PHẦN NỘI DUNG
GIÁO TRÌNH HỌC PHẦN Tên học phần: KỸ THUẬT CẢM BIẾN
Vị trí, tính chất, ý nghĩa và vai trò của học phần:
- Vị trí: Học ở học kỳ 4
Nội dung học phần cung cấp cho sinh viên kiến thức và kỹ năng phân tích cấu tạo, nguyên lý hoạt động của các loại cảm biến Sinh viên sẽ nắm vững nguyên lý của mạch điện cảm biến, hiểu rõ cấu tạo và cách thức hoạt động của các cảm biến phổ biến Họ cũng sẽ học cách đọc thông số, kiểm tra hoạt động của cảm biến và lắp ráp một số mạch ứng dụng thực tế.
Môn học/mô đun này đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp nền tảng kiến thức chuyên ngành cho sinh viên, giúp họ nghiên cứu sâu về cảm biến ứng dụng Đây là tiền đề cần thiết cho việc phát triển các hệ thống tự động hóa và thiết bị thông minh trong tương lai.
Mục tiêu của học phần:
- Về kiến thức: Khi kết thúc môn học/học phần, học sinh sinh viên có thể:
Trình bày được khái niệm, các đặc tính cơ bản của cảm biến
Cảm biến quang, cảm biến nhiệt, cảm biến vị trí và dịch chuyển là những thiết bị quan trọng trong cả lĩnh vực dân dụng và công nghiệp Nguyên lý hoạt động của các loại cảm biến này dựa trên việc thu thập và xử lý thông tin từ môi trường xung quanh, giúp phát hiện và đo lường các thông số như ánh sáng, nhiệt độ và vị trí Những cảm biến này không chỉ cải thiện hiệu suất của các hệ thống mà còn nâng cao độ chính xác trong các ứng dụng thực tiễn.
- Về kỹ năng: Môn học/học phần sẽ cung cấp cho học sinh sinh viên những kỹ năng sau đây:
Phân loại được một số loại cảm biến
Lắp ráp và vận hành các loại cảm biến quang, cảm biến nhiệt, cảm biến vị trí và dịch chuyển, cùng với một số cảm biến thông dụng trong dân dụng và công nghiệp, là những kỹ năng quan trọng giúp nâng cao hiệu quả trong nhiều ứng dụng thực tế.
- Về năng lực tự chủ và trách nhiệm:
Kỹ năng thu thập, tra cứu, phân tích và xử lý thông tin để tiếp thu kiến thức tích cực, chủ động
Kỹ năng thảo luận nhóm, thuyết trình và trả lời vấn đáp linh hoạt, tự chủ, sáng tạo và đúng yêu cầu kiến thức của môn học
Rèn luyện thái độ làm việc nghiêm túc, chủ động, tích cực
KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ CẢM BIẾN
Giới thiệu chung về cảm biến
Cảm biến, bắt nguồn từ từ "sense" trong tiếng Latin, có nghĩa là cảm nhận, đóng vai trò quan trọng trong việc đo lường và điều khiển Các bộ cảm biến không chỉ giúp thu thập dữ liệu mà còn hỗ trợ trong việc điều chỉnh và kiểm soát các hệ thống khác nhau.
Cảm biến là thiết bị điện tử có khả năng nhận diện các trạng thái và quá trình vật lý hoặc hóa học trong môi trường khảo sát Chúng chuyển đổi các thông số không mang tính điện như nhiệt độ, ánh sáng, và âm thanh thành các đại lượng điện như điện tích, điện áp, dòng điện hoặc trở kháng, giúp việc đo lường và xử lý thông tin trở nên dễ dàng hơn.
Các đại lượng khảo sát như nhiệt độ và áp suất thường không có tính chất điện Tuy nhiên, khi tác động lên cảm biến, chúng tạo ra một đại lượng điện đặc trưng như điện tích, điện áp hoặc dòng điện, từ đó cung cấp thông tin cần thiết để xác định giá trị của đại lượng khảo sát.
Phân loại theo nguyên lý chuyển đổi giữa đáp ứng và kích thích
+Vật lý: nhiệt điện, quang điện, điện từ, từ điện,…
+Hóa học: hóa điện, phổ,…
Cảm biến ( Sensor ) Đầu vào m ( Input ) Đầu ra s ( Output )
Phân loại theo dạng kích thích: âm thanh, điện, từ, quang, cơ, nhiệt,…
Cảm biến có thể được phân loại dựa trên nhiều tiêu chí khác nhau, bao gồm tính năng như độ nhạy, độ chính xác, độ phân giải và độ tuyến tính Ngoài ra, chúng cũng được phân loại theo phạm vi sử dụng, như trong công nghiệp, nghiên cứu khoa học, môi trường, thông tin và nông nghiệp.
Phân loại theo thông số của mô hình thay thế:
+Cảm biến tích cực (có nguồn) ngõ ra là nguồn áp hoặc nguồn dòng +Cảm biến thụ động (không có nguồn): R, L, C, tuyến tính, phi tuyến
Các hiệu ứng cảm biến
Các cảm biến được chế tạo dựa trên cơ sở các hiện tượng vật lý và được phân làm hai loại cơ bản:
+ Cảm biến tích cực: là các cảm biến hoạt động như một máy phát, đáp ứng (s) là điện tích, điện áp hay dòng điện
+ Cảm biến thụ động: là các cảm biến hoạt động như một trở kháng trong đó đáp ứng (s) là điện trở, độ tự cảm hoặc điện dung
*Nguyên lý chế tạo các cảm biến tích cực:
Cảm biến tích cực chuyển đổi các dạng năng lượng như nhiệt, cơ hoặc bức xạ thành năng lượng điện thông qua các hiệu ứng vật lý.
