MỞ ĐẦU: CẢM BIẾN VÀ ỨNG DỤNG Giới thiệu: Cảm biến là phần tử có chức năng tiếp thu, cảm nhận tín hiệu đầu vào ở dạng này và đưa ra tín hiệu ở dạng khác. Cảm biến được ứng dụng rất rộng rãi trong mọi lĩnh vực, đặc biệt trong lĩnh vực tự động hóa công nghiệp. 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 cơ bản về các bộ cảm biến 1. Khái niệm Cảm biến là thiết bị dùng để cảm nhận biến đổi các đại lượng vật lý, các đại lượng không có tính chất điện cần đo thành các đại lượng có tính chất điện có thể đo và xử lý được. Các đại lượng cần đo 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 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 cảm biến: Sensor, 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 nhau. 6 Đối tượng Cảm biến đo Mạch đo Chỉ thị và điều khiển lường điện xử lý Thiết bị Mạch so thừa hành sánh Chuẩn so sánh Hình 1.1: 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 ngõ ra được mạch đo điện xử lý để đưa ra cơ cấu chỉ thị. Trong các hệ thống điều khiển tự động, tín hiệu ngõ ra của mạch đo điện sẽ được đưa trở về sau khi thực hiện thao tác so sánh với chuẩn một tín hiệu ngõ 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 xử lý tín hiệu thường do máy tính đảm nhiệm. Đối tượng Cảm biến đo Viđiều khiển PC điều khiển lường (Microcontroler) thiết bị thừa hành chương trìnhđiều khiển Hình 1.2: Hệ thống đo lường và điều khiển ghép PC Trong sơ đồ trên đối tượng điều khiển được đặc 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 thể hoạt động độc lập theo chương trình đã được cài đặt sẵn hoặc phối ghép với máy tính.
Đầu ra của bộ vi điều kiển được phối ghép với cơ cấu chấp hành nhằm tác động lên quá trình hay đối tượng điều khiển. Chương trình cho vi điều khiển được cài đặt thông qua máy tính hoặc các bộ nạp chương trình chuyên dụng. Đây là sơ đồ điều khiển tự động quá trình (đối tượng), trong đó bộ cảm biến 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.
7 Từ sensor 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 thuật 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. 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. - Theo hiện tượng vật lý: + Nhiệt điện. + Quang điện + Quang từ. + Điện từ + Từ điện - Theo hiện tượng hóa học + Biến đổi hóa học + Biến đổi điện hóa + Phân tích phổ - Theo hiện tượng sinh học + Biến đổi sinh hóa + Biến đổi vật lý + Hiệu ứng trên cơ thể sống 1.
Theo dạng kích thích. - Âm thanh: Biên pha, phân cực, phổ, tốc độ truyền song, …vv - Điện: Điện tích, dòng điện, điện thế, điện áp, điện trường, điện dẫn, hằng số điện môi,…vv - Từ: Từ trường, từ thông, cường độ từ trường, độ từ thẩm, …vv - Cơ: Vị trí, lực,áp suất, gia tốc, vận tốc, ứng suất, độ cứng, mô men, khối lượng, tỷ trọng, độ nhớt, …vv - Quang: Phổ, tốc độ truyền, hệ số phát xạ, khúc xạ, …vv - Nhiệt: Nhiệt độ, thông lượng, tỷ nhiệt,…vv 1. Theo tính năng. - Độ nhạy - Độ chính xác - Độ phân giải - Độ tuyến tính 8 - Công suất tiêu thụ 1.
Theo phạm vi sử dụng - Công nghiệp - Nghiên cứu khoa học - Môi trường, khí tượng - Thông tin, viễn thông - Nông nghiệp - Dân dụng - Giao thông vận tải…vv 1. 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 (không có nguồn): Cảm biến gọi là thụ động khi chúng cần có thêm nguồn năng lượng phụ để hoàn tất nhiệm vụ đo kiểm, còn loại tích cực thì không cần. Được đặc trưng bằng các thông số: R, L, C… tuyến tính hoặc phi tuyến.
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 9 BÀI 1: CẢM BIẾN QUANG Mã bài : MĐ 18.01 Giới thiệu: Trong tất cả các đại lượng vật lý, ánh sáng là một trong các đại lượng được quan tâm nhiều nhất vì ánh sáng đóng vai trò quyết định đến nhiều tính chất quan trọng của vật chất.
Ánh sáng có thể làm ảnh hưởng đến các đại lượng chịu tác dụng của nó. Một trong những đặc điểm quan trọng của ánh sáng là làm thay đổi một cách liên tục các đại lượng chịu ảnh hưởng của nó. Bởi vậy trong công nghiệp cũng như đời sống hàng ngày sử dụng rất nhiều các thiết bị liên quan đến ánh sáng. Mục tiêu: - Phân biệt được các loại cảm biến quang.
- Tra bảng xác định các thông số của cảm biến quang. - Lắp ráp các mạch ứng dụng cảm biến quang - Rèn luyện tính cẩn thận, chính xác, logic khoa học, tác phong công nghiệp Nội dung chính: 1.Ánh sáng và phép đo quang 1. Tính chất của ánh sáng 1. Tính chất sóng của ánh sáng.
Dạng sóng của ánh sáng là sóng điện từ phát ra khi có sự dịch chuyển điện tử giữa các mức năng lượng của nguyên tử của nguồn sáng. Các sóng này truyền đi trong chân không với tốc độ c = 3x10^8 km/s. Trong vật chất ánh sáng có vận tốc là: V = c/n (với n là chiết suất của môi trường). Bước sóng của ánh sáng được tính theo công thức: = V/f Trong chân không: = c/f Trong đó f là tần số của ánh sáng.1 biểu diễn phổ ánh sáng và sự phân chia thành các dải mầu của phổ.
0,395 0,456 0,490 0,575 0,590 0,650 0,750 Cực tím tím lam lục vàng da cam đỏ h. ngoại gần Hình 2.1 phổ ánh sáng 1. Tính chất hạt của ánh sáng. 10 Tính chất hạt của ánh sáng thể hiện qua sự tương tác của nó với vật chất.
ánh sáng bao gồm các hạt photon với năng lượng W phụ thuộc duy nhất vào tần số: W = h.s : là hằng số Planck. Trong vật chất, các điện tử e liên kết trong nguyên tử có xu hướng muốn được giải phóng khỏi nguyên tử để trở thành điện tử tự do. Để giải phóng điện tử khỏi nguyên tử cần phải cung cấp cho nó một năng lượng bằng năng lượng Wl hc liên kết Wl: nghĩa là: v hay: . Bước sóng ngưỡng (bước sóng lớn h Wl nhất) của ánh sáng có thể gây nên hiện tượng giải phóng điện tử được tính: hc s (2.2) Wl eV Nói chung loại điện tích được giải phóng do chiếu sáng phụ thuộc vào bản chất của vật liệu được chiếu sáng.
Hiện tượng giải phóng hạt dẫn dưới tác dụng của ánh sáng bằng hiệu ứng quang điện gây nên sự thay đổi tính chất điện của vật liệu.Đây là nguyên lý cơ bản của các cảm biến quang. Các đơn vị đo năng lượng. - Năng lượng bức xạ Q (J) là năng lượng phát xạ, lan truyền hoặc hấp thụ dưới dạng bức xạ. - Thông lượng của ánh sáng (W) là công suất phát xạ, lan truyền hoặc hấp thụ.3) dt Cường độ ánh sáng I là luồng năng lượng phát ra theo một hướng cho trước dưới một đơn vị góc khối.4) d - Độ chói năng lượng L là tỉ số giữa cường độ ánh sáng phát ra bởi một phần tử bề mặt dA theo một hướng xác định và diện tích hình chiếu của phần tử này trên mặt phẳng P vuông góc với hướng đó : dAn = dA.5) dAn -Độ rọi năng lượng E là tỉ số giữa luồng năng lượng thu được bởi một phần tử bề mặt và diện tích của phần tử đó.
Đơn vị đo thị giác. 11 Độ nhạy của mắt người đối với bước sóng khác nhau là khác nhau.2 biểu diễn độ nhạy tương đối của mắt V(). Các đại lượng thị giác có thể nhận được từ đại lượng năng lượng thông qua hệ số tỉ lệ K.