Đề cương bài giảng môn: Kỹ thuật cảm biến và ứng dụng (Dùng cho trình độ Cao đẳng, Trung cấp và liên thông)

Mô đun được bố trí dạy sau khi học song các mô đun An toàn lao động, Kỹ thuật điện tử, kỹ thuật số. Có thể học song song với các mô đun điều khiển khí nén thủy lực, điện tử công suất. Đây là mô đun chuyên môn trong chương trình đào tạo cao đẳng nghề điện tử công nghiệp, nhằm trang bị cho sinh viên những kiến thức, kỹ năng chuyên sâu trong lắp ráp cân chỉnh, sửa chữa các hư hỏng của các mạch cảm biến.

1

BỘ LAO ĐỘNG THƯƠNG BINH VÀ XÃ HỘI TRƯỜNG CAO ĐẲNG KỸ NGHỆ II KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

I VỊ TRÍ, TÍNH CHẤT CỦA MÔ ĐUN:

- Rèn luyện lắp ráp cân chỉnh, sửa chữa các dạng mạch điều khiển bằng cảm biến

- Rèn luyện tác phong, thái độ làm việc, các biện pháp an toàn điện và thiết bị khi thực hiện các thao tác lắp ráp cân chỉnh mạch điều khiển bằng cảm biến

Là mô đun chuyên môn trong chương trình đào tạo cao đẳng nghề điện tử công nghiệp, nhằm trang bị cho sinh viên những kiến thức, kỹ năng chuyên sâu trong lắp ráp cân chỉnh, sửa chữa các hư hỏng của các mạch cảm biến

II MỤC TIÊU CỦA MÔ ĐUN:

Sau khi học xong môn học này học viên có năng lực

* Về kiến thức:

Được đánh giá bằng hình thức kiểm tra viết, trắc nghiệm theo các nội dung sau:

- Phân tích nguyên lý cấu tao, đặc điểm, ứng dụng của các loại cảm biến thông dụng

- Phân tích được nguyên lý hoạt động của các mạch điều khiển bằng cảm biến

- Các qui tình thực hiện công việc

- Phân tích, phán đoán các linh kiện hư hỏng theo tình huống giả định

* Về kỹ năng:

- Kiểm tra xác định được thông số, hư hỏng của các loại cảm biến

- Thiết kế mạch cảm biến đơn giản đạt yêu cầu kỹ thuật

- Thực hành lắp ráp một số mạch điều khiển theo tiêu chuẩn điện VN

- Kiểm tra, thử mạch trong lắp đặt mạch cảm biến

- Lắp ráp, cân chỉnh, kiểm tra, sửa chữa hư hỏng của các mạch cảm biến công nghiệp đúng yêu cầu kỹ thuật

BÀI MỞ ĐẦU:KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ CÁC BỘ CẢM BIẾN

Mục tiêu của bài:

- Phân tích tổng thể về cấu tạo, nguyên lý, phạm vi ứng dụng của một số loại cảm biến thường dùng trong công nghiệp

- Nhận dạng và giải thích đặc tính cơ bản của một số loại cảm biến nói trên

- Tích cực, chủ động và sáng tạo trong học tập

Nội dung bài:

I KHÁI NIỆM CHUNG:

Trong quá trình sản xuất có nhiều đại lượng vật lý như nhiệt độ, áp suất, tốc độ, tốc độ quay, nồng độ pH, độ nhờn vv cần được xử lý cho đo lường, cho mục đích điều khiển truyền động Các bộ cảm biến thực hiện chức năng này, chúng thu nhận, đáp ứng các kích thích Cảm biến là một bộ chuyển đổi kỹ thuật

để chuyển đổi các lượng vật lý như nhiệt độ, áp suất, khoảng cách vv sang một đại lượng khác để có thể đo, đếm được Các đại lượng này phần lớn là tín hiệu điện Thí dụ: Điện áp, dòng điện, điện trở hoặc tần số dao động Các tên khác của khác của bộ cảm biến: Sensor, bộ cảm biến đo lường, đầu dò, van đo lường,

bộ nhận biết hoặc bộ biến đổi

Từ sen-sor là một từ mượn tiếng la tinh Sensus, trong tiếng Đức và tiếng Anh được gọi là sensor, trong tiếng Việt thường gọi là bộ cảm biến

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

II PHẠM VI ỨNG DỤNG

Các bộ cảm biến được sử dụng nhiều trong các lĩnh vực kinh tế và kỹ thuật Các bộ cảm biến đặc biệt và rất nhạy cảm được sử dụng trong các thí nghiệm các lĩnh vực nghiên cứu khoa học Trong lĩnh vực tự động hoá người ta

sử dụng các sensor bình thường cũng như đặc biệt

III PHÂN LOẠI CÁC BỘ CẢM BIẾN

Cảm biến được phân loại theo nhiều tiêu chí Người ta có thể phân loại cảm biến theo các cách sau:

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

Vật lý

Quang điện Quang từ

Điện từ, Từ điện

…vv

Biến đổi điện hóa Phân tích phổ

…vv

Sinh học

Biến đổi sinh hóa Biến đổi vật lý Hiệu ứng trên cơ thể sống vv

Mô men Khối lượng, tỉ trọng

Độ nhớt

…vv

Tỷ nhiệt

…vv

Bức xạ

Kiểu Năng lượng Cường độ

▪ Nghiên cứu khoa học

▪ Môi trường, khí tượng

▪ Thông tin, viễn thông

▪ Nông nghiệp

▪ Dân dụng

▪ Giao thông vận tải…vv

5 Theo thông số của mô hình mạch điện thay thế

▪ Cảm biến tích cực (có nguồn): Đầu ra là nguồn áp hoặc nguồn dòng

▪ Cảm biến thụ động (không có nguồn): Cảm biến gọi là thụ động khi chúng cần có thêm nguồn năng lượng phụ để hoàn tất nhiệm vụ

đo kiểm, còn loại tích cực thì không cần Được đặc trưng bằng các thông số: R, L, C…tuyến tính hoặc phi tuyến

BÀI 1:CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ

Mục tiêu của bài:

