Đề tài: Nguyên lý hoạt động và đặc điểm sử dụng của các cảm biến dùng trong thiết bị đo lường tự động (từ 3 – 5 loại), có hình minh họa bằng thiết bị đo cụ thể.I. Mở đầu.Ngày nay kỹ thuật đo lường tự động đang có những bước phát triển nhảy vọt. Có được sự phát triển này là nhờ sự kết hợp chặt chẽ giữa lý thuyết đo lường và điều khiển hiện đại với công cụ toán tin. Sản phẩm của sự kết hợp này đã tạo ra các loại cảm biến đa dạng và phong phú đáp ứng hầu hết các yêu cầu đo lường được đặt ra.Có thể nói các bộ cảm biến đóng vai trò quan trọng nhất trong lĩnh vực đo lường và điều khiển, chúng cảm nhận và đáp ứng theo các kích thích sau đó chuyển các đại lượng này thành các đại lượng điện để truyền thông tin về hệ thống đo lường điều khiển. Các bộ cảm biến giúp chúng ta nhận dạng, đánh giá và điều khiển mọi biến trạnh thái của đối tượng, vai trò của chúng đối với kỹ thuật đo lường và điều khiển giống như các giác quan đối với cơ thể sống.Các cảm biến có cấu trúc phong phú từ đơn giản đến phức tạp. Tuy nhiện xu hướng chung là các cảm biến đều triệt để khai thác các thành tựu của vật lý học hiện đại, của công nghệ mới trong điện tử và tin học, của lý thuyết điều khiển hiện đại nhằm tạo nên các cảm biến thông minh và có độ linh hoạt ngày càng cao. Sự phát triển cao nhất của cảm biến là các sản phẩm cảm biến thông minh, đó là các loại cảm biến có khả năng lập trình, cho phép đo với độ nhạy và chính xác cao đồng thời có khả năng tự đông thay đổi thang đo, tự động khử nhiễu, tự động xử lý kết quả đo và có khả năng đo từ xa.....
Trang 1TIỂU LUẬN
HỆ THỐNG ĐO LƯỜNG TỰ ĐỘNG
Đề tài: Nguyên lý hoạt động và đặc điểm sử dụng của các cảm biến dùng trong thiết bị đo lường tự
động (từ 3 – 5 loại), có hình minh họa bằng thiết bị đo cụ thể
I Mở đầu
Ngày nay kỹ thuật đo lường tự động đang có những bước phát triển nhảy vọt Có được sự phát triển này là nhờ sự kết hợp chặt chẽ giữa lý thuyết đo lường và điều khiển hiện đại với công cụ toán tin Sản phẩm của sự kết hợp này đã tạo ra các loại cảm biến đa dạng và phong phú đáp ứng hầu hết các yêu cầu đo lường được đặt ra
Có thể nói các bộ cảm biến đóng vai trò quan trọng nhất trong lĩnh vực đo lường và điều khiển, chúng cảm nhận và đáp ứng theo các kích thích sau đó chuyển các đại lượng này thành các đại lượng điện để truyền thông tin về hệ thống đo lường điều khiển Các bộ cảm biến giúp chúng ta nhận dạng, đánh giá và điều khiển mọi biến trạnh thái của đối tượng, vai trò của chúng đối với kỹ thuật đo lường và điều khiển giống như các giác quan đối với cơ thể sống
Các cảm biến có cấu trúc phong phú từ đơn giản đến phức tạp Tuy nhiện xu hướng chung là các cảm biến đều triệt để khai thác các thành tựu của vật lý học hiện đại, của công nghệ mới trong điện tử và tin học, của lý thuyết điều khiển hiện đại nhằm tạo nên các cảm biến thông minh và có độ linh hoạt ngày càng cao Sự phát triển cao nhất của cảm biến là các sản phẩm cảm biến thông minh,
đó là các loại cảm biến có khả năng lập trình, cho phép đo với độ nhạy và chính xác cao đồng thời có khả năng tự đông thay đổi thang đo, tự động khử nhiễu, tự động xử lý kết quả đo và có khả năng đo
từ xa
Các loại cảm biến có thể phân loại theo nhiều phương pháp khác nhau Các cách phân loại cảm biến thường được sử dụng nhất gồm có: Phân loại theo nguyên lý chuyển đổi giữa đáp ứng và kích thích; Phân loại theo dạng kích thích; Phân loại theo tính năng của cảm biến; phân loại theo phạm vi sử dụng của cảm biến; phân loại theo thông số của mô hình mạch thay thế Theo phương pháp phân loại theo thông số của mô hình mạch thay thế các cảm biến được chia thành hai loại: loại thứ nhất là cảm biến tích cực, nghĩa là các cảm biến có đầu ra là nguồn áp hoặc nguồn dòng Loại thứ hai là cảm biến thụ động, nghĩa là cảm biến được đặc trưng bởi các thông số R, L, C, M… tuyến tính hoặc phi tuyến
