Cảm biến và đo lường - Chương 4: MỘT SỐ CẢM BIẾN THÔNG DỤNG potx

Tài liệu môn Cảm biến và đo lường
Trang IV-1
Chương
4
:


MỘT SỐ CẢM BIẾN THÔNG DỤNG


I.

Cảm

biến

biến

dạng

–

Điện

trở


a.

Nguyên

lý


Sử

dụng

dây

dẫn

có

điện

trở

biến

đổi

tương

ứng

với

sự

thay

đổi

hình

dạng

dây

dẫn
khi

có

ngoại

lực

tác

động

vào.


b.

Đặc

tính


Xét

dây

dẫn

có

chiều

dài

l
,

tiết

diện

S
.



-

Khi

không

có

lực

tác

dụng,

điện

trở

dây

dẫn:

l
R
S
 


Một lưới bằng dây dẫn mảnh được gắn trực
tiếp lên bề mặt cần khảo sát. Sự biến dạng của cấu
trúc kéo theo biến dạng của cảm biến làm cho điện
trở của nó thay đổi. Dây dẫn có điện trở suất , tiết
diện S, chiều dài nl (n: số đoạn, l: chiều dài một

đoạn). Đối với đầu đo kim loại n = 10 20, đầu đo
bán dẫn n = 1.

Do

ảnh

hưởng

của

biến

dạng,

điện

trở

cảm

biến

thay

đổi

một

lượng

R

:

R l S
R l S
   
  



Biến

đổi

dạng

dọc

của

dây

dẫn

đến

thay

đổi

tiết

diện

ngang.

Ta

có

quan

hệ

giữa

điện trở

và

độ

dài:

R l
K
R l
 


K:

hệ

số

đầu

đo


-

Đầu

đo

kim

loại

K

gần

bằng

2

-

Đầu

đo

bán

dẫn

K

~

100



200


-

Dấu

của

K

phụ

thuộc

vào

loại

bán

dẫn


Điện

trở

đầu

đo

có

giá

trị

chuẩn

từ

100
Ω


5000
Ω
với

độ

chính

xác



0,2

÷



10%.


c.

Ứng

dụng

Dùng

để

đo

lực

tác

dụng

hay

độ

biến

dạng

của

vật

thể.


II.

Cảm

biến

dịch

chuyển

–

Cảm

kháng
a.

Nguyên

lý:

Dựa

trên

mối

quan

hệ

cảm

kháng

của

các

cuộn

dây

khi

thay

đổi

vị

trí

thanh

ferrite

có độ

từ

thẩm

cao.


b.

Đặc

tính:



Tài liệu môn Cảm biến và đo lường
Trang IV-2
-

Các

cuộn

dây

thứ

cấp

được

mắc

nối

tiếp

nhau và

bố

trí

như

hình,

sao

cho:


V
out
(t)

=

V
S1
(t)

–

V
S2
(t)

-

Khi

thanh

ferrite

ở

vị

trí

trung

tâm

thì

điện

thế ngõ

ra

xem

như

gần

bằng

không.


-

Khi

thanh

ferrite

di

chuyển,

giá

trị

các

điện

áp V
S1
,

V
S2
tăng

hoặc

giảm

tương

ứng

với

các

hệ số

k
1
,

k

2
.
V
S1
(t)

=

k
1
V
in
(t)

V
S2
(t)

=

k
2
V
in
(t)

c.

Ứng

dụng:
Phát

hiện

sự

di

chuyển

của

đối

tượng

cần

quan

sát.


III.

Cảm
biến
siêu âm
a.

Nguyên

lý

Thiết

bị

phát

tín

hiệu

từ

bộ

phận

dao

động

ở

tần

số

siêu

âm.

Cấu

tạo

bộ

phận

dao động

được

tạo

thành

từ

hai

đĩa

mỏng.

Những

đĩa

này

có

thể

là

các

phần

tử

áp

điện

hoặc

là sự

kết

nối

giữa

một

phần

tử

áp

điện

và

một

đĩa

kim

loại.

Những

đĩa

này

sẽ

dao

động

khi

có tín

hiệu

có

tần

số

bằng

với

tần

số

cơ

bản

của

các

phần

tử

áp

điện.

Năng

lượng

dao

động

sẽ được

truyền

qua

bề

mặt

cảm

biến.

Cảm

biến

được

cấu

tạo

từ

các

phần

tử

áp

điện.

Khi

một

tín

hiệu

siêu

âm

tác

động

vào phần

tử

áp

điện,

phần

tử

này

phát

ra

tín

hiệu

điện

có

tần

số

tương

ứng

với

tần

số

của

tín

hiệu thu

được.


Dãi

tần

hoạt

động

của

cảm

biến

siêu

âm

từ

38kHz

đến

45kHz.


b.

Đặc

tính

-

Tín

hiệu

siêu

âm

không

tương

tác

với

những

tín

hiệu

âm

thanh

khác

trong

dải âm

tần

từ

50Hz

đến

15kHz.

-

Tín

hiệu

siêu

âm

ít

bị

ảnh

hưởng

bởi

các

tín

hiệu

có

tần

số

dưới

20kHz.

-

Tín

hiệu

siêu

âm

phản

xạ

rất

tốt

và

nhạy

cảm

với

bụi

bẩn.


c.

Ứng

dụng

Cảm

biến

siêu

âm

dùng

để

nhận

biết

sự

hiện

diện

của

vật

thể

và

sử

dụng

trong

các thiết

bị

đo

khoảng

cách,

các

thiết

bị

điều

khiển

từ

xa

và

một

số

thiết

bị

y

khoa.


IV.

Cảm

biến

gas


Có

nhiều

dạng

cảm

biến

gas

khác

nhau.

Đối

với

cảm

biến

gas

cấu

tạo

từ

chất

bán

dẫn thường

dùng

để

phát

hiện

khí

metan.


a.

Nguyên

lý

Nguyên

lý

hoạt

động

cảm

cảm

biến

gas

bán

dẫn

dựa

trên

thuộc

tính

của

phân

tử

Ir
(Iridium)

và

Pd

(Palladium).
Cuộn

dây

làm

nóng

được

chế

tạo

từ

Ir

và

Pd. Cho

dòng

điện

qua

cuộn

dây,

cuộn

dây

phát

sinh nhiệt.

Đến

nhiệt

độ

xác

định,

khí

oxy

sẽ

tập

trung

các điện

tử

vùng

cho

đến

bề

mặt

chất

bán

dẫn,

tạo

ra

rào thế

năng.

Rào

điện

thế

này

cản

trở

sự

di

chuyển

của các

hạt

dẫn,

làm

cho

trở

kháng

của

lớp

bán

dẫn

tăng lên.


Tài liệu môn Cảm biến và đo lường
Trang IV-3
Nồng

độ

khí

oxy

trong

không

khí

thay

đổi

làm

cho

điện

trở

chất

bán

dẫn

thay

đổi
theo.
b.

Đặc

tính


-

Độ

nhạy

của

cảm

biến

bị

ảnh

hưởng

bởi

nhiệt

độ

và

độ

ẩm

môi

trường.


-

Trước

khi

sử

dụng

cần

phải

có

thời

gian

làm

nóng

(từ

2

đến

3

phút)

để

tăng

độ chính

xác.


-

Điện

trở

cảm

biến

tăng

lên

20%

sau

khi

làm

nóng.


c.

Ứng

dụng


Phát

hiện

khí

metan,

CO
2
,

H
2
…




Chất

bán

dẫn

hoạt

động

như

một

biến

trở

(
điện trở phụ thuộc vào nồng độ gas),
khi gas đi qua bề mặt cảm biến điện trở chất bán dẫn giảm xuống. Dòng kích SCR tăng lên,
kích SCR dẫn. LED D1 sáng, đồng thời IC555 được reset
,

phát

ra

âm

thanh

báo

động.


V.

Bộ

đọc

mã

vạch


Mã

vạch

là

những

vạch

đậm

hoặc

mảnh

dùng

để

mã

hóa

số

hay

chữ

cái.


Có

nhiều

loại

mã

vạch

khác

nhau,

phổ

biến

nhất

là

mã

sản

phẩm

thông

dụng
(Universal

Product

Code

–

UPC)

và

mã

nhận dạng

ký

tự

bằng

quang

học

(Optical

Character Recognition

–

OCR).


Có

hai

loại

mã

vạch

thường

gặp

nhất

là:


-

Vạch

đen

là

1,

vạch

trắng

là

0.


-

Mã

vạch

n

từ

m

phần

tử:

vạch

đen/trắng

rộng

là

1,

vạch

đen/trắng

hẹp

là

0.


Máy

quét

mã

vạch

phát

tia

laser

công

suất

thấp.

Tia

sáng

gặp

mã

vạch

phản

xạ

lại một

cảm

biến

quang.

Cảm

biến

này

chuyển

tín

hiệu

quang

mang

thông

tin

mã

vạch

thành

tín hiệu

điện.

-

Nguồn

sáng

chuyển

động

nhờ

gương

đa

giác

quay,

mã

cố

định.


-

Nguồn

sáng

cố

định,

mã

chuyển

động.



Tài liệu môn Cảm biến và đo lường
Trang IV-4

Bút

quang:


Tia

laser

được

led

phát

ra

hội

tụ

qua

thấu

kính hình

cầu

lên

mã

vạch.


Tia

phản

xạ

được

hội

tụ

qua

thấu

kính

về

cảm biến.

Cảm

biến

cho

tín

hiệu

khoảng

1,1V

khi

gặp phần

trắng

và

0V

khi

gặp

phần

đen.


Vận

tốc

quét

tối

đa

1m/s.

Mã

vạch

được

giải mã

thành

ký

tự

ASCII.

Bộ

giải

mã

là

vi

điều

khiển chuyên

dùng,

mã

ASCII

được

truyền

đến

máy

tính thông

qua

giao

tiếp

RS232.


Bộ

giải

mã

được

nối

với

loa

nhỏ,

phát

âm thanh

báo

hiệu

khi

quét

xong.


Trở

ngại

chính

là

không

thể

đọc

chính

xác nếu

các

vạch

bị

bẩn

hoặc

in

nhòe.

VI.

Cảm

biến

đo

mức

chất

lưu


Các

cảm

biến

này

chuyển

đổi

mức

chất

lỏng

thành

tín

hiệu

điện.


a.

Cảm

biến

độ

dẫn

Chỉ

dùng

cho

các

chất

lưu

dẫn

điện

(


50

Scm
-1
),

không

ăn

mòn

kim

loại.

Cấu

tạo

gồm

hai

điện

cực

hình

trụ,

nếu

bình

chứa

bằng

kim

loại

thì

bình

chứa

là

một điện

cực.

Đầu

đo

được

nuôi

bằng

điện

áp

xoay

chiều




10V

để

tránh

hiện

tượng

phân

cực. Có

hai

chế

độ

đo:


Đo

liên

tục

Đầu

đo

được

đặt

theo

vị

trí

thẳng

đứng, chiều

dài

đầu

đo

bằng

chiều

cao

của

mức

chất

lỏng cần

đo.




Dòng

điện

giữa

các

điện

cực

tỷ

lệ

với

chiều

dài

điện

cực

ngập

trong

chất

lưu.

Độ

lớn tín

hiệu

điện

phụ

thuộc

vào

độ

dẫn

của

chất

lưu.



Phát

hiện

theo

ngưỡng:


Điện

cực

được

đặt

theo

phương

nằm

ngang,

vị

trí

mỗi

điện

cực tương

ứng

một

mức

chất

lưu.

Khi

chất

lỏng

đạt

đến

mức

điện

cực,

xuất

hiện

dòng

điện

có biên

độ

không

đổi.


b.

Cảm

biến

tụ

điện


Được

sử

dụng

khi

chất

lỏng

là

chất

cách

điện,

hằng

số

điện

môi

của

chất

lưu

phải

lớn hơn

hằng

số

điện

môi

không

khí,

thường

là

gấp

đôi.


Có

thể

tạo

thành

tụ

điện

bằng

hai

điện

cực

(thành

bình

chứa

kim

loại

và

một

điện cực).

Chất

điện

môi

gữa

hai

điện

cực

là

phần

ngập

chất

lỏng

và

phần

không

khí.


Mức

chất

lưu

được

chuyển

thành

điện

dung

tụ

điện.

Điện

dung

này

thay

đổi

theo mức

chất

lưu.


Tài liệu môn Cảm biến và đo lường

Trang IV-5









Nếu

chất

lưu

dẫn

điện,

sử

dụng

một

điện

cực

có

phủ

chất

cách

điện,

lớp

cách

điện đóng

vai

trò

là

điện

môi,

chất

lỏng

là

điện

cực

thứ

hai.


VII.

Cảm

biến

vị

trí

-

Điện

trở


a.

Cấu

tạo

Gồm

một

điện

trở

cố

định

R,

trên

có

một

tiếp

xúc

điện

có

thể

di

chuyển

gọi

là

con chạy.

Giá

trị

của

điện

trở

đo

được

giữa

con

chạy

và

một

đầu

của

điện

trở

R

là

hàm

phụ thuộc

vị

trí

con

chạy

và

bản

thân

điện

trở

R.


Nếu

điện

trở

được

chế

tạo

đồng

đều

thì

R

sẽ

tỉ

lệ

tuyến

tính

với

vị

trí

con

chạy. Có

hai

dạng

cảm

biến

vị

trí

điện

trở:

- Điện trở dịch chuyển thẳng:
l
R(l) R
L



- Điện trở dịch chuyển tròn:

m
R( ) R

 


Đối

với

điện

trở

tròn:

α
M
<

360


Đối

với

điện

trở

xoắn:

α
M
>

360


Hợp

kim

thường

dùng

làm

điện

trở

là

Ni

–

Cr,

Ni

–

Cu,

Ni

–

G

–

Fe,

Ag

–

Pd.
Dây điện

trở

được

cuốn

trên

lõi

cách

điện

còn

dây

được

cách

điện

bằng

emay.

Tài liệu môn Cảm biến và đo lường
Trang IV-6

R

nằm

trong

khoảng

từ

1K

–

100K
Ω
,

có

thể

đạt

đến

vài

M
Ω
.


Con

chạy

phải

tiếp

xúc

tốt,

không

tạo

ra

suất

điện

động

tiếp

xúc,

điện

trở

tiếp

xúc nhỏ

và

ổn

định.

Các

tiêu

chuẩn

này

phải

đảm

bảo

trong

điều

kiện

dao

động

và

tốc

độ

dịch chuyển

lớn.


b.

Đặc

điểm


-

Khoảng

cách

có

ích

của

con

chạy


Giá

trị

R(x)/R

thường

không

ổn

định

ở

cuối

đường

chạy

của

con

trỏ

hoặc

ở

các

chỗ nối

mạch

điện.


Khoảng

cách

có

ích

là

khoảng

mà

trong

đó

R(x)

là

hàm

tuyến

tính

của

dịch

chuyển.


-

Độ

phân

giải


Điện

trở

của

n

vòng

dây,

có

thể

phân

biệt

thành

2n

–

1

vị

trí

của

con

chạy:


n

vị

trí

con

chạy

tiếp

xúc

một

vòng

dây


n

–

1

vị

trí

con

chạy

tiếp

xúc

đồng

thời

2

vòng

dây.


Điện

trở

thay

đổi

khi

di

chuyển

từ

vị

trí

này

sang

vị

trí

khác.


c.

Thời

gian

sống


Thời

gian

sử

dụng

của

điện

trở

bị

hạn

chế

do

sự

cọ

sát

giữa

con

chạy

và

dây

dẫn

làm mài

mòn

con

chạy

và

điện

trở.

Số

lần

sử

dụng

của

điện

trở

khoảng

10
6
lần.


VIII.

Tốc

kế

quang


Tốc

kế

quang

là

cảm

biến

đo

vận

tốc

đơn

giản

nhất

gồm

một

nguồn

sáng

và

một

đầu thu

quang

(photodiode

hoặc

phototransistor)


Vật

quay

được

gắn

đồng

trục

với

đĩa

tròn

có

các

vùng

phản

xạ

hoặc

các

vùng

trong suốt

bố

trí

xen

kẽ

các

phần

chắn

sáng

đặt

giữa

nguồn

sáng

và

đầu

thu

quang.



Đầu

thu

quang

nhận

thông

lượng

biến

điệu

và

phát

tín

hiệu

có

tần

số

tỉ

lệ

với

vận

tốc quay

nhưng

biên

độ

không

đổi.


Phạm

vi

tốc

độ

đo

phụ

thuộc

vào

2

yếu

tố

chính:


-

Số

lượng

lỗ

trên

đĩa

quay.


-

Dãi

thông

của

đầu

thu

quang

và

mạch

điện.


Để

đo

vận

tốc

thấp

~

0,1

vòng/phút

dùng

đĩa

có

số

lượng

lỗ

rất

lớn

(500



1000).

Đo tốc

độ

cao

10
5


10
6
vòng/phút

dùng

loại

đĩa

chỉ

có

một

lỗ.

IX.

Cảm

biến

công

tắc

(switch

sensor)

Cảm

biến

công

tắc

được

dùng

nhiều

trong

các

ứng

dụng

robot.

Cảm

biến

công


Tài liệu môn Cảm biến và đo lường
Trang IV-7
tắc được

sử

dụng

với

nhiều

mục

đích,

chẳng

hạn:

-

Cảm

biến

va

chạm

(tiếp

xúc):

cảm

biến

công

tắc

được

dùng

để

phát

hiện

khi

có

va
chạm

cơ

học

với

một

vật

nào

đó.

Thí

dụ,

cảm

biến

công

tắc

tạo

ra

một

sự

chuyển
mạch

khi

thân

robot

chạy

vào

tường

hoặc

chạm

giới

hạn

đường

chạy

của

robot.

-

Cảm

biến

giới

hạn:

tương

tự

như

cảm

biến

tiếp

xúc,

cảm

biến

giới

hạn

phát

hiện

một
vật

đã

di

chuyển

đến

cuối

hành

trình

của

nó,

khi

đó

tín

hiệu

điều

khiển

motor

sẽ

tắt.

-

Mã

hóa

trục

quay

(shaft):

một

trục

quay

kết

hợp

với

một

công

tắc

chạm

sẽ

được

ấn
một

lần

ở

một

vòng

quay.

Phần

mềm

đếm

số

lần

ấn

để

xác

định

số

vòng

và

tốc

độ
quay

của

trục.
Loại cảm biến này không cần nguồn cung cấp và chịu được dòng lớn. Nó có thể
phát hiện sự tiếp xúc của bất kỳ vật thể nào từ bất kỳ góc độ nào. Do đó chúng rất thuận lợi

cho việc thiết kế robot đặc biệt được ứng dụng trong giới hạn hành trình của robot.








Cảm biến giới hạn
Có

hai

dạng

công

tắc

cơ

bản,

bao

gồm:

-

Công

tắc

nhỏ

(microswitch), có

dạng

hình

chữ

nhật

và

thường

ở

một

trạng

thái

xác định.

Công

tắc

nhỏ

thường

có

ba

chân:

NO

–

normally

open

(thường

hở),

NC

–

normally closed

(thường

đóng),

C

–

common

(chung).

Chân

chung

có

thể

được

nối

với

một

trong

hai

chân

kia

tùy

thuộc

vào

công

tắc

có được

ấn

hay

không.

Ở

trạng

thái

không

ấn,

chân

chung

được

nối

với

tiếp

điểm

thường

đóng, khi

ấn,

chân

chung

được

nối

với

trạng

thái

thường

hở.

-

Công

tắc

nút

ấn

(pushbutton)

đơn

giản

hơn.

Khi

được

ấn,

hai

tiếp

điểm

được

nối

với nhau.

Cũng

có

một

số

công

tắc

thường

đóng

nhưng

ít

phổ

biến.


Switch nub
Activation force


Tài liệu môn Cảm biến và đo lường
Trang IV-8




X.

Cảm

biến

điện

từ


a.

Cảm

biến

Hall


Cảm

biến

Hall

là

một

mảnh

bán

dẫn

mỏng

có

kết

cấu

đặc

biệt.

Khi

có

dòng

điện

I chạy

dọc

theo

tấm

bán

dẫn,

đồng

thời

có

từ

cảm

B

tác

động

lên

tấm

này

thì

trên

hai

cực ngang

của

nó

xuất

hiện

suất

điện

động

Hall.


E
H
=

k
H
.I.B.sin


I:

dòng

điện

dọc

theo

cảm

biến
B:

từ

cảm

xuyên

qua

cảm

biến


góc

lệch

giữa

I

và

B

k
H
:

hệ

số

Hall

Cảm

biến

Hall

được

dùng

rộng

rãi

trong

các

thiết

bị

đo

từ,

cảm

biến

tiếp

cận,

có

dải
đo

từ

1



10
6
Gauss.


b.

Cảm

biến

từ

trở

MR

(magnetoresistive)


Sử

dụng

hiệu

ứng

điện

trở

của

lớp

bán

dẫn

phụ

thuộc

vào

độ

lớn

và

phương

của

từ trường

đặt

vảo.

Sự

quay

của

vectơ

từ

hóa

gây

ra

sự

thay

đổi

điện

trở.

Vật

liệu

thường

dùng làm

cảm

biến

là

pecmaloi,

hợp

kim

của

thép

và

Niken.

Các

cảm

biến

MR

sử

dụng

trong công

nghiệp

có

mỏng

dảy

khoảng

50nm

pecmaloi

đặt

trên

đế

cách

điện

với

điện

trở

thay

đổi vài

phần

trăm.