Tài liệu Giáo Trình Cảm Biến Quang potx

MÔN HỌC: THIẾT BỊ TỰ ĐỘNG CÔNG
MÔN HỌC: THIẾT BỊ TỰ ĐỘNG CÔNG
NGHIỆP
NGHIỆP
Nội dung:
-
Chương 1. Cảm biến
-
Chương 2: Các bộ điều khiển
-
Chương 3: Hệ thống điều khiển khí nén
Tài liệu tham khảo:
1)Các bộ cảm biến trong kỹ thuật đo lường và điều
khiển. Lê Văn Doanh
2)Giáo trình cảm biến. Phan Quốc Phô, Nguyễn Đức
Chiến
3)Giáo trình thiết bị điều khiển. Khoa điện tử
CHNG 1. CM BIN
CHNG 1. CM BIN
Tín hiệu điều
khiển vật lý
Ngời
vận hành
Các thiết bị
thu nhận và
chuyển đổi
tín hiệu điều
khiển
Tín hiệu
điều khiển
24VDC

-Nút nhấn
-Cảm biến
-Công tắc
Cơ cấu
chấp
hành
-ng c
-Van điện từ.
- Bin tr
Thiết bị
điều khiển
công suất
lớn(thiết bị
động lực)
Nguồn công
suất lớn-
220V, 380V
Công tắctơ.
-Biến tần
Thiết bị xử
lý tín hiệu
-Rơle
-PLC
-Máy tính

Tín hiệu điều
khiển 24VDC
Phối ghép
Phối ghép
Mạch kích

thích
Ngoại vi
Đối tượng
M
U
X
Hệ thống thu nhận dữ liệu
1.1. Khái niệm cảm biến
1.1.1 Khái niệm
Cảm biến
s (đặc trưng điện)
(đại lượng cần đo) m
Cảm biến là một thiết bị chịu tác động của các đại
lượng vật lý cần đo m không có tính chất điện và cho
ta ở đầu ra một đại lượng mang bản chất điện (như
điện tích, điện áp, dòng điện, trở kháng) ký hiệu là s.
Đặc trưng điện s là hàm của đại lượng cần đo m
s = f(m)
∆s = S. ∆m
Trong đó S gọi là độ nhạy của cảm biến.

Một cảm biến hay sensor là “một thiết bị nhận và
đáp ứng lại một tín hiệu hay một tác nhân kích
thích”.

Tác nhân kích thích là một lượng, tính chất hay
trạng thái được cảm nhận. Để nhấn mạnh đặc trưng
định lượng của việc cảm nhận (sensing), thuật ngữ
“đại lượng cần đo” được sử dụng thay cho “tác nhân

kích thích”.
-> Sensor là một thiết bị nhận một tín hiệu hay một
tác nhân kích thích và đáp ứng lại bằng một tín hiệu
điện (dưới dạng điện áp, dòng điện, điện tích hay
điện kháng).
->Transducer-cảm biến: một thiết bị biến đổi năng
lượng từ dạng này sang dạng khác.
Sự khác nhau giữa sensor và transducer
-
Hiệu suất biến đổi năng lượng: 5% hay 0,1% cũng
không quan trọng với sensor nhưng với transducer
hiệu suất là rất quan trọng tuy rằng có thể nó không
cao.
-
Độ tuyến tính: quan trọng đối với sensor nhưng lại
không quan trọng đối với transducer.
-Sensor và transducer được coi là như nhau.
1.1.2. Phân loại
Theo nguyên lý người ta chia cảm biến làm hai loại:
Cảm biến tích cực và cảm biến thụ động.
a. Cảm biến tích cực
- Định nghĩa: Cảm biến tích cực là các loại cảm biến
hoạt động như một máy phát điện, về mặt nguyên lý nó
thường dựa trên các hiệu ứng vật lý biến đổi một dạng
năng lượng nào đó (như nhiệt, cơ, quang, ) thành năng
lượng điện.
* Hiệu ứng nhiệt điện
M1
M1
M2

