KĨ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN

Các cảm biến này cảm nhận sự thay đổi của nhiệt độ và cho tín hiệu ngõ ra một trong hai dạng: thay đổi điện áp hoặc thay đổi điện trở.. + Đồng thời khi lắp đặt sử dụng loại Cặp nhiệt điệ

KĨ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN

Cảm biến nhiệt độ là thiết bị dùng để đo nhiệt độ của đối tượng

Các cảm biến này cảm nhận sự thay đổi của nhiệt độ và cho tín hiệu ngõ ra một trong hai dạng: thay đổi điện áp hoặc thay đổi điện trở

Cảm biến nhiệt độ được chia làm 2 loại:

+ cảm biến loại tiếp xúc

+ cảm biến loại không tiếp xúc( đo bức xạ nhiệt)

Cảm biến loại tiếp xúc:

Trường Đại học Nông Lâm TPHCM

Khoa Cơ khí - Công ngệ

Bộ môn Cơ điện tử

+ Cặp nhiệt điện.

+ Nhiệt điện trở

+ Ic đo nhiệt độ

Cảm biến loại không tiếp xúc

nhiệt kế hồng ngoại: Đo nhiệt độ bằng cách nhận năng lượng hồng ngoại được phát ra từ vật liệuGiới thiệu một số loại cảm biến

1 Cặp nhiệt điện (Thermocouple)

- Cấu tạo: Gồm 2 chất liệu kim loại khác nhau, hàn dính một đầu

- Nguyên lý: Nhiệt độ thay đổi cho ra sức điện động thay đổi ( mV)

- Ưu điểm: Bền, đo nhiệt độ cao

- Khuyết điểm: Nhiều yếu tố ảnh hưởng làm sai số Độ nhạy không cao

- Thường dùng: Lò nhiệt, môi trường khắt nghiệt, đo nhiệt nhớt máy nén,…

- Dải đo: -100 ~ 1400oC

- Ứng dụng: sản xuất công nghiệp, luyện kim, giáo dục hay gia công vật liệu…

Trên thị trường hiện nay có nhiều loại Cặp nhiệt điện khác nhau (E, J, K, R, S, T…) đó là vì mỗi loại Cặp nhiệt điện đó được cấu tạo bởi 1 chất liệu khác nhau, từ đó sức điện động tạo ra cũng khác nhau dẫn đến dải đo cũng khác nhau Người sử dụng cần chú ý điều này để có thể lựa chọn loại Cặp nhiệt điện phùhợp với yêu cầu của mình

+ Đồng thời khi lắp đặt sử dụng loại Cặp nhiệt điện thì cần chú ý tới những điểm sau đây:

- Dây nối từ đầu đo đến bộ điều khiển càng ngắn càng tốt (vì tín hiệu truyền đi dưới dạng điện áp mV nên nếu dây dài sẽ dẫn đến sai số nhiều)

- Thực hiện việc cài đặt giá trị bù nhiệt (Offset) để bù lại tổn thất mất mát trên đường dây Giá trị Offset

lớn hay nhỏ tùy thuộc vào độ dài, chất liệu dây và môi trường lắp đặt.

- Không để các đầu dây nối của Cặp nhiệt điện tiếp xúc với môi trường cần đo

- Đấu nối đúng chiều âm, dương cho Cặp nhiệt điện

2 Nhiệt điện trở (Resitance temperature detector –RTD).

- Cấu tạo của RTD gồm có dây kim loại làm từ: Đồng, Nikel, Platinum,…được quấn tùy theo hình dáng củađầu đo

- Nguyên lí hoạt động: Khi nhiệt độ thay đổi điện trở giữa hai đầu dây kim loại này sẽ thay đổi, và tùy chất liệu kim loại sẽ có độ tuyến tính trong một khoảng nhiệt độ nhất định

- Ưu điểm: độ chính xác cao hơn Cặp nhiệt điện, dễ sử dụng hơn, chiều dài dây không hạn chế

- Khuyết điểm: Dải đo bé hơn Cặp nhiệt điện, giá thành cao hơn Cặp nhiệt điện

- Dải đo: -200~700oC

- Ứng dụng: Trong các ngành công nghiệp chung, công nghiệp môi trường hay gia công vật liệu, hóa chất…

Hiện nay phổ biến nhất của RTD là loại cảm biến Pt, được làm từ Platinum Platinum có điện trở suất cao,chống oxy hóa, độ nhạy cao, dải nhiệt đo được dài Thường có các loại: 100, 200, 500, 1000 ohm (khi ở

