Giáo trình Đo lường cảm biến

ỦY BAN NHÂN DÂN THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƢỜNG CAO ĐẲNG GIAO THÔNG VẬN TẢI KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ………… o0o………… THS.NGUYỄN NGỌC TRUNG - THS.NGUYỄN ĐỨC LỢI GIÁO TRÌNH TP.HỒ CHÍ MINH, THÁNG NĂM 2014 LỜI NÓI ĐẦU Đã từ lâu sensor đƣợc sử dụng nhƣ phận để cảm nhận phát hiện, nhƣng từ vài ba chục năm trở lại chúng thể vai trò quan trọng kỹ thuật công nghiệp, đặc biệt lĩnh vực đo lƣờng, kiểm tra điều khiển tự động Nhờ tiến khoa học công nghệ lĩnh vực vật liệu, thiết bị điện tử tin học, sensor đƣợc giảm thiểu kích thƣớc, cải thiện tính ngày mở rộng phạm vi ứng dụng Giờ khơng có lĩnh vực từ dân đến quân mà khơng sử dụng sensor Chúng có mặt hệ thống tự động phức tạp, ngƣời máy, kiểm tra chất lƣợng sản phẩm, tiết kiệm lƣợng, chống ô nhiễm môi trƣờng, phát an ninh đặc biệt gần hệ thống nhà thông minh (smart home) Sensor đƣợc ứng dụng rộng rãi lĩnh vực giao thông vận tải, sản xuất hàng tiêu dùng, bảo quản thực phẩm Môn học Đo lƣờng cảm biến cung cấp kiến thức cảm biến ứng dụng cảm biến Môn học giới thiệu loại cảm biến: quang, nhiệt, điện, âm thanh, cảm biến hình ảnh; Kỹ thuật lắp ráp mạch chuyển đổi sơ cấp từ đại lƣợng không điện thành đại lƣợng điện; Kỹ thuật thiết kế mạch điều khiển ứng dụng cảm biến Cuốn giáo trình đƣợc biên soạn dựa chƣơng trình khung đề cƣơng chi tiết “Đo lƣờng cảm biến” chƣơng trình đào tạo sinh viên hệ cao đẳng ngành điện, điện tử, tự động hóa đƣợc HỘI ĐỒNG THẨM ĐỊNH KHOA HỌC nhà trƣờng thông qua vào tháng 4/2014 Cuốn giáo trình chứa nội dung chƣơng theo trình tự mục tiêu thiết kế chƣơng trình Các học lý thuyết đƣợc biên tập chi tiết, cập nhật kiến thức có tính ứng dụng cao Giáo trình trình bày đơn giản, dễ hiểu, cuối chƣơng có phần câu hỏi ôn tập nhằm giúp ngƣời đọc củng cố kiến thức rèn luyện thêm kỹ Để tiếp thu tốt môn học yêu cầu sinh viên cần trang bị đầy đủ kiến thức môn nhƣ kỹ thuật điện tử, vi mạch số, đo lƣờng kỹ thuật đo Đọc trƣớc tài liệu trƣớc đến lớp Mặc dù cố gắng nhƣng không tránh khỏi thiếu sót, mong đón nhận ý kiến đóng góp từ phía độc giả để lần tái sau giáo trình hồn thiện Chân thành cảm ơn! Nhóm biên soạn MỤC LỤC CHƢƠNG : KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ CẢM BIẾN (6 TIẾT) 1.1 Vai trò cảm biến đo lƣờng điều khiển 1.2 Định nghĩa phân loại cảm biến 1.3 Các thông số đặc trƣng cảm biến 1.3.1 Độ nhạy cảm biến: 1.3.2 Sai số cảm biến 1.3.3 Độ tuyến tính cảm biến: 1.4 Mạch xử lý tín hiệu cảm biến 10 1.5 Các hiệu ứng cảm biến 10 1.5.1 Hiệu ứng nhiệt điện 10 1.5.2 Hiệu ứng hỏa điện 10 1.5.3 Hiệu ứng áp điện 11 1.5.4 Hiệu ứng cảm ứng điện từ 11 1.5.5 Hiệu ứng quang điện 12 1.5.6 Hiệu ứng quang điện từ 12 1.5.7 Hiệu ứng Hall 12 CHƢƠNG : CẢM BIẾN ĐO NHIỆT ĐỘ ( tiết) 16 2.1 Thang nhiệt độ, điểm chuẩn nhiệt độ 16 2.2 Cảm biến nhiệt điện trở 17 2.3 Cảm biến nhiệt độ bán dẫn 23 2.4 Cảm biến cặp nhiệt điện ( Thermocouple) 26 2.5 Hoả kế, nhiệt kế xạ 29 2.5.1 Hỏa kế xạ toàn phần 29 2.5.2 Hỏa kế quang điện 30 2.6 Nhiệt kế áp suất lỏng khí 31 CHƢƠNG 33 3.1 Nguồn phát quang sợi đốt bán dẫn 33 3.2 Các đơn vị quang học 34 3.2.1 Đơn vị đo lƣợng 34 3.2.2 Đơn vị đo thị giác 35 3.3 Quang trở, tế bào quang điện 36 3.3.1 Quang trở 36 3.3.2 Tế bào quang điện 37 