Tiểu luận Proximity sensor (cảm biến tiệm cận)

PROXIMITY SENSOR (CẢM BIẾN TIỆM CẬN) < INDUCTIVE PROXIMITY SENSOR: Cảm biến tiệm cận điện cảm (inductive proximity sensor) là loại cảm biến dùng để phát hiện sự có mặt của một vật thể mà không cần tiếp xúc trực tiếp với vật thể đó, cảm biến tiệm cận đa dạng về kích cỡ và hình dáng, được ứng dụng trong nhiều mục đích và lĩnh vực khác nhau. Loại cảm biến này gồm có một cuộn dây điện từ được sử dụng để phát hiện sự có mặt của một vật thể kim loại, nó không thể phát hiện một vật thể phi kim. 1.Cấu tạo nguyên lý hoạt động của Inductive Pro Sensor: Cấu tạo:gồm có 4 thành phần chính: Coil: Cuộn dây cảm biến. Oscillator: Bộ tạo dao động gồm một tụ điện và một cuộn dây mắc song song. Trigger Circuit: Mạch ghi nhận tín hiệu. Output Circuit: Mạch điện ngõ ra. Nguyên lý hoạt động: Khi một vật thể kim loại tiến vào vùng từ trường ( sinh ra bởi bề mặt xuyên qua cuộn dây dến bề mặt của cảm biến) (khoảng cách từ 0÷20 cm), từ trường này phản hồi lại giữ cho mạch dao động tiếp tục hoạt động. Khi một vật thể kim loại tiến vào vùng từ trường, một dòng điện xoáy sinh ra trên bề mặt vật thể kim loại. Dòng điện xoáy này tạo nên tải của cảm biến, làm giảm biên độ của vùng điện từ. Khi vật thể càng đến gần cảm biến thì dòng điện xoáy càng tăng lên làm tăng tải của mạch dao động và hơn nữa làm giảm biên độ của từ trường (từ trở tăng lên). Đến một trị số nào đó sẽ không tăng nữa và bộ tạo dao động sẽ không dao động nữa, tín hiệu này sẽ được ghi nhận (bởi mạch Trigger), xử lý và đưa ra ngõ ra. Khi vật thể đi ra khỏi vùng cảm biến, biên độ tần số của mạch dao động tăng lên đến một giá trị định trước thì mạch Trigger thay đổi trạng thái ngõ ra của cảm biến và trạng thái ban đầu của nó. Phân loại : Gồm 5 loại chính Cylindrical : Loại hình trụ. Rectangular: Loại hình chữ nhật. Miniature : Loại dẹt – mỏng. Harsh enviroment : Loại dùng trong môi trường khắc nghiệt. Special purpose: Loại dùng cho mục đích đặc biệt. Đặc tính kĩ thuật: Ưu điểm: Phát hiện được những khoảng cách nhỏ (≤1 inch) Phát hiện được những kim loại có tính chất sắt từ hay không sắt từ, cấu trúc bé, không ảnh hưởng bởi bụi bẩn, dầu, độ ẩm… Độ chính xác cao. Điện áp đầu vào 10 ÷ 30 VDC (cho từng loại) Tuổi thọ cao 100.000 hours. Dễ lắp đặt. Chịu nhiệt độ từ 400C -> 850C. Nhược điểm: Biên độ tín hiệu và sự tuyến tính bị ảnh hưởng bởi tính chất điện từ của vật liệu cần đo. Chiều dài dây nối sensor bị hạn chế khoảng 12÷18mm vì tần số dao động cao. Target (đối tượng cảm biến): Target đúng tiêu chuẩn thường là thép, có bề dày 1mm, chiều dài cũng như chiều rộng bằng đường kính của đầu cảm biến sensor (Active Face), hướng vuông góc với cảm biến. Đối với cảm biến có vòng chắn thì Target chuẩn có kích thước bằng với đường kính của bề mặt tác động của cảm biến. Target chuẩn đối với cảm biến không có vòng chắn là vật có bề mặt bằng với đường kính của bề mặt tác động của cảm biến hoặc bằng 3 lần vùng tác động của cảm biến và có thể lớn hơn. Để khoảng cách cảm biến với Target đạt chuẩn theo quy định của nhà sản xuất thì Target ≥ d. Tuy nhiên, nếu Target < Standard Target hoặc có hình dạng không đều thì khoảng tác động của cảm biến (Sn) giảm xuống. Do đó phải đạt gần hơn thì cảm biến mới có thể nhận thấy được. Hệ số chỉnh sửa kích thước vật thể: Một hệ số chỉnh sửa chấp nhận được khi vật thể nhỏ hơn vật chuẩn. Để xác định vùng cảm ứng cho vật thể nhỏ hơn vật chuẩn (Snew), ta nhân khoảng cách vùng tác động của cảm biến (Srated) với hệ số chỉnh sửa (T). Ví dụ: Như một cảm biến có vòng chắn có khoảng cách vùng tác động là 1mm và vật thể cần phát hiện có kích thước bằng một nửa vật chuẩn, ta tính được khoảng cách tác động mới là 0.83 mm (1mm x 0.83). Snew = Srated x T Snew = 1mm x 0.83 Snew = 0.83 mm Bảng thông số về độ chính xác cho mỗi loại Target: Độ dày của vật thể: Độ dày của vật thể là một hệ số khác cần được xem xét. Khoảng cách vùng tác động thì không đổi đối với vật chuẩn. Tuy nhiên đối với vật thể không có sắt trong thành phần như đồng thau (brass), nhôm (aluminum), và đồng đỏ(copper) thì sẽ xảy ra hiện tượng “hiệu ứng bề mặt” (skin effect). Khoảng cách vùng cảm ứng sẽ giảm khi độ dày của vật thể tăng lên. Nếu độ dày của vật thể khác so với vật chuẩn thì một hệ số chỉnh sửa sẽ được dung để điều chỉnh lại. Kim loại của vật thể: Kim loại cấu tạo nên vật thể củng ảnh hưởng đến khoảng cách vùng tác động. Khi một kim loại nào đó khác thép thì một hệ số chỉnh sửa được sử dụng để hiệu chỉnh. Vùng tác động của cảm biến: Khoảng cách tác động (Sn) (the rated sensing distance) là một giá trị lý thuyết mà nó không phụ thuộc vào tính toán như là sai số của quá trình sản xuất, nhiệt độ hoạt động và điện áp cung cấp. Trong một vài trường hợp cảm biến có thể phát hiện ra vật thể nằm ngoài khoảng cách tác động này. Hoặc có trường hợp vật thể không được phát hiện cho đến khi nó đến gần hơn khoảng cách tác động. Có một vài giới hạn phải được xem xét khi ước lượng khoảng cách tác động trong mỗi trường hợp cụ thể. Khoảng cách hoạt động hiệu quả (Sr) (the effective operating distance) ở điều kiện nguồn điện cung cấp ổn định với nhiệt độ dao động trong khoảng từ 230C ± 0.50C. Nó dựa vào việc tính toán sai số trong quá trình sản xuất. Khoảng cách hoạt động hiệu quả khoảng ± 100C của khoảng cách tác động (Sn). Điều này có nghĩa là vật thể sẽ được phát hiện trong khoảng từ 0 đến 90% của khoảng cách tác động. Tùy thuộc vào mỗi thiết bị, tuy nhiên, khoảng cách tác động hiệu quả (Sr) có thể xa hơn 110% của khoảng cách tác động (Sn). Khoảng cách chuyển mạch hữu ích (Su) (the useful switching distance) là khoảng cách chuyển mạch được tính toán theo điều kiện điện áp và nhiệt độ lý thuyết. Khoảng cách chuyển mạch hữu ích (Su) thì bằng khoảng 10% của khoảng cách hoạt động hiệu quả (Sr). Khoảng cách hoạt động chắc chắn (Sa) (the guaranteed operating distance) là khoảng cách chuyển mạch cho sự hoạt động của cảm biến tiệm cận trong phạm vi điều kiện hoạt động cụ có thể chấp nhận được đảm