Giáo trình Kỹ thuật cảm biến là môn học chuyên môn của học viên ngành điện công nghiệp. Môn học này nhằm trang bị cho học viên các trường nghề những kiến thức về nguyên lý, cấu tạo, các mạch ứng dụng trong thực tế một số loại cảm biến...
UBND THÀNH PHỐ HẢI PHÕNG TRƢỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHIỆP HẢI PHỊNG GIÁO TRÌNH Mơn học/ Mơ đun: Kỹ thuật cảm biến NGHỀ:ĐIỆN CƠNG NGHIỆP TRÌNH ĐỘ CAO ĐẲNG Hải Phòng, 2019 TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu thuộc loại sách giáo trình nên nguồn thơng tin phép dùng nguyên trích dùng cho mục đích đào tạo tham khảo Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh bị nghiêm cấm LỜI NÓI ĐẦU Trong thời đại phát triển khoa học kỹ thuật ngày cảm biến đóng vai trị quan trọng Nó thành phần quan trọng thiết bị đo hay hệ thống điều khiển tự động Có thể nói nguyên lý hoạt động cảm biến, nhiều trường hợp thực tế nguyên lý phép đo hay phương pháp điều khiển tự động Giờ khơng có lĩnh vực mà khơng sử dụng cảm biến Chúng có măt hệ thống tự động phức tạp, người máy, kiểm tra sản phẩm, tiết kiệm lượng, chống ô nhiễm môi trường Cảm biến ứng dụng rộng rãi lĩnh vực giao thông vận tải, hàng tiêu dùng, bảo quản thực phẩm, tơ, trị chơi điện tử Do việc trang bị cho kiến thức loại cảm biến nhu cầu thiếu kỹ thuật viên, kỹ sư ngành điện ngành khác Môn học kỹ thuật cảm biến môn học chuyên môn học viên ngành điện công nghiệp Môn học nhằm trang bị cho học viên trường nghề kiến thức nguyên lý, cấu tạo, mạch ứng dụng thực tế số loại cảm biến Với kiến thức trang bị học viên áp dụng trực tiếp vào lĩnh vực sản xuất đời sống Ngoài kiến thức dùng làm phương tiện để học tiếp môn chuyên môn ngành điện Trang bị điện, PLC Môn học làm tài liệu tham khảo cho cán kỹ thuật, học viên ngành khác quan tâm đến lĩnh vực Tổ mơn 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 vòng quay góc quay…………………………… Tài liệu tham khảo 3 12 42 73 104 125 MÔN HỌC: KỸ THUẬT CẢM BIẾN Mã mơn học: MĐ 22 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) Tổng Lý Thực hành Kiểm tra* Số Tên chƣơng, mục TT 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 vàNickel 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 Cảm biến tiệm cận 10 loại cảm biến xác định vị II 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 vàgóc 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) Thông 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 thơng 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 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 Cảm biến đo điều khiển lường thiết bị chấp hành Mạch đo điện Chỉ thị xử lý Mạch so sánh chuẩn so sánh 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 điều khiển Cảm biến đo Vi điều khiển (Microcontroler) lường thiết bị chấp hành 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 quátrình 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 thông 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 Các đặc tính kích thích Kích thích Âm Điện Biên pha, phân cực Phổ Tốc độ truyền sóng …vv Điện tích, dịng điện Điện thế, điện áp Điện trường Điện dẫn, số điện môi …vv Từ Cơ 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 Mômen Khối lượng, tỉ trọng Độ nhớt…vv Quang Nhiệt Bức xạ Phổ Tốc độ truyền Hệ số phát xạ, khúc xạ …VV Nhiệt độ Thông lượng Tỷ nhiệt …vv 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 - Thơng tin, viễn thơng - Nơng nghiệp - Dân dụng Hình 4.7: Dạng sóng Encoder xung Gọi Tn thời gian đếm xung, N0 số xung vòng (độ phân giải cảm biến tốc độ, phụ thuộc vào số lỗ), N số xung thời gian T n 60N n (vòng / phút) = 40N T n 1.2.3.Đĩa mã hóa tuyệt đối 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 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 vòng phân đoạn theo hình đồng tâm gồm phân đoạn chắn sáng khơng chắn sáng - Vịng xác định đĩa quay nằm nửa vòng tròn 93 - 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 trƣờng hợp đĩa mã hóa tuyệt đối trƣờng hợp rãnh với mã nhị phân vàmãGray 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 quát, có n vịng có số lượng vị trí đối tượng n là2 ví dụ n = số lượng vị trí xác định = 94 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 0 Ví dụ đĩa chuyển từ vị trí 179,9 tới 180,1 (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 hồn 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 MãGray 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 vòng Bảng giá trị MãGray Vùng Vòng Vịng 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° 95 Hình 4.10: Đĩa mã hóa tuyệt đối trường hợp rãnh với mãGray on off off 315°ới 360° 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) mãGray 1.3.