao hÖ sè nhiÖt K

®iÖn trë cã gi¸ trÞ ©m vµ kh«ng

240

phô thuéc vµo ®é pha t¹p.

200 180

- HÖ sè ®Çu ®o K:

160 120

¶nh h−ëng cña ®é pha t¹p: HÖ sè

80

5.1018

1017/cm3

3.1019 1020

40

®Çu ®o phô thuéc vµo ®é pha t¹p, -100

khi ®é pha t¹p t¨ng lªn, hÖ sè ®Çu

0

100 200 300

400

500 600

ToC

H×nh 5.6 Sù phô thuéc cña K vµo ®é pha t¹p

®o gi¶m (h×nh 5.6). ¶nh h−ëng cña ®é biÕn d¹ng: HÖ sè ®Çu ®o phô thuéc vµo ®é biÕn d¹ng, quan hÖ cã

d¹ng: K = K1 + K 2 ε + K 2 ε 2

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 = 1020cm-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: l ≤ 0,1λ

ChiÒu dµi b−íc sãng λ cña dao ®éng c¬ häc ®−îc x¸c ®Þnh bëi c«ng thøc: λ=

v f

(5.10)

Trong ®ã v lµ vËn tèc truyÒn sãng vµ f lµ tÇn sè dao ®éng. - 96 Khoa dien - dai hoc Thanh Do

suu tam: [email protected] Y 1− ν . d (1 + ν )(1 − 2ν )

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: fmax =

v 10.l

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. 5.5. øng suÊt kÕ 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: N=

1 F 2 l Sd

(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: ∆l 1 F = l YS

(5.12)

- 97 Khoa dien - dai hoc Thanh Do

suu tam: [email protected]

Do ®ã tÇn sè dao ®éng cña d©y: N=

1 Y ∆l 2l d l

Suy ra: ∆l 4 l 2 d 2 = N = K.N 2 l Y

(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: ∆l 0 = K.N 02 l

Khi cã biÕn d¹ng, ®é kÐo dµi tæng céng cña d©y lµ ∆l1 vµ tÇn sè lµ N1, ta cã: ∆l1 = K.N 12 l

V× ®é kÐo dµi do biÕn d¹ng ∆l = ∆l1 - ∆l0, suy ra:

(

∆l = K N 12 − N 02 l

)

(5.14)

§o N0 vµ N1 ta cã thÓ tÝnh ®−îc biÕn d¹ng cña cÊu tróc.

- 98 Khoa dien - dai hoc Thanh Do

suu tam: [email protected]

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: F = Ma

(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:

P = Mg 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. Khoa dien - dai hoc Thanh Do

- 99 -

suu tam: [email protected]

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. 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

Th¹ch anh

§é thÈm thÊu ε11=4,5

§iÖn trë suÊt (Ω.m) 1012

Modun Young (109 N.m-2) Y11=80

øng lùc cùc ®¹i (107 N.m-2) 10

NhiÖt ®é lµm viÖc Tmax (oC) 550

Muèi

ε11=350

>1010

Y11=19,3

1,4

45

VËt liÖu

seignette

Y22=30

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.

+ −

b)

a)

+ −

− +

c)

+ −

d)

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

Khoa dien - dai hoc Thanh Do

- 100 -

suu tam: [email protected]

Trong nhiÒu tr−êng hîp c¸c b¶n ¸p ®iÖn ®−îc ghÐp thµnh bé theo c¸ch ghÐp nèi tiÕp hoÆc song song. + − +−

+

a)

+ − − + + − − + + − − + + − − +

− + − + −

c)

b) + −

+

−

H×nh 6.2 C¸ch ghÐp c¸c phÇn tö ¸p ®iÖn a) Hai phÇn tö song song b) Hai phÇn tö nèi tiÕp c) NhiÒu phÇn tö song song

Tr−êng hîp ghÐp song 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. 2

3

1

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

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%.

