Tài liệu hướng dẫn thí nghiệm cảm biến đo lường và xử lý tín hiệu đo

Sơ đồ nguyên lý và panel module đầu ra Bài 1 Cảm biến nhiệt LM335 Mục đích, yêu cầu: Trang 8 - Nắm được nguyên lý đo và xử lý tín hiệu đo từ cảm biến - Lấy số liệu, dựng các đường đặc

Trang 1

KHOA CƠ ĐIỆN

BỘ MÔN CƠ SỞ KỸ THUẬT ĐIỆN

TÀI LIỆU HƯỚNG DẪN THÍ NGHIỆM

CẢM BIẾN ĐO LƯỜNG VÀ XỬ LÝ

TÍN HIỆU ĐO

Hà Nội – 2022

Trang 2

NỘI QUY THÍ NGHIỆM

Khi vào phòng thí nghiệm, sinh viên cần phải làm quen và tuân thủ các quy định sau:

1 Trước khi thực hiện mỗi bài thí nghiệm, sinh viên cần đọc kỹ hướng dẫn lý thuyết của bài đó, xác định các bước thực hiện và phải trả lời đầy đủ các câu hỏi của người hướng dẫn Sinh viên nào chưa chuẩn bị thì không được thí nghiệm

2 Thực hiện các công việc tiến hành lắp ráp theo sơ đồ và lấy số liệu theo tài liệu hướng dẫn thí nghiệm

3 Chỉ được tiến hành thí nghiệm tại vị trí quy định với các dụng cụ có sẵn Nghiêm cấm việc di chuyển các dụng cụ hoặc đi lại ngoài vị trí cho phép

4 Phải ngắt nguồn khi lắp ráp hoặc tháo gỡ

5 Sau khi lắp ráp xong sơ đồ phải báo cáo với người hướng dẫn Chỉ sau khi người hướng dẫn kiểm tra và đồng ý mới được phép đóng điện

6 Khi xuất hiện sự cố phải lập tức ngắt nguồn và báo ngày cho người hướng dẫn

7 Sau khi thí nghiệm cần phải tháo sơ đồ, sắp xếp lại dụng cụ nghiêm trang như trước khi thí nghiệm

8 Cuối đợt thí nghiệm, sinh viên cần làm báo cáo thành quyển, kết quả được vào kết quả chung của môn Cảm biến đo lường và xử lý tín hiệu đo

Trang 3

KHOA CƠ ĐIỆN

BỘ MÔN CƠ SỞ KỸ THUẬT ĐIỆN

BÁO CÁO THÍ NGHIỆM

CẢM BIẾN ĐO LƯỜNG VÀ XỬ LÝ

Trang 4

Mẫu báo cáo:

Báo cáo thí nghiệm bài ……

I.Mục đích thí nghiệm

II Các thiết bị thí nghiệm

Ghi tên thiết bị, dụng cụ thí nghiệm (làm thành bảng) III.Nội dung thí nghiệm và kết quả

Thể hiện theo từng nội dung trong từng bài

Trang 5

Hình 1: Module nguồn

Trang 6

Trong thí nghiệm học phần Cảm biến đo lường và xử lý tín hiệu đo, các module cảm biến được thiết kế sử dụng nguồn có mức áp điện áp +15V, -15V, 5V, dòng cung cấp tối đa lên tới 5A Sơ đồ nguyên lý được thể hiện trên hình 1

Module đầu ra được thiết kế nhằm đánh giá sự hoạt động của các module cảm biến

Module đầu ra gồm 2 khối:

+ Khối điều khiển cuộn hút:

+ Khối tiếp điểm đầu ra Tín hiệu đầu ra của các module cảm biến được đưa vào chân X1-3 của module đầu

ra, T2 dẫn, cuộn hút K1 có điện, tiếp điểm 6-8 của cuộn K, đóng đèn báo kêu

Sơ đồ nguyên lý module đầu ra được thể hiện trên hình 2

Chú ý: Đối với module cảm biến encoder không kết nối module đầu ra còi báo Hoạt động của module cảm biến sẽ được đánh giá dựa trên sự thay đổi của bộ hiển thị đếm xung

Trang 7

Hình 2 Sơ đồ nguyên lý và panel module đầu ra

Bài 1 Cảm biến nhiệt LM335 Mục đích, yêu cầu:

- Nắm được cấu tạo, nguyên lý hoạt động của cảm biến Lm335

Trang 8

- Nắm được nguyên lý đo và xử lý tín hiệu đo từ cảm biến

- Lấy số liệu, dựng các đường đặc tính, đánh giá hoạt động của cảm biến

- Ứng dụng thiết kế mạch đo và xử lý tín hiệu đo

1.1 Giới thiệu chung

Cảm biến nhiệt LM335 là một loại cảm biến bán dẫn tương tự có điện áp đầu ra thay đổi theo nhiệt độ môi trường đo

Độ phân giải của LM335 là 10mV/K ( 0 °C = 273,15 °K) Tại 0 °C thì điện áp đầu ra của Lm335 là 2.73V

Tại 100 °C điện áp đầu ra của Lm335 là 3.73V

Cảm biến LM335 được sử dụng trong thí nghiệm có dải đo -55 đến 150°C Sai số ±1℃, dòng điện 400𝜇𝐴 − 5𝑚𝐴

1.2 Nguyên lý module CB nhiệt bán dẫn

Trang 9

Hình 3: Sơ đồ nguyên lý và panel module CB nhiệt bán dẫn

Khối cảm biến nhiệt LM335 (Temperature sensor)

LM335 là cảm biến nhiệt độ với đầu ra tỉ lệ với điện áp 10mV/1°K Giải nhiệt độ đo được từ -55°C đến 150°C

R1 được chọn để đảm bảo tín hiệu dòng điện cung cấp vào LM335 nằm trong dải từ 400µA đến 5mA

Hiệu chỉnh nhiệt độ sử dụng chân ADJ:

Một biến trở R2 được kết nối với LM335 được kết nối với LM335 cho phép hiệu chỉnh đầu ra khi biết chính xác một giá trị nhiệt độ cho trước

0 T _ OUT

V

0 

=

Trang 10

Với T là nhiệt độ sau khi hiệu chỉnh (°K), T0 là nhiệt độ hiệu chỉnh (°K)

Khối mang áp (Voltage Follower)

Khối có nhiệm vụ chính là đệm điện áp, bảo vệ tín hiệu đầu ra, điện áp đầu ra bằng điện

áp đầu vào Tín hiệu điện áp Analog được đo tại đầu ra khối LM335 (X2-3) hoặc đầu ra của đầu ra của khối mang áp (X2-2) trong sơ đồ hình 3

1.3 Nội dung thí nghiệm

- Tìm hiểu cấu tạo, nguyên lý hoạt động của cảm biến LM335

- Nguyên lý hoạt động của module cảm biến

- Kết nối module cảm biến, khối nguồn, module đầu ra

- Sử dụng nhiệt kế thủy ngân làm dụng cụ chuẩn

- Xác định đáp ứng của module khi có kích thích đầu vào

- Xác định nhiệt độ đo được của module cảm biến tương ứng với các giá trị đặt bằng cách đo điện áp tại chân AOUT – GND Điền kết quả vào bảng 1

Bảng 1

- Xây dựng đồ thị, thể hiện đáp ứng đầu ra của module cảm biến

- Xác định sai số của thiết bị đo

- Đưa ra phương pháp để chuẩn thiết bị đo

1.4 Câu hỏi kiểm tra

- Tìm hiểu nguyên lý cấu tạo, hoạt động của cảm biến và module cảm biến

- Xây dựng mạch ứng dụng cảm biến LM355

Trang 11

Bài 2 Cặp nhiệt điện Mục đích, yêu cầu:

- Nắm được cấu tạo, nguyên lý hoạt động của cặp nhiệt điện (Thermocouple)

Can nhiệt thermocouple gồm có 2 chất dẫn điện vật liệu khác nhau được nối chập với nhau (hot-junction); 2 đầu bỏ ngỏ (cold-junction) được nối với dây bọc đồng tới bảng hiển thị Cold-junction phải giữ ở nhiệt độ không đổi để đo nhiệt độ

Nguyên lý đo nhiệt độ với thermocouple, căn cứ trên sự phát sinh điện áp nhiệt khi 2 dây không đồng chất (hình 4)

Hình 4: Nguyên lý hoạt động cặp nhiệt điện

Có nhiều loại cặp nhiệt điện nhưng trong thực tế ta thường sử dụng loại K Crom/Niken-Alumel)

(Niken-Can nhiệt K được sử dụng trong thí nghiệm có dải đo từ 0-1000°C, độ phân giải 5mV/°C

