TÀI LIỆU MÔN HỌC KĨ THUẬT CẢM BIẾN

TÀI LIỆU MÔN HỌC KĨ THUẬT CẢM BIẾN TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN ........................................................................................1 LỜI GIỚI THIỆU........................................................................................................2 MỤC LỤC...................................................................................................................3 MÔ UN Ỹ THUẬT CẢM BIẾN...........................................................................5 BÀI 1: HÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ CÁC BỘ CẢM BIẾN.........................................8 1. hái niệm cơ bản về các bộ cảm biến: ...................................................................8 2. Phạm vi sử dụng c a cảm biến................................................................................9 3. Ph n loại cảm biến: .................................................................................................9 BÀI 2: CẢM BIẾN NHIỆT Ộ................................................................................11 1. ại cƣơng ...............................................................................................................11 2 Nhiệt điện trở Platin và Niken................................................................................12 3 Cảm biến nhiệt độ với vật liệu Silic.......................................................................17 4. IC cảm biến nhiệt độ .............................................................................................20 5. Nhiệt điện trở NTC ...............................................................................................22 6. Nhiệt điện trở PTC................................................................................................24 7. Th c hành với cảm biến nhiệt độ Platin Pt 100, Pt1000 và ADT70.....................26 8. Th c hành với cảm biến LM35.............................................................................27 9. Th c hành với cảm biến nhiệt điện trở NTC ........................................................28 10. Th c hành với cảm biến nhiệt điện trở PTC.......................................................30 BÀI 3: CẢM BIẾN TIỆM CẬN VÀ CÁC LOẠI CẢM BIẾN XÁC ỊNH VỊ TRÍ, HOẢNG CÁCH .....................................................................................................32 1. Cảm biến tiệm cận (Proximity Sensor).................................................................32 2. Một số loại cảm biến xác định vị trí, khoảng cách khác.......................................41 3. Th c hành với cảm biến tiệm cận điện cảm..........................................................51 BÀI 4: PHƢƠNG PHÁP O LƢU LƢỢNG ...........................................................54 1. ại cƣơng ..............................................................................................................54 2. Phƣơng pháp đo lƣu lƣợng theo nguyên tắc chênh lệch áp suất...........................56 3. Phƣơng pháp đo lƣu lƣợng bằng tần số dòng xoáy...............................................60 BÀI 5: O VẬN TỐC VÕNG QUAY VÀ GÓC QUAY ........................................65 1. Một số phƣơng pháp đo vận tốc vòng quay cơ bản ..............................................65 2. o vận tốc vòng quay bằng phƣơng pháp Analog................................................65 3. o vận tốc vòng quay bằng phƣơng pháp quang điện tử .....................................67 4. o vận tốc vòng quay với nguyên tắc điện trở từ.................................................68 5. Cảm biến đo góc với tổ hợp có điện trở từ............................................................72 6. Máy đo góc tuyệt đối (Resolver)...........................................................................73 7. Th c hành đo góc với encoder tƣơng đối và tuyệt đối .........................................74 8. Th c hành với cảm biến đo vòng quay.................................................................75 BÀI 6: CẢM BIẾN QUANG IỆN .........................................................................78 1. ại cƣơng ..............................................................................................................78 KHOA N T TR ỜN O N N Ề N T 4 2. Cảm biến quang loại thu phát độc lập .................................................................. 