Khoa dien - dai hoc Thanh Do

- 101 -

suu tam: [email protected]

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. z y x b)

a)

c)

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

Th¹ch anh cã n¨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

ρ dQ dt

λ

Rg

Cg

dQ dt

Rg

Cg

dQ dt

RS

CS

γ

a)

b)

c)

1 1 1 = + R s R g R1

C S = C g + C1

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

Khoa dien - dai hoc Thanh Do

- 102 -

suu tam: [email protected]

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.

dQ dt

CS

RS

Vm

Re

Ce

dQ dt

Req

Ceq

Vm

1 1 1 = + R eq R S R e C¶m biÕn vµ c¸p nèi

Trë kh¸ng vµo vµ khuÕc ®¹i ®iÖn thÕ

C eq = C S + C e

H×nh 6.6 S¬ ®å t−¬ng ®−¬ng cña c¶m biÕn m¾c nèi tiÕp víi bé khuÕch ®¹i ®iÖn thÕ

§iÖn ¸p ë lèi vµo cña khuÕch ®¹i x¸c ®Þnh bëi c«ng thøc: Vm =

Q R eq C eq P . C q 1 + R eq C eq P

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).

Khoa dien - dai hoc Thanh Do

- 103 -

suu tam: [email protected]

S¬ ®å m¹ch ghÐp nèi c¶m biÕn víi bé chuyÓn ®æi ®iÖn ¸p - ®iÖn tÝch tr×nh bµy trªn h×nh 6.7b.

Bé chuyÓn ®æi ®iÖn tÝch

ChuÈn ®é nh¹y vµ khuÕch ®¹i vi sai

§Çu vµo (®iÖn tÝch)

a)

Bé khuÕch ®¹i ®Çu ra

Bé läc

§Çu ra (®iÖn ¸p)

Cr +Q

dQ dt

RS

CS

Vε

−Q

V0

b)

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

6.3. C¶m biÕn tõ gi¶o 6.3.1. HiÖu øng tõ gi¶o

D−íi t¸c ®éng cña 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 Khoa dien - dai hoc Thanh Do

- 104 -

suu tam: [email protected]

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 B Br H

Hc

H

b)

a)

H×nh 6.8 §−êng cong tõ ho¸ a) Tõ ho¸ lÇn ®Çu b) Chu tr×nh tõ trÔ B(Wb/m2)

Khi trong vËt liÖu s¾t tõ cã øng lùc, kÝch th−íc m¹ng tinh

σ=20N/mm2 σ=0

thÓ thay ®æi, c¸c h−íng dÔ tõ ho¸ thay ®æi dÉn ®Õn lµm thay H (A/m)

®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 ¶nh h−ëng cña øng lùc ®Õn ®−êng

cong

permalloy 68.

tõ

ho¸

cña

H×nh 6.9 Sù biÕn d¹ng cña ®−êng cong tõ ho¸ d−íi t¸c dông cña lùc kÐo

6.3.2. C¶m biÕn tõ 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 Khoa dien - dai hoc Thanh Do

- 105 -

suu tam: [email protected]

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: ∆µ ∆R ∆L = = = K.σ µ R L F

F

H×nh 6.10 C¶m biÕn tõ gi¶o cã tõ thÈm biÕn thiªn

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: dB r Wb.m −2 = −1,5.10 −9 dσ N.m −2

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: Vm = K

dB r dB dσ =K r dt dσ dt

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

Trong c¶m biÕn lo¹i 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: Vm Vm ∆l = F ∆l F

Trong ®ã: - Vm/∆l gäi lµ tØ sè truyÒn ®¹t cña c¶m biÕn. - ∆l/F gäi lµ ®é mÒm cña vËt trung gian. Khoa dien - dai hoc Thanh Do

- 106 -

suu tam: [email protected]

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

a)

I0

I2

I1

b)

H×nh 6.11 C¶m biÕn xóc t¸c a) HÖ thèng cùc ®o b) T¸c dông cña lùc lªn ®iÖn cùc

Khoa dien - dai hoc Thanh Do

- 107 -

I0

suu tam: [email protected]

Ch−¬ng VII c¶m biÕn vËn 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: e=−

dΦ dt

Th«ng th−êng tõ th«ng qua phÇn øng cã d¹ng: Φ (x ) = Φ 0 F (x )

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: e = −Φ 0

dF(x) dx dx dt

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 - 108 Khoa dien - dai hoc Thanh Do

suu tam: [email protected]

