4.2.1. Nguyên tắc đo
66 R = R0 + 2 0cos R (4.8) - Ta có thể giữa R và có sự liên hệ gần đúng R 2 (4.9)
Dựa trên nguyên tắc này, cảm biến có thể đo góc mà không cần sự đụng chạm.
4.2.2. Các loại cảm biến KM110BH/2 của hãng Philips Semiconductor
- Cấu trúc cảm biến KM110BH/21
Hình 4.9. Cấu trúc cảm biến KM110BH/21
- Loại cảm biến KM110BH/21 có 2 dạng: KMB110BH/2130 và KMB110BH/2190 có thang đo khác nhau nhưng có mạch điện như nhau
+ KMB110BH/2130 được chế tạo với thang đo nhỏ hơn để có độ khuếch đại lớn hơn, giải đo từ -150 đến +150. Tín hiệu ra tuyến tính (độ phi tuyến chỉ 1%).
+ KMB110BH/2190 giải đo từ -450đến +450, tín hiệu ra hình sin. Cả hai cảm biến đều có tín hiệu ra dạng Analog. Ngoài 2 dạng cảm biến này, còn có các thiết kế mới KM110BH/23 và KM110BH/24
Bảng 4.1. Thông số của 1 số loại cảm biến
Thông số KM110BH/ Đơn vị 2130 2190 2270 2390 2430 2470 Thang đo 30 90 70 90 30 70 0,001 Điện áp ra 0,5 tới 4,5 0,5 tới 4,5 - 0,5 tới 4,5 0,5 tới 4,5 0,5 tới 4,5 V Dòng điện ra 4 tới 20 mA
67 tuyến
ngõ ra
tính sin sin tính tính sin
Điện áp hoạt động 5 5 8,5 5 5 5 V Nhiệt độ hoạt động -40 tới +125 -40 tới +125 -40 tới +125 -40 tới +125 -40 tới +125 -40 tới +125 0C Độ phân giải 0,001 0,001 0,001 0,001 0,001 0,001 Độ
- Sơ đồ khối của các loại cảm biến KM110BH/21, KM110BH/24 và KM110BH/2390
Hình 4.10. Sơ đồ khối của các loại cảm biến KM110BH/21, KM110BH/24 và KM110BH/2390
68
Hình 4.11. Đặc tuyến của cảm biến KM110BH/2130 và KM110BH/2190
- Loại cảm biến KM110BH /2270 có thang đo từ -350 đến +350. Tín hiệu ngõ ra là dòng điện từ 4 đến 20 mA. Có thể sử dụng 1 điện trở để chuyển sang dạng điện áp.
Hình 4.12. Tín hiệu ra của KM110BH /2270
Hình 4.13. Sơ đồ khối của loại cảm biến KM110BH/2270
4.2.3. Các loại cảm biến KMA10 và KMA20
- KMA10 và KMA20 là loại cảm biến đo góc (không cần đụng chạm) được thiết kế để có thể hoạt động trong môi trường khắc nghiệt hơn. Ứng dụng trong lĩnh vực tự động và công nghiệp.
- Hai loại cảm biến KMA10 và KMA20 được thiết kế và phát triển bởi sự hợp tác giữa Philips Semiconductor và AB Electronic.
- KMA10 cho tín hiệu ra dưới dạng dòng điện. (KMA10/70 phát triển từ loại KM110BH/2270).
- KMA20 cho tín hiệu ra dưới dạng điện áp. KMA20/30 phát triển từ loại KM110BH/2430, KMA20/70 từ loại KM110BH/2470, còn KMA20/90 phát triển từ loại KMA20/2390. Tuy nhiên tín hiệu từ KMA20/30 thì tuyến tính và từ KMA20/70 thì hình sin.
