Ngân hàng câu hỏi môn Kỹ thuật cảm biến ppt

Đáp án: Sơ đồ cấu tạo của cảm biến tiệm cận điện cảm: - Nhiệm vụ các khối: + Đầu phát hiện gồm 1 dây quấn trên lõi sắt có nhiệm vụ tạo ra từ trường biến thiên trong không gian phía trước

NGÂN HÀNG CÂU HỎI MÔN: KỸ THUẬT CẢM BIẾN

Câu 1 Vẽ cấu tạo, trình bày nhiệm vụ các khối và giải thích nguyên lý hoạt động của cảm biến tiệm cận điện điện cảm

Đáp án:

Sơ đồ cấu tạo của cảm biến tiệm cận điện cảm:

- Nhiệm vụ các khối:

+ Đầu phát hiện gồm 1 dây quấn trên lõi sắt có nhiệm vụ tạo ra từ trường biến thiên trong không gian phía trước

+ Mạch dao động có nhiệm vụ tạo dao động điện từ tần số radio

+ Mạch phát hiện mức dùng để so sánh biên độ tín hiệu của mạch dao động + Mạch ngõ ra dùng để tạo mức logic cho tín hiệu ngõ ra của cảm biến

- Nguyên lý hoạt động của cảm biến tiệm cận điện cảm:

+ Khi có mục tiêu cần phát hiện (đối tượng) bằng kim loại tới gần cảm biến ( vào vùng từ trường biến thiên của cảm biến), từ trường biến thiên do mạch dao động gây ra

Tập trung ở lõi sắt sẽ gây ra một dòng điện xoáy trên bề mặt đối tượng Dòng điện xoáy sinh ra trên bề mặt đối tượng tạo nên một tải làm giảm biên

độ

Tín hiệu của mạch dao động Khi biên độ của tín hiệu dao động nhỏ hơn một ngưỡng định trước , mạch phát hiện mức sẽ tác động mạch ngõ ra để trạng thái ngõ ra lên ON Khi đối tượng rời khỏi vùng từ trường của cảm biến, biên độ tín hiệu ở mạch dao động tăng lên, khi tín hiệu ở mạch dao động có biên độ lớn hơn ngưỡng, mạch phát hiện mức sẽ tác động mạch ngõ ra tạo trạng thái ngõ ra là OFF

Câu 2 Cho hình 1 minh hoạ hoạt động của cảm biến tiệm cận điện cảm Phân tích hoạt động của cảm biến điện cảm từ hình minh hoạ trên

Đáp án:

- Hình minh hoạ hoạt động của cảm biến tiệm cận điện cảm:

- Giải thích hoạt động:

+Trong vùng 1 ta thấy vị trí của đối tượng cách xa đầu phát hiện,đối tượng không nằm trong vùng từ trường phát ra của cảm biến nên biên độ của mạch dao động không bị ảnh hưỏng và có tín hiệu dao động Vì biên độ của tín hiệu dao động cao hơn mức ngưỡng nên đầu ra của mạch phát hiện mức trong vùng 1 có xung ở mức cao, lúc này tác động vào mạch ra bật công tắc chuyển về trạng thái OFF (xung mức thấp)

+ Trong vùng 2 ta thấy vị trí của đối tượng tiến gần đến đầu phát hiện của cảm biế, nằm trong vùng từ trường biến thiên, lúc này làm tăng tải và làm giảm biên độ tín hiệu của mạch dao động nên ta thấy tại vùng này không suất hiện biên độ tín hiệu dao động Vì biên độ tín hiệu dao động nhỏ hơn mức ngưỡng nên đầu ra của mạch phát hiện mức có xung ở mức thấp và kích vào mạch ra bật chuyển mạch lên mức ON ( Mức cao)

+ Trong vùng 3 hoạt động tương tự vùng 1

Câu 3 Vẽ cấu tạo, trình bày nhiệm vụ các khối và giải thích nguyên lý hoạt động của cảm biến tiệm cận điện điện dung

Đáp án:

- Sơ đồ cấu tạo của cảm biến tiệm cận điện cảm:

-Nhiệm vụ của các khối:

+ Đầu phát hiện của cảm biến tiệm cận điện dung là một bản cực cố định của

tụ điện, bản cực còn lại là đối tượng cần phát hiện, cũng chính là bản cực di động

+ Mạch dao động có nhiệm vụ tạo dao động và biên độ của tín hiệu dao động phụ thuộc vào bản cực di động chính là mục tiêu

+ Mạch phát hiện mức dùng để so sánh biên độ tín hiệu của mạch dao động + Mạch ngõ ra dùng để tạo mức logic cho tín hiệu ngõ ra của cảm biến

- Nguyên lý hoạt động của cảm biến tiệm cận điện dung:

+ Khi mục tiêu cần phát hiện di chuyển đến gần đầu phát hiện của cảm biến

sẽ làm điện dung của tụ điện ( được tạo bởi bản cực là bề mặt của đầu thu và bản cực còn lại chính là đối tượng) C bị thay đổi Khi điện dụng của tụ điện

bị thay đổi thì mạch dao động sẽ tạo ra tín hiệu dao động Khi tín hiệu dao động có biên độ lớn hơn một ngưỡng đặt trước mạch phát hiện mức sẽ điều khiển mạch ra ở trạng thái ON Khi đối tượng ở xa cảm biến, biên độ tín hiệu ở mạch doa động sẽ nhỏ, mạch phát hiện mức sẽ điều khiển mạch ra ở trạng thái OFF

Câu 4 Nêu các ứng dụng của cảm biến tiệm cận điện cảm, điện dung

Vẽ một sơ đồ ứng dụng của cảm biến tiệm cận điện cảm và giải thích hoạt động

Đáp án:

- Cảm biến tiệm cận điện cảm được dùng để phát hiện sự xuất hiện của một vật thể kim loại tại một vị trí xác định trước ( Vị trí đặt cảm biến) như: Phát hiện cabin thang máy tại các tầng, phát hiện chai nước ngọt có nắp hay không ( Nắp chai nước ngọt làm bằng kim loại), xác định vị trí hai đầu mút của mũi khoan, phát hiện trạng thái đóng hay mở van, đo tốc độ quay của động cơ, phat hiện trạng thái đóng mở các xi lanh

- Cảm biến tiệm cận điện dung được dùng để phát hiện sự suất hiện của một vật thể kim loại hoặc phi kim loại tại một vị trí xác định trước ( vị trí đặt cảm biến) như: Phát hiện thuỷ tinh, nhựa, chất lỏng

- Dưới đây trình bày một số ví dụ ứng dụng cảm biến tiệm cận

Ví dụ 1 Dùng cảm biến tiệm cận điện cảm để đo tốc độ động cơ

Ví dụ 2: Dùng cảm biến tiệm cận điện dung để phát hiện hộp sữa không đầy trong dây chuyền sản xuất sữa hộp

Cõu 5 Vẽ cấu tạo và giải thớch hoạt động của cảm biến nhiệt giản nở chất rắn

Đỏp ỏn:

Nguyờn lý hoạt động:

- Nhiệt kế gốm - kim loại(Dilatomet): gồm một thanh gốm (1) đặt trong ống kim loại (2), một đầu thanh gốm liên kết với ống kim loại, còn đầu A nối với hệ thống truyền động tới bộ phận chỉ thị Hệ số giãn nở nhiệt của kim loại và của gốm là αk và αg Do αk > αg, khi nhiệt độ tăng một lượng dt, thanh kim loại giãn thêm một lượng dlk, thanh gốm giãn thêm dlg với dlk>dlg, làm cho thanh gốm dịch sang phải Dịch chuyển của thanh gốm phụ thuộc dlk - dlg do đó phụ thuộc nhiệt độ

- Nhiệt kế kim loại - kim loại: gồm hai thanh kim loại (1) và (2) có hệ số giãn nở nhiệt khác nhau liên kết với nhau theo chiều dọc Giả sử α1 > α2 , khi giãn nở nhiệt hai thanh kim loại cong về phía thanh (2) Dựa vào độ cong của thanh kim loại để xác định nhiệt độ

Nhiệt kế giãn nở dùng chất rắn thường dùng để đo nhiệt độ dưới 700oC Cõu 6 Vẽ cấu tạo của cảm biến nhiệt điện trở kim loại, giải thớch hoạt động và phương trỡnh chuyển đổi của cảm biến

Nhiệt kế gốm và kim loại Nhiệt kế kim loại 1 và kim loại

Đáp án:

- Cấu tạo của cảm biến nhiệt điện trở kim loại:

+ Cảm bién nhiệt điện trở kim loại gồm một dây dẫn bằng kim loại như Platin, Niken, Đồng quấn trên một lõi cách điện

- Nguyên lý hoạt động và phương trình chuyển đổi của cảm biến nhiệt điện trở kim loại:

Khi nhiệt độ của cảm biến thay đổi, điện trở của cảm biến thay đổi theo phương trình 1:

R(T) =R0(1 + AT + BT2 + CT3) (1)

Trong đó T đo bằng oC, R(T) là điện trở của cảm biến ở nhiệt độ T, R0 là điện trở của cảm biến ở nhiệt độ 0oC, A, B, C là các hằng số được xác định bằng cách đo điện trở của cảm biến tại các nhiệt độ đã biết trước Ở nhiêt độ thấp, phương trình chuyển đổi của cảm biến là tuyến tính (2)

R(T) = R0(1 + αT) (2)

Với α là hệ số nhiệt của điện trở, tuỳ thuộc vào kim loại như ở bảng sau:

Do có tính chất của các kim loại chế tạo cảm biến có tính chất lý hoá khác nhua nên tầm

đo của các cảm biến sử dụng các kim loại khác nhau cũng khác nhau.

Tầm đo (oC) -200 - 1000 <100 <300

Câu 7 Vẽ sơ đồ mạch đo sử dụng cảm biến nhiệt điện trở kim loại, tìm thông số điện áp đầu ra V0 Giải thích ý nghĩa của Rx, V0 và cho biết mạch

đo chuyển đổi giá trị nào thành điện áp đầu ra

Đáp án:

Sơ đồ mạch đo sử dụng cảm biến nhiệt điện trở kim loại:

Gọi Rx = R + ∆R là điện trở của cảm biến Với R là điện trở của cảm biến ở

00C, chọn R1= R3, R2 = R4 thì điện áp ngõ ra của mạch đo là:

2 2

R

R -2

1

2 1

2

0

CC CC

V R R

R V

R R

R R

R

R

V

Δ +

Δ

= Δ

+

Δ +

=

Rx là vị trí của cảm biến nhiệt sẽ được lắp vào, khi Rx có giá trị bằng R thì điện áp V1+ =V2 nên ∆V=0V và V0 = 0V

Khi Rx có giá trị khác R thì ∆V luôn khác 0V, dẫn đến V0 luôn có một giá trị điện áp ở đầu ra

Từ phân tích các thông số của mạch đo ta thấy mạch đo có nhiệm vụ chuyển đổi giá trị điện trở thành điện áp ở đầu ra

Câu 8 Vẽ cấu tạo của cảm biến Thermistor và viết phương trình chuyển đổi Tại sao Thermistor lại không được sử dụng làm cảm biến đo nhiệt độ mà chỉ đươc sử dụng trong mạch cảnh báo nhiệt

Đáp án:

Câu 9 Vẽ cấu tạo của cặp nhiệt ngẫu Phân tích nguyên lý hoạt động của hiệu ứng nhiệt

Đáp án:

- Cấu tạo của cập nhiệt ngẫu:

Cặp nhiệt ngẫu cú cấu tạo gồm 2 thanh kim loại khỏc nhau được hàn chung với nhau ở một đầu gọi là đầu núng, hai đầu cũn lại khụng hàn chung gọi là đầu lạnh hay đầu chuẩn của cảm biến

- Để giải thớch hoạt động ta xột hiệu ứng nhiệt sau:

Phương pháp đo nhiệt độ bằng cảm biến nhiệt ngẫu dựa trên cơ sở hiệu ứng nhiệt điện Người ta nhận thấy rằng khi hai dây dẫn chế tạo từ vật liệu có bản chất hoá học khác nhau được nối với nhau bằng mối hàn thành một mạch kín

và nhiệt độ hai mối hàn là t và t0 khác nhau thì trong mạch xuất hiện một dòng điện Sức điện động xuất hiện do hiệu ứng nhiệt điện gọi là sức điện

động nhiệt điện Nếu một đầu của cặp nhiệt ngẫu hàn nối với nhau, còn đầu thứ hai để hở thì giữa hai cực xuất hiện một hiệu điện thế Hiện tượng trên

có thể giải thích như sau:

Trong kim loại luôn luôn tồn tại một nồng độ điện tử tự do nhất định phụ thuộc bản chất kim loại và nhiệt độ Thông thường khi nhiệt độ tăng, nồng

độ điện tử tăng

Giả sử ở nhiệt độ t0 nồng độ điện tử trong A là NA(t0), trong B là NB(t0) và

ở nhiệt độ t nồng độ điện tử trong A là NA(t), trong B là NB(t), nếu NA(t0) >

NB(t0) thì nói chung NA(t) > NB(t) Xét đầu làm việc (nhiệt độ t), do NA(t) >

NB(t) nên có sự khuếch tán điện tử từ A → B và ở chổ tiếp xúc xuất hiện một hiệu điện thế e(AB)(t) có tác dụng cản trở sự khuếch tán Khi đạt cân bằng e(AB)

(t) sẽ không đổi

Tương tự tại mặt tiếp xúc ở đầu tự do (nhiệt độ t0) cũng xuất hiện một hiệu

điện thế e(AB)(t0)

Giữa hai đầu của một dây dẫn cũng có chênh lệch nồng độ điện tử tự do, do

đó cũng có sự khuếch tán điện tử và hình thành hiệu điện thế tương ứng trong A là eA(t,t0) và trong B là eB(t,t0)

Sức điện động tổng sinh ra do hiệu ứng nhiệt điện xác định bởi công thức sau:

EAB = eAB(t) + eBA(t0)) + eA(t0,t) + eB(t,t0) (1)

Vỡ eA(t0,t) và eB(t,t0) nhỏ và ngược chiều nhau cú thể bỏ qua, nờn ta cú :

EAB = eAB(t) + eAB(t0)

Nếu nhiệt độ hai mối hàn bằng nhau, chẳng hạn bằng t0 khi đó sức điện động tổng :

EAB =eAB(t0) + eBA(t0) =0

Hay : eBA(t0) = -eAB(t0)

Như vậy : EAB =eAB(t) – eAB(t) Đây là phương trình cơ bản của cặp nhiệt ngẫu

Câu 10.Điều kiện để mắc thêm dây dẫn vào đầu tự do của cặp nhiệt Viết phương trình sức điện động tổng khi mắc thêm dây dẫn thứ ba vào đầu tự do của cặp nhiệt và cho nhận xét về phương trình tìm được

Đáp án:

- Điều kiện để mắc thêm dây dẫn vào đầu tự do của cặp nhiệt là nhiệt độ tại mối hàn vào hai đầu tự do phải bằng nhau

- Sức điện động của cặp nhiệt không thay đổi nếu chúng ta nối thêm vào mạch một dây dẫn thứ ba (hình 1.1) nếu nhiệt độ hai đầu nối của dây thứ ba giống nhau