Hiệu ứng nhiệt điện xảy ra khi hai dây dẫn kim loại khác nhau, M1 và M2, được hàn lại thành một mạch kín Khi nhiệt độ tại hai mối hàn T1 và T2 khác nhau, một sức điện động e sẽ xuất hiện Hiệu ứng này được ứng dụng trong việc chế tạo một số loại cảm biến nhiệt.
Hình 1.1: Sơ đồ hiệu ứng nhiệt điện
Hiệu ứng áp điện là hiện tượng xảy ra ở một số vật liệu như tinh thể thạch anh, khi chúng bị biến dạng dưới tác động của lực cơ học, tạo ra điện tích bằng nhau nhưng khác dấu trên các mặt đối diện của tấm vật liệu Qua việc đo điện áp V, ta có thể xác định lực tác dụng F Hiệu ứng này được ứng dụng rộng rãi trong việc chế tạo các loại cảm biến lực.
Hình 1.2: Ứng dụng hiệu ứng áp điện đo lực
Hiệu ứng cảm ứng điện từ xảy ra khi dây dẫn di chuyển trong từ trường không đổi, tạo ra sức điện động tỷ lệ với từ thông cắt ngang dây trong một đơn vị thời gian, tức là tỷ lệ với tốc độ di chuyển của dây Ứng dụng của hiện tượng này rất quan trọng, đặc biệt trong việc chế tạo một số loại cảm biến tốc độ dịch chuyển.
Hình 1.3: Mô hình tạo cảm ứng điện từ
Hiệu ứng quang điện là hiện tượng giải phóng các hạt dẫn tự do trong vật liệu, thường là bán dẫn, khi bị chiếu sáng bằng bức xạ ánh sáng có bước sóng nhỏ hơn một ngưỡng nhất định Hiệu ứng này được ứng dụng rộng rãi trong việc chế tạo các loại cảm biến quang.
Hình 1.4: Hiệu ứng quang điện
+ Hiệu ứng Hall: Khi đặt 1 tấm vật liệu mỏng thường là bán dẫn vào từ trường
Khi từ trường B tạo với dòng điện I một góc θ, sẽ xuất hiện một hiệu điện thế V vuông góc với cả B và I Điều này được ứng dụng trong việc chế tạo các cảm biến để xác định vị trí của vật chuyển động.
Hình 1.5: Mô hình tạo hiệu ứng Hall
*Nguyên lý chế tạo các cảm biến thụ động:
Cảm biến thụ động được chế tạo từ các trở kháng, trong đó giá trị trở kháng phụ thuộc vào kích thước hình học của mẫu cũng như các tính chất điện của vật liệu, bao gồm điện trở suất, từ thẩm và hằng số điện môi.
Cảm biến với phần tử chuyển động hoạt động dựa trên nguyên lý rằng mỗi vị trí của phần tử này tương ứng với một giá trị trở kháng cụ thể Việc đo trở kháng cho phép xác định chính xác vị trí của đối tượng, điều này được ứng dụng trong nhiều loại cảm biến vị trí và dịch chuyển như cảm biến điện thế và cảm biến cảm ứng có lõi động.
Cảm biến chứa phần tử biến dạng, nơi sự biến dạng xảy ra do lực hoặc các yếu tố như áp suất, gia tốc tác động lên cảm biến Sự thay đổi trở kháng do biến dạng liên quan đến lực tác động lên cấu trúc, cho phép chuyển đổi đại lượng cần đo thành tín hiệu điện.
Các đại lượng cần đo có khả năng thay đổi trở kháng của vật liệu chế tạo cảm biến Thông thường, trở kháng này được đưa qua mạch xử lý, như mạch cầu Wheatstone, nhằm tạo ra điện áp tương ứng.
Hình 1.6: Sơ đồ nguyên lý mạch cầu Wheatstone
Do các tín hiệu đầu ra của cảm biến thường rất yếu, cần phải kết nối chúng với các mạch khuếch đại, chẳng hạn như mạch khuếch đại OpAmp, để tăng cường độ tín hiệu.
+ Mạch khuếch đại đảo: tín hiệu ngõ ra đảo pha so với tín hiệu ngõ vào
Hình 1.7: Mạch khuếch đại đảo
+Mạch khuếch đại không đảo: tín hiệu ngõ ra cùng pha so với tín hiệu ngõ vào
Hình 1.8: Mạch khuếch đại không đảo
+ Mạch lặp theo điện áp: mạch này không khuếch đại điện áp, chỉ khuếch đại dòng
Hình 1.9: Mạch lặp theo điện áp
+ Mạch cộng đảo: tín hiệu ngõ ra là tổng giữa các thành phần ngõ vào nhưng trái dấu
Hình 1.10: Mạch khuếch đại cộng đảo
Các đặc tính cơ bản của cảm biến
Độ nhạy của cảm biến (S) là yếu tố quan trọng để đánh giá độ chính xác của nó Khi thiết kế và sử dụng cảm biến, cần đảm bảo độ nhạy S không thay đổi, tức là ít bị ảnh hưởng bởi các yếu tố bên ngoài.
+Giá trị của đại lượng cần đo I và tần số thay đổi của nó
+Ảnh hưởng của môi trường xung quanh
*Sai số của cảm biến:
Sai số của cảm biến là sự khác biệt giữa giá trị đo được và giá trị thực của đại lượng cần đo, thường được biểu thị bằng phần trăm Nếu x là giá trị thực, ∆X là sai lệch giữa giá trị đo và giá trị thực X (hay còn gọi là sai số tuyệt đối), thì sai số e của cảm biến được xác định dựa trên công thức này.
