Đang tải... (xem toàn văn)
Tập bài giảng " Kỹ thuật cảm biến đo lường và điều khiển " được biên soạn theo chương trình đào tạo đại học các chuyên ngành kỹ thuật ( năm thứ ba đai học). Mục tiêu biên soạn biên tập bài giảng này nhắm giúp sinh viên có tài liệu học tập môn " kĩ thuật cảm biến đo lường các đại lượng không điện" bên cạnh các tài liệu tham khảo khác theo hướng dẫn của giảng viên để nắm được những nội dung truyền đặt trên lớp một cách tích cực.
BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ TẬP BÀI GIẢNG KỸ THUẬT CẢM BIẾN ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN Giảng viên: Đào Thái Diệu, TS TP HỒ CHÍ MINH, 2008 Tập Bài giảng “Kỹ thuật Cảm biến Đo lường Điều khiển”, Đào TháiDiệu, TS., ĐHCN TP.HCM, 2006 DẪN NHẬP Tập giảng “Kỹ thuật Cảm biến Đo lường Điều khiển” biên soạn theo chương trình đào tạo đại học chuyên ngành kỹ thuật (năm thứ ba đại học) Mục tiêu biên soạn tập giảng nhằm giúp sinh viên có tài liệu học tập môn học “Kỹ thuật cảm biến đo lường đại lượng không điện” bên cạnh tài liệu tham khảo khác theo hướng dẫn giảng viên để nắm nội dung truyền đạt lớp cách tích cực, kết hợp dẫn giải hệ thống hoá vấn đề giảng viên với nghiên cứu thảo luận chuyên đề seminar lớp học Với nhận thức môn kỹ thuật cảm biến đo lường liên quan hầu hết lónh vực kiến thức mà sinh viên ngành đại học kỹ thuật tiếp thụ chương trình học, số phần liên quan chủ yếu đưa vào phụ lục cuối tập giảng để sinh viên tự đọc ôn lại hệ thống hoá kiến thức học môn khác Là tập giảng, tài liệu chia thành giảng, dựa theo chương trình giảng dạy môn học tín (tương đương 45 tiết lên lớp 45 tiết tự học SV) Việc bố trí chương trình giảng dạy phù hợp tùy giảng viên, nhiên, thời lượng giảng tính cho tiết lên lớp (không kể kiểm tra ôn luyện) Và có tính chất khuyến nghị Những nội dung tập hợp tập giảng thực sở tài liệu cập nhập, nêu mục “Tài liệu tham khảo”, phù hợp với giảng lớp theo chương trình, đề cương môn học nhà trường Tuy nhiên, hạn chế định, việc tập hợp trình bày tập sách nhiều khiếm khuyết Rất mong đồng sự, đồng nghiệp giúp đỡ góp ý chỉnh lý sinh viên mà tập giảng nhằm hướng tới Đào Thái Diệu, 01.2008’ Tập Bài giảng “Kỹ thuật Cảm biến Đo lường Điều khiển”, Đào TháiDiệu, TS., ĐHCN TP.HCM, 2006 TÀI LIỆU THAM KHẢO Mess- und Regelungstechnik K.Boether, H.Breckwoldt, H-J.Siedler, R.Wieting, Pflaum Verlag, Muenchen, 1995 Tiếng Đức Position Sensing Angle and Distance Measurement for Engineers H.Walcher, Butterworth Heinemann, 1994 Tieáng Anh Sensor Technology Handbook Jon S Winson, Ed.-in-Chief, Elsevier Inc., 2005 Sensors and Actuators (A,B&C), Journal by Elsevier Science of Amsterdam, Netherlands Modern Control Technology – Components & System, 2nd Ed MEMSnet, online Web site: www.memsnet.org; Corporation for National Research Initiatives of Reston, Virginia, USA, and Nexus Association of Grenoble, France The Mechatronics Handbook, Robert H.Bishop, Ed.