Giáo trình lý thuyết kỹ thuật cảm biến và đo lường

ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HCM KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ GIÁO TRÌNH LÝ THUYẾT KỸ THUẬT CẢM BIẾN VÀ ĐO LƯỜNG BIÊN SOẠN: TRẦN VĂN HÙNG LƯU HÀNH NỘI BỘ 2012 Chương 1: Các Khái Niệm Chung Chương CÁC KHÁI NIỆM CHUNG 1.1 Giới thiệu Cảm biến thiết bị dùng ñể cảm nhận biến ñổi ñại lượng vật lý ñại lượng khơng có tính chất điện cần đo thành ñại lượng ñiện ño xử lý ñược Trong q trình sản xuất có nhiều đại lượng vật lý nhiệt ñộ, áp suất, tốc ñộ, tốc ñộ quay, nồng ñộ pH, ñộ nhờn cần ñược xử lý cho đo lường, cho mục đích điều khiển truyền ñộng Các cảm biến thực chức này, chúng thu nhận, đáp ứng kích thích Cảm biến ñược xem kỹ thuật ñể chuyển ñổi lượng vật lý nhiệt ñộ, áp suất, khoảng cách sang đại lượng khác để đánh giá tốt Các ñại lượng phần lớn tín hiệu điện Thí dụ: ðiện áp, dịng điện, điện trở tần số dao ñộng Các tên khác khác cảm biến: Sensor, cảm biến ño lường, đầu dị, van đo lường, nhận biết biến ñổi Các ñại lượng cần ño (m) thường khơng có tính chất điện (nhiệt độ, áp suất…) tác ñộng lên cảm biến cho ta ñặc trưng (s) mang tính chất điện (điện áp, dịng điện, trở kháng…) chứa thơng tin cho phép ta xác định giá trị đại lượng điện đó, đặc trưng (s) hàm đại lượng cần đo (m) s = F(m) (1.1) Người ta gọi (s) ñại lượng ñầu phản ứng cảm biến, (m) ñại lượng ñầu vào hay gọi kích thích Thơng qua đo đạc (s) cho phép nhận biết giá trị (m) Hình ảnh loại cảm biến thường dùng mơ tả mơ hình 2.1 Trang Chương 1: Các Khái Niệm Chung Hình 1.1 Các loại cảm biến thơng dụng Các cảm biến ñược sử dụng nhiều lĩnh vực công nghiệp dân dụng Các cảm biến ñặc biệt nhạy cảm ñược sử dụng thí nghiệm lĩnh vực nghiên cứu khoa học Trong lĩnh vực tự động hố người ta sử dụng sensor thông thường hay cảm biến có chức đặc biệt 1.2 ðường cong chuẩn cảm biến 1.2.1 Khái niệm ðường cong chuẩn cảm biến ñường cong biểu diễn phụ thuộc ñại lượng ñiện (s) ñầu cảm biến vào giá trị ñại lượng ño (m) ñầu vào ðường cong chuẩn biểu diễn biểu thức ñại số dạng s=F(m), ñồ thị Hình 1.2 (a) ðường cong chuẩn b) ðường cong chuẩn cảm biến tuyến tính hóa Dựa vào đường cong chuẩn cảm biến, ta xác định giá trị mi chưa biết m thơng qua giá trị đo ñược si s ðể dễ sử dụng, người ta thường chế tạo cảm Trang Chương 1: Các Khái Niệm Chung biến có phụ thuộc tuyến tính ñại lượng ñầu ñại lượng ñầu vào, phương trình s= F(m) sau phép biến đổi tuyến tính có dạng: s = am +b (1.2) với a, b hệ số, đường cong chuẩn ñường thẳng 1.2.2 Phương pháp chuẩn cảm biến Chuẩn cảm biến phép đo nhằm mục đích xác lập mối quan hệ giá trị s ño ñược ñại lượng ñiện ñầu giá trị m đại lượng đo có tính đến yếu tố ảnh hưởng, sở xây dựng đường cong chuẩn dạng dễ nhận biết (ñồ thị biểu thức ñại số) Khi chuẩn cảm biến, với loạt giá trị biết xác mi m, đo giá trị tương ứng si s dựng ñường cong chuẩn a Chuẩn ñơn giản Trong trường hợp ñại lượng đo có đại lượng vật lý tác ñộng lên ñại lượng ño xác ñịnh cảm biến sử dụng khơng nhạy với tác động ñại lượng ảnh hưởng, người ta dùng phương pháp chuẩn ñơn giản Thực chất chuẩn ñơn giản ño giá trị ñại lượng ñầu ứng với giá trị xác định khơng đổi ñại lượng ño ñầu vào Việc chuẩn tiến hành theo cách: o Chuẩn trực tiếp: giá trị khác ñại lượng ño lấy từ mẫu chuẩn phần tử so sánh có giá trị biết trước với độ xác cao o Chuẩn gián tiếp: kết hợp cảm biến cần chuẩn với cảm biến so sánh