Đề tài nghiên cứu lý thuyết về cảm biến nhiệt, Âm thanh, rung xây dựng mô hình vật lý Ứng dụng cảm biến nhiệt, Âm thanh, rung vào hệ thống chống trộm

NỘI DUNGPHẦN 1: NGUYÊN LÝ LÍ THUYẾT VỀ CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ, CẢM BIẾN ÂM THANH, CẢM BIẾN RUNG 1.1 Khái niệm chung về cảm biến 1.1.2 Cấu tạo chung Hiện nay trên thị trường có rất nhiều các

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

NGÀNH TỰ ĐỘNG HÓA

NHIỆT, ÂM THANH, RUNG XÂY DỰNG MÔ HÌNH VẬT LÝ ỨNG DỤNG CẢM BIẾN NHIỆT, ÂM THANH,

RUNG VÀO HỆ THỐNG CHỐNG TRỘM

Giảng viên hướng dẫn:

Phan Nhật Trường 22H1040042 Đặng Tiến Hoàng

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 24 tháng 4 năm 2024

LỜI MỞ ĐẦu

Trong xu hướng phát triển không ngừng của nền công nghệ

những thập kỉ qua, công nghệ điện tử cũng ngày càng phát triển vượt bậc Các vi mạch với khả năng tích hợp ngày càng lớn, tốc độ xử lý được tăng cao, chính xác hơn và giá thành rẻ hơn Ban đầu, các IC được chế tạo với những chức năng chuyên dụng, dần dần, yêu cầu một linh kiện đa năng ra đời Vi xử lý là một linh kiện cho phép hoạt động theo một chương trình mà người sử dụng đặt ra, được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực.

Bằng một ý tưởng có tính ứng dụng cao ngoài thực tế, chúng em

lựa chọn đề “HỆ THỐNG CHỐNG TRỘM ” Hệ thống có khả năng

tự động cảnh báo bằng chuông khi có trộm Đây là hệ thống được ứng dụng ở các nhà kho, hộ gia đình, nó còn cảnh báo cho cư dân trong tòa nhà nơi mà cần hệ thống bảo mật tốt mỗi ngày Ngoài ra,

hệ thống này là giải pháp tốt cho các thiết bị cần bảo mật ở các công

ty, bệnh viện, cơ quan hành chính, cơ quan Thuế & Hải quan, các công ty Bảo hiểm, Ngân hàng và chứng khoán, các Trung tâm dịch

vụ, nhà ga-bến xe Dưới sự kiểm soát của hệ thống này, quá trình bảo

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU

PHẦN 1: NGUYÊN LÝ LÍ THUYẾT VỀ CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ, CẢM BIẾN ÂM THANH, CẢM BIẾN RUNG

1.1 KHÁI NIỆM CHUNG VỀ CẢM BIẾN

1.1.1 Khái niệm

1.1.2 Cấu tạo chung

1.1.3 Phân loại

1.1.4 Vai trò

1.2 CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ

1.2.1 Khái niệm

1.2.2 Nguyên lý hoạt động

1.2.3 Phân loại

1.2.4 Vai trò

1.3 CẢM BIẾN ÂM THANH

1.3.1 Khái niệm

1.3.2 Nguyên lý hoạt động

1.3.3 Phân loại

1.3.4 Vai trò

1.4 CẢM BIẾN RUNG

1.4.1 Khái niệm

1.4.2 Nguyên lý hoạt động

1.4.3 Phân loại

1.4.4 Vai trò

2.1 Ý TƯỞNG

2.2 LỰA CHỌN LINH KIỆN

2.2.1 Còi báo

2.2.2 Relay 12V

2.2.3 Cảm biến thân nhiệt SR602

2.2.4 MC-38

2.2.5 Nguồn12V

2.2.6 Testboard

2.2.7 Dây nối điện

2.3 MÔ HÌNH

2.4 NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC

2.5 ƯU ĐIỂM VÀ NHƯỢC ĐIỂM

2.5.1 Ưu điểm

2.5.2 Nhược điểm

2.6 LẮP ĐẶT VÀ BẢO DƯỠNG

2.6.1 Lắp đặt

2.6.2 Bảo dưỡng

3 KẾT LUẬN

NỘI DUNG

PHẦN 1: NGUYÊN LÝ LÍ THUYẾT VỀ CẢM BIẾN

NHIỆT ĐỘ, CẢM BIẾN ÂM THANH, CẢM BIẾN RUNG

1.1 Khái niệm chung về cảm biến

1.1.2 Cấu tạo chung

Hiện nay trên thị trường có rất nhiều các loại cảm biến phục vụ các mục đích khác nhau nhưng chung quy lại chúng đều được làm từ các sensor phần tử điện thay đổi tính chất theo sự biến đổi của môi trường (đầu dò) Cấu tạo gồm các phần tử mạch điện tạo thành một hệ thống hoàn chỉnh được đóng gói nhỏ gọn Các tín hiệu phát ra được quy

