GIÁO TRÌNH Môn họcmô đun Kỹ thuật cảm biến NGHỀ ĐIỆN CÔNG NGHIỆP TRÌNH ĐỘ CAO ĐẲNG NGHỀ

ỦY BAN NHÂN DÂN TỈNH HÀ NAM TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ HÀ NAM GIÁO TRÌNH Môn họcmô đun Kỹ thuật cảm biến NGHỀ ĐIỆN CÔNG NGHIỆP TRÌNH ĐỘ CAO ĐẲNG NGHỀ (Ban hành kèm theo Quyết định số 120QĐ TCDN ngày 25 th.giáo trình học tập, tài liệu cao đẳng đại học, luận văn tiến sỹ, thạc sỹ

ỦY BAN NHÂN DÂN TỈNH HÀ NAM TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ HÀ NAM GIÁO TRÌNH Mơn học/mơ đun: Kỹ thuật cảm biến NGHỀ: ĐIỆN CƠNG NGHIỆP TRÌNH ĐỘ CAO ĐẲNG NGHỀ (Ban hành kèm theo Quyết định số: 120/QĐ-TCDN ngày 25 tháng 02 năm 2013 Tổng cục trưởng Tổng cục Dạy nghề) Hà Nam, năm 2017 TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu thuộc loại sách giáo trình nên nguồn thơng tin phép dùng ngun trích dùng cho mục đích đào tạo tham khảo nhằm phục vụ cho giáo viên sinh viên Trường Cao Đẳng Nghề Hà Nam Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh bị nghiêm cấm Dựa theo giáo trình này, giảng dạy cho trình độ ngành/nghề khác nhà trường LỜI GIỚI THIỆU Trong thời đại phát triển khoa học kỹ thuật ngày cảm biến đóng vai trị quan trọng Nó thành phần quan trọng thiết bị đo hay hệ thống điều khiển tự động Có thể nói nguyên lý hoạt động cảm biến, nhiều trường hợp thực tế nguyên lý phép đo hay phương pháp điều khiển tự động Giờ khơng có lĩnh vực mà khơng sử dụng cảm biến Chúng có măt hệ thống tự động phức tạp, người máy, kiểm tra sản phẩm, tiết kiệm lượng, chống ô nhiễm môi trường Cảm biến ứng dụng rộng rãi lĩnh vực giao thông vận tải, hàng tiêu dùng, bảo quản thực phẩm, tơ, trị chơi điện tử Do việc trang bị cho kiến thức loại cảm biến nhu cầu thiếu kỹ thuật viên, kỹ sư ngành điện ngành khác Môn học kỹ thuật cảm biến môn học chuyên môn học viên ngành điện công nghiệp Môn học nhằm trang bị cho học viên trường nghề kiến thức nguyên lý, cấu tạo, mạch ứng dụng thực tế số loại cảm biến Với kiến thức trang bị học viên áp dụng trực tiếp vào lĩnh vực sản xuất đời sống Ngoài kiến thức dùng làm phương tiện để học tiếp môn chuyên môn ngành điện Trang bị điện, PLC Môn học làm tài liệu tham khảo cho cán kỹ thuật, học viên ngành khác quan tâm đến lĩnh vực Hà Nam, ngày tháng năm 2017 Tham gia biên soạn Trần Nhữ Mạnh MỤC LỤC Trang TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN LỜI GIỚI THIỆU MỤC LỤC GIỚI THIỆU MÔN HỌC: KỸ THUẬT CẢM BIẾN Mã môn học: MH 27 Mục tiêu môn học: Nội dung môn học: BÀI MỞ ĐẦU: CẢM BIẾN VÀ ỨNG DỤNG Khái niệm cảm biến Phạm vi ứng dụng 10 CHƯƠNG CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ 11 Mã chương: MH27 - 01 11 Đại cương 11 Nhiệt điện trở với Platin Nickel 13 Cảm biến nhiệt độ với vật liệu silic 18 IC cảm biến nhiệt độ 24 Nhiệt điện trở NTC 25 Nhiệt điện trở PTC 30 Chương 2: CẢM BIẾN TIỆM CẬN VÀ MỘT SỐ LOẠI CẢM BIẾN XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ, KHOẢNG CÁCH KHÁC 34 Mã chương: MH27-2 34 Cảm biến tiệm cận (Proximity Sensor) 34 Một số loại cảm biến xác định vị trí, khoảng cách