Giáo trình kỹ thuật cảm biến 2

BỘ LAO ĐỘNG - THƯƠNG BINH VÀ XÃ HỘI TỔNG CỤC DẠY NGHỀ GIÁO TRÌNH Tên mơ đun: Kỹ thuật cảm biến NGHỀ: ĐIỆN CƠNG NGHIỆP TRÌNH ĐỘ CAO ĐẲNG NGHỀ (Ban hành kèm theo Quyết định số: 120/QĐ-TCDN ngày 25 tháng 02 năm 2013 Tổng cục trưởng Tổng cục Dạy nghề) Bài 1: Khái niệm bane cảm biến Hà Nội, năm 2013 TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu thuộc loại sách giáo trình nên nguồn thơng tin phép dùng nguyên trích dùng cho mục đích đào tạo tham khảo Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh bị nghiêm cấm LỜI NÓI ĐẦU Trong thời đại phát triển khoa học kỹ thuật ngày cảm biến đóng vai trị quan trọng Nó thành phần quan trọng thiết bị đo hay hệ thống điều khiển tự động Có thể nói nguyên lý hoạt động cảm biến, nhiều trường hợp thực tế nguyên lý phép đo hay phương pháp điều khiển tự động Giờ khơng có lĩnh vực mà khơng sử dụng cảm biến Chúng có măt hệ thống tự động phức tạp, người máy, kiểm tra sản phẩm, tiết kiệm lượng, chống ô nhiễm môi trường Cảm biến ứng dụng rộng rãi lĩnh vực giao thông vận tải, hàng tiêu dùng, bảo quản thực phẩm, tơ, trị chơi điện tử Do việc trang bị cho kiến thức loại cảm biến nhu cầu thiếu kỹ thuật viên, kỹ sư ngành điện ngành khác Môn học kỹ thuật cảm biến môn học chuyên môn học viên ngành điện công nghiệp Môn học nhằm trang bị cho học viên trường nghề kiến thức nguyên lý, cấu tạo, mạch ứng dụng thực tế số loại cảm biến Với kiến thức trang bị học viên áp dụng trực tiếp vào lĩnh vực sản xuất đời sống Ngoài kiến thức dùng làm phương tiện để học tiếp môn chuyên môn ngành điện Trang bị điện, PLC Môn học làm tài liệu tham khảo cho cán kỹ thuật, học viên ngành khác quan tâm đến lĩnh vực Hà Nội, ngày tháng năm 2013 Tham gia biên soạn Nguyễn Thúy Hiền: Chủ biên Phạm Thúy Hịe Đồn Năng Trình Bài 1: Khái niệm bane cảm biến MỤC LỤC Lời nói đầu…………………………………………………………… Bài mở đầu: Cảm biến và ứng dụng……………………………… Bài 1: Cảm biến nhiệt độ……………………………………………… Bài 2: Cảm biến tiệm cận và một số cản biến xác định khoảng                  cách…………………………………………………………………… Bài 3: phương pháp đo lưu lượng…………………………………… Bài 4: Đo vận tốc vịng quay và góc quay…………………………… Tài liệu tham khảo 12 42 73 104 125 MƠN HỌC: KỸ THUẬT CẢM BIẾN Mã mơn học: MH 27 Vị trí, tính chất, ý nghĩa vai trị mơn học: - Mơn học Kỹ thuật cảm biến học sau môn học, mô đun Kỹ thuật sở, đặc biệt môn học, mô đun: Mạch điện, Điện tử bản, Đo lường điện Trang bị điện - Là môn học chuyên môn nghề Kỹ thuật cảm biến ngày sử dụng rộng rãi đặc biệt ngành tự động hóa nói chung tự động hóa cơng nghiệp nói riêng Mơn học trang bị kiến thức kỹ để người học hiểu rõ sử dụng thành thạo loại cảm biến ứng dụng ngành công nghiệp Mục tiêu mơn học: - Phân tích cấu tạo, ngun lý hoạt động loại cảm biến - Phân tích