BG ky thuat do luong cam bien bui gia thinh

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 Định nghĩa Định nghĩa đo lường quan trọng thể quan điểm kỹ thuật đo lường Nó tiền đề cho lý luận thiết bị đo hệ thống thơng tin đo lường Do ta thống định nghĩa đo lường sau: Đo lường trình đánh giá định lượng đại lượng cần đo để có kết số so với đơn vị đo Khái niệm đánh giá định lượng hiểu hẹp phép đo biến đổi thẳng hiểu trình thu thập biến đổi tin tức trình ước lượng đánh giá ước lượng trình ngẫu nhiên, kết đánh giá số so với đơn vị thể q trình lượng tử hố mã hố kết số phép so với đơn vị Với định nghĩa đo lường q trình thể ba thao tác là: - Biến đổi tín hiệu tin tức - So sánh với đơn vị đo hay so sánh với mẫu q trình đo lường - Chuyển đơn vị, mã hố để có kết số so với đơn vị Vậy q trình đo viết dạng: Ax = X/Xo Trong đó: Ax : Là kết đại lượng cần đo X : Đại lượng cần đo Xo : Đơn vị đo Ngành khoa học chuyên nghiên cứu phương pháp để đo đại lượng khác nhau, nghiên cứu mẫu đơn vị đo gọi đo lường học Ngành kỹ thuật chuyên nghiên cứu áo dụng thành đo lường học vào phục vụ sản xuất đời sống gọi kỹ thuật đo lường Để thực trình đo lường ta phải biết chọn cách đo khác phụ thuộc vào đối tượng đo, điều kiện đo độ xác yêu cầu phép đo b Phân loại phép đo Để thực phép đo người ta thực nhiều cách khác Ta phân sau: a Đo trực tiếp: cách đo mà kết nhận từ phép đo Cách đo nhận kết ngay, dụng cụ đo sử dụng thường ứng với kết đo Ví dụ: đo điện áp dùng Vơn mét Chúng ta thấy 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 Ví dụ: Đo điện trở dùng Vơn mét ampe mét, sau ta tính điện trở Cách đo gặp phải sai số tổng sai số phép đo c Đo hợp bộ: Cách đo mà kết đo đưa lúc với giải hệ phương trình d Đo thống kê Là cách đo mà ta đo nhiều lần sau lấy trung bình Thực tín hiệu đo ngẫu nhiên kiểm tra độ xác dụng cụ đo 1.1.2 Sai số, phương pháp giảm sai số a Sai số phép đo Ngoài sai số dụng cụ đo, việc thực trình đo gây nhiều sai số Những sai số gây yếu tố như: Phương pháp đo chọn, mức độ cẩn thận Giảng viên: Bùi Gia Thịnh – Khoa Điện Cơ – Đại học Hải Phòng BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN đo…Do kết đo lường không với giá trị xác đại lượng đo mà có sai số Đó sai số phép đo Có thể phân loại sai số phép đo sau:  Theo cách thể số • Sai số tuyệt đối hiệu đại lượng đo X giá trị thực Xth ΔX = X – Xth • Sai số tương đối γX tính phần trăm tỉ số sai số tuyệt đối giá trị thực: 𝛥𝑋 𝛥𝑋 𝛾 = 100 ≈ 100 𝑋 𝑋 Vì X Xth gần  Theo nguồn gây sai số Người ta phân thành: • Sai số phương pháp sai số sinh khơng hồn thiện phương pháp đo khơng xác biểu thức lý thuyết cho ta kết đại lượng đo • Sai số thiết bị sai số thiết bị đo sử dụng phép đo, liên quan đến cấu trúc mạch đo dụng cụ khơng hồn chỉnh, tình trạng dụng cụ đo… • Sai số chủ quan sai số gây người sử dụng Ví dụ mắt kém, cẩu thả… • Sai số khách quan sai số gây ảnh hưởng điều kiện bên lên đối tượng đo dụng cụ đo Ví dụ nhiệt độ, độ ẩm…  Theo quy luật xuất sai số • Sai số hệ thống thành phần sai số phép đo ln khơng đổi thay đổi có quy luật đo nhiều lần đại lượng đo Sai số hệ thống không đổi bao gồm sai số khắc độ thang đo, sai số hiệu chỉnh dụng cụ đo khơng xác (chỉnh “0” khơng đúng), sai số nhiệt độ thời điểm đo v.v Sai số hệ thống thay đổi sai số biến động nguồn cung cấp (pin bị yếu đi) ảnh hưởng trường điện từ hay yếu tố