Điện, điện tử - Bài 1: Giới thiệu một số loại cảm biến

định ngưỡng cho sơ đồ cảnh báo , cho đèn báo D1 sáng. Trường Đại Học Cơng Nghiệp Tp.HCM Giáo trình thực hành đo lường cảm biến. 27 3.2. Tăng khoảng cách giữa đầu thu và đầu phát , đèn basó tắt , chỉnh ngưỡng P2-LEVEL cho đèn báo sáng. 3.3. Nhận xét về vai trò ngưỡng cảnh báo để thu tín hiệu hồng ngoại . PHẦN III :SƠ ĐỒ VỚI CÁP QUANG THIẾT BỊ SỬ DỤNG: 1. Thiết bị chính cho thực tập điện tử về cảm biến và đo lường MTS-41. 2. Khối thí nghiệm SME-406cho bài thực tập về cáp quang –(Gắn lên thiết bị chính MTS-41). 3. Cáp quang . 4. Dao động ký 2 tia. 5. Phụ tùng :dây cắm. Nhiệm vụ : Tìm hiểu nguyên tắc làm việc của sơ đồ chuyền tín hiệu TTL với cáp quang . Việc ttruyền số liệu TTL rấy phổ biến trong kỹ thuật truyền thông , Số liệu trực tiếp (dạng TTL)từ các thiết bị số (máy tính , tổng đài số ,)hoặc từ ác bộ mã hoá khi truyền dễ dàng được khôi phục lại với sai lệch ít nhất so với việc truyền xa tín hiệu tương tự. Truyền tín hiệu số bằng cáp quang là một kỹ thuật hiện đại , đảm bảo số kênh truyền lớn, tốc độ và độ tin cậy cao . Sơ đồ tổng quát để truyền tín hiệu số dùng cxáp quang gồm bộ biến đổi tín hiệu số thành ánh sáng . Tín hiệu ánh sáng sẽ truyền theo cáp quang đến đầu thu . Bộ đàu thu ánh sáng sẽ biến đổi ánh sáng thành tín hiệu điện và bộ khuếch đại dãi rộng sẽ hình thành tún hiệu số lối ra . Trên hình M6-1 giới thiệu bộ truyền số liệu gồm bộ phát (Transmiter) , bộ thu (Receiver) và cáp quang nối giữa chúng để thông truyền bằng ánh sáng . Trường Đại Học Cơng Nghiệp Tp.HCM Giáo trình thực hành đo lường cảm biến. 28 Hình 6-1 Sơ đồ truyên tín hiệu TTL với cáp quang Bộ phát đơn giản có thể xây dựng trên diode phát quang (Hình M6-2). Tín hiệu từ lối ra TTL(IC2/12) qua trở hạn dòng R3 làm cấm dẫn diode phát quang . Nếu mức ra TTL là mức thấp (0), có dòng chảy qua diode , tương ứng làm diode phát ánh sáng . Nếu mức raTTL là mức cao (1), không có dòng chảy qua diode , diode không phát ánh sáng . Kết quả , khi tiếp xúc mặt dẫn sáng của cáp quang với mặt phát sáng của diode , các xung ánh sáng sẽ truyền qua cáp tới đầu cuối của cáp quang . Cường độ phát sáng tỷ lệ với dòng qua diode phát quang (trên sơ đồ M6-2 quy định bởi R3) . Diode phát quang thường chọn loại có khả năng tác động nhanh cỡ nanô giây để đảm bảo khả năng truyền tín hiệu với tấn số cao. Cáp quang thường được gắn vào bộ thu-phát bằng các ổ cắm đặc biệt , cho phép tạo tiếp xúc tốt về mặt quang học . Trong thực tế , các tiếp xúc quang học này thường gây mất mát tín hiệu . Ngoài ra , khi truyên trên cáp dài , tín hiệu cũng bị suy giảm . thu tín hiệu quang thường được xây dựng trên photodiode(hoặc phototransistor) là các linh kiện có khả năng biến đổi ánh sáng tác động vào thành dòng điện . Để truyền tín hiệu có tần số tới hàng chục MHz , thường sử dụng photodiode có khả năng tác động nhanh cao. Tuy nhiên đòi hỏi sử dụng sơ đồ khuyếch đại cao tần chất lượng cao (thường là linh kiện ECL). Đối với các tín hiệu có tần số thấp hơn, có thể sử dụng phototransistor và tầng ngưỡng hình thành tín hiệu lối ra . Các phototransistor với ưu điểm có sự khuyếch đại nội tín hiệu , tạo tín hiệu lồi ra lớn hơn photodiode, song lại cần có thời gian tiêu tán các phần tử tải điện không cơ bản tích luỹ ở base trong quá trình từ dẫn sang cấm làm kéo dái mặt tăng tín hiệu lối ra. Kết là khi tăng tần số tín hiệu truyền , tín Trường Đại Học Cơng Nghiệp Tp.HCM Giáo trình thực hành đo lường cảm biến. 29 hiệu ra ngày càng không có khả năng đạt tới cực đại , bị giảm dần biên độ và tiến tới có xung răng cưa . Chính nguyên nhân này hạn chế tần tần số truyền tín hiệu cáp quang khi sử dụng phototransistor. Nếu gọi công suất phát quang là P(T)α là độ suy giảm của cáp (dB/km) l là chiều dài của cáp quang và P(L)là sự mất mát ánh sáng do các tiếp xúc quang khả dĩ ở các đầu nối , ta có công suất quang nhận được ở đầu thu P(R) : P(R) =PT-P(L)- α.l Trên cơ sở độ nhạy của sơ đồ điện tử thu , các sơ đồ truyền tín hiệu cáp quang thông thường cho phép truyền tín hiệu với khoảng cách cực đại từ 6 đến 10km. Chú ý :khi thực hành với cáp quang cần tránh làm gẫy cáp . Khi cắm cáp vào ổ nối , cần đẩy nhẹ cho mặt cáp vào mặt thu-phátđể giảm mất mát ánh sáng. Các bước thực hiện : I. Khảo sát bộ phát tín hiệu cho cáp quang : 1. Nối mạch thí nghiệm : - Nối chốt F của máy phát tới chốt 6 để máy phát trên IC1 phát tín hiệu vuông góc với tần số nhỏ nhất. Nối lối ra GEN của máy phát IC1với chốt IN/IC2. - Nối chốt nguồn +5V và đất của khối SME-406 (POWER PORT) với nguồn +5Vvà đất (GND) của thiết bị chính MTS-41. Chú ý cắm đúng phân cực của nguồn . - Cắm nhẹ đầu cáp quang vào ổ phát (transmiter)cho tới vị trí tận cùng . 2. Đặt thang đo thế lối vào của dao động ký ở 5V/cm. Trường Đại Học Cơng Nghiệp Tp.HCM Giáo trình thực hành đo lường cảm biến. 30 - Chỉnh cho cả hai tia nằm khoảng phần trên và phần dưới của nàm dao động ký . - Sử dụng các nút chỉnh vị trí để dch5 tia theo chiều X và Y về vị trí dễ quan sát . - Sử dụng dao động ký để quan sát tín hiệu tại chân 3/IC1 ,chân 12/IC2 và chân K của diode phát quang . Đo biên độ tín hiệu và vẽ giản đồ xung tại các điểm trên 3. Quan sát mắt tín hiệu nháy sáng ở đầu cuối của cáp . Thay đổi biến trở P1(chỉnh tần số máy phát IC1), quan sát và ghi nhận hiệu ứng cháy sáng trên đầu ra cáp quang. II. Quan sát sự truyền tín hiệu theo tần số 1. Nối đầu cuối cáp quang vào bộ thu (Receiver). Chú ý cắm nhẹ đầu cáp quang vào ổ thu cho tới vị trí tận cùng . 2. Quan sát bằng dao động ký tín hiệu tại chân 4/IC3. Đo mặt tăng tín hiệu . 3. Lần lượt nối chốt F với các chốt 5, 4 , 3, 2, 1 để thay đổi tần số máy phát . Ứng với mỗi vị trí nối , vẽ dạng tín hiệu và đo biên độ tại chân 4IC3. Ghi kết quả vào bảng M6-1. 4. Tần số máy phát Tín hiệu tại IC2/l2 Tín hiệu tại IC3/4 Tín hiệu tại IC3/5 Tín hiệu tại IC3/2 Fx6 Fx5 Fx4 Fx3 Fx2 Fx1 5. Ứng với vị trí tần số cao nhất (F nối 1), chnỉnh biến trở F1 để xác định tần số cực đại mà sơ đồ cho phép truyền đúng tín hiệu Trường Đại Học Cơng Nghiệp Tp.HCM Giáo trình thực hành đo lường cảm biến. 31 BÀI 5 : SƠ ĐỒ THU – PHÁT SIÊU ÂM THIẾT BỊ SỬ DỤNG : 1.thiết bị chính cho thực tập điện tử về cảm biến và đo lường MTS-41 2.Bộ cảm biến siêu âm 3.khối thí nghiệm SME-407 cho bài thực tập về siêu âm-(gắn lên thiết bị chinh1 MTS-41) 4.dao động ký 2 tia 5.phụ tùng :dây cắm nhiệm vụ: tìm hiểu nguyên tắc làm việc của thiết bị siêu âm sóng siêu âm là sóng áp suất dọc truyền qua môi trường chất khí,lỏng,rắn với tần số cao hơn tầng số âm thanh.Sóng siêu âm với tầng số trên vài trămKHz bị hấp thu mạnh trong không khí. Trong chất rắn và chất lỏng sóng siêu âm cao hơn 100MHz được sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau. Cảm biến thu phát siêu âm chủ yếu xây dụng trên tinh thể áp điện(Piezoelectric). Với các nguồn thu phát siêu âm sóng suất thường sử dụng kim loại từ giảo (magnetotrictive) hoặc gốm áp từ. Thạch anh là tinh thể áp điện thông dụng nhất.trong quá trình gia công vật liệu , tinh thể áp điện được hình thành với các lưỡng cực điện phân tử có định hướng trước a) b) c) Trường Đại Học Cơng Nghiệp Tp.HCM Giáo trình thực hành đo lường cảm biến. 32 Hinh 7-1 a Bản áp điện thu nhỏ kích thước Hình 7-1 b Bản áp điện khi chưa kích thích Hình 7-1 c Bản áp điện mở rộng kích thước Bộ cảm biến điện có thể mắc trong mạch kiểu cộng hưởng hoặc có thể kích thích phát siêu âm bằng tín iệu sin ở tần số thích hợp .việc kích thích bằng sung vuông góc cùng tần số củng có tác dụng tưng tự như sóng sin. Xung kích thích tác dụng vào cảm biến áp điện sẻ xắp xếp thẳng hàng các lưởng cực điện phân tử ,dẩn đến làm dao động độ rộng của tinh thể . trên hình M7-1 mô tả phản ứng của cảm biến với các sung kích thích :cảm biến bị thu hẹp (hình M7-1a) khi các lưởng cực phân tử sắp xếp theo chiều dọc còn trên hình M7-1e cảm biến mở rộng khi các lưỡng cực phân tử sắp xếp theo chiều ngang .Sự thay đổi kích thước hình học này của cảm biến tạo thành dao động cơ học ,được truyền ra môi trường xung quanh như sóng áp suất siêu âm. Khi tần số kích thích bằng tần số dao động riêng ,hiệu suất phát sóng siêu âm là cực đại. Ngược lại ,khi có áp suất đặt vào giửa hai mặt của cảm biến và hình thành thể ra,cảm biến áp điện hoạt động như bộ thu siêu âm (giống như một loa nhỏ có thể dùng làm loa hoặc micro). Trên sơ đồ thí nghiệm hinh M7-2, cảm biên siêu âm sử dụng là loại áp điện.Cảm biến thu phát được đặt trên thanh trượt để có thể thay đổi khoảng cách của chúng.Xung Kích thích được phát trên ICI ,đươc khuếch đại công suất trên transistor T1 và cấp cho bộ phát siêu âm GEN, HEAD. Tín hiệu từ đầu thu được khếch đại và hình thành nhờ T2 ,T3 . Sơ đồ IC@ là bộ hình thành tín hiệu thời gian T giữa tín hiệu khơi3 sáng (START) và tín hiệu thu (STOP).độ rộng tín hiệu T sẽ tuỳ thuộc vào khoảng cách tín hiệu STARTvà STOP, nghĩa là vào khoảng cách L giửa đầu phát và đầu thu: L = v. T Với v là vận tốc truyền siêu âm trong không khí(~33lm/s) Khi biết vận tốc truyền âm, đo thời gian T, có thể xác định khoảng cách . trên khối SME-407 sử dụng dộ biến đổi giá trị T thành điện thế để dễ dàng đobằng bộ đo DCV của thiết bị chính MTS-41. Xung độ rộng T sẽ cấm T4 trong khoảng thời gian T và cho phép tụ C7 nạp bằng dòng 1 không đổi của máy phát dòng T5 . thay đổi biến trở P2, có thể chỉnh dòng nạp cho C7. ở lối ra Uout sẽ hình thành điện thế U= kT/C. Trường Đại Học Cơng Nghiệp Tp.HCM Giáo trình thực hành đo lường cảm biến. 33 Hình 7-2 Sơ đồ thu phát SÓNG SIÊU ÂM Các bước thực hiện : 1 sử dụng dây có chốt cắm để nối mạch theo sơ đồ hình SMB-14 Nối các chốt nguồn và đất của khối SME-407(POWER PORT) với nguồn +_ 12V và đất(GND) của thiết bị chính MTS-41. Chú ý cắm d0úng phân cực của nguồn . *nối cảm biến siêu âm với khối SME-407: - dây mầu cam với chốt TP2 của khối SME-407 -Dây màu đen với chốt GND của khối SME-407 -Dây màu vàng với chốtb TP3 của khối SME-407 - Dây màu xanh với chốt GND của khối SME-407 2. Kiểm tra sơ đồ phát siêu âm 2.1. Bật công tắc S1 len vi trí phát (GEN,ON). 2.2. Sử dụng dao động ký kiểm tra sơ đồ điều khiển đèn phát trên ICI. -Đặt thang do thế lối vào của dao động ký ở SV/cm. - Đặt thời gian quét của dao động ký ở 0,1 ms/cm. chỉnh sao cả hai tia nằm giửa khoảng phần trên và phần dưới của màn dao động ký. Sử dụng các nút chỉnh vị trí để dịch tia theo chiều X vaY về vị trí dể quan sát. -Nối lối vào kênh 1 dao dộng ký vời chốt tì TP/ sơ dồ SME-407 2.3. Chỉnh P1 để máy phát xung với chu kỳ T=4 ms tần số phát cở 250hz. Vẽ lại dạng tín hiệu. Trường Đại Học Cơng Nghiệp Tp.HCM Giáo trình thực hành đo lường cảm biến. 34 3. Kiểm tra sơ đồ thu tín hiệu 3.1. Bố trí hai đầu thu phát siêu âm chuẩn trục và cách nhau 5 cm. 3.2. Bật công tắc S1 lên vị trí phát (GEN.ON) 3.3. Quan sát tín hiệu tại TP3 và lối ra SOUT.kẽ lại dạng tín hiệu. 4. Xác định sự phụ thuộc thời điểm xuất hiện tín hiệu thu theo khoảng cách . 4.1. Nối vào(+) của bộ đo hiệu số DCV của thiết bị chínhvới lối ra uout của SME-407. Lối vào đất. 4.2 quan sát tín hiệu khởi động START ,dừng STOP tác động vào trigger IC2.Vẽ lại dạng và thời gian kéo dài tín hiệu tại TOUT. 4.3. Thay đổi khoảng cách giữa 2 đầu phát thu siêu âm( chú ý đặt chuẩn trục),đo độ rộng T trên dao động ký. Ghi kết quả vào bảng M7- 4.4. Chỉnh biến trở P2 (độ dốc răng cưa-RAMP PESPONE) để khi đầu thu va đầu phát ở cách nhau 10cm, điện thế uout=1V 4.5 Nhận xét về sự thay đổi giá trị T theo khoảng cách 1. Trường Đại Học Cơng Nghiệp Tp.HCM Giáo trình thực hành đo lường cảm biến. 35 BÀI 6 : CÂN ĐIỆN TỬ THIẾT BỊ SỬ DỤNG: 1. Thiết bị chình cho thực tập điện tử về cảm biến và đo lường MTS-41 2. Bộ cảm biến đo trọng lượng (load _ cell) 3. Máy tính PC có gắn khối giao diện PCBUS-2bên trong. 4. Mao động ký 2 tia 5. Mhối thí nghiệm SME-408 cho bài thực tập về cân điện tử-(ggắn lên thiết bị chính MTS-41) 6. Phụ tùng : dây cắm. Bộ quả cân. Nhiệm vụ: Tìm hiểu nguyên tắc hoạy động của cân điện tử loại sức căng(Strain gage) Sức căng e được xác định bằng sự thay đổi chiều dài L của thanh đàn hồi L so với một đơn vị chiều dài: E= ∆ L/L Do tác động của lực vào thanh L, làm xuất hiện sức căng, tương ứng cũng làm thay đổi giá trị điện trở điện của thanh. Cảm biến sức căng hoạt động dựa trên nguyên tắc này, cho phép biến đổi giá trị e nhỏ thành sự thay đổi tương ứng giá trị điện trở điện của thanh. Có 2 loại cảm biến sức căng: -Loại gắn trực tiếp trên cấn đànhồi của bộ do lực, ở vị trí cần đo sức căng. Khi lực tác động làm căng hoặc cong cần đàn hồi , cũng trực tiếp làm căng cảm biến. Cảm biến gắn trực tiếp thường sử dụng để đo sừc căng tại nhưng vị trí danh định trên bề mặt của yếu tố đàn hồi . -laọi gián tiếp được liên kết cơ học với lếu tố đàn hồi, thường sử dụng để đo những độ lệnh tổng cộng của yếu tố đàn hồi. Thừa số cảm biến sức căng G được quy định là tỉ số của sự biến đổi đơn vị của điện trở so với sức căng: G=( ∆ R/R) / (∆ L/L) Trong đó: ∆ R =sự thay đổi của điện trở( ) R=điện trở của cảm biến sức tăng( ) ∆ L= sự thay đổi chiều dài(m) L= chiều dài của cảm biến(m) Với các cảm biến thông dụng , các đại lượng trên có giá trị như sau: G=(2-4), Chiều dài hiệu dụng L=(0,5 – 4)cm R=(50-5000)Ω Trường Đại Học Cơng Nghiệp Tp.HCM Giáo trình thực hành đo lường cảm biến. 36 Khi tác dụng một lực f lên tiết diên A, ứng suất S=f/A (N/m ) Modul đàn hồi E= S/e đối với thanh đàn hồi có chiếu dài la h và bề rộng là b , có cảm biến sức căng gắn trực tiếp trên bề mặt ở vị trí cách điểm lực tác động là L, ứng suất được xác định theo biểu thức : S= 6f.L/ b.h2 Từ các biểu thức trên suy ra : ∆R/R=(6.G.L/b.h2 E).f Từ biểu thức rỏ ràng có mối quan hệ luyến tính giữa lực tác động do trọng lượng của vật dụng trong các bài táon cân. Trong cảm biến cân (Lout Cell) thường sử dụng cảm biến sức căng mắc theo sơ đồ như (hìnhM8-1). Trong đó sử dụng hai cảm biến sức căng R1 và R3 gắn ở mặt trên.hai cảm biến sức căng khác nhau R2,R4 gắn ở mặt dưới(hìnhM8- 1a).sơ đồ nối điện cho hình M8-1e ,trong đó các cảm biến sức căng được mắc teo sơ đồ cầu Wheatstone. Khi không có lực tác động vào cảm biến (hình M8-1a), các cảm biến sức căng R1-4 Ơû trạng thái với sức căng cẩn bằng và điện thế ra bằng 0.khi có lực tác động , làm uốn cong thanh đàn hồi, dẫn đến việctăng sức căng càc cảm biến R1- R3 và giảm sức căng các cảm biếnR2-R4. kết quả , điện trở R1-R3 tăng vaR2- R4 giảm,dẫn đến lệch cầu và ở lối ra xuất hiện diện thế tỷ lệ với lực tác động . Điện thế này sẽ được khếch đại tới giá trị cần thiết. Trên hìnhM8-2 giới thiệu sơ đồ cho bộ cảm biến cân loại Load cell.Bộ 4khếch đại vi sai được xây dựng trên IC2,IC3,IC4.Biến trở P1 cho phép chỉnh khếch đại ,biến trở P2 cho phép chỉnh cân bằng giữa hai kênh khi chưa có trọng lực tác động .Sơ đồ IC5 vàT1 là bộ tạo thế chuẩn cấp cho cảm biến.IC4 tạo thế nền cho lối ra. Trong thí nghiệm có tiến hành ghép nội bộ đo với máy tính . Khi thực hiện cần đọc lại bài mở đầu giớ thiệu thiết bị chính MTS-41. Hình 8 . Sơ đồ Cân Điện Tử Trường Đại Học Cơng Nghiệp Tp.HCM Giáo trình thực hành đo lường cảm biến. 37 Các bước thực hiện : 1. Sử dụng dây có chốt cắm để nối mạch theo sơ đồ hnìh SME-408: Nối các chốt nguồn và đất của khốiSME_408(POWER PORT) với nguồn ± 12V và đất (GND) của thiết bị chính MTS-41, Chú ý cắm đúng phân cực của nguồn. 2. Để kiểm tra thể chuẩn nối cảm biến: Nối chốt (+) bộ đo DCV cảu thiết bị chínhMTS-41 với chốt ra –OUT. Chốt(-) của DCV với lại giá trị đo . Giá trị TP5~3,9-4V 3. Chỉnh cân bằng : 3.1 Nối cảm biến LOAD CELL với khối SME-408: Dây màu đen nôi1 với chốt+∆ Dây màu trắng với chốt –∆ Dây màu đỏ với chốt +V Dây màu xanh và vỏ bọc với chốtđất-GND 3.2. Nối chốt (+) bộ đo DCV của thiết bị chínhMTS-41 với TP4 ,chốt(-) của DCV với đất 3.3 Chỉnh biến trởP2-BALANCE để giá trị thế tạo ra-OUT=0 4. Chỉnh thang đo 4.1. Nối chốt (+) do bộ DCV của thiết bị chính MTS-41 với OUT.Chốt(-) củaDCVvớiđất 4.2. Kiểm tra thế ra OUT =0.nếu khác 0, chỉnh chỉnh biến trở P2-BALANCE để nhận giá tri OUT =0 trên DCV. 4.3. Đặt quả cân lớn nhất vào mâm cân,chỉnh biến trở P1-GAIN để nhận giá trị đo trên DCV trùng với trọng lượng quả cân.( chú ý:1KG-1v). 4.4. Lập lại các bước 4.2-4.4.vài lần để hiệu chỉnh chính xác thang đo. 5. Xác định sự phụ thuộc của thế ra vào trọng lượng 5.1 Đặt lần lượt các giá trị quả cân từ nhỏ tới lớn , ghi tương ứng giá trị đo trênDCV vào bảng M8-1. Trọng lượng m[g] U(out) 5.2 Biểu diển đồ thị kết quả thế đo trên DCV (trục Y) theo trọng a6n (trục X) 5.3 Xác định sai số phép đo.