nguyên lý mạch điện cảm biến - Biết đấu nối loại cảm biến mạch điện cụ thể - Hình thành tư khoa học phát triển lực làm việc theo nhóm - Rèn luyện tính xác khoa học tác phong cơng nghiệp Nội dung của môn học: Tên Thời gian (giờ) ch Tổn Lý  Thực  Số ươ g số thuyế hành TT ng, t Bài tập mụ c Bài mở đầu: Cảm biến và  2 ứng dụng 1.Khái niệm cơ bản về các  bộ cảm biến 2.Phạm vi ứng dụng Kiểm  tra* (LT hoặc  TH) Bài 1: Khái niệm bane cảm biến Cảm biến nhiệt độ 1. Đại cương 2. Nhiệt điện trở với  Platin và Nickel 3.Cảm biến nhiệt độ với  I vật liệu silic 4.IC cảm biến nhiệt độ 5.Nhiệt điện trở NTC 6.Các bài thực hành ứng  dụng các loại cảm biến  nhiệt độ Cảm biến tiệm cận và các  loại cảm biến xác định vị  trí, khoảng cách 1.Cảm biến tiệm cận  (Proximity Sensor II 2.Một số loại cảm biến  xác định vị trí, khoảng  cách khác.            3.Các bài thực hành ứng  dụng các loại cảm biến  tiệm cận Cảm biến đo lưu lượng 1. Đại cương.    2.Phương pháp đo lưu lượng dựa nguyên tắc chênh lệch áp suất III 3.Phương pháp đo lưu  lượng bằng tần số dịng  xốy 4.Các bài thực hành ứng  dụng cảm biến đo lưu  lượng.                                   16 14 10 14 10 Cảm biến đo vận tốc vịng  quay và góc quay 1.Một số phương pháp đo  vận tốc vịng quay cơ bản.  IV 2.Cảm biến đo góc với tổ  hợp có điện trở từ.               3.Các bài thực hành ứng  dụng.                                     Cộng 18 12 60 45 12 BÀI MỞ ĐẦU: CẢM BIẾN VÀ ỨNG DỤNG Giới thiệu:  Cảm biến là phần tử  có chức năng tiếp thu, cảm nhận tín hiệu đầu   vào ở dạng  này và đưa ra tín hiệu ở dạng khác. Cảm biến được ứng dụng  rất rộng rãi trong mọi lĩnh vực, đặc biệt trong lĩnh vực tự  động hóa cơng  nghiệp.  Mục tiêu: ­ Trinh bay đ ̀ ̀ ược khai niêm, đăc điêm, pham vi  ́ ̣ ̣ ̉ ̣ ưng dung cua cam ́ ̣ ̉ ̉   biến ­ Rèn luyện tính cẩn thận, chính xác, logic khoa học, tac phong cơng ́   nghiêp ̣ Nội dung chính: Bài 1: Khái niệm bane cảm biến 1. Khái niệm cơ bản về các bộ cảm biến Mục tiêu:          ­ Phát biểu được khái niệm về cảm biến, vị  trí của cảm biến trong   dây truyền sản xuất và cách phân loại cảm biến trong thực tế 1.1. Khái niệm Cảm biến là thiết bị dùng để  cảm nhận biến đổi các đại lượng vật lý,  các đại lượng khơng có tínhử chất điện cần đo thành các đại lượng có tính  chất điện có thể đo và xử lý được Các đại lượng cần đo (m) thường khơng có tính chất điện (như  nhiệt  độ, áp suất, lưu lượng, vận tốc  ) tác động lên cảm biến cho ta một đặc  trưng (s) mang tính chất điện (như  dịng điện, điện áp, trở  kháng ) chứa  đựng thơng tin cho phép xác định giá trị  của đại lượng cần đo. Đặc trưng  (s) là hàm của đại lượng cần đo: s = f(m) s: Đại lượng đầu ra hay cịn gọi là đáp ứng đầu ra của cảm biến m: đại lượng đầu vào hay là kích thích (có nguồn gốc đại lượng