Tài liệu Cảm Biến Vị Tri pptx

Đại cương Cảm biến tiệm cận là một kỹ thuật để nhận biết sự có mặt hay không có mặt của một vật thể với cảm biến điện tử không công tắc không đụng chạm.. Cảm biến tiệm cận điện cảm Ind

CẢM BIẾN VỊ TRÍ

1.4.1: Khái niệm chung.

Việc xác định vị trí và độ dịch chuyển có vai trò quan trọng trong kỹ thuật Có 2 phương pháp đo cơ bản:

-Phương pháp 1: Bộ cảm biến cung cấp tín hiệu là hàm phụ thuộc vào vị trí của một trong các phần tử của cảm biến, đồng thời phần tử này có liên quan đến vật di động cần xác định vị trí

- Phương pháp 2: Khi đối tượng dịch chuyển với một khoảng cách nhất định (đã định trước), cảm biến sẽ phát ra một xung Việc xác định vị trí và khoảng cách dịch chuyển dựa trên các xung tín hiệu phát ra

* Trong thực tế người ta còn xác định vị trí và độ dịch chuyển dựa trên mối quan hệ giữa đối tượng và cảm biến bằng tử trường, điện trường và ánh sáng

Sensor PLC RejecterBox

q

Conveyer Motor

Product Product

INPUT

Senso r

CONTROL

PLC

OUTPUT

Conveyer/ Rejecter

Ứng Dụng Cảm biến vị trí trong Hệ Thống Tự Động

Một số yêu cầu khi thiết kế và lựa chọn cảm biến vị trí:

- Khoảng cách dịch chuyển và loại dịch chuyển (thẳng, góc).

- Độ chính xác và sai số yêu cầu

- Đối tượng đo làm bằng vật liệu gì?

- Điều kiện môi trường làm việc (độ ẩm, nhiệt độ, độ rung…)

- Khả năng nguồn cung cấp cho cảm biến

- Giá thành của cảm biến

1.4.2: Công tắc hành trình

a. Cấu tạo

b Ký hiệu

c Đặc điểm, ứng dụng

Công tắc hành trình dùng để nhận biết vị trí chuyển động của cơ cấu máy Công tắc hành trình là một tiếp điểm cơ khí do đó tuổi thọ không cao, không dùng được trong môi trường dầu, mỡ, hoá chất.

Một số hình ảnh công tắc hành trình trong thực tế

1.4.3 Công tắc từ

a.Cấu tạo:

Cấu tạo của công tắc từ gồm có một tiếp điểm lưỡi gà được đặt trong một bóng thuỷ tinh rút chân không và một nam châm vĩnh cửu Khi tiếp điểm lưỡi gà đặt gần nam châm vĩnh cửu thì lực từ trường do nam châm sinh

ra sẽ hút tiếp điểm đóng lại.

b Đặc điểm ứng dụng

 Công tắc từ có tiếp điểm đặt trong bóng thuỷ tinh kín nên có thể chịu được môi trường dầu, mỡ, hoá chất Trong thực tế, công tắc từ được ứng dụng nhiều trong công nghiệp như chế tạo cảm biến mức, nhận biết vị trí của các chi tiết máy Đặc biệt, trong hệ thống điều khiển khí nén công tắc từ được sử dụng rất phổ biến

để nhận biết vị trí của piton chuyển động trong xilanh.

1.4.4: Cảm biến tiệm cận (Proximity Sensor)

a Đại cương

Cảm biến tiệm cận là một kỹ thuật để nhận biết sự có mặt

hay không có mặt của một vật thể với cảm biến điện

tử không công tắc (không đụng chạm) Cảm biến tiệm cận có một vị trí rất quan trọng trong thực tế Thí dụ phát hiện vật trên dây chuyền để robot bắt giữ lấy; phát hiện chai, lon nhôm trên băng chuyền…vv Tín hiệu ở ngõ ra của cảm biến thường dạng logic có hoặc không.

