Đồ án tốt nghiệp " Cảm biến "

Chia sẻ: Nguyễn Trần Cường | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:22

Thêm vào BST

Báo xấu

1.083
lượt xem 509
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Trong tất cả các hệ thống tự động, thiết bị tiếp nhận thông tin về diễn biến của môi trường và về diễn biến của các đại lượng vật lý bên trong hệ thống được gọi là Sensor (Cảm biến). Cảm biến đôi khi chỉ là các trang bị đơn giản như các công tắc mini, các công tắc hành trình, các thanh lưỡng kim… Các cảm biến tốt là vấn đề cơ bản trong các hệ thống tự động. Các hệ thống sản xuất tích hợp CIM có thể hoạt động được nếu các thiết bị điều khiển bằng máy có thể theo dõi được...

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Đồ án tốt nghiệp " Cảm biến "

Đồ án tốt nghiệp CẢM BIẾN GVHD: PGSTS ĐINH CÔNG MỄ
Mục lục PhầnI: CÁC ĐẦU ĐO CẢM BIẾN ......................................................................................- 3 - 1./ Sai số: Có hai loại sai là sai số cơ bản và sai số phụ..............................................................- 3 - 2./ Độ nhạy: Là mối quan hệ giữa đại lượng đầu vào và đầu ra. Nó có tác dụng quyế định mối dx quan hệ cấu trúc để đảm bảo mạch đo: S = ..........................................................................- 4 - dy 3./ Đặc tính: Có hai loại đặc tính. ...............................................................................................- 4 - dy 4./ Độ tuyến tính. S = = const khi x biến đổi.....................................................................- 4 - dx 5./ Độ ổn định. phụ thuộc vào: ...................................................................................................- 4 - 6./ Khả năng thay thế… ..............................................................................................................- 4 - 7./ Phân loại cảm biến .................................................................................................................- 4 - A./ CẢM BIẾN ĐO LƯU LƯỢNG & ........................................................................................- 5 - Các phương trình năng lượng quan trọng của dòng chảy............................................................- 6 - A./ Các phương pháp đo lưu lượng .......................................................................................- 7 - 1./ Phương pháp đo lưu lượng bằng ống co.................................................................................- 7 - 2./ Phương pháp đo lưu lượng bằng tần số dòng xoáy. ...............................................................- 9 - 3./ Phương pháp đo lưu lượng bằng cảm ứng điện từ. ..............................................................- 11 - 4./ Phương pháp đo lưu lượng bằng siêu âm. .....................................................................- 14 - a./ Cảm biến và nguồn phát siêu âm bằng vật liệu áp điện.......................................................- 14 - 5./ Kết luận và so sánh giữa các phương pháp ..................................................................- 17 - B./ CẢM BIẾN VỊ TRÍ .......................................................................................................- 19 - 1./ Giới thiệu sơ lược về mạch cảm biến vị trí theo kiểu quang :.............................................- 19 - a./ Các linh kiện trong mạch cảm biến: .....................................................................................- 20 - b./ Photon transistor...................................................................................................................- 20 - 2./ Các loại cảm biến quang......................................................................................................- 22 -
PhầnI: CÁC ĐẦU ĐO CẢM BIẾN Trong tất cả các hệ thống tự động, thiết bị tiếp nhận thông tin về diễn biến của môi trường và về diễn biến của các đại lượng vật lý bên trong hệ thống được gọi là Sensor (Cảm biến). Cảm biến đôi khi chỉ là các trang bị đơn giản như các công tắc mini, các công tắc hành trình, các thanh lưỡng kim… Các cảm biến tốt là vấn đề cơ bản trong các hệ thống tự động. Các hệ thống sản xuất tích hợp CIM có thể hoạt động được nếu các thiết bị điều khiển bằng máy có thể theo dõi được các quá trình sản xuất từ đầu đến cuối. Cảm biến phải thực hiện nhiệm vụ này. Do đó các thông số liên quan đến cảm biến là rầt quan trọng. 1./ Sai số: Có hai loại sai là sai số cơ bản và sai số phụ. Sai số cơ bản là sai số gây ra do nguyên tắc của chuyển đổi, sự không hoàn thiện của cấu trúc, sự yếu kém của công nghệ chế tạo… Sai số phụ là sai số do sự thay đổi điều kiện bên ngoài khác với điều kiện chuẩn.