cần đo) f :là hàm truyền đạt cảm biến Hàm truyền đạt thể cấu trúc thiết bị biến đổi thường có đặc tính phi tuyến, điều làm giới hạn khoảng đo dẫn tới sai số Trong trường hợp đại lượng đo biến thiên phạm vi rộng cần chia nhỏ khoảng đo để có hàm truyền tuyến tính(Phương pháp tuyến tính hố đoạn) Thơng thường thiết kế mạch đo người ta thực mạch bổ trợ để hiệu chỉnh hàm truyền cho hàm truyền đạt chung hệ thống tuyến tính Giá trị (m) xác định thông qua việc đo đạc giá trị (s)   Các   tên   khác     khác       cảm   biến:   Sensor,     cảm   biến   đo  lường, đầu dò, van đo lường, bộ nhận biết hoặc bộ biến đổi Trong hệ thống đo lường và điều khiển, các bộ cảm biến và cảm biến  ngồi việc đóng vai trị các “giác quan“ để thu thập tin tức cịn có nhiệm vụ  là “nhà phiên dịch“ để  cảm biến các dạng tín hiệu khác nhau về  tín hiệu  điện. Sau đó sử dụng các mạch đo lường và xử lý kết quả đo vào các mục   đích khác khác nhau.   *Sơ đồ ngun tắc của một hệ thồng đo lường điều khiển    Hình 1: Sơ đồ ngun tắc của một hệ thống đo lường điều khiển Tham số  trạng thái X của đối tượng cần điều khiển dược cảm biến  sang tín hiệu y nhờ cảm biến đo lường. Tín hiệu lối ra được mạch đo điện  sử lý  để đưa ra cơ cấu chỉ thị Trong các hệ  thống điều khiển tự  động, tín hiệu lối ra của mạch đo  điện sẽ  được đưa trở  về  lối sau ki thực iện thao tác so sánh với chuẩnm   một tín hiệu lối ra sẽ khởi phát thiết bị thừa hành để điều khiển đối tượng * Trong hệ thống đo lường điều khiển hiện đại, q trình thu thập và sử  lý tín hiệu thường do máy tính đảm nhiệm Hình 2:   Hệ thống đo lường và điều khiển ghép PC Trong sơ đồ trên đối tượng điều khiển được dặc trưng bằng các biến  trạng thái và được các bộ cảm biến thu nhận. Đầu ra  của các bộ cảm biến  được phối ghép với vi điều khiển qua dao diện. Vi điều khiển có tể oạt  động độc lập theo cương trình đã được cào đặt sẵn hoặc phối ghép với  máy tính. Đầu ra  của bộ vi điều kiển được phối ghép với cơ cấu cháp  hành nhằm tác động lên q trình hay đối tượng điều khiển. Chương trình  cho vi điều khiển được cài đặt thơng qua máy tính hoặc các bộ nạp chương  trình chun dụng. Đây là sơ đồ điều khiển  tự động q trình (đối tượng ),  trong đố bộ cảm buến đóng vai trị phần tử cảm nhận, đo đạc và đánh giá  các thơng số của hệ thống. Bộ vi điều khiển làm nhiệm vụ xử lý thơng tin  và đưa ra tín hiệu q trình Từ sen­sor là một từ mượn tiếng la tinh Sensus trong tiếng Đức và tiếng  Anh được gọi là sensor, trong tiếng Việt thường gọi là bộ cảm biến.Trong   kỹ thuật cịn hay gọi tuật ngữ đầu đo hay đầu dị Các bộ  cảm biến thường được định nghĩa theo nghĩa rộng là thiết bị   cảm nhận và đáp ứng các tín hiệu và kích thích Bài 1: Khái niệm bane cảm biến 1.2. Phân loại các bộ cảm biến Cảm biến phân loại theo