T1
T2
e = f(T
1
, T
2
)
Giữa các đầu của hai dây dẫn khác nhau về bản chất
hoá học được hàn lại với nhau thành một mạch điện có
nhiệt độ ở hai mối hàn là T
1
và T
2
thì trong mạch điện
sẽ suất hiện một suất điện động e = F(T
1
, T
2
).
Nếu biết trước được T
2
thì ta có thể suy ra T
1
. Thực tế
hiệu ứng này được ứng dụng

để chế tạo cặp nhiệt dùng
để đo nhiệt độ.
* Hiệu ứng áp điện
Khi tác dụng lực cơ học lên một vật làm bằng vật liệu

áp điện thí dụ thạch anh, sẽ gây nên biến dạng của vật
đó và làm xuất hiện lượng điện tích bằng nhau nhưng
trái dấu trên các mặt đối diện của vật
+ + + + + + + + + + + + +
- - - - - - - - - - - - - - - -
F
U= f(F)
Trong thực tế, người ta ứng dụng hiệu ứng này để chế tạo cảm
biến đo lực, đo áp suất, gia tốc,
* Hiệu ứng cảm ứng điện từ
Khi cho một khung dây quay vuông góc với một từ trường thì
bên trong khung dây sẽ cảm ứng một sức điện động tỷ lệ với
tốc độ quay của khung

B
e = f(n)
n
Trong thực tế, người ta ứng dụng hiệu ứng này để chế tạo các
loại cảm biến đo tốc độ quay hoặc tốc độ dài
* Hiệu ứng quang điện
Hiệu ứng quang điện là hiện tượng giải phóng các hạt dẫn tự do
trong vật liệu (thường là vật liệu bán dẫn) dưới tác dụng của bức
xạ ánh sáng.
* Hiệu ứng Hall
Hiệu ứng hall trong thực tế được ứng dụng để chế tạo các loại
cảm biến đo góc quay, cảm biến áp lực
b) Cảm biến thụ động
Là các loại cảm biến được chế tạo từ các vật liệu có những
thông số trở kháng nhạy với đại lượng đo. Giá trị của trở kháng
của cảm biến không những phụ thuộc vào hình dạng, kích

thước mà còn phụ thuộc vào tính chất điện của vật liệu như:
điện trở suất ρ, từ thẩm µ, hằng số điện môi ξ.
Phụ thuộc vào bản chất của các vật liệu khác nhau, tính chất
điện của chúng có thể nhạy với nhiều đại lượng vật lý như:
nhiệt độ, độ chiếu sáng, áp suất, độ ẩm,
Trở kháng của cảm biến thụ động và sự thay đổi của trở kháng
dưới tác dụng của của đại lượng đo chỉ có thể xác định được
khi cảm biiến là một thành phần trong một mạch điện. Trên
thực tế, tuỳ từng trường hợp cụ thể mà người ta chọn mạch đo
cho thích hợp với cảm biến.
Ví dụ mạch sử dụng quang trở Cds điều khiển LED.
Cds
VR1 T
R2
LED
1.2. MỘT SỐ VẤN ĐỀ KHI THIẾT KẾ VÀ SỬ DỤNG CẢM BIẾN
1.2.1. Các đại lượng ảnh hưởng tới cảm biến
+ Nhiệt độ: Làm thay đổi các đặc trưng điện, cơ và kích thước
của cảm biến.
+ Độ ẩm: Có thể làm thay đổi tính chất điện của vật liệu.
+ Áp suất, gia tốc, độ rung: Có thể gây nên biến dạng hoặc ứng
suất trong.
+ Từ trường: có thể gây nên sức điện động cảm ứng chồng lên
tín hiệu có ích
1.2.2. Sai số của phép đo
Khi đánh giá sai số người ta phân làm hai loại: Sai số hệ
thống và sai số ngẫu nhiên.
* Sai số hệ thống.
Nguyên nhân:
+ Do giá trị của đại lượng chuẩn không đúng.

