Tổng Hợp Kiến Thức Ôn Tập Môn Kĩ Thuật Đo 2 (Đại lƣợng không điện) Phần A CÁC KHÁI NIỆM VÀ ĐẶC TRƢNG CƠ BẢN VỀ CẢM BIẾN I Khái niệm Cảm biến là thiết bị dùng để cảm nhận biến đổi các đại lượng vật lý.
Tổng Hợp Kiến Thức Ơn Tập Mơn Kĩ Thuật Đo (Đại lƣợng không điện) Phần A: CÁC KHÁI NIỆM VÀ ĐẶC TRƢNG CƠ BẢN VỀ CẢM BIẾN I Khái niệm - Cảm biến: thiết bị dùng để cảm nhận biến đổi đại lượng vật lý đại lượng khơng có tính chất điện cần đo thành đại lượng đo xử lý - Các đại lượng cần đo thường khơng có tính chất điện ( nhiệt độ, vận tốc, áp suất,…) tác động lên cảm biến cho ta đặc trưng mang tính chất điện (điện tích, điện áp, dịng điện, trở kháng,…) chứa đựng thông tin cho phép xác định giá trị cần đo II Cấu trúc dụng cụ đo không điện - Cảm biến (sensor): thu nhận biến đổi thay đổi đại lượng không điện thành thay đổi đại lượng điện đầura - Mạch đo: gia cơng tín hiệu từ khâu chuyển đổi cho phù hợp với cấu thị Bao gồm: khuếch đại, dịch mức, lọc, phối hợp trở kháng - Cơ cấu thị: hiển thị kết đo (Số, kim, điện tử) III ĐẶC TRƢNG CƠ BẢN Phƣơng trình chuyển đổi - Đại lượng điện(Y) ngõ chuyển đổi ln biểu diễn theo ngõ vào không điện (X) qua hàm f Y = f(X) - Tác dụng nhiễu: Y = f(X, X1, X2,…, Xn) - Trong X1, X2,… đại lượng nhiễu, điều kiện lý tưởng đại lượng Phƣơng pháp chuẩn cảm biến (Calibration) - Chuẩn cảm biến phép đo nhằm mục đích xác lập phương trình chuyển đổi cảm biến dạng phương trình dạng đồ thị - Thực phép đo với tín hiệu ngõ vào xi xác định để tìm ngõ yi → xây dựng đường đặc tính + Chuẩn đơn giản: đại lượng đo có đlvl tác động lên cảm biến ko nhạy với tác động đại lưởng ảnh hưởng Đo giá trị ngõ ứng với giá trị ngõ vào không đổi Tiến hành theo pp: chuẩn trực tiếp chuẩn gián tiếp + Chuẩn nhiều lần: áp dụng cảm biến có tính trễ, xây dựng đường đặc tính ngõ vào tăng lên xây dựng đường đặc tính ngõ vào giảm xuống Độ nhạy - Độ nhạy: tỷ số biến thiên đầu theo biến thiên đầu vào - Độ nhạy chủ đạo: Độ nhạy chủ đạo Sx lớn tức khả đo đại lượng biến thiên đầu vào nhỏ đồng nghĩa với chuyển đổi tốt - Độ nhạy phụ : Độ nhạy phụ SXi nhỏ tức ảnh hưởng đại lượng phụ (nhiễu) cảng nhỏ đồng nghĩa với chuyển đổi tốt - Độ chọn lựa: tỷ lệ độ nhạy chủ đạo độ nhạy phụ Cảm biến có Ki lớn tốt Ngƣỡng độ nhạy giới hạn đo - Ngưỡng độ nhạy: độ biến thiên lớn ngõ vào mà ngõ chưa thay đổi - Ngưỡng độ nhạy: độ biến thiên lớn ngõ vào mà ngõ chưa thay đổi Y = f(X + ∆0) ∆0 nhỏ tốt - Giới hạn đo: phạm vi biến thiên ngõ vào mà phương trình chuyển đổi cịn nghiệm * Khi lựa chọn cảm biến phải chọn cảm biến có giới hạn đo lớn khoảng muốn đo Độ tuyến tính Một cảm biến gọi tuyến tính dải đo xác định dải đo độ nhạy khơng phụ thuộc vào giá