Giáo trình kỹ thuật cảm biến dùng cho ngành điện cn, cnkt điện điện tử, điện tử công nghiệp bậc cao đẳng

1 ỦY BAN NHÂN DÂN THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHỆ THỦ ĐỨC KHOA ĐIỆN ĐIỆN TỬ GIÁO TRÌNH HỌC PHẦN: KỸ THUẬT CẢM BIẾN NGÀNH/NGHỀ: ĐIỆN CƠNG NGHIỆP; CNKT ĐIỆN- ĐIỆN TỬ, ĐTCN TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG Ban hành kèm theo Quyết định số: ……/QĐ-CNTĐ-QLĐT ngày tháng.….năm 20…… Hiệu trưởng Trường Cao đẳng Cơng nghệ Thủ Đức TP Hồ Chí Minh, năm 2023 QLĐT-BM13-QT31 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 học phần tự chọn thuộc học kỳ IV sinh viên chuyên ngành Điện công nghiệp; Công nghệ kỹ thuật Điện- Điện Tử, Điện tử công nghiệp Đây học phần chuyên ngành để từ sinh viên ứng dụng, nghiên cứu chuyên sâu chuyên ngành điện, điện tử, điện tử công nghiệp Tài liệu biên soạn lại dựa kiến thức từ sách, tài liệu internet tài liệu khác; với mục đích giúp cho sinh viên trang bị cho kiến thức nhất, hữu ích cảm biến ứng dụng Tài liệu biên soạn gồm chương theo Đề cương chi tiết môn học đăng kí, bao gồm: Chương 1: Khái niệm cảm biến Chương 2: Cảm biến quang Chương 3: Cảm biến nhiệt Chương 4: Cảm biến vị trí dịch chuyển Chương 5: Một số cảm biến thơng dụng Ngồi ra, cuối chương cịn có thực hành để giúp sinh viên củng cố, có nhìn trực quan kiến thức mà học Trong q trình biên soạn khơng tránh khỏi thiếu sót, mong độc giả đóng góp nhiều ý kiến, đề tài liệu ngày hồn thiện TPHCM, ngày 01 tháng 06 năm 2023 Tham gia biên soạn Chủ biên: Trần Quốc Trung QLĐT-BM13-QT31 MỤC LỤC TRANG A DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT B DANH MỤC BIỂU BẢNG SỐ LIỆU C DANH MỤC CÁC HÌNH D PHẦN NỘI DUNG 10 Chương 1: KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ CẢM BIẾN 11 1.1.Giới thiệu chung cảm biến 11 1.2.Các hiệu ứng cảm biến 12 1.3.Các đặc tính cảm biến 16 CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 18 Chương 2: CẢM BIẾN QUANG 19 2.1.Giới thiệu chung cảm biến quang 19 2.2.Quang trở 21 2.3.Diode quang, transistor quang 22 2.4.Giới thiệu số loại cảm biến quang khác 24 CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 28 BÀI THỰC HÀNH SỐ 30 BÀI TẬP LÀM THÊM 34 Chương 3: CẢM BIẾN NHIỆT 36 3.1.Giới thiệu chung cảm biến nhiệt 36 3.2.Cảm biến nhiệt điện trở 37 3.3.Cảm biến nhiệt vi mạch bán dẫn 40 3.4.Giới thiệu số loại cảm biến nhiệt khác 41 CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 44 BÀI THỰC HÀNH SỐ 46 BÀI TẬP LÀM THÊM 50 Chương 4: CẢM BIẾN VỊ TRÍ VÀ DỊCH CHUYỂN 52 4.1.Giới thiệu chung cảm biến vị trí dịch chuyển 52 4.2.Encoder 53 4.3.Cảm biến tiệm cận 58 4.4.Giới thiệu số loại cảm biến vị trí dịch chuyển khác 67 QLĐT-BM13-QT31 CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 71 BÀI THỰC HÀNH SỐ 72 BÀI TẬP LÀM THÊM 77 