Giáo trình Kỹ thuật cảm biến (Nghề: Cơ điện tử) - Trường CĐ Nghề Kỹ thuật Công nghệ

(NB) Giáo trình Kỹ thuật cảm biến cung cấp cho người học những kiến thức như: Các khái niệm cơ bản về bộ cảm biến; Cảm biến nhiệt độ; Cảm biến tiệm cận và một số loại cảm biến xác định vị trí và khoảng cách khác; Phương pháp đo lưu lượng; Đo vận tốc vòng quay và góc quay.

-1- 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 -2- LỜI GIỚI THIỆU Trên sở chương trình khung đào tạo Trường Cao đẳng nghề kỹ thuật công nghệ ban hành, Trường Cao đẳng nghề kỹ thuật công nghệ tổ chức biên soạn giáo trình đào tạo phục vụ cho giáo viên giảng dạy học tập, thực tập học sinh, sinh viên nghề Cơ điện tử thời kỳ Cơng nghiệp hố – Hiện đại hố Đất nước Trong giáo trình Kỹ thuật cảm biến đóng vai trị quan trọng việc đào tạo hình thành kỹ cho sinh viên theo học nghề Cơ điện tử Giáo trình thiết kế theo hệ thống mơ đun chương trình, có mục tiêu học tập, thực tập cho mô đun, phần lý thuyết học viên cần phải nắm vững để thực hành, thực tập Cuối sau phần lý thuyết có phần tập thực hành để giáo viên học sinh sinh viên thực Khi biên soạn, nhóm biên soạn cố gắng cập nhật kiến thức có liên quan đến nội dung chương trình đào tạo phù hợp với mục tiêu đào tạo, nội dung lý thuyết thực hành biên soạn gắn với nhu cầu thực tế sản xuất đồng thời có tính thực tiển cao Nội dung giáo trình biên soạn với dung lượng thời gian đào tạo 75 gồm có: Bài 1: Các khái niệm cảm biến Bài 2: Cảm biến nhiệt độ Bài 3: Cảm biến tiệm cận số loại cảm biến xác định vị trí khoảng cách khác Bài 4: Phương pháp đo lưu lượng Bài 5: Đo vận tốc vịng quay góc quay Trong trình sử dụng giáo trình, tuỳ theo yêu cầu khoa học công nghệ phát triển điều chỉnh thời gian bổ sung kiên thức cho phù hợp Trong giáo trình, chúng tơi có đề nội dung thực tập để người học cố áp dụng kiến thức phù hợp với kỹ Tuy nhiên, theo điều kiện sở vật chất trang thiết bị, trường có thề sử dụng cho phù hợp Mặc dù cố gắng tổ chức biên soạn để đáp ứng mục tiêu đào tạo không tránh khiếm khuyết Rất mong nhận đóng góp ý kiến người sử dụng, người đọc để nhóm biên soạn hiệu chỉnh hoàn thiện sau thời gian sử dụng Xin trân trọng cảm ơn! Hà Nội, ngày tháng năm 2019 BAN CHỦ NHIỆM BIÊN SOẠN GIÁO TRÌNH NGHỀ: CƠ ĐIỆN TỬ TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ -3- MỤC LỤC TRANG LỜI GIỚI THIỆU BÀI 1: KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ CÁC BỘ CẢM BIẾN Khái niệm cảm biến Phạm vi sử dụng cảm biến Phân loại cảm biến: BÀI 2: CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ 11 Đại cương 11 1.1 Thang đo nhiệt độ 11 1.2 Nhiệt độ cần đo nhiệt độ đo 12 Nhiệt điện trở Platin Niken 12 2.1 Điện trở kim loại thay đổi theo nhiệt độ 12 2.2 Nhiệt điện trở Platin 13 2.3 Nhiệt điện trở Niken 15 Cảm biến nhiệt độ với vật liệu Silic 18 IC cảm biến nhiệt độ 23 Nhiệt điện trở NTC 25 Nhiệt điện trở PTC 28 Các thực hành ứng dụng loại cảm biến nhiệt độ 30 7.1 Thực hành với cảm biến nhiệt độ Platin