Giáo trình Kỹ thuật cảm biến (Nghề Điện tử công nghiệp Cao đẳng)

ỦY BAN NHÂN DÂN THÀNH PHỐ HÀ NỘI TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ VIỆT NAM - HÀN QUỐC THÀNH PHỐ HÀ NỘI NGUYỄN THANH HÀ (Chủ biên) NGUYỄN ANH DŨNG – TRỊNH THỊ HẠNH GIÁO TRÌNH KỸ THUẬT CẢM BIẾN Nghề: Điện tử cơng nghiệp Trình độ: Cao đẳng (Lưu hành nội bộ) Hà Nội - Năm 2018 LỜI GIỚI THIỆU Để cung cấp tài liệu học tập cho học sinh - sinh viên tài liệu cho giáo viên giảng dạy, Khoa Điện Tử Trường CĐN Việt Nam - Hàn Quốc thành phố Hà Nội chỉnh sửa, biên soạn giáo trình “KỸ THUẬT CẢM BIẾN” dành riêng cho học sinh - sinh viên nghề Điện tử công nghiệp Đây mô – đun bắt buộc chương trình đào tạo nghề Điện tử cơng nghiệp trình độ Cao đẳng Nhóm biên soạn tham khảo tài liệu: “Kỹ thuật cảm biến” dùng cho sinh viên Trường Cao đẳng nghề trung cấp nghề tác giả Vũ Quang Hồi năm 2010, nhiều tài liệu khác Mặc dù nhóm biên soạn có nhiều cố gắng khơng tránh thiếu sót Rất mong đồng nghiệp độc giả góp ý kiến để giáo trình hồn thiện Xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày tháng 09 năm 2018 Chủ biên: Nguyễn Thanh Hà MỤC LỤC LỜI GIỚI THIỆU MỤC LỤC CHƯƠNG TRÌNH MƠ ĐUN ĐÀO TẠO Bài mở đầu Khái niệm cảm biến Khái niệm cảm biến Phạm vi sử dụng cảm biến Phân loại cảm biến: Bài Cảm biến nhiệt độ 11 1.1 Đại cương 11 1.2 Nhiệt điện trở Platin Niken 12 1.3 Cảm biến nhiệt độ với vật liệu Silic 18 1.4 IC cảm biến nhiệt độ 23 1.5 Nhiệt điện trở NTC 25 1.6 Nhiệt điện trở PTC 28 1.7 Thực hành với cảm biến nhiệt độ Platin Pt 100, Pt1000 ADT70 31 1.8 Thực hành với cảm biến LM35 32 1.9 Thực hành với cảm biến nhiệt điện trở NTC 34 1.10 Thực hành với cảm biến nhiệt điện trở PTC 36 Bài Cảm biến tiệm cận số loại cảm biến xác định vị trí, khoảng cách khác 38 2.1 Cảm biến tiệm cận (Proximity Sensor) 38 2.2 Một số loại cảm biến xác định vị trí, khoảng cách khác 50 2.3 Thực hành với cảm biến tiệm cận điện cảm 65 2.4 Thực hành với cảm biến tiệm cận điện dung 66 2.5 Thực hành với cảm biến từ 67 2.6 Thực hành với cảm phân loại màu 68 Bài Cảm biến tiệm cận số loại cảm biến xác định vị trí, khoảng cách khác 70 3.1 Đại cương 70 3.2 Phương pháp đo lưu lượng theo nguyên tắc chênh lệch áp suất 73 3.3 Phương pháp đo lưu lượng tần số dịng xốy 79 3.4 Thực hành với cảm biến đo lưu lượng 81 Bài Đo vận tốc vịng quay góc quay 86 4.1 Một số phương pháp đo vận tốc vòng quay 86 4.2 Đo vận tốc vòng quay phương pháp Analog 86 4.3 Đo vận tốc vòng quay phương pháp quang điện tử 88 4.5 Cảm biến đo góc với tổ hợp có điện trở từ 95 4.6 Máy đo góc tuyệt đối (Resolver) 97 4.7 Thực hành đo góc với encoder tương đối tuyệt đối 98 4.8 Thực hành với cảm biến đo vòng quay 100 Bài Cảm biến quang điện 104 5.1 Đại cương 104 5.2 Cảm biến quang loại thu phát độc lập 114 5.3 Cảm biến quang loại phản xạ gương 117 5.4 Cảm biến quang loại phản xạ khuếch tán 119 5.5 Một số ứng dụng cảm biến quang điện 121 5.6 Thực hành với cảm biến quang 125 TÀI LIỆU THAM KHẢO 129 CHƯƠNG TRÌNH MƠ ĐUN ĐÀO TẠO Tên mơ đun: Kỹ thuật cảm biến Mã mô đun: MĐ 14 Thời gian thực mô đun: 60 giờ; (LýT:20 giờ; TH:36 giờ; KT: giờ) I Vị trí, tính chất mơ đun - Vị trí Mơ đun bố trí dạy sau môn học linh kiện điện tử, đo lường điện tử, kỹ thuật xung - số, học song song với mơn khác máy điện, điện tử công suất, Vi mạch tương tự - Tính chất Là mơ đun bắt buộc II Mục tiêu mô đun Sau học xong mơ đun học viên có lực - Kiến thức: - Trình bày đặc tính cấu tạo nguyên lý làm việc loại cảm biến - Phân tích phương pháp kết nối mạch điện - Về kỹ năng: - Thiết kế mạch cảm biến đơn giản đạt yêu cầu kỹ thuật - Thực hành lắp ráp số mạch điều khiển thiết bị cảm biến yêu cầu - Kiểm tra, vận hành sửa chữa mạch ứng dụng loại cảm biến yêu cầu kỹ thuật - Về lực tự chủ trách nhiệm: - Rèn luyện tính tỷ mỉ, xác, an tồn vệ sinh cơng nghiệp III Nội dung mô đun Nội dung tổng quát phân bổ thời gian: Số TT Thời gian Tên mô đun Tổng số Bài mở đầu: Các khái niệm cảm biến Cảm biến nhiệt độ 16 Lý thuyết Thực hành Kiểm tra* 10 10 Đo vận tốc vịng quay góc 12 quay Cảm biến quang điện Cộng 20 36 Cảm biến tiệm cận số 12 loại cảm biến xác định vị trí khoảng cách khác Phương pháp đo lưu lượng 60 Bài mở đầu Khái niệm cảm biến Mục tiêu - Phát biểu khái niệm cảm biến - Trình bày ứng dụng phương pháp phân loại cảm biến - Rèn luyện tính tư tác phong công nghiệp Khái niệm cảm biến * 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 mang tính chất điện đo xử lý Các đại lượng cần đo (m) thường tính chất điện nhiệt độ,áp suất,…tác động lên cảm biến cho ta đặc trưng (s) mang tính chất điện điện áp, điện tích,dịng điện trở kháng chứa đựng thông tin cho phép xác định giá trị đại lượng đo Đặc trưng (s) hàm đại lượng cần đo (m) : s = f(m) (1) 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) * Các đặc trưng cảm biến - Độ nhạy cảm biến Đối với cảm biến tuyến tính,giữa biến thiên đầu s biến thiên đầu vào m có liên hệ tuyến tính: s = S m (2) Đại lượng S xác định biểu thức S  s (3) gọi độ nhạy m cảm biến - Sai số độ xác Các cảm biến dụng cụ đo lường khác, đại lượng cần đo (cảm nhận) chịu tác động nhiều đại lượng vật lý khác gây nên sai số giá trị đo giá trị thực đại lượng cần đo Gọi x độ lệch tuyệt đối giá trị đo giá trị thực x (sai số tuyệt đối), sai số tương đối cảm biến tính  x 100 ,[%] x (4) Sai số cảm biến mang tính chất ước tính khơng thể biết xác giá trị thực đại lượng cần đo - Độ nhanh thời gian hồi đáp Độ nhanh đặc trưng cảm biến cho phép đánh giá khả theo kịp thời gian đại lượng đầu đại lượng đầu vào biến thiên Thời gian hồi đáp đại lượng sử dụng để xác định giá trị số độ nhanh Độ nhanh t r khoảng thời gian từ đại lượng đo thay đổi đột ngột đến khi biến thiên đại lượng đầu khác giá trị cuối lượng giới hạn  tính % Thời gian hồi đáp tương ứng với  (%) xác định khoảng thời gian cần thiết phải chờ đợi sau có biến thiên đại lượng đo để lấy giá trị đầu với độ xác định trước thời gian hồi đáp đặc trưng cho chế độ độ cảm biến hàm thông số thời gian xác định chế độ Hình Xác định khoảng thời gian đặc trưng cho chế độ độ Trong trường hợp thay đổi đại lượng đo có dạng bậc thang, thơng số thời gian gồm thời gian trễ tăng (t dm ) thời gian tăng (t m ) ứng với tăng đột ngột