Giáo trình kỹ thuật cảm biến - trình độ cao đẳng nghề

Giáo trình kỹ thuật cảm biến - Trình độ Cao đẳng nghề

TỔNG LIÊN ĐOÀN LAO ĐỘNG VIỆT NAM TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ CƠNG NGHỆ HÀ TĨNH GIÁO TRÌNH KỸ THUẬT CẢM BIẾN NGHỀ: ĐIỆN CƠNG NGHIỆP TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG NGHỀ LỜI MỞ ĐẦU Trên sở chương trình khung đào tạo Bộ LĐTB & XH ban hành, Trường Cao đẳng nghề Công nghệ Hà Tĩnh tổ chức biên soạn tài liệu hướng dẫn giáo viên học tập, thực tập học sinh, sinh viên nghề lắp đặt, sửa chữa thiết bị điện công nghiệp thời kỳ đại hố – cơng nghiệp hố đất nước Trong tài liệu Kỹ thuật cảm biến đóng vai trị quan trọng việc đào tạo kỹ thuật viên, nhân viên lành nghề theo học hành nghề Điện công nghiệp Tài liệu thiết kế theo hệ thống môđun chương trình, có mục tiêu học tập, thực tập cho môđun, phần lý thuyết học viên cần phải nắm vững để thực hành thực tập Cuối sau phần lý thuyết có tập ứng dụng để giáo viên học sinh thực hành thực tập Đây tài liệu cô giáo, thầy giáo tổ môn Điện nhà trường chắt lọc trình giảng dạy, tham khảo tài liệu, giáo trình Trường đại học Đại học Bách Khoa – Hà Nội, Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh, Đại học sư phạm kỹ thuật Hưng Yên, Đại học Cần Thơ để biên soạn, tài liệu làm tài liệu giảng dạy tham khảo nội cho giáo viên học sinh Trường, không phát hành lưu thông bên ngồi./ GIỚI THIỆU VỀ MƠĐUN Vị trí, ý nghĩa vai trị mơđun: Trong cơng nghiệp sản xuất đại ngày nay, nhiều nhà máy xí nghiệp trang bị cho dây chuyền sản xuất hoàn toàn tự động bán tự động Các loại cảm biến có mặt hầu hết lĩnh vực điều khiển tự động, đóng vai trị quan trọng, khơng thiết bị thay Việc trang bị cho kiến thức loại cảm biến nhu cầu xúc kỹ thuật viên, kỹ sư ngành điện ngành khác Môđun kỹ thuật cảm biến môđun chuyên môn học viên ngành sửa chữa thiết bị điện công nghiệp Môđun nhằm trang bị cho học viên trường cao đẳng nghề, trung cấp nghề trung tâm dạy nghề kiến thức nguyên lý, cấu tạo, mạch ứng dụng thực tế số loại cảm biến với kiến thức học viên áp dụng trực tiếp vào lĩnh vực sản xuất đời sống Ngoài kiến thức dùng làm phương tiện để học tiếp môn chuyên môn ngành điện trang bị điện, PLC Mục tiêu môđun Sau học xong môđun này, học viên có lực: - Có đủ kiến thức phân biệt loại cảm biến, phạm vi dụng chúng - Lắp đặt số mạch điều khiển dùng cảm biến - Kiểm tra mạch điện lắp đặt cảm biến, phát cố có biện pháp khắc phục Nội dung mơn học/mơđun Môn học/môđun gồm 05 bài: Bài mở đầu: Khái niệm cảm biến Bài 1: Cảm biến nhiệt độ Bài 2: Cảm biến tiệm cận loại cảm biến xác định vị trí, khoảng cách Bài 3: Cảm biến đo lưu lượng Bài 4: Cảm biến đo vận tốc vịng quay góc quay CÁC HOẠT ĐỘNG CHÍNH CỦA MƠĐUN/MƠN HỌC * Hoạt động lớp: Học viên giáo viên giảng dạy hướng dẫn cách nhận biết, cách phân biệt hình dạng kích thước loại cảm biến, nghe giáo viên giảng giải, phân tích giải thích cấu tạo, nguyên lý làm việc ứng dụng loại cảm biến Học viên giáo viên giảng dạy hướng dẫn học sinh thảo luận tìm hiểu loại cảm biến ứng dụng lớp học * Hoạt động xưởng thực hành: Học viên giáo viên hướng dẫn thực hành hướng dẫn cách lắp đăt loại cảm biến, cách đo kiểm tra cực tính, chất lượng cảm biến, lắp đặt phát sai