Đồ án môn học Trang Bị Điện

Trước năm 1975 máy móc trong các nhà máy ở nước ta còn cũ kỹ,lạc hậu dây truyền trong các nhà máy chủ yếu nhập từ liên xô, trong một thời gian dài không có sự thay thế vì vậy năng suất rất thấp. Ngày nay với sự mở cửa, hợp tác song phương

Trước năm 1975 máy móc trong các nhà máy ở nước ta còn cũ kỹ,lạc hậu dây truyềntrong các nhà máy chủ yếu nhập từ liên xô, trong một thời gian dài không có sự thay thế

vì vậy năng suất rất thấp Ngày nay với sự mở cửa, hợp tác song phương, có những máymóc mới,dây truyền mới được đưa vào nên năng suất tăng cao rất nhiều lần,thay vì dùngtới cả trăm người trong dây truyền thì giờ đây chỉ cần tới một hai người hoặc còn ít hơnthế cụ thể như ở khu Công nghiệp Nhơn Trạch,công ty Fomosa, người lao động chỉ làmnhiệm vụ chỉnh sửa lại một vài lỗi nhỏ Việc sử dụng lao động ít như vậy là vì có sự ápdụng những tiến bộ khoa học vào trong sản xuất ví dụ như PLC, vi điều khiển Một thiết

bị không thể thiếu trong các dây truyền tự động đó là các bộ cảm biến Các bộ cảm biếnđóng vai trò quan trọng trong lĩnh vực đo lường và điều khiển, chúng cảm nhận và đápứng theo kích thước,thường là các đại lượng không điện,chuyển đổi các đại lượng nàythành các đại đại lượng khác và truyền thông tin về hệ thống đo lường điều khiển giúpchúng ta nhận dạng,đánh giá và điều khiển mọi biến trạng thái của đối tượng, đó là mộtvấn đề làm chúng ta phải suy nghĩ ? Để tìm hiểu, nghiên cứu và có được một cách nhìnnhận về các bộ cảm biến cũng như những ứng dụng của các bộ cảm biến trong công

nghiệp mà chúng em chọn làm đồ án này, dưới sự hướng dẫn của thầy giáo “Trương

Đình Nhơn”.Chúng em hy vọng rằng qua đồ án môn học “Trang Bị Điện” này chúng em

sẽ hoàn thiện được kiến thức của mình về cả lĩnh vực lý thuyết và kiến thức trong thực

tế Mặc dù đã rất cố gắng nhưng không thể nào tránh khỏi những thiếu sót.Vì vậy Rấtmong sự đóng góp của Thầy và các bạn đọc để chúng em hoàn thiện hơn kiến thức củamình !

PHẦN I: CẢM BIẾN CÔNG NGHIỆP

1 Khái niệm cơ bản về cảm biến.

Trong các hệ thống đo lường và điều khiển mọi quá trình đều được đặc trưng bởibiến trạng thái như nhiệt độ, áp suất, tốc độ, mô men vv Các biến trạng thái này thường

là các đại lượng không điện Nhằm mục đích điều chỉnh, điều khiển các quá trình ta cầnthu thập thông tin, đo đạc, theo dõi sự biến thiên của biến trạng thái của quá trình Các bộcảm biến thực hiện chức năng này,chúng thu nhận và đáp ứng với các tín hiệu và kíchthích,là tai mắt của các hoạt động khoa học và công nghệ của con người

Các bộ cảm biến thường được định nghĩa là thiết bị cảm nhận và đáp ứng với cácthiết bị kích thích

Đây là sơ đồ điều khiển tự động quá trình,trong đó bộ cảm biến đóng vai trò cảmnhận, đo đạc và đánh giá các thông số của hệ thống,bộ vi xử lý bao gồm PLC, Gen, Logolàm nhiệm vụ xử lý thông tin và đưa ra tín hiệu điều khiển quá trình, bộ phận chấp hànhbao gồm van, thuỷ lực, khí nén,hay các động cơ kéo các bộ phận chuyển động thực hiệnnhững quá trình điều khiển từ các bộ điều khiển trên

2 Phân loại các bộ cảm biến

Các bộ cảm biến có thể phân loại theo các phương pháp khác nhau

2.1 Theo nguyên lý chuyển đổi giữa đáp ứng và kích thích:

Hoá học

Biến đổi hoá học Biến đổi điện hoá Phân tích phổ…

Biến đổi vật lý…

Khoa Điện - Trường ĐHSPKT TPHCM

Cơ cấu chấp hành Bộ cảm biến

Full

Bộ vi xử lý

Phổ,tốc độ,truyền sóngĐiện

Điện tích,dòng điện Điện thế, điện ápĐiện trường, điện dẫn…

Quang

Tốc độ truyền

Hệ số phát xạ, khúc xạ

vị trí,lục, áp suất, gia tốc, ứng suất

Mô men,khối lượng,vận tốc chất lưu

Bức xạ

Kiểu Năng lượng Cường độ

- Trong công nghiệp.

