Đang tải... (xem toàn văn)
(NB) Giáo trình Kỹ thuật cảm biến với mục tiêu giúp người học có thể phân tích cấu tạo, nguyên lý hoạt động của các loại cảm biến; Phân tích nguyên lý của mạch điện cảm biến; Thực hiện ứng dụng của cảm biến trong điều khiển hệ thống cơ điện tử. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung giáo trình phần 1 dưới đây.
ỦY BAN NHÂN DÂN THÀNH PHỐ HÀ NỘI TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ VIỆT NAM - HÀN QUỐC THÀNH PHỐ HÀ NỘI BÙI VĂN CÔNG (Chủ biên) NGUYỄN ANH DŨNG – LƯU HUY HẠNH GIÁO TRÌNH KỸ THUẬT CẢM BIẾN Nghề: Cơ điện tử Trình độ: Cao đẳng (Lưu hành nội bộ) Hà Nội - Năm 2019 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, ô tô, 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 Mơn học làm tài liệu tham khảo cho cán kỹ thuật, học viên ngành khác quan tâm đến lĩnh vực Xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày … tháng … năm 2019 Chủ biên: Bùi Văn Công MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU MỤC LỤC GIÁO TRÌNH MƠ ĐUN Bài Khái niệm cảm biến 1.1 Khái niệm chung 1.2 Phạm vi ứng dụng 1.3 Phân loại cảm biến Bài 10 Cảm biến nhiệt độ 10 2.1 Nhiệt điện trở với Platin Nickel 10 2.2 Cảm biến nhiệt độ với vật liệu silic 16 2.3 IC cảm biến nhiệt độ 21 2.4 Nhiệt điện trở NTC 23 2.5 Nhiệt điện trở PTC 25 2.6 thực hành ứng dụng loại cảm biến nhiệt độ 28 Bài 32 Cảm biến tiệm cận loại cảm biến xác định vị trí, khoảng cách 32 3.1 Cảm biến tiệm cận (Proximity Sensor) 32 3.2 Một số loại cảm biến xác định vị trí, khoảng cách khác 55 3.3 Các thực hành ứng dụng loại cảm biến tiệm cận 63 Bài 64 Phương pháp đo lưu lượng 64 4.1 Đại cương 64 4.2 Phương pháp đo lưu lượng dựa nguyên tắc chênh lệch áp suất 69 4.3 Phương pháp đo lưu lượng tần số dịng xốy 81 4.4 Các thực hành ứng dụng cảm biến đo lưu lượng Đo lưu lượng 85 GIÁO TRÌNH MƠ ĐUN Tên mơ đun: Kỹ thuật biến Mã số mô đun: MĐ 26 Thời gian mô đun: 60 giờ; (LT: 18giờ; TH/TT/TN: 42giờ; KT: 02 giờ) I VỊ TRÍ, TÍNH CHẤT CỦA MƠ ĐUN: - Vị trí: Trước học mơ đun cần hồn thành môn học sở, đặc biệt môn học, mô đun: Kỹ thuật điện- điện tử, Đo lường điện điện tử, kỹ thuật số, điện tử công suất - Tính chất: Là mơ đun bắt buộc chương trình đào tạo nghề Cơ điện tử II MỤC TIÊU MƠ ĐUN: - Kiến thức: + Phân tích cấu tạo, nguyên lý hoạt động loại cảm biến - Kỹ năng: + Phân tích nguyên lý mạch điện cảm biến + Thực ứng dụng cảm biến điều khiển hệ thống điện tử - Năng lực tự chủ, trách nhiệm: + Vận dụng kiến thức môn học để tiếp thu môn học, mơ-đun chun nghề + Có ý thức trách nhiệm, chủ động học tập III NỘI DUNG MÔ ĐUN: Nội dung tổng quát phân bố thời gian: Số Tên chương, mục Thời gian TT Tổng Lý Thực hành/ Kiểm số thuyết thực tập/thí tra* nghiệm/bài tập /thảo luận Khái niệm cảm biến 1.1 Khái niệm chung 1.2.Phạm vi ứng dụng 1.3.Phân loại cảm biến 3 Kiểm tra