Giáo trình Đo lường cảm biến - Phần 1

ọc với thanh nam châm, ở mọi thời điểm thanh nam châm xác định giá trị từ trƣờng B và góc tƣơng ứng với tấm bán dẫn mỏng làm vật trung gian. Vì vậy hiệu điện thế VH phụ thuộc vào vị trí của vật trong không gian. Chƣơng 1: Khái niệm cơ bản về cảm biến Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 14 Chƣơng 1: Khái niệm cơ bản về cảm biến Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 15 CÂU HỎI ÔN TẬP. Câu 1: Em hiểu thế nào về cảm biến? Cho ví dụ minh họa Câu 2: Trình bày các cách phân loại cảm biến Câu 3: Cho biết các thông số quan trọng của cảm biến là gì? Trình bày đặc điểm các thông số đó? Câu 4: Hiệu ứng áp điện là gì? Cho ví dụ minh họa và các ứng dụng của nó? Câu 5: Thế nào là hiệu ứng Hall? Cho ví dụ minh họa và các ứng dụng của Câu 6: Hiệu ứng cảm ứng điện từ là hoạt động nhƣ thế nào? Nêu phạm vi ứng dụng của nó? Câu 7: Cho biết các yếu tố dẫn đến sai số trong đo lƣờng cảm biến Câu 8:Thế nào là độ tuyến tính của cảm biến TRẮC NGHIỆM Câu 9: Thông số nào không phải là thông số đặc trƣng của cảm biến a. Độ nhạy c. Độ tuyến tính b. Sai số d. Cảm ứng Câu 10: Mạch khuếch đại thƣờng dùng trong các mạch đo lƣờng và cảm biến a. Khuếch đại đảo c. Khuếch đại vi sai b. Khuếch đại không đảo d. Gồm a,b,c Chƣơng 2: Cảm biến đo nhiệt độ. Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 16 : CẢM BIẾN ĐO NHIỆT ĐỘ. ( 6 tiết) CHƢƠNG 2 2.1 Thang nhiệt độ, điểm chuẩn nhiệt độ. Nhiệt độ là một trong những đại lƣợng có ảnh hƣởng rất lớn đến vật chất. Trong công nghiệp, nghiên cứu khoa học hay đời sống hàng ngày việc đo nhiệt độ là rất cần thiết. Đa số các đại lƣợng vật lý đều có thể xác định trực tiếp nhờ so sánh với đại lƣợng cùng bản chất. nhiệt độ là đại lƣợng có thể đo gián tiếp dựa vào tính chất của vật liệu. Để đo nhiệt độ phải có thang đo nhiệt độ. Thang nhiệt độ tuyệt đối dựa vào tính chất khí lý tƣởng: Thang Kelvin ( Thomson Kelvin – 1852) thang nhiệt động học tuyệt đối, đơn vị là K, trong thang này ngƣời ta gán cho nhiệt độ cân bằng ba trạng thái của nƣớc , nƣớc đá và hơi một trị số bằng 273.15K Thang Celsius (Andreas Celsius – 1742): Thang nhiệt độ bách phân, đơn vị là độ C. T( 0 C) = T(K) – 273,15 (2.1) Thang Fahrenheit : (Fahrenheit – 1706) đơn vị là độ F, trong thang này nhiệt độ nƣớc đá đang tan là 320F và nƣớc sôi là 212oF. T( 0 C) = – 32 ; T(0F) = + 32 (2.2) Bảng 1.1: Bảng biểu diễn nhiệt độ của nƣớc Chƣơng 2: Cảm biến đo nhiệt độ. Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 17 Bảng 1.2: Bảng quy đổi nhiệt độ giữa các thang đo Nhiệt độ Kelvin (K) Celcius (0C) Fahrenheit (0F) Điểm 0 tuyệt đối 0 -273.15 -459.67 Hỗn hợp nƣớc – nƣớc đá 273.15 0 32 Cân bằng nƣớc – nƣớc đá – hơi 273.16 0.01 32.018 Nƣớc sôi 273.15 100 212 2.2 Cảm biến nhiệt điện trở. Cảm biến nhiệt điện trở là cảm biến có điện trở thay đổi theo nhiệt độ. Hình 2.1: Hình dạng cảm biến nhiệt điện trở Cảm biến nhiệt điện trở kim loại (RTD)  Cấu tạo: dùng dây dẫn kim loại: Đồng, Nikel, Platinum,đƣợc quấn tùy theo hình dáng lên lõi cách điện bằng gốm, sứ Hình 2.2: Cấu tạo cảm biến nhiệt điện trở  Nguyên lý: Khi nhiệt độ thay đổi điện trở giữa hai đầu dây kim loại này sẽ thay đổi, và tùy chất liệu kim loại sẽ có độ tuyến tính trong một khoảng nhiệt độ nhất định.Ở nhiệt Chƣơng 2: Cảm biến đo nhiệt độ. Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 18 độ thấp, phƣơng trình chuyển đổi của cảm biến là tuyến tính R(T) = R0 (1 + T) (2.3) Với  là hệ số nhiệt điện trở tuy thuộc vào chất liệu của kim loại Bảng 2.1: Bảng giá trị hệ số  Kim loại Platin Đồng Niken  (1/0C) 3.9.10 -3 4.3.10 -3 5.4.10 -3 Tầm đo cảm biến dùng kim loại khác nhau cũng có giá trị khác nhau Bảng 2.2: Bảng thang đo nhiệt độ Cảm biến Platin Đồng Niken Tầm đo (0C) -200 – 1000 <100 <300 Phổ biến nhất của RTD là loại cảm biến Pt, đƣợc làm từ Platinum có điện trở suất cao, chống oxy hóa, độ nhạy cao, dải nhiệt đo đƣợc dài. Thƣờng có các loại có điện trở R0 là: 100, 200, 500, 1000 ohm tại nhiệt độ 00C. Điện trở càng cao thì độ nhạy nhiệt càng cao. Hình 2.3: Hình dạng thật của một số loại cảm biến nhiệt điện trở - RTD thƣờng có loại 2 dây, 3 dây và 4 dây. Hình 2.4: Cấu tạo của RTD Chƣơng 2: Cảm biến đo nhiệt độ. Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 19  Lƣu ý khi sử dụng:  Loại RTD 4 dây giảm điện trở dây dẫn đi 1/2, giúp hạn chế sai số.  Cách sử dụng của RTD tiện lợi hơn so với Thermocouple. Chúng ta có thể nối thêm dây cho loại cảm biến này và có thể đo test bằng VOM đƣợc.  Vì là biến thiên điện trở nên không quan tâm đến chiều đấu dây.  Mạch đo sử dụng cảm biến nhiệt điện trở Để chuyển đổi điện trở của cảm biến thành điện áp ta kết nối mạch nhƣ sau: Hình 2.5: Mạch đo dùng cảm biến nhiệt điện trở Chọn R1 = R3, R2 = R4 thì điện áp ngõ ra là ( R : điện trở ở 00C ) ( ) ( ) (2.4) Thermistor.  Cấu tạo: Thermistor đƣợc cấu tạo từ hổn hợp các bột oxid kim loại: mangan, nickel, cobalt, Các bột này đƣợc hòa trộn theo tỉ lệ và khối lƣợng nhất định sau đó đƣợc nén chặt và nung ở nhiệt độ cao trên 10000C, sau đó ngƣời ta nối dây và phủ lên đó một lớp kim loại Và mức độ dẫn điện của hỗn hợp này sẽ thay đổi khi nhiệt độ thay đổi. Hình 2.6: Cấu tạo của Thermistor Chƣơng 2: Cảm biến đo nhiệt độ. Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 20 Khi nhiệt độ thay đổi thì điện trở thay đổi theo phƣơng trình (2.5) Trong đó:  R(T) và R0 là điện trở tại nhiệt độ T (độ K ) và T0 (độ K).   là hệ số có giá trị từ 3000 – 5000 tùy theo công nghệ chế tạo sensor Hình 2.7: Hình ảnh thực tế của Thermistor  Nguyên lý: Thay đổi điện trở khi nhiệt độ thay đổi.  Ƣu điểm: Bền, rẽ tiền, dễ chế tạo, Độ chính xác cao (±0.020C)  Khuyết điểm: Dãy tuyến tính hẹp. Tầm đo hẹp  Tầm đo: Từ 50 đến 1500C.  Phân loại: Có hai loại thermistor: Hệ số nhiệt dƣơng PTC (PTC-positive temperature coefficient)- điện trở tăng theo nhiệt độ; Hệ số nhiệt âm NTC (NTC-negative temperature coefficient). – điện trở giảm theo nhiệt độ. Thƣờng dùng nhất là loại NTC. Loại NTC có 3 chế độ hoạt động:  Chế độ điện áp – dòng điện: Khi thermistor bị quá nhiệt do năng lƣợng của nó. Chế độ này, thermistor thích hợp để đo sự thay đổi của điều kiện môi trƣờng, ví dụ nhƣ sự thay đổi của lƣu lƣợng khí qua cảm biến Chƣơng 2: Cảm biến đo nhiệt độ. Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 21 Hình 2.8: đồ thị biểu diễn quan hệ điện áp – dòng điện  Chế độ dòng điện – thời gian: Phụ thuộc vào hằng số tiêu tán nhiệt của vỏ và nhiệt dung của phần tử. Khi cấp dòng điện vào thermistor vỏ bắt đầu tự đốt nóng. Nếu dòng điện liên tục thì điện trở thermistor bắt đầu giảm. Đặc trƣng này đƣợc sử dụng để làm chậm các ảnh hƣởng của các gai áp cao Hình 2.9: Đồ thị quan hệ thời gian – dòng điện  Chế độ điện trở - nhiệt độ: Ở chế độ này, thermistor hoạt động ở điều kiện công suất zero, nghĩa là không xảy ra sự tự đốt nóng Chƣơng 2: Cảm biến đo nhiệt độ. Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 22 Hình 2.10: Đồ thị quan hệ điện trở - nhiệt độ  Thƣờng dùng: Làm các chức năng bảo vệ, ép vào cuộn dây động cơ, mạch điện tử. Do thermistor chỉ tuyến tính trong khoảng nhiệt độ nhất định 50-1500C do vậy ngƣời ta ít dùng để dùng làm cảm biến đo nhiệt. Chỉ sử dụng trong các mục đích bảo vệ, ngắt nhiệt, trong điện lạnh thƣờng gọi là Tẹt-mít.  Trong gia đình: tủ lạnh, máy rửa chén, nồi cơm điện, máy sấy tóc,  Trong xe hơi: đo nhiệt độ nƣớc làm lạnh hay dầu, theo dõi nhiệt độ của khí thải, đầu xilanh hay hệ thống thắng,  Hệ thống điều hòa và sƣởi: theo dõi nhiệt độ phòng, nhiệt độ khí thải hay lò đốt,  Trong công nghiệp: ổn định nhiệt cho diode laser hay các phần tử quang, bù nhiệt cho cuộn dây đồng,  Trong viễn thông: đo và bù nhiệt cho điện thoại di động  Lƣu ý khi sử dụng:  Tùy vào nhiệt độ môi trƣờng nào mà chọn Thermistor cho thích hợp.  Hai loại PTC và NTC (thƣờng đóng/thƣờng hở). Kiểm tra dùng đồng hồ VOM.  Nên ép chặt vào bề mặt cần đo.  Tránh làm hỏng vỏ bảo vệ.  Vì điện trở nên không quan tâm chiều đấu dây. Chƣơng 2: Cảm biến đo nhiệt độ. Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 23 Hình 2.11: Sơ đồ mạch cảnh báo nhiệt độ dùng Thermistor 2.3 Cảm biến nhiệt độ bán dẫn.  Cấu tạo: Gồm các tiếp giáp P – N kết hợp với các mạch đo thành các vi mạch  Nguyên lý: Dựa trên nguyên tắc tiếp giáp của mối nối P – N Hình 2.12: Sự phân cực mối nối P – N Phƣơng trình chuyển đổi (2.6) Trong đó:  k là hằng số Brizman  q là điện tích e,  I0 là dòng điện ngƣợc,  T nhiệt độ (độ K) Biến đổi ngƣợc biểu thức trên ta có: (2.7) Chƣơng 2: Cảm biến đo nhiệt độ. Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 24  Ƣu điểm: Rẻ tiền, dễ chế tạo, độ nhạy cao, chống nhiễu tốt, mạch xử lý đơn giản. Độ chính xác cao (±0.02 0 C)  Khuyết điểm: Không chịu nhiệt độ cao, kém bền.  Thƣờng dùng: Đo nhiệt độ không khí, dùng trong các thiết bị đo, bảo vệ mạch điện tử.  Tầm đo: -50 <1500C Hình 2.13: Sơ đồ chân linh kiện vi mạch LM335 Tùy theo từng loại vi mạch mà ta có bảng đo nhiệt độ của hãng National Semiconductor Bảng 2.3: Thông số kỹ thuật của các IC cảm biến nhiệt Chƣơng 2: Cảm biến đo nhiệt độ. Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 25 Hình 2.14: Hình dáng thật của LM35 - Gần đây có cho ra đời IC cảm biến nhiệt cao cấp, chúng hỗ trợ luôn cả chuẩn truyền thông I2C ( DS18B20 ) mở ra một xu hƣớng mới Mạch đo nhiệt độ dùng cảm biến bán dẫn LM335 Hình 2.15: Sơ đồ mạch đo nhiệt độ dùng LM335  Lƣu ý khi sử dụng:  Vì đƣợc chế tạo từ các thành phần bán dẫn nên cảm biến nhiệt Bán Dẫn kém bền, không chịu nhiệt độ cao. Nếu vƣợt ngƣỡng bảo vệ có thể làm hỏng cảm biến.  Cảm biến bán dẫn mỗi loại chỉ tuyến tính trong một giới hạn nào đó, ngoài dải này Chƣơng 2: Cảm biến đo nhiệt độ. Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 26 cảm biến sẽ mất tác dụng.  Loại cảm biến này kém chịu đựng trong môi trƣờng khắc nghiệt: Ẩm cao, hóa chất có tính ăn mòn, rung sốc va chạm mạnh. 2.4 Cảm biến cặp nhiệt điện ( Thermocouple).  Cấu tạo: Gồm 2 dây kim loại khác nhau đƣợc hàn dính 1 đầu gọi là đầu nóng ( hay đầu đo), hai đầu còn lại gọi là đầu lạnh ( hay là đầu chuẩn ). Yêu cầu:  Sức điện động đủ lớn  Độ bền cơ học và hóa học  Dễ kéo sợi  Khả năng thay thế  Giá thành thấp Hình 2.16: Cấu tạo đơn giản của Thermocouple Cấu tạo của Thermistor công nghiệp Hình 2.17: Cấu tạo của Thermocouple công nghiệp 1. Vỏ bảo vệ 2. Mối hàn 3. Dây điện cực 4. Sứ cách điện 5. Bộ phân lắp đặt Chƣơng 2: Cảm biến đo nhiệt độ. Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 27 6. Vít nối dây 7. Dây nối 8. Đầu nối dây Đầu làm việc của điện cực (3) đƣợc hàn với nhau bằng hàn vảy, hàn khí hoặc hàn bằng tia điện tử. đầu tự do nối với dây (7) tới dụng cụ đo nhờ vít (6) nằm trong đầu nối (8). Để cách ly điện cực ngƣời ta dùng ống sứ cách điện (4). Để bảo vệ điện cực các cặp nhiệt có vỏ bảo vệ (1) làm bằng sứ hoặc thép chịu nhiệt. hệ thống vỏ bao vệ phải có điện dung đủ nhỏ để giảm bớt quán tính nhiệt và lớp vỏ phải có độ dẫn nhiệt không quá nhỏ nhƣng cũng không quá lớn Cặp nhiệt Platin – Rođi/Platin:  Cực dƣơng là Platin(90%) và Roodi (10%), cực âm là Platin sạch  Nhiệt độ làm việc ngắn hạn cho phép tới 16000C, Eđ = 16,77mV  Nhiệt độ làm việc dài hạn < 13000C  Do sai biệt nhỏ nên thƣờng dùng làm cặp nhiệt chuẩn Cặp nhiệt Chromel / Alumel:  Cực dƣơng là Chromel, hợp kim gồm 80%Ni + 10%Cr + 10%Fe  Cực âm là Alumen, hợp kim gồm 95%Ni + 5% (Mn + Cr + Si)  Nhiệt độ làm việc ngắn hạn khoảng 11000C, Eđ == 46,16 mV.  Nhiệt độ làm việc dài hạn < 9000C Cặp nhiệt Chromel / Coben:  Cực dƣơng là Chromel, Cực âm là Coben, hợp kim gồm 56%Cu + 44% Ni  Nhiệt độ làm việc ngắn hạn khoảng 8000C, Eđ == 66 mV.  Nhiệt độ làm việc dài hạn < 6000C Cặp nhiệt Đồng / Coben:  Cực dƣơng là Đồng sạch, Cực âm là Coben  Nhiệt độ làm việc ngắn hạn khoảng 6000C,  Nhiệt độ làm việc dài hạn < 3000C  Thƣờng dùng trong phòng thí nghiệm vì dễ chế tạo Chƣơng 2: Cảm biến đo nhiệt độ. Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 28 Quan hệ giữa sức điện động và nhiệt độ Hình 2.18: Quan hệ sức điện động của các loại cảm biến  Nguyên lý: Khi có sự chênh lệch nhiệt độ giữa đầu nóng và đầu lạnh thì sẽ phát sinh 1 sức điện động (mV) tại đầu lạnh. Một vấn đề đặt ra là phải ổn định và đo đƣợc nhiệt độ ở đầu lạnh, điều này tùy thuộc rất lớn vào chất liệu. Có nhiều chủng loại cặp nhiệt độ, mỗi loại cho ra 1 sức điện động khác nhau: E, J, K, R, S, T. - Hiệu điện áp mạch hở (điện áp Seebeck) là hàm của nhiệt độ và thành phần của 2 kim loại. Khi nhiệt độ thay đổi nhỏ, điện áp Seebeck tỉ lệ tuyến tính với nhiệt độ : eAB = T Với : hệ số Seebeck, hằng số tỉ lệ Hình 2.19: Cách tạo ra điện áp Seebeck Thí dụ: Hiệu điện áp Thermocouple loại K tại 3000C = 12.2mV Hình 2.30: Điện áp seebeck của Ni-Cr / Ni-Al Chƣơng 2: Cảm biến đo nhiệt độ. Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 29 - Dây của cặp nhiệt điện thì không dài để nối đến bộ điều khiển, dẫn đến không chính xác nên để giải quyết điều này chúng ta phải bù trừ cho nó ( offset trên bộ điều khiển ).  Ƣu điểm: Bền, đo đƣợc nhiệt độ cao.  Khuyết điểm: Nhiều yếu tố ảnh hƣởng làm sai số. Độ nhạy không cao.  Thƣờng dùng: Lò nhiệt, môi trƣờng khắt nghiệt, đo nhiệt nhớt máy nén,  Tầm đo: 1000 C <14000 C Hình 2.31: Hình dạng thực tế cặp nhiệt điện 2.5 Hoả kế, nhiệt kế bức xạ. 2.5.1 Hỏa kế bức xạ toàn phần Nguyên lý làm việc dựa trên định luật: năng lƣợng bức xạ toàn phần của vật đen tuyệt đối tỷ lệ với lũy thừa bậc 4 của nhiệt độ tuyệt đối của vật E = T4 Trong đó:  là hằng số và T là nhiệt độ của vật đen tuyệt đối ( độ K) Thông thƣờng có 2 loại : hỏa kế bức xạ có ống kính hội tụ và hỏa kế bức xạ có kính phản xạ Hình 2.32: hỏa kế bức xạ toàn phần Bộ phận thu năng lƣợng có thể là một vi nhiệt kế điện trở hoặc là một tổ hợp cặp nhiệt, chúng phải thỏa mãn các yêu cầu: Chƣơng 2: Cảm biến đo nhiệt độ. Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 30  Làm việc bình thƣờng ở nhiệt độ từ 100 – 1500C  Có quán tính nhiệt đủ nhỏ và ổn định sau 3 – 5 giây  Kích thƣớc đủ nhỏ để tập trung năng lƣợng bức xạ Hỏa kế dùng gƣơng phản xạ có tổn thất năng lựng thấp (< 10%) tuy nhiên khi môi trƣờng nhiều bụi hay gƣơng bị bẩn dễ bị sai số. Loại hỏa kê bức xạ dùng thấu kính hội tụ tổn thất lên đến 30 – 40% năng lƣợng. Khoảng cách đo tốt nhất cho hỏa kế này là từ 1 (+/- 0.2)m 2.5.2 Hỏa kế quang điện Chế tạo dựa trên định luật Plăng Trong đó:  là bƣớc sóng, C1, C2 : hằng số Nguyên tắc đo nhiệt độ là so sánh cƣờng độ sáng của vật cần đo với độ sáng đèn mẫu ở cùng một bƣớc sóng nhất định theo cúng một hƣớng khi độ sáng bằng nhau thì nhiệt độ bằng nhau Hình 2.33: Quan hệ giữa cƣờng độ sáng và bƣớc sóng theo nhiệt độ Sự phụ thuộc giữa I và  là không đơn trị nên ta thƣờng chọn  = 0.65um Chƣơng 2: Cảm biến đo nhiệt độ. Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 31 1: Nguồn bức xạ; 2: Vật kính; 3: Kính lọc; 4-6: thành ngăn; 5: bóng đèn mẫu; 7: kính lọc ánh sáng đỏ; 8: thị kính Hình 2.34: Sơ đồ hỏa kế quang học Khi đo hƣớng hỏa kế vào vật cần đo, ánh sáng từ vật bức xạ cần đo nhiệt độ (1) qua vật kính (2), kính lọc (3) và các vách ngăn (4) , (6), kính lọc ánh sáng đỏ (7) tới thị kính (8) và mắt. bậc công tắc K để cấp điện nung nóng dây tóc bóng đèn mẫu (5), điều chỉnh biến trở Rb để độ sáng của dây tóc bóng đèn trùng với độ sáng của vật cần đo Sai số khi đo: phụ thuộc vào phép đo và khảng cách đo 2.6 Nhiệt kế áp suất lỏng và khí. Nhiệt kế gồm bình nhiệt (1), ông mao (2) và chất lỏng (3). Chất lỏng thƣờng dùng là thủy ngân có hệ số giãn nở nhiệt  = 18.10-5 /0C, vỏ nhiệt kế thủy ngân có  = 2.10-5 /0C khi đo nhiệt độ, bình nhiệt đƣợc đặt tiếp xúc với môi trƣờng đo, chất lỏng dãn nở và đang lên ống mao dẫn, thang đo nhiệt chia độ dọc theo ống mao. Dãi nhiệt độ từ 50 – 6000C tùy theo vật liệu chế tạo vỏ bọc Chƣơng 2: Cảm biến đo nhiệt độ. Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 32 CÂU HỎI ÔN TẬP Câu 1: Trình bày cấu tạo và nguyên lý hoạt động của Thermictor Câu 2: Trình bày ƣu, khuyết điểm của cảm biến cặp nhiệt điện – Thermocouple Câu 3: Trình bày đặc điểm của cảm biến hỏa kế và phạm vi ứng dụng của nó trong thực tế Câu 4: Trình bày cấu tạo và đặc điểm của Cặp nhiệt Chromel / Alumel: Câu 5: Thiết kế sơ đồ mạch đo nhiệt độ dùng cảm biến LM35 Câu 6: Cho biết ý nghĩa các thông số trình bày trong datasheet của LM335 và cách sử dụng LM335 nhƣ thế nào? Câu 7: Trình bày cấu tạo và hoạt động, ứng dụng của cảm biến nhiệt điện trở TRẮC NGHIỆM Câu 8: Nguyên lý làm việc của cặp nhiệt điện (Thermocouple) dựa trên hiệu ứng a. Dòng điện da c. Nóng - lạnh b. Seebeck d. fuco Câu 9: Tầm đo của cảm biến nhiệt LM135A a. -55 – 150oC c. -150 – 300oF b. -50 – 150oF d. -55 – 150oF Câu 10: Cảm biến nhiệt độ bán dẫn loại LM45B có độ chính xác a.  1oC c.  3oC b.  4oC d.  2oC Câu 11: Độ nhạy của cảm biến nhiệt LM34 là a. 10mv / o C c. 5mv / o C b. 10mv / o F d. 5mv / o F Câu 12: Độ nhạy của cảm biến nhiệt LM35 là a. 1mv/ 0 F c. 5mv / o F b. 1mv / o C d. 10mv / o C Câu 13: Khi đo nhiệt độ dùng Thermocouple ta nên giữ nhiệt độ a. Đầu nóng không đổi c. Hiệu (T1 – T2) không đổi b. Tổng (T1 + T2) không đổi d. Đầu lạnh không đổi Chƣơng 3: Cảm biến quang học Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 33 3.1 Nguồn phát quang sợi đốt và bán dẫn Ánh sáng vừa có tính chất sóng và tính chất hạt, ánh sáng là một dạng sóng điện từ, vùng ánh sáng nhìn thấy từ 0.38 – 0.76m Hình 3.1: Vùng phân bố ánh sáng Ánh sáng gồm các hạt nhỏ gọi là photon, mỗi hạt mang một năng lƣợng nhất định E = h.f (3.1) Trong đó:  h là hằng số Planck (h = 6,6256.10-34J.s)  f là tần số ( f = c/ ) Nguồn sáng quyết định mọi đặc tính quang trọng của bức xạ, việc sử dụng cảm biến quang chỉ có hiệu quả khi nó phù hợp với ánh sáng. Các nguồn sáng thông dụng gồm đèn sợi đốt, đèn led, đèn lazer Đèn sợi đốt  Cấu tạo: Gồm sợi Voonfram đặt trong bóng thủy tinh hoặc thạch anh chứa các khí trơ hoặc Halogen để giảm bay hơi của sợi đốt. Hình 3.2 Hình ảnh về đèn sợi đốt Chƣơng 3: Cảm biến quang học Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 34  Đặc điểm: dải phổ rộng, hiệu suất phát quang thấp, quán tính nhiệt lớn, tuổi thọ thấp Đèn bán dẫn  Cấu tạo:Là nguồn sáng bán dẫn trong đó năng lƣợng giải phóng do tái hợp điện tử - lỗ trống gần chuyển tiếp P – N làm phát sinh các Photon.  