Giáo trình: Cảm biến và Cơ cấu chấp hành

Đối với các bộ cảm biến có đáp ứng phi tuyến ngưỡng động của kích thích thường được biểu diển bằng dexibel, bằng logarit của tỷ số công suất hoặc điện áp của tín hiệu ra vào tín hiệu vào

Khi đọc qua tài liệu này, nếu phát hiện sai sót hoặc nội dung kém chất lượng xin hãy thông báo để chúng tôi sửa chữa hoặc thay thế bằng một tài liệu cùng chủ đề của tác giả khác

Bạn có thể tham khảo nguồn tài liệu được dịch từ tiếng Anh tại đây:

http://mientayvn.com/Tai_lieu_da_dich.html

Thông tin liên hệ:

Yahoo mail: thanhlam1910_2006@yahoo.com

Gmail: frbwrthes@gmail.com

Giáo trình:

Cảm biến và Cơ cấu chấp hành

Chương I: NHỮNG KHÁI NIỆM VỀ

CÁC BỘ CẢM BIẾN

1.1 Định nghĩa

Trong các hệ thống đo lường – điều khiển mọi quá trình đều được đặc trưng bởi các

biến trạng thái như nhiệt độ, áp suất, tốc độ, momen… các biến trạng thái này thường là các quá trình ta cần thu thập thông tin , đo đạc, theo dõi sự biến thiên của các biến trạng thái của quá trình Các bộ cảm biến thực hiện chức năng này, chúng thu nhận và đáp ứng với các tín hiệu và kích thích, là “tai mắt” của các hoạt động khoa học và công nghệ của con người

Các bộ cảm biến thường được định nghĩa theo nghĩa rộng là thiết bị cảm nhận và đáp ứng với các tín hiệu và kích thích

Trong thế giới tự nhiên các cơ thể sống thường đáp ứng với các tín hiệu bên ngoài có đặc tính điện hóa, dựa trên cơ sở trao đổi ion, ví dụ như hoạt động của hệ thần kinh… trong các quá trình đo lường – điều khiển thông tin được truyền tải và xử lý dưới dạng điện nhờ sự truyền tải của các điện tử

Phương trình mô tả quan hệ giữa đáp ứng y và kích thích x ở bộ cảm biến có dạng :

Y = f(x) (1.1) Quan hệ (1.1) thường rất phức tạp vì có quá nhiều yếu tố ảnh hưởng tới quan hệ đáp ứng – kích thích

Trong các hệ thống đo lường – điều khiển hiện đại quá trình thu thập và xử lý tín hiệu thường do máy tính đảm nhiệm

Trong sơ đồ hình 1.2 quá trình (đối tượng) được đặc trưng bằng các biến trạng thái và đươc các bộ cảm biến thu nhận đầu ra của các biến trạng thái được phối ghép với bộ vi

xử lý qua các giao diện đầu ra của bộ vi xử lý được phối ghép với cơ cấu chấp hành nhằm tác động lên quá trình (đối tượng) đây là sơ đồ điều khiển tự động quá trình (đối tượng), trong đó bộ cảm biến đóng vai trò cảm nhận, đo đạc và đánh giá các thông số của

hệ thống bộ vi xử lý làm nhiệm vụ xử lý thông tin và đưa ra tín hiệu điều khiển quá trình

1.2 Phân loại các bộ cảm biến

a Theo nguyên lý chuyển đổi giữa đáp ứng và kích thích

b Theo dạng kích thích có thể phân chia các bộ cảm biến như sau

c Theo tính năng các bộ cảm biến

d Theo phạm vi sử dụng các bộ cảm biến

e Theo thông số của mô hình mạch thay thế

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

o Cảm biến thụ động (thông nguồn) được đặc trưng bằng các thông số R, L , C, M, … tuyến tính hoặc phi tuyến

1.3 Các đơn vị đo lường

Các đơn vị đo lường cơ sở của hệ đơn vị quốc tế SI(IE Systems International d’ Unites) như trong bảng:

1.4 Các đặc trưng cơ bản của bộ cảm biến

Theo quan điểm mô hình mạch tao coi bộ cảm biến như một hộp đen, có quan hệ đáp ứng – kích thích được điều diễn bằng phương trình (1.1) quan hệ này được đặc trưng bằng nhiều đại lượng cơ bản cửa bộ cảm biến ta có thể định nghĩa các đại lượng đặc trưng cơ bản của bộ cảm biến như sau :

a là hằng số bằng tín hiệu ra khi tín hiệu vào bằng không, b là độ nhạy, y là một trong các đặc trưng của tín hiệu ra có thể là biên độ, tần số hoặc pha tùy theo các tính chất của

b Độ lớn của tín hiệu vào:

Độ lớn của tín hiệu vào là giá trị lớn nhất của tín hiệu đặt vào bộ cảm biến mà sai số mà sai số không vượt quá ngưỡng cho phép Đối với các bộ cảm biến có đáp ứng phi tuyến ngưỡng động của kích thích thường được biểu diển bằng dexibel, bằng logarit của tỷ số công suất hoặc điện áp của tín hiệu ra vào tín hiệu vào :

δ% = ∆ 100 ∆x : sai số tuyệt đối

Ví dụ : một bộ cảm biến di chuyển thằng có độ nhạy 1mV trên 1mm di chuyển nếu di chuyển 10mm tạo nên điện áp 10,5mV thì tạo nên sai số tuyệt đối là 10,5 – 10 = 0,5mV Sai số tuyệt đối của bộ cảm biến là :

δ% = , 100 = 5%

Khi đánh giá sai số của cảm biến ta thường phân chúng thành hai loại : sai số hệ thống

và sai số ngẫu nhiên

Sai số hệ thống là sai số không phụ thuộc vào số lần đo, có giá trị không đổi hoặc thay

đội chậm theo thời gian đo và thêm vào một độ lệch không đổi giữa trị thực và giá trị đo được sai số hệ thống thường do sự thiếu hiểu biết về hệ đo, do điều kiện sử dụng không tốt

Các nguyên nhân gây sai số hệ thống có thể là :

 Do nguyên lý của cảm biến

 Giá trị đại lượng chuẩn không đúng

 Do đặc tính của bộ cảm biến

 Do điều kiện và chế độ sử dụng

 Do xử lý kết quả đo

Sai số ngẫu nhiên là sai số xuất hiện có độ lớn và chiều không xác định

Có thể dự đoán được một số nguyên nhân của sai số ngẫu nhiên nhưng không thể dự đoán độ lớn và dấu của nó Những nguyên nhân gây sai số ngẫu nhiên có thể là:

 Do sự thay đổi đặc tính của thiết bị,

 Do tín hiệu nhiễu ngẫu nhiên,

 Do các đại lượng ảnh hưởng như các thông số môi trường (nhiệt độ, độ ẩm, điện

từ trường, độ rung…) không được tính đến trong khi chuẩn cảm biến có thể giảm thiểu sai số ngẫu nhiên bằng một số biện pháp thực nghiệm thích hợp như bảo vệ các mạch đo tránh ảnh hưởng của nhiễu, tự động điều chỉnh điện áp nguồn nôi, bù các ảnh hưởng nhiệt độ, tần số, vận hành sử dụng đúng chế độ hoặc thực hiện phép

đo lường thống kê

a Chuẩn đơn giản:

Chuẩn đơn giản là ghép đo chỉ có một đại lượng duy nhất tác động lên một kích thích xác định và sử dụng một cảm biến không nhạy với các đại lượng và không chịu tác động của kích thích này Đây là trường hợp đặc biệt của các kích thích tĩnh, nghĩa là các đại lượng có giá trị không đổi trong những điều kiện này việc chuẩn cảm biến chính là sự kết hợp các giá trị hoàn toàn xác định của kích thích với các giá trị tương ứng của đáp ứng đầu ra Có thể chuẩn các bộ cảm biến bằng một trong các phương pháp sau đây:

o Chuẩn trực tiếp : các giá trị khác nhau của kích thích lấy từ mẫu chuẩn hoặc các phần

tử so sánh có giá trị đã biết với độ chính xác cao

o Chuẩn gián tiếp : sử dụng một bộ cảm biến chuẩn đã biết đường cong chuẩn và so sánh với bộ cảm biến cần định chuẩn và cả hai cùng được đặt trong cùng một điều kiện làm việc khi tác động lần lượt lên hai bộ cảm biến bằng cùng một kích thích ra nhận được các kết quả tương ứng của cảm biến mẫu và cảm biến định chuẩn

Lập lại với các giá trị khác nhau của kích thích ta xác định được đường cong chuẩn cho

bộ cảm biến

b Chuẩn nhiều lần:

Khi bộ cảm biến có chứa những phần tử có độ trễ, giá trị đáp ứng không chỉ phụ thuộc vào giá trị tức thời của kích thích mà còn phụ thuộc vào các giá trị trước đó của kích thích này Khi đó cần phải tiến hành chuẩn nhiều lần theo trình tự sau đây:

o Đặt lại điểm O của cảm biến , đó là điểm gốc khi kích thích bằng không thì đáp ứng của bộ cảm biến phải bằng không

o Dựng lại đáp ứng bằng cách lúc đầu cho kích thích có giá trị cực đại sau đó giảm dần, nhờ đó có thể xác định được đường cong chuẩn theo 2 hướng kích thích tăng dần và giảm dần

1.6 Độ tuyến tính

Bộ cảm biến gọi tuyến tính trong một dải kích thích nếu trong dải đó độ nhạy không phục thuộc vào giá trị của kích thích tức là độ nhạy là 1 hằng số

Trong chế độ tĩnh, độ tuyến tĩnh được thể hiện bằng các đoạn thẳng trên đặc tuyến tính

và hoạt động của bộ cảm biến là tuyến tính khi các kích thích tác động còn nằm trong vùng này

Trong chế độ động, độ tuyến tính bao gồm sự không đổi của độ nhạy tĩnh, đồng thời các thông số quyết định hồi đáp như tần số dao động riêng, hệ số suy giảm cũng không phụ thuộc vào kích thích

1.7 Tác động nhanh và đặc tính động của đáp ứng

Để đánh giá thời gian hồi đáp của đáp ứng theo kích thích ta sử dụng khái niệm độ tác động nhanh của bộ cảm biến Thời gian hồi đáp τ càng nhỏ chứng tỏ bộ cảm biến đáp ứng càng nhanh

Khi kích thích có dạng bước nhảy đơn vị thì đặc tính của bộ cảm biến có thể có những dạng sau đây

1.8 Bộ cảm biến tích cực và thụ động

Các bộ cảm biến tích cực hoạt động như 1 nguồn áp hoặc 1 nguồn dòng được biểu diễn bằng mạng 2 cửa có nguồn Còn bộ cảm biến thụ động được biểu diễn bằng mạng 2 cửa không nguồn có trở kháng phục thuộc vào kích thích Sau đây giới thiệu sơ lược các hiệu ứng vật lý ứng dụng trong các bộ cảm biến tích cực

b Hiệu ứng nhiệt điện:

Khi hai dây dẫn có bản chất hóa học khác nhau được hàn kín sẽ xuất hiện một sức điện động tỷ lệ với nhiệt độ mối hàn

Hiệu ứng này thường được ứng dụng để đo nhiệt độ Ngược lại khi cho dòng điện chạy

từ chất có bản chất hóa học khác nhau sẽ tạo nên chênh lệch nhiệt độ

c Hiệu ứng hỏa điện:

Một số tinh thể gọi là tinh thể hỏa điện có tính chất ohaan cực điện tự phát phụ thuộc vào nhệt độ Trên các mặt đối diện của chúng xuất hiện các điện tích trái dấu phụ thuộc vào độ phân cực điện

Hiệu ứng hỏa điện thường được ứng dụng để đo thông lượng của bức xạ ánh sáng Khi tinh thể hỏa điện hấp thụ ánh sáng nhiệt độ của chúng tăng lên làm thay đổi phân cực điện làm xuất hiện điện áp trên hai cực của tụ điện phụ thuộc vào quang thông Φ

d Hiệu ứng áp điện:

Khi tác động ứng suất cơ lên bề mặt của vật liệu áp điện (thạch anh, muối segnet…) làm vật liệu bị biến dạng và xuất hiện các điện tích bằng nhau và trái dấu thông qua việc

đo điện áp trên 2 bản cực tụ điện ta có thể đo được các đại lượng cơ tác dụng lên vật liệu

áp điện như áp suất, ứng suất…

e Hiệu ứng quang điện:

Bản chất là giải phóng các hạt dẫn tự do trong vật liệu dưới tác dụng của bức xạ ánh sáng Hiệu ứng này được ứng dụng để chế tạo các cảm biến quang

f Hiệu ứng quang điện từ:

Khi tác động một từ trường vuông góc với bức xạ ánh sáng trong vật liệu bán dẫn được chiếu sáng sẽ xuất hiện một hiệu điện thế theo phương vuông góc với từ trường B và phương bức xạ ánh sáng

Hiệu ứng này được ứng dụng trong các bộ cảm biến đo các đại lượng quang hoặc biến đổi các thông tin chứa đựng trong ánh sáng thành tín hiệu điện

g Hiệu ứng Hall:

Trong vật liệu (thường là bán dẫn) có dòng điện chạy qua đặt trong từ trường B có phương tạo thành góc θ với dòng điện I sẽ xuất hiện điện áp U11 theo phương vuông góc với B và I và có độ lớn là :

U11 = K.I.B.sinθ

K là hệ số phụ thuộc vào vật liệu và kích thước của mẫu

Hiệu ứng Hall được sử dụng để đo các đại lượng từ, đại lượng điện hoặc xác định vị trí chyển động hình

1.9 Mạch giao diện của các bộ cảm biến

a Các đặc tính đầu vào của mạch giao diện:

Đáp ứng của các bộ cảm biến nói chung không phù hợp với tải về điện áp, công suất…

vì vậy cần có mạch 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 Công việc này gọi là chuẩn hóa tín hiệu và các mạch điện tử giao diện thực hiện nhiệm vụ này

b Các đặc tính của bộ khuếch đại thuật toán (KĐTT):

Các mạch giao diện thường được xây dựng trên cơ sở các bộ khuếch đại thuật toán Đó

là các bộ khuếch đại một chiều có hệ số khuếch đại rất lớn và tổng trở vào rất lớn

