Giáo trình Kỹ thuật cảm biến (Nghề: Điện công nghiệp - Cao đẳng): Phần 1 - Trường Cao đẳng Cơ điện Xây dựng Việt Xô

Giáo trình Kỹ thuật cảm biến (Nghề: Điện công nghiệp - Cao đẳng) nhằm trang bị cho học viên các trường nghề những kiến thức về nguyên lý, cấu tạo, các mạch ứng dụng trong thực tế một số loại cảm biến... Giáo trình kết cấu gồm 5 bài và chia thành 2 phần, phần 1 trình bày những nội dung về: cảm biến và ứng dụng; cảm biến quang; cảm biến nhiệt độ; cảm biến tiệm cận;... Mời các bạn cùng tham khảo!

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN TRƢỜNG CAO ĐẲNG CƠ ĐIỆN XÂY DỰNG VIỆT XÔ KHOA: ĐIỆN- ĐIỆN TĐH GIÁO TRÌNH MƠ ĐUN: KỸ THUẬT CẢM BIẾN NGHỀ: ĐIỆN CƠNG NGHIỆP TRÌNH ĐỘ CAO ĐẲNG (Ban hành kèm theo Quyết định số: ngày tháng năm ) Ninh Bình, năm 2019 TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu thuộc loại sách giáo trình nên nguồn thơng tin đƣợc phép dùng ngun 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 GIỚI THIỆU 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 trƣờng hợp thực tế nguyên lý phép đo hay phƣơng 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, ngƣời máy, kiểm tra sản phẩm, tiết kiệm lƣợng, chống ô nhiễm môi trƣờng Cảm biến đƣợc 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 sƣ ngành điện nhƣ 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 trƣờng nghề kiến thức nguyên lý, cấu tạo, mạch ứng dụng thực tế số loại cảm biến Với kiến thức đƣợc trang bị học viên áp dụng trực tiếp vào lĩnh vực sản xuất nhƣ đời sống Ngoài kiến thức dùng làm phƣơng tiện để học tiếp môn chuyên môn ngành điện nhƣ Trang bị điện, PLC Mơn học làm tài liệu tham khảo cho cán kỹ thuật, học viên ngành khác quan tâm đến lĩnh vực Ninh Bình, ngày tháng năm 2019 Biên soạn Trần Thị Thu Hằng MỤC LỤC Thứ tự Nội dung BÀI MỞ ĐẦU: CẢM BIẾN VÀ ỨNG DỤNG Khái niệm cảm biến Phạm vi ứng dụng BÀI 1: CẢM BIẾN QUANG Ánh sáng phép đo quang Các linh kiện quang Các loại cảm biến quang Thực hành ứng dụng BÀI 2: CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ 1.Đại cƣơng Nhiệt điện trở với Plantin Nickel Cảm biến nhiệt độ với vật liệu Silic IC cảm biến nhiệt độ Nhiệt điện trở NTC PTC Thực hành ứng dụng Trang 7 10 11 11 14 22 26 32 32 34 40 44 46 49 BÀI 3: CẢM BIẾN TIỆM CẬN 1.Cảm biến tiệm cận Một số loại cảm biến xác định vị trí, khoảng cách khác Các thực hành ứng dụng loại cảm biến tiệm cận 54 BÀI 4: CẢM BIẾN ĐO VẬN TỐC VỊNG QUAY VÀ GĨC QUAY 1.Một số phƣơng pháp đo vịng quay Cảm biến đo góc với tổ hợp có điện trở từ Thực hành ứng dụng BÀI 5: CÁC LOẠI CẢM BIẾN KHÁC 1.Cảm biến đo lƣu lƣợng Cảm biến trọng lƣợng Cảm biến đo áp suất 88 54 78 84 88 105 109 113 113 135 149 MÔ ĐUN: KỸ THUẬT CẢM BIẾN Mã Mơ-đun: MĐ 20 I VỊ TRÍ, TÍNH CHẤT CỦA MƠ ĐUN: - Vị trí: 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 lƣờng điện Trang bị điện - Tính chất: Là mơn học chun mơn nghề II MỤC TIÊU MƠ ĐUN: Về kiến thức: - Phân tích đƣợc cấu tạo, nguyên lý hoạt động loại cảm biến; - Phân tích đƣợc nguyên lý mạch điện cảm biến Về kỹ năng: - Biết lựa chọn loại cảm biến cho phù hợp yêu cầu cụ thể; - Biết đấu nối loại cảm biến mạch điện cụ thể; - Sử dụng loại cảm biến để thiết kế mạch điện; - Vận dụng sáng tạo trình sản xuất Về thái độ: - Cẩn thận, sáng tạo đảm bảo an toàn cho ngƣời nhƣ linh kiện,thiết bị khác; - Nghiêm túc, khoa học, tỉ mỷ III Nội dung mô đun Nội dung tổng quát phân bổ thời gian: Tổng số Số T Tên chƣơng, mục T Bài mở đầu: Cảm biến ứng dụng Khái niệm cảm biến Phạm vi ứng dụng Thời gian (giờ) Lý Thực Kiểm thuyết Hành tra* Thí nghiệm Bài tập Thảo luận 1 1 Bài 1: Cảm biến quang Ánh sáng phép đo quang Các linh kiện quang Các loại cảm biến quang Thực hành ứng dụng Kiểm tra Bài 2: Cảm biến nhiệt độ Đại cƣơng Nhiệt điện trở với Platin Nickel 3.Cảm biến nhiệt độ với vật liệu silic IC cảm biến nhiệt độ Nhiệt điện trở NTCvà PTC Thực hành ứng dụng 28 5 15 16 10 1 10 1 1 Bài 3: Cảm biến tiệm cận 1.Cảm biến tiệm cận 2.Một số loại cảm biến xác định vị trí, khoảng cách khác Thực hành ứng dụng Kiểm tra Bài 4: Cảm biến đo vận tốc vòng quay góc quay 1.Một số phƣơng pháp đo vận tốc vịng quay 2.Cảm biến đo góc với tổ hợp có điện trở từ 3.Thực hành ứng dụng 20 12 12 10 1 1 Bài 5: Một số loại cảm biến khác Cảm biến lƣu lƣợng Cảm biến trọng lƣợng Cảm biến áp suất Kiểm tra Cộng 14 4 1 3 16 2 11 2 2 2 90 30 54 BÀI MỞ ĐẦU: CẢM BIẾN VÀ ỨNG DỤNG Giới thiệu: Cảm biến phần tử có chức tiếp thu, cảm nhận tín hiệu đầu vào dạng đƣa tín hiệu dạng khác Cảm biến đƣợc ứng dụng rộng rãi lĩnh vực, đặc biệt lĩnh vực tự động hóa cơng nghiệp Mục tiêu: - Trình bày đƣợc 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: Khái niệm cảm biến 1.1 Khái niệm Cảm biến thiết bị dùng để cảm nhận biến đổi đại lƣợng vật lý, đại lƣợng khơng có tính chất điện cần đo thành đại lƣợng có tính chất điện đo xử lý đƣợc Các đại lƣợng cần đo thƣờng khơng có tính chất điện (nhƣ nhiệt độ, áp suất, lƣu lƣợng, vận tốc ) tác động lên cảm biến cho ta đặc trƣng mang tính chất điện (nhƣ dịng điện, điện áp, trở kháng ) chứa đựng thông tin cho phép xác định giá trị đại lƣợng cần đo Đặc trƣng (s) hàm đại lƣợng cần đo: s = f(m) s: Đại lƣợng đầu hay gọi đáp ứng đầu cảm biến m: đại lƣợng đầu vào kích thích (có nguồn gốc đại lƣợng cần đo) f :là hàm truyền đạt cảm biến Hàm truyền đạt thể cấu trúc thiết bị biến đổi thƣờng có đặc tính phi tuyến, điều làm giới hạn khoảng đo dẫn tới sai số Trong trƣờng hợp đại lƣợng đo biến thiên phạm vi rộng cần chia nhỏ khoảng đo để có hàm truyền tuyến tính(Phƣơng pháp tuyến tính hố đoạn) Thông thƣờng thiết kế mạch đo ngƣời ta thực mạch bổ trợ để hiệu chỉnh hàm truyền cho hàm truyền đạt chung hệ thống tuyến tính Giá trị (m) đƣợc xác định thơng qua việc đo đạc giá trị (s) Các tên khác cảm biến: Sensor, cảm biến đo lƣờng, đầu dò, van đo lƣờng, nhận biết biến đổi Trong hệ thống đo lƣờng 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 lƣờng xử lý kết đo vào mục đích khác Đối tượng điều Cảm biến đo khiển lường Thiết bị thừa hành Mạch đo điện Chỉ thị xử lý Mạch so sánh Chuẩn so sánh Hình 1.1: Sơ đồ nguyên tắc hệ thống đo lường điều khiển Tham số trạng thái X đối tƣợng cần điều khiển dƣợc cảm biến sang tín hiệu Y nhờ cảm biến đo lƣờng Tín hiệu ngõ đƣợc mạch đo điện xử lý để đƣa cấu thị Trong hệ thống điều khiển tự động, tín hiệu ngõ mạch đo điện đƣợc đƣa trở sau thực thao tác so sánh với chuẩn tín hiệu ngõ khởi phát thiết bị thừa hành để điều khiển đối tƣợng * Trong hệ thống đo lƣờng điều khiển đại, trình thu thập xử lý tín hiệu thƣờng máy tính đảm nhiệm Đối tượng điều khiển Cảm biến đo Viđiều khiển (Microcontroler) lường thiết bị thừa hành PC chương trìnhđiều khiển Hình 1.2: Hệ thống đo lường điều khiển ghép PC Trong sơ đồ đối tƣợng điều khiển đƣợc đặc trƣng biến trạng thái đƣợc cảm biến thu nhận Đầu cảm biến đƣợc phối ghép với vi điều khiển qua dao diện Vi điều khiển hoạt động độc lập theo chƣơng trình đƣợc cài đặt sẵn phối ghép với máy tính Đầu vi điều kiển đƣợc phối ghép với cấu chấp hành nhằm tác động lên trình hay đối tƣợng điều khiển Chƣơng trình cho vi điều khiển đƣợc cài đặt thơng qua máy tính nạp chƣơng trình chuyên dụng Đây sơ đồ điều khiển tự động q trình (đối tƣợng), cảm biến đóng vai trị phần tử cảm nhận, đo đạc đánh giá thông số hệ thống Bộ vi điều khiển làm nhiệm vụ xử lý thông tin đƣa tín hiệu q trình Từ sensor từ mƣợn tiếng la tinh Sensus tiếng Đức tiếng Anh đƣợc gọi sensor, tiếng Việt thƣờng gọi cảm biến.Trong kỹ thuật hay gọi thuật 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 Phân loại cảm biến Cảm biến đƣợc phân loại theo nhiều tiêu chí Ngƣời ta phân loại cảm biến theo cách sau: 1.2.1 Theo nguyên lý chuyển đổi đáp ứng kích thích - Theo tƣợng vật lý: + Nhiệt điện + Quang điện + Quang từ + Điện từ + Từ điện - Theo tƣợng hóa học + Biến đổi hóa học + Biến đổi điện hóa + Phân tích phổ - Theo tƣợng sinh học + Biến đổi sinh hóa + Biến đổi vật lý + Hiệu ứng thể sống 1.2.2 Theo dạng kích thích - Âm thanh: Biên pha, phân cực, phổ, tốc độ truyền song, …vv - Điện: Điện tích, dịng điện, điện thế, điện áp, điện trƣờng, điện dẫn, số điện môi,…vv - Từ: Từ trƣờng, từ thông, cƣờng độ từ trƣờng, độ từ thẩm, …vv - Cơ: Vị trí, lực,áp suất, gia tốc, vận tốc, ứng suất, độ cứng, mô men, khối lƣợng, tỷ trọng, độ nhớt, …vv - Quang: Phổ, tốc độ truyền, hệ số phát xạ, khúc xạ, …vv - Nhiệt: Nhiệt độ, thông lƣợng, tỷ nhiệt,…vv 1.2.3 Theo tính - Độ nhạy - Độ xác - Độ phân giải - Độ tuyến tính - Công suất tiêu thụ 1.2.4 Theo phạm vi sử dụng - Công nghiệp - Nghiên cứu khoa học - Mơi trƣờng, khí tƣợng - Thơng tin, viễn thơng - Nông nghiệp - Dân dụng - Giao thông vận tải…vv 1.2.5 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 lƣợng phụ để hồn tất nhiệm vụ đo kiểm, cịn loại tích cực khơng cần Đƣợc đặc trƣng thơng số: R, L, C… tuyến tính phi tuyến Phạm vi ứng dụng Các cảm biến đƣợc sử dụng nhiều lĩnh vực kinh tế kỹ thuật Các cảm biến đặc biệt nhạy cảm đƣợc sử dụng thí nghiệm lĩnh vực nghiên cứu khoa học Trong lĩnh vực tự động hố ngƣời ta sử dụng loại sensor bình thƣờng nhƣ đặc biệt BÀI 1: CẢM BIẾN QUANG Mã : MĐ 20.01 Giới thiệu: Trong tất đại lƣợng vật