Giáo trình kỹ thuật cảm biến (nghề cơ điện tử trình độ cao đẳng)

TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu thuộc loại sách giáo trình nên nguồn thơng tin phép dùng nguyên 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 Kỹ thuật cảm biến mô đun sở của nghề Cơ điện tử biên soạn dựa theo chương trình đào tạo đã xây dựng ban hành năm 2021 của trường Cao đẳng nghề Cần Thơ dành cho nghề Cơ điện tử hệ Cao đẳng Giáo trình biên soạn làm tài liệu học tập, giảng dạy nên giáo trình đã xây dựng mức độ đơn giản dễ hiểu, học có thí dụ tập tương ứng để áp dụng làm sáng tỏ phần lý thuyết Khi biên soạn, nhóm biên soạn đã dựa kinh nghiệm thực tế giảng dạy, thiết bị thực hành của trường, tham khảo đồng nghiệp, tham khảo giáo trình có cập nhật kiến thức có liên quan để phù hợp với nội dung chương trình đào tạo phù hợp với mục tiêu đào tạo, nội dung biên soạn gắn với nhu cầu thực tế Nội dung giáo trình biên soạn với dung lượng thời gian đào tạo 60 giờ gồm có: Bài MĐ23-01: Các loại cảm biến Bài MĐ23-02: Cảm biến quang Bài MĐ23-03: Cảm biến hồng ngoại PIR Bài MĐ23-04: Cảm biến từ Bài MĐ23-05: Cảm biến điện dung Bài MĐ23-06: Cảm biến áp suất Bài MĐ23-07: Cảm biến trọng lượng Bài MĐ23-08: Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm Mặc dù đã cố gắng tổ chức biên soạn để đáp ứng mục tiêu đào tạo không tránh thiếu sót Rất mong nhận đóng góp ý kiến của thầy, cơ, bạn đọc để nhóm biên soạn điều chỉnh hồn thiện Cần Thơ, ngày tháng năm 2021 Tham gia biên soạn Chủ biên: Nguyễn Thanh Nhàn MỤC LỤC Trang TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN LỜI GIỚI THIỆU MỤC LỤC BÀI 1: CÁC LOẠI CẢM BIẾN .8 Khái niệm cảm .8 Phạm vi ứng dụng Phân loại loại cảm biến .20 Thực hành 21 4.1 Các bước khảo sát loại cảm biến .21 4.2 Khảo sát hộp hiển thị .22 BÀI 2: CẢM BIẾN QUANG .24 Tổng quan cảm biến quang 24 Thông số kỹ thuật 25 2.1 Cảm biến quang thu phát .25 2.2 Cảm biến quang phản xạ gương 26 2.3 Cảm biến quang loại phản xạ - khuếch tán 26 Giao diện sử dụng thiết bị 27 3.1 Cảm biến quang thu phát .27 3.2 Cảm biến quang phản xạ gương 29 3.3 Cảm biến quang loại phản xạ - khuếch tán 31 Các chức của thiết bị .32 4.1 Cảm biến quang thu phát .32 4.2 Cảm biến quang phản xạ gương 32 4.3 Cảm biến quang loại phản xạ - khuếch tán 32 Cách sử dụng thiết bị .32 Bảo trì bảo dưỡng loại cảm biến quang 37 Thực hành 37 BÀI 3: CẢM BIẾN HỒNG NGOẠI PIR .39 Tổng quan cảm biến hồng ngoại 39 Thông số kỹ thuật 40 Giao diện sử dụng thiết bị 40 Các chức của thiết bị .41 Cách sử dụng thiết bị .41 Vận hành bảo dưỡng cảm biến hồng ngoại PIR 41 Bảo trì bảo dưỡng loại cảm biến hồng ngoại 47 Thực hành 47 BÀI 4: CẢM BIẾN TỪ 49 Cấu tạo nguyên lý hoạt động của cảm biến từ 49 Thông số kỹ thuật 50 Giao diện sử dụng thiết bị 51 Các chức của thiết bị .51 Cách sử dụng thiết