chuẩn theo mức điện áp và dòng điện thông dụng nhất phù hợp với các

…

1.1.4 Vai trò

Trên thực tế có vô vàn những loại cảm biến khác nhau và chúng ta có thể chia các cảm biến thành hai nhóm chính: Cảm biến vật lí: có thể kể đến một vài ví dụ dễ hình dung như sóng điện từ, ánh sáng, hồng ngoại, tia X, hạt bức

xạ, nhiệt độ, áp suất, âm thanh, từ trường, gia tốc, Cảm biến hóa học: thường thấy như độ ẩm, độ PH, ion, khói,…

1.2 Cảm biến nhiệt

1.2.1 khái niệm

Cảm biến nhiệt độ là thiết bị có công dụng đo lường sự biến đổi về nhiệt độ

của các đại lượng cần đo Khi nhiệt độ phạm vi môi trường cần đo có sự thay đổi thì các cảm biến sẽ đưa ra một tín hiệu và truyền tìn hiệu về các bộ đọc sẽđọc để quy giá trị nhiệt độ ra một con số cụ thể Cảm biến nhiệt được thiết kế

để thực hiện các phép đo nhiệt độ với độ chính xác cao hơn nhiều so với khi

thực hiện bằng các loại cặp nhiệt điện hoặc nhiệt kế Vì thế chúng được ứng dụng phổ biến trong các ngành công nghiệp đòi hỏi độ chính xác, độ tin cậy cao trong các phép đo như ngành thực phẩm, dược phẩm, hóa chất, ô tô, hànghải, vật liệu nhựa,

1.2.3 Phân loại

- Có nhiều loại cảm biến khác nhau có khả năng cảm biến tùy thuộc vào phạm vi ứng dụng của chúng Các loại cảm biến nhiệt độ khác nhau như sau:1.Cặp nhiệt độ

2.Đầu dò điện trở

3.Nhiệt điện trở

4.Cảm biến bán dẫn

Cặp nhiệt điện: Cặp nhiệt điện thường được sử dụng trong môi trường khắc

nghiệt như công nghiệp và sản xuất Chúng không chỉ độ chính xác cao mà còn có khả năng chống ảnh hưởng từ tạp âm và tia nhiễu từ môi trường xung quanh.Các loại phổ biến như K, J, T, R, E, S, N, và B đều có đặc điểm và ưu điểm riêng, từ đó đáp ứng đa dạng các yêu cầu đo đạc

Đầu dò điện trở: ·Đầu dò điện trở thường được ưa chuộng trong các ứng

dụng yêu cầu sự chính xác cao và đo lường ổn định trong khoảng nhiệt độ

rộng.Với khả năng đo nhiệt độ từ -270°C đến +850°C, chúng thích hợp cho nhiều ứng dụng từ ngành sản xuất đến nghiên cứu khoa học.

-Ngoài ra, còn nhiều loại cảm biến nhiệt độ khác nhau như cảm biến hồng ngoại, tiếp xúc từ xa đang ngày càng được ứng dụng rộng rãi, đặc biệt là

trong các lĩnh vực cần đo lường từ xa và trong điều kiện môi trường đặc biệt Điều này thể hiện sự đa dạng và phong phú của công nghệ đo nhiệt độ hiện đại.

1 Nhiêt kế điện tử, bán dẫn, can nhiệt loại T được sử dụng trong nghiên cứu

về nông nghiệp

2.Nhiệt kế điện tử, PT100 được sử dung trong xe hơi

3.Điện trở oxit kim loại được sử dụng trong nhiệt lạnh

4.Cặp nhiệt điện loại K, T, R, S, B và PT100 được sử dụng trong gia công vật liệu, hoá chất