khác Việc phát sai số hệ thống phức tạp phát việc đánh giá loại trừ khơng khó khăn Việc loại trừ sai số hệ thống tiến hành cách: phân tích lý thuyết; kiểm tra dụng cụ đo trước sử dụng nó; chuẩn trước đo; chỉnh “0” trước đo; tiến hành nhiều phép đo phương pháp khác nhau; sử dụng phương pháp thế; sử dụng bù sai số ngược dấu (cho lượng hiệu chỉnh với dấu ngược lại); trường hợp sai số hệ thống không đổi loại cách đưa vào lượng hiệu chỉnh hay hệ số hiệu chỉnh Lượng hiệu chỉnh giá trị loại với đại lượng đo đưa thêm vào kết đo nhằm loại sai số hệ thống Hệ số hiệu chỉnh số nhân với kết đo nhằm loại sai số hệ thống • Sai số ngẫu nhiên thành phần sai số phép đo thay đổi không theo quy luật mà ngẫu nhiên nhắc lại phép đo nhiều lần đại lượng Giá trị dấu sai số ngẫu nhiên xác định được, sai số ngẫu nhiên gây nguyên nhân mà tác động chúng không giống lần đo xác định Để phát sai số ngẫu nhiên người ta nhắc lại nhiều lần đo đại lượng để xét ảnh hưởng đến kết đo người ta sử dụng tốn học thống kê lý thuyết xác suất b Sai số dụng cụ đo Nguyên nhân gây sai số dụng cụ đo có nhiều loại Có thể ngun nhân phương pháp đo gây nguyên nhân có tính quy luật yếu tố biến động ngẫu nhiên gây Trên sở người ta phân biệt hai loại sai số sai số hệ thống sai số ngẫu nhiên • Sai số hệ thống: gọi sai số bản, sai số mà giá trị ln ln khơng đổi hay thay đổi có quy luật Sai số nguyên tắc loại trừ • Sai số ngẫu nhiên: sai số mà giá trị thay đổi ngẫu nhiên biến động mơi trường bên ngồi (nhiệt độ, áp suất, độ ẩm…) Sai số gọi sai số phụ Giảng viên: Bùi Gia Thịnh – Khoa Điện Cơ – Đại học Hải Phòng BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN Tiêu chuẩn đánh giá độ xác dụng cụ đo cấp xác Người ta quy định cấp xác dụng cụ đo sai số tương đối quy đổi dụng cụ đo đó: 𝛥 𝛾 %= 100% 𝑋 XN: giá trị cực đại thang đo Δm: sai số tuyệt đố cực đại c Sai số kết phép đo gián tiếp Khi tính toán sai số ngẫu nhiên phép đo gián tiếp cần nhớ đại lượng cần đo có quan hệ hàm với hay nhiều đại 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) ΔY, ΔV, ΔZ sai số hệ thống tương ứng đo Y, V, Z ; ΔX sai số hệ thống xác định X TH1: X = aY + bV + cZ ΔX = a ΔY + bΔV+ cΔZ TH2: Ví dụ: Phương pháp đo điện áp dùng Ôm kế Ampe kế Biết Tính LG ∆ = ±3% = ±1% =? % Ta có U = I.R ΔU = 𝛥𝐼 + 𝛥𝑅 = 𝑅 𝛥𝐼 + 𝐼 𝛥𝑅 → 𝛥𝑈 𝑅 𝛥𝐼 + 𝐼 𝛥𝑅 𝑅 𝛥𝐼 + 𝐼 𝛥𝑅 𝛥𝐼 𝛥𝑅 = = = + = ±(3% + 1%) = ±4% 𝑈 𝑈 𝐼 𝑅 𝐼 𝑅 1.2 Đặc tính thiết bị đo 1.2.1 Độ nhạy Độ nhạy dụng cụ đo tính bằng: Y S X Nêu nên biến thiên đại lượng đầu Y so với biến thiên nhỏ đầu vào X - Trong trường hợp quan hệ đại lượng đầu đại lượng đầu vào tuyến tính độ nhạy S = const gọi độ nhạy thiết bị đo - Trong trường hợp S hàm X quan hệ phi tuyến (độ nhạy thay đổi theo giá trị đo) Giảng viên: Bùi Gia Thịnh – Khoa Điện Cơ – Đại học Hải Phòng BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN Như nói đến độ nhạy nghĩa xác định S phạm vi nhỏ xung quanh X ta có quan hệ tuyến tính - Trong trường hợp thiết bị gồm nhiều khâu ta có: S = S1 S2 Sn Theo lý thuyết xét quan hệ Y, X X nhỏ thực tế cho thấy với X nhỏ đến giá trị (X  ) Y khơng thể xác định Nguyên nhân ma sát, tượng trễ,  : gọi ngưỡng nhạy (có thể nói giá trị nhỏ mà thiết bị đo phân biệt - người quan sát hay góc quay  đủ lớn) Khả phân ly: X  X D R  max    1.2.2 Tốc độ đo Là thời gian để xác lập kết đo Cho phép đánh giá đại lượng đầu Y có theo