bị .51 Bảo trì bảo dưỡng loại cảm biến từ 58 Thực hành 58 BÀI 5: CẢM BIẾN ĐIỆN DUNG 60 Cấu tạo nguyên lý hoạt động của cảm biến điện dung .60 Thông số kỹ thuật 61 Giao diện sử dụng thiết bị 62 Các chức của thiết bị .62 Cách sử dụng thiết bị .63 Bảo trì bảo dưỡng loại cảm biến điện dung 69 Thực hành 69 BÀI 6: CẢM BIẾN ÁP SUẤT .71 Cấu tạo nguyên lý hoạt động của cảm biến áp suất 71 Thông số kỹ thuật 72 Giao diện sử dụng thiết bị 73 Các chức của thiết bị .74 Cách sử dụng thiết bị .74 Bảo trì bảo dưỡng loại cảm biến áp suất 80 Thực hành 81 BÀI 7: CẢM BIẾN TRỌNG LƯỢNG 82 Cấu tạo nguyên lý hoạt động của cảm biến trọng lượng .82 Thông số kỹ thuật 83 Giao diện sử dụng thiết bị 83 Các chức của thiết bị .83 Cách sử dụng thiết bị .84 Bảo trì bảo dưỡng loại cảm biến trọng lượng .86 Thực hành 87 BÀI 8: CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ - ĐỘ ẨM 88 Cấu tạo nguyên lý hoạt động của cảm biến nhiệt độ, độ ẩm 88 Thông số kỹ thuật 89 Giao diện sử dụng thiết bị 90 Các chức của thiết bị .91 Cách sử dụng thiết bị .91 Bảo trì bảo dưỡng loại cảm biến nhiệt độ, độ ẩm .100 Thực hành 101 TÀI LIỆU THAM KHẢO 102 GIÁO TRÌNH MƠ ĐUN Tên mô đun: KỸ THUẬT CẢM BIẾN Mã mô đun: MĐ23 Vị trí, tính chất, ý nghĩa vai trị mơ đun - Vị trí: Mơ đun bố trí dạy sau song song với mơn học, mơ đun sở như: Điện kỹ thuật, An toàn lao động, Đo lường điện-điện tử, Linh kiện điện tử học trước môn học, mô đun chuyên môn nghề Điều khiển điện khí nén, Vi điều khiển, PLC bản, Hệ thống sản xuất linh hoạt MPS, Rô bốt cơng nghiệp - Tính chất: Là mơ đun bắt buộc chương trình đào tạo cao đẳng Cơ điện tử - Ý nghĩa vai trị của mơ đun: Cảm biến có vai trị quan trọng tốn điều khiển q trình nói riêng hệ thống điều khiển tự động nói chung Là thiết bị có khả cảm nhận tín hiệu điều khiển vào, Đo đạc giá trị Giới hạn cảm nhận với đại lượng vật lý cần đo Mục tiêu mơ đun: - Kiến thức: + Trình bày cấu tạo nguyên lý làm việc của loại cảm biến + Phân tích phương pháp kết nối mạch điện - Kỹ năng: + Thiết kế mạch cảm biến đơn giản yêu cầu kỹ thuật + Thực hành lắp ráp số mạch điều khiển thiết bị cảm biến yêu cầu + Kiểm tra, vận hành sửa chữa mạch ứng dụng loại cảm biến yêu cầu kỹ thuật - Năng lực tự chủ trách nhiệm: + Có sáng kiến, tìm tịi, khám phá q trình học tập cơng việc + Có khả tự định hướng, chọn lựa phương pháp tiếp cận thích nghi với học + Có lực đánh giá kết học tập nghiên cứu của + Tự học tập, tích lũy kiến thức, kinh nghiệm để nâng cao trình độ chun mơn Nội dung mơ đun: Thời gian (giờ) Thực Số hành, thí Tên mô đun Lý Kiểm TT Tổng số nghiệm, thuyết tra thảo luận, tập Bài 1: Các loại cảm biến 2 Khái niệm cảm 0.5 0.5 biến Phạm vi ứng dụng 0.5 0.5 Phân loại loại cảm biến 1 Thực hành 2 4.1 Các bước khảo sát loại cảm biến 4.2 Khảo sát hộp hiển thị Bài 2: Cảm biến quang Tổng quan cảm