Tài liệu Bg cb&pttd

Bài giảng: Cảm biến và phần tử tự động Đ.Đ.T CHƯƠNG 1 KHÁI QUÁT CHUNG VỀ PHẦN TỬ TỰ ĐỘNG TRONG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 1.1. Khái quát chung Hình 1.1. Phần tử tự động Hình 1.2. Phần tử tự động nhiều tín hiệu vào/ra Trong đó: x: tín hiệu vào. y: tín hiệu ra. Phần tử có thể là: phần tử cảm biến, phần tử khuếch đại, phần tử Role, phần tử ổn định, phần tử biến đổi, phần tử chấp hành… Phần tử có thể có một hoặc nhiều tín hiệu vào, nhiều tín hiệu ra. Chức năng: - Điều khiển, điều chỉnh. - Kiểm tra và tự động kiểm tra hệ thống. - Dự báo hỏng hóc, bảo vệ hệ 1.2. Phân loại các phần tử tự động a. Phân loại dựa vào chức năng - Biến đổi với quan hệ Vào/Ra đơn trị ( phần tử cảm biến). - Biến đổi Điện / Không điện và ngược lại. - Biến đổi tín hiệu theo trị số năng lượng ( bộ KĐ). - Biến đổi tín hiệu Rời rạc/ Liên tục ( ADC/ DAC) và ngược lại. - Biến đổi dòng Một / Xoay chiều và ngược lại ( chỉnh lưu, nhạy pha, nghịch lưu...), - Thực hiện các phép toán logic, - Phần tử so sánh, - Phân phối tín hiệu với các mạch khác nhau - Phần tử tạo chương trình.... b. Phân theo tính chất các phần tử - Nhóm cảm biến tín hiệu. 1 Bài giảng: Cảm biến và phần tử tự động Đ.Đ.T - Nhóm rơle. - Nhóm khuếch đại. - Nhóm ổn định. - Nhóm giải tích. - Phần tử nhớ... c. Phân theo dạng tín hiệu - Tín hiệu liên tục, - Tín hiệu rời rạc 1.3. Các đặc trưng cơ bản của phần tử tự động 1.3.1. Hệ số biến đổi - Hệ số biến đổi là tỉ số giữa sự biến thiên tín hiệu đầu ra y và biến thiên tín hiệu đầu vào x y x (1.1) Trong đó: k: là hệ số biến đổi; k phụ thuộc vào đặc tính vào ra của phần tử y = f(x). Với các phần tử là tuyến tính thì k = const; với các phần tử là tuyến tính thì k là một hàm số. 1.3.2. Sai số - Sai số là sự thay đổi của tín hiệu đầu ra khi tín hiệu đầu vào không đổi. + Sai số tuyệt đối: + Sai số tương đối: + Sai số quy đổi: 1.3.3. Ngưỡng nhạy - Ngưỡng nhạy là sự thay đổi giá trị tối thiểu của tín hiệu đầu vào mà không gây ra sự thay đổi của tín hiệu đầu ra. Hình 1.3. Ngưỡng nhạy 2 Bài giảng: Cảm biến và phần tử tự động Đ.Đ.T 1.3.4. Phản hồi Hình 1.4. Khâu phản hồi - Tác dụng dùng để tăng cường tín hiệu ( hệ số khuếch đại ) hoặc tăng tính ổng định. - Với phần tử có phản hồi hàm truyền tĩnh được tính theo công thức : ktt  W1 1  WW 1 2 (1.2) Trong đó: +Dấu âm (-) sử dụng trong phản hồi dương ( hình b); và dấu cộng (+) sử dụng cho phản hồi âm ( hình a ). + W1 là hàm truyền mạch hở còn W2 hàm truyền mạch kín có phản hồi. 1.4. Các khâu trong hệ thống tự động 1.4.1. Khâu Role hai trạng thái Hình 1.5. Đặc tính khâu role hai trạng thái Tín hiệu ra: y  Ym .Sgn( x) Trong đó: Sgn(u) là hàm tín hiệu ( hàm dấu ): - Khâu hai trạng thái thường dùng để mô tả bộ điều khiển Role lý tưởng. - Nếu tín hiệu vào dao động xung quang điểm 0 thì tín hiệu ra sẽ nhảy bậc do vậy để khắc phụ người ta sử dụng khâu khuếch đại bão hòa. 1.4.2. Khâu khuếch đại bão hoà Phần tử có đặc tính dạng có vùng bão hoà thường gặp ở bộ điều chỉnh tốc độ động cơ có giới hạn tốc độ.  