Trên2 2thực tế các đơn vị đo áp suất thường dùng là Bars kg/cm , PSI P/inch , mmHg,…22Trong các điều kiện đo khác nhau thì phạm vi đo, vật liệu sử dụng trong cấu trúc cảm biến sẽ có nhiề
Trang 1TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÀ RỊA VŨNG TÀU KHOA KỸ THUẬT- CÔNG NGHỆ
MÔN HỌC: THIẾT BỊ VÀ TỰ ĐỘNG HÓA
ĐỀ TÀI: HỆ THỐNG ĐO và CẢM BIẾN ÁP SUẤT
Giảng viên hướng dẫn: Ths Phạm Văn Tâm
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Âu Khánh Duy MSSV:21030503
Lớp: DH21TD
Học kỳ 2 năm học 2023-2024
Trang 2MỤC LỤC
1 Gi@i thiê Cu chung 3
1.1 Khái niệm và nguyên lý đo áp suất 3
1.1.1 Đo theo kiểu chất lưu không chuyển động 3
1.1.2 Đo theo kiểu chất lưu chuyển động 3
1.2 Các loại cảm biến đo áp suất chất lưu 3
1.2.1 Dụng cụ đo áp suất chất lưu dựa trên nguyên tắc cân bằng thuỷ tĩnh .3 1.2.2 Cảm biến áp suất dựa trên phép đo biến dạng 3
1.2.3 Cảm biến áp suất dựa trên chuyển đổi điện 4
1.3 Ứng dụng của cảm biến đo áp suất trong thực tế 4
2 Cảm biến áp suất áp trở 5
2.1 Cấu tạo chung và nguyên lý hoạt động 5
2.1.1 Cấu tạo chung 5
2.1.2 Nguyên lý hoạt động 5
2.1.3 Quy trình chế tạo cảm biến áp suất áp trở 6
2.1.4 Một vài đặc tính kỹ thuật 7
2.1.5 Ưu điểm và nhược điểm của cảm biến áp suất áp trở: 8
2.1.6 Ứng dụng của cảm biến áp suất áp trở 8
2.2 Lựa chọn các thiết bị cho hệ thống đo 8
2.2.1 Lựa chọn cảm biến dạng bán dẫn 8
2.2.3 Lựa chọn vi điều khiển 12
2.2.4 Lựa chọn phần hiển thị kết quả đo 14
2.2.5 Mô phỏng mạch đo bằng phần mềm Proteus 16
3 Phần code 16
3.1 BMP180 16
4 Tài liệu tham khảo 19
Trang 31 Giới thiê 4u chung
Trong thực tế, viê Cc đo áp suất trong các thiết bị cung cấp năng lượng thuỷ lực, nhiệt, hạt nhân…có ý nghĩa rất l@n để đảm bảo an toàn cũng như kiểm tra và điều khiển hoạt động của thiết bị Nhu cầu đo áp suất rất đa dạng đòi hỏi các cảm biến phải đáp ứng một cách tốt nhất từng trường hợp cụ thể, độ l@n của áp suất cần đo cũng nằm trong dải giá trị rất rộng từ chân không t@i áp suất siêu cao, do đó cảm biến
đo áp suất chất lưu rất đa dạng
1.1 Khái niệm và nguyên lý đo áp suất
Áp suất được định nghĩa là lực tác động lên chất lỏng hay chất khí trong một đơn
vị diện tích, v@i công thức P = F/A, trong đó P( N/m hay Pascal ) , F(N), A(m ) Trên2 2
thực tế các đơn vị đo áp suất thường dùng là Bars (kg/cm ), PSI (P/inch ), mmHg,…2 2
Trong các điều kiện đo khác nhau thì phạm vi đo, vật liệu sử dụng trong cấu trúc cảm biến sẽ có nhiều kiểu thiết kế cảm biến khác nhau, thường thì có thể chuyển đổi tín hiệu áp suất sang các dạng trung gian, ví dụ như sự dịch chuyển của màng áp sẽ được chuyển đổi thành tín hiệu dạng điện áp hoặc dòng điện
Có hai nguyên lý đo áp suất là đo theo chất lưu không chuyển động và đo theo chất lưu chuyển động
1.1.1 Đo theo kiểu chất lưu không chuyển động