nhiều tiêu chí Người ta phân loại cảm biến theo cách sau: 1.2.1 Theo nguyên lý chuyển đổi đáp ứng kích thích Chuyển đổi đáp ứng kích thích Hiện tượng Vật lý Nhiệt điện Quang điện Quang từ Điện từ Từ điện …vv Hóa học Biến đổi hóa học Biến đổi điện hóa Phân tích phổ …vv Sinh học Biến đổi sinh hóa Biến đổi vật lý Hiệu ứng thể sống vv 1.2.2 Theo dạng kích thích Kích thích Âm Điện Các đặc tính kích thích Biên pha, phân cực Phổ Tốc độ truyền sóng …vv Điện Điện Điện Điện …vv 10 tích, dịng điện thế, điện áp trường dẫn, số điện môi Bài 1: Khái niệm bane cảm biến thẳng góc với dịng điện, vectơ từ hóa quay góc Kết điện trở permalloy thay đổi theo R = R0 + R0 thông số phụ thuộc vào chất liệu permalloy khoảng đến 3% R0 Hình 4.15: Hiệu ứng điện trở từ permalloy Nguyên tắc ứng dụng để đo tốc độ quay góc quay Tuyến tính hóa đặc tính cảm biến Theo phương trình bậc 2: R = R0 + điện trở cảm biến điện trở từ khơng tuyến tính (xem đặc tuyến a hình 4.17) Để cảm biến tiện lợi sử dụng tốt đặc tuyến tuyến tính, biện pháp thiết kế tốt điều cần thiết Hiệu ứng điện trở từ tuyến tính hóa cách đặt màng mỏng nhôm gọi (barber poles) lên màng mỏng permalloy với góc 450 so với trục màng mỏng (như hình 4.16) Nhơm có tính chất dẫn điện tốt so với permalloy, barber poles làm thay đổi góc dịng điện 45 Như góc dịng điện vectơ từ hóa từ thành(450) Hình 4.17 biểu diễn ảnh hưởng barber poles lên đặc tính cảm biến điện trở từ Hình 4.16 122 Để tạo nên cảm biến hoàn chỉnh cầu Wheatstone với cảm biến điện trở từ sử dụng Trong cặp cảm biến đối diện qua đường chéo có “sự định hướng” Điều có nghĩa cặp cảm biến có barber poles tạo với trục mặt phẳng màng góc + 450 cặp có barber poles tạo với trục mặt phẳng màng góc - 450 Điều làm cho biên độ tín hiệu tăng lên lần đảm bảo tuyến tính Bên cạnh ảnh hưởng nhiệt độ cầu điện trở bù qua lại Hình 4.17: Ảnh hưởng barber poles lên đặc tính cảm biến điện trở từ a: Đặc tuyến R-H cảm biến loại tiêu chuẩn b: Đặc tuyến R-H cảm biến loại có barber poles c Đặc điểm việc đo tốc độ với cảm biến điện trở từ Cảm biến điện trở từ đo trực tiếp tốc độ quay mà phát chuyển động bánh làm từ vật liệu chứa sắt (đối tượng thụ động) đối tượng quay có cực nam châm thay đổi ( đối tượng tích cực, xem hình)  Đối tượng “thụ động” Đặc điểm hoạt động cảm biến với đối tượng thụ động mô tả hình 4.13 Cảm biến cần gắn với nam châm vĩnh cửu 123 Bài 1: Khái niệm bane cảm biến Ký hiệu Miêu tả Đơn vị z Số lượng d Đường kính mm m m =d/z mm p (bước p = m bánh mm Hình 4.18 Cấu trúc đối tượng (hình trịn) 124 Hình 4.19: Các thành phần chi tiết cảm biến KMI 15/1 hãng Philips Semiconductors với đối tượng thụ động Đối tượng “tích cực “ Hình 4.20 Đối tượng tích cực cung cấp vùng “làm việc” Do khơng cần nam châm châm cho cảm biến để hoạt động Tuy