GIÁO TRÌNH CẢM BIẾN thầy võ như tiến

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (345.66 KB, 29 trang )

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

GIÁO TRÌNH CẢM BIẾN

Giảng viên cao cấp, TS. VÕ NHƯ TIẾN

Giới thiệu
• Cảm biến là thiết bị dùng để cảm nhận
và biến đổi các đại lượng vật lý, đại
lượng không điện thành các đại lượng
điện có thể đo được.
• Cảm biến được sử dụng trong thiết bị
đo lường, điều khiển, trong tự động
hóa.

• Nhờ các tiến bộ của khoa học và
công nghệ trong lĩnh vực vật liệu,
thiết bị điện tử và tin học, các cảm
biến
– Đã được giảm thiểu về kích
thước,
– Cải thiện tính năng,
– Ngày càng mở rộng phạm vi ứng
dụng.

• Cảm biến được sử dụng:
– trong người máy,
– trong kiểm tra chất lượng sản phẩm,

– tiết kiệm năng lượng,
– chống ô nhiễm môi trường,
– giao thông vận tải,
– sản xuất hàng tiêu dùng,
– bảo quản thực phẩm,
– sản xuất ô tô …

• Môn học Kỹ thuật cảm biến cần thiết đối với
sinh viên ngành Kỹ thuật điện, Điện tử, Cơ điện
tử, Tự động hoá trong các trường đại học, cao
đẳng kỹ thuật, công nghệ.
• Nội dung môn học giới thiệu những kiến thức
cơ bản về cảm biến: cấu tạo, nguyên lý hoạt
động, các đặc trưng cơ bản của những cảm
biến quang, nhiệt, vị trí, biến dạng, sợi quang,
cảm biến thông minh.

Ứng Dụng Sensor Trong Hệ Thống Điều Khiển Tự Động

Sensor

Box Rejecter

PLC

Product

Product

Conveyor
Motor

q

Sensor

PLC

Conveyor/ Rejecter

INPUT
INPUT

CONTROL
CONTROL

OUTPUT
OUTPUT

Chương 1 CÁC KHÁI NiỆM VÀ
ĐẶC TRƯNG CƠ BẢN
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 lường và xử lý được.

Đại
Đại lượng
lượng cần
cần đo
đo
(m)
(m)

CẢM BIẾN

Đại lượng đo được
(s)

• Các đại lượng cần đo (m) thường
không có tính chất điện (như nhiệt
độ, áp suất, ánh sáng …) 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)

• Người ta gọi (s) là đại lượng đầu ra,
(m) là đại lượng đầu vào (cần đo).
Thông qua đo đạc (s) cho phép nhận biết giá trị
của (m).
1.1.2. Phân loại cảm biến
+ Cảm biến nhiệt điện,
+ Cảm biến quang điện, quang từ
+ Cảm biến vị trí, chuyển dịch, biến dạng,
áp suất…
Theo phạm vi sử dụng: trong công nghiệp,
nghiên cứu KH, thông tin, giao thông, quân sự…

Bảng phân loại cảm biến

1.2 Đường cong chuẩn của cảm biến
1.2.1. Khái niệm
Đường cong chuẩn của cảm biến là đường
cong biểu diễn sự phụ thuộc của đại lượng
điện ở đầu ra (s) của cảm biến vào giá trị của
đại lượng đo ở đầu vào (m). Đường cong
chuẩn có thể biểu diễn bằng biểu thức đại số
dưới dạng

s = F( m)

• Đường cong chuẩn
s

s

si

0

0

mi

m

a)

a) Dạng đường cong chuẩn

m
b)

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.

1.2.2. 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 cần đo ở đầu vào, có tính đến các yếu
tố ảnh hưởng
1.3 Các đặc trưng cơ bản
1.3.1. Độ nhạy của cảm biến
Đối với cảm biến tuyến tính, giữa biến thiên
đầu ra ∆s và biến thiên đầu vào ∆m có sự liên
hệ tuyến tính:

∆s = f .∆m

Độ nhạy của cảm biến:

∆s
f =
∆m

Để phép đo đạt độ chính xác cao, khi thiết kế
và sử dụng cảm biến cần làm sao cho độ nhạy f
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.

1.3.2. Độ tuyến tính
a) Khái niệm
Một cảm biến được gọi là tuyến tính trong
một dải đo xác định nếu trong dải chế độ đó, độ
nhạy không phụ thuộc vào đại lượng đo.
Trong chế độ tĩnh, độ tuyến tính chính là sự
không phụ thuộc của độ nhạy của cảm biến vào
giá trị của đại lượng đo, thể hiện bởi các đoạn
thẳng trên đặc trưng tĩnh của cảm biến và hoạt
động của cảm biến là tuyến tính chừng nào đại
lượng đo còn nằm trong vùng này.
Nếu cảm biến không tuyến tính, người ta
đưa vào mạch đo các thiết bị hiệu chỉnh sao
cho tín hiệu điện nhận được ở đầu ra tỉ lệ với sự
thay đổi của đại lượng đo ở đầu vào. Sự hiệu
chỉnh đó được gọi là sự tuyến tính hoá.

Khi chuẩn cảm biến, từ kết quả thực nghiệm
ta nhận được một loạt điểm tương ứng (si,mi)
của đại lượng đầu ra và đại lượng đầu vào. Về
mặt lý thuyết, đối với các cảm biến tuyến tính,
đường cong chuẩn là một đường thẳng. Tuy
nhiên, do sai số khi đo, các điểm chuẩn (si,mi)
nhận được bằng thực nghiệm thường không
nằm trên cùng một đường thẳng.
Đối với các cảm biến không hoàn toàn tuyến
tính, người ta đưa ra khái niệm độ lệch tuyến
tính, xác định bởi độ lệch cực đại giữa đường

cong chuẩn và đường thẳng tốt nhất, tính bằng
% trong dải đo.

1.3.3. Sai số và độ chính xác
Các bộ cảm biến cũng như các dụng cụ đo
lường khác, ngoài đại lượng cần đo (cảm nhận)
còn chịu tác động của nhiều đại lượng vật lý
khác gây nên sai số giữa giá trị đo được và giá
trị thực của đại lượng cần đo. Gọi ∆x là độ lệch
tuyệt đối giữa giá trị đo và giá trị thực x (sai số
tuyệt đối), sai số tương đối của bộ cảm biến
được tính bằng:

∆x
δ=
.100
x

[%]

1.3.4. Độ nhanh và thời gian hồi đáp
• Độ nhanh là đặc trưng của cảm biến cho phép
đánh giá khả năng theo kịp về thời gian của đại
lượng đầu ra khi đại lượng đầu vào biến thiên.
• Thời gian hồi đáp là đại lượng được sử dụng để
xác định giá trị số của độ nhanh.
1.3.5. Giới hạn sử dụng của cảm biến
Trong quá trình sử dụng, các cảm biến luôn

chịu tác động của ứng lực cơ học, tác động
nhiệt… Khi các tác động này vượt quá ngưỡng
cho phép, chúng sẽ làm thay đổi đặc trưng làm
việc của cảm biến. Bởi vậy khi sử dụng cảm
biến, người sử dụng cần phải biết rõ các giới
hạn này.

1.4 Nguyên lý chung chế tạo cảm biến
Các cảm biến được chế tạo dựa trên cơ sở các
hiện tượng vật lý và được phân làm hai loại:
• Cảm biến tích cực: là các cảm biến hoạt động
như một máy phát, đáp ứng (s) là điện tích,
điện áp hay dòng điện.
• Cảm biến thụ động: là các cảm biến hoạt
động như một trở kháng trong đó đáp ứng (s)
là điện trở, độ tự cảm hoặc điện dung.

1.4.1. Nguyên lý chế tạo các cảm biến tích
cực
Các cảm biến tích cực được chế tạo dựa trên
cơ sở ứng dụng các hiệu ứng vật lý biến đổi một
dạng năng lượng nào đó (nhiệt, cơ hoặc bức xạ)
thành năng lượng điện. Dưới đây mô tả một
cách khái quát ứng dụng một số hiệu ứng vật lý
khi chế tạo cảm biến.
a) Hiệu ứng nhiệt điện
Hai dây dẫn (M1) và (M2) có bản chất hoá
học khác nhau được hàn lại với nhau thành một

mạch điện kín, nếu nhiệt độ ở hai mối hàn là T1
và T2 khác nhau, khi đó trong mạch xuất hiện
một suất điện động e(T1, T2) mà độ lớn của nó
phụ thuộc chênh lệch nhiệt độ giữa T1 và T2.

Hiệu ứng nhiệt điện
(M2)
T1
(M1)

T2

e

T1

(M2)

Hình 1.4. Sơ đồ hiệu ứng nhiệt điện.
Hiệu ứng nhiệt điện được ứng dụng để đo nhiệt
độ T1 khi biết trước nhiệt độ T2, thường chọn
T2 = 0oC.

b) Hiệu ứng áp điện
Một số vật liệu gọi chung là vật liệu áp điện
(như thạch anh chẳng hạn) khi bị biến dạng
dưới tác động của lực cơ học, trên các mặt đối
diện của tấm vật liệu xuất hiện những lượng

điện tích bằng nhau nhưng trái dấu, được gọi là
hiệu ứng áp điện. Đo V ta có thể xác định được
cường độ của lực tác dụng F.
F

V

F

Hình 1.6 ứng dụng hiệu ứng áp điện

c) Hiệu ứng cảm ứng điện từ
Khi một dây dẫn chuyển động trong từ
trường không đổi, trong dây dẫn xuất hiện một
suất điện động tỷ lệ với từ thông cắt ngang dây
dẫn trong một đơn vị thời gian, nghĩa là tỷ lệ với
tốc độ dịch chuyển của dây.
B

Ω

e

Ω

Hình 1. Hiệu ứng cảm ứng điện từ

Hiệu ứng cảm ứng điện từ được ứng dụng để
xác định tốc độ dịch chuyển của vật thông qua

việc đo suất điện động cảm ứng.

d) Hiệu ứng quang điện
– Hiệu ứng quang dẫn: là hiện tượng giải phóng
ra các hạt dẫn tự do trong vật liệu (thường là
bán dẫn) khi chiếu vào chúng một bức xạ ánh
sáng (hoặc bức xạ điện từ nói chung) có bước
sóng nhỏ hơn một ngưỡng nhất định.
– Hiệu ứng quang phát xạ điện tử: là hiện tượng
các điện tử được giải phóng và thoát khỏi bề
mặt vật liệu tạo thành dòng có thể thu lại nhờ
tác dụng của điện trường.
Hiệu ứng quang – điện – từ, hiệu ứng
Hall…

1.4.2. Nguyên tắc chế tạo cảm biến thụ
động
Cảm biến thụ động thường được chế tạo từ
một trở kháng có các thông số chủ yếu nhạy với
đại lượng cần đo. Giá trị của trở kháng phụ
thuộc kích thước hình học, tính chất điện của
vật liệu chế tạo (như điện trở suất ρ, độ từ thẩm
µ, hằng số điện môi ε). Vì vậy tác động của đại
lượng đo có thể ảnh hưởng đến kích thước hình
học, tính chất điện hoặc đồng thời cả hai ⇒ thay
đổi trở kháng.
Đo trở kháng → đại lượng đo.

– tiết kiệm chi phí nguồn năng lượng, – chống ô nhiễm môi trường tự nhiên, – giao thông vận tải vận tải đường bộ, – sản xuất hàng tiêu dùng, – dữ gìn và bảo vệ thực phẩm, – sản xuất xe hơi … • Môn học Kỹ thuật cảm biến thiết yếu đối vớisinh viên ngành Kỹ thuật điện, Điện tử, Cơ điệntử, Tự động hoá trong những trường ĐH, caođẳng kỹ thuật, công nghệ tiên tiến. • Nội dung môn học ra mắt những kiến thứccơ bản về cảm biến : cấu trúc, nguyên tắc hoạtđộng, những đặc trưng cơ bản của những cảmbiến quang, nhiệt, vị trí, biến dạng, sợi quang, cảm biến mưu trí. Ứng Dụng Sensor Trong Hệ Thống Điều Khiển Tự ĐộngSensorBox RejecterPLCProductProductConveyorMotorSensorPLCConveyor / RejecterINPUTINPUTCONTROLCONTROLOUTPUTOUTPUTChương 1 CÁC KHÁI NiỆM VÀĐẶC TRƯNG CƠ BẢN1. 1 Khái niệm và phân loại cảm biến1. 1.1. Khái niệmCảm biến là thiết bị dùng để cảm nhậnbiến đổi những đại lượng vật lý và những đại lượngkhông có đặc thù điện cần đo thành những đạilượng điện hoàn toàn có thể thống kê giám sát và giải quyết và xử lý được. ĐạiĐại lượnglượng cầncần đođo ( m ) ( m ) CẢM BIẾNĐại lượng đo được ( s ) • Các đại lượng cần đo ( m ) thườngkhông có đặc thù điện ( như nhiệtđộ, áp suất, ánh sáng … ) tác độnglên cảm biến cho ta một đặc trưng ( s ) mang đặc thù điện ( như điệntích, điện áp, dòng điện hoặc trởkháng ) tiềm ẩn thông tin cho phépxác định giá trị của đại lượng đo. Đặctrưng ( s ) là hàm của đại lượng cần đo ( m ) : s = F ( m ) • Người ta gọi ( s ) là đại lượng đầu ra, ( m ) là đại lượng nguồn vào ( cần đo ). Thông qua đo đạc ( s ) được cho phép nhận ra giá trịcủa ( m ). 1.1.2. Phân loại cảm biến + Cảm biến nhiệt điện, + Cảm biến quang điện, quang từ + Cảm biến vị trí, vận động và di chuyển, biến dạng, áp suất … Theo khoanh vùng phạm vi sử dụng : trong công nghiệp, điều tra và nghiên cứu KH, thông tin, giao thông vận tải, quân sự chiến lược … Bảng phân loại cảm biến1. 2 Đường cong chuẩn của cảm biến1. 2.1. Khái niệmĐường cong chuẩn của cảm biến là đườngcong trình diễn sự nhờ vào của đại lượngđiện ở đầu ra ( s ) của cảm biến vào giá trị củađại lượng đo ở đầu vào ( m ). Đường congchuẩn hoàn toàn có thể trình diễn bằng biểu thức đại sốdưới dạngs = F ( m ) • Đường cong chuẩnsimia ) a ) Dạng đường cong chuẩnb ) b ) Đường cong chuẩn của cảm biến tuyếntínhDựa vào đường cong chuẩn của cảm biến, ta hoàn toàn có thể xác lập giá trị mi chưa biết củam trải qua giá trị đo được si của s. 1.2.2. Phương pháp chuẩn cảm biếnChuẩn cảm biến là phép đo nhằm mục đích mục đíchxác lập mối quan hệ giữa giá trị s đo được củađại lượng điện ở đầu ra và giá trị m của đạilượng cần đo ở đầu vào, có tính đến những yếutố ảnh hưởng1. 3 Các đặc trưng cơ bản1. 3.1. Độ nhạy của cảm biếnĐối với cảm biến tuyến tính, giữa biến thiênđầu ra ∆ s và biến thiên nguồn vào ∆ m có sự liênhệ tuyến tính : ∆ s = f. ∆ mĐộ nhạy của cảm biến : ∆ sf = ∆ mĐể phép đo đạt độ đúng chuẩn cao, khi thiết kếvà sử dụng cảm biến cần làm thế nào cho độ nhạy fcủa nó không đổi, nghĩa là ít phụ thuộc vào nhấtvào những yếu tố sau : • Giá trị của đại lượng cần đo m và tần số thayđổi của nó. • Thời gian sử dụng. • Ảnh hưởng của những đại lượng vật lý khác ( khôngphải là đại lượng đo ) của thiên nhiên và môi trường xungquanh. 1.3.2. Độ tuyến tínha ) Khái niệmMột cảm biến được gọi là tuyến tính trongmột dải đo xác lập nếu trong dải chính sách đó, độnhạy không nhờ vào vào đại lượng đo. Trong chính sách tĩnh, độ tuyến tính chính là sựkhông nhờ vào của độ nhạy của cảm biến vàogiá trị của đại lượng đo, bộc lộ bởi những đoạnthẳng trên đặc trưng tĩnh của cảm biến và hoạtđộng của cảm biến là tuyến tính chừng nào đạilượng đo còn nằm trong vùng này. Nếu cảm biến không tuyến tính, người tađưa vào mạch đo những thiết bị hiệu chỉnh saocho tín hiệu điện nhận được ở đầu ra tỉ lệ với sựthay đổi của đại lượng đo ở đầu vào. Sự hiệuchỉnh đó được gọi là sự tuyến tính hoá. Khi chuẩn cảm biến, từ kết quả thực nghiệmta nhận được một loạt điểm tương ứng ( si, mi ) của đại lượng đầu ra và đại lượng nguồn vào. Vềmặt kim chỉ nan, so với những cảm biến tuyến tính, đường cong chuẩn là một đường thẳng. Tuynhiên, do sai số khi đo, những điểm chuẩn ( si, mi ) nhận được bằng thực nghiệm thường khôngnằm trên cùng một đường thẳng. Đối với những cảm biến không trọn vẹn tuyếntính, người ta đưa ra khái niệm độ lệch tuyếntính, xác lập bởi độ lệch cực lớn giữa đườngcong chuẩn và đường thẳng tốt nhất, tính bằng % trong dải đo. 1.3.3. Sai số và độ chính xácCác bộ cảm biến cũng như những dụng cụ đolường khác, ngoài đại lượng cần đo ( cảm nhận ) còn chịu ảnh hưởng tác động của nhiều đại lượng vật lýkhác gây nên sai số giữa giá trị đo được và giátrị thực của đại lượng cần đo. Gọi ∆ x là độ lệchtuyệt đối giữa giá trị đo và giá trị thực x ( sai sốtuyệt đối ), sai số tương đối của bộ cảm biếnđược tính bằng : ∆ xδ =. 100 [ % ] 1.3.4. Độ nhanh và thời hạn trả lời • Độ nhanh là đặc trưng của cảm biến cho phépđánh giá năng lực theo kịp về thời hạn của đạilượng đầu ra khi đại lượng nguồn vào biến thiên. • Thời gian trả lời là đại lượng được sử dụng đểxác định giá trị số của độ nhanh. 1.3.5. Giới hạn sử dụng của cảm biếnTrong quy trình sử dụng, những cảm biến luônchịu tác động ảnh hưởng của ứng lực cơ học, tác độngnhiệt … Khi những ảnh hưởng tác động này vượt quá ngưỡngcho phép, chúng sẽ làm đổi khác đặc trưng làmviệc của cảm biến. Bởi vậy khi sử dụng cảmbiến, người sử dụng cần phải biết rõ những giớihạn này. 1.4 Nguyên lý chung sản xuất cảm biếnCác cảm biến được sản xuất dựa trên cơ sở cáchiện tượng vật lý và được phân làm hai loại : • Cảm biến tích cực : là những cảm biến hoạt độngnhư một máy phát, cung ứng ( s ) là điện tích, điện áp hay dòng điện. • Cảm biến thụ động : là những cảm biến hoạtđộng như một trở kháng trong đó phân phối ( s ) là điện trở, độ tự cảm hoặc điện dung. 1.4.1. Nguyên lý sản xuất những cảm biến tíchcựcCác cảm biến tích cực được sản xuất dựa trêncơ sở ứng dụng những hiệu ứng vật lý biến hóa mộtdạng nguồn năng lượng nào đó ( nhiệt, cơ hoặc bức xạ ) thành nguồn năng lượng điện. Dưới đây diễn đạt mộtcách khái quát ứng dụng 1 số ít hiệu ứng vật lýkhi sản xuất cảm biến. a ) Hiệu ứng nhiệt điệnHai dây dẫn ( M1 ) và ( M2 ) có thực chất hoáhọc khác nhau được hàn lại với nhau thành mộtmạch điện kín, nếu nhiệt độ ở hai mối hàn là T1và T2 khác nhau, khi đó trong mạch xuất hiệnmột suất điện động e ( T1, T2 ) mà độ lớn của nóphụ thuộc chênh lệch nhiệt độ giữa T1 và T2. Hiệu ứng nhiệt điện ( M2 ) T1 ( M1 ) T2T1 ( M2 ) Hình 1.4. Sơ đồ hiệu ứng nhiệt điện. Hiệu ứng nhiệt điện được ứng dụng để đo nhiệtđộ T1 khi biết trước nhiệt độ T2, thường chọnT2 = 0 oC. b ) Hiệu ứng áp điệnMột số vật tư gọi chung là vật tư áp điện ( như thạch anh ví dụ điển hình ) khi bị biến dạngdưới ảnh hưởng tác động của lực cơ học, trên những mặt đốidiện của tấm vật tư Open những lượngđiện tích bằng nhau nhưng trái dấu, được gọi làhiệu ứng áp điện. Đo V ta hoàn toàn có thể xác lập đượccường độ của lực tính năng F.Hình 1.6 ứng dụng hiệu ứng áp điệnc ) Hiệu ứng cảm ứng điện từKhi một dây dẫn hoạt động trong từtrường không đổi, trong dây dẫn Open mộtsuất điện động tỷ suất với từ thông cắt ngang dâydẫn trong một đơn vị chức năng thời hạn, nghĩa là tỷ suất vớitốc độ di dời của dây. Hình 1. Hiệu ứng cảm ứng điện từHiệu ứng cảm ứng điện từ được ứng dụng đểxác định vận tốc di dời của vật thông quaviệc đo suất điện động cảm ứng. d ) Hiệu ứng quang điện – Hiệu ứng quang dẫn : là hiện tượng kỳ lạ giải phóngra những hạt dẫn tự do trong vật tư ( thường làbán dẫn ) khi chiếu vào chúng một bức xạ ánhsáng ( hoặc bức xạ điện từ nói chung ) có bướcsóng nhỏ hơn một ngưỡng nhất định. – Hiệu ứng quang phát xạ điện tử : là hiện tượngcác điện tử được giải phóng và thoát khỏi bềmặt vật tư tạo thành dòng hoàn toàn có thể thu lại nhờtác dụng của điện trường. Hiệu ứng quang – điện – từ, hiệu ứngHall … 1.4.2. Nguyên tắc sản xuất cảm biến thụđộngCảm biến thụ động thường được sản xuất từmột trở kháng có những thông số kỹ thuật hầu hết nhạy vớiđại lượng cần đo. Giá trị của trở kháng phụthuộc kích cỡ hình học, đặc thù điện củavật liệu sản xuất ( như điện trở suất ρ, độ từ thẩmµ, hằng số điện môi ε ). Vì vậy tác động ảnh hưởng của đạilượng đo hoàn toàn có thể tác động ảnh hưởng đến size hìnhhọc, đặc thù điện hoặc đồng thời cả hai ⇒ thayđổi trở kháng. Đo trở kháng → đại lượng đo .

Source: https://mindovermetal.org
Category: Ứng dụng hay