Chương 7: CẢM BIẾN (SENSOR)

1. Chương 7: CẢM BIẾN (SENSOR) Giảng viên: NINH VĂN TIẾN

2. Nội dung • 7. 1 Khái quát • 7.2 Cảm biến tiệm cận

3. 7.1 .KHÁI QUÁT 7.1.1 Khái niệm & phân loại 7.1.2 Phân loại cảm biến 7.1.3. Đường cong chuẩn của cảm biến

4. 7.1.1 Khái niệm • Cảm biến là thiết bị dùng để cảm nhận biến đổi các đại lượng vật lý và các đại lượng không có tính chất điện cần đo thành các đại lượng có thể đo và xử lý được. • Các đại lượng đo (M) thường không có tính chất điện (như nhiệt độ, áp suất, trọng lượng…) tác động lên cảm biến cho ta đại lượng đặc trưng (S) mang tính chất điện như (như điện tích, điện áp, dòng điện hay trở kháng) chứa đựng thông tin cho phép xác định giá trị của đại lượng đó. • Đặc trưng (s) là hàm của đại lượng cần đo (M) S = F(M) • Người ta gọi (S) là đại lượng đầu ra hoặc phản ứng của cảm biến. (M) là đại lượng đầu vào hay kích thích ( có nguồn gốc đại lượng cần đo). Thông qua đo đạc (S) cho phép nhận biết giá trị (M)

5. 7.1.2 Phân loại cảm biến • Các bộ cảm biến được phân loại theo đặc trưng sau đây: • Theo nguyên lý chuyển đổi giữa đáp ứng kích thích. • Phân loại theo dạng kích thích • Phân loại theo phạm vi sử dụng • Phân loại theo thông số mô hình mạch thay thế

6. Theo nguyên lý chuyển đổi giữa đáp ứng kích thích

7. Phân loại theo dạng kích thích

8. Theo tính năng của bộ cảm biến • Độ nhạy • Độ chính xác • Độ phân giải • Độ chọn lọc • Độ tuyến tính • Công suất tiêu thụ • Dải tần • Độ trễ

9. Theo tính năng của bộ cảm biến

10. Phân loại theo phạm vi sử dụng • Khả năng quá tải • Tốc độ đáp ứng • Độ ổn định • Tuổi thọ • Điều kiện lựa chọn • Kích thước, trọng lượng

11. Phân loại theo phạm vi sử dụng • Công nghiệp • Nghiên cứu khoa học • Môi trường, khí tượng • Thông tin, viễn thông • Nông nghiệp • Dân dụng • Vũ trụ • Quân sự

12. Phân loại theo thông số mô hình mạch thay thế • Cảm biến tích cực đầu ra là nguồn áp, nguồn dòng (NPN, PNP…) • Cảm biến thụ động được đặc trưng bởi thông số R, L, C, M…..tuyến tính hoặc phi tuyến • Đường cong chuẩn của cảm biến là đường cong được biểu diễn sự phụ thuộc vào đại lượng điện (S) ở đầu ra của cảm biến vào giá trị của đại lượng đo (m) ở đầu vào.

13. s s 0 m 0 m a) b) Hinh 1:Ñöôøng cong chuaån cuûa caûm bieán 7.1.3. Đường cong chuẩn của cảm biến • Đường cong được biểu thể biểu diễn bằng biểu thức đại số dưới dạng S = F (M) hoặc bằng đồ thị sau đây:

14. 7.1.3. Đường cong chuẩn của cảm biến • Dạng đường cong chuẩn • Dựa vào đường cong chuẩn của cảm biến, ta có thể xác định giá trị chuẩn Mi chưa biết của M thông qua giá trị đo được Si của S • Để dễ sử dụng, người ta thường chế tạo cảm biến có sự phụ thuộc tuyến tính giữa đại lượng đầu ra và đầu vào, phương trình S = F(M) có dạng S = AM+B với A,B là các hệ số, đường cong chuẩn là đường thẳng

15. 7.2 CẢM BIẾN TIỆM CẬN • 7.2.1 Đặc điểm • 7.2.2 Các thuật ngữ thường sử dụng • 7.2.3 Cảm biến tiệm cận cảm ứng • 7.2.4 Cảm biến tiệm cận điện dung • 7.2.5 Cảm biến quang • 7.2.6 Các ứng dụng cảm biến trong công nghiệp

16. 7.2.1.Đặc điểm • Phát hiện vật không cần tiếp xúc • Tốc độ đáp ứng nhanh • Đầu cảm biến nhỏ có thể lắp đặt nhiều nơi • Có thể sử dụng trong môi trường khắc nghiệt

17. 7.2.2. Các thuật ngữ thường sử dụng • Vật chuẩn (standard sensing object) • Khoảng cách phát hiện (sensing distance) • Khoảng cách cài đặt (Setting distance) • Thời gian đáp ứng (Response time) • Tần số đáp ứng (Response Frequency)

18. Vật chuẩn (standard sensing object) • Một vật được là vật chuẩn nếu hình dạng, vật liệu kích cỡ… của vật liệu phải phù hợp để phát huy hết đặc tính kỹ thuật của sensor.

19. Beà maët caûm bieán bieán Caûm bieán tieäm caän OFF ON Ñoái töôïng Caûm Bieán Khoaûng caùch Phaùt hieän Khoaûng caùch Reset Khoảng cách phát hiện (sensing distance) • là khoảng cách từ bề mặt cảm biến ở đầu sensor tới vị trí vật chuẩn xa nhất mà sensor có thể phát hiện được.

20. Khoaûng caùch caøi ñaët Caûm bieán tieäm caän Ñoái töôïng cuûa Caûm Bieán Ngoõ ra Beà maët caûm bieán Khoaûng caùch öôùc löôïng Khoảng cách cài đặt (Setting distance) • là khoảng cách từ bề mặt cảm biến ở đầu sensor tới vị trí vật cảm biến để sensor có thể phát hiện vật ổn định (thường khoảng cách này bằng 70-80% khoảng cách phát hiện)

21. Caûm bieán tieäm caän Daõi hoaït ñoäng Ñoái töôïng cuûa Caûm Bieán Ngoõ ra Beà maët caûm bieán Trong daõi hoaït ñoäng Ngoaøi daõy hoaït ñoäng ON OFF T1 T2 Thời gian đáp ứng (Response time) • T1: Khoảng thời gian từ lúc đối tượng chuẩn chuyển động đi vào vùng phát hiện của sensor tới lúc đầu ra của sensor lên ON • T2: Khoảng thời gian từ lúc đối tượng chuẩn chuyển động đi ra khỏi vùng phát hiện của sensor tới khi đầu ra của sensor tắt về

22. f =1/T1 +T2 2M M zM Khoaûng caùch ½ caûm bieán T1 T2 T3 Vaät caûm bieán Tần số đáp ứng (Response Frequency) • là số lần tác động lập lại khi cảm biến đi vào vùng hoạt động của senso

23. 7.2.3 Cảm biến tiệm cận cảm ứng • Cảm biến cảm ứng từ gồm có 4 khối chính: • Cuộn dây và lõi Fefit • mạch dao động • mặt phát hiện • mặt đầu ra

24. 7.2.3 Cảm biến tiệm cận cảm ứng • Mạch dao động phát dao động điện từ tần số radio. Từ trường biến thiên tập trung từ lõi sắt sẽ móc vòng qua đối tượng kim loại đặt đối diện với nó. Khi đối tượng lại gần sẽ có dòng điện Foucaul cảm ứng lên trên mặt đối tượng tạo nên một tải gỉm tín hiệu dao động. Bộ phát hiện sẽ phát hiện sự thay đổi trạng thái biên độ mạch dao động. Mạch phát hiện ở vị trí ON phát tín hiệu mặt đầu ra ở vị trí ON • Từ trường do cuộn dây cảm biến thay đổi khi tương tác với vật thể bằng kim loại. Do đó, loại cảm biến này chỉ phát hiện vật thể bằng kim loại.

25. 7.2.3 Cảm biến tiệm cận cảm ứng • Đặc điểm: • Phát hiện vật không cần tiếp xúc • Đầu cảm biến nhỏ có thể lắp đặt nhiều nơi • Tốc độ đáp ứng nhanh • Làm việc trong môi trường khắc nghiệt • Làm việc theo nguyên lý cảm ứng từ, do đó dễ bị ảnh hưởng của nguồn nhiễu hay ảnh hưởng của nguồn ký sinh

26. 7.2.3 Cảm biến tiệm cận cảm ứng • Cảm biến sử dụng điện áp một chiều khoảng 10-30VDC, đầu ra cảm biến chịu dòng điện nhỏ (tối đa khoảng 200mA), đo đó thường đấu nối ra thiết bị trung gian (rơle trung gian, bộ điều khiển cảm biến . . . . )