Cảm biến nhiệt độ 25 18 Cảm biến tiệm cận loại 15 cảm biến xác định vị trí, khoảng cách 10 2.1 Nhiệt điện trở với Platin Nickel 2.2.Cảm biến nhiệt độ với vật liệu silic 2.3.IC cảm biến nhiệt độ 2.4.Nhiệt điện trở NTC 2.5 Nhiệt điện trở PTC 2.6.Các thực hành ứng dụng loại cảm biến nhiệt độ Kiểm tra 3.1.Cảm biến tiệm cận (Proximity Sensor 3.2.Một số loại cảm biến xác định vị trí, khoảng cách khác 3.3.Các thực hành ứng dụng loại cảm biến tiệm cận Phương pháp đo lưu lượng 15 4.1 Đại cương 4.2.Phương pháp đo lưu lượng dựa nguyên tắc chênh lệch áp suất 4.3.Phương pháp đo lưu lượng tần số dịng xốy 4.4.Các thực hành ứng dụng cảm biến đo lưu lượng Kiểm tra Cộng 60 18 40 Bài Khái niệm cảm biến Mục tiêu: - Trình bày khái niệm, đặc điểm, phạm vi ứng dụng cảm biến - Rèn luyện tính cẩn thận, xác, logic khoa học, tác phong cơng nghiệp Nội dung chính: 1.1 Khái niệm chung Cảm biến thiết bị dùng để cảm nhận biến đổi đại lượng vật lý, đại lượng khơng có tínhử chất điện cần đo thành đại lượng có tính chất điện đo xử lý 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 đặc trưng (s) mang tính chất điện (như dịng điện, điện áp, trở kháng ) chứa đựng thông tin cho phép xác định giá trị đại lượng cần đo Đặc trưng (s) hàm đại lượng cần đo: s = f(m) s: Đại lượng đầu hay gọi đáp ứng đầu cảm biến m: đại lượng đầu vào 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, nhận biết biến đổi Trong hệ thống đo lường điều khiển, cảm biến cảm biến ngồi việc đóng vai trị “giác quan“ để thu thập tin tức cịn có nhiệm vụ “nhà phiên dịch“ để cảm biến dạng tín hiệu khác tín hiệu điện Sau sử dụng mạch đo lường xử lý kết đo vào mục đích khác khác *Sơ đồ nguyên tắc hệ thồng đo lường điều khiển Cảm biến đo Đối tượng điều lường khiển Mạch đo điện Chỉ thị xử lý Mạch so sánh thiết bị thừa hành chuẩn so sánh Hình 1: Sơ đồ nguyên tắc hệ thống đo lường điều khiển Tham số trạng thái X đối tượng cần điều khiển dược cảm biến sang tín hiệu y nhờ cảm biến đo lường Tín hiệu lối mạch đo điện sử lý để đưa cấu thị Trong hệ thống điều khiển tự động, tín hiệu lối mạch đo điện đưa trở lối sau ki thực iện thao tác so sánh với chuẩnm tín hiệu lối khởi phát thiết bị thừa hành để điều khiển đối tượng * Trong hệ thống đo lường điều khiển đại, trình thu thập sử lý tín hiệu thường máy tính đảm nhiệm Đối tượng điều khiển Cảm biến đo Vi điều khiển lường PC (Microcontroler) thiết bị thừa hành chương trình điều khiển Hình 2: Hệ thống đo lường điều khiển ghép PC Trong sơ đồ đối tượng điều khiển dặc trưng biến trạng thái cảm biến thu nhận Đầu cảm biến phối ghép với vi điều khiển qua dao diện Vi điều khiển có tể oạt động độc lập theo cương trình cào đặt sẵn phối ghép với máy tính Đầu vi điều kiển phối ghép với cấu cháp hành nhằm tác động lên trình hay đối tượng điều khiển Chương trình cho vi điều khiển cài đặt thơng qua