THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐiỆN TỬ .

(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 ĐỘ KHỐI LƯỢNG KHÁC

+ Pt 100 + Thermal couple + Ir

+ LVDT

+ Load cell (strain gauge)

+ Piezo component

+ Dòng, áp + Camera + Quang học + Từ trường + Độ ẩm + Ion + Điện dẫn

(2)

3

CẢM BIẾN

+ Pt 100

+ Thermal couple + Ir

+ LVDT

+ Piezo component

Cảm biến nhiệt độ

Đo nhiệt độ

(3)

3

Phân loại cảm biến nhiệt độ

• Cảm biến nhiệt điện 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

(4)

Thermistor.

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

mangan, nickel, cobalt,…

Nguyên lý: Thay đổi điện trở khi nhiệt độ thay đổi.

Ưu điểm: Bền, rẽ tiền, dễ chế tạo.

Khuyết điểm: Dãy tuyến tính hẹp.

Thường dùng: Làm các chức năng bảo vệ, ép vào cuộn dây động cơ, mạch điện tử.

Tầm đo: 50 <150

⁰

C.

7

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.

(5)

5

Các loại cảm biến Themistor

Loại NTC Loại PTC

9

Lưu ý khi sử dụng

• Tùy vào nhiệt độ môi trường nào mà chọn Thermistor cho thích hợp, lưu ý hai loại PTC và NTC(gọi là thường đóng/ thường hở ).

•Có thể test dễ dàng với đồng hồ VOM.

•Nên ép chặt vào bề mặt cần đo.

•Tránh làm hỏng vỏ bảo vệ.

•Vì biến thiên điện trở nên không quan tâm chiều đấu dây.

10

(6)

• Thermistor.

11

Nhiệt điện trở ( RTDs)

• Nguyên tắc hoạt động:

(7)

7

13

Các loại RTDs

• Phổ biến nhất vẫn là loại cảm biến Pt được làm từ Platium ..

• Platium có điện trở suất cao, chống oxy hóa, độ nhạy cao, dải nhiệt đo được dài. .

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

⁰

C.

• RTD thường có loại 2,3,4 dây.

14

(8)

Giới hạn nhiệt độ của một số vật liệu làm RTDs

15

Đánh giá

Ưu điểm:

•Chính xác và ổn định

•Dãi nhiệt độ rộng : -200 đến +650

⁰

C tùy theo từng loại

•Cực kỳ ổn định theo thời gian: sai lệch > 0.1

⁰

C / năm

•Điện áp ra lớn hơn Thermocouple.

•Điện trở kháng cực kỳ tuyến tính.

Nhược điểm

• Độ nhạy nó thấ.p

• Đáp ứng tương đối chậm.

• Đắt tiền.

•Kích thước lớn hơn themistors và thermocouple.

(9)

9

• Thermistor.

• Cảm biến cặp nhiệt điện ( Thermocouple)

17

Cảm biến cặp nhiệt điện (Thermocouple)

+Nguyên lý hoạt động: Cặp nhiệt điện gồm hai dây kim loại khác nhau được nối chung ở hai đầu . Một đầu được coi là điểm lạnh ( điểm tham chiếu). Và một đầu được coi là điểm nóng điểm đo.

Khi hai đầu có nhiệt độ khác nhau – một điện áp được gọi là (thế điện động) được hình thành trong mạch đo hai dây kim loại tạo nên - điện thế hiệu ứng Seebeck. Điện thế hiệu ứng này tỉ lệ với khoảng chênh lệch nhiệt độ giữa hai điểm nối.

18

(10)

Cấu tạo của cặp nhiệt điện

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

5) Bộ phận lắp đặt 6)Vít nối dây 7) Dây nối 8) Đầu nối dây

19

Đánh giá Ưu điểm:

Bền, đo nhiệt độ cao.

Khuyết điểm:

Nhiều yếu tố ảnh hưởng làm sai số.

Độ nhạy không cao.

Thường dùng: Lò nhiệt, môi trường khắc nghiệt, đo nhiệt nhớt máy nén,…

Tầm đo: -100 D.C <1400 D.C

(11)

11

Các loại cặp nhiệt điện

21

22

(12)

Chọn cặp nhiệt điện

• Giải nhiệt độ

• Giá thành

• Mức tín hiệu

• Sự tuyến tính của dải đo

23

(13)

13 - Từ những yếu tố trên khi sử dụng loại cảm biến này chúng ta

lưu ý là không nên nối thêm dây ( vì tín hiệu cho ra là mV nối sẽ suy hao rất nhiều ). Cọng dây của cảm biến nên để thông thoáng ( đừng cho cọng dây này dính vào môi trường đo ).

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

• Lưu ý: Vì tín hiệu cho ra là điện áp ( có cực âm và dương ) do vậy cần chú ý kí hiệu để lắp đặt vào bộ khuếch đại cho đúng.

25

LƯU Ý KHI SỬ DỤNG

26

(14)

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

27

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

(15)

15

RANGE OFFER

-200 to 500º C 500 to 1100º C

>1100º C

RTD

Thermocouple Type K Special Thermocouple R, S or B

29

RECOMMENDATION

• Thermistor.

• Cảm biến dựa trên lớp chuyển tiếp bán dẫn.

(hỏa quang kế- Pyrometer)

30

(16)

Hỏa quang kế

Đo nhiệt độ không tiếp xúc ở dải nhiệt độ cao

> 1600

⁰

C .

Mật độ phổ năng lượng phát xạ theo bước sóng ngắn của vật đen lý tưởng khi bị đốt nóng .

3 phương pháp :

Hỏa quang kế bức xạ

Hỏa quang kế cường độ ánh sáng Hỏa quang kế màu sắc

31

Hỏa quang kế bức xạ:

(17)

17

Đo nhiệt độ bằng phương pháp quang học:

hồng ngoại IR

33

Hỏa quang kế màu sắc

• Dựa trên đặc tính phổ của vật đốt nóng ( nhiệt độ thấp đối tượng phát ra ánh sáng đỏ, nhiệt độ cao phát ra ánh sáng xanh đến tím)

34

(18)

• Thermistor.

• Cảm biến dựa trên lớp chuyển tiếp bán dẫn.

(hỏa kế- Pyrometer)

35

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 độ.

• Ưu điểm: Rẻ tiền, dễ chế tạo, độ nhạy cao, chống nhiễu tốt, mạch xử lý đơn giản.

• Khuyết điểm: Không chịu nhiệt độ cao, kém bền .

(19)

19

Lưu ý khi sử dụng:

- Vì được chế tạo từ các thành phần bán dẫn nên cảm biến nhiệt Bán Dẫn kém bền, không chịu nhiệt độ 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 đó, ngoài dải này cảm biến sẽ mất tác dụng. Hết sức quan tâm đến tầm đo của loại cảm biến này để đạt được sự chính xác.

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

37

38

CẢM BIẾN

+ LVDT

+ Piezo component

(20)

39

CẢM BIẾN

+ LVDT

+ Piezo component

CONTACT.

LIMIT SWITCH.

POTENTIMETER.

LVDT ENCODER.

NON-CONTACT.

PROXIMITY SENSOR INDUCTIVE-CAPACITIVE.

SONAR SENSOR.

PHOTO-ELECTRIC SENSOR.

(21)

21

41

LIMIT SWITCH

42

LIMIT SWITCH

Cấu tạo:

(22)

43

Nguyên lý hoạt động:

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

khi tiếp xúc sẽ truyền tín hiệu điện dưới dạng tín hiệu thường đóng hay

thường mở về hệ thống xử lý cho các trạng thái đóng ngắt hoặc bảo vệ an toàn..

LIMIT SWITCH

(23)

23

45

Ưu điểm:

•giá thành rẽ.

•chịu được dòng điện tác động lớn.

•cảm biến kỹ thuật hoạt động đơn giản.

Khuyết điểm:

•phải có sự tiếp xúc vào cảm biến.

•thời gian đáp ứng chậm.

LIMIT SWITCH

46

Ứng dụng :

Vận chuyển nguyên vật liệu

Trong các hệ thống cơ điện 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.

(24)

47

Potentionmeter-con chạy biến trở

Biến trở con chạy (Potentionmeter - Pots) :

- Dùng để đo dịch chuyển tịnh tiến hoặc chuyển động quay.

- Chuyển động cơ học sẽ làm thay đổi trở kháng của cảm biến.

- Tầm đo : max 10 m.

Nguyên lí hoạt động :

- Con chạy sẽ được nối với vật cần đo dịch chuyển.