Đối v@i chất lưu không chuyển động, áp suất chất lưu là áp suất tĩnh p , để đo t
được áp suất này có thể tiến hành theo hai phương pháp:
Đo áp suất được lấy qua một lỗ có tiết diện hình tròn được khoanh trên thành bình nhờ cảm biến được đặt sát thành bình
Đo trực tiếp sự biến dạng của thành bình do áp suất gây nên
1.1.2 Đo theo kiểu chất lưu chuyển động
Áp suất động p = p - p , trong đó p là áp suất tổng, p là áp suất tĩnh, có thể đo áp d t t
suất động bằng ống Pitot hoặc bằng màng
1.2 Các loại cảm biến đo áp suất chất lưu
1.2.1 Dụng cụ đo áp suất chất lưu dựa trên nguyên tắc cân bằng thuỷ tĩnh
Áp kế vi sai kiểu phao làm việc dựa trên cơ sở cân bằng áp suất chất lỏng cần đo v@i áp suất thuỷ tĩnh của chất lỏng mẫu chứa trong áp kế
Áp kế vi sai kiểu chuông
Trang 41.2.2 Cảm biến áp suất dựa trên phép đo biến dạng
Nguyên lý chung của cảm biến áp suất dựa trên phép đo biến dạng đó là dựa trên
cơ sở biến dạng đàn hồi của phần tử nhạy cảm v@i tác dụng của áp suất, các phần tử biến dạng thường là ống trụ, ống bourdon, xi phông và màng mỏng có gắn điện trở Các cảm biến có sử dụng thêm phần tử trung gian thường được trang bị thêm bộ phận chuyển đổi điện để chuyển những thay đổi của phần tử trung gian thành tín hiện điện
1.2.3 Cảm biến áp suất dựa trên chuyển đổi điện
Cảm biến áp suất kiểu điện dung: nguyên lý hoạt động dựa trên độ dịch chuyển của bản cực động làm thay đổi khoảng cách giữa bản cực tĩnh và bản cực động, từ đó gây nên biến thiên giá trị điện dung
Cảm biến áp suất kiểu điện cảm
Cảm biến áp suất kiểu áp trở: cảm biến hoạt động dựa trên sự thay đổi điện trở khi chúng bị biến dạng do chịu một áp lực đặt lên nó
Cảm biến áp suất kiểu áp điện: cảm biến hoạt động dựa trên nguyên lý của hiệu ứng áp điện, khi một áp lực được đặt lên cảm biến, bên trong cảm biến sẽ trực tiếp sinh ra một dòng điện tỷ lệ v@i áp lực đặt lên nó, đo giá trị của dòng điện này sẽ tính được giá trị của áp suất tác động
1.3 Ứng dụng của cảm biến đo áp suất trong thực tế
Cảm biến áp suất dùng để đo trong hệ thống lò hơi, thường được đo trực tiếp trên
lò hơi, khu vực này cần được đo chính xác và phải chịu nhiệt độ cao
Các máy nên khí cũng cần phải đo áp suất để gi@i hạn áp suất đầu ra, tránh trường hợp quá áp dẫn đến hư hỏng và cháy nổ
Trên các trạm bơm nư@c cũng cần cảm biến áp suất để giám sát áp suất đưa về PLC hoặc biến tần để điều khiển bơm nư@c
Để điều khiển áp suất sau van điều khiển thì cảm biến áp suất đóng vai trò rất quan trọng vì sẽ ảnh hưởng trực tiếp áp suất đầu ra sau van điều khiển
Cảm biến đo áp suất được sử dụng trong việc đo và điều khiển áp suất trong các đường ống, lò hơi thông qua van điều khiển tuyến tính hay đo mức nư@c, báo mức dầu thông qua sự thay đổi áp suất
Trang 52 Cảm biến áp suất áp trở
