Giáo trình kỹ thuật cảm biến

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN TRƯỜNG CAO ĐẲNG CƠ ĐIỆN HÀ NỘI ****************** GIÁO TRÌNH KỸ THUẬT CẢM BIẾN ( Lưu hành nội ) Tác giả : Th.S Trần Đại Lộc (chủ biên) K.S Phạm Văn Pháp Th.S Võ Thị Thanh Huyền MỤC LỤC Lời nói đầu…………………………………………………………… Bài mở đầu: Cảm biến ứng dụng……………………………… Bài 1: Cảm biến nhiệt độ……………………………………………… Bài 2: Cảm biến tiệm cận số cản biến xác định khoảng cách…………………………………………………………………… Bài 3: phương pháp đo lưu lượng…………………………………… Bài 4: Đo vận tốc vịng quay góc quay…………………………… Tài liệu tham khảo 12 42 73 104 125 MÔN HỌC: KỸ THUẬT CẢM BIẾN Mã môn học: MH 27 Vị trí, tính chất, ý nghĩa vai trị mơn học: - Môn học Kỹ thuật cảm biến học sau môn học, mô đun Kỹ thuật sở, đặc biệt môn học, mô đun: Mạch điện, Điện tử bản, Đo lường điện Trang bị điện - Là môn học chuyên môn nghề Kỹ thuật cảm biến ngày sử dụng rộng rãi đặc biệt ngành tự động hóa nói chung tự động hóa cơng nghiệp nói riêng Mơn học trang bị kiến thức kỹ để người học hiểu rõ sử dụng thành thạo loại cảm biến ứng dụng ngành công nghiệp Mục tiêu môn học: - Phân tích cấu tạo, nguyên lý hoạt động loại cảm biến - Phân tích nguyên lý mạch điện cảm biến - Biết đấu nối loại cảm biến mạch điện cụ thể - Hình thành tư khoa học phát triển lực làm việc theo nhóm - Rèn luyện tính xác khoa học tác phong công nghiệp Nội dung môn học: Thời gian (giờ) Số Tổn Lý Thực hành Kiểm tra* Tên chương, mục TT g số thuyết Bài tập (LT TH) Bài mở đầu: Cảm biến 2 ứng dụng 1.Khái niệm cảm biến 2.Phạm vi ứng dụng Cảm biến nhiệt độ 16 14 Đại cương Nhiệt điện trở với Platin Nickel 3.Cảm biến nhiệt độ với vật I liệu silic 4.IC cảm biến nhiệt độ 5.Nhiệt điện trở NTC 6.Các thực hành ứng dụng loại cảm biến nhiệt độ II Cảm biến tiệm cận 10 loại cảm biến xác định vị trí, khoảng cách 1.Cảm biến tiệm cận (Proximity Sensor 2.Một số loại cảm biến xác định vị trí, khoảng cách khác 3.Các thực hành ứng dụng loại cảm biến tiệm cận Cảm biến đo lưu lượng Đại cương 2.Phương pháp đo lưu lượng dựa nguyên tắc chênh lệch áp suất III 3.Phương pháp đo lưu lượng tần số dịng xốy 4.Các thực hành ứng dụng cảm biến đo lưu lượng Cảm biến đo vận tốc vịng quay góc quay 1.Một số phương pháp đo vận tốc vòng quay IV 2.Cảm biến đo góc với tổ hợp có điện trở từ 3.Các thực hành ứng dụng Cộng 14 10 18 12 60 45 12 BÀI MỞ ĐẦU: CẢM BIẾN VÀ ỨNG DỤNG Giới thiệu: Cảm biến phần tử có chức tiếp thu, cảm nhận tín hiệu đầu vào dạng đưa tín hiệu dạng khác Cảm biến ứng dụng rộng rãi lĩnh vực, đặc biệt lĩnh vực tự động hóa cơng nghiệp Mục tiêu: - Trình bày khái niệm, đặc điểm, phạm vi ứng dụng cảm biến - Rèn luyện tính cẩn thận, xác, logic khoa học, tác phong cơng nghiệp Nội dung chính: Khái niệm cảm biến Mục tiêu: - Phát biểu khái niệm cảm biến, vị trí cảm biến dây truyền sản xuất cách phân loại cảm biến thực tế 1.1 Khái niệm Cảm