kịp thời gian với biến thiên đại lượng đo không (đại lượng đầu vào X) Thời gian hồi đáp (tr) đại lượng sử dụng để xác định giá trị độ nhanh Tốc độ đo: ; v T T khoảng thời gian ngắn hai lần đo ổn định 1.2.3 Độ xác Tiêu chuẩn quan trọng thiết bị đo tính xác nó: XN D   X m X Với thiết bị sai số chủ yếu ngưỡngnhạy độ xác khả phân ly: D AR  A  1.2.4 Điện trở - công suất tiêu thụ a) Điện trở vào: Mỗi dụng dụ đo có điện trở Điện trở lớn hay nhỏ phụ thuộc vào tính chất đối tượng đo Điện trở vào phải lớn mà tín hiệu khâu trước dạng điện áp (nghĩa dòng nhỏ cơng suất tiêu thụ nhất) Ví dụ vơnmét phải có RV >> tốt b) Điện trở ra: Xác định cơng suất truyền tải cho chuyển đổi Điện trở nhỏ cơng suất lớn Giảng viên: Bùi Gia Thịnh – Khoa Điện Cơ – Đại học Hải Phòng BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN 1.3 Cơ cấu thị dụng cụ đo tương tự 1.3.1 Cơ sở chung Dụng cụ đo điện loại thiết bị đo sử dụng lượng điện từ trường mạch đo thành lượng học làm quay phần động góc  so với phần tĩnh Loại dụng cụ dụng cụ đo chuyển đổi thẳng X Mạch đo Y Cơ cấu đo Sơ đồ khối dụng cụ điện: hình 1.7 Y = fY(X)  = f(X)  = F(X); quan hệ , X tuyến tính hay phi tuyến tương ứng ta có thang đo hay khơng Phương trình đặc tính thang đo: - Mơ men quay: Khi có dòng điện qua cấu, cấu tích luỹ lượng điện từ trường We Năng lượng biến đổi thành làm quay phần động góc d Thực công học: dA = Mq.d Theo định luật bảo toàn lượng: dA = dWe dW e Suy ra: M q  d + Trong tụ: W e  C U - cấu tĩnh điện + Trong cuộn dây: W e  L.I - cấu điện từ + Năng lượng hỗ cảm hai cuộn dây: We = M1,2.I1.I2 - cấu, điện động - Mơ men cản hình 1.8: Dưới tác động Mq, khơng có cản phần động quay góc lớn có thể, không phụ thuộc mô men quay lớn hay bé Để xác định quan hệ chặt chẽ góc quay  mơ men quay Mq ( với đại lượng cần đo X) cần có mơ men tác động ngược chiều với mô men quay gọi mô men cản (Mc) Ta dễ dàng tạo mô men tỷ lệ với  nhờ lò xo xoắn, dây căng, dây treo: Mc = D  Trong đó: D - mơ men cản riêng lò xo (phụ thuộc vào vật liệu, kích thước) - Phương trình đặc tính thang đo: Dưới tác động đồng thời mô men quay mô men cản, phần động cấu đo dừng vị trí c Mq = Mc (c vị trí cân phần động) Ta có: dWe  D. d Ta có phương trình đặc tính thang đo: Giảng viên: Bùi Gia Thịnh – Khoa Điện Cơ – Đại học Hải Phòng BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN dW e D d Phương trình đặc tính thang đo cho biết có thang đo hay khơng Nhưng khơng phải trường hợp đường cong Mq biểu diễn dạng giải tích Vì thực tế để xây dựng thang đo cấu người ta dùng phương pháp đồ thị Nội dung phương pháp: Bằng thực nghiệm xây dựng đường cong mô men quay Mq = f() với giá trị X khác Ví dụ với cấu điện từ ta xây dựng đừng cong 1;2;3;4 (hình 1.9) với giá trị X tương ứng 40;60;80 100% Xm (Xm - giá trị định mức làm kim lệch toàn thang) Giả sử Xm = I0 = 50mA; đường cong Mq cắt đường cong mô men cản điểm A, B, C, D ta vị trí 1, 2, 3, 4 ứng với trị số trị số tương ứng X 20, 30, 40, 50mA Như ta có thang đo theo đơn vị đại lượng đầu vào   Nếu Y = fy(X) tuyến tính dạng thang đo X Y Nghĩa không cần khắc độ lại mà thay giá trị X Y theo hệ số  Nếu Y = fy(X) phi tuyến ta phải thực thêm bước trung gian; từ quan hệ cho giá trị X tính Y Trên thang đo theo đơn vị X thay trị số Y ta thang đo theo đơn vị Y - Mơ men ổn định hình 1.10: Dưới tác động mơ men quay