Pt 100, Pt1000 ADT70 30 7.2 Thực hành với cảm biến LM35 32 7.3 Thực hành với cảm biến nhiệt điện trở NTC 33 7.4 Thực hành với cảm biến nhiệt điện trở PTC 34 BÀI III: CẢM BIẾN TIỆM CẬN 36 VÀ CÁC LOẠI CẢM BIẾN XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ, KHOẢNG CÁCH 36 Cảm biến tiệm cận (Proximity Sensor) 36 1.2 Cảm biến tiệm cận điện cảm (Inductive Proximity Sensor) 39 1.3 Cảm biến tiệm cận điện dung (Capacitive Proximity Sensor) 44 Một số loại cảm biến xác định vị trí, khoảng cách khác 47 2.1 Xác định vị trí khoảng cách dùng biến trở ( Resistance Transducer ) 47 2.2 Xác định vị trí khoảng cách tự cảm (Inductance Transducers) 50 2.3 Xác định vị trí khoảng cách cảm biến điện dung ( Capacitance Transducers ) 54 2.4 Cảm biến từ 58 Các thực hành ứng dụng loại cảm biến tiệm cận 59 3.1 Thực hành với cảm biến tiệm cận điện cảm 59 3.2 Thực hành với cảm biến tiệm cận điện dung 60 3.3 Thực hành với cảm biến từ 61 -4- BÀI IV: PHƯƠNG PHÁP ĐO LƯU LƯỢNG 62 Đại cương 62 Phương pháp đo lưu lượng theo nguyên tắc chênh lệch áp suất 66 Phương pháp đo lưu lượng tần số dịng xốy 70 3.1 Nguyên tắc hoạt động 70 3.2 Các ưu, nhược điểm phương pháp đo lưu lượng dùng nguyên tắc tần số dịng xốy 72 3.3 Một số ứng dụng cảm biến đo lưu lượng dùng ngun tắc tần số dịng xốy 73 Thực hành với cảm biến đo lưu lượng 73 4.1 Ghi nhận thông số cảm biến 73 4.2 Thiết lập thông số cho cảm biến 74 BÀI V: ĐO VẬN TỐC VÒNG QUAY VÀ GÓC QUAY 77 Một số phương pháp đo vận tốc vòng quay 77 1.1 Đo vận tốc vòng quay máy phát tốc 77 1.2 Đo vận tốc vòng quay phương pháp quang điện tử 79 1.3 Đo vận tốc vòng quay với nguyên tắc điện trở từ 82 Cảm biến đo góc với tổ hợp có điện trở từ 86 2.1 Nguyên tắc : 86 2.2 Các loại cảm biến KM110BH/2 hãng Philips Semiconductor : 86 2.3 Các loại cảm biến KMA10 KMA20 : 87 2.4 Máy đo góc tuyệt đối (Resolver) 88 Các thực hành ứng dụng 89 3.1 Cảm biến KMI15/1 89 3.2 Cảm biến đo vòng quay KMI16/1 90 3.3 Thực hành với cảm biến đo góc KM110BH/2430, KM110BH/2470 91 TÀI LIỆU THAM KHẢO 92 -5- GIÁO TRÌNH MƠ ĐUN Tên mơ đun: Kỹ thuật cảm biến Mã môđun MĐ CĐT22 I Vị trí, tính chất mơ đun: - Vị trí:Trước học mơ đun cần hồn thành mơn học sở số môn học mô đun chun mơn - Tính chất: Là mơ đun tích hợp lý thuyết với thực hành II Mục tiêu môđun: Sau học xong mơ đun học viên có lực - Kiến thức: + Phân tích cấu tạo, nguyên lý hoạt động loại cảm biến + Phân tích nguyên lý mạch điện cảm biến - Kỹ năng: + Thực ứng dụng cảm biến điều khiển hệ thống điện tử - Năng lực tự chủ trách nhiệm: + Tích cực, chủ động sáng tạo học tập Nội dung môđun : Thời gian Số TT Tổng số Lý thuyết Thực hành Bài 1: Các khái niệm cảm biến Thi/ Kiểm tra Bài 2: Cảm biến nhiệt độ Bài 3: Cảm biến tiệm cận số loại cảm biến xác định vị trí khoảng cách khác Bài 4: Phương pháp đo lưu lượng 20 18 14 13 1 12 Bài 5: Đo vận tốc vịng quay góc quay 16 12 Thi kiết thúc mô đun Cộng 75 48 Tên mô đun 21 + Ghi : Thời gian kiểm tra tích hợp lý thuyết với thực hành tính