Bài giảng Kỹ thuật cảm biến

Chia sẻ: Phạm Quang Dũng | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:0

Thêm vào BST

Báo xấu

1.913
lượt xem 937
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nội dung giảng dạy: Khái niệm cảm biến và xu hướng phát triển; Đặc tính kỹ thuật của cảm biến; Các kỹ thuật cảm biến cơ bản dùng trong công nghiệp; Ứng dụng các chuyển đổi sơ cấp cho việc đo đạc các đại lượng vật lý - thiết bị và cảm biến đó.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Kỹ thuật cảm biến

Kỹ thuật cảm biến TS. Nguyễn Thị Lan Hương Bộ môn Kỹ thuật đo và Tin học Công nghiệp
Tài liệu tham khảo [1] Các bộ cảm biến trong kỹ thuật đo lường và điều khiển, Nhà XB Khoa học Kỹ thuật (2001), Chủ biên tập PGS.TS. Lê Văn Doanh [2]Cảm biến, Nhà XB Khoa học kỹ thuật (2000), Phan Quốc Phô, Nguyễn Đức Chiến [3] Process/Industrial Instruments and Controls Handbook, Mc GRAW-Hill (1999), Gregory K.McMillan; Douglas M. Considine, 2
Nội dung giảng dạy • Khái niệm cảm biến và xu hướng phát triển • Đặc tính kỹ thuật của cảm biến • Các kỹ thuật cảm biến cơ bản dùng trong công nghiệp – Nguyên lý và hiệu ứng vật lý của các chuyển đổi sơ cấp • Ứng dụng các chuyển đổi sơ cấp cho việc đo các đại lượng vật lý- thiết bị và cảm biến đo – Đo nhiệt độ – Đo áp suất, đo lưu lượng – Đo tải trọng – Đo mức – Đo tốc độ động cơ – Đo gia tốc chuyển động 3
Chương 1. Khái niệm và các đặc tính kỹ thuật của cảm biến • Sơ đồ các cảm biến trong công nghiệp 4
Phân loại Cảm biến • Theo nguyên lý hoạt động – Chuyển đổi điện trở – Chuyển đổi điện từ – Chuyển đổi nhiệt điện – Chuyển đổi điện tử và ion – Chuyển đổi hóa điện – Chuyển đổi tĩnh điện – Chuyển đổi lượng tử • Theo kích thích: quang, cơ học, âm học… • Theo tính năng • Theo ứng dụng • Theo mô hình thay thế: Tích cực và thụ động 5
VÝ dô vÒ c¶m biÕn thô ®éng Đ¹i l−îng Th«ng sè biÕn ®æi VËt liÖu lµm c¶m biÕn NhiÖt ®é ĐiÖn trë suÊt Kim lo¹i : platine, nickel, ®ång, chÊt b¸n dÉn NhiÖt ®é rÊt thÊp H»ng sè ®iÖn m«i Thuû tinh ĐiÖn trë suÊt Hîp kim niken vµ silic m¹ BiÕn d¹ng Hîp kim s¾t tõ Đé tõ thÈm VÞ trÝ ĐiÖn trë suÊt Tõ trë Tõ th«ng cña bøc x¹ ĐiÖn trë suÊt B¸n dÉn quang Đé Èm ĐiÖn trë suÊt Chlorure de lithium H»ng sè ®iÖn m«i Hîp kim polymere Møc H»ng sè ®iÖn m«i C¸ch ®iÖn láng 6
VÝ dô vÒ c¶m biÕn tÝch cùc Đ¹i l−îng vËt lý cÇn ®o HiÖu øng sö dông TÝn hiÖu ra Lùc ¸p suÊt ¸p ®iÖn ĐiÖn tÝch Gia tèc NhiÖt ®é NhiÖt ®iÖn ĐiÖn ¸p Tèc ®é (vËn tèc) Cảm øng ®iÖn tõ ĐiÖn ¸p VÞ trÝ HiÖu øng Hall ĐiÖn ¸p Hoa quang ĐiÖn tÝch Tõ th«ng bøc x¹ quang Ph¸t x¹ quang Dßng ®iÖn HiÖu øng quang ¸p ĐiÖn ¸p HiÖu øng quang 7 ®iÖn tõ ĐiÖn ¸p
Đặc điểm của các phương pháp đo các đại lượng không điện c. C¸c lo¹i c¶m biÕn hay ®−îc sö dông trong c«ng nghiÖp vµ d©n dông C¶m biÕn ®o nhiÖt ®é (37,29%*) C¶m biÕn ®o vÞ trÝ (27,12%*) C¶m biÕn ®o di chuyÓn (16,27%*) C¶m biÕn ®o ¸p suÊt (12,88%*) C¶m biÕn ®o l−u l−îng (1,36%*) C¶m biÕn ®o møc (1,2%*) C¶m biÕn ®o lùc (1,2%*) C¶m biÕn ®o ®é Èm (0,81%*) *: XÕp theo sè l−îng c¸c lo¹i c¶m biÕn b¸n ®−îc t¹i Ph¸p n¨m 2002 8
Đặc điểm của các phương pháp đo các đại lượng không điện d. C¸c lÜnh vùc øng dông Xe h¬i : (38%*) S¶n xuÊt c«ng nghiÖp: (20%*) §iÖn gia dông : (11%*) V¨n phßng: (9%*) Y tÕ: (8%*) An toµn: (6%*) M«i tr−êng: (4%*) N«ng nghiÖp: (4%*) *: XÕp theo sè l−îng c¸c lo¹i c¶m biÕn b¸n ®−îc t¹i Ph¸p n¨m 2002 9
Sơ đồ chuyển đổi giữa các đại lượng - các loại cảm biến 1 Encoder U, I 2 BiÕn trë T Di chuyÓn Tr−ît T (L,U) (R, U) kÝch th−íc 3 §iÖn (L) R c¶m T ( δ, L) 4 T §iÖn (L, U) T dung T (L,C) L (L,Μ) ¸p 5 ®iÖn T (M,U) 6 §iÖn trë Khèi l−îng lùc c¨ng T (M,R) C lùc (M) 7 T ¸p tõ (C, U) T (M,L) 8 T NhiÖt (M,t) ®iÖn T (t,U) NhiÖt ®é T NhiÖt 9 (Ls,t) ®iÖn trë T (t,R) T Quang 10 (t,Φ) ®iÖn T (Φ,U) Quang T Quang 11 (M,Φ) ®iÖn trë T (Φ,R) T 10 (L,Φ)
Biến đổi giữa các đại lượng (điện) của tín hiệu- Biến đổi thống nhất hóa 11
4. C¸c d¹ng biÕn ®æi chuÈn ho¸ th−êng gÆp Hoµ hîp t¶i gi÷a c¶m biÕn vµ m¹ch ®o CÊp nguån cho c¶m biÕn thô ®«ng TuyÕn tÝnh ho¸ ®Æc tÝnh phi tuyÕn cña c¶m biÕn TuyÕn tÝnh ho¸ tÝn hiÖu ra cña m¹nh ®o (VD cÇu Wheastone) KhuyÕch ®¹i tÝn hiÖu ra cña c¶m biÕn Läc nhiÔu t¸c ®éng lªn tÝn hiÖu ra cña c¶m biÕn KhuyÕch ®¹i ®o l−êng ®Ó triÖt tiªu hoÆc lµm gi¶m c¸c nhiÔu t¸c ®éng (®iÖn ¸p ký sinh vµ dßng ®iÖn rß trªn ®−êng truyÒn) 12