Đặc điểm: Thời gian đáp ứng nhanh (ns), tuổi thọ cao (gần 100.000 giờ), kích thƣớc nhỏ, tiêu thụ công suất thấp, độ bền cao, quang thông cỡ mW Hình 3.3 Hình ảnh một số loại đèn Led - Ngày nay cảm biến quang thƣờng sử dụng đèn bán dẫn LED (Light Emitting Diode). - Ánh sáng đƣợc phát ra theo xung. Nhịp điệu xung đặc biệt giúp cảm biến phân biệt đƣợc ánh sáng của cảm biến và ánh sáng từ các nguồn khác (nhƣ ánh nắng mặt trời hoặc ánh sáng trong phòng). - LED thông dụng nhất: LED đỏ, LED hồng ngoại hoặc LED lazer. Một số dòng cảm biến đặc biệt dùng LED trắng hoặc xanh lá. Ngoài ra cũng có LED vàng 3.2 Các đơn vị quang học 3.2.1 Đơn vị đo năng lƣợng - Năng lƣợng bức xạ Q là năng lƣợng lan truyền hoặc hấp thu dƣới dạng bức xạ đo bằng Jun (J) - Thông lƣợng ánh sáng () là công suất phát xạ, lan truyền hoặc hấp thu đo bằng Oat (W) (3.2) - Cƣờng đồ ánh sáng (I) là luồng năng lƣợng phát ra theo một hƣớng cho trƣớc ứng với một đon vị góc khối tính bằng W/steriadian Chƣơng 3: Cảm biến quang học Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 35 (3.3) - Độ chói năng lƣợng (L) là tỷ số giữa cƣờng độ ánh sáng phát ra bởi một phần tử bề mặt có diện tích dA theo một hƣớng xác định và diện tích hình chiếu dAn của phần tử này trên mặt phẳng P vuông góc với hƣớng đó. (3.4) - Độ rọi năng lƣợng (E) là tỷ số giữa luồng năng lƣợng thu đƣợc bởi một phần tử bề mặt và diện tích của phần tử đó. Đơn vị đo là Oat/m2 (3.5) 3.2.2 Đơn vị đo thị giác Độ nhạy của mắt ngƣời với ánh sáng có bƣớc sóng khác nhau là khác nhau Hình 3.4 Đƣờng cong độ nhạy tƣơng đối của mắt Theo quy ƣớc một luồng sáng có năng lƣợng 1W ứng với bƣớc sóng max , tƣơng ứng với luồng sáng bằng 680 lumen, do đó K = 680. Luồng sáng đơn sắc tính theo thị giác V () = 680V()() lumen (3.6) Đối với ánh sáng liên tục ∫       lumen (3.7) Chƣơng 3: Cảm biến quang học Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 36 Bảng 3.1 : Các đơn vị đo ánh sáng cơ bản 3.3 Quang trở, tế bào quang điện. 3.3.1 Quang trở Quang trở là hiện tƣợng điện trở của chất bán dẫn giảm đi khi khi bị chiếu sáng, điện trở có giá trị thay đổi theo cƣờng độ ánh sáng kích thích Cấu tạo: gồm lớp bán dẫn mỏng (cadimi sulfur CdS); tấm cách điện; điện cực bằng kim loại. Hình 3.5: Hình dạng cấu tạo của quang trở Nguyên lý: Hình 3.5: Hình dạng thật của một quang trở  Nối quang trở với nguồn ( vài volt ).  Đặt quang trở trong bóng tối: Không có dòng điện. Chƣơng 3: Cảm biến quang học Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 37  Chiếu askt có bƣớc sóng nhỏ hơn giới hạn quang dẫn: xuất hiện dòng điện.  Điện trở của quang trở giảm rất mạnh khi có ánh sáng kích thích thích hợp. 3.3.2 Tế bào quang điện Tế bào quang điện là một loại cảm biến quang dựa trên hiện tƣợng quang dẫn do kết quả của hiệu ứng quang điện bên trong. Đó là hiện tƣợng giải phóng các hạt tải điện trong vật liệu bán dẫn dƣới tác dụng của ánh sáng. Hình 3.5: Hình dạng cấu tạo của tế bào quang điện  Cấu tạo: Tế bào quang dẫn thƣờng đƣợc chế tạo bằng các bán dẫn đa tinh thể đồng nhất hoặc đơn tinh thể, bán dẫn riêng hoặc pha tạp.  Đa tinh thể: CdS, CdSe, CdTe, PbS, PbSe, PbTe.  Đơn tinh thể: Ge, Si tinh khiết hoặc phatạp Au, Cu, Sb, In, SbIn, AsIn, CdHgTe.  Tính chất : Điện trở vùng tối Rco phụ thuộc vào hình dạng, kích thuớc, nhiệt độ và bản chất lý hoá của vật liệu. Các chất PbS, CdS, CdSe có điện trở vùng tối rất cao ( từ 104 tới 105Ω ở 25oC), trong khi đó SbIn, AbSs, CdHgTe có điện trở vùng tối tƣơng đối nhỏ (từ 10 tới 103Ω ở 25oC). Khi đƣợc chiếu sáng, điện trở cửa tế bào quang dẫn giảm xuống rất nhanh, quan hệ giữ điện trở của tế bào quang dẫn và độ rọi sáng: Rc = a - (3.8) Chƣơng 3: Cảm biến quang học Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 38 Trong đó: a là hằng số phụ thuộc vật liệu, 0.5<  < 1 Hình 3.6: Quan hệ giữa độ rọi và điện trở  Ánh sáng có bƣớc sóng thích hợp rọi vào điện cực dƣơng + (trong suốt) vào lớp bán dẫn loại p.  Tại lớp p, xảy ra hiện tƣợng quang điện trong tạo thành lỗ trống và electron quang điện.  Điện trƣờng lớp tiếp xúc p - n đẩy lỗ trống về lớp p và đẩy e về lớp n.  Lớp kim loại mỏng nhiễm điện dƣơng.  Phần đế tiếp xúc với lớp n nhiễm điện âm trở thành cực âm. Hình 3.7: Nguyên lý hoạt động của tế bào quang điện  Ứng dụng của tế bào quang dẫn: Chƣơng 3: Cảm biến quang học Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 39 Tế bào quang dẫn thƣờng đƣợc dùng để đo thông lƣợng ánh sáng, kết hợp với nguồn sáng để dò vạch dẫn dƣờng cho các mobile robot, đọc mã vạch, phát hiện đầu băng trắng, điều khiển đóng ngắt Relay theo ánh sáng  Sơ đồ dùng tế bào quang dẫn: Hình 3.8: Sơ đồ điều khiển đóng ngắt Relay theo ánh sáng Hình 3.9: Sơ đồ dùng tế bào quang điện để dò vạch dẫn đƣờng, đọc mã vạch 3.4 Diode quang, Transistor quang. 3.4.1 Diode quang Cấu tạo: Photo diode là một tiếp giáp p-n đƣợc tạo bởi các vật liệu nhƣ: Ge, Si (Cho vùng ánh sáng trông thấy và gần hồng ngoại), GaAs, InAs, CdHgTe, InSb cho vùng ánh sáng hồng ngoại. Chƣơng 3: Cảm biến quang học Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 40 Hình 3.10: Cấu tạo của photo Diode Nguyên lý làm việc của photo diode: Khi chiếu sáng lên bề mặt của photo diode bằng bức xạ có bƣớc sóng nhỏ hơn bƣớc sóng ngƣỡng < nsẽ xuất hiện thêm các cặp điện tử – lỗ trống. Để các hạt này có thể tham gia vào độ dẫn và làm tăng dòng điện I tacần phải ngăn quá trình tái hợp của chúng nghĩa là phải nhanh chóng tách cặp điện tử – lỗ trống dƣới tác dụng của điện trƣờng. Quá trình này chỉ xảy ra trong vùng nghèo và làm tăng dòng điện ngƣợc. Các chế độ làm việc của photo Diode:  Chế độ quang dẫn: Ở chế độ quang dẫn, photo diode đƣợc phân cực ngƣợc bởi nguồn sức điện động E Hình 3.11: Sơ đồ mạch ở chế độ quang dẫn  Chế độ quang thế: Trong chế độ quang thế không có điện áp ngoài đặt vào Diode, Photo diode làm việc nhƣ một nguồn dòng. Đặc điểm của chế độ này là không có dòng điện tối do không có nguồn phân cực ngoài nên giảm đƣợc ảnh hƣởng của nhiễu và cho phép đo quang thông nhỏ. ta thấy điện áp trên diode phụ thuộc tuyến tính vào thông lƣợng ánh sáng  theo hàm logarit. Ứng dụng của photo diode: Photo diode có thể dùng để đo thông lƣợng ánh sáng, dò vạch dẫn đƣờng cho mobile robot, làm đầu thu trong các bộ điều khiển từ xa, đọc mã vạch Sơ đồ dùng photo diode: Chƣơng 3: Cảm biến quang học Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 41 Hình 3.12: Sơ đồ đo dòng ngƣợc ở chế độ quang dẫn Hình 3.13: Sơ đồ mạch đo ở chế độ quang thế 3.4.2 Photo transistor: Cấu tạo: Photo transistor là transistor silic loại NPN mà vùng Bazơ có thể đƣợc chiếu sáng. Khi không có điện áp đặt lên Bazơ chỉ có điện áp đặt lên Colector, chuyển tiếp BC bị phân cực ngƣợc Hình 3.14: Phân cực cho Transistor quang và sơ đồ tƣơng đƣơng Chƣơng 3: Cảm biến quang học Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 42 Điện áp đặt vào E hầu nhƣ tập trung toàn bộ trên chuyển tiếp B-C, trong khi đó sự chênh lệch điện thế giữa Emiter và Bazơ là không đáng kể (VBE ≈0,7 [V]). Khi chuyển tiếp B-C đƣợc chiếu sáng, nó hoạt động nhƣ một photo diode ở chế độ quang dẫn với dòng điện ngƣợc Ứng dụng của transistor quang: Transistor có thể dùng để do thông lƣợng ánh sáng, dò vạch dẫn đƣờng cho mobile robot, làm đầu thu trong các bộ điều khiển từ xa không dây, đọc mã vạch, chế tạo các cảm biến quang trong công nghiệp. 