2.2 Nguyên lý module CB cặp nhiệt điện

𝑡0

𝑡 2

1

Trang 12

Hình 5: Sơ đồ nguyên lý và panel module cặp nhiệt điện

Trang 13

Khối chuyển đổi TCK sang Analog AD8495 (Precision thermocouple Amplifier with Cold Junction compensation)

AD8495 là IC chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ từ cặp nhiệt can K sang điện áp, với độ phân giải 5mV/1°C Với giải đầu vào cặp nhiệt can K từ 0 đến 1000°C sẽ cho ra điện

áp 0 đến 5V

R2, R3, C1, C2, C3 là bộ lọc tần thấp trước khi tín hiệu điện áp từ cảm biến TCK được đưa vào bộ khuếch đại

Bộ khuếch đại tín hiệu không đảo (Non-inverting Amplifier)

Tín hiệu ra từ bộ chuyển đổi sẽ được đưa vào bộ khuếch đại không đảo, bộ này sẽ khuếch đại tín hiệu điện áp lên 2 lần để điện áp đầu ra đạt được từ 0 đến 10V (10mV/1°C)

=

7

6 8495

AD _ OUT

OUT

R

R1.V

V

Hệ số khuếch đại: 𝑘 = 1 +𝑅6

𝑅7

- Tìm hiểu cấu tạo, nguyên lý hoạt động của can nhiệt TCK

- Kết nối module cảm biến, khối nguồn, khối đầu ra

- Sử dụng nhiệt kế thủy ngân làm dụng cụ chuẩn (mẫu)

Trang 14

- Xác định đáp ứng của module khi có kích thích đầu vào:

+ Sử dụng bộ gia nhiệt cho thanh kim loại

+ Đọc nhiệt độ trên nhiệt kế thủy ngân

+ Xác định nhiệt độ đo được của module cảm biến tương ứng với các giá trị đặt bằng cách đo điện áp tại chân AOUT – GND Điền kết quả vào bảng 2

Bảng 2 Nhiệt kế thủy

ngân

Nhánh tăng Nhánh giảm

- Xác định sai số tuyệt đối và tương đối so với dụng cụ mẫu

2.4 Câu hỏi kiểm tra

- Xây dựng mạch ứng dụng cảm biến TCK

Trang 15

Bài 3 Nhiệt điện trở kim loại RTD Mục đích, yêu cầu:

- Nắm được cấu tạo, nguyên lý hoạt động của nhiệt điện trở kim loại

RTD (Resistance Temperature Detetor) PT100 hoạt động dựa trên nguyên tắc điện trở của kim loại tăng lên khi nhiệt độ tăng

Cấu tạo RTD:

1 – Đầu cảm biến (Platium/Niken)

2 – Dây tín hiệu (2 dây, 3 dây, 4 dây)

3 – Chất cách điện bằng gốm (Gốm là một vật liệu giúp ngăn chặn ngắn mạch

và cách điện các dây nối từ vỏ bọc bảo vệ)

Trang 16

Hình 6: Sơ đồ nguyên lý và khối panel module CB PT100

Khối chia áp và lọc tần thấp RTD (Voltage divider with Lowpass Filter)

Với RTD, chúng ta sẽ chuyển tín hiệu nhiệt độ về tín hiệu điện áp, 0 đến 800°C về 0 đến 8V Gắn PT100 vào X1-3 và X1-4 Lúc này RTD và R1 sẽ hình thành mạch chia

áp, R1 và C2 có nhiệm vụ lọc tần thấp, đảm bảo tín hiệu ra tại điểm giữa ổn định

Trang 17

Tại nhiệt độ 0°C, tra bảng ta có giá trị điện trở là 100Ω Điện áp tại điểm giữa:

)V(091.11000100

10012R

R

RV

V

1 0

RTD

0 RTD PWR

+



=+



=

Tại nhiệt độ 800°C, tra bảng ta có giá trị điện trở là là 375,7Ω Điện áp tại điểm giữa:

)V(277.31000375,7

375,712

RR

RV

V

1 800 RTD

800 RTD PWR

+



=+



=

Khối nguồn hằng số (Constant Voltage Source)

Khối cũng sử dụng mạch chia áp, giá trị điện áp tại điểm giữa được điều chỉnh thông qua biến trở tinh chỉnh, khối có nhiệm vụ tạo điện áp sai lệch tại điểm ban đầu trước khi đưa vào khối khuếch đại vi sai

