Giáo trình Kỹ thuật cảm biến (Ngành: Điện dân dụng - Cao đẳng) - Trường Cao đẳng Xây dựng số 1

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:219

Thêm vào BST

Báo xấu

4
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Giáo trình "Kỹ thuật cảm biến (Ngành: Điện dân dụng - Cao đẳng)" được biên soạn với mục tiêu nhằm giúp sinh viên nắm được các kiến thức về: Đặc tính, phạm vi ứng dụng và cách thực hành các loại cảm biến quang điện; cấu tạo của các loại cảm biến; các phương pháp đo tốc độ vòng quay và góc quay. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Kỹ thuật cảm biến (Ngành: Điện dân dụng - Cao đẳng) - Trường Cao đẳng Xây dựng số 1

BỘ XÂY DỰNG TRƯỜNG CAO ĐẲNG XÂY DỰNG SỐ 1 GIÁO TRÌNH MÔN HỌC: KỸ THUẬT CẢM BIẾN NGÀNH: ĐIỆN DÂN DỤNG TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG Ban hành kèm theo Quyết định số: ..../QĐ-CĐXD1 ngày .... tháng .... năm.... Của Hiệu trưởng trường CĐXD số 1 Hà nội, tháng năm 20 1
2
BỘ XÂY DỰNG TRƯỜNG CAO ĐẲNG XÂY DỰNG SỐ 1 GIÁO TRÌNH MÔN HỌC: KỸ THUẬT CẢM BIẾN Dành cho giáo viên và sinh viên hệ Cao đẳng Chuyên ngành Điện dân dụng Thành viên biên soạn: Giảng viên: Nguyễn Trường Sinh – Chủ biên Giảng viên: Nguyễn Văn Tiến Hà nội, tháng năm 20 3
4
TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu này thuộc loại sách giáo trình nên các nguồn thông tin có thể được phép dùng nguyên bản hoặc trích dùng cho các mục đích về đào tạo và tham khảo. Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc hoặc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh sẽ bị nghiêm cấm. 5
LỜI NÓI ĐẦU Giáo trình Kỹ thuật cảm biến được biên soạn nhằm phục vụ cho giảng dạy và học tập cho trình độ Cao đẳng ngành Điện dân dụng ở trường Cao đẳng Xây dựng số 1. Kỹ thuật cảm biến là môn học chuyên môn ngành nhằm cung cấp các kiến thức về các loại cảm biến sử dụng trong công nghiệp nói chung và ngành điện dân dụng nói riêng. Giáo trình Kỹ thuật cảm biến do bộ môn Điện nước xây dựng gồm: ThS.Nguyễn Trường Sinh làm chủ biên và các thầy cô đã và đang giảng dạy trực tiếp trong bộ môn cùng tham gia biên soạn. Giáo trình này được viết theo đề cương môn học Kỹ thuật cảm biến đã được Trường CĐXD1 ban hành. Nội dung gồm 04 chương sau: Chương 1. Cảm biến nhiệt độ. Chương 2. Cảm biến tiệm cận và một số loại cảm biến xác định vị trí, khoảng cách khác. Chương 3. Phương pháp đo lưu lượng Chương 4. Đo vận tốc vòng quay và góc quay Chương 5: Cảm biến quang điện Trong quá trình biên soạn, nhóm giảng viên Bộ môn Điện nước của Trung tâm Thực hành công nghệ và đào tạo nghề, trường Cao đẳng Xây dựng Số 1 - Bộ Xây dựng, đã được sự động viên quan tâm và góp ý của các đồng chí lãnh đạo, các đồng nghiệp trong và ngoài trường. Mặc dù có nhiều cố gắng, nhưng trong quá trình biên soạn, biên tập và in ấn khó tránh khỏi những thiếu sót. Tác giả rất mong nhận được các góp ý, ý kiến phê bình, nhận xét của người đọc để giáo trình được hoàn thiện hơn. Trân trọng cảm ơn! Hà Nội, ngày……tháng……năm……… Tham gia biên soạn 1. ThS. Nguyễn Trường Sinh - Chủ biên 2. KS. Nguyễn Văn Tiến 6
