Cảm biến và thiết bị chấp hành - Chương I: Cảm biến (sensor)

Nội dung text: Cảm biến và thiết bị chấp hành - Chương I: Cảm biến (sensor)

1. Cảm biến và thiết bị chấp hành
2. ChCh−−ơơngng I:I: CCảảmm biếnbiến (Sensor)(Sensor) 1. Khái niệm chung 2. Một số tiêu chí đánh giá cảm biến 3. Nguyên lý làm việc của một số cảm biến
3. 1. Khái niệm chung ))LLàà nhnhữữngng thiếtthiết bịbị cócó khkhảả nnăăngng ccảảmm nhnhậậnn nhnhữữngng đạđạii ll−−ợợngng đđiiệệnn vvàà khkhôôngng đđiiệệnn,, chuychuyểểnn đđổổii chchúúngng trtrởở ththàànhnh nhnhữữngng tíntín hihiệệuu đđiiệệnn phphùù hhợợpp vvớớii thiếtthiết bịbị thuthu nhnhậậnn tíntín hihiệệuu ))LLàà nhnhữữngng thiếtthiết bịbị khkhôôngng ththểể thiếuthiếu trongtrong ccáácc hhệệ ththốốngng ttựự đđộộngng hohoáá vvàà ssảảnn xuấtxuất ccôôngng nghinghiệệpp
4. 2. Một số tiêu chí đánh giá cảm biến 2.12.1 PhPhạạmm vivi ccảảmm nhnhậậnn hohoặặcc khokhoảảngng ccááchch ccảảmm nhnhậậnn 2.22.2 SaiSai ssốố ) Sai số do mắt trễ ) Sai số về độ phân giải ) Sai số do tuyến tính hoá
5. 2.1. Phạm vi cảm nhận ) Là giớii hạn cảm nhận của cảm biến đốii vớii đạii ll−ợng vật lýlý cần đo. ) Ví dụ: )Cảm biến nhiệt có tín hiệu ra bằng điện tỉ lệ với nhiệt độ cần đo. Do đó trong khoảng giới hạn nhiệt độ trên vμ d−ới, mối quan hệ nμy còn đ−ợc coi lμ tuyến tính. Vùng tuyến tính đó đ−ợc gọi lμ phạm vi cảm nhận. )Đối với cảm biến tiệm cận lμ khoảng giới hạn trên vμ d−ới mμ cảm biến có thể phát hiện ra đối t−ợng, lμm cho đầu ra chuyển tín hiệu một cách chắc chắn.
6. U Cao Thấp t Đặc tính ra của một điện trở nhiệt (RTD) Đối t−ợng Sn: Khoảng cách cảm nhận của cảm biến tiệm cận Cảm biến
7. 2.2. Sai số ? Sai số do mắt trễ tín hiệu ) Sự khác biệt lớn nhất giữa giá trị đầu ra đo đ−ợc với giá trị đầu ra lý thuyết khi tín hiệu đầu vμo tăng hoặc giảm. V Dải nhiệt độ ứng với điện áp V1 Dảiđiệnáp ứngvớit1 t1 t Mắt trễ của điện trở nhiệt (RTD)
8. ? Sai số do độ phân giải ) Độ phân giải: Lμ sự thay đổi lớn nhất của đại l−ợng vật lý cần đo mμ không gây ra sự thay đổi về tín hiệu đầu ra của cảm biến. Độ phân giải +/- 0.25oC t Độ phân giải của điện trở nhiệt (RTD) với đầu ra số
9. ? Sai số do tuyến tính hoá ) Với một sensor lí t−ởng thì tín hiệu đầu vμo luôn tỉ lệ tuyến tính với tín hiệu đầu ra. Nh−ng trên thực tế để có tín hiệu đo tuyến tính, ng−ời ta luôn phải tiến hμnh tuyến tính hoá. Điều nμy sẽ tạo ra sai số của tín hiệu cao dải đo V sai số lớn nhất đ−ờng cong lí t−ởng đ−ờng cong thực tế thấp thấp p cao Tuyến tính hoá trong cảm biến áp suất
10. 3. Nguyên lý lμm việc của một số cảm biến 3.1 Các loại cảm biến đóng cắt (dạng ON-OFF). ) Công tắc giới hạn hμnh trình. ) Cảm biến tiệm cận. 3.2 Các cảm biến sử dụng bộ chuyển đổi (transducer) 3.3 Một số cảm biến ví trí
11. 3.1. Các cảm biến đóng cắt dạng ON - off ??CCôôngng ttắắcc gigiớớii hhạạnn hhàànhnh trtrììnhnh ) Các kí hiệu điện ) Nguyên lý lμm việc ) Kiểu tác động tức thời ) Kiểu tác động có trễ ) Bố trí tiếp điểm )) CCáácc kíkí hihiệệuu đđiiệệnn Khi mở Tiếp điểm th−ờng hở (NO) Khi đóng Khi đóng Tiếp điểm th−ờng kín (NC) Khi mở
12. )) NguyNguyêênn lílí llààmm viviệệcc Quãng đ−ờng chuyển Vị trí đóng động Quãng đ−ờng dự trữ Vị trí nhả phần chấp hμnh Độ sai lệch giữa hai vị trí phần đầu ĐT Hμnh trình nhả phần thân
13. )) KiKiểểuu ttáácc đđộộngng ttứứcc thờithời Tiếp điểm th−ờng đóng Tiếp điểm th−ờng hở Trục động Đặc điểm ) Khi phần chấp hμnh bị tác Tiếp điểm tĩnh động, lò xo chốt sẽ trữ Tiếp điểm động năng l−ợng, đến vị trí đóng lò xo chốt giải phóng năng l−ợng Lò xo phản hồi Lò xo chốt
14. )) KiKiểểuu ttáácc đđộộngng cócó trễtrễ Đóng tr−ớc khi ngắt Ngắt tr−ớc khi đóng Đặc điểm Đặc điểm ) Tiếp điểm NO ) Tiếp điểm NC đóng tr−ớc, bị ngắt tr−ớc, tiếp điểm NC tiếp điểm NO bị ngắt sau đóng sau Đặc điểm chung ) Tạo ra một khoảng thời gian trễ đủ nhỏ giữa hai loại tiếp điểm