Đo vận tốc vòng quay với nguyên tắc điện trở từ 1.3.1 Các đơn vị từ trƣờng định nghĩa Từ trƣờng Từ trường dạng vật chất tồn xung quanh dòng, 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) 2 T = 1Wb/m = 1V.s/m Từ thông Từ thơng gởi qua diện tích dS đại lượng giá trị 96 d B.dS Trong đó: - B vectơ cảm ứng từ điểm diện tích - dS vectơ có phương vectơ pháp tuyến n 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 là1 V 1Wb = 1Vs Cƣờng độ từ trƣờng H Cường độ từ trường H đặc trưng cho từ trường riêng dòng điện sinh khơng phụ thuộc vào tính chất mơi trường đặt dịng 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, địi 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 97 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 , 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 m ) ghép nối tiếp Giữa phiến Hình 4.14: Kết cấu cảm biến điện trở từ với vật liệu màng kim 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 vô số kim NiSb hình thành bên InSb Các kim có đường kính khoảng m vàdài 50 m 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 B ) 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 m 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) 98 - Khi khơng có diện từ trường, vectơ từ hóa bên vật liệu nằm song song với dòng 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 cos 00 Rmax 90 Rmin R0 R0 thông số phụ thuộc vào chất liệu permalloy R0 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 + R0 cos 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 45 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 45 Như góc dịng điện vectơ từ hóa từ thành( - Hình 4.16 45 ) Hình 4.17 biểu diễn ảnh hưởng barber poles lên đặc tính cảm biến điện trở từ 99 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 + 45 cặp có barber poles tạo với trục mặt phẳng màng góc - 45 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 Hình 4.17: Ảnh hưởng barber poles lên đặc tính cảm biến điện trở từ 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 tƣợng “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 z Số lượng d Đường kính mm m m =d/z mm p (bước p = m bánh răng) Đơn vị mm Các thông số đặc trưng đối tượng (theo tiêu chuẩn DIN) 100 Hình 4.19: Các thành phần chi tiết cảm biến KMI 15/1 hãng Philips Semiconductors với đối tượng thụ động Đối tƣợng “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 101 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 102 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 Ngun tắc Từ cơng thức R = R0 + R0 cos Ta R có liên hệ gần R 2 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 cóthang đo khác có mạch điện KM110BH/2130 chế tạo với thang đo để có độ khuếch đại 0 lớn hơn, đo từ -15 đến +15 Tín hiệu truyến tính (độ phi tuyến 1%) 0 KM110BH/2190 đo từ -45 đến +45 Tín hiệu hình sin Cả hai cảm biến có tín hiệu analog 103 Ngồi hai cảm biến cịn có cảm biến thiết kế KM110BH/23 KM110BH/24 * Bảng thông số số cảm biến KM110BH Thông số KM110BH 2270 2390 2130 2190 Thang đo 30 90 70 Điện áp 0,5 tới 4,5 0,5 tới 4,5 0,5 tới 4,5 Dòng điện Đặc tuyến ngõra 2430 2470 90 30 70 0,5 tới 4,5 0,5 tới 4,5 0,5 tới 4,5 Đơn vị 0,001 V tới 20 mA Tuyến tính Hình sin Hình sin Tuyến tính Tuyến tính Hình sin động 5 8,5 5 Nhiệt độ hoạt động -40 tới +120 -40 tới +120 -40 tới +120 -40 tới +120 -40 tới +120 -40 tới +120 0,001 0,001 0,001 0,001 0,001 0,001 Điện áp hoạt V C Độ phân giải Độ Các loại cảm biến KM110BH/2270 có thang đo từ -35 đến +35 , 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 vàAB Electonic KMA10 cho tín hiệu dạng dịng 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 nhiê tín hiệu từ KMA20/30 tuyến tính từ KMA20/70 hình sin * Bảng thông số số cảm biến KMA Thông số KMA10/70 KMA20/30 KMA20/70 KMA20/90 Đơn vị Thang đo 70 90 70 90 0,001 - 0,5 tới 4,5 0,5 tới 4,5 0,5 tới 4,5 V tới 20 - - - mA Điện áp Dòng 104 điện Đặc tuyến ngõra Hình sin Tuyến tính Hình sin Tuyến tính Điện áp hoạt động 8,5 Nhiệt độ -40 tới +100 hoạt động Độ phân 0,001 giải 5 -40 tới +125 0,001 -40 tới +125 0,001 -40 tới +125 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 210Khz 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 UU0sin tsinϑ vàUU0sin tcosϑ (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 : 105 - 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 106 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 107 ... loại cảm biến ứng dụng ngành công nghiệp Mục tiêu mơn 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. .. chơi điện tử Do việc trang bị cho kiến thức loại cảm biến nhu cầu thiếu kỹ thuật viên, kỹ sư ngành điện ngành khác Môn học kỹ thuật cảm biến môn học chuyên môn học viên ngành điện công nghiệp. .. tính - Độ nhạy - Độ xác - Độ phân giải - Độ tuyến tính - Công suất tiêu thụ 1.2.4 Theo phạm vi sử dụng - Công nghiệp - Nghiên cứu khoa học - Môi trường, khí tượng - Thơng tin, viễn thơng - Nơng nghiệp