0 oC) Điện trở càng cao thì độ nhạy nhiệt càng cao

- RTD thường có loại 2 dây, 3 dây và 4 dây Loại 4 dây cho kết quả đo chính xác nhất

3 Điện trở oxit kim loại (Thermistor)

- Cấu tạo: Làm từ hổn hợp các oxid kim loại: mangan, nickel, cobalt,…

- Nguyên lý: Thay đổi điện trở khi nhiệt độ thay đổi

- Ưu điểm: Bền, rẽ tiền, dễ chế tạo

- Khuyết điểm: Dãy tuyến tính hẹp

- Dải đo: 50o

- Ứng dụng: Làm các chức năng bảo vệ, ép vào cuộn dây động cơ, mạch điện tử

- Có hai loại thermistor: Hệ số nhiệt dương PTC- điện trở tăng theo nhiệt độ; Hệ số nhiệt âm NTC – điện trở giảm theo nhiệt độ Thường dùng nhất là loại NTC

4 Cảm biến nhiệt bán dẫn

- Cấu tạo: Làm từ các loại chất bán dẫn

- Nguyên lý: Sự phân cực của các chất bán dẫn bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ

- Ưu điểm: Rẻ tiền, dễ chế tạo, độ nhạy cao, chống nhiễu tốt, mạch xử lý đơn giản

- Khuyết điểm: Không chịu nhiệt độ cao, kém bền

- Dải đo: -50 ~ 150o

Ứng dụng: Đo nhiệt độ không khí, dùng trong các thiết bị đo, bảo vệ các mạch điện tử

- Các loại cảm biến nhiệt bán dẫn điển hình: kiểu diod, các kiểu IC LM35, LM335, LM45

5 Nhiệt kế bức xạ (Hay hỏa kế)

- Cấu tạo: Làm từ mạch điện tử, quang học

- Nguyên lý: Đo tính chất bức xạ năng lượng của môi trường mang nhiệt

- Ưu điểm: Dùng trong môi trường khắc nghiệt, không cần tiếp xúc với môi trường đo

- Khuyết điểm: Độ chính xác không cao, đắt tiền

- Ứng dụng: Làm các thiết bị đo cho lò nung

Dải đo: -97 ~ 1800 oC

Hỏa kế gồm có các loại: Hỏa kế bức xạ, hỏa kế cường độ sáng, hỏa kế màu sắc Chúng hoạt động dựa trên nguyên tắc các vật mang nhiệt sẽ có hiện tượng bức xạ năng lượng Và năng lượng bức xạ sẽ có mộtbước sóng nhất định Hỏa kế sẽ thu nhận bước sóng này và phân tích để cho ra nhiệt độ của vật cần đo

6 Tổng kết

Như trên ta đã thấy thì hiện nay có rất nhiều loại cảm biến đo nhiệt độ khác nhau, và việc lựa chọn chúng phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố: độ chính xác, khoảng nhiệt, tốc độ phản ứng, môi trường (hóa học, vật lý, hay điện) và giá thành Việc lựa chọn cảm biến không hề dễ dàng, cách an toàn và hay được

sử dụng nhất là lựa chọn theo ngành nghề bởi thông thường, mỗi loại cảm biến được thiết kế để phục

vụ cho một chuyên ngành riêng.Và dưới dây là các yêu cầu đặt ra khi lựa chọn 1 loại cảm biến nhiệt và

Bảng tổng hợp kinh nghiệm lựa chọn cảm biến nhiệt dựa theo các ngành nghề khác nhau:

- Độ chính xác

- Sự linh hoạt, có thể lắp ráp dễ dàng

- Giới hạn khoảng nhiệt cần đo

- Giá thành

- Có thể điều chỉnh riêng lẻ hay không

- Sự tương thích với môi trường và những ảnh hưởng (nếu có) của các tác nhân bên ngoài môi trường

II) Cảm biến quang

1)Giới thiệu

Đầu phát của cảm biến phát ra một nguồn sáng về phía trước Nếu có vật thể che chắn, nguồnsáng này tác động lên vật thể và phản xạ ngược lại đầu thu, đầu thu nhận tín hiệu ánh sáng này và chuyển thành tín hiệu điện Tuỳ theo lượng ánh sáng chuyển về, mà chuyển thành tín hiệu điện áp và dòng điện

và khuyếch đại thành tín hiệu ra

Ngày nay cảm biến quang thường sử dụng đèn bán dẫn LED (Light Emitting Diode)

Ánh sáng được phát ra theo xung Nhịp điệu xung đặc biệt giúp cảm biến phân biệt được ánh sáng của cảm biến và ánh sáng từ các nguồn khác (như ánh nắng mặt trời hoặc ánh sáng trong phòng)

Các loại LED thông dụng nhất là LED đỏ, LED hồng ngoại hoặc LED laze Một số dòng cảm biến đặc biệt dùng LED trắng hoặc xanh lá Ngoài ra cũng có LED vàng.