15. )) BBốố trítrí tiếptiếp Trục động đđiiểểmm Tiếp điểm tĩnh Tiếp điểm động (SPDT) Lò xo phản hồi (DPDT)
16. ?? CCảảmm biếnbiến titiệệmm ccậậnn ))TiTiệệmm ccậậnn đđiiệệnn ccảảmm (Inductive(Inductive proximity)proximity) ))TiTiệệmm ccậậnn đđiiệệnn dungdung (Capacitive(Capacitive proximity)proximity) ))TiTiệệmm ccậậnn sisiêêuu ââmm (Ultrasonic(Ultrasonic proximity)proximity) ))TiTiệệmm ccậậnn quangquang hhọọcc (Photoelectric(Photoelectric proximity)proximity) )) TiTiệệmm ccậậnn đđiiệệnn ccảảmm (Inductive(Inductive proximity)proximity) & Lμ loại cảm biến sử dụng tr−ờng điện-từ để phát hiện đối t−ợng bằng kim loại. & Điện áp lμm việc DC, AC hoặc AC/DC PhPhâânn loloạại:i: & Theo chức năng đ−ợc chia ra llμm hai loloại:i: PNPPNP (sourcing)(sourcing) vμ NPN (sinking)
17. &&NNốốii ddââyy chocho loloạạii PNPPNP (sourcing):(sourcing): PNP transistor Tải &&NNốốii ddââyy chocho loloạạii NPNNPN (sinking):(sinking): Tải NPN transistor
18. & Theo khoảng cách đ−ợc chia ra llμm hai loloại:i: có bảo vệ (shielded) vμ không bảo vệ (unshielded) Bề mặt sensor Có bảo vệ Không bảo vệ NhNhậậnn xétxét:: )) KhoKhoảảngng ccááchch ccảảmm nhnhậậnn từtừ 0.60.6 2020 (mm)(mm) )) TiTiệệmm ccậậnn đđiiệệnn ccảảmm phụphụ thuthuộộcc vvμμoo mmộộtt ssốố yếuyếu ttốố sausau ccủủaa đđốốii tt−−ợợngng:: & Hìình dáng đốii t−ợng & Độ dầy của đốii t−ợng & Vật liliệu của đốii t−ợng
19. )) TiTiệệmm ccậậnn đđiiệệnn dungdung (Capacitive(Capacitive proximity)proximity) & Lμ loại cảm biến sử dụng tr−ờng tĩnh điện để phát hiện đối t−ợng bằng kim loại vμ phi kim loại. & Điện áp lμm việc DC, AC hoặc AC/DC PhPhâânn loloạại:i: & Theo chức năng đ−ợc chia ra llμm hai loloại:i: PNPPNP (sourcing)(sourcing) vμ NPN (sinking) & Tất cả cảm biến điiện dung của siemens đều có bảo vệ (shielded) Bề mặt sensor Đối t−ợng
20. NhNhậậnn xétxét:: ) Khoảng cách cảm nhận từ 5 - 20 (mm) ) Có khả năng phát hiện mức chất lỏng xuyên qua thùng trong suốt (Chất lỏng phải có hằng số điện môi cao hơn vỏ thùng) )) Môi tr−ờng lμm việc phải khô, bởi vì khi có chất lỏng trên bề mặt của cảm biến, cảm biến có thể tác động nhầm.
21. Hằng số điện môi của một số vật liệu
22. )) TiTiệệmm ccậậnn sisiêêuu ââmm (Ultrasonic(Ultrasonic proximity)proximity) & Lμ loại cảm biến sử dụng bộ thu phát tín hiệu siêu âm, tần số cao. a/a/ ĐĐặặcc đđiiểểmm b/b/ CCáácc chếchế độđộ hohoạạtt đđộộngng c/c/ ảảnhnh hh−−ởởngng ccủủaa mmôôii trtr−−ờngờng
23. ĐĐặặcc đđiiểểmm VVùùngng mmùù:: & Vùng này tồn tạii ngay phía tr−ớc cảm biến, tuỳ theo loloạii cảm biến mà vùng mù này có khoảng cách chừng 6 - 80 cm. Nếu đốii t−ợng đ−ợc đặt trong vùng này sẽ khiến cho trạng tháii đầu ra không ổn địnhịnh.
24. CCáácc ccảảmm biếnbiến đđặặtt songsong songsong:: & Giả thiết 2 cảm biến có cùng khoảng cách cảm nhận đ−ợc đặt song song vớii nhau. Đốii t−ợng đặt vuông góc vớii nguồn âm. Vậy khoảng cách giữa các cảm biến đ−ợc xác địnhịnh thông qua khoảng cách cảm nhận. & Ví dụ nếu khoảng cách cảm nhận llà 6 cm, thìì khoảng cách giữa các cảm biến llà 15 cm Khoảng cách X (cm) cảm nhận (cm) 6-30 > 15 20-130 > 60 40-300 > 150 60-600 > 250 80-1000 > 350
25. NhiễuNhiễu giaogiao nhaunhau gigiữữaa ccáácc ccảảmm biếnbiến & Nhiễu xảy ra khi các cảm biến đ−ợc đặt gần nhau, chùm phản xạ của cảm biến này llạii tác động đến cảm biến khác & Trong tr−ờng hợp này khoảng cách X cần đ−ợc xác địnhịnh thông qua thử nghiệm.
26. KhoKhoảảngng ccááchch ttốốii thithiểểuu chocho haihai ccảảmm biếnbiến đđặặtt đđốốii nhaunhau & Giả thiết 2 cảm biến có cùng khoảng cách cảm nhận đ−ợc đặt đốii diện nhau. Khoảng cách X đ−ợc xác địnhịnh sao cho 2 cảm biến không gây nhiễu cho nhau. Khoảng cách X (cm) cảm nhận (cm) 6-30 > 120 20-130 > 400 40-300 > 1200 60-600 > 2500 80-1000 > 4000
27. GócGóc nghinghiêêngng:: & Góc nghiêng giữa đốii t−ợng vớii ph−ơng truyền sóng phảii đ−ợc cân nhắc khi llắp đặt. Nếu góc nghiêng quá llớn sóng phản xạ có thể không đến đ−ợc cảm biến.
