mở đầu các khái niệm cơ bản về bộ cảm biến Bài 2: Cảm biến nhiệt độ Bài 3: Cảm biến tiệm cận và một số loại cảm biến xác định vị trí và khoảng cách khác Bài 4: Cảm biến quang điện Bài 5: Phương pháp đo lưu lượng Bài 6: Đo vận tốc vòng quay và góc quay Trong quá trình sử dụng giáo trình, tuỳ theo yêu cầu cũng như khoa học và công nghệ phát triển có thể điều chỉnh thời gian và bổ sung những kiên thức mới cho phù hợp. Trong giáo trình, chúng tôi có đề ra nội dung thực tập của từng bài để người học cũng cố và áp dụng kiến thức phù hợp với kỹ năng. Tuy nhiên, tuy theo điều kiện cơ sở vật chất và trang thiết bị, các trường có thề sử dụng cho phù hợp. Mặc dù đã cố gắng tổ chức biên soạn để đáp ứng được mục tiêu đào tạo nhưng không tránh được những khiếm khuyết.
Rất mong nhận được đóng góp ý kiến của các thầy, cô giáo, bạn đọc để nhóm biên soạn sẽ hiệu chỉnh hoàn thiện hơn. NĂM 2020 -2- MỤC LỤC ĐỀ MỤC TRANG LỜI GIỚI THIỆU. 2 BÀI 1: KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ CÁC BỘ CẢM BIẾN .Khái niệm cơ bản về các bộ cảm biến: .Phạm vi sử dụng của cảm biến. 7 BÀI 2: CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ………………………………………… .Nhiệt điện trở Platin và Niken .Cảm biến nhiệt độ với vật liệu Silic.IC cảm biến nhiệt độ.Nhiệt điện trở NTC.
Các bài thực hành ứng dụng các loại cảm biến nhiệt độ. 26 BÀI 3: CẢM BIẾN TIỆM CẬN VÀ CÁC LOẠI CẢM BIẾN XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ, KHOẢNG CÁCH ……………………………………………….Cảm biến tiệm cận (Proximity Sensor).Một số loại cảm biến xác định vị trí, khoảng cách khác. Các bài thực hành ứng dụng các loại cảm biến tiệm cận.53 BÀI 4: CẢM BIẾN QUANG ĐIỆN ………………………………….Cảm biến quang loại thu phát độc lập .Cảm biến quang loại phản xạ …………………………………………65 4.Cảm biến quang loại phản xạ khuếch tán .Một số ứng dụng của cảm biến quang điện .Thực hành với cảm biến quang. 72 BÀI 5: PHƯƠNG PHÁP ĐO LƯU LƯỢNG ………………………….Phương pháp đo lưu lượng theo nguyên tắc chênh lệch áp suất .Phương pháp đo lưu lượng bằng tần số dòng xoáy.Thực hành với cảm biến đo lưu lượng .91 BÀI 6: ĐO VẬN TỐC VÒNG QUAY VÀ GÓC QUAY…………………94 6.Một số phương pháp đo vận tốc vòng quay cơ bản .Cảm biến đo góc với tổ hợp có điện trở từ.Thực hành với cảm biến đo vòng quay.
103 -3- TÀI LIỆU THAM KHẢO…….11 -4- BÀI 1: CẢM BIẾN VÀ ỨNG DỤNG GIỚI THIỆU Các bộ cảm biến được sử dụng nhiều trong các lĩnh vực kinh tế và kỹ thuật, các bộ cảm biến đặc biệt rất nhạy cảm được sử dụng trong các thí nghiệm, các lĩnh vực nghiên cứu khoa học. Trong lĩnh vực tự động hoá người ta sử dụng các sensor bình thường cũng như đặc biệt. Cảm biến có rất nhiều loại, rất đa dạng và phong phú, do nhiều hãng sản xuất, giúp con người nhận biết các quá trình làm việc tự động của máy móc hoặc trong tự động hoá công nghiệp. Mục tiêu: - Trình bày được khái niệm, đặc điểm, phạm vi ứng dụng của cảm biển.
- Rèn luyện tính cẩn thận, chính xác, logic khoa học, tác phong công nghiệp Nội dung: 1. Khái niệm cơ bản về các bộ cảm biến * Khái niệm: Cảm biến là thiết bị dùng để cảm nhận và biến đổi các đại lượng vật lý và các đại lượng không có tính chất về điện cần đo thành các đại lượng mang tính chất về điện có thể đo và xử lý được Các đại lượng cần đo (m) thường không có tính chất về điện như nhiệt độ,áp suất,…tác động lên cảm biến cho ta một đặc trưng (s) mang tính chất điện như điện áp, điện tích,dòng điện hoặc trở kháng chứa đựng thông tin cho phép xác định giá trị của đại lượng đo. Đặc trưng (s) là hàm của đại lượng cần đo (m) : s = f(m) (1) Người ta gọi (s) là đại lượng đầu ra hoặc là phản ứng của cảm biến,(m) là đại lượng đầu vào hay kích thích(có nguồn gốc là đại lượng cần đo). Thông qua đo đạc (s) cho phép nhận biết giá trị (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 ∆s và biến thiên đầu vào ∆m có sự liên hệ tuyến tính: ∆s = S. ∆m (2) -5- S= ∆s (3) được gọi là độ nhạy của Đại lượng S được xác định bởi biểu ∆m thức cảm biến. - Sai số và độ chính xác Các bộ cảm biến cũng như các dụng cụ đo lường khác, ngoài đại lượng cần đo (cảm nhận) còn chịu tác động của nhiều đại lượng vật lý khác gây nên sai số giữa giá trị đo được và giá trị thực của đại lượng cần đo. Gọi x là độ lệch tuyệt đối giữa giá trị đo và giá trị thực x (sai số tuyệt đối), sai số tương đối của bộ cảm biến được tính bằng : x S = ∆ .100 , [%] (4) x 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 và thời gian hồi đáp Độ nhanh là đặc trưng của cảm biến cho phép đánh giá khả năng theo kịp về thời gian của đại lượng đầu ra khi đại lượng đầu vào biến thiên. Thời gian hồi đáp là đại lượng được sử dụng để xác định giá trị số của độ nhanh. Độ nhanh t r là khoảng thời gian từ khi đại lượng đo thay đổi đột ngột đến khi khi biến thiên của đại lượng đầu ra chỉ còn khác giá trị cuối cùng một lượng giới hạn tính bằng %. Thời gian hồi đáp tương ứng với (%) 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. Trong trường hợp sự thay đổi của đại lượng đo có dạng bậc thang, các thông số thời gian gồm thời gian trễ khi tăng (t dm ) và thời gian tăng (t m ) ứng với sự tăng đột ngột của đại lượng đo hoặc thời gian trễ khi giảm (t dc ) và thời gian giảm (t c ) ứng vơi sự giảm đột ngột của đại lượng đo. Khoảng thời gian trễ khi tăng (t dm ) là thời gian cần thiết để đại lượng đầu ra tăng từ giá trị ban đầu của nó đến 10% của biến thiên tổng cộng của đại lượng này và khoảng thời gian tăng (t m ) là thời gian cần thiết để đại lượng đầu ra tăng từ 10% đến 90% biến thiên tổng cộng của nó. Tương tự khi đại lượng đo giảm, thời gian trễ khi giảm (t dc ) là thời gian cần thiết để đại lượng đầu ra giảm từ giá trị ban đầu của nó đến 10% biến thiên tổng cộng của đại lượng này và 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 của nó.
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. -6- Hình 1 Xác định các khoảng thời gian đặc trưng cho chế độ quá độ 1. Phạm vi ứng dụng Ngày nay các bộ các biến được sử dụng nhiều trong các ngành kinh tế và kỹ thuật như trong các ngành công nghiệp, nông nghiệp, giao thông vận tải,….Các bộ cảm biến đặc biệt rất nhạy được sử dụng trong các thí nghiệm và trong nghiên cứu khoa học. Trong lĩnh vực tự động hóa, các bộ cảm biến được sử dụng nhiều nhất với nhiều loại khác nhau kể cả các bộ cảm biến bình thường cũng như đặc biệt.
chuyển đổi giữa đáp ứng và kích thích -7- BÀI 2: CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ GIỚI THIỆU Cảm biến nhiệt độ được sử dụng nhiều trong các lĩnh vực kinh tế và kỹ thuật, vì cảm biến nhiệt độ đóng vai trò quyết định đến tính chất của vật chất, nhiệt độ có thể làm ảnh hưởng đến các đại lượng chịu tác dụng của nó, ví dụ như áp suất, thể tích chất khí. Cảm biến nhiệt độ rất nhạy cảm được sử dụng trong các thí nghiệm, các lĩnh vực nghiên cứu khoa .Trong lĩnh vực tự động hoá người ta sử dụng các sensor bình thường cũng như đặc biệt. Mục tiêu: - Phân biệt được các loại cảm biến nhiệt độ. - Lắp ráp, điều chỉnh được đặc tính bù của NTC, PTC.
- Rèn luyện tính cẩn thận, chính xác, logic khoa học, tác phong công nghiệp Nội dung: 2.1 Thang đo nhiệt độ Nhiệt độ có ba thang đo - Thang Kelvin : hay còn gọi là thang nhiệt độ động học tuyệt đối, đơn vị là K. Trong thang Kelvin này người ta gán cho nhiệt độ của điểm cân bằng của ba trạng thái nước đá-nước-hơi một giá trị số bằng 273,15K (thường được sử dụng là 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 T (o C) = T ( o K ) -273,15 (1-1) - Thang Fahrenheit : đơn vị nhiệt độ là o F Ta có chuyển đổi qua lại giữa o C và o F như sau : T (o C) =5/9[T (o F ) - 32] (1-2) -8- Nhiệt độ Kelvin (K) Celsius Fahrenheit ( oC ) (o F ) Điểm 0 tuyệt đối 0 -273,15 -459,67 Hỗn hợp nước-nước đá 273,15 0 32 Cân bằng nước-nước đá-hơi 273,16 0,01 32,018 nước Nước sôi 373,15 100 212 Bảng 1.1 Thông số đặc trưng của các thang đo nhiệt độ khác nhau 2. Nhiệt độ được đo và nhiệt độ cần đo Trong tất cả các đại lượng vật lý,nhiệt độ là một trong những đại lượng được quan tâm nhiều nhất.
Đó là vì nhiệt độ có vai trò quyết định trong nhiều tính chất của vật chất như làm thay đổi áp suất và thể tích của chất khí,làm thay đổi điện trở của kim loại,…hay nói cách khác nhiệt độ làm thay đổi liên tục các đại lượng chịu ảnh hưởng của nó.