Sai số của cảm biến là ước tính vì không thể xác định chính xác giá trị thực của đại lượng cần đo Trong việc đánh giá sai số, thường phân chia thành hai loại chính: sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên.
Sai số hệ thống là loại sai số không phụ thuộc vào số lần đo, với giá trị ổn định hoặc thay đổi rất ít theo thời gian Nguyên nhân gây ra sai số hệ thống bao gồm các yếu tố như thiết bị đo không chính xác, sự ảnh hưởng của môi trường, và quy trình đo không đồng nhất.
- Do nguyên lý của cảm biến
- Do đặc tính của bộ cảm biến
- Do chế độ và điều kiện sử dụng cảm biến
- Do xử lý kết quả đo
Sai số ngẫu nhiên là sai số xuất hiện có độ lớn và chiều không xác định Nguyên nhân gây sai số ngẫu nhiên:
- Do sự thay đổi đặc tính của thiết bị
- Do tín hiệu nhiễu ngẫu nhiên
- Do ảnh hưởng bởi các thông số môi trường như:từ trường, nhiệt độ, độ ẩm, độ rung …
* Độ tuyến tính của cảm biến:
Cảm biến được gọi là tuyến tính trong một dải đo nếu có độ nhạy không đổi trong ở mọi điểm trong dải đo
Trong chế độ tĩnh: độ tuyến tính là sự không phụ thuộc độ nhạy vào giá trị của đại lượng đo, thể hiện bằng đường thẳng đặc trưng
Chế độ động: cảm biến không phụ thuộc vào độ nhạy đến kết quả đo cũng như các thông số về tần số, dao động tắt dần
CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 1
Câu 1: Trình bày hiệu ứng áp điện?
Câu 2: Trình bày hiệu ứng quang điện?
Câu 3: Trình bày hiệu ứng nhiệt điện?
Câu 4: Trình bày các nguyên nhân sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên của cảm biến?
Cho ví dụ về sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên của cảm biến
Câu 5: Kể tên các thành phần chính của thiết bị đo lường và cảm biến ?
Câu 6: Một cảm biến đo có độ nhạy 1mV trên 1mm Nếu di chuyển 10mm tạo điện áp
10,5mV Tính sai số tương đối của bộ cảm biến?
Câu 7: Một cảm biến đo nhiệt độ có dải đầu vào 0 đến 100 0 C tương ứng với đầu ra là
0 đến 10V Khi nhiệt độ đo là 50 0 C thì đầu ra là 4.8V Tính độ chính xác của phép đo?
Câu 8: Khái niệm về cảm biến? Phân loại cảm biến? các vấn đề khi thiết kế và sử dụng cảm biến?
Cảm biến nhiệt độ là một loại cảm biến phổ biến, được sử dụng trong nhiều ứng dụng thực tiễn như điều hòa không khí, giúp duy trì nhiệt độ lý tưởng trong không gian sống Để điều khiển thông minh các thiết bị như đèn và quạt trong hộ gia đình, có thể sử dụng các loại cảm biến chuyển động, cảm biến ánh sáng và cảm biến nhiệt độ, giúp tối ưu hóa năng lượng và nâng cao sự tiện nghi cho người sử dụng.
CẢM BIẾN QUANG
Giới thiệu chung về cảm biến quang
Cảm biến quang (Photoelectric Sensor) là thiết bị bao gồm các linh kiện quang điện, sử dụng ánh sáng phát ra từ bộ phận phát để nhận diện sự hiện diện của vật thể Khi có sự thay đổi tại bộ phận thu, mạch điều khiển của cảm biến quang sẽ tạo ra tín hiệu tại ngõ OUT.
Cấu tạo của cảm biến quang cơ bản gồm có 3 phần chính :
Bộ phát ánh sáng có chức năng phát ra ánh sáng dạng xung với tần số được thiết kế đặc biệt bởi nhà sản xuất Tần số này giúp bộ thu ánh sáng phân biệt rõ ràng giữa ánh sáng từ cảm biến và ánh sáng từ các nguồn bên ngoài như ánh sáng tự nhiên vào ban ngày hoặc ánh đèn.
+Bộ thu ánh sáng: Có nhiệm vụ tiếp nhận ánh sáng từ bộ phát sáng, nó được gọi là phototransistor (tranzito quang)
Mạch xử lý tín hiệu điện có vai trò quan trọng trong việc chuyển đổi tín hiệu từ bộ thu ánh sáng Khi nhận tín hiệu tỉ lệ (analog) từ tranzito quang, mạch điện tử sẽ biến đổi tín hiệu này thành tín hiệu ON/OFF được khuếch đại Các tín hiệu ngõ ra phổ biến bao gồm NPN và PNP.
Phân loại cảm biến quang:
Cảm biến quang điện thu phát độc lập là loại cảm biến ánh sáng không phản xạ, hoạt động dựa vào một nguồn phát ánh sáng.
Cảm biến quang phản xạ gương là thiết bị tích hợp cả bộ phát và thu ánh sáng Với gương phản xạ, thiết bị này sử dụng một lăng kính đặc biệt để tối ưu hóa khả năng phát hiện.
Cảm biến quang phản xạ khuếch tán là thiết bị kết hợp giữa bộ thu và phát ánh sáng, giúp nhận diện và phản hồi thông tin một cách hiệu quả Loại cảm biến này mang lại nhiều ưu điểm, bao gồm khả năng hoạt động ổn định, độ chính xác cao và khả năng phát hiện các vật thể trong khoảng cách xa.
Phát hiện vật thể từ xa lên tới 100m mà không cần tiếp xúc, giúp giảm thiểu hao mòn Thiết bị này có tuổi thọ cao, độ chính xác và tính ổn định vượt trội.
