Cảm biến và đo lường - Chương 4: MỘT SỐ CẢM BIẾN THÔNG DỤNG potx

Tài liệu môn Cảm biến và đo lường Trang IV-1 Chương 4 : MỘT SỐ CẢM BIẾN THÔNG DỤNG I. Cảm biến biến dạng – Điện trở a. Nguyên lý Sử dụng dây dẫn có điện trở biến đổi tương ứng với sự thay đổi hình dạng dây dẫn khi có ngoại lực tác động vào. b. Đặc tính Xét dây dẫn có chiều dài l , tiết diện S . - Khi không có lực tác dụng, điện trở dây dẫn: l R S   Một lưới bằng dây dẫn mảnh được gắn trực tiếp lên bề mặt cần khảo sát. Sự biến dạng của cấu trúc kéo theo biến dạng của cảm biến làm cho điện trở của nó thay đổi. Dây dẫn có điện trở suất , tiết diện S, chiều dài nl (n: số đoạn, l: chiều dài một đoạn). Đối với đầu đo kim loại n = 10 20, đầu đo bán dẫn n = 1. Do ảnh hưởng của biến dạng, điện trở cảm biến thay đổi một lượng R  : R l S R l S          Biến đổi dạng dọc của dây dẫn đến thay đổi tiết diện ngang. Ta có quan hệ giữa điện trở và độ dài: R l K R l    K: hệ số đầu đo - Đầu đo kim loại K gần bằng 2 - Đầu đo bán dẫn K ~ 100   200 - Dấu của K phụ thuộc vào loại bán dẫn Điện trở đầu đo có giá trị chuẩn từ 100 Ω   5000 Ω với độ chính xác   0,2 ÷   10%. c. Ứng dụng Dùng để đo lực tác dụng hay độ biến dạng của vật thể. II. Cảm biến dịch chuyển – Cảm kháng a. Nguyên lý: Dựa trên mối quan hệ cảm kháng của các cuộn dây khi thay đổi vị trí thanh ferrite có độ từ thẩm cao. b. Đặc tính: Tài liệu môn Cảm biến và đo lường Trang IV-2 - Các cuộn dây thứ cấp được mắc nối tiếp nhau và bố trí như hình, sao cho: V out (t) = V S1 (t) – V S2 (t) - Khi thanh ferrite ở vị trí trung tâm thì điện thế ngõ ra xem như gần bằng không. - Khi thanh ferrite di chuyển, giá trị các điện áp V S1 , V S2 tăng hoặc giảm tương ứng với các hệ số k 1 , k 2 . V S1 (t) = k 1 V in (t) V S2 (t) = k 2 V in (t) c. Ứng dụng: Phát hiện sự di chuyển của đối tượng cần quan sát. III. Cảm biến siêu âm a. Nguyên lý Thiết bị phát tín hiệu từ bộ phận dao động ở tần số siêu âm. Cấu tạo bộ phận dao động được tạo thành từ hai đĩa mỏng. Những đĩa này có thể là các phần tử áp điện hoặc là sự kết nối giữa một phần tử áp điện và một đĩa kim loại. Những đĩa này sẽ dao động khi có tín hiệu có tần số bằng với tần số cơ bản của các phần tử áp điện. Năng lượng dao động sẽ được truyền qua bề mặt cảm biến. Cảm biến được cấu tạo từ các phần tử áp điện. Khi một tín hiệu siêu âm tác động vào phần tử áp điện, phần tử này phát ra tín hiệu điện có tần số tương ứng với tần số của tín hiệu thu được. Dãi tần hoạt động của cảm biến siêu âm từ 38kHz đến 45kHz. b. Đặc tính - Tín hiệu siêu âm không tương tác với những tín hiệu âm thanh khác trong dải âm tần từ 50Hz đến 15kHz. - Tín hiệu siêu âm ít bị ảnh hưởng bởi các tín hiệu có tần số dưới 20kHz. - Tín hiệu siêu âm phản xạ rất tốt và nhạy cảm với bụi bẩn. c. Ứng dụng Cảm biến siêu âm dùng để nhận biết sự hiện diện của vật thể và sử dụng trong các thiết bị đo khoảng cách, các thiết bị điều khiển từ xa và một số thiết bị y khoa. IV. Cảm biến gas Có nhiều dạng cảm biến gas khác nhau. Đối với cảm biến gas cấu tạo từ chất bán dẫn thường dùng để phát hiện khí metan. a. Nguyên lý Nguyên lý hoạt động cảm cảm biến gas bán dẫn dựa trên thuộc tính của phân tử Ir (Iridium) và Pd (Palladium). Cuộn dây làm nóng được chế tạo từ Ir và Pd. Cho dòng điện qua cuộn dây, cuộn dây phát sinh nhiệt. Đến nhiệt độ xác định, khí oxy sẽ tập trung các điện tử vùng cho đến bề mặt chất bán dẫn, tạo ra rào thế năng. Rào điện thế này cản trở sự di chuyển của các hạt dẫn, làm cho trở kháng của lớp bán dẫn tăng lên. Tài liệu môn Cảm biến và đo lường Trang IV-3 Nồng độ khí oxy trong không khí thay đổi làm cho điện trở chất bán dẫn thay đổi theo. b. Đặc tính - Độ nhạy của cảm biến bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ và độ ẩm môi trường. - Trước khi sử dụng cần phải có thời gian làm nóng (từ 2 đến 3 phút) để tăng độ chính xác. - Điện trở cảm biến tăng lên 20% sau khi làm nóng. c. Ứng dụng Phát hiện khí metan, CO 2 , H 2 … Chất bán dẫn hoạt động như một biến trở ( điện trở phụ thuộc vào nồng độ gas), khi gas đi qua bề mặt cảm biến điện trở chất bán dẫn giảm xuống. Dòng kích SCR tăng lên, kích SCR dẫn. LED D1 sáng, đồng thời IC555 được reset , phát ra âm thanh báo động. V. Bộ đọc mã vạch Mã vạch là những vạch đậm hoặc mảnh dùng để mã hóa số hay chữ cái. Có nhiều loại mã vạch khác nhau, phổ biến nhất là mã sản phẩm thông dụng (Universal Product Code – UPC) và mã nhận dạng ký tự bằng quang học (Optical Character Recognition – OCR). Có hai loại mã vạch thường gặp nhất là: - Vạch đen là 1, vạch trắng là 0. - Mã vạch n từ m phần tử: vạch đen/trắng rộng là 1, vạch đen/trắng hẹp là 0. Máy quét mã vạch phát tia laser công suất thấp. Tia sáng gặp mã vạch phản xạ lại một cảm biến quang. Cảm biến này chuyển tín hiệu quang mang thông tin mã vạch thành tín hiệu điện. - Nguồn sáng chuyển động nhờ gương đa giác quay, mã cố định. - Nguồn sáng cố định, mã chuyển động. Tài liệu môn Cảm biến và đo lường Trang IV-4  Bút quang: Tia laser được led phát ra hội tụ qua thấu kính hình cầu lên mã vạch. Tia phản xạ được hội tụ qua thấu kính về cảm biến. Cảm biến cho tín hiệu khoảng 1,1V khi gặp phần trắng và 0V khi gặp phần đen. Vận tốc quét tối đa 1m/s. Mã vạch được giải mã thành ký tự ASCII. Bộ giải mã là vi điều khiển chuyên dùng, mã ASCII được truyền đến máy tính thông qua giao tiếp RS232. Bộ giải mã được nối với loa nhỏ, phát âm thanh báo hiệu khi quét xong. Trở ngại chính là không thể đọc chính xác nếu các vạch bị bẩn hoặc in nhòe. VI. Cảm biến đo mức chất lưu Các cảm biến này chuyển đổi mức chất lỏng thành tín hiệu điện. a. Cảm biến độ dẫn Chỉ dùng cho các chất lưu dẫn điện (   50  Scm -1 ), không ăn mòn kim loại. Cấu tạo gồm hai điện cực hình trụ, nếu bình chứa bằng kim loại thì bình chứa là một điện cực. Đầu đo được nuôi bằng điện áp xoay chiều   10V để tránh hiện tượng phân cực. Có hai chế độ đo:  Đo liên tục Đầu đo được đặt theo vị trí thẳng đứng, chiều dài đầu đo bằng chiều cao của mức chất lỏng cần đo. Dòng điện giữa các điện cực tỷ lệ với chiều dài điện cực ngập trong chất lưu. Độ lớn tín hiệu điện phụ thuộc vào độ dẫn của chất lưu.  Phát hiện theo ngưỡng: Điện cực được đặt theo phương nằm ngang, vị trí mỗi điện cực tương ứng một mức chất lưu. Khi chất lỏng đạt đến mức điện cực, xuất hiện dòng điện có biên độ không đổi. b. Cảm biến tụ điện Được sử dụng khi chất lỏng là chất cách điện, hằng số điện môi của chất lưu phải lớn hơn hằng số điện môi không khí, thường là gấp đôi. Có thể tạo thành tụ điện bằng hai điện cực (thành bình chứa kim loại và một điện cực). Chất điện môi gữa hai điện cực là phần ngập chất lỏng và phần không khí. Mức chất lưu được chuyển thành điện dung tụ điện. Điện dung này thay đổi theo mức chất lưu. Tài liệu môn Cảm biến và đo lường Trang IV-5       Nếu chất lưu dẫn điện, sử dụng một điện cực có phủ chất cách điện, lớp cách điện đóng vai trò là điện môi, chất lỏng là điện cực thứ hai. VII. Cảm biến vị trí - Điện trở a. Cấu tạo Gồm một điện trở cố định R, trên có một tiếp xúc điện có thể di chuyển gọi là con chạy. Giá trị của điện trở đo được giữa con chạy và một đầu của điện trở R là hàm phụ thuộc vị trí con chạy và bản thân điện trở R. Nếu điện trở được chế tạo đồng đều thì R sẽ tỉ lệ tuyến tính với vị trí con chạy. Có hai dạng cảm biến vị trí điện trở: - Điện trở dịch chuyển thẳng: l R(l) R L  - Điện trở dịch chuyển tròn: m R( ) R     Đối với điện trở tròn: α M < 360   Đối với điện trở xoắn: α M > 360   Hợp kim thường dùng làm điện trở là Ni – Cr, Ni – Cu, Ni – G – Fe, Ag – Pd. Dây điện trở được cuốn trên lõi cách điện còn dây được cách điện bằng emay. Tài liệu môn Cảm biến và đo lường Trang IV-6 R nằm trong khoảng từ 1K – 100K Ω , có thể đạt đến vài M Ω . Con chạy phải tiếp xúc tốt, không tạo ra suất điện động tiếp xúc, điện trở tiếp xúc nhỏ và ổn định. Các tiêu chuẩn này phải đảm bảo trong điều kiện dao động và tốc độ dịch chuyển lớn. b. Đặc điểm - Khoảng cách có ích của con chạy Giá trị R(x)/R thường không ổn định ở cuối đường chạy của con trỏ hoặc ở các chỗ nối mạch điện. Khoảng cách có ích là khoảng mà trong đó R(x) là hàm tuyến tính của dịch chuyển. - Độ phân giải Điện trở của n vòng dây, có thể phân biệt thành 2n – 1 vị trí của con chạy: n vị trí con chạy tiếp xúc một vòng dây n – 1 vị trí con chạy tiếp xúc đồng thời 2 vòng dây. Điện trở thay đổi khi di chuyển từ vị trí này sang vị trí khác. c. Thời gian sống Thời gian sử dụng của điện trở bị hạn chế do sự cọ sát giữa con chạy và dây dẫn làm mài mòn con chạy và điện trở. Số lần sử dụng của điện trở khoảng 10 6 lần. VIII. Tốc kế quang Tốc kế quang là cảm biến đo vận tốc đơn giản nhất gồm một nguồn sáng và một đầu thu quang (photodiode hoặc phototransistor) Vật quay được gắn đồng trục với đĩa tròn có các vùng phản xạ hoặc các vùng trong suốt bố trí xen kẽ các phần chắn sáng đặt giữa nguồn sáng và đầu thu quang. Đầu thu quang nhận thông lượng biến điệu và phát tín hiệu có tần số tỉ lệ với vận tốc quay nhưng biên độ không đổi. Phạm vi tốc độ đo phụ thuộc vào 2 yếu tố chính: - Số lượng lỗ trên đĩa quay. - Dãi thông của đầu thu quang và mạch điện. Để đo vận tốc thấp ~ 0,1 vòng/phút dùng đĩa có số lượng lỗ rất lớn (500   1000). Đo tốc độ cao 10 5   10 6 vòng/phút dùng loại đĩa chỉ có một lỗ. IX. Cảm biến công tắc (switch sensor) Cảm biến công tắc được dùng nhiều trong các ứng dụng robot. Cảm biến công Tài liệu môn Cảm biến và đo lường Trang IV-7 tắc được sử dụng với nhiều mục đích, chẳng hạn: - Cảm biến va chạm (tiếp xúc): cảm biến công tắc được dùng để phát hiện khi có va chạm cơ học với một vật nào đó. Thí dụ, cảm biến công tắc tạo ra một sự chuyển mạch khi thân robot chạy vào tường hoặc chạm giới hạn đường chạy của robot. - Cảm biến giới hạn: tương tự như cảm biến tiếp xúc, cảm biến giới hạn phát hiện một vật đã di chuyển đến cuối hành trình của nó, khi đó tín hiệu điều khiển motor sẽ tắt. - Mã hóa trục quay (shaft): một trục quay kết hợp với một công tắc chạm sẽ được ấn một lần ở một vòng quay. Phần mềm đếm số lần ấn để xác định số vòng và tốc độ quay của trục. Loại cảm biến này không cần nguồn cung cấp và chịu được dòng lớn. Nó có thể phát hiện sự tiếp xúc của bất kỳ vật thể nào từ bất kỳ góc độ nào. Do đó chúng rất thuận lợi cho việc thiết kế robot đặc biệt được ứng dụng trong giới hạn hành trình của robot. Cảm biến giới hạn Có hai dạng công tắc cơ bản, bao gồm: - Công tắc nhỏ (microswitch), có dạng hình chữ nhật và thường ở một trạng thái xác định. Công tắc nhỏ thường có ba chân: NO – normally open (thường hở), NC – normally closed (thường đóng), C – common (chung). Chân chung có thể được nối với một trong hai chân kia tùy thuộc vào công tắc có được ấn hay không. Ở trạng thái không ấn, chân chung được nối với tiếp điểm thường đóng, khi ấn, chân chung được nối với trạng thái thường hở. - Công tắc nút ấn (pushbutton) đơn giản hơn. Khi được ấn, hai tiếp điểm được nối với nhau. Cũng có một số công tắc thường đóng nhưng ít phổ biến. Switch nub Activation force Tài liệu môn Cảm biến và đo lường Trang IV-8 X. Cảm biến điện từ a. Cảm biến Hall Cảm biến Hall là một mảnh bán dẫn mỏng có kết cấu đặc biệt. Khi có dòng điện I chạy dọc theo tấm bán dẫn, đồng thời có từ cảm B tác động lên tấm này thì trên hai cực ngang của nó xuất hiện suất điện động Hall. E H = k H .I.B.sin   I: dòng điện dọc theo cảm biến B: từ cảm xuyên qua cảm biến  góc lệch giữa I và B k H : hệ số Hall Cảm biến Hall được dùng rộng rãi trong các thiết bị đo từ, cảm biến tiếp cận, có dải đo từ 1   10 6 Gauss. b. Cảm biến từ trở MR (magnetoresistive) Sử dụng hiệu ứng điện trở của lớp bán dẫn phụ thuộc vào độ lớn và phương của từ trường đặt vảo. Sự quay của vectơ từ hóa gây ra sự thay đổi điện trở. Vật liệu thường dùng làm cảm biến là pecmaloi, hợp kim của thép và Niken. Các cảm biến MR sử dụng trong công nghiệp có mỏng dảy khoảng 50nm pecmaloi đặt trên đế cách điện với điện trở thay đổi vài phần trăm. . Tài liệu môn Cảm biến và đo lường Trang IV-1 Chương 4 : MỘT SỐ CẢM BIẾN THÔNG DỤNG I. Cảm biến biến dạng – Điện trở a. Nguyên lý Sử dụng dây dẫn . phổ biến. Switch nub Activation force Tài liệu môn Cảm biến và đo lường Trang IV-8 X. Cảm biến điện từ a. Cảm biến Hall Cảm biến Hall là một . sensor) Cảm biến công tắc được dùng nhiều trong các ứng dụng robot. Cảm biến công Tài liệu môn Cảm biến và đo lường Trang IV-7 tắc được sử dụng với