+ Ta có, trường hợp ở hình vẽ a

EABC(t,t0) = eAB(t) + eBC(t0) + eCA(t0)

Vì : eAB(t0) + eBC(t0) + eCA(t0) = 0

Nên : EABC(t,t0) = eAB(t) + eAB(t0) (1.1)

Từ công thức 1.1 ta thấy khi nối thêm dây dẫn thứ ba vào hai đầu dây tự do thì sức điện động tổng không thay đổi, tuy nhiên sức điện động tổng sẽ sai

Hình 1.1 Sơ đồ nối cặp nhiệt với dây thứ ba

số khi hai đầu mối hàn tự do vào dây thứ ba có nhiệt độ khác nhau ( suất hiện sức điện động ký sinh)

+ Trường hợp ở hình vẽ b

Ta có : EABC(t,t1,t0) = eAB(t) – eAB(t0) + eBC(t1) + eCB(t1)

Vì :

eBC(t1) = -eCB(t1)

Nên :

EABC(t,t0) = eAB(t) – eAB(t0) (1.2)

Từ công thức 1.2 ta thấy khi nối thêm dây dẫn thứ ba vào hai đầu dây tự do thì sức điện động tổng không thay đổi, tuy nhiên sức điện động tổng sẽ sai

số khi hai đầu mối hàn tự do vào dây thứ ba có nhiệt độ khác nhau ( suất hiện sức điện động ký sinh)

Câu 11.Vẽ cấu tạo của hoả kế quang và giải thích hoạt của hoả kế quang Nêu ứng dụng của hoả kế trong thực tế

Đáp án:

- Sơ đồ cấu tạo của hoả kế quang học:

+ Cấu tạo: 1 là nguồn nhiệt cần đo, 2 là vật kính, 3 là kính lọc, 4 và 6 là vách kính, 5 là nguồn nhiệt mẫu, 7 là kính lọc ánh sáng đỏ, 8 là mắt kính

- Nguyên lý hoạt động của hoả kế quang học:

+ Khi đo, hướng hoả kế vào vật cần đo, ánh sáng từ vật bức xạ cần đo nhiệt

độ (1) qua vật kính (2), kính lọc (3), và các vách ngăn (4), (6), kính lọc ánh sáng đỏ (7) tới thị kính (8) và mắt Bật công tắc K để cấp điện nung nóng dây tóc bóng đèn mẫu (5), điều chỉnh biến trở Rb để độ sáng của đèn mẫu trùng với độ sáng của vật cần đo và dừng lại, đọc kết quả trên đồng hồ đo của đèn mẫu cũng chính là nhiệt độ của vật cần đo

+ Sai số khi đo:

Sai số đo đen của vật đo ε <1 khi đó Tđo xác định bởi công thức:

ελ

ln

1

C

Công thức hiệu chỉnh: Tđo = Tđọc +∆T

Giá trị của ∆T cho theo đồ thị

Ngoài ra sai số của phép đo còn do ảnh hưởng của khoảng cách đo, tuy nhiên sai số này thường nhỏ Khi môi trường có bụi bẩn ống kính, kết quả

đo cũng bị ảnh hưởng

Câu 12.Trình bày nguyên lý chung đo vị trí và dịch chuyển của vật

Đáp án:

- Việc xác định vị trí và dịch chuyển đống vai trò rất quan trọng trong kỹ thuật Hiện nay có hai cảm phương pháp cơ bản để xác định vị trí và dịch chuyển của vật

+ Trong phương pháp thứ nhất, bộ cảm biến cung cấp tín hiệu là hàm phụ thuộc vào vị trí dịch chuyển của một phần tử trên cảm biến, đồng thời phần

tử này có liên quan đến vật cần xác định dịch chuyển

+ Trong phương pháp thứ hai, ứng với một dịch chuyển cơ bản, cảm biến phát ra một xung Việc xác định vị trí và dịch chuyển được tiến hành bằng cách đếm số xung phát ra