khác 53 CHƯƠNG 3: CẢM BIẾN ĐO LƯU LƯỢNG 62 Mã chương: MH27 - 03 62 Đại cương 62 Phương pháp đo lưu lượng dựa nguyên tắc chênh lệch áp suất 67 Phương pháp đo lưu lượng tần số dòng xoáy 78 CHƯƠNG 4: ĐO VẬN TỐC VỊNG QUAY VÀ GĨC QUAY 84 Mã chương: MH27-04 84 Một số phương pháp 84 Cảm biến đo góc với tổ hợp có điện trở từ 98 Máy đo góc tuyệt đối (Resolver) 99 TÀI LIỆU THAM KHẢO 101 GIỚI THIỆU MÔN HỌC: KỸ THUẬT CẢM BIẾN Mã môn học: MH 27 Vị trí, tính chất, ý nghĩa vai trị mơn học: - Môn học Kỹ thuật cảm biến học sau môn học, mô đun Kỹ thuật sở, đặc biệt môn học, mô đun: Mạch điện, Điện tử bản, Đo lường điện Trang bị điện - Là môn học chuyên môn nghề Kỹ thuật cảm biến ngày sử dụng rộng rãi đặc biệt ngành tự động hóa nói chung tự động hóa cơng nghiệp nói riêng Mơn học trang bị kiến thức kỹ để người học hiểu rõ sử dụng thành thạo loại cảm biến ứng dụng ngành công nghiệp Mục tiêu môn học: - Phân tích cấu tạo, nguyên lý hoạt động loại cảm biến - Phân tích nguyên lý mạch điện cảm biến - Biết đấu nối loại cảm biến mạch điện cụ thể - Hình thành tư khoa học phát triển lực làm việc theo nhóm - Rèn luyện tính xác khoa học tác phong công nghiệp Nội dung môn học: Thời gian (giờ) S Tổng Lý Thực hành Kiểm tra* Tên chương, mục TT số thuyết Bài tập (LT TH) Bài mở đầu: Cảm biến 2 ứng dụng Khái niệm cảm biến Phạm vi ứng dụng 16 14 2 Cảm biến nhiệt độ Đại cương Nhiệt điện trở với Platin Nickel I3 Cảm biến nhiệt độ với vật liệu silic IC cảm biến nhiệt độ Nhiệt điện trở NTC Các thực hành ứng dụng loại cảm biến nhiệt độ Cảm biến tiệm cận loại cảm biến xác định vị I trí, khoảng cách 1.Cảm biến tiệm cận (Proximity Sensor) Một số loại cảm biến xác định vị trí, khoảng cách khác Các thực hành ứng dụng loại cảm biến tiệm cận Cảm biến đo lưu lượng Đại cương 2.Phương pháp đo lưu lượng dựa nguyên tắc Isự chênh lệch áp suất Phương pháp đo lưu lượng tần số dịng xốy Các thực hành ứng dụng cảm biến đo lưu lượng Cảm biến đo vận tốc vịng quay góc quay 1.Một số phương pháp đo vận tốc vòng quay I 2.Cảm biến đo góc với tổ hợp có điện trở từ 3.Các thực hành ứng dụng Cộng 10 14 10 12 18 60 12 45 BÀI MỞ ĐẦU: CẢM BIẾN VÀ ỨNG DỤNG Giới thiệu: Cảm biến phần tử có chức tiếp thu, cảm nhận tín hiệu đầu vào dạng đưa tín hiệu dạng khác Cảm biến ứng dụng rộng rãi lĩnh vực, đặc biệt lĩnh vực tự động hóa cơng nghiệp Mục tiêu: - Trình bày khái niệm, đặc điểm, phạm vi ứng dụng cảm biến - Rèn luyện tính cẩn thận, xác, logic khoa học, tác phong cơng nghiệp Nội dung chính: Khái niệm cảm biến Mục tiêu: - Phát biểu khái niệm cảm biến, vị trí cảm biến dây truyền sản xuất cách phân loại cảm biến thực tế 1.1 Khái niệm Cảm biến thiết bị dùng để cảm nhận biến đổi đại lượng vật lý, đại lượng khơng có tínhử chất điện cần đo thành đại lượng có tính chất điện đo xử lý Các đại lượng cần đo (m) thường khơng có tính chất điện (như nhiệt độ, áp suất, lưu lượng, vận tốc ) tác động lên cảm biến cho ta đặc trưng (s) mang tính chất điện (như dòng điện, điện áp, trở kháng ) chứa đựng thông tin cho phép xác định giá trị đại