-in-Chief, CRC Press LLC, 2002, online Web site: www.crcpress.com Các cảm biến kỹ thuật đo lường điều khiển Chủ biên: Lê Văn Doanh, NXB KHKT, Hà Nội, 2001 Đo lường đại lượng không điện (Tập giảng) Nguyễn Khắc Hải, Cục TCĐLCL, Hà nội, 1992 10 Kỹ thuật điều khiển tự động (Tập giảng) Đào Thái Diệu, TP.HCM, 2007 11 Tự động hóa sản xuất (Tập giảng) Đào Thái Diệu, TP.HCM, 2006 12 Kỹ thuật vi xử lý ứng dụng đo lường điều khiển (Tập giảng) Đào Thái Diệu, TP.HCM, 2005 13 Phần tử tự động (Tập giảng) Đào Thái Diệu, TP.HCM, 2004 14 Kỹ thuật đo điện – điện tử (Tập giảng) Đào Thái Diệu, TP.HCM, 2002 15 Hệ thống thông tin đo lường (Tập giảng) Đào Thái Diệu, TP.HCM, 2000 WUX Tập Bài giảng “Kỹ thuật Cảm biến Đo lường Điều khiển”, Đào TháiDiệu, TS., ĐHCN TP.HCM, 2006 BÀI CƠ SỞ KỸ THUẬT CẢM BIẾN ĐO LƯỜNG CHƯƠNG KHÁI NIỆM CHUNG Mục tiêu tập trung vào khái niệâm vấn đề tổng quát kỹ thuật cảm biến đo lường ứng dụng – gồm chương Nội dung mà SV phải nắm vấn đề trọng tâm sau: Khái niệm tổng quát hệ thông tin đo lường điều khiển phần tử cấu thành nó, hoạt động chức năng, đặc tính kỹ thuật, đặc điểm ứng dụng Đặc biệt cần nắm vững hiểu chất định nghóa khái niệm, đặc tính vận hành, hệ thống hoá phân loại phần tử, tư logic kỹ thuật ứng dụng Các vấn đề ứng dụng thực tiễn phần tử cảm biến hệ thông tin đo lường điều khiển để có nhận thức rèn kỹ tổng hợp, thiết kế chế tạo hệ thống cụ thể thực tế môi trường ứng dụng Các từ khóa, thuật ngữ ý nghóa phần (và tiếp sau) đóng vai trò quan trọng kiểm tra thi trắc nghiệm lý thuyết nói chung Thời lượng giảng 04 tiết/45 tiết lên lớp theo chương trình môn học 03TC (45 tiết) 04 tiết tự nghiên cứu 1.1 – Khái niệm hệ thống đo lường điều khiển Ngày nay, khó có ngành kỹ thuật không bao gồm kỹ thuật đo lường điều khiển tự động, mà phần tử cảm biến đo lường thường đóng vai trò tiên Ứng dụng điển hình dây chuyền công nghệ khí chế tạo, máy tự động sản xuất, gia công gỗ, kim loại, nhựa plastics, máy móc chế biến thực phẩm, loại máy in đóng gói sản phẩm, vv Sự phát triển kỹ thuật đo lường điều khiển đại dựa sở tiến khoa học nhiều ngành lý thuyết tiến công nghệ kỹ thuật ứng dụng Đặc biệt, tiến kỹ thuật công nghệ đưa đến thống chuẩn hoá chế xuất linh kiện, phần tử tự động, khối chức module … Trong nhiều lónh vực khác có nhiều trường hợp sử dụng phận, phần tử tự động chức Ví dụ, hệ cảm biến vị trí điều khiển vật thể dịch chuyển với độ xác cao ứng dụng rộng rãi ngành giao thông vận tải, hàng hải, hàng không, cứu hộ (định vị tàu thuyền, xe máy máy bay, điều khiển hệ dự phòng truyền tải nặng ), ngành thông tin liên lạc viễn thông, thiên văn vũ trụ (dùng để điều