(NB) Giáo trình Kỹ thuật cảm biến cung cấp cho người học những kiến thức như: Các khái niệm cơ bản về bộ cảm biến; Cảm biến nhiệt độ; Cảm biến tiệm cận và một số loại cảm biến xác định vị trí và khoảng cách khác; Phương pháp đo lưu lượng; Đo vận tốc vòng quay và góc quay.
KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ CÁC BỘ CẢM BIẾN
Khái niệm cơ bản về các bộ cảm biến
- Phát biểu được khái niệm về các bộ cảm biến
- Phát biểu được các đặc trưng cơ bản của cảm biến
Cảm biến là thiết bị dùng để phát hiện và chuyển đổi các đại lượng vật lý cũng như các đại lượng không có tính chất điện thành các đại lượng điện có thể đo lường và xử lý.
Các đại lượng cần đo như nhiệt độ và áp suất không có tính chất điện, nhưng chúng tác động lên cảm biến để tạo ra một đặc trưng điện (s) như điện áp, điện tích, dòng điện hoặc trở kháng, giúp xác định giá trị của đại lượng đo (m) Đặc trưng (s) là hàm của đại lượng cần đo (m), được biểu diễn qua công thức s = f(m) Trong đó, (s) được gọi là đại lượng đầu ra hoặc phản ứng của cảm biến, còn (m) là đại lượng đầu vào hay kích thích Qua việc đo đạc (s), ta có thể nhận biết giá trị của (m).
* Các đặc trưng cơ bản của cảm biến :
- Độ nhạy của cảm biến Đối với cảm biến tuyến tính,giữa biến thiên đầu ra svà biến thiên đầu vào m có sự liên hệ tuyến tính:
s= S.m (2) Đại lượng S được xác định bởi biểu thức m
(3) được gọi là độ nhạy của cảm biến
- Sai số và độ chính xác
Các bộ cảm biến và dụng cụ đo lường không chỉ đo đại lượng cần thiết mà còn bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố vật lý khác, dẫn đến sai số giữa giá trị đo và giá trị thực Độ lệch tuyệt đối giữa giá trị đo và giá trị thực được gọi là sai số tuyệt đối, trong khi sai số tương đối của bộ cảm biến được tính dựa trên độ lệch này.
Sai số của cảm biến mang tính chất ước tính bởi vì không thể biết chính xác giá trị thực của đại lượng cần đo
Độ nhanh của cảm biến là khả năng phản ứng với sự thay đổi của đại lượng đầu vào, trong khi thời gian hồi đáp xác định giá trị số của độ nhanh Độ nhanh t_r được tính từ thời điểm đại lượng đo thay đổi đến khi biến thiên của đại lượng đầu ra chỉ còn khác giá trị cuối cùng một lượng giới hạn ε tính bằng % Thời gian hồi đáp tương ứng với ε (%) cho biết khoảng thời gian cần thiết để đạt được giá trị đầu ra với độ chính xác đã định Thời gian hồi đáp cũng phản ánh chế độ quá độ của cảm biến và phụ thuộc vào các thông số thời gian của chế độ này.
Khi đại lượng đo có sự thay đổi theo dạng bậc thang, các thông số thời gian quan trọng bao gồm thời gian trễ khi tăng (t dm ) và thời gian tăng (t m ) cho sự tăng đột ngột, cũng như thời gian trễ khi giảm (t dc ) và thời gian giảm (t c ) cho sự giảm đột ngột Thời gian trễ khi tăng (t dm ) là khoảng thời gian cần thiết để đại lượng đầu ra tăng từ giá trị ban đầu đến 10% của biến thiên tổng cộng, trong khi thời gian tăng (t m ) là khoảng thời gian cần thiết để đại lượng đầu ra đạt từ 10% đến 90% của biến thiên tổng cộng đó.
Thời gian trễ khi giảm (t dc) là khoảng thời gian cần thiết để đại lượng đầu ra giảm từ giá trị ban đầu xuống 10% của biến thiên tổng cộng, trong khi khoảng thời gian giảm (t c) là thời gian cần thiết để đại lượng đầu ra giảm từ 10% đến 90% của biến thiên tổng cộng.
Các thông số về thời gian (t r ) ,(t dm ) ,(t m ) ,(t dc ) ,(t c ) của cảm biến cho phép ta đánh giá về thời gian hồi đáp của nó
Hình 1 Xác định các khoảng thời gian đặc trưng cho chế độ quá độ
Phạm vi sử dụng của cảm biến
- Trình bày được phạm vi ứng dụng của các bộ cảm biến
Ngày nay, các bộ cảm biến đóng vai trò quan trọng trong nhiều ngành kinh tế và kỹ thuật, bao gồm công nghiệp, nông nghiệp và giao thông vận tải Đặc biệt, các bộ cảm biến nhạy được ứng dụng rộng rãi trong thí nghiệm và nghiên cứu khoa học Trong lĩnh vực tự động hóa, sự đa dạng của các bộ cảm biến, từ thông thường đến đặc biệt, góp phần nâng cao hiệu quả và độ chính xác trong các quy trình tự động.
Phân loại cảm biến
- Trình bày được các phương pháp phân loại các bộ cảm biến
Các bộ cảm biến được phân loại theo các đặc trưng cơ bản sau đây :
- Theo nguyên tắc chuyển đổi giữa đáp ứng và kích thích
Hiện tượng Chuyển đổi giữa đáp ứng và kích thích
Hiện tượng vật lý Nhiệt điện , quang điện , quang từ , điện từ, quang đàn hồi , từ điện , nhiệt từ,…
Hóa học Biến đổi hoá học , Biến đổi điện hoá , Phân tích phổ,…
Sinh học Biến đổi sinh hoá , Biến đổi vật lý , Hiệu ứng trên cơ thể sống,…
Kích thích có nhiều đặc tính quan trọng, bao gồm âm thanh với các yếu tố như biên pha, phân cực, phổ và tốc độ truyền sóng Trong lĩnh vực điện, các đặc tính như điện tích, dòng điện, điện thế, điện áp, điện trường, điện dẫn và hằng số điện môi cũng đóng vai trò quan trọng trong việc hiểu và ứng dụng kích thích.
Từ -Từ trường-Từ thông, cường độ từ trường-Độ từ thẩm…
-Vị trí-Lực, áp suất-Gia tốc, vận tốc, ứng suất, độ cứng-Mômen -Khối lượng, tỉ trọng-Độ nhớt…
Quang -Phổ-Tốc độ truyền-Hệ số phát xạ, khúc xạ…
Nhiệt -Nhiệt độ-Thông lượng-Tỷ nhiệt…
Bức xạ -Kiểu-Năng lượng-Cường độ…
+ Độ nhạy + Khả năng quá tải
Khi đánh giá một thiết bị, các yếu tố quan trọng cần xem xét bao gồm độ chính xác và tốc độ đáp ứng, độ phân giải và độ ổn định, cũng như độ tuyến tính và tuổi thọ Ngoài ra, công suất tiêu thụ, điều kiện môi trường, dải tần, kích thước và trọng lượng, cùng với độ trễ, đều ảnh hưởng đến hiệu suất tổng thể của thiết bị.
- Phân loại theo phạm vi sử dụng
+ Nghiên cứu khoa học + Dân dụng + Môi trường, khí tượng + Giao thông vận tải
- 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 là loại cảm biến không tự cung cấp nguồn năng lượng mà cần nguồn năng lượng phụ để thực hiện nhiệm vụ đo lường Loại cảm biến này được đặc trưng bởi các thông số như điện trở (R), cảm kháng (L) và dung kháng (C), có thể là tuyến tính hoặc phi tuyến.
CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ
Thang đo nhiệt độ
Nhiệt độ có ba thang đo
Thang Kelvin, hay còn gọi là thang nhiệt độ động học tuyệt đối, có đơn vị đo là K Trong thang này, nhiệt độ tại điểm cân bằng của ba trạng thái nước (đá, nước, hơi) được gán giá trị 273,15K, thường được làm tròn thành 273K.
Từ thang Kelvin người ta xác định thêm các thang mới là thang Celsius và thang Fahrenheit bằng cách chuyển dịch các giá trị nhiệt độ
- Thang Celsius : đơn vị nhiệt độ là o C Quan hệ giữa nhiệt độ Celsius và nhiệt độ Kelvin được xác định theo biểu thức :
- Thang Fahrenheit : đơn vị nhiệt độ là o F
Ta có chuyển đổi qua lại giữa o C và o F như sau :
Nhiệt độ Kelvin (K) Celsius ( o C) Fahrenheit
Hỗn hợp nước-nước đá 273,15 0 32
Cân bằng nước-nước đá-hơi nước 273,16 0,01 32,018
Bảng 1.1 Thông số đặc trưng của các thang đo nhiệt độ khác nhau
Nhiệt độ cần đo và nhiệt độ được đo
Nhiệt độ là một trong những đại lượng vật lý quan trọng nhất, ảnh hưởng đến nhiều tính chất của vật chất Nó quyết định sự thay đổi của áp suất và thể tích chất khí, cũng như làm biến đổi điện trở của kim loại Nói cách khác, nhiệt độ liên tục tác động đến các đại lượng vật lý khác, thể hiện vai trò then chốt trong các hiện tượng tự nhiên.
Có nhiều cách đo nhiệt độ, trong đó có thể liệt kê các phương pháp chính sau
- Phương pháp quang dựa trên sự phân bố phổ bức xạ nhiệt do dao động nhiệt (hiệu ứng Doppler)
- Phương pháp cơ dựa trên sự giãn nở của vật rắn, của chất lỏng hoặc chất khí (với áp suất không đổi), hoặc dựa trên tốc độ âm thanh
Phương pháp điện sử dụng hiệu ứng Seebeck, trong đó điện trở phụ thuộc vào nhiệt độ, hoặc dựa vào sự thay đổi tần số dao động của thạch anh.
2 Nhiệt điện trở Platin và Niken
- Trình bày được cấu tạo và đặc tính của nhiệt điện trở Platin và Niken
Điện trở kim loại thay đổi theo nhiệt độ
Nhiệt điện trở là linh kiện mà điện trở của bản thân nó sẽ thay đổi khi nhiệt độ tác động lên nó thay đổi
Nhiệt điện trở thường được chế tạo từ các vật liệu có khả năng chịu nhiệt như :
- Nhiệt điện trở đồng với khả năng chịu nhiệt : -50 o C đến 180 o C
- Nhiệt điện trở niken với khả năng chịu nhiệt : 0 o C đến 300 o C
- Nhiệt điện trở platin với khả năng chịu nhiệt : -180 o C đến 1200 o C
Người ta chế tạo các sợi mảnh quấn quanh khung chịu nhiệt và đặt chúng vào hộp vỏ đặc biệt, sau đó đưa ra hai đầu để thu tín hiệu với điện trở (R0) dao động từ 10Ω đến 100Ω.
Trong đó R0 là điện trở tại thời điểm ban đầu
Trong đó: n - là số điện tử tự do trong một đơn vị diện tích e - là điện tích của điện tử tự do
Tính linh hoạt của điện tử, được đặc trưng bởi tốc độ của chúng trong từ trường, là một yếu tố quan trọng trong nhiều ứng dụng Điện trở kim loại, mặc dù có ưu điểm là thay đổi theo nhiệt độ và được sử dụng rộng rãi, vẫn gặp phải nhược điểm như kích thước lớn, cồng kềnh và quán tính lớn.
Nhiệt điện trở Platin
Platin là vật liệu phổ biến cho nhiệt điện trở trong công nghiệp, với hai tiêu chuẩn chính dựa trên mức độ tinh khiết của vật liệu Hầu hết các quốc gia áp dụng tiêu chuẩn quốc tế DIN IEC 751 – 1983 (được sửa đổi vào năm 1986 và 1995), trong khi Hoa Kỳ vẫn sử dụng tiêu chuẩn riêng Cả hai tiêu chuẩn đều dựa trên phương trình Callendar – VanDusen.
R0 là trị số điện trở định mức ở 0 0 C
R 0 ohms Hệ số Đất nước
C = - 4,18301 x 10 -12 Áo,Brazin,Úc,Bỉ, Bungari,
Canađa,Đan mạch,Ai cập,
Phần Lan,Pháp ,Đức,Isaren,Ý, Nhật,Nam Phi, Thổ Nhĩ Kỳ, Nga, Anh, Ba Lan, Rumani SAMA
Bảng 1.2 Tiêu chuẩn quốc tế IEC-751 và SAMA RC-4
R0 của cảm biến nhiệt Pt100 là 100Ω, trong khi Pt1000 có R0 là 1.000Ω Các loại cảm biến như Pt500 và Pt1000 có hệ số nhiệt độ lớn hơn, dẫn đến độ nhạy cao hơn, tức là điện trở của chúng thay đổi mạnh mẽ hơn theo nhiệt độ Ngoài ra, còn có loại Pt10 với độ nhạy thấp, thường được sử dụng để đo nhiệt độ.
Tiêu chuẩn IEC 751 quy định hai đẳng cấp dung sai A và B, nhưng trên thực tế còn có thêm các loại C và D Các tiêu chuẩn này không chỉ áp dụng cho nhiệt điện trở mà còn cho nhiều loại khác Đẳng cấp dung sai được xác định ở mức độ chính xác 0°C.
Bảng 1.3 Tiêu chuẩn về dung sai
Theo tiêu chuẩn DIN, vật liệu Platin dùng làm nhiệt điện trở có pha tạp, giúp giảm thiểu sự thay đổi trị số điện khi bị tạp chất thẩm thấu trong quá trình sử dụng Điều này mang lại sự ổn định lâu dài theo thời gian, khiến Platin tạp thích hợp hơn cho ứng dụng trong công nghiệp Trong lĩnh vực công nghiệp, nhiệt điện trở Platin thường có đường kính 30μm, nhỏ hơn so với đường kính sợi tóc khoảng 100μm.
* Mạch ứng dụng với nhiệt điện trở platin :
ADT70 là một IC do Analog Devices sản xuất, cho phép kết hợp hoàn hảo với cảm biến Pt1000, mang lại dải đo nhiệt độ rộng Với cảm biến Platin kỹ thuật màng mỏng, ADT70 có khả năng đo từ -50°C đến 500°C, trong khi với cảm biến Platin chất lượng cao, dải đo có thể lên đến 1.000°C Độ chính xác của hệ thống bao gồm ADT70 và cảm biến Platin trong khoảng nhiệt độ -200°C đến 1.000°C phụ thuộc chủ yếu vào chất lượng của cảm biến Platin.
Các thông số thiết bị ADT70 :
- Điện áp hoạt động: 5 vôn hoặc ±5 vôn
- Nhiệt độ hoạt động: Từ – 40 0 C đến 125 0 C (dạng 20 – lead DIP, SO packages)
- Ứng dụng: Thiết bị di động, bộ điều khiển nhiệt độ
ADT70 bao gồm hai thành phần chính: nguồn dòng có thể điều chỉnh và bộ phận khuyếch đại Nguồn dòng cung cấp năng lượng cho nhiệt điện trở và điện trở tham chiếu, trong khi bộ phận khuyếch đại so sánh điện áp giữa nhiệt điện trở và điện trở tham chiếu, từ đó tạo ra tín hiệu điện áp tương ứng với nhiệt độ Ngoài ra, ADT70 còn tích hợp một opamp và nguồn áp 2,5 vôn.
Dải đo của ADT70 được xác định bởi đặc tính của nhiệt điện trở, do đó việc lựa chọn nhiệt điện trở phù hợp với ứng dụng thực tế là rất quan trọng.
Hình 1.1 Sơ đồ khối ADT70
Nhiệt điện trở Niken
Nhiệt điện trở niken so sánh với Platin rẻ tiền hơn và có hệ số nhiệt độ lớn gần gấp
Cảm biến niken 100 thường được sử dụng trong công nghiệp điều hòa nhiệt độ phòng, với dải đo từ -60°C đến +250°C Cần lưu ý rằng trên 350°C, niken sẽ có sự thay đổi về pha.
Với các trường hợp không đòi hỏi sự chính xác cao, ta sử dụng phương trình sau :
Từ đó dễ dàng chuyển đổi thành giá trị nhiệt độ :
Hình 1.2 Đường đặc tính cảm biến nhiệt độ ZNI 1000
Cảm biến nhiệt độ ZNI 1.000 do hãng ZETEX Semiconductors sản xuất sử dụng nhiệt điện trở Ni, được thiết kế có giá trị 1.000( tại 0 0 C)
- Mạch ứng dụng với nhiệt điện trở Ni :
Zni 1.000 với ZMR500 được dùng với DVM như là nhiệt kế
Nhiệt điện trở thay đổi điện trở theo nhiệt độ, cho phép đo điện áp U = R.I với dòng điện không đổi Để cảm biến không bị nóng, dòng điện cần duy trì ở mức khoảng 1 mA Đối với Pt 100 ở 0°C, điện thế khoảng 0,1 vôn cần được truyền đến máy đo qua dây đo Có ba kỹ thuật nối dây đo để thực hiện việc này.
Hình 1.3 Cách nối dây nhiệt điện trở
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
Hình 1.4 Kỹ thuật nối 2 dây
Khi kết nối nhiệt điện trở với mạch điện tử qua hai dây dẫn, mỗi dây đều có điện trở, dẫn đến việc điện trở này nối tiếp với điện trở của dây đo, làm cho mạch nhận được điện thế cao hơn so với điện thế cần đo Kết quả là chỉ thị nhiệt kế hiển thị nhiệt độ cao hơn mức thực tế Nếu khoảng cách giữa các thiết bị quá xa, điện trở của dây đo có thể lên đến vài ôm Để giảm thiểu sai số do điện trở dây đo gây ra, người ta sử dụng một mạch bù trừ điện trở Cụ thể, một biến trở bù trừ được kết nối vào một trong hai dây đo, và nhiệt điện trở được thay thế bằng một điện trở 100Ω Mạch điện tử được thiết kế với điện trở dự phòng của dây đo là 10Ω, và biến trở được điều chỉnh để có chỉ thị 0°C, với biến trở và điện trở của dây đo đều là 10Ω.
Hình 1.5 Kỹ thuật nối 3 dây
Khi nối thêm một điện trở vào dây đo nhiệt điện trở, hai mạch đo được hình thành, trong đó một mạch được sử dụng làm mạch chuẩn Kỹ thuật 3 dây giúp loại bỏ sai số đo do điện trở của dây và sự thay đổi nhiệt độ Tuy nhiên, để áp dụng kỹ thuật này, cả ba dây đo cần phải có cùng trị số kỹ thuật và nhiệt độ Kỹ thuật 3 dây rất phổ biến trong các ứng dụng đo lường.
Hình 1.6 Kỹ thuật nối 4 dây
Kỹ thuật 4 dây cho phép đạt được kết quả đo chính xác nhất trong các hệ thống điện Hai dây đầu tiên được sử dụng để truyền dòng điện không đổi qua nhiệt điện trở, trong khi hai dây còn lại được dùng để đo điện thế trên nhiệt điện trở Khi tổng trở ngõ vào của mạch đo lớn hơn nhiều so với điện trở của dây đo, điện trở này có thể coi là không đáng kể, giúp đảm bảo rằng điện thế đo được không bị ảnh hưởng bởi điện trở dây đo và sự biến đổi của nó do nhiệt.
* Các cấu trúc của cảm biến nhiệt platin và nickel :
- Nhiệt điện trở với vỏ gốm: Sợi Platin được giữ chặt trong ống gốm sứ với bột ốit nhôm, dải đo từ – 200 0 C đến 800 0 C
Nhiệt điện trở vỏ thuỷ tinh có độ bền cơ học và độ nhạy cao, với dải đo từ -200°C đến 400°C, phù hợp cho môi trường hóa chất có độ ăn mòn cao.
Cảm biến nhiệt điện với vỏ nhựa được cấu tạo giữa hai lớp nhựa polyamid, chứa dây platin có đường kính khoảng 30 mm được dán kín Với thiết kế dạng mảng, cảm biến này chuyên dùng để đo nhiệt độ bề mặt của các ống hoặc cuộn dây biến thế, với dải đo từ -80°C đến 230°C.
Nhiệt điện trở màng mỏng có cấu trúc cảm biến với lớp màng mỏng bằng platin trên nền ceramic hoặc thủy tinh Công nghệ này sử dụng tia laser để chuẩn hóa giá trị điện trở, mang lại độ chính xác cao trong các ứng dụng đo lường.
3 Cảm biến nhiệt độ với vật liệu Silic
Cảm biến nhiệt độ làm từ vật liệu silic đang ngày càng trở nên quan trọng trong các hệ thống điện tử nhờ vào tính năng tuyến tính, độ chính xác cao và chi phí thấp Chúng có khả năng tích hợp trong một IC cùng với bộ khuếch đại và các yêu cầu xử lý tín hiệu khác, giúp hệ thống trở nên nhỏ gọn, phức tạp hơn và hoạt động nhanh hơn So với các kỹ thuật cảm biến truyền thống như cặp nhiệt và nhiệt điện trở, cảm biến silic vượt trội hơn nhờ vào đặc tính không tuyến tính của các thiết bị cũ, đồng thời cho phép chuyển đổi chính xác từ giá trị nhiệt độ sang tín hiệu điện (dòng hoặc áp) một cách dễ dàng.
Cảm biến có kích thước 500 x 500 x 200, với mặt trên được phủ một lớp SiO2 và một vùng tròn mạ kim loại có đường kính khoảng 20μm Toàn bộ mặt đáy của cảm biến cũng được mạ kim loại.
Hình 1.7 Cấu trúc cơ bản của cảm biến Silic
Hình 1.8 Mạch điện tương đương tượng trưng thay thế cảm biến Silic
Mạch điện tương đương cho cảm biến silic được biểu diễn trong hình vẽ 1.8, sử dụng nguyên tắc điện trở phân rải Sự sắp xếp này tạo ra dòng điện phân bố theo dạng hình nón trong tinh thể, từ đó xuất phát tên gọi điện trở phân rải Điện trở của cảm biến nhiệt R được xác định theo công thức cụ thể.
Trong đó : R - là điện trở cảm biến nhiệt
- là điện trở suất của vật liệu silic ( lệ thuộc vào nhiệt độ) d - là đường kính của hình tròn vùng mạ kim loại mặt trên
- Đặc trưng kỹ thuật cơ bản của dòng cảm biến KTY(hãng Philips sản xuất)
Với độ chính xác và ổn định lâu dài của cảm biến từ vật liệu silic, công nghệ điện trở phân rải mà KYT áp dụng là sự thay thế hiệu quả cho các cảm biến nhiệt độ truyền thống Ưu điểm nổi bật của công nghệ này là khả năng cung cấp dữ liệu chính xác và tin cậy trong nhiều điều kiện khác nhau.
Sự ổn định của cảm biến được xác định khi hoạt động ở nhiệt độ bằng một nửa giá trị nhiệt độ cực đại trong ít nhất 45.000 giờ (khoảng 51 năm) hoặc 1.000 giờ (1,14 năm) liên tục với dòng định mức Kết quả đo đạt được từ cảm biến silic tại nhiệt độ hoạt động cực đại sẽ có sai số như bảng dưới đây.
TYPE Sai số tiêu biểu (K) Sai số lớn nhất (K)
Bảng 1.4 Sai số của cảm biến silic (do thời gian sử dụng)
Công nghệ silic mang lại lợi ích cho cảm biến, nhờ vào sự phát triển trong lĩnh vực này, đồng thời cũng góp phần tích cực cho công nghệ đóng gói, nơi có xu hướng thu nhỏ kích thước.
Cảm biến sử dụng vật liệu silic có đặc tính tuyến tính với hệ số gần như hằng số trên toàn bộ thang đo, điều này tạo ra sự lý tưởng cho việc khai thác và sử dụng, đặc biệt là trong các ứng dụng kỹ thuật của KYT 81.
Nhiệt độ hoạt động của các cảm biến silic thông thường bị giới hạn ở 150 0 C KYT
84 với vỏ bọc SOD68 và công nghệ nối đặc biệt giữa dây dẫn và chip có thể hoạt động đến nhiệt độ 300 0 C
Hình 1.9 Đặc trưng kỹ thuật của KYT 81 Đặc điểm sản phẩm :
Tên sản phẩm R25 ( Ω ) ∆ R Thang đo
KYT 83 – 1 1.000 1% tới 5% - 55 tới 175 SOD 68 (DO – 34)
IC cảm biến nhiệt độ
- Trình bày được cấu tạo và đặc tính của IC cảm biến nhiệt độ
Nhiều công ty chế tạo IC bán dẫn chuyên đo và hiệu chỉnh nhiệt độ thông qua cảm biến nhiệt độ, là mạch tích hợp chuyển đổi tín hiệu nhiệt thành tín hiệu điện áp hoặc dòng điện Các bán dẫn rất nhạy cảm với nhiệt độ, tạo ra điện áp hoặc dòng điện tỷ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt đối (C, F, K) Để đo tín hiệu điện, cần xác định nhiệt độ cần đo, với tầm đo giới hạn từ -55°C đến 150°C và độ chính xác từ 1% đến 2% tùy thuộc vào loại cảm biến.
Nhiệt độ tác động lên chất bán dẫn bằng cách tạo ra điện tích tự do và lỗ trống thông qua việc phá vỡ các phân tử, làm bứt các electron ra khỏi cấu trúc mạng tinh thể Hiện tượng này dẫn đến sự xuất hiện của các lỗ trống nhiệt, làm tăng tỉ lệ điện tử tự do và lỗ trống theo quy luật hàm số mũ với nhiệt độ Kết quả là, dưới điện áp thuận, dòng điện trong mối nối p-n của diode hay transistor sẽ tăng theo hàm số mũ tương ứng với nhiệt độ.
Trong mạch tổ hợp, cảm biến nhiệt thường là điện áp của lớp chuyển tiếp p – n trong một transistor loại bipolar, Texinstruments có STP 35 A/B/C; National Semiconductor LM 35/4.5/50…vv
* Cảm biến nhiệt LM 35/ 34 của National Semiconductor :
Hầu hết các cảm biến nhiệt độ phổ biến như cặp nhiệt độ ngẫu và thermistor đều có thiết kế phức tạp, với cặp nhiệt độ ngẫu có ngõ ra thấp và yêu cầu bù nhiệt, trong khi thermistor lại không tuyến tính Mặc dù các khối cảm biến tích hợp được phát triển để khắc phục những nhược điểm này, ngõ ra của chúng thường liên quan đến thang đo Kelvin hơn là độ Celsius và Fahrenheit.
Hình 1.11 Các cách kết nối cảm biến LM35
Cảm biến nhiệt độ LM35 là loại cảm biến chính xác với điện áp ngõ ra tỉ lệ thuận với nhiệt độ Celsius, giúp loại bỏ nhu cầu về mạch bù trừ điểm zero cho thang Kelvin như ở một số IC cảm biến nhiệt khác.
- Đặc điểm: Điện áp hoạt động: Vs = 4 vôn đến 30 vôn; Điện áp ngõ ra tuyến tính: 10 mV/ 0 C
- Thang đo: - 55 0 C đến 150 0+ C với LM 35/35A;
- 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)
- Giống như LM 35 nhưng được thiết kế cho thang đo Fahrenheit từ -50 đến +
VOUT = 1500mV tại +150 0 C = +250mV tại +25 0 C = -550mV tại -55 0 C
- LM 34 có ngõ ra 10mV/ 0 F
- Điện áp hoạt động: Từ 5 vôn DC đến 20 vôn DC
Trở kháng ngõ ra LM 34 thấp và đặc điểm ngõ ra tuyến tính làm cho giá trị đọc ra hay điều khiển mạch điện dễ dàng
* Cảm biến nhiệt độ AD 590 của Analog Devices :
Cảm biến AD 590 của Analog Devices là cảm biến nhiệt với tổng trở ngõ ra lớn (10 MΩ), được cân bằng bởi nhà sản xuất để đảm bảo dòng điện mA ra tương ứng với chuẩn nhiệt độ K Để tránh hiện tượng tự gia nhiệt, điện áp làm việc nên được giữ ở mức thấp, và khi điện áp thay đổi, dòng điện chỉ thay đổi rất ít.
- Điện áp hoạt động: Từ 4 vôn DC đến 30 vôn DC
- Dòng điện ra tỉ lệ: 1A/ 0 K
Nhiệt điện trở NTC
- Trình bày được cấu tạo và đặc tính của nhiệt điện trở NTC
NTC (Negative Temperature Coefficient) là loại nhiệt điện trở có đặc điểm là giá trị điện trở sẽ giảm khi nhiệt độ tăng Cụ thể, điện trở của NTC giảm từ 3% đến 5% cho mỗi độ Celsius tăng thêm.
NTC là một hợp chất đa tinh thể gồm nhiều oxit gốm, được nung chảy ở nhiệt độ cao từ 1.000 °C đến 1.400 °C Các thành phần chính của NTC bao gồm Fe2O3, Zn2TiO4, MgCr2O4, TiO2, NiO và CO.
Li2O được xử lý bằng các phương pháp đặc biệt sau khi chế tạo để đảm bảo các NTC có đặc trưng kỹ thuật ổn định trong thời gian dài.
* Đường đặc tính cảm biến nhiệt NTC :
- Đặc tính nhiệt độ - điện trở
Sự phụ thuộc nhiệt độ của điện trở phần tử thermistor NTC dẫn nóng có thể biểu diễn theo công thức :
R T – điện trở phần tử thermistor NTC ở nhiệt độ T
R N – điện trở thermistor NTC ở nhiệt độ dẫn xuất T = 293K = 20 0 C
B – hằng số vật liệu, xác định sự phụ thuộc nhiệt độ dẫn nóng
T N – hệ số nhiệt của phần tử thermistor NTC
Các biểu thức trên mô tả sự phụ thuộc nhiệt độ của nhiệt điện trở thermistor NTC một cách gần đúng, tuy nhiên, để có các phép đo chính xác hơn trong một dải nhiệt độ rộng, cần lưu ý rằng sẽ có sai lệch Do đó, hằng số B cần được xem là một hàm thay đổi theo nhiệt độ Hình 1.12 minh họa các đặc tuyến biến trở phụ thuộc nhiệt độ với các trị số điện trở dẫn xuất và giá trị B khác nhau.
Hình 1.12 Đặc tính nhiệt độ-điện trở Hình 1.13 Đặc tính volt-ampere
Khi dòng điện hoặc điện áp của thermistor NTC vượt quá mức bình thường, nó sẽ nóng lên đến nhiệt độ cao hơn môi trường xung quanh Hiện tượng này gây ra tổn hao công suất điện năng do sự gia tăng dòng điện hoặc điện áp, tương đương với công suất mà phần tử dẫn nóng tỏa ra dưới dạng nhiệt độ tăng Để nghiên cứu các đặc tính này, người ta xác định đặc tuyến tĩnh của phần tử, như được thể hiện trong Hình 1.13, mô tả đặc tuyến của một thermistor NTC dẫn nóng.
Vị trí điểm cực đại trên đặc tuyến volt-ampere của thermistor NTC phụ thuộc vào điện trở nguội, nhiệt độ môi trường và diện tích bề mặt của phần tử dẫn nóng Phần tử có diện tích bề mặt lớn sẽ tản nhiệt tốt hơn và phát tán công suất ra môi trường nhiều hơn so với phần tử nhỏ, dẫn đến sự dịch chuyển điểm cực đại về phía trị số dòng và áp lớn hơn Đối với các phần tử nhiệt điện trở dùng trong đo lường và mạch điều khiển bù cân bằng, cần đảm bảo chịu tải nhẹ để tránh phát nhiệt tự thân, giúp trị số điện trở phản ánh chính xác nhiệt độ môi trường.
Do sự khác biệt về điện trở nguội và hệ số nhiệt giữa các phần tử cùng loại, thường cần phải điều chỉnh để cân bằng trị số bằng cách mắc nối tiếp hoặc song song với một điện trở không phụ thuộc nhiệt độ Để tuyến tính hóa đặc tuyến, người ta sử dụng sơ đồ mắc phần tử dẫn nóng vào một bộ phân áp Điện trở R1 được chọn sao cho phần tử nhiệt điện trở NTC chỉ thị ở khoảng giữa phạm vi nhiệt độ làm việc, trong khi trị số điện trở R2 lớn gấp 10 lần điện trở R1.
Hình 1.14 Tuyến tính hóa đặc tuyến phần tử biến trở NTC
* Các thông số của biến trở NTC :
- Tmin; Tmax là giới hạn nhiệt độ hoạt động của NTC
- Pmax là công suất lớn nhất cho phép chuyển đổi ra nhiệt trong NTC
NTC có rất nhiều ứng dụng, được chia ra làm 2 loại đó là loại dùng làm đo lường và loại làm bộ trễ
NTC (Negative Temperature Coefficient) được sử dụng chủ yếu trong đo lường nhiệt độ và điều khiển, nhằm tránh hiện tượng tự sinh nhiệt do dòng điện lớn Trong vùng tuyến tính, điện trở của NTC phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường, giúp đảm bảo độ chính xác trong các ứng dụng đo nhiệt độ và kiểm tra Ngoài ra, NTC còn được áp dụng để bù đắp sự phụ thuộc nhiệt độ của điện trở, góp phần ổn định nhiệt độ cho các mạch điện tử sử dụng bán dẫn.
NTC là loại điện trở có tính chất trễ, khi dòng điện qua nó tăng cao, điện trở sẽ giảm mạnh do quá trình tự tỏa nhiệt Sự giảm điện trở này càng rõ rệt khi tải lớn hơn Nhiệt điện trở NTC được sử dụng để triệt dòng đỉnh trong các mạch đèn chiếu sáng có tim, mạch động cơ công suất nhỏ, mạch đốt tim bóng điện tử, và các mạch có tính dung kháng như tụ điện.
- Trình bày được cấu tạo và đặc tính của nhiệt điện trở PTC
Nhiệt điện trở PTC (Hệ số Nhiệt điện trở Dương) là loại nhiệt điện trở có đặc điểm là giá trị điện trở tăng khi nhiệt độ tăng Trong một khoảng nhiệt độ nhất định, PTC sở hữu hệ số nhiệt độ αR rất cao, cho phép nó hoạt động hiệu quả trong các ứng dụng yêu cầu sự thay đổi điện trở theo nhiệt độ.
Vật liệu chế tạo PTC bao gồm hỗn hợp barium carbonate và một số ôxit kim loại, được ép và nung để tạo ra các tính chất điện khác nhau Các hợp chất có thể được điều chỉnh bằng cách thay đổi nguyên liệu và phương pháp gia nhiệt, dẫn đến sự hình thành các mối nối trong thermistors Trong quá trình sản xuất, các dây nối dẫn ra ngoài được thêm vào, và nhiệt điện trở PTC thường được phủ một lớp vecni bên ngoài để bảo vệ khỏi ảnh hưởng của môi trường không khí.
* Đặc tính nhiệt độ - điện trở của nhiệt điện trở PTC :
Phần tử nhiệt điện trở PTC dẫn nguội có hệ số nhiệt độ dương lớn trong một khoảng nhiệt độ đặc trưng, với điện trở thermistor gia tăng hơn mười phần trăm do tác động chất bán dẫn và hiệu ứng sắt-điện Ở gần hạt nhân tinh thể, lớp chặn có độ lớn mức điện thế phụ thuộc vào hằng số điện môi của vật liệu xung quanh, quyết định mức gia tăng điện trở Khi nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ chuyển pha (nhiệt độ Curie), lớp chặn yếu và hằng số điện môi lớn, dẫn đến điện trở thấp Khi vượt quá nhiệt độ Curie, hằng số điện môi giảm, lớp chặn mạnh lên, và điện trở tăng lên nhanh chóng Sự sụt giảm điện trở do sự hoạt hoá nhiệt của tải có thể được bù đắp, mặc dù vẫn còn thấy ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ Curie Điểm đầu của phạm vi làm việc là nhiệt độ ban đầu T A, với điện trở ban đầu R A là trị số nhỏ nhất Điện trở tại điểm đầu đoạn tăng trưởng dốc đứng được coi là trị số danh định R N ở nhiệt độ danh định T N, gần như tương ứng với nhiệt độ Curie, và để trị danh định trở thành giá trị có thể tái lặp lại, R N phải gấp đôi R A.
Nhiệt độ cuối T E đánh dấu điểm kết thúc của giai đoạn tăng trưởng điện trở dốc đứng Sự biến thiên điện trở của phần tử dẫn nguội phụ thuộc vào nhiệt độ, cho thấy rằng các giá trị nhiệt độ cuối T E và điện trở cuối R E không phải là những thông số đặc trưng cho phần tử cảm biến nhiệt điện trở.
Hình 1.15 Đặc tính nhiệt độ - điện trở
* Các thông số của cảm biến nhiệt PTC :
- TN: Nhiệt độ danh định, tại giá trị nhiệt độ RN = 2.RA
- R : Hệ số nhiệt độ nhiệt điện trở PTC
- TE: Nhiệt độ giới hạn vùng làm việc
- R25: Điện trở của PTC khi ở môi trường nhiệt độ 25 0 C
* Ứng dụng : Ứng dụng tính chất giá trị điện trở tăng (khi nhiệt độ tăng): Khởi động bóng đèn huỳnh quang, mạch bảo vệ quá tải vv
Nhiệt điện trở PTC được sử dụng trong cầu đo của mạch so sánh, khi nhiệt độ bình thường RP thấp hơn RS, dẫn đến điện áp ngõ ra thấp Khi nhiệt độ tăng vượt ngưỡng, PTC nóng lên, khiến RP lớn hơn RS, làm cho điện áp ngõ ra V0 tăng cao.
Hình 1.16 Mạch so sánh Hình 1.17 Đặc tuyến V 0
PTC được sử dụng để phát hiện sự tăng nhiệt bất thường trong động cơ thông qua việc đo trực tiếp Cảm biến nhiệt được gắn chìm trong cuộn Stato, và tín hiệu từ cảm biến này được xử lý bởi một thiết bị điều khiển, dẫn đến các tác động cần thiết.
Các bài thực hành ứng dụng các loại cảm biến nhiệt độ
7.1 Thực hành với cảm biến nhiệt độ Platin Pt 100, Pt1000 và ADT70
* Mục đích : Khảo sát cảm biến nhiệt độ Pt 100, Pt 1.000
* Thiết bị : Cảm biến Pt 100 và Pt 1000, IC ADT70
- Lắp đặt mạch đo nhiệt độ sử dụng nhiệt độ trở Pt1000 với IC ADT 70 như hình 1.25
Để đo giá trị điện áp ngõ ra (VOUT IA và điểm nối mass), trước tiên cần tính giá trị nhiệt độ môi trường của phòng thí nghiệm (t) Hãy lắp mạch theo hình 1.25, lưu ý thay giá trị điện trở RG thành 4,98kΩ như trong hình 1.26 Việc thay đổi giá trị RG này giúp duy trì tỉ lệ giữa điện áp ngõ ra và nhiệt độ tương tự như khi sử dụng Pt1.000.
+ Thay điện trở tham chiếu 1000Ω bằng điện trở 100Ω
+ Đo giá trị điện áp ngõ ra (VOUT IA và điểm nối mass) : VOUT + Tính giá trị nhiệt độ môi trường của phòng thí nghiệm: t Hình 1.25 Pt1.000 và ADT 70
7.2 Thực hành với cảm biến LM35
* Mục đích : Khảo sát IC LM35
* Thiết bị : - IC LM 35, điện trở
Với IC LM35 điện áp ngõ ra tỉ lệ trực tiếp với thang đo Celsius Thực tế IC LM35 có 4 dạng như sau :
Hình 1.27 Sơ đồ chân của IC LM35
- Lắp mạch như ở hình vẽ 1.28 thang đo + 2 0 C đến 150 0 C
+ Sử dụng Milivôn kế đo giá trị điện áp VOUT : VOUT + Tính nhiệt độ t + Đưa cảm biến đến gần nguồn nhiệt theo dõi sự thay đổi của VOUT
- Lắp mạch như ở hình vẽ 1.29 thang đo - 55 0 C đến 150 0 C
Giá trị R1 được chọn tuỳ thuộc vào –VS ; R1 = - VS/50A
+ Sử dụng milivôn kế đo giá trị điện áp VOUT : VOUT + Tính nhiệt độ t + Đưa cảm biến đến gần nguồn nhiệt theo dõi sự thay đổi của VOUT
- Lắp mạch như hình vẽ 1.30 thang đo từ -55 0 C đến 150 0 C
+ Sử dụng milivôn kế đo giá trị điện áp VOUT : VOUT + Tính nhiệt độ t + Đưa cảm biến đến gần nguồn nhiệt theo dõi sự thay đổi của VOUT
- Lắp mạch như ở hình vẽ 1.31
Trong mạch này, giá trị điện áp ra VOUT tỉ lệ thuận với nhiệt độ đo được theo thang Fahrenheit Để thực hiện, sử dụng Milivôn kế để đo VOUT và tính toán nhiệt độ t Cuối cùng, đưa cảm biến lại gần nguồn nhiệt để theo dõi sự thay đổi của VOUT.
7.3 Thực hành với cảm biến nhiệt điện trở NTC
* Mục đích : Xây dựng đường đặc tính R = f( ) và I = f(U)
* Thiết bị : - Nhiệt điện trở NTC (Negative Temperature Coeffcient)
Sự thay đổi điện trở có thể xảy ra do nhiệt độ môi trường hoặc do quá trình tự nóng và làm lạnh tùy thuộc vào tải điện Đường đặc tính của điện trở NTC thể hiện mối quan hệ hàm số mũ, phụ thuộc vào vật liệu và cấu trúc cũng như nhiệt độ Trong môi trường phòng thí nghiệm, nhiệt độ được coi là không đổi, do đó không cần xem xét sự thay đổi điện trở do nhiệt độ môi trường Để thực hiện thí nghiệm, lắp theo mạch hình 1.32 và đo dòng điện qua điện trở NTC theo các điện áp đã cho trong bảng Các phép đo cần được thực hiện cách nhau 30 giây để đạt được trạng thái nhiệt độ ổn định khi thay đổi điện áp.
Để xây dựng đặc tính của R = f(θ), cần xác định các giá trị điện trở của điện trở NTC từ các giá trị dòng điện đã đo và các điện áp được cung cấp trong bảng dưới đây.
7.4 Thực hành với cảm biến nhiệt điện trở PTC
* Mục đích : Xây dựng đường đặc tính R = f( ) và I = f(U)
* Thiết bị : - Nhiệt điện trở PTC (Positive Temperature Coeffcient)
Sự thay đổi điện trở có thể xảy ra do biến đổi nhiệt độ môi trường hoặc do quá trình tự nóng và làm lạnh tùy thuộc vào tải điện Đường đặc tính của điện trở PTC thể hiện mối quan hệ hàm số mũ, phụ thuộc vào loại vật liệu, cấu trúc và nhiệt độ Trong phòng thí nghiệm, nhiệt độ được coi là không đổi, do đó không xem xét sự thay đổi điện trở do nhiệt độ môi trường Thí nghiệm được lắp đặt theo mạch hình 1.33, đo dòng điện qua điện trở PTC theo các điện áp trong bảng, với khoảng thời gian đo là 30 giây để đạt trạng thái nhiệt độ ổn định Để xây dựng đặc tính R = f(θ), cần xác định giá trị điện trở của điện trở NTC từ các giá trị dòng điện và điện áp đã đo.
CẢM BIẾN TIỆM CẬN
Cảm biến tiệm cận điện cảm (Inductive Proximity Sensor)
Dùng để phát hiện những vật bằng kim loại, với khoảng cách phát hiện nhỏ (có thể lên đến 50mm)
* Cấu tạo và nguyên lý hoạt động :
Hình 2.6 Cấu tạo cảm biến tiệm cận điện cảm
+ Tạo từ trường gồm : bộ tạo dao động và cuộn dây cảm ứng,
+ Biến đổi gồm : cuộn dây so sánh, bộ so sánh, bộ khuếch đại
Bộ tạo dao động phát ra tần số cao và truyền tần số này qua cuộn cảm ứng, tạo ra vùng từ trường phía trước Năng lượng từ bộ tạo dao động cũng được gửi qua bộ so sánh để làm mẫu chuẩn.
Khi không có vật cảm biến trong vùng từ trường, năng lượng nhận từ cuộn dây so sánh sẽ tương đương với năng lượng mà bộ dao động phát ra, dẫn đến việc không có tác động nào xảy ra.
Khi một vật cảm biến kim loại nằm trong vùng từ trường, dòng điện xoáy sẽ hình thành do tác động của từ trường lên kim loại Sự gần gũi của vật cảm biến với vùng từ trường của cuộn cảm ứng sẽ làm tăng dòng điện xoáy và giảm năng lượng phát ra từ cuộn cảm ứng Điều này dẫn đến năng lượng mà cuộn dây so sánh nhận được nhỏ hơn năng lượng mẫu chuẩn từ bộ dao động Sau khi qua bộ so sánh, tín hiệu sai lệch sẽ được khuếch đại và sử dụng làm tín hiệu điều khiển đầu ra.
* Phân loại cảm biến tiệm cận điện cảm :
Xét về hình dáng thì cảm biến tiệm cận điện cảm có hai loại :
Cuộn dây Vỏ bảo vệ
Tạo từ trường Biến đổi
Cảm biến tiệm cận điện cảm loại có vỏ bảo vệ (Shielded) hoặc cảm biến tiệm cận điện cảm đầu bằng được thiết kế với vùng từ trường tập trung ở phía trước, giúp giảm thiểu nhiễu từ các kim loại xung quanh Tuy nhiên, điều này cũng dẫn đến việc phạm vi đo của cảm biến bị thu hẹp.
Hình 2.7 Cảm biến tiệm cận điện cảm đầu bằng E2EV của hãng Omron
Cảm biến tiệm cận điện cảm loại không có vỏ bảo vệ (Un-Shielded) hay cảm biến tiệm cận điện cảm đầu lồi có khả năng tạo ra vùng từ trường mạnh mẽ ở phía trước và xung quanh, giúp mở rộng phạm vi đo Tuy nhiên, loại cảm biến này cũng dễ bị nhiễu bởi các vật kim loại xung quanh, ảnh hưởng đến độ chính xác trong quá trình sử dụng.
Hình 2.8 Cảm biến tiệm cận điện cảm đầu lồi E2E-X2F1 2M OMS của hãng Omron
* Khoảng cách đo – các yếu tố ảnh hưởng :
Khoảng cách phát hiện của cảm biến phụ thuộc vào vật liệu cấu thành của nó Các vật liệu có tính từ tính hoặc kim loại chứa sắt sẽ cho khả năng phát hiện xa hơn so với các vật liệu không có tính từ tính hoặc không chứa sắt.
Hình 2.9 Đường đặc tuyến quan hệ giữa khoảng cách phát hiện và từ tính của vật
Hình 2.10 Ảnh hưởng của vật liệu làm vật cảm biến đến khoảng cách phát hiện
- Kích cỡ của vật cảm biến : Nếu kích cỡ vật cảm biến nhỏ hơn vật chuẩn, khoảng cách phát hiện của sensor sẽ giảm
Khoảng cách phát hiện (mm)
Hình 2.11 Ảnh hưởng của kích cỡ vật cảm biến đến khoảng cách phát hiện
Bề dày của vật cảm biến kim loại có từ tính như sắt và niken cần phải lớn hơn hoặc bằng 1mm để đảm bảo hiệu suất phát hiện Khi bề dày của vật cảm biến giảm, khoảng cách phát hiện cũng sẽ giảm theo.
Hình 2.12 Ảnh hưởng của bề dày vật cảm biến đến khoảng cách phát hiện
Lớp mạ bên ngoài của vật cảm biến có thể ảnh hưởng đến khoảng cách phát hiện Ví dụ, các cảm biến của hãng Omron cho thấy rằng việc mạ lớp bên ngoài sẽ tác động đến hiệu suất phát hiện của chúng.
Số thứ tự Vật liệu mạ và độ dày Vật liệu làm lõi
Bảng 1.1 Ảnh hưởng của lớp mạ bên ngoài cảm biến đến khoảng cách phát hiện
Cảm biến tiệm cận điện dung (Capacitive Proximity Sensor)
Dùng để phát hiện những bằng phi kim, với khoảng cách phát hiện nhỏ (có thể lên đến 50mm)
* Cấu tạo và nguyên lý hoạt động :
+ Tạo vùng điện môi (hoặc vùng từ trường) gồm : bộ tạo dao động và các bản cực hở (bản cực trong và bản cực ngoài)
+ Biến đổi gồm : bộ so sánh, bộ khuếch đại
Hình 2.13 Cấu tạo cảm biến tiệm cận điện dung
Bộ dao động phát ra tần số cao, truyền qua hai bản cực hở, tạo ra vùng điện môi hoặc từ trường phía trước Năng lượng từ bộ dao động cũng được gửi qua bộ so sánh để làm mẫu chuẩn.
Khi không có vật cảm biến trong vùng điện môi, năng lượng nhận được từ hai bản cực hở sẽ tương đương với năng lượng mà bộ dao động phát ra, do đó sẽ không xảy ra bất kỳ tác động nào.
Khi vật cảm biến bằng phi kim như giấy, nhựa, hay gỗ nằm trong vùng điện môi, một tụ điện sẽ được hình thành và điện dung của nó sẽ thay đổi, dẫn đến sự giảm năng lượng trên tụ điện Kết quả là, năng lượng mà bộ so sánh nhận được sẽ thấp hơn năng lượng mẫu chuẩn do bộ dao động cung cấp Sau đó, tín hiệu sai lệch sẽ được khuếch đại và sử dụng làm tín hiệu điều khiển ngõ ra.
* Phân loại cảm biến tiệm cận điện dung :
Xét về hình dáng thì cảm biến tiệm cận điện dung có hai loại :
Cảm biến tiệm cận điện dung có vỏ bảo vệ (Shielded) và cảm biến tiệm cận điện dung đầu bằng có vùng điện môi tập trung ở phía trước, giúp giảm thiểu sự nhiễu từ các vật liệu kim loại và phi kim xung quanh Tuy nhiên, điều này cũng dẫn đến việc phạm vi đo của cảm biến bị thu hẹp.
Hình 2.14 Cảm biến tiệm cận điện dung đầu bằng CR Series của hãng Autonics
Cảm biến tiệm cận điện dung không có vỏ bảo vệ (Un-Shielded) hay cảm biến tiệm cận điện dung đầu lồi có vùng điện môi hoặc từ trường tập trung phía trước và xung quanh, giúp mở rộng phạm vi đo Tuy nhiên, loại cảm biến này dễ bị nhiễu bởi các vật liệu kim loại xung quanh.
Hình 2.15 Cảm biến tiệm cận điện dung đầu lồi E2K-X8MF1 2M của hãng Omron
* Cách kết nối ngõ ra của cảm biến tiệm cận điện cảm:
- Ngõ ra dạng NPN Transittor và PNP Transittor :
Với điện áp DC thấp, cảm biến có 2 dạng cấu hình ngõ ra phổ biến là kiểu NPN
Hình 2.16 NPN transitor Hình 2.17 PNP transitor
- Ngõ ra dạng Transittor FETS :
Transistor FETS cung cấp đáp ứng nhanh và tiêu hao dòng điện rất nhỏ, chỉ cần khoảng 30μA để điều khiển trạng thái, nhưng giá thành thường cao hơn so với các loại khác Ngõ ra của FET có thể được kết nối song song như tiếp điểm cơ khí của rơle, phù hợp với cả điện áp AC và DC Đặc biệt, FET công suất có thể chịu được dòng ngõ ra lên đến 500 mA.
Cảm biến ngõ ra dạng triac được thiết kế để có thể sử dụng như công tắc cho điện
Cảm biến AC này cho phép ngõ ra chịu được dòng lớn và điện áp rơi thấp, rất phù hợp để kết nối với các công tắc tơ lớn Tuy nhiên, dòng tiêu hao của nó lớn hơn 1mA, vì vậy không thích hợp để kết nối với các thiết bị như PLC.
Cảm biến cung cấp tín hiệu ngõ ra dưới dạng dòng và áp suất tương ứng với sự phát hiện, có thể ở trạng thái thường đóng (NC) hoặc thường mở (NO) Cụ thể, cảm biến loại PNP có trạng thái ngõ ra Off khi không có đối tượng, tức là loại thường mở, trong khi trạng thái ngõ ra On khi không có đối tượng cho thấy đây là loại thường đóng.
Cảm biến được phân loại thành 3 loại chính: 2 dây, 3 dây và 4 dây Trong số đó, cảm biến 4 dây có hai loại ngõ ra, bao gồm thường đóng và thường mở.
- Cách kết nối các cảm biến tiệm cận với nhau :
Trong các ứng dụng yêu cầu sử dụng nhiều cảm biến, có thể kết nối chúng theo hai cách: song song hoặc nối tiếp Khi kết nối song song, ngõ ra sẽ bật lên khi tất cả các cảm biến đều hoạt động Ngược lại, khi kết nối nối tiếp, chỉ cần một trong số các cảm biến bật thì ngõ ra cũng sẽ được kích hoạt.
2 Một số loại cảm biến xác định vị trí, khoảng cách khác
- Trình bày được cấu tạo, nguyên lý hoạt động, phạm vi ứng dụng của các loại cảm biến xác định vị trí, khoảng cách
Xác định vị trí và khoảng cách dùng biến trở ( Resistance Transducer )
Các phần tử biến trở thường được chế xuất dưới dạng chiết áp potentiometer Trị số điện trở thuần Ohm của biến trở kim loại dây cuốn là:
Trong đó : - điện trở suất vật liệu điện trở, [ m mm 2
]; l – chiều dài dây cuốn điện trở;
S – tiết diện dây trở, [mm 2 ]
Chiết áp có cấu trúc với tiếp điểm con trượt, cho phép chuyển động thẳng hoặc vòng, thường có một hoặc nhiều vòng Kiểu phổ biến bao gồm bộ phận truyền động trục quay con trượt, có thể quay tay hoặc sử dụng máy điện Biến trở được chế tạo từ điện trở dây cuốn hoặc màng điện trở film resistor bằng carbon hoặc chất dẻo dẫn điện Mặc dù mỗi chiết áp đều có thành phần điện cảm và điện dung, nhưng có thể bỏ qua chúng khi sử dụng điện một chiều hoặc xoay chiều tần số thấp Hiện nay, công nghệ biến trở từ - magnetic field resistors đang được phát triển, hoạt động không tiếp xúc và không bị ảnh hưởng bởi ma sát của con trượt.
Hình 2.21 Cảm biến điện trở: ; Hình 2.22 Sai lệch tuyến tính của a) Chiết áp thẳng chiết áp do dung sai chế tạo b) Chiết áp vòng (amular)
* Các thông số đặc trưng của biến trở :
- Trị số điện trở (danh định): Trị số điện trở điển hình là 100[] và 100 [k]
Mức tổn hao công suất cho phép tăng theo điện áp khi điện trở nhỏ, trong khi với điện trở lớn, ảnh hưởng của điện cảm và điện dung gia tăng, đồng thời có nguy cơ nhiễu điện-từ Vì vậy, cần tìm phương án thoả hiệp tùy thuộc vào ứng dụng cụ thể Điện áp lớn nhất U 0 max cung cấp cho chiết áp được tính toán dựa trên các yếu tố này.
U 0 max th ; [V] (2-3) Trong đó : P th – công suất tổn hao cho phép của chiết áp, [W];
Dung sai cho phép là sai số lớn nhất có thể chấp nhận, phản ánh sự khác biệt giữa trị số thực tế và trị số danh định của chiết áp Sai số này được tính bằng [%] trị danh định, tức là sai số tương đối của biến trở chiết áp, thường nằm trong khoảng (110)[%] Trị số điển hình cho dung sai của chiết áp thường dao động trong khoảng 3[%] đến 5[%].
Độ tuyến tính là một đặc tính quan trọng của các phần tử tự động, ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động của chúng Ngay cả trong điều kiện không tải, khi điện áp đầu ra được xác định bằng phương pháp bù, sự thay đổi điện áp đầu ra vẫn không hoàn toàn tuyến tính với đường trượt hoặc góc quay của con trượt Độ sai lệch giữa điện trở thực tế và đường cong lý tưởng thường nằm trong một khoảng nhất định.
Chiết áp dây cuốn có độ tuyến tính tốt, nhưng nhược điểm là giá trị biến trở thay đổi theo số vòng dây, dẫn đến độ phân giải tương ứng với điện trở của một vòng dây Trong thực tế, có thể chế tạo chiết áp với 25 vòng trên 1 mm, cho phép đạt được độ phân giải giới hạn khoảng 40 μm.
- Độ phân giải: Độ phân giải của chiết áp vòng đơn đường kính 25 [mm] là khoảng
Chiết áp kiểu màng carbon và màng dẻo điện dẫn có độ phân giải lý thuyết vô định, nhưng thực tế có thể đạt được độ phân giải 0,01 mm cho phép đo dịch chuyển thẳng và 0,01 độ cho phép đo di góc Tuy nhiên, độ tuyến tính của các cảm biến này thường kém hơn so với chiết áp dây cuốn.
Phương pháp xác định trị số điện trở chính xác nhất là sử dụng sơ đồ cầu đo Hình
2.23 giới thiệu nguyên lý sơ đồ mạch cầu ứng dụng cho phần tử biến trở
Sơ đồ mạch cầu ứng dụng cho phần tử biến trở có thể thực hiện theo nguyên lý cầu cân bằng, với điện áp đường chéo cầu U D = 0 [V] khi sử dụng điện kế galvanometer chỉ thị “0” Khi cầu đạt trạng thái cân bằng, trị số điện trở chưa biết R 1 có thể được xác định bằng cách so sánh với các điện trở đã biết.
Sơ đồ cầu theo nguyên lý cầu lệch có thể được sử dụng để xử lý tín hiệu đo, trong đó điện áp đầu ra U D được xác định qua điện áp đường chéo cầu Phần tử biến trở R 2 trong sơ đồ cầu lệch thay đổi theo chuyển vị x với công thức R 2 = R(1 + x) Đối với những chuyển dịch nhỏ, khi x
