Đang tải... (xem toàn văn)
Đề tài: Nguyên lý hoạt động và đặc điểm sử dụng của các cảm biến dùng trong thiết bị đo lường tự động (từ 3 – 5 loại), có hình minh họa bằng thiết bị đo cụ thể.I. Mở đầu.Ngày nay kỹ thuật đo lường tự động đang có những bước phát triển nhảy vọt. Có được sự phát triển này là nhờ sự kết hợp chặt chẽ giữa lý thuyết đo lường và điều khiển hiện đại với công cụ toán tin. Sản phẩm của sự kết hợp này đã tạo ra các loại cảm biến đa dạng và phong phú đáp ứng hầu hết các yêu cầu đo lường được đặt ra.Có thể nói các bộ cảm biến đóng vai trò quan trọng nhất trong lĩnh vực đo lường và điều khiển, chúng cảm nhận và đáp ứng theo các kích thích sau đó chuyển các đại lượng này thành các đại lượng điện để truyền thông tin về hệ thống đo lường điều khiển. Các bộ cảm biến giúp chúng ta nhận dạng, đánh giá và điều khiển mọi biến trạnh thái của đối tượng, vai trò của chúng đối với kỹ thuật đo lường và điều khiển giống như các giác quan đối với cơ thể sống.Các cảm biến có cấu trúc phong phú từ đơn giản đến phức tạp. Tuy nhiện xu hướng chung là các cảm biến đều triệt để khai thác các thành tựu của vật lý học hiện đại, của công nghệ mới trong điện tử và tin học, của lý thuyết điều khiển hiện đại nhằm tạo nên các cảm biến thông minh và có độ linh hoạt ngày càng cao. Sự phát triển cao nhất của cảm biến là các sản phẩm cảm biến thông minh, đó là các loại cảm biến có khả năng lập trình, cho phép đo với độ nhạy và chính xác cao đồng thời có khả năng tự đông thay đổi thang đo, tự động khử nhiễu, tự động xử lý kết quả đo và có khả năng đo từ xa.....
TIỂU LUẬN HỆ THỐNG ĐO LƯỜNG TỰ ĐỘNG Đề tài: Nguyên lý hoạt động đặc điểm sử dụng cảm biến dùng thiết bị đo lường tự động (từ – loại), có hình minh họa thiết bị đo cụ thể I Mở đầu Ngày kỹ thuật đo lường tự động có bước phát triển nhảy vọt Có phát triển nhờ kết hợp chặt chẽ lý thuyết đo lường điều khiển đại với công cụ toán tin Sản phẩm kết hợp tạo loại cảm biến đa dạng phong phú đáp ứng hầu hết yêu cầu đo lường đặt Có thể nói cảm biến đóng vai trò quan trọng lĩnh vực đo lường điều khiển, chúng cảm nhận đáp ứng theo kích thích sau chuyển đại lượng thành đại lượng điện để truyền thông tin hệ thống đo lường điều khiển Các cảm biến giúp nhận dạng, đánh giá điều khiển biến trạnh thái đối tượng, vai trò chúng kỹ thuật đo lường điều khiển giống giác quan thể sống Các cảm biến có cấu trúc phong phú từ đơn giản đến phức tạp Tuy nhiện xu hướng chung cảm biến triệt để khai thác thành tựu vật lý học đại, công nghệ điện tử tin học, lý thuyết điều khiển đại nhằm tạo nên cảm biến thông minh có độ linh hoạt ngày cao Sự phát triển cao cảm biến sản phẩm cảm biến thông minh, loại cảm biến có khả lập trình, cho phép đo với độ nhạy xác cao đồng thời có khả tự đông thay đổi thang đo, tự động khử nhiễu, tự động xử lý kết đo có khả đo từ xa Các loại cảm biến phân loại theo nhiều phương pháp khác Các cách phân loại cảm biến thường sử dụng gồm có: Phân loại theo nguyên lý chuyển đổi đáp ứng kích thích; Phân loại theo dạng kích thích; Phân loại theo tính cảm biến; phân loại theo phạm vi sử dụng cảm biến; phân loại theo thông