TÀI LIỆU MÔ ĐUN KĨ THUẬT CẢM BIẾN BÀI 1: KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ CÁC BỘ CẢM BIẾN. 1. Khái niệm cơ bản về các bộ cảm biến: ... 2. Phạm vi sử dụng của cảm biến........................ 3. Phân loại cảm biến: .. ................ BÀI 2: CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ.. 1.Đại cương... 2 Nhiệt điện trở Platin và Niken.. 3 Cảm biến nhiệt độ với vật liệu Silic....... 4, IC cảm biến nhiệt độ ..... 5. Nhiệt điện trở NTC. 6. Nhiệt điện trở PTC.. 7. Thực hành với cảm biến nhiệt độ Platin Pt 100, Pt1000 và ADT70................ 8. Thực hành với cảm biến LM35.. .......... 9. Thực hành với cảm biến nhiệt điện trở NTC 10. Thực hành với cảm biến nhiệt điện trở PTC............. ............. BÀI 3: CẢM BIẾN TIỆM CẬN VÀ CÁC LOẠI CẢM BIẾN XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ, KHOẢNG CÁCH. .................32 1. Cảm biến tiệm cận (Proximity Sensor)...... 2. Một số loại cảm biến xác định vị trí, khoảng cách khác..... 3. Thực hành với cảm biến tiệm cận điện cảm. BÀI 4: PHƯƠNG PHÁP ĐO LƯU LƯỢNG ....... 1. Đại cương..... 2. Phương pháp đo lưu lượng theo nguyên tắc chênh lệch áp suất ... 3. Phương pháp đo lưu lượng bằng tần số dòng xoáy... ...... BÀI 5: ĐO VẬN TỐC VÒNG QUAY VÀ GÓC QUAY 1. Một số phương pháp đo vận tốc vòng quay cơ bản 2. Đo vận tốc vòng quay bằng phương pháp Analog............. ............... 3. Đo vận tốc vòng quay bằng phương pháp quang điện tử .......... 4. Đo vận tốc vòng quay với nguyên tắc điện trở từ...... 5. Cảm biến đo góc với tổ hợp có điện trở từ.... .......... 6. Máy đo góc tuyệt đối (Resolver)............. 7. Thực hành đo góc với encoder tương đối và tuyệt đối 8. Thực hành với cảm biến đo vòng quay........... ........ BÀI 6: CẢM BIẾN QUANG ĐIỆN. 1. Đại cương 2. Cảm biến quang loại thu phát độc lập .. 3. Cảm biến quang loại phản xạ gương.. 4. Cảm biến quang loại phản xạ khuếch tán ............. 5. Một số ứng dụng của cảm biến quang điện........... 6. Thực hành với cảm biến quang... | TÀI LIỆU THAM KHẢO.
HÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ CÁC BỘ CẢM BIẾN
CẢM BIẾN NHIỆT Ộ
ại cương
2 Nhiệt điện trở với Platin và
IC cảm biến nhiệt độ
3 Cảm biến nhiệt dộ với vật liệu
4 IC cảm biến nhiệt độ
Nhiệt điện trở NTC
7.Th c hành với cảm biến nhiệt độ
8 Th c hành với cảm biến LM35
9 Th c hành với cảm biến nhiệt điện trở
10 Th c hành với cảm biến nhiệt điện trở PTC
3 Bài 3: ảm biến tiệm cận và một số loại cảm biến xác định vị trí và khoảng cách khác
2 Một số loại cảm biến xác định vị trí, khoảng cách khác
3 Th c hành với cảm biến tiệm cận điện cảm
4 Th c hành với cảm biến tiệm cận điện dung
5 Th c hành với cảm biến từ
6 Th c hành với cảm biến ph n loại màu
4 Bài 4: Phương pháp đo lưu lượng 12 4 7 1
2 Phương pháp đo lưu lượng theo nguyên tắc chênh lệch áp suất
3 Phương pháp đo lưu lượng bằng tần số dòng xoáy
4 Th c hành với cảm biến đo lưu lƣợng
5 Bài 5: o vận tốc vòng quay và góc quay
1 Một số phương pháp cơ bản
2 o vận tốc vòng quay bằng phương pháp Analog
3 o vận tốc vòng quay bằng phương pháp quang điện tử
4 o vận tốc vòng quay với nguyên tắc điện trở từ
5 Cảm biến đo góc với tổ hợp có điện trở từ
6 Máy đo góc tuyệt đối
7 Th c hành đo góc với encoder tương đối và tuyệt đối
8 Th c hành với cảm biến đo vòng
6 Bài 6: ảm biến quang điện 12 3 8 1
2 Cảm biến quang loại thu phát độc lập
3 Cảm biến quang loại phản xạ
4 Cảm biến quang loại khuếch tán
5 Một số ng dụng c a cảm biến quang điện
6 Th c hành với cảm biến quang
BÀI 1: K Á N M BẢN VỀ Á BỘ ẢM B ẾN
Cảm biến đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực kinh tế và kỹ thuật, đặc biệt là trong các thí nghiệm khoa học nhờ vào độ nhạy cao của chúng Trong ngành tự động hóa, cả cảm biến thông thường và đặc biệt đều được ứng dụng rộng rãi Với sự đa dạng về loại hình và nhà sản xuất, cảm biến giúp con người theo dõi và nhận biết các quá trình hoạt động tự động của máy móc, góp phần nâng cao hiệu quả trong tự động hóa công nghiệp.
Sau khi học xong bài này học viên có đ khả n ng :
- Phát biểu đƣợc khái niệm về các bộ cảm biến
- Trình bày được các ng dụng và phương pháp ph n loại các bộ cảm biến
- Rèn luyện tính tƣ duy và tác phong công nghiệp
1 Khái niệm cơ bản về các bộ cảm biến
Cảm biến là thiết bị có khả năng nhận diện và chuyển đổi các đại lượng vật lý cũng như các đại lượng không mang tính điện thành các đại lượng điện có thể đo lường và xử lý được.
Các đại lượng cần đo như nhiệt độ và áp suất không có tính chất điện, nhưng khi tác động lên cảm biến, chúng tạo ra một đặc trưng điện như điện áp, điện tích, dòng điện hoặc trở kháng Đặc trưng này, ký hiệu là (s), là hàm của đại lượng cần đo (m), được biểu diễn bằng công thức s = f(m) Trong đó, (s) được gọi là đại lượng đầu ra hay phản ứng của cảm biến, còn (m) là đại lượng đầu vào hay kích thích, có nguồn gốc từ đại lượng cần đo Qua việc đo đạc (s), ta có thể xác định giá trị (m).
* Các đặc trƣng cơ bản c a cảm biến :
- ộ nhạy c a cảm biến ối với cảm biến tuyến tính,giữa biến thiên đầu ra s và biến thiên đầu vào m có s liên hệ tuyến tính:
s = S. m (2) ại lƣợng S đƣợc xác định bởi biểu th c m
(3) đƣợc gọi là độ nhạy c a 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 được và giá trị thực Độ lệch tuyệt đối giữa giá trị đo và giá trị thực được gọi là x (sai số tuyệt đối), trong khi sai số tương đối của bộ cảm biến được tính toán dựa trên sai số này.
Sai số c a cảm biến mang tính chất ƣớc tính bởi vì không thể biết chính xác giá trị th c c a đại lƣợng cần đo
Độ nhanh và thời gian hồi đáp là hai đặc trưng quan trọng của cảm biến Độ nhanh phản ánh khả năng theo kịp sự biến thiên của đại lượng đầu vào, trong khi thời gian hồi đáp cho phép xác định giá trị số của độ nhanh Những yếu tố này đóng vai trò quyết định trong việc đánh giá hiệu suất của cảm biến trong các ứng dụng thực tế.
Thời gian hồi đáp của cảm biến là khoảng thời gian từ khi đại lượng đo thay đổi đột ngột 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 này tương ứng với ε (%) xác định khoảng thời gian cần thiết để đạt được giá trị đầu ra với độ chính xác đã định trước Thời gian hồi đáp đặc trưng cho chế độ quá độ của cảm biến và phụ thuộc vào các thông số thời gian xác định chế độ này.
Khi đại lượng đo có dạng bậc thang thay đổi, các thông số thời gian liên quan đến quá trình tăng và giảm cần được xác định 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 thời gian để đại lượng đầu ra tăng từ 10% đến 90% của biến thiên tổng cộng Tương tự, thời gian trễ khi giảm (t dc) và thời gian giảm (t c) tương ứng với sự giảm đột ngột của đại lượng đo.
Thời gian tr khi giảm (t dc) là khoảng thời gian cần thiết để đại lượng đầu ra giảm từ giá trị ban đầu đến 10% biến thiên tổng cộng của nó Trong khi đó, khoảng thời gian giảm (t c) là thời gian cần thiết để đại lượng đầu ra giảm từ 10% đến 90% biến thiên tổng cộng.
Các thông số về thời gian (t r ) ,(t dm ) ,(t m ) ,(t dc ) ,(t c ) c a cảm biến cho phép ta đánh giá về thời gian hồi đáp c a nó
Hình 1.1 Xác định các khoảng thời gian đặc trưng cho chế độ quá độ
2 Phạm vi sử dụng của cảm biến
Ngày nay, các bộ cảm biến đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực kinh tế và kỹ thuật như công nghiệp, nông nghiệp và giao thông vận tải Chúng đặc biệt nhạy bén và thường được áp dụng trong các thí nghiệm cũng như nghiên cứu khoa học Trong lĩnh vực tự động hóa, các bộ cảm biến rất đa dạng, bao gồm cả những loại thông thường lẫn những loại đặc biệt, và được sử dụng rộng rãi để nâng cao hiệu quả và độ chính xác trong các quy trình.
Các bộ cảm biến đƣợc ph n loại theo các đặc trƣng cơ bản sau đ y:
- Theo nguyên tắc chuyển đổi giữa đáp ng và kích thích
Hiện tượng Chuyển đổi giữa đáp ứng và kích thích
Hiện tƣợng vật l 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, Ph n tích phổ,… Sinh học Biến đổi sinh hoá, Biến đổi vật l , Hiệu ng trên cơ thể sống,…
Kích thích có nhiều đặc tính quan trọng, bao gồm âm thanh với biên pha và phổ, cùng với tốc độ truyền sóng Ngoài ra, các yếu tố điện như diện tích, dòng điện, điện thế, điện áp và điện trường cũng đóng vai trò quan trọng Hơn nữa, điện dẫn và hằng số điện môi là những khía cạnh không thể thiếu trong việc hiểu rõ về kích thích.
Từ -Từ trường-Từ thông, cường độ từ trường- ộ từ thẩm…
Cơ -Vị trí-L c, áp suất-Gia tốc, vận tốc, ng suất, độ c ng-
Mômen - hối lƣợng, tỉ trọng- ộ nhớt…
Quang -Phổ-Tốc độ truyền-Hệ số phát xạ, khúc xạ…
Nhiệt -Nhiệt độ-Thông lƣợng-Tỷ nhiệt…
B c xạ - iểu-N ng lượng-Cường độ…
+ ộ nhạy + hả n ng quá tải
+ ộ chính xác + Tốc độ đáp ng + ộ ph n giải + ộ ổn định + ộ tuyến tính + Tuổi thọ + Công suất tiêu thụ + iều kiện môi trường + Dải tần + ích thước, trọng lượng + ộ tr
- Ph n loại theo phạm vi sử dụng
+ Nghiên c u khoa học + D n dụng + Môi trường, khí tượng + Giao thông vận tải
- Theo thông số c a mô hình mạch điện thay thế
+ Cảm biến tích c c (có nguồn): ầu ra là nguồn áp hoặc nguồn dòng
Cảm biến thụ động là loại cảm biến không có nguồn năng lượng riêng, mà cần nguồn năng lượng phụ để thực hiện nhiệm vụ đo lường Chúng được đặc trưng bởi các thông số như điện trở (R), độ tự cảm (L), và điện dung (C), có thể là tuyến tính hoặc phi tuyến.
1 Nêu một số ví dụ cụ thể về ng dụng c a một số loại cảm biến trong công nghiệp và d n dụng
YÊU U VỀ ÁN Á KẾT QUẢ Ọ TẬP BÀ 1
+ Về kiến th c: Trình bày đƣợc khái niệm, ng dụng và cách ph n loại các bộ cảm biến
+ N ng l c t ch và trách nhiệm: ảm bảo an toàn và vệ sinh công nghiệp
+ Về kiến th c: ƣợc đánh giá bằng hình th c kiểm tra viết, trắc nghiệm
+ N ng l c t ch và trách nhiệm: Tỉ mỉ, cẩn thận, chinh xác, ng n nắp trong công việc
Cảm biến nhiệt độ là thiết bị quan trọng trong nhiều lĩnh vực kinh tế và kỹ thuật, vì chúng ảnh hưởng trực tiếp đến tính chất của vật chất Nhiệt độ không chỉ quyết định đặc tính của các chất mà còn tác động đến các đại lượng khác như áp suất và thể tích của chất khí.
Cảm biến nhiệt độ nhạy cảm được ứng dụng rộng rãi trong các thí nghiệm và nghiên cứu khoa học Trong lĩnh vực động hóa, các cảm biến thông thường và đặc biệt đều được sử dụng để thu thập dữ liệu chính xác.
Sau khi học xong bài này học viên có đ khả n ng:
- Trình bày đƣợc cấu tạo, đặc tính c a các loại cảm biến theo nội dung đ học
- Th c hiện đƣợc các mạch cảm biến đúng yêu cầu kỹ thuật
- Rèn luyện tính tỷ mỉ, chính xác và an toàn vệ sinh công nghiệp
Nhiệt độ có ba thang đo
Thang Kelvin, hay còn gọi là thang nhiệt độ động học tuyệt đối, sử dụng đơn vị Kelvin (K) Trong thang Kelvin, nhiệt độ của ba trạng thái của nước (đá, nước, hơi) được gán giá trị 273,15 K, thường được làm tròn thành 273 K.
Từ thang elvin 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 đƣợc xác định theo biểu th c:
- Thang Fahrenheit: đơn vị nhiệt độ là o F
Ta có chuyển đổi qua lại giữa o C và o F nhƣ sau:
Bảng 2.1 Thông số đặc trưng của các thang đo nhiệt độ khác nhau
Nhiệt độ Kelvin (K) Celsius ( o C) Fahrenheit
C n bằng nước-nước đá-hơi nước 273,16 0,01 32,018
1.2 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 áp suất và thể tích của chất khí, cũng như làm biến đổi điện trở của kim loại.
12 loại,…hay nói cách khác nhiệt độ làm thay đổi liên tục các đại lượng chịu ảnh hưởng c a nó
Có nhiều cách đo nhiệt độ, trong đó có thể liệt kê các phương pháp chính sau
- Phương pháp quang d a trên s ph n bố phổ b c xạ nhiệt do dao động nhiệt (hiệu ng Doppler)
- Phương pháp cơ d a trên s gi n nở c a vật rắn, c a chất l ng hoặc chất khí (với áp suất không đổi), hoặc d a trên tốc độ m thanh
- Phương pháp điện d a trên s phụ thuộc c a điện trở vào nhiệt độ (hiệu ng
Seebeck), hoặc d a trên s thay đổi tần số dao động c a thạch anh
2 Nhiệt điện trở Platin và Niken
2.1 iện trở kim loại thay đổi theo nhiệt độ
Nhiệt điện trở là linh kiện mà điện trở c a bản th n 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 n ng chịu nhiệt như:
- Nhiệt điện trở đồng với khả n ng chịu nhiệt: -50 o C đến 180 o C
- Nhiệt điện trở niken với khả n ng chịu nhiệt: 0 o C đến 300 o C
- Nhiệt điện trở platin với khả n ng chịu nhiệt: -180 o C đến 1200 o C
Th c hành với cảm biến nhiệt điện trở NTC
CẢM BIẾN TIỆM CẬN VÀ CÁC LOẠI CẢM BIẾN XÁC ỊNH VỊ TRÍ, HOẢNG CÁCH
Một số loại cảm biến xác định vị trí, khoảng cách khác
PHƯƠNG PHÁP O LƯU LƯỢNG
Phương pháp đo lưu lượng theo nguyên tắc chênh lệch áp suất
nguyên tắc chênh lệch áp suất.
O VẬN TỐC VÕNG QUAY VÀ GÓC QUAY
o vận tốc vòng quay bằng phương pháp Analog
o vận tốc vòng quay bằng phương pháp quang điện tử
phương pháp quang điện tử
o vận tốc vòng quay với nguyên tắc điện trở từ
nguyên tắc điện trở từ
Cảm biến đo góc với tổ hợp có điện trở từ
Th c hành đo góc với encoder tương đối và tuyệt đối
tương đối và tuyệt đối
Th c hành với cảm biến đo vòng quay
CẢM BIẾN QUANG IỆN
Cảm biến quang loại thu phát độc lập
3 Cảm biến quang loại phản xạ
4 Cảm biến quang loại khuếch tán
5 Một số ng dụng c a cảm biến quang điện
6 Th c hành với cảm biến quang
BÀI 1: K Á N M BẢN VỀ Á BỘ ẢM B ẾN
Các bộ cảm biến đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực kinh tế và kỹ thuật, đặc biệt là trong các thí nghiệm và nghiên cứu khoa học Trong lĩnh vực tự động hóa, cả cảm biến thông thường và đặc biệt đều được sử dụng để theo dõi và điều khiển các quá trình Với sự đa dạng và phong phú về loại hình, các cảm biến từ nhiều nhà sản xuất khác nhau giúp con người nhận biết và giám sát hoạt động của máy móc trong tự động hóa công nghiệp.
Sau khi học xong bài này học viên có đ khả n ng :
- Phát biểu đƣợc khái niệm về các bộ cảm biến
- Trình bày được các ng dụng và phương pháp ph n loại các bộ cảm biến
- Rèn luyện tính tƣ duy và tác phong công nghiệp
1 Khái niệm cơ bản về các bộ cảm biến
Cảm biến là thiết bị chuyên dụng để nhận diện 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 khi tác động lên cảm biến, chúng tạo ra một đặc trưng điện như điện áp, điện tích, dòng điện hoặc trở kháng Đặc trưng này được biểu diễn bằng hàm số s = f(m), trong đó s là đại lượng đầu ra của cảm biến và m là đại lượng đầu vào hay kích thích Qua việc đo đạc đặc trưng s, chúng ta có thể xác định giá trị của đại lượng cần đo m.
* Các đặc trƣng cơ bản c a cảm biến :
- ộ nhạy c a cảm biến ối với cảm biến tuyến tính,giữa biến thiên đầu ra s và biến thiên đầu vào m có s liên hệ tuyến tính:
s = S. m (2) ại lƣợng S đƣợc xác định bởi biểu th c m
(3) đƣợc gọi là độ nhạy c a 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 x (sai số tuyệt đối) Sai số tương đối của bộ cảm biến được tính toán dựa trên sai số này.
Sai số c a cảm biến mang tính chất ƣớc tính bởi vì không thể biết chính xác giá trị th c c a đại lƣợng cần đo
Độ nhanh và thời gian hồi đáp là hai đặc trưng quan trọng của cảm biến, giúp đánh giá khả năng theo kịp của đại lượng đầu ra khi đại lượng đầu vào thay đổi Thời gian hồi đáp được sử dụng để xác định giá trị số của độ nhanh, phản ánh hiệu suất của cảm biến trong việc xử lý thông tin.
Thời gian hồi đáp là khoảng thời gian từ khi đại lượng đo thay đổi đột ngột đến khi giá trị đầu ra chỉ còn khác giá trị cuối cùng một lượng giới hạn ε tính bằng % Thời gian này tương ứng với ε (%) xác định thời gian cần thiết để đạt được độ chính xác đầu ra mong muốn sau khi có sự biến thiên ở đại lượng đo Nó đặc trưng cho chế độ quá độ của cảm biến và phụ thuộc vào các thông số thời gian xác định chế độ này.
Khi đại lượng đo có dạng bậc thang, sự thay đổi của nó sẽ ảnh hưởng đến các thông số thời gian như thời gian trễ khi tăng (t_dm) và thời gian tăng (t_m) liên quan đến sự tăng đột ngột của đại lượng đo, cũng như thời gian trễ khi giảm (t_dc) và thời gian giảm (t_c) tương ứng với 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 để đại lượng đầu ra tăng từ 10% đến 90% của biến thiên tổng cộng.
Thời gian tr khi giảm (t dc) là khoảng thời gian cần thiết để đại lượng đầu ra giảm từ giá trị ban đầu xuống 10% biến thiên tổng cộng, trong khi đó, khoảng thời gian giảm (t c) là thời gian cần thiết để đại lượng đầu ra giảm từ 10% đến 90% biến thiên tổng cộng.
Các thông số về thời gian (t r ) ,(t dm ) ,(t m ) ,(t dc ) ,(t c ) c a cảm biến cho phép ta đánh giá về thời gian hồi đáp c a nó
Hình 1.1 Xác định các khoảng thời gian đặc trưng cho chế độ quá độ
2 Phạm vi sử dụng của cảm biến
Ngày nay, các bộ cảm biến đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực kinh tế và kỹ thuật, bao gồm công nghiệp, nông nghiệp và giao thông vận tải Đặc biệt, các bộ cảm biến nhạy được sử dụng rộng rãi trong các thí nghiệm và nghiên cứu khoa học Trong lĩnh vực tự động hóa, các bộ cảm biến, từ loại thông thường đến loại đặc biệt, được áp dụng phổ biến nhằm nâng cao hiệu quả và độ chính xác trong quy trình.
Các bộ cảm biến đƣợc ph n loại theo các đặc trƣng cơ bản sau đ y:
- Theo nguyên tắc chuyển đổi giữa đáp ng và kích thích
Hiện tượng Chuyển đổi giữa đáp ứng và kích thích
Hiện tƣợng vật l 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, Ph n tích phổ,… Sinh học Biến đổi sinh hoá, Biến đổi vật l , Hiệu ng trên cơ thể sống,…
Kích thích là một quá trình quan trọng trong nghiên cứu các đặc tính vật lý, bao gồm âm thanh với các yếu tố như biên pha, phổ và tốc độ truyền sóng Trong lĩnh vực điện, các khái niệm cơ bản như điện tích, dòng điện, điện thế, điện áp, điện trường, điện dẫn và hằng số điện môi đóng vai trò then chốt trong việc hiểu rõ các hiện tượng điện.
Từ -Từ trường-Từ thông, cường độ từ trường- ộ từ thẩm…
Cơ -Vị trí-L c, áp suất-Gia tốc, vận tốc, ng suất, độ c ng-
Mômen - hối lƣợng, tỉ trọng- ộ nhớt…
Quang -Phổ-Tốc độ truyền-Hệ số phát xạ, khúc xạ…
Nhiệt -Nhiệt độ-Thông lƣợng-Tỷ nhiệt…
B c xạ - iểu-N ng lượng-Cường độ…
+ ộ nhạy + hả n ng quá tải
+ ộ chính xác + Tốc độ đáp ng + ộ ph n giải + ộ ổn định + ộ tuyến tính + Tuổi thọ + Công suất tiêu thụ + iều kiện môi trường + Dải tần + ích thước, trọng lượng + ộ tr
- Ph n loại theo phạm vi sử dụng
+ Nghiên c u khoa học + D n dụng + Môi trường, khí tượng + Giao thông vận tải
- Theo thông số c a mô hình mạch điện thay thế
+ Cảm biến tích c c (có nguồn): ầu 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 bên ngoài để thực hiện nhiệm vụ đo lường Chúng 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.
1 Nêu một số ví dụ cụ thể về ng dụng c a một số loại cảm biến trong công nghiệp và d n dụng
YÊU U VỀ ÁN Á KẾT QUẢ Ọ TẬP BÀ 1
+ Về kiến th c: Trình bày đƣợc khái niệm, ng dụng và cách ph n loại các bộ cảm biến
+ N ng l c t ch và trách nhiệm: ảm bảo an toàn và vệ sinh công nghiệp
+ Về kiến th c: ƣợc đánh giá bằng hình th c kiểm tra viết, trắc nghiệm
+ N ng l c t ch và trách nhiệm: Tỉ mỉ, cẩn thận, chinh xác, ng n nắp trong công việc
Cảm biến nhiệt độ là thiết bị quan trọng trong nhiều lĩnh vực kinh tế và kỹ thuật, vì nó ảnh hưởng trực tiếp đến tính chất của vật chất Nhiệt độ không chỉ quyết định các đặc tính vật lý mà còn tác động đến các đại lượng khác như áp suất và thể tích của chất khí.
Cảm biến nhiệt độ rất nhạy cảm được ứng dụng rộng rãi trong các thí nghiệm và nghiên cứu khoa học Trong lĩnh vực động hóa, các cảm biến thông thường cũng như đặc biệt được sử dụng để đảm bảo độ chính xác và hiệu quả trong quá trình nghiên cứu.
Sau khi học xong bài này học viên có đ khả n ng:
- Trình bày đƣợc cấu tạo, đặc tính c a các loại cảm biến theo nội dung đ học
- Th c hiện đƣợc các mạch cảm biến đúng yêu cầu kỹ thuật
- Rèn luyện tính tỷ mỉ, chính xác và an toàn vệ sinh công nghiệp
Nhiệt độ có ba thang đo
Thang Kelvin, hay còn gọi là thang nhiệt độ động học tuyệt đối, được sử dụng để đo nhiệt độ với đơn vị Kelvin (K) Trong thang Kelvin, điểm 0 K được xác định bằng 273,15 K, tương ứng với ba trạng thái của nước: đá, nước và hơi Thang này thường được làm tròn thành 273 K trong các ứng dụng thực tế.
Từ thang elvin 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 đƣợc xác định theo biểu th c:
- Thang Fahrenheit: đơn vị nhiệt độ là o F
Ta có chuyển đổi qua lại giữa o C và o F nhƣ sau:
Bảng 2.1 Thông số đặc trưng của các thang đo nhiệt độ khác nhau
Nhiệt độ Kelvin (K) Celsius ( o C) Fahrenheit
C n bằng nước-nước đá-hơi nước 273,16 0,01 32,018
1.2 Nhiệt độ cần đo và nhiệt độ được đo
Nhiệt độ là một trong những đại lượng vật lý được quan tâm nhiều nhất, vì nó có ảnh hưởng quyết định đến nhiều tính chất của vật chất Cụ thể, nhiệt độ có thể thay đổi áp suất và thể tích của chất khí, cũng như làm biến đổi điện trở của kim loại.
12 loại,…hay nói cách khác nhiệt độ làm thay đổi liên tục các đại lượng chịu ảnh hưởng c a nó
Có nhiều cách đo nhiệt độ, trong đó có thể liệt kê các phương pháp chính sau
- Phương pháp quang d a trên s ph n bố phổ b c xạ nhiệt do dao động nhiệt (hiệu ng Doppler)
- Phương pháp cơ d a trên s gi n nở c a vật rắn, c a chất l ng hoặc chất khí (với áp suất không đổi), hoặc d a trên tốc độ m thanh
- Phương pháp điện d a trên s phụ thuộc c a điện trở vào nhiệt độ (hiệu ng
Seebeck), hoặc d a trên s thay đổi tần số dao động c a thạch anh
2 Nhiệt điện trở Platin và Niken
2.1 iện trở kim loại thay đổi theo nhiệt độ
Nhiệt điện trở là linh kiện mà điện trở c a bản th n 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 n ng chịu nhiệt như:
- Nhiệt điện trở đồng với khả n ng chịu nhiệt: -50 o C đến 180 o C
- Nhiệt điện trở niken với khả n ng chịu nhiệt: 0 o C đến 300 o C
- Nhiệt điện trở platin với khả n ng chịu nhiệt: -180 o C đến 1200 o C
Th c hành với cảm biến quang
4 Bài 4: Phương pháp đo lưu lượng 12 4 7 1
2 Phương pháp đo lưu lượng theo nguyên tắc chênh lệch áp suất
3 Phương pháp đo lưu lượng bằng tần số dòng xoáy
4 Th c hành với cảm biến đo lưu lƣợng
5 Bài 5: o vận tốc vòng quay và góc quay
1 Một số phương pháp cơ bản
2 o vận tốc vòng quay bằng phương pháp Analog
3 o vận tốc vòng quay bằng phương pháp quang điện tử
4 o vận tốc vòng quay với nguyên tắc điện trở từ
5 Cảm biến đo góc với tổ hợp có điện trở từ
6 Máy đo góc tuyệt đối
7 Th c hành đo góc với encoder tương đối và tuyệt đối
8 Th c hành với cảm biến đo vòng
6 Bài 6: ảm biến quang điện 12 3 8 1
2 Cảm biến quang loại thu phát độc lập
3 Cảm biến quang loại phản xạ
4 Cảm biến quang loại khuếch tán
5 Một số ng dụng c a cảm biến quang điện
6 Th c hành với cảm biến quang
BÀI 1: K Á N M BẢN VỀ Á BỘ ẢM B ẾN
Các bộ cảm biến đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực kinh tế và kỹ thuật, đặc biệt là trong các thí nghiệm khoa học Trong lĩnh vực tự động hóa, cả cảm biến thông thường và đặc biệt đều được sử dụng rộng rãi Với sự đa dạng và phong phú về loại hình và nhà sản xuất, cảm biến giúp con người theo dõi và nhận biết các quá trình hoạt động tự động của máy móc cũng như trong tự động hóa công nghiệp.
Sau khi học xong bài này học viên có đ khả n ng :
- Phát biểu đƣợc khái niệm về các bộ cảm biến
- Trình bày được các ng dụng và phương pháp ph n loại các bộ cảm biến
- Rèn luyện tính tƣ duy và tác phong công nghiệp
1 Khái niệm cơ bản về các bộ cảm biến
Cảm biến là thiết bị quan trọng có khả năng nhận diện và chuyển đổi các đại lượng vật lý cũng như phi 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 như điện áp, điện tích, dòng điện hoặc trở kháng Đặc trưng này, ký hiệu là (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, có nguồn gốc từ đại lượng cần đo Việc đo đạc (s) cho phép xác định giá trị của (m).
* Các đặc trƣng cơ bản c a cảm biến :
- ộ nhạy c a cảm biến ối với cảm biến tuyến tính,giữa biến thiên đầu ra s và biến thiên đầu vào m có s liên hệ tuyến tính:
s = S. m (2) ại lƣợng S đƣợc xác định bởi biểu th c m
(3) đƣợc gọi là độ nhạy c a cảm biến
- Sai số và độ chính xác
Các bộ cảm biến và dụng cụ đo lường không chỉ đơn thuần đo đại lượng cần cảm nhận mà còn bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố vật lý khác, dẫn đến sai số giữa giá trị đo được và giá trị thực Độ lệch tuyệt đối giữa giá trị đo và giá trị thực được gọi là x (sai số tuyệt đối) Sai số tương đối của bộ cảm biến được tính toán dựa trên sai số này.
Sai số c a cảm biến mang tính chất ƣớc tính bởi vì không thể biết chính xác giá trị th c c a đại lƣợng cần đo
Độ nhanh và thời gian hồi đáp là hai đặc trưng quan trọng của cảm biến Độ nhanh cho phép đánh giá khả năng theo kịp sự biến thiên của đại lượng đầu vào, trong khi thời gian hồi đáp được sử dụng để xác định giá trị số của độ nhanh.
Thời gian hồi đáp (9 ộ nhanh t r) là khoảng thời gian từ khi đại lượng đo thay đổi đột ngột 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 này tương ứng với ε (%) xác định khoảng thời gian cần thiết phải chờ đợi sau khi có sự biến thiên đại lượng đo để lấy giá trị của đầu ra với độ chính xác định trước Thời gian hồi đáp đặc trưng cho chế độ quá độ của cảm biến và là hàm của các thông số thời gian xác định chế độ này.
Khi đại lượng đo có sự thay đổi theo dạng bậc thang, các thông số thời gian liên quan bao gồm thời gian trễ khi tăng (t dm) và thời gian tăng (t m) tương ứng với sự tăng đột ngột của đại lượng đo, cũng như thời gian trễ khi giảm (t dc) và thời gian giảm (t c) liên quan đến sự giảm đột ngột của đại lượng đo 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% biến thiên tổng cộng, trong khi thời gian tăng (t m) là khoảng thời gian cần thiết để đại lượng đầu ra tăng từ 10% đến 90% biến thiên tổng cộng.
Thời gian tr 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 ) c a cảm biến cho phép ta đánh giá về thời gian hồi đáp c a nó
Hình 1.1 Xác định các khoảng thời gian đặc trưng cho chế độ quá độ
2 Phạm vi sử dụng của cảm biến
Ngày nay, các bộ cảm biến đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực kinh tế và kỹ thuật như công nghiệp, nông nghiệp và giao thông vận tải Chúng đặc biệt nhạy cảm và thường được sử dụng trong các thí nghiệm và nghiên cứu khoa học Trong lĩnh vực tự động hóa, các bộ cảm biến được áp dụng rộng rãi với nhiều loại khác nhau, bao gồm cả cảm biến thông thường và cảm biến đặc biệt.
Các bộ cảm biến đƣợc ph n loại theo các đặc trƣng cơ bản sau đ y:
- Theo nguyên tắc chuyển đổi giữa đáp ng và kích thích
Hiện tượng Chuyển đổi giữa đáp ứng và kích thích
Hiện tƣợng vật l 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, Ph n tích phổ,… Sinh học Biến đổi sinh hoá, Biến đổi vật l , Hiệu ng trên cơ thể sống,…
Kích thích là quá trình tác động đến các đặc tính vật lý như âm thanh, biên pha, phổ và tốc độ truyền sóng Trong lĩnh vực điện, các yếu tố quan trọng bao gồm diện tích, dòng điện, điện thế, điện áp, điện trường, điện dẫn và hằng số điện môi Những đặc điểm này đóng vai trò quan trọng trong việc hiểu và ứng dụng các hiện tượng điện từ trong thực tiễn.
Từ -Từ trường-Từ thông, cường độ từ trường- ộ từ thẩm…
Cơ -Vị trí-L c, áp suất-Gia tốc, vận tốc, ng suất, độ c ng-
Mômen - hối lƣợng, tỉ trọng- ộ nhớt…
Quang -Phổ-Tốc độ truyền-Hệ số phát xạ, khúc xạ…
Nhiệt -Nhiệt độ-Thông lƣợng-Tỷ nhiệt…
B c xạ - iểu-N ng lượng-Cường độ…
+ ộ nhạy + hả n ng quá tải
+ ộ chính xác + Tốc độ đáp ng + ộ ph n giải + ộ ổn định + ộ tuyến tính + Tuổi thọ + Công suất tiêu thụ + iều kiện môi trường + Dải tần + ích thước, trọng lượng + ộ tr
- Ph n loại theo phạm vi sử dụng
+ Nghiên c u khoa học + D n dụng + Môi trường, khí tượng + Giao thông vận tải
- Theo thông số c a mô hình mạch điện thay thế
+ Cảm biến tích c c (có nguồn): ầu ra là nguồn áp hoặc nguồn dòng
Cảm biến thụ động là loại cảm biến không có nguồn năng lượng riêng, cần nguồn năng lượng phụ để thực hiện nhiệm vụ đo lường Chúng được đặc trưng bởi các thông số như điện trở (R), độ tự cảm (L) và điện dung (C), có thể là tuyến tính hoặc phi tuyến.
1 Nêu một số ví dụ cụ thể về ng dụng c a một số loại cảm biến trong công nghiệp và d n dụng
YÊU U VỀ ÁN Á KẾT QUẢ Ọ TẬP BÀ 1
+ Về kiến th c: Trình bày đƣợc khái niệm, ng dụng và cách ph n loại các bộ cảm biến
+ N ng l c t ch và trách nhiệm: ảm bảo an toàn và vệ sinh công nghiệp
+ Về kiến th c: ƣợc đánh giá bằng hình th c kiểm tra viết, trắc nghiệm
+ N ng l c t ch và trách nhiệm: Tỉ mỉ, cẩn thận, chinh xác, ng n nắp trong công việc
Cảm biến nhiệt độ đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực kinh tế và kỹ thuật, vì nó quyết định tính chất của vật chất Nhiệt độ có ảnh hưởng lớn đến các đại lượng như áp suất và thể tích của chất khí, từ đó tác động đến hiệu suất và chất lượng của các hệ thống.
Cảm biến nhiệt độ nhạy cảm được sử dụng rộng rãi trong các thí nghiệm và nghiên cứu khoa học Trong lĩnh vực động hóa, các cảm biến thông thường và đặc biệt đóng vai trò quan trọng trong việc thu thập và phân tích dữ liệu.
Sau khi học xong bài này học viên có đ khả n ng:
- Trình bày đƣợc cấu tạo, đặc tính c a các loại cảm biến theo nội dung đ học
- Th c hiện đƣợc các mạch cảm biến đúng yêu cầu kỹ thuật
- Rèn luyện tính tỷ mỉ, chính xác và an toàn vệ sinh công nghiệp
Nhiệt độ có ba thang đo
Thang Kelvin, hay còn gọi là thang nhiệt độ động học tuyệt đối, được sử dụng để đo nhiệt độ với đơn vị Kelvin (K) Trong thang Kelvin, nhiệt độ 0°C tương ứng với giá trị 273,15 K, được sử dụng phổ biến là 273 K, gán cho ba trạng thái của nước: đá, nước và hơi.
Từ thang elvin 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 đƣợc xác định theo biểu th c:
- Thang Fahrenheit: đơn vị nhiệt độ là o F
Ta có chuyển đổi qua lại giữa o C và o F nhƣ sau:
Bảng 2.1 Thông số đặc trưng của các thang đo nhiệt độ khác nhau
Nhiệt độ Kelvin (K) Celsius ( o C) Fahrenheit
C n bằng nước-nước đá-hơi nước 273,16 0,01 32,018
1.2 Nhiệt độ cần đo và nhiệt độ được đo
Nhiệt độ là một trong những đại lượng vật lý được quan tâm nhiều nhất do vai trò quyết định của nó trong nhiều tính chất của vật chất Nhiệt độ không chỉ ảnh hưởng đến áp suất và thể tích của chất khí mà còn làm thay đổi điện trở của kim loại.
12 loại,…hay nói cách khác nhiệt độ làm thay đổi liên tục các đại lượng chịu ảnh hưởng c a nó
Có nhiều cách đo nhiệt độ, trong đó có thể liệt kê các phương pháp chính sau
- Phương pháp quang d a trên s ph n bố phổ b c xạ nhiệt do dao động nhiệt (hiệu ng Doppler)
- Phương pháp cơ d a trên s gi n nở c a vật rắn, c a chất l ng hoặc chất khí (với áp suất không đổi), hoặc d a trên tốc độ m thanh
- Phương pháp điện d a trên s phụ thuộc c a điện trở vào nhiệt độ (hiệu ng
Seebeck), hoặc d a trên s thay đổi tần số dao động c a thạch anh
2 Nhiệt điện trở Platin và Niken
2.1 iện trở kim loại thay đổi theo nhiệt độ
Nhiệt điện trở là linh kiện mà điện trở c a bản th n 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 n ng chịu nhiệt như:
- Nhiệt điện trở đồng với khả n ng chịu nhiệt: -50 o C đến 180 o C
- Nhiệt điện trở niken với khả n ng chịu nhiệt: 0 o C đến 300 o C
- Nhiệt điện trở platin với khả n ng chịu nhiệt: -180 o C đến 1200 o C