hỏng mạch cảm biến * Hoạt động tự học: Học viên tự sưu tầm tài liệu liên quan đến lĩnh vực cảm biến, làm tập giáo viên hướng dẫn giao cho BÀI MỞ ĐẦU KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ CÁC BỘ CẢM BIẾN GIỚI THIỆU Các cảm biến sử dụng nhiều lĩnh vực kinh tế kỹ thuật, cảm biến đặc biệt nhạy cảm sử dụng thí nghiệm, lĩnh vực nghiên cứu khoa Trong lĩnh vực tự động hố người ta sử dụng sensor bình thường đặc biệt Cảm biến có nhiều loại, đa dạng phong phú, nhiều hãng sản xuất, giúp người nhận biết trình làm việc tự động máy móc, tự động hố công nghiệp dùng nhiều cảm biến MỤC TIÊU BÀI HỌC Sau học xong học viên có đủ khả năng: - Đánh giá/xác định vị trí, nhiệm vụ ứng dụng cảm biến sống sinh hoạt sản xuất ngành kinh tế cần có độ tự động hố cao - Mô tả chức năng, nhiệm vụ điều kiện làm việc cảm biến, tính chất động cảm biến - Biết phạm vi ứng dụng cảm biến NỘI DUNG * Khái niệm cảm biến * Phạm vi ứng dụng * Phân loại cảm biến HOẠT ĐỘNG I : HỌC LÝ THUYẾT TRÊN LỚP Khái niệm cảm biến Cảm biến thiết bị chịu tác động đại lượng cần kiểm tra m khơng có tính chất điện cho ta đặc trưng mang chất điện (như điện tích, điện áp, dòng điện trở kháng), ký hiệu s Đặc trưng điện s hàm đại lượng cần đo m s = f (m ) Trong s đại lượng đầu phản ứng cảm biến m đại lượng đầu vào hay kích thích (có nguồn gốc đại lượng cần đo Việc đo đạc s cho phép nhận biết giá trị m Đối với cảm biến, để khai thác biểu thức cần phải chuẩn cảm biến, với loạt giá trị biết xác m, đo giá trị tương ứng s dựng đường cong chuẩn, đường cong chuẩn cho phép xác định giá trị m1 từ s1 Để dễ sử dụng, thông thường người ta chế tạo cảm biến cho có liên hệ tuyến tính biến thiên đầu Δs biến thiên đầu vào Δm Δs = S m m Đại lợng cần đo (m) Cảm biÕn s t2 tn t t1 t2 tn t t1 Đại lợng điện (s) Hình 1.1: Sự biến đổi đại lợng cần kiểm tra m phản ứng s theo thêi gian S độ nhạy cảm biến Vấn đề quan trọng thiết kế, chế tạo sử dụng cảm biến cho độ nhạy S chúng không đổi, nghĩa S phụ thuộc vào yếu tố sau: - Giá trị đại lượng cần đo m (độ tuyến tính) tần số thay đổi (dải thơng) - Thời gian sử dụng (độ già hố) - ảnh hưởng đại lượng vật lý khác (không phải đại lượng cần đo) môi trường xung quanh s s s2 s1 s1 m1 m2 t m1 t Hình 1.2: Dựng đường cong từ giá trị biết m, xác định m1 từ giá trị s1 Phạm vi ứng dụng Các cảm biến sử dụng nhiều lĩnh vực kinh tế kỹ thuật, cảm biến đặc biệt nhạy cảm sử dụng thí nghiệm, lĩnh vực nghiên cứu khoa Trong lĩnh vực tự động hố ngườita sử dụng sensor bình thường đặc biệt Phân loại cảm biến - Theo nguyên lý chuyển đổi kích thích đáp ứng Hi ện tượng chuyển đổi kích thích đáp ứng Nhiệt điện Quang điện Quang tử V ật l ý Điện từ Từ điện Biến đổi hoá học Biến đổi điện hố Hố học Phân tích phổ Biến đổi sinh hoá Sinh học Biến đổi vật lý Hiệu ứng thể sống - Theo dạng kích thích Kích thích Âm Điện Từ Cơ Quang Nhiệt Bức xạ Các đặc tính kích thích Biên pha, phân cực Phổ Tốc độ truyền sóng Điện tích, dịng điện Điện thế, điện áp Điện trường Điện dẫn, số điện môi Từ trường Từ thông, cường độ từ trường Độ từ thẩm Vị trí Lực, áp suất Gia tốc, vận tốc, ứng suất, độ cứng Mômen Khối lượng, tỉ trọng Độ nhớt Phổ Tốc độ truyền Hệ số phát xạ, khúc xạ Nhiệt độ Thông lượng Tỷ nhiệt Kiểu Năng lượng