Tài liệu Kỹ thuật điều khiển trong bộ cảm biến phần 1 trình bày các nội dung chính sau: Khái niệm cơ bản về bộ cảm biến; Cảm biến quang; Sợi quang trong hệ thống cảm biến đo lường và điều khiển; Cảm biến nhiệt độ; Cảm biến vị trí và di chuyển; Cảm biến vận tốc và gia tốc; Cảm biến biến dạng;... Mời các bạn cùng tham khảo để nắm nội dung chi tiết.
NHÀ XUẤT BẢN KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT LÊ VĂN DOANH - PHẠM THƯỢNG HÀN - NGUYEN văn hịa VƠ THẠCH SƠN - ĐÀO VĂN TÂN CAC BỌ CAM BIEN TRONG KỸ THUẬT ĐO LƯÒNG VA ĐIEU KHIEN In ỉần thứ ba có sửa chữạ ■ •* - >•?.í thưviỊn : i NHÀ XUẤT BẤN KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT HÀ NỘI LÒI MỎ ĐẦU Kỹ thuật lường - diều khiển dại có bước phát triển nhảy vọt Đó nhờ kết hợp chặt chẽ lý thuyết lường va diều khiển dại (diều khiển mờ, nơron, tối ưu, thích nghi ) với cơng cụ tốn học va tin học (trí tuệ nhân tạo) Q trĩnh tích hợp lỉnh vực hình thành "tin học công nghiệp", lỉnh vực da ngành dó kỹ thuật diện, diện tử, diều khiển, lường tin học hòa trộn vào phát triển Các cảm biến dóng vai trị quan trọng lỉnh vực lường diều khiển Chúng cảm nhận đáp ứng theo kích thích thường đại lượng không diện, chuyền dổi dại lượng thành dại lượng diện truyền cấc thông tin vẽ hệ thống lường diều khiển, giúp nhận dạng, dánh giá diều khiển biến trạng thái dối tượng Có thể ví vai trò cảm biến dổi với kỹ thuật lường diều khiển giống giác quan đổi với thể sống Một số cảm biến có cấu trúc tương dối dơn giản xu hướng chung ngày triệt dể khai thác thảnh tựu vật lý học dại, công nghệ mói diện tử tin học, lý thuyết diều khiển dại, nhằm tạo nên cảm biến thơng minh linh hoạt Đó cảm biến đa chức năng, lập trinh, cho phép với độ nhạy dộ chinh xác cao, tự dộng thay dổi thang do, tự dộng bù ảnh hưởng nhiễu, từ xa, tự dộng xử lý kết Các cảm biến ngày dược xem phàn tủ, dược sản xuất hàng loạt có mặt rộng rãi thị trường, bao gồm chuyền dổi lường sơ cấp dặt vỏ bảo vệ, có hĩnh dáng kích thước phù hợp vói dối tượng Các chuyển dổi lường sơ cấp hoạt dộng tuân theo hiệu ứng vật lý Độ nhạy dộ xác cảm biến phụ thuộc nhiều vào khả chuyền dổi tượng vật lý Ngoài tên thường dùng cảm biến, người ta gọi chúng d'ấu do, dâu dò hay sensơ (theo tiếng Anh Sensor) da trích (theo tiếng Nga ỊỊarHUK) Cáp tơ (theo tiếng Pháp Capteur) Kỹ thuật cảm biến kỹ thuật da ngành có quan hệ chặt chẽ đến kỹ thuật diện, diện tử, hóa học, nhiệt học, co học lỉnh vực vật lý : bán dẫn, quang học, hạt nhăn nên khó tập họp dẫy dù vấn dề khuỗn khổ sách Các tác già chi mong muốn trình bày cách có hệ thống kỹ thuật cảm biến theo trình tự : nguyên lý