vào thực hành -6- BÀI 1: KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ CÁC BỘ CẢM BIẾN Mã bài: MĐ 22-01 GIỚI THIỆU Các cảm biến sử dụng nhiều lĩnh vực kinh tế kỹ thuật, cảm biến đặc biệt nhạy cảm sử dụng thí nghiệm, lĩnh vực nghiên cứu khoa học Trong lĩnh vực tự động hố người ta sử dụng sensor bình thường đặc biệt Cảm biến có nhiều loại, đa dạng phong phú, nhiều hãng sản xuất, giúp người nhận biết trình làm việc tự động máy móc tự động hố công nghiệp MỤC TIÊU BÀI HỌC Sau học xong học viên có đủ khả : - Phát biểu khái niệm cảm biến - Trình bày ứng dụng phương pháp phân loại cảm biến - Rèn luyện tính tư tác phong công nghiệp Khái niệm cảm biến: Mục tiêu : - Phát biểu khái niệm cảm biến - Phát biểu đặc trưng cảm biến * Khái niệm: 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 khơng có 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) -7- * Các đặc trưng cảm biến : - Độ nhạy cảm biến Đối với cảm biến tuyến tính,giữa biến thiên đầu s biến thiên đầu vào m có liên hệ tuyến tính: s = S m Đại lượng S xác định biểu thức S  (2) s (3) gọi độ nhạy cảm m biến - Sai số độ xác Các cảm biến dụng cụ đo lường khác, ngồi đại lượng cần đo (cảm nhận) cịn chịu tác động nhiều đại lượng vật lý khác gây nên sai số giá trị đo giá trị thực đại lượng cần đo Gọi x độ lệch tuyệt đối giá trị đo giá trị thực x (sai số tuyệt đối), sai số tương đối cảm biến tính :  x 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  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 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 -8- 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 thông số thời gian (t r ) ,(t dm ) ,(t m ) ,(t dc ) ,(t c ) cảm biến cho phép ta đánh giá thời gian hồi đáp Hình Xác định khoảng thời gian đặc trưng cho chế độ độ Phạm vi sử dụng cảm biến Mục tiêu : - Trình bày phạm vi ứng dụng 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 -9- học Trong lĩnh vực tự động hóa, cảm biến sử dụng nhiều với nhiều loại khác kể cảm biến bình thường đặc biệt Phân loại cảm biến: Mục tiêu : - Trình bày phương pháp phân loại cảm biến Các cảm biến phân loại theo đặc trưng sau : - Theo nguyên tắc chuyển đổi đáp ứng kích thích Hiện tượng Hiện tượng vật lý Hóa học Sinh học - Theo dạng kích thích Kích thích Âm Điện Từ Cơ Quang Nhiệt Bức xạ - Theo tính Chuyển đổi đáp ứng 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 hoá , Biến đổi vật lý , Hiệu ứng thể sống,… Các đặc tính kích thích -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-Mơmen -Khối lượng, tỉ trọng-Độ nhớt… -Phổ-Tốc độ truyền-Hệ số phát xạ, khúc xạ… -Nhiệt độ-Thông lượng-Tỷ nhiệt… -Kiểu-Năng lượng-Cường độ… + Độ nhạy + Khả tải + Độ xác + Tốc độ đáp ứng + Độ phân giải + Độ ổn định + Độ tuyến tính + Tuổi thọ + Công suất tiêu thụ + Điều kiện mơi trường + Dải tần + Kích thước,trọng lượng + Độ trễ - Phân loại theo phạm vi sử dụng - 10 - + Công nghiệp + Nông nghiệp + Nghiên cứu khoa học + Dân dụng + Môi trường, khí tượng + Giao