Bộ khuếch đại thuật toán mạch tích hợp có thể chứa hàng trăm tranzito và các điện trở,

tụ điện có :

o hai đầu vào, một đầu đảo (-) và một dấu không đảo (+),

o điện trờ vào rất lớn, cỡ hàng trăm MΩ hoặc có thể tới GΩ,

o điện trở ra rất nhỏ ( phần chục Ω),

o điện áp lệch đầu vào e0 rất nhỏ (cỡ vài nV),

o dòng điện phân cực đầu vào i0 rất nhỏ (cỡ vài pA)

o hệ số khuếch đại hở mạch rất lớn (A0 = 100.000),

o dải tần làm việc rộng,

o hệ số suy giảm theo cách nói chung CMRR (khoảng 90 dB),

o tốc độ tăng hạn chế sự biến thiên cực đại của điện áp tính bằng V/µs

c Bộ khuếch đại đo lường IA:

Bộ khuếch đại IA có hai đầu vào và một đầu ra

Hệ số khuếch đại của IA không cao (không quá 100) có hai đầu vào, tín hiệu ra tỷ lệ với hiệu của hai điện áp vào:

Ura = A(U+ - U-) = A∆U Điện áp trên Ra phải bằng điện áp vi sai đầu vào ∆U và tạo nên dòng điện I = ∆

Hệ sống khuếch đại tổng của IA là:

Để chuẩn các dụng cụ đo chính xác cần có điện áp chuẩn, pin mẫu weston tạo nên điện

áp chính xác 1,018 V được dùng như điện áp mẫu, tuy nhiên pin này có điện trở từ 1 ÷ 2

K không còn là nguồn điện áp chính xác nếu dòng điện cỡ µA

g Mạch cầu:

Cầu wheatstone gồm bốn điện trở hoạt động như cầu không cân bằng, dựa trên việc phát hiện điện áp qua đường chéo của cầu điện áp ra là hàm phi tuyến nhưng với biến đổi nhỏ ∆ < 0,05 có thể coi là tuyến tính

Độ nhạy của cầu: α =

( )

h Bù nhiệt độ của các cầu điện trở:

Sử dụng phương pháp nối trực tiếp mạch bù nhiệt độ vào sơ đồ cầu để bù lại sự mất mát cho các điện trở do nhạy với nhiệt độ trong sơ đồ wheatston

1.10 Truyền dữ liệu

a Truyền dữ liệu bằng đường truyền hai dây:

Để phối ghép từ bộ cảm biến đến thiết bị điều khiển và chị thỉ thường sử dụng đường truyền hai dây

Tín hiệu điện áp trên tải thích hợp với việc xử lý tiếp theo của các mạch điện tử

b Đường truyền bốn dây:

Đôi khi người ta mong muốn bộ cảm biến với mạch giao diện điều khiển từ xa Khi bộ cảm biến có điện trở tương đối thấp

c Đường truyền sáu dây:

Khi cầu wheatstone được sử dụng từ xa điện áp của cầu đóng vai trò quan trọng trong việc ổn định nhiệt của cầu

1.11 Nhiễu trong các bộ cảm biến và mạch

Nhiễu trong các bộ cảm biến và mạch là nguồn gốc của sai số mà ta phải tìm các biện pháp khắc phục giống như bệnh tật nhiễu không thể loại trừ hoàn toàn mà chỉ có thể phòng ngừa, làm giảm ảnh hưởng của chúng và việc khắc phục nhiễu đòi hỏi nhiều biện pháp tổng hợp có hai loại nhiễu : nhiễu nội tại và nhiễu tác động trên mạch truyền dẫn tín hiệu

a Nhiễu nội tại:

Nhiễu nội tại phát sinh do sự không hoàn thiện trong việc thiết kế, công nghệ chế tạo, tính chất vật liệu của các bộ cảm biến… do đó đáp ứng có thể bị méo mó so với dạng lý tưởng sự méo mó của tín hiệu ra có thể có tính hệ thống hoặc ngẫu nhiên Dạng tín hiệu

ra liên quan chặt chẽ đến hàm truyền, đặc tính tuyến tính và đặc tính động của bộ cảm biến

Từ bộ cảm biến tín hiệu được khuếch đại và chuyển đổi thành dạng số không biểu thị bằng độ lớn và đặc tính phổ mà theo độ phân giải số khi tăng độ phân giải số trị số của bit trọng số thấp sẽ giảm

Điện áp lệch đầu vào và dòng điện phân cực có thể bị trôi Tín hiệu nhiễu (điện áp và dòng điện) do cơ chế vật lý xảy ra trong các điện trở và tranzitor sử dụng để chế tạo mạch Một nguyên nhân gây nhiễu là do tính chất rời rạc của dòng điện, bởi vì dòng điện

là dòng của các điện tích chuyển động, mỗi điện tích mang một giá trị xác định ở mức nguyên tử dòng điện rất linh động, chuyển động của chúng phụ thuộc vào nhiệt độ Giá trị quân phương của điện áp nhiễu có thể được tính theo công thức :

= 4k TR∆f (V2/Hz) Trong đó: k là hằng số boltzman = 1,38.10-23 (J/K)

Để chống nhiễu ta thường sử dụng kỹ thuật vi sai phối hợp bộ cảm biến từng đôi, trong

đó tín hiệu ra là hiệu của hai tín hiệu ra của từng bộ một bộ cảm biến gọi là cảm biến chính và bộ kia là cảm biến chuẩn được đặt trong màn chắn

đích thứ 2 của màn chắn là nếu có tồn tại nhiễu trong mạch thì màn chắn bố trí xung quanh các bộ phận nhạy cảm của bộ cảm biến sẽ ngăn nhiễu ảnh hưởng tới các phần này Màn có thể là hộp kim loại hoặc bọc kim cho cáp tín hiệu

d Màn từ:

Chống ảnh hưởng của từ trường khó hơn chống ảnh hưởng của điện trường và trường tĩnh điện bởi vì từ trường thâm nhập vào vật dẫn việc bọc kim quanh dây dẫn và nối đất một phía ảnh hưởng ít đến điện áp cảm ứng do từ trường từ trường thâm nhập vào màn, biên độ của nó giảm theo hàm số mũ

Một số giải pháp chống ảnh hưởng của từ trường như sau :

o Bố trí mạch thu xa nguồn gây ra từ trường,

o Tránh các dây song song với từ trường, nên thay bằng dây vuông góc với từ trường,

o Làm màn từ bằng vật liệu thích hợp, tùy theo tần số và cường độ từ trường

o Sử dụng đôi dây xoắn để dẫn dòng điện lớn, nếu các dòng điện trong đôi dây bằng nhau về trị số và ngược dấu trong mỗi chu kỳ xoắn từ trường của nó bằng không

o Sử dụng màn chắn cáp như mạch trở về, nếu dòng i2 bằng ngược dấu dòng điện trong lõi cáp thì từ trường của cáp bằng không

Chương II: CÁC LOẠI CẢM BIẾN

2.1 Cảm biến đo nhiệt độ

2.1.2 Nhiệt độ đo được và nhiệt độ cần đo

Nhiệt độ đo được bằng cảm biến T phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường Tx và sự trao đổi nhiệt trong đó Để đo đúng hiệu số Tx – T phải cực tiểu

Có 2 biện pháp nâng cao độ chính xác đo:

- Tăng cường trao đổi nhiệt giữa bộ cảm biến và nhiệt độ môi trường cần đo

- Giảm trao đổi nhiệt giữa bộ cảm biến và nhiệt độ môi trường bên ngoài

Bộ cảm biến nhiệt tiếp xúc gồm các bộ phận sau đây:

- Phần tử cảm nhận: bằng vật liệu có đặc tính thay đổi theo nhiệt độ, có tỷ nhiệt

thấp, nhiệt dẫn suất cao, nhạy với nhiệt độ

- Tiếp điểm dẫn: từ phần tử cảm nhận và mạch điện tử bên ngoài

- Vỏ bảo vệ: phân cách cảm biến với môi trường Vỏ bảo vệ phải có nhiệt trở thấp,

cách điện tốt, chịu ẩm và các yếu tố ăn mòn

Bộ cảm biến nhiệt độ không tiếp xúc là bộ cảm biến bức xạ nhiệt có cửa sổ quang học qua đó bức xạ nhiệt có thể truyền tới

2.1.3 Cảm biến nhiệt điện trở

Có ưu điểm đơn giản, độ nhạy cao, ổn định dài hạn Được chia làm 3 loại: điện trở kim loại, điện trở bán dẫn và nhiệt điện trở

a Nhiệt điện trở kim loại:

Thường có dạng dây kim loại hoặc màng mỏng kim loại có điện trở suất thay đổi theo nhiệt độ Dựa vào dải nhiệt độ cần đo và các tính chất môi trường ta thường làm điện trở bằng Platin, Niken đôi khi là đồng và vonfram

Để đạt được độ nhạy cao, điện trở phải lớn, muốn vậy cần giảm tiết diện và tăng chiều dài dây Tuy nhiên để có độ bền cơ học tốt các nhiệt điện trở kim loại cần có điện trở R vào khoảng 100Ω ở 0oC Thực tế các điện trở trên thị trường có điện trở ở 0oC là 50, 500,

1000 Ω Các nhiệt điện trở có các trị số lớn thưởng dùng đo ở dải nhiệt độ thấp, ở đó cho phép thu được độ nhạy tốt Để sử dụng trong công nghiệp các nhiệt điện trở thường có vỏ bọc tốt, chống được va chạm và rung động

b Cảm biến nhiệt điện trở silic:

Silic tinh khiết hoặc đơn tinh thể có hệ số điện trở âm tuy nhiên khi được kích tạp loại n

ở một dải nhiệt độ nào đó hệ số nhiệt điện trở của nó trở thành dương do điện tích mang chuyển sang nhiệt độ thấp hơn Ở các nhiệt độ cao hơn số điện tích tụ do tăng lên do điện tích tự phát và đặc tính của silic chiếm đa số do vậy dưới 200oC điện trở suất của silic có

hệ số nhiệt dương nhưng trên 200oC hệ số nhiệt điện trở là âm

2.1.4 Nhiệt điện trở

Đặc tính quan trọng của loại điện trở này là có độ nhạy nhiệt rất cao gấp hàng chục lần

độ nhạy của điện trở kim loại Gồm 2 loại:

- Nhiệt điện trở có hệ số nhiệt điện trở dương

- Nhiệt điện trở có hệ số nhiệt điện trở âm

Nhiệt điện trở được làm từ hỗn hợp oxit bán dẫn đa tinh thể như MgO,NiO,……

Nhiệt điện trở được chế tạo dưới dạng bột oxit, trộn với nhau theo tỉ lệ nhất định sau

đó được nén định dạng và thiêu kết ở nhiệt độ 1000 oC Các dây nối kim loại được hàn tại

2 điểm trên bề mặt và được phủ bằng 1 lớp kim loại Các nhiệt điện trở được chế tạo với các hình dáng khác nhau Cảm biến có kích thước nhỏ cho phép đo nhiệt độ tại từng điểm, đồng thời do nhiệt dung nhỏ nên thời gian hồi đáp nhỏ

2.1.5 Cảm biến cặp nhiệt ngẫu

a Nguyên lý làm việc:

Bộ cảm biến cặp nhiệt ngẫu là 1 mạch có từ 2 hay nhiều thanh dẫn điện gồm 2 đầu dây dẫn A và B Chỗ nối giữa 2 thanh kim loại 1 và 2 được hàn với nhau Seebeck đã chứng minh rằng, nếu nhiệt độ các mối hàn t và t0 khác nhau thì trong mạch khép kín có 1 dòng điện chạy qua Chiều của dòng nhiệt điện này phụ thuộc vào nhiệt độ tương ứng của mối hàn, nếu t > t0 thì dòng điện chạy theo hướng ngược lại Nếu để hở 1 đầu thì giữa 2 cực xuất hiện 1 sức điện động nhiệt

b Các phương pháp mắc cặp nhiệt ngẫu mẫu:

Việc nối các cặp nhiệt ngẫu mẫu có thể thực hiện tùy theo trường hợp cụ thể để nâng cao độ chính xác Có 3 cách mắc:

- Nối vi sai các cặp nhiệt ngẫu

- Mắc nối tiếp n cặp nhiệt ngẫu

- Nối vi sai biến đổi

c.Phương pháp đo tín hiệu nhiệt ngẫu:

Sử dụng milivon kế từ điện, điện thế kế và thiết bị biến đổi chuẩn

2.1.6 Đo nhiệt độ bằng Diode và tranzitor

Linh kiện điện tử nhạy cảm với nhiệt độ, do đó có thể sử dụng một số linh kiện bán dẫn như diode hoặc tranzitor nối theo kiểu diode phân cực thuận có dòng điện không đổi, khi

đó điện áp giữa 2 cực là hàm của nhiệt độ

Dải nhiệt độ làm việc bị hạn chế trong khoảng T=-50oC ÷150oC Trong khoảng này bộ cảm biến có độ ổn định cao

2.1.7 Cảm biến quang đo nhiệt độ

a Hỏa kế bức xạ: Tất cả các vật thể nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ tuyệt đối đều phát ra các

bức xạ nhiệt Bức xạ nhiệt là các bức xạ điện từ tạo ra từ các chất do nội năng của chúng (với bức xạ huỳnh quang do kích thích của nguồn ngoài) Cường độ bức xạ nhiệt giảm

mạnh khi nhiệt độ của vật giảm

Hỏa kế được dùng chủ yếu để đo nhiệt độ từ 300 - 6000 oC và cao hơn Hỏa kế sử dụng các bức xạ nhìn thấy và hồng ngoại Đo nhiệt độ của vật bằng bức xạ nhiệt dựa trên cơ sở các quy luật với vật đen tuyệt đối

Khi đo nhiệt độ bằng hỏa kế thì độ chói của phổ năng lượng là 1 đại lượng cơ bản Để

đo độ chói của vật mang nhiệt độ ta dùng hỏa kế quang học và hỏa kế quang điện

b Hỏa kế quang học: được sử dụng trong phòng thí nghiệm để đo nhiệt độ lớn hơn 800

o

C Nguyên lý hoạt động là dựa trên cơ sở so sánh độ chói quang phổ của vật đo với độ chói chuẩn bằng mắt thường để xác định sự trùng của độ chói đo với độ chói chuẩn

c Hỏa kế quang điện: là dụng cụ đo tự động Phần tử thu năng lượng bức xạ có thể là tế

bào quang điện, điện trở quang điện hay diode quang điện Nguyên lý hoạt động cũng dựa trên cơ sở sự phụ thuộc quang phổ độ chói của vật vào nhiệt độ của nó Theo nguyên

lý hoạt đông, hỏa kế quang điện được phân thành 2 loại:

