Giáo trình Kỹ thuật cảm biến (Nghề: Điện công nghiệp - Trung cấp) - Trường CĐ Nghề Kỹ thuật Công nghệ

(NB) Giáo trình Kỹ thuật cảm biến 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. Mời các bạn cùng tham khảo!

BỘ LAO ĐỘNG – THƯƠNG BINH VÀ XÃ HỘI TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ KỸ THUẬT CƠNG NGHỆ GIÁO TRÌNH VẼ KỸ THUẬT NGHỀ: ĐIỆN CÔNG NGHIỆP Hà Nội, năm 2019 BỘ LAO ĐỘNG - THƯƠNG BINH VÀ XÃ HỘI TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ KỸ THUẬT CƠNG NGHỆ GIÁO TRÌNH MƠN HỌC: VẼ KỸ THUẬT NGHỀ: ĐIỆN CƠNG NGHIỆP TRÌNH ĐỘ: TRUNG CẤP (Ban hành kèm theo Quyết định số: 248a/QĐ-CĐNKTCN ngày 17 tháng 9/2019 Hiệu trưởng cao đẳng nghề Kỹ thuật Công nghệ) Hà Nội, năm 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 nay, 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 mặt 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 đó, việc trang bị cho kiến thức loại cảm biến nhu cầu thiếu kỹ thuật viên, kỹ sư ngành điện ngành khác Môn đun kỹ thuật cảm biến môn học chuyên môn học viên ngành điện công nghiệp Môn đun 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 như: Trang bị điện, PLC Môn học làm tài liệu tham khảo cho cán kỹ thuật, học viên ngành khác quan tâm đến lĩnh vực Hà Nội, ngày tháng 02 năm 2019 BAN CHỦ NHIỆM SOẠN GIÁO TRÌNH NGHỀ: ĐIỆN CÔNG NGHIỆP TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ KỸ THUẬT CƠNG NGHỆ MỤC LỤC Lời nói đầu…………………………………………………………… Bài mở đầu: Cảm biến ứng dụng……………………………… Bài 1: Cảm biến quang………………………………………… …… Bài 2: Cảm biến nhiệt độ Bài 3: Cảm biến tiệm cận số cản biến xác định khoảng cách…………………………………………………………………… Bài 4: Các loại cảm biến khác….…………………………………… Tài liệu tham khảo 10 35 50 74 89 GIÁO TRÌNH MƠ ĐUN Mơ đun: Kỹ thuật cảm biến Mã mơ đun: MĐ ĐCN 26 Vị trí, tính chất, ý nghĩa vai trị mơ đun: - Mô đun 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 mô đun 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 Mơ đun trang bị kiến thức kỹ để người học hiểu rõ sử dụng thành thạo loại cảm biến ứng dụng ngành công nghiệp Mục tiêu mô đun: - Về kiến thức: + Phân tích cấu tạo, nguyên lý hoạt động loại cảm biến; - Về kỹ năng: + Lựa chọn loại cảm biến cho phù hợp yêu cầu cụ thể; + Đấu nối sử dụng loại cảm biến mạch điện cụ thể; - Về lực tự chủ trách nhiệm: + Cẩn thận, sáng tạo đảm bảo an toàn cho người linh kiện, thiết bị khác; BÀI MỞ ĐẦU: CẢM BIẾN VÀ ỨNG DỤNG Mã bài: ĐCN 26 – 01 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; - Phân biệt loại cảm biến; - Rèn luyện tính cẩn thận, xác, logic khoa học, tác phong cơng nghiệp Nội dung chính: Khái niệm cảm biến 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 dòng 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) Thơng 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 thông 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 ngồi việc đóng vai trò “giác quan“ để thu thập tin tức 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 thừa 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 Cảm biến đo điều khiển Vi điều khiển (Microcontroler) lường thiết bị thừa 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 trình hay đối tượng điều khiển Chương trình cho vi điều khiển cài đặt thơng qua máy tính nạp chương trình chun dụng Đây sơ đồ điều khiển tự động trình (đối tượng ), đố cảm buến đóng vai trò 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 Kích thích Âm Điện Các đặc tính kích thích Biên pha, phân cực Phổ Tốc độ truyền sóng …vv Điện Điện Điện Điện …vv tích, dịng điện thế, điện áp trường dẫn, số điện môi Từ Từ trường Từ thông, cường độ từ trường Độ từ thẩm …vv Cơ Vị trí Lực, áp suất Gia tốc, vận tốc, ứng suất, độ cứng Mô men Khối lượng, tỉ trọng Độ nhớt…vv Quang Phổ Tốc độ truyền Hệ số phát xạ, khúc xạ …VV Nhiệt Nhiệt độ Thông lượng Tỷ nhiệt …vv Bức xạ 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 thông - Nông nghiệp - Dân dụng - Giao thông vận tải…vv (    ), Đối với chất khí, để kết đo khơng phụ thuộc vào điều kiện áp suất nhiệt độ, ta qui đổi điều kiện chuẩn (nhiệt độ 200C, áp suất 760 mm thủy ngân) Để thích ứng với nhu cầu khác công nghiệp, người ta phát triển nhiều phương pháp khác để đo lưu lượng chất lỏng, nước, khí 1.2.2 Đặc trưng lưu chất Mỗi lưu chất đặc trưng yếu tố sau: - Khối lượng riêng - Hệ số nhớt động lực - Hệ số nhớt động học *Khối lượng riêng: Khối lượng riêng khối lượng đơn vị thể tích lưu chất  m (kg / m3 ) V m: khối lượng khối lưu chất V: thể tích khối lưu chất Hình 3.1: Khối lượng riêng nước nước trạng thái bảo hòa với điều kiện nhiệt độ khác 1.3.3 Cảm biến áp suất loại điện trở áp điện Cảm biến áp suất loại điện trở áp điện thay đổi điện trở tương ứng với biến dạng thân 76 + Cảm biến biến dạng áp điện trở kim loại + Cảm biến biến dạng áp điện trở bán dẫn *Các thông số bản: + Độ dài biến dạng: tỉ số thay đổi kích thước với chiều dài ban đầu  l l Đơn vị Strain thường sử dụng microstrain + Hệ số biến dạng: tỉ số thay đổi điện trở với thay đổi chiều dài GF  R R l l R  R Hệ số GF kim loại: 2, bán dẫn: 80 – 120 *Nguyên lý đo sử dụng cảm biến dạng áp điện trở Các phép đo biến dạng có giá trị lớn vài millistrain (ε 10-3) Ví dụ: Cơ cấu chịu lực biến dạng 500με Hệ số biến dạng GF = Giá trị thay đổi điện trở: ΔR/R = GF 500 10-3 = 001 Để đo thay đổi nhỏ giá trị điện trở, cảm biến biến dạng áp điện trở sử dụng mạch cầu  R3 R1  .VS Vo     R3  R4 R1  R2  Khi R1/R2 = R3/R4 điện áp Nếu thay R4 cảm biến có lực tác dụng lên, điện áp thay đổi Hình dạng mạch cầu ¼ Độ thay đổi điện trở: ΔR = RG GF ε Chọn R1 = R2 R3 = RG ta có:    GF.   VO  VS     GF  2  Tuy nhiên GF*ε/2