II. Các loại cảm biến
7. Cảm biến quang
+ Cấu tạo:
Các cảm biến quang đ ợc sử dụng để chuyển thông tin từ ánh sáng nhìn thấy hoặc tia hồng ngoại (IR) và tia tử ngoại (UV) thành tín hiệu điện
Phần cảm biến quang ta đã xem xét kỹ l ỡng ở phần Cầu kiện Điện tử, ở đây không xét lại
+ứng dụng:
Trong thực tế, các tế bào quang dẫn th ờng đ ợc ứng dụng trong hai tr ờng hợp:
- Phát hiện tín hiệu quang.
- Tế bào quang dẫn có thể đ ợc sử dụng để biến đổi xung quang thành xung điện. Sự ngắt quãng của xung ánh sáng chiếu lên tế bào quang dẫn sẽ đ ợc phản ánh trung thực qua xung điện của mạch đo, do vậy các thông tin mà xung ánh sáng mang đến sẽ đ ợc thể hiện trên xung điện. Ng ời ta ứng dụng mạch đo kiểu này để đếm hoặc đo tốc độ quay của đĩa.
- Đo nhiệt độ - Xác định vị trí - Đo vận tốc .... Sau đây là 2 ví dụ Ví dụ 1: Sử dụng bộ cảm biến quang tốc độ Mạch lôgômmét RT w2 w1 Rd1 R1 R2 RB EB Rd3 Rd2 α= f(I1/I2)
Hình d ới là sơ đồ sử dụng bộ cảm biến quang tốc độ. Đĩa mã hoá gắn trên trục động cơ gồm các lỗ, trên hình có tám lỗ. Đĩa đặt giữa nguồn tia hồng ngoại do điôt phát quang LED cung cấp và đầu thu là tranzito quang (hình b). Khi đĩa quay tranzito quang sẽ chỉ chuyển mạch nếu vị trí LED, lỗ, tranzito quang thẳng hàng. Khi đó tranzito đ a điện áp trên R2 về mức thấp. Khi đĩa ngăn ánh sáng thì tranzito bị khoá, kết quả điện áp trên R2về mức cao.
Kết quả là khi đĩa mã hoá quay, ứng với hình a trên đầu ra R2 ta đ ợc tám xung chữ nhật. Tần số xung phụ thuộc vào tốc độ đĩa.
Nếu ta muốn duy trì tốc độ quay của rôto ở tốc độ không đổi nào đó ứng với chu kỳ tín hiệu do bộ cảm biến tốc độ tạo nên, chu kỳ này xác định điểm đặt tốc độ. Để xác định chiều quay (thuận hoặc nghịch) cần sử dụng bộ cảm biến kép gồm có hai LED và hai tranzito quang, hai đĩa mã hoá. Khi đĩa quay ta nhận đ ợc hai xung chữ nhật lệch nhau 90o. Chiều quay đ ợc xác định bằng vị trí t ơng đối của hai tín hiệu ra. Tốc độ bằng 0 có nghĩa là xung tiếp theo không bao giờ tới. Trong thực tế áp dụng ta sử dụng bộ thời gian tràn khi các xung đến lớn hơn 65536 bằng bộ đếm thời gian thanh ghi.
Thông th ờng các bộ cảm biến quang tốc độ còn kèm theo khả năng xử lý s ờn các xung tín hiệu và trên cơ sở đó cho phép tăng số l ợng vạch đếm trong một vòng đĩa lên bốn lần. Chuỗi xung A hoặc B đ ợc đ a tới cửa vào của khâu đếm tiến, biết số xung trong một chu kỳ, ta tính đ ợc tốc độ quay của động cơ: n [vòng/phút] = n T N N 0 4 60 trong đó:
Tnlà chu kỳ điều chỉnh tốc độ, ở đây chu kỳ đếm xung tính bằng giây.
Bộ cảm biến quang tốc độ với đĩa mã hoá a) Sơ đồ cảm biến quang tốc độ.
b) Sơ đồ nguyên lý tranzito quang.
LED Phototranzit Đ ờng tâm Đĩa mã hoá Tâm trục cơ khí Đĩa mã hoá a) b) R2 2, 2k Ω R1 18 0 Ω +5V +5V
N0là số xung trong một vòng, còn gọi là độ phân giải của bộ cảm biến tốc độ.
N là số xung trong thời gian Tn.
Để nâng cao độ phân giải của phép đo tốc độ ta có giải pháp là tăng số lỗ trong một rãnh, ta có đĩa mã hoá gồm nhiều rãnh, mỗi rãnh có số lỗ tăng dần theo quan hệ 2n, n là số rãnh .