Khối mang áp (Voltage Follower)

Khối có nhiệm vụ chính là đệm điện áp, bảo vệ tín hiệu đầu ra, và điện áp đầu ra bằng điện áp đầu vào

Khối khuếch đại vi sai (Differential Amplifier)

Ta có điện áp tại đầu ra:

+

=

7

8 CONST 7

6 11

11 7 8 RTD

OUT

R

R.VR

.RR

R.RR.V

+

=

7

8 CONST RTD

7

8 CONST 7

6 11

11 7 8 RTD

OUT

R

R.V

VR

R.VR

.RR

R.RR.V

V

- Tìm hiểu cấu tạo, nguyên lý hoạt động của can nhiệt TCK

- Sử dụng nhiệt kế thủy ngân làm dụng cụ chuẩn (mẫu)

- Hiệu chỉnh module tại nhiệt độ phòng:

+ Cấp nguồn cho module

+ Xác định nhiệt độ phòng trên thanh nhiệt kế thủy ngân

+ Đo điện áp đầu ra của module cảm biến

Trang 18

+ Hiệu chỉnh biến trở R2 để điện áp đầu ra tương ứng với nhiệt độ phòng, ứng với độ phân giải 10mV/℃

- Xác định đáp ứng của module khi có kích thích đầu vào:

+ Sử dụng bộ gia nhiệt cho thanh kim loại

+ Đọc nhiệt độ trên nhiệt kế thủy ngân

+ Xác định nhiệt độ đo được của module cảm biến tương ứng với các giá trị đặt bằng cách đo điện áp tại chân AOUT – GND Điền kết quả vào bảng 3

Bảng 3 Nhiệt kế thủy

ngân

Nhánh tăng Nhánh giảm

- Xác định sai số tuyệt đối và tương đối so với dụng cụ chuẩn

3.4 Câu hỏi ôn tập

- Xây dựng mạch ứng dụng cảm biến RTD

Trang 19

Bài 4: Cảm biến quang trở LDR Mục đích, yêu cầu:

- Nắm được cấu tạo, nguyên lý hoạt động của cảm biến quang trở

- Lấy số liệu, đánh giá hoạt động của cảm biến

Dựa trên hiệu ứng quang điện bên trong

- Điện trở phụ thuộc vào thông lượng của bức xạ và phổ của bức xạ

- Vật liệu chế tạo:

+ Đa tinh thể: CdS, CdSe, PbS, …

+ Đơn tinh thể: Ge, Si tinh khiết hoặc pha Au, Cu, Sb, …

- Ứng dụng trong mạch đóng cắt bằng role, thu tín hiệu quang, …

4.2 Nguyên lý module CB LDR

Trang 20

Hình 7: Sơ đồ nguyên lý và khối panel module CB LDR Khối chia áp và lọc LDR (Voltage Divider with Lowpass Filter)

R1 và PH1 hình thành mạch chia áp, ta có điện áp ra tại điểm giữa:

?R

RR

1R12

12V

12

1 PH 1

1 R 1

Trang 21

Khối có nhiệm vụ chính là đệm điện áp, bảo vệ tín hiệu đầu ra, và điện áp đầu ra bằng điện áp đầu vào Tín hiệu điện áp Analog được đo tại điểm giữa hoặc đầu ra của đầu

ra của khối mang áp

− +





IN IN

VV

với VS là nguồn cấp cho OPAM

Trong mạch VS+ =12V(nối với nguồn cung cấp) và VS− =0V(nối với GND)

Một biến trở R4 có nhiệm vụ đặt điện áp tại VIN− (điện áp so sánh) Và trong mạch được điều chỉnh cứng bằng nửa điện áp nguồn cung cấp (khoảng 6V)

Như vậy khi được chiếu sáng, điện trở PH1 rất thấp, tín hiệu điện áp VPH1 giảm mạnh, khi đó VPH1 VIN−, lúc này điện áp ra VOUT =0V Ngược lại, khi trong bóng tối, điện trở trên tăng mạnh cỡ MΩ, điện áp VPH1 tăng mạnh, khi đó VPH1 VIN− và điện áp ra