- Nghiên cứu khoa học

- Môi trường, khí tượng

- Nông nghiệp,dân dụng,giao thông,quân sự

2.5 Theo thông số của mạch thay thế:

- Cảm biến tích cực(có nguồn) đầu ra là nguồn áp hoặc nguồn dòng.

- Cảm biến thụ động ( không nguồn) được đặc trưng bởi các thông sốR,L,C,M tuyến tính hoặc phi tuyến

- Đáp ứng của các bộ cảm biến nói chung không phù hợp với tải về điện áp công suất,nhiệt độ …vì vậy cần có bộ giao diện giữa bộ cảm biến và tải Cần phải phối hợp giữa

đầu ra của bộ cảm biến và đầu vào của hệ thống xử lý dữ liệu,các mạch điện tửễe thựchiện nhiệm vụ này là,các mạch giao diện này thường được xây dựng trên cơ sở các bộkhuếch đại thuật toán, đó là các bộ khuếch đại một chiều có hệ số khuếch đại rất lớn vàtổng trở vào rất lớn,bộ khuếch đại thuật toán này là mạch tích hợp có hang trămTranzito,tụ điện và điện trở có.

+ Hai đầu vào,một đầu vào đảo(âm) và một đầu không đảo (dương )

+ Điện trở vào rất lớn cỡ hàng trăm mê

+ Điện trở ra rất nhỏ khoảng 10 

+ Điện áp lệch đầu vào rất nhỏ

+ Dòng điện phân cực đầu vào rất nhỏ

+ Hệ số khuếch đại hở mạch rất lớn

+ Dải tần làm việc rộng.Thông thường là các Bộ khuếch đại dòng

Bộ khuếch đại khử điện áp lệch

Bộ khuếch đại lặp lại điện áp Nguồn điện áp chính xác

CHƯƠNG 1: CẢM BIẾN NHIỆT

Khoa Điện - Trường ĐHSPKT TPHCM

EI

1 Cảm biến nhiệt điện trở:

Nhiệt điện trở kim loại có dạng dây kim loại hoặc màng mỏng kim loại,có điện trởsuất thay đổi theo nhiệt độ, dựa vào dãi nhiệt độ cần đo và các tính chất của môi trườngngười ta thường làm điện trở bằng Platin,Niken đôi khi còn sử dụng đồng , Vonfram Cảm biến nhiệt điện trở Silic ( thiếu )

Cảm biến vi mạch bán dẫn đo nhiệt độ

Linh kiện điện tử rất nhạy cảm với nhiệt độ, do đó có thể sử dụng một số linh kiệnbán dẫn như diode,Trazito

1.1 Cảm biến vi mạch bán dẫn đo nhiệt độ:

Linh kiện điện tử rất nhạy cảm với nhiệt độ, do đó ta có thể sử dụng một số linh kiệnbán dẫn như diode,tranzito nối theo kiểu diode Khi đó điện áp giữa 2 cực Colecto vàEmito là hàm của nhiệt độ

Ứng dụng của cảm biến vi mạch ( LM335) đo nhiệt độ.

Khoa Điện - Trường ĐHSPKT TPHCM

LM308

Ura (100mv/ o C)

250K 15V

20K 20K

180K

+ 15V

15V

2 3 7

8

Hai cảm biến LM335 và 2 điện trở 12K được mắc thành mạch cầu với nguồn cungcấp 15V.Biến trở 50K dùng hiệu chỉnh giá trị 0 ban đầu Điện áp ra của mạch cầu đượcđưa vào OP-AM LM308 khi đo, do nhiệt độ của 2 cảm biến khác nhau, cầu mất cân bằng,tín hiệu ra được khuếch đại và đưa vào chỉ thị

Người ta dùng linh kiện điện tử để điều khiển nhiệt độ của các lò đốt như lò nung gốmsứ,hệ thống điều hoà nhiệt độ …vv

ở nhiệt độ 70oC thì cảm biến đưa tín hiệu về bộ điều khiển, điều khiển tim nung hoạtđộng

Khi nhiệt độ 100oC thì cảm biến đưa tín hiệu về bộ điều khiển ngắt tim nung, quá trình

cứ tuần tự tiếp diễn, ta có sơ đồ như hình vẽ

CHƯƠNG 2: CẢM BIẾN QUANG

Khoa Điện - Trường ĐHSPKT TPHCM

5V

Tim nung

Lò nhiệtcảm biến T o

-Vcc

Rf1Rf2

D1

D2

lỗ trống tuỳ thuộc vào chất pha tạp

Hiện tượng giải phóng các hạt dẫn dưới tác dụng của ánh sáng do hiệu ứng quang điện sẽgây nên sự thay đổi tính chất điện của vật liệu đó là nguyên lý cơ bản của các cảm biếnquang

2.2 Đặc điểm của cảm biến quang:

- Nhỏ, tiết kiệm chổ.

