Giáo trình Kỹ thuật cảm biến (Nghề: Điện tử công nghiệp - CĐ/TC): Phần 2 - Trường Cao đẳng Nghề Đồng Tháp

59

Bài 5. CẢM BIẾN TIỆM CẬN – CẢM BIẾN ĐO KHOẢNG CÁCH
Mã bài: MĐ 15-5
Giới thiệu:
Cảm biến tiếp cận điện (proximity sensor) là loại cảm biến dùng để phát hiện sự có mặt của
một vật thể mà khơng cần tiếp xúc trực tiếp với vật thể đó ở khoảng cách gần. Một số loại
cảm biến tiệm cận như: cảm biến tiệm cận điện cảm, điện dung, siêu âm, ...
Cảm biến tiệm cận có các đặc điểm: (Phát hiện vật khơng cần tiếp xúc; Tốc độ đáp ứng cao;
Đầu sensor nhỏ, có thể lắp đặt nhiều nơi; Có thể sử dụng trong mơi trường khắc nghiệt).
Mục tiêu
- Kiến thức:
+ Phân tích, giải thích cấu tạo, Nguyên lý của các cảm biến tiệm cận.
+ Phân tích, giải thích nguyên lý của mạch điện cảm biến tiệm cận và bộ điều khiển cho
cảm biến.
+ Phân tích, giải thích các thơng số kỹ thuật cho các loại cảm biến tiệm cận
- Kỹ năng
+ Lắp, đấu nối và đo các thông số đặc trưng của các cảm biến tiệm cận.
- Về năng lực tự chủ và trách nhiệm:
+ Rèn luyện tính an tồn, tỷ mỉ, cẩn thận, nghiêm túc, thẩm mỹ, vệ sinh công nghiệp, hình
thành tư duy khoa học phát triển năng lực làm việc theo nhóm
+ Rèn luyện tính chính xác khoa học và tác phong cơng nghiệp
Nội dung chính:
1. Cảm biến tiệm cận điện cảm:
<Cơ sở lý thuyết>
Xem thêm <Cảm biến tiệm cận (Proximity Sensors)>
1.1.

Cấu tạo:

- Cấu trúc cảm biến tiệm cận điện cảm:

GT-KTCB-MĐ15


60

Vật cảm biến

Cuộn dây

Vỏ bảo vệ

Tín
hiệu
ra

Vùng từ trường

Tạo từ trường

Hình 7.1.

Biến đổi

Cấu tạo cảm biến tiệm cận điện cảm

Các bộ phận chính:
+ Tạo từ trường gồm: bộ tạo dao động và cuộn dây cảm ứng,
+ Biến đổi gồm: cuộn dây so sánh, bộ so sánh, bộ khuếch đại
+ Tín hiệu ra: Các loại ngõ ra:

1.2.

Nguyên lý hoạt động:

Bộ tạo dao động sẽ phát ra tần số cao và truyền tần số này qua cuộn cảm ứng để tạo ra vùng
từ trường ở phía trước. Đồng thời năng lượng từ bộ tạo dao động cũng được gửi qua bộ so
sánh để làm mẫu chuẩn.
Khi khơng có vật cảm biến nằm trong vùng từ trường thì năng lượng nhận về từ cuộn dây so
sánh sẽ bằng với năng lượng do bộ dao động gửi qua như vậy sẽ khơng có tác động gì xảy
ra.
Khi có vật cảm biến bằng kim loại nằm trong vùng từ trường, dưới tác động của vùng từ
trường trong kim loại sẽ hình thành dịng điện xốy. Khi vật cảm biến càng gần vùng từ
trường của cuộn cảm ứng thì dịng điện xốy sẽ tăng lên đồng thời năng lượng phát trên
cuộn cảm ứng càng giảm. Qua đó, năng lượng mà cuộn dây so sánh nhận được sẽ nhỏ hơn
năng lượng mẫu chuẩn do bộ dao động cung cấp. Sau khi qua bộ so sánh tín hiệu sai lệch sẽ
được khuếch đại và dùng làm tín hiệu điều khiển ngõ ra
1.3.

Ưu nhược điểm của cảm biến tiệm cận điện cảm

< Ưu điểm của cảm biến tiệm cận >
• Vì khơng có lực cơ học nên tuổi thọ của cơng tắc tiệm cận rất dài.
• Khi đối tượng nằm trong phạm vi phát hiện, cảm biến có thể phát hiện khơng chỉ sự hiện
diện, mà cịn là đối tượng chuyển động.
• Vì khơng có bộ phận chuyển động, nên rất dễ bịt kín cảm biến, bảo vệ nó khỏi mơi trường.
• Một số loại cơng tắc tiệm cận nhất định chỉ đáp ứng với các vật liệu cụ thể. chẳng hạn
như: đặc tính có thể được sử dụng trong việc phát hiện các loại vật liệu cụ thể.
GT-KTCB-MĐ15

61

< Nhược điểm của cảm biến tiệm cận >
• Độ lệch nhiệt độ mơi trường xung quanh có thể phát hiện sai lệch.
• Dễ bị nhiễu ngồi.
• Để điều khiển điện áp lớn hoặc dịng điện cao, cần có bộ đệm, chẳng hạn như rơle.
• Yêu cầu nguồn cấp năng lượng cho mạch cảm biến. Độ tin cậy bị giảm do số lượng thành
phần tăng lên trong bộ cảm biến.
1.4.

Các loại ngõ ra:

Loại cảm biến tiếp cận điện cảm có 3 dây đầu ra (sử dụng điện áp DC) có thể có ngõ ra là
PNP hoặc là NPN.
Hình vẽ dưới đây minh họa cho loại cảm biến có ngõ ra là PNP. Thiết bị tải được mắc giữa
ngõ ra (ký hiệu A) và dây (-) của nguồn điện (ký hiệu L-). Một transistor loại PNP được
mắc giữa ngõ ra (A) và dây (+) (ký hiệu L+) của nguồn điện. Khi transistor hoạt động ở chế
độ ON, có một dịng điện đi từ dây (L+) qua tải đến dây (L-). Trong trường hợp này, dòng
điện này được gọi là dòng điện nguồn (dịng điện quy ước), nó đi từ chiều (+) đến chiều (-)
của nguồn điện và đi qua tải. Thuật ngữ này gây khó khăn cho những người mới sử dụng
cảm biến, vì dịng electron (dịng điện thực) đi từ chiều (-), qua tải và sau đó đến chiều (+)
của nguồn khi transistor PNP hoạt động ở chế độ ON.

Hình 5.1.

Kiểu ngõ ra NPNP

Hình vẽ dưới đây minh họa cho loại cảm biến có ngõ ra là loại NPN. Thiết bị tải được mắc
giữa ngõ ra (ký hiệu A) và dây (+) của nguồn (ký hiệu L+). Một transistor loại NPN được
mắc giữa ngõ ra (A) và dây (+) (ký hiệu L+) của nguồn điện. Khi transistor hoạt động ở chế

độ ON, dòng điện di qua tải được gọi là dịng điện mát (dịng điện quy ước). Dịng điện này
có chiều ngược lại so với dịng electron (dịng điện thực).

Hình 5.2.

Kiểu ngõ ra NPN

Ngõ ra được gọi là thường mở (NO) hoặc thường đóng (NC) tùy thuộc vào trạng thái của
transistor khi chưa phát hiện ra vật thể. Ví dụ, ngõ ra PNP là OFF khi chưa phát hiện ra vật
thể, khi đó nó là một thiết bị thường mở. Ngược lại nếu ngõ ra PNP là ON khi chưa phát
hiện được vật thể, khi đó nó là một thiết bị thường đóng.
GT-KTCB-MĐ15


62

Ngồi ra cịn có loại cảm biến có ngõ ra bổ sung (có 4 dây ở ngõ ra). Ngõ ra bổ sung là loại
ngõ ra có cả tiếp điểm thường đóng và thường mở trên cùng một cảm biến.

Hình 5.3.

Cảm biến có ngõ ra 2-dây, 3-dây, 4-dây

2. Cảm biến tiệm cận điện dung
Khái quát: Cảm biến kiểu tụ không tiếp xúc đo những thay đổi về tính chất điện tương ứng
thường gọi là cảm biến điện dung.
Các cảm biến kiểu tụ (hay điện dung) sử dụng điện thế xoay chiều tạo ra điện tích trái dấu ở
phía của bản cực. Sự dịch chuyển của điện tích tạo ra dịng xoay chiều và được cảm biến
phát hiện.
Bất kì vật nào đi qua trong vùng nhạy của cảm biến điện dung thì điện dung của tụ điện

tăng lên. Sự thay đổi điện dung này phụ thuộc vào khoảng cách, kích thước và hằng số điện
mơi của vật liệu. Bên trong có mạch dùng nguồn DC tạo dao động cho cảm biến dòng, cảm
biến dòng sẽ đưa ra một dòng điện tỉ lệ với khoảng cách giữa 2 tấm cực.
Dải đo của cảm biến điện dung: Cảm biến điện dung thơng thường có dải đo từ 2mm đến
dưới 50mm. Cảm biến điện dung 2mm, Cảm biến điện dung 4mm, Cảm biến điện dung
8mm, Cảm biến điện dung 12mm, Cảm biến điện dung 16mm,Cảm biến điện dung 25mm,
Cảm biến điện dung ON-OFF,

Hình 5.4.

Hình dạng thực tế cảm biến điện dung – E2K-C

(Nguyên lý: xem thêm <Cảm biến tiệm cận (Proximity Sensors)>)
Cấu tạo cảm biến điện dung:

GT-KTCB-MĐ15


63

Hình 5.5.

Cấu tạo cảm biến điện dung (cuộn dây điện từ, bộ dao động, mạch Trigger, khối
Output)

Kiểu ngõ ra cảm biến điện dung

(a)

(a)

Hình 5.6.

Sơ đồ mạch ngõ ra cảm biến tiệm cận điện dung Omron E2K

3. Các bài thực hành ứng dụng các loại cảm biến tiệm cận
3.1.

Thực hành với cảm biến tiệm cận điện cảm

NỘI DUNG THỰC NGHIỆM
GT-KTCB-MĐ15

(b)

(b)


64

Khơng cấp nguồn, nối dây như sơ đồ hình 3-39

(i)

Sơ đồ kết mơ hình thực nghiệm cảm biến tiệm cận điện cảm

o Nối 24V (bộ nguồn) --- chân V+(Brown) (cảm biến)---24V (Control unit) --chân 9 (relay).
o Nối 0V (bộ nguồn) --- chân 0V (cảm biến)(Blue) --- 0V (Control unit)--- chân
– của đèn--- Chân A2 (Relay).
o Nối ngõ ra (cảm biến)(Black) --- chân A1 (relay).
o Nối chân + của tải đèn --- chân 5 (Relay).

(ii)
(iii)
(iv)
3.2.

Đặt tốc độ motor ở vị trí min (0)
Cấp nguồn, tăng dần tốc độ động cơ và quan sát LED khi đối tượng qua biến
tiệm cận. Loại đối tượng nào thì LED on?
Dừng động cơ khi LED trên cảm biến on. Tăng dần dần khoảng cách giữa đối
tượng và cảm biến để tìm khoảng cách lớn nhất.

Thực hành với cảm biến tiệm cận điện dung

NỘI DUNG THỰC NGHIỆM
(i)

Khơng cấp nguồn, nối dây như sơ đồ hình

GT-KTCB-MĐ15


65

Sơ đồ kết mơ hình thực nghiệm cảm biến tiệm cận điện dung

Hình 5.7.

o Nối 24V (bộ nguồn) --- chân V+(Brown) (cảm biến) ---24V (Control unit) --chân A1,9 (relay).
o Nối 0V (bộ nguồn) --- chân 0V (cảm biến) (Blue) --- 0V (Control unit)--chân – của đèn.
o Nối ngõ ra (cảm biến) (Black) --- chân A2 (relay).

o Nối chân + của tải đèn --- chân 5 (Relay).
(ii)

Đặt tốc độ motor ở vị trí min (0)

(iii)

Cấp nguồn, tăng dần tốc độ động cơ và quan sát LED khi đối tượng qua biến
tiệm cận. Loại đối tượng nào thì LED on?

(iv)

Dừng động cơ khi LED trên cảm biến on. Tăng dần dần khoảng cách giữa đối
tượng và cảm biến để tìm khoảng cách lớn nhất.

3.3.

Thực hành với cảm biến siêu âm

<LÝ THUYẾT>
-

Cấu tạo, Nguyên lý, đặc điểm và sử dụng cảm biến siêu âm
Mạch tương đương và đặc tuyến điện kháng đầu dò siêu âm được biểu diễn như hình

C
C'

L

R

(a)
GT-KTCB-MĐ15

Điện cảm

fa
Điện

fa

Tần số
fr : Cộng hưởng nối tiếp R,L,C
fa : Cộng hưởng song song

(b)

L,C,C


Độ nhạy (dB)

Mức áp suất(dB)

66

Đặc tuyến MA40A3S

120

110

Đặc tuyến MA40A3R

-60
-70
-80

100

Điện áp ngõ vào 10VRMS
Khoảng cách 30cm

35

40

(c)

RL = 3.9kΩ
Khoảng cách 30cm

35

45

Tần số (kHz)

Hình 5.8.

40

(d)
45

Tần số (kHz)

Đặc tuyến cảm biến siêu âm

(a) Mạch tương đương ; (b) Đặc tuyến điện kháng
(c) Đặc tuyến cảm biến truyền; (d) Đặc tuyến cảm biến nhận
Ngõ ra máy phát của bộ cảm biến (SU-6806B): Ngõ ra của bộ phát này được sử dụng làm
ngõ vào cho bộ chuyển đổi (bộ phát sóng siêu âm) là dạng sóng vng. Tuy nhiên dạng
sóng của ngõ ra sóng âm là dạng sin.
Thiết bị được yêu cầu cho nhóm thực hành


Bộ thực hành cảm biến SU-6809: 1 đơn vị



SU-6806B: 1 đơn vị



Bộ cấp nguồn thay đổi 0 đến 20V: 1 đơn vị



Dao động ký 2 kênh; 1 đơn vị



Máy phát chức năng: 1 đơn vị



Bộ đếm tần số: 1 đơn vị

NỘI DUNG
<Quy trình thực nghiệm>
(i)
(ii)
(iii)

Khơng cấp nguồn, nối (lắp) theo sơ đồ hình sau. Đặt Osc về 40kHz, 0.1V/Div
Đặt máy (bộ) phát 40kHz, và chuyển công tắc của mạch khuếch đại cảm biến về
vị trí on.
Mở nguồn, đưa module phát (siêu âm) che vào cảm biến thu siêu âm, và kiểm
tra trên Osc tín hiệu nhận được. Thay đổi khoảng cách giữa phát và thu quan sát
và đo điện áp đỉnh – đỉnh. Ghi những giá trị này vào cột 40kHz. Giải thích mối
quan hệ độ lớn tín hiệu và khoảng cách.

Bảng 5-1
Tần số
k.cách

.... ...... ...... cm

GT-KTCB-MĐ15

20kHz

25kHz

30kHz

40kHz

50kHz

60kHz

70kHz

80kHz


67

.... ...... ...... cm
.... ...... ...... cm

(iv)

Cố định khoảng cách giữa phát và thu. Thay đổi tần số bộ phát theo bảng 3-2, và
đo điện áp đỉnh – đỉnh. Ghi các giá trị vào bảng.

GT-KTCB-MĐ15

68

Bài 6. Cảm Biến Áp Suất Và Cảm Biến Khối Lượng
Mã bài: MĐ 15-6
GIỚI THIỆU
Cảm biến đo áp suất, khối lượng được sử dụng nhiều trong các lĩnh vực cân, đo chất
lỏng, chất khí, chất rắn, ... dùng trong các mơi trường có tính chất lý hố cao, độc hại,
ngồi ra nó cịn làm nhiệm vụ giám sát và điều khiển tự động trong quá trình sản xuất.
Mục tiêu
- Kiến thức:
+ Phân tích, giải thích cấu tạo, Nguyên lý của các cảm biến áp suất và khối lượng.
+ Phân tích, giải thích nguyên lý của mạch điện cảm biến và bộ điều khiển cho cảm
biến áp suất và khối lượng.
+ Phân tích, giải thích các thơng số kỹ thuật cho các loại cảm biến áp suất và khối
lượng
- Kỹ năng
+ Lắp, đấu nối và đo các thông số đặc trưng của các cảm biến áp suất và khối lượng.
+ Cài đặt các thông số đặc trưng cho các bộ cảm biến áp suất và khối lượng.
- Năng lực tự chủ và trách nhiệm:
+ Rèn luyện tính an tồn, tỷ mỉ, cẩn thận, nghiêm túc, thẩm mỹ, vệ sinh cơng nghiệp,
hình thành tư duy khoa học phát triển năng lực làm việc theo nhóm
+ Rèn luyện tính chính xác khoa học và tác phong công nghiệp
NỘI DUNG
Giới thiệu: Tại thời điểm hiện nay có 2 loại cảm biến áp suất: Loại thứ nhất là Load Cell
thường được sử dụng trong cân điện tử. hình 6.1

(a)
(b)
Hình 6.1.

(a) Load Cell; (b) Cầu điện trở Wheatstone của Load Cell

Một loại khác là một bộ cảm biến dựa trên cơ sở công nghệ trạng thái rắn được sử dụng
trong đo áp suât chất khí và lỏng.
1. Cảm biến áp suất
Cảm biến áp suất bán dẫn sử dụng hiệu ứng điện trở Piezo của vật liệu bán dẫn mà sự thay
đổi áp suất ngõ vào dẫn đến điện trở vật liệu thay đổi. hình 4-2 mơ tả cảm biến áp suất bán
dẫn
GT-KTCB-MĐ15


69

Kim loại bán dẫn
Áp suất
Chip cảm biến
(a)

(b)
Hình 6.2.

(c)
Hình 6.3.

Hình 6.4.

Sơ đồ khối cảm biến áp suất bán dẫn

Mạch nhận biết ngõ ra cảm biến áp suất

2. Cảm biến khối lượng:
Đại cương về phương pháp đo lực
Theo định luật cơ bản của động lực học, lực được xác định theo biểu thức
⃗

⃗

(6-1)

F: Lực tác dụng (N)
M: Khối lượng của vật (kg)
a: Gia tốc của vật (m/s2)
Hoặc theo công thức xác định trọng lực của một vật trong trọng trường trái đất.
⃗⃗
P: Trọng lực của vật (N)
M: Khối lượng của vật (kg)
GT-KTCB-MĐ15

⃗

(6-2)


70

g: Gia tốc trọng trường (m/s2)
Từ công thức (6-1) hoặc (6-2) ta có thể suy ra khối lượng M của vật.
Đo lực bằng cảm biến load cell
Khái niệm:

Load cell: Là thiết bị điện dùng để chuyển đổi lực thành tín hiệu điện.
Strain gage: Cấu trúc có thể biến dạng đàn hồi khi chịu tác động của lực tạo ra một tín hiệu
điện tỷ lệ với sự biến dạng này
Cấu tạo: Cấu tạo Loadcell được cấu tạo bởi hai thành phần, thành phần thứ nhất là "Strain
gage" và thành phần còn lại là "Load". Strain gage là một điện trở đặc biệt nhỏ, có điện trở
thay đổi khi bị nén hay kéo dãn và được nuôi bằng một nguồn điện ổn định, được dán chết
lên “Load” - một thanh kim loại chịu tải có tính đàn hồi.
Ngun lý: dựa trên ngun lý cầu điện trở cân bằng Wheatstone.
Giá trị lực tác dụng tỉ lệ với sự thay đổi điện trở cảm ứng trong cầu điện trở, và do đó trả về
tín hiệu điện áp tỉ. Cầu điện trở gồm các miếng điện trở lực căng làm việc trên nguyên lý
hiệu ứng Tenzo. Hình 6.5

Hình 6.5.

Điện trở lực căng miếng mỏng và màng mỏng.

Phân loại
 Phân loại Loadcell theo lực tác động: chịu kéo (shear loadcell), chịu nén
(compression loadcell), dạng uốn (bending), chịu xoắn (Tension Loadcells) ...
 Phân loại theo hình dạng: dạng đĩa, dạng thanh, dạng trụ, dạng cầu, dạng chữ S…
 Loadcells tương tự và Loadcells số.
(1) Loadcells tương tự
Trước đây, hầu hết các thiết bị cân trong công nghiệp sử dụng load cell cảm biến sức căng,
biến đổi thành tín hiệu điện (load cell tương tự). Tín hiệu này được chuyển thành thơng tin
hữu ích nhờ các thiết bị đo lường như bộ chỉ thị.
Một hệ thống cân dùng load cell tương tự điển hình thơng thường bao gồm một hoặc một
vài load cell nối song song với nhau qua một hộp nối (Junction Box) như hình vẽ. H-1 Sơ
đồ hệ thống cân dùng load cell tương tự điển hình.

GT-KTCB-MĐ15

71

Mỗi load cell tải một đầu ra độc lập, thường 1 đến 3 mV/V. Đầu ra kết hợp được tổng hợp
dựa trên kết quả của đầu ra từng load cell. Các thiết bị đo lường hoặc bộ hiển thị khuyếch
đại tín hiệu điện đưa về, qua chuyển đổi ADC, vi xử lý với phần mềm tích hợp sẵn thực
hiện tính toán chỉnh định và đưa kết quả đọc được lên màn hình.
o Ưu điểm
Ưu điểm chính của cơng nghệ này là xuất phát từ yêu cầu thực tế, với những tham số xác
định trước, sẽ có các sản phẩm thiết kế phù hợp cho từng ứng dụng của người dùng. Ở đó
các phần tử cảm ứng có kích thước và hình dạng khác nhau phù hợp với yêu cầu của ứng
dụng. Các dạng phổ biến: dạng kéo (shear), dạng uốn (bending), dạng nén (compression)
o Nhược điểm
Tín hiệu điện áp đầu ra của load cell rất nhỏ (thường không quá 30mV). Những tín hiệu nhỏ
như vậy dễ dàng bị ảnh hưởng của nhiều loại nhiễu trong công nghiệp như:
-

Nhiễu điện từ: sinh ra bởi q trình truyền phát các tín hiệu điện trong mơi trường
xung quanh, truyền phát tín hiệu vơ tuyến điện trong khơng gian hoặc do q trình
đóng cắt của các thiết bị chuyển mạch công suất lớn…

-

Sự thay đổi điện trở dây cáp dẫn tín hiệu: Do thay đổi thất thường của nhiệt độ môi
trường tác động lên dây cáp truyền dẫn

Thực tế còn rất nhiều yếu tố khác liên quan đến độ chính xác của hệ thống
cân như:
- Quá trình chỉnh định hệ thống.

- Nhiễu rung và ồn.
- Do tác dụng chuyển hướng lực trong các cơ cầu hình ống.
- Q trình phân tích dị tìm lỗi.
- Thay thế các thành phần trong hệ thống cân hoặc các hệ thống liên quan.
- Đi dây cáp tín hiệu dài.
- Mơi trường hoạt động q kín ...
(2) Loadcells số
Load Cell kĩ thuật số QSD Mk solution USA

Hình 6.6.

Các thơng kỹ thuật

GT-KTCB-MĐ15

Load Cell kĩ thuật số QSD Mk solution USA


72

- Mức tải cảm biến trọng lượng trên mỗi loadcell kĩ thuật số:
20 tấn, 30tấn, 40 tấn, 50 tấn.
- Cấp chính xác: OIML R60 C3
- Điện áp biến đổi mV/V: 2.0 ± 0.002
- Sai số tổng hợp %FS: ≤ ± 0.023
- Quá tải an toàn of Emax (%FS): 150%
- Quá tải tối đa of Emax (%FS): 300%
- Cân bằng tại điểm “0” of (%FS): ≤ ± 1.5%

- Điện áp kích thích V: 5～12

- Điện áp kích thích tối đa V: 18
- Điện trở đầu vào Ω: 700 ± 7
- Điện trở đầu ra Ω: 700 ± 7
- Điện trở cách điện MΩ: ≥ 5000 (50VDC)
- Nhiệt độ môi trường oC: -10～+40
- Nhiệt độ hoạt động oC: -35～+65

Khái niệm
Mỗi Loadcell số đơn giản cũng mang trong nó một cấu trúc khá phức tạp.
Thứ nhất: Phải có một Loadcell cơ bản với độ chính xác, độ ổn dịnh và khả năng lặp lại rất
cao trong mọi điều kiện làm việc.
Thứ hai: Phải có một bộ chuyển đổi tương tự-số (ADC) 16 đến 20 bit tốc độ cao để chuyển
đổi tín hiệu điện tương tự sang dạng số.
Thứ ba: Phải có hệ vi mạch xử lý để thực hiện điều khiển toàn bộ q trình chuyển đổi từ
tín hiệu lực đo được thành dữ liệu số thể hiện trung thực nhất và giao tiếp với các thiết bị
khác để trao đổi thông tin.
Kết nối Loadcell tương tự

+Excitation (Điện áp kích thích) là đầu vào dương của điện áp cung cấp
–Excitation là đầu vào âm của điện áp cung cấp
+Output là tín hiệu ra dương của Loadcell
–Output là tín hiệu ra âm của Loadcell
+sense và –sense là các dây dẫn đựoc nối trực tiếp với Excitation.
Để tránh nhiễu. Có loại Loadcell thì có, có loại thì khơng. Có thể nối cũng dược mà khơng
nối cũng được. Nhưng nhà sản xuất khuyến cáo là nên nối.
Chống quá tải Loadcell các tình huống chú ý khi sử dụng Loadcell
Điện áp đầu vào vượt quá ngưỡng cho phép: gây sai số lớn trong việc đo lường. ngoài ra
gây hiện tượng đoản mạch làm hỏng Loadcell
Đo lực quá lớn: khi đo lực vượt mức giới hạn đo của Loadcell gây sai số lớn. có thể gây
hỏng phần cứng của Loadcell, ảnh hưởng tuổi thọ của Loadcell.

GT-KTCB-MĐ15


73

Do sót trong lắp ghép: có thể khiến load cell không hoạt động hoặc hoạt động nhưng cho
kết quả sai
Phương pháp đo áp suất
Định nghĩa áp suất: Áp suất là lực tác dụng vng góc lên một đơn vị diện tích, ký hiệu P.
P = F/S [kG/cm2]

(4-3)

Các đơn vị của áp suất: Pa; mm Hg; mm H2O; bar; at; mmH2O.
1Pa = 1 N/m2

1 mm H2O = 9,8 N/m²

1 mm Hg = 133,322 N/m²

1 bar = 10 5N/m

1 at = 9,8. 10 4N/m² = 1 kG/ cm² = 10 mmH2O

Phân loại phương tiện đo áp suất
Có thể phân loại phương tiện đo áp suất theo dạng áp suất, nguyên lý và theo cấp chính xác.
 Theo dạng áp suất: Bao gồm các dạng sau: áp suất khí quyển, áp suất dư, áp suất âm.
Tuỳ theo các dạng áp suất mà sử dụng phương tiện đo khác nhau.
 Khí áp kế (barơmét): đo áp suất khí quyển
 Áp kế, áp – chân kế, hoặc áp kế chính xác: đo áp suất dư

 Chân khơng kế, áp – chân khơng kế, khí áp kế chân không, và áp kế hút: đo áp âm
 Áp kế hiệu số: đo áp suất hiệu
 Để đo áp suất tuyệt đối phải dùng hai phương tiện đo là áp kế và khí áp kế khi áp
suất tuyệt đối lớn hơn áp suất khí quyển hoặc phải dùng khí áp kế và chân khơng kế
khi áp suất tuyệt đối nhỏ hơn áp suất khí quyển.
 Theo Ngun lý:Có 5 nhóm chính l (Áp kế kiểu lị xo; Áp kế píttơng; Áp kế kiểu
chất lỏng; Áp kế theo ngun lý điện; Áp kế liên hợp)
 Theo cấp chính xác: Tất cả các phương tiện đo áp suất dùng vào các mục đích khác
nhau đều được phân loại theo cấp chính xác.
Đối với áp kế lị xo hay hiện số, cấp chính xác được ký hiệu bằng một chữ số thập phân
tương ứng với độ lớn của giới hạn sai số cho phép biểu thị theo phần trăm giá trị đo lớn
nhất, ví dụ: áp kế lị xo cấp chính xác 2.5, phạm vi đo 100 bar thì sai số cho phép là 2.5 bar
Đối với áp kế pittông hoặc chất lỏng thì sai số này được tính theo phần trăm giá trị tại điểm
đo. Ví dụ: áp kế píttơng 3DP 50, có phạm vi đo (1-50) bar, cấp chính xác 0.1, sai số cho
phép lớn nhất tại điểm đo 15 bar sẽ là 0.015 bar và tại 50 bar là 0.05 bar.
Cấp chính xác của các phương tiện đo áp suất được qui định theo hai dãy cấp chính xác sau:
0.0005; 0.005; 0.02; 0.05; 0.1; 0.16; 0.20; 0.25; 0.4; 0.5; 1; 1.6; 2.5; 4; 6.
THỰC HÀNH CẢM BIẾN ĐO KHỐI LƯỢNG
Load Cell UBA:

GT-KTCB-MĐ15


74

Hình 6.7.

Load Cell UBA35

Các thơng số cho Load cell UBA mô tả như bảng sau:

Bảng thông số: Load Cell UBA35
Maximum Capacity

UBA

UBX

UBAX

3/6/12/20/35

30/50/100/200

30/50/100/200

Kg

Material

AlUMINUM

Recommended Excitation

V

10

Maximum Excitation

V

15

Rated Output(=RO)

mV/V

2 ± 0.05

Zero Balance

%RO

±0.030

Creep Error (20minutes)

%RO

± 0.025

Repeatability

%RO

± 0.02

Ω

394 ± 3

Ω

350 ± 3

Input Resistance
Output Resistance
Compensated Temperature Range

O

-10 ~ 40

Operating Temperature Range

O

C

-20 ~ 60

%Load/10℃

0.02

Temperature Effect On Zero

%RO/10℃

0.02

Safe Load limit

%of rat.cap

150

Ultimate load

%of rat.cap.

200

Temperature Effect On Output

C

Sealing

Potted

Protection class

IP 66

Maximum Platform Size

mm

380 X 380

Bộ điều khiển trọng lượng BST106-B60[T] Weighing Controlle

Hình 6.8.

GT-KTCB-MĐ15

Sơ đồ giao tiếp bộ điều khiển trọng lượng


75

Sơ đồ chân BST106-B60[T] Weighing Controlle

Kết nối Load cell với bộ điều khiển trọng lượng

Hình 6.9.

Sơ đồ kết nối Load cell với bộ điều khiển trọng lượng

Cài đặt (Xem hướng dẫn kèm theo sản phẩm)
 CÁC THÔNG SỐ CÀI ĐẶT CƠ BẢN :


Hiệu chỉnh cân :



Nhấn giữ Zero  [-zero-]  clear loadcell



Menu/  F2_CALL



ENT/  DATA  toH: đặt giá trị max của loadcell (35kg)



ENT-SENS : đặt độ phân giải loadcell (2.0000 mV/V)



ENT (lưu)



Menu/  F2_CALL



ENT/ LOAD



ENT  LOAD : calib cân : đặt vật mẫu lên loadcell và nhập đúng khối lượng vật mẫu đó.



ENT (lưu)



Cách cài đặt ngõ ra :



Nhấn   200 : đặt ngõ ra SP1(K1) ấn ENT để đặt



Nhấn   201: đặt ngõ ra SP2(K2) ấn ENT để đặt

GT-KTCB-MĐ15


76



202: đặt ngõ ra SP3(K3) ấn ENT để đặt



203: đặt ngõ ra SP4(K4) ấn ENT để đặt



204: đặt ngõ ra No-load zero ấn ENT để đặt

NỘI DUNG
<Quy trình thực nghiệm>
(i) Khơng cấp nguồn, kết nối theo sơ đồ sau:

Hình 6.10. Sơ đồ kết nối Thực nghiệmcảm biến trọng lượng

o Nối Ex+ (cảm biến) --- chân Ex+(bộ hiển thị).
o Nối Ex- (cảm biến) --- chân Ex-(bộ hiển thị).
o Nối Sign+ (cảm biến) --- chân SIG+(bộ hiển thị).
o Nối Sign- (cảm biến) --- chân SIG- (bộ hiển thị).
o Nối ngõ 220VAC L (bộ nguồn) --- chân L (bộ hiển thị).
o Nối ngõ 220VAC N (bộ nguồn) --- chân N (bộ hiển thị).
o Nối cổng RS232 với máy tính.
(ii) Bật cơng tắc nguồn, nhấn nút POWER và quan sát bộ hiển thị.
(iii) Cân chỉnh và calib bộ hiển thị theo hướng dẫn kèm theo.
Ghi lại các thông sô hiệu chỉnh
THỰC HÀNH CẢM BIẾN ĐO ÁP SUẤT
Cảm biến áp suất PSA-1P Mpa và DP-100-MPa

GT-KTCB-MĐ15


77

(a)
Hình 6.11.