Ví dụ 2: Tốc kế sợi quang (vấn đề này khá phức tạp, ở đây chỉ trình bày Nguyên tắc)
Tốc kế laser sử dụng hiệu ứng Doppler là dụng cụ đo tốc độ của các đối t ợng bằng cách truyền dẫn (đối với dòng chất lỏng) hoặc bằng phản xạ (đối với vật rắn chuyển động d ới đầu laser). Dải đo rất rộng từ10-6- 105m/s. Phép
đo không làm thay đổi chuyển động của hệ.
Nguyên tắc hoạt động của tốc kế sợi quang là chiếu sáng đối t ợng cần đo tốc độ bằng một l ới các vân sáng. ánh sáng sáng khuyếch tán từ đối t ợng tuân theo hiệu ứng Doppler nghĩa là tần số của nó khác với tần số ánh sáng nguồn. Độ lệch tần số này phụ thuộc vào tốc độ của vật.
Trong tr ờng hợp cần đo tốc độ dòng chảy nên cho vào dòng chảy các hạt kích th ớc đủ nhỏ để không làm ảnh h ởng tới tốc độ của dòng chảy. Các hạt này sẽ khuyếch tán ánh sáng khi có nguồn sáng cắt qua. Tín hiệu quang do các hạt phát ra đ ợc điều biến c ờng độ các vân tối, sáng với tần số tỷ lệ với tốc độ dòng chảy.
Tần số điều biến ánh sáng do các hạt khuyếch tán là: f = | V | / y
với | V | là thành phần tốc độ của các hạt vuông góc với vân sáng, y là khoảng cách giữa các vân sáng.
a) Bộ cảm biến quang tốc độ chiều quay;
b) Xác định chiều quay bằng so sánh pha 2 tín hiệu
a b) 360o(1) 90o(1) B A
Theo một ph ơng pháp khác, hạt cắt qua một trong hai tia sáng không song song đến từ một nguồn laserHe,Ne. Ta nhận đ ợc hai tia khuyếch tán từ
hạt, mỗi tia đ ợc đặc tr ng bằng tần số Doppler. Giao thoa của hai tia này tạo nên một số f (phách tần ) có thể suy ra gia tốc của tốc độ nh ng không biết chiều chuyển động. Có thể khắc phục điều này bằng cách sử dụng hai tốc độ kế vuông góc. Ta đã biết hai thành phần tốc độ do vậy có thể xây dựng đ ợc vectơ V.
Ta cũng có thể điều pha Φ của một trong hai tia ở tốc độ dΦ/dt nhờ khối Bragg. Các vân lệch pha với tốc độ V0:
dt d y V = . Φ 2 0 π
và ánh sáng khuyếch tán bị điều biến ở tần số f = | V – V0| /y
Ta chọn dΦ/dt sao cho V0 luôn lớn hơn vận tốc V của các hạt. Theo ph ơng pháp này ta biết cả độ lớn và chiều của tốc độ.
Một điot laser có thể sử dụng tr ớc khối laser Bragg dùng để điều biến dòng phát. Các sợi quang phối hợp với một điot quang để tạo nên thiết bị đo hoàn chỉnh (hình vẽ), với điot laser b ớc sóng850 nm, công suất5 mW, F1 sợi đơn mode dài5m, F2sợi đa mode dài5m.
Đo tốc độ kế Doppler diode laser và sợi quang;
a) Chùm tia chiếu qua vật đo vận tốc bằng hệ thống thông th ờng; b) Chia chùm tia bằng bộ nối ghép quang
a) F2 Đối t ợng chuyển động L2 L1 F1 Diode laser L1, L2là thấu kính Máy phân tích phổ Thấu kính Bộ ghép nối b)
Một số gợi ý:
+ Đo nhiệt độ: có thể sử dụng: cặp nhiệt điện, điện trở nhiệt + Đo tốc độ tròn: dùng cảm biến quang
+ Đo tốc độ dài, có phạm vi di chuyển nhỏ: dung cảm biến điện cảm.
+ Đo tốc độ dài, phạm vi di chuyển và tốc độ lớn, có thể dùng cảm biến quang + Đo lực dùng cảm biến kiểu áp điện.
Phụ lục I.
Các phép đo cơ bản trong kỹ thuật điện tử
1. Đo điện áp và dòng điện bằng đồng hồ vạn năng(ĐHVN)
Đây là hai đại l ợng cơ bản nhất, chúng có điểm khác biệt là:
- Đo điện áp: là đo điện áp giữa hai điểm A và B nào đó của mạch điện, khi đó ĐHVN mắc song song với điện trở tải
DC + - V R + V Để phép đo chính xác, lý t ởng RM=∞ UX A B mA + - A R + V
Đo dòng điện, để phép đo chính xác, lý t ởng RM=0 IX
A
B
138
- Đo dòng điện là đo dòng điện chạy qua một điểm nào đó của mạch điện, khi đó ĐHVN đ ợc mắc nối tiếp với điện trở tải tại điểm A huặc B:
Khi đo điện áp và dòng điện DC cần chú ý tới cực tính của nguồn điện: + Que đỏ, đặt ở điểm có điện thế huặc dòng điện cao hơn
+ Que đen, đặt ở điểm có điện thế huặc dòng điện thấp hơn.