Ym Sgn( x).....neu x  D y   K .x.....neu x  D 3 Bài giảng: Cảm biến và phần tử tự động Đ.Đ.T Hình 1.6. Đặc tính khâu khuếch đại bão hoà 1.4.3. Khâu khuếch đại có vùng chết (dead band): Đặc tính có vùng không nhạy, D gọi là ngưỡng của độ nhạy. Phần tử này thường gặp trong đặc tính của máy phát tốc một chiều, mạch giữ điện áp có sự tham gia của diode.   K . x  D.Sgn( x) .....neu x  D y  0....neu x  D Hình 1.7. Đặc tính khuếch đại có vùng chết 1.4.4. Khâu rơ le ba trạng thái Phần tử có đặc tính role, tín hiệu ra thay đổi đột biến: Công tắc tơ, Trigo Smith.  Ym .Sgn( x).....neu x  D y  0....neu x  D Hình 1.8. Đặc tính Role ba trạng thái 1.4.5. Khâu Role hai trạng thái có trễ Phần tử có đặc tính dạng khe hở như hình 1.9 thường gặp ở các phần tử có hiện tượng từ trễ : 4 Bài giảng: Cảm biến và phần tử tự động Đ.Đ.T  Ym Sgn( x)..............neu x  D y  Ym Sgn( x)............neu x  D Hình 1.9. Đặc tính Role hai trạng thái có trễ 1.4.6. Khâu Role ba trạng thái có trễ Hình 1.10. Đặc tính Role ba trạng thái có trễ 1.4.7. Khâu khuếch đại bão hòa có trễ Hình 1.10. Đặc tính khâu khuếch đại bão hòa có trễ 1.5. Yêu cầu chung với các phần tử tự động - An toàn cho người vân hành, sử dụng. - Có độ tin cậy cao, bền vững, hoạt động chính xác, ít hỏng hóc.. - Có cấu trúc đơn giản; dễ bảo dưỡng, sửa chữa; dễ thay thế, lắp đặt; dễ phát hiện hư hỏng; Cấu trúc module, khối hoá. - Làm việc được trong mọi môi trường khắc nghiệt: Độ ẩm cao, nồng độ dầu, muối, hoá chất cao... 5 Bài giảng: Cảm biến và phần tử tự động Đ.Đ.T CHƯƠNG 2 PHẦN TỬ ĐO VÀ CẢM BIẾN 2.1. Khái niệm và phân loại 2.1.1. 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 thường không có tính chất điện (như nhiệt độ, áp suất...) tác động lên cảm biến cho ta một đặc trưng 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. Hình 2.1. Cấu trúc cảm biến Với: y  f  x (2.1) Trong đó: (y) là đại lượng đầu ra, (x) là đại lượng đầu vào hay kích thích (có nguồn gốc là đại lượng cần đo). 2.1.2. Phân loại a. Phân loại theo nguyên lý chuyển đổi giữa kích thích và đáp ứng Hiện tượng Chuyển đổi đáp ứng và kích thích Vật lý Hóa học Sinh học 6 - Nhiệt điện - Quang điện - Quang từ - Điện từ - Từ điện - Nhiệt từ - Biến đổi hóa học - Biến đổi điện hóa… - Biến đổi sinh hóa - Biến đổi vật lý - Hiệu ứng trên cơ thể… Bài giảng: Cảm biến và phần tử tự động Đ.Đ.T b. Phân loại theo dạng kích thích Dạng kích thích Chuyển đổi đáp ứng và kích thích Âm thanh Điện Từ - Biên pha, phân cực - Phổ - Tốc độ truyền sóng - Điện tích, dòng điện - Điện áp, hiệu điện thế - Điện trường - Điện dẫn, hằng số điện môi - Từ trường - Từ thông - Độ từ thẩm c. Phân loại theo tính năng của bộ cảm biến - Độ nhạy - Độ trễ - Độ chính xác - Khẳ năng quá tải - Độ phân giải - Tốc độ đáp ứng - Độ chọn lọc - Độ ổn định - Độ tuyến tính - Tuổi thọ - Công suất tiêu thụ - Điều kiện môi trường - Dải tần - Kích thước, trọng lượng d. Phân loại theo phạm vi sử dụng - Công nghiệp - Dân dụng - Khoa học kỹ thuật - Môi trường - Nông nghiệp - Giao thông - Viễn thông… e. Phân loại theo thông số của mô hình thay thế - Cảm biến tích cực có đầu ra là nguồn áp hoặc nguồn dòng. - Cảm biến thụ động được đặc trưng bởi các thông số R, L, C tuyến tính hoặc phi tuyến. 