Giáo trình Kỹ thuật cảm biến (Nghề Cơ điện tử Cao đẳng)

ỦY BAN NHÂN DÂN THÀNH PHỐ HÀ NỘI TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ VIỆT NAM - HÀN QUỐC THÀNH PHỐ HÀ NỘI BÙI VĂN CÔNG (Chủ biên) NGUYỄN ANH DŨNG – LƯU HUY HẠNH GIÁO TRÌNH KỸ THUẬT CẢM BIẾN Nghề: Cơ điện tử Trình độ: Cao đẳng (Lưu hành nội bộ) Hà Nội - Năm 2019 LỜI NÓI ĐẦU 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, ô tô, 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 Mơn học làm tài liệu tham khảo cho cán kỹ thuật, học viên ngành khác quan tâm đến lĩnh vực Xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày … tháng … năm 2019 Chủ biên: Bùi Văn Công MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU MỤC LỤC GIÁO TRÌNH MƠ ĐUN Bài Khái niệm cảm biến 1.1 Khái niệm chung 1.2 Phạm vi ứng dụng 1.3 Phân loại cảm biến Bài 10 Cảm biến nhiệt độ 10 2.1 Nhiệt điện trở với Platin Nickel 10 2.2 Cảm biến nhiệt độ với vật liệu silic 16 2.3 IC cảm biến nhiệt độ 21 2.4 Nhiệt điện trở NTC 23 2.5 Nhiệt điện trở PTC 25 2.6 thực hành ứng dụng loại cảm biến nhiệt độ 28 Bài 32 Cảm biến tiệm cận loại cảm biến xác định vị trí, khoảng cách 32 3.1 Cảm biến tiệm cận (Proximity Sensor) 32 3.2 Một số loại cảm biến xác định vị trí, khoảng cách khác 55 3.3 Các thực hành ứng dụng loại cảm biến tiệm cận 63 Bài 64 Phương pháp đo lưu lượng 64 4.1 Đại cương 64 4.2 Phương pháp đo lưu lượng dựa nguyên tắc chênh lệch áp suất 69 4.3 Phương pháp đo lưu lượng tần số dịng xốy 81 4.4 Các thực hành ứng dụng cảm biến đo lưu lượng Đo lưu lượng 85 GIÁO TRÌNH MƠ ĐUN Tên mơ đun: Kỹ thuật biến Mã số mô đun: MĐ 26 Thời gian mô đun: 60 giờ; (LT: 18giờ; TH/TT/TN: 42giờ; KT: 02 giờ) I VỊ TRÍ, TÍNH CHẤT CỦA MƠ ĐUN: - Vị trí: Trước học mơ đun cần hồn thành môn học sở, đặc biệt môn học, mô đun: Kỹ thuật điện- điện tử, Đo lường điện điện tử, kỹ thuật số, điện tử công suất - Tính chất: Là mơ đun bắt buộc chương trình đào tạo nghề Cơ điện tử II MỤC TIÊU MƠ ĐUN: - Kiến thức: + Phân tích cấu tạo, nguyên lý hoạt động loại cảm biến - Kỹ năng: + Phân tích nguyên lý mạch điện cảm biến + Thực ứng dụng cảm biến điều khiển hệ thống điện tử - Năng lực tự chủ, trách nhiệm: + Vận dụng kiến thức môn học để tiếp thu môn học, mơ-đun chun nghề + Có ý thức trách nhiệm, chủ động học tập III NỘI DUNG MÔ ĐUN: Nội dung tổng quát phân bố thời gian: Số Tên chương, mục Thời gian Tổng Lý Thực hành/ Kiểm số thuyết thực tập/thí tra* nghiệm/bài tập TT /thảo luận Khái niệm cảm biến 1.1 Khái niệm chung 1.2.Phạm vi ứng dụng 1.3.Phân loại cảm biến 3 Kiểm tra Cảm biến nhiệt độ 25 18 Cảm biến tiệm cận loại 15 cảm biến xác định vị trí, khoảng cách 10 2.1 Nhiệt điện trở với Platin Nickel 2.2.Cảm biến nhiệt độ với vật liệu silic 2.3.IC cảm biến nhiệt độ 2.4.Nhiệt điện trở NTC 2.5 Nhiệt điện trở PTC 2.6.Các thực hành ứng dụng loại cảm biến nhiệt độ Kiểm tra 3.1.Cảm biến tiệm cận (Proximity Sensor 3.2.Một số loại cảm biến xác định vị trí, khoảng cách khác 3.3.Các thực hành ứng dụng loại cảm biến tiệm cận Phương pháp đo lưu lượng 15 4.1 Đại cương 4.2.Phương pháp đo lưu lượng dựa nguyên tắc chênh lệch áp suất 4.3.Phương pháp đo lưu lượng tần số dịng xốy 4.4.Các thực hành ứng dụng cảm biến đo lưu lượng Kiểm tra Cộng 60 18 40 Bài Mục tiêu: Khái niệm cảm biến - 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: 1.1 Khái niệm chung 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 dịng 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 