Giáo trình Kỹ thuật cảm biến (Trình độ Cao đẳng)

ề mặt - Cảm biến bị động có sử dụng điện năng bổ sung để chuyển sang tín hiệu điện. Điển hình là các photodiode khi có ánh sáng chiếu vào thì có thay đổi của điện trở tiếp giáp bán dẫn p-n được phân cực ngược. - Cường độ ... Hiện tượng Các đặc tính của kích thích - Độ nhạy - Độ chính xác - Độ phân giải - Độ chọn lọc - Độ tuyến tính - Công suất tiêu thụ - Dải tần - Độ trễ - Khả năng quá tải - Tốc độ đáp ứng - Độ ổn định - Tuổi thọ - Điều kiện môi trường - Kích thước, trọng lượng 12 1.3.7. Phân loại theo nguyên lý hoạt động. - Cảm biến điện trở: hoạt động dựa theo di chuyển con chạy hoặc góc quay của biến trở, hoặc sự thay đổi điện trở do co giãn vật dẫn. - Cảm biến cảm ứng: cảm biến biến áp vi phân, cảm biến cảm ứng điện từ, cảm biến dòng xoáy, cảm biến cảm ứng điện động, cảm biến điện dung,. - Cảm biến điện trường: cảm biến từ giảo, cảm biến áp điện, Và một số cảm biến nổi bật khác như: cảm biến quang, cảm biến huỳnh quang nhấp nháy, cảm biến điện hóa đầu dò ion và độ pH, cảm biến nhiệt độ, CÂU HỎI ÔN TẬP Câu hỏi 1: Trình bày khái niệm cơ bản và các bộ cảm biến ? Câu hỏi 2: Trình bày phạm vi ứng dụng của cảm biến? Câu hỏi 3: Trình bày phân loại các bộ cảm biến ? 13 CHƯƠNG 2: CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ 2.1. Đại cương về cảm biến nhiệt độ - Nhiệt độ là một trong số những đại lượng, có ảnh hưởng rất lớn đến tính chất vật chất. Đo nhiệt độ đóng vai trò quan trọng trong sản xuất công nghiệp và nhiều lĩnh vực khác. Bởi vậy trong nghiên cứu khoa học, trong công nghiệp cũng như trong đời sống, việc đo nhiệt độ là rất cần thiết. Tuy nhiên việc xác định chính xác một nhiệt độ là một vấn đề không đơn giản. Đa số các đại lượng vật lý đều có thể xác định trực tiếp nhờ so sánh chúng với một đại lượng cùng bản chất. - Nhiệt độ là đại lượng chỉ có thể đo gián tiếp dựa vào sự phụ thuộc của tính chất vật liệu vào nhiệt độ. - Cảm biến nhiệt độ là thiết bị dùng để cảm nhận sự biến đổi về nhiệt độ của đại lượng cần đo. - Hiện nay trên thị trường có rất nhiều loại cảm biến nhiệt độ, chúng có các đặc điểm khác nhau tùy vào từng ứng dụng thực tế, được dùng trong hệ thống HV và hệ thống điều khiển môi trường AC, trang bị y tế, cảm biến xử lý thực phẩm, xử lý hóa chất, hệ thống điều khiển ô tô, đo nhiệt độ trong bồn đun nước, đun dầu, đo nhiệt độ lò nung, lò sấy, đo nhiệt độ các loại máy móc 2.1.1. Thang đo nhiệt độ a. Thang Kelvin (Thomson Kelvin - 1852) - Thang nhiệt độ động học tuyệt đối, đơn vị nhiệt độ là K. - Trong thang đo này người ta gán cho nhiệt độ của điểm cân bằng ba trạng thái: nước - nước đá - hơi một giá trị có trị số bằng: 273,15 K. b. Thang Celsius (Andreas Celsius - 1742) - Thang nhiệt độ bách phân, đơn vị nhiệt độ là oC. - Nhiệt độ Celsius xác định qua nhiệt độ Kelvin theo biểu thức: T(oC)= T(K) - 273,15 (2.1) c. Thang Fahrenheit (Fahrenheit - 1706) - Đơn vị nhiệt độ là oF. Trong thang đo này, nhiệt độ của điểm nước đá tan là 32oF và điểm nước sôi là 212oF. - Quan hệ giữa nhiệt độ Fahrenheit và nhiệt Celssius: °C = 5/9 (F – 32) (2.2) °F = 9/5 (C + 32) (2.3) Bảng 2.1. Bảng cho các giá trị tương ứng của một số nhiệt độ quan trọng theo các thang đo khác nhau. Nhiệt độ Kelvin (K) Celsius (oC) Fahrenheit (oF) Điểm 0 tuyệt đối 0 - 273,15 -459,67 14 Hỗn hợp nước đá 273,15 0 32 Cân bằng nước - nước đá - hơi 273,16 0,01 32,018 Nước sôi 373,15 100 212 2.1.2. Nhiệt độ đo được và nhiệt độ cần đo - Giả sử môi trường đo có nhiệt độ thực bằng Tx, nhưng khi đo ta chỉ nhận được nhiệt độ Tc là nhiệt độ của phần tử cảm nhận của cảm biến. - Nhiệt độ Tx gọi là nhiệt độ cần đo, nhiệt độ Tc gọi là nhiệt độ đo được. - Điều kiện để đo đúng nhiệt độ là phải có sự cân bằng nhiệt giữa môi trường đo và cảm biến. Tuy nhiên, do nhiều nguyên nhân, nhiệt độ cảm biến không bao giờ đạt tới nhiệt độ môi trường Tx, do đó tồn tại một chênh lệch nhiệt độ Tx - Tc nhất định. Độ chính xác của phép đo phụ thuộc vào hiệu số Tx – Tc, hiệu số này càng nhỏ, độ chính xác của phép đo càng cao. Muốn vậy khi đo cần phải: + Tăng cường sự trao đổi nhiệt giữa bộ cảm biến và môi trường cần đo.Giảm sự trao đổi nhiệt giữa bộ cảm biến và môi trường bên ngoài. + Để tăng cường trao đổi nhiệt giữa môi trường có nhiệt độ cần đo và cảm biến ta phải dùng cảm biến có phần tử cảm nhận có tỉ nhiệt thấp, hệ số dẫn nhiệt cao, để hạn chế tổn thất nhiệt từ cảm biến ra ngoài thì các tiếp điểm, dẫn từ phần tử cảm nhận ra mạch đo bên ngoài phải có hệ số dẫn nhiệt thấp. 2.2. Nhiệt điện trở Platin và Nikel 2.2.1. Điện trở kim loại thay đổi theo nhiệt độ. - Nhiệt điện trở là điện trở có giá trị phụ thuộc vào nhiệt độ, khi nhiệt độ thay đổi thì điện trở cũng thay đổi - Với kim loại, sự chuyển động của các hạt mang điện theo một hướng thành một dòng điện trong kim loại. Sự chuyển động này có thể do một lực cơ học hay điện trường gây nên và điện tích có thể âm hay dương chuyển động theo chiều ngược nhau. - Dưới tác dụng của nhiệt độ làm cho sự chuyển động này thay đổi và giá trị điện trở cũng thay đổi. Có thể nhiệt độ tăng điện trở tăng hoặc nhiệt độ tăng thì điện trở giảm. - Khi chế tạo nhiệt điện trở người ta kéo chúng thành sợi mảnh quấn trên khung chịu nhiệt rồi đặt vào hộp có vỏ đặc biệt và đưa ra 2 đầu để lấy tín hiệu với điện trở (R). Trong thực tế nhà sản xuất đã chế tạo nhiệt điện trở có giá trị khoảng từ 10() đến 100(). - Nhiệt điện trở thường được chế tạo từ các vật liệu có khả năng chịu nhiệt như: Đồng, Nikel, Platin. - Điện trở kim loại thay đổi theo nhiệt độ có ưu điểm đơn giản, độ nhạy cao, ổn định dài hạn được sử dụng rất rộng rãi và nhiều. Xong nhược điểm của điện trở kim loại thay đổi theo nhiệt độ là kích thước lớn, cồng kềnh, có quán tính nhiệt lớn. 15 2.2.2. Nhiệt điện trở Platin. - Platin là vật liệu cho nhiệt điện trở được dùng rộng rãi trong công nghiệp. + Có thể chế tạo với độ tinh khiết rất cao (99,999%) do đó tăng độ chính xác của các tính chất điện. + Có tính trơ về mặt hoá học và tính ổn định cấu trúc tinh thể cao do đó đảm bảo tính ổn định cao về các đặc tính dẫn điện trong quá trình sử dụng. + Hệ số nhiệt điện trở ở 00C bằng 3,9.10-3/0C. + Điện trở ở 1000C lớn gấp 1,385 lần so với ở 00C. + Dải nhiệt độ làm việc khá rộng từ -2000C ÷ 10000C. - Có 2 tiêu chuẩn đối với nhiệt điện trở platin, sự khác nhau giữa chúng nằm ở mức độ tinh khiết của vật liệu. Hầu hết các quốc gia sử dụng tiêu chuẩn quốc tế DIN IEC 751 – 1983 (được sửa đổi lần 1 vào năm 1986, lần 2 vào 1995). Riêng USA vẫn tiếp tục sử dụng tiêu chuẩn riêng. 