phần động lêch khỏi vị trí tới vị trí cân c ứng với lúc Mq = Mc Nhưng qn tính nên phần động khơng dừng c mà di chuyển đến vị trí 1 = c + , vị trí mơ men tác động lên phần động: Mc - Mq = Mơđ Q trình ngược lại: 2 = c - ; mô men tác động: Mq - Mc = Môđ Mô men ổn định tác động lên phần động để kéo phần động trở vị trí cân c Chiều mô men ổn định chiều mô men có trị số nhỏ - Mơ men ma sát: (với phần động dùng dây căng, dây treo không xét đến mô men ma sát) Ta xét cấu trục, trụ hình 1.11: Giảng viên: Bùi Gia Thịnh – Khoa Điện Cơ – Đại học Hải Phòng BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN + Khi phần động từ  = đến c có ma sát nên không đến c mà dừng lại 1 : - Mc + Mq = Mms Hay: Mq - Mc - Mms = + Quá trình đại lượng đo giảm, phần động từ max 0, ma sát dừng 2 trước c Phương trình cân bằng: Mc - Mq = Mms Hay: Mc - Mq - Mms = Từ đồ thị hình 1.11 ta có: ms = c - 1 ms = 2 - c Theo phân tích Mơđ ngược với Mms; Mơđ có khuynh hướng kéo phần động vị trí cân bằng, mơ men ma sát có khuynh hướng ngựơc lại Khi Mơđ = Mms kim dừng vị trí  khác c 1.3.2 Những phận, chi tiết chung cấu thị điện a) Trục trụ (Hình 1.12) Trục quay Trụ quay Hình 1.12 Trục trụ hai phận quan trọng cấu: đảm bảo cho phần động quay (kim chỉ, lò xo phản, khung quay, ) Chất lượng chúng định sai số ma sát Trục: làm thép tròn đường kính 0,8 1,5 mm,  = 45  600, tận bán kính 0,05  0,3mm; có độ cứng cao Trụ: Làm đá cứng, mặt trụ khoét nón lõm có góc đỉnh 80o trụ điều chỉnh lên xuống b) Lò xo phản kháng - Cơng dụng: + Đưa dòng vào khung dây (từ điện, điện động, sắt điện động) + Tạo mômen cản cân với mômen quay Yêu cầu: Để đảm bảo thị xác mơmen cản riêng D lò xo phải ổn định ( trị số khơng thay đổi theo thời gian nhiệt độ) Để đạt yêu cầu Hình 1.13 lò xo thường chế tạo từ vật liệu có khả đàn hồi lớn - Đặc điểm: + Có dạng hình xoắn ốc (Hình 1.13) Giảng viên: Bùi Gia Thịnh – Khoa Điện Cơ – Đại học Hải Phòng BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN + Đầu lò xo gắn với trục quay, đầu gắn với điều chỉnh O kim cố định trục quay + Trong cấu thị có hai lò xo phản kháng ngược chiều c) Kim thị (Hình 1.14) Cơng dụng: thị góc quay  Yêu cầu: Kim phải nhẹ, bền vững, không bị han rỉ nên chế tạo nhơm, hợp kim nhơm làm thuỷ tinh Đặc điểm: Hình dạng kim phụ thuộc vào cấp xác dụng cụ đo khoảng cách để đọc kết đo Hình 1.14 d) Thang đo - Là mặt khắc độ: Trên mặt màu trắng người ta khắc độ màu đen ngược lại Nếu dụng cụ dùng làm việc ngày lẫn đêm khắc vạch chất phát quang - Góc lệch kim phụ thuộc vị trí đặt, độ xác - Phía thang đo ln ln đặt gương để tránh sai số (khi đọc quan sát kim trùng với bóng nó) e) Bộ phận cản dịu - Cơng dụng: Dùng để nhanh chóng chóng xác lập kết đo cách hạn chế dao động kim xung quay vị trí cân - Cấu tạo: Có hai loại cản dịu (Hình 1.15) + Cản dịu khơng khí: gồm hộp kín Hình 1.15 có cánh chuyển động liền với trục, phần động chuyển động cánh chuyển tạo chênh lệch bên áp suất nhanh chóng dừng lại + Cản dịu cảm ứng từ: gồm nhôm gắn liền phần động có hình quạt di chuyển khe hở nam châm vĩnh cửu tạo nên dòng cảm ứng Do tác động tương hỗ dòng điện từ trường nam châm tạo lực chống lại chuyển động phần động 1.3.3 Cơ cấu từ điện KÝ hiƯu: a) Cấu tạo.