Cảm biến đo Đối tượng điều lường khiển Mạch đo điện Chỉ thị xử lý Mạch so sánh thiết bị thừa hành chuẩn so sánh 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 lường biến đo Vi điều khiển PC (Microcontroler) 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 thơng 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 Phạm vi ứng dụng Các cảm biến sử dụng nhiều lĩnh vực kinh tế kỹ thuật Các cảm biến đặc biệt nhạy cảm sử dụng thí nghiệm lĩnh vực nghiên cứu khoa học Trong lĩnh vực tự động hoá người ta sử dụng loại sensor bình thường đặc biệt 1.3 Phân loại cảm biến Cảm biến phân loại theo nhiều tiêu chí Người ta phân loại cảm biến theo cách sau: 1.3.1 Theo nguyên lý chuyển đổi đáp ứng kích thích Hiện tượng Chuyển đổi đáp ứng kích thích Nhiệt điện Quang điện Vật lý Quang từ Điện từ Từ điện …vv Biến đổi hóa học Hóa học Biến đổi điện hóa Phân tích phổ …vv Biến đổi sinh hóa Sinh học Biến đổi vật lý Hiệu ứng thể sống vv 1.3.2 Theo dạng kích thích Kích thích Các đặc tính kích thích Biên pha, phân cực Âm Phổ Tốc độ truyền sóng …vv Điện tích, dịng điện Điện thế, điện áp Điện Điện trường Điện dẫn, số điện môi …vv Từ trường Từ Từ thông, cường độ từ trường Độ từ thẩm …vv Vị trí Lực, áp suất Cơ Gia tốc, vận tốc, ứng suất, độ cứng Mô men Khối lượng, tỉ trọng Độ nhớt…vv Phổ Quang Tốc độ truyền Hệ số phát xạ, khúc xạ …VV Nhiệt độ Nhiệt Thông lượng Tỷ nhiệt …vv Kiểu Bức xạ Năng lượng Cường độ …vv 1.3.3 Theo tính - Độ nhạy - Độ xác - Độ phân giải - Độ tuyến tính - Cơng suất tiêu thụ 1.3.4 Theo phạm vi sử dụng - Công nghiệp - Nghiên cứu khoa học - Mơi trường, khí tượng - Thơng tin, viễn thông - Nông nghiệp - Dân dụng - Giao thơng vận tải…vv 1.3.5 Theo thơng số mơ hình mạch điện thay - Cảm biến tích cực (có nguồn): Đầu nguồn áp nguồn dòng - Cảm biến thụ động (khơng có nguồn): Cảm biến gọi thụ động chúng cần có thêm nguồn lượng phụ để hồn tất nhiệm vụ đo kiểm, cịn loại tích cực khơng cần Được đặc trưng thơng số: R, L, C… tuyến tính phi tuyến *Nguyên tắc hoạt động Hình: 3.11 Nguyên tắc đo lưu lượng sử dụng Orifice plate dựa phương trình Bernoulli v  gh QV  A.v  A gh Trong thực tế giá trị vận tốc thực nhỏ giá trị vận tốc lý thuyết (do ma sát) Sự khác biệt điều chỉnh với hệ số CV CV =vận tốc thực tế/ vận tốc lý thuyết Bên cạnh diện tích dịng chảy hội tụ nhỏ diện tích Orifice plate, điều tiếp tục điều chỉnh với hệ số CC CC = diện tích vùng hội tụ / diện tích Orifice plate Hai hệ số CV , CC kết hợp với có hệ số điều chỉnh C Q v = C A gh Qv: Lưu lượng m3/s A: Hệ số điều chỉnh A: Diện tích Orifice plate h: Sự chênh lệch áp suất (m) g: Gia tốc trường (9,8 m2/s) Hệ số C (được định nghĩa theo tiêu chuẩn ISO 5167 – 2003) tra giá trị dựa vào dựa vào tiêu chuẩn ISO 5167 74 Hình 3.12: Loại Orifice Plate BLS 100 Tetratec Instruments Hình 3.13: Loại Orifice plate tiêu chuẩn BLB300 Tetratec Instruments *Yêu cầu lắp dặt (theo tiêu chuẩn ISO 5167) Hình 3.14 Cần có đoạn ống dẫn lưu chất khơng cong, thẳng vị trí trước sau vị trí lắp đặt Orifice Plate Độ dài tối tối thiểu đoạn ống phải đạt mức: + Ở vị trí sau Orifice Plate (cuối nguồn): lần đường kính ống dẫn lưu chất + Ở vị trí trước Orifice Plate (đầu nguồn): Phụ thuộc vào tỉ số  cách lắp đặt   d D d: đường kính Orifice Plate (đường kính miệng vịi Orifice Plate) D: đường kính ống dẫn lưu chất Căn vào giá trị  cách lắp đặt (xem hình) mà sử dụng hệ số a, b, c Tính độ dài tối thiểu cần thiết = hệ số * D 75  Hệ số