Giáo trình Đo lường cảm biến - Phần 2

ω có thể tính đƣợc theo E hoặc . - Xác định ω từ biên độ suất điện động: Cuộn cảm ứng có trở kháng trong: Zi = Ri + jLi (5.11) Trong đó Ri, Li là điện trở và tự cảm của cuộn dây. Điện áp ở hai đầu cuộn ứng với tải R có giá trị: (5.12) Từ biểu thức trên, ta thấy điện áp U không phải là hàm tuyến tính của tốc độ quay ω. Điều kiện để sử dụng máy phát nhƣ một cảm biến vận tốc là R>>Zi để sao cho có thể coi U ≈ E. Điện áp ở đầu ra đƣợc chỉnh lƣu thành điện áp một chiều, điện áp này không phụ thuộc chiều quay và hiệu suất lọc giảm khi tần số thấp. Mặt khác, sự có mặt của bộ lọc làm tăng thời gian hồi đáp của cảm biến. Xác định bằng cách đo tần số của suất điện động: phƣơng pháp này có ƣu điểm là tín hiệu có thể truyền đi xa mà sự suy giảm tín hiệu không ảnh hƣởng tới độ chính xác của phép đo.  Máy phát không đồng bộ: Cấu tạo của máy phát không đồng bộ tƣơng tự nhƣ động cơ không đồng bộ hai pha (hình 5.13). Roto là một đĩa hình trụ kim loại mỏng và dị từ quay cùng tốc độ với trục cần đo, khối lƣợng và quán tính của nó không đáng kể. Stato làm bằng thép từ tính, trên đó bố trí hai cuộn dây, một cuộn là cuộn kích thích đƣợc cung cấp điện áp Vc có biên độ Ve và tần số ωe ổn định Vc = Ve cos ωet. (5.13) Chƣơng 5: Đo vận tốc , gia tốc Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 75 Hình 5.13: Sơ đồ cấu tạo máy phát không đồng bộ Cuộn dây thứ hai là cuộn dây đo. Giữa hai đầu ra của cuộn này xuất hiện một suất điện động em có biên độ tỉ lệ với tốc độ góc cần đo: em = EmCos(ωet + ) = kωVe Cos(ωet + ) (5.14) Trong đó k là hằng số phụ thuộc vào kết cấu của máy, φ là độ lệch pha. 5.3.2 Tốc độ kế điện từ đo vận tốc dài Khi đo vận tốc dài, với độ dịch chuyển lớn của vật khảo sát (> 1m) thƣờng chuyển thành đo vận tốc góc. Trƣờng hợp đo vận tốc của dịch chuyển thẳng nhỏ có thể dùng cảm biến vận tốc dài gồm hai phần tử cơ bản: một nam châm và một cuộn dây. Khi đo, một phần tử đƣợc giữ cố định, phần tử thứ hai liên kết với vật chuyển động. Chuyển động tƣơng đối giữa cuộn dây và nam châm làm xuất hiện trong cuộn dây một suất điện động tỉ lệ với vận tốc cần đo. Sơ đồ cảm biến có cuộn dây di động biểu diễn trên hình 18.4. Hình 5.14: Cảm biến dùng cuộn dây di động Suất điện động xuất hiện trong cuộn dây có dạng: e = 2rNBv (5.15) N - số vòng dây. Chƣơng 5: Đo vận tốc , gia tốc Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 76 r - bán kính vòng dây. B - giá trị của cảm ứng từ. v - tốc độ dịch chuyển của vòng dây. l - tổng chiều dài của dây. Tốc độ kế loại này đo đƣợc độ dịch chuyển vài mm với độ nhạy ~ 1V/m.s. Khi độ dịch chuyển lớn hơn (tới 0,5 m) ngƣời ta dùng tốc độ kế có nam châm di động (hình 5.15). Cảm biến gồm một nam châm di chuyển dọc trục của hai cuộn dây quấn ngƣợc chiều nhau và mắc nối tiếp. Khi nam châm di chuyển, suất điện động xuất hiện trong từng cuộn dây tỉ lệ với tốc độ của nam châm nhƣng ngƣợc chiều nhau. Hai cuộn dây đƣợc mắc nối tiếp và quấn ngƣợc chiều nên nhận đƣợc suất điện động ở đầu ra khác không. Hình 5.15: Cảm biến có lõi từ di dộng 5.4 Tốc độ kế xung. Tốc độ kế xung thƣờng có cấu tạo đơn giản, chắc chắn, chịu đựng tốt trong môi trƣờng độc hại, khả năng chống nhiễu và chống suy giảm tín hiệu cao, dễ biến đổi tín hiệu sang dạng số. Tùy thuộc vào bản chất của vật quay và dấu hiệu mã hoá trên vật quay, ngƣời ta sử dụng loại cảm biến thích hợp. - Cảm biến từ trở biến thiên: sử dụng khi vật quay là sắt từ. - Cảm biến từ điện trở: sử dụng khi vật quay là một hay nhiều nam châm nhỏ. - Cảm biến quang cùng với nguồn sáng: sử dụng khi trên vật quay có các lỗ, đƣờng vát, mặt phản xạ. Chƣơng 5: Đo vận tốc , gia tốc Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 77 5.4.1 Tốc độ kế từ trở biến thiên Cấu tạo của cảm biến từ trở biến thiên gồm một cuộn dây có lõi sắt từ chịu tác động của một nam châm vĩnh cửu đặt đối diện với một đĩa quay làm bằng vật liệu sắt từ trên đó có khía răng. Khi đĩa quay, từ trở của mạch từ biến thiên một cách tuần hoàn làm cho từ thông qua cuộn dây biên thiên, trong cuộn dây xuất hiện một suất điện động cảm ứng có tần số tỉ lệ với tốc độ quay. Hình 5.16: Sơ đồ cấu tạo của cảm biến từ trở biến thiên Tần số của suất điện động trong cuộn dây xác định bởi biểu thức: f = p.n (5.16) p - số lƣợng răng trên đĩa. n - số vòng quay của đĩa trong một giây. Biên độ E của suất điện động trong cuộn dây phụ thuộc hai yếu tố: - Khoảng cách giữa cuộn dây và đĩa quay: khoảng cách càng lớn E càng nhỏ. - Tốc độ quay: Tốc độ quay càng lớn, E càng lớn. Khi tốc độ quay nhỏ, biên độ E rất bé và khó phát hiện, do vậy tồn tại một vùng tốc độ quay không thể đo đƣợc, gọi là vùng chết. Dải đo của cảm biến phụ thuộc vào số răng của đĩa. Khi p lớn, tốc độ nmin đo đƣợc có giá trị bé. Khi p nhỏ, tốc độ nmax đo đƣợc sẽ lớn. Thí dụ với p = 60 răng, dải tốc độ đo đƣợc n = 50 - 500 vòng/phút, còn với p =15 răng dải tốc độ đo đƣợc 500 - 10.000 vòng/phút. 5.4.2 Tốc độ kế quang Nguồn sáng phát tia hồng ngoại là một diot phát quang (LED). Đĩa quay, đặt giữa nguồn sáng và đầu thu, có các lỗ bố trí cách đều trên một vòng tròn. Đầu thu là một photodiode hoặc Chƣơng 5: Đo vận tốc , gia tốc Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 78 phototranzitor. Khi đĩa quay, đầu thu chỉ chuyển mạch khi nguồn sáng, lỗ, nguồn phát sáng thẳng hàng. Khi đĩa quay, đầu thu quang nhận đƣợc một thông lƣợng ánh sáng biến điệu và phát tín hiệu có tần số tỉ lệ với tốc độ quay nhƣng biên độ không phụ thuộc tốc độ quay. Hình 5.17: Sơ đồ nguyên lý của tốc độ kế quang Trong các cảm biến quang đo tốc độ, ngƣời ta cũng có thể dùng đĩa quay có các vùng phản xạ ánh sáng bố trí tuần hoàn trên một vòng tròn để phản xạ ánh sáng tới đầu thu quang. Phạm vi tốc độ đo đƣợc phụ thuộc vào hai yếu tố chính: - Số lƣợng lỗ trên đĩa. - Dải thông của đầu thu quang và của mạch điện tử. Để đo tốc độ nhỏ (~ 0,1 vòng/phút) phải dùng đĩa có số lƣợng lỗ lớn (500 - 1.000 lỗ). Trong trƣờng hợp đo tốc độ lớn ( ~ 105 - 106 vòng/phút) phải sử dụng đĩa quay chỉ một lỗ, khi đó tần số ngắt của mạch điện xác định tốc độ cực đại có thể đo đƣợc. 5.5 Cảm biến gia tốc (công nghệ MEMS) Vào thế kỷ XX, các thiết bị điện tử đƣợc tích hợp với số lƣợng ngày càng lớn, kích thƣớc ngày càng nhỏ và chức năng ngày càng đƣợc nâng cao. Điều này đã mang lại sự biến đổi sâu sắc cả về mặt công nghệ lẫn xã hội. Vào cuối những năm 50 của thế kỷ XX, một cuộc cách mạng hoá về công nghệ micro đã diễn ra và hứa hẹn một tƣơng lai cho tất cả các ngành công nghiệp. Hệ thống vi cơ điện tử (Micro ElectroMechanical Systems) viết tắt là MEMS cũng đã đƣợc ra đời và phát triển trong giai đoạn này. Công nghệ vi cơ đã và đang tiến xa hơn nhiều so với guồn gốc của nó là công nghiệp bán dẫn. MEMS bao gồm những cấu trúc vi cơ, vi sensor, vi chấp hành và vi điện tử cùng đƣợc tích hợp trên cùng một chip (on chip). Các linh kiện MEMS Chƣơng 5: Đo vận tốc , gia tốc Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 79 thƣờng đƣợc cấu tạo từ silic. Một thiết bị MEMS thông thƣờng là một hệ thống vi cơ tích hợp trên một chip mà có thể kết hợp những phần cơ chuyển động với những yếu tố sinh học, hoá học, quang hoặc điện. Kết quả là các linh kiện MEMS có thể đáp ứng với nhiều loại lối vào: hoá, ánh sáng, áp suất, rung động vận tốc và gia tốc...Với ƣu thế có thể tạo ra những cấu trúc cơ học nhỏ bé tinh tế và nhạy cảm đặc thù, công nghệ vi cơ hiện nay đã cho phép tạo ra những bộ cảm biến (sensor), những bộ chấp hành (actuator) đƣợc ứng dụng rộng rãi trong cuộc sống. Các bộ cảm biến siêu nhỏ và rất tiện ích này đã thay thếcho các thiết bị đo cũ kỹ, cồng kềnh trƣớc đây. Song công nghệ MEMS mới đang ở giai đoạn đầu của nó và cần rất nhiều những nghiên cứu cơ bản hơn, sâu hơn. Hình 5.18 : Hình dạng cảm biến gia tốc trong công nghiệp Cảm biến gia tốc là một thiết bị dùng để đo gia tốc. Cảm biến vi cơ là một loại cảm biến đƣợc chế tạo theo công nghệ vi cơ. Nó chính là một trong những sản phẩm phong phú và đa dạng nhất của công nghệ MEMS. Cảm biến gia tốc chế tạo theo công nghệ vi cơ điện tử có hai loại là cảm biến kiểu tụ và cảm biến kiểu áp trở. Trong nhiều ứng dụng việc lựa chọn cảm biến kiểu tụhay kiểu áp trở là rất quan trọng. Cảm biến kiểu áp trở có ƣu điểm là công nghệ cấu tạo rất đơn giản. Tuy nhiên nhƣợc điểm của nó là hoạt động phụ thuộc nhiều vào sự thay đổi nhiệt độ và có độ nhạy kém hơn cảm biến kiểu tụ. Các cảm biến kiểu tụ có độ nhạy cao hơn, ít bị phụ thuộc vào nhiệt độ, ít bị nhiễu và mất mát năng lƣợng. Tuy nhiên chúng có nhƣợc điểm là mạch điện tử phức tạp hơn. Hiện nay cảm biến gia tốc kiểu tụ đƣợc ứng dụng rộng rãi hơn Ứng dụng của cảm biến gia tốc Cảm biến gia tốc vi cơ đã nhanh chóng thay thế các loại cảm biến gia tốc thông thƣờng trƣớc đây trong nhiều ứng dụng. Một vài những ứng dụng điển hình của cảm biến gia tốc vi cơ. • Cảm biến góc Roll –Pitch Chƣơng 5: Đo vận tốc , gia tốc Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 80 • Định hƣớng 3D trong không gian • Phát hiện va chạm : những thông tin về gia tốc, vận tốc và độ dịch chuyển giúp phân biệt sự va chạm và việc không xảy ra va chạm • Đo và điều khiển mức rung • Điều khiển và dự đoán khả năng làm việc của máy móc, thiết bị • Đo một số thông số sinh học trong cơ thể con ngƣời Gia tốc thƣờng đƣợc tính thông qua lực gây ra gia tốc đó vì lực liên hệ với gia tốc theo công thức F = ma. Ở đó F là lực gây ra gia tốc, m là khối lƣợng, a là gia tốc. Lực có đơn vị là N, m có đơn vị là gam (g), a có đơn vị là m/s2 Các thiết bị dùng để đo gia tốc phải xác định đƣợc giá trị của lực tác dụng lên một khối vật thể đã biết trƣớc. Hình 5.19 Cảm biến gia tốc ADXL202 Một cách tiếp cận khác để tính toán gia tốc đó là : Gia tốc là đạo hàm của vận tốc theo thời gian. Vận tốc lại là đạo hàm của độ dịch chuyển theo thời gian. Việc đo gia tốc thông qua cảm biến gia tốc MEMS có thể đƣợc mô tả nhờ một sơ đồ trên hình vẽ nhƣ một hệ gồm một khối lƣợng m và một lò xo Hình 5.20 : Ứng dụng của cảm biến đo gia tốc Chƣơng 5: Đo vận tốc , gia tốc Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 81 Hai loại cảm biến gia tốc đƣợc sử dụng phổ biến trong các ứng dụng hiện nay là cảm biến kiểu tụ và kiểu áp trở. Cảm biến gia tốc đƣợc sử dụng trong đề tài này là một cảm biến gia tốc hai chiều kiểu tụ cho phép xác định một cách độc lập các gia tốc theo các phƣơng trục toạ độ X và Y. Cảm biến này có hai loại lối ra đó là lối ra số (độ rộng xung lối ra tỉ lệ với gia tốc) và lối ra tƣơng tự (mức điện áp tƣơng tự lối ra tỉ lệ với gia tốc). Cảm biến có thể đƣợc sử dụng để đo cả gia tốc tĩnh ( ví dụ nhƣ gia tốc trọng trƣờng) ứng dụng làm sensor đo độ nghiêng và gia tốc động (ví dụ nhƣ độ rung) ứng dụng làm sensor đo độ rung. Dải đo là trong khoảng ±2g với g là gia tốc trọng trƣờng. Hình 5.21 : Sơ đồ chân ADXL202 Chƣơng 6: Đo biến dạng, lực và trọng lƣợng Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 82 CÂU HỎI ÔN TẬP Câu 1 : Trình bày cấu tạo cảu Encoder tƣơng đối và nêu các ứng dụng của nó. Câu2 : Trình bày cấu tạo của Encoder tuyệt đối và nêu các ứng dụng của nó. Câu 3 : Nêu ƣu khuyết điểm của các loại Encoder Câu 4 : Trình bày cấu tạo và nguyên lý hoạt động của tốc độ kế xung Câu 5 : Trình bày cấu tạo và nguyên lý hoạt động của tốc độ kế điện từ. TRẮC NGHIỆM Câu 6: Encoder loại 1 (incremental) có ƣu điểm: a. Chỉ có 1 đĩa mã quang c. Không mất thông tin khi mất điện b. Dùng 2 xung A,B xác định chiều quay d. Sử dụng nhiều mã đĩa Câu 7: Cảm biến thƣờng dùng trong điều khiển chính xác cánh tay Robot là: a. Laser c. Incremental encoder b Load cell d. Absolute encoder Câu 8: 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 9: Cấu tạo encoder gồm nguồn phát sáng, nguồn thu và a. Mã đĩa c. Trục quay b. Mạch khuếch đại d. Mạch xử lý tín hiệu Câu 10. Độ phân giải s của encoder tuyệt đối với n bit tín hiệu là a. s = 360. n 2 c. s = 2 n /360 b. s = 360/2 n d. s = 360/n 2 Chƣơng 6: Đo biến dạng, lực và trọng lƣợng Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 83 : ĐO BIẾN DẠNG, LỰC VÀ TRỌNG LƢỢNG. (6 TIẾT) CHƢƠNG 6 Dƣới tác động của ứng lực cơ học, môi trƣờng chịu ứng lực xuất hiện bị biến dạng. Sự biến dạng của các cấu trúc ảnh hƣởng lớn đến khả năng làm việc cũng nhƣ độ an toàn khi làm việc của kết cấu chịu lực. Mặc khác giữa ứng lực và biến dạng có mối quan hệ với