28. ĐĐốốii vvớớii chấtchất llỏỏngng vvμμ vvậậtt liliệệuu dd−−ớớii ddạạngng hhạạt:t: & Đốii vớii chất llỏng (ví dụ n−ớc) giớii hạn góc nghiêng ở 3o & Đốii vớii vật liliệu d−ớii dạng hạt thìì góc nghiêng có thể llớn tớii 45o.
29. LoLoạạii bbỏỏ đđốốii tt−−ợợngng nhiễunhiễu:: & Một đốii t−ợng nhiễu bất kìì có thể nằm trong phạm vi cảm nhận của cảm biến. Điềuiều này sẽ gây ra tác động nhầm của cảm biến. Để loloạii bỏ đốii t−ợng nhiễu ng−ời ta dùng một loloạii vật liliệu có khả năng hấp thụ âm, chỉỉ để llạii một khe hở khiến cho nguồn âm không thể tớii đốii t−ợng nhiễu đ−ợc. Đối t−ợng nhiễu Khe hở Vậtliệuhấpthụâm
30. CCáácc chếchế độđộ hohoạạtt đđộộngng:: & Khuếch tán & Phản xạ & Xuyên suốt KhuếchKhuếch ttáánn:: & Đây là chế độ llàm việc phổ biến của cảm biến siêu âm. Khi đốii t−ợng bị phát hiện trong phạm vi cảm nhận thìì cảm biến sẽ chuyển trạng tháii đầu ra, chế độ này hoạt động nh− một cảm biến tiệm cận. Phạm vi cảm nhận
31. PhPhảảnn xxạạ:: & Trong chế độ này có dùng thêm một bộ phản xạ đ−ợc đặt trong vùng llàm việc. Bộ phản xạ đ−ợc điềuiều chỉỉnh sao cho các sóng âm sau khi đập vào bộ phản xạ sẽ quay trở về cảm biến. Khi đốii t−ợng cần phát hiện cản trở sóng phản xạ thìì cảm biến sẽ tác động. & Bộ phản xạ th−ờng đ−ợc dùng khi đốii t−ợng có hìình dạng đặc biệt, hoặc hấp thụ âm thanh.
32. Đối t−ợng có hình dạng đặc biệt Đối t−ợng hấp thụ âm
33. XuyXuyêênn susuốốtt:: & Trong chế độ này ng−ời ta sử dụng hai bộ thu phát riêng biệt, khi chùm âm bị gián đoạn bởii đốii t−ợng thìì đầu ra cảm biến sẽ thay đổii trạng tháii. Bộ thu Bộ phát
34. ảảnhnh hh−−ởởngng ccủủaa mmôôii trtr−−ờngờng:: Nhiệt độ: Nhiệt độ cao gây ảnh h−ởng tới chế độ lμm việc của cảm biến, thông th−ờng đối với cảm biến siêu âm đều có bù nhiệt độ áp suất: Khi áp suất thay đổi ±5% so với áp suất mặt n−ớc biển, thì tốc độ âm thay đổi khoảng ±0,6%. Khi cảm biến đặt cao hơn mực n−ớc biển 3 km thì tốc độ âm giảm 3,6%. Cần điều chỉnh khoảng cách cảm biến cho hợp lí. Chân không: Trong môi tr−ờng nμy thì cảm biến không hoạt động đ−ợc. Độ ẩm: Khi độ ẩm tăng thì tốc độ âm tăng Tốc độ gió: 100km/h, cảm biến không lμm việc đ−ợc
35. Thời tiết: M−a nhỏ vμ tuyết nhỏ không ảnh h−ởng tới hoạt động của cảm biến. Tuy nhiên bề mặt của bộ chuyển đổi nên đ−ợc giữ khô ráo. Lớp s−ơng mù: Nói chung lμ không có ảnh h−ởng gì tới cảm biến, tuy nhiên không nên để chúng đọng trên bề mặt bộ chuyển đổi. Bụi: Môi tr−ờng bụi lμm giảm phạm vi cảm nhận của cảm biến xuống 25-33%
36. TiTiệệmm ccậậnn quangquang hhọọcc (Photoelectric(Photoelectric proximity)proximity) Lμ loại cảm biến sử dụng chùm tia sáng đ−ợc điều biến. Cấu tạo cảm biến gồm một thiết bị phát vμ một thiết bị thu ĐĐặặcc đđiiểểmm:: 1/ Chùm tia sáng đ−ợc điềuiều biến 2/ Hệ số khuếch đạii ánh sáng 3/ Kí hiệu CCôôngng nghnghệệ titiệệmm ccậậnn quangquang hhọọcc 1/ Xuyên suốt 2/ Xuyến suốt tích cực 3/ Phản xạ
37. 4/ Phản xạ tích cực 5/ Lọc phân cực vớii các đốii t−ợng phản quang 6/ Khuếch tán CCáácc chếchế độđộ llμμmm viviệệcc 1/ Chế độ tốii 2/ Chế độ sáng CCôôngng nghnghệệ ssợợii quangquang CCôôngng nghnghệệ LaserLaser
38. ChChùùmm tiatia ssáángng đđ−−ợợcc đđiềuiều biếnbiến:: Mục đíchích llàm tăng khoảng cách cảm nhận và giảm ảnh h−ởng của ánh sáng môii tr−ờng. ánh sáng điềuiều biến llà một chùm xung có tần số từ 5kHz đến 30 kHz. Nguồn sáng dùng trong các cảm biến loloạii này có phổ sáng từ ánh sáng xanh nhììn đ−ợc tớii ánh sáng hồng ngoạii không nhììn đ−ợc. Tiêu biểu llà nguồn sáng từ LED.