Cùng với sự phát triển của cảm biến là sự phong phú và đa dạng của các thiết bị đo lường tự động hiện đại Các thiết bị đo ngày nay cho phép đo rất nhiều thông số với độ nhạy, độ chính xác và tốc độ đo rất cao, đặc biệt là khả năng đo từ xa Các loại cảm biến được gắn trên các thiết bị đo có độ linh hoạt cao và dễ dàng thay thế để đo các đại lượng khác nhau Sau đây tôi xin trình bày một số loại cảm biến được dùng phổ biến trong các thiết bị đo, nguyên lý làm việc cũng như đặc điểm sử dụng của các cảm biến này
Trang 2II Một số loại cảm biến dùng trong thiết bị đo lường tự động
2.1 Cảm biến biến dạng
Nguyên lý của cảm biến biến dạng là gắn trực tiếp một sợi dây kim loại mảnh lên bề mặt cấu trúc cần khảo sát Sự biến dạng cảu cấu trúc sẽ kéo theo sự biến dạng của cảm biến và làm cho điện trở của nó thay đổi
Trường hợp tổng quát đầu đo là một lưới bằng dây dẫn mảnh có điện trở suất ρ, tiết diện s và chiều dài nl (n là số đoạn dây, l là chiều dài một đoạn dây) Đối với đầu đo kim loại thì n = 10 ÷ 20, đối với đầu đo bán dẫn n = 1 Do chịu ảnh hưởng của biến dạng, điện trở của cảm biến thay đổi một lượng ΔR được xác định qua biểu thức
ρ
ρ Δ +
Δ
=
Δ
=
Δ
S
S l
l R R
Biến dạng dọc của sợi dây dẫn đến sự thay đổi kích thước tiết diện ngang a và b (nếu dây có tiết diện hình chữ nhật) và đường kính d (nếu dây có tiết diện tròn) Quan hệ giữa biến dạng ngang
và dọc theo quy luật
l
l d
d b
b a
−
=
Δ
=
Δ
=
Δ
ν Với ν là hệ số Poisson, trong vùng đàn hồi ν = 0,3 Vì tiết diện dây S = ab hoặc S = π d4/4
l
l S
−
=
Δ
ν 2 Đối với đầu đo kim loại:
l
l K R
R Δ
= Δ
Trong đó K là hệ số đầu đo, thường K ≈2
Đối với đầu đo bán dẫn K ≈ 100 ÷200, dấu của K phụ thuộc vào loại bán dẫn Đầu đo bán dẫn thích hợp với những trường hợp đo biến dạng nhỏ để đo lực, áp suất và gia tốc Điện trở của đầu
đo có các giá trị chuẩn với độ chính xác ±0,2÷±10% và nằm trong khoảng từ 100Ω đến 500Ω
Hình 1 Các loại đầu đo kim loại
Hình 2 Cảm biến biến dạng Silic
Trang 3- Cảm biến biến dạng có thể được sử dụng trong các loại thiết bị đo lực, các thiết bị kiểm tra biến dạng
Hình 3 Máy kiểm tra biến dạng
2.2 Cảm biến quang điện
- Cảm biến quang điện thực chất là các linh kiện quang điện, các trạng thái điện của các linh kiện này sẽ thay đổi khi có ánh sáng thích hợp tác động vào bề mặt của nó Các loại linh kiện quang điện được sử dụng gồm có tế bào quang dẫn, photodiot và phototranzito
- Tế bào quang dẫn: Đặc trưng cơ bản của tế bào quang dẫn là điện trở của nó phụ thuộc vào thông lượng của bức xạ và phổ của bức xạ đó Tế bào quang dẫn là một trong những cảm biến có độ nhạy cao, cơ sở vật lý của tế bào quang dẫn là hiện tượng quang dẫn do kết quả của hiệu ứng quang điện bên trong Đó là hiện tượng giải phóng hạt tải điện trong vật liệu bán dẫn dưới tác dụng của ánh sáng Vật liệu chế tạo cảm biến quang thường là các bán dẫn đa tinh thể đồng nhất hoặc đơn tinh thể
Ví dụ đa tinh thể: CdS, SdSe, CdTe, ví dụ đơn tinh thể: Ge, Si, Au, Sb…
- Photodiot: Khi chiếu sáng lên bề mặt diot bán dẫn bằng bức xạ có bước sóng nhỏ hơn bước sóng ngưỡng sẽ xuất hiện thêm các cặp điện tử - lỗ trống Để các hạt này có thể tham gia vào độ dẫn và làm tăng dòng điện I, cần phải ngăn cản
quá trình tái hợp của chúng tức là phải
nhanh chóng tách cặp điện tử - lỗ trống
duwois tác dụng của điện trường Điều này
chỉ có thể xảy ra trong vùng nghèo và sự
chuyển dời của các điện tích đo kéo theo
sự gia tăng của các dòng điện ngược Để
đạt được điều đó ánh sáng phải đạt tới
vùng nghèo sau khi đã đi qua bề dầy chủa
chất bán dẫn và tiêu hao năng lượng không
nhiều
Hình 4 Hiệu ứng quan điện trong chuyển tiếp PN
Chuyển tiếp
P
N
Trang 4- Phototranzito: Phototranzito là tranzito trong đó vùng bazơ có thể được chiếu ánh sáng Khi không
