Đang tải... (xem toàn văn)
Trước năm 1975 máy móc trong các nhà máy ở nước ta còn cũ kỹ,lạc hậu dây truyền trong các nhà máy chủ yếu nhập từ liên xô, trong một thời gian dài không có sự thay thế vì vậy năng suất rất thấp. Ngày nay với sự mở cửa, hợp tác song phương
ĐỒ ÁN MÔN HỌC Trang 1 LỜI NÓI ĐẦU Trước năm 1975 máy móc trong các nhà máy ở nước ta còn cũ kỹ,lạc hậu dây truyền trong các nhà máy chủ yếu nhập từ liên xô, trong một thời gian dài không có sự thay thế vì vậy năng suất rất thấp. Ngày nay với sự mở cửa, hợp tác song phương, có những máy móc mới,dây truyền mới được đưa vào nên năng suất tăng cao rất nhiều lần,thay vì dùng tới cả trăm người trong dây truyền thì giờ đây chỉ cần tới một hai người hoặc còn ít hơn thế cụ thể như ở khu Công nghiệp Nhơn Trạch,công ty Fomosa, người lao động chỉ làm nhiệm vụ chỉnh sửa lại một vài lỗi nhỏ. Việc sử dụng lao động ít như vậy là vì có sự áp dụng những tiến bộ khoa học vào trong sản xuất ví dụ như PLC, vi điều khiển. Một thiết bị không thể thiếu trong các dây truyền tự động đó là các bộ cảm biến. Các bộ cảm biến đóng vai trò quan trọng trong lĩnh vực đo lường và điều khiển, chúng cảm nhận và đáp ứng theo kích thước,thường là các đại lượng không điện,chuyển đổi các đại lượng này thành các đại đại lượng khác và truyền thông tin về hệ thống đo lường điều khiển giúp chúng ta nhận dạng,đánh giá và điều khiển mọi biến trạng thái của đối tượng, đó là một vấn đề làm chúng ta phải suy nghĩ ? Để tìm hiểu, nghiên cứu và có được một cách nhìn nhận về các bộ cảm biến cũng như những ứng dụng của các bộ cảm biến trong công nghiệp mà chúng em chọn làm đồ án này, dưới sự hướng dẫn của thầy giáo “Trương Đình Nhơn”.Chúng em hy vọng rằng qua đồ án môn học “Trang Bị Điện” này chúng em sẽ hoàn thiện được kiến thức của mình về cả lĩnh vực lý thuyết và kiến thức trong thực tế .Mặc dù đã rất cố gắng nhưng không thể nào tránh khỏi những thiếu sót.Vì vậy Rất mong sự đóng góp của Thầy và các bạn đọc để chúng em hoàn thiện hơn kiến thức của mình ! Khoa Điện - Trường ĐHSPKT TPHCM ĐỒ ÁN MÔN HỌC Trang 2 PHẦN I: CẢM BIẾN CÔNG NGHIỆP 1. Khái niệm cơ bản về cảm biến. Trong các hệ thống đo lường và điều khiển mọi quá trình đều được đặc trưng bởi biến trạng thái như nhiệt độ, áp suất, tốc độ, mô men vv. Các biến trạng thái này thường là các đại lượng không điện . Nhằm mục đích điều chỉnh, điều khiển các quá trình ta cần thu thập thông tin, đo đạc, theo dõi sự biến thiên của biến trạng thái của quá trình. Các bộ cảm biến thực hiện chức năng này,chúng thu nhận và đáp ứng với các tín hiệu và kích thích,là tai mắt của các hoạt động khoa học và công nghệ của con người. Các bộ cảm biến thường được định nghĩa là thiết bị cảm nhận và đáp ứng với các thiết bị kích thích. Đây là sơ đồ điều khiển tự động quá trình,trong đó bộ cảm biến đóng vai trò cảm nhận, đo đạc và đánh giá các thông số của hệ thống,bộ vi xử lý bao gồm PLC, Gen, Logo làm nhiệm vụ xử lý thông tin và đưa ra tín hiệu điều khiển quá trình, bộ phận chấp hành bao gồm van, thuỷ lực, khí nén,hay các động cơ kéo các bộ phận chuyển động thực hiện những quá trình điều khiển từ các bộ điều khiển trên. 2. Phân loại các bộ cảm biến. Các bộ cảm biến có thể phân loại theo các phương pháp khác nhau. 2.1 Theo nguyên lý chuyển đổi giữa đáp ứng và kích thích: Hiện tượng Chuyển đổi giữa đáp ứng và kích thích Vật lý Nhiệt điện ,Quang điện, Quang từ v.v Hoá học Biến đổi hoá học Biến đổi điện hoá Phân tích phổ…. Sinh học Biến đổi sinh học Biến đổi vật lý…. Khoa Điện - Trường ĐHSPKT TPHCM Cơ cấu chấp hành Bộ cảm biến Full Bộ vi xử lý ĐỒ ÁN MÔN HỌC Trang 3 2.2 .Phân loại theo dạng kích thích: Kích thích Các đặc tính của kích thích Âm thanh Biên pha,phân cực Phổ,tốc độ,truyền sóng Điện Điện tích,dòng điện Điện thế, điện áp Điện trường, điện dẫn… Từ Từ trường, từ thông, độ từ thẫm Quang Tốc độ truyền Hệ số phát xạ, khúc xạ vị trí,lục, áp suất, gia tốc, ứng suất Mô men,khối lượng,vận tốc chất lưu Nhiệt Nhiệt độ,thông lượng,nhiệt dung Bức xạ Kiểu Năng lượng Cường độ 2.3. Tính theo năng : - Độ nhạy - Độ chính xác - Độ phân giải - Độ tuyến tính - Độ trễ - Có khả năng quá tải - Tốc độ đáp ứng - Độ ổn định, tuổi thọ - Kích thước - Điều kiện môi trường 2.4 Theo phạm vi sử dụng: - Trong công nghiệp. - Nghiên cứu khoa học. - Môi trường, khí tượng. - Nông nghiệp,dân dụng,giao thông,quân sự. 2.5 Theo thông số của mạch thay thế: - Cảm biến tích cực(có nguồn) đầu ra là nguồn áp hoặc nguồn dòng. - Cảm biến thụ động ( không nguồn) được đặc trưng bởi các thông số R,L,C,M tuyến tính hoặc phi tuyến. 3. Mạch giao diện của các cảm biến. - Đáp ứng của các bộ cảm biến nói chung không phù hợp với tải về điện áp công suất, nhiệt độ …vì vậy cần có bộ giao diện giữa bộ cảm biến và tải. Cần phải phối hợp giữa Khoa Điện - Trường ĐHSPKT TPHCM ĐỒ ÁN MÔN HỌC Trang 4 đầu ra của bộ cảm biến và đầu vào của hệ thống xử lý dữ liệu,các mạch điện tửễe thực hiện nhiệm vụ này là,các mạch giao diện này thường được xây dựng trên cơ sở các bộ khuếch đại thuật toán, đó là các bộ khuếch đại một chiều có hệ số khuếch đại rất lớn và tổng trở vào rất lớn,bộ khuếch đại thuật toán này là mạch tích hợp có hang trăm Tranzito,tụ điện và điện trở có. + Hai đầu vào,một đầu vào đảo(âm) và một đầu không đảo (dương ). + Điện trở vào rất lớn cỡ hàng trăm mê. + Điện trở ra rất nhỏ khoảng 10 Ω + Điện áp lệch đầu vào rất nhỏ. + Dòng điện phân cực đầu vào rất nhỏ. + Hệ số khuếch đại hở mạch rất lớn. + Dải tần làm việc rộng.Thông thường là các Bộ khuếch đại dòng Bộ khuếch đại khử điện áp lệch Bộ khuếch đại lặp lại điện áp . Nguồn điện áp chính xác. CHƯƠNG 1: CẢM BIẾN NHIỆT Khoa Điện - Trường ĐHSPKT TPHCM I U U E I C B V1 I1 I2 Vd V2 Hình a Hình b Hình c ĐỒ ÁN MÔN HỌC Trang 5 Để đo được nhiệt độ người ta có thể dùng nhiều cách, đơn giản nhát là sử dụng nhiệt kế sử dụng hiện tượng dãn nỡ nhiệt,trong các đại lượng vật lý nhiệt độ được quan tâm nhiều nhất vì nhiệt độ đóng vai trò quyết định đến nhiều tính chất của vật chất, để chế tạo các bộ cảm biến nhiệt độ người ta sử dụng nhiều nguyên lý cảm biến khác nhau như các nhiệt điện trở,nhiệt ngẫu,phương pháp quang, phương pháp dựa trên sự giản nở của vật rắn,chất lỏng,khí hoặc dựa trên tốc độ âm . 1. Cảm biến nhiệt điện trở: Nhiệt điện trở kim loại có dạng dây kim loại hoặc màng mỏng kim loại,có điện trở suất thay đổi theo nhiệt độ, dựa vào dãi nhiệt độ cần đo và các tính chất của môi trường người ta thường làm điện trở bằng Platin,Niken đôi khi còn sử dụng đồng , Vonfram. Cảm biến nhiệt điện trở Silic ( thiếu ). Cảm biến vi mạch bán dẫn đo nhiệt độ. Linh kiện điện tử rất nhạy cảm với nhiệt độ, do đó có thể sử dụng một số linh kiện bán dẫn như diode,Trazito. 1.1 Cảm biến vi mạch bán dẫn đo nhiệt độ: Linh kiện điện tử rất nhạy cảm với nhiệt độ, do đó ta có thể sử dụng một số linh kiện bán dẫn như diode,tranzito nối theo kiểu diode. Khi đó điện áp giữa 2 cực Colecto và Emito là hàm của nhiệt độ. S = du/dt Để tăng độ tuyến tính và khả năng thay thế ta thường mắc theo sơ đồ hình c dùng 1 cặp tranzito mắc đối nhau với 2 dòng I1, I2 không đổi chạy qua và đo điện áp B-E. Dãi nhiệt độ làm việc bị hạn chế trong khoảng T = -50 o C → 150 o C . trong khoảng này bộ cảm biến có độ ổn định cao. Ứng dụng của cảm biến vi mạch ( LM335) đo nhiệt độ. Khoa Điện - Trường ĐHSPKT TPHCM LM308 Ura (100mv/ o C) 250K 15V 12K 12K 20K 20K 180K 50K LM335 LM335 100pF chỉnh zero - + 15V -15V 2 3 7 8 ĐỒ ÁN MÔN HỌC Trang 6 Hai cảm biến LM335 và 2 điện trở 12K được mắc thành mạch cầu với nguồn cung cấp 15V.Biến trở 50K dùng hiệu chỉnh giá trị 0 ban đầu. Điện áp ra của mạch cầu được đưa vào OP-AM LM308 khi đo, do nhiệt độ của 2 cảm biến khác nhau, cầu mất cân bằng, tín hiệu ra được khuếch đại và đưa vào chỉ thị. Người ta dùng linh kiện điện tử để điều khiển nhiệt độ của các lò đốt như lò nung gốm sứ,hệ thống điều hoà nhiệt độ …vv. ở nhiệt độ 70 o C thì cảm biến đưa tín hiệu về bộ điều khiển, điều khiển tim nung hoạt động. Khi nhiệt độ 100 o C thì cảm biến đưa tín hiệu về bộ điều khiển ngắt tim nung, quá trình cứ tuần tự tiếp diễn, ta có sơ đồ như hình vẽ. CHƯƠNG 2: CẢM BIẾN QUANG Khoa Điện - Trường ĐHSPKT TPHCM 5V Tim nung Lò nhiệt cảm biến T o 220V 5V el er + - +Vcc -Vcc Rf1 Rf2 D1 D2 ĐỒ ÁN MÔN HỌC Trang 7 2.1 Khái niệm cơ bản về ánh sáng. Khi chiếu ánh sáng vào chất điện môi và bán dẫn tinh khiết,các điện tích được giải phóng là cặp điện tử lỗ trống,với bán dẫn pha tạp khi chiếu sáng nó sẽ giải phóng điện tử lỗ trống tuỳ thuộc vào chất pha tạp Hiện tượng giải phóng các hạt dẫn dưới tác dụng của ánh sáng do hiệu ứng quang điện sẽ gây nên sự thay đổi tính chất điện của vật liệu đó là nguyên lý cơ bản của các cảm biến quang 2.2 Đặc điểm của cảm biến quang: - Nhỏ, tiết kiệm chổ. - Khoảng cách phát hiện xa từ 30m trở xuống. - Phát hiện được tất cả mọi vật bóng,trong. - Nguồn cấp là xoay chiều. - Phân biệt được mức nhỏ,không bị ảnh hưởng bởi màu sắc. - Chịu được hoá chất như dầu,chịu được nhiệt độ tới 400 o C hoạt động ở chân không. - Ánh sáng đưa từ đầu phát đến đầu thu hoặc ánh sáng tại đầu phát gặp vật sẽ phản xạ lại đầu thu. Đầu phát và thu gắn trên cùng một cảm biến. 2.3 Cấu tạo: 2.3.1 Thu phát độc lập: 2.3.2 Thu phát chung (Retro Replective). 2.3.3 Khuếch tán: (Diffure-Replective). Khoa Điện - Trường ĐHSPKT TPHCM Vật Đầu phát Đầu thu K/C phát hiện Sensor Vật K/C phát hiện Gương ĐỒ ÁN MÔN HỌC Trang 8 2.3.4 Cảm biến quang phản xạ giới hạn (limited Reflective). 2.3.5 Cảm biến quang đặt khoảng cách( Distance Settble). 2.3.6 Cảm biến quang loại phát hiện mark (Mark Dêtction). 2.3.7 Cảm biến màu (Color Sensor). Khoa Điện - Trường ĐHSPKT TPHCM Vật Dãi cài đặt Dãi cảm biến Vật Khoảng cách phát hiện Trục thu Trục phát Bộ nhận Nền Bộ phát Vùng phát hiện Vật Kính Gương cầu Thấu kính thu Photodiode ĐỒ ÁN MÔN HỌC Trang 9 2.4 Cảm biến quang điện. Cảm biến quang điện thực chất là các linh kiện quang điện, chúng thay đổi tính chất khi có ánh sáng thích hợp chiếu vào bề mặt của chúng. 2.4.1 Tế bào quang dẫn.(quang điện trở) Nguyên lý làm việc của quang điện trở là sự phụ thuộc của điện trở vào thông lượng bức xạ và phổ bức xạ. Tế bào quang dẫn là cảm biến quang điện có độ nhạy cao.Cơ sở vật lý của tế bào quang dẫn là hiện tượng quang dẫn do hiệu ứng quang điện. Đó là hiện tượng giải phóng các hạt tải điện trong vật liệu dưới tác dụng của ánh sáng làm tăng độ dẫn điện của vật liệu. 2.4.2 Phôtô diode. Nguyên lý làm việc. sự tiếp xúc của hai bán dẫn loại Nvà P tạo nên vùng nghèo hạt dẫn vì ở đó tồn tại một điện trường và hình thành một hàng rào điện thế. Khi không có điện thế bên ngoài đặt lên phần chuyển tiếp, dòng điện qua chuyển tiếp bằng không.Khi đặt một điện áp lên diode,với điện áp đủ lớn,chiều cao của hàng rào thế năng tăng và trên diode có dòng điện ngược. Khi chiếu ánh sáng vào diode bằng bức xạ có bước sóng sẽ xuất hiện các cặp điện từ lỗ trống dưới tác dụng của điện trường các cặp điện từ lỗ trống chuyển động và dòng điện ngược tăng lên rất nhanh. 2.4.3 Photo Tranzito. Photo Tranzito là các Tranzito Silic loại N-P-N mà vùng bazo( cực B) được chiếu sáng, không có điện áp đặt lên cực B, chỉ có điện áp trên cực C, đồng thời chuyển tiếp B- Khoa Điện - Trường ĐHSPKT TPHCM φ Ud R UR I + - E ĐỒ ÁN MÔN HỌC Trang 10 C phân cực ngược. Điện áp đặt chủ yếu vào phần chuyển tiếp B-C, trong khi đó sự chênh lệch điện thế giữa Evà B thay đổi không đáng kể (UBE = 0,6->0,7V). Khi phần chuyển tiếp B-C được chiếu sáng, sự hoạt động của Photo Tranzito giống như Photo diode. Coi photo Tranzito giống như tổ hợp của một Photo diode và một Tranzito. 