Có thể phát hiện nhiều vật thể khác nhau
Thời gian đáp ứng nhanh, có thể điều chỉnh độ nhạy theo ứng dụng
Nhược Điểm Của Cảm Biến Quang:
Cảm biến sẽ hoạt động không tốt nếu như bề mặt của nó bị bẩn
Khoảng cách nhận diện vật phụ thuộc vào màu sắc và hệ số phản xạ của vật thể Cảm biến quang được ứng dụng để đếm số lượng sản phẩm di chuyển trên băng tải với tốc độ cao.
Phát hiện các nhãn bị thiếu trên sản phẩm Đảm bảo kiểm soát an toàn khi mở và đóng cửa nhà xe
Bật vòi nước rửa bằng sóng của bàn tay
Phát hiện người và vật đi qua cửa
Phát hiện xe trong bãi giữ xe
Thông Số Cơ Bản Của Cảm Biến Quang:
Khoảng cách phát hiện của thiết bị bao gồm 15m cho loại thu-phát, 0.1~3m và 0.1~5m cho phản xạ gương, và 700mm cho phản xạ khuếch tán Độ trễ tối đa lên đến 20% khoảng cách cài đặt định mức đối với phản xạ khuếch tán Vật phát hiện chuẩn bao gồm vật mờ đục có kích thước ỉ15 mm cho loại thu-phát, ỉ60 mm cho phản xạ gương, và vật mờ đục, trong mờ cho phản xạ khuếch tán.
Chế độ hoạt động: Có thể lựa chọn Light ON hay Dark ON bởi công tắc
Ngõ ra: Ngõ ra tiếp điểm relay 30VDC 3A, 250VAC 3A tải thuần trở
Quang trở
Quang trở, hay còn gọi là điện trở quang, là một linh kiện điện tử được chế tạo từ các vật liệu bán dẫn như CdSe, CdS, CdTe, InSb, InP, PbS, PbSe, Ge, Is, và GaAs Nó có khả năng thay đổi giá trị điện trở tùy thuộc vào cường độ ánh sáng chiếu vào, cho thấy tính nhạy sáng đặc biệt của nó.
Hình 2.1: Hình dạng và ký hiệu quang trở
Quang trở được cấu tạo bởi hai phần chính: phần trên và phần dưới, gồm các màng kim loại liên kết qua các đầu cực Thiết kế này tối ưu hóa diện tích tiếp xúc giữa hai màng kim loại, đồng thời được bao bọc trong một hộp nhựa cho phép tiếp xúc với ánh sáng.
Hình 2.2: Cấu tạo của quang trở
Quang trở chủ yếu được cấu tạo từ Cadmium Sulphide (CdS), một chất quang dẫn có ít hoặc không có hạt electron khi không có ánh sáng Trong điều kiện bóng tối, quang trở thường có điện trở cao, lên đến vài giá trị nhất định.
Quang trở là thiết bị điện tử có khả năng thay đổi giá trị điện trở khi có ánh sáng chiếu vào, giảm xuống từ một đến vài trăm Ω Thiết bị này được ứng dụng rộng rãi trong các mạch cảm biến ánh sáng Với nhiều ưu điểm như giá thành rẻ, kích cỡ đa dạng phù hợp với nhiều bo mạch khác nhau, quang trở thường có đường kính mặt là 10mm Hơn nữa, nó tiêu thụ năng lượng thấp và hoạt động với điện áp nhỏ, làm cho nó trở thành lựa chọn lý tưởng trong các ứng dụng điện tử.
Nhược điểm của quang trở là thời gian phản hồi chậm, dẫn đến độ chính xác không cao Thời gian phản hồi của quang trở thường dao động từ hàng chục đến hàng trăm mili giây.
Hình 2.3: Đặc tuyến của quang trở
Bài tập ứng dụng: Giải thích tóm tắt nguyên lý hoạt động của mạch sau:
Hình 2.4: Mạch tự động tắt mở đèn theo ánh sáng dùng quang trở
Diode quang, transistor quang
Cấu tạo: Photo diode là một tiếp giáp p-n được tạo bởi các vật liệu như: Ge, Si
(Cho vùng ánh sáng trông thấy và gần hồng ngoại), GaAs, InAs, CdHgTe, InSb cho vùng ánh sáng hồng ngoại
Hình 2.5: Cấu tạo của photo Diode
Nguyên lý làm việc của photo diode:
Khi bức xạ có bước sóng nhỏ hơn bước sóng ngưỡng chiếu sáng lên bề mặt của photodiode, sẽ tạo ra các cặp điện tử – lỗ trống Để các hạt này tham gia vào độ dẫn và tăng dòng điện I, cần ngăn quá trình tái hợp bằng cách nhanh chóng tách cặp điện tử – lỗ trống dưới tác dụng của điện trường Quá trình này xảy ra trong vùng nghèo và làm tăng dòng điện ngược Photodiode được ứng dụng trong việc đo thông lượng ánh sáng, dò vạch dẫn đường cho robot di động, làm đầu thu trong các bộ điều khiển từ xa và đọc mã vạch.
Photo transistor là một loại transistor silic NPN, trong đó vùng Bazơ có khả năng được chiếu sáng Khi không có điện áp áp dụng lên Bazơ mà chỉ có điện áp trên Colector, chuyển tiếp BC sẽ bị phân cực ngược.