nhau từ đó ngƣời ta có thể xác định đƣợc ứng lực khi đo biến dạng do nó gây ra. Bởi vậy biến dạng là vấn đề rất đƣợc quan tâm trong kỹ thuật. Để đo biến dạng ngƣời ta dùng các cảm biến biến dạng còn gọi là đầu đo biến dạng. Hiện nay có hai loại cảm biến biến dạng đƣợc sử dụng phổ biến : đầu đo điện trở và đầu đo dây rung 6.1 Cảm biến biến dạng (Strain gage). Cấu tạo: Cảm biến biến dạng gồm một sợi dây dẫn có điện trở suất (thƣờng dùng hợp kim của Niken) có chiều dài là l và có tiết diện s, đƣợc cố định trên một phiến cách điện nhƣ hình Hình 6.1: Cấu tạo của cảm biến biến dạng Khi đo biến dạng của một bề mặt dùng strain gage, ngƣời ta dán chặt strain gage lên trên bề mặt cần đo sao cho khi bề mặt bị biến dạng thì strain gage cũng bị biến dạng. Điện trở cảm biến (6.1) Khi cảm biến bị biến dạng, do kích thƣớc của dây dẫn bị thay đổi nên điện trở của cảm biến thay đổi một lƣợng ∆R: (6.2) Trong đó: ∆l là biến thiên chiếu dài của dây dẫn, ∆ là biến thiên điện trở suất của dây dẫn và ∆s là biến thiên tiết diện của dây dẫn, R là điện trở của cảm biến khi chƣa bị biến dạng. Biến dạng dọc của dây dẫn kéo theo biến dạng ngang của dây. Nếu dây dẫn hình chữ nhật có Chƣơng 6: Đo biến dạng, lực và trọng lƣợng Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 84 các cạnh a, b hoặc dây dẫn tròn có đƣờng kính d thì (6.3) Hình 6.2: Cảm biến biến dạng (Strain gage) 6.2 Ứng dụng của Strain gage Strain gage đƣợc dùng để đo lực, đo mô men xoắn của trục, đo biến dạng bề mặt của chi tiết cơ khí, dùng để chế tạo cảm biến trọng lƣợng (Loadcell), cảm biến đo ứng suất Đo lực dùng cảm biến biến dạng: Để đo lực tác động lên mộtvật thể, ta dán strain gage vào một vật ứng lực (vật chứng) đặt giữa điểm tác dụng lực và vật chịu tác động sao cho biến dạng của cảm biến bằng với biến dạng của vật chứng, dƣới tác dụng của lực tác động, vậtchứng bị biến dạng sẽ làm cảm biến biến dạng là thay đổi điện trở củacảm biến, đo sự thay đổi điện trở của cảm biến ta suy ra lực tác dụng. Hình 6.3: cảm biến strain gage Khi vật chứng bị tác dụng bởi lực F nó sẽ bị biến dạng theo phƣơng ứng lực một lƣợng: (6.4) Trong đó:  là biến dạng của vật chứng,  là ứng lực, Y là module Young, S là tiết diện của vật Chƣơng 6: Đo biến dạng, lực và trọng lƣợng Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 85 chứng, F là lực tác dụng. Các vật liệu khác nhau thì module Young sẽ khác nhau. Đo lực ép cho máy ép cọc bê tông Hình 6.4: Máy ép cọc bê tông Đo mô men xoắn: Để đo mô men xoắn của trục quay, ta dán 2 strain gage lên trên trục quay theo hƣớng của ứng suất (Nghiêng 45o so với trục) và 2 strain gage có trục vuông góc với nhau Hình 6.5 Dán strain gage lên trục để đo mô men xoắn Khi chịu tác dụng của ngẫu lực, trên bề mặt của trục quay sẽ xuất hiện một biến dạng (6.5) Trong đó: T là mô men tác động lên trục, Y là module Young, D là bán kính bề mặt trục Đo mô men xoắn trên trục của hệ tuabin máy phát: Hình 6.6 : Ứng dụng đo momen xoắn Chƣơng 6: Đo biến dạng, lực và trọng lƣợng Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 86 6.3 Cảm biến trọng lƣợng (Loadcell). Cấu tạo: Bộ phận chính của loadcell là những tấm điện trở mỏng loại dán. Tấm điện trở để biến đổi một biến dạng nhỏ thành sự thay đổi tƣơng ứng trong điện trở. Thân loadcell là một khối kim loại đàn hồi (nhôm hợp kim, thép không gỉ, thép hợp kim). Một mạch đo dùng các miếng biến dạng sẽ cho phép thu đƣợc một tín hiệu điện tỉ lệ với mức độ thay đổi của điện trở. Mạch thông dụng nhất sử dụng trong loadcell là cầu Wheatstone. Hình 6.7: Cấu tạo của Loadcell Cấu tạo chính của loadcell gồm các điện trở strain gauges R1, R2, R3, R4 kết nối thành 1 cầu điện trở Wheatstone nhƣ hình dƣới và đƣợc dán vào bề mặt của thân loadcell. R là điện trở danh nghĩa ban đầu của các điện trở R1, R2, R3, R4 (thƣờng là 120 ohms, nhƣng có thể là 350 ohms dành cho các bộ cảm biến). Hình 6.8: Sơ đồ cầu Wheatstone Chƣơng 6: Đo biến dạng, lực và trọng lƣợng Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 87 Một điện áp kích thích đƣợc cung cấp cho ngõ vào loadcell (2 góc (1) và (4) của cầu điện trở Wheatstone) và điện áp tín hiệu ra đƣợc đo giữa hai góc. Tại trạng thái cân bằng (trạng thái không tải), điện áp tín hiệu ra là số không hoặc gần bằng không khi bốn điện trở đƣợc gắn phù hợp về giá trị. Nguyên lý hoạt động của loadcell Hình 6.9: Nguyên lý hoạt động của loadcell Khi có tải trọng hoặc lực tác động lên thân loadcell làm cho thân loadcell bị biến dạng (giãn hoặc nén), điều đó dẫn tới sự thay đổi chiều dài và tiết diện của các sợi kim loại của điện trở strain gauges dán trên thân loadcell dẫn đến một sự thay đổi giá trị của các điện trở strain gauges biến đổi theo dẫn đến sự thay đổi điện áp đầu ra nếu có một điện áp kích thích ở đầu vào loadcell. Nhƣ vậy loadcell đã chuyển đổi lực thành tín hiệu điện. Sự thay đổi điện áp này là rất nhỏ, do đó nó chỉ có thể đƣợc đo và chuyển thành số sau khi đi qua bộ khuếch đại của các bộ chỉ thị cân điện tử (đầu cân). Phân loại: Có thể phân loại loadcells theo:  Phân loại Loadcell theo lực tác động: chịu kéo (shear loadcell), chịu nén (compression loadcell), dạng uốn (bending), chịu xoắn (Tension Loadcells) ... Chƣơng 6: Đo biến dạng, lực và trọng lƣợng Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 88  Phân loại theo hình dạng: dạng đĩa, dạng thanh, dạng trụ, dạng cầu, dạng chữ S  Phân loại theo dạng tín hiệu ra: Loadcells tƣơng tự và Loadcells số. 6.4 Ứng dụng của Loadcell. Trong công nghiệp cũng nhƣ đời sống loadcell đƣợc ứng dụng rất rộng nhƣ cân điện tử dùng trong gia đình, cân trọng lƣợng ô tô hay là cân nguyên liệu đầu vào và thành phẩm ra ở nhiều nhà máy. Các ứng dụng khác của loadcell: + Cân điện tử, cân ô tô. + Cân định lƣợng, cân đóng bao, cân băng tải, cân trạm trộn. + Gắn vào đầu của ngón tay robot để xác định độ bền kéo và lực nén tác động vào các vật khi chúng cầm nắm hoặc nhấc lên. + Dùng để xát định khối lƣợng an toàn, quá tải của các thiết bị nâng chuyển nhƣ: Thang máy, băng tải... Hình 6.10: Hệ thống cân xe ôtô tải trọng lớn Chƣơng 6: Đo biến dạng, lực và trọng lƣợng Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 89 Hình 6.11: Loadcell dùng cho cân bồn Hình 6.12: Module loadcell cân bồn UES-M2 100kg~10tấn - Cơ cấu nhỏ gọn, dễ lắp đặt, có khả năng chống quá tải. - Bulon chống đảo ngƣợc (dao động lên xuống), bảo vệ chống lật nghiêng. - Khả năng tự lựa vị trí cân bằng của chân loadcell, cho kết quả cân chính xác. Hình 6.13: Loadcell cho các cân điện tử (cân tiểu ly) độ chính xác cao Chƣơng 6: Đo biến dạng, lực và trọng lƣợng Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 90 Hình 6.14: Cân điện tử 1 số lẻ SHINKO - Trọng lƣợng cân: 6000g - Độ chính xác: 0.1 g - Nguồn điện: 220 V - Màn hình hiển thị: Hiện thị số, chấm cách, đèn nền - Kích thƣớc đĩa cân: 140 mm - Kích thƣớc: 21.5x38.1x33cm 6.5 Cảm biến đo áp suất chất lƣu 6.5.1 Cảm biến áp suất kiểu điện trở: Cấu tạo : gồm 1 strain gauge đƣợc dán cố định trên màng mỏng (phân cách phần áp suất cao và phần áp suất thấp) biến dạng nhƣ (hình 6.15). Nguyên lý : Khi áp suất chất lƣu tác động lên cảm biến ở phần áp suất cao, màng phân cách bị biến dạng làm cho Strain gauge bị biến dạng theo. Khi strain gauge bị biến dạng, điện trở của nó sẽ thay đổi Hình 6.15: Cấu tạo và một số dạng của cảm biến áp suất kiểu điện trở. Chƣơng 6: Đo biến dạng, lực và trọng lƣợng Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 91 6.5.2 Cảm biến áp suất kiểu áp điện: Cấu tạo: Trong cấu tạo của cảm biến, phần tử nhạy cảm chính là các chất áp điện nhƣ: các tinh thể thạch anh, Titan, Bari. Hình 6.16 : Cấu tạo và hình dạng của cảm biến áp suất áp điện. Nguyên lý : Khi áp suất của chất lƣu tác động lên cảm biến sẽ làm các tinh thể áp điện bị biến dạng (bị nén) thì trên bề mặtcủa chất áp điện sẽ xuất hiện điện tích Q phụ thuộc vào áp suất nén. Ứng Dụng Của Cảm Biến Áp Suất: Cảm biến áp suất đƣợc dùng để đo áp suất chất lƣu nhƣ: Đo áp suất chất lỏng trong đƣờng ống, đo áp suất khí trong các đƣờng ống dẫn khí, đo áp suất hơi trong nồi hơi Ngoài ra cảm biến áp suất còn có thể đƣợc dùng để đo cao trình cột chất lỏng thông qua áp suất thuỷ tĩnh. Chƣơng 6: Đo biến dạng, lực và trọng lƣợng Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 92 CÂU HỎI ÔN TẬP Câu 1: Trình bày cấu tạo của Loadcell? Câu 2: Cho biết ứng dụng của cảm biến áp suất? Câu 3: Trình bày cấu tạo Cảm biến biến dạng (Strain gage). Câu 4: Nêu những ứng dụng thƣờng gặp trong thực tế dùng cảm biến loadcell? Câu 5: Cảm biến thƣờng dùng trong điều khiển chính xác cánh tay Robot là: a. Laser c. Incremental encoder b Load cell d. Absolute encoder Câu 6: Cảm biến biến dạng làm việc dựa trên hiệu ứng a. Seebek c. Cảm ứng lực b. Tenzo d. Quang điện Câu 7: Cảm biến biến dạng thƣờng dùng để chế tạo cảm biến a. Laser c. Load cell b. Encoder d. Thermocouple Chƣơng 6: Đo biến dạng, lực và trọng lƣợng Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 93 Chƣơng 7: Đo lƣu lƣợng, tốc độ và mức chất lƣu Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 94 : ĐO LƢU LƢỢNG, TỐC ĐỘ VÀ MỨC CHẤT LƢU. (6 Tiết) CHƢƠNG 7 7.1 Lƣu lƣợng kế từ điện Nguyên lý hoạt động của lƣu lƣợng kế từ điện dựa trên định luật cảm ứng điện từ Faraday. Khi có dây dẫn chuyển động trong từ trƣờng cắt các đƣờng sức, trong dây dẫn cảm ứng sức một điện động tỷ lệ với tốc độ chuyển động của dây. Nếu dùng một chất lỏng dẫn điện chạy qua hai cực của một nam châm và đo sức điện động sinh ra trong chất lỏng thì có thể xác định đƣợc tốc độ của dòng chảy hay lƣu lƣợng thể tích Hình 7.1: Sơ đồ nguyên lý lƣu lƣợng kế từ điện Giữa hai cực S và N của nam châm, ngƣời ta đặt ống kim loại không từ tính (3) vuông góc với đƣờng sức từ. Mặt trong ống (3) phủ lớp cách điện nhƣ sơn emay, thủy tinh. Trong mặt phẳng vuông góc với đƣờng sức ngƣời ta đặt hai cực (1) và (2) các điện cực này đƣợc nối với đồng hồ đo milivolt kế. Sức điện động trong từ trƣờng không đổi là (7.1) Trong đó: B là cƣờng độ từ trƣờng, W là tốc độ dòng chảy, D là đƣờng kính dòng chảy, Q là lƣu lƣợng thể tích. Nếu B = const thì sức điện động phụ thuốc tuyến tính vào lƣu lƣợng thể tích của chất lỏng. Lƣu lƣợng kế điện từ dùng đo cho các chất lỏng có điện dẫn không nhỏ hơn (10 -5 - 10 -6) Simen/m. Nhƣợc điểm của loại có từ trƣờng không đổi là xuất hiện các điện cực sức điện động Galvanic và sức điện động phân cực làm suy yếu cảm ứng dẫn đến sai số tăng. Sức điên động ký sinh phân cực có thể loại trừ nếu dùng nam châm điện xoay chiều tuy nhiên điều này lại dễ bị méo tín hiệu. Tuy nhiên trong công nghiệp dùng nam châm điện lại có ƣu điểm trong việc đo lƣu lƣợng chất lỏng mà không cần biết tỷ trọng chất lỏng. Lƣu lƣợng kế ngày nay có thể đo từ 1 -2500 m3/ giờ và đƣờng kính ống từ 10 – 1000 nm. Tốc Chƣơng 7: Đo lƣu lƣợng, tốc độ và mức chất lƣu Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 95 độ chuyển động đều từ 0.6 – 10m/s. Cấp chính xác 1; 2.5 7.2 Đo lƣu lƣợng bằng chênh lệch áp suất Một trong những nguyên tắc phổ biến để đo lƣu lƣợng chất lỏng, khí và hơi là nguyên tắc thay đổi độ giảm áp suất qua ống hẹp. Ƣu điểm là thiết bị chắc chắn không ồn, dễ chế tạo hàng loạt, đo ở mọi môi trƣờng, giá thành thấp Khảo sát nguyên lý dòng chảy trong một ống dẫn có đặt thiết bị thu hẹp, khi có dòng chảy qua lỗ hẹp thì tốc độ nó tăng lên so với lúc trƣớc lỗ thu hẹp, do đó áp suất bị giảm xuống tạo nên sự chênh lệch áp suất trƣớc và sau ống hẹp. Sử dụng áp kế vi sai đo đƣợc sự chênh lệch áp suất này từ đó đo đƣợc lƣu lƣợng. Hình 7.2: Đo mức bằng chênh áp 7.3 Đo tốc độ gió. Trục làm bằng thép không gỉ, trạm làm bằng polycarcbonate, đƣợc sử dụng trong khí tƣợng học và bảo vệ môi trƣờng. Các guồng quay phản xạ làm bằng nhôm. Trong vòng quay các thanh vƣợt qua hàng rào cản ánh sáng và tạo thành một chuỗi xung phản xạ và hấp thụ trong một tần số tỷ lệ thuận với tốc độ gió. Hãng sản xuất của Đức cho ra đời loại cảm biến model 4034.1000 có dãi đo từ 0 – 60m/s, nguồn cung cấp từ 12 – 30 volt, 50 mA Chƣơng 7: Đo lƣu lƣợng, tốc độ và mức chất lƣu Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 96 Hình 7.3: Máy đo tốc độ gió EXTECH AN – 200 và model 4034.1000 7.4 Đo mức bằng phao (áp suất thủy tĩnh) Nguyên lý chung của phƣơng pháp dựa trên nguyên tắc cân bằng áp suất chất lƣu với áp suất thuỷ tĩnh của chất lỏng làm việc trong áp kế. Hình 7.4: Các kiểu đo mức bằng phao 7.4.1 Áp kế vi sai kiểu phao Áp kế vi sai kiểu phao gồm hai bình thông nhau, bình lớn có tiết diện F và bình nhỏ có tiết diện f (hình 7.4).Chất lỏng làm việc là thuỷ ngân hay dầu biến áp. Khi đo, áp suất lớn (p1) đƣợc đƣa vào bình lớn, áp suất bé (p2) đƣợc đƣa vào bình nhỏ. Để tránh chất lỏng làm việc phun ra ngoài khi cho áp suất tác động về một phía ngƣời ta mở van (4) và khi áp suất hai bên cân bằng van (4) đƣợc khoá lại. Khi đạt sự cân bằng áp suất, ta có: p1 −p2 = g( ρm − ρ)( h1+ h2) Trong đó:  g- gia tốc trọng trƣờng.  