Tài liệu Bài giảng kỹ thuật công nghệ _ Cảm biến và ứng dụng doc

BÀI GIẢNG KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ CẢM BIẾN VÀ ỨNG DỤNG 58 CẢM BIẾN VÀ ỨNG DỤNG. Trong các hệ thống điều khiển tự động, cảm biến đóng vai trò hết sức quan trọng vì nó là thiết bò cung cấp thông tin của quá trình điều khiển cho bộ điều khiển để bộ điều khiển đưa ra những quyết đònh phù hợp nhằm nâng cao chất lượng của quá trình điều khiển. Có thể so sánh các cảm biến trong hệ thống điều khiển tự động như là các giác quan của con người. Nội dung của chương này sẽ trình bày một số loại cảm biến thông dụng trong công nghiệp và các ứng dụng của nó. I. CÁC ĐỊNH NGHĨA VÀ ĐẶC TRƯNG CHUNG : I.1 Đònh Nghóa Cảm Biến : Các hệ thống điều khiển tự động trong công nghiệp có vô số các đại lượng vật lý cần đo như: nhiệt độ, áp suất, dòch chuyển, lưu lượng, trọng lượng … cần đo. Các đại lượng vật lý này không có tính chất điện, trong khi đó các bộ điều khiển và các cơ cấu chỉ thò lại làm việc với tín hiệu điện vì thế phải có thiết bò để chuyển đổi các đại lượng vật lý không có tính chất điện thành đại lượng điện tương ứng mang đầy đủ các tính chất của đại lượng vật lý cần đo. Thiết bò chuyển đổi đó là cảm biến. a. Cảm biến : Cảm biến là thiết bò chòu tác động của các đại lượng vật lý không có tính chất điện m và cho ra một đại lượng vật lý có tính chất điện x như: điện trở, điện tích, điện áp, dòng điện tương ứng với m. Quan hệ giữa s và m x = f(m) được gọi là phương trình chuyển đổi của cảm biến, hàm f() phụ thuộc vào cấu tạo, vật liệu làm cảm biến … Để chế tạo cảm biến, người ta sử dụng các hiệu ứng vật lý. b. Cảm biến tích cực : Cảm biến tích cực hoạt động như một nguồn áp hoặc nguồn dòng được biểu diễn bằng một mạng hai cửa có nguồn. c. Cảm biến thụ động : Cảm biến thụ động được mô tả như một mạng hai cửa không nguồn, có trở kháng phụ thuộc vào các kích thích. I.2 Các Hiệu Ứng Vật Ly ù: a. hiệu ứng hoả điện : Một số tinh thể gọi là tinh thể hoả điện (thí dụ như tinh thể sulfate triglycine), có tính phân cực điện tự phát phụ thuộc vào nhiệt độ. Trên các bề mặt đối diện của chúng tồn tại những điện tích trái dấu có độ lới tỷ lệ thuận với độ phân cực điện. Hiệu ứng hỏa điện được sử dụng để chế tạo cảm biến đo thông lượng búc xạ của ánh sáng. Khi tinh thể hoả điện hấp thụ ánh sáng, nhiệt độ của nó tăng lên làm thay đổi phân cực điện. Sự thay đội phân cực này có thể xác đònh được bằng cách đo sự biến thiên điện áp trên hai cực của tụ điện. Cảm biến Đại lượng điện x Đại lượng ca à nđom 59 b. Hiệu ứng áp điện : Khi tác động một lực cơ học lên một vật làm bằng chất áp điện (Ví dụ như Thạch anh), sẽ làm cho vật đó bò biến dạng và làm xuất hiện trên hai mặt đối diện của vật đó