Bảng 4.2. Thông số của 1 số loại cảm biến
Thông số KMA10/70 KMA20/30 KMA20/70 KMA20/90 Đơn vị
Thang đo 70 30 70 90 Độ
Điện áp
ra - 0,5 tới 4,5 0,5 tới 4,5 0,5 tới 4,5 V
Dòng
điện ra 4 tới 20 - - - mA
69 ngõ ra
Điện áp
hoạt động 8,5 5 5 5 V
Nhiệt độ
hoạt động -40 tới +100 -40 tới +125 -40 tới +125 -40 tới +125 0C Độ phân
giải 0,001 0,001 0,001 0,001 Độ
4.2.4. Máy đo góc tuyệt đối (Resolver).
- Là thiết bị đo kiểu tương tự, dùng để xác định vị trí hoặc tốc độ dựa theo nguyên lý cảm ứng điện từ
- Điện áp tín hiệu vào tỷ lệ với vị trí góc hoặc tốc độ trục của Resolver
a. Cấu tạo
* Phần động : Gắn liền với trục quay động cơ chứa cuộn sơ cấp được kích thích bằng sóng mang tần số 2 – 10 Khz qua máy biến áp quay (Hình 4.16.a)
* Phần tĩnh: Có 2 dây quấn thứ cấp (cuộn sin và cuộn cos) đặt lệch nhau 90o. Đầu ra của 2 dây quấn thứ cấp ta thu được 2 tín hiệu điều biên V.sin ɷt.sin Ɵ và V.sin ɷt.cos Ɵ chứa thông tin về vị trí tuyệt đối của rotor máy đo, tương ứng vị trí tuyệt đối của rotor động cơ cầnđo
b. Nguyên lý đo
- Lấy đạo hàm góc quay ta có tốc độ quay của động cơ
- Độ phân giải của máy đo phụ thuộc khả năng phân giải của bộ chuyển đổi A/D mắc trong mạch đo
- Nhược điểm: Hệ truyền động không đồng nhất do phải tải thêm phần động của cảm biến
Ứng dụng phương pháp không có cảm biến (Hình 4.14.b)
- Đường bao của tín hiệu ra chứa thông tin tín hiệu tuyệt đối (góc Ɵ) của rotor máy đo, có nghĩa là vị trí tuyệt đối của rotor động cơ (Hình 4.14.c)
70
Hình 4.14. (a_ Cấu tạo, b- Sơ đồ nguyên lý, c- Hai kênh tín hiệu ra)
- Sơ đồ dây quấn
Hình 4.15. Sơ đồ dây quấn
+ S1 đến S3 = V.sin ɷt.sin Ɵ
+ S1 đến S3 = V.sin ɷt.sin 90O = V.sin ɷt.sin Ɵ + Ɵ: Góc lệch tuyệt đối của rotor động cơ
- Khi bộ đo góc tuyệt đối được sử dụng như một cảm biến vị trí, thì một cuộn dây của rotor được nối tắt
- Điện áp cuộn rotor có dạng E = Vsin ɷt còn điện áp ở 2 cuộn stator cũng có dạng hình sin có biên độ thay đổi theo sin của góc dịch chuyển vị trí rotor
c. Nguyên tắc hoạt động
- Người ta đặt một điện áp xoay chiều vào cuộn dây rotor của Resolver khi rotor quay trên các cuộn dây của stator sẽ xuất hiện các điện áp
71
- Vị trí 0: điện áp xoay chiều xuất hiện trên cuộn cosin
- Rời khỏi vị trí 0 đến vị trí 90: điện áp xoay chiều xuất hiện trên cả 2 cuộn sin và cosin
- Đến vị trí 90: Không còn điện áp xoay chiều xuất hiện trên cuộn cosin chỉ còn điện áp xuất hiện trên cuộn sin
- Tương tự xét cho các góc lớn hơn
4.3. Các bài tập ứng dụng
4.3.1. Kết nối dây, khảo sát nguyên lý hoạt động của cảm biến đo tốc độ động cơ 4.3.2. Kết nối dây, khảo sát nguyên lý hoạt động của cảm biến lực 4.3.2. Kết nối dây, khảo sát nguyên lý hoạt động của cảm biến lực
4.3.3. Kết nối dây, khảo sát nguyên lý hoạt động của cảm biến đo áp suất CÂU HỎI ÔN TẬP CÂU HỎI ÔN TẬP
Câu hỏi 1: Kể tên một số phương pháp cơ bản để đo tốc độ quay của rotor ? Câu hỏi 2: Trình bày kiến thức cơ bản về tốc độ kế một chiều ?
Câu hỏi 3: Trình bày kiến thức cơ bản về tốc độ kế xoay chiều? Câu hỏi 4: Kể tên và trình bày các đơn vị đo từ trường ?
