bai tập môn cảm biến

CẢM BIẾN NHIỆT Do nhiệt độ có thể có ảnh hưởng đáng kể đến vật liệu và quy trình ở cấp độ phân tử, nó được cảm nhận rộng rãi nhất trong tất cả các loại cảm biến. Nhiệt độ là một mức độ nóng hoặc lạnh cụ thể được tham chiếu đến một thang đo cụ thể. Nó cũng có thể được định nghĩa là lượng năng lượng nhiệt trong một vật thể hoặc hệ thống. Nhiệt năng liên quan trực tiếp đến năng lượng phân tử (rung động, ma sát và dao động của các hạt trong một phân tử): năng lượng nhiệt càng cao thì năng lượng phân tử càng lớn. Cảm biến nhiệt độ phát hiện sự thay đổi các thông số vật lý như điện trở hoặc điện áp đầu ra tương ứng với sự thay đổi nhiệt độ. Có hai loại cơ bản cảm biến nhiệt độ: ■ Cảm biến nhiệt độ tiếp xúc đòi hỏi cảm biến phải ở trạng thái vật lý trực tiếp tiếp xúc với các phương tiện truyền thông hoặc đối tượng được cảm nhận. Nó có thể được sử dụng để theo dõi nhiệt độ của chất rắn, chất lỏng hoặc chất khí ở phạm vi nhiệt độ cực rộng. ■ Cảm biến nhiệt độ không tiếp xúc diễn giải năng lượng bức xạ của nguồn nhiệt trong dạng năng lượng phát ra trong phần hồng ngoại của phổ điện từ. Phương pháp này có thể được sử dụng để theo dõi chất rắn và chất lỏng không phản chiếu nhưng không hiệu quả với khí do tính trong suốt tự nhiên của chúng. I. CÁC LOẠI CẢM BIẾN VÀ CÔNG NGHỆ CẢM BIẾN Cảm biến nhiệt độ bao gồm ba họ: cơ điện, điện tử và điện trở. Cơ điện Bộ điều nhiệt lưỡng kim chính xác như tên gọi của nó: hai kim loại khác nhau liên kết với nhau dưới sức nóng và áp suất để tạo thành một dải vật liệu duy nhất. Bằng cách sử dụng tốc độ dãn nở khác nhau của hai vật liệu, năng lượng nhiệt có thể được chuyển đổi thành chuyển động cơ điện. Có hai công nghệ nhiệt kim loại cơ bản: snapaction và. Các thiết bị snapaction sử dụng đĩa lưỡng kim để cung cấp sự thay đổi gần như tức thời của hệ thống (mở để đóng và đóng để mở). Kiểu creeper sử dụng dải lưỡng kim để từ từ mở và đóng các tiếp điểm. Tốc độ mở được xác định bởi lưỡng kim đã chọn và tốc độ thay đổi nhiệt độ của ứng dụng. Bộ điều nhiệt lưỡng kim cũng có sẵn trong các phiên bản điều chỉnh. Bằng cách xoay một ốc vít, một thay đổi hình học bên trong diễn ra làm thay đổi điểm đặt nhiệt độ. Điện tử Cảm biến silicon sử dụng các đặc tính điện trở số lượng lớn của vật liệu bán dẫn, hơn là đường giao nhau của hai khu vực pha tạp khác nhau. Đặc biệt ở nhiệt độ thấp, cảm biến silicon cung cấp một sự gia tăng gần như tuyến tính về điện trở so với nhiệt độ hoặc hệ số nhiệt độ dương (PTC). Các thiết bị loại IC có thể cung cấp khả năng đọc nhiệt độ kỹ thuật số trực tiếp, vì vậy không cần bộ chuyển đổi A D.

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

KHOA CƠ KHÍ

BÀI TẬP LỚN MÔN CẢM BIẾN

TÌM HIỂU VỀ CẢM BIẾN ĐO GÓC VÀ VẬN TỐC

LỚP : CĐT2-K12 GVHD : Thầy Lâm SVTH: ………

Do nhiệt độ có thể có ảnh hưởng đáng kể đến vật liệu và quy trình ở cấp độphân tử, nó được cảm nhận rộng rãi nhất trong tất cả các loại cảm biến Nhiệt độ

là một mức độ nóng hoặc lạnh cụ thể được tham chiếu đến một thang đo cụ thể

Nó cũng có thể được định nghĩa là lượng năng lượng nhiệt trong một vật thểhoặc hệ thống Nhiệt năng liên quan trực tiếp đến năng lượng phân tử (rungđộng, ma sát và dao động của các hạt trong một phân tử): năng lượng nhiệt càngcao thì năng lượng phân tử càng lớn Cảm biến nhiệt độ phát hiện sự thay đổicác thông số vật lý như điện trở hoặc điện áp đầu ra tương ứng với sự thay đổinhiệt độ Có hai loại cơ bản cảm biến nhiệt độ:

■ Cảm biến nhiệt độ tiếp xúc đòi hỏi cảm biến phải ở trạng thái vật lý

trực tiếp tiếp xúc với các phương tiện truyền thông hoặc đối tượng được cảmnhận Nó có thể được sử dụng để theo dõi nhiệt độ của chất rắn, chất lỏng hoặcchất khí ở phạm vi nhiệt độ cực rộng

■ Cảm biến nhiệt độ không tiếp xúc diễn giải năng lượng bức xạ của

nguồn nhiệt trong dạng năng lượng phát ra trong phần hồng ngoại của phổ điện

từ Phương pháp này có thể được sử dụng để theo dõi chất rắn và chất lỏngkhông phản chiếu nhưng không hiệu quả với khí do tính trong suốt tự nhiên củachúng

I CÁC LOẠI CẢM BIẾN VÀ CÔNG NGHỆ CẢM BIẾN

Cảm biến nhiệt độ bao gồm ba họ: cơ điện, điện tử và điện trở

Cơ điện

Bộ điều nhiệt lưỡng kim chính xác như tên gọi của nó: hai kim loại khácnhau liên kết với nhau dưới sức nóng và áp suất để tạo thành một dải vật liệuduy nhất Bằng cách sử dụng tốc độ dãn nở khác nhau của hai vật liệu, nănglượng nhiệt có thể được chuyển đổi thành chuyển động cơ điện

Có hai công nghệ nhiệt kim loại cơ bản: action và Các thiết bị

snap-action sử dụng đĩa lưỡng kim để cung cấp sự thay đổi gần như tức thời của hệ

thống (mở để đóng và đóng để mở) Kiểu creeper sử dụng dải lưỡng kim để từ

từ mở và đóng các tiếp điểm Tốc độ mở được xác định bởi lưỡng kim đã chọn

và tốc độ thay đổi nhiệt độ của ứng dụng

Bộ điều nhiệt lưỡng kim cũng có sẵn trong các phiên bản điều chỉnh Bằngcách xoay một ốc vít, một thay đổi hình học bên trong diễn ra làm thay đổi điểmđặt nhiệt độ

Điện tử

Cảm biến silicon sử dụng các đặc tính điện trở số lượng lớn của vật liệubán dẫn, hơn là đường giao nhau của hai khu vực pha tạp khác nhau Đặc biệt ởnhiệt độ thấp, cảm biến silicon cung cấp một sự gia tăng gần như tuyến tính vềđiện trở so với nhiệt độ hoặc hệ số nhiệt độ dương (PTC) Các thiết bị loại IC cóthể cung cấp khả năng đọc nhiệt độ kỹ thuật số trực tiếp, vì vậy không cần bộchuyển đổi A / D

Nhiệt kế hồng ngoại (IR): Tất cả các vật thể phát ra năng lượng hồng ngoạivới nhiệt độ của chúng là trên không tuyệt đối (0 Kelvin) Có một mối tươngquan trực tiếp giữa năng lượng hồng ngoại một vật phát ra và nhiệt độ của nó.Cảm biến hồng ngoại đo năng lượng hồng ngoại phát ra từ một vật thểtrong 42020 micrô bước sóng và chuyển đổi đọc thành điện áp Công nghệ IRđiển hình sử dụng ống kính để tập trung năng lượng bức xạ vào một thermopile.Đầu ra điện áp kết quả được khuếch đại và điều chỉnh để đọc nhiệt độ Các yếu

tố ảnh hưởng đến độ chính xác của cảm biến hồng ngoại là độ phản xạ (thước đocủa một vật liệu có khả năng phản xạ năng lượng hồng ngoại), độ truyền (thước

đo của vật liệu có khả năng truyền hoặc truyền năng lượng hồng ngoại) và phát

xạ (tỷ lệ của năng lượng được bức xạ bởi một vật thể với năng lượng được bức

xạ bởi một bộ tản nhiệt hoàn hảo của bề mặt đo lường)

Một vật có độ phát xạ là 0,0 là một vật phản xạ hoàn hảo, trong khi một vật

có một độ phát xạ là 1.0 phát ra (hoặc hấp thụ) 100% năng lượng hồng ngoạiđược áp dụng cho nó

Cặp nhiệt điện được hình thành khi hai dây dẫn điện của kim loại khácnhau hoặc hợp kim được nối ở một đầu của một mạch Cặp nhiệt điện không cócác yếu tố cảm biến, vì vậy chúng ít bị giới hạn hơn các thiết bị nhiệt độ điện trở

Thông thường, chúng được xây dựng xung quanh dây dẫn trần và cách điệnbằng bột gốm hoặc gốm hình thành.

Tất cả các cặp nhiệt điện có những gì được gọi là một mối nối (hoặc đolường) nóng bỏng và một ngã ba lạnh lùng (hoặc tài liệu tham khảo) Một đầucủa dây dẫn (đường nối đo) được tiếp xúc với nhiệt độ quá trình, trong khi đầukia được duy trì ở mức đã biết sự tham khảo nhiệt độ Nút giao lạnh có thể làđiểm nối tham chiếu được duy trì ở 0 ° C (32 ° F) hoặc ở mức bù điện tử giaodiện mét

Hình 1 nhiệt kế hồng ngoại

Khi các đầu chịu nhiệt độ khác nhau, một dòng điện sẽ chạy trong dây tỷ lệvới chênh lệch nhiệt độ của chúng Nhiệt độ tại điểm nối đo được xác định bằngcách biết loại cặp nhiệt điện được sử dụng, cường độ của thế năng millivolt vànhiệt độ của mối nối tham chiếu

Cặp nhiệt điện được phân loại theo loại hiệu chuẩn do điện áp hoặc EMFkhác nhau của chúng (suất điện động) so với đáp ứng nhiệt độ Tiềm năngmillivolt là một chức năng của các thành phần vật liệu và cấu trúc luyện kimdẫn Thay vì được gán một giá trị ở nhiệt độ cụ thể, cặp nhiệt điện được đưa ratiêu chuẩn hoặc đặc biệt giới hạn lỗi bao gồm một phạm vi nhiệt độ

điện trở

Nhiệt điện trở (hoặc điện trở nhạy cảm với nhiệt) là thiết bị thay đổi điệntrở liên quan đến nhiệt độ của nó Chúng thường bao gồm hai hoặc ba oxit kim

loại được pha trộn trong vật liệu gốm và có dây hàn chì vào wafer hoặc chipbán dẫn, được phủ bằng epoxy hoặc thủy tinh.

Nhiệt điện trở có hai loại khác nhau: hệ số nhiệt độ dương (PTC) và hệ sốnhiệt độ âm (NTC) Các thiết bị PTC thể hiện sự tích cực thay đổi hoặc tăngđiện trở khi nhiệt độ tăng, trong khi các thiết bị NTC thể hiện giảm điện trở khinhiệt độ tăng Sự thay đổi trong điện trở của các thiết bị NTC thường khá lớn,cung cấp độ nhạy cao Chúng cũng có lợi thế là có sẵn trong các cấu hình cực kỳnhỏ cho phản ứng nhiệt cực nhanh

Ngoài công nghệ oxit kim loại, các thiết bị PTC cũng có thể được sản xuấtbằng cách sử dụng polime dẫn điện Các thiết bị này sử dụng sự thay đổi phatrong vật liệu để cung cấp một sự gia tăng điện trở nhanh chóng Điều này chophép họ sử dụng trong bảo vệ chống lại dòng điện quá mức cũng như nhiệt độquá cao Giống như RTD, giá trị điện trở của nhiệt điện trở được chỉ định vớidung sai cộng hoặc trừ tại một nhiệt độ cụ thể Nhiệt điện thường được chỉ định

ở 25°C Nhiệt điện trở có thể được thực hiện hầu như tuyến tính bằng cách sửdụng mạch hỗ trợ như một cây cầu Wheatstone Sự kháng cự sau đó có thể đượcdiễn giải bằng cách sử dụng các bảng tra cứu để thực hiện chức năng chuyểnmạch hoặc lái xe một mét Chúng cũng có thể được sử dụng ở dạng chất lỏng

ứng dụng cảm biến.

RTD (thiết bị nhiệt độ điện trở), như nhiệt điện trở, sử dụng thay đổi điệntrở để đo hoặc kiểm soát nhiệt độ RTD bao gồm một yếu tố cảm biến, dây kếtnối giữa phần tử và dụng cụ đo lường, và hỗ trợ cho định vị các yếu tố trong quátrình

Phần tử cảm biến kim loại là một điện trở thay đổi với nhiệt độ Phần tửthường chứa một cuộn dây hoặc màng dẫn có dây dẫn được khắc hoặc cắt vào

nó Nó thường được đặt trong gốm và phủ bằng gốm xi măng hoặc thủy tinh.Phần tử cảm biến phải được đặt ở nơi có thể đạt đến nhiệt độ quá trìnhnhanh Các thiết bị quấn dây phải được bảo đảm đầy đủ trong độ rung cao và

Vết cắt dây linh hoạt và RTD lá khắc có sẵn trong các cấu hình tiêu chuẩnkhác nhau Điển hình là Kapton, cao su silicon, Mylar hoặc chất điện môipolyester trong suốt vật liệu được sử dụng để cách điện Chúng có thể được gắntrên cong hoặc không đều bề mặt sử dụng chất kết dính nhạy áp lực, keo dẫnnhiệt, băng silicon, hoặc kẹp cơ khí Loại cấu hình này là vượt trội hơn nhiều đểtheo dõi lớn khu vực như đường kính ngoài của ống hoặc bể Họ cũng có thểđược tích hợp vào một mạch nóng linh hoạt để kiểm soát tối ưu

tùy chọn đo nhiệt độ, nhưng mỗi cái đều có ưu điểm và nhược điểm Ví dụ:

■ Nhiệt điện cung cấp độ phân giải cao, có phạm vi ứng dụng rộng nhất,nhạy cảm nhất, và chi phí thấp, nhưng là phi tuyến và có phạm vi nhiệt độ hạnchế

■ Cặp nhiệt điện có vùng nhiệt độ cao nhất và bền cho các ứng dụng hiệu chỉnh cao và sốc cao, nhưng yêu cầu dây nối dài đặc biệt.

■ RTD gần như tuyến tính và có độ chính xác và ổn định cao, nhưng chúnglớn

Bất kể công nghệ cảm biến được chọn, an toàn người dùng nên là mối quantâm chính Không bao giờ chọn một thiết bị chỉ vì nó có chi phí thấp nhất Chọnthiết bị cung cấp hiệu suất tốt nhất cho giá của nó và luôn tuân thủ hướng dẫn vàkhuyến nghị của nhà sản xuất

Mỗi ứng dụng cảm biến nhiệt độ có thể đưa ra các yêu cầu riêng và các vấn

đề và cần được đánh giá trên cơ sở cá nhân Dưới đây là một số câu hỏi để xemxét

Ứng dụng có yêu cầu tiếp xúc hoặc không tiếp xúc?

Nếu ứng dụng đang di chuyển hoặc nếu tiếp xúc vật lý không thực tế do ônhiễm hoặc các vấn đề vật liệu nguy hiểm, thì hồng ngoại là công nghệ được lựachọn

Phạm vi nhiệt độ nào là cảm biến cần thiết để kiểm soát hoặc giám sát?Cặp nhiệt điện có phạm vi nhiệt độ rộng nhất, từ -200°C đến 2315°C (Một

số các thiết bị trong phạm vi này không có loại hiệu chuẩn ANSI được thiết lập.)Tùy thuộc vào thiết kế và vật liệu, bộ ổn nhiệt có phạm vi có thể sử dụng từ 100

Đối với nhiệt độ đông lạnh, RTDs và một số thiết bị dựa trên silicon có khảnăng đạt tới độ không tuyệt đối (0K) Nhiệt độ tối đa từ 150 ° C đến 200 ° C.Mạch hỗ trợ phải được cách ly nhiệt với cảm biến để không vượt quá khả năng.Đối với các thiết bị không tiếp xúc (hồng ngoại), nhiệt độ dưới mức -18 ° Choặc trên 538 ° C sẽ yêu cầu một đơn vị tùy chỉnh Với tất cả các thiết bị này, cóthể vượt quá các phạm vi này thông qua việc sử dụng nhiệt điện hoặc bằng cáchđặt thiết bị ở vị trí tương đối với nguồn nhiệt Tuy nhiên, cách tiếp cận này cóthể ảnh hưởng đến độ chính xác và phản ứng của hệ thống.

Tốc độ thay đổi nhiệt độ của ứng dụng là gì?

Đối với các ứng dụng có tốc độ thay đổi nhiệt độ nhanh (> 1,0 ° C / phút),khối lượng của cảm biến có thể trở thành một vấn đề Quán tính nhiệt của cảmbiến dựa trên khối lượng của nó Để thay đổi cực kỳ nhanh, khối lượng cảm biếnphải được giữ ở mức tối thiểu để cho phép nó theo dõi chính xác hơn sự thay đổicủa ứng dụng Điều này bao gồm khối lượng và tính dẫn nhiệt của thermowellhoặc vật liệu bảo vệ khác

Đối với các ứng dụng mà cảm biến sẽ được đặt ở xa do môi trường hoặccác vấn đề khác, kiểm tra xác minh thiết kế nên được thực hiện Điều này liênquan đến việc sử dụng hai hoặc nhiều cảm biến hơn để theo dõi nhiệt độ của ứngdụng, trong khi một cảm biến khác theo dõi nhiệt độ tại vị trí cảm biến được đềxuất Theo cách này, vị trí cảm biến có thể được tối ưu hóa

Làm thế nào chặt chẽ để bạn cần kiểm soát hoặc theo dõi nhiệt độ?

Đối với các ứng dụng hoặc quy trình y tế nhất định liên quan đến phản ứnghóa học, dung sai từ ± 0,1 °C trở xuống có thể được yêu cầu Đối với bất kỳ ứngdụng nào yêu cầu dung sai ít hơn hơn ± 1,7 ° C, một hệ thống điện tử sẽ đượcyêu cầu Silicon, RTD, cặp nhiệt điện hoặc tất cả các hệ thống dựa trên nhiệtđiện trở đều có thể được thiết kế để duy trì các dung sai cực kỳ chặt chẽ này.Thông thường RTD sẽ cung cấp độ chính xác tổng thể lớn nhất

Hãy nhớ rằng, trong các ứng dụng điều khiển, độ chính xác thành phần và

độ chính xác của hệ thống có thể hoàn toàn khác Nếu độ chính xác hệ thống củabạn không tốt hơn + 3 ° C, thì nó không tạo được

cảm giác mua được cảm biến đắt nhất Bạn có thể sử dụng một bộ điềunhiệt lưỡng kim và đạt được độ chính xác của hệ thống tương tự với tổng chi phíthấp hơn đáng kể.

Các phê duyệt của cơ quan như UL, CSA, FDA, v.v có bắt buộc ở cấp hệthống hoặc thành phần không?

Khi cần có sự chấp thuận của cơ quan, việc lựa chọn thành phần về cơ bảnchỉ giới hạn ở thiết bị cơ điện Ứng dụng tải điện phải được xem xét với nhà sảnxuất cho phù hợp với yêu cầu của cơ quan Khi tải không phù hợp, nó vẫn có thể

có thành phần được xem xét để phê duyệt trong ứng dụng cụ thể

Trong một số ứng dụng y tế và các ứng dụng khác, hệ thống điều khiển dựatrên điện tử có thể không

chấp nhận được mà không cần sử dụng bộ điều nhiệt snap-action như mộtthiết bị an toàn Kể từ khi

chế độ lỗi của hệ thống điện tử không thể được đảm bảo, bộ điều chỉnhnhiệt được thiết kế để ngắt mạch và ngăn ngừa tình trạng quá nhiệt

Tổng chi phí hệ thống quan trọng như thế nào trong việc lựa chọn cảmbiến?

Trong các ứng dụng cao cấp có giá hàng ngàn đô la, chi phí của cảm biếnnhiệt độ thường không đáng kể Vì lý do này, lựa chọn dựa trên hệ thống yêucầu sự chính xác Nếu độ chính xác ± 3 ° C là chấp nhận được, một thiết bị cơđiện giá rẻ hoặc mạch dựa trên nhiệt điện trở có thể là quá đủ Độ chính xác ±0,1 ° C sẽ

đòi hỏi một sự thay thế tinh vi hơn (và đắt tiền)

Khi giao dịch với các mặt hàng giá rẻ như hàng tiêu dùng (máy pha cà phênhỏ giọt, bỏng ngô poppers, v.v.), cảm biến có thể trở thành một tỷ lệ phần trămlớn hơn nhiều trong tổng chi phí Trong những ứng dụng này, độ chính xác củacảm biến trở nên ít quan trọng hơn, chi phí và độ tin cậy trở nên quan trọng hơn.Với khối lượng lớn, một bộ điều nhiệt cấp thương mại có thể thực hiện công

mạch dựa trên nhiệt điện trở có thể cao hơn, nhưng độ tin cậy thực sự có thểthấp hơn do đến số lượng bổ sung của các thành phần và mối hàn.

Câu hỏi cuối cùng là, bạn cần bao nhiêu độ chính xác và bạn có đủ khảnăng chi trả không? Bạn cũng cần xem xét các điều kiện môi trường mà cảmbiến sẽ được sử dụng và những thứ phải được thực hiện để đảm bảo sự tồn tạicủa nó

Chọn cảm biến cơ điện

Lựa chọn thiết bị là vô cùng quan trọng khi sử dụng các thiết bị cơ điện.Trong môi trường độ ẩm hoặc ăn mòn cao, việc sử dụng thiết bị kín cần đượcchú trọng hơn Các thiết bị không kín có thể được sử dụng cho các loại các ứngdụng dựa trên đầu vào của nhà sản xuất Tuy nhiên, chúng nên được niêm phongbằng epoxy hoặc một số loại overmold

Đối với các ứng dụng rung hoặc sốc cao, thiết kế của thiết bị là rất quantrọng Máy điều nhiệt thông thường điển hình chỉ dựa vào áp lực lò xo phần ứng

để duy trì tiếp xúc đóng cửa Điều này có thể gây ra sự không ổn định dưới mức

độ rung động cao và sớm mất liên lạc Tham khảo ý kiến nhà sản xuất trong giaiđoạn thiết kế loại ứng dụng này

Các thiết bị sẽ chịu nhiệt độ dưới mức -17,8 ° C (0 ° F) nên sử dụng mộtkhí khô trơ bên trong để giảm thiểu ngưng tụ hơi ẩm hoặc đóng băng trên tiếpxúc bề mặt

Ứng dụng tải điện phải tuân thủ nghiêm ngặt thông báo hạn mức của nhàsản xuất Sử dụng một thiết bị vượt quá giới hạn định mức có thể dẫn đến hỏngthiết bị và ứng dụng sớm

Lựa chọn thiết bị nên dựa trên nhiệt độ tiếp xúc với môi trường, không phảinhiệt độ hoạt động Một thiết bị có thể được yêu cầu để hoạt động trong mộtphạm vi phù hợp với khả năng chịu đựng của nó, nhưng ở gần nhiệt độ cao hơnđáng kể Theo thời gian, điều này sẽ dẫn đến hư hỏng thiết bị

Bộ điều nhiệt lưỡng kim đã được sử dụng trong hơn năm mươi năm trongcác ứng dụng khác nhau như máy pha cà phê nhỏ giọt và tàu con thoi Trong khichúng có thể được sử dụng như một biện pháp kiểm soát chi phí thấp là giải

pháp cho thị trường thiết bị, họ cũng có thể cung cấp một thiết bị có độ tin cậycao choviệc sử dụng lâu dài trong các ứng dụng quân sự và vũ trụ.

Các thiết bị có sẵn ở dạng mở hoặc đóng trên các biến thể tăng nhiệt độ.Tùy thuộc vào loại thiết bị được chọn, các điểm đặt có thể nằm trong phạm vi từ-85 đến + 371 ° C (-120 đến + 700 ° F)

Một số thiết bị sử dụng lò sưởi bên trong để bảo vệ chống lại cả quá mứcnhiệt độ và dòng điện

Các thiết bị lưỡng kim có sẵn nhiều kích cỡ, cấu hình và khả năng khácnhau Vì chúng thường mang tải ứng dụng thực tế, chúng không yêu cầu bất kỳmạch bổ sung nào để thực hiện chức năng của chúng Khả năng mang theo hiệntại từ tải mạch khô lên tới 25 Amps Độ chính xác sản xuất tiêu chuẩn có sẵnđến ± 1,7 ° C (± 3 ° F)

Máy điều nhiệt thường được đánh giá trong các vòng đời ở một tải điện cụthể và có thể thay đổi

đáng kể tùy thuộc vào việc chúng được sử dụng trong một ứng dụng kiểmsoát hoặc giám sát

Ưu điểm

■ Giao diện trực tiếp với ứng dụng để phản hồi nhanh

■ Không cần thêm mạch / linh kiện

■ Có sẵn trong cả thiết kế kín và không kín

■ Khả năng mang dòng cao

■ Phạm vi nhiệt độ hoạt động rộng

■ Giá cả dựa trên ứng dụng / thị trường

■ Có sẵn phiên bản quân sự và độ tin cậy cao của NASA

Nhược điểm

■ Ít chính xác hơn hầu hết các hệ thống dựa trên điện tử

■ Kích thước lớn hơn các hệ thống dựa trên điện tử

■ Thiết bị kiểu Creepage không thể giao tiếp với các thành phần điện tử

Bóng đèn và máy điều nhiệt có sẵn trong một cực, ném đơn (SPST), cựcđơn, ném kép (SPDT) và thiết kế điểm đặt có thể điều chỉnh trong nhiệt độ phạm

vi của -35 đến + 400 ° C ( -31 đến 752 ° F) Họ cũng có sẵn trong các thiết kếđặt lại bằng tay

Do tải điện cao liên quan đến các ứng dụng cuối điển hình và hành độngchuyển đổi tương đối chậm, vật liệu tiếp xúc cực kỳ cứng được sử dụng Điềunày dẫn đến điện trở tiếp xúc ban đầu cao ngăn cản việc sử dụng chúng trongcác ứng dụng hiện tại thấp

Giá trị đầu ra của hầu hết các cảm biến IC thì tỷ lệ với nhiệt độ vượt trên cảtầm hoạt động riêng Độ chính xác tiêu chuẩn thì hầu như được quy định nhưngthường có thể được điều chỉnh trong 1 nhiệt độ riêng Cùng với sự điều chỉnh vàbiểu thị, các chức năng bù đắp nhiệt độ đa dạng thường được kết nối 1 cách trựctiếp trong mạch in

Phụ thuộc vào ứng dụng, cảm biến silicon có thể được thiết kế như mộtthành phần trong lắp ráp đầu dò hoặc kết nối 1 cách trực tiếp ở bảng mạch in

trong 1 bề mặt cấu trúc gắn kết Phải thật cẩn thận trong việc thiết kế mạch dựatrên việc sử dụng công nghệ silicon như là dòng quá tải có thể tự sinh nhiệttrong thành phần cảm biến Điều này có thể giảm thiểu đáng kể độ chính xác của

hệ thống

Một vài nhà chế tạo đã phát triển các thiết kế IC sao cho chúng có thể đượcdùng ở vài chỗ của máy điều nhiệt trong một số ứng dụng Nó là nét đặc biệt củaviệc lập trình nhà máy hoặc người dùng lập trình điểm đặt hoặc độ trễ Chúngđều có sẵn trong cấu hình tiêu chuẩn của hội đồng thiết bị kĩ thuật điện tử chung(JEDCE)

Các thông số điều hành của nhiều loại lập trình người dùng được thiết lậpkhông những thông qua việc sử dụng điện trở bên ngoài mà còn được lập trình

kĩ thuật số thông qua 1 giao diện 2 dây cùng với bộ xử lí

*Ưu Điểm

- ít đắt đỏ hơn RTDs

- nhiều tuyến tính hơn nhiệt điện trở

- dễ sử dụng hơn RTDs hoặc là cặp nhiệt điện do có đầu ra cao hơn

- các loại IC có tính năng điều hòa tín hiệu trên chip

- Nhiều loại IC bao gồm giao thức giao tiếp với hệ thống thu lại dữ liệukiểu bus

*Nhược điểm

- Không tuyến tính như RTDs

- Ít chính xác hơn các hệ thống dựa vào điện tử khác

- đắt đỏ hơn nhiều so với nhiệt điện trở và cặp nhiệt điện

- phạm vi nhiệt độ giới hạn

- phản ứng nhiệt chậm hơn các hệ thống dựa trên điện tử khác

- lớn hơn thông thường so với RTDs và nhiệt điện trở

- yêu cầu các kích thước đóng gói lớn hơn cho việc ngâm nước

- các thành phần, mạch bổ sung yêu cầu điều khiển được tải trọng ứng dụng

Nhiệt kế hồng ngoại Hầu hết các thiết bị hồng ngoại đều có thể xách tay,chạy bằng pin, đơn vị cầm tay cung cấp thông tin truy xuất kĩ thuật số cho nhiệt

độ ứng dụng Chúng cũng có sẵn những thứ như thiết bị gắn cố định, có thểđược sử dụng với cáp quang để điều khiển cảm biến.Đầu ra có thể được dung đểtruyền tải hiển thị hoặc điều khiển chu trình

Thật là quan trọng khi dùng 1 thiết bị với phạm vi đúng của hình chiếu choứng dụng cần đo Để đảm bảo 1 bản đọc chính xác, vật thể dự định đo cần phảiđược đặt toàn bộ trong phạm vi hình chiếu của hệ thống đo lường Hệ thống đolường sẽ xác định nhiệt độ trung bình của tất cả các thiết bị trong phạm vi củahình chiếu bao gồm cả số liệu cơ bản

Một số nhân tố có ảnh hưởng đến cả thiết bị lẫn thi hành hệ thống Bụi bặmtrong khoảng không khí giữa cảm biến và mục tiêu sẽ hấp thụ hoặc làm chệchhướng năng lượng bức xạ và gây ra sự thay đổi lớn khi đo lường Các quang cóthể được sử dụng để giảm thiểu khoảng cách giữa cảm biến và mục tiêu, giảmthiểu lỗi đến mức tối đa, nhưng khả năng nhiệt độ môi trường của chính cái cáp

đó phải được chú ý ngay lập tức

*Ưu điểm

- Cho phép đo không cần tiếp xúc với vật thể chuyển động và vật liệu nguyhiểm

- Có thể được sử dụng chung với sợi quang để điều khiển cảm biến

- Phạm vi nhiệt thông thường: -18 đến +5380C (0 đến 1000oF)

- Độ chính xác đến +- 1%

*Nhược điểm

- Độ chính xác có thể bị ảnh hưởng bới bề mặt hoàn thiện

- Phạm vi của hình chiếu phải khớp với kích thước mục tiêu

- Nhiệt độ môi trường xung quanh có thể ảnh hưởng đến khả năng đọc

- Bộ lọc bước sóng phải được nối với ứng dụng

Cặp nhiệt điện có phạm vi nhiệt độ rộng nhất trong các công nghệ cảm

biến, -200 tới 2315oC (-328 tới +4200oF), và có thể được dùng rộng rãi đa dạngtrong nhiều môi trường (xem bảng 21.2.1) Thiết kế đơn giản vốn có của chúng

cho phép chịu được mức độ sốc cơ khí và độ rung cao Kích cỡ nhỏ của chúngcung cấp gần như ngay lập tức sự phản ứng lại thay đổi nhiệt độ nhỏ.

Bảng 21.2.1: Thông tin ứng dụng của cặp nhiệt điện

THÔNG TIN ỨNG DỤNG

E Được tiếc cử cho quá trình oxy hóa liên tục và khí trơ

Các sai sót giới hạn nhiệt độ âm không bị thiết lập.Sản lượng nhiệt điện caonhất của các loại nhiệt điện phổ biến

J Phù hợp cho môi trường chân không, khử, trơ, môi trường oxy hóa nghèo sự

sống Sắt oxi hóa trên 1000oF(538oC), bởi vậy chỉ có dây đo đặc mới được đềnghị cho nhiệt độ cao Các yếu tố trần không nên được đặt vào môi trườnglưu huỳnh trên 1000oC (538oF)

K Được đề nghị cho quá trình oxi hóa liên tục hoặc môi trường trung tính Phần

lớn được dùng trên 1000oF.Bị thất bại nếu tiếp xúc với lưu huỳnh quá trìnhoxi hóa ưu tiên của crom ở chân dương tại 1 số trường hợp oxy thấp nhất định sẽ gây ra “ sự mục nát xanh” và độ lệch hiệu chuẩn âm lớn trong phạm

vi 1500oF tới 1900oF.Thông gió hoặc bịt kín trơ của ống bảo vệ có thể ngăngcản điều này

N Có thể được dùng trong ứng dụng nơi mà yếu tố loại K có tuổi thọ ngắn hơn

và vấn đề ổn định do quá trình oxy hóa và sự phát triển của “sự mục nátxanh”

T Có thể sử dụng trong quá trình oxy hóa , khử , hoặc không khí trơ cũng như

là chân không.Không bị ăn mòn trong không khí ẩm.giới hạn lỗi sai đượchình thành trong phạm vi nhiệt độ âm

I.PHƯƠNG THỨC ĐỂ ĐO GÓC VÀ VÒNG QUAY CHUNG

-Khi xây dựng nhà máy và chế tạo máy móc , ta cần biết chính xác tốc độquay của các ổ đĩa.Tốc độ thể được xác định một cách chắc chắn từ điện áp vàdòng điện trong động cơ điện Vậy nên điều đó cần thiết phải sử dụng thêm cáccảm biến Những loại cảm biến này phù hợp với từng chức của động cơ cũngnhư là những ứng dụng của chúng trong thực tế Do đó đã có rất nhiều loại thiết

bị cảm biến đo vận tốc ở trên thị trường Có hai loại cảm biến chủ yếu trong việc

đo tốc độ quay , đó là đo lường tương tự và kỹ thuật số hoặc đo diện áp củavòng xoay sử dụng máy phát tốc độ hoặc công nghệ xung luân phiên sử dụngmáy phát xung xoay

-Các bộ tao xung xoay tao ra một số xung quang hoặc điện trở cụ thể trênmột đơn vị thời gian Nếu chúng được tính bằng cảm biến đứng yên thì tần số sẽ

tỷ lệ thuận với tốc độ của đơn vị quay.Sử dụng các phương pháp tương tự , bộtạo tốc độ tạo ra tín hiệu AC ,DC hoặc ba pha tỷ lệ với tốc đô Do đó,cường độtín hiệu này cho phép đo tốc độ quay của ô đĩa

1.Kĩ thuật đo lường tương tự

-Máy phát điện tốc độ phổ biến nhất vẫn là máy phát điện xoay chiều Lợithế riêng của chúng là chúng không yêu cầu di chuyển các dây dẫn chính vì thế

mà chúng không phải bảo trì quá đặc biệt Bộ đo tốc độ xoay chiều phù hợp để

đo tốc độ của động cơ điện hoạt động ở chế độ một cấp, cái mà không yêu cầu

về độ chính xác cao

-Tuy nhiên, máy phát điện một chiều lại phù hợp riêng với những động cơphản ứng nhanh, được dùng cho các máy công cụ hay máy CNC Chúng phảnhồi rất nhanh và có thể truyền những tín hiệu thay đổi tốc độ hay chiều quay về

bộ điều khiển CNC mà không bị trì hoãn Đặc tính điện áp vòng trên phút thìtuyến tính từ 0, nên chúng rất phù hợp với vùng điều chỉnh lớn hoặc là chế độvận hành 4 cấp

- Bộ phân giải sử dụng nguyên lý chuyển đổi , trong đó sin hoặc cosin củagóc quay có thể được lấy từ tín hiệu đầu ra , tín hiệu này có tỷ lệ độ rộng lớn đốivới tốc độ quay, có thể xuất phát từ mối quan hệ toán học:

-Ở đây c đại diện cho giá trị điện áp đầu ra ,B là cos aphal giá trị điện áp đầu vào và anpha là góc mà cảm biến đã được xoay.

- Bởi vì những giá trị được đo cần phải được sử lý một cách điện tử, sựphát triển của công nghệ đo kĩ thuật số diễn ra cùng thời điểm với việc thiết kếlại các máy phát điện tốc độ tương tự Trong xung xoaay thì một đĩa có rãnh sẽxoay đồng bộ cùng với trục của động cơ Điều này làm gián đoạn tia sóng cóthể nhìn thấy hoặc không nhìn thấy tạo ra một chuỗi các xung đầu ra , tần số củanhững xung này tỉ lệ với tốc độ quay Số lượng xung mỗi vòng ngày nay có thểlên tới 10000 xung

2 Những cảm biến được sử dụng

-Những loại cảm biến dưới đây được sử dụng cho việc đo góc và vận tốc trong khóa học này:

+Bộ phân giải , ví dụ như cảm biến tín hiệu tương tự

+Cảm biến Hall , ví dụ về cảm biến kĩ thuật số sử dụng từ trường

+Cảm biến quang, loại mà được sử dụng nhiều trong nhiều chế độ vận hành

II.Phương thức đo góc và tốc độ.

1.Tìm hiểu chung.

-Mạch đo góc và tốc độ UNI-TRAIN có 3 loại cảm biến khác nhau cho việc đo vị trị góc cũng như là tốc độ quay:

+Cảm biến Hall ( bao gồm ba cảm biến hall)

+Cảm biến với mẫu quang và bộ xử lỹ 4 bit

+Bộ phân giải

-Tốc độ và chiều quay của đĩa quay hay bộ phân giải được đặt như là một

bộ chiết áp có kẻ vạch.Thêm vào đó thì đĩa có thể quay cẩn thận bằng tay để quátrình đo có thể theo như trong chi tiết

-Ba mã code khác nhau thì có sẵn cho cảm biến quang, cho phép sử dụngnhư là bộ chuyển đổi tuyệt đối và tương đối

Hình 1 Bộ đo cảm biến tốc độ và vòng

2.Quá trình đo lường

-Những tín hiệu đầu ra từ cảm biến Hall hoặc encoder là đầu ra với tín hiệu

kĩ thuật đầu vào của mặt phân cách cho quá trình xử lý xa hơn

-Tưởng tượng cho quá trình đo được tiến hành sử dụng các thiết bị môphỏng ( xem hình bên dưới )

-Bởi vì tín hiệu đầu ra từ bộ phân giải ( tín hiệu đầu ra dạng sin hoặc cosin )chỉ chỉ ra sự thay đổi rất nhỏ trong biên độ , chúng phải được khuếch đại sửdụng bộ khuếch đại đo trước khi chúng được sử dụng xử lý xa hơn

III Nguyên lý của encoder

1.Thiết kế của một encoder quang

Hầu hết các cảm biến được xem xét trong chương giới thiệu cung cấp tínhiệu tương tự đại diện cho phép đo Encoder, ngược lại, là cảm biến kỹ thuật số.Chúng cung cấp tín hiệu đo được mã hóa nhị phân dưới dạng xung đại diện cho

0 và 1

Hình 2 Các đĩa mã hóa

Hình 3 Binary encoder

-Sự thay đổi ở bên phải cho thấy một ví dụ về hoạt động của bộ mã hóaquang học sử dụng lấy mẫu ánh sáng phản xạ Chùm tia tập trung từ một nguồnsáng (trên cùng) đập vào một thước kẻ chuyển động với các dải phản xạ xen kẽ

và không phản xạ Khi chùm tia được chuyển hướng bởi sự phản xạ từ dảigương này được phát hiện bởi photodiode (phía dưới) Do đó, nó tạo ra mộtchuỗi các xung, tần số của nó tỷ lệ thuận với tốc độ của thước đo, trong đó sốlượng xung là số đo của sự dịch chuyển và có thể là được phát hiện bởi một bộđếm tiếp theo như trong hình ảnh động

- Nguyên lý hoạt động như được mô tả không chỉ được sử dụng cho chuyển

vị tĩnh mà còn có thể được sử dụng theo cách tương tự như đo góc và tốc độquay

2.Bộ chuyển vị tương đối và tuyệt đối.

Phương pháp được giải mã ở trên được gọi là phép đo dịch chuyển gia tăng

do các dải mã luôn được phân tách bằng khoảng cách (gia số) giống nhau Tuynhiên, vị trí của các dải có thể được xác định bằng cách đếm số xung từ cảm

Hình 4 Đọc tín hiêu từ mã vạch thông qua photosensor

Hình 5.Bảng mã vạch nhị phân

biến Tuy nhiên, vị trí thu được luôn luôn liên quan đến vị trí bắt đầu của phép

đo, vì không có điểm tham chiếu tuyệt đối Tình trạng này có thể được cải thiệnbằng cách bổ sung các dải theo quy tắc tham chiếu với các tham chiếu cụ thể.Khi một trong số này được cảm biến phát hiện, vị trí tuyệt đối dọc theo dải mã

có thể được xác định

Nếu phép đo dịch chuyển là tuyệt đối, thì mỗi vị trí trên mã thô sơ cần đượcxác định duy nhất Đồ họa bên phải hiển thị quy tắc mã hóa nhị phân với độphân giải 4 bit có thể mã hóa tổng cộng 2 ^ 4 = 16 vị trí khác nhau Vị trí đượcxác định độc lập với hướng quay nhưng mỗi bit, tức là dải ngang của quy tắcđược mã hóa yêu cầu cảm biến riêng

Nguyên tắc tương tự có thể được sử dụng để đo góc và tốc độ quay Đồ họabên cạnh hiển thị đĩa được mã hóa 4 bit phù hợp, trong trường hợp này sử dụng

mã Gray Mã Gray có lợi thế hơn mã nhị phân thay đổi từ một số thập phânsang số tiếp theo luôn luôn chỉ thay đổi một chút Điều này làm cho việc lấymẫu có khả năng chịu lỗi cao hơn Không sử dụng phương pháp đo bổ sung, chu

kỳ 360 của góc có nghĩa là đĩa chỉ hiển thị có thể được sử dụng để đo góc giữa 0

và 360

3.Xác định chiều quay.

-Cảm biến tưởng đối thông thưởng không cho phép phát hiện được hướngquay.Để có thể phát hiện hướng quay, ta phải sử dụng một bộ chuyển đổ gia tăng

2 kênh như hình dưới

- Mô-đung cảm biến bao gồm hai cảm biến gia tăng đơn giản, chúng đượccăn chỉnh sao cho chuỗi xung của chúng được phát ra(quỹ đạo điện U1 hoặc U2)lệch pha nhau 90° (tức là ¼ của một đơn vị trong mẫu)

-Mạch bên cạnh, bao gồm hai bộ khuếch đại hoạt động được đồng bộ hóa

là bộ so sánh và bộ đệm flip loại D cho thấy hai tín hiệu đầu ra được dùng đểxác định hướng quay Tùy thuộc vào hướng đầu ra trên luôn luôn cao hoặc đầu

ra dưới luôn luôn cao, trong khi đó các đầu ra khác trong mỗi trường hợp làthấp

Hình 5.Xung đọc từ photosensor qua mã vạch

Hình 6.Bộ mạch khuếch đại xử lý xung đầu ra

III.Nguyên lý về cảm biến Hall

1.Tiểu sử về Der Hall-Effekt

-Năm 1879, một học sinh tên là Edwin H.Hall đã khám phá ra một chất dẫnđiện mỏng được đặt trong một từ trường , điện tích mang trở nên tách biệt Ảnhhưởng này liên quan tới lực Lorentz , cái mà làm các hạt mang điện trong từtrường di chuyển sang bên cạnh Kết quả của điều này là một bên của chất dẫnđiện thì có điện tích trong khi phần còn lại thì không có Điều này dẫn tới mộthiệu số tiềm năng được gọi là điện thế Hall Uh

Hình 7.Quá trình di chuyển của hạt mang điện theo nguyên lý

Hall

-Điện thế Hall xuất hiện trong nguyên lý mà không có tất cả vật dẫn,nhưngchỉ đạt được điện thế có thể đo được tầm 100mV hoặc cao hơn trong những chấtliệu bán dẫn.

-Trong trường hợp lý tưởng thì điện thế Hall tỉ lệ với vật liêu của dòng từtrường B cái mà đi qua lớp Trong thực nghiệm , điện áp tuyến tính phụ thuộcchỉ trên điện trở giới hạn R1 Trong điều kiện đường kẻ tốt nhất, một điểm giớihạn phù hợp phải được xác định trong cảm biến Hall

2.Thiết kế của cảm biến Hall

-Cảm biến Hall bao gồm một tấm vật liệu chất bán dẫn mỏng thường làhình chữ nhật dạng thập phương hoặc hình cánh bướm.Dựa vào ứng dụng , tấmnày có thể được bao phủ với lớp phủ bên ngoài hoặc có thể bọc nhựa xungquanh.Hình ở bên dưới chỉ ra một cảm biến Hall được sử dụng để đo tốc độquay trong một thiết bị xe cộ

Hình 8.Biểu đồ của điện thé Hall

Hình 10.HÌnh dạng của tấm bán dẫn cảm biến Hall 3.Ứng dụng của cảm biến Hall

-Cảm biến Hall thường phù hợp với tất cả các loại cường độ từ trường hay

là đo dòng chảy Chúng thì thường được sử dụng như là một thiết bị thay thế chomáy chuyển đổi tương đối Chúng có một cuộn dây trong trường hợp chúngphản hồi lại vùng từ trường không có điện tích và chúng có thể hoạt động tuyếntính trong một vùng rộng

Hình 9.Cảm biến Hall trong thực tế

Hình 13 Nguyên lý hoạt động của cảm biến Hall

-Bởi vì cả tốc độ và hướng đều được xác định nên cần phải có hai cảm biến

Hall HS1 và HS2 Khoảng cách giữa hai cảm biến này tương đương với haicực riêng biệt của nam châm trên bánh xoay , vì vậy mà tín hiệu đầu ra của haicảm biến đều lệch pha 90 độ Mạch xử lý flip-flop thì đặt ở phía trên của haicảm biến trong khi tín hiệu đầu vào của chúng thì từ đầu ra của hai con cảmbiến Vậy nên chiều quay sẽ phải phụ thuộc vào tín hiệu đầu ra của phần tử flipflop như là một tín hiệu nhị phân Tần số của tín hiệu đầu ra của phần tử flip flop

ở bên dưới thì được đo trực tiếp từ tốc độ của bánh quay

-Bởi vì giá thành rẻ nên cảm biến Hall thì được sử dụng cho nhiều mụcđích khác nhau hơn là chỉ một ứng dụng do trong từ trường Khi kết hợp hainam châm vĩnh cửu , ví dụ chúng có thể được sử dụng để phát hiện được nhữngvật thế không nhìn thấy.Trong trường hợp này , tín hiệu đo sẽ được cung cấpthông qua máy so sánh như là một tín hiệu khởi động Scmitt ( cái mà có thểđược gắn vào con chíp ) để cung cấp tín hiệu yes / no đầu ra

IV.Bộ phân giải

1.Khái niệm về bộ phân giải

Hình 14.Đo góc và chiều qua qua cảm biến Hall

-Bộ phân giải chuyển đổi vị trí góc thành tín hiệu điện tương tự.Tín hiệunày có thể chuyền xa và xử lý được.Chúng được tạo từ một rotor xoay vòng và

môt stator cố định Truc rotor có thể được nối tới thân bằng ổ bi xoay hoặckhông kết nối thẳng tối thân.Với trường hơp sau thì , thiết kế của truc phải rỗng.-Bộ phân giải là những thiết bị cảm ứng mà chức năng dựa theo nguyên lýchuyển đổi xoay Khi mà đổi hướng rotor của bộ chuyển đổi xoay bởi điện ápxoay chiều Ur thì một điện áp Us xuất hiện trong stator.Biên độ và pha của nóthì phụ thuộc vào góc anpha của rotor.Rotor của bộ phân giải có hai phía mỗiphía 90 độ