Đang tải... (xem toàn văn)
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.
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 Những nguyên lý đặc trưng đo 1.1.Định nghĩa đặc trưng đo 1.1.1 Định nghĩa Cảm biến thiết bị điện tử cảm nhận trạng thái hay q trình vật lý hay hóa học mơi trường cần khảo sát, biến đổi thành tín hiệu điện để thu thập thông tin trạng thái hay trình Các đại lượng cần đo (m) thường khơng có tính chất điện (như nhiệt độ, áp suất ) tác động lên cảm biến cho ta đặc trưng (s) mang tính chất điện (như điện tích, điện áp, dịng điện trở kháng) chứa đựng thơng tin cho phép xác định giá trị đại lượng đo Đặc trưng (s) hàm đại lượng cần đo (m) Người ta gọi (s) đại lượng đầu phản ứng cảm biến, (m) đại lượng đầu vào hay kích thích (có nguồn gốc đại lượng cần đo) Thông qua đo đạc (s) cho phép nhận biết giá trị (m) Nguyên lý: Phần lớn cảm biến làm việc theo nguyên lý biến đổi tham số vật lý (nhiệt độ, áp suất, lưu lượng…) thành tín hiệu điện Hình 1.1: Mơ hình mạch cảm biến Phương trình mơ tả quan hệ đáp ứng y kích thích x cảm biến có dạng sau: y = f(x) (1) mối quan hệ công thức (1) thường phức tạp có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến mối quan hệ đáp ứng – kích thích Ngày nay, trình điều khiển đặc trưng biến trạng thái vi xử lý thu thập tín hiệu Đầu cảm biến đưa ghép nối với cấu chấp hành nhằm tác động lên trình (đối tượng) điều khiển Hình 1.2: Hệ thống điều khiển tự động trình Trên sơ đồ hình 2, cảm biến đóng vai trị cảm nhận, đo đạc đánh giá thông số hệ thống, vi xử lý làm nhiệm vụ xử lý thơng tin đưa tín hiệu điều khiển trình Cấu trúc mạch điện cảm biến bao gồm: Mạch cảm biến: cảm nhận tín hiệu cảm biến chuyển đổi thành tín hiệu điện Bộ khuếch đại thuật tốn: khuếch đại chiều có hệ số khuếch đại lớn tổng trở vào nhỏ Hình 1.3: Sơ đồ mạch điện vào/ 1.1.2 Các hiệu ứng vật lý 1.2 Phân loại cảm biến 1.2.1 Phân loại theo nguyên lý chuyển đổi đáp ứng kích thích Hiện tượng vật lý: - Nhiệt điện - Quang điện - Quang từ - Điện từ - Quang đàn hồi - Từ điện - Nhiệt từ Hiện tượng hoá học: - Biến đổi hoá học - Biến đổi điện hố - Phân tích phổ - Biến đổi sinh hoá Hiện tượng sinh học : - Biến đổi vật lý - Hiệu ứng thể sống Phát độ suốt khay Kiểm tra mức dung dịch bể chứa Phát độ trùng Phát lốp xe Kiểm soát độ căng băng tải cao su Phát vị trí chất nến thủy tinh cịn lại băng cassette Hình 1.4: Một số ứn dụng cảm biến 1.2.2 Phân loại theo dạng kích thích Âm thanh: - Biên pha, phân cực - Phổ - Tốc độ truyền sóng Điện: - Điện tích, dịng điện - Điện thế, điện áp - Điện trường (biên, pha, phân cực, phổ) - Điện dẫn, số điện môi Từ: - Từ trường (biên, pha, phân cực, phổ) - Từ thông, cường độ từ trường - Độ từ thẩm Quang: - Biên, pha, phân cực, phổ - Tốc độ truyền - Hệ số phát xạ, khúc xạ - Hệ số hấp thụ, hệ số xạ Cơ: - Vị trí - Lực, áp suất - Gia tốc, vận tốc - Ứng suất, độ cứng - Mô men: - Khối lượng, tỉ trọng - Vận tốc chất lưu, độ nhớt Nhiệt: - Nhiệt độ - Thông lượng - Nhiệt dung, tỉ nhiệt Bức xạ: - Kiểu - Năng lượng - Cường độ 1.2.3 Phân loại theo tính - Độ nhạy - Độ xác - Độ phân giải - Độ chọn lọc - Độ tuyến tính - Cơng suất tiêu thụ - Dải tần - Độ trễ - Khả tải - Tốc độ đáp ứng - Độ ổn định - Tuổi thọ - Điều kiện môi trường - Kích thước, trọng lượng 1.2.4 Phân loại theo phạm vi sử dụng - Công nghiệp - Nghiên cứu khoa học - Mơi trường, khí tượng - Thơng tin, viễn thơng - Nông nghiệp - Dân dụng - Giao thông - Vũ trụ - Quân 1.2.5 Phân loại theo đặc tính 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 chiều tốc kế quang - Cảm biến lân cận: gồm chuyển mạch giới hạn, chuyển mạch lân cận quang chuyển mạch tín hiệu Hall Cảm biến thu phát chung không cần gương phản xạ Cảm biến cáp quang Hình 1.6: Cảm biến 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: 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 bao gồm: cảm biến lưu lượng kiểu đục lỗ, kiểu ống Pilot, kiểu ống Venturi, cảm biến lưu lượng kiểu tua bin cảm biến lưu lượng kiểu từ - Cảm biến đo mức bao gồm: cảm biến tương tự cảm biến rời rạc 1.2.6 Phân loại theo thông số cảm biến + Cảm biến tích cực có đầu nguồn áp nguồn dòng + Cảm biến thụ động đặc trưng thông số R, L, C, M tuyến tính phi tuyến 1.2.7 Phân loại theo nguyên lý hoạt động • • Cảm biến điện trở: Hoạt động dựa theo di chuyển chạy góc quay biến trở, thay đổi điện trở co giãn vật dẫn Cảm biến cảm ứng: • Cảm biến biến áp vi phân: Cảm biến vị trí (Linear variable differential transformer, LVDT) • Cảm biến cảm ứng điện từ: antenna • Cảm biến dịng xốy: Các đầu dò máy dò khuyết tật kim loại, máy dị mìn • Cảm biến cảm ứng điện động: chuyển đổi chuyển động sang điện microphone điện động, đầu thu sóng địa chấn (Geophone) • Cảm biến điện dung: Sự thay đổi điện dung cảm biến khoảng cách hay góc đến vật thể kim loại thay đổi • Cảm biến điện trường: • Cảm biến từ giảo (magnetoelastic): dùng • Cảm biến từ trường: Cảm biến hiệu ứng Hall, cảm biến từ trường dùng vật liệu sắt từ, dùng từ kế • Cảm biến áp điện: Chuyển đổi áp suất sang điện dùng gốm áp điện titanat bari, microphone thu âm, hay đầu thu sóng địa chấn nước (Hydrophone) máy Sonar • Cảm biến quang: Các cảm biến ảnh loại CMOS hay cảm biến CCD camera, photodiode vùng phổ khác dùng nhiều lĩnh vực Ví dụ đơn giản đầu dò giấy khay máy in làm photodiode Chúng nhóm đầu bảng dùng phổ biến, nhỏ gọn tin cậy cao • Cảm biến huỳnh quang, nhấp nháy: Sử dụng chất phát quang thứ cấp để phát xạ lượng cao hơn, kẽm sulfua • • Cảm biến điện hóa: Các đầu dị ion, độ pH, Cảm biến nhiệt độ: Cặp lưỡng kim, dạng linh kiện bán dẫn Precision Temperatur Sensor LM335 có hệ số 10 mV/°K 1.2.8 Cảm biến chủ động bị động Cảm biến chủ động cảm biến bị động phân biệt nguồn lượng dùng cho phép biến đổi lấy từ đâu • Cảm biến chủ động không sử dụng điện bổ sung để chuyển sang tín hiệu điện Điển hình cảm biến áp điện làm vật liệu gốm, chuyển áp suất thành điện tích bề mặt Các an-ten thuộc kiểu cảm biến chủ động • Cảm biến bị động có sử dụng điện bổ sung để chuyển sang tín hiệu điện Điển hình photodiode có ánh sáng