39. HHệệ ssốố khuyếchkhuyếch đạđạii áánhnh ssáángng:: Hệ số khuyếch đạii ánh sáng llà ll−ợng ánh sáng phát ra v−ợt quá ll−ợng yêu cầu của thiết bị thu. Trong môii tr−ờng sạch thìì hệ số này bằng hoặc llớn hơn 1 là đủ ll−ợng yêu cầu của thiết bị thu. Môii tr−ờng càng ô nhiễm thìì hệ số này càng cao, do một phần ánh sáng phát ra sẽ bị môii tr−ờng này hấp thụ. Tuy nhiên hệ số càng cao thìì khoảng cách cảm nhận thực tế càng giảm.
40. Hệsố khuyếch đại Khoảng cách cảm nhận
41. KíKí hihiệệuu:: Khuếch tán Khuếch tán Phản xạ dùng tấm chắn Xuyên suốt Khuếch tán đầu Cảm biến dùng ra t−ơng tự sợi quang Cảm biến mầu Cảm biến vạch Cảm biến khe mầu hẹp
42. XuyXuyêênn susuốốtt:: & Công nghệ nμy sử dụng phần phát vμ phần thu riêng biệt, hai phần nμy đ−ợc bố trí sao cho phần thu có thể nhận đ−ợc tối đa chùm xung ánh sáng từ phần phát & Nếu vì lí do gì đó mμ chùm tia sáng không tới đ−ợc phần thu, thì đầu ra của phần thu sẽ thay đổi trạng thái. & Thích hợp đối với những vật chắn sáng vμ phản quang & Phạm vi cảm nhận lên tới 90 m (300 feet)
43. Phát Thu Phát Đối t−ợng Thu XuyXuyêênn susuốốtt tíchtích ccựựcc:: & Đốii t−ợng đ−ợc phát ChùmChùm tia tia Phát tích cực Thu hiện khi cắt chùm tia tích tích cực cực. & Chùm tia tích cực có độ rộng bằng đ−ờng kính thấu kính phát và thấu kính thu & Kích th−ớc nhỏ nhất của đốii t−ợng bằng vớii độ rộng chùm tia
44. PhPhảảnn xxạạ:: & Công nghệ này gắn phần phát vớii phần thu trên cùng một bộ. Khi ánh sáng phát ra từ phần phát gặp mặt phản xạ sẽ quay trở llạii phần thu. & Nếu có bất kìì đốii t−ợng nào chắn ngang đ−ờng truyền sáng thìì đầu ra của cảm biến sẽ chuyển trạng tháii & Phạm vi cảm nhận tốii đa cỡ 10 m (35 feet) Phát Đối t−ợng Thu
45. PhPhảảnn xxạạ tíchtích ccựựcc:: & Chùm sáng tích cực phát ra từ thấu kính phát có độ rộng phù hợp vớii bề mặt phản xạ. & Kích th−ớc tốii thiểu của đốii t−ợng bằng vớii bề mặt phản xạ Mặt phản xạ Phát chùm tia tích cực & Mặt phản xạ: Mặt phản xạ t−ơng ứng vớii từng kiểu cảm biến phản xạ, có thể hìình tròn, hìình vuông hoặc dảii băng. Khoảng cách cảm nhận tuỳ thuộc vào việc sử dụng bề mặt phản xạ .
46. LLọọcc phphâânn ccựựcc đđốốii vvớớii đđốốii tt−−ợợngng phphảảnn quangquang:: & Đốii vớii cảm biến phản xạ việc phát hiện đốii t−ợng phản quang llà không thể, do cảm biến không phân biệt đ−ợc chùm sáng phản hồii từ đốii t−ợng hay từ bề mặt phản xạ. & Để có thể phát hiện đ−ợc ng−ời ta dùng thêm bộ llọc phân cực đặt phía tr−ớc thấu kính phát và thu Chùm sáng ch−a phân cực Thấu kính Lọc phân cực Chùm sáng phân cực Chùm sáng phân cực Mặt phản xạ
47. CCảảmm biếnbiến khuếchkhuếch ttáánn & Công nghệ này cũng gắn phần phát và thu trên cùng một bộ. Chùm sáng phát ra đập vào đốii t−ợng và bị khuếch tán d−ớii các góc khác nhau, nếu phần thu nhận đ−ợc đủ ánh sáng thìì đầu ra cảm biến thay đổii trạng tháii & Để nâng cao hiệu quả ng−ời ta dùng công nghệ tấm chắn trong cảm biến khuếch tán. Khoảng cách càng llớn thìì góc phản xạ ánh sáng càng hẹp. Bằng cách sử dụng tấm chắn PSD ng−ời ta có thể thu đ−ợc ánh sáng từ các góc độ khác nhau. & PSD: Position Senser Detector
48. ChếChế độđộ llμμmm viviệệcc ttốốii:: & Khi cảm biến quang llàm việc ở chế độ này, thìì đầu ra sẽ chuyển trạng tháii khi ánh sáng không tớii đ−ợc thiết bị thu. Thu Đối t−ợng Thu Phát Phát
49. ChếChế độđộ llμμmm viviệệcc ssáángng & Khi cảm biến quang llàm việc ở chế độ này, thìì đầu ra sẽ chuyển trạng tháii khi ánh sáng tớii đ−ợc thiết bị thu. Thu Đối t−ợng Thu Phát Phát
50. CCôôngng nghnghệệ ssợợii quangquang:: & Các cảm biến sợii quang gồm một bộ phát, một bộ thu và một cáp quang để truyền tín hiệu. Tuỳ thuộc vào loloạii cảm biến có thể có 1 cáp hoặc nhiều cáp. Vớii loloạii một cáp, ng−ời ta dùng một số ph−ơng pháp để phân bố sợii quang trong cáp. Đồng trục 50/50 Ngẫu nhiên Cáp Sợi quang Sợi thu Sợi phát
51. & Vớii cảm biến xuyên suốt, tín hiệu phát và thu dùng 2 cáp riêng biệt. Vớii cảm biến phản xạ và khuếch tán tín hiệu thu phát dùng trên cùng một cáp Từ bộ phát Tới bộ thu Xuyên suốt Từ bộ phát Tới bộ thu Phản xạ Từ bộ phát Tới bộ thu Khuếch tán