Câu hỏi 5: Trình bày cấu tạo, nguyên lý đo, nguyên tắc hoạt động máy đo góc
72
Phần 2: HƯỚNG DẪN THỰC HÀNH
a. Kết nối dây, khảo sát nguyên lý hoạt động của cảm biến đo tốc độ động cơ
PHIẾU HƯ ỚNG DẪN THỰC HÀNH
CÔNG VTÊC: Kết nối dây, khảo sát nguyên lý hoạt động của cảm biến đo
tốc độ động cơ 1/B4/MĐ20
Bước
công việc Nội dung
Yêu cầu kỹ thuật
Dụng cụ, trang thiết
bị Ghi chú
Bước 1 - Lựa chọn dụng cụ, thiết
bị, vật tư - Lựa chọn đúng đủ dụng cụ, thiết bị, vật tư
- Nguồn điện 1 chiều - Dây kết nối
- Đồng hồ VOM - Cảm biến lực
- Đồng hồ hiển thị tốc độ
Bước 2 - Kiểm tra dụng cụ, thiết bị,
vật tư - Lựa chọn phù hợp - Thao tác đúng, chuẩn xác
- Nguồn điện xoay chiều - Dây kết nối
- Đồng hồ VOM
- Cảm biến đo tốc độ động cơ - Đồng hồ hiển thị tốc độ
Bước 3 * Kết nối dây
- Nối dây từ Out (đỏ) với Pulse in (đỏ)
- Nối dây từ GND (đen) sang Pulse in (đen)
- Dây kết nối hợp lý, chắc chắn, gọn gàng
- Nguồn điện xoay chiều - Dây kết nối
- Đồng hồ VOM
- Cảm biến đo tốc độ động cơ
Bước 4 * Kiểm tra, cấp nguồn, khảo sát mạch điện
- Dây cắm cấp nguồn cho panel (220 VAC IN)
- Bật công tắc cấp nguồn cho panel (POWER ON) - Điều chỉnh nút chỉnh tốc độ motor
- Quan sát đồng hồ đo tốc độ tương ứng với điều chỉnh nút chỉnh tốc độ motor - Dây kết nối hợp lý, chắc chắn, gọn gàng - Mạch điện hoạt động theo đúng nguyên lý
- Nguồn điện xoay chiều - Dây kết nối
- Đồng hồ VOM
- Cảm biến đo tốc độ động cơ - Đồng hồ hiển thị tốc độ
73
b. Kết nối dây, khảo sát nguyên lý hoạt động của cảm biến lực
PHIẾU HƯ ỚNG DẪN THỰC HÀNH
CÔNG VTÊC: Kết nối dây, khảo sát nguyên lý hoạt động của cảm biến cảm biến lực 2/B4/MĐ
20
Bước công việc
Nội dung Yêu cầu kỹ
thuật
Dụng cụ, trang thiết
bị Ghi chú
Bước 1 - Lựa chọn dụng cụ, thiết
bị, vật tư - Lựa chọn đúng đủ dụng cụ, thiết bị, vật tư
- Nguồn điện 1 chiều - Dây kết nối
- Đồng hồ VOM - Cảm biến lực - Đồng hồ hiển thị
Bước 2 - Kiểm tra dụng cụ, thiết bị, vật tư
- Lựa chọn phù hợp
- Thao tác đúng, chuẩn xác
- Nguồn điện 1 chiều - Dây kết nối
- Đồng hồ VOM - Cảm biến lực
Bước 3 * Kết nối dây + Vàng - vàng + Xanh - xanh + Đỏ - đỏ + Đen - đen. + V0 nối với IN+
- Dây kết nối hợp lý, chắc chắn, gọn gàng
- Nguồn điện 1 chiều - Dây kết nối
- Đồng hồ VOM - Cảm biến lực
- Đồng hồ hiển thị tốc độ
Bước 4 * Kiểm tra, cấp nguồn, khảo sát mạch điện
- Khi ko có trọng lực quan sát ĐH: điện áp nhỏ khoảng 0,..V
- Khi có trọng lực quan sát ĐH: điện áp thay đổi theo lực tác động - Dây kết nối hợp lý, chắc chắn, gọn gàng - Mạch điện hoạt động theo đúng nguyên lý
- Nguồn điện 1 chiều - Dây kết nối
- Đồng hồ VOM - Cảm biến lực
74
c. Kết nối dây, khảo sát nguyên lý hoạt động của cảm biến áp suất
PHIẾU HƯ ỚNG DẪN THỰC HÀNH
CÔNG VTÊC: Kết nối dây, khảo sát nguyên lý hoạt động của cảm biến cảm biến áp suất
3/B4/MĐ
20
Bước công việc
Nội dung Yêu cầu kỹ
thuật
Dụng cụ, trang thiết
bị Ghi chú
Bước 1 - Lựa chọn dụng cụ, thiết
bị, vật tư - Lựa chọn đúng đủ dụng cụ, thiết bị, vật tư
- Nguồn điện 1 chiều - Dây kết nối
- Đồng hồ VOM - Cảm biến áp suất - Đồng hồ hiển thị
Bước 2 - Kiểm tra dụng cụ, thiết bị, vật tư
- Lựa chọn phù hợp
- Thao tác đúng, chuẩn xác
- Nguồn điện 1 chiều - Dây kết nối
- Đồng hồ VOM - Cảm biến áp suất
Bước 3 * Kết nối dây + V0 nối với IN+ + Từ 0V nối với IN-
- Dây kết nối hợp lý, chắc chắn, gọn gàng
- Nguồn điện 1 chiều - Dây kết nối
- Đồng hồ VOM - Cảm biến áp suất
Bước 4 * Kiểm tra, cấp nguồn, khảo sát mạch điện - Dây kết nối hợp lý, chắc chắn, gọn gàng - Mạch điện hoạt động theo đúng nguyên lý
- Nguồn điện 1 chiều - Dây kết nối
- Đồng hồ VOM - Cảm biến áp suất - Đồng hồ hiển thị
75
Bài 5: KẾT NỐI, KHẢO SÁT CẢM BIẾN QUANG HỌC * Giới thiệu:
Ánh sáng có một vai trò quan trọng và không thể thiếu được trong cuộc sống hiện đại.
