Cảm biến nhiệt ñộ

(1)

1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TPHCM KHOA CƠ KHÍ –CÔNG NGHỆ

BỘ MÔN CƠ ĐiỆN TỬ

MÔN HỌC:

THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐiỆN TỬ .

GV : Th.S. Nguyễn Tấn Phúc.

Tel : 01267102772.

Email: phucpfiev1@gmail.com.

2

CẢM BIẾN

VỊ TRÍ, VẬN TỐC, GIA TỐC

+ LVDT + Encoder + Tachometer + Potentionmeter + Gyroscope meter + Sonar + Laser + Tilt sensor +

NHIỆT ðỘ KHỐI LƯỢNG KHÁC

+ Pt 100 + Thermal couple + Ir

+ LVDT + Load cell (strain gauge) + Piezo component

+ Dòng, áp + Camera + Quang học + Từ trường + ðộ ẩm + Ion + ðiện dẫn

CẢM BIẾN

NHIỆT ðỘ KHỐI LƯỢNG KHÁC

+ Pt 100 + Thermal couple + Ir

Cảm biến nhiệt ñộ

ðo nhiệt ñộ

(2)

Phân loại cảm biến nhiệt độ

• Cảm biến nhiệt ñiện trở ( RTDs)

• Thermistor.

• Cảm biến cặp nhiệt ngẫu ( Thermocouple)

• Cảm biến dựa trên lớp chuyển tiếp bán dẫn.

( Semiconductor temperature sensor )

• Cảm biến dựa trên bức xạ quang học.

(hỏa kế- Pyrometer)

5

• Thermistor.

• Cảm biến dựa trên lớp chuyển tiếp bán dẫn ( Semiconductor temperature sensor )

• Cảm biến dựa trên bức xạ quang học (hỏa kế- Pyrometer)

6

Thermistor.

Cấu tạo: Làm từ hổn hợp các oxid kim loại:

mangan, nickel, cobalt,…

Nguyên lý: Thay ñổi ñiện trở khi nhiệt ñộ thay ñổi.

Ưu ñiểm: Bền, rẽ tiền, dễ chế tạo.

Khuyết ñiểm: Dãy tuyến tính hẹp.

Thường dùng: Làm các chức năng bảo vệ, ép vào cuộn dây ñộng cơ, mạch ñiện tử.

Tầm ño: 50 <150

⁰

C.

Phân loại

Có hai loại thermistor:

Hệ số nhiệt dương PTC- điện trở tăng theo nhiệt độ.

Hệ số nhiệt âm NTC – điện trở giảm theo nhiệt độ.

Thường dùng nhất là loại NTC.

(3)

Các loại cảm biến Themistor

Loại NTC Loại PTC

9

Lưu ý khi sử dụng

•

Tùy vào nhiệt ñộ môi trường nào mà chọn Thermistor cho thích hợp, lưu ý hai loại PTC và NTC(gọi là thường

ñóng/ thường hở ).

•Có thể test dễ dàng với ñồng hồ VOM.

•Nên ép chặt vào bề mặt cần ño.

•Tránh làm hỏng vỏ bảo vệ.

•Vì biến thiên ñiện trở nên không quan tâm chiều ñấu dây.

10

Phân loại cảm biến nhiệt độ

• Thermistor.

• Cảm biến dựa trên lớp chuyển tiếp bán dẫn ( Semiconductor temperature sensor )

• Cảm biến dựa trên bức xạ quang học (hỏa kế- Pyrometer)

Nhiệt điện trở ( RTDs)

• Nguyên tắc hoạt ñộng:

(4)

13

Các loại RTDs

Ớ Phổ biến nhất vẫn là loại cảm biến Pt ựược làm từ Platium ..

Ớ Platium có ựiện trở suất cao, chống oxy hóa, ựộ nhạy cao, dải nhiệt ựo ựược dài. .

Ớ Thường có loại 100, 200, 1000 ohm tạo 0

⁰

C.

Ớ RTD thường có loại 2,3,4 dây.

14

Giới hạn nhiệt độ của một số vật liệu làm RTDs Đánh giá

Ưuựiểm:

ỚChắnh xác vàổnựịnh

ỚDãi nhiệtựộ

rộng : -200 ựến +650

⁰

C tùy theo từng loại

ỚCực kỳ ổnựịnh theo thời gian: sai lệch > 0.1⁰

C / năm

Ớđiện áp ra lớn hơn Thermocouple.

Ớđiện trở

kháng cực kỳ tuyến tắnh.

Nhượcựiểm

Ớđộ

nhạy nó thấ.p

Ớđápứng tươngựối chậm.

Ớđắt tiền.

ỚKắch thước lớn hơn themistors và thermocouple.

(5)

Ớ Cảm biến nhiệt ựiện trở ( RTDs)

Ớ Thermistor.

Ớ Cảm biến cặp nhiệt ựiện ( Thermocouple)

Ớ Cảm biến dựa trên lớp chuyển tiếp bán dẫn ( Semiconductor temperature sensor )

Ớ Cảm biến dựa trên bức xạ quang học (hỏa kế- Pyrometer)

17

Cảm biến cặp nhiệt ựiện (Thermocouple)

+Nguyên lý hoạt ựộng: Cặp nhiệt ựiện gồm hai dây kim loại khác nhau ựược nối chung ở hai ựầu . Một ựầu ựược coi là ựiểm lạnh ( ựiểm tham chiếu). Và một ựầu ựược coi là ựiểm nóng ựiểm ựo.

Khi hai ựầu có nhiệt ựộ khác nhau Ờ một ựiện áp ựược gọi là (thế ựiện ựộng) ựược hình thành trong mạch ựo hai dây kim loại tạo nên - ựiện thế hiệu ứng Seebeck. điện thế hiệu ứng này tỉ lệ với khoảng chênh lệch nhiệt ựộ giữa hai ựiểm nối.

18

Cấu tạo của cặp nhiệt điện

1) Vỏ bảo vệ 2) Mối hàn 3) Dây ựiện cực 4) Sứ cách ựiện

5) Bộ phận lắp ựặt 6)Vắt nối dây 7) Dây nối 8) đầu nối dây

đánh giá

Ưuựiểm:

Bền, ựo nhiệt

ựộ

cao.

Khuyếtựiểm:

Nhiều yếu tố ảnh hưởng làm sai số.

độ

nhạy không cao.

Thường dùng: Lò nhiệt, môi trường khắc nghiệt, ựo nhiệt nhớt máy nén,Ầ

Tầmựo: -100 D.C <1400 D.C

(6)

Các loại cặp nhiệt điện

21 22

Chọn cặp nhiệt điện

• Giải nhiệt ñộ

• Giá thành

• Mức tín hiệu

• Sự tuyến tính

của dải ño

(7)

- Từnhững yếu tốtrên khi sửdụng loại cảm biến này chúng ta lưu ý là không nên nối thêm dây ( vì tín hiệu cho ra là mV nối sẽsuy hao rất nhiều ). Cọng dây của cảm biến nênñểthông thoáng ( ñừng cho cọng dây này dính vào môi trườngño ).

Cuối cùng là nên kiểm tra cẩn thận việc Offset thiết bị.

• Lưu ý: Vì tín hiệu cho ra làñiện áp ( có cực âm và dương ) do vậy cần chú ý kí hiệuñểlắpñặt vào bộkhuếchñại cho ñúng.

25

LƯU Ý KHI SỬ DỤNG

26

Why choose RTDs over Thermocouple?

Better Accuracy & Repeatability – RTD signal less susceptible to noise – Better linearity

– RTD can be “matched” to transmitter (Interchangeability error eliminated)

– CJC error inherent with T/C’s; RTD’s lead wire resistance errors can be eliminated

Better Stability

–T/C drift is erratic and unpredictable; RTD’s drift predictably –T/C’s cannot be re-calibrated

Greater Flexibility

–Special extension wires not needed –Don’t need to be careful with cold junctions

Why choose Thermocouple over RTDs?

• Applications for Higher Temperatures

• Above 1100°F

• Lower Element Cost

• Cost is the same when considering temperature point performance requirements

• Faster response time

• Insignificant compared to response time for T-Well and process

(8)

RANGE OFFER

-200 to 500º C 500 to 1100º C

>1100º C

RTD

Thermocouple Type K Special Thermocouple R, S or B

29

RECOMMENDATION Phân loại cảm biến nhiệt độ

• Thermistor.

(hỏa quang kế- Pyrometer)

30

Hỏa quang kế

ðo nhiệtñộ

không tiếp xúc

ở dải nhiệtñộ

cao

> 1600

⁰

C .

Mật

ñộ

phổ năng lượng phát xạ theo bước sóng ngắn của vật

ñen lý tưởng khi bị ñốt nóng . 3 phương pháp :

Hỏa quang kế bức xạ

Hỏa quang kế cường

ñộ

ánh sáng Hỏa quang kế màu sắc

Hỏa quang kế bức xạ:

(9)

Đo nhiệt độ bằng phương pháp quang học:

hồng ngoại IR

33

Hỏa quang kế màu sắc

• Dựa trên ñặc tính phổ của vật ñốt nóng ( nhiệt ñộ thấp ñối tượng phát ra ánh sáng ñỏ, nhiệt ñộ cao phát ra ánh sáng xanh ñến tím)

34

• Thermistor.

(hỏa kế- Pyrometer)

Cảm biến bán dẫn (semi-conductor Temperature sensor)

• Cấu tạo : làm từ các loại chất bán dẫn .

• Nguyên lý: Sự phân cực của các chất bán dẫn bị ảnh hưởng bởi nhiệt ñộ.

• Ưu ñiểm: Rẻ tiền, dễ chế tạo, ñộ nhạy cao, chống nhiễu tốt, mạch xử lý ñơn giản.

• Khuyết ñiểm: Không chịu nhiệt ñộ cao, kém bền .

(10)

Lưu ý khi sử dụng:

-

Vì ñược chế tạo từ các thành phần bán dẫn nên cảm biến nhiệt Bán Dẫn kém bền, không chịu nhiệt ñộ cao. Nếu vượt ngưỡng bảo vệ có thể làm hỏng cảm biến.

- Cảm biến bán dẫn mỗi loại chỉ tuyến tính trong một giới hạn nào ñó, ngoài dải này cảm biến sẽ mất tác dụng. Hết sức quan tâm ñến tầm ño của loại cảm biến này ñể ñạt ñược sự chính xác.

- Loại cảm biến này kém chịu ñựng trong môi trường khắc nghiệt: Ẩm cao, hóa chất có tính ăn mòn, rung sốc va chạm mạnh.

37 38

CẢM BIẾN

VỊ TRÍ, VẬN TỐC, GIA TỐC

+ LVDT + Encoder + Tachometer + Potentionmeter + Gyroscope meter + Sonar + Laser + Tilt sensor +

CONTACT.

LIMIT SWITCH.

POTENTIMETER.

LVDT ENCODER.

NON-CONTACT.

PROXIMITY SENSOR INDUCTIVE-CAPACITIVE.

SONAR SENSOR.

PHOTO-ELECTRIC SENSOR.

(11)

41

LIMIT SWITCH

42

LIMIT SWITCH

Cấu tạo:

Nguyên lý hoạt động:

•công tắc hành trình làdạng công tắc ñơn giản ñược thực thi ñể bảo vệ an toàn hoặc khống chế các hành trình dịch chuyển trong một hệ thống.

khi tiếp xúc sẽ truyền tín hiệu ñiện dưới dạng tín hiệu thường ñóng hay thường mở về hệ thống xử lý cho các trạng thái ñóng ngắt hoặc bảo vệ an toàn..

LIMIT SWITCH LIMIT SWITCH

(12)

45

Ưu ñiểm:

•giá thành rẽ.

•chịu ñược dòng ñiện tác ñộng lớn.

•cảm biến kỹ thuật hoạt ñộng ñơn giản.

Khuyết ñiểm:

•phải có sự tiếp xúc vào cảm biến.

•thời gian ñáp ứng chậm.

LIMIT SWITCH

46

Ứng dụng :

Vận chuyển nguyên vật liệu

Trong các hệ thống cơ ñiện tử cần có sự phát hiện thông qua tiếp xúc như:

công tắc giới hạn hành trình , công tắc an toàn khống chế hành trình.

Potentionmeter-con chạy biến trở

Biến trở con chạy (Potentionmeter - Pots) :

- Dùng ñể ño dịch chuyển tịnh tiến hoặc chuyển ñộng quay.

- Chuyển ñộng cơ học sẽ làm thay ñổi trở kháng của cảm biến.

- Tầm ño : max 10 m.

Nguyên lí hoạt ñộng :

- Con chạy sẽ ñược nối với vật cần ño dịch chuyển.

- Vật dịch chuyển sẽ làm thay ñổi trở kháng của cảm biến.

- Cấp ñiện DC cho cảm biến -> ñiện áp ngõ ra sẽ tỉ lệ với khoảng dịch chuyển.

Vout/Vin = BC/AB

Potentionmeter-con chạy biến trở

(13)

49

Cấu tạo :

- ðiện trở có cấu tạo dạng cuộn dây hay băng dẫn.

- ðiện trở dạng cuộn dây làm bằng hợp kim ( Ni-Cr,Ni- Cu,Ag-Pd) ñược quấn thànhvòng xoắn trên lõi cách ñiện.

- ðiện trở băng dẫn làm bằng chất dẻo trộn bột dẫn ñiện.

- Có 3 loại dịch chuyển của con chạy : thẳng, tròn, xoắn ốc.

50

ðặc trưng :

- ðiện trở của cảm biến thường nằm trong khoảng từ 1k – 100k.

- ðộ phân giải : dạng dây 10 um, dạng băng 0.1 um.

- Tuổi thọ phụ thuộc vào số lần sử dụng : dạng dây : 10⁶, dạng băng 10⁸.

Ưu/ Nhược ñiểm : - Ưu ñiểm :

- Cấu tạo ñơn giản, giá thành thấp.

- Mạch ñiện xử lí ñơn giản.

- ðiện áp ngõ ra lớn.

- Nhược ñiểm : - Tuổi thọ thấp.

- Cọ xát gây mòn và sinh ra tiếng ồn.

- Chịu ảnh hưởng nhiều của môi trường (bụi, ẩm..).

Potentionmeter-con chạy biến trở LVDT

LVDT (linear variable differential transformer): - Thiết bị dùng ñể ño dịch chuyển tịnh tiến.

- Tầm ño tối ña : 0.5m.

- Hoạt ñộng dựa trên hiện tượng tự cảm .

- Chuyển ñộng cơ học tịnh tiến sẽ ñược chuyển hóa trực tiếp thành tín hiệu ñiện.

- LVDT còn ñược gọi là cảm biến hỗ cảm vi sai.

(14)

53

LVDT

Nguyên lí hoạt ñộng :

- Hiện tượng tự cảm : khi có từ thông biến thiên thì trong mạch kín xuất hiện dòng ñiện. Cường ñộ dòng ñiện tỉ lệ thuận với tốc ñộ biến thiên của từ thông.

54

LVDT

Cấu tạo :

- Gồm 3 cuộn dây (1 cuộn sơ cấp và 2 cuộn thứ cấp) và 1 lõi từ có khả năng dịch chuyển ñược.

- Lõi từ ñược nối với vật cần ño.

LVDT

Hoạt ñộng :

- Cấp nguồn AC cho cuộn sơ cấp (3 Vrms, 2 kHz). Khi lõi từ dịch chuyển, trên 2 cuộn thứ cấp sẽ xuất hiện dòng ñiện. ðộ lớn và ñộ lệch pha của cuộn thứ cấp phụ thuộc

LVDT

ðấu dây :

Loại 4 dây

Loại 5 dây

(15)

57

LVDT

Ưu ñiểm :

- Không tạo ra ma sát khi chuyển ñộng.

- Tuổi thọ cao.

- Có khả năng phát hiện những chuyển ñộng rất nhỏ.

- Chỉ nhạy với chuyển ñộng theo 1 trục.

- Ít bị tác ñộng bởi các yếu tố môi trường xung quanh.

- Không bị hư hại trong trường hợp quá tải trọng hay dịch chuyển quá giới hạn.

- Có khả năng nhớ vị trí.

- Tín hiệu ra tỉ lệ với khoảng dịch chuyển tuyệt ñối.

58

LVDT

Ứng dụng :

ENCODER 1. Incremental 2. Absolute 3. Kết hợp

INCREMENTAL

(16)

61 62

ABSOLUTE

LINEAR ENCODER

(17)

65

LINEAR ENCODER

66

SONAR

CẢM BiẾN SIÊU ÂM- SONAR SENSOR

2.1 nguyên lý hoạt ñộng:

Cảm biến siêu âm sử dụng một bộ biến ñổi ñể truyền và nhận tín hiệu siêu âm.

Khi chùm tia gặp vật thể sẽ phản xạ lại cảm biến.

hiệu số thời gian giữa 2 lần truyền sóng nhân với tốc ñộ truyền sóng trong môi trường cần ño giúp ta xác ñịnh vị trí của vật thể cần ño so với bề mặt cảm biến.

ưu ñiểm:

•dò tìm ñược tất cả các loại vật thể.

nhược ñiểm:

•ñộ phân giải thấp.

•Tín hiệu bị lặp lại .

•Tín hiệu bị ảnh hưởng bởi nhiệt ñộ.

khoảng cảm biến nằm trong khoảng :

6-30 cm; 20-130cm; 40-300 cm; 60-600 cm; hoặc 80-1000 cm.

CẢM BiẾN SIÊU ÂM- SONAR SENSOR

(18)

69

điều khiển mức. chống va chạm đo chiều cao

đếm sản phẩm cửa ra vào object detector.

CẢM BiẾN SIÊU ÂM- SONAR SENSOR

70

Cảm Biến

ðiện Dung – Cảm Biếnðiện Cảm Cảm Biến ðiện Dung:

là loại cảm biến hoạt ñộng dựa trên nguyên tắc sử dụng trường tĩnh ñiện ñể phát hiện ñối tượng bằng kim loại và phi kim loại.

Ưu ñiểm:

•Phát hiện ñược vật liệu phi kim loại .(so với cbiến ñiện cảm)

•ðộ phân giải cao(so với laser và cảm biến cơ thông thường)

•Kích thước nhỏ hơn (so với cảm biến laser ) .

b) Khuyết ðiểm:

•Phạm vi ño phụ thuộc vào hằng số ñiện ly của vật liệu cần phát hiện (không dẫn ñiện )..

•Phạm vi ño phụ thuộc vào nhiệt ñộ (hằng số ñiện môi phụ thuộc)..

•Hiện tượng Nhiễu do môi trường bụi bẩn.

•Khoảng cách ño hoạt ñộng nhỏ (range sensor: so với laser, quang).

•Khoảng cách ño từ 5-20 mm.

Cảm Biến

ðiện Dung – Cảm Biếnðiện Cảm

Cảm Biến

ðiện Dung – Cảm Biếnðiện Cảm

(19)

73

Cảm Biếnðiện cảm cảmứng – Inductive sensor

Nguyên lý hoạt ñông:

Phát hiện sự có mặt vật thể dẫn ñiện, có 2 trạng thái ñóng .

74

Ưu ðiểm :

-ðược dùng chủ yếu ñể phân biệt vật liệu kim loại .

-Không bị ảnh hưởng nhiều trong môi trường: nước, dầu, bụi bẩn -Khả năng chống rung ñộng cao

Khuyết ðiểm:

-Khó khăn trong việc lắp ñặt cảm biến trong các bộ phận máy móc làm từ thép.

-Dễ bị nhiễu khi làm việc trong môi trường có từ tính

Thông số hoạt ñộng:

- Khoảng cách nhận biết lên ñến 50mm -- Làm việc ở nhiệt ñộ -30~1200c -- Nguồn cấp 10-30VDC

Cảm Biếnðiện cảm cảmứng – Inductive sensor

Xác định độ cong vênh của đĩa Đo đường kính ngoài của ổ bi

Xác định độ đảo của động cơ hoạt động chính xác

Đo lường đường kính đỉnh và chân bánh răng

Xác định độ lệch giũa thớt di động và thớt cố định của máy ép nhựa

Đo lường tốc độ quay Xác định độ đảo trục mũi khoan Kiểm tra việc reset máy

(20)

77

GYRO & TILT SENSOR

78

TILT SENSOR

CẢM BIẾN

NHIỆT ðỘ KHỐI LƯỢNG KHÁC

+ LVDT + Load cell (strain gauge)

+ Piezo component

+ Dòng, áp + Camera + Quang học + Từ trường + ðộ ẩm.

+ Ion . + ðiện dẫn + Mức.

(21)

81

Strain Gauge Sensors

Nguyên lý cầu Wheatstone

• Nguyên lý: Khi lực tác dụng vào, điện trở vật sẽ thay đổi, làm điện áp ra ở cầu cân bằng thay đổi.

• Thích hợp để đo lực tĩnh, khối lượng, khả năng bù nhiễu nhiệt độ.

• Cấu hình dây tiêu chuẩn tháng 5 năm 1960

82

Strain Gauge Sensors

1. General Purpose: Sử dụng rộng. weighing, dynamometer testing, and material testing machines

2. Fatigue Rated: Chu kỳ hoạt động cao

3. Hollow: Ưu điểm là gọn, sử dụng khi tải chạy qua cảm biến

4. Washer:Gọn, Sử dụng xác định lực kẹp, lực siết 5. Button:Gọn, sử dụng trong trường hợp tải nén,

ép.

6. Multi-component: Đo cùng lúc nhiều lực, mô- ment. Ứng dụng fatigue testing machines, tire uniformity testing and automotive testing requirements

KHỐI LƯỢNG

(22)

85

Strain Gauge Sensors

Nhà sản xuất chính:

•

PCB Piezotronics, Inc. – 3425 Walden Avenue, Depew, NY 14043

•

Lebow Products – 1728 Maplelawn Road, Troy, MI 48084

•

Interface, Inc. – 7401 East Butherus Drive, Scottsdale, AZ 85260

•

Sensotec – 2080 Arlingate Lane, Columbus, OH 43228

•

Tedea Huntleigh – 677 Arrow Grand Circle, Covina, CA 91722

•

HBM, Inc. – 19 Bartlett Street, Marlborough, MA 01752