- 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. 2

1 N

4

S

3

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

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:

ei = −

dφ i dt

Trong ®ã dφi lµ tõ th«ng mµ d©y dÉn c¾t qua trong thêi gian dt: dφ i = dS c d B i = dS c B iN

dSc lµ tiÕt diÖn bÞ c¾t trong kho¶ng thêi gian dt: dS c = lvdt = lωrdt

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: e i = −ωrlB iN

- 109 Khoa dien - dai hoc Thanh Do

suu tam: [email protected]

SuÊt ®iÖn ®éng øng víi mét nöa sè d©y ë bªn ph¶i ®−êng trung tÝnh: Ep = −

ω Nφ 0 = − nNφ 0 2π

N - tæng sè 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: E t = nNφ0

(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. e = E sin Ωt

(7.2)

Trong ®ã E = K 1ω , Ω = K 2 ω , K1 vµ K2 lµ c¸c th«ng sè ®Æc tr−ng cho m¸y ph¸t.

N

1

2

1 N S

S

S N

H×nh 7.2 S¬ ®å cÊu t¹o cña m¸y ph¸t ®ång bé 1) Stato 2) R«to

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: Z i = R i + jL i Ω

- 110 Khoa dien - dai hoc Thanh Do

2

suu tam: [email protected]

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: RE

U=

(R + R i )2 + (L i Ω )2

=

RK 1ω

(R + R i )2 + (K 2 L i ω)2

(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 Vc = Ve cos ωe t .

2

Ve

3 ω em 2

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

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: e m = E m cos(ωe t + ϕ) = kωVe cos(ωe t + ϕ)

- 111 Khoa dien - dai hoc Thanh Do

suu tam: [email protected]

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 Khi ®o vËn tèc 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. v

2 S

N

S

1

H×nh 7.4 C¶m biÕn dïng cuén d©y di ®éng 1) Nam ch©m 2) Cuén d©y

SuÊt ®iÖn ®éng xuÊt hiÖn trong cuén d©y cã d¹ng:

e = 2 πrNBv = lBv 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.

- 112 Khoa dien - dai hoc Thanh Do

suu tam: [email protected] 1

2

v

b)

a) H×nh 7.5 C¶m biÕn cã lâi tõ di déng a) CÊu t¹o b) S¬ ®å nguyªn lý 1) Nam ch©m 2) Cuén d©y

7.1.3. Tèc ®é kÕ 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. 3

2 Khe tõ

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

- 113 Khoa dien - dai hoc Thanh Do

suu tam: [email protected]

TÇn sè cña suÊt ®iÖn ®éng trong cuén d©y x¸c ®Þnh bëi biÓu thøc: f = pn

p - sè l−îng r¨ng trªn ®Üa. n - sè vßng 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. 4

1

2

3

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

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. - 114 Khoa dien - dai hoc Thanh Do

suu tam: [email protected]

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.

§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. sin

sin

t

cos

U0sinωt

cos

UU0sinωtsinθ θ

t UU0sinωtcosθ

a)

b)

H×nh 7.8 S¬ ®å nguyªn lý m¸y ®o gãc tuyÖt ®èi

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. - 115 Khoa dien - dai hoc Thanh Do

suu tam: [email protected]

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. §é ph©n gi¶i cña 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 (~104vßng/phót) nhê mét ®éng c¬.

1

X

Z’

Y’

4 3 X’

ω Z

Y

2

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

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:

- 116 Khoa dien - dai hoc Thanh Do

suu tam: [email protected]

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: α=ω

H k

(7.5)

Gãc quay α cña 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. 4 3

1

2

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

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: ∆Φ =

4 πRLω λc

(7.6)

λ - b−íc sãng tia laze. - 117 Khoa dien - dai hoc Thanh Do

suu tam: [email protected]

c - vËn tèc ¸nh s¸ng. 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: ∆Z =

2 LRω λc

(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. - 118 -

Khoa dien - dai hoc Thanh Do

suu tam: [email protected]

