ỦY BAN NHÂN DÂN THÀNH PHỐ HÀ NỘI TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ VIỆT NAM - HÀN QUỐC THÀNH PHỐ HÀ NỘI BÙI VĂN CÔNG (Chủ biên) NGUYỄN ANH DŨNG – LƯU HUY HẠNH GIÁO TRÌNH KỸ THUẬT CẢM BIẾN Nghề: Cơ điện tử Trình độ: Cao đẳng (Lưu hành nội bộ) Hà Nội - Năm 2019 LỜI NÓI ĐẦU Trong thời đại phát triển của khoa học và kỹ thuật ngày nay cảm biến đóng vai trò quan trọng. Nó là thành phần quan trọng nhất trong các thiết bị đo hay trong các hệ thống điều khiển tự động. Có thể nói rằng nguyên lý hoạt động của một cảm biến, trong nhiều trường hợp thực tế cũng chính là nguyên lý của phép đo hay của phương pháp điều khiển tự động Giờ đây không có một lĩnh vực nào mà ở đó không sử dụng cảm biến. Chúng có măt trong các hệ thống tự động phức tạp, người máy, kiểm tra sản phẩm, tiết kiệm năng lượng, chống ô nhiễm môi trường.
Cảm biến cũng được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực giao thông vận tải, hàng tiêu dùng, bảo quản thực phẩm, ô tô, trò chơi điện tử.Do đó việc trang bị cho mình một kiến thức về các loại cảm biến là nhu cầu không thể thiếu của các kỹ thuật viên, kỹ sư của ngành điện cũng như những ngành khác. Môn học kỹ thuật cảm biến là môn học chuyên môn của học viên ngành điện công nghiệp. Môn học này nhằm trang bị cho học viên các trường nghề những kiến thức về nguyên lý, cấu tạo, các mạch ứng dụng trong thực tế một số loại cảm biến. Với các kiến thức được trang bị học viên có thể áp dụng trực tiếp vào lĩnh vực sản xuất cũng như trong đời sống.
Ngoài ra các kiến thức này dùng làm phương tiện để học tiếp các môn chuyên môn của ngành điện như Trang bị điện, PLC. Môn học này cũng có thể làm tài liệu tham khảo cho các cán bộ kỹ thuật, các học viên của các ngành khác quan tâm đến lĩnh vực này. Xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày … tháng … năm 2019 Chủ biên: Bùi Văn Công 1 MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU. 2 GIÁO TRÌNH MÔ ĐUN.
5 Khái niệm cơ bản về các bộ cảm biến. Khái niệm chung. Phạm vi ứng dụng. Phân loại các bộ cảm biến.
10 Cảm biến nhiệt độ. Nhiệt điện trở với Platin và Nickel. Cảm biến nhiệt độ với vật liệu silic. IC cảm biến nhiệt độ.
Nhiệt điện trở NTC. Nhiệt điện trở PTC. các bài thực hành ứng dụng các loại cảm biến nhiệt độ. 32 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. 64 Phương pháp đo lưu lượng.
Phương pháp đo lưu lượng dựa trên nguyên tắc sự chênh lệch áp suất. Phương pháp đo lưu lượng bằng tần số dòng xoáy. Các bài thực hành ứng dụng của cảm biến đo lưu lượng Đo lưu lượng. 85 2 GIÁO TRÌNH MÔ ĐUN Tên mô đun: Kỹ thuật của biến Mã số mô đun: MĐ 26 Thời gian mô đun: 60 giờ; (LT: 18giờ; TH/TT/TN: 42giờ; KT: 02 giờ) I.
VỊ TRÍ, TÍNH CHẤT CỦA MÔ ĐUN: - Vị trí: Trước khi học mô đun này cần hoàn thành các môn học cơ sở, đặc biệt các môn học, mô đun: Kỹ thuật điện- điện tử, Đo lường điện điện tử, kỹ thuật số, điện tử công suất. - Tính chất: Là mô đun bắt buộc trong chương trình đào tạo nghề Cơ điện tử. MỤC TIÊU MÔ ĐUN: - Kiến thức: + Phân tích cấu tạo, nguyên lý hoạt động của các loại cảm biến. - Kỹ năng: + Phân tích nguyên lý của mạch điện cảm biến.
+ Thực hiện ứng dụng của cảm biến trong điều khiển hệ thống cơ điện tử. - Năng lực tự chủ, trách nhiệm: + Vận dụng được những kiến thức của môn học để tiếp thu các môn học, mô-đun chuyên nghề. + Có ý thức trách nhiệm, chủ động học tập. NỘI DUNG MÔ ĐUN: 1.
Nội dung tổng quát và phân bố thời gian: Số Tên chương, mục Thời gian TT Tổng Lý Thực hành/ Kiểm số thuyết thực tập/thí tra* nghiệm/bài tập /thảo luận 1 Khái niệm cơ bản về các bộ cảm 5 2 3 biến.1 Khái niệm chung 1.Phạm vi ứng dụng 1.Phân loại các bộ cảm biến. 3 Kiểm tra 2 Cảm biến nhiệt độ. Nhiệt điện trở với Platin và Nickel 2.Cảm biến nhiệt độ với vật liệu silic 2.IC cảm biến nhiệt độ.Nhiệt điện trở NTC. Nhiệt điện trở PTC.Các bài thực hành ứng dụng các loại cảm biến nhiệt độ.
Kiểm tra 3 Cảm biến tiệm cận và các loại 15 4 10 1 cảm biến xác định vị trí, khoảng cách.Cảm biến tiệm cận (Proximity Sensor 3.Một số loại cảm biến xác định vị trí, khoảng cách khác.Các bài thực hành ứng dụng các loại cảm biến tiệm cận 4 Phương pháp đo lưu lượng.Phương pháp đo lưu lượng dựa trên nguyên tắc sự chênh lệch áp suất.Phương pháp đo lưu lượng bằng tần số dòng xoáy 4.Các bài thực hành ứng dụng cảm biến đo lưu lượng. Kiểm tra Cộng 60 18 40 2 4 Bài 1 Khái niệm cơ bản về các bộ cảm biến. Mục tiêu: - Trình bày được khái niệm, đặc điểm, phạm vi ứng dụng của cảm biến. - Rèn luyện tính cẩn thận, chính xác, logic khoa học, tác phong công nghiệp.
Nội dung chính: 1. Khái niệm chung Cảm biến là thiết bị dùng để cảm nhận biến đổi các đại lượng vật lý, các đại lượng không có tínhử chất điện cần đo thành các đại lượng có tính chất điện có thể đo và xử lý được. Các đại lượng cần đo (m) thường không có tính chất điện (như nhiệt độ, áp suất, lưu lượng, vận tốc. ) tác động lên cảm biến cho ta một đặc trưng (s) mang tính chất điện (như dòng điện, điện áp, trở kháng ) chứa đựng thông tin cho phép xác định giá trị của đại lượng cần đo.
Đặc trưng (s) là hàm của đại lượng cần đo: s = f(m) s: Đại lượng đầu ra hay còn gọi là đáp ứng đầu ra của cảm biến. m: đại lượng đầu vào hay là kích thích (có nguồn gốc đại lượng cần đo) f :là hàm truyền đạt của cảm biến. Hàm truyền đạt thể hiện cấu trúc của thiết bị biến đổi và thường có đặc tính phi tuyến, điều đó làm giới hạn khoảng đo và dẫn tới sai số. Trong trường hợp đại lượng đo biến thiên trong phạm vi rộng cần chia nhỏ khoảng đo để có hàm truyền tuyến tính(Phương pháp tuyến tính hoá từng đoạn).
Thông thường khi thiết kế mạch đo người ta thực hiện các mạch bổ trợ để hiệu chỉnh hàm truyền sao cho hàm truyền đạt chung của hệ thống là tuyến tính. Giá trị (m) được xác định thông qua việc đo đạc giá trị (s) Các tên khác của khác của bộ cảm biến: Sensor, bộ cảm biến đo lường, đầu dò, van đo lường, bộ nhận biết hoặc bộ biến đổi. Trong hệ thống đo lường và điều khiển, các bộ cảm biến và cảm biến ngoài việc đóng vai trò các “giác quan“ để thu thập tin tức còn có nhiệm vụ là “nhà phiên dịch“ để cảm biến các dạng tín hiệu khác nhau về tín hiệu điện. Sau đó sử dụng các mạch đo lường và xử lý kết quả đo vào các mục đích khác khác nhau.
*Sơ đồ nguyên tắc của một hệ thồng đo lường điều khiển 5 Đối tượng điều Cảm biến đo Mạch đo Chỉ thị và khiển lường điện xử lý thiết bị thừa Mạch so hành sánh chuẩn so sánh Hình 1: Sơ đồ nguyên tắc của một hệ thống đo lường điều khiển Tham số trạng thái X của đối tượng cần điều khiển dược cảm biến sang tín hiệu y nhờ cảm biến đo lường. Tín hiệu lối ra được mạch đo điện sử lý để đưa ra cơ cấu chỉ thị. Trong các hệ thống điều khiển tự động, tín hiệu lối ra của mạch đo điện sẽ được đưa trở về lối sau ki thực iện thao tác so sánh với chuẩnm một tín hiệu lối ra sẽ khởi phát thiết bị thừa hành để điều khiển đối tượng. * Trong hệ thống đo lường điều khiển hiện đại, quá trình thu thập và sử lý tín hiệu thường do máy tính đảm nhiệm.
Đối tượng Cảm biến đo Vi điều khiển PC điều khiển lường (Microcontroler) thiết bị thừa hành chương trình điều khiển Hình 2: Hệ thống đo lường và điều khiển ghép PC Trong sơ đồ trên đối tượng điều khiển được dặc trưng bằng các biến trạng thái và được các bộ cảm biến thu nhận. Đầu ra của các bộ cảm biến được phối ghép với vi điều khiển qua dao diện. Vi điều khiển có tể oạt động độc lập theo cương trình đã được cào đặt sẵn hoặc phối ghép với máy tính. Đầu ra của bộ vi điều kiển được phối ghép với cơ cấu cháp hành nhằm tác động lên quá trình hay đối tượng điều khiển.
Chương trình cho vi điều khiển được cài đặt thông qua 6 máy tính hoặc các bộ nạp chương trình chuyên dụng. Đây là sơ đồ điều khiển tự động quá trình (đối tượng ), trong đố bộ cảm buến đóng vai trò phần tử cảm nhận, đo đạc và đánh giá các thông số của hệ thống. Bộ vi điều khiển làm nhiệm vụ xử lý thông tin và đưa ra tín hiệu quá trình. Từ sen-sor là một từ mượn tiếng la tinh Sensus trong tiếng Đức và tiếng Anh được gọi là sensor, trong tiếng Việt thường gọi là bộ cảm biến.Trong kỹ thuật còn hay gọi tuật ngữ đầu đo hay đầu dò Các bộ cảm biến thường được định nghĩa theo nghĩa rộng là thiết bị cảm nhận và đáp ứng các tín hiệu và kích thích.
Phạm vi ứng dụng. Các bộ cảm biến được sử dụng nhiều trong các lĩnh vực kinh tế và kỹ thuật. Các bộ cảm biến đặc biệt và 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 loại sensor bình thường cũng như đặc biệt.
Phân loại các bộ cảm biến. Cảm biến được phân loại theo nhiều tiêu chí. Người ta có thể phân loại cảm biến theo các cách sau: 1. Theo nguyên lý chuyển đổi giữa đáp ứng và kích thích.
Hiện tượng Chuyển đổi giữa đáp ứng và kích thích Nhiệt điện. Quang điện Quang từ. Vật lý Điện từ Từ điện …vv Biến đổi hóa học Biến đổi điện hóa Hóa học Phân tích phổ …vv Biến đổi sinh hóa Biến đổi vật lý Sinh học Hiệu ứng trên cơ thể sống. Theo dạng kích thích.