3.4 Diode quang, Transistor quang 39 3.4.1 Diode quang 39 3.4.2 Photo transistor: 41 3.5 Sợi quang 42 3.6 Ứng dụng cảm biến quang 44 CHƢƠNG 50 4.1 Cảm biến biến trở 50 4.2 Cảm biến từ 51 4.3 Cảm biến biến áp vi sai 53 4.4 Cảm biến điện dung 55 4.4.1 Cảm biến tụ điện đơn 55 4.4.2 Cấu tạo tụ ghép vi sai 56 4.5 Cảm biến Hall 57 4.6 Cảm biến tiệm cận dạng điện cảm 61 4.7 Cảm biến tiệm cận dạng điện dung 63 CHƢƠNG 67 5.1 Máy phát tốc 67 5.2 Encoder 68 5.3 Tốc độ kế điện từ 72 5.3.1 Tốc độ kế điện từ đo vận tốc góc 72 5.3.2 Tốc độ kế điện từ đo vận tốc dài 75 5.4 Tốc độ kế xung 76 5.4.1 Tốc độ kế từ trở biến thiên 77 5.4.2 Tốc độ kế quang 77 5.5 Cảm biến gia tốc (công nghệ MEMS) 78 CHƢƠNG : ĐO BIẾN DẠNG, LỰC VÀ TRỌNG LƢỢNG (6 TIẾT) 83 6.1 Cảm biến biến dạng (Strain gage) 83 6.2 Ứng dụng Strain gage 84 6.3 Cảm biến trọng lƣợng (Loadcell) 86 6.4 Ứng dụng Loadcell 88 6.5 Cảm biến đo áp suất chất lƣu 90 6.5.1 Cảm biến áp suất kiểu điện trở: 90 6.5.2 Cảm biến áp suất kiểu áp điện: 91 CHƢƠNG : ĐO LƢU LƢỢNG, TỐC ĐỘ VÀ MỨC CHẤT LƢU (6 Tiết) 94 7.1 Lƣu lƣợng kế từ điện 94 7.2 Đo lƣu lƣợng chênh lệch áp suất 95 7.3 Đo tốc độ gió 95 7.4 Đo mức phao (áp suất thủy tĩnh) 96 7.4.1 Áp kế vi sai kiểu phao 96 7.4.2 Áp kế vi sai kiểu chuông 97 7.5 Đo mức cảm biến điện dung 98 7.6 Đo mức cảm biến siêu âm quang 100 CHƢƠNG : CÁC CẢM BIẾN ĐO LƢỜNG KHÁC (12 tiết) 105 8.1 Đo độ ẩm 105 8.2 Đo độ pH 107 8.3 Đo thành phần khí 107 8.3.1 Khí SO2 (Lƣu huỳnh dioxit) 109 8.3.2 Các cảm biến đo tự động hàm lƣợng oxit Nitơ (NOx) 109 8.3.3 Đo nồng độ khí CO (Carbon monoxit) 110 8.4 Cảm biến thông minh 111 8.5 Cảm biến công tắc (Switch sensor) 113 Chƣơng 1: Khái niệm cảm biến CHƢƠNG : KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ CẢM BIẾN (6 TIẾT) 1.1 Vai trò cảm biến đo lƣờng điều khiển Trong hệ thống điều khiển tự động, cảm biến đóng vai trị quan trọng thiết bị cung cấp thơng tin q trình điều khiển cho điều khiển để điều khiển đƣa định phù hợp nhằm nâng cao chất lƣợng q trình điều khiển Có thể so sánh cảm biến hệ thống điều khiển tự động nhƣ giác quan ngƣời Các hệ thống điều khiển tự động cơng nghiệp có vơ số đại lƣợng vật lý cần đo nhƣ: nhiệt độ, áp suất, dịch chuyển, lƣu lƣợng,trọng lƣợng … cần đo Các đại lƣợng vật lý khơng có tính chất điện, điều khiển cấu thị lại làm việc với tín hiệu điện phải có thiết bị để chuyển đổi đại lƣợng vật lý khơng có tính chất điện thành đại lƣợng điện tƣơng ứng mang đầy đủ tính chất đại lƣợng vật lý cần đo Thiết bị chuyển đổi cảm biến 1.2 Định nghĩa phân loại cảm biến Cảm biến thiết bị chịu tác động đại lƣợng vật lý khơng có tính chất điện m cho đại lƣợng vật lý có tính chất điện x nhƣ: điện trở, điện tích, điện áp, dịng điện tƣơng ứng với m Đầu vào m (Input) Quan hệ x m : Cảm biến (Sensor) Đầu X (Output) x = f(m) đƣợc gọi phƣơng trình chuyển đổi cảm biến, hàm f() phụ thuộc vào cấu tạo, vật liệu làm cảm biến … Để chế tạo cảm biến, ngƣời ta sử dụng hiệu ứng vật lý Phân loại theo thơng số mơ hình mạch thay :  Cảm biến tích cực: Cảm biến tích cực hoạt động nhƣ nguồn áp nguồn dòng đƣợc biểu diễn mạng hai cửa có nguồn Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang Chƣơng 1: Khái niệm cảm biến  Cảm biến thụ động: Cảm biến thụ động đƣợc mô tả nhƣ mạng hai cửa khơng