Bài giảng kỹ thuật đo lường cảm biến

B GIO DC V O TO TRNG I HC S PHM K THUT HNG YấN KHOA IN IN T BI GING K THUT O LNG CM BIN BI GING K THUT O LNG CM BIN PHN 1: K THUT O LNG CHNG 1: KHI NIM V O LNG CC C CU CH TH O LNG 1.1 Lý lun chung v o lng 1.1.1 nh ngha v phõn loi phộp o a nh ngha nh ngha o lng rt quan trng vỡ nú th hin quan im i vi k thut o lng Nú l tin c bn cho mi lý lun v thit b o v h thng thụng tin o lng Do ú ta cú th thng nht v nh ngha o lng nh sau: o lng l mt quỏ trỡnh ỏnh giỏ nh lng i lng cn o cú kt qu bng s so vi n v o Khỏi nim v ỏnh giỏ nh lng õy cú th hiu rt hp nh phộp o bin i thng nhng cng cú th hiu l quỏ trỡnh thu thp v bin i tin tc hoc quỏ trỡnh c lng v ỏnh giỏ c lng ca cỏc quỏ trỡnh ngu nhiờn, kt qu ỏnh giỏ l mt s so vi n v th hin quỏ trỡnh lng t hoỏ v mó hoỏ kt qu bng s v mt phộp so vi n v Vi nh ngha trờn thỡ o lng l mt quỏ trỡnh th hin ba thao tỏc chớnh l: - Bin i tớn hiu v tin tc - So sỏnh vi n v o hay so sỏnh vi mu quỏ trỡnh o lng - Chuyn n v, mó hoỏ cú kt qu bng s so vi n v Vy quỏ trỡnh o cú th vit di dng: Ax = X/Xo Trong ú: Ax : L kt qu ca i lng cn o X : i lng cn o Xo : n v o Ngnh khoa hc chuyờn nghiờn cu v cỏc phng phỏp o cỏc i lng khỏc nhau, nghiờn cu v mu v n v o gi l o lng hc Ngnh k thut chuyờn nghiờn cu v ỏo dng cỏc thnh qu ca o lng hc vo phc v sn xut v i sng gi l k thut o lng thc hin quỏ trỡnh o lng ta phi bit chn cỏch o khỏc ph thuc vo i tng o, iu kin o v chớnh xỏc yờu cu ca phộp o b Phõn loi phộp o thc hin mt phộp o ngi ta cú th thc hin nhiu cỏch khỏc Ta cú th phõn nh sau: a o trc tip: l cỏch o m kt qu nhn c t mt phộp o nht Cỏch o ny nhn c kt qu ngay, dng c o s dng thng ng vi kt qu o Vớ d: o in ỏp dựng Vụn Chỳng ta thy thc t cỏc phộp o u s dng phộp o u s dng cỏch o trc tip ny b o giỏn tip: L cỏch o m kt qu o suy t s ph hp kt qu ca nhiu phộp o tr tip BI GING K THUT O LNG CM BIN Vớ d: o in tr dựng Vụn v ampe một, sau ú ta tớnh in tr Cỏch o ny gp phi sai s l tng sai s ca cỏc phộp o c o hp b: Cỏch o m kt qu o s c a cựng mt lỳc vi gii h phng trỡnh d o thng kờ L cỏch o m ta o nhiu ln sau ú ly trung bỡnh Thc hin tớn hiu o l ngu nhiờn hoc kim tra chớnh xỏc ca mt dng c o 1.1.2 Sai s, phng phỏp gim sai s a Sai s ca phộp o Ngoi sai s ca dng c o, vic thc hin quỏ trỡnh o cng gõy nhiu sai s Nhng sai s ny gõy bi nhng yu t nh: Phng phỏp o c chn, mc cn thn oDo vy kt qu o lng khụng ỳng vi giỏ tr chớnh xỏc ca i lng o m cú sai s ú l sai s ca phộp o Cú th phõn loi sai s ca phộp o nh sau: Theo cỏch th hin bng s Sai s tuyt i l hiu gia i lng o X v giỏ tr thc Xth X = X Xth Sai s tng i X c tớnh bng phn trm ca t s sai s tuyt i v giỏ tr thc: = 100 100 Vỡ X v Xth gn bng Theo ngun gõy sai s Ngi ta phõn thnh: Sai s phng phỏp l sai s sinh s khụng hon thin ca phng phỏp o v s khụng chớnh xỏc biu thc lý thuyt cho ta kt qu ca i lng o Sai s thit b l sai s ca thit b o s dng phộp o, nú liờn quan n cu trỳc v mch o ca dng c khụng c hon chnh, tỡnh trng ca dng c o Sai s ch quan l sai s gõy ngi s dng Vớ d nh mt kộm, cu th Sai s khỏch quan l sai s gõy nh hng ca iu kin bờn ngoi lờn i tng o cng nh dng c o Vớ d nh nhit , m Theo quy lut xut hin ca sai s Sai s h thng l thnh phn sai s ca phộp o luụn khụng i hay l thay i cú quy lut o nhiu ln mt i lng o Sai s h