thơng vận tải + Thơng tin, viễn thơng - Theo thơng số mơ hình mạch điện thay + Cảm biến tích cực (có nguồn) : Đầu nguồn áp nguồn dòng + 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 - 79 - 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 VC  Ve coset tần số không đổi  e : (4-5) 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(et   )  kVe cos(et   ) Trong : Em  kVe (4-6) (4-7) với k - số phụ thuộc vào kết cấu máy  - độ lệch pha Do đo Em xác định  1.2 Đo vận tốc vòng quay phương pháp quang điện tử * 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 - 80 - 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 cịn 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 quay * Đĩa mã hóa tương đối : Encoder với xung khơng thể phát chiều quay, hầu hết Encoder mã hố có xung thứ lệch pha 90o so với xu ng 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 60N , (vịng/phút) N0Tn (4-8) - 81 - Hình 4.6 Dạng sóng Encoder xung * Đĩa mã hóa tuyệt đối : Để khắc phục nhược điểm đĩa mã hoá 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 không chắn sáng - Vòng 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 - 82 - thu - 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 1.3 Đo vận tốc vòng quay với nguyên tắc điện trở từ Mục tiêu : - Trình bày phương pháp đo vận tốc vòng quay với nguyên tắc điện trở từ * Khái niệm đơn vị từ trường : - Từ trường : Là dạng vật chất tồn xung quanh dịng, 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 thơng : Từ thơng gởi qua diện tích dS đại lượng giá trị :  = 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 1vơn (V) : 1Wb = 1Vs - Cường độ từ trường : 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 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 - 83 - 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 thay đổi theo vị trí bánh (Bending of magnetic field lines), tín hiệu cảm biến hình thành dù đối tượng khơng di chuyển chậm 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 - 84 - 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 m ) 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, 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 dài 50 m , 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 : RB  R0 (1   2.B2 ) (4-10) Trong  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 m - Cảm biến điện trở từ với vật liệu Permalloy : + Hiệu ứng điện trở từ với vật liệu Permalloy : - 85 - Hình 4.10 Hiệu ứng điện trở từ Permalloy Một màng mỏng vật liệu sắt từ gọi Permalloy (20% Fe ; 80% Ni) Khi khơng có diện từ trường, véc tơ từ hoá 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, véc tơ từ hố quay góc, kết điện trở Permalloy thay đổi theo R  R0  R0.cos2  (4-11)    R  Rmax   90  R  Rmin Trong : R0 ∆R0 thông 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 Hiệu ứng điện trở từ tuyến tính hố cách đặt màng mỏng nhôm gọi barber poles - 86 - Hình 4.11 Kết cấu cảm biến điện trở từ có 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 Cảm biến đo góc với tổ hợp có điện trở từ Mục tiêu : - Trình bày phương pháp đo góc quay với tổ hợp có điện trở từ - Giải thích khác loại thiết bị đo góc 2.1 Ngun tắc : Từ cơng thức (4-11): R  R0  R0.cos2  Ta có liên hệ gần R α : R ≈ 2α (4-12) Dựa nguyên tắc này, cảm biến đo góc mà khơng cần đụng chạm 2.2 Các loại cảm biến KM110BH/2 hãng Philips Semiconductor : Loại cảm biến KM110BH/21 có dạng : - KMB110BH/2130 chế tạo với thang đo nhỏ để có độ khuyếch đại lớn 0 hơn, đo từ -15 đến +15 Tín hiệu tuyến tính (độ phi tuyển 1%) 0 - KMB110BH/2190 đo từ -45 đến +45 , tín hiệu hình sin Cả cảm biến có thang đo khác mạch điện (hình 4-13) có tín hiệu dạng Analog Ngồi cảm biến cịn có dạng cảm biến thiết kế KM110BH/23 KM110BH/24 (xem bảng 4-1) - 87 - Hình 4.8 Sơ đồ khối loại cảm biến KM110BH/21, KM110BH/24 KM110BH/2390 Thông số Thang đo Điện áp Dòng điện Đặc tuyến ngõ Điện áp hoạt động 2130 30 0,5÷4,5 Tuyến tính 2190 90 0,5÷4,5 Hình sin 5 KM110BH 2270 2390 70 90 0,5÷4,5 4÷20 Hình Tuyến sin tính 8,5 2430 30 0,5÷4,5 Tuyến tính 2470 70 0,5÷4,5 Hình sin 5 Đơn vị Độ V mA V o Nhiệt độ hoạt động - 40 ÷ + - 40 ÷ + 125 125 - 40 ÷ +125 Độ phân giải - 40 ÷ + - 40 ÷ + - 40 ÷ + 125 125 125 0,001 0,001 0,001 0,001 0,001 Bảng 4.1 Các dạng cảm biến KM110BH 2.3 Các loại cảm biến KMA10 KMA20 : 0,001 C Độ KMA10 KMA20 loại cảm biến đo góc (khơng cần đụng chạm) thiết kế để hoạt động mơi trường khắc nghiệt hơn, ứng dụng lĩnh vực tự động công nghiệp Hai loại cảm biến KMA10 KMA20 thiết kế để phát triển hợp tác Philips Semiconductor AB Electronic - KMA10 cho tín hiệu dạng dòng 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 từ loại KM110BH/2470, cịn KMA20/90 phát triển từ loại KMA20/2390 Tuy nhiên tín hiệu từ KMA20/30 tuyến tính từ KMA20/70 hình sin - 88 - KMA20/3 KMA20/7 KMA20/9 0 Thang đo 30 70 90 Điện áp 0,5÷4,5 0,5÷4,5 Dịng điện Tuyến Tuyến Đặc tuyến ngõ Hình sin Hình sin tính tính Điện áp hoạt động 8,5 5 - 40 ÷ - 40 ÷ - 40 ÷ - 40 ÷ Nhiệt độ hoạt động + 100 + 125 +125 + 125 Độ phân giải 0,001 0,001 0,001 0,001 Bảng 2.2 Các dạng cảm biến KMA10 KMA20 2.4 Máy đo góc tuyệt đối (Resolver) Thơng số KMA10/7 70 4÷20 Đơn vị Độ V mA V o C Độ Mục tiêu : - Trình bày phương pháp đo góc quay với máy đo góc tuyệt đối - Giải thích khác loại thiết bị đo góc Máy đo góc tuyệt đối cấu tạo gồm phần, phần động gắn liền với trục quay động chứa cuộn sơ cấp kích thích sóng mang tần số – 10 Khz qua máy biến áp quay (Hình 4.9a) Phần tĩnh có dây thứ cấp (cuộn sin cuộn cos) đặt lệch 90 , đầu dây quấn thứ cấp ta thu tín hiệu điều biên UU0 sin t sin t UU0 sin t cost (hình 4.9b) Đường bao kênh tín hiệu chứa thơng tin vị trí tuyệt đối (góc t ) rơto máy đo,có nghĩa vị trí tuyệt đối rơto động (hình 4.9c) Có cách thu thập thơng tích t : - Hiệu chỉnh sửa sai góc thu sở so sánh góc cài đặt sẵn số vi mạch sẵn có, vi mạch cho tín hiệu góc dạng số (độ phân giải 10 – 16 bit/1 vòng) tốc độ quay dạng tương tự - Dùng 