27. Một số hình ảnh các loại cảm biến cảm ứng từ

28. Một số hình ảnh các loại cảm biến cảm ứng từ

29. Một số hình ảnh các loại cảm biến cảm ứng từ

30. Một số hình ảnh các loại cảm biến cảm ứng từ

31. 7.2.4. Cảm biến tiệm cận điện dung • Cảm biến tiệm cận điện dung khi có mặt của đối tượng làm thay đổi điện dung C của bản cực. • Cảm biến tiệm dung gồm 4 bộ phận chính: Cảm biến (các bản cực cách điện); mạch dao động; bộ phát hiện; mạch đầu ra. Tuy nhiên cãm biến dung không đòi hỏi đối tượng làm bằng kim loại. Đối tượng phát hiện là chất lỏng, vật liệu phi kim, thuỷ tinh, nhựa. Tốc độ chuyển mạch tương đối nhanh, có thể phát hiện đối tượng có kích thước nhỏ, phạm vi cảm nhận lớn. • Cảm biến điện dung chịu ảnh hưởng bởi bụi và độ ẩm. Cảm biến điện dung có vùng cảm nhận lớn hơn vùng cảm nhận của cảm biến điện cảm

32. Một số hình ảnh các loại cảm biến điện dung

33. Một số hình ảnh các loại cảm biến điện dung

34. Một số hình ảnh các loại cảm biến điện dung

35. LED ÑAÀU PHAÙT ÑAÀU THU Photo-Transistor 7.2.6 Cảm biến quang • Nguyên lý hoạt động: Khi chiếu vào nguồn sáng thích hợp vào cảm biến, tính chất dẫn điện của cảm biến thay đổi, làm mạch tín hiệu cảm ứng thay đổi theo. Như vậy thông tin ánh sáng được chuyển thành thông tin của tín hiệu điện.

36. 7.2.6 Cảm biến quang • Đầu phát của cảm biến phát ra một nguồn sáng về phía trước. Nếu có vật thể che chắn, nguồn sáng này tác động lên vật thể và phản xạ ngược lại đầu thu, đầu thu nhận tín hiệu ánh sáng này và chuyển thành tín hiệu điện. Tuỳ theo lượng ánh sáng chuyển về, mà chuyển thành tín hiệu điện áp và dòng điện và khuyếch đại thành tín hiệu ra. (Hình 6.1)

37. Ñieän aùp Ñieän aùp OK Möùc ngöôõng NG Cöôøng ñoä saùng Löôïng aùnh saùng nhaän veà ñöôïc chuyeån thaønh tín hieäu ñieän aùp hoaëc doøng ñieän, sau ñoù ñöôïc khuyeách ñaïi Cöôøng ñoä saùng Caûm bieán seõ xuaát tín hieäu ra baùo coù vaät neáu tín hieäu ñieän aùp lôùn hôn möùc ngöôõng Hình 6.2 7.2.6 Cảm biến quang

38. 7.2.6.1 Nguyên tắc đo của cảm biến quang dịch chuyển • Ánh sáng từ nguồn sáng được tập trung bởi thấu kính hội tụ và chiếu thẳng vào vật. • Tia sáng phản xạ từ vật được tập trung lên dụng cụ cảm biến vị trí (PSD: position sensing device) bằng thấu kính thu. Nếu vị trí vật ( khoảng cách đến thiết bị đo) thay đổi, hình ảnh vị trí vật hình thành trên PSD sẻ khác đi và nếu ở trạng thái cân bằng của hai ngõ ra PSD thay đổi ảnh vị trí vật hình thành trên PSD sẽ khác đi và trạng thái cân bằng của 2 PSD cũng thay đổi.

39. 7.2.6.1 Nguyên tắc đo của cảm biến quang dịch chuyển • Nếu 2 ngõ ra là A và B, tính A/(A+B) và sử dụng các giá trị thích hợp để tăng hệ số “k” và Offset “C”. • Khoảng dịch chuyển = .K-C • Giá trị đo lường của độ rọi (độ sáng) nhưng 2 ngõ dịch chuyển A và B, và chính vì vậy nếu cường độ ánh sáng nhận đươc vì khoảng cách đến vật thay đổi kết quả ngõ ra tuyến tính tương ứng sự thay đổi khoảng cách và thay đổi vị trí

40. 7.2.6.2 Phân loại • 7.2.6.2.1 Cảm biến quang thu phát độc lập (Thought Beam) • 7.2.6.2.2Cảm biến quang phát thu chung (Retro Replective) • 7.2.6.2.3 Cảm biến quang khuyếch đại ( Diffuse Replective) • 7.2.6.2.4 Cảm biến quang phản xạ giới hạn (Limited Reflective)

41. Khoaûng caùch phaùt hieän Ñaàu phaùt Ñaàu thu 7.2.6.2.1 Cảm biến quang thu phát độc lập (Thought Beam) • Đặc điểm: • Độ tin cậy cao • Khoảng cách phát hiện xa • Không bị ảnh hưởng bởi bề mặt, màu sắc vật

42. Khoaûng caùch Phaùt hieän Ñaàu phaùt vaø ñaàu thu Göông 7.2.6.2.2 Cảm biến quang phát thui chung (Retro Replective) • Đặc điểm: • Dễ lắp đặt. • Bị ảnh hưởng bởi màu sắc, bề mặt vật, nền . . .

43. Khoaûng caùch phaùt hieän Vaät 7.2.6.2.3 Cảm biến quang khuyếch đại ( Diffuse Replective) • Đặc điểm: • Dễ lắp đặt. • Bị ảnh hưởng bởi màu sắc, bề mặt vật, nền . . .

44. Ñaàu thu vaø ñaàu phaùt Khoaûng caùch phaùt hieän Truïc thu Truïc phaùt Vaät Neàn 7.2.6.2.4 Cảm biến quang phản xạ giới hạn (Limited Reflective) • Đặc điểm: • Chỉ phát hiện vật trong vùng phát hiện giới hạn • Không bị ảnh hưởng bởi màu nền phía sau cảm biến • Lý tưởng cho nhiều ứng dụng cần triệt tiêu nền

45. 7.2.6 Các ứng dụng cảm biến trong công nghiệp • Sự đa dạng về chủng loại trong các sản phẩm cảm biến đáp ứng được nhiều ứng dụng chuyên sâu trong lỉnh vực tự động hoá công nghiệp. Một vài ứng dụng điển hình...  • Phát hiện màn trong • Phát hiện dấu/vết trên nền • Phát hiện dây băng • Phát hiện băng niêm phong trên nắp lọ/hộp • Phát hiện nhãn bằng plastic bóng trên giấy • Phát hiện nắp nhôn trên chai nước • Phát hiện chai PET

46. 7.2.6 Các ứng dụng cảm biến trong công nghiệp • Phát hiện mẫu bánh trên băng chuyền • Phân biệt chiều cao của nắp • Phát hiện mức sữa/nước trái cây bên trong hộp • Cảm biến phát hiện màu • Đo đường kính của ống • Kiểm tra hiện tượng thủng nắp thiếc, nắp nhôm • Phát hiện nắp lọ bị lỏng • Kiểm mẫu, phát hiện chiều quay của viên pin • Phát hiện lon kim loại

47. Phát hiện màn trong • E3S-R12 là sensor chuyên dùng để phát hiện các màn trong suốt với độ tin cậy cao. Các sensor quang thông thường không thể xác định được chính xác như vậy.

48. Phát hiện dấu/vết trên nền • E3X-DA là sensor có đèn led màu đỏ/màu xanh dương hoặc xanh lá cho phép phát hiện độ tương phản giữa các điểm, các vết màu trên nền. Người kỹ sư rất dễ vận hành nhờ nút Tech trên sensor.

49. Phát hiện dây băng • Bao thuốc lá được bọc bởi một vỏ bọc nylon sáng màu và có 1 dy băng để dễ dàng bóc lớp bao này ra. Có thể dùng sensor trong trường hợp này để phát hiện dây băng này có nằm đúng vị trí hay không. E3C-VM35R rất nhỏ, có thể phát hiện vật thể có kích thướt nhỏ đến 0,2mm. Nó cũng phân biệt được sự khác biệt rất nhỏ về màu sắc.

50. Phát hiện băng niêm phong trên nắp lọ/hộp • Nắp lọ/hộp được bọc bởi một lớp plastic bảo vệ niêm phong ngăn không khí, vỏ bọc này rất mỏng, trong suốt, và bóng láng. Một sensor truyền thống không thể phát hiện được chính xác đối tượng có độ bóng cao như vậy. Omron đã sáng chế ra loại sensor cụ thể đáp ứng được yêu cầu trên là: E3X-NL11 dùng với đầu E32-S15L1 với độ tin cậy cao