Cảm Biến Và Xử Lý Tín Hiệu Điện - Đại Học Thủy Lợi.pdf

1 Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI KHOA CƠ KHÍ Cảm biến và xử lý tín hiệu điện Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử Hà Nội 2021 Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện[.]

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI KHOA CƠ KHÍ Cảm biến xử lý tín hiệu điện Bộ mơn: Kỹ thuật Cơ điện tử Hà Nội - 2021 Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering NỘI DUNG CHƯƠNG Chương 1: Khái niệm đặc trưng 1.1 Định nghĩa chức cảm biến 1.2 Phân loại cảm biến 1.3 Thông số kỹ thuật cảm biến 1.4 Đường đặc tính cảm biến Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering 1.1 Định nghĩa chức cảm biến 1.1.1 Khái niệm chung • Cảm biến ? – Bộ biến đổi từ đại lượng không điện thành đại lượng đại lượng điện Đại lượng không điện đại lượng nào? Các đại lượng điện: Điện áp, dịng điện, điện tích Thơng số mạch điện Cịn lại đại lượng khơng điện Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering 1.1 Định nghĩa chức cảm biến Các loại cảm biến hay sử dụng công nghiệp dân dụng Cảm biến đo nhiệt độ (37,29%) Cảm biến đo vị trí (27,12%) Cảm biến đo di chuyển (16,27%) Cảm biến đo áp suất (12,88%) Cảm biến đo lưu lượng (1,36%) Cảm biến đo mức (1,2%) Cảm biến đo lực (1,2%) Cảm biến đo độ ẩm (0,81%) Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering 1.1 Định nghĩa chức cảm biến Các lĩnh vực áp dụng An toàn (6%) Môi trường (4%) Nông nghiệp (4%) Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering 1.2 Phân loại cảm biến • Theo nguyên lý hoạt động – Chuyển đổi điện trở – Chuyển đổi điện từ – Chuyển đổi nhiệt điện – Chuyển đổi điện tử ion – Chuyển đổi hóa điện – Chuyển đổi tĩnh điện – Chuyển đổi lượng tử • Theo kích thích: quang, học, âm học… • Theo tính • Theo ứng dụng • Theo mơ hình thay thế: Tích cực thụ động Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering Sơ đồ chuyển đổi đại lượng Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering 1.3 Thông số kỹ thuật cảm biến 1.3.1 Đặc tính tĩnh a) Độ nhạy Phương trình bản: Y= F(X,a,b,c ) ∂F/ ∂ X – Độ nhạy với x (Sensitivity) ∂ F/ ∂ a – Độ nhạy yếu tố ảnh hưởng a hay nhiễu ΔF/ΔX = SXt- Độ ngạy theo X Xt hay ký hiệu S S=const => X,Y tuyến tính S=f(X) => X, Y khơng tuyến tính => sai số phi tuyến Bộ mơn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering 1.3 Thông số kỹ thuật cảm biến b) Độ trễ hay trơ thiết bị (Hysteresis) Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering 1.3 Thông số kỹ thuật cảm biến c) Tính lặp lại: thời gian ngắn, thời gian dài Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering 1.3 Thông số kỹ thuật cảm biến d) Hệ số phi tuyến Hệ số phi tuyến xác định theo công thức: ∆ ΔY ∆ Là sai lệch lớn ΔX e) Khoảng đo, ngưỡng nhạy • Khoảng đo: Dx = Xmax - Xmin • Ngưỡng nhạy: Bộ mơn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering 1.3 Thông số kỹ thuật cảm biến f) Độ xác sai số Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering Chương 2: Cảm biến quang 2.1 Giới thiệu cảm biến quang 2.2 Cảm biến quang dẫn 2.3 Cảm biến quang điện phát xạ 2.4 Xử lý tín hiệu cảm biến quang điện Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử Giới thiệu cảm biến quang Tính chất ánh sáng: Ánh sáng vừa có tính chất sóng vừa có tính chất hạt Tính chất sóng: Hình 2.1: Phổ ánh sáng Bộ mơn Kỹ thuật Cơ điện tử Cảm biến quang dẫn 2.2.1 Hiệu ứng quang dẫn (Hiệu ứng quang điện trong) -Để giải phóng điện tử khỏi nguyên tử, cần cung cấp lượng tối thiểu lượng liên kết Wlk Hình 2.3: ảnh hưởng vật liệu đến hạt giải phóng Bộ mơn Kỹ thuật Cơ điện tử Cảm biến quang dẫn -Khi tối: nồng độ điện tử giải phóng đơn vị thời gian a(Nd –n0), với:  qWd  (2.9) a = exp  −   kT  - q trị tuyệt đối điện tích điện tử, T nhiệt độ tuyệt đối Hình 2.4: Tế bào quang dẫn chuyển mức khối vật liệu, k số lượng điện tử Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử Cảm biến quang dẫn 2.2.2 Tế bào quang dẫn a) Vật liệu chế tạo - Đa tinh thể: CdS, CdSe, CdTe PbS, PbSe, PbTe - Đơn tinh thể: Ge, Si tinh khiết pha tạp Au, Cu, Sb, In SbIn, AsIn, PIn, cdHgTe Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử Cảm biến quang dẫn b) Các đặc trưng Điện trở: -Giá trị điện trở tối RC0 quang điện trở phụ thuộc vào hình dạng hình học, kích thước, nhiệt độ chất hố lý vật liệu chế tạo -Tế bào quang dẫn coi mạch tương đương gồm hai điện trở Rc0 Rcp mắc song song: R R Rc = co cp (2.19) Rco - điện trở tối Rco + Rcp Rcp - điện trở chiếu sáng Với: γ - hệ số có giá trị từ 0,5 - a - hệ số phụ thuộc vào chất vật liệu, nhiệt độ, phổ xạ… Rcp = aφ γ Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử Cảm biến quang dẫn -Độ nhạy: -Tế bào quang dẫn cảm biến khơng tuyến tính, độ nhạy giảm xạ tăng (trừ γ =1) -Khi điện áp đặt vào đủ nhỏ, độ nhạy tỷ lệ thuận với điện áp đặt vào tế bào quang dẫn -Khi điện áp đặt vào lớn, hiệu ứng Joule làm tăng nhiệt độ, dẫn đến độ nhạy giảm Hình 2.7: ảnh hưởng nhiệt độ đến độ nhạy tế bào quang dẫn Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử Cảm biến quang dẫn 2.2.3 Photodiode a) Cấu tạo nguyên lý hoạt động - Gồm hai bán dẫn, thuộc loại N thuộc loại P, ghép tiếp xúc Hình 2.10: Sơ đồ chuyển tiếp P-N hiệu ứng quang điện vùng nghèo Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử 4.1.2 Cảm biến đo vị trí không tiếp xúc Ứng dụng Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering 18 4.2.1 Cảm biến đo vận tốc A Đo vận tốc dài Khi cuộn dây di chuyển nam châm di chuyển từ trường biến thiên cuộn dây sinh hiệu điện cảm ứng e0=BLV B: Cường độ từ trường L: Chiều dài cuộn dây V: Vận tốc di chuyển Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering 19 4.2.1 Cảm biến đo vận tốc B Đo vận tốc góc Máy phát tốc – Tachogenerator: tạo điện áp tỉ lệ với vận tốc góc trục quay ngõ vào, động quay tạo mức điện áp tỉ lệ với tốc độ quay Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering 20 4.2.1 Cảm biến đo vận tốc B Đo vận tốc góc Tốc kế xung: Khi đĩa quay => khe hở biễn thiên => từ trở mạch từ biến thiên => từ thông qua cuộn dây biến thiên => cuộn dây xuất suất điện động cảm ứng f=n.p f: txần số dòng điện n: tốc độ quay p: số đĩa Biên độ suất điện động cảm ứng phụ thuộc vào khoảng cách cuộn dây đĩa quay (khoảng cách lớn biên độ nhỏ) tốc độ quay (tốc độ quay lớn biên độ lớn) Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering 21 10 4.2.1 Cảm biến đo vận tốc B Đo vận tốc góc - Nguồn sáng diot phát quang - Đĩa quay: đặt nguồn sáng đầu thu, có lỗ bố trí cách vịng - Đầu thu photodiot phototransistor Hoạt động: Khi đĩa quay đầu thu chuyển mạch nguồn sáng, lỗ, đầu thu thẳng hàng Đầu thu quang nhận thông lượng ánh sáng thay đổi phát tín hiệu có tần số tỉ lệ với tốc độ quay biên độ không phụ thuộc vào tốc độ quay Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering 22 4.3 Xử lý tín hiệu cảm biến chuyển động Cơng tắc hành trình Nguồn: https://realpars.com/limit-switch/ Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering 23 11 4.3 Xử lý tín hiệu cảm biến chuyển động Cơng tắc hành trình NO COM Trong đó: COM: tiếp điểm chung NO – Normanlly Open: tiếp điểm thường mở NC – Normally Closed: tiếp điểm thường đóng Ngun lý: Khi khơng có tác động, chân COM nối với chân NC NC Khi có tác động, chân COM nối với chân NO Câu hỏi: Khi thiết bị không ghi tên chân, làm để phân biệt chân này? Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering 24 4.3 Xử lý tín hiệu cảm biến chuyển động Cảm biến đo tốc độ Encoder Theo cơng nghệ, có loại encoder: • Magnetic (loại từ trường) • Mechanical (loại khí) • Resistive (loại điện trở) • Optical (loại quang) Theo nguyên lý hoạt động, encoder chia làm hai loại chính: • Encoder tương đối (Incremental Encoder) • Encoder tuyệt đối (Absolute Encoder) Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering 25 12 4.3 Xử lý tín hiệu cảm biến chuyển động Encoder tương đối – Incremental Encoder Xác định tốc độ động Khi động quay, cấu khí làm quay đĩa chia rãnh cắt ngang qua đường tín hiệu quang phát mắt phát quang Việc chia cắt làm cho tín hiệu đầu có dạng xung vng Một số tín hiệu hay sử dụng để xác định tốc độ động cơ: • Tín hiệu xung mức thấp • Tín hiệu xung mức cao • Tín hiệu sườn lên xung • Tín hiệu sườn xuống xung 26 Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering 4.3 Xử lý tín hiệu cảm biến chuyển động Encoder tương đối – Incremental Encoder Xác định chiều quay động Lúc đầu encoder có lệch hai kênh tín hiệu 90° Để xác định, chiều quay động cơ, ta làm sau: điển xảy xung sườn lên kênh đọc mức logic kênh Nếu: Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering thời • Trả , tức chiều thuận • Trả , tức chiều nghịch 27 13 4.3 Xử lý tín hiệu cảm biến chuyển động Encoder tuyệt đối – Absolute Encoder Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering 28 4.3 Xử lý tín hiệu cảm biến chuyển động Encoder tuyệt đối – Absolute Encoder Encoder tuyệt đối có nguyên lý làm viêc với encoder tương đối, nhiên tín hiệu đầu encoder tuyệt đối có ba dạng khác nhị phân (binary), BCD Gray code Từ đây, xác định đĩa quay vị trí Với trường hợp 8-bit hình bên, đầu dạng bit ta có độ phân giải 256, tức vị trí cách 360 1.4° 256 Encoder tuyệt đối ghi nhớ vị trí bị nguồn vị trí có mã tín hiệu riêng Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering 29 14 NỘI DUNG CHƯƠNG Chương 5: Các loại cảm biến khác cảm biến thông minh 5.1 Cảm biến lực, biến dạng 5.2 Cảm biến đo áp suất chất lưu 5.3 Cảm biến đo lưu lượng mức 5.4 Cảm biến thông minh Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering 5.1 Cảm biến đo lực, biến dạng I Nguyên lý đo lực Từ định luật động lực học: F = ma F: Lực tác động (N) M: Khối lượng (kg) A: gia tốc ( m/s2) Phương pháp đo: Cân lực cần đo với lực đối kháng cho tổng lực mô men tổng khơng • Đo trực tiếp biến dạng => lực • Đo gián tiếp thơng qua thay đổi tính chất vật liệu chế tạo vật trung gian bị biến dạng Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering 5.1 Cảm biến đo lực, biến dạng II Cấu tạo nguyên lý hoạt động Cấu tạo: Cảm biến có dạng mỏng chế tạo từ vật liệu áp điện (thạch anh, gốm …) hai mặt có phũ lớp kim loại => Tương tự tụ điện Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering 5.1 Cảm biến đo lực, biến dạng Nguyên lý hoạt động: Dựa hiệu ứng áp điện, tác dụng lực học, áp điện bị biến dạng => Xuất hai cực điện tích trái dấu => Điện áp cực (V) tỉ lệ với lực tác dụng (F) Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering 5.1 Cảm biến đo lực, biến dạng Load cell Phân loại: Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering 5.1 Cảm biến đo lực, biến dạng Ứng dụng Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering 5.2 Cảm biến đo áp suất chất lưu - Định nghĩa Áp suất lực tác dụng lên đơn vị diện tích P=F/A Áp suất tuyệt đối: áp suất chênh lệch điểm đo chân không tuyệt đối (áp suất 0) Áp suất dư (tương đối): áp suất chênh lệch điểm đo môi trường xung quanh (khí quyển) Áp suất vi sai: áp suất chênh lệch hai điểm đo, điểm chọn làm điểm tham chiếu Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering 5.2 Cảm biến đo áp suất chất lưu Đơn vị đo Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering 5.2 Cảm biến đo áp suất chất lưu Phân loại Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering 10 5.3 Cảm biến đo lưu lượng mức 5.3.1 Cảm biến đo lưu lượng (lưu tốc kế) Lưu lượng vật chất số lượng chất chảy qua tiết diện ngang ống dẫn đơn vị thời gian (đơn vị m3/s m3/h) Lưu lượng phân thành loại: Lưu lượng trung bình lưu lượng tức thời - Lưu lượng trung bình: Qtb=V(t2-t1) V: Thể tích t2-t1: Thời gian đo dV Q= - Lưu lượng tức thời: dt Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering 11 5.3.1 Cảm biến đo lưu lượng a) Lưu tốc kế cánh quạt Làm việc dựa số vòng quay tuabin đơn vị thời gian, tốc độ quay tuabin tỉ lệ với tốc độ dòng chảy - Lưu lượng thể tích qua cánh quạt xác định cơng thức: Q=v.F v: Tốc độ dịng chảy F: Tiết diện ống Cánh quạt giống tuabin quay giá đỡ gắn vào đỡ 3; ổ đỡ hạn chế tốc độ di chuyển cánh quạt, trục cánh quạt làm vật liệu không dẫn từ gắn lõi thép vật liệu mềm, bên gắn nam châm vĩnh cửu quấn dây cảm ứng Bộ mơn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering 12 5.3.1 Cảm biến đo lưu lượng Cấu tạo: 1-Bộ chỉnh dịng chảy 2-Tuabin 3-Bộ truyền bánh trục vít 4- Thiết bị đếm Tốc độ quay công tơ tỉ lệ với tốc độ dòng chảy xác định công thức: n=k.W => Q=W.F=F.n/k k-hệ số tỉ lệ W-tốc độ dòng chảy F-Tiết diện ống n-tốc độ quay tuabin Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering 13 5.3.1 Cảm biến đo lưu lượng b) Lưu lượng kế từ điện: có đầu điện tỉ lệ với lưu lượng từ trường đồng mà hình dạng dịng chảy có đối xứng xoay Ưu điểm lưu lượng kế điện từ mặt cắt dịng chảy khơng bị thu hẹp thiết bị đo Thiết bị thực đo lưu lượng chất lỏng dơ bẩn, dung dịch hóa chất acid, kiềm… Sức điện động biểu diễn qua lưu lượng: 4.k ω E= B.Q = B.v.d π d k: hệ số B: độ cảm ứng từ ω: hệ số góc từ thơng d: đường kính ống v: Vận tốc trung bình chất lỏng Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering 14 5.3.1 Cảm biến đo lưu lượng c) Đo lưu lượng thay đổi độ giảm áp suất: Là phương pháp đo lưu lượng chất lỏng, khí, Dựa thay đổi áp suất qua ống thu hẹp Ưu điểm phương pháp này: Đơn giản, dễ chế tạo hàng loạt, không phụ thuộc vào môi trường, nhiệt độ hay áp suất, giá thành thấp Quan hệ lưu lượng khối G lưu lượng Q dòng chảy: π d G =α ρ ( P1 − P2 ) α: hệ số lưu lượng d: đường kính ống hẹp π d Q =α ( P1 − P2 ) ρ: mật độ dịng chảy ρ Bộ mơn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering 15 5.3.2 Cảm biến đo mức Khái niệm chung Mức chiều cao điền đầy chất lỏng hay hạt thiết bị công nghệ Đo mức phương pháp đo áp suất thủy tĩnh Dựa áp suất vị trí đáy từ cám biến xác định độ sâu mức nước PA = P0 + k d PA: Áp suất vị trí đo P0: áp suất khí d: độ sâu k: hệ số thiết bị Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering 16 5.3.2 Cảm biến đo mức Đo mức phương pháp điện dung Cảm biến điện dung hoạt động dựa nguyên lý thay đổi đện dung cảm biến phát Khi có thay đổi mơi chất, tín hiệu ngõ điện dung ngõ thay đổi Cấu tạo: gồm phần Lớp vỏ ngồi bảo vệ Bộ chuyển đổi tín hiệu Đầu dị (tùy vào môi chất cần đo dẫn điện hay không dẫn điện mà có loại đầu dị khác Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering 17 5.4 Cảm biến thông minh Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering 18 5.4 Cảm biến thông minh Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử | Department of Mechatronic Engineering 19 ... Chương 2: Cảm biến quang 2.1 Giới thiệu cảm biến quang 2.2 Cảm biến quang dẫn 2.3 Cảm biến quang điện phát xạ 2.4 Xử lý tín hiệu cảm biến quang điện Bộ môn Kỹ thuật Cơ điện tử Giới thiệu cảm biến. .. Engineering 28 3.6 Xử lý tín hiệu cảm biến đo nhiệt độ -Tín hiệu điện trở trả từ Pt100 biến đổi thành tín hiệu dịng 4-2 0mA điện áp 0-1 0V để xử lí Đo nhiệt độ cảm biến output 4-2 0mA hiển thị plc biến tần... chức cảm biến 1.1.1 Khái niệm chung • Cảm biến ? – Bộ biến đổi từ đại lượng không điện thành đại lượng đại lượng điện Đại lượng không điện đại lượng nào? Các đại lượng điện: Điện áp, dòng điện, điện