Transcript Chương 7: CẢM BIẾN (SENSOR)

Chương 7:
CẢM BIẾN (SENSOR)
Giảng viên: NINH VĂN TIẾN
Nội dung


7. 1 Khái quát
7.2 Cảm biến tiệm cận
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
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)
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
Theo nguyên lý chuyển đổi giữa đáp
ứng kích thích
Hiện tượng Chuyển đổi và đáp ứng kích thích
Vật lý
- Nhiệt điện; - Quang điện; - Quang từ
- Điện từ; - Quang đàn hồi; - Từ điện
- Nhiệt từ....
Hoá học
- Biến đổi hoá học ; - Biến đổi điện hoá
- Phân tích phổ…..
Sinh Học
- Biến đổi sinh hoá; - Biến đổi vật lý.
- Hiệu ứng trên cơ thể sống
Phân loại theo dạng kích thích
Âm
thanh
-Biên pha, phân cực; -Phổ; -Tốc độ truyền sóng
Điện
-Điện tích, dòng điện; -Điện thế, điện áp
-Điện trường; -Điện dẫn, hằng số điện môi
Từ
-Từ trường; -Từ thông, cường độ điện trường; -Độ từ
thẩm
Quang
-Biên, pha, phân cực,phổ; -Tốc độ truyền
-Hệ số phát xạ, khúc xạ; -Hệ số hấp thụ, hệ số bức xạ
Cơ
-Vị trí; -lực ,áp suất; -Gia tốc, vận tốc
-Ứng suất, độ cứng; -Moment; -Khối luợng tỷ trọng
-Vân tốc chất lưu, độ nhớt…
Nhiệt
-Nhiệt độ; -Thông lượng; -Nhiệt dung, tỉ nhiệt
Bức xạ
-Kiểu; -Năng lượng; -Cường độ
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
Theo tính năng của bộ cảm biến








Độ nhạy
Độ chính xác
Độ phân giải
Độ chọn lọc
Độ chính xác
Độ tuyến tính
Công suất tiêu thụ
Dải tần







Độ trễ
Khả năng quá tải
Tốc độ đáp ứng
Độ ổn định
Tuổi thọ
Điều kiện lựa chọn
Kích thước, trọng lượng
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
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
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.
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:
s
s
0
m
0
a)
m
b)
Hinh 1:Ñöôøng cong chuaån cuûa caûm bieán
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
7.2 CẢM BIẾN TIỆM CẬN






7.2.1
7.2.2
7.2.3
7.2.4
7.2.5
7.2.6
Đặc điểm
Các thuật ngữ thường sử dụng
Cảm biến tiệm cận cảm ứng
Cảm biến tiệm cận điện dung
Cảm biến quang
Các ứng dụng cảm biến trong công nghiệp
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
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)
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.
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.
OFF
Beà maët
caûm bieán
bieán
ON
Ñoái
töôïng
Caûm
Bieán
Khoaûng caùch
Phaùt hieän
Khoaûng caùch Reset
Caûm bieán tieäm
caän
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 7080% khoảng cách
phát hiện)

Khoaûng caùch caøi ñaët
Ñoái
töôïng
cuûa
Caûm
Bieán
Khoaûng caùch öôùc löôïng
Caûm bieán tieäm caän
Ngoõ ra
Beà maët caûm bieán
Thời gian đáp ứng (Response
time)
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
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
Tần số đáp ứng (Response
Frequency)
là số lần tác động lập lại khi cảm biến đi vào vùng
hoạt động của senso

/
f =1 T1 +T2
2M
M
zM
Khoaûng caùch ½ caûm
bieán
T1
T3
Vaät caûm bieán
T2
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
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.
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
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 . . . . )
Một số hình ảnh các loại cảm
biến cảm ứng từ
Một số hình ảnh các loại cảm
biến cảm ứng từ
Một số hình ảnh các loại cảm
biến cảm ứng từ
Một số hình ảnh các loại cảm
biến cảm ứng từ
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
Một số hình ảnh các loại cảm
biến điện dung
Một số hình ảnh các loại cảm
biến điện dung
Một số hình ảnh các loại cảm
biến điện dung
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
LED
hiệu điện.
ÑAÀU
PHAÙT
AM P
AM P
ÑAÀ
U
THU
PhotoTransistor
V
AÄ
T
T
H
EÅ
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)
7.2.6 Cảm biến quang
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
Hình 6.2
Cöôøng ñoä saùng
Caûm bieán seõ xuaát tín hieäu ra baùo coù vaät neáu tín hieäu
ñieän aùp lôùn hôn möùc ngöôõng
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.
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”.
A
 Khoảng dịch chuyển =
.K-C
A  B

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
7.2.6.2 Phân loại




7.2.6.2.1 Cảm biến quang thu phát độc lập (Thought
Beam)
7.2.6.2.2 Cảm 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)
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
Khoaûng caùch
phaùt hieän
Ñaàu phaùt
Ñaàu thu
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 . . .
Ñaàu phaùt vaø ñaàu thu
Khoaûng caùch
Phaùt hieän
Göông
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 . . .
Khoaûng caùch phaùt hieän
Vaät
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
Ñaàu thu vaø ñaàu phaùt
Khoaûng caùch
phaùt hieän
Truïc thu
Truïc phaùt
Vaät
Neàn
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
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
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.
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.
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.
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
Phát hiện nhãn bằng plastic bóng
trên giấy

Nhãn giấy bằng plastic có độ phản xạ rất cao mà các
loại sensor trước đây không thể phát hiện được. Sensor
E3X-NL11 với đầu fiber E32-S15L-1 của OMRON có thể
được dùng để phát hiện các vật thể bóng loáng như
trong trường hợp này.
Phát hiện nắp nhôm trên chai nước

Nhiệm vụ là phát hiện nắp nhôm trên chai nước. E2CYC2A là sensor tiệm cận chuyên để phát hiện vật thể
bằng nhôm với độ tin cậy cao. Nó rất dễ cài đặt, chỉ cần
ấn nút TEACH trên bộ khuyếch đại.
Phát hiện chai PET

Chai PET thường rất mỏng và chứa nước hoặc chất lỏng
trong suốt. Hình dạng của chai là hình trọn hoặc hình
vuông với các gờ cạnh. Do vậy, việc dùng các loại
sensor quang thông thường để phát hiện sẽ không tin
cậy. Omron đã phát triển 1 loại sensor đặc biệt dùng
cho mục đích này là model E3Z-B với độ tin cậy cao.
Phát hiện mẫu bánh trên băng
chuyền

Phát hiện mẩu bánh, kẹo với kích thướt và hình dạng,
màu sắc khác nhau mà không cần phải cài đặt, thiết lập
phức tạp. E3S-CL là loại Photosensor của OMRON với
khoảng cách phát hiện xác định và điều chỉnh được dễ
dàng.
Phân biệt chiều cao của nắp

E3G-L1 là loại photosensor đặt được khoảng cách thế hệ
mới. Nó có thể phát hiện 1 cách chính xác sự khác biệt
dù là nhỏ nhất về chiều cao vật. Hoạt động của sensor
không bị ảnh hưởng bởi màu sắc, chất liệu, độ nghiêng
dốc, độ bóng và kích thướt vật thể. Có thể dể dàng
chỉnh được khoảng cách phát hiện của sensor bằng nàn
hiển thị kép.
Phát hiện mức sữa/nước trái
cây bên trong hộp

Phát hiện sữa/nước trái cây bên trong hộp màu trắng,
không trong suốt (hộp đã đóng nắp). E3Z-T61 với tia
sáng mạnh, có thể xuyên qua lớp vỏ bọc giấy bên ngoài
của hộp và do đó có thể phát hiện được sữa/trái cây có
bên trong hộp giấy hay không. E2K-C là sensor tiệm cận
công suất lớn, nó cũng có thể phát hiện được có chất
lỏng bên trong hộp hay không.
Cảm biến phát hiện màu

Nhiệm vụ là phát hiện bàn chải đánh răng và phân loại
các màu khác nhau. E3MC là loại sensor màu, nó rất dễ
dàng nhận biết màu của vật theo yêu cầu (có chức năng
Teach). Tín hiệu ra của E3MC có thể nối với bộ điều
khiển để phân loại, xác định lỗi …
Đo đường kính của ống

Sensor laser với tia sáng song song Z4LC là loại cho
phép đo đường kính ống với độ chính xác cao mà không
cần tiếp xúc.
Kiểm tra hiện tượng thủng nắp
thiếc, nắp nhôm

Bằng cách kiểm tra độ lõm của nắp. Sensor lazer ZX có
thể phân biệt được độ chênh lệch chiều cao rất nhỏ, do
vậy khi nắp bị dẹp (do thủng lỗ) hay lồi lên, đầu ra sẽ
được cảnh báo ngay với tốc độ hoạt động khá cao
Phát hiện nắp lọ bị lỏng

Phát hiện nắp lọ bị lỏng với Z4LB-S10V2 của loại sensor
thông minh ZX-LT với tia lazer song song có thể phát
hiện được nắp lọ bị lỏng hoặc các ứng dụng tương tự
chính xác tới vài micromet.
Kiểm mẫu, phát hiện chiều quay
của viên pin

Sensor F10 hoạt động trên nguyên tắc bắt hình và so
với mẫu đã lưu. Do đó ta có thể kiểm tra sản phẩm có
hình ảnh không đúng như mẫu đã lưu (hình bị quay,
nghiêng, sai loại…)
Phát hiện lon kim loại

Phát hiện các lon kim loại đang di chuyển trên băng
chuyền. E2EV là loại cảm biến tiệm cận cảm ứng từ, có
thể phát hiện tất cả các kim loại, ngoài ra còn có loại
sensor phát hiện sắt từ(E2E) và sensor chỉ phát hiện
nhôm/đồng là E2EY.