7 Bài giảng: Cảm biến và phần tử tự động Đ.Đ.T 2.1.3. Đặc trưng của cảm biến a. Hàm truyền Hàm Truyền là biểu thức mô tả quan hệ giữa đáp ứng và kích thích của cảm biến. Hàm truyền có thể được biểu diễn dưới dạng tuyến tính, phi tuyến, theo hàm logarit, hàm luỹ thừa hoặc hàm mũ. Quan hệ tuyến tính giữa đáp ứng và kích thích: y  a  bx (2.2) Trong đó: a: là hằng số bằng tín hiệu ra khi tín hiệu vào bằng 0. b: là độ nhạy. y: là một trong các đặc trưng của tín hiệu ra, có thể là biên độ, tần số, hoặc pha, tuỳ theo tính chất của bộ cảm biến. - Hàm truyền logarit có dạng: y  1  ln x (2.3) - Hàm truyền dạng mũ: y  a.ekx (2.4) - Hàm truyền dạng luỹ thừa: y  a0  a1 x k (2.5) Trong đó: k là hằng số b) Độ nhạy Đối với cảm biến tuyến tính, giữa biến thiên đầu ra Δy và biến thiên đầu vào Δx có sự liên hệ tuyến tính: y  b.x (2.7) Đại lượng b được xác định bởi biểu thức: b  y được gọi là độ nhạy của cảm biến. x Để phép đo đạt độ chính xác cao, khi thiết kế và sử dụng cảm biến cần làm cho độ nhạy của nó không đổi, nghĩa là ít phụ thuộc nhất vào các yếu tố sau: - Giá trị của đại lượng cần đo x và tần số thay đổi của nó. - Thời gian sử dụng. - Ảnh hửởng của các đại lượng vật lý khác (không phải là đại lượng đo) của môi trường xung quanh. Thông thừờng nhà sản xuất cung cấp giá trị của độ nhạy tương ứng với những điều kiện làm việc nhất định của cảm biến. 8 Bài giảng: Cảm biến và phần tử tự động Đ.Đ.T c) Độ lớn của tín hiệu vào Độ lớn của tín hiệu vào là giá trị lớn nhất của tín hiệu đặt vào bộ cảm biến mà sai số không vượt quá ngưỡng cho phép. Đối với các bộ cảm biến có đáp ứng phi tuyến, ngưỡng động của kích thích thường được biểu diễn bằng dexibel, bằng logarit của tỉ số công suất hoặc điện áp tín hiệu ra và tín hiệu vào: 1db  10lg P1 u  20lg 2 P2 u1 (2.8) d) 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. - Sai số tương đối của bộ cảm biến được tính bằng: %  x .100% x (2.9) - Trong đó: Δx là độ lệch tuyệt đối giữa giá trị đo và giá trị thực x (sai số tuyệt đối). - Khi đánh giá sai số của cảm biến, người ta thường phân chúng thành hai loại: + Sai số hệ thống + Và sai số ngẫu nhiên. * Sai số hệ thống: - Là sai số không phụ thuộc vào số lần đo, có giá trị không đổi hoặc thay đổi chậm theo thời gian đo và thêm vào một độ lệch không đổi giữa giá trị thực và giá trị đo được. Sai số hệ thống thường do sự thiếu hiểu biết về hệ đo, do điều kiện sử dụng không tốt gây ra. - Các nguyên nhân gây ra sai số hệ thống có thể là: + Do giá trị của đại lượng chuẩn không đúng. + Do đặc tính của bộ cảm biến. + Do điều kiện và chế độ sử dụng. + Do xử lý kết quả đo. * Sai số ngẫu nhiên: - Là sai số xuất hiện có độ lớn và chiều không xác định. Ta có thể dự đoán được một số nguyên nhân gây ra sai số ngẫu nhiên nhưng không thể dự đoán được độ lớn và dấu của nó. - Các nguyên nhân gây ra sai số ngẫu nhiên có thể là: + Do sự thay đổi đặc tính của thiết bị. + Do tín hiệu nhiễu ngẫu nhiên. + Do các đại lượng ảnh hưởng không được tính đến khi chuẩn cảm biến. 9 Bài giảng: Cảm biến và phần tử tự động Đ.