ρm - trọng lƣợng riêng của chất lỏng làm việc.  ρ - trọng lƣợng riêng của chất lỏng hoặc khí cần đo Chƣơng 7: Đo lƣu lƣợng, tốc độ và mức chất lƣu Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 97 Hình 7.5. Áp kế vi sai kiểu phao Mặt khác từ cân bằng thể tích ta có: F.h1 = f.h2 (7.2) Suy ra: Khi mức chất lỏng trong bình lớn thay đổi (h1 thay đổi), phao của áp kế dịch chuyển và qua qua cơ cấu liên kết làm quay kim chỉ thị trên đồng hồ đo. Áp kế vi sai kiểu phao dùng để đo áp suất tĩnh không lớn hơn 25MPa. Khi thay đổi tỉ số F/f (bằng cách thay ống nhỏ) ta có thể thay đổi đƣợc phạm vi đo. Cấp chính xác của áp suất kế loại này cao(1; 1,5) nhƣng chứa chất lỏng độc hại mà khi áp suất thay đổi đột ngột có thể ảnh hƣởng đến đối tƣợng đo và môi trƣờng. 7.4.2 Áp kế vi sai kiểu chuông Cấu tạo của áp kế vi sai kiểu chuông gồm chuông (1) nhúng trong chất lỏng làm việc chứa trong bình (2) Hình 7.6: Áp kế vi sai kiểu chuông Khi áp suất trong buồng (A) và (B) bằng nhau thì nắp chuông (1) ở vị trí cân bằng (hình 5.6), khi có biến thiên độ chênh áp d(p1-p2) >0 thì chuông đƣợc nâng lên(hình 5.6b). Khi đạt cân bằng ta có: d(p1 − p 2 ).F = (dH + dy)Δf.g(ρm − ρ) (7.3) Chƣơng 7: Đo lƣu lƣợng, tốc độ và mức chất lƣu Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 98 d(p1− p2) = dh( ρm − ρ) g fdy = Δf.dH + (Φ −F ) dx (7.4) - F - tiết diện ngoài của chuông. - dH - độ di chuyển của chuông. - dy - độ dịch chuyển của mức chất lỏng trong chuông. - dx - độ dịch chuyển của mức chất lỏng ngoài chuông. - Δf - diện tích tiết diện thành chuông. - Φ - diện tích tiết diện trong của bình lớn. - dh - chênh lệch mức chất lỏng ở ngoài và trong chuông. - f - diện tích tiết diện trong của chuông. Giải các phƣơng trình trên ta có (7.5) Lấy tích phân giới hạn từ 0 đến (p1- p2) nhận đƣợc phƣơng trình đặc tính tĩnh của áp kế vi sai kiểu chuông: Áp kế vi sai có độ chính xác cao có thể đo đƣợc áp suất thấp và áp suất chân không 7.5 Đo mức bằng cảm biến điện dung. Cấu tạo: phần tử nhạy cảm điện dung đƣợc thực hiện đƣới dạng các điện cực hình trụ tròn đồng trục hay các điện cực phẳng đặt song song nhau. Các phần tử thụ cảm điện dung đƣợc xác định qua tính hóa lý của chất lỏng. với chất lỏng cách điện (điện dẫn bé hơn 10-6 simen/m) ta có các sơ đồ cảm biến sau Chƣơng 7: Đo lƣu lƣợng, tốc độ và mức chất lƣu Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 99 Hình 7.7: Đo mức chất lỏng cách điện Hình a: phần tử thụ cảm gồm 2 điện cực đồng trục (1) và (2) có phần nhúng chìm trong chất lỏng. các điện cực tạo thành 1 tụ điện hình tròn, giữa hai điện cực điền đầy chất lỏng có chiều cao h, H – h là không gian chứa hỗn hợp hơi khí. Điện dung của tụ điện đƣợc xác định (7.6) Trong đó:  là hằng số điện môi điền đầy giữa hai điện cực 0 là hằng số điện môi chân không H :chiều cao điện cực D,d : đƣờng kính ngoài và trong của điện cực Với tụ hình tròn có hằng số điện môi khác nhau, điện dung của tụ là C =C0 + C1 + C2 (7.7) C0: điện dung của cách điện xuyên qua nắp C1: điện dung giữa hai điện cực có chứa chất lỏng C2: điện dung của không gian hơi và khí (7.8) Để đo mức chất lỏng dẫn điện ( có điện dẫn suất > 10-4 simen/m) ngƣời ta sử dụng phần tử thụ cảm có cách điện ngoài ( hình b) phần tử thụ cảm là các điện cực kim loại 1 có phủ lớp cách điện 2 và nhúng chìm vào chất lỏng. điện cực thứ 2 là thành bể chứa ( kim loại) hay điện cực Chƣơng 7: Đo lƣu lƣợng, tốc độ và mức chất lƣu Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 100 riêng. Điện dung tòan phần đƣợc tính (7.9) Trong đó: C0: điện dung của cách điện xuyên qua nắp C1: điện dung giữa cực 1 và bề mặt chất lỏng trên giới hạn cách điện C2: điện dung tạo bởi mặt chất lỏng trên mặt giới hạn cách điện và thành bể 7.6 Đo mức bằng cảm biến siêu âm và quang. Cảm biến siêu âm : là thiết bị dùng để xác định vị trí của các vật thông qua phát sóng siêu âm. Cảm biến tiệm cận siêu âm có thể phát hiện ra hầu hết các đối tƣợng là kim loại hoặc không phải kim loại,chất lỏng hoặc chất rắn,vật trong hoặc mờ đục (những vật có hệ số phản xạ sóng âm thanh đủ lớn). Từ lâu, siêu âm đã đƣợc ứng dụng trong thực tế nhƣ: Rada siêu âm (Sona) dùng để phát hiện các mục tiêu dƣới nƣớc nhƣ thăm đò đáy biển, phát hiện tàu ngầm, đàn cá.Ƣu điểm của siêu âm là ít bị suy giảm trong môi trƣờng nƣớc. Phát hiện phóng điện cục bộ trong máy biến áp (MBA). Khi có phóng điện cục bộ trong MBA sẽ phát sinh sóng siêu âm lan truyền trong dầu. Nhờ bộ cảm biến siêu âm gắn trên thùng dầu có thể phân tích sóng tới và sóng phản xạ của nguồn phóng điện và định vị chính xác vị trí dây quấn MBA có phóng điện cục bộ. Trong ngành y tế, rada siêu âm giúp các bác sĩ có thể nhìn rõ cấu trúc nội tại của cơ thể, chẩn đoán chính xác khối u, thai nhi- Siêu âm còn đƣợc ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật gia công kim loại. Sóng siêu âm là sóng cơ đàn hồi mang năng lƣợng, có thể làm sạch bề mặt các chi tiết trƣớc khi gia công nhƣ mạ, hàn Trong kĩ thuật đo và kiểm tra công nghiệp, việc đo và phân tích tiếng dội khi chùm siêu âm đƣợc chiếu lên bề mặt kiểm tra có thể giúp ta phát hiện đƣợc trạng thái bề mặt và các khuyết tật bên trong cấu trúc Ngoài ra cảm biến siêu âm dùng để điều khiển mực chất lỏng,đo khoảng cách độ cao hay vị trí của phiến gổ trên dây chuyền,dùng để phát hiện ra ngƣời,phát hiện dây bị đứt,phát hiện xe,phát hiện chiều cao.và nhiều ứng dụng quan trọng khác trong cuộc sống Chƣơng 7: Đo lƣu lƣợng, tốc độ và mức chất lƣu Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 101 Cấu tạo của cảm biến tiệm cận siêu âm gồm có 