Giáo Trình Kỹ Thuật Cảm Biến: Lắp Đặt và Ứng Dụng Trong Công Nghiệp

Giáo trình kỹ thuật cảm biến nghề điện tử công nghiệp cđ cung cấp kiến thức chuyên sâu về cảm biến trong ngành điện tử công nghiệp.

• Tác giả: Cồ Như Tụng
• Trường học: Quân Khu 3 Trường Cao Đẳng Nghề Số 20
• Chuyên ngành: Điện Tử Công Nghiệp
• Đề tài: Giáo Trình Kỹ Thuật Cảm Biến: Hướng Dẫn Lắp Đặt và Ứng Dụng Trong Công Nghiệp
• Loại tài liệu: giáo trình
• Năm xuất bản: 2022

Tóm tắt

I. Tổng quan về Giáo Trình Kỹ Thuật Cảm Biến trong Công Nghiệp

Giáo trình Kỹ thuật cảm biến cung cấp kiến thức cơ bản về các loại cảm biến và ứng dụng của chúng trong công nghiệp. Cảm biến là thiết bị quan trọng giúp chuyển đổi các đại lượng vật lý thành tín hiệu điện, phục vụ cho các hệ thống điều khiển tự động. Nội dung giáo trình bao gồm các khái niệm cơ bản, nguyên lý hoạt động và ứng dụng thực tiễn của cảm biến trong nhiều lĩnh vực khác nhau.

1.1. Khái niệm cơ bản về cảm biến trong công nghiệp

Cảm biến, hay còn gọi là sensor, là thiết bị dùng để cảm nhận và biến đổi các đại lượng vật lý thành tín hiệu điện. Các cảm biến này có vai trò quan trọng trong việc cung cấp thông tin cho hệ thống điều khiển tự động.

1.2. Vai trò của cảm biến trong hệ thống điều khiển

Cảm biến hoạt động như các giác quan của con người, giúp hệ thống điều khiển tự động nhận biết và phản ứng với các thay đổi trong môi trường. Điều này nâng cao hiệu quả và độ chính xác của quá trình điều khiển.

II. Những thách thức trong việc lắp đặt cảm biến công nghiệp

Việc lắp đặt cảm biến trong công nghiệp gặp nhiều thách thức như độ chính xác của phép đo, ảnh hưởng của môi trường và sự nhiễu tín hiệu. Những yếu tố này có thể làm giảm hiệu suất của cảm biến và ảnh hưởng đến kết quả đo.

2.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ và độ ẩm đến cảm biến

Nhiệt độ và độ ẩm có thể làm thay đổi đặc tính điện của cảm biến, dẫn đến sai số trong phép đo. Việc kiểm soát các yếu tố này là rất quan trọng để đảm bảo độ chính xác của cảm biến.

2.2. Nhiễu tín hiệu và cách khắc phục

Nhiễu tín hiệu từ các nguồn bên ngoài có thể ảnh hưởng đến độ chính xác của cảm biến. Sử dụng các bộ lọc và thiết kế mạch điện hợp lý có thể giúp giảm thiểu tác động của nhiễu.

III. Phương pháp lắp đặt cảm biến nhiệt độ trong công nghiệp

Lắp đặt cảm biến nhiệt độ là một trong những ứng dụng phổ biến nhất trong công nghiệp. Việc lựa chọn loại cảm biến phù hợp và lắp đặt đúng cách sẽ đảm bảo độ chính xác trong việc đo nhiệt độ.

3.1. Các loại cảm biến nhiệt độ phổ biến

Cảm biến nhiệt độ có nhiều loại như cảm biến nhiệt điện trở, cảm biến nhiệt độ LM35 và cảm biến nhiệt độ AD590. Mỗi loại có ưu điểm và ứng dụng riêng trong công nghiệp.

3.2. Quy trình lắp đặt cảm biến nhiệt độ

Quy trình lắp đặt bao gồm việc xác định vị trí lắp đặt, kết nối dây điện và kiểm tra độ chính xác của cảm biến. Đảm bảo rằng cảm biến được lắp đặt ở vị trí tối ưu để giảm thiểu sai số.

IV. Ứng dụng cảm biến tiệm cận trong công nghiệp

Cảm biến tiệm cận được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng công nghiệp để phát hiện vị trí và khoảng cách. Chúng có thể hoạt động trong nhiều môi trường khác nhau và mang lại độ chính xác cao.

4.1. Nguyên lý hoạt động của cảm biến tiệm cận

Cảm biến tiệm cận hoạt động dựa trên nguyên lý phát hiện sự thay đổi trong trường điện từ hoặc điện dung khi có vật thể đến gần. Điều này cho phép chúng phát hiện vị trí mà không cần tiếp xúc.