85 3. Cảm biến quang loại phản xạ gƣơng .................................................................... 87 4. Cảm biến quang loại phản xạ khuếch tán ............................................................. 89 5. Một số ng dụng c a cảm biến quang điện .......................................................... 90 6. Th c hành với cảm biến quang............................................................................. 93 TÀI LIỆU THAM HẢO ........................................................................................ 96 1. Khái niệm cơ bản về các bộ cảm biến hái niệm: Cảm biến là thiết bị dùng để cảm nhận và biến đổi các đại lƣợng vật l và các đại lƣợng không có tính chất về điện cần đo thành các đại lƣợng mang tính chất về điện có thể đo và xử l đƣợc Các đại lƣợng cần đo (m) thƣờng không có tính chất về điện nhƣ nhiệt độ,áp suất,…tác động lên cảm biến cho ta một đặc trƣng (s) mang tính chất điện nhƣ điện áp, điện tích,dòng điện hoặc trở kháng ch a đ ng thông tin cho phép xác định giá trị c a đại lƣợng đo. ặc trƣng (s) là hàm c a đại lƣợng cần đo (m) : s = f(m) (1) Ngƣời ta gọi (s) là đại lƣợng đầu ra hoặc là phản ng c a cảm biến,(m) là đại lƣợng đầu vào hay kích thích(có nguồn gốc là đại lƣợng cần đo). Thông qua đo đạc (s) cho phép nhận biết giá trị (m). Các đặc trƣng cơ bản c a cảm biến : ộ nhạy c a cảm biến ối với cảm biến tuyến tính,giữa biến thiên đầu ra s và biến thiên đầu vào m có s liên hệ tuyến tính: s = S. m (2) ại lƣợng S đƣợc xác định bởi biểu th c m s S    (3) đƣợc gọi là độ nhạy c a cảm biến. Sai số và độ chính xác Các bộ cảm biến cũng nhƣ các dụng cụ đo lƣờng khác, ngoài đại lƣợng cần đo (cảm nhận) còn chịu tác động c a nhiều đại lƣợng vật l khác g y nên sai số giữa giá trị đo đƣợc và giá trị th c c a đại lƣợng cần đo. Gọi x là độ lệch tuyệt đối giữa giá trị đo và giá trị th c x (sai số tuyệt đối), sai số tƣơng đối c a bộ cảm biến đƣợc tính bằng : .100 x x   ,% (4) Sai số c a cảm biến mang tính chất ƣớc tính bởi vì không thể biết chính xác giá trị th c c a đại lƣợng cần đo. ộ nhanh và thời gian hồi đáp ộ nhanh là đặc trƣng c a cảm biến cho phép đánh giá khả n ng theo kịp về thời gian c a đại lƣợng đầu ra khi đại lƣợng đầu vào biến thiên. Thời gian hồi đáp là đại lƣợng đƣợc sử dụng để xác định giá trị số c a độ nhanh. KHOA N T TR ỜN O N N Ề N T 9 ộ nhanh t r là khoảng thời gian từ khi đại lƣợng đo thay đổi đột ngột đến khi khi biến thiên c a đại lƣợng đầu ra chỉ còn khác giá trị cuối cùng một lƣợng giới hạn  tính bằng %. Thời gian hồi đáp tƣơng ng với  (%) xác định khoảng thời gian cần thiết phải chờ đợi sau khi có s biến thiên đại lƣợng đo để lấy giá trị c a đầu ra với độ chính xác định trƣớc. thời gian hồi đáp đặc trƣng cho chế độ quá độ c a cảm biến và là hàm c a các thông số thời gian xác định chế độ này. Trong trƣờng hợp s thay đổi c a đại lƣợng đo có dạng bậc thang, các thông số thời gian gồm thời gian tr khi t ng (t dm ) và thời gian t ng (t m ) ng với s t ng đột ngột c a đại lƣợng đo hoặc thời gian tr khi giảm (t dc ) và thời gian giảm (t c ) ng vơi s giảm đột ngột c a đại lƣợng đo. hoảng thời gian tr khi t ng (t dm ) là thời gian cần thiết để đại lƣợng đầu ra t ng từ giá trị ban đầu c a nó đến 10% c a biến thiên tổng cộng c a đại lƣợng này và khoảng thời gian t ng (t m ) là thời gian cần thiết để đại lƣợng đầu ra t ng từ 10% đến 90% biến thiên tổng cộng c a nó. Tƣơng t khi đại lƣợng đo giảm, thời gian tr khi giảm (t dc ) là thời gian cần thiết để đại lƣợng đầu ra giảm từ giá trị ban đầu c a nó đến 10% biến thiên tổng cộng c a đại lƣợng này và khoảng thời gian giảm (t c ) là thời gian cần thiết để đại lƣợng đầu ra giảm từ 10% đến 90% biến thiên tổng cộng c a nó. Các thông số về thời gian (t r ) ,(t dm ) ,(t m ) ,(t dc ) ,(t c ) c a cảm biến cho phép ta đánh giá về thời gian hồi đáp c a nó. Hình 1.1 Xác định các khoảng thời gian đặc trưng cho chế độ quá độ 2. Phạm vi sử dụng của cảm biến Ngày nay các bộ các biến đƣợc sử dụng nhiều trong các ngành kinh tế và kỹ thuật nhƣ trong các ngành công nghiệp, nô