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

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

Vout/Vin = BC/AB

(25)

25

49

Cấu tạo :

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

- Điện trở dạng cuộn dây làm bằng hợp kim ( Ni-Cr,Ni- Cu,Ag-Pd) được quấn thành vòng xoắn trên lõi cách điện.

- Điện trở băng dẫn làm bằng chất dẻo trộn bột dẫn điện.

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

50

Đặc trưng :

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

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

- Tuổi thọ phụ thuộc vào số lần sử dụng : dạng dây : 10

⁶

, dạng băng 10

⁸

.

(26)

51

Ưu/ Nhược điểm : - Ưu điểm :

- Cấu tạo đơn giản, giá thành thấp.

- Mạch điện xử lí đơn giản.

- Điện áp ngõ ra lớn.

- Nhược điểm : - 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 để đo dịch chuyển tịnh tiến.

- Tầm đo tối đa : 0.5m.

- Hoạt động dựa trên hiện tượng tự cảm .

- Chuyển động cơ học tịnh tiến sẽ được chuyển hóa trực tiếp thành tín hiệu điện.

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

(27)

27

53

LVDT

Nguyên lí hoạt động :

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

- Lõi từ được nối với vật cần

đo.

(28)

55

LVDT

Hoạt động :

- 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 điện. Độ lớn và độ lệch pha của cuộn thứ cấp phụ thuộc vào vị trí tương đối của lõi từ .

LVDT

Đấu dây :

Loại 4 dây

(29)

29

57

LVDT

Ưu điểm :

- Không tạo ra ma sát khi chuyển động.

- Tuổi thọ cao.

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

- Chỉ nhạy với chuyển động theo 1 trục.

- Ít bị tác động 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 đối.

58

LVDT

Ứng dụng :

(30)

59

ENCODER

1. Incremental 2. Absolute 3. Kết hợp

INCREMENTAL

(31)

31

61

62

ABSOLUTE

(32)

63

LINEAR ENCODER

(33)

33

65

66

SONAR

(34)

67

CẢM BiẾN SIÊU ÂM- SONAR SENSOR

2.1 nguyên lý hoạt động:

Cảm biến siêu âm sử dụng một bộ biến đổi để 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 độ truyền sóng trong môi trường cần đo giúp ta xác định vị trí của vật thể cần đo so với bề mặt cảm biến.

ưu điểm:

•dò tìm được tất cả các loại vật thể.

nhược điểm:

•độ phân giải thấp.

•Tín hiệu bị lặp lại .

khoảng cảm biến nằm trong khoảng :

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

(35)

35

69

điều khiển mức. chống va chạm đo chiều cao

đếm sản phẩm cửa ra vào object detector.

70

Cảm Biến Điện Dung – Cảm Biến Điện Cảm Cảm Biến Điện Dung:

là loại cảm biến hoạt động dựa trên nguyên tắc sử dụng trường tĩnh điện

để phát hiện đối tượng bằng kim loại và phi kim loại.

(36)

71

Ưu điểm:

•Phát hiện được vật liệu phi kim loại .(so với cbiến điện cảm)

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

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

b) Khuyết Điểm:

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

•Phạm vi đo phụ thuộc vào nhiệt độ (hằng số điện môi phụ thuộc)..

•Hiện tượng Nhiễu do môi trường bụi bẩn.

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

•Khoảng cách đo từ 5-20 mm.

Cảm Biến Điện Dung – Cảm Biến Điện Cảm

(37)

37

73

Cảm Biến Điện cảm cảm ứng – Inductive sensor

Nguyên lý hoạt đông:

Phát hiện sự có mặt vật thể dẫn điện, có 2 trạng thái đóng .

74

Ưu Điểm :

-Được dùng chủ yếu để phân biệt vật liệu kim loại .

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

Khuyết Điểm:

-Khó khăn trong việc lắp đặt 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 động:

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

Cảm Biến Điện cảm cảm ứng – Inductive sensor

(38)

75

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 đảo trục mũi khoan Kiểm tra việc reset máy

(39)

39

77

78

TILT SENSOR

(40)

79 CẢM BIẾN

+ LVDT

+ Piezo component

CẢM BIẾN

+ LVDT

+ Load cell (strain gauge)

+ Piezo component

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

+ Ion . + Điện dẫn + Mức.

(41)

41

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

(42)

83

KHỐI LƯỢNG

(43)

43

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