nguồn, có trở kháng phụ thuộc vào kích thích Phân loại theo phạm vi sử dụng  - Công nghiệp  - Nghiên cứu khoa học  - Mơi trƣờng, khí tƣợng  - Thơng tin, viễn thông  - Nông nghiệp  - Dân dụng  - Giao thông  - Vũ trụ  - Quân Phân loại theo dạng kích thích DẠNG KÍCH THÍCH ĐẶC ĐIỂM Âm Biên độ, pha, cực ;phổ tần , tốc độ truyền sóng Điện Điện tích, dòng điện ; điện thế, điện trƣờng, điện dẫn, số điện môi Từ Từ trƣờng, từ thông, cảm ứng từ, cƣờng độ điện trƣờng Quang Biên, pha, cực, phổ, xạ , hấp thụ, bƣớc sóng, khúc xạ, phản xạ, tần số Cơ Vị trí, lực, moment, áp lực, gia tốc, vận tốc Nhiệt Năng lƣợng, cƣờng độ xạ, nhiệt dung riêng Bức xạ Kiểu, lƣợng , cƣờng độ Theo tính cảm biến Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang Chƣơng 1: Khái niệm cảm biến  Độ nhạy  Độ xác  Độ phân giải  Độ chọn lọc  Độ tuyến tính  Cơng suất tiêu thụ  Dải tần  Độ trễ 1.3 Các thông số đặc trƣng cảm biến 1.3.1 Độ nhạy cảm biến: Độ nhạy cảm biến giá trị m = m0 tỷ số biến thiên ngõ cửa cảm biến ∆x biến thiên ngõ vào ∆m lân cận m0 Gọi s độ nhạy cảm biến: ( | ) (1.1) Để phép đo đạt độ xác cao, thiết kế sử dụng cảm biến cần cho độ nhạy S khơng đổi, nghĩa phụ thuộc vào yếu tố sau: - Giá trị đại lƣợng cần đo m tần số thay đổi - Thời gian sử dụng - Ảnh hƣởng môi trƣờng xung quanh Thông thƣờng nhà sản xuất cung cấp giá trị s tƣơng ứng với điều kiện làm việc định cảm biến 1.3.2 Sai số cảm biến Các cảm biến nhƣ dụng cụ đo lƣờng khác, đại lƣợng cần đo chịu tác động đại lƣợng vật lý khác gây nên sai số giá trị đo giá trị thật Sai số cảm biến sai lệch giá trị đo đƣợc cảm biến giá trị thực đại lƣợng cần đo, đƣợc đánh giá % Nếu gọi x giá trị thực đại lƣợng cần đo, ∆x sai lệch giá trị đo giá trị thực (gọi sai số tuyệt đối), sai số cảm biến đƣợc xác định Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang Chƣơng 1: Khái niệm cảm biến nhƣ sau: (1.2) Ví dụ: Một cảm biến nhiệt độ có độ nhạy là: s = 0,1 [mV/oC], tạo điện áp 100 [0C] 10,5 [mV] sai số cảm biến là: = 5% Sai số cảm biến mang tính chất ƣớc tính khơng thể biết xác giá trị thực đại lƣợng cần đo Khi đánh giá sai số ta thƣờng chia thành hai loại: sai số hệ thống sai số ngẫu nhiên Sai số hệ thống: Sai số hệ thống sai số không phụ thuộc vào số lần đo, có giá trị khơng đổi thay đổi châm theo thời gian Các nguyên nhân gây sai số hệ thống: - Do nguyên lý cảm biến - Do đặc tính cảm biến - Do chế độ điều kiện sử dụng cảm biến - Do xử lý kết đo Sai số ngẫu nhiên: Sai số ngẫu nhiên sai số xuất có độ lớn chiều không xác định Nguyên nhân gây sai số ngẫu nhiên: - Do thay đổi đặc tính thiết bị - Do tín hiệu nhiễu ngẫu nhiên - Do ảnh hƣởng thông số môi trƣờng nhƣ:từ trƣờng, nhiệt độ, độ ẩm, độ rung … 1.3.3 Độ tuyến tính cảm biến: Cảm biến đƣợc gọi tuyến tính dải đo có độ nhạy không đổi điểm dải đo  Trong chế độ tĩnh độ tuyến tính không phụ thuộc độ nhạy vào giá trị đại lƣợng đo, thể đƣờng thẳng đặc trƣng Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang Chƣơng 1: Khái niệm cảm biến  Chế độ động cảm biến không phụ thuộc vào độ nhạy đến kết đo nhƣ thông số tần số, dao động tắt dần 1.4 Mạch xử lý tín hiệu cảm biến Đáp ứng ngõ cảm biến thƣờng không phù hợp với cấu thị thiết bị đọc tín hiệu hồi tiếp hệ thống điều khiển cần có mạch xử lý (chuyển đổi tín hiệu) cho