Giáo trình Kỹ thuật Cảm biến Chuyên sâu cho Nghề Điện Dân Dụng Trung cấp

Giáo trình kỹ thuật cảm biến nghề điện dân dụng trình độ trung cấp cung cấp kiến thức và kỹ năng cần thiết cho sinh viên trong ngành điện.

• Trường học: Trường Cao Đẳng Nghề
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cảm Biến
• Đề tài: Giáo Trình Kỹ Thuật Cảm Biến Nghề Điện Dân Dụng Trình Độ Trung Cấp
• Loại tài liệu: Giáo Trình

Tóm tắt

I. Khái Niệm Và Tầm Quan Trọng Của Kỹ Thuật Cảm Biến

Kỹ thuật cảm biến là một lĩnh vực quan trọng trong ngành điện công nghiệp hiện đại. Cảm biến đóng vai trò thiết yếu trong các hệ thống tự động hóa, điều khiển và đo lường. Trong thời đại phát triển của khoa học kỹ thuật, cảm biến không chỉ là thành phần cơ bản mà còn là yếu tố quyết định hiệu suất của các thiết bị. Nguyên lý hoạt động của cảm biến chính là cơ sở của phương pháp điều khiển tự động hiện đại. Hiện nay, không có lĩnh vực nào trong sản xuất công nghiệp mà không sử dụng cảm biến. Chúng được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống robot, kiểm tra chất lượng sản phẩm, tiết kiệm năng lượng, bảo vệ môi trường, giao thông vận tải, ô tô, và bảo quản thực phẩm. Do đó, việc nắm vững kiến thức về kỹ thuật cảm biến là nhu cầu bắt buộc cho mọi kỹ thuật viên và kỹ sư điện.

1.1. Định Nghĩa Cảm Biến

Cảm biến là thiết bị dùng để cảm nhận các biến đổi của đại lượng vật lý không có tính chất điện và chuyển đổi thành các đại lượng có tính chất điện (dòng điện, điện áp, trở kháng). Các đại lượng cần đo như nhiệt độ, áp suất, lưu lượng, vận tốc tác động lên cảm biến để tạo ra tín hiệu điện có thể đo lường và xử lý được. Tín hiệu đầu ra của cảm biến chứa đựng thông tin để xác định giá trị của đại lượng đầu vào, làm cơ sở cho các hệ thống điều khiển tự động.

1.2. Vị Trí Trong Dây Truyền Sản Xuất

Trong dây truyền sản xuất hiện đại, cảm biến đóng vai trò là khâu đầu tiên tiếp nhận thông tin từ các đối tượng cần kiểm soát. Cảm biến cung cấp dữ liệu đầu vào cho các bộ xử lý tín hiệu và hệ thống điều khiển. Chất lượng và độ chính xác của cảm biến trực tiếp ảnh hưởng đến hiệu quả của toàn bộ hệ thống sản xuất, từ đó quyết định chất lượng sản phẩm cuối cùng.

II. Các Loại Cảm Biến Chính Trong Ngành Điện Dân Dụng

Trong giáo trình kỹ thuật cảm biến trình độ trung cấp, học viên sẽ tiếp cận các loại cảm biến phổ biến nhất trong ứng dụng công nghiệp. Cảm biến nhiệt độ sử dụng nhiệt điện trở (Platinum, Nickel) hoặc vật liệu silicon là những loại được sử dụng rộng rãi. Cảm biến tiệm cận (Proximity Sensor) giúp xác định vị trí và khoảng cách của vật thể. Cảm biến đo lưu lượng áp dụng nguyên tắc chênh lệch áp suất hoặc tần số dòng xoáy. Cảm biến đo vận tốc vòng quay và góc quay được sử dụng trong các hệ thống động cơ. Mỗi loại cảm biến có nguyên lý hoạt động riêng, phù hợp với những ứng dụng cụ thể khác nhau trong thực tế sản xuất.

2.1. Cảm Biến Nhiệt Độ

Cảm biến nhiệt độ bao gồm các loại như nhiệt điện trở (RTD) với vật liệu Platinum và Nickel, cảm biến từ vật liệu Silicon, và IC cảm biến nhiệt độ. Nhiệt điện trở NTC (Negative Temperature Coefficient) cũng là một loại phổ biến trong ứng dụng điện dân dụng. Các cảm biến này được sử dụng trong hệ thống điều hòa, tủ lạnh, lò nướng và nhiều thiết bị gia dụng khác.

2.2. Cảm Biến Tiệm Cận Và Xác Định Vị Trí

Cảm biến tiệm cận (Proximity Sensor) được chia thành nhiều loại như cảm biến cảm ứng, quang điện, và siêu âm. Chúng được sử dụng để phát hiện sự hiện diện của vật thể mà không cần tiếp xúc trực tiếp. Cảm biến xác định vị trí và khoảng cách có ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống automation, robot công nghiệp, và kiểm tra chất lượng sản phẩm.

III. Mục Tiêu Và Nội Dung Học Tập Môn Kỹ Thuật Cảm Biến

Môn học kỹ thuật cảm biến trong chương trình đào tạo trung cấp ngành điện công nghiệp có mục tiêu trang bị cho học viên những kiến thức toàn diện. Học viên sẽ phân tích được cấu tạo, nguyên lý hoạt động của các loại cảm biến khác nhau. Họ cũng học cách đấu nối các loại cảm biến trong mạch điện cụ thể và phân tích được nguyên lý của mạch điện cảm biến. Ngoài ra, môn học rèn luyện tư duy khoa học, tác phong công nghiệp và khả năng làm việc theo nhóm. Các kiến thức được trang bị có thể áp dụng trực tiếp vào sản xuất và đời sống, đồng thời làm nền tảng để học tiếp các môn chuyên môn khác như PLC và trang bị điện.

3.1. Mục Tiêu Cụ Thể

Mục tiêu chính của môn kỹ thuật cảm biến bao gồm: Phân tích được cấu tạo và nguyên lý hoạt động của các cảm biến; Hiểu rõ nguyên lý mạch điện cảm biến; Biết cách đấu nối các loại cảm biến trong các ứng dụng thực tế; Hình thành tư duy khoa học và phát triển kỹ năng làm việc nhóm; Rèn luyện tính chính xác khoa học và tác phong công nghiệp.

3.2. Nội Dung Chương Trình

Chương trình học được chia thành bài mở đầu về cảm biến và ứng dụng; Cảm biến nhiệt độ (Platinum, Nickel, Silicon, IC cảm biến); Cảm biến tiệm cận và xác định vị trí; Phương pháp đo lưu lượng dựa trên áp suất hoặc tần số dòng xoáy; Đo vận tốc vòng quay và góc quay. Mỗi chương đều có phần thực hành ứng dụng để học viên nắm vững kỹ năng thực tiễn.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Và Tầm Quan Trọng Trong Tự Động Hóa Công Nghiệp

Kỹ thuật cảm biến ngày càng trở nên quan trọng trong lĩnh vực tự động hóa công nghiệp hiện đại. Các cảm biến được ứng dụng trong hầu hết các quy trình sản xuất từ công nghiệp nhẹ đến công nghiệp nặng. Trong các hệ thống robot công nghiệp, cảm biến là những bộ cảm giác giúp máy nhận thức và tương tác với môi trường. Trong kiểm tra chất lượng sản phẩm, cảm biến phát hiện các khuyết tật và đảm bảo tiêu chuẩn sản phẩm. Trong lĩnh vực tiết kiệm năng lượng, cảm biến giúp tối ưu hóa sử dụng năng lượng. Hơn nữa, cảm biến còn được ứng dụng trong giao thông vận tải, hàng tiêu dùng, bảo quản thực phẩm, ô tô, và nhiều lĩnh vực khác. Việc nắm vững kỹ thuật cảm biến giúp các kỹ sư và kỹ thuật viên thích ứng tốt hơn với yêu cầu của công nghệ hiện đại.

4.1. Ứng Dụng Trong Các Hệ Thống Tự Động

Cảm biến là thành phần không thể thiếu trong các hệ thống điều khiển tự động (PLC, SCADA). Chúng cung cấp thông tin phản hồi cho hệ thống xử lý tín hiệu, từ đó điều khiển các quá trình sản xuất. Cảm biến nhiệt độ giúp duy trì nhiệt độ tối ưu, cảm biến áp suất và lưu lượng theo dõi các chất lỏng, cảm biến vị trí đảm bảo chính xác trong lắp ráp. Hệ thống robot tự động phụ thuộc hoàn toàn vào các cảm biến để thực hiện các tác vụ phức tạp.

4.2. Vai Trò Trong Đảm Bảo Chất Lượng

Cảm biến đóng vai trò quan trọng trong kiểm tra chất lượng sản phẩm, giúp phát hiện các khuyết tật và đảm bảo tiêu chuẩn sản phẩm. Các cảm biến quang điện, từ tính và siêu âm được sử dụng để phát hiện kích thước, hình dạng, màu sắc của sản phẩm. Việc sử dụng cảm biến trong kiểm tra chất lượng tự động giúp giảm thiểu sai sót do con người gây ra, nâng cao hiệu quả sản xuất.

Trích đoạn nội dung tài liệu

mở đầu: Cảm biểnvà | 2| 2 ứng dụng 1.Khái ni cơ bản`. bộ cảm bị 2.Pham vi ứng dụng. Cảm biến nhiệt độ. Nhiệt điện trở với Platin và Nickel 3.Cảm biến nhiệt độ với vật 1 jliệusilic 4.IC cảm biến nhiệt độ.Nhiệt điện trở NTC.Các bài thực hành ứng dụng các loại cảm biển nhiệt độ.

Cảm biến tiệm cận và các | 10 | 7 2 1 loại cảm biến xác định vị trí, khoảng cách.Cảm biến tiệm cận (Proximity Sensor 2.Một số loại cảm biển xác định vị trí, khoảng cách khác.Cée bài thực hành ứng dụng các loại cảm biến tiệm cận. Cảm biến đo lưu lượng.Phương pháp đo hu 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. Cam bign do van tốc vòng quay và góc quay.Một số phương pháp đo.

van téc vòng quay cơ bản.Cảm biến đo góc với tô hợp có điện trở từ.Các bài thực hành ứng dụng. Cộng BAI MO DAU: CAM BIEN VA UNG DUNG 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 Mục - Phát biểu được khái niệm về cảm biển, vị. trí của cảm biển trong dây truyền sản xuất và cách phân loại cảm biến trong thực tế 1.1, Khái niệm Cảm biển 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 cân đo; 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 n ngoài việc đóng vai trò các "giác quan" để thu thập tỉn tức còn có nhiệm vụ là “nhà phiên địch“ để cảm biến các dang 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 Đổi lượng (Gam biến đo Mạch đo Chithivà điều khiên lường điện xử ý thitbịthùa. sánh, chuẩn so sánh) Hình 1: Sơ đồ nguyên tắc của một hệ thống đo lường điều khiển ‘Tham sé trạng thái X của đối tượng cần điều khiển dược cảm biến sang tín hiệu y nhờ cảm. Tín hiệu lối ra được mạch đo điện sử lý để đưa ra cơ cầu chỉ thị.

Trong các hệ thống điều khiển tự động, tín hiệu lối ra của mạch đo điện sẽ được đưa trở về lỗi sau kỉ thực iện thao tác so sánh với chuẩnm một tín hiệu lối ra sẽ khởi phát thiết bị thừa hành để điều khiễn 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. Đổi tượng Cảm biến đo Viđều tiên PC điều khiến lường (Wereconolo) thếtbịthữa hành % tương| tình đu khin Hình 2:_ Hệ thống đo lường và điều khiển ghép PC Trong sơ đồ trên đối tượng điều khiển được dặc trưng bằng các biển trạng thái và được các bộ cảm biên thu nhận. Đầu ra của các bộ cảm biến được phối ghép với vi điều khiển qua dao diện.

Vĩ điều khiển có tê oạt động độc lập theo cương trình đã được cào đặt sẵn hoặc phôi ghép với máy tính. Đầu ra của bộ vi điều kién được phối ghép với cơ cấu chap hành nhằm tác động lên quá trình hay đối tượng điều khiển. Chương trình cho vi điều khiển được cải 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 đồ bộ cảm buên đóng vai trò phần tử cảm nhận, đo đạc va 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 tỉnh Sensus trong tiếng Đức và tiếng Anh được gọi la 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. Phân loại các bộ cảm biển.

Cảm biến được phân loại theo nhiễu 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 đập ứng và kích Nhiệt điện.

Quang điện b Quang từ. VaLly Điện từ Từ điện WW Biến đổi hóa học Hóa hị Biến đổi điện 4 hóa nạp Phân tích phổ .VV Biến đôi sinh hóa : Biến đổi vật lý Sint: hog Hiệu ứng trên cơ thể sống „VY, 1. Theo dạng kích thích. Kích thích Các đặc tính của kích thích Biên pha, phân cực x Phổ “HẠNH Tốc độ truyền sóng al Điện tích, dòng điện Điện thế, điện áp Điện Điện trường, Điện dẫn, hằng số điện môi .VV Từ trường Từ Từ thông, cường độ từ trường.VV, Vị trí Lực, áp suất Gia tốc, vận tốc, ứng suất, độ cứng Cơ Mô men Khối lượng, tỉ trọng Độ nhớt.

Phổ Tốc độ truyền Quang Hệ số phát xạ, khúc xạ saa V Nhiệt độ Nhiệt Thông lượng Tỷ nhiệt „VY Kiểu Bức xạ Năng lượng Cường độ we 1. Theo tính năng. - Độ nhạy ~ Độ chính xác ~ Độ phân giải ~ Độ tuyến tính ~ 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.

Theo thông sổ của mô hình mạch điện thay thé - Cam biến tích cực (có nguồn): Đầu ra là nguồn áp hoặc nguồn dòng. - Cảm biển 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 kiêm, còn loại tích cực thì không cân. 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.

CAM BIEN NHIET DQ Mã chương: MH27 - 01 Giới thiệu: Trong tắt cả các đại lượng vật lý, nhiệt độ là một trong các đại lượng được quan tâm nhiều nhất vì nhiệt độ đóng vai trò quyết định đến nhiều tính chất quan trọng của vật chất. Nhiệt độ có thể làm ảnh hưởng đến các đại lượng chịu tác dụng của nó. Một trong những đặc điểm quan trọng của nhiệt độ là làm thay đổi một cách liên tục các đại lượng chịu ảnh hưởng của nó ví dụ như áp suất, thể tích của chất khí, sự thay đôi pha hay điểm Curie của vật liệu từ. Bởi vậy trong công nghiệp cũng như đời sống hàng ngày phải đo nhiệt độ.

Mục ~ Phân biệt được các loại cảm biến nhiệt độ. - Lip ráp, điều chỉnh được đặc tính bù của NTC, PTC. ~ Rèn luyện tính cân thận, chính xác, logic khoa học, tác phong công, nghiệp Nội dung chính: 1, Đại cương : = Nam được các thang đo nhiệt độ và mỗi quan hệ của chúng - Phân biệt được các loại cảm biến nhiệt độ Dụng cụ đo nhiệt độ đơn giản nhất là nhiệt kế sử dụng hiện tượng giãn i chế tạo các bộ cảm biến nhiệt độ người ta sử dụng nhiều nguyên n khác nhau như: *_ Phương pháp quang dựa trên sự phân bố phổ bức xạ nhiệt do dao động nhiệt (hiệu ứng Doppler). “ Phương pháp dựa trên sự giãn nở của vật rắn, chất lỏng hoặc chất khí (với áp suất không đổi) hoặc dựa trên tốc độ âm.

* _ Phương pháp điện dựa trên sự phụ thuộc của các. đo được trị số chính xác của nhiệt độ là vấn đẻ không đơn giản. Đối với đa số các đại lượng vật lý đều có thể xác định một cách định lượng nhờ. phép so sánh chúng một đại lượng cùng loại gọi là chuẩn so sánh.

Những đại lượng như vậy gọi là đại lượng mở rộng vì chúng có thể được xác định bằng bội số hoặc ước số của đại lượng chuẩn. Ngược lại nhiệt độ là một đại lượng i c nhân hoặc chia nhiệt độ không có ý nghĩa rõ rằng và chỉ có thê đo gián tiếp nhiệt độ trên cơ sở tính chất của vật chất phụ thuộc vào nhiệt độ. Trước khi đo nhiệt độ ta cần đề cập đến thang đo nhiệt độ. 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 Camot nêu rõ: Hiệu suất ö của một động cơ nhiệt thuận nghịch hoạt " động giữa 2 nguồn có nhiệt độ õ, và ö; trong một thang đo bắt kỳ chỉ phụ thuộc vào ð¡ và 2: FO) ""F@,) Dạng của hàm F chi phụ thuộc vào thang đo nhiệt độ. Ngược lại, việc lựa chọn hàm F sẽ quyết định thang đo nhiệt độ. Đặt F(8) = T chúng ta sẽ xác định T như là nhiệt độ nhiệt động học tuyệt đối và hiệu suất của động cơ nhiệt thuận nghịch sẽ được viết như sau: Trong đó; T¡ và T; là nhiệt độ nhiệt động học tuyệt đối của hai nguồn.Thang Kelvin45 lý Anh, năm 1852 xác định thang nhiệt độ.

Thang Kelvin don vj là °K, người ta gán cho nhiệt độ của điểm cân bằng của 3 trạng. thái nước ~ nước đá ~ hơi một trị số bing 273,15 °K. Thang Celsius Nam 1742 Andreas Celsius là nhà vật lý Thụy Điền đưa ra thang nhiệt độ bách phân. Trong thang này đơn vị đo nhiệt độ là °C, một độ Celsius bằng một độ Kelvin.

Quan hệ giữa nhiệt độ Celsius và nhiệt độ Kelvin được xác định bằng biểu thức: TCC) = TCK) — 273,15 1.