V

12

VOUT =

- Tìm hiểu cấu tạo, nguyên lý hoạt động của cảm biến

- Kết nối module cảm biến và khối nguồn, khối đầu ra

Bảng 4

Tín hiệu đầu ra Tối

Kích thích ánh sáng

- Tìm hiểu nguyên lý cấu tạo, hoạt động của cảm biến LDR và module cảm biến

- Xây dựng mạch ứng dụng cảm biến LDR

Trang 22

Bài 5: Cảm biến quang thu phát độc lập và phản xạ Mục đích, yêu cầu:

- Nắm được cấu tạo, nguyên lý hoạt động của cảm biến quang điện

Cảm biến quang (Photoelectric Sensor) là tổ hợp của các linh kiện quang điện Cấu

tạo cảm biến quang gồm:

- Bộ phát sáng (nguồn sáng): Sử dụng Led bán dẫn (Light Emitting Diode)

- Bộ thu sáng: tranzito quang, cảm nhận ánh sáng và chuyển đổi thành tín hiệu điện tương ứng

- Mạch xử lý tín hiệu: chuyển tín hiệu tỉ lệ (analog) từ tranzito quang thành tín hiệu on/off được khuếch đại Khi lượng ánh sáng thu được vượt ngưỡng xác định, tín hiệu

ra của cảm biến được kích hoạt

Hình 8: Cấu tạo cảm biến quang 5.2 Sơ đồ nguyên lý

Trang 23

Hình 9: Sơ đồ nguyên lý Module cảm biến quang Cảm Biến Hồng Ngoại Phản Xạ E3F-DS30C4 là loại cảm biến NPN Ngõ ra

của của cảm biến được đưa vào chân X1-3 của module đo Khi chưa có vật cản, bộ thu

RX không thể thu được tín hiệu phát ra từ TX, đầu ra tín hiệu ở mức cao Khi có vật cản, tia hồng ngoại phát ra từ TX sẽ được phản xạ lại bộ thu RX làm cho tín hiệu đầu

ra đảo trạng thái xuống mức thấp

Cảm Biến Hồng Ngoại Thu Phát Độc Lập E3Z-T61 Bộ phát và bộ thu sẽ

được đặt đối diện Khi chưa có vật cản, bộ thu RX luôn nhận được tín hiệu từ TX, đầu

ra tín hiệu đầu ra ở mức cao Khi có vật cản, tia hồng ngoại bị cản lại và không thể đưa tới bộ thu làm cho tín hiệu đầu ra bị đảo trạng thái xuống mức thấp

Trang 24

Hình 10: Sơ đồ khối panel module cảm biến quang thu phát độc lập

Trang 25

Hình 11: Sơ đồ khối panel module cảm biến quang phản xạ

Trang 26

- Tìm hiểu cấu tạo, nguyên lý hoạt động của cảm biến quang thu phát độc lập

và phản xạ

- Kết nối module cảm biến, khối nguồn, khối đầu ra

Bảng 5 Khoảng cách Tín hiệu đầu ra

CB hồng ngoại thu phát

độc lập

CB hồng ngoại phản xạ

- Xây dựng mạch ứng dụng cảm biến

Trang 27

Bài 6: Cảm biến tiệm cận điện cảm Mục đích, yêu cầu:

- Nắm được cấu tạo, nguyên lý hoạt động của cảm biến tiệm cận điện cảm

- Sử dụng nguyên lý thay đổi điện cảm của phần tử mạch điện khi có vật hoặc

Hình 12: Cấu tạo cảm biến tiệm cận điện cảm

- Nguyên lý hoạt động

+ Bộ tạo dao động cung cấp dòng điện tần số cao cho cuộn dây lõi Ferit, tạo ra không gian xung quanh 1 trường điện từ biến thiên

+ Đối tượng kim loại di chuyển tới trường, làm xuất hiện dòng điện cảm ứng

+ Dòng xoáy cảm ứng sinh ra từ trường ngược từ trường cuộn dây lõi Ferit

+ Mạch phát hiện: phát hiện sự thay đổi trạng thái biên độ giảm của tín hiệu dao động

Tiêu đề	Tài Liệu Hướng Dẫn Thí Nghiệm Cảm Biến Đo Lường Và Xử Lý Tín Hiệu Đo
Trường học	Khoa Cơ Điện
Chuyên ngành	Cảm Biến Đo Lường Và Xử Lý Tín Hiệu Đo
Thể loại	tài liệu hướng dẫn
Năm xuất bản	2022
Thành phố	Hà Nội

Định dạng
Số trang	43
Dung lượng	1,37 MB