MÔN HỌC đo LƯỜNG VÀ CẢM BIẾN đề TÀI NGHIÊN cứu CẢM BIẾN đo BẰNG PHƯƠNG PHÁP QUANG

Vậy một điện tử sẽ được giải phóng nếu nó hấp thụ một photon có năng lượng nghĩa là hay Bước sóng ngưỡng bước sóng lớn nhất của ánh sáng có thể gây nên hiện tượng giải phóng điện tử

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TƯ

- -MÔN HỌC: ĐO LƯỜNG VÀ CẢM BIẾN ***** ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU CẢM BIẾN ĐO BẰNG PHƯƠNG PHÁP QUANG GVHD: Ths Phạm Xuân Hô Thực hiê ̣n: Nhóm 10 Thạch Hoàn Hảo (nhóm trưởng) 20161109 Nguyễn Đình Long 20161334

Hà Vũ Minh Luân 20161338

Nguyễn Trọng Hiền 20161092

Nguyễn Công Văn 20161394

TP Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2021

MỤC LỤC

I GIỚI THIỆU CHUNG 3

1 Tính chất của ánh sáng: 3

2 Các loại nguồn sáng: 4

3 Cảm biến quang và cấu tạo: 5

a) Bộ phận phát sáng: 6

b) Bộ phận thu sáng: 6

c) Mạch xử lý tín hiệu đầu ra: 6

4 Các hãng sản xuất cảm biến: 7

5 Các loại cảm biến quang: 7

II Nguyên lý hoạt động: 8

1 Cảm biến quang thu phát độc lập: 8

2 Cảm biến quang phản xạ gương: 10

3 Cảm biến quang phản xạ khuếch tán: 11

III ỨNG DỤNG CỦA CẢM BIẾN QUANG TRONG THỰC TẾ 13

IV TRANG DATA CỦA CẢM BIẾN QUANG TỪ CÁC HÃNG SẢN XUẤT 14

I GIỚI THIỆU CHUNG

1 Tính chất của ánh sáng:

Ánh sáng có 2 tính chất cơ bản là sóng và hạt

Dạng sóng ánh sáng là sóng điện từ phát ra khi có sự chuyển điện tử giữa các mức năng lượng của nguyên tử nguồn sáng Các sóng này có vận tốc truyền đi trong chân không là

c = 299792 km/s, trong môi trường vật chất là :

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

Tần số γ và bước sóng λ của ánh sáng liên hệ với nhau qua biểu thức :

λ = v /γ trong chân không :

λ = c / γ Phổ ánh sáng được biểu diễn như hình 1.1

Hình 1.1 Phân bổ ánh sáng

Tính chất hạt thể hiện qua sự tương tác của nó với vật chất Ánh sáng bao gồm các hạt photon mang năng lượng W phụ thuộc duy nhất vào tần số

  W  h γ (h = 6,6256.Js : hằng số Planck)

Các đại lượng quang học :

- Thông lượng : Oat (W)

- Cường độ : Oat/steradian (W/Sr)

- Độ chói : (W/Sr )

- Năng lượng : J

Một điện tử được liên kết có năng lượng , để giải phóng các điện tử khỏi nguyên tử cần cung cấp cho nó năng lượng bằng với năng lượng liên kết

Vậy một điện tử sẽ được giải phóng nếu nó hấp thụ một photon có năng lượng

nghĩa là hay

Bước sóng ngưỡng (bước sóng lớn nhất) của ánh sáng có thể gây nên hiện tượng giải phóng điện tử được tính từ biểu thức :

Hiện tượng hạt dẫn điện được giải phóng dưới tác dụng của ánh sáng làm thay đổi tính chất điện của vật liệu gọi là hiệu ứng quang điện Đây là nguyên lý cơ bản của cảm biến quang

2 Các loại nguồn sáng:

Một cảm biến quang chỉ hiệu quả khi phù hợp với bức xạ ánh sáng (phổ, thông lượng, tần số) Nguồn sáng quyết định mọi đặc tính của bức xạ

* Đèn sợi đốt vonfram

Cấu tạo : gồm một sợi vonfram đặt trong bóng thủy tinh có chứa khí halogen để giảm bay hơi sợi đốt

Đặc điểm :

- Nhiệt độ giống như nhiệt độ của một vật đen tuyệt đối

- Phổ phát xạ nằm trong vùng nhìn thấy

- Quang thông lớn, dải phổ rộng

- Quán tính nhiệt lớn nên không thể thay đổi bức xạ nhanh chóng

- Tuổi thọ thấp, dễ vỡ

* Diode phát quang

Cấu tạo : gồm nối P-N Năng lượng giải phóng do sự tái hợp các hạt dẫn làm phát sinh các photon

Đặc điểm :

- Thời gian hồi đáp nhỏ cỡ ns, có khả năng biến điệu tần số cao

- Phổ ánh sáng hoàn toàn xác định, độ tin cậy cao

- Tuổi thọ cao, kích thước nhỏ, tiêu thụ năng lượng thấp

- Quang thông tương đối nhỏ và nhạy với nhiệt độ là nhược điểm hạn chế phạm vi sử dụng của đèn

* Laser (Light Amplification by Stimulated Emission Radiation)

Laser là nguồn sáng rất đơn sắc, độ chói lớn, rất định hướng và đặc biệt là tính liên kết mạnh (cùng phân cực, cùng pha) Đối với những nguồn sáng khác, bức xạ phát ra là sự chồng chéo của rất nhiều sóng thành phần có phân cực và pha khác nhau Trong trường hợp tia laser, tất cả các bức xạ cấu thành đều cùng pha cùng phân cực và bởi vậy khi chồng chéo lên nhau chúng tạo thành một sóng duy nhất và rất xác định

Đặc điểm chính của laser là có bước sóng đơn sắc hoàn toàn xác định, quang thông lớn,

có khả năng nhận được chùm tia rất mảnh với độ định hướng cao, truyền đi khoảng cách rất lớn

Cảm biến quang tên tiếng anh là Photoelectric Sensor là tổ hợp của các linh kiện

quang điện Khi tiếp xúc với ánh sáng chúng sẽ thay đổi trạng thái Cảm biến quang sử dụng ánh sáng phát ra từ bộ phận phát để phát hiện sự hiện diện của vật thể Khi có sự thay đổi ở bộ phận thu thì mạch điều khiển của cảm biến quang sẽ cho ra tín hiệu ở ngõ OUT Cảm biến quang là thiết bị đóng vai trò rất quan trọng trong lĩnh vực công nghiệp

tự động hóa Nếu không có cảm biến quang thì khó mà có được tự động hóa, giống như làm việc mà không nhìn được vậy

Cảm biến quang Thông thường thì một cảm biến quang sẽ có cấu tạo khá đơn giản bao gồm 3 bộ phận chính đó là:

a) Bộ phận phát sáng:

Hầu hết thì các loại cảm biến quang thường sử dụng đèn bán dẫn LED và anh sáng được phát ra theo xung Nhịp điệu xung đặc biệt giúp cảm biến phân biệt được ánh sáng của cảm biến và ánh sáng từ các nguồn khác (như ánh nắng mặt trời hoặc ánh sáng trong phòng) Các loại LED thông dụng nhất là LED đỏ, LED hồng ngoại hoặc LED lazer Một

số dòng cảm biến đặc biệt dùng LED trắng hoặc xanh lá Ngoài ra thì trong một số trường hợp chúng ta cũng có thể thấy loại LED vàng

b) Bộ phận thu sáng:

Thông thường đối với một cảm biến quang thì bộ thu sáng là một phototransistor (tranzito quang) Bộ phận này cảm nhận ánh sáng và chuyển đổi thành tín hiệu điện tỉ lệ Hiện nay nhiều loại cảm biến quang sử dụng mạch ứng dụng tích hợp chuyên dụng ASIC (Application Specific Integrated Circuit) Mạch này tích hợp tất cả bộ phận quang,

khuếch đại, mạch xử lý và chức năng vào một vi mạch (IC) Bộ phận thu có thể nhận ánh sáng trực tiếp từ bộ phát (như trường hợp của loại thu-phát), hoặc ánh sáng phản xạ lại từ vật bị phát hiện (trường hợp phản xạ khuếch tán)

c) Mạch xử lý tín hiệu đầu ra:

Mạch đầu ra chuyển tín hiệu tỉ lệ (analogue) từ tranzito quang thành tín hiệu ON/OFF được khuếch đại Khi lượng ánh sáng thu được vượt quá mức ngưỡng được xác định, tín hiệu ra của cảm biến được kích hoạt Mặc dù một số loại cảm biến thế hệ trước tích hợp mạch nguồn và dùng tín hiệu ra là tiếp điểm rơ-le (relay) vẫn khá phổ biến, ngày nay các

loại cảm biến chủ yếu dùng tín hiệu ra bán dẫn (PNP/NPN) Một số cảm biến quang còn

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

4 Các hãng sản xuất cảm biến:

Chúng ta sẽ có rất nhiều hãng sản xuất cảm biến quang khác nhau trên thị trường hiện nay Mỗi hãng đều có những loại đặc trưng cho riêng mình, cụ thể theo mình tìm hiểu được sẽ có các hãng như:

- Cảm biến quang Omron – Nhật Bản

- Cảm biến quang Panasonic – Nhật Bản

- Cảm biến quang Keyence – Nhật Bản

- Cảm biến quang Yamatake – Nhật Bản

- Cảm biến quang Sunx – Nhật Bản

- Cảm biến quang Sick – Đức

- Cảm biến quang IFM – Đức

- Cảm biến quang Autonics – Hàn

- Cảm biến quang Schneider – Pháp

5 Các loại cảm biến quang:

Trên thị trường hiện nay thì chúng ta sẽ có 3 loại cảm biến quang:

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

- Cảm biến quang phản xạ gương (retro – reflection sensor)

- Cảm biến quang khuếch tán (diffuse reflection sensor).