Hình 2.6 mô tả cách phân cực cho transistor quang và sơ đồ tương đương Điện áp tại cực E chủ yếu tập trung vào chuyển tiếp B-C, trong khi sự chênh lệch điện thế giữa Emitter và Bazơ là không đáng kể (VBE ≈ 0,7V) Khi chuyển tiếp B-C được chiếu sáng, nó hoạt động như một photodiode trong chế độ quang dẫn, cho phép dòng điện ngược chảy qua Transistor quang có nhiều ứng dụng quan trọng trong các hệ thống điện tử hiện đại.
Transistor được ứng dụng rộng rãi trong việc đo thông lượng ánh sáng, dò vạch dẫn đường cho robot di động, làm đầu thu trong các bộ điều khiển từ xa không dây, đọc mã vạch và chế tạo cảm biến quang trong ngành công nghiệp.
Bài tập ứng dụng: Giải thích tóm tắt nguyên lý hoạt động của mạch sau:
Hình 2.7: Mạch tự động tắt mở đèn khi có vật cản
Giới thiệu một số loại cảm biến quang khác
Cảm biến quang trong công nghiệp bao gồm ba bộ phận chính: bộ phận phát sáng, bộ phận thu sáng và mạch xử lý tín hiệu đầu ra.
Bộ phận thu sáng: là một phototransistor cảm nhận ánh sáng và chuyển đổi thành tín hiệu điện tương ứng
Bộ phận phát sáng: là đèn bán dẫn LED và ánh sáng được phát ra thường sẽ theo dạng xung
Mạch xử lý tín hiệu đầu ra: chuyển tín hiệu tỉ lệ (analogue) từ tranzito quang thành tín hiệu ON/OFF và được khuếch đại
*Cảm biến quang thu phát chung:
Cảm biến quang phản xạ khuếch tán là thiết bị kết hợp bộ thu và phát chung, nổi bật với khả năng hoạt động bị ảnh hưởng bởi bề mặt, màu sắc và có khoảng cách tối đa lên đến 2m.
Hình 2.8: Cảm biến quang thu phát chung
Nguyên lý hoạt động như sau :
Cảm biến thu phát chung hoạt động theo 2 trạng thái là:
Trạng thái báo phát hiện vật cản được kích hoạt khi cảm biến phát ánh sáng liên tục từ bộ phát đến bề mặt vật cản Ánh sáng này sau đó phản xạ trở lại vị trí thu sáng, cho phép nhận diện vật cản một cách hiệu quả.
Trạng thái không vật cản xảy ra khi ánh sáng không gặp bất kỳ vật cản nào, dẫn đến việc ánh sáng không phản xạ về vị trí thu được Điều này có nghĩa là bề mặt vật không phản xạ ánh sáng về phía vị trí thu.
Hình 2.9: Cảm biến quang thu phát chung
*Cảm biến quang thu phát độc lập:
Cảm biến quang thu phát độc lập là loại cảm biến ánh sáng không phản xạ, yêu cầu một bộ phát và một bộ thu ánh sáng được lắp đối diện Đặc điểm nổi bật của cảm biến này là khả năng hoạt động không bị ảnh hưởng bởi bề mặt, màu sắc và có thể phát hiện ở khoảng cách lên đến 60m.
Nguyên lý hoạt động như sau:
Loại cảm biến này cũng hoạt động theo 2 trạng thái là:
Trạng thái không có vật cản: cảm biến phát ánh sáng và cảm biến thu ánh sáng Quá trình phát và thu ánh sáng liên tục với nhau
Trạng thái có vật cản: cảm biến phát vẫn phát ánh sáng nhưng cảm biến thu ánh sáng không thu được ánh sáng (bị vật cản che chắn)
Hình 2.10: Cảm biến quang thu phát độc lập
Hình 2.11: Cảm biến quang thu phát độc lập và vật cản
Cảm biến quang phản xạ gương:
Bộ cảm biến quang điện phản xạ gương kết hợp bộ phát và thu ánh sáng trong cùng một thiết bị, sử dụng gương phản xạ đặc biệt Với thiết kế lắp đặt thuận
Khi cảm biến hoạt động bộ phát ánh sáng sẽ phát ánh sáng đến gương, sẽ có 2 trường hợp:
+Khi không có vật cản: thì gương sẽ phản xạ lại bộ thu ánh sáng
Khi có vật cản đi qua, tần số của ánh sáng phản xạ sẽ bị thay đổi hoặc ánh sáng thu được có thể bị mất Trong trường hợp này, cảm biến sẽ phát tín hiệu điện PNP hoặc NPN.