- Khoảng cách phát hiện xa từ 30m trở xuống

- Phát hiện được tất cả mọi vật bóng,trong

- Nguồn cấp là xoay chiều

- Phân biệt được mức nhỏ,không bị ảnh hưởng bởi màu sắc

- Chịu được hoá chất như dầu,chịu được nhiệt độ tới 400o C hoạt động ở chân không

- Ánh sáng đưa từ đầu phát đến đầu thu hoặc ánh sáng tại đầu phát gặp vật sẽ phản xạlại đầu thu Đầu phát và thu gắn trên cùng một cảm biến

2.3.4 Cảm biến quang phản xạ giới hạn (limited Reflective).

2.3.5 Cảm biến quang đặt khoảng cách( Distance Settble).

2.3.6 Cảm biến quang loại phát hiện mark (Mark Dêtction).

2.3.7 Cảm biến màu (Color Sensor).

Khoa Điện - Trường ĐHSPKT TPHCM

2.4 Cảm biến quang điện.

Cảm biến quang điện thực chất là các linh kiện quang điện, chúng thay đổi tính chất

khi có ánh sáng thích hợp chiếu vào bề mặt của chúng

2.4.1 Tế bào quang dẫn.(quang điện trở)

Nguyên lý làm việc của quang điện trở là sự phụ thuộc của điện trở vào thông lượngbức xạ và phổ bức xạ

Tế bào quang dẫn là cảm biến quang điện có độ nhạy cao.Cơ sở vật lý của tế bào quangdẫn là hiện tượng quang dẫn do hiệu ứng quang điện Đó là hiện tượng giải phóng các hạttải điện trong vật liệu dưới tác dụng của ánh sáng làm tăng độ dẫn điện của vật liệu

2.4.2 Phôtô diode.

Nguyên lý làm việc

sự tiếp xúc của hai bán dẫn loại Nvà P tạo nên vùng nghèo hạt dẫn vì ở đó tồn tại mộtđiện trường và hình thành một hàng rào điện thế Khi không có điện thế bên ngoài đặt lênphần chuyển tiếp, dòng điện qua chuyển tiếp bằng không.Khi đặt một điện áp lêndiode,với điện áp đủ lớn,chiều cao của hàng rào thế năng tăng và trên diode có dòng điệnngược

Khi chiếu ánh sáng vào diode bằng bức xạ có bước sóng sẽ xuất hiện các cặp điện từ

lỗ trống dưới tác dụng của điện trường các cặp điện từ lỗ trống chuyển động và dòng điệnngược tăng lên rất nhanh

2.4.3 Photo Tranzito.

Photo Tranzito là các Tranzito Silic loại N-P-N mà vùng bazo( cực B) được chiếu

sáng, không có điện áp đặt lên cực B, chỉ có điện áp trên cực C, đồng thời chuyển tiếp

C phân cực ngược Điện áp đặt chủ yếu vào phần chuyển tiếp B-C, trong khi đó sự chênhlệch điện thế giữa Evà B thay đổi không đáng kể (UBE = 0,6->0,7V).

Khi phần chuyển tiếp B-C được chiếu sáng, sự hoạt động của Photo Tranzito giống nhưPhoto diode Coi photo Tranzito giống như tổ hợp của một Photo diode và một Tranzito

2.4.4 Cảm biến phát xạ: (tế bào quang điện)

Nguyên lý làm việc của cảm biến phát xạ là biến đổi tín hiệu quang điện thành tínhiệu điện nhờ hiện tượng phát xạ điện tử ở điện cực Catot khi có thông lượng ánh sángchiếu vào

Cảm biến phát xạ được phân thành

Catot hấp thụ photon và giải phóng điện tử,các điện tử di chuyển lên bề mặt và thoát

ra ngoài

2.5 Ứng dụng của cảm biến quang :

2.5.1 Dùng tế bào quang dẫn để điều khiển rơle.

Nguyên lý làm việc của hệ điều khiển là khi chưa có ánh sáng chiếu vào tế bào

quang dẫn,dòng điện qua quang dẫn và rơle rất nhỏ chưa đủ để rơle tác động Khi được

Khoa Điện - Trường ĐHSPKT TPHCM



Ir

truyền được từ đầu phát tới đầu thu.Nếu mũi khoan bị gẫy thì ánh sáng từ đầu phát sẽ đếnđược đầu thu đưa lên cơ cấu hiển thị báo kết quả.Với loại cảm biến sử dụng là E3S-C Cảm biến quang được dùng trong các nhà máy sản xuất sữa, đồ hộp, chất lỏng bên tronghộp màu trắng không trong suốt với cảm biến sử dụng là E3Z-T61,với tia sáng mạnh cóthể xuyên qua vỏ bọc bên ngoài vì vậy có thể phát hiện được nước ở thời điểm hiện tạicũng như phát hiện được mức của chất lỏng này.

Cảm biến với 2 đầu thu phát độclập Cảm biến thu phát chung

Cảm biến khuếch tán

* Cảm biến quang có đầu thu phát chung được ứng dụng trong thang máy, được gắn ởhai bên cánh cửa để phát hiện người vào trong thang máy từ đó khống chế số người vàotrong thang ứng dụng này được sử dụng với cảm biến loại E3JK-R

Gương

* Cảm biến màu được ứng dụng nhiều trong công nghiệp cụ thể là trong khu vực xử lýnước thải tại khu chế xuất LINH TRUNG với cảm biến sử dụng là E3MC phân biệt mầubằng cách phát hiện sự khác nhau giữa màu phát hiện với màu chuẩn đã đăng ký ( sửdụng một tấm panel trắng phía sau giúp độ phản xạ cao hơn).

Với màu chuẩn đã đăng ký bằng nút nhấn trên bộ điều khiển cảm biến, khi mực nướctrong ống còn bẩn thì đầu thu nhận được sẽ khác nhiều so với màu chuẩn đã đăng ký vàđưa tín hiệu về khâu xử lý qua cơ cấu chấp hành mở van đưa nước ngược trở lại để xửlý.Đến khi nào cảm biến màu nhận được tín hiệu chuẩn như màu đã đăng ký thì điềukhiển cơ cấu chấp hành mở van xả nước ra ngoài, ở đây cảm biến chỉ phát hiện và sosánh với các thông số đã cài đặt từ trước, còn việc sử lý nước bị ô nhiễm thành nướcsạch phải có những hợp chất hoá học

và nhiều công đoạn khác chứ cảm biến

không làm được điều này mà chỉ phát

hiện

Phát hiện mức chất lỏng trong bồn

mà không bị ảnh hưởng bởi bot1

Sử dụng cảm biến loại điện dung

với mức điều chỉnh độ nhạy giúp triệt tiêu

ảnh hưởng của bọt ,cảm biến E2KQ-X10ME1

Cảm biến ứng dụng điện dung

Phát hiện theo nguyên tắc tĩnh điện ( Sự thay đổi điện dung giữa vật cảm biến và đầusensor

Phát hiện mực chất lỏng trong bồn.

Khoa Điện - Trường ĐHSPKT TPHCM

Led

Thu Ống nước

(1)

(1)

Tuy nhiên với mức độ không quan trọng khi cần phát hiện mực nước và điều khiểnquá trình đóng ngắt bơm người ta có thể dùng Liquid level Relay Với việc điều khiểnđóng ngắt bơm bằng hai quả phao gắn ở trên bể trên cao và hai quả phao gắn ở bể dưới,Hai phao này được nối vơi nhau và nối với hai công tắc trái cực nhau một thường đóng

và một thường mở,hai công tắc này về chức năng đúng như công tắc đèn,việc đóng cắt rấtnhạy và giá thành rẻ, dễ lắp ráp

Cũng dùng Sensor E8AA là sensor do áp suất códãi từ 0->10kgt/cm2 có thể dễ dàng kếtnối đầu ra 4->20mA của sensor với bộ điều khiển thích hợp

Dùng 2 cảm biến

Tuy nhiên mực nước trong nồi hơi(Sử dụng trong công ty may mặc dùng để xấykhô,là quần áo.Để không bị cháy người ta Nà bằng hơi nước,khi nước trong nồi sôi hơibốc lên được đưa qua van hút đưa tới bàn Nà, nước trong nồi có hiện tượng bốc hơi vàcạn ta phải thường xuyên bơm nước vào vậy để phát hiện mực nước trong nồi hơi đó khinào hết chúng ta bơm vào và khi nào đầy nước để chúng ta ngừng bơm nước vào.Thìchúng ta phải sử dụng thiết bị gì để đo? Chúng ta không thể dùng rơle được bởi khi mứcnước sôi, áp suất được đẩy từ dưới lên và 2 quả phao luôn nổi vì vậy các tiếp điểm (côngtắc ) không đóng do đó bơm sẽ không được cấp điện vì vậy không thể bơm nước vào nồihơi được

- Trong trường hợp này người ta dùng cảm biến điện dung hoặc cảm biến siêu âm, ngõ raanalog của sensor sẽ dựa vào bộ điều hiển thị K3MA-J để hiển thị và để diều khiển đóngngắt bơm khi đầy hoặc cạn 4->20mA

FullEmpty

Người ta cũng dùng cảm biến quang phát ra một chùm tia (cảm biến có đầu thu phátchung).dùng đóng mở cửa tự động như tại Bưu điện Thủ Đức hoặc tại siêu thị Metro…

Hình a và hình b thể hiện vị trí lặp đặt và vùng phát hiện của cảm biến , hình c là hìnhgiáng của loại cảm biến trên

2.5.2 Ứng dụng cảm biến quang trong hệ thống cảnh báo:

Cấu tạo của cảm biến như hình vẽ

Khoa Điện - Trường ĐHSPKT TPHCM

Hình c

Cảm biến quang được sử dụng trong hệ thống cảnh báo (báo động) trong Biệt Thự vàtrong những khu vực cần độ an ninh cao …

Hệ thống được thiết kế bằng cách dựng các cảm biến tại các góc tường,mỗi bức tườngđược dựng một bộ cảm biến gồm một đầu thu và một đầu phát.Như vậy nếu cần bảo vệkhu vực phía ngoài như tường rào của một ngôi nhà trên một miếng đất hình vuông vớitường rào là 4 bức thì cần tới 4 bộ cảm biến, các đầu dây của mỗi bộ cảm biến được đua

về bộ xử lý trung tâm có thể đặt tại phòng bảo vệ hoặc chỗ nào đó thuận tiện

Ngoài việc bảo vệ trên tường rào dùng cảm biến quang người ta còn kết hợp với các bộcảm biến từ gắn tại các cửa sổ của lầu một và lầu hai ở bốn xung quanh nhà.Hệ thống nàylàm việc hay không làm việc là do người sử dụng cài đặt bằng cách điều chỉnh đóng mởtại bộ xử lý.Các cảm biến từ có dạng như hình vẽ và được nối như hình vẽ

Mạch chỉ hoạt động khi tiếp điểm 1 và 2 được nối kín,để việc bảo vệ có kết quả caongười ta gắn phần A vào cánh cửa,phần B được gắn vào khung cửa,các cửa đều được gắnnhư vậy và mỗi đầu dây của cảm biến này được mắc nối tiếp với nhau tạo thành mộtmạch kín và có hai đầu dây đưa về bộ xử lý

Bình thường muốn hệ thống làm việc thì các cửa sổ phải đóng kín (có nghĩa là đóng

các công tắc lại,nối kín mạch từ,1 và 2 được nối với nhau ) như vậy tín hiệu sẽ chạy từ

đầu đầu tới đầu cuối nhờ các tiếp điểm của các cảm biến đã được đóng kín.Khi mở bất

kỳ một cửa nào ra thì mạch kín này bị ngắt ra tại 1 và 2 và tín hiệu từ đầu đầu sẽ không

đưa được tới đầu cuối Tín hiệu đưa về bộ xử lý thông qua bộ chuyển mạch đóng rơle cấp

nguồn cho chuông hoặc đèn để báo tín hiệu

Với cảm biến gắn trên tường rào cũng gồm một đầu thu và một đầu phát,đầu phát phát

ánh sáng và đầu thu sẽ nhận được

Việc đầu phát phát ánh sáng đầu thu nhận được là một kỹ thuật buộc người lắp đặt

phải có kinh nghiệm để sao cho ánh sáng giữa đầu thu và phát truyền theo một đường

thẳng và chiếu đúng vào tâm điểm của nhau.Ở chế độ bình thường thì ánh sáng phát ra từ

đầu phát và đầu thu sẽ nhận đượcvà không có tín hiệu từ bộ cảm biến đưa về Khi có sự

cố như người chèo qua tường che, chắn tia sáng,ánh sáng từ đầu phát sẽ không đến được

đầu thu,tín hiệu đưa về sẽ khác với bình thường hoặc đầu phát sẽ phát ánh sáng mà đầu

thu không nhận được Mỗi đâu cảm biến này đều được cấp nguồn với điện áp 12v DC và

có 2 đầu tín hiệu 1 vào và 1 ra thông qua bộ biến đổi và cơ cấu chấp hành đưa tín hiệu

vào chuông Để kiểm xoát hệ thống người điều khiển có thể nhấn nút điều khiển trên bàn

phím để tắt hoặc mở hệ thống báo động

Sơ đồ nguyên lý mạch bảo vệ và cơ cấu chấp hành

Khoa Điện - Trường ĐHSPKT TPHCM

MA741+

220V

Ưu điểm của hệ thống này là

Bảo vệ tin cậy và an toàn cao

Dễ lắp đặt,giá thành rẻ

Cảm biến

Hình dáng to vì vậy không mỹ quan

Đôi khi bị nhiễu do hiện tượng

chim bay qua

Khoảng cách phát hiện rất xa , tuỳ theo

loại mà khoảng cách là 20m, 35m 70m

CHƯƠNG 3: CẢM BIẾN THÔNG MINH

3.1 Khái niệm chung :

Khoa Điện - Trường ĐHSPKT TPHCM

liệu,tự động chọn thang đo,tự động bu sai số

Nhờ tính năng cao của mạch vi xử lý, kỹ thuật đo lường đã đưa ra nhiều phươngpháp, biện pháp đo để đa dạng hoá các cảm biến, đưa ra nhiều biện pháp để xử lývànâng cao độ chính xác, ổn định,tăng độ tác động nhanh…loại bỏ các yếu tố ảnh hưởngđến độ chính xác của dụng cụ đo cũng như hệ thống đo

Cảm biến thông minh thực hiện được các chức năng mới mà cảm biến thông thườngkhông thực hiện được đó là

đo khác nhau

sẵn, chương trình này thay đổidược bằng thiết bị lập trình

quả hiển thị trên màn hình hoặc máy in

 Có thể thay đổi toạ độ bằng cách đưa vào các thừa số nhân thích hợp

 Tiến hành tính toán đưa đưa ra các kếtquả đo khi thực hiện phép đo gián tiếp hayhợp bộ hay thống kê

trường như nhiệt độ, độ ẩm…

liên lạc để truyền đi xa theo chu kỳ hay theo địa chỉ

 Có thể ghép nối với bộ nhớ để nhớ số liệu của kết quả đo hay giá trị tức thời củatín hiệu đo

 Sử dụng p có thể thực hiện các phép tính như cộng,trừ nhân, chia, điều khiển quátrình đo và sự làm việc của các khâu như chuyển đổi tương tự sang số, dồn kênh

 Sử dụng p có khả năng phát hiện những vị trí hỏng hóc trong thiết bị đo và đưathông tin về chúng nhờ cài đặt chương trình kiểm tra và chuẩn đoán kỹ thuật về sự làmviệc của thiết bị đo.