lý, ánh sáng đại lƣợng đƣợc quan tâm nhiều ánh sáng đóng vai trị định đến nhiều tính chất quan trọng vật chất Ánh sáng làm ảnh hƣởng đến đại lƣợng chịu tác dụng Một đặc điểm quan trọng ánh sáng làm thay đổi cách liên tục đại lƣợng chịu ảnh hƣởng Bởi công nghiệp nhƣ đời sống hàng ngày sử dụng nhiều thiết bị liên quan đến ánh sáng Mục tiêu: - Phân biệt đƣợc loại cảm biến quang - Tra bảng xác định thông số cảm biến quang - Lắp ráp mạch ứng dụng cảm biến quang - Rèn luyện tính cẩn thận, xác, logic khoa học, tác phong công nghiệp Nội dung chính: 1.Ánh sáng phép đo quang 1.1 Tính chất ánh sáng 1.1.1 Tính chất sóng ánh sáng Dạng sóng ánh sáng sóng điện từ phát có dịch chuyển điện tử mức lƣợng nguyên tử nguồn sáng Các sóng truyền chân khơng với tốc độ c = 3x10^8 km/s Trong vật chất ánh sáng có vận tốc là: V = c/n (với n chiết suất mơi trƣờng) Bƣớc sóng  ánh sáng đƣợc tính theo cơng thức:  = V/f Trong chân khơng:  = c/f Trong f tần số ánh sáng Trên hình 2.1 biểu diễn phổ ánh sáng phân chia thành dải mầu phổ 0,456 0,395 Cực tím tím 0,490 0,575 lục lam 0,590 0,750 0,650 đỏ vàng da cam h ngoại (m) 0,01 0,4 0,1 0,75 1,2 Cực tím 3.1016 10 30 h ngoại 3.1015 trông thấy 3.1014 h ngoại gần 3.1013 100 h ngoại xa 3.1012 (Hz) Hình 2.1 phổ ánh sáng 1.1.2 Tính chất hạt ánh sáng Tính chất hạt ánh sáng thể qua tƣơng tác với vật chất ánh sáng bao gồm hạt photon với lƣợng W phụ thuộc vào tần số: 10 Một số dạng cảm biến ngõ analog cho phép điều chỉnh khoảng cách phát hiện, chúng từ chối việc phát đối tƣợng sau khoảng cách xác định.Khoảng cách phát điều chỉnh ngƣời sử dụng Ngồi để cảm biến không phát đối tƣợng dù chúng di chuyển vào vùng hoạt động cảm biến, ngƣời ta tạo lớp vỏ chất liệu có khả khơng phản xạ lại sóng âm 1.4.4 Ưu, nhược điểm cảm biến tiệm cận siêu âm  Ƣu điểm - Khoảng cách mà cảm biến phát vật thể lên tới 15m - đối tƣợng hay tính chất phản xạ ánh sáng đối tƣợng ví dụ bề mặt kính suốt, bề mặt gốm màu nâu, bề mặt plastic màu trắng, hay bề mặt chất liệu nhôm sáng, trắng nhƣ - Tín hiệu đáp ứng cảm biến tiệm cận siêu âm analog tỉ lệ tuyến tính với khoảng cách Điều đặc biệt lý tƣởng cho ứng dụng nhƣ theo theo dõi mức vật chất, mức độ chuyển động đối tƣợng  Nhƣợc điểm - Cảm biến tiệm cận siêu âm yêu cầu đối tƣợng có diện tích bề mặt tối thiểu (giá trị tùy thuộc vào loại cảm biến) - Sóng phản hồi cảm biến nhận đƣợc chịu ảnh hƣởng sóng âm tạp âm - Cảm biến tiệm cận siêu âm yêu cầu khoảng thời gian sau lần sóng phát để sẵn sàng nhận sóng phản hồi Kết thời gian đáp ứng cảm biến tiệm cận siêu âm nhìn chung chậm cảm biến khác khoảng 0,1 s - Với đối tƣợng có mật độ vật chất thấp nhƣ bọt hay vải (quần áo) khó để phát với khoảng cách lớn - Cảm biến tiệm cận siêu âm bị giới hạn khoảng cách phát nhỏ - Sự thay đổi môi trƣờng nhƣ nhiệt độ (vận tốc âm phụ thuộc vào nhiệt độ), áp suất, chuyển không đồng không khí, bụi bẩn bay khơng khí gây ảnh hƣởng đến kết đo - Nhiệt độ bề mặt đối tƣợng ảnh hƣởng đến phạm vi hoạt động cảm biến Hơi nóng tỏa từ đối tƣợng có nhiệt độ cao làm méo