có sẵn đường cong chuẩn, hai ñược ñặt ñiều kiện làm việc b Chuẩn nhiều lần Khi cảm biến có phần tử bị trễ (trễ trễ từ), giá trị ño ñược đầu phụ thuộc khơng vào giá trị tức thời ñại lượng cần ño ñầu vào mà cịn phụ thuộc vào giá trị trước của ñại lượng Trong trường hợp vậy, người ta áp dụng phương pháp chuẩn nhiều lần tiến hành sau: o ðặt lại ñiểm cảm biến: ðại lượng cần ño ñại lượng ñầu có giá trị tương ứng với điểm gốc, m=0 s=0 Trang Chương 1: Các Khái Niệm Chung o ðo giá trị ñầu theo loạt giá trị tăng dần ñến giá trị cực ñại ñại lượng ño ñầu vào o Lặp lại trình ño với giá trị giảm dần từ giá trị cực ñại Khi chuẩn nhiều lần cho phép xác ñịnh ñường cong chuẩn theo hai hướng ño tăng dần ño giảm dần 1.3 Các ñặc trưng cảm biến 1.3.1 ðộ nhạy cảm biến a Khái niệm ðối với cảm biến tuyến tính, biến thiên ñầu ∆s biến thiên ñầu vào ∆m có liên hệ tuyến tính: ∆S = S ∆m ⇒S= (1.3) ∆S : gọi ñộ nhạy cảm biến ∆m (1.4) Trường hợp tổng quát, biểu thức xác ñịnh ñộ nhạy S cảm biến xung quanh giá trị mi ñại lượng ño xác ñịnh tỷ số biến thiên ∆s ñại lượng ñầu biến thiên ∆m tương ứng ñại lượng ño ñầu vào quanh giá trị ñó:  ∆S  S =   ∆m  m=mi (1.5) b Lưu ý ðể phép đo đạt độ xác cao, thiết kế sử dụng cảm biến cần thực cho độ nhạy S khơng đổi, nghĩa phụ thuộc vào yếu tố: o Giá trị ñại lượng cần ño m tần số thay ñổi o Thời gian sử dụng o Ảnh hưởng đại lượng vật lý khác (khơng phải đại lượng đo) mơi trường xung quanh Thơng thường nhà sản xuất cung cấp giá trị ñộ nhạy S tương ứng với ñiều kiện làm việc ñịnh cảm biến Trang Chương 1: Các Khái Niệm Chung 1.3.2 ðộ tuyến tính cảm biến a Khái niệm Một cảm biến ñược gọi tuyến tính dải đo xác định dải chế độ có độ nhạy khơng phụ thuộc vào đại lượng đo Nếu cảm biến khơng tuyến tính, người ta ñưa vào mạch ño thiết bị hiệu chỉnh cho tín hiệu điện nhận đầu tỉ lệ với thay ñổi ñại lượng ño đầu vào Sự hiệu chỉnh gọi tuyến tính hố b ðường thẳng tốt Khi chuẩn cảm biến, từ kết thực nghiệm ta nhận ñược loạt ñiểm tương ứng (si ,mi) ñại lượng ñầu ñại lượng ñầu vào Về mặt lý thuyết, cảm biến tuyến tính, đường cong chuẩn ñường thẳng Tuy nhiên, sai số ño, ñiểm chuẩn (mi, si) nhận ñược thực nghiệm thường khơng nằm đường thẳng ðường thẳng ñược xây dựng sở số liệu thực nghiệm cho sai số bé nhất, biểu diễn tuyến tính cảm biến gọi đường thẳng tốt Phương trình biểu diễn ñường thẳng tốt ñược lập phương pháp bình phương bé Giả sử chuẩn cảm biến ta tiến hành với N điểm đo, phương trình có dạng: S = a.m + b với a = (1.6) N ∑ si mi − ∑ si ∑ mi N ∑ m − (∑ mi ) i s m − ∑ m s ∑ m ; b=∑ N ∑ m − (∑ m ) i i i i i i (1.7) i c ðộ lệch tuyến tính ðối với cảm biến khơng hồn tồn tuyến tính, người ta đưa khái niệm độ lệch tuyến tính, xác định độ lệch cực đại đường cong chuẩn đường thẳng tốt nhất, tính % dải đo 1.3.3 Sai số độ xác cảm biến a Sai số Trang Chương 1: Các Khái Niệm Chung Các cảm biến dụng cụ đo lường khác, ngồi đại lượng cần ño (cảm nhận) chịu tác ñộng nhiều ñại lượng vật lý khác gây nên sai số giá trị ño ñược giá trị thực ñại lượng cần ño Gọi ∆x ñộ lệch tuyệt ñối giá trị ño giá trị thực x (sai số tuyệt ñối), sai số tương ñối cảm biến ñược tính bằng: δ = ∆x 100 [%] x (1.8) b Sai số cảm biến mang tính chất ước tính Bởi khơng thể biết xác giá trị thực ñại lượng cần ño Khi ñánh giá sai số cảm biến, người ta thường phân chúng thành hai loại: Sai số hệ thống sai số ngẫu nhiên Sai số hệ thống: Là sai số không phụ thuộc