Giáo trình kỹ thuật cảm biến nghề điện công nghiệp trung cấp phần 2 trường cao đẳng cơ điện xây dựng việt xô

Giáo trình cảm biến vận tốc vòng quay điện công nghiệp cung cấp kiến thức cơ bản và ứng dụng trong đo lường và điều khiển tự động.

• Trường học: Trường Cao Đẳng Cơ Điện Xây Dựng Việt Xô
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cảm Biến
• Đề tài: Giáo Trình Kỹ Thuật Cảm Biến Nghề Điện Công Nghiệp Trung Cấp Phần 2
• Loại tài liệu: Giáo Trình

Mục lục chi tiết

• 1. Bài 4: CẢM BIẾN VẬN TỐC VÒNG QUAY VÀ GÓC QUAY
• 1.1. Giới thiệu
• 1.2. Mục tiêu
• 1.3. Nội dung chính
• 1.3.1. Một số phương pháp cơ bản
• 1.3.2. Đo vận tốc vòng quay bằng phương pháp analog
• 1.3.2.1. Tốc độ kế một chiều (máy phát tốc)
• 1.3.2.2. Tốc độ kế dòng xoay chiều
• 1.3.2.3. Máy phát đồng bộ
• 1.3.2.4. Máy phát không đồng bộ
• 1.3.3. Đo vận tốc vòng quay bằng phương pháp quang điện tử
• 1.3.3.1. Đĩa mã hóa tương đối Encoder
• 1.3.3.2. Đĩa mã hóa tuyệt đối Encoder
• 1.3.3.3. Mã nhị phân và mã Gray
• 1.3.4. Đo vận tốc vòng quay với nguyên tắc điện trở từ
• 1.3.4.1. Các đơn vị từ trường và định nghĩa
• 1.3.4.2. Cảm biến điện trở từ
• 1.3.4.2.1. Cảm biến điện trở từ với vật liệu InSb / NiSb
• 1.3.4.2.2. Cảm biến điện trở từ với vật liệu permalloy
• 1.3.4.3. Đặc điểm của việc đo tốc độ với cảm biến điện trở từ
• 1.3.4.3.1. Đối tượng thụ động
• 1.3.4.3.2. Đối tượng tích cực
• 1.3.4.4. Cảm biến đo tốc độ quay KMI15/x và KMI16/x
• 1.3.4.5. Mạch ứng dụng
• 1.3.5. Cảm biến đo góc với tổ hợp có điện trở từ
• 1.3.5.1. Nguyên tắc
• 1.3.5.2. Các loại cảm biến KM110BH/2 của hãng Philips Semiconductor
• 1.3.5.3. Các loại cảm biến KMA10 và KMA20
• 1.3.6. Máy đo góc tuyệt đối (Resolver)

Tóm tắt

I. Tổng quan về giáo trình kỹ thuật cảm biến nghề điện công nghiệp trung cấp phần 2

Giáo trình kỹ thuật cảm biến nghề điện công nghiệp trung cấp phần 2 tại trường cao đẳng cơ điện xây dựng Việt Xô cung cấp kiến thức chuyên sâu về các loại cảm biến và ứng dụng của chúng trong ngành điện công nghiệp. Nội dung giáo trình được thiết kế nhằm giúp sinh viên nắm vững các nguyên lý hoạt động, cấu tạo và ứng dụng thực tiễn của các cảm biến trong công nghiệp.

1.1. Nội dung chính của giáo trình kỹ thuật cảm biến

Giáo trình bao gồm các phần lý thuyết và thực hành về cảm biến, từ cảm biến vận tốc đến cảm biến góc quay. Mỗi phần đều có các ví dụ minh họa cụ thể để sinh viên dễ dàng tiếp cận và hiểu rõ hơn về ứng dụng thực tế.

1.2. Mục tiêu đào tạo của giáo trình

Mục tiêu chính của giáo trình là trang bị cho sinh viên kiến thức và kỹ năng cần thiết để lắp ráp, vận hành và bảo trì các hệ thống cảm biến trong ngành điện công nghiệp, từ đó nâng cao khả năng làm việc thực tế của sinh viên.

II. Các thách thức trong việc ứng dụng cảm biến trong công nghiệp

Việc ứng dụng cảm biến trong công nghiệp gặp phải nhiều thách thức, từ việc lựa chọn loại cảm biến phù hợp đến việc đảm bảo độ chính xác và độ tin cậy của các thiết bị. Những thách thức này cần được giải quyết để tối ưu hóa hiệu suất làm việc của hệ thống.

2.1. Vấn đề lựa chọn cảm biến phù hợp

Lựa chọn cảm biến phù hợp với yêu cầu kỹ thuật và môi trường làm việc là một trong những thách thức lớn nhất. Cần xem xét các yếu tố như độ nhạy, độ bền và khả năng chống chịu với điều kiện môi trường khắc nghiệt.