Hình 2.12: Nguyên lý cảm biến quang phản xạ gương
Hình 2.13: Hình dạng thực tế của một số cảm biến quang
Giới thiệu một số ứng dụng của cảm biến quang:
Hình 2.14: Ứng dụng cảm biến quang trong máy đo cắt sản phẩm
Hình 2.15: Ứng dụng cảm biến quang đếm sản phẩm
Bài tập ứng dụng: Giải thích tóm tắt nguyên lý hoạt động của mạch sau:
Hình 2.16: Mạch đếm sản phẩm từ 0-9 dùng cảm biến hồng ngoại
CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 2
Câu 1: Trình bày cấu tạo, nguyên lý hoạt động và ứng dụng cảm biến quang trở
Câu 2: Trình bày cấu tạo, nguyên lý hoạt động và ứng dụng cảm biến diode quang, transistor quang
Câu 3: Trình bày cấu tạo, nguyên lý hoạt động và ứng dụng cảm biến quang thu phát chung
Câu 4: Trình bày cấu tạo, nguyên lý hoạt động và ứng dụng cảm biến quang thu phát riêng
Câu 5: Trình bày cấu tạo, nguyên lý hoạt động và ứng dụng cảm biến quang phản xạ gương
Câu 6: Dựa vào hình sau, hãy xác định bước sóng của ánh sáng thấy được, hồng ngoại, tử ngoại
Câu 6: Giải thích tóm tắt nguyên lý hoạt động của mạch ứng dụng quang trở sau:
Hình 2.18: Mạch ứng dụng quang trở
Câu 7: Giải thích tóm tắt nguyên lý hoạt động của mạch ứng dụng quang trở sau:
Hình 2.19: Mạch ứng dụng quang trở
Câu 8: Giải thích tóm tắt nguyên lý hoạt động của mạch ứng dụng diode quang sau:
Hình 2.20: Mạch ứng dụng diode quang ỦY BAN NHÂN DÂN THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHỆ THỦ ĐỨC
Lớp: Nhóm: Ngày thực hành: Tên sinh viên:
TP Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm …
Câu 1: Mạch tự động tắt mở đèn theo ánh sáng dùng quang trở
Hình 2.21: Mạch tự động tắt mở đèn theo ánh sáng dùng quang trở
Bảng 2.1: Phiếu thực hành số 1
PHIẾU HƯỚNG DẪN THỰC HÀNH
BƯỚC TRÌNH TỰ THỰC HIỆN CÓ KHÔNG
Giai đoạn 1: Kiểm tra linh kiện vật tư thiết bị thực hành
1 +Bước 1: Giải thích tóm tắt nguyên lý hoạt động
2 +Bước 2: Lập bảng linh kiện, vật tư thực hành
3 * +Bước 3: Nhận và kiểm tra số lượng, chất lượng linh kiện, vật tư thực hành được giao
4 +Bước 4: Xây dựng lại quy trình các bước thực hành
Giai đoạn 2: Lắp mạch theo sơ đồ nguyên lý
5 +Bước 5: Lắp các linh kiện và thiết bị theo sơ đồ nguyên lý theo đúng quy trình các bước thực hành
6 * +Bước 6: Kiểm tra nguội mạch sau khi lắp, các điểm tiếp xúc, chú ý an toàn điện
Giai đoạn 3: Cấp nguồn và khảo sát mạch
7 * +Bước 7: Đo kiểm tra điện áp nguồn đúng điện áp cần sử dụng và cấp nguồn cho mạch
8 * +Bước 8: Khảo sát các thông số chính khi mạch hoạt động
9 +Bước 9: Ghi lại các số liệu khảo sát và nhận xét kết quả khảo sát
10 +Bước 10: Thu dọn dụng cụ, vệ sinh nơi thực tập
Tiêu chuẩn hoàn tất công việc: Tất cả các bước phải được đánh dấu “CÓ” Điểm đánh giá:
Câu 2: Mạch tự động tắt mở đèn khi có vật cản
Hình 2.22: Mạch tự động tắt mở đèn khi có vật cản Bảng 2.2: Phiếu thực hành số 2
PHIẾU HƯỚNG DẪN THỰC HÀNH
BƯỚC TRÌNH TỰ THỰC HIỆN CÓ KHÔNG
Giai đoạn 1: Kiểm tra linh kiện vật tư thiết bị thực hành
1 +Bước 1: Giải thích tóm tắt nguyên lý hoạt động
2 +Bước 2: Lập bảng linh kiện, vật tư thực hành
3 * +Bước 3: Nhận và kiểm tra số lượng, chất lượng linh kiện, vật tư thực hành được giao
4 +Bước 4: Xây dựng lại quy trình các bước thực hành
Giai đoạn 2: Lắp mạch theo sơ đồ nguyên lý
5 +Bước 5: Lắp các linh kiện và thiết bị theo sơ đồ nguyên lý theo đúng quy trình các bước thực hành
6 * +Bước 6: Kiểm tra nguội mạch sau khi lắp, các điểm tiếp xúc, chú ý an toàn điện
Giai đoạn 3: Cấp nguồn và khảo sát mạch
7 * +Bước 7: Đo kiểm tra điện áp nguồn đúng điện áp cần sử dụng và cấp nguồn cho mạch
8 * +Bước 8: Khảo sát các thông số chính khi mạch hoạt động
9 +Bước 9: Ghi lại các số liệu khảo sát và nhận xét kết quả khảo sát
10 +Bước 10: Thu dọn dụng cụ, vệ sinh nơi thực tập
Tiêu chuẩn hoàn tất công việc: Tất cả các bước phải được đánh dấu “CÓ” Điểm đánh giá:
Câu 3: Mạch đếm sản phẩm từ 0-9 dùng cảm biến hồng ngoại
Hình 2.23: Mạch đếm sản phẩm từ 0-9 dùng cảm biến hồng ngoại
Bảng 2.3: Phiếu thực hành số 3
PHIẾU HƯỚNG DẪN THỰC HÀNH
BƯỚC TRÌNH TỰ THỰC HIỆN CÓ KHÔNG
Giai đoạn 1: Kiểm tra linh kiện vật tư thiết bị thực hành
1 +Bước 1: Giải thích tóm tắt nguyên lý hoạt động
2 +Bước 2: Lập bảng linh kiện, vật tư thực hành
3 * +Bước 3: Nhận và kiểm tra số lượng, chất lượng linh kiện, vật tư thực hành được giao