biến thiết bị dùng để cảm nhận biến đổi đại lượng vật lý, đại lượng khơng có tínhử chất điện cần đo thành đại lượng có tính chất điện đo xử lý Các đại lượng cần đo (m) thường khơng có tính chất điện (như nhiệt độ, áp suất, lưu lượng, vận tốc ) tác động lên cảm biến cho ta đặc trưng (s) mang tính chất điện (như dịng điện, điện áp, trở kháng ) chứa đựng thông tin cho phép xác định giá trị đại lượng cần đo Đặc trưng (s) hàm đại lượng cần đo: s = f(m) s: Đại lượng đầu hay gọi đáp ứng đầu cảm biến m: đại lượng đầu vào kích thích (có nguồn gốc đại lượng cần đo) f :là hàm truyền đạt cảm biến Hàm truyền đạt thể cấu trúc thiết bị biến đổi thường có đặc tính phi tuyến, điều làm giới hạn khoảng đo dẫn tới sai số Trong trường hợp đại lượng đo biến thiên phạm vi rộng cần chia nhỏ khoảng đo để có hàm truyền tuyến tính(Phương pháp tuyến tính hố đoạn) Thơng thường thiết kế mạch đo người ta thực mạch bổ trợ để hiệu chỉnh hàm truyền cho hàm truyền đạt chung hệ thống tuyến tính Giá trị (m) xác định thông qua việc đo đạc giá trị (s) Các tên khác khác cảm biến: Sensor, cảm biến đo lường, đầu dò, van đo lường, nhận biết biến đổi Trong hệ thống đo lường điều khiển, cảm biến cảm biến ngồi việc đóng vai trị “giác quan“ để thu thập tin tức cịn có nhiệm vụ “nhà phiên dịch“ để cảm biến dạng tín hiệu khác tín hiệu điện Sau sử dụng mạch đo lường xử lý kết đo vào mục đích khác khác *Sơ đồ nguyên tắc hệ thồng đo lường điều khiển Đối tượng điều khiển thiết bị thừa hành Cảm biến đo lường Mạch so sánh chuẩn so sánh Mạch đo điện Chỉ thị xử lý Hình 1: Sơ đồ nguyên tắc hệ thống đo lường điều khiển Tham số trạng thái X đối tượng cần điều khiển dược cảm biến sang tín hiệu y nhờ cảm biến đo lường Tín hiệu lối mạch đo điện sử lý để đưa cấu thị Trong hệ thống điều khiển tự động, tín hiệu lối mạch đo điện đưa trở lối sau ki thực iện thao tác so sánh với chuẩnm tín hiệu lối khởi phát thiết bị thừa hành để điều khiển đối tượng * Trong hệ thống đo lường điều khiển đại, trình thu thập sử lý tín hiệu thường máy tính đảm nhiệm Đối tượng Cảm biến đo điều khiển lường thiết bị thừa hành Vi điều khiển (Microcontroler) PC chương trình điều khiển Hình 2: Hệ thống đo lường điều khiển ghép PC Trong sơ đồ đối tượng điều khiển dặc trưng biến trạng thái cảm biến thu nhận Đầu cảm biến phối ghép với vi điều khiển qua dao diện Vi điều khiển có tể oạt động độc lập theo cương trình cào đặt sẵn phối ghép với máy tính Đầu vi điều kiển phối ghép với cấu cháp hành nhằm tác động lên trình hay đối tượng điều khiển Chương trình cho vi điều khiển cài đặt thơng qua máy tính nạp chương trình chuyên dụng Đây sơ đồ điều khiển tự động trình (đối tượng ), đố cảm buến đóng vai trị phần tử cảm nhận, đo đạc đánh giá thông số hệ thống Bộ vi điều khiển làm nhiệm vụ xử lý thơng tin đưa tín hiệu q trình Từ sen-sor từ mượn tiếng la tinh Sensus tiếng Đức tiếng Anh