dạng sóng, làm cho khoảng cách phát đối tƣơng ngắn lại giá trị khoảng cách khơng xác 62 Hình 4.27: Ảnh hƣởng nhiệt độ sóng phản hồi - Bề mặt phẳng phản hồi lƣợng sóng âm tốt bề mặt gồ ghề Tuy nhiên bề mặt trơn phẳng lại có địi hỏi khắc khe vị trí góc tạo thành cảm biến mặt phẳng đối tƣợng (xem hình 2.27 hình 2.28) Hình 4.28: Đối tƣợng có bề mặt gồ ghề khơng yêu cầu cảm biến đặt vị trí xác Hình 4.29: Đối tƣợng có bề mặt phẳng u cầu cảm biến đặt vị trí tạo thành góc phải nhỏ 30 1.4.5 Một số ứng dụng cảm biến tiệm cận siêu âm 63 Phát diện, không diện đối tƣợng suốt thủy tinh Dùng điều khiển mực chất lỏng Phát ngƣời Đo khoảng cách, độ cao, hay vị trí phiến gỗ dây chuyền Phát đƣờng kính 64 Phát dây bị đứt Đo mực chất lỏng Đo mực chất lỏng lọ (có cổ nhỏ) Phát chiều cao Đếm chai Phát giấy bị đứt Phát xe Phát chiều cao 1.5 Cấu hình ngõ cảm biến tiệm cận 1.5.1 Ngõ dạngtransitor NPN transitor PNP Với điện áp DC thấp, cảm biến có dạng cấu hình ngõ phổ biến là: kiểu NPN transitor kiểu PNP transitor 65 Hình 4.31: PNP transitor Hình 4.30: NPN transitor Trƣờng hợp cảm biến loại NPN: Trƣờng hợp cảm biến loại PNP: Tải mắc ngõ A cảm biến Tải mắc ngõ A cảm biến cực dƣơng nguồn điện cực âm nguồn điện 1.5.2 Ngõ dạngTransitor FETs Ngõ dạng khác kiểu transitor FETs cung cấp sụ đáp ứng nhanh, dòng tiêu hao nhỏ Dòng điều khiển để thay đổi trạng thái cần cỡ 30 A , Nhƣng nhìn chung giá thành cao so với loại Có thể kết nối song song ngõ FET nhƣ tiếp điểm khí relay (cả điện AC DC) Dạng FET công suất, tiếp điểm ngõ chịu đƣợc dịng đến 500 mA Hình 4.32: Transitor FETs 1.5.3 Ngõ dạngTriac Cảm biến ngõ dạng Triac đƣợc thiết kế để sử dụng nhƣ công tắc cho điện AC Cảm biến dạng cung cấp ngõ chịu đƣợc dịng lớn, điện áp rơi thấp thích hợp với việc kết nối với contactor lớn Dòng tiêu hao lớn so với FETs Giá trị vƣợt q 1mA đ1o khơng thích hợp để kết nối với thiết bị nhƣ PLC Hình 4.33: Triac 66 1.5.4.Ngõ dạng Analog Cảm biến cung cấp tín hiệu ngõ dƣới dạng dòng áp tƣơng ứng (hay nghịch đảo tƣơng ứng) với phát Hình 4.34:  Trạng thái ngõ cảm biến thƣờng đóng (NO) thƣờng mở (NC) Ví dụ cảm biến loại PNP, trạng thái ngõ Off khơng có đối tƣợng xuất thiết bị loại thƣờng mở Ngƣợc lại trạng thái ngõ On khơng có đối tƣợng xuất loại thƣờng đóng  Ngồi loại dây, cảm biến cịn có loại dây loại dây Với loại dây, cảm biến có loại ngõ ra: thƣờng đóng thƣờng mở Hình 4.35 1.6 Cách kết nối cảm biến tiệm cận với  Trong số ứng dụng đòi hỏi phải sử dụng nhiều cảm biến Các cảm biến nối song song mắc nối tiếp Khi mắc nối tiếp, ngõ lên On tất cảm biến lên On Còn mắc nối tiếp, cần số cảm biến lên On ngõ lên On  Loại dây 67 Cách kết nối nối tiếp cảm biến loại Cách kết nối song song cảm biến loại dây dây  Loại dây NPN PNP Cách kết nối song song cảm biến loại dây NPN Cách kết nối nối tiếp cảm biến loại dây NPN Cách kết nối nối tiếp cảm biến loại dây PNP Một số loại cảm biến xác định vị trí, khoảng cách 2.1 Cảm biến vị trí khoảng cách biến trở 68 2.1.1 Cấu tạo Gồm điện trở cố định Rn tiếp xúc điện di chuyển gắn với