một lượng điện tích bằng nhau nhưng trái dấu. Hiệu ứng này được dùng để chế tạo các cảm biến đo lực, đo áp suất, gia tốc … thông qua việc đo điện tích trên 2 cực của tụ điện. Hiệu ứng này do nhà vật lý học người pháp là Pierre Curie phát hiện vào năm 1880. c. Hiệu ứng cảm ứng điện từ : Khi một thanh dẫn chuyển động trong từ trường sẽ xuất hiện một sức điện động tỷ lệ với biến thiên của từ thông nghóa là tỷ lệ với tốc độ chuyển động của thanh dẫn. Hiệu ứng điện từ được ứng dụng để chế tạo cảm biến đo tốc độ dòch chuyển của vật thông qua việc đo sức điện động cảm ứng. Hiệu ứng này do nhà vật lý học người Anh là M.Faraday phát hiện vào năm 1831. d. Hiệu ứng quang điện : Bản chất của hiệu ứng quang điện là hiện tượng giải phóng các hạt dẫn tự do trong vật liệu dưới tác dụng của bức xạ ánh sáng. Hiệu ứng này do Einstein phát hiện vào năm 1905 và được ứng dụng để chế tạo các cảm biến quang. e. Hiệu ứng quang điện trong chất bán dẫn : Khi một chuyển tiếp P-N được chiếu sáng sẽ phát sinh ra các cặp điện tử – lỗ trống, chúng chuyển động dưới tác dụng của điện trường của chuyển tiếp làm thay đổi hiệu điện thế giữa hai đầu chuyển tiếp. Hiệu ứng này cũng thường được dùng để chế tạo cảm biến quang. V → φ φ Hình 1.2 Hiệu ứng hỏa điện V → φ F Hình 1.3 Hiệu ứng áp điện e B Hình 1.4 Hiệu ư ù ng điện tư ø ω 60 f. Hiệu ứng nhiệt điện: Khi hai dây dẫn có bản chất hóa học khác nhau, được hàn kín sẽ xuất hiện một sức điện động tỷ lệ với nhiệt độ mối hàn. Hiệu ứng này do Seebeck pháy hiện vào năm 1821 và được ứng dụng để chế tạo cảm biến nhiệt độ. I.2 Các thông số đặc trưng của cảm biến : a. Độ nhạy của cảm biến : Độ nhạy của cảm biến ở giá trò m = m 0 là tỷ số giữa biến thiên ở ngõ ra cửa cảm biến ∆x và biến thiên ở ngõ vào ∆m trong lân cận của m 0 . Gọi s là độ nhạy của cảm biến: () 1.1lim 0 0 0 mm mm mm m x m x m x s = → → ∂ ∂ = ∆ ∆ = ∆ ∆ = b. Sai số của cảm biến : Sai số của cảm biến là sai lệch giữa giá trò đo được bằng cảm biến và giá trò thực của đại lượng cần đo, được đánh giá bằng %. Nếu gọi x là giá trò thực của đại lượng cần đo, ∆x là sai lệch giữa giá trò đo và giá trò thực (gọi là sai số tuyệt đối), thì sai số của cảm biến là δ được xác đònh như sau: () 2.1100. x x ∆ = δ Ví dụ: Một cảm biến nhiệt độ có độ nhạy là: s = 0,1 [mV/ o C], tạo ra điện áp ở 100 [ 0 C] là 10,5 [mV] thì sai số của cảm biến là: () 3.1%5100. 