biến quang Thông số kỹ thuật 2.1 Cảm biến quang thu phát 2.2 Cảm biến quang phản xạ gương 2.3 Cảm biến quang loại phản xạ khuếch tán Giao diện sử dụng thiết bị 3.1 Cảm biến quang thu phát 3.2 Cảm biến quang phản xạ gương 3.3 Cảm biến quang loại phản xạ khuếch tán Các chức của thiết bị 4.1 Cảm biến quang thu phát 4.2 Cảm biến quang phản xạ gương 4.3 Cảm biến quang loại phản xạ khuếch tán Cách sử dụng thiết bị Bảo trì bảo dưỡng loại cảm biến quang 7.Thực hành Kiểm tra Bài 3: Cảm biến hồng ngoại PIR Tổng quan cảm biến hồng ngoại PIR Thông số kỹ thuật Giao diện sử dụng thiết bị Các chức của thiết bị Cách sử dụng thiết bị Vận hành bảo dưỡng cảm biến hồng ngoại PIR Bảo trì bảo dưỡng loại cảm biến hồng ngoại 8.Thực hành Bài 4: Cảm biến từ Cấu tạo nguyên lý hoạt động của cảm biến từ Thông số kỹ thuật Giao diện sử dụng thiết bị Các chức của thiết bị Cách sử dụng thiết bị Bảo trì bảo dưỡng loại cảm biến từ 7.Thực hành 12 1 1 1 1 1 1 0.25 0.25 0.25 0.25 0.25 0.5 0.25 0.25 0.25 0.5 0.5 0.5 0.25 0.25 0.25 0.25 0.25 0.5 0.25 0.25 0.25 0.5 0.5 0.5 2 2 Bài 5: Cảm biến điện dung Cấu tạo nguyên lý hoạt động của cảm biến điện dung Thông số kỹ thuật Giao diện sử dụng thiết bị Các chức của thiết bị Cách sử dụng thiết bị Bảo trì bảo dưỡng loại cảm biến điện dung 7.Thực hành Bài 6: Cảm biến áp suất Cấu tạo nguyên lý hoạt động của cảm biến áp suất Thông số kỹ thuật Giao diện sử dụng thiết bị Các chức của thiết bị Cách sử dụng thiết bị Bảo trì bảo dưỡng loại cảm biến áp suất 7.Thực hành Bài 7: Cảm biến trọng lượng Cấu tạo nguyên lý hoạt động của cảm biến trọng lượng Thông số kỹ thuật Giao diện sử dụng thiết bị Các chức của thiết bị Cách sử dụng thiết bị Bảo trì bảo dưỡng loại cảm biến trọng lượng 7.Thực hành Kiểm tra Bài 8: Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm Cấu tạo nguyên lý hoạt động của cảm biến nhiệt độ, độ ẩm Thông số kỹ thuật Giao diện sử dụng thiết bị Các chức của thiết bị Cách sử dụng thiết bị Bảo trì bảo dưỡng loại cảm nhiệt độ, độ ẩm 7.Thực hành Kiểm tra Cộng 0.25 0.25 0.25 0.25 0.25 0.5 0.25 0.25 0.25 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 1 16 1 1 1 2 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 1 60 2 4 7 1 30 27 03 BÀI 1: CÁC LOẠI CẢM BIẾN Mã Bài: MĐ23- 01 Giới thiệu: Chúng ta sống giới của cảm biến, tìm thấy loại cảm biến khác nhà, văn phòng, ô tô, nhà máy, xí nghiệp sản xuất, v.v … để làm cho sống của dễ dàng cách bật đèn cách phát diện của chúng tơi, điều chỉnh nhiệt độ phịng, phát khói lửa, pha cà phê ngon, mở cửa nhà để xe xe của gần cửa nhiều nhiệm vụ khác Tất điều nhiều nhiệm vụ tự động hóa khác sử dụng loại cảm biến Mục tiêu: - Trình bày khái niệm cảm biến - Trình bày loại cảm biến theo phạm vi ứng dụng - Nhận dạng loại cảm biến sử dụng lĩnh vực cụ thể - Chủ động, sáng tạo đảm bảo an tồn