Cường đ ộ Theo tính + Độ nhạy + Độ xác + Độ phân giải + Độ tuyến tính + Cơng suất tiêu thụ Theo phạm vi sử dụng + Công nghiệp + Nghiên cứu khoa học + Mơi trường, khí tượng + Thơng tin, viễn thông + Nông nghiệp + Dân dụng + Giao thơng vận tải Theo thơng số mơ hình mạch điện thay + Cảm biến tích cực (có nguồn) : Đầu nguồn áp nguồn dòng + Cảm biến thụ động (khơng có nguồn): Cảm biến gọi thụ động chúng cần có thêm nguồn lượng phụ để hoàn tất nhiệm vụ đo kiểm, cịn loại cực tính khơng cần Được đặc trưng thơng số: R, L, C tuyến tính phi tuyến HOẠT ĐỘNG II: HỌC VIÊN TỰ NGHIÊN CỨU TÀI LIỆU Học viên tham khảo tài liệu đây: Điện tử cơng suất - Nguyễn Bính – Nhà xuất KHKT Điện tử công suất điều khiển động điện - Dịch từ tiếng Anh HOẠT ĐỘNG III: HỌC TẬP, THỰC TẬP TẠI XƯỞNG TRƯỜNG * Nội dung: - Nghiên cứu ứng dụng loại cảm biến - Tìm hiểu cách phân loại cảm biến 1/ Hình thức tổ chức: Chia thành nhóm nhỏ từ đến học sinh hướng dẫn giáo viên 2/ Dụng cụ: Giấy A0, bút dạ, 3/ Quy trình thực hiện: - Giáo viên tập trung lớp học viên, sơ lược cách nhận biết, ứng dụng cảm biến BÀI 1: CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ GIỚI THIỆU Cảm biến nhiệt độ sử dụng nhiều lĩnh vực kinh tế kỹ thuật, cảm biến nhiệt độ đóng vai trị định đến tính chất vật chất nhiệt độ làm ảnh hưởng đến đại lượng chịu tác dụng nó, ví dụ áp suất, thể tích chất khí vv cảm biến nhiệt độ nhạy cảm sử dụng thí nghiệm, lĩnh vực nghiên cứu khoa Trong lĩnh vực tự động hố người ta sử dụng sensor bình thường đặc biệt MỤC TIÊU BÀI HỌC Sau học xong học viên có đủ khả năng: - Đánh giá/xác định vị trí, nhiệm vụ ứng dụng cảm biến nhiệt độ - Mô tả chức năng, nhiệm vụ điều kiện làm việc cảm biến nhiệt độ - Biết phạm vi ứng dụng cảm biến nhiệt độ NỘI DUNG * Đại cương * Nhiệt điện trở với Platin Nickel * Cảm biến nhiệt độ với vật liệu silic * IC cảm biến nhiệt độ * Nhiệt điện trở NTC * Nhiệt điện trở PTC * Các thực hành ứng dụng loại cảm biến nhiệt độ HOẠT ĐỘNG I : HỌC LÝ THUYẾT TRÊN LỚP Đại cương Trong tất đại lượng vật lý, nhiệt độ đại lượng quan tâm nhiều nhiệt độ đóng vai trị định đến nhiều tính chất vật chất, nhiệt độ làm ảnh hưởng đến đại lượng chịu tác dụng nó, ví dụ áp suất, thể tích chất khí vv Để đo trị số xáccủa nhiệt độ vấn đề không đơn giản, nhiệt độ đại lượng đo gián tiếp sở tính chất vật phụ thuộc vào nhiệt độ Trước đo nhiệt độ ta cần đề cập đến thang đo nhiệt độ 1.1 Thang đo nhiệt độ Việc xác định thang đo nhiệt độ xuất phát từ định luật nhiệt động học - Thang đo nhiệt độ tuyệt đối xác định dựa tính chất khí lý tưởng Định luật Camot nêu rõ: Hiệu suất ( động nhiệt thuận nghịch hoạt động nguồn có nhiệt độ θ1 θ2 thang đo phụ thuộc vào θ1 θ2: Các phần tử cấu tạo tốc độ kế dịng chiều hình 4.1 Stato Cổ góp Rôto Chổi quét Dây dẫn Hình 4.1: Cấu tạo máy phát dòng chiều * Tc độ kế dòng xoay chiều Tốc độ kế xoay chiều có ưu điểm khơng có cổ góp điện chổi than nên có tuổi thọ bền hơn, khơng có tăng, giảm điện áp chổi than Xong nhược điểm mạch điện phức tạp hơn, để xác định biên độ cần phải chỉnh lưu lọc tín hiệu - Máy phát đồng bộ: loại máy phát điện xoay chiều cỡ nhỏ (hình 4.2), rơto máy phát gắn đồng trục với thiết bị cần đo tốc độ, rôto nam châm nhiều nam châm nhỏ, stato phần