52. CCôôngng nghnghệệ lazerlazer:: & Các cảm biến dùng nguồn lazerlazer của Siemens, sử dụng tia lazerlazer cấp 2 có công suất phát xạ 1 mW. Tia lazerlazer cấp 2 không đòii hỏii thiết bị bảo vệ. Tuy nhiên khi llàm việc trong vùng có cảm biến lazerlazer cần có tín hiệu cảnh báo. & Các tia lazerlazer này llà chùm ánh sáng nhììn thấy đ−ợc có mật độ ánh sáng cao. Công nghệ này cho phép phát hiện những vật thể cực nhỏ ở một khoảng cách nào đó. & Cảm biến L18 có thể phát hiện vật có kích th−ớc 0,03mm ở khoảng cách 80 cm
53. 3.2. một số cảm biến sử dụng bộ chuyển đổi ? Các ph−ơng pháp chuyển đổii ? Chuyển đổii nhiệt (cảm biến nhiệt độ) ? Chuyển đổii llực (cảm biến llực) ? Chuyển đổii ll−u ll−ợng (cảm biến ll−u ll−ợng) ? Chuyển đổii vị trí (Cảm biến vị trí)
54. ??CCáácc phph−−ơơngng phpháápp chuychuyểểnn đđổổii ) Kĩ thuật mạch cầu cân bằng ) Kĩ thuật LVDT (Linear Variable Differential Transformer) )) KKĩĩ thuthuậậtt mmạạchch ccầầuu ccâânn bbằằngng ) Mạch cầu dùng các phần tử điện trở, tuỳ theo cách cấu hình cho cầu cân bằng mμ ta có hai kiểu đo theo dòng hoặc theo áp. ) ở điều kiện bình th−ờng (cầu cân bằng) thì điện áp Uoutput = 0, hoặc không có dòng điện qua cầu (Icầu = 0).
55. Cầu điện áp: ) Cầu điện áp: Lμ mạch cầu có điện áp Uoutput tỉ lệ với sự thay đổi trở kháng trong mạch cầu. Trên hình bên thì D lμ thiết bị thu thập RD lμ nội trở của nó. Với cầu này thì trị số RD phải rất lớn. Ví dụ nh− trở kháng đầu vào của module PLC. Xét ví dụ hình bên, khi R4 thay đổi làm cầu mất cân bằng. Tỉ lệ của trở kháng trong mạch nh− R1 R 3 sau: = R 2 R 4
56. ) Cầu dòng điện: Nhằm tạo ra sự thay đổi về dòng điện ở đầu ra của cầu cân bằng, giữa 2 điểm A vμ B. Thiết bị thu thập D có nội trở rất thấp. Ví dụ nh− những module PLC khuếch đại dòng có trở kháng vμo thấp.
57. Ph−ơng trình dòng ID U.ΔR 4 ID = ⎡⎛ R ⎞ ⎤⎡ ⎛ R ⎞ ⎤ ⎜1+ 2 ⎟ + R + R R ⎜1+ 3 ⎟ + R + R ⎢⎜ ⎟ 2 4B ⎥⎢ D ⎜ ⎟ 3 4B ⎥ ⎣⎝ R1 ⎠ ⎦⎣ ⎝ R1 ⎠ ⎦ Trong đó: R4B là trở kháng của R4 khi cầu cân bằng ΔR4: Độ chênh lệch lớn nhất của điện trở nhiệt RD: Trở kháng đầu vào của module thu thập Ví dụ: Mạch cầu dùng điện trở nhiệt có trở kháng 10k. Dùng module khuyếch đại có trở kháng đầu vào 300 Ω, để đo những thay đổi nhỏ về dòng cân bằng. Xác định trị số dòng khi trở kháng của điện trở nhiệt thay đổi 10%
58. )) KKĩĩ thuthuậậtt LVDTLVDT (Linear(Linear VariableVariable DifferentialDifferential Transformer).Transformer). LVDT lμ một cơ cấu cơ - điện tạo ra điện áp tỉ lệ với vị trí của lõi biến áp (BA) trong lòng cuộn dây. Vỏ thép không gỉ Hỗn hợp chống ẩm, Vμnh chống nhiễu ổn định nhiệt điện-từ vμ tĩnh điện Cuộn dây Lớp epoxy Lõi
59. Điện áp ra Lõi Thứ cấp Thứ cấp Sơ cấp Điện áp vμo )) NguyNguyêênn lýlý llμμmm viviệệcc:: ĐĐiiệệnn áápp ACAC đđ−−aa vvààoo cucuộộnn ssơơ cấpcấp,, ttạạoo rara đđiiệệnn áápp ccảảmm ứứngng trtrêênn 22 đđầầuu cucuộộnn ththứứ cấpcấp KhiKhi lõilõi chuychuyểểnn đđộộngng llààmm chocho đđiiệệnn áápp đđầầuu rara ththứứ cấpcấp thaythay đđổổii CuCuộộnn ththứứ cấpcấp cucuốốnn theotheo 22 chiềuchiều ngng−−ợợcc nhaunhau,, nnêênn đđiiệệnn áápp ssẽẽ thaythay đđổổii ccựựcc tínhtính khikhi lõilõi dịchdịch chuychuyểểnn
60. Điện áp ra Vị trí lõi (%) so với vị trí 0 Vùng Vùng phi phi tuyến Vùng tuyến tính tuyến Vị trí 100% Vị trí 0% Vị trí 100%
61. H−ớng chuyển động Thứ cấp Sơ cấp Điện áp ra ) Hiện nay các máy biến áp LVDT th−ờng kết hợp thêm vớii các mạch chỉỉnh ll−u để tạo ra điiện áp DC
62. ??ChuyChuyểểnn đđổổii nhinhiệệtt độđộ ((CCảảmm biếnbiến nhinhiệệtt).). ) Cảm biến nhiệt dùng để đo vμ giám sát sự thay đổi nhiệt độ. Trên thực tế có hai loại chuyển đổi sau: Đo sự thay đổi điện trở nội Đo sự chênh lệch điện áp ) Đầu ra của cảm biến nhiệt có thể d−ới dạng tín hiệu dòng hoặc áp tỉ lệ với nhiệt độ cần đo ) Kiểu 1 th−ờng lμ RTD hoặc Thermistor ) kiểu 2 th−ờng lμ cặp nhiệt ngẫu (can nhiệt) RTDRTD (Resistance(Resistance TemperatureTemperature Detector)Detector) ) RTD đ−ợc chế tạo từ các dây dẫn nhậy cảm với nhiệt độ (phần tử điện trở), vật liệu phổ biến nhất lμ platium, nickel, đồng, nickel-sắt. Chúng đ−ợc đặt trong ống bảo vệ
63. Đối với RTD thì trở kháng tăng tuyến tính với nhiệt độ cần đo, do vậy RTD có hệ số nhiệt d−ơng Tấm cách Phần tử điện điện trở Vỏ bảo vệ ) Để đo nhiệt độ, RTD đ−ợc mắc theo kĩ thuật cầu điện trở.
