Giáo trình kỹ thuật cảm biến (nghề điện công nghiệp trình độ cao đẳng)

Nội dung giáo trình được biên soạn với dung lượng thời gian đào tạo gồm có: Bài 1: Bài mở đầu các khái niệm cơ bản về bộ cảm biến Bài 2: Cảm biến nhiệt độ Bài 3: Cảm biến tiệm cận và một

KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ CÁC BỘ CẢM BIẾN

Khái niệm cơ bản về các bộ cảm biến

Cảm biến là thiết bị quan trọng có khả năng cảm nhận và biến đổi các đại lượng vật lý cũng như các đại lượng không mang tính chất điện thành các tín hiệu điện phù hợp để đo lường và xử lý Chúng giúp chuyển đổi dữ liệu từ thế giới vật lý thành dạng điện tử dễ dàng xử lý trong các hệ thống tự động hóa và công nghiệp Việc sử dụng cảm biến đúng cách đảm bảo độ chính xác cao trong quá trình giám sát và kiểm soát các hệ thống kỹ thuật Cảm biến đóng vai trò then chốt trong nhiều lĩnh vực như tự động hóa, robot, đo lường môi trường và thiết bị điện tử, góp phần nâng cao hiệu quả công việc và giảm thiểu lỗi do con người.

Các đại lượng cần đo như chiều dài hoặc khối lượng thường không mang tính chất điện, trong khi cảm biến chuyển đổi các đặc trưng điện như điện áp, điện tích, dòng điện hoặc trở kháng thành dữ liệu để xác định giá trị của đại lượng đo Đặc trưng (s) là hàm của đại lượng cần đo, giúp biến đổi các dữ liệu không điện thành thông tin điện để phân tích chính xác hơn.

Trong cảm biến, (s) được gọi là đại lượng đầu ra hoặc phản ứng của cảm biến, còn (m) là đại lượng đầu vào hoặc kích thích có nguồn gốc từ đại lượng cần đo Việc đo đạc (s) giúp xác định chính xác giá trị của (m), từ đó thực hiện quá trình nhận biết và phân tích dữ liệu cảm biến một cách hiệu quả.

* Các đặc trưng cơ bản của cảm biến :

- Độ nhạy của cảm biến Đối với cảm biến tuyến tính,giữa biến thiên đầu ra ∆s và biến thiên đầu vào

∆m có sự liên hệ tuyến tính:

- 5 - Đại lượng S được xác định bởi biểu thức cảm biến

- Sai số và độ chính xác

(3) được gọi là độ nhạy của

Các bộ cảm biến và dụng cụ đo lường không chỉ phản ánh đại lượng cần đo mà còn bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố vật lý gây ra sai số, làm lệch kết quả so với giá trị thực tế Sai số tuyệt đối giữa giá trị đo và giá trị thực gọi là sai số tuyệt đối, được ký hiệu là x Để đánh giá độ chính xác của cảm biến, chúng ta thường tính sai số tương đối dựa trên sai số tuyệt đối và giá trị thực của đại lượng cần đo.

Sai số của cảm biến mang tính chất ước tính bởi vì không thể biết chính xác giá trị thực của đại lượng cần đo

Độ nhanh của cảm biến thể hiện khả năng phản ứng kịp thời với sự biến thiên của đại lượng đầu vào, giúp đánh giá tốc độ theo dõi của cảm biến Thời gian hồi đáp được sử dụng để xác định chính xác giá trị của độ nhanh, thể hiện khoảng thời gian cần để cảm biến phản ứng đến mức độ ổn định sau khi có sự thay đổi đột ngột Độ nhanh, hay còn gọi là TR, đo bằng khoảng thời gian từ khi đại lượng đo thay đổi đến khi biến thiên của đại lượng đầu ra còn trong phạm vi giới hạn phần trăm của giá trị cuối cùng Thời gian hồi đáp phản ánh quá trình cảm biến trở lại trạng thái ổn định sau khi có sự biến thiên và là hàm số của các thông số thời gian xác định chế độ quá độ của cảm biến.

Trong quá trình đo, khi đại lượng đo biến đổi theo dạng bậc thang, các thông số thời gian như thời gian trễ khi tăng (t dm) và thời gian tăng (t m) đóng vai trò quan trọng Thời gian trễ khi tăng (t dm) là khoảng thời gian cần thiết để đại lượng đầu ra tăng từ giá trị ban đầu đến 10% của biến thiên tổng cộng, trong khi thời gian tăng (t m) là khoảng thời gian từ 10% đến 90% của biến thiên này Các thông số này giúp đánh giá chính xác đặc điểm động của hệ thống khi phản ứng với sự tăng đột ngột của đại lượng đo.

