Giáo trình thực hành đo lường cảm biến

Trường Đại Học Cơng Nghiệp Tp.HCM Giáo trình thực hành đo lường cảm biến. 1 BÀI 1 : GIỚI THIỆU MỘT SỐ LOẠI CẢM BIẾN THIẾT BỊ SỬ DỤNG : 1. Thiết bị chính cho thực tập diện tử về cảm biến và đo lường MTS – 41. 2. Dao dộng ký 3. Đồng hồ đo 4. Khối thí nghiệm SME-401 cho các loại cảm biến (gắn lên thiết bị chính MTS – 41). 5. Phụ tùng dây cắm Nhiệm vụ: Tìm hiểu nnguyên tắc hoạt dộng của một số loại cảm biến. I. Rơ le từ (Reed Relay). Rơ le từ là công tắc với diều khiển đóng ngắt bằng từ trường (hình 1-1). Hình 1-1. Rơ-le từ Từ trường có thể toạ bằng nam châm hoặc cuộn cảm được cấp dòng điện. Các bước thực hiện: 1. Sử dụng đồng hồ đo điện trở ( )nối với các chốt công tắc 3 -4 của sơ đồ Hình 1-1. 2. Dùng một nam châm nhỏ đưa đến gần sát và lùi sa rờ le từ. Theo giá trị điện trở đo, xác định trạng thái đóng và ngắt của rờ le từ theo khoảng cách nam châm. 3. Cấp nguồn 5V cho cuộn dây của rớ le từ qua chốt 1-2. theo giá trị điện trở đo, xác định trạng thái đóng và ngắt của rờ le từ khi cấp điện và ngắt điện nuôi cuộn dây của rờ le từ. II. Công tắc giới hạn hành trình (Limit Switch). Công tắc giới hạn hành trình cho phép giới hạn đóng ngắttiếp điểm khi vật thể chuyển động chạm vào đòn bẩy của công tắc(hình M1-2). Các bước thực hiện Trường Đại Học Cơng Nghiệp Tp.HCM Giáo trình thực hành đo lường cảm biến. 2 1. Sử dụng đồng hồ đo điện trở ( )nối với các công tắc 1-2 của sơ đồ hình M1- 2.tiếp điểm 1-2 của công tắc thường ngắt(thường ký hiệu trên công tắc:No- Normal Opened). Nhấn nhẹ đòn bẩy kiểm tra sự chuyển trạng thái của công tắc từ ngắt sang nối. Hình 1-2. Công tắc giới hạn hành trình 2. Sử dụng đồng hồ đo điện trở ( ohm ) nối với các công tắc 1-3 của sơ đồ Hình 1-2. tiếp điểm 1-2 của công tắc thường ngắt(thường ký hiệu trên công tắc:NC- Normal Closed). Nhấn nhẹ đòn bẩy kiểm tra sự chuyển trạng thái của công tắc từ nối sang ngắt. III. Công tắc nhiệt ( Thermo Switch ) Công tắc nhiệt hình 1-3 cho phép tạo tín hiệu đóng ngắt tiếp điểm khi nhiệt độ môi trường tác độngqua mặt tiếp xúc của công tắctăng đến giá trị định trước . Công tắc nhiệt có cấu trúc gồm một thanh đế và một thanh lưởng kim loại. Thanh lưõng kim ghép từ hai kim loạicó độ giản nở nhiệt khác nhau khi nhiệt độ tăng, một trong hai thanh sẽ bị giản nở nhanh hơn, làm uốn cong thanh lưởng kimvà do đó làm ngắt tiếp điểm. Hình 1-3. Công tắc nhiệt Các bước thưc hiện: 1. Sử dụng đồng hồ đo điện trở ( )nối với các công tắc 1-2 của sơ đồ Hình 1-3. 2. Đặt đầu mỏ hàn đang nóng tiếp xúc với bề mặt công tắc. Theo giá trị điện trở đo, xác định trạng thái đóng ngắt của công tắc theo nhiệt độ. IV. Condenser Microphone. Condenser Microphone ( Hình1-4 ) là cảm biến cho phép biến đổi ân thanh thành tín hiệu điện. Loại sử dụng làmicro kiểu áp điện với transistor thường mắc khuếch đại ở lối ra. Trường Đại Học Cơng Nghiệp Tp.HCM Giáo trình thực hành đo lường cảm biến. 3 Hình 1-4. Sơ đồ với Condenser Microphone Condenser Microphone có cấu trúc gồm một màng kim loại mỏngvà một phiến đội tạo thành tụ điện. Khi tín hiệu âm làm tác động vào màng kim loại, làm rung màng, dẫn đến thay đổi điện dung của tụ , cho phép sử dụng để hình thành tín hiệu ra. Các bước thực hiện: 1. Nối chân 1 của micro với đất. Mắc chân 2 (lối ra) với chốt TP1 (góc phải khối SME-401) để nối trở tải cho lối ra micro. Sử dụng dao động ký ở thang lối vào ~10 -20 mV để quan sát tín hiệu ở ngõ ra (chân 2) của micro. Phát âm vào micro, theo dõi tín hiệu ra. 2. Nối lối ra của micro với lối vào bộ khuếch đại đo (Instrumentation Amplifier). Nối 3 chốt biến trở ở VR1,VR2,VR3 của bộ khuếch đại với các chốt V1,V2,V3của biến trở POT trên MTS1.quan sát tín hiệu vào và ra bộ khuếch đại khi phát âm vào micro. Chỉnh biến trở POT để tín hiệu ra lớn và không bị méo V. Dynamic Microphone. Dynamic Microphone (Hình 1-5) là cảm biến cho phép biến đổi âm thanh thành tín hiệu điện. Loại sử dụng micro kiểu điện động,trong đó có cuộn dây gắn với một màng mỏng có thể dao động tự do trong từ trường của một nam châm vĩnh cửu. Khi có âm thanh tác động vào màng làm chuyển động cuộn dâytừ trường. Kết quả là trong cuộn dâyxuất hiện thế điện động cảm ứng tỷ lệ vứi cường độ âm thanh tác động. Trường Đại Học Cơng Nghiệp Tp.HCM Giáo trình thực hành đo lường cảm biến. 4 Hình 1-5. Dynamic Microphone Các bước thực hiện: 1. Sử dụng dao động ký ở thang lối vào ~10 -20 mV để quan sát tín hiệu giữa hai ngõ 1-2 của micro. Phát âm vào micro, theo dõi tín hiệu ra. 2. Nối lối ra của micro với lối vào bộ khuếch đại đo(Instrumentation Amplifier)như hình 1-5. Nối 3 chốt biến trở ở VR1,VR2,VR3 của bộ khuếch đại với các chốt V1,V2,V3của biến trở POT trên MTS1.quan sát tín hiệu vào và ra bộ khuếch đại khi phát âm vào micro. Chỉnh biến trở POT để tín hiệu ra lớn và không bị méo. VI. Điện trở nhiệt (therlstor). Điện trở nhiệt là dụng cụ có giá trị điện trơ ûthay đổi theo nhiệt độ. Hình 1-6 . Điện trở nhiệt. Các bước thực hiện: 1. Sử dụng đồng hồ đo điện trở ( ohm ) nối với các công tắc 1-2 của sơ đồ Hình 1-6. 2. Đặt đầu mỏ hàn đang nóng cạnh thermistor ( không để tiếp xúc nhiệt trực tiếp ). Theo dõi sự thay đổi giá trị điện trở theo nhiệt độ khi đưa mỏ hàn vào gần thermistor và khi đưa mỏ hàn ra xa. 3. Nối chân 1 của therimstor nối đất và chân 2(lối ra)với chốt TP1 để nối tải cho thermistor. Nối lối vào "-" của bộ đo STATUS DISPLAY &DCV với đất của khối SME-401. Nối chốt vào "+" của bộ đo STATUS DISPLAY &DCV với chốt TP1. Đặt đầu mỏ hàn đang nóng cạnh thermistor (không để tiếp xúc nhiệt trực tiếp). Theo dõi sự thay đổi giá trị đo trên bộ đo hiên số theo nhiệt độ khi đưa mỏ hàn vào gần thermistor và sau đó đưa mỏ hàn ra xa. VII. Cảm biến nhiệt dẫn (Temperaure Semiconuductor Sensor). Nguyên tắc hoạt động của cảm biến dựa trên sự phụ thuộc của dòng qua lớp tiếp xúc bán dẩn PNvào nhiệt độ. Đối với lớp tiếp xúc PN dẫn dòng không đổi I: I(U) = Io(eqU/KT-1). Trong công thức trên, nhiệt độ T là thừa số mũ. Trường Đại Học Cơng Nghiệp Tp.HCM Giáo trình thực hành đo lường cảm biến. 5 Tuy nhiên dòng Io bão hoà của diode mắc phân cực ngươc (Zener) cũng tồn tại mối quan hệ theo hàm mũ theo nhiệt độ vì vậy, tổng hợp cả hai mối quan hê hàm mũ trên,ta có mối quan hệ tuyến tính giữa sụt thế trên diodevà nhiệt độ: U = Eg/q-4.6kT/q(lnM-lnI) Trong đó: Io: dòng bão hoà của diode phân cực ngươc(dòng qua Zener ổn áp). q: điện tích của electron = 1.60.10-19 As k: hằng số Boltzman =1.38.10-23 J/K Eg: là độ rộng vùng cấm= 1.12eVđối với silicon. Cảm biến nhiệt bán dẫn là dụng cụ có độ tuyến tính cao,khoảng làm việc giới hạn (40-+400)0K tương ứng (-2330-+127) 0C Các bước thực hiện: 1. Nối các cực của cảm biến nhiệt bán dẫn với đất và chốt TP1 như Hình 1-7. 2. Nối lối vào "-" của bộ đo STATUS DISPLAY &DCV với đất của hệ thống. Nối chốt vào "+" của bộ đo STATUS DISPLAY &DCV với chốt TP1. 3. Đặt đầu mỏ hàn đang nóng cạnh cảm biến (chú ý không tiếp xúc với vỏ cảm biến để trnh1 làm hư cảm biến ). Theo dõi sự thay đổi giá trị đo trên bộ đo hiên số theo nhiệt độ khi đưa mỏ hàn vào gần thermistor và sau đó đưa mỏ hàn ra xa. Hình 1-7. Cảm biến nhiệt bán dẫn VIII. bộ đóng ngắt quang Bộ đóng ngắt quang cho phép tạo tín hiệu đóng ngắt khi có vật che chắn giửa đèn phát và đèn thu. Bộ đóng ngắt quang thực hiện liên kế quangxây dượng trên yếu tố phát quang và yếu tố thu . khi không cá vật chắn sáng giữa chúng , ánh sáng giữ yếu tố tác động làm dẫn yếu tố thu. Yếu tố thu khi có điện trở thấp. Ngược lại,khi có vật chắn sáng giữa chúng , ánh sáng từ yếu tố phát không tác động vào yếu tố thu , yếu tố thu khi có điện trở cao. Trường Đại Học Cơng Nghiệp Tp.HCM Giáo trình thực hành đo lường cảm biến. 6 Hình 1-8. Bộ đóng ngắt quang. Các bước thực hiện: 1. Nối các cực của bộ đóng ngắt quangvới nguồn, đất và chốt TP1 như Hình 1-8 Nối lối vào "-" của bộ đo STATUS DISPLAY &DCV với đất của hệ thống. Nối chốt vào "+" của bộ đo STATUS DISPLAY &DCV với chốt TP1. 2. che chắn khe hở giữa đèn phát và đèn thu và ghi giá trị thế lối ra trên bộ chỉ thị số khi che và không che khe hở này. IX. Quang trở (Photo – Resistor) Quang trở là dụng cụ có giá trị điện trở thay đổi theo cường độ ánh sáng chiếu vào. Các vật liệu quang dẫn, ví dụ điện trở CdS, được chế tạo từ tập hợp các tinh thể riêng rẽ có khả năng thay đổi điện trở tương ứng với pho ton ánh sáng chuyền vào. Đặc trưng phổ của quang trởbao chùm vùng phổ ánh sáng thấy được(ánh sáng biểu kiến). Các bước thực hiện: 1. Nối các cực của quang trở với đất và chốt TP1 như Hình 1-9. Nối lối vào "-" của bộ đo STATUS