4.2. Ứng dụng thực tiễn của cảm biến tiệm cận

Cảm biến tiệm cận được sử dụng trong nhiều ứng dụng như tự động hóa dây chuyền sản xuất, kiểm soát chất lượng và phát hiện vật thể trong các hệ thống an ninh.

V. Kết quả nghiên cứu về cảm biến áp suất trong công nghiệp

Cảm biến áp suất là một phần quan trọng trong các hệ thống điều khiển công nghiệp. Nghiên cứu cho thấy rằng việc sử dụng cảm biến áp suất giúp cải thiện hiệu suất và độ an toàn trong các quy trình sản xuất.

5.1. Các loại cảm biến áp suất phổ biến

Có nhiều loại cảm biến áp suất như cảm biến áp suất điện trở, cảm biến áp suất piezoelectric và cảm biến áp suất điện dung. Mỗi loại có ứng dụng và ưu điểm riêng.

5.2. Ứng dụng cảm biến áp suất trong quy trình sản xuất

Cảm biến áp suất được sử dụng để giám sát và điều khiển áp suất trong các hệ thống như bồn chứa, đường ống và máy móc. Điều này giúp đảm bảo an toàn và hiệu quả trong sản xuất.

VI. Tương lai của công nghệ cảm biến trong công nghiệp

Công nghệ cảm biến đang phát triển nhanh chóng với nhiều cải tiến về độ chính xác, độ nhạy và khả năng kết nối. Tương lai của cảm biến trong công nghiệp hứa hẹn sẽ mang lại nhiều ứng dụng mới và cải tiến quy trình sản xuất.

6.1. Xu hướng phát triển công nghệ cảm biến

Công nghệ cảm biến đang hướng tới việc tích hợp trí tuệ nhân tạo và Internet of Things (IoT) để nâng cao khả năng tự động hóa và giám sát trong công nghiệp.

6.2. Thách thức và cơ hội trong tương lai

Mặc dù có nhiều cơ hội phát triển, nhưng cũng tồn tại những thách thức như chi phí sản xuất và yêu cầu về độ chính xác cao. Việc nghiên cứu và phát triển công nghệ mới sẽ là chìa khóa để vượt qua những thách thức này.

Trích đoạn nội dung tài liệu

mở đầu: KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ CÁC BỘ CẢM BIẾN CÔNG NGHIỆP 1. Khái niệm cơ bản về các bộ cảm biến trong công nghiệp 1. “Cảm biến” trong tiếng Anh gọi là sensor xuất phát từ chữ sense theo nghĩa la tinh là cảm nhận. Trong các hệ thống điều khiển tự động, cảm biến đóng vai trò hết sức quan trọng vì nó là thiết bị cung cấp thông tin của quá trình điều khiển cho bộ điều khiển để bộ điều khiển đưa ra những quyết định phù hợp nhằm nâng cao chất lượng của quá trình điều khiển.

Có thể so sánh các cảm biến trong hệ thống điều khiển tự động như là các giác quan của con người. Nội dung của chương này sẽ trình bày một số loại cảm biến thông dụng trong công nghiệp và các ứng dụng của nó. Các hệ thống điều khiển tự động trong công nghiệp có vô số các đại lượng vật lý cần đo như: nhiệt độ, áp suất, dịch chuyển, lưu lượng, trọng lượng … cần đo. Các đại lượng vật lý này không có tính chất điện, trong khi đó các bộ điều khiển và các cơ cấu chỉ thị lại làm việc với tín hiệu điện vì thế phải có thiết bị để chuyển đổi các đại lượng vật lý không có tính chất điện thành đại lượng điện tương ứng mang đầy đủ các tính chất của đại lượng vật lý cần đo.

Thiết bị chuyển đổi đó là cảm biến. Như vậy, cảm biến là thiết bị dùng để cảm nhận, biến đổi các đại lượng vật lý hoặc các đại lượng không điện thành các đại lượng điện có thể đo và xử lý được. Cảm biến là thiết bị chịu tác động của các đại lượng vật lý không có tính chất điện m và cho ra một đại lượng vật lý có tính chất điện x như: điện trở, điện tích, điện áp, dòng điện tương ứng với m. Đại lượng Cảm biến Đại lượng cần đo m điện x Quan hệ giữa x và m: x = f(m) được gọi là phương trình chuyển đổi của cảm biến, hàm f(m) phụ thuộc vào cấu tạo, vật liệu làm cảm biến … Để chế tạo cảm biến, người ta sử dụng các hiệu ứng vật lý.

Các đại lượng ảnh hưởng tới cảm biến. Trong khi dùng cảm biến để xác định đại lượng cần đo, không chỉ có một đại lượng này tác động lên cảm biến. Trên thực tế, ngoài đại lượng cần đo còn có rất nhiều các đại lượng khác tác động lên cảm biến làm ảnh hưởng tới tín hiệu đo. Các đại lượng này còn gọi là nhiễu.

Các đại lượng ảnh hưởng thường gặp: + Nhiệt độ: Làm thay đổi các đặc trưng điện, cơ và kích thước của cảm biến. + Độ ẩm: Có thể làm thay đổi tính chất điện của vật liệu. + Áp suất, gia tốc, độ rung: Có thể gây nên biến dạng hoặc ứng suất trong. + Từ trường: có thể gây nên sức điện động cảm ứng chồng lên tín hiệu có ích.

Sai số của phép đo. Bất kỳ một phép đo nào dù đơn giản hay phức tạp đều chứa đựng một sai số nhất định. Hiệu số giữa giá trị thực và giá tị đo được là sai số của phép đo. Sai số của phép đo chỉ có thể đánh giá một cách ước tính bởi vì không thể biết trước được giá trị thực của đại lượng đo.

Khi đánh giá sai số người ta phân làm hai loại: Sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên. - Sai số hệ thống. Nguyên nhân: + Do giá trị của đại lượng chuẩn không đúng. + Do đặc tính của cảm biến.

+ Do điều kiện và chế độ sử dụng. + Do sử lý kết quả đo. - Sai số ngẫu nhiên. Nguyên nhân: + Do tính không xác định của đặc trưng thiết bị.

+ Do tín hiệu nhiễu ngẫu nhiên. + Do các đại lượng ảnh hưởng. Độ nhạy của cảm biến 8 Độ nhạy của cảm biến S xung quanh một giá trị không đổi m của đại lượng đo được xác định bởi tỷ số giữa biến thiên s của đại lượng ở đầu ra và biến thiên m tương ứng của đại lượng đầu vào. s S m Trong thực tế, thông thường nhà sản xuất cung cấp sẵn giá trị của độ nhạy S tương ứng với những điều kiện làm việc nhất định của cảm biến.

Nhờ có giá trị đó, người sử dụng có thể đánh giá được độ lớn của đại lượng đầu ra của cảm biến và độ lớn của những biến thiên của đại lượng đo. Điều này cho phép lựa chọn được cảm biến thích hợp với các yêu cầu đặt ra. Đơn vị đo của độ nhạy phụ thuộc vào nguyên lý làm việc của cảm biến và các đại lượng có liên quan. Để phép đo đạt độ chính xác cao, khi thiết kế và sử dụng cảm biến cần làm sao cho độ nhạy S của nó không đổi, nghĩa là ít phụ thuộc nhất vào các yếu tố sau: - Giá trị của đại lượng cần đo m và tần số thay đổi của nó.

- Thời gian sử dụng. - Ảnh hưởng của các đại lượng vật lý khác (không phải là đại lượng đo) của môi trường xung quanh. Thông thường nhà sản xuất cung cấp giá trị của độ nhạy S tương ứng với những điều kiện làm việc nhất định của cảm biến. Phạm vi ứng dụng Cảm biến là loại thiết bị được ứng dụng hầu hết trong các hoạt động sản xuất và đời sống con người.

Như: C«ng nghiÖp; Nghiªn cøu khoa häc; M«i trưêng, khÝ tưîng; Th«ng tin, viÔn th«ng; N«ng nghiÖp; D©n dông; Giao th«ng; Vò trô; Qu©n sù 3. Phân loại các bộ cảm biến Cảm biến có nhiều loại và được phân loại theo nhiều cách khác nhau, tùy thuộc vào từng đặc trưng của chúng: 3. Theo nguyên lý chuyển đổi giữa kích thích và đáp ứng 9 Hiện tượng Chuyển đổi kích thích và đáp ứng - Nhiệt điện - Quang điện - Quang từ Hiện tưîng vËt lý - Điện từ - Quang đàn hồi - Từ điện - Nhiệt từ. - Biến đổi hoá học Hoá học - Biến đổi điện hoá - Phân tích phổ.

- Biến đổi sinh hoá Sinh học - Biến đổi vật lý - Hiệu ứng trên cơ thể sống. Theo dạng kích thích Hiện tượng Dạng kích thích - Biên pha, phân cực Âm thanh - Phổ - Tốc độ truyền sóng. - Điện tích, dòng điện - Điện thế, điện áp Điện - Điện trường (biên, pha, phân cực, phổ) - Điện dẫn, hằng số điện môi. - Từ trường (biên, pha, phân cực, phổ) Từ - Từ thông, cường độ từ trưêng - §é tõ thÈm.

- Biên, pha, phân cực, phổ - Tốc độ truyền Quang - Hệ số phát xạ, khúc xạ - Hệ số hấp thụ, hệ số bức xạ. Cơ - Vị trí 10 - Lực, áp suất - Gia tốc, vận tốc - ứng suất, độ cứng - Mô men - Khối lượng, tỉ trọng - Vận tốc chất lưu, ®é nhít. - Nhiệt độ Nhiệt - Thông lưîng - NhiÖt dung, tØ nhiÖt. - Kiểu Bức xạ - Năng lượng - Cưêng ®é.

Theo tính năng - Độ nhạy - Khả năng quá tải - Độ chính xác - Tốc độ đáp ứng - Độ phân giải - Độ ổn định - Độ chọn lọc - Tuổi thọ - Độ tuyến tính - Điều kiện môi trường - Công suất tiêu thụ - Kích thước, trọng lượng - Dải tần - Độ trễ 3. 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 - Vũ trụ - Quân sự 11 3. Theo thông số của mô hình mạch điện thay thế + Cảm biến tích cực có đầu ra là nguồn áp hoặc nguồn dòng. Cảm biến tích cực hoạt động như một nguồn áp hoặc nguồn dòng được biểu diễn bằng một mạng hai cửa có nguồn.

Cảm biến tích cực là các loại cảm biến hoạt động như một máy phát điện, về mặt nguyên lý nó thường dựa trên các hiệu ứng vật lý biến đổi một dạng năng lượng nào đó (như nhiệt, cơ, quang,.) thành năng lượng điện. + Cảm biến thụ động được đặc trưng bằng các thông số R, L, C, M. tuyến tính hoặc phi tuyến. Cảm biến thụ động được mô tả như một mạng hai cửa không nguồn, có trở kháng phụ thuộc vào các kích thích.

Là các loại cảm biến được chế tạo từ các vật liệu có những thông số trở kháng nhạy với đại lượng đo. Giá trị của trở kháng của cảm biến không những phụ thuộc vào hình dạng, kích thước mà còn phụ thuộc vào tính chất điện của vật liệu, như: điện trở suất , từ thẩm , hằng số điện môi . Phụ thuộc vào bản chất của các vật liệu khác nhau, tính chất điện của chúng có thể nhạy với nhiều đại lượng vật lý như: nhiệt độ, độ chiếu sáng, áp suất, độ ẩm,. Trở kháng của cảm biến thụ động và sự thay đổi của trở kháng dưới tác dụng của của đại lượng đo chỉ có thể xác định được khi cảm biiến là một thành phần trong một mạch điện.

Trên thực tế, tuỳ từng trường hợp cụ thể mà người ta chọn mạch đo cho thích hợp với cảm biến. 12 BÀI 1: LẮP ĐẶT MẠCH ĐIỆN SỬ DỤNG CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ TRONG CÔNG NGHIỆP 1. Việc xác định thang nhiệt độ xuất phát từ các định luật nhiệt động học. Thang đo nhiệt độ tuyệt đối được xác định dựa trên tính chất của khí lý tưởng.

Định luật Carnot nêu rõ: Hiệu suất  của một động cơ nhiệt thuận nghịch hoạt động giữa 2 nguồn có nhiệt độ 1 và  2 trong một thang đo bất kỳ chỉ phụ thuộc vào 1 và  2 : F(θ1 ) η F(θ 2 ) Dạng của hàm F chỉ phụ thuộc vào thang đo nhiệt độ. Ngược lại, việc lựa chọn hàm F sẽ quyết định thang đo nhiệt độ. Đặt F( ( ) =T là nhiệt độ nhiệt động học tuyệt đối và hiệu suất của động cơ nhiệt thuận nghịch sẽ được viết như sau: T1 η  1 T2 Trong đó: T1 và T2 là nhiệt độ nhiệt động học tuyệt đối của hai nguồn.  Thang Kelvin Năm 1664 Robert Hook thiết lập điểm không là điểm động của nước cất.Thomson (Kelvin) nhà vật lý Anh, năm 1852 xác định thang nhiệt độ.

Thang Kelvin đơn vị là 0K, người ta gán cho nhiệt độ của điểm cân bằng của 3 trạng thái nước – nước đá – hơi một trị số bằng 273,15 0K.  Thang Celsius Năm 1742 Andreas Celsius là nhà vật lý Thụy Điển đưa ra thang nhiệt độ bách phân. Trong thang này đơn vị đo nhiệt độ là 0C, một độ Celsius bằng một độ Kelvin.