3.5 Sợi quang. Cấu tạo : Sợi quang thông thƣờng có dạng trụ với lõi bằng vật liệu thạch anh hoặc thủy tinh đa thành phần hoặc nhựa tổng hợp trong suốt với chiết suất lớn hơn nhiều so với không khí. Bên ngoài lõi là một màng vỏ làm bằng chất có chiết suất nhỏ hơn. Hình 3.15: Sơ đồ cấu tạo và đƣờng đi của ánh sáng trong sợi quang Đặc điểm: - Hoạt động ổn định trong môi trƣờng khắc nghiệt, nhiệt độ cao - Dễ lắp đặt, chỉ cần không gian nhỏ - Có thể phát hiện các vật nhỏ Hình 3.16: Các hình dạng thực tế của cảm biến sợi quang Chƣơng 3: Cảm biến quang học Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 43 Ứng dụng cảm biến sợi quang Hình 3.16: Vị trí cảm biến trong các băng chuyền sản xuất OMRON đã sáng chế đƣợc loại sensor công nghệ cao phát hiện đƣợc vật thể bóng là sensor có mã hiệu E3X-NL11 và E32-S15L-1 mà một sensor truyền thống không thể phát hiện đƣợc chính xác vật thể có độ phản xạ ( bóng ) cao nhƣ vậy. Hình 3.17: Băng chuyền dãn nhãn E3X-DA-N với E32-T17L do có tia sáng rất mạnh nên có thể phát hiện đƣợc cả bên trong hộp chứa mờ đục. Đây là loại sensor đặt số nên rất dễ đặt mức ngƣỡng. Hình 3.18: Hệ thống phát hiện lỗi trong hộp thực phẩm Chƣơng 3: Cảm biến quang học Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 44 3.6 Ứng dụng cảm biến quang. Cảm biến quang là các linh kiện quang điện có thể thay đổi trạng thái điện khi có ánh sáng thích hợp chiếu vào bề mặt của nó. Cảm biến quang thƣờng đƣợc sử dụng giống nhƣ một công tắt đóng, ngắt mạch điện nhờ vào sự chiếu sáng hay không chiếu sáng đến linh kiện cảm nhận quang khi có mặt hay không có mặt của đối tƣợng cần phát hiện Cấu tạo cảm biến quang công nghiệp Hình 3.19: Cấu tạo cảm biến quang thu phát riêng Hình 3.20: Cấu tạo cảm biến quang thu phát chung Cảm biến gồm phần phát và phần thu: + Phần phát gồm một Led phát hồng ngoại hoặc Led phát Laser có vai trò nhƣ một nguồn phát sáng đƣợc đặt ngay tại tiêu điểm của thấu kính hội tụ phát nhằm mục đích tạo ra chùm tia sáng hẹp để chiếu đến phần thu. + Phần thu gồm một transistor quang đặt ngay tại tiêu điểm của thấu kính hội tụ thu mhằm mục đích tập trung ánh sáng rọivào trasistor. Transistor quang thu đƣợc nối vào mạch ra để tạo mức logic ở ngõ ra. Một số hình dạng thực tế Chƣơng 3: Cảm biến quang học Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 45 a.Loại phản xạ b.Loại thu - phát riêng c.Loại hộp vuông d. Loại thu phát riêng e. Loại dùng gƣơng phản xạ Hình 3.21: Hình dạng thực tế của cảm biến quang Dùng để phát hiện sự vật thể tại một vị trí định trƣớc nhƣ: dùng làm cảm biến phát hiện sản phẩm trong các hệ thống đếm sản phẩm và đóng thùng sản phẩm, phát hiện có vật cản ngay cửa của các thang máy, phát hiện chấm đen ở đầu bao bì trong các hệ thống đóng gói sản phẩm, dùng đo tốc độ động cơ Dƣới đây trình bày một số ví dụ ứng dụng của cảm biến quang.  Cảm biến quang để phát hiện đầu vật liệu trong hệ thống cắt sản phẩm theo chiều dài Hình 3.22: Ứng dụng cảm biến cắt sản phẩm theo chiều dài Chƣơng 3: Cảm biến quang học Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 46  Phát hiện chai và đếm số chai Hình 3.23: Ứng dụng cảm biến quang phản xạ để đếm chai  Cảm biến khuếch tán dùng để phát hiện chiều cao của bánh có trong khay ( hộp ) chính xác lên đến vài micromet Hình 2.24: Ứng dụng cảm biến quang khuếch tán phát hiện bánh trong khay  Phát hiện ống hút trong hộp sữa Hình 2.25: Cảm biến phát hiện ống hút có trong hộp sữa Chƣơng 3: Cảm biến quang học Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 47 E3G-L1 là sensor đặt đƣợc khoảng cách thế hệ mới. Nó có thể nhận biết đƣợc sự khác biệt rất nhỏ về chiều cao. Sensor hoạt động rất ổn định và không bị ảnh hƣởng bởi màu sắc, chất liệu, độ nghiêng dốc, độ bóng và kích thƣớc của vật thể. Để phát hiện có hoặc không có ống hút đi kèm theo đồ uống đóng hộp  Phát hiện thực phẩm trong khay Hình 2.26: Mô hình hoạt động với sensor E3S_CL1  Kiểm tra mức chất lỏng có trong hộp giấy Hình 2.27:Ứng dụng của cảm biến thu phát độc lập Chƣơng 3: Cảm biến quang học Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 48 CÂU HỎI ÔN TẬP 1. Muốn Diode quang ( photoDiode) dùng trong việc đo quang thông thì ta phải cho Dioode quang làm việc ở chế độ nào? 2. Diode quang có mấy chế độ làm việc? Trình bày các ứng dụng của Diode quang. 3. Muốn Diode quang ( photoDiode) dùng làm đầu thu trong các bộ điều khiển từ xa không dây thì ta phải cho Dioode quang làm việc ở chế độ nào? 4. Sensor E3Z _ T61 có đặc điểm nhƣ thế nào và đƣợc sử dụng trong những trƣờng hợp nào? 5. Đặc điểm và ứng dụng của cảm biến thu phát chung? 