vào số lần đo, có giá trị khơng ñổi thay ñổi chậm theo thời gian ño thêm vào độ lệch khơng đổi giá trị thực giá trị ño ñược Sai số hệ thống thường thiếu hiểu biết hệ ño, ñiều kiện sử dụng không tốt gây Sai số ngẫu nhiên: Là sai số xuất có độ lớn chiều khơng xác định Ta dự đốn ñược số nguyên nhân gây sai số ngẫu nhiên khơng thể dự đốn độ lớn dấu Những nguyên nhân gây sai số ngẫu nhiên là: o Do thay đổi ñặc tính thiết bị o Do tín hiệu nhiễu ngẫu nhiên o Do đại lượng ảnh hưởng khơng ñược tính ñến chuẩn cảm biến 1.3.4 ðộ nhanh thời gian ñáp ứng cảm biến a ðộ nhanh cảm biến ðộ nhanh: Là ñặc trưng cảm biến cho phép ñánh giá khả theo kịp thời gian ñại lượng ñầu ñại lượng ñầu vào biến thiên Thời gian ñáp ứng ñại lượng ñược sử dụng ñể xác ñịnh giá trị số ñộ nhanh Trang Chương 1: Các Khái Niệm Chung ðộ nhanh tr: Là khoảng thời gian từ ñại lượng ño thay ñổi ñột ngột ñến biến thiên đại lượng đầu cịn khác giá trị cuối lượng giới hạn ε tính % b Thời gian ñáp ứng tương ứng cảm biến Thời gian ñáp ứng tương ứng với ε% xác ñịnh khoảng thời gian cần thiết phải chờ ñợi sau có biến thiên đại lượng đo ñể lấy giá trị ñầu với ñộ xác ñịnh trước Thời gian ñáp ứng ñặc trưng cho chế ñộ ñộ cảm biến hàm thơng số thời gian xác định chế độ o Trong trường hợp thay ñổi ñại lượng ño: Trong trường hợp thay ñổi ñại lượng đo có dạng bậc thang, thơng số thời gian gồm thời gian trễ tăng (tdm) thời gian tăng (tm) ứng với tăng ñột ngột ñại lượng ño thời gian trễ giảm (tdc) thời gian giảm (tc) ứng với giảm ñột ngột đại lượng đo Hình 1.3 o Khoảng thời gian trễ tăng tdm: Là thời gian cần thiết ñể ñại lượng ñầu tăng từ giá trị ban ñầu ñến 10% biến thiên tổng cộng ñại lượng khoảng thời gian tăng tm thời gian cần thiết ñể ñại lượng ñầu tăng từ 10% ñến 90% biến thiên biến thiên tổng cộng o Thời gian trễ giảm tdc: Thời gian trễ giảm tdc thời gian cần thiết ñể ñại lượng ñầu giảm từ 10% ñến 90% biến thiên biến thiên tổng cổng Hình 1.3 Các khoảng thời gian ñặc trưng cho chế ñộ ñộ Trang Chương 1: Các Khái Niệm Chung 1.3.5 Giới hạn sử dụng cảm biến Trong trình sử dụng, cảm biến ln chịu tác động ứng lực học, tác ñộng nhiệt Khi tác ñộng vượt ngưỡng cho phép, chúng làm thay ñổi ñặc trưng làm việc cảm biến Bởi sử dụng cảm biến, người sử dụng cần phải biết rõ giới hạn o Vùng làm việc ñịnh danh: Vùng làm việc ñịnh danh tương ứng với điều kiện sử dụng bình thường cảm biến Giới hạn vùng giá trị ngưỡng mà ñại lượng ño, ñại lượng vật lý có liên quan đến đại lượng đo đại lượng ảnh hưởng thường xun đạt tới mà khơng làm thay đổi đặc trưng làm việc định danh cảm biến o Vùng khơng gây nên hư hỏng: Vùng không gây nên hư hỏng vùng mà ñại lượng ño ñại lượng vật lý có liên quan đại lượng ảnh hưởng vượt qua ngưỡng vùng làm việc định danh cịn nằm phạm vi khơng gây nên hư hỏng Các ñặc trưng cảm biến bị thay đổi thay đổi mang tính thuận nghịch, tức trở vùng làm việc ñịnh danh ñặc trưng cảm biến lấy lại giá trị ban ñầu chúng o Vùng không phá hủy: Vùng không phá hủy vùng mà ñại lượng ño ñại lượng vật lý có liên quan đại lượng ảnh hưởng vượt qua ngưỡng vùng không gây nên hư hỏng cịn nằm phạm vi khơng bị phá hủy, ñặc trưng cảm biến bị thay ñổi thay đổi mang tính khơng thuận nghịch, tức trở vùng làm việc ñịnh danh đặc trưng cảm biến khơng thể lấy lại giá trị ban ñầu chúng Trong trường hợp cảm biến cịn sử dụng được, phải tiến hành chuẩn lại cảm biến 1.4 Nguyên lý chế tạo cảm biến