cảm, pha pha, nơi cung cấp suất điện động hình sin có biên độ tỉ lệ với tốc độ e = E sin quay rôto mµ E = K1 ω ; Ω = K ω Ωt Trong K1 K2 thông số đặc trưng cho máy phát đầu điện áp chỉnh lưu thành điện áp chiều, điện áp không phụ thuộc vào chiều quay hiệu suất lọc giảm tần số thấp, tốc độ quay xác định cách đo tần số sức điện động Phương pháp quan trọng khoảng cách đo lớn, tín hiệu từ máy phát đồng truyền xa suy giảm tín hiệu đường khơng ảnh hưởng đến độ xác phép đo (vì đo tần số) V Cuộn kích Rôto em Cuộn đo Hình 4.2 Hình 4.3: Cấu tạo máy phát khô ®å bé - Máy phát kgông đồng bộ: Cấu tạo máy phát không đồng tương tự động khơng đồng (hình 4.3) Rơto hình trụ kim loại mỏng quay với vận tốc cần đo, khối lượng qn tính khơng đáng kể, rtato làm thép kỹ thuật điện, có đặt cuộn dây bố trí hình vẽ, cuộn 63 thứ cuộn kích từ, cung cấp điện áp định mức có biên độ tần số không đổi ve = Ve Cosω e t Cuộn dây thứ cuộn dây đo, đầu cuộn dây xuất sức điện động có biên độ tỉ lệ với vận tốc góc cần đo em = E m cos(ω e t + φ ) = kωVe cos(ω e t + φ ) Do ¦ E m = kωVe = k ,ω mà k số phụ thuộc vào cấu trúc máy ; Φ độ lệch pha ; đo Em xác định ω 1.2 Đo vận tốc vòng quay phương pháp quang điện tử * Dùng cảm biến quang tốc độ với đĩa mã hóa Encoder thiết bị phát chuyển động hay vị trí vật, Encoder sử dụng cảm biến quang để sịnh chuỗi xung, từ chuyển sang phát chuyển động, vị trí hay hng chuyn ng ca vt th Nguồn sáng Đĩa quay Mạch tạo xung vuông Bộ thu Sóng sin Sóng vuông Hình 4.4: Sơ đồ hoạt động đĩa quang mà ho¸ Nguồn sáng lắp đặt cho ánh sáng liên tục tập trung xuyên qua đĩa, phận thu nhận ánh sáng lắp đặt mặt lại đĩa cho nhận ánh sáng, đĩa lắp đặt đến trục động hay thiết bị khác cần xác định vị trí cho trục quay, đĩa quay cho lỗ, nguồn sáng, phận nhận ánh sáng thẳng hàng tín hiệu xung vuông sinh Khuyết điểm: cần nhiều lỗ để nâng cao độ xác nên dễ làm hư hỏng đĩa quay * Đĩa mã hóa tương đối Encoder với xung khơng thể phát chiều quay, hầu hết Encoder mã hoá có xung thứ lệch pha 900 so với xung thứ xung xác định thời gian Encoder quay vịng Bé phËn ph¸t hiƯn (nhËn ¸nh s¸ng) Khe hë pha A Trôc quay Khe hë pha B Khe hë pha Z Bé phËn ph¸t (nguån sáng) Đĩa quay Hình 4.5: Sơ đồ thu phát Encoder tơng đối 64 Xung A, xung B v xung iu khiển, xung A xảy trước xung B, trục quay theo chiều kim đồng hồ, ngược lại xung Z xác định quay xong vòng Gọi Tn thời gian đếm xung, N0 số xung vòng (độ phân giải cảm biến tốc độ, phụ thuộc vào số lỗ), N số xung thời gian Tn Ġ(vịng/phút) Kh¸c pha 900 Pha A Pha B Pha Z Mét chu kú 3600 ®iƯn Hình 4.6: Dạng sóng Encoder xung * Đĩa mã hóa tuyệt đối Để khắc phục nhược điểm đĩa mã hố tương đối nguồn số đếm bị mất, cấu ngừng hoạt động vào buổi tối hay bảo dưỡng sửa chữa bật nguồn trở lại Encoder khơng thể xác định xác vị trí cấu Đĩa mã hố tuyệt đối thiết kế để ln xác định vị trí vật cách xác Đĩa Encoder tuyệt đối sử dụng nhiều vịng phân đoạn theo hình đồng tâm gồm phân đoạn chắn sáng khơng chắn sáng - Vịng xác định đĩa quay nằm nửa vòng tròn - Kết hợp vòng với vòng xác định đĩa quay nằm 1/4 vũng trũn no Khe hở (các đoạn không chắn sóng) Bộ phận nhận Bộ phận phát Trục quay Đĩa quay Hình 4.7: Sơ đồ thu phát Encoder tuyệt đối (sư dơng m· Gray) 65 - Các rãnh