chỉnh vị trí anntena radio, radar, hệ viễn vọng thiên văn, ) Nói chung, phần tử cảm biến không hoạt động tự thân Chúng phận hệ lớn bao gồm chuẩn hoá tín hiệu mạch xử lý tín hiệu số tương tự khác Nói ví dụ, hệ thống hệ đo lường, hệ thu thập liệu, hay hệ điều khiển trình công nghệ Ở Tập Bài giảng “Kỹ thuật Cảm biến Đo lường Điều khiển”, Đào TháiDiệu, TS., ĐHCN TP.HCM, 2006 đây, tập trung vào phần tử cảm biến hệ đo lường điều khiển trình công nghệ Hình 1.1 giới thiệu mô hình điều khiển tự động trình công nghệ, thực hệ thông tin đo lường điều khiển Hình 1.1 – Mô hình điều khiển tự động trình công nghệ Quá trình công nghệ hệ vật lý mô tả biến trạng thái Các biến đặc trưng định tính qualitative định lượng quantative cho trình công nghệ phương trình mô tả quan hệ toán-lý số liệu đo thực nghiệm Quá trình công nghệ điều khiển (hoặc điều chỉnh) hệ thống đo lường điều khiển tự động, hoạt động theo chương trình program định sẵn, sở liệu thu nhận từ phận, phần tử cảm biến đo lường transducers tính phần tử cấu tác hoạt chấp hành actuators Như vậy, hệ thống thông tin đo lường điều khiển tập hợp phương tiện kỹ thuật với chức chung hoạt động theo chương trình chung, thu nhận thông tin từ đối tượng (đo lường, biến đổi, hiển thị hay lưu trữ) xử lý để thực mục tiêu chức hệ thống (điều khiển, hiệu chỉnh hay theo dõi giám sát) Những năm gần đây, phát triển công nghệ điện tử–tin học–viễn thông có bước tiến hiệu suất tính toán, dung lượng nhớ, tốc độ xử lý truyền dẫn liệu … phát triển phần mềm ứng dụng Cùng với hình thành phát triển mạng viễn thông Internet, mạng máy tính (cục diện rộng) sử dụng cho hệ đo lường điều khiển, ứng dụng chủ yếu thu thập xử lý liệu nhằm tự động điều chỉnh / điều khiển trình công nghệ theo dõi giám sát trạng thái trình Hình 1.2 giới thiệu cấu trúc điển hình hệ cảm biến đo lường điều khiển Hình 1.2 – Cấu trúc điển hình hệ cảm biến đo lường điều khiển tự động Ứng dụng cảm biến hệ điều khiển trình điển hình trình bày hình 1.3 Giả thiết thuộc tính vật lý cần điều khiển nhiệt độ Đầu cảm biến nhiệt độ chuẩn hoá Tập Bài giảng “Kỹ thuật Cảm biến Đo lường Điều khiển”, Đào TháiDiệu, TS., ĐHCN TP.HCM, 2006 số hoá chuyển đổi ADC Bộ vi điều khiển microcontroller hay máy tính chủ xác định liệu nhiệt độ có cao hay thấp giá trị mong muốn, xuất tín hiệu tới chuyển đổi số–tương tự (DAC) Đầu DAC chuẩn hoá điều khiển cấu chấp hành actuator, trường hợp gia nhiệt heater Lưu ý giao diện trung tâm điều khiển trình điều khiển từ xa thông qua mạng tiêu chuẩn công nghiệp 4-20 mA Hình 1.3 – Mạch điều khiển trình công nghiệp điển hình Kỹ thuật số trở thành phổ biến việc xử lý đầu cảm biến thu thập liệu đo lường, điều khiển trình phép đo Nói chung, vi điều khiển 8-bit (ví dụ 8051) có tốc độ dung lượng xử lý thích đáng