+ Một số cảm biến không đồi hỏi có sự liên kết cơ học giữa cảm biến và vật cần đo vị trí hoặc dịch chuyển Mối quan hệ giữa vật dịch chuyển và cảm biến được thực hiện thông qua vai trò trung gian của điện trường, từ truường hoặc điện từ trường, ánh sáng

+ Ngoài các cảm biến trên, ngày nay để đo vị trí dịch chuyển của vật người

ta còn dùng các laọi cảm biến điện cảm, cảm điện dung, cảm biến quang, cảm biến dùng sóng đàn hồi

Câu 13.Vẽ cấu tạo của cảm biến điện thế kế điện trở trong việc xác định vị trí và dịch chuyển Giải thích hoạt động của cảm biến

Đáp án:

Sơ đồ cấu tạo của cảm biến điện thế kế điện trở

- Cấu tạo: 1 là thanh điện trở cố định, 2 là con chạy.

+ Ở hình a là điện thế kế điện trở có dạng đường thẳng

+ Ở hình b là điện thế kế điện trở dạng hình tròn

+ Ở hình c là điện thế kế điện trở dạng hình xoán

- Nguyên lý hoạt động:

+ Cảm biến gồm một điện trở cố định Rn, trên đó có một tiếp xúc điện có thể

di chuyển được gọi là con chạy Con chạy được liên kết cơ học với vật chuyển động cần khảo sát Giá trị của điện trở Rx giữa con chạy và một đầu của điện trở Rn là hàm phụ thuộc vào vị trí con chạy, cũng chính là vị trí của vật chuyển động

+ Đối với điện thế chuyển động thẳng ở hình a

n

L

R =1

+ Trường hợp điện thế kế dịch chuyển tròn xoắn hình b:

n M

R α

α

=

Trong đó αM <360o khi dịch chuyển tròn hình b và αM >360o khi dịch chuyển xoắn hình c

+ Các điện trở được chế tạo có dạng cuộn dây hoặc băng dẫn

Các điện trở cuộn dây thường được chế tạo từ các hợp kim Ni – Cr, Ni – Cu,

Ni - Cr

Câu 14.Vẽ sơ đồ mạch đo dùng cảm biến điện thế kế điện trở Cho biết vị trí của cảm biến trong sơ đồ và giải thích ý nghĩa của công thức đầu ra V0.

Câu 15.Vẽ cấu tạo của cảm biến sử dụng con trỏ quang và giải thích nguyên

lý hoạt động

Đáp án:

+ Sơ đồ cấu tạo của cảm biến sử dụng con trỏ quang

+ Cấu tạo: 1 là led phát quang, 2 là băng đo, 3 là băng tiếp xúc, 4 là băng quang dẫn Trục quay liên kết cơ học với vật cần đo vị trí đồng thời cũng là

bộ phận phản xạ lại băng quang dẫn

- Nguyên lý hoạt động:

Điện thế kế tròn dùng con trỏ quang gồm điốt phát quang (1), khi hoạt động điốt phát quang chiếu vào bộ phận phản xạ của trục, ánh sáng phản xạ chiếu vào vùng băng quang dẫn rất mảnh làm bằng CdSe, khi ánh sáng chiếu vào tạo nên sự liên kết giữa băng đo và băng tiếp xúc, vị trí dịch chuyển càng nhanh thì diện tích giữa băng đo và băng tiếp xúc càng lớn Từ đây ta xác định được giá trị điện trở và suy ra vị trí của vật cần tìm

Câu 16 Vẽ cấu tạo cảm biến điện thế kế dùng con trỏ từ, và giải thích nguyên lý hoạt động của cảm biến

Đáp án:

- Sơ đồ cấu tạo điện thế dùng con trỏ từ

+ Cấu tạo của điện thế kế dùng con trỏ từ gồm hai điện trở R1 và R2 mắc nối tiếp và một nam châm vĩnh cửu gắn với trục quay của điện thế kế, bao phủ