+ Do đặc tính của cảm biến.
+ Do điều kiện và chế độ sử dụng.
+ Do sử lý kết quả đo.
* Sai số ngẫu nhiên.
Nguyên nhân:
+ Do tính không xác định của đặc trưng thiết bị.
+ Do tín hiệu nhiễu ngẫu nhiên.
+ Do các đại lượng ảnh hưởng.
1.2.3. Độ nhạy của cảm biến
Độ nhạy của cảm biến S xung quanh một giá trị không đổi m
i

của đại lượng đo được xác định bởi tỷ số giữa biến thiên ∆s của
đại lượng ở đầu ra và biến thiên ∆m tương ứng của đại lượng
đầu vào.
i
mm
m
s
S
=






∆
∆
=

Đơn vị đo của độ nhạy phụ thuộc vào nguyên lý làm việc của
cảm biến và các đại lượng có liên quan.
VD: Ω/
o
C đối với nhiệt điện trở
µV /
o
C đối với cặp nhiệt điện
Để phép đo đạt độ chính xác cao, khi thiết kế và sử dụng cảm
biến cần làm sao cho độ nhạy S của nó không đổi, nghĩa là ít
phụ thuộc nhất vào các yếu tố sau:
- Giá trị của đại lượng cần đo m và tần số thay đổi của nó.
- Thời gian sử dụng.
- ảnh hưởng của các đại lượng vật lý khác (không phải là đại
lượng đo) của môi trường xung quanh.
Thông thường nhà sản xuất cung cấp giá trị của độ nhạy S
tương ứng với những điều kiện làm việc nhất định của cảm
biến.
1. 2.4. Độ nhanh- thời gian hồi đáp
-
Độ nhanh: Là đặc trưng của cảm biến cho phép đánh giá
xem đại lượng đầu ra có theo kịp về thời gian với biến thiên
của đại lượng đo hay không.
-
Thời gian hồi đáp: Là đại lượng được sử dụng để xác định
giá trị số của độ nhanh.
1.2.5. Giới hạn sử dụng
Trong quá trình sử dụng cảm biến luôn phải chịu các ứng
lực cơ khí hoặc nhiệt độ tác động lên chúng. Nếu các ứng lực
này vượt quá ngưỡng cho phép chúng sẽ làm thay đổi các đặc

trưng làm việc của cảm biến, hoặc có thể gây nên phá huỷ cảm
biến. Bởi vậy trong quá trình sử dụng cảm biến người sử dụng
phải lưu ý tới giới hạn làm việc của cảm biến và phải tuyệt đối
tuân thủ theo chúng.
a) Vùng làm việc danh định
Vùng làm việc danh định tương ứng với những điều kiện sử
dụng bình thường của cảm biến. Giới hạn của vùng là các giá trị
ngưỡng mỡ các đại lượng đo, các đại lượng vật lý có liên quan
đến đại lượng đo hoặc các đại lượng ảnh hưởng có thể thường
xuyên đạt tới mà không làm thay đổi các đặc trưng làm việc
danh định của cảm biến.
b) Vùng không gây nên hư hỏng
Vùng không gây nên hư hỏng là vùng mà khi mà các đại lượng
đo hoặc các đại lượng vật lý có liên quan và các đại lượng ảnh
hưởng vượt qua ngưỡng của vùng làm việc danh định nhưng vẫn
còn nằm trong phạm vi không gây nên hư hỏng, các đặc trưng
của cảm biến có thể bị thay đổi nhưng những thay đổi này mang
tính thuận nghịch, tức là khi trở về vùng làm việc danh định các
đặc trưng của cảm biến lấy lại giá trị ban đầu của chúng.
c) Vùng không phá huỷ
Vùng không phá hủy là vùng khi mà các đại lượng đo hoặc các
đại lượng vật lý có liên quan và các đại lượng ảnh hưởng vượt
qua ngưỡng của vùng không gây nên hư hỏng nhưng vẫn còn
nằm trong phạm vi không bị phá hủy
Các đặc trưng của cảm biến bị thay đổi và những thay đổi này
mang tính không thuận nghịch, tức là khi trở về vùng làm việc
danh định các đặc trưng của cảm biến không thể lấy lại giá trị
ban đầu của chúng. Trong trường hợp này cảm biến vẫn còn sử
dụng được, nhưng phải tiến hành chuẩn lại cảm biến.
1. 3. CẢM BIẾN QUANG (PHOTOSENSOR)