chuyển động cần đo gọi chạy Vị trí chạy tỷ lệ với giá trị điện trở đầu tiếp xúc điểm Căn vào hình dạng Rn dạng chuyển động chạy ngƣời ta chia loại: Dịch chuyển thẳng R(l )  Rn Dịch chuyển quay l L R  Rn  0 Hình 2.36 2.1.2 Đặc tính + Độ phân giải: thơng thƣờng đạt cỡ 10 μm + Tuổi thọ chạy: 106 lần với dạng xoay 107 – 108 với dạng dịch chuyển + Độ tuyến tính: giá trị tỉ số R(x)/Rn hai đầu điện trở không ổn định, đ tuyến tính 2.1.3 Các loại biến trở Giá trị điện trở Rn từ 1kΩ đến 100kΩ, lên đến hàng MΩ.Tùy trƣờng hợp cụ thể độ xác điện trờ 20%, 10% đạt tới 5% Trên thực tế khơng cần địi hỏi độ xác cao tín hiệu đo phụ thuộc vào tỉ số R(x)/Rn Có nhiều loại biến trở, tùy theo ứng dụng mà ngƣời ta chọn loại biến trở thích hợp  Biến trở dây kim loại Loại biến trở dùng với dịng điện cao Nó có hệ số nhiệt độ thấp, tiếng ồn cho mạch điện tử trị số điện trở không bị trôi theo thời gian ảnh hƣởng khí hậu Nhƣợc điểm độ phân giải thấp  Biến trở với lớp polymer 69 Lớp điện trở đƣợc cấu tạo loại sơn hữu trộn với muội than bột graphit.Lớp điện tử loại trơn phẳng, khó bị mài mịn.Tuy nhiên có hệ số nhiệt độ lớn (300…1000ppm/K) Do độ ổn định so với biến trở dây kim loại nhiệt độ cao  Biến trở với oxit kim loại – thủy tinh (cermet) Loại điện trở đƣợc nhiệt độ cao 800 … 9000C, cứng.Tuy nhiên bề mặt nhám, khơng thích hợp cho dịch chuyển chạy nhiều lần.Biến trở loại thích hợp cho việc chỉnh điện áp mạch điện tử  Biến trở với màng mỏng kim loại Với phƣơng pháp phun phủ hay phun bụi catot ngƣời ta tạo lớp kim loại thực phẳng thủy tinh Vật liệu hợp kim Ni/Cr hay oxit kim loại Ta2O5 Màng mỏng kim loại có bề dày khoảng  m Trong loại biến trở có loại biến trở với lớp polymer thích hợp cho cơng việc định vị tính khoảng cách.Với bề mặt trơn láng bị mài mịn, loại biến trở chịu đựng đƣợc nhiều lần dịch chuyển chạy mà đặc tính kỹ thuật khơng bị thay đổi Loại cảm biến đƣợc dùng nhiều lĩnh vực nhƣ: Kỹ thuật xe hơi, định vị hệ thống đo đạc tính hệ số góc cho việc điều chỉnh động bƣớc, với cách thay đổi góc đƣợc chuyển đổi vô nấc Độ dầy lớp polymer khoảng từ 10 …20  m chịu đựng đƣợc nhiệt độ đến 150 0C Vật liệu chế tạo chạy hợp kim kim loại quí nhƣ: Pd, Pt, Au Ag Với hợp kim hình thành lớp dẫn điện ảnh hƣởng khí hậu khơng xảy Do chạy màng polymer ln ln có tiếp xúc điện tốt 2.2 Cảm biến vị trí khoảng cách tự cảm 2.2.1 Cấu tạo, nguyên lý hoạt động cảm biến tự cảm Cấu trúc đơn giản cảm biến tự cảm dùng để đo khoảng cách, đo góc gồm cuộn dây lõi sắt dịch chuyển  Nguyên lý hoạt động Đại lƣợng vào làm thay đổi độ tự cảm tổng trở cảm biến thay đổi theo Đƣờng sức qua vùng, sắt (lFe, AFe), khơng khí bên cuộn dây (l,A) vùng bên cuộn dây (Sa, la) L N2 Rm Trong đó: N: số vòng dây cuộn dây Rm: điện trở từ cuộn Hình 4.37 dây 70 Điện trở từ cuộn dây với lõi sắt: Rm  l lFe l   a 0 r AFe 0 A 0 Aa Trong đó: +  r sắt lớn (khoảng 103 đến 104) coi thay đổi phần điện trở từ sắt lõi sắt di chuyển coi nhƣ khơng đáng kể + Diện tích Aa khơng khí bên ngồi cuộn dây lớn bọc cuộn dây vỏ sắt mềm hầu nhƣ tất đƣờng