+ Dụng cụ nhận năng lượng bức xạ truyền tới phần tử thu và làm thay đổi các tham số của nó (dòng quang điện, điện trở)

+ Đo năng lượng bức xạ bằng phương pháp bù

Hỏa kế quang điện có thể đo được nhiệt độ từ 800 ÷ 2000 oC có cấp chính xác 1 và 1,5

2.1.8 Áp kế nhiệt

Nguyên lý hoạt động của áp kế nhiệt dựa trên sự phụ thuộc của áp suất làm việc của các chất trong hệ thống nhiệt vào nhiệt độ Áp kế nhiệt có thể đo nhiệt độ từ -150÷ 600 oC Nhiệt kế đặc biệt (kim loại nóng chảy) có thể đo được nhiệt độ từ 100 ÷ 1000 oC

Nhiệt kế áp suất gồm một bình nhiệt 1, một ống mao dẫn 2 và lò xo áp kế 3 Phần tử nhạy cảm với nhiệt độ (bình nhiệt) được nhúng chìm vào đối tượng đo, chất mang nhiệt trong bình chứa nhiệt đạt tới nhiệt độ của môi trường Khi nhiệt độ của chất trong bình thay đổi, truyền qua ống mao dẫn tới lò xo của áp kế làm quay kim chỉ thị của nhiệt kế

2.1.9 Cảm biến siêu âm nhiệt độ

Trong một số môi trường khó đo nhiệt độ như trong khu vực nhiệt độ thấp, vùng có mức bức xạ cao trong lò phản ứng hạt nhân hoặc trong khu vực hoàn toàn kín, không tiện

bố trí bộ cảm biến ta có thể dùng phương pháp âm thanh để đo nhiệt độ

Nguyên lý hoạt động của bộ cảm biến siêu âm nhiệt độ dựa trên quan hệ giữa nhiệt độ

và môi trường truyền âm Cấu tạo của bộ cảm biến âm nhiệt độ gồm 3 bộ phận: máy phát siêu âm, máy thu siêu âm và ống kính chứa khí khô

2.2 Cảm biến vị trí và di chuyển

2.2.1 Khái niệm chung

Có 2 phương pháp cơ bản để xác định vị trí và di chuyển:

- Phương pháp 1: Bộ cảm biến cung cấp tín hiệu là hàm phụ thuộc vào vị trí của một trong các phần tử cảm biến, đồng thời phần tử này có liên quan đến vật di động cần xác định di chuyển

- Phương pháp 2: Ứng với 1 dịch chuyển cơ bản bộ cảm biến sẽ phát ra 1 xung Việc xác định vị trí và dịch chuyển sẽ tiến hành bằng cách đếm số sung phát ra

2.2.2 Đo di chuyển nhỏ bằng phương pháp sóng đàn hồi

a Phát sóng đàn hồi bằng tác động của tia laser lên đối phương:

Các sóng đàn hồi còn gọi là sóng âm hoặc siêu âm là các sóng cơ học chuyển dịch trong vật chất trong vật rắn đẳng hướng và vô hạn có thể truyền hai sóng: sóng dọc và sóng ngang Tốc độ truyền sóng dọc luôn lớn hơn tốc độ truyền sóng ngang Các tốc độ này không phụ thuộc vào phương truyền và vào khoảng vài nghìn mét trong một giây Tùy theo mật độ công suất, sự va đập của xung ánh sáng lên mặt tự do của vật rắn mà tạo nên các sóng đàn hồi có cơ chế khác nhau theo hai loại:

o Loại sóng làm thay đổi trạng thái bề mặt (hiện tượng cắt)

o Loại sóng không làm thay đổi trạng thái bề mặt (áp suất bức xạ hiệu ứng nhiệu đàn hồi)

Khi mật độ công suất ánh sáng không tạo nên sự bay hơi vật liệu, hiệu ứng dãn nở cục

bộ do sự phát sóng là chủ yếu ( chế độ nhiệt đàn hồi) so với áp suất bức xạ sự dãn nở nhiệ gây ra các lực lượng song song với mặt tự do

Ba chế độ phát sóng đàn hồi do laser tạo nên

1 Chế độ đàn hồi nhiệt

Khi tia bức xạ có cường độ ánh sáng trên mặt kim loại nhỏ hơn ngưỡng cắt trường điện từ cảm ứng một dòng điện dẫn lân cận bề mặt một phần năng lượng tới bị hấp thu do hiệu ứng Joule và biến đổi thành nhiệt còn phần khác bị phản xạ vì hiệu ứng màn của các điện tử dẫn hiện tượng này được tập trung lị gần bề mặt kim loại trong một lớp mỏng (hiệu ứng mặt ngoài) Laser cường độ yếu đóng vai trò nguồn nhiệt và gây ra biến dạng cơ học nguồn đàn hồi nhiệt không tạo nên sóng dọc nếu nguồn nằm trong vật rắn khi có bề mặt là nguồn gốc biến đổi thành sóng ngang Sự phối hợp của các chuyển dịch dọc và ngang tạo nên sóng Rayleigh lan truyền trên bề mặt chất rắn

3 Mô hình nguồn điểm

Sự bức xạ của một nguồn đàn hồi nhiệt có kích thước tùy ý được tính toán từ nguồn điểm

c Tăng hiệu quả:

Trong lĩnh vực kiểm tra không phá hỏng mẫu chế độ đàn hồi nhiệt tránh được hư hỏng

bề mặt mẫu biên độ di chuyển cơ nhỏ dẫn tới phát hiện quang học khó khăn Có thể tăng hiệu quả phát nếu sử dụng một lưới nguồn di động để phân bố công suất trên bề mặt rộng

sự có mặt một màng mỏng hấp thụ hoặc một lớp trong suốt trên bề mặt vật liệu cũng làm thay đổi loại nguồn đàn hồi nhiệt theo chiều hướng có lợi

d Mạng lưới nguồn:

Nguyên lý của lưới cảm biến (phased array) được dùng trong thiết bị y tế có thể dùng cho laser

Đối với phát hiên khuyết tật không tiếp xúc cơ, kỹ thuật này có hai ưu điểm :

o Độ nhạy được cải thiện (> 20dB) theo tỷ số tín hiệu nhiễu

o Hướng chùm tia âm có thể được điều khiển bằng cách thay đổi độ trễ 1, 2…

o để quét nhanh mẫu cần kiểm tra

Ảnh hưởng của màng mỏng: Sự có mặt của một màng mỏng (ví dụ lớp dầu) làm tăng

độ hấp thụ tia sáng, làm nhiệt độ màng tăng lên, sự bay hơi tạo nên việc truyền một phần

di chuyển và lực pháp tuyến trong chế độ cắt Phản ứng này đặc biệt có lợi đối với việc phát sóng dọc

2.2.3 Phát hiện di chuyển cơ học bằng phương pháp quang đàn hồi

Thiết bị này không nhạy bằng cảm biến áp điện nhưng có ưu điểm cơ bản là xem xét cục bộ không có tiếp xúc cơ học và có dải thông rất rộng