3.2 Cấu tạo của cảm biến thông minh.

Sơ đồ cấu trúc của cảm biến thông minh

Các thiết bị trong sơ đồ trên

- X1,X2 ……Xn là các đại lượng đo

- CH1,CH2….CHn là các bộ chuẩn hoá

- ΔP là bộ vi xử lý.P là bộ vi xử lý

Nguyên lý làm việc của cảm biến

đổi thành các tín hiệu điện sau đó đưa qua các bộ chuẩn hoá để chuẩn hoá tín hiệu thànhdòng hoặc áp

Bộ dồn kênh (MUX) làm nhiệm vụ chuyển các tín hiệu điện theo chương trình địnhtrước đến ADC, biến đổi tín hiệu dang tương tự sang tín hiệu số và đưa vàoP ( bộ vi xử

lý P điều khiển MUX và ADC làm việc theo chương trình

Khoa Điện - Trường ĐHSPKT TPHCM

giữa của hai tụ điện bị tác động lúc đó giá trị điện dung C1>C2.Tín hiệu ra của cảm biếnđược dưa qua mạch

chuẩn hoá và biến đổi thành tần số.Qua mạch cách ly bằng photo diode tín hiệu được đưavào CPU Để hiệu chỉnh sai số do nhiệt độ môi trường thay đổi người ta dùng thêm cảmbiến nhiệt độ.Các tín hiệu trên được đưa qua MUX,A/D và P v.v…trong CPU

CPU làm nhiệm vu quản lý mọi thao tác của tất cả các khâu trong bộ cảm biến như tuyếntính hoá đường cong của cảm biến và truyền thông tin đi xa qua modem hoặc vào máytính.Chương trình được cất ở Prom bên trong bộ vi xử lý khi thu thập số liệu thông tinđược đưa vào bộ nhớ RAM

Một bộ EFROM khác cũng được lắp đặt để ghi và đọc thông tin và độ chênh lệch ápsuất và nhiệt độ môi trường.Bộ đầu ra output thực hiện nhiệm vụ đưa thông tin ra dướidạng tương tửơ dạng dòng một chiều 4-20mA hoặc chỉ thị số

Sơ đồ khối của cảm biến thông minh

Chức năng của bộ cảm biến

tuỳ thuộc vào cách sử dụng bộ cảm biến thông minh có thể thực hiện các chức năng-Đo trực tiếp đại lượng đo,sử dụng trong trường hợp đo áp suất,độ chênh áp suất và đomức

-Đo căn bậc hai,sử dụng trong trường hợp đo lưu lượng với các chuyển đổi áp suất vi sai-Đo căn bậc hai sử dụng cho trường hợp đo lưu lượng một kênh nước mở có tiết diệnhình thang hay hình chữ V

Modem EELL 202

EEPROM

Cảm biến thông minh còn ứng dụng trong công nghiệp như phát hiện các vật có sự khácbiệt dù rất nhỏ với độ phân biệt cao.như phát hiện lỗi nhỏ xuất hiện ở các lô tơ lụa ,vớicảm biến sử dụng là ZX-LT kết hợp với amplifier

Cảm biến thông minh còn ứng dụng phát hiện những tem màu khác biệt về dán khôngđúng quy cách với cảm biến mang tên ZX-LD, có đầu thu phát chung,lợi dụng vật đểphản xạ ánh sáng chiếu tới

CHƯƠNG IV: CẢM BIẾN ĐO BIẾN DẠNG,LỰC

Khoa Điện - Trường ĐHSPKT TPHCM

ε = ∆L/L

- Biến dạng gọi là đàn hồi khi ứng lực mất đi thì biến dạng cũng không còn

- giới hạn đàn hồi là ứng lực tối đa không gây nên biến dạng cố định, độ của giới hạn

đo bằng Kg lực/mm2

4.1.1 Cảm biến áp trở:

Nguyên lý : Khi vật dẫn chịu biến dạng cơ học là điện trở của nó thay đổi, hiện tượng

đó được gọi là hiệu ứng áp trở (Piezo resistive effect).Cảm biến có nguyên lý hoạt độngdựa trên hiệu ứng đó gọi là hiệu ứng áp trở

Ta biết điện trở của vật dẫn được biểu diễn bằng biểu thức

R = ρ

S L

Do chịu ảnh hưởng của biến dạng nên điện trở của cảm biến bị thay đổi một lượng R

R/R : Lượng biến thiên tương đối của điện trở khi bị biến dạng

L/L : lượng biến thiên tương đối theo chiều dài

 ρ/ρ : Lượng biến thiên tương đối theo điện trở suất

S/S : Lượng biến thiên tương đối theo tiết diện

Cảm biến áp trở chia thành 2 dạng cơ bản là áp trở kim loại và bán dẫn.

