Giáo trình Đo lường cảm biến

1.2 Định nghĩa và phân loại cảm biến Cảm biến là thiết bị chịu tác động của các đại lượng vật lý không có tính chất điện m và cho ra một đại lượng vật lý có tính chất điện x như: điện t

Trang 1

ỦY BAN NHÂN DÂN THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG CAO ĐẲNG GIAO THÔNG VẬN TẢI

………… o0o…………

GIÁO TRÌNH

Trang 2

LỜI NÓI ĐẦU

Đã từ lâu các sensor được sử dụng như những bộ phận để cảm nhận và phát hiện, nhưng chỉ từ vài ba chục năm trở lại đây chúng mới thể hiện vai trò quan trọng trong kỹ thuật và công nghiệp, đặc biệt là trong lĩnh vực đo lường, kiểm tra và điều khiển tự động Nhờ các tiến bộ của khoa học và công nghệ trong lĩnh vực vật liệu, thiết bị điện tử và tin học, các sensor đã được giảm thiểu về kích thước, cải thiện về tính năng và ngày càng mở rộng phạm vi ứng dụng Giờ đây không có một lĩnh vực nào từ dân sự đến quân sự mà ở đó không sử dụng sensor Chúng có mặt trong các hệ thống tự động phức tạp, người máy, kiểm tra chất lượng sản phẩm, tiết kiệm năng lượng, chống ô nhiễm môi trường, phát hiện an ninh và đặc biệt gần đây là trong các hệ thống nhà thông minh (smart home) Sensor cũng được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực giao thông vận tải, sản xuất hàng tiêu dùng, bảo quản thực phẩm

Môn học Đo lường cảm biến cung cấp các kiến thức về cảm biến và ứng dụng của các cảm biến Môn học này giới thiệu các loại cảm biến: quang, nhiệt, điện, âm thanh, cảm biến hình ảnh; Kỹ thuật lắp ráp các mạch chuyển đổi sơ cấp từ đại lượng không điện thành đại lượng điện; Kỹ thuật thiết kế mạch điều khiển ứng dụng cảm biến

Cuốn giáo trình này được biên soạn dựa trên chương trình khung đề cương chi tiết “Đo lường cảm biến” chương trình đào tạo sinh viên hệ cao đẳng ngành điện, điện tử, tự động hóa và đã được HỘI ĐỒNG THẨM ĐỊNH KHOA HỌC của nhà trường thông qua vào tháng 4/2014 Cuốn giáo trình chứa nội dung của 8 chương theo đúng trình tự và mục tiêu thiết kế của chương trình Các bài học lý thuyết được biên tập khá chi tiết, cập nhật các kiến thức mới và có tính ứng dụng cao Giáo trình trình bày khá đơn giản, dễ hiểu, cuối mỗi chương đều có phần câu hỏi ôn tập nhằm giúp người đọc củng cố kiến thức và rèn luyện thêm kỹ năng

Để tiếp thu tốt môn học này yêu cầu sinh viên cần trang bị đầy đủ kiến thức các môn như kỹ thuật điện tử, vi mạch số, đo lường và kỹ thuật đo Đọc trước tài liệu trước khi đến lớp

Mặc dù đã rất cố gắng nhưng không tránh khỏi những thiếu sót, rất mong đón nhận những ý kiến đóng góp từ phía độc giả để lần tái bản sau cuốn giáo trình hoàn thiện hơn

Chân thành cảm ơn!

Trang 3

M ỤC LỤC

CHƯƠNG 1 : KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ CẢM BIẾN (6 TIẾT) 6

1.1 Vai trò cảm biến trong đo lường và điều khiển 6

1.2 Định nghĩa và phân loại cảm biến 6

1.3 Các thông số đặc trưng của cảm biến 8

1.3.1 Độ nhạy của cảm biến: 8

1.3.2 Sai số của cảm biến 8

1.3.3 Độ tuyến tính của cảm biến: 9

1.4 Mạch xử lý tín hiệu cảm biến 10

1.5 Các hiệu ứng trong cảm biến 10

1.5.1 Hiệu ứng nhiệt điện 10

1.5.2 Hiệu ứng hỏa điện 10

1.5.3 Hiệu ứng áp điện 11

1.5.4 Hiệu ứng cảm ứng điện từ 11

1.5.5 Hiệu ứng quang điện 12

1.5.6 Hiệu ứng quang điện từ 12

1.5.7 Hiệu ứng Hall 12

CHƯƠNG 2 : CẢM BIẾN ĐO NHIỆT ĐỘ ( 6 tiết) 16

2.1 Thang nhiệt độ, điểm chuẩn nhiệt độ 16

2.2 Cảm biến nhiệt điện trở 17

2.3 Cảm biến nhiệt độ bán dẫn 23

2.4 Cảm biến cặp nhiệt điện ( Thermocouple) 26

2.5 Hoả kế, nhiệt kế bức xạ 29

2.5.1 Hỏa kế bức xạ toàn phần 29

2.5.2 Hỏa kế quang điện 30

2.6 Nhiệt kế áp suất lỏng và khí 31

CHƯƠNG 3 33

3.1 Nguồn phát quang sợi đốt và bán dẫn 33

3.2 Các đơn vị quang học 34

3.2.1 Đơn vị đo năng lượng 34

3.2.2 Đơn vị đo thị giác 35

Trang 4

3.3.2 Tế bào quang điện 37

3.4 Diode quang, Transistor quang 39

3.4.1 Diode quang 39

3.4.2 Photo transistor: 41

3.5 Sợi quang 42

3.6 Ứng dụng cảm biến quang 44

CHƯƠNG 4 50

4.1 Cảm biến biến trở 50

4.2 Cảm biến từ 51

4.3 Cảm biến biến áp vi sai 53

4.4 Cảm biến điện dung 55

4.4.1 Cảm biến tụ điện đơn 55

4.4.2 Cấu tạo tụ ghép vi sai 56

4.5 Cảm biến Hall 57

4.6 Cảm biến tiệm cận dạng điện cảm 61

4.7 Cảm biến tiệm cận dạng điện dung 63

CHƯƠNG 5 67

5.1 Máy phát tốc 67

5.2 Encoder 68

5.3 Tốc độ kế điện từ 72

5.3.1 Tốc độ kế điện từ đo vận tốc góc 72

5.3.2 Tốc độ kế điện từ đo vận tốc dài 75

5.4 Tốc độ kế xung 76

5.4.1 Tốc độ kế từ trở biến thiên 77

5.4.2 Tốc độ kế quang 77

5.5 Cảm biến gia tốc (công nghệ MEMS) 78

CHƯƠNG 6 : ĐO BIẾN DẠNG, LỰC VÀ TRỌNG LƯỢNG (6 TIẾT) 83

6.1 Cảm biến biến dạng (Strain gage) 83

6.2 Ứng dụng của Strain gage 84

6.3 Cảm biến trọng lượng (Loadcell) 86

6.4 Ứng dụng của Loadcell 88

6.5 Cảm biến đo áp suất chất lưu 90

6.5.1 Cảm biến áp suất kiểu điện trở: 90

6.5.2 Cảm biến áp suất kiểu áp điện: 91 CHƯƠNG 7 : ĐO LƯU LƯỢNG, TỐC ĐỘ VÀ MỨC CHẤT LƯU (6 Tiết)

Trang 5

7.3 Đo tốc độ gió 95

7.4 Đo mức bằng phao (áp suất thủy tĩnh) 96

7.4.1 Áp kế vi sai kiểu phao 96

7.4.2 Áp kế vi sai kiểu chuông 97

7.5 Đo mức bằng cảm biến điện dung 98

7.6 Đo mức bằng cảm biến siêu âm và quang 100

CHƯƠNG 8 : CÁC CẢM BIẾN ĐO LƯỜNG KHÁC (12 tiết) 105

8.1 Đo độ ẩm 105

8.2 Đo độ pH 107

8.3 Đo thành phần khí 107

8.3.1 Khí SO2(Lưu huỳnh dioxit) 109

8.3.2 Các cảm biến đo tự động hàm lượng các oxit Nitơ (NOx) 109

8.3.3 Đo nồng độ khí CO (Carbon monoxit) 110

8.4 Cảm biến thông minh 111

8.5 Cảm biến công tắc (Switch sensor) 113

Trang 6

Chương 1: Khái niệm cơ bản về cảm biến

: KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ CẢM BIẾN (6 TIẾT)

CHƯƠNG 1

1.1 Vai trò cảm biến trong đo lường và điều khiển

Trong các hệ thống điều khiển tự động, cảm biến đóng vai trò hết sức quan trọng vì nó là thiết

bị cung cấp thông tin của quá trình điều khiển cho bộ điều khiển để bộ điều khiển đưa ra những quyết định phù hợp nhằm nâng cao chất lượng của quá trình điều khiển Có thể so sánh các cảm biến trong hệ thống điều khiển tự động như là các giác quan của con người

Các hệ thống điều khiển tự động trong công nghiệp có vô số các đại lượng vật lý cần đo như: nhiệt độ, áp suất, dịch chuyển, lưu lượng,trọng lượng … cần đo Các đại lượng vật lý này không có tính chất điện, trong khi đó các bộ điều khiển và các cơ cấu chỉ thị lại làm việc với tín hiệu điện vì thế phải có thiết bị để chuyển đổi các đại lượng vật lý không có tính chất điện thành đại lượng điện tương ứng mang đầy đủ các tính chất của đại lượng vật lý cần đo Thiết bị chuyển đổi đó là cảm biến

1.2 Định nghĩa và phân loại cảm biến

Cảm biến là thiết bị chịu tác động của các đại lượng vật lý không có tính chất điện m và cho ra một đại lượng vật lý có tính chất điện x như: điện trở, điện tích, điện áp, dòng điện tương ứng với m

Cảm biến (Sensor)

Đầu vào m(Input)

Đầu ra X(Output)

Trang 7

Cơ Vị trí, lực, moment, áp lực, gia tốc, vận tốc

Theo tính năng của bộ cảm biến

Trang 8

1.3 Các thông số đặc trưng của cảm biến

1.3.1 Độ nhạy của cảm biến:

Độ nhạy của cảm biến ở giá trị m = m0 là tỷ số giữa biến thiên ở ngõ ra cửa cảm biến

∆x và biến thiên ở ngõ vào ∆m trong lân cận của m0 Gọi s là độ nhạy của cảm biến:

- Ảnh hưởng của môi trường xung quanh

Thông thường nhà sản xuất cung cấp giá trị s tương ứng với những điều kiện làm việc nhất định của cảm biến

1.3.2 Sai số của cảm biến

Các bộ cảm biến cũng như các dụng cụ đo lường khác, ngoài đại lượng cần đo còn chịu tác động của các đại lượng vật lý khác gây nên sai số giữa giá trị đo và giá trị thật

Sai số của cảm biến là sai lệch giữa giá trị đo được bằng cảm biến và giá trị thực của đại lượng cần đo, được đánh giá bằng % Nếu gọi x là giá trị thực của đại lượng cần đo, ∆x là sai lệch

Trang 9

Chương 1: Khái niệm cơ bản về cảm biến như sau:

(1.2)

Ví dụ: Một cảm biến nhiệt độ có độ nhạy là: s = 0,1 [mV/oC], tạo ra điện áp ở 100 [0

C] là 10,5 [mV] thì sai số của cảm biến là:

= 5%

Sai số của cảm biến mang tính chất ước tính vì không thể biết chính xác giá trị thực của đại lượng cần đo Khi đánh giá sai số ta thường chia thành hai loại: sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên

Sai số ngẫu nhiên:

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

số ngẫu nhiên:

- Do sự thay đổi đặc tính của thiết bị

- Do tín hiệu nhiễu ngẫu nhiên

- Do ảnh hưởng bởi các thông số môi trường như:từ trường, nhiệt độ, độ ẩm, độ rung …

1.3.3 Độ tuyến tính của cảm biến:

Cảm biến được gọi là tuyến tính trong một dải đo nếu có độ nhạy không đổi trong ở mọi điểm trong dải đo

 Trong chế độ tĩnh độ tuyến tính là sự không phụ thuộc độ nhạy vào giá trị của đại

lượng đo, thể hiện bằng đường thẳng đặc trưng

Trang 10

 Chế độ động cảm biến không phụ thuộc vào độ nhạy đến kết quả đo cũng như các

thông số về tần số, dao động tắt dần

1.4 Mạch xử lý tín hiệu cảm biến

Đáp ứng ngõ ra của cảm biến thường là không phù hợp với các cơ cấu chỉ thị hoặc các thiết bị đọc tín hiệu hồi tiếp trong các hệ thống điều khiển vì vậy cần có một mạch xử lý (chuyển đổi tín hiệu) cho phù hợp với các cơ cấu này

Cảm biến (Sensor)

Hình 1.1: Cấu trúc mạch xử lý dùng cảm biến

1.5 Các hiệu ứng trong cảm biến

1.5.1 Hiệu ứng nhiệt điện

Hai dây dẫn M1 và M2 có bản chất hóa học khác nhau được hàn lại thành 1 mạch kín, nếu nhiệt độ tại 2 mối hàn là T1 và T2 khác nhau khi đó xuất hiện 1 sức điện động e (T1,T2) có độ lớn phụ thuộc vào sự chênh lệnh nhiệt độ giữa T1 và T2

Hiệu ứng nhiệt điện thường được ứng dụng để đo nhiệt độ T1 khi biết nhiệt độ T2, thường chọn giá trị T2 = 0 0

C

Hình 1.2: Sơ đồ hiệu ứng nhiệt điện

1.5.2 Hiệu ứng hỏa điện

Một số tinh thể gọi là hỏa điện như tinh thể sulfate triglycine có tính phân cực điện tự phát với

độ phân cực phụ thuộc vào nhiệt độ làm xuất hiện điện tích trái dấu trên mặt đối diện của

Trang 11

Chương 1: Khái niệm cơ bản về cảm biến Hiệu ứng hỏa điện được dùng để đo thông lượng của bức xạ ánh sáng Khi ta chiếu một chùm ánh sáng vào tinh thể hỏa điện, tinh thể hấp thụ ánh sáng và nhiệt độ của nó tăng lên làm thay đổi sự phân cực của tinh thể Đo điện áp V ta có thể biết thông lượng ánh sáng

Hình 1.3: Cấu trúc hiệu ứng hỏa điện đo thông lượng ánh sáng

1.5.3 Hiệu ứng áp điện

Một số vật liệu áp điện như tinh thể thạch anh khi bị biến dạng dưới tác động của lực cơ học trên các mặt đối diện của tấm vật liệu xuất hiện những điện tích bằng nhau nhưng khác dấu được gọi là hiệu ứng áp điện Đo điện áp V ta xác định được lực tác dụng F

Hình 1.4: Ứng dụng hiệu ứng áp điện đo lực

1.5.4 Hiệu ứng cảm ứng điện từ

Khi một dây dẫn chuyển động trong từ trường không đổi, trong dây dẫn xuất hiện một sức điện động tỷ lệ với từ thông cắt ngang dây trong một đơn vị thời gian nghĩa là tỷ lệ với tốc độ dịch chuyển của dây Tương tự như vậy, trong một khung dây đặt trong từ trường biến thiên cũng xuất hiện một sức điện động tỷ lệ với tốc độ biến thiên của từ thông qua khung dây

Hình 1.5: Mô hình tạo cảm ứng điện từ

Trang 12

Chương 1: Khái niệm cơ bản về cảm biến Hiệu ứng cảm ứng điện từ được ứng dụng để xác định tốc độ dịch chuyển của vật thông qua việc đo suất điện động cảm ứng

1.5.5 Hiệu ứng quang điện

Hiệu ứng quang dẫn ( hiệu ứng quang điện nội )

Là hiện tượng giải phóng ra các hạt dẫn tự do trong vật liệu ( thường là bán dẫn) khi chiếu vào chúng một bức xạ ánh sáng có bước sóng nhỏ hơn một ngưỡng xác định

Hiệu ứng quang phát xạ điện tử ( hiệu ứng quang điện ngoài )

Là hiện tượng các điện tử được giải phóng và thoát ra khỏi bề mặt vật liệu tạo thành dòng và có thể thu lại nhờ tác dụng của điện trường

1.5.6 Hiệu ứng quang điện từ

Khi tác dụng 1 từ trường B vuông góc với bức xạ ánh sáng, trong vật liệu bán dẫn được chiếu sáng sẽ xuất hiện một hiệu điện thế theo hướng vuông góc với từ trường B và hướng bức xạ ánh sáng

Hình 1.6: Hiệu ứng quang - điện – từ

1.5.7 Hiệu ứng Hall

Khi đặt 1 tấm vật liệu mỏng thường là bán dẫn trong đó có dòng dòng điện chạy qua một từ trường B co phương tạo với dòng điện I một góc sẽ xuất hiện một hiệu điện thế V theo hướng vuông góc với B và I biểu thức có dạng

VH = KH I B sin (1.4) Trong đó KHlà hệ số phụ thuộc vào vật liệu và kích thước của tấm vật liệu

Trang 13

Hình 1.7: Mô hình tạo hiệu ứng Hall Hiệu ứng Hall được ứng dụng để xác định vị trí của một vật chuyển động vật cần xác định liên kết cơ học với thanh nam châm, ở mọi thời điểm thanh nam châm xác định giá trị từ trường B

và góc tương ứng với tấm bán dẫn mỏng làm vật trung gian Vì vậy hiệu điện thế VH phụ thuộc vào vị trí của vật trong không gian

Trang 14

Trang 15

CÂU HỎI ÔN TẬP

Câu 1: Em hiểu thế nào về cảm biến? Cho ví dụ minh họa

Câu 2: Trình bày các cách phân loại cảm biến

Câu 3: Cho biết các thông số quan trọng của cảm biến là gì? Trình bày đặc điểm các thông số đó?

Câu 4: Hiệu ứng áp điện là gì? Cho ví dụ minh họa và các ứng dụng của nó?

Câu 5: Thế nào là hiệu ứng Hall? Cho ví dụ minh họa và các ứng dụng của

Câu 6: Hiệu ứng cảm ứng điện từ là hoạt động như thế nào? Nêu phạm vi ứng dụng của nó? Câu 7: Cho biết các yếu tố dẫn đến sai số trong đo lường cảm biến

Câu 8:Thế nào là độ tuyến tính của cảm biến

TRẮC NGHIỆM

Câu 9: Thông số nào không phải là thông số đặc trưng của cảm biến

Câu 10: Mạch khuếch đại thường dùng trong các mạch đo lường và cảm biến

b Khuếch đại không đảo d Gồm a,b,c

Trang 16

Chương 2: Cảm biến đo nhiệt độ.

CHƯƠNG 2

2.1 Thang nhiệt độ, điểm chuẩn nhiệt độ

Nhiệt độ là một trong những đại lượng có ảnh hưởng rất lớn đến vật chất Trong công nghiệp, nghiên cứu khoa học hay đời sống hàng ngày việc đo nhiệt độ là rất cần thiết Đa số các đại lượng vật lý đều có thể xác định trực tiếp nhờ so sánh với đại lượng cùng bản chất nhiệt độ là đại lượng có thể đo gián tiếp dựa vào tính chất của vật liệu

Để đo nhiệt độ phải có thang đo nhiệt độ

Thang nhiệt độ tuyệt đối dựa vào tính chất khí lý tưởng: Thang Kelvin ( Thomson Kelvin – 1852) thang nhiệt động học tuyệt đối, đơn vị là K, trong thang này người ta gán cho nhiệt độ cân bằng ba trạng thái của nước , nước đá và hơi một trị số bằng 273.15K

Thang Celsius (Andreas Celsius – 1742): Thang nhiệt độ bách phân, đơn vị là độ C

T(0C) = T(K) – 273,15 (2.1) Thang Fahrenheit : (Fahrenheit – 1706) đơn vị là độ F, trong thang này nhiệt độ nước đá đang tan là 320F và nước sôi là 212o

Trang 17

Bảng 1.2: Bảng quy đổi nhiệt độ giữa các thang đo

Nhiệt độ Kelvin (K) Celcius (0C) Fahrenheit (0F)

Điểm 0 tuyệt đối 0 -273.15 -459.67

Hỗn hợp nước – nước đá 273.15 0 32

Cân bằng nước – nước đá – hơi 273.16 0.01 32.018

2.2 Cảm biến nhiệt điện trở

Cảm biến nhiệt điện trở là cảm biến có điện trở thay đổi theo nhiệt độ

Hình 2.1: Hình dạng cảm biến nhiệt điện trở

Cảm biến nhiệt điện trở kim loại (RTD)

 Cấu tạo: dùng dây dẫn kim loại: Đồng, Nikel, Platinum,…được quấn tùy theo hình

dáng lên lõi cách điện bằng gốm, sứ

Hình 2.2: Cấu tạo cảm biến nhiệt điện trở

 Nguyên lý: Khi nhiệt độ thay đổi điện trở giữa hai đầu dây kim loại này sẽ thay đổi, và

Trang 18

độ thấp, phương trình chuyển đổi của cảm biến là tuyến tính

R(T) = R0 (1 + T) (2.3) Với  là hệ số nhiệt điện trở tuy thuộc vào chất liệu của kim loại

Bảng 2.1: Bảng giá trị hệ số 

 (1/ 0 C) 3.9.10-3 4.3.10-3 5.4.10-3

Tầm đo cảm biến dùng kim loại khác nhau cũng có giá trị khác nhau

Bảng 2.2: Bảng thang đo nhiệt độ

Phổ biến nhất của RTD là loại cảm biến Pt, được làm từ Platinum có điện trở suất cao, chống oxy hóa, độ nhạy cao, dải nhiệt đo được dài Thường có các loại có điện trở R0 là: 100, 200,

500, 1000 ohm tại nhiệt độ 00

C Điện trở càng cao thì độ nhạy nhiệt càng cao

Hình 2.3: Hình dạng thật của một số loại cảm biến nhiệt điện trở

- RTD thường có loại 2 dây, 3 dây và 4 dây

: Cấu tạo của RTD

Trang 19

 Lưu ý khi sử dụng:

 Loại RTD 4 dây giảm điện trở dây dẫn đi 1/2, giúp hạn chế sai số

 Cách sử dụng của RTD tiện lợi hơn so với Thermocouple Chúng ta có thể nối thêm dây cho loại cảm biến này và có thể đo test bằng VOM được

 Vì là biến thiên điện trở nên không quan tâm đến chiều đấu dây

 Mạch đo sử dụng cảm biến nhiệt điện trở

Để chuyển đổi điện trở của cảm biến thành điện áp ta kết nối mạch như sau:

Hình 2.5: Mạch đo dùng cảm biến nhiệt điện trở Chọn R1 = R3, R2 = R4 thì điện áp ngõ ra là ( R : điện trở ở 00

C )

( ) ( ) (2.4)

Thermistor

 Cấu tạo: Thermistor được cấu tạo từ hổn hợp các bột oxid kim loại: mangan, nickel,

cobalt,… Các bột này được hòa trộn theo tỉ lệ và khối lượng nhất định sau đó được nén

chặt và nung ở nhiệt độ cao trên 10000C, sau đó người ta nối dây và phủ lên đó một lớp kim loại Và mức độ dẫn điện của hỗn hợp này sẽ thay đổi khi nhiệt độ thay đổi

Trang 20

Chương 2: Cảm biến đo nhiệt độ. Khi nhiệt độ thay đổi thì điện trở thay đổi theo phương trình

(2.5) Trong đó:

 R(T) và R0 là điện trở tại nhiệt độ T (độ K ) và T0 (độ K)

  là hệ số có giá trị từ 3000 – 5000 tùy theo công nghệ chế tạo sensor

Hình 2.7: Hình ảnh thực tế của Thermistor

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

 Ưu điểm: Bền, rẽ tiền, dễ chế tạo, Độ chính xác cao (±0.020

C)

 Khuyết điểm: Dãy tuyến tính hẹp Tầm đo hẹp

 Tầm đo: Từ 50 đến 1500

C

 Phân loại: Có hai loại thermistor: Hệ số nhiệt dương PTC ( PTC-positive temperature

coefficient)- điện trở tăng theo nhiệt độ; Hệ số nhiệt âm NTC (NTC-negative

temperature coefficient) – điện trở giảm theo nhiệt độ Thường dùng nhất là loại NTC

Loại NTC có 3 chế độ hoạt động:

 Chế độ điện áp – dòng điện: Khi thermistor bị quá nhiệt do năng lượng của nó Chế

độ này, thermistor thích hợp để đo sự thay đổi của điều kiện môi trường, ví dụ như sự thay đổi của lưu lượng khí qua cảm biến

Trang 21

Hình 2.8: đồ thị biểu diễn quan hệ điện áp – dòng điện

 Chế độ dòng điện – thời gian: Phụ thuộc vào hằng số tiêu tán nhiệt của vỏ và nhiệt

dung của phần tử Khi cấp dòng điện vào thermistor vỏ bắt đầu tự đốt nóng Nếu dòng điện liên tục thì điện trở thermistor bắt đầu giảm Đặc trưng này được sử dụng

để làm chậm các ảnh hưởng của các gai áp cao

Hình 2.9: Đồ thị quan hệ thời gian – dòng điện

 Chế độ điện trở - nhiệt độ: Ở chế độ này, thermistor hoạt động ở điều kiện công suất

zero, nghĩa là không xảy ra sự tự đốt nóng

Trang 22

Hình 2.10: Đồ thị quan hệ điện trở - nhiệt độ

 Thường dùng: Làm các chức năng bảo vệ, ép vào cuộn dây động cơ, mạch điện tử Do

thermistor chỉ tuyến tính trong khoảng nhiệt độ nhất định 50-1500

C do vậy người ta ít dùng để dùng làm cảm biến đo nhiệt Chỉ sử dụng trong các mục đích bảo vệ, ngắt nhiệt, trong điện lạnh thường gọi là Tẹt-mít

 Trong gia đình: tủ lạnh, máy rửa chén, nồi cơm điện, máy sấy tóc,…

 Trong xe hơi: đo nhiệt độ nước làm lạnh hay dầu, theo dõi nhiệt độ của khí thải, đầu xilanh hay hệ thống thắng,…

 Hệ thống điều hòa và sưởi: theo dõi nhiệt độ phòng, nhiệt độ khí thải hay lò đốt,…

 Trong công nghiệp: ổn định nhiệt cho diode laser hay các phần tử quang, bù nhiệt cho cuộn dây đồng,…

 Trong viễn thông: đo và bù nhiệt cho điện thoại di động

 Lưu ý khi sử dụng:

 Tùy vào nhiệt độ môi trường nào mà chọn Thermistor cho thích hợp

 Hai loại PTC và NTC (thường đóng/thường hở) Kiểm tra dùng đồng hồ VOM

 Nên ép chặt vào bề mặt cần đo

 Tránh làm hỏng vỏ bảo vệ

 Vì điện trở nên không quan tâm chiều đấu dây

Trang 23

Hình 2.11: Sơ đồ mạch cảnh báo nhiệt độ dùng Thermistor

2.3 Cảm biến nhiệt độ bán dẫn

 Cấu tạo: Gồm các tiếp giáp P – N kết hợp với các mạch đo thành các vi mạch

 Nguyên lý: Dựa trên nguyên tắc tiếp giáp của mối nối P – N

Hình 2.12: Sự phân cực mối nối P – N Phương trình chuyển đổi

Trang 24

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

chính xác cao (±0.020C)

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

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

Trang 25

Hình 2.14: Hình dáng thật của LM35

- Gần đây có cho ra đời IC cảm biến nhiệt cao cấp, chúng hỗ trợ luôn cả chuẩn truyền thông I2C ( DS18B20 ) mở ra một xu hướng mới

Mạch đo nhiệt độ dùng cảm biến bán dẫn LM335

Hình 2.15: Sơ đồ mạch đo nhiệt độ dùng LM335

Trang 26

cảm biến sẽ mất tác dụng

 Loại cảm biến này kém chịu đựng trong môi trường khắc nghiệt: Ẩm cao, hóa chất

có tính ăn mòn, rung sốc va chạm mạnh

2.4 Cảm biến cặp nhiệt điện ( Thermocouple)

 Cấu tạo: Gồm 2 dây kim loại khác nhau được hàn dính 1 đầu gọi là đầu nóng ( hay đầu

đo), hai đầu còn lại gọi là đầu lạnh ( hay là đầu chuẩn ) Yêu cầu:

Trang 27

6 Vít nối dây

7 Dây nối

8 Đầu nối dây

Đầu làm việc của điện cực (3) được hàn với nhau bằng hàn vảy, hàn khí hoặc hàn bằng tia điện

tử đầu tự do nối với dây (7) tới dụng cụ đo nhờ vít (6) nằm trong đầu nối (8) Để cách ly điện cực người ta dùng ống sứ cách điện (4) Để bảo vệ điện cực các cặp nhiệt có vỏ bảo vệ (1) làm bằng sứ hoặc thép chịu nhiệt hệ thống vỏ bao vệ phải có điện dung đủ nhỏ để giảm bớt quán tính nhiệt và lớp vỏ phải có độ dẫn nhiệt không quá nhỏ nhưng cũng không quá lớn

Cặp nhiệt Platin – Rođi/Platin:

 Cực dương là Platin(90%) và Roodi (10%), cực âm là Platin sạch

 Nhiệt độ làm việc ngắn hạn cho phép tới 16000

C, Eđ = 16,77mV

 Nhiệt độ làm việc dài hạn < 13000

C

 Do sai biệt nhỏ nên thường dùng làm cặp nhiệt chuẩn

Cặp nhiệt Chromel / Alumel:

 Cực dương là Chromel, hợp kim gồm 80%Ni + 10%Cr + 10%Fe

 Cực âm là Alumen, hợp kim gồm 95%Ni + 5% (Mn + Cr + Si)

 Nhiệt độ làm việc ngắn hạn khoảng 11000C, Eđ == 46,16 mV

C

Cặp nhiệt Chromel / Coben:

 Cực dương là Chromel, Cực âm là Coben, hợp kim gồm 56%Cu + 44% Ni

 Nhiệt độ làm việc ngắn hạn khoảng 8000C, Eđ == 66 mV

C

Cặp nhiệt Đồng / Coben:

 Cực dương là Đồng sạch, Cực âm là Coben

 Nhiệt độ làm việc ngắn hạn khoảng 6000C,

 Nhiệt độ làm việc dài hạn < 3000C

 Thường dùng trong phòng thí nghiệm vì dễ chế tạo

Trang 28

Chương 2: Cảm biến đo nhiệt độ. Quan hệ giữa sức điện động và nhiệt độ

Hình 2.18: Quan hệ sức điện động của các loại cảm biến

 Nguyên lý: Khi có sự chênh lệch nhiệt độ giữa đầu nóng và đầu lạnh thì sẽ phát sinh 1

sức điện động (mV) tại đầu lạnh Một vấn đề đặt ra là phải ổn định và đo được nhiệt độ

ở đầu lạnh, điều này tùy thuộc rất lớn vào chất liệu Có nhiều chủng loại cặp nhiệt độ,

mỗi loại cho ra 1 sức điện động khác nhau: E, J, K, R, S, T

- Hiệu điện áp mạch hở (điện áp Seebeck) là hàm của nhiệt độ và thành phần của 2 kim loại Khi nhiệt độ thay đổi nhỏ, điện áp Seebeck tỉ lệ tuyến tính với nhiệt độ :

eAB = T Với : hệ số Seebeck, hằng số tỉ lệ

Hình 2.19: Cách tạo ra điện áp Seebeck Thí dụ: Hiệu điện áp Thermocouple loại K tại 3000

C = 12.2mV

Hình 2.30: Điện áp seebeck của Ni-Cr / Ni-Al

Trang 29

- Dây của cặp nhiệt điện thì không dài để nối đến bộ điều khiển, dẫn đến không chính xác nên

để giải quyết điều này chúng ta phải bù trừ cho nó ( offset trên bộ điều khiển )

 Ưu điểm: Bền, đo được 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,…

Thông thường có 2 loại : hỏa kế bức xạ có ống kính hội tụ và hỏa kế bức xạ có kính phản xạ

Hình 2.32: hỏa kế bức xạ toàn phần

Bộ phận thu năng lượng có thể là một vi nhiệt kế điện trở hoặc là một tổ hợp cặp nhiệt, chúng phải thỏa mãn các yêu cầu:

Trang 30

Chế tạo dựa trên định luật Plăng

Trong đó:  là bước sóng, C1, C2 : hằng số

Nguyên tắc đo nhiệt độ là so sánh cường độ sáng của vật cần đo với độ sáng đèn mẫu ở cùng một bước sóng nhất định theo cúng một hướng khi độ sáng bằng nhau thì nhiệt độ bằng nhau

Hình 2.33: Quan hệ giữa cường độ sáng và bước sóng theo nhiệt độ

Sự phụ thuộc giữa I và  là không đơn trị nên ta thường chọn  = 0.65um

Trang 31

1: Nguồn bức xạ; 2: Vật kính; 3: Kính lọc; 4-6: thành ngăn;

5: bóng đèn mẫu; 7: kính lọc ánh sáng đỏ; 8: thị kính

Hình 2.34: Sơ đồ hỏa kế quang học Khi đo hướng hỏa kế vào vật cần đo, ánh sáng từ vật bức xạ cần đo nhiệt độ (1) qua vật kính (2), kính lọc (3) và các vách ngăn (4) , (6), kính lọc ánh sáng đỏ (7) tới thị kính (8) và mắt bậc công tắc K để cấp điện nung nóng dây tóc bóng đèn mẫu (5), điều chỉnh biến trở Rb để độ sáng của dây tóc bóng đèn trùng với độ sáng của vật cần đo

Sai số khi đo: phụ thuộc vào phép đo và khảng cách đo

2.6 Nhiệt kế áp suất lỏng và khí

Nhiệt kế gồm bình nhiệt (1), ông mao (2) và chất lỏng (3) Chất lỏng thường dùng là thủy ngân

có hệ số giãn nở nhiệt  = 18.10-5

/0C, vỏ nhiệt kế thủy ngân có  = 2.10-5

/0C khi đo nhiệt độ, bình nhiệt được đặt tiếp xúc với môi trường đo, chất lỏng dãn nở và đang lên ống mao dẫn, thang đo nhiệt chia độ dọc theo ống mao Dãi nhiệt độ từ 50 – 6000C tùy theo vật liệu chế tạo

vỏ bọc

Trang 32

CÂU HỎI ÔN TẬP

Câu 1: Trình bày cấu tạo và nguyên lý hoạt động của Thermictor

Câu 2: Trình bày ưu, khuyết điểm của cảm biến cặp nhiệt điện – Thermocouple

Câu 3: Trình bày đặc điểm của cảm biến hỏa kế và phạm vi ứng dụng của nó trong thực tế

Câu 4: Trình bày cấu tạo và đặc điểm của Cặp nhiệt Chromel / Alumel:

Câu 5: Thiết kế sơ đồ mạch đo nhiệt độ dùng cảm biến LM35

Câu 6: Cho biết ý nghĩa các thông số trình bày trong datasheet của LM335 và cách sử dụng LM335 như thế nào?

Câu 7: Trình bày cấu tạo và hoạt động, ứng dụng của cảm biến nhiệt điện trở

Câu 13: Khi đo nhiệt độ dùng Thermocouple ta nên giữ nhiệt độ

a Đầu nóng không đổi c Hiệu (T1 – T2) không đổi

b Tổng (T1 + T2) không đổi d Đầu lạnh không đổi

Trang 33

Chương 3: Cảm biến quang học

3.1 Nguồn phát quang sợi đốt và bán dẫn

Ánh sáng vừa có tính chất sóng và tính chất hạt, ánh sáng là một dạng sóng điện từ, vùng ánh sáng nhìn thấy từ 0.38 – 0.76m

Hình 3.1: Vùng phân bố ánh sáng Ánh sáng gồm các hạt nhỏ gọi là photon, mỗi hạt mang một năng lượng nhất định

Nguồn sáng quyết định mọi đặc tính quang trọng của bức xạ, việc sử dụng cảm biến quang chỉ

có hiệu quả khi nó phù hợp với ánh sáng Các nguồn sáng thông dụng gồm đèn sợi đốt, đèn led, đèn lazer

Đèn sợi đốt

 Cấu tạo: Gồm sợi Voonfram đặt trong bóng thủy tinh hoặc thạch anh chứa các khí trơ

hoặc Halogen để giảm bay hơi của sợi đốt

Trang 34

 Đặc điểm: dải phổ rộng, hiệu suất phát quang thấp, quán tính nhiệt lớn, tuổi thọ thấp Đèn bán dẫn

 Cấu tạo:Là nguồn sáng bán dẫn trong đó năng lượng giải phóng do tái hợp điện tử - lỗ

trống gần chuyển tiếp P – N làm phát sinh các Photon

 Đặc điểm: Thời gian đáp ứng nhanh (ns), tuổi thọ cao (gần 100.000 giờ), kích thước

nhỏ, tiêu thụ công suất thấp, độ bền cao, quang thông cỡ mW

Hình 3.3 Hình ảnh một số loại đèn Led

- 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)

- LED thông dụng nhất: LED đỏ, LED hồng ngoại hoặc LED lazer Một số dòng cảm biến đặc biệt dùng LED trắng hoặc xanh lá Ngoài ra cũng có LED vàng

3.2 Các đơn vị quang học

3.2.1 Đơn vị đo năng lượng

- Năng lượng bức xạ Q là năng lượng lan truyền hoặc hấp thu dưới dạng bức xạ đo bằng Jun (J)

- Thông lượng ánh sáng () là công suất phát xạ, lan truyền hoặc hấp thu đo bằng Oat (W)

(3.2)

- Cường đồ ánh sáng (I) là luồng năng lượng phát ra theo một hướng cho trước ứng với một đon vị góc khối tính bằng W/steriadian

Trang 35

(3.3)

- Độ chói năng lượng (L) là tỷ số giữa cường độ ánh sáng phát ra bởi một phần tử bề mặt có diện tích dA theo một hướng xác định và diện tích hình chiếu dAn của phần tử này trên mặt phẳng P vuông góc với hướng đó

- Độ rọi năng lượng (E) là tỷ số giữa luồng năng lượng thu được bởi một phần tử bề mặt và diện tích của phần tử đó Đơn vị đo là Oat/m2

(3.5)

3.2.2 Đơn vị đo thị giác

Độ nhạy của mắt người với ánh sáng có bước sóng khác nhau là khác nhau

Hình 3.4 Đường cong độ nhạy tương đối của mắt Theo quy ước một luồng sáng có năng lượng 1W ứng với bước sóng max , tương ứng với luồng sáng bằng 680 lumen, do đó K = 680

Luồng sáng đơn sắc tính theo thị giác

V () = 680V()() lumen (3.6) Đối với ánh sáng liên tục

∫  



Trang 36

Bảng 3.1 : Các đơn vị đo ánh sáng cơ bản

3.3 Quang trở, tế bào quang điện

Trang 37

 Chiếu askt có bước sóng nhỏ hơn giới hạn quang dẫn: xuất hiện dòng điện

 Điện trở của quang trở giảm rất mạnh khi có ánh sáng kích thích thích hợp

Tế bào quang điện là một loại cảm biến quang dựa trên hiện tượng quang dẫn do kết quả của hiệu ứng quang điện bên trong Đó là hiện tượng giải phóng các hạt tải điện trong vật liệu bán dẫn dưới tác dụng của ánh sáng

Hình 3.5: Hình dạng cấu tạo của tế bào quang điện

 Cấu tạo: Tế bào quang dẫn thường được chế tạo bằng các bán dẫn đa tinh thể đồng nhất

hoặc đơn tinh thể, bán dẫn riêng hoặc pha tạp

 Đa tinh thể: CdS, CdSe, CdTe, PbS, PbSe, PbTe

 Đơn tinh thể: Ge, Si tinh khiết hoặc phatạp Au, Cu, Sb, In, SbIn, AsIn, CdHgTe

 Tính chất : Điện trở vùng tối Rco phụ thuộc vào hình dạng, kích thuớc, nhiệt độ và bản

chất lý hoá của vật liệu Các chất PbS, CdS, CdSe có điện trở vùng tối rất cao ( từ 104

tới 105Ω ở 25oC), trong khi đó SbIn, AbSs, CdHgTe có điện trở vùng tối tương đối nhỏ (từ 10 tới 103Ω ở 25oC) Khi được chiếu sáng, điện trở cửa tế bào quang dẫn giảm xuống

rất nhanh, quan hệ giữ điện trở của tế bào quang dẫn và độ rọi sáng:

Trang 38

Trong đó: a là hằng số phụ thuộc vật liệu, 0.5<  < 1

Hình 3.6: Quan hệ giữa độ rọi và điện trở

 Ánh sáng có bước sóng thích hợp rọi vào điện cực dương + (trong suốt) vào lớp bán dẫn

loại p

 Tại lớp p, xảy ra hiện tượng quang điện trong tạo thành lỗ trống và electron quang điện

 Điện trường lớp tiếp xúc p - n đẩy lỗ trống về lớp p và đẩy e về lớp n

 Lớp kim loại mỏng nhiễm điện dương

 Phần đế tiếp xúc với lớp n nhiễm điện âm trở thành cực âm

Hình 3.7: Nguyên lý hoạt động của tế bào quang điện

 Ứng dụng của tế bào quang dẫn:

Trang 39

Tế bào quang dẫn thường được dùng để đo thông lượng ánh sáng, kết hợp với nguồn sáng để

dò vạch dẫn dường cho các mobile robot, đọc mã vạch, phát hiện đầu băng trắng, điều khiển đóng ngắt Relay theo ánh sáng …

 Sơ đồ dùng tế bào quang dẫn:

Hình 3.8: Sơ đồ điều khiển đóng ngắt Relay theo ánh sáng

Hình 3.9: Sơ đồ dùng tế bào quang điện để dò vạch dẫn đường, đọc mã vạch

3.4 Diode quang, Transistor quang.

3.4.1 Diode quang

Cấu tạo: Photo diode là một tiếp giáp p-n được tạo bởi các vật liệu như: Ge, Si (Cho vùng

ánh sáng trông thấy và gần hồng ngoại), GaAs, InAs, CdHgTe, InSb cho vùng ánh sáng

hồng ngoại

Trang 40

Hình 3.10: Cấu tạo của photo Diode

Nguyên lý làm việc của photo diode: Khi chiếu sáng lên bề mặt của photo diode bằng bức

xạ có bước sóng nhỏ hơn bước sóng ngưỡng < nsẽ xuất hiện thêm các cặp điện tử – lỗ trống

Để các hạt này có thể tham gia vào độ dẫn và làm tăng dòng điện I tacần phải ngăn quá trình tái hợp của chúng nghĩa là phải nhanh chóng tách cặp điện tử – lỗ trống dưới tác dụng của điện trường Quá trình này chỉ xảy ra trong vùng nghèo và làm tăng dòng điện ngược

Các chế độ làm việc của photo Diode:

Ứng dụng của photo diode: Photo diode có thể dùng để đo thông lượng ánh sáng, dò vạch

dẫn đường cho mobile robot, làm đầu thu trong các bộ điều khiển từ xa, đọc mã vạch …

Sơ đồ dùng photo diode:

Định dạng
Số trang	116
Dung lượng	3,77 MB