đại lượng đo thời gian trễ giảm (t dc ) thời gian giảm (t c ) ứng vơi giảm đột ngột đại lượng đo Khoảng thời gian trễ tăng (t dm ) thời gian cần thiết để đại lượng đầu tăng từ giá trị ban đầu đến 10% biến thiên tổng cộng đại lượng khoảng thời gian tăng (t m ) thời gian cần thiết để đại lượng đầu tăng từ 10% đến 90% biến thiên tổng cộng Tương tự đại lượng đo giảm, thời gian trễ giảm (t dc ) thời gian cần thiết để đại lượng đầu giảm từ giá trị ban đầu đến 10% biến thiên tổng cộng đại lượng khoảng thời gian giảm (t c ) thời gian cần thiết để đại lượng đầu giảm từ 10% đến 90% biến thiên tổng cộng Các thơng số thời gian (t r ) ,(t dm ) ,(t m ) ,(t dc ) ,(t c ) cảm biến cho phép ta đánh giá thời gian hồi đáp Phạm vi sử dụng cảm biến - Trình bày phạm vi ứng dụng cảm biến Ngày các biến sử dụng nhiều ngành kinh tế kỹ thuật ngành công nghiệp, nông nghiệp, giao thông vận tải,….Các cảm biến đặc biệt nhạy sử dụng thí nghiệm nghiên cứu khoa học Trong lĩnh vực tự động hóa, cảm biến sử dụng nhiều với nhiều loại khác kể cảm biến bình thường đặc biệt Phân loại cảm biến: - Theo nguyên tắc chuyển đổi đáp ứng kích thích Hiện tượng Hiện tượng vật lý Chuyển đổi đáp ứng kích thích Nhiệt điện , quang điện , quang từ , điện từ, quang đàn hồi , từ điện , nhiệt từ,… Hóa học Biến đổi hố học , Biến đổi điện hố , Phân tích phổ,… Sinh học Biến đổi sinh hoá , Biến đổi vật lý , Hiệu ứng thể sống,… - Theo dạng kích thích Kích thích Các đặc tính kích thích Âm -Biên pha, phân cực-Phổ-Tốc độ truyền sóng… Điện -Điện tích, dịng điện-Điện thế, điện áp-Điện trường-Điện dẫn, số điện môi… Từ -Từ trường-Từ thông, cường độ từ trường-Độ từ thẩm… Cơ -Vị trí-Lực, áp suất-Gia tốc, vận tốc, ứng suất, độ cứng-Mômen -Khối lượng, tỉ trọngĐộ nhớt… Quang -Phổ-Tốc độ truyền-Hệ số phát xạ, khúc xạ… Hình 5.16 Chế độ hoạt động Dark-On cảm biến quang loại thu phát độc lập - Chế độ hoạt động Light-On : Hình 5.17 Chế độ hoạt động Light-On cảm biến quang loại thu phát độc lập * Kết nối cảm biến : Tùy thuộc vào đối tượng tải thực tế, mà sử dụng phận thu cảm biến quang loại DC hay AC Khi kết nối cảm biến với tải phải tuân theo dẫn ghi nhãn cảm biến Mọi kết nối sai làm hỏng cảm biến - Kết nối tải phận thu kiểu NPN : 116 Hình 5.18 Kết nối phận thu kiểu NPN - Kết nối tải phận thu kiểu PNP : Hình 5.19 Kết nối phận thu kiểu PNP Tải Relay, PLC mạch Logic 5.3 Cảm biến quang loại phản xạ gương * Cấu tạo nguyên lý hoạt động : Cảm biến quang loại phản xạ gương (retro reflective) gồm hai thành phần phận phát – thu gương phản xạ hình 5.20 Bộ phận phát phát ánh sáng hồng ngoại truyền thẳng, ánh sáng hồng ngoại mã hóa theo tần số đó, mục đích nhằm tránh ảnh hưởng nguồn ánh sáng xung quanh Nếu khơng có vật cảm biến ánh sáng từ phận phát bị phản xạ ngược lại, phận thu nhận ánh sáng khơng có tác động ngõ Nếu có vật cảm biến ngang qua ngắt ánh sáng truyền đến phận thu phận thu khơng nhận ánh sáng từ phận phát, lúc phận thu có tín hiệu tác động ngõ 117 Hình 5.20 Cấu tạo cảm biến quang loại phản xạ gương * Gương phản xạ : Gương phản xạ loại gương mà ánh sáng chiếu đến ánh sáng phản xạ trở lại song song với ánh sáng chiếu tới Gương phản xạ dùng cho cảm biến quang thường có dạng hình vng hình chữ nhật Về cấu tạo bên gương phản xạ có hai loại, loại hạt thủy tinh loại gương ba mặt Hình 5.21 Cấu tạo nguyên lý hoạt động : a)Gương thường b)Gương phản xạ mặt c) Gương phản xạ loại hạt thủy tinh * Khoảng cách phát : Đối với cảm biến quang loại gương phản xạ, khoảng cách cài đặt khoảng cách tính từ phận phát – thu đến gương phản xạ cho phận thu nhận ánh sáng hồng ngoại phát từ phận phát Do đó, nói khoảng cách phát khoảng cách cài đặt 118 Hình 5.22 Khoảng cách cài đặt cảm biến quang loại gương phản xạ * Chế độ hoạt động Dark-On Light-On : - Chế độ hoạt động Dark-On : Hình 5.23 Chế độ hoạt động Dark – On cảm biến quang loại gương phản xạ - Chế độ hoạt động Light-On : Hình 5.24 Chế độ hoạt động Light – On cảm biến quang loại gương phản xạ * Kết nối cảm biến : (Tương tự kết nối cảm biến quang loại phát thu độc lập) 5.4 Cảm biến quang loại phản xạ khuếch tán * Cấu tạo nguyên lý hoạt động : 119 Cảm biến quang loại phản xạ khuếch tán (diffuse reflective) loại cảm biến sử dụng nguyên lý phát thu, tia hồng ngoại phát có góc phát to dần ánh sáng xa Hình 5.25 Cấu tạo nguyên lý hoạt động cảm biến quang loại phản xạ khuếch tán * Khoảng cách phát : Đối với cảm biến quang loại phản xạ khuếch tán, khoảng cách cài đặt khoảng cách xa tính từ phận phát – thu đến vật cảm biến cho phận thu nhận ánh sáng hồng ngoại phát từ phận phát Do đó, nói khoảng cách phát khoảng cách cài đặt Hình 5.26 Khoảng cách cài đặt cảm biến quang loại phản xạ khuếch tán * Chế độ hoạt động Dark-On Light-On : - Chế độ hoạt động Dark-On : Hình 5.27 Chế độ hoạt động Dark – On cảm biến quang loại phản xạ khuếch tán - Chế độ hoạt động Light-On : 120 Hình 5.28 Chế độ hoạt động Light – On cảm biến quang loại phản xạ khuếch tán * Kết nối cảm biến : (Tương tự kết nối cảm biến quang loại phát thu độc lập) 5.5 Một số ứng dụng cảm biến quang điện E Phát gãy mũi khoan Phát vật lớn E E 3C Phát vật nhỏ Phát linh kiện điện tử Hình 5.29: Một số cảm biến quang điện thường gặp 121 Phát sữa hộp giấy Kiếm tra thuốc Đặc điểm: - Độ tin cậy cao - Khoảng cách phát xa - Không bị ảnh hưởng bề mặt, màu sắc vật Sensor vật băng ngang qua Hình 5.30: Một số cảm biến quang điện cơng nghiệp Hình 5.31:Cảm biến E3Z-T61 122 * Cảm biến quang loại phản xạ gương : E3Z-T61, với tia sáng mạncó thể xun qua vỏ bọc giấy bên ngồi phát sữa / nước trái thời điểm phát mức chất lỏng Phát người để mở cửa Phát xe qua Phát vali, túi xách … băng chuyền Nhận dạng đếm IC Phát Phát chai PET Hình 5.32: Một số loại cảm biến phản xạ gương 123 * Cảm biến quang loại phản xạ khuếch tán : Hình 5.33: Cảm biến Z4W-V Z4W-V loại Laser sensor phát chiều cao bánh làm với độ xác tới vài micromet Hình 5.34: Phát bánh băng chuyền 124 E Hình 5.35: Nhận dạng cắt cao su 5.6 Thực hành với cảm biến quang 5.6.1 Thực hành với cảm biến quang loại phát thu độc lập a Thiết bị + Cảm biến quang loại phát thu độc lập E3C + Relay trung gian 24VDC + Nguồn 24VDC + Đèn tín hiệu 24VDC + Vật cảm biến b Ghi thông số kỹ thuật