số mô hình mạch thay Theo phương pháp phân loại theo thông số mô hình mạch thay cảm biến chia thành hai loại: loại thứ cảm biến tích cực, nghĩa cảm biến có đầu nguồn áp nguồn dòng Loại thứ hai cảm biến thụ động, nghĩa cảm biến đặc trưng thông số R, L, C, M… tuyến tính phi tuyến Cùng với phát triển cảm biến phong phú đa dạng thiết bị đo lường tự động đại Các thiết bị đo ngày cho phép đo nhiều thông số với độ nhạy, độ xác tốc độ đo cao, đặc biệt khả đo từ xa Các loại cảm biến gắn thiết bị đo có độ linh hoạt cao dễ dàng thay để đo đại lượng khác Sau xin trình bày số loại cảm biến dùng phổ biến thiết bị đo, nguyên lý làm việc đặc điểm sử dụng cảm biến II Một số loại cảm biến dùng thiết bị đo lường tự động 2.1 Cảm biến biến dạng Nguyên lý cảm biến biến dạng gắn trực tiếp sợi dây kim loại mảnh lên bề mặt cấu trúc cần khảo sát Sự biến dạng cảu cấu trúc kéo theo biến dạng cảm biến làm cho điện trở thay đổi Trường hợp tổng quát đầu đo lưới dây dẫn mảnh có điện trở suất ρ, tiết diện s chiều dài nl (n số đoạn dây, l chiều dài đoạn dây) Đối với đầu đo kim loại n = 10 ÷ 20, đầu đo bán dẫn n = Do chịu ảnh hưởng biến dạng, điện trở cảm biến thay đổi lượng ΔR xác định qua biểu thức ΔR Δl ΔS Δρ = = + R l S ρ Biến dạng dọc sợi dây dẫn đến thay đổi kích thước tiết diện ngang a b (nếu dây có tiết diện hình chữ nhật) đường kính d (nếu dây có tiết diện tròn) Quan hệ biến dạng ngang dọc theo quy luật Δa Δb Δd Δl = = = −ν a b d l Với ν hệ số Poisson, vùng đàn hồi ν = 0,3 Vì tiết diện dây S = ab S = π d4/4 ΔS Δl = −2ν S l Đối với đầu đo kim loại: ΔR Δl =K R l Trong K hệ số đầu đo, thường K ≈ Đối với đầu đo bán dẫn K ≈ 100 ÷200, dấu K phụ thuộc vào loại bán dẫn Đầu đo bán dẫn thích hợp với trường hợp đo biến dạng nhỏ để đo lực, áp suất gia tốc Điện trở đầu đo có giá trị chuẩn với độ xác ± 0,2 ÷ ±10% nằm khoảng từ 100 Ω đến 500 Ω a Đầu đo dùng dây dẫn b Đầu đo dùng lưới màng Hình Các loại đầu đo kim loại Hình Cảm biến biến dạng Silic - Cảm biến biến dạng sử dụng loại thiết bị đo lực, thiết bị kiểm tra biến dạng Hình Máy kiểm tra biến dạng 2.2 Cảm biến quang điện - Cảm biến quang điện thực chất linh kiện quang điện, trạng thái điện linh kiện thay đổi có ánh sáng thích hợp tác động vào bề mặt Các loại linh kiện quang điện sử dụng gồm có tế bào quang dẫn, photodiot phototranzito - Tế bào quang dẫn: Đặc trưng tế bào quang dẫn điện trở phụ thuộc vào thông lượng xạ phổ xạ Tế bào quang dẫn cảm biến có độ nhạy cao, sở vật lý tế bào quang dẫn tượng quang dẫn kết hiệu ứng quang điện bên Đó tượng giải phóng hạt tải điện vật liệu bán dẫn tác dụng ánh sáng Vật liệu chế tạo cảm biến quang thường bán dẫn đa tinh thể đồng đơn tinh thể Ví dụ đa tinh thể: CdS, SdSe, CdTe, ví dụ đơn tinh thể: Ge, Si, Au, Sb… - Photodiot: Khi chiếu sáng lên bề mặt diot bán dẫn xạ có bước sóng nhỏ bước sóng ngưỡng xuất thêm cặp điện tử - lỗ trống Để hạt tham gia vào độ dẫn làm tăng dòng điện I, cần phải ngăn cản trình tái hợp chúng tức phải nhanh chóng tách cặp điện tử - lỗ trống duwois tác dụng điện trường Điều P Chuyển tiếp xảy vùng nghèo chuyển dời điện tích đo kéo theo N gia tăng dòng điện ngược Để đạt điều ánh sáng phải đạt tới vùng nghèo sau qua bề dầy chủa chất bán dẫn tiêu hao lượng không nhiều Hình Hiệu ứng quan điện chuyển tiếp PN - Phototranzito: Phototranzito tranzito vùng bazơ chiếu ánh sáng Khi điện áp đặt bazơ có điện áp đặt C, chuyển tiếp B – C phân cực ngược Điện áp tập trung toàn lên chuyển tiếp B – C chênh lệch E B không đáng kể Khi chuyển tiếp B – C chiếu sáng hoạt động giống nư photodiot chế độ quang dẫn với dòng điện ngược Có thẻ coi phototranzito tổ hợp photodiot tranzito Photodiot cung cấp dòng quang điện bazơ tranzito cho hiệu ứng khuếch đại β - Trong kỹ thuật cảm biến quang điện thường sử dụng khóa chuyển mạch đóng cắt mạch điện có mặt mặt đối tượng cần phát Ngoài thiết bị đo lường cảm biến quang điện sử dụng rộng rãi, đặc biệt ứng dụng đo tốc độ xác định vị trí Ví dụ thước đo độ dài, máy đo tốc độ động Hình Thước quang 2.3 Cảm biến xúc giác Cảm biến xúc giác thuộc loại chuyển đổi lực áp suất đặc biệt có chiều dày mỏng Cảm biến xúc giác chế tạo màng mỏng áp điện PVDF sử dụng vật liệu có điện trở hàm ứng suất Nguyên lý hoạt động cảm biến xúc giác mô tả qua màng chuyển mạch sau: F Dồn kênh Khe hở +5V 4,7K Đ ầu Hình Màng chuyển mạch cảm biến xúc giác Hai mỏng dẫn điện, nối với đất, nối với điện trở Nếu cần nhiều vùng nhạy cảm thêm dồn kênh Khi ngoại lực đặt vào dẫn làm cho dẫn bị uốn chạm vào dẫn tạo nên tiếp xúc điện Tín hiệu chứng tỏ có lực đặt vào Các cảm biến xúc giác sử dụng đặc biệt rộng rãi robot sản xuất y học Ngày với công nghệ đại chế tạo cảm biến xúc giác với độ Nhạy tương đương với bàn tay người để ứng dụng giải phẫu người Trong thiết bị đo lường cảm biến xúc giác sử dụng máy đo tọa độ Hình Máy đo tọa độ III Kết luận Sau trình nghiên cứu chuyên đề “Đo lường kiểm tra tự động chế tạo khí” hướng dẫn tận tình TS Nguyễn Văn Vinh tìm hiểu số loại cảm biến trình bày Tôi phần thấy phát triển vai trò vị trí quan trọng ngành Đo lường tự động nói chung cảm biến nói riêng lĩnh vực khí Các loại cảm biến thiết bị đo lường có bước phát triển nhảy vọt để đáp ứng với yêu cầu công nghệ khí đại Trong xu phát triển chung đó, nhà công nghệ phải trang bị cho thân kiến thức cần thiết đo lường loại cảm biến Các kiến thức sở, tảng để tiếp cận với thiết bị công nghệ đại Không vậy, việc nắm bắt kịp thời kiến thức cảm biến thiết bị đo lường tự động giúp biết cách chọn lựa thiết bị thích hợp thị trường nhằm đáp ứng yêu cầu công việc, tiết kiệm thời gian chi phí Các loại cảm biến ngày phong phú hình dáng, độ linh hoạt, tính phạm vi sử dụng Chính việc trang bị cập nhật kiến thức cảm biến thiết bị đo lường tự động cần phải thực liên tục đòi hỏi kiến thức nhiều lĩnh vực Được nghiên cứu với TS.Nguyễn Văn Vinh trình học tập cung cấp cho kiến thức sở để giúp có khả độc lập nghiên cứu mở rộng thêm kiến thức môn học Tôi xin chân thành cảm ơn giúp đỡ TS.Nguyễn Văn Vinh suốt thời gian qua TÀI LIỆU THAM KHẢO Bài giảng chuyên đề - TS Nguyễn Văn Vinh Các cảm biến kỹ thuậ đo lường điều khiển – Lê Văn Doanh, Phạm Thượng Hàn, Nguyễn Văn Hòa, Võ Thạch Sơn, Đào Văn Tân NXB Khoa học Kỹ thuật Hà Nội 2005 Tài liệu khai thác từ nguồn Internet