4 phần chính  Bộ phận phát và nhận sóng siêu âm  Bộ phận so sánh  Mạch phát hiện  Mạch ngõ ra Khi cảm biến nhận đƣợc sóng phản hồi, bộ phận so sánh sẽ tính toán khoảng cách,bằng cách so sánh thời gian phát, nhận và vận tốc âm thanh. Tín hiệu ngõ ra có thể là digital hoặc analog. Tín hiệu từ cảm biến digital báo có hay không sự xuất hiện của đối tƣợng trong vùng cảm nhận của cảm biến.tín hiệu từ cảm biến analog chứa đựng thông tin khoảng cách của đối tƣợng đến cảm biến. Tần số hoạt động:nhìn chung là cảm biến công nghiệp hoạt động với tần số là từ 25khz đến 500khz.các cảm biến siêu âm trong y khoa thì hoạt động với tần số 5mhz trở lên.tần số của cảm biến tỉ lệ nghịch với khoảng cách phát hiện của cảm biến,với tần số 50khz thì phạm vi hoạt động của cảm biến có thể lên tới 10m hoặc hơn,với tần số 200khz thì phạm vi hoạt động của cảm biến giới hạn ở mức 1m Xác định khoảng cách Sóng siêu âm đƣợc truyền đi trong không khí với vận tốc khoảng 343m/s. Nếu một cảm biến phát ra sóng siêu âm và thu về các sóng phản xạ đồng thời, đo đƣợc khoảng thời gian từ lúc phát đi tới lúc thu về, thì máy tính có thể xác định đƣợc quãng đƣờng mà sóng đã di chuyển trong không gian. Quãng đƣờng di chuyển của sóng sẽ bằng 2 lần khoảng cách từ cảm biến tới chƣớng ngoại vật, theo hƣớng phát của sóng siêu âm.Hay khoảng cách từ cảm biến tới chƣớng ngại vật sẽ đƣợc tính theo nguyên lý TOF: d=v.t/2 (7.10) Trong đó:  d là khoảng cách cần đo,  v là vận tốc sóng siêu âm trong môi trƣờng truyền sóng,  t là thời gian từ lúc sóng đƣợc phát đi đến lúc sóng đƣợc ghi nhận lại. Nguyên lý TOF (time of flight) là nguyên lý đo khoảng cách bằng thời gian truyền của sóng. Phƣơng pháp này đƣợc đặc biệt ứng dụng với các thiết bị sử dụng sóng siêu âm do vận tốc di chuyển của sóng trong không khí và trong các vật liệu khác tƣơng đối chậm, và ngƣời ta có thể Chƣơng 7: Đo lƣu lƣợng, tốc độ và mức chất lƣu Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 102 đo đƣợc khoảng cách với sai số nhỏ (khoảng 343m/s trong không khí). Phƣơng pháp này không đƣợc dùng trong các thiết bị thu nhận sóng điệntừ, vì vận tốc sóng điện từ rất cao bằng với vận tốc ánh sáng (300.000 km/s).Khoảng cách từ thiết bị phát đến chƣớng ngại vật đƣợc tính bằng vận tốc của sóng trong môi trƣờng tƣơng ứng nhân với một nửa thời gian truyền của sóng Ở chế độ phát hiện ngƣỡng, nguồn phát và thu đặt đối diện nhau ở mức ngƣỡng. Tùy thuộc vào mức chất lƣu cao hay thấp hơn mức ngƣỡng mà chùm tia đến bộ thu tăng hoặc giảm khi đó nó sẽ phát tín hiệu tƣơng ứng với mức nhận đƣợc. Hình 7.8: Cảm biến siêu âm dùng để đo mức Ở chế độ đo mức liên tục, nguồn phát phát ra chùm tia rộng quét toàn bộ chiều cao mức chất lƣu. Khi mức chất lƣu (3) tăng do sự hấp thu của chất lƣu tăng làm cho chùm tia đến bọ thu bị suy hao. Mức suy hao tỷ lệ với mức chất lƣu trong bình Hình 7.9: Cảm biến đo mức siêu âm ở chế độ liên tục Cảm biến đo mức nƣớc - dạng quang - vp04ep Chƣơng 7: Đo lƣu lƣợng, tốc độ và mức chất lƣu Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 103 Hình 7.10: Cảm biến đo mức nƣớc dạng quang – VP 04ep - Đƣợc sản xuất theo tiêu chuẩn công nghệ Châu Âu của hãng Carlo Gavazzi Italy, tín hiệu chính xác, độ bền cao. - Là dòng cảm biến mực quang học, có phạm vi hoạt động cố định, sử dụng tia hồng ngoại để phát hiện mực chất lỏng. Thu, phát hoàn toàn độc lập trong một khối, cảm biến đƣợc thiết kế để lắp vào thành của bể chứa chất lỏng, vỏ sensor đƣợc làm bằng Polysulphone, chống hầu hết các loại acids và các chất nền. - Ứng dụng cho việc đo mực nƣớc, kiểm soát mực nƣớc - Output: NPN/PNP/NO/NC - Điện áp: 10-40VDC/100-265VAC. Hình 7.11: Ứng dụng đo mức nƣớc Chƣơng 8: Các cảm biến đo lƣờng khác Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 104 CÂU HỎI ÔN TẬP Câu 1: Trình bày cấu tạo và nguyên lý hoạt động của lƣu lƣợng kế từ điện? Câu 2: Trình bày cấu tạo và nguyên lý hoạt động của việc đo mức bằng phao (áp suất thủy tĩnh) Câu 3: Cho biết nguyên lý hoạt động và ứng dụng của cảm biến siêu âm Câu 4: Trình bày cách thức và ứng dụng của việc đo lƣu lƣợng bằng chênh lệch áp suất. TRẮC NGHIỆM Câu 5: Cảm biến áp suất thƣờng không dùng trong các ứng dụng a. Đo áp suất chất lỏng c. Đo áp suất chất khí b. Đo áp suất chất rắn d. Áp suất thủy tĩnh Câu 6: Chất nào không đƣợc dùng trong phần tử nhạy cảm chính trong cảm biến áp suất kiểu áp điện a. Thạch anh c. Wonfrom b. Bari d. Titan Chƣơng 8: Các cảm biến đo lƣờng khác Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 105 : CÁC CẢM BIẾN ĐO LƢỜNG KHÁC. (12 tiết) CHƢƠNG 8 8.1 Đo độ ẩm. Trong cuộc sống hàng ngày nhu cầu theo dõi nhiệt độ cũng nhƣ độ ẩm là rất cần thiết: - Trong chế biến và sản xuất nông nghiệp - Điều khiển và hiển thị ( quạt gió, máy sấy, điều hòa) - Theo dõi dự báo môi trƣờng Tuy nhiên việc đo đạc gặp nhiều khó khăn hơn so với việc đo các đại lƣợng khác nhƣ nhiệt độ, lƣu lƣợng, tốc độ do giới hạn độ ẩm rộng từ vài ppm (phần triệu) đến hơi nƣớc ở 1000C, đồng thời đo độ ẩm trong khoảng nhiệt độ từ - 600C đến 10000C và có lẫn các hạt bẩn hóa chất dễ gây ăn mòn hƣ hỏng. Các cảm biến độ ẩm làm việc theo hai nguyên lý: - Nguyên lý vật lý cho phép đo trực tiếp - Nguyên lý dựa vào tính chất vật liệu có liên quan độ ẩm rồi suy ra độ ẩm. Hình 8.1: Cảm biến điện dung HS1101 HS1101 là loại cảm biến đo độ ẩm. Độ chính xác +-2%. Cảm biến HS1101 đƣợc sử dụng phổ biến trong cuộc sống, ngoài ra nó còn dùng kết hợp với cảm biến DS18B20 dùng đo nhiệt độ. Cảm biến HS1101 là cảm biến điện dung. Khi độ ẩm thay đổi, điện dung của HS1101 thay đổi. Do vậy, để đo đƣợc độ ẩm ngƣời ta thiết kế mạch đo điện dung của HS1101. Trong thực tế, ngƣời ta thƣờng ghép nối HS1101 và IC NE555. Khi đó giá trị điện dung của HS1101 thay đổi thì làm thay đổi tần số đầu ra của IC555. Nhƣ vậy chỉ cần đo tần số đầu ra là có thể đo đƣợc điện dung của HS1101 Hình 8.2: Module cảm biến phát hiện nhiệt độ + độ ẩm DHT11 Chƣơng 8: Các cảm biến đo lƣờng khác Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 106 Thông số kỹ thuật: - Dãy độ ẩm đo đƣợc: 20 - 90% RH (± 5% RH) - Dãy nhiệt độ đo đƣợc: 0-50℃ (± 2 ℃) - Điện áp hoạt động: 3.3V - 5V - VCC → 3.3V/5V positive