(Hình 1.12) a b Hình 1.12 Giảng viên: Bùi Gia Thịnh – Khoa Điện Cơ – Đại học Hải Phòng BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN Phần tĩnh: Nam châm vĩnh cửu 1, lõi sắt non Đường sức từ qua khe hở làm việc hướng tâm điểm Trong khe hở từ cảm B điểm Phần động: Khung quay có lõi nhơm nhẹ khối lượng nhỏ, quấn dây đồng 0,03 0.2mm, toàn khung quay đặt trục quay 3, trục tì vào trụ 9; Trên trục quay có hai lò xo cản mắc ngược nhau, lò xo cản đồng thời có nhiệm vụ đưa điện vào khung dây, kim thị thang đo Phía sau kim thị có mang đối trọng để cho trọng tâm kim thị nằm trục quay dây treo; b) Nguyên lý hoạt động Khi cho dòng điện chạy qua, khung dây quay tác động từ trường nam châm vĩnh cửu, khung quay lệch khỏi vị trí cân góc d Mơ men quay tạo tính: dWe Mq= d Năng lượng điện từ We tỷ lệ với độ lớn từ thông khe hở làm việc  dòng điện chạy khung dây I: We = .I Mà ta có:  = Bsw Trong đó: B: độ từ cảm nam châm vĩnh cửu s: diện tích khung dây w: số vòng khung dây : góc lệch khung dây so với vị trí ban đầu Các giá trị B, s, w số (không đổi khung dây quay) d ( Ø I) d ( Bsw I ) Do đó: Mq = = = BswI d d Khi cân bằng: Mq = Mc BswI = D Bsw Suy ra:   I : Phương trình đặc tính thang đo cấu từ điện D Ta thấy B, s, w, D số nên góc lệch  tỷ lệ bậc với dòng điện I c) Đặc điểm cấu thị từ điện - Góc quay  tỷ lệ thuận với dòng điện I nên sử dụng mạch đo chiều - Góc lệch  tỷ lệ bậc với dòng điện I nên thang đo - Độ nhạy S = Bsw cấu cao có từ trường lớn; Thơng thường người ta dùng D số dụng cụ C theo dòng áp Ví dụ số theo dòng C I  A/mm, cho biết SI trị số dòng cần thiết qua cấu để kim lệch vạch (hoặc 1mm) thang đo - Độ xác cao phần tử cấu có độ ổn định cao, ảnh hưởng từ trường ngồi khơng đáng kể, công suất tiêu thụ nhỏ, độ cản dịu tốt - Nhược điểm cấu thị từ điện chỗ chế tạo phức tạp, chịu tải kém, ảnh hưởng nhiệt độ đến độ xác phép đo d) ứng dụng cấu thị từ điện - Dùng chế tạo Ampermet, vônmet, ômmet nhiều thang đo, dải đo rộng - Dùng chế tạo loại điện kế có độ nhậy cao ( đo dòng 10-12A; áp 10-4V) - Dùng làm thị mạch đo đại lượng đo không điện - Dùng để chế tạo dụng cụ đo điện tử tương tự vônmet điện tử, tần số kế điện tử… - Dùng với chỉnh lưu, cặp nhiệt đo giá trị xoay chiều Giảng viên: Bùi Gia Thịnh – Khoa Điện Cơ – Đại học Hải Phòng BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN 1.3.4 Cơ cấu điện từ KÝ hiÖu: a) Cấu tạo - Loại cuộn dây dẹt: Phần tĩnh: cuộn dây phẳng, bên có khe hở khơng khí khe hở làm việc Phần động: lõi thép (2) gắn trục quay (5) Lõi thép quay tự khe làm việc cuộn dây Bộ phận cản dịu khơng khí (4) gắn vào trục quay Kim đối trọng gắn lên trục quay Kim quay bảng khắc độ Mơmen cản tạo hai lò xo ngược chiều - Ngồi loại cuộn dây tròn (hình 1.13 b) a) Hıǹ h 1-13 b) b) Nguyên lý hoạt động Khi cho dòng điện I chạy vào cuộn dây, xuất mômen quay xác định: Mq= dWe d LI Năng lượng cuộn dây: We = L.I )  dL I Do đó: Mq  d d Khi Mq = MC vị trí cân bằng: dL I  D. d dL  I ; Phương trình đặc tính thang đo cấu điện từ D d c) Đặc điểm - Góc quay  tỷ lệ với bình phương dòng điện, tức khơng phụ thuộc vào chiều dòng điện cấu thị điện từ đo mạch xoay chiều chiều dL - Thang đo khơng đặc tính bậc hai Đặc tính thang đo phụ thuộc vào tỷ số d dL đại lượng phi tuyến Để làm cho đặc tính thang đo tỷ số phải thay đổi theo quy d luật ngược với bình phương dòng điện, tổng hợp có đường tuyến tính (hình 1.14) d( Giảng viên: Bùi Gia Thịnh – Khoa Điện Cơ – Đại học Hải Phòng 10 