Cảm biến áp trở kim loại mảnh

Chúng được phân thành áp trở dây mảnh,lá mỏng và màng mỏng

- Cảm biến áp trở dây mảnh gồm có dây điện trở uốn hình răng lược hai đầu dây hàn vớihai lá đồng để nối với mạch đo

- Cảm biến lá mỏng là một lá mỏng làm từ hợp kim Constantan chế atọ theo phương pháp

ăn mòn quang hợp có độ nhạy lớn, ít biến dạng ngang, điện trở lớn

- Cảm biến áp trở màng mỏng chế tạo bằng phương pháp bốc hơi kim loại

Cảm biến áp trở bán dẫn.

- Được chế tạo từ các chất bán dẫn như Silic,Germani, asenua…vv

- Cảm biến áp trở chia thành 2 loại loại cắt và loại khuếch tán.

- Nguyên lý : Bình thường các điện tử phân bố trong tinh thể bán dẫn bằng nhau, độ dẫnđiện không thay đổi khi bị biến dạng các điện trở thay đổi do đó độ dẫn điện thay đổi vàđiện trở thay đổi theo

4.1.2 Mạch đo và ứng dụng:

Mạch đo có thể dùng mạch cầu 2 hoặc 4 nhánh hoạt động mà các áp trở là điện trở nhánhkết hợp với khuếch đại và chỉ thị

với cầu một nhánh hoạt động của chúng như sau

Giả sử R1=R2=R3=Rx=R khi đó biến dạng Rx thay đổi một lượng ΔP là bộ vi xử lý.r

Khoa Điện - Trường ĐHSPKT TPHCM

Ut =R Rt(1εrSinwt với ε<<1 ta có

Ưu điểm của cảm biến áp trở là quán tính nhỏ,dải tần rộng từ 0÷100 KHz

Hình vẽ trên là sơ đồ ứng dụng của cảm biến áp trở đo biến dạng

4.2 Đo Lực

Theo định luật cơ bản của động lực học ta có F=ma,trong đó m là khối lượng của vậtchịu tác động,Lực F tính bằng Newton gây nên gia tốc a

Thông thường đo lực có hai phương pháp đo

Đo trực tiếp là phương pháp có sử dụng các cảm biến có đại lượng vào là lực F tácđộng trực tiếp lên nó và đại lượng ra là tín hiệu điện

Đo gián tiếp là phương pháp đo sử dụng các phần tử đàn hồi,các hệ dẫn truyền,biến lực

đo thành độ dịch chuyển.Các cảm biến đo độ dịch chuyển,suy ra lực tác động.tuỳ thuộcvào dải đo và tần số biến thiên của lực tác động mà chọn loại cảm biến đo cho phù hợp và

ít gây lên sai số

Nói chung phép đo lực là yêu cầu đối với cơ học vật rắn ,còn đối với cơ học chất lỏng

và chất khí người ta chú ý tới áp suất.Lực được chú ý khi tác động lên một điểm ,còn ápsuất được đo khi lực phân bố trên diện rộng Các bộ cảm bioến lực có thể phân thành hailớp:Các bộ cảm biến định lượng và định tính Các bộ cảm biến định lượng dùng để đo lực

có giá trị được thể hiện bằng tín hiệu điện Các bộ cảm biến định tính là các thiết bị cóngưỡng, tín hiệu ra của nó chỉ độ lớn của lực đã vượt qua một nghưỡng định trước Cácphương pháp cảm biến lực có thể thực hiện bằng cách:

Cân bằng một lực chưa biết với một lực đối kháng sao cho lực tổng cộng và mô men củachúng bằng không

Đo gia tốc của vật có khối lượng đã biết để xác định lực

Cân bằng lực chưa biết với một lực điện từ

Biến đổi lực thành áp suất chất lỏng và đo áp suất này

Đo ứng suất tạo nên khi vật bị biến dạng đàn hồi và suy ra lực

Trong đa số bộ cảm biến lực không được biến đổi trực tiếp thành tín hiệu điện mà đượctiến hành qua một vật trung gian chịu lực cần đo và bị biến dạng.Ví dụ bộ cảm biến lựcđược chế tạo bằng cách phối hợp bộ cảm biến vị trí và bộ biến đổi lực thành di chuyển.Ví

dụ trên hình 4-1 lực tác động nên lò xo phối hợp với điện cảm vi sai ,di chuyển của lò xochuyển thành điện áp trên cuộn dây vi sai Trên hình 4-2 lực tạo nên ứng suất trong chấtlỏng và làm màng của cảm biến áp suất cảm nhận

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Cảm biến áp từ là một dạng của cảm biến điện cảm và hỗ cảm nhưng có mạch từkín.Nguyên lý hoạt động dựa trên hiệu ứng áp từ.Khi bị tác động cơ học,cảm biến bị biếndạng,độ từ thẩm μ và các tính chất khác của vật liệu sắt từ thay đổi

Giả sử cảm biến áp từ là điện cảm dưới tác động của ứng lực cơ, lõi thép bị biếndạng.Nếu bỏ qua tổn hao dòng xoáy và từ trễ,điện cảm L được tính