trị đo Nếu cảm biến không tuyến tính, người ta sử dụng mạch đo để hiệu chỉnh thành tuyến tính gọi tuyến tính hóa Đường thẳng tốt (Best Straight Line) Khi chuẩn cảm biến, người ta đo cặp giá trị ứng với ngõ ngõ vào {xi, yi} Lý tưởng giá trị nằm đường đặc trưng đường thẳng Thực nghiệm điểm không nằm đuờng thẳng mà nằm trên1 đường gọi đượng cong chuẩn Đường thẳng xây dựng từ kết thực nghiệm cho sai số nhỏ nhất: đường thẳng tốt Sai số - Sai số: sai lệch giá trị thực giá trị đo gồm sai số tuyệt đối sai số tương đối Có lọai sai số chủ yếu chuyển đổi đại lượng đo lường không điện: + Sai số phi tuyến: sai số xuất kết đo đặc tính chuyển đổi phi tuyến Khắc phục: tuyến tính hóa đặc tính chuyển đổi + Sai số phụ: sai số xuất ảnh hưởng đại lượng phụ Khắc phục: sử dụng cảm biến môi trường theo yêu cầu nhà sản xuất, Lọc nhiễu, Bù nhiễu, Phối hợp tổng trở v.v… + Sai số ngưỡng : sai số ngưỡng độ nhạy Sai số phụ thuộc vào cơng nghệ chế tạo nên khơng có cách khắc phục IV PHÂN LOẠI CẢM BIẾN Cảm biến phân loại theo tiêu chuẩn sau: Yêu cầu nguồn cung cấp: - Tích cực thụ động Trạng thái tín hiệu ra: - Tương tự số Trạng thái đo lƣờng - Trạng thái lệch cân Cảm biến tích cực - Cảm biến tích cực: địi hỏi cung cấp lượng bên ngịai hay tín hiệu kích thích để tác động - Các cảm biến hoạt động máy phát, đáp ứng điện áp, điện tích hay dòng điện - Nguyên lý chuyển đổi: dựa hiệu ứng vật lý biến đổi dạng lượng (nhiệt, xạ) thành lượng điện Bao gồm: Hiệu ứng nhiệt điện Hiệu ứng áp điện Hiệu ứng cảm ứng điện từ Hiệu ứng quang – điện – từ Hiệu ứng quang điện Hiệu ứng hoả điện Hiệu ứng Hall … Cảm biến thụ động - Nguyên lý: Phát tín hiệu đáp trả lại tác động kích thích bên ngịai mà khơng cần lượng cung cấp từ bên ngịai Ví dụ: cặp nhiệt điện, chuyển đổi áp điện… Chuyển đổi thụ động thường chế tạo từ trở kháng có thơng số chủ yếu nhạy với đại lượng cần đo Đáp ứng cảm biến điện trở, độ tự cảm điện dung Giá trị trở kháng phụ thuộc vào kích thước hình học, tính chất điện vật liệu chế tạo ( điện trở suất, độ từ thẩm, số điện môi) Cảm biến tƣơng tự số - Cảm biến tương tự: cung cấp tín hiệu liên tục cường độ, thời gian không gian Hầu hết giá trị đo lường vật lý mang tính chất tương tự Ví dụ : nhiệt độ, dịch chuyển, cường độ sáng - Cảm biến số: tín hiệu giữ trạng thái bước rời rạc Tín hiệu số dễ dàng lặplại, đáng tin cậy dễ truyền xa Ví dụ: Shaft Encoder, Contact switch - Ngõ cảm biến chuẩn cơng nghiệp Cảm biến tương tự: - Ngõ dịng điện: - 20 mA , – 20 mA - Ngõ điện áp: + Đơn cực (unipolar): – V, – V, – 10 V,… + Lưỡng cực (bipolar): ± V, ± 5V, ±10V,… - Ngõ analog kết hợp đầu đọc tín hiệu ( mạch xử lý & khuếch đại amplifier) Cảm biến số: - Ngõ Relay: NO, NC - Ngõ transistor (TTL & HTL): NPN vs PNP with or without Open Collector (NO, NC ), (Sinking vs Sourcing) Trạng thái đo lƣờng - Chế độ lệch: tín hiệu phản hồi thay đổi (lệch) so với trạng thái ban đầu thiết bị đo Sự thay đổi tương ứng với giá trị đo - Chế độ cân bằng: đưa ảnh hưởng tín hiệu đo lên hệ thống đo lường để chống lại tác động hệ thống đo lường - Dụng cụ đo lường chế độ cân có kết đo xác chế độ lệch đáp ứng thường chậm V Nhiễu đo Chia làm lọai : Nhiễu nội nhiễu đường truyền - Nhiễu nội tại: phát sinh khơng hịan thiện việc thiết kế, chế tạo cảm biến Nhiễu nội khơng thể khắc phục giảm thiểu - Nhiễu đường truyền: phát sinh nguồn nhiễu, từ trường, trường điện từ sóng radio, mạch phối hợp đường truyền, phát sinh máy thu Để giảm nhiễu đường truyền ta sử dụng số phương pháp như: cách ly nguồn, lọc nguồn, nối đất, bố trí linh kiện hợp lý - Một số biện pháp khắc phục nhiễu Các bước lựa chọn cảm biến Chức năng: - Đại lượng vật lý cần đo - Độ xác - Độ phân giải - Phương pháp đo - Sai số Mơi trƣờng: - Khí hậu, nhiệt độ, áp suất, độ ẩm… - Điện, từ trường … Kết nối: - Điện: nguồn cung cấp điện áp, cơng suất - Tín hiệu: Tương tự (dòng điện, điện áp, tần số) Số (kết nối nối tiếp hay song song) - Cơ : chọn lọai đầu nối Tổng Hợp Kiến Thức Đo Nhiệt Quang Vị trí, dịch chuyển Gia tốc, vận tốc Biến dạng lực -Tên -NLHĐ -Dải đầu -Dải đầu vào -Ứng Dụng: +Nhóm +Thực tế Lưu Lượng Khác Nhóm 1: Cảm biến nhiệt độ (thermocouple ) Nguyên lý hoạt động: Cặp nhiệt điện hoạt động sở hiệu ứng seebeck Nếu hai dây dẫn vật liệu khác nối điểm, EMF ( lực điện động) tạo đầu mở phụ thuộc vào nhiệt độ mối nối Khi T1 tăng,V, EMF phụ thuộc vào nhiệt độ đầu mở T2 Ngã ba đặt trình, đầu nước đá 0C.Điều gọi ngã ba tham chiếu Điện áp tỷ lệ thuận với nhiệt độ Dải dầu vào: đo dải nhiệt độ từ đến 1024*C (loại K) Dải đầu ra: tăng 1*C điện áp đầu tăng 41uV (loại K) Ứng Dụng 1.Nhóm Trình Bày: - Thiết kế mạch đo nhiệt độ dùng thermocouple loại K, hiển thị nhiệt độ lên LCD Sử dụng module MAX 6675 đọc điện áp đầu cảm biến chuyển thành tín hiệu digital đưa vào vi điều khiển 8051 hiển thị lên LCD 2.Ứng dụng thực tế: -Cặp nhiệt điện sử dụng rộng rãi gia công thép, tuabin động diesel để đo nhiệt độ -Nó sử dụng thiết bị nhiệt thức ăn gas lò nướng máy nước nóng -Nó sử dụng sản xuất điện -Một cặp nhiệt điện sử dụng máy đo chân không phạm vi áp suất tuyệt đối khoảng 0,001 đến torr - Làm mát nhiệt điện -Thiết bị y tế vá thiết bị đóng gói - Nhóm 2: Cảm biến bán dẫn LM35 Nguyên lý hoạt động: Cảm biến LM35 tạo điện áp tương ứng với nhiệt độ Điện áp chuyển đổi thành kỹ thuật số cung cấp cho vi điều khiển Vi điều khiển chuyển đổi giá trị kỹ thuật số thành nhiệt độ tính oC Sau đó, nhiệt độ chuyển đổi thành dạng ASCII phù hợp để hiển thị Giá trị ASCII đưa đến hình hiển thị nhiệt độ hình Q trình lặp lại sau khoảng thời gian quy định Điều kiện làm việc LM35 có độ chuẩn xác 0,4 ° C nhiệt độ phịng bình thường 0,8 ° C khoảng ° C đến + 100 ° C Một đặc tính quan trọng cảm biến thu 60 microamps từ nguồn cung ứng có khả tự sưởi ấm thấp Dải đầu vào: Được vận hành 4V - 30V Dải đầu ra: Đầu cảm biến thay đổi diễn tả tuyến tính Ứng dụng: Đo nhiệt độ môi trường tự nhiên Đo nhiệt độ hiển thị lên hình máy tính, LCD Kiểm tra nhiệt độ pin Cung cấp thông tin nhiệt độ số linh kiện điện tử khác Module Max6675 Nguyên lý hoạt động: Cảm biến nhiệt độ MAX6675 cảm biến tinh vi chuyển đổi cặp nhiệt kế sang kĩ thuật số Nó xây dựng dựa 12 bit chuyển đổi tín hiệu analog sang kĩ thuật số digital MAX6675 bao gồm mối nối lạnh,1 điều khiển kĩ thuật số,1 giao diện tương thích SPI liên kết điều khiển logic Dải đầu vào: – 5.5VDC Dải đầu ra: Tín hiệu kỹ thuật số SPI Ứng dụng: -Đo nhiệt độ hiển thị lên hình máy tính, LCD -Đo nhiệt độ mơi trường -Ứng dụng hệ thống đo đạc nhiệt độ môi trường cơng nghiệp đảm bảo độ xác, tính bền hệ thống Nhóm 4: Vị Trí Dịch Chuyển I CẢM BIẾN QUANG E3F-DS30C4 LOẠI -NP Nguyên lý hoạt động: Cảm biến vật cản hồng ngoại E3F-DS30C4 dùng ánh sáng hồng ngoại để xác định khoảng cách tới vật cản cho độ phản hồi nhanh nhiễu sử dụng mắt nhận phát tia hồng ngoại theo tần số riêng biệt Cảm biến chỉnh khoảng cách báo mong muốn thông qua biến trở, ngõ cảm biến dạng cực thu hở nên cần thêm trở treo lên nguồn chân output sử dụng Dải đầu vào: ~ 36VDC Dải đầu ra: 300mA Ứng dụng: -Ứng dụng vào mơ hình làm bãi gửi xe tự động, nhận biết kiểm soát số xe vào bãi -Ứng dụng hầu hết môi trường công nghiệp nhà máy gia công sản xuất : đếm số lượng lon bia sản xuất ngày, Giám sát hoạt động khuôn dập, phát lon khác loại hệ thống sản xuất, phát kim loại môi trường nước -Nhóm 5: Trọng Lực LoadCell Nguyên lý hoạt động: Loadcel hoạt động nguyên lý cầu cân điện trở Wheatstone Khi có tải trọng lực tác động lên loadcell làm cho loadcell bị biến dạng, dẫn đến điện trở strain gauss dán thân loadcell bị biến dạng theo điều làm thay đổi chiều dài tiết diện dây dẫn bên điện trở strain gauss đồng thời làm thay đổi giá trị điện trở chúng Sự thay đổi dẫn đến thay đổi điện áp đầu cầu wheatstone có điện áp kích thích cấp cho ngõ vào loadcell Dải đầu vào: 5V Dải đầu ra: 1.0 +/- 0.15 mV/V Ứng dụng: - Cân trọng lượng bồn, tải trọng xe, - Báo tải thang máy - Chân ga, phanh điện tử oto Thiết bị thí nghiệm độ bền & độ an tồn, thí nghiệm vật liệu Cảm biến tải trọng trục & giám sát tải Giường bệnh, máy bơm tiêm điện, máy tập thể dục, Cân băng tải, dây chuyền đóng gói, chiết rót sản phẩm, Kiểm tra lực tác dụng lên dù & máy bay phản lực - Nhóm 6: Cảm biến vận tốc, gia tốc, độ rung: Encoder Nguyên lý hoạt động: Nguyên lý encoder, đĩa trịn xoay, quay quanh trục Trên đĩa có lỗ (rãnh) Người ta dùng đèn led để chiếu lên mặt đĩa Khi đĩa quay, chỗ khơng có lỗ (rãnh), đèn led không chiếu xuyên qua được, chỗ có lỗ (rãnh), đèn led chiếu xuyên qua Khi đó, phía mặt bên đĩa, người ta đặt mắt thu Với tín hiệu có, khơng có ánh sáng chiếu qua, người ta ghi nhận đèn led có chiếu qua lỗ hay khơng Số xung đếm tăng lên tính số lần ánh sáng bị cắt Như encoder tạo tín hiệu xung vng tín hiệu xung vuông cắt từ ánh sáng xuyên qua lỗ Nên tần số xung đầu phụ thuộc vào tốc độ quay trịn Đối với encoder có tín hiệu lệch pha 90 Hai tín hiệu xác định chiều quay động Dải đầu vào: 3.3V – 5VDC Dải đầu ra: - Xuất Digital Low (0VDC) High (3.3-5VDC) - Xuất Analog từ 0->3.3-5VDC Ứng dụng: - Trên máy CNC, encoder trang bị để đo tìm xác vị trí trục máy vị trí dao cắt Nhờ q trình gia cơng thực xác Kết encoder đo gửi phận kiểm tra tích cực máy để điều chỉnh lại vị trí chi tiết hay vị trí dao cắt nhằm sữa chữa lỗi hạn chế phế phẩm - Encoder trang bị động thang máy để biết xác vị trí thang máy Đảm bảo thang máy dừng cửa vào - Trên robot công nghiệp encoder thiếu Nó dùng để quản lý cử động khớp nối, cử động cánh tay rô bốt để đảm bảo sác vị trí cử động Nhóm 7: Cảm biến đo lưu lượng: Cảm biến S201: Nguyên lý hoạt động - Cảm biến lưu lượng dòng chảy sử dụng cảm biến hall, bên cịn có cánh quạt, có - - dịng nước chảy làm cho cánh quạt quay, cảm biến hall đưa tín hiệu xung, dựa vào tần số xung đưa ta xác định tốc độ dòng chảy Dải đầu vào Áp lực cho phép: 1.75Mpa Dải lưu lượng dịng chảy đo: 1- 30L/min Dải đầu Dải tần số tương ứng với lưu lượng nước tính theo cơng thức: F = 7.5 x Q (L/phút) Với: Q lưu lượng nước F tần số tín hiệu đầu (Hz) 7.5 số Ứng dụng Đo dòng chảy đập thủy điện, điều chỉnh xả nước phù hợp để thu nguồn điện cách tối ưu Đo dòng chảy sơng suối cung cấp tư liệu dịng chảy cho đài khí tượng thủy văn Nhóm 8: Module cảm biến đo độ ẩm đất: Nguyên lý hoạt động: Sự hấp thụ độ ẩm(hơi nước) làm biến đổi thành phần cảm nhận cảm biến (ở chat hóa học LiCL, P2O5) làm thay đổi điện trở cảm biến qua xác định độ ẩm.Khi module cảm biến độ ẩm phát độ ẩm, có thay đổi điện áp đầu vào ic LM393 Ic nhận biết có thay đổi đưa tín hiệu 0V để báo hiệu thay đổi tính tốn để đọc độ ẩm đất Dải đầu vào: 3.3V – 5VDC Dải đầu ra: Đầu tín hiệu trả giá trị Analog, Digital qua chân tương ứng để giao tiếp với vi điều khiển Ứng dụng: - Đọc độ ẩm đất - Hệ thống