phù hợp với cấu Đầu vào m (Input) Cảm biến (Sensor) Mạch xử lý (Processing) Cơ cấu hiển thị (Display) Hình 1.1: Cấu trúc mạch xử lý dùng cảm biến 1.5 Các hiệu ứng cảm biến 1.5.1 Hiệu ứng nhiệt điện Hai dây dẫn M1 M2 có chất hóa học khác đƣợc hàn lại thành mạch kín, nhiệt độ mối hàn T1 T2 khác xuất sức điện động e (T1,T2) có độ lớn phụ thuộc vào chênh lệnh nhiệt độ T1 T2 Hiệu ứng nhiệt điện thƣờng đƣợc ứng dụng để đo nhiệt độ T1 biết nhiệt độ T2, thƣờng chọn giá trị T2 = 0C Hình 1.2: Sơ đồ hiệu ứng nhiệt điện 1.5.2 Hiệu ứng hỏa điện Một số tinh thể gọi hỏa điện nhƣ tinh thể sulfate triglycine có tính phân cực điện tự phát với độ phân cực phụ thuộc vào nhiệt độ làm xuất điện tích trái dấu mặt đối diện chúng Độ lớn điện áp phụ thuộc vào độ phân cực tinh thể hỏa điện Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 10 Chƣơng 7: Đo lƣu lƣợng, tốc độ mức chất lƣu đo đƣợc khoảng cách với sai số nhỏ (khoảng 343m/s khơng khí) Phƣơng pháp khơng đƣợc dùng thiết bị thu nhận sóng điệntừ, vận tốc sóng điện từ cao với vận tốc ánh sáng (300.000 km/s).Khoảng cách từ thiết bị phát đến chƣớng ngại vật đƣợc tính vận tốc sóng mơi trƣờng tƣơng ứng nhân với nửa thời gian truyền sóng Ở chế độ phát ngƣỡng, nguồn phát thu đặt đối diện mức ngƣỡng Tùy thuộc vào mức chất lƣu cao hay thấp mức ngƣỡng mà chùm tia đến thu tăng giảm phát tín hiệu tƣơng ứng với mức nhận đƣợc Hình 7.8: Cảm biến siêu âm dùng để đo mức Ở chế độ đo mức liên tục, nguồn phát phát chùm tia rộng quét toàn chiều cao mức chất lƣu Khi mức chất lƣu (3) tăng hấp thu chất lƣu tăng làm cho chùm tia đến bọ thu bị suy hao Mức suy hao tỷ lệ với mức chất lƣu bình Hình 7.9: Cảm biến đo mức siêu âm chế độ liên tục Cảm biến đo mức nƣớc - dạng quang - vp04ep Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 102 Chƣơng 7: Đo lƣu lƣợng, tốc độ mức chất lƣu Hình 7.10: Cảm biến đo mức nƣớc dạng quang – VP 04ep - Đƣợc sản xuất theo tiêu chuẩn công nghệ Châu Âu hãng Carlo Gavazzi Italy, tín hiệu xác, độ bền cao - Là dịng cảm biến mực quang học, có phạm vi hoạt động cố định, sử dụng tia hồng ngoại để phát mực chất lỏng Thu, phát hoàn toàn độc lập khối, cảm biến đƣợc thiết kế để lắp vào thành bể chứa chất lỏng, vỏ sensor đƣợc làm Polysulphone, chống hầu hết loại acids chất - Ứng dụng cho việc đo mực nƣớc, kiểm soát mực nƣớc - Output: NPN/PNP/NO/NC - Điện áp: 10-40VDC/100-265VAC Hình 7.11: Ứng dụng đo mức nƣớc Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 103 Chƣơng 8: Các cảm biến đo lƣờng khác CÂU HỎI ÔN TẬP Câu 1: Trình bày cấu tạo nguyên lý hoạt động lƣu lƣợng kế từ điện? Câu 2: Trình bày cấu tạo nguyên lý hoạt động việc đo mức phao (áp suất thủy tĩnh) Câu 3: Cho biết nguyên lý hoạt động ứng dụng cảm biến siêu âm Câu 4: Trình bày cách thức ứng dụng việc đo lƣu lƣợng chênh lệch áp suất TRẮC NGHIỆM Câu 5: Cảm biến áp suất thƣờng không dùng ứng dụng a Đo áp suất chất lỏng c Đo áp suất chất khí b Đo áp suất chất rắn d Áp suất thủy tĩnh Câu 6: Chất không đƣợc dùng phần tử nhạy cảm cảm biến áp suất kiểu áp điện a Thạch anh c Wonfrom b Bari Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử d Titan Trang 104 Chƣơng 8: Các cảm biến đo lƣờng khác CHƢƠNG : CÁC CẢM BIẾN ĐO LƢỜNG KHÁC (12 tiết) 8.1 Đo độ ẩm Trong sống hàng ngày nhu cầu theo