Tương tác của một chùm tia sáng đường kính d với một sóng âm bước sóng λ làm thay đổi :

o Hướng chùm tia nếu d < λ, tia sáng bị lệch do sóng bề mặt

o Cường độ chùm tia nếu d > λ , chùm tia sáng nhiều bước sóng bị khúc xạ bằng một lưới pha phối hợp với sóng đàn hồi

o Pha chùm tia do sự thay đổi đường tia sáng do sự di chuyển của bề mặt theo pháp tuyến

o Tần số chùm tia do hiệu ứng Doppler

Các cảm biến di chuyển cơ học bằng quang đàn hồi gồm hai loại :

o Cảm biến không giao thoa, khai thác sự lệch hay khúc xạ tia sáng,

o Cảm biến giao thoa khai thác điều biến pha hay điều biến tần số của sóng ánh sáng

a Phương pháp không giao thoa:

Phương pháp này được sử dụng để xem xét sóng tạo nên sóng bề mặt như sóng Rayleigh Các sóng này được quét nhanh trên bề mặt

- Sự lệch tia: Hình vẽ minh họa nguyên lý của phương pháp này Tia sáng bước sóng λ phản xạ trên bề mặt bị dao động khi sóng bề mặt qua Chùm tia được che bằng một khuôn để cường độ dòng quang điện được điều biến theo tần số sóng (trong thực tế là bờ cảm biến quang)

Kỹ thuật này rất đơn giản và hiệu quả được sử dụng rộng rãi để quan sát trường âm bề mặt nhưng có nhược điểm là cần bề mặt trạng thái tốt

Thiết bị Slam ( scanning laser Acoustic Microscope) có nguyên lý được trình bày trên hình vẽ, chi tiết cần xem xét được nhúng trong bình nước triệt tâm đối với tia siêu âm Tia sáng quét trên mặt nhẵn và được kim loại hóa một tấm thủy tinh hữu cơ và tạo nên hình ảnh sóng âm được truyền qua mẫu

- Sự khúc xạ: Kỹ thuật này được sử dụng ở chế độ xác lập, phân bố không gian của tia sóng đàn hồi bề mặt

b Các phương pháp nhiễu xạ:

- Cảm biến đồng dao động:Hình 5.18a là sơ đồ nhiễu xạ kế michelson trong đó tia laser

công suất PL được chia thành hai thành phần bằng nhau được phản xạ vào đối tượng ( tia S) và trên gương (tia R) và được trộn lẫn vào photodiot Một bộ cách ly ngăn phần chia trở lại nguồn thâm nhập vào hốc cộng hưởng của laser và dẫn đến mất ổn định Cường độ dòng quang điện phụ thuộc vào hình sin vào bước sóng ^, vào hiệu LS

Vị trí của gương chuẩn được điều chỉnh sao cho duy trì điểm làm việc vuông pha trong

vị trí này không phụ thuộc vào các biến thiên ngẫu nhiên của quãng đường quang

- Cảm biến ngoại sai:Trong nhiễu xạ kế ngoại sai tần số của một hoặc hai tia lệch nhau

- Cấu trúc quang compact: Cấu trúc của nhiễu xạ kế michelson được thay đổi, trong đó

bộ phận chia các tia được thay bằng bộ điều khiển âm quang có nhiều nhược điểm các tia cảm biến và chuẩn không vuông góc

Thấu kính tiêu thụ tia cảm biến trên đối tượng cải thiện độ phân giải không gian làm tăng số lượng ánh sáng thu thập trong trường hợp mặt khuếch tán và làm bộ cảm biến ít

nhạy với mẫu nghiêng khi di chuyển sự lệch so với trục của hai khối làm khử tín hiệu nhiễu do sự lệch của các tia S và R tạo nên trên mặt phân cách của bộ phận chia B điều chỉnh bộ cảm biến này nhanh bởi vì bộ điều biến chỉ cho tia cảm biến cắt qua một lần và hai tia song song hoặc vuông góc Vì bộ phận quang làm việc chắc chắn nên ổn định

2.2.4.Nhiễu xạ kế Doppler

Trong các nhiễu xạ kế miêu tả ở trên, sóng phản xạ có thể bị thay đổi, xáo trộn với 1 sóng chuẩn Trường hợp mặt khuếch tán các sóng này chỉ có thể thu thập ánh sáng liên kết cùng pha, về hình học nó kéo dài vô hạn Để khắc phục nhược điểm này chỉ cần dùng

1 sóng đến bề mặt và có thể đo được di chuyển Thông tin về di chuyển là do phách giữa một phần của sóng này và phần sóng khác có thời gian trễ

Phương pháp quang đo di chuyển cơ của bề mặt có độ phân dải 10-6 mm/√

Ưu điểm là không đòi hỏi tiếp xúc cơ học và có dải thông rất rộng và không làm nhiễu loạn việc truyền sóng đàn hồi

2.2.5 Cảm biến cáp sợi quang đo vị trí và di chuyển

Các cảm biến điều biên đơn giản và rẻ tiền đã được áp dụng từ những năm 60 để đo vị trí, khoảng cách và di chuyển

Cảm biến gồm khoảng 900 sợi quang ghép trong cùng một sợi cáp kèm thêm một sợi kim loại ở giữa để đảm bảo độ cứng mong muốn đường kính trong 2,2mm , đường kính ngoài 3,2 mm có hai phương án : cảm biến hai sợi quang và một sợi ánh sáng tới và trở

về qua cùng một cáp

Tia sáng tới sau khi đập vào mục tiêu sẽ trở về sợi quang thứ hai

Khoảng cách giữa đầu sợi quang và mục tiêu là thông số chính của hệ thống đo Nếu khoảng cách quá bé ánh sáng phản xạ trực tiếp và hầu như không nhận được ánh sáng trở

về ngược lại nếu khoảng cách quá lớn vì sự phân kỳ của mặt phản xạ cũng không nhận được tia trở về, do vậy cũng có một khoảng cách tối ưu ở đó thu được giá trị đáp ứng cực đại các sợi quang phát và nhận có thể được phân bố tùy ý, phân bố trong một nửa vòng tròn hoặc đồng tâm ứng vói các cách bố trí này có thể nhận được các đường cong đáp ứng khác nhau

