Đề cương bài giảng môn: Kỹ thuật cảm biến và ứng dụng (Dùng cho trình độ Cao đẳng, Trung cấp và liên thông)

1 BỘ LAO ĐỘNG THƯƠNG BINH VÀ XÃ HỘI TRƯỜNG CAO ĐẲNG KỸ NGHỆ II KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ĐỀ CƯƠNG BÀI GIẢNG MÔN: KỸ THUẬT CẢM BIẾN VÀ ỨNG DỤNG (Dùng cho trình độ Cao đẳng, Trung cấp liên thơng) GVBS: MAI THỊ BÍCH VÂN TPHCM, tháng 03 năm 2018 Tên môn học: KỸ THUẬT CẢM BIẾN VÀ ỨNG DỤNG I VỊ TRÍ, TÍNH CHẤT CỦA MƠ ĐUN: * Vị trí: Mơ đun bố trí dạy sau học song mơ đun An tồn lao động, Kỹ thuật điện tử, kỹ thuật số Có thể học song song với mô đun điều khiển khí nén thủy lực, điện tử cơng suất, * Tính chất: - Rèn luyện kỹ phân tích mạch, phân biệt dạng mạch, dạng tín hiệu ngõ phạm vi ứng dụng loại cảm biến - Rèn luyện kỹ phán đoán xử lý, sửa chữa hư hỏng thường gặp mạch cảm biến - Rèn luyện lắp ráp cân chỉnh, sửa chữa dạng mạch điều khiển cảm biến - Rèn luyện tác phong, thái độ làm việc, biện pháp an toàn điện thiết bị thực thao tác lắp ráp cân chỉnh mạch điều khiển cảm biến Là mô đun chuyên môn chương trình đào tạo cao đẳng nghề điện tử cơng nghiệp, nhằm trang bị cho sinh viên kiến thức, kỹ chuyên sâu lắp ráp cân chỉnh, sửa chữa hư hỏng mạch cảm biến II MỤC TIÊU CỦA MƠ ĐUN: Sau học xong mơn học học viên có lực * Về kiến thức: Được đánh giá hình thức kiểm tra viết, trắc nghiệm theo nội dung sau: - Phân tích nguyên lý cấu tao, đặc điểm, ứng dụng loại cảm biến thơng dụng - Phân tích ngun lý hoạt động mạch điều khiển cảm biến - Các qui tình thực cơng việc - Phân tích, phán đốn linh kiện hư hỏng theo tình giả định * Về kỹ năng: - Kiểm tra xác định thông số, hư hỏng loại cảm biến - Thiết kế mạch cảm biến đơn giản đạt yêu cầu kỹ thuật - Thực hành lắp ráp số mạch điều khiển theo tiêu chuẩn điện VN - Kiểm tra, thử mạch lắp đặt mạch cảm biến - Lắp ráp, cân chỉnh, kiểm tra, sửa chữa hư hỏng mạch cảm biến công nghiệp yêu cầu kỹ thuật * Về lực tự chủ trách nhiệm: Có khả làm việc độc lập, tự thiết kế lắp đặt, sửa chữa mạch ứng dụng cảm biến Đánh giá phong cách học tập thể ở: Tỉ mỉ, cẩn thận, xác III NỘI DUNG MÔ ĐUN: BÀI MỞ ĐẦU:KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ CÁC BỘ CẢM BIẾN Mục tiêu bài: - Phân tích tổng thể cấu tạo, nguyên lý, phạm vi ứng dụng số loại cảm biến thường dùng công nghiệp - Nhận dạng giải thích đặc tính số loại cảm biến nói - Tích cực, chủ động sáng tạo học tập Nội dung bài: I KHÁI NIỆM CHUNG: Trong q trình sản xuất có nhiều đại lượng vật lý nhiệt độ, áp suất, tốc độ, tốc độ quay, nồng độ pH, độ nhờn vv cần xử lý cho đo lường, cho mục đích điều khiển truyền động Các cảm biến thực chức này, chúng thu nhận, đáp ứng kích thích Cảm biến chuyển đổi kỹ thuật để chuyển đổi lượng vật lý nhiệt độ, áp suất, khoảng cách vv sang đại lượng khác để đo, đếm Các đại lượng