II Nguyên lý hoạt động:

Nguyên lý hoạt động cơ bản của Cảm biến quang điện là cảm biến sẽ phát ra một chùm sáng từ phần của cảm biến được gọi là bộ phát và chùm ánh sáng này truyền đến phần của cảm biến thu thập ánh sáng được gọi là bộ thu Tuỳ thuộc vào loại cảm biến, ánh sáng có thể truyền trực tiếp đến bộ thu của cảm biến hoặc nó có thể đi đến vật phản xạ hoặc vật thể rồi quay trở lại bộ thu

1 Cảm biến quang thu phát độc lập:

Cảm biến quang thu phát độc lập có bộ phát và bộ thu riêng biệt

Để cảm biến quang thu phát độc lập hoạt động thì bộ phát và bộ thu phải hướng vào nhau và được căn chỉnh Khi chúng được căn chỉnh và không có vật cản ánh sáng, đầu ra của cảm biến sẽ ở trạng thái ON, phát và thu ánh sáng liên tục với nhau Nếu ta đặt một vật cản giữa bộ phát và thu để chặn ánh sáng, đầu ra của cảm biến sẽ ở trạng thái OFF

Đầu ra của cảm biến là tín hiệu từ cảm biến đến PLC Tuỳ thuộc vào càm biến, đầu ra có thể là tín hiệu tích cực mức cao (Positive) hoặc tín hiệu ở tín hiệu tích cực mức thấp (Negative) Loại tín hiệu đầu ra cảm biến ta sẽ sử dụng phụ thuộc vào loại đầu vào PLC mà cảm biến được kết nối Giả sử nếu cảm biến PNP nghĩa là nó có tín hiệu đầu ra dương (+) thì dây đầu ra của cảm biến sẽ phải được kết nối với Sinking input của PLC, ngược lại nếu cảm biến là NPN, tín hiệu đầu ra là âm và dây đầu ra sẽ cần được kết nối với Sourching input của PLC

Cảm biến quang thu phát độc lập được sử dụng trong các môi trường có tính chất phản xạ ánh sáng cao, hoặc bề mặt hấp thụ ánh sáng,… không dùng cảm biến thu phát chung được

Đặc trưng:

- Hoạt động ổn định và khoảng cách cảm nhận dài từ vài cm đến vài chục mét

- Vị trí cảm biến không bị ảnh hưởng bởi những thay đổi trong đường dẫn đối tượng cảm biến

- Hoạt động không bị ảnh hưởng nhiều bởi việc cảm nhận độ bóng, màu sắc hoặc độ nghiêng của đối tượng

Ưu điểm: Cảm biến có phạm vi phát hiện vật thể xa hơn cảm biến quang phản xạ gương và cảm biến quang khuếch tán Điều này là do ánh sáng chỉ phải truyền đi theo một hướng để đi từ bộ phát đến bộ thu

Nhược điểm:

+ Giá thành khá cao

+ Cần lắp đặt chính xác

+ Mất nhiều thời gian để nối dây vì có 2 dây riêng biệt

+ Không phát hiện tốt các vật trong suốt mỏng (Ánh sáng có thể đi xuyên qua vật thể đó đến bộ phận thu)

2 Cảm biến quang phản xạ gương:

Cảm biến quang phản xạ gương có bộ phát và bộ thu trên cùng một thiết bị Gương phản xạ là một lăng kính đặc biệt

Để cảm biến phản xạ hoạt động, bộ phát của cảm biến cần phải được hướng vào một tấm phản xạ và được căn chỉnh để ánh sáng truyền từ bộ phát của cảm biến đến bộ phản xạ và sau đó phản xạ trở lại bộ thu của cảm biến Đầu ra của cảm biến phản xạ hoạt động giống như đầu ra của cảm biến thu phát độc lập Đầu ra sẽ sáng nếu ánh sáng không

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

Cảm biến phản xạ có phạm vi hoạt động ngắn hơn so với cảm biến thu phát độc lập Điều này là do ánh sáng phải đi đến một tấm phản xạ và sau đó quay trở lại bộ cảm biến thay vì truyền thẳng đến bộ thu

Đặc trưng:

- Khoảng cách phát hiện từ vài cm đến vài mét

- Đi dây và điều chỉnh trục quang đơn giản (tiết kiệm nhân công)

- Hoạt động không bị ảnh hưởng nhiều bởi màu sắc hoặc góc của đối tượng cảm nhận

- Ánh sáng đi qua đối tượng cảm biến hai lần, làm cho các Cảm biến này thích hợp

để phát hiện các đối tượng trong suốt

- Có thể không phát hiện được các đối tượng cảm biến có lớp hoàn thiện được phản chiếu vì lượng ánh sáng phản xạ trở lại Bộ thu từ các bề mặt sáng bóng như vậy khiến nó có vẻ như không có đối tượng cảm biến nào Sự cố này có thể được khắc phục bằng cách sử dụng chức năng MSR

- Cảm biến phản xạ ngược có vùng chết ở khoảng cách gần

Ưu điểm:

- Giá thành rẻ hơn loại thu phát độc

- Lắp đặt dễ hơn

Nhược điểm:

- Phải lắp đặt cảm biến với gương phản xạ, nếu vật thể sáng bóng, nó có thể làm bật đầu ra thay vì phản xạ

- Khoảng cách phát hiện ngắn hơn cảm biến thu phát độc lập

3 Cảm biến quang phản xạ khuếch tán:

Cảm ơn biến quang phản xạ khuếch tán là loại cảm biến có bộ thu và phát chung Thường được dùng để phát hiện các vật thể trên hệ thống máy móc tự động Giám sát các thiết bị đã được lắp đúng vị trí hay chưa

Để cảm biến quang phản xạ khuếch tán hoạt động, bộ phát của cảm biến cần phải

hướng vào một vật thể để ánh sáng truyền từ bộ phát của cảm biến đến đối tượng và sau

đó phản xạ trở lại bộ thu của cảm biến

Đầu ra của cảm biến quang phản xạ khuếch tán hoạt động giống như đầu ra của cảm biến thu phát độc lập và cảm biến phản xạ gương

Cảm biến phản xạ khuếch tán có phạm vi phát hiện ngắn nhất trong ba loại cảm biến Bởi vì tuỳ thuộc vào hình dạng, kich thước và màu sắc của vật thể, cảm biến có thể không phản xạ ánh sáng tốt trở lại bộ thu của cảm biến

Đặc trưng:

- Khoảng cách phát hiện từ vài cm đến vài mét.

- Điều chỉnh lắp dễ dàng

- Cường độ của ánh sáng phản xạ, độ ổn định hoạt động và khoảng cách phát hiện thay đổi theo các điều kiện (ví dụ: màu sắc và độ mịn) trên bề mặt của đối tượng cảm biến

Ưu điểm:

+ Lắp đặt đơn giản, dễ dàng

+ Chỉ cần 1 điểm lắp đặt duy nhất

Nhược điểm:

+ Khoảng cách phát hiện vật thể ngắn

Ứng dụng chủ yếu của cảm biến quang là dùng để

phát hiện nhiều dạng vật thể khác nhau, phát hiện đo

lường khoảng cách hay phát hiện tốc độ của đối

tượng,…ví dụ: phát hiện một chai nhựa trên băng

chuyền hoặc kiểm tra xem tay robot đã gắp linh kiện ô

tô để lắp đặt hay chưa?

Cảm biến quang đóng vai trò rất quan trọng trong

lĩnh vực công nghiệp tự động hóa Nếu không có cảm

biến quang thì khó mà có được tự động hóa, giống

như làm việc mà không nhìn được vậy

Sau đây là một vài ứng dụng thực tế để ta có thể hình dung rõ hơn

Kiểm tra sản phẩm Đếm số lon trên băng chuyền

Đo mực nước mong muốn Kiểm soát bãi giữ xe

Downloaded by Quang Tran (quangvaytiennhanh1994@gmail.com)

Downloaded by Quang Tran (quangvaytiennhanh1994@gmail.com)

IV TRANG DATA CỦA CẢM BIẾN QUANG TỪ CÁC HÃNG

SẢN XUẤT

Downloaded by Quang Tran (quangvaytiennhanh1994@gmail.com)

Downloaded by Quang Tran (quangvaytiennhanh1994@gmail.com)

Downloaded by Quang Tran (quangvaytiennhanh1994@gmail.com)

Downloaded by Quang Tran (quangvaytiennhanh1994@gmail.com)

Downloaded by Quang Tran (quangvaytiennhanh1994@gmail.com)

Downloaded by Quang Tran (quangvaytiennhanh1994@gmail.com)