lượng cần đo Đặc trưng (s) hàm đại lượng cần đo: s = f(m) s: Đại lượng đầu hay gọi đáp ứng đầu cảm biến m: đại lượng đầu vào kích thích (có nguồn gốc đại lượng cần đo) f :là hàm truyền đạt cảm biến Hàm truyền đạt thể cấu trúc thiết bị biến đổi thường có đặc tính phi tuyến, điều làm giới hạn khoảng đo dẫn tới sai số Trong trường hợp đại lượng đo biến thiên phạm vi rộng cần chia nhỏ khoảng đo để có hàm truyền tuyến tính(Phương pháp tuyến tính hố đoạn) Thơng thường thiết kế mạch đo người ta thực mạch bổ trợ để hiệu chỉnh hàm truyền cho hàm truyền đạt chung hệ thống tuyến tính Giá trị (m) xác định thông qua việc đo đạc giá trị (s) Các tên khác khác cảm biến: Sensor, cảm biến đo lường, đầu dò, van đo lường, nhận biết biến đổi Trong hệ thống đo lường điều khiển, cảm biến cảm biến ngồi việc đóng vai trị “giác quan“ để thu thập tin tức cịn có nhiệm vụ “nhà phiên dịch“ để cảm biến dạng tín hiệu khác tín hiệu điện Sau sử dụng mạch đo lường xử lý kết đo vào mục đích khác khác *Sơ đồ nguyên tắc hệ thồng đo lường điều khiển Hình 1: Sơ đồ nguyên tắc hệ thống đo lường điều khiển Tham số trạng thái X đối tượng cần điều khiển dược cảm biến sang tín hiệu y nhờ cảm biến đo lường Tín hiệu lối mạch đo điện sử lý để đưa cấu thị Trong hệ thống điều khiển tự động, tín hiệu lối mạch đo điện đưa trở lối sau ki thực iện thao tác so sánh với chuẩnm tín hiệu lối khởi phát thiết bị thừa hành để điều khiển đối tượng * Trong hệ thống đo lường điều khiển đại, trình thu thập sử lý tín hiệu thường máy tính đảm nhiệm Đối tượng điều khiển Cảm biến đo Vi điều khiển (Microcontroler) lường PC thiết bị thừa hành chương trình điều khiển Hình 2: Hệ thống đo lường điều khiển ghép PC Trong sơ đồ đối tượng điều khiển dặc trưng biến trạng thái cảm biến thu nhận Đầu cảm biến phối ghép với vi điều khiển qua dao diện Vi điều khiển có tể oạt động độc lập theo cương trình cào đặt sẵn phối ghép với máy tính Đầu vi điều kiển phối ghép với cấu cháp hành nhằm tác động lên trình hay đối tượng điều khiển Chương trình cho vi điều khiển cài đặt thơng qua máy tính nạp chương trình chuyên dụng Đây sơ đồ điều khiển tự động trình (đối tượng ), đố cảm buến đóng vai trị phần tử cảm nhận, đo đạc đánh giá thông số hệ thống Bộ vi điều khiển làm nhiệm vụ xử lý thông tin đưa tín hiệu q trình Từ sen-sor từ mượn tiếng la tinh Sensus tiếng Đức tiếng Anh gọi sensor, tiếng Việt thường gọi cảm biến.Trong kỹ thuật hay gọi tuật ngữ đầu đo hay đầu dò Các cảm biến thường định nghĩa theo nghĩa rộng thiết bị cảm nhận đáp ứng tín hiệu kích thích 1.2 Phân loại cảm biến Cảm biến phân loại theo nhiều tiêu chí Người ta phân loại cảm biến theo cách sau: 1.2.1 Theo nguyên lý chuyển đổi đáp ứng kích thích Hiện tượng Vật lý Hóa học Sinh học Chuyển đổi đáp ứng kích thích Nhiệt điện Quang điện Quang từ Điện từ Từ điện …vv Biến đổi hóa học Biến đổi điện hóa Phân tích phổ …vv Biến đổi sinh hóa Biến đổi vật lý Hiệu ứng thể sống vv 1.2.2 Theo dạng kích thích Các đặc tính kích thích Kích thích Biên pha, phân cực Phổ Tốc độ truyền sóng …vv