Đ.T e) Độ tuyến tính: Một cảm biến được gọi là tuyến tính trong một dải đo xác định nếu trong dải đó độ nhạy ( b ) 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. - Trong chế độ động, độ tuyến tính bao gồm sự không đổi của độ nhạy tĩnh, tần số dao động riêng quyết định hồi đáp, hệ số suy giảm không phụ thuộc vào kích thích. - Khi cảm biến không tuyến tính, 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. f) 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. Thời gian hồi đáp đặc trưng cho chế độ quá độ của cảm biến và là hàm của các thông số thời gian xác định chế độ này. 2.1.4. Nguyên lý chung để 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 - Cảm biến thụ động a. Cảm biến tích cực * Khái niệm: - Cảm biến tích cực là loại cảm biến hoạt động như một máy phát, trong đó đáp ứng ( đầu ra y ) thường là điện tích, điện áp hoặc dòng điện. * Nguyên lý chế tạo các cảm biến tích cực: - 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. - Các hiệu ứng được ứng dụng để chế tạo cảm biến tích cực: + Hiệu ứng nhiệt điện + Hiệu ứng hỏa điện + Hiệu ứng áp điện + Hiệu ứng cảm ứng điện từ + Hiệu ứng quang điện 10 Bài giảng: Cảm biến và phần tử tự động Đ.Đ.T + Hiệu ứng Hall b. Cảm biến thụ động * Khái niệm: - Cảm biến thụ động là cảm biến hoạt động như một trở kháng; trong đó đáp ứng ( đầu ra y) thường là giá trị điện trở, độ tự cảm hoặc điện dung. * Nguyên lý chế tạo các cảm biến tích cực: - Cảm biến thụ động thường được chế tạo từ những trở kháng có một trong các thông số chủ yếu nhạy với các đại lượng cần đo. Gía trị của trở kháng phụ thuộc vào kích thước hình học của mẫu và tính chất điện của vật liệu như điện trở suất, độ từ thẩm, hằng số điện môi. 2.2. Cảm biến tốc độ 2.2.1. Nguyên lý đo vận tốc - Trong công nghiệp, phần lớn trường hợp đo vận tốc là đo tốc độ quay của các loại máy điện. Trong trường hợp truyền động thẳng, việc đo vận tốc dài cũng được chuyển về đo tốc độ quay. - Để đo vận tốc góc thường ứng dụng các phương pháp sau: + Cảm biến tốc độ kiểu điện – từ + Cảm biến tốc độ kiểu xung. * Cảm biến tốc độ kiểu điện - từ: - Nguyên lý hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ. Cảm biến thường gồm có hai phần: phần cảm (nguồn từ thông) và phần ứng (phần có từ thông đi qua). Khi có chuyển động tương đối giữa phần cảm và phần ứng từ thông đi qua phần ứng biến thiên, trong đó xuất hiện suất điện động cảm ứng và suất điện động cảm ứng này tỉ lệ với tốc độ. - Thông thường là các loại máy phát điện một chiều, máy phát đồng bộ … * Cảm biến tốc độ dạng xung: - Làm việc theo nguyên tắc đo tần số chuyển động của phần tử chuyển động tuần hoàn ( chuyển động quay ). Cảm biến loại này thường có một đĩa được mã hoá gắn với trục quay, chẳng hạn gồm các phần trong suốt xen kẽ các phần không trong suốt. Cho chùm sáng chiếu qua đĩa đến một đầu thu quang, xung điện lấy từ đầu thu quang có tần số tỉ lệ với vận tốc quay cần đo. a. Máy phát điện một chiều công suất nhỏ Hình 2.2. Sơ đồ cấu tạo của máy phát một chiều 11 Bài giảng: Cảm biến và phần tử tự động Đ.