2.2.6 Cảm biến tiếp cận

Cảm biến tiếp cận được sử dụng để phát hiện sự có mặt hoặc không có mặt của đối tượng bằng kỹ thuật cảm biến không có tiếp xúc cơ học các công tắc hành trình đòi hỏi

sự tiếp xúc của đối tượng sẽ không được đề cập ở đây

Các cảm biến tiếp cận sử dụng nguyên lý thay đổi điện cảm hay điện dung của phần tử mạch điện khi có mặt hoặc không có mặt đối tượng có cấu trúc tương đối đơn giản,

không đòi hỏi tiếp xúc cơ học nhưng tầm hoạt động hạn chế với khoảng cách tối đa 100mm các kỹ thuật tiếp cận dựa trên nguyên lý vì sóng và quang học có tầm hoạt động lớn và sử dụng rộng rãi trong thực tế

a Cảm biến tiếp cận điện cảm:Một bộ cảm biến điện cảm gồm có bốn khối chính

o Cuộn dây và lõi ferit

o Mạch dao động

o Mạch phát hiện

o Mạch đầu ra

Mạch dao động phát dao điện từ tần số radio Từ trường biến thiên tập trung từ lõi sắt

sẽ móc vòng với đối tượng kim loại đặt đối diện với nó Khi đối tượng lại gần sẽ có dòng điện foucault cảm ứng trên mặt đội tượng tạo nên một tải làm giảm biên độ tín hiệu dao động bộ phát điện sẽ phát hiện sự thay đổi trạng thái biên độ mạch dao động (hình 5.33) mạch bị phát điện sẽ ở vị trí ON phát hiện tín hiệu làm mạch ra ở vị trí ON Khi mục tiêu rời khỏi trường của bộ cảm biến biên độ mạch dao động tăng lên trên giá trị ngưỡng và

bộ phát hiện trở về vị trí OFF là vị trí bình thường

Những yếu tố sau đây ảnh hưởng đến tần cảm biến :

o Kích thước và hình dáng lõi, cuộn dây, vật liệu lõi

o Vật liệu và kích thước đối tượng

o Điều kiện điện từ xung quanh

o Nhiệt độ môi trường

b Cảm biến tiếp cận điện dung:

Trong cảm biến tiếp cận điện dung sự có mặt của đối tượng làm thay đổi điện dung C của các bản cực cảm biến tiếp cần điệ dung cũng gồm có bốn bộ phận chính là:

1 Cảm biến (các bản cực cách điện)

2 Mạch dao động

3 Bộ phát hiện

4 Mạch đầu ra

Tuy nhiên cảm biến điện dung không đòi hỏi đối tượng là kim loại đối tượng phát hiện

có thể là chất lỏng, vật liệu phi kim loại : thủy tinh, nhựa tốc độ chuyển mạch tương đối nhanh, có thể phát hiện các đối tượng kích thước nhỏ, phạm vi cảm nhận lớn

Hạn chế chủ yếu của cảm biến dung là chịu ảnh hưởng của độ ẩm và bụi cảm biến tiếp cận điện dung có vùng cảm nhận lớn hơn vùng cảm nhận của cảm biến điện cảm

Để có thể bù ảnh hưởng của môi trường và đối tượng các cảm biến tiếp cận điện dung thường có một chiết áp điều chỉnh

c Một số ứng dụng của cảm biến tiếp cận:

2.2.7 Cảm biến tiếp cận quang học

Các cảm biến tiếp cận theo phương pháp quang học sử dụng nguồn sáng và cảm biến quang Đối tượng cần phát hiện sẽ cắt chùm tia sáng làm cảm biến tác động

a Cách bố trí cảm biến và nguồn phát:

- Cảm biến đặt đối diện với nguồn phát:

o Đỏi hỏi dây nối qua vùng phát hiện giữa nguồn sáng và cảm biến

o Khó chỉnh thằng hằng giữa nguồn sáng và cảm biến

o Nếu đối tượng có kích thước nhỏ hơn đường kính hiệu dụng của chùm tia cần

có thâu kính để thu hẹp chùm tia

- Cảm biến đặt cùng phía với nguồn phát quang: Ánh sáng đập vào mặt phản xạ trở về cảm biến vì hành trình của tia sáng theo cả hai chiêu đi và về nên cự ly cảm nhận thấp hơn so với phương pháp đặt đối diện, nhưng không cần dây nói qua khu vực cảm nhận hạn chế chính của cách bố trí này là nguồn sáng khác chiếu vào mặt phản xạ có thể gây tác động sai

- Phát hiện đối tượng nhờ tia phản xạ sử dụng bộ lọc phân cực: Đặt bộ lọc phân cực giữa nguồn sáng và gương phản xạ sao cho cảm biến chỉ nhận được tia trở về từ gương phản

xạ cách bố trí này khắc phục được sự tác động sai do các nguồn sáng ngoài chiếu vào gương phản xạ vì bộ cảm biến chỉ cảm nhận tia sáng bị phân cực

Phương pháp bố trí này có ưu điểm sau đây:

o Không bị tác động sai

o Tỷ số độ tương phản sáng/tối lớn

o Dễ bố trí và căn chỉnh Chỉ cần nối dây một phía

Tuy nhiên có một số hạn chế:

o Cự ly tác động giảm do tổn thất của bộ lọc tín hiệu

o Cảm biến tia phản xạ phân cực không làm việc nếu vật phản chiến có thủy tinh,

do đó nếu mục tiêu bọc bằng chất dẻo trong có thể tác động sai

- Phát hiện gần nhờ ánh sáng phản chiếu khuếch tán: Nguồn sáng và bộ cảm biến đặt cùng phía nhưng ở đây đối tượng đóng vai trò gương phản chiếu trong trường hợp này đối tượng đặt khá gần nguồn sáng

Ưu điểm của phương pháp này là :

o Lắp đặt và chỉnh định đơn giản

o Chỉ cần nối dây một phía vùng cảm nhận

o Có thể phát hiện với độ phản chiếu khác nhau

Những hạn chế là:

o Vùng cảm nhận bị hạn chế

o Độ tương phản sáng/ tối và khoảng cách cảm nhận phụ thuộc vào độ phản chiếu của bề mặt đối tượng

- Chỉnh định hệ thống cảm biến ánh sáng: Cáp quang dùng trong mạch cảm biến và điều

khiển thường có hai loại :

o Loại không phân nhánh một đầu nối với nguồn phát quang hoặc máy thu, một đầu nối với bộ cảm biến

o Loại phân nhánh một đầu nối với nguồn phát quang đầu phân nhánh kia nối với máy thu còn đầu kia nối với bộ cảm biến loại này thường dùng cho cảm biến tiếp cận và có thể bố trí thêm thấu kính tiêu thụ

Chỉnh định vị trí giữa nguồn phát và cảm biến được tiến hành như sau:

o Đối với cách bố trí đối diện : có thể tiến hành xoay nguồn phát theo các mặt nằm ngang và thẳng đứng

o Đối với cách bố trí một phía Tiến hành định vị trí gương phản xạ theo các chiều phải trái, lên xuống

o Đối với cách bố trí tiếp cận : tiến hành chỉnh định nguồn thu và phát như cách

bố trí đối diện, nghĩa là quay phải trái hoặc lên xuống

2.2.8 Cảm biến di chuyển sử dụng tia laser

a Nguyên lý:

Cảm biến di chuyển laser gồm phần tử phát quang và phần tử cảm nhận laser bán dẫn được tụ tiêu trên mục tiêu nhờ các thấu kính Mục tiêu phản chiếu tia laser và được tiêu tụ trên bộ cảm biến vệt sáng Vệt sáng sẽ chuyển động khi mục tiêu chuyển động, do đó có

thể phát hiện sự chuyển động của các chi tiết bằng cách theo dõi sự chuyển động của các vệt sáng

b Một số ứng dụng của cảm biến laser

2.2.9 Cảm biến vi sóng

Các cảm biến vi sóng là thiết bị điện tử sử dụng sóng cực ngắn để đo di chuyển tốc độ, chiều chiều động, khoảng cách, phát hiện

a Phân loại:

Kỹ thuật cảm biến vi sóng có thể được chia thành năm loại :