thng khụng i bao gm sai s khc thang o, sai s hiu chnh dng c o khụng chớnh xỏc (chnh khụng ỳng), sai s nhit ti thi im o v.v Sai s h thng thay i cú th l sai s s bin ng ca ngun cung cp (pin b yu i) nh hng ca cỏc trng in t hay nhng yu t khỏc BI GING K THUT O LNG CM BIN Vic phỏt hin sai s h thng l rt phc nhng nu ó phỏt hin c thỡ vic ỏnh giỏ v loi tr nú s khụng cũn khú khn Vic loi tr sai s h thng cú th tin hnh bng cỏch: phõn tớch lý thuyt; kim tra dng c o trc s dng nú; chun trc o; chnh trc o; tin hnh nhiu phộp o bng cỏc phng phỏp khỏc nhau; s dng phng phỏp th; s dng cỏc bự sai s ngc du (cho mt lng hiu chnh vi du ngc li); trng hp sai s h thng khụng i thỡ cú th loi c bng cỏch a vo mt lng hiu chnh hay mt h s hiu chnh Lng hiu chnh l giỏ tr cựng loi vi i lng o c a thờm vo kt qu o nhm loi sai s h thng H s hiu chnh l s c nhõn vi kt qu o nhm loi sai s h thng Sai s ngu nhiờn l thnh phn sai s ca phộp o thay i khụng theo mt quy lut no c m ngu nhiờn nhc li phộp o nhiu ln mt i lng nht Giỏ tr v du ca sai s ngu nhiờn khụng th xỏc nh c, vỡ sai s ngu nhiờn gõy nhng nguyờn nhõn m tỏc ng ca chỳng khụng ging mi ln o cng nh khụng th xỏc nh c phỏt hin sai s ngu nhiờn ngi ta nhc li nhiu ln o cựng mt i lng v vỡ th xột nh hng ca nú n kt qu o ngi ta s dng toỏn hc thng kờ v lý thuyt xỏc sut b Sai s ca dng c o Nguyờn nhõn gõy sai s ca dng c o thỡ cú nhiu loi Cú th ú l nhng nguyờn nhõn chớnh phng phỏp o gõy hoc nguyờn nhõn no y cú tớnh quy lut hoc cng cú th l cỏc yu t bin ng ngu nhiờn gõy Trờn c s ú ngi ta phõn bit hai loi sai s l sai s h thng v sai s ngu nhiờn Sai s h thng: cũn gi l sai s c bn, l sai s m giỏ tr ca nú luụn luụn khụng i hay thay i cú quy lut Sai s ny v nguyờn tc cú th loi tr c Sai s ngu nhiờn: l sai s m giỏ tr ca nú thay i rt ngu nhiờn cỏc bin ng ca mụi trng bờn ngoi (nhit , ỏp sut, m) Sai s ny cũn gi l sai s ph Tiờu chun ỏnh giỏ chớnh xỏc ca dng c o l cp chớnh xỏc Ngi ta quy nh cp chớnh xỏc ca dng c o ỳng bng sai s tng i quy i ca dng c o ú: %= 100% XN: l giỏ tr cc i ca thang o m: l sai s tuyt cc i c Sai s ca kt qu cỏc phộp o giỏn tip Khi tớnh toỏn cỏc sai s ngu nhiờn ca phộp o giỏn tip cn nh rng i lng cn o cú quan h hm vi mt hay nhiu i lng o trc tip Gi s X l i lng cn o bng phộp o giỏn tip; Y,V,Z l cỏc i lng o c bng phộp o trc tip X = F(Y,V,Z) BI GING K THUT O LNG CM BIN Y, V, Z l cỏc sai s h thng tng ng o Y, V, Z ; X l sai s h thng xỏc nh X TH1: X = aY + bV + cZ X = a Y + bV+ cZ TH2: Vớ d: Phng phỏp o in ỏp dựng ễm k v Ampe k Bit = 1% Tớnh = 3% v =? % LG Ta cú U = I.R + U = = + = + = + = + = (3% + 1%) = 4% 1.2 c tớnh ca thit b o 1.2.1 nhy nhy ca mt dng c o c tớnh bng: S Y X Y Y=f(X) Nờu nờn s bin thiờn ca i lng u Y so vi s bin thiờn nh u vo X Y - Trong trng hp quan h gia i lng u v i lng u vo l tuyn tớnh thỡ nhy S = const v c gi l nhy ca thit b o X - Trong trng hp S l hm ca X thỡ quan h X l phi tuyn ( nhy thay i theo giỏ tr o) Nh vy núi n nhy ngha l xỏc nh S phm vi nh xung quanh X thỡ ta cú quan h tuyn tớnh - Trong trng hp thit b gm nhiu khõu thỡ ta cú: S = S1 S2 Sn Theo lý thuyt thỡ xột quan h Y, X thỡ X nh bao nhiờu cng c nhng thc t cho thy vi X nh n mt giỏ tr no y (X ) thỡ Y khụng th xỏc nh c Nguyờn nhõn ma sỏt, hin tng tr, BI GING K THUT O LNG CM BIN : c