6. Đặc điểm và ứng dụng của cảm biến thu phát độc lập? 7. Cho biết đặc điểm của E3S_R12 và ứng dụng của nó trong thực tế? 8. Cho biết đặc điểm và ứng dụng của E3Z_B? 9. Cho biết đặc điểm và ứng dụng của Z4W_V? 10. Cho biết đặc điểm của loại cảm biến quang không bị ảnh hƣởng bởi màu nền? 11. Trình bày các khối chính trong một sensor quang 12. Trình bày cấu tạo và đặc điểm của quang trở TRẮC NGHIỆM Câu 13: Ƣu điểm của cảm biến sợi quang là a. Hoạt động trong môi trƣờng khắc nghiệt c. Có độ nhạy tốt b. Có sai số nhỏ d. Tốc độ nhanh, chính xác Câu 14: ứng dụng nổi bật của cảm biến sợi quang là: a. Phát hiện kim loại, phi kim c. Dễ lắp đặt ở không gian nhỏ b Phát hiện đƣợc nhựa, thủy tinh d. Không gian nhỏ, phát hiện vật nhỏ Câu 15: PhotoDiode làm việc chế độ quang dẫn đƣợc a. Khuếch đại c. Phân cực thuận b. So sánh d. Phân cực nghịch Chƣơng 3: Cảm biến quang học Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 49 Câu 16: Ứng dụng phổ biến của photo diode là a. Đầu thu từ bộ điều khiển Remote c. Mã vạch số b. Cảm biến nhiệt d. Cảm biến ánh sáng Câu 17: Khi đƣợc chiếu sáng, điện trở tế bào quang dẫn sẽ a. Tăng khi nhiệt độ cũng tăng c. Tăng lên b. Giảm xuống d. Không đổi Câu 18: Tế bào quang dẫn là cảm biến dựa trên hiện tƣợng a. Quang điện c. Cảm ứng b. Quang dẫn d. Nhiệt độ - Ánh sáng Câu 19:Các ứng dụng nhƣ đọc mã vạch, phát hiện đầu băng trắng, dò vạch dẫn đƣờng thƣờng dùng cảm biến a. Điện dung c. Tế bào quang dẫn b. Điện cảm d. Tiệm cận Chƣơng 4: Cảm biến vị tri và dịch chuyển Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 50 CHƢƠNG 4 4.1 Cảm biến biến trở. Cấu tạo : Cảm biến biến trở có cấu tạo đơn giản và giá thành rẻ. Cảm biến bao gồm dây quấn thƣờng đƣợc làm bằng hợp kim có khả năng chịu mài mòn tốt nhƣ: Ni-Cr, Ni-Cu, Ni- Cu-Fe, Ag-Pd , có đƣờng kính từ 0,02 đến 0,1 mm, đƣợc quấn đƣợc quấn trên một lõi làm bằng vật liệu cách điện nhƣ : gốm, sứ, bakelit . Dây quấn thƣờng có điện trở từ vài chục Ohm tới vài nghìn Ohm, đƣợc tráng một lớp cách điện để có thể quấn sát nhau. Trên lõi và dây quấn có một con trƣợt đƣợc làm bằng hợp kim có lực đàn hồi và tiếp xúc tốt. Hình 4.1: Cảm biến dịch chuyển biến trở và đồ thị Hoạt động và phƣơng trình chuyển đổi: Con trƣợt đƣợc liên kết cơ khí với đối tƣợng cần đo địch chuyển. Khi đối tƣợng di chuyển sẽ làm cho con trƣợt di chuyển làm cho điện trở Rx thay đổi. (4.1) Trong đó : L là chiều dài của cảm biến, x là dịch chuyển của con chạy. Cảm biến biến trở chỉ cho phép phát hiện biến thiên của di chuyển bằng khoảng cách giữa 2 vòng dây. Nếu gọi khoảng cách giữa 2 vòng dây là l0, số vòng dây của cảm biến là W thì cảm biến biến trở chỉ phát hiện đƣợc biến thiên di chuyển là: (4.2) sai số cảm biến là (4.3) Chƣơng 4: Cảm biến vị tri và dịch chuyển Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 51 Trong đó : R là điện trở một vòng dây. Mạch đo dùng cảm biến biến trở: Để chuyển sự thay đổi điện trở của cảm biến theo dịch chuyển thành sự thay đổi điện áp, ta kết nối cảm biến với mạch đo nhƣ hình Hình 4.2: Mạch đo dùng cảm biến biến trở (4.4) 4.2 Cảm biến từ Cảm biến từ dùng để đo dịch chuyển hoặc khoảng cách nhỏ. Cấu tạo: Cảm biến điện từ có cấu tạo là một khung dây nhƣ (hình 4.3) Hình 4.3 Cấu tạo của cảm biến từ Mục tiêu là một phần của đối tƣợng cần đo dịch chuyển hay khoảng cách nhỏ, khi mục tiêu di chuyển là cho khe hở không khí thay đổi là cho từ trở của mạch từ thay đổi làm cho điện cảm của cuộn dây thay đổi. Nếu bỏ qua điện trở của dây dẫn và bỏ qua từ trở của lõi sắt từ thì điện cảm của cuộn dây: (4.5) Chƣơng 4: Cảm biến vị tri và dịch chuyển Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 52 Trong đó: l0 và lf là chiều dài trung bình của đƣờng sức từ trong lõi không khí và trong sắt từ, µ0 là độ từ thẩm của không khí , µf là độ từ thẩm của lõi sắt từ, s là tiết diện của khe hở không khí, W là số vòng dây, Mạch đo: Mạch đo là một cầu xoay chiều nhƣ hình Hình 4.4 : Mạch đo dùng cảm biền từ Mạch xử lý tín hiệu đo: Mạch xử lý tín hiệu đo là một khối rời có cơ cấu chỉ thị và cho phép cài đặt dạng tín hiệu ngõ ra là tuyến tính hay là tín hiệu điều khiển nhƣ hình Hình 4.5: Hình dạng cảm biến điện từ Ứng dụng của cảm biến điện từ: Cảm biến điện từ thƣờng đƣợc dùng để đo dịch chuyển nhỏ khoảng vài mm, đo độ lệch tâm của các cơ cấu cam, đo độ dày mỏng của kim loại. Sau đây là một số ứng dụng của cảm biến từ.  Đo độ cao của đinh ốc Hình 4.6: Ứng dụng đo độ cao của đinh ốc Chƣơng 4: Cảm biến vị tri và dịch chuyển Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 53  Đo độ dày mỏng của kim loại. Hình 4.7: Ứng dụng đo độ dày của tấm thép  Đo độ lệch tâm Hình 4.8: Ứng dụng đo độ lệch tâm của bánh cam 4.3 Cảm biến biến áp vi sai. Cấu tạo và nguyên lý của biến áp vi sai: Cảm biến biến áp vi sai gồm có một cuộn sơ cấp và hai cuộn thứ cấp quấn trên một ống hình trụ, trong ống có một lõi ferite di chuển tự do. Hai cuộn thứ cấp đƣợc mắc đối xứng so với cuộn sơ cấp sao cho sức điện dộng cảm ứng sinh ra trên hai cuộn dây này ngƣợc pha với nhau. Cuộn dây sơ cấp đƣợc nuôi bằng nguồn xoay chiều Vi Hình 4.9: Cấu tạo của biến áp vi sai Chƣơng 4: Cảm biến vị tri và dịch chuyển Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 54 Nguyên lý làm việc Hình 4.10: Sơ đồ nguyên lý của biến áp vi sai. Lõi ferite đƣợc liên kết cơ khí với đối tƣợng cần đo vị trí. Khi lõi ferite nằm ở vị trí cách đều giữa 2 cuộn dây thứ cấp (x=0), sức điện e1= e2 nên V0 = 0. Khi đối tƣợng di chuyển làm lõi ferite di chuyển và nằm lệch so với2 cuộn dây thứ cấp, khi đó sức điện động sinh ra trên 2 cuộn thứ cấp không bằng nhau làm xuất hiện điện áp ra Vo= e1– e2= x.Vi tỷ lệ với dịch chuyển x của lõi ferite. Hình 4.11:Hình dạng của cảm biến biến áp vi sai Hình 4.12: Mạch điện ngõ ra và đặc tuyến ngõ ra của cảm biến biến áp vi sai Cảm biến biến áp vi sai đƣợc dùng để đo dịch chuyển, đo độ dày của vật liệu, đo khoảng cách, đo độ phẳng của bề mặt Sau đây là một số ví dụ ứng dụng của cảm biến biến áp vi sai.  