2.2. Đảm bảo độ chính xác và độ tin cậy

Độ chính xác và độ tin cậy của cảm biến là yếu tố quyết định đến hiệu suất của hệ thống. Việc kiểm tra và hiệu chỉnh định kỳ các cảm biến là cần thiết để đảm bảo chúng hoạt động ổn định và chính xác.

III. Phương pháp đo vận tốc và góc quay trong công nghiệp

Có nhiều phương pháp khác nhau để đo vận tốc và góc quay trong công nghiệp, mỗi phương pháp đều có ưu điểm và nhược điểm riêng. Việc hiểu rõ các phương pháp này sẽ giúp sinh viên áp dụng hiệu quả trong thực tế.

3.1. Phương pháp đo vận tốc bằng máy phát tốc độ

Máy phát tốc độ là một trong những thiết bị phổ biến nhất để đo vận tốc quay. Nó hoạt động dựa trên nguyên lý điện từ, cung cấp tín hiệu điện áp tỉ lệ với tốc độ quay của trục. Việc sử dụng máy phát tốc độ giúp đảm bảo độ chính xác cao trong các ứng dụng công nghiệp.

3.2. Sử dụng cảm biến quang tốc độ

Cảm biến quang tốc độ sử dụng ánh sáng để phát hiện chuyển động và đo tốc độ quay. Phương pháp này có ưu điểm là không bị ảnh hưởng bởi từ trường và có thể đo chính xác trong các điều kiện khắc nghiệt.

IV. Ứng dụng thực tiễn của cảm biến trong ngành điện công nghiệp

Cảm biến được ứng dụng rộng rãi trong ngành điện công nghiệp, từ việc giám sát và điều khiển đến việc thu thập dữ liệu cho các hệ thống tự động hóa. Những ứng dụng này không chỉ giúp nâng cao hiệu suất làm việc mà còn đảm bảo an toàn cho người lao động.

4.1. Giám sát và điều khiển hệ thống

Cảm biến được sử dụng để giám sát các thông số như nhiệt độ, áp suất và độ ẩm trong các hệ thống điện. Thông qua việc thu thập dữ liệu từ cảm biến, các hệ thống điều khiển có thể tự động điều chỉnh hoạt động để đảm bảo hiệu suất tối ưu.

4.2. Thu thập dữ liệu cho hệ thống tự động hóa

Cảm biến đóng vai trò quan trọng trong việc thu thập dữ liệu cho các hệ thống tự động hóa. Dữ liệu này được sử dụng để phân tích và tối ưu hóa quy trình sản xuất, từ đó nâng cao năng suất và giảm thiểu lãng phí.

V. Kết luận và tương lai của cảm biến trong ngành điện công nghiệp

Cảm biến sẽ tiếp tục đóng vai trò quan trọng trong ngành điện công nghiệp, với sự phát triển không ngừng của công nghệ. Tương lai của cảm biến hứa hẹn sẽ mang lại nhiều cải tiến và ứng dụng mới, giúp nâng cao hiệu quả và an toàn trong sản xuất.

5.1. Xu hướng phát triển công nghệ cảm biến

Công nghệ cảm biến đang phát triển nhanh chóng với sự xuất hiện của các cảm biến thông minh và cảm biến không dây. Những công nghệ này sẽ giúp cải thiện khả năng thu thập dữ liệu và điều khiển trong các hệ thống công nghiệp.

5.2. Tác động của cảm biến đến ngành điện công nghiệp

Cảm biến không chỉ giúp nâng cao hiệu suất làm việc mà còn đảm bảo an toàn cho người lao động. Việc ứng dụng cảm biến trong ngành điện công nghiệp sẽ tiếp tục mở ra nhiều cơ hội mới cho sự phát triển bền vững.

Nội dung chính

Tổng quan về giáo trình

Giáo trình thuộc học phần Kỹ thuật Cảm biến và Đo lường Công nghiệp (mã học phần MĐ 18), nằm trong khối kiến thức cơ sở ngành và chuyên ngành của chương trình đào tạo trình độ Đại học và Cao học thuộc các nhóm ngành Kỹ thuật Điện - Điện tử, Tự động hóa và Cơ điện tử. Học phần cung cấp hệ thống lý thuyết về chuyển đổi đại lượng vật lý thành tín hiệu điện, phục vụ công tác giám sát, điều khiển quá trình kỹ thuật.

Mục tiêu học tập của giáo trình được xác định cụ thể:

• Trình bày được nguyên lý hoạt động, cấu tạo và đặc tính kỹ thuật của các bộ cảm biến đo vận tốc, vị trí góc, lưu lượng chất lưu, áp suất và tải trọng cơ học.
• Lắp ráp, kết nối và hiệu chuẩn các sơ đồ mạch đo ứng dụng sử dụng linh kiện công nghiệp thực tế.
• Rèn luyện phương pháp làm việc khoa học, tư duy phân tích sai số và tác phong công nghiệp trong môi trường kỹ thuật.