Điện tích, dịng điện Điện thế, điện áp Điện trường Điện dẫn, số điện môi …vv Âm Điện Từ Cơ Quang Từ trường Từ thông, cường độ từ trường Độ từ thẩm …vv Vị trí Lực, áp suất Gia tốc, vận tốc, ứng suất, độ cứng Mô men Khối lượng, tỉ trọng Độ nhớt…vv Phổ Tốc độ truyền Hệ số phát xạ, khúc xạ …VV Nhiệt độ Thông lượng Tỷ nhiệt …vv Kiểu Năng lượng Cường độ …vv Nhiệt Bức xạ 1.2.2 Theo tính - Độ nhạy - Độ xác - Độ phân giải - Độ tuyến tính - Cơng suất tiêu thụ 1.2.3 Theo phạm vi sử dụng - Công nghiệp - Nghiên cứu khoa học - Mơi trường, khí tượng - Thông tin, viễn thông - Nông nghiệp - Dân dụng - Giao thông vận tải…vv 1.2.4 Theo thông số mơ hình mạch điện thay - Cảm biến tích cực (có nguồn): Đầu nguồn áp nguồn dịng - Cảm biến thụ động (khơng có nguồn): Cảm biến gọi thụ động chúng cần có thêm nguồn lượng phụ để hoàn tất nhiệm vụ đo kiểm, cịn loại tích cực khơng cần Được đặc trưng thơng số: R, L, C… tuyến tính phi tuyến quay 1.2.2 Đĩa mã hóa tương đối Encoder với xung khơng thể phát chiều quay, hầu hết encoder mã hóa có xung thứ lệch pha 900 so với xung thứ nhất, xung xác định thời gian encoder quay vịng Hình 4.6: Sơ đồ thu phát Encoder tương đối Xung A, xung B xung điểu khiển, xung A xảy trước xung B, trục quay theo chiều kim đồng hồ, ngược lại, xung Z xác định quay xong vịng Hình 4.7: Dạng sóng Encoder xung Gọi Tn thời gian đếm xung, N0 số xung vòng (độ phân giải cảm biến tốc độ, phụ thuộc vào số lỗ), N số xung thời gian Tn 1.2.3 Đĩa mã hóa tuyệt đối Để khắc phục nhược điểm đĩa mã hóa tương đối nguồn số đềm bị Như cấu ngưng hoạt động vào buổi tối hay bảo trì khi bật nguồn trở lại encoder khơng thể xác định xác vị trí cấu 87 Hình 4.8: Sơ đồ thu phát Encoder tuyệt đối (sử dụng mã Gray) Đĩa mã hóa tuyệt đối thiết kế để ln xác định vị trí vật cách xác Đĩa encoder tuyệt đối sử dụng nhiều vịng phân đoạn theo hình đồng tâm gồm phân đoạn chắn sáng không chắn sáng - Vòng xác định đĩa quay nằm nửa vòng tròn - Kết hợp vòng với vòng xác định đĩa quay nằm ¼ vịng trịn - Các rãnh cho ta xác định vị trí 1/8, 1/16 vịng trịn Vịng phân đoạn ngồi cho ta độ xác cuối Loại encoder có nguồn sáng thu cho vòng encoder có 10 vịng có 10 nguồn sáng thu, encoder có 16 vịng có 16 nguồn sáng thu Ngoài việc khắc phục nhược điểm đĩa mã hóa tương đối, với đĩa mã hóa tuyệt đối encoder cịn giảm tốc xuống cho encoder quay đủ vòng suốt chiều dài cấu Để đếm đo vận tốc hay vị trí (góc quay), sử dụng mã nhị phân mã Gray Tuy nhiên thực tế có mã Gray sử dụng phổ biến Xét trường hợp đĩa mã hóa tuyệt đối trường hợp rãnh với mã nhị phân mã Gray Mã nhị phân Bảng giá trị 88 Mã nhị phân Vùng Vòng Vòng Vịng Góc off off off 0° tới 45° off off on 45° tới 90° off on off 90° tới 135° off on on 135°tới 180° on off off 180°tới 225° on on 225°tới 270° on on off 270°tới 315° on on on 315°tới 360° off Hình 4.9: Đĩa mã hóa tuyệt đối trường hợp rãnh với mã nhị phân Ghi chú: Vùng màu đen qui ước tương ứng với giá trị on (phân đoạn không chắn sáng) Chiều quay ngược chiều kim đồng hồ (góc quay mang giá trị dương) Vòng (vòng 1): tương ứng với bit MSB Vịng ngồi cùng: tương ứng với bit LSB Một cách tổng qt, có n vịng có số lượng vị trí đối tượng 2n ví dụ n = số lượng vị trí xác định 23 = Ở ví dụ trên, mã nhị phân tạo đĩa quay, qua xác định vị trí đĩa quay Tuy nhiên thực tế việc đặt vị trí rãnh chắn sáng rãnh cho ánh sáng qua khó mà thực cách hồn hảo Trong vị trí chúng lại định giá trị gõ Ví dụ đĩa chuyển từ vị trí 179,9 tới 180,10 (từ vùng sang vùng 5), tức khắc, theo bảng giá trị 1, có chuyển trạng thái từ off-on-on sang on-offoff Cách thức hoạt động khơng có độ tin cậy, vị thực tế khơng thể có chuyển trạng đồng thời cách hồn hảo Nếu vị trí vịng chuyển trạng thái trước, đến vịng vịng thực có chuỗi mã nhị phân sau tạo 89 off-on-on (vị trí bắt đầu) on-on-on (đầu tiên, trạng thái vòng lên on) on-on-off (kế đến, trạng thái vòng xuống off) on-off-off (cuối cùng, trạng thái vòng xuống off) Như chuỗi mã nhị phân tạo tương ứng với việc đĩa quay vị trí 4, 8, 7, Trong nhiều trường hợp điều gây nên rắc rối, làm lỗi hệ thống Ví dụ encoder sử dụng cho cánh tay robot, điều khiển cho cánh tay sai vị trí cố gắng thực việc di chuyển 1800 để quay vị trí Mã Gray Để khắc phục vấn đề nêu trên, mã Gray sử dụng Đây hệ thống mã nhị phân có khác mã Gray (chỉ có bit thay đổi trạng thái) Ví dụ bảng giá trị 2, từ vùng chuyển sang vùng có thay đổi từ off sang on vị trí bit đại diện cho vòng Bảng giá trị Mã Gray Vùng Vịng Vịng Vịng Góc off off off 0° tới 45° off off on 45° tới 90° off on on 90° tới 135° off on off 135°tới 180° on on off 180°tới 225° on on on 225°tới 270° on off on 270°tới 315° on of 315°tới 360° off f Hình 4.10: Đĩa mã hóa tuyệt đối trường hợp rãnh với mã Gray 90 Hình 4.11 : Dạng sóng encoder với đĩa mã hóa tuyệt đối (mã Gray) Hình 4.12: Đĩa mã hóa tuyệt đối trường hợp rãnh a) mã nhị phân b) mã Gray 1.3 Đo vận tốc vòng quay với nguyên tắc điện trở từ 1.3.1.Các đơn vị từ trường định nghĩa Từ trường Từ trường dạng vật chất tồn xung quanh dịng, hay nói xác xung quanh hạt mang điện chuyển động tính chất từ trường tác dụng lực từ lên dòng điện, lên nam châm Cảm ứng từ B Về mặt gây lực từ, từ trường đặc trưng vectơ cảm ứng từ B Trong hệ thống đơn vị SI dơn vị cảm ứng từ B T (Tesla) T = 1Wb/m2 = 1V.s/m2 Từ thông  Từ thông gởi qua diện tích dS đại lượng giá trị d = B.dS Trong đó: - B vectơ cảm ứng từ điểm diện tích - d S vectơ có phương vectơ pháp tuyến n chiều chiều dương pháp tuyến, độ lớn độ lớn diện tích Trong hệ thống đơn vị SI đơn vị từ thông Weber (Wb) Nếu từ thông thay đổi đơn vị thời gian s, điện áp cảm ứng sinh cuộn dây V 1Wb = 1Vs Cường độ từ trường H Cường độ từ trường H đặc trưng cho từ trường riêng dòng điện sinh 91 khơng phụ thuộc vào tính chất mơi trường đặt dịng điện Trong hệ thống đơn vị SI đơn vị cường độ từ trường H A/m 1.3.2 Cảm biến điện trở từ Cảm biến điện trở từ linh kiện bán dẫn có hai cực, điện trở gia tăng tác động từ trường Trong trường hợp từ trường tác dụng thẳng góc mặt phẳng cảm biến ta có độ nhạy lớn Chiều từ trường không ảnh hưởng đến