Bài giảng Nhập môn cơ điện tử: Chương 2 - Cảm biến được biên soạn bao gồm các nội dung chính sau: Khái niệm cảm biến; Phân loại cảm biến; Các đặc tính của cảm biến; Nguyên lý của các cảm biến; Chuẩn hóa tín hiệu. Mời các bạn cùng tham khảo bài giảng tại đây.
10/27/2018 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY Nhập môn Cơ điện tử Introduction to Mechatronics Giảng viên: TS Nguyễn Anh Tuấn Bộ môn Cơ điện tử – ĐHBK Hà Nội Email: bktuan2000@gmail.com Content Chương Tổng quan Cơ điện tử Chương Cảm biến Chương Cơ cấu chấp hành Chương Thiết bị điều khiển Chương Thị giác máy Chương Xử lý tín hiệu Chương Rơ bốt cơng nghiệp Chương Phần mềm 1 10/27/2018 Chương 2- Cảm biến 2.1 Khái niệm 2.2 Phân loại cảm biến 2.3 Các đặc tính cảm biến 2.4 Các nguyên lý cảm biến 2.5 Chuẩn hóa tín hiệu 2.1 Khái niệm Vai trò cảm biến hệ thống Cơ điện tử Cảm biến thiết bị dùng để cảm nhận, biến đổi đại lượng vật lý cần đo (nhiệt độ, chuyển vị, lực, v.v đại lượng khơng có tính chất điện) thành đại lượng điện tỷ lệ (điện, từ trường, v.v ) để xử lý sử dụng làm tín hiệu điều khiển Các dạng lượng cần đo: Cơ, nhiệt, điện từ, quang, hóa học, v.v 10/27/2018 2.1 Khái niệm Hệ thống cảm biến Cảm biến điện tử có: - Bộ biến đổi sơ cấp: biến đổi đại lượng vật lý thành tín hiệu điện - Bộ biến đổi thứ cấp: chuyển tín hiệu điện thành tín hiệu số tín hiệu tương tự Primary transducer Secondary transducer Hệ thống cảm biến 2.2 Phân loại Phân loại theo đại lượng cần đo: Hiện tượng Cơ học Đại lượng cần đo - Vị trí - Lực, áp suất - Gia tốc, vận tốc - Ứng suất, độ cứng, mô men - Khối lượng, tỉ trọng - Vận tốc chất lưu, độ nhớt, Nhiệt - Nhiệt độ - Nhiệt dung, tỉ nhiệt, Điện - Điện tích, dịng điện - Điện thế, điện áp - Điện trường (biên, pha, phân cực, phổ) - Điện dẫn, số điện môi, Quang - Biên, pha, phân cực, phổ, tốc độ truyền - Hệ số phát xạ, khúc xạ, hấp thụ, hệ số xạ, 10/27/2018 2.2 Phân loại Phân loại theo nguyên lý chuyển đổi đáp ứng kích thích: 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, 2.2 Phân loại Phân loại theo nguồn lượng tiêu thụ: Phân loại cảm biến Hiệu ứng sử dụng Cảm biến chủ động: không sử dụng điện bổ sung để chuyển sang tín hiệu điện; cảm biến hoạt động máy phát, đáp ứng (s) điện tích, điện áp hay dịng - Hiệu ứng nhiệt điện: Cặp nhiệt điện, Can nhiệt (Cảm biến nhiệt độ)… - Hiệu ứng cảm ứng điện từ: Cảm biến đo tốc độ… - Hiệu ứng áp điện: Cảm biến lực, áp suất, gia tốc… Cảm biến thụ động: có sử dụng điện bổ sung để chuyển sang tín hiệu điện; cảm biến hoạt động trở kháng đáp ứng (s) điện trở, độ tự cảm điện dung - Cảm biến biến trở, cảm biến tiệm cận,… 10/27/2018 2.3 Các đặc tính cảm biến a) Độ nhạy b) Miền đo c) Độ phân giải d) Độ xác, độ xác lặp e) Độ tuyến tính f) Độ trễ g) Tốc độ đáp ứng LOẠI GÌ? DẢI ĐO NÀO? CHỌN CẢM BIẾN ĐỘ CHÍNH XÁC BAO NHIÊU? 2.3 Các đặc tính cảm biến a) Độ nhạy, S Là tỷ số thay đổi đầu đầu vào cảm biến • Độ nhạy phụ thuộc vào yếu tố sau: - Giá trị đại lượng cần đo m tần số thay đổi - Thời gian sử dụng - Ảnh hưởng đại lượng vật lý khác (không phải đại lượng đo) môi trường xung quanh • Để phép đo đạt độ xác cao độ nhạy S khơng đổi 10/27/2018 2.3 Các đặc tính cảm biến b) Miền đo Là giới hạn miền giá trị cực đại giá trị cực tiểu đại lượng cần đo mà cảm biến phân biệt 150°C -55°C Cảm biến nhiệt độ LM35 10 2.3 Các đặc tính cảm biến c) Độ phân giải Là thay đổi lớn giá trị đo mà không làm thay đổi giá trị đầu cảm biến Encoder số sử dụng IC AS5045 11 10/27/2018 2.3 Các đặc tính cảm biến d) Độ xác, độ xác lặp • Độ xác đánh giá sai khác lớn 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 bằng: •Độ xác lặp mức độ mà cảm biến cho giá trị đo với điều kiện đo 12 2.3 Các đặc tính cảm biến e) Độ tuyến tính • Một cảm biến gọi tuyến tính dải đo xác định dải chế độ đó, độ nhạy khơng phụ thuộc vào đại lượng đo • Nếu cảm biến khơng tuyến tính, người ta đưa vào mạch đo thiết bị hiệu chỉnh cho tín hiệu điện nhận đầu tỉ lệ với thay đổi đại lượng đo đầu vào Sự hiệu chỉnh gọi tuyến tính hố • Độ lệch tuyến tính độ lệch cực đại đường cong chuẩn đường thẳng tốt (tính %) dải đo 13 10/27/2018 2.3 Các đặc tính cảm biến f) Thời gian đáp ứng (Response time) Vùng phát Cảm biến tiệm cận Đối tượng cảm biến Ngõ Bề mặt cảm biến Trong dải hoạt động Ngoài vùng hoạt động ON OFF T1 T2 T1: Khoảng thời gian từ lúc đối tượng chuyển động vào vùng phát sensor tới lúc đầu sensor lên ON T2: Khoảng thời gian từ lúc đối tượng chuyển động khỏi vùng phát sensor tới đầu sensor tắt OFF 13 2.4 Các nguyên lý cảm biến 2.4.1 Cơng tắc hành trình 2.4.2 Cảm biến chạy 2.4.3 Biến áp vi sai biến đổi 2.4.4 Encoder gia tăng 2.4.5 Encoder tuyệt đối 2.4.6 Encoder tuyến tính 2.4.7 Cảm biến cảm ứng điện từ 2.4.8 Cảm biến điện cảm 2.4.9 Cảm biến điện dung 2.4.10 Cảm biến siêu âm 2.4.11 Cảm biến quang 2.4.12 Cảm biến đo vận tốc 2.4.13 Cảm biến gia tốc 2.4.14 Gyroscope 2.4.15 Cảm biến nhiệt độ 2.4.16 Cảm biến đo lưu lượng 2.4.17 Cảm biến áp suất 2.4.18 Cảm biến lực, biến dạng 2.4.19 Cảm biến xúc giác 16 10/27/2018 2.4.1 Công tắc hành trình - Cấu tạo gồm phần chính: cấu tác động (cần gạt) tiếp điểm chuyển đổi chuyển động thành tín hiệu điện - Khơng trì trạng thái cố định - Tiếp điểm có loại: thường đóng (NC), thường mở (NO), cặp tiếp điểm ( NO+NC có chung chân COM) Trong cơng tắc hành trình có tiếp điểm, tiếp điểm cặp tiếp điểm - Mục đích: + Giới hạn hành trình + Hành trình tự động: Kết hợp với role, PLC hay VDK 17 2.4.2 Cảm biến chạy/ Chiết áp Cấu tạo: gồm điện trở màng than dây quấn có dạng hình cung, có trục xoay nối với trượt Con trượt tiếp xúc động với vành điện trở tạo nên cực thứ 3, nên trượt dịch chuyển điện trở cực thứ cực lại thay đổi Biến trở sử dụng điều khiển điện áp (potentiometer: chiết áp), chiết phần điện áp từ đầu vào tuỳ theo mức độ chỉnh Ví dụ: – Chiết áp Volume, triết áp Bass, Treec, 18 10/27/2018 2.4.3 Biến áp vi sai tuyến tính (LVDT) Cấu tạo: -Gồm cuộn sơ cấp, cuộn thứ cấp phần lõi sắt từ - Cuộn sơ cấp cấp nguồn AC, cuộn thứ cấp mắc ngược 2.4.3 Biến áp vi sai tuyến tính (LVDT) Hoạt động: - Ngõ điện áp đầu cuộn thứ cấp, phụ thuộc vào vị trí lõi sắt từ - Khi lõi sắt cuộn thứ cấp, sinh điện áp ngược dấu điện áp - Khi vật di chuyển lên hay xuống làm cho điện áp cuộn thứ cấp tăng giảm - Đo điện áp ngõ để xác định độ dịch chuyển 19 10 10/27/2018 2.4.9 Cảm biến đo vận tốc 2.4.10 Cảm biến gia tốc 36 10/27/2018 2.4.10 Cảm biến gia tốc Hiệu ứng áp điện thuận Điện áp mạch đo 2.4.10 Cảm biến gia tốc 37 10/27/2018 2.4.11 Gyroscopes (con quay hồi chuyển) 2.4.12 Cảm biến nhiệt độ Cặp nhiệt điện (Thermocouple) Hiệu ứng Seebeck: Điểm kết nối dây đặt vào nơi có nhiệt độ khác nhau, tạo sư dịch chuyển electron tạo điện áp nhỏ đầu dây hở Cặp nhiệt điện 44 38 10/27/2018 2.4.12 Cảm biến nhiệt độ Cặp nhiệt điện (Thermocouple) Một số cặp nhiệt chuẩn hóa đặt tên cho vật liệu cấu thành cụ thể Tên chúng thường chữ chẳng hạn cặp nhiệt loại K, R, S, J, B 44 2.4.12 Cảm biến nhiệt độ Nhiệt điện trở kim loại (RTD-Resistance Temperature Detectors) • Điện trở kim loại thay đổi theo nhiệt độ Điện trở nhiệt cấu tạo đa phần platinum niken; Đây loại vật liệu tốt, có tính chịu nhiệt cao môi trường khắc nghiệt điểm đặc biệt loại có độ đo xác cao lên đến 99.9 % mà khơng có loại vật liệu thay 45 39 10/27/2018 2.4.12 Cảm biến nhiệt độ Nhiệt điện trở kim loại (RTD-Resistance Temperature Detectors) • Điện trở kim loại thay đổi theo nhiệt độ Ưu điểm RTD: Độ xác cao Thang đo phạm vi rộng Đa dạng chiều dài Nhiệt điện trở thiết kế đa dạng: loại dây loại nên linh hoạt việc lắp đặt nhà máy Nhược điểm RTD : Không đo nhiệt độ 850oC Nhiệt điện trở (RTD) 45 2.4.12 Cảm biến nhiệt độ Thermistor • Một điện trở nhiệt loại điện trở có điện trở phụ thuộc vào nhiệt độ, nhiều so với điện trở tiêu chuẩn • Là loại điện trở có cấu tạo từ loại oxit kim loại như: Niken, mangan… với dải đo hẹp 50oC ứng dụng làm mạch điện tử • Ký hiệu: 40 10/27/2018 2.4.12 Cảm biến nhiệt độ Thermistor • Với NTC thermistors, điện trở giảm nhiệt độ tăng NTC thường sử dụng cảm biến nhiệt độ, nối tiếp với mạch điện giới hạn dòng khởi động • Với thermistor PTC, điện trở tăng nhiệt độ tăng PTC thermistors thường cài đặt nối tiếp với mạch điện, sử dụng để bảo vệ chống lại tình trạng q dịng, giống cầu chì NTC Thermistor (negative temperature coefficient) PTC Thermistor (positive temperature coefficient) 2.4.12 Cảm biến nhiệt độ Nhiệt kế hồng ngoại • Năng lượng vật phát 47 41 10/27/2018 2.4.12 Cảm biến nhiệt độ Nhiệt kế hồng ngoại 48 2.4.12 Cảm biến nhiệt độ IC nhiệt độ • Dải đo < 250 • Một số IC nhiệt độ khác • LM20, LM135, LM235, LM335, LM34: 49 42 10/27/2018 2.4.13 Cảm biến lưu lượng • Laser Doppler • Sự thay đổi tần số: 50 2.4.13 Cảm biến lưu lượng 51 43 10/27/2018 2.4.13 Cảm biến lưu lượng Cảm biến lưu lượng lực cản Cảm biến dạng tua bin 52 2.4.13 Cảm biến lưu lượng 500 kHz Cảm biến siêu âm Cảm biến khuếch tán nhiệt 53 44 10/27/2018 2.4.14 Cảm biến áp suất 54 2.4.15 Cảm biến lực, biến dạng Cảm biến điện trở lực căng 55 45 10/27/2018 2.4.15 Cảm biến lực, biến dạng 56 2.4.15 Cảm biến lực, biến dạng 57 46 10/27/2018 2.4.16 Cảm biến xúc giác Cảm biến xúc giác sử dụng để phát đụng chạm, lực hay áp suất 58 2.5 Chuẩn hóa tín hiệu Chuẩn hóa tín hiệu tập hợp thao tác xử lý tín hiệu phù hợp với thiết bị hệ thống khác nhằm