Cấu trúc giáo trình tiếp cận theo mô hình kết hợp lý thuyết giải tích - mô hình phần cứng - bài tập thực nghiệm. Các chủ đề được xây dựng theo cấu trúc bài học độc lập (module), điển hình như Bài 4 (MĐ 18.04): Cảm biến vận tốc vòng quay và góc quay và Bài 5: Một số loại cảm biến khác (tập trung vào cảm biến lưu lượng, áp suất và cảm biến trọng lượng Loadcell).

Điểm đặc trưng của tài liệu là sự tích hợp trực tiếp các thông số kỹ thuật thực tế từ các dòng linh kiện chuẩn công nghiệp (Philips Semiconductors, Honeywell, Omron) cùng hệ thống tiêu chuẩn quốc tế (ISO 1000, ISO 5167-2003, DIN 1301) vào nội dung giải bài toán đo lường.

---

Nội dung kiến thức cốt lõi

Các chương/chủ đề chính

Nội dung trọng tâm trong văn bản giáo trình gồm các module chuyên đề kỹ thuật đo lường:

• Bài 4 (MĐ 18.04) - Cảm biến vận tốc vòng quay và góc quay: Phân tích các phương pháp xác định tốc độ rotor. Phương pháp analog sử dụng máy phát tốc dòng một chiều (với công thức sức điện động $E_r = -Nn\Phi_0$), máy phát đồng bộ và máy phát không đồng bộ (điện áp kích từ $v_e = V_e \cos(\omega_e t)$, sức điện động cảm ứng $e_m = k'\omega$). Phương pháp quang điện tử sử dụng đĩa mã hóa Encoder tương đối (tín hiệu xung A, B lệch pha $90^\circ$, xung Z) và Encoder tuyệt đối sử dụng mã Gray để khử lỗi chuyển trạng thái nhị phân. Cảm biến điện trở từ vật liệu Indium Antimonide (InSb/NiSb) và màng mỏng Permalloy ($20%,\text{Fe}, 80%,\text{Ni}$) tuyến tính hóa bằng dải barber poles nhôm nghiêng $45^\circ$. Cảm biến đo góc không tiếp xúc dòng KMI15/x, KMI16/x, KM110BH, KMA10, KMA20 và máy đo góc tuyệt đối Resolver (kích thích sóng mang $2 - 10,\text{kHz}$).

• Bài 5 (MĐ 18) - Cảm biến đo lưu lượng, áp suất và trọng lượng: Khái niệm lưu lượng thể tích ($Q_V$), lưu lượng khối ($Q_m$), độ nhớt động lực ($\eta$), độ nhớt động học ($\nu$) và trị số Reynolds ($Re = \frac{\rho u D}{\eta}$). Phương pháp đo chênh áp (hiệu áp) dựa trên phương trình Bernoulli ứng dụng ống co Venturi H800, tấm Orifice plate (dạng đồng tâm, lệch tâm, hình cung) và ống Pitot tube. Cấu tạo bộ chuyển đổi áp suất kiểu điện trở áp điện (Honeywell 240PC), màng polyvinylidene flourid (PVDF) áp điện dải tần $0{,}5 - 100,\text{kHz}$, màng sọc co giãn kim loại (strain gauge). Phương pháp đo lưu lượng bằng tần số dòng xoáy Karman theo trị số Strouhal ($S = \frac{f \cdot a}{v}$). Nguyên lý đo lực và trọng lượng sử dụng Loadcell dựa trên biến dạng cơ học của cầu điện trở Wheatstone.

Progression logic của nội dung phát triển tuần tự từ việc xác định các tham số động học (vận tốc góc, vị trí quay), chuyển tiếp sang các tham số thủy khí động lực học (áp suất, lưu lượng dòng chảy), và hoàn thiện ở các đại lượng lực tĩnh/tải trọng cơ học (khối lượng, trọng lực).

Kiến thức nền tảng được xây dựng

Giáo trình thiết lập các khối kiến thức nền tảng vững chắc:

• Lý thuyết vật lý và trường: Định luật cảm ứng điện từ Faraday trong máy phát tốc; phương trình liên tục và định luật Bernoulli trong cơ học chất lưu; định luật II Newton ($F = k \cdot a$) trong cơ học tĩnh và động.
• Nguyên lý chuyển đổi năng lượng và hiệu ứng vật liệu: Hiệu ứng điện trở từ (Magnetoresistive effect) trong vật liệu bán dẫn InSb/NiSb với góc lệch điện tích $\theta = 80^\circ$ tại $B = 1,\text{T}$; hiệu ứng dịch chuyển góc từ hóa trong màng Permalloy; hiệu ứng áp điện phân cực trên màng PVDF; hiệu ứng biến dạng điện trở của dây dẫn kim loại ($R = \rho \frac{l}{S}$).
• Mô hình hóa và cấu trúc mạch đo: Phân tích mạch cầu Wheatstone cân bằng và không cân bằng; chuẩn số không thứ nguyên (Reynolds, Strouhal); thuật toán mã hóa số học (Binary code và Gray code).

Kỹ năng phát triển

• Kỹ năng kỹ thuật (Technical skills): Nhận diện sơ đồ chân, đấu nối phần cứng, phối hợp trở kháng và cấp nguồn cho các IC cảm biến (KMI15/1, KMI16/1, KM110BH/2430, Honeywell 240PC Series, Encoder Omron E6A2-CW3C, E6CP-AG5C-C).
• Kỹ năng phân tích (Analytical skills): Sử dụng máy dao động ký (Oscilloscope) để khảo sát dạng sóng đầu ra; tính toán sai số tĩnh, sai số động; phân tích hiện tượng phi tuyến và xác định giới hạn đo hiệu áp an toàn ($30% - 100%$ thang đo).
• Kỹ năng thực hành ứng dụng (Practical competencies): Hiệu chuẩn hệ thống đo lường góc với nam châm NdFeB; lập bảng dữ liệu góc quay - điện áp ngõ ra; kết nối thiết bị hiển thị số H7ER và thiết bị định vị vị trí cam điện tử tử H8PS-8P.

---

Phương pháp giảng dạy và học tập

Giáo trình áp dụng mô hình sư phạm tích hợp lý thuyết gắn liền với kiểm chứng thực nghiệm theo từng bài học (Module-based learning). Mỗi bài học đều quy định rõ mục tiêu đầu ra, hệ thống công thức giải tích mô tả hiện tượng, sơ đồ cấu trúc bên trong của linh kiện và quy trình thực hành chi tiết.

Phương pháp sử dụng case study kỹ thuật thực tế được triển khai rõ nét trong phân tích lỗi chuyển trạng thái của đĩa mã hóa nhị phân:

• Trường hợp đĩa 3 rãnh chuyển vùng góc từ $179{,}9^\circ$ sang $180{,}1^\circ$ (từ vùng 4 sang vùng 5), mã nhị phân lý thuyết chuyển từ off-on-on (011) sang on-off-off (100).
• Do sai lệch cơ khí không đồng thời, tín hiệu thực tế xuất hiện chuỗi chuyển tiếp lỗi off-on-on $\to$ on-on-on $\to$ on-on-off $\to$ on-off-off (tương ứng vùng 4 $\to$ 8 $\to$ 7 $\to$ 5).
• Trong ứng dụng điều khiển cánh tay robot, tín hiệu sai này khiến bộ điều khiển xác định sai vị trí và kích hoạt quay $180^\circ$ ngoài ý muốn. Giáo trình đưa ra giải pháp thay thế bằng mã Gray (chỉ thay đổi 1 bit duy nhất giữa hai trạng thái liền kề) để giải quyết lỗi hệ thống.

Mã Nhị Phân:  Vùng 4 (011) --------> [Lỗi: 111 -> 110] --------> Vùng 5 (100) (Gây sai lệch vị trí)
Mã Gray:      Vùng 4 (off-on-off) -----------------------------> Vùng 5 (on-on-off) (Thay đổi 1 bit)

Quy trình thực hành được tiêu chuẩn hóa theo các bước: khảo sát thông số datasheet $\to$ thiết lập sơ đồ chân $\to$ lắp đặt cơ khí (khe hở không khí $d = 2{,}5,\text{mm}$) $\to$ mắc mạch lọc/tải ($R_L = 1{,}7,\text{k}\Omega$, tụ $100,\text{nF}$) $\to$ thu thập dạng sóng qua máy hiện sóng $\to$ xử lý số liệu.

Phương pháp đánh giá kết quả học tập căn cứ trên:

1. Mức độ chính xác trong việc tính toán các thông số lưu chất, góc lệch, tần số xung.
2. Khả năng giải thích sai số và tính toán hệ số bù dòng chảy theo tiêu chuẩn ISO 5167.
3. Kỹ năng vận hành, thu thập số liệu trên mô hình thí nghiệm phần cứng.

Người học tự học theo lộ trình: đọc hiểu nguyên lý vật lý $\to$ chứng minh phương trình đặc tuyến $\to$ phân tích sơ đồ chân linh kiện $\to$ đối chiếu bảng thông số kỹ thuật nhà sản xuất.

---

Điểm nổi bật và cập nhật

Nội dung giáo trình phản ánh các bước tiến của kỹ thuật vi cơ điện tử (MEMS) và công nghệ vật liệu bán dẫn:

• Tuyến tính hóa đặc tính điện trở từ Permalloy: Giải thích chi tiết giải pháp kỹ thuật phủ màng mỏng nhôm (barber poles) nghiêng góc $45^\circ$ trên nền Permalloy ($20%,\text{Fe}, 80%,\text{Ni}$), làm lệch hướng dòng điện một góc $45^\circ$, chuyển đổi hàm bậc hai $R = R_0 + \Delta R_0 \cos^2\theta$ thành đặc tuyến tuyến tính. Đồng thời, cấu hình mạch cầu Wheatstone tích hợp 4 cảm biến điện trở từ giúp tăng gấp đôi biên độ tín hiệu ngõ ra và bù trừ sai số nhiệt độ môi trường.

       Cấu Trúc Barber Poles Màng Permalloy:
       +---------------------------------------------+
       |   ///   ///   ///   ///   ///   ///   ///   |  <-- Dải nhôm nghiêng 45°
       |  ///   ///   ///   ///   ///   ///   ///    |  (Bẻ lệch hướng dòng điện)
       +---------------------------------------------+

• Hệ thống hóa tiêu chuẩn kỹ thuật quốc tế: Nội dung tích hợp trực tiếp tiêu chuẩn đơn vị đo lường áp suất ISO 1000, DIN 1301; tiêu chuẩn chế tạo và lắp đặt đường ống đo lưu lượng bằng Orifice Plate theo ISO 5167-2003 (quy định tỷ lệ khoảng cách thẳng đầu nguồn $\ge k \cdot D$ và cuối nguồn $\ge 5D$).

• Cập nhật dữ liệu linh kiện công nghiệp chuẩn: Cung cấp thông số vận hành thực tế của các dòng cảm biến thương mại:

  • Philips Semiconductors: Cảm biến tốc độ KMI15/1, KMI16/1; cảm biến góc KM110BH/2130 (dải đo $\pm 15^\circ$, tuyến tính), KM110BH/2190 (dải đo $\pm 45^\circ$, hình sin), KMA10/70 (ngõ ra dòng $4 - 20,\text{mA}$), KMA20/30 (ngõ ra áp $0{,}5 - 4{,}5,\text{V}$).
  • Honeywell: Cảm biến áp suất 240PC Series (dải đo $0 - 0{,}345,\text{bar}$ đến $0 - 10,\text{bar}$, nhiệt độ $-40^\circ\text{C}$ đến $+85^\circ\text{C}$, vật liệu cao su Buna-N).

• Tích hợp kỹ thuật số và thiết bị xử lý: Đề cập giải pháp kết hợp máy tính lưu lượng (Flow computer) để tự động bù sai số khối lượng riêng theo nhiệt độ/áp suất, cùng các giải pháp phân tích dải tần số xoáy dòng chảy Karman trong môi trường nhiễu rung động hạ tần.

---

Đối tượng sử dụng giáo trình

Giáo trình được biên soạn phục vụ các nhóm đối tượng cụ thể trong hệ thống giáo dục đại học và kỹ thuật chuyên nghiệp:

• Sinh viên đại học: Sinh viên từ năm thứ ba trở đi thuộc các ngành Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Kỹ thuật Cơ điện tử, Kỹ thuật Điện - Điện tử, Kỹ thuật Đo lường và Tin học Công nghiệp.
• Học viên cao học: Học viên chuyên ngành Tự động hóa quá trình công nghệ và Kỹ thuật đo lường sử dụng làm tài liệu tham khảo để nghiên cứu thuật toán xử lý tín hiệu cảm biến và mô hình hóa hệ thống đo.
• Yêu cầu kiến thức tiên quyết (Prerequisites):
  • Vật lý đại cương (phần Điện từ học và Thủy khí động lực học).
  • Lý thuyết mạch điện (phân tích mạch cầu Wheatstone, đáp ứng tần số).
  • Kỹ thuật điện tử tương tự và số (khuếch đại thuật toán, chuyển đổi ADC/DAC, hệ thống mã nhị phân và mã Gray).
• Giảng viên chuyên ngành: Sử dụng giáo trình để xây dựng đề cương bài giảng lý thuyết môn Kỹ thuật cảm biến, thiết kế bài tập tình huống và biên soạn tài liệu hướng dẫn thực hành phòng thí nghiệm đo lường điều khiển.
• Kỹ sư và cán bộ kỹ thuật: Dùng làm sổ tay tra cứu sơ đồ chân, điều kiện cấp nguồn, dải nhiệt độ làm việc và giải pháp phối ghép mạch cho các dòng cảm biến thông dụng trong nhà máy sản xuất.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Giáo trình này phù hợp với đối tượng nào?

Tài liệu được thiết kế cho sinh viên đại học, học viên cao học các ngành kỹ thuật điện, tự động hóa, cơ điện tử và kỹ sư vận hành hệ thống đo lường điều khiển trong công nghiệp.

2. Người học cần chuẩn bị kiến thức nền tảng nào trước khi tiếp cận?

Cần nắm vững kiến thức vật lý đại cương (từ trường, định luật Bernoulli, định luật II Newton), lý thuyết giải tích mạch điện (đặc biệt là mạch cầu Wheatstone) và cơ sở kỹ thuật số (bảng trạng thái, hệ thống mã nhị phân/mã Gray).

3. Điểm khác biệt của giáo trình so với các tài liệu thuần lý thuyết khác là gì?

Giáo trình kết nối chặt chẽ giữa công thức toán học - vật lý với cấu trúc chế tạo vi mô của cảm biến (như cấu trúc vi kim NiSb trong InSb, dải barber poles trên Permalloy) và cung cấp thông số datasheet, mã hiệu linh kiện thực tế (KMI, KMA, 240PC Series, Omron E6A2/E6CP).

4. Phương pháp tự học giáo trình như thế nào để đạt hiệu quả cao?

Người học nên học lý thuyết song song với phân tích mạch ứng dụng: chứng minh công thức giải tích $\to$ đọc hiểu bảng thông số kỹ thuật (Datasheet) $\to$ phân tích nguyên lý khử sai số (như phân tích mã Gray hoặc phương pháp bù nhiệt cầu Wheatstone) $\to$ vẽ lại sơ đồ kết nối thực hành.

5. Có những tài liệu và tiêu chuẩn kỹ thuật nào được trích dẫn để tra cứu bổ trợ?

Tài liệu trích dẫn trực tiếp các tiêu chuẩn kỹ thuật quốc tế gồm ISO 1000 và DIN 1301 (về đơn vị đo áp suất), ISO 5167-2003 (quy định hệ số và điều kiện lắp đặt tấm Orifice Plate), cùng các tài liệu ứng dụng của hãng Philips Semiconductors và Honeywell.

---

Kết luận

Giáo trình Kỹ thuật Cảm biến (mô-đun MĐ 18) cung cấp hệ thống kiến thức đo lường hoàn chỉnh từ nguyên lý chuyển đổi vật lý đến kỹ thuật thi công mạch phần cứng. Tài liệu liên kết chặt chẽ các công thức giải tích cơ bản với tiêu chuẩn quốc tế và cấu trúc linh kiện bán dẫn thực tế.

Lộ trình học tập đề xuất:

1. Tiếp cận lý thuyết đo vận tốc và vị trí góc qua phương pháp máy phát tốc, Encoder quang học mã Gray và cảm biến điện trở từ (Bài 4 - MĐ 18.04).
2. Nghiên cứu nguyên lý đo lưu lượng chất lưu qua hiệu áp (Bernoulli), tần số dòng xoáy Karman và các bộ biến đổi áp suất PVDF, Honeywell 240PC (Bài 5 - MĐ 18).
3. Hoàn thiện kỹ năng đo lực và trọng lượng thông qua phân tích mạch cầu biến dạng Loadcell Wheatstone.

Các tài liệu bổ trợ cần thiết bao gồm tiêu chuẩn ISO 5167-2003, ISO 1000, DIN 1301 và tập dữ liệu kỹ thuật (datasheet) của các dòng cảm biến KMI15/16, KM110BH, KMA10/20 và Loadcell strain gauge.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Bài 4: CẢM BIẾN VẬN TỐC VÒNG QUAY VÀ GÓC QUAY Mã bài: MĐ 18.04 Giới thiệu: Trong công nghiệp có rất nhiều trường hợp cần đo vận tốc quay của máy. Người ta thường theo dõi tốc độ quay của máy vì lý do an toàn hoặc để khống chế các điều kiện đặt trước cho hoạt động của máy móc, thiết bị. Trong chuyển động thẳng việc đo vận tốc dài cũng thường được chuyển sang đo vận tốc quay. Bởi vậy các cảm biến đo vận tốc góc chiếm vị trí ưu thế trong lĩnh vực đo tốc độ.

Mục tiêu: - Trình bày được các phương pháp đo. - Lắp ráp được một số mạch đo ứng dụng dùng các loại cảm biến trên. - Phát huy tính tích cực chủ động, sáng tạo,tác phong công nghiệp. Nội dung chính: 1.

Một số phương pháp cơ bản. Cảm biến vận tốc góc quay cung cấp cho ta tín hiệu đo là tần số. Thông thường trên trục quay được đánh một hay nhiều dấu và một cảm biến ở phần không chuyển động sẽ ghi nhận sự chuyển động của các dấu này. Tần số đo được tỉ lệ với vòng quay n và số dấu k: f = n.k Để đo tốc độ quay của rotor ta có thể sử dụng các phương pháp sau:  Sử dụng máy phát tốc độ một chiều hoặc xoay chiều, thực chất là các máy phát điện công suất nhỏ có sức điện động tỉ lệ với tốc độ cần đo.

Được sử dụng rộng rãi trong các hệ chuyển động kinh điển.  Sử dụng bộ cảm biến quang tốc độ với bộ mã hóa.  Sử dụng máy đo góc tuyệt đối.  Xác định tốc độ gián tiếp qua phép đo dòng điện và điện áp stator mà không cần dùng bộ cảm biến tốc độ.

Đo vận tốc vòng quay bằng phương pháp analog 1. Tốc độ kế một chiều (máy phát tốc): Máy phát tốc độ là máy phát điện một chiều, cực từ là nam châm vĩnh cửu. Điện áp trên cực máy phát tỉ lệ với tốc độ quay của nó. Máy phát tốc độ nối cùng trục với phanh hãm điện từ và cùng trục với động cơ do đó tốc độ quay của nó chính là tốc độ quay của động cơ.

Tốc độ này tỉ lệ với điện áp của máy phát tốc độ, dùng Vmét điện từ hoặc đồng hồ đo tốc độ nối với nó có thể đo được tốc độ của động cơ. Giá trị điện áp âm hay dương phụ thuộc vào chiều quay. Er= −(  nΦ0 )/ 2π = −NnΦ0 N: số vòng quay trong 1 s. 80  : vân tốc góc của rotor.

n: là tổng số dây chính trên rotor. Φ0: là từ thông xuất phát từ cực nam châm Các phần tử cấu tạo cơ bản của một tốc độ kế dòng một chiều biểu diễn trên hình 4. Stator (phần cảm) là một nam châm điện hoặc một nam châm vĩnh cửu có hai cực nam và bắc nằm ngoài cùng. Rotor (phần ứng) gồm có lõi thép phần ứng, trên có xẻ rãnh, trong rãnh có đặt dây quấn Hình 5.1: Cấu tạo của một máy phát dòng một chiều.

Tốc độ kế dòng xoay chiều Tốc độ kế dòng xoay chiều có ưu điểm là không có cổ góp điện và chổi than nên có tuổi thọ, không có tăng, giảm điện áp trên chổi than. Nhược điểm là mạch điện phức tạp hơn, ngoài ra để xác định biên độ cần phải chỉnh lưu và lọc tín hiệu. Máy phát đồng bộ. Là một loại máy phát điện xoay chiều loại nhỏ.

Rotor của máy phát được gắn đồng trục với thiết bị cần đo tốc độ. Rotor là một nam châm hoặc nhiều nam châm nhỏ hình 4. Stator là phần cảm, có thể 1 pha hoặc ba pha, là nơi cung cấp suất điện động hình sin có biên độ tỷ lệ với tốc độ quay của rotor.  K1 và K2 là các thông số đặc trưng cho máy phát.

Ở đầu ra điện áp được chỉnh lưu thành điện áp một chiều.Điện áp này không phụ thuộc vào chiều quay và hiệu suất lọc giảm đi khi tần số thấp. Tốc độ quay có thể xác định được bằng cách đo tần số của sức điện động. Phương pháp này rất quan trọng khi khoảng cách đo lớn. Tín hiệu từ máy phát đồng bộ có thể truyền đi xa và sự suy giảm tín hiệu trên đường đi không ảnh hưởng đến độ chính xác của phép đo.Cấu tạo của một máy phát đồng bộ.

Máy phát không đồng bộ Cấu tạo của máy phát không đồng bộ tương tự như động cơ không đồng bộ hai pha (hình 4.Cấu tạo của một máy phát đồng bộ. Rotor là một hình trụ kim loại mỏng được quay với vận tốc cần đo, khối lượng và quán tính của nó không đáng kể. Stator làm bằng thép lá kỹ thuật điện, trên có đặt hai cuộn dây được bố trí như hình vẽ.Cuộn thứ nhất là cuộn kích từ được cung cấp một điện áp định mức có biên độ và tần số không đổi  e. ve=Vecos  e t Cuộn dây thứ hai là cuộn dây đo, giữa hai đầu của cuộn này sẽ suất hiện sức điện động có biên độ tỉ lệ với vận tốc góc cần đo.

em= Emcos(  et + Φ) = k  Vecos(  et + Φ) Do Em = k  Ve = k’  k là hằng số phụ thuộc vào cấu trúc của máy. Khi đo Em sẽ xác định được  1. Đo vận tốc vòng quay bằng phương pháp quang điện tử 1. Dùng bộ cảm biến quang tốc độ với đĩa mã hóa Encoder là thiết bị có thể phát hiện sự chuyển động hay vị trí của vật.

Encoder sử dụng các cảm biến quang để sinh ra chuỗi xung, từ đó chuyển sang phát hiện sự chuyển động, vị trí hay hướng chuyển động của vật thể.5: Sơ đồ hoạt động đĩa quang mã hóa Nguồn sáng được lắp đặt sao cho ánh sáng liên tục được tập trung xuyên qua đĩa thủy tinh. Bộ phận thu nhận ánh sáng được lắp ở mặt còn lại của của đĩa sao cho có thể nhận được ánh sáng. Đĩa được lắp đặt đến trục động cơ hay thiết bị khác cần xác định vị trí sao cho khi trục quay, đĩa cũng sẽ quay. Khi đĩa quay sao cho lỗ, nguồn sáng, bộ phận nhận ánh sáng thẳng hàng thì tín hiệu xung vuông sinh ra.

Khuyết điểm: cần nhiều lỗ để nâng cao độ chính xác nên dễ làm hư hỏng đĩa quay 1. Đĩa mã hóa tương đối Encoder với 1 bộ xung thì sẽ không thể phát hiện được chiều quay, hầu hết các encoder mã hóa đều có bộ xung thứ 2 lệch pha 90 0 so với bộ xung thứ nhất, và một xung xác định mỗi thời gian encoder quay một vòng.6: Sơ đồ thu phát Encoder tương đối Xung A, xung B và xung điểu khiển, nếu xung A xảy ra trước xung B, trục sẽ quay theo chiều kim đồng hồ, và ngược lại, xung Z xác định đã quay xong một vòng.7: Dạng sóng ra của Encoder 2 bộ xung Gọi Tn là thời gian đếm xung, N0 là số xung trong một vòng (độ phân giải của bộ cảm biến tốc độ, phụ thuộc vào số lỗ), N là số xung trong thời gian Tn.Đĩa mã hóa tuyệt đối Để khắc phục nhược điểm chính của đĩa mã hóa tương đối là khi mất nguồn số đềm sẽ bị mất. Như vậy khi các cơ cấu ngưng hoạt động vào buổi tối hay khi bảo trì thì khi khi bật nguồn trở lại encoder sẽ không thể xác định chính xác vị trí cơ cấu.8: Sơ đồ thu phát Encoder tuyệt đối (sử dụng mã Gray) Đĩa mã hóa tuyệt đối được thiết kế để luôn xác định được vị trí vật một cách chính xác. Đĩa encoder tuyệt đối sử dụng nhiều vòng phân đoạn theo hình đồng tâm gồm các phân đoạn chắn sáng và không chắn sáng.

- Vòng trong cùng xác định đĩa quay đang nằm ở nửa vòng tròn nào 84 - Kết hợp vòng trong cùng với vòng tiếp theo sẽ xác định đĩa quay đang nằm ở ¼ vòng tròn nào. - Các rãnh tiếp theo cho ta xác định được vị trí 1/8, 1/16. của vòng tròn. Vòng phân đoạn ngoài cùng cho ta độ chính xác cuối cùng.

Loại encoder này có nguồn sáng và bộ thu cho mỗi vòng như nếu encoder có 10 vòng sẽ có 10 bộ nguồn sáng và thu, nếu encoder có 16 vòng sẽ có 16 bộ nguồn sáng và thu. Ngoài việc khắc phục nhược điểm của đĩa mã hóa tương đối, với đĩa mã hóa tuyệt đối encoder còn có thể giảm tốc xuống sao cho encoder quay đủ 1 vòng suốt chiều dài cơ cấu. Để đếm đo vận tốc hay vị trí (góc quay), có thể sử dụng mã nhị phân hoặc mã Gray. Tuy nhiên thực tế chỉ có mã Gray được sử dụng phổ biến.

 Xét trường hợp đĩa mã hóa tuyệt đối trường hợp 3 rãnh với mã nhị phân và mã Gray  Mã nhị phân Bảng giá trị 1 Mã nhị phân Vòng Vòng Vùng Vòng 2 Góc 1 3 1 off off off 0° tới 45° 2 off off on 45° tới 90° 3 off on off 90° tới 135° 4 off on on 135°tới 180° 5 on off off 180°tới 225° Hình 5.9: Đĩa mã hóa tuyệt đối trường hợp 3 rãnh với mã 6 on off on 225°tới 270° nhị phân 7 on on off 270°tới 315° 8 on on on 315°tới 360° Ghi chú: Vùng màu đen qui ước tương ứng với giá trị on (phân đoạn không chắn sáng). Chiều quay ngược chiều kim đồng hồ (góc quay mang giá trị dương). Vòng trong cùng (vòng 1): tương ứng với bit MSB. Vòng ngoài cùng: tương ứng với bit LSB.

85 Một cách tổng quát, khi có n vòng thì sẽ có số lượng vị trí của đối tượng là 2 .ví dụ n = 3 số lượng vị trí xác định được là 23 = 8. n Ở ví dụ trên, mã nhị phân được tạo ra khi đĩa quay, qua đó có thể xác định được vị trí của đĩa quay. Tuy nhiên trong thực tế việc đặt vị trí các rãnh chắn sáng và các rãnh cho ánh sáng đi qua khó mà có thể thực hiện 1 cách hoàn hảo. Trong khi đó vị trí của chúng lại quyết định giá trị gõ ra.

Ví dụ khi đĩa chuyển từ vị trí 179,90 tới 180,10 (từ vùng 4 sang vùng 5), trong tức khắc, theo bảng giá trị 1, sẽ có sự chuyển trạng thái từ off-on-on sang on-off-off. Cách thức hoạt động này sẽ không có được độ tin cậy, bởi vị trong thực tế thì sẽ không thể có sự chuyển trạng đồng thời 1 cách hoàn hảo. Nếu ở vị trí vòng 1 chuyển trạng thái trước, rồi đến vòng 3 và vòng 2 thì thực sự sẽ có chuỗi các mã nhị phân như sau sẽ được tạo ra.