Khi không khẳng định đ ợc điểm có thế thấp, điểm có thế cao thì tiến hành đo nhanh, nếu thấy kim quay ng ợc thì đảo đầu que đo
Ví dụ: Khi đo một vài thông số của một mạch KĐ dùng Transistor, nh điện áp cung cấp: Vcc, dòng áp tiêu thụ trên toàn mạch: Itt, Vb, Ve, Vc, UBE, IB, IC, IE... bố trí mạch đo có dạng:
2. Đo điện trở bằng ĐHVN
Do điện trở là phần tử thụ động, không mang năng l ợng, vì vậy để đo R ng ời ta phải dùng nguồn PIN, nguồn có thể là 3V, 12V tuỳ theo các thang đo, thông th ờng:
+ Thang :x1; x10; x100; x1K dùng nguồn 3V + Thang: x10K; x100K; dùng nguồn 12V
- Tr ớc khi đo ta phải tiến hành chuẩn đồng hồ, bằng cách, chập 2 que đo, rồi quan sát xem kim chỉ thị đã về ‘0’ ch a?. Nếu ch a về phải chỉnh núm ADJ để kim về “0”. Nếu chỉnh núm này mà không về “0” phải thay nguồn PIN:
x1 + - Ω ADJ 0 C3 R6 R5 Q3 C2 R4 R3 Q2 R2 R1 C1 Vcc mA V mA mA V Itt Vcc IB UB I
- Khi đo l u ý không chạm tay vào hai đầu điện trở, làm nh vậy phép đo sẽ không chính xác
- Giá trị R đ ợc xác định bằng số vạch trên ĐHVN x giá trị thang đo
Ω + - Phép đo điện trở RX A B x10 + - 20 Kết quả=10x20=200Ω RX A B
Chú ý: Đo kiểm tra ngắn mạch giữa 2 điểm, thì kết quả đo là 0Ω, còn đo hở mạch giữa 2 điểm, kết quả đo là∞Ω
3. Đo và kiểm tra biến trở:
+ Đo R1-3= giá trị ghi trên thân biến trở + Đo R1-2Kim chỉ thị phải chuyển động
4. Đo kiểm tra xác định cực tính D
Để xác định cực tính của D ta sử dụng trực tiếp nguồn PIN của ĐHVN để phân cực.
- Chuyển về đoΩ, chọn thang x1, ta tiến hành đảo que đo 2 lần.
Nếu quan sát thấy một lần kim đồng hồ không lên =∞(hết vạch ), và một lần chỉ thị khoảng vài chụcΩ(10-15Ω), thì D còn tốt.
- Khi đó đầu nối với que đen là Anốt, và đầu nối với que đỏ là Catot Chú ý: khi đo, kiểm tra và xác định cực tính của LED, ta chọn thang đo x10, vì khả năng chịu đựng dòng của LED là <10mA, khi thực hiện phân cực thuận cho LED thì đèn sẽ sáng. con tr ợt 1 2 3 2 3 1 2 3 1 Ω + -
Ω + - Lần đo 1 Catot Anot Ω + - Vài chục Catot Anot Lần đo 2
5. Đo xác định các cực của Transistor
- Tr ớc hết, xác định cực B, dùngΩ_kế, vặn thang x1,
- Sau đó tiến thành lấy một que đo giữ cố định với 1 chân bất kỳ của que đo.