KHOA NT TR ỜN LỜ Ớ T O N N Ề NT U Kỹ thuật cảm biến mô đun sở c a nghề iện tử cơng nghiệp đƣợc biên soạn d a theo chƣơng trình khung đ x y d ng ban hành n m 2017 c a trƣờng Cao đ ng nghề Cần Thơ dành cho nghề iện tử công nghiệp hệ Cao đ ng Giáo trình đƣợc biên soạn làm tài liệu học tập, giảng dạy nên giáo trình đ đƣợc x y d ng m c độ đơn giản d hiểu, m i học có thí dụ tập tƣơng ng để áp dụng làm sáng t phần l thuyết hi biên soạn, nhóm biên soạn đ d a kinh nghiệm th c tế giảng dạy, tham khảo đồng nghiệp, tham khảo giáo trình có cập nhật kiến th c có liên quan để phù hợp với nội dung chƣơng trình đào tạo phù hợp với mục tiêu đào tạo, nội dung đƣợc biên soạn gắn với nhu cầu th c tế Nội dung giáo trình đƣợc biên soạn với lƣợng thời gian đào tạo 90 gồm có: Bài 1: Bài mở đầu 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: Phƣơng pháp đo lƣu lƣợng Bài 5: o vận tốc vịng quay góc quay Bài 6: Cảm biến quang điện Trong trình sử dụng giáo trình, tuỳ theo yêu cầu nhƣ khoa học cơng nghệ phát triển điều chỉnh thời gian bổ sung kiên th c cho phù hợp Trong giáo trình, chúng tơi có đề nội dung th c tập c a để ngƣời học cố áp dụng kiến th c phù hợp với kỹ n ng Tuy nhiên, tùy theo điều kiện sơ vật chất trang thiết bị, trƣờng có thề sử dụng cho phù hợp Mặc dù đ cố gắng tổ ch c biên soạn để đáp ng đƣợc mục tiêu đào tạo nhƣng không tránh đƣợc khiếm khuyết Rất mong nhận đƣợc đóng góp kiến c a thầy, cô giáo, bạn đọc để nhóm biên soạn hiệu chỉnh hồn thiện Cần Thơ, ngày tháng n m 2018 Tham gia biên soạn hủ biên u ậu Nguyễn Tuấn Khanh KHOA NT TR ỜN O N N Ề NT MỤ LỤ TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN LỜI GIỚI THIỆU MỤC LỤC MÔ UN Ỹ THUẬT CẢM BIẾN BÀI 1: HÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ CÁC BỘ CẢM BIẾN hái niệm cảm biến: Phạm vi sử dụng c a cảm biến Ph n loại cảm biến: BÀI 2: CẢM BIẾN NHIỆT Ộ 11 ại cƣơng .11 Nhiệt điện trở Platin Niken 12 Cảm biến nhiệt độ với vật liệu Silic .17 IC cảm biến nhiệt độ .20 Nhiệt điện trở NTC .22 Nhiệt điện trở PTC 24 Th c hành với cảm biến nhiệt độ Platin Pt 100, Pt1000 ADT70 .26 Th c hành với cảm biến LM35 .27 Th c hành với cảm biến nhiệt điện trở NTC 28 10 Th c hành với cảm biến nhiệt điện trở PTC .30 BÀI 3: CẢM BIẾN TIỆM CẬN VÀ CÁC LOẠI CẢM BIẾN XÁC ỊNH VỊ TRÍ, HOẢNG CÁCH .32 Cảm biến tiệm cận (Proximity Sensor) 32 Một số loại cảm biến xác định vị trí, khoảng cách khác .41 Th c hành với cảm biến tiệm cận điện cảm 51 BÀI 4: PHƢƠNG PHÁP O LƢU LƢỢNG 54 ại cƣơng 54 Phƣơng pháp đo lƣu lƣợng theo nguyên tắc chênh lệch áp suất 56 Phƣơng pháp đo lƣu lƣợng tần số dịng xốy .60 BÀI 5: O VẬN TỐC VÕNG QUAY VÀ GÓC QUAY 65 Một số phƣơng pháp đo vận tốc vòng quay 65 o vận tốc vòng quay phƣơng pháp Analog 65 o vận tốc vòng quay phƣơng pháp quang điện tử .67 o vận tốc vòng quay với nguyên tắc điện trở từ 68 Cảm biến đo góc với tổ hợp có điện trở từ 72 Máy đo góc tuyệt đối (Resolver) 73 Th c hành đo góc với encoder tƣơng đối tuyệt đối 74 Th c hành với cảm biến đo vòng quay 75 BÀI 6: CẢM BIẾN QUANG IỆN 78 ại cƣơng 78 KHOA NT TR ỜN O N N Ề NT Cảm biến quang loại thu phát độc lập 85 Cảm biến quang loại phản xạ gƣơng 87 Cảm biến quang loại phản xạ khuếch tán 89 Một số ng dụng c a cảm biến quang điện 90 Th c hành với cảm biến quang 93 TÀI LIỆU THAM HẢO 96 KHOA NT TR ỜN O N N Ề NT MÔ UN KỸ T UẬT ẢM B ẾN Tên mô đun KỸ T UẬT ẢM B ẾN Mã mô đun M 16 Vị trí, tính chất, ý nghĩa, vai trị mơ đun Trong công nghiệp sản xuất đại ngày nay, nhiều nhà máy xí nghiệp trang bị cho d y chuyền sản xuất t động bán t động Các loại cảm biến đ có mặt hầu hết lĩnh v c điều khiển t động, đóng vai trị quan trọng, khơng thiết bị thay đƣợc Việc trang bị cho kiến th c loại cảm biến nhu cầu b c xúc c a kỹ thuật viên, kỹ sƣ c a ngành iện tử công nghiệp nhƣ ngành khác Mô đun ỹ thuật cảm biến mô đun chuyên môn c a học viên ngành iện tử công nghiệp.Mô đun nhằm trang bị cho học viên trƣờng cao đ ng nghề, trung cấp nghề trung t m dạy nghề kiến th c nguyên l , cấu tạo, mạch ng dụng th c tế c a loại cảm biến … với kiến th c học viên áp dụng tr c tiếp vào lĩnh v c sản xuất nhƣ đời sống Ngoài kiến th c dùng làm phƣơng tiện để học tiếp môn chuyên môn c a nghề iện tử công nghiệp nhƣ PLC, iều khiển điện-khí nén,… Mục tiêu mơđun Sau học xong mơ đun học viên có n ng l c * Về kiến th c : - Trình bày đƣợc đặc tính cấu tạo ngun l làm việc c a loại cảm biến - Ph n tích đƣợc phƣơng pháp kết nối mạch điện * Về kỹ n ng : - Thiết kế đƣợc mạch cảm biến đơn giản đạt yêu cầu kỹ thuật - Th c hành lắp ráp số mạch điều khiển thiết bị cảm biến yêu cầu - iểm tra, vận hành sửa chữa đƣợc mạch ng dụng loại cảm biến yêu cầu kỹ thuật * N ng l c t ch trách nhiệm: - Rèn