64. Cách mắc gây sai số Cách mắc bù sai số. Với điều kiện RL1 = RL2
65. ) Đối với module RTD của PLC, thì đã có mạch bù sai số, do vậy ta có thể mắc trực tiếp RTD vμo module. ) Trong tr−ờng hợp dùng module t−ơng tự, thì ta cần thiết kế thêm cầu cân bằng, kết hợp với khuếch đại tín hiệu. )) ThermistorThermistor ) Thermistor đ−ợc lμm từ các vật liệu bán dẫn, sự thay đổi điện trở của vật liệu tỉ lệ với nhiệt độ trong dải đo. ) Tuy nhiên khi nhiệt độ tăng thì điện trở lại giảm, do vậy Thermistor có hệ số nhiệt âm. Mặc dù vậy, cũng có một số thermistor có hệ số nhiệt d−ơng.
66. ) Từ đ−ờng đặc tính trên, thì thermistor cho ta độ phân giải cao hơn so với RTD. Rất thích hợp với những ứng dụng có dải nhiệt độ hẹp. SoSo ssáánhnh 22 loloạạii trtrêênn:: ) RTD: −u điểm: Tuyến tính trong dải nhiệt độ rộng Đo đ−ợc nhiệt độ cao, dải đo lớn ổn định tốt hơn ở nhiệt độ cao nh−ợc điểm: Độ nhậy kém Giá thμnh cao Bị ảnh h−ởng do rung động, do điện trở tiếp xúc
67. ) Thermistor: −u điểm: Đáp ứng nhanh Đo đ−ợc nhiệt độ ở dải đo hẹp với độ chính xác cao Không bị ảnh h−ởng của điện trở dây nối Có khả năng chống rung Giá thμnh thấp nh−ợc điểm: ) Khả năng tuyến tính thấp ở dải đo lớn ) Phạm vi đo nhiệt độ hẹp )) CCặặpp nhinhiệệtt ngngẫẫuu (can(can nhinhiệệtt)) ) Đ−ợc cấu tạo từ một cặp kim loại, lμm từ vật liệu khác nhau. 2 đầu nối với nhau vμ đặt ở 2 vùng nhiệt độ, sự chênh lệch nhiệt độ tạo ra sức điện động trên 2 đầu cặp nhiệt ngẫu.
68. Kim loại A T1: là nhiệt độ cần đo e T2: là nhiệt độ mẫu Nóng Lạnh Kim loại B ) Nhiệt độ mẫu chuẩn (lạnh) lμ 0oC, do vậy trong datasheet của cặp nhiệt ngẫu, điện áp đầu ra dựa trên nhiệt độ mẫu 0oC. ) Tuy nhiên trong công nghiệp việc tạo ra 0oC lμ rất bất tiện, cho nên cần phải tiến hμnh bù nhiệt độ mẫu Xét ví dụ: Dùng cặp nhiệt ngẫu loại E, có tín hiệu điện áp o đầu ra lμ 16,42 mV, nhiệt độ T2 lμ 46 F, tìm nhiệt độ cần đo T1 (nhiệt độ đúng)
69. ) Do nhiệt độ T2 không phải nhiệt độ mẫu, nên ta tiến hμnh bù, để bù đ−ợc ta cần dựa vμo đặc tính ra của cặp nhiệt ngẫu (xem hình). nhiệt ngẫu (xem hình). Constantan ) Ta đ−ợc X = 0,458 mV, do đó nếu ở 0oC hay e Nóng Lạnh 32oF thì điện áp Crôm đầu ra sẽ lμ: 16,42 + 0,458 = = 16,878 mV ) Từ giá trị tìm đ−ợc ta lại nội suy vμ đ−ợc 474,71oF
70. ) Đối với PLC, ng−ời ta thiết kế riêng module lμmviệcvới cặp nhiệt ngẫu, trong module nμy tín hiệu sai lệch đã đ−ợc bù. Dây dẫn ) Đối với dây dẫn của cặp nhiệt ngẫu th−ờng đ−ợc bọc lớp vỏ đặc biệt để duy trì nhiệt độ của dây dẫn không đổi tới đầu vμoPLC Đầu vμo module nhiệt
71. ??ChuyChuyểểnn đđổổii llựựcc ((CCảảmm biếnbiến llựựcc).). ) Cảm biến lực vμ áp suất dùng để đo lực trên một đơn vị diện tích ) Có 3 loại chuyển đổi lực phổ biến lμ: Đo sức căng Dùng ống Bourdon Dùng load cell ĐĐoo ssứứcc ccăăngng ((ccảảmm biếnbiến áápp trtrởở)) ) Lμ kiểu chuyển đổi cơ khí dùng để đo biến dạng, sức căng của một vật cứng khi có lực tác động. ) Kiểu chuyển đổi nμy dựa vμo sự thay đổi về trở kháng trong dây quấn khi bị lực tác động. Dây quấn có thể lμm từ kim loại (đồng, sắt, platium) hoặc từ chất bán dẫn (silic, german)
72. )) KiKiểểuu chuychuyểểnn đđổổii nnμμyy cócó haihai hhììnhnh ththứứcc llμμ DDáánn ((mmμμngng mmỏỏngng)) vvμμ TTựự dodo )) DDáánn:: llμμ hhììnhnh ththứứcc ggắắnn trtrựựcc tiếptiếp bbộộ chuychuyểểnn đđổổii llêênn bềbề mmặặtt ccầầnn đđoo (a).(a). )) TTựự do:do: llμμ hhììnhnh ththứứcc khkhôôngng ggắắnn trtrựựcc tiếptiếp bbộộ chuychuyểểnn đđổổii llêênn bềbề mmặặtt ccầầnn đđoo (b).(b). Lực tác Vị trí đỡ Dây quấn động Dây quấn Lực tác động
73. ) Đo sức căng dùng kĩ thuật mạch cầu cân bằng, tuy nhiên nhiệt độ lại lμm ảnh h−ởng đến trở kháng, do đó cần thiết kế thêm mạch bù Dây quấn Dây quấn phụ chính Lực ) Chỉ có dây quấn (R4) có chiều t−ơng ứng với lực tác động , lúc đó chỉ trở kháng R4 mới bị thay đổi. ) Nhiệt độ đ−ợc bù thông qua R3.
74. ))DDùùngng ốốngng BourdonBourdon ) Lμ kiểu chuyển đổi cơ khí (dùng kĩ thuật LVDT) biến áp lực thμnh dịch chuyển theo vị trí. Vị trí dịch chuyển tỉ lệ với áp lực đặt vμo. ống Bourdon Lõi Tín hiệu ra Đầu gá ống áp lực Tín hiệu vμo Lò xo
75. ))DDùùngng LoadLoad CellCell ) Lμ cảm biến đo trọng l−ợng vμ lực dựa trên nguyên lý chuyển đổi đo sức căng kiểu dán. Lμ loại cảm biến dùng chủ yếu trong cân nặng. ??ChuyChuyểểnn đđổổii ll−−uu ll−−ợợngng ((CCảảmm biếnbiến ll−−uu ll−−ợợngng).). ) Cảm biến l−u l−ợng dùng để đo l−u l−ợng của một vật liệu bất kì, d−ới dạng rắn, lỏng, khí )) ĐĐoo ll−−uu ll−−ợợngng rrắắnn ) Th−ờng dùng chủ yếu lμ bộ chuyển đổi Load Cell, để đo trọng l−ợng của sản phẩm.
76. ) Ví dụ: Bμi toán cần giữ ổn định l−u l−ợng của vật liệu trên băng tải. Phễu P.v Q = L Trọng l−ợng (P) Van Tốc độ (v) Chiều dμi(L) Load Cell
77. )) ĐĐoo ll−−uu ll−−ợợngng llỏỏngng ) Tiến hμnh đo 1 trong 2 yếu tố Độ chênh áp suất Chuyển động của chất lỏng. ) Đo yếu tố thứ nhất ng−ời ta có thể dùng ống Venturi hoặc tấm orifice ) Đo yếu tố thứ hai ng−ời ta dùng đồng hồ đo l−u l−ợng dùng turbine. ống Venturi vμ tấm orifice: đều dựa vμo nguyên lí Bernoulli, thể hiện mối quan hệ giữa tốc độ vμ độ chênh áp suất giữa 2 điểm đo. ống venturi vμ tấm orifice thích hợp với đo áp suất thấp
78. v = k ΔP v: tốc độ môi chất ΔP = P1 -P2 Khe Ra Vμo ống k: Hằng số Bernoulli côn hẹp áp Q = v.A suất = A.k. ΔP Tốc độ = K. ΔP A: Tiết diện mặt cắt ngang của ống ống Venturi
79. áp suất Vỏ ống Tấm Lỗ Tấm Orifice Orifice Orifice Tấm orifice
80. Đồng hồ đo l−u l−ợng dùng turbine: dựa vμo nguyên lí cảm ứng điện từ. Về cấu tạo, đồng hồ gồm một rôto gắn với nhiều cánh, một stato để tạo ra tín hiệu điện. Khi roto quay d−ới tác động của luồng chất lỏng, sẽ tạo ra từ tr−ờng cảm ứng trong đồng hồ. Từ tr−ờng nμy đ−ợc tạo thμnh những tín hiệu điện áp nhỏ (cỡ 10-20mV). Bộ chuyển đổi điện có thể tạo tín hiệu t−ơng tự hoặc tín hiệu số (xung) tỉ lệ với l−u l−ợng môi chất qua ống Xung ra Bộ chuyển đổi điện
81. ??ChuyChuyểểnn đđổổii vịvị trítrí ((CCảảmm biếnbiến vịvị trítrí).). ) Lμ loại cảm biến phát hiện vị trí hiện tại của đối t−ợng trong hμnh trình. )) CCảảmm biếnbiến vịvị trítrí trụctrục quay:quay: Bao gồm nhiều tiếp điiểm đ−ợc sắp xếp theo một quy luluật nào đó. )) CCảảmm biếnbiến vịvị trítrí ddùùngng photophoto đđiiốốtt:: Bao gồm một dãy phát và một dãy thu. Phát Tuy vào vị trí của đốii t−ợng mà các điiôt t−ơng ứng sẽ tắt
82. )) CCảảmm biếnbiến vịvị trítrí ddùùngng bbộộ phphâânn áápp Nguồn DC (potentiometer):(potentiometer): Sử dụng một bộ phân áp, tuỳ vào điiện áp đầu ra mà cho ta vị trí của đốii t−ợng cần phát hiện. Điện trở Nguồn DC Đầu tr−ợt Đầu tr−ợt Điện trở
83. )) CCảảmm biếnbiến vịvị trítrí ddùùngng kkĩĩ thuthuậậtt LVDT:LVDT: Sử dụng một biến áp LVDT, tuỳ vào vị trí dịch chuyển của đốii t−ợng mà cho ta điiện áp t−ơng ứng ở đầu ra của biếp áp. )) CCảảmm biếnbiến vịvị trítrí ddùùngng encoderencoder quangquang:: Là loloạii cảm biến chuyển dấu hiệu vị trí theo góc, theo đ−ờng thẳng thành tín hiệu nhị phân t−ơng đ−ơng. Đốii vớii loloạii cảm biến này th−ờng đ−ợc chia ra llàm hai loloại:i: Mã hoá liên tục Mã hoá tuyệt đối Mã hoá liên tục: Bao gồm một nguồn phát quang, một hoặc hai đĩĩa mã hoá, ba cảm biến quang, và một bộ điềuiều khiển. Trên đĩĩa mã hoá đ−ợc bố trí các khe hẹp, để nguồn sáng có thể llọt qua
84. A B C ) Đĩĩa mã hoá cho encoder trên có thể xác địnhịnh h−ớng quay của đĩĩa nhờ vào sự llệch pha 900 của hai chuỗii xung do hai cảm biến A và B tạo ra. A B Ng−ợc Thuận
85. Mã hoá tuyệt đối: Bao gồm một đĩĩa quay llàm từ vật liliệu trong suốt. Trên đĩĩa đ−ợc chia thành các vùng có góc bằng nhau, số ll−ợng tuỳ thuộc vào độ phân giảii và số ll−ợng các vòng cung đồng tâm. Một vòng cung sẽ trong suốt trong một số vùng, các vùng còn llạii sẽ bị che khuất 100 000 101 001 111 011 Đĩamãhoá8 vòngcung 110 010
86. ) Hìình trên ta thấy đĩĩa mã hoá có 3 vòng cung, tạo thành 8 vùng (23 = 8) vớii độ phân giảii 360/8 = 45o (trên thực tế th−ờng từ 8 → 12 vòng cung). Mỗii vòng cung có một cảm biến quang. Tuỳ vào từng thời điiểm mà ta sẽ có một chuỗii các bít t−ơng ứng vớii vị trí hiện tạii của đĩĩa. ) Ví dụ: Nếu chuỗii bít llà 010 thìì vị trí t−ơng ứng sẽ llà 4h30' đến 6h00'. ) Nh− vậy các chuỗii bít phảii đ−ợc mã theo chu kìì một vòng tròn, ở 2 vùng liềnliền kề chỉỉ đ−ợc khác nhau 1 bít. ) Độ phân giảii bị giớii hạn bởii số ll−ợng vòng cung trên đĩĩa. Ví dụ nếu đĩĩa có 8 vòng cung thìì độ phân giảii sẽ llà 28 = 256 vùng, hay 360/256 = 1,4o
87. ChCh−−ơơngng II:II: vanvan khíkhí nénnén 1. Nguồn cấp khí nén 2. Các kí hiệu dùng trong van khí nén 3. Nguyên lý làm việc 4. Khảo sát một số mạch dùng khí nén
88. )) MMộộtt hhệệ ththốốngng vanvan khíkhí nénnén thth−−ờngờng baobao ggồồmm nhnhữữngng thiếtthiết bịbị sausau:: MMááyy nénnén khíkhí,, mmạạchch đđiềuiều khikhiểểnn vanvan khíkhí,, ccảảmm biếnbiến vanvan khíkhí,, ccáácc ccơơ cấucấu chấpchấp hhàànhnh 1. Nguồn cấp khí nén )) BaoBao ggồồmm mmộộtt mmááyy nénnén khíkhí,, mmộộtt vanvan áápp suấtsuất,, mmộộtt bbììnhnh chchứứaa
89. 2. Cáckíhiệudùngtrongvan khínén ) Trong phần này ta khảo sát van điềuiều khiển trực tiếp (directional control valves), chúng thuộc loloạii vanvan điềuiều khiển on-off (đóng mở hoàn toàn). ) Phần llớn các van điềuiều khiển trực tiếp đều có 2 hoặc 3 vị trí độc llập Hình (a): Kiểu van 3/2 (3 cổng, 2 vị trí) Hình (b): Kiểu van 5/2 (5 cổng, 2 vị trí)
90. ) Kí hiệu các cơ cấu điềuiều khiển. Lò xo Nút nhấnMức Bμnđạp Chốt ấn Xoay Van điện áp lực khí (*) từ (*) (*): Có thể đ−ợc điều khiển từ xa áp lực khí đ−ợc khuếch đại (*)
91. a) b) c) d) Có llò xo tự trả về. Không có llò xo trả về
92. 3. nguyên lí lμmviệc B A ) Khi nhấn nút, khí theo đ−ờng A vào xi lanhlanh, đẩy pistông về bên phảii B A ) Khi nhả tay, llò xo đẩy pistông về bên tráii, khí theo đ−ờng B đ−a ra ngoàii (đ−ờng xả)
93. A A B C ) Khi nhấn nút, khí theo đ−ờng B vào xi lanhlanh, đẩy pistông về bên phảii, khí ra xả theo đ−ờng C. A B C C ) Khi nhấn nút, khí theo đ−ờng B vào xi lanhlanh, đẩy pistông về bên tráii, khí ra xả theo đ−ờng A.
94. A A B ) Khi nhấn nút, khí theo đ−ờng B vμo xi lanh, sau một thời gian trễ do vít chỉnh định, đẩy pistông về bên phải, ép lò xo lại A B ) Khi nhả nút, lò xo đẩy nhanh pistông về bên trái, khí xả theo đ−ờng A, do hòn bi đ−ợc giải phóng.
95. 3. khảo sát một số mạch dùng khí nén ) ấn nút, khí vào ngăn kéo VA theo đ−ờng A+, đẩy ngăn kéo sang phảii, pistông chuyển dịch ngay sang phảii (+). Cuốii hành trìình pistông sẽ chạm vào tay quay của ngăn kéo a2. Khí vào ngăn kéo VA theo đ−ờng A-, đẩy ngăn kéo sang tráii, pistông chuyển động về bên tráii, nhanh hay chậm tuỳ vào van chỉỉnh địnhịnh
96. Dừng Chạy