phần lớn tín hiệu điện Thí dụ: Điện áp, dịng điện, điện trở tần số dao động Các tên khác khác cảm biến: Sensor, cảm biến đo lường, đầu dò, van đo lường, nhận biết biến đổi Từ sen-sor từ mượn tiếng la tinh Sensus, tiếng Đức tiếng Anh gọi sensor, tiếng Việt thường gọi cảm biến Các cảm biến thường định nghĩa theo nghĩa rộng thiết bị cảm nhận, kích thích đáp ứng tín hiệu II 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 sensor bình thường đặc biệt III PHÂN LOẠI CÁC BỘ CẢM BIẾN Cảm biến phân loại theo nhiều tiêu chí Người ta phân loại cảm biến theo cách sau: Theo nguyên lý chuyển đổi kích thích đáp ứng Hiện tượng Chuyển đổi kích thích đáp ứng Nhiệt điện Quang điện Vật lý Quang từ Điện từ, Từ điện …vv Hóa học Biến đổi hóa học Biến đổi điện hóa Phân tích phổ …vv Biến đổi sinh hóa Sinh học Biến đổi vật lý Hiệu ứng thể sống vv Theo dạng kích thích Các đặc tính kích thích Kích thích Biên pha, phân cực Âm Phổ Tốc độ truyền sóng …vv Điện tích, dịng điện Điện thế, điện áp Điện Điện trường Điện dẫn, số điện môi …vv Từ trường Từ Từ thông, cường độ từ trường Độ từ thẩm …vv Vị trí, Lực, áp suất Gia tốc, vận tốc, ứng suất, độ cứng Cơ Mô men Khối lượng, tỉ trọng Độ nhớt …vv Quang Phổ Tốc độ truyền Hệ số phát xạ, khúc xạ …VV Nhiệt độ Nhiệt Thông lượng Tỷ nhiệt …vv Kiểu Bức xạ Năng lượng Cường độ …vv 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 thông vận tải…vv Theo thông số mô 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 BÀI 1:CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ Mục tiêu bài: - Trình bày cấu tạo, đặc tính loại cảm biến theo nội dung học - Phân tích nguyên lý hoạt động số mạch điều khiển theo nhiệt độ - Lắp ráp, cân chỉnh mạch hoạt động theo yêu cầu - Đo đạc, kiểm tra sửa chữa mạch cảm biến nhiệt độ cảm biến yêu cầu kỹ thuật bị hư hỏng Nội dung chính: I ĐẠI CƯƠNG CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ: Khái niệm Nhiệt độ số đại lượng có ảnh hưởng lớn đến tính chất vật chất Bởi nghiên cứu khoa học, công nghiệp đời sống hàng ngày việc đo nhiệt độ cần thiết Tuy nhiên việc xác định xác nhiệt độ vấn đề không đơn giản Đa số đại lượng vật lý xác định trực tiếp nhờ so sánh chúng với đại lượng chất Nhiệt độ đại lượng đo gián tiếp dựa vào phụ thuộc tính chất vật liệu vào nhiệt độ Nhiệt độ đại lượng đo gián tiếp sở tính chất vật liệu phụ thuộc vào nhiệt độ Tính chất nhiệt độ tác dụng vào vật liệu thay đổi độ dẫn điện vật liệu hay điện trở chúng thay đổi theo Để chế tạo cảm biến nhiệt độ người ta sử dụng nhiều nguyên lý khác nhiệt điện trở; nhiệt ngẫu; phương pháp quang dựa phân bố phổ xạ dao động nhiệt… Các thông số cảm biến nhiệt độ Cam biến nhiệt độ cảm biến có khả nhận biết tín hiệu nhiệt độ cách xác, trung thực chuyển đổi thành tín hiệu điện áp, dịng điện, điện trở Thơng