Giáo trình Kỹ thuật cảm biến (Nghề Điện tử công nghiệp)

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHIỆP VÀ THƯƠNG MẠI GIÁO TRÌNH Tên mơ đun: Kỹ thuật cảm biến NGHỀ: ĐIỆN TỬ CƠNG NGHIỆP TRÌNH ĐỘ TRUNG CẤP/CAO ĐẲNG NGHỀ Ban hành kèm theo Quyết định số: /QĐ-CĐCNPY, ngày tháng năm 2018 Hiệu trưởng trường Cao đẳng Công nghiệp Thương mại Vĩnh Phúc, năm 2018 -1- MỤC LỤC Bài Các khái niệm đặc trưng cảm biến 1.1 Khái niệm phân loại cảm biến 1.2 Các hiệu ứng vật lý 1.3 Các thông số đặc trưng cảm biến .7 1.4 Mạch sử lý tín hiệu cảm biến Bìa Cảm biến quang 10 2.1 Tế bào quang dẫn (quang trở) 10 2.2 Photodiode 14 2.3 Photo transitor 17 2.4 Mạch sử lý tín hiệu cảm biến 20 Bài Cảm biến tiệm cận .30 3.1 Cảm biến tiệm cận điện cảm 30 3.2 Cảm biến tiệm cận điện dung 34 3.3 Các ứng dụng cảm biến tiệm cận 38 Bài Cảm biến nhiệt độ .43 4.1 Cảm biến nhiệt điện trở kim loại 43 4.2 Cảm biến nhiệt Thermistor .44 4.3 Cảm biến nhiệt độ bán dẫn .50 4.4 Cặp nhiệt điện (Thermocouple) 54 Bài Cảm biến vị trí dịch chuyển 57 5.1 Cảm biến biến trở 57 5.2 Cảm biến từ .60 5.3 Cảm biến biến áp vi sai 65 5.4 Encoder 68 Bài Cảm biến lực trọng lượng .72 6.1 Cảm biến biến dạng 72 6.2 Cảm biến trọng lượng .72 6.3 Cảm biến áp suất .74 6.4 Các ứng dụng cảm biến lực trọng lượng .77 Tài liệu tham khảo 81 -2- CHƯƠNG TRÌNH MƠ ĐUN Tên mơ đun: KỸ THUẬT CẢM BIẾN Mã số mô đun: MĐTC14010041 Thời gian thực mô đun: 60 (Lý thuyết: 30 giờ; Thực hành: 27 giờ; Kiểm tra giờ) I VỊ TRÍ, TÍNH CHẤT CỦA MƠ ĐUN: - Vị trí: Mơ đun cần học sau mô đun sở ngành/ nghề: Linh kiện điện tử, Đo lường điện tử, Kỹ thuật xung - số - Tính chất: Là mơ đun bắt buộc chương trình đào tạo ngành/ nghề điện tử cơng nghiệp II MỤC TIÊU MƠ ĐUN: - Về kiến thức: + Trình bày cấu tạo, nguyên lý hoạt động, thông số ứng dụng loại cảm biến sử dụng thực tế + Phân tích sơ đồ nguyên lý hoạt động mạch điện cảm biến - Về kỹ năng: + Kiểm tra hoạt động loại cảm biển + Lắp ráp, cân chỉnh mạch điện ứng dụng cảm biến điện tử dân dụng - Về lực tự chủ trách nhiệm: + Dự lớp đầy đủ theo quy định, rèn luyện tác phong công nghiệp, tự tổ chức làm việc nhóm + Cẩn thận, tỉ mỉ, tích cực, chủ động, sáng tạo, tinh thần đoàn kết học tập III NỘI DUNG MÔ ĐUN: Nội dung tổng quát phân bố thời gian: Thời gian Số TT Tên mơ đun Thực hành, thí Tổng Lý Kiểm nghiệm, số thuyết tra thảo luận, tập -3- Bài Các khái niệm đặc trưng cảm biến 1.1 Khái niệm phân loại cảm biến 06 03 03 12 06 05 10 05 05 12 06 05 10 05 05 10 05 04 1.2 Các hiệu ứng vật lý 1.3 Các thông số đặc trưng cảm biến 1.4 Mạch sử lý tín hiệu cảm biến Bìa Cảm biến quang 2.1 Tế bào quang dẫn (quang trở) 2.2 Photodiode 2.3 Photo transitor 2.4 Mạch sử lý tín hiệu cảm biến Bài Cảm biến tiệm cận 3.1 Cảm biến tiệm cận điện cảm 3.2 Cảm biến tiệm cận điện dung 3.3 Các ứng dụng cảm biến tiệm cận Bài Cảm biến nhiệt độ 4.1 