dõi nhiệt độ nhƣ độ ẩm cần thiết: - Trong chế biến sản xuất nông nghiệp - Điều khiển hiển thị ( quạt gió, máy sấy, điều hịa…) - Theo dõi dự báo mơi trƣờng Tuy nhiên việc đo đạc gặp nhiều khó khăn so với việc đo đại lƣợng khác nhƣ nhiệt độ, lƣu lƣợng, tốc độ giới hạn độ ẩm rộng từ vài ppm (phần triệu) đến nƣớc 100 0C, đồng thời đo độ ẩm khoảng nhiệt độ từ - 600C đến 10000C có lẫn hạt bẩn hóa chất dễ gây ăn mịn hƣ hỏng Các cảm biến độ ẩm làm việc theo hai nguyên lý: - Nguyên lý vật lý cho phép đo trực tiếp - Nguyên lý dựa vào tính chất vật liệu có liên quan độ ẩm suy độ ẩm Hình 8.1: Cảm biến điện dung HS1101 HS1101 loại cảm biến đo độ ẩm Độ xác +-2% Cảm biến HS1101 đƣợc sử dụng phổ biến sống, ngồi cịn dùng kết hợp với cảm biến DS18B20 dùng đo nhiệt độ Cảm biến HS1101 cảm biến điện dung Khi độ ẩm thay đổi, điện dung HS1101 thay đổi Do vậy, để đo đƣợc độ ẩm ngƣời ta thiết kế mạch đo điện dung HS1101 Trong thực tế, ngƣời ta thƣờng ghép nối HS1101 IC NE555 Khi giá trị điện dung HS1101 thay đổi làm thay đổi tần số đầu IC555 Nhƣ cần đo tần số đầu đo đƣợc điện dung HS1101 Hình 8.2: Module cảm biến phát nhiệt độ + độ ẩm DHT11 Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 105 Chƣơng 8: Các cảm biến đo lƣờng khác Thông số kỹ thuật: - Dãy độ ẩm đo đƣợc: 20 - 90% RH (± 5% RH) - Dãy nhiệt độ đo đƣợc: 0-50℃ (± ℃) - VCC → 3.3V/5V positive power - GND → negative power - OUT → microcontroller I/O port Điện áp hoạt động: 3.3V - 5V Hình 8.3: Mạch cảm biến độ ẩm đất Mạch cảm biến độ ẩm đất cho phép đo độ ẩm đất điều khiển rơ le đất khô ẩm Mạch cảm biến độ ẩm đất gồm phận: + Bộ phận cảm biến độ ẩm đƣợc gắm thẳng xuống đất + Bộ phận điều chỉnh độ nhạy nằm phía mặt đất Mạch cảm biến độ ẩm đất hoạt động cách so sánh độ ẩm từ phần nằm dƣới mặt đất với giá trị định trƣớc (giá trị thay đổi đƣợc thông qua biến trở màu xanh) từ phát tín hiệu đóng / ngắt rơ le qua chân D0 Khi đất khô, chân D0 đƣợc giữ mức cao, sử dụng để kích rơ le chạy máy bơm Khi đất ẩm, đèn LED màu đỏ sáng lên, chân D0 đƣợc giữ mức thấp, ngắt rơ le Chân A0 khơng dùng tới Chân đƣợc sử dụng để kết nối với ADC vi điều khiển đọc giá trị điện áp để biết đƣợc đất ẩm hay nhiều Hình 8.4: Mạch cảm biến trời mƣa Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 106 Chƣơng 8: Các cảm biến đo lƣờng khác Mạch cảm biến mƣa đƣợc đặt trời để kiểm tra trời có mƣa khơng, qua truyền tín hiệu điều khiển đóng / ngắt rơ le Mạch cảm biến mƣa gồm phận: + Bộ phận cảm biến mƣa đƣợc gắn trời + Bộ phận điều chỉnh độ nhạy cần đƣợc che chắn Mạch cảm biến mƣa hoạt động cách so sánh hiệu điện mạch cảm biến nằm trời với giá trị định trƣớc (giá trị thay đổi đƣợc thông qua biến trở màu xanh) từ phát tín hiệu đóng / ngắt rơ le qua chân D0 Khi cảm biến khô (trời không mƣa), chân D0 module cảm biến đƣợc giữ mức cao (5V-12V) Khi có nƣớc bề mặt cảm biến (trời mƣa), đèn LED màu đỏ sáng lên, chân D0 đƣợc kéo xuống thấp (0V) Nên sử dụng loại rơ le kích mức thấp kèm với cảm biến 8.2 Đo độ pH Hình 8.5: Cảm biến pH InPro 3250 / 3250SG /3250i Cảm biến pH bảo trì thấp sê-ri InPro 3250 với chất điện phân lỏng đƣợc nạp ép sẵn từ nhà máy phù hợp với loạt ứng dụng ngành công nghệ sinh học, dƣợc phẩm quy trình hóa học Sê-ri InPro 3250 có sẵn với nhiều lựa chọn màng thủy