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 tín hiệu kích thích – 10 kHz - 89 - a) c) b) Hình 4.14 Máy đo góc tuyệt đối (Resolver) a) Nguyên lý cấu tạo; b) Nguyên lý hoạt động; c) Hai kênh tín hiệu Các thực hành ứng dụng Mục tiêu : - Thực phương pháp đo vòng quay đạt yêu cầu kỹ thuật - Rèn luyện tính tỷ mỉ, xác, an tồn vệ sinh công nghiệp 3.1 Cảm biến KMI15/1 * Mục đích : Khảo sát cảm biến KMI15/1 * Thiết bị : Cảm biến KMI15/1, điện trở 115Ω, Tụ điện 100nF, đối tượng dạng thụ động * Sơ đồ chân : Chân Chức Vcc V * Thực lắp mạch : - Điện áp Vcc : 12 vơn DC - Lắp đặt cảm biến hình vẽ 4.16 ; d = 2,5 mm - 90 - - Cho đối tượng quay - Dùng máy đo dao động kí đo tín hiệu - Vẽ lại dạng sóng - Ghi nhận giá trị nhỏ nhất, giá trị trung bình tín hiệu Hình 4.9 Cách lắp cảm biến 3.2 Cảm biến đo vòng quay KMI16/1 * Mục đích : Khảo sát cảm biến KMI16/1 * Thiết bị : Cảm biến KMI16/1, điện trở 2,7 kΩ, 10 kΩ, tụ điện 2,2nF, đối tượng dạng thụ động (giống KMI15/1) * Sơ đồ chân : Ký hiệu Chân Chức Vcc Nối với nguồn DC Vout Ngõ tín hiệu GND Nối đất * Thực lắp mạch : - Điện áp hoạt động Vcc = vơn DC - Ghi chú: Cảm biến hoạt động với điện áp 4,5 vôn đến 16 vôn DC (nhưng giá trị ngõ thay đổi) - Lắp đặt cảm biến hình vẽ 4.17 d = 2,5mm - Cho đối tượng quay - Dùng máy đo dao động kí đo tín hiệu - Giá trị điện áp mức cao: - Giá trị điện áp mức thấp: - Vẽ lại dạng sóng - 91 - Hình 4.10 Cách lắp cảm biến 3.3 Thực hành với cảm biến đo góc KM110BH/2430, KM110BH/2470 * Mục đích : Khảo sát cảm biến đo góc KM110BH/2430, KM110BH/2470 * Thiết bị : - Nam châm (NdFeB) kích thước 11,2 x 5,5 x mm - Cảm biến đo góc KM110BH/2430, KM110BH/2470 - Nguồn vôn DC vôn kế, thiết bị đo lường cần thiết * Sơ đồ chân : Chân Chú thích GND Vcc V0 * Thực : Ghi nhận thông số hoạt động cảm biến Cảm biến Điện áp hoạt động Thang đo Dạng tín hiệu KM110BH/2430 KM110BH/2470 - Vẽ mạch kết nối cảm biến, ngõ dùng RL = 1,7 kΩ (vôn kế đo giá trị tín hiệu mắc song song với RL) - Lắp đặt nam châm song song với cảm biến (d = 2,5mm) - Thay đổi vị trí nam châm, đo giá trị ngõ ra, vẽ đồ thị biểu diễn thay đổi giá trị ngõ theo góc quay - 92 - TÀI LIỆU THAM KHẢO - 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 - 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 - Cảm biến ứng dụng Dương Minh Trí NXB Khoa học kỹ thuật Hà Nội, 2001 - Giáo trình cảm biến Phan Quốc Phô, Nguyễn Đức Chiến NXB Khoa học kỹ thuật Hà Nội, 2001 - Giáo trình đo lường khơng điện Trường ĐHSPKT TP HCM -1- ... tích, dịng điện- Điện thế, điện áp -? ?iện 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,... Phân loại cảm biến tiệm cận điện cảm : Xét hình dáng cảm biến tiệm cận điện cảm có hai loại : - 41 - - Cảm biến tiệm cận điện cảm loại có vỏ bảo vệ (Shielded) hay cảm biến tiệm cận điện cảm đầu.. .-2 - LỜI GIỚI THIỆU Trên sở chương trình khung đào tạo Trường Cao đẳng nghề kỹ thuật công nghệ ban hành, Trường Cao đẳng nghề kỹ thuật cơng nghệ tổ chức biên soạn giáo trình đào tạo