gọi sensor, tiếng Việt thường gọi cảm biến.Trong kỹ thuật hay gọi tuật ngữ đầu đo hay đầu dò Các cảm biến thường định nghĩa theo nghĩa rộng thiết bị cảm nhận đáp ứng tín hiệu kích thích 1.2 Phân loại cảm biến Cảm biến phân loại theo nhiều tiêu chí Người ta phân loại cảm biến theo cách sau: 1.2.1 Theo nguyên lý chuyển đổi đáp ứng kích thích Hiện tượng Vật lý Chuyển đổi đáp ứng kích thích Nhiệt điện Quang điện Quang từ Điện từ Từ điện …vv Hóa học Biến đổi hóa học Biến đổi điện hóa Phân tích phổ …vv Sinh học Biến đổi sinh hóa Biến đổi vật lý Hiệu ứng thể sống vv 1.2.2 Theo dạng kích thích Kích thích Âm Điện Từ Cơ Các đặc tính kích thích Biên pha, phân cực Phổ Tốc độ truyền sóng …vv Điện Điện Điện Điện …vv tích, dịng điện thế, điện áp trường dẫn, số điện môi Từ trường Từ thông, cường độ từ trường Độ từ thẩm …vv Vị trí Lực, áp suất Gia tốc, vận tốc, ứng suất, độ cứng Mô men Khối lượng, tỉ trọng Độ nhớt…vv Quang Phổ Tốc độ truyền Hệ số phát xạ, khúc xạ …VV Nhiệt Nhiệt độ Thông lượng Tỷ nhiệt …vv Bức xạ Kiểu Năng lượng Cường độ …vv 1.2.3 Theo tính - Độ nhạy - Độ xác - Độ phân giải - Độ tuyến tính - Cơng suất tiêu thụ 1.2.4 Theo phạm vi sử dụng - Công nghiệp - Nghiên cứu khoa học - Mơi trường, khí tượng - Thông tin, viễn thông - Nông nghiệp - Dân dụng - Giao thông vận tải…vv 1.2.5 Theo thông số mơ hình mạch điện thay - Cảm biến tích cực (có nguồn): Đầu nguồn áp nguồn dịng - 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 tích cực khơng cần Được đặc trưng thơng số: R, L, C… tuyến tính phi tuyến Phạm vi ứng dụng Các cảm biến sử dụng nhiều lĩnh vực kinh tế kỹ thuật Các cảm biến đặc biệt nhạy cảm sử dụng thí nghiệm lĩnh vực nghiên cứu khoa học Trong lĩnh vực tự động hoá người ta sử dụng loại sensor bình thường đặc biệt CHƯƠNG CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ Mã chương: MH27 - 01 Giới thiệu: Trong tất đại lượng vật lý, nhiệt độ đại lượng quan tâm nhiều nhiệt độ đóng vai trị định đến nhiều tính chất quan trọng vật chất Nhiệt độ làm ảnh hưởng đến đại lượng chịu tác dụng Một đặc điểm quan trọng nhiệt độ làm thay đổi cách liên tục đại lượng chịu ảnh hưởng ví dụ áp suất, thể tích chất khí, thay đổi pha hay điểm Curie vật liệu từ …vv Bởi công nghiệp đời sống hàng ngày phải đo nhiệt độ Mục tiêu: - Phân biệt loại cảm biến nhiệt độ - Lắp ráp, điều chỉnh đặc tính bù NTC, PTC - Rèn luyện tính cẩn thận, xác, logic khoa học, tác phong công nghiệp Nội dung chính: Đại cương Mục tiêu: - Nắm thang đo nhiệt độ mối quan hệ chúng - Phân biệt loại cảm biến nhiệt độ Dụng cụ đo nhiệt độ đơn giản nhiệt kế sử dụng tượng giãn nở nhiệt Để chế tạo cảm biến nhiệt độ người ta sử dụng nhiều nguyên lý cảm biến khác như:  Phương pháp quang dựa phân bố phổ xạ nhiệt dao động nhiệt (hiệu ứng Doppler)  Phương pháp dựa giãn nở vật rắn, chất lỏng chất khí (với áp suất khơng đổi) dựa tốc độ âm  Phương pháp