Khi đại lượng đo giảm, thời gian trễ (t_dc) là thời gian cần thiết để đại lượng đầu ra giảm từ giá trị ban đầu xuống còn 10% của biến thiên tổng cộng Thời gian giảm (t_c) là khoảng thời gian cần để đại lượng đầu ra giảm từ 10% đến 90% của biến thiên tổng cộng Các thông số thời gian như t_r, t_dm, t_m, t_dc và t_c của cảm biến giúp đánh giá chính xác về thời gian hồi đáp của thiết bị, từ đó xác định khả năng phản ứng nhanh hay chậm của cảm biến trong quá trình đo lường.

Hình 1 Xác định các khoảng thời gian đặc trưng cho chế độ quá độ

Trong nền kinh tế và kỹ thuật ngày nay, các bộ cảm biến đóng vai trò quan trọng và được sử dụng phổ biến trong nhiều ngành như công nghiệp, nông nghiệp, giao thông vận tải Các bộ cảm biến đặc biệt có độ nhạy cao thường được ứng dụng trong các thí nghiệm và nghiên cứu khoa học để đảm bảo độ chính xác và độ tin cậy Trong lĩnh vực tự động hóa, các loại cảm biến đa dạng từ cảm biến thông thường đến cảm biến đặc biệt được sử dụng rộng rãi để chuyển đổi giữa đáp ứng và kích thích, nâng cao hiệu quả hoạt động.

CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ

Đại cương

Nhiệt độ có ba thang đo

- Thang Kelvin : hay còn gọi là thang nhiệt độ động học tuyệt đối, đơn vị là

Trong thang Kelvin, nhiệt độ của điểm cân bằng giữa ba trạng thái của nước đá, nước và hơi nước được quy định là 273,15K, thường gọi là 273K Thang đo Kelvin dùng để đo nhiệt độ tuyệt đối dựa trên các điểm cố định của nước, trong đó điểm đóng băng của nước nằm ở 273K Đây là đơn vị đo nhiệt độ chuẩn xác, phù hợp cho các phép tính khoa học và kỹ thuật liên quan đến nhiệt chuyển.

Từ thang Kelvin người ta xác định thêm các thang mới là thang Celsius và thang Fahrenheit bằng cách chuyển dịch các giá trị nhiệt độ

- Thang Celsius : đơn vị nhiệt độ là o C Quan hệ giữa nhiệt độ Celsius và nhiệt độ Kelvin được xác định theo biểu thức

- Thang Fahrenheit : đơn vị nhiệt độ là o F

Ta có chuyển đổi qua lại giữa o C và o F như sau :

Hỗn hợp nước-nước đá 273,15 0 32

Cân bằng nước-nước đá-hơi nước

Bảng 1.1 Thông số đặc trưng của các thang đo nhiệt độ khác nhau

2.1.2 Nhiệt độ được đo và nhiệt độ cần đo

Nhiệt độ là một trong những đại lượng vật lý được quan tâm hàng đầu vì nó ảnh hưởng trực tiếp đến nhiều tính chất của vật chất Nhiệt độ đóng vai trò quyết định trong việc thay đổi áp suất và thể tích của chất khí, cũng như làm biến đổi điện trở của kim loại Chính nhờ nhiệt độ mà các đại lượng vật lý khác liên tục thay đổi, phản ánh tầm quan trọng của nó trong nghiên cứu và ứng dụng vật lý.

Có nhiều cách đo nhiệt độ, trong đó có thể liệt kê các phương pháp chính sau

- Phương pháp quang dựa trên sự phân bố phổ bức xạ nhiệt do dao động nhiệt (hiệu ứng Doppler)

- Phương pháp cơ dựa trên sự giãn nở của vật rắn, của chất lỏng hoặc chất khí (với áp suất không đổi), hoặc dựa trên tốc độ âm thanh

Phương pháp điện dựa trên sự phụ thuộc của điện trở vào nhiệt độ, còn gọi là hiệu ứng Seebeck, cho phép chuyển đổi nhiệt độ thành điện năng hiệu quả cao Ngoài ra, phương pháp này còn dựa trên sự thay đổi tần số dao động của thạch anh, giúp đo lường nhiệt độ chính xác hơn trong các ứng dụng công nghiệp và nghiên cứu Các công nghệ này sử dụng đặc tính nhiệt điện của vật liệu để phát triển các cảm biến và thiết bị đo lường nhiệt độ tin cậy, phù hợp với nhiều môi trường hoạt động khác nhau.