có điện áp đặt trên bazơ chỉ có điện áp đặt trên C, chuyển tiếp B – C phân cực ngược Điện áp tập trung hầu như toàn bộ lên chuyển tiếp B – C trong khi sự chênh lệch giữa E và B không đáng kể Khi chuyển tiếp B – C được chiếu sáng sẽ hoạt động giống nư photodiot ở chế độ quang dẫn với dòng điện ngược Có thẻ coi phototranzito như tổ hợp của một photodiot và một tranzito Photodiot cung cấp dòng quang điện tại bazơ còn tranzito cho hiệu ứng khuếch đại β
- Trong kỹ thuật cảm biến quang điện thường được sử dụng như một khóa chuyển mạch đóng cắt mạch điện khi có mặt hoặc không có mặt đối tượng cần phát hiện Ngoài ra trong các thiết bị đo lường các cảm biến quang điện được sử dụng rất rộng rãi, đặc biệt là ứng dụng trong đo tốc độ và xác định vị trí Ví dụ các thước đo độ dài, các máy đo tốc độ động cơ
Hình 5 Thước quang
2.3 Cảm biến xúc giác
Cảm biến xúc giác thuộc loại chuyển đổi lực và áp suất đặc biệt có chiều dày rất mỏng Cảm biến xúc giác có thể được chế tạo bằng màng mỏng áp điện như PVDF hoặc sử dụng vật liệu có điện trở là hàm của ứng suất Nguyên lý hoạt động của cảm biến xúc giác có thể được mô tả qua màng chuyển mạch sau:
Hình 6 Màng chuyển mạch như bộ cảm biến xúc giác
Hai lá mỏng dẫn điện, một lá được nối với đất, một lá được nối với điện trở Nếu cần nhiều vùng nhạy cảm thì thêm bộ dồn kênh Khi ngoại lực đặt vào lá dẫn trên sẽ làm cho lá dẫn bị uốn và chạm vào lá dẫn dưới tạo nên tiếp xúc điện Tín hiệu ra bằng 0 chứng tỏ có lực đặt vào
Các cảm biến xúc giác được sử dụng đặc biệt rộng rãi trong các robot trong sản xuất và trong
y học Ngày nay với công nghệ hiện đại đã có thể chế tạo các cảm biến xúc giác với độ
F
Dồn kênh
+5V 4,7K
Đ ầu ra Khe hở
Trang 5Nhạy tương đương với bàn tay con người để ứng dụng trong giải phẫu người
Trong các thiết bị đo lường các cảm biến xúc giác cũng được sử dụng trong các máy đo tọa
độ
Hình 7 Máy đo tọa độ
III Kết luận
Sau quá trình nghiên cứu chuyên đề “Đo lường và kiểm tra tự động trong chế tạo cơ khí”
dưới sự hướng dẫn tận tình của TS Nguyễn Văn Vinh cũng như tìm hiểu về một số loại cảm biến
như trên đã trình bày Tôi đã phần nào thấy được sự phát triển cũng như vai trò và vị trí hết sức quan trọng của ngành Đo lường tự động nói chung và các cảm biến nói riêng trong lĩnh vực cơ khí Các loại cảm biến và thiết bị đo lường đã và đang có những bước phát triển nhảy vọt để đáp ứng với yêu cầu của công nghệ cơ khí hiện đại Trong xu thế phát triển chung đó, mỗi nhà công nghệ đều phải trang bị cho bản thân các kiến thức cần thiết về đo lường và các loại cảm biến Các kiến thức này chính là cơ sở, nền tảng để tiếp cận với các thiết bị công nghệ hiện đại Không những vậy, việc nắm bắt kịp thời các kiến thức về cảm biến và thiết bị đo lường tự động còn giúp chúng ta biết cách chọn lựa các thiết bị thích hợp trên thị trường nhằm đáp ứng yêu cầu công việc, tiết kiệm thời gian và chi phí
Các loại cảm biến ngày càng phong phú về cả hình dáng, độ linh hoạt, tính năng và phạm vi
sử dụng Chính vì vậy việc trang bị và cập nhật kiến thức về cảm biến và thiết bị đo lường tự động cần phải được thực hiện liên tục và đòi hỏi các kiến thức cơ bản về nhiều lĩnh vực Được cùng nghiên cứu với TS.Nguyễn Văn Vinh trong quá trình học tập đã cung cấp cho tôi những kiến thức cơ
sở để giúp tôi có khả năng độc lập nghiên cứu và mở rộng thêm kiến thức về môn học Tôi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ của TS.Nguyễn Văn Vinh trong suốt thời gian qua
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1 Bài giảng chuyên đề - TS Nguyễn Văn Vinh
2 Các bộ cảm biến kỹ thuậ đo lường điều khiển – Lê Văn Doanh, Phạm Thượng Hàn, Nguyễn Văn Hòa, Võ Thạch Sơn, Đào Văn Tân NXB Khoa học và Kỹ thuật Hà Nội 2005
3 Tài liệu khai thác từ nguồn Internet