chiếu vào có thay đổi điện trở tiếp giáp bán dẫn p-n phân cực ngược Câc cảm biến biến trở thuộc kiểu cảm biến bị động 10 IC Cấp nguồn cho mạch Quan sát trạng thái tác Cấp nguồn Đúng trình động cảm cảm biến qua quan sát cực tính đèn LED tự, Đảm tồn bảo an Kết luận Hồn thiện thơng tin Hồn thiện Đầy đủ, có tính xác bảng Báo cáo thực báo cáo thực hành 2.3 Những lỗi thường gặp biện pháp phịng tránh TT Hiện tượng Mạch khơng chạy Mạch hoạt động không đạt yêu cầu Biện pháp Nguyên nhân khắc phục Hàn không tiếp xúc Hàn lại - Điều chỉnh VR1 chưa - Kiểm tra lại yêu cầu - Thay nguồn - Nguồn nuôi không ổn nuôi định Yêu cầu Đúng kỹ thuật Đúng cực tính Đúng kỹ thuật Bảng danh mục giá trị điện trở T T TÊN, GIÁ TRỊ - Transistor C2383 - Điện trở 10Ω – 1/4W - Điện trở 100Ω – 1/4W - Điện trở 2.2KΩ – 1/4W - Điện trở 10KΩ – 1/4W - Biến trở VR 100KΩ LINH KIỆN VỊ TRÍ LẮP RÁP LINH KIỆN TRÊN BO MẠCH IN 146 - IC471 - D 1N4148 - Rơ le 10 - Điện trở nhiệt 11 - Jắc cắm 12 - Cầu 13 - Dây nối 147 Thực hành cảm biến nhiệt độ LM35 The LM35 temperature sensor is used to detect precise centigrade temperature The output of this sensor changes describes the linearity The o/p voltage of this IC sensor is linearly comparative to the Celsius temperature The operating voltage range of this LM35 ranges from-55˚ to +150˚C and it has low-self heating This is operated under to 30 volts The most extensively used electronic devices are operational amplifiers, which are certain kind of differential amplifiers Temperature sensor circuit has terminals such as two inputs like non-inverting (+) and inverting (-) and only one output pin Operational amplifier IC741 is used as a non-inverting amplifier The variation between the i/p terminals amplifies the circuit Bài Tìm hiểu thực hành lắp ráp số mạch sử dụng cảm biến vị trí dịch chuyển Bài Tìm hiểu thực hành lắp ráp số mạch sử dụng cảm biến lực trọng lượng Thực hành với cảm biến đo lưu lượng (nguyên tắc tần số dịng xốy) hãng KROHNE Messtechnik GmbH Ghi nhận thơng số cảm biến OPTISWIRL 4070 C Mục đích - Yêu cầu 148 - Ghi nhận thông số kỹ thuật cảm biến OPTISWIRL 4070 C Thiết bị - Cảm biến OPTISWIRL 4070 C (sử dụng để đo lưu lượng khí, nước chất lỏng) Đo lưu lượng với giới hạn vận tốc: + Tốc độ 0,3 đến m/s cho chất lỏng + Tốc độ đến 80 m/s cho khí nước Đo lưu lượng nước + Qmin = 0,36 m /h + Qmax = 5,7 m /h - Tài liệu Quick Start Manual kèm theo thiết bị cảm biến Thực 149 Ghi nhận thông số kỹ thuật Nguồn gốc: Cơng ty: Dạng cảm biến Đường kính danh định cảm biến: Điện áp hoạt động: Dòng điện tiêu thụ: Vẽ sơ đồ kết nối cảm biến 150 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT CẢM BIẾN Các ghi thực hành Thiết lập thông số cho cảm biến OPTISWIRL 4070 C Yêu cầu - Thực thiết lập khác cho cảm biến OPTISWIRL 4070 C Thiết bị - Cảm biến OPTISWIRL 4070 C Thực Khảo sát chức phím 1, 5: Phím Enter 2, 6: Phím phải 3, 4: Phím lên 7: Màn hình hiển thị (Các phím 1, 2, tác động nam châm) Cấu trúc menu GIẢNG VIÊN: PHẠM THỊ THÙY DUNG Trang 151 