L =

M

2 R

W

(4-1)Trong đó

Ta có ΔP là bộ vi xử lý.l= L0 μ

ΔP là bộ vi xử lý.μ (

ΔP là bộ vi xử lý.L (1

L 2

L0 điện cảm ban đầu khi chưa có lực tác động

Như trên ta đã biết,với

<<1 trong giới hạn biến dạng đàn hồi

do đó độ nhạy tương đối của cảm biến khi chịu tác động lực

Sl =

ΔP là bộ vi xử lý.l/L

ΔP là bộ vi xử lý.L/L0

=(ΔP là bộ vi xử lý.μμ -(2Kp+1)]

Sl = Sμ- (2Kp+ 1) Sμ =(ΔP là bộ vi xử lý.μμ là độ nhạy áp từ,đằc trưng cho vật liệu mạch từ.Do Sμ

>> (2Kp +1 ) nên có thể coi độ nhạy tương đối của cảm biến

Z

ΔP là bộ vi xử lý.Z

: Độ biến thiên tương đối của của tổng trở

E: Mô đun đàn hồi

Sai số và ứng dụng.

Sai số của cảm biến áp từ do hiện tượng trễ không trùng lặp trạng thái khi tăng giảm.Sựphân tán các giá trịΔP là bộ vi xử lý.μ/μ= f(F) ở các chu kỳ đầu khi tăng giảm tải khoảng 10% Sai số dodòng điện từ hoá không ổn định làm thay đổi độ từ thẩm ban đầu và thay đổi độ lớn của

Khoa Điện - Trường ĐHSPKT TPHCM

Mặc dù độ chính xác thấp 3÷5 % nhưng do cấu trúc đơn giản,độ tin cậy cao nên đượcứng dụng đo lực,trọng lượng…

Hình 4-5 là sơ đồ cấu tạo của cảm biến áp từ đo lực và sơ đồ mạch của nó

Trong đó cảm biến 1 chịu lực F.Còn cảm biến 2 không chịu lực F tác động và làm nhiệm

vụ bù điện cảm ban đầu và các yếu tố ảnh hưởng khác như nhiệt độ,Tần số nguồn cungcấp thay đổi…

Hai cảm biến được mắc với hai điẹn trở R thành mạch cầu

Điện áp đo trên chỉ thị tỷ lệ với lực tác động

Dải đo của cảm biến từ 105 ÷106N (hình b)

4.2.3 Đo lực bằng phương pháp đo di chuyển.

phương pháp gián tiếp đó là sử dụng các phần tử phụ như màng đàn hồi,thanh dẫn đểbiến đổi lực đo F thành di chuyển và các cảm biến thực hiện đo độ dịch chuyển để suy ralực tác động

Cảm biến thực hiện nhiệm vụ trên là các cảm biến

Bình thường chưa có lực tác động,lõi thép nằm giữa hai cuộn dây, do đấu ngược cựcnhau và có sức điện động bằng nhau nên diện áp ra e0 =0

Khi có lực tác động,màng đàn hồi và thanh dẫn dịch chuyển làm lõi thép của cảm biếndịch chuyển theo do đó sức điện động của hai cuộn thứ cấp khác nhau và điện áp ra e0 tỷ

lệ với độ dịch chuyển của lõi thép và cũng tỷ lệ với lực tác động

Ứng dụng

Người ta dùng cảm biến áp từ để đo trọng lương của vật như đo trọng lượng của ôtô.Tại công ty Fomosa khu công nghiệp Nhơn Trạch Đồng Nai để kiểm tra lượng hàngnhập vào và xuất ra của công ty dựa vào tải trọng của xe, tai cổng của công ty người ta cóđặt một trạm cân, mọi xe ra vào công ty đều phải qua trạm cân này

Trạm cân được xây dựng như sau

Chỗ để xe đậu cân giống như một bàn cân bình thường,bốn góc gắn 4 cảm biến từ,đầu racủa cảm biến này được gắn với bộ chuyển đổi bao gồm khối phát hiên lỗi rồi tới khốiđiều khiển bao gồm cả khuếch đại và kết quả của phép đo được hiển thị trên máytính Khi chưa có xe tại trạm cân thì cảm biến đưa về là không,khi có xe đậu trên đó thìcảm biến đưa về một lượng lực là ΔP là bộ vi xử lý.F so với vị trí ban đầu, lượng lực này đưa qua bộchuyển đổi và hiển thị trên máy tính, qua máy tính người điều khiển biết được trọnglượng của xe là bao nhiêu

Ngoài ra ở đầu của trạm cân người ta còn có gắn cảm biến quang như hình vẽ,Khi xeđung, vào ánh sáng giữa đầu phát và đầu thu của cảm biến quang,tín hiệu được đưa qua

xử lý và đưa tới cơ cấu chấp hành là một chuông điện có đấu song song với một đèn báomàu đỏ khi đó chuông sẽ kêu đồng thời đèn sẽ nhấp nháy báo hiệu để xe dừng lại sẵnsàng cân

Khoa Điện - Trường ĐHSPKT TPHCM