Các cảm biến ñược chế tạo dựa sở tượng vật lý ñược phân làm hai loại: Trang Chương 1: Các Khái Niệm Chung o Cảm biến tích cực: Là cảm biến hoạt ñộng máy phát, ñáp ứng (s) điện tích, điện áp hay dịng o Cảm biến thụ ñộng: Là cảm biến hoạt ñộng trở kháng đáp ứng (s) điện trở, ñộ tự cảm ñiện dung Các cảm biến tích cực ñược chế tạo dựa sở ứng dụng hiệu ứng vật lý biến ñổi dạng lượng (nhiệt, xạ) thành lượng điện Sau mơ tả cách khái qt ứng dụng số hiệu ứng vật lý chế tạo cảm biến 1.4.1 Hiệu ứng nhiệt ñiện Hiệu ứng nhiệt ứng dụng chế tạo cảm biến nhiệt ñộ Hai dây dẫn (M1) (M2) có chất hố học khác hàn lại với thành mạch điện kín, nhiệt độ hai mối hàn T1 T2 khác nhau, mạch xuất suất ñiện ñộng e(T1, T2) mà ñộ lớn phụ thuộc vào chênh lệch nhiệt độ T1 T2 Hình 1.4 Hiệu ứng nhiệt ñiện Hiệu ứng nhiệt ñiện ñược ứng dụng ñể ño nhiệt ñộ T1 biết trước nhiệt ñộ T2, thường chọn T2 = 0oC 1.4.2 Hiệu ứng hỏa nhiệt Một số tinh thể gọi tinh thể hoả ñiện (ví dụ tinh thể sulfate triglycine) có tính phân cực ñiện tự phát với ñộ phân cực phụ thuộc vào nhiệt ñộ, làm xuất mặt ñối diện chúng điện tích trái dấu ðộ lớn ñiện áp hai mặt phụ thuộc vào ñộ phân cực tinh thể hoả ñiện Trang C.33.44.55.54.78.65.5.43.22.2.4 22.Tai lieu Luan 66.55.77.99 van Luan an.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.33.44.55.54.78.655.43.22.2.4.55.22 Do an.Tai lieu Luan van Luan an Do an.Tai lieu Luan van Luan an Do an Chương 6: Cảm biến Nhiệt Độ o Quan hệ ñiện trở nhiệt ñộ thermistor khơng tuyến tính Hình 6.36 ðặc tuyến RDT
Mạch ño thermistor: Vi R2 R3 Vo RT RTD R1 Hình 6.37 Mạch đo RDT o Thermistor nối vào mạch cầu H hình vẽ o Khi cầu cân bằng: ∆E0 ∆RT R3 = EI ( RT + ∆RT + R2 ).( R3 + R4 ) o (6.36) Thơng thường người ta chọn R2=R3, Rt=R4 Khi đó: ∆E0 ∆RT / RT = EI + ∆RT / RT + ∆RT / R2 + RT / R2 + R2 / RT Trang 208 Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhd 77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77t@edu.gmail.com.vn.bkc19134.hmu.edu.vn.Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn.bkc19134.hmu.edu.vn (6.37) C.33.44.55.54.78.65.5.43.22.2.4 22.Tai lieu Luan 66.55.77.99 van Luan an.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.33.44.55.54.78.655.43.22.2.4.55.22 Do an.Tai lieu Luan van Luan an Do an.Tai lieu Luan van Luan an Do an Chương 6: Cảm biến Nhiệt Độ
Hạn chế phương pháp đo trực tiếp: Ngồi số ưu ñiểm ñã ñược nêu trên, phương pháp ño trực tiếp cịn số hạn chế sau: o Khơng thể đo nhiệt độ diện tích lớn o Khơng ño ñược vật ñang chuyển ñộng o Chỉ dùng tầm từ -190oC đến 1063oC o Có thể ảnh hưởng ñến cấu trúc hệ thống cần ño nhiệt ñộ cảm biến tích lớn … 6.6.2 ðo gián tiếp (cách ly) a Các trường hợp cần ño cách ly o Xác ñịnh nhiệt ñộ vật ñang di chuyển o Xác ñịnh nhiệt ñộ vật nóng khơng thể đo dụng cụ thơng thường o Xác định nhiệt độ vật nằm khu vực nguy hiểm lò phản ứng hạt nhân, lị nung, lị luyện kim… o Xác định nhiệt độ khu vực có diện tích rộng o Xác định nhiệt độ mà khơng gây ảnh hưởng ñến ñối tượng cần ño o Xác ñịnh nhiệt ñộ mà khơng làm thay đổi cấu trúc vật cần ño b Nguyên lý ño nhiệt ñộ cách ly o Các vật thể nhiệt ñộ lớn 0oK phát xạ ñiện từ bề mặt tỉ lệ với nhiệt ñộ vật o Ta ño nhiệt ñộ vật dựa xạ ñiện từ vật ñó phát o Liên hệ cường ñộ bước sóng xạ với nhiệt độ WA = 2πc h λ5 (e hc / kλT − 1) (6.38) − W:cường ñộ quang phổ xạ vật ñen Trang 209 Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhd 77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77t@edu.gmail.com.vn.bkc19134.hmu.edu.vn.Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn.bkc19134.hmu.edu.vn C.33.44.55.54.78.65.5.43.22.2.4 22.Tai lieu Luan 66.55.77.99 van Luan an.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.33.44.55.54.78.655.43.22.2.4.55.22 Do an.Tai lieu Luan van Luan an Do an.Tai lieu Luan van Luan an Do an Chương 6: Cảm biến Nhiệt Độ − λ : bước sóng xạ − h : số Planck − c : vận tố ánh sáng − k : số Boltmann o Phổ phát xạ vật đen theo bước sóng Hình 6.38 Phổ phát xạ vật đen theo bước sóng c Các cách đo nhiệt độ cách ly o Sử dụng phương pháp quang (optical pyrometer) o Sử dụng phương pháp xạ ñiện tử (photon detector) d ðo nhiệt ñộ cach ly dùng phương pháp quang (optical pyrometer) o Dùng ñể ño nhiệt ñộ khoảng từ 973 - 4273oK o Pyrometer hoạt ñộng dựa nguyên tắc so sánh độ sáng dây tóc bóng đèn với ñộ sáng vật cần ño o ðộ sáng bóng đèn chuẩn hóa với nguồn đen tuyệt ñối phát xạ nhiệt ñộ biết trước Trang 210 Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhd 77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77t@edu.gmail.com.vn.bkc19134.hmu.edu.vn.Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn.bkc19134.hmu.edu.vn C.33.44.55.54.78.65.5.43.22.2.4 22.Tai lieu Luan 66.55.77.99 van Luan an.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.33.44.55.54.78.655.43.22.2.4.55.22 Do an.Tai lieu Luan van Luan an Do an.Tai lieu Luan van Luan an Do an Chương 6: Cảm biến Nhiệt Độ Hình 6.39 ðo nhiệt độ cách ly phương pháp quang o Khi cường ñộ sáng dây tóc ta có phương trình: ε ℓ C / λr T − = ℓ C / λr T f −1 (6.39) − λ bước sóng ánh sáng đỏ khoảng 0.63µm − ε hệ số phát xạ vật − Tf nhiệt độ dây tóc bóng ñèn − T nhiệt ñô vật − Khi T < 4273oK ta có: ℓ C2 / λT 〉〉1 T = λr (ln ε ) / C2 + / T f (6.40) e ðo nhiệt ñộ cach ly dùng phương pháp xạ ñiện từ (photon detector) o Có nhiều ứng dụng địi hỏi phải xác định nhiệt độ khơng tiếp xúc như: đo lường nhiệt độ tịa nhà, hệ thống ống dẫn, khu vực có diện tích rộng, lị luyện kim… o Thiết bị ño nhiệt ñộ sử dụng Photon Detector giải pháp cho vấn ñề o Photon Detector loại sensor mà đáp ứng điện áp tỉ lệ với mật độ dịng photon tập trung bề mặt cảm biến Trang 211 Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhd 77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77t@edu.gmail.com.vn.bkc19134.hmu.edu.vn.Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn.bkc19134.hmu.edu.vn C.33.44.55.54.78.65.5.43.22.2.4 22.Tai lieu Luan 66.55.77.99 van Luan an.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.33.44.55.54.78.655.43.22.2.4.55.22 Do an.Tai lieu Luan van Luan an Do an.Tai lieu Luan van Luan an Do an Chương 6: Cảm biến Nhiệt Độ Hình 6.41 Hình dạng cảm biến đo nhiệt độ xạ ñiện từ
Nguyên lý hoạt ñộng: Hình 6.42 Cảm biến đo nhiệt độ dạng cách ly
Cơng thức: E0 = kt o D2 εg (T ) 4f (6.41) kt : ñộ nhạy hệ thống (bao gồm hệ số truyền, ñộ lợi ñiện áp ñộ nhạy cảm biến) o Do có nhiều ứng dụng thương mại công nghiệp sử dụng photon detector nên tầm ño ña dạng o Với máy đo nhiệt độ quang sử dụng ñể ño nhiệt ñộ khoảng 253 ñến 1873oK Trang 212 Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhd 77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77t@edu.gmail.com.vn.bkc19134.hmu.edu.vn.Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn.bkc19134.hmu.edu.vn C.33.44.55.54.78.65.5.43.22.2.4 22.Tai lieu Luan 66.55.77.99 van Luan an.