10 105,10 = − = δ Sai số của cảm biến được chia thành 2 loại: sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên. Sai số hệ thống : Sai số hệ thống là sai số không phụ thuộc vào số lần đo, có giá trò không đổi hoặc thay đổi châm theo thời gian. Các nguyên nhân gây ra sai số hệ thống: - Do nguyên lý của cảm biến. - Do đặc tính của bộ cảm biến. - Do chế độ và điều kiện sử dụng cảm biến. - Do xử lý kết quả đo. Sai số ngẫu nhiên : Sai số ngẫu nhiên là sai số xuất hiện có độ lớn và chiều không xác đònh. Nguyên nhân gây sai số ngẫu nhiên: - Do sự thay đổi đặc tính của thiết bò. - Do tín hiệu nhiễu ngẫu nhiên. - Do ảnh hưởng bởi các thông số môi trường như: từ trường, nhiệt độ, độ ảm, độ rung … c. Độ tuyến tính của cảm biến : Cảm biến được gọi là tuyến tình trong một dải đo nếu có độ nhạy không đổi trong ở mọi điểm trong dải đo. 61 I.3 Mạch Xử Lý Tín Hiệu Cảm Biến : Đáp ứng ngõ ra của cảm biến thường là không phù hợp với các cơ cấu chỉ thò hoặc các thiết bò đọc tín hiệu hồi tiếp trong các hệ thống điều khiển vì vậy cần có một mạch xử lý (chuyển đổi tín hiệu) cho phù hợp với các cơ cấu này. Sơ đồ khối minh họa việc kết hợp giữa cảm biến và mạch xử lý tín hiệu như hình I.5 a. Các mạch khuếch đại trong đo lường : Do các tín hiệu điện ở ngõ ra của các cảm biến thường rất nhỏ, để tăng giá trò của các tín hiệu này ta dùng các mạch khuếch đại. - Mạch khuếch đại đảo: Đầu ra Đầu vào + - OP-07 3 2 6 7 1 4 8 1 3 2 R2 R2 Hình 1.6 Mạch khuếch đại đảo với biến trở chỉnh offset () 4.1 1 2 io V R R V −= Với V o là điện áp ở đầu ra, V i là điện áp ở đầu vào. - Mạch khuếch đại không đảo: Đầu ra Đầu vào + - OP-07 3 2 6 7 1 4 8 1 3 2 R2 R1 Hình 1.7 Mạch khuếch đại không đảo với biến trở chỉnh offset Tới cơ cấu đo Hình 1.5 Mạch đo và cảm biến Đ ại lượng đo Cảm biến Mạch xủ lý tín hiệu đo 62 () 5.11 1 2 io V R R V         += Với V o là điện áp ở đầu ra, V i là điện áp ở đầu vào. - Mạch lặp lại điện áp: Đầu ra Đầu vào + - U2 OP07 3 2 6 7 1 4 8 Hình 1.8 Mạch lặp lại điện áp V o = V i (1.6) Với V o là điện áp ở đầu ra, V i là điện áp ở đầu vào. - Mạch khuếch đại vi sai: + - U2 OP07 3 2 6 R1 R3 R2 R4 V1 V2 Vo Hình 1.9 Mạch khuếch đại vi sai Chọn R 1 = R 3 , R 2 = R 4 thì: ()() 7.1 21 1 2 VV R R V o −−= - Mạch khuếch đại dụng cụ: Hình 1.10 Mạch khuếch đại dụng cụ R R3 + - OP07 3 2 6 + - OP07 3 2 6 + - OP07 3 2 6 Ra R R2 R2 R3 Vo V2 V1 63 ()() 8.1 2 1 21 2 3 VV R R Ra R V o −       += b. Mạch cầu Wheatstone : Mạch cầu Wheastone dùng để chuyển đổi sự thay đổi của điện trở thành sự thay đổi của điện áp trên đường chéo của cầu. Vcc Ro Ro Ro Rx V+ V- Hình 1.11 Mạch cầu wheastone Trong sơ đồ trên Rx = Ro + ∆R, ∆U = V + - V - ta có: () () 9.1 222 1 2 cc o cc o o V RR R V RR RR U ∆+ ∆ =         − ∆+ ∆+ =∆ Nếu ∆R << R o thì biểu thức trên có thể viết lại như sau: () 10.1 4 cc o V R R U ∆ =∆ II. CẢM BIẾN VÀ ỨNG DỤNG: II.1 Cảm Biến Quang : a. Tế bào quang dẫn : Tế bào quang dẫn là một loại cảm biến quang dụa trên hiện tượng quang dẫn do kết qủa của hiệu ứng quang điện bên trong. Đó là hiện tượng giải phóng các hạt tải điện