Nhiệt điện trở Platin và Niken

2.2.1 Điện trở kim loại thay đổi theo nhiệt độ

Nhiệt điện trở là linh kiện mà điện trở của bản thân nó sẽ thay đổi khi nhiệt độ tác động lên nó thay đổi

Nhiệt điện trở thường được chế tạo từ các vật liệu có khả năng chịu nhiệt như :

- Nhiệt điện trở đồng với khả năng chịu nhiệt : -50 o C đến 180 o C

- Nhiệt điện trở niken với khả năng chịu nhiệt : 0 o C đến 300 o C

- Nhiệt điện trở platin với khả năng chịu nhiệt : -180 o C đến 1200 o C

Người ta kéo sợi dây thành những sợi mảnh, sau đó quấn trên khung chịu nhiệt để đảm bảo độ bền và ổn định Tiếp theo, dây được đặt vào hộp vỏ đặc biệt nhằm bảo vệ và giữ cấu trúc Hai đầu của sợi dây được đưa ra để lấy tín hiệu, kết nối với điện trở (R0) có giá trị từ 10Ω đến 100Ω, giúp đo chính xác và tối ưu hóa hiệu suất cảm biến nhiệt.

Trong đó R0 là điện trở tại thời điểm ban đầu

Điện trở kim loại thay đổi theo nhiệt độ có ưu điểm là được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng điện Tuy nhiên, nhược điểm của nó là kích thước lớn, cồng kềnh và có quán tính cao Trong quá trình hoạt động, điện trở này phụ thuộc vào nhiều yếu tố như số electron tự do trong một đơn vị diện tích (n), điện tích của electron tự do (e), và tính linh hoạt của electron được đặc trưng bởi tốc độ di chuyển dưới tác dụng của từ trường (μ).

Platin là vật liệu cho nhiệt điện trở được dùng rộng rãi trong công nghiệp

Có 2 tiêu chuẩn đối với nhiệt điện trở platin, sự khác nhau giữa chúng nằm ở mức độ tinh khiết của vật liệu Hầu hết các quốc gia sử dụng tiêu chuẩn quốc tế DIN IEC 751 – 1983 (được sửa đổi lần thứ nhất vào năm 1986, lần thứ 2 vào năm 1995) USA vẫn tiếp tục sử dụng tiêu chuẩn riêng Ở cả 2 tiêu chuẩn đều sử dụng phương trình Callendar – VanDusen :

R0 là trị số điện trở định mức ở 0 0 C

R 0 ohms Hệ số Đất nước

A & B như trên, ,Đức,Isaren,Ý, riêng C = 0,0 Nhật,Nam Phi,

Thổ Nhĩ Kỳ, Nga, Anh, Ba Lan, Rumani

Bảng 1.2 Tiêu chuẩn quốc tế IEC-751 và SAMA RC-4

R0 của nhiệt điện trở Pt 100 là 100Ω, của Pt 1.000 là 1.000Ω, các loại Pt 500 ,

Pt 1.000 có hệ số nhiệt độ lớn hơn, do đó độ nhạy lớn hơn (điện trở thay đổi mạnh hơn theo nhiệt độ) Ngoài ra còn có loại Pt 10 có độ nhạy kém dùng để đo nhiệt độ trên 600 0 C

Tiêu chuẩn IEC 751 quy định hai đẳng cấp dung sai chính là A và B, tuy nhiên trong thực tế còn xuất hiện thêm các loại dung sai C và D (theo Bảng 1.3) Các tiêu chuẩn này không chỉ áp dụng cho nhiệt điện trở mà còn phù hợp với nhiều loại nhiệt điện trở khác nhau Đẳng cấp dung sai D mang ý nghĩa quan trọng trong việc xác định mức độ chính xác của nhiệt điện trở, góp phần nâng cao hiệu quả và độ tin cậy của các thiết bị điện tử.

Bảng 1.3 Tiêu chuẩn về dung sai

Theo tiêu chuẩn DIN, vật liệu Platin dùng làm nhiệt điện trở có pha tạp giúp giảm sự thay đổi trị số điện khi bị các tạp chất thẩm thấu trong quá trình sử dụng, nhờ đó đạt được độ ổn định lâu dài hơn so với Platin ròng Nhờ tính ổn định này, nhiệt điện trở Platin pha tạp thích hợp hơn trong các ứng dụng công nghiệp Trong công nghiệp, nhiệt điện trở Platin thường có đường kính 30 μm, lớn hơn nhiều so với đường kính sợi tóc khoảng 100 μm, đảm bảo độ bền và chính xác cho các thiết bị đo lường.