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.33.44.55.54.78.655.43.22.2.4.55.22 Do an.Tai lieu Luan van Luan an Do an.Tai lieu Luan van Luan an Do an Chương 6: Cảm biến Nhiệt Độ o ðộ nhạy scanner 30oC 0.1o o Hệ thống ño lường nhiệt ñộ hồng ngoại o Các vật thể nhiệt ñộ lớn 0oK phát xạ ñiện từ bề mặt tỉ lệ với nhiệt ñộ vật Hình 6.43 Hệ thống đo lường nhiệt độ hồng ngoại Hình 6.44 Sơ đồ khối hệ thống đo lường nhiệt độ hồng ngoại Hình 6.45 Bộ điều khiển nhiệt cầm tay dùng ánh sáng hồng ngoại Ba bước để đo nhiệt độ vật: o  Bước 1: Chuyển tín hiệu hồng ngoại phát xạ từ vật nhận tín hiệu điện  Bước 2: Bù nhiệt độ mơi trường cần đo Trang 213 Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhd 77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77t@edu.gmail.com.vn.bkc19134.hmu.edu.vn.Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn.bkc19134.hmu.edu.vn C.33.44.55.54.78.65.5.43.22.2.4 22.Tai lieu Luan 66.55.77.99 van Luan an.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.33.44.55.54.78.655.43.22.2.4.55.22 Do an.Tai lieu Luan van Luan an Do an.Tai lieu Luan van Luan an Do an Chương 6:: Cảm C biến Nhiệt Độ  Bước ớc 3: Tuyến tính hóa kết nhận đ xuất thơng tin v nhiệt độ cần đo 6.7 Mạch ño 6.7.1 o Giới thiệu IC (LM135/235/335) hạn h chế tầm ño từ -55oC ñến ến +1500C, ñầu (áp) tuyến ến tính với nhiệt độ v “dễ” sử dụng o Khi muốn ốn có tầm ño lớn h ặc muốn có ñộ nhạy cao h phải sử dụng sensor khác Thermocouple, RTD hoặc Thermistor o Với sensor làà RTD, Thermistor đại lượng thay đổi tương ương ứng vơi nhiệt độ điện trở, cịn ịn với v Thermocouple điện áp, ất nhỏ (µV) Sự thay đổi làà khơng tuyến tính với nhiệt độ o Có thêm mạch m gia cơng tín hiệu ñể biến ñổi thành ành ñiện ñi áp, khuếch ñại ñến ến tầm mong muốn 6.7.2 ðo dùng mạch cầu c Wheatstone Hình 6.46 Mạch M đo dùng cầu Wheatstone Vd: với RTD 00C, R = 100Ω 100 , TC = 0.385Ω/0C Vout = V o R + ∆R R + 2∆R ⇒ ∆V = V ∆R R + ∆R (6.42) ∆R ðiện áp thay ñổi nhỏ V = I (R + ∆R ) ⇒ ∆V = I * ∆R Trang 214 Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhd 77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77t@edu.gmail.com.vn.bkc19134.hmu.edu.vn.Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn.bkc19134.hmu.edu.vn (6.43) C.33.44.55.54.78.65.5.43.22.2.4 22.Tai lieu Luan 66.55.77.99 van Luan an.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.33.44.55.54.78.655.43.22.2.4.55.22 Do an.Tai lieu Luan van Luan an Do an.Tai lieu Luan van Luan an Do an Chương 6: Cảm biến Nhiệt Độ o ðiện áp thay đổi khơng tuyến tính với ∆R o Áp lớn I lớn o I lớn o Giới hạn công suất o Toả nhiệt phần tử đo o Có phương pháp tôt sử dụng cầu Wheatstone sử dụng nguồn dịng/áp
Có loại cầu Wheatstone nguồn áp thông dụng VB VB R R+∆R R R Vo ∆R VB R+∆R/2 Sai số TT: 0,5%/% Vo: VB R-∆R R+∆R Vo R+∆R R VB R Vo R+∆R R VB Vo R+∆R R-∆R R ∆R R+∆R/2 0,5%/% R-∆R ∆R VB R R+∆R ∆R VB R Hình 6.47 Các dạng cầu Wheatstone nguồn áp Cầu Wheatstone với phần tử thay ñổi o  Áp khơng tuyến tính (có thể giải phần mềm kĩ thuật mạch)  Cầu Wheatstone với phần tử thay ñổi (dạng 1) o o ðộ nhạy 0.5%/%  Khơng tuyến tính (0.5%/%)  ðộ nhạy tăng gấp đơi so với trường hợp đầu Cầu Wheatstone với phần tử thay ñổi (dạng 2) Trang 215 Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhd 77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77t@edu.gmail.com.vn.bkc19134.hmu.edu.vn.Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn.bkc19134.hmu.edu.vn C.33.44.55.54.78.65.5.43.22.2.4 22.Tai lieu Luan 66.55.77.99 van Luan an.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.33.44.55.54.78.655.43.22.2.4.55.22 Do an.Tai lieu Luan van Luan an Do an.Tai lieu Luan van Luan an Do an Chương 6: Cảm biến Nhiệt Độ  Tuyến tính  ðộ nhạy tăng gấp đơi so với trường hợp ñầu  Cầu thường dùng cho cảm biến áp suất lưu lượng Cầu Wheatstone với phần tử thay ñổi o
 Tuyến tính  ðộ nhạy tăng gấp so với trường hợp ñầu  Cầu dạng thường dùng với Loadcell Bốn dạng cầu Wheatstone với nguồn dòng IB IB R R+∆R R R Vo IBR Vo: Sai số TT: ∆R IB R+∆R/4 0,25%/% Vo R+∆R R IB R-∆R R+∆R R Vo R+∆R R IB IB ∆R Vo R+∆R R-∆R R ∆R R-∆R R+∆R IB ∆R Hình 6.48 Các dạng cầu Wheatstone nguồn dịng Ưu ñiểm: o 6.7.3 o  ðiện trở dây, tiếp xúc khơng gây sai lệch kết  Có thể dùng dây dẫn đơn giản, rẽ Tuyến tính hóa – khuếch đại tín hiệu sau cầu Tín hiệu đưa cịn nhỏ (vài chục – vài trăm mV), cần phải ñược khuếch ñại trước ñưa vào ADC xử lý tiếp
Khuếch ñại ñơn giản dùng OpAmp Trang 216 Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhd 77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77t@edu.gmail.com.vn.bkc19134.hmu.edu.vn.Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn.bkc19134.hmu.edu.vn C.33.44.55.54.78.65.5.43.22.2.4 22.Tai lieu Luan 66.55.77.99 van Luan an.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.33.44.55.54.78.655.43.22.2.4.55.22 Do an.Tai lieu Luan van Luan an Do an.Tai lieu Luan van Luan an Do an Chương 6: Cảm biến Nhiệt Độ VB RF R R R R+∆R +VS VS Hình 6.49 Mạch khuếch ñại ñơn giản dùng Opamp Mạch cho độ xác khơng cao o  ðộ khuếch đại phụ thuộc vào ñiện trở cầu, RF  Tổng trở không cân ngõ vào  Áp không tuyến tính đơn khuếch đại VB R +VS R VREF=VB RG R REF VOUT R+∆R -VS VOUT= VB ∆R R+∆R/2 GAIN Hình 6.50 Mạch khuếch đại tuyến tính có chỉnh độ lợi o Mạch cho độ xác cao o Ưu điểm:  ðộ xác lớn độ khuếch đại phụ thuộc vào Rg  Tổng trở vào lớn nên khơng ảnh hưởng đến cầu đo điện trở cầu ño không ảnh hưởng ñến mạch cân khuếch đại Khuyết điểm: o  Áp khơng tuyến tính, khắc phục software Trang 217 Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhd 77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77t@edu.gmail.com.vn.bkc19134.hmu.edu.vn.Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn.bkc19134.hmu.edu.vn C.33.44.55.54.78.65.5.43.22.2.4 22.Tai lieu Luan 66.55.77.99 van Luan an.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.33.44.55.54.78.655.43.22.2.4.55.22 Do an.Tai lieu Luan van Luan an Do an.Tai lieu Luan van Luan an Do an Chương 6: Cảm biến Nhiệt Độ Mạch vừa khuếch đại, vừa tuyến tính hố Vout so với ∆R  VB R +VS R VOUT +VS -VS R+∆R R VOUT= VB ∆R R -VS 1+ R1 R2 Hình 6.51 Mạch khuếch đại tuyến tính dùng Opamp
ðặc tuyến loại cảm biến Hình 6.52 ðặc tuyến loại cảm biến 6.7.4
Nguyên lý xử lý tín hiệu từ RTD Thermistor Dùng mạch Opamp Hình 6.53 Mạch xử lý tín hiệu Thermistor dùng opamp Trang 218 Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhd 77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77t@edu.gmail.com.vn.bkc19134.hmu.edu.vn.Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn.bkc19134.hmu.edu.vn C.33.44.55.54.78.65.5.43.22.2.4 22.Tai lieu Luan 66.55.77.99 van Luan an.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.33.44.55.54.78.655.43.22.2.4.55.22 Do an.Tai lieu Luan van Luan an Do an.Tai lieu Luan van Luan an Do an Chương 6:: Cảm C biến Nhiệt Độ
