DO luong TDH Cảm biến

Một số khái niệm về cảm biến Khái niệm • Cảm biến là bộ phận dùng để cảm nhận và biến đổi các đại lượng vật lý và các đại lượng không có tính chất điện cần đo thành các đại lượng điện c

Bộ môn: Điện công nghiệp

ĐẠI HỌC NHA TRANG KHOA KHAI THÁC TS

NHA TRANG 2011

Mục tiêu

• Các phương pháp đo các thông số vật lý dựa

trên các nguyên tắc tự động điều khiển

• Một số thiết bị đo lường cảm biến sử dụng

trong các hệ thống sản xuất

NỘI DUNG

Chương 1 Cơ sở lý thuyết về đo lường, tự

động hoá

Chương 2 Các dụng cụ đo nhiệt độ

Chương 3 Đo áp suất, lưu lượng

Chương 4 Đo một số thông số khác

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Nguyễn Văn Hòa, Đo lường điện và cảm biến

đo lường, NXBGD 2005

[2] Hoàng Công Minh, Cảm biến công nghiệp,

NXB Xây dựng 2007

[3] O Gassmann, H Meixner, Sensors in

Intelligent Buildings, Wiley-VCH Verlag

GmbH 2001

[4] Jon S Wilson, Sensor Technology Handbook,

the United States of America 2006

ĐÁNH GIÁ

• Thời gian lên lớp: 30 tiết

• Kiểm tra, tiểu luận: 40%

• Thi kết thúc môn: 60% (không dùng tài liệu)

• Thời gian: 60 phút (từ 3-4 câu)

TIỂU LUẬN

1 Cảm biến nhiệt độ và ứng dụng

2 Cảm biến lực

3 Thiết bị đo áp suất

4 Thiết bị đo lưu lượng

5 Thiết bị đo vị trí và dịch chuyển

6 Đo khối lượng và trọng lượng

7 Cảm biến sinh học

8 Cảm biến độ ẩm

9 Cảm biến tiệm cận

Chương 1: cơ sở lý thuyết về đo lường, tự

động hoá

Chương 1: cơ sở lý thuyết về đo lường, tự

động hoá

liquid level measuring

Chương 1: cơ sở lý thuyết về đo lường, tự

động hoá

Measure box dimension

Chương 1: cơ sở lý thuyết về đo lường, tự

động hoá

Full case packing inspaction

Chương 1: cơ sở lý thuyết về đo lường, tự

động hoá1.1.Mở đầu

• Đo lường: là một quá trình đánh giá định lượng

đại lượng cần đo để có kết quả bằng số so với

đơn vị đo

0

.X A X X X

A  

13 Simple instrument model

Các thuật ngữ cơ bản

• Thiết bị đo: là thiết bị cung cấp cho chúng ta

kết quả của đại lượng cần đo Thiết bị đo được

chia làm nhiều loại

Đại lượng đo: dựa vào tính chất cơ bản của đại

lượng đo mà ta phân ra 2 loại:

- Đại lượng không điện

- Đại lượng điện

• Đơn vị đo: là giá trị đơn vị tiêu chuẩn về một

đại lượng đo nào đó được quốc tế qui định mà

mỗi quốc gia đều phải tuân thủ

• Chuẩn trong đo lường: gồm 4 cấp

– Chuẩn quốc tế

– Chuẩn quốc gia

– Chuẩn khu vực

– Chuẩn phòng thí nghiệm

• Các phương pháp đo:

– Phương pháp đo trực tiếp : là phương pháp đo mà

lượng cần đo được so sánh trực tiếp với mẫu đo

(đơn vị đo cùng loại).

– Phương pháp đo gián tiếp: là phương pháp đo

trong đó lượng cần đo sẽ được tính ra từ kết quả đo

các đại lượng khác có liên quan.

Sai số trong đo lường:

• Nguyên nhân:

– Nguyên nhân chủ quan: là do lỗi lầm của người sử dụng

thiết bị đo và phụ thuộc vào việc đọc sai kết quả, hoặc ghi

sai, hoặc sử dụng sai không đúng qui trình hoạt động.

– Sai số khách quan: sai số không phụ thuộc vào người đo.

(Thiết bị đo không đo được trị số chính xác vì những lý do sau:

• Không nắm vững những thông số đo và điều kiện thiết kế.

• Thiết kế nhiều khuyết điểm.

• Thiết bị đo không ổn định sự hoạt động.

• Bảo trì thiết bị đo kém.

• Do người vận hành thiết bị đo không đúng.

• Do những giới hạn của thiết kế.