luyện tính tỷ mỉ, xác, an tồn vệ sinh cơng nghiệp Nội dung mơđun Số TT Thời gian (giờ) Thực hành, thí Tên mô đun Lý Tổng số nghiệm, thuyết thảo luận, tập Bài 1: ác khái niệm 2 cảm biến hái niệm cảm 0.5 biến Phạm vi ng dụng 0.5 Ph n loại cảm biến Bài 2: ảm biến nhiệt độ 24 18 ại cƣơng Nhiệt điện trở với Platin Nickel chung Kiểm tra KHOA NT TR ỜN Cảm biến nhiệt dộ với vật liệu Silic IC cảm biến nhiệt độ Nhiệt điện trở NTC Nhiệt trở PTC 7.Th c hành với cảm biến nhiệt độ Th c hành với cảm biến LM35 Th c hành với cảm biến nhiệt điện trở 10 Th c hành với cảm biến nhiệt điện trở PTC Bài 3: ảm biến tiệm cận số loại cảm biến xác định vị trí khoảng cách khác Cảm biến tiệm cận Một số loại cảm biến xác định vị trí, khoảng cách khác Th c hành với cảm biến tiệm cận điện cảm Th c hành với cảm biến tiệm cận điện dung Th c hành với cảm biến từ Th c hành với cảm biến ph n loại màu Bài 4: Phương pháp đo lưu lượng ại cƣơng Phƣơng pháp đo lƣu lƣợng theo nguyên tắc chênh lệch áp suất Phƣơng pháp đo lƣu lƣợng tần số dòng xoáy Th c hành với cảm biến đo lƣu lƣợng Bài 5: o vận tốc vịng quay góc quay Một số phƣơng pháp o vận tốc vòng quay phƣơng pháp Analog o vận tốc vòng quay phƣơng pháp quang điện tử o vận tốc vòng quay với nguyên tắc điện trở từ Cảm biến đo góc với tổ hợp có điện trở từ Máy đo góc tuyệt đối Th c hành đo góc với encoder tƣơng đối tuyệt đối Th c hành với cảm biến đo vòng O N N Ề NT 1 1 4 24 12 16 15 2 2 1 3 1 1 1 12 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 1 1 0.5 0.5 4 1 KHOA NT TR ỜN quay Bài 6: ảm biến quang điện ại cƣơng Cảm biến quang loại thu phát độc lập Cảm biến quang loại phản xạ Cảm biến quang loại khuếch tán Một số ng dụng c a cảm biến quang điện Th c hành với cảm biến quang ộng 12 90 O N N Ề 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 27 60 NT KHOA NT BÀI 1: K Á N TR ỜN M O N N Ề NT BẢN VỀ Á BỘ ẢM B ẾN Mã M 16-01 Ớ T U Các cảm biến đƣợc sử dụng nhiều lĩnh v c kinh tế kỹ thuật, cảm biến đặc biệt nhạy cảm đƣợc sử dụng thí nghiệm, lĩnh v c nghiên c u khoa học Trong lĩnh v c t động hố ngƣời ta sử dụng sensor bình thƣờng nhƣ đặc biệt Cảm biến có nhiều loại, đa dạng phong phú, nhiều h ng sản xuất, giúp ngƣời nhận biết trình làm việc t động c a máy móc t động hố cơng nghiệp MỤ T ÊU BÀ Ọ Sau học xong học viên có đ khả n ng : - Phát biểu đƣợc khái niệm cảm biến - Trình bày đƣợc ng dụng phƣơng pháp ph n loại cảm biến - Rèn luyện tính tƣ tác phong công nghiệp Khái niệm cảm biến * hái niệm: Cảm biến thiết bị dùng để cảm nhận biến đổi đại lƣợng vật l đại lƣợng khơng có tính chất điện cần đo thành đại lƣợng mang tính chất điện đo xử l đƣợc Các đại lƣợng cần đo (m) thƣờng khơng có tính chất điện nhƣ nhiệt độ,áp suất,…tác động lên cảm biến cho ta đặc trƣng (s) mang tính chất điện nhƣ điện áp, điện tích,dịng điện trở kháng ch a đ ng thông tin cho phép xác định giá trị c a đại lƣợng đo ặc trƣng (s) hàm c a đại lƣợng cần đo (m) : s = f(m) (1) Ngƣời ta gọi (s) đại lƣợng đầu phản ng c a cảm biến,(m) đại lƣợng đầu vào hay kích thích(có nguồn gốc đại lƣợng cần đo) Thông qua đo đạc (s) cho phép nhận biết giá trị (m) * Các đặc trƣng c a cảm biến : - ộ nhạy c a cảm biến ối với cảm biến tuyến tính,giữa biến thiên đầu s biến thiên đầu vào m có s liên hệ tuyến tính: (2) s = S m ại lƣợng S đƣợc xác định biểu th c S  s (3) đƣợc gọi độ nhạy c a cảm m biến - Sai số độ xác Các cảm biến nhƣ dụng cụ đo lƣờng khác, đại lƣợng cần đo (cảm nhận) chịu tác động c a nhiều đại lƣợng vật l khác g y nên sai số giá trị đo đƣợc giá trị th c c a đại lƣợng cần đo Gọi x độ lệch tuyệt đối giá trị đo giá trị th c x (sai số tuyệt đối), sai số tƣơng đối c a cảm biến đƣợc tính :  x 100 ,[%] x (4) Sai số c a cảm biến mang tính chất ƣớc tính khơng thể biết xác giá trị th c c a đại lƣợng cần đo - ộ nhanh thời gian hồi đáp ộ nhanh đặc trƣng c a cảm biến cho phép đánh giá khả n ng theo kịp thời gian c a đại lƣợng đầu đại lƣợng đầu vào biến thiên Thời gian hồi đáp đại lƣợng đƣợc sử dụng để xác định giá trị số c a độ nhanh KHOA NT TR ỜN O N N Ề NT ộ nhanh t r khoảng thời gian từ đại lƣợng đo thay đổi đột ngột đến khi biến thiên c a đại lƣợng đầu khác giá trị cuối lƣợng giới hạn  tính % Thời gian hồi đáp tƣơng ng với  (%) xác định khoảng thời gian cần thiết phải chờ đợi sau có s biến thiên đại lƣợng đo để lấy giá trị c a đầu với độ xác định trƣớc thời gian hồi đáp đặc trƣng cho chế độ độ c a cảm biến hàm