2.2.3. Nhiệt điện trở Nikel. + Có độ nhạy nhiệt cao bằng 4,7.10-3/0C. + Điện trở ở 1000C lớn gấp 1,617 lần so với ở 00C. + Dễ bị oxy hoá khi ở nhiệt độ cao làm giảm tính ổn định. + Dải nhiệt độ làm việc thấp hơn 2500C. - Nhiệt điện trở Nikel so sánh với Platin rẻ tiền hơn và có hệ số nhiệt độ lớn gần gấp 2 lần (6,18.10-3 0C-1). Tuy nhiên dải đo chỉ từ -600C đến +2500C, vì trên 3500C hệ số nhiệt điện trở của Nikel không ổn định. Cảm biến nhiệt Nikel thường dùng trong công nghiệp điều hoà nhiệt độ phòng. 2.2.4. Cách nối dây đo nhiệt điện trở. - Hiện các nhà sản xuất đã sản xuất ra nhiệt điện trở 2 dây, 3 dây, 4 dây nên ta có 3 kỹ thuật nối dây đo - Tiêu chuẩn IEC 751– 1983 yêu cầu dây nối đến cùng đầu nhiệt điện trở phải có màu giống nhau (đỏ hoặc trắng) và dây nối đến 2 đầu phải khác màu. a. Kỹ thuật hai dây: - Đây là loại cấu hình dây đơn giản nhất và độ chính xác cũng thấp nhất. Điện trở của dây mắc nối tiếp với phần tử cảm biến làm ảnh hưởng đến độ chính xác. Dây nối càng dài càng ảnh hưởng càng lớn. 16 Hình 2.1. Kỹ thuật 2 dây - Giữa nhiệt điện trở và mạch đo được nối bởi hai dây. Bất cứ dây dẫn điện nào đều có điện trở, điện trở này nối nối tiếp với nhiệt điện trở. Với hai điện trở của hai dây đo, mạch điện trở sẽ nhận được một điện thế cao hơn điện thế cần đo. Kết quả ta có chỉ thị nhiệt kế cao hơn nhiệt độ cần đo. Nếu khoảng cách quá xa, điện trở dây đo có thể lên đến vài Ohm và gây ra sai số cho phép đo. - Để tránh sai số của phép đo do điện trở của dây đo gây ra, người ta bù trừ điện trở của dây đo bằng cách. Dùng một biến trở bù được nối vào một trong hai dây đo rồi chỉnh biến trở sao cho có chỉ thị 00C bù lại điện trở của dây đo gây ra sai số. b. Kỹ thuật 3 dây: Hình 2.2. Kỹ thuật 3 dây - Có 3 sợi dây nối từ RTD thay vì 2 dây. L1 và L3 dẫn dòng đo, L2 có vai trò như dây chiết áp. Lý tưởng thì điện trở của dây L1 và L3 không có. Trở kháng của R3 thì bằng với trở kháng của phần tử cảm biến Rt. - Với cách nối dây này ta có hai mạch đo được hình thành, một trong hai mạch được dùng làm mạch chuẩn. Với kỹ thuật 3 dây, sai số cho phép đo do điện trở dây đo và sự thay đổi của nó do nhiệt độ không còn nữa. Tuy nhiên 3 dây đo cần có cùng trị số kỹ thuật và có cùng một nhiệt độ. Kỹ thuật 3 dây rất phổ biến. c. Kỹ thuật 4 dây. Hình 2.3. Kỹ thuật 4 dây - Loại này khắc phục được lỗi do trở kháng của điểm nối gây ra. Dòng điện đi từ nguồn dòng đến L1 rồi đến dây L4; Dây L2 và L3 đo áp rơi trên RTD. Với nguồn dòng cố định thì phép đo chính xác hơn. Loại cấu hình này có giá thành cao hơn so với cấu hình 2 hay 3 dây. Tuy nhiên nếu đòi hỏi sự chính xác cao thì nên lựa chọn loại cấu hình này (trong phòng thí nghiệm, ít dùng trong công nghiệp). 17 - Với kỹ thuật 4 dây người ta đạt kết quả đo tốt nhất. Hai dây được dùng để cho một dòng điện không đổi qua nhiệt điện trở. Hai dây khác được dùng làm dây đo điện thế trên nhiệt điện trở. Trường hợp tổng trở ngõ vào của mạch đo rất lớn so với điện trở dây đo, điện trở dây đo đó coi như không đáng kể. Điện thế đo được không bị ảnh hưởng bởi điện trở dây đo và sự thay đổi của nó do nhiệt. 2.3. Cảm biến nhiệt độ với vật liệu Silic 2.3.1. Nguyên tắc chung - Cảm biến nhiệt độ với vật liệu Silic đang ngày càng đóng vai trò quan trọng trong các hệ thống điện tử. Với cảm biến silic, bên cạnh đặc điểm tuyến tính, sự chính xác, phí tổn thấp, và có thể được tích hợp trong 1 IC cùng với bộ phận khuếch đại và các yêu cầu xử lí tín hiệu khác. - Hệ thống trở nên nhỏ gọn, mức độ phức tạp cao hơn và chạy nhanh hơn. Kỹ thuật cảm biến nhiệt truyền thống như cặp nhiệt, nhiệt điện trở có đặc tuyến không tuyến tính và yêu cầu sự điều chỉnh để có thể chuyển đổi chính xác từ giá trị nhiệt độ sang đại lượng điện (dòng hoặc áp) đang được thay thế dần bởi các cảm biến Silic với lợi điểm là sự nhỏ gọn của mạch điện tích hợp và dễ sử dụng. - Silic tinh khiết hoặc đơn tinh thể Silic có hệ số điện trở âm, tuy nhiên khi được kích tạp chất loại N ở nhiệt độ nào đó hệ số điện trở của nó trở thành dương. Khoảng nhiệt độ sử dụng từ - 50oC đến 150 oC. Sự thay đổi nhiệt của điện trở suất Silic phụ thuộc vào nồng độ chất pha và nhiệt độ + Nếu nhiệt độ nhỏ hơn 120 oC (dải nhiệt độ làm việc) điện trở suất tăng khi nhiệt độ tăng. Hệ số nhiệt của điện trở càng nhỏ khi nồng độ pha tạp càng nhiều + Nếu nhiệt độ lớn hơn 120 oC (dải nhiệt độ làm việc) điện trở suất giảm khi nhiệt độ tăng. Hệ số nhiệt của điện trở suất không phụ thuộc vào nồng độ pha tạp 2.3.2. Đặc trưng kỹ thuật cơ bản của dòng cảm biến KTY (hãng Philips sản xuất) - Với sự chính xác và ổn định lâu dài của cảm biến với vật liệu silic KTY, sử dụng công nghệ điện trở phân rải. Đây là một sự thay thế tốt cho các loại cảm biến nhiệt độ truyền thống. - Giả thiết cảm biến làm việc ở nhiệt độ có giá trị bằng một nửa giá trị nhiệt độ hoạt động cực đại. Sau thời gian làm việc ít nhất là 450000h (khoảng 51 năm), hoặc sau 1000h (1,14 năm) hoạt động liên tục với dòng định mức tại giá trị nhiệt độ hoạt động cực đại, cảm biến silic sẽ cho kết quả đo với sai số như bảng sau: Bảng 2.2. Sai số của cảm biến silic (do thời gian sử dụng) TYPE Sai số tiêu biểu (K) Sai số lớn nhất (K) KTY81-1 KTY82-1 0.20 0.50 18 KTY81-2 KTY82-2 0.20 0.80 KTY83 0.15 0.40 - Do cảm biến được sản xuất dựa trên nền tảng công nghệ silic nên gián tiếp chúng ta sẽ hưởng được lợi ích từ những tiến bộ trong lãnh vực công nghệ này, đồng thời điều này cũng gián tiếp mang lại những ảnh hưởng ích cực cho công nghệ “đóng gói”, nơi mà luôn có khuynh hướng thu nhỏ. - Nhiệt độ hoạt động của các cảm biến silic thông thường bị giới hạn ở 1500C. KTY 