- Trình bày cấu tạo, đặc tính của các loại cảm biến theo nội dung đã học

- Phân tích được nguyên lý hoạt động của một số mạch điều khiển theo nhiệt

độ

- Lắp ráp, cân chỉnh được các mạch hoạt động theo yêu cầu

- Đo đạc, kiểm tra và sửa chữa được các mạch cảm biến nhiệt độ cảm biến đúng yêu cầu kỹ thuật khi bị hư hỏng

Nội dung chính:

I ĐẠI CƯƠNG CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ:

1 Khái niệm cơ bản

Nhiệt độ là một trong số những đại lượng có ảnh hưởng rất lớn đến tính chất vật chất Bởi vậy trong nghiên cứu khoa học, trong công nghiệp cũng như trong đời sống hàng ngày việc đo nhiệt độ là rất cần thiết Tuy nhiên việc xác định chính xác một nhiệt độ là một vấn đề không đơn giản Đa số các đại lượng vật lý đều có thể xác định trực tiếp nhờ so sánh chúng với một đại lượng cùng bản chất Nhiệt độ là đại lượng chỉ có thể đo gián tiếp dựa vào sự phụ thuộc của tính chất vật liệu vào nhiệt độ

Nhiệt độ là đại lượng chỉ có thể đo gián tiếp trên cơ sở tính chất của vật liệu phụ thuộc vào nhiệt độ Tính chất đó là khi nhiệt độ tác dụng vào vật liệu thay đổi thì độ dẫn điện của vật liệu hay điện trở của chúng thay đổi theo

Để chế tạo các bộ cảm biến nhiệt độ người ta sử dụng nhiều nguyên lý khác nhau như các nhiệt điện trở; nhiệt ngẫu; phương pháp quang dựa trên phân

bố phổ bức xạ do dao động nhiệt…

2 Các thông số về cảm biến nhiệt độ

Cam biến nhiệt độ là cảm biến có khả năng nhận biết được tín hiệu nhiệt

độ một cách chính xác, trung thực và chuyển đổi thành tín hiệu điện áp, dòng điện, điện trở

Thông số cấu tạo : Phụ thuộc vào từng loại cảm biến, cũng như cách chế tạo và phương thức chuyển đổi của từng loại cảm biến đó

Thông số sử dụng bao gồm các yếu tố sau :

- Khoảng làm việc : Là khoảng nhiệt độ mà cảm biến có khả năng hoạt động khi chưa vượt qua gới hạn bão hòa Khoảng làm việc cao hay thấp tùy theo

- Độ nhạy được định nghĩa : S  dF

Trong đó : dF sự thay đổi đại lượng đo của cảm biến

dx sự thay đổi đại lượng vật lý

- Ngưỡng độ nhạy : Là mức thấp nhất mà cảm biến có thể phát hiện được

- Tính trễ : Còn gọi là quán tính của cảm biến và là nguyên nhân gây ra sai

số của phép đo Tốc độ thay đổi của đại lượng đo phải phù hợp với tính trễ của cảm biến Nếu đại lượng đo thay đổi quá nhanh mà quán tính của cảm biến lớn thì không thể đo chính xác được Mọi cảm biến đều có tính trễ do ảnh hưởng của

vỏ bảo vệ

3 Thang đo nhiệt độ

Để đo nhiệt độ trước hết phải thiết lập thang nhiệt độ Thang nhiệt độ tuyệt đối được thiết lập dựa vào tính chất của khí lý tưởng

Thang Kelvin (Thomson Kelvin - 1852): Thang nhiệt độ động học tuyệt đối, đơn vị nhiệt độ là K Trong thang đo này ngừời ta gán cho nhiệt độ của điểm cân bằng ba trạng thái nước - nước đá - hơi một giá trị số bằng 273,15 K

Thang Celsius (Andreas Celsius - 1742): Thang nhiệt độ bách phân, đơn vị

Nhiệt độ Celsius xác định qua nhiệt độ Kelvin theo biểu thức:

4 Nhiệt độ đo được và nhiệt độ cần đo

Giả sử môi trường đo có nhiệt độ thực bằng Tx, nhưng khi đo ta chỉ nhận

là nhiệt độ cần đo, nhiệt độ Tc gọi là nhiệt độ đo được Điều kiện để đo đúng nhiệt độ là phải có sự cân bằng nhiệt giữa môi trường đo và cảm biến Tuy nhiên,

do nhiều nguyên nhân, nhiệt độ cảm biến không bao giờ đạt tới nhiệt độ môi

của phép đo phụ thuộc vào hiệu số Tx - Tc , hiệu số này càng bé, độ chính xác của phép đo càng cao Muốn vậy khi đo cần phải:

- Tăng cườnng sự trao đổi nhiệt giữa bộ cảm biến và môi trường đo

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

II CÁC LOẠI CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ

Khi điều khiển nhiệt độ, chúng ta phải có thiết bị để đọc nhiệt độ hiện tại của lò về, từ đó mới có thể điều khiển nhiệt độ một cách chính xác Thiết bị đó là cảm biến Trong thực tế người ta thường sử dụng những loại cảm biến như : Thermocouple, RTD, thermistor, và các IC bán dẫn

Các loại cảm biến được phân biệt dựa trên nguyên lý làm việc của chúng như sau :

- Nhiệt kế dùng chất lỏng dựa trên sự giãn nở của thể tích

- Nhiệt kế điện trở dựa trên sự thay đổi của điện trở

- Cặp nhiệt dựa trên nguyên lý sức điện động sinh ra ở vị trí tiếp xúc (mối hàn) khi có sự chênh lệch nhiệt độ

- Hỏa kế quang học dựa trên độ chiếu sáng của sợi tim đèn đốt nóng và độ chiếu sáng của vật thể cần đo

Thực tế các cảm biến đo nhiệt độ được chia làm hai nhóm:

- Cảm biến tiếp xúc: cảm biến tiếp xúc với môi trường đo, gồm: + Cảm biến giản nở (nhiệt kế giản nở)

+ Cảm biến điện trở (nhiệt điện trở)

+ Cặp nhiệt ngẫu

- Cảm biến không tiếp xúc: hoả kế

Các cảm biến thông dụng gồm có một số loại sau :

- Điện trở kim loại

Kích thước nhỏ cho phép đo nhiệt độ ở từng điểm, đồng thời do nhiệt dung nhỏ nên tốc độ hồi đáp lớn