Đặc điểm:

Phát hiện vật không cần tiếp xúc

Tốc độ đáp ứng cao

Đầu sensor nhỏ có thể lắp ở nhiều nơi

Có thể sử dụng trong môi trường khắc nghiệt

Cảm Biến

Vật Cảm Biến

Cảm biến tiệm cận

Loại

Cảm ứng từ

Loại Điện dung

Một số định nghĩa

1.4.5 Cảm biến tiệm cận điện cảm

(Inductive Proximity Sensor)

Cảm biến tiệm cận điện cảm được dùng để phát hiện các đối tượng là kim loại

Cảm biến tiệm cận điện cảm có nhiều kích thước và hình dạng khác nhau tương ứng với các ứng dụng khác nhau.

a Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

b Phân loại

Cảm biến tiệm cận điện cảm có thể phân làm 2 loại: Shielded (được bảo vệ) và unshielded (không được bảo vệ) Loại unshielded thường có tầm phát hiện lớn hơn loại shielded.

Những yếu tố ảnh hưởng đến tầm phát hiện của cảm biến

tiệm cận điện cảm

+ Kích thước, hình dáng, vật liệu lõi và cuộn dây.

+ Vật liệu và kích thước đối tượng

+ Nhiệt độ môi trường

Ưu điểm

- Không chịu ảnh hưởng của độ ẩm

- Không có bộ phận chuyển động.

- Không chịu ảnh hưởng của bụi bặm.

- Không phụ thuộc vào màu sắc.

- Ít phụ thuộc vào bề mặt đối tượng hơn so với các kĩ thuật

khác.

- Không có “khu vực mù” (blind zone: cảm biến không phát

hiện ra đối tượng mặc dù đối tượng ở gần cảm biến).

Khuyết điểm

- Chỉ phát hiện được đối tượng là kim loại.

- Có thể chịu ảnh hưởng bởi các vùng điện từ mạnh.

- Phạm vi hoạt động ngắn hơn so với các kĩ thuật khác

 -Hình dáng cảm biến

 -Cách mắc dây

 -Ưùng dụng :

 Phát hiện các vật thể bằng

kim loại, thường dùng để

khống chế hành trình

 Khoảng phát hiện tối đa :

Khoảng cách đo - các yếu tố ảnh hưởng

1 Vật liệu đối tượng (Material):

Iro n

SU S Bras

s Aluminu

er

Độ dẫn của vật

Khoảng cách phát hiện của sensor

phụ thuộc rất nhiều vào vật liệu của

vật cảm biến

Các vật liệu có từ tính hoặc kim loại

có chứa sắt sẽ có khoảng cách phát

hiện xa hơn các vật liệu không từ

tính hoặc không chứa sắt

Khoảng cách phát hiện

Kim loại không chứa sắt (nhôm, đồng, …)

Vật

Đầu Sensor

Kim loại có từ tính (sắt, SUS, …)

Vật Đầu Sensor

NHẬN BIẾT CÁC LOẠI VẬT LIỆU

 E2E : Phát hiện sắt từ

 E2EY : Phát hiện nhơm, đồng

 E2EV : Phát hiện tất cả kim loại

 E2F : Cảm biến cĩ thể ngâm trong nước

2 Kích cỡ của đối tượng (Size):

Khoảng cách phát hiện

Nếu vật cảm biến nhỏ hơn vật thử chuẩn (test object),

khoảng cách phát hiện của sensor sẽ giảm.

Khoảng cách đo - các yếu tố ảnh hưởng

3 Bề dày của đối tượng (Size):

Với vật cảm biến thuộc nhóm kim loại có từ tính (sắt,

niken, …), bề dày vật phải lớn hơn hoặc bằng 1mm.

Với vật cảm biến không thuộc nhóm kim loại có từ tính , bề dày của vật càng mỏng thì khoảng cách phát hiện càng xa

Đầu Sensor

Vật

Khoảng cách cảm biến

Độ dày vật

Một số ứng dụng của cảm biến tiệm cận điện cảm

1.4.6 : Cảm biến tiệm cận điện dung (Capicity Proximity Sensor)

a Cấu tạo

 CB Điện dung sử dụng vật thể cần phát hiện như một cực của tụ điện Khi vật thể càng gần cảm biến thì dung lượng của tụ càng cao

 Bên trong có mạch dùng nguồn DC tạo dao động cấp cho cảm biến dòng, cảm biến dòng sẽ đưa ra một dòng điện tỉ lệ với khoảng cách giữa hai tấm cực

Cảm biến tiệm cận loại điện dung có thể phát hiện bất

cứ loại đối tượng nào có hằng số điện môi lớn hơn không khí Vật liệu càng có hằng số điện môi càng cao thì càng dễ được cảm biến phát hiện Ví dụ nước và không khí, cảm biến tiệm cận điện dung rất

dễ dàng phát hiện ra nước (hằng số điện môi = 80) nhưng không thể nhận ra không khí (hằng số điện môi = 1).

 Đối với các chất kim loại khác nhau, khả năng phát hiện của cảm biến là không đổi Nhưng đối với các chất khác, thì phạm vi phát hiện của cảm biến đối với từng chất là khác nhau

 Vì vậy, cảm biến tiệm cận điện dung có thể dùng để phát hiện các vật liệu có hằng số điện môi cao như chất lỏng dù nó được chứa trong hộp kín (làm bằng chất liệu có hằng số điện môi thấp hơn như thủy tinh, plastic) Cần chắc chắn rằng đối tượng cảm biến phát hiện là chất lỏng chứ không phải hộp chứa.

b Phân loại

Cảm biến tiệm cận điện dung cũng phân thành 2 loại: shielded (được bảo vệ) và unshielded (không được bảo vệ).

 Loại shielded có vòng kim loại bao quanh giúp hướng vùng điện trường về phía trước và có thể đặt ngang bằng với bề mặt làm việc.

 Loại unshielded không có vòng kim loại bao quanh và không thể đặt ngang bằng với bề mặt làm việc Xung quanh cảm biến phải có 1 vùng trống (giống cảm biến tiệm cận điện cảm loại unshielded), kích thước vùng trống tùy thuộc vào từng loại cảm biến.

c Những yếu tố ảnh hưởng đến tầm phát hiện của

cảm biến tiệm cận điện dung.

d Ưu điểm và nhược điểm của cảm biến tiệm cận

điện dung

Ưu điểm

 Có thể cảm nhận vật dẫn điện và không dẫn

điện.

 Tính chất tuyến tính và độ nhạy không tùy thuộc

vào vật liệu kim loại.

 Dây nối với sensor phải ngắn để điện dung dây

không ảnh hưởng đến bộ cộng hưởng của bộ dao động.

Ub

K

CẢM BIẾN TIỆM CẬN ĐIỆN DUNG

(capacitive proximity sensor)

 -Hình dáng cảm biến

 -Cách mắc dây

 -Ưùng dụng :

 -Phát hiện mọi vật thể,

 -Có thể phát hiện vật thể

qua lớp cách ly (không phải là

kim loại) như nước trong

thùng nhựa, ống thủy tinh.

 Khoảng phát hiện :3 - 25 mm,

 Nguồn : 10-40VDC, 90

-250VAC

ỨNG DỤNG CẢM BIẾN TIỆM CẬN

ỨNG DỤNG CẢM BIẾN TIỆM CẬN

E2EV: Là sensor phát hiện được tất cả các vật bằng kim loại, cĩ thể phát hiện được sự cĩ mặt của các chiếc lon một cách chính xác Khoảng cách đo của sensor cĩ thể đạt tới 10mm

Phát hiện nắp nhôm mỏng trên chai nước

E2CY-C2A là sensor tiệm cận chuyên để phát hiện vật thể bằng nhôm với độ tin cậy cao Rất dễ cài đặt sensor, chỉ cần

ấn nút TEACH trên bộ khuếch đại

E2C-T là loại cảm biến tiệm cận có bộ khuyếch đại rời có chức năng Teach. Chúng ta có thể set được chính xác vị trí điểm cần cảm biến Sensor có thể phân biện được khoảng cách nhỏ tới 0.1mm

Các gói giấy hay chồng lên nhau Làm sao để phát hiện?

Heat Sealing

Sử dụng sensor tiệm cận có đầu ra analog (4  20mA) và

bộ xử lý tín hiệu thông minh K3- để tính độ rộng Từ đó có thể biết được là đã có gia vị trong gói nhôm lá chưa

E2K-C là sensor tiệm cận công suất lớn có thể phát hiện được chất lỏng bên trong hộp hay không (phát hiện độ rỗng của hộp).

Chất lỏng

X10ME1

E2KQ-Dây ra

Điều chỉnh độ

nhạy

E2KQ : Đo mực chất lỏngKhông bị ảnh hưởng bởi bọt khí nhờ chỉnh được độ nhạy

của sensor

Đo mực chất lỏng

1.4.7: Cảm biến tiệm cận siêu âm

(Ultrasonic proximity sensor)

Cảm biến tiệm cận siêu âm có thể phát hiện hầu hết các loại đối tượng: kim loại hoặc không phải

là kim loại, chất lỏng hoặc chất rắn, vật trong hoặc mờ đục (những vật có hệ số phản xạ sóng âm thanh đủ lớn).

a Cấu trúc:

Cảm biến tiệm cận siêu âm có 4 phần chính:

 Bộ phận phát và nhận sóng siêu âm (Transducer /

Receiver):

 Bộ phận so sánh (Comparator)

 Mạch phát hiện (Detector Circuit)

 Mạch điện ngõ ra (Output):

Tín hiệu ngõ ra có thể là digital hoặc analog Tín hiệu từ cảm

biến digital báo có hay không sự xuất hiện đối tượng trong vùng cảm nhận của cảm biến Tín hiệu từ cảm biến analog chứa đựng thông tin khoảng cách của đối tượng đến cảm biến.

- Tần số hoạt động: Nhìn chung, các cảm biến công nghiệp hoạt động với tần số 25 khz đến 500 Khz Các cảm biến trong lãnh vực y khoa thì hoạt động với khoảng tần số từ 5MHz trở lên Tần số hoạt động của cảm biến tỉ lệ nghịch với khoảng cách phát hiện cảm biến Với tần số 50 kHz, phạm vi hoạt động của cảm biến có thể lên tới 10 m hoặc hơn, với tần số 200 kHz thì phạm vi hoạt động cảm biến bị giới hạn ở mức 1 m.

- Vùng hoạt động: là khu vực giữa 2 giới hạn khoảng cách phát hiện lớn nhất và nhỏ nhất

- Cảm biến tiệm cận siêu âm có một vùng nhỏ không thể sử dụng gần bề mặt cảm biến gọi là “khu vực mù” (blind zone)

b Ưu nhược điểm của cảm biến tiệm cận siêu âm

 Khoảng cách mà cảm biến có thể phát hiện vật thể lên

tới 15m.

 Sóng phản hồi của cảm biến không phụ thuộc màu sắc

của bề mặc đối tượng hay tính chất phản xạ ánh sáng của đối tượng ví dụ bề mặt kính trong suốt, bề mặt gốm màu nâu, bề mặt plastic màu trắng, hay bề mặt chất liệu nhôm sáng, trắng là như nhau.

 Tín hiệu đáp ứng của cảm biến tiệm cận siêu âm analog

là tỉ lệ tuyến tính với khoảng cách Điều này đặc biệt lý tưởng cho các ứng dụng như theo theo dõi các mức của vật chất, mức độ chuyển động của đối tượng.

 Cảm biến tiệm cận siêu âm yêu cầu đối tượng có một

diện tích bề mặt tối thiểu (giá trị này tùy thuộc vào từng loại cảm biến).

 Sóng phản hồi cảm biến nhận được có thể chịu ảnh

hưởng của các sóng âm thanh tạp âm.

 Cảm biến tiệm cận siêu âm yêu cầu một khoảng thời

gian sau mỗi lần sóng phát đi để sẵn sàng nhận sóng phản hồi Kết quả thời gian đáp ứng của cảm biến tiệm cận siêu âm nhìn chung chậm hơn các cảm biến khác khoảng 0,1 s.

 Với các đối tượng có mật độ vật chất thấp như bọt

hay vải (quần áo) rất khó để phát hiện với khoảng cách lớn.

 Cảm biến tiệm cận siêu âm bị giới hạn khoảng cách

phát hiện nhỏ nhất.

 Sự thay đổi của môi trường như nhiệt độ (vận tốc

âm thanh phụ thuộc vào nhiệt độ), áp suất, sự chuyển không đồng đều của không khí, bụi bẩn bay trong không khí gây ảnh hưởng đến kết quả đo.