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN Ph¸t quang Thu quang Trigơ smith Chuyển mạch Hỡnh 4.25: Cm biến quang sử dụng tính chất phản xạ Nguyên lý làm việc: Ánh sáng phát từ Diode phát quang đến đập vào bề mặt vật chắn phản xạ trở lại chiếu vào Photodiode Phototransistor Ngun lý mơ tả hình vẽ sau: a) Bộ phát thu quang đặt phương chiều b) Bộ phát thu quang đặt vng góc với Hình 4.26: Tính chất phản xạ ánh sáng b) Cảm biến quang với phát thu tỏch ri Phát quang Thu quang Trigơ smith Chuyển m¹ch Hình 4.27: Cảm biến quang sử dụng tính chất sóng ánh sáng Nguyên lý : ánh sáng từ phát quang với tần số cường độ phù hợp với thu quang thu quang chuyển thành tín hiệu điện Giảng viên: Bùi Gia Thịnh – Khoa Điện Cơ – Đại học Hải Phòng 161 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN Hình 4.28: Bộ phát thu đặt đối xứng 4.4.2 Các dạng cảm biến quang a) Cảm biến quang hồng ngoại * Mô tả: Là loại cảm biến sử dụng ánh sáng hồng ngoại ánh sáng khơng nhìn thấy Nguồn sáng tạo từ LED phát ánh sáng hồng ngoại gọi phát Bộ thu Photodiode Phototransistor Hình 4.29: Ngun lý cảm biến hồng ngoại phản xạ * Các dạng hoạt động cảm biến quang Cảm biến quang có dạng hoạt động là: - Tối hoạt động (Dark Operate) - Sáng hoạt động (Light Operate) Tối hoạt động dạng hoạt động cảm biến, mà tải cấp điện ánh sáng từ phát khơng đến thu cảm biến Hình 4.30: Nguyên lý “tối hoạt động” Sáng hoạt động dạng hoạt động cảm biến, mà tải cấp điện ánh sáng từ phát truyền tới thu cảm biến Hình 4.31: Nguyên lý “sáng hoạt động” Giảng viên: Bùi Gia Thịnh – Khoa Điện Cơ – Đại học Hải Phòng 162 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN c) Cảm biến quang ứng dụng cáp quang công nghệ Laser * Sợi quang (Fiber Optics) Sợi quang dùng để truyền dẫn ánh sáng Những cảm biến sợi quang thường có phát, thu, cáp uốn cong với nhiều sợi quang truyền ánh sáng Cảm biến sử dụng cáp đôi tách riêng cho phát thu, sử dụng cáp đơn Khi sử dụng cáp đơn, phát thu sử dụng dạng biến đổi đến phân phối phát sợi truyền bên cáp quang Có dạng sau Hình 4.32: Cấu trúc cáp quang Sợi thuỷ tinh sử dụng nguồn phát ánh sáng hồng ngoại Sợi nhựa sử dụng nguồn phát ánh sáng nhìn thấy * Các dạng cảm biến dùng cáp quang Hình 4.33: Cảm biến sợi quang đối xứng Hình 4.34: Cảm biến sợi quang phản xạ gương Hình 4.35: Cảm biến sợi quang phản xạ * Laser (LASER: Light Amplification by Stimulated Emision of Radiation) Ánh sáng Laser thường sử dụng làm nguồn sáng cảm biến Thông thường người ta sử dụng ánh sáng Laser thuộc nhóm 2, nhóm có cơng suất điểm phát cực đại 1mV Đối với ánh sáng Lasers sử dụng cần phải ý đến cảnh báo nguy hiểm Những cảm biến Laser dùng dạng chùm tia, quét tán xạ, quét tán xạ với sở loại bỏ biến thái Ánh sáng Laser có cường độ cao ánh sáng nhìn thấy, ánh sáng thiết lập hiệu chỉnh cách dễ dàng Công nghệ Laser sử dụng để kiểm tra đối tượng nhỏ khoảng cách lớn Giảng viên: Bùi Gia Thịnh – Khoa Điện Cơ – Đại học Hải Phòng 163 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN Ví dụ loại Cảm biến L18 Siemens kiểm tra đối tượng có kích thước 0,03 mm khoảng cách 80 cm Cảm biến sử dụng công nghệ Laser ứng dụng rộng rãi lĩnh vực đo lường điều khiển tự động Nó dùng để xác định vị trí, kiểm tra tốc độ quay, kiểm tra độ dày tới 0,1mm, ngồi nhiều ứng dụng khác 4.4.3 Lắp đặt ứng dụng cảm biến quang công ngiệp a) Sơ đồ kết nối cảm