R ،١٠ 4۶ ٠ / ،٠، ‫؛‬٠،٠ THƯ VIỆN ĐẠI HỌC NHA TRANG M 621.31 V500H ٠ THƯ VIỆN ĐH NHA TRANG í300.023 ii‫؛‬ í ،'Íí‫؛‬ í: ■ ỈNHÀ XUẤT BẢN GIÁO DỤC VIỆT NAM vũ QUANG HỔI GIÁO TRÌNH K f THUẬT CẢM BIẾN (DỪNG CHO CÁC TRƯỜNG ĐÀO TẠO HỆ CAO ĐẲNG NGHỀ VÀ TRUNG CẤP NGHỀ) ' ì (Tái lần thứ nhất) NHÀ XUẤT BẢN GIÁO DỤC VIỆT NAM - ‫ة‬ ١‫ا‬٠ ·- ị‫ة‬١‫ ﺀﻳﻪ‬Λ V ĩể h ỉ i‫ذ‬ ị ■' -5 ‫ز‬ \ ■TI [} ‫ل‬ Công ty cổ phần Sách Đại học - Dạy nghề - Nhà xuất Glá dục việt Nam glơquyền công bố tác phẩm 19 - 2010/CXB/269 - 2244/GD Mâ số : 7B768yO - DAI LỜI n O i d ầ u J!iộii Iiay cảm blCií dược ứng dụng nhiều tĩnh vực sán xuất cOng nghiệp ١ 'à dời sống Các cảm biến ngày dược hoàn thiÇn ѵ،١ 'і ngưyẽn lý mới, vật liệu cQng kỹ thuật chế tạo gpn nhỏ, mỏng Vì vậy, tlm hiểu \'ề cảm biến môn học bắt buộc nhiổu trường lạo khối kv thuật, dặc biệt tạo ngành thuộc ngi١nli diện như: d‫؛‬ộn cOng ngliiệp, dỉộn tU tự dộng hoá (:uốn giáo tilnh “Kỹ tliuật cảm biến'١dược biên soạn cliung clio sinh vidn ،rinh độ Cao dẳng nghề \'à Trung cấp nghề nên dưa nhfinu loạí cảm b‫؛‬ồ'n tliOng dụng Mỗi cảm biến dều dược dề cập net khai ‫ﻻ‬ ‫ةا‬ ‫ أ‬cliuiíg, ngưyèn lý làm việc, nguyên ly cấu tạo dặc trưng ctia nO (háo trinh “ Kỹ tliuậl cảm bien” gổm 11 chương: Chifong I Khih niệm chung \'ề cảm biến Chiíotig cam biê'n nliiệt độ Chiíong Cảm biến vi tri dịch chuyển Ch nong cam biến tốc độ Chiiong Cảm biến gia tốc, rung V‫'؛‬، va dập Chiíoìig ổ Ciim biến lực, a‫؛‬, suâl Chiiong Cảm biến tOc độ, lưu lượng mức (chất lỏng) Clntong Cảm biê'n áp suất (chai lỏng) Chương Cảm biến quang Chương 10 Cảm biến độ ẩm Chưong 11 Cảm biến thành pliầiỉ klií ^ ộì dung giáo trinh dưtĩc trinh bày dơn giản, dễ hiểư, cưốl mồi chương dểư có câu hỏi On tập Ngoài ra, giáo trinh có kèm phụ lục số từ tiếng Anh liên quan số hiệu ứng vật lý dược sử dụng cảm biến glUp dọc nắm mồn học Giáo trinh "Kỹ thuật cảm biến” cQng tài liệu tham khảo có ích cho bạn sinh viên, cán ngành kỹ thuật quan tâm muốn tlm hiểu kỹ thuật cảm biến Mặc dù có nhiều cố gắng biên soạn, nhimg giáo trinh chắn khOng tránh khỏi thiếu sót Tác giả mong muốn dộc giả góp ý١trao dổi, dể lần tái sau giáo trinh dược hoàn thiện hon Mọi ý kiến góp ý xin gửi dla : Còng ty c ổ phần sách Dại học Dạy nghề, Nhà xuất Giáo dục Việt Nam, 25 Hàn Thuyên Hà Nội C Á C T Á C G IẢ Chương KHÁI NIỆM CHUNG VÊ CÁC BỘ٠ CẢM BIẾN ٠ 1.1 CÁC KHÁI NIỆM Cơ BẢN VỀ CẢM BIẾN 1.1.1 cảm biến gỉ? Nhờ ngũ quan, naười cảm nhận đối tượng xung quanh hình dạng, trạng thái, vị trí, màu sắc, mức nóng lạnh, mùi vị, v.v Đicu dó hoàn toàn chưa đủ điều kiện khoa học - kỹ thuật phát triển cần phải định lượng rõ ràng Do vậv, người chế tạo thiết bị dể gián tiếp thông qua mà nhận biết vật thể, trạng thái chúng việc đo lường định lượng chúng Các thiết bị cárn biến (CB) Các CB biến đổi dại lượng vật lý đại lượng không diện (áp suất, tốc độ, nhiệt độ, ánh sáng, ) thành đại lượng điện (dòng điện, điện áp, ) dùng thiết bị đo hay hệ thống điều khiến tự động Ngày nay, nói, CB sử dụng lĩnh vực khoa học - kỹ thuật CB đóng vai trò quan trọng, thiếu dược lĩnh vực lường, điều khiển Không có CB máy móc tự động Nguyên lý làm viẹc CB dựa vào hiệu ứng vật lý (nhiệt diện, lioá điện, quang điện, áp điện, ) kết hợp chúng đế biến đổi dại lượng không diện thành đại lượng điện đo Đầu vào CB trạng thái đại lượng vật lý cần đo (nhiệt độ, áp suất, tốc độ, ) Đó kích thích dầu vào CB Thông qua hiệu ứng vật lý sử dụng CB mà CB cho tín hiệu đầu Đó dúp ứng đầu CB dầu vào bị kích thích (hình 1.1) Kích thích Hình 1.1 Sơ đồ khối CB Như vậy, CB coi thiết bị cảm nhận mà có kích thích đầu vào CB cho đáp ứng đầu 1.1.2 Các yếu tô ảnh hưỏng tới cảm biến Quan hệ đáp ứng kích thích CB phức tạp phụ thuộc nhiều yếu tố như: hiệu ứng vật lý sử dụng CB, kết cấu, độ xác, độ bền, mạch điện, v.v Khi dùng CB để đo lường, đại lượng cần đo tác động vào CB, có nhiều yếu tố khác gọi nlìiễu gây lác động tới CB, gây sai số đo Ví dụ: - Nhiệt độ gây dãn nở vật liệu dùng để chế tạo CB, gây ảnh hưởng tới tính chất điện linh kiện - Độ ẩm làm ảnh hưởng tới mạch điện tính chất vật liệu - Nguồn điện nuôi cấp cho CB bị biến động trị sô điện áp, tần sô thăng giáng, v.v - Do chế tạo, thiết kế CB chưa hoàn thiện Do vậy, cần phải có biện pháp hạn chế ảnh hưởng nhiỗu Chẳng hạn như: + Giảm thiểu nhiễu xâm nhập vào CB: dùng chắn từ trường, điện trường, dùng dây bọc lưới kim loại (gọi dây bờ-lanh-đê-blindée (Pháp)) + Bù trừ nhằm triệt tiêu ảnh hưởng nhiễu phạm vi + Xác định mức cho phép không để nhiễu vượt giới hạn + V.V 1.1.3 Mạch đo Tín hiệu điện đầu CB phải mang thông tin đầv đủ dại lượng cần đo kích thích đầu vào Tliông tin đẩu cần phai dịnh lượng đổ người nhận biết đưa tới hệ diều khiển tự động Thực việc nliờ mạch gồm CB thiết bị đo (hình 1.2) I I Kích thích Ị I I1 1 ỉ Ị1 CB Thiết bị đo Mạch đo Hình 1.2 Sơ đồ khối mạch đo ٠ 1 Đáp ứng Giíi trị dược dầu mạcli !uôn có sai số dó Sai sổ nàv dược phân loại: sai sổ hệ tìiổuữ, sai số ngẫit nlìiên Sdi S()'hệ thống mắc phả، chínli CB ١ 'à hiệu ứng vật lý mà sứ dụng, tlo diều kiện ١ 'à cách sử dụng phương pháp xử lý kct ٩uả lloàn chinh sai sOt hạn chê' dược sai số hệ thống Sai sổ Iigaií nhiên mắc phiii tlo nhíễu ảnh hưởng trường tlo cUitg chinh stf thay dổi dặc tinh thiết bị Giám anh liường cUa sai số ngẫu nhiCn nhờ bảo vệ mạch’do biện plidp cliOng nhiễu, ổn dỊnh nguồn nuỏi, bù ảnh hưởng bên \'à bCìi mạch do, t،ê'n hành pliép nliỉều lần tínlt trung bìnli kết t١ u‫؛‬i 1.1.4 Các ch! tiêu đánh giá cảm biên Sa‫ ؛‬số CB kết hợp với thiết bl clio dầu mạch giá trị đại lượng cẩn dầu vào CB Kết ‫ ةأأ‬n^y có sa، số Sa‫ ؛‬số nhỏ tốt Độ nhạy Khi dại lượng cẩn dầu vào biến thiên thi dại lượng d() dưt.ĩc ‫ئ‬đầư cLia CB cUng biến thiên Tỷ số ưiữa biê'n thiên ۵.