c a thông số thời gian xác định chế độ Trong trƣờng hợp s thay đổi c a đại lƣợng đo có dạng bậc thang, thơng số thời gian gồm thời gian tr t ng (t dm ) thời gian t ng (t m ) ng với s t ng đột ngột c a đại lƣợng đo thời gian tr giảm (t dc ) thời gian giảm (t c ) ng vơi s giảm đột ngột c a đại lƣợng đo hoảng thời gian tr t ng (t dm ) thời gian cần thiết để đại lƣợng đầu t ng từ giá trị ban đầu c a đến 10% c a biến thiên tổng cộng c a đại lƣợng khoảng thời gian t ng (t m ) thời gian cần thiết để đại lƣợng đầu t ng từ 10% đến 90% biến thiên tổng cộng c a Tƣơng t đại lƣợng đo giảm, thời gian tr giảm (t dc ) thời gian cần thiết để đại lƣợng đầu giảm từ giá trị ban đầu c a đến 10% biến thiên tổng cộng c a đại lƣợng khoảng thời gian giảm (t c ) thời gian cần thiết để đại lƣợng đầu giảm từ 10% đến 90% biến thiên tổng cộng c a Các thông số thời gian (t r ) ,(t dm ) ,(t m ) ,(t dc ) ,(t c ) c a cảm biến cho phép ta đánh giá thời gian hồi đáp c a Hình 1.1 Xác định khoảng thời gian đặc trưng cho chế độ độ Phạm vi sử dụng cảm biến Ngày các biến đƣợc sử dụng nhiều ngành kinh tế kỹ thuật nhƣ ngành công nghiệp, nông nghiệp, giao thông vận tải,….Các cảm biến đặc biệt nhạy đƣợc sử dụng thí nghiệm nghiên c u khoa học Trong lĩnh v c t động hóa, cảm biến đƣợc sử dụng nhiều với nhiều loại khác kể cảm biến bình thƣờng nhƣ đặc biệt Phân loại cảm biến Các cảm biến đƣợc ph n loại theo đặc trƣng sau đ y: KHOA NT TR ỜN O N N Ề NT - Theo nguyên tắc chuyển đổi đáp ng kích thích Hiện tượng Chuyển đổi đáp ứng kích thích Nhiệt điện, quang điện, quang từ , điện từ, quang đàn hồi, Hiện tƣợng vật l từ điện, nhiệt từ,… Hóa học Biến đổi hoá học, Biến đổi điện hoá, Ph n tích phổ,… Biến đổi sinh hố, Biến đổi vật l , Hiệu ng thể Sinh học sống,… - Theo dạng kích thích Kích thích Các đặc tính kích thích Âm -Biên pha, ph n c c-Phổ-Tốc độ truyền sóng… - iện tích, dịng điện- iện thế, điện áp- iện trƣờng- iện iện dẫn, số điện môi… Từ -Từ trƣờng-Từ thông, cƣờng độ từ trƣờng- ộ từ thẩm… -Vị trí-L c, áp suất-Gia tốc, vận tốc, ng suất, độ c ngCơ Mômen - hối lƣợng, tỉ trọng- ộ nhớt… Quang -Phổ-Tốc độ truyền-Hệ số phát xạ, khúc xạ… Nhiệt -Nhiệt độ-Thông lƣợng-Tỷ nhiệt… B c xạ - iểu-N ng lƣợng-Cƣờng độ… - Theo tính n ng + ộ nhạy + n ng tải + ộ xác + Tốc độ đáp ng + ộ ph n giải + ộ ổn định + ộ tuyến tính + Tuổi thọ + Cơng suất tiêu thụ + iều kiện mơi trƣờng + Dải tần + ích thƣớc, trọng lƣợng + ộ tr - Ph n loại theo phạm vi sử dụng + Công nghiệp + Nông nghiệp + Nghiên c u khoa học + D n dụng + Mơi trƣờng, khí tƣợng + Giao thơng vận tải + Thông tin, vi n thông - Theo thơng số c a mơ hình mạch điện thay + Cảm biến tích c c (có nguồn): ầu nguồn áp nguồn dòng + Cảm biến thụ động (khơng có nguồn): Cảm biến gọi thụ động chúng cần có thêm nguồn n ng lƣợng phụ để hồn tất nhiệm vụ đo kiểm, cịn loại c c tính khơng cần ƣợc đặc trƣng thơng số: R, L, C tuyến tính phi tuyến Bài tập: Nêu số ví dụ cụ thể ng dụng c a số loại cảm biến công nghiệp d n dụng YÊU U VỀ ÁN Á KẾT QUẢ Ọ TẬP BÀ Nội dung: + Về kiến th c: Trình bày đƣợc khái niệm, ng dụng cách ph n loại cảm biến + N ng l c t ch trách nhiệm: ảm bảo an tồn vệ sinh cơng nghiệp Phƣơngpháp: + Về kiến th c: ƣợc đánh giá hình th c kiểm tra viết, trắc nghiệm + N ng l c t ch trách nhiệm: Tỉ mỉ, cẩn thận, chinh xác, ng n nắp công việc 10 KHOA NT TR ỜN BÀI 2: ẢM B ẾN N O N N Ề NT T Ộ Mã M 16-02 Ớ T U Cảm biến nhiệt độ đƣợc sử dụng nhiều lĩnh v c kinh tế kỹ thuật, cảm biến nhiệt độ đóng vai trị định đến tính chất c a vật chất, nhiệt độ làm ảnh hƣởng đến đại lƣợng chịu tác dụng c a nó, ví dụ nhƣ áp suất, thể tích chất khí v.v Cảm biến nhiệt độ nhạy cảm đƣợc sử dụng thí nghiệm, lĩnh v c nghiên c u khoa Trong lĩnh v c t động hoá ngƣời ta sử dụng sensor bình thƣờng nhƣ đặc biệt MỤ T ÊU BÀ Ọ Sau học xong học viên có đ khả n ng: - Trình bày đƣợc cấu tạo, đặc tính c a loại cảm biến theo nội dung đ học - Th c đƣợc mạch cảm biến yêu cầu kỹ thuật - Rèn luyện tính tỷ mỉ, xác an tồn vệ sinh cơng nghiệp ại cương 1.1 Thang đo nhiệt độ Nhiệt độ có ba thang đo - Thang Kelvin: hay gọi thang nhiệt độ động học tuyệt đối, đơn vị Trong thang elvin ngƣời ta gán cho nhiệt độ c a điểm c n c a ba trạng thái nƣớc đá-nƣớc-hơi giá trị số 273,15 (thƣờng đƣợc sử dụng 273 ) Từ thang elvin ngƣời ta xác định thêm thang thang Celsius thang Fahrenheit cách chuyển dịch giá trị nhiệt độ - Thang Celsius: đơn vị nhiệt độ o C Quan hệ nhiệt độ Celsius nhiệt độ Kelvin đƣợc xác định theo biểu th c: T (o C )  T ( K )  273,15 (2-1) - Thang Fahrenheit: đơn vị nhiệt độ o F Ta có chuyển đổi qua lại o C o F nhƣ sau: T (o C )  [T (o F )  32] (2-2) 9 T (o F )  T (o C )  32 (2-3) Bảng 2.1 Thông số đặc trưng thang đo nhiệt độ khác Fahrenheit Nhiệt độ Kelvin (K) Celsius ( o C ) (oF ) iểm tuyệt đối -273,15 -459,67 H n hợp nƣớc-nƣớc đá 273,15 32 C n nƣớc-nƣớc đá-hơi nƣớc 273,16 0,01 32,018 Nƣớc sôi 373,15 100 212 1.2 Nhiệt độ cần đo nhiệt độ đo Trong tất đại lƣợng vật l , nhiệt độ đại lƣợng đƣợc quan t m nhiều ó nhiệt độ có vai trị định nhiều tính chất c a vật chất nhƣ làm thay đổi áp suất thể tích c a chất khí, làm thay đổi điện trở c a kim 11 KHOA NT TR ỜN O N N Ề NT Dòng điện ngƣợc I r chạy qua diode: I r   I exp( qVd )  I0  I p kT (6-10) Trong đó: Io - dịng ngƣợc khơng đƣợc chiếu sáng Ip - dịng quang điện ánh sáng đạt tới vùng nghèo sau qua bề dày X c a lớp bán dẫn (6-11) I p  K 0 exp( X ) Trong : - số Φo - quang thông bên lớp bán dẫn -1 α ≈ 10 [cm ] Vd - điện áp ngƣợc photo diode hi Vd có giá trị đ lớn : Ir = Io + Ip (6-12) Io thƣờng nh nên : Ir = Ip (6-13) Viết phƣơng trình cho mạch điện hình 6.7 : E = VR - Vd (6-14) Trong : VR = R.Ir (6-15) - đƣờng th ng tải Hay: Ir  E Vd  R R (6-16) Hình 6.8 Đặc tuyến I – V với thông lượng khác photo diode + Chế độ quang thế: Trong chế độ quang điện áp ngồi đặt vào Diode, Photo diode làm việc nhƣ nguồn dòng ặc điểm c a chế độ khơng có dịng điện tối khơng có nguồn ph n c c ngồi nên giảm đƣợc ảnh hƣởng c a nhi u cho phép đo quang thông nh hi chiếu sáng vào photo diode, hạt dẫn không t ng lên làm cho hàng rào điện c a tiếp giáp thay đổi lƣợng vb ta có: qvb )  I0  I p  kT I kT vb  ln(1  p ) q I0  I exp( (6-17) (6-18) S thay đổi c a hàng rào điện đƣợc xác định cách đo hiệu điện photo diode trạng thái hở mạch hi chiếu sáng yếu: Ip > Io : vb  kT I p ln q I0 82 (6-20) KHOA NT TR ỜN O N N Ề NT Với Ip đƣợc tính cơng th c từ đ y ta thấy điện áp photo diode phụ thuộc theo thông lƣợng ánh sáng theo hàm logarit - ộ nhạy c a photo diode: s dI p dI  K e X (6-21) - Ứng dụng c a photo diode: Photo diode dùng để thơng lƣợng ánh sáng, dò vạch dẫn đƣờng cho mobile robot, làm đầu thu điều khiển từ xa không d y, Sơ đồ dùng photo diode: Hình 6.9 Sơ đồ mạch đo dòng ngược dùng photo diode chế độ quang dẫn Hình 6.9 Sơ đồ mạch đo dùng photo diode chế độ quang * Photo transistor : - Cấu tạo c a photo transistor nguyên l làm việc c a transistor quang: Photo transistor transistor silic loại NPN mà vùng Bazơ đƣợc chiếu sáng hi khơng có điện áp đặt lên Bazơ có điện áp đặt lên Colector, chuyển tiếp BC bị ph n c c ngƣợc nhƣ hình 5.10 a) Sơ đồ phân cực transistor quang b) Sơ đồ tương đương Hình 6.10 Sơ đồ mạch đo dùng transistor quang 83 KHOA NT TR ỜN O N N Ề NT iện áp đặt vào E hầu nhƣ tập trung toàn chuyển tiếp B-C, s chênh lệch điện Emiter Bazơ không đáng kể (VBE ≈ 0,7 [V]) hi chuyển tiếp B-C đƣợc chiếu sáng, hoạt động nhƣ photo diode chế độ quang dẫn với dòng điện ngƣợc Ir = Io + Ip (6-22) Trong đó: Io - dịng điện ngƣợc không đƣợc chiếu sáng Ip - dịng quang điện có quang thơng Φo chiếu qua bề dày X c a lớp bán dẫn Ir đóng vai trị nhƣ dịng Bazơ, g y nên dịng colector Ic: Ic = (β +1)Ir (6-23) Trong đó: β - hệ số khuếch đại dòng emiter nối chung - ộ nhạy c a transistor quang: s dI c  K (   1)eX d (6-24) - Ứng dụng c a transistor quang: Transistor dùng để thơng lƣợng ánh sáng, dị vạch dẫn đƣờng cho mobile robot, làm đầu thu điều khiển từ xa không d y, đọc m vạch, chế tạo cảm biến quang công nghiệp … 1.4 Một số cảm biến quang thông dụng * Quang trở (photoresistor): Hình 6.11 Quang trở Giá trị điện trở c a quang trở thay đổi có cƣờng độ ánh sáng chiếu vào bề mặt c a thay đổi Giá trị điện trở c a quang trở giảm cƣờng độ ánh sáng chiếu vào mạnh ngƣợc lại ộ nhạy c a quang trở đƣợc xác định: K photo  I R (6-25) Trong đó: ∆I - s thay đổi c a cƣờng độ ánh sáng ∆R - s thay đổi điện trở 84 KHOA NT TR ỜN O N N Ề NT Hình 6.12 Đường đặc tính quang trở * Cảm biến hồng ngoại: Bao gồm loại sau: - Cảm biến quang loại phát thu độc lập - Cảm biến quang loại phản xạ gƣơng - Cảm biến quang loại phản xạ khuếch tán ảm biến quang loại thu phát độc lập * Cấu tạo nguyên l hoạt động: Cảm biến quang loại thu phát độc lập (through beam) bao gồm hai phận phận phát phận thu (nhƣ hình 6.13) Hình 6.13 Cấu tạo cảm biến quang loại thu phát