Một số khái niệm về cảm biến

Khái niệm

• Cảm biến là bộ phận dùng để cảm nhận và biến đổi

các đại lượng vật lý và các đại lượng không có tính

chất điện cần đo thành các đại lượng điện chứa đựng

thông tin cho phép xác định giá trị của đại lượng cần

đo.

• Đại lượng đầu vào (hay kích thích) (m): Tác

động của đại lượng cần đo (có tính chất điện

hoặc không)

• Đại lượng đầu ra (hay đáp ứng) (s): Tín hiệu ra

của CB (thường mang tính chất điện)

• Đáp ứng (s) là hàm của đại lượng cần đo (m):

s = F(m)

Thông qua đo (s) → xác định giá trị (m)

Phân loại cảm biến

Hoặc phân theo những đặc trưng sau

Phân loại cảm biến

• Các bộ cảm biến được phân loại theo đặc trưng

sau đây:

– Theo nguyên lý chuyển đổi giữa đáp ứng kích thích.

– Phân loại theo dạng kích thích

– Phân loại theo phạm vi sử dụng

– Phân loại theo thông số mô hình mạch thay thế

Theo nguyên lý chuyển đổi giữa đáp ứng kích

thích

- Biến đổi sinh hoá; - Biến đổi vật lý.

- Hiệu ứng trên cơ thể sống

Sinh Học

- Biến đổi hoá học ; - Biến đổi điện hoá

- Phân tích phổ…

Hoá học

- Nhiệt điện; - Quang điện; - Quang từ

- Điện từ; - Quang đàn hồi; - Từ điện

- Nhiệt từ

Vật lý

Chuyển đổi và đáp ứng kích thích

Hiện tượng

Phân loại theo dạng kích thích

-Kiểu; -Năng lượng; -Cường độ

-Điện tích, dòng điện; -Điện thế, điện áp

-Điện trường; -Điện dẫn, hằng số điện môi

Phân loại theo phạm vi sử dụng

• Khả năng quá tải

• Nghiên cứu khoa học

• Môi trường, khí tượng

• Thông tin, viễn thông

• Nông nghiệp

• Dân dụng

• Vũ trụ

• Quân sự

Phân loại theo thông số mô hình mạch thay thế

• Cảm biến tích cực đầu ra là nguồn áp, nguồn

dòng (NPN, PNP…)

• Cảm biến thụ động được đặc trưng bởi thông số

R, L, C, M…tuyến tính hoặc phi tuyến

• Đường cong chuẩn của cảm biến là đường cong

được biểu diễn sự phụ thuộc vào đại lượng điện

(S) ở đầu ra của cảm biến vào giá trị của đại

lượng đo (m) ở đầu vào

Cấu trúc của một dụng cụ đo không điện

Thông số đặc trưng của chuyển đổi

1 Phương trình chuyển đổi

2 Độ nhạy

4 Độ tuyến tính

Đường cong chuẩna) Khái niệm đường cong chuẩn: đường cong

biểu diễn sự phụ thuộc của đáp ứng (s) ở đầu ra

của cảm biến vào giá trị của đại lượng đo (m) ở

đầu vào

• Biểu diễn:

+ Bằng biểu thức đại số

+ Bằng đồ thị

Đường cong chuẩn

• Biểu diễn bằng biểu thức đại số

s= F(m)

Ví dụ cảm biến tuyến tính:

s= a.m +b Trong đó: a, b là các hằng số

Đường cong chuẩn

0

s

m b) Dạng tuyến tính 0

Đường cong chuẩn

b) Chuẩn cảm biến: phép đo xác lập mối

quan hệ giữa giá trị (s) đo được của đại

lượng đầu ra của CB và giá trị (m) của đại

lượng cần đo có tính đến các yếu tố ảnh

hưởng, trên cơ sở đó xây dựng đường cong

chuẩn dưới dạng tường minh (đồ thị hoặc

biểu thức đại số)

Đường cong chuẩnb) Phương pháp chuẩn:

• Chuẩn đơn giản: áp dụng khi cảm biến chỉ

chịu tác động của một đại lượng đo duy nhất

• Chuẩn nhiều lần: áp dụng khi cảm biến có

phần tử trễ, kết quả đo theo hai chiều tăng giảm

của đại lượng đo khác nhau

Đường cong chuẩn

• Chuẩn đơn giản: đo các giá trị của đại lượng đầu ra

(si) ứng với một loạt các giá trị xác định không đổi

của đại lượng đầu vào (mi).

 Chuẩn trực tiếp: giá trị của đại lượng đo lấy từ các

mẫu chuẩn hoặc các phần tử so sánh có giá trị biết

trước với độ chính xác cao.

 Chuẩn gián tiếp: kết hợp CB cần chuẩn với một

CB so sánh đã có sẵn đường cong chuẩn (trong cùng

điều kiện làm việc).

Đường cong chuẩn

• Chuẩn nhiều lần: đo các giá trị (si) của đại

lượng đầu ra ứng với một loạt các giá trị (mi)

của đại lượng đầu vào theo hai chiều tăng và

giảm của đại lượng cần đo

si

Giới hạn sử dụng cảm biến

• Vùng làm việc danh định: là vùng làm việc bình

thường của cảm biến

• Vùng không gây hư hỏng: là khi các giá trị của

đại lượng đo và các đại lượng ảnh hưởng khác

vượt quá ngưỡng của vùng danh định nhưng vẫn

còn trong phạm vi không gây hư hỏng, các đặc

trưng của cảm biến bị thay đổi

• Vùng không gây phá huỷ: khi các đại lượng cần

đo và các đại lượng vật lí liên quan vượt giá trị

ngưỡng không gây hư hỏng thì chúng sẽ rơi vào

vùng không phá huỷ

Các bước để lựa chọn cảm biến

Chương 1: cơ sở lý thuyết về tự động hoá

1.4.1.Điều chỉnh hai vị trí ON-OFF

Chương 1: cơ sở lý thuyết về tự động hoá

Các ký hiệu điện

Tiếp điểm thường mở (NO)

Tiếp điểm thường đóng (NC)

Kiểu tác động tức thời

Kiểu tác động có trễ

Bố trí tiếp điểm

Các cảm biến đóng cắt dạng ON-OFF

b Cảm biến tiệm cận

- Tiệm cận điện cảm

- Tiệm cận điện dung

- Tiệm cận siêu âm

- Tiệm cận quang học

Câu hỏi chương 1

1 Một số thuật ngữ về đo lường?

2 Cảm biến? Phân loại cảm biến?

3 Cấu trúc của một dụng cụ đo không điện

4 Mạch đo

5 Một số ứng dụng cảm biến thường gặp?

6 Cảm biến đóng cắt dạng ON-OFF?

7 Cảm biến tiệm cận

Hệ SI

– Chuẩn đơn vị chiều dài: mét (m).

– Chuẩn đơn vị khối lượng : Kilogam (Kg).

– Chuẩn đơn vị thời gian : giây (s)

– Chuẩn đơn vị dòng điện : Ampe (A).

– Chuẩn đơn vị nhiệt độ : Kelvin (K).

– Chuẩn cường độ ánh sáng : Candela (Cd).

– Đơn vị số lượng vật chất : mol.

Các mạch khuếch đại trong đo lường

• Do các tín hiệu điện ở ngõ ra của các cảm biến

thường rất nhỏ, để tăng giá trị của các tín hiệu

này ta dùng các mạch khuếch đại

Mạch khuếch đại đảo

Mạch khuếch đại đảo với biến trở chỉnh offset

Mạch khuếch đại không đảo

Mạch khuếch đại vi sai

Mạch cầu Wheastone

• Mạch cầu Wheastone dùng để chuyển đổi sự thay đổi

của điện trở thành sự thay đổi của điện áp trên đường

chéo của cầu.

Cảm biến quang trong công nghiệp

• Cấu tạo

Cấu tạo cảm biến quang dạng thu phát riêng

Cấu tạo cảm biến quang dạng thu phát chung

• Cảm biến gồm: phần phát và phần thu

– Phần phát gồm một Led phát hồng ngoại hoặc Led

phát Laser có vai trò như một nguồn phát sáng được

đặt ngay tại tiêu điểm của thấu kính hội tụ phát

nhằm mục đích tạo ra chùm tia sáng hẹp để chiếu

đến phần thu.

– Phần thu gồm một transistor quang đặt ngay tại tiêu

điểm của thấu kính hội tụ thu mhằm mục đích tập

trung ánh sáng rọi vào trasistor Transistor quang

thu được nối vào mạch ra để tạo mức logic ở ngõ ra.

Một số hình dạng cảm biến quang trong công

nghiệp

• Hãng Omron

Dạng thu phát chung không cần gương phản

Dạng thu phát riêng Dạng thu phát chung có gương phản xạ

Cấu trúc mạch ra của cảm biến

Mach ra kiểu transistor NPN cưc thu để hở

Mạch ra kiểu transistor PNP cực thu để hở

– Phát hiện có vật cản ngay cửa của các thang máy.

– Phát hiện chấm đen ở đầu bao bì trong các hệ thống

đóng gói sản phẩm

– Dùng đo tốc độ động cơ

Một số ứng dụng cảm biến quang

1 Ứng dụng cảm biến quang để phát hiện đầu vật

liệu trong hệ thống cắt sản phẩm theo chiều dài

Một số ứng dụng cảm biến quang

2 Ứng dụng cảm biến quang để phát hiện chấm đen ở

đầu bao bì trong hệ thống đóng gói sản phẩm.

Một số ứng dụng cảm biến quang

3 Ứng dụng cảm biến quang để phát hiện hộp sữa

bằng giấy trên băng tải trong hệ thống sản xuất

sữa hộp giấy

Một số ứng dụng cảm biến quang

4 Ứng dụng cảm biến quang để phát hiện thực

phẩm trên băng tải trong hệ thống sản xuất thực

phẩm

Một số ứng dụng cảm biến quang

5 Ứng dụng cảm biến quang để phát hiện chai

trên băng tải và đếm số chai trong hệ thống sản

xuất nước uống

• Cảm Biến tiệm Cận Dạng Điện Dung

• Cảm biến tiệm cận siêu âm

• Cảm biến tiệm cận quang học

Câu hỏi

1 Cấu tạo, nguyên lý làm việc của cảm biến

tiệm cận điện cảm?

2 Cấu tạo, nguyên lý làm việc của cảm biến

tiệm cận điện dung?

3 Ứng dụng của cảm biến tiệm cận

4 Sự giống và khác nhau giữa cảm biến tiệm

cận điện cảm và điện dung?

Cảm Biến tiệm cận (Lân Cận) dạng Điện Cảm

– Là cảm biến dùng trường điện - từ để phát hiện đối

tượng bằng kim loại.

– Điện áp làm việc DC, AC hoặc AC/DC

• Phân loại:

– Theo chức năng chia làm 2 loại: NPN và PNP

– Theo khoảng cách chia làm 2 loại: có bảo vệ và

không bảo vệ

Cảm Biến tiệm cận (Lân Cận) dạng Điện Cảm

• Cấu tạo: Cảm biến lân cận dạng điện cảm có

cấu tạo gồm 4 bộ phận chính

Cấu tạo của cảm biến lân cận điện cảm

• Đầu phát hiện gồm 1 cuộn dây quấn trên lõi sắt

từ có nhiệm vụ tạo ra từ trường biến thiên

trong không gian phía trước

– Cấu tạo và cách bố trí cuộn dây và lõi sắt của đầu

phát hiện như hình

• 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 lân 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 nên một dòng điện xoáy trên bề

mặt của 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 đặt 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

• Chia theo khoảng cách:

Cảm biến lân cận điện cảm dạng vuông

Mạch ra dạng NPN cực thu để hở

Mạch ra dạng PNP cực thu để hở

Cảm Biến Lân Cận Dạng Điện Dung

– Là cảm biến sử dụng trường tĩnh điện để phát hiện

đối tượng bằng kim loại và phi kim loại.

– Điện áp làm việc là DC, AC hoặc AC/DC

• Phân loại:

– Theo chức năng được chia làm 2 loại: PNP và NPN

– Tất cả cảm biến tiệm cận điện dung của Siemen đều có

bảo vệ

• 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 một bản cực là bề mặt của đầu thu và bản cực

còn lại chính là đối tượng) C bị thay đổi.

• Khi điện dung 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

• Nhận xét:

– Khoảng cách cảm nhận từ 5 – 20mm

– Có khả năng phát hiện mức chất lỏng xuyên qua

thùng trong suốt (chất lỏng phải có hằng số điện môi

cao hơn vỏ thùng)

– Môi trường làm việc phải khô (khi chất lỏng trên bề

mặt của cảm biến, cảm biến có thể tác động nhầm)

Mạch ra dạng PNP cực thu để hở

Ứng Dụng Của Cảm Biến Lân Cận điện cảm

• Cảm biến lân 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 của

chai nước ngọt làm bằng kim loai)

– 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, phát hiện trạng thái

đóng- mở của các xi lanh …

• Cảm biến lân cận điện dung được dùng để phát

hiện sự xuất 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 thủy tinh, nhựa,

chất lỏng

1 Dùng cảm biến lân cận điện cảm đo tốc độ

động cơ

2 Dùng cảm biến điện dung để phát hiện hộp sữa

không đầy trong dây chuyền sản xuất sửa hộp

Dùng cảm biến điện dung để xác định mức của

chất lỏng