điện dựa phụ thuộc điện trở vào nhiệt độ Để đo trị số xác nhiệt độ vấn đề không đơn giản Đối với đa số đại lượng vật lý xác định cách định lượng nhờ phép so sánh chúng đại lượng loại gọi chuẩn so sánh Những đại lượng gọi đại lượng mở rộng chúng xác định bội số ước số đại lượng chuẩn Ngược lại nhiệt độ đại lượng gia tăng, việc nhân chia nhiệt độ khơng có ý nghĩa rõ ràng đo gián tiếp nhiệt độ sở tính chất vật chất 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 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 Carnot nêu rõ: Hiệu suất δ động nhiệt thuận nghịch hoạt động nguồn có nhiệt độ δ1 δ2 thang đo phụ thuộc vào δ1 δ2: Dạng hàm F phụ thuộc vào thang đo nhiệt độ Ngược lại, việc lựa chọn hàm F định thang đo nhiệt độ Đặt F(δ) = T xác định T nhiệt độ nhiệt động học tuyệt đối hiệu suất động nhiệt thuận nghịch viết sau: Trong đó: T1 T2 nhiệt độ nhiệt động học tuyệt đối hai nguồn Để khắc phục nhược điểm đĩa mã hóa tương đối nguồn số đềm bị Như cấu ngưng hoạt động vào buổi tối hay bảo trì khi bật nguồn trở lại encoder khơng thể xác định xác vị trí cấu Hình 4.8: Sơ đồ thu phát Encoder tuyệt đối (sử dụng mã Gray) Đĩa mã hóa 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 không chắn sáng - Vòng xác định đĩa quay nằm nửa vòng tròn - Kết hợp vòng với vòng xác định đĩa quay nằm ¼ vịng trịn - Các rãnh cho ta xác định vị trí 1/8, 1/16 vịng trịn Vịng phân đoạn ngồi cho ta độ xác cuối Loại encoder có nguồn sáng thu cho vịng encoder có 10 vịng có 10 nguồn sáng thu, encoder có 16 vịng có 16 nguồn sáng thu Ngồi việc khắc phục nhược điểm đĩa mã hóa tương đối, với đĩa mã hóa tuyệt đối encoder cịn giảm tốc xuống cho encoder quay đủ vòng suốt chiều dài cấu 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  Xét trường hợp đĩa mã hóa tuyệt đối trường hợp rãnh với mã nhị phân mã Gray  Mã nhị phân Bảng giá trị Mã nhị phân Vùng Vịng Vịng Vịng Góc off off off 0° tới 45° off off on 45° tới 90° off on off 90° tới 135° off on on 135°tới 180° on off off 180°tới 225° on off on 225°tới 270° on on off 270°tới 315° on on on 315°tới 360° Hình 4.9: Đĩa mã hóa tuyệt đối trường hợp rãnh với mã nhị phân Ghi chú: Vùng màu đen qui ước tương ứng với giá trị on (phân đoạn không chắn sáng) Chiều quay ngược chiều kim đồng hồ (góc quay mang giá trị dương) Vòng (vòng 1): tương ứng với bit MSB Vịng ngồi cùng: tương ứng với bit LSB Một cách tổng qt, có n vịng có số lượng vị trí đối tượng n ví dụ n = số lượng vị trí xác định 23 = Ở ví dụ trên, mã nhị phân tạo đĩa quay, qua xác định vị trí đĩa quay Tuy nhiên thực tế việc đặt vị trí rãnh chắn sáng rãnh cho ánh sáng qua khó mà thực cách hồn hảo Trong vị trí chúng lại định giá trị gõ Ví dụ đĩa chuyển từ vị trí 179,9 tới 180,10 (từ vùng sang vùng 5), tức khắc, theo bảng giá trị 1, có chuyển trạng thái từ off-on-on sang on-off-off Cách thức hoạt động khơng có độ tin