Bài giảng kỹ thuật đo lường cảm biến

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HƯNG YÊN KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG - CẢM BIẾN (ĐẠI HỌC LIÊN THÔNG VLVH TỪ TCN) Hưng Yên 2015 (Tài liệu lưu hành nội bộ) 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 trình lượng tử hoá mã hoá kết số phép so với đơn vị Với định nghĩa đo lường trình thể ba thao tác là: - Biến đổi tín hiệu tin tức - So sánh với đơn vị đo hay so sánh với mẫu trình đo lường - Chuyển đơn vị, mã hố để có kết số so với đơn vị Vậy 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 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN 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 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: = 100 ≈ 100 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 không 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 không 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 không 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 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN Việc phát sai số hệ thống phức tạp phát việc đánh giá loại trừ khơng cịn 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 khơng 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 toán 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 nguyên nhân phương pháp đo gây ngun 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 ngun 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 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: %= 100% XN: giá trị cực đại thang đo Δm: sai số tuyệt đố cực đại c Sai số kết phép đo gián tiếp Khi tính tốn 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) BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN 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 = ±1% Tính = ±3% =? % LG Ta có U = I.R + ΔU = = + → = + = + = + = ±(3% + 1%) = ±4% 1.2 Đặc tính thiết bị đo 1.2.1 Độ nhạy Độ nhạy dụng cụ đo tính bằng: S Y X Y Y=f(X) Nêu nên biến thiên đại lượng đầu Y so với biến thiên nhỏ đầu vào X Y - Trong trường hợp quan hệ đại lượng đầu đại lượng đầu vào tuyến tính độ nhạy S = const gọi độ nhạy thiết bị đo X - Trong trường hợp S hàm X quan hệ X phi tuyến (độ nhạy thay đổi theo giá trị đo) 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 xác định Nguyên nhân ma sát, tượng trễ, BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN  : 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: R X max  X   D  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: A   XN D  X m X Với thiết bị sai số chủ yếu ngưỡngnhạy độ xác khả phân ly: A R D  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 dịng 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 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 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 dịng 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 Suy ra: M q  dW e d + Trong tụ: We  C U - cấu tĩnh điện + Trong cuộn dây: We  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, khơng phụ thuộc mơ 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 mơ men tỷ lệ với  nhờ lị xo xoắn, dây căng, dây treo: Mc = D  Trong đó: D - mơ men cản riêng lị xo (phụ thuộc vào vật liệu, kích thước) BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN - 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: dW e  D. d Ta có phương trình đặc tính thang đo:   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 - Mô 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 = Môđ Q trình ngược lại: 2 = c - ; mơ men tác động: Mq - Mc = Môđ BÀI GIẢNG GI KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾ ẾN Mô men ổn định nh tác động đ lên phần động để kéo phần động ng tr trở vị trí cân c Chiều mô men ổnn định chiều mơ men có trị số nhỏ - Mô men ma sát:: (với (v phần động dùng dây căng, dây treo không xét đến mô men ma sát) Ta xét cấu trụ ục, trụ hình 1.11: + Khi phần động ng từ t  = đến c có ma sát nên khơng đến n đư 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 tr 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, b cịn mơ men ma sát có khuynh hướng ng ng ngựơc lại Khi Môđ = Mms kim dừng vị trí  khác c 1.3.2 Những phận, n, chi tiết ti chung cấu thị điện n a) Trục trụ (Hình 1.12) Trụcc quay Tr Trụ quay Hình 1.12 Trục trụ hai b phận quan trọng cấu: u: đđảm bảo cho phần động quay (kim chỉ,, lò xo phản, ph khung quay, ) Chất lượng củaa chúng quy định sai số ma sát Trục: đượcc làm b thép trịn đường kính 0,8 1,5 1,5 mm,  = 45  600, tận bán kính 0,05  0,3mm; có độ cứng cao Trụ:: Làm b đá cứng, mặt trụ đượcc khoét nón lõm có góc đỉnh 80o trụ điềều chỉnh lên xuống BÀI GIẢNG NG KỸ K THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN b) Lị xo phản kháng - Cơng dụng: + Đưa dòng òng vào khung dây (từ (t điện, điện động, sắt điện động) + Tạo mômen cản n cân b với mômen quay Yêu cầu: Để đảm bảo thị đượ ợc xác mơmen cản riêng D lò xo phải ổn định ( trị số củaa khơng thay đổi đ theo thời gian Hình 1.13 nhiệt độ) Để đạt yêu cầu lò xo thường chế tạạo từ vật liệu có khả đàn hồii llớn - Đặc điểm: + Có dạng hình xoắn ốcc (Hình 1.13) + Đầu lị xo gắn n với v trục quay, đầu ngồi gắn với điềều chỉnh O kim cố định trục quay + Trong cấu thịị có hai lị xo phản kháng ngược chiềuu c) Kim thị (Hình 1.14) Cơng dụng: thị góc quay  Yêu cầu: Kim phải nhẹ,, bền b vững, không bị han rỉ nên chế tạo nhơm, hợp p kim nhơm ho làm thuỷ tinh Đặc điểm: Hình dạng củ kim phụ thuộc vào cấp xác dụng cụ đo khoảảng cách để đọc kết đo Hình 1.14 d) Thang đo - Là mặt khắc độ:: Trên mặt m màu trắng người ta khắc độ màu đen ngư ngược lại Nếu dụng cụ dùng làm việc cảả ngày lẫn đêm khắc vạch chấtt phát quang - Góc