* Mạch ứng dụng với nhiệt điện trở platin :

ADT70 là IC do hãng Analog Devices sản xuất, mang lại giải pháp đo nhiệt độ chính xác cao khi kết hợp với Pt100 Hệ thống này có dải đo rộng, từ 50°C đến 500°C khi sử dụng nhiệt điện trở Platin kỹ thuật màng mỏng, và có thể mở rộng đến 1.000°C với nhiệt điện trở Platin chất lượng cao Độ chính xác của hệ thống gồm ADT70 và nhiệt điện trở Platin trong khoảng -200°C đến 1.000°C phụ thuộc nhiều vào phẩm chất của nhiệt điện trở Platin, đảm bảo hiệu suất đo lường tin cậy cho các ứng dụng công nghiệp và nghiên cứu.

Các thông số thiết bị ADT70 :

- Điện áp hoạt động: 5 vôn hoặc ±5 vôn

- Nhiệt độ hoạt động: Từ – 40 0 C đến 125 0 C (dạng 20 – lead DIP, SO packages)

- Ứng dụng: Thiết bị di động, bộ điều khiển nhiệt độ

ADT70 có hai thành phần chính gồm nguồn dòng có thể điều chỉnh và bộ phận khuyếch đại Nguồn dòng đóng vai trò cung cấp điện cho nhiệt điện trở và điện trở tham chiếu, giúp đảm bảo độ chính xác của cảm biến Bộ phận khuyếch đại chịu trách nhiệm so sánh điện áp giữa nhiệt điện trở và điện trở tham chiếu, sau đó chuyển đổi thành tín hiệu điện áp phản ánh nhiệt độ Ngoài ra, ADT70 còn được trang bị một opamp và nguồn áp 2,5V, nâng cao khả năng hoạt động ổn định và chính xác trong quá trình đo lường.

Dải đo của ADT70 phụ thuộc vào đặc tính của nhiệt điện trở, do đó việc chọn lựa nhiệt điện trở phù hợp với ứng dụng thực tế là điều vô cùng quan trọng Lựa chọn đúng loại nhiệt điện trở đảm bảo độ chính xác cao và đáng tin cậy trong quá trình đo nhiệt độ Việc xác định nhiệt điện trở phù hợp giúp tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của cảm biến ADT70 trong các ứng dụng cụ thể Chọn nhiệt điện trở đúng không chỉ nâng cao độ chính xác của kết quả đo mà còn kéo dài tuổi thọ của thiết bị trong môi trường hoạt động khắc nghiệt.

Hình 1.1 Sơ đồ khối ADT70

Cảm biến nhiệt độ với vật liệu Silic

Cảm biến nhiệt độ sử dụng vật liệu silic ngày càng đóng vai trò quan trọng trong các hệ thống điện tử nhờ vào đặc điểm tuyến tính, độ chính xác cao và chi phí thấp Những cảm biến này có thể tích hợp trong cùng một IC cùng với bộ khuếch đại và các yêu cầu xử lý tín hiệu khác, giúp hệ thống trở nên nhỏ gọn, phức tạp hơn và hoạt động nhanh hơn Kỹ thuật cảm biến truyền thống như cặp nhiệt và nhiệt điện trở có đặc tuyến không tuyến tính và yêu cầu điều chỉnh để chuyển đổi chính xác nhiệt độ thành tín hiệu điện, trong khi cảm biến silic mang lại lợi ích vượt trội về mặt tích hợp mạch điện và dễ sử dụng.

Hình vẽ 1.7 minh họa cấu trúc cơ bản của cảm biến, với kích thước khoảng 500 x 500 x 200 micromet Mặt trên của cảm biến là lớp SiO2, giúp bảo vệ và nâng cao hiệu suất cảm biến Thiết kế này đảm bảo khả năng hoạt động chính xác và bền bỉ trong các ứng dụng đo lường.

- 12 - vùng hình tròn được mạ kim loại có đường kính khoảng 20 m, toàn bộ mặt đáy được mạ kim loại

Hình 1.7 Cấu trúc cơ bản của cảm biến Silic

Hình vẽ 1.8 trình bày mạch điện tương đương biểu thị cảm biến silic dựa trên nguyên tắc điện trở phân rã Cấu hình này khiến dòng điện phân bố trong tinh thể theo dạng hình nón, tạo nên hiện tượng điện trở phân rã, là cơ sở hoạt động chính của cảm biến silic.

