Dtcn giao trinh cam bien do luong dtcn sua doc 8692

UBND TỈNH BÌNH ĐINH TRƯỜNG CAO ĐẲNG KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ QUY NHƠN GIÁO TRÌNH MƠ ĐUN: LẮP ĐẶT HỆ THỐNG CẢM BIẾN, ĐO LƯỜNG NGHỀ: ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG Ban hành kèm theo Quyết định số: 99/QĐ-CĐKTCNQN ngày 14 tháng năm 2018 Hiệu trưởng Trường Cao đẳng Kỹ thuật Công nghệ Quy Nhơn Bình Định, năm 2018 TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu thuộc loại sách giáo trình nên nguồn thơng tin phép dùng ngun trích dùng cho mục đích đào tạo tham khảo Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh bị nghiêm cấm LỜI GIỚI THIỆU Để thực biên soạn giáo trình đào tạo nghề Điện tử cơng nghiệp trình độ Cao Đẳng, giáo trình lắp đặt hệ thống cảm biến, đo lường giáo trình mơ đun đào tạo chun ngành biên soạn theo nội dung chương trình 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 Trong trình sử dụng giáo trình, tùy 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 hành để người học cố áp dụng kiến thức phù hợp với kỹ Tuy nhiên, tùy 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 hoàn thiện Các ý kiến đóng góp xin gửi Trường Cao Đẳng Kỹ thuật công nghệ Quy Nhơn, 172 An Dương Vương, TP Quy Nhơn Tác giả Nguyễn Văn Đại MỤC LỤC Trang LỜI GIỚI THIỆU BÀI 1: LẮP RÁP, SỬA CHỮA MẠCH ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN DÙNG CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ 1.1 Lắp ráp mạch đo lường điều khiển dùng nhiệt điện trở Platin 1.2 Lắp ráp mạch đo lường điều khiển dùng nhiệt điện trở Nickel 1.3 Lắp ráp mạch đo lường điều khiển dùng IC cảm biến nhiệt 12 BÀI 2: LẮP RÁP, SỬA CHỮA MẠCH ĐIỀU KHIỂN DÙNG 17 CẢM BIẾN TIỆM CẬN 17 2.1 Lắp ráp, sửa chữa mạch đo lường điều khiển dùng cảm 17 biến điện cảm (Inductive Proximity Sensor) 17 2.2 Lắp ráp, sửa chữa mạch đo lường điều khiển dùng cảm 21 biến điện dung (Capacitive Proximity Sensor) 22 BÀI 3: LẮP RÁP, SỬA CHỮA MẠCH ĐIỀU KHIỂN DÙNG 28 CẢM BIẾN QUANG ĐIỆN 28 3.1 Lắp ráp, sửa chữa mạch điều khiển sử dụng quang trở 28 3.2 Khảo sát cảm biến hồng ngoại 33 BÀI 4: KHẢO SÁT CẢM BIẾN ĐO GĨC, VỊNG QUAY .38 4.1 Phương pháp đo vận tốc vòng quay phương pháp Analog 38 4.2 Phương pháp đo vận tốc vòng quay phương pháp quang điện tử 40 4.3 Phương pháp đo vận tốc vòng quay với nguyên tắc điện trở từ 42 4.4 Phương pháp đo góc với tổ hợp có điện trở từ 46 4.5 Khảo sát Encoder 47 4.6 Lắp ráp mạch đo vận tốc vòng quay động 49 4.7 Khảo sát cảm biến đo góc 49 TÀI LIỆU THAM KHẢO 51 GIÁO TRÌNH MƠN ĐUN Tên mơ đun: Lắp đặt hệ thống cảm biến, đo lường Mã mô đun: MĐ 17 Vị trí, tính chất, ý nghĩa vai trị mơ đun: - Vị trí: Mơ đun bố trí dạy sau học xong mô đun như: Kỹ thuật điện; Linh kiện điện tử; Lắp ráp, sửa chữa mạch điện tử bản; Lắp ráp, sửa chữa mạch xung, số; Lắp ráp, sửa chữa mạch điện tử cơng suất - Tính chất: Là mơ đun đào tạo nghề Điện tử công nghiệp hệ cao đẳng; Mô đun trang bị cho học sinh kỹ lắp đặt hệ thống cảm biến, đo lường công nghiệp Mục tiêu mơ đun: + Trình bày cấu trúc, ứng dụng loại cảm biến công nghiệp + Phân tích phương pháp kết nối mạch điện dùng cảm biến + Thiết kế mạch ứng dụng cảm biến, đo lường + Lắp ráp số mạch điều khiển thiết bị dùng cảm biến + Kiểm tra, vận hành sửa chữa mạch ứng dụng loại cảm biến công nghiệp + Rèn luyện cho học sinh thái độ nghiêm túc, cẩn thận, xác học tập thực công việc Nội dung mô đun: Số TT Tên mô đun Bài 1: Lắp ráp, sửa chữa mạch đo lường điều khiển dùng cảm biến nhiệt độ Bài 2: Lắp ráp, sửa chữa mạch điều khiển dùng cảm biến tiệm cận Bài 3: Lắp ráp, sửa chữa mạch điều khiển dùng cảm biến quang điện Bài 4: Khảo sát cảm biến đo góc, vịng quay Tổng cộng Thời gian (giờ) TS LT TH KT 25 16 25 16 24 16 16 10 90 30 58 BÀI 1: LẮP RÁP, SỬA CHỮA MẠCH ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN DÙNG CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ Mã bài: MĐ17-01 Thời gian: 25 (LT: 03; TH: 12; Tự học: 09; KT: 01) 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: - Trình bày cấu tạo, đặc tính loại cảm biến nhiệt độ; - Lắp ráp mạch ứng dụng dùng cảm biến nhiệt độ; - Rèn luyện thái độ nghiêm túc thực hành xưởng tự học Nội dung chính: 1.1 Lắp ráp mạch đo lường điều khiển dùng nhiệt điện trở Platin 1.1.1 Lý thuyết liên quan - 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 như: - Nhiệt điện trở đồng với khả chịu nhiệt : -50 - Nhiệt điện trở niken với khả chịu nhiệt : đến 180 đến 300 - Nhiệt điện trở platin với khả chịu nhiệt : -180 đến 1200 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) Trong R0 điện trở thời điểm ban đầu Trong đó: n - số điện tử tự đơn vị diện tích e - điện tích điện tử tự - tính linh hoạt điện tử, điện tử từ trường) đặc trưng tốc độ 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 - Nhiệt điện trở Platin Platin vật liệu cho nhiệt điện trở dùng rộng rãi cơng 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.t2 + C (t – 1000C).t3] (1-5) R0 trị số điện trở định mức 00C Alpha R0 Standard ohms/ohm/ C ohms IEC 751 0,003855055 100 (Pt100) Hệ số Đất nước -2000C < t < 00C A = 3,90830 x 10 B = - 5,77500 x 10 C = - 4,18301 x 10 A & B trên, riêng C = 0,0 -3 -7 -12 SAMA RC - 0,0039200 98,129 A = 3,97869 x 10 B = - 5,86863 x 10 C = - 4,16696 x 10 -3 Áo,Brazin,Úc,Bỉ, Bungari, Canađa,Đan mạch, Ai cập, Phần Lan,Pháp ,Đức,Isaren,Ý, Nhật, Nam Phi, Thổ Nhĩ Kỳ, Nga, Anh, Ba Lan, Rumani USA -7 -12 Bảng 1.1: 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) Ngoài cịn có loại Pt 10 có độ nhạy dùng để đo nhiệt độ 6000C 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 ròng, nhờ ổn định lâu dài theo thời gian, thích hợp cơng nghiệp Trong cơng nghiệp nhiệt điện trở Platin thường dùng có đường kính 30 (so sánh với đường kính sợi tóc khoảng 100 ) * 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 màng mỏng, ADT70 đo từ 500C đến 5000C, cịn với nhiệt điện trở Platin tốt, đo đến 1.0000C Độ xác hệ thống gồm ADT70 nhiệt điện trở Platin thang đo -2000C đến 1.0000C phụ thuộc nhiều vào phẩm chất nhiệt điện trở Platin Các thông số thiết bị ADT70: - Sai số: 10C - Điện áp hoạt động: vôn - Nhiệt độ hoạt động: Từ – 400C đến 1250C (dạng 20 – lead DIP, SO packages) - Ứng dụng: Thiết bị di động, điều khiển nhiệt độ ADT70 có thành phần chính: Nguồn dịng điều chỉnh phận khuyếch đại, nguồn dịng điều chỉnh phận khuyếch đại Nguồn dòng sử dụng để cung cấp cho nhiệt điện trở điện trở tham chiếu Bộ phận khuyếch đại so sánh điện áp nhiệt điện trở điện áp điện trở tham chiếu, sau đưa tín hiệu điện áp tương ứng với nhiệt độ (ADT70 cịn có 1opamp, nguồn áp 2,5 vôn) - Sơ đồ mạch điều khiển relay dùng nhiệt điện trở Platin Hình 1.1 Sơ đồ mạch điều khiển đóng/ngắt relay dùng nhiệt điện trở Platin - Hoạt động mạch: Ban đầu chỉnh biến trở VR1 điện áp chân IC741 lớn điện áp chân IC741, điện áp chân IC mức cao làm transistor Q1 dẫn, relay hút Khi cho nhiệt điện trở Pt tăng lên dẫn đến điện áp chân tăng, điện áp chân đạt đến mức lớn điện áp chân điện áp chân giảm xuống mức thấp, transistor Q1 ngưng dẫn relay nhả 1.1.2 Trình tự thực + Bước 1: Kiểm tra tình trạng kỹ thuật linh kiện có mạch + Bước 2: Lắp ráp mạch điện theo sơ đồ - Sắp xếp linh kiện board mạch đồng cố lỗ - Nối dây hàn linh kiện board mạch - Kiểm tra không điện + Bước 3: Cấp nguồn, vận hành mạch điện hoạt động yêu cầu - Cấp nguồn 12VDC + Bước 4: Đo điện áp chân IC - Đo điện áp chân 2, 3, IC - Điều chỉnh biến trở VR1 để điện áp chân lớn chân - Gia nhiệt cho Pt đo lại điện áp chân 2, 3, IC + Bước 5: Sửa chữa mạch điện mạch điện không hoạt động yêu cầu 1.1.3 Thực hành - Sử dụng thiết bị, dụng cụ, vật tư có phịng thực hành - Từng người học hồn thiện sản phẩm - Thực theo trình tự bước thực - Lắp ráp mạch điều khiển đóng/ngắt relay dùng nhiệt điện trở Platin - Thời gian thực 60 phút/lượt - Đảm bảo an toàn vệ sinh công nghiệp 1.2 Lắp ráp mạch đo lường điều khiển dùng nhiệt điện trở Nickel 1.2.1 Lý thuyết liên quan Nhiệt điện trở niken so sánh với Platin rẻ tiền có hệ số nhiệt độ lớn gần gấp lần ( ) Tuy nhiên dải đo từ -600C đến +2500C, 3500C niken có thay đổi pha, cảm biến niken 100 thường dùng cơng nghiệp điều hồ nhiệt độ phòng R(t) = R0 (1 + A.t + B.t2 + D.t4 + F.t6) A = 5,485 x 10-3 ; B = 6,650 x 10-6 ; D = 2,805 x 10-11 ; F = -2,000 x 10-17 Với trường hợp khơng địi hỏi xác cao, ta sử dụng phương trình sau : R(t) = R0 (1 + a.t) a = alpha = 0,00672(Ohms/Ohm/0C) Từ dễ dàng chuyển đổi thành giá trị nhiệt độ : T = (Rt/R0 – 1) / a = (Rt/R0 – 1)/0,00672 Hình 1.2: Đường đặc tính cảm biến nhiệt độ ZNI 1000 Cảm biến nhiệt độ ZNI 1.000 hãng ZETEX Semiconductors sản xuất sử dụng nhiệt điện trở Ni, thiết kế có giá trị 1.000( 00C) - Mạch ứng dụng với nhiệt điện trở Ni : Zni 1.000 với ZMR500 dùng với DVM nhiệt kế * Cách nối dây đo: Nhiệt điện trở thay đổi điện trở theo nhiệt độ, với dịng điện khơng đổi qua nhiệt điện trở, ta đo U = R.I, để cảm biến khơng bị nóng lên qua phép đo, dòng điện cần phải nhỏ khoảng mA Với Pt 100 00C ta có điện khoảng 0,1 vôn, điện cần đưa đến máy đo qua dây đo Ta có kỹ thuật nối dây đo: Hình 1.3: Cách nối dây nhiệt điện trở Tiêu chuẩn IEC 751 yêu cầu dây nối đến đầu nhiệt điện trở phải có màu giống (đỏ trắng) dây nối đến đầu phải khác màu - Kỹ thuật dây: CÂU HỎI ÔN TẬP Câu 1: Trình bày cấu tạo nguyên lý hoạt động cảm biến quang Câu 2: Trình bày chế độ hoạt động Dark – On cảm biến quang loại gương phản xạ Câu 3: Lắp ráp mạch điều khiển đóng/mở động KĐB pha rotor lồng sóc ứng dụng cảm biến quang 34 BÀI 4: KHẢO SÁT CẢM BIẾN ĐO GĨC, VỊNG QUAY Mã bài: MĐ17-04 Thời gian: 16 giờ; (LT: 01; TH: 05; Tự học: 10) Giới thiệu: Cảm biến đo vận tốc vòng quay góc quay quan trọng q trình đảm bảo an toàn theo dõi hoạt động máy móc, thiết bị Trong chuyển động thẳng, việc đo vận tốc dài thường chuyển đo tốc độ quay Bởi cảm biến đo vận tốc góc đóng vai trị quan trọng việc đo vận tốc Mục tiêu: - Trình bày phương pháp đo vòng quay; - Lắp ráp mạch đo vận tốc vòng quay; - Khảo sát cảm biến đo góc; - Rèn luyện thái độ nghiêm túc thực hành xưởng tự học Nội dung chính: 4.1 Phương pháp đo vận tốc vòng quay phương pháp Analog * Tốc độ kế chiều (máy phát tốc) : Máy phát tốc độ máy phát điện chiều, cực từ nam châm vĩnh cửu, điện áp cực máy phát tỉ lệ với tốc độ quay nó, máy phát tốc độ nối trục với phanh hãm điện từ trục với động tốc độ quay tốc độ quay động cơ, tốc độ tỉ lệ với điện áp máy phát tốc độ, dùng Vmét điện từ đồng hồ đo tốc độ nối với đo tốc độ động Giá trị điện áp âm hay dương phụ thuộc chiều quay (4-1) Trong : N - số vịng quay giây - vận tốc góc rơto n - tổng số dây rơto - từ thông xuất phát từ cực nam châm Các phần tử cấu tạo tốc độ kế dịng chiều hình 4.1 Hình 4.1: Cấu tạo máy phát tốc chiều * Tốc độ kế dòng xoay chiều : 35 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 bộ: 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 rơto (4-2) Trong : trưng cho máy phát (4-3); (4-4) với K1 K2 thông số đặc 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, cuộn thứ cuộn kích từ, cung cấp điện áp định mức độ tần số khơng đổi : có biên (4-5) Hình 4.2: Cấu tạo máy phát Hình 4.3: 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 (4-6) Trong : (4-7) 36 với - số phụ thuộc vào kết cấu máy - độ lệch pha Do đo xác định 4.2 Phương pháp đo vận tốc vòng 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 4.4: 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 cịn 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 : Encoder với xung khơng thể phát chiều quay, hầu hết Encoder mã hố có xung thứ lệch pha so với xung thứ xung xác định thời gian Encoder quay vòng 37 Hình 4.5: 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 : , (vịng/phút) (4-8) Hình 4.6: Dạng sóng Encoder xung * Đĩa mã hóa tuyệt đối : Để khắc phục nhược điểm đĩa mã hoá tương đối nguồn số đếm bị mất, cấu ngừng hoạt động vào buổi tối hay bảo dưỡng sửa chữa bật nguồn trở lại Encoder khơng thể xác định xác vị trí cấu Đĩa mã hố tuyệt đối thiết kế để ln xác định vị trí vật cách xác 38 Đĩa Encoder tuyệt đối sử dụng nhiều vòng phân đoạn theo hình đồng tâm gồm phân đoạn chắn sáng khơng chắn sáng - Vịng xác định đĩa quay nằm nửa vòng tròn - Kết hợp vòng với vòng xác định đĩa quay nằm 1/4 vòng trịn Hình 4.7: 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 vòng 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 4.3 Phương pháp đo vận tốc vòng quay với nguyên tắc điện trở từ * Khái niệm đơn vị từ trường : - 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) 1T = 1Wb/m2 = 1V.s/m2 - Từ thông : Từ thơng gởi qua diện tích dS đại lượng giá trị : = B dS (4-9) Trong : B - véc tơ cảm ứng từ điểm diện tích 39 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 1vơn (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 dịng điện Trong hệ thống đơn vị SI đơn vị cường độ từ trường A/m * 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 không 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, địi 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 4.8: Tín hiệu tạo cảm ứng điện - 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 40 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 = 80 , với B = 1T Hình 4.9: 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 ) 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, vô số kim NiSb hình thành bên InSb Các kim có đường kính khoảng dài 50 , kim dẫn điện tốt khơng có điện áp rơi Mật độ điện tích phân bố khơng 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 : (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 bán dẫn nhỏ tốt, nhiên chiều rộng nhỏ 80 - Cảm biến điện trở từ với vật liệu Permalloy: + Hiệu ứng điện trở từ với vật liệu Permalloy: 41 Hình 4.10: 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 (4-11) 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 cảm biến : Điện trở cảm biến điện trở từ không 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 4.11: Kết cấu cảm biến điện trở từ có barber poles Hình 4.12: Đặc tuyến R – H cảm biến điện trở từ loại tiêu chuẩn 42 4.4 Phương pháp đo góc với tổ hợp có điện trở từ * Nguyên tắc: Từ cơng thức (4-11): Ta có liên hệ gần R α : R ≈ 2α (4-12) Dựa nguyên tắc này, cảm biến đo góc mà khơng cần đụng chạm * 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 khuyếch đại lớn hơn, đo từ -150 đến +150 Tín hiệu tuyến tính (độ phi tuyển 1%) - KMB110BH/2190 đo từ -450 đến +450, tín hiệu hình sin Cả cảm biến có thang đo khác mạch điện (hình 4-13) có tín hiệu dạng Analog Ngồi cảm biến cịn có dạng cảm biến thiết kế KM110BH/23 KM110BH/24 (xem bảng 4-1) Hình 4.13: Sơ đồ khối loại cảm biến KM110BH/21, KM110BH/24 KM110BH/2390 Thông số Thang đo Điện áp Dòng điện KM110BH Đơn 2130 2190 2270 2390 2430 2470 vị 30 90 70 90 30 70 Độ 0,5÷4,5 0,5÷4,5 - 0,5÷4,5 0,5÷4,5 0,5÷4,5 - - 4÷20 - - - Đặc tuyến Tuyến Hình Hình Tuyến Tuyến Hình ngõ tính sin sin tính tính sin 5 8,5 5 Điện áp hoạt động V mA V 43 Nhiệt độ - 40 ÷ - 40 ÷ - 40 ÷ - 40 ÷ - 40 ÷ - 40 ÷ hoạt động + 125 + 125 +125 + 125 + 125 + 125 0,001 0,001 0,001 0,001 0,001 0,001 Độ phân giải Độ Bảng 4.1: Các dạng cảm biến KM110BH * 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 dòng 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 KMA10/ KMA20/ KMA20/ KMA20/ Đơn Thông số 70 30 70 90 vị Thang đo 70 30 70 90 Độ Điện áp 0,5÷4,5 0,5÷4,5 V Dịng điện 4÷20 mA Tuyến Tuyến Đặc tuyến ngõ Hình sin Hình sin tính tính Điện áp hoạt động 8,5 5 V - 40 ÷ - 40 ÷ - 40 ÷ - 40 ÷ Nhiệt độ hoạt động + 100 + 125 +125 + 125 Độ phân giải 0,001 0,001 0,001 0,001 Độ Bảng 4.2: Các dạng cảm biến KMA10 KMA20 4.5 Khảo sát Encoder 4.5.1 Lý thuyết liên quan + Encoder E6A2 – CW3C + Đo tốc độ động với encoder loại đĩa mã hóa tương đối - Thiết bị : encoder E6A2 – CW3C, máy đo tốc độ góc H7ER, động cơ, thiết bị cần thiết khác - Thiết bị : encoder E6CP – AG5C – C , thiết bị đo vị trí H8PS – 8P Cam, động thiết bị cần thiết khác Chức chân : 44 Chân E6CP – AG5C – C Kết nối sẵn bên 2 10 11 …………… 12 12 ÷ 24 VDC 13 0V 4.5.2 Trình tự thực - Bước 1: Ghi nhận thông số kỹ thuật thiết bị Điện áp hoạt động : Độ phân giải : - Bước 2: Vẽ sơ đồ kết nối cảm biến - Bước 3: Kết nối encoder với động cần đo tốc độ (về mặt cơ) - Bước 4: Kết nối cảm biến với máy đo tốc độ hình vẽ 4-14 Hình 4.14 Kết nối cảm biến với máy đo tốc độ 4.5.3 Thực hành - Sử dụng thiết bị, dụng cụ, vật tư có phịng thực hành - Thực theo trình tự bước thực - Khảo sát Encoder E6A2 – CW3C - Thời gian thực 60 phút/lượt - Đảm bảo an tồn vệ sinh cơng nghiệp 45 4.6 Lắp ráp mạch đo vận tốc vòng quay động 4.6.1 Lý thuyết liên quan Cảm biến KMI15/1, điện trở 115Ω, Tụ điện 100nF, đối tượng dạng thụ động * Sơ đồ chân : Chân Chức Sơ đồ lắp mạch: 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 Chức Nối với nguồn DC Ngõ tín hiệu GND Nối đất 4.6.2 Trình tự thực - Bước 1: Lắp đặt cảm biến hình; d = 2,5 mm - Bước 2: Cho đối tượng quay - Bước 3: Vẽ lại dạng sóng ghi nhận giá trị nhỏ nhất, giá trị trung bình tín hiệu 4.6.3 Thực hành - Sử dụng thiết bị, dụng cụ, vật tư có phịng thực hành - Thực theo trình tự bước thực 46 - Lắp ráp mạch đo tốc độ động - Thời gian thực 60 phút/lượt - Đảm bảo an tồn vệ sinh cơng nghiệp 4.7 Khảo sát cảm biến đo góc 4.7.1 Lý thuyết liên quan Cảm biến đo góc KM110BH/2430, KM110BH/2470 * Sơ đồ chân : Chân Chú thích GND 4.7.2 Trình tự thực - Bước 1: Ghi nhận thông số hoạt động cảm biến Cảm biến Điện áp hoạt động Thang đo Dạng tín hiệu KM110BH/2430 KM110BH/2470 - Bước 2: Vẽ mạch kết nối cảm biến, ngõ dùng RL = 1,7 kΩ (vôn kế đo giá trị tín hiệu mắc song song với RL) - Bước 3: Lắp đặt nam châm song song với cảm biến (d = 2,5mm) - Bước 4: Thay đổi vị trí nam châm, đo giá trị ngõ ra, vẽ đồ thị biểu diễn thay đổi giá trị ngõ theo góc quay 4.7.3 Thực hành - Sử dụng thiết bị, dụng cụ, vật tư có phịng thực hành - Thực theo trình tự bước thực - Khảo sát cảm biến đo góc KM110BH/2430, KM110BH/2470 - Thời gian thực 60 phút/lượt - Đảm bảo an tồn vệ sinh cơng nghiệp 47 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Lê Chí Kiên, 2013, Giáo trình Đo lường cảm biến, NXB Đại học quốc gia HCM [2] Khoa Điện tử, 2014, Giáo trình Đo lường, lưu hành nội [3] Khoa Điện tử, 2014, Giáo trình Kỹ thuật cảm biến, lưu hành nội 48