(b)

(a) Cảm biến áp suất PSA -1P MPA; (b) Mạch chính cảm biến PSA-1P MPA

(a)

(b)

Hình 6.12. (a) Cảm biến áp suất DP-100 MPa; (b) Sơ đồ mạch chính DP-100-MPa

Cài đặt các thông số cho cảm biến áp suất (Xem hướng dẫn kèm theo sản phẩm)
(1) Thực nghiệm cảm biến áp suất PSA-1P MPa
<Quy trình thực nghiệm>
(i) Khơng cấp nguồn, kết nối theo sơ đồ sau

Hình 6.13.

GT-KTCB-MĐ15

Sơ đồ kết nối Thực nghiệmcảm biến áp suất PSA-01 MPa


78

o
Nối 24V (bộ nguồn) --- chân V+(Brown) (cảm biến) --- chân 9 (relay 1) --- chân 9
(relay 2).
o
Nối 0V (bộ nguồn) --- chân 0V (cảm biến)(Blue) --- chân - (A2 của relay 1)--- chân (A2 của relay 2)--- Chân – của đèn 1--- Chân – của đèn 2.
o

Nối ngõ ra OUT1 (cảm biến)(Black) --- chân + ( A1 của relay1).

o

Nối ngõ ra OUT2 (cảm biến)(White) --- chân + ( A1 của relay2).

o

Nối chân 5 (Relay1)--- Chân + của đèn 1.

o

Nối chân 5 (Relay2)--- Chân + của đèn 2.

(ii) Bật công tắc nguồn, cài đặt áp suất về giá trị mặc định, đóng van xả, nhấn xylanh khí và
quan sát, đồng hồ đo áp suất và đồng hồ đo Volt.
Ghi lại các thông số trren đồng hồ
(iii) Vặn van xả và quan sát đồng hồ đo áp suất và đồng hồ đo Volt.
Ghi lại các thông số trren đồng hồ
(2) Thực nghiệm cảm biến áp suất DP 100 MPa
<Quy trình thực nghiệm>
(i) Khơng cấp nguồn, kết nối theo sơ đồ sau:

Hình 6.14.

Sơ đồ kết nối Thực nghiệmcảm biến áp suất DP-100 MPa

o
Nối 24V (bộ nguồn) --- chân V+(Brown) (cảm biến)--- chân 14 (relay)--- Chân
9(Relay).
o

Nối 0V (bộ nguồn) --- chân 0V (cảm biến)(Blue)--- chân 0V(đèn).

o

Nối ngõ ra (cảm biến)(Black) --- chân 13 (relay).

GT-KTCB-MĐ15


79

o

Nối chân +24VDC của tải đèn --- chân 5 (Relay).

(ii) Bật công tắc nguồn, cài đặt áp suất về giá trị mặc định, đóng van xả, nhấn xylanh khí và
quan sát, đồng hồ đo áp suất và đồng hồ đo Volt.
Ghi lại các thông số trên đồng hồ
(iii) Vặn van xả và quan sát đồng hồ đo áp suất và đồng hồ đo Volt.
Ghi lại các thông số trren đồng hồ

GT-KTCB-MĐ15


80

Bài 7. CẢM BIẾN ĐỘ ẨM VÀ CẢM BIẾN TỪ
Mã bài: MĐ 15-7
GIỚI THIỆU:

Cảm biến đo độ ẩm là dòng cảm biến dùng để đo độ ẩm khơng khí hoặc đo độ ẩm đất. Cảm
biến đo độ ẩm được ứng dụng trong nhiều ngành và cảm biến đo độ ẩm thường được tìm
thấy ở nơi cần kiểm sốt độ ẩm.
Ví dụ, Trong một ngơi nhà có thể sử dụng chúng trong một hệ thống kiểm soát độ ẩm, giám
sát các khu vực khác nhau của ngôi nhà để ngăn ngừa nấm mốc phát triển; trong nhà kính,
phịng tắm hơi, bảo tàng và máy ấp trứng cũng sử dụng máy đo độ ẩm để đảm bảo lượng ẩm
khơng khí ở mức thích hợp cho cây, người….
Trong trường hợp sử dụng phức tạp hơn đó là: kết hợp cảm biến đo độ ẩm với cảm biến
nhiệt độ và cảm biến áp suất để sử dụng trong các hệ thống sưởi ấm, thông gió và điều hồ
khơng khí để giữ cho tịa nhà ở nhiệt độ thoải mái và chất lượng khơng khí tốt nhất.
Tương tự như các loại cảm biến khác cảm biến từ được sử dụng khá rộng rãi trong lĩnh vực
cơng nghiệp và truyền thơng, tiêu dùng. Nó cũng đóng vai trò quang trọng trong thiết bị IoT
hiện nay.
Mục tiêu:
- Kiến thức:
+ Phân tích, giải thích cấu tạo, nguyên lý hoạt động của các cảm biến độ ẩm và cảm biến từ.
+ Phân tích, giải thích nguyên lý của mạch điện cảm biến độ ẩm và cảm biến từ và bộ điều
khiển cho cảm biến.
+ Phân tích, giải thích các thông số kỹ thuật cho các loại cảm biến độ ẩm và cảm biến từ
- Kỹ năng
+ Lắp, đấu nối và đo các thông số đặc trưng của các cảm biến độ ẩm và cảm biến từ
+ Cài đặt các thông số đặc trưng cho các bộ cảm biến độ ẩm và cảm biến từ
- Năng lực tự chủ và trách nhiệm:
+ Rèn luyện tính an tồn, tỷ mỉ, cẩn thận, nghiêm túc, thẩm mỹ, vệ sinh cơng nghiệp, hình
thành tư duy khoa học phát triển năng lực làm việc theo nhóm
+ Rèn luyện tính chính xác khoa học và tác phong công nghiệp
Nôi dung:
1. Cảm biến độ ẩm
<Lý thuyết>
Xem bài 1, mục 6. Cảm biến độ ẩm (Humidity Sensors)

Khái qt: Hơi nước có trong khơng khí hay các chất khí gọi là độ ẩm (Water vapor in the
air or any other gas is generally called humidity; in liquids and solids, it is usually
designated as moisture).
GT-KTCB-MĐ15


81

Trong khơng khí: áp suất khí quyển P gồm:

Độ ẩm tương đối (RH - relative humidity): tỷ số giữa áp suất riêng pv của hơi nước với áp
suất hơi bão hòa p s (giá trị áp suất lớn nhất pv có thể đạt tới nếu trên áp suất này sẽ xảy ra
ngưng tụ) ở nhiệt độ T ( độ ẩm phụ thuộc vào nhiệt độ).
RH (%) 

pv
100
ps

Nhiệt độ sương Tp (dp - dewpoint temperature hay frost-point): là nhiệt độ cần phải làm
lạnh khơng khí ẩm xuống tới đó để đạt trạng thái bão hồ.
Thí nghiệm cảm biến độ ẩm.
Module cảm biến độ ẩm.

Hình 7.1.

Mơ đun thực hành cảm biến độ ẩm

Khối cảm biến độ ẩm: ngừ ra Relay, với ngừ vào cỏc dõy
Black: + nguồn cấp dương (+) của cảm biến.

Yellow: - nguồn cấp âm (-) của cảm biến.
White: nguồn vào cảm biến.

Hình 7.2.
GT-KTCB-MĐ15

Sơ đồ ngõ ra cảm biến độ ẩm


82

Nội dung thí nghiệm
Thí nghiệm cảm biến độ ẩm.

Hình 7.3.

Sơ đồ kết nối thí nghiệm cảm biến độ ẩm

Nối pha U, N (bộ nguồn 3 pha) --- Chân L, N (cấp nguồn Bộ điều khiển cảm biến).
Nối 24V (bộ nguồn) --- Chõn Com (ngừ ra bộ điều khiển cảm biến).
Chõn NO (ngừ ra bộ điều khiển cảm biến) --- Chân + của đèn 24V.
Nối 0V (bộ nguồn) --- chân – của đèn.
Nối nguồn ra cảm biến (+,-, Out)--- nguồn vào cảm biến của bộ điều khiển(+,-,In).
Bật cụng tắc nguồn, thay đổi độ ẩm khơng khí (khà hơi) và quan sát bộ điều khiển.
Tài liệu thông số kỹ thuật xem thêm phần đính kèm sản phẩm.
2. cảm biến từ
<Lý thuyết>
Xem bài 1, mục 10. Cảm biến HALL (Hall Sensors)
Thực hành với cảm biến Hall

GT-KTCB-MĐ15


83

Mục tiêu: Hiểu nguyên tắc làm việc và ứng dụng của cảm biến Hall
(1) Nguyên tắc hoạt động của cảm biến Hall (xem mục: Hall Sensors )
(2) Đầu ra của cảm biến Hall có thể được xử lý để chỉ ra sự hiện diện hay vắng mặt của một
từ trường, hoặc để biểu thị độ lớn của từ trường
(3) Thông số kỹ thuật cảm biến loại THS119
- Vật liệu: GaAs
- Hiệu điện thế Hall: 50 – 140Mv (5mA, 1000Gauss)
- Điện trở ngõ vào: 450 – 900 Ohm
- Độ tuyến tính: 2% max
- Hệ số nhiệt độ của điện áp Hall: -0.06%oC max
- Dòng điện lơn nhất: 10mA
(4) Sơ đồ bên trong của cảm biến Hall SU-6809 được mô tả như hình sau

Hình 7.4.

Sơ đồ mạch thực hành cảm biến Hall

Nguồn cấp ±12V được kết nối đến cảm biến qua điên trở tương ứng 2kΩ, khi điện trở cảm
biến 750Ω, dòng điện cấp cảm biến là
mA
U1 chức năng như một bộ đệm giữa cảm biến và bộ khuếch đại bước tiếp theo
U2A là khuếch đại điện áp Hall với độ lợi điên áp A v =

500, và U2B chức năng như

bộ đệm ngõ ra.
U3 chức năng so sánh để điều khiển LEDs. Tham chiếu điện áp ngõ vào A và B được đặt
±2V. Bởi vì độ lợi mạch khuếch đại điện áp 500, LED 1 sẽ sáng khi điện áp Hall VH , lớn
hơn 2/500 = 4mV. Nếu đầu ra cảu cảm biến Hall là 100mV/kG, từ trường được phát hiện
mà từ trường này sẽ mở LED là 2/100kg = 20 Gauss.
Thiết bị được yêu cầu cho nhóm thực hành
 Bộ thực hành cảm biến SU-6809: 1 bộ
 OU-6801: 1 bộ
GT-KTCB-MĐ15