máy tính nạp chương trình chuyên dụng Đây sơ đồ điều khiển tự động trình (đối tượng ), đố cảm buến đóng vai trị phần tử cảm nhận, đo đạc đánh giá thông số hệ thống Bộ vi điều khiển làm nhiệm vụ xử lý thơng tin đưa tín hiệu q trình Từ sen-sor từ mượn tiếng la tinh Sensus tiếng Đức tiếng Anh gọi sensor, tiếng Việt thường gọi cảm biến.Trong kỹ thuật hay gọi tuật ngữ đầu đo hay đầu dò Các cảm biến thường định nghĩa theo nghĩa rộng thiết bị cảm nhận đáp ứng tín hiệu kích thích 1.2 Phạm vi ứng dụng Các cảm biến sử dụng nhiều lĩnh vực kinh tế kỹ thuật Các cảm biến đặc biệt nhạy cảm sử dụng thí nghiệm lĩnh vực nghiên cứu khoa học Trong lĩnh vực tự động hoá người ta sử dụng loại sensor bình thường đặc biệt 1.3 Phân loại cảm biến Cảm biến phân loại theo nhiều tiêu chí Người ta phân loại cảm biến theo cách sau: 1.3.1 Theo nguyên lý chuyển đổi đáp ứng kích thích Hiện tượng Chuyển đổi đáp ứng kích thích Nhiệt điện Quang điện Vật lý Quang từ Điện từ Từ điện …vv Biến đổi hóa học Hóa học Biến đổi điện hóa Phân tích phổ …vv Biến đổi sinh hóa Sinh học Biến đổi vật lý Hiệu ứng thể sống vv 1.3.2 Theo dạng kích thích Kích thích Các đặc tính kích thích Biên pha, phân cực Âm Phổ Tốc độ truyền sóng …vv Điện tích, dịng điện Điện thế, điện áp Điện Điện trường Điện dẫn, số điện môi …vv Từ trường Từ Từ thông, cường độ từ trường Độ từ thẩm …vv Vị trí Lực, áp suất Cơ Gia tốc, vận tốc, ứng suất, độ cứng Mô men Khối lượng, tỉ trọng Độ nhớt…vv Phổ Quang Tốc độ truyền Hệ số phát xạ, khúc xạ …VV Nhiệt độ Nhiệt Thông lượng Tỷ nhiệt …vv Kiểu Bức xạ Năng lượng Cường độ …vv 1.3.3 Theo tính - Độ nhạy - Độ xác - Độ phân giải - Độ tuyến tính - Cơng suất tiêu thụ 1.3.4 Theo phạm vi sử dụng - Công nghiệp - Nghiên cứu khoa học - Mơi trường, khí tượng - Thơng tin, viễn thông - Nông nghiệp - Dân dụng - Giao thơng vận tải…vv 1.3.5 Theo thơng số mơ hình mạch điện thay - Cảm biến tích cực (có nguồn): Đầu nguồn áp nguồn dòng - Cảm biến thụ động (khơng có nguồn): Cảm biến gọi thụ động chúng cần có thêm nguồn lượng phụ để hồn tất nhiệm vụ đo kiểm, cịn loại tích cực khơng cần Được đặc trưng thơng số: R, L, C… tuyến tính phi tuyến Cảm biến nhiệt độ với vật liệu silic ngày đóng vai trị quan trọng hệ thống điện tử Với cảm biến silic, bên cạnh đặc điểm tuyến tính, xác, phí tổn thấp, tích hợp IC với phận khuếch đại yêu cầu xử lí tín hiệu khác.Hệ thống trở nên nhỏ gọn hơn, mức độ phức tạp cao chạy nhanh hpown Kỹ thuật cảm biến truyền thống cặp nhiệt điện, nhiệt điện trở có đặc tuyến khơng tuyến tính yêu cầu điều chỉnh để chuyển đổi xác từ giá trị nhiệt độ sang đại lượng điện ( dòng áp), thay dần cảm biến với lợi điểm nhỏ gọn mạch điện tích hợp dễ sử dụng 2.2.1 Nguyên tắc Hình 1.10 thể cấu trúc cảm biến kích thước cảm biến 500 x 500 x 200 µm Mặt cảm biến lớp SiO2 có vùng hình trịn mạ kim loại có đường kính khoảng 