gi l ngng nhy (cú th núi ú l giỏ tr nh nht m thit b o cú th phõn bit - ngi quan sỏt hay gúc quay ln) Kh nng phõn ly: R X max X D 1.2.2 Tc o L thi gian xỏc lp kt qu o Cho phộp ỏnh giỏ i lng u Y cú theo kp v thi gian vi s bin thiờn ca i lng o khụng (i lng u vo X) Thi gian hi ỏp (tr) l i lng c s dng xỏc nh giỏ tr ca nhanh Tc o: v ; T T l khong thi gian ngn nht gia hai ln o n nh 1.2.3 chớnh xỏc Tiờu chun quan trng nht ca thit b o l tớnh chớnh xỏc ca nú: A XN D X m X Vi thit b sai s ch yu ngngnhy thỡ chớnh xỏc chớnh l kh nng phõn ly: A R D 1.2.4 in tr - cụng sut tiờu th a) in tr vo: Mi dng d o cú in tr ca nú in tr ln hay nh ph thuc vo tớnh cht ca i tng o in tr vo phi ln m tớn hiu ca khõu trc ú di dng in ỏp (ngha l dũng nh v cụng sut tiờu th ớt nht) Vớ d vụnmột phi cú RV >> thỡ cng tt b) in tr ra: Xỏc nh cụng sut cú th truyn ti cho chuyn i tip theo in tr cng nh thỡ cụng sut cng ln BI GING K THUT O LNG CM BIN 1.3 C cu ch th ca dng c o tng t 1.3.1 C s chung Dng c o c in l loi thit b o s dng nng lng in t trng ca mch o thnh nng lng c hc lm quay phn ng i mt gúc so vi phn tnh Loi dng c ny l dng c o chuyn i thng S dng c c in: hỡnh 1.7 Y = fY(X) = f(X) = F(X); quan h , X l tuyn tớnh hay phi tuyn tng ng ta cú thang o u hay khụng u Phng trỡnh c tớnh thang o: - Mụ men quay: Khi cú dũng in qua c cu, c cu tớch lu mt nng lng in t trng We Nng lng ny bin i thnh c nng lm quay phn ng mt gúc d Thc hin mt cụng c hc: dA = Mq.d Theo nh lut bo ton nng lng: dA = dWe Suy ra: M q dW e d + Trong t: We C U - c cu tnh in + Trong cun dõy: We L.I - c cu in t + Nng lng h cm gia hai cun dõy: We = M1,2.I1.I2 - c cu, in ng - Mụ men cn hỡnh 1.8: Di tỏc ng ca Mq, nu khụng cú gỡ cn thỡ phn ng s quay i mt gúc ln nht cú th, khụng ph thuc mụ men quay ln hay xỏc nh quan h cht ch gia gúc quay v mụ men quay Mq ( ú vi i lng cn o X) cn cú mt mụ men tỏc ng ngc chiu vi mụ men quay gi l mụ men cn (Mc) Ta d dng to mt mụ men t l vi nh lũ xo xon, dõy cng, dõy treo: Mc = D Trong ú: D - mụ men cn riờng ca lũ xo (ph thuc vo vt liu, kớch thc) BI GING K THUT O LNG CM BIN - Phng trỡnh c tớnh thang o: Di tỏc ng ng thi ca mụ men quay v mụ men cn, phn ng ca c cu o s dng ti v trớ c Mq = Mc (c l v trớ cõn bng ca phn ng) Ta cú: dW e D. d Ta cú phng trỡnh c tớnh thang o: dW e D d Phng trỡnh c tớnh thang o cho bit cú thang o u hay khụng u Nhng khụng phi trng hp no cỏc ng cong Mq cng cú th biu din di dng gii tớch c Vỡ vy thc t xõy dng thang o mt c cu ngi ta dựng phng phỏp th Ni dung phng phỏp: Bng thc nghim xõy dng cỏc ng cong mụ men quay Mq = f() vi cỏc giỏ tr X khỏc Vớ d vi c cu in t ta xõy dng cỏc ng cong 1;2;3;4 (hỡnh 1.9) vi cỏc giỏ tr X tng ng 40;60;80 v 100% Xm (Xm - giỏ tr nh mc lm kim lch ton thang) Gi s Xm = I0 = 50mA; cỏc ng cong Mq ct ng cong mụ men cn ti cỏc im A, B, C, D ta c cỏc v trớ 1, 2, 3, ng vi cỏc tr s ny cỏc tr s tng ng ca X l 20, 30, 40, 50mA Nh vy ta cú thang o theo n v ca i lng u vo Nu Y = fy(X) l tuyn tớnh thỡ dng thang o X cng l ca Y Ngha l khụng cn khc li m ch thay giỏ tr X bng Y theo mt h s Nu Y = fy(X) l phi tuyn ta phi thc hin thờm mt bc trung gian; t quan h cho giỏ tr X tớnh Y Trờn thang o theo n v X thay bng tr s Y ta c thang o theo n v Y - Mụ men n nh hỡnh 1.10: Di tỏc ng ca mụ men quay phn ng lờch v trớ ti v trớ cõn bng c ng vi lỳc Mq = Mc Nhng vỡ quỏn tớnh nờn phn ng khụng dng c m di chuyn n v trớ = c + , v trớ ny mụ men tỏc ng lờn phn ng: Mc - Mq = Mụ Quỏ trỡnh ngc li: = c - ; mụ men tỏc ng: Mq - Mc = Mụ BI GING GI K THUT O LNG CM BI N Mụ men n nh nh tỏc ng lờn phn ng kộo phn ng ng tr tr v v trớ cõn bng c Chiu ca mụ men nn nh l chiu ca mụ men cú tr s nh hn - Mụ men ma sỏt:: (vi (v phn ng dựng dõy cng, dõy treo khụng xột n mụ men ma sỏt) Ta xột c cu tr c, tr hỡnh 1.11: + Khi phn ng ng t t = n c cú ma sỏt nờn khụng n n c c m dng li : - Mc + Mq = Mms Hay: Mq - Mc - Mms = + Quỏ trỡnh i lng o gim, phn ng t max v 0, ma sỏt nú dng trc v c Phng trỡnh tr cõn bng: Mc - Mq = Mms Hay: Mc - Mq - Mms = T th hỡnh 1.11 ta cú: ms = c - ms = - c Theo s phõn tớch trờn thỡ Mụ ngc vi Mms; Mụ cú khuynh hng kộo phn ng v v trớ cõn bng, b cũn mụ men ma sỏt cú khuynh hng ng ng ngc li Khi Mụ = Mms thỡ kim dng v trớ no ú khỏc c 1.3.2 Nhng b phn, n, chi tit ti chung ca c cu ch th c in n a) Trc v tr (Hỡnh 1.12) Trcc quay Tr Tr quay Hỡnh 1.12 Trc v tr l hai b b phn rt quan trng ca cỏc c cu: u: nú m bo cho phn ng quay (kim ch,, lũ xo phn, ph khung quay, ) Cht lng caa chỳng quy quyt nh sai s ma sỏt Trc: cc lm bng b thộp trũn ng kớnh 0,8 1,5 1,5 mm, = 45 600, tn cựng bỏn kớnh 0,05 0,3mm; cú cng cao Tr:: Lm bng b ỏ cng, mt tr cc khoột nún lừm cú gúc nh bng 80o tr cú th c iu chnh lờn xung BI GING NG K K THUT O LNG CM BIN b) Lũ xo phn khỏng - Cụng dng: + a dũng ũng vo khung dõy (t (t in, in ng, st in ng) + To mụmen cn n cõn bng b vi mụmen quay Yờu cu: m bo ch th c chớnh xỏc mụmen cn riờng D ca lũ xo phi n nh ( tr s caa nú khụng thay i theo thi gian v Hỡnh 1.13 nhit ) t c yờu cu trờn lũ xo thng c ch to t nhng vt liu cú kh nng n hii lln - c im: + Cú dng hỡnh xon cc (Hỡnh 1.13) + u ca lũ xo gn n vi v trc quay, u ngoi gn vi b iu chnh O ca kim c nh trờn trc quay + Trong mt c cu ch th cú hai lũ xo phn khỏng ngc chiuu c) Kim ch th (Hỡnh 1.14) Cụng dng: ch th gúc quay Yờu cu: Kim phi nh,, bn b vng, khụng b han r nờn c ch to bng nhụm, hp p kim nhụm hoc ho cú th lm bng thu tinh c im: Hỡnh dng c a kim ph thuc vo cp chớnh xỏc ca dng c o v khong cỏch c kt qu o Hỡnh 1.14 d) Thang o - L mt khc :: Trờn mt m mu trng ngi ta khc mu en v ng ngc li Nu dng c dựng lm vic c ngy ln ờm thỡ khc vch bng chtt phỏt quang - Gúc lch caa kim ph ph thuc v trớ t, chớnh xỏc - Phớa di caa thang o luụn luụn t mt gng trỏnh sai ss (khi c quan sỏt kim trựng vi búng caa nú) e) B phn cn du u - Cụng dng: Dựng nhanh nhan chúng chúng xỏc lp kt qu o bng cỏch hn ch s dao ng ca kim xung quay v trớ cõn bng ng - Cu to: o: Cú hai loi lo cn du (Hỡnh 1.15) + Cn du khụng khớ: gm m mt m hp kớn Hỡnh 1.15 cú cỏnh chuyn ng lin n vi v trc, phn ng chuyn ng thỡ cỏnh chuy chuyn to s chờnh lch bờn v v ỏp sut v nhanh chúng dng li + Cn du cm ng t: g m lỏ nhụm gn lin phn ng ng cú hỡnh qu qut di chuyn khe h ca mtt nam chõm vnh v cu to nờn mt dũng cm ng ng Do ss tỏc ng tng h gia dũng in t trng ng ca c nam chõm to mt lc chng lii ss chuyn ng ca phn ng 10 BI GING K THUT O LNG CM BIN b) B phỏt v thu quang t vuụng gúc vi Hỡnh 4.26: Tớnh cht phn x ca ỏnh sỏng b) Cm bin quang vi b phỏt thu tỏch ri Hỡnh 4.27: Cm bin quang s dng tớnh cht súng ca ỏnh sỏng Nguyờn lý : ỏnh sỏng t b phỏt quang vi tn s v cng phự hp vi b thu quang c b thu quang chuyn thnh tớn hiu in Hỡnh 4.28: B phỏt thu t i xng 4.4.2 Cỏc dng cm bin quang a) Cm bin quang hng ngoi * Mụ t: L nhng loi cm bin s dng ỏnh sỏng hng ngoi l ỏnh sỏng khụng nhỡn thy Ngun sỏng c to t cỏc LED phỏt ỏnh sỏng hng ngoi v nú c gi l b phỏt B thu cú th l Photodiode hoc Phototransistor Hỡnh 4.29: Nguyờn lý cm bin hng ngoi phn x 176 BI GING K THUT O LNG CM BIN * Cỏc dng hot ng ca cm bin quang Cm bin quang cú dng hot ng chớnh ú l: - Ti hot ng (Dark Operate) - Sỏng hot ng (Light Operate) Ti hot ng l mt dng hot ng ca cm bin, m ti c cp in ỏnh sỏng t b phỏt khụng n c b thu ca cm bin Hỡnh 4.30: Nguyờn lý ti hot ng Sỏng hot ng l mt dng hot ng ca cm bin, m ti c cp in ỏnh sỏng t b phỏt c truyn ti b thu ca cm bin Hỡnh 4.31: Nguyờn lý sỏng hot ng c) Cm bin quang ng dng cỏp quang v cụng ngh Laser * Si quang (Fiber Optics) Si quang c dựng truyn dn ỏnh sỏng Nhng cm bin si quang thng cú b phỏt, b thu, v cỏp un cong vi rt nhiu si quang truyn ỏnh sỏng Cm bin cú th s dng cỏp ụi tỏch riờng cho b phỏt v b thu, hoc nú cng cú th s dng cỏp n Khi s dng cỏp n, thỡ b phỏt v b thu s dng dng bin i n s phõn phi b phỏt v si truyn bờn cỏp quang Cú cỏc dng c bn nh sau 177 BI GING NG K K THUT O LNG CM BIN N Hỡnh 4.32: Cu C trỳc cỏp quang Si thu tinh c s dng d ngun phỏt l ỏnh sỏng hng ng ngo ngoi Si nha c s dng ngun n phỏt l ỏnh sỏng nhỡn thy th * Cỏc dng cm bin n dựng cỏp quang Hỡnh 4.33: Cm C bin si quang i xng Hỡnh 4.34: Cm C bin si quang phn x gng Hỡnh 4.35: Cm C bin si quang phn x * Laser (LASER: Light Amplification by Stimulated Emision of Radiation Radiation) nh sỏng Laser cng ng thng th c s dng lm ngunn sỏng cca cm bin Thụng thng ngi ta s dng ng ỏnh sỏng Laser thuc thu c nhúm 2, nhúm ny cú cụng su sut im phỏt cc i 1mV i vi ỏnh sỏng Lasers s dng cnn ph phi chỳ ý n cnh bỏo s nguy him caa nú Nhng cm bin n Laser thỡ c dựng di dng ng chựm tia, quột tỏn xx, v quột tỏn x vi c s loi b nhng ng bin bi thỏi nh sỏng Laser cú cng ng cao hn ỏnh sỏng nhỡn thy, y, ỏnh sỏng ny cú th th thit lp v hiu chnh mtt cỏch dd dng Cụng ngh Laser c s dng kim m tra cỏc i tng rt nh ti mt khong ng cỏch lln Vớ d i vi loi Cm m bin bi L18 ca Siemens cú th kim tra mt i tng cú kớch thc 0,03 mm ti mtt khong kho cỏch l 80 cm 178 BI GING K THUT O LNG CM BIN Cm bin s dng cụng ngh Laser c ng dng rng rói cỏc lnh vc o lng v iu khin t ng Nú c dựng xỏc nh v trớ, kim tra tc quay, hoc kim tra dy ti 0,1mm, ngoi cũn nhiu ng dng khỏc na 4.4.3 Lp t ng dng cm bin quang cụng ngip a) S kt ni ca cm bin quang Mch in u ca cm bin quang cng cú loi c bn ú l: NPN v PNP Cỏc s kt ni nh sau: Hỡnh 4.36: B phỏt v thu nm mt v Hỡnh 4.37: B phỏt v thu tỏch ri Ngun cung cp cho cm bin t 10 n 30VDC Dũng in t 100mA n 200mA Khong cỏch tỏc ng ph thuc vo vt liu cn cm bin v phng phỏp iu ch ỏnh sỏng b) ng dng cm bin quang phn x * Cm bin quang s dng k thut tỏn x ngc ú l nhng cm bin quang cú b phỏt v b thu t cựng mt v v ỏnh sỏng chiu n vt cn kim tra cú kh nng lm cho ỏnh sỏng tỏn x tr li Mt s vớ d v ng dng v lp t c mụ t cỏc hỡnh v sau: a) Kim tra v trớ ỏnh du chõn IC b) Kim tra np l 179 BI GING K THUT O LNG CM BIN c) Kim tra Ren d) Phỏt hin cui cun Hỡnh 4.38: Mt s ng dng * Cm bin quang s dng k thut phn x (dựng vt phn x) ú cng l nhng cm bin quang cú b phỏt v b thu t cựng mt v nhng ỏnh sỏng chiu n vt cn kim tra khụng cú kh nng phn x tr li ỏnh sỏng ch phn x tr li gp vt phn x t phớa i din Mt s vớ d v ng dng v lp t c mụ t cỏc hỡnh v sau: a) Phỏt hin xe ti cng bói xe b) m chai c) m hp d) m hp Cỏc tụng e) m vt mi v trớ trờn bng f) Phỏt hin ngi qua li Hỡnh 4.39: Mt s ng dng 180 BI GING K THUT O LNG CM BIN c) ng dng cm bin quang i xng B cm bin ny cú b phỏt v b thu tỏch ri cú kh nng lm vic vi khong cỏch ln Mt s vớ d v ng dng v lp t c mụ t cỏc hỡnh v sau: a) m chõn IC b) Kim tra chõn c c) Kim tra cao d) Kim tra hp cú hay khụng cú Hỡnh 4.40: ng dng cm bin quang i xng 4.5 Encoder 4.5.1 Nguyờn lý c bn Encoder l thit b mó hoỏ cỏc i lng dch chuyn cú th l chuyn ng thng hoc chuyn ng quay Cỏc i lng ny c bin i thnh cỏc i lng in tng ng, cú th l in ỏp bin thiờn liờn tc hoc xung in ỏp Trong khuụn kh ti liu chỳng ta ch nghiờn cu mt loi Encoder mó hoỏ vũng quay thnh cỏc xung in ỏp Cu trỳc c bn ca mt b Encoder c th hin hỡnh 4.41 Hỡnh 4.41: B cm bin tc vi a mó húa a) S bin i tc thnh xung ỏnh sỏng b) S nguyờn lý b bin i xung ỏnh sỏng thnh xung in 181 BI GING K THUT O LNG CM BIN Tu theo mc yờu cu v chớnh xỏc v cht lng ca tớn hin mó hoỏ c to m ngi ta thit k v ch to cỏc loi Encoder khỏc 4.5.2 Cu trỳc ca mt Encoder Hỡnh 4.42: Cu trỳc ca Encoder Mó tớn hiu u ca Encoder ph thuc vo cu to ca a mó hoỏ, a ch cú mt loi khe sỏng v a cú nhiu loi khe sỏng a cú mt loi khe sỏng ch cho ta nhiu nht l tớn hiu lch pha 90o Vi loi cú nhiu khe sỏng cú rng khe khỏc s cho ta nhiu chui xung cú rng khỏc * Loi cú mt loi khe sỏng (cú nhiu khe rng bng nhau) Hỡnh 4.43: a mó hoỏ cú mt loi khe sỏng v dng xung c to * Loi cú nhiu dng khe sỏng Hỡnh 4.44: a mó hoỏ cú nhiu dng khe sỏng 182 BI GING K THUT O LNG CM BIN Nh hỡnh 4.44 ta thy a mó hoỏ ny cú 10 loi khe sỏng vi kớch thc rng khỏc Cỳng c b trớ cho to thnh mt loi mó thụng dng, trng hp ny ta thu c mt mó Gray vớ d c th hin trờn hỡnh v 4.44 vi u tng ng vi bớt 4.5.3 Lp t Hỡnh 4.45: Cỏc dng liờn kt truyn ng 1) Bin i chuyn ng thng thnh chuyn ng quay 2) Bin i chuyn ng quay thnh chuyn ng thng 3) o di hoc tc ca i tng 4) Gn trc tip vi trc ca ng c 5) Ni trc tip trc iu khin xoay bn 6) Gn trc tip lờn thang o ca mỏy * Lu ý s dng Encoder Hỡnh 4.46: Cỏc chỳ ý s dng Encoder 183 BI GING K THUT O LNG CM BIN 4.5.4 ng dng Tớnh tc quay ca trc Encoder Tn s xung: S vũng trờn phỳt Tn s xung = 60 Tc quay: Tn s xung S vũng trờn phỳt = S khe h trờn a x S khe h trờn a x 60 4.5 Cm bin ho in hng ngoi (Pyroelectric Infrared Sensors) 4.5.1 C s nguyờn lý 4.5.2 Cu trỳc c bn 4.5.3 ng dng 4.6 Vision sensor 4.6.1 Nguyờn lý c bn 4.6.2 ng dng 184 BI GING K THUT O LNG CM BIN CHNG 11 Ghép nối cảm biến với mạch điện xử lý 5.1 Mục đích Một tín hiệu phản hồi chứa đựng thông tin trạng thái tình trạng hệ thống cần thiết cho hệ thống điều khiển điều chỉnh tự động Chỉ có thiết bị cảm biến làm điều Do thiết bị xử lý điều khiển hệ thống cần phải có liên kết với cảm biến Nhưng chúng liên kết phụ thuộc vào tính chất yêu cầu kỹ thuật thiết bị xử lý, khả đáp ứng yêu cầu cảm biến Vì xem xét vấn đề cụ thể tiến hành kết nối 5.2 Cấu trúc hệ thống điều khiển tự động Hình 5.1: Cấu trúc hệ thống điều khiển tự động 5.3 Các cách mắc cảm biến 5.3.1 Mắc nối tiếp Hình 5.2: Sơ đồ mắc nối tiếp cảm biến loại PNP Nguyên lý làm việc mô tả bảng trạng thái sau: Quy ước cảm biến có đối tượng tác động có giá trị 1, đối tượng tác động nhận giá trị đầu có trạng thái tương ứng Bảng 5.1 185 BI GING K THUT O LNG CM BIN TT S1 S2 0 0 1 1 Với bảng trạng thái ta nhận thấy cảm biến đầu có đối tượng tác động S3 Q 0 0 0 0 1 đầu Q có tín hiệu tất 5.3.2 Mắc song song Hình 5.3: Sơ đồ mắc song song cảm biến loại PNP Nguyên lý làm việc mô tả bảng trạng thái sau: Quy ước cảm biến có đối tượng tác động có giá trị 1, đối twợng tác động nhận giá trị đầu có trạng thái tương ứng Bảng 5.2 TT S1 S2 S3 Q 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 Với bảng trạng thái ta nhận thấy cần cảm biến có đối tượng tác động đầu Q có tín hiệu Trong sơ đồ điot mắc để bảo vệ tránh ảnh hưởng lẫn đầu cảm biến 5.4 Các phơng pháp ghép nối 186 BI GING K THUT O LNG CM BIN Căn vào yêu cầu kỹ thuật: - Nguồn điện áp - Mức điện áp tín hiệu - Dạng tín hiệu 5.4.1 Ghép trực tiếp, gián tiếp a) Ghép trực tiếp Khi mà nguồn điện áp thiết bị cảm biến thiết bị xử lý tương đương, không cần cách ly mát, tín hiệu điều khiển phù hợp Ví dụ thiết bị xử điều khiển khả lập trình PLC nguồn điện áp sử dụng 24V Thiết bị điều khiển LOGO, EASY điện áp nguồn 12VDC Còn cảm biến thường sử dụng nguồn điện áp nằm khoảng từ 10 đến 30VDC Do có điểm tương thích cho việc ghép nối trực tiếp sau: - Về mặt điện áp nguồn phù hợp - Mức điện áp tín hiệu cảm biến xấp xỉ 24V với nguồn sử dụng 24V, gần 12V với nguồn điện áp sử dụng 12V - Dạng tín hiệu tín hiệu dạng chuyển mạch rời rạc nên phù hợp - Một dạng tín hiệu khác cảm biến dạng biến thiên liên tục sử dụng cho đầu vào tơng tự PLC, LOGO, EASY b) Ghép gián tiếp Khi cần có cách ly mát, mức tín hiệu điều khiển không tương thích cao so với mức quy định, dạng tín hiệu không phù hợp Ví dụ với thiết bị xử lý sử dụng công nghệ số kỹ thuật vi điều khiển Mức nguồn điện áp sử dụng thiết bị thường thấp khoảng 5V Do tín hiệu điều khiển nhận đợc với mức điện áp tối đa khoảng 5V mà Tuỳ theo thiết bị điều khiển làm việc với sờn xung tín hiệu hay với mức tín hiệu mà sử dụng phơng pháp ghép khác nhau: Ghép quang điện, ghép biến áp (biến áp xung), phân áp, ghép A/D 5.5.2 Ghép thông qua chuyển đổi A/D (Analog to Digital) a) Sơ đồ chuyển đổi A/D 8bit (ADC0804) Hình 5.4: Cấu trúc chân ADC0804 b) Nguyên lý làm việc 187 BI GING K THUT O LNG CM BIN Chức chân: - Chân 1: /CS (Chip Select) Chọn chíp, dùng để điều khiển lựa chọn có nhiều IC làm việc lúc - Chân 2: /RD (Read) điều khiển đọc liệu đầu vào (chân 7) - Chân 3: /WR (Write) điều khiển ghi liệu vào mạch ngoài(Xuất liệu) - Chân 19: Tạo xung nhịp Clock 640 KHz - Chân 5: /INTR (Interup)Chân đa tín hiệu ngắt mạch xử lý - Chân đầu vào điện áp tín hiệu Analog cần chuyển đổi - Chân 10: GND nối đất (0V) - Chân 9: Vref/2 tạo điện áp so sánh - Chân 11 18: bit liệu kiểu song song từ D0 đến D7 - Chân 20: Vcc Cung cấp nguồn điện áp 5V Nguyên lý: (Đo lường điều khiển máy tính Ngô Diên Tập) 5.6 Ghép nối với vi điều khiển a) Sơ đồ chân vi điều khiển AT89C51 Hình 5.5: IC 80C51/AT89C51 Chức