-

H¹n chÕ møc rung ë giíi h¹n cho phÐp ®Ó ®¶m b¶o ®é an toµn cho c«ng

-

Rung ®éng liªn quan ®Õn tr¹ng th¸i mµi mßn vµ bÒn mái cña chi tiÕt c¬ khÝ

tr×nh. 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. z

4 M

2

b’ b a

h h0

3

1

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

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:

z = h − h0

(7.8)

Khi ®ã ph−¬ng tr×nh c©n b»ng lùc cã d¹ng: d2h dz M 2 = − F − Cz dt dt Cz - ph¶n lùc cña lß xo. F

dz - lùc ma s¸t nhít. dt

- 119 Khoa dien - dai hoc Thanh Do

suu tam: [email protected]

M

d2h - lùc do gia tèc cña khèi M g©y nªn. dt 2

Hay: −M

d2h0 d2z dz = M + F + Cz 2 2 dt dt dt

(7.9)

Tõ c«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 d2h0/dt2) phô thuéc vµo ®¹i l−îng ®−îc chän ®Ó lµm ®¹i l−îng ®o thø cÊp m2 (z, dz/dt hoÆc d2z/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 Md2z/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: − Mp 2 h 0 = Mp 2 z + Fpz + Cz

HoÆc: − p 2 ω02 z = h0 p2 p + 2ξ +1 2 ω0 ω0

Víi:

ω0 = ξ=

C = 2πf0 lµ tÇn sè riªng cña M trªn lß xo cã ®é cøng C. M

F lµ hÖ sè t¾t dÇn. 2 CM

§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. S=

m s s = 2. = S 1 .S 2 m1 m1 m 2

Trong ®ã:

- 120 Khoa dien - dai hoc Thanh Do

suu tam: [email protected]

S1 =

m2 lµ ®é nh¹y c¬ cña ®¹i l−îng ®o s¬ cÊp. m1

S2 =

s lµ ®é nh¹y cña c¶m biÕn thø cÊp. m2

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.

1 2 3 4

M b b

6

5

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

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: S1 =

m2 − p / ω02 z = = 2 m1 ph 0 p p + 2ξ +1 2 ω0 ω0

§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

f = B.l.i t¸c ®éng lªn cuén d©y khi cuén d©y chuyÓn ®éng trong tõ tr−êng c¶m øng - 121 Khoa dien - dai hoc Thanh Do

suu tam: [email protected]

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: f = (Bl )

2

1 dz R dt

Lùc nµy chèng l¹i chuyÓn ®éng cña khèi l−îng rung, lµm thay ®æi hÖ sè t¾t dÇn cña chuyÓn ®éng.

7.2.3. Gia tèc kÕ ¸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. 5 3 1 2

4

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

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.

- 122 Khoa dien - dai hoc Thanh Do

suu tam: [email protected]

3

2

1 M

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

b) §Æc tr−ng cña c¶m biÕn §é nh¹y ®−îc biÓu diÔn bëi biÓu thøc: S=

Q = S 1S 2 a

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: S1 =

S2 =

z = a

1 ω02

Q = dC z

⎛ ω2 ⎞ ⎛ ⎞ ⎜1 − ⎟ + ⎜ 2ξ ω ⎟ ⎜ 2 ⎜ ω ⎟ ω0 ⎟⎠ 0 ⎠ ⎝ ⎝

2

1 ⎛ω ⎞ 1+ ⎜ 0 ⎟ ⎝ ω⎠

2

Trong ®ã: d - h»ng sè ®iÖn m«i. c - ®é cøng cña phÇn tö nh¹y c¶m. ω=

1 - tÇn sè t¾t d−íi cña hÖ thèng c¶m biÕn - m¹ch ®o. τ

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 - 123 Khoa dien - dai hoc Thanh Do

suu tam: [email protected]

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.