Dùng mạch ạch cầu cân Hình 6.54 Mạch xử lý tín hiệu RTD dùng cầu ầu cân
Dùng IC vi xử lý Hình 6.54 Mạch xử lý tín hiệu Thermistor dùng ùng IC Trang 219 Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhd 77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77t@edu.gmail.com.vn.bkc19134.hmu.edu.vn.Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn.bkc19134.hmu.edu.vn C.33.44.55.54.78.65.5.43.22.2.4 22.Tai lieu Luan 66.55.77.99 van Luan an.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.33.44.55.54.78.655.43.22.2.4.55.22 Do an.Tai lieu Luan van Luan an Do an.Tai lieu Luan van Luan an Do an MỤC LỤC Chương – CÁC KHÁI NIỆM CHUNG 1.1 Giới thiệu 1.2 ðường cong chuẩn cảm biến 1.3 Các ñặc trưng cảm biến 1.4 Nguyên lý chế tạo cảm biến 1.5 Phân loại cảm biến 13 1.6 Mạch ño 17 Chương – CẢM BIẾN TIỆM CẬN (Proximity Sensor) 2.1 Giới thiệu 21 2.2 ðặc ñiểm cảm biến tiệm cận 21 2.3 Cảm biến tiệm cận cảm ứng từ (Magnectic sensor) 22 2.4 Cảm biến ñiện dung (Capacitive Sensor) 48 2.5 Cảm biến siêu âm: (Ultrasonic sensor) 59 Chương – CẢM BIẾN QUANG (Optical_sensor) 3.1 Khái niệm 73 3.2 Các loại cảm biến quang công nghiệp 90 3.3 Các thuật ngữ thường sử dụng 98 Chương – CẢM BIẾN VỊ TRÍ VÀ KHOẢNG CÁCH (Sensors for distance and displacement) 4.1 Khái niệm 101 4.2 Cảm biến ño khoảng cách ngõ dạng analog 101 4.3 Chiết áp (Bộ phân thế): (Potentiometer) 119 4.4 Cảm biến đo vận tốc vịng quay góc quay: (Tachometter) 124 4.5 ðo vận tốc vịng quay phương pháp quang điện tử (Encoder) 127 4.6 ðo vận tốc vòng quay với nguyên tắc ñiện trở từ 140 Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhd 77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77t@edu.gmail.com.vn.bkc19134.hmu.edu.vn.Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn.bkc19134.hmu.edu.vn C.33.44.55.54.78.65.5.43.22.2.4 22.Tai lieu Luan 66.55.77.99 van Luan an.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.33.44.55.54.78.655.43.22.2.4.55.22 Do an.Tai lieu Luan van Luan an Do an.Tai lieu Luan van Luan an Do an Chương – CẢM BIẾN LỰC VÀ ÁP SUẤT (Sensors for force and pressure) 5.1 Khái niệm 147 5.2 Cảm biến lực (Force Sensor) 148 5.3 Cảm biến lưu lượng áp suất (Pressure and Flowmeters sensor) 157 Chương – CẢM BIẾN NHIỆT ðỘ (Temperature Sensors) 6.1 Khái niệm 178 6.2 Các đặc tính cảm biến nhiêt ñộ 178 6.3 Nhiệt ñiện trở với Platin Nickel 181 6.4 Cảm biến nhiệt ñộ với vật liệu bán dẫn silic 185 6.5 Cách nối dây ño 191 6.6 Phương pháp ño nhiệt ñộ 295 6.7 Mạch ño 213 TÀI LIỆU THAM KHẢO Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhd 77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77t@edu.gmail.com.vn.bkc19134.hmu.edu.vn.Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn.bkc19134.hmu.edu.vn C.33.44.55.54.78.65.5.43.22.2.4 22.Tai lieu Luan 66.55.77.99 van Luan an.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.C.33.44.55.54.78.655.43.22.2.4.55.22 Do an.Tai lieu Luan van Luan an Do an.Tai lieu Luan van Luan an Do an Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhd 77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77.77.99.44.45.67.22.55.77.C.37.99.44.45.67.22.55.77t@edu.gmail.com.vn.bkc19134.hmu.edu.vn.Stt.010.Mssv.BKD002ac.email.ninhddtt@edu.gmail.com.vn.bkc19134.hmu.edu.vn