Bài giảng Điều khiển cảm biến (Nghề Vận hành thủy điện)

ỦY BAN NHÂN DÂN TỈNH LÀO CAI TRƯỜNG CAO ĐẲNG LÀO CAI BÀI GIẢNG MÔ ĐUN: Điều khiển cảm biến NGHỀ: VẬN HÀNH THỦY ĐIỆN (áp dụng cho Trình độ cao đẳng) LƯU HÀNH NỘI BỘ Năm 2019 MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU BÀI 1: PHÂN LOẠI CẢM BIẾN Phần 1: KIẾN THỨC LÝ THUYẾT 1.1 Khái niệm cảm biến 1.2 Phạm vi ứng dụng 1.2.1 Vùng làm việc danh định 1.2.2 Vùng không gây nên hư hỏng 1.2.3 Vùng không phá huỷ 1.2.4 Sai số độ xác 1.1.5 Độ nhanh thời gian hồi đáp 1.1.6 Độ tuyến tính 1.3 Phân loại cảm biến 1.3.1 Phân loại theo nguyên lý chuyển đổi đáp ứng kích thích 1.3.2 Phân loại theo dạng kích thích 10 1.3.3 Phân loại theo tính cảm biến 10 1.3.4 Phân loại theo phạm vi sử dụng 11 1.3.5 Phân loại theo thông số mô hình mạch thay 11 1.3.6 Phân loại theo cảm biến chủ động bị động 11 1.3.7 Phân loại theo nguyên lý hoạt động 11 CÂU HỎI ÔN TẬP 12 Bài 2: ĐIỀU KHIỂN CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ 13 Phần 1: KIẾN THỨC LÝ THUYẾT 13 2.1 Đại cương cảm biến nhiệt độ 13 2.1.1 Thang đo nhiệt độ 13 2.1.2 Nhiệt độ đo nhiệt độ cần đo 14 2.2 Nhiệt điện trở Platin Nikel 14 2.2.1 Điện trở kim loại thay đổi theo nhiệt độ 14 2.2.2 Nhiệt điện trở Platin 15 2.2.3 Nhiệt điện trở Nikel 15 2.2.4 Cách nối dây đo nhiệt điện trở 15 2.3 Cảm biến nhiệt độ với vật liệu Silic 17 2.3.1 Nguyên tắc chung 17 2.3.2 Đặc trưng kỹ thuật dòng cảm biến KTY (hãng Philips sản xuất) 18 2.4 IC cảm biến nhiệt độ 19 2.4.1 Cảm biến nhiệt LM 35/ 34 National Semiconductor 19 2.4.2 Cảm biến nhiệt độ AD 590 Analog Devices 20 2.5 Nhiệt điện trở NTC 21 2.5.1 Cấu tạo 21 2.5.2 Ký hiệu 21 2.5.3 Nguyên lý (đặc tính) cảm biến nhiệt NTC 21 2.5.4 Ứng dụng 21 2.6 Nhiệt điện trở PTC 22 2.6.1 Cấu tạo 22 2.6.2 Ký hiệu 22 2.6.3 Nguyên lý (đặc tính) cảm biến nhiệt PTC 22 2.6.4 Ứng dụng 22 2.7 Ứng dụng loại cảm biến nhiệt độ 23 2.7.1 Quan sát, nhận biết, ghi thông số kỹ thuật cảm biến nhiệt độ LM35 23 2.7.2 Quan sát, nhận biết, ghi thông số kỹ thuật nhiệt điện trở NTC, PTC 23 2.7.3 Cài đặt số cảm biến nhiệt độ 23 CÂU HỎI ÔN TẬP 30 Phần 2: HƯỚNG DẪN THỰC HÀNH 31 Bài 3: KẾT NỐI, KHẢO SÁT CẢM BIẾN TIỆM CẬN 43 Phần 1: KIẾN THỨC LÝ THUYẾT 43 3.1 Cảm biến tiệm cận (Proximity Sensor) 43 3.1.1 Cảm biến tiệm cận điện cảm (Inductive Proximity Sensor) 45 3.1.2 Cảm biến tiệm cận điện dung (Capacitive Proximity Sensor) 45 3.1.3 Cảm biến tiệm cận siêu âm (Ultrasonic proximity sensor) 50 3.1.4 Cấu hình ngõ cảm biến tiệm cận 53 3.1.5 Cách kết nối cảm biến tiệm cận với 54 3.2 Các tập ứng dụng loại cảm tiệm cận 56 3.2.1 Khảo sát nguyên lý hoạt động cảm biến tiệm cận điện cảm 56 3.2.2 Khảo sát nguyên lý hoạt động cảm biến tiệm cận điện dung 56 CÂU HỎI ÔN TẬP 56 Phần 2: HƯỚNG DẪN THỰC HÀNH 57 Bài 4: ĐO VẬN TỐC VỊNG QUAY VÀ GĨC QUAY 59 Phần 1: KIẾN THỨC LÝ THUYẾT 59 4.1 Một số phương pháp 59 4.1.1 Đo vận tốc vòng quay phương pháp analog 60 4.1.2 Đo vận tốc vòng quay phương pháp quang điện tử 62 4.1.3 Đo vận tốc vòng quay với nguyên tắc điện trở từ 64 4.2 Cảm biến đo góc với tổ hợp có điện trở từ 65 4.2.1 Nguyên tắc đo 65 4.2.2 Các loại cảm biến KM110BH/2 hãng Philips Semiconductor 66 4.2.3 Các loại cảm biến KMA10 KMA20 68 4.2.4 Máy đo góc tuyệt đối (Resolver) 69 4.3 Các tập ứng dụng 71 4.3.1 Kết nối dây, khảo sát nguyên lý hoạt động cảm biến đo tốc độ động 71 4.3.2 Kết nối dây, khảo sát nguyên lý hoạt động cảm biến lực 71 4.3.3 Kết nối dây, khảo sát nguyên lý hoạt động cảm biến đo áp suất 71 CÂU HỎI ÔN TẬP 71 Phần 2: HƯỚNG DẪN THỰC HÀNH 72 Bài 5: KẾT NỐI, KHẢO SÁT CẢM BIẾN QUANG HỌC 75 Phần 1: KIẾN THỨC LÝ THUYẾT 75 5.1 Ánh sáng phép đo quang 75 5.1.1 Tính chất ánh sáng 75 5.1.2 Các đơn vị đo quang 76 5.2 Nguồn sáng 77 5.2.1 Đèn sợi đốt 77 5.2.2 Diode phát quang 78 5.2.3 Laser 79 5.3 Điện trở quang cảm biến quang, tranzitor quang 81 5.3.1 Điện trở quang 81 5.3.2 Cảm biến quang 82 5.3.3 Tranzitor quang 86 5.4 Các tập ứng dụng 87 5.4.1 Kết nối dây, khảo sát nguyên lý hoạt động cảm biến thu phát quang 87 5.4.2 Kết nối dây, khảo sát nguyên lý hoạt động cảm biến hồng ngoại 87 5.4.3 Kết nối dây, khảo sát nguyên lý hoạt động cảm biến quang trở 87 5.4.4 Kết nối dây, khảo sát nguyên lý hoạt động cảm biến khói 87 CÂU HỎI ƠN TẬP 87 Phần 2: HƯỚNG DẪN THỰC HÀNH 88 LỜI NÓI ĐẦU Đề cương Điều khiển cảm biến nhằm trang bị cho người học kiến thức loại cảm biến thông dụng ứng dụng loại cảm biến sản xuất đời sống Các cảm biến đóng vai trị quan trọng lĩnh vực đo lường điều khiển Chúng cảm nhận đáp ứng theo kích thích thường đại lượng không điện, chuyển đổi đại lượng thành đại lượng điện truyền thông tin hệ thống đo lường điều khiển, giúp nhận dạng, đánh giá điều khiển biến trạng đối tượng Trong năm gần khơng có lĩnh vực mà khơng sử dụng cảm biến Chúng có mặt hệ thống tự động phức tạp người máy, hệ thống kiểm tra chất lượng sản phẩm Cảm biến ứng dụng rộng rãi lĩnh vực giao thông vận tải, hàng tiêu dùng Đề cương Điều khiển cảm biến biên soạn gồm 04 đó: BÀI 1: PHÂN LOẠI CẢM BIẾN BÀI 2: ĐIỀU KHIỂN CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ BÀI 3: KẾT NỐI , KHẢO SÁT CẢM BIẾN TIỆM CẬN BÀI 4: ĐO VẬN TỐC VỊNG QUAY VÀ GĨC QUAY BÀI 5: KẾT NỐI, KHẢO SÁT CẢM BIẾN QUANG HỌC Mỗi đề cập tới nội dung loại cảm biến thông dụng Kiến thức thật hữu ích cho bạn muốn tìm hiểu sử dụng loại cảm biến cách thục ngày đầu bỡ ngỡ làm quen NỘI DUNG CHI TIẾT TẬP BÀI GIẢNG MƠ ĐUN I Mục tiêu mơ đun: - Về kiến thức: + Mô tả cấu tạo, phân tích nguyên lý, ứng dụng loại cảm biến + Vẽ sơ đồ đấu dây loại cảm biến - Về kỹ năng: + Kết nối dây, khảo sát số loại cảm biến như: Cảm biến tiệm cận điện cảm, điện dung; cảm biến từ; cảm biến thu phát quang; cảm biến nhiệt độ + Lựa chọn loại cảm biến phù hợp điều khiển điện công nghiệp đời sống - Về lực tự chủ trách nhiệm: + Hình thành tư khoa học phát triển lực làm việc cá nhân, theo nhóm + Chủ động lập kế hoạch, dự trù vật tư, thiết bị + Phát huy tính tích cực, chủ động, sáng tạo tư khoa học công việc + Rèn luyện tính xác tác phong cơng nghiệp II Nội dung mô đun: BÀI 1: PHÂN LOẠI CẢM BIẾN BÀI 2: ĐIỀU KHIỂN CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ BÀI 3: KẾT NỐI , KHẢO SÁT CẢM BIẾN TIỆM CẬN BÀI 4: ĐO VẬN TỐC VỊNG QUAY VÀ GĨC QUAY BÀI 5: KẾT NỐI, KHẢO SÁT CẢM BIẾN QUANG HỌC BÀI 1: PHÂN LOẠI CẢM BIẾN Phần 1: KIẾN THỨC LÝ THUYẾT 1.1 Khái niệm cảm biến - Cảm biến - sensor: Xuất phát từ chữ sense có nghĩa giác quan giác quan thể người Nhờ cảm biến mà mạch điện, hệ thống điện thu nhận thơng tin từ bên ngồi Từ đó, hệ thống máy móc, điện tử tự động tự động hiển thị thông tin đại lượng cảm nhận hay điều khiển q trình định trước có khả thay đổi cách uyển chuyển theo môi trường hoạt động - Để dễ hiểu so sánh cảm nhận cảm biến qua giác quan người sau: Bảng 1.1 So sánh cảm nhận cảm biến qua giác quan người giác quan Thay đổi môi trường Thị giác Cảm biến thu Ánh sáng, hình dạng, kích thước, vị trí xa gần, màu sắc biến quang Xúc giác Thiết bị cảm biến hình, cảm Nhiệt trở, cảm biến tiệm Áp suất, nhiệt độ, đau, cận, cảm biến độ rung động tiếp xúc, tiệm cận, ẩm, khô Đo lượng đường máu Cảm biến sóng siêu âm, Ngọt, mặn, chua cay, béo Vị giác mi-cro Thính giác Đo độ cồn, thiết bị cảm nhận Âm rầm bổng, sóng âm, âm khí ga lượng Khứu giác Mùi chất khí, chất lỏng - Cảm biến: Là thiết bị điện tử dùng để cảm nhận trạng thái, trình vật lý hay hóa học mơi trường cần khảo sát (khơng có tính chất điện) biến đổi thành tín hiệu điện để thu thập thơng tin trạng thái hay q trình Thơng tin xử lý để rút tham số định tính định lượng môi trường, phục vụ nhu cầu nghiên cứu khoa học kỹ thuật hay dân sinh gọi ngắn gọn đo đạc, phục vụ truyền xử lý thơng tin hay điều khiển q trình khác - Các đại lượng cần đo (m) thường tính chất điện nhiệt độ, áp suất,… tác động lên cảm biến cho ta đại lượng đặc trưng (s) mang tính chất điện điện tích, điện áp, dịng điện,… chứa đựng thơng tin cho phép xác định giá trị đại lượng đo - Đặc trưng (s) hàm đại lượng cần đo (m): s = f(m) m (1.1) Bộ cảm biến s Hình 1.1 Chuyển đổi cảm biến - 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) - Độ nhạy cảm biến: Là đại lượng biểu diễn so sánh độ biến thiên đầu so với độ biến thiên đầu vào S = ds/dm (1.2) Trong đó: ds: Biến thiên đại lượng đầu dm: Biến thiên đại lượng đầu vào - Thông thường nhà sản xuất cung cấp giá trị độ nhạy S tương ứng với điều kiện làm việc định cảm biến - 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 lượng cần đo tần số thay đổi + Thời gian sử dụng + Ảnh hưởng đại lượng vật lý khác (không phải đại lượng đo) môi trường xung quanh - Độ nhạy chế độ tĩnh đại lượng đo khơng biến thiên tuần hồn theo thời gian - Độ nhạy chế độ động xác định đại lượng đo biến thiên tuần hoàn theo thời gian - Đường cong chuẩn cảm biến: Là đường cong biểu diễn phụ thuộc đại lượng điện (s) đầu cảm biến vào giá trị đại lượng đo (m) đầu vào 1.2 Phạm vi ứng dụng - Được ứng dụng rộng rãi công nghiệp, nghiên cứu khoa học, mơi trường, khí tượng thủy văn, thông tin viễn thông, nông nghiệp, giao thông, vũ trụ, quân sự, gia dụng, kỹ thật điều khiển, đo lườngv.v - Trong trình sử dụng, ứng dụng cảm biến chịu tác động lực học, tác động nhiệt Khi tác động vượt ngưỡng cho phép, chúng làm thay đổi đặc trưng làm việc cảm biến Bởi sử dụng, ứng dụng cảm biến, người sử dụng cần phải biết rõ giới hạn, sai số… 1.2.1 Vùng làm việc danh định Vùng làm việc danh định tương ứng với điều kiện sử dụng bình thường cảm biến Giới hạn vùng giá trị ngưỡng mà đại lượng đo, đại lượng vật lý có liên quan đến đại lượng đo đại lượng ảnh hưởng thường xuyên đạt tới mà không làm thay đổi đặc trưng làm việc danh định cảm biến 1.2.2 Vùng không gây nên hư hỏng Vùng không gây nên hư hỏng vùng mà đại lượng đo đại lượng vật lý có liên quan đại lượng ảnh hưởng vượt qua ngưỡng vùng làm việc danh định, cịn nằm phạm vi khơng gây nên hư hỏng Các đặc trưng cảm biến bị thay đổi, thay đổi mang tính thuận nghịch Tức trở vùng làm việc danh định, đặc trưng… cảm biến lấy lại giá trị ban đầu chúng 1.2.3 Vùng không phá huỷ Vùng không phá hủy vùng mà đại lượng đo đại lượng vật lý có liên quan đại lượng ảnh hưởng vượt qua ngưỡng vùng không gây nên hư hỏng cịn nằm phạm vi khơng bị phá hủy Các đặc trưng cảm biến bị thay đổi thay đổi mang tính khơng thuận nghịch Tức trở vùng làm việc danh định, đặc trưng cảm biến lấy lại giá trị ban đầu chúng Trong trường hợp cảm biến sử dụng được, phải tiến hành chuẩn lại cảm biến 1.2.4 Sai số độ xác a Sai số - Là giá trị sai lệch giá trị đo giá trị thực đại lượng cần đo (1.3) Trong đó: x: Giá trị thực x: Sai lệch giá trị đo giá trị thực b Sai số hệ thống - Là sai số khơng phụ thuộc vào số lần đo, có giá trị không đổi thay đổi chậm theo thời gian đo thêm vào độ lệch không đổi giá trị thực giá trị đo - Các nguyên nhân gây sai số hệ thống là: + Do nguyên lý cảm biến + Do giá trị đại lượng chuẩn không + Do đặc tính cảm biến + Do điều kiện chế độ sử dụng + Do xử lý kết đo c Sai số ngẫu nhiên - Là sai số xuất có độ lớn chiều khơng xác định Ta dự đốn số nguyên nhân gây sai số ngẫu nhiên dự đốn độ lớn dấu - Những nguyên nhân gây sai số ngẫu nhiên là: + Do thay đổi đặc tính thiết bị + Do tín hiệu nhiễu ngẫu nhiên + Do đại lượng ảnh hưởng không tính đến chuẩn cảm biến 1.1.5 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 khoảng thời gian từ đại lượng đo thay đổi đột ngột đến biến thiên đại lượng đầu khác giá trị cuối lượng giới hạn  tính % - Thời gian hồi đáp tương ứng với % 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 1.1.6 Độ tuyến tính - Một cảm biến gọi tuyến tính dải đo xác định, dải đo đó, độ nhạy khơng phụ thuộc vào đại lượng đo - Nếu cảm biến khơng tuyến tính, người ta đưa vào mạch đo thiết bị hiệu chỉnh cho tín hiệu điện nhận đầu tỉ lệ với thay đổi đại lượng đo đầu vào Sự hiệu chỉnh gọi tuyến tính hố 1.3 Phân loại cảm biến - Trên thực tế có nhiều loại cảm biến khác phân loại cảm biến theo đặc trưng sau đây: 1.3.1 Phân loại theo nguyên lý chuyển đổi đáp ứng kích thích Bảng 1.2 Phân loại theo nguyên lý chuyển đổi đáp ứng kích thích Hiện tượng Chuyển đổi đáp ứng kích thích - Quang điện Hiện tượng vật lý - Điện từ - Từ điện - Nhiệt từ - Biến đổi hoá học Hiện tượng hoá học - Biến đổi điện hoá - Phân tích phổ - Biến đổi sinh hố Hiện tượng sinh học - Biến đổi vật lý - Hiệu ứng thể sống + Độ sáng tối: LED dễ dàng điều khiển độ sáng tối phương pháp điều chế độ rộng xung tăng giảm dòng điện tác động + Tuổi thọ đèn cao: Đây ưu điểm lớn đèn LED, tuổi thọ đèn LED vào khoảng 35000 đến 50000 giờ, lớn nhiều lần so với bóng huỳnh quang sợi đốt + Độ bền cao: LED làm từ vật liệu bán dẫn, nên khó bị phá huỷ va đập + An tồn: LED khơng gây độc hại, thân thiện với môi trường d Ký hiệu Hình 5.2 Ký hiệu Diode phát quang 5.2.3 Laser a Cấu tạo - Một máy laser gồm có: Buồng cộng hưởng chứa hoạt chất laser, nguồn nuôi hệ thống dẫn quang Trong buồng cộng hưởng với hoạt chất laser phận chủ yếu - Buồng cộng hưởng chứa hoạt chất laser, chất đặc biệt có khả khuếch đại ánh sáng phát xạ cưỡng để tạo laser Khi photon tới va chạm vào hoạt chất kéo theo photon khác bật bay theo hướng với photon tới Mặt khác buồng cộng hưởng có mặt chắn hai đầu, mặt phản xạ toàn phần photon bay tới, mặt cho phần photon qua phần phản xạ lại làm cho hạt photon va chạm liên tục vào hoạt chất laser nhiều lần tạo mật độ photon lớn Vì cường độ chùm laser khuếch đại lên nhiều lần Tính chất laser phụ thuộc vào hoạt chất đó, người ta vào hoạt chất để phân loại laser b Nguyên lý hoạt động - Dưới tác động hiệu điện lớn, electron thạch anh di chuyển từ mức lượng thấp lên mức lương cao tạo nên trạng thái nghịch đảo mật độ tích lũy electron - Ở mức lượng cao, số electron rơi ngẫu nhiên xuống mức lượng thấp, giải phóng hạt ánh sáng gọi photon - Các hạt photon toả nhiều hướng khác từ nguyên tử, va phải nguyên tử khác, kích thích eletron nguyên tử rơi xuống tiếp, sinh thêm photon tần số, pha hướng bay, tạo nên phản ứng dây chuyền khuếch đại dòng ánh sáng - Các hạt photon bị phản xạ qua lại nhiều lần vật liệu, nhờ gương để tăng hiệu suất khuếch đại ánh sáng 79 - Một số photon ngồi nhờ có gương bán mạ đầu vật liệu Tia sáng tia laser c Phân loại * Laser chất rắn: - Có khoảng 200 chất rắn có khả dùng làm môi trường hoạt chất laser - Một số loại laser chất rắn thông dụng: + YAG-Neodym: Hoạt chất Yttrium Aluminium Garnet (YAG) cộng thêm 25% neodymi, có bước sóng 1060 nm thuộc phổ hồng ngoại gần Có thể phát liên tục tới 100W phát xung với tần số 1000-10000Hz + Hồng ngọc (Rubi): hoạt chất tinh thể Alluminium có gắn ion crom, có bước sóng 694,3 nm thuộc vùng đỏ ánh sáng trắng + Bán dẫn: loại thông dụng diot Gallium Arsen có bước sóng 890 nm thuộc phổ hồng ngoại gần * Laser chất khí + He-Ne: hoạt chất khí heli neon, có bước sóng 632,8 nm thuộc phổ ánh sáng đỏ vùng nhìn thấy, cơng suất nhỏ, từ đến vài chục mW Trong y học sử dụng làm laser nội mạch, kích thích mạch máu + Argon: hoạt chất khí argon, bước sóng 488 514,5 nm + CO2: bước sóng 10.600 nm thuộc phổ hồng ngoại xa, công suất phát xạ tới megawatt (MW) Trong y học ứng dụng làm dao mổ * Laser chất lỏng - Môi trường hoạt chất chất lỏng, thông dụng laser màu d Các chế độ hoạt động - Laser cấu tạo để hoạt động trạng thái xạ sóng liên tục (hay CW - continuous wave) hay xạ xung (pulsed operation) Điều dẫn đến khác biệt xây dựng hệ laser cho ứng dụng khác + Chế độ phát liên tục: Trong chế độ phát liên tục, công suất laser tương đối không đổi so với thời gian Sự đảo nghịch mật độ electron cần thiết cho hoạt động laser trì liên tục nguồn bơm lượng đặn + Chế độ phát xung: Trong chế độ phát xung, công suất laser thay đổi so với thời gian, với đặc trưng giai đoạn "đóng" "ngắt" cho phép tập trung lượng cao thời gian ngắn Các dao laser ví dụ, với lượng đủ để cung cấp nhiệt lượng cần thiết, chúng làm bốc lượng nhỏ vật chất bề mặt mẫu vật thời gian ngắn Tuy nhiên, lượng tiếp xúc với mẫu vật thời gian dài nhiệt lượng có thời gian để xuyên sâu vào mẫu vật phần vật chất bị bốc Có nhiều phương pháp để đạt điều này, như: Phương pháp chuyển mạch Q (Q-switching) Phương pháp kiểu khoá (modelocking) 80 Phương pháp bơm xung (pulsed pumping) e Độ an toàn ứng dụng - Laser với cường độ thấp, vài miliwatt, nguy hiểm với mắt người Tại bước sóng mà giác mạc mắt thủy tinh thể tập trung tốt, nhờ tính đồng định hướng cao laser, công suất lượng lớn tập trung vào điểm cực nhỏ võng mạc Kết vết cháy tập trung phá hủy tế bào mắt vĩnh viễn vài giây, chí nhanh Độ an toàn laser xếp từ I đến IV Với độ I, tia laser tương đối an tồn Với độ IV, chí chùm tia phân kỳ làm hỏng mắt hay bỏng da Các sản phẩm laser cho đồ dân dụng máy chơi CD bút laser dùng lớp học xếp hạng an toàn từ I, II, hay III - Ứng dụng: Laser dùng lĩnh vực xã hội đại, phẫu thuật mắt, hướng dẫn phương tiện tàu không gian, phản ứng tổng hợp hạt nhân Laser cho phát minh có ảnh hưởng kỉ 20 5.3 Điện trở quang cảm biến quang, tranzitor quang 5.3.1 Điện trở quang a Giới thiệu chung - Điện trở quang hay quang trở, photoresistor, photocell, LDR (Light-dependent resistor), linh kiện điện tử chế tạo chất đặc biệt có điện trở thay đổi giảm theo ánh sáng chiếu vào Đó điện trở phi tuyến, phi ohmic b Nguyên lý hoạt động - Quang trở làm chất bán dẫn trở kháng cao khơng có tiếp giáp Trong bóng tối, quang trở có điện trở đến vài MΩ Khi có ánh sáng, điện trở giảm xuống mức vài trăm Ω - Hoạt động quang trở dựa hiệu ứng quang điện khối vật chất Khi photon có lượng đủ lớn đập vào, làm bật electron khỏi phân tử, trở thành tự khối chất làm chất bán dẫn thành dẫn điện Mức độ dẫn điện tuỳ thuộc số photon hấp thụ - Nghĩa là: Khi ánh sáng chiếu tới làm thay đổi giá trị điện trở nên làm thay đổi dịng điện qua - Tuỳ thuộc chất bán dẫn mà quang trở phản ứng khác với bước sóng photon khác Quang trở phản ứng trễ điốt quang, cỡ 10 ms, nên tránh thay đổi nhanh nguồn sáng [2] c Vật liệu chế tạo - Cadimi sunfua (CdS) Cadimi selenua (CdSe), châu Âu cấm dùng cadmi - Chì(II) sunfua (PbS) Indi antimonua (InSb) sử dụng cho vùng phổ hồng ngoại 81 - Gecu cảm biến dò hồng ngoại xa tốt nhất, sử dụng thiên văn hồng ngoại quang phổ hồng ngoại d Ứng dụng, ký hiệu * Ứng dụng - Quang trở dùng làm cảm biến nhạy sáng mạch dị, mạch đóng cắt đèn chiếu kích hoạt sáng tối - Dàn nhạc có guitar điện dùng quang trở để nhận biết độ sáng từ dàn đèn màu nhạc để tạo hiệu ứng âm - Trong thiên văn hồng ngoại quang phổ hồng ngoại, hợp chất Gecu chế thành bảng photocell làm cảm biến ảnh - Mắc nối tiếp điện trở quang với cuộn dây rơ le đóng ngắt cơng tắc Hoặc làm điện trở phân cực cho Transistor +L +L D K K K K VR D T H H LDR N N LDR b) Phân cực Transistor a) Mắc trực tiêp Hình 5.3 Mạch điều khiển đèn dùng điện trở quang * Ký hiệu: Hình 5.4 Ký hiệu điện trở quang 5.3.2 Cảm biến quang a Cơ ánh sáng - Phản xạ ánh sáng bề mặt 82 Hình 5.5 Phản xạ ánh sáng bề mặt - Khúc xạ ánh sáng Hình 5.6 Khúc xạ ánh sáng - Ảnh hưởng bề mặt lên ánh sáng phản xạ Hình 5.7 Ảnh hưởng bề mặt lên ánh sáng phản xạ b Cấu tạo nguyên tắc hoạt động * Cấu tạo: Gồm phát, thu, mạch xử lý tín hiệu 83 + Bộ Phát sáng: Ngày cảm biến quang thường sử dụng đèn bán dẫn LED (Light Emitting Diode) Ánh sáng phát theo xung giúp cảm biến phân biệt ánh sáng cảm biến ánh sáng từ nguồn khác (như ánh nắng mặt trời ánh sáng phòng) Các loại LED thông dụng LED đỏ, LED hồng ngoại LED lazer Một số dòng cảm biến đặc biệt dùng LED trắng xanh Ngồi có LED vàng + Bộ Thu sáng: Thông thường thu sáng phototransistor (tranzito quang) Bộ phận cảm nhận ánh sáng chuyển đổi thành tín hiệu điện tỉ lệ Hiện nhiều loại cảm biến quang sử dụng mạch ứng dụng tích hợp chuyên dụng ASIC (Application Specific Integrated Circuit) Mạch tích hợp tất phận quang, khuếch đại, mạch xử lý chức vào vi mạch (IC) Bộ phận thu nhận ánh sáng trực tiếp từ phát (như trường hợp loại thu-phát), ánh sáng phản xạ lại từ vật bị phát (trường hợp phản xạ khuếch tán) + Mạch xử lý tín hiệu ra: Mạch đầu chuyển tín hiệu tỉ lệ (analogue) từ tranzito quang thành tín hiệu ON / OFF khuếch đại Khi lượng ánh sáng thu vượt mức ngưỡng xác định, tín hiệu cảm biến kích hoạt Mặc dù số loại cảm biến hệ trước tích hợp mạch nguồn dùng tín hiệu tiếp điểm rơ-le (relay) phổ biến, ngày loại cảm biến chủ yếu dùng tín hiệu bán dẫn (PNP/NPN) Một số cảm biến quang cịn có tín hiệu tỉ lệ phục vụ cho ứng dụng đo đếm * Nguyên tắc hoạt động Hình 5.8 Sơ đồ nguyên lý - Lượng ánh sáng nhận đượcchuyển tỉ lệ thành tín hiệu điện áp (hoặc dịng điện) sau khuếch đại - Sensor xuất tín hiệu báo có vật mức điện áplớn mức ngưỡng c Phân loại cảm biến quang - Độ tin cậy cao - Khoảng cách phát xa: Tối đa 60m (E3Z) - Không bị ảnh hưởng bề mặt, màu sắc vật 84 Hình 5.9 Cảm biến quang thu phát độc lập * Cảm biến thu phát chung – phản xạ gương (Retro Replective) - Độ tin cậy cao - Giảm bớt dây dẫn, phát tối đa 15m - Có thể phân biệt vật suốt, mờ, bóng lống Hình 5.10 Cảm biến thu phát chung – phản xạ gương * Cảm biến quang thu phát chung – khuếch tán (Diffuse Replective) - Dễ lắp đặt, phát tối đa 2m - Bị ảnh hưởng bề mặt, màu sắc vật, ảnh hưởng nền… 85 Hình 5.11 Cảm biến quang Thu Phát Chung – Khuyếch Tán * Cảm biến quang loại phản xạ giới hạn (Limited Reflective) - Chỉ phát vật vùng phát giới hạn - Không bị ảnh hưởng màu sau vùng cảm biến - Lý tưởng cho nhiều ứng dụng cần triệt tiêu Hình 5.12 Cảm biến quang loại phản xạ giới hạn * Cảm biến quang loại phát màu - Độ tin cậy cao - Dễ sử dụng - Có thể dạy cho cảm biến màu vật (chức teach) 5.3.3 Tranzitor quang - Là loại Transistor NPN khác vùng Base chiếu sáng, khơng có điện áp đặt lên cực B có điện áp đặt lên cực C v lp chuyn tip BC phõn cc ngc Dòng điện tö Collector E C N B P E N Base Emitter Dòng lỗ trống Hỡnh 4.13 Phõn cc Transistor quang 86 E - Để làm việc người ta phải cung cấp cho nguồn điện E để đảm bảo đủ điều kiện phân cực cho BC – phân cực ngược BE – phân cực thuận - Khi có ánh sáng chiếu vào cực B điện tử lỗ trống tạo thành Các điện tử tự di chuyển phía tiếp giáp BC sang vùng C Khi B lại lỗ trống Vậy: Miền B gồm lỗ trống, miền E gồm điện tử, tiếp giáp BE phân cực thuận - Do điện tử có sẵn E chuyển động sang B theo qn tính vượt qua tiếp giáp BC đến C cực dương nguồn Kết hợp với dòng điện tử phân cực ngược lớp tiếp giáp BC ta dòng điện tử chuyển động Transistor mở dẫn dịng - Trong trường hợp khơng có ánh sáng chiếu vào cực B, Transistor khóa khơng cho dịng điện chạy qua nó, có dịng điện dị rât nhỏ điện tử tự sinh nhiệt độ - Khi cường độ sáng chiếu tới biến thiên theo quy luật dịng điện qua Transistor biến thiên theo quy luật 5.4 Các tập ứng dụng 5.4.1 Kết nối dây, khảo sát nguyên lý hoạt động cảm biến thu phát quang 5.4.2 Kết nối dây, khảo sát nguyên lý hoạt động cảm biến hồng ngoại 5.4.3 Kết nối dây, khảo sát nguyên lý hoạt động cảm biến quang trở 5.4.4 Kết nối dây, khảo sát nguyên lý hoạt động cảm biến khói CÂU HỎI ƠN TẬP Câu hỏi 1: Nêu tính chất ánh sáng đơn vị đo quang ? Câu hỏi 2: Kể tên nguồn sáng thường sử dụng thơng dụng ? Câu hỏi 3: Trình bày cấu tạo, nguyên lý, đặc điểm đèn sợi đốt ? Câu hỏi 4: Trình bày cấu tạo, nguyên lý, đặc điểm, ký hiệu diode phát quang ? Câu hỏi 5: Trình bày cấu tạo, nguyên lý, phân loại, chế độ hoạt động, độ an toàn ứng dụng Laser ? Câu hỏi 6: Trình bày giới thiệu chung, nguyên lý, vật liệu chế tạo, ứng dụng, ký hiệu điện trở quang ? Câu hỏi 7: Trình bày bước kết nối, khảo sát cảm biến thu phát quang ? Câu hỏi 8: Trình bày bước kết nối, khảo sát cảm biến quang trở ? Câu hỏi 9: Trình bày bước kết nối, khảo sát cảm biến khói ? 87 Phần 2: HƯỚNG DẪN THỰC HÀNH a Kết nối dây, khảo sát nguyên lý hoạt động cảm biến thu phát quang PHIẾU HƯ ỚNG DẪN THỰC HÀNH CÔNG VTÊC: Kết nối dây, khảo sát nguyên lý hoạt động cảm biến cảm biến thu 1/B5/MĐ phát quang 20 Nội dung Bước công việc Bước Yêu cầu thuật kỹ Dụng cụ, trang thiết bị - Lựa chọn dụng cụ, thiết - Lựa chọn - Nguồn điện xoay chiều bị, vật tư đủ dụng cụ, thiết - Nguồn điện chiều bị, vật tư - Dây kết nối - Đồng hồ VOM Bước - Cảm biến thu phát quang - Kiểm tra dụng cụ, thiết bị, - Lựa chọn phù - Nguồn điện xoay chiều vật tư hợp - Nguồn điện chiều - Thao tác đúng, - Dây kết nối chuẩn xác - Đồng hồ VOM Bước - Cảm biến thu phát quang * Kết nối dây - Dây kết nối - Nguồn điện xoay chiều + Cấp nguồn cho thu: hợp lý, - Nguồn điện chiều - Từ +24V Panel nguồn chắn, gọn gàng - Dây kết nối DC nối +24V thu - Đồng hồ VOM - Từ GND Panel nguồn nối GND thu - Cảm biến thu phát quang - Rơ le 24VDC + Cấp nguồn cho phát: - Từ +24VDC Panel nguồn nối 12 - 24V phát - Từ GND Panel nguồn nối GND phát Bước - Từ OUT nối với chân số * Kiểm tra, cấp nguồn, - Dây kết nối - Nguồn điện xoay chiều khảo sát mạch điện hợp lý, - Nguồn điện chiều - Di chuyển vật chuẩn (kim chắn, gọn gàng - Dây kết nối loại) vào vùng làm việc - Mạch điện hoạt - Đồng hồ VOM cảm biến rơ le tác động động theo - Cảm biến thu phát quang đóng nguyên lý - Rơ le 24VDC - Di chuyển vật chuẩn (kim loại) khỏi vùng làm việc cảm biến rơ le ngắt 88 Ghi b Kết nối dây, khảo sát nguyên lý hoạt động cảm biến hồng ngoại PHIẾU HƯ ỚNG DẪN THỰC HÀNH CÔNG VTÊC: Kết nối dây, khảo sát nguyên lý hoạt động cảm biến cảm biến hồng 1/B5/MĐ ngoại 20 Nội dung Bước công việc Bước Bước Yêu cầu thuật kỹ Dụng cụ, trang thiết bị - Lựa chọn dụng cụ, thiết - Lựa chọn - Nguồn điện xoay chiều bị, vật tư đủ dụng cụ, thiết - Dây kết nối bị, vật tư - Đồng hồ VOM - Cảm biến hồng ngoại - Kiểm tra dụng cụ, thiết bị, - Lựa chọn phù - Nguồn điện xoay chiều vật tư hợp - Dây kết nối - Thao tác đúng, - Đồng hồ VOM chuẩn xác - Cảm biến hồng ngoại Bước le 220V Nguồn điện xoay chiều - Dây kết nối Rơ - Từ 220V Panel nguồn nối hợp lý, - Dây kết nối chắn, gọn gàng - Đồng hồ VOM L * Kết nối dây - Từ 0V Panel nguồn nối N - Cảm biến hồng ngoại - Từ 220V OUT (đỏ) nối với chân số Rơ le - Rơ le 220VAC - Từ 220V OUT (xanh) nối với chân số Rơ le Bước - Từ nối với * Kiểm tra, cấp nguồn, - Dây kết nối - Nguồn điện xoay chiều khảo sát mạch điện hợp lý, - Dây kết nối - Di chuyển vật chuẩn (kim chắn, gọn gàng - Đồng hồ VOM loại) vào vùng làm việc - Mạch điện hoạt - Cảm biến hồng ngoại cảm biến còi kêu động theo - Rơ le 220VAC - Di chuyển vật chuẩn (kim nguyên lý loại) khỏi vùng làm việc cảm biến còi ngắt 89 Ghi c Kết nối dây, khảo sát nguyên lý hoạt động cảm biến quang trở PHIẾU HƯ ỚNG DẪN THỰC HÀNH CÔNG VTÊC: Kết nối dây, khảo sát nguyên lý hoạt động cảm biến cảm biến quang trở Nội dung Bước công việc Bước Bước Yêu cầu thuật kỹ Dụng cụ, trang thiết bị - Lựa chọn dụng cụ, thiết - Lựa chọn - Nguồn điện xoay chiều bị, vật tư đủ dụng cụ, thiết - Dây kết nối bị, vật tư - Đồng hồ VOM - Cảm biến quang trở - Kiểm tra dụng cụ, thiết bị, - Lựa chọn phù - Nguồn điện xoay chiều vật tư hợp - Dây kết nối - Thao tác đúng, - Đồng hồ VOM chuẩn xác - Cảm biến quang trở Bước * Kết nối dây - Dây kết nối - Nguồn điện xoay chiều - Từ 220V Panel nguồn nối hợp lý, - Dây kết nối chắn, gọn gàng - Đồng hồ VOM L - Từ 0V Panel nguồn nối N - Cảm biến quang trở - Từ xanh 220V OUT nối điểm đầu đèn - Từ xanh dương 220V OUT nối điểm cuối đèn Bước * Kiểm tra, cấp nguồn, - Dây kết nối - Nguồn điện xoay chiều khảo sát mạch điện hợp lý, - Dây kết nối - Khi khơng có ánh sáng chắn, gọn gàng - Đồng hồ VOM chiếu vào quang trở - Mạch điện hoạt - Cảm biến quang trở bóng đèn sáng động theo - Khi có ánh sáng chiếu vào ngun lý quang trở bóng đèn tắt 90 3/B5/MĐ 20 Ghi d Kết nối dây, khảo sát nguyên lý hoạt động cảm biến khói PHIẾU HƯ ỚNG DẪN THỰC HÀNH CÔNG VTÊC: Kết nối dây, khảo sát nguyên lý hoạt động cảm biến cảm biến 4/B5/MĐ2 khói Nội dung Bước cơng việc Bước u cầu thuật kỹ Dụng cụ, trang thiết bị - Lựa chọn dụng cụ, thiết - Lựa chọn - Nguồn điện xoay chiều bị, vật tư đủ dụng cụ, thiết - Nguồn điện chiều bị, vật tư - Dây kết nối Bước - Đồng hồ VOM - Kiểm tra dụng cụ, thiết bị, - Lựa chọn phù - Nguồn điện xoay chiều vật tư hợp - Dây kết nối Bước - Thao tác đúng, - Đồng hồ VOM chuẩn xác - Cảm biến khói * Kết nối dây - Dây kết nối - Nguồn điện xoay chiều - + 24VDC Modul nguồn hợp lý, - Dây kết nối chắn, gọn gàng - Đồng hồ VOM nối + 24V Modul khói - GND Modul nguồn nối GND Modul khói - Cảm biến khói - Rơ le 24VDC - COM nối + 24VDC - NO nối với chân rơ le 24VDC Bước * Kiểm tra, cấp nguồn, - Dây kết nối - Nguồn điện xoay chiều khảo sát mạch điện hợp lý, - Dây kết nối - Khi cảm biến cảm nhận chắn, gọn gàng - Đồng hồ VOM khơng có khói đèn led nhấp - Mạch điện hoạt - Cảm biến khói nháy động theo - Rơ le 24VDC - Khi cảm biến cảm nhận nguyên lý có khói đèn led sáng rơ le đóng - Hêt khói cảm biến re set khoảng – phút 91 Ghi XÁC NHẬN KHOA Bài giảng môn học/mô đun “kỹ thuật cảm biến” bám sát nội dung chương trình mơn học, mô đun Đáp ứng đầy đủ nội dung kiến thức, kỹ năng, lực tự chủ chương trình mơn học, mơ đun Đồng ý đưa vào làm Bài giảng cho môn học, mô đun kỹ thuật cảm biến thay cho giáo trình Người biên soạn Lãnh đạo Khoa ( Ký, ghi rõ họ tên) ( Ký, ghi rõ họ tên) Đinh Phương Thùy Đỗ Xuân Sinh 92 93 ... cảm biến cảm ứng điện động, cảm biến điện dung,… - Cảm biến điện trường: cảm biến từ giảo, cảm biến áp điện,… 11 Và số cảm biến bật khác như: cảm biến quang, cảm biến huỳnh quang nhấp nháy, cảm. .. BÀI 1: PHÂN LOẠI CẢM BIẾN BÀI 2: ĐIỀU KHIỂN CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ BÀI 3: KẾT NỐI , KHẢO SÁT CẢM BIẾN TIỆM CẬN BÀI 4: ĐO VẬN TỐC VỊNG QUAY VÀ GĨC QUAY BÀI 5: KẾT NỐI, KHẢO SÁT CẢM BIẾN QUANG HỌC BÀI... phẩm Cảm biến ứng dụng rộng rãi lĩnh vực giao thông vận tải, hàng tiêu dùng Đề cương Điều khiển cảm biến biên soạn gồm 04 đó: BÀI 1: PHÂN LOẠI CẢM BIẾN BÀI 2: ĐIỀU KHIỂN CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ BÀI