cho ta xác định vị trí 1/8, 1/16 …vv vịng trịn, vịng phân đoạn ngồi cho ta độ xác cuối - Loại Encoder có nguồn sáng thu cho vòng Encoder có 10 vịng có 10 nguồn sáng thu, Encoder có 16 vịng có 16 nguồn sáng thu - Để đếm đo vận tốc hay vị trí (góc quay), sử dụng mã nhị phân mã Gray Tuy nhiên thực tế có mã Gray sử dụng phổ biến 1.3 Đo vận tốc vòng quay với nguyên tắc điện trở từ * Các đơn vị từ trường định nghĩa - Từ trường: Là dạng vật chất tồn xung quanh dịng, hay nói xác xung quanh hạt mang điện chuyển động, tính chất từ trường tác dụng lực lên dòng điện, lên nam châm - Cảm ứng từ B: Về mặt gây lực từ, từ trường đặc trưng véctơ cảm ứng từ B Trong hệ thống đơn vị SI đơn vị cảm ứng từ B T (Tesla) 2 1T = 1Wb/m = 1V.s/m - Từ thông: Từ thơng gởi qua diện tích dS đại lượng giá trị bằng: Ġ Trong đóĠlà véc tơ cảm ứng từ điểm diện tích ấy.Ġlà véc tơ có phương véc tơ pháp tuyếnĠvới diện tích xét, chiều chiều dương pháp tuyến, độ lớn độ lớn diện tích Trong hệ thống đơn vị SI, đơn vị từ thông Wb (Weber), từ thông thay đổi đơn vị thời gian giây (1s), điện áp cảm ứng sinh cuộn dây vôn: 1Wb = 1Vs - Cường độ từ trường: Cường độ từ trường H đặc trưng cho từ trường riêng dòng điện sinh khơng phụ thuộc vào tính chất mơi trường đặt dịng điện Trong hệ thống đơn vị SI đơn vị cường độ từ trường A/m * Cảm biến điện trở từ Cảm biến điện trở từ linh kiện bán dẫn có cực điện, điện trở gia tăng tác động từ trường, trường hợp từ trường tác dụng thẳng góc mặt phẳng cảm biến ta có độ nhạy lớn nhất, chiều từ trường khơng ảnh hưởng đến hiệu ứng điện trở từ trường hợp Độ lớn tín hiệu cảm biến điện trở từ không phụ thuộc vào tốc độ quay, khác với trường hợp cảm biến điện cảm, độ lớn tín hiệu quan hệ trực tiếp với tốc độ quay, địi hỏi thiết bị điện tử phức tạp để thu nhận tín hiệu dải điện áp rộng Ngược lại với cảm biến điện trở từ, tín hiệu hình thành đổi hướng đường cảm ứng từ thay đổi theo vị trí bánh (Bending of magnetic field lines), tín hiệu cảm biến hình thành dù đối tượng khơng di chuyển rt chm 66 Các bánh Nam châm Đờng cảm ứng -Max a c b d V +Ma t -Max Hình 4.8: Tín hiệu tạo cảm ứng điện - Cảm biến điện trở từ với vật liệu InSb/NiSb B NiSb InSb I Dòng điện Hình 4.9 + Hiu ứng điện trở từ với vật liệu InSb/NiSb: Vật liệu bándẫn InSb liên kết III – V có độ linh động lớn Trong vật liệu bán dẫn, tác dụng từ trường hướng dịch chuyển điện tích bị lệch góc ( tag = B).Do chênh lệch đoạn đường dịch chuyển electron dài hơn, kết điện tử cảm biến gia tăng tác dụng từ trường, để hiệu 67 ứng sử dụng thực tế, góc cần phải lớn Trong kim loại góc bé, với germanium góc lệch khoảng 200, Indiumantimon độ linh động electron cao nên góc lệch = 800, với B = 1T Để tạo đường dịch chuyểncủa electron dài tốt tác dụng từ trườn, ngõ có thay đổi điện trở lớn hơn, cảm biến kết cấu hình vẽ 4.9 Nhiều phiến InSb (bề rộng vài (m) ghép nối tiếp nhau, phiến màng kim loại Trong thực tế với kỹ thuật luyện kim, người ta tạo kim Nickelantimon nằm bên InSb có chiều song song với cực điện, NiSb cho vào InSb chảy lỏng qua công đoạn làm nguội, vơ số kim NiSb hình thành bên InSb Các kim có đường kính khoảng (m dài 50 (m, kim dẫn điện tốt khơng có điện áp rơi Mật độ điện tích phân bố khơng InSb tác dụng