trong vật liệu bán dẫn dưới tác dụng của ánh sáng. Hình 1.12 Tế bào quang dẫn 64 - Các vật liệu dùng để chế tạo tế bào quang dẫn: Tế bào quang dẫn thường được chế tạo bằng các bán dẫn đa tinh thể đồng nhất hoặc đơn tinh thể, bán dẫn riêng hoặc pha tạp. + Đa tinh thể: CdS, CdSe, CdTe, PbS, PbSe, PbTe. + Đơn tinh thể: Ge, Si tinh khiết hoặc pha tạp Au, Cu, Sb, In, SbIn, AsIn, CdHgTe. - Các tính chất cơ bản của tế bào quang dẫn : + Điện trở vùng tối R co phụ thuộc vào hình dạng, kích thùc, nhiệt độ và bản chất lý hoá của vật liệu Các chất PbS, CdS, CdSe có điện trở vùng tối rất cao ( từ 10 4 tới 10 5 Ω ở 25 o C), trong khi đó SbIn, AbSs, CdHgTe có điện trở vùng tối tương đối nhỏ (từ 10 tới 10 3 Ω ở 25 o C). Khi được chiếu sáng, điện trở cửa tế bào quang dẫn giảm xuống rất nhanh, quan hệ giữ điện trở của tế bào quang dẫn và độ rọi sáng: ( ) 1.2. γ − Φ= aR c Trong đó a là hằng số phụ thuộc vào vật liệu, 0,5 < γ < 1 Hình 2.1 biểu diễn quan hệ giữa điện trở của tế bào quang dẫn và độ rọi sáng. Hình 2.1 Quan hệ giữa độ rọi và điện trở của tế bào quang dẫn. Ký hệu của tế bào quang dẫn trên sơ đồ mạch: Hình 2.2 Ký hiệu của tế bào quang dẫn. + Độ nhạy của tế bào quang dẫn: Nếu đặt lên 2 đầu tế bào quang dẫn một điện áp V, thì sẽ có một dòng điện I chảy qua tế bào quang dẫn: () 2.2 γ Φ== a V R V I c Đ ộ rọi sáng (Lux) Đ iện trở ( Ω ) 10 7 10 6 10 5 10 4 10 3 10 2 10 8 0,01 0,1 1 10 1001000 65 Độ nhạy của tế bào quang dẫn: () 3.2 1− Φ= Φ = γ γ a V d dI s - Ứng dụng của tế bào quang dẫn : Tế bào quang dẫn thường được dùng để đo thông lượng ánh sáng, kết hợp với nguồn sáng để dò vạch dẫn dường cho các mobile robot, đọc mã vạch, phát hiện đầu băng trắng, điều khiển đóng ngắt Relay theo ánh sáng … Sơ đồ dùng tế bào quang dẫn: VCC Q1 13 2 K2 RELAY SPDT 3 5 4 1 2 Hình 2.3 Sơ đồ điều khiển đóng ngắt Relay theo ánh sáng. VCC Tới VĐK hoặc PLC 13 2 Q1 R3 Hình 2.4 Sơ đồ dùng tế bào quang dẫn để dò vạch dẫn đường, đọc mã vạch. b. Photo Diode : - Cấu tạo của Photo Diode : Photo diode là một tiếp giáp p-n được tạo bởi các vật liệu như: Ge, Si (Cho vùng ánh sáng trông thấy và gần hồng ngoại), GaAs, InAs, CdHgTe, InSb cho vùng ánh sáng hồng ngoại. Hình 2.5 Cấu tạo của photo diode - Nguyên lý làm việc của photo diode : Khi chiếu sáng lên bề mặt của photo diode bằng bức xạ có bước sóng nhỏ hơn bước sóng ngưỡng λ < λ n sẽ xuất hiện thêm các cặp điện tử – lỗ trống. Để các hạt này có thể tham gia vào độ dẫn và làm tăng dòng điện I ta cần phải ngăn quá trình tái hợp của chúng Vùng nghèo p n Chuyển tiếp E 66 nghóa là phải nhanh chóng tách cặp điện tử – lỗ trống dưới tác dụng của điện trường. Quá trình này chỉ xảy ra trong vùng nghèo và làm tăng dòng điện ngược. - Các chế độ làm việc của photo Diode : + Chế độ quang dẫn : Ở chế độ quang dẫn, photo diode được phân cực ngược bởi nguồn sức điện động E như hình 2.6: Hình 2.6 Sơ đồ phân cực cho photo diode o chế độ quang dẫn. Dòng điện ngượi I r chảy qua diode: () 4.2exp1 p d or I kT qV II +             −= Trong đó: I o là dòng ngược khi không được chiếu sáng, I p là dòng quang điện khi ánh sáng đạt tới vùng nghèo sau khi qua bề dày X của lớp bán dẫn. ( ) 5.2 X op eKI α − Φ= K là hằng số, Φ o là quang thông bên ngoài lớp bán dẫn, α ≈ 10 5 [cm -1 ], V d là điện áp ngược trên photo diode. Khi V d có giá trò đủ lớn thì: I r = I o + I p (2.6) do I o thường rất nhỏ nên: I r = I p (2.7) Viết phương trình cho mạch điện hình 2.6: E = V R - V d (2.8) Trong đó V R = R*I r là đường thẳng tải. Hay () 9.2 R V R E I d r += Hình 2.7 Đặc tuyến I-V với thông lượng ánh sáng khác nhau của photo diode R E I r 0-5-10-15-20-E-30-35 10 20 30 70 50 60 I r 0V d 50 µ W 100 µ W 150 µ W 200 µ W ∆ [...]... cảm biến điện dung để phát hiện hộp sữa không đầy trong dây chuyền sản xuất sửa hộp hình 3.11 Cảm biến Động cơ Hình 3.9 Ứng dụng cảm biến điện cảm trong hệ thống đo tốc độ động cơ 76 Cảm biến Xy lanh Hình 3.10 Ứng dụng cảm biến điện dung để phát hiện hộp sữa không đầy PLC Bơm Cảm biến Cảm biến Ốâng nhựa Hồ chứa Van xả Hình 3.11 Ứng dụng cảm biến lân cận điện dung để phát hiện mức chất lỏng IV CẢM BIẾN... Hình 5.11 Cảm biến biến áp vi sai Hình 5.12 Mạch điện ngõ ra và đặc tuyến ngõ ra của cảm biến biến áp vi sai b Ứng dụng của cảm biến biến áp vi sai: Cảm biến biến áp vi sai được dùng để đo dòch chuyển, đo độ dày của vật liệu, đo khoảng cách, đo độ phẳng của bề mặt … Sau đây là một số ví dụ ứng dụng của cảm biến biến áp vi sai Ví dụ 1: Dùng biến áp vi sai đo độ nhẵn của bề mặt chi tiết cơ khí Cảm biến Vòi... một số ví dụ ứng dụng của cảm biến từ Ví dụ 1: Đo độ dày mỏng của kim loại Cảm biến Băng tải Tấm thép Bộ xử lý Hình 5.6 Dùng cảm biến từ đo độ dày của tấm thép 87 Ví dụ 2: Dùng cảm biến từ đo độ cao của đinh ốc Cảm biến Đinh ốc Bộ xử lý Hình 5.7 Dùng cảm biến từ đo độ cao của đinh ốc Ví dụ 3: Dùng cảm biến từ đo độ lệch tâm của cơ cấu cam Cảm biến Bộ xử lý Cơ cấu cam Hình 5.8 Dùng cảm biến từ đo độ... dụ ứng dụng của cảm biến quang Ví dụ 1: Ứng dụng cảm biến quang để phát hiện đầu vật liệu trong hệ thống cắt sản phẩm theo chiều dài Dao cắt Cảm biến quang Hình 2.17 Hệ thống cắt sản phẩm theo chiều dài Ví dụ 2: Ứng dụng cảm biến quang để phát hiện chấm đen ở đầu bao bì trong hệ thống đóng gói sản phẩm Cảm biến quang Chấm đen Rulo kéo phim PLC Dao cắt Hình 2.18 Hệ thống đóng gói bao bì Ví dụ 3: Ứng dụng. .. của cảm biến lân cận điện cảm trong công nghiệp của hãng OMRON Hình 3.4 Cảm biến lân cận điện cảm dạng