Điện - Điện tử - Chương 8: Các dạng cảm biến đo lường khác

Bài giảng Đo lường và cảm biến Trang 83 Chương 8 CÁC DẠNG CẢM BIẾN ĐO LƯỜNG KHÁC 8.1 ĐO ĐỘ ẨM Trong thời đại phát triển hiện nay, máy móc dường như đã thay thế con người trong các hoạt động sản xuất công nghiệp cũng như một số hoạt động khác trong đời sống như. Ban đầu chúng chỉ làm bằng các chi tiết cơ khí kết cấu đơn giản một số khá phức tạp nhưng đã chứng tỏ được sự hữu ích của mình. Cùng với sự phát triển của công nghệ điện tử các hệ thống tự động hóa đã ra đời hàng loạt đẩy mạnh quá trình phát triển của nhân loại. Điểm đặc trưng của các hệ thống này là luôn có sự hiện diện của các loại cảm biến - bộ phận đóng vai trò quan trọng đảm bảo sự làm việc chính xác của máy móc và dĩ nhiên không chỉ có vậy nó còn được sử dụng cho nhiều mục đích khác. Mức độ ứng dụng của các cảm biến khác nhau cũng không giống nhau ta có thể thay rõ qua bảng thống kê sau: - Cảm biến đo nhiệt độ (37.29%) - Cảm biến đo vị trí (27.12%) - Cảm biến đo di chuyển (16.27%) - Cảm biến đo áp suất (12.88%) - Cảm biến đo lưu lượng (1.36%) - Cảm biến đo mức (1.2%) - Cảm biến đo lực (1.2%) - Cảm biến đo độ ẩm (0.81%) Mặc dù không được sử dụng rộng rãi như các loại cảm biến khác nhưng cảm biến độ ẩm của có vai trò thiết yếu trong một số lĩnh vực nhất định như khí tượng, sấy khô, kiểm tra điều kiện môi trường Cùng với sự phát triển của công nghệ bán dẫn các cảm biến loại này đã xuất hiện dưới nhiều biến thể một số có đầu ra analog số khác là digital phù hợp với nhiều mục đích khác nhau. Các lĩnh vực ứng dụng: - Xe hơi 38% - Sản xuất công nghiệp 20% - Điện gia dụng 11% - Văn phòng 9% - Y tế 8% - An toàn 6% - Nông nghiệp 4% - Môi trường 4% 8.1.1 Các khái niệm Độ ẩm: là khối lượng hơi nước có trong 1m khối không khí. Độ ẩm càng cao lượng hơi nước có trong môi trường càng nhiều. Nó có ảnh hưởng đến trực tiếp đến con người và máy móc. Độ ẩm thay đổi trong một dải rộng từ 30-70% với độ ẩm nhỏ hơn 35% bộ máy tiêu hóa bị kích thích, lớn hơn 75% sự ra mồ hôi giảm nghiêm trọng. Trong công nghiệp độ ẩm cao gây ảnh hưởng đến các thiết bị, máy móc nhất là các thiết bị điện, điện tử như gây ra sai số, ăn mòn hóa học, ảnh hưởng đến độ cách điệnVì vậy việc xác định độ ẩm là rất cần thiết từ đó chúng ta có thể có biện pháp chống ẩm. Điểm sương:là nhiệt độ mà ở đó hơi nước trong không khí ở một áp suất xác định ngưng đọng thành chất lỏng. Khi hơi nước bão hòa cũng có nghĩa khí và hơi nước đạt đến điểm sương. Độ ẩm tuyệt đối: là thuật ngữ dùng để mô tả lượng hơi nước tồn tại trong một thể tích khí nhất định. Nếu tất cả hơi nước trong một mét khối không khí được cô đọng lại trong một vật Bài giảng Đo lường và cảm biến Trang 84 chứa, ta có thể đem cân vật chứa đó để xác định độ ẩm tuyệt đối. Được tính bằng tỷ số khối lượng hơi nước trên thể tích khối không khí chứa nó. Độ ẩm tương đối: dùng để mô tả mức độ ẩm của không khí, được tính bằng tỷ số giữa áp suất riêng phần của hơi nước và áp suất hơi bão hòa ở nhiệt độ T: Độ ẩm tuyệt đối thay đổi khi áp suất không khí thay đổi. Điều này rất bất tiện cho các tính toán hóa học kỹ thuật (ví dụ cho máy sấy quần áo, do nhiệt độ của nó có thể thay đổi đáng kể). Vì nguyên nhân này, độ ẩm tuyệt đối thường được định nghĩa trong hóa học kỹ thuật như là khối lượng hơi nước trên mỗi đơn vị khối lượng của không khí khô (còn được biết đến với tên gọi khác là tỷ số trộn khối). Điều này giúp việc tính toán cân bằng nhiệt độ là khối lượng rõ ràng hơn. Vì vậy, đại lượng bằng khối lượng nước trên mỗi đơn vị thể tích như trong phương trình trên được đặt tên là độ ẩm thể tích. Biết được nguy cơ dễ gây nhầm lẫn, chuẩn British Standard BS 1339 (sửa đổi năm 2002) đề xuất tránh sử dụng thuật ngữ "độ ẩm tuyệt đối". Cần phải kiểm tra đơn vị cẩn trọng. Điểm sương của một khối không khí, ở áp suất khí quyển cố định, là nhiệt độ mà ở đó thành phần hơi nước trong khối không khí ngưng đọng thành nước lỏng. Khi điểm sương thấp hơn điểm đóng băng, thì nó gọi là điểm băng giá, thay vì tạo ra sương, nó sẽ tạo ra sương giá hay sương muối do sự ngưng đọng. Điểm sương không phụ thuộc vào sự hiện diện của dưỡng khí, nitơ hay các chất khí khác hơi nước trong không khí. Sự hình thành của sương có thể xảy ra ở điểm sương ngay cả khi khí duy nhất tồn tại trong hỗn hợp không khí là hơi nước. Khi nhiệt độ cao hơn điểm sương thì áp suất thành phần của hơi nước tăng lên và thế sẽ nước được bay hơi. Điểm sương có quan hệ với độ ẩm tương đối. Khi độ ẩm tương đối cao, điểm sương gần với nhiệt độ hiện tại của không khí. Nếu độ ẩm tương đối là 100%, điểm sương sẽ bằng hoặc cao hơn nhiệt độ không khí lúc đó. Nếu độ ẩm tương đối giảm điểm sương sẽ thấp hơn đối với cùng một nhiệt độ của khối không khí. 8.1.2 Phân loại cảm biến Ẩm kế điện trở: Điện trở kim loại và điện trở điện phân Ẩm kế tụ điện: Ẩm kế tụ điện polymel và ẩm kế tụ điện Al2O3 Bài giảng Đo lường và cảm biến Trang 85 Ẩm kế điện trở: Điện trở kim loại: là một đế có kích thước nhỏ được phủ chất hút ẩm và gắn 2 điện cực bằng kim loại không bị ăn mòn hay ôxy hóa. Giá trị điện trở giửa hai cực phụ thuộc vào hàm lượng nước và nhiệt độ chất hút ẩm. Hàm lượng nước lại phụ thuộc vào nhiệt độ và độ ẩm tương đối. Chất điện phân: là những chất dẫn điện. Điện trở của chúng phụ thuộc vào thể tích trong khi đó thể tích bị thay đổi theo hàm lượng nước do đó có thể biến độ ẩm tương đối thành tín hiệu điện Ẩm kế tụ điện: Giả sử tụ điện giữa hai bản cực là không khí có thể coi cảm biến đo độ ẩm làm thay đổi hằng số điện môi được tính theo công thức: Ta thay đổi không khí bằng một chất điện môi khác giữa hai tấm cực của tụ điện ta có thể tạo ra cảm biến đo độ ẩm. Ẩm kế tụ điện polyme: Đây là loại cảm biến thường gặp cấu tạo từ một màng polyme có độ dày khoảng 6-12 micromet có khả năng hấp thụ hơi nước. Lớp polyme được phủ trên điện cực thứ nhất là Tantan. Sau đó phủ tiếp lên một lớp Crôm làm điện cực thứ 2. Lớp Crôm gây ra các vết nứt làm tăng khả năng tiếp xúc của lớp này với không khí. Thởi gian hồi đáp của tụ phụ thuộc độ dày lớp điện môi Với cảm biến tụ polyme có thể đo độ ẩm trong dải từ 0 đến 100%. Dải nhiệt độ làm việc từ -40 đến 100 độ C. Sai số 2-3%, thời gian hồi đáp cỡ vài giây. Ẩm kế tụ điện Al2O3: Là một tụ điện có Al2O3 là chất điện môi chế tạo bằng phương pháp anôt hóa bản thân tấm nhôm làm điện cực thứ nhất của tụ. Điện cực thứ hai là một màng kim loại mỏng được tạo thành trên mặt kia của lớp điện môi. Sự thay đổi trở kháng phụ thuộc vào áp suất riêng phần của nước và không phụ thuộc vào nhiệt độ. Quá trình anôt hóa bằng cách thực hiện điện phân dung dịch H2SO4 với tấm nhôm làm anôt. Lớp oxyt nhôm có cấu trúc xốp nên tiếp xúc tốt với không khí ẩm. Điện cực thứ 2 phủ lên lớp Al2O3 có thể là Cu, Au, Cr, Al thời gian hồi phục của cảm biến này cỡ vài giây, không sử dụng được trong môi trường chứa chất ăn mòn như NaCl, lưu huỳnh. 8.1.3 Một số loại cảm biến độ ẩm Cảm biến độ ẩm SHS A3: Có điện trở thay đổi theo độ ẩm. Nó được dùng để đo và nhận biết độ ẩm. Vớikhông khí khô ráo sensor SHS A3 có tổng trở thấp. Khi độ ẩm dưới 75% sensor có điện trở nhỏ hơn 20 ki-lô-ôm Khi hàm ẩm cao điện trở gia tăng theo logarith. Độ ẩm tương đối 93% ta có tổng trở nhỏ hơn 100 ki-lô-ôm và khi nước ngưng đọng tổng trở lên đến 300 kí-lô-ôm. Dải nhiệt độ hoạt động từ -10 đến 600C. Thời gian hồi đáp là 60s. Bài giảng Đo lường và cảm biến Trang 86 Cảm biến độ ẩm NH-3: Cảm biến độ ẩm NH-3 gồm điện trở thay đổi theo nhiệt độ và điện trở thay đổi theo độ ẩm. Để sensor có sự tuyến tính tốt, trong sensor có đến hai nhiệt điện trở và hai điện trở thay đổi theo hàm ẩm. Nhiệt điện trở TH dùng để bù trừ sự ảnh hưởng của nhiệt độ đối với điện trở đo hàm ẩm tương đối. SHT1x/SHT7x: Tích hợp cảm biến độ ẩm và nhiệt độ; hiệu chỉnh đầy đủ, đầu ra kĩ thuật số; độ ổn định dài hạn rất cao; không trang bị các thành phần bên ngoài; tiêu thụ điện năng rất ít; kích thước nhỏ 8.2 MÃ VẠCH Ý tưởng về mã vạch được phát triển bởi Norman Joseph Woodland và Bernard Silver. Năm1948 khi đang là sinh viên ở trường Đại học tổng hợp Drexel, họ đã phát triển ý tưởng này sau khi được biết mong ước của một vị chủ tịch của một công ty buôn bán đồ ăn là làm sao để có thể tự động kiểm tra toàn bộ quy trình. Một trong những ý tưởng đầu tiên của họ là sử dụng mã Morse để in những vạch rộng hay hẹp thẳng đứng. Sau đó, họ chuyển sang sử dụng dạng "điểm đen" của mã vạch với các vòng tròn đồng tâm. Họ đã gửi đến cơ quan quản lý sáng chế Mỹ 2,612,994 ngày 20 tháng 10 năm 1949 công trình Classifying Apparatus and Method (Thiết bị và phương pháp phân loại) để lấy bằng sáng chế. Bằng sáng chế đã được phát hành ngày 7 tháng 10 năm 1952. Thiết bị đọc mã vạch đầu tiên được thiết kế và xây dựng bởi Woodland (khi đó đang làm việc cho IBM) và Silver năm 1952. Nó bao gồm một đèn dây tóc 500 W và một ống chân không nhân quang tử được sản xuất bởi RCA cho các phim có âm thanh (nó để in theo phương pháp quang học lên trên phim). Thiết bị này đã không được áp dụng trong thực tế:Vì để có dòng điện đo được bằng các nghiệm dao động (oscilloscope) thì đèn công suất 500 W gần như đã làm cháy giấy có mẫu mã vạch đầu tiên của họ. Nó đã không được sản xuất đại trà. Năm 1962 họ bán sáng chế này cho công ty Philips, sau đó Philips lại bán nó cho RCA. Phát minh ra tia laser năm 1960 đã làm cho các thiết bị đọc mã vạch trở nên rẻ tiền hơn, và sự phát triển của mạch bán dẫn (IC) làm cho việc giải mã các tín hiệu thu được từ mã vạch có ý nghĩa thực tiễn. Đáng tiếc là Silver đã chết năm 1963 ở 38 tuổi trước khi có bất kỳ những gì thực tiễn thu được từ sáng chế này. Bài giảng Đo lường và cảm biến Trang 87 Năm 1972, cửa hàng Kroger ở Cincinnati thử nghiệm việc sử dụng đầu đọc mã vạch điểm đen, với sự trợ giúp của RCA. Không may là các mã vạch điểm đen rất dễ nhòe khi in, và thử nghiệm đã không thu được thành công nào đáng kể. Cùng thời gian đó, Woodland ở IBM đã phát triển mã vạch tuyến tính được chấp nhận vào ngày 3 tháng 4 năm 1973 như là Mã sản phẩm chung (tiếng Anh: Universal Product Code, hay UPC). Vào ngày 26 tháng 6 năm 1974, sản phẩm bán lẻ đầu tiên (gói 10 thanh kẹo cao su Juicy Fruit của Wrigley) đã được bán bằng cách sử dụng đầu đọc mã vạch tại siêu thị Marsh ở Troy, Ohio. (Gói kẹo cao su này hiện nay nằm trong Viện bảo tàng quốc gia Hoa Kỳ ở Smithsonian) Năm 1992, Woodland đã được trao tặng giải thưởng Huy chương công nghệ quốc gia bởi Tổng thống George H. W. Bush. Năm 2004, Nanosys Inc. sản xuất mã vạch nano (nanobarcode) - sợi dây kích thước nano (10-9 m) chứa các phần khác nhau của Si và GexSi1-x. 8.2.1 Định nghĩa Mã vạch là sự thể hiện thông tin trong các dạng nhìn thấy trên các bề mặt mà máy móc có thể đọc được. Nguyên thủy thì mã vạch lưu trữ dữ liệu theo bề rộng của các vạch được in song song cũng như của khoảng trống giữa chúng, nhưng ngày nay chúng còn được in theo các mẫu của các điểm, theo các vòng tròn đồng tâm hay chúng ẩn trong các hình ảnh. Mã vạch có thể được đọc bởi các thiết bị quét quang học gọi là máy đọc mã vạch hay được quét từ hình ảnh bằng các phần mềm chuyên biệt. Nội dung của mã vạch là thông tin về sản phẩm như: Nước sản xuất, tên doanh nghiệp, lô, tiêu chuẩn chất lượng đăng ký, thông tin về kích thước sản phẩm, nơi kiểm tra... Hiện nay trong thương mại trên toàn thế giới chủ yếu áp dụng hai hệ thống mã số hàng hoá sau: · Hệ thống UPC (Universal Product Code) là hệ thống thuộc quyền quản lý của Hội đồng mã thống nhất Mỹ UCC (Uniform Code Council, Inc.), được sử dụng từ năm 1970 và hiện vẫn đang sử dụng ở Mỹ và Canada. · Hệ thống EAN (European Article Number) được thiết lập bởi các sáng lập viên là 12 nước châu Âu với tên gọi ban đầu là Hội EAN (European Article Numbering Association), được sử dụng từ năm 1974 ở châu Âu và sau đó phát triển nhanh chóng, được áp dụng ở hầu hết các nước trên thế giới. Chính vì lý do này nên từ năm 1977, EAN trở thành một tổ chức quốc tế với tên gọi EAN quốc tế (EAN International). 