Chương 5: MỘT SỐ CẢM BIẾN THÔNG DỤNG 79 5.1.Cảm biến độ ẩm 79 5.2.Cảm biến lực 82 5.3.Cảm biến lưu lượng 87 5.4.Giới thiệu số loại cảm biến khác 93 CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 102 BÀI THỰC HÀNH SỐ 103 BÀI TẬP LÀM THÊM 107 E TÀI LIỆU THAM KHẢO 110 QLĐT-BM13-QT31 A DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Trang IR: infrared radiation (tia hồng ngoại) 19 UV: Ultraviolet (tia tử ngoại) 19 CdS: Cadmium Sulphide 21 RTD: Resistance Temperature Detector 37 NTC: negative temperature coefficient 39 PTC: Positive Temperature Coefficient 39 HS1101: Humidity Sensor 1101 81 B DANH MỤC BIỂU BẢNG SỐ LIỆU Trang Bảng 2.1: Phiếu thực hành số 31 Bảng 2.2: Phiếu thực hành số 32 Bảng 2.3: Phiếu thực hành số 33 Bảng 3.1: Đổi đơn vị giá trị nhiệt độ 44 Bảng 3.2: Phiếu thực hành số 47 Bảng 3.3: Phiếu thực hành số 48 Bảng 3.4: Phiếu thực hành số 49 Bảng 4.1: Phiếu thực hành số 73 Bảng 4.2: Phiếu thực hành số 74 Bảng 4.3: Phiếu thực hành số 76 Bảng 5.1: Các loại cảm biến thông dụng 93 Bảng 5.2: Phiếu thực hành số 104 Bảng 5.3: Phiếu thực hành số 105 Bảng 5.4: Phiếu thực hành số 106 QLĐT-BM13-QT31 C DANH MỤC CÁC HÌNH Trang Hình 1.1: Sơ đồ hiệu ứng nhiệt điện 12 Hình 1.2: Ứng dụng hiệu ứng áp điện đo lực 13 Hình 1.3: Mơ hình tạo cảm ứng điện từ 13 Hình 1.4: Hiệu ứng quang điện 13 Hình 1.5: Mơ hình tạo hiệu ứng Hall 14 Hình 1.6: Sơ đồ nguyên lý mạch cầu Wheatstone 14 Hình 1.7: Mạch khuếch đại đảo 15 Hình 1.8: Mạch khuếch đại khơng đảo 15 Hình 1.9: Mạch lặp theo điện áp 15 Hình 1.10: Mạch khuếch đại cộng đảo 15 Hình 2.1: Hình dạng ký hiệu quang trở 21 Hình 2.2: Cấu tạo quang trở 21 Hình 2.3: Đặc tuyến quang trở 22 Hình 2.4: Mạch tự động tắt mở đèn theo ánh sáng dùng quang trở 22 Hình 2.5: Cấu tạo photo Diode 22 Hình 2.6: Phân cực cho Transistor quang sơ đồ tương đương 23 Hình 2.7: Mạch tự động tắt mở đèn có vật cản 24 Hình 2.8: Cảm biến quang thu phát chung 24 Hình 2.9: Cảm biến quang thu phát chung 25 Hình 2.10: Cảm biến quang thu phát độc lập 25 Hình 2.11: Cảm biến quang thu phát độc lập vật cản 25 Hình 2.12: Nguyên lý cảm biến quang phản xạ gương 26 Hình 2.13: Hình dạng thực tế số cảm biến quang 26 Hình 2.14: Ứng dụng cảm biến quang máy đo cắt sản phẩm 27 Hình 2.15: Ứng dụng cảm biến quang đếm sản phẩm 27 Hình 2.16: Mạch đếm sản phẩm từ 0-9 dùng cảm biến phát 27 Hình 2.17: Phổ ánh sáng 28 Hình 2.18: Mạch ứng dụng quang trở 29 Hình 2.19: Mạch ứng dụng quang trở 29 Hình 2.20: Mạch ứng dụng diode quang 29 Hình 2.21: Mạch tự động tắt mở đèn theo ánh sáng dùng quang trở 31 QLĐT-BM13-QT31 Hình 2.22: Mạch tự động tắt mở đèn có vật cản 32 Hình 2.23: Mạch đếm sản phẩm từ 0-9 dùng cảm biến phát 33 Hình 3.1: Cấu tạo cảm biến nhiệt điện trở 37 Hình 3.2a: Cảm biến nhiệt điện trở RTD PT100 38 Hình 3.2b: Các đầu dây CB nhiệt điện trở PT100 loại dây, dây, dây 39 Hình 3.3: Cấu tạo Thermistor 39 Hình 3.4: Hình ảnh thực tế ký hiệu Thermistor 39 Hình 3.5: Mạch tự động tắt mở quạt theo nhiệt độ dùng NTC 10D-20 40 Hình 3.6: Sơ đồ chân linh kiện vi mạch LM35 41 Hình 3.7: Mạch tự động tắt mở quạt theo nhiệt độ dùng LM35 41 Hình 3.8: Cấu tạo đơn giản Thermocouple 41 Hình 3.9: Hình dạng thực tế cặp nhiệt điện 42 Hình 3.10: Hệ thống quang học hoả kế 42 Hình 3.11: Hoả kế Cella Temp PX có dải nhiệt độ đo từ đến 3000 độ C 43 Hình 3.12: Nhiệt kế xạ hồng ngoại đo trán 43 Hình 3.13: Mạch ứng dụng nhiệt điện trở NTC 45 Hình 3.14: Mạch ứng dụng nhiệt bán dẫn LM35 45 Hình 3.15: Mạch tự động tắt mở quạt theo nhiệt độ dùng NTC 10D-20 47 Hình 3.16: Mạch tự động tắt mở quạt theo nhiệt độ dùng LM35 48 Hình 3.17: Mạch tự động tắt mở đèn cảnh báo theo nhiệt độ dùng LM3551 49 Hình 4.1: Cách đo lường khơng tiếp xúc cảm biến tiệm cận 53 Hình 4.2: Hình minh hoạ cấu tạo encoder 54 Hình 4.3: Cấu tạo encoder tương đối 54 Hình 4.4: Sơ đồ thu phát hồng ngoại bố trí cặp thu phát encoder 55 Hình 4.5: Giản đồ xung quay thuận – quay ngược 55 Hình 4.6: Cấu tạo encoder tuyệt đối bit 56 Hình 4.7: Sơ đồ thu phát hồng ngoại encoder tuyệt đối 56 Hình 4.8: Encoder Omron 56 Hình 4.9: Cảm biến encoder Autonics 57 Hình 4.10: Cảm biến Encoder Hanyoung 57 Hình 4.11: Mạch đếm số vòng quay dĩa quay dùng cảm biến vận tốc 58 QLĐT-BM13-QT31 Hình 4.12 Cấu tạo cảm biến tiệm cận ñiện cảm 59 Hình 4.13: Cấu tạo cảm biến tiệm cận ñiện cảm 59 Hình 4.14: Dạng tín hiệu sóng ngõ cảm biến tiệm cận điện cảm 60 Hình 4.15: Cảm biến TC điện cảm phát khoảng cách nhỏ 61 Hình 4.16: Cảm biến có ngõ laø PNP 62 Hình 4.17: Cảm biến có ngõ NPN 62 Hình 4.18: Cảm biến có dây ngõ 63 Hình 4.19: Một số ứng dụng cảm biến tiệm cận 63 Hình 4.20: Mạch báo động dùng cảm biến tiệm cận 63 Hình 4.21: Cấu tạo cảm biến tieäm cận điện dung 64 Hình 4.22: Ứng dụng hệ thống phát mức chất lỏng 66 Hình 4.23: Ứng dụng hệ thống hộp sữa không đầy 66 Hình 4.24: Mạch báo mực nước dùng cảm biến điện dung 66 Hình 4.25: Cảm biến dịch chuyển biến trở đồ thị 67 Hình 4.26: Cấu tạo cảm biến từ 67 Hình 4.27: Hình dạng cảm biến điện từ 68 Hình 4.28: Ứng dụng đo độ cao đinh ốc 68 Hình 4.29: Ứng dụng đo độ dày thép 68 Hình 4.30: Cấu tạo biến áp vi sai 69 Hình 4.31: Hình dạng cảm biến biến áp vi sai 69 Hình 4.32: Đo độ nhẵn bề mặt chi tiết khí 69 Hình 4.33: Đo độ dày mỏng dùng biến áp vi sai 69 Hình 4.34: Mơ tả thí nghiệm cảm biến Hall 70 Hình 4.35: Mạch đếm số vòng quay dĩa quay dùng cảm biến vận tốc 73 Hình 4.36: Mạch báo động dùng cảm biến tiệm cận 74 Hình 4.37: Mạch báo mực nước dùng cảm biến điện dung 75 Hình 5.1: Cảm biến điện dung HS1101 81 Hình 5.2: Module cảm biến phát nhiệt độ + độ ẩm DHT11 81 Hình 5.3: Mạch cảm biến độ ẩm đất 82 Hình 5.4: Mạch cảm biến trời mưa 82 Hình 5.5: Mạch tự động tắt mở đèn dùng cảm biến độ ẩm 82 QLĐT-BM13-QT31 Hình 5.6: Tấm kim loại (flexure) bị biến dạng 83 Hình 5.7: Cảm biến Load Cell In-line 84 Hình 5.8: Cảm biến Load Cell dạng trụ đứng (Column Load Cell) 85 Hình 5.9: Cảm biến Load Cell dạng nút (Load Button) 85 Hình 5.10: Cảm biến Load Cell dạng chữ S (S-Beam Load Cell) 86 Hình 5.11: Cảm biến Load Cell dạng lỗ xuyên (Thru-Hole Load Cell) 86 Hình 5.12: Cảm biến Load Cell dạng Pancake (Pancake Load Cells) 86 Hình 5.13: Cảm biến tải trọng Rod-End (Rod-End Load Cell) 87 Hình 5.14: Cảm biến lực điểm (Single Point Load Cell) 87 Hình 5.15: Cảm biến lưu lượng thể tích Hall sensor 89 Hình 5.16: Cảm biến lưu lượng nước loại điện tử 89 Hình 5.17: Nguyên lý cảm biến lưu lượng khối 90 Hình 5.18: Hiệu ứng Doppler sử dụng sóng siêu âm 91 Hình 5.19: Cảm biến lưu lượng nước loại siêu âm 91 Hình 5.20: Đường ống có gắn phần tử cảm biến độ xoáy 92 Hình 5.21: Cảm biến độ xốy kiểu Vortex đặc trưng 93 Hình 5.22: Mạch tự cảnh báo rị rỉ khí gas 93 Hình 5.23: Đồng hồ nhiệt ẩm kế đa HTC 2, có dây đầu dị 97 Hình 5.24: Mạch tự động mở đèn có âm 101 Hình 5.25: Mạch tự động tắt mở đèn dùng cảm biến độ ẩm 104 Hình 5.26: Mạch tự cảnh báo rị rỉ khí gas 105 Hình 5.27: Mạch tự động mở đèn có âm 106 QLĐT-BM13-QT31 10 D PHẦN NỘI DUNG: GIÁO TRÌNH HỌC PHẦN Tên học phần: KỸ THUẬT CẢM BIẾN Mã học phần: CNC112100 Vị trí, tính chất, ý nghĩa vai trị học phần: - Vị trí: Học học kỳ - Tính chất: Nội dung học phần cung cấp cho sinh viên kiến thức, kỹ cách phân tích cấu tạo, nguyên lý hoạt động loại cảm biến; phân tích nguyên lý mạch điện cảm biến; nắm cấu tạo nguyên lý làm việc cảm biến thường dùng Đọc thông số kiểm tra hoạt động cảm biến, lắp ráp số mạch ứng dụng thực tế - Ý nghĩa vai trị mơn học/mơ đun: môn học chuyên ngành, tảng để sinh viên nghiên cứu chuyên sâu cảm biến ứng dụng, tiền đề hệ thống tự động hố, thiết bị thơng minh… Mục tiêu học phần: - Về kiến thức: Khi kết thúc môn học/học phần, học sinh sinh viên có thể: Trình bày khái niệm, đặc tính cảm biến Trình bày nguyên lý hoạt động loại cảm biến quang, cảm biến nhiệt, cảm biến vị trí dịch chuyển số cảm biến thông dụng dân dụng công nghiệp - Về kỹ năng: Môn học/học phần cung cấp cho học sinh sinh viên kỹ sau đây: Phân loại số loại cảm biến Lắp ráp vận hành mô hình loại cảm biến quang, cảm biến nhiệt, cảm biến vị trí dịch chuyển số cảm biến thông dụng dân dụng công nghiệp - Về lực tự chủ trách nhiệm: Kỹ thu thập, tra cứu, phân tích xử lý thơng tin để tiếp thu kiến thức tích cực, chủ động Kỹ thảo luận nhóm, thuyết trình trả lời vấn đáp linh hoạt, tự chủ, sáng tạo yêu cầu kiến thức môn học Rèn luyện thái độ làm việc nghiêm túc, chủ động, tích cực QLĐT-BM13-QT31