độc lập Bộ phận phát phát ánh sáng hồng ngoại truyền th ng, ánh sáng hồng ngoại đ đƣợc m hóa theo tần số đó, mục đích nhằm tránh ảnh hƣởng c a nguồn ánh sáng xung quanh Nếu đặt phận thu đƣờng truyền th ng c a ánh sáng hồng ngoại phận thu nhận đƣợc ánh sáng khơng có tác động ngõ Nếu có vật cảm biến ngang qua ngắt ánh sáng truyền đến phận thu phận thu không nhận đƣợc ánh sáng từ phận phát, lúc phận thu có tín hiệu tác động ngõ * hoảng cách phát hiện: ối với cảm biến quang loại thu phát độc lập, khoảng cách cài đặt khoảng cách tính từ phận phát đến phận thu cho phận thu nhận đƣợc ánh sáng hồng ngoại phát từ phận phát Do đó, nói khoảng cách phát khoảng cách cài đặt Hình 6.14 Khoảng cách cài đặt cảm biến quang loại thu phát độc lập *Góc phát quang: Trên th c tế phận phát không phát tia sáng truyền th ng mà phát tia sáng có đƣờng kính t ng dần 85 KHOA NT TR ỜN O N N Ề NT Hình 6.15 Góc phát quang cảm biến quang loại thu phát độc lập * Chế độ hoạt động Dark-On Light-On: - Chế độ hoạt động Dark-On: Hình 6.16 Chế độ hoạt động Dark-On cảm biến quang loại thu phát độc lập - Chế độ hoạt động Light-On: Hình 6.17 Chế độ hoạt động Light-On cảm biến quang loại thu phát độc lập * ết nối cảm biến: Tùy thuộc vào đối tƣợng tải th c tế, mà sử dụng phận thu c a cảm biến quang loại DC hay AC hi kết nối cảm biến với tải phải tu n theo dẫn đ đƣợc ghi nh n c a cảm biến Mọi kết nối sai làm h ng cảm biến - ết nối tải phận thu kiểu NPN: Hình 6.18 Kết nối phận thu kiểu NPN - ết nối tải phận thu kiểu PNP: 86 KHOA NT TR ỜN O N N Ề NT Hình 6.19 Kết nối phận thu kiểu PNP Tải Relay, PLC mạch Logic ảm biến quang loại phản xạ gương * Cấu tạo nguyên l hoạt động: Cảm biến quang loại phản xạ gƣơng (retro reflective) gồm hai thành phần phận phát – thu gƣơng phản xạ nhƣ hình 6.20 Bộ phận phát phát ánh sáng hồng ngoại truyền th ng, ánh sáng hồng ngoại đ đƣợc m hóa theo tần số đó, mục đích nhằm tránh ảnh hƣởng c a nguồn ánh sáng xung quanh Nếu khơng có vật cảm biến ánh sáng từ phận phát bị phản xạ ngƣợc lại, phận thu nhận đƣợc ánh sáng khơng có tác động ngõ Nếu có vật cảm biến ngang qua ngắt ánh sáng truyền đến phận thu phận thu không nhận đƣợc ánh sáng từ phận phát, lúc phận thu có tín hiệu tác động ngõ Hình 6.20 Cấu tạo cảm biến quang loại phản xạ gương * Gƣơng phản xạ: Gƣơng phản xạ loại gƣơng mà ánh sáng chiếu đến ánh sáng phản xạ trở lại song song với ánh sáng chiếu tới Gƣơng phản xạ dùng cho cảm biến quang thƣờng có dạng hình vng hình chữ nhật Về cấu tạo bên gƣơng phản xạ có hai loại, loại hạt th y tinh loại gƣơng ba mặt 87 KHOA NT TR ỜN O N N Ề NT Hình 6.21 Cấu tạo nguyên lý hoạt động của: a)Gương thường b)Gương phản xạ mặt c) Gương phản xạ loại hạt thủy tinh * hoảng cách phát hiện: ối với cảm biến quang loại gƣơng phản xạ, khoảng cách cài đặt khoảng cách tính từ phận phát – thu đến gƣơng phản xạ cho phận thu nhận đƣợc ánh sáng hồng ngoại phát từ phận phát Do đó, nói khoảng cách phát khoảng cách cài đặt Hình 6.22 Khoảng cách cài đặt cảm biến quang loại gương phản xạ * Chế độ hoạt động Dark-On Light-On: - Chế độ hoạt động Dark-On: Hình 6.23 Chế độ hoạt động Dark – On cảm biến quang loại gương phản xạ - Chế độ hoạt động Light-On: 88 KHOA NT TR ỜN O N N Ề NT Hình 6.24 Chế độ hoạt động Light – On cảm biến quang loại gương phản xạ * ết nối cảm biến: (Tƣơng t nhƣ kết nối cảm biến quang loại phát thu độc lập) ảm biến quang loại phản xạ khuếch tán * Cấu tạo nguyên l hoạt động: Cảm biến quang loại phản xạ khuếch tán (diffuse reflective) loại cảm biến sử dụng nguyên l phát thu, tia hồng ngoại phát có góc phát to dần ánh sáng xa Hình 6.25 Cấu tạo nguyên lý hoạt động cảm biến quang loại phản xạ khuếch tán * hoảng cách phát hiện: ối với cảm biến quang loại phản xạ khuếch tán, khoảng cách cài đặt khoảng cách xa tính từ phận phát – thu đến vật cảm biến cho phận thu nhận đƣợc ánh sáng hồng ngoại phát từ phận phát Do đó, nói khoảng cách phát khoảng cách cài đặt Hình 6.26 Khoảng cách cài đặt cảm biến quang loại phản xạ khuếch tán * Chế độ hoạt động Dark-On Light-On: - Chế độ hoạt động Dark-On: 89 KHOA NT TR ỜN O N N Ề NT Hình 6.27 Chế độ hoạt động Dark – On cảm biến quang loại phản xạ khuếch tán - Chế độ hoạt động Light-On: Hình 6.28 Chế độ hoạt động Light – On cảm biến quang loại phản xạ khuếch tán * ết nối cảm biến: (Tƣơng t nhƣ kết nối cảm biến quang loại phát thu độc lập) Một số ứng dụng cảm biến quang điện * Cảm biến