3 2

4

e

M

b

G 1

L

F

H×nh 7.15 S¬ ®å nguyªn lý cña c¶m biÕn gia tèc ¸p trë 1) Khèi rung 2) TÊm ®µn håi 3) ¸p trë 4) §Õ

§é nh¹y cña c¶m biÕn ®−îc biÓu diÔn b»ng biÓu thøc: ε V S = S 1S 2 = . m a ε - §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: Vm = e s

∆R = e s Kε R

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: S1 =

A ω02

1 2

⎛ ω2 ⎞ ⎞ ⎛ ⎜1 − ⎟ + ⎜ 2ξ ω ⎟ ⎟ ⎜ 2 ⎜ ω ⎟ ⎝ ω0 ⎠ 0 ⎠ ⎝

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: - 124 Khoa dien - dai hoc Thanh Do

suu tam: [email protected]

ω0 = A = 1,5

Yle 3 4 L3 M be L3

Trong ®ã Y lµ m«®un Young.

- 125 Khoa dien - dai hoc Thanh Do

suu tam: [email protected]

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: p=

dF ds

(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

pascal

bar

¸p suÊt

(Pa)

(b)

1

10-5

1,02.10-5

105

1

9,8.104

kg/cm2

atmotsphe mmH2O

mmHg

mbar

0,987.10-5

1,02.10-1

0,75.10-2

10-2

1,02

0,987

1,02.104

750

103

0,980

1

0,986

104

735

9,80.102

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

100

10-3

1,02.10-3

0,987.10-3

1,02

0,750

1

1Pascal 1 bar 1 kg/cm2 1 atm

1mbar

(atm)

- 126 -

Khoa dien - dai hoc Thanh Do

suu tam: [email protected]

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):

p = pt

(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: p = p 0 + ρgh

(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®) : p = pt + pd

(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: pd =

ρv 2 2

(8.5) - 127 -

Khoa dien - dai hoc Thanh Do

suu tam: [email protected]

Trong ®ã ρ lµ 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.

c¶m biÕn 2

c¶m biÕn 1

H×nh 8.1 §o ¸p suÊt ®éng b»ng èng Pitot

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. 1 p

2 pt

H×nh 8.2 §o ¸p suÊt ®éng b»ng mµng 1) Mµng ®o 2) PhÇn tö ¸p ®iÖn

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. Khi ®¹t sù c©n b»ng ¸p suÊt, ta cã: p1 − p 2 = g(ρ m − ρ )(h1 + h 2 ) - 128 -

Khoa dien - dai hoc Thanh Do

suu tam: [email protected]

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. MÆt kh¸c tõ c©n b»ng thÓ tÝch ta cã: F.h1 = f .h 2

Suy ra: h1 =

p2

p1 5

6 4

1 .(p − p ) (8.6) (1 + F / f )(ρ m − ρ)g 1 2 7

Khi møc chÊt láng trong b×nh lín thay ®æi (h1 thay ®æi), phao cña ¸p kÕ dÞch

h2 3

chuyÓn vµ qua c¬ cÊu liªn kÕt lµm quay kim

2 h1 1

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

kiÓu phao.

¸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). 3

3

p2

p2

1

A

2

dx

B dH

dy

p1

p1

a)

b)

H×nh 8.4 ¸p kÕ vi sai kiÓu chu«ng 1) Chu«ng 2) B×nh chøa 3) ChØ thÞ

- 129 -

Khoa dien - dai hoc Thanh Do

suu tam: [email protected]

Khi ¸p suÊt trong 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: d(p1 − p 2 ).F = (dH + dy )∆f .g(ρ m − ρ )

(8.8)

Víi: dh = dx + dy

d(p1 − p 2 ) = dh(ρ m − ρ )g fdy = ∆f .dH + (Φ − F )dx

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: dH =

f d(p1 − p 2 ) ∆f .g(ρ m − 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: H=

f (p1 − p 2 ) ∆f .g(ρ m − 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.

- 130 -

Khoa dien - dai hoc Thanh Do

suu tam: [email protected]

8.3.1. PhÇn tö biÕn 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. e

ε1 J1

J2 J4

J3

r

ε2 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

§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: ⎛ ν⎞ p r ε1 = ⎜ 1 − ⎟ = k1p ⎝ 2⎠Y e ⎛1 ⎞p r ε1 = ⎜ − ν ⎟ = k2p ⎝2 ⎠Y e

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.

