Chương 2: Cảm Biến Tiệm Cận

Tín ng logic có ho4c không... Khi có tín hi u vùng tác ñ3ng... M ch phát hi n ngưtng trigger giám sát s& thay ñ/i biên ñ3 và kích m ch ngõ ra output switch mzi khi có s& thay ñ/i vư=t ng

Chương 2

C M BI N TI M C N ( Proximity Sensor )

2.1 Gi"i thi#u

C m bi n ti m c n bao g m t t c các lo i c m bi n phát hi n v t th không c n

ti p xúc gi ng như công t c hành trình, mà d&a trên nh(ng m i quan h v t lý gi(a

c m bi n và v t th c n phát hi n C m bi n ti m c n chuy n ñ/i tín hi u v1 s& chuy n ñ3ng ho4c xu t hi n c5a v t th thành tín hi u ñi n Có 3 h th ng phát hi n

ñ th&c hi n công vi c chuy n ñ/i này:

H th ng s: d;ng dòng ñi n xoáy ñư=c phát ra trong v t th kim lo i nh> hi n tư=ng c m ?ng ñi n t@

H th ng s: d;ng s& thay ñ/i ñi n dung khi ñ n g n v t th c n phát hi n

H th ng s: d;ng nam châm và h th ng chuy n m ch c3ng t@

Theo tiêu chuDn công nghi p c5a Nh t (JIS) ñKnh nghĩa c m bi n ti m c n (JIS C 8201Q5Q2) phù h=p vTi chuDn IEC 60947Q5Q2 là b3 chuy n m ch phát hi n vK trí không ti p xúc C m bi n ti m c n dùng phát hi n v t th kim lo i t@ tính, kim lo i không t@ tính (như Nhôm, ñ ng ) s: d;ng c m bi n lo i ñi n c m (Inductivity Proximity Sensor) và phát hi n v t phi kim s: d;ng lo i c m bi n ti m c n ki u ñi n dung (Capacitve Proximity Sensor) ð ng th>i có s\n các lo i ñáp ?ng ñư=c h u h t các ñi1u ki n môi trư>ng l p ñ4t: nhi t ñ3 cao, nhi t ñ3 th p, ch ng nưTc, ch ng hóa

ch t …

2.2 ð&c ñi)m c*m bi,n ti#m c-n

Theo hưTng ?ng d;ng, c m bi n ti m c n thư>ng có các ñ4c ñi m sau:

c n là m3t ke thu t ñ nh n bi t s& có m4t hay

bi n ñi n t: không công t c (không ñ;ng ch

t quan trang trong th&c t Thí d; phát hi n v t hát hi n chai, lon nhôm trên băng chuy1n… Tín

ng logic (có ho4c không)

c n có các lo i:

có hai lo i ñi n c m và t@ c m, lo i này có t

=c nh(ng v t có t@ tính

n dung: t m phát hi n ng n phát hi n ñư=c , thư>ng có b3 ph n chdnh ñ3 nh y

quang: có ba lo i xuyên su t, ph n x và khuy

ư hình 2.2

Hình 2.2 Hình d ng c m bi n t

b Nguyên t c ch t o c m bi n c m ng t

Nguyên tác ch t o c m bi n t@ d&a theo hi n tư=ng c m ?ng t@ Hall

Hình 2.3 Hi n tư!ng c m "ng t Hall

Khi ñ4t m3t t m v t li u m^ng (thư>ng là bán djn) khi có dòng ñi n I ch y qua

sk sinh ra m3t t@ trư>ng B có phương t o vTi dòng ñi n m3t góc θ thì sk xu t hi n m3t

ñi n th Vh theo hưTng vuông góc gi(a B và I như hình 2.4

θsin B I K

Trong ñó Kh là h s v t li u

Hình 2.4 Ho t ñ*ng c m "ng t Hall

ñư=c g n vào thanh nam c

t o ra sk thay ñ/i khi tươn

i ñi n c m d&a vào ñi n c m c5a cu3n dây sinh

tư=ng là kim lo i (nhưng c

ph i là kim lo i)

b C u t o

C m ?ng t@ lo

nh> vào cu3n dây t o

này thư>ng ñưa ra 2 d

ra sk có led chd thK bá

Hình 2

C u trúc c5a c m bi n

1 3 Cu*n dây và lõi fe

t@ trên cu3n dây lên

bi n, nên vùng này s

hưng chúng không th phát hi n các ñ i tư=ng

Hình 2.7 C9u t o c m bi n t lo i ñi n c

lo i ñi n c m bao g m các ph n: Vùng t@ tdây t o c m ?ng t@ vTi t n s làm vi c t@ 300

ra 2 dây cáp k t n i ngu n và m3t dây tín hi u thK báo hi u c m bi n nh n th y v t trong vùng

h 2.8 C9u trúc c1a c m bi n t lo i ñi n c m

m bi n g m 4 ph n chính như _ hình 2.9

õi ferit: Ph n này t o ra vùng t@ trư>ng nh> h

ên lõi ferit, vùng t@ trư>ng t p trung phía t này sk tác ñ3ng lên v t c n ño

=ng có c u t o không

n c m

@ trư>ng ñư=c t o ra t@ 300 ñ n 800kHz, lo i

n hi u ra Khi có tín hi u vùng tác ñ3ng

c m

nh> hi n tư=ng c m ?ng phía trưTc ñ u c5a c m

sin t n s cao (có th lên ñ n 1MHz) khi có s& tương tác lên b1 m4t c m bi n thì biên ñ3 dao ñ3ng c5a tín hi u này sk gi m

3 3 M ch phát hi n: Ch?c năng m ch này d&a vào ñi n th tham chi u ñ phát

hi n giá trK biên ñ3 c5a m ch dao ñ3ng khi có v t tác ñ3ng lên b1 m4t c m bi n, lúc biên ñ3 này gi m ñ n m3t giá trK cho phép nào ñó sk xu t ra tín hi u _ ngõ ra

4 Q M ch ñ u ra: Ngõ ra là k t qu c5a m ch so sánh ngưtng ñ nh n bi t có v t ngm trong t m ho t ñ3ng c5a c m bi n hay không, do ñó tín hi n ra d ng ON/OFF

1

xnh hư_ng c5a dòng ñi n xoáy làm thay ñ/i biên ñ3 b3 dao ñ3ng LC M ch phát

hi n ngưtng (trigger) giám sát s& thay ñ/i biên ñ3 và kích m ch ngõ ra (output switch) mzi khi có s& thay ñ/i vư=t ngưtng Ngõ ra c m bi n là tín hi u ON/OFF

Hình 2.10 Tr ng thái tác ñ*ng c1a c m bi n t lo i ñi n c m

Khi có v t th bgng kim lo i ñi vào vùng t@ trư>ng T@ trư>ng này c m ?ng lên

v t th m3t dòng ñi n xoay tròn gai là dòng ñi n xoáy Dòng ñi n xoáy t o ra m3t t@ trư>ng ngư=c chi1u vTi t@ trư>ng ban ñ u T@ trư>ng này làm gi m biên ñ3 m ch dao ñ3ng LC bên trong c m bi n Hình 2.10

Hình 2.11 Hi n tư!ng t trưDng xoáy c1a c m bi n t lo i ñi n c m

T@ trư>ng t o ra xung quanh cu3n dây khi có dòng ñi n xoay chi1u chay qua Khi có v t th bgng kim lo i ñưa vào t@ trư>ng Dòng ñi n xoáy sk ñư=c c m ?ng vào kim lo i Dòng ñi n xoáy trong kim lo i t o ra t@ trư>ng th? hai ngư=c vTi t@ trư>ng

ñi n

C m bi n ti m c n ñi n c m ñư=c thi t k ñ t o ra m3t vùng ñi n t@ trư>ng, khi m3t v t bgng kim lo i ti n vào khu v&c này, xu t hi n dòng ñi n xoáy (dòng ñi n c m

?ng) trong v t th kim lo i này Hình 1.12

Hình 2.12 Nguyên lý làm vi c c1a c m bi n ñi n c m

Dòng ñi n xoáy gây nên s& tiêu hao năng lư=ng (do ñi n tr_ c5a kim lo i), làm

nh hư_ng ñ n biên ñ3 sóng dao ñ3ng ð n m3t trK s nào ñó tín hi u này ñư=c ghi

nh n M ch phát hi n sk phát hi n s& thay ñ/i tín hi u và tác ñ3ng ñ m ch ra lên m?c

ON (hình 2.13) Khi ñ i tư=ng r>i kh^i khu v&c ñi n trư>ng, s& dao ñ3ng ñư=c l p l i,

c m bi n tr_ l i tr ng thái bình thư>ng

Hình 2.13 Ho t đ"ng c$a c m bi n ti m c n đi n c m.

Khi v t c n tác ñ3ng lên b1 m4t c5a c m bi n, biên ñ3 tín hi u c5a m ch dao ñ3ng sk thay ñ/i, biên ñ3 này sk gi m d n khi v t càng ti n g n b1 m4t tác ñ3ng Khi kho ng cách ñ5 lTn ngõ ra c5a c m bi n sk cho ra m3t xung và ñèn chd báo sk sáng lên

Hình 2.15 C m bi n ti m c n ñi n c m lo i có b o v

Hình 2.16 C m bi n ti m c n ñi n c m lo i không có b o v

~ c 2 lo i c m bi n có b o v và không có b o v , n u có 1 b1 m4t kim lo i _ vK trí ñ i di n c m bi n, ñ không nh hư_ng ñ n ho t ñ3ng c5a c m bi n thì b1 m4t kim

Không chKu nh hư_ng c5a b;i b4m

Không ph; thu3c vào màu s c

Ít ph; thu3c vào b1 m4t ñ i tư=ng hơn so vTi các kĩ thu t khác

Không có vùng ch t (blind zone): c m bi n không phát hi n ra ñ i tư=ng m4c dù ñ i tư=ng _ g n c m bi n

Như!c ñiKm

Chd phát hi n ñư=c ñ i tư=ng là kim lo i

Có th chKu nh hư_ng b_i các vùng ñi n t@ m nh

Ph m vi ho t ñ3ng ng n hơn so vTi các ke thu t khác

2.3.3 C*m bi,n t0 lo3i t0 c*m: (Inductive Magnectic sensor)

a Lo i tác ñ ng b)ng ti p ñi&m: (Reed Switch: lưPi gà)

Hình 2.17 C9u t o c m bi n t lo i lưPi g

ng

lo i này phát hi n ñư=c t t c các lo i v t li

o phép T@ trư>ng ñư=c t o ra t@ cu3n dây c m

p ñi m C m bi n bK nh hư_ng b_i 3 ykho ng cách v t c n

>ng t o ra g n vK trí c5a lưti gà, vTi l&c t@ ñ52.18

Hình 2.18 Hai tr ng thái c1a lưPi gà

@ trư>ng khác nhau c n ñư=c tránh:

tác ñ3ng ph; thu3c vào kho ng cách dKch chuyư=c giTi h n ñ tránh cháy ti p ñi m

ng t c m Inductive Magnectic sensor)

i tác ñ3ng bgng m ch t@ c u t o g m các b3 ph

ti p ñi m: Là m3t ng th5y tinh bên trong ch

à): làm bgng ch t có kh năng t@ tính như s t dây n i ngu n, tín hi u ra

nh 2.19 C9u t o c m bi n t tác ñ*ng bRng t t@ lo i tác ñ3ng bgng m ch t@ d&a vào s& tác

n lo i có b o v : t@ trư>ng ñư=c t p trung tr

im lo i xung quanh, tuy nhiên kho ng cách ño

vTi nhi t ñ3 dao ñ3ng

sai s trong quá trình

Hình 2.22 C m bi n t lo i không có b o1ng s3 d4ng

à sai s c5a quá trình s n xu t, nhi t ñ3 ho t ñ3

ài trư>ng h=p c m bi n có th phát hi n ra

c ñ3ng này Ho4c có trư>ng h=p v t th không ñ

g n hơn kho ng cách tác ñ3ng Có m3t vài g

=ng kho ng cách tác ñ3ng trong mzi trư>n

ho t ñ3ng hi u qu (Effective Operating Distaách ho t ñ3ng hi u qu _ ñi1u ki n ngu n ñi n3ng trong kho ng t@ 23oC ± 0.5oC Nó d&aình s n xu t Kho ng cách ho t ñ3ng hi u q

V t chuDnhình d ngthưTc, t c

ài giTi h n ph i ñư=c

c5a kho ng cách tác ñ3ng ði1u này có nghĩa là v t th sk ñư=c phát hi n trong kho ng t@ 0 ñ n 90% c5a kho ng cách tác ñ3ng Tùy thu3c vào mzi thi t bK, tuy nhiên, kho ng cách tác ñ3ng hi u qu có th xa hơn 110% c5a kho ng cách tác ñ3ng Hình 2.24

Kho ng cách chuy n m ch h(u ích (Useful Switching Distance): Su

Kho ng cách chuy n m ch h(u ích là kho ng cách chuy n m ch ñư=c tính toán theo ñi1u ki n ñi n áp và nhi t ñ3 lý thuy t Kho ng cách chuy n m ch h(u ích thì bgng kho ng 10% c5a kho ng cách ho t ñ3ng hi u qu Hình 2.24

Kho ng cách ho t ñ3ng ch c ch n (Guaranteed Operating Distance): Sa

Kho ng cách ho t ñ3ng ch c ch n là kho ng cách chuy n m ch cho s& ho t ñ3ng c5a c m bi n ti m c n trong ph m vi ñi1u ki n ho t ñ3ng c; có th ch p

nh n ñư=c ñ m b o Kho ng cách ho t ñ3ng ch c ch n ngm trong kho ng 0 ÷ 81% c5a kho ng cách ho t ñ3ng Hình 2.24

Hình 2.24 Kho ng cách ho t ñ*ng c1a c m bi n

Các chuy n m ch c5a c m bi n ti m c n chd ñáp ?ng l i vTi v t th khi v t

th ñó ngm trong khu v&c xác ñKnh ñgng trưTc b1 m4t c5a c m bi n ði m mà

c m bi n ti m c n nh n ra ñư=c m3t v t th mang ñ n gai là ñi m tác ñ3ng Và

ñi m mà khi v t th ñi ra làm thi t bK chuy n l i tr ng thái ban ñ u gai là ñi m thoát Kho ng cách gi(a 2 ñi m này gai là vùng tr} (hysteretis zone) Hình 2.25

Hình 2.25 Các ñiKm chuyKn m ch c1a c m bi n

Kho ng cách phát hi n (Detecting Distance)

Kho ng cách phát hi n là kho ng cách t@ b1 m4t c m bi n _ ñ u c m bi n tTi vK trí v t chuDn xa nh t mà c m bi n có th phát hi n Hình 2.26

Hình 2.26 Mô t kho ng cách phát hi n

Kho ng cách cài ñ4t (Sitting Distance)

Kho ng cách cài ñ4t là kho ng cách t@ b1 m4t c m bi n _ ñ u c m bi n tTi

vK trí v t c m bi n ñ c m bi n có th phát hi n v t /n ñKnh (thư>ng kho ng cách này bgng 70% ñ n 0% kho ng cách phát hi n) Hình 2.27

c m bi n

ON OFF

Hình 2.27 Mô t kho ng cách cài ñUt

Th>i gian ñáp ?ng (Response Time)

T1 là kho ng th>i gian t@ lúc ñ i tư=ng chuDn chuy n ñ3ng ñi vào vùng phát hi n c5a c m bi n tTi khi ñ u ra c m bi n b t v1 ON

T2 là kho ng th>i gian t@ lúc ñ i tư=ng chuDn chuy n ñ3ng ñi ra kh^i vùng phát hi n c5a c m bi n tTi khi ñ u ra c m bi n t t v1 OFF Hình 2.28

Hình 2.28 Mô t thDi gian ñáp "ng

Hình 2.30 Mô t ñUc tính t c1a v t li u

Các v t li u có t@ tính ho4c kim lo i có ch?a s t sk có kho ng cách phát

hi n xa hơn các v t li u không có ch?a t@ tính ho4c ch?a s t Hình 2.31

Kim lo i c u t o nên v t th cũng nh hư_ng ñ n kho ng cách vùng tác ñ3ng Nhưng khi m3t kim lo i nào ñó khác thép thì m3t h s chdnh s:a ñư=c s: d;ng ñ hi u chdnh

Kho ng cách phát hi n

T1 T2 T3

V t c m bi n

f=1/(T2+T2)

Hình 2.31 BiKu ñX mô t ñ* dYn theo ñUc tính t Kích ct c5a ñ i tư=ng (Size):

N u v t c m bi n nh^ hơn v t th: chuDn (test object) kho ng cách phát hi n c5a c m bi n sk gi m Hình 2.32

Hình 2.32 Mô t kích thưZc tương ñWi c1a c1a ñWi tư!ng

B1 dày c5a ñ i tư=ng (Size):

ð3 dày c5a v t th là m3t h s khác c n ñư=c xem xét Kho ng cách vùng tác ñ3ng thì không ñ/i ñ i vTi v t chuDn Tuy nhiên ñ i vTi v t th không có s t trong thành ph n như ñ ng thau (brass), nhôm (aluminum), và ñ ng ñ^ (copper) thì sk x y ra hi n tư=ng “hi u ?ng b1 m4t” (skin effect) Kho ng cách vùng c m

?ng sk gi m khi ñ3 dày c5a v t th tăng lên N u ñ3 dày c5a v t th khác so vTi

v t chuDn thì m3t h s chdnh s:a sk ñư=c d@ng ñ ñi1u chdnh l i

VTi v t c m bi n thu3c nhóm kim lo i có t@ tính (s t, Niken, SUS…), b1 dày v t ph i lTn hơn 1mm

Kho ng cách phát hi n

SUS Brass Aluminum Copper

càng m^ng thì kho ng

LTp m bên ngoài

N u v t bK m th

ð3 dKhông m

Hình 2.33 Mô t b[ dày c1a ñWi tư!ng

ngoài c5a v t (Plating):

nh hư_ng b_i kim lo i xung quanh:

chú ý khi s: d;ng nhi1u c m, khi có hai hay n

y ñ i di n nhau có th x y ra nhi}u ho4c s& n

hay nhi1u hơn c m bi n

c s& nh hư_ng ljn nhau

Khi có nhi1u c m bi n ti m c n ñư=c ñ4t sát nhau, s& làm vi c sai c5a các

c m bi n có th là nguyên nhân giao thoa Vì th ph i ch c ch n quy ñKnh m3t kho ng cách nh^ nh t gi(a 2 c m bi n như hình 2.34

Hình 2.34 Kho ng cách mô t cho s\ giao thoa

Khi các c m bi n ñư=c ñ4t trên b ng kim lo i, nó ñòi h^i ph i che ch n c m

bi n ñ tránh nh hư_ng b_i các ñ v t bgng kim lo i ngo i tr@ v t c n phát hi n

Vì th ph i ch c ch n quy ñKnh m3t kho ng cách nh^ nh t gi(a các c m bi n như hình 2.35

Hình 2.35 Kho ng cách mô t nh hư]ng b]i kim lo i 2.3.5 Các lo3i ñ@u ra và cách mAc t*i

Hình 2.37 Sơ ñX ñ9u dây ra t i lo i DC32 dây

T i có th m c _ dây ngu n ho4c dây mass cũng ñúng

b Lo i DC=3 dây

Khi c m bi n có 3 dây ra ngu n cung c p DC lo i này thư>ng t i ñư=c m c vào là relay th&c hi n như hình 2.38, hình 2.39, hình 2.40, hình 2.41

Sơ ñ tác ñ3ng ngõ ra

Hình 2.38 Sơ ñX ngõ ra ñi[u khiKn lo i NPN

Hình 2.39 Sơ ñX ngõ ra ñi[u khiKn lo i PNP

Sơ ñ ñ u n i:

Hình 2.40 Sơ ñX ñ9u dây ra ] t i lo i 3 ñ?u dây ra

Hình 2.41 Sơ ñX ñ9u dây ra ] t i lo i 3 ñ?u dây ra

c Lo i AC=2 dây

Khi c m bi n có 2 dây ra ngu n cung c p AC lo i này thư>ng t i ñư=c m c vào là relay th&c hi n như hình 2.42 và hình 2.43

Sơ ñ ngõ ra ñi1u khi n:

Hình 2.42 Sơ ñX ngõ ra ñi[u khiKn lo i AC32 dây

có th k t n i tr&c ti p hay gián ti p vào ngõ

a c m bi n hai hay ba dây như các hình 2.44, hì

dây ra:

44 Sơ ñX k t nWi c m bi n vZi PLC lo i AC

2.45 Sơ ñX k t nWi c m bi n vZi PLC lo i DC

Lo i ACQ2 dây:

mong mu n b_i ñ

dư là nh^ hơn ñi

song vTi t i như

ra:

Sơ ñX k t nWi c m bi n vZi PLC lo i NPN

Sơ ñX k t nWi c m bi n vZi PLC lo i PNP D

3 d4ng

g c m bi n ti m c n lo i DC hay ACQ2 dây, pcác linh li n bên trong sk hư h^ng T i có th như hình 2.48

ình 2.48 K t nWi t i vZi c m bi n lo i 2 dây ròng t i nh^:

dây: Có th là nguyên nhân làm t i ho t ñ3ng

n b_i ñi n áp dư N u dòng t i dưTi 5mA, ta ph

ơn ñi n áp ñáp l i c5a t i bgng cách k t n i mnhư _ hình 2.49

n i m3t ñi n tr_ s? song

I RI: dòng làm vi c c5a t i R: ñi n tr_ s?

P: công su t giTi h n

Hình 2.49 K t nWi t i vZi c m bi n lo i AC3 2 dây ra t i nhb

Lo i DCQ2 dây: Hãy t o dòng trên c m bi n ti n c n nh^ hơn dòng ñáp l i c5a t i bgng cách k t n i thêm m3t ñi n tr_ s? song song vTi t i như hình 2.50

( )

−

=

off o

S

II

P: T/ng s W c5a ñi n tr_ s?

Hình 2.50 K t nWi t i vZi c m bi n lo i DC32 dây ra t i nhb

ñ i rDi

khoan

h t

o i rơi

Hình 2.56 C m bi n phát hi n ñ m hay kim lo i rơi

2.4 C*m bi,n ñi#n dung (Capacitive Sensor)

2.4.1 Gi"i thi#u c*m bi,n ñi#n dung

ti m c n ñi n dung gi ng v1 kích thưTc, hình dáng, cơ s_ ho t ñ3ng so vTi c m

bi n ti m c n ñi n c m ði m khác bi t căn b n gi(a chúng là c m bi n ti m c n

ñi n dung có c u t o bao g m các thành p

c n i mass, led chd báo và nút hi u chdnh ñ3 nhnhư c m bi n ti m c n ñi n c m, c m bi n như hình 2.60 bao g m ph n t o ñi n trư>ntheo là m ch dao ñ3ng, m ch phát hi n và m

bi n ti m c n lo i ñi n

>ng c u t o g m hai

m ch ngõ ra thư>ng