lệch củaa kim phụ ph thuộc vị trí đặt, độ xác - Phía củaa thang đo luôn đặt đ gương để tránh sai ssố (khi đọc quan sát kim trùng với bóng củaa nó) e) Bộ phận cản dịu u - Công dụng: Dùng để nhanh nhan chóng chóng xác lập kết đo cách hạạn chế dao động kim xung quay vị trí cân ng - Cấu tạo: o: Có hai loại lo cản dịu (Hình 1.15) + Cản dịu khơng khí: gồm m m hộp kín Hình 1.15 có cánh chuyển động liền n với v trục, phần động chuyển động cánh chuy chuyển tạo chênh lệch bên v áp suất nhanh chóng dừng lại + Cản dịu cảm ứng từ: gồ ồm nhôm gắn liền phần động ng có hình qu quạt di chuyển khe hở mộtt nam châm vĩnh v cửu tạo nên dòng cảm ứng ng Do ssự tác động tương hỗ dòng điện từ trường ng c nam châm tạo lực chống lạii ssự chuyển động phần động 10 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN 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 tách rời 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 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: Nguyên lý cảm biến hồng ngoại phản xạ 176 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN * 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 không 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” 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 177 BÀI GIẢNG NG KỸ K THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN N Hình 4.32: Cấu C trúc cáp quang Sợi thuỷ tinh sử dụng d nguồn phát ánh sáng hồng ng ngo ngoại Sợi nhựa sử dụng nguồn n phát ánh sáng nhìn thấy th * Các dạng cảm biến n dùng cáp quang Hình 4.33: Cảm C biến sợi quang đối xứng Hình 4.34: Cảm C biến sợi quang phản xạ gương Hình 4.35: Cảm C biến sợi quang phản xạ * Laser (LASER: Light Amplification by Stimulated Emision of Radiation Radiation) Ánh sáng Laser ũng thường th sử dụng làm nguồnn sáng ccủa cảm biến Thông thường người ta sử dụng ng ánh sáng Laser thuộc thu c nhóm 2, nhóm có cơng su suất điểm phát cực đại 1mV Đố ối với ánh sáng Lasers sử dụng cầnn ph phải ý đến cảnh báo nguy hiểm củaa Những cảm biến n Laser dùng dạng ng chùm tia, quét tán xxạ, quét tán xạ với sở loại bỏ ng biến bi thái Ánh sáng Laser có cường ng đđộ cao ánh sáng nhìn thấy, y, ánh sáng th thiết lập hiệu chỉnh mộtt cách ddễ dàng Công nghệ Laser sử dụng để kiểm m tra đối đ tượng nhỏ khoảng ng cách llớn Ví dụ loại Cảm m biến bi L18 Siemens kiểm tra mộột đối tượng có kích thước 0,03 mm mộtt khoảng kho cách 80 cm 178 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN 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 cịn 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 b) Kiểm tra nắp lọ 179 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN c) Kiểm tra Ren 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: a) Phát xe cổng bãi đỗ xe b) Đếm chai c) Đếm hộp d) Đếm hộp Các tơng e) Đếm vật vị trí băng f) Phát người qua lại Hình 4.39: Một số ứng dụng 180 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN c) Ứng dụng cảm biến quang đối xứng Bộ cảm biến có phát thu tách rời có khả làm việc với khoảng cách lớn 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 hố 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 hoá 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 181 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN Tuỳ theo mức độ yêu cầu xác chất lượng tín mã hố tạo mà người ta thiết kế chế tạo loại Encoder khác 4.5.2 Cấu trúc Encoder 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 182 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN 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 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 183 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN 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 x Số khe hở đĩa x 60 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 184 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN 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 tiÕn hµnh kÕt nèi 5.2 CÊu tróc hƯ thèng 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 GIẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN TT S1 S2 0 0 1 1 Với bảng trạng thái ta nhận thấy cảm biến đầu có đối tượng tác ®éng S3 Q 0 0 0 0 1 r»ng 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 GhÐp trùc tiÕp, gi¸n tiÕp a) GhÐp trùc tiÕp 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 viƯc ghÐp nèi trùc tiÕp nh­ sau: - VỊ mặt điện áp nguồn phù hợp - Mức điện ¸p tÝn hiƯu cđa c¶m biÕn xÊp xØ 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 hiƯu hay víi møc tÝn hiƯu mµ chóng ta sư 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) Chän chÝp, dïng ®Ĩ ®iỊu khiĨn lùa chän cã nhiỊu IC cïng lµm viƯc lóc - 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 BÀI GIẢNG KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN - P3.0 đến P3.7 chân cổng - RxD: NhËn tÝn hiƯu kiĨu nèi tiÕp - 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 phÐp On-chip truy cËp bé nhí ch¬ng 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 nã - Vcc: Cung cÊp d­¬ng nguån 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 xng th× ta cã thĨ ghÐp trùc tiÕp víi vi điều khiển, điện áp xung tín hiệu lớn 5VDC phải sử dụng phối ghÐp quang ®iƯn ®Ĩ ghÐp nèi víi vi ®iỊu khiĨn Với cảm biến mà tín hiệu biến đổi tơng tự phải sử dụng chun ®ỉi ADC ®Ĩ ghÐp nèi víi vi ®iỊu khiĨn 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 – D­¬ng Minh TrÝ – NXB KH&KT Linh kiƯn 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 T¹p chÝ: Tù động hoá ngày Hội khoa học công nghệ tự động Việt nam Điện tử Hội vô tun ®iƯn tư ViƯt nam Elektronik & Computertechnik – Elektor Verlag - Germany III §Üa 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,