Ngân hàng câu hỏi môn Kỹ thuật cảm biến

nh bày nhiệm vụ các khối và giải thích nguyên lý hoạt động của cảm biến tiệm cận điện điện dung. Đáp án: - Sơ đồ cấu tạo của cảm biến tiệm cận điện cảm: -Nhiệm vụ của các khối: + Đầu phát hiện của cảm biến tiệm cận điện dung là một bản cực cố định của tụ điện, bản cực còn lại là đối tượng cần phát hiện, cũng chính là bản cực di động. + Mạch dao động có nhiệm vụ tạo dao động và biên độ của tín hiệu dao động phụ thuộc vào bản cực di động chính là mục tiêu. + Mạch phát hiện mức dùng để so sánh biên độ tín hiệu của mạch dao động. + Mạch ngõ ra dùng để tạo mức logic cho tín hiệu ngõ ra của cảm biến. - Nguyên lý hoạt động của cảm biến tiệm cận điện dung: + Khi mục tiêu cần phát hiện di chuyển đến gần đầu phát hiện của cảm biến sẽ làm điện dung của tụ điện ( được tạo bởi bản cực là bề mặt của đầu thu và bản cực còn lại chính là đối tượng) C bị thay đổi. Khi điện dụng của tụ điện bị thay đổi thì mạch dao động sẽ tạo ra tín hiệu dao động. Khi tín hiệu dao động có biên độ lớn hơn một ngưỡng đặt trước mạch phát hiện mức sẽ điều khiển mạch ra ở trạng thái ON. Khi đối tượng ở xa cảm biến, biên độ tín hiệu ở mạch doa động sẽ nhỏ, mạch phát hiện mức sẽ điều khiển mạch ra ở trạng thái OFF. Nêu các ứng dụng của cảm biến tiệm cận điện cảm, điện dung. Vẽ một sơ đồ ứng dụng của cảm biến tiệm cận điện cảm và giải thích hoạt động. Đáp án: - Cảm biến tiệm cận điện cảm được dùng để phát hiện sự xuất hiện của một vật thể kim loại tại một vị trí xác định trước ( Vị trí đặt cảm biến) như: Phát hiện cabin thang máy tại các tầng, phát hiện chai nước ngọt có nắp hay không ( Nắp chai nước ngọt làm bằng kim loại), xác định vị trí hai đầu mút của mũi khoan, phát hiện trạng thái đóng hay mở van, đo tốc độ quay của động cơ, phat hiện trạng thái đóng mở các xi lanh. - Cảm biến tiệm cận điện dung được dùng để phát hiện sự suất hiện của một vật thể kim loại hoặc phi kim loại tại một vị trí xác định trước ( vị trí đặt cảm biến) như: Phát hiện thuỷ tinh, nhựa, chất lỏng. - Dưới đây trình bày một số ví dụ ứng dụng cảm biến tiệm cận. Ví dụ 1. Dùng cảm biến tiệm cận điện cảm để đo tốc độ động cơ. Ví dụ 2: Dùng cảm biến tiệm cận điện dung để phát hiện hộp sữa không đầy trong dây chuyền sản xuất sữa hộp . Vẽ cấu tạo và giải thích hoạt động của cảm biến nhiệt giản nở chất rắn. Đáp án: Nhiệt kế gốm và kim loại Nhiệt kế kim loại 1 và kim loại Nguyên lý hoạt động: - NhiÖt kÕ gèm - kim lo¹i(Dilatomet): gåm mét thanh gèm (1) ®Æt trong èng kim lo¹i (2), mét ®Çu thanh gèm liªn kÕt víi èng kim lo¹i, cßn ®Çu A nèi víi hÖ thèng truyÒn ®éng tíi bé phËn chØ thÞ. HÖ sè gi·n në nhiÖt cña kim lo¹i vµ cña gèm lµ αk vµ αg. Do αk > αg, khi nhiÖt ®é t¨ng mét lượng dt, thanh kim lo¹i gi·n thªm mét lượng dlk, thanh gèm gi·n thªm dlg víi dlk>dlg, lµm cho thanh gèm dÞch sang ph¶i. DÞch chuyÓn cña thanh gèm phô thuéc dlk - dlg do ®ã phô thuéc nhiÖt ®é. - NhiÖt kÕ kim lo¹i - kim lo¹i: gåm hai thanh kim lo¹i (1) vµ (2) cã hÖ sè gi·n në nhiÖt kh¸c nhau liªn kÕt víi nhau theo chiÒu däc. Gi¶ sö α1 > α2 , khi gi·n në nhiÖt hai thanh kim lo¹i cong vÒ phÝa thanh (2). Dùa vµo ®é cong cña thanh kim lo¹i ®Ó x¸c ®Þnh nhiÖt ®é. NhiÖt kÕ gi·n në dïng chÊt r¾n thường dïng ®Ó ®o nhiÖt ®é dưới 700oC. Vẽ cấu tạo của cảm biến nhiệt điện trở kim loại, giải thích hoạt động và phương trình chuyển đổi của cảm biến. Đáp án: - Cấu tạo của cảm biến nhiệt điện trở kim loại: + Cảm bién nhiệt điện trở kim loại gồm một dây dẫn bằng kim loại như Platin, Niken, Đồng quấn trên một lõi cách điện. - Nguyên lý hoạt động và phương trình chuyển đổi của cảm biến nhiệt điện trở kim loại: Khi nhiệt độ của cảm biến thay đổi, điện trở của cảm biến thay đổi theo phương trình 1: R(T) =R0(1 + AT + BT2 + CT3) (1). Trong đó T đo bằng oC, R(T) là điện trở của cảm biến ở nhiệt độ T, R0 là điện trở của cảm biến ở nhiệt độ 0oC, A, B, C là các hằng số được xác định bằng cách đo điện trở của cảm biến tại các nhiệt độ đã biết trước. Ở nhiêt độ thấp, phương trình chuyển đổi của cảm biến là tuyến tính (2). R(T) = R0(1 + αT) (2). Với α là hệ số nhiệt của điện trở, tuỳ thuộc vào kim loại như ở bảng sau: Kim loại Platin Đồng Niken Α(oC) 3,9.10-3 4,3.10-3 5,4.10-3 Do có tính chất của các kim loại chế tạo cảm biến có tính chất lý hoá khác nhua nên tầm đo của các cảm biến sử dụng các kim loại khác nhau cũng khác nhau. Cảm biến Platin Tầm đo (oC) -200 - 1000 <100 <300 Vẽ sơ đồ mạch đo sử dụng cảm biến nhiệt điện trở kim loại, tìm thông số điện áp đầu ra V0. Giải thích ý nghĩa của Rx, V0 và cho biết mạch đo chuyển đổi giá trị nào thành điện áp đầu ra. Đáp án: Sơ đồ mạch đo sử dụng cảm biến nhiệt điện trở kim loại: Gọi Rx = R + ∆R là điện trở của cảm biến. Với R là điện trở của cảm biến ở 00C, chọn R1 = R3, R2 = R4 thì điện áp ngõ ra của mạch đo là: Rx là vị trí của cảm biến nhiệt sẽ được lắp vào, khi Rx có giá trị bằng R thì điện áp nên ∆V=0V và V0 = 0V. Khi Rx có giá trị khác R thì ∆V luôn khác 0V, dẫn đến V0 luôn có một giá trị điện áp ở đầu ra. Từ phân tích các thông số của mạch đo ta thấy mạch đo có nhiệm vụ chuyển đổi giá trị điện trở thành điện áp ở đầu ra. Vẽ cấu tạo của cảm biến Thermistor và viết phương trình chuyển đổi. Tại sao Thermistor lại không được sử dụng làm cảm biến đo nhiệt độ mà chỉ đươc sử dụng trong mạch cảnh báo nhiệt. Đáp án: Vẽ cấu tạo của cặp nhiệt ngẫu. Phân tích nguyên lý hoạt động của hiệu ứng nhiệt Đáp án: - Cấu tạo của cập nhiệt ngẫu: Cặp nhiệt ngẫu có cấu tạo gồm 2 thanh kim loại khác nhau được hàn chung với nhau ở một đầu gọi là đầu nóng, hai đầu còn lại không hàn chung gọi là đầu lạnh hay đầu chuẩn của cảm biến. - Để giải thích hoạt động ta xét hiệu ứng nhiệt sau: Phương ph¸p ®o nhiÖt ®é b»ng c¶m biÕn nhiÖt ngÉu dùa trªn c¬ së hiÖu øng nhiÖt ®iÖn. Người ta nhËn thÊy r»ng khi hai d©y dÉn chÕ t¹o tõ vËt liÖu cã b¶n chÊt ho¸ häc kh¸c nhau ®ưîc nèi víi nhau b»ng mèi hµn thµnh mét m¹ch kÝn vµ nhiÖt ®é hai mèi hµn lµ t vµ t0 kh¸c nhau th× trong m¹ch xuÊt hiÖn mét dßng ®iÖn. Søc ®iÖn ®éng xuÊt