q trình học tập Nội dung chính: Khái niệm cảm 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 điện đo xử lý Các đại lượng cần đo (m) thường khơng có tính chất điện (như nhiệt độ, áp suất ) tác động lên cảm biến cho ta đặc trưng (s) mang tính chất điện (như điện tích, điện áp, dịng điện trở kháng) chứa đựng thông tin cho phép xác định giá trị của đại lượng đo Đặc trưng (s) hàm của đại lượng cần đo (m): s = F(m) Người ta gọi (s) đại lượng đầu phản ứng của 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 của (m) Cảm biến đóng vai trị thiết bị cung cấp thơng tin cho điều khiển Có thể so sánh giác quan của người trình hoạt động Hình 1.1 Các loại cảm biến sử dụng phổ biến hay Phạm vi ứng dụng Ứng dụng cảm biến hồng ngoại Cảm biến hồng ngoại ứng dụng ngành công nghiệp đời sống ngày, loại cảm biến ứng dụng mang lại hiệu cao Gồm số ứng dụng tiêu biểu là: Hình 1.2 Cảm biến hồng ngoại Hình 1.3 Ứng dụng cảm biến hồng ngoại Có thể nói ứng dụng vơ hiệu của cảm biến hồng ngoại Chúng góp phần tích cực vào việc ngăn kẻ gian đột nhập vào nhà Những cảm biến nên gắn vị trí quan trọng như: cửa sổ, cửa vào, … Với tầm hoạt động – 5m vùng qt 360 o có kẻ trộm xâm nhập, lập tức thiết bị nhận tín hiệu nhiệt chuyển động của người phát cảnh báo để chủ nhà biết Thậm chí cần thiết ta kích hoạt tính khác, tiếp cận nhà bị phát nhanh chóng - Cảm biến hồng ngoại đo nhiệt độ Ngoài khả nhận biết chuyên biệt, cảm biến hồng ngoại có khả đo nhận tín hiệu nhiệt độ của môi trường xung quanh - Việc bật tắt đèn trở nên đơn giản Với cảm biến việc bật tắt đèn không tốn chút sức lực hay di chuyển Chúng thiết kế cơng tắc cảm ứng Khi có xuất của người di chuyển vào vùng nhận dạng của thiết bị hệ thống đèn tự động kích hoạt hoạt động Thơng minh thế, thiết bị cịn tự động hẹn giờ cảm biến ánh sáng của môi trường để điều khiển hệ thống đèn cho hợp lí Có lẽ ứng dụng tiện ích phù hợp cho hệ thống smarthome - Cảm biến hồng sản xuất Với hệ thống sản xuất hay bán hàng cảm biến chứng tỏ vai trị quan trọng của mình, chúng giúp cho việc bán hàng, quản lí hàng hóa kho, hạn chế sai sót của nhân viên trở nên dễ dàng Bộ phận giao nhận hàng tiết kiệm nhiều thời gian hạn chế thất hàng hóa - Sử dụng qn sự, quốc phòng Kỹ thuật hồng ngoại quan trọng với ngành quốc phịng Những tên lửa khơng đối khơng cự ly gần mà máy bay chiến đấu sử dụng có dùng tia hồng ngoại dẫn đường Như vậy cảm biến hồng ngoại hữu ích sử dụng phổ biến Khơng dừng lại đó, cảm biến hồng ngoại ngày sử dụng rộng ứng dụng gắn liền với sống người như: dùng cho đồ dùng nhà bếp, áp dụng truyền thơng, phụ kiện vi tính, nhận diện tiền, … Ứng dụng cảm biến nhiệt Hình 1.4 Cảm biến nhiệt - Đo nhiệt độ nước Đối với khu vực bể chứa cần giám sát nhiệt dây chuyền gia công sản xuất, thiết bị sắt thép gắn loại cảm biến nhiệt độ Đo nhiệt