ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG GIÁO TRÌNH CẢM BIẾN Giảng viên cao cấp, TS VÕ NHƯ TIẾN Giới thiệu • Cảm biến thiết bị dùng để cảm nhận biến đổi đại lượng vật lý, đại lượng không điện thành đại lượng điện đo • Cảm biến sử dụng thiết bị đo lường, điều khiển, tự động hóa • Nhờ tiến khoa học công nghệ lĩnh vực vật liệu, thiết bị điện tử tin học, cảm biến - Đã giảm thiểu kích thước, - Cải thiện tính năng, - Ngày mở rộng phạm vi ứng dụng • Cảm biến sử dụng: - người máy, - kiểm tra chất lượng sản phẩm, - tiết kiệm 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 sinh viên ngành Kỹ thuật điện, Điện tử, Cơ điện tử, Tự động hoá trường đại học, cao đẳng kỹ thuật, công nghệ • Nội dung môn học giới thiệu kiến thức cảm biến: cấu tạo, nguyên lý hoạt động, đặc trưng 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 CÁC KHÁI NiỆM VÀ ĐẶC TRƯNG CƠ BẢN 1.1 Khái niệm phân loại cảm biến 1.1.1 Khái niệm • Cảm biến thiết bị dùng để cảm nhận biến đổi đại lượng vật lý đại lượng tính chất điện cần đo thành đại lượng điện đo lường xử lý Đại Đại lượng lượng cần cần đo đo (m) (m) CẢM BIẾN Đại lượng đo được (s) • Các đại lượng cần đo (m) thường tính chất điện (như nhiệt độ, áp suất, ánh sáng ) tác động lên cảm biến cho ta đặc trưng (s) mang tính chất điện (như điện tích, điện áp, dòng điện trở kháng) chứa đựng thông tin cho phép xác định giá trị đại lượng đo Đặc trưng (s) hàm đại lượng cần đo (m): s= F( m) • Người ta gọi (s) đại lượng đầu ra, (m) đại lượng đầu vào (cần đo) Thông qua đo đạc (s) cho phép nhận biết giá trị (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: công nghiệp, nghiên cứu KH, thông tin, giao thông, quân Bảng phân loại cảm biến 1.3.2 Độ tuyến tính a) Khái niệm Một cảm biến gọi tuyến tính dải đo xác định dải chế độ đó, độ nhạy không phụ thuộc vào đại lượng đo Trong chế độ tĩnh, độ tuyến tính không phụ thuộc độ nhạy cảm biến vào giá trị đại lượng đo, thể đoạn thẳng đặc trưng tĩnh cảm biến hoạt động cảm biến tuyến tính chừng đại lượng đo nằm vùng Nếu cảm biến không tuyến tính, người ta đưa vào mạch đo thiết bị hiệu chỉnh cho tín hiệu điện nhận đầu tỉ lệ với thay đổi đại lượng đo đầu vào Sự hiệu chỉnh gọi tuyến tính hoá Khi chuẩn cảm biến, từ kết thực nghiệm ta nhận loạt điểm tương ứng (si,mi) đại lượng đầu đại lượng đầu vào Về mặt lý thuyết, cảm biến tuyến tính, đường cong chuẩn đường thẳng Tuy nhiên, sai số đo, điểm chuẩn (si,mi) nhận thực nghiệm thường không nằm đường thẳng Đối với cảm biến không hoàn toàn tuyến tính, người ta đưa khái niệm độ lệch tuyến tính, xác định độ lệch cực đại đường cong chuẩn đường thẳng tốt nhất, tính % dải đo 1.3.3 Sai số độ xác Các cảm biến dụng cụ đo lường khác, đại lượng cần đo (cảm nhận) chịu tác động nhiều đại lượng vật lý khác gây nên sai số giá trị đo giá trị thực đại lượng cần đo Gọi ∆x độ lệch tuyệt đối giá trị đo giá trị thực x (sai số tuyệt đối), sai số tương đối cảm biến tính bằng: ∆x δ= 100 x [%] 1.3.4 Độ nhanh thời gian hồi đáp • Độ nhanh đặc trưng cảm biến cho phép đánh giá khả theo kịp thời gian đại lượng đầu đại lượng đầu vào biến thiên • Thời gian hồi đáp đại lượng sử dụng để xác định giá trị số độ nhanh 1.3.5 Giới hạn sử dụng cảm biến Trong trình sử dụng, cảm biến chịu tác động ứng lực học, tác động nhiệt Khi tác động vượt ngưỡng cho phép, chúng làm thay đổi đặc trưng làm việc cảm biến Bởi sử dụng cảm biến, người sử dụng cần phải biết rõ giới hạn 1.4 Nguyên lý chung chế tạo cảm biến Các cảm biến chế tạo dựa sở tượng vật lý phân làm hai loại: • Cảm biến tích cực: cảm biến hoạt động máy phát, đáp ứng (s) điện tích, điện áp hay dòng điện • Cảm biến thụ động: cảm biến hoạt động trở