làm việc, cấu tạo, dặc tính co bản, mạch ứng dụng cảm biến hệ thống lường - diều khiển Các tác giả ý di sâu giói thiệu cảm biến thông dụng nhát kỹ thuật củng doi sống, cảm biến mói vói tính kỹ thuật tốt cảm biến dựa tượng quang diện, quang từ, quang dàn hồi, hịng ngoại, siêu dẫn, hình ảnh nhiệt, cảm biến thông minh Cuốn sách gồm 17 chưong dưọc xếp theo công dụng cảm biến Cuốn "Các cảm biến kỹ thuật lường diều khiển" kết họp tác cùa tác giả thuộc môn Thiết bị diện-điện từ, môn Kỹ thuật vd Tin học công nghiệp, Viện Vật lý kỹ thuật thuộc Trường Dại học Bách Khoa Hà Nội Khoa Co diện mỏ Trường dại học Mỏ Địa chất PGS TS Lê Văn Doanh chủ biên Quyển sách dùng lam tài liệu tham khảo cho sinh viên ngành diện, diện từ trường dại học kỹ thuật, dồng thòi sách củng giúp ích cho lớp sau dại học, hệ nghiên cứu sinh, cán kỹ thuật diện, diện tủ, lưòng-dièu khiển dang làm việc Viện nghiên cứu, co sò sản xuất Vi chủ đề rộng lớn kỹ thuật cảm biến trinh dộ có hạn tác già nên ràng sách khơng tránh khỏi sai sót Các tác già mong muốn nhận dược nhận xét, góp ý bạn dọc Các nhận xét góp ý xin gửi Bộ mơn Thiết bị diện-diện tử, khoa Diện Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội ĐT.8692511 Chúng tòi xin chân thành cám on Các tác giả MỤC LỤC Trang LÒIMỎDẦƯ Chương KHÁI NIỆM co BÀN VÊ CÁC BỘ CẤM BIẾN 12 1.1 Định nghĩa 12 1.2 Phân loại bộcảm biến 13 1.3 Các đơn vị đo lường 16 1.4 Các đặc trưng cảm biến 17 1.5 Chuẩn cảmbiến 20 1.6 Độ tuyến tính 21 1.7 Tác động nhanh đặc tính động đáp ứng 21 1.8 Bộ cảm biến tích cực thụ động 22 1.9 Mạch giao diện cảm biến 1.10 Truyền liệu 1.11 Nhiễu cảm biến 25 30 mạch Chương CÁM BIẾN QUANG niệm ánh sáng 32 37 2.1 Khái 2.2 Các dơn vị đo quang 39 2.3 Nguồn sáng 41 2.4 Cảm 2. F O Đơn vị đo mođun Young kglựdmnY' Sau môđun Young số vật liệu : - thép từ 18.000 đến 29.000 - từ 9900 đến 14000 - chì từ 500 đến 1400 Hệ số Poisson V xác định biến dạng theo phương vng góc với lực £_L = "V £|I vùng đàn hổi V - 0,3 7.2 NGUYÊN LÝ CỦA CẨM BIEN biến dạng Đầu đo biến dạng loại điện trở thường sợi dây kim loại mảnh gắn trực tiếp lên bể mặt cấu trúc cần khảo sát Sự biến dạng cấu trúc kéo theo biến dạng cảm biến làm cho điện trở bị thay đổi Trong trường hợp tổng quát đầu đo lưới dây dẫn mành có điện trở suất f>, tiết diện s chiểu dài nl (n số đoạn dây, ỉ chiều dài đoạn dây Đối với đầu đo kim loại thỉ n = 10 -í- 20 (hình la), cịn đốỉ với đầu đo bán dẫn n = (hỉnh 7.1b) Cảm biến cố định đế cách điện, đế gắn vào cấu trúc nghiên cứu (hình 7.1c) Do chịu ảnh hưởng biến dạng, điện trở cảm biến thay đổi lượng xác định biểu thức : Biến dạng đọc cùa sợi dây