Cảm biến nhiệt điện trở kim loại 4.2 Cảm biến nhiệt Thermistor 4.3 Cảm biến nhiệt độ bán dẫn 4.4 Cặp nhiệt điện (Thermocouple) Bài Cảm biến vị trí dịch chuyển 5.1 Cảm biến biến trở 5.2 Cảm biến từ 5.3 Cảm biến biến áp vi sai 5.4 Encoder Bài Cảm biến lực trọng lượng 6.1 Cảm biến biến dạng 6.2 Cảm biến trọng lượng -4- 6.3 Cảm biến áp suất 6.4 Các ứng dụng cảm biến lực trọng lượng Cộng 60 30 27 -5- BÀI 1: CÁC KHÁI NIỆM VÀ ĐẶC TRƯNG CƠ BẢN CỦA CẢM BIẾN MỤC TIÊU BÀI HỌC Học xong học viên có khả năng: - Hiểu khái niệm cảm biến - Có mối liên hệ hiệu ứng cảm biến với thông số đo kiểm tra đầu cảm biến - Phân tích, lắp ráp mạch đo cảm biến - Cẩn thận đảm bảo an toàn thiết bị dụng cụ - Nghiêm túc, khoa học, tỉ mỷ 1.1 Khái niệm phân loại cảm biến Cảm biến thiết bị dùng để cảm nhận biến đổi đại lượng vật lý đại lượng khơng có tính chất điện cần đo thành đại lượng mang tính chất điện đo xử lý Các đại lượng cần đo (m) thường tính chất điện nhiệt độ,áp suất,…tác động lên cảm biến cho ta đặc trưng (s) mang tính chất điện điện áp, điện tích,dịng điện trở kháng chứa đựng thông tin cho phép xác định giá trị đại lượng đo Đặc trưng (s) hàm đại lượng cần đo (m) : s = f(m) (1) Người ta gọi (s) đại lượng đầu phản ứng cảm biến,(m) đại lượng đầu vào hay kích thích(có nguồn gốc đại lượng cần đo) Thông qua đo đạc (s) cho phép nhận biết giá trị (m) Phân loại 1.2 Các hiệu ứng vật lý - Độ nhạy cảm biến Đối với cảm biến tuyến tính,giữa biến thiên đầu Ds biến thiên đầu vào Dm có liên hệ tuyến tính: Ds = S Dm (2) Đại lượng S xác định biểu thức S = Ds (3) gọi độ nhạy Dm cảm biến - Sai số độ xác Các cảm biến dụng cụ đo lường khác, đại lượng cần đo (cảm nhận) chịu tác động nhiều đại lượng vật lý khác gây nên sai số giá trị đo giá trị thực đại lượng cần đo Gọi Dx độ lệch tuyệt đối giá trị đo giá trị thực x (sai số tuyệt đối), sai số tương đối cảm biến tính : -6- d= Dx 100 ,[%] x (4) Sai số cảm biến mang tính chất ước tính khơng thể biết xác giá trị thực đại lượng cần đo - Độ nhanh thời gian hồi đáp Độ nhanh đặc trưng cảm biến cho phép đánh giá khả theo kịp thời gian đại lượng đầu đại lượng đầu vào biến thiên Thời gian hồi đáp đại lượng sử dụng để xác định giá trị số độ nhanh Độ nhanh t r khoảng thời gian từ đại lượng đo thay đổi đột ngột đến khi biến thiên đại lượng đầu khác giá trị cuối lượng giới hạn e tính % Thời gian hồi đáp tương ứng với e (%) xác định khoảng thời gian cần thiết phải chờ đợi sau có biến thiên đại lượng đo để lấy giá trị đầu với độ xác định trước thời gian hồi đáp đặc trưng cho chế độ độ cảm biến hàm thông số thời gian xác định chế độ Trong trường hợp thay đổi đại lượng đo có dạng bậc thang, thông số thời gian gồm thời gian trễ tăng (t dm ) thời gian tăng (t m ) ứng với tăng đột ngột đại lượng đo thời gian trễ giảm (t dc ) thời gian giảm (t c ) ứng vơi giảm đột ngột đại lượng đo Khoảng thời gian trễ tăng (t dm ) thời gian cần thiết để đại lượng đầu tăng từ giá trị ban đầu đến 10% biến thiên tổng cộng đại lượng khoảng thời gian tăng (t m ) thời gian cần thiết để đại lượng đầu tăng từ 10% đến 90% biến thiên tổng cộng Tương tự đại lượng đo giảm, thời gian trễ giảm (t dc ) thời gian cần thiết để đại lượng đầu giảm từ giá trị ban đầu đến 10% biến thiên tổng cộng đại lượng khoảng thời gian giảm (t c ) thời gian cần thiết để đại lượng đầu giảm từ 10% đến 90% biến thiên tổng cộng Các thơng số thời gian (t r ) ,(t dm ) ,(t m ) ,(t dc ) ,(t c ) cảm biến cho phép ta đánh giá thời gian hồi đáp -7- Hình Xác định khoảng thời gian đặc trưng cho chế độ độ 1.3 Các thông số đặc trưng cảm biến Ngày các biến sử dụng nhiều ngành kinh tế kỹ thuật ngành công nghiệp, nông nghiệp, giao thông vận tải,….Các cảm biến đặc biệt nhạy sử dụng thí nghiệm nghiên cứu khoa học Trong lĩnh vực tự động hóa, cảm biến sử dụng nhiều với nhiều loại khác kể cảm biến bình thường đặc biệt 1.4Mạch sử lý tín hiệu cảm biến - Theo nguyên tắc chuyển đổi đáp ứng kích thích Hiện tượng Chuyển đổi đáp ứng kích thích Hiện tượng vật lý Hóa học Sinh học - Theo dạng kích thích Nhiệt điện , quang điện , quang từ , điện từ, quang đàn hồi , từ điện , nhiệt từ,… Biến đổi hoá học , Biến đổi điện hố , Phân tích phổ,… Biến đổi sinh hố , Biến đổi vật lý , Hiệu ứng thể sống,… -8- Kích thích Các đặc tính kích thích Âm -Biên pha, phân cực-Phổ-Tốc độ truyền sóng… -Điện tích, dịng điện-Điện thế, điện áp-Điện trường-Điện dẫn, số điện môi… -Từ trường-Từ thông, cường độ từ trường-Độ từ thẩm… -Vị trí-Lực, áp suất-Gia tốc, vận tốc, ứng suất, độ cứng-Mômen -Khối lượng, tỉ trọngĐộ nhớt… Điện Từ Cơ Quang -Phổ-Tốc độ truyền-Hệ số phát xạ, khúc xạ… Nhiệt -Nhiệt độ-Thông lượng-Tỷ nhiệt… Bức xạ -Kiểu-Năng lượng-Cường độ… - Theo tính + Độ nhạy + Khả tải + Độ xác + Tốc độ đáp ứng + Độ phân giải + Độ ổn định + Độ tuyến tính + Tuổi thọ + Cơng suất tiêu thụ + Điều kiện môi trường + Dải tần + Kích thước,trọng lượng + Độ trễ - Phân loại theo phạm vi sử dụng + Công nghiệp + Nông nghiệp + Nghiên cứu khoa học + Dân dụng + Môi trường, khí tượng + Giao thơng vận tải + Thông tin, viễn thông - 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 cực tính khơng cần Được đặc trưng thơng số: R, L, C tuyến tính phi tuyến YÊU CẦU VỀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ HỌC TẬP BÀI MỞ ĐẦU Nội dung: + Về kiến thức: Trình bày khái niệm, ứng dụng cách phân loại cảm biến + Về thái độ: Đảm bảo an tồn vệ sinh cơng nghiệp Phươngpháp: -9- + Về kiến thức: Được đánh giá hình thức kiểm tra viết, trắc nghiệm + Thái độ: Tỉ mỉ, cẩn thận, chinh xác, ngăn nắp công việc - 65 - xung điện - Một chuyển đổi truyền tín hiệu đơn (transmitter) – có chức gởi tín hiệu hiệu chuẩn đến thành phần khác vịng điều khiển Hình 3.11 Kiểu dịng chảy tiêu biểu đường ống có gắn phần tử cảm biến độ xốy Hình 3.12 Cảm biến độ xoáy kiểu Vortex đặc trưng Hoạt động phương trình chuyển đổi cảm biến biến áp vi sai * Các ưu điểm: - Rất kinh tế có độ tin cậy cao - Tần số dịng xốy khơng bị ảnh hưởng dơ bẩn hay hư hỏng nhẹ vật cản, đường biểu diễn tuyến tính khơng thay đổi theo thời gian sử dụng - Sai số phép đo bé - Khoảng đo lưu lượng tính thể tích từ 3% đến 100% thang đo - Phép đo dịng xốy độc lập với tính chất vật lý mơi trường dịng chảy, sau lần chuẩn định, khơng cần chuẩn định lại với loại lưu chất - 66 - - Các phép đo lưu lượng dòng xốy khơng có phận học chuyển động đòi hỏi cấu trúc đơn giản - Lưu chất khơng cần có tính chất dẫn điện phép đo lưu lượng cảm ứng điện từ - Khơng gây cản trở dịng chảy nhiều * Các nhược điểm: - Với vận tốc dòng chảy thấp, dịng xốy khơng tạo lưu lượng kế mức - Các rung động ảnh hưởng đến độ xác kết đo - Việc lắp đặt tạo điểm nhơ (như vị trí hàn vv) ảnh hưởng tới dạng dịng xốy, ảnh hưởng tới độ xác - Tốc độ lớn cho phép dòng chảy theo dẫn thường mức 80 đến 100m/s Nếu lưu chất đo dạng khí mà vận tốc lớn gặp nhiều vấn đề khó khăn đặc biệt với chất khí ẩm ướt bẩn - Địi hỏi phải có đoạn ống thẳng, dài trước vị trí đo 5.3.3 Mạch đo sử dụng cảm biến biến áp vi sai Ứng dụng lưu lượng kế kiểu Vortex đo lưu lượng (được trình bày phần 3.3.4), ngồi cịn có ứng dụng khác : chống thẩm thấu, làm mát nước, hệ thống nước thải, hệ thống lọc đốt, dùng phân phối chất hóa học… 5.4 Encoder Encoder tương đối * Mục đích : Ghi nhận thông số cảm biến OPTISWIRL 4070 C * Thiết bị : cảm biến OPTISWIRL 4070 C(sử dụng để đo lưu lượng khí, nước chất lỏng) - Đo lưu lượng với giới hạn vận tốc : + Tốc độ 0,3m đến 9m/s cho chất lỏng + Tốc độ 3m đến 80m/s cho khí nước - Đo lưu lượng nước: + Qmin = 0,36m /h + Qmax = 5,7m /h Tài liệu Quich Start Manual kèm theo thiết bị cảm biến * Thực : - Ghi thông số kỹ thuật : Nguồn gốc: Công ty sản xuất: Dạng cảm biến: - 67 - Đường kính danh định cảm biến: Điện áp hoạt động: Dòng điện: - Vẽ sơ đồ kết nối cảm biến : - Những ghi thực hành : Encoder tuyệt đối * Yêu cầu: Thực thiết lập khác cho cảm biến OPTISWIRL 4070C * Thiết bị: Cảm biến OPTISWIRL 4070C * Khảo sát chức phím : : Phím Enter : Phím lên; : Phím phải : Màn hình hiển thị (Các phím 1, 2, tác động nam châm) - 68 - * Cấu trúc menu : Chuyển từ chế độ Measuring mode đến chế độ Main menu Di chuyển cấp menu (theo chiều xuống) Mở mục menu Ở chế độ Measuring mode: di chuyển từ giá trị thông báo lỗi Di chuyển mục menu cấp menu Khi thiết lập thông số cài đặt : Thay đổi giá trị, di chuyển ký tự, di chuyển dấu chấm bên phải (dấu thập phân) Di chuyển cấp menu (theo chiều lên) Khi thiết lập thông số cài đặt : Quay trở lại chế độ Measuring mode * Thực thiết lập sau: - 69 - - Chọn ngôn ngữ: English (cấp menu 1.1.1) - Tên khu vực đặt cảm biến (cấp menu 1.1.2) - Chọn dạng đơn vị đo lưu lượng thể tích (Volume measurement) (cấp menu 1.1.3) - Đơn vị đo: m /h (cấp menu 1.1.4) - Giá trị lưu lượng đo lớn nhất: 5,7m /h (cấp menu 1.1.1) - Trình bày giá trị đo với đơn vị đo tuyệt đối (m /h) hay tương đối (%) : chọn m /h (cấp menu 1.1.1) - Giá trị lưu lượng nhỏ nhất: 0,36m /h (cấp menu 1.1.5) - Thiết lập thông số loại lưu chất cảm biến phải đo chất lỏng (cấp menu 3.4.1) * Các bước tiến hành đo lưu lượng nước với cảm biến OPTISWIRL 4070 C : - Yêu cầu : Thực lắp đặt cảm biến OPTISWIRL 4070 C tiêu chuẩn kỹ thuật - Thiết bị : Cảm biến OPTISWIRL 4070 C , hệ thống dẫn nước, hệ thống dẫn nước có đường kính 0,62 mm, máy bơm, van thiết bị cần thiết khác - Thực : Lắp đặt cảm biến OPTISWIRL 4070 C vào đường ống dẫn nước Kích thước chi tiết cảm biến (Flange version ASME B16.5) DN (đường kính danh định) 1/2 d D L l (mm) (mm) (mm) (mm) 0,62 3,54 7,87 5,67 H 10,43 a b c (mm) (mm) (mm) 133 105 179 YÊU CẦU VỀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ HỌC TẬP BÀI Nội dung: + Về kiến thức: Trình bày phương pháp nguyên tắc đo lưu lượng + Về kỹ năng: lắp ráp mạch cảm biến đo lưu lượng yêu cầu kỹ thuật,lập bảng ghi nhận kết + Về thái độ: Đảm bảo an tồn vệ sinh cơng nghiệp Phươngpháp: + Về kiến thức: Được đánh giá hình thức kiểm tra viết, trắc nghiệm + Về kỹ năng: Đánh giá kỹ thực hành lắp ráp mạch cảm biến, bảng ghi nhận kết + Thái độ: Tỉ mỉ, cẩn thận, chinh xác, ngăn nắp công việc BÀI CẢM BIẾN LỰC VÀ TRỌNG LƯỢNG - 70 - GIỚI THIỆUMỤC TIÊU - Hiểu hoạt động phân loại cảm biến lực, trọng lượng - Đo kiểm tra hoạt động loại cảm biến lực, trọng lượng - Phân tích, lắp ráp cân chỉnh mạch sử dụng cảm biến lực, trọng lượng - Cẩn thận đảm bảo an toàn thiết bị dụng cụ - Nghiêm túc, khoa học, tỉ mỷ 6.1 Cảm biến biến dạng Trong cơng nghiệp có nhiều trường hợp cần đo vận tốc quay máy,người ta thường theo dõi tốc độ quay máy lý an toàn để khống chế điều kiện đặt trước cho hoạt động máy móc, thiết bị Trong chuyển động thẳng việc đo vận tốc dài thường chuyển sang đo vận tốc quay Bởi cảm biến đo vận tốc góc chiếm vị trí ưu lĩnh vực đo tốc độ Sau số phương pháp đo vận tốc vòng quay : - Đo vận tốc vòng quay phương pháp Analog - Đo vận tốc vòng quay phương pháp quang điện tử - Đo vận tốc vòng quay với nguyên tắc điện trở từ 6.2 Cảm biến trọng lượng * Tốc độ kế chiều (máy phát tốc) : Máy phát tốc độ máy phát điện chiều, cực từ nam châm vĩnh cửu, điện áp cực máy phát tỉ lệ với tốc độ quay nó, máy phát tốc độ nối trục với phanh hãm điện từ trục với động tốc độ quay tốc độ quay động cơ, tốc độ tỉ lệ với điện áp máy phát tốc độ, dùng Vmét điện từ đồng hồ đo tốc độ nối với đo tốc độ động Giá trị điện áp âm hay dương phụ thuộc vào chiều quay Er = - wnf0 = - Nn f0 2p (4-1) Trong : N - số vòng quay giây w - vận tốc góc rơto n - tổng số dây rôto f0 - từ thông xuất phát từ cực nam châm Các phần tử cấu tạo tốc độ kế dịng chiều hình 4.1 - 71 - Hình 4.1 Cấu tạo máy phát tốc chiều * Tốc độ kế dòng xoay chiều : Tốc độ kế xoay chiều có ưu điểm khơng có cổ góp điện chổi than nên có tuổi thọ bền hơn, khơng có tăng, giảm điện áp chổi than Song nhược điểm mạch điện phức tạp hơn, để xác định biên độ cần phải chỉnh lưu lọc tín hiệu - Máy phát đồng : loại máy phát điện xoay chiều cỡ nhỏ (hình 4.2), rơto máy phát gắn đồng trục với thiết bị cần đo tốc độ, rôto nam châm nhiều nam châm nhỏ, stato phần cảm, pha pha, nơi cung cấp suất điện động hình sin có biên độ tỉ lệ với tốc độ quay rơto e = E0 sin Wt (4-2) Trong : E = K1.w (4-3); W = K w (4-4) với K1 K2 thông số đặc trưng cho máy phát Ở đầu điện áp chỉnh lưu thành điện áp chiều, điện áp không phụ thuộc vào chiều quay hiệu suất lọc giảm tần số thấp, tốc độ quay xác định cách đo tần số sức điện động Phương pháp quan trọng khoảng cách đo lớn, tín hiệu từ máy phát đồng truyền xa suy giảm tín hiệu đường khơng ảnh hưởng đến độ xác phép đo (vì đo tần số) - Máy phát không đồng : Cấu tạo máy phát không đồng tương tự động không đồng (hình 4.3) Rơto hình trụ kim loại mỏng quay với vận tốc cần đo, khối lượng qn tính khơng đáng kể, stato làm thép kỹ thuật điện, có đặt cuộn dây bố trí hình vẽ, cuộn thứ cuộn kích từ, cung cấp điện áp định mức VC có biên độ Ve tần số không đổi we : (4-5) VC = Ve cos wet - 72 - Hình 4.2 Cấu tạo máy phát Hình 4.3 Cấu tạo máy phát đồng không đồng Cuộn dây thứ cuộn dây đo, đầu cuộn dây xuất sức điện động có biên độ tỉ lệ với vận tốc góc cần đo em = Em cos(wet + j ) = kwVe cos(wet + j ) (4-6) Trong : Em = kwVe (4-7) với k - số phụ thuộc vào kết cấu máy j - độ lệch pha Do đo Em xác định w 6.3 Cảm biến áp suất * Dùng cảm biến quang tốc độ với đĩa mã hóa : Encoder thiết bị phát chuyển động hay vị trí vật, Encoder sử dụng cảm biến quang để sinh chuỗi xung, từ chuyển sang phát chuyển động, vị trí hay hướng chuyển động vật thể Hình 4.4 Sơ đồ hoạt động với đĩa quang mã hóa Nguồn sáng lắp đặt cho ánh sáng liên tục tập trung xuyên qua đĩa, phận thu nhận ánh sáng lắp đặt mặt lại đĩa cho nhận ánh sáng, đĩa lắp đặt đến trục động hay thiết bị khác cần xác định vị trí cho trục quay, đĩa quay cho lỗ, nguồn sáng, phận nhận ánh sáng thẳng hàng tín hiệu xung vng sinh Khuyết điểm : cần nhiều lỗ để nâng cao độ xác nên dễ làm hư hỏng đĩa - 73 - quay * Đĩa mã hóa tương đối : Encoder với xung khơng thể phát chiều quay, hầu hết Encoder mã hoá có xung thứ lệch pha 90o so với xung thứ xung xác định thời gian Encoder quay vịng Hình 4.5 Sơ đồ thu phát Encoder tương đối Xung A, xung B xung điều khiển, xung A xảy trước xung B, trục quay theo chiều kim đồng hồ, ngược lại xung Z xác định quay xong vòng 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 Tn Tốc độ quay n tính theo cơng thức : n= 60 N , (vòng/phút) N 0Tn (4-8) - 74 - Hình 4.6 Dạng sóng Encoder xung * Đĩa mã hóa tuyệt đối : Để khắc phục nhược điểm đĩa mã hố tương đối nguồn số đếm bị mất, cấu ngừng hoạt động vào buổi tối hay bảo dưỡng sửa chữa bật nguồn trở lại Encoder khơng thể xác định xác vị trí cấu Đĩa mã hố 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 khơng chắn sáng - Vịng xác định đĩa quay nằm nửa vòng tròn - Kết hợp vòng với vòng xác định đĩa quay nằm 1/4 vịng trịn Hình 4.7 Sơ đồ thu phát Encoder tuyệt đối (sử dụng mã Gray) - Các rãnh cho ta xác định vị trí 1/8, 1/16 …vv 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 - 75 - - 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 6.4 Các ứng dụng cảm biến lực trọng lượng * Khái niệm đơn vị từ trường : - Từ trường : Là dạng vật chất tồn xung quanh dòng, hay nói xác xung quanh hạt mang điện chuyển động, tính chất từ trường tác dụng lực lên dòng điện, lên nam châm - Cảm ứng từ B : Về mặt gây lực từ, từ trường đặc trưng véctơ cảm ứng từ B Trong hệ thống đơn vị SI đơn vị cảm ứng từ B T (Tesla) 2 1T = 1Wb/m = 1V.s/m - Từ thông : Từ thông gởi qua diện tích dS đại lượng giá trị : f = B dS (4-9) Trong : B - véc tơ cảm ứng từ điểm diện tích dS - véc tơ có phương véc tơ 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 Wb (Weber), từ thông thay đổi đơn vị thời gian giây (s), điện áp cảm ứng sinh cuộn dây 1vôn (V) : 1Wb = 1Vs - Cường độ từ trường : 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 A/m * Cảm biến điện trở từ : Cảm biến điện trở từ linh kiện bán dẫn có cực điện, điện trở gia tăng tác động từ trường, trường hợp từ trường tác dụng thẳng góc mặt phẳng cảm biến ta có độ nhạy lớn nhất, 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 thay đổi theo vị trí bánh (Bending of magnetic field lines), tín hiệu cảm biến hình thành dù đối tượng không di chuyển chậm - 76 - Hình 4.8 Tín hiệu tạo cảm ứng điện - 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 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 (tag = B) Do chênh lệch đoạn đường dịch chuyển electron dài hơn, kết điện tử 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 200, Indiumantimon độ linh động electron cao nên góc lệch = 80 o , với B = 1T Hình 4.9 Kết cấu cảm biến điện trở từ với vật liệu InSb/NiSb Để tạo đường dịch chuyểncủa electron dài tốt tác dụng từ trường, ngõ có thay đổi điện trở lớn hơn, cảm biến kết cấu hình vẽ 4.9 Nhiều phiến InSb (bề rộng vài mm ) ghép nối tiếp nhau, phiến màng kim loại Trong thực tế với kỹ thuật luyện kim, người ta tạo kim Nickelantimon nằm bên InSb có chiều song song với cực điện, - 77 - 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 mm dài 50 mm , kim dẫn điện tốt khơng có điện áp rơi Mật độ điện tích phân bố khơng InSb tác dụng từ trường, phân bố kim, 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 : (4-10) RB = R0 (1 + m B ) Trong m số vật liệu có trị số khoảng 0,85 Điện trở cảm biến nằm khoảng 10 dến 500Ω, diện tích cắt ngang bán dẫn nhỏ tốt, nhiên chiều rộng nhỏ 80 mm - Cảm biến điện trở từ với vật liệu Permalloy : + Hiệu ứng điện trở từ với vật liệu Permalloy : Hình 4.10 Hiệu ứng điện trở từ Permalloy Một màng mỏng vật liệu sắt từ gọi Permalloy (20% Fe ; 80% Ni) Khi diện từ trường, véc tơ từ hố 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, véc tơ từ hố quay góc, kết điện trở Permalloy thay đổi theo (4-11) R = R0 + DR0 cos a a = ® R = Rmax a = 90 ® R = Rmin Trong : R0 ∆R0 thơng số phụ thuộc vào chất liệu Permalloy ∆R0 = (2 →3)% R Nguyên tắc ứng dụng để đo tốc độ quay góc quay + Tuyến tính hóa đặc tính cảm biến : Điện trở cảm biến điện trở từ khơng tuyến tính (hình 4.12), để cảm biến tiện lợi sử dụng tốt đặc tuyến tuyến tính - 78 - Hiệu ứng điện trở từ tuyến tính hố cách đặt màng mỏng nhơm gọi barber poles Hình 4.12 a) Đặc tuyến R – H cảm biến điện trở từ loại tiêu chuẩn b) Đặc tuyến R – H cảm biến điện trở từ loại có barber poles YÊU CẦU VỀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ HỌC TẬP BÀI Nội dung: + Về kiến thức: Trình bày phương pháp đo vịng quay , góc quay giải thích khác thiết bị đo góc + Về kỹ năng: lắp ráp yêu cầu kỹ thuật mạch cảm biến lập bảng ghi nhận thông số cảm biến + Về thái độ: Đảm bảo an toàn vệ sinh công nghiệp Phươngpháp: + Về kiến thức: Được đánh giá hình thức kiểm tra viết, trắc nghiệm + Về kỹ năng: Đánh giá kỹ thực hành lắp ráp mạch cảm biến, bảng ghi nhận kết + Thái độ: Tỉ mỉ, cẩn thận, chinh xác, ngăn nắp cơng việc Hình 4.11 Kết cấu cảm biến điện trở từ có barber poles - 79 - TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Đề cương môđun/môn học nghề Sửa chữa thiết bị điện tử công nghiệp”, Dự án Giáo dục kỹ thuật Dạy nghề (VTEP), Tổng cục Dạy Nghề, Hà Nội, 2003 [2] Các cảm biến kỹ thuật đo lường điều khiển Lê văn Doanh, Phạm Thượng Hàn, Nguyễn Văn Hòa, Đào Văn Tân NXB Khoa học kỹ thuật Hà Nội, 2001 [3] Cảm biến ứng dụng Dương Minh Trí NXB Khoa học kỹ thuật Hà Nội, 2001 [4] Giáo trình cảm biến Phan Quốc Phơ, Nguyễn Đức Chiến NXB Khoa học kỹ thuật Hà Nội, 2001 [5] Giáo trình đo lường khơng điện Trường ĐHSPKT TP HCM ... (Thermocouple) Bài Cảm biến vị trí dịch chuyển 5.1 Cảm biến biến trở 5.2 Cảm biến từ 5.3 Cảm biến biến áp vi sai 5.4 Encoder Bài Cảm biến lực trọng lượng 6.1 Cảm biến biến dạng 6.2 Cảm biến trọng lượng... Phân loại cảm biến tiệm cận điện cảm : Xét hình dáng cảm biến tiệm cận điện cảm có hai loại : - Cảm biến tiệm cận điện cảm loại có vỏ bảo vệ (Shielded) hay cảm biến tiệm cận điện cảm đầu : có... hiệu cảm biến 20 Bài Cảm biến tiệm cận .30 3.1 Cảm biến tiệm cận điện cảm 30 3.2 Cảm biến tiệm cận điện dung 34 3.3 Các ứng dụng cảm biến tiệm cận 38 Bài Cảm