84 với vỏ bọc SOD68 và công nghệ nối đặc biệt giữa dây dẫn và chip có thể hoạt động đến nhiệt độ 3000C. Bảng 2.3. Một số sản phẩm tiêu biểu Tên sản phẩm Thang đo (°C) Dạng IC KTY81-1 −55 tới 150 SOD70 KTY81-2 −55 tới 150 SOD70 KTY82-1 −55 tới 150 SOT23 KTY82-2 −55 tới 150 SOT23 KTY83-1 −55 tới 175 SOD68 (DO- 34) KTY84-1 −40 tới 300 SOD68 (DO- 34) 2.4. IC cảm biến nhiệt độ - Nhiều công ty trên thế giới đã chế tạo IC bán dẫn để đo và hiệu chỉnh nhiệt độ. IC cảm biến nhiệt độ là mạch tích hợp nhận tín hiệu nhiệt độ chuyển thành tín hiệu dưới dạng điện áp hoặc tín hiệu dòng điện. - Dựa vào các đặc tính rất nhạy cảm của các bán dẫn với nhiệt độ, tạo ra điện áp hoặc dòng điện tỷ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt đối 0C, 0F, 0K hay tùy loại. Đo tín hiệu điện ta biết được nhiệt độ cần đo. Tầm đo nhiệt độ giới hạn từ -550C đến 1500C, độ chính xác từ 10C đến 20C tùy theo từng loại. 2.4.1. Cảm biến nhiệt LM 35/ 34 của National Semiconductor a. Cảm biến nhiệt LM35 - LM35 là một loại cảm biến nhiệt độ giá rẻ thường được sử dụng để đo nhiệt độ (theo °C). Nó với thể đo nhiệt độ chính xác hơn so với một điện trở nhiệt (thermistor) cùng tầm giá. Cảm biến này tạo ra điện áp có đầu ra cao hơn các cặp nhiệt điện và có thể ko cần điện áp đầu ra được khuếch đại. LM35 có điện áp đầu ra tỷ lệ thuận có nhiệt độ Celsius. Hệ số tỷ lệ là .01V / °C. 19 - LM35 có độ chuẩn xác hơn kém 0,4 °C ở nhiệt độ phòng bình thường và hơn kém 0,8 ° C trong khoảng 0 ° C đến + 100 ° C. Một đặc tính quan trọng hơn của cảm biến này là rằng nó chỉ thu được 60 microamps từ nguồn cung ứng và có khả năng tự sưởi ấm thấp. - Điện áp hoạt động: Vc= 4V tới 30V - Điện áp ngõ ra tuyến tính: 10mV/0C - Thang đo: -550C đến 1500C với LM 35/35A; -400C đến 1100C với LM 35C/35CA; 00C đến 1000C với LM 35D - Sự tự nung nóng rất nhỏ: 0,08 0C (trong môi trường không khí) - Mức độ không tuyến tính chỉ  1/40C - LM35 dùng để đo nhiệt độ của một môi trường đặc biệt, kiểm tra nhiệt độ pin. Cung cấp thông tin về nhiệt độ của một linh kiện điện tử khác - Hình dạng Hình 2.4. Hình dạng thực tế LM35 b. Cảm biến nhiệt LM 34 - LM34 là một loại cảm biến nhiệt độ giá rẻ thường được sử dụng để đo nhiệt độ (theo ° F). - LM34 có cấu trúc tương tự LM 35 - Điện áp hoạt động: 5 tới 20 VDC. - LM 34 có ngõ ra 10mV/0F - Thang đo: -50 đến +3000F - Mức độ không tuyến tính chỉ  0,40F. - Trở kháng ngõ ra LM34 thấp và đặc điểm ngõ ra tuyến tính làm cho giá trị đọc ra hay điều khiển mạch điện dễ dàng. - LM34 dùng để đo nhiệt độ của một môi trường đặc biệt, kiểm tra nhiệt độ pin. Cung cấp thông tin về nhiệt độ của một linh kiện điện tử khác - Hình dạng 20 Hình 2.5. Hình dạng thực tế LM34 2.4.2.Cảm biến nhiệt độ AD 590 của Analog Devices - AD590 (Analog Devices) được thiết kề là một cảm biến nhiệt có tổng trở ngõ ra khá lớn (10 mê ga ôm), vi mạch đã được cân bằng bởi nhà sản xuất khiến cho dòng µA ra tương ứng chuẩn với nhiệt độ K. Điện áp làm việc càng nhỏ càng tốt để tránh hiện tượng tự gia nhiệt, khi cấp điện áp thay đổi dòng điện thay đổi rất ít - Dải điện áp cung cấp điện từ 3 đến 30VDC - Thang đo -55 đến 1500 C - Công suất đầu ra 223 mu đến 423 mu - Dòng điện ra tỉ lệ 1µA /0K - Khi điện trở lấy mẫu R được kết nối trong mạch, điện áp ở cả hai đầu của R có thể được sử dụng làm điện áp đầu ra. Điện trở của R không quá lớn để đảm bảo điện áp của AD590 không nhỏ hơn 3V. Khoảng cách truyền tín hiệu hiện tại đầu ra AD590 có thể đạt hơn 1km. Là một loại nguồn có trở kháng cao, lên đến 20 m, do đó, không cần xem xét việc chọn công tắc hoặc được giới thiệu bởi bộ ghép kênh CMOS trở kháng bổ sung gây ra bởi lỗi. Nó phù hợp để đo nhiệt độ đa điểm và đo nhiệt độ từ xa - Hình dạng Hình 2.6. Hình dạng thực tế AD590 2.5. Nhiệt điện trở NTC - NTC (Negative Temperature Conficient): Là nhiệt điện trở bán dẫn có hệ số nhiệt điện trở âm cũng giống như cảm biến đo nhiệt độ nhưng chỉ trong một khoảng nhiệt độ nhất định. 21 2.5.1. Cấu tạo - NTC được cấu tạo từ hỗn hợp đa tinh thể của nhiều bột oxit kim loại như mangan, nickel, cobaltCác bột này được hòa trộn theo tỉ lệ và khối lượng nhất định sau đó được nén chặt và nung ở nhiệt độ cao (10000C 14000C). Và mức độ dẫn điện của hổn hợp này sẽ thay đổi khi nhiệt độ thay đổi - Để có các NTC có những đặc trưng kỹ thuật ổn định với thời gian dài, nó còn được xử lí với những phương pháp đặc biệt sau khi chế tạo. 2.5.2. Ký hiệu v Hình 2.7. Ký hiệu NTC 2.5.3. Nguyên lý (đặc tính) cảm biến nhiệt NTC - Thay đổi điện trở khi nhiệt độ thay đổi (giá trị điện trở giảm khi nhiệt độ tăng). NTC giảm từ 3 đến 5, 5 % /10C - Ưu điểm: Bền, rẻ tiền, dễ chế tạo. - Nhược điểm: Dãy tuyến tính hẹp. 2.5.4. Ứng dụng - NTC có nhiều ứng dụng làm các chức năng bảo vệ, ép vào cuộn dây động cơ, mạch điện tửvà chia làm 2 loại: đo lường và làm bộ trễ. - Loại dùng làm đo lường: Trong đo lường và tác động bù, cần tránh hiện tượng tự sinh nhiệt do dòng NTC lớn, như vậy NTC hoạt động chủ yếu trong vùng tuyến tính, trong vùng này điện trở của NTC được xác định bằng nhiệt độ môi trường, phạm vi chủ yếu của NTC trong lĩnh vực này là đo nhiệt độ, kiểm tra, điều khiển. Tuy nhiên NTC cũng được dùng để bù tính phụ thuộc nhiệt độ của điện trở cho các mạch điện tử dùng bán dẫn - Loại dùng làm bộ trễ: NTC có tính chất trễ, khi dòng điện qua nó lớn đến nỗi điện trở giảm nhiều do quá trình tự tỏa nhiệt, tải càng lớn thì điện trở NTC càng giảm mạnh. Nhiệt điện trở NTC tạo tác dụng trễ nhằm triệt dòng đỉnh tim các bóng điện tử, mạch có tính dung kháng 2.6. Nhiệt điện trở PTC - PTC (Positive Temperature Coefficent): Là loại nhiệt điện trở có hệ số nhiệt điện trở dương cũng giống như cảm biến đo nhiệt độ nhưng chỉ trong một khoảng nhiệt độ nhất định. 2.6.1. Cấu tạo - Vật liệu chế tạo PTC gồm hỗn hợp barium carbonate và một vài oxit kim loại khác được ép và nung. Nhiều tính chất về điện khác nhau, có thể đạt được bằng cách 22 gia giảm các hợp chất trộn khác nhau về nguyên vật liệu và bằng cách gia nhiệt theo nhiều phương pháp. - Sau khi gia nhiệt nung kết các mối nối đã được hình thành