Đ.T Trong đó: 1. Stator 2. Rotor 3. Cổ góp 4. Chổi than Nguyên lý: + Stato (phần cảm) là một nam châm điện hoặc nam châm vĩnh cửu. + Roto (phần ứng) là một trục sắt gồm nhiều lớp ghép lại, trên mặt ngoài roto xẻ các rãnh song song với trục quay và cách đều nhau. Trong các rãnh đặt các dây dẫn bằng đồng gọi là dây chính, các dây chính được nối với nhau từng đôi một bằng các dây phụ. + Cổ góp là một hình trụ trên mặt có gắn các lá đồng cách điện với nhau, mỗi lá nối với một dây chính của roto. + Hai chổi quét ép sát vào cổ góp được bố trí sao cho tại một thời điểm chúng luôn tiếp xúc với hai lá đồng đối diện nhau. + Mối quan hệ sức điện động (sđđ) và tốc độ được trình bày trong biểu thức: E p.N pN .0   0 n  Ke .n. 0 2 a 60a (2.10) Trong đó: E: Suất điện động cảm ứng. : Vận tốc góc. n (vg/phut): Tốc độ quay; 0: Từ thông cực từ. Vì từ thông cực từ của nam châm vĩnh cửu được coi là không đổi nên quan hệ giữa sđđ và tốc độ có thể viết: E  Ke .n (2.11) Đặc tính biểu diễn mối quan hệ giữa suất điện động và tốc độ như hình 2.2. Hình 2.3. Đồ thị mối quan hệ giữa suất điện động và tốc độ 12 Bài giảng: Cảm biến và phần tử tự động Đ.Đ.T Nhận xét : Với đặc tính này, khi sử dụng máy phát tốc độ một chiều người ta phải lựa chọn dải tốc độ nằm trong khoảng từ n1 đến n2 để có được mối quan hệ giữa Sđđ và tốc độ là tuyến tính. Ưu điểm - Dải đo tương đối rộng. - Có thể nhận biết được chiều quay. Nhược điểm: - Độ nhanh của cảm biến không cao. - Chi phí kỹ thuật cao và có yêu cầu năng lượng phụ trợ. b) Cảm biến tốc độ xoay chiều * Máy phát đồng bộ Sơ đồ cấu tạo của máy phát đồng bộ công suất nhỏ: Hình 2.4. Sơ đồ cấu tạo của máy phát đồng bộ - Roto (phầm cảm) của máy phát là một nam châm hoặc tổ hợp của nhiều nam châm nhỏ. - Phần ứng ( Stator ) gồm các cuộn dây bố trí cách đều trên mặt trong của stato là phần tạo ra suất điện động cảm ứng hình sin có biên độ tỉ lệ với tốc độ quay của roto: et   Em .Sin t (2.12) Trong đó: Em  K1.   K 2 . Với K1, K2: là các thông số đặc trưng của máy phát. * Trong đó giá trị của  có thể được xác định theo suất điện động E: - Cuộn cảm ứng có trở kháng trong được tính theo công thức: Z i  Ri  jLi (2.13) Trong đó: + Ri: là điện trở của cuộn dây. + Li: là độ tự cảm của cuộn dây. - Điện áp ở hai đầu cuộn ứng với tải R có giá trị: 13 Bài giảng: Cảm biến và phần tử tự động U RE  R  Ri    Li  2 2 Đ.