- 131 -

Khoa dien - dai hoc Thanh Do

suu tam: [email protected]

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. N1

N A

2b

γ

Nr R

A

2a p p b)

a)

c)

H×nh 8.6 Lß xo èng

§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: ∆γ = pγ

1 − ν2 R2 . Y bh

⎛ b2 ⎜1 − ⎜ a2 ⎝

⎞ α ⎟ ⎟ β + x2 ⎠

(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: ⎛ b 2 ⎞ 48s γ − sin γ N t = pab⎜⎜1 − 2 ⎟⎟ . = k1p 2 ⎝ a ⎠ ε + x 3γ − 4 sin γ + sin γ. cos γ

(8.11)

Lùc h−íng kÝnh: ⎛ b 2 ⎞ 48s γ − cos γ N r = pab⎜⎜1 − 2 ⎟⎟ . = k2p 2 ⎝ a ⎠ ε + x γ − sin γ. cos γ

Trong ®ã s vµ ε c¸c hÖ sè phô thuéc vµo tØ sè b/a. - 132 -

Khoa dien - dai hoc Thanh Do

(8.12)

suu tam: [email protected]

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: N = k 12 + k 22 .p = kp

(8.13)

Víi k = k 12 + k 22 = f(a, b, h, R, 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.

p r

α

2Rb 2Rng

H×nh 8.7 S¬ ®å cÊu t¹o èng xiph«ng

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: - 133 -

Khoa dien - dai hoc Thanh Do

suu tam: [email protected] δ = N.

1 − ν2 n − 2 Yh 0 A 0 − αA1 + α A 2 + B 0 h / R 2b

(8.14)

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: N=

π (R ng +R tr )2 ∆p 5

(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. D

h

D

p

p H×nh 8.8 S¬ ®å mµng ®o ¸p suÊt

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: δ=

(

)

3 pR 4 1 − ν2 16 Yh 3

(8.16)

- 134 -

Khoa dien - dai hoc Thanh Do

suu tam: [email protected]

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: a=

δ bδ 3 pR 4 + = h h3 Yh 4

(8.17)

Víi a, 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.

H×nh 8.9 S¬ ®å cÊu t¹o mµng dÎo cã t©m cøng

§èi víi mµng dÎo th−êng, lùc di chuyÓn t¹o nªn ë t©m mµng x¸c ®Þnh bëi biÓu thøc: πD 2 N= .p 12

(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: N=

(

)

π D 2 + Dd + d 2 .p 12

(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... - 135 -

Khoa dien - dai hoc Thanh Do

suu tam: [email protected]

-

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

CÊu t¹o cña bé chuyÓn ®æi kiÓu p

®iÖn c¶m biÓu diÔn trªn h×nh 8.10. Bé

1

chuyÓn ®æi gåm tÊm s¾t tõ ®éng g¾n trªn mµng (1) vµ nam ch©m ®iÖn cã δ

lâi s¾t (2) vµ cuén d©y (3).

2

D−íi t¸c dông cña ¸p suÊt ®o,

3

mµng (1) dÞch chuyÓn lµm thay ®æi

H×nh 8.10 Bé chuyÓn ®æi kiÓu c¶m øng 1) TÊm s¾t tõ 2) Lâi s¾t tõ 3) Cuén d©y

khe hë tõ (δ) gi÷a tÊm s¾t tõ vµ lâi tõ cña nam ch©m ®iÖn, do ®ã thay ®æi ®é

tù c¶m cña cuén 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:

W2 L= l tb / (µS tb ) + δ / (µ 0 S 0 )

(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:

L = W 2 .µ 0

S0 δ

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: L = W 2 .µ 0

S0 kp

(8.22)

§Ó ®o ®é tù c¶m L ng−êi ta dïng cÇu ®o xoay chiÒu hoÆc m¹ch céng h−ëng LC.