1.3 Cảm biến rung

1.3.1 Khái niệm

Cảm biến rung là một thiết bị có khả năng đo lường độ rung hoặc dịch

chuyển Nó có thể phát hiện các biến đổi trong môi trường xung quanh và chuyển chúng thành dữ liệu điện tử Điều này làm cho cảm biến rung trở thành một công cụ quan trọng trong việc giám sát và kiểm soát các quá trình động, đặc biệt trong lĩnh vực công nghiệp 12 -Cảm biến rung hoạt động dựa trên nguyên tắc cơ học và sử dụng các thông số như gia tốc, tốc độ và độ dịchchuyển để đo lường sự rung động của các vật thể Có nhiều loại cảm biến rung phổ biến, bao gồm cảm biến gia tốc, cảm biến dòng điện xoáy và cảm biến đo sức căng 3 Trong lĩnh vực nhà thông minh, cảm biến rung được sử dụng để phát hiện sự xâm nhập, kiểm tra trạng thái của thiết bị và giám sát các quá trình hoạt động

1.4.2 Nguyên lý làm việc

Nguyên lý hoạt động của cảm biến rung dựa trên nhiều nguyên tắc cơ học khác nhau về mặt quang học như cảm biến ánh sáng,…với mục đích là phát hiện các rung động của hệ thống quan sát được Cụ thể như sau: Rung động báo đến được đo dựa vào cảm biến gia tốc trên cảm biến rung (cảm biến được

sử dụng phổ biến nhất hiện nay trong công nghiệp là cảm biến gia tốc, áp suấtđiện với độ nhạy vào khoảng 100mV/g) Sau đó dưới tác dụng của độ rung, tinh thể áp điện sẽ bị biến dạng và tạo ra điện tích, hay còn gọi là hiện tượng

áp điện Để kiểm soát được sự biến dạng của tinh thể áp điện thì bên trong cảm biến rung đã được đặt sẵn một vật nặng lên nó Một điện tích được

chuyển vào một mạch điện bên trong cảm biến rung, sau đó biến đổi thành điện áp Điện áp được tạo ra từ điện tích sẽ chuyển vào thiết bị đo độ rung thông quan connector và cáp để chuyển đổi thành dữ liệu đo Hoặc nói ngắn

gọn thì nguyên lý hoạt độ của cảm biến rung là dựa trên việc xử lí các tín hiệu điện áp thu được để đưa ra số liệu từ dữ liệu đo cụ thể Nó làm việc như một vôn kế nhưng không hiển thị thông số điện áp mà tín hiệu điện áp sẽ được xử lí và hiển thị dưới dạng các giá trị như gia tốc hoặc vận tốc.

1.4.3 Phân loại

Có nhiều loại cảm biến khác nhau có khả năng cảm biến tùy thuộc vào phạm

vi ứng dụng của chúng Các loại cảm biến nhiệt rung khác nhau như sau:1.Cảm biến gia tốc (accelerometer)

Cảm biến rung gia tốc (hay còn gọi accelerometer) là thiết bị đo lường

độ rung, hay gia tốc chuyển động của kết cấu Loại cảm biến này có một bộ chuyển đổi để chuyển lực cơ học gây ra bởi rung động hoặc sự thay đổi trong chuyển động thành dòng điện bằng cách sử dụng hiệu ứng áp điện (piezoelectric effect)

a)Cảm biến gia tốc trở kháng cao: Loại cảm biến gia tốc này tạo ra điện tích

kết nối trực tiếp với thiết bị đo Chúng yêu cầu độ tương thích và thiết bị đo đạc đặc biệt nên thường được dùng trong các cơ sở nghiên cứu hoặc các ứng dụng nhiệt độ cao

b)Cảm biến gia tốc trở kháng thấp: Máy đo gia tốc trở kháng thấp có một

gia tốc kế điện tích ở mặt trước cùng một vi mạch và bóng bán dẫn tích hợp

để chuyển đổi điện tích đó thành điện áp trở kháng thấp -Loại cảm biến này

dễ dàng kết nối với các thiết bị đo đạc tiêu chuẩn nên nó được sử dụng phổ biến trong ngành công nghiệp

2 Cảm biến đo sức căng Strain Gauge:

Là cảm biến dùng để đo sức căng trên bộ phận máy Strain gauge có điện trở thay đổi theo lực tác dụng Nó chuyển đổi lực, áp suất, lực căng, trọng lượng, v.v., thành sự thay đổi về điện trở để có thể đo lườngđược -Khi các lực bên ngoài tác dụng lên một vật thể đứng yên sẽ sinh

ra ứng suất và biến dạng Khi có một lực căng tác dụng lên bất kỳ dây kim loại nào, chiều dài của dây đó sẽ tăng lên và đường kính dây giảm