Đ.T  RK1  R  Ri    Li K 2  2 2 (2.14) Nhận xét: Ta thấy điện áp U không phải là hàm tuyến tính của tốc độ quay ω. Điều kiện để sử dụng máy phát như một cảm biến vận tốc là R >> Zi để sao cho có thể coi U ≈ E. * Giá trị của  có thể được xác định bằng cách đo tần số của suất điện động. 2.2.3. Cảm biến tốc độ dạng xung Cảm biến tốc độ dạng xung thường có cấu tạo đơn giản, chắc chắn, chịu đựng tốt trong môi trường độc hại, khả năng chống nhiễu và chống suy giảm tín hiệu cao, dễ biến đổi tín hiệu sang dạng số. Tuỳ thuộc vào bản chất của vật quay và dấu hiệu mã hoá trên vật quay, người ta sử dụng loại cảm biến thích hợp: + Cảm biến tốc độ theo nguyên lý từ trở biến thiên: sử dụng khi vật quay là sắt từ. + Cảm biến từ điện trở: sử dụng khi vật quay là một hay nhiều nam châm nhỏ. + Cảm biến tốc độ dạng quang: sử dụng khi trên vật quay có các lỗ, đường vát, mặt phản xạ. a. Cảm biến tốc độ theo nguyên lý từ trở biến thiên Hình 2.5. Sơ đồ cấu tạo của cảm biến từ trở biến thiên Trong đó: 1. Đĩa quay (bánh răng) 2. Cuộn dây 3. Nam châm vĩnh cửu Cấu tạo của cảm biến từ trở biến thiên gồm: một cuộn dây có lõi sắt từ chịu tác động của một nam châm vĩnh cửu đặt đối diện với một đĩa quay làm bằng vật liệu sắt từ trên đó có các bánh răng. Nguyên lý: Khi đĩa quay, từ trở của mạch từ biến thiên một cách tuần hoàn làm cho từ thông qua cuộn dây biên thiên, trong cuộn dây xuất hiện một suất điện động cảm ứng có tần số tỉ lệ với tốc độ quay. 14 Bài giảng: Cảm biến và phần tử tự động Đ.Đ.T - Tần số của suất điện động trong cuộn dây xác định bởi biểu thức: f  p.n - Trong đó: p - số lượng răng trên đĩa. n - số vòng quay của đĩa trong một giây. - Biên độ E của suất điện động trong cuộn dây phụ thuộc hai yếu tố: + Khoảng cách giữa cuộn dây và đĩa quay: khoảng cách càng lớn E càng nhỏ. Thực tế, khoảng cách này khoảng từ 1  3 mm. + Tốc độ quay: Tốc độ quay càng lớn, E càng lớn. - Dải đo của cảm biến phụ thuộc vào số răng của đĩa. Ưu điểm: - Độ tin cậy và độ chính xác tương đối cao. - Việc xử lí tín hiệu đơn giản, không đòi hỏi các thiết bị phức tạp. Nhược điểm: - Khi tốc độ quay nhỏ, biên độ E rất bé và khó phát hiện, do vậy tồn tại 1 vùng tốc độ quay không thể đo được, người ta gọi vùng này là vùng chết. b. Cảm biến tốc độ quang Hình 2.6. Sơ đồ nguyên lý của cảm biến tốc độ quang Trong đó: 1. Nguồn sáng 2. Thấu kính hội tụ 3. Đĩa quay 4. Đầu thu quang - Nguồn sáng phát tia hồng ngoại là một diot phát quang (LED). - Đĩa quay, đặt giữa nguồn sáng và đầu thu, có các lỗ bố trí cách đều trên một vòng tròn. Đầu thu là một photodiode hoặc phototranzitor. Khi đĩa quay, đầu thu chỉ chuyển mạch khi nguồn sáng, lỗ, nguồn phát sáng thẳng hàng. Kết quả là khi đĩa quay, đầu thu quang nhận được một thông lượng ánh sáng biến điệu và phát tín hiệu có tần số tỉ lệ với tốc độ quay nhưng biên độ không phụ thuộc tốc độ quay. 15 Bài giảng: Cảm biến và phần tử tự động Đ.Đ.T - Trong các cảm biến quang đo tốc độ, người ta cũng có thể dùng đĩa quay có các vùng phản xạ ánh sáng bố trí tuần hoàn trên một vòng tròn để phản xạ ánh sáng tới đầu thu quang. - Phạm vi tốc độ đo được phụ thuộc vào hai yếu tố chính: + Số lượng lỗ trên đĩa. + Dải thông của đầu thu quang và của mạch điện tử. Để đo tốc độ nhỏ (~ 0,1 vòng/phút) phải dùng đĩa có số lượng lỗ lớn (500 - 1.000 lỗ). Trong trường hợp đo tốc độ lớn ( ~ 105 - 106 vòng/phút) phải sử dụng đĩa quay chỉ một lỗ, khi đó tần số ngắt của mạch