hiÖn do hiÖu øng nhiÖt ®iÖn gäi lµ søc ®iÖn ®éng nhiÖt ®iÖn. NÕu mét ®Çu cña cÆp nhiÖt ngÉu hµn nèi víi nhau, cßn ®Çu thø hai ®Ó hë th× gi÷a hai cùc xuÊt hiÖn mét hiÖu ®iÖn thÕ. HiÖn tượng trªn cã thÓ gi¶i thÝch như sau: Trong kim lo¹i lu«n lu«n tån t¹i mét nång ®é ®iÖn tö tù do nhÊt ®Þnh phô thuéc b¶n chÊt kim lo¹i vµ nhiÖt ®é. Th«ng thường khi nhiÖt ®é t¨ng, nång ®é ®iÖn tö t¨ng. Gi¶ sö ë nhiÖt ®é t0 nång ®é ®iÖn tö trong A lµ NA(t0), trong B lµ NB(t0) vµ ë nhiÖt ®é t nång ®é ®iÖn tö trong A lµ NA(t), trong B lµ NB(t), nÕu NA(t0) > NB(t0) th× nãi chung NA(t) > NB(t). XÐt ®Çu lµm viÖc (nhiÖt ®é t), do NA(t) > NB(t) nªn cã sù khuÕch t¸n ®iÖn tö tõ A → B vµ ë chæ tiÕp xóc xuÊt hiÖn mét hiÖu ®iÖn thÕ e(AB)(t) cã t¸c dông c¶n trë sù khuÕch t¸n. Khi ®¹t c©n b»ng e(AB)(t) sÏ kh«ng ®æi. Tương tù t¹i mÆt tiÕp xóc ë ®Çu tù do (nhiÖt ®é t0) còng xuÊt hiÖn mét hiÖu ®iÖn thÕ e(AB)(t0). Gi÷a hai ®Çu cña mét d©y dÉn còng cã chªnh lÖch nång ®é ®iÖn tö tù do, do ®ã còng cã sù khuÕch t¸n ®iÖn tö vµ h×nh thµnh hiÖu ®iÖn thÕ tương øng trong A lµ eA(t,t0) vµ trong B lµ eB(t,t0). Søc ®iÖn ®éng tæng sinh ra do hiÖu øng nhiÖt ®iÖn x¸c ®Þnh bëi c«ng thøc sau: EAB = eAB(t) + eBA(t0)) + eA(t0,t) + eB(t,t0) (1) Vì eA(t0,t) và eB(t,t0) nhỏ và ngược chiều nhau có thể bỏ qua, nên ta có : EAB = eAB(t) + eAB(t0) Nếu nhiệt độ hai mối hàn bằng nhau, chẳng hạn bằng t0 khi đó sức điện động tổng : EAB =eAB(t0) + eBA(t0) =0 Hay : eBA(t0) = -eAB(t0) Như vậy : EAB =eAB(t) – eAB(t). Đây là phương trình cơ bản của cặp nhiệt ngẫu Điều kiện để mắc thêm dây dẫn vào đầu tự do của cặp nhiệt. Viết phương trình sức điện động tổng khi mắc thêm dây dẫn thứ ba vào đầu tự do của cặp nhiệt và cho nhận xét về phương trình tìm được. Đáp án: - Điều kiện để mắc thêm dây dẫn vào đầu tự do của cặp nhiệt là nhiệt độ tại mối hàn vào hai đầu tự do phải bằng nhau. - Sức điện động của cặp nhiệt không thay đổi nếu chúng ta nối thêm vào mạch một dây dẫn thứ ba (hình 1.1) nếu nhiệt độ hai đầu nối của dây thứ ba giống nhau. Hình 1.1. Sơ đồ nối cặp nhiệt với dây thứ ba + Ta có, trường hợp ở hình vẽ a. EABC(t,t0) = eAB(t) + eBC(t0) + eCA(t0). Vì : eAB(t0) + eBC(t0) + eCA(t0) = 0 Nên : EABC(t,t0) = eAB(t) + eAB(t0) (1.1). Từ công thức 1.1 ta thấy khi nối thêm dây dẫn thứ ba vào hai đầu dây tự do thì sức điện động tổng không thay đổi, tuy nhiên sức điện động tổng sẽ sai số khi hai đầu mối hàn tự do vào dây thứ ba có nhiệt độ khác nhau ( suất hiện sức điện động ký sinh). + Trường hợp ở hình vẽ b. Ta có : EABC(t,t1,t0) = eAB(t) – eAB(t0) + eBC(t1) + eCB(t1). Vì : eBC(t1) = -eCB(t1) Nên : EABC(t,t0) = eAB(t) – eAB(t0) (1.2) Từ công thức 1.2 ta thấy khi nối thêm dây dẫn thứ ba vào hai đầu dây tự do thì sức điện động tổng không thay đổi, tuy nhiên sức điện động tổng sẽ sai số khi hai đầu mối hàn tự do vào dây thứ ba có nhiệt độ khác nhau ( suất hiện sức điện động ký sinh). Vẽ cấu tạo của hoả kế quang và giải thích hoạt của hoả kế quang. Nêu ứng dụng của hoả kế trong thực tế. Đáp án: - Sơ đồ cấu tạo của hoả kế quang học: + Cấu tạo: 1 là nguồn nhiệt cần đo, 2 là vật kính, 3 là kính lọc, 4 và 6 là vách kính, 5 là nguồn nhiệt mẫu, 7 là kính lọc ánh sáng đỏ, 8 là mắt kính. - Nguyên lý hoạt động của hoả kế quang học: + Khi đo, hướng hoả kế vào vật cần đo, ánh sáng từ vật bức xạ cần đo nhiệt độ (1) qua vật kính (2), kính lọc (3), và các vách ngăn (4), (6), kính lọc ánh sáng đỏ (7) tới thị kính (8) và mắt. Bật công tắc K để cấp điện nung nóng dây tóc bóng đèn mẫu (5), điều chỉnh biến trở Rb để độ sáng của đèn mẫu trùng với độ sáng của vật cần đo và dừng lại, đọc kết quả trên đồng hồ đo của đèn mẫu cũng chính là nhiệt độ của vật cần đo. + Sai số khi đo: Sai số đo đen của vật đo ε <1. khi đó Tđo xác định bởi công thức: Công thức hiệu chỉnh: Tđo = Tđọc +∆T Giá trị của ∆T cho theo đồ thị. Ngoài ra sai số của phép đo còn do ảnh hưởng của khoảng cách đo, tuy nhiên sai số này thường nhỏ. Khi môi trường có bụi bẩn ống kính, kết quả đo cũng bị ảnh hưởng Trình bày nguyên lý chung đo vị trí và dịch chuyển của vật. Đáp án: - Việc xác định vị trí và dịch chuyển đống vai trò rất quan trọng trong kỹ thuật. Hiện nay có hai cảm phương pháp cơ bản để xác định vị trí và dịch chuyển của vật. + Trong phương pháp thứ nhất, bộ cảm biến cung cấp tín hiệu là hàm phụ thuộc vào vị trí dịch chuyển của một phần tử trên cảm biến, đồng thời phần tử này có liên quan đến vật cần xác định dịch chuyển. + Trong phương pháp thứ hai, ứng với một dịch chuyển cơ bản, cảm biến phát ra một xung. Việc xác định vị trí và dịch chuyển được tiến hành bằng cách đếm số xung phát ra. + Một số cảm biến không đồi hỏi có sự liên kết cơ học giữa cảm biến và vật cần đo vị trí hoặc dịch chuyển. Mối quan hệ giữa vật dịch chuyển và cảm biến được thực hiện thông qua vai trò trung gian của điện trường, từ truường hoặc điện từ trường, ánh sáng. + Ngoài các cảm biến trên, ngày nay để đo vị trí dịch chuyển của vật người ta còn dùng các laọi cảm biến điện cảm, cảm điện dung, cảm biến quang, cảm biến dùng sóng đàn hồi. Vẽ cấu tạo của cảm biến điện thế kế điện trở trong việc xác định vị trí và dịch chuyển. Giải thích hoạt động của cảm biến. Đáp án: Sơ đồ cấu tạo của cảm biến điện thế kế điện trở. - Cấu tạo: 1 là thanh điện trở cố định, 2 là con chạy. + Ở hình a là điện thế kế điện trở có dạng đường thẳng. + Ở hình b là điện thế kế điện trở dạng hình tròn. + Ở hình c là điện thế kế điện trở dạng hình xoán. - Nguyên lý hoạt động: + Cảm biến gồm một điện trở cố định Rn, trên đó có một tiếp xúc điện có thể di chuyển được gọi là con chạy. Con chạy được liên kết cơ học với vật chuyển động cần khảo sát. Giá trị của điện trở Rx giữa con chạy và một đầu của điện trở Rn là hàm phụ thuộc vào vị trí con chạy, cũng chính là vị trí của vật chuyển động. + Đối với điện thế chuyển động thẳng ở hình a. + Trường hợp điện thế kế dịch chuyển tròn xoắn hình b: Trong đó αM 360o khi dịch chuyển xoắn hình c. + Các điện trở được chế tạo có dạng cuộn dây hoặc băng dẫn. Các điện trở cuộn dây thường được chế tạo từ các hợp kim Ni – Cr, Ni – Cu, Ni - Cr Vẽ sơ đồ mạch đo dùng cảm biến điện thế kế điện trở. Cho biết vị trí của cảm biến trong sơ đồ và giải thích ý nghĩa của công thức đầu ra V0. Vẽ cấu tạo của cảm biến sử dụng con trỏ quang và giải thích nguyên lý hoạt động. Đáp án: + Sơ đồ cấu tạo của cảm biến sử dụng con trỏ quang. + Cấu tạo: 1 là led phát quang, 2 là băng đo, 3 là băng tiếp xúc, 4 là băng quang dẫn. Trục quay liên kết cơ học với vật cần đo vị trí đồng thời cũng là bộ phận phản xạ lại băng quang dẫn. - Nguyên lý hoạt động: Điện thế kế tròn dùng con trỏ quang gồm điốt phát quang (1), khi hoạt động điốt phát quang chiếu vào bộ phận phản xạ của trục, ánh sáng phản xạ chiếu vào vùng băng quang dẫn rất mảnh làm bằng CdSe, khi ánh sáng chiếu vào tạo nên sự liên kết giữa băng đo và băng tiếp xúc, vị trí dịch chuyển càng nhanh thì diện tích giữa băng đo và băng tiếp xúc càng lớn. Từ đây ta xác định được giá trị điện trở và suy ra vị trí của vật cần tìm. Vẽ cấu tạo cảm biến điện thế kế dùng con trỏ từ, và giải thích nguyên lý hoạt động của cảm biến. Đáp án: - Sơ đồ cấu tạo điện thế dùng con trỏ từ. + Cấu tạo của điện thế kế dùng con trỏ từ gồm hai điện trở R1 và R2 mắc nối tiếp và một nam châm vĩnh cửu gắn với trục quay của điện thế kế, bao phủ lên một phần của điện trở R1, R2, vị trí phần bị bao phủ phụ thuộc góc quay của trục. + Nguyên lý hoạt động: Điện áp nguồn Es được dặt giữa hai điểm (1) và (3), điện áp đo Vm lấy từ điểm chung (2) và một trong hai đầu (1) hoặc (3). Khi đó điện áp đo được xác định bởi công thức: Trong đó R1 là hàm phụ thuộc vị trí của trục quay, vị trí này xác định phần của R1 chịu ảnh hưởng của từ trường còn R=R1 + R2 = const. Từ hình vẽ trên ta nhận thấy điện áp đo chỉ tuyến tính trong một khoảng ≈90o đối với điện thế kế quay. Đối với điện thế dịch chuyển thẳng khoảng tuyến tính chỉ cỡ vài mm. Vẽ cấu tạo của cảm biến từ, giải thích nguyên lý hoạt động và nêu các ứng dụng của cảm biến. Đáp án: - Cấu tạo của cảm biến từ: Cảm biến tự cảm đơn gồm một cuộn dây quấn trên lõi thép cố định(phần tĩnh) và một lõi thép có thể di động dưới tác động của đại lượng đo (phần động), giữa phần tĩnh và phần động có khe hở không khí tạo nên một mạch từ hở. Nguyên lý hoạt động của cảm biến từ: Trong hình a dưới tác động của đại lượng đo XV, phần ứng của cảm biến di chuyển, khe hở không khí δ trong mạch từ thay đổi, làm cho từ trở của mạch từ biến thiên, do đó hệ số tự cảm và tổng trở của cuộn dây thay đổi theo. Trong hình b, khi phần ứng quay, tiết diện khe hở không khí thay đổi, làm cho ktừ trỏ của mạch từ biến thiên, do hệ số tự cảm và tổng trở của cuộn dây thay đổi theo. Nếu bở qua điện trở của cuộn dây và từ trở của lõi thép ta có: + Tróng đó: W – số vòng dây. ; từ trở của khe hở không khí. δ: chiều dài khe hở không khí. s- tiết diện thực của khe hở không khí. Hệ số tự cảm của cuộn dây cũng có thể thay đổi do thay đổi tổn hao sinh ra bởi dòng điện xoáy khi tấm sắt từ dịch chuyển dưới tác động của đại