2./ Độ nhạy: Là mối quan hệ giữa đại lượng đầu vào và đầu ra. Nó có dx tác dụng quyế định mối quan hệ cấu trúc để đảm bảo mạch đo: S = dy 3./ Đặc tính: Có hai loại đặc tính. Đặc tính tĩnh: Là hàm Y = f(x) Đặc tính động: Là quá trình quá độ của cảm biến (y theo x) với hai yếu tố ảnh hưởng là: Sai số cực đại và thời gian ổn định dy 4./ Độ tuyến tính. S= = const khi x biến đổi. dx Trong thực tế chủ yếu là quan hệ phi tuyến. Do đó để dễ dàng khi khảo sát, ta xem như tuyến tính. Khi đó sự sai lệch giữa đường cong phi tuyến và tuyến tính là sự sai lệch phi tuyến. 5./ Độ ổn định. phụ thuộc vào: Sự thay đổi của x Thời gian Điều kiện bên ngoài 6./ Khả năng thay thế… 7./ Phân loại cảm biến Hiện nay trên thị trường hiện nay có rất nhiều loại cảm biến khác nhau, nhưng nhìn chung có thể xếp chúng vào hai nhóm chính: các cảm biến tiếp xúc và các cảm biến không tiếp xúc. Các cảm biến tiếp xúc được gắn trực tiếp lên các đại lượng cần đo và tín hiệu ra của chúng có thể là một đại lượng vật lý có tương quan tỉ lệ với đại lượng cần đo. Trong nhóm này có thể có hai loại cảm biến chính sau: + Ten zô mét dùng để đo lực, áp lực thông qua biến dạng. + Biến trở con chạy dùng để đo vị trí góc hay độ dịch chuyển thẳng. + Biến áp vô cấp dùng để đo dịch chuyển thẳng. + Can nhiệt đo nhiệt độ. + Các công tắc cực nhỏ microcontact đung để xác định trạng thái máy, thiết bị. + Cảm biến áp điện dạng da nhân tạo đo lực tiếp xúc trên bàn tay của robot. + Các cảm biế đo lưu lượng dùng để đo lưu lượng chất lỏng hay chất khí. + Các cảm biến đo lực, áp lực dùng trong các hệ thống điều khiển lực, áp lực. + Các cảm biến đo các thành phần hóa học
Các cảm biến không tiếp xúc có thể đo được đại lượng cần đo mà không cần tiếp xúc với đại lượng đó. Trong nhóm các cảm biến này có thể có các loại sau:. + Các cảm biến điện từ đo khoảng cách nhỏ, phát hiện sự hiện diện. + Các cảm biến điện dung. + Các cảm biến quang học đo khoảng cách, phát hiện sự hiện diện. + Các cảm biến Laze đo khoảng cách. + Các cảm biến Tốc đọ, gia tốc. + Cảm biến Encoder đo vị trí góc. + Cảm biến Resolver đo vị trí góc. + Các cảm biến Synchro vị trí góc. + Các máy phát –tacho mét đo tốc độ. + Các cảm biến sử dụng hiệu ứng Doppler: đo tốc độ. + Các cảm biến sử dụng hiệu ứng Hall đo vị trí. + Các camera nhận dạng các chi tiết, vật thể. + Thiết bị đọc mã vạch để nhận dạng các thông tin chứa trên mã vạch. + Thiết bị xác định tọa độ máy để xác định biến dạng của chi tiết. Các cảm biến cũng được phân loại thành bị động và chủ động. Trong các cảm biến bị động, năng lượng cần để cung cấp cho đầu ra được sinh ra từ chính hiện tượng vật lý được cảm nhận. Trong khi đó, các cảm biến chủ động cần nguồn nuôi từ bên ngoài. Ngoài ra, cảm biến cũng được phân loại theo hai dạng tương tự hoặc số dựa trên dạng tín hiệu đầu ra. Cảm biến tương tự cung dấp tín hiệu liên tục tỉ lệ với tham số cần đo và cần sự biến đổi. Trong khuôn khổ của đề tài Em xin được trình bày những hiểu biết của Em về một số loại cảm biến mà sử dụng trong đề tài. A./ CẢM BIẾN ĐO LƯU LƯỢNG & PHƯƠNG PHÁP ĐO LƯU LƯỢNG Việc đo lưu lượng đóng một vai trò quan trọng trong công nghiệp cũng như việc đo nhiệt độ, áp suất, mức chất lỏng… Trong việc đo lưu lượng người ta phân biệt: - Lưu lượng được tính bằng thể tích trên đơn vị thời gian: Q m3 Qv = V [ ] t s
- Lưu lượng được tính bằng trọng khối trên đơn vị thời gian: m kg Qm = [ ] t s Khi ta đã biết trỉ trọng ρ của môi trường cần đo hai loại lưu lượng trên được tính theo phương trình: Qm = QV.ρ Trong quá trình sản xuất của ngành hóa học, công nghệ chế biến …lưu lượng được tính bằng trọng khối cần biết hơn nhưng cũng kho đo đạc hơn. Trong một hệ thống khép kín, lưu lượng trọng khối, lưu khối – cố định, trong khi đó lưu lượng tính bằng thể tích thay đổi theo nhiệt độ và áp suất. Máy đo lưu khối thường có cấu tạo phức tạp và đắt tiền hơn máy đo lưu lượng tính theo thể tích trên đơn vị thời gian. Để thích ứng với nhu cầu khác nhau trong công nghiệp người ta đã phát triển rất nhiều phương pháp đo lưu lượng chất lỏng, hơi nước, khí…. Các phương trình năng lượng quan trọng của dòng chảy. Phương trình của Bernoulli cho các dòng chảy không bị ma sát và ổn định: ρ v 2 + ρgh + p = const (1) 2 QV = v.A Phương trình liên tục: V1.A1 = V2.A2 Trong đó: g = Gia tốc trọng trường. ρ = Tỷ trọng. h = Độ cao. P = Áp suất. v = Vận tốc. Qv = Lưu lượng tính bằng thể tích trên đơn vị thời gian. A = Diện tích.
A./ Các phương pháp đo lưu lượng 1./ Phương pháp đo lưu lượng bằng ống co. - Phương pháp đo lưu lượng bằng ống co dựa trên định luật liên tục và phương trình năng lượng của Bernoulli. Nếu có một nơi nào đó trong một ống dẫn bị co lại, ở tất cả các vị trí khác lưu lượng tính bằng thể tích và trọng khối đều bằng nhau. Với A1: Diện tích trước vị trí co A2: Diện tích ở vị trí co. v1 : Vận tốc trước vị trí co. v2: Vận tốc ở vị trí co. p1: Áp suất tĩnh trước vị trí co. p1: Áp suất tĩnh ở vị trí co. - Phương trình liên tục: A1.v1.ρ = A2.v2.ρ ρ ρ - Phương trình của Bernoulli: p1 + v2 = p2 + 2 v2 = const 2 2 2 A1 V1 A2 V2 P2 p1 p1.p2 Đo lưu lượng bằng ống co và hiệu áp Ở nơi diện tích ống bị thu nho lại, vận tóc dòng chảy ở đó phải gia tăng. Với phương trình năng lượng của Bernoulli, năng lượng của một dòng chảy gồm năng lượng (áp suất) tĩnh và động năng (vận tócc) là một hằng số. Khi vận tốc gia tăng áp suất tĩnh lập tức bị giảm đi. Sự giảm áp suất hay hiệu áp ∆p là thước đo cho lưu lượng Q. ρ ∆p = p1 – p2 = (v2 − v12 ) 2 2 Phương trình trên được giải theo v2 và v1 được tính theo v2 với phương trình (1) ta có:
2 2 2 ⎛A ⎞ 2 v = ( p1 − p2 ) + v = ( p1 − p2 ) + ⎜ 2 ⎟ .v2 2 2 ⎜A ⎟ ρ ρ 2 1 ⎝ 1⎠ A2 1 Với tỷ lệ m = và hằng số dòng chảy α: α= A1 1 − m2 Ta có thể viết phương trình trên dưới dạng: 2( p1 − p2 ) 2 v2 = 2 → v2 = α . p1 − p2 ( ) 1 − m 2 .ρ ρ Từ đó ta có lưu lượng tính theo thể tích và khối lượng như sau: 2 Qv = A2.V2 = A2 α . p1 − p2 = α.k Δp ρ Qm = A2.v2.ρ = α.A2 2 ρ p1 − p2 = α .k Δp Như thế lưu lượng tỉ lệ với căn bậc hai của hiệu áp khi tỷ trịng là một hằng số. Ta có thể đo lưu lượng bằng ống co với cảm biến hiệu áp được ứng dụng rất rộng trong công nghiệp. Có 3 loại ống co định chuển tiêu biểu theo DIN 1952 là: - Blende - Ống phun - Ống phun Venturi Tiêu chuẩn để lựa chon loại ống co nào tùy thuộc vào môi trường đo, khả năng thiết kế, giá cả và sự hao hụt áp suất. Ở ngõ ra của ống co có nhiều dòng xoáy làm tiêu hao năng lượng. Điều này làm cho ta không có được một áp suất tĩnh của dòng chảy trường hợp có không bị khuấy sau ống co. Sự hao hụt áp suất đo điều này cần phải giữ càng bé càng tốt. * Hiệu chuẩn tỷ trọng. Tỷ trọng của môi trường do ảnh hưởng đến phép đo lưu lượng. Trong quá trình sản xuất, tỷ trọng của môi trường đo thường không là một hằng số và ta cần phải chú ý đến. Tỷ trọng của chất lỏng tùy thuộc vào nhiệt độ. Trường hợp này để hiệu chuẩn sai số tỷ trọng đo nhiệt độ. Trong hơi nước bão hòa hai đại lượng áp suất và nhiệt độ làm thay đổi đường biểu diễn của hơi nước bão hòa. Cả hai có sự ảnh hưởng lẫn nhau, chỉ cần một đại lượng đủ để hiệu chỉnh tỷ trọng. Trường hợp hơi nước bị nung thật nóng, tỷ trọng của nó phụ thuộc vào cả nhiệt độ và áp suất. Các đại lượng này cần phải được đo. Tỷ trọng định chuẩn ở 0 oC và áp suất khí quyển cần được xác định. Lưu lượng được tính theo tỷ trọng định chuẩn này. * Sự chính xác của phép đo. Nếu diện tích cắt ngang của dòng chảy và tỷ trọng của lưu chất coi như cối định, trong phương trình: Q = α.k. Δp
Có hai yếu tố ảnh hưởng đến độ chính sác của phép đo đó là α và ∆P. Các thông số có thể ảnh hưởng đến trị số α là tỷ lệ điện tích, vị trí nơi đo áp suất p1 và p2, độ nhám của ống và sự mềm dẻo của lưu chất. Hiệu áp ∆p tỷ lệ bình phương với lưu lượng. Khi lượng có 30% của thang đo, hiệu áp chỉ còn 9%. Hiệu áp càng thấp, sai số tương đối của càng lớn. Với hiệu áp 9% của thang đo ta có sai số tương đối lớn gấp 11 lần so với sai số ở cuối thang đo. Do đó khi thực hiện phép đo với lưu lượng thấp, sai số của phép đo tương đối lớn. Chỉ nên thực hiện việc đo lưu lượng bằng ống co từ 30% đến 100% của thang đo. Người ta có thể đo hiệu áp bằng các loại sensor bán dẫn. Ngoài ra các loại đo hiệu áp ∆p theo cách cơ học cũng được dùng đến. * Cân hình vành khăn. Góc quay của cân là thước đo ∆p. Phân nửa trống hình vành khăn được đổ đầy nước, dầu hay thủy ngân tùy theo ∆p và môi trường cần đo. Buồng phía trên chất lỏng được ngăn cách bởi một vách ngăn và có hai ống thông với p1 và p2. Dưới tác dụng của sự khác biệt về áp suất giữa p1 và p2 cân quay một góc cho đến khi có sự cân bằng với mômen của đối trọng. Đối trọng được treo bên cạnh 1 lá thép đàn hồi. Để cho việc đo và hiệu chỉnh lưu lượng của hai lưu chất cùng một lúc. 2./ Phương pháp đo lưu lượng bằng tần số dòng xoáy. Phương pháp này dựa trên hiệu ứng sự phát sinh dòng xoáy khi một vật cản nằm trong lưu chất. Các dòng xoáy xuất hiện tuần tự và bị dòng chảy cuốn chôi đi. Hiện tượng này đã được Leonardo da Vinci ghi nhận và Strouhal trong năm 1878 đã cố gắng giải thích lần đầu tiên. Ông đã nhận thấy rằng một sợi dây nằm trong dòng chảy có sự dung động như một dây đờn. Sự dao động này tỷ lệ với vận tốc dòng chảy và tỷ lệ nghịch với đường kính sợi dây. Theodor von Kàmàn đã tìm thấy nguyên nhân gây ra sự dao động này. Đó là sự sinh ra và biến mất cỷa các dòng xoáy bên cạnh vật cản. Một con đường dòng xoáy hình thành phía sau vật cản khi một vật cản được đặt trong một dòng chảy, phía sau nó các dòng xoáy không liên tục được tạo ra. Các dòng xoáy này rời bỏ vật cản tuần tự và trôi đi theo dòng chảy. Phía sau vật cản hình thành con đường của dòng xoáy được đặt tên là con đường dòng xoáy Kàrmàn. Các dòng xoáy ở hai cạnh bên của vật cản có chiều xoáy ngược nhau. Như thế với sự xuất hiện của dòng xoáy, năng lượng quay bị “chuyên chở đi mất”. Cuối cùng lực tác động vào vật cản được hình thành. Dựa dưới những điều kiện cần thiết một dao động phát sinh. Các dòng xoáy mạnh mẽ sinh ra rồi lại lần lượt biến mất theo dòng chảy. Tần số sự biến mất của sòng xoáy (và cả sự xuất hiện) là một hiệu ứng để đo lưu lượng tính bằng thể tích. Lord Rayleigh đã tìm thấy sự liên hệ giữa kích thước nhình thành vật cản, vận tốc lưu chất v và tần số biến mất của dòng xoáy f – tần số dòng xoáy. Sự liên hệ này được diễn tả trong trị số Strouhal:
f .a S= v với a Đường kính của vật cản f Tần số dòng xoáy. v Vận tốc dòng xoáy. Con đường dòng xoáy Kàrmàn cho một tính chất vô cùng quan trọng trong kỹ thuật đo lường: Khoảng cách và như thế thể tích cục bộ của dòng xoáy giữa hai dòng xoáy luôn là một hằng số! Sự hình thành các dòng xoáy một cách chính xác là điều kiện tiên quyết để có thể đo toàn bộ thể tích bằng cách đến các thể tích cục bộ. Hệ số đếm cho chất lỏng và khí giống nhau. Với điều kiện hằng số Strouhal S không tùy thuộc vào trị số Reynold ta có thể tính lưu lượng theo thể tích trên đơn vị thời gian. Với A là diện tích cắt ngang của dòng chảy và từ phương trình trên ta có: 1 Q= a. A. f S Để hình thành một con đường dòng xoáy có tính xác định cà lặp lại thực tốt thì vật cản phải đáp ứng đủ một số điều kiện về hình dạng. Hình dạng của vật cản phải được cấu tạo sao cho trong một khoảng trị số Reynold khá rộng mà trị số Strouhal vẫn là hằng số. Hình dạng của một số vật cản Với sự biến mất và suất hiện của dòng xoáy vận tốc dòng chảy ở hai bên vật cản và trên đường dòng xoáy thay đổi một cách cục bộ. Tần số dao động của vận tốc có thể được đo với nhiều phương pháp khác nhau. Nhiệt điện trở nung nóng được dùng đến, nó có thể được gắn phía trước, ở giữa vật cản hay phía sau. Sự thoát nhiệt của nhiệt điện trở thay đổi theo hướng lưu chất. Người ta cũng có thể đo sự dao động áp suất với màng sọc co giãn, hoặc đo đạc các dòng xoáy bằng sóng siêu âm. Phương pháp đo lưu lượng với tần số dòng xoáy rất kinh tế và có độ tin cậy cao. Tần số dòng xoáy không bị ảnh hưởng của bởi sự dơ bẩn hay sự hư hỏng của vật cản. Đường
biểu diễn của nó rất tuyến tính và không thay đổi theo thời gian sử dụng. Sai số của phép đo rất bé. 3./ Phương pháp đo lưu lượng bằng cảm ứng điện từ. Theo định luật cảm ứng điện từ của Faraday, một dây dẫn điện phát sinh ra một điện thế khi nó dịch chuyển trong một từ trường. Điện thế này tỷ lệ với vận tốc di chuyển của dây dẫn điện và cường độ của từ trường. Hiệu ứng này được dòng trong phương pháp đo lưu lượng các chất lỏng dẫn điện có chứa các ion mang điện tích. Khi các ion mang điện tích q dịch chuyển cùng với lưu chất với vận tốc v có hướng thẳng góc với từ trường B, các ion này bị kéo lệch về một bên với lực Fm = q.v.B. Do sự phân bố các ion ta có một điện trường E phát sinh và tạo ra một lực Fe =q.E tác dụng lên ion. Với điện trường E ta có một điện thế U đo được ở hai điện cực nằm trên ống dẫn lưu chất có đường kính D. U q = v.B = q.E = q D U = D.v.B 1 D Rq = δ A Uq =D.v.B Nguyên tắc đo lưu lượng bằng hiệu ứng Mạch điện thay thế cảm ứng điện từ Hình 3.1 Với vận tốc v, ta có lưu lượng tính theo thể tích khi điện tích mặt cắt ngang của ống là 2 ⎛D⎞ π π D π⎜ ⎟ ; Qv = D 2 .v hay Qv = U ⎝2⎠ 4 4 B Như thế điện thế đo được là thước đo của lưu lượng chất lỏng được tính bằng thể tích trên đơn vị thời gian với thứ nguyên là [ m3/s ].
Trong hình 3.1 ta thấy không có thành phần độ dẫn điện σ . Nó đóng vai trò nào cho trị số điện thế U, tuy nhiên nó lại xác định trị số điện trở trong Rq của nguồn điện. Đó là điện trở của cột chất lỏng giữa hai điện cực. Với D là đường kính của ống dẫn lưu chất, A là điện tích của điện cực, ta có: 1 D Rq = σ A với σ = 10 μS/cm ( Độ dẫn điện của nước sạch). D = 100 cm, A= 1 cm2 1 Vcm 1 Thì Rq = −5 100cm 2 = 10 7 Ω 10 A cm Máy đo lưu lượng với cảm ứng điện từ là một nguồn điện có điện trở trong rất lớn. Để đo được điện thế của nó ta cần một mạch khuyếch đại có điện trở vào cùng khá lớn. * Các tính chất kỹ thuật. Máy đo lưu lượng cảm ứng điện từ cho ta một điện thế tỷ lệ với lưu lượng trong một từ trường đồng nhất khi mà hình dạng dòng chảy có đối xứng xoay. Một lợi điểm của phương pháp đo lưu lượng bằng cảm ứng điện từ là mặt cắt của dòng chảy không bị thu hẹp bởi các blende hay ống phun. Phương pháp đo này có thể thực hiện để đo lưu lượng các chất lỏng dơ bẩn, chất kem sền sệt hay ngay cả với môi trường có tính ăn mòn cao như acid, kiềm…. Từ 10 đến 100% thang đo ta có sai số phép đo nhỏ hơn 1%. Tóm lại, với phương pháp cảm ứng điện từ ta có sự liên hệ thật tuyến tính giữa thể tích trên đơn vị thời gian và điện thế đo. Khoảng đo rải rất rộng và trị số đo không bị ảnh hưởng bởi các thông số của chất như độ nhớt, tỷ trọng, áp suất và nhiệt độ. Trong ống dẫn chuẩn từ vài millimet đến vài met. Trong công nghiệp máy đo lưu lượng với phương pháp cảm ứng điện từ được dùng ở những nơi có áp suất và nhiệt độ rất cao cũng như ơ những