Độ ổn định của một nhiệt điện trở phụ thuộc vào sự chế tạo nó và điều kiện sử dụng

Trong quá trình sử dụng nhiệt điện trở cần phải tránh những thăng giáng nhiệt độ đột ngột bởi vì điều này có thể dẫn đến làm dạn nứt vật liệu Phụ thuộc vào loại nhiệt điện trở, dải nhiệt độ làm việc có thể thay đổi từ một vài độ tuyệt

đối đến khoảng 300 C Có thể mở rộng dải nhiệt độ này nhưng khi có trị số của điện trở sẽ gia tăng đáng kể khi làm việc ở nhiệt độ cao Các nhiệt điện trở thông thường được chế tạo từ các ôxít bán dẫn đa tinh thể như: MgO, MgAl2O4, Mn2O3, Fe3O4, Co2O3, NiO, ZnTiO4 Miền đo phụ thuộc vào loại nhiệt điện trở, có thể từ -273 C đến 300 C

b Điện trở kim loại thay đổi theo nhiệt độ

- Được sử dụng các kim loại nguyên chất (Pt; Cu; Ni) với hệ số nhiệt điện trở càng lớn càng tốt

- Người ta kéo chúng thành sợi mảnh quấn trên khung chịu nhiệt rồi đặt vào hộp vỏ đặc biệt và đưa ra 2 đầu để lấy tín hiệu với điện trở (R) chế tạo khoảng từ 10(Ω)đến 100(Ω)

- Độ nhạy của điện trở kim loại thay đổi theo nhiệt độ Ġ

- Điện trở kim loại thay đổi theo nhiệt độ có ưu điểm được sử dụng rất rộng dãi và được sử dụng nhiều, nhưng nhược điểm của điện trở kim loại thay đổi theo nhiệt độ là kích thước lớn, cồng kềnh, có quán tính lớn

c Cách nối dây đo:

Nhiệt điện trở thay đổi điện trở theo nhiệt độ, với một dòng điện không đổi qua nhiệt điện trở, ta có thể đo được U = R.I, để cảm biến không bị nóng lên qua phép đo, dòng điện cần phải nhỏt khoảng 1 mA Với Pt 100 ở 0C ta có điện thế khoảng 0,1 vôn, điện thế này cần được đưa đến máy đo qua dây đo Ta có 4 kỹ thuật nối dây đo:

Tiêu chuẩn IEC 751 yêu cầu dây nối đến cùng đầu nhiệt điện trở phải có màu giống nhau (đỏ hoặc trắng) và dây nối đến 2 đầu phải khác màu

• Kỹ thuật hai dây:

Hình 1.1: Cách nối dây nhiệt điện trở

17

Hình 1.2: Kỹ thuật nối 2 dây

Giữa nhiệt điện trở và mạch điện tử được nối bởi 2 dây, bất cứ dây dẫn điện nào đều có điện trở, điện trở này nối nối tiếp với điện trởcủa 2 dây đo, mạch điện trở sẽ nhận được một điện thế cao hơn điện thế cần đo, kết quả ta có chỉ thị nhiệt kế cao hơn nhiệt độ cần đo, nếu khoảng cách quá xa, điện trở dây đo có thể lên đến vài ôm

Ví dụ với dây đồng: Diện tích mặt cắt dây đo = 0,5 mm2 Điện trở suất = 0,0017 (Ω/mm2m-1) Chiều dài = 100m

R = 6,8Ω, với 6,8Ω tương ứng cho nhiệt điện trở Pt 100 một thay đổi nhiệt

độ là 170C Để đảm tránh sai số của phép đo do điện trở của dây đo gây ra, người ta bù trừ điện trở của dây đo bằng một mạch điện như sau: Một biến trở bù trừ được nối vào một trong hai dây đo và nhiệt điện rở được thay thế bằng một điện trở 100Ω Mạch điện tử được thiết kế với điện trở dự phòng của dây đo là 10Ω Ta chỉnh biến trở sao có chỉ thị 00C: Biến trở và điện trở của dây đo là 10Ω

d Các mạch ứng dụng nhiệt trở:

Mạch ứng dụng với nhiệt điện trở platin

ADT70 là IC do hãng Analog Devices sản xuất, cung cấp sự kết hợp lý tưởng với Pt1.000, ta sẽ có dải đo nhiệt độ rộng, nó cũng có thể sử dụng với Pt100 Trong trường hợp có sự cách biệt, với nhiệt điện trở Platin kỹ thuật màng mỏng, ADT70 có thể đo từ 500C đến 5000C, còn với nhiệt điện trở Platin tốt, có thể đo đến 1.0000C Độ chính xác của hệ thống gồm ADT70 và nhiệt điện trở Platin ở thang đo -2000C đến 1.0000C phụ thuộc nhiều vào phẩm chất của nhiệt điện trở Platin

- Ứng dụng: Thiết bị di động, bộ điều khiển nhiệt độ

ADT70 có 2 thành phần chính: Nguồn dòng có thể điều chỉnh và bộ phận khuyếch đại, nguồn dòng có thể điều chỉnh bộ phận khuyếch đại Nguồn dòng được sử dụng để cung cấp cho nhiệt điện trở và điện trở tham chiếu Bộ phận khuyếch đại so sánh điện áp trên nhiệt điện trở và điện áp trên điện trở tham chiếu, sau đó đưa tín hiệu điện áp tương ứng với nhiệt độ (ADT70 còn có 1 opamp, 1 nguồn áp 2,5 vôn) Dải đo của ADT70 phụ thuộc vào đặc tính của

nhiệt điện trở, vì vậy điều quan trọng là phải chọn lựa nhiệt điện trở thích hợp với ứng dụng thực tế

Mạch ứng dụng với nhiệt diện trở Ni

Zni 1.000 với ZMR500 được dùng với DVM như là nhiệt kế

Mạch điện tiêu biểu với KTY81 hoặc KTY82

Mạch điện điển hình được thiết kế cho cảm biến KYT 81 – 110 hoặc KYT

82 – 110 (nhiệt độ từ 00C đến 1000C) Điện trở R1 và R2, cảm biến và các nhánh điện trở R3, biến trở P1 và R4 tạo thành một mạch cầu