CHƯƠNG TRÌNH MÔN HỌC Tên môn học: KỸ THUẬT CẢM BIẾN Mã môn học: MH32.2 Thời gian thực hiện môn học: 45 giờ (Lý thuyết: 15 giờ; Thực hành, thí nghiệm, thảo luận, bải tập: 28 giờ; Kiểm tra: 2 giờ). I. Vị trí, tính chất của môn học - Vị trí: + Môn học được bố trí ở kỳ học thứ 2 + Môn học tiên quyết: Cấu tạo kiến trúc - Tính chất: Là môn học cơ sở tự chọn II. Mục tiêu môn học II.1. Kiến thức + Trình bày được đặc tính, phạm vi ứng dụng và cách thực hành các loại cảm biến quang điện. + Trình bày được cấu tạo của các loại cảm biến. + Trình bày được các phương pháp đo tốc độ vòng quay và góc quay. II.2. Kỹ năng + Phân biệt được các loại cảm biến, phạm vi ứng dụng của chúng. + Nhận biết được các loại cảm biến trong thực tế. II.3. Năng lực tự chủ và trách nhiệm - Rèn luyện tính nghiêm túc trong học tập và trong thực hiện công việc. - Rèn luyện khả năng làm việc độc lập và theo nhóm. III. Nội dung môn học Môn học bao gồm: 1. Nội dung tổng quát và phân bố thời gian Thời gian (giờ) Số Tổng Thực hành, Tên chương Lý Kiểm TT số thảo luận, thuyết tra bài tập 1 Bài mở đầu 2 1 1 2 Chương 1. Cảm biến nhiệt độ 9 3 6 1.1 Đại cương 1.2 Nhiệt điện trở với Platin và Nickel 1.3 Cảm biến nhiệt độ với vật liệu Silic 1.4 IC cảm biến nhiệt độ 1.5 Nhiệt điện trở NTC 1.6 Nhiệt điện trở PTC 1.7 Thực hành với cảm biến nhiệt độ Chương 2: Cảm biến tiệm cận và một 3 số loại cảm biến xác định vị trí, 12 3 8 1 khoảng cách khác 2.1 Cảm biến tiệm cận 2.2 Cảm biến xác định vị trí, khoảng cách 2.3 Thực hành cảm biến tiệm cận 7
Thời gian (giờ) Số Tổng Thực hành, Tên chương Lý Kiểm TT số thảo luận, thuyết tra bài tập 2.4 Kiểm tra bài số 1 1 1 4 Chương 3. Phương pháp đo lưu lượng 6 2 4 3.1 Đại cương Phương pháp đo lưu lượng dựa trên 3.2 nguyên tắc chênh lệch áp suất Phương pháp đo lưu lượng bằng tần số 3.3 dòng xoáy 3.4 Thực hành với cảm biến đo lượng Chương 4. Đo vận tốc vòng quay và 5 6 2 4 góc quay 4.1 Một số phương pháp cơ bản Đo vận tốc vòng quay bằng phương 4.2 pháp analog Đo vận tốc vòng quay bằng phương 4.3 pháp quang điện tử Đo vận tốc vòng quay với nguyên tắc 4.4 điện trở từ Cảm biến đo góc với tổ hợp có điện trở 4.5 từ Thực hành với cảm biến đo vòng quay, 4.6 góc quay 6 Chương 5. Cảm biến quang điện 10 4 5 1 6.1 Đại cương 6.2 Cảm biến quang thu phát độc lập 6.3 Cảm biến quang loại phản xạ. 6.4 Cảm biến quang lọai khuếch tán Một số ứng dụng của cảm biến quang 6.5 điện. 6.6 Thực hành cảm biến quang 6.7 Kiểm tra bài số 2 1 1 Cộng 45 11 2. Nội dung chi tiết 8