2.1 Cấu tạo chung và nguyên lý hoạt động
2.1.1 Cấu tạo chung
Cảm biến áp suất áp trở là một trong những loại cảm biến phổ biến nhất, hoạt động dựa trên hiệu ứng áp trở, là tạo ra sự thay đổi điện trở khi chúng bị biến dạng Các bộ cảm biến áp suất áp trở là các phần tử nhạy cảm v@i biến dạng, thường là các màng mỏng được dán điện trở ten-xơ
Các lá điện trở ten-xơ được chế tạo từ mangan, nicrom, constantan (có điện trở 30-500 ) hay vật liệu bán dẫn loại P và N (có điện trở từ 100 - 10k ), v@i công V V V nghệ hiện đại ngày nay, người ta có thể chế tạo điện trở ten-xơ trực tiếp trên các tinh thể silic hay đá quý
Các điện trở cảm biến có thể kết nối thành một mạch cầu toàn phần kiểu wheatston:
Mạch cầu Wheatston
Điện áp vi sai đầu ra:
Trang 62.1.2 Nguyên lý hoạt động
Nguyên lý hoạt động cơ bản của cảm biến áp suất áp trở là sử dụng một phần tử chịu biến dạng được làm từ vật liệu dẫn điện (kim loại hoặc chất bán dẫn silicon) mà
có thể thay đổi điện trở khi chúng bị biến dạng dài do chịu tác động của áp lực, phần
tử này lại được đặt trên một màng kim loại mỏng, khi chịu một áp lực thì chúng sẽ giúp cho các điện trở biến dạng chiều dài tốt hơn
Sự thay đổi giá trị các điện trở sẽ được chuyển đổi thành tín hiệu điện áp đầu ra Các đặc điểm cơ bản trong sự thay đổi giá trị của điện trở đó là:
Giá trị của điện trở tỷ lệ thuận v@i chiều dài và tỷ lệ nghịch v@i tiết diện mặt cắt ngang theo công thức R = ρl/S (trong đó R là giá trị điện trở ( ), ρ là điện trở suất V (V.m), l là chiều dài của điện trở, S là tiết diện mặt cắt ngang của điện trở )
Điện trở suất của một số vật liệu sẽ tăng khi nó chịu tác động của áp lực Thành phần cấu tạo nên phần tử chịu biến dạng thường là một trong hai loại kim loại hoặc chất bán dẫn
Nếu phần tử chịu biến dạng được làm từ kim loại thì cấu trúc của nó là các dây kim loại mỏng được ghép v@i nhau tạo thành một mạch cầu Wheatston, mạch cầu này lại được đặt trên một màng ngăn kim loại mỏng khác
Nếu phần tử chịu biến dạng được làm từ chất bán dẫn, thường là silicon pha tạp thêm một số loại tạp chất nhằm tăng độ nhạy của cảm biến Silicon được pha tạp thêm các tạp chất v@i nồng độ thấp sẽ cho ra cảm biến v@i độ nhạy cao hơn nhưng đồng thời độ nhạy nhiệt của cảm biến và hệ số đo sẽ tăng
2.1.3 Quy trình chế tạo cảm biến áp suất áp trở
Các cảm biến áp suất áp trở được chế tạo theo công nghệ MEMS
(microelectromechanical system), các phần tử của cảm biến được tích hợp các thành phần cơ học và điện tử siêu nhỏ trên một chip bán dẫn
Trang 7Các cảm biến áp suất áp trở dạng bán dẫn được chế tạo theo cách tương tự như các cảm biến dây kim loại, bằng cách đặt một phần tử silicon đo biến dạng lên một màng ngăn mỏng
Các cảm biến áp suất áp trở cũng có thể được chế tạo trực tiếp trên một bề mặt silicon theo cách giống như cách chế tạo các thiết bị dạng bán dẫn điện tử, công nghệ này cho phép chế tạo ra các cảm biến v@i kích thư@c rất nhỏ v@i giá thành thấp và độ chính xác, độ nhạy cao, cùng v@i đó độ tuyến tính và phản hồi nhiệt độ tốt
Thiết kế cảm biến cùng một số lưu ý khi thực hiện phép đo:
Để đảm bảo độ chính xác cao nhất, cần xem xét đến một vài yếu tố có thể ảnh hưởng t@i tín hiệu ở đầu ra, bởi vì bất kỳ tín hiệu gây nhiễu nào cũng có thể gây nên
sự thay đổi tương ứng ở đầu ra, do đó cần đảm bảo rằng các tín hiệu gây nhiễu đó ở mức thấp nhất có thể
Cần đặt một điện trở hiệu chuẩn có thể thay đổi giá trị trong mạch cầu để đặt giá trị điện áp đầu ra về 0 khi không có áp suất tác động
Cần giữ cho điện trở của dây dẫn nối v@i cảm biến ở giá trị nhỏ nhằm mục đích tránh gây ra sai số trong phép đo từ đó giảm độ nhạy của cảm biến Nếu dùng dây dẫn bằng đồng, hệ số nhiệt độ của nó có thể l@n hơn cảm biến, từ đó gây ra độ nhạy nhiệt không mong muốn
Việc sử dụng điện áp kích thích cao hơn sẽ làm tăng giá trị điện áp đầu ra và cải thiện tỷ lệ tín hiệu so v@i nhiễu, tuy nhiên giá trị điện trở tăng cao sẽ sinh nhiệt nhiều hơn trong cảm biến, từ đó ảnh hưởng t@i điện trở suất và độ nhạy của cảm biến Nhiệt lượng sinh ra trong quá trình hoạt động có thể gây ảnh hưởng đến mối kết dính giữa phần tử chịu biến dạng và màng ngăn, dẫn đến sai số và giảm độ chính xác
đo lường theo thời gian, để khắc phục hiện tượng sinh nhiệt này, có thể dùng phần tử
đo biến dạng có giá trị điện trở cao hơn
Để cung cấp điện áp kích thích tối ưu cho mạch đo, cần cân bằng giữa hiện tượng
tự sinh nhiệt và việc cần thu được một tín hiệu tốt, có thể thực hiện điều này như sau: khi không có áp suất tác động, đầu ra của cảm biến bằng 0, tăng điện áp kích thích lên t@i khi đầu ra có sự thay đổi giá trị (do hiện tượng tự sinh nhiệt trong quá trình hoạt động), sau đó từ từ giảm dần giá trị điện áp kích thích cho t@i khi đầu ra bằng 0 Nên sử dụng một mạch khuếch đại gần cảm biến để giảm chiều dài dây kết nối, từ
đó tín hiệu sẽ tốt hơn và giảm thiểu được nhiễu, cũng có thể thêm bộ lọc đầu ra để loại bỏ nhiễu từ bên ngoài
2.1.4 Một vài đặc tính kỹ thuật
Các cảm biến áp suất có phần tử biến dạng làm từ vật liệu kim loại có hệ số đo trong khoảng từ 2-4, sự thay đổi đầu ra tối đa tăng khoảng 1 mV cho mỗi 1V điện áp kích thích
Trang 8Các cảm biến có phần tử biến dạng làm từ vật liệu bán dẫn có hệ số đo 100-200, đầu ra của các cảm biến loại này khoảng 10mV/V
Trong môi trường khắc nghiệt có nhiệt độ cao trên 500°C cần đo áp suất, người ta chế tạo cảm biến từ vật liệu bán dẫn SiC (silicon carbide)
2.1.5 Ưu điểm và nhược điểm của cảm biến áp suất áp trở:
Ưu điểm: hiệu suất và độ tuyến tính cao và bền bỉ theo thời gian Các cảm biến có phần tử chịu biến dạng bằng kim loại có độ bền nhiệt cao, nhiệt độ tối đa chúng có thể chịu được lên đến 200°C, trong khi các cảm biến có phần tử biến dạng làm bằng vật liệu bán dẫn chỉ có thể chịu được nhiệt độ dư@i 100°C
Nhược điểm: cảm biến có phần tử chịu biến dạng bằng kim loại tiêu tốn nhiều năng lượng hơn các loại cảm biến khác, do đó chúng không thích hợp v@i các hệ thống di động
Điện áp đầu ra V = 4-20 mV.out
2.1.6 Ứng dụng của cảm biến áp suất áp trở
Các cảm biến áp suất áp trở thích hợp cho nhiều trường hợp đo áp suất do tính chất đơn giản và bền bỉ của nó, chúng có thể được dùng để đo áp suất tuyệt đối, áp suất tương đối và áp suất vi sai, trong các ứng dụng đo cả áp suất thấp và cao
2.2 Lựa chọn các thiết bị cho hệ thống đo
2.2.1 Lựa chọn cảm biến dạng bán dẫn
Cảm biến áp suất dạng bán dẫn được lựa chọn: BMP180
Cảm biến này có chức năng đo nhiệt độ, độ cao, áp suất môi trường, kết hợp v@i
vi điều khiển để đọc tín hiệu đo được và chuyển thành đại lượng cần đo tương ứng Cảm biến áp suất BMP180 là một loại cảm biến áp suất kỹ thuật số sử dụng năng lượng ở mức cực thấp được tối ưu cho việc ứng dụng cho các thiết bị dạng tay cầm, điều hư@ng GPS hay các ứng dụng ngoài trời khác, cảm biến này được chế tạo theo công nghệ điện trở piezo, cho độ chính xác đo lường và độ tuyến tính cao cùng thời gian sử dụng lâu dài
Cảm biến BMP180 gồm một cảm biến điện trở piezo, một bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số ADC, một đơn vị điều khiển v@i E PROM và một giao diện nối tiếp 2
I2C
Trang 9Cảm biến áp suất BMP180 và sơ đồ mạch cấu tạo
Trang 10Một số thông số kỹ thuật của cảm biến BMP-180:
Điện áp cung cấp 1.8-3.6V
Công suất tiêu thụ 0.5μW tại 1Hz
Tích hợp bộ hiệu chỉnh
điều khiển
điều khiển Khoảng đo áp suất 300-1100 hPa
Sai số khi đo áp suất tuyệt đối ±0,1 hPa
Sai số khi đo nhiệt độ 0.5 °C
Trang 11Nguyên lý làm việc của cảm biến BMP180: cảm biến áp suất BMP180 được thiết kế
để kết nối trực tiếp v@i vi điều khiển thông qua kết nối I2C
Trình tự đo của cảm biến áp suất BMP180
Trong đó: UP là dữ liệu áp suất (pressure data), UT là dữ liệu nhiệt độ
(temperature data)
Vi điều khiển sẽ gửi một tín hiệu điều khiển để bắt đầu việc đo áp suất và nhiệt
độ, tín hiệu analog từ phần tử cảm biến (sensor element) sẽ được đưa đến bộ chuyển đổi tương tự sang số (ADC), sau khi chuyển đổi dữ liệu sẽ được đưa đến đơn vị điều khiển (control unit) và được lưu trong bộ nh@ E PROM , kết quả (dữ liệu áp suất hoặc2
dữ liệu nhiệt độ) có thể được đọc khi dữ liệu đo được đưa t@i vi điều khiển thông qua giao tiếp I C, việc chuyển đổi giá trị nhiệt độ sang đơn vị °C và áp suất sang đơn vị 2
hPa thì dữ liệu hiệu chuẩn sẽ được sử dụng
I2C bus có thể được sử dụng để điều khiển cảm biến, đọc dữ liệu hiệu chuẩn từ bộ nh@ E PROM và đọc dữ liệu đo được khi bộ chuyển đổi dữ liệu A/D được hoàn 2
thành Các chân SCL(serial clock) và SDA(serial data) có dạng mở ở cực D (open-drain)
Đợi 4.5ms
Đợi(thời gian tuỳ thuộc chế độ)
Start
Bắt đầu đo nhiệt độ
Đọc UT
Bắt đầu đo áp suất
Đọc UP
Tính toán áp suất và nhiệt độ theo đơn vị
vật lý
Trang 12Tốc độ lấy mẫu có thể lên đến 128 mẫu mỗi giây ở chế độ tiêu chuẩn (standard mode) cho việc đo lường động
2.2.2 Lựa chọn vi điều khiển
Chọn bo mạch Arduino Uno R3 dùng chip ATMega 328P để đo và xử lý tín hiệu
từ cảm biến áp suất BMP-180
Arduino UNO R3
Chân nguồn 3.3V sẽ cung cấp điện áp cho cảm biến, hai chân A4 và A5 lần lượt kết nối v@i hai chân SDA (send data) và SCL (send clock) trên cảm biến
Một vài đặc tính cơ bản của Arduino Uno R3
Vi điều khiển ATmega328 họ 8bit
Điện áp hoạt động 5V DC (chỉ được cấp qua cổng
USB)
Điện áp vào khuyên dùng 7-12 V DC
Điện áp vào gi@i hạn 6-20V DC
Số chân Digital I/O 14 (6 chân tạo xung PWM)
Số chân Analog 6 (độ phân giải 10 bit)
Trang 13Dòng ra tối đa (5V) 500 mA
Dòng ra tối đa (3.3V) 50 mA
Bộ nh@ flash 32 KB (ATmega328) v@i
0.5KB dùng bởi bootloader
Arduino UNO có thể sử dụng 3 vi điều khiển họ 8bit AVR là ATmega8, ATmega168, ATmega328 Vi xử lý này có thể xử lí những tác vụ đơn giản như điều khiển đèn LED nhấp nháy, xử lí tín hiệu cho xe điều khiển từ xa, làm một trạm đo nhiệt độ - độ ẩm và hiển thị lên màn hình LCD,… Ngoài ra nó còn có thể được dùng trong các ứng dụng khác như điều khiển động cơ bư@c, động cơ servo, điều khiển thiết bị qua mạng internet,…
Arduino UNO có thể được cấp nguồn 5V thông qua cổng USB hoặc cấp nguồn ngoài v@i điện áp khuyên dùng là 7-12V DC và gi@i hạn là 6-20V Thường thì cấp nguồn bằng pin vuông 9V là hợp lí nhất nếu không có sẵn nguồn từ cổng USB
Các chân năng lượng của Arduino Uno R3:
GND (Ground): cực âm của nguồn điện cấp cho Arduino UNO Khi dùng các thiết bị sử dụng những nguồn điện riêng biệt thì những chân này phải được nối v@i nhau
5V: cấp điện áp 5V đầu ra, dòng tối đa cho phép ở chân này là 500mA
3.3V: cấp điện áp 3.3V đầu ra, dòng tối đa cho phép ở chân này là 50mA Vin (Voltage Input): để cấp nguồn ngoài cho Arduino UNO, nối cực dương của nguồn v@i chân này và cực âm của nguồn v@i chân GND
IOREF: điện áp hoạt động của vi điều khiển trên Arduino UNO có thể được đo ở chân này, nó luôn là 5V Mặc dù vậy không thể lấy nguồn 5V từ chân này để sử dụng bởi chức năng của nó không phải là cấp nguồn
RESET: việc nhấn nút Reset trên board để reset vi điều khiển tương đương v@i việc chân RESET được nối v@i GND qua 1 điện trở 10KΩ
Bộ nhớ của Arduino Uno R3 (vi điều khiển ATmega 328):
32KB bộ nh@ Flash: những đoạn lệnh được lập trình sẽ được lưu trữ trong bộ nh@ Flash của vi điều khiển Thường thì sẽ có khoảng vài KB trong số này sẽ được dùng cho bootloader