- 136 -

Khoa dien - dai hoc Thanh Do

suu tam: [email protected]

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 ®éng nèi víi lß xo (1). §Çu ra cña cuén thø cÊp nèi víi ®iÖn trë R1, cho phÐp ®iÒu chØnh giíi h¹n ®o trong ph¹m vi ±25%. 1 2

3

R1

I1

E

p

6

5

R2

Ur

4

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

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: e1 = 2 πf .I1M1 e 2 = 2 πf .I1M 2

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:

E = e1 − e 2 = 2πfI1 (M1 − M 2 ) = 2πfI1M

(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: Vra = 2 πfI1M ra

(8.24)

Gi¸ trÞ hç c¶m Mra phô thuéc ®é dÞch chuyÓn cña lâi thÐp: M ra = M max

δ δ max

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. - 137 -

Khoa dien - dai hoc Thanh Do

suu tam: [email protected]

Tõ ph−¬ng tr×nh (8.23) vµ (8.24), t×m ®−îc ®iÖn ¸p ra cña bé biÕn ®æi: 2πfI1M max δ δ max

Vra =

(8.25)

c) Bé biÕn ®æi kiÓu ®iÖn dung

S¬ ®å c¶m biÕn kiÓu ®iÖn dung tr×nh bµy trªn h×nh 8.12

4

2

2

1

p1

p2

3 1

4

5

p

b)

a)

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

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: C=ε

s δ + δ0

(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: i m = K1

C1 − C 2 = K( p1 − p 2 ) C1 + C 2

- 138 -

Khoa dien - dai hoc Thanh Do

(8.27)

suu tam: [email protected]

§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

CÊu t¹o cña phÇn 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).

3

R4 60o

R1 R3 R2

JT

1

2

a)

b)

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

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: ∆R1 = ∆R 3 = − ∆R 2 = − ∆R 4 = ∆R

§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: Vm =

I (∆R1 − ∆R 2 + ∆R 3 − ∆R 4 ) = I∆R 4

Sù thay ®æi t−¬ng ®èi cña trë kh¸ng theo øng lùc σ tÝnh x¸c ®Þnh theo biÓu thøc: ∆R = πσ R0 Trong ®ã π lµ hÖ sè ¸p trë cña tinh thÓ (~ 4.10-10 m2/N), khi ®ã biÓu thøc ®iÖn ¸p cã d¹ng: Vm = πIR 0 σ

(8.28)

- 139 -

Khoa dien - dai hoc Thanh Do

suu tam: [email protected]

Bé chuyÓn ®æi kiÓu ¸p trë lµm viÖc trong d¶i nhiÖt ®é tõ - 40oC ®Õn 125oC 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

Bé chuyÓn ®æi kiÓu ¸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. D d Trôc ®iÖn

p

Trôc quang

a)

b)

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 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: Q = kF

Víi F = p.S, do ®ã: Q = kpS

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: Q = kF

4dh

(8.29)

D − d2 2

Trong ®ã: D, d - ®−êng kÝnh ngoµi vµ ®−êng kÝnh trong cña phÇn tö ¸p ®iÖn. h - chiÒu cao phÇn phñ kim lo¹i.

- 140 -

Khoa dien - dai hoc Thanh Do

suu tam: [email protected]

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.

- 141 -

Khoa dien - dai hoc Thanh Do

suu tam: [email protected]

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: Q tb =

∆m ∆V hoÆc G tb = ∆t ∆t

(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: Q=

dV dt

hoÆc

G=

dm dt

(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.

- 142 -

Khoa dien - dai hoc Thanh Do

suu tam: [email protected]

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 ®éng tíi b¸nh r¨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¬.

V2

1

2

V1 a)

b)

c)

H×nh 9.1 S¬ ®å nguyªn lý c«ng t¬ thÓ tÝch

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: ∆V = q v (N 2 − N 1 )

(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: ∆V = q c (N c 2 − N c1 )

(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: Q tb =

∆V q v (N 2 − N 1 ) = ∆t t 2 − t1

L−u l−îng tøc thêi: - 143 -

Khoa dien - dai hoc Thanh Do

(9.5)

suu tam: [email protected]

Q= Víi n =

dV dN = qv = qvn dt dt

(9.6)

dN lµ tèc ®é quay trªn trôc c«ng t¬. dt

§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

1 8

2

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 lu«n tiÕp xóc víi mÆt ngoµi cam (6) nhê c¸c con l¨n (5). Trong mét vßng quay thÓ tÝch chÊt khÝ b»ng thÓ