sức chạy vào với điện trở từ coi nhƣ nhỏ Do đặt R0  Rm  L l Fe   r AFe  la bỏ qua R0  Aa l 0 A N N 0 A k   Rm l l Nhƣ độ tự cảm lớn lõi sắt nằm sâu bên cuộn dây Khi lõi sắt đƣợc dịch chuyển từ vị trí l bên ngồi cuộn dây đoạn l độ tự cảm giảm từ L1= k k thành L2= l l  l Vậy L phi tuyến theo l, để tính ảnh hƣờng thay đổi từ trở qua lõi sắt, giảm bớt mức độ phi tuyến ngƣời ta dùng cấu trúc cảm biến lõi chìm vi sai 2.2.2 Cảm biến tự cảm với lõi chìm vi sai Cấu trúc: Gồm hai cuộn dây cách biệt, lõi sắt đƣợc đặt bên hai cuộn dây Khi lõi sắt đƣợc dịch chuyển, tự cảm cuộn dây giảm cuộn khác dây tăng  Hình: 4.38 Với cấu trúc đối xứng đồng trục, cảm biến dùng để đo khoảng cách Với cấu trúc vành khăn xoay, đƣợc dùng để đo góc 2.2.3 Cảm biến tự cảm để đo khoảng cách ngắn 71 Vòng từ trƣờng đƣợc khép kín đặt nằm ngang Các đƣờng sức từ trƣờng ngang qua lần khoảng cách x, lõi di chuyển ống dây Hình 3.39: Cấu trúc cảm biến  Loại vi sai Với cách đo độ nhạy tăng lên lần độ phi tuyến giảm đáng kể Hình 4.40: Cấu trúc cảm biến vi sai 2.3.Xác định vị trí khoảng cách cảm biến điện dung 2.3.1Nguyên lý hoạt động: Cảm biến điện dung dựa tác động tƣơng hỗ điện cực tạo thành tụ điện Điện dung thay đổi dƣới tác động đại lƣợng vào Điện dung phụ thuộc vào tiết diện, khoảng cách cực điện môi cực C(x) = f (A,d, ε) Với trƣờng hợp đơn giản tụ điện phẳng: C  0 r A a A: diện tích cực a: khoảng cách cực ε0: số điện môi chân không (ε0 = 8,85.10-12 F/m) εr: số điện mơi 72 Hình4.41 Cảm biến đƣợc đặc trƣng độ nhạy: + Độ nhạy điện dung: Sc = ΔC / Δx + Độ nhạy điện kháng: Sz = ΔZ / Δx 2.3.2 Sự thay đổi khoảng cách hai cực Điện dung tụ điện tỉ lệ nghịch với khoảng cách cực Khi khoảng cách bé điện dung lớn ngƣợc lại 2.3.3.Sự thay đổi diện tích cực Diện tích hiệu dụng cực tụ điện thay đổi đƣợc cực nằm vị trí chênh Bản cực có chiều dài l0, chiều rộng b0 khoảng cách a0 ta có điện dung cực đại tụ điện C0   0 r b0 l a0 Hình 2.44 Khi cực đối diện chiều dài l, điện dung giảm từ C thành C: C   0 r b0 l C0  l a0 l0 Nhƣ điện dung C tỉ lệ với l 2.3.5 Sự thay đổi kích thước điện mơi Nhƣ trị số điện dung C tỉ lệ với số điện môi bề dày lớp điện môi thứ có đƣợc thơng số tính đƣợc thơng số cịn lại thơng qua việc đo giá trị điện dung Phƣơng pháp đƣợc ứng dụng để đo bề dày mà không cần đụng chạm biết số điện môi đối tƣợng (các màng mỏng nhƣ giấy, nhựa…)  Ứng dụng Phƣơng pháp dùng để đo mức vật liệu chất lỏng không dẫn điện Tụ điện với cực đƣợc đặt bên môi trƣờng cần kiểm soát Điện dung đo đƣợc thƣớc đo cho mức vật liệu 3.Các thực hành ứng dụng loại cảm biến tiện cận 73 3.1 Thực hành với cảm biến tiệm cận điện cảm - Thiết bị + Cảm biến tiệm cận điện cảm IW-2008-BRKG/IW5039 + Relay trung gian, tiếp điểm thƣờng mở relay trung gian + Nguồn 24VDC + Đèn tín hiệu 24VDC + Vật cảm biến - Ghi thông số kỹ thuật cảm biến Nguồn gốc: Công ty sản xuất: Mã số sản xuất sản phẩm: Điện áp hoạt động: Dòng điện: Đặc tính hoạt động: Khoảng cách tác động: Tiêu chuẩn cách điện: - Vẽ sơ đồ kết nối cảm biến - Các bƣớc thực hành Bước : Tiến hành đấu nối cảm biến theo sơ đồ vẽ Chú ý : Tùy thuộc vào ngõ cảm biến mà đấu nối theo dạng NPN PNP Bước : Lần lƣợt cho vật cảm biến kim loại có kích thƣớc khác có độ từ tính khác qua cảm biến để xét xem với vật cảm biến khác khoảng cách phát thay đổi nhƣ ? 