điện xác định tốc độ cực đại có thể đo được. Ưu điểm: - Kết quả đo có tính chính xác cao - Thiết bị gọn nhẹ. - Có thể lưu lại được kết quả đo nhiều lần Nhược điểm: - Giá thành cao vì chế tạo phức tạp, đọc tín hiệu ngõ ra khó. 2.3. Cảm biến nhiệt độ Đặt vấn đề: Nhiệt độ có ảnh hưởng lớn nhất đền tính chất vật chất. Bởi vậy trong nghiên cứu khoa học, trong công nghiệp cũng như trong đời sống hàng ngày việc đo nhiệt độ là rất cần thiết. Tuy nhiên việc xác định chính xác một nhiệt độ là vấn đề không đơn giản. Đa số các đại lượng vật lý đều có thể xác định trực tiếp nhờ so sánh chúng với một đại lượng cùng bản chất. Nhiệt độ là đại lượng chỉ có thể đo gián tiếp dựa vào sự phụ thuộc của tính chất vật liệu vào nhiệt độ. Để đo được trị số chính của nhiệt phải dùng cảm biến nhiệt độ. Để chế tạo các bộ cảm biến nhiệt độ người ta sử dụng nhiều nguyên lý khác nhau như các nhiệt điện trở, nhiệt ngẫu, phương pháp quang dựa trên phân bố phổ bức xạ nhiệt do dao động nhiệt, phương pháp dựa trên sự giãn nở của vật rắn, chất lỏng hoặc chất khí hoặc dựa trên tốc độ âm. Các loại cảm biến nhiệt độ: 2.3.1. Nhiệt điện trở a. Nguyên lý chung - Nguyên lý chung đo nhiệt độ bằng các điện trở là dựa vào sự phụ thuộc của điện trở suất của vật liệu theo nhiệt độ. - Sự thay đổi điện trở theo nhiệt độ được tính bởi công thức tổng quát: R T   R0 .F T  T0  (2.15) - Trong đó: R0 : là điện trở ở nhiệt độ T0 F: là hàm đặc trưng cho vật liệu và F = 1 khi T = T0 16 Bài giảng: Cảm biến và phần tử tự động Đ.Đ.T - Trong thực tế hiện nay thường sử dụng ba loại điện trở đo nhiệt độ là: 1. Điện trở kim loại. 2. Điện trở Silic. 3. Và điện trở chế tạo bằng hỗn hợp các Oxit bán dẫn. 2.3.1. Nhiệt điện trở a. Nhiệt điện trở kim loại (RTD - Resitance Temperature Detector ) Yêu cầu chung đối với vật liệu làm điện trở: - Có điện trở suất p đủ lớn để điện trở ban đầu R0 lớn mà kích thược nhiệt kế vẫn nhở. - Có đủ độ bền cơ, hóa ở nhiệt độ làm việc. - Dễ gia công và có khả năng thay thế. Các cảm biến nhiệt thường được chế tạo bằng Đồng, Plantium và Ni. - Quan hệ giữa nhiệt độ và nhiệt điện trở kim loại: Rt  R0 1   t   t 2   t 3  (2.16) - Trong đó: β và  trong phạm vi sử dụng với độ chính xác không cao thì coi như không đáng kể và quan hệ giữa Rt và to là tuyến tính. Hình 2.7. Nhiệt điện trở công nghiệp dùng Platin Trong đó: 1. Dây platin 2. Gốm cách điện 3. Ống platin 4. Dây nối 5. Sứ cách điện 6. Trục gá 7. Cách điện chịu nhiệt 8. Vỏ bọc kim loại 9. Xi măng (nhồi) - Để sử dụng RTD làm dụng cụ đo nhiệt độ người ta thường dùng một mạch cầu Wheatstone để kết nối với RTD. 17 Bài giảng: Cảm biến và phần tử tự động Đ.