tròn Hình 3.4 Cảm biến lân cận điện cảm dạng vuông III.2 Cảm Biến Lân Cận Dạng Điện Dung: a Cấu tạo: Cảm biến lân cận dạng điện dung có cấu tạo gầm 4 phần tử như cảm biến lân cận dạng điện cảm như hình 3.5: 74 Mục tiêu Đầu phát hiện Mạch dao động Mạch ngõ ra Mạch phát hiện mức Hình 3.5 Cấu tạo của cảm. .. R1    84 (4.16) (4.15) V CẢM BIẾN VỊ TRÍ VÀ DỊCH CHUYỂN: V.1 Cảm Biến Biến Trở: a Cấu tạo của cảm biến biến trở: Cảm biến biến trở có cấu tạo đơn giản và giá thành rẻ Cảm biến bao gồm dây quấn thường được làm bằng hợp kim có khả năng chòu mài mòn tốt như: Ni-Cr, Ni-Cu, Ni-Cu-Fe, Ag-Pd …, có đường kính từ 0,02 đến 0,1 mm, được quấn được quấn trên một lõi làm bằng vật liệu cách điện như : gốm, sứ,... sữa Cảm biến quang Thực phẩm Băng tải Hình 2.20 Phát hiện thực phẩm Băng tải Cảm biến quang Gương phản xạ Hình 2.21 Phát hiện và đếm chai 72 III CẢM LÂN CẬN (Proxmity Sensor) VÀ ỨNG DỤNG: III.1 Cảm Biến Lân Cận Dạng Điện Cảm: a Cấu tạo: Cảm biến lân cận dạng điện cảm có cấu tạo gồm 4 bộ phận chính như hình 3.1 Mục tiêu Đầu phát hiện Mạch dao động Mạch phát hiện mức Mạch ngõ ra Hình 3.1 Cấu tạo của cảm. .. điện dung để phát hiện mức chất lỏng IV CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ: IV.1 Cảm Biến Nhiệt Điện Trở: Cảm biến nhiệt điện trở là cảm biến có điện trở thay đổi theo nhiệt độ Cảm biến nhiệt điện trở có 2 loại: - Cảm biến nhiệt điện trở kim loại - Thermistor 77 a Cảm biến nhiệt điện trở kim loại: a.1 Cấu tạo của cảm biến nhiệt điện trở kim loại: Cảm biến nhiệt điện trở kim loại gồm một dây dẫn bằng kim loại như: Platin,... 78 Hình 4.2 Cảm biến nhiệt điện trở kim loại a.3 Mạch đo sử dụng cảm biến nhiệt điện trở kim loại: Để chuyển sự thay đổi điện trở của cảm biến theo nhiệt độ thành sự thay đổi điện áp, ta kết nối cảm biến với mạch đo như hình 4.3 R2 R1 Rx R3 R4 OP-07 6 Vo 7 1 3 R 2 + R - R 4 8 VCC Hình 4.3: Mạch đo dùng cảm biến nhiệt điện trở Gọi Rx = R+∆R là điện trở của cảm biến Với R là điện trở của cảm biến ở 0 [oC],... Dây kim loại Vỏ cảm biến Bột cách điện và đònh hình Hình 4.1 : Cấu tạo của cảm biến nhiệt điện trở kim loại trong công nghiệp a.2 Hoạt động và phương trình chuyển đổi của cảm biến nhiệt điện trở kim loại: Khi nhiệt độ của cảm biến thay đổi, điện trở của cảm biến thay đổi theo phương trình (4.1): R (T ) = R0 (1 + AT + BT 2 + CT 3 ) (4.1) Trong đó T đo bằng oC, R(T) là điện trở của cảm biến ở nhiệt độ . BÀI GIẢNG KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ CẢM BIẾN VÀ ỨNG DỤNG 58 CẢM BIẾN VÀ ỨNG DỤNG. Trong các hệ thống điều khiển tự động, cảm biến đóng. đổi của cảm biến, hàm f() phụ thuộc vào cấu tạo, vật liệu làm cảm biến … Để chế tạo cảm biến, người ta sử dụng các hiệu ứng vật lý. b. Cảm biến tích