hầu hết ứng dụng Bằng cách gộp thêm chuyển đổi A/D tính lập trình vi điều khiển tự bên cảm biến, tạo nên cảm biến linh hoạt “smart sensor” với tiện ích tự chuẩn định tuyến tính hoá số nhiều tiện ích khác Khi đó, cảm biến linh hoạt giao diện trực tiếp với mạng công nghiệp trình bày hình 1.4 Hình 1.5 trình bày khối cấu tạo “cảm biến linh hoạt”, cấu hình với vi mạch tích hợp đa thành phần Loạt sản phẩm MicroConverter hãng Analog Devices bao gồm on-chip đổi nối multiplexers tính hoạt động cao, chuyển đổi tương tự–số (ADCs) số–tương tự (DACs), ghép với nhớ Flash lõi vi điều khiển tiêu chuẩn công nghiệp 8052, giải pháp mạch hỗ trợ vài cấu trúc cổng nối tiếp tiêu chuẩn Đó vi mạch tích hợp thực hệ thu thập liệu cảm biến linh hoạt (các mạch chuyển đổi tín hiệu, vi điều khiển, nhớ Flash tính hoạt động cao) chip đơn (xem hình 1.6) Tập Bài giảng “Kỹ thuật Cảm biến Đo lường Điều khiển”, Đào TháiDiệu, TS., ĐHCN TP.HCM, 2006 Hình 1.4 – Tiêu chuẩn hoá giao diện số dùng cảm biến linh hoạt Hình 1.5 – Các phần tử cảm biến linh hoạt Hình 1.6 – Một cảm biến chí linh hoạt 1.2 – Các phần tử chủ yếu hệ thống Sự gia tăng yêu cầu độ xác, độ an toàn chất lượng sản phẩm hiệu công nghệ dẫn tới tiến kỹ thuật làm tăng độ xác, độ tin cậy tốc độ tác hoạt cao phương tiện kỹ thuật đo lường điều khiển Phương tiện kỹ thuật hệ đo lường điều khiển tập hợp thiết bị tự động đo lường, tự động điều khiển tự động xử lý thông tin theo chương trình định, gọi chung phần tử tự động Ở phân biệt ba dạng phần tử tự động chủ yếu: • Phần tử cảm biến Transducer, gồm có: o Phần tử cảm biến tham số (R,L,C); o Phần tử cảm biến vật lý (nhiệt-điện, quang-điện, áp-điện, …) • Phần tử chấp hành Actuator, gồm có: o Các phần tử chấp hành dạng máy điện; o Các phần tử chấp hành dạng cấu điện-cơ o Các phần tử chấp hành thủy-khí • Phần tử thông tin, đặc trưng là: o Tacho-generator; o Selsyn; Tập Bài giảng “Kỹ thuật Cảm biến Đo lường Điều khiển”, Đào TháiDiệu, TS., ĐHCN TP.HCM, 2006 o Biến áp quay; o Các phần tử khuyếch đại (khuyếch đại từ, khuyếch đại máy-điện, khuyếch đại điện tử, …) o … Phần tử cảm biến Transducers Cảm biến đo lường, ngày thường gọi kỹ thuật cảm biến sensorstechnique, hiểu kỹ thuật thu nhận biến đổi thông tin trạng thái, phận thành phần quan trọng hệ điều khiển tự động Các biến trạng thái đặc trưng cho hệ thống trình thường đại lượng không điện, nhiệt độ, áp suất, ứng lực, tốc độ, moment vv… Các phần tử cảm biến nhạy cảm đại lượng vật lý khác Phần tử cảm biến thu nhận giá trị đại lượng vật lý, với biến thiên theo thời gian nó, chuyển đổi thành đại lượng điện để gia công xử lý, hiển thị lưu nhớ, truyền dẫn xử lý tiếp nhằm điều khiển trình Chủ yếu đại lượng đầu sensor điện áp dòng điện, tần số hay điện trở, điện kháng Ở đây, ta gọi chung phần