Đ.T Sơ đồ mạch cầu Wheatstone như hình vẽ: Hình 2.8. Mạch cầu Wheatstone dùng cho nhiệt điện trở - Khi đó điện áp ra tính theo công thức: - Trong đó: V là điện áp cung cấp cho mạch cầu. Các điện trở R1,R2 thường có giá trị bằng nhau và R3 thường là một biến trở để điều chỉnh để mạch cầu cân bằng ở nhiệt độ 0oC. - Trên thị trường có các loại nhiệt kế điện trở dùng Platinum: 100, 200, 500, 1000 Ohm tại 0 oC như thông dụng nhất là loại nhiệt điện trở Pt 100. - Loại Pt-100 nghĩa là điện trở ở nhiệt độ 0 oC bằng 100 Ohm loại này rất hay gặp. - Nhiệt kế điện trở loại này có công thức tính điện trở như sau: - Giá trị hằng số α thường lấy bằng 0.00385oC-1 và được coi là không đổi trong thang nhiệt độ 0 ÷100 độ. - Nhiệt điện trở kim loại RTD thường có loại sử dụng 2 dây hoặc 3 dây hoặc 4 dây nối. Hình 2.9. Nhiệt điện trở kim loại sử dụng 2 dây Nhận xét: - RTD 2 dây thường được sử dụng vì cách đầu nối đơn giản (trong thực tế thường 1 dây mầu đỏ và một dây mầu đen). - Độ chính xác không cao. 18 Bài giảng: Cảm biến và phần tử tự động Đ.Đ.T Hình 2.10. Nhiệt điện trở kim loại sử dụng 3 dây Nhận xét: - RTD 3 dây giảm được sai số đo so với RTD 2 dây. - Đối với RTD 3 dây thì các dây phải có cùng chiều dài và vật liệu (thực tế thường có 1 dây mầu đỏ và 2 dây mầu đen). - Khoảng cách dây nối có thể dài đến 600m. Hình 2.11. Nhiệt điện trở kim loại sử dụng 4 dây Nhận xét: - RTD 4 dây có độ sai số và độ tin cậy tốt nhất - Không có sai số hệ thống. - Bù được hoàn toàn ảnh hưởng của sai số - Thực tế thường TRD 4 dây thường có 2 dây mầu đỏ và 2 dây mầu đen. Hình 2.12. Nhiệt điện trở công nghiệp dùng Platin 19 Bài giảng: Cảm biến và phần tử tự động Đ.Đ.T * Nhận xét chung về nhiệt điện trở kim loại - Ưu điểm: + Độ chính xác cao, phạm vi đo rộng + Độ ổn định theo thời gian cao, độ trôi hơn 0,1oC / năm + Tín hiệu điện áp ra lớn hơn loại cặp nhiệt điện + Độ tuyến tính điện trở rất tốt - Nhược điểm: + Giá thành cao, kích thước lớn + Không bền như nhiệt cặp nhiệt trong môi trường rung động cao và va đập mạnh. * Ứng dụng của nhiệt điện trở RTD - Tủ lạnh, điều hòa không khí. - Bếp nướng. - Công nghệ chế biến thực phẩm - Đo nhiệt độ, khí, ga… - Vi điều khiển b. Nhiệt điện trở bán dẫn Nhiệt điện trở bán dẫn được chế tạo như những linh kiện điện tử. Vì vậy, giá trị của nó tại một nhiệt độ xác định không chính xác. Quan hệ giữa nhiệt độ và điện trở không tuyến tính và không đồng đều giữa các điện trở với nhau. Rt  A. . B T2 (2.17) Trong đó: A, B đều không ổn định     B T2 thường nằm trong khoảng:  = (-2.5% ÷ -4%). Hệ số nhiệt độ nhiệt điện trở bán dẫn có giá trị âm, có độ lớn gấp 6 – 10 lần nhiệt điện trở kim loại vì thế được dùng trong các mạch khống chế nhiệt độ, hoặc đo nhiệt độ trong phạm vi rất nhỏ. - Nhiệt điệ trở bán dẫn có kích thước nhỏ, có độ nhạy cao theo nhiệt độ nên nhiệt điện trở bán dẫn cũng được dùng rộng rãi. Tuy nhiên, cũng do tính phi tuyến của nhiệt điện trở bán dẫn nên việc sử dụng có nhiều hạn chế, cần phải hiệu chỉnh phi tuyến. - Nhiệt điện trở bán dẫn - Thermistor, được làm từ hỗn hợp các oxit bán dẫn đa tinh thể như: MgO, MgAl2O4, Mn2O3, Fe3O4, Co2O3, NiO. - Để chế tạo nhiệt điện trở bán dẫn các bột oxit được trộn với nhau theo tỉ lệ thích hợp, sau đó chúng được nén định dạng và thiêu kết ở nhiệt độ 1000oC. Các dây nối kim loại được hàn 2 điểm trên bề mặt bán dẫn đã được phủ bằng một lớp kim loại, Các Nhiệt điện trở bán dẫn được 20