Dùng biến áp vi sai đo độ nhẵn của bề mặt chi tiết cơ khí. Chƣơng 4: Cảm biến vị tri và dịch chuyển Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 55 Hình 4.13: Đo độ nhẵn của bề mặt chi tiết cơ khí  Đo độ dày mỏng dùng biến áp vi sai. Hình 4.14: Đo độ dày mỏng dùng biến áp vi sai 4.4 Cảm biến điện dung. 4.4.1 Cảm biến tụ điện đơn Cấu tạo: là một tụ điện phẳng hoặc hình trụ có một bản cực gắn cố định ( bản cực tĩnh ) và một bản cực di chuyển ( bản cực động ) liên kết với vật cần đo. Khi bản cực động di chuyển sẽ kéo theo sự di chuyển sẽ kéo theo sự thay đổi điện dung của tụ. Hình 4.15: cấu tạo cảm biến tụ điện đơn Giá trị điện dung thay đổi tùy theo cấu tạo của tụ điện đƣợc xác định (4.6) Trong đó:  là hằng số điện môi của môi trƣờng Chƣơng 4: Cảm biến vị tri và dịch chuyển Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 56 0 là hằng số điện môi của môi trƣờng chân không S là diện tích giữa hai bản cực  là khoảng cách giữa hai bản cực (4.7) Trong đó:  _ góc ứng với phần hai bản cực đối diện (4.8) Đặc điểm: Biến thiên điện dung của cảm biến tụ điện là hàm tuyến tính khi diện tích bản cực và hằng số điện môi thay đổi, là hàm phi tuyến khi khoảng cách giữa hai bản cực thay đổi. Biến thiên dung kháng của cảm biến tụ điện là hàm tuyến tính khi khoảng cách giữa hai bản cực thay đổi, là hàm phi tuyến khi diện tích bản cực và hằng số điện môi thay đổi. Ngoài ra khi có điện áp đặt vào hai bản cực thì sinh ra lực hút, lực này cần nhỏ hơn đại lƣợng đo. 4.4.2 Cấu tạo tụ ghép vi sai Tụ ghép vi sai có khoảng cách giữa các bản cực biến thiên dịch chuyển thẳng hoặc có diện tích bản cực biến thiên dịch chuyển quay và dịch thẳng gồm ba bản cực. bản động A1 dịch giữa hai bản cố định A2 và A3 tạo thành hai điện dung C1 và C2 biến thiên cùng chiều nhau. Tụ kép vi sai có độ nhạy cao hơn tụ đơn và các lực tƣơng hỗ bị triệt tiêu nhau. Hình 4.16: Cấu tạo tụ ghép vi sai Mạch đo đƣợc sử dụng là mạch cầu không cân bằng dùng nguồn xoay chiều. Chƣơng 4: Cảm biến vị tri và dịch chuyển Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 57 Hình 4.17: Mạch đo dùng cảm biến tụ điện thƣờng gặp Mạch đo cần có: - Trở kháng vào lớn - Dây dẫn bọc kim loại để tránh ảnh hƣởng điện trƣờng ngoài - Không mắc song song các cảm biến - Chống ẩm tốt 4.5 Cảm biến Hall. Hiệu ứng Hall (đƣợc khám phá bởi Edwin Herbert Hall vào năm 1879) là một hiệu ứng vật lý đƣợc thực hiện khi áp một từ trƣờng vuông góc lên một bản làm bằng kim loại hay chất bán dẫn hay chất dẫn điện (thanh Hall) đang có dòng điện chạy qua. Lúc đó ngƣời ta nhận đƣợc hiệu điện thế (hiệu thế Hall) sinh ra tại hai mặt đối diện của thanh Hall. Tỷ số giữa hiệu thế Hall và dòng điện chạy qua thanh Hall gọi là điện trở Hall (đặc trƣng cho vật liệu làm nên thanh Hall). Các điện tích chịu lực Lorentzbị đẩy về một trong hai phía của thanh Hall, tùy theo điện tích chuyển động đó âm hay dƣơng. Sự tập trung các điện tích về một phía tạo nên sự tích điện trái dầu ở 2 mặt của thanh Hall, gây ra hiệu điện thế Hall. Hình 4.18: Cơ chế hiệu ứng Hall trên một thanh Hall 1: electron. 2: thanh Hall. 3: nam châm. 4: từ trƣờng. 5: nguồn điện. Chƣơng 4: Cảm biến vị tri và dịch chuyển Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 58 Màu đỏ trên thanh Hall thể hiện sự tập trung của điện tích dƣơng, còn màu xanh, ngƣợc lại, là nơi tập trung điện tích âm. Công thức liên hệ giữa hiệu thế Hall, dòng điện và từ trƣờng là: VH = (IB)/(den) ( 4.9) VH là hiệu thế Hall, I là cƣờng độ dòng điện, B là cƣờng độ từ trƣờng, d là độ dày của thanh Hall, e là điện tích của hạt mang điện chuyển động trong thanh Hall, và n mật độ các hạt này trong thanh Hall. Hiệu ứng Hall là nó cho phép phân biệt điện tích âm hay dƣơng chạy trong thanh Hall, dựa vào hiệu thế Hall âm hay dƣơng. Với các vật liệu sắt từ, điện trở Hall tăng lên một cách dị thƣờng, đƣợc biết đến là hiệu ứng Hall dị thƣờng, tỷ lệ với độ từ hóa của vật liệu. Hình 4.19: Đầu đo dòng điện có sẵn khuếch đại dùng hiệu ứng Hall. Cấu tạo: Gồm có 1 động cơ, 1 nam châm hình đĩa tròn (Ring Magnet) nhƣ trong hình vẽ, 1 cảm biến Hall khi động cơ quay => đĩa nam châm gắn với trục động cơ quay theo => từ trƣờng biến thiên. Cảm biến Hall Effect cảm nhận đƣợc sự biến thiên này và tạo tín hiệu điện áp đầu ra tƣơng ứng Hình 4.20: Cấu tạo và hoạt động của cảm biến Hall Hiệu ứng Hall đƣợc sử dụng chủ yếu trong các thiết bị đo, đầu dò. Các thiết bị này thƣờng phát Chƣơng 4: Cảm biến vị tri và dịch chuyển Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 59 ra tín hiệu rất yếu và cần đƣợc khuếch đại.Hiệu ứng Hall nhạy cảm với từ trƣờng, mà từ trƣờng đƣợc sinh ra từ một dòng điện bất kỳ, do đó có thể đo cƣờng độ dòng chạy qua một dây điện khi đƣa dây này gần thiết bị đo. Thiết bị có 3 đầu ra: một dây nối đất, một dây nguồn để tạo dòng chạy trong thanh Hall, một dây ra cho biết hiệu thế Hall. Phƣơng pháp đo dòng điện này không cần sự tiếp xúc cơ học trực tiếp với mạch điện, hầu nhƣ không gây thêm điện trở phụ của máy đo trong mạch điện, và không bị ảnh hƣởng bởi nguồn điện (có thể là cao thế) của mạch điện, tăng tính an toàn cho phép đo. Đo công suất điện : Công suất tiêu thụ của một mạch điện là tích của cƣờng độ dòng điện và hiệu điện thế trên mạch. Vậy có thể đo công suất này bằng cách đo dòng điện (nhƣ mô tả ở trên) đồng thời với việc dùng hiệu điện thế của mạch điện để nuôi dòng qua thanh Hall. Phƣơng pháp nhƣ vậy có thể đƣợc cải tiến để đo công suất dòng điện xoay chiều trong sinh hoạt dân dụng. Nó thƣờng chính xác hơn các thiết bị truyền thông và ít gây cản trở dòng điện Xác định vị trí và chuyển động Hiệu ứng Hall có thể dùng để xác định vị trí cơ học. Các thiết bị kiểu này không có một chi tiết cơ học chuyển động nào và có thể đƣợc chế tạo kín, chịu đƣợc bụi, chất bẩn, độ ẩm, bùn lầy... Điều này giúp các thiết bị này có thể đo đạc vị trí tiện hơn dụng cụ quang học hay cơ điện. Hình 4.21: Cảm biến Hall trong động cơ BLDC Để xác định vị trí rotor có thể dùng cảm biến Hall hoặc Encoder. Có thể đặt các phần tử cảm biến bên trong động cơ, trên đầu trục động cơ hay dùng cảm biến bên ngoài lắp vào trục động cơ. Cảm biến hiệu ứng Hall (gọi tắt là cảm biến Hall) đƣợc dùng trong động cơ BLDC để xác Chƣơng 4: Cảm biến vị tri và dịch chuyển Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 60 định vị trí cực nam châm của rotor. Tín hiệu vị trí này là cơ sở để bộ điều khiển đóng cắt các khóa công suất cấp dòng DC cho cuộn dây stator tƣơng ứng. Khi đặt cảm biến Hall trong vùng từ trƣờng và có một dòng điện DC chạy qua thì sẽ có một điện áp sinh ra tại ngõ ra của cảm biến. Sự phân cực xuất hiện khi cảm biến quét qua các nam châm của động cơ. Điện áp V sinh ra có dạng tuyến tính thay đổi theo góc lệch giữa cảm biến và từ trƣờng. Chúng ta cần tín hiệu kỹ thuật số để điều khiển có dạng nhị phân 1/0 do đó cả cảm biến đều đƣợc chế tạo tích hợp trong một IC để dạng điện áp ra là dạng xung vuông. Các cảm biến Hall đặt trong động cơ lệch nhau một góc 120 độ điện hay 60 độ điện để xác định chính xác vị trí rotor để điều khiển tƣơng ứng các pha của dòng điện phần ứng stator.  