Sự tăng chiều dài và giảm đường kính này sẽ làm thay đổi điện trở của dây dẫn, nhờ vậy có thể đo được độ căng trên các bộ phận máy

1.4.4 Vai trò

-Với thiết kế nhỏ gọn dễ lắp đặt tại những vị trí bí mật, khuất tầm nhìn, cảm biến rung còn có chức năng phát hiện và đưa ra cảnh báo nhằm bảo vệ các tàisản có giá trị trong gia đình khi có kẻ xấu đột nhập hoặc phát hiện ra các dấu hiệu cho thấy đồ vật bị đổ, rơi vỡ…

-Bất cứ một tác động lực nào lên một vật đang đứng yên đều tạo ra các rung động theo mức độ từ nhẹ đến mạnh Ngay khi phát hiện các dấu hiệu bất thường này, cảm biến rung sẽ phát âm thanh báo động và gửi thông báo đến điện thoại để bạn có phản ứng kịp thời -Ngoài ra, cảm biến rung thường có miếng dán ở mặt lưng nên bạn có thể dễ dàng sử dụng ở bất cứ bề mặt nào như tranh quý, két sắt, đồ cổ, tủ đồ nữ trang… trong nhà, tại showroom hoặc cửa hàng

1 Ứng dụng cảm biến rung trong y tế

Hiện nay, cảm biến rung được sử dụng nhiều trong lĩnh vực y tế vì

có tác dụng giúp xác định nguyên nhân, nguồn gốc và dự đoán sự phát triển của bệnh, đồng thời, giám sát và báo cáo tình hình sức khỏe theo thời gian thực Cảm biến rung được sử dụng trong máy đonhịp tim, thiết bị theo dõi giấc ngủ … Những thiết bị này hướng đếnngười dùng là những người có chuyên môn về y khoa như y tá, bác

sĩ và cả những cá nhân sử dụng thiết bị chăm sóc sức khỏe tại nhà

1.1.Giúp chẩn đoán bệnh

Cảm biến rung được sử dụng trong chẩn đoán sức khỏe bằng các thiết bị y tế như máy đo nhịp tim,… Thông qua những chuyển động

trên da, cảm biến chuyển động giúp bác sĩ phát hiện và ngăn ngừa sớm các vấn đề về sức khỏe thần kinh, mạch máu và cơ xương,… cho bệnh nhân

1.2 Theo dõi giấc ngủ

Cảm biến rung còn có khả năng theo dõi thời gian bệnh nhân nằm trên giường và

và tình trạng khi họ ngủ Bạn có thể sử dụng cảm biến rung để theo dõi giấc ngủ và

tình trạng sức khỏe tại nhà cho ông bà, bố mẹ cao tuổi

2 Ứng dụng của cảm biến rung trong công nghiệp

Cảm biến rung cũng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực vàngành nghề công nghiệp khác nhau như công nghiệp dầu khí, ô tô hay hóa chất Một số ứng dụng phổ biến của cảm biến rung trong công nghiệp bao gồm: ·Phát hiện sớm những hỏng hóc trong máy móc cần sửa chữa ·Xác định nguyên nhân của các hỏng hóc ·Giám sát tình trạng vận hành của nhà máy và thiết bị ·Giảm chi phí sửa chữa thiết bị -Các thiết bị sử dụng trong công nghiệp thường có giá trị lớn và ảnh hưởng đến tiến độ của công trình nên các kỹ sư sử dụng cảm biến rung như một thiết bị theo dõi máy móc Khi được gắn trên các thiết bị máy móc và thu được dữ liệu về tần số rung từ cảm biến, các kỹ sư sẽ đưa ra các dự đoán về khả năng hỏng hóc và

tình hình vận hành của thiết bị Nhờ đó, họ có thể duy trì hoạt động của các thiết bị quan trọng, tránh gặp sự cố bất ngờ.

