Tự động hóa - Chương 7: Cảm biến (sensor)

Chương 7: CẢM BIẾN (SENSOR)Giảng viên: NINH VĂN TIẾNNội dung 7. 1 Khái quát7.2 Cảm biến tiệm cận7.1 .KHÁI QUÁT7.1.1 Khái niệm & phân loại 7.1.2 Phân loại cảm biến7.1.3. Đường cong chuẩn của cảm biến7.1.1 Khái niệmCảm 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 biếnCác 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 thíchPhân loại theo phạm vi sử dụngPhân loại theo thông số mô hình mạch thay thếTheo nguyên lý chuyển đổi giữa đáp ứng kích thíchHiện tượngChuyển đổi và đáp ứng kích thíchVật 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 sốngPhân loại theo dạng kích thích Âm thanh-Biên pha, phân cực; -Phổ; -Tốc độ truyền sóngĐiện-Điện tích, dòng điện; -Điện thế, điện áp-Điện trường; -Điện dẫn, hằng số điện môiTừ-Từ trường; -Từ thông, cường độ điện trường; -Độ từ thẩmQuang-Biên, pha, phân cực,phổ; -Tốc độ truyền-Hệ số phát xạ, khúc xạ; -Hệ số hấp thụ, hệ số bức xạCơ-Vị trí; -lực ,áp suất; -Gia tốc, vận tốc-Ứng suất, độ cứng; -Moment; -Khối luợng tỷ trọng-Vân tốc chất lưu, độ nhớtNhiệt-Nhiệt độ; -Thông lượng; -Nhiệt dung, tỉ nhiệtBức xạ-Kiểu; -Năng lượng; -Cường độTheo tính năng của bộ cảm biếnĐộ nhạyĐộ chính xácĐộ phân giảiĐộ chọn lọcĐộ tuyến tínhCông suất tiêu thụDải tầnĐộ trễTheo tính năng của bộ cảm biếnĐộ nhạyĐộ chính xácĐộ phân giảiĐộ chọn lọcĐộ chính xácĐộ tuyến tínhCông suất tiêu thụDải tầnĐộ trễKhả năng quá tảiTốc độ đáp ứngĐộ ổn địnhTuổi thọĐiều kiện lựa chọnKích thước, trọng lượngPhân loại theo phạm vi sử dụngKhả năng quá tảiTốc độ đáp ứngĐộ ổn địnhTuổi thọĐiều kiện lựa chọnKích thước, trọng lượngPhân loại theo phạm vi sử dụngCông nghiệpNghiên cứu khoa họcMôi trường, khí tượngThông tin, viễn thôngNông nghiệpDân dụngVũ trụQuân sựPhân loại theo thông số mô hình mạch thay thếCảm 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 tuyếnĐường 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:00ssmma)b)Hinh 1:Ñöôøng cong chuaån cuûa caûm bieán7.1.3. 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 SĐể 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 thẳng7.2 CẢM BIẾN TIỆM CẬN7.2.1 Đặc điểm7.2.2 Các thuật ngữ thường sử dụng7.2.3 Cảm biến tiệm cận cảm ứng7.2.4 Cảm biến tiệm cận điện dung7.2.5 Cảm biến quang7.2.6 Các ứng dụng cảm biến trong công nghiệp7.2.1.Đặc điểmPhát hiện vật không cần tiếp xúcTốc độ đáp ứng nhanhĐầu cảm biến nhỏ có thể lắp đặt nhiều nơiCó thể sử dụng trong môi trường khắc nghiệt7.2.2. Các thuật ngữ thường sử dụngVật 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.Ñoái töôïngCaûm Bieán OFF ONBeà maët caûm bieán bieánCaûm bieán tieäm caänKhoaûng caùchPhaùt hieänKhoaûng caùch ResetKhoảng cách cài đặt (Setting distance)Ñoáitöôïng cuûa CaûmBieánCaûm bieán tieäm caänNgoõ ra Beà maët caûm bieánKhoaûng caùch öôùc löôïngKhoaûng caùch caøi ñaët 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)Thời gian đáp ứng (Response time)Ñoáitöôïng cuûa CaûmBieánCaûm bieán tieäm caänNgoõ ra Beà maët caûm bieánDaõi hoaït ñoäng T1 T2Trong daõi hoaït ñoäng Ngoaøi daõy hoaït ñoängONOFFT1: Khoảng thời gian từ lúc đối tượng chuẩn chuyển động đi vào vùng phát hiện của sensor tới lúc đầu ra của sensor lên ONT2: 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 vềTần số đáp ứng (Response Frequency) là số lần tác động lập lại khi cảm biến đi vào vùng hoạt động của senso Khoaûng caùch ½ caûm bieánVaät caûm bieán 2M M zMT1 T2 T3f =1/T1 +T27.2.3 Cảm biến tiệm cận cảm ứngCảm biến cảm ứng từ gồm có 4 khối chính: Cuộn dây và lõi Fefitmạch dao độngmặt phát hiệnmặt đầu ra7.2.3 Cảm biến tiệm cận cảm ứngMạch 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 ONTừ 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 ứngĐặc điểm:Phát hiện vật không cần tiếp xúcĐầu cảm biến nhỏ có thể lắp đặt nhiều nơiTốc độ đáp ứng nhanhLàm việc trong môi trường khắc nghiệtLàm việc theo nguyên lý cảm ứng từ, do đó dễ bị ảnh hưởng của nguồn nhiễu hay ảnh hưởng của nguồn ký sinh7.2.3 Cảm biến tiệm cận cảm ứngCảm 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 từMột số hình ảnh các loại cảm biến cảm ứng từMột số hình ảnh các loại cảm biến cảm ứng từMột số hình ảnh các loại cảm biến cảm ứng từ7.2.4. Cảm biến tiệm cận điện dungCảm 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 cảmMột số hình ảnh các loại cảm biến điện dungMột số hình ảnh các loại cảm biến điện dungMột số hình ảnh các loại cảm biến điện dung7.2.6 Cảm biến quangNguyên 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. LEDÑAÀU PHAÙTÑAÀU THUPhoto-Transistor7.2.6 Cảm biến quangĐầu 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 quangÑieän aùpÑieän aùpMöùc ngöôõngOKNGCöôøng ñoä saùngLöôïng aùnh saùng nhaän veà ñöôïc chuyeån thaønh tín hieäu ñieän aùp hoaëc doøng ñieän, sau ñoù ñöôïc khuyeách ñaïiCöôøng ñoä saùngCaûm bieán seõ xuaát tín hieäu ra baùo coù vaät neáu tín hieäu ñieän aùp lôùn hôn möùc ngöôõngHình 6.27.2.6.1 Nguyên tắc đo của cảm biến quang dịch chuyểnÁnh 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 chuyểnNếu 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-CGiá 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 trí7.2.6.2 Phân loại7.2.6.2.1 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 caoKhoảng cách phát hiện xaKhông bị ảnh hưởng bởi bề mặt, màu sắc vật Ñaàu phaùtÑaàu thuKhoaûng caùch phaùt hieän7.2.6.2.2 Cảm biến quang phát thui chung (Retro Replective)Đặc điểm:Dễ lắp đặt.Bị ảnh hưởng bởi màu sắc, bề mặt vật, nền . . . Khoaûng caùchPhaùt hieänÑaàu phaùt vaø ñaàu thuGöông7.2.6.2.3 Cảm biến quang khuyếch đại ( Diffuse Replective)Đặc điểm:Dễ lắp đặt.Bị ảnh hưởng bởi màu sắc, bề mặt vật, nền . . . VaätKhoaûng caùch phaùt hieän7.2.6.2.4 Cảm biến quang phản xạ giới hạn (Limited Reflective)Đặc điểm:Chỉ phát hiện vật trong vùng phát hiện giới hạnKhông bị ảnh hưởng bởi màu nền phía sau cảm biếnLý tưởng cho nhiều ứng dụng cần triệt tiêu nềnKhoaûng caùchphaùt hieänTruïc thuÑaàu thu vaø ñaàu phaùtVaätTruïc phaùtNeàn7.2.6 Các ứng dụng cảm biến trong công nghiệpSự 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 trongPhát hiện dấu/vết trên nềnPhát hiện dây băngPhát hiện băng niêm phong trên nắp lọ/hộpPhát hiện nhãn bằng plastic bóng trên giấyPhát hiện nắp nhôn trên chai nướcPhát hiện chai PET7.2.6 Các ứng dụng cảm biến trong công nghiệpPhát hiện mẫu bánh trên băng chuyềnPhân biệt chiều cao của nắpPhát hiện mức sữa/nước trái cây bên trong hộpCảm biến phát hiện màuĐo đường kính của ốngKiểm tra hiện tượng thủng nắp thiếc, nắp nhômPhát hiện nắp lọ bị lỏngKiểm mẫu, phát hiện chiều quay của viên pinPhát hiện lon kim loạiPhát 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 nềnE3X-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 băngBao 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/hộpNắp 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 caoPhát hiện nhãn bằng plastic bóng trên giấyNhãn 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. E2CY-C2A 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 chuyềnPhát 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 nắpE3G-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 hộpPhát 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 màuNhiệm 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 nhômBằng 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 caoPhát hiện nắp lọ bị lỏngPhát 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 pinSensor 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.