(NB) Bài giảng Kỹ thuật cảm biến cung cấp cho người học những kiến thức như: Khái niệm cơ bản về các bộ cảm biến; Cảm biến nhiệt độ; Cảm biến tiệm cận; Đo vận tốc vòng quay và góc quay. Mời các bạn cùng tham khảo!
KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ CÁC BỘ CẢM BIẾN
Khái niệm cơ bản về các bộ cảm biến
Cảm biến, xuất phát từ chữ "sense" có nghĩa là giác quan, hoạt động giống như các giác quan trong cơ thể con người Nhờ có cảm biến, mạch điện và hệ thống điện có khả năng thu nhận thông tin từ môi trường bên ngoài Điều này cho phép các hệ thống máy móc và điện tử tự động hiển thị thông tin về các đại lượng đang được cảm nhận, cũng như điều khiển các quá trình định trước một cách linh hoạt, thích ứng với môi trường hoạt động.
- Để dễ hiểu có thể so sánh cảm nhận của cảm biến qua 5 giác quan của con người như sau:
Bảng 1.1 So sánh cảm nhận của cảm biến qua 5 giác quan của con người
5 giác quan Thay đổi môi trường Thiết bị cảm biến
Thính giác Ánh sáng, hình dạng, kích thước, vị trí xa gần, màu sắc Áp suất, nhiệt độ, cơn đau, tiếp xúc, tiệm cận, ẩm, khô
Ngọt, mặn, chua cay, béo
Cảm biến thu hình, cảm biến quang
Nhiệt trở, cảm biến tiệm cận, cảm biến độ rung động Đo lượng đường trong máu
Cảm biến sóng siêu âm, mi-cro Đo độ cồn, thiết bị cảm
Khứu giác Âm rầm bổng, sóng âm, âm lượng
Mùi của các chất khí, chất lỏng nhận khí ga
Cảm biến là thiết bị điện tử có khả năng cảm nhận các trạng thái hoặc quá trình vật lý và hóa học trong môi trường khảo sát, sau đó chuyển đổi chúng thành tín hiệu điện Thông tin thu thập được sẽ được xử lý để xác định các tham số định tính hoặc định lượng, phục vụ cho nghiên cứu khoa học, kỹ thuật và nhu cầu dân sinh Nói tóm lại, cảm biến đóng vai trò quan trọng trong việc đo đạc, truyền và xử lý thông tin cũng như điều khiển các quá trình khác.
Các đại lượng cần đo như nhiệt độ và áp suất thường không có tính chất điện Tuy nhiên, khi tác động lên cảm biến, chúng tạo ra một đại lượng đặc trưng mang tính chất điện như điện tích, điện áp hoặc dòng điện Những đại lượng này chứa đựng thông tin quan trọng, giúp xác định giá trị của đại lượng đo.
- Đặc trưng (s) là hàm của đại lượng cần đo (m): s = f(m) (1.1)
Hình 1.1 Chuyển đổi của bộ cảm biến
Đại lượng đầu ra (s) của cảm biến phản ánh phản ứng của nó, trong khi đại lượng đầu vào (m) là kích thích, xuất phát từ đại lượng cần đo Qua quá trình đo đạc, giá trị của (m) có thể được xác định thông qua (s).
- Độ nhạy của cảm biến: Là đại lượng biểu diễn sự so sánh giữa độ biến thiên đầu ra so với độ biến thiên đầu vào
9 ds: Biến thiên đại lượng đầu ra dm: Biến thiên đại lượng đầu vào
- Thông thường nhà sản xuất sẽ cung cấp giá trị của độ nhạy S tương ứng với những điều kiện làm việc nhất định của cảm biến
Để đảm bảo độ chính xác cao trong phép đo, thiết kế và sử dụng cảm biến cần duy trì độ nhạy S ổn định, tức là giảm thiểu sự phụ thuộc vào giá trị của đại lượng cần đo cũng như tần số thay đổi của nó.
+ Ảnh hưởng của các đại lượng vật lý khác (không phải là đại lượng đo) của môi trường xung quanh
- Độ nhạy trong chế độ tĩnh là đại lượng đo không biến thiên tuần hoàn theo thời gian
- Độ nhạy trong chế độ động được xác định khi đại lượng đo biến thiên tuần hoàn theo thời gian
Đường cong chuẩn cảm biến là biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa đại lượng điện (s) ở đầu ra của cảm biến và giá trị đại lượng đo (m) ở đầu vào.
Phạm vi ứng dụng
Công nghệ này được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như công nghiệp, nghiên cứu khoa học, môi trường, khí tượng thủy văn, thông tin viễn thông, nông nghiệp, giao thông, vũ trụ, quân sự, và gia dụng Nó cũng đóng vai trò quan trọng trong kỹ thuật điều khiển và đo lường.
Trong quá trình sử dụng, cảm biến thường bị ảnh hưởng bởi các lực cơ học và tác động nhiệt Khi những tác động này vượt quá ngưỡng cho phép, đặc trưng làm việc của cảm biến sẽ bị thay đổi Do đó, người dùng cần nắm rõ các giới hạn và sai số liên quan để đảm bảo hiệu suất hoạt động của cảm biến.
1.2.1 Vùng làm việc danh định
Vùng làm việc danh định của cảm biến được xác định dựa trên các điều kiện sử dụng bình thường Giới hạn của vùng này bao gồm các giá trị ngưỡng liên quan đến các đại lượng đo, các đại lượng vật lý có liên quan, và các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình đo lường.
10 thường xuyên đạt tới mà không làm thay đổi các đặc trưng làm việc danh định của cảm biến
1.2.2 Vùng không gây nên hư hỏng
Vùng không gây hư hỏng là khu vực mà các đại lượng đo và các yếu tố vật lý liên quan có thể vượt quá ngưỡng của vùng làm việc danh định nhưng vẫn không gây ra hư hỏng Mặc dù các đặc trưng của cảm biến có thể thay đổi, những thay đổi này là thuận nghịch, nghĩa là khi trở lại vùng làm việc danh định, các đặc trưng của cảm biến sẽ phục hồi về giá trị ban đầu.
Vùng không phá hủy là khu vực mà các đại lượng đo và các yếu tố liên quan vượt qua ngưỡng an toàn mà không gây hư hỏng, nhưng vẫn nằm trong giới hạn không bị phá hủy Khi các đặc trưng của cảm biến bị thay đổi, những thay đổi này là không thuận nghịch, có nghĩa là khi trở về vùng làm việc danh định, các đặc trưng của cảm biến không thể trở lại giá trị ban đầu Mặc dù cảm biến vẫn có thể sử dụng, nhưng cần phải tiến hành hiệu chuẩn lại để đảm bảo độ chính xác.
1.2.4 Sai số và độ chính xác a Sai số
- Là giá trị sai lệch giữa giá trị đo được và giá trị thực của đại lượng cần đo
(1.3) Trong đó: x: Giá trị thực
x: Sai lệch giữa giá trị đo và giá trị thực b Sai số hệ thống
Sai số hệ thống là loại sai số không phụ thuộc vào số lần đo, có giá trị ổn định hoặc thay đổi chậm theo thời gian Nó tạo ra một độ lệch không đổi giữa giá trị thực và giá trị đo được.
- Các nguyên nhân gây ra sai số hệ thống có thể là:
+ Do nguyên lý của cảm biến
+ Do giá trị của đại lượng chuẩn không đúng
+ Do đặc tính của bộ cảm biến
+ Do điều kiện và chế độ sử dụng
+ Do xử lý kết quả đo c Sai số ngẫu nhiên
Sai số ngẫu nhiên là loại sai số có độ lớn và chiều không xác định Mặc dù chúng ta có thể dự đoán một số nguyên nhân gây ra sai số này, nhưng không thể xác định chính xác độ lớn và dấu hiệu của nó.
- Những nguyên nhân gây ra sai số ngẫu nhiên có thể là:
+ Do sự thay đổi đặc tính của thiết bị
+ Do tín hiệu nhiễu ngẫu nhiên
+ Do các đại lượng ảnh hưởng không được tính đến khi chuẩn cảm biến
1.2.5 Độ nhanh và thời gian hồi đáp
Độ nhanh của cảm biến thể hiện khả năng theo kịp biến đổi của đại lượng đầu ra khi đại lượng đầu vào thay đổi Thời gian hồi đáp là thông số quan trọng để xác định giá trị của độ nhanh này.
Độ nhanh được định nghĩa là khoảng thời gian từ khi một đại lượng đo thay đổi đột ngột cho đến khi biến thiên của đại lượng đầu ra chỉ còn khác giá trị cuối cùng một lượng giới hạn ε, được tính bằng %.
Thời gian hồi đáp xác định khoảng thời gian cần chờ đợi sau khi có sự biến thiên của đại lượng đo, để đảm bảo giá trị đầu ra đạt độ chính xác đã được xác định trước.
- Một cảm biến được gọi là tuyến tính trong một dải đo xác định, nếu trong dải đo đó, độ nhạy không phụ thuộc vào đại lượng đo
Nếu cảm biến không tuyến tính, cần sử dụng các thiết bị hiệu chỉnh trong mạch đo để đảm bảo tín hiệu điện đầu ra tỷ lệ thuận với sự thay đổi của đại lượng đo ở đầu vào Quá trình này được gọi là tuyến tính hóa.
CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ
Đại cương về cảm biến nhiệt độ
Nhiệt độ ảnh hưởng lớn đến tính chất vật chất và đóng vai trò quan trọng trong sản xuất công nghiệp cũng như nhiều lĩnh vực khác Do đó, việc đo nhiệt độ là cần thiết trong nghiên cứu khoa học, công nghiệp và đời sống Tuy nhiên, xác định chính xác nhiệt độ không phải là vấn đề đơn giản, vì hầu hết các đại lượng vật lý có thể được xác định trực tiếp thông qua so sánh 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
- Cảm biến nhiệt độ là thiết bị dùng để cảm nhận sự biến đổi về nhiệt độ của đại lượng cần đo
Hiện nay, thị trường có đa dạng loại cảm biến nhiệt độ với những đặc điểm khác nhau, phục vụ cho nhiều ứng dụng thực tế Chúng được sử dụng trong hệ thống HVAC, hệ thống điều khiển môi trường AC, trang bị y tế, xử lý thực phẩm, xử lý hóa chất, điều khiển ô tô, cũng như đo nhiệt độ trong các bồn đun nước, đun dầu, lò nung, lò sấy và các loại máy móc khác.
2.1.1 Thang đo nhiệt độ a Thang Kelvin (Thomson Kelvin - 1852)
- Thang nhiệt độ động học tuyệt đối, đơn vị nhiệt độ là K
Trong thang đo nhiệt độ, điểm cân bằng ba trạng thái của nước, nước đá và hơi nước được gán giá trị 273,15 K Thang Celsius, được phát triển bởi Andreas Celsius vào năm 1742, cũng sử dụng điểm này làm mốc quan trọng trong việc đo lường nhiệt độ.
- Thang nhiệt độ bách phân, đơn vị nhiệt độ là o C
- Nhiệt độ Celsius xác định qua nhiệt độ Kelvin theo biểu thức:
- Đơn vị nhiệt độ là o F Trong thang đo này, nhiệt độ của điểm nước đá tan là 32 o F và điểm nước sôi là 212 o F
- Quan hệ giữa nhiệt độ Fahrenheit và nhiệt Celssius: °C = 5/9 (F – 32) (2.2) °F = 9/5 (C + 32) (2.3)
Bảng 2.1 Bảng cho các giá trị tương ứng của một số nhiệt độ quan trọng theo các thang đo khác nhau
Cân bằng nước - nước đá - hơi
2.1.2 Nhiệt độ đo được và nhiệt độ cần đo
Giả sử môi trường đo có nhiệt độ thực là Tx, nhưng cảm biến chỉ ghi nhận được nhiệt độ Tc từ phần tử cảm nhận.
- Nhiệt độ Tx gọi là nhiệt độ cần đo, nhiệt độ Tc gọi là nhiệt độ đo được
Để đo nhiệt độ chính xác, cần đảm bảo sự cân bằng nhiệt giữa môi trường đo và cảm biến Tuy nhiên, do nhiều yếu tố, nhiệt độ cảm biến thường không đạt được nhiệt độ môi trường Tx, dẫn đến chênh lệch nhiệt độ Tx - Tc Độ chính xác của phép đo tỷ lệ nghịch với hiệu số này; hiệu số càng nhỏ, độ chính xác càng cao Do đó, khi tiến hành đo, cần chú ý đến các yếu tố ảnh hưởng để giảm thiểu chênh lệch nhiệt độ.
+ Tăng cường sự trao đổi nhiệt giữa bộ cảm biến và môi trường cần đo.Giảm sự trao đổi nhiệt giữa bộ cảm biến và môi trường bên ngoài
Để cải thiện hiệu quả trao đổi nhiệt giữa môi trường cần đo và cảm biến, cần sử dụng cảm biến với phần tử cảm nhận có tỉ nhiệt thấp và hệ số dẫn nhiệt cao Điều này giúp giảm thiểu tổn thất nhiệt từ cảm biến ra bên ngoài Ngoài ra, các tiếp điểm và dây dẫn từ phần tử cảm nhận đến mạch đo bên ngoài cũng nên có hệ số dẫn nhiệt thấp để tối ưu hóa quá trình đo lường.
Nhiệt điện trở Platin và Nikel
2.2.1 Điện trở kim loại thay đổi theo nhiệt độ
- Nhiệt điện trở là điện trở có giá trị phụ thuộc vào nhiệt độ, khi nhiệt độ thay đổi thì điện trở cũng thay đổi
Trong kim loại, dòng điện được hình thành khi các hạt mang điện di chuyển theo một hướng nhất định Sự chuyển động này có thể được kích thích bởi lực cơ học hoặc điện trường, với điện tích âm và dương chuyển động theo chiều ngược nhau.
Nhiệt độ ảnh hưởng đến sự chuyển động của các electron, dẫn đến sự thay đổi giá trị điện trở Khi nhiệt độ tăng, điện trở có thể tăng hoặc giảm tùy thuộc vào loại vật liệu.
Nhiệt điện trở được chế tạo bằng cách kéo thành sợi mảnh, quấn quanh khung chịu nhiệt, sau đó đặt vào hộp có vỏ đặc biệt Hai đầu của sợi điện trở được đưa ra để lấy tín hiệu với giá trị điện trở (R) dao động từ 10(Ω) đến 100(Ω).
- Nhiệt điện trở thường được chế tạo từ các vật liệu có khả năng chịu nhiệt như: Đồng, Nikel, Platin
Điện trở kim loại thay đổi theo nhiệt độ được ưa chuộng nhờ vào tính đơn giản, độ nhạy cao và khả năng ổn định lâu dài Tuy nhiên, nhược điểm của loại điện trở này là kích thước lớn và cồng kềnh, cùng với quán tính nhiệt cao.
Platin là vật liệu phổ biến cho nhiệt điện trở trong ngành công nghiệp, nhờ vào khả năng chế tạo với độ tinh khiết lên tới 99,999%, giúp nâng cao độ chính xác của các tính chất điện.
Với tính trơ về mặt hóa học và cấu trúc tinh thể ổn định, vật liệu này đảm bảo tính ổn định cao cho các đặc tính dẫn điện trong suốt quá trình sử dụng.
+ Hệ số nhiệt điện trở ở 0 0 C bằng 3,9.10-3/ 0 C
+ Điện trở ở 100 0 C lớn gấp 1,385 lần so với ở 0 0 C
+ Dải nhiệt độ làm việc khá rộng từ -200 0 C ÷ 1000 0 C
Có hai tiêu chuẩn cho nhiệt điện trở platin, với sự khác biệt chủ yếu ở mức độ tinh khiết của vật liệu Hầu hết các quốc gia áp dụng tiêu chuẩn quốc tế DIN IEC 751 – 1983, đã được sửa đổi vào năm 1986 và 1995, trong khi Hoa Kỳ vẫn sử dụng tiêu chuẩn riêng của mình.
+ Có độ nhạy nhiệt cao bằng 4,7.10-3/ 0 C
+ Điện trở ở 100 0 C lớn gấp 1,617 lần so với ở 0 0 C
+ Dễ bị oxy hoá khi ở nhiệt độ cao làm giảm tính ổn định
+ Dải nhiệt độ làm việc thấp hơn 250 0 C
Nhiệt điện trở Nikel là lựa chọn kinh tế hơn so với Platin, với hệ số nhiệt độ lớn gần gấp đôi (6,18.10^-3 °C^-1) Tuy nhiên, dải đo của nó chỉ từ -60 °C đến +250 °C.
350 0 C hệ số nhiệt điện trở của Nikel không ổn định Cảm biến nhiệt Nikel thường dùng trong công nghiệp điều hoà nhiệt độ phòng
2.2.4 Cách nối dây đo nhiệt điện trở
- Hiện các nhà sản xuất đã sản xuất ra nhiệt điện trở 2 dây, 3 dây, 4 dây nên ta có 3 kỹ thuật nối dây đo
Tiêu chuẩn IEC 751–1983 quy định rằng dây nối đến cùng đầu của nhiệt điện trở phải có màu sắc giống nhau, có thể là đỏ hoặc trắng, trong khi dây nối đến hai đầu khác phải có màu khác Kỹ thuật sử dụng hai dây là một phần quan trọng trong tiêu chuẩn này.
Cấu hình dây đơn giản nhất có độ chính xác thấp nhất, do điện trở của dây nối tiếp với phần tử cảm biến ảnh hưởng đến độ chính xác Đặc biệt, chiều dài dây nối càng lớn thì mức độ ảnh hưởng càng cao.
Mạch đo nhiệt điện trở được kết nối bằng hai dây dẫn, mỗi dây đều có điện trở riêng, tạo thành một điện trở nối tiếp với nhiệt điện trở Điều này dẫn đến việc mạch nhận được điện thế cao hơn so với điện thế cần đo, khiến chỉ thị nhiệt kế hiển thị nhiệt độ cao hơn mức thực tế Nếu khoảng cách giữa các điểm đo quá xa, điện trở của dây dẫn có thể lên tới vài Ohm, gây ra sai số trong phép đo.
Để giảm thiểu sai số trong phép đo do điện trở của dây đo, người ta sử dụng phương pháp bù điện trở bằng cách kết nối một biến trở vào một trong hai dây đo Biến trở này được điều chỉnh sao cho chỉ thị hiển thị 0°C, từ đó bù đắp cho sai số do điện trở của dây đo gây ra Một kỹ thuật phổ biến khác là kỹ thuật 3 dây, giúp nâng cao độ chính xác của phép đo.
RTD sử dụng ba sợi dây nối thay vì hai, trong đó L1 và L3 dẫn dòng đo, còn L2 đóng vai trò như dây chiết áp Lý tưởng, điện trở của dây L1 và L3 nên bằng 0, trong khi trở kháng của R3 phải tương đương với trở kháng của phần tử cảm biến Rt.
Kỹ thuật 3 dây cho phép hình thành hai mạch đo, trong đó một mạch được sử dụng làm mạch chuẩn, giúp loại bỏ sai số do điện trở dây đo và sự thay đổi nhiệt độ Để đạt hiệu quả, cả ba dây đo cần có cùng trị số kỹ thuật và nhiệt độ Kỹ thuật này rất phổ biến trong các ứng dụng đo lường.
Cấu hình này khắc phục lỗi do trở kháng tại điểm nối, cho phép dòng điện từ nguồn đi qua L1 và L4, trong khi L2 và L3 đo áp rơi trên RTD Với nguồn dòng cố định, phép đo trở nên chính xác hơn Mặc dù có giá thành cao hơn so với cấu hình 2 hoặc 3 dây, nhưng nếu yêu cầu độ chính xác cao, cấu hình này là lựa chọn tối ưu, thường được sử dụng trong phòng thí nghiệm và ít phổ biến trong công nghiệp.
Cảm biến nhiệt độ với vật liệu Silic
Cảm biến nhiệt độ làm từ vật liệu silic ngày càng trở nên quan trọng trong các hệ thống điện tử hiện đại Chúng không chỉ có đặc điểm tuyến tính và độ chính xác cao, mà còn có chi phí thấp và khả năng tích hợp dễ dàng vào một mạch tích hợp (IC) cùng với bộ khuếch đại và các yêu cầu xử lý tín hiệu khác.
Hệ thống cảm biến nhiệt ngày càng nhỏ gọn, phức tạp hơn và hoạt động nhanh hơn Các cảm biến truyền thống như cặp nhiệt và nhiệt điện trở có đặc tuyến không tuyến tính và cần điều chỉnh để chuyển đổi chính xác từ nhiệt độ sang đại lượng điện Hiện nay, cảm biến Silic đang dần thay thế nhờ vào ưu điểm về kích thước nhỏ gọn của mạch điện tích hợp và tính dễ sử dụng.
Silic tinh khiết hoặc đơn tinh thể Silic có hệ số điện trở âm, nhưng khi được kích tạp chất loại N ở một nhiệt độ nhất định, hệ số điện trở chuyển sang dương Nhiệt độ sử dụng của Silic dao động từ -50 oC đến 150 oC, và sự thay đổi nhiệt độ ảnh hưởng đến điện trở suất của Silic, phụ thuộc vào nồng độ chất pha.
Khi nhiệt độ dưới 120 o C, điện trở suất sẽ tăng khi nhiệt độ tăng, và hệ số nhiệt của điện trở giảm khi nồng độ pha tạp tăng Ngược lại, khi nhiệt độ vượt quá 120 o C, điện trở suất giảm khi nhiệt độ tăng, và hệ số nhiệt của điện trở suất không bị ảnh hưởng bởi nồng độ pha tạp.
2.3.2 Đặc trưng kỹ thuật cơ bản của dòng cảm biến KTY (hãng Philips sản xuất)
Cảm biến sử dụng vật liệu silic KTY với công nghệ điện trở phân rải mang lại độ chính xác và ổn định lâu dài, trở thành sự thay thế hiệu quả cho các cảm biến nhiệt độ truyền thống.
Giả thiết cảm biến hoạt động ở nhiệt độ bằng một nửa giá trị nhiệt độ tối đa, sau 450.000 giờ (khoảng 51 năm) hoặc 1.000 giờ (1,14 năm) hoạt động liên tục với dòng định mức ở nhiệt độ tối đa, cảm biến silic sẽ cho kết quả đo với sai số như bảng đã nêu.
Bảng 2.2 Sai số của cảm biến silic (do thời gian sử dụng)
TYPE Sai số tiêu biểu
Cảm biến được sản xuất dựa trên công nghệ silic mang lại nhiều lợi ích từ những tiến bộ trong lĩnh vực này.
23 đồng thời điều này cũng gián tiếp mang lại những ảnh hưởng ích cực cho công nghệ “đóng gói”, nơi mà luôn có khuynh hướng thu nhỏ
Cảm biến silic thông thường chỉ hoạt động hiệu quả ở nhiệt độ tối đa 150°C, trong khi KTY 84 với thiết kế vỏ bọc SOD68 và công nghệ kết nối đặc biệt giữa dây dẫn và chip có khả năng hoạt động ở nhiệt độ lên đến 300°C.
Bảng 2.3 Một số sản phẩm tiêu biểu
KTY81-1 −55 tới 150 SOD70 KTY81-2 −55 tới 150 SOD70 KTY82-1 −55 tới 150 SOT23 KTY82-2 −55 tới 150 SOT23
IC cảm biến nhiệt độ
Nhiều công ty toàn cầu đã phát triển các IC bán dẫn chuyên dụng để đo và hiệu chỉnh nhiệt độ Các IC cảm biến nhiệt độ này hoạt động bằng cách nhận tín hiệu nhiệt độ và chuyển đổi chúng thành tín hiệu điện áp hoặc dòng điện.
Các bán dẫn rất nhạy cảm với nhiệt độ, cho phép tạo ra điện áp hoặc dòng điện tỷ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt đối (0 °C, 0 °F, 0 K hoặc tùy loại) Khi đo tín hiệu điện, chúng ta có thể xác định được nhiệt độ cần đo Phạm vi đo nhiệt độ có thể giới hạn từ -55 °C trở lên.
150 0 C, độ chính xác từ 1 0 C đến 2 0 C tùy theo từng loại
2.4.1 Cảm biến nhiệt LM 35/ 34 của National Semiconductor a Cảm biến nhiệt LM35
LM35 là cảm biến nhiệt độ giá rẻ, thường được sử dụng để đo nhiệt độ theo °C với độ chính xác cao hơn so với thermistor cùng tầm giá Cảm biến này cung cấp điện áp đầu ra lớn hơn các cặp nhiệt điện và không cần khuếch đại Điện áp đầu ra của LM35 tỷ lệ thuận với nhiệt độ Celsius, với hệ số tỷ lệ là 0.01V/°C.
Cảm biến LM35 có độ chính xác khoảng ±0,4 °C ở nhiệt độ phòng và ±0,8 °C trong khoảng từ 0 °C đến +100 °C Đặc biệt, LM35 tiêu thụ chỉ 60 microamps từ nguồn cung cấp, đồng thời có khả năng tự sưởi ấm thấp.
- Điện áp hoạt động: Vc= 4V tới 30V
- Điện áp ngõ ra tuyến tính: 10mV/ 0 C
- Thang đo: -55 0 C đến 150 0 C với LM 35/35A; -40 0 C đến 110 0 C với LM 35C/35CA; 0 0 C đến 100 0 C với LM 35D
- Sự tự nung nóng rất nhỏ: 0,08 0 C (trong môi trường không khí)
- Mức độ không tuyến tính chỉ 1/4 0 C
LM35 là cảm biến nhiệt độ chuyên dụng, thường được sử dụng để đo nhiệt độ trong các môi trường đặc biệt và kiểm tra nhiệt độ của pin Thiết bị này cung cấp thông tin chính xác về nhiệt độ của các linh kiện điện tử khác, giúp người dùng theo dõi và quản lý hiệu suất hoạt động của hệ thống.
Hình 2.4 Hình dạng thực tế LM35 b Cảm biến nhiệt LM 34
- LM34 là một loại cảm biến nhiệt độ giá rẻ thường được sử dụng để đo nhiệt độ (theo ° F)
- LM34 có cấu trúc tương tự LM 35
- Điện áp hoạt động: 5 tới 20 VDC
- LM 34 có ngõ ra 10mV/ 0 F
- Mức độ không tuyến tính chỉ 0,4 0 F
- Trở kháng ngõ ra LM34 thấp và đặc điểm ngõ ra tuyến tính làm cho giá trị đọc ra hay điều khiển mạch điện dễ dàng
LM34 là cảm biến nhiệt độ được sử dụng để đo nhiệt độ trong các môi trường đặc biệt và kiểm tra nhiệt độ của pin Thiết bị này cung cấp thông tin chính xác về nhiệt độ của các linh kiện điện tử khác, giúp đảm bảo hiệu suất và độ bền của chúng.
Hình 2.5 Hình dạng thực tế LM34
2.4.2.Cảm biến nhiệt độ AD 590 của Analog Devices
Cảm biến nhiệt AD590 của Analog Devices được thiết kế với tổng trở ngõ ra lớn lên tới 10 mê ga ôm, đảm bảo độ nhạy cao và ổn định Vi mạch này đã được nhà sản xuất cân bằng để đảm bảo tín hiệu đầu ra tương ứng với nhiệt độ Kelvin Việc sử dụng điện áp thấp giúp giảm thiểu hiện tượng tự gia nhiệt, đồng thời khi thay đổi điện áp, dòng điện chỉ thay đổi rất ít, giữ cho cảm biến hoạt động hiệu quả.
- Dải điện áp cung cấp điện từ 3 đến 30VDC
- Công suất đầu ra 223 mu đến 423 mu
- Dũng điện ra tỉ lệ 1àA / 0 K
Khi điện trở mẫu R được kết nối trong mạch, điện áp tại hai đầu của R sẽ được sử dụng làm điện áp đầu ra Để đảm bảo hiệu suất hoạt động, giá trị điện trở của R không nên quá lớn.
Điện áp của AD590 không nhỏ hơn 3V, với khả năng truyền tín hiệu đầu ra lên đến hơn 1km AD590 là nguồn có trở kháng cao, đạt tới 20 m, do đó không cần phải chọn công tắc hay sử dụng bộ ghép kênh CMOS bổ sung để khắc phục lỗi Thiết bị này rất phù hợp cho việc đo nhiệt độ đa điểm và đo nhiệt độ từ xa.
Hình 2.6 Hình dạng thực tế AD590
Nhiệt điện trở NTC
NTC (Negative Temperature Coefficient) là một loại nhiệt điện trở bán dẫn có hệ số nhiệt điện trở âm, hoạt động tương tự như cảm biến đo nhiệt độ nhưng chỉ trong một khoảng nhiệt độ nhất định.
NTC là vật liệu được hình thành từ hỗn hợp đa tinh thể của các bột oxit kim loại như mangan, nickel, và cobalt Các bột này được trộn theo tỷ lệ và khối lượng nhất định, sau đó nén chặt và nung ở nhiệt độ cao từ 1000°C đến 1400°C Đặc biệt, mức độ dẫn điện của hỗn hợp này sẽ biến đổi theo sự thay đổi của nhiệt độ.
Để đảm bảo các NTC có các đặc trưng kỹ thuật ổn định trong thời gian dài, chúng cần được xử lý bằng những phương pháp đặc biệt sau khi chế tạo.
2.5.3 Nguyên lý (đặc tính) cảm biến nhiệt NTC
- Thay đổi điện trở khi nhiệt độ thay đổi (giá trị điện trở giảm khi nhiệt độ tăng) NTC giảm từ 3 đến 5, 5 % /1 0 C
- Ưu điểm: Bền, rẻ tiền, dễ chế tạo
- Nhược điểm: Dãy tuyến tính hẹp
NTC có nhiều ứng dụng quan trọng trong việc bảo vệ, như ép vào cuộn dây động cơ và mạch điện tử Các ứng dụng này được chia thành hai loại chính: đo lường và làm bộ trễ.
Trong lĩnh vực đo lường và tác động bù, cần tránh hiện tượng tự sinh nhiệt do dòng NTC lớn, vì vậy NTC chủ yếu hoạt động trong vùng tuyến tính, nơi mà điện trở của nó được xác định bởi nhiệt độ môi trường Phạm vi ứng dụng chính của NTC trong lĩnh vực này bao gồm đo nhiệt độ, kiểm tra và điều khiển Bên cạnh đó, NTC còn được sử dụng để bù cho sự phụ thuộc nhiệt độ của điện trở trong các mạch điện tử sử dụng bán dẫn.
Cảm biến NTC được sử dụng làm bộ trễ nhờ vào tính chất tự tỏa nhiệt, khi dòng điện qua nó tăng cao, điện trở của NTC giảm đáng kể Điều này dẫn đến việc điện trở NTC giảm mạnh hơn khi tải lớn, tạo ra tác dụng trễ giúp triệt tiêu dòng đỉnh trong các bóng điện tử và mạch có tính dung kháng.
Nhiệt điện trở PTC
PTC (Hệ số nhiệt điện trở dương) là loại nhiệt điện trở có khả năng tăng điện trở khi nhiệt độ tăng, tương tự như cảm biến đo nhiệt độ, nhưng chỉ hoạt động hiệu quả trong một khoảng nhiệt độ nhất định.
Vật liệu chế tạo PTC được tạo thành từ hỗn hợp barium carbonate và một số oxit kim loại khác, trải qua quá trình ép và nung Các tính chất điện khác nhau của vật liệu này có thể đạt được bằng cách điều chỉnh tỷ lệ các hợp chất nguyên liệu cũng như áp dụng nhiều phương pháp gia nhiệt khác nhau.
Sau khi gia nhiệt, các mối nối được hình thành và trong quá trình sản xuất, các dây nối dẫn ra ngoài được thêm vào Nhiệt điện trở PTC thường được phủ một lớp vỏ giống như vécni để bảo vệ khỏi tác động của môi trường không khí.
2.6.3 Nguyên lý (đặc tính) cảm biến nhiệt PTC
- Thay đổi điện trở khi nhiệt độ thay đổi (giá trị điện trở tăng khi nhiệt độ tăng)
- Ưu điểm: Bền, rẻ tiền, dễ chế tạo
- Nhược điểm: Dãy tuyến tính hẹp
Nhiệt điện trở PTC được sử dụng trong cầu đo của mạch so sánh ở nhiệt độ bình thường, với điện áp đầu ra thấp Khi nhiệt độ vượt qua ngưỡng cho phép, PTC sẽ bị nung nóng, dẫn đến điện áp đầu ra giảm xuống mức thấp.
PTC được sử dụng để phát hiện sự gia tăng nhiệt độ bất thường trong động cơ thông qua việc đo trực tiếp Cảm biến nhiệt được lắp đặt chìm trong cuộn stato, và tín hiệu từ cảm biến này sẽ được xử lý bởi một thiết bị điều khiển.
CẢM BIẾN TIỆM CẬN
Cảm biến tiệm cận (Proximity Sensor)
Cảm biến tiệm cận là công nghệ nhận diện sự hiện diện hoặc vắng mặt của một vật thể thông qua cảm biến điện tử không tiếp xúc.
- Phát hiện vật không cần tiếp xúc
- Tốc độ đáp ứng cao
- Đầu cảm biến nhỏ có thể lắp đặt ở nhiều nơi
- Có thể sử dụng trong môi trường khắc nghiệt
* Các thuật ngữ thường sử dụng
Vật chuẩn là một đối tượng được xác định khi hình dạng, vật liệu và kích thước của nó đáp ứng đầy đủ các tiêu chí của nhà sản xuất, nhằm tối ưu hóa các đặc tính kỹ thuật của cảm biến.
- Tần số đáp ứng: Số lần tác động lặp lại khi vật cảm biến đi vào vùng hoạt động của cảm biến
- Khoảng cách phát hiện: Khoảng cách xa nhất từ đầu cảm biến đến vị trí vật chuẩn mà cảm biến có thể phát hiện được
Hình 3.1 Khoảng cách phát hiện
- Khoảng cách cài đặt: Khoảng cách để cảm biến có thể nhận biết vật một cách ổn định (thường bằng 70 – 80% khoảng cách phát hiện)
Hình 3.2 Khoảng cách cài đặt
+ t1: Thời gian từ lúc đối tượng đi vào vùng phát hiện của cảm biến đến lúc cảm biến báo tín hiệu
+ t2: Thời gian từ lúc đối tượng chuẩn đi ra khỏi vùng phát hiện cho đến khi cảm biến hết báo tín hiệu
Hình 3.3 Thời gian đáp ứng
3.1.1 Cảm biến tiệm cận điện cảm (Inductive Proximity Sensor)
- Cảm biến tiệm cận điện cảm có nhiều kích thước và hình dạng khác nhau tương ứng với các ứng dụng khác nhau
- Cảm biến tiệm cận điện cảm được dùng để phát hiện các đối tượng là kim loại
Hình 3.4 Cảm biến tiệm cận điện cảm a Cấu tạo: Gồm có 4 phần chính
+ Cuộn dây và lõi ferit
+ Mạch đầu ra b Nguyên lý hoạt động
Cảm biến tiệm cận điện cảm hoạt động bằng cách tạo ra một vùng điện trường, khi vật kim loại tiến vào, dòng điện xoáy xuất hiện trong nó Dòng điện này gây tiêu hao năng lượng do điện trở của kim loại, ảnh hưởng đến biên độ sóng dao động Khi tín hiệu đạt đến một ngưỡng nhất định, mạch phát hiện ghi nhận sự thay đổi và kích hoạt mạch lên mức ON Khi đối tượng rời khỏi khu vực từ trường, dao động được khôi phục và cảm biến trở lại trạng thái bình thường.
Cảm biến tiệm cận điện cảm có dải đo phát hiện từ 0 đến 50mm, tùy thuộc vào cấu tạo của sản phẩm.
Cảm biến tiệm cận điện cảm được chia thành hai loại: được bảo vệ và không được bảo vệ Trong đó, loại không được bảo vệ thường có tầm phát hiện lớn hơn so với loại được bảo vệ.
Cảm biến tiệm cận điện cảm loại được bảo vệ có thiết kế với một vòng kim loại bao quanh, giúp hạn chế vùng điện từ trường bên ngoài Vị trí lắp đặt của cảm biến có thể được thực hiện ngang bằng với bề mặt làm việc, đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu.
Cảm biến tiệm cận điện cảm không được bảo vệ không có vòng kim loại bao quanh và không thể lắp đặt ngang bằng với bề mặt làm việc bằng kim loại Để đảm bảo hoạt động hiệu quả, cần có một vùng xung quanh cảm biến hoàn toàn không chứa kim loại.
Hình 3.5 Hình dạng 2 loại cảm biến d Những yếu tố ảnh hưởng đến tầm phát hiện của cảm biến tiệm cận điện cảm
- Kích thước của vật cảm biến: Nếu kích cỡ vật cảm biến nhỏ hơn vật chuẩn, khoảng cách phát hiện của cảm biến sẽ giảm
Bề dày của vật cảm biến rất quan trọng; đối với cảm biến kim loại có từ tính như sắt, niken, hay SUS, bề dày của vật chuẩn cần phải lớn hơn hoặc bằng 1mm Nếu bề dày của vật cảm biến mỏng hơn, khoảng cách phát hiện sẽ giảm đáng kể.
Khoảng cách phát hiện của cảm biến phụ thuộc vào vật liệu cấu tạo của nó Các vật liệu từ tính hoặc kim loại chứa sắt có khả năng phát hiện xa hơn so với những vật liệu không từ tính hoặc không chứa sắt.
- Lớp mạ bên ngoài của vật cảm biến: Nếu vật cảm biến được mạ khoảng cách phát hiện cũng sẽ bị ảnh hưởng
- Nhiệt độ môi trường e Ưu nhược điểm của cảm biến tiệm cận điện cảm
- Không chịu ảnh hưởng của độ ẩm, bụi bặm
Bộ cảm biến không có bộ phận chuyển động và không xuất hiện "khu vực mù", đảm bảo phát hiện chính xác mọi đối tượng gần kề Nó cũng không gây nhiễu cho sóng điện từ và sóng siêu âm, mang lại hiệu suất tối ưu trong việc giám sát và phát hiện.
- Không phụ thuộc vào màu sắc, ít phụ thuộc vào bề mặt đối tượng hơn so với các kĩ thuật khác
- Phát hiện vật không cần phải tiếp xúc, tốc độ đáp ứng nhanh
- Có thể sử dụng trong môi trường khắc nghiệt, đầu cảm biến nhỏ, có thể lắp đặt ở nhiều nơi
- Chỉ phát hiện được đối tượng là kim loại
- Bị chịu ảnh hưởng bởi các vùng điện từ mạnh
- Phạm vi hoạt động ngắn hơn so với các kĩ thuật khác f Một số ứng dụng của cảm biến tiệm cận điện cảm
(xác định vị trí của van) + Công nghiệp đóng gói
+ Công nghệ mạ + Xác định vị trí thang máy
+ Phát hiện việc đóng nắp nhôm các chai bia
+ Phát hiện các lá kim loại trên giấy bọc socola sau khi đóng gói
Hình 3.6 Các ứng dụng của cảm biến tiệm cận điện cảm
3.1.2 Cảm biến tiệm cận điện dung (Capacitive Proximity Sensor) a Giới thiệu chung
Cảm biến tiệm cận điện dung và cảm biến tiệm cận điện cảm có kích thước và hình dáng tương tự nhau, nhưng chúng hoạt động theo nguyên lý khác nhau Cảm biến tiệm cận điện dung tạo ra vùng điện trường, trong khi 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 kim loại
Hình 3.7 Cảm biến tiệm cận điện dung b Cấu tạo: Gồm có 4 phần chính
+ Bộ phận cảm biến (các bản cực hay điện cực cách điện)
+ Mạch đầu ra c Nguyên lý hoạt động
Tụ điện bao gồm hai bản cực và chất điện môi ở giữa, với khoảng cách giữa các điện cực ảnh hưởng đến khả năng tích trữ điện tích Điện dung là đại lượng đặc trưng cho khả năng này, cho thấy mức độ tích trữ điện tích của tụ điện.
Cảm biến tiệm cận loại điện dung hoạt động dựa trên nguyên tắc thay đổi điện dung khi có vật thể xuất hiện trong vùng điện trường Sự thay đổi này sẽ xác định trạng thái "On" hoặc "Off" của tín hiệu đầu ra.
- Một bản cực là thành phần của cảm biến, đối tượng cần phát hiện là bản cực còn lại
Cảm biến tiệm cận điện dung có dải đo phát hiện từ 0 đến 50mm, tùy thuộc vào cấu tạo của sản phẩm Việc phân loại cảm biến này giúp xác định khả năng hoạt động và ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau.
- Cảm biến tiệm cận điện dung cũng phân thành 2 loại: Được bảo vệ và không được bảo vệ
Cảm biến tiệm cận điện dung loại được bảo vệ có thiết kế vòng kim loại bao quanh, giúp tập trung vùng điện trường về phía trước Thiết bị này có thể được lắp đặt ngang bằng với bề mặt làm việc, mang lại hiệu quả cao trong việc phát hiện vật thể.
ĐO VẬN TỐC VÒNG QUAY VÀ GÓC QUAY
Một số phương pháp cơ bản
Trong ngành công nghiệp, việc đo tốc độ quay của máy là rất quan trọng vì nó ảnh hưởng trực tiếp đến độ an toàn và chế độ làm việc của thiết bị Đối với chuyển động thẳng, tốc độ dài thường được chuyển đổi sang đo tốc độ quay Do đó, cảm biến đo vận tốc góc đóng vai trò thiết yếu trong việc xác định vận tốc.
Cảm biến vận tốc góc quay cung cấp tín hiệu đo dưới dạng tần số Thường thì trên trục quay sẽ có một hoặc nhiều dấu, và một cảm biến được đặt ở phần không chuyển động sẽ ghi nhận sự chuyển động của các dấu này.
- Tần số đo được tỉ lệ với vòng quay n và số dấu k: f = n.k (4.1)
- Để đo tốc độ quay của rotor ta có thể sử dụng các phương pháp sau:
+ Sử dụng tốc độ kế dòng một chiều, tốc độ kế dòng xoay chiều
+ Sử dụng bộ cảm biến quang tốc độ
+ Sử dụng máy đo góc tuyệt đối
4.1.1 Đo vận tốc vòng quay bằng phương pháp analog a Tốc độ kế dòng một chiều (máy phát tốc)
- Thực chất là các máy phát điện công suất nhỏ có sức điện động tỉ lệ với tốc độ cần đo được cấu tạo gồm các phần chính
Hình 4.1 Cấu tạo của một máy phát dòng một chiều
- Stator: Là một nam châm điện hoặc một nam châm vĩnh cửu có hai cực nam và bắc nằm ngoài cùng
Rotor là một trục sắt được cấu thành từ nhiều lớp ghép lại, với bề mặt ngoài có các rãnh song song với trục quay, được sắp xếp đều nhau Trong các rãnh này, các dây dẫn bằng đồng, gọi là dây chính, được lắp đặt và nối với nhau theo từng cặp bằng các dây phụ Bên cạnh đó, rotor còn có lõi thép phần ứng, trên đó cũng được xẻ rãnh để đặt dây quấn.
Cổ góp là một hình trụ có các lá đồng cách điện được gắn trên bề mặt, mỗi lá kết nối với một dây chính của roto Hai chổi quét được bố trí để luôn tiếp xúc với hai lá đồng đối diện nhau, đảm bảo hoạt động hiệu quả của hệ thống.
Điện áp trên cực máy phát tỷ lệ thuận với tốc độ quay của nó Máy phát tốc độ được kết nối cùng trục với phanh hãm điện từ và động cơ, vì vậy tốc độ quay của máy phát chính là tốc độ quay của động cơ Tốc độ này cũng tỷ lệ với điện áp của máy phát tốc độ.
- Dùng Vmét điện từ hoặc đồng hồ đo tốc độ nối với nó có thể đo được tốc độ của động cơ
- Giá trị điện áp âm hay dương phụ thuộc vào chiều quay
: Vân tốc góc của rotor n: Là tổng số dây chính trên rotor Φ0: Là từ thông xuất phát từ cực nam châm b Tốc độ kế dòng xoay chiều
Tốc độ kế dòng xoay chiều có lợi thế nổi bật là không sử dụng cổ góp điện và chổi than, giúp tăng tuổi thọ của thiết bị Điều này cũng đồng nghĩa với việc không xảy ra hiện tượng tăng, giảm điện áp trên chổi than, mang lại hiệu suất ổn định và bền bỉ cho hệ thống.
- Nhược điểm là mạch điện phức tạp hơn, ngoài ra để xác định biên độ cần phải chỉnh lưu và lọc tín hiệu
- Cấu tạo của một tốc độ kế dòng xoay chiều kiểu máy phát đồng bộ thực chất đây là một loại máy phát điện xoay chiều loại nhỏ
Hình 4.2 Cấu tạo của một máy phát đồng bộ (a: 1 pha, b: 3 pha)
- Rotor của máy phát được gắn đồng trục với thiết bị cần đo tốc độ Rotor là một nam châm hoặc tổ hợp của nhiều nam châm nhỏ
Stator là bộ phận gồm các cuộn dây được sắp xếp đều trên bề mặt trong, có thể là một pha hoặc ba pha Nó đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp sức điện động cảm ứng hình sin, với biên độ tỷ lệ thuận với tốc độ quay của rotor, được biểu diễn bằng công thức e = E0 sinΩt.
K1 và K2: Là các thông số đặc trưng cho máy phát
Điện áp đầu ra được chỉnh lưu thành điện áp một chiều, không phụ thuộc vào chiều quay Tuy nhiên, hiệu suất lọc sẽ giảm khi tần số thấp.
Tốc độ quay có thể được xác định thông qua việc đo tần số của sức điện động, đặc biệt quan trọng khi khoảng cách đo lớn Phương pháp này sử dụng tín hiệu từ máy phát đồng bộ, cho phép truyền tín hiệu xa mà không bị ảnh hưởng bởi sự suy giảm trên đường truyền, đảm bảo độ chính xác của phép đo tần số.
* Máy phát không đồng bộ
- Cấu tạo của máy phát không đồng bộ tương tự như động cơ đồng bộ hai pha
Hình 4.3.Cấu tạo của một máy phát
Rotor là một đĩa kim loại mỏng, hình trụ và có tính chất dị từ, được quay với tốc độ đồng nhất cùng với trục đo vận tốc Khối lượng và quán tính của rotor là rất nhỏ, giúp tăng độ chính xác trong các phép đo.
- Stator làm bằng thép lá kỹ thuật điện, trên có đặt hai cuộn dây
+ Cuộn thứ nhất là cuộn kích từ được cung cấp một điện áp định mức có biên độ và tần số không đổi e
Cuộn dây thứ hai, được gọi là cuộn dây đo, sẽ tạo ra sức điện động giữa hai đầu với biên độ tỉ lệ thuận với vận tốc góc cần đo Công thức xác định sức điện động e m = E m cos(ω e t + Φ) = k ω V e cos(ω e t + Φ) cho thấy rằng e m tỉ lệ với k ω V e, trong đó e m là sức điện động.
e: Tần số góc k là hằng số phụ thuộc vào cấu trúc của máy Φ: độ lệch pha
Khi đo Em sẽ xác định được
4.1.2 Đo vận tốc vòng quay bằng phương pháp quang điện tử a Dùng bộ cảm biến quang tốc độ với đĩa mã hóa
Đĩa mã hóa là thiết bị chuyên dụng để phát hiện chuyển động và vị trí của vật thể Thiết bị này sử dụng cảm biến quang để tạo ra chuỗi xung, từ đó cho phép xác định chính xác sự di chuyển, vị trí và hướng di chuyển của các đối tượng.
Hình 4.4 Sơ đồ hoạt động đĩa quang mã hóa
Nguồn sáng được lắp đặt để ánh sáng liên tục tập trung qua đĩa thủy tinh, với bộ phận thu nhận ánh sáng ở mặt đối diện để nhận ánh sáng hiệu quả Đĩa được kết nối với trục động cơ hoặc thiết bị cần xác định vị trí, đảm bảo khi trục quay, đĩa cũng quay theo Khi đĩa quay, nếu lỗ, nguồn sáng và bộ phận nhận ánh sáng thẳng hàng, sẽ tạo ra tín hiệu xung vuông.
- Nhược điểm: cần nhiều lỗ để nâng cao độ chính xác nên dễ làm hư hỏng đĩa quay b Đĩa mã hóa tương đối
Đĩa mã hóa với một bộ xung không thể phát hiện chiều quay, vì vậy hầu hết các đĩa mã hóa được thiết kế với một bộ xung thứ hai lệch pha 90 độ so với bộ xung đầu tiên Điều này cho phép xác định chính xác mỗi thời điểm mà đĩa mã hóa quay một vòng.
Hình 4.5 Sơ đồ thu phát đĩa mã hóa tương đối
Khi xung A xảy ra trước xung B, trục sẽ quay theo chiều kim đồng hồ; ngược lại, nếu xung B xảy ra trước xung A, trục sẽ quay ngược chiều kim đồng hồ Đồng thời, xung Z sẽ xác định rằng trục đã hoàn thành một vòng quay.
Hình 4.6 Dạng sóng ra của mã hóa 2 bộ xung
Cảm biến đo góc với tổ hợp có điện trở từ
- Từ công thức cơ bản
- Ta có thể giữa R và có sự liên hệ gần đúng
Dựa trên nguyên tắc này, cảm biến có thể đo góc mà không cần sự đụng chạm
4.2.2 Các loại cảm biến KM110BH/2 của hãng Philips Semiconductor
- Cấu trúc cảm biến KM110BH/21
Hình 4.9 Cấu trúc cảm biến KM110BH/21
- Loại cảm biến KM110BH/21 có 2 dạng: KMB110BH/2130 và
KMB110BH/2190 có thang đo khác nhau nhưng có mạch điện như nhau
KMB110BH/2130 được thiết kế với thang đo nhỏ hơn, mang lại độ khuếch đại lớn hơn và khả năng đo từ -15° đến +15° Tín hiệu đầu ra của thiết bị có tính tuyến tính cao, với độ phi tuyến chỉ 1%.
Cảm biến KMB110BH/2190 có khả năng đo nhiệt độ từ -45°C đến +45°C và cung cấp tín hiệu ra dạng hình sin Cả hai cảm biến đều phát tín hiệu analog Ngoài hai mẫu này, còn có các thiết kế mới là KM110BH/23 và KM110BH/24.
Bảng 4.1 Thông số của 1 số loại cảm biến
Thang đo 30 90 70 90 30 70 0,001 Điện áp ra
20 mA Đặc tuyến ngõ ra
Hình sin Điện áp hoạt động
- Sơ đồ khối của các loại cảm biến KM110BH/21, KM110BH/24 và KM110BH/2390
Hình 4.10 Sơ đồ khối của các loại cảm biến KM110BH/21, KM110BH/24 và
- Đặc tuyến của cảm biến KM110BH/2130 và KM110BH/2190
Hình 4.11 Đặc tuyến của cảm biến KM110BH/2130 và KM110BH/2190
Cảm biến KM110BH/2270 có thang đo từ -35°C đến +35°C, với tín hiệu ngõ ra là dòng điện từ 4 đến 20 mA Thiết bị này có thể sử dụng một điện trở để chuyển đổi tín hiệu sang dạng điện áp.
Hình 4.12 Tín hiệu ra của
Hình 4.13 Sơ đồ khối của loại cảm biến KM110BH/2270
4.2.3 Các loại cảm biến KMA10 và KMA20
Cảm biến KMA10 và KMA20 là thiết bị đo góc không tiếp xúc, được thiết kế đặc biệt để hoạt động hiệu quả trong các môi trường khắc nghiệt Chúng được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực tự động hóa và công nghiệp.
- Hai loại cảm biến KMA10 và KMA20 được thiết kế và phát triển bởi sự hợp tác giữa Philips Semiconductor và AB Electronic
- KMA10 cho tín hiệu ra dưới dạng dòng điện (KMA10/70 phát triển từ loại KM110BH/2270)
KMA20 cung cấp tín hiệu đầu ra dưới dạng điện áp, với các phiên bản KMA20/30, KMA20/70 và KMA20/90 được phát triển từ các loại KM110BH/2430, KM110BH/2470 và KMA20/2390 tương ứng Đặc biệt, tín hiệu từ KMA20/30 có tính tuyến tính.
Bảng 4.2 Thông số của 1 số loại cảm biến
KMA10/70 KMA20/30 KMA20/70 KMA20/90 Đơn vị
Thang đo 70 30 70 90 Độ Điện áp ra - 0,5 tới 4,5 0,5 tới 4,5 0,5 tới 4,5 V
Dòng điện ra 4 tới 20 - - - mA Đặc tuyến ngõ ra
Hình sin Tuyến tính Hình sin Tuyến tính Điện áp hoạt động
4.2.4 Máy đo góc tuyệt đối (Resolver)
- Là thiết bị đo kiểu tương tự, dùng để xác định vị trí hoặc tốc độ dựa theo nguyên lý cảm ứng điện từ
- Điện áp tín hiệu vào tỷ lệ với vị trí góc hoặc tốc độ trục của Resolver a Cấu tạo
* Phần động : Gắn liền với trục quay động cơ chứa cuộn sơ cấp được kích thích bằng sóng mang tần số 2 – 10 Khz qua máy biến áp quay (Hình 3.16.a)
* Phần tĩnh: Có 2 dây quấn thứ cấp (cuộn sin và cuộn cos) đặt lệch nhau
Đầu ra từ hai dây quấn thứ cấp cung cấp hai tín hiệu điều biên V.sin ɷt.sin Ɵ và V.sin ɷt.cos Ɵ, mang thông tin về vị trí tuyệt đối của rotor trong máy đo, tương ứng với vị trí của rotor trong động cơ cần đo Nguyên lý đo này cho phép xác định chính xác vị trí của rotor.
- Lấy đạo hàm góc quay ta có tốc độ quay của động cơ
- Độ phân giải của máy đo phụ thuộc khả năng phân giải của bộ chuyển đổi A/D mắc trong mạch đo
- Nhược điểm: Hệ truyền động không đồng nhất do phải tải thêm phần động của cảm biến Ứng dụng phương pháp không có cảm biến (Hình 4.14.b)
Đường bao tín hiệu ra cung cấp thông tin về góc Ɵ của rotor máy đo, thể hiện vị trí tuyệt đối của rotor động cơ.
Hình 4.14 (a_ Cấu tạo, b- Sơ đồ nguyên lý, c- Hai kênh tín hiệu ra)
Hình 4.15 Sơ đồ dây quấn
+ S1 đến S3 = V.sin ɷt.sin 90 O = V.sin ɷt.sin Ɵ
+ Ɵ: Góc lệch tuyệt đối của rotor động cơ
- Khi bộ đo góc tuyệt đối được sử dụng như một cảm biến vị trí, thì một cuộn dây của rotor được nối tắt
Điện áp cuộn rotor được mô tả bằng công thức E = Vsin ɷt, trong khi điện áp ở hai cuộn stator cũng có dạng hình sin, với biên độ thay đổi theo sin của góc dịch chuyển vị trí rotor Nguyên tắc hoạt động này cho thấy sự tương tác giữa rotor và stator trong hệ thống điện.
- Người ta đặt một điện áp xoay chiều vào cuộn dây rotor của Resolver khi rotor quay trên các cuộn dây của stator sẽ xuất hiện các điện áp
- Vị trí 0: điện áp xoay chiều xuất hiện trên cuộn cosin
- Rời khỏi vị trí 0 đến vị trí 90: điện áp xoay chiều xuất hiện trên cả 2 cuộn sin và cosin
- Đến vị trí 90: Không còn điện áp xoay chiều xuất hiện trên cuộn cosin chỉ còn điện áp xuất hiện trên cuộn sin
- Tương tự xét cho các góc lớn hơn
Các bài tập ứng dụng
Khảo sát nguyên lý hoạt động của cảm biến đo góc KM110BH /2430,
Để đo tốc độ quay của rotor, có một số phương pháp cơ bản như sử dụng cảm biến quang, cảm biến từ, hoặc đồng hồ đo tốc độ Tốc độ kế một chiều là thiết bị dùng để đo tốc độ quay của rotor, hoạt động dựa trên nguyên lý cảm biến để cung cấp thông tin chính xác về tốc độ.
Câu hỏi 3: Trình bày kiến thức cơ bản về tốc độ kế xoay chiều?
Câu hỏi 4: Kể tên và trình bày các đơn vị đo từ trường ?
Câu hỏi 5: Trình bày cấu tạo, nguyên lý đo, nguyên tắc hoạt động máy đo góc tuyệt đối ?
Bài giảng môn "Kỹ thuật cảm biến" đã tuân thủ chặt chẽ chương trình học, đảm bảo cung cấp đầy đủ kiến thức, kỹ năng và năng lực tự chủ Nội dung bài giảng đáp ứng yêu cầu của môn học, mô đun và sẽ thay thế giáo trình hiện tại.
Người bi ên so ạn
( Ký, ghi rõ họ tên) Đinh Phương Thùy
Lãnh đạo Khoa ( Ký, ghi rõ họ tên) Đỗ Xuân Sinh