2 DE CUONG BAI GIANG KY THUAT CAM BIEN

BÀI GIẢNG KỸ THUẬT CẢM BIẾN BÀI GIẢNG KỸ THUẬT CẢM BIẾN Tác giả Phạm Thị Thùy Dung Lớp Cơ điện tử Hà Nội, 1– 2019 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT CẢM BIẾN 1 Những nguyên lý cơ bản và đặc trưng đo 6 1 1 Định nghĩa.

Định nghĩa và đặc trưng đo

Định nghĩa

Cảm biến là thiết bị điện tử dùng để phát hiện các trạng thái hoặc quá trình vật lý và hóa học trong môi trường, chuyển đổi chúng thành tín hiệu điện nhằm thu thập thông tin về những trạng thái và quá trình đó.

Các đại lượng cần đo như nhiệt độ và áp suất không có tính chất điện, nhưng chúng tác động lên cảm biến để tạo ra một đặc trưng điện như điện tích, điện áp, dòng điện hoặc trở kháng Những đặc trưng này chứa thông tin quan trọng giúp xác định giá trị của đại lượng đo Đặc trưng điện này là hàm của đại lượng cần đo.

Đại lượng đầu ra (s) của cảm biến phản ánh phản ứng, trong khi đại lượng đầu vào (m) là kích thích từ đại lượng cần đo Việc đo đạc giá trị của (s) giúp xác định giá trị của (m).

Nguyên lý hoạt động của hầu hết các cảm biến là chuyển đổi các tham số vật lý như nhiệt độ, áp suất và lưu lượng thành tín hiệu điện.

Hình 1.1: Mô hình mạch của cảm biến

Phương trình mô tả mối quan hệ giữa đáp ứng y và kích thích x của bộ cảm biến được biểu diễn qua công thức y = f(x) Tuy nhiên, mối quan hệ này thường rất phức tạp do nhiều yếu tố tác động đến sự tương tác giữa đáp ứng và kích thích.

Hiện nay, quá trình điều khiển được xác định qua các biến trạng thái và được thu thập tín hiệu bởi bộ vi xử lý Đầu ra từ bộ cảm biến được kết nối với cơ cấu chấp hành để tác động lên đối tượng điều khiển.

Bộ vi xử lý Chương trình

Quá trình (Các biến trạng thái)

Hình 1.2: Hệ thống điều khiển tự động quá trình

Trong sơ đồ hình 2, bộ cảm biến có chức năng cảm nhận, đo lường và đánh giá các thông số của hệ thống, trong khi bộ vi xử lý thực hiện nhiệm vụ xử lý thông tin và phát tín hiệu điều khiển quá trình.

Cấu trúc mạch điện của cảm biến bao gồm:

Mạch cảm biến: cảm nhận tín hiệu cảm biến và chuyển đổi thành tín hiệu điện.

Bộ khuếch đại thuật toán: là bộ khuếch đại một chiều có hệ số khuếch đại lớn và tổng trở vào rất nhỏ

Mạch điện chính của cảm biến

Hình 1.3: Sơ đồ mạch điện vào/ ra

Phân loại các bộ cảm biến

Phân loại theo nguyên lý chuyển đổi giữa đáp ứng và kích thích

- Hiệu ứng trên cơ thể sống

Phát hiện độ trong suốt của khay Kiểm tra mức dung dịch trong bể chứa

Phát hiện độ trùng của tấm Phát hiện lốp xe

Kiểm soát độ căng của băng tải cao su Phát hiện vị trí của các chất nến thủy tinh còn lại trong băng cassette

Hình 1.4: Một số ứn dụng của cảm biến

Phân loại theo dạng kích thích

- Tốc độ truyền sóng Điện:

- Điện trường (biên, pha, phân cực, phổ)

- Điện dẫn, hằng số điện môi

- Từ trường (biên, pha, phân cực, phổ)

- Từ thông, cường độ từ trường

- Biên, pha, phân cực, phổ

- Hệ số phát xạ, khúc xạ

- Hệ số hấp thụ, hệ số bức xạ

- Vận tốc chất lưu, độ nhớt

Phân loại theo tính năng

Phân loại theo phạm vi sử dụng

Phân loại theo đặc tính và nguyên lý làm việc

- Cảm biến vị trí bao gồm: chiết áp, encoder quay quang, biến áp vi sai biến đổi tuyến tính.

Cảm biến đo tốc độ Chiết áp kiểu dây quấn

Hình 1.5: Cảm biến vị trí

Cảm biến tốc độ: tốc kế một chiều và tốc kế quang.

- Cảm biến lân cận: gồm các chuyển mạch giới hạn, các chuyển mạch lân cận quang và chuyển mạch tín hiệu Hall.

Cảm biến thu phát chung không cần gương phản xạ Cảm biến cáp quang

Cảm biến tiệm cận điện cảm đo khoảng cách dài có điều chỉnh độ nhạy

- Cảm biến trọng lượng: cảm biến dạng dây quấn, cảm biến biến dạng lực bán dẫn, cảm biến biến dạng lực nhỏ.

Cảm biến dạng dây dán Cảm biến lực

Hình 1.7: Cảm biến trọng lượng:

- Cảm biến áp suất bao gồm: các ống Buốc đông, ống xếp, cảm biến áp suất bán dẫn.

Cảm biến áp suất dạng ống xếp

Cảm biến áp suất bán dẫn ST2000 (Courtesy of SenSym Inc.)

Hình 1.8: Cảm biến áp suất

- Cảm biến nhiệt độ bao gồm: cảm biến nhiệt độ lưỡng kim, cặp nhiệt, cảm biến nhiệt điện trở dây quấn, nhiệt điện trở, cảm biến nhiệt bán dẫn.

Cảm biến nhiệt độ RTD IC cảm biến nhiệt độ

Hình 1.9: Cảm biến nhiệt độ

Cảm biến lưu lượng có nhiều loại, bao gồm cảm biến lưu lượng kiểu tấm đục lỗ, kiểu ống Pilot, kiểu ống Venturi, cảm biến lưu lượng kiểu tua bin và cảm biến lưu lượng kiểu từ Mỗi loại cảm biến này có những đặc điểm và ứng dụng riêng, giúp đo lường lưu lượng chất lỏng một cách chính xác và hiệu quả.

- Cảm biến đo mức bao gồm: cảm biến tương tự và cảm biến rời rạc.

Phân loại theo thông số của bộ cảm biến

+ Cảm biến tích cực có đầu ra là nguồn áp hoặc nguồn dòng.

+ Cảm biến thụ động được đặc trưng bằng các thông số R, L, C, M tuyến tính hoặc phi tuyến.

Phân loại theo nguyên lý hoạt động

 Cảm biến điện trở: Hoạt động dựa theo di chuyển con chạy hoặc góc quay của biến trở, hoặc sự thay đổi điện trở do co giãn vật dẫn.

 Cảm biến biến áp vi phân: Cảm biến vị trí (Linear variable differential transformer, LVDT)

 Cảm biến cảm ứng điện từ: các antenna

 Cảm biến dòng xoáy: Các đầu dò của máy dò khuyết tật trong kim loại, của máy dò mìn.

 Cảm biến cảm ứng điện động: chuyển đổi chuyển động sang điện như microphone điện động, đầu thu sóng địa chấn trên bộ (Geophone).

 Cảm biến điện dung: Sự thay đổi điện dung của cảm biến khi khoảng cách hay góc đến vật thể kim loại thay đổi.

 Cảm biến từ giảo (magnetoelastic): ít dùng.

 Cảm biến từ trường: Cảm biến hiệu ứng Hall, cảm biến từ trường dùng vật liệu sắt từ, dùng trong từ kế.

Cảm biến áp điện sử dụng gốm áp điện như titanat bari để chuyển đổi áp suất thành tín hiệu điện Chúng được ứng dụng trong các microphone thu âm và đầu thu sóng địa chấn trong nước (Hydrophone) trong các thiết bị Sonar.

Cảm biến quang, bao gồm cảm biến ảnh CMOS và CCD trong camera, cùng với photodiode ở các vùng phổ khác nhau, được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực Một ví dụ điển hình là đầu dò giấy trong khay máy in, được chế tạo từ photodiode Nhóm cảm biến này đang dẫn đầu về sự phổ biến, kích thước nhỏ gọn và độ tin cậy cao.

 Cảm biến huỳnh quang, nhấp nháy: Sử dụng các chất phát quang thứ cấp để phát hiện các bức xạ năng lượng cao hơn, như các tấm kẽm sulfua.

 Cảm biến điện hóa: Các đầu dò ion, độ pH,

 Cảm biến nhiệt độ: Cặp lưỡng kim, hoặc dạng linh kiện bán dẫn như PrecisionTemperatur Sensor LM335 có hệ số 10 mV/°K.

Cảm biến chủ động và bị động

Cảm biến chủ động và cảm biến bị động phân biệt ở nguồn năng lượng dùng cho phép biến đổi lấy từ đâu.

Cảm biến chủ động hoạt động mà không cần nguồn điện bổ sung để chuyển đổi tín hiệu Một ví dụ điển hình là cảm biến áp điện được chế tạo từ vật liệu gốm, có khả năng chuyển đổi áp suất thành điện tích trên bề mặt Ngoài ra, các ăng-ten cũng được xếp vào loại cảm biến chủ động.

Cảm biến bị động hoạt động mà không cần nguồn điện bổ sung để chuyển đổi tín hiệu Một ví dụ điển hình là photodiode, khi có ánh sáng chiếu vào, điện trở của tiếp giáp bán dẫn p-n sẽ thay đổi do được phân cực ngược Ngoài ra, các cảm biến sử dụng biến trở cũng thuộc loại cảm biến bị động.

Phân loại thì như vậy nhưng một số cảm biến nhiệt độ kiểu lưỡng kim dường như không thể xếp hẳn vào nhóm nào, nó nằm vào giữa.

Các đại lượng ảnh hưởng tới cảm biến

Độ nhạy: được xác định bởi hệ số S của cảm biến

Đối với cảm biến tuyến tính, giữa biến thiên đầu ra s và biến thiên đầu vào m có sự liên hệ tuyến tính: s = S m Đại lượng s được xác định: S = ∆ m ∆ s

S – được gọi là độ nhạy của cảm biến.

Độ nhạy S của cảm biến được xác định bởi tỷ số giữa biến thiên s của đại lượng đầu ra và biến thiên m của đại lượng đo ở đầu vào, xung quanh giá trị mi của đại lượng đo.

Để đạt được độ chính xác cao trong phép đo, việc thiết kế và sử dụng cảm biến cần đảm bảo độ nhạy S của nó không thay đổi, tức là phải giảm thiểu sự phụ thuộc vào các yếu tố khác nhau.

- Giá trị của đại lượng cần đo m và tần số thay đổi của nó.

- Ảnh hưởng của các đại lượng vật lý khác (không phải là đại lượng đo) của môi trường xung quanh.

Nhà sản xuất thường cung cấp giá trị độ nhạy S của cảm biến dựa trên các điều kiện làm việc cụ thể Độ nhạy tĩnh và tỷ số chuyển đổi tĩnh được xác định qua đường chuẩn cảm biến, phản ánh mối quan hệ giữa các giá trị đầu ra si và giá trị không đổi mi khi cảm biến hoạt động ở chế độ làm việc danh định Một điểm Qi (mi, si) trên đặc trưng tĩnh biểu thị một điểm làm việc của cảm biến ở chế độ tĩnh, với công thức r i = (m s) Q i Trong khi đó, độ nhạy động được xác định khi đại lượng đo thay đổi theo thời gian một cách tuần hoàn.

- s0 là giá trị không đổi tương ứng với m0 xác định điểm làm việc Q0 trên đường cong chuẩn ở chế độ tĩnh.

- s1 là biên độ biến thiên ở đầu ra do thành phần biến thiên của đại lượng đo gây nên.

- là độ lệch pha giữa đại lượng đầu vào và đại lượng đầu ra.

Trong chế độ động, độ nhạy S của cảm biến được xác định bởi tỉ số giữa biên độ biến thiên đầu ra s1 và biên độ biến thiên đầu vào m1 tại điểm làm việc Q0 Độ nhạy này phụ thuộc vào tần số của đại lượng đo, với sự biến thiên do quán tính cơ, nhiệt hoặc điện của cảm biến và các thiết bị phụ trợ Những yếu tố này không thể cung cấp tín hiệu điện tức thời để theo kịp biến thiên của đại lượng đo Do đó, khi phân tích sự hồi đáp theo tần số, cần xem xét sơ đồ mạch đo của cảm biến một cách tổng thể.

Độ tuyến tính

Cảm biến tuyến tính được định nghĩa là loại cảm biến có độ nhạy không phụ thuộc vào đại lượng đo trong một dải đo xác định.

Trong chế độ tĩnh, độ tuyến tính của cảm biến thể hiện sự không phụ thuộc của độ nhạy vào giá trị của đại lượng đo Điều này được thể hiện qua các đoạn thẳng trên đặc trưng tĩnh của cảm biến, cho thấy cảm biến hoạt động tuyến tính khi đại lượng đo nằm trong vùng này.

Trong chế độ động, độ tuyến tính của cảm biến thể hiện sự không phụ thuộc của độ nhạy tĩnh S(0) vào đại lượng đo, và các thông số hồi đáp như tần số riêng f0 và hệ số tắt dần cũng không phụ thuộc vào đại lượng đo Đối với cảm biến không tuyến tính, cần áp dụng các thiết bị hiệu chỉnh trong mạch đo để tín hiệu điện ở đầu ra tỉ lệ với sự thay đổi của đại lượng đo ở đầu vào, quá trình này được gọi là tuyến tính hóa Đường cong chuẩn là đường thẳng biểu diễn mối quan hệ giữa đại lượng điện (s) ở đầu ra và giá trị đại lượng đo (m) ở đầu vào, có thể diễn đạt dưới dạng s = F(m) hoặc thông qua đồ thị.

Hình 1.10: Đường cong chuẩn cảm biến a Đường cong chuẩn b Đường cong chuẩn của cảm biến tuyến tính.

Dựa vào đường cong chuẩn, chúng ta có thể xác định giá trị mi chưa biết của m thông qua giá trị đo được si của s Đường thẳng tốt nhất là đường thẳng được xây dựng dựa trên các số liệu thực nghiệm, nhằm giảm thiểu sai số và thể hiện sự tuyến tính của cảm biến.

Khi chuẩn cảm biến, chúng ta thu thập một loạt điểm (si, mi) từ kết quả thực nghiệm của đại lượng đầu ra và đầu vào Đối với cảm biến tuyến tính, lý thuyết cho rằng đường cong chuẩn sẽ là một đường thẳng; tuy nhiên, do sai số đo lường, các điểm thực nghiệm thường không nằm trên cùng một đường thẳng Để xác định đường thẳng tốt nhất, phương pháp bình phương bé nhất được áp dụng Đối với các cảm biến không hoàn toàn tuyến tính, khái niệm độ lệch tuyến tính được đưa ra, được xác định bởi độ lệch cực đại giữa đường cong chuẩn và đường thẳng tốt nhất, tính bằng phần trăm trong dải đo.

Sai số và độ chính xác

Các bộ cảm biến và dụng cụ đo lường thường bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố vật lý khác, dẫn đến sai số giữa giá trị đo và giá trị thực Độ lệch tuyệt đối giữa giá trị đo và giá trị thực được ký hiệu là x, trong khi sai số tương đối của bộ cảm biến được tính bằng công thức: δ = ∆x / x × 100 [%].

Sai số của bộ cảm biến thường được ước tính do không thể xác định chính xác giá trị thực của đại lượng cần đo Trong quá trình đánh giá sai số của cảm biến, người ta phân chia chúng thành hai loại chính: sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên.

Sai số hệ thống là loại sai số không phụ thuộc vào số lần đo, có giá trị ổn định hoặc thay đổi chậm theo thời gian, và nó tạo ra một độ lệch cố định giữa giá trị thực và giá trị đo được Loại sai số này thường xuất phát từ việc thiếu hiểu biết về hệ đo hoặc do điều kiện sử dụng không tối ưu Các nguyên nhân chính gây ra sai số hệ thống bao gồm sự không chính xác trong thiết bị đo, sự ảnh hưởng của môi trường và quy trình đo lường không đúng cách.

Do nguyên lý của cảm biến.

+ Do giá trị của đại lượng chuẩn không đúng.

+ Do đặc tính của bộ cảm biến.

+ Do điều kiện và chế độ sử dụng

+ Do xử lý kết quả đo.

Sai số ngẫu nhiên là loại sai số có độ lớn và chiều không xác định, khiến việc dự đoán chính xác trở nên khó khăn Mặc dù có thể xác định một số nguyên nhân gây ra sai số này, nhưng không thể dự đoán được độ lớn và dấu hiệu của nó Các nguyên nhân này có thể bao gồm các yếu tố ngẫu nhiên trong quá trình đo lường.

+ Do sự thay đổi đặc tính của thiết bị.

+ Do tín hiệu nhiễu ngẫu nhiên.

+ Do các đại lượng ảnh hưởng không được tính đến khi chuẩn cảm biến.

Để giảm thiểu sai số ngẫu nhiên, chúng ta có thể áp dụng các biện pháp thực nghiệm như bảo vệ mạch đo khỏi nhiễu, tự động điều chỉnh điện áp nguồn, bù đắp ảnh hưởng của nhiệt độ và tần số, vận hành đúng chế độ, và thực hiện các phép đo thống kê.

Độ nhanh và thời gian đáp ứng

Độ nhanh của cảm biến phản ánh khả năng theo kịp biến đổi của đầu ra khi đầu vào thay đổi Thời gian hồi đáp, được sử dụng để đo độ nhanh, là khoảng thời gian từ khi đại lượng đo thay đổi đến khi biến thiên của đầu ra chỉ còn khác biệt một mức giới hạn nhất định Thời gian hồi đáp tương ứng với tỷ lệ phần trăm xác định thời gian cần thiết để đạt được giá trị đầu ra với độ chính xác mong muốn Thời gian hồi đáp cũng đặc trưng cho chế độ quá độ của cảm biến và phụ thuộc vào các thông số thời gian liên quan.