sau đó trong quá trình sản xuất các dây nối dẫn ra ngoài được thêm vào. Nhiệt điện trở PTC thông thường được phủ ở bên ngoài một lớp vỏ có cấu tạo như vécni để chống lại ảnh hưởng của môi trường không khí 2.6.2. Ký hiệu v Hình 2.8. Ký hiệu PTC 2.6.3. Nguyên lý (đặc tính) cảm biến nhiệt PTC - Thay đổi điện trở khi nhiệt độ thay đổi (giá trị điện trở tăng khi nhiệt độ tăng). - Ưu điểm: Bền, rẻ tiền, dễ chế tạo. - Nhược điểm: Dãy tuyến tính hẹp. 2.6.4. Ứng dụng - Nhiệt điện trở PTC được mắc trong một cầu đo của mạch so sánh ở nhiệt độ bình thường điện áp ngõ ra ở mức thấp, khi sự tăng nhiệt độ vượt quá ngưỡng xuất hiện PTC bị nung nóng nên điện áp ngõ ra lên mức thấp - PTC được dùng để phát hiện sự tăng nhiệt bất thường trong động cơ bằng cách đo trực tiếp, cảm biến nhiệt được gắn chìm trong cuộn stato, tín hiệu được xử lý nhờ một thiết bị điều khiển 2.7. Ứng dụng các loại cảm biến nhiệt độ 2.7.1. Quan sát, nhận biết, ghi thông số kỹ thuật của cảm biến nhiệt độ LM35 2.7.2. Quan sát, nhận biết, ghi thông số kỹ thuật của nhiệt điện trở NTC CÂU HỎI ÔN TẬP Câu hỏi 1: Trong thực tế sử dụng các loại thang đo nhiệt độ nào Câu hỏi 2: Trình bày kiến thức cơ bản về cảm biến nhiệt LM 35/ 34 của National Semiconductor, Cảm biến nhiệt độ AD 590 của Analog Devices ? Câu hỏi 3: Kể tên các kỹ thuật nối dây nhiệt điện trở ? Nêu kỹ thuật 2 dây, 3 dây, 4 dây ? Câu hỏi 4: Trình bày kiến thức cơ bản về Platin và Nikel? Câu hỏi 5: Trình bày cấu tạo, ký hiệu, đặc tính, ứng dụng nhiệt điện trở NTC ? Câu hỏi 6: Trình bày cấu tạo, ký hiệu, đặc tính, ứng dụng nhiệt điện trở PTC ? Câu hỏi 7: Trình bày nguyên tắc chung và đặc trưng kỹ thuật cơ bản của dòng cảm biến KTY (hãng Philips sản xuất)? 23 CHƯƠNG 3: CẢM BIẾN TIỆM CẬN VÀ CÁC LOẠI CẢM BIẾN XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ, KHOẢNG CÁCH 3.1. Cảm biến tiệm cận (Proximity Sensor) * Đặc điểm - Cảm biến tiệm cận là một kỹ thuật để nhận biết sự có mặt hay không có mặt của một vật thể với cảm biến điện tử không công tắc (không đụng chạm). - Phát hiện vật không cần tiếp xúc - Tốc độ đáp ứng cao - Đầu cảm biến nhỏ có thể lắp đặt ở nhiều nơi - Có thể sử dụng trong môi trường khắc nghiệt * Các thuật ngữ thường sử dụng - Vật Chuẩn: Một vật được xem là vật chuẩn nếu hình dạng, vật liệu, kích cỡ... của vật phù hợp với yêu cầu của nhà sản xuất để có thể phát huy được hết các đặc tính kỹ thuật của cảm biến. - Tần số đáp ứng: Số lần tác động lặp lại khi vật cảm biến đi vào vùng hoạt động của cảm biến. - Khoảng cách phát hiện: Khoảng cách xa nhất từ đầu cảm biến đến vị trí vật chuẩn mà cảm biến có thể phát hiện được. Hình 3.1. Khoảng cách phát hiện - Khoảng cách cài đặt: Khoảng cách để cảm biến có thể nhận biết vật một cách ổn định (thường bằng 70 – 80% khoảng cách phát hiện) 24 Hình 3.2. Khoảng cách cài đặt - Thời gian đáp ứng: + t1: Thời gian từ lúc đối tượng đi vào vùng phát hiện của cảm biến đến lúc cảm biến báo tín hiệu + t2: Thời gian từ lúc đối tượng chuẩn đi ra khỏi vùng phát hiện cho đến khi cảm biến hết báo tín hiệu Hình 3.3. Thời gian đáp ứng 3.1.1. Cảm biến tiệm cận điện cảm (Inductive Proximity Sensor) - Cảm biến tiệm cận điện cảm có nhiều kích thước và hình dạng khác nhau tương ứng với các ứng dụng khác nhau. - Cảm biến tiệm cận điện cảm được dùng để phát hiện các đối tượng là kim loại 25 Hình 3.4. Cảm biến tiệm cận điện cảm a. Cấu tạo: Gồm có 4 phần chính + Cuộn dây và lõi ferit + Mạch dao động + Mạch phát hiện + Mạch đầu ra b. Nguyên lý hoạt động - Cảm biến tiệm cận điện cảm được thiết kế để tạo ra một vùng điện trường, khi một vật bằng kim loại tiến vào khu vực này, xuất hiện dòng điện xoáy (dòng điện cảm ứng) trong vật thể kim loại này. Dòng điện xoáy gây nên sự tiêu hao năng lượng (do điện trở của kim loại) làm ảnh hưởng đến biên độ sóng dao động, đến một trị số nào đó tín hiệu này được ghi nhận. Mạch phát hiện sẽ phát hiện sự thay đổi tín hiệu và tác động để mạch ra lên mức ON. Khi đối tượng rời khỏi khu vực từ trường, sự dao động được tái lập, cảm biến trở lại trạng thái bình thường - Tùy thuộc vào cấu tạo của sản phẩm, dải đo của cảm biến tiệm cận với khoảng cách phát hiện nhỏ từ 0 đến 50mm c. Phân loại cảm biến tiệm cận điện cảm - Cảm biến tiệm cận điện cảm có thể phân làm 2 loại: Được bảo vệ và không được bảo vệ. Loại không được bảo vệ thường có tầm phát hiện lớn hơn loại được bảo vệ. - Cảm biến tiệm cận điện cảm loại được bảo vệ: Có 1 vòng kim loại bao quanh giúp hạn chế vùng điện từ trường ở vùng bên. Vị trí lắp đặt cảm biến có thể đặt ngang bằng với bề mặt làm việc. - Cảm biến tiệm cận điện cảm loại không được bảo vệ: Không có vòng kim loại bao quanh. Không thể lắp đặt cảm biến ngang bằng bề mặt làm việc (bằng kim loại). Xung quanh cảm biến phải có 1 vùng không có chứa kim loại Hình 3.5. Hình dạng 2 loại cảm biến d. Những yếu tố ảnh hưởng đến tầm phát hiện của cảm biến tiệm cận điện cảm - Kích thước của vật cảm biến: Nếu kích cỡ vật cảm biến nhỏ hơn vật chuẩn, khoảng cách phát hiện của cảm biến sẽ giảm. 26 - Bề dày của vật cảm biến: Với cảm biến thuộc nhóm kim loại có từ tính (sắt, niken, SUS, ) bề dày của vật chuẩn phải lớn hơn hoặc bằng 1mm. Bề dày của vật cảm biến càng mỏng thì khoảng cách phát hiện càng giảm. - Vật liệu và kích thước đối tượng: Khoảng cách phát hiện của cảm biến phụ thuộc rất nhiều vào vật liệu của cảm biến. Các vật liệu có từ tính hoặc kim loại có chứa sắt sẽ có khoảng cách phát hiện xa hơn các vật liệu không từ tính hoặc không chứa sắt. - Lớp mạ bên ngoài của vật cảm biến: Nếu vật cảm biến được mạ khoảng cách phát hiện cũng sẽ bị ảnh hưởng. - Nhiệt độ môi trường. e. Ưu nhược điểm của cảm biến tiệm cận điện cảm. * Ưu điểm. - Không chịu ảnh hưởng của độ ẩm, bụi bặm. - Không có bộ phận chuyển động, không có “khu vực mù” (cảm biến không phát hiện ra đối tượng mặc dù đối tượng ở gần cảm biến), không gây nhiễu cho các sóng điện từ, sóng siêu âm. - Không phụ thuộc vào màu sắc, ít phụ thuộc vào bề mặt đối tượng hơn so với các kĩ thuật khác. - Phát hiện vật không cần phải tiếp xúc, tốc độ đáp ứng nhanh. - Có thể sử dụng