2.4.4 Cảm biến phát xạ: (tế bào quang điện) Nguyên lý làm việc của cảm biến phát xạ là biến đổi tín hiệu quang điện thành tín hiệu điện nhờ hiện tượng phát xạ điện tử ở điện cực Catot khi có thông lượng ánh sáng chiếu vào. Cảm biến phát xạ được phân thành - Tế bào quang điện chân không . - Đèn Ion khí . - Bộ nhân quang điện. - Cơ chế hoạt động của tế bào quang điện là khi có thông lượng ánh sáng chiếu vào, Catot hấp thụ photon và giải phóng điện tử,các điện tử di chuyển lên bề mặt và thoát ra ngoài. 2.5 Ứng dụng của cảm biến quang : 2.5.1 Dùng tế bào quang dẫn để điều khiển rơle. Nguyên lý làm việc của hệ điều khiển là khi chưa có ánh sáng chiếu vào tế bào quang dẫn,dòng điện qua quang dẫn và rơle rất nhỏ chưa đủ để rơle tác động. Khi được Khoa Điện - Trường ĐHSPKT TPHCM φ Rm Rm Ir [...]...ĐỒ ÁN MƠN HỌC Trang 11 chiếu sáng điện trở của quang dẫn giảm đi rất nhanh, dòng điện qua quang dẫn tăng lên đủ lớn để Rơle tác động Cảm biến quang với hai đầu thu phát độc lập được dùng để phát hiện mũi khoan bị gẫy với cảm biến phát ra tia nhỏ.Khi mũi khoan chưa gẫy ánh sáng từ đầu phát sẽ khơng truyền được từ đầu phát tới đầu thu.Nếu mũi khoan bị gẫy thì ánh sáng từ đầu phát sẽ... 220V ĐỒ ÁN MƠN HỌC Cảm biến Ưu điểm của hệ thống này là Bảo vệ tin cậy và an tồn cao Dễ lắp đặt,giá thành rẻ Khoa Điện - Trường ĐHSPKT TPHCM Trang 17 ĐỒ ÁN MƠN HỌC Hình dáng to vì vậy khơng mỹ quan Đơi khi bị nhiễu do hiện tượng chim bay qua Khoảng cách phát hiện rất xa , tuỳ theo loại mà khoảng cách là 20m, 35m 70m CHƯƠNG 3: CẢM BIẾN THƠNG MINH 3.1 Khái niệm chung : Khoa Điện - Trường ĐHSPKT TPHCM Trang. .. trở chia thành 2 loại loại cắt và loại khuếch tán - Ngun lý : Bình thường các điện tử phân bố trong tinh thể bán dẫn bằng nhau, độ dẫn điện khơng thay đổi khi bị biến dạng các điện trở thay đổi do đó độ dẫn điện thay đổi và điện trở thay đổi theo 4.1.2 Mạch đo và ứng dụng: Mạch đo có thể dùng mạch cầu 2 hoặc 4 nhánh hoạt động mà các áp trở là điện trở nhánh kết hợp với khuếch đại và chỉ thị RT Rt R... áp suất cảm nhận Đầu ra K F chất lỏng MBA Vi sai x Khoa Điện - Trường ĐHSPKT TPHCM Cảm biến Áp suất ĐỒ ÁN MƠN HỌC Trang 27 4.2.1 Cảm biến áp điện Ngun lý làm việc của cảm biến dựa vào hiệu ứng điện áp.đó là hiện tượng sinh điện tích trên bề mặt chất điện mơi khi bị tác động .Điện tích trên bề mặt sẽ bị biến mất khi lực tác động ngừng lại.Những chất có hiện tượngtrên là thạch anh,titan,các loại gốm…... vào ánh sáng giữa đầu phát và đầu thu của cảm biến quang,tín hiệu được đưa qua xử lý và đưa tới cơ cấu chấp hành là một chng điện có đấu song song với một đèn báo Khoa Điện - Trường ĐHSPKT TPHCM ĐỒ ÁN MƠN HỌC Trang 31 màu đỏ khi đó chng sẽ kêu đồng thời đèn sẽ nhấp nháy báo hiệu để xe dừng lại sẵn sàng cân Khi cân song người điều khiển trạm cân có thể cho xe dời trạm cân bănngf viêc nhấn nút cấp điện. .. nhiệm vụ trên là các cảm biến - Cảm biến điện từ - Cảm biến điện dụng - Cảm biến từ trở biến thiên - Điệnthế kế điện trở Hình vẽ là ngun lý làm việc của cảm biến hỗ cảm đo lực.Trong đó màng đàn hồi được gắn với thanh dẫn và nối với lõi thép động của cảm biến , cuận day sơ cấp và hai cuận thứ cấp được bố trí như hình vẽ a Khoa Điện - Trường ĐHSPKT TPHCM ĐỒ ÁN MƠN HỌC Trang 30 Hình b Hình a Bình thường chưa... với hai lá đồng để nối với mạch đo - Cảm biến lá mỏng là một lá mỏng làm từ hợp kim Constantan chế atọ theo phương pháp ăn mòn quang hợp có độ nhạy lớn, ít biến dạng ngang, điện trở lớn - Cảm biến áp trở màng mỏng chế tạo bằng phương pháp bốc hơi kim loại Cảm biến áp trở bán dẫn - Được chế tạo từ các chất bán dẫn như Silic,Germani, asenua…vv Khoa Điện - Trường ĐHSPKT TPHCM ĐỒ ÁN MƠN HỌC Trang 24 -... là tín hiệu điện Khoa Điện - Trường ĐHSPKT TPHCM ĐỒ ÁN MƠN HỌC Trang 26 Đo gián tiếp là phương pháp đo sử dụng các phần tử đàn hồi,các hệ dẫn truyền,biến lực đo thành độ dịch chuyển.Các cảm biến đo độ dịch chuyển,suy ra lực tác động.tuỳ thuộc vào dải đo và tần số biến thiên của lực tác động mà chọn loại cảm biến đo cho phù hợp và ít gây lên sai số Nói chung phép đo lực là u cầu đối với cơ học vật rắn... dung với mức điều chỉnh độ nhạy giúp triệt tiêu ảnh hưởng của bọt ,cảm biến E2KQ-X10ME1 (1) Cảm biến ứng dụng điện dung Phát hiện theo ngun tắc tĩnh điện ( Sự thay đổi điện dung giữa vật cảm biến và đầu sensor Phát hiện mực chất lỏng trong bồn Khoa Điện - Trường ĐHSPKT TPHCM ĐỒ ÁN MƠN HỌC Trang 13 Sử dụng ống nhựa kèm theo, mực nước trong bồn sẽ chính là mực nước trong ống nhựa,sensor họ E2K-L có thể... hồi Khoa Điện - Trường ĐHSPKT TPHCM ĐỒ ÁN MƠN HỌC Trang 29 Sai số và ứng dụng Sai số của cảm biến áp từ do hiện tượng trễ khơng trùng lặp trạng thái khi tăng giảm.Sự phân tán các giá trịΔμ/μ= f(F) ở các chu kỳ đầu khi tăng giảm tải khoảng 10% Sai số do dòng điện từ hố khơng ổn định làm thay đổi độ từ thẩm ban đầu và thay đổi độ lớn của hiệu ứng áp từ.Sai số do nhiệt độ mơi trường thay đổi làm điện trở . 10k IC L165 220V ĐỒ ÁN MÔN HỌC Trang 17 Ưu điểm của hệ thống này là Bảo vệ tin cậy và an toàn cao Dễ lắp đặt,giá thành rẻ Khoa Điện - Trường ĐHSPKT TPHCM Cảm biến ĐỒ ÁN MÔN HỌC Trang 18 Hình dáng. chiếu sáng, không có điện áp đặt lên cực B, chỉ có điện áp trên cực C, đồng thời chuyển tiếp B- Khoa Điện - Trường ĐHSPKT TPHCM φ Ud R UR I + - E ĐỒ ÁN MÔN HỌC Trang 10 C phân cực ngược. Điện. bản về ánh sáng. Khi chiếu ánh sáng vào chất điện môi và bán dẫn tinh khiết,các điện tích được giải phóng là cặp điện tử lỗ trống,với bán dẫn pha tạp khi chiếu sáng nó sẽ giải phóng điện tử