tinh pH có độ nhạy cảm khác Điều đảm bảo hiệu suất đo tốt có điều kiện hoạt động đa dạng 8.3 Đo thành phần khí Cảm biến đo nồng độ thành phần hỗn hợp khí nhằm: - Kiểm tra tỷ lệ nhiên liệu - Kiểm tra khí thải độc hại - Kiểm tra nồng độ khí đốt gây cháy nổ Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 107 Chƣơng 8: Các cảm biến đo lƣờng khác - Kiểm tra thành phần khí tiêu thụ sản sinh q trình oxy hóa nhiên liệu - Kiểm tra khí gây hại cho ngƣời Ngày có loại cảm biến sau: - Cảm biến điện hóa đo áp hay dòng - Cảm biến điện - Cảm biến quang - Cảm biến thuận từ - Cảm biến xúc tác Hình 8.6: Cảm biến mq135 Cảm biến mq135 thƣờng dùng để phát khí độc nhƣ Amoniac, benzen, rƣợu, khói Hình 8.7: Cấu trúc hình dạng cảm biến MQ303A Mq303a độ nhạy cao nhanh chóng phát rƣợu, rƣợu cho dị khí cầm tay Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 108 Chƣơng 8: Các cảm biến đo lƣờng khác Hiện sinh hoạt hàng ngày sản xuất công nghiệp đƣa vào khí hàng trăm triệu khí độc hại bao gồm: SO2, NOx, CO, CO2, bụi,… ảnh hƣởng trực tiếp đến sức khoẻ ngƣời Vì việc đo cảnh báo hàm lƣợng chất độc hại cần thiết khu cơng nghiệp nhà máy 8.3.1 Khí SO2 (Lƣu huỳnh dioxit) SO2 chất khí khơng màu, có vị axít, ảnh hƣởng tới hệ hơ hấp hồ tan lớp màng mắt, mũi, miệng, cổ họng gây khó thở, lt niêm mạc Để đo SO2 (ơxít lƣu huỳnh) khơng khí thiết bị quan trọng cảm biến, mà nguyên lý dựa chủ yếu theo phƣơng pháp: Phƣơng pháp đo độ dẫn điện phƣơng pháp huỳnh quang cực tím Phƣơng pháp dẫn điện: Để đo SO2 lẫn khí thải hay khơng khí, mẫu khí đƣợc đƣa vào chất lỏng hấp phụ có chứa peroxyde hydro Đó dung dịch axít sulfuric, phản ứng xảy nhƣ sau: 2H2O + SO2= H2SO4+ H2 Nhờ việc tạo H2SO4 mà điện dẫn dung dịch hấp phụ tăng lên phụ thuộc vào hàm lƣợng SO2 khí mẫu Đo độ dẫn điện suy nồng độ SO2 hỗn hợp khí mẫu phƣơng pháp đo nồng độ từ 0- 1ppm vơí độ nhạy 0,001ppm Nhƣợc điểm phƣơng pháp đo đƣợc gián đoạn sau 30 hay 60 phút đo lần phải thay dung dịch Phƣơng pháp huỳnh quang cực tím Nguyên lý phƣơng pháp nhƣ sau: Giả sử có chùm tia cực tím cho qua lọc ánh sáng với bƣớc sóng khoảng 210nm, ta cho chùm tia cực tím qua ống quang học có chứa mẫu khí SO2, phần tử SO2 bị kích thích khoảng thời gian định chùm tia cực tím với bƣớc sóng dài (gần 350nm) đƣợc phát Thu tia phản xạ này, vào cƣờng độ phát xạ ta suy hàm lƣợng SO2 khí mẫu cần phân tích 8.3.2 Các cảm biến đo tự động hàm lƣợng oxit Nitơ (NOx) Oxit Nitơ chất khí độc hại, thƣờng đƣợc hình thành hoạt động đốt cháy nhiên liệu nhƣ xăng, dầu, than gây ra, nhƣ NO2 chất khí có màu nâu, có mùi, có tính axít, khí gây viêm lt đƣờng hơ hấp hồ tan màng nhờn phổi, gây bệnh đƣờng hô hấp Để đo Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 109 Chƣơng 8: Các cảm biến đo lƣờng khác NOx chủ yếu sử dụng phƣơng pháp: Phƣơng pháp thụ muối phản quang hóa học: Phƣơng pháp hấp thụ muối: Khi cho khí có chứa NO2 qua dung dịch chứa muối, dung dịch hấp thụ NO2 làm thay đổi màu sắc chất lỏng Màu chất lỏng hấp thụ NO2 có bƣớc sóng 545nm Một Sensor quang đo thay đổi màu sắc bƣớc sóng suy hàm lƣợng NO2 chứa khí thử Nếu hỗn hợp có chứa NO khí khơng phản ứng với dung dịch muối, tiếp đến luồng oxi hóa chứa khí ơzơn (O3) để tạo NO2 đo phƣơng pháp – phƣơng pháp cho phép đo nồng độ NO2 khoảng –1 ppm với độ nhạy 0,001ppm Và thƣờng đo gián đoạn 30 hay 60 phút lần đo Phƣơng pháp phản quang hoá học : Nhƣợc điểm phƣơng pháp đo gián đoạn để đo liên tục ta sử dụng phƣơng pháp phản quang hóa học Nguyên lý nhƣ sau: có tia hồng ngoại yếu với bƣớc sóng khoảng 600nm đƣợc phát xạ xảy phản ứng NO O3 Phản ứng nhƣ sau: NO + O3= NO2* + O2 NO2* = NO2 + h Trong NO2* oxit Nitơ đƣợc kích thích tạo thành NO2 phát xạ tia hồng ngoại bƣớc sóng 600nm – 800nm Đo cƣờng độ bƣớc xạ suy hàm lƣợng NO2 thử 8.3.3 Đo nồng độ khí CO (Carbon monoxit) Oxit Cacbon (CO) chất vơ độc hại Đó chất khí khơng mùi, kết hợp với hồng cầu tạo chất không vận chuyển oxi, ảnh hƣởng tới thần kinh trung ƣơng hệ tuần hoàn máu, gây đau đầu, mệt mỏi, ngủ giảm trí nhớ, ngộ độc nặng tử vong Để đo đƣợc lƣợng CO hỗn hợp khí ngƣời ta sử dụng tính chất hấp thụ tia hồng ngoại CO bƣớc sóng 4,7mm Một nguồn phát xạ hồng ngoại đƣợc cho qua lọc ánh sáng cho tia hồng ngoại có bƣớc sóng 4,7mm lọc qua Để tạo chênh áp luồng cảm biến ngƣời ta sử dụng ngăn: ngăn chứa khơng khí bình thƣờng( khơng có CO) Ngăn thơng với khí thử có chứa CO cần đo Tia hồng ngoại đƣợc gián đoạn hoá đĩa đục lỗ động quay có khí thử vào ngăn Tia hồng ngoại bị CO hấp thụ kết buồng cảm biến xuất chênh áp suất Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 110 Chƣơng 8: Các cảm biến đo lƣờng khác P1 P2 Một cảm biến điện dung đƣợc nối với mạch đo đƣa vào máy tính xử lý kết Phƣơng pháp có độ xác độ ổn định cao 8.4 Cảm biến thông minh Ngƣời ta sử dụng kết hợp vi xử lý – vi điều khiển với laoij cảm biến khác để tạo loại cảm biến gọi cảm biến thông minh (intelligent sensor) Cảm biến thơng minh thực chức mà cảm biến thông thƣờng khác thực nhƣ: - Khả thu thập liệu khoảng đo khác - Đo theo chƣơng trình lập sẵn mà chƣơng thay đổi thiết bị lập trình - Hiển thị kết tiện lợi qua hình máy tính, máy in - Hiệu chỉnh sai số - Mã hóa tín hiệu - Ghép nối dễ dàng với thiết bị ngoại vi Hình 8.8: Cấu trúc cảm biến thông minh Từ đối tƣợng đo qua cảm biến sơ cấp S, đại lƣợng đo biến thành tín hiệu điện đƣa vào chuyển đổi chuẩn hóa nhằm tạo tín hiệu chuẩn thƣờng có điện áp từ – volt – 10 volt để đƣa vào dồn kênh MUX làm nhiệm vụ đƣa tín hiệu vào chuyển đổi A/D trƣớc đến vi xử lý Cảm biến hệ cho phép đo chiều dài, khoảng cách, độ dày với độ xác cao (m) Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 111 Chƣơng 8: Các cảm biến đo lƣờng khác Hình 8.9: Cảm biến thơng minh (smart sensor) hệ Hình 8.10: Cấu tạo cảm biến thông minh Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 112 Chƣơng 8: Các cảm biến đo lƣờng khác Hình 8.11: Một số ứng dụng cảm biến thông minh 8.5 Cảm biến công tắc (Switch sensor) Cảm biến công tắc đƣợc dùng nhiều ứng dụng robot Cảm biến công tắc đƣợc sử dụng với nhiều mục đích, chẳng hạn: - Cảm biến va chạm (tiếp xúc): cảm biến công tắc đƣợc dùng để phát có va chạm học với vật Thí dụ, cảm biến cơng tắc tạo chuyển mạch thân robot chạy vào tƣờng chạm giới hạn đƣờng chạy robot - Cảm biến giới hạn: tƣơng tự nhƣ cảm biến tiếp xúc, cảm biến giới hạn phát vật di chuyển đến cuối hành trình nó, tín hiệu điều khiển motor tắt - Mã hóa trục quay (shaft): trục quay kết hợp với công tắc chạm đƣợc ấn lần Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 113 Chƣơng 8: Các cảm biến