cậy, vị thực tế khơng thể có chuyển trạng đồng thời cách hoàn hảo Nếu vị trí vịng chuyển trạng thái trước, đến vịng vịng thực có chuỗi mã nhị phân sau tạo off-on-on (vị trí bắt đầu) on-on-on (đầu tiên, trạng thái vòng lên on) on-on-off (kế đến, trạng thái vòng xuống off) on-off-off (cuối cùng, trạng thái vòng xuống off) Như chuỗi mã nhị phân tạo tương ứng với việc đĩa quay vị trí 4, 8, 7, Trong nhiều trường hợp điều gây nên rắc rối, làm lỗi hệ thống Ví dụ encoder sử dụng cho cánh tay robot, điều khiển cho cánh tay sai vị trí cố gắng thực việc di chuyển 180 để quay vị trí  Mã Gray Để khắc phục vấn đề nêu trên, mã Gray sử dụng Đây hệ thống mã nhị phân có khác mã Gray (chỉ có bit thay đổi trạng thái) Ví dụ bảng giá trị 2, từ vùng chuyển sang vùng có thay đổi từ off sang on vị trí bit đại diện cho vịng Bảng giá trị Mã Gray Vùng Vòng Vòng Vịng Góc off off off 0° tới 45° off off on 45° tới 90° off on on 90° tới 135° off on off 135°tới 180° on on off 180°tới 225° on on on 225°tới 270° on off on 270°tới 315° on off off 315° ới 360° Hình 4.10: Đĩa mã hóa tuyệt đối trường hợp rãnh với mã Gray Hình 4.11 : Dạng sóng encoder với đĩa mã hóa tuyệt đối (mã Gray) Hình 4.12: Đĩa mã hóa tuyệt đối trường hợp rãnh a) mã nhị phân b) mã Gray 1.3.Đo vận tốc vòng quay với nguyên tắc điện trở từ 1.3.1 Các đơn vị từ trường định nghĩa  Từ trường Từ trường dạng vật chất tồn xung quanh dịng, hay nói xác xung quanh hạt mang điện chuyển động tính chất từ trường tác dụng lực từ lên dòng điện, lên nam châm  Cảm ứng từ B Về mặt gây lực từ, từ trường đặc trưng vectơ cảm ứng từ B Trong hệ thống đơn vị SI dơn vị cảm ứng từ B T (Tesla) T = 1Wb/m2 = 1V.s/m2  Từ thông Từ thông gởi qua diện tích dS đại lượng giá trị Trong đó: - vectơ cảm ứng từ điểm diện tích - vectơ có phương vectơ pháp tuyến với diện tích xét, chiều chiều dương pháp tuyến, độ lớn độ lớn diện tích Trong hệ thống đơn vị SI đơn vị từ thông Weber (Wb) Nếu từ thông thay đổi đơn vị thời gian s, điện áp cảm ứng sinh cuộn dây V 1Wb = 1Vs  Cường độ từ trường H Cường độ từ trường H đặc trưng cho từ trường riêng dịng điện sinh khơng phụ thuộc vào tính chất mơi trường đặt dòng điện Trong hệ thống đơn vị SI đơn vị cường độ từ trường H A/m 1.3.2 Cảm biến điện trở từ Cảm biến điện trở từ linh kiện bán dẫn có hai cực, điện trở gia tăng tác động từ trường Trong trường hợp từ trường tác dụng thẳng góc mặt phẳng cảm biến ta có độ nhạy lớn 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, đòi 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 - bending of magnetic field lines (thay đổi theo vị trí bánh răng) Tín hiệu cảm biến hình thành dù đối tượng khơng di chuyển chậm Hình 4.13: Tín hiệu tạo cảm biến điện trở từ a Cảm biến điện trở từ với vật liệu InSb / NiSb  Hiệu ứng điện trở từ với vật liệu InSb / NiSb Vật liệu bán dẫn InSb với 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 