Giá trị R1 và R2 được chọn sao cho giá trị dòng điện qua cảm biến gần bằng 1A và tuyến tính hoá cảm biến trong dải nhiệt độ cần đo Điện áp ngõ ra thay đổi tuyến tính từ 0,2VS đến 0,6 VS (VS = 5 vôn thì Vout thay đổi từ 1 vôn đến 3 vôn) Ta điều chỉnh P1 để Vout = 1 vôn tại 00C, tại 1000C điều chỉnh P2 Vout = 3 vôn, với mạch điện này việc điều chỉnh P2 không ảnh hưởng đến việc chỉnh zero

2 Nhiệt điện trở NTC

* Tính chất và các giá trị của tính chất

Thông thường NTC chỉ chịu được tải nhẹ, tính chất của nó đáp ứng theo môi trường nhiệt độ chung quanh

Khi dòng điện lớn chạy qua NTC sẽ làm cho NTC nóng lên và điện trở của

nó giảm xuống (nhiệt độ tăng thì giá trị điện trở NTC giảm và ngược lại)

19

• Làm bộ trễ

* Bổ chính và đo lường : Trong đo lường và tác động bù cần tránh hiện

tượng tự sinh ra nhiệt do dòng qua NTC lớn NTC trong lĩnh vực này là đo nhiệt

độ, kiểm tra, điều khiển, tuy nhiên NTC cũng được dùng để bù tính phụ thuộc nhiệt độ của điện trở, nhằm ổn định nhiệt cho các mạch điện tử dùng bán dẫn

* Làm bộ trễ: NTC có tính chất trễ khi dòng điện qua nó lớn đến nỗi điện

trở giảm nhiều do quá trình tự toả nhiệt Tải càng lớn thì điện trở NTC càng giảm mạnh Nhiệt điện trở NTC tạo tác dụng trễ nhằm triệt dòng đỉnh trong mạch đèn chiếu sáng loại có tim, mạch động cơ có công suất nhỏ, mạch chốt tim bóng điện

Khi dòng điện lớn chạy qua NTC sẽ làm cho NTC nóng lên và điện trở của

nó tăng lên (nhiệt độ tăng thì giá trị điện trở NTC tăng và ngược lại)

Dùng PTC để bảo vệ động cơ điện khi xảy ra sự cố ngắn mạch hoặc quá tải Hoặc dùng PTC để điều khiển mức nhiệt độ và Nhiệt điện trở PTC chỉ dùng cho những ứng dụng cần hệ số nhiệt dương

- Đối với những ứng dụng có sử dụng tính chất gia tăng điện trở của nhiệt điện trở PTC để từ đó biến đổi thành năng lực điện Có những thí dụ như mạch bảo vệ quá tải, khi bồn chứa nguyên liệu quá đầy người ta cũng có thể dùng mạch này hoặc là để khởi động bóng đèn huỳnh quang, hay là để ổn định tính chất của sợi đốt tim trong các bóng đèn, cũng có thể thấy PTC trong các mạch trễ hay trong các mạch khử từ của bóng hình trong truyền hình, mạch bảo vệ quá tải vv

* Mạch ứng dụng với PTC

Nhiệt điện trở PTC được mắc trong một cầu đo của mạch so sánh, tại nhiệt độ bình thường RPTC ( RS, điện áp ngõ ra ở mức thấp, khi sự tăng nhiệt

độ vượt quá ngưỡng xuất hiện, PTC bị nung nóng nên RPTC ( RS nên điện áp ngõ ra V0 lên mức cao (hình dưới)

PTC được dùng để phát hiện sự tăng nhiệt bất thường trong động cơ bằng cách đo trực tiếp, cảm biến nhiệt được gắn chìm trong cuộn Stato, tín hiệu được

sử lý nhờ một thiết bị điều khiển dẫn đến tác động (Hình dưới)

Nếu nhiệt độ trong cuộn dây động cơ ở trạng thái bình thường thì cảm biến điện trở giảm xuống đến mức thấp cần thiết Reset, thiết bị tự động reset nếu thiết bị không cài đặt reset bằng tay

4 RTD

Có độ ổn định cao nhất, chính xác, độ tuyến tính cao Tuy nhiên giá thành cao, cần phải cung cấp nguồn dòng, tự gia tăng nhiệt

Nguyên lí của cảm biến điện trở kim loại

- Cảm biến điện trở kim loại RTD (Resitive Temperature Detector) là loại cảm biến mà nhiệt độ tăng thì điện trở tăng

21

- Kim loại dùng để chế taọ cảm biến có thể là platin, niken , đồng hay

Cảm biến điện trở kim loại

Cấu tạo của cảm biến điện trở kim loại

7 Thermocouple (Cặp nhiệt điện)

Có cấu tạo gồm 2 dây kim loại khác nhau được hàn lại ở một đầu được gọi

là đầu nối nóng, hai đầu còn lại gọi là đầu nối lạnh hay đầu nối chuẩn được gắn

cố định vào thiết bị đo Hai đầu này sẽ cho ra một sức điện động phụ thuộc vào hiệu số nhiệt độ của đầu đo và nhiệt độ môi trường

Theo hiệu ứng Seebeck, khi có chênh lệch nhiệt độ giữa đầu nóng hay đầu lạnh thì phát sinh suất điện động giữa 2 đầu lạnh, hai đầu lạnh đặt cùng nhiệt độ

To

Trong đó : T là nhiệt độ đo, To là nhiệt độ đầu lạnh và qua công thức trên

Nhưng khi sử dụng tầm đo hẹp có thể tuyến tính hóa đặc tính cặp nhiệt

C

Nếu dây cặp nhiệt không được dài và ta phải sử dụng dây đồng để nối đến dụng cụ đo thì số chỉ của dụng cụ đo là hiệu số giữa nhiệt độ đo T và nhiệt độ chỗ nối To, nhiệt độ To thường là không ổn định

III CẢM BIẾN VI MẠCH BÁN DẪN

1 Nguyên lý chung của IC đo nhiệt độ:

Là mạch tích hợp nhận tín hiệu nhiệt độ chuyển thành tín hiệu dưới dạng điện áp hoặc tín hiệu dòng điện Dựa vào đặc tính rất nhạy của các bán dẫn với nhiệt độ, tạo ra điện áp hoặc dòng điện tỷ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt đối C, F, hay

K tùy loại Đo tín hiệu điện, ta biết được giá trị của nhiệt độ cần đo Tầm đo nhiệt

Sự tích cực của nhiệt độ tạo ra điện tích tự do và các lỗ trống trong chất bán dẫn bằng sự phá vỡ các phân tử, bứt các electron thành dạng tự do di chuyển qua các vùng cấu trúc mạng tinh thể, tạo sự xuất hiện các lỗ trống nhiệt làm cho tỷ lệ điện tử tự do và các lỗ trống tăng lên theo quy luật hàm mũ với nhiệt độ Kết quả của hiện tượng này là dưới mức điện áp thuận, dòng thuận của mối nối p-n (trong diode hay transistor) sẽ tăng theo hàm mũ theo nhiệt độ

2 IC AD590, AD595

Cảm biến IC AD590, AD595 Cảm biến này tạo ra một dòng điện thay đổi tuyến tính theo nhiệt độ tuyệt đối, nó được dùng đo nhiệt độ trong trường hợp dùng dây dẫn với khoảng cách xa

23

Cảm biến AD 590 (Analog Devices) được thiết kế làm cảm biến nhiệt

có tổng trở ngõ ra khá lớn (10 M(), vi mạch đã được cân bằng bởi nhà sản xuất, khiến cho dòng mA ra tương ứng với chuẩn nhiệt độ K Điện áp làm việc càng nhỏ càng tốt để tránh hiện tượng tự gia nhiệt, khi cấp điện áp thay đổi, dòng điện thay đổi rất ít

3 Cảm biến nhiệt bán dẫn LM335/34:

Hầu hết các cảm biến nhiệt độ phổ biến đều sử dụng có phần phức tạp, chẳng hạn cặp nhiệt độ ngẫu có mức ngõ ra thấp và yêu cầu bù nhiệt, thermistor thì không tuyến tính, thêm vào đó ngõ ra của các loại cảm biến này không tuyến tính tương ứng bất kỳ thang chia nhiệt độ nào Các khối cảm biến tích hợp được chế tạo khắc phục được những đặc điểm đó, nhưng ngõ ra của chúng quan hệ với thang đo Kelvin hơn là độ Celsius và Fahrenheit

IV MỘT SỐ MẠCH ỨNG DỤNG CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ:

2 Đo nhiệt với cảm biến nhiệt bán dẫn LM335:

Sơ đồ đo cảm biến nhiệt bán dẫn gồm trở tải cấp dòng cho cảm biến, bộ khuếch đại tín hiệu ra từ cảm biến IC1a, bộ khuếch đại lối ra IC1b, và một cảm biến LM335

LM 335 là cảm biến nhiệt độ được dùng để tạo dòng chuẩn điều chỉnh được , nó có đặc điểm là cho điện áp ra tỷ lệ tuyến tính với nhiệt độ_10mV/oK nên được chọn chuyển đổi nhiệt thành điện áp trong mạch này

Sơ đồ mạch như sau:

+ Nguyên lý hoạt động: Khi có tín hiệu kích thích tác động vào cảm biến tùy vào nhiệt độ cao hay thấp mà điện áp đặt lên cảm biến sẽ thay đổi và điến áp này được đưa tới tầng khuếch đại vi sai(mạch trừ)mạch này cho phép chỉnh nhiệt

về 0oC cho tương ứng với nhiệt độ thật khi đo nhiệt của đá đang tan(0V),và tín hiệu ngõ ra tần này sẽ tiếp tục đưa qua tần khuếch đại đảo để nâng cao biên độ áp ,áp ngõ ra của tầng này là 10V tương ứng với 100oC

3 Mạch ứng dụng LM35 với thiết bị khuyếch đại âm thanh

Trong mạch ứng dụng này, nhiệt độ IC khuyếch đại âm thanh (IC1) là đại lượng được quan tâm LM35 và IC1 có sự gắn kết về nhiệt, tín hiệu ngõ

ra của bộ so sánh sẽ xuống mức thấp nếu nhiệt độ vượt quá giới hạn (thông

số này được chọn bằng R1 và R2 và điện áp tham chiếu) Hệ thống được

4 Mạch đo nhiệt độ bằng LM 35

5 Hệ thống điều khiển nhiệt độ dùng vi xử lý

27

BÀI 2:

CẢM BIẾN TIỆM CẬN VÀ CÁC LOẠI CẢM BIẾN XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ,

KHOẢNG CÁCH Mục tiêu:

- Phát biểu đặc tính của cảm biến tiệm cận theo nội dung đã học

- Trình bày cấu tạo, nguyên lý hoạt động, phạm vi ứng dung của các loại cảm biến tiệm cận

- Trình bày các phân loại các loại cảm biến theo nội dung đã học

- Thực hiện các mạch cảm biến điện cảm và điện dung đạt các yêu cầu về

- Đầu sensor nhỏ, có thể lắp được ở nhiều nơi

- Có thể sử dụng trong môi trường khắc nghiệt

Cảm biến tiệm cận là mọt kỹ thuật để nhận biết sự có mặt hay không có mặt của một vật thể với cảm biến điện tử không công tắc (không đụng chạm), cảm biến tiệm cận có một vị trí rất quan trọng trong thực tế, ví dụ phát hiện vật trên dây chuyền để rôbốt bắt giữ lấy, phát hiện chai, lon nhôm trên dây chuyền, băng chuyền vv Tín hiệu ngõ ra của cảm biến tiệm cận thường ở dạng logic

Loại

Cảm Ứng Từ

Loại Điện Dung

* Loại cảm biến này có các đặc tính sau:

- Đối tượng điều khiển không cần tiếp xúc trực tiếp với cảm biến mà chỉ cần có một khoảng cách phù hợp do người sử dụng điều chỉnh

- Tín hiệu thay đổi dạng ON/OFF

- Cần phải có nguồn nuôi cung cấp năng lượng cho cảm biến hoạt động

- Tốc độ đáp ứng cao

- Đầu sensor nhỏ có thể lắp ở nhiều nơi

- Có thể sử dụng trong môi trường khắc nghiệt

2 Cảm biến tiệm cận điện từ (inductive proximity sensor – điện cảm)

- Là loại cảm biến (điện cảm) sử dụng trường Điện – Từ để phát hiện đối

tượng bằng kim loại (chìa khoá), (loại cảm biến này không phát hiện các đối

tượng có cấu tạo không phải là kim loại)

- Điện áp làm việc DC, AC hoặc AC/DC

- Cảm biến tiệm cận điện cảm có nhiều kích thước và hình dạng khác nhau tương ứng với các ứng dụng khác nhau

* Cấu trúc của cảm biến tiệm cận điện cảm: Gồm 4 phần chính

TÍN HIEÄU RA

- Cuộn dây và lõi ferit

- Mạch dao động

- Mạch phát hiện

- Mạch đầu ra

40

* Nguyên lý hoạt động của cảm biến tiệm cận điện cảm

Cảm biến tiệm cận điện cảm được thiết kế để tạo ra một vùng điện trường, khi một vật bằng kim loại tiến vào khu vực này, xuất hiện dòng điện xoáy (dòng điện cảm ứng) trong vật thể kim loại này Dòng điện xoáy gây nên sự tiêu hao năng lượng (do điện trở của kim loại) làm ảnh hưởng đến biên độ sóng dao động, đến một trị số nào đó tín hiệu này được ghi nhận Mạch phát hiện sẽ phát hiện sự thay đổi tín hiệu và tác động để mạch ra lên mức ON Khi đối tượng rời khỏi khu vực từ trường, sự dao động được tái lập, cảm biến trở lại trạng thái bình thường

* Phân loại cảm biến tiệm cận điện cảm

- Theo chức năng được chia ra làm 2 loại: NPN (Sinking) và PNP (Sourcing)

- Cảm biến tiệm cận điện cảm có thể chia ra làm 2 loại: Loại được bảo

vệ (Shielded) và loại không được bảo vệ (Unshielded), loại không được bảo

vệ thường có tầm phát hiện lớn hơn loại được bảo vệ

* Những yếu tố ảnh hưởng đến tầm phát hiện của cảm biến tiệm cận điện cảm:

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

- Vật liệu và kích thước đối tượng

- Nhiệt độ môi trường

Đặc điểm của đối tượng tiêu chuẩn (mục tiêu): Hình vuông, độ dài cạnh bằng d (đường kính của bề mặt cảm biến), dày 1mm và làm bằng thép mềm (mild steel)

Nếu đối tượng cần phát hiện có kích thước nhỏ hơn tiêu chuẩn, tầm phát hiện của cảm biến sẽ giảm (do dòng điện xoáy yếu) Nhưng nếu kích thước lớn hơn kích thước tiêu chuẩn không có nghĩa là tầm phát hiện tăng lên

Độ dày của đối tượng cũng là một yếu tố ảnh hưởng đến tầm phát hiện của cảm biến, đối với vật liệu không mang từ tính (không chứa chất sắt) như đồng, nhôm, đồng thau chịu ảnh hưởng của hiệu ứng bề mặt Tầm phát hiện của cảm biến tăng lên khi đọ dày đối tượng giảm

* Ưu nhược điểm của cảm biến tiệm cận điện cảm

+ Không phụ thuộc vào màu sắc

+ ít phụ thuộc vào bề mặt đối tượng ơn so với các kỹ thuật khác

+ Không có khu vực mù (blind zone: cảm biến không phát hiện ra đối tượng mặc dù đối tượng ở gần cảm biến)

- Nhược điểm:

+ Chỉ phát hiện được đối tượng là kim loại

+ Có thể chịu ảnh hưởng bởi các vùng điện từ mạnh

+ Phạm vi hoạt động ngắn hơn so với các kỹ thuật khác

* Sơ đồ nguyên lý cho loại NPN (Sinking):

Sơ đồ kết nối đầu ra Giản đồ xung chế độ hoạt động

* Kiểm tra xác định loại NPN:

- Dùng đồng hồ VOM thang đo DC: que đen ở dây màu Black, que đỏ ở dây màu Brown kết quả kim đồng hồ lên gần bằng 24VDC

- Đối với loại NPN: tín hiệu ra âm (Output (-))

* Sơ đồ đấu nối thử tín hiệu ngõ ra (Output):

B R O W N (+)

* Sơ đồ nguyên lý cho loại PNP (Sourcing):

Sơ đồ kết nối đầu ra Giản đồ xung chế độ hoạt động

* Kiểm tra xác định loại PNP:

- Dùng đồng hồ VOM thang đo DC: que đỏ ở dây màu Black, que đen ở dây màu Blue kết quả kim đồng hồ lên gần bằng 24VDC

- Đối với loại NPN: tín hiệu ra dương (Output (+))

* Sơ đồ đấu nối thử tín hiệu ngõ ra:

0 V

2 4 V D C

❖ Ví dụ cảm biến điện cảm E2E

 -Hình dáng cảm biến

 -Cách mắc dây

 -Ưùng dụng :

 Phát hiện các vật thể

bằng kim loại, thường

dùng để khống chế

Iro

Bras Aluminu

+ Khoảng cách đo – các yếu tố ánh hưởng

- Vật liệu đối tượng (Material):

Kim loại không chứa sắt (nhôm, đồng, …)

- Khoảng cách phát hiện của

sensor phụ thuộc rất nhiều vào

vật liệu của vật cảm biến

- Các vật liệu có từ tính hoặc

kim loại có chứa sắt sẽ có

khoảng cách phát hiện xa hơn

 E2EY : PHÁT HIỆN NHÔM / ĐỒNG

 E2EV : PHÁT HIỆN TẤT CẢ KIM LOẠI

 E2F : CẢM BIẾN CÓ THỂ NGÂM TRONG NƯỚC

- Kích cỡ của đối tượng (Size):

hiện

Đầu Sensor

- Bề dầy của đối tượng (Size):

Với vật cảm biến thuộc nhóm kim loại có từ tính (sắt, niken, …), bề dày vật phải lớn hơn hoặc bằng 1mm

Đầu Sensor

Khoảng cách cảm biến

Độ dày vật Vật

Với vật cảm biến không thuộc nhóm kim loại có từ tính, bề dày của vật càng mỏng thì khoảng cách phát hiện càng xa

3 Cảm biến tiệm cận điện dung (capacitive proximity sensor)

Là loại cảm biến sử dụng trường tĩnh điện để phát hiện đối tượng bằng

kim loại (chìa khoá) và phi kim loại (giấy, gỗ, nhựa)

Điện áp làm việc DC, AC hoặc AC/DC

_

Cảm biến tiệm cận điện dung giống về kích thước, hình dáng, cơ sở hoạt động so với cảm biến tiệm cận điện cảm Điểm khác biệt căn bản giữa chúng là cảm biến tiệm cận điện dung tạo ra vùng điện trường còn cảm biến tiệm cận điện cảm tạo ra vùng điện từ trường Cảm biến tiệm cận điện dung có thể phát hiện đối tượng có chất liệu kim loại cũng như không phải là kim loại

* Cấu trúc của cảm biến tiệm cận điện dung

- Mạch phát hiện(Mạch ghi nhận tín hiệu.)

- Mạch đầu ra(Mạch điện ở ngõ ra.)

Đối tượng không nhất thiết là kim loại, có thể là chất lỏng, vật liệu phi kim: nhựa, thủy tinh, … Tốc độ phát hiện nhanh, có thể phát hiện vật có kích thước nhỏ

* Nguyên lý hoạt động của cảm biến tiệm cận điện dung

Phát hiện theo nguyên tắc tĩnh điện (sự thay đổi điện dung giữa vật cảm biến và đầu sensor), có thể phát hiện tất cả vật

Electrical field

Interna l

Amplifie d

Metallic/

Non-

metallic

Oscillato

- Nguyên tắc hoạt động của cảm biến tiệm cận điện dung dựa trên sự thay đổi điện dung khi vật thể xuất hiện trong vùng điện trường, từ sự thay đổi này trạng thái On hay Off của tín hiệu ngõ ra được xác định

- Một bản cực là thành phần của cảm biến, đối tượng cần phát hiện là bản cực còn lại

- Mối quan hệ giữa biên độ sóng dao động và vị trí đối tượng ở cảm biến tiệm cận điện dung trái ngược so với cảm biến tiệm cận điện cảm

- Cảm biến tiệm cận điện dung có thể phát hiện bất cứ loại đối tượng nào

có hằng số điện môi lớn hơn không khí, vật liệu nào có hằng số điện môi càng cao thì càng dễ được cảm biến phát hiện, ví dụ nước và không khí, cảm biến tiệm cận điện dung rất dễ phát hiện ra nước (vì hằng số điện môi của nước

= 80, còn không khí = 1)

- Đối với các chất kim loại khác nhau, khả năng phát hiện của cảm biến là không đổi, còn các chất khác thì phạm vi phát hiện của cảm biến là khác nhau tuỳ theo từng chất

Vì vậy cảm biến tiệm cận điện dung có thể dùng để phát hiện các vật liệu

có hằng số điện môi cao như chất lỏng dù nó được chứa trong hộp kín làm bằng vật liệu có hằng số điện môi thấp như thuỷ tinh, plastic, cần chắc chắn rằng đối tượng cảm biến phát hiện là chất lỏng chứ không phải là hộp

* Phân loại cảm biến tiệm cận điện dung:

Theo chức năng được chia ra làm 2 loại: NPN (Sinking) và PNP (Sourcing)

Có hể chia ra làm 2 loại đó là loại được bảo vệ (Shielded) và loại không được bảo vệ (Unshielded)

Loại được bảo vệ (Shielded) có vòng kim loại bao quanh giúp hướng vùng điện trường phía trước và có thể đặt ngang bằng với bề mặt làm việc

Loại không được bảo vệ (Unshielded) không có vòng kim loại bao quanh

và không thể đặt ngang bằng với bề mặt làm việc Xung quanh cảm biến phải có một vùng trống (giống cảm biến tiệm cận điện cảm loại không có bảo

vệ Unshielded), kích thước vùng trống tuỳ thuộc vào từng loại cảm biến

* Các yếu tố ảnh hưởng đến tầm phát hiện của cảm biến tiệm cận điện dung

- Kích thước của điện cực cảm biến

- Vật liệu và kích thước đối tượng

- Nhiệt độ môi trường

- Đối tượng tiêu chuẩn và hằng số điện môi: Đối tượng tiêu chuẩn được

hỉ định riện với từng loại cảm biến tiệm cận điện dung, thông thường chất liệu của đối tượng tiêu chuẩn được định nghĩa là kim loại hoặc nước

* Ưu nhược điểm của cảm biến tiệm cận điện dung:

- Ưu điểm:

+ Có thể cảm nhận vật dẫn điện và không dẫn điện

+ Tính chất tuyến tính và độ nhạy không tuỳ thuộc vào vật liệu kim loại

+ Dây nối với sensor phải ngắn để điện dung dây không ảnh hưởng đến

độ cộng hưởng của bộ dao động

* Một số ứng dụng của cảm biến tiệm cận điện dung:

- Dùng trong công nghiệp thực phẩm

- Dùng đo mực chất lỏng

48

- Dùng trong sản xuất chế biến gỗ

* Sơ đồ nguyên lý cho loại NPN (Sinking):

Sơ đồ kết nối đầu ra Giản đồ xung chế độ hoạt động

MODE HOẠT ĐỘNG NO

MODE HOẠT ĐỘNG NC

* Kiểm tra xác định loại NPN:

- Dùng đồng hồ VOM thang đo DC: que đen ở dây màu Black, que đỏ ở dây màu Brown kết quả kim đồng hồ lên gần bằng 24VDC

- Đối với loại NPN: tín hiệu ra âm (Output (-))

* Sơ đồ đấu nối thử tín hiệu ngõ ra:

* Sơ đồ nguyên lý cho loại PNP (Sourcing):

Sơ đồ kết nối đầu ra Giản đồ xung chế độ hoạt động

MODE HOẠT ĐỘNG NC

MODE HOẠT ĐỘNG NC

* Kiểm tra xác định loại PNP:

- Dùng đồng hồ VOM thang đo DC: que đỏ ở dây màu Black, que đen ở dây màu Blue kết quả kim đồng hồ lên gần bằng 24VDC

- Đối với loại NPN: tín hiệu ra dương (Output (+))

* Sơ đồ đấu nối thử tín hiệu ngõ ra:

0 V

2 4 V D C

50

* Hình dáng, cách mắc dây, ứng dụng của cảm biến điện dung

(capacitive proximity sensor)

Ví dụ : cảm biến điện dung đo tiệm cận loại E2KC(hình)

 -Hình dáng cảm biến

 -Cách mắc dây

 -Ưùng dụng :

 -Phát hiện mọi vật thể,

 -Có thể phát hiện vật

thể qua lớp cách

U ly(không phải là kim loại)

nhựa, ống thủy tinh

250VAC

Cơng nghiệp dầu mỏ

Hệ thống điều khiển kiểm tra vị trí của các thanh thép trước khi đưa vào máy hàn

52

4 Cảm biến tiệm cận siêu âm (Ultrasonic proximity sensor):

Cảm biến tiệm cận siêu âm có thể phát hiện hầu hết các loại đối tượng: kim loại hoặc không phải là kim loại, chất lỏng hoặc chất rắn, vật trong hoặc mờ đục (những vật có hệ số phản xạ sóng âm thanh đủ lớn)

Hình: Một vài loại cảm biến tiệm cận siêu âm do Siemens sản xuất

a Cấu trúc cảm biến tiệm cận siêu âm

Cảm biến tiệm cận siêu âm có 4 phần chính:

▪ Bộ phận phát và nhận sóng siêu âm (Transducer / Receiver):

▪ Bộ phận so sánh (Comparator)

▪ Mạch phát hiện (Detector Circuit)

Khi cảm biến nhận được sóng phản hồi, bộ phân so sánh tính toán khoảng cách bằng cách so sánh thời gian phát, nhận và vận tốc âm thanh

▪ Mạch điện ngõ ra (Output):

Tín hiệu ngõ ra có thể là digital hoặc analog Tín hiệu từ cảm biến digital báo có hay không sự xuất hiện đối tượng trong vùng cảm nhận của cảm biến Tín hiệu từ cảm biến analog chứa đựng thông tin khoảng cách của đối tượng đến cảm biến

Hình : Các thành phần của cảm biến tiệm cận siêu âm

b Nguyên lý hoạt động cảm biến tiệm cận siêu âm

Kĩ thuật cảm biến siêu

âm dựa trên đặc điểm vận

tốc âm thanh là hằng số

Thời gian sóng âm thanh đi

từ cảm biến đến đối tượng

và quay trở lại liên hệ trực

tiếp đến độ dài quãng

đường Vì vậy cảm biến

siêu âm thường được dùng

Vùng hoạt động: là khu vực giữa 2 giới hạn khoảng cách phát hiện lớn nhất

Ngoài ra để cảm biến không phát hiện đối tượng dù chúng di chuyển vào vùng hoạt động của cảm biến, người ta có thể tạo 1 lớp vỏ bằng chất liệu có khả năng không phản xạ lại sóng âm thanh

d Ưu nhược điểm của cảm biến tiệm cận siêu âm

Ưu điểm

▪ Khoảng cách mà cảm biến có thể phát hiện vật thể lên tới 15m

▪ Sóng phản hồi của cảm biến không phụ thuộc màu sắc của bề mặc đối tượng hay tính chất phản xạ ánh sáng của đối tượng ví dụ bề mặt kính trong suốt, bề mặt gốm màu nâu, bề mặt plastic màu trắng, hay bề mặt chất liệu nhôm sáng, trắng là như nhau

▪ Tín hiệu đáp ứng của cảm biến tiệm cận siêu âm analog là tỉ lệ tuyến tính với khoảng cách Điều này đặc biệt lý tưởng cho các ứng dụng như theo theo dõi các mức của vật chất, mức độ chuyển động của đối tượng

Nhược điểm

▪ Cảm biến tiệm cận siêu âm yêu cầu đối tượng có một diện tích bề mặt tối thiểu (giá trị này tùy thuộc vào từng loại cảm biến)

▪ Sóng phản hồi cảm biến nhận được có thể chịu ảnh hưởng của các sóng

âm thanh tạp âm

▪ Cảm biến tiệm cận siêu âm yêu cầu một khoảng thời gian sau mỗi lần sóng phát đi để sẵn sàng nhận sóng phản hồi Kết quả thời gian đáp ứng của cảm biến tiệm cận siêu âm nhìn chung chậm hơn các cảm biến khác

▪ Với các đối tượng có mật độ vật chất thấp như bọt hay vải (quần áo) rất khó để phát hiện với khoảng cách lớn

▪ Cảm biến tiệm cận siêu âm bị giới hạn khoảng cách phát hiện nhỏ nhất

▪ Sự thay đổi của môi trường như nhiệt độ (vận tốc âm thanh phụ thuộc vào nhiệt độ), áp suất, sự chuyển không đồng đều của không khí, bụi bẩn bay trong không khí gây ảnh hưởng đến kết quả đo

▪ Nhiệt độ bề mặt của đối tượng của ảnh hưởng đến phạm vi hoạt động của cảm biến Hơi nóng tỏa ra từ đối tượng có nhiệt độ cao làm méo dạng sóng, làm cho khoảng cách phát hiện của đối tương ngắn lại và giá trị khoảng cách không chính xác

Ảnh hưởng của nhiệt độ đối với sóng phản hồi

47

▪ Bề mặt phẳng phản hồi

năng lượng của sóng âm thanh

tốt hơn bề mặt gồ ghề Tuy

nhiên bề mặt trơn phẳng lại có

đòi hỏi khắc khe về vị trí góc

tạo thành giữa cảm biến và mặt

phẳng đối tượng (xem hình

2.27 và hình 2.28)

Đối tượng có bề mặt gồ ghề không yêu cầu

cảm biến đặt ở vị trí chính xác

Đối tượng có bề mặt phẳng yêu cầu cảm biến

e Một số ứng dụng của cảm biến tiệm cận siêu âm

Phát hiện sự hiện

diện, không hiện diện của

đối tượng trong suốt bằng

thủy tinh

Dùng trong điều khiển

mực chất lỏng

Đo khoảng cách, độ cao, hay

vị trí của phiến gỗ trên dây chuyền