đo lƣờng khác vòng quay Phần mềm đếm số lần ấn để xác định số vòng tốc độ quay trục Loại cảm biến công tắc không cần nguồn cung cấp chịu đƣợc dịng lớn Nó phát tiếp xúc vật thể từ góc độ Do chúng thuận lợi cho việc thiết kế robot đặc biệt đƣợc ứng dụng giới hạn hành trình robot Hình 8.11 Cảm biến giới hạn Có hai dạng cơng tắc bản, bao gồm: - Cơng tắc nhỏ (microswitch), có dạng hình chữ nhật thƣờng trạng thái xác định Công tắc nhỏ thƣờng có ba chân: NO – normally open (thƣờng hở), NC – normally closed (thƣờng đóng), C – common (chung) Chân chung đƣợc nối với hai chân tùy thuộc vào cơng tắc có đƣợc ấn hay không Ở trạng thái không ấn, chân chung đƣợc nối với tiếp điểm thƣờng đóng, ấn, chân chung đƣợc nối với trạng thái thƣờng hở - Công tắc nút ấn (pushbutton) đơn giản Khi đƣợc ấn, hai tiếp điểm đƣợc nối với Cũng có số cơng tắc thƣờng đóng nhƣng phổ biến Hình 8.12: Hình ảnh số dạng cơng tắc Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 114 Chƣơng 8: Các cảm biến đo lƣờng khác CÂU HỎI ÔN TẬP Câu 1: Trình bày đặc điểm thơng số kỹ thuật cảm biến điện dung HS1101 Câu 2: Cảm biến công tắc thƣờng đƣợc ứng dụng đâu, nhƣ nào? Câu 3: Trình bày thơng số kỹ thuật: Module cảm biến phát nhiệt độ + độ ẩm DHT11 Câu 4: Hoạt động cấu tạo cảm biến thơng minh nhƣ nào? Câu 5: Trình bày phƣơg pháp chủ yếu dùng để đo NOx TRẮC NGHIỆM Câu 6: Cảm biến thông minh cảm biến có kết hợp a CPU loại sensor khác c Cảm biến quang dịch chuyển b Các loại Encorder vi xử lý d Hệ thống camara sensor Câu 7: Để phát mức chất lỏng bình chứa, hồ chứa ta nên dùng a Cảm biến thông minh c Cảm biến tiệm cận điện cảm b Cảm biến tiệm cận d Cảm biến tiệm cận điện dung Câu 8: Để phát Cabin thang máy tầng, nắp chai nƣớc kim loại, vị trí đầu mũi khoan ta nên chọn cảm biến loại a Encoder c Cảm biến laser b Cảm biến thông minh d Cảm biến tiệm cận điện cảm Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 115 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Lê Văn Doanh - Phạm Thƣợng Hàn - Nguyễn Văn Hoà – Võ Thạch Sơn – Đoàn Văn Tân: “Các Bộ cảm biến kỹ thuật Đo lƣờng điều khiển” NXB Khoa học kỹ thuật, năm 2002 [2] Th.s Hồng Minh Thơng: “Giáo trình cảm biến công nghiệp”, NXB Khoa học kỹ thuật Năm 2002 [3] Phạm Cơng Hồ: “Kỹ thuật cảm biến” , NXB Khoa học kỹ thuật, năm 2001 [4] Ngô Văn Ky, “ Kỹ thuật đo”, Trƣờng Đại Học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh, Năm 1993 [5] Dƣơng Minh Trí: “Cảm biến ứng dụng” NXB Khoa học Kỹ thuật, năm 2001 [6] SPKT: “Giáo trình đo lƣờng đại lƣợng không điện”, Tp.HCM, năm 2002 [6] Giles A.F Electronic sensing devicer London, 1998 Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 116 ... điện áp, ta kết nối cảm biến với mạch đo nhƣ hình Hình 4.2: Mạch đo dùng cảm biến biến trở (4.4) 4.2 Cảm biến từ Cảm biến từ dùng để đo dịch chuyển khoảng cách nhỏ Cấu tạo: Cảm biến điện từ có cấu... trƣng cảm biến 1.3.1 Độ nhạy cảm biến: Độ nhạy cảm biến giá trị m = m0 tỷ số biến thiên ngõ cửa cảm biến ∆x biến thiên ngõ vào ∆m lân cận m0 Gọi s độ nhạy cảm biến: ( | ) (1.1) Để phép đo đạt... dài cảm biến, x dịch chuyển chạy Cảm biến biến trở cho phép phát biến thiên di chuyển khoảng cách vòng dây Nếu gọi khoảng cách vòng dây l0, số vòng dây cảm biến W cảm biến biến trở phát đƣợc biến