bảo. Khoảng cách hoạt động chắc chắn (Sa) nằm trong khoảng 0 ÷ 81% của khoảng cách hoạt động (Sn). Các chuyển mạch của cảm biến tiệm cận chỉ đáp ứng lại với vật thể khi vật thể đó nằm trong khu vực xác định đằng trước bề mặt của cảm biến. Điểm mà cảm biến tiệm cận nhận ra được một vật thể mang đến gọi là điểm tác động (operating point). Và điểm mà khi vật thể đi ra làm thiết bị chuyển lại trạng thái ban đầu gọi là điểm thoát (release point). Khoảng cách giữa 2 điểm này gọi là vùng trễ (hysteretis zone). Kích thước và hình dạng của đường cong đáp ứng thì tùy thuộc vào từng loại cảm biến cụ thể. Đáp ứng dưới đây miêu tả cụ thể một loại cảm biến tiếp cận cụ thể. Hysteresis là khoảng cách giữa điểm hoạt động và khoảng hoạt động của sensor. Biên độ dao động phải bé hơn dải Hysteresis để tránh tạo ra các xung chuyển mạch khi sensor ON/OFF. Tốc độ lớn nhất mà sensor có thể đọc riêng lẻ từng tín hiệu xung (đối với Target quay) khi vật ở trong hay ở ngoài vùng cảm biếnvật. Giá trị này phụ thuộc vào kích thước vật cảm biến (mXm), khoảng cách từ bề mặt cảm biến đến bề mặt đối tượng Sn/2, tốc độ chuyển động của Target. Các yếu tố trên sẽ cho ta biết khả năng lớn nhất về hoạt động của cảm biến trên một đơn vị thời gian. d:đường kính Active Face Sn: khoảng cách tối thiểu có thể của cảm Vòng chắn( Sheilding) Shielded Inductive Pro Sensor: Cấu tạo tương tự như IPS nhưng có thêm miếng kim loại mỏng bao quanh lõi ferrit và cuộn dây, lõi ferrit tập trung từ trường phân tán vào hướng sử dụng (hướng mà vật thể cần phát hiện sẽ đi qua). Cảm biến tiếp cận có vòng chắn gồm có vòng kim loại bao quang lõi để giới hạn từ trường tỏa ra ở phần bên. Loại cảm biến này có thể đặt lên giá bằng kim loại, có một khoảng trống không cảm ứng được, kim loại ở trên và trước bề mặt tác động của cảm biến. Mỗi cảm biến sẽ có hướng dẫn kèm theo cho mỗi ứng dụng. Nếu có bề mặt kim loại đặt đối diện với cảm biến thì nó phải được đặt xa hơn tối thiểu 3 lần khoảng tác động của cảm biến. Unshielded Inductive Pro Sensor (không có màng chắn): Có thị trường tác động rộng hơn loại có màn chắn. Lõi ferrit tập trung từ trường phân tán vào hướng sử dụng (hướng mà vật thể cần phát hiện sẽ đi qua). Khoảng cách giữa các cảm biến: Cần phải chú ý khi sử dụng nhiều cảm, khi có hai hay nhiều hơn cảm biến đặt kế nhau hay đối diện nhau có thể xảy ra nhiễu hoặc sự ảnh hưởng lẫn nhau giữa chúng dẫn đến sai tín hiệu đầu ra. Những nguyên dưới đây tắc nhìn chung có thể làm thấp nhất sự tác động lẫn nhau của các cảm biến: Các loại cảm biến có vòng chắn đặt đối diện nhau phải cách ít nhất 4 lần vùng tác động của cảm biến. Các loại cảm biến không có vòng chắn đặt đối diện nhau phải cách ít nhất 6 lần vùng tác động của cảm biến. Các loại cảm biến có vòng chắn đặt cạnh nhau phải cách ít nhất 2 lần đường kính bề mặt tác động của cảm biến. Các loại cảm biến không có vòng chắn đặt cạnh nhau phải cách ít nhất 3 lần đường kính bề mặt tác động của cảm biến. Các loại ngõ ra: Loại cảm biến tiệm cận điện cảm có 3 dây đầu ra (sử dụng điện áp DC) có thể có ngõ ra là PNP hoặc là NPN. Điều này phụ thuộc vào loại transistor được sử dụng trong chuyển mạch ngõ ra của cảm biến. Hình vẽ dưới đây minh họa cho loại cảm biến có ngõ ra là PNP. Thiết bị tải được mắc giữa ngõ ra (ký hiệu A) và dây(-) của nguồn điện (ký hiệu L-). Một transistor loại PNP được mắc giữa ngõ ra (A) và dây (+) (ký hiệu L+) của nguồn điện. Khi transistor hoạt động ở chế độ ON,có một dòng điện đi từ dây (L+) qua tải đến dây (L-). Trong trường hợp này, dòng điện này được gọi là dòng điện nguồn(dòng điện quy ước), nó đi từ chiều(+) đến chiều(-) của nguồn điện và đi qua tải. Thuật ngữ này gây khó khăn cho những người mới sử dụng cảm biến, vì dong electron(dòng điện thực) đi từ chiều(-), qua tải và sau đó đến chiều (+) của nguồn khi transistor PNP hoạt động ở chế độ ON. Hình vẽ dưới đây minh họa cho loại cảm biến có ngõ ra là loại NPN. Thiết bị tải được mắc giữa ngõ ra(ký hiệu A) và dây (+) của nguồn(kí hiệu L+). Một loại transistor loại NPN được mắc giữa ngõ ra(A) và dây (+) (kí hiệu L+) của nguồn điện. Khi transistor hoạt động ở chế độ ON, dòng điện đi qua tải gọi là dòng điện mát (dòng điện quy ước). Dòng điện này có chiều ngược lại so với dòng electron (dòng điện thực). Ngõ ra được gọi là thường mở (NO) hoặc thường đóng (NC) tùy thuộc vào trạng thái của transistor khi chưa phát hiện ra vật thể. Ví dụ, ngõ ra PNP là OFF khi chưa phát hiện ra vật thể, khi đó nó là một thiết bị thường mở. Ngược lại nếu ngõ ra PNP là ON khi chưa phát hiện ra vật thể, khi đó nó là một thiết bị thường đóng. Ngoài ra còn có loại cảm biến có ngõ ra bổ sung (có 4 dây ở ngõ ra). Ngõ ra bổ sung là loại ngõ ra có cả tiếp điểm thường đóng và thường mở trên cùng một cảm biến. Các dạng kết nối cảm biến với tải: Trong một vài ưng dụng có thể phải sử dụng nhiều cảm biến để điều khiển một quá trình công tác.những cảm biến này có thể được kết nối với nhau theo kiểu song song hoặc nối tiếp. Đối với kiểu kết nối nối tiếp tất cả cảm biến đều ON thì ngõ ra mới ON. Còn đối với kiểu kết nối song song thì một trong các cảm biến ON thì ngõ ra sẽ ON. Có một vấn đề phải được xem xét khi kết nối các cảm biến theo kiểu kết nối song song. Chẳng hạn vấn đề sụt áp trên mỗi cảm biến khi có nhiều cảm biến mắc nối tiếp với nhau. Nối nối tiếp: Ở trường hợp này để cho cảm biến hoạt động bình thường thì điện áp rơi trên tải phải bé hơn hoặc bằng điện áp nguồn trừ đi điện áp rơi trên các cảm biến. Vload ≤ Vsoure -Vsensor Kết nối song song: Điều khiển tổng các dòng rò trên cảm biến phải bé hơn dòng điện tĩnh lớn nhất của tải: Iroø ≤ Istatic load *Chú ý: Khi kết nối song song nếu dòng rò chạy qua tải quá lớn thì có thể do công tắc bán dẫn thay đổi trạng thái. *Điện trở R* để ổn định điện áp bé nhất khi cảm biến đang hoạt động Ứng dụng trong công nghiệp và sản xuất: Điều khiển lưu lượng bằng phao. Điều khiển máy tiện, máy cắt. Điều khiển quy trình nấu chảy chất dẻo của máy đúc chất dẻo (giữ cho nhiệt độ ổn định).