quang loại phát thu độc lập: E3S-C Phát vật lớn Phát g y mũi khoan E3C E3C E3C Phát vật nh Phát linh kiện điện tử 90 KHOA NT TR ỜN Kiếm tra thuốc O N N Ề NT Phát s a hộp giấy ặc điểm: - ộ tin cậy cao - hoảng cách phát xa - hông bị ảnh hƣởng bề mặt, màu sắc vật Phát vật băng ngang qua E3Z-T61, với tia sáng mạnh xun qua v bọc giấy bên ngồi phát đƣợc sữa / nƣớc trái c y thời điểm nhƣ phát đƣợc m c c a chất l ng * Cảm biến quang loại phản xạ gƣơng: 91 KHOA NT TR ỜN Phát ngƣời để mở cửa O N N Ề Phát xe qua Phát vali, túi xách … b ng chuyền Phát Nhận dạng đếm IC Phát chai PET * Cảm biến quang loại phản xạ khuếch tán: 92 NT KHOA NT TR ỜN O N N Ề NT Z4W-V loại Laser sensor phát đƣợc chiều cao c a bánh đƣợc làm với độ xác tới vài micromet Phát bánh b ng chuyền E3SC Nhận dạng cắt cao su Thực hành với cảm biến quang 93 KHOA NT TR ỜN O N N Ề NT 6.1 Thực hành với cảm biến quang loại phát thu độc lập 6.1.1 Thiết bị + Cảm biến quang loại phát thu độc lập E3C + Relay trung gian 24VDC + Nguồn 24VDC + èn tín hiệu 24VDC + Vật cảm biến 6.1.2 Ghi thông số kỹ thuật cảm biến Nguồn gốc: Công ty sản xuất: M số sản xuất sản phẩm: iện áp hoạt động: Dòng điện: ặc tính hoạt động: hoảng cách tác động: Tiêu chuẩn cách điện: 6.1.3 Vẽ sơ đồ kết nối cảm biến 6.1.4 Các bước thực hành Bước 1: Tiến hành đấu nối cảm biến theo sơ đồ đ vẽ Chú ý: Tùy thuộc vào ngõ c a cảm biến mà đấu nối theo dạng NPN PNP Bước 2: Lần lƣợt cho vật cảm biến khác qua phận phát phận thu để xét xem tác động ngõ c a cảm biến 6.1.5 Những ghi thực hành nhận xét: 6.2 Thực hành với cảm biến quang loại gương phản xạ 6.2.1 Thiết bị + Cảm biến quang loại gƣơng phản xạ E3T - SR + Relay trung gian 24VDC + Nguồn 24VDC + èn tín hiệu 24VDC + Vật cảm biến 6.2.2 Ghi thông số kỹ thuật cảm biến Nguồn gốc: Công ty sản xuất: M số sản xuất sản phẩm: iện áp hoạt động: Dòng điện: ặc tính hoạt động: hoảng cách tác động: Tiêu chuẩn cách điện: 6.2.3 Vẽ sơ đồ kết nối cảm biến 6.2.4 Các bước thực hành Bước 1: Tiến hành đấu nối cảm biến theo sơ đồ đ vẽ Chú ý: Tùy thuộc vào ngõ c a cảm biến mà đấu nối theo dạng NPN 94 KHOA NT TR ỜN O N N Ề NT PNP Bước 2: Lần lƣợt cho vật cảm biến khác qua phận phát - thu gƣơng phản xạ để xét xem tác động ngõ c a cảm biến 6.2.5 Nh ng ghi thực hành nhận xét: 6.3 Thực hành với cảm biến quang loại phản xạ khuếch tán 6.3.1 Thiết bị + Cảm biến quang loại phản xạ khuếch tán E3S – CL1 + Relay trung gian 24VDC + Nguồn 24VDC + èn tín hiệu 24VDC + Vật cảm biến 6.3.2 Ghi thông số kỹ thuật cảm biến Nguồn gốc: Công ty sản xuất: M số sản xuất sản phẩm: iện áp hoạt động: Dòng điện: ặc tính hoạt động: hoảng cách tác động: Tiêu chuẩn cách điện: 6.3.3 Vẽ sơ đồ kết nối cảm biến 6.3.4 Các bước thực hành Bước 1: Tiến hành đấu nối cảm biến theo sơ đồ đ vẽ Chú ý: Tùy thuộc vào ngõ c a cảm biến mà đấu nối theo dạng NPN PNP Bước 2: Lần lƣợt cho vật cảm biến khác qua phận phát - thu với khoảng cách khác để xét xem tác động ngõ c a cảm biến 6.3.5 Những ghi thực hành nhận xét: YÊU CẦU VỀ ÁNH GIÁ ẾT QUẢ HỌC TẬP BÀI Nội dung: + Về kiến th c: Trình bày đƣợc khái niệm phép đo quang, mô tả, ph n biệt đƣợc loại cảm biến quang + Về kỹ n ng: lắp ráp yêu cầu kỹ thuật mạch cảm biến lập bảng ghi nhận thông số c a cảm biến + Về N ng l c t ch trách nhiệm: ảm bảo an toàn vệ sinh công nghiệp Phƣơngpháp: + Về kiến th c: ƣợc đánh giá hình th c kiểm tra viết, trắc nghiệm + Về kỹ n ng: ánh giá kỹ n ng th c hành lắp ráp mạch cảm biến, bảng ghi nhận kết + N ng l c t ch trách nhiệm: Tỉ mỉ, cẩn thận, chinh xác, ng n nắp công việc 95 KHOA NT TR ỜN TÀ L UT O N N Ề NT M K ẢO [1] ề cƣơng 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 lƣờng 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 ng 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 lƣờng khơng điện Trường ĐHSPKT TP HCM 96 ... UN Ỹ THUẬT CẢM BIẾN BÀI 1: HÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ CÁC BỘ CẢM BIẾN hái niệm cảm biến: Phạm vi sử dụng c a cảm biến Ph n loại cảm biến: BÀI 2: CẢM BIẾN NHIỆT... Frequency): Tần số c a vật cảm biến số lần xuất lặp lại c a vật cảm biến vùng tác động c a cảm biến ƣợc k hiệu fvật cảm biến: fvật cảm biến  T1  T2 (3-1) ON ON OFF Cảm biến OFF Hình 3.5 Minh họa... đáp ng c a cảm biến số lần tác động T2 lặp lại vật cảm biến vào vùng T tác động c a cảm biến Và yêu cầu tần số đáp ng c a cảm biến phải lớn tần số c a cảm biến 1.1 ảm biến tiệm cận điện cảm (Inductive