BÀI M U. KHÁI NI M CƠ B N V CÁC B C M BI N 1. Khái ni m cơ b n v các b c m bi n Trong quá trình s n xu t có nhi u i lư ng v t lý như nhi t , áp su t, t c ,t c quay, n ng pH, nh n...vv c n ư c x lý cho o lư ng, cho m c ích i u khi n truy n ng. Các b c m bi n th c hi n ch c năng này, chúng thu nh n, áp ng các kích thích. C m bi n là m t b chuy n i k thu t chuy n i các lư ng v t lý như nhi t , áp su t, kho ng cách...vv sang m t i lư ng khác có th o, m ư c. Các i lư ng này ph n l n là tín hi u i n. Thí d : i n áp, dòng i n, i n tr ho c t n s dao ng. Các tên khác c a khác c a b c m bi n: Sensor, b c m bi n o lư ng, u dò, van o lư ng, b nh n bi t ho c b bi n i. T sen-sor là m t t mư n ti ng la tinh Sensus, trong ti ng c và ti ng Anh ư c g i là sensor, trong ti ng Vi t thư ng g i là b c m bi n. Các b c m bi n thư ng ư c nh nghĩa theo nghĩa r ng là thi t b c m nh n, kích thích và áp ng các tín hi u. 2. Ph m vi ng d ng. Các b c m bi n ư c s d ng nhi u trong các lĩnh v c kinh t và k thu t. Các b c m bi n c bi t và r t nh y c m ư c s d ng trong các thí nghi m các lĩnh v c nghiên c u khoa h c. Trong lĩnh v c t ng hoá ngư i ta s d ng các sensor bình thư ng cũng như c bi t. 3. Phân lo i các b c m bi n. C m bi n ư c phân lo i theo nhi u tiêu chí. Ngư i ta có th phân lo i c m bi n theo các cách sau: 3.1. Theo nguyên lý chuy n i gi a kích thích và áp ng. Chuy n i gi a kích thích và áp Hi n tư ng ng 10
Nhi t i n. Quang i n Quang t . V t lý i nt T i n …vv Bi n i hóa h c Bi n i i n hóa Hóa h c Phân tích ph …vv Bi n i sinh hóa Bi n i v t lý Sinh h c Hi u ng trên cơ th s ng ..vv 3.2. Theo d ng kích thích. Kích thích Các c tính c a kích thích Biên pha, phân c c Ph Âm thanh T c truy n sóng …vv 11
i n tích, dòng i n i n th , i n áp i n i n trư ng i n d n, h ng s i n môi …vv T trư ng T thông, cư ng t trư ng. T t th m …vv V trí L c, áp su t Gia t c, v n t c, ng su t, c ng Cơ Mô men Kh i lư ng, t tr ng nh t …vv Ph T c truy n Quang H s phát x , khúc x …VV Nhi t Thông lư ng Nhi t T nhi t …vv 12
Ki u Năng lư ng B cx Cư ng …vv 3.3. Theo tính năng. nh y chính xác phân gi i tuy n tính Công su t tiêu th 3.4. Theo ph m vi s d ng Công nghi p Nghiên c u khoa h c Môi trư ng, khí tư ng Thông tin, vi n thông Nông nghi p Dân d ng Giao thông v n t i…vv 3.5. Theo thông s c a mô hình m ch i n thay th C m bi n tích c c (có ngu n): u ra là ngu n áp ho c ngu n dòng. C m bi n th ng (không có ngu n): C m bi n g i là th ng khi chúng c n có thêm ngu n năng lư ng ph hoàn t t nhi m v o ki m, còn lo i tích c c thì không c n. ư c c trưng b ng các thông s : R, L, C…tuy n tính ho c phi tuy n. 13