Vấn đề của bộ thống nhất hoá Thích ứng về trở kháng tuyến tính hoá Thống nhất Signal Cảm Cảmbiên biên Hoá cảm biến thụ động Khuếch đại Thống nhất hoá Signal Chuẩn hoá tín Tín hiệu Cảm Cảmbiến biến cảm biến hiệu Đã thống nhất thụ động hoá 13
Ví dụ ChuyÓn ®æi /tÝn hiÖu Thèng nhÊt hãa tÝn hiÖu KhuÕch ®¹i, tuyÕn tÝnh ho¸ CÆp nhiÖt ngÉu vµ bï ®Çu tù do Nguån nu«I, cÊu h×nh 4 d©y NhiÖt ®iÖn trë RTD vµ 3 d©y, tuyÕn tÝnh hãa Nguån ®iÖn ¸p cung cÊp C¶m biÕn ®iÖn trë cho cÇu, cÊu h×nh vµ lùc c¨ng tuyÕn tÝnh ho¸ §Êt chung KhuÕch ®¹i c¸ch ly hoÆc ®Þªn ¸p cao (c¸ch ly quang) ThiÕt bÞ DAQ C¸c t¶I yªu cÇu chuyÓn R¬le ®iÖn c¬ hoÆc r¬le m¹ch xoay chiÒu hoÆc b¸n dÉn dßng ®iÖn lín C¸c tÝn hiÖu víi Läc th«ng thÊp nhiÔu tÇn sè cao 14
Hoà hợp trở kháng Nguồn áp R2 VO = Vi . R1+R2 R1 R2 Vi 0 Một chuỗi đo có thể coi là một Nguồn Tại đo lường phân áp kiểu mạch lặp lại Nguồn dòng R1 R2 VO = Vi . R2 R1+R2 Vi Z1
Hoà hợp trở kháng Nguồn điện tích khuếch đại điện tích Điện tích được đưa vào một tụ điện không đổi Cr, khi tích luỹ vào tụ tạo ra một điện áp trên cực của tụ điện tỉ lệ với điện tích nạp vào Khuếch đại đo lường Mạch Mạchvào vàovivisai sai 16
Thông số kỹ thuật của cảm biến • Dải đo, ng−ìng nh¹y vµ độ ph©n giải kh¶ n¨ng ph©n ly • §é nh¹y vµ TÝnh tuyÕn tÝnh cña thiÕt bÞ • Sai sè hay ®é chÝnh x¸c • §Æc tÝnh ®éng • Mét sè th«ng sè kh¸c nh−: c«ng suÊt tiªu thô, trở kh¸ng, kÝch th−íc, träng l−îng cña thiÕt bÞ 17
4.2.1. Độ nhạy Phương trinh cơ bản Y= F(X,a,b,c...) ∂F/∂X - Đé nh¹y víi x (Sensibility) ∂F/∂a - Đé nh¹y cña yÕu tè anh h−ëng a hay nhiÔu ∆F/∆X = KXt- Đé nh¹y theo X ë Xt hay ng−êi ta cßn ký hiÖu lµ S Khi K=const -> X,Y lµ tuyÕn tÝnh. K=f(X) -> X, Y lµ kh«ng tuyÕn tÝnh - > sai sè phi tuyÕn. ViÖc x¸c ®Þnh K b»ng thùc nghiÖm gäi lµ kh¾c ®é thiÕt bÞ ®o. Víi mét gi¸ trÞ cña X cã thÓ cã c¸c gi¸ trÞ Y kh¸c nhau, hay K kh¸c nhau. dKXt/KXt –(Repeatability)ThÓ hiÖn tÝnh æn ®Þnh cña thiÕt bÞ ®o hay tÝnh lÆp l¹i cña thiÕt bÞ ®o . dKXt/KXt = dS/S=γs- Sai sè ®é nh¹y cña thiÕt bÞ ®o -> nh©n tÝnh. (Hysteresis) 18
Độ nhạy 19
Trễ hay trơ của thiết bị (Hysteresis) 20