chân tín hiệu sau: - P0.0 đến P0.7 chân cổng - P1.0 đến P1.7 chân cổng - P2.0 đến P2.7 chân cổng 188 BI GING K THUT O LNG CM BIN - P3.0 đến P3.7 chân cổng - RxD: Nhận tín hiệu kiểu nối tiếp - TxD: Truyền tín hiệu kiểu nối tiếp - /INT0: Ngắt - /INT1: Ngắt - T0: Chân vào Timer/Counter - T1: Chân vào Timer/Counter - /Wr: Ghi liệu vào nhớ - /Rd: Đọc liệu từ nhớ - RST: Chân vào Reset, tích cực mức logic cao khoảng chu kỳ máy - XTAL1: Chân vào mạch khuyếch đại dao động - XTAL2: Chân từ mạch khuyếch đại dao động - /PSEN : Chân cho phép đọc nhớ chơng trình (ROM ngoài) - ALE (/PROG): Chân tín hiệu cho phép chốt địa để truy cập nhớ ngoài, On-chip xuất byte thấp địa Tín hiệu chốt đợc kích hoạt mức cao, tần số xung chốt = 1/6 tần số dao động VĐK Nó đợc dùng cho Timer cho mục đích tạo xung Clock Đây chân nhận xung vào để nạp chơng trình cho Flash (hoặc EEPROM) bên On-chip mức thấp - /EA/Vpp: Cho phép On-chip truy cập nhớ chơng trình /EA=0, /EA=1 On-chip làm việc với nhớ chương trình nội trú Khi chân cấp nguồn điện áp 12V (Vpp) On-chip đảm nhận chức nạp chương trình cho Flash bên - Vcc: Cung cấp dương nguồn cho On-chip (+ 5V) - GND: nối mát b) Phơng pháp ghép nối Để ghép nối cảm biến với vi điều khiển cần phải lựa chọn cảm biến có mức điện áp tín hiệu đầu cho phù hợp với điện áp làm việc vi điều khiển Với tín hiệu xung điện áp cảm biến từ mức 5VDC trở xuống ta ghép trực tiếp với vi điều khiển, điện áp xung tín hiệu lớn 5VDC phải sử dụng phối ghép quang điện để ghép nối với vi điều khiển Với cảm biến mà tín hiệu biến đổi tơng tự phải sử dụng chuyển đổi ADC để ghép nối với vi điều khiển Tài liệu tham khảo: 189 BI GING K THUT O LNG CM BIN I Sách tham khảo: Đo lường đại lượng vật lý Phạm Thượng Hàn Kỹ thuật đo Nguyễn Ngọc Tân NXB KH&KT Giáo trình cảm biến Phan Quốc Phô ĐHBK HN NXB KH&KT Cảm biến ứng dụng Dương Minh Trí NXB KH&KT Linh kiện quang điện tử Dương Minh Trí NXB KH&KT Các cảm biến KTĐL ĐK Lê Văn Doanh NXBKH&KT Sensoren Praxis Guenther W.Schanz Huenthig Verlag Germany Sensorik fuer Praktiker Kleger AZ Verlag Germany II Tạp chí: Tự động hoá ngày Hội khoa học công nghệ tự động Việt nam Điện tử Hội vô tuyến điện tử Việt nam Elektronik & Computertechnik Elektor Verlag - Germany III Đĩa CD Sensors Crystal Books Programme GTZ - Germany Sensor V2.0 OMRON Elcis IV Catalog Sensor solutions for the automation industry Baumer electric Selection Guide - Autonics VI Internet Component Sensor - http://users.pandora.be/educypedia/index.htm Sensorik Festo - http://www.stern.oszimt.de/osz/sensoren 190 ...BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN PHẦN 1: KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CHƯƠNG 1: KHÁI NIỆM VỀ ĐO LƯỜNG – CÁC CƠ CẤU CHỈ THỊ ĐO LƯỜNG 1.1 Lý luận chung đo lường 1.1.1 Định nghĩa phân loại phép đo a... thực tế phép đo sử dụng phép đo sử dụng cách đo trực tiếp b Đo gián tiếp: Là cách đo mà kết đo suy từ phố hợp kết nhiều phép đo trự tiếp BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN Ví dụ: Đo điện trở... lượng đo trực tiếp Giả sử X đại lượng cần đo phép đo gián tiếp; Y,V,Z đại lượng đo phép đo trực tiếp X = F(Y,V,Z) BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN ΔY, ΔV, ΔZ sai số hệ thống tương ứng đo Y,