- Cảm biến chuyển động phát hiện đối tượng chuyển động đi vào vùng bảo vệ

- Cảm biến tốc độ : đo tốc độ của đối tượng, ví dụ máy đo tốc độ oto của cảnh sát

- Phát hiện hướng chuyển động của đối tượng (chạy tiến, lùi của máy quay)

- Cảm biến tiếp cận : phát hiện sự hiện diện của đối tượng

- Cảm biến khoảng cách : đo khoảng cách từ cảm biến đến đối tượng, có thể áp dụng đo mức dầu trong bình…

b Các đặc điểm của cảm biến vi sóng:

- Không tiếp xúc vớ cơ khí: do không tiếp xúc cơ khí với đối tượng cảm biến vi sóng có thể làm việc trong các môi trường độc hại, dễ cháy nổ, có thể thâm nhập vào bề mặt không kim loại như sợi thủy tinh, phát hiện mức, phát hiện đối tượng bằng cáctong…

- Bền vững : cảm biến vi sóng không có bộ phận chuyển động, có thể được bọc kín

- Vùng tác động rộng : cảm biến vi sóng có thể phát hiện các đối tượng xa từ 25 đến 45.000 mm và lớn hơn, phụ thuộc vào kích thước của đối tượng, công suất nguồn và anten

- Kích thước nhỏ : mặc dù có kích thước lớn hơn cảm biến tiếp cận điện cảm, điện dung nhưng khi sử dụng tần số cao và mạch điện tử công nghệ cao có thể giảm kích thước và giá thành

- Kích thước mục tiêu : cảm biến vi sóng phù hợp với các mục tiêu phát hiện kể cả mục tiêu nhỏ như một hạt cát

- Môi trường làm việc : có thể làm việc trong điều kiện môi trường khó khăn từ -550C tới +1250C, môi trường bụi bẩn, ô nhiễm, độc hại

c Nguyên lý hoạt động:

Cảm biến vi sóng gồm có ba phần chính : nguồn, anten tụ tiêu, máy thu và xử lý tín hiệu Khi tia phản xạ lại máy thu ddiot trộn sẽ phối hợp vói một phần tín hiệu phát Nếu mục tiêu chuyển động pha của hai tín hiệu phát và trở về khác nhau do hiệu ứng doppler Tín hiệu đến máy thu cỡ µV đến mV cần được khuếch đại ngoài khuếch đại, so sánh có

thêm mạch rowle đầu ra để phù hợp với ứng dụng hình 5.53 trình bày cấu trúc moodun cảm biến vi sóng

2.2.10 Bộ cảm biến phát hiện hư hỏng trong các bộ phận chuyển động của máy

2.2.11 Cảm biến điện từ

Cảm biến điện từ là nhóm các bộ cảm biến làm việc dựa trên nguyên lý điện từ đại lượng không điện cần đo làm thay đổi điện cảm, hỗ cảm của cảm biến hay từ thông, độ từ thẩm của lõi thép

a Cảm biến điện cảm và hỗ cảm:

- Cảm biến điện cảm là một cuộn dây quấn trên lõi thép có khe hở không khí (mạch từ

hở hình 5.55) thông số của nó thay đổi dưới tác động của đại lượng vào XV

Dưới tác động của đại lượng đo XV làm cho phần ứng 3 di chuyển, khe hở không khí δ thay đổi từ trở của lõi thép do đó điện cảm và tổng trở của cảm biến cũng thay đổi theo hình 5.55a điện cảm có thể thay đổi do tiết diện khe hở không khí thay đổi (hình 5.55b) hoặc thay đổi do tổn hao dòng điện xoáy dưới tác động của đại lượng đo XV (hình 5.55c)

Để tăng độ nhạy cảm biến và tăng đoạn đặc tính tuyến tính làm việc người ta thường dùng cảm biến điện cảm mắc theo kiểu vi sai

- Cảm biến hỗ cảm (chuyển đổi biến áp): Cấu tạo của cảm biến hỗ cảm giống như cảm biến điện cảm, chỉ khác ở chỗ có thêm một cuộn dây đo, khi chiều dài hoặc tiết diện khe

hở không khí thay đổi làm cho từ thông của mạch từ thay đổi và suất hiện sức điện động

e Đối với cảm biến điện cảm và hỗ cảm, trên các đoạn sắt từ của mạch từ có tổn hao trễ

và dòng xoáy làm thay đổi từ trở và do đó tổng trở cũng bị thay đổi tín hiệu ra sẽ thay đổi của biên độ và pha Tuy vật sự thay đổi về pha có thể được khắc phục nếu cảm biến được cung cấp bằng điện áp ổn định

Đặc tính động của các cảm biến điện cảm và hỗ cảm được xác định chủ yếu ở hệ thống

- Sai số và ứng dụng các cảm biế điện cảm làm việc vó mạch cầu không cân bằng, nguồn cung cấp cho mạch cầu cần phải ổn định Nếu điện áp người cung cấp thay đổi 1%

có thể gây sai số tới 1%

b Cảm biến cảm ứng:

Cảm biến cảm ứng gồm có nam châm vĩnh cửu hoặc nam châm điện (trong một số trường hợp) và cuộn dây

2.2.12 Cảm biến điện dung

a Tính chất chung và các dạng cơ bản của cảm biến điện dung:

Nguyên lý làm việc của các cảm biến điện dung dựa trên sự tác động tương hỗ giữa hai điện cực, tạo thành một tụ điện điện dung của nó được thay đổi dưới tác động của đại lượng vào

Cảm biến điện dung có thể chia thành hai nhóm chính, cảm biến máy phát và cảm biến thông số

Đại lượng ra của các cảm biến điện dung máy phát thường là điện áp ra của máy phát Đại lượng vào là sự di chuyển thẳng, di chuyển góc của bản điện cực động của cảm biến loại này thường dùng đo các đại lượng cơ học Đại lượng vào của các cảm biến điện dung thông số là sự di chuyển, đại lượng ra là sự thay đổi điện dung C của cảm biến

b.Mạch đo: Thông thường mạch đo dùng với cảm biến điện dung là các mạch cầu không

cân bằng cung cấp bằng dòng xoay chiều mạch đo cần phải thỏa mãn các yêu cầu sau : tổng trở đầu vào tức là tổng trở của đường chéo cần phải thật lớn, các dây dãn được bọc kim để tránh ảnh hưởng của điện trường ngoài à không được mắc điện trở song song với cảm biến làm giảm tổng trở của nó và chống ẩm tốt tần số nguồn cung cấp cẩn phải cao,

để tăng công suất ra của cảm biến có thể tới hàng chục MHz

Để đo đại lượng biến thiên cùng với mạch cầu người ra còn dùng mạch đo dòng một chiều

o Loại có điện tích bản cực thay đổi dùng đo các di chuyển lớn (hơn 1 cm) và di chuyển góc (đến 2700C)

o Cảm biến có hằng số điện môi ε thay đổi dùng đo độ ẩm (vải, chất dẻo) đo mức nước, chiều dày của các vật cách điện, đo lực

o Cảm biến có tổn hao điện môi thay đổi (mạch đo dùng đo góc tổn tao tgδ của

tụ trong mạch xoay chiều) dùng để xác định các tham số vật lý của vật liệu nào

đó đặt giữa hai bản cực…

o