power - GND → negative power - OUT → microcontroller I/O port Hình 8.3: Mạch cảm biến độ ẩm của đất Mạch cảm biến độ ẩm của đất cho phép đo độ ẩm của đất và điều khiển rơ le khi đất quá khô hoặc quá ẩm. Mạch cảm biến độ ẩm của đất gồm 2 bộ phận: + Bộ phận cảm biến độ ẩm đƣợc gắm thẳng xuống đất + Bộ phận điều chỉnh độ nhạy nằm phía trên mặt đất Mạch cảm biến độ ẩm của đất hoạt động bằng cách so sánh độ ẩm từ phần nằm dƣới mặt đất với giá trị định trƣớc (giá trị này thay đổi đƣợc thông qua 1 biến trở màu xanh) từ đó phát ra tín hiệu đóng / ngắt rơ le qua chân D0. Khi đất khô, chân D0 sẽ đƣợc giữ ở mức cao, có thể sử dụng để kích rơ le và chạy máy bơm. Khi đất ẩm, đèn LED màu đỏ sẽ sáng lên, chân D0 sẽ đƣợc giữ ở mức thấp, do đó ngắt rơ le. Chân A0 có thể không dùng tới. Chân này đƣợc sử dụng để kết nối với ADC của vi điều khiển đọc giá trị điện áp để biết đƣợc đất ẩm ít hay nhiều. Hình 8.4: Mạch cảm biến trời mƣa Chƣơng 8: Các cảm biến đo lƣờng khác Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 107 Mạch cảm biến mƣa đƣợc đặt ngoài trời để kiểm tra trời có mƣa không, qua đó truyền tín hiệu điều khiển đóng / ngắt rơ le. Mạch cảm biến mƣa gồm 2 bộ phận: + Bộ phận cảm biến mƣa đƣợc gắn ngoài trời + Bộ phận điều chỉnh độ nhạy cần đƣợc che chắn Mạch cảm biến mƣa hoạt động bằng cách so sánh hiệu điện thế của mạch cảm biến nằm ngoài trời với giá trị định trƣớc (giá trị này thay đổi đƣợc thông qua 1 biến trở màu xanh) từ đó phát ra tín hiệu đóng / ngắt rơ le qua chân D0. Khi cảm biến khô ráo (trời không mƣa), chân D0 của module cảm biến sẽ đƣợc giữ ở mức cao (5V-12V). Khi có nƣớc trên bề mặt cảm biến (trời mƣa), đèn LED màu đỏ sẽ sáng lên, chân D0 đƣợc kéo xuống thấp (0V). Nên sử dụng các loại rơ le kích ở mức thấp kèm với cảm biến. 8.2 Đo độ pH. Hình 8.5: Cảm biến pH InPro 3250 / 3250SG /3250i Cảm biến pH bảo trì thấp sê-ri InPro 3250 với chất điện phân lỏng đƣợc nạp và ép sẵn từ nhà máy phù hợp với một loạt các ứng dụng trong các ngành công nghệ sinh học, dƣợc phẩm và quy trình hóa học. Sê-ri InPro 3250 hiện có sẵn với nhiều lựa chọn các màng thủy tinh pH có độ nhạy cảm khác nhau. Điều này đảm bảo hiệu suất đo tốt nhất có thể có trong các điều kiện hoạt động đa dạng nhất. 8.3 Đo thành phần khí. Cảm biến đo nồng độ của một thành phần trong hỗn hợp khí nhằm: - Kiểm tra tỷ lệ nhiên liệu - Kiểm tra khí thải độc hại - Kiểm tra nồng độ khí đốt gây cháy nổ Chƣơng 8: Các cảm biến đo lƣờng khác Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 108 - Kiểm tra các thành phần khí tiêu thụ sản hoặc sinh ra trong quá trình oxy hóa nhiên liệu - Kiểm tra khí gây hại cho con ngƣời Ngày nay có các loại cảm biến sau: - Cảm biến điện hóa đo áp hay dòng - Cảm biến điện - Cảm biến quang - Cảm biến thuận từ - Cảm biến xúc tác Hình 8.6: Cảm biến mq135 Cảm biến mq135 thƣờng dùng để phát hiện khí độc nhƣ Amoniac, benzen, rƣợu, khói. Hình 8.7: Cấu trúc và hình dạng của cảm biến MQ303A Mq303a độ nhạy cao có thể nhanh chóng phát hiện rƣợu, rƣợu cho dò khí cầm tay. Chƣơng 8: Các cảm biến đo lƣờng khác Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 109 Hiện nay trong sinh hoạt hàng ngày và sản xuất trong công nghiệp đƣa vào khí quyển hàng trăm triệu tấn khí độc hại bao gồm: SO2, NOx, CO, CO2, bụi, ảnh hƣởng trực tiếp đến sức khoẻ con ngƣời. Vì vậy việc đo và cảnh báo hàm lƣợng của các chất độc hại này là cần thiết nhất đối với các khu công nghiệp hoặc các nhà máy 8.3.1 Khí SO2 (Lƣu huỳnh dioxit) SO2 là chất khí không màu, có vị axít, ảnh hƣởng tới hệ hô hấp hoà tan trong lớp màng của mắt, mũi, miệng, cổ họng gây khó thở, loét niêm mạc. Để đo SO2 (ôxít lƣu huỳnh) trong không khí thiết bị quan trọng nhất là các bộ cảm biến, mà nguyên lý dựa chủ yếu theo 2 phƣơng pháp: Phƣơng pháp đo độ dẫn điện và phƣơng pháp huỳnh quang cực tím. Phƣơng pháp dẫn điện: Để đo SO2 lẫn trong khí thải hay không khí, mẫu khí đƣợc đƣa vào một chất lỏng hấp phụ cơ bản có chứa peroxyde hydro. Đó là một dung dịch axít sulfuric, phản ứng xảy ra nhƣ sau: 2H2O + SO2= H2SO4+ H2 Nhờ việc tạo ra H2SO4 mà điện dẫn của dung dịch hấp phụ sẽ tăng lên phụ thuộc vào hàm lƣợng SO2 trong khí mẫu. Đo độ dẫn điện này có thể suy ra nồng độ SO2 trong hỗn hợp khí mẫu phƣơng pháp này có thể đo nồng độ từ 0- 1ppm vơí độ nhạy 0,001ppm. Nhƣợc điểm của phƣơng pháp này là chỉ đo đƣợc gián đoạn cứ sau 30 hay 60 phút đo 1 lần và phải thay dung dịch. Phƣơng pháp huỳnh quang cực tím. Nguyên lý của phƣơng pháp nhƣ sau: Giả sử có một chùm tia cực tím cho qua bộ lọc ánh sáng với bƣớc sóng khoảng 210nm, khi ta cho chùm tia cực tím đó đi qua một ống quang học có chứa mẫu khí SO2, các phần tử SO2 sẽ bị kích thích trong một khoảng thời gian nhất định và một chùm tia cực tím với bƣớc sóng dài (gần 350nm) sẽ đƣợc phát ra. Thu tia phản xạ này, căn cứ vào cƣờng độ phát xạ ta có thể suy ra hàm lƣợng SO2 trong khí mẫu cần phân tích. 8.3.2 Các cảm biến đo tự động hàm lƣợng các oxit Nitơ (NOx) Oxit Nitơ đều là những chất khí độc hại, thƣờng đƣợc hình thành do hoạt động đốt cháy nhiên liệu nhƣ xăng, dầu, than gây ra, nhƣ NO2 là chất khí có màu nâu, có mùi, có tính axít, khí gây viêm loét đƣờng hô hấp hoà tan trong màng nhờn của phổi, gây bệnh đƣờng hô hấp. Để đo Chƣơng 8: Các cảm biến đo lƣờng khác Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 110 NOx chủ yếu sử dụng 2 phƣơng pháp: Phƣơng pháp thụ muối và phản quang hóa học: Phƣơng pháp hấp thụ muối: Khi cho khí có chứa NO2 qua dung dịch chứa muối, dung dịch sẽ hấp thụ NO2 làm thay đổi màu sắc của chất lỏng. Màu của chất lỏng đã hấp thụ NO2 có bƣớc sóng 545nm. Một Sensor quang sẽ đo sự thay đổi màu sắc đó ở bƣớc sóng này và suy ra hàm lƣợng NO2 chứa trong khí thử. Nếu trong hỗn hợp có chứa NO thì khí này không phản ứng với dung dịch muối, nó sẽ đi tiếp đến luồng oxi hóa chứa khí ôzôn (O3) để tạo ra NO2 và cũng đo bằng phƣơng pháp trên – phƣơng pháp này cho phép đo nồng độ NO2 trong khoảng 0 –1 ppm với độ nhạy 0,001ppm. Và thƣờng đo gián đoạn cứ 30 hay 60 phút 1 lần đo. Phƣơng pháp phản quang hoá học : Nhƣợc điểm phƣơng pháp trên là đo gián đoạn để đo liên tục ta sử dụng phƣơng pháp phản quang hóa học. Nguyên