tg = B Do lệch đoạn đường dịch chuyển electron dài Kết điện trở cảm biến gia tăng tác dụng từ trường Để hiệu ứng sử dụng thực tế, góc cần phải lớn Trong kim loại, góc bé Với germanium góc lệch khoảng 20 0, Indiumantimon độ linh động electron cao nên góc lệch = 80 với B = 1T Để tạo đường dịch chuyển electron dài tốt tác dụng từ trường, ngõ có thay đổi điện trở lớn hơn, cảm biến kết cấu hình Nhiều phiến InSb (bề rộng vài ) ghép nối tiếp Giữa phiến màng kim Hình 4.14: Kết cấu cảm biến điện trở từ với vật liệu loại InSb/ NiSb Trong thực tế với kỹ thuật luyện kim người ta tạo kim Nickelantimon nằm bên InSb có chiều song song với hai cực điện Cho mục đích này, 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 dài 50 Các kim dẫn điện tốt khơng có điện áp nơi Mật độ điện tích phân bố khơng InSb tác dụng từ trường, phân bố phân bố lại kim Như 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 RB=R0(1+k) k số vật liệu có trị số khoảng 0,85 Điện trở cảm biến nằm khoảng 10 -500 Diện tích cắt ngang bán dẫn nhỏ tốt, nhiên chiều rộng nhỏ 80 b Cảm biến điện trở từ với vật liệu permalloy  Hiệu ứng điện trở từ với vật liệu permalloy Một màng mỏng vật liệu sắt từ gọi permalloy (20% Fe, 80% Ni) - Khi khơng có diện từ trường, vectơ từ hóa bên vật liệu nằm song song với dịng điện - Với từ trường nằm song song với mặt phẳng màng mỏng thẳng góc với dịng điện, vectơ từ hóa quay góc Kết điện trở permalloy thay đổi theo R = R0 + R0 thông số phụ thuộc vào chất liệu permalloy khoảng đến 3% R0 Hình 4.15: Hiệu ứng điện trở từ permalloy Nguyên tắc ứng dụng để đo tốc độ quay góc quay  Tuyến tính hóa đặc tính cảm biến Theo phương trình bậc 2: R = R0 + điện trở cảm biến điện trở từ khơng tuyến tính (xem đặc tuyến a hình 4.17) 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 hóa cách đặt màng mỏng nhơm gọi (barber poles) lên màng mỏng permalloy với góc 450 so với trục màng mỏng (như hình 4.16) Nhơm có tính chất dẫn điện tốt so với permalloy, barber poles làm thay đổi góc dịng điện 450 Như góc dịng điện vectơ từ hóa từ thành(- 450) Hình 4.17 biểu diễn ảnh hưởng barber poles lên đặc tính cảm biến điện trở từ Hình 4.16 Để tạo nên cảm biến hoàn chỉnh cầu Wheatstone với cảm biến điện trở từ sử dụng Trong cặp cảm biến đối diện qua đường chéo có “sự định hướng” Điều có nghĩa cặp cảm biến có barber poles tạo với trục mặt phẳng màng góc + 450 cặp có barber poles tạo với trục mặt phẳng màng Hình 4.17: Ảnh hưởng barber poles góc - 450 lên đặc tính cảm biến điện trở từ Điều làm cho biên độ tín hiệu tăng lên lần đảm bảo tuyến tính Bên cạnh ảnh hưởng nhiệt độ cầu điện trở bù qua lại a: Đặc tuyến R-H cảm biến loại tiêu chuẩn b: Đặc tuyến R-H cảm biến loại có barber poles c Đặc điểm việc đo tốc độ với cảm biến điện trở từ Cảm biến điện trở từ đo trực tiếp tốc độ quay mà phát chuyển động bánh làm từ vật liệu chứa sắt (đối tượng thụ động) đối tượng quay có cực nam châm thay đổi ( đối tượng tích cực, xem hình)  Đối tượng “thụ động” Đặc điểm hoạt động cảm biến với đối tượng thụ động mơ tả hình 4.13 Cảm biến cần gắn với nam châm vĩnh cửu Hình 4.18 Cấu trúc đối tượng (hình trịn) Ký hiệu Miêu tả Đơn vị z Số lượng d Đường kính mm m m =d/z mm p (bước p = m bánh răng) mm Các thông số đặc trưng đối tượng (theo tiêu chuẩn DIN) Hình 4.19: Các thành phần chi tiết cảm biến KMI 15/1 hãng Philips Semiconductors với đối tượng thụ động  Đối tượng “tích cực “ Hình 4.20 Đối tượng tích cực cung cấp vùng “làm việc” Do khơng cần nam châm châm cho cảm biến để hoạt động Tuy nhiên để cảm biến hoạt động ổn định không chịu tác động không theo ý muốn, nam châm nhỏ dùng cảm biến Hình 4.21:Các thành phần chi tiết cảm biến KMI 15/2 hãng Philips Semiconductors với đối tượng “tích cực” Cảm biến đo tốc độ quay KMI15/x KMI16/x hãng Philips Semiconductors sản xuất sử dụng hiệu ứng điện trở từ Cấu tạo cảm biến bao gồm phận cảm biến điện trở từ, nam châm vĩnh cữu tích hợp mạch điều chình tín hiệu Bộ phận điều chỉnh tín hiệu có chức khuếch đại ( với KMI15/x) chuyển đổi tín hiệu thành dạng digital (với KMI16/x) Hình 4.22: Cấu trúc loại cảm biến KMI Hình 4.23: Sơ đồ khối cảm biến KMI15/x Hình 4.24: Sơ đồ khối cảm biến KMI16/x  Mạch ứng dụng Việc dùng cảm biến KMI15/x ứng dụng thực tế cần lắp đặt hình bên để khử nhiễu bảo vệ cảm biến trường hợp cực tính nguồn bị lắp sai Cảm biến đo góc với tổ hợp có điện trở từ Mục tiêu: Trình bày đặc trưng nguyên lý làm việc cảm biến đo góc với tổ hợp có điện trở từ 2.1 Nguyên tắc Từ công thức R = R0 + Ta R có liên hệ gần R Dựa nguyên tắc này, cảm biến đo góc mà khơng cần tiếp xúc 2.2.Các loại cảm biến KM110BH/2 hang Philips Semiconductor Loại cảm biến KM110BH/21 có hai dạng KM110BH/2130 KM110BH/2190 Tuy có thang đo khác có mạch điện KM110BH/2130 chế tạo với thang đo để có độ khuếch đại lớn hơn, đo từ -150 đến +150 Tín hiệu truyến tính (độ phi tuyến 1%) KM110BH/2190 đo từ -450 đến +450 Tín hiệu hình sin Cả hai cảm biến có tín hiệu analog Ngồi hai cảm biến cịn có cảm biến thiết kế KM110BH/23 KM110BH/24 * Bảng thông số số cảm biến KM110BH Thông số Thang đo Điện áp Dòng điện Đặc tuyến ngõ Điện áp hoạt động Đơn vị KM110BH 2130 30 0,5 tới 4,5 2190 90 0,5 tới 4,5 2270 70 0,5 tới 4,5 2390 90 0,5 tới 4,5 2430 30 0,5 tới 4,5 2470 70 0,5 tới 4,5 tới 20 0,001 V mA Tuyến tính Hình sin Hình sin Tuyến tính Tuyến tính Hình sin 5 8,5 5 V Nhiệt độ hoạt động -40 tới +120 -40 tới +120 -40 tới +120 -40 tới +120 -40 tới +120 -40 tới +120 Độ phân giải 0,001 0,001 0,001 0,001 0,001 0,001 C Độ Các loại cảm biến KM110BH/2270 có thang đo từ -35 đến +350, sử dụng điện trở để chuyển sang dạng điện áp 2.3 Các loại cảm biến KMA10 KMA20 Cảm biến KMA10 KMA20là loại cảm biến đo góc (khơng cần tiếp xúc) thiết kế để