môn học đo lường và cảm biến đề tài cảm biến đo bằng phương pháp quang

D ng s ng ánh sáng l s ng điện từ phát ra khi có sự chuyển điện tử giữa các mức n ng l ợng của nguyên tử nguồn sáng... Các lo i nguồn sáng: ột c m biến quang chỉ hiệu qu khi phù hợp vớ

–

H : G V I ***** T I GHI U

GVHD: Ths

c Nhóm 10 Th ch Ho n H o nh m tr ng 20161109 gu n nh ong 20161334

H V inh u n 20161338

gu n Tr ng Hi n 20161092

gu n ng V n 20161394

t

I 3

1 3

2 Các lo i nguồn sáng: 4

3 5

a) Bộ phận phát sáng: 6

b) Bộ phận thu sáng: 6

c) Mạch xử lý tín hiệu đầu ra: 6

4 7

5 7

II Nguyên lý ho động: 8

1 C m bi p độc lập: 8

2 C m bi n quang ph n x ươ 10

3 C m bi n quang ph n x khu ch tán: 11

III ỨNG D NG CỦA C M BI N QUANG TRONG THỰC T 13

IV TRANG DATA CỦA C M BI N QUANG TỪ CÁC HÃNG S N XUẤT 14

I

1

Ánh sáng có 2 tính chất cơ b n là sóng và h t

D ng s ng ánh sáng l s ng điện từ phát ra khi có sự chuyển điện tử giữa các mức n ng

l ợng của nguyên tử nguồn sáng Các sóng này có vận tốc truy n đi trong ch n kh ng l

c = 299792 km/s, trong m i tr ờng vật chất là :

v = c/n (n : chiết suất của môi tr ờng)

Tần số γ v b ớc s ng λ của ánh sáng liên hệ với nhau qua biểu thức :

λ = v /γ trong chân không :

λ = c / γ Phổ ánh sáng đ ợc biểu di n nh h nh 1.1

ì â bổ s

Tính chất h t thể hiện qua sự t ơng tác của nó với vật chất Ánh sáng bao gồm các h t

ác đ i l ợng quang h c :

- Th ng l ợng : Oat (W)

- ờng độ : Oat/steradian (W/Sr)

- ng l ợng : J

Một điện tử đ ợc liên kết c n ng l ợng , để gi i ph ng các điện tử khỏi nguyên tử

Vậy một điện tử sẽ đ ợc gi i phóng nếu nó hấp thụ một photon c n ng l ợng

ớc s ng ng ỡng b ớc s ng lớn nhất của ánh sáng c thể g nên hiện t ợng gi i

ph ng điện tử đ ợc tính từ biểu thức :

Hiện t ợng h t dẫn điện đ ợc gi i ph ng d ới tác dụng của ánh sáng l m tha đổi tính chất điện của vật liệu g i l hiệu ứng quang điện l ngu ên lý cơ b n của c m biến quang

2 Các lo i nguồn sáng:

ột c m biến quang chỉ hiệu qu khi phù hợp với bức x ánh sáng phổ, th ng l ợng, tần số guồn sáng qu ết định m i đặc tính của bức x

* Đè sợ đốt vonfram

ấu t o : gồm một sợi vonfram đặt trong b ng thủ tinh c chứa khí halogen để gi m ba hơi sợi đốt

ặc điểm :

- hiệt độ giống nh nhiệt độ của một vật đen tu ệt đối

- Phổ phát x nằm trong vùng nh n thấ

- Quang th ng lớn, d i phổ rộng

- Quán tính nhiệt lớn nên kh ng thể tha đổi bức x nhanh ch ng

- Tuổi th thấp, d vỡ

* Diode phát quang

ấu t o : gồm nối P- ng l ợng gi i ph ng do sự tái hợp các h t dẫn l m phát sinh các photon

ặc điểm :

- Thời gian hồi đáp nhỏ cỡ ns, c kh n ng biến điệu tần số cao

- Phổ ánh sáng ho n to n xác định, độ tin cậ cao

- Tuổi th cao, kích th ớc nhỏ, tiêu thụ n ng l ợng thấp

- Quang th ng t ơng đối nhỏ v nh với nhiệt độ l nh ợc điểm h n chế ph m vi sử dụng của đèn

* Laser (Light Amplification by Stimulated Emission Radiation)

aser l nguồn sáng rất đơn sắc, độ ch i lớn, rất định h ớng v đặc biệt l tính liên kết

m nh cùng ph n cực, cùng pha ối với những nguồn sáng khác, bức x phát ra l sự chồng chéo của rất nhi u s ng th nh phần c ph n cực v pha khác nhau Trong tr ờng hợp tia laser, tất c các bức x cấu th nh đ u cùng pha cùng ph n cực v b i vậ khi chồng chéo lên nhau chúng t o th nh một s ng du nhất v rất xác định

ặc điểm chính của laser l c b ớc s ng đơn sắc ho n to n xác định, quang thông lớn,

có kh n ng nhận đ ợc chùm tia rất m nh với độ định h ớng cao, truy n đi kho ng cách

rất lớn

3

m biến quang tên tiếng anh l Photoelectric Sensor l tổ hợp của các linh kiện

quang điện Khi tiếp xúc với ánh sáng chúng sẽ tha đổi tr ng thái m biến quang sử dụng ánh sáng phát ra từ bộ phận phát để phát hiện sự hiện diện của vật thể Khi c sự tha đổi bộ phận thu th m ch đi u khiển của c m biến quang sẽ cho ra tín hiệu ngõ

UT m biến quang l thiết bị đ ng vai trò rất quan tr ng trong lĩnh vực c ng nghiệp

tự động h a ếu kh ng c c m biến quang th kh m c đ ợc tự động h a, giống nh

l m việc m kh ng nh n đ ợc vậ

m biến quang

Th ng th ờng th một c m biến quang sẽ c cấu t o khá đơn gi n bao gồm 3 bộ phận chính đ l :

a) Bộ phận phát sáng:

Hầu hết th các lo i c m biến quang th ờng sử dụng đèn bán dẫn ED v anh sáng

đ ợc phát ra theo xung hịp điệu xung đặc biệt giúp c m biến ph n biệt đ ợc ánh sáng của c m biến v ánh sáng từ các nguồn khác nh ánh nắng mặt trời hoặc ánh sáng trong phòng ác lo i ED th ng dụng nhất l ED đỏ, ED hồng ngo i hoặc ED lazer ột

số dòng c m biến đặc biệt dùng ED trắng hoặc xanh lá go i ra th trong một số tr ờng hợp chúng ta c ng c thể thấ lo i ED v ng

b) Bộ phận thu sáng:

Th ng th ờng đối với một c m biến quang th bộ thu sáng l một phototransistor tranzito quang ộ phận n c m nhận ánh sáng v chu ển đổi th nh tín hiệu điện tỉ lệ Hiện na nhi u lo i c m biến quang sử dụng m ch ứng dụng tích hợp chu ên dụng ASI Application Specific Integrated ircuit ch n tích hợp tất c bộ phận quang,

khuếch đ i, m ch xử lý v chức n ng v o một vi m ch I ộ phận thu c thể nhận ánh sáng trực tiếp từ bộ phát nh tr ờng hợp của lo i thu-phát , hoặc ánh sáng ph n x l i từ vật bị phát hiện tr ờng hợp ph n x khuếch tán

c) Mạch xử lý tín hiệu đầu ra:

ch đầu ra chu ển tín hiệu tỉ lệ analogue từ tranzito quang th nh tín hiệu / FF

đ ợc khuếch đ i Khi l ợng ánh sáng thu đ ợc v ợt quá mức ng ỡng đ ợc xác định, tín hiệu ra của c m biến đ ợc kích ho t ặc dù một số lo i c m biến thế hệ tr ớc tích hợp

m ch nguồn v dùng tín hiệu ra l tiếp điểm rơ-le rela vẫn khá phổ biến, ng na các

lo i c m biến chủ ếu dùng tín hiệu ra bán dẫn P P/ P ột số c m biến quang còn

c c tín hiệu tỉ lệ ra phục vụ cho các ứng dụng đo đếm

4 :

húng ta sẽ c rất nhi u hãng s n xuất c m biến quang khác nhau trên thị tr ờng hiện

na ỗi hãng đ u c những lo i đặc tr ng cho riêng m nh, cụ thể theo m nh t m hiểu

đ ợc sẽ c các hãng nh :

5 :

Trên thị tr ờng hiện na th chúng ta sẽ c 3 lo i c m biến quang:

- m biến quang thu phát chung (through – beam sensor)

- m biến quang khuếch tán diffuse reflection sensor

II Nguyên lý ho động:

gu ên lý ho t động cơ b n của m biến quang điện l c m biến sẽ phát ra một chùm sáng từ phần của c m biến đ ợc g i l bộ phát v chùm ánh sáng n tru n đến phần của c m biến thu thập ánh sáng đ ợc g i l bộ thu Tuỳ thuộc v o lo i c m biến, ánh sáng c thể tru n trực tiếp đến bộ thu của c m biến hoặc n c thể đi đến vật ph n

x hoặc vật thể rồi qua tr l i bộ thu

1 C m bi p độc lập:

m biến quang thu phát độc lập c bộ phát v bộ thu riêng biệt

ể c m biến quang thu phát độc lập ho t động th bộ phát v bộ thu ph i h ớng

v o nhau v đ ợc c n chỉnh Khi chúng đ ợc c n chỉnh v kh ng c vật c n ánh sáng, đầu ra của c m biến sẽ tr ng thái , phát v thu ánh sáng liên tục với nhau ếu ta đặt một vật c n giữa bộ phát v thu để chặn ánh sáng, đầu ra của c m biến sẽ tr ng thái OFF

ầu ra của c m biến l tín hiệu từ c m biến đến P Tuỳ thuộc v o c m biến, đầu ra c thể l tín hiệu tích cực mức cao Positive hoặc tín hiệu tín hiệu tích cực mức thấp egative o i tín hiệu đầu ra c m biến ta sẽ sử dụng phụ thuộc v o lo i đầu v o

P m c m biến đ ợc kết nối Gi sử nếu c m biến P P nghĩa l n c tín hiệu đầu ra

d ơng + th d đầu ra của c m biến sẽ ph i đ ợc kết nối với Sinking input của P ,

ng ợc l i nếu c m biến l P , tín hiệu đầu ra l m v d đầu ra sẽ cần đ ợc kết nối với Sourching input của P

m biến quang thu phát độc lập đ ợc sử dụng trong các m i tr ờng c tính chất

ph n x ánh sáng cao, hoặc b mặt hấp thụ ánh sáng,… kh ng dùng c m biến thu phát chung đ ợc

ặc tr ng:

- Ho t động ổn định và kho ng cách c m nhận dài từ v i cm đến vài chục mét

- Vị trí c m biến không bị nh h ng b i những tha đổi trong đ ờng dẫn đối t ợng

c m biến

- Ho t động không bị nh h ng nhi u b i việc c m nhận độ bóng, màu sắc hoặc độ nghiêng của đối t ợng

u điểm: m biến c ph m vi phát hiện vật thể xa hơn c m biến quang ph n x

g ơng v c m biến quang khuếch tán i u n l do ánh sáng chỉ ph i tru n đi theo một h ớng để đi từ bộ phát đến bộ thu

h ợc điểm:

+ Giá thành khá cao

+ ần lắp đặt chính xác

+ ất nhi u thời gian để nối d v c 2 d riêng biệt

+ Kh ng phát hiện tốt các vật trong suốt mỏng Ánh sáng c thể đi xu ên qua vật thể đ đến bộ phận thu

2 C m bi n quang ph n x ươ

m biến quang ph n x g ơng c bộ phát v bộ thu trên cùng một thiết bị

G ơng ph n x l một l ng kính đặc biệt

ể c m biến ph n x ho t động, bộ phát của c m biến cần ph i đ ợc h ớng v o một tấm ph n x v đ ợc c n chỉnh để ánh sáng tru n từ bộ phát của c m biến đến bộ

ph n x v sau đ ph n x tr l i bộ thu của c m biến ầu ra của c m biến ph n x ho t động giống nh đầu ra của c m biến thu phát độc lập ầu ra sẽ sáng nếu ánh sáng kh ng

bị chặn v đầu ra sẽ tắt nếu ánh sáng bị chặn

m biến ph n x c ph m vi ho t động ngắn hơn so với c m biến thu phát độc lập i u n l do ánh sáng ph i đi đến một tấm ph n x v sau đ qua tr l i bộ c m biến tha v tru n thẳng đến bộ thu

ặc tr ng:

- Kho ng cách phát hiện từ v i cm đến vài mét

- i d v đi u chỉnh trục quang đơn gi n (tiết kiệm nhân công)

- Ho t động không bị nh h ng nhi u b i màu sắc hoặc góc của đối t ợng c m nhận

- Ánh sáng đi qua đối t ợng c m biến hai lần, làm cho các C m biến này thích hợp

để phát hiện các đối t ợng trong suốt

- Có thể không phát hiện đ ợc các đối t ợng c m biến có lớp hoàn thiện đ ợc ph n chiếu v l ợng ánh sáng ph n x tr l i Bộ thu từ các b mặt sáng b ng nh vậy khiến nó có vẻ nh kh ng c đối t ợng c m biến nào Sự cố này có thể đ ợc khắc phục bằng cách sử dụng chức n ng SR

- C m biến ph n x ng ợc có vùng chết kho ng cách gần

u điểm:

- Giá thành rẻ hơn lo i thu phát độc

- Lắp đặt d hơn

h ợc điểm:

- Ph i lắp đặt c m biến với g ơng ph n x , nếu vật thể sáng bóng, nó có thể làm bật đầu ra thay vì ph n x

- Kho ng cách phát hiện ngắn hơn c m biến thu phát độc lập

3 C m bi n quang ph n x khu ch tán:

m ơn biến quang ph n x khuếch tán l lo i c m biến c bộ thu v phát chung

Th ờng đ ợc dùng để phát hiện các vật thể trên hệ thống má m c tự động Giám sát các thiết bị đã đ ợc lắp đúng vị trí ha ch a

ể c m biến quang ph n x khuếch tán ho t động, bộ phát của c m biến cần ph i

h ớng v o một vật thể để ánh sáng tru n từ bộ phát của c m biến đến đối t ợng v sau

đ ph n x tr l i bộ thu của c m biến

ầu ra của c m biến quang ph n x khuếch tán ho t động giống nh đầu ra của

c m biến thu phát độc lập v c m biến ph n x g ơng

m biến ph n x khuếch tán c ph m vi phát hiện ngắn nhất trong ba lo i c m biến i v tuỳ thuộc v o h nh d ng, kich th ớc v m u sắc của vật thể, c m biến c thể

kh ng ph n x ánh sáng tốt tr l i bộ thu của c m biến

ặc tr ng:

- Kho ng cách phát hiện từ v i cm đến vài mét

- i u chỉnh lắp d dàng

- ờng độ của ánh sáng ph n x , độ ổn định ho t động và kho ng cách phát hiện tha đổi theo các đi u kiện (ví dụ: màu sắc v độ mịn) trên b mặt của đối t ợng

c m biến

u điểm:

+ ắp đặt đơn gi n, d d ng

+ hỉ cần 1 điểm lắp đặt du nhất

h ợc điểm:

+ Kho ng cách phát hiện vật thể ngắn

III ỨNG D NG CỦA C M BI N QUANG TRONG THỰC T

ng dụng chủ ếu của c m biến quang là dùng để phát hiện nhi u d ng vật thể khác nhau, phát hiện đo l ờng kho ng cách hay phát hiện tốc độ của đối t ợng,…ví dụ: phát hiện một chai nhựa trên b ng chu n hoặc kiểm tra xem tay robot đã gắp linh kiện ô tô để lắp đặt hay ch a?

m biến quang đ ng vai trò rất quan tr ng trong lĩnh vực công nghiệp tự động hóa

ếu không có c m biến quang thì khó mà có đ ợc tự động hóa, giống nh làm việc mà không nhìn đ ợc vậ

Sau đ l một v i ứng dụng thực tế để ta c thể h nh dung rõ hơn

K ể so t bã ữ xe Đo c ước o uố

Đế số lo trê b c uyề K ể tra sả p ẩ

IV TRANG DATA CỦA C M BI N QUANG TỪ CÁC HÃNG

S N XUẤT

er e ( ố )