biến quang Mạch điện đầu cảm biến quang có loại là: NPN PNP Các sơ đồ kết nối sau: Hình 4.36: Bộ phát thu nằm vỏ Hình 4.37: Bộ phát thu tách rời Nguồn cung cấp cho cảm biến từ 10 đến 30VDC Dòng điện từ 100mA đến 200mA Khoảng cách tác động phụ thuộc vào vật liệu cần cảm biến phương pháp điều chế ánh sáng b) Ứng dụng cảm biến quang phản xạ * Cảm biến quang sử dụng kỹ thuật tán xạ ngược Đó cảm biến quang có phát thu đặt vỏ ánh sáng chiếu đến vật cần kiểm tra có khả làm cho ánh sáng tán xạ trở lại Một số ví dụ ứng dụng lắp đặt mơ tả hình vẽ sau: a) Kiểm tra vị trí đánh dấu chân IC Giảng viên: Bùi Gia Thịnh – Khoa Điện Cơ – Đại học Hải Phòng b) Kiểm tra nắp lọ 164 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN d) Phát cuối cuộn Hình 4.38: Một số ứng dụng * Cảm biến quang sử dụng kỹ thuật phản xạ (dùng vật phản xạ) Đó cảm biến quang có phát thu đặt vỏ ánh sáng chiếu đến vật cần kiểm tra khơng có khả phản xạ trở lại ánh sáng phản xạ trở lại gặp vật phản xạ đặt phía đối diện Một số ví dụ ứng dụng lắp đặt mơ tả hình vẽ sau: c) Kiểm tra Ren a) Phát xe cổng bãi đỗ xe b) Đếm chai c) Đếm hộp d) Đếm hộp Các tông e) Đếm vật vị trí băng f) Phát người qua lại Hình 4.39: Một số ứng dụng c) Ứng dụng cảm biến quang đối xứng Bộ cảm biến có phát thu tách rời có khả làm việc với khoảng cách lớn Giảng viên: Bùi Gia Thịnh – Khoa Điện Cơ – Đại học Hải Phòng 165 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN Một số ví dụ ứng dụng lắp đặt mơ tả hình vẽ sau: a) Đếm chân IC b) Kiểm tra chân ốc c) Kiểm tra độ cao d) Kiểm tra hộp có hay khơng có Hình 4.40: ứng dụng cảm biến quang đối xứng 4.5 Encoder 4.5.1 Nguyên lý Encoder thiết bị mã hoá đại lượng dịch chuyển chuyển động thẳng chuyển động quay Các đại lượng biến đổi thành đại lượng điện tương ứng, điện áp biến thiên liên tục xung điện áp Trong khuôn khổ tài liệu nghiên cứu loại Encoder mã hố vòng quay thành xung điện áp Cấu trúc Encoder thể hình 4.41 Hình 4.41: Bộ cảm biến tốc độ với đĩa mã hóa a) Sơ đồ khối biến đổi tốc độ thành xung ánh sáng b) Sơ đồ nguyên lý biến đổi xung ánh sáng thành xung điện Tuỳ theo mức độ yêu cầu xác chất lượng tín mã hoá tạo mà người ta thiết kế chế tạo loại Encoder khác 4.5.2 Cấu trúc Encoder Giảng viên: Bùi Gia Thịnh – Khoa Điện Cơ – Đại học Hải Phòng 166 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN Hình 4.42: Cấu trúc Encoder Mã tín hiệu đầu Encoder phụ thuộc vào cấu tạo đĩa mã hoá, đĩa có loại khe sáng đĩa có nhiều loại khe sáng Đĩa có loại khe sáng cho ta nhiều tín hiệu lệch pha 90o Với loại có nhiều khe sáng có độ rộng khe khác cho ta nhiều chuỗi xung có độ rộng khác * Loại có loại khe sáng (có nhiều khe rộng nhau) Hình 4.43: Đĩa mã hố có loại khe sáng dạng xung tạo * Loại có nhiều dạng khe sáng Hình 4.44: Đĩa mã hố có nhiều dạng khe sáng Như hình 4.44 ta thấy đĩa mã hố có 10 loại khe sáng với kích thước độ rộng khác Cúng bố trí cho tạo thành loại mã thông dụng, trường hợp ta thu mã Gray ví dụ thể hình vẽ 4.44 với đầu tương ứng với bít 4.5.3 Lắp đặt Giảng viên: Bùi Gia Thịnh – Khoa Điện Cơ – Đại học Hải Phòng 167 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN Hình 4.45: Các dạng liên kết truyền động 1) Biến đổi chuyển động thẳng thành chuyển động quay 2) Biến đổi chuyển động quay thành chuyển động thẳng 3) Đo độ dài tốc độ đối tượng 4) Gắn trực tiếp