Hình 1.8 Mạch điện tương đương tượng trưng thay thế cảm biến Silic Điện trở cảm biến nhiệt R được xác định như sau :

Trong đó : R - là điện trở cảm biến nhiệt

- 13 - ρ- là điện trở suất của vật liệu silic (ρ lệ thuộc vào nhiệt độ) d - là đường kính của hình tròn vùng mạ kim loại mặt trên

2.3.2 Đặc trưng kỹ thuật cơ bản của dòng cảm biến KTY(hãng Philips sản xuất)

Cảm biến KYT sử dụng công nghệ điện trở phân rã dựa trên vật liệu silic nhằm đem lại độ chính xác và ổn định lâu dài Đây là giải pháp thay thế hiệu quả cho các loại cảm biến nhiệt độ truyền thống Ưu điểm nổi bật của cảm biến KYT gồm độ bền cao, độ chính xác vượt trội và khả năng hoạt động ổn định trong điều kiện khắc nghiệt, giúp giám sát nhiệt độ một cách tin cậy và hiệu quả hơn cho các ứng dụng công nghiệp.

Giả thiết cảm biến hoạt động ở nhiệt độ bằng một nửa giá trị nhiệt độ hoạt động cực đại đảm bảo sự ổn định lâu dài Sau ít nhất 45.000 giờ làm việc (khoảng 51 năm) hoặc sau 1.000 giờ liên tục (1,14 năm) với dòng định mức tại nhiệt độ hoạt động cực đại, cảm biến silic vẫn duy trì độ chính xác đo lường với sai số theo bảng đã được kiểm định.

TYPE Sai số tiêu biểu (K) Sai số lớn nhất (K)

Bảng 1.4 Sai số của cảm biến silic (do thời gian sử dụng)

Cảm biến được sản xuất dựa trên nền tảng công nghệ silic, mang đến lợi ích từ những tiến bộ trong lĩnh vực công nghệ này, từ đó góp phần nâng cao hiệu quả và độ chính xác của các thiết bị cảm biến Công nghệ silic không chỉ mang lại những cải tiến vượt bậc trong lĩnh vực cảm biến mà còn tác động tích cực đến công nghệ đóng gói, nơi luôn có xu hướng thu nhỏ để tối ưu hóa không gian và chi phí Sử dụng công nghệ silic giúp thúc đẩy sự phát triển của các thiết bị điện tử nhỏ gọn, tiên tiến, phù hợp với nhu cầu ngày càng cao của thị trường.

Cảm biến sử dụng vật liệu silic có đặc tính tuyến tính gần như không đổi trên toàn dải đo, giúp đảm bảo độ chính xác và độ tin cậy cao trong các ứng dụng đo lường Tính chất này là một đặc điểm lý tưởng để khai thác trong các hệ thống cảm biến, như đã được nêu trong đặc trưng kỹ thuật của KYT 81, góp phần nâng cao hiệu quả và độ bền của thiết bị.

Các cảm biến silic thông thường thường chỉ hoạt động ở nhiệt độ tối đa là 150°C, giới hạn về nhiệt độ này có thể ảnh hưởng đến độ bền và độ chính xác của cảm biến Tuy nhiên, cảm biến KYT 84 đã vượt qua giới hạn này nhờ thiết kế vỏ bọc SOD68 và công nghệ nối đặc biệt giữa dây dẫn và chip, cho phép hoạt động liên tục ở nhiệt độ lên đến 300°C, phù hợp cho các ứng dụng đòi hỏi chịu nhiệt cao.

Hình 1.9 Đặc trưng kỹ thuật của KYT 81 Đặc điểm sản phẩm :

KYT 81 –1 1.000 1% tới 5% - 55 tới 150 SOD 70 KYT 81 – 2 2.000 1% tới 5% - 55 tới 150 SOD 70

KYT 83 – 1 1.000 1% tới 5% - 55 tới 175 SOD 68 (DO – 34)

Bảng 1.5 Đặc điểm sản phẩm của cảm biến KYT

Trong đó : T 1 - là nhiệt độ mà độ dốc của đường cong bắt đầu giảm

C và D - là các hệ số

Bảng 1.6 Các hệ số của các loại cảm biến

Khi lắp đặt cảm biến KYT 83/84, cần chú ý đến cực tính; đầu cảm biến có vạch màu phải nối vào cực âm để đảm bảo hoạt động chính xác Trong khi đó, cảm biến KYT 81/82 không yêu cầu quan tâm đến cực tính trong quá trình lắp đặt Việc tuân thủ đúng quy trình lắp đặt cảm biến giúp đảm bảo độ chính xác và độ bền của thiết bị.

2.3.3 Mạch điện tiêu biểu với KTY81 hoặc KTY82

Hình vẽ 2.10 cho ta một mạch điện điển hình được thiết kế cho cảm biến

KYT 81 – 110 hoặc KYT 82 – 110 (nhiệt độ từ 0 0C đến 100 0 C) Điện trở R

1 và R2, cảm biến và các nhánh điện trở R3, biến trở P1 và R4 tạo thành một mạch cầu

Giá trị R1 và R2 được chọn sao cho dòng điện qua cảm biến gần bằng 1A, đảm bảo cảm biến hoạt động ổn định và chính xác Việc tuyến tính hoá cảm biến trong phạm vi nhiệt độ cần đo giúp đảm bảo độ chính xác của dữ liệu đo lường Điện áp ngõ ra thay đổi tuyến tính từ 0,2V đến 0,6V, tương ứng với nguồn điện 5V, Vout sẽ thay đổi từ 1V đến 3V, mang lại tín hiệu phản hồi rõ ràng và dễ xử lý trong hệ thống điều khiển.

0 0 đến 3 vôn) Ta điều chỉnh P1 để Vout = 1 vôn tại 0 C, tại 100 C điều chỉnh P Vout = 3 vôn, với mạch điện này việc điều chỉnh P2 không ảnh hưởng đến

Hình 1.10 Mạch đo nhiệt độ sử dụng KYT81-110

IC cảm biến nhiệt độ

Nhiều công ty và hãng chế tạo IC bán dẫn cung cấp các cảm biến nhiệt độ tích hợp để đo và hiệu chỉnh nhiệt độ chính xác Những mạch tích hợp này chuyển đổi tín hiệu nhiệt thành tín hiệu điện áp hoặc dòng điện dựa trên đặc tính nhạy cảm của bán dẫn với nhiệt độ Các cảm biến này tạo ra điện áp hoặc dòng điện tỉ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt đối theo các đơn vị như độ Celsius, Fahrenheit hoặc Kelvin Để đo nhiệt độ chính xác, cần xác định phạm vi đo mong muốn, thường từ -55°C đến 150°C, với độ chính xác từ 1% đến 2%, tùy loại cảm biến.

Nhiệt độ tác động lên chất bán dẫn tạo ra điện tích tự do và lỗ trống bằng cách phá vỡ các phân tử, bứt các electron thành dạng tự do di chuyển qua cấu trúc mạng tinh thể Hiện tượng này làm tăng tỷ lệ điện tử tự do và lỗ trống theo hàm số mũ của nhiệt độ, dẫn đến dòng thuận của mối nối p – n trong diode hoặc transistor tăng theo hàm số mũ khi mức điện áp thuận tăng Trong mạch tích hợp, cảm biến nhiệt thường sử dụng điện áp của lớp chuyển tiếp p – n trong các transistor bipolar như Texinstruments STP 35 A/B/C, hoặc các dòng như LM 35/4.5/50 của National Semiconductor.

2.4.1.Cảm biến nhiệt LM 35/ 34 của National Semiconductor

Hầu hết các cảm biến nhiệt độ phổ biến như cặp nhiệt độ và thermistor đều có đặc điểm phức tạp; cặp nhiệt độ có mức ngõ ra thấp và yêu cầu bù nhiệt, trong khi thermistor không tuyến tính Ngoài ra, các loại cảm biến này không cho ra tín hiệu tuyến tính theo các thang đo nhiệt độ phổ biến như Celsius hay Fahrenheit Tuy nhiên, các cảm biến tích hợp đã được chế tạo để khắc phục những hạn chế này, mặc dù ngõ ra của chúng thường phù hợp hơn với thang đo Kelvin.

Hình 2.11 Các cách kết nối cảm biến LM35

Loại cảm biến nhiệt độ LM35 là cảm biến chính xác đo nhiệt độ theo độ Celsius, với điện áp ngõ ra tỉ lệ trực tiếp với thang nhiệt độ Celsius Nhờ đó, không cần mạch bù trừ điểm zero của thang Kelvin, giúp đơn giản hóa thiết kế hơn so với một số IC cảm biến nhiệt độ khác LM35 là lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng cần độ chính xác cao và dễ dàng tích hợp vào hệ thống điện tử.

- Đặc điểm: Điện áp hoạt động: Vs = 4 vôn đến 30 vôn; Điện áp ngõ ra tuyến tính: 10 mV/ 0 C

- Thang đo: - 55 0 C đến 150 0+ C với LM 35/35A;

- Sự tự nung nóng rất nhỏ: 0,08 0 C (trong môi trường không khí)

- Mức độ không tuyến tính chỉ 1/4( 0 C)

- Giống như LM 35 nhưng được thiết kế cho thang đo Fahrenheit từ -50 đến + 300 0 F

- LM 34 có ngõ ra 10mV/ 0 F

- Điện áp hoạt động: Từ 5 vôn DC đến 20 vôn DC

Trở kháng ngõ ra LM 34 thấp và đặc điểm ngõ ra tuyến tính làm cho giá trị đọc ra hay điều khiển mạch điện dễ dàng

* Cảm biến nhiệt độ AD 590 của Analog Devices :

Cảm biến AD 590 của Analog Devices là cảm biến nhiệt có tổng trở ngõ ra cao, lên đến 10 MΩ, đã được nhà sản xuất cân bằng để đảm bảo dòng mA ra phù hợp với chuẩn nhiệt độ K Điện áp hoạt động của cảm biến càng thấp càng tốt để giảm thiểu hiện tượng tự gia nhiệt và duy trì sự ổn định của dòng điện khi thay đổi nguồn cung Nhờ thiết kế này, cảm biến AD 590 cung cấp các tín hiệu chính xác, ổn định, phù hợp cho các ứng dụng đo nhiệt độ yêu cầu độ chính xác cao.