trong môi trường khắc nghiệt, đầu cảm biến nhỏ, có thể lắp đặt ở nhiều nơi. * Nhược điểm. - Chỉ phát hiện được đối tượng là kim loại. - Bị chịu ảnh hưởng bởi các vùng điện từ mạnh. - Phạm vi hoạt động ngắn hơn so với các kĩ thuật khác. f. Một số ứng dụng của cảm biến tiệm cận điện cảm. + Công nghiệp dầu mỏ (xác định vị trí của van) + Công nghiệp đóng gói + Công nghệ mạ + Xác định vị trí thang máy 27 + Phát hiện việc đóng nắp nhôm các chai bia + Phát hiện các lá kim loại trên giấy bọc socola sau khi đóng gói Hình 3.6. Các ứng dụng của cảm biến tiệm cận điện cảm 3.1.2. Cảm biến tiệm cận điện dung (Capacitive Proximity Sensor). a. Giới thiệu chung. - Cảm biến tiệm cận điện dung giống về kích thước, hình dáng, cơ sở hoạt động so với cảm biến tiệm cận điện cảm. Điểm khác biệt căn bản giữa chúng là cảm biến tiệm cận điện dung tạo ra vùng điện trường còn cảm biến tiệm cận điện cảm tạo ra vùng điện từ trường. - Cảm biến tiệm cận điện dung có thể phát hiện đối tượng có chất liệu kim loại cũng như không phải kim loại. Hình 3.7. Cảm biến tiệm cận điện dung b. Cấu tạo: Gồm có 4 phần chính + Bộ phận cảm biến (các bản cực hay điện cực cách điện) + Mạch dao động + Mạch phát tín hiệu 28 + Mạch đầu ra c. Nguyên lý hoạt động. - Tụ điện gồm hai bản cực và chất điện môi ở giữa. Khoảng cách giữa hai điện cực ảnh hưởng đến khả năng tích trữ điện tích của một tụ điện (điện dung là đại lượng đặc trưng cho khả năng tích trữ điện tích của một tụ điện). - Nguyên tắc hoạt động của cảm biến tiệm cận loại điện dung dựa trên sự thay đổi điện dung khi vật thể xuất hiện trong vùng điện trường. Từ sự thay đổi này trạng thái “On” hay “Off” của tín hiệu ngõ ra được xác định. - Một bản cực là thành phần của cảm biến, đối tượng cần phát hiện là bản cực còn lại. - Tùy thuộc vào cấu tạo của sản phẩm, dải đo của cảm biến tiệm cận với khoảng cách phát hiện nhỏ từ 0 đến 50mm d. Phân loại cảm biến tiệm cận điện dung. - Cảm biến tiệm cận điện dung cũng phân thành 2 loại: Được bảo vệ và không được bảo vệ. - Cảm biến tiệm cận điện dung loại được bảo vệ: Có vòng kim loại bao quanh giúp hướng vùng điện trường về phía trước và có thể đặt ngang bằng với bề mặt làm việc. - Cảm biến tiệm cận điện cảm loại không được bảo vệ: Không có vòng kim loại bao quanh và không thể đặt ngang bằng với bề mặt làm việc. Xung quanh cảm biến phải có 1 vùng trống, kích thước vùng trống tùy thuộc vào từng loại cảm biến. e. Những yếu tố ảnh hưởng đến tầm phát hiện của cảm biến tiệm cận điện dung. - Kích thước của điện cực của cảm biến. - Vật liệu và kích thước đối tượng - Nhiệt độ môi trường - Đối tượng tiêu chuẩn và hằng số điện môi: Đối tượng tiêu chuẩn được chỉ định riêng với từng loại cảm biến tiệm cận điện dung. Thông thường chất liệu của đối tượng tiêu chuẩn được định nghĩa là kim loại hoặc nước f. Ưu điểm và nhược điểm của cảm biến tiệm cận điện dung. * Ưu điểm. - Có thể cảm nhận vật dẫn điện, không dẫn điện - Tính chất tuyến tính và độ nhạy không tùy thuộc vào vật liệu kim loại. - Nó có thể cảm nhận được vật thể nhỏ, nhẹ. - Vận tốc hoạt động nhanh. - Tuổi thọ cao và độ ổn định cũng cao đối với nhiệt độ. - Đối tượng phát hiện có thể là chất lỏng, vật liệu phi kim - Phạm vi cảm nhận lớn. - Đầu cảm biến nhỏ, có thể lắp đặt ở nhiều nơi. 29 * Nhược điểm. - Bị ảnh hưởng bởi độ ẩm - Dây nối với sensor phải ngắn để điện dung dây không ảnh hưởng đến bộ cộng hưởng của bộ dao động. g. Một số ứng dụng của cảm biến tiệm cận điện dung. Công nghiệp thực phẩm Đo mực chất lỏng Chế biến gỗ Kiểm tra số lượng sản phẩm trong công nghiệp thực phẩm Đo mực chất lỏng Chế biến gỗ Đo mực chất lỏng 30 Dùng để phát hiện sữa trong hộp giấy Phát hiện được bề mặt chất lỏng, không bị ảnh hưởng bởi màu sắc chất lỏng và khi ống bị bẩn Hình 3.8. Một số ứng dụng của cảm biến tiệm cận điện dung 3.1.3. Cảm biến tiệm cận siêu âm (Ultrasonic proximity sensor). - Cảm biến tiệm cận siêu âm có thể phát hiện hầu hết các loại đối tượng kim loại hoặc không phải là kim loại, chất lỏng hoặc chất rắn, vật trong hoặc mờ đục (những vật có hệ số phản xạ sóng âm thanh đủ lớn). Hình 3.9. Cảm biến tiệm cận siêu âm a. Cấu tạo: Gồm có 4 phần chính + Bộ phận phát và nhận sóng siêu âm 31 + Bộ phận so sánh + Mạch phát hiện + Mạch điện ngõ ra b. Nguyên lý hoạt động - Cảm biến siêu âm phát ra các xung âm thanh tần số ngắn, tần số cao theo khoảng thời gian đều đặn. Chúng lan truyền trong không khí với tốc độ âm thanh. Nếu chúng gặp một vật thể, chúng sẽ phản xạ trở lại dưới dạng tín hiệu phản hồi và tự tính toán khoảng cách tới đích dựa trên khoảng thời gian giữa phát ra tín hiệu và nhận về. - Các cảm biến công nghiệp hoạt động với tần số 25 khz đến 500 Khz. Các cảm biến trong lãnh vực y khoa thì hoạt động với khoảng tần số từ 5MHz trở lên. Tần số hoạt động của cảm biến tỉ lệ nghịch với khoảng cách phát hiện cảm biến. c. Ưu nhược điểm của cảm biến tiệm cận siêu âm * Ưu điểm - Khoảng cách mà cảm biến có thể phát hiện vật thể lên tới 15m. - Sóng phản hồi của cảm biến không phụ thuộc màu sắc của bề mặt đối tượng hay tính chất phản xạ ánh sáng của đối tượng - Tín hiệu đáp ứng của cảm biến tiệm cận siêu âm analog là tỉ lệ tuyến tính với khoảng cách. Điều này đặc biệt lý tưởng cho các ứng dụng như theo dõi các mức của vật chất, mức độ chuyển động của đối tượng. * Nhược điểm - Yêu cầu đối tượng có một diện tích bề mặt tối thiểu (giá trị này tùy thuộc vào từng loại cảm biến). - Chịu ảnh hưởng của các sóng âm thanh tạp âm. - Yêu cầu một khoảng thời gian sau mỗi lần sóng phát đi để sẵn sàng nhận sóng phản hồi. Kết quả thời gian đáp ứng chậm hơn các cảm biến khác khoảng 0,1 s. - Với các đối tượng có mật độ vật chất thấp như bọt hay vải (quần áo) rất khó để phát hiện với khoảng cách lớn. - Bị giới hạn khoảng cách phát hiện nhỏ nhất. - Sự thay đổi của môi trường như nhiệt độ (vận tốc âm thanh phụ thuộc vào nhiệt độ), áp suất, sự chuyển không đồng đều của không khí, bụi bẩn bay trong không khí gây ảnh hưởng đến kết quả đo. - Nhiệt độ bề mặt của đối tượng của ảnh hưởng đến phạm vi hoạt động của cảm biến. d. Một số ứng dụng của cảm