4 +Bước 4: Xây dựng lại quy trình các bước thực
Giai đoạn 2: Lắp mạch theo sơ đồ nguyên lý
5 +Bước 5: Lắp các linh kiện và thiết bị theo sơ đồ nguyên lý theo đúng quy trình các bước thực hành
6 * +Bước 6: Kiểm tra nguội mạch sau khi lắp, các điểm tiếp xúc, chú ý an toàn điện
Giai đoạn 3: Cấp nguồn và khảo sát mạch
7 * +Bước 7: Đo kiểm tra điện áp nguồn đúng điện áp cần sử dụng và cấp nguồn cho mạch
8 * +Bước 8: Khảo sát các thông số chính khi mạch hoạt động
9 +Bước 9: Ghi lại các số liệu khảo sát và nhận xét kết quả khảo sát
10 +Bước 10: Thu dọn dụng cụ, vệ sinh nơi thực tập
Tiêu chuẩn hoàn tất công việc: Tất cả các bước phải được đánh dấu “CÓ” Điểm đánh giá:
Khảo sát module cảm biến quang loại phản xạ khuếch tán
+Thực hành kết nối dây theo sơ đồ:
Nối 24V (bộ nguồn) - chân V+(Brown) (cảm biến) -24V (Control unit)
Nối 0V (bộ nguồn) - chân 0V (cảm biến)(Blue) - 0V (Control unit) - chân 13 (relay) Nối ngõ ra (cảm biến)(Black) - chân 14 (relay)
Nối chân L (ngõ ra 220VAC của nguồn) - chân L của tải đèn
Nối chân N của tải đèn - chân 5 (Relay)
Nối chân 9 (Relay) - chân N (ngõ ra 220VAC của nguồn)
Bật công tắc nguồn và chỉnh biến trở thay đổi tốc độ động cơ và quan sát relay, đèn Ghi nhận và giải thích kết quả
CẢM BIẾN NHIỆT
Giới thiệu chung về cảm biến nhiệt
Cảm biến nhiệt là thiết bị quan trọng dùng để đo sự biến đổi nhiệt độ Khi nhiệt độ thay đổi, cảm biến sẽ phát tín hiệu, từ đó mạch giải mã hiển thị giá trị nhiệt độ hoặc xuất tín hiệu điều khiển.
Cảm biến nhiệt độ có độ chính xác vượt trội so với nhiệt kế truyền thống, giúp thực hiện các phép đo nhiệt độ hiệu quả hơn Chúng đóng vai trò quan trọng trong các thiết bị đo lường và hệ thống điều khiển tự động.
(1) Thang nhiệt độ nhiệt động học tuyệt đối:
Thang Kelvin: đơn vị là K Người ta gán nhiệt độ của điểm cân bằng của ba trạng thái nước – nước đá – hơi một giá trị số bằng 273,15K
(2) Thang Celsius: Đơn vị nhiệt độ là 0 C Quan hệ giữa nhiệt độ Celsius và nhiệt độ Kelvin cho theo biểu thức: T( 0 C) = T (K) – 273,15
(3) Thang Fahrenheit: Đơn vị nhiệt độ là Fahrenheit ( 0 F) Quan hệ giữa nhiệt độ Celsius và
Fahrenheit được cho bởi biểu thức:
Phân loại cảm biến nhiệt độ:
Các cảm biến nhiệt độ được chia làm hai nhóm:
- Cảm biến tiếp xúc: cảm biến tiếp xúc với môi trường, gồm:
Ví dụ: Cặp nhiệt điện (Thermocouple), nhiệt điện trở, thermistor, cảm biến nhiệt bán dẫn
- Cảm biến không tiếp xúc
Ví dụ: Hoả kế (Pyrometer): hồng ngoại hoặc lazer.
Cảm biến nhiệt điện trở
Cảm biến nhiệt điện trở là thiết bị có điện trở thay đổi theo nhiệt độ, được phân thành hai loại chính: cảm biến nhiệt điện trở kim loại (RTD) và Thermistor, tùy thuộc vào cấu tạo của chúng.
* Cảm biến nhiệt điện trở kim loại (RTD):
Cảm biến nhiệt độ RTD được chế tạo từ các vật liệu như đồng, platinum và niken, với thiết kế dây mảnh quấn đều quanh đầu đo nhiệt độ Các vật liệu này được bọc quanh lõi cách điện bằng gốm hoặc sứ, đảm bảo độ chính xác và độ bền cao trong việc đo lường nhiệt độ.
Hình 3.1: Cấu tạo cảm biến nhiệt điện trở
Hình 3.2 a: Cảm biến nhiệt điện trở RTD PT100
Nguyên lý hoạt động của cảm biến nhiệt độ dựa trên sự thay đổi điện trở giữa hai đầu dây kim loại khi nhiệt độ biến đổi Đặc điểm này phụ thuộc vào loại kim loại sử dụng, với độ tuyến tính của điện trở được duy trì trong một khoảng nhiệt độ nhất định Ở nhiệt độ thấp, mối quan hệ giữa điện trở và nhiệt độ là tuyến tính, cho phép đo lường chính xác.
RTDt = RTD0 (1 + .t) Với là hệ số nhiệt điện trở tùy thuộc vào chất liệu của kim loại
Cảm biến nhiệt độ PT100 2 dây là một loại cảm biến hiếm gặp do sai số lớn Với thiết kế 2 dây, điện trở giữa hai đầu dây của cảm biến này khoảng 100 ohm ở nhiệt độ môi trường.
Cảm biến nhiệt độ PT100 3 dây là loại cảm biến phổ biến nhất hiện nay, bao gồm hai dây cùng màu (thường là đỏ) và một dây khác màu (thường là trắng) Lưu ý rằng màu sắc của các dây có thể khác nhau tùy theo quy định của từng nhà sản xuất.
Cảm biến nhiệt độ PT100 4 dây là một loại cảm biến ít phổ biến do chi phí cao nhưng mang lại độ chính xác vượt trội Thiết bị này bao gồm 4 dây được chia thành 2 cặp: một cặp dây màu trắng và một cặp dây màu đỏ Với những ưu điểm nổi bật, cảm biến PT100 4 dây là lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao.