3.2 Những ghi thực hành nhận xét : 3.3.Thực hành với cảm biến tiệm cận điện dung - Thiết bị : + Cảm biến tiệm cận điện dung KIE3015-FPKG + Relay trung gian, tiếp điểm thƣờng mở relay trung gian + Nguồn 24VDC + Đèn tín hiệu 24VDC + Vật cảm biến - Ghi thông số kỹ thuật cảm biến Nguồn gốc: Công ty sản xuất: Mã số sản xuất sản phẩm: Điện áp hoạt động: Dòng điện: Đặc tính hoạt động: 74 Khoảng cách tác động: Tiêu chuẩn cách điện: - Vẽ sơ đồ kết nối cảm biến - Các bƣớc thực hành Bước : Tiến hành đấu nối cảm biến theo sơ đồ vẽ Chú ý : Tùy thuộc vào ngõ cảm biến mà đấu nối theo dạng NPN PNP Bước : Lần lƣợt cho vật cảm biến phi kim (nhƣ giấy, gỗ, nhựa,…) kim loại(có kích thƣớc khác có độ từ tính khác nhau) qua cảm biến để xét xem với vật cảm biến khác khoảng cách phát thay đổi nhƣ ? - Những ghi thực hành nhận xét : 3.4 Thực hành với cảm biến từ - Thiết bị : + Cảm biến từ GLS + Relay trung gian, tiếp điểm thƣờng mở relay trung gian + Nguồn 24VDC + Đèn tín hiệu 24VDC + Vật cảm biến - Ghi thông số kỹ thuật cảm biến Nguồn gốc: Công ty sản xuất: Mã số sản xuất sản phẩm: Điện áp hoạt động: Dòng điện: Đặc tính hoạt động: Khoảng cách tác động: Tiêu chuẩn cách điện: - Vẽ sơ đồ kết nối cảm biến - Các bƣớc thực hành Bước : Tiến hành đấu nối cảm biến theo sơ đồ vẽ Bước : Lần lƣợt cho vật cảm biến khác qua cảm biến để xét xem với vật cảm biến khác khoảng cách phát thay đổi nhƣ ? - Những ghi thực hành nhận xét : 75 3.5.Thực hành với cảm biến phân loại màu - Thiết bị : + Cảm biến phân loại màu F150 – + Relay trung gian, tiếp điểm thƣờng mở relay trung gian + Nguồn 24VDC + Đèn tín hiệu 24VDC + Vật cảm biến - Ghi thông số kỹ thuật cảm biến Nguồn gốc: Công ty sản xuất: Mã số sản xuất sản phẩm: Điện áp hoạt động: Dòng điện: Đặc tính hoạt động: Khoảng cách tác động: Tiêu chuẩn cách điện: - Vẽ sơ đồ kết nối cảm biến - Các bƣớc thực hành Bước : Tiến hành đấu nối cảm biến theo sơ đồ vẽ Bước : Lần lƣợt cho vật cảm biến có màu sắc khác nhau(đỏ, xanh lá, xanh dƣơng) qua cảm biến để xét xem với vật cảm biến khác tác động ngõ cảm biến nhƣ ? - Những ghi thực hành nhận xét : 76 ... A (K? ?1) B (K−2) C (1) (K−D) D TI (°C) KTY8 1- 1 7.874 × 1 0-3 1. 874 × 10 −5 3.42 × 10 −8 3.7 10 0 KTY8 1- 2 7.874 × 10 −3 1. 874 × 10 −5 1. 096 × 10 −6 3.0 10 0 KTY8 2 -1 7.874 × 10 −3 1. 874 × 10 −5 3.42 × 10 −8... KTY8 1- 1 10 00 ? ?1% tới ±5% −55 tới 15 0 SOD70 37 KTY8 1- 2 000 ? ?1% tới ±5% −55 tới 15 0 SOD70 KTY8 2 -1 10 00 ? ?1% tới ±5% −55 tới 15 0 SOT23 KTY8 2-2 2000 ? ?1% tới ±5% −55 tới 15 0 SOT23 KTY8 3 -1 10 00 ? ?1% tới... BIẾN KHÁC 1 .Cảm biến đo lƣu lƣợng Cảm biến trọng lƣợng Cảm biến đo áp suất 88 54 78 84 88 10 5 10 9 11 3 11 3 13 5 14 9 MƠ ĐUN: KỸ THUẬT CẢM BIẾN Mã M? ?-? ?un: MĐ 20 I VỊ TRÍ, TÍNH CHẤT CỦA MƠ ĐUN: - Vị trí: