Giáo trình Kỹ thuật cảm biến (Nghề Điện công nghiệp Trình độ Trung cấp)

-1- BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN TRƯỜNG CAO ĐẲNG CƠ GIỚI VÀ THỦY LỢI LỜI GIỚI THIỆU Để thực biên soạn giáo trình đào tạo nghề Điện tử cơng nghiệp trình độ Cao Đẳng Nghề Trung Cấp Nghề, giáo trình cảm biến giáo trình mơ đun đào tạo chun ngành biên soạn theo nội dung chương trình khung Bộ Lao động Thương binh Xã hội Tổng cục Dạy Nghề phê duyệt Khi biên soạn, nhóm biên soạn cố gắng cập nhật kiến thức có liên quan đến nội dung chương trình đào tạo phù hợp với mục tiêu đào tạo, nội dung lý thuyết thực hành biên soạn gắn với nhu cầu thực tế sản xuất đồng thời có tính thực tiển cao TRÌNH ĐỢ: TRUNG CẤP Nội dung giáo trình biên soạn với dung lượng thời gian đào tạo (Ban hành kèm theo định số 546 ngày 11 tháng năm 2020) gồm có: Bài 1: Bài mở đầu khái niệm cảm biến Bài 2: Cảm biến nhiệt độ Bài 3: Cảm biến tiệm cận số loại cảm biến xác định vị trí khoảng cách khác Bài 4: Cảm biến quang điện Bài 5: Phương pháp đo lưu lượng Bài 6: Đo vận tốc vịng quay góc quay Trong trình sử dụng giáo trình, tuỳ theo yêu cầu khoa học công nghệ phát triển điều chỉnh thời gian bổ sung kiên thức cho phù hợp Trong giáo trình, chúng tơi có đề nội dung thực tập để người học cố áp dụng kiến thức phù hợp với kỹ Tuy nhiên, theo điều kiện sở vật chất trang thiết bị, trường có thề sử dụng cho phù hợp Mặc dù cố gắng tổ chức biên soạn để đáp ứng mục tiêu đào tạo không tránh khiếm khuyết Rất mong nhận đóng góp ý kiến thầy, giáo, bạn đọc để nhóm biên soạn hiệu chỉnh hồn thiện GIÁO TRÌNH KỸ THUẬT CẢM BIẾN NGHỀ: ĐIỆN CÔNG NGHIỆP NĂM 2020 -2- MỤC LỤC ĐỀ MỤC TRANG LỜI GIỚI THIỆU MỤC LỤC BÀI 1: KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ CÁC BỘ CẢM BIẾN 1.1.Khái niệm cảm biến: 1.2.Phạm vi sử dụng cảm biến BÀI 2: CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ………………………………………… 2.1 Đại cương 2.2.Nhiệt điện trở Platin Niken 2.3.Cảm biến nhiệt độ với vật liệu Silic 15 2.4.IC cảm biến nhiệt độ 20 2.5.Nhiệt điện trở NTC 22 2.6 Các thực hành ứng dụng loại cảm biến nhiệt độ 26 BÀI 3: CẢM BIẾN TIỆM CẬN VÀ CÁC LOẠI CẢM BIẾN XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ, KHOẢNG CÁCH ……………………………………………….30 3.1.Cảm biến tiệm cận (Proximity Sensor) 30 3.2.Một số loại cảm biến xác định vị trí, khoảng cách khác 50 3.3 Các thực hành ứng dụng loại cảm biến tiệm cận 53 BÀI 4: CẢM BIẾN QUANG ĐIỆN ………………………………….55 4.1.Đại cương 55 4.2.Cảm biến quang loại thu phát độc lập 63 4.3.Cảm biến quang loại phản xạ …………………………………………65 4.4.Cảm biến quang loại phản xạ khuếch tán 68 4.5.Một số ứng dụng cảm biến quang điện 69 4.6.Thực hành với cảm biến quang 72 BÀI 5: PHƯƠNG PHÁP ĐO LƯU LƯỢNG ………………………… 81 5.1.Đại cương 81 5.2.Phương pháp đo lưu lượng theo nguyên tắc chênh lệch áp suất 84 5.3.Phương pháp đo lưu lượng tần số dịng xốy .89 5.4.Thực hành với cảm biến đo lưu lượng 91 BÀI 6: ĐO VẬN TỐC VÒNG QUAY VÀ GÓC QUAY…………………94 6.1.Một số phương pháp đo vận tốc vòng quay 83 6.2.Cảm biến đo góc với tổ hợp có điện trở từ 102 6.3.Thực hành với cảm biến đo vòng quay 103 -3- TÀI LIỆU THAM KHẢO…… 11 -4- BÀI 1: CẢM BIẾN VÀ ỨNG DỤNG GIỚI THIỆU Các cảm biến sử dụng nhiều lĩnh vực kinh tế kỹ thuật, cảm biến đặc biệt nhạy cảm sử dụng thí nghiệm, lĩnh vực nghiên cứu khoa học Trong lĩnh vực tự động hố người ta sử dụng sensor bình thường đặc biệt Cảm biến có nhiều loại, đa dạng phong phú, nhiều hãng sản xuất, giúp người nhận biết trình làm việc tự động máy móc tự động hố cơng nghiệp Mục tiêu: - Trình bày khái niệm, đặc điểm, phạm vi ứng dụng cảm biển - Rèn luyện tính cẩn thận, xác, logic khoa học, tác phong công nghiệp Nội dung: 1.1 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 khơng có 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: (2) ∆s = S ∆m -5- Đại lượng S xác định biểu thức cảm biến - Sai số độ xác S= ∆s (3) gọi độ nhạy ∆m Các cảm biến dụng cụ đo lường khác, ngồi đại lượng cần đo (cảm nhận) cịn 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 S = ∆ 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 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 -6- Hình Xác định khoảng thời gian đặc trưng cho chế độ độ 1.2 Phạm vi ứng dụng 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 chuyển đổi đáp ứng kích thích -7- BÀI 2: CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ GIỚI THIỆU Cảm biến nhiệt độ sử dụng nhiều lĩnh vực kinh tế kỹ thuật, cảm biến nhiệt độ đóng vai trị định đến tính chất vật chất, nhiệt độ làm ảnh hưởng đến đại lượng chịu tác dụng nó, ví dụ áp suất, thể tích chất khí v.v Cảm biến nhiệt độ nhạy cảm sử dụng thí nghiệm, lĩnh vực nghiên cứu khoa Trong lĩnh vực tự động hoá người ta sử dụng sensor bình thường đặc biệt Mục tiêu: - Phân biệt loại cảm biến nhiệt độ - Lắp ráp, điều chỉnh đặc tính bù NTC, PTC - Rèn luyện tính cẩn thận, xác, logic khoa học, tác phong công nghiệp Nội dung: 2.1 Đại cương 2.1.1 Thang đo nhiệt độ Nhiệt độ có ba thang đo - Thang Kelvin : hay gọi thang nhiệt độ động học tuyệt đối, đơn vị K Trong thang Kelvin người ta gán cho nhiệt độ điểm cân ba trạng thái nước đá-nước-hơi giá trị số 273,15K (thường sử dụng 273K) Từ thang Kelvin người ta xác định thêm thang thang Celsius thang Fahrenheit cách chuyển dịch giá trị nhiệt độ - Thang Celsius : đơn vị nhiệt độ o C Quan hệ nhiệt độ Celsius nhiệt độ Kelvin xác định theo biểu thức T (o C) = T ( o K ) -273,15 (1-1) - Thang Fahrenheit : đơn vị nhiệt độ o F Ta có chuyển đổi qua lại o C o F sau : T (o C) =5/9[T (o F ) - 32] (1-2) -8- Nhiệt độ Kelvin (K) Điểm tuyệt đối Hỗn hợp nước-nước đá Celsius ( oC ) -273,15 Fahrenheit (o F ) -459,67 273,15 32 0,01 32,018 100 212 Cân nước-nước đá-hơi 273,16 nước Nước sôi 373,15 Bảng 1.1 Thông số đặc trưng thang đo nhiệt độ khác 2.1.2 Nhiệt độ đo nhiệt độ cần đo Trong tất đại lượng vật lý,nhiệt độ đại lượng quan tâm nhiều Đó nhiệt độ có vai trị định nhiều tính chất vật chất làm thay đổi áp suất thể tích chất khí,làm thay đổi điện trở kim loại,…hay nói cách khác nhiệt độ làm thay đổi liên tục đại lượng chịu ảnh hưởng Có nhiều cách đo nhiệt độ, liệt kê phương pháp sau - Phương pháp quang dựa phân bố phổ xạ nhiệt dao động nhiệt (hiệu ứng Doppler) - Phương pháp dựa giãn nở vật rắn, chất lỏng chất khí (với áp suất không đổi), dựa tốc độ âm - Phương pháp điện dựa phụ thuộc điện trở vào nhiệt độ (hiệu ứng Seebeck), dựa thay đổi tần số dao động thạch anh 2.2.Nhiệt điện trở Platin Niken 2.2.1 Điện trở kim loại thay đổi theo nhiệt độ Nhiệt điện trở linh kiện mà điện trở thân thay đổi nhiệt độ tác động lên thay đổi Nhiệt điện trở thường chế tạo từ vật liệu có khả chịu nhiệt : - Nhiệt điện trở đồng với khả chịu nhiệt : -50 o C đến 180 o C - Nhiệt điện trở niken với khả chịu nhiệt : o C đến 300 o C - Nhiệt điện trở platin với khả chịu nhiệt : -180 o C đến 1200 o C Người ta kéo chúng thành sợi mảnh quấn khung chịu nhiệt đặt vào hộp vỏ đặc biệt đưa đầu để lấy tín hiệu với điện trở (R0) chế tạo khoảng từ 10(Ω) đến 100(Ω) -9- Trong R0 điện trở thời điểm ban đầu (1-4) R0 = n.eμ Trong đó: n - số điện tử tự đơn vị diện tích e - điện tích điện tử tự μ- tính linh hoạt điện tử, đặc trưng tốc độ điện tử từ trường) Điện trở kim loại thay đổi theo nhiệt độ có ưu điểm sử dụng rộng rãi sử dụng nhiều Song nhược điểm điện trở kim loại thay đổi theo nhiệt độ kích thước lớn, cồng kềnh, có qn tính lớn 2.2.2.Nhiệt điện trở Platin Platin vật liệu cho nhiệt điện trở dùng rộng rãi công nghiệp Có tiêu chuẩn nhiệt điện trở platin, khác chúng nằm mức độ tinh khiết vật liệu Hầu hết quốc gia sử dụng tiêu chuẩn quốc tế DIN IEC 751 – 1983 (được sửa đổi lần thứ vào năm 1986, lần thứ vào năm 1995) USA tiếp tục sử dụng tiêu chuẩn riêng Ở tiêu chuẩn sử dụng phương trình Callendar – VanDusen : R(t) = R0 [1 + A.t + B.t + C (t – 100 C).t ] (1-5) R0 trị số điện trở định mức C Standard R0 Alpha ohms/ohm/ C ohms IEC 751 0,003855055 100 (Pt100) Đất nước Hệ số 0 -200 C < t < C A = 3,90830 x 10 -3 Áo,Brazin,Úc, Bỉ,Bungari, B = - 5,77500 x 10-7 Canađa,Đan C = - 4,18301 x 10-12 mạch,Ai cập, 8500C Phần Lan,Pháp A & B trên, ,Đức,Isaren,Ý, riêng C = 0,0 Nhật,Nam Phi, 00C t Thổ Nhĩ Kỳ, Nga, Anh, Ba Lan, Rumani SAMA RC – 0,0039200 98,129 A = 3,97869 x 10 -3 USA - 10 - B = - 5,86863 x 10-7 C = - 4,16696 x 10-12 Bảng 1.2 Tiêu chuẩn quốc tế IEC-751 SAMA RC-4 R0 nhiệt điện trở Pt 100 100Ω, Pt 1.000 1.000Ω, loại Pt 500 , Pt 1.000 có hệ số nhiệt độ lớn hơn, độ nhạy lớn (điện trở thay đổi mạnh theo nhiệt độ) Ngồi cịn có loại Pt 10 có độ nhạy dùng để đo nhiệt độ 600 C Tiêu chuẩn IEC 751 định nghĩa đẳng cấp dung sai A, B Trên thực tế xuất thêm loại C D (Bảng 1.3) Các tiêu chuẩn áp dụng cho loại nhiệt điện trở khác Đẳng cấp dung sai A Dung sai (0C) t = ± (0,15 + 0,002 t ) B t = ± (0,30 + 0,005 t ) C t = ± (0,40 + 0,009 t ) D t = ± (0,60 + 0,018 t ) Bảng 1.3 Tiêu chuẩn dung sai Theo tiêu chuẩn DIN vật liệu Platin dùng làm nhiệt điện trở có pha tạp Do bị tạp chất khác thẩm thấu trình sử dụng thay đổi trị số điện so với Platin rịng, nhờ ổn định lâu dài theo thời gian, thích hợp công nghiệp Trong công nghiệp nhiệt điện trở Platin thường dùng có đường kính 30 m (so sánh với đường kính sợi tóc khoảng 100 m) * Mạch ứng dụng với nhiệt điện trở platin : ADT70 IC hãng Analog Devices sản xuất, cung cấp kết hợp lý tưởng với Pt1.000, ta có dải đo nhiệt độ rộng, sử dụng với Pt100 Trong trường hợp có cách biệt, với nhiệt điện trở Platin kỹ thuật 0 màng mỏng, ADT70 đo từ 50 C đến 500 C, cịn với nhiệt điện trở Platin tốt, đo đến 1.000 C Độ xác hệ thống gồm ADT70 0 nhiệt điện trở Platin thang đo -200 C đến 1.000 C phụ thuộc nhiều vào phẩm chất nhiệt điện trở Platin Các thông số thiết bị ADT70 : - 85 - - vận tốc góc rơto n - tổng số dây rơto Φ0 - từ thơng xuất phát từ cực nam châm Các phần tử cấu tạo tốc độ kế dòng chiều hình 4.1 Hình 7.1 Cấu tạo máy phát tốc chiều * Tốc độ kế dòng xoay chiều : Tốc độ kế xoay chiều có ưu điểm khơng có cổ góp điện chổi than nên có tuổi thọ bền hơn, khơng có tăng, giảm điện áp chổi than Song nhược điểm mạch điện phức tạp hơn, để xác định biên độ cần phải chỉnh lưu lọc tín hiệu - Máy phát đồng : loại máy phát điện xoay chiều cỡ nhỏ (hình 4.2), rơto máy phát gắn đồng trục với thiết bị cần đo tốc độ, rôto nam châm nhiều nam châm nhỏ, stato phần cảm, pha pha, nơi cung cấp suất điện động hình sin có biên độ tỉ lệ với tốc độ quay rôto với K1 K2 thông số đặc trưng cho máy phát Ở đầu điện áp chỉnh lưu thành điện áp chiều, điện áp không phụ thuộc vào chiều quay hiệu suất lọc giảm tần số thấp, tốc độ quay xác định cách đo tần số sức điện động Phương pháp quan trọng khoảng cách đo lớn, tín hiệu từ máy phát đồng truyền xa suy giảm tín hiệu đường khơng ảnh hưởng đến độ xác phép đo (vì đo tần số) - Máy phát không đồng : Cấu tạo máy phát không đồng tương tự động không đồng (hình 4.3) Rơto hình trụ kim loại mỏng quay với vận tốc cần đo, khối lượng qn tính khơng đáng kể, stato làm thép kỹ thuật điện, có đặt cuộn dây bố trí hình vẽ, - 86 - cuộn thứ cuộn kích từ, cung cấp điện áp định mức VC có biên độ Ve biên độ tần số khơng đổi Hình 7.2 Cấu tạo máy phát Hình 7.3 Cấu tạo máy phát đồng không đồng Cuộn dây thứ cuộn dây đo, đầu cuộn dây xuất sức điện động có biên độ tỉ lệ với vận tốc góc cần đo 6.1.2 Đo vận tốc vịng quay phương pháp quang điện tử * Dùng cảm biến quang tốc độ với đĩa mã hóa : Encoder thiết bị phát chuyển động hay vị trí vật, Encoder sử dụng cảm biến quang để sinh chuỗi xung, từ chuyển sang phát chuyển động, vị trí hay hướng chuyển động vật thể Hình 7.4 Sơ đồ hoạt động với đĩa quang mã hóa Nguồn sáng lắp đặt cho ánh sáng liên tục tập trung xuyên qua đĩa, phận thu nhận ánh sáng lắp đặt mặt lại đĩa cho nhận ánh sáng, đĩa lắp đặt đến trục động hay thiết bị khác cần xác định vị trí cho trục quay, đĩa quay cho lỗ, nguồn sáng, phận nhận ánh sáng thẳng hàng tín hiệu xung vng sinh Khuyết điểm : cần nhiều lỗ để nâng cao độ xác nên dễ làm hư hỏng đĩa quay * Đĩa mã hóa tương đối : - 87 - Encoder với xung khơng thể phát chiều quay, hầu 90 so với xung thứ hết Encoder mã hố có xung thứ lệch o pha xung xác định thời gian Encoder quay vịng Hình 7.5 Sơ đồ thu phát Encoder tương đối Xung A, xung B xung điều khiển, xung A xảy trước xung B, trục quay theo chiều kim đồng hồ, ngược lại xung Z xác định quay xong vòng 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 Tốc độ quay n tính theo cơng thức : Hình 7.6 Dạng sóng Encoder xung - 88 - * Đĩa mã hóa tuyệt đối : Để khắc phục nhược điểm đĩa mã hố tương đối nguồn số đếm bị mất, cấu ngừng hoạt động vào buổi tối hay bảo dưỡng sửa chữa bật nguồn trở lại Encoder xác định xác vị trí cấu Đĩa mã hố tuyệt đối thiết kế để 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 1/4 vịng trịn Hình 7.7 Sơ đồ thu phát Encoder tuyệt đối (sử dụng mã Gray) - Các rãnh cho ta xác định vị trí 1/8, 1/16 …vv vịng trịn, vịng phân đoạn ngồi cho ta độ xác cuối - Loại Encoder có nguồn sáng thu cho vịng Encoder có 10 vịng có 10 nguồn sáng thu, Encoder có 16 vịng có 16 nguồn sáng thu - 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 6.1.3 Đo vận tốc vòng quay với nguyên tắc điện trở từ 6.1.3.1 Các đơn vị từ trường định nghĩa - Từ trường : Là dạng vật chất tồn xung quanh dịng, hay nói xác xung quanh hạt mang điện chuyển động, tính chất từ trường tác dụng lực lên dòng điện, lên nam châm - Cảm ứng từ B : Về mặt gây lực từ, từ trường đặc trưng véctơ cảm ứng từ B Trong hệ thống đơn vị SI đơn vị cảm ứng từ B T (Tesla) 2 1T = 1Wb/m = 1V.s/m - Từ thông : Từ thông gởi qua diện tích dS đại lượng giá trị : - 89 - = B dS (4-9) Trong : B - véc tơ cảm ứng từ điểm diện tích dS - véc tơ có phương véc tơ pháp tuyến với diện tích xét, chiều chiều dương pháp tuyến, độ lớn độ lớn diện tích Trong hệ thống đơn vị SI, đơn vị từ thông Wb (Weber), từ thông thay đổi đơn vị thời gian giây (s), điện áp cảm ứng sinh cuộn dây 1vôn (V) : 1Wb = 1Vs - Cường độ từ trường : Cường độ từ trường H đặc trưng cho từ trường riêng dòng điện sinh khơng phụ thuộc vào tính chất mơi trường đặt dòng điện Trong hệ thống đơn vị SI đơn vị cường độ từ trường A/m 6.1.3.2 Cảm biến điện trở từ Cảm biến điện trở từ linh kiện bán dẫn có cực điện, điện trở gia tăng tác động từ trường, trường hợp từ trường tác dụng thẳng góc mặt phẳng cảm biến ta có độ nhạy lớn nhất, chiều từ trường khơng 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, đòi 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 thay đổi theo vị trí bánh (Bending of magnetic field lines), tín hiệu cảm biến hình thành dù đối tượng khơng di chuyển chậm Hình 7.8 Tín hiệu tạo cảm ứng điện - 90 - - 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 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 (tag = B) Do chênh lệch đoạn đường dịch chuyển electron dài hơn, kết điện tử 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 = 80o , với B = 1T Hình 7.9 Kết cấu cảm biến điện trở từ với vật liệu InSb/NiSb Để tạo đường dịch chuyểncủa electron dài tốt tác dụng từ trường, ngõ có thay đổi điện trở lớn hơn, cảm biến kết cấu hình vẽ 4.9 Nhiều phiến InSb (bề rộng vài m ) ghép nối tiếp nhau, phiến màng kim loại Trong thực tế với kỹ thuật luyện kim, người ta tạo kim Nickelantimon nằm bên InSb có chiều song song với cực điện, NiSb cho vào InSb chảy lỏng qua công đoạn làm nguội, vơ số kim NiSb hình thành bên InSb Các kim có đường kính khoảng m dài 50 m , kim dẫn điện tốt khơng có điện áp rơi Mật độ điện tích phân bố không InSb tác dụng từ trường, phân bố kim, 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 : 2 R B R0 (1 B ) (4-10) Trong số vật liệu có trị số khoảng 0,85 Điện trở cảm biến nằm khoảng 10 dến 500Ω, diện tích cắt ngang - 91 - bán dẫn nhỏ tốt, nhiên chiều rộng nhỏ 80 m - Cảm biến điện trở từ với vật liệu Permalloy : + Hiệu ứng điện trở từ với vật liệu Permalloy : Hình 7.10 Hiệu ứng điện trở từ Permalloy Một màng mỏng vật liệu sắt từ gọi Permalloy (20% Fe ; 80% Ni) Khi khơng có diện từ trường, véc tơ từ hoá 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, véc tơ từ hố quay góc, kết điện trở Permalloy thay đổi theo R = R0 + ∆R0 cos α (4-11) α = , R = Rmax α = 90 , R = Rmin Trong : R0 ∆R0 thông số phụ thuộc vào chất liệu Permalloy ∆R0 = (2 →3)% R Nguyên tắc ứng dụng để đo tốc độ quay góc quay + Tuyến tính hóa đặc tính cảmbiến : Điện trở cảm biến điện trở từ khơng tuyến tính (hình 4.12), để cảm biến tiện lợi sử dụng tốt đặc tuyến tuyến tính Hiệu ứng điện trở từ tuyến tính hố cách đặt màng mỏng nhơm gọi barber poles Hình 7.11 Kết cấu cảm biến Hình 7.12 a) Đặc tuyến R – H cảm điện trở từ có barber poles biến điện trở từ loại tiêu chuẩn - 92 - 6.2 Cảm biến đo góc với tổ hợp có điện trở từ 6.2.1 Nguyên tắc : R = R0 + ∆R0 cos α (4-11) Từ cơng thức bản: Ta có liên hệ gần R α : R ≈ 2α (4-12) Dựa nguyên tắc này, cảm biến đo góc mà khơng cần đụng chạm 6.2.2 Các loại cảm biến KM110BH/2 hãng Philips Semiconductor: Loại cảm biến KM110BH/21 có dạng : - KMB110BH/2130 chế tạo với thang đo nhỏ để có độ 0 0 khuyếch đại lớn hơn, đo từ -15 đến +15 Tín hiệu tuyến tính (độ phi tuyển 1%) - KMB110BH/2190 đo từ -45 đến +45 , tín hiệu hình sin Cả cảm biến có thang đo khác mạch điện (hình 7-13) có tín hiệu dạng Analog Ngồi cảm biến cịn có dạng cảm biến thiết kế KM110BH/23 KM110BH/24 (xem bảng 4-1) Hình 7.13 Sơ đồ khối loại cảm biến KM110BH/21, KM110BH/24 KM110BH/2390 Đơn KM110BH Thông số 2130 2190 2270 2390 2430 2470 vị Thang đo 30 90 70 90 30 70 Độ Điện áp 0,5÷4, 0,5÷4, - 0,5÷4, V Dịng điện - - 4÷20 - - - mA Đặc tuyến Tuyến Hình Hình Tuyến Tuyến Hình ngõ tính sin sin tính tính sin 0,5÷4,5 0,5÷4, - 93 - Điện áp hoạt động 5 8,5 5 Nhiệt độ hoạt động - 40 ÷ + 125 - 40 ÷ + 125 - 40 ÷ +125 - 40 ÷ + 125 - 40 ÷ + 125 - 40 ÷ + 125 o Độ phân giải 0,001 0,001 0,001 0,001 0,001 0,001 Độ V C Bảng 7.1 Các dạng cảm biến KM110BH 6.2.3 Các loại cảm biến KMA10 KMA20 KMA10 KMA20 loại cảm biến đo góc (khơng cần đụng chạm) thiết kế để hoạt động mơi trường khắc nghiệt hơn, ứng dụng lĩnh vực tự động công nghiệp Hai loại cảm biến KMA10 KMA20 thiết kế để phát triển hợp tác Philips Semiconductor AB Electronic - KMA10 cho tín hiệu dạng dịng 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 từ loại KM110BH/2470, KMA20/90 phát triển từ loại KMA20/2390 Tuy nhiên tín hiệu từ KMA20/30 tuyến tính từ KMA20/70 hình sin Thang đo Điện áp KMA10/ 70 70 - Dịng điện 4÷20 Đặc tuyến ngõ Hình sin Điện áp hoạt động 8,5 - 40 ÷ + 100 0,001 Thông số Nhiệt độ hoạt động Độ phân giải KMA20/ KMA20/ KMA20/ 30 70 90 30 70 90 0,5÷4, 0,5÷4, 5 Tuyến Hình sin Tuyến tính tính 5 - 40 ÷ - 40 ÷ - 40 ÷ + 125 +125 + 125 0,001 0,001 0,001 Bảng 2.2 Các dạng cảm biến KMA10 KMA20 6.3 Các thực hành ứng dụng 6.3.1 Thực hành cảm biến đo góc Đơn vị Độ V mA V o C Độ - 94 - *Máy đo góc tuyệt đối (Resolver) Máy đo góc tuyệt đối cấu tạo gồm phần, phần động gắn liền với trục quay động chứa cuộn sơ cấp kích thích sóng mang tần số – 10 Khz qua máy biến áp quay (Hình 7-14a) Phần tĩnh có dây thứ cấp (cuộn sin cuộn cos) đặt lệch 90 , đầu dây quấn thứ cấp ta thu tín hiệu điều biên UU0 sin ꞷt sin ꞷt UU0 sin ꞷt cosꞷt (hình 7-15b) Đường bao kênh tín hiệu chứa thơng tin vị trí tuyệt đối (góc nghĩa vị trí tuyệt đối rơto động (hình 415c) Có cách thu thập thơng tích ꞷt : ꞷt ) rơto máy đo,có - Hiệu chỉnh sửa sai góc thu sở so sánh góc cài đặt sẵn số vi mạch sẵn có, vi mạch cho tín hiệu góc dạng số (độ phân giải 10 – 16 bit/1 vòng) tốc độ quay dạng tương tự - Dùng 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 tín hiệu kích thích – 10 kHz Hình 7.14 Máy đo góc tuyệt đối (Resolver) a) Nguyên lý cấu tạo; b) Nguyên lý hoạt động; c) Hai kênh tín hiệu *Thực hành đo góc với encoder tương đối tuyệt đối * Thực hành với encoder đĩa mã hóa tương đối : - Mục đích – u cầu : + Khảo sát encoder E6A2 – CW3C + Đo tốc độ động với encoder loại đĩa mã hóa tương đối - 95 - - Thiết bị : encoder E6A2 – CW3C, máy đo tốc độ góc H7ER, động cơ, thiết bị cần thiết khác - Thực : + Ghi nhận thông số kỹ thuật thiết bị : Điện áp hoạt động : Độ phân giải : + Vẽ sơ đồ mắc cảm biến : + Kết nối encoder với động cần đo tốc độ (về mặt cơ) + Kết nối cảm biến với máy đo tốc độ hình vẽ 4-15 Hình 4.15 Kết nối cảm biến với máy đo tốc độ + Ghi nhận thông số tốc độ đo : ………………………………… * Thực hành với encoder tuyệt đối : - Mục đích – yêu cầu : + Khảo sát encoder E6CP – AG5C - C + Đo tốc độ động với encoder - Thiết bị : encoder E6CP – AG5C – C , thiết bị đo vị trí H8PS – 8P Cam, động thiết bị cần thiết khác - Thực : + Ghi nhận thông số kỹ thuật encoder : Điện áp hoạt động : Độ phân giải : + Các thơng số kỹ thuật máy đo vị trí : Máy đo vị trí E6CP – AG5C – C đo từ 00 đến 3590 Điện áp hoạt động : 24 vôn DC Chức chân : Chân E6CP – AG5C – C Kết nối sẵn bên 25 21 20 27 - 96 - 24 22 23 10 26 11 …………… 12 12 ÷ 24 VDC 13 0V + Vẽ sơ đồ mắc cảm biến : + Kết nối encoder với động cần đo tốc độ (về mặt cơ) + Kết nối cảm biến với máy đo tốc độ 6.3.2 Thực hành với cảm biến đo vòng quay 6.3.2.1 Cảm biến đo vịng quay KMI16/1 * Mục đích : Khảo sát cảm biến KMI16/1 * Thiết bị : Cảm biến KMI16/1, điện trở 2,7 kΩ, 10 kΩ, tụ điện 2,2nF, đối tượng dạng thụ động (giống KMI15/1) * Sơ đồ chân : Chân Ký hiệu Vcc Vout GND Chức Nối với nguồn DC Ngõ tín hiệu Nối đất * Thực lắp mạch : - Điện áp hoạt động Vcc = vơn DC - Ghi chú: Cảm biến hoạt động với điện áp 4,5 vôn đến 16 vôn DC (nhưng giá trị ngõ thay đổi) - Lắp đặt cảm biến hình vẽ 4.17 d = 2,5mm - Cho đối tượng quay Dùng máy đo dao động kí đo tín hiệu Giá trị điện áp mức cao: Giá trị điện áp mức thấp: Vẽ lại dạng sóng Hình 7.17 Cách lắp cảm biến 6.3.2.2 Thực hành với cảm biến đo góc KM110BH/2430, KM110BH/2470 * Mục đích : Khảo sát cảm biến đo góc KM110BH/2430, KM110BH/2470 - 97 - * Thiết bị : - Nam châm (NdFeB) kích thước 11,2 x 5,5 x mm - Cảm biến đo góc KM110BH/2430, KM110BH/2470 - Nguồn vôn DC vôn kế, thiết bị đo lường cần thiết * Sơ đồ chân : Chân Chú thích GND Vcc V0 * Thực : Ghi nhận thông số hoạt động cảm biến Cảm biến KM110BH/243 KM110BH/247 Điện áp hoạt động Thang đo Dạng tín hiệu - Vẽ mạch kết nối cảm biến, ngõ dùng RL = 1,7 kΩ (vơn kế đo giá trị tín hiệu mắc song song với RL) - Lắp đặt nam châm song song với cảm biến (d = 2,5mm) - Thay đổi vị trí nam châm, đo giá trị ngõ ra, vẽ đồ thị biểu diễn thay đổi giá trị ngõ theo góc quay - 98 - TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Trọng Thuần, Điều khiển logic ứng dựng, NXB Khoa học kỹ thuật 2007 [2] Nguyễn Văn Hịa, 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 2007 [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 - 99 - ... Tần số đáp ứng cảm biến số lần tác động lặp lại vật cảm biến vào vùng tác động cảm biến Và yêu cầu tần số đáp ứng cảm biến phải lớn tần số cảm biến 3.1.2 Cảm biến tiệm cận điện cảm (Inductive... (Response Frequency) : Tần số vật cảm biến số lần xuất lặp lại vật cảm biến vùng tác động cảm biến Được ký hiệu fvật cảm biến : fvật cảm biến = (2-1) T1 T2 ON ON OFF Cảm biến OFF T2 T1 Hình 2.5 Minh... Hình 3.7 Cảm biến tiệm cận điện cảm đầu E2EV hãng Omron - Cảm biến tiệm cận điện cảm loại khơng có vỏ bảo vệ (Un-Shielded) hay cảm biến tiệm cận điện cảm đầu lồi : có vùng từ trường tập trung phía