- Điện áp hoạt động: Từ 4 vôn DC đến 30 vôn DC

- Dòng điện ra tỉ lệ: 1 A/ 0 K

Mạch điện điều khiển nhiệt độ dùng LM35

Nhiệt điện trở NTC

NTC (Negative Temperature Coefficient) là loại nhiệt điện trở có hệ số nhiệt điện trở âm, nghĩa là giá trị điện trở giảm khi nhiệt độ tăng lên Khi nhiệt độ tăng, điện trở của NTC giảm từ 3% đến 5%, giúp chúng thường được sử dụng trong các ứng dụng cần cảm biến nhiệt độ chính xác và phản hồi nhanh NTC có khả năng đo nhiệt độ hiệu quả do đặc tính giảm điện trở theo sự tăng của nhiệt độ, phù hợp cho các thiết bị điện tử và hệ thống điều khiển nhiệt độ.

NTC là hỗn hợp đa tinh thể của nhiều ôxit gốm đã được nung chảy ở nhiệt độ cao (1.000 0 C đến 1.400 0 C) như Fe O ; Zn TiO ; MgCr O ; TiO hay NiO

2 4 2 4 2 và CO với Li2O Để có các NTC có những đặc trưng kỹ thuật ổn định với thời

- 19 - gian dài, nó còn được xử lý với những phương pháp đặc biệt sau khi chế tạo

2.5.2.Đường đặc tính cảm biến nhiệt NTC

- Đặc tính nhiệt độ - điện trở

Sự phụ thuộc nhiệt độ của điện trở phần tử thermistor NTC dẫn nóng có thể biểu diễn theo công thức:

R T – điện trở phần tử thermistor NTC ở nhiệt độ T

R N – điện trở thermistor NTC ở nhiệt độ dẫn xuất T = 293K = 20 C

B – hằng số vật liệu, xác định sự phụ thuộc nhiệt độ dẫn nóng

– hệ số nhiệt của phần tử thermistor NTC

Các biểu thức mô tả sự phụ thuộc nhiệt độ của nhiệt điện trở thermistor NTC ở dạng gần đúng, giúp hiểu rõ cách hoạt động của cảm biến nhiệt Đối với những phép đo chính xác trong phạm vi biến đổi nhiệt độ rộng hơn, cần lưu ý rằng sẽ có sai lệch và hằng số B phải được xem là hàm biến thiên theo nhiệt độ Hình 1.12 minh họa các đặc tuyến biến trở phụ thuộc nhiệt độ với các trị số điện trở dẫn xuất và giá trị B khác nhau, cung cấp cái nhìn toàn diện về hành vi của thermistor NTC trong các điều kiện đa dạng.

Hình 2.12 Đặc tính nhiệt độ-điện trở Hình 1.13 Đặc tính volt-ampere

Trường hợp dòng điện hay điện áp của thermistor NTC lớn hơn bình thường

Thermistor NTC (Negative Temperature Coefficient) sẽ làm nóng lên đến nhiệt độ cao hơn so với môi trường xung quanh, dẫn đến việc tiêu thụ năng lượng điện tăng do dòng hoặc áp suất tăng Quá trình này tạo ra công suất tỏa nhiệt ra môi trường dưới dạng nhiệt tĩnh của phần tử Hình 1.13 minh họa đặc tuyến hoạt động của một thermistor NTC dẫn nóng, cho thấy mối liên hệ giữa nhiệt độ và điện trở của nó.

Vị trí điểm cực đại trên đặc tuyến volt-ampere phụ thuộc vào điện trở nguội của thermistor NTC, nhiệt độ môi trường và diện tích bề mặt của phần tử dẫn nóng Phần tử có diện tích bề mặt lớn hơn sẽ tản nhiệt tốt hơn, phát tán công suất ra môi trường nhiều hơn so với phần tử có diện tích nhỏ, làm cho điểm cực đại dịch chuyển về phía trị số dòng và áp lớn hơn Các phần tử nhiệt điện trở dùng trong đo lường và mạch điều khiển cân bằng nên chịu tải nhẹ để tránh phát nhiệt tự thân, giúp đảm bảo điện trở của chúng chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường.