1.3.1. Ánh sáng và phép đo quang
1.3.1.1. Tính chất của ánh sáng
Ánh sáng có hai tính chất cơ bản là sóng và hạt:
-
Tính chất sóng:
Sóng ánh sáng là sóng điện từ phát ra khi có sự chuyển điện
tử giữa các mức năng lượng của nguyên tử của nguồn sáng.
Các sóng này truyền trong chân không với vận tốc c = 3.10
8

m/s.
Tần số ánh sáng f liên hệ với bước sóng λ theo biểu thức:
Trong môi trường bất kỳ: λ= v/f
Trong môi trường chân không: λ= c/f
1. 3. CẢM BIẾN QUANG (PHOTOSENSOR)
Màu sắc của ánh sáng phụ thuộc vào bước sóng. Dựa vào
bước sóng người ta phân ánh sáng làm 3 vùng: Vùng ánh sáng
tử ngoại, vùng ánh sáng nhìn thấy, vùng hồng ngoại.
0,01 0,1 0,75 1,2 10 30 100
Tử
ngoại
0,4
Hồng ngoại
0,393 0,4 0,455 0,49 0,575 0,59 0,65 0,75
Tím
Chàm Lam Lục Vàng Da cam Đỏ
A/s nhìn thấy
λ(µm
)
Như vậy, trong vùng ánh sáng nhìn thấy màu đỏ là màu có vận

tốc lớn nhất. Do đó, trong thực tế người ta thường sơn các biển
báo bằng màu đỏ và đèn báo thường là đèn có ánh sáng đỏ
1. 3. CẢM BIẾN QUANG (PHOTOSENSOR)
Tính chất hạt của ánh sáng thể hiện qua sự tương tác của nó với
vật chất. Ánh sáng bao gồm các hạt photon, mỗi một photon
này mang một năng lượng w
φ
= h.f (h = 6,625.10
-34
J.s)
Trong vật chất các điện tử quay xung quanh hạt nhân nhờ một lực liên
kết với hạt nhân W
e
, lực này mạnh với các điện tử lớp trong và yếu với
các điện tử lớp ngoài, do đó các điện tử lớp ngoài dễ có khả năng tách
ra khỏi nguyên tử. Tính chất của vật chất phụ thuộc vào số lượng các
điện tử tự do trong vật chất. Các điện tử tự do ở lớp vỏ ngoài cùng
muốn thoát ra khỏi nguyên tử để trở thành điện tử tự do thì phải được
cấp một năng lượng lớn hơn hoặc bằng lực liên kết. Khi ánh sáng chiếu
lên vất chất nếu năng lượng của các photon đủ lớn để cấp cho điên tử
thắng lại lực liên kết thì các điện tử trong vật chất sẽ được giải phóng
để trở thành các điện tử tự do. Hiện tượng này gọi là hiện tượng quang
điện.
1. 3. CẢM BIẾN QUANG (PHOTOSENSOR)
-
Năng lượng bức xạ - Q là năng lượng phát xạ lan truyền hoặc
bức xạ dưới dạng bức xạ.
Đơn vị đo: J(Jun) hoặc lm.s (lumen. giây).
-
Thông lượng ánh sáng - φ là công suất phát xạ, lan truyền

hoặc hấp thụ.
Đơn vị đo W (Woat) hoặc lm(lumen)
-
Cường độ ánh sáng – I là luồng năng lượng phát theo một
hướng dưới một đơn vị góc khối.
Đơn vị đo: W/Sr (Woat/Steradian) hoặc Cd (Candela)
b) Các đơn vị đo năng lượng ánh sáng
1. 3. CẢM BIẾN QUANG (PHOTOSENSOR)
-
Độ chói L: Là tỷ số giữa cường độ ánh sáng phát ra bởi một
phần tử bề mặt theo một hướng xác định và diện tích hình
chiếu của phần tử này trên mặt phẳng vuông góc với hướng
đó.
Đơn vị đo: W/m
2
hoặc lm/m
2
.
Việc sử dụng cảm biến quang chỉ có hiệu quả khi nó phù hợp
với bức xạ ánh sáng (phổ, thông lượng, tần số). Nguồn sáng sẽ
quyết định mọi đặc tính quan trọng của bức xạ.
1.3.2. Nguồn sáng