 Nhiệt độ bề mặt của đối tượng của ảnh hưởng đến

phạm vi hoạt động của cảm biến Hơi nóng tỏa ra từ đối tượng có nhiệt độ cao làm méo dạng sóng, làm cho khoảng cách phát hiện của đối tương ngắn lại

và giá trị khoảng cách không chính xác

Khái niệm cảm biến siêu âm

Cảm biến siêu âm là thiết bị dùng để xác

định vị trí của các vật thông qua phát sóng

siêu âm

Thực chất của cảm biến siêu âm là một máy phát và một thiết bị thu sóng siêu âm được chế tạo bằng gốm áp điện hoặc máy phát sóng điện tử

Khái ni m c m bi n siêu âm ệ ả ế

Máy phát sóng thạch anh cho ra tần số 40 kHz và máy phát

sóng điện tử cho ra tần số 10kKz

Sóng 10kHz dùng đo với khoảng cách lớn từ 10-50m

Sóng 40 kHz dùng đo khoảng cách ngắn

Nguyên lý ho t đ ng và c u ạ ộ ấ

Nguyên lý ho t đ ng và c u ạ ộ ấ

t o ạ

t o ạ

Nguyên lý hoạt động của cảm biến siêu âm

là nguyên lý TOF (Time of Flight)

d: khoảng cách từ cảm biến đến vật thể

v= 343m/s vận tốc sóng siêu

âm trong không khí t: thời gian từ lúc phát sóng đến lúc có sóng phản xạ về

Nguyên lý ho t đ ng và c u ạ ộ ấ

t o ạ

Sai s và hi u ch nh c m bi n ố ệ ỉ ả ế

Sai s và hi u ch nh c m bi n ố ệ ỉ ả ế

Các trường hợp làm suy giảm tín hiệu sóng siêu âm

Sóng siêu âm có thể bị phản xạ nhiều Lần khi môi trường không đồng nhất Hoặc qua nhiều lớp phân cách môi trường

Hiện tượng phản xạ

Sai s và hi u ch nh c m bi n ố ệ ỉ ả ế

Sai s và hi u ch nh c m bi n ố ệ ỉ ả ế

Hiện tượng khuếch tán

Hiện tượng xảy ra khi bề mặt vật cần dò không bằng phẳng và sóng siêu âm phản xạ theo nhiều hướng khác nhau

Sai s và hi u ch nh c m ố ệ ỉ ả

Sai s và hi u ch nh c m ố ệ ỉ ả bi n bi n ế ế

Hiện tượng hấp thụ

Một phần sóng siêu âm bị hấp thụ bởi môi trường truyền và cả vật cần dò

- Dùng nhiều cảm biến

Sai s và hi u ch nh c m bi n ố ệ ỉ ả ế

Sai s và hi u ch nh c m bi n ố ệ ỉ ả ế

Sử dụng kết hợp nhiều cảm biến

Sai s và hi u ch nh c m bi n ố ệ ỉ ả ế

Sai s và hi u ch nh c m bi n ố ệ ỉ ả ế

Bố trí góc đặt cảm biến

C m bi n siêu âm trong th c ả ế ự

tế

Một số ứng dụng công nghiệp sử dụng cảm

biến siêu âm

Đo mực chất lỏng

C m bi n siêu âm trong th c ả ế ự

tế

Đo độ chùng của dây chuyền

C m bi n siêu âm trong th c ả ế ự

tế

Đo độ dày cuộn giấy

C m bi n siêu âm trong th c t ả ế ự ế

Đo chiều cao chồng sản phẩm

C m bi n siêu âm trong th c t ả ế ự ế

Đo khoảng cách trong

các tay robot

C m bi n siêu âm trong th c t ả ế ự ế

Phát hiện sản phẩm lỗi

C m bi n siêu âm trong th c t ả ế ự ế

Một số loại cảm biến siêu âm trên thị trường

- Hãng Devantech

- Hãng Ormon

- Hãng Baumer

C m bi n siêu âm trong th c t ả ế ự ế

Hãng Devantech (dòng sản phẩm SRF)

C m bi n siêu âm trong th c t ả ế ự ế

C m bi n siêu âm trong th c t ả ế ự ế

C m bi n siêu âm trong th c t ả ế ự ế

C m bi n siêu âm trong th c ả ế ự

tế

Dòng E4PA-N

C m bi n siêu âm trong th c ả ế ự

tế

Dòng E4PA-N

Ưu điểm:

- Dải đo lớn với 4 model

- Dễ dàng đặt lại khoảng cách đo lớn nhất nhỏ nhất để tăng độ

chính xác

- Đặt được kiểu đầu ra thuận hay nghịch theo độ lớn khoảng

cách

C m bi n siêu âm trong th c ả ế ự

tế

Dòng E4C-UDA: đầu dò có khoảng đo từ 50-1000 mm với 3 model