số cấu tạo : Phụ thuộc vào loại cảm biến, cách chế tạo phương thức chuyển đổi loại cảm biến Thơng số sử dụng bao gồm yếu tố sau : - Khoảng làm việc : Là khoảng nhiệt độ mà cảm biến có khả hoạt động chưa vượt qua gới hạn bão hòa Khoảng làm việc cao hay thấp tùy theo tính chất Cấu tạo tính chất lý hóa loại cảm biến quy định - Độ nhạy định nghĩa : S  dF dx (2.3) Trong : dF thay đổi đại lượng đo cảm biến dx thay đổi đại lượng vật lý - Ngưỡng độ nhạy : Là mức thấp mà cảm biến phát - Tính trễ : Cịn gọi quán tính cảm biến nguyên nhân gây sai số phép đo Tốc độ thay đổi đại lượng đo phải phù hợp với tính trễ cảm biến Nếu đại lượng đo thay đổi nhanh mà quán tính cảm biến lớn khơng thể đo xác Mọi cảm biến có tính trễ ảnh hưởng vỏ bảo vệ Thang đo nhiệt độ Để đo nhiệt độ trước hết phải thiết lập thang nhiệt độ Thang nhiệt độ tuyệt đối thiết lập dựa vào tính chất khí lý tưởng Thang Kelvin (Thomson Kelvin - 1852): Thang nhiệt độ động học tuyệt đối, đơn vị nhiệt độ K Trong thang đo ngừời ta gán cho nhiệt độ điểm cân ba trạng thái nước - nước đá - giá trị số 273,15 K Thang Celsius (Andreas Celsius - 1742): Thang nhiệt độ bách phân, đơn vị nhiệt độ oC độ Celsius độ Kelvin Nhiệt độ Celsius xác định qua nhiệt độ Kelvin theo biểu thức: T(oC)= T(K) - 273,15 (3.3) Thang Fahrenheit (Fahrenheit - 1706): Đơn vị nhiệt độ oF Trong thang đo này, nhiệt độ điểm nứớc đá tan 32oF điểm nứớc sôi 212oF Nhiệt độ đo nhiệt độ cần đo Giả sử môi trường đo có nhiệt độ thực Tx, đo ta nhận nhiệt độ Tc nhiệt độ phần tử cảm nhận cảm biến Nhiệt độ Tx gọi nhiệt độ cần đo, nhiệt độ Tc gọi nhiệt độ đo Điều kiện để đo nhiệt độ phải có cân nhiệt môi trường đo cảm biến Tuy nhiên, nhiều nguyên nhân, nhiệt độ cảm biến không đạt tới nhiệt độ mơi trường Tx, tồn chênh lệch nhiệt độ Tx - Tc định Độ xác phép đo phụ thuộc vào hiệu số Tx - Tc , hiệu số bé, độ xác phép đo cao Muốn đo cần phải: - Tăng cườnng trao đổi nhiệt cảm biến môi trường đo - Giảm trao đổi nhiệt cảm biến mơi trường bên ngồi II CÁC LOẠI CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ Khi điều khiển nhiệt độ, phải có thiết bị để đọc nhiệt độ lị về, từ điều khiển nhiệt độ cách xác Thiết bị cảm biến Trong thực tế người ta thường sử dụng loại cảm biến : Thermocouple, RTD, thermistor, IC bán dẫn Các loại cảm biến phân biệt dựa nguyên lý làm việc chúng sau : - Nhiệt kế dùng chất lỏng dựa giãn nở thể tích - Nhiệt kế điện trở dựa thay đổi điện trở - Cặp nhiệt dựa nguyên lý sức điện động sinh vị trí tiếp xúc (mối hàn) có chênh lệch nhiệt độ - Hỏa kế quang học dựa độ chiếu sáng sợi tim đèn đốt nóng độ chiếu sáng vật thể cần đo Thực tế cảm biến đo nhiệt độ chia làm hai nhóm: - Cảm biến tiếp xúc: cảm biến tiếp xúc với môi trường đo, gồm: + Cảm biến giản nở (nhiệt kế giản nở) + Cảm biến điện trở (nhiệt