Điện trở nguội và hệ số nhiệt có thể khác nhau đối với các phần tử cùng loại, dẫn đến việc cần chỉnh định cân bằng trị số phần tử bằng cách mắc nối tiếp hoặc song song một điện trở không phụ thuộc nhiệt độ Để tuyến tính hoá đặc tuyến, người ta thường sử dụng sơ đồ mắc phần tử dẫn nóng vào bộ phân áp, trong đó điện trở R1 được chọn sao cho phần tử nhiệt điện trở NTC chỉ thị nằm gần trung tâm của phạm vi nhiệt độ làm việc.

R 2 lớn gấp 10 lần điện trở R 1

Hình 2.14 Tuyến tính hóa đặc tuyến phần tử biến trở NTC

* Các thông số của biến trở NTC :

- Tmin; Tmax là giới hạn nhiệt độ hoạt động của NTC

- Pmax là công suất lớn nhất cho phép chuyển đổi ra nhiệt trong NTC

NTC có rất nhiều ứng dụng, được chia ra làm 2 loại đó là loại dùng làm đo lường và loại làm bộ trễ

NTC được sử dụng chủ yếu để đo lường và tác động bù trong các hệ thống điện tử, đặc biệt là trong lĩnh vực đo nhiệt độ, kiểm tra và điều khiển Để tránh hiện tượng tự sinh nhiệt do dòng NTC lớn, cần đảm bảo hoạt động chủ yếu trong vùng tuyến tính, nơi điện trở của NTC được xác định chủ yếu bằng nhiệt độ môi trường Ngoài ra, NTC còn được dùng để bù tính phụ thuộc nhiệt độ của điện trở, giúp làm ổn định nhiệt độ cho các mạch điện tử sử dụng bán dẫn, tăng độ chính xác và ổn định của hệ thống.

NTC được sử dụng làm bộ trễ nhờ đặc tính giảm điện trở khi dòng điện tăng, giúp kiểm soát dòng khởi động trong các mạch điện như mạch đèn có tim, mạch động cơ công suất nhỏ, và mạch đốt bóng điện tử Tương tác nhiệt làm giảm điện trở của NTC, tạo hiệu ứng trễ góp phần triệt dòng đỉnh, ổn định hoạt động của các thiết bị điện tử có tính dung kháng cao, giúp bảo vệ mạch khỏi quá tải.

2.6.Thực hành với cảm biến nhiệt độ Platin Pt 100, Pt1000 và ADT70

2.6.1.Thực hành với cảm biến nhiệt độ Platin Pt 100, Pt1000 và ADT70.Q1

* Mục đích : Khảo sát cảm biến nhiệt độ Pt 100, Pt 1.000

* Thiết bị : Cảm biến Pt 100 và Pt 1000, IC ADT70

- Lắp đặt mạch đo nhiệt độ sử dụng nhiệt độ trở Pt1000 với IC ADT 70 như hình 1.19

Để đo giá trị điện áp ngõ ra (VOUT IA và điểm nối mass), cần xác định chính xác giá trị VOUT Đồng thời, tính nhiệt độ môi trường của phòng thí nghiệm (t) dựa trên dữ liệu đã cho Khi lắp mạch theo hình 1.19, quan trọng là thay đổi điện trở RG thành 4,98kΩ như trong hình 1.20 để duy trì tỉ lệ giữa điện áp ngõ ra và nhiệt độ, tương tự như sử dụng Pt1.000 Việc điều chỉnh RG phù hợp giúp đảm bảo độ chính xác trong đo nhiệt độ môi trường phòng thí nghiệm. -**Sponsor**Bạn đang tìm cách tối ưu hóa bài viết của mình cho SEO và đảm bảo nó mạch lạc? Hãy thử [Soku AI](https://pollinations.ai/redirect-nexad/IbHW7ehA?user_id=983577), một công cụ có thể giúp bạn tái cấu trúc nội dung Trong trường hợp của bạn, các câu quan trọng cần giữ lại có thể là: "Đo giá trị điện áp ngõ ra (VOUT IA và điểm nối mass) : VOUT" và "Tính giá trị nhiệt độ môi trường của phòng thí nghiệm t" Soku AI có thể giúp bạn tự động hóa việc này, giúp bạn tạo ra nội dung chất lượng cao hơn.

+ Thay điện trở tham chiếu 1000Ω bằng điện trở 100Ω

+ Đo giá trị điện áp ngõ ra (VOUT IA và điểm nối mass) : VOUT + Tính giá trị nhiệt độ môi trường của phòng thí nghiệm t

2.6.