DISPLAY &DCV với đất của hệ thống. Nối chốt vào "+" của bộ đo STATUS DISPLAY &DCV với chốt TP1. STAUS DISPLAY DVC +12V TP1 10K + - PHOTO-RESISTOR 1 2 Hình 1-9. Quang trở. 2. Che chắn quang trở bằng các tấm giấy trong mỏng. Theo dõi giá trị thế đo trên bộ chỉ số khi tăng hay giảm dần số lượng các tấm giấy. X. Cảm biến hiệu ứng Hall (Hall-Effect Sensor) Cảm biến từ kiểu hiệu ứng Hallsử dụng hiện tượng phần điện tử chảy trong vật dẫn hoặc bán dẫn bị uốn cong quỹ đạo khi có từ trường tác động (hiệu ứng Hall). Biên độ uốn cong tuỳ thuộc vào loại vất chất làm cảm biến , được quy định bởi hằng số Hall-RH. Trường Đại Học Cơng Nghiệp Tp.HCM Giáo trình thực hành đo lường cảm biến. 7 Với điều kiện từ trường B vuông góc với mặt phẳng của cảm biến điện thế VH được đo ở cực 1 và 2 được đo bằng : VH = (RH / d).I.B với I dòng chảy qua cảm biến Như vậy tỷ lệ thuận với từ trường Hình M1-10. Cảm biến từ hiệu ưng HALL Từ trường có thể tạo bằng nam châm hoặc cuộn dây. Các bước thực hiện: Nối các cực của cảm biến với nguồn , đất và chốt TP1 như hình M1-10. Nối lối vào "-" của bộ đo STATUS DISPLAY &DCV với đất của hệ thống Nối chốt vào "+" của bộ đo STATUS DISPLAY &DCV với chốt TP1. 2. Dùng một nam châm nhỏ đưa đến gần sát và lùi ra xa cảm biến. Ghi nhận sự thay đổi giá trị đo theo sư thay đổi khoảng cách của nam châm. XI. Photo Transistor Transistor quang là yếu tố có cực base được điều khiển bằng cường độ ánh sáng chiếu vào. Dòng collector sẽ tỷ lệ với cường độ ánh sáng chiếu vào. Hình M1-11. Transistor quang. Các bước thực hiện: 1. Nối các cực của cảm biến với nguồn , đất và chốt TP1 như hình M1-11. Nối lối vào "-" của bộ đo STATUS DISPLAY &DCV với đất của hệ thống Nối chốt vào "+" của bộ đo STATUS DISPLAY &DCV với chốt TP1. Trường Đại Học Cơng Nghiệp Tp.HCM Giáo trình thực hành đo lường cảm biến. 8 2. Che chắn transistor quang bằng các tấm giấy trắng mỏng. Theo dõi sự thay đổi giá trị đo khi tăng hoặc giảm dần số lượng các tấm giấy. Trường Đại Học Cơng Nghiệp Tp.HCM Giáo trình thực hành đo lường cảm biến. 9 BÀI 2 : SƠ ĐỒ CẢNH BÁO TỪ TRƯỜNG THIẾT BỊ SỬ DỤNG : 1. Thiết bị chính cho thực tập diện tử về cảm biến và đo lường MTS – 41. 2. Nam châm vĩnh cữu cảm biến khói . 3. Khối thí nghiệm SME-402 cho bài thực tập về cảnh báo từ trường và báo khói (gắn lên thiết bị chính MTS-41). 4. Dao động ký 5. Dây cắm. Nhiệm vụ: Tìm hiểu việc cảnh bái từ trường bằng cảm biến Hall và sơ đồ điện tử đi kèm. Có 2 loại cảm biến từ trường được sữ dụng rộng rãi dựa trên hiệu ứng trở từ và hiệu ứng Hall. Cảm biến từ kiểu hiệu ứng Hallsử dụng hiện tượng phần điện tử chảy trong vật dẫn hoặc vật bán dẫn bị uốn cong quỹ đạo dưới sự tác động của từ trường (hiệu ứng Hall). Biên độ uốn cong tuỳ thuộc vào vật chất làm cảm biến được quy định bởi hằng số Hall-RH.. Cảm biến trở từ thường dùng tinh thể InSb với các kim NiSb đặt bên trong. Khi không có từ trường, dòng điện đi qua với trở kháng nhỏ. Khi có từ trường vật liệu bị uốn cong bởi các kim NiSb chịu tác động của từ trường , làm điện trở của cảm biến tăng. Với điều kiện từ trường B vuông góc với mặt phẳng của cảm biến (Hình 2-1), điện thế VH được đo ở 2 cực bằng: VH = (RH / d) VH như vậy tỷ lệ tỷ lệ thuận với từ trường. Các vật liệu thường dùng để vhế tạo cảm biến từ hiệu ứng Hall là InSB, TnSb,GaAs. Trường Đại Học Cơng Nghiệp Tp.HCM Giáo trình thực hành đo lường cảm biến. 10 Hình 2-1. Nguyên tắc cấu trúc cảm biến HALL Hình 2-2. Khối cảnh báo từ trường với cảm biến Hall Các bước thực hiện : 1. Sử dụng dây có chốt cắm để nối mặt theo sơ đồ hình M2-2/SME-402: - nối các chốt nguồn và đất của khối SME-402 (POWER INPUT)với nguồn ±12Vvà đất (GND) của thiết bị chính MTS-41. Chú ý cắm đúng phân cực của nguồn. 2. Khảo sát tác động của từ trường. 2.1. Nối lối ra OUT của bộ khuếch đại IC3 với lối vào cộng của bộ đo hiện số DCV của thiết bị chính MTS-41. lối vào “-“ nối đất. 2.2. Chỉnh biến trở P1 (OFFSET)để khi không có từ trường , điện thế của sơ đồ bằng zero. Trường Đại Học Cơng Nghiệp Tp.HCM Giáo trình thực hành đo lường cảm biến. 11 2.3. Đặt thanh nam châm ở sát cảm biến chỉnh biến trở P1 (GAIN)để thế ra chỉ thị trên DCV là 5V. Khoảng cách l (cm) 10 8 6 4 2 1 U(OUT) Ul 2.4. Đặt thanh nam châm ở khoảng cách l(cm) –xacảm biến từ trường. Sau đó dịch nam châm vào gần cảm biến. Tại mổi vị trí ghi giá trị điện thế ra chỉ thị trên bộ đo DVC. Ghi kết quả vào bảng M2-1. 2.5. Nhận xét kết quả. 3. lựa chọn ngưỡng cảnh báo. Ưùng với mỗi vị trí nam châmtrong bảng M2-1, vặn biến trở P3 (LEVEL)để định giá trị ngưỡng cho đèn báo D1 sáng. Đo giá trị thế ngưỡng Ul tại TP6 (chân 2/IC4) và ghi vào cột tương ứng của bảng M2-1. Trường Đại Học Cơng Nghiệp Tp.HCM Giáo trình thực hành đo lường cảm biến. 12 BÀI 3 :ĐO NHIỆT ĐỘ BẰNG CẢM BIẾN NHIỆT BÁN DẪN CẶP NHIỆT ĐIỆN VÀ CẢM BIẾN NHIỆT PT-100 THIẾT BỊ SỬ DỤNG 1. Thiết bị chính cho thực tập diện tử về cảm biến và đo lường MTS – 41. 2. bộ cảm biến nhiệt bán dẫn, cặp nhiệt điện PT-100 3. Card thí nghiệm SME-403 cho bài thực tập về đo nhiệt độ bằng cảm biến bán dẫn (gắn lên thiết bị chính MTS-41). 4. phụ tùng: dây cắm nước đá, nước sôi, nhiệt kế. 5. máy tính PC có gắn card giao diện PCBUS-2. MỞ ĐẦU Trong hệ thống đo nhiệt độ có 3 dãi đơn vị đo được sử dụng : - Nhiệt độ Celsius: ký hiệu là oC là đơn vị phổ biến nhất . - Nhiệt độ tuyệt đối –Kelvin: ký hiệu là K. trong đó 0K= -273.19 oC. - Nhiệt độ Fahrenheit :ký hiệu là oF. mối liên hệ giữa độ F và độ c được mô tả bằng biểu thức : T oC = (5/9).( T oF – 32) Ví dụ : 0 oC = 273.19K = 32 oF 100 oC = 273.19K = 212 oF. cảm biến nhiệt là dụng cụ thực hiện biến đổi giá trị nhiệt độ thành đại lượng khác như chuyển động cơ học, thay đổi áp suất, đại lượng điện (dòng hoặc thế ),…… cho phép sử dụng để chỉ thị và điều khiển hoạt động của các thiết bị khác. Trong thí nghiệm được khảo sát 3 loại cảm biến, cho lối ra là các tín hiệu điện tỷ lệ với nhiệt độ tương ứng. Về nguyên tắc giá trị nhiệt độ chỉ thị phải trùng với nhiệt độ thực. Trong thực tế giá trị chỉ thị của máy đo chưa chuẩn hoá có khác với giá trị thực. Đường biểu diễn giá trị đo không trùng với đường chuẩn (hính M1-3), do đó cần phải lấy chuẩn thang đo cho máy đo. Phép lấy chuẩn thang đo dựa vào việc thay đổi gốc toạ độ và độ dốc của đường thẳng đo nhằm dịch đường biểu diễn đo chùng với đường chuẩn. Đối với các thiết bị điều nhiệt, chuẩn thang thường được chọn với nhiệt độ nước đá (~0 oC) và nước sôi (~+100 oC). với đối tượng đo có khoảng nhiệt độ làm việc rộng, cần sử dụng nước đá và lò điện ổn nhịêt ở nhiệt độ cao (~300-1000). Trong sơ đồ thí nghiệm, các mạch điện tử đều có chứa các biến trở OFFSETcho phép chỉnh zero cho thang đo và biến trở GAIN cho phép chỉnh thang đo (độ dốc biểu diển đường giá trị đo ). PHẦN I : ĐO NHIỆT ĐỘ VỚI CẢM BIẾN NHIỆT BÁN DẪN Trường Đại Học Cơng Nghiệp Tp.HCM Giáo trình thực hành đo lường cảm biến. 13 (Semiconductor Temperature Sensor). Nhiệm vụ : Nghiên cứu các nguyên tắc làm việc và đặc điểm sử dụng cảm biến nhiệt bán dẫn trong các thiết bị điều khiển nhiệt độ. Nguyên tắc hoạt động của cảm biến dựa trên sự phụ thuộc của dòng qua lớp tiếp xúc bán dẫn PN vào nhiệt độ . Đối với lớp tiếp xúc PN dẫn dòng không đổi I: Trong công thức trên nhiệt độ T là thừa số mũ. Tuy nhiên, do dòng bảo hoà của diode mắc phân cực ngược (Zener) cũng tồn tại mối quan hệ theo hàm mũ theo nhiệt độ, vì vậy, tổng hợp cả hai mối quan hệ hàm mũ trên, ta có mối quan hệ tuyến tính giữa sụt thế trên diode và nhiệt độ: ∆U = Eg/q-4.6kT/q(lnM-lnN) Trong đó : I0 : là dòng bão hoà của diode phân cực ngược (dòng qua Zener ổn áp) . q: điện tích của ekectron = 1.60.10-19As k: hằng số Boltzman = 1.38.10-23J/K Eg: là độ rộng vùng cấm = 1.12eV đối với Silicon. Cảm biến nhiệt bán dẫn là là dụng cụ có độ tuyến tính cao, khoảng nhiệt đô làm việc giới hạn (40-+400) oK tương ứng (-233 oC-+127) oC LM355 là linh kiện tạo dòng chuẩn điều chỉnh được. Sơ đồ nối cảm biến (hình M3-2)có đặc điểm cho thế ra tỷ kệ tuyến tính với nhiệt độ ~10mV/ oK(ở 0 oK- thế ra =0). Vì vậy có thể sử dụng LM355 như một cảm biến nhiệt độ . Sơ đồ đo với cảm biến nhiệt bán dẫn gồm trở tải cấp dòng cho cảm biến bộ khuếch đại từ cảm biến IC1a (hình M3-2) và bộ khuếch đại lối ra IC1b. Hình M 3-2 : Sơ đồ đo với cảm biến nhiệt bán dẫn +12V +12V R4 49K TP2 OUT 12VR1 9K 78L05 C6 IC1a R8 R 12V S3 TP6 R30 S2 5V C7 100uF C2 01 C1 10uF +12V TP1 R2 R6 7k15 IC1b S2 GAIN -12V - + U1A TL082 6 5 7 4 8 +12V P1 OFFSET 7K15 R - + U1A TL082 3 2 1 R31 R5 49K9 R3 1K5 -12V IC2 39K R Trường Đại Học Cơng Nghiệp Tp.HCM Giáo trình t