Khởi động ô-tô Khi quay ổ khóa khởi động ô-tô, một nam châm gắn cùng ổ khóa quay theo, gây nên thay đổi từ trƣờng, đƣợc cảm nhận bởi thiết bị dùng hiệu ứng Hall. Phƣơng pháp này tiện lợi vì nó không gây hao mòn nhƣ phƣơng pháp cơ học khác.  Dò chuyển động quay Việc dò chuyển động quay tƣơng tự nhƣ trên rất có ích trong chế tạo hệ thống hãm phanh chống trƣợt nhạy bén hơn của ô-tô, giúp ngƣời điều khiển xe dễ dàng hơn. Ƣu điểm:  Cấu tạo đơn giản  Giá thành thấp  Hoạt động ổn định Nhƣợc điểm  Kích thƣớc lớn, cồng kềnh  Kém ổn định ở nhiệt độ cao Chƣơng 4: Cảm biến vị tri và dịch chuyển Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 61 4.6 Cảm biến tiệm cận dạng điện cảm. Cấu tạo: Cảm biến lân cận dạng điện cảm có cấu tạo gồm 4 bộ phận chính Hình 4.22: Cấu tạo cảm biến tiệm cận điện cảm Đầu phát hiện gồm 1 cuộn dây quấn trên lõi sắt từ có nhiệm vụ tạo ra từ trƣờng biến thiên trong không gian phía trƣớc. Cấu tạo và cách bố trí cuộn dây và lõi sắt của đầu phát hiện nhƣ hình Hình 4.23: Cấu tạo đầu phát hiện - Mạch dao động có nhiệm vụ tạo dao động điện từ tần số radio. - Mạch phát hiện mức dùng để so sánh biên độ tín hiệu của mạch dao động. - Mạch ngõ ra dùng để tạo mức logic cho tín hiệu ngõ ra của cảm biến. Nguyên lý hoạt động của cảm biến lân cận điện cảm: Khi có mục tiêu cần phát hiện (đối tƣợng) bằng kim loại tới gần cảm biến (vào vùng từ trƣờng biến thiên của cảm biến), từ trƣờng biến thiên do mạch dao động gây ra tập trung ở lõi sắt sẽ gây nên một dòng điện xoáy trên bề mặt của đối tƣợng. Dòng điện xoáy sinh ra trên bề mặt đối tƣợng tạo nên một tải làm giảm biên độ tín hiệu của mạch dao động. Khi biên độ của tín hiệu dao động nhỏ hơn một ngƣỡng định trƣớc, mạch phát hiện mức sẽ tác động mạch ngõ ra để đặt trạng thái ngõ ra lên ON. Khi đối tƣợng rời khỏi vùng từ trƣờng của cảm biến, biên độ tín hiệu ở mạch dao động tăng lên, khi tín hiệu ở mạch dao động có biên độ lớn hơn ngƣỡng, mạch phát Chƣơng 4: Cảm biến vị tri và dịch chuyển Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 62 hiệm mức sẽ tác động mạch ngõ ra tạo trạng thái ngõ ra là OFF. Hình 4.24: Hoạt động của cảm biến Hình 4.25: Cảm biến của OMRON dạng tròn Hình 4.26: Cảm biến của OMRON dạng vuông Cảm biến lân cận điện cảm đƣợc dùng để phát hiện sự xuất hiện của một vật thể kim loại tại một vị trí xác định trƣớc (vị trí đặt cảm biến) nhƣ: Phát hiện Cabin thang máy tại các tầng, phát hiện chai nƣớc ngọt có nắp hay không (Nắp của chai nƣớc ngọt làm bằng kim loại), xác định vị trí hai đầu mút của mũi khoan, phát hiện trạng thái đóng hay mở van, đo tốc độ quay của động cơ, phát hiện trạng thái đóng- mở của các xi lanh Chƣơng 4: Cảm biến vị tri và dịch chuyển Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 63 Hình 4.27: Ứng dụng trong hệ thống đo tốc độ động cơ 4.7 Cảm biến tiệm cận dạng điện dung Cấu tạo: Cảm biến lân cận dạng điện dung có cấu tạo gầm 4 phần tử nhƣ cảm biến lân cận điện cảm nhƣng đầu phát hiện trong cảm biến lân cận điện dung là một bản cực của tụ điện Hình 4.28 Cấu tạo của cảm biến lân cận điện dung Nguyên lý hoạt động của cảm biến lân cận điện dung: Khi mục tiêu cần phát hiện di chuyển đến gần đầu phát hiện của cảm biến sẽ làm điện dung của tụ điện (đƣợc tạo bởi một bản cực là bề mặt của đầu thu và bản cực còn lại chính là đối tƣợng) C bị thay đổi. Khi điện dung của tụ điện bị thay đổithì mạch dao động sẽ tạo ra tín hiệu dao động. Khi tín hiệu dao động có biên độ lớn hơn một ngƣỡng đặt trƣớc mạch phát hiện mức sẽ điều khiển mạch ra ở trạng thái ON. Khi đối tƣợng ở xa cảm biến, biên độ tín hiệu ở mạch dao động sẽ nhỏ, mạch phat hiện mức sẽ điều khiển mạch ra ở trạng thái OFF. Một số dạng của cảm biến lân cận điện dung: Dƣới đây giới thiệu một số dạng cảm biến lân cận điện dung: Hình 4.29: Cảm biến tiệm cận điện dung hãng OMRON Chƣơng 4: Cảm biến vị tri và dịch chuyển Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 64 Hình 4.30: Sơ đồ mạch đầu ra dạng NPN cực thu để hở Hình 4.31: Sơ đồ mạch đầu ra dạng PNP cực thu để hở Ứng dụng: Cảm biến lân cận điện dung đƣợc dùng để phát hiện sự xuất hiện của một vật thể kim loại hoặc phi kim loại tại một vị trí xác định trƣớc (vị trí đặt cảm biến) nhƣ: Phát hiện thủy tinh, nhựa, chất lỏng Hình 4.32: Ứng dụng trong hệ thống phát hiện mức chất lỏng Chƣơng 4: Cảm biến vị tri và dịch chuyển Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 65 Hình 4.32: Ứng dụng trong hệ thống hộp sữa không đầy Hình 4.32: Phát hiện nắp nhôm trên chai nƣớc Chƣơng 4: Cảm biến vị tri và dịch chuyển Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 66 CÂU HỎI ÔN TẬP Câu 1: Trình bày nguyên lý làm việc của cảm biến HALL Câu 2: Trình bày nguyên lý làm việc của cảm biến biến trở? Câu 3: Trình bày cấu tạo và nguyên lý làm việc của cảm biến từ? Câu 4: Trình bày cấu tạo và nguyên lý làm việc của cảm biến biến áp vi sai? Câu 5: Trình bày cấu tạo và nguyên lý làm việc của cảm biến tiệm cận điện cảm Câu 5: Trình bày cấu tạo và nguyên lý làm việc của cảm biến tiệm cận điện dung Câu 6: Nêu và phân tích những ứng dụng thƣờng gặp có sử dụng cảm biến tiệm cận TRẮC NGHIỆM Câu 7: Cảm biến dùng để đo tốc độ băng tải, đo chiều dài trong máy cắt kim loại là a. Cảm biến tiệm cận c. Encoder b. Cảm biến quang dẫn d. Themostar Câu 8: Cảm biến dùng trong hệ thống cân trọng lƣợng xe, cân đóng bao là a. Loadcell c. Tiệm cận điện dung b. Cảm biến ánh sáng d. Encoder Câu 9: Để phát hiện mức chất lỏng trong bình chứa, hồ chứa ta nên dùng a. Cảm biến thông minh c. Cảm biến tiệm cận điện cảm b. Cảm biến tiệm cận d. Cảm biến tiệm cận điện dung Câu 10: Để phát hiện Cabin thang máy tại các tầng, nắp chai nƣớc ngọt bằng kim loại, vị trí 2 đầu mũi khoan ta nên chọn cảm biến loại a. Encoder c. Cảm biến laser b. Cảm biến thông minh d. Cảm biến tiệm cận điện cảm Câu 11: Cảm biến dùng để đo tốc độ băng tải, đo chiều dài trong máy cắt kim loại là a. Cảm biến tiệm cận c. Encoder b. Cảm biến quang dẫn d. Themostar Câu 12: Cảm biến dùng trong hệ thống cân trọng lƣợng xe, cân đóng bao là a. Loadcell c. Tiệm cận điện dung b. Cảm biến ánh sáng d. Encoder