kháng đáp ứng (s) điện trở, độ tự cảm điện dung 1.4.1 Nguyên lý chế tạo cảm biến tích cực Các cảm biến tích cực chế tạo dựa sở ứng dụng hiệu ứng vật lý biến đổi dạng lượng (nhiệt, xạ) thành lượng điện Dưới mô tả cách khái quát ứng dụng số hiệu ứng vật lý chế tạo cảm biến a) Hiệu ứng nhiệt điện Hai dây dẫn (M1) (M2) có chất hoá học khác hàn lại với thành mạch điện kín, nhiệt độ hai mối hàn T1 T2 khác nhau, mạch xuất suất điện động e(T1, T2) mà độ lớn phụ thuộc chênh lệch nhiệt độ T1 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 ứng dụng để đo nhiệt độ T1 biết trước nhiệt độ T2, thường chọn T2 = 0oC b) Hiệu ứng áp điện Một số vật liệu gọi chung vật liệu áp điện (như thạch anh chẳng hạn) bị biến dạng tác động lực học, mặt đối diện vật liệu xuất lượng điện tích trái dấu, gọi hiệu ứng áp điện Đo V ta xác định cường độ lực tác dụng F F V F Hình 1.6 ứng dụng hiệu ứng áp điện c) Hiệu ứng cảm ứng điện từ Khi dây dẫn chuyển động từ trường không đổi, dây dẫn xuất suất điện động tỷ lệ với từ thông cắt ngang dây dẫn đơn vị thời gian, nghĩa tỷ lệ với tốc độ dịch chuyển dây B Ω e Ω Hình Hiệu ứng cảm ứng điện từ Hiệu ứng cảm ứng điện từ ứng dụng để xác định tốc độ dịch chuyển vật thông qua việc đo suất điện động cảm ứng d) Hiệu ứng quang điện - Hiệu ứng quang dẫn: tượng giải phóng hạt dẫn tự vật liệu (thường bán dẫn) chiếu vào chúng xạ ánh sáng (hoặc xạ điện từ nói chung) có bước sóng nhỏ ngưỡng định - Hiệu ứng quang phát xạ điện tử: tượng điện tử giải phóng thoát khỏi bề mặt vật liệu tạo thành dòng thu lại nhờ tác dụng 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 chế tạo từ trở kháng có thông số chủ yếu nhạy với đại lượng cần đo Giá trị trở kháng phụ thuộc kích thước hình học, tính chất điện vật liệu chế tạo (như điện trở suất ρ, độ từ thẩm µ, số điện môi ε) Vì tác động đại lượng đo ảnh hưởng đến kích thước hình học, tính chất điện đồng thời hai ⇒ thay đổi trở kháng Đo trở kháng → đại lượng đo 1.5 Mạch đo Mạch đo bao gồm toàn thiết bị đo ( có cảm biến) cho phép xác định xác giá trị đại lượng cần đo điều kiện tốt Ở đầu vào mạch đo, cảm biến chịu tác động đại lượng cần đo tạo nên tín hiệu điện, mang theo thông tin đại lượng cần đo Ở đầu mạch đo, tín hiệu điện qua xử lý chuyển đổi sang dạng đọc trực tiếp giá trị cần tìm đại lượng đo Chuẩn hệ đo đảm bảo cho giá trị thị đầu tương ứng với giá trị đại lượng cần đo tác động đầu vào mạch Dạng đơn giản mạch đo gồm cảm biến, phận biến đổi tín hiệu thiết bị thị, ví dụ mạch đo nhiệt độ gồm cặp nhiệt ghép nối trực tiếp với milivôn kế µV Sơ đồ mạch đo nhiệt độ cặp nhiệt Mạch đo FC (1) D (2) Máy in PC (4) KĐ (5) ADC (6) CPU (7) Màn hình PA (3) Hình 1.11 Mạch đo điện bề mặt FC (1) Máy phát chức năng, D ( 2) Cảm biến điện tích, PA (3) Tiền khuếch đại PC (4) So pha lọc nhiễu, KĐ (5) Khuếch đại, ADC (6) Chuyển đổi tương tự số, CPU(7) Máy tính e) Mạch cầu Cầu Wheatstone thường sử dụng mạch đo nhiệt độ, lực, áp suất, từ trường Cầu gồm bốn điện trở R1, R2, R3 cố định R4 thay đổi U R1 R3 Vra + R2 − R4 = R(1+∆) Hình 1.15 Sơ đồ mạch cầu ... tạo cảm biến Các cảm biến chế tạo dựa sở tượng vật lý phân làm hai loại: • Cảm biến tích cực: cảm biến hoạt động máy phát, đáp ứng (s) điện tích, điện áp hay dòng điện • Cảm biến thụ động: cảm biến. .. nhạy cảm biến Đối với cảm biến tuyến tính, biến thiên đầu ∆s biến thiên đầu vào ∆m có liên hệ tuyến tính: ∆s = f ∆m Độ nhạy cảm biến: ∆s f = ∆m Để phép đo đạt độ xác cao, thiết kế sử dụng cảm biến. .. dụng cảm biến Trong trình sử dụng, cảm biến chịu tác động ứng lực học, tác động nhiệt Khi tác động vượt ngưỡng cho phép, chúng làm thay đổi đặc trưng làm việc cảm biến Bởi sử dụng cảm biến,