‫(؛‬cUa dại lưtrng dược dầu bíến ‫أ‬1١‫ ااة؛‬A ١ tươno ú'ng cLia dại lư،.rng cần tlo dầu vào gọi độ nhạy (tại trỊ sO do) s =i A I ( 1) Độ nhạy s thay dổi giá trt dải Độ nhạy s lại itnh hưởng bỏ'i dicu kiện làm việc cùa CB, bời hiệu ứng vật lý đư(;c sử dụng CB, bOi cách cliế tạo vật l ‫؛‬,ệu làm CB bơi lliOng số nguồn d ‫؛‬ ện nuOi, v.v Độ tuyè.n tinh CB có tínli tuyến tínli dải dó dí،‫ ؛‬.do dó độ nhạv s khOng pliụ thuộc vào giá trị dại lượng cần Nói cdch khdc, CB có tinh tưyến tínli dải ،10 tia‫؛‬do ،!،.), dii‫ ؛‬lượng tỷ lệ bậc nl١ất ١'،)‫ ؛‬dạ‫ ؛‬.lượng cần ở،lầu vào Kh ‫ ؛‬GB khOng có tínli tuyCn tínlt tliì người ta tuyến tinh hoá nhờ dưa vào mạch tliiết bị h ‫؛‬ệu chỉnh cho tin hiệu tỷ lệ bậc nliất với dại lư،rng cẩn dầu vằo 4٠Thờỉ gian đáp ứng Thời gian dáp ứng thời gian kể từ lúc dại lượng cần dầu vào CB thay dổi dột ngột cho dến lúc dại Iưọng CB thay dổi theo dạt xấp xỉ giá trị dirợc tương ứng, thua kéin ε% = 10% Thời gian dáp ứng nhỏ thi CB phản ứng nlianh Giới hạn hay dỉều kỉện sử dụng Giới hạn sử dụng CB diều kiện quy định nhà chế tạo dể CB làm việc binh Ihườnơ Kill sử dụng CB, người sU dụng cần biết quy định điểu kiện sử dụng khOng dược vượt giới hạn quy định 1.2 PHÂN lOẠI CẢM BIEn Có nhiều cách phân loại CB khác 1.2.1 The nguyên lý chuyển dổi kích thích - dáp ứng - CB nhiệt diện; CB quang diện; CB áp diện; CB nhiệt quang, Ѵ.Ѵ 1.2.2 The dạng kích thích - CB âm; - CB diện; -C B từ; - CB quang; - CB cơ; -C B nhiệt, Ѵ.Ѵ 1.2.3 Theo tinh ‫ء‬ Các CB phân theo độ chinh xác, độ tuyến tinh, độ nhạy, thơi gian dáp ứng, độ trễ, Ѵ.Ѵ 1.2.4 Theo phạm ví sử dụng - CB cOng nghiệp; - CB dân dụng: - CB quân sự.v.v 1.2.5 Theo thông số mô hình mạch thay - CB tích cực; - CB thụ độn‫؛‬ỉ Cảm hiến tích cục Cảm biến tích cực CB sử dụng hiệu ứng vật lý dó nãn‫؛‬i lượng riômỉ đại lượng cần dầu vào (nhiệt độ, cơ, xạ, v.v ) biến dối thành năn g lượng diện (dưới dạng điện áp diện tích hay dòng diện) dầu Bảng 1.1 Một sô CB tích cực hiệu ứng vật lý sử dụng Đại lượng cần đo đấu vào Hiệu ứng vặt lý sử dụng Nhiệt độ Nhiệt điện Điện áp Lực Áp điện Điện tích Tốc độ Cảm ứng điện từ Điện áp Vị trí (nam châm) Hiệu ứng Hall Điện áp Chùm tia ánh sáng Hoả điện Điện tích Đại lượng đẩu Áp lực Gia tốc Bức xạ quang (điện tử) Dòng điện Ị Hiệu ứng quang - điện áp Điện áp Hiệu ứng quang - địện từ Điện áp v.v Chi tiết hiệu ứng sử dụng CB tích cực dược nêu rõ dề cập tới chương sau Cấm hiến thụ dộng Cám biến thụ dộng thường Clỉ trờ kháng chế tạo từ vật liệu có thông số điện nhạy cảm với dại lượng đo Sự thay đổi trở kháng CB tác động đại lượng - làm thay doi hình dạng kích thước - làm thay đổi tính chất diện vật liệu: điện trở suất, dộ từ thẩm, sỏ điện môi, V.V - làm thay đổi hai Trong đó: góc thu hướng chuyển dộng cùa nguồn hệ oạ độ gắn vớỉ thu‫؛‬ V - tốc độ chuyển dộng tương đố‫ ؛‬của nguồn‫؛‬ c - tốc độ ánh sáng chân khOng 1« Khi = ‫ ي‬hay = ‫ ئ‬và c ‫ ؛‬thi V = v ٠ khOng có h‫؛‬ệu ung Doppler Khi = , nguồn sáng yà thu xa thi tần số g‫؛‬ảm(v = v, X > ‫ ذ‬٠‫) ا‬: ánh sáng chuyển qua vUng dỏ (bước sOng dài hơn) Khi θ = π, nguồn sáng thu l‫؛‬ến lại gần thi tẩn số tảng ( v = v.٠ ‫ﺀ‬ vàX< x, ) ánh sáng chuyển qua vUng tim (bư