3

7 4 6

5

H×nh 9.2 C«ng t¬ khÝ kiÓu quay 1) Vá 2, 4,7&8) C¸nh 3) Tang quay 5) Con l¨n 6) Cam

tÝch vµnh chÊt khÝ gi÷a vá vµ tang. ChuyÓn ®éng quay cña tang ®−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). - 144 -

Khoa dien - dai hoc Thanh Do

suu tam: [email protected] 4 2

1

3

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

Tèc ®é quay cña c«ng t¬ tØ lÖ víi tèc ®é dßng ch¶y: n = kW

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¬: Q = WF =

F n k

(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¬: dV = dQdt =

F ndt k

V=

F t2 ∫ ndt k t1

V=

F (N 2 − N1 ) k

Hay:

Víi N 2 − N1 =

(9.8)

F t2 ∫ ndt k t1

- 145 -

Khoa dien - dai hoc Thanh Do

suu tam: [email protected]

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. 1

2

3

H×nh 9.4 C«ng t¬ tèc ®é kiÓu tuabin tiÕp tuyÕn 1) Tuabin 2) Mµng läc 3) èng dÉn

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: W2 =

1 ξ−µ m 2

2

2 (p1 − p 2 ) ρ

Trong ®ã: p1’, p2’ - ¸p suÊt tÜnh t¹i tiÕt diÖn A-A vµ B-B. ρ - tØ träng chÊt l−u. - 146 -

Khoa dien - dai hoc Thanh Do

suu tam: [email protected]

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. B F2

F0

F1 A

C

W1

W2

p’1

p’2

∆p

p’1

δp p3’

p1

p2

p’2

w2

w1

w3

H×nh 9.5 Ph©n bè v©n tèc vµ ¸p suÊt cña mét dßng ch¶y lý t−ëng qua lç thu hÑp

Th−êng ng−êi ta kh«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: p 1' − p '2 = ψ p 1 − p 2

Khi ®ã: W2 =

ψ

2 (p1 − p 2 ) ρ

ξ − µ2 m 2

vµ l−u l−îng khèi l−îng cña chÊt l−u: G = W2 F2 ρ = W2 µF0 ρ =

µψ ξ−µ m 2

2

F0 2ρ(p 1 − p 2 )

Hay: G = αF0 2ρ(p 1 − p 2 )

Víi α =

µψ ξ−µ m 2

2

(9.9)

gäi lµ hÖ sè l−u l−îng.

- 147 -

Khoa dien - dai hoc Thanh Do

suu tam: [email protected]

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: G=α

πd 2 2ρ(p 1 − p 2 ) 4

(9.10)

Q=α

πd 2 4

(9.11)

2 (p1 − p 2 ) ρ

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: G = cαε ρ(p 1 − p 2 )

(9.12)

1 (p1 − p 2 ) ρ

(9.13)

Q = cαε

ë ®©y:

(

)

c = π 2 / 4 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 h»ng sè. Trong tr−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.

a)

c)

b)

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

- 148 -

Khoa dien - dai hoc Thanh Do

suu tam: [email protected]

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. 1

1

1

Q

Q

Q

5 4

2

8

3

3 7

a)

b)

c)

4 6

1

1 Q

Q

9

10

11

9

3 4 6

7

12 7

3 4 6

®)

d)

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 20oC

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. 5

2

N

S

3

4

1

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 - 149 -

Khoa dien - dai hoc Thanh Do

suu tam: [email protected]

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 ®−êng søc, cã hai ®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) : E = BWD =

4B Q πD

(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.

- 150 -

Khoa dien - dai hoc Thanh Do

suu tam: [email protected]

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.

2

2 3 4

6

p0

1

h 5 1

h 1

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

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 lªn hoÆc h¹ xuèng 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: F = P − ρgSh

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. - 151 -

Khoa dien - dai hoc Thanh Do

suu tam: [email protected]

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: p = p 0 + ρgh

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.

h

h hmin

a)

c)

b)

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

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. - 152 -

Khoa dien - dai hoc Thanh Do

suu tam: [email protected]

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.

b) C¶m biÕn tô ®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 137Cs), 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.

- 153 -

Khoa dien - dai hoc Thanh Do

suu tam: [email protected] 1

1

2

2

3

3

h

a)

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

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

- 154 -

Khoa dien - dai hoc Thanh Do