độ đường ống nước nóng trực tiếp cảm biến - Giám sát nhiệt độ lị Hình 1.5 Cảm biến đo nhiệt độ lò 10 - Khối đế thiết bị: + Chất liệu: Nhôm hợp kim đã xử lý chống xước + Kiểu gá lắp: Cơ cấu tháo lắp nhanh (quick fix) * Danh mục thiết bị - 01 vỏ hộp module - 01 Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm - 01 mach IOT Giao diện sử dụng thiết bị Hình 8.2 Các khối chức thiết bị 1- Chân cắm kết nối với điều khiển hiển thị nhiệt độ, độ ẩm 2- Bộ điều khiển hiển thị nhiệt độ, độ ẩm 90 3- Barcode của module để kết nối với phần mềm TPA-IOT 4- Chân cắm kết nối với điều khiển hiển thị nhiệt độ, độ ẩm 5- Cổng lắp antena wifi 6- Đèn báo trạng thái Các chức thiết bị - Đo, điều khiển nhiệt độ độ ẩm - Thu thập trạng thái qua IOT Cách sử dụng thiết bị Hướng dẫn vận hành thiết bị Vận hành nguội - Kiểm tra mặt hình thức (nứt, vỡ…) Vận hành nóng - Gắn module lên phanel thực hành 91 - Sơ đồ nguyên lý thí ngiệm 92 - Sơ đồ nối dây thí nghiệm - Nối dây theo sơ đồ - Cấp nguồn 220Vac cho module nguồn 24VDC, module điều khiển nhiệt độ độ ẩm - Cài đặt giá trị đặt nhiệt độ, độ ẩm điều khiển Điều chỉnh biến trở tăng, giảm nhiệt độ, độ ẩm module cảm biến Khi nhiệt độ, độ ẩm đạt giá trị đặt điều khiển tác động đèn báo Kết nối module với phần mềm TPA-IOT 93 - Mở phần mềm TPA-IoT.Teacher (cắm USB Key TPA cấp để chạy phần mềm) Sau phần mềm TPA-IoT.Teacher kết nối với module Gateway (TPAN.E9000), đèn đèn đỏ nhấp module Gateway truyển sang đèn xanh sáng, có tiếng kêu bíp 94 - Giao diện phần mềm - Mở phần mềm TPA-IoT.Student (cắm USB Key TPA cấp để chạy phần mềm) - Vào menu “Cập nhật liệu thiết bị” để thêm tất thiết bị có IoT phịng học vào sở liệu 95 - Trọng phần cài đặt thiết bị hiển thị thông tin data, số lượng I/O của module - Dữ liệu TPA cài đặt cung cấp, không sửa thêm bớt mục - Trên module có phần Barcode của module để kết nối với phần mềm TPAIOT - Vào menu “Cài đặt thiết bị gép nối” để thêm tất thiết bị có IoT phịng học vào sở liệu cách sử dụng đầu đọc QR code, đọc mã QR mặt module thiết bị mã thiết bị tự động thêm vào phần mềm TPA -IoT.Student 96 hình sau - Sau thêm thiết bị, ấn Lưu - Vào menu “Gép nối thiết bị” để thêm tất thiết bị có IoT thực hành cách sử dụng đầu đọc QR code, đọc mã QR mặt module thiết bị mã thiết bị tự động thêm vào phần mềm TPA-IoT.Student hình sau - Sau thêm thiết bị, ấn Lưu phiên làm việc 97 Cài đặt thông số điều khiển nhiệt độ, độ ẩm 98 99 Cài đặt điều khiển độ ẩm 100 Bảo trì bảo dưỡng loại cảm biến nhiệt độ, độ ẩm Lịch bảo dưỡng - Bảo dưỡng, lau vệ sinh hàng ngày hết buổi học Hướng dẫn bảo dưỡng 101 - Tắt nguồn cấp cho mơ hình - Tháo module bàn cất vào tủ chuyên dụng module Thực hành Các bước thực hành cảm biến nhiệt độ, độ ẩm Bước 1: Gắn module lên phanel thực hành Bước 2: Đấu dây tín hiệu ngõ đến hộp hiển thị Bước 3: Cấp nguồn 220VAC cho nguồn Bước 4: Đo điện áp ngõ vào, ngõ của cảm biến trước sau tác động đến cảm biến Bước 5: Cài đặt nhiệt độ, độ ẩm tác động Bước 6: Cài đặt phần mềm IoT máy tính Bước 7: Cấp nguồn cho máy quét Bước 8: Mở phần mềm máy tính Bước 9: Quét mã vạch thiết bị, kết nối module với phần mềm TPA-IOT Bước 10: Kết nối module Gateway (TPAN.E9000) vào mạng LAN với máy tính giáo viên Sinh viên Bước 11: Ghi nhận kết máy tính cập nhật cảm biến hồng ngoại vào phần mềm máy tính Bước 12: Tạo lỗi phần mềm ghi nhận, đối chiếu kết Những trọng tâm cần ý - Cấp nguồn xác cho cảm biến từ - Đấu dây tín hiệu từ cảm biến đến hiển thị - Phân biệt xác ngõ vào ngõ của cảm biến nhiệt độ, độ ẩm - Kết nối xác loại cảm biến từ phần mềm IoT máy tính Bài tập mở rộng nâng cao Trình bày bước cài đặt ngưỡng tác động của cảm biến nhiệt độ độ ẩm Trình bày số loại cảm biến nhiệt độ, độ ẩm sử dụng thực tế Phân tích số hư hỏng nêu quy trình sửa chữa cảm biến nhiệt độ, độ ẩm Phân tích ưu nhược điểm của cảm biến nhiệt độ, độ ẩm so với cảm biến từ Yêu cầu đánh giá kết học tập Nội dung: - Về kiến thức: Trình bày cấu tạo loại cảm biến nhiệt độ, độ ẩm Phân loại xác loại cảm biến nhiệt độ, độ ẩm phịng thực hành ngồi thực tế - Về kỹ năng: Lắp đặt thành thạo loại cảm biến, đấu nối chân nguồn tín hiệu, kết nối cảm biến thao tác phần mềm IoT - Năng lực tự chủ trách nhiệm: Tỉ mỉ, cẩn thận, xác, ngăn nắp công việc Phương pháp: - Về kiến thức: Được đánh giá hình thức kiểm tra viết, trắc nghiệm, vấn đáp - Về kỹ năng: Đánh giá kỹ thực hành tháo lắp, vận hành loại cảm biến nhiệt độ, độ ẩm thực hành theo yêu cầu + Năng lực tự chủ trách nhiệm: Tỉ mỉ, cẩn thận, xác, ngăn nắp cơng việc 102 Điều kiện để hồn thành mơ đun để dự thi kết thúc mô đun: + Người học tham dự 70% thời gian học lý thuyết đầy đủ học tích hợp, học thực hành, thực tập + Điểm trung bình chung điểm kiểm tra đạt từ 5,0 điểm trở lên theo thang điểm 10; + Người học có giấy xác nhận khuyết tật theo quy định hiệu trưởng xem xét, định ưu tiên điều kiện dự thi sở sinh viên phải bảo đảm điều kiện điểm trung bình điểm kiểm tra + Số lần dự thi kết thúc mô đun theo quy định khoản Điều 13 Thông tư 09/2017/TT-BLĐTBXH, ngày 13 tháng năm 2017 Điều kiện để công nhận, cấp chứng nhận đạt mô đun đào tạo: Người học công nhận cấp chứng nhận đạt mô đun có điểm trung bình mơ đun theo thang điểm 10 đạt từ 4,0 trở lên 103 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bộ thực hành cảm biến - AT A0701-HDSD, Cty Tân Phát năm 2020 [2] Các kỹ thuật cảm biến đo lường điều khiển, PGS.TS Lê Văn Doanh, NXB Khoa học kỹ thuật, năm 2001 [3] Cảm biến, Phan Quốc Phô, Nguyễn Đức Chiến, NXB Khoa học kỹ thuật, năm 2000 [4] Process/Industrial Instruments and Controls Handbook, Gregory K Mc Millan; Douglas M Considine, Mc GRAW-Hill, năm 1999 104