lý nhƣ sau: có một tia hồng ngoại yếu với bƣớc sóng khoảng 600nm đƣợc phát xạ khi xảy ra phản ứng giữa NO và O3. Phản ứng nhƣ sau: NO + O3= NO2* + O2 NO2* = NO2 + h Trong đó NO2* là oxit Nitơ đƣợc kích thích sẽ tạo thành NO2 và phát xạ tia hồng ngoại bƣớc sóng 600nm – 800nm. Đo cƣờng độ bƣớc xạ sẽ suy ra hàm lƣợng NO2 trong khi thử. 8.3.3 Đo nồng độ khí CO (Carbon monoxit) Oxit Cacbon (CO) là một chất vô cùng độc hại. Đó là một chất khí không mùi, kết hợp với hồng cầu tạo ra chất không vận chuyển oxi, ảnh hƣởng ngay tới thần kinh trung ƣơng và hệ tuần hoàn máu, gây đau đầu, mệt mỏi, mất ngủ giảm trí nhớ, ngộ độc nặng có thể tử vong. Để đo đƣợc lƣợng CO trong hỗn hợp khí ngƣời ta sử dụng tính chất hấp thụ tia hồng ngoại của CO ở bƣớc sóng 4,7mm. Một nguồn phát xạ hồng ngoại đƣợc cho qua bộ lọc ánh sáng chỉ cho tia hồng ngoại có bƣớc sóng 4,7mm lọc qua. Để tạo sự chênh áp ở luồng cảm biến ngƣời ta sử dụng 2 ngăn: ngăn 1 chứa không khí bình thƣờng( không có CO). Ngăn 2 thông với khí thử có chứa CO cần đo. Tia hồng ngoại đƣợc gián đoạn hoá bằng 1 đĩa đục lỗ do 1 động cơ quay khi có khí thử vào ngăn 2. Tia hồng ngoại bị CO hấp thụ kết quả ở buồng cảm biến xuất hiện sự chênh áp suất Chƣơng 8: Các cảm biến đo lƣờng khác Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 111 giữa P1 và P2. Một cảm biến điện dung đƣợc nối với mạch đo và đƣa vào máy tính xử lý kết quả. Phƣơng pháp này có độ chính xác và độ ổn định cao. 8.4 Cảm biến thông minh. Ngƣời ta sử dụng kết hợp vi xử lý – vi điều khiển với các laoij cảm biến khác nhau để tạo ra một loại cảm biến mới gọi là cảm biến thông minh (intelligent sensor). Cảm biến thông minh có thể thực hiện các chức năng mà cảm biến thông thƣờng khác không thể thực hiện nhƣ: - Khả năng thu thập dữ liệu ở những khoảng đo khác nhau - Đo theo một chƣơng trình lập sẵn mà chƣơng có thể thay đổi bằng thiết bị lập trình - Hiển thị kết quả khá tiện lợi qua màn hình máy tính, máy in - Hiệu chỉnh sai số - Mã hóa tín hiệu - Ghép nối dễ dàng với các thiết bị ngoại vi Hình 8.8: Cấu trúc một bộ cảm biến thông minh Từ đối tƣợng đo qua cảm biến sơ cấp S, các đại lƣợng đo biến thành tín hiệu điện đƣa vào bộ chuyển đổi chuẩn hóa nhằm tạo ra tín hiệu chuẩn thƣờng có điện áp từ 0 – 5 volt hoặc 0 – 10 volt để đƣa vào bộ dồn kênh MUX làm nhiệm vụ đƣa các tín hiệu vào bộ chuyển đổi A/D trƣớc khi đến bộ vi xử lý. Cảm biến thế hệ mới cho phép đo chiều dài, khoảng cách, độ dày với độ chính xác cao (m) Chƣơng 8: Các cảm biến đo lƣờng khác Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 112 Hình 8.9: Cảm biến thông minh (smart sensor) thế hệ mới Hình 8.10: Cấu tạo của cảm biến thông minh Chƣơng 8: Các cảm biến đo lƣờng khác Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 113 Hình 8.11: Một số ứng dụng của cảm biến thông minh 8.5 Cảm biến công tắc (Switch sensor) Cảm biến công tắc đƣợc dùng nhiều trong các ứng dụng robot. Cảm biến công tắc đƣợc sử dụng với nhiều mục đích, chẳng hạn: - Cảm biến va chạm (tiếp xúc): cảm biến công tắc đƣợc dùng để phát hiện khi có va chạm cơ học với một vật nào đó. Thí dụ, cảm biến công tắc tạo ra một sự chuyển mạch khi thân robot chạy vào tƣờng hoặc chạm giới hạn đƣờng chạy của robot. - Cảm biến giới hạn: tƣơng tự nhƣ cảm biến tiếp xúc, cảm biến giới hạn phát hiện một vật đã di chuyển đến cuối hành trình của nó, khi đó tín hiệu điều khiển motor sẽ tắt. - Mã hóa trục quay (shaft): một trục quay kết hợp với một công tắc chạm sẽ đƣợc ấn một lần Chƣơng 8: Các cảm biến đo lƣờng khác Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 114 ở một vòng quay. Phần mềm đếm số lần ấn để xác định số vòng và tốc độ quay của trục. Loại cảm biến công tắc không cần nguồn cung cấp và chịu đƣợc dòng lớn. Nó có thể phát hiện sự tiếp xúc của bất kỳ vật thể nào từ bất kỳ góc độ nào. Do đó chúng rất thuận lợi cho việc thiết kế robot đặc biệt đƣợc ứng dụng trong giới hạn hành trình của robot. Hình 8.11 Cảm biến giới hạn Có hai dạng công tắc cơ bản, bao gồm: - Công tắc nhỏ (microswitch), có dạng hình chữ nhật và thƣờng ở một trạng thái xác định. Công tắc nhỏ thƣờng có ba chân: NO – normally open (thƣờng hở), NC – normally closed (thƣờng đóng), C – common (chung). Chân chung có thể đƣợc nối với một trong hai chân kia tùy thuộc vào công tắc có đƣợc ấn hay không. Ở trạng thái không ấn, chân chung đƣợc nối với tiếp điểm thƣờng đóng, khi ấn, chân chung đƣợc nối với trạng thái thƣờng hở. - Công tắc nút ấn (pushbutton) đơn giản hơn. Khi đƣợc ấn, hai tiếp điểm đƣợc nối với nhau. Cũng có một số công tắc thƣờng đóng nhƣng ít phổ biến Hình 8.12: Hình ảnh một số dạng công tắc Chƣơng 8: Các cảm biến đo lƣờng khác Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 115 CÂU HỎI ÔN TẬP Câu 1: Trình bày đặc điểm và các thông số kỹ thuật của cảm biến điện dung HS1101 Câu 2: Cảm biến công tắc thƣờng đƣợc ứng dụng ở đâu, nhƣ thế nào? Câu 3: Trình bày thông số kỹ thuật: Module cảm biến phát hiện nhiệt độ + độ ẩm DHT11 Câu 4: Hoạt động và cấu tạo của cảm biến thông minh nhƣ thế nào? Câu 5: Trình bày các phƣơg pháp chủ yếu dùng để đo NOx TRẮC NGHIỆM Câu 6: Cảm biến thông minh là cảm biến có kết hợp giữa a. CPU và các loại sensor khác c. Cảm biến quang và dịch chuyển b. Các loại Encorder và vi xử lý d. Hệ thống camara và sensor Câu 7: 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 8: 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 Khoa Kỹ thuật Điện – Điện tử Trang 116 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Lê Văn Doanh - Phạm Thƣợng Hàn - Nguyễn Văn Hoà – Võ Thạch Sơn – Đoàn Văn Tân: “Các Bộ cảm biến trong kỹ thuật Đo lƣờng và điều khiển” NXB Khoa học kỹ thuật, năm 2002. [2] Th.s Hoàng Minh Thông: “Giáo trình cảm biến công nghiệp”, NXB Khoa học kỹ thuật Năm 2002 [3] Phạm Công Hoà: “Kỹ thuật cảm biến” , NXB Khoa học kỹ thuật, năm 2001 [4] Ngô Văn Ky, “ Kỹ thuật đo”, Trƣờng Đại Học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh, Năm 1993. [5] Dƣơng Minh Trí: “Cảm biến và ứng dụng” NXB Khoa học và Kỹ thuật, năm 2001 [6] SPKT: “Giáo trình đo lƣờng các đại lƣợng không điện”, Tp.HCM, năm 2002 [6] Giles A.F. Electronic sensing devicer. London, 1998