từ trường, phân bố kim, ta có phân bố điện tích nơi khởi đầu vùng giống nơi khởi đầu vùng Điện trở từ coi hàm cảm ứng từ theo cách tính gần R B = R0 (1 + Kμ B ) Trong K số vật liệu có trị số khoảng 0,85 Điện trở cảm biến nằm khoảng 10 dến 500(, diện tích cắt ngang bán dẫn nhỏ tốt, nhiên chiều rộng nhỏ 80 (m - Cảm biến điện trở từ với vật liệu Permalloy + Hiệu ứng điện trở từ với vật liệu Permalloy Sù tõ ho¸ H Permalloy α Dòng điện Hình 4.10: Hiệu ứng điện trở từ Permalloy Một màng mỏng vật liệu sắt từ gọi Permalloy (20% Fe ; 80% Ni) Khi khơng có diện từ trường, véc tơ từ hoá bên vật liệu nằm song song với dòng điện Với từ trường nằm song song với mặt phẳng màng mỏng thẳng góc với dịng điện, véc tơ từ hố quay góc, kết điện trở Permalloy thay đổi theo α R = R0 + ΔR0 cos2 α 68 → α = → Rmax → α = 90 → Rmin R0 ΔR0 thông số phụ thuộc vào chất liệu Permalloy ΔR0 khoảng đến 3% R Nguyên tắc ứng dụng để đo tốc độ quay góc quay + Tuyến tính hố đặc tính cảm biến R a Barber Δ b R0 Permallo Sù tõ ho¸ -1 -0,5 0,5 Hy Ho H×nh 4.11 H×nh 4.12: a/ Đặc tuyến R-H cảm biến loại tiêu chuẩn b/ Đặc tuyến R-H cảm biến loại có barber poles Theo phương trình bậc 2:Ġ điện trở cảm biến điện trở từ khơng tuyến tính (hình 4.12), để cảm biến tiện lợi sử dụng tốt đặc tuyến tuyến tính, biện pháp thiết kế tốt điều cần thiết Hiệu ứng điện trở từ tuyến tính hố cách đặt màng mỏng nhơm gọi barber Cảm biến đo góc với tổ hợp có điện trở từ - Ngun tắc Từ cơng thức bản: R = R0 + ΔR0 cos α Ta R α có liên hệ gần đúng: R ≈ 2α Dựa nguyên tắc này, cảm biến đo góc mà không cần đụng chạm 2.1 Các loại cảm biến KM110BH/2 hãng Philips Semiconductor Loại cảm biến KM110BH/21 có dạng KMB110BH/2130 KMB110BH/2190 Tuy có thang đo khác mạch điện (hình 4-13) KMB110BH/2130 chế tạo với thang đo nhỏ để có độ khuyếch đại lớn 0 hơn, đo từ -15 đến +15 Tín hiệu tuyến tính (độ phi tuyển 1%) 0 KMB110BH/2190 đo từ -45 đến +45 , tín hiệu hình sin Cả cảm biến có tín hiệu dạng Analog Ngồi cảm biến cịn có dạng cảm biến thiết kế KM110BH/23 KM110BH/24 (xem bảng 4-1) 69 sensor Temperature Sngle range omperation Qurerc miter VCC Vo GND Hình 4-13: Sơ đồ khối loại cảm biến KM110BH/21, KM110BH/24 KM110BH/2390 Bảng 4-1: Thông số Thang đo Điện áp 2130 30 0,5 tới 4,5 2190 90 0,5 tới 4,5 KM110BH 2270 2390 70 90 0,5 tới 4,5 tới 20 Hình Tuyến sin tính 2430 30 0,5 tới 4,5 2470 70 0,5 tới 4,5 0,001 V Dòng điện mA Đặc tuyến Tuyến Hình Tuyến Hình ngõ tính sin tính sin Điện áp 5 8,5 5 V hoạt động Nhiệt độ -40 tới -40 tới -40 tới -40 tới -40 tới -40 tới C hoạt động +125 +125 +125 +125 +125 +125 Độ phân 0,001 0,001 0,001 0,001 0,001 0,001 Độ giải 2.2 Các loại cảm biến KMA10 KMA20 KMA10 KMA20 loại cảm biến đo góc (khơng cần đụng chạm) thiết kế để hoạt động môi trường khắc nghiệt hơn, ứng dụng lĩnh vực tự động công nghiệp Hai loại cảm biến KMA10 KMA20 thiết kế để phát triển hợp tác Philips Semiconductor AB Electronic KMA10 cho tín hiệu dạng dịng điện.