dẫn đến thay đổi kích thước tiết diện ngang a b (nếu dây có tiết diện hình chữ nhật) đường kính d (nếu dây co' tiết diện trịn) Quan hệ biến dạng ngang dọc theo quy luật : 232 Aa Ab Ad T = T = T _ AI T (7.4) V hệ số Poisson, vùng đàn hồi V = 0,3 Vì tiết diện dây s = ab s - 7ĩd2/4 nên ta có : AS AI = — 2r —— s Đối với đầu đo kim loại : AR R (7.5) „ AI (7.6) đo' K hệ sồ' đầu đo thường gần Đối với đầu đo bán dẫn K — 100 -ĩ- 200, dấu K phụ thuộc vào loại bán dẫn Đầu đo bán dẫn thích hợp với nhửng trường hợp đo biến dạng nhỏ để đo lực, áp suất gia tốc Điện trở đầu đo có giá trị chuẩn với độ xác ± 0,2 -ỉ- ± 10% nằm khoảng từ 100 Q đến 5000 Q 7.3 CÁC LOẠI ĐẦU ĐO KIM LOẠI Điện trở suất Ị> phần lớn kim loại giảm co' ứng suất tác động lên chúng Các kim loại sử dụng làm điện trở phần lớn thuộc họ hợp kim Ni Trên hình 7.2 trình bày dạng đầu đo dây kim loại Bảng 7.1 liệt kê thành phần hợp kim thông dụng hệ số đầu đo tương ứng Các vật liệu khác tính chất nhiệt độ ổn định nhiệt độ cao Đấu đo dây kim loại có đường kính mảnh d — 20 /ím, giá đỡ 0,1 mm (giấy) 0,03 mm (epoxy) Các đẩu đo dùng lưới màng (hình 7.2b) thường chế tạo bàng phương pháp mạch in để giảm kích thước cho phép đo điểm Bảng ỉ Các hợp kim thông dụng đầu đo kim loại Thành phần HỢp kim Hệ số đầu K Constantan 45% Ni, 55% Cu 2,1 Isoelastic 52% Fe, 36% Ni, 8% Cr (Mn, Mo) 3.5 , Karma 74% Ni, 20% Cr, 3% Cu, 3% Fe 2.1 Nichrome V 80% Ni, 20% Cr 2,5 Ratio - Vonfram 92% Pt, 8% w 4,1 233 aỴĐơudo dùng dây dơn Hình 7.2 b) Đơu đo dùng lưới mang Các đầu kim loại Các thông số chủ yếu đầu đo kim loại : - Điện trở suất : điện trở suất vật liệu phải đủ lớn để tránh dây kim loại dài làm tăng kích thước cảm biến tiết diện khơng nên q nhỏ để dịng điện đo đủ lớn nhàm tăng độ nhạy - Hệ số đẩu đo K thường từ -í- 3, ngoại trừ Isoelastic co' 3,5 Platỉn - Vonfram có K — 4,1 K = - Ẩnh hưởng lực đến độ tuyến tính : giới hạn đàn hổi hệ số đẩu đo khơng đổi quan hệ tuyến tính điện trở biến dạng Ngoài giới hạn đàn hồi độ dãn dái AZ/Z > 0,5% -ỉ- 20% tùy theo vật liệu, hệ số đầu đo — - Ănh hưởng nhiệt độ : Nói chung K chịu ảnh hưởng nhiệt độ Trong dải nhiệt độ tương đối rộng K(T) = Knịl +aK(T-To)l Ko hệ số đầu đo nhiệt độ chuẩn 25°C) Giá trị (7.7) To (thông thường To = số chất sau : - Nichrome V : = -0,04%/°C, - Constantan : = +0,01%/°C - Độ nhạy ngang : Ngồi nhánh dọc có điện trở Z?L cịn co' đoạn vng góc với nhánh dọc có độ dài zt điện trở Rt, đoạn nhạy với biến dạng ngang Điện trở cảm biến tổng điện trở đoạn dây dọc ngang, nghĩa R = RL + Rt, đo' : ARt AR _ ARị R + R R ARL AI X = :K-y 234 (7'8) (7.9) ARt Alt 1? = K 1, Thực tế R{