hiệu ứng điện trở từ trường hợp Độ lớn tín hiệu cảm biến điện trở từ không phụ thuộc vào tốc độ quay Khác với trường hợp cảm biến điện cảm, độ lớn tín hiệu quan hệ trực tiếp với tốc độ quay, địi hỏi thiết bị điện tử phức tạp để thu nhận tín hiệu dải điện áp rộng Ngược lại với cảm biến điện trở từ, tín hiệu hình thành đổi hướng đường cảm ứng từ - bending of magnetic field lines (thay đổi theo vị trí bánh răng) Tín hiệu cảm biến hình thành dù đối tượng khơng di chuyển chậm Hình 4.13: Tín hiệu tạo cảm biến điện trở từ a Cảm biến điện trở từ với vật liệu InSb / NiSb Hiệu ứng điện trở từ với vật liệu InSb / NiSb Vật liệu bán dẫn InSb với liên kết III – V có độ linh động lớn Trong vật liệu bán dẫn, tác dụng từ trường hướng dịch chuyển , điện tích bị lệch góc  tg = µ B Do lệch đoạn đườngdịch chuyển electron dài Kết điện trở cảm biến gia tăng tác dụng từ trường Để hiệu ứng sử dụng thực tế, góc cần phải lớn Trong kim loại, góc bé Với germanium góc lệch khoảng 200 Indiumantimon độ linh động electron cao nên góc lệch = 800 với B = 1T Để tạo đường dịch chuyển electron dài tốt tác dụng từ trường, ngõ có thay đổi điện trở lớn hơn, cảm biến kết cấu hình Nhiều phiến InSb (bề rộng vài µm ) ghép nối tiếp Giữa phiến màng kim loại 92 Hình 4.14: Kết cấu cảm biến điện trở từ với vật liệu InSb/ NiSb Trong thực tế với kỹ thuật luyện kim người ta tạo kim Nickelantimon nằm bên InSb có chiều song song với hai cực điện Cho mục đích này, NiSb cho vào InSb chảy lỏng qua công đoạn làm nguội vô số kim NiSb hình thành bên InSb Các kim có đường kính khoảng µm dài 50 µm Các kim dẫn điện tốt khơng có điện áp nơi Mật độ điện tích phân bố khơng InSb tác dụng từ trường, phân bố phân bố lại kim Như ta có phân bố điện tích nơi khởi đầu vùng giống nơi khởi đầu vùng Điện trở từ coi hàm cảm ứng từ theo cách tính gần RB=R0(1+k µ B2 ) k số vật liệu có trị số khoảng 0,85 Điện trở cảm biến nằm khoảng 10 -500  Diện tích cắt ngang bán dẫn nhỏ tốt, nhiên chiều rộng nhỏ 80 µm b Cảm biến điện trở từ với vật liệu permalloy Hiệu ứng điện trở từ với vật liệu permalloy Một màng mỏng vật liệu sắt từ gọi permalloy (20% Fe, 80% Ni) 93 - Khi khơng có diện từ trường, vectơ từ hóa bên vật liệu nằm song song với dòng điện - Với từ trường nằm song song với mặt phẳng màng mỏng thẳng góc với dịng điện, vectơ từ hóa quay góc  Kết điện trở permalloy thay đổi theo  Hình 4.15: Hiệu ứng điện trở từ permalloy Nguyên tắc ứng dụng để đo tốc độ quay góc quay Tuyến tính hóa đặc tính cảm biến Theo phương trình bậc 2: R = R0 + Rcos02 điện trở cảm biến điện trở từ khơng tuyến tính (xem đặc tuyến a hình 4.17) Để cảm biến tiện lợi sử dụng tốt đặc tuyến tuyến tính, biện pháp thiết kế tốt điều cần thiết Hiệu ứng điện trở từ tuyến tính hóa cách đặt màng mỏng nhơm gọi (barber poles) lên màng mỏng permalloy với góc 450 so với trục màng mỏng (như hình 4.16) Nhơm có tính chất dẫn điện tốt so với permalloy, barber poles làm thay đổi góc dịng điện 450 Như góc dịng điện vectơ từ hóa từ  thành( - 450) Hình 4.17 biểu diễn ảnh hưởng