- Que còn lại lần l ợt đ a vào đo 2 chân còn lại
- Tiếp tục đảo que đo, cho đến khi ta nhận đ ợc 2 giá trị điện trở R liên tiếp bằng nhau R=(10ữ15)Ω, khi đó que nối với chân cố định là B:
+ Nếu que cố định(lần đo cuối- trong loạt đo đầu tiên) là que đỏ, thì đây là Transistor loại N-P-N
+ Nếu que cố định(lần đo cuối- trong loạt đo đầu tiên) là que đen, thì đây là Transistor loại P-N-P
- Để xác định nốt 2 chân còn lại C & E, ta dùngΩ_kế chọn thang x100- 1K,hai que đo đ a vào 2 chân còn lại, sau đó dùng ngón tay chạm nối cực B với từng chân, nếu không thấy kim chỉ thị giá trị R khoảng từ 10K-100K thì ta đảo que đo, và làm lại các động tác đo trên, khi đó ta sẽ
E B C E B C D1 D1 B C E E D2 C B D1 NPN PNP
đ ợc giá trị R=(10-100)K, khi đó que chạm với B là cực C cực còn lại là E
L u ý: với tất cả các ĐHVN:
+ Que đen bao giờ cũng nối với (+) nguồn + Que đỏ bao giờ cũng nối với (-) nguồn Chỉ trừ các loại Vônkế điện tử thì:
Ω + - B C PNP B C E Rtay NPN G E B C NPN Ω + - G E B C PNP Rtay
+ Que đen nối với (-) nguồn + Que đỏ nối với (+) nguồn
Tài liệu tham khảo
1. Kỹ thuật đo l ờng các đại l ợng vật lý. Tập I, II. Phạm Th ợng Hàn. Nhà xuất bản Giáo dục
2. Dụng cụ và đo l ờng điện tử. David A.Bell. Nhà xuất bản Khoa học kỹ thuật
3. Các bộ cảm biến trong kỹ thuật đo l ờng và điều khiển. Lê Văn Doanh. Nhà xuất bản Khoa học kỹ thuật
4. Pháp lệnh đo l ờng ngày 06 tháng 10 năm 1999 số 16/1999/PL – UBTVQH 10
5. Nghị định của Chính phủ số 65/2001/NĐ - CP
6. Electrical Measurements anh Measuring Instruments- Rajendra Prasad, ISBN Editor 1999.
7. Cơ sở kỹ thuật Đo l ờng- Vũ Quý Điềm, NXB KHKT 2001 8. Omron: www.omron.com.vn
Phụ lục
Ch ơng1.Khái niệm cơ bản trong kỹ thuật đo l ờng...4
I. Định nghĩa và khái niệm cHung về đo l ờng... 4
1. Định nghĩa về đo l ờng, đo l ờng học và KTĐL...4
a. Đo l ờng ...4
b. Đo l ờng học...4
c. Kỹ thuật đo l ờng (KTĐL)...4
2. Phân loại cách thực hiện phép đo...4
II. Các đặc tr ng của KTĐL... 5
1. Khái niệm về tín hiệu đo và đại l ợng đo...5
2. Điều kiện đo...6
3. Đơn vị đo...6
4. Thiết bị đo và ph ơng pháp đo...7
5. Ng ời quan sát...7
6. Kết quả đo...8
III. Các ph ơng pháp đo... 8
1. Ph ơng pháp đo biến đổi thẳng...8
2. Ph ơng pháp đo kiểu so sánh...8
a. So sánh cân bằng ...9
b. So sánh không cân bằng ...9
c. So sánh không đồng thời ...9
d. So sánh đồng thời...9
3. Các thao tác cơ bản khi tiến hành phép đo...9
IV. Phân loại thiết bị đo... 9
1. Mẫu...9
2. Thiết bị đo l ờng điện...11
3. Chuyển đổi đo l ờng...11
4. Hệ thống thông tin đo l ờng...11
V. Định giá sai số trong đo l ờng... 11
1. Nguyên nhân và phân loại sai số...11
a. Nguyên nhân gây sai số ...11
b. Phân loại sai số ...12
3. Quy luật tiêu chuẩn phân bố sai số...13
4. Sai số trung bình bình ph ơng và sai số trung bình...15
a. Sai số trung bình bình ph ơng σ ...15
b. Sai số trung bình d ...15
5. Sự kết hợp của các sai số...15
b. Sai số của hiệu các đại l ợng...15
c. Tích của hai đại l ợng...16
d. Th ơng của hai đại l ợng ...16
Ch ơng2Cấu trúc và Các phần tử chức năng của thiết bị đo..18
I. Cấu trúc cơ bản của thiết bị đo... 18
1. Sơ đồ khối của thiết bị đo...18
2. Sơ đồ cấu trúc của dụng cụ đo biến đổi thẳng..18
3. Sơ đồ cấu trúc của dụng cụ đo kiểu so sánh...18
II. Các cơ cấu chỉ thị... 19
1. Cơ cấu chỉ thị cơ điện...19
a. Cơ cấu chỉ thị từ điện sử dụng nam châm vĩnh cửu (TĐNCVC) ...20
b. Cơ cấu chỉ thị điện từ...22
c. Cơ cấu chỉ thị điện động...23
2. Cơ cấu chỉ thị tự ghi...24
3. Cơ cấu chỉ thị số...27
II. Các mạch đo l ờng và gia công tín hiệu... 28
1. Mạch tỉ lệ...28
a. Mạch tỉ lệ về dòng ...28
b. Mạch tỉ lệ về áp ...30
2. Mạch khuếch đại đo l ờng...32