điện trở) + Cặp nhiệt ngẫu - Cảm biến không tiếp xúc: hoả kế Các cảm biến thông dụng gồm có số loại sau : - Điện trở kim loại - Nhiệt điện trở - Cảm biến bán dẫn Cảm biến nhiệt điện trở a Đặc điểm chung Một tính chất quan trọng loại điện trở có độ nhạy nhiệt cao, khoảng 10 lần lớn so với độ nhạy điện trở kim loại Ngoài hệ số nhiệt chúng có giá trị âm phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ Kích thước nhỏ cho phép đo nhiệt độ điểm, đồng thời nhiệt dung nhỏ nên tốc độ hồi đáp lớn Độ ổn định nhiệt điện trở phụ thuộc vào chế tạo điều kiện sử dụng Trong trình sử dụng nhiệt điện trở cần phải tránh thăng giáng nhiệt độ đột ngột điều dẫn đến làm dạn nứt vật liệu Phụ thuộc vào loại nhiệt điện trở, dải nhiệt độ làm việc thay đổi từ vài độ tuyệt đối đến khoảng 3000C Có thể mở rộng dải nhiệt độ có trị số điện trở gia tăng đáng kể làm việc nhiệt độ cao Các nhiệt điện trở thông thường chế tạo từ ôxít bán dẫn đa tinh thể như: MgO, MgAl2O4, Mn2O3, Fe3O4, Co2O3, NiO, ZnTiO4 Miền đo phụ thuộc vào loại nhiệt điện trở, từ -273 C đến 300 C b Điện trở kim loại thay đổi theo nhiệt độ - Được sử dụng kim loại nguyên chất (Pt; Cu; Ni) với hệ số nhiệt điện trở lớn tốt Pt làm việc nhiệt độ 1900 C đến 6500C Cu làm việc nhiệt độ 500C đến 1500C - Người ta kéo chúng thành sợi mảnh quấn khung chịu nhiệt đặt vào hộp vỏ đặc biệt đưa đầu để lấy tín hiệu với điện trở (R) chế tạo khoảng từ 10(Ω)đến 100(Ω) - Độ nhạy điện trở kim loại thay đổi theo nhiệt độ Ġ - Điện trở kim loại thay đổi theo nhiệt độ có ưu điểm sử dụng rộng dãi sử dụng nhiều, nhược điểm điện trở kim loại thay đổi theo nhiệt độ kích thước lớn, cồng kềnh, có qn tính lớn c Cách nối dây đo: Nhiệt điện trở thay đổi điện trở theo nhiệt độ, với dòng điện khơng đổi qua nhiệt điện trở, ta đo U = R.I, để cảm biến không bị nóng lên qua phép đo, dịng điện cần phải nhỏt khoảng mA Với Pt 100 0C ta có điện khoảng 0,1 vôn, điện cần đưa đến máy đo qua dây đo Ta có kỹ thuật nối dây đo: Hình 1.1: Cách nối dây nhiệt điện trở Tiêu chuẩn IEC 751 yêu cầu dây nối đến đầu nhiệt điện trở phải có màu giống (đỏ trắng) dây nối đến đầu phải khác màu • Kỹ thuật hai dây: 10 ... tượng vào vùng cảm biến phát cảm biến đến lúc cảm biến báo hiệu t2 thời gian từ lúc đối tượng khỏi vùng phát cảm biến hết báo tín hiệu 27 28 * Phân loại Vật Cảm Biến Cảm Biến Vật Cảm Biến Cảm Biến. .. SỐ MẠCH ỨNG DỤNG CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ: Cảm biến điều khiển nhiệt độ lò nung: Đo nhiệt với cảm biến nhiệt bán dẫn LM335: Sơ đồ đo cảm biến nhiệt bán dẫn gồm trở tải cấp dòng cho cảm biến, khuếch... gọi cảm biến Các cảm biến thường định nghĩa theo nghĩa rộng thiết bị cảm nhận, kích thích đáp ứng tín hiệu II PHẠM VI ỨNG DỤNG Các cảm biến sử dụng nhiều lĩnh vực kinh tế kỹ thuật Các cảm biến