BÀI 1.C M BI N NHI T Trong t t c các i lư ng v t lý, nhi t là m t trong các i lư ng ư c quan tâm nhi u nh t vì nhi t óng vai trò quy t nh n nhi u tính ch t c a v t ch t. Nhi t có th làm nh hư ng n các i lư ng ch u tác d ng c a nó. Thí d như áp su t, th tích c a ch t khí…vv. B i v y trong công nghi p cũng như i s ng hàng ngày ph i o nhi t . D ng c o nhi t ơn gi n nh t là nhi t k s d ng hi n tư ng giãn n nhi t. ch t o các b c m bi n nhi t ngư i ta s d ng nhi u nguyên lý c m bi n khác nhau như: Phương pháp quang d a trên s phân b ph b c x nhi t do dao ng nhi t (hi u ng Doppler). Phương pháp d a trên s giãn n c a v t r n, ch t l ng ho c ch t khí (v i áp su t không i) ho c d a trên t c âm. Phương pháp i n d a trên s ph thu c c a các i n tr vào nhi t . o ư c tr s chính xác c a nhi t là v n không ơn gi n. Nhi t là i lư ng ch có th o gián ti p trên cơ s tính ch t c a v t ph thu c vào nhi t . Trư c khi o nhi t ta c n c p n thang o nhi t . 1.1 i cương 1.1.1 Thang o nhi t . Vi c xác nh thang nhi t xu t phát t các nh lu t nhi t ng h c. Thang o nhi t tuy t i ư c xác nh d a trên tính ch t c a khí lý tư ng. nh lu t Carnot nêu rõ: Hi u su t η c a m t ng cơ nhi t thu n ngh ch ho t ng gi a 2 ngu n có nhi t θ1 và θ2 trong m t thang o b t kỳ ch ph thu c vào θ1 và θ2: F(θ1 ) η= F(θ 2 ) D ng c a hàm F ch ph thu c vào thang o nhi t . Ngư c l i, vi c 14
l a ch n hàm F s quy t nh thang o nhi t . t F(θ) = T chúng ta s xác nh T như là nhi t nhi t ng h c tuy t i và hi u su t c a ng cơ nhi t thu n ngh ch s ư c vi t như sau: T1 η = 1− T2 Trong ó: T1 và T2 là nhi t nhi t ng h c tuy t i c a hai ngu n. Thang Kelvin Năm 1664 Robert Hook thi t l p i m không là i m ng c a nư c c t.Thomson (Kelvin) nhà v t lý Anh, năm 1852 xác nh thang nhi t . Thang Kelvin ơn v là 0K, ngư i ta gán cho nhi t c a i m cân b ng c a 3 tr ng thái nư c – nư c á – hơi m t tr s b ng 273,15 0K. Thang Celsius Năm 1742 Andreas Celsius là nhà v t lý Th y i n ưa ra thang nhi t bách phân. Trong thang này ơn v o nhi t là 0C, m t Celsius b ng m t Kelvin. Quan h gi a nhi t Celsius và nhi t Kelvin ư c xác nh b ng bi u th c: T(0C) = T(0K) – 273,15 Thang Fahrenheit Năm 1706 Fahrenheit nhà v t lý Hà Lan ưa ra thang nhi t có i m nư c á tan là 320 và sôi 2120. ơn v nhi t là Fahrenheit (0F). Quan h gi a nhi t Celsius và Fahrenheit ư c cho theo bi u th c: 5 { T( 0 C) = T( 0 F ) − 32} 9 9 0 T( 0 F ) = T( C) + 32 5 B ng 1.1 Thông s c trưng c a m t s thang o nhi t khác nhau 15
Nhi t Kelvin Celsius Fahrenheit (0K) (0C) (0F) i m 0 tuy t i 0 -273,15 -459,67 H n h p nư c – nư c á 273,15 0 32 Cân b ng nư c – nư c á – 273,16 0,01 32,018 hơi nư c Nư c sôi 373,15 100 212 1.1.2 Nhi t ư c o và nhi t c n o. Nhi t o ư c: Nhi t o ư c nh m t i n tr hay m t c p nhi t, chính b ng nhi t c a c m bi n và kí hi u là TC. Nó ph thu c vào nhi t môi trư ng TX và vào s trao i nhi t trong ó. Nhi m v c a ngư i th c nghi m là làm th nào gi m hi u s TX – TC xu ng nh nh t. Có hai bi n pháp gi m s khác bi t gi a TX và TC: - Tăng trao i nhi t gi a c m bi n và môi trư ng o. - Gi m trao i nhi t gi a c m bi n và môi trư ng bên ngoài. o nhi t trong lòng v t r n Thông thư ng c m bi n ư c trang b m t l p v b c bên ngoài. o nhi t c a m t v t r n b ng c m bi n nhi t , t b m t c a v t ngư i ta khoan m t l nh ư ng kính b ng r và sâu b ng L. L này dùng ưa c m bi n vào sâu trong ch t r n. tăng chính xác c a k t qu ph i m b o hai i u ki n: - Chi u sâu c a l khoan ph i b ng ho c l n hơn g p 10 l n ư ng kính c a nó (L≥ 10r). - Gi m tr kháng nhi t gi a v t r n và c m bi n b ng cách gi m kho ng cách gi a v c m bi n và thành l khoan. kho ng cách gi a v c m bi n và thành l khoan ph i ư c l p y b ng m t v t li u d n nhi t t t. 16
1.2 Nhi t i n tr v i Platin và Nickel 1.2.1 i n tr kim lo i thay i theo nhi t S chuy n ng c a các h t mang i n tích theo m t hư ng hình thành m t dòng i n trong kim lo i. S chuy n ng này có th do m t l c cơ h c hay i n trư ng gây nên và i n tích có th là âm hay dương d ch chuy n v i chi u ngư c nhau. d n i n c a kim lo i ròng t l ngh ch v i nhi t hay i n tr c a kim lo i có h s nhi t dương. Trong hình 1.1 ta có các c tuy n i n tr c a các kim lo i theo nhi t . Như th i n tr kim lo i có h s nhi t i n tr dương PTC (Positive Temperature Coefficient): i n tr kim lo i tăng khi nhi t tăng. hi u ng này có th s d ng ư c trong vi c o nhi t , h s nhi t c n ph i l n. i u ó có nghĩa là có s thay i i n tr khá l n i v i nhi t . Ngoài ra các tính ch t c a kim lo i không ư c thay i nhi u sau m t th i gian dài. H s nhi t không ph thu c vào nhi t , áp su t và không b nh hư ng b i các hóa ch t. Gi a nhi t và i n tr thư ng không có s tuy n tính, nó ư c di n t b i m t a th c b c cao: R(t) = R0 (1 + A.t + B.t2 + C.t3 +…) i n tr ng Than S t 0 200 400 600 800 Nhi t 17
Hình 1.1: Các c tuy n i n tr c a các kim lo i theo nhi t . - R0: i n tr ư c xác nh m t nhi t nh t nh. - t2, t3: các ph n t ư c chú ý nhi u hay ít tùy theo yêu c u chính xác c a phép o. - A, B, C: các h s tùy theo v t li u kim lo i và di n t s liên h gi a nhi t và i n tr m t cách rõ ràng. Thông thư ng c tính c a nhi t i n tr ư c th hi n b i ch m t h s a (alpha), nó thay th cho h s nhi t trung bình trong thang o (ví d t 00C n 1000C.) alpha = (R100 - R0) / 100. R0 (° -1) C 1.2.2 Nhi t i n tr Platin Platin là v t li u cho nhi t i n tr ư c dùng r ng rãi trong công nghi p. Có 2 tiêu chu n i v i nhi t i n tr platin, s khác nhau gi a chúng n m m c tinh khi t c a v t li u. H u h t các qu c gia s d ng tiêu chu n qu c t DIN IEC751-1983 ( ư c s a i l n th nh t vào năm 1986, l n th 2 vào năm 1995), USA v n ti p t c s d ng tiêu chu n riêng. c 2 tiêu chu n u s d ng phương trình Callendar - Van Dusen: R(t) = R0 (1 + A.t + B.t2 + C[t - 1000C].t3) Alpha R0 Standard H sô t nư c ohms/ohm/° ohms C 200° < t < 0° Úc, Áo, B , Brazil, C C A = 3.90830x10-3 Bulgaria, Canada, B = -5.77500x10-7 C ng hòa Czech, an -12 IEC751 C = -4.18301x10 m ch, Ai C p, Ph n 0.00385055 100 (Pt100) 0° < t < 850° Lan, Pháp, C C c, Israel, A &B như trên, Ý, Nh t, Ba Lan, riêng Rumania, Nam phi, Th C = 0.0 Nhĩ Kì, Nga, Anh, USA 18