tưới tiêu tự động cho trồng - Có thể mở rộng mơ hình kết hợp với loại cảm biến cảm biến đo nhiệt độ, độ ẩm khơng khí… - Điểu khiển hệ thống tưới tiêu từ xa thông qua ứng dụng điều khiển qua trang web - Dùng ứng dụng hệ thống trồng nhà kính, thông báo cho người dùng qua wifi tin nhắn -Nhóm 9: Cảm Biến Quang Module BH1750: Nguyên Lý Hoạt Động: Cảm biến ánh sáng sử dụng thành phần gọi photodiode để đo độ rọi Khi chùm ánh sáng chiếu vào điốt quang, chúng đánh bật electron lỏng lẻo, khiến dòng điện chạy qua Ánh sáng mạnh, dòng điện mạnh Đây nguyên tắc hoạt động pin mặt trời sử dụng để cung cấp lượng cho biển báo đường nhà Các pin mặt trời cảm biến ánh sáng photodiode lớn Dải đầu vào: 2.4V – 3.6V Dải đầu ra: tín hiệu số mức cao (5V) mức thấp (0V) Ứng dụng: -Nhóm: đóng mở rèm cửa - Dùng cảm biến đo cường độ ánh sáng điều khiển đèn tự động VD: Đèn ô tô đèn đường, mô hình vườn tạo độ sáng phù hợp cho phát triển giai đoạn cây, máy đo độ rọi ánh sáng Nhóm10: Cảm biến siêu âm SRF05 Nguyên lý hoạt động: - Cảm biến siêu âm SRF05 có chức phát sóng siêu âm nhận sóng siêu âm phản hồi ngược lại có vật cản Do vậy, cảm biến siêu âm SRF05 ứng dụng việc đo khoảng cách, hay sử dụng để phát hiện, né tránh vật cản - Cảm biến siêu âm SRF05 có chế độ (mode) hoạt động: quan tâm chế độ +Chế độ 1: Sử dụng chân Trigger để kích hoạt phát sóng siêu âm chân Echo để nhận tín hiệu phản hồi chế độ này, chân Trigger Echo sử dụng độc lập với Để sử dụng chế độ này, chân Out để hở mạch (khơng kết nối) +Để kích hoạt cảm biến SRF05 phát sóng siêu âm, cần tạo xung có độ rộng mức tối thiểu 10us chân Trigger Sau cảm biến siêu âm SRF05 tạo xung để phát sóng siêu âm Sau sóng siêu âm phát ra, chân Echo kéo lên mức cao Nếu sóng siêu âm gặp vật cản phản hồi ngược lại cảm biến siêu âm, chân Echo đưa xuống mức Nếu độ rộng xung đo lớn 30ms, nghĩa khơng có vật cản, vật cản nằm khoảng cho phép module Dải đầu vào: Xung TTL 10 Dải đầu ra: Tín hiệu đầu xung HIGH(5V) LOW(0V) Ứng dụng: - Ứng dụng sống ( bật tắt máy bơm nước ) Đo khoảng cách Đo mực chất lỏng Robot dò đường ... chuyển đổi cặp nhiệt kế sang kĩ thuật số Nó xây dựng dựa 12 bit chuyển đổi tín hiệu analog sang kĩ thuật số digital MAX6675 bao gồm mối nối lạnh,1 điều khiển kĩ thuật số,1 giao diện tương thích... giới hạn đo lớn khoảng muốn đo Độ tuyến tính Một cảm biến gọi tuyến tính dải đo xác định dải đo độ nhạy khơng phụ thuộc vào giá trị đo Nếu cảm biến khơng tuyến tính, người ta sử dụng mạch đo để... (dòng điện, điện áp, tần số) Số (kết nối nối tiếp hay song song) - Cơ : chọn lọai đầu nối Tổng Hợp Kiến Thức Đo Nhiệt Quang Vị trí, dịch chuyển Gia tốc, vận tốc Biến dạng lực -Tên -NLHĐ -Dải đầu