cảm biến Nguồn gốc: Công ty sản xuất: Mã số sản xuất sản phẩm: Điện áp hoạt động: Dòng điện: Đặc tính hoạt động: Khoảng cách tác động: Tiêu chuẩn cách điện: c Vẽ sơ đồ kết nối cảm biến d Các bước thực hành Bước : Tiến hành đấu nối cảm biến theo sơ đồ vẽ 125 Chú ý : Tùy thuộc vào ngõ cảm biến mà đấu nối theo dạng NPN PNP Bước : Lần lượt cho vật cảm biến khác qua phận phát phận thu để xét xem tác động ngõ cảm biến e Những ghi thực hành nhận xét : 5.6.2 Thực hành với cảm biến quang loại gương phản xạ a Thiết bị + Cảm biến quang loại gương phản xạ E3T - SR + Relay trung gian 24VDC + Nguồn 24VDC + Đèn tín hiệu 24VDC + Vật cảm biến b Ghi thông số kỹ thuật cảm biến Nguồn gốc: Công ty sản xuất: Mã số sản xuất sản phẩm: Điện áp hoạt động: Dòng điện: Đặc tính hoạt động: Khoảng cách tác động: Tiêu chuẩn cách điện: 126 c Vẽ sơ đồ kết nối cảm biến d Các bước thực hành Bước : Tiến hành đấu nối cảm biến theo sơ đồ vẽ Chú ý : Tùy thuộc vào ngõ cảm biến mà đấu nối theo dạng NPN PNP Bước : Lần lượt cho vật cảm biến khác qua phận phát - thu gương phản xạ để xét xem tác động ngõ cảm biến e Những ghi thực hành nhận xét 5.6.3 Thực hành với cảm biến quang loại phản xạ khuếch tán a Thiết bị + Cảm biến quang loại phản xạ khuếch tán E3S – CL1 + Relay trung gian 24VDC + Nguồn 24VDC + Đèn tín hiệu 24VDC + Vật cảm biến b Ghi thông số kỹ thuật cảm biến Nguồn gốc: Công ty sản xuất: Mã số sản xuất sản phẩm: Điện áp hoạt động: Dòng điện: Đặc tính hoạt động: Khoảng cách tác động: 127 Tiêu chuẩn cách điện: c Vẽ sơ đồ kết nối cảm biến d Các bước thực hành Bước : Tiến hành đấu nối cảm biến theo sơ đồ vẽ Chú ý : Tùy thuộc vào ngõ cảm biến mà đấu nối theo dạng NPN PNP Bước : Lần lượt cho vật cảm biến khác qua phận phát - thu với khoảng cách khác để xét xem tác động ngõ cảm biến 5.6.3.4 Những ghi thực hành nhận xét : 128 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Đề cương môđun/môn học nghề Sửa chữa thiết bị điện tử công nghiệp”, Dự án Giáo dục kỹ thuật Dạy nghề (VTEP), Tổng cục Dạy Nghề, Hà Nội, 2003 [2] Các cảm biến kỹ thuật đo lường điều khiển Lê văn Doanh, Phạm Thượng Hàn, Nguyễn Văn Hòa, Đào Văn Tân NXB Khoa học kỹ thuật Hà Nội, 2001 [3] Cảm biến ứng dụng Dương Minh Trí NXB Khoa học kỹ thuật Hà Nội, 2001 [4] Giáo trình cảm biến Phan Quốc Phô, Nguyễn Đức Chiến NXB Khoa học kỹ thuật Hà Nội, 2001 [5] Giáo trình đo lường khơng điện Trường ĐHSPKT TP HCM [6] Electrical-electronic - Heungryong Khoa học xuất bản, Jae Keun Lee, 2010 04 129 130 ... Vật cảm biến Cuộn Vỏ bảo vệ Tín hiệu Vùng từ trường Tạo từ trường Biến đổi Hình 2.6 Cấu tạo cảm biến tiệm cận điện cảm * Phân loại cảm biến tiệm cận điện cảm : Xét hình dáng cảm biến tiệm cận điện. .. Khái niệm cảm biến Mục tiêu - Phát biểu khái niệm cảm biến - Trình bày ứng dụng phương pháp phân loại cảm biến - Rèn luyện tính tư tác phong công nghiệp Khái niệm cảm biến * Khái niệm Cảm biến thiết... ) cảm biến cho phép ta đánh giá thời gian hồi đáp Phạm vi sử dụng cảm biến - Trình bày phạm vi ứng dụng cảm biến Ngày các biến sử dụng nhiều ngành kinh tế kỹ thuật ngành công nghiệp, nông nghiệp,