nhiên để cảm biến hoạt động ổn định không chịu tác động không theo ý muốn, nam châm nhỏ dùng cảm biến 125 Bài 1: Khái niệm bane cảm biến Hình 4.21:Các thành phần chi tiết cảm biến KMI 15/2 hãng Philips Semiconductors với đối tượng “tích cực” Cảm biến đo tốc độ quay KMI15/x KMI16/x hãng Philips Semiconductors sản xuất sử dụng hiệu ứng điện trở từ Cấu tạo cảm biến bao gồm phận cảm biến điện trở từ, nam châm vĩnh cữu tích hợp mạch điều chình tín hiệu Bộ phận điều chỉnh tín hiệu có chức khuếch đại ( với KMI15/x) chuyển đổi tín hiệu thành dạng digital (với KMI16/x) Hình 4.22: Cấu trúc loại cảm biến KMI 126 Hình 4.23: Sơ đồ khối cảm biến KMI15/x Hình 4.24: Sơ đồ khối cảm biến KMI16/x Mạch ứng dụng Việc dùng cảm biến KMI15/x ứng dụng thực tế cần lắp đặt hình bên để khử nhiễu bảo vệ cảm biến trường hợp cực tính nguồn bị lắp sai Cảm biến đo góc với tổ hợp có điện trở từ 127 Bài 1: Khái niệm bane cảm biến Mục tiêu: Trình bày đặc trưng nguyên lý làm việc cảm biến đo góc với tổ hợp có điện trở từ 2.1 Nguyên tắc Từ công thức R = R0 + Ta R có liên hệ gần R Dựa nguyên tắc này, cảm biến đo góc mà khơng cần tiếp xúc 2.2.Các loại cảm biến KM110BH/2 hang Philips Semiconductor Loại cảm biến KM110BH/21 có hai dạng KM110BH/2130 KM110BH/2190 Tuy có thang đo khác có mạch điện KM110BH/2130 chế tạo với thang đo để có độ khuếch đại lớn hơn, đo từ -15 đến +150 Tín hiệu truyến tính (độ phi tuyến 1%) KM110BH/2190 đo từ -450 đến +450 Tín hiệu hình sin Cả hai cảm biến có tín hiệu analog Ngồi hai cảm biến cịn có cảm biến thiết kế KM110BH/23 KM110BH/24 * Bảng thông số số cảm biến KM110BH Thông số Đơn vị KM110BH 128 2130 2190 2270 2390 2430 2470 Thang đo 30 90 70 90 30 70 0,001 Điện áp ra 0,5 tới 4,5 0,5 tới 4,5 0,5 tới 4,5 0,5 tới  4,5 0,5 tới  4,5 0,5 tới 4,5 V Dòng điện ra 4 tới 20 129 mA Bài 1: Khái niệm bane cảm biến Đặc tuyến ngõ  Tuyến tính Hình sin Hình sin Tuyến  tính Tuyến  tính Hình sin Điện áp hoạt  động 5 8,5 5 Nhiệt độ hoạt  động ­40 tới  +120 ­40 tới  +120 ­40 tới  +120 ­40 tới  +120 ­40 tới  +120 ­40 tới  +120 Độ phân giải 0,001 0,001 0,001 0,001 0,001 0,001 V C Độ Các loại cảm biến KM110BH/2270 có thang đo từ ­350  đến +350, có  130 thể sử dụng một điện trở để chuyển sang dạng điện áp.  2.3 Các loại cảm biến KMA10 KMA20 Cảm biến KMA10 KMA20là loại cảm biến đo góc (khơng cần tiếp xúc) thiết kế để hoạt động mơi trường khắc nghiệt Được ứng dụng lĩnh vực tự động công nghiệp Hai loại cảm biến KMA10 KMA20 thiết kế phát triển hợp tác Philips Semiconductor AB Electonic KMA10 cho tín hiệu dạng dòng điện (KMA10/70 phát triển từ loại KM110BH/2270) KMA20 cho tín hiệu dạng điện áp KMA20/30 phát triển từ loại KM110BH/2430, KMA20/70 phát triển từ loại KM110BH/2470, KMA20/90 phát triển từ loại KM110BH/2390 Tuy nhiên tín hiệu từ KMA20/30 tuyến tính từ KMA20/70 hình sin * Bảng thông số số cảm biến KMA Thông số  KMA10/70 KMA20/30 KMA20/70 KMA20/90 Đơn vị Thang đo 70 90 70 90 0,001 131 Bài 1: Khái niệm bane cảm biến Điện áp ra ­ 0,5 tới 4,5 0,5 tới 4,5 0,5 tới 4,5 V Dịng điện  4 tới 20 ­ ­ ­ mA Đặc tuyến  ngõ ra Hình sin  Tuyến tính Hình sin Tuyến tính Điện áp  hoạt động 8,5 5 132 V Nhiệt độ  hoạt động ­40 tới +100 ­40 tới +125 ­40 tới +125 ­40 tới +125 Độ phân  giải 0,001 0,001 0,001 0,001 C Độ Máy đo góc tuyệt đối (Resolver) Mục tiêu: Trình bày đặc trưng nguyên lý làm việc máy đo góc tuyệt đối Máy đo góc tuyệt đối có cấu tạo gồm hai phần: phần động gắn liền với trục quay động chứa cuộn sơ cấp kích thích sóng mang tần số 2-10Khz qua máy biến áp quay (hình 4.30 a) Phần tĩnh có dây quấn thứ cấp (cuộn sin cuộn cos) đặt lệch 900 Đầu hai dây quấn thứ cấp ta thu tín hiệu điều biên UU0sintsinϑ UU0sintcosϑ (hình 4.30 b) Đường bao kênh tín hiệu chứa thơng tin vị trí tuyệt đối (gócϑ) rotor máy đo, có nghĩa vị trí tuyệt đối rotor động (hình 4.30 c) 133 Bài 1: Khái niệm bane cảm biến Hình 4.30: Máy đo góc tuyệt đối a) cấu tạo b) sơ đồ ngun lý c)hai kênh tín hiệu Có cách thu thập thơng tích : - Hiệu chỉnh sửa sai góc thu sở so sánh góc cài đặt sẵn số vi mạch sẵn có Các vi mạch cho tín hiệu góc dạng số (độ phân giải 10-16 bit/1 vóng tốc độ quay dạng tương tự - Dùng hai chuyển đổi tương tự - số để lấy mẫu trực tiếp từ đỉnh tín hiệu điều chế Trong trường hợp cần đồng chặt chẽ thời điểm lấy mẫu khâu tạo tín hiệu kích thích 2-10 kHz 134 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Trọng Thuần,  Điều khiển logic và  ứng dựng, NXB Khoa  học kỹ thuật 2006 [2] Nguyễn Văn Hịa, Giáo trình đo lường cảm biến đo lường, NXB Giáo dục 2005 [3] Lê Văn Doanh- Phạm Thượng Hàn, Các cảm biến kĩ thuật đo lường điều khiển, NXB Khoa học kỹ thuật 2006 [4] Lê Văn Doanh, Các cảm biến kĩ thuật đo lường điều khiển, NXB Khoa học kỹ thuật 2001 135 Bài 1: Khái niệm bane cảm biến [5] Nguyễn Thị Lan Hương, Kỹ thuật cảm biến, NXB Khoa học kỹ thuật 2008 [6] Phan Quốc Phô, Nguyễn Đức Chiến, Cảm biến, NXB Khoa học kỹ thuật 2000 136 ... phát cảm biến hết báo tín hiệu  Hình 2. 3 1 .2 Cảm biến tiệm cận điện cảm (Inductive Proximity Sensor) 43 Bài 1: Khái niệm bane cảm biến Hình 2. 4 Vài loại cảm biến tiệm cận điện cảm Siemens Cảm biến. .. Tài liệu tham khảo 12 42 73 104 125 MƠN HỌC: KỸ THUẬT CẢM BIẾN Mã mơn học: MH? ?27 Vị trí, tính chất, ý nghĩa vai trị mơn học: - Môn học Kỹ thuật cảm biến học sau môn học, mô đun Kỹ thuật sở, đặc biệt... Bài 1: Khái niệm bane cảm biến Chương 2: CẢM BIẾN TIỆM CẬN VÀ MỘT SỐ LOẠI CẢM BIẾN XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ, KHOẢNG CÁCH KHÁC Mã chương: MH27 -2 Giới thiệu: Cảm biến tiệm cận loại cảm biến xác định vị trí,