tử cảm biến Theo nghóa rộng, phần tử cảm biến transducer thiết bị hay phận thiết bị cảm nhận đáp ứng với kích thích từ đại lượng đo, đặc trưng khâu chức hệ thống đo lường điều khiển, mạng hai cửa nói chung (hình 1.7) Cảm biến mạch kết hợp dùng để đo lường thuộc tính vật lý khác nhiệt độ, lực, áp suất, lưu lượng dòng chảy, vị trí, cường độ sáng, vv… Các tính chất tác động kích thích tới cảm biến, đầu cảm biến chuẩn hoá xử lý để cung cấp số đo phù hợp thuộc tính vật lý Các transducers đại thường phối ghép phận cảm biến đo lường với phận chuẩn hoá tín hiệu conditioner phận vi tính khác (như microprocessor hay microcontroller) để hiệu chỉnh tuyến tính hoá, xác định ảnh hưởng nhiễu, xác định nguồn sai số khử giảm thiểu chúng, để đưa tới phận điều khiển khác (như phần tử chấp hành actuators …) Như vậy, đầu phần tử transducers thường tín hiệu chuẩn hoá, trực tiếp đưa tới giao diện với khối cấu thành hệ thống khác, thường qua tuyến bus truyền dẫn, xử lý, hiển thị trực tiếp Nói cách nghiêm chỉnh cảm biến sensor dụng cụ chuyển đổi tín hiệu kích thích (thể thuộc tính vật lý) thành tín hiệu điện; biến cảm transducer chuyển đổi dạng lượng thành lượng dạng khác Tuy nhiên thực tế, thuật ngữ sử dụng cách tráo đổi Các phần tử cảm biến phân loại theo nhiều tiêu chuẩn khác Về chất vật lý, cảm biến phân loại phần tử cảm biến tích cực hay thụ động Các phần tử tích cực tác hoạt nguồn (nguồn áp hay nguồn dòng), cung cấp nguồn lượng phụ Những phần tử biểu diễn dạng mạng hai cửa có nguồn Các phần tử tích cực điển hình phần tử cảm biến vật lý cảm biến nhiệt-điện thermoelements, cặp nhiệt ngẫu thermocouples, hệ điện-động electro-magnetic generators, phần tử quang-điện photoelements, tinh thể áp-điện piezocristall, vv… Các phần tử thụ động tiêu thụ lượng từ nguồn phụ lấy từ biến kích thích đầu vào để biến đổi thành tín hiệu đầu Những phần tử thụ động biểu diễn dạng mạng hai cửa không nguồn, có trở kháng phụ thuộc kích thích đầu vào Điển hình phần tử cảm biến tham số đầu dò biến trở (chiết áp potentiometers, biến trở hệ số nhiệt âm hay dương NTC- / PTC-, băng đo biến dạng DMS, biến trở quang photoresistances, …); cảm biến điện dung (tụ xoay / tụ cực phẳng …); cảm biến điện cảm; cảm biến từ tính, vv… Tập Bài giảng “Kỹ thuật Cảm biến Đo lường Điều khiển”, Đào TháiDiệu, TS., ĐHCN TP.HCM, 2006 Như vậy, phân loại dạng phần tử tích cực hay thụ động theo quan điểm biến đổi lượng tự thân phần tử cảm biến Điều cần lưu ý nay, phân biệt tính tích cực tính thụ động rõ ràng thống nhất, tài liệu khác có nhiều cách nhìn nhận khác (thậm chí ngược lại) phân loại đối tượng thụ động hay tích cực Ví có quan niệm phần tử tích cực hay thụ động sau [000]: Một cảm biến tích cực đòi hỏi nguồn kích thích Các cảm biến sở điện trở thermistors, RTDs (Resistance Temperature Detectors – cảm biến nhiệt kiểu trở kháng), dây đo căng (Strain Gages) ví dụ cảm biến tích cực, dòng điện phải chạy qua chúng đo điện áp tương ứng để xác định giá trị điện trở (cách khác mắc dụng cụ vào mạch cầu; nhiên, trường hợp khác, đòi hỏi phải cung cấp dòng điện hay điện áp từ ngoài) Mặt khác, cảm biến thụ động (passive hay self-generating) tạo tín hiệu điện áp chúng mà không đòi hỏi dòng hay áp từ Các ví dụ cảm biến thụ động cặp nhiệt ngẫu thermocouples diodes quang photodiodes tạo điện áp nhiệt-điện dòng quang-điện tương ứng, không phụ thuộc vào mạch Như vậy, người ta phân loại cảm biến quan điểm chuẩn hoá tín hiệu, theo nhu cầu cần thiết (hoặc không) giải pháp mạch tích cực để tạo tín hiệu điện từ cảm biến Ta nêu hai cách phân loại đặc trưng, để hiểu logic vấn đề (về quan niệm, không nên mà nhầm lẫn thuật ngữ tài liệu tham khảo) Bảng 1.1 tổng quan khái quát cảm biến Bảng 1.1 – Các cảm biến điển hình tín hiệu chúng Thuộc tính Cảm biến Tín hiệu Nhiệt độ Cặp nhiệt ngẫu Thermocouple Điện áp Silicon Silicon Sensor p / Dòng Kiểu điện trở RTD Điện trở Thermistor Thermistor Trở kháng Lực / p suất Dây đo căng Strain Gage Điện trở p-điện piezo- Piezoelectric Điện áp Gia tốc Máy đo gia tốc Accelerometer Điện dung Vị trí LVDT Điện áp AC Cường độ sáng Photodiode Photodiode Dòng điện Một phương cách logic khác phân loại cảm biến phân loại theo thuộc tính vật lý mà cảm biến thiết kế ứng dụng cảm biến nhiệt độ, cảm biến áp suất, cảm biến chuyển động, vv … Như vậy, theo nguyên lý biến đổi phân loại cảm biến sau: Phần tử cảm biến tham số; Phần tử cảm biến vật lý Các phần tử cảm biến dựa sở nguyên lý hoạt động ứng dụng hiệu ứng vật lý điệntừ, quang-điện, piezo, vv… biến đổi đại lượng thông số trạng thái vật lý trình công nghệ thành thay đổi thông số điện, gọi chung cảm biến vật lý nói chung (xem thêm Phụ lục ) Trong đó, đặc biệt thông dụng phần tử cảm biến biến đổi đại lượngï vật lý (như nhiệt độ hay ánh sáng, chuyển vị vật thể hay tác dụng lực ứng suất …) trực tiếp thành thay đổi tham số điện (như điện trở hay điện dẫn, điện cảm hay hỗ cảm, điện dung, …), gọi chung cảm biến tham số (xem thêm Phụ lục 1) ... cảm biến 13 Tập Bài giảng “Kỹ thuật Cảm biến Đo lường Điều khiển? ??, Đào TháiDiệu, TS., ĐHCN TP.HCM, 2006 thực tiễn ứng dụng kỹ thuật, độ xác cảm biến đánh giá phép đo định lượng, kỹ thuật đo lường, ... Tập Bài giảng “Kỹ thuật Cảm biến Đo lường Điều khiển? ??, Đào TháiDiệu, TS., ĐHCN TP.HCM, 2006 DẪN NHẬP Tập giảng “Kỹ thuật Cảm biến Đo lường Điều khiển? ?? biên soạn theo chương... hệ đo lường, hệ thu thập liệu, hay hệ điều khiển trình công nghệ Ở Tập Bài giảng “Kỹ thuật Cảm biến Đo lường Điều khiển? ??, Đào TháiDiệu, TS., ĐHCN TP.HCM, 2006 đây, tập trung vào phần tử cảm biến