Bộ thu sáng

hông thường bộ thu sáng là một phototransistor (tranzito quang).Bộ phận này cảm nhận ánh sáng và chuyển đổi thành tín hiệu điện tỉ lệ Hiện nay nhiều loại cảm biến quang sử dụng mạch ứng dụng tích hợp chuyên dụng ASIC ( Application Specific Integrated Circuit) Mạch này tích hợp tất cả bộ phận quang,khuếch đại, mạch xử lý và chức năng vào một vi mạch (IC) Tất cả các dòng cảm biến quang Omron ra mắt gần đây (như E3Z, E3T, E3F2) đều sử dụng ASIC

Bộ phận thu có thể nhận ánh sáng trực tiếp từ bộ phát (như trường hợp của loại thu-phát), hoặc ánh sáng phản xạ lại từ vật bị phát hiện (trường hợp phản xạ khuếch tán) Bạn sẽ tìm hiểu rõ hơn về các chế

độ hoạt động này trong chương sau

Mạch tín hiệu ra

Mạch đầu ra chuyển tín hiệu tỉ lệ (analogue) từ tranzito quang / ASIC thành tín hiệu On / Off được khuếch đại Khi lượng ánh sáng thu được vượt quá mức ngưỡng được xác định, tín hiệu ra của cảm biến được kích hoạt

Mặc dù một số loại cảm biến thế hệ trước tích hợp mạch nguồn và dùng tín hiệu ra là tiếp điểm rơ le vẫnkhá phổ biến, ngày nay các loại cảm biến chủ yếu dùng tín hiệu ra bán dẫn (PNP/NPN)

Một số cảm biến quang còn có cả tín hiệu tỉ lệ ra phục vụ cho các ứng dụng đo đếm

2)Phân loại

Cảm biến quang thu phát độc lập (Thought Beam)

Cảm biến quang phát thu chung (Retro Replective)

Cảm biến quang khuyếch đại ( Diffuse Replective)

Cảm biến quang phản xạ giới hạn (Limited Reflective)

Cảm biến quang thu phát độc lập (Thought Beam)

Cảm biến quang phát thu chung (Retro Replective)

Đặc điểm:

- Dễ lắp đặt

- Bị ảnh hưởng bởi màu sắc, bề mặt vật, nền

Cảm biến quang khuyếch đại ( Diffuse Replective)

Đặc điểm:

Dễ lắp đặt

Bị ảnh hưởng bởi màu sắc, bề mặt vật, nền

Cảm biến quang phản xạ giới hạn (Limited Reflective)

Đặc điểm:

Chỉ phát hiện vật trong vùng phát hiện giới hạn

Không bị ảnh hưởng bởi màu nền phía sau cảm biến

Lý tưởng cho nhiều ứng dụng cần triệt tiêu nền

3)Các ứng dụng cảm biến trong công nghiệp

Sự đa dạng về chủng loại trong các sản phẩm cảm biến đáp ứng được nhiều ứng dụng chuyên sâu trong lỉnh vực tự động hoá công nghiệp Một vài ứng dụng điển hình

Phát hiện màn trong

Phát hiện dấu/vết trên nền

Phát hiện dây băng

Phát hiện băng niêm phong trên nắp lọ/hộp

Phát hiện nhãn bằng plastic bóng trên giấy

Phát hiện nắp nhôn trên chai nước

Phát hiện chai PET

Phát hiện mẫu bánh trên băng chuyền

Phân biệt chiều cao của nắp

Phát hiện mức sữa/nước trái cây bên trong hộp

Cảm biến phát hiện màu

Đo đường kính của ống

Kiểm tra hiện tượng thủng nắp thiếc, nắp nhôm

Phát hiện nắp lọ bị lỏng

Kiểm mẫu, phát hiện chiều quay của viên pin

Phát hiện lon kim loại

III)Cảm biến siêu âm

1)Giới thiệu

Cảm biến siêu âm có nhiều loại, tùy thuộc theo công dụng như để nhận biết vật trong khoảng cách gần hay xa, nhận biết các vật có tính chất khác nhau và trong những điều kiện hoạt động khác nhau mà người ta chế tạo các loại cảm biến siêu âm cũng khác nhau

a Cảm biến siêu âm và nguyên tắc TOF ( Time Of Flight )

Sóng siêu âm được truyền đi trong không khí với vận tốc khoảng 343m/s Nếu một cảm biến phát ra sóng siêu âm và thu về sóng phản xạ đồng thời, đo được khoảng thời gian từ lúc đi tới lúc thu về, thì máytính có thể xác định được quãng đường mà sóng đã di chuyển trong không gian Quãng đường di chuyểncủa sóng sẽ bằng 2 lần khoảng cách từ cảm biến tới chướng ngại vật sẽ được tính theo nguyên lý TOF: d

= v* t/2

b Tầm quét của cảm biến siêu âm

Cảm biến siêu âm có thể được mô hình hóa thành một hình quạt, trong đó các điểm ở giữa dường như không có chướng ngại vật, còn các điểm trên biên thì dường như có chướng ngài vật nằm ở đâu đó

c Thông số một số loại cảm biến siêu âm SRF

*: Ước tính góc của hình nón cảm biến ở ½ cảm biến

**: Số vọng ghi lại bởi cảm biến Đây là những tiếng vọng ghi từ đọc gần đây nhất, và được ghi đè mới bằng mỗi lần khác nhau

A: Những cảm biến nhỏ hơn điển hình ( SRF05/04) kích thước

B: Phạm vi thời gian có thể được điều chỉnh xuống bằng cách điều chỉnh được

C: Cảm biến này cũng bao gồm một photocell ở mặt trước để phát hiện ánh sáng

D: Hoạt động ở một tần số 235kHz cao hơn

Giới thiệu về cảm biến siêu âm SRF05

Trên thị trường có rất nhiều loại cảm biến siêu âm, nhưng ở đây chỉ giới thiệu về loại cảm biến thông dụng là cảm biến siêu âm SRF05

Hoạt động phát và nhận phản hồi song âm cơ bản của SRF05

Nguyên tắc cơ bản của sonar: là tạo ra một xung âm thanh điện tử và sau đó lắng nghe tiếng vọng tạo

ra khi các làn sóng âm thanh số truy cập một đối tượng và được phản xạ trở lại Để tính thời gian cho phản hồi trở về, một ước tính chính xác có thể được làm bằng khoảng cách tới đối tượng Xung âm thanh tạo ra bởi SRF05 là siêu âm, nghĩa là nó ở trên phạm vi nhận xét của con người Trong khi tần số thấp hơn có thể được sử dụng trong các loại ứng dụng, tần số cao hơn thực hiện tốt hơn cho phạm vi ngắn, nhu cầu độ chính xác cao

Một số đặc điểm khác của cảm biến siêu âm SRF05

Mức độ của sóng âm hồi tiếp phụ thuộc vào cấu tạo của đối tượng và góc phản xạ của nó

Một đối tượng mềm có thể cho ra tín hiệu phản hồi yếu hoặc không có phản hồi Một đối tượng ở một góc cân đối thì mới có thể chuyển thành tín hiệu phản chiếu một chiều cho cảm biến nhận

Vùng phát hiện của SRF05

Nếu ngưỡng để phát hiện đối tượng được đặt quá gần với cảm biến, các đối tượng trên một đường có thể bị va chạm tại một điểm mù Nếu ngưỡng này được đặt ở một khoảng cách quá lớn từ các cảm biến thì đối tượng sẽ được phát hiện mà không phải là trên một đường va chạm

Một kỹ thuật phổ biến để làm giảm các điểm mù và đạt được phát hiện chiều rộng lớn hơn cự ly gần là thêm một cải tiến bằng cách thêm một đơn vị SRF05 bổ sung và gắn kết của hai đơn vị hướng về phía trước Thiết lập như vậy thì có một khu vực mà hai khu vực phát hiện chồng chéo lên nhau.

IV)Cảm biến nút nhấn đa hướng (joystick)

1)Giới thiệu

Joystiick được cấu tạo gồm cần gạt có chức năng xoay hai biến trở đạt vuông góc với nhaukhi cấp nguồn cho mạch, từ các đầu ra của biến trở ta thu được tín hiệu điện

áp Từ các tín hiệu điện áp này ta thông qua bộ chuyển đổi ADC để phục vụ cho công việc mà chúng ta cần dùng

2)Chức năng

Vì joystick này hoạt động trên sự thay đổi của biến trở nên nó có thể quay được nhiều hướng nên còn được gọi là nút nhấn đa hướng Nhờ sự điều khiển dễ dàng này nên nó được dùng nhiều trong các tay cầm game, cần gạt, hay điều khiển các thiết bị từ xa

Các hình ảnh về ứng dụng của cảm biến joystick

V)Cảm biến cảm ứng (touch)

1)Giới thiệu

Cảm biến cảm ứng: Là một tấm (panel) thủy tinh hay nhựa acrylic trong suốt, bề mặt được thiết kế các cảm biến (sensor) để nhận dạng và đáp ứng những tác động từ ngón tay người dùng hay bút trâm

Thông thường, cảm biến cảm ứng được ghép sát với màn hình hiển thị để đạt được độ chính xác tuyệt đối về tọa độ của điểm tiếp xúc Có nhiều công nghệ được các hãng sản xuất áp dụng để "giăng lưới" và

"bẫy" điểm tiếp xúc trên màn hình cảm ứng Tuy nhiên, về cơ bản, khi có bất kỳ tiếp xúc nào lên màn hình cảm ứng thì giá trị điện áp, điện dung hay điện trở của màn hình (nói chính xác là của cảm biến cảmứng) sẽ thay đổi; và bằng những thuật toán xây dựng sẵn, toạ độ điểm tiếp xúc sẽ được xác định một cách dễ dàng và nhanh chóng

1 Màn hình cảm ứng điện trở (resistive touchscreen): Là loại nhạy cảm với "áp lực" tác động lên bề mặt

và có thể được điều khiển bằng bút trâm, ngón tay hay bất kỳ vật nào có đầu nhọn Màn hình cảm ứng điện trở sử dụng panel kiếng hay nhựa acrylic gồm 2 lớp tương tác mỏng: lớp chất dẫn điện và lớp điện trở - 2 lớp này được cách ly bởi những điểm và khoảng trống mà mắt thường không thể nhìn thấy Trên

bề mặt mỗi lớp tương tác được phủ một hợp chất gọi là ITO (oxít thiếc và Indi), trong khi đó dòng điện với mức điện thế khác nhau sẽ được truyền qua 2 lớp này Khi có một tác động lên màn hình, 2 lớp tương tác này "chạm" nhau và mạch điện sẽ được nối, cường độ dòng điện chạy qua mỗi lớp cũng sẽ thay đổi Lớp phía trước sẽ lấy điện thế từ lớp dưới và lớp dưới sẽ lấy điện thế từ lớp trên, qua đó cho phép bộ điều khiển xác định tọa độ X-Y của vị trí tiếp xúc Người ta thậm chí còn phân loại màn hình cảm ứng điện trở dựa trên số lượng dây điện trở sử dụng, thường là 4/5/8 dây

2 Màn hình cảm ứng điện dung (capacitive touchscreen): Khác với màn hình cảm ứng điện trở, màn

hình cảm ứng điện dung chỉ sử dụng một lớp tương tác, đó là panel kiếng được phủ kim loại và điều này trước mắt sẽ cho ánh sáng đi qua nhiều hơn (đến 90%) giúp hình ảnh hiển thị rõ ràng hơn Lớp kim loại trên bề mặt sẽ tạo ra một lưới các tụ điện cho toàn bộ màn hình Về nguyên lý, màn hình cảm ứng điện dung dựa trên các thuộc tính điện năng của cơ thể con người để xác định "khi nào và ở đâu" trên màn hình mà bạn tiếp xúc Nhờ vậy, màn hình cảm ứng dạng này có thể được điều khiển bởi những "cái chạm" rất nhẹ từ ngón tay, tuy nhiên thường thì bạn không thể sử dụng được với bút trâm hay ngón tay

có đeo găng Đó chính là lý do mà nhiều người gọi màn hình dạng này là màn hình cảm ứng nhiệt

Điện áp sẽ được đặt vào các góc của màn hình Khi ngón tay chạm vào màn hình, vùng bị tiếp xúc sẽ được nhấn xuống, ngón tay sẽ "hút" một dòng điện và làm thay đổi giá trị dòng điện, tần số cũng được