20µm, tồn mặt đáy mạ kim loại Hình 1.10 Hình 1.11 biểu diễn mạch điện tương đương tượng trưng thay cho cảm biến silic (sản xuất theo nguyên tắc điện trở phân rải (spreading resistance)).Sự xếp dẫn đến phân bố dịng qua tinh thể có dạng hình nón, nguồn gốc tên gọi điện trở phân rải(spreading resistance) Hình 1.11 Điện trở điện trở cảm biến nhiệt R xác định sau: R / d R: điện trở cảm biến nhiệt : điện trở suất vật liệu silic ( lệ thuộc vào nhiệt độ) d: đường kính hình trịn vùng mạ kim loại mặt 17 Hình 1.15 thể loại kết cấu thứ hai cảm biến Lợi điểm kiểu kết cấu điện trở cảm biến khơng phụ thuộc vào chiều dịng điện Trái lại kiểu kết cấu thứ nhất, dành cho dòng điện lớn nhiệt độ 1000C, thay đổi điện trở cảm biến nhỏ Hình 1.12: Kết cấu gồm hai cảm biến mắc nối tiếp ngược cực tính Cảm biến nhiệt silic với nguyên tắc điện trở phân rải có hệ số nhiệt độ dương trường hợp cảm biến nhiệt với vật liệu platin hay nickel 2.2.2 Đặc trưng kỹ thuật dòng cảm biến KTY (hãng Philips sản xuất) Với xác ổn định lâu dài cảm biến với vật liệu silic KTY sử dụng công nghệ điện trở phân rải sử thay tốt cho loại cảm biến nhiệt độ truyền thống 2.2.2.1 Các ưu điểm Sự ổn định: Giả thiết cảm biến làm việc nhiệt độ có giá trị giá trị nhiệt độ hoạt đông cực đại, sau thời gian làm việc 450000 h (khoảng 51 năm), sau 1000 h (1,14 năm) hoạt động liên tục với dòng định mức giá trị nhiệt độ hoạt động cực đại cảm biến silic cho kết đo với sai số bảng Sai số tiêu biểu (K) Sai số lớn (K) KTY81-1 KTY82-1 0.20 0.50 KTY81-2 KTY82-2 0.20 0.80 KTY83 0.15 0.40 TYPE Bảng 1: Sai số cảm biến silic (do thời gian sử dụng) Sử dụng công nghệ silic: Do cảm biến sản xuất dựa tảng công nghệ silic nên gián tiếp hưởng lợi ích từ tiến lãnh vực công nghệ này, 18 đồng thời điều gián tiếp mang lại ảnh hưởng ích cực cho cơng nghệ “đóng gói”, nơi mà ln có khuynh hướng thu nhỏ Sự tuyến tính Cảm biến với vật liệu silic có hệ số gần số tồn thang đo Đặc tính điều lý tưởng để khai thác, sử dụng (xem hình đặc trưng kỹ thuật KTY81) Nhiệt độ hoạt động cảm biến silic thông thường bị giới hạn 150 C KTY 84 với bọc SOD68 công nghệ nối đặc biệt dây dẫn chip hoạt động đến nhiệt độ 300 0C Hình 1.13: Đặc trưng kỹ thuật KTY81 2.2.2.2 Đặc điểm sản phẩm Đối với loại KTY 83, ta có phương trình tốn học biểu diễn mối quan hệ điện trở nhiệt độ sau: RT điện trở nhiệt độ T Rref điện trở Tref (1000C với loại KTY 84, 250C với loại cảm biến lại) A,B hệ số Tên sản phẩm R25(Ω) ∆R Thang đo(oC) Dạng IC KTY81-1 1000 ±1% tới ±5% −55 tới 150 SOD70 KTY81-2 000 ±1% tới ±5% −55 tới 150 SOD70 KTY82-1 1000 ±1% tới ±5% −55 tới 150 SOT23 KTY82-2 2000 ±1% tới ±5% −55 tới 150 SOT23 KTY83-1 1000 ±1% tới ±5% −55 tới 175 SOD68 (DO-34) 1000 (R100) ±3% tới ±5% −40 tới 300 SOD68 (DO-34) KTY84-1 19 Với KTY 81/82/84: Tl nhiệt độ mà độ dốc đường cong bắt đầu giảm Nếu T