Cảm biến quang được 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.
Hiện nay các nhà sản xuất đã chế tạo ra các loại cảm biến quang học và được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp và đời sống. Để hiểu rõ hơn và có thêm một số kiến thức cơ bản chúng ta tìm hiểu bài học này.
* Mục tiêu:
- Trình bày được tính chất của ánh sáng, đơn vị đo quang, nguồn sáng thông dụng.
- Lắp ráp và khảo sát được một số mạch ứng dụng dùng các loại cảm biến thu phát quang, hồng ngoại, quang trở, khói.
- Phát huy tính tích cực, chủ động, cẩn thận trong công việc.
* Nội dung chính: - Ánh sáng và phép đo quang - Nguồn sáng - Điện trở quang - Cảm biến quang - Các bài thực hành ứng dụng Phần 1: KIẾN THỨC LÝ THUYẾT 5.1. Ánh sáng và phép đo quang 5.1.1. Tính chất của ánh sáng
- Hai tính chất cơ bản của ánh sáng đó là tính chất sóng và tính chất hạt
- Dạng sóng của ánh sáng là sóng điện từ phát ra khi có sự chuyển điện tử giữa các mức năng lượng của nguyên tử của nguồn sáng. Các sóng này truyền đi trong chân không với vận tốc c ≈ 3.108m/s
- Trong vật chất ánh sáng có vận tốc v = c/n(n là chiêt suất của môi trường) - Tần số f và bước sóng ánh sáng của ánh sáng trong chân không
(5.1) - Trong môi trường vật chất có chiết suất n
(5.2) c v λ
76
- Tính chất hạt của ánh sáng thể hiện qua sự tương tác với vật chất, ánh sáng gồm các hạt nhỏ gọi là các photon có năng lượng phụ thuộc duy nhất vào tần số của sóng ánh sáng qua biểu thức
E = hf = h.c/ (5.3) h = 6,625.10-34J.s – hằng số plank
- Trong vật chất, các điện tử e- liên kết trong nguyên tử có xu hướng muốn được giải phóng khỏi nguyên tử để trở thành điện tử tự do
- Để giải phóng điện tử khỏi nguyên tử cần phải cung cấp cho nó một năng lượng bằng năng lượng mà nó liên kết trong nguyên tử. Khi một photon được hấp thụ sẽ có một điện tử e- được giải phóng.
- Hiện tượng giải phóng các hạt điện tử dưới tác dụng của ánh sáng bằng hiệu ứng gọi là hiệu ứng quang điện, đã gây nên sự thay đổi tính chất điện của vật liệu. Đây là nguyên lý cơ bản của các cảm biến quang
5.1.2. Các đơn vị đo quang
- Năng lượng bức xạ (Q): Là năng lượng phát xạ, lan truyền hoặc hấp thụ dưới dạng bức xạ được đo bằng Jun (J)
- Thông lượng ánh sáng (Φ): Là công suất phát xạ, lan truyền hoặc hấp thụ, được đo bằng oát (w)
(5.4)
- Cường độ sáng (I): Là luồng năng lượng phát ra theo một hướng cho trước dưới 1 đơn vị góc khối, được đo bằng oat/steradian
(5.5)
- Độ chói năng lương (L): Là tỷ số giữa cường độ ánh sáng phát ra bởi một phần tử bề mặt dA theo hướng xác định và diện tích hình chiếu của phần tử này trên mặt phẳng P vuông góc với hướng đó, dAn = dA.cosθ (θ là góc giữa P và mặt phẳng chứa dA) Ta có: dAn = dA.cosθ dAn dI I (5.6) - Đơn vị độ chói năng lượng được đo bằng
oát/stersdian.m2 dt dQ d d I
77
- Độ rọi năng lượng (E): Là tỷ số giữa nguồn năng lượng thu được bởi một phần tử bề mặt và diện tích của phần tử đó. Độ rọi năng lượng được đo bằng oát/m2
(5.7)
5.2. Nguồn sáng
- Việc sử dụng một cảm biến quang chỉ có hiệu quả khi nó phù hợp với bức xạ ánh sáng (phổ, thông lượng, tần số).
- Nguồn sáng sẽ quyết định mọi đặc tính quan trọng của bức xạ. Vì vậy ở đây chúng ta chỉ xét các đặc tính quan trọng của những nguồn sáng thường sử dụng