(KMA10/70 phát triển từ loại KM110BH/2270) KMA20 cho tín hiệu dạng điện áp, KMA20/30 phát triển từ loại KM110BH/2430, KMA20/70 từ loại KM110BH/2470, cịn KMA20/90 phát triển từ loại KMA20/2390 Tuy nhiên tín hiệu từ KMA20/30 tuyến tính từ KMA20/70 hình sin Thơng số Thang đo Điện áp Dịng điện KMA10/70 70 tới 20 KMA20/30 30 0,5 tới 4,5 70 KMA20/70 70 0,5 tới 4,5 - KMA20/90 90 0,5 tới 4,5 - Đơn vị Độ V mA Đặc tuyến ngõ Điện áp hoạt động Nhiệt độ hoạt động Độ phân giải Hình sin Tuyến tính Hình sin Tuyến tính 8,5 5 V -40 tới +100 -40 tới +125 -40 tới +125 -40 tới +125 0,001 0,001 0,001 0,001 C Độ 2.3 Máy đo góc tuyệt đối (Resolver) Máy đo góc tuyệt đối cấu tạo gồm phần, phần động gắn liền với trục quay động chứa cuộn sơ cấp kích thích sóng mang tần số – 10 Khz qua máy biến áp quay (Hình 4-14a) Phần tĩnh có dây thứ cấp (cuộn sin cuộn cos) đặt lệch 90 , đầu racủa dây quấn thứ cấp ta thu tín hiệu điều biên UU0siinωtsin∂ UU0sinωtcos∂ (hình 4-15b) Đường bao kênh tín hiệu chứa thơng tin vị trí tuyệt đối (góc ∂) rơto máy đo,có nghĩa vị trí tuyệt đối rơto động (hình 4-15c) Có cách thu thập thơng tích ∂: - Hiệu chỉnh sửa sai góc thu sở so sánh góc cài đặt sẵn số vi mạch sẵn có, vi cho tín hiệu góc dạng số (độ phân giải 10 – 16 bit/1 vòng tốc độ quay dạng tương tự - Dùng chuyển đổi tương tự - số để lấy mẫu trực tiếp từ đỉnh tín hiệu điều chế Trong trường hợp cần đồng chặt chẽ thời điểm lấy mẫu khâu tín hiệu kích thích – 10 kHz Kích thích – 10kHz Sin Trục Sin Trục a/ Cos Biến áp Cos Kích thích Rơto Cos b/ c/ Hình 4-15:Máy đo góc tuyệt đối a/ cấu tạo; b/ Sơ đồ nguyên lý; c/ Hai kênh tín hiệu 71 Các thực hành ứng dụng 3.1 Thực hành cảm biến đo góc 3.1.1 Thực hành với encoder đĩa mã hóa tương đối * Mục đích – u cầu - Khảo sát encoder E6A2 – CW3C - Đo tốc độ động với encoder loại đĩa mã hóa tương đối * Thiết bị : encoder E6A2 – CW3C, máy đo tốc độ góc H7ER, động cơ, thiết bị cần thiết khác * Thực : * Ghi nhận thông số kỹ thuật thiết bị : Điện áp hoạt động : Độ phân giải : * Vẽ sơ đồ mắc cảm biến : * Kết nối encoder với động cần đo tốc độ (về mặt cơ) * Kết nối cảm biến với máy đo tốc độ hình vẽ 4-16 Nâu Đen Xanh E6A2 to 12V DC H7ER Hình 4-16 * Ghi nhận thông số tốc độ đo 3.1.2 Thực hành với encoder tuyệt đối * Mục đích – yêu cầu - Khảo sát encoder E6CP – AG5C - C - Đo tốc độ động với encoder * Thiết bị : encoder E6CP – AG5C – C, thiết bị đo vị trí H8PS – 8P Cam, động thiết bị cần thiết khác 0 * Máy đo vị trí E6CP – AG5C – C đo từ đến 359 * Thực : * Ghi nhận thông số kỹ thuật encoder: Điện áp hoạt động : Độ phân giải : * Các thông số kỹ thuật máy đo vị trí - Điện áp hoạt động : 24 vôn DC - Chức chân : Chân E6CP – AG5C – C 2 72 7 2 10 11 -12 12 vôn tới 24 vôn DC 13 vôn * Vẽ sơ đồ mắc cảm biến : * Kết nối encoder với động cần đo tốc độ (về mặt cơ) * Kết nối cảm biến với máy đo tốc độ 3.2 Thực hành với cảm biến đo vòng quay 3.2.1 Cảm biến KMI15/1 * Yêu cầu - mục đích: Khảo sát cảm biến KMI15/1 * Thiết bị : Cảm biến KMI15/1, điện trở 115Ω, Tụ điện 100nF, đối tượng dạng thụ động * Sơ đồ chân Chân Chức Vcc V * Thực lắp mạch : Vcc Cảm biến Icc RL USignal GND - Điện áp Vcc : 12 vôn DC - Lắp đặt cảm biến hình vẽ 4-17 ; d = 2,5 mm - Cho đối tượng quay - Dùng máy đo dao động kí đo tín hiệu - Vẽ lại dạng sóng - Ghi nhận giá trị nhỏ nhất, giá trị trung bình tín hiệu Cảm biến d d Bánh Hình 4-17 73 3.2.2 Cảm biến đo vịng quay KMI16/1 * Yêu cầu - mục đích: Khảo sát cảm biến KMI16/1 * Thiết bị: Cảm biến KMI16/1, điện trở 2,7 kΩ, 10 kΩ, tụ điện 