với trục động 5) Nối trực tiếp trục để điều khiển xoay bàn 6) Gắn trực tiếp lên thang đo máy * Lưu ý sử dụng Encoder Hình 4.46: Các ý sử dụng Encoder 4.5.4 Ứng dụng Tính tốc độ quay trục Encoder Tần số xung: Số vòng phút Tần số xung = 60 Tốc độ quay: Tần số xung Số vòng phút = Số khe hở đĩa Giảng viên: Bùi Gia Thịnh – Khoa Điện Cơ – Đại học Hải Phòng x Số khe hở đĩa x 60 168 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN 4.5 Cảm biến hoả điện hồng ngoại (Pyroelectric Infrared Sensors) 4.5.1 Cơ sở nguyên lý 4.5.2 Cấu trúc 4.5.3 Ứng dụng 4.6 Vision sensor 4.6.1 Nguyên lý 4.6.2 Ứng dụng Giảng viên: Bùi Gia Thịnh – Khoa Điện Cơ – Đại học Hải Phòng 169 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN CHƯƠNG 11 GHÉP NỐI CẢM BIẾN VỚI MẠCH ĐIỆN XỬ LÝ 5.1 Mục đích Một tín hiệu phản hồi chứa đựng thơng tin trạng thái tình trạng hệ thống ln 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 u cầu kỹ thuật thiết bị xử lý, khả đáp ứng u 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, khơng có đối tượng tác động nhận giá trị đầu có trạng thái tương ứng Bảng 5.1 TT S1 0 0 S2 0 1 S3 1 Giảng viên: Bùi Gia Thịnh – Khoa Điện Cơ – Đại học Hải Phòng Q 0 0 170 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN 1 1 0 1 1 Với bảng trạng thái ta nhận thấy đầu Q có tín hiệu tất các cảm biến đầu có đối tượng tác động 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, khơng có 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 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 Giảng viên: Bùi Gia Thịnh – Khoa Điện Cơ – Đại học Hải Phòng 171 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN - 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 khơng tương thích q cao so với mức quy định, dạng tín hiệu khơng 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 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 Giảng viên: Bùi Gia Thịnh – Khoa Điện Cơ – Đại học Hải Phòng 172 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN 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 - 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 ngồi (ROM ngồi) - 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 Giảng viên: Bùi Gia Thịnh – Khoa Điện Cơ – Đại học Hải Phòng 173 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN - /EA/Vpp: Cho phép On-chip truy cập nhớ chơng trình ngồi /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 Giảng viên: Bùi Gia Thịnh – Khoa Điện Cơ – Đại học Hải Phòng 174 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN Tài liệu tham khảo 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 hố 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 Giảng viên: Bùi Gia Thịnh – Khoa Điện Cơ – Đại học Hải Phòng 175 ...  1.2.2 Tốc độ đo Là thời gian để xác lập kết đo Cho phép đánh giá đại lượng đầu Y có theo kịp thời gian với biến thiên đại lượng đo không (đại lượng đầu vào X) Thời gian hồi đáp (tr) đại lượng... thay đổi theo thời gian nhiệt độ) Để đạt u cầu Hình 1.13 lò xo thường chế tạo từ vật liệu có khả đàn hồi lớn - Đặc điểm: + Có dạng hình xoắn ốc (Hình 1.13) Giảng viên: Bùi Gia Thịnh – Khoa Điện... dòng cảm ứng Do tác động tương hỗ dòng điện từ trường nam châm tạo lực chống lại chuyển động phần động 1.3.3 Cơ cấu từ điện KÝ hiƯu: a) Cấu tạo.(Hình 1.12) a b Hình 1.12 Giảng viên: Bùi Gia Thịnh