Chất liệu bền, có khả năng chống oxy hóa tốt, chống ăn mòn dưới tác động xấu từ môi trường xung quanh
Cảm biến nhiệt điện trở có khoảng đo nhiệt độ rộng và sai số thấp, chỉ 0,1 °C, rất phù hợp cho các môi trường yêu cầu độ chính xác cao Với thiết kế đa dạng về mẫu mã và kích thước, cảm biến này được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau.
Giá thành rẻ, giúp tiết kiệm được chi phí
Chỉ dùng ở nhiệt độ - 200 0 C đến 850 0 C
Bài tập ứng dụng: Trình bày chức năng các đầu dây của cảm biến nhiệt điện trở
PT100 loại 2 dây, 3 dây, 4 dây:
Hình 3.2 b: Các đầu dây của cảm biến nhiệt điện trở PT100 loại 2 dây, 3 dây, 4 dây
A thermistor, a combination of thermal and resistor, is a temperature-sensitive resistor Even a slight change in temperature results in a significant variation in the thermistor's resistance.
Thermistor là một loại cảm biến nhiệt độ được chế tạo từ hỗn hợp bột oxit kim loại như mangan, nickel và cobalt Các bột này được trộn theo tỷ lệ và khối lượng cụ thể, sau đó nén chặt và nung ở nhiệt độ trên 1000 độ C Cuối cùng, thermistor được phủ một lớp kim loại và nối hai đầu dây ra ngoài để sử dụng.
Hình 3.3: Cấu tạo của Thermistor
Hình 3.4: Hình ảnh thực tế và ký hiệu của Thermistor Ứng dụng: Do thermistor chỉ tuyến tính trong khoảng nhiệt độ nhất định 50-
150 0 C nên thường sử dụng trong các mục đích bảo vệ, ngắt nhiệt, đo nhiệt độ, bù nhiệt
Có hai loại nhiệt điện trở chính: NTC (Hệ số nhiệt độ âm) và PTC (Hệ số nhiệt độ dương) Nhiệt điện trở NTC có giá trị điện trở giảm khi nhiệt độ tăng, thường được sử dụng làm cảm biến nhiệt độ hoặc để giới hạn dòng khởi động Ngược lại, nhiệt điện trở PTC có giá trị điện trở tăng khi nhiệt độ tăng, do sự giao động của mạng tinh thể và các tạp chất Nhiệt điện trở PTC thường được lắp nối tiếp trong mạch điện để bảo vệ chống lại tình trạng quá dòng, giống như cầu chì.
Bài tập ứng dụng: Giải thích tóm tắt nguyên lý hoạt động của mạch sau:
Hình 3.5: Mạch tự động tắt mở quạt theo nhiệt độ dùng NTC 10D-20
Cảm biến nhiệt vi mạch bán dẫn
Vi mạch LM35 được cấu tạo từ các tiếp giáp P–N kết hợp với mạch đo, tạo thành một cảm biến nhiệt độ tương tự Điện áp đầu ra của LM35 tỷ lệ thuận với nhiệt độ tức thời, giúp người dùng dễ dàng theo dõi và đo lường nhiệt độ một cách chính xác.
Cảm biến LM35 hoạt động bằng cách cung cấp giá trị điện áp tức thời tại chân VOUT tương ứng với nhiệt độ Do điện áp ngõ ra nhỏ, thường sử dụng Op-Amp để khuếch đại tín hiệu LM35 có ưu điểm như giá thành rẻ, dễ chế tạo, độ nhạy cao và khả năng chống nhiễu tốt, cùng với mạch xử lý đơn giản Độ chính xác thực tế của cảm biến đạt ±1/4°C.
Khuyết điểm: Không chịu nhiệt độ cao (-55 o C đến 150 o C), kém bền
Thường dùng: Đo nhiệt độ không khí, dùng trong các thiết bị đo, bảo vệ mạch điện tử
Cảm biến vi mạch LM35 hoạt động với điện áp cung cấp từ +4 V đến 30 V và tiêu thụ dòng điện khoảng 60μA Dòng sản phẩm LM35 bao gồm các phiên bản như LM35A, LM35CA, LM35D, cùng với các mẫu khác như LM135, LM135A, LM235 và LM335.
Bài tập ứng dụng: Giải thích tóm tắt nguyên lý hoạt động của mạch sau:
Hình 3.7: Mạch tự động tắt mở quạt theo nhiệt độ dùng LM35
Giới thiệu một số loại cảm biến nhiệt khác
(1) Cảm biến cặp nhiệt điện ( Thermocouple)
Cấu tạo: Gồm 2 dây kim loại khác nhau được hàn dính 1 đầu gọi là đầu nóng
(hay đầu đo), hai đầu còn lại gọi là đầu lạnh (hay là đầu chuẩn)
Hình 3.8: Cấu tạo đơn giản của Thermocouple
Nguyên lý hoạt động của cảm biến nhiệt độ dựa trên sự chênh lệch nhiệt độ giữa đầu nóng và đầu lạnh, tạo ra sức điện động (mV) tại đầu lạnh Để đảm bảo độ chính xác trong việc đo nhiệt độ, việc ổn định và kiểm soát nhiệt độ ở đầu lạnh là rất quan trọng, điều này phụ thuộc nhiều vào chất liệu sử dụng Cảm biến này có ưu điểm nổi bật là độ bền cao và khả năng đo nhiệt độ ở mức cao.
Khuyết điểm: Nhiều yếu tố ảnh hưởng làm sai số Độ nhạy không cao
Thường dùng: Lò nhiệt, môi trường khắt nghiệt, đo nhiệt nhớt máy nén… Tầm đo: 100 0 C