barber poles lên đặc tính cảm biến điện trở từ Hình 4.16 Để tạo nên cảm biến hoàn chỉnh cầu Wheatstone với cảm biến điện trở từ sử dụng Trong cặp cảm biến đối diện qua đường chéo có “sự định hướng” Điều có nghĩa cặp cảm biến có barber poles tạo với trục 94 mặt phẳng màng góc + 450 cặp có barber poles tạo với trục mặt phẳng màng góc - 450 Điều làm cho biên độ tín hiệu tăng lên lần đảm bảo tuyến tính Bên cạnh ảnh hưởng nhiệt độ cầu điện trở bù qua lại Hình 4.17: Ảnh hưởng barber poles lên đặc tính cảm biến điện trở từ a: Đặc tuyến R-H cảm biến loại tiêu chuẩn b: Đặc tuyến R-H cảm biến loại có barber poles c Đặc điểm việc đo tốc độ với cảm biến điện trở từ Cảm biến điện trở từ đo trực tiếp tốc độ quay mà phát chuyển động bánh làm từ vật liệu chứa sắt (đối tượng thụ động) đối tượng quay có cực nam châm thay đổi ( đối tượng tích cực, xem hình) Đối tượng “thụ động” Đặc điểm hoạt động cảm biến với đối tượng thụ động mơ tả hình 4.13 Cảm biến cần gắn với nam châm vĩnh cửu Ký hiệu Miêu tả Đơn vị Hình 4.18 Cấu trúc đối tượng (hình trịn) Các thơng số đặc trưng đối tượng (theo tiêu chuẩn DIN) 95 z Số lượng d Đường kính mm m m =d/z mm p(bước bánh răng) p = π m mm Hình 4.19: Các thành phần chi tiết cảm biến KMI 15/1 hãng Philips Semiconductors với đối tượng thụ động Đối tượng “tích cực “ Hình 4.20 Đối tượng tích cực cung cấp vùng “làm việc” Do khơng cần nam châm châm cho cảm biến để hoạt động Tuy nhiên để cảm biến hoạt động ổn định không chịu tác động không theo ý muốn, nam châm nhỏ dùng cảm biến Hình 4.21:Các thành phần chi tiết cảm biến KMI 15/2 hãng Philips Semiconductors với đối tượng “tích cực” 96 Cảm biến đo tốc độ quay KMI15/x KMI16/x hãng Philips Semiconductors sản xuất sử dụng hiệu ứng điện trở từ Cấu tạo cảm biến bao gồm phận cảm biến điện trở từ, nam châm vĩnh cữu tích hợp mạch điều chình tín hiệu Bộ phận điều chỉnh tín hiệu có chức khuếch đại ( với KMI15/x) chuyển đổi tín hiệu thành dạng digital (với KMI16/x) Hình 4.22: Cấu trúc loại cảm biến KMI Hình 4.23: Sơ đồ khối cảm biến KMI15/x Hình 4.24: Sơ đồ khối cảm biến KMI16/x Mạch ứng dụng Việc dùng cảm biến KMI15/x ứng dụng thực tế cần lắp đặt hình bên để khử nhiễu bảo vệ cảm biến trường hợp cực tính nguồn bị lắp sai 97 Cảm biến đo góc với tổ hợp có điện trở từ Mục tiêu: Trình bày đặc trưng nguyên lý làm việc cảm biến đo góc với tổ hợp có điện trở từ 2.1 Nguyên tắc Từ công thức R = R0 + R cos 0 Ta R  có liên hệ gần R  2 Dựa nguyên tắc này, cảm biến đo góc mà khơng cần tiếp xúc 2.2 Các loại cảm biến KM110BH/2 hang Philips Semiconductor Loại cảm biến KM110BH/21 có hai dạng KM110BH/2130 KM110BH/2190 Tuy có thang đo khác có mạch điện KM110BH/2130 chế tạo với thang đo để có độ khuếch đại lớn hơn, đo từ -150 đến +150 Tín hiệu truyến tính (độ phi tuyến 1%) KM110BH/2190 đo từ -450 đến +450 Tín hiệu hình sin Cả hai cảm biến có tín hiệu analog Ngồi hai cảm biến cịn có cảm biến thiết kế KM110BH/23 KM110BH/24 * Bảng thông số số cảm biến KM110BH Đơn vị KM110BH Thông số Thang đo 2130 2190 30 2270 90 2390 70 