Giáo trình Kỹ thuật cảm biến

pdf

106

3 MB

3

76

4.4 (
7 lượt)

1063 MB

Nhấn vào bên dưới để tải tài liệu

Đang xem trước 10 trên tổng 106 trang, để tải xuống xem khá đầy đủ hãy nhấn vào bên trên

Chủ đề tương quan

Tài liệu tương tự

Nội dung

BỘ CÔNG THƯƠNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

TÀI LIỆU HỌC TẬP

KỸ THUẬT CẢM BIẾN

Hà Nội – 2018
1

MỤC LỤC
BỘ CÔNG THƯƠNG ……………………………………………………………………………………… 1
CHƯƠNG 1: CÁC KHÁI NIỆM VÀ ĐẶC TRƯNG CƠ BẢN CỦA ………………….. 6
CẢM BIẾN ……………………………………………………………………………………………………… 6
1.1. Khái niệm và phân loại cảm biến. ………………………………………………………………. 6
1.1.1 Khái niệm ……………………………………………………………………………………………….. 6
1.1.2. Phân loại cảm biến………………………………………………………………………………….. 6
1.2. Các đặc trưng cơ bản của cảm biến ……………………………………………………………. 8
1.2.1. Đường cong chuẩn của cảm biến …………………………………………………………….. 8
1.2.2.1. Khái niệm ……………………………………………………………………………………………. 8
1.2.2.2. Phương pháp chuẩn cảm biến ………………………………………………………………. 9
a. Chuẩn đơn giản ……………………………………………………………………………………………. 9
b. Chuẩn nhiều lần ………………………………………………………………………………………… 10
1.2.2. Độ nhạy của cảm biến …………………………………………………………………………… 10
a. Khái niệm ………………………………………………………………………………………………….. 10
b. Độ nhạy trong chế độ tĩnh và tỉ số chuyển đổi tĩnh ………………………………………. 11
c. Độ nhạy trong chế độ động …………………………………………………………………………. 11
1.2.3. Độ tuyến tính ………………………………………………………………………………………… 12
a. Khái niệm ………………………………………………………………………………………………….. 12
b. Đường thẳng tốt nhất …………………………………………………………………………………. 12
c. Độ lệch tuyến tính ……………………………………………………………………………………… 13
1.2.4. Sai số và độ chính xác ……………………………………………………………………………. 13
1.2.5. Độ nhanh và thời gian hồi đáp ………………………………………………………………. 14
1.2.6. Giới hạn sử dụng của cảm biến ……………………………………………………………… 14
a. Vùng làm việc danh định ……………………………………………………………………………. 15
b. Vùng không gây nên hư hỏng……………………………………………………………………… 15
c. Vùng không phá huỷ ………………………………………………………………………………….. 15
1.3. Nguyên lý chung chế tạo cảm biến ……………………………………………………………. 15
1.3.1. Nguyên lý chế tạo cảm biến tích cực ………………………………………………………. 15
a. Hiệu ứng nhiệt điện ……………………………………………………………………………………. 15
b. Hiệu ứng hoả điện………………………………………………………………………………………. 16
c. Hiệu ứng áp điện. ……………………………………………………………………………………….. 16
d. Hiệu ứng cảm ứng điện từ ………………………………………………………………………….. 17
e. Hiệu ứng quang điện…………………………………………………………………………………… 17
g. Hiệu ứng quang – điện – từ ………………………………………………………………………….. 17
h. Hiệu ứng Hall …………………………………………………………………………………………….. 17
1.3.2. Nguyên lý chế tạo cảm biến thụ động …………………………………………………….. 18
1.4. Nhiễu trong các bộ cảm biến và mạch truyền dẫn …………………………………….. 19
Câu hỏi ôn tập và thảo luận chương 1 …………………………………………………………….. 20
CHƯƠNG 2: CẢM BIẾN QUANG ………………………………………………………………… 25
2.1. Tính chất và đơn vị đo ánh sáng ………………………………………………………………. 25
2.1.1. Tính chất của ánh sáng …………………………………………………………………………. 25
2.1.2. Các đơn vị đo quang ……………………………………………………………………………… 26
a. Đơn vị đo năng lượng …………………………………………………………………………………. 26
b. Đơn vị đo thị giác ……………………………………………………………………………………….. 26
2.2. Cảm biến quang dẫn ……………………………………………………………………………….. 27
2

2.2.1. Hiệu ứng quang dẫn ……………………………………………………………………………… 27
2.2.2. Tế bào quang dẫn …………………………………………………………………………………. 28
a. Vật liệu chế tạo …………………………………………………………………………………………… 28
b. Các đặc trưng…………………………………………………………………………………………….. 29
c. Đặc điểm và ứng dụng ……………………………………………………………………………….. 31
2.2.3. Photodiot………………………………………………………………………………………………. 32
a. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động ………………………………………………………………….. 32
b. Chế độ hoạt động. ………………………………………………………………………………………. 33
c. Độ nhạy. …………………………………………………………………………………………………….. 36
d. Sơ đồ ứng dụng photodiot ………………………………………………………………………….. 37
2.2.4. Photo Tranzito ……………………………………………………………………………………… 38
a. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động ………………………………………………………………….. 38
b. Độ nhạy……………………………………………………………………………………………………… 39
c. Sơ đồ ứng dụng Phototranzito ……………………………………………………………………… 40
2.3. Cảm biến quang điện phát xạ …………………………………………………………………… 41
2.3.1. Hiệu ứng quang điện phát xạ ………………………………………………………………… 41
2.3.2. Tế bào quang điện chân không. …………………………………………………………….. 42
2.3.3. Tế bào quang điện dạng khí ………………………………………………………………….. 43
2.3.4. Thiết bị nhân quang ……………………………………………………………………………… 43
2.4. Cáp quang ………………………………………………………………………………………………. 44
2.4.1. Cấu tạo và các tính chất chung. …………………………………………………………….. 44
2.4.2. Ứng dụng. …………………………………………………………………………………………….. 45
a. Truyền thông tin. ……………………………………………………………………………………….. 45
b. Quan sát và đo bằng phương tiện quang học. ……………………………………………… 45
Câu hỏi ôn tập và thảo luận chương 2 …………………………………………………………….. 46
CHƯƠNG 3: CẢM BIẾN ĐO NHIỆT ĐỘ ……………………………………………………… 50
3.1. Khái niệm chung ……………………………………………………………………………………… 51
3.1.1 Thang đo nhiệt độ ………………………………………………………………………………….. 51
3.1.2. Nhiệt độ đo được và nhiệt độ cần đo………………………………………………………. 52
3.1.3. Phân loại cảm biến đo nhiệt độ ……………………………………………………………… 53
3.2. Nhiệt kế giãn nở ………………………………………………………………………………………. 54
3.2.1. Nhiệt kế giãn nở dùng chất rắn ……………………………………………………………… 54
3.2.2. Nhiệt kế giãn nở dùng chất lỏng …………………………………………………………….. 54
3.3. Nhiệt kế điện trở ……………………………………………………………………………………… 55
3.3.1. Nguyên lý ……………………………………………………………………………………………… 55
3.3.2. Nhiệt kế điện trở kim loại ……………………………………………………………………… 56
3.3.2.1. Vật liệu ………………………………………………………………………………………………. 56
3.3.2.2. Cấu tạo nhiệt kế điện trở ……………………………………………………………………. 57
3.3.3. Nhiệt kế điện trở Silic ……………………………………………………………………………. 58
3.3.4.2. Cấu tạo nhiệt kế điện trở Oxyt bán dẫn ………………………………………………. 60
3.4. Cặp nhiệt ngẫu ………………………………………………………………………………………… 60
3.4.1. Hiệu ứng nhiệt điện. ……………………………………………………………………………… 60
3.4.2. Cấu tạo cặp nhiệt ………………………………………………………………………………….. 62
3.4.2.1. Vật liệu chế tạo…………………………………………………………………………………… 62
3.4.2.2. Cấu tạo ………………………………………………………………………………………………. 64
Câu hỏi ôn tập và thảo luận chương 3 …………………………………………………………….. 65
CHƯƠNG 4: CẢM BIẾN ĐO VỊ TRÍ VÀ DỊCH CHUYỂN ……………………………. 69
3

4.1. Nguyên lý đo ……………………………………………………………………………………………. 69
4.2. Điện thế kế điện trở …………………………………………………………………………………. 69
4.2.1. Điện kế dùng con chạy cơ học ……………………………………………………………….. 69
4.2.1.1. Cấu tạo và nguyên lý làm việc …………………………………………………………….. 69
4.2.1.2. Các đặc trưng …………………………………………………………………………………….. 70
4.2.2. Điện thế kế không dùng con chạy cơ học ……………………………………………….. 71
4.2.2.1. Điện thế kế dùng con trở quang ………………………………………………………….. 72
4.2.2.2. Điện thế kế dùng con trở từ. ………………………………………………………………. 72
4.3. Cảm biến điện cảm ………………………………………………………………………………….. 73
4.3.1. Cảm biến tự cảm …………………………………………………………………………………… 73
4.3.1.1. Cảm biến tự cảm có khe từ biến thiên …………………………………………………. 73
4.3.1.2. Cảm biến tự cảm có lõi từ di động ………………………………………………………. 75
4.3.2. Cảm biến hỗ cảm ………………………………………………………………………………….. 76
4.4. Cảm biến điện dung…………………………………………………………………………………. 78
4.4.1. Cảm biến tụ điện đơn ……………………………………………………………………………. 78
4.5. Cảm biến quang ………………………………………………………………………………………. 81
4.5.1. Cảm biến quang phản xạ ………………………………………………………………………. 81
4.5.2. Cảm biến quang soi thấu ………………………………………………………………………. 81
Câu hỏi ôn tập và thảo luận chương 4 …………………………………………………………….. 82
CHƯƠNG 5: CẢM BIẾN THÔNG MINH VÀ CÁC ỨNG DỤNG ………………….. 88
5.1. Sự ra đời của cảm biến thông minh ………………………………………………………….. 88
5.2. Cấu trúc của một cảm biến thông minh ……………………………………………………. 89
5.2.1. Cấu trúc ……………………………………………………………………………………………….. 89
5.2.2. Các khâu chức năng của cảm biến thông minh ………………………………………. 90
a. Chuyển đổi chuẩn hóa ………………………………………………………………………………… 90
b. Bộ dồn kênh MUX ( multiplexer) ……………………………………………………………….. 92
c. Bộ chuyển đổi tương tự A/D ……………………………………………………………………….. 93
5.3. Đặc tính kỹ thuật một số cảm biến thông minh. ………………………………………… 94
5.3.1. Cảm biến quang điện…………………………………………………………………………….. 94
5.3.1.1. Thông số kỹ thuật ………………………………………………………………………………. 95
5.3.1.2. Hướng dẫn ghép nối …………………………………………………………………………… 97
5.3.1.3. Ứng dụng cảm biến quang điện…………………………………………………………… 97
5.3.2. Cảm biến tiệm cận ………………………………………………………………………………… 97
5.3.2.1. Thông số kỹ thuật ………………………………………………………………………………. 98
5.3.2.2. Hướng dẫn ghép nối …………………………………………………………………………. 100
5.3.2.3. Ứng dụng cảm biến tiệm cận …………………………………………………………….. 101
5.3.3. Bộ mã hóa xung vòng quay ………………………………………………………………….. 102
5.3.3.1. Thông số kỹ thuật …………………………………………………………………………….. 102
5.3.2.3. Hướng dẫn ghép nối …………………………………………………………………………. 104
5.3.2.4. Phạm vi ứng dụng …………………………………………………………………………….. 104
Câu hỏi ôn tập và thảo luận chương 5 …………………………………………………………… 104

4

LỜI GIỚI THIỆU

Kỹ thuật cảm biến được biên soạn nhằm phục vụ cho môn học Kỹ thuật Đo lường
và cảm biến (Đo lường cảm biến – Measure sensor). Môn học kỹ thuật cảm biến trình
bày các kiến thức về kỹ thuật cảm biến trong ngành điện, tự động hóa hiện nay. Giới
thiệu nguyên lý đo cơ bản của một số loại cảm biến để ứng dụng cho các ngành sản xuất
công nghiệp, các dây chuyền tự động hóa.
Kỹ thuật cảm biến là môn học nghiên cứu các hiệu ứng vật lý: Hiệu ứng nhiệt
điện, hiệu ứng hỏa điện, hiệu ứng quang điện, hiệu ứng Hall,…v.v. để từ đó ứng dụng
đo các đại lượng vật lý như: Nhiệt độ, độ dịch chuyển, áp suất, lực, lưu lượng….
Môn học Kỹ thuật cảm biến là môn học chuyên môn của sinh viên ngành điện
công nghiệp và tự động hóa được biên soạn dựa trên các giáo trình và tài liệu tham khảo
mới nhất hiện nay, được dùng làm tài liệu tham khảo cho sinh viên các ngành: Điện
công nghiệp, Điện dân dụng, Tự động hoá, Trang thiết bị điện, Kỹ thuật Điện tử…v.v.
Môn học nhằm trang bị cho sinh viên 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, sinh viên
có thể áp dụng trực tiếp vào lĩnh vực sản xuất cũng như trong đời sống. Trên cơ sở đó,
người học biết ứng dụng vào các hệ thống điều khiển để đo và điều khiển một số thông
số của đối tượng điều chỉnh.
Mặc dù đã cố gắng, nhưng chắc chắn không tránh khỏi hết khiếm khuyết. Rất
mong nhận được ý kiến đóng góp của bạn đọc để cuốn sách được hoàn thiện hơn.
Xin chân thành cảm ơn Khoa Điện, Trường Đại học Kinh tế Kỹ thuật Công nghiệp
đã giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả hoàn thành quyển sách này.
Địa chỉ: Khoa Điện, Trường Đại học Kinh tế Kỹ thuật Công nghiệp, Tầng 7,
HA10, ngõ 218 Lĩnh Nam, Hoàng Mai, Hà nội.
Website: khoadien.uneti.edu.vn.
Email: bem2vnn@gmail.com

5

CHƯƠNG 1: CÁC KHÁI NIỆM VÀ ĐẶC TRƯNG CƠ BẢN CỦA
CẢM BIẾN
MỤC TIÊU CỦA CHƯƠNG
Trình bày về khái niệm và cách phân loại cảm biến, các đặc trưng cơ bản của cảm
biến và nguyên lý chung chế tạo cảm biến.
NỘI DUNG CỦA CHƯƠNG
1.1. Khái niệm và phân loại cảm biến.
1.1.1 Khái niệm
Cảm biến là thiết bị dùng để cảm nhận biến đổi các đại lượng vật lý và các đại
lượng không có tính chất điện cần đo thành các đại lượng 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…)
tác động lên cảm biến cho ta một đặc trưng (s) mang tính chất điện (như điện tích, điện
áp, dòng điện hoặc trở kháng) chứa đựng thông tin cho phép xác định giá trị của đại
lượng đo. Đặc trưng (s) là hàm của đại lượng cần đo (m): 𝑠 = 𝐹(𝑚)
(1.1)
Người ta gọi (s) là đại lượng đầu ra hoặc là phản ứng của cảm biến, (m) là đại
lượng đầu vào hay kích thích (có nguồn gốc là đại lượng cần đo). Thông qua đo đạc (s)
cho phép nhận biết giá trị của (m).
1.1.2. Phân loại cảm biến
Các bộ cảm biến được phân loại theo các đặc trưng cơ bản sau đây:
Bảng 1.1. Phân loại theo nguyên lý chuyển đổi giữa đáp ứng và kích thích.
Hiện tượng

Chuyển đổi đáp ứng và kích
thích
– Nhiệt điện
– Quang điện
– Quang từ

Hiện tượng vật lý

– Điện từ
– Quang đàn hồi
– Từ điện
– Nhiệt từ…
Biến đổi hoá học

Hoá học

– Biến đổi điện hoá
– Phân tích phổ …
6

– Biến đổi sinh hoá
Sinh học

– Biến đổi vật lý
– Hiệu ứng trên cơ thể sống…
Bảng 1.2.Phân loại theo dạng kích thích
– Biên pha, phân cực

Âm thanh

– Phổ
– Tốc độ truyền sóng …
Điện

– Điện tích, dòng điện
– Điện thế, điện áp
– Điện trường (biên, pha, phân
cực, phổ)
– Điện dẫn, hằng số điện môi …

Từ

– Từ trường (biên, pha, phân cực,
phổ)
– Từ thông, cường độ từ trường
– Độ từ thẩm …

Quang

– Biên, pha, phân cực, phổ
– Tốc độ truyền
– Hệ số phát xạ, khúc xạ
– Hệ số hấp thụ, hệ số bức xạ …

Cơ

– Vị trí
– Lực, áp suất
– Gia tốc, vận tốc
– ứng suất, độ cứng
– Mô men
– Khối lượng, tỉ trọng
– Vận tốc chất lưu, độ nhớt …

Nhiệt

– Nhiệt độ
– Thông lượng
7

– Nhiệt dung, tỉ nhiệt …
Bức xạ

– Kiểu
– Năng lượng
– Cường độ …
Bảng 1.3. Phân loại theo tính năng của bộ cảm biến

– 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
– Công suất tiêu thụ

– Điều kiện môi
trường
– Kích thước, trọng

– Dải tần

lượng

– Độ trễ

Bảng 1.4. Phân loại theo phạm vi sử dụng.
– Công nghiệp
– Nghiên cứu khoa học
– Môi trường, khí
tượng
– Thông tin, viễn thông
– Nông nghiệp
– Giao thông
– Quân sự
– Phân loại theo thông số của mô hình mạch thay thế :
+ Cảm biến tích cực có đầu ra là nguồn áp hoặc nguồn dòng.
+ Cảm biến thụ động được đặc trưng bằng các thông số R, L, C, M …. tuyến tính
hoặc phi tuyến.
1.2. Các đặc trưng cơ bản của cảm biến
1.2.1. Đường cong chuẩn của cảm biến
1.2.2.1. Khái niệm
Đường cong chuẩn cảm biến là đường cong biểu diễn sự phụ thuộc của đại lượng
8

điện (s) ở đầu ra của cảm biến vào giá trị của đại lượng đo (m) ở đầu vào.
Đường cong chuẩn có thể biểu diễn bằng biểu thức đại số dưới dạng: 𝑠 = 𝐹(𝑚).

Hình 1.1. Đường cong chuẩn cảm biến
a) Dạng đường cong chuẩn

b) Đường cong chuẩn của cảm biến tuyến tính

Dựa vào đường cong chuẩn của cảm biến, ta có thể xác định giá trị mi chưa biết
của m thông qua giá trị đo được si của s.
Để dễ sử dụng, người ta thường chế tạo cảm biến có sự phụ thuộc tuyến tính giữa
đại lượng đầu ra và đại lượng đầu vào, phương trình s= F(m) có dạng s = am +b với a,
b là các hệ số, khi đó đường cong chuẩn là đường thẳng (hình 1.1b).
1.2.2.2. Phương pháp chuẩn cảm biến
Chuẩn cảm biến là phép đo nhằm mục đích xác lập mối quan hệ giữa giá trị s đo
được của đại lượng điện ở đầu ra và giá trị m của đại lượng đo có tính đến các yếu tố
ảnh hưởng, trên cơ sở đó xây dựng đường cong chuẩn dưới dạng tường minh (đồ thị
hoặc biểu thức đại số). Khi chuẩn cảm biến, với một loạt giá trị đã biết chính xác mi của
m, đo giá trị tương ứng si của s và dựng đường cong chuẩn.

Hình 1.2. Phương pháp chuẩn cảm biến
a. Chuẩn đơn giản
Trong trường hợp đại lượng đo chỉ có một đại lượng vật lý duy nhất tác động lên
một đại lượng đo xác định và cảm biến sử dụng không nhạy với tác động của các đại
lượng ảnh hưởng, người ta dùng phương pháp chuẩn đơn giản. Thực chất của chuẩn đơn
giản là đo các giá trị của đại lượng đầu ra ứng với các giá xác định không đổi của đại
lượng đo ở đầu vào. Việc chuẩn được tiến hành theo hai cách:
– Chuẩn trực tiếp: các giá trị khác nhau của đại lượng đo lấy từ các mẫu chuẩn
9

hoặc các phần tử so sánh có giá trị biết trước với độ chính xác cao.
– Chuẩn gián tiếp: kết hợp cảm biến cần chuẩn với một cảm biến so sánh đã có
sẵn đường cong chuẩn, cả hai được đặt trong cùng điều kiện làm việc. Khi tác động lên
hai cảm biến với cùng một giá trị của đại lượng đo ta nhận được giá trị tương ứng của
cảm biến so sánh và cảm biến cần chuẩn. Lặp lại tương tự với các giá trị khác của đại
lượng đo cho phép ta xây dựng được đường cong chuẩn của cảm biến cần chuẩn.
b. Chuẩn nhiều lần
Khi cảm biến có phần tử bị trễ (trễ cơ hoặc trễ từ), giá trị đo được ở đầu ra phụ
thuộc không những vào giá trị tức thời của đại lượng cần đo ở đầu vào mà còn phụ thuộc
vào giá trị trước đó của của đại lượng này. Trong trường hợp như vậy, người ta áp dụng
phương pháp chuẩn nhiều lần và tiến hành như sau:
– Đặt lại điểm 0 của cảm biến: đại lượng cần đo và đại lượng đầu ra có giá trị
tương ứng với điểm gốc, m=0 và s=0.
– Đo giá trị đầu ra theo một loạt giá trị tăng dần đến giá trị cực đại của đại lượng
đo ở đầu vào.
– Lặp lại quá trình đo với các giá trị giảm dần từ giá trị cực đại.
Khi chuẩn nhiều lần cho phép xác định đường cong chuẩn theo cả hai hướng đo
tăng dần và đo giảm dần.
1.2.2. Độ nhạy của cảm biến
a. Khái niệm
Đối với cảm biến tuyến tính, giữa biến thiên đầu ra ∆s và biến thiên đầu vào ∆m
có sự liên hệ tuyến tính:
Δs = S.Δm
(1.2)
Đại lượng S xác định bởi biểu thức 𝑆 =

∆𝑠
∆𝑚

được gọi là độ nhạy của cảm biến.

Trường hợp tổng quát, biểu thức xác định độ nhạy S của cảm biến xung quanh
giá trị mi của đại lượng đo xác định bởi tỷ số giữa biến thiên ∆s của đại lượng đầu ra và
biến thiên ∆m tương ứng của đại lượng đo ở đầu vào quanh giá trị đó:
𝑆=(

∆𝑠

)
∆𝑚 𝑚=𝑚𝑖

(1.3)

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.

10

Source: https://bem2.vn
Category: Ứng dụng hay