8.2.2 Ý nghĩa mã vạch Để tạo thuận lợi và nâng cao năng suất, hiệu quả trong bán hàng và quản lý kho người ta thường in trên hàng hoá một loại mã hiệu đặc biệt gọi là mã số mã vạch của hàng hoá. Mã số mã vạch của hàng hoá bao gồm hai phần: mã số của hàng hoá và mã vạch là phần thể hiện mã số bằng vạch để cho máy đọc. Mã số của hàng hoá là một dãy con số dùng để phân định hàng hoá, áp dụng trong quá trình luân chuyển hàng hoá từ người sản xuất, qua bán buôn, lưu kho, phân phối, bán lẻ tới người Bài giảng Đo lường và cảm biến Trang 88 tiêu dùng. Nếu thẻ căn cước giúp ta phân biệt người này với người khác thì mã số hàng hoá là “thẻ căn cước” của hàng hoá, giúp ta phân biệt được nhanh chóng và chính xác các loại hàng hoá khác nhau. 8.2.3 Ứng dụng mã vạch Mã vạch (và các thẻ khác mà máy có thể đọc được như RFID) được sử dụng ở những nơi mà các đồ vật cần phải đánh số với các thông tin liên quan để các máy tính có thể xử lý. Thay vì việc phải đánh một chuỗi dữ liệu vào phần nhập liệu của máy tính thì người thao tác chỉ cần quét mã vạch cho thiết bị đọc mã vạch. Chúng cũng làm việc tốt trong điều kiện tự động hóa hoàn toàn, chẳng hạn như trong luân chuyển hành lý ở các sân bay. Các dữ liệu chứa trong mã vạch thay đổi tùy theo ứng dụng. Trong trường hợp đơn giản nhất là một chuỗi số định danh được sử dụng như là chỉ mục trong cơ sở dữ liệu trong đó toàn bộ các thông tin khác được lưu trữ. 8.2.4 Nguyên lí hoạt động và cấu tạo máy đọc,máy quét mã vạch Một máy quét mã vạch là một máy thu nhận hình ảnh của mã vạch in trên các bề mặt của sản phẩm và chuyển thông tin chứa trong mã vạch đến máy tính hay các thiết bị cần thông tin này. Nó thường phát ra một nguồn sáng kèm theo thấu kính, thấu kính dùng để hội tụ ánh sáng lên mã vạch, rồi thu ánh sáng phản xạ về một cảm quang. cảm quang này sẽ chuyển hóa tín hiệu ánh sáng thành tín hiệu điện và biên dịch thành mã ASCII. Bộ giao diện chuyển mã ASCII về máy tính PC để xử lý tiếp. Ngoài ra, nhiều máy quét mã vạch còn có thêm mạch điện tử xử lý tín hiệu thu được từ cảm quang để tạo thành tín hiệu phù hợp cho việc kết nối với máy tính. Hiện nay máy quét mã vạch được làm trên hai công nghệ cơ bản: - Công nghệ Laser: Phát ra chùm tia Laser, quét lên bề mặt mã vạch, ưu điểm là tốc độ quét nhanh. - Công nghệ CCD: Áp dụng công nghệ chụp hình. Ưu điểm là đọc được các mã vạch có bề mặt gồ ghề. Máy đọc mã vạch Heron datalogic: Công nghệ quét ảnh tuyến tính, đọc được tất cả mã vạch 1D và mã tuyến tính GS1 Databar. Công nghệ cảm biến hình ảnh CCD 2048 pixel, ưu điểm đọc được các mã vạch có bề mặt gồ ghề. Tốc độ quét: 256 vòng/ giây; Hỗ trợ EAS: tích hợp với các hệ thống CheckPoint; Kết nối keyboard/USB (RS-232 Option); Thích hợp sử dụng trong siêu thị, shop, giá hàng trong cửa hàng, hàng tồn kho, bán lẻ, thư viện, bưu điện, vé máy bay.