tối ưu hóa việc thu thập xử lý tín hiệu, tăng cường độ xác đo lường Các chuẩn hóa tín hiệu bao gồm: Bộ lọc, khuếch đại, chuyển đổi ADC/DAC, v.v… 47 10/27/2018 2.5 Chuẩn hóa tín hiệu Khuếch đại Khuếch đại làm tăng mức điện áp để phù hợp với khoảng làm việc biến đổi tương tự sang số (ADC), làm tăng độ phân giải độ nhạy phép đo Các loại cảm biến cần có khuếch đại cặp nhiệt (thermocouple) strain gage Suy hao Suy hao trái ngược với khuếch đại, cần thiết mức điện áp cao so với khoảng ADC Bộ suy hao làm giảm cường độ tín hiệu ngõ vào để đưa vào ADC Suy hao thường gặp trường hợp đo điện áp lớn 10V 2.5 Chuẩn hóa tín hiệu Lọc Bộ lọc triệt tiêu tín hiệu nhiễu khơng mong muốn khoảng tần số định Vì đo lường gia tốc âm (microphone) thường phân tích tín hiệu miền tần số, nên lọc khử cưa phù hợp cho ứng dụng đo âm rung động Cách ly Tín hiệu điện áp nằm ngồi khoảng số hóa gây hại cho hệ thống đo, nên việc cách ly suy hao cần thiết để bảo vệ hệ thống 48 10/27/2018 2.5 Chuẩn hóa tín hiệu Kích thích Nhiều loại cảm biến hoạt động cần có dịng điện điện áp kích thích strain gage, gia tốc kế, nhiệt điện trở RTD (Resistance Temperature Detectors) Dòng điện đưa vào RTD nhiệt điện trở biến đổi trở kháng biến thiên sang điện áp đo Gia tốc kế cần có dịng điện kích thích dùng cho khuếch đại nội tuyến Strain gage có trở kháng thấp, với cầu Wheatstone hoạt động nhờ nguồn điện áp kích thích Tuyến tính hóa Tuyến tính hóa cần thiết tín hiệu điện áp ngõ từ cảm biến khơng có quan hệ tuyến tính với đại lượng vật lý cần đo Thermocouple cảm biến cần tuyến tính hóa 2.5 Chuẩn hóa tín hiệu Bù cực lạnh (CJC) CJC cần thiết cho phép đo dùng thermocouple Đo nhiệt độ với thermocouple đo chênh lệch điện áp cực kim loại khác Tuy nhiên lại có điện áp sinh đầu nối thermocouple thiết bị thu thập liệu, làm sai lệch kết đo CJC cung cấp nhiệt cho tiếp điểm tăng độ xác đo lường 49 10/27/2018 2.5 Chuẩn hóa tín hiệu Bổ sung cầu Wheatstone Bổ sung cầu Wheatstone cần dùng cho cảm biến phần tư bán cầu để có cầu Wheatstone hồn chỉnh 2.5 Chuẩn hóa tín hiệu Trên thị trường nay, hãng sản xuất tích hợp chuẩn hóa tín hiệu vào thu thập liệu, ví dụ hệ thu thập liệu tảng CompactDAQ PXI NI (National Instruments) Các hệ thống gồm có nhiều kênh tích hợp chuẩn hóa tín hiệu dạng module với ngõ vào tương tự, ngõ tương tự, ngõ vào/ra số, đếm/định thời, chuyển mạch… Nền tảng NI CompactDAQ PXI giúp đáp ứng yêu cầu người dùng, tăng độ xác đo lường, giảm chi phí độ phức tạp hệ thống 50 ... 1001 1000 Góc 0° 22 .5° 45° 67.5° 90° 1 12. 5° 135° 157.5° 180° 20 2.5° 22 5° 24 7.5° 27 0° 29 2.5° 315° 337.5° 15 10 /27 /20 18 Encorder tuyệt đối 2. 4.6 Encorder tuyến tính 25 16 10 /27 /20 18 2. 4.5 Cảm biến... - Quang điện - Quang từ - Điện từ - Quang đàn hồi - Từ điện - Nhiệt từ, Hóa học - Biến đổi hoá học - Biến đổi điện hố - Phân tích phổ, Sinh học - Biến đổi sinh hoá - Biến đổi vật lý - Hiệu ứng... lưu, độ nhớt, Nhiệt - Nhiệt độ - Nhiệt dung, tỉ nhiệt, Điện - Điện tích, dịng điện - Điện thế, điện áp - Điện trường (biên, pha, phân cực, phổ) - Điện dẫn, số điện môi, Quang - Biên, pha, phân