hoạt động môi trường khắc nghiệt Được ứng dụng lĩnh vực tự động công nghiệp Hai loại cảm biến KMA10 KMA20 thiết kế phát triển hợp tác Philips Semiconductor AB Electonic KMA10 cho tín hiệu dạng dòng 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 phát triển từ loại KM110BH/2470, KMA20/90 phát triển từ loại KM110BH/2390 Tuy nhiên tín hiệu từ KMA20/30 tuyến tính từ KMA20/70 hình sin * Bảng thông số số cảm biến KMA Thông số Thang đo Điện áp Dòng điện Đặc tuyến ngõ Điện áp hoạt động Nhiệt độ hoạt động Độ phân giải KMA10/70 KMA20/30 KMA20/70 KMA20/90 70 90 70 90 Đơn vị 0,001 - 0,5 tới 4,5 0,5 tới 4,5 0,5 tới 4,5 V tới 20 - - - mA Hình sin Tuyến tính Hình sin Tuyến tính 8,5 5 -40 tới +100 -40 tới +125 -40 tới +125 -40 tới +125 0,001 0,001 0,001 0,001 V C Độ Máy đo góc tuyệt đối (Resolver) Mục tiêu: Trình bày đặc trưng nguyên lý làm việc máy đo góc tuyệt đối Máy đo góc tuyệt đối có cấu tạo gồm hai phần: phần động gắn liền với trục quay động chứa cuộn sơ cấp kích thích sóng mang tần số 2-10Khz qua máy biến áp quay (hình 4.30 a) Phần tĩnh có dây quấn thứ cấp (cuộn sin cuộn cos) đặt lệch 900 Đầu hai dây quấn thứ cấp ta thu tín hiệu điều biên UU0sintsinϑ UU0sintcosϑ (hình 4.30 b) Đường bao kênh tín hiệu chứa thơng tin vị trí tuyệt đối (gócϑ) rotor máy đo, có nghĩa vị trí tuyệt đối rotor động (hình 4.30 c) Hình 4.30: Máy đo góc tuyệt đối a) cấu tạo b) sơ đồ nguyên lý c)hai kênh tín hiệu Có cách thu thập thơng tích : - Hiệu chỉnh sửa sai góc thu sở so sánh góc cài đặt sẵn số vi mạch sẵn có Các vi mạch cho tín hiệu góc dạng số (độ phân giải 10-16 bit/1 vóng tốc độ quay dạng tương tự - Dùng hai 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 tạo tín hiệu kích thích 2-10 kHz TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Trọng Thuần, Điều khiển logic ứng dựng, NXB Khoa học kỹ thuật 2006 [2] Nguyễn Văn Hịa, Giáo trình đo lường cảm biến đo lường, NXB Giáo dục 2005 [3] Lê Văn Doanh- Phạm Thượng Hàn, Các cảm biến kĩ thuật đo lường điều khiển, NXB Khoa học kỹ thuật 2006 [4] Lê Văn Doanh, Các cảm biến kĩ thuật đo lường điều khiển, NXB Khoa học kỹ thuật 2001 [5] Nguyễn Thị Lan Hương, Kỹ thuật cảm biến, NXB Khoa học kỹ thuật 2008 [6] Phan Quốc Phô, Nguyễn Đức Chiến, Cảm biến, NXB Khoa học kỹ thuật 2000 ... thường gọi cảm biến. Trong kỹ thuật hay gọi tuật ngữ đầu đo hay đầu dò Các cảm biến thường định nghĩa theo nghĩa rộng thiết bị cảm nhận đáp ứng tín hiệu kích thích 1.2 Phân loại cảm biến Cảm biến phân... vùng phát cảm biến hết báo tín hiệu Hình 2.3 1.2 Cảm biến tiệm cận điện cảm (Inductive Proximity Sensor) Hình 2.4 Vài loại cảm biến tiệm cận điện cảm Siemens Cảm biến tiệm cận điện cảm có nhiều... vùng cảm nhận cảm biến Tín hiệu từ cảm biến analog chứa đựng thông tin khoảng cách đối tượng đến cảm biến Hình 2.23: Các thành phần cảm biến tiệm cận siêu âm 1.4.2.Nguyên lý hoạt động cảm biến