2,2nF, đối tượng dạng thụ động (giống KMI15/1) * Sơ đồ chân Chân Ký hiệu Vcc Vout GND Chức Nối với nguồn DC Ngõ tín hiệu Nối đất * Thực lắp mạch : - Điện áp hoạt động Vcc = vôn DC - Ghi chú: Cảm biến hoạt động với điện áp 4,5 vôn đến 16 vôn DC (nhưng giá trị ngõ thay đổi) - Lắp đặt cảm biến hình vẽ 4-18 d = 2,5mm - Cho đối tượng quay - Dùng máy đo dao động kí đo tín hiệu - Giá trị điện áp mức cao: Cảm biến - Giá trị điện áp mức thấp: - Vẽ lại dạng sóng d Bánh Hìn h 4-18 3.2.3 Thực hành với cảm biến đo góc KM110BH/2430, KM110BH/2470 * Yêu cầu - mục đích: Khảo sát cảm biến đo góc KM110BH/2430, KM110BH/2470 * Thiết bị: Nam châm (NdFeB) kích thước 11,2 x 5,5 x mm Cảm biến đo góc KM110BH/2430, KM110BH/2470 Nguồn vôn DC vôn kế thiết bị đo lường cần thiết * Các thông số thiết bị * Sơ đồ chân Chân Chú thích Ground Vcc V0 74 * Thí nghiệm : Ghi nhận thơng số hoạt động cảm biến Điện áp hoạt động Thang đo Dạng tín hiệu KM 110BH/2430 KM 110BH/2470 Vẽ mạch kết nối cảm biến, ngõ dùng RL = 1,7 kΩ (vơn kế đo giá trị tín hiệu mắc song song với RL) Lắp đặt nam châm song song với cảm biến (d = 2,5mm) Thay đổi vị trí nam châm, đo giá trị ngõ ra, vẽ đồ thị biểu diễn thay đổi giá trị ngõ theo góc quay HOẠT ĐỘNG II: HỌC VIÊN TỰ NGHIÊN CỨU TÀI LIỆU Học viên tham khảo tài liệu đây: Các cảm biến kỹ thuật đo lường điều khiển Lê Văn Doanh, Phạm Thượng Hàn, Nguyễn Văn Hoà, Đào Văn Tân Nhà xuất Khoa học kỹ thuật Hà Nội Cảm biến ứng dụng – Dương Minh Trí - Nhà xuất Khoa học kỹ thuật Hà Nội Giáo trình cảm biến - Phạm Quốc Phô, Nguyễn Đức Chiến - Nhà xuất Khoa học kỹ thuật Hà Nội Giáo trình cảm biến – Trung tâm Việt - Đức phát hành HOẠT ĐỘNG III: HỌC TẬP, THỰC TẬP TẠI XƯỞNG TRƯỜNG * Nội dung: - Nghiên cứu ứng dụng loại cảm biến đo tốc góc vịng quay - Tìm hiểu cách phân loại, ứng dụng cảm biến đo góc vịng quay 1/ Hình thức tổ chức: Chia thành nhóm nhỏ từ đến học sinh hướng dẫn giáo viên 2/ Dụng cụ, thiết bị: Các loại cảm biến đo tốc độ góc, tốc độ vịng quay, tranh, ảnh vẽ cảm biến đo tốc độ góc, vịng quay cách lắp đặt 3/ Quy trình thực hiện: - Giáo viên tập trung lớp học viên, sơ lược cách nhận biết, ứng dụng, cách lắp đặt cảm biến đo tốc độ góc tốc độ vịng quay - Giáo viên hướng dẫn cách khảo sát, làm mẫu cách lắp đặt cảm biến đo tốc độ góc vịng quay - Cuối học, giáo viên hướng dẫn kiểm tra, đánh giá nhận xét tới học viên trình luyện tập 75 MỤC LỤC ĐỀ MỤC TRANG Lời nói đầu : Bài mở đầu : Khái niệm cảm biến .5 Bài : Cảm biến nhiệt độ Bài : Cảm biến tiệm cận loại cảm biến xác định vị trí, khoảng cách 34 Bài : Phương pháp đo lưu lượng 49 Bài : Đo vận tốc góc quay vịng quay 62 76 ... học kỹ thuật Hà Nội Cảm biến ứng dụng – Dương Minh Trí - Nhà xuất Khoa học kỹ thuật Hà Nội Giáo trình cảm biến - Phạm Quốc Phô, Nguyễn Đức Chiến - Nhà xuất Khoa học kỹ thuật Hà Nội Giáo trình cảm. .. học kỹ thuật Hà Nội Cảm biến ứng dụng – Dương Minh Trí - Nhà xuất Khoa học kỹ thuật Hà Nội Giáo trình cảm biến - Phạm Quốc Phô, Nguyễn Đức Chiến - Nhà xuất Khoa học kỹ thuật Hà Nội Giáo trình cảm. .. b/ Thực hành với cảm biến tiệm cận điện cảm * Mục đích - yêu cầu Khảo sát cảm biến tiệm cận điện cảm IW-5020-IVE3020-BPKG * Thiết bị: + cảm biến tiệm cận điện cảm IW-5020-IVE3020-BPKG + Tải: Relay