nơi dễ gây cháy nổ, ngập lụt… Phương pháp đo lưu lượng bằng cảm ứng điện từ dù có đắt tiền và phức tạp hơn những phương pháp khác nhưng nó đã được nghiên cứu thử nghiệm chín mùi trong công nghiệp. Nó tỏ ra bền bỉ, ít bị hư hỏng dù phải làm việc với những chất độc hại, ăn mòn cao như nước thải, hóa chất… Một số cảm biến lưu lượng điện từ: Một số cảm biến lưu lượng dòng SITRANS FM của Siemens
4./ Phương pháp đo lưu lượng bằng siêu âm. a./ Cảm biến và nguồn phát siêu âm bằng vật liệu áp điện. Tần số của siêu âm cao hơn tần số mà thính giác con người có thể cảm nhận được. Trong kỹ thuật tần số hữu ích của siêu âm trải dài từ 16 kHz đến 10 MHz. Tần số, độ dài sóng và vận tốc truyền sóng được liên kết với nhau. C0 = f.λ Vận tốc truyền sóng lệ thuộc vào đặc tính của môi trường và đặc biệt vào nhiệt độ của môi trường. Ở nhiệt độ bình thường sóng siêu âm lan truyền với vận tốc 344 m/s trong không khí và 1483 m/s trong nước. Như thế với sóng siêu âm 100 kHz có độ dài sóng là 15 mm trong nước. Hình sau đây trình bày cấu trúc của 1 cảm biến siêu âm áp điện:
2 1 1. Phiến áp điện 2. Vật liệu tương thích âm học 3. Gá đỡ hình vành khăn 3 Cấu trúc nguồn phát siêu âm với hiệu ứng áp điện Sóng siêu âm được tạo nên bởi các vật liệu áp điện. Trường hợp đóng vai trò phát sóng năng lượng điện được biến thành năng lượng có học. Dưới một điện áp xoáy chiều phiến áp điện rung với tần số riêng và sóng siêu âm được phát ra thẳng góc với bề mặt. Với những cấu trúc đặc biệt người ta có thể tạo nên những mặt sóng nằm nghiêng. Để thu nhận sóng siêu âm người ta dùng linh kiện có cấu trúc giống như ở nguồn ơhát. Trường hợp này năng lượng cơ học được biến thành năng lượng điện. Các sóng siêu âm làm rung phiến áp điện. Với hiệu ứng áp điện ngược lại này ta có tín hiệu điện từ các sóng siêu âm thanh. Trong thực tế thường với cùng một linh kiện vừa đóng vai trò phát và thu. b./ Phương pháp hiệu số thời gian truyền sóng. S2, E1 L α v t2 t1 S2, E2 Cấu trúc ống đo siêu âm Trong hình trình bày một cấu trúc dùng để đo lưu lượng. Các cảm biến siêu âm nằm cách nhau một khoảng L trong ống dẫn có các cảm biến siêu âm mằm cách nhau một khoảng L trong ống dẫn có lưu chất dịch chuyển một vận tốc v. Cảm biến 1 phát sóng và cảm biến 2 thu sóng, vận tốc truyền sóng được gia tăng thêm thành phần vcosα do vận tốc chảy của lưu chất, trường hợp ngược lại nó giảm đi cùng thành phần vcosα. Với phương pháp đo sóng siêu âm ta được vận tốc v của dòng chảy và sau khi nhân v với diện tích mặt cắt ngang của ống ta được lưu lượng tính bằng thể tích. Nếu t1 là thời gian truyền sóng từ 1 đến 2 và t2 từ 2 đến 1 thì ta có: L L t1 = và t2 = C0 + v. cos α C0 − v. cos α
Ta có hiệu số thời gian truyền sóng là t2 – t1: v. cos α t2 – t1 =2L C − v 2 cos 2 α 2 0 Nếu vận tốc dòng chảy trong chất lỏng trong khoảng m/s thành phần v.cosα có thể coi như bé đối với C0 trong chất lỏng và có thể bỏ đi trong mẫu số của phương trình trên. Vận tốc dòng chảy v có thể được tính gần đúng: C02 v= (t 2 − t1 ) 2.L. cos α Kết quả trên cho thấy kết quả đo vẫn lệ thuộc vào C0. Sự thay đổi của vận tốc truyền sóng có thể làm ảnh hưởng đến độ chính xác của phép đo. Để có thể độc lập với C0, t1 và t2 có thể được đo riêng lẻ và nhân với nhau: L2 t2.t1 = C02 − v 2 . cos 2 α Thay phương trình trên vào phương trình (t2 – t1) ta được: 2 L.v. cos α t2 – t1 = t1.t 2 L2 Từ đó ta có được vận tốc dòng chảy v mà không cần sự tính toán gần đúng: L t 2 − t1 v= 2 cos α t 2 .t1 Để đo thời gian truyền sóng chính sác, các cảm biến siêu âm cần phải hoạt động nhanh. Các cảm biến này cần phải phát được sóng có sườn dốc thẳng đứng. Cả hai cảm biến đối diện nhau phát cùng 1 lúc sóng siêu âm. Cả hai hoạt động nên như nguồn phát và sau đó hoạt động như hai cảm biến thu sóng siêu âm của nhau. Vận tốc dòng chảy được sác định rất nhanh chóng với phương pháp này./ c./ Phương pháp hiệu chỉnh pha. Với sự liên hệ C0 = f . λ khi vận tốc truyền sóng thay đổi với tần số không đổi độ dài sóng phải thay đôi. Ta chọn tần số f0 sao cho, với vận tốc dòng chảy v = 0. Khoảng cách giữa hai cảm biến bằng n.λ0. Khi vận tốc dòng chảy khác không ta có: C1 = C0 +v.cosα và C2 = C0 – v.cosα với tần số không thay đổi ta có độ dài sóng: C1 C2 λ1 = và λ2 = f0 f0 Với phương pháp hiệu chỉnh pha, tần số siêu âm được thay đổi sao cho dù với vận tốc dòng chảy nào ta luôn có n.λ0 là khoảng cách L giữa hai cảm biếm. Độ dài bước sóng λ0 được giữ cố định, do đó với hai hướng truyền sóng khác nhau ta có:
C1 C2 f1 = và f2 = λ0 λ0 Từ hiệu số: f1 − f 2 = 1 [(C0 + v. cos α ) − (C0 .v. cos α )] = 2.v. cos α λ0 λ0 Cho ta vận tốc dòng chảy v độc lập đối với vận tốc sóng siêu âm C0 λ0 v= ( f1 − f 2 ) 2 cos α Phương pháp này cho kết quả chính sác nhất trong phương pháp đo lưu lượng bằng siêu âm. Một số ứng dụng của siêu âm trong công nghiệp: 5./ Kết luận và so sánh giữa các phương pháp Với phương pháp siêu âm để đo lưu lượng ta có lợi điểm các ống lưu chất không cần phải co lại hay bị một vật cản nào nằm trong dòng chảy. Tuy nhiên chiều dài L giữa hai cảm biến không được bé hơn một trị số nào đó. Nếu không cần mặt phản xạ thì đường kính ống lưu chất khoảng từ 100 mm đến 3000 mm là điều kiện cần. Để được trị số trung bình chính sác, người ta thực hiện các phép đo ở vài vị trí khác nhau của ống dẫn và lấy trị số trung bình. Độ chính xác của phép đo khoảng ±0,5% của trị số cuối thang đo và +0,1% của trị số đo. Sau đây ta có bảng so sánh giữa các phép đo lưu lượng: Ống co Dòng xoáy Tự cảm Siêu âm Trị số đo tùy thuộc vào Ρ, v v v v Trị số đo được Thể tích Thể tích Thể tích Thể tích Môi trường Chất lỏng, khí, Chất lỏng, khí, hơi Chất lỏng có độ Chất lỏng, khí hơi nước. nước. điện dẫn > 0.1μS/cm Chỉ thị Không tuyến tính Tuyến tính Tuyến tính Tuyến tính Sai số 1% 1% 1% 0.5% Sự hao hụt áp suất Khá lớn Nhỏ Không Không Được tiêu thụ trên thị 40% 6% 15% 3% trường
Chú ý Nhạy cảm với dơ Kinh tế Dùng ở nơi dơ bẩn Dùng ở những nơi bẩn, rỉ sét. Được và có hóa chất ăn có hóa chất ăn mòn. dùng ở nhiều mòn. Đắt tiền lĩnh vực Như vậy, với những yêu cầu công nghệ trong quá trình đo lưu lượng khi rót nhiên liệu vào hộp sữa chúng em chọn thiết bị đo lưu lượng là cảm biến đo lưu lượng điện từ của Siemens loại MAG 60001 có hình dạng và thông số kỹ thuật như sau:
B./ CẢM BIẾN VỊ TRÍ Ngày nay, cảm biến vị trí và dịch chuyển được ứng dụng rất rộng rãi. Đó là vì việc kiểm tra vị trí và dịch chuyển đóng vai trò rất qua trọng đối với hoạt động của nhiều máy móc, công cụ. Hơn nữa một số đại lượng vật lý có thể đo được thông qua việc xác định sự dịch chuyển của một vật chịu tác động của đại lượng vật lý. Có hai phương pháp để xác định vị trí và dịch chuyển. Trong phương pháp thứ nhất (được sử dụng nhiều hơn cả), cảm biến cung cấp một tín hiệu là hàm phụ thuộc vào vị trí của một trong những phần tử của cảm biến, đồng thời phần tử đó có liên quan với vật di động mà ta cần đo sự dịch chuyển của vật thể. Một số cảm biến loại này có cấu tạo gồm một trở kháng có một trong những đặc trưng hình học hoặc kích thước thay đổi theo vị trí của của phần tử động… Trong phương pháp thứ hai (ít dùng hưon), ứng dụng một dich chuyển cơ bản (một đơn vị dịch chuyển), cảm biến sẽ phát ra một xung. Khi đó vị trí và dịch chuyển được xác định bằng cách đếm số xung. Một số loại cảm biến không đòi hỏi liên kế cơ học giữa cảm biến và vật cần đo khoảng cách dịch chuyển. Mối quan hệ giữa vật dịch chuyển và cảm biến thông qua vai trò trung gian của điện trường, từ trường, quang học (tia laze)…. Với yêu cầu của đề tài em xin trình bày những hiểu biết của mình về loại cảm biến vị trí theo phương pháp quang. 1./ Giới thiệu sơ lược về mạch cảm biến vị trí theo kiểu quang : Để cảm nhận mỗi lần sản phẩm đi qua thì cảm biến phải có phần phát và phần thu. Phần phát phát ra ánh sáng hồng ngoại và phần thu hấp thụ ánh sáng hồng ngoại vì ánh sáng hồng ngoại có đặc điểm là ít bị nhiễu so với các loại ánh sáng khác. Hai bộ phận phát và thu hoạt động với cùng tần số. Khi có sản phẩm đi qua giữa phần phát và phần thu, ánh sáng hồng ngoại bị che bộ phận thu sẽ hoạt động với tần số khác tần số phát như thế tạo ra một xung tác động tới bộ phận xử lí. Vậy bộ phận phát và bộ phận thu phải có nguồn tạo dao động. Bộ phận dao động tác động tới công tắc đóng ngắt của nguồn phát và nguồn thu ánh sáng. Có nhiều linh kiện phát và thu ánh sáng hồng ngoại nhưng chúng em chọn led hồng ngoại và transitor quang là linh kiện phát và thu vì transistor quang là linh kiện rất nhạy với ánh sáng hồng ngoại. Bộ phận tạo dao động có thể dùng mạch LC, cổng logic, hoặc IC dao động. Với việc sử dụng IC chuyên dùng tạo dao động, bộ tạo dao động sẽ trở nên đơn giản hơn với tần số phát và thu Vì tín hiệu ở ngõ ra trasitor quang rất nhỏ nên cần có mạch khuyếch đại trước khi đưa đến bộ tạo dao động. Chúng em chọn IC khuếch đại để khuếch đại tín hiệu lên đủ lớn. Vậy sơ đồ khối của phần phát và phần thu là:
KHỐI KHỐI DAO TRANSITOR KHUYẾCH DAO ĐỘNG THU ĐẠI ĐỘNG a./ Các linh kiện trong mạch cảm biến: * Cấu tạo, nguyên lí hoạt động của led hồng ngoại: - Led được cấu tạo từ GaAs với vùng cấm có độ rộng là 1.43eV tương ứng bức xạ 900nm. Ngoài ra khi pha tạp Si với nguyên vật liệu GaAlAs, độ rộng vùng cấm có thể thay đổi. Với cách này, người ta có thể tạo ra dải sóng giữa 800 - 900nm và do đó tạo ra sự điều hưởng sao cho led hồng ngoại phát ra bước sóng thích hợp nhất cho điểm cực đại của độ nhạy các bộ thu. - Hoạt động: khi mối nối p - n được phân cực thuận thì dòng điện qua nối lớn vì sự dẫn điện là do hạt tải đa số, còn khi mối nối được phân cực nghịch thì chỉ có dòng rỉ do sự di chuyển của các hạt tải thiểu số. Nhưng khi chiếu sáng vào mối nối, dòng điện nghịch tăng lên gần như tỷ lệ với quang thông trong lúc dòng thuận không tăng. Đặc tuyến volt – ampere của led hồng ngoại như sau: I(A) ϕ=4 ϕ=3 ϕ=2 ϕ=1 ϕ=0 U(V) b./ Photon transistor. Photon Transistor cũng tương tự như transistor thông thường nhưng chỉ khác ở chỗ nó không có cực bazơ, thay cho tác dụng khống chế của dòng vào cực bazơ là sự khống chế của chùm sáng đối với dòng colector của transitor hoặc có cực bazơ, nhưng khống chế tín hiệu là ánh sáng.