Hình 1.11: Xác định khoảng thời gian đặc trưng cho chế độ quá độ

Trong trường hợp đại lượng đo có sự thay đổi bậc thang, các thông số thời gian quan trọng bao gồm thời gian trễ khi tăng (tdm) và thời gian tăng (tm) cho sự tăng đột ngột, cũng như thời gian trễ khi giảm (tdc) và thời gian giảm (tc) cho sự giảm đột ngột Thời gian trễ khi tăng tdm là khoảng thời gian cần thiết để đại lượng đầu ra tăng từ giá trị ban đầu đến 10% của biến thiên tổng cộng, trong khi thời gian tăng tm là thời gian để đại lượng đầu ra tăng từ 10% đến 90% biến thiên tổng cộng Tương tự, thời gian trễ khi giảm tdc là thời gian cần thiết để đại lượng đầu ra giảm từ giá trị ban đầu đến 10% biến thiên tổng cộng, và thời gian giảm tc là khoảng thời gian để đại lượng đầu ra giảm từ 10% đến 90% biến thiên tổng cộng.

Các thông số về thời gian tr, tdm, tm, tdc, tc của cảm biến cho phép ta đánh giá về thời gian hồi đáp của nó.

Giới hạn sử dụng cảm biến

Các bộ cảm biến đóng vai trò quan trọng trong đo lường và điều khiển, giúp cảm nhận và phản ứng với các kích thích không phải điện Chúng chuyển đổi các đại lượng này thành tín hiệu điện, truyền thông tin về hệ thống đo lường, từ đó hỗ trợ nhận dạng, đánh giá và điều khiển các biến trạng thái của đối tượng.

Hình 1.12: Phát hiện và đếm chai

Trong quá trình sử dụng, cảm biến thường phải chịu ảnh hưởng của ứng lực cơ học và nhiệt độ Khi các yếu tố này vượt quá ngưỡng cho phép, đặc tính hoạt động của cảm biến sẽ bị thay đổi Do đó, người dùng cần nắm rõ các giới hạn này để đảm bảo hiệu suất và độ chính xác của cảm biến.

Vùng làm việc danh định của cảm biến là phạm vi điều kiện sử dụng bình thường, trong đó các giá trị ngưỡng của đại lượng đo và các yếu tố vật lý liên quan có thể đạt tới mà không ảnh hưởng đến các đặc trưng hoạt động của cảm biến.

Vùng không gây nên hư hỏng là khu vực mà các đại lượng đo và các yếu tố vật lý có liên quan vượt qua ngưỡng của vùng làm việc danh định nhưng vẫn không gây ra hư hỏng Trong vùng này, các đặc trưng của cảm biến có thể thay đổi, nhưng những thay đổi này là thuận nghịch, tức là khi trở về vùng làm việc danh định, các đặc trưng của cảm biến sẽ phục hồi về giá trị ban đầu.

Vùng không phá hủy là khu vực mà các đại lượng đo lường và các yếu tố vật lý liên quan vượt qua ngưỡng an toàn mà không gây hư hỏng, tuy nhiên, các đặc trưng của cảm biến sẽ bị thay đổi một cách không thuận nghịch Khi trở lại vùng làm việc danh định, các đặc trưng này không thể phục hồi về giá trị ban đầu Mặc dù cảm biến vẫn có thể sử dụng, nhưng cần phải tiến hành hiệu chuẩn lại để đảm bảo độ chính xác trong quá trình đo lường.

Hình 1.13: Phát hiện thực phẩm

Hình 1.14: Một số ứng dụng của cảm biến trong công nghiệp

Ánh sáng và phép đo

Ánh s áng

Ánh sáng là một dạng của sóng điện từ, vùng ánh sáng nhìn thấy có bước sóng từ 0,4 – 0,75àm.

Hình 2.1 Phổ của ánh sáng trong vùng nhìn thấy

Vận tốc ánh sáng trong chân không c = 3.10 6 m/s

Phép đo ánh sáng

Cường độ sáng (Luminous Intensity) là đại lượng quang học cơ bản dùng để đo thông số nguồn sáng, thuộc hệ thống đo lường quốc tế với đơn vị là candela (cd) Cường độ sáng thể hiện mật độ năng lượng phát ra từ một nguồn sáng theo một hướng cụ thể, được định nghĩa là quang thông phát ra trên một đơn vị góc khối (1cd = 1 lumen/steradian) Từ "candela" trong tiếng Latinh có nghĩa là "nến", phản ánh tính chất phát sáng của đơn vị này.

Ngọn nến phát ra ánh sáng với cường độ khoảng một candela, giữ cường độ này ngay cả khi một số hướng bị che khuất Để mô tả sự phân bố cường độ sáng trong không gian, người ta sử dụng hệ tọa độ cực với nguồn sáng làm gốc và các vectơ cường độ sáng là đầu mút Biểu đồ phân bố cường độ sáng thường được thể hiện trên mặt phẳng hoặc nửa mặt phẳng bằng cách vẽ đường cong cắt bề mặt bởi các mặt phẳng kinh tuyến xác định Đối với các nguồn sáng đối xứng tròn xoay, chỉ cần cắt bởi một mặt phẳng kinh tuyến Các phép đo cường độ sáng được thực hiện trong phòng đo chuyên biệt với thiết bị goniophotometers.

Quang thông (Luminous Flux) là đại lượng trắc quang đo công suất bức xạ của chùm ánh sáng phát ra từ nguồn sáng, được đo bằng lumen (lm) Để xác định quang thông của nguồn sáng nhân tạo, người ta sử dụng thiết bị Photometric hay Integrating sphere Độ chói (Luminance) là đại lượng phản ánh khả năng bức xạ ánh sáng của nguồn hoặc bề mặt, được đo bằng candela/m2 (cd/m2), và phụ thuộc vào hướng quan sát, đóng vai trò quan trọng trong kỹ thuật chiếu sáng và cảm nhận thị giác Độ rọi (Illuminance) biểu thị mật độ quang thông trên bề mặt, với đơn vị đo là Lux, trong đó 1 lux tương đương với 1 lumen trên diện tích 1 m2 (1 lux = 1 lm/m2) Khi bề mặt được chiếu sáng không đều, độ rọi được tính bằng trung bình đại số của độ rọi các điểm.

Độ rọi không chỉ phụ thuộc vào nguồn sáng mà còn liên quan đến vị trí của bề mặt được chiếu sáng Khi xem xét nguồn sáng là một điểm O với cường độ sáng I, độ rọi trên bề mặt nguyên tố dS cách O một khoảng R sẽ thay đổi tùy thuộc vào góc giữa pháp tuyến của dS và phương R, đồng thời tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách R.

Correlated Color Temperature (CCT) refers to the color temperature of a light source, measured in Kelvin (K), which indicates the color characteristics of the emitted light.

Khi thanh sắt nguội, nó có màu đen, nhưng khi được nung nóng, màu sắc của nó chuyển từ cam sang vàng và cuối cùng là "nóng trắng" Trong quá trình này, nhiệt độ của thanh thép có thể được đo bằng độ Kelvin, với 0°C tương ứng với 273,15K, và mỗi màu sắc tương ứng với một giá trị nhiệt độ cụ thể Đối với đèn sợi đốt, nhiệt độ màu phản ánh nhiệt độ của chính nó, trong khi đối với đèn huỳnh quang và các loại đèn phóng điện khác, nhiệt độ màu chỉ mang tính chất tượng trưng, được so sánh với nhiệt độ của vật đen tuyệt đối khi bị nung nóng Khi đề cập đến nhiệt độ màu của đèn, người ta thường nghĩ ngay đến nguồn sáng mà nó phát ra.

“ấm”, “trung tính” hay là “mát” Nói chung, nhiệt độ càng thấp thì nguồn càng ấm, và ngược lại.

Chỉ số hoàn màu (CRI - Color Render Index) là một chỉ số quan trọng thể hiện khả năng của nguồn sáng nhân tạo trong việc tái hiện màu sắc so với nguồn sáng lý tưởng hoặc tự nhiên CRI cao là điều mong muốn trong các ứng dụng liên quan đến màu sắc, như bàn trang điểm, cửa hàng thời trang, chăm sóc trẻ sơ sinh và phục hồi nghệ thuật, vì vậy nên sử dụng nguồn sáng có CRI càng cao càng tốt để đảm bảo độ trung thực màu sắc.

Chỉ số hoàn màu, được ký hiệu là CRI (hoặc Ra), có giá trị tối đa là 100 CRI0 đại diện cho chỉ số hoàn màu của nguồn sáng chuẩn, tương đương với ánh sáng tự nhiên ban ngày Các nguồn sáng khác thường có chỉ số CRI thấp hơn 100, chẳng hạn như bóng đèn sợi đốt.

Halogen có CRI~100, bóng đèn huỳnh quang CRI~50, bóng đèn LED CRI>70 hoặc như CRI của bóng đèn natri áp thấp là có giá trị âm.

Chỉ số hoàn màu CRI, được giới thiệu từ năm 1964, đo lường khả năng của nguồn sáng trong việc tái hiện màu sắc qua tám mảng màu so với nguồn ánh sáng tiêu chuẩn (CRI0) Tuy nhiên, phương pháp đánh giá này chưa xem xét đầy đủ độ bão hòa màu, dẫn đến việc nếu một hoặc hai màu hiển thị kém trong khi các màu khác vẫn tốt, chỉ số CRI vẫn có thể đạt giá trị cao.

CQS (Color Quality Scale) là thước đo định lượng khả năng tái tạo màu sắc của nguồn sáng, với giá trị dao động từ 0 đến 100, trong đó 100 là điểm cao nhất Khác với CRI, CQS không có giá trị âm và điểm số sẽ giảm nếu một trong hai màu xuất hiện kém, ngay cả khi các màu khác được hiển thị tốt Điều này dẫn đến việc các nguồn sáng không có màu, như đèn sodium áp suất thấp, sẽ nhận điểm 0 trong thang đo CQS.

Quang hiệu, hay còn gọi là hiệu suất phát quang, là chỉ số thể hiện khả năng chuyển đổi năng lượng điện thành quang năng của nguồn sáng Nó được tính bằng tỷ số giữa quang thông phát ra và công suất điện tiêu thụ, thể hiện bằng đơn vị lumen trên watt (lm/w) Quang hiệu cho biết lượng lumen mà 1 watt điện có thể tạo ra.

Trong thực tế, nguồn sáng như bóng đèn thường không hoạt động độc lập mà cần kết hợp với bộ đèn Hầu hết các loại nguồn sáng đều yêu cầu lắp thêm thiết bị điện để có thể hoạt động hiệu quả Khi thiết kế bộ đèn phù hợp với yêu cầu chiếu sáng cụ thể, ngoài tổn hao từ các thiết bị điện đi kèm, còn có tổn hao quang thông do cấu trúc buồng quang học và vấn đề tản nhiệt của bộ đèn Do đó, cần phân biệt rõ giữa quang hiệu của nguồn sáng và quang hiệu của toàn bộ bộ đèn.

Nguồn sáng

Đèn sợi đốt

Đèn sợi đốt, hay còn gọi là đèn dây tóc, là loại bóng đèn chiếu sáng thông qua việc đốt nóng dây tóc bên trong vỏ thủy tinh trong suốt Dây tóc, bộ phận phát sáng chính, được bảo vệ bởi lớp thủy tinh đã được rút hết không khí và bơm khí trơ Kích thước bóng đèn cần đủ lớn để chịu được nhiệt độ cao mà không bị nổ Khi dòng điện đi qua đui đèn và đuôi kim loại, dây tóc sẽ nóng lên và phát ra ánh sáng Tuy nhiên, đèn sợi đốt ít được sử dụng hiện nay do công suất lớn (thường 60W) và hiệu suất phát quang thấp, chỉ khoảng 5% điện năng được chuyển đổi thành ánh sáng, phần còn lại tỏa nhiệt và có thể gây bỏng khi chạm vào Đèn dây tóc hoạt động với điện áp từ 1,5 đến 300 vôn, và ưu điểm của nó là dải phổ ánh sáng rộng.

 Hiệu suất phát quang thấp (là tỷ số quang thông trên công suất tiêu thuj0.

 Quán tính nhiệt lớn nên không thể thay đổi một cách nhanh chóng.

 Tuổi thọ thấp, độ bền cơ học thấp.

Diode phát quang

Điốt phát sáng, hay còn gọi là đèn LED, là một nguồn sáng bán dẫn Năng lượng được giải phóng khi điện tử và lỗ trống tái hợp gần với vùng chuyển tiếp P-N của điốt, tạo ra các photon.

 Thời gian hồi đáp nhỏ (ns), có khả năng điều biến đến tần số cao nhờ nguồn nuôi.

 Phổ ánh sáng hoàn toàn xác định.

 Tuổi thọ cao, có thể đạt tới 100.000 giờ.

 Tiêu thụ công suất thấp.

 Độ bền cơ học cao.

 Quang thông tương đối nhỏ (mW) và nhạy với nhiệt độ.

Tia lazer

Laser phát ra ánh sáng đơn sắc dựa trên hiện tượng khuếch đại ánh sáng bằng bức xạ kính thích.

Cấu tạo của laser gồm 4 bộ phận chính:

 Bộ phối ghép đầu ra.

Tế bào quang dẫn

Khái niệm

Hiệu ứng quang dẫn là hiện tượng mà ánh sáng kích thích giải phóng các hạt tải điện trong vật liệu, từ đó làm tăng độ dẫn điện của nó.

Trong chất bán dẫn, điện tử gắn liền với hạt nhân và cần một năng lượng tối thiểu, gọi là năng lượng liên kết WLK, để giải phóng chúng khỏi nguyên tử Khi điện tử thoát ra, chúng tạo ra các hạt dẫn mới trong vật liệu Quang điện trở là một tế bào quang điện được làm từ vật liệu bán dẫn cảm quang, trong đó điện trở giảm khi cường độ ánh sáng tăng Là một phần của bộ chia điện áp, các tế bào quang điện cung cấp sự thay đổi điện áp tỷ lệ nghịch với cường độ ánh sáng.

Tế bào quang dẫn là một trong những cảm biến quang có độ nhạy cao.

Các tế bào quang dẫn có thể được sử dụng trong các mạch điều khiển ánh sáng.

Cảm biến quang điện là linh kiện quang điện có khả năng thay đổi trạng thái điện khi nhận ánh sáng phù hợp tác động lên bề mặt của nó.

Hình 2.3 cho thấy sơ đồ ký hiệu của điện trở quang điện.

Hình 2.3 Ký hiệu điện trở quang điện trong sơ đồ mạch

Tế bào quang dẫn là các chất bán dẫn không có lớp tiếp giáp PN, và toàn bộ vật liệu của chúng thay đổi điện trở khi được chiếu sáng Trong điều kiện ánh sáng yếu, độ dẫn điện của tế bào rất thấp, thể hiện qua điện trở lớn Khi tiếp xúc với ánh sáng, độ dẫn điện tăng lên, dẫn đến giảm điện trở Điện trở của tế bào tại một cường độ ánh sáng cụ thể phụ thuộc vào loại vật liệu, kích thước tế bào và bước sóng ánh sáng Độ nhạy của tế bào quang dẫn được xác định bởi sự thay đổi độ dẫn điện khi có sự chiếu sáng nhất định, và điện trở của nó còn phụ thuộc vào thông lượng và phổ bức xạ.

Tế bào quang dẫn là một trong những cảm biến có độ nhạy cao.

Cơ sở vật lý: Là hiện tượng quang dẫn do kết quả của hiệu ứng quang điện bên trong,

Các vật liệu dùng để chế tạo tế bào quang dẫn

Tế bào quang dẫn thường được sản xuất từ các loại bán dẫn như đa tinh thể hoặc đơn tinh thể, bao gồm cả bán dẫn riêng lẻ và bán dẫn phức tạp.

Vật liệu bán dẫn đa tinh thể: cadmium sulfide (CdS) hoặc cadmium selenide (CdSe), CdTe, PbS, PbSe, PbTe.

Vật liệu đơn tinh thể: Ge, Si tinh khiết hoặc pha tạp Au, Cu, Sb, In, Sln, AsIn, Pin, CdHgTe.

Vật liệu được kết tủa trên nền gốm.

Hình 2.4 Vùng phổ làm việc của một số vật liệu quang dẫn

Các đặc trưng Điện trở tối RCO phụ thuộc vào hình dạng, kích thước, nhiệt độ và bản chất hóa lý của vật liệu

Ví dụ: PbS, CdS, CdSe có RCO từ 10 4 – 10 5 trong đó SbIn, AbSs, CdHgTe có RCO nhỏ từ 10 – 10 3 ở 25 0 C.

Khi ánh sáng chiếu vào giảm rất nhanh.

Hình 2.5 Sự phụ thuộc của điện trở vào độ rọi của ánh sáng

Tế bào quang dẫn có thể được coi như một mạch tương đương gồm 2 điện trở RCO và Rcp mắc song song

RCO – điện trở trong tối

RCP – điện trở khi chiếu sáng

Ứng dụng của tế bào quang dẫn

Đặc điểm Đặc điểm chung của tế bào quang dẫn là tỷ lệ chuyển đổi tĩnh cao. Độ nhạy cao

Hồi dáp phụ thuộc tuyến tính vào thông tượng.

Thời gian đáp ứng lớn

Các đặc trưng không ổn định do già hóa. Độ nhạy phụ thuộc vào nhiệt độ

Một số loại đòi hỏi phải làm nguội.

Phạm vi ứng dụng của tế bào quang dẫn bao gồm việc điều khiển rơle Khi bức xạ ánh sáng chiếu lên tế bào quang dẫn, điện trở của nó giảm đáng kể, cho phép dòng điện chạy qua đủ lớn Điều này cho phép sử dụng tế bào quang dẫn trực tiếp hoặc thông qua khuếch đại để đóng mở rơ le hiệu quả.

Thu tín hiệu quang sử dụng tế bào quang dẫn để chuyển đổi tín hiệu ánh sáng thành xung điện Các xung ánh sáng ngắt quãng được thể hiện qua xung điện, từ đó có thể tạo ra các mạch đếm vật hoặc đo tốc độ quay của đĩa Quy trình này có thể được thực hiện thông qua điều khiển trực tiếp hoặc gián tiếp.

Photo Diode

Cấu tạo

Photodiode quang được làm bằng một số chất bán dẫn và vùng phổ ánh sáng làm việc. Phạm vi ánh sáng nhìn thấy đươc từ 380nm đến 780nm

Photodiode quang có cấu trúc lớp p-n, trong khi các loại hiện đại hơn sử dụng cấu trúc PIN Khi photon có năng lượng đủ lớn xâm nhập vào lớp hoạt động, nó sẽ được hấp thụ và tạo ra các cặp điện tử và lỗ trống nhờ hiệu ứng quang điện.

Hiệu ứng quang điện xảy ra khi các chất bán dẫn tương tác với photon, do đó, để chế tạo các linh kiện không phản ứng với ánh sáng, cần phải che chắn ánh sáng.

Hình 2.8 Diot quang ứng dụng trong sản xuất đèn chiếu sáng

 Một tiếp giáp gồm 2 bán dẫn tốt là P+ và N+ làm nền, ở giữa có một lớp mỏng bán dẫn yếu loại N hay một lớp tự dẫn I (Intrisic).

 Trên bề mặt của lớp bán dẫn P+ là một điện cực vòng (ở giữa để cho ánh sáng thâm nhập vào miền I).

 Đồng thời trên lớp bán dẫn P+ có phủ một lớp mỏng chất chống phản xạ để tránh tổn hao ánh sáng vào.

 Điện áp phân cực ngược để cho dio de không có dòng điện (chỉ có thể có một dòng ngược rất nhỏ, gọi là dòng điện tối).

Sơ đồ PIN photodiode Cấu trúc PIN photodiode

Hình 2.9 Câu trúc của PIN photodiode

Khi photon có năng lượng lớn hơn độ rộng của dải cấm đi vào lớp P+ của PIN-Photodiode, chúng tạo ra các cặp điện tử và lỗ trống chủ yếu trong miền I Các điện tử và lỗ trống này ngay lập tức bị hút về hai phía bởi điện trường mạnh, với điện tử di chuyển về phía N+ do có điện áp dương và lỗ trống di chuyển về miền P+ do có điện áp âm.

Các điện tử mới sinh ra trong miền P+ sẽ khuếch tán sang miền I nhờ gradien mật độ tại tiếp giáp P+I và di chuyển về phía N+ do có điện áp dương Đồng thời, các lỗ trống mới sinh ra trong miền N+ cũng khuếch tán sang miền I nhờ gradien mật độ tại tiếp giáp N+I và di chuyển về phía miền P+ do có điện áp âm.

Tất cả các phần tử này sinh ra ở mạch ngoài của PIN-Photodiode một dòng điện và trên tải một điện áp.

Một số điện tử và lỗ trống không tham gia vào quá trình tạo ra dòng điện ngoài vì chúng được sinh ra ở miền P+ và N+ xa lớp tiếp giáp P+I và N+I Do khoảng cách này vượt quá độ dài khuếch tán của động tử thiểu số, nên chúng tái hợp ngay trong các miền P+ và N+.

Trong lý tưởng, mỗi photon chiếu vào PIN-Photodiode tạo ra một cặp điện tử và lỗ trống, với dòng điện ra tỷ lệ thuận với công suất chiếu vào Tuy nhiên, thực tế có sự mất mát ánh sáng do phản xạ bề mặt Khả năng thâm nhập của ánh sáng vào các lớp bán dẫn thay đổi theo bước sóng, vì vậy lớp P+ không nên quá dày Miền I càng dày thì hiệu suất lượng tử càng cao, do xác suất tạo ra cặp điện tử và lỗ trống tăng lên, giúp photon tiếp xúc nhiều hơn với nguyên tử Tuy nhiên, trong truyền dẫn số, độ dài xung ánh sáng phải lớn hơn thời gian trôi Td để các điện tử di chuyển qua vùng trôi có độ rộng d của miền I, do đó d không nên quá lớn để tránh giảm tốc độ bit.

Khi bước sóng ánh sáng tăng, khả năng xuyên qua bán dẫn cũng tăng theo, cho phép ánh sáng đi qua mà không tạo ra cặp điện tử và lỗ trống Do đó, các vật liệu bán dẫn cần có một bước sóng tối thiểu để hoạt động hiệu quả.

Nguyên lý làm việc

Các đặc trưng hoạt động điốt quang là gì?

Hiệu suất của photodiode được định nghĩa là tỷ số giữa công suất dòng quang điện tạo ra và quang thông, được biểu diễn bằng đơn vị A/W Đáp tuyến phổ chi tiết của photodiode thể hiện hiệu suất lượng tử tại từng bước sóng photon, cho thấy sự không đồng đều Các chất liệu và công nghệ sản xuất khác nhau sẽ tạo ra các vùng phổ làm việc khác nhau cho photodiode.

Dòng tối của photodiode là dòng điện xuất hiện khi không có ánh sáng chiếu vào Thời gian đáp ứng của photodiode phản ánh khả năng theo kịp sự thay đổi của quang thông, có thể được xác định theo quy tắc Ramo.

Các chế độ hoạt động điốt quang là gì?

Chế độ quang điện là khi photodiode hoạt động mà không cần đặt thiên áp, cho phép dòng quang điện được tạo ra từ ánh sáng, có thể sử dụng làm nguồn cung cấp điện Các pin mặt trời hoạt động dựa trên nguyên lý này.

Chế độ quang dẫn của photodiode quang dẫn hoạt động dưới thiên áp ngược, giúp mở rộng vùng nghèo và tăng dòng dò Mặc dù điều này làm tăng tiếng ồn và giảm điện dung tiếp giáp, nhưng nó không ảnh hưởng đến dòng quang điện.

Chế độ tuyết lở xảy ra khi một điện trường mạnh tạo ra sự tăng tốc cho photon, dẫn đến việc tạo cặp điện tử-lỗ trống Hiện tượng này kích thích các vụ tạo cặp khác, tương tự như sự cố sạt lở tuyết, làm tăng độ khuếch đại và cải thiện khả năng đáp ứng với các sự kiện.

Hình 2.10 Điốt phát quang bước đột phá trong công nghệ ánh sáng

Ứng dụng của Photo Diode

Có thể sử dụng để đo thông lượng chùm ánh sáng, làm đầu thu cho bộ điều khiển từ xa không dây, phát hiện vạch dẫn cho robot và đọc mã vạch.

Quang trở được dùng làm cảm biến nhạy sáng trong các mạch dò sáng tối để đóng cắt đèn chiếu sáng.

Cảm biến photodiode đóng vai trò quan trọng trong kỹ thuật điện tử, được ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị đo đạc, giám sát, truyền dẫn thông tin và điều khiển Chúng có thể được chế tạo dưới dạng đơn lẻ để phát hiện trạng thái cụ thể, như giấy trong khay máy in, hoặc dưới dạng mảng lớn (Array), chẳng hạn như cảm biến ảnh CCD với hàng triệu phần tử.

Photo Transistor

Cấu tạo

Phototransistor là một loại bóng bán dẫn bi-polar, trong đó cực base được chiếu sáng, có sẵn dưới dạng P-N-P và N-P-N với các cấu hình như cực emitter chung, cực collector chung và cực base chung, trong đó cấu hình emitter chung thường được sử dụng So với transistor thông thường, phototransistor có vùng cực base và cực collector lớn hơn Trước đây, phototransistor sử dụng vật liệu bán dẫn đơn lẻ như silicon và germanium, nhưng hiện nay, các thành phần hiện đại sử dụng gallium và arsenide để đạt hiệu suất cao hơn Cực base đóng vai trò kích hoạt transistor, hoạt động như cổng điều khiển để cung cấp điện áp lớn hơn, trong khi cực collector nối với cực dương của nguồn cấp và cực emitter nối với cực âm của nguồn cung cấp điện.

Phototransistor là một loại transistor có thiết kế đặc biệt với cửa trong suốt cho phép photon xâm nhập Trong quá trình chế tạo, các biện pháp hạn chế dòng dò và nhiễu được áp dụng để nâng cao hiệu suất Đối với phototransistor lưỡng cực, khi photon tiếp xúc với tiếp giáp base–collector, các điện tử được tạo ra sẽ xâm nhập vào vùng base và được khuếch đại với hệ số khuếch đại dòng β (hoặc hfe) Thiết bị này có đặc trưng đáp ứng lâu hơn và ít nhạy với cường độ sáng thấp Khi emitter để trống, phototransistor hoạt động như một photodiode thông thường.

Trong phototransistor FET hay photo FET, thì photon xâm nhập kênh dẫn sẽ điều khiển dòng drain theo cơ chế như điện áp cực gate.

Cực B có bề mặt được ánh sáng chiếu vào, cực này được chế tạo rất mỏng để điện trở nhỏ và thường để trống (phủ lớp phản quang)

Hình 2.11 Ký hiệu Phototransistor loại NPN

Dòng cực base để hở và có ánh sáng chiếu vào nên dòng điện cực base chính là dòng tín hiệu quang.

Transistor quang có thể được hình dung như một mạch điện bao gồm diot quang, có chức năng chuyển đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện, và một transistor để khuếch đại tín hiệu này.

Transitor có độ nhạy và độ khuếch đại cao gấp vài trăm lần diot quang nhưng dải tần bị hạn chế.

Hình 2.12 Hình dáng và ký hiệu phototransitor

Nguyên lý làm việc

Khi không có ánh sáng, dòng điện trong mạch chỉ là nhỏ do các cặp electron - lỗ trống được tạo ra bởi nhiệt, dẫn đến điện áp đầu ra thấp hơn giá trị cung cấp Khi ánh sáng chiếu vào tiếp giáp cực base – collector, dòng điện trong mạch tăng lên Dòng collector-base phải chạy từ cực base – emitter và được khuếch đại bởi transistor Tiếp giáp cực base – collector rất nhạy cảm với ánh sáng, với điều kiện làm việc phụ thuộc vào cường độ ánh sáng Dòng điện từ cực base được khuếch đại bởi transistor, dẫn đến mức tăng dòng từ hàng trăm đến vài nghìn Phototransistor có độ nhạy gấp 50 đến 100 lần so với photodiode và có độ nhiễu thấp hơn.

Ứng dụng

Hình 2.13 Sơ đồ mạch điện phototransitor

Các mạch phototransistor có thể được sử dụng một trong hai chế độ hoạt động cơ bản:chế độ tuyến tính hoặc chế độ chuyển mạch.

Phototransistor hoạt động chủ yếu trong chế độ "tuyến tính", cung cấp phản ứng tỷ lệ rộng với kích thích ánh sáng Tuy nhiên, do không tạo ra đầu ra tuyến tính chính xác cho kích thích đầu vào, chế độ hoạt động này thường được gọi là chế độ kích thích.

Hoạt động của mạch phototransistor trong chế độ chuyển mạch cho thấy sự đáp ứng phi tuyến tính với ánh sáng Khi ánh sáng yếu hoặc không có, dòng điện trong phototransistor gần như không tồn tại, được coi là ở trạng thái "tắt" Khi cường độ ánh sáng tăng, dòng điện bắt đầu dịch chuyển, và đến một mức độ nhất định, phototransistor sẽ bão hòa, không thể tăng dòng điện nữa Chế độ chuyển đổi này có hai trạng thái rõ ràng: "bật" và "tắt", tương tự như trong hệ thống kỹ thuật số Phototransistor trong chế độ này rất hữu ích cho việc phát hiện đối tượng, gửi dữ liệu, hoặc đọc bộ mã hóa.

Đối với hầu hết các mạch không sử dụng kết nối cực base, việc thay đổi chế độ hoạt động chỉ có thể thực hiện bằng cách điều chỉnh giá trị điện trở tải Điều này cần được thiết lập dựa trên việc ước lượng dòng điện tối đa dự kiến từ các mức độ ánh sáng khác nhau.

Trên một số phototransistors, kết nối cực base có sẵn, cho phép thiết lập điều kiện mạch phù hợp hơn với các ứng dụng cụ thể Điện trở Rb cao giúp ngăn chặn ánh sáng ở mức thấp, từ đó kiểm soát dòng điện trong mạch collector-emitter, đảm bảo tín hiệu đầu ra có dạng số Tất cả các chức năng khác của mạch vẫn được duy trì nguyên vẹn.

Các mạch phototransistor có những khái niệm cơ bản đơn giản và thường yêu cầu ít thiết kế Mặc dù một số tối ưu hóa có thể cần thiết để giảm thiểu dòng điện dư, đặc biệt trong các ứng dụng chuyển đổi với dòng điện Off nhỏ, nhưng các mạch này thường hoạt động tin cậy và dễ dàng thiết kế.

Hình 2.14 Các ứng dụng của Phototransistors

Các lĩnh vực ứng dụng cho Phototransistor bao gồm:

 Đầu đọc thẻ đục lỗ.

 Bộ mã hóa - đo tốc độ và hướng

 Máy dò hồng ngoại ảnh

 Kiểm soát ánh sáng (đường cao tốc, vv)

Phototransistor là một linh kiện điện tử quan trọng, được sử dụng phổ biến trong nhiều thiết bị như máy thu hồng ngoại, máy dò khói, laser và đầu CD để phát hiện ánh sáng.

Cảm biến quang trong công nghiệp

Cấu tạo

Cảm biến quang được cấu tạo từ các linh kiện quang điện, hoạt động dựa trên nguyên lý khi ánh sáng thích hợp chiếu vào bề mặt của các tế bào quang điện, chúng sẽ thay đổi tính chất Tín hiệu quang này được chuyển đổi thành tín hiệu điện thông qua hiện tượng phát xạ điện tử tại cực catot khi có ánh sáng chiếu vào.

Một số dạng của cảm biến quang trong công nghiệp

Hiện nay, có các loại cảm biến quang như:

-Cảm biến quang thu phát: bộ phát và bộ thu được đặt riêng.

Cảm biến quang phản xạ gương hoạt động dựa trên cơ chế sử dụng máy phát và máy thu trong cùng một vỏ, cho phép phát hiện ánh sáng phản xạ từ các bề mặt Trong khi đó, cảm biến quang khuếch tán là loại cảm biến mà máy phát và máy thu được đặt trong cùng một hộp, giúp nhận diện ánh sáng khuếch tán từ môi trường xung quanh.

Cảm biến quang có vai trò quan trọng trong công nghiệp tự động hóa, chủ yếu được sử dụng để phát hiện nhiều dạng vật thể khác nhau, như nhận diện chai nhựa trên băng chuyền hoặc kiểm tra việc gắp linh kiện ô tô của robot Nếu không có cảm biến quang, việc tự động hóa sẽ trở nên khó khăn, tương tự như làm việc mà không có khả năng quan sát.

Cảm biến quang thu phát phát hiện sản phẩm trên băng chuyền

Cảm biến quang phản xạ gương phát hiện chai nhựa trên băng chuyền

Hình 2.20 Ứng dụng cảm biến trong công nghiệp

Cảm biến quang có ưu việt gì so với các loại cảm biến khác

+ Không tiếp xúc với vật thể cần phát hiện.

+ Có thể phát hiện vật từ khoảng cách xa

+ Không bị hao mòn, có tuổi thọ cao

+ Có thời gian đáp ứng nhanh

+ Có thể phát hiện mọi loại vật thể, vật chất

Cấu trúc thiết kế của cảm biến quang Cấu trúc của cảm biến quang khá đơn giản, bao gồm 3 thành phần chính:

1 Bộ phát sáng Ngày nay cảm biến quang thường sử dụng đèn bán dẫn LED (Light Emitting Diode) Ánh sáng được phát ra theo xung Nhịp điệu xung đặc biệt giúp cảm biến phân biệt được ánh sáng của cảm biến và ánh sáng từ các nguồn khác (như ánh nắng mặt trời hoặc ánh sáng trong phòng) Các loại LED thông dụng nhất là LED đỏ, LED hồng ngoại hoặc LED lazer Một số dòng cảm biến đặc biệt dùng LED trắng hoặc xanh lá Ngoài ra cũng có LED vàng

2 Bộ thu sáng: Thông thường bộ thu sáng là một phototransistor (tranzito quang) Bộ phận này cảm nhận ánh sáng và chuyển đổi thành tín hiệu điện tỉ lệ Hiện nay nhiều loại cảm biến quang sử dụng mạch ứng dụng tích hợp chuyên dụng ASIC ( Application Specific Integrated Circuit) Mạch này tích hợp tất cả bộ phận quang, khuếch đại, mạch xử lý và chức năng vào một vi mạch (IC) Bộ phận thu có thể nhận ánh sáng trực tiếp từ bộ phát (như trường hợp của loại thu-phát), hoặc ánh sáng phản xạ lại từ vật bị phát hiện (trường hợp phản xạ khuếch tán)

3 Mạch xử lý tín hiệu ra Mạch đầu ra chuyển tín hiệu tỉ lệ (analogue) từ tranzito quang thành tín hiệu ON / OFF được khuếch đại Khi lượng ánh sáng thu được vượt quá mức ngưỡng được xác định, tín hiệu ra của cảm biến được kích hoạt Mặc dù một số loại cảm biến thế hệ trước tích hợp mạch nguồn và dùng tín hiệu ra là tiếp điểm rơ-le (relay) vẫn khá phổ biến, ngày nay các loại cảm biến chủ yếu dùng tín hiệu ra bán dẫn (PNP/NPN) Một số cảm biến quang còn có cả tín hiệu tỉ lệ ra phục vụ cho các ứng dụng đo đếm Điều chỉnh độ nhạy của cảm biến quang Các loại cảm biên quang tiêu chuẩn thường có 2 khả năng chỉnh độ nhạy:

1 Công tắc chuyển Light-On/Dark-On Công tắc L-On/D-On thay đổi tình trạng đầu ra cảm biến

2 Chỉnh ngưỡng người sử dụng có thể điều chỉnh mức ngưỡng, là mức ánh sáng đủ để kích hoạt đầu ra Khi ánh sáng thu được bằng hoặc lớn hơn ngưỡng, sẽ có tín hiệu xuất ra.Trong thực tế, thay đổi ngưỡng sẽ dẫn đến tăng hoặc giảm khoảng cách phát hiện Việc chỉnh ngưỡng cũng có thể giúp cảm biến nhạy hơn, phát hiện được vật nhỏ hơn hoặc các vật trong mờ Một vài nhãn hiệu cảm biến quang có một biến trở vặn vít để điều chỉnh ngưỡng Một số khác còn có nút đặt ngưỡng (teach) để có ngưỡng thích hợp nhất cho từng ứng dụng cụ thể.

Phân loại cảm biến quang

 Cảm biến quang Thu Phát Độc Lập (Through Beam): Đặc điểm:

– Khoảng cách phát hiện xa: tối đa 60m (E3Z)

– Không bị ảnh hưởng bởi bề mặt, màu sắc vật

Hình 2.21 Cảm biến quang thu phát độc lập

Cảm biến quang Thu Phát Chung – phản xạ gương (Retro Replective): Đặc điểm:

– Giảm bớt dây dẫn, phát hiện tối đa 15m

– Có thể phân biệt được vật trong suốt, mờ, bóng loáng

Hình 2.22 Cảm biến quang thu phát chung – phản xạ gương

Cảm biến quang Thu Phát Chung – Khuyếch Tán (Diffuse Replective): Đặc điểm:

– Dễ lắp đặt, phát hiện tối đa 2m

– Bị ảnh hưởng bởi bề mặt, màu sắc vật, ảnh hưởng nền, …

Hình 2.23 Cảm biến quang Thu Phát Chung – Khuyếch tán

Cảm Biến Quang Loại Phản Xạ Giới Hạn (Limited Reflective) Đặc điểm:

– Chỉ phát hiện vật trong vùng phát hiện giới hạn.

– Không bị ảnh hưởng bởi màu nền sau vùng cảm biến.

– Lý tưởng cho nhiều ứng dụng cần triệu tiêu nền

Hình 2.24 Cảm biến quang loại phản xạ giới hạn

Cảm Biến Quang – Loại Phát Hiện Màu Đặc điểm:

– Có thể dạy cho cảm biến biết màu của vật (chức năng teach).

Hình 2.25 Cảm biến quang – Loại phát hiện màu

Ứng dụng của cảm biến quang

Hình 2.26 Hình dáng một số loại cảm biến quang trong công nghiệp

Các loại cảm biến Quang thường gặp:

 Cảm biến quang Omron: E3F3, E3X, E3Z, E3Z-L, E3Z-G, E3X-DA-S, E3JK , E3JM,

 Cảm biến quang Hanyoung: PS, PY, PZ1, PL-D, PE, PW, PN, PTX,

Hình 2.27 Cảm biến quang xác định màu

- Cảm biến quang Carlo Gavazzi

 Phát hiện sự thay đổi màu sắc, độ tương phản và độ phát quang của đối tượng

 Phát hiện các mục tiêu có lỗ rỗng và các dấu hiệu không nhìn thấy được trên sản phẩm

 Phát hiện sự hiện diện hoặc chuyển động của một vật trong khu vực hoặc vùng cảm ứng xác định

 Phát hiện mức độ chứa trong một phễu

 Kiểm tra sản phẩm đi qua trong quá trình rửa

 Định vị vị trí của hệ thống lưu trữ và truy xuất tự động

 Phát hiện sự có mặt / không có nội dung trong thùng / chai sữa

 Kiểm tra đường đi của xe ô tô trên băng tải

 Kiểm tra chỗ ngồi của các phôi cho một bộ xử lý NC

 Kiểm tra vị trí của ô tô trong dây chuyền lắp ráp cuối cùng

 Kiểm tra khối động cơ

 Xác minh mức độ đầy của cà phê trong lon

 Đếm chai di chuyển trên băng tải tốc độ cao

 Phát hiện các nhãn bị thiếu trên chai

 Đảm bảo kiểm soát an toàn khi mở và đóng cửa nhà xe

 Bật bật vòi nước rửa bằng sóng của bàn tay

 Kiểm soát thang máy, và mở cửa ra vào cửa hàng tạp hóa

 Phát hiện chiếc xe chiến thắng tại các sự kiện đua xe.

Mặc dù cảm biến quang điện có nhiều ứng dụng, nhưng chúng vẫn gặp phải một số hạn chế do độ nhạy của dải ánh sáng bị ảnh hưởng bởi màu sắc và độ phản chiếu của đối tượng.

Cảm biến tiệm cận là các thiết bị phát hiện vật thể mà không cần tiếp xúc, hoạt động dựa trên mối quan hệ vật lý giữa cảm biến và vật thể cần phát hiện Chúng chuyển đổi tín hiệu về chuyển động hoặc sự xuất hiện của vật thể thành tín hiệu điện Có ba hệ thống phát hiện chính: hệ thống sử dụng dòng điện xoáy trong kim loại thông qua hiện tượng cảm ứng điện từ, hệ thống dựa vào sự thay đổi điện dung khi tiếp cận vật thể, và hệ thống sử dụng nam châm cùng với chuyển mạch cộng hưởng từ.

Cảm biến tiệm cận được sử dụng để phát hiện các vật thể kim loại từ tính và không từ tính, như nhôm và đồng, thông qua cảm biến điện cảm (Inductivity Proximity Sensor) Đối với việc phát hiện vật phi kim loại, cảm biến tiệm cận kiểu điện dung (Capacitive Proximity Sensor) được áp dụng Các mẫu cảm biến này có khả năng hoạt động hiệu quả trong nhiều điều kiện môi trường khác nhau, bao gồm nhiệt độ cao, nhiệt độ thấp, chống nước và chống hóa chất.

 Phát hiện vật không cần tiếp xúc.

 Tốc độ đáp ứng nhanh.

 Đầu cảm biến nhỏ, có thể lắp ở nhiều nơi.

 Có thể sử dụng trong môi trường khắc nghiệt Đếm số bình trên dây truyền lắp ráp

Lỗ chỉ đọc trên đĩa mềm đóng hay mở

Hình 5.1: Hai ứng dụng của bộ phát hiện quang

Cảm biến lân cận dạng điện cảm

Cấu tạo

Gồm 4 bộ phận chính như sau:

Cảm biến điện cảm bao gồm một cuộn dây quấn quanh lõi sắt từ, có chức năng tạo ra từ trường biến thiên trong không gian phía trước Cấu tạo và cách bố trí của cuộn dây cùng lõi sắt được minh họa trong hình 2.5.

Hình 5.5: Cấu tạo của đầu đo

Mạch dao động có nhiệm vụ tạo dao động điện từ tần số radio.

Mạch phát hiện mức dùng để so sánh biên độ tín hiệu của mạch dao động.

Mạch tín hiệu ra dùng để tạo mức logic cho tín hiệu đầu ra của cảm biến Ứng dụng Nguyên lý làm việc

Hình 5.6: Ứng dụng thực tế và nguyên lý làm việc

Nguyên lý hoạt động

Hình 5.7: Nguyên lý làm việc của cảm biến điện cảm

Cảm biến tiệm cận điện cảm hoạt động bằng cách tạo ra một vùng điện từ trường xung quanh nó Khi một vật thể kim loại di chuyển vào khu vực này, dòng điện xoáy (dòng điện cảm ứng) sẽ xuất hiện trong vật thể đó.

Dòng điện xoáy gây tiêu hao năng lượng do điện trở của kim loại, ảnh hưởng đến biên độ sóng dao động Khi tín hiệu đạt đến một trị số nhất định, nó sẽ được ghi nhận.

Hình 5.8: Nguyên lý làm việc của cảm biến tiệm cận điện cảm

Cảm biến tiệm cận kiểu điện cảm hoạt động dựa trên việc phát hiện sự suy giảm từ tính do dòng điện xoáy trên bề mặt vật dẫn Trường điện từ xoay chiều được sinh ra trên cuộn dây, và sự thay đổi trở kháng của nó phụ thuộc vào dòng điện xoáy trên bề mặt kim loại Ngoài ra, có thể phát hiện vật thể bằng nhôm thông qua việc phát hiện pha của tần số Tất cả các loại cảm biến phát hiện kim loại đều sử dụng cuộn dây để nhận diện sự thay đổi điện cảm.

Khi một đối tượng cần phát hiện tiến lại gần cảm biến, từ trường biến thiên do mạch dao động tạo ra sẽ gây ra dòng điện xoáy trên bề mặt của đối tượng Dòng điện xoáy này làm giảm biên độ tín hiệu của mạch dao động Khi biên độ tín hiệu giảm xuống dưới ngưỡng đã đặt trước, mạch phát hiện sẽ kích hoạt tín hiệu ra ở trạng thái ON Ngược lại, khi đối tượng rời khỏi vùng từ trường của cảm biến, biên độ tín hiệu sẽ tăng lên và khi đạt đến giá trị ngưỡng, mạch phát hiện sẽ chuyển tín hiệu ra về trạng thái OFF Nguyên lý hoạt động này được minh họa trong hình 3.9.

Hình 5.9: Đặc tính tác động của cảm biến

Mạch phát hiện sẽ nhận diện sự thay đổi tín hiệu và kích hoạt mạch ở mức ON (hình 3.9) Khi đối tượng rời khỏi khu vực từ trường, sự dao động được khôi phục và cảm biến trở về trạng thái bình thường.

Cảm biến tiệm cận điện cảm được chia thành hai loại chính: loại có bảo vệ (shielded) và loại không có bảo vệ (unshielded) Trong đó, cảm biến unshielded thường có tầm phát hiện lớn hơn so với loại shielded.

Hình 5.10: Cảm biến tiệm cận điện cảm loại shielded

Cảm biến tiệm cận điện cảm shielded được thiết kế với một vòng kim loại bao quanh, giúp giảm thiểu vùng diện từ trường ở khu vực xung quanh Cảm biến này có thể được lắp đặt ngang bằng với bề mặt làm việc, mang lại hiệu quả cao trong quá trình sử dụng.

Cảm biến tiệm cận điện cảm unshielded không có vòng kim loại bảo vệ và không thể lắp đặt ngang bằng với bề mặt làm việc bằng kim loại Để đảm bảo hoạt động hiệu quả, cần có một vùng xung quanh cảm biến không chứa kim loại, theo hướng dẫn của Siemens (hình 3.12).

Hình 5.11: Cảm biến tiệm cận điện cảm loại shielded

Cảm biến tiệm cận điện cảm unshielded yêu cầu bề mặt kim loại đối diện phải cách xa ít nhất 3 lần tầm phát hiện của cảm biến để đảm bảo hoạt động hiệu quả Điều này cũng áp dụng cho cảm biến shield, nhằm tránh ảnh hưởng từ các bề mặt kim loại gần kề.

2.1.2.4 Những yếu tố ảnh hưởng đến tầm phát hiện của cảm biến tiệm cận điện cảm+ Kích thước, hình dáng, vật liệu lõi và cuộn dây.

+ Vật liệu và kích thước đối tượng

Nhiệt độ môi trường là yếu tố quan trọng trong việc xác định đặc điểm của đối tượng tiêu chuẩn, được mô tả là hình vuông với độ dài cạnh bằng d, tương ứng với đường kính của bề mặt cảm biến Đối tượng này có độ dày 1 mm và được chế tạo từ thép, đảm bảo tính bền vững và khả năng chịu nhiệt tốt.

Khi đối tượng cần phát hiện có kích thước nhỏ hơn tiêu chuẩn, tầm phát hiện của cảm biến sẽ giảm do dòng điện xoáy yếu đi Ngược lại, nếu kích thước lớn hơn tiêu chuẩn, điều này không đồng nghĩa với việc tầm phát hiện sẽ tăng lên.

Hình 5.13: Kích thước tiêu chuẩn của đối tượng. Để hiệu chỉnh khoảng cách tầm cảm biến phụ thuộc vào vật liệu người ta sử dụng bảng 1 và bảng 2:

Snew: Tầm phát hiện mới của cảm biến tương ứng kích thước và vật liệu của cảm biến

Sn: Tầm phát hiện của cảm biến với đối tượng tiêu chuẩn

Thép không gỉ (300) 0,70 0,80 Đồng thau 0,40 0,50

Độ dày của vật liệu là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến tầm phát hiện của cảm biến Đối với các vật liệu không mang từ tính như nhôm (0,35 - 0,45) và đồng (0,30 - 0,40), cảm biến chịu tác động của "hiệu ứng bề mặt" Khi độ dày của đối tượng giảm, tầm phát hiện của cảm biến sẽ tăng lên.

Hình 5.14: Đường đặc tính của cảm biến

Một số dạng cảm biến lân cận điện cảm trong công nghiệp

 Không chịu ảnh hưởng của độ ẩm

 Không có bộ phận chuyển động.

 Không chịu ảnh hưởng của bụi bặm.

 Không phụ thuộc vào màu sắc.

 Ít phụ thuộc vào bề mặt đối tượng hơn so với các kĩ thuật khác.

Không có “khu vực mù” (blind zone: cảm biến không phát hiện ra đối tượng mặc dù đối tượng ở gần cảm biến).

 Chỉ phát hiện được đối tượng là kim loại.

 Có thể chịu ảnh hưởng bởi các vùng điện từ mạnh.

 Phạm vi hoạt động ngắn hơn so với các kĩ thuật khác.

Kiểm tra vị trí của sản phẩm

Công nghiệp dầu mỏ (xác định vị trí của van) Đóng gói sản phẩm

Kiểm tra chất lượng bề mặt sản phẩm Kiểm tra vị trí của sản phẩm

Hệ thống điều khiển kiểm tra vị trí của các thanh thép trước khi đưa vào máy hàn

Hình 5.15: Xác định vị trí của thang máy

Một số loại cảm biến tiệm cận điện cảm tiêu biểu của hãng OMROM

Hình 5.16: Cảm biến lân cận điện cảm dạng tròn

Cảm biến điện từ của

Omron Phát hiện palette Phát hiện khuôn dập

Hình 5.17: Một số ứng dụng của cảm biến điện từ trong công nghiệp của hãng Omron

Hình 5.18: Phát hiện mức chất lỏng trong hộp sữa

Hình 5.19: Đo mức chất lỏng trong bể chứa

Cảm biến đáp ứng xung hoạt động bằng cách phát ra dòng điện xoáy dưới dạng xung và phát hiện số lần thay đổi của dòng điện này cùng với điện áp sinh ra trên cuộn dây Khi vật thể cần phát hiện tiến gần đến cảm biến, hiện tượng cảm ứng điện từ tương tự như trong máy biến áp sẽ xảy ra.

Cảm biến lân cận dạng điện dung

Cấu tạo

Cũng giống như cảm biến tiệm cận điện cảm, cảm biến tiệm cận loại điện dung có 4 phần:

Hình 5.21: Đầu phát hiện trong cảm biến lân cận điện dung là một bản cực của tụ điện.

Tụ điện là một thiết bị bao gồm hai bản cực và một chất điện môi nằm ở giữa Khoảng cách giữa hai điện cực đóng vai trò quan trọng trong khả năng tích trữ điện tích của tụ điện, với điện dung là đại lượng thể hiện khả năng này.

Nguyên lý hoạt động

Cảm biến tiệm cận loại điện dung hoạt động dựa trên sự thay đổi điện dung khi có vật thể xuất hiện trong vùng điện trường Sự thay đổi này cho phép xác định trạng thái tín hiệu ra là “On” hoặc “Off”.

Bản cực là thành phần chính của cảm biến, trong khi đối tượng cần phát hiện là bản cực còn lại Mối quan hệ giữa biên độ sóng dao động và vị trí của đối tượng ở cảm biến tiệm cận điện dung khác biệt so với cảm biến tiệm cận điện cảm.

Khi mục tiêu di chuyển gần đầu phát hiện của cảm biến, điện dung của tụ điện sẽ thay đổi do sự ảnh hưởng của đối tượng Sự thay đổi này kích hoạt mạch dao động tạo ra tín hiệu dao động Nếu biên độ tín hiệu vượt quá ngưỡng đã định, mạch phát hiện mức sẽ chuyển sang trạng thái ON Ngược lại, khi đối tượng ở xa cảm biến, biên độ tín hiệu sẽ giảm, khiến mạch phát hiện mức chuyển sang trạng thái OFF.

Hình 5.22: Cấu tạo cảm biến điện dung

Hình 5.23: Sóng dao động ở mạch dao động của cảm biến điện cảm và điện dung

Cảm biến tiệm cận điện dung có khả năng phát hiện các đối tượng có hằng số điện môi lớn hơn không khí, với vật liệu có hằng số điện môi cao dễ dàng được phát hiện hơn Chẳng hạn, cảm biến có thể nhận diện nước (hằng số điện môi = 80) nhưng không thể phát hiện không khí (hằng số điện môi = 1) Đối với các chất kim loại, khả năng phát hiện của cảm biến là đồng nhất, trong khi với các chất phi kim, phạm vi phát hiện sẽ khác nhau tùy vào từng loại vật liệu.

Cảm biến tiệm cận điện dung có khả năng phát hiện các vật liệu có hằng số điện môi cao, như chất lỏng, ngay cả khi chúng được chứa trong hộp kín làm từ vật liệu có hằng số điện môi thấp hơn, chẳng hạn như thủy tinh hoặc nhựa Điều quan trọng là đảm bảo rằng cảm biến nhận diện chính xác chất lỏng bên trong, không phải hộp chứa.

Phân loại cảm biến điện dung

Cảm biến tiệm cận điện dung cũng phân thành 2 loại: shielded (được bảo vệ) và unshielded (không được bảo vệ).

Loại shielded có vòng kim loại bao quanh giúp hướng vùng điện trường về phía trước và có thể đặt ngang bằng với bề mặt làm việc.

Cảm biến unshielded không có vòng kim loại bao quanh và không thể đặt ngang bằng với bề mặt làm việc, cần có một vùng trống xung quanh giống như cảm biến tiệm cận điện cảm loại unshielded, kích thước vùng trống tùy thuộc vào từng loại cảm biến Ưu điểm của loại cảm biến này là khả năng hoạt động linh hoạt trong nhiều ứng dụng khác nhau.

 Có thể cảm nhận vật dẫn điện và không dẫn điện.

 Tính chất tuyến tính và độ nhạy không tùy thuộc vào vật liệu kim loại.

 Nó có thể cảm nhận được vật thể nhỏ, nhẹ.

 Vận tốc hoạt động nhanh.

 Tuổi thọ cao và độ ổn định cũng cao đối với nhiệt độ.

 Bị ảnh hưởng bởi độ ẩm

 Dây nối với sensor phải ngắn để điện dung dây không ảnh hưởng đến độ cộng hưởng của bộ dao động.

Một số dạng cảm biến lân cận điện dung trong công nghiệp

Công nghệ thực phẩm Đo mực nướ chất lỏng

Chế biến gỗ Đo mực nước chất lỏng

Phát hiện theo nguyên tắc tĩnh điện cho phép nhận diện không tiếp xúc các vật liệu kim loại và phi kim như kính, gỗ, nước, dầu Công nghệ này cũng có khả năng phát hiện gián tiếp các vật liệu bên trong thùng chứa phi kim loại, với khoảng cách phát hiện có thể điều chỉnh từ 3 đến 25mm.

Một số loại cảm biến tiệm cận điện dung của hãng Omron:

Hình 5.24: Một số loại cảm biến tiệm cận của hãng Omron

Hai cảm biến song song Hai cảm biến đối diện nhau Khoảng cách 2 cảm biến

Hình 5.25: Khoảng cách giữa hai cảm biến:

Hình 5.26: Phát hiện mức đầy trong các container phi kim loại

Hình 5.27: Phát hiện và duy trì mức chất lỏng trong bể chứa.

Cảm biến tiệm cận siêu âm

Cấu trúc cảm biến tiệm cận siêu âm

Cảm biến tiệm cận siêu âm có 4 phần chính:

 Bộ phận phát và nhận sóng siêu âm (Transducer / Receiver):

 Bộ phận so sánh (Comparator)

Mạch phát hiện (Detector Circuit) hoạt động bằng cách so sánh thời gian phát và nhận sóng phản hồi từ cảm biến, từ đó tính toán khoảng cách dựa trên vận tốc âm thanh.

Mạch điện đầu ra có thể truyền tín hiệu digital hoặc analog Tín hiệu digital từ cảm biến cho biết sự hiện diện hoặc vắng mặt của đối tượng trong vùng cảm nhận, trong khi tín hiệu analog cung cấp thông tin về khoảng cách giữa đối tượng và cảm biến.

Hình 5.29: Các thành phần của cảm biến tiệm cận siêu âm

Kỹ thuật cảm biến siêu âm hoạt động dựa trên nguyên lý vận tốc âm thanh là hằng số Thời gian mà sóng âm thanh di chuyển từ cảm biến đến đối tượng và quay trở lại sẽ liên quan trực tiếp đến độ dài quãng đường Do đó, cảm biến siêu âm thường được ứng dụng trong việc đo khoảng cách.

Nguyên lý hoạt động cảm biến tiệm cận siêu âm

Hình 5.30: Sóng âm thanh phản hồi khi đối tượng (mục tiêu) là chất rắn, chất lỏng.

Các cảm biến công nghiệp thường hoạt động trong tần số từ 25 kHz đến 500 kHz, trong khi các cảm biến y tế có tần số từ 5 MHz trở lên Tần số hoạt động của cảm biến tỉ lệ nghịch với khoảng cách phát hiện; cụ thể, với tần số 50 kHz, phạm vi hoạt động có thể lên tới 10 m hoặc hơn, nhưng với tần số 200 kHz, phạm vi này bị giới hạn chỉ còn 1 m.

Vùng hoạt động: là khu vực giữa 2 giới hạn khoảng cách phát hiện lớn nhất và nhỏ nhất

Hình 5.31: Vùng hoạt động của cảm biến tiệm cận siêu âm

Cảm biến tiệm cận siêu âm có một vùng nhỏ không thể sử dụng gần bề mặt cảm biến gọi là “khu vực mù” (blind zone).

Kích thước và vật liệu của đối tượng cần phát hiện quyết định khoảng cách phát hiện lớn nhất (xem hình 3.31).

Hình 5.32: Khoảng cách phát hiện vật

Toàn bộ cảm biến thực hiện đo không tiếp xúc, đo mức và dòng liên tục.

Bộ phát siêu âm được đặt ở trên sản phẩm, kích thích điện để gửi xung siêu âm qua không khí đến sản phẩm đo Xung này phản xạ trở lại bề mặt sản phẩm và được một cảm biến tương tự phát hiện, hoạt động như máy thu Cảm biến sau đó chuyển đổi phản hồi thành tín hiệu điện Thời gian giữa quá trình truyền và nhận xung, được gọi là chu kỳ, tỷ lệ thuận với khoảng cách giữa cảm biến và bề mặt sản phẩm đo.

Hình 5.33: Nguyên lý làm việc

Phạm vi phát hiện của cảm biến siêu âm được xác định bởi khoảng cách mà chúng có khả năng nhận diện mục tiêu, dựa trên sự biến đổi của nhiệt độ và điện áp của đối tượng.

Cảm biến siêu âm loại khuếch tán

Cảm biến không đối xứng Cảm biến đối xứng

Hình 5.34: Nguyên lý làm việc

Đặc điểm cảm biến siêu âm

Cảm biến tiệm cận siêu âm có khả năng hoạt động với khoảng cách phát hiện lớn, cho phép phát hiện các đối tượng khác nhau một cách hiệu quả Loại cảm biến này còn có tính năng điều chỉnh khoảng cách phát hiện, giúp tối ưu hóa khả năng nhận diện trong nhiều điều kiện khác nhau.

Một số loại cảm biến đầu ra analog cho phép người dùng điều chỉnh khoảng cách phát hiện, giúp từ chối việc phát hiện các đối tượng ở một khoảng cách nhất định Khả năng điều chỉnh này mang lại sự linh hoạt trong việc sử dụng cảm biến theo nhu cầu cụ thể.

Để cảm biến siêu âm không phát hiện đối tượng khi chúng di chuyển vào vùng hoạt động, có thể tạo một lớp vỏ bằng chất liệu không phản xạ sóng âm thanh Cảm biến tiệm cận siêu âm có nhiều ưu điểm nổi bật.

Khoảng cách mà cảm biến có thể phát hiện vật thể lên tới 15m.

Sóng phản hồi từ cảm biến không bị ảnh hưởng bởi màu sắc hay tính chất phản xạ ánh sáng của bề mặt đối tượng Dù là bề mặt kính trong suốt, gốm màu nâu, plastic trắng hay nhôm sáng, sóng phản hồi vẫn giữ nguyên đặc tính giống nhau.

Tín hiệu từ cảm biến tiệm cận siêu âm analog có tỉ lệ tuyến tính với khoảng cách, điều này rất phù hợp cho các ứng dụng như giám sát mức độ vật chất và theo dõi chuyển động của đối tượng.

 Cảm biến tiệm cận siêu âm yêu cầu đối tượng có một diện tích bề mặt tối thiểu (giá trị này tùy thuộc vào từng loại cảm biến).

 Sóng phản hồi cảm biến nhận được có thể chịu ảnh hưởng của các sóng âm thanh tạp âm.

Cảm biến tiệm cận siêu âm cần một khoảng thời gian nhất định sau mỗi lần phát sóng để chuẩn bị nhận tín hiệu phản hồi Do đó, thời gian đáp ứng của loại cảm biến này thường chậm hơn so với các loại cảm biến khác.

 Với các đối tượng có mật độ vật chất thấp như bọt hay vải (quần áo) rất khó để phát hiện với khoảng cách lớn.

 Cảm biến tiệm cận siêu âm bị giới hạn khoảng cách phát hiện nhỏ nhất.

Sự thay đổi của môi trường, bao gồm nhiệt độ, áp suất, và sự chuyển động không đồng đều của không khí, cùng với bụi bẩn trong không khí, đều có ảnh hưởng đáng kể đến kết quả đo Nhiệt độ ảnh hưởng đến vận tốc âm thanh, do đó, việc kiểm soát các yếu tố này là cần thiết để đảm bảo độ chính xác trong các phép đo.

Nhiệt độ bề mặt của đối tượng ảnh hưởng trực tiếp đến phạm vi hoạt động của cảm biến Khi đối tượng có nhiệt độ cao, hơi nóng tỏa ra sẽ làm méo dạng sóng, dẫn đến việc giảm khoảng cách phát hiện và làm cho giá trị khoảng cách trở nên không chính xác.

Hình 5.35: Ảnh hưởng của nhiệt độ đối với sóng phản hồi

Bề mặt phẳng phản xạ năng lượng sóng âm thanh hiệu quả hơn so với bề mặt gồ ghề Tuy nhiên, để đạt được kết quả tối ưu, bề mặt phẳng yêu cầu vị trí góc giữa cảm biến và bề mặt đối tượng phải được xác định chính xác.

Hình 5.36: Đối tượng có bề mặt gồ ghề không yêu cầu cảm biến đặt ở vị trí chính xác

Để phát hiện sự hiện diện hoặc không hiện diện của đối tượng qua thủy tinh, cảm biến cần được đặt ở vị trí tạo thành góc bằng hoặc nhỏ hơn 30 độ với bề mặt phẳng của đối tượng.

Ứng dụng của cảm biến tiệm cận siêu âm

Phát hiện người Phát hiện dây bị đứt Phát hiện đường kính Đo mực chất lỏng trong lọ (có cổ nhỏ)

Phát hiện giấy bị đứt Phát hiện chiều cao Đếm chai Phát hiện giấy bị đứt Phát hiện xe

Phát hiện chiều cao Dùng trong điều khiển mực chất lỏng

Hình 5.38: Đo khoảng cách, độ cao, hay vị trí của phiến gỗ trên dây chuyền

Cấu trúc mạch ra của cảm biến lân cận

Đầu ra dạng transitor NPN và transitor PNP

Với điện áp DC thấp, cảm biến có 2 dạng cấu hình đầu ra phổ biến là:

Hình 5.39: Kiểu NPN transitor và kiểu PNP transitor.

Trường hợp cảm biến loại NPN: Tải mắc giữa đầu ra A của cảm biến và cực dương của nguồn điện

Trường hợp cảm biến loại PNP: Tải mắc giữa đầu ra A của cảm biến và cực âm của nguồn điện. Đầu ra dạng Transitor FETs

Transistor FETs là loại linh kiện điện tử có khả năng đáp ứng nhanh và tiêu hao dòng điện rất thấp Để điều khiển sự thay đổi trạng thái, chỉ cần một dòng điện khoảng 30 µA Tuy nhiên, giá thành của FETs thường cao hơn so với hai loại transistor khác.

Có thể kết nối song song đầu ra của FET như tiếp điểm cơ khí của relay (cả điện AC và DC).

Dạng FET công suất, tiếp điểm đầu ra có thể chịu được dòng đến 500 mA.

Cảm biến đầu ra dạng Triac được thiết kế để hoạt động như một công tắc cho nguồn điện AC, với khả năng chịu đựng dòng lớn và điện áp rơi thấp, rất phù hợp để kết nối với các contactor lớn.

Dòng tiêu hao của thiết bị này lớn hơn so với FETs, với giá trị vượt quá 1mA, vì vậy nó không phù hợp để kết nối với các thiết bị như PLC.

Hình 5.41: Triac Hình 5.42: Đầu ra dạng analog

Cảm biến có khả năng cung cấp tín hiệu đầu ra dạng Analog, bao gồm dòng điện và áp suất, tương ứng với sự phát hiện của chúng.

Trạng thái đầu ra của cảm biến có thể là thường đóng (NO) hoặc thường mở (NC).

Cảm biến PNP có trạng thái đầu ra Off khi không có đối tượng, cho thấy nó là thiết bị thường mở Ngược lại, nếu trạng thái đầu ra là On khi không có đối tượng, thì thiết bị này thuộc loại thường đóng.

Ngoài loại 3 dây, cảm biến còn có loại 4 dây và loại 2 dây Với loại 4 dây, trong 1 cảm biến có cả 2 loại đầu ra: thường đóng và thường mở.

Hình 5.43: Đây kết nối đầu ra của cảm biến tiệm cận

Cách kết nối các cảm biến tiệm cận với nhau

Trong các ứng dụng yêu cầu sử dụng nhiều hơn một cảm biến, có thể kết nối chúng theo hai cách: song song hoặc nối tiếp Khi cảm biến được mắc nối tiếp, đầu ra chỉ bật ON khi tất cả các cảm biến đều ở trạng thái ON Ngược lại, khi kết nối song song, chỉ cần một trong các cảm biến bật ON thì đầu ra cũng sẽ bật ON.

Mắc song song Mắc nối tiếp

Hình 5.44: Cách nối dây biến loại 2 dây

Loại 3 dây NPN và PNP Loại 3 dây PNP

Hình 5.45: Cách kết nối song song cảm biến loại 3 dây NPN

Cách đấu dây với PLC

Hình 5.46: Cách đấu dây với PLC

Hình 5.47: Cách đấu dây cảm biến với tải loại 2 dây

Ứng dụng của cảm biến lân cận

Sử dụng cảm biến tiệm cận E2E và E2B của Omron để đếm số lượng lon bia nhôm sản xuất hàng ngày Khi phát hiện lon nhôm, cảm biến sẽ gửi tín hiệu về bộ đếm, giúp hiển thị chính xác số lượng lon bia được sản xuất trong từng ca.

Hình 5.49: Đếm số lượng lon bia Hình 5.50: Giám sát hoạt động của khuôn dập

Giám sát hoạt động của khuôn dập là rất quan trọng, và việc sử dụng cảm biến tiệm cận E2E, E2B của Omron giúp phát hiện và đếm chính xác số lần khuôn dập trong ngày.

Hình 5.51: Phát hiện palette đi ngang qua

 Phát hiện palette đi ngang qua (hình trên): Phát hiện sản phẩm để trong palette sắt

 Trong các ứng dụng phát hiện có/ không có vật kim loại sắt từ, cảm biến tiệm cận E2E, E2B của Omron là sự lựa chọn tốt nhất.

Phát hiện lon nhôm là quá trình loại bỏ các lon không phải nhôm khỏi băng chuyền Đối với những ứng dụng yêu cầu phân loại giữa nhôm và các kim loại khác, cảm biến chuyên dụng có khả năng chỉ phát hiện nhôm và đồng là lựa chọn tối ưu.

Hình 5.52: Phát hiện lon bằng nhôm hoặc thép

Hình 5.53: Phát hiện/ đếm vật kim loại

Cảm biến E2EV được sử dụng để phát hiện và đếm sự hiện diện của vật kim loại trong các ứng dụng, mà không cần phân biệt loại kim loại cụ thể.

 Phát hiện lon bằng nhôm hoặc thép (hình 5.54 Phát hiện các lon khi đang di chuyển trên dây chuyền để tránh in thiếu bằng máy in.

Hình 5.54: Phát hiện lon bằng nhôm hoặc thép

Hình 5.55: Phát hiện nắp kim loại trong môi trường nước

E2EV là một loại cảm biến tiệm cận bằng kim loại, có khả năng phát hiện chính xác sự hiện diện của các lon Khoảng cách đo của cảm biến này có thể được điều chỉnh lên đến 10 mm.

Phát hiện nắp kim loại trong môi trường nước là một ứng dụng quan trọng, đặc biệt khi chai không có nắp kim loại và trong điều kiện ẩm ướt Đối với những ứng dụng yêu cầu cảm biến hoạt động hiệu quả trong môi trường có độ ẩm cao hoặc tiếp xúc trực tiếp với nước, cảm biến E2F đạt tiêu chuẩn IP68 là lựa chọn lý tưởng.

Kiểm tra tình trạng gãy mũi khoan là rất quan trọng, đặc biệt khi mũi khoan có kích thước nhỏ Để phát hiện kịp thời, việc sử dụng cảm biến kết hợp với bộ khuếch đại rời là giải pháp tối ưu.

Hình 5.56: Phát hiện gãy mũi khoan Hình 5.57: Phát hiện nắp nhôm trên chai

Sensor tiệm cận E2CY-C2A chuyên dụng phát hiện nắp nhôm mỏng trên chai nước với độ tin cậy cao Việc cài đặt sensor rất đơn giản, chỉ cần nhấn nút TEACH trên bộ khuếch đại.

Cảm biến E2C-T là loại cảm biến tiệm cận với bộ khuyếch đại rời và chức năng Teach, cho phép người dùng thiết lập chính xác vị trí cần cảm biến Sensor này có khả năng phân biệt khoảng cách nhỏ đến 0.1mm, giúp phát hiện gói giấy chồng lên nhau một cách hiệu quả.

Hình 5.58: Ứng dụng cảm biến E2C-T Hình 5.59: Ứng dụng cảm biến F2LP –

Cảm biến E2EV có khả năng phát hiện vật kim loại nhỏ rơi vào trong lòng sensor và xuất tín hiệu mong muốn Thiết bị này được sử dụng trong các ứng dụng chỉ cần xác định sự hiện diện hoặc vắng mặt của vật kim loại mà không cần phân biệt loại kim loại cụ thể.

Phát hiện mực chất lỏng trong bồn có bọt là một nhiệm vụ quan trọng, và việc sử dụng sensor điện dung của Omron giúp đảm bảo độ chính xác trong quá trình này Sensor này được trang bị nút điều chỉnh độ nhạy, cho phép triệt tiêu tác động của bọt khí, từ đó giúp phát hiện mực chất lỏng một cách hiệu quả và đáng tin cậy.

Để phát hiện mực chất lỏng trong bồn, sử dụng ống nhựa kèm theo sẽ cho biết mực nước tương ứng Cảm biến E2K-L có khả năng phát hiện chính xác mực nước trong bồn và cung cấp tín hiệu khi nước đạt mức đầy hoặc cạn.

Cảm biến tiệm cận điện dung E2K-C là một giải pháp hiệu quả để phát hiện sữa hoặc nước trái cây bên trong hộp giấy Với công nghệ tiên tiến, cảm biến này có khả năng xác định chính xác sự hiện diện của chất lỏng bên trong bao bì.

Hình 5.61: Phát hiện dung dịch bên trong hộp giấy

Hình 5.62: Phát hiện kiếng trên băng chuyền

 Cảm biến nhiệt độ là cảm biến tạo ra tín hiệu điện đầu ra tỷ lệ với nhiệt độ

 Hoặc: Cảm biến nhiệt độ là thiết bị dùng để đo sự biến đổi về nhiệt độ của các đại lượng cần đo

 Cảm biến nhiệt độ có hệ số nhiệt dương điều đó có nghĩa rằng tín hiệu điện đầu ra tăng lên khi nhiệt độ tăng

 Cảm biến nhiệt độ có hệ số nhiệt âm: tín hiệu điện đầu ra tăng khi nhiệt độ giảm.

Nhiệt điện trở với Platin và Nickel

Nhiệt điện trở Platin

Platin là vật liệu phổ biến cho nhiệt điện trở trong công nghiệp, với hai tiêu chuẩn chính dựa trên độ tinh khiết của vật liệu Hầu hết các quốc gia áp dụng tiêu chuẩn quốc tế DIN IEC751-1983, đã được sửa đổi vào năm 1986 và 1995, trong khi Hoa Kỳ vẫn sử dụng tiêu chuẩn riêng Cả hai tiêu chuẩn đều áp dụng phương trình Callendar - Van Dusen để xác định hiệu suất của nhiệt điện trở.

C = 0.0 Úc, Áo, Bỉ, Brazil, Bulgaria, Canada, Cộng hòa Czech, Đan mạch, Ai Cập, Phần

Lan, Pháp, Đức, Israel, Ý, Nhật, Ba Lan,Rumania, Nam phi, ThổNhĩ Kì, Nga, Anh, USA

R0 của cảm biến nhiệt Pt100 là 100Ω, Pt500 là 500Ω, và Pt1000 là 1000Ω Các loại cảm biến Pt500 và Pt1000 có hệ số nhiệt độ cao hơn, dẫn đến độ nhạy lớn hơn, tức là điện trở của chúng thay đổi mạnh mẽ hơn theo nhiệt độ Ngoài ra, còn có loại Pt10 với độ nhạy thấp hơn, thường được sử dụng để đo nhiệt độ trên 600°C.

Tiêu chuẩn IEC751 quy định hai "đẳng cấp" dung sai A và B, nhưng trong thực tế còn có thêm các loại C và D Những tiêu chuẩn này cũng được áp dụng cho các loại nhiệt điện trở khác.

Bảng 4.2. Đẳng cấp dung sai Dung sai (°C)

Theo tiêu chuẩn DIN, vật liệu platin dùng làm nhiệt điện trở thường có pha tạp, giúp giảm thiểu sự thay đổi trị số điện khi bị tạp chất thẩm thấu trong quá trình sử dụng Điều này mang lại sự ổn định lâu dài, phù hợp cho ứng dụng trong công nghiệp Trong ngành công nghiệp, nhiệt điện trở platin thường có đường kính khoảng 30 µm, nhỏ hơn so với đường kính của sợi tóc khoảng 100 µm.

Nhiệt điện trở nickel là lựa chọn kinh tế hơn so với platin, với hệ số nhiệt độ gần gấp đôi (6,18.10-3 0C-1) Tuy nhiên, dải đo của nó chỉ từ -60°C đến +250°C, vì nickel sẽ thay đổi pha ở nhiệt độ trên 350°C Cảm biến nickel 100 thường được sử dụng trong ngành công nghiệp điều hòa nhiệt độ phòng.

A = 5.485x10-3 B = 6.650x10-6 D = 2.805x10-11 F = -2.000x10-17 Với các trường hợp không đòi hỏi sự chính xác cao ta sử dụng phương trình sau:

Từ đó dễ dàng chuyển đổi thành giá trị nhiệt độ: t = (Rt / R0 - 1) / a = (Rt / R0 - 1) / 0.00672

Hình 4.1 Đường đặc tính cảm biến nhiệt độ ZNI1000

Cảm biến nhiệt độ ZNI1000 do hãng ZETEX Semiconductors sản xuất sử dụng nhiệt điện trở Ni, được thiết kế có giá trị 1000 Ω tại 00C.

Nhiệt điện trở thay đổi điện trở theo nhiệt độ, và khi dòng điện không đổi qua nhiệt điện trở, điện thế đo được là U = R.I Để tránh làm nóng cảm biến trong quá trình đo, dòng điện cần được giới hạn ở khoảng 1mA Đối với Pt 100 ở 0°C, điện thế đo được khoảng 0,1V, và điện thế này cần được truyền đến máy đo qua các dây dẫn Có bốn kỹ thuật nối dây đo khác nhau để thực hiện việc này.

Hình 4.2 Cách nối dây nhiệt điện trở

Tiêu chuẩn IEC 751 yêu cầu dây nối đến cùng đầu nhiệt điện trở phải có màu giống nhau (đỏ hoặc trắng) và dây nối đến 2 đầu phải khác màu.

Hình 4.3 Kỹ thuật nối dây

Nhiệt điện trở và mạch điện tử được kết nối qua hai dây dẫn, mỗi dây đều có điện trở riêng Điện trở này sẽ nối tiếp với nhiệt điện trở, dẫn đến mạch điện trở nhận được điện thế cao hơn so với điện thế cần đo Kết quả là chỉ thị nhiệt kế hiển thị nhiệt độ cao hơn mức thực tế cần đo Nếu khoảng cách giữa các điểm đo quá xa, điện trở của dây dẫn có thể lên tới vài Ohm.

Ví dụ với dây đồng:

Diện tích mặt cắt dây đo: 0,5mm2 Điện trở suất: 0,0017Ωmm2m-1

Để đảm bảo độ chính xác trong phép đo nhiệt độ với nhiệt điện trở Pt 100 có giá trị R = 6,8 Ω tại 17oC, cần bù trừ điện trở của dây đo Một biến trở bù trừ được kết nối vào một trong hai dây đo, trong khi nhiệt điện trở được thay thế bằng điện trở 100Ω Mạch điện tử được thiết kế với điện trở dự phòng cho dây đo là 10 Ω, và biến trở được điều chỉnh để có chỉ thị 00C, tương ứng với điện trở của dây đo và biến trở là 10 Ω.

Hình 4.4 Kỹ thuật nối 3 dây

Kỹ thuật 3 dây trong đo nhiệt điện trở giúp loại bỏ sai số do điện trở dây đo và sự thay đổi của nó theo nhiệt độ Khi sử dụng cách nối này, hai mạch đo được hình thành, trong đó một mạch được sử dụng làm mạch chuẩn Để đảm bảo độ chính xác, các dây đo cần có cùng trị số kỹ thuật và nhiệt độ Kỹ thuật 3 dây rất phổ biến trong các ứng dụng đo lường hiện nay.

Hình 4.5 Kỹ thuật nối 4 dây

Kỹ thuật 4 dây mang lại kết quả đo chính xác nhất trong các ứng dụng điện Hai dây đầu tiên truyền dòng điện không đổi qua nhiệt điện trở, trong khi hai dây còn lại được sử dụng để đo điện thế trên nhiệt điện trở Khi tổng trở ngõ vào của mạch đo lớn hơn nhiều so với điện trở của dây đo, điện trở này có thể coi là không đáng kể Nhờ đó, điện thế đo được không bị ảnh hưởng bởi điện trở của dây đo cũng như sự thay đổi do nhiệt.

Kỹ thuật 2 dây với bộ biến đổi tín hiệu đo.

Người dùng có thể sử dụng hai dây đo mà không gặp sai số khi đo với bộ biến đổi tín hiệu Bộ biến đổi này chuyển đổi tín hiệu từ cảm biến thành dòng điện chuẩn, tỷ lệ thuận với nhiệt độ.

Dòng điện nuôi cho bộ biến đổi được truyền qua hai dây đo với cường độ khoảng 4mA đến 20mA Kỹ thuật này giúp khuếch đại tín hiệu trước khi truyền tải, do đó giảm thiểu nhiễu hiệu quả.

Các cấu trúc của cảm biến nhiệt platin và nickel

Nhiệt điện trở có hai loại vỏ phổ biến là gốm và thủy tinh Nhiệt điện trở với vỏ gốm sử dụng sợi platin được giữ chặt trong ống gốm sứ với bột oxit nhôm, cho dải đo từ -200°C đến 800°C Trong khi đó, nhiệt điện trở với vỏ thủy tinh có độ bền cơ học và độ nhạy cao, với dải đo từ -200°C đến 400°C, thích hợp cho môi trường hóa chất có độ ăn mòn cao.

Nhiệt điện trở với vỏ nhựa được cấu tạo giữa hai lớp nhựa polyamid với dây platin có đường kính khoảng 30mm, được dán kín Cảm biến này có cấu trúc mảng và được sử dụng để đo nhiệt độ bề mặt của các ống hoặc cuộn dây biến thế, với dải đo từ -80°C đến 230°C.

Hình 4.6 Cấu trúc nhiệt điện trở kim loại dây quấn (vỏ ceramic)

Nhiệt điện trở sử dụng công nghệ màng mỏng với cấu trúc bao gồm một lớp màng mỏng làm từ platin, được đặt trên nền ceramic hoặc thủy tinh Để chuẩn hóa giá trị điện trở, tia laser được áp dụng trong quá trình sản xuất.

Hình 4.7 Cấu trúc nhiệt điện trở kim loại dạng màng mỏng (vỏ ceramic)

Mạch ứng dụng với nhiệt điện trở platin

ADT70 là một IC của hãng Analog Devices, được thiết kế để kết hợp lý tưởng với cảm biến nhiệt Pt1000, cho phép đo nhiệt độ trong dải rộng IC này cũng tương thích với cảm biến Pt100 Khi sử dụng với nhiệt điện trở platin kỹ thuật màng mỏng, ADT70 có khả năng đo từ 500°C đến 5000°C, trong khi với nhiệt điện trở platin chất lượng cao, dải đo có thể lên tới 10000°C Độ chính xác của hệ thống bao gồm ADT70 và cảm biến platin trong khoảng -2000°C đến 10000°C phụ thuộc chủ yếu vào chất lượng của cảm biến platin.

Các thông số thiết bị ADT70:

Sai số: ± 10C Điện áp hoạt động: 5V hoặc ± 5V

Nhiệt độ hoạt động: -40 đến 125 0C (dạng 20-lead DIP, SO packages)

Ứng dụng

Bộ điều khiển nhiệt độ ADT70 bao gồm hai thành phần chính: nguồn dòng điều chỉnh và bộ phận khuếch đại Nguồn dòng cung cấp điện cho nhiệt điện trở và điện trở tham chiếu, trong khi bộ phận khuếch đại so sánh điện áp giữa nhiệt điện trở và điện trở tham chiếu, từ đó tạo ra tín hiệu điện áp tương ứng với nhiệt độ Ngoài ra, ADT70 còn tích hợp một opamp và nguồn áp 2,5 V.

Hình 4.8 Sơ đồ khối ADT70

Dải đo của ADT70 chịu ảnh hưởng lớn từ đặc tính của nhiệt điện trở, do đó việc lựa chọn nhiệt điện trở phù hợp với ứng dụng thực tế là rất quan trọng.

Hình 4.9 Sơ đồ hoạt động cơ bản Ở hình 4.10, mạch dùng nhiệt điện trở PT1000 và điện trở tham chiếu

1000 Ω , điện trở 49,9 k Ω dược nối vào RGA(chân 11) và RGB (chân 12), chân BIAS (chân 4) được nối với VREFOUT (chân 3),lúc này sẽ có hương trình chuyển đổi như sau:

Nếu nhiệt điện trở Pt có hệ số alpha=0,003850 C-1(hay giá trị điện trở tăng 3,85 Ω /0

C), điện áp ra sẽ có tỉ lệ như sau 5mV/0C.

Hệ số khuếch đại thường là 1,30 (với điện trở nối giữa RGA và RGB là 49,9 K

Để thay đổi hệ số khuếch đại trong hệ thống RGain, cần lưu ý rằng để đo nhiệt độ dưới 0°C bằng cảm biến Pt1000, chân -VS phải được cung cấp điện áp tối thiểu là -1V Trong trường hợp đo nhiệt độ trên 0°C, chân -VS có thể được nối đất.

Các chân GND Sense (chân 13), DGND (chân 15) và AGND (chân 2) đều được kết nối với đất Mạch ADT70 sẽ ngừng hoạt động khi chân SHUTDOWN ở mức thấp và khởi động lại khi chân này ở mức cao; nếu không sử dụng chân này, nên kết nối với nguồn VS Để nâng cao độ chính xác của nguồn dòng, có thể sử dụng biến trở 50 kΩ nối giữa chân NULLA (chân 5) và NULLB (chân 6), với điểm giữ của biến trở kết nối tới chân +VS (chân 20) Chân Bias (chân 4) được kết nối với điện áp tham chiếu VREFOUT (chân 3), nhưng cũng có thể sử dụng nguồn điện áp tham chiếu từ bên ngoài.

Mạch đo sử dụng kỹ thuật 4 dây giúp loại trừ ảnh hưởng của điện trở dây dẫn, đảm bảo độ chính xác trong kết quả đo Như hình 4.10 minh họa, điện trở dây dẫn từ nguồn đến điện trở tham chiếu và nhiệt điện trở không tác động đến kết quả đo, vì bộ phân khuếch đại chỉ so sánh sự khác biệt giữa mức điện áp trên nhiệt điện trở và điện trở tham chiếu Hơn nữa, không có dòng điện từ Node A và Node C vào bộ phận khuếch đại, do đó không xảy ra sai số do điện trở dây dẫn.

Sự sai lệch trong mức điện áp đo được có thể xảy ra do sự khác biệt giữa điện áp tại Node D và Node B, nguyên nhân là do điện trở của dây dẫn từ điểm nối đất đến hai điểm này Để đảm bảo điện áp tại hai điểm Node B và Node D là giống nhau, ta có thể kết nối Node B và Node D vào hai ngõ vào của opamp, sau đó nối đầu ra của opamp vào Node D.

Mạch ứng dụng với nhiệt diện trở Ni

Zni 1000 với ZMR500 được dùng với DVM như là nhiệt kế

Hình 4.11 Ứng dụng cảm biến nhiệt điện trở ZRM500

ZMR 500 là một thiết bị ổn áp dương tính, chuyên dụng cho những tình huống có dòng tĩnh cực kỳ thấp Thiết bị này cực kỳ lý tưởng cho các ứng dụng yêu cầu mức năng lượng thấp.

Các thông số của thiết bị ZMR 500: Vin = 7 ÷ 25V

Giá trị dòng không đổi được chọn là 6 mA như trên hình vẽ (nhưng chính xác là 6,0623 mA) để có điện áp ra là 1V tại 1000C Biến trở

500 Ω được dùng để chỉnh chính xác giá trị ra là 1V tại 1000C Thiết bị DVM đo sẽ có sai số ± 20C trên thang đo từ -550C tới 1500C.

Cảm biến nhiệt độ với vật liệu silic

Nguyên tắc

Cảm biến có kích thước 500 x 500 x 200 mm, với cấu trúc cơ bản được thể hiện trong Hình 4.13 Mặt trên của cảm biến được phủ một lớp SiO2, có vựng hình trụn được mạ kim loại với đường kính khoảng 20 mm, trong khi toàn bộ mặt đáy cũng được mạ kim loại.

Mạch điện tương đương cho cảm biến silic được biểu diễn thông qua nguyên tắc điện trở phân rải (spreading resistance) Sự sắp xếp này tạo ra sự phân bố dòng điện qua tinh thể theo hình dạng hình nón, từ đó hình thành nên tên gọi điện trở phân rải.

Hình 4.14 Điện trở điện trở cảm biến nhiệt R được xác định như sau:

R: điện trở cảm biến nhiệt. ρ : điện trở suất của vật liệu silic ( ρ lệ thuộc vào nhiệt độ) d: đường kính của hình tròn vùng mạ kim loại mặt trên.

Hình 1.15 minh họa kết cấu thứ hai của cảm biến, có ưu điểm là điện trở không bị ảnh hưởng bởi chiều dòng điện Khác với kết cấu thứ nhất, được thiết kế cho dòng điện lớn hơn và nhiệt độ trên 1000°C, sự thay đổi điện trở của cảm biến trong kiểu kết cấu này là rất nhỏ.

Cảm biến nhiệt silic với nguyên tắc điện trở phân rải có hệ số nhiệt độ dương như trường hợp cảm biến nhiệt với vật liệu platin hay nickel.

Kết cấu gồm hai cảm biến mắc nối tiếp nhưng ngược cực tính.

Đặc trưng kỹ thuật cơ bản của dòng cảm biến KTY

Cảm biến sử dụng vật liệu silic KTY với công nghệ điện trở phân rải mang lại độ chính xác và ổn định lâu dài, là lựa chọn thay thế hiệu quả cho các cảm biến nhiệt độ truyền thống.

Giả định rằng cảm biến hoạt động ở nhiệt độ bằng một nửa giá trị nhiệt độ tối đa, sau ít nhất 450.000 giờ (khoảng 51 năm) hoặc 1.000 giờ (1,14 năm) liên tục với dòng định mức ở nhiệt độ tối đa, cảm biến silic sẽ cho kết quả đo với sai số như trong bảng 1.

TYPE Sai số tiêu biểu

Bảng 1: Sai số của cảm biến silic (do thời gian sử dụng)

Sử dụng công nghệ silic:

Cảm biến được sản xuất dựa trên công nghệ silic mang lại nhiều lợi ích từ những tiến bộ trong lĩnh vực này, đồng thời cũng tác động tích cực đến công nghệ "đóng gói", nơi có xu hướng thu nhỏ kích thước.

Cảm biến sử dụng vật liệu silic có hệ số ổn định gần như hằng số trên toàn bộ thang đo, điều này tạo ra đặc tính lý tưởng cho việc khai thác và ứng dụng trong thực tế.

Cảm biến silic thông thường chỉ có thể hoạt động ở nhiệt độ tối đa 150°C Tuy nhiên, cảm biến KTY 84 với thiết kế vỏ bọc SOD68 và công nghệ nối dây dẫn đặc biệt có khả năng hoạt động ở nhiệt độ lên đến 300°C.

Hình 4.16 Đặc trưng kỹ thuật của KTY81 Đặc điểm của sản phẩm

KTY83-1 1000 ±1% tới ±5% −55 tới 175 SOD68 (DO-34)

KTY84-1 1000 (R100) ±3% tới ±5% −40 tới 300 SOD68 (DO-34) Đối với loại KTY 83, ta có phương trình toán học biểu diễn mối quan hệ giữa điện trở và nhiệt độ như sau:

RT là điện trở tại nhiệt độ T

Rref là điện trở tại Tref (1000C với loại KTY 84, 250C với các loại cảm biến còn lại) A,B là các hệ số.

Tl là nhiệt độ mà độ dốc của đường cong bắt đầu giảm.

Nếu T >>2∆R nên 4R + 2∆R ~ 4R khi đó (3.11) được biến đổi thành

∆R – Sự thay đổi của điện trở trong biến dạng

R – Điện trở định mức trong cầu

∆V – Điện áp sai lệch giữa 2 điểm cần đo

VS – Điện áp nguồn cấp cho cầu

Mối quan hệ giữa điện trở biến dạng và điện trở đặt cầu phản ánh sự liên kết giữa ứng suất và độ biến dạng tương ứng trong vật thể được đo.

Các bộ chuyển đổi lực cảm biến biến dạng, hay còn gọi là load cell, là thiết bị hoàn thiện có khả năng gắn vào bất kỳ vị trí nào trong hệ thống đo lường Chúng thường được sử dụng để giám sát trọng lượng của các vật thể trong nhiều ứng dụng khác nhau Dưới đây là một số hình ảnh minh họa cho cảm biến trọng lượng trong thực tế.

Load cell dạng đế kép Load cell dạng trụ

Hình 7.5 Cảm biến trọng lượng trong thực tế

Ứng dụng của Load cell

Trong thực tế, cảm biến lực được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp: cân đo trọng lượng trong trạm đóng gói xi măng, trạm trộn xi măng

Trong dân dụng, cảm biến trọng lượng được ứng dụng đóng gói thức ăn, cân điện tử, đo lực, đo momen

Cân định lượng trong trạm đóng bao xi măng Máy đóng gói thức ăn Hệ thống cân xe có trọng tải lớn

Hình 7.6 Ứng dụng cảm biến trọng lượng

Một số dạng của Load cell

Hình 7.7 Các loại cảm biến trọng lượng của Siemens

Cảm biến lực bán dẫn là một loại cảm biến được chế tạo từ vật liệu silic, được dán lên bề mặt của vật thể Khi vật thể bị kéo căng, silic sẽ bị giãn ra, dẫn đến sự gia tăng điện trở Sự thay đổi điện trở này diễn ra theo một hàm phi tuyến, cho phép đo lường lực một cách chính xác.

Cảm biến lực nhỏ có khả năng đo lường các lực nhỏ một cách chính xác Khi được gắn vào chất liệu mềm dẻo như cao su, ngay cả một lực nhỏ cũng có thể tạo ra sự thay đổi đáng kể về hình dạng và điện trở của cảm biến.

Một phương pháp để chế tạo cảm biến lực nhỏ là sử dụng lò xo kết hợp với chiết áp dịch chuyển tuyến tính Lò xo sẽ nén theo tỷ lệ với lực tác dụng, và khoảng cách nén này được đo lường bằng chiết áp.

Hình 7.8 Cảm biến lực sử dụng chiết áp tải lò xo

Ví dụ: Cơ cấu kẹp robot để giữ một cốc nước không trượt và không làm vỡ.

Cảm biến tiếp xúc lực nhỏ có thể được chế tạo từ bọt dẫn điện, nguyên lý này được áp dụng trong bàn phím màng Bọt dẫn điện là loại cao su bọt mềm được thấm các hạt cacbon nhỏ, khi bị nén, các hạt này ép lại với nhau làm giảm điện trở của vật liệu, tạo ra mối quan hệ tỷ lệ giữa điện trở và lực tác dụng Ứng dụng thực tế của công nghệ này bao gồm bàn phím di chuột trên máy tính xách tay và cảm biến tiếp xúc trong robot.

Trạng thái không tác động Trạng thái tác động

Hình 7.9 Cảm biến bọt dẫn điện

7 Cảm biến áp suất (Cảm biến mức chất lưu)

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của cảm biến áp suất

Khái niệm chung về đo lưu lượng

Cảm biến đo lưu lượng là thiết bị dùng để đo lượng chất lỏng, khí, chất dạng vữa hoặc chất rắn dạng bột đi qua một điểm trong một khoảng thời gian nhất định Chúng giúp xác định lưu lượng của các vật liệu này, phục vụ cho nhiều ứng dụng trong công nghiệp và nghiên cứu.

Hướng dòng chảy Ống dòng

Hình 7.1 Ống dòng (a) và dòng chảy trung bình qua mặt phẳng (b)

Đặc trưng của lưu chất

Môi trường đo lường có những đặc điểm hóa lý và yêu cầu công nghệ riêng biệt, dẫn đến việc áp dụng nhiều phương pháp đo khác nhau dựa trên các nguyên lý khác nhau Khối lượng và thể tích là hai yếu tố chính để xác định số lượng vật chất, tương ứng với các đơn vị đo lường và đơn vị thể tích.

Lưu lượng chất được đo bằng thể tích trên đơn vị thời gian:

  (3.1) Đơn vị đo: m 3 /s; m 3 /giờ; lít/s; lít/ giờ;

Lưu lượng được tính bằng trọng khối trên đơn vị thời gian: m

Hoặc lưu lượng trung bình trong khoảng thời gian:

∆t = t2 – t1 (3.3) Đơn vị đo: kg/s; kg/ giờ; tấn/ giờ

Mối quan hệ giữa áp suất và vận tốc

Hình 7.2 Đặc tính vận tốc của dòng chảy qua ống dòng

Tổng năng lượng của một dòng chất lỏng bao gồm ba thành phần chính: áp suất, vận tốc và độ cao Mặc dù giá trị của từng thành phần có thể thay đổi, tổng năng lượng của chất lỏng sẽ không thay đổi trừ khi có năng lượng được thêm vào hoặc lấy đi.

Khi lưu lượng thể tích cố định đi qua một ống có đường kính nhỏ hơn, vận tốc chất lỏng sẽ tăng lên và áp suất sẽ giảm xuống Điều này xảy ra vì chất lỏng chuyển đổi năng lượng áp suất thành năng lượng vận tốc Do đó, tại những khu vực mà chất lỏng di chuyển nhanh nhất, áp suất sẽ thấp hơn.

Khi lựa chọn cảm biến lưu lượng, cần xem xét các yếu tố quan trọng như độ nhớt, khối lượng riêng và ma sát Độ nhớt, biểu thị cho ma sát nội tại của chất lỏng, ảnh hưởng trực tiếp đến chuyển động của chất lỏng khi chảy qua ống Càng cao độ nhớt, lực cản dòng chảy càng lớn, điều này cần được lưu ý để đảm bảo hiệu suất của hệ thống.

Khối lượng riêng, ma sát và độ nhớt có thể ảnh hưởng đến dạng dòng chảy trong ống.

Dòng chảy có thể được dự đoán bằng toán học thông qua các yếu tố như đường kính ống, vận tốc dòng chảy, khối lượng riêng và độ nhớt Hình 3.3 minh họa ba loại dòng chảy cơ bản với cùng một lưu lượng, nhưng khác nhau về các yếu tố khác Để đạt được các phép đo chính xác, hầu hết các thiết kế cảm biến lưu lượng dựa vào dòng chảy hỗn loạn đồng nhất.

Hình 7.4 Đặc tính vận tốc dòng chảy qua ống dẫn

Hiệu chuẩn khối lượng riêng

Khối lượng riêng được định nghĩa là khối lượng của một vật liệu trên mỗi đơn vị thể tích Đối với chất lỏng, khối lượng riêng phụ thuộc vào thành phần cấu tạo và nhiệt độ của nó.

Tỷ trọng (khối lượng riêng) của môi trường có ảnh hưởng đáng kể đến việc đo lưu lượng Trong quá trình sản xuất, tỷ trọng của môi trường không phải là hằng số, vì vậy việc hiệu chuẩn tỷ trọng là cần thiết để đảm bảo độ chính xác trong các phép đo.

Tỷ trọng của chất lỏng phụ thuộc vào nhiệt độ, vì vậy việc hiệu chỉnh sai số tỷ trọng có thể thực hiện bằng cách hiệu chuẩn nhiệt độ Trong trường hợp hơi nước bão hòa, áp suất và nhiệt độ có mối liên hệ chặt chẽ, ảnh hưởng đến đường biểu diễn của hơi nước bão hòa Do đó, chỉ cần hiệu chuẩn một trong hai đại lượng này để đạt được độ chính xác cần thiết.

Định nghĩa áp suất

7.1.5.1 Định nghĩa Áp suất là tỷ số giữa lực tác động vuông góc lên một mặt với diện tích của nó, là một đại lượng cơ bản để xác định trạng thái nhiệt động học của các chất p dF

Áp suất trong chất lỏng tác động lên cả vách đứng và đáy của thùng chứa, với lực tác dụng (N) và diện tích chịu lực (m2) được ký hiệu là dF và dA Áp suất khí quyển là áp suất đo được so với áp suất khí quyển, trong khi áp suất chân không được hiểu là áp suất tuyệt đối.

Pascal là áp suất phân bố đều trên bề mặt diện tích 1m2 với lực tác động vuông góc lên bề mặt đó là 1 Newton.

Theo nguyên lý làm việc, thiết bị đo áp suất được chia thành hai loại: áp suất chất lỏng và áp suất chất khí, với hai phương pháp đo là trực tiếp và gián tiếp Phương pháp đo trực tiếp cho phép áp suất tác động trực tiếp lên cảm biến, với các loại cảm biến như cảm biến áp điện, cảm biến áp từ và cảm biến áp trở Ngược lại, phương pháp đo gián tiếp dựa vào việc đo biến dạng của thành bình do áp suất tác động, sử dụng các cơ cấu dẫn động như lò xo ống, thanh dẫn ống, ống xiphong và màn đàn hồi để suy ra áp suất thông qua độ dịch chuyển.

Hình 7.5 Cảm biến dạng ống Bourdon

Cấu tạo cảm biến áp suất thường gồm 2 phần:

 Phần thứ nhất: bộ chuyển đổi áp suất thành một lực hoặc độ dịch chuyển.

Trong phần thứ hai, quá trình chuyển đổi lực hoặc độ dịch chuyển thành tín hiệu điện được thảo luận Việc đo áp suất chỉ áp dụng cho chất khí hoặc chất lỏng, với phương pháp đơn giản nhất là sử dụng thiết bị đo áp suất để xác định sự chênh lệch giữa áp suất cần đo và áp suất môi trường xung quanh Phương pháp phức tạp hơn là đo sai lệch áp suất giữa hai điểm mà không cần tính đến áp suất không khí.

Bộ phận tạo nên sự chênh lệch áp suất

Cảm biến lưu lượng phổ biến nhất hiện nay hoạt động dựa trên việc đo áp suất rơi trong một đoạn ống thu hẹp, mang lại độ chính xác cao cho các kết quả đo lường.

Hình 7.6 Cảm biến đo lưu lượng dựa vào áp suất

Nguyên lý đo lường dựa vào áp suất của chất lỏng chuyển động tỷ lệ với lưu lượng Áp suất được xác định thông qua cảm biến áp suất, cho phép tính toán chiều chuyển động của chất đo và lưu lượng một cách chính xác.

Cảm biến lưu lượng kiểu tấm đục lỗ hoạt động bằng cách hạn chế diện tích bề mặt dịch chuyển trong ống, dẫn đến giảm áp suất trong dòng chảy Thiết bị này cần hai lỗ áp suất, một ở phía trên và một ở phía dưới, để tạo ra sự chênh lệch áp suất Lưu lượng được tính toán dựa trên chênh lệch áp suất giữa hai lỗ này theo công thức cụ thể.

Q – Lưu lượng (m 3 )C – Hệ số giải phóng

A: Mật độ diện tích d: Mật độ trọng lượng của chất lỏng

P 1 , P 2 là sai lệch áp suất trong ống g: Gia tốc rơi tự do Áp suất P1 < P2

Hình 7.7 Cảm biến lưu lượng kiểu ống Venturi

Cảm biến lưu lượng dựa vào áp suất sử dụng ống Venture để tạo ra áp suất sai lệch, như minh họa trong hình 3.6 Ống Venture hoạt động như một bộ hạn chế, làm tăng tốc độ chất lỏng trong vùng bị hạn chế, dẫn đến áp suất giảm Lưu lượng chất lỏng tỉ lệ thuận với sự sai lệch áp suất giữa hai điểm P2 và P1 Mặc dù cảm biến lưu lượng ống Venture thường giữ dòng chảy êm hơn, nhưng cả cảm đĩa màng và ống Venture đều gây ra giảm áp suất trong ống.

Hình 7.8 Ứng dụng cảm biến Venture thực tế

Cảm biến lưu lượng dựa vào áp suất sử dụng ống Pitot, một ống hở nhỏ được đưa vào dòng chảy Đầu đo bao gồm hai ống: một ống đo áp suất động (đầu tốc) và một ống mở vuông góc với dòng chảy để đo áp suất tĩnh Sự chênh lệch giữa áp suất động và áp suất tĩnh tỷ lệ thuận với tốc độ, từ đó xác định lưu lượng Ống Pitot thường được ứng dụng trong bộ chỉ thị áp suất của máy bay và tàu hỏa.

Hình 7.9 Cảm biến lưu lượng kiểu ống Pitot

Bộ phận đo sự chênh lệch áp suất

Loại 2 đồng hồ đo Loại một đồng hồ đo

Đồng hồ đo chênh áp suất được sử dụng để đo sự chênh lệch áp suất giữa hai phía của đường ống hoặc thiết bị cảm biến Một đồng hồ được đặt trước vùng giới hạn và đồng hồ còn lại ở vị trí có dòng chảy hẹp nhất, nơi có vận tốc cao nhất Vận tốc dòng chảy qua vùng giới hạn có thể được tính toán dựa trên sự chênh lệch áp suất, nếu biết trước các đặc tính của chất lỏng Đặc biệt, khi lưu lượng chất lỏng tăng gấp đôi, độ chênh lệch áp suất sẽ tăng lên bốn lần, cho thấy mối quan hệ giữa áp suất và lưu lượng là hàm căn bậc hai.

Mạch ứng dụng

Trong công nghiệp, cảm biến áp suất dùng để đo áp lực của dầu, lò nhiệt, áp suất nước, nồi hơi, đo lưu lượng dòng chảy trong ống dẫn

Cảm biến đo áp suất của Siemens SITRANS

Hình 7.11 Lắp đặt cảm biển trong bình kín

Cảm biến đo áp suất model

Cảm biến đo áp suất model SITRANS P250 (7MF1641) của Siemens

Cảm biến đo chênh áp model E8Y của nhà sản xuất OMRON

Hình 7.12 Một số cảm biến của các hãng

Cảm biến lưu lượng đóng vai trò quan trọng trong việc đo đếm và kiểm kê, đồng thời hỗ trợ tự động hóa quy trình sản xuất Hiểu rõ phương pháp đo và các đặc tính của thiết bị đo lưu lượng là điều cần thiết để tối ưu hóa hiệu suất trong các ứng dụng công nghiệp.

Lưu lượng kế là thiết bị quan trọng để đo lưu lượng chất khí, chất lỏng và hỗn hợp khí-lỏng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp như thực phẩm, dầu khí, hóa chất, sản xuất giấy, điện và xi măng Trên thị trường hiện có nhiều loại lưu lượng kế phù hợp cho cả ứng dụng công nghiệp và dân dụng Việc lựa chọn loại cảm biến phù hợp thường dựa vào các đặc tính của chất lỏng như dòng chảy một hay hai pha, độ nhớt, và yêu cầu về độ chính xác Ngoài ra, dạng dòng chảy, dải lưu lượng và các yếu tố cơ khí như kết nối đầu ra cũng ảnh hưởng đến quyết định này Độ chính xác của lưu lượng kế còn phụ thuộc vào môi trường đo, với các yếu tố như áp suất, nhiệt độ và tác động bên ngoài có thể làm sai lệch kết quả đo.

Cảm biến đo lưu lượng trong công nghiệp thường được lắp đặt trong môi trường có nhiễu cao và xung áp, yêu cầu chúng phải hoạt động ổn định và chính xác Để đảm bảo tín hiệu đo chính xác, các cảm biến này cần có khả năng bù nhiễu và xử lý xung điện áp hiệu quả Trong nhiều ứng dụng công nghiệp, giao diện truyền dẫn tín hiệu 4-20mA được sử dụng phổ biến giữa bộ truyền tín hiệu và thiết bị điều khiển.

Bộ truyền tín hiệu đo gắn với cảm biến lưu lượng có thể được cấp nguồn từ mạch vòng 4-20mA hoặc nguồn riêng Mạch vòng 4-20mA yêu cầu thiết bị hoạt động độc lập với nguồn cấp, ngoại trừ những vi điều khiển tiêu thụ ít điện Kết nối truyền số liệu số, như giao diện bus trường (Profibus, I/O Link) hoặc kết nối không dây, đang ngày càng phổ biến nhờ giảm thời gian khởi động và cho phép giám sát liên tục, chẩn đoán lỗi Những yếu tố này cải thiện đáng kể năng suất và hiệu quả hệ thống tự động hóa.

Cảm biến lưu lượng được chia thành bốn nhóm chính dựa trên nguyên lý hoạt động, bao gồm cảm biến lưu lượng chênh lệch áp suất, cảm biến lưu lượng điện từ, cảm biến lưu lượng Coriolis và cảm biến lưu lượng siêu âm Bài viết này sẽ cung cấp cái nhìn tổng quát về nguyên tắc hoạt động, ưu nhược điểm, cũng như các đặc tính của các loại cảm biến lưu lượng cho chất lỏng và khí, nhằm hỗ trợ người dùng trong việc lựa chọn cảm biến phù hợp cho ứng dụng của mình.

Cảm biến lưu lượng dựa vào chênh lệch áp suất

Lưu lượng kế hoạt động theo nguyên lý Bernoulli, dựa vào sự chênh lệch áp suất tại các điểm thắt trong dòng chảy để tính toán vận tốc dòng chảy Các cảm biến lưu lượng này thường được thiết kế dưới dạng lỗ orifice, ống pitot và ống venture.

Cảm biến tâm lỗ orifice tạo ra nút thắt trong dòng chảy, khiến vận tốc chất lỏng ra khỏi lỗ lớn hơn vận tốc đến lỗ, theo định luật bảo toàn khối lượng Nguyên lý Bernoulli cho thấy áp suất tại mặt vào cao hơn mặt ra, và việc đo sự chênh lệch áp suất này cho phép xác định trực tiếp vận tốc dòng chảy Từ vận tốc dòng chảy, có thể tính toán lưu lượng thể tích của chất lỏng.

Cảm biến lưu lượng chênh lệch áp suất kiểu lỗ tròn (orifice) hoạt động dựa trên sự chênh lệch áp suất giữa hai điểm trước và sau lỗ tròn, ký hiệu là Δp = p1 - p2 Lưu lượng thể tích Q được tính toán từ biểu thức Q = KΔp, trong đó K là hệ số phụ thuộc vào tỷ trọng chất lỏng, đường kính ống và kích thước lỗ orifice Áp suất trước tấm lỗ là p1 và áp suất sau tấm lỗ là p2, giúp xác định chính xác lưu lượng chất lỏng qua hệ thống.

Khi chọn lựa, lắp đặt thiết bị đo lưu lượng loại này trong ứng dụng công nghiệp cần lưu ý các điểm sau:

- cảm biến được chế tạo dựa trên công nghệ cổ điển, hoạt động ổn định-bền vững, dễ bảo trì- bảo dưỡng;

- phù hợp cho dòng chảy hỗn hợp;

- độ chính xác thấp ở dải lưu lượng nhỏ;

- sử dụng kỹ thuật đo lưu lượng chiết tách trong một đoạn ống dẫn, vì vậy đỏi hỏi phải tiêu hao thêm năng lượng khi chạy bơm;

Để đảm bảo hiệu quả trong quá trình đo lường, việc xác định chính xác vị trí lắp đặt tấm lỗ orifice là rất quan trọng Cần chú ý đến điểm trích lỗ đo áp suất ở đầu nguồn và điểm trích lỗ đo áp suất phía hạ nguồn của dòng chảy Điều này giúp đảm bảo độ chính xác và tin cậy của các thông số đo được.

Cảm biến lưu lượng điện từ

Cảm biến lưu lượng điện từ hoạt động dựa trên định luật Faraday, dùng để đo dòng chảy của chất lỏng dẫn điện Hai cuộn dây điện từ tạo ra từ trường mạnh cắt ngang ống dẫn, và khi chất lỏng chảy qua, sẽ sinh ra điện áp cảm ứng Điện áp này được thu thập bởi hai điện cực đặt ngang ống, với tốc độ dòng chảy tỷ lệ trực tiếp với biên độ điện áp cảm ứng đo được.

Cuộn dây tạo ra từ trường B có thể được kích hoạt bằng nguồn AC hoặc DC Khi sử dụng nguồn AC 50Hz, cuộn dây nhận tín hiệu xoay chiều, giúp giảm dòng tiêu thụ so với nguồn DC Tuy nhiên, phương pháp kích hoạt bằng nguồn AC cũng có những hạn chế riêng.

AC rất nhạy cảm với nhiễu, dẫn đến sai số trong tín hiệu đo Sự trôi lệch điểm “không” là một vấn đề lớn với hệ đo nguồn AC, khó có thể căn chỉnh Do đó, việc sử dụng phương pháp kích hoạt bằng nguồn xung DC cho cuộn dây từ trường là giải pháp hiệu quả, giúp giảm dòng tiêu thụ và hạn chế các vấn đề bất lợi liên quan đến nguồn AC.

Cảm biến lưu lượng điện từ hoạt động dựa trên nguyên lý điện áp cảm ứng, với công thức E=KDBv, trong đó B là từ trường, D là chiều dài chất dẫn điện, v là vận tốc dòng chảy, và K là hệ số Khi lắp đặt cảm biến lưu lượng điện từ, cần chú ý đến các yếu tố quan trọng để đảm bảo hiệu suất và độ chính xác của hệ thống.

- chỉ có thể đo chất lỏng có khả năng dẫn điện;

- sự chọn lựa các điện cực thay đổi tùy thuộc vào độ dẫn điện, cấu tạo đường ống và cách lắp đặt;

- không có tổn hao trong hệ áp suất, nên cần lưu ý đến dải đo lưu lượng thấp;

Cảm biến đo lưu lượng chất lỏng ăn mòn, dơ bẩn và đặc sệt như xi măng hay thạch cao rất phù hợp vì không có các bộ phận lắp đặt bên trong ống dẫn.

- độ chính xác cao, sai số ±1% dải chỉ thị lưu lượng;

Cảm biến lưu lượng Coriolis là thiết bị đo lưu lượng khối lượng của chất lỏng trong ống dẫn, rất phổ biến trong ngành công nghiệp Chúng có thể được lắp đặt bằng ống thẳng đơn hoặc ống đôi cong Ống thẳng đơn dễ dàng chế tạo và bảo trì, nhưng nhạy cảm với nhiễu và tác động bên ngoài Ngược lại, ống đôi cong giúp loại bỏ nhiễu nhờ vào sự dao động ngược pha của hai ống dẫn, từ đó cải thiện độ chính xác trong kết quả đo.

Thí nghiệm 1: Cảm biến ánh sáng sử dụng quang trở (LDR)

Hình ảnh linh kiện trên board thực nghiệm:

Khi ánh sáng chiếu vào LDR bị chặn, transistor Q1 sẽ đóng lại và transistor Q2 sẽ thông, dẫn đến việc LED D1 được nối đất và phát sáng Để điều chỉnh độ nhạy của mạch, bạn có thể thay đổi giá trị của R3.

Thí nghiệm 2: Cảm biến ánh sáng sử dụng transistor quang

Ta thấy sơ đồ này cũng gần giống như sơ đồ ở thí nghiệm 1, chỉ thay LDR bằng transistor quang.

Thí nghiệm 3: Cảm biến ánh sáng sử dụng diode quang

Sơ đồ mạch điện tử trong bài 2 tương tự như sơ đồ của thí nghiệm 1, với sự thay thế LDR bằng diode quang Để thực hiện lắp ráp, cần kết nối cực dương của diode quang với chân base của transistor Q1 Bài học này giúp người học tìm hiểu và thực hành các mạch điện tử sử dụng cảm biến lân cận.

Bài 3 Tìm hiểu và thực hành lắp ráp một số mạch sử dụng cảm biến nhiệt độ

Cảm biến nhiệt độ NTC

1 Cảm biến nhiệt điện trở và mạch điện ứng dụng

1.1 Cảm biến nhiệt điện trở

Nhiệt điện trở và cặp nhiệt ngẫu biến là hai loại cảm biến quan trọng, chuyển đổi sự thay đổi nhiệt độ thành các tín hiệu điện Nhiệt điện trở biến đổi nhiệt độ thành điện trở, trong khi cặp nhiệt ngẫu biến chuyển đổi nhiệt độ thành sức điện động Cả hai đều thuộc loại phần tử phi tuyến, đóng vai trò quan trọng trong các ứng dụng đo lường và điều khiển nhiệt độ.

Phương pháp đo nhiệt trở sử dụng nhiệt trở RTH kết nối với hai dây đo, cho phép dòng điện chảy qua và kết quả được đọc trên vạch chia Ohm Ở nhiệt độ 25 độ C, kim chỉ 47K Khi làm nóng nhiệt trở RTH, kim trên vạch chia Ohm sẽ giảm dần, cho thấy nhiệt độ tăng làm giảm nội trở của nhiệt trở (do đây là loại nhiệt trở âm) Dấu hiệu này cho biết nhiệt trở đang hoạt động tốt.

1.2 Mạch cảm biến dùng nhiệt điện trở a Sơ đồ mạch điện

Hình 1.1 Sơ đồ mạch đo nhiệt độ b Tác dụng của các linh kiện

 Trong mạch có một số linh kiện sau: Cảm biến nhiệt điện trở, biến trở (VR1), IC LM741, Transistor C2383 và rơ le (RL1), Đi ôt, các điện trở

 IC LM741: là IC làm nhiệm vụ so sánh tín hiệu.

 VR1, R2, R3: tạo điện áp chuẩn đưa vào mạch so sánh trong đó VR1 điều chỉnh độ nhạy.

 R1: Cùng với nội trở của cảm biến tạo thành mạch phân áp đưa ra giá trị điện áp trên R3 để đưa vào so sánh với điện áp chuẩn.

 R4, R5: Cấp tín hiệu điều khiển cho Q1

 R6:Điện trở tải mắc chân E (hay hạn dòng cho Q1)

 D1: Bảo vệ cho Q1 (ngắn mạch dòng phóng của cuộn Rơle khi Q1 ngắt).

 Q1: Đóng vai trò khóa chuyển mạch cấp dòng cho cuộn hút của Rơle

 Rơle: Đóng mở tiếp điểm cung cấp điện cho tải

 Cảm biến nhiệt điện trở (sensor1): Nhận nhiệt độ của môi trường c Nguyên lý hoạt động

 Khi điện trở nhiệt bị tác động từ bên ngoài kết hợp với R1 tạo thành mạch phân áp đưa tín hiệu về chân 2 (đầu vào đảo) của IC LM741.

 R2 kết hợp với VR1, R3 tạo ra mạch phân áp và đưa điện áp đã được phân áp vào chân 3 (đầu vào ko đảo) của IC LM741.

Mạch IC LM741 thực hiện chức năng so sánh điện áp giữa chân 2 và chân 3 Khi điện áp ở chân 2 lớn hơn chân 3, đầu ra ở chân 6 sẽ đạt mức 1 Ngược lại, nếu điện áp ở chân 2 nhỏ hơn chân 3, đầu ra chân 6 sẽ giảm xuống mức 0.

Khi chân 6 đạt mức 1, nó sẽ kích hoạt Q1, làm cho rơle chuyển đổi các cặp tiếp điểm từ trạng thái thường đóng sang mở và từ thường mở sang đóng Ngược lại, khi chân 6 giảm xuống 0, Q1 sẽ không hoạt động và rơle cũng sẽ ngừng hoạt động đóng mở.

Hình 1.2 Sơ đồ lắp ráp

TT Tên đồ dùng và trang thiết bị dạy học Đơn vị tính Số lượng Ghi chú

1 Phương tiện dạy học: Hồ sơ giảng dạy, bảng trình tự, máy Projecter, máy tính.

- Bàn hàn, kẹp bo mạch

- Board mạch in tự chế tạo

- Đồng hồ đo vạn năng VOM

- Chổi lông lau rửa mạch in

- Hộp đựng dụng cụ, linh kiện

- Bộ dụng cụ điện dự phòng (tuốc lô vít các

Bộ 07 loại, kìm điện các loại, bút thử điện…)

3 Nguyên, nhiên, vật liệu tiêu hao:

TT CÔNG VIỆC THAO TÁC YÊU CẦU KỸ

Kiểm tra trực quan bằng mắt theo bảng danh mục linh kiện và vị trí lắp ráp linh kiện.

Phân loại theo thông số và chủng loại

Tránh làm gẫy chân linh kiện

2 Lắp ráp và hàn mạch

Gắn lần lượt các linh kiện lên bản mạch theo bản vẽ thiết kế. Đúng vị trí, chính xác.

Lắp linh kiện theo trình tự từ nhỏ đến lớn.

Uốn chân linh kiện Lắp ráp các linh kiện rời.

Hàn mạch Cắt chân linh kiện đẹp, không bong.

Lượng thiếc vừa đủ, đảm bảo độ ngấu thiếc. Đảm bảo độ cao theo yêu cầu kỹ thuật.

Kiểm tra trực quan toàn bộ theo sơ đồ Đo thông mạch Lắp IC, cảm biến vào đế

Quan sát kỹ để xác nhận độ chuẩn xác, kiểm tra mạch có bị chập, bong hoặc đứt

Làm vệ sinh bản mạch sau khi hàn.

Lắp IC đúng chiều, không làm cong chân IC.

4 Cấp nguồn và quan sát

Quan sát trạng thái tác động cảm cảm biến qua đèn LED

Kết luận Đúng trình tự, đúng cực tính. Đảm bảo an toàn

Hoàn thiện các thông tin trên bảng Báo cáo thực hành. Đầy đủ, có tính xác thực

2.3 Những lỗi thường gặp và biện pháp phòng tránh.

TT Hiện tượng Nguyên nhân Biện pháp khắc phục Yêu cầu

1 Mạch không chạy Hàn không tiếp xúc Hàn lại Đúng kỹ thuật Đúng cực tính

Mạch hoạt động nhưng không đạt yêu cầu

- Điều chỉnh VR1 chưa đúng yêu cầu.

- Nguồn nuôi không ổn định

- Thay thế nguồn nuôi Đúng kỹ thuật

Bảng danh mục giá trị điện trở

VỊ TRÍ LẮP RÁP LINH KIỆN TRÊN BO

Thực hành cảm biến nhiệt độ LM35

The LM35 temperature sensor accurately measures temperature in degrees Celsius, with its output voltage linearly corresponding to the temperature range of -55˚C to +150˚C This sensor operates with low self-heating and requires a supply voltage between 4 to 30 volts In temperature sensor circuits, the LM35 is often paired with operational amplifiers, specifically the IC741, which functions as a non-inverting amplifier The circuit features two input terminals—non-inverting (+) and inverting (-)—and a single output pin, allowing for the amplification of the voltage difference between the input terminals.

Bài 4 Tìm hiểu và thực hành lắp ráp một số mạch sử dụng cảm biến vị trí và dịch chuyển

Bài 5 Tìm hiểu và thực hành lắp ráp một số mạch sử dụng cảm biến lực và trọng lượng.

Thực hành với cảm biến đo lưu lượng (nguyên tắc tần số dòng xoáy) của hãng KROHNE Messtechnik GmbH

Ghi nhận các thông số của cảm biến OPTISWIRL 4070 C

- Ghi nhận các thông số kỹ thuật của cảm biến OPTISWIRL 4070 C.

- Cảm biến OPTISWIRL 4070 C (sử dụng để đo lưu lượng của khí, hơi nước và chất lỏng). Đo lưu lượng với giới hạn vận tốc:

+ Tốc độ 0,3 đến 9 m/s cho chất lỏng.

+ Tốc độ 3 đến 80 m/s cho khí và hơi nước Đo lưu lượng nước

- Tài liệu Quick Start Manual kèm theo thiết bị cảm biến.

Ghi nhận các thông số kỹ thuật

Dạng cảm biến Đường kính danh định của cảm biến: Điện áp hoạt động:

Vẽ sơ đồ kết nối cảm biến

BÀI GIẢNG KỸ THUẬT CẢM BIẾN

Các ghi chú khi thực hành

Thiết lập các thông số cho cảm biến OPTISWIRL 4070 C

- Thực hiện được các thiết lập khác nhau cho cảm biến OPTISWIRL 4070 C. Thiết bị

Khảo sát chức năng các phím

(Các phím 1, 2, 3 tác động bằng thanh nam châm)

BÀI GIẢNG KỸ THUẬT CẢM BIẾN

Chuyển từ chế độ Measuring mode đến chế độ Main menu Di chuyển giữa các cấp menu (theo chiều xuống)

↑ Ở chế độ Measuring mode: di chuyển từ giá trị và thông báo lỗi Di chuyển giữa các mục menu trong một cấp menu.

Khi thiết lập các thông số cài đặt: Thay đổi giá trị, di chuyển giữa các ký tự, di chuyển dấu chấm về bên phải (dấu thập phân).

↵ Di chuyển giữa các cấp menu (theo chiều lên).

Khi thiết lập các thông số cài đặt: Quay trở lại chế độ Measuring mode

Thực hiện các thiết lập sau:

- Chọn ngôn ngữ: English (cấp menu 1.1.1)

- Tên khu vực đặt cảm biến (cấp menu 1.1.2)

- Chọn dạng đơn vị đo lưu lượng: lưu lượng thể tích (Volume measurement) (cấp menu 1.1.3)

BÀI GIẢNG KỸ THUẬT CẢM BIẾN

- Đơn vị đo: m3/h (cấp menu 1.1.4)

- Giá trị lưu lượng đo lớn nhất: 5,7 m3/h (cấp menu 1.1.1)

- Trình bày giá trị đo với đơn vị đo tuyệt đối (m3/h) hay tương đối (%): chọn m3/ h

- Giá trị lưu lượng nhỏ nhất: 0,36 m3/h (cấp menu 1.1.5)

- Thiết lập thông số loại lưu chất cảm biến phải đo là chất lỏng (cấp menu 3.4.1).

3 4.3 Đo lưu lượng nước với cảm biến OPTISWIRL 4070 C Yêu cầu

- Thực hiện lắp đặt cảm biến OPTISWIRL 4070 C đúng các tiêu chuẩn kỹ thuật Thiết bị

- Hệ thống ống dẫn nước.

- Hệ thống ống dẫn nước có đường kính trong 0,62 mm.

- Máy bơm, van và các thiết bị cần thiết khác.

Lắp đặt cảm biến vào đường ống dẫn nước

- Kích thước chi tiết của cảm biến (Flange version ASME B16.5)

BÀI GIẢNG KỸ THUẬT CẢM BIẾN

DN (Đường kính danh định) d (m

- Đường kính của miếng đệm, ống dẫn lưu chất, và cảm biến cần bằng nhau.

1: Đường kính trong ống dẫn lưu chất

2: Đường kính trong của miếng đệm

3: Đường kính trong của cảm biến

BÀI GIẢNG KỸ THUẬT CẢM BIẾN

Độ dài tối thiểu của các đoạn ống dẫn lưu chất thẳng trước và sau vị trí lắp cảm biến cần được đảm bảo, không được có khớp nối, sự thay đổi đường kính ống hay van để đảm bảo tính chính xác và hiệu quả của cảm biến.

+ Độ dài đoạn ống trước cảm biến: