khảo sát nhu cầu ứng dụng của cảm biến trong công nghiệp để hiệu chỉnh nội dung môn học thực tập đo lường cảm biến

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG KHẢO SÁT NHU CẦU ỨNG DỤNG CỦA CẢM BIẾN TRONG CÔNG NGHIỆP ĐỂ HIỆU CHỈNH NỘI DUNG MÔN HỌC THỰC TẬP ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN S K C 0 9 MÃ SỐ: T2009 - 06 S KC 0 Tp Hồ Chí Minh, 2010 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT Tp HCM ***** ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG TÊN ĐỀ TÀI: KHẢO SÁT NHU CẦU ỨNG DỤNG CỦA CẢM BIẾN TRONG CÔNG NGHIỆP ĐỂ HIỆU CHỈNH NỘI DUNG MÔN HỌC THỰC TẬP ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN MÃ SỐ: T2009 - 06 Chủ nhiệm đề tài: Cán tham gia đề tài Ths Nguyễn Văn Thọ TS Ngô văn Thuyên Ths Phùng Anh Sơn Thành phố Hồ Chí Minh, 02/ 2010 Bài thí nghiệm số MẠCH XỬ LÝ TÍN HIỆU 1.1 Mục đích thí nghiệm: Sau hồn thành tốt thí nghiệm này, sinh viên có khả năng: - Lắp ráp giải thích ngun lý hoạt động mạch điện dùng khâu xử lý tín hiệu cho cảm biến mạch khuếch đại dùng OP AMP, mạch đệm (voltage follower), mạch tạo nguồn dòng, mạch dịch mức, mạch chuyển dòng điện sang điện áp, mạch chuyển điện áp sang dòng điện - Khảo sát IC chuyển đổi tương tự sang số (ADC) dùng đo lường điều khiển 1.2 Cơ sở lý thuyết: Sinh viên cần chuẩn bị câu hỏi sau 1.2.1 Vẽ mạch khuếch đại đảo, không đảo, đệm điện áp, khuếch đại vi sai dùng OP AMP Viết biểu thức tính điện áp theo điện áp vào cho mạch 1.2.2 Vẽ mạch cộng điện áp biểu thức tính điện áp 1.2.3 Cho mạch điện hình 1.1 Hãy viết biểu thức tính dịng điện It Tính It với vài giá trị Rt khác rút nhận xét quan hệ It Rt cho Vz = 5.1V Hình 1.1 1.2.4 Cho mạch điện hình 1.2 Tính điện áp V theo I Cho biết chức mạch Hình 1.2 1.2.5 Cho ADC bit, điện áp tham chiếu Vref =5V Tính step-size biểu thức liên hệ giá trị thập phân ngõ giá trị điện áp vào 1.3 Tiến trình thí nghiệm: 1.3.1 Thí nghiệm 1: Mạch xử lý tín hiệu cho sensor Bước 1: Lắp ráp mạch điện hình 1.3  Các OP AMP cấp nguồn đôi ± 12V RT đóng vai trị sensor có giá trị thay đổi Tính giá trị RE cho It khoảng 5mA ứng với VZ Diode Zener sử dụng Khối Khối Khối Khối Hình 1.3 Bước 2: Đo thông số mạch  Biến trở VR chỉnh cho điện áp Vdm = - Vt ứng với giá trị Rt nhỏ bảng 1.1 Giữ nguyên vị trí biến trở, tiến hành thay đổi giá trị Rt đo giá trị: dòng điện It ( cách đo điện áp rơi RE) Vt, V1, V2, V3, Vo ghi vào bảng 1.1 Rt (Ohm) 100 220 330 VR It = IE = VRE/RE Vt Rt (Ohm) 100 220 330 Vt V1 V1/ Vt Rt (Ohm) 100 220 330 Vdm V1 V2 V1- Vdm V3 Rt (Ohm) 100 220 330 V3 Vo Vo/V3 Vo/V3 ( theo lý thuyết) Bảng 1.1  Căn vào kết đo bảng 1.1, sinh viên trả lời câu hỏi sau: a Nhận xét giá trị dòng điện tải It tải Rt thay đổi quan hệ điện áp Vt Rt Chức khối gì? b Viết cơng thức tính V1/Vt tính V1/Vt theo giá trị đo bảng So sánh giá trị tính theo lý thuyết giá trị đo Chức khối gì? c Viết biểu thức liên hệ V3, V2, V2 với V1 Vdm Cho biết chức khối d Viết biểu thức liên hệ Vo Rt e Thay khối mạch hình 1.3 mạch cho hình 1.4 (chú ý: giữ nguyên mạch sau đo đạc xong) Viết biểu thức tính V1 theo VT1 VT2 khối 10 Gọi tên mạch khối f Thực thay đổi RT đo đại lượng bảng 1.2 Tính giá trị V1 nhận xét Khối Khối Khối Khối Hình 1.4 Rt Vt V1 V1/ Vt Bảng 1.2 Giả sử vị trí RT RE khơng thể thay đổi, nghĩa hai đầu RT khơng thể có đầu nối với đất Có thể thay khối mạch hình 1.4 khối mạch hình 1.3 khơng? Từ rút nhận xét chức trường hợp sử dụng mạch khối hình 1.4 11 ` 12 1.3.2 Thí nghiệm 2: Thiết kế mạch xử lý tín hiệu cho sensor (nếu thời gian không cho phép, sinh viên thực lắp mạch cân chỉnh, phần tính tốn làm nhà nộp vào buổi thí nghiệm tiếp theo) Trường hợp 1: Với mạch hình 1.3 1.4, giả sử RT điện trở sensor thay đổi từ 100 Ohm đến 220 Ohm khoảng đo yêu cầu Tính giá trị điện áp Vdm, giá trị điện trở RF2 RA2 khối cho điện áp Vo thay đổi từ 0V đến 5V (dịng IT có giá trị thí nghiệm 1) Thay RF2 biến trở VRF2 cân chỉnh mạch sau: Bước 1: Khi RT = RTmin ( tương ứng với giá trị đo nhỏ tầm đo), điều chỉnh biến trở VR cho V3 = 0V Ghi nhận lại giá trị Vdm Nhận xét giá trị đo giá trị Vdm vừa tính Bước 2: Khi RT = RTmax, (tương ứng với giá trị lớn tầm đo), chỉnh biến trở VRF2 cho Vo = 5V Gỡ biến trở VRF2, đo ghi nhận giá trị điện trở RF2 Nhận xét giá trị đo giá trị RF2 vừa tính Trường hợp 2: Thay khối mạch hình 1.5a (nếu dùng mạch 1.3) 1.5b (nếu dùng mạch 1.4) Giả sử VT (VT2 – VT1) thay đổi từ 250mV đến 750mV (chúng ta giả định điện áp sensor khoảng đo yêu cầu) Tính giá trị điện áp Vdm, giá trị điện trở RF2 RA2 khối cho điện áp Vo thay đổi từ 0V đến 5V - 13 Hình 1.5 Thay RF2 biến trở VRF2 cân chỉnh mạch sau: Bước 1: Khi VT = VTmin ( tương ứng với giá trị đo nhỏ tầm đo), điều chỉnh biến trở VR cho V3 = 0V Ghi nhận lại giá trị Vdm Nhận xét giá trị đo giá trị Vdm vừa tính - Bước 2: Khi VT = VTmax, (tương ứng với giá trị lớn tầm đo), chỉnh biến trở VRF2 cho Vo = 5V Gỡ biến trở VRF2, đo ghi nhận giá trị điện trở RF2 Nhận xét giá trị đo giá trị RF2 vừa tính 1.4 Báo cáo thí nghiệm Hồn thành phần tính tóan nhận xét mục 1.3 nộp cáo cho Giáo viên hướng dẫn thí nghiệm 14 67 Bài thí nghiệm số ĐO ĐỘ DỊCH CHUYỂN DÙNG CẢM BIẾN BIẾN TRỞ 7.1 Mục đích thí nghiệm: Tìm hiểu nguyên tắc đo độ dịch chuyển dùng biến trở 7.2 Cơ sở lý thuyết: Sinh viên chuẩn bị câu hỏi sau: 7.2.1 Kể tên loại cảm biến đo dịch chuyển mà anh/chị học 7.2.2 Trình bày ngắn gọn nguyên lý đo độ dịch chuyển dùng cảm biến biến trở 7.2.3 Tra cứu catalog MLT 38000 100 6652 Honeywell Tóm tắt đặc điểm cảm biến : 7.3 - Tầm đo - Dạng tín hiệu - Điện áp cung cấp - Độ phân giải Tiến trình thí nghiệm 7.3.1 Đo đặc tuyến cảm biến: Nối dây cho mạch thí nghiệm hình 7.1(theo màu) Thay đổi khoảng cách dịch chuyển, đo điện áp mạch sau khuếch đại ghi vào bảng 7.1 (chú ý: cho biến trở dịch chuyển lớn nhất, giảm hệ số khuếch đại cho điện áp mạch nhỏ 9V để đảm bảo ngõ sau mạch khuếch đại không bị bão hịa) Bảng 7.1 l(mm) Vo 68 Hình 7.1 Vẽ đặc tuyến độ dịch chuyển theo điện áp (nếu dịng cấp cho cảm biến số điện áp tỷ lệ với điện trở cảm biến) Nhận xét quan hệ độ dịch chuyển điện trở biến trở ………………………………………………………………………………………………… Viết phương trình mơ tả quan hệ điện áp độ dịch chuyển 69 7.3.2 Kết nối với máy tính Nối ngõ mạch khuếch đại đến kênh ADC mạch giao tiếp máy tính Viết chương trình đọc hiển thị độ dịch chuyển Sinh viên làm báo cáo nộp cho cán hướng dẫn thí nghiệm 70 Bài thí nghiệm số ĐO NHIỆT ĐỘ DÙNG NHIỆT ĐIỆN TRỞ KIM LOẠI 8.1 Mục đích thí nghiệm: Sau hồn thành tốt thí nghiệm này, sinh viên có khả năng: - Trình bày phương pháp đo nhiệt độ, phương trình chuyển đổi cho cảm biến - Vẽ đặc tuyến nhiệt độ - điện trở nhiệt điện trở Pt100 - Thiết kế mạch xử lý tín hiệu cho cảm biến 8.2 Cơ sở lý thuyết: Sinh viên cần chuẩn bị câu hỏi sau: 8.2.1 Viết phương trình chuyển đổi nhiệt điện trở kim loại (RTD) (quan hệ điện trở nhiệt độ) Cho biết phương trình chuyển đổi thường dùng PT100 Cho biết tầm đo nhiệt độ nhiệt điện trở Pt, Cu, Ni 8.2.2 Hiện tượng tự nung gì? Phương pháp giảm sai số tượng tự nung 8.2.3 Viết phương trình chuyển đổi Thermistor từ suy người ta khơng dùng Thermistor để đo nhiệt độ mà dùng cảnh báo nhiệt độ 8.2.4 Các cụm từ PTC NTC có ý nghĩa nói đến Thermistor 8.2.5 Trình bày phương pháp đo nhiệt độ dùng nhiệt điện trở kim loại (gợi ý: cấp dòng cho RTD đo áp hay cấp áp đo áp…) Viết biểu thức biểu diễn quan hệ điện áp với nhiệt độ cho trường hợp 8.2.6 PT100 cấp nguồn dịng 1mA Tính hệ số khuếch đại dịch mức để điện áp mạch đo biến thiên từ 0-5V nhiệt độ thay đổi từ – 1000C Vẽ mạch tính giá trị linh kiện ( gợi ý: xem lại thí nghiệm số 1) Tại có loại cảm biến nhiệt điện trở có loại dây, dây, dây Các cách đấu dây loại cảm biến 8.3 Tiến hành thí nghiệm: Đo nhiệt độ dùng PT 100 8.3.1 Tìm đặc tuyến nhiệt độ - điện trở nhiệt điện trở PT100 Cấp nguồn dòng cho PT 100, thay đổi cơng suất lị, ghi nhận giá trị nhiệt độ đồng hồ mẫu, đo điện áp nhiệt điện trở ghi vào bảng Tính RT ghi vào bảng T0 lò Uout RT - Bảng 8.1 Vẽ đặc tuyến điện trở theo nhiệt độ 71 Nhận xét quan hệ nhiệt độ điện trở PT100 8.3.2 Khảo sát mạch đo nhiệt độ dùng PT100 - Cân chỉnh điện áp dịch mức hệ số khuếch đại: Cấp nguồn dịng cho PT100 hình vẽ Tiến hành cân chỉnh điện áp dịch mức hệ số khuếch đại cho mạch đo để điện áp thay đổi từ 0- 5V nhiệt độ thay đổi từ nhiệt độ phòng  750C Bước 1: chỉnh điện áp dịch mức Tại nhiệt độ phòng, chỉnh biến trở Edm cho Vout =0, ghi nhận Edm cách đo điện áp PT100 Ghi vào bảng 8.2 Bước 2: chỉnh hệ số khuếch đại Chỉnh Dimmer cho nhiệt độ lò tăng lên đến khỏang 750C Chỉnh biến trở để điện áp 5V ghi nhận hệ số khuếch đại ghi vào bảng 8.2 Edm Kkđ Bảng 8.2 Viết biểu thức (8.1) mô tả quan hệ điện áp mạch đo nhiệt độ lò theo Edm Kkđ vừa xác định: - Khảo sát mạch đo: Giảm nhiệt độ lò ghi nhận giá trị điện áp mạch đo, ghi vào bảng 8.3 T0 lị Vout Vout (tính) - Bảng 8.3 Tính điện áp theo biểu thức (8.1) vừa xác định ghi vào bảng 8.3 Nhận xét kết đo kết tính 72 - Nếu ADC bít có điện áp tham chiếu Vref = 5V, viết biểu thức quan hệ giá trị thập phân ngõ ADC với điện áp vào - Nếu ngõ vào ADC Vout mạch đo trên, viết biểu thức tính nhiệt độ theo giá trị thập phân đọc từ ADC 8.3.3 Khảo sát mạch đo nhiệt độ dùng PT100 kết nối với máy tính Nối ngõ Vout vào kênh IN0 ADC board giao tiếp máy tính Viết chương trình đọc hiển thị nhiệt độ So sánh giá trị nhiệt độ hiển thị máy tính nhiệt độ thị thị mẫu Chương trình chính: 73 Bài thí nghiệm số CẢM BIẾN QUANG VÀ CÁP QUANG 9.1 Mục đích thí nghiệm: Tìm hiểu loại cảm biến quang cáp quang 9.2 Cơ sở lý thuyết: Sinh viên chuẩn bị câu hỏi sau: 9.2.1 Phân biệt cảm biến quang dạng phản chiếu dạng khuếch tán 9.2.2 Nguyên tắ hoạt động cảm biến cáp quang 9.2.3 Phân biệt cảm biến có ngõ NPN với ngõ PNP, cảm biến có ngõ điện áp ngõ cực thu để hở (gợi ý: vẽ hình giải thích cách nối tải) 9.2.4 Tìm Google catalog cảm biến Tóm tắt sơ lược: - Đây cảm biến gì? ứng dụng - Ý nghĩa dây cảm biến - Khoảng cách phát - Dạng ngõ - Dòng tải max - Cách chỉnh tầm phát vật thể 9.2.5 Tìm Google catalog cảm biến Tóm tắt sơ lược: - Đây cảm biến gì? ứng dụng - Ý nghĩa dây cảm biến - Khoảng cách phát - Dạng ngõ - Dòng tải max - Cách chỉnh tầm phát vật thể 9.3 Tiến hành thí nghiệm: 9.3.1 Nhận dạng cảm biến 1: đọc catalog cảm biến E3F3-R81 (dùng thí nghiệm) trả lời câu hỏi sau - Dạng cảm biến: - Dạng tín hiệu ngõ ra: Tương tự/ Mức? o Tương tự: Điện áp/ Dòng điện o Mức: NPN/ PNP, cực thu hở hay không? - Màu ý nghĩa dây ngõ ra: Dây 1: Màu/ Ý nghĩa Dây 2: Màu/ Ý nghĩa 74 Dây 3: Màu/ Ý nghĩa Dây 4: Màu/ Ý nghĩa 9.3.2 Tiến trình thực tập cảm biến Nối dây cảm biến, dịch chuyển đối tượng phát hiện, xác định thông số điền vào thông tin yêu cầu sau: Điện áp cung cấp: Đối tượng phát hiện: Kim loại/ Phi kim/Màu sắc Khoảng cách phát : Nhận xét kết so với giá trị ghi catalog: 9.3.3 Nhận dạng cảm biến 2: đọc catalog cảm biến E3F3-D32(dùng thí nghiệm) trả lời câu hỏi sau - Dạng cảm biến: - Dạng tín hiệu ngõ ra: Tương tự/ Mức? o Tương tự: Điện áp/ Dòng điện o Mức: NPN/ PNP, cực thu hở hay không? - Màu ý nghĩa dây ngõ ra: Dây 1: Màu/ Ý nghĩa Dây 2: Màu/ Ý nghĩa Dây 3: Màu/ Ý nghĩa Dây 4: Màu/ Ý nghĩa 9.3.4 Tiến trình thực tập với cảm biến Nối dây cảm biến, dịch chuyển đối tượng phát hiện, xác định thông số điền vào thông tin yêu cầu sau: Điện áp cung cấp: Đối tượng phát hiện: Kim loại/ Phi kim/ Màu sắc Khoảng cách phát hiện: Nhận xét kết so với giá trị catalog 9.3.5 Nhận dạng cảm biến 3: đọc catalog cảm biến E3X-NA11(dùng thí nghiệm) trả lời câu hỏi sau - Dạng cảm biến: - Dạng tín hiệu ngõ ra: Tương tự/ Mức? 75 o Tương tự: Điện áp/ Dòng điện o Mức: NPN/ PNP, cực thu hở hay không? - Màu ý nghĩa dây ngõ ra: Dây 1: Màu/ Ý nghĩa Dây 2: Màu/ Ý nghĩa Dây 3: Màu/ Ý nghĩa Dây 4: Màu/ Ý nghĩa 9.3.6 Tiến trình thực tập với cảm biến Nối dây cảm biến, dịch chuyển đối tượng phát hiện, xác định thông số điền vào thông tin yêu cầu sau: Điện áp cung cấp: Đối tượng phát hiện: Kim loại/ Phi kim/ Màu sắc Khoảng cách phát : Nhận xét kết so với giá trị catalog 9.3.7 Kết nối với Logo! Nối ngõ cảm biến với ngõ vào I1 I2 Logo! Viết chương trình cho Logo! Với yêu cầu: Yêu cầu 1: Khi nhấn nút Start, băng tải hoạt động (Q1) Nếu có sản phẩm qua vị trí kiểm tra (cả cảm biến tác động) sau 5s cho van đẩy sản phẩm hoạt động 2s (Q2), có sản phẩm qua vị trí kiểm tra (chỉ có cảm biến 1tác động) sau 10s cho van đẩy sản phẩm hoạt động 2s ( Q3) Đếm số sản phẩm loại, số sản phẩm với số lượng cho đèn (Q4) nhấp nháy lần ( tần số 1Hz) số sản phẩm với số lượng cho đèn (Q4) nhấp nháy lần ( tần số 1Hz) Vẽ sơ đồ kết nối phần cứng Logo! với cảm biến mạch động lực cho động Chương trình Logo! 76 Yêu cầu 2: Sinh viên tự đặt yêu cầu thực Vẽ sơ đồ kết nối phần cứng Logo! với cảm biến mạch động lực cho động Chương trình Logo! Sinh viên làm báo cáo nộp cho cán hướng dẫn thí nghiệm 77 Bài thí nghiệm số 10 CẢM BIẾN ÁP SUẤT VÀ KHỐI LƯỢNG 10.1 Mục đích thí nghiệm: Khảo sát cảm biến đo áp suất khối lượng 10.2 Cơ sở lý thuyết: Sinh viên cần chuẩn bị câu hỏi sau: 10.2.1 Trình bày nguyên tắc đo khối lượng điện trở biến dạng 10.2.2 Loadcell gì? ý nghĩa thông số độ nhạy loadcell 10.2.3 Ý nghĩa đầu dây loadcell loại dây, dây, dây Tìm google datasheet loadcell nêu thông số kỹ thuật loadcell 10.2.4 Trình bày đơn vị đo áp suất thường dùng cách quy đổi thang đo 10.2.5 Tìm google datasheet cảm biến có mã số MPX 5700DP MPX42502P Trình bày chức cảm biến thông số kỹ thuật cần quan tâm 10.3 Tiến hành thí nghiệm: 10.3.1 Khảo sát loadcell có mã số Đọc thông số ghi loadcell ghi vào bảng 10.1 Số đâu dây Khối lượng đo cực đại (mmax) Độ nhạy (S) Bảng 10.1 Ý nghĩa đầu dây ra: 10.3.2 Mạch đo cho loadcell Với loadcell board thí nghiệm, tính hệ số khuếch đại mạch khuếch điện áp mạch đo biến thiên từ 0- 10V khối lượng đo từ đến mmax nguồn cung cấp cho loadcell 12V 78 Lắp mạch khuếch đại điện áp loadcell với hệ số khuếch đại vừa tính Vẽ sơ đồ mạch Chú ý: Hệ số khuếch đại tầng không 20 ( sao?) Hình 10.1 Sơ đồ mạch khuếch đại cho Loadcell Thay đổi khối lượng đặt lên loadcell, đo điện áp mạch khuếch đại ghi vào bảng 10.2 Thay đổi khối lượng dùng cân mẫu ( có ghi khối lượng cân), khơng dùng tay hay cân khối lượng ghi bảng Nếu loadcell hỏng khối luợng, sinh viên phải chịu trách nhiệm Khối lượng đặt lên loadcell 0kg 5kg 5.5kg 10kg 20kg Điện áp Ghi Bảng 10.2 Nhận xét kết đo Sinh viên nhận xét điện áp m = 5kg m =5.5kg 10.3.3 Khảo sát cảm biến áp suất Sinh viên đọc catalog cảm biến ghi thông số vào bảng 10.3 Tầm đo Điện áp cung cấp Dạng tín hiệu Độ nhạy Dải điện áp Bảng 10.3 79 Thay đổi áp suất cấp cho cảm biến, đo điện áp cảm biến ghi vào bảng 10.4 Điện áp Áp suất tính Ghi 4.5V Nhận xét kết đo Nêu ứng dụng dùng cảm biến vừa khảo sát 80 S K L 0