2.1 Trong ngành công nghiệp ô tô

Trong những năm gần đây, ngành công nghiệp ô tô toàn cầu đã chứng kiến sự tăng trưởng và lợi nhuận mạnh mẽ Với sự trợ giúp của thiết bị giám sát rung động và cảm biến rung, quản lý nhà máy

có thể đảm bảo hoạt động ổn định của máy móc, thiết bị gia công kim loại và robot, từ đó, đảm bảo quy trình sản xuất diễn ra trôi chảy, đáp ứng đủ và kịp thời nhu cầu của thị trường

Cảm biến rung được sử dụng trong giám sát hệ thống máy móc

2.2 Cảm biến rung trong ngành công nghiệp dầu khí

Trong ngành dầu khí, việc giảm tình trạng gián đoạn hoạt động ngoài ý muốn và tối ưu hóa hiệu suất của máy là rất cần thiết nhằm giúp giảm chi phí vận hành, tăng năng suất và lợi nhuận thu được Đồng thời, việc giám sát hệ thống máy móc bằng cảm biến rung sẽ giúp giảm chi phí bảo trì và sửa chữa đến mức tối đa Cảm biến rungđược thiết kế để sử dụng cho việc giám sát động cơ, máy bơm, quạt, hộp số và máy nén trong ngành dầu khí

Cảm biến rung được sử dụng cho các máy bơm dầu khí lớn

2.3 Trong ngành công nghiệp hoá chất

Ứng dụng cảm biến rung trong ngành hóa chất để phát hiện các vấn đề như rung động bất thường trong lòng đất hay tiến hành các khảo sát thăm dò… Trong một nhà máy xử lý hóa chất nói chung, cần có cảm biến rung với tần số tối thiểu 10–10.000 Hz để theo dõi hiệu quả tua-bin, cánh quạt và bánh răng -Việc phát hiện những vấn

đề cơ bản ở giai đoạn đầu và khắc phục trước khi chúng ảnh hưởng đến các quy trình khác sẽ giúp tối ưu hóa hiệu suất và giảm chi phí vận hành của các nhà máy hóa chất

Cảm biến rung có vai trò quan trọng trong hệ thống máy móc của nhà

máy hóa chất

2.4 Cảm biến rung trong ngành công nghiệp năng lượng

Các công ty sản xuất luôn phải chịu áp lực cung cấp nguồn điện liên tục với chi phí thấp và giám sát các quy trình để nhanh chóng phát hiện bất kỳ thay đổi không mong muốn nào

-Do đó, cảm biến rung động đóng một vai trò quan trọng trong ngành điện Cảm biến rung giúp theo dõi sự mất cân bằng rôto, sự bất đối xứng khí động học, độ nhám bề mặt và hiệu suất tổng thể, cũng như thực hiện các phép đo ứng suất và biến dạng ngoại tuyến và trực tuyến trong ngành năng lượng và điện

-Ngoài ra, cảm biến rung còn đóng vai trò quan trọng trong việc giám sát rung động bên trong các trang trại năng lượng gió mới, nơi rôto của các cánh quạt cần được giám sát để có hiệu suất liên tục và tối ưu

-Một số loại cảm biến rung sử dụng trong ngành công nghiệp điện bao gồm: cảm biến không dây, cảm biến sợi quang và cảm biến hệ thống cơ điện vi mô (MEMS)…

Cảm biến rung theo dõi hoạt động của các tuabin gió

2.5 Ứng dụng cảm biến rung trong ngành công nghiệp xây dựng

Trong ngành công nghiệp xây dựng, việc sử dụng cảm biến rung có tác dụng giám sát hiệu quả làm việc của các thiết bị máy móc nhằm đảm bảo sự ổn định, gia tăng hiệu suất và tránh được những rủi ro bị

hư hại của từng thiết bị Từ đó, cảm biến rung giúp chủ thầu hạn chếnhững tổn thất do thiết bị hỏng làm ảnh hưởng tiến độ thi công Cảmbiến rung được sử dụng khi đóng các cọc bê tông để giám sát rung động giữ cho mức độ rung động không vượt quá giới hạn tránh gây thiệt hại cho các tòa nhà, cơ sở hạ tầng và thiết bị liền kề

Thiết bị giám sát rung động trong xây dựng

2.6 Cảm biến rung trong ngành công nghiệp nước

Ngành công nghiệp nước hiện đang giám sát nhiều máy bơm xử lý nước từ những máy bơm đặt tại các trạm xa cho đến những máy bơm tại các địa điểm xử lý nước và khử muối tinh vi quy mô lớn -Việc sử dụng cảm biến rung bên trong hệ thống sẽ giúp đo lường được hiệu quả hoạt động của tuabin trong máy bơm mà không cần phải tốn nhiều công sức và nhân lực Đồng thời, thông qua các cảm nhận rung động bất thường, nhà máy cũng sẽ có những sự chuẩn bị

và lên phương án bảo trì hệ thống hợp lý

Cảm biến rung theo dõi bên trong các máy bơm tại nhà máy thủy điện