2430 90 Điện áp 0,5 tới 4,5 0,5 tới 4,5 0,5 tới 4,5 0,5 4,5 Dòng điện tới 20 2470 30 70 0,001 tới 0,5 tới 0,5 tới 4,5 4,5 mA Đặc Tuyến tính Hình sin Hình sin Tuyến tuyến ngõ tính Điện áp hoạt 5 8,5 động Nhiệt độ hoạt -40 tới -40 tới -40 tới -40 tới động +120 +120 +120 +120 Tuyến tính Hình sin -40 tới +120 -40 tới +120 Độ phân giải 0,001 0,001 0,001 0,001 0,001 V V C Độ 0,001 Các loại cảm biến KM110BH/2270 có thang đo từ -35 đến +35 , sử dụng điện trở để chuyển sang dạng điện áp 2.3 Các loại cảm biến KMA10 KMA20 Cảm biến KMA10 KMA20là loại cảm biến đo góc (khơng cần tiếp xúc) thiết kế để hoạt động môi trường khắc nghiệt Được ứng dụng lĩnh vực tự động công nghiệp Hai loại cảm biến KMA10 KMA20 thiết kế phát triển hợp 98 tác Philips Semiconductor AB Electonic KMA10 cho tín hiệu dạng dòng điện (KMA10/70 phát triển từ loại KM110BH/2270) KMA20 cho tín hiệu dạng điện áp KMA20/30 phát triển từ loại KM110BH/2430, KMA20/70 phát triển từ loại KM110BH/2470, KMA20/90 phát triển từ loại KM110BH/2390 Tuy nhiên tín hiệu từ KMA20/30 tuyến tính từ KMA20/70 hình sin * Bảng thơng số số cảm biến KMA Thông số Thang đo KMA10/70 70 KMA20/30 KMA20/70 90 70 Điện áp 0,5 tới 4,5 Dòng điện tới 20 Đặc tuyến Hình sin Tuyến tính ngõ Điện áp 8,5 hoạt động Nhiệt độ -40 tới +100 -40 tới +125 hoạt động Độ phân 0,001 0,001 giải KMA20/90 90 0,5 tới 4,5 - 0,5 tới 4,5 - Hình sin Tuyến tính Đơn vị 0,001 V mA 5 V -40 tới +125 -40 tới +125 0,001 0,001 C Độ Máy đo góc tuyệt đối (Resolver) Mục tiêu: Trình bày đặc trưng nguyên lý làm việc máy đo góc tuyệt đối Máy đo góc tuyệt đối có cấu tạo gồm hai phần: phần động gắn liền với trục quay động chứa cuộn sơ cấp kích thích sóng mang tần số 2- 10Khz qua máy biến áp quay (hình 4.30 a) Phần tĩnh có dây quấn thứ cấp (cuộn sin cuộn cos) đặt lệch 900 Đầu hai dây quấn thứ cấp ta thu tín hiệu điều biên UU0sin tsinϑ UU0sin tcosϑ (hình 4.30 b) Đường bao kênh tín hiệu chứa thơng tin vị trí tuyệt đối (gócϑ) rotor máy đo, có nghĩa vị trí tuyệt đối rotor động (hình 4.30 c) 99 Hình 4.30: Máy đo góc tuyệt đối a) cấu tạo b) sơ đồ nguyên lý c)hai kênh tín hiệu Có cách thu thập thơng tích  : - Hiệu chỉnh sửa sai góc thu sở so sánh góc cài đặt sẵn số vi mạch sẵn có Các vi mạch cho tín hiệu góc dạng số (độ phân giải 10-16 bit/1 vóng tốc độ quay dạng tương tự - Dùng hai chuyển đổi tương tự - số để lấy mẫu trực tiếp từ đỉnh tín hiệu điều chế Trong trường hợp cần đồng chặt chẽ thời điểm lấy mẫu khâu tạo tín hiệu kích thích 2-10 kHz 100 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Trọng Thuần, Điều khiển logic ứng dựng, NXB Khoa học kỹ thuật 2006 [2] Nguyễn Văn Hòa, Giáo trình đo lường cảm biến đo lường, NXB Giáo dục 2005 [3] Lê Văn Doanh- Phạm Thượng Hàn, Các cảm biến kĩ thuật đo lường điều khiển, NXB Khoa học kỹ thuật 2006 [4] Lê Văn Doanh, Các cảm biến kĩ thuật đo lường điều khiển, NXB Khoa học kỹ thuật 2001 [5] Nguyễn Thị Lan Hương, Kỹ thuật cảm biến, NXB Khoa học kỹ thuật 2008 [6] Phan Quốc Phô, Nguyễn Đức Chiến, Cảm biến, NXB Khoa học kỹ thuật 2000 101