biến tiệm cận siêu âm 32 Phát hiện sự hiện diện, không hiện diện của đối tượng trong suốt bằng thủy tinh. Dùng trong điều khiển mực chất lỏng. Đo khoảng cách, độ cao, hay vị trí của phiến gỗ trên dây chuyền Phát hiện người Phát hiện đường kính Phát hiện dây bị đứt Đo mực chất lỏng 33 Đo mực chất lỏng trong lọ (có cổ nhỏ) Phát hiện chiều cao Đếm chai Phát hiện giấy bị đứt Phát hiện xe Phát hiện chiều cao Hình 3.10. Một số ứng dụng của cảm biến tiệm cận siêu âm 3.1.4. Cấu hình ngõ ra của cảm biến tiệm cận Với điện áp DC thấp, cảm biến có 2 dạng cấu hình ngõ ra phổ biến là: kiểu Tranzitor NPN và kiểu Tranzitor PNP a. Trường hợp cảm biến loại NPN: Tải mắc giữa ngõ ra A của cảm biến và cực dương của nguồn điện. Hình 3.11. Loại NPN b. Trường hợp cảm biến loại PNP: Tải mắc giữa ngõ ra A của cảm biến và cực âm của nguồn điện. 34 Hình 3.12. Loại PNP c. Ngõ ra dạng Analog. - Cảm biến có thể cung cấp tín hiệu ngõ ra dưới dạng dòng và áp tương ứng (hay nghịch đảo sự tương ứng) với sự phát hiện. Trạng thái ngõ ra của cảm biến có thể là thường đóng (NO) hoặc thường mở (NC). Ví dụ: Cảm biến loại PNP, trạng thái ngõ ra là Off khi không có đối tượng xuất hiện thì nó là thiết bị loại thường mở. Ngược lại trạng thái ngõ ra là On khi không có đối tượng xuất hiện thì nó là loại thường đóng. 3.1.5. Cách kết nối các cảm biến tiệm cận với nhau - Trong một số ứng dụng đòi hỏi phải sử dụng nhiều hơn 1 cảm biến. Các cảm biến có thể nối song song hoặc mắc nối tiếp. - Khi mắc song song, ngõ ra lên On khi tất cả các cảm biến đều lên On. - Khi mắc nối tiếp, chỉ cần 1 trong số các cảm biến lên On thì ngõ ra lên On. a. Cảm biến tiệm loại 2 dây + Mắc nối tiếp Hình 3.13. Cảm biến 2 dây mắc nối tiếp + Mắc song song 35 Hình 3.14. Cảm biến 2 dây mắc song song b. Cảm biến tiệm loại 3 dây + Mắc song song Hình 3.15. Cảm biến 3 dây mắc song song + Mắc nối tiếp Hình 3.16. Cảm biến 3 dây mắc nối tiếp 3.2. Các bài tập ứng dụng các loại cảm tiệm cận. 36 3.2.1. Khảo sát nguyên lý hoạt động của cảm biến tiệm cận điện cảm 3.2.2. Khảo sát nguyên lý hoạt động của cảm biến tiệm cận điện dung CÂU HỎI ÔN TẬP Câu hỏi 1: Trình bày đặc điểm, các thuật ngữ thường sử dụng trong cảm biến tiệm cận ? Câu hỏi 2: Trình bày giới thiệu chung, cấu tạo, nguyên lý hoạt động, phân loại cảm biến tiệm cận điện cảm ? Câu hỏi 3: Trình bày giới thiệu chung, cấu tạo, nguyên lý hoạt động, phân loại cảm biến tiệm cận điện dung ? Câu hỏi 4: Trình bày giới thiệu chung, cấu tạo, nguyên lý hoạt động cảm biến tiệm cận siêu âm ? Câu hỏi 5: Nêu ưu, nhược điểm, các yếu tố ảnh hưởng và ứng dụng của cảm biến tiệm cận điện dung ? Câu hỏi 6: Nêu ưu, nhược điểm, các yếu tố ảnh hưởng và ứng dụng của cảm biến tiệm cận điện cảm ? Câu hỏi 7: Nêu ưu, nhược điểm, các yếu tố ảnh hưởng và ứng dụng của cảm biến tiệm cận siêu âm ? Câu hỏi 8: Trình bày cấu hình ngõ ra của cảm biến tiệm cận và cách kết nối các cảm biến tiệm cận với nhau ? 37 Chương 4: ĐO VẬN TỐC VÒNG QUAY VÀ GÓC QUAY 4.1. Một số phương pháp cơ bản. - Trong công nghiệp, phần lớn trường hợp đo vận tốc là đo tốc độ quay của máy. Độ an toàn cũng như chế độ làm việc của máy phụ thuộc rất lớn vào tốc độ quay. Trong trường hợp chuyển động thẳng, việc đo vận tốc dài cũng thường được chuyển về đo tốc độ quay. Bởi vậy, các cảm biến đo vận tốc góc đóng vai trò quan trọng trong việc đo vận tốc. - Cảm biến vận tốc góc quay, cung cấp cho ta tín hiệu đo là tần số. Thông thường trên trục quay, được đánh một hay nhiều dấu và một cảm biến ở phần không chuyển động sẽ ghi nhận sự chuyển động của các dấu này. - Tần số đo được tỉ lệ với vòng quay n và số dấu k: f = n.k (4.1) - Để đo tốc độ quay của rotor ta có thể sử dụng các phương pháp sau: + Sử dụng tốc độ kế dòng một chiều, tốc độ kế dòng xoay chiều + Sử dụng bộ cảm biến quang tốc độ. + Sử dụng máy đo góc tuyệt đối. 4.1.1. Đo vận tốc vòng quay bằng phương pháp analog. a. Tốc độ kế dòng một chiều (máy phát tốc). - Thực chất là các máy phát điện công suất nhỏ có sức điện động tỉ lệ với tốc độ cần đo được cấu tạo gồm các phần chính Hình 4.1. Cấu tạo của một máy phát dòng một chiều. - Stator: Là một nam châm điện hoặc một nam châm vĩnh cửu có hai cực nam và bắc nằm ngoài cùng. - Rotor: Là một trục sắt gồm nhiều lớp ghép lại, trên mặt ngoài roto xẽ các rãnh song song với trục quay và cách đều nhau. Trong các rãnh đặt các dây dẫn bằng đồng gọi là dây chính, các dây chính được nối với nhau từng đôi một bằng các dây phụgồm có lõi thép phần ứng, trên có xẻ rãnh, trong rãnh có đặt dây quấn. - Cổ góp là một hình trụ trên mặt có gắn các lá đồng cách điện với nhau, mỗi lá nối với một dây chính của roto. Hai chổi quét ép sát vào cổ góp được bố trí sao cho tại một thời điểm chúng luôn tiếp xúc với hai lá đồng đối diện nhau. 38 - Điện áp trên cực máy phát tỉ lệ với tốc độ quay của nó. Máy phát tốc độ nối cùng trục với phanh hãm điện từ và cùng trục với động cơ, do đó tốc độ quay của nó chính là tốc độ quay của động cơ. Tốc độ này tỉ lệ với điện áp của máy phát tốc độ. - Dùng Vmét điện từ hoặc đồng hồ đo tốc độ nối với nó có thể đo được tốc độ của động cơ. - Giá trị điện áp âm hay dương phụ thuộc vào chiều quay. Er = −( nΦ0 )/ 2π = −NnΦ0 (4.2) - Trong đó: N: Số vòng quay trong 1 s.  : Vân tốc góc của rotor. n: Là tổng số dây chính trên rotor. Φ0: Là từ thông xuất phát từ cực nam châm b. Tốc độ kế dòng xoay chiều. - Tốc độ kế dòng xoay chiều có ưu điểm là không có cổ góp điện và chổi than nên có tuổi thọ cao. Không có sự tăng, giảm điện áp trên chổi than. - Nhược điểm là mạch điện phức tạp hơn, ngoài ra để xác định biên độ cần phải chỉnh lưu và lọc tín hiệu. * Máy phát đồng bộ. - Cấu tạo của một tốc độ kế dòng xoay chiều kiểu máy phát đồng bộ thực chất đây là một loại máy phát điện xoay chiều loại nhỏ. Hình 4.2. Cấu tạo của một máy phát đồng bộ. (a: 1 pha, b: 3 pha) - Rotor của máy phát được gắn đồng trục với thiết bị cần đo tốc độ. Rotor là một nam châm hoặc tổ hợp của nhiều nam châm nhỏ. - Stator gồm các cuộn dây bố trí cách đều trên mặt trong của Stato có thể 1 pha hoặc ba pha, là nơi cung cấp sức điện động cảm ứng hình sin có biên độ tỷ lệ với tốc độ quay của rotor. e = E0 sinΩt (4.3) E0= K1. , Ω=K2. K1 và K2: Là các thông số đặc trưng cho máy phát. - Ở đầu ra điện áp được chỉnh lưu thành điện áp một chiều. Điện áp này không phụ thuộc vào chiều quay và hiệu suất lọc giảm đi khi tần số thấp. 39 - Tốc độ quay có thể xác định được bằng cách đo tần số của sức điện động. Phương pháp này rất quan trọng khi khoảng cách đo lớn. Tín hiệu từ máy phát đồng bộ, có thể truyền đi xa và sự suy giảm tín hiệu trên đường đi không ảnh hưởng đến độ chính xác của phép đo (vì đo tần số). * Máy phát không đồng bộ - Cấu tạo của máy phát không đồng bộ tương tự như động cơ đồng bộ hai pha Hình 4.3.Cấu tạo của một máy phát - Rotor là một đĩa hình trụ kim loại mỏng và dị từ được quay cùng tốc độ với trục cần đo vận tốc, khối lượng và quán tính của nó không đáng kể. - Stator làm bằng thép lá kỹ thuật điện, trên có đặt hai cuộn dây + Cuộn thứ nhất là cuộn kích từ được cung cấp một điện áp định mức có biên độ và tần số không đổi  e. + Cuộn dây thứ hai là cuộn dây đo, giữa hai đầu của cuộn này sẽ suất hiện sức điện động có biên độ tỉ lệ với vận tốc góc cần đo. em = Em cos( et + Φ) = k Ve cos( et + Φ) do Em = kVe (4.4) Trong đó: em: sức điện động Em: Biên độ  e: Tần số góc k là hằng số phụ thuộc vào cấu trúc của máy. Φ: độ lệch pha. Khi đo Em sẽ xác định được  4.1.2. Đo vận tốc vòng quay bằng phương pháp quang điện tử a. Dùng bộ cảm biến quang tốc độ với đĩa mã hóa - Đĩa mã hóa là thiết bị có thể phát hiện sự chuyển động hay vị trí của vật. Đĩa mã hóa sử dụng các cảm biến quang để sinh ra chuỗi xung, từ đó chuyển sang phát hiện sự chuyển động, vị trí hay hướng chuyển động của vật thể. 40 Hình 4.4. Sơ đồ hoạt động đĩa quang mã hóa - Nguồn sáng được lắp đặt sao cho ánh sáng liên tục được tập trung xuyên qua đĩa thủy tinh. Bộ phận thu nhận ánh sáng được lắp ở mặt còn lại của của đĩa sao cho có thể nhận được ánh sáng. Đĩa được lắp đặt đến trục động cơ hay thiết bị khác cần xác định vị trí sao cho khi trục quay, đĩa cũng sẽ quay. Khi đĩa quay sao cho lỗ, nguồn sáng, bộ phận nhận ánh sáng thẳng hàng thì tín hiệu xung vuông sinh ra. - Nhược điểm: cần nhiều lỗ để nâng cao độ chính xác nên dễ làm hư hỏng đĩa quay b. Đĩa mã hóa tương đối - Đĩa mã hóa với 1 bộ xung thì sẽ không thể phát hiện được chiều quay, hầu hết các đĩa mã hóa đều có bộ xung thứ 2 lệch pha 900 so với bộ xung thứ nhất, và một xung xác định mỗi thời gian đĩa mã hóa quay một vòng. Hình 4.5. Sơ đồ thu phát đĩa mã hóa tương đối - Xung A, xung B và xung điểu khiển, nếu xung A xảy ra trước xung B, trục sẽ quay theo chiều kim đồng hồ, và ngược lại, xung Z xác định đã quay xong một vòng. 41 Hình 4.6. Dạng sóng ra của mã hóa 2 bộ xung - Gọi Tn là thời gian đếm xung, N0 là số xung trong một vòng (độ phân giải của bộ cảm biến tốc độ, phụ thuộc vào số lỗ), N là số xung trong thời gian Tn. n (vòng / phút) = nTN N 040 60 (4.5) c. Đĩa mã hóa tuyệt đối. - Để khắc phục nhược điểm chính của đĩa mã hóa tương đối là khi mất nguồn số đếm sẽ bị mất. Như vậy khi các cơ cấu ngưng hoạt động vào buổi tối hay khi bảo trì đến khi bật nguồn trở lại encoder sẽ không thể xác định chính xác vị trí cơ cấu. Hình 4.7. Sơ đồ thu phát mã hóa tuyệt đối - Đĩa mã hóa tuyệt đối được thiết kế để luôn xác định được vị trí vật một cách chính xác. - Đĩa mã hóa tuyệt đối sử dụng nhiều vòng phân đoạn theo hình đồng tâm, gồm các phân đoạn chắn sáng và không chắn sáng. Vòng trong cùng xác định đĩa quay đang nằm ở nửa vòng tròn nào. Kết hợp vòng trong cùng với vòng tiếp theo sẽ xác định đĩa quay đang nằm ở ¼ vòng tròn nào. Các rãnh tiếp theo cho ta xác định 42 được vị trí 1/8, 1/16... của vòng tròn. Vòng phân đoạn ngoài cùng cho ta độ chính xác cuối cùng. - Loại mã hóa này có nguồn sáng và bộ thu cho mỗi vòng như nếu mã hóa có 10 vòng sẽ có 10 bộ nguồn sáng và thu, nếu mã hóa có 16 vòng sẽ có 16 bộ nguồn sáng và thu. - Ngoài việc khắc phục nhược điểm của đĩa mã hóa tương đối, với đĩa mã hóa tuyệt đối mã hóa còn có thể giảm tốc xuống sao cho encoder quay đủ 1 vòng suốt chiều dài cơ cấu. 4.1.3. Đo vận tốc vòng quay với nguyên tắc điện trở từ. a. Các đơn vị đo từ trường * Từ trường Từ trường là một dạng vật chất tồn tại xung quanh dòng điện, hay nói chính xác là xung quanh các hạt mang điện chuyển động. Tính chất cơ bản của từ trường là tác dụng lực từ lên dòng điện, lên nam châm. * Cảm ứng từ B - Về mặt gây ra lực từ, từ trường được đặc trưng bằng vectơ cảm ứng từ B. Trong hệ thống đơn vị SI đơn vị cảm ứng từ B là T (Tesla). 1 T = 1Wb/m2 = 1V.s/m2 (4.6) * Từ thông  - Từ thông gửi qua diện tích dS là đại lượng về giá trị bằng: SdBd  . (4.7) - Trong đó: B  là vectơ cảm ứng từ tại 1 điểm bất kì trên diện tích ấy. Sd  là vectơ có phương của vectơ pháp tuyến n  với diện tích đang xét, chiều là chiều dương của pháp tuyến, độ lớn bằng độ lớn diện tích đó. - Trong hệ thống đơn vị SI đơn vị từ thông là Weber (Wb). Nếu từ thông thay đổi 1 đơn vị trong thời gian 1s, điện áp cảm ứng sinh ra trong cuộn dây là 1V: 1Wb = 1Vs * Cường độ từ trường H - Cường độ từ trường H đặc trưng cho từ trường do riêng dòng điện sinh ra và không phụ thuộc vào tính chất môi trường trong đó đặt dòng điện. - Trong hệ thống đơn vị SI đơn vị của cường độ từ trường H là A/m b. Cảm biến điện trở từ - Cảm biến điện trở từ là 1 linh kiện bán dẫn có hai cực, điện trở của nó gia tăng dưới tác động của từ trường. Trong trường hợp từ trường tác dụng thẳng góc mặt phẳng của cảm biến ta có độ nhạy lớn nhất. Chiều của từ trường không ảnh hưởng gì đến hiệu ứng điện trở từ trong trường hợp này. 43 - Độ lớn của tín hiệu ra của cảm biến điện trở từ không phụ thuộc vào tốc độ quay. Khác với trường hợp cảm biến điện cảm, độ lớn tín hiệu ra quan hệ trực tiếp với tốc độ quay, vì vậy đòi hỏi các thiết bị điện tử phức tạp để có thể thu nhận được các tín hiệu trên 1 dải điện áp rộng. - Ngược lại với cảm biến điện trở từ, tín hiệu ra được hình thành bởi sự đổi hướng của đường cảm ứng từ - bending of magnetic field lines (thay đổi theo vị trí của bánh răng). Tín hiệu ra của cảm biến vẫn được hình thành dù đối tượng không di chuyển rất chậm. Hình 4.8. Tín hiệu tạo ra bởi cảm biến điện trở từ 4.2. Cảm biến đo góc với tổ hợp có điện trở từ 4.2.1. Nguyên tắc đo - Từ công thức cơ bản R = R0 + 20 cosR (4.8) - Ta có thể giữa R và  có sự liên hệ gần đúng R 2 (4.9) Dựa trên nguyên tắc này, cảm biến có thể đo góc mà không cần sự đụng chạm. 4.2.2. Các loại cảm biến KM110BH/2 của hãng Philips Semiconductor - Cấu trúc cảm biến KM110BH/21 44 Hình 4.9. Cấu trúc cảm biến KM110BH/21 - Loại cảm biến KM110BH/21 có 2 dạng: KMB110BH/2130 và KMB110BH/2190 có thang đo khác nhau nhưng có mạch điện như nhau + KMB110BH/2130 được chế tạo với thang đo nhỏ hơn để có độ khuếch đại lớn hơn, giải đo từ -150 đến +150. Tín hiệu ra tuyến tính (độ phi tuyến chỉ 1%). + KMB110BH/2190 giải đo từ -450 đến +450, tín hiệu ra hình sin. Cả hai cảm biến đều có tín hiệu ra dạng Analog. Ngoài 2 dạng cảm biến này, còn có các thiết kế mới KM110BH/23 và KM110BH/24 Bảng 4.1. Thông số của 1 số loại cảm biến Thông số KM110BH/ Đơn vị 2130 2190 2270 2390 2430 2470 Thang đo 30 90 70 90 30 70 0,001 Điện áp ra 0,5 tới 4,5 0,5 tới 4,5 - 0,5 tới 4,5 0,5 tới 4,5 0,5 tới 4,5 V Dòng điện ra 4 tới 20 mA Đặc tuyến ngõ ra Tuyến tính Hình sin Hình sin Tuyến tính Tuyến tính Hình sin Điện áp hoạt động 5 5 8,5 5 5 5 V Nhiệt độ hoạt -40 tới +125 -40 tới +125 -40 tới +125 -40 tới +125 -40 tới +125 -40 tới +125 0C 45 động Độ phân giải 0,001 0,001 0,001 0,001 0,001 0,001 Độ - Sơ đồ khối của các loại cảm biến KM110BH/21, KM110BH/24 và KM110BH/2390 Hình 4.10. Sơ đồ khối của các loại cảm biến KM110BH/21, KM110BH/24 và KM110BH/2390 - Đặc tuyến của cảm biến KM110BH/2130 và KM110BH/2190 Hình 4.11. Đặc tuyến của cảm biến KM110BH/2130 và KM110BH/2190 - Loại cảm biến KM110BH /2270 có thang đo từ -350 đến +350. Tín hiệu ngõ ra là dòng điện từ 4 đến 20 mA. Có thể sử dụng 1 điện trở để chuyển sang dạng điện áp. 46 Hình 4.12. Tín hiệu ra của KM110BH /2270 Hình 4.13. Sơ đồ khối của loại cảm biến KM110BH/2270 4.2.3. Các loại cảm biến KMA10 và KMA20 - KMA10 và KMA20 là loại cảm biến đo góc (không cần đụng chạm) được thiết kế để có thể hoạt động trong môi trường khắc nghiệt hơn. Ứng dụng trong lĩnh vực tự động và công nghiệp. - Hai loại cảm biến KMA10 và KMA20 được thiết kế và phát triển bởi sự hợp tác giữa Philips Semiconductor và AB Electronic. - KMA10 cho tín hiệu ra dưới dạng dòng điện. (KMA10/70 phát triển từ loại KM110BH/2270). - KMA20 cho tín hiệu ra dưới dạng điện áp. KMA20/30 phát triển từ loại KM110BH/2430, KMA20/70 từ loại KM110BH/2470, còn KMA20/90 phát triển từ loại KMA20/2390. Tuy nhiên tín hiệu từ KMA20/30 thì tuyến tính và từ KMA20/70 thì hình sin. Bảng 4.2. Thông số của 1 số loại cảm biến Thông số KMA10/70 KMA20/30 KMA20/70 KMA20/90 Đơn vị Thang đo 70 30 70 90 Độ Điện áp ra - 0,5 tới 4,5 0,5 tới 4,5 0,5 tới 4,5 V Dòng điện ra 4 tới 20 - - - mA Đặc tuyến ngõ ra Hình sin Tuyến tính Hình sin Tuyến tính Điện áp hoạt động 8,5 5 5 5 V Nhiệt độ hoạt động -40 tới +100 -40 tới +125 -40 tới +125 -40 tới +125 0C 47 Độ phân giải 0,001 0,001 0,001 0,001 Độ 4.2.4. Máy đo góc tuyệt đối (Resolver). - Là thiết bị đo kiểu tương tự, dùng để xác định vị trí hoặc tốc độ dựa theo nguyên lý cảm ứng điện từ - Điện áp tín hiệu vào tỷ lệ với vị trí góc hoặc tốc độ trục của Resolver a. Cấu tạo * Phần động : Gắn liền với trục quay động cơ chứa cuộn sơ cấp được kích thích bằng sóng mang tần số 2 – 10 Khz qua máy biến áp quay (Hình 3.16.a) * Phần tĩnh: Có 2 dây quấn thứ cấp (cuộn sin và cuộn cos) đặt lệch nhau 90o. Đầu ra của 2 dây quấn thứ cấp ta thu được 2 tín hiệu điều biên V.sin ɷt.sin Ɵ và V.sin ɷt.cos Ɵ chứa thông tin về vị trí tuyệt đối của rotor máy đo, tương ứng vị trí tuyệt đối của rotor động cơ cần đo b. Nguyên lý đo - Lấy đạo hàm góc quay ta có tốc độ quay của động cơ - Độ phân giải của máy đo phụ thuộc khả năng phân giải của bộ chuyển đổi A/D mắc trong mạch đo - Nhược điểm: Hệ truyền động không đồng nhất do phải tải thêm phần động của cảm biến Ứng dụng phương pháp không có cảm biến (Hình 4.14.b) - Đường bao của tín hiệu ra chứa thông tin tín hiệu tuyệt đối (góc Ɵ) của rotor máy đo, có nghĩa là vị trí tuyệt đối của rotor động cơ (Hình 4.14.c) Hình 4.14. (a_ Cấu tạo, b- Sơ đồ nguyên lý, c- Hai kênh tín hiệu ra) - Sơ đồ dây quấn 48 Hình 4.15. Sơ đồ dây quấn + S1 đến S3 = V.sin ɷt.sin Ɵ + S1 đến S3 = V.sin ɷt.sin 90O = V.sin ɷt.sin Ɵ + Ɵ: Góc lệch tuyệt đối của rotor động cơ - Khi bộ đo góc tuyệt đối được sử dụng như một cảm biến vị trí, thì một cuộn dây của rotor được nối tắt - Điện áp cuộn rotor có dạng E = Vsin ɷt còn điện áp ở 2 cuộn stator cũng có dạng hình sin có biên độ thay đổi theo sin của góc dịch chuyển vị trí rotor c. Nguyên tắc hoạt động - Người ta đặt một điện áp xoay chiều vào cuộn dây rotor của Resolver khi rotor quay trên các cuộn dây của stator sẽ xuất hiện các điện áp - Vị trí 0: điện áp xoay chiều xuất hiện trên cuộn cosin - Rời khỏi vị trí 0 đến vị trí 90: điện áp xoay chiều xuất hiện trên cả 2 cuộn sin và cosin - Đến vị trí 90: Không còn điện áp xoay chiều xuất hiện trên cuộn cosin chỉ còn điện áp xuất hiện trên cuộn sin - Tương tự xét cho các góc lớn hơn 4.3. Các bài tập ứng dụng Khảo sát nguyên lý hoạt động của cảm biến đo góc KM110BH /2430, KM110BH /2470. CÂU HỎI ÔN TẬP Câu hỏi 1: Kể tên một số phương pháp cơ bản để đo tốc độ quay của rotor ? Câu hỏi 2: Trình bày kiến thức cơ bản về tốc độ kế một chiều ? Câu hỏi 3: Trình bày kiến thức cơ bản về tốc độ kế xoay chiều? Câu hỏi 4: Kể tên và trình bày các đơn vị đo từ trường ? 49 Câu hỏi 5: Trình bày cấu tạo, nguyên lý đo, nguyên tắc hoạt động máy đo góc tuyệt đối ? 50 XÁC NHẬN KHOA Bài giảng môn học/mô đun “Kỹ thuật cảm biến” đã bám sát các nội dung trong chương trình môn học, mô đun. Đáp ứng đầy đủ các nội dung về kiến thức, kỹ năng, năng lực tự chủ trong chương trình môn học, mô đun. Đồng ý đưa vào làm Bài giảng cho môn học, mô đun Kỹ thuật cảm biến thay thế cho giáo trình. Người biên soạn ( Ký, ghi rõ họ tên) Đinh Phương Thùy Lãnh đạo Khoa ( Ký, ghi rõ họ tên) Đỗ Xuân Sinh 51