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT CẢM BIẾN → Chuyển từ chế độ Measuring mode đến chế độ Main menu Di chuyển cấp menu (theo chiều xuống) Mở mục menu Ở chế độ Measuring mode: di chuyển từ giá trị thông báo lỗi Di chuyển mục menu cấp menu Khi thiết lập thông số cài đặt: Thay đổi giá trị, di chuyển ký tự, di chuyển dấu chấm bên phải (dấu thập phân) ↑ ↵ Di chuyển cấp menu (theo chiều lên) Khi thiết lập thông số cài đặt: Quay trở lại chế độ Measuring mode Thực 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) GIẢNG VIÊN: PHẠM THỊ THÙY DUNG Trang 152 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT CẢM BIẾN - Đơn vị đo: m /h (cấp menu 1.1.4) - Giá trị lưu lượng đo lớn nhất: 5,7 m /h (cấp menu 1.1.1) - Trình bày giá trị đo với đơn vị đo tuyệt đối (m /h) hay tương đối (%): chọn m /h (cấp menu 1.1.1) - Giá trị lưu lượng nhỏ nhất: 0,36 m /h (cấp menu 1.1.5) - Thiết lập thông số loại lưu chất cảm biến phải đo chất lỏng (cấp menu 3.4.1) 4.3 Đo lưu lượng nước với cảm biến OPTISWIRL 4070 C Yêu cầu - Thực lắp đặt cảm biến OPTISWIRL 4070 C tiêu chuẩn kỹ thuật Thiết bị - Cảm biến OPTISWIRL 4070 C - Hệ thống ống dẫn nước - Hệ thống ống dẫn nước có đường kính 0,62 mm - Máy bơm, van thiết bị cần thiết khác Thực Lắp đặt cảm biến vào đường ống dẫn nước - Kích thước chi tiết cảm biến (Flange version ASME B16.5) GIẢNG VIÊN: PHẠM THỊ THÙY DUNG Trang 153 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT CẢM BIẾN DN (Đường kính danh định) ½ d D L (m ) (m m) 0,62 3,54 l H a b c (m 5,67 10, (m 133 (m 105 (m 179 (mm 7,87 43 - Đường kính miếng đệm, ống dẫn lưu chất, cảm biến cần 1: Đường kính ống dẫn lưu chất 2: Đường kính miếng đệm 3: Đường kính cảm biến GIẢNG VIÊN: PHẠM THỊ THÙY DUNG Trang 154 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT CẢM BIẾN 1: Cảm biến 2: bu lông ốc 3: Miếng đệm - Độ dài tối thiểu đoạn ống dẫn lưu chất thẳng trước sau vị trí lắp cảm biến (khơng có: khớp nối, thay đổi đường kính ống, van) + Độ dài đoạn ống trước cảm biến: GIẢNG VIÊN: PHẠM THỊ THÙY DUNG Trang 155 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT CẢM BIẾN : ≥ 20 DN : ≥ 50 DN ≥ 20 DN ≥ 20 DN : ≥ 30 DN : ≥ 40 DN + Độ dài đoạn ống sau cảm biến Kết nối cảm biến với nguồn (như phần 3.4.1) Cho máy bơm nước hoạt động, nước chảy qua vị trí đo cảm biến Đọc giá trị lưu lượng hiển thị cảm biến Nộp báo cáo Kiểm tra số GIẢNG VIÊN: PHẠM THỊ THÙY DUNG Trang 156 ... Shielded (được bảo vệ) unshielded (không bảo vệ) Loại unshielded thường có tầm phát lớn loại shielded 43 Hình 5.10: Cảm biến tiệm cận điện cảm loại shielded Cảm biến tiệm cận điện cảm loại shielded... đếm vật đo tốc độ quay đĩa 23 Điều khiển trực tiếp Điều khiển gián tiếp Hình 2. 6 Dùng tế bào quang điện để điều khiển rơ le 2. 4 Photo Diode Điốt quang hay Photodiode loại Điốt đổi photon thành... mặt photodiode Hình 2. 7 Hình dáng ký hiệu 2. 4.1 Cấu tạo Photodiode quang làm số chất bán dẫn vùng phổ ánh sáng làm việc Phạm vi ánh sáng nhìn thấy đươc từ 380nm đến 780nm Photodiode quang có