R A= 3.97869x10-3 SAMA 0 là 0.0039200 98.129 B = -5.86863x10-7 USA RC-4 tr C = -4.16696x10-12 s i n tr nh m c 00C. R0 c a nhi t i n tr Pt 100 là 100Ω, c a Pt 500 là 500Ω, c a Pt 1000 là 1000Ω. Các lo i Pt 500, Pt 1000 có h s nhi t l n hơn, do ó nh y l n hơn: i n tr thay i m nh hơn theo nhi t . ngoài ra còn có lo i Pt 10 có nh y kém dùng o nhi t trên 6000C. Tiêu chu n IEC751 ch nh nghĩa 2 “ ng c p” dung sai A, B. Trên th c t xu t hi n thêm lo i C và D (xem b ng phía dư i). Các tiêu chu n này cũng áp d ng cho các lo i nhi t i n tr khác. ng c p dung sai Dung sai (°C) A t =± (0.15 + 0.002.| t |) B t = ± (0.30 + 0.005. | t |) C t =± (0.40 + 0.009. | t |) D t = ± (0.60 + 0.0018. | t |) Theo tiêu chu n DIN v t li u platin dùng làm nhi t i n tr có pha t p. Do ó khi b các t p ch t khác th m th u trong quá trình s d ng s thay i tr s i n c a nó ít hơn so v i các platin ròng. Nh th có s n nh lâu dài theo th i gian, thích h p hơn trong công nghi p. Trong công nghi p nhi t i n tr platin thư ng dùng có ư ng kính 30µm (so sánh v i ư ng kính s i tóc kho ng 100µm). 1.2.3 Nhi t i n tr nickel Nhi t i n tr nickel so v i platin r ti n hơn và có h s nhi t l n g n g p hai l n (6,18.10-3 0C-1). Tuy nhiên d i o ch t -600C n +2500C, 19
vì trên 3500C nickel có s thay i v pha. C m bi n nickel 100 thư ng dùng trong công nghi p i u hòa nhi t phòng. R(t) = R0 (1 + A.t +B.t2 +D.t4 +F.t6) A = 5.485x10-3 B = 6.650x10-6 D = 2.805x10-11 F = -2.000x10-17. V i các trư ng h p không òi h i s chính xác cao ta s d ng phương trình sau: R(t) = R0 (1 + a.t) a = alpha= 0.00672 0C-1 T ó d dàng chuy n i thành giá tr nhi t : t = (Rt / R0 - 1) / a = (Rt / R0 - 1) / 0.00672 Hình 1.2. ư ng c tính c m bi n nhi t ZNI1000 C m bi n nhi t ZNI1000 do hãng ZETEX Semiconductors s n xu t s d ng nhi t i n tr Ni, ư c thi t k có giá tr 1000 Ω t i 00C. 1.2.4 Cách n i dây o Nhi t i n tr thay i i n tr theo nhi t . V i m t dòng i n không thay i qua nhi t i n tr , ta có i n th o ư c U = R.I. c m bi n không b nóng lên qua phép o, dòng i n c n ph i nh kho ng 1mA. V i 0 Pt 100 C ta có i n th kho ng 0,1V. i n th này c n ư c ưa n máy o qua dây o. Ta có 4 k thu t n i dây o. 20
Hình 1.3 Cách n i dây nhi t i n tr Tiêu chu n IEC 751 yêu c u dây n i n cùng u nhi t i n tr ph i có màu gi ng nhau ( ho c tr ng) và dây n i n2 u ph i khác màu. K thu t hai dây Hình 1.4 Gi a nhi t i n tr và m ch i n t ư c n i b i hai dây. B t c dây d n i n nào u có i n tr , i n tr này n i n i ti p v i nhi t i n tr . V i hai i n tr c a hai dây o, m ch i n tr s nh n ư c m t i n th cao hơn i n th c n o. K t qu ta có ch th nhi t k cao hơn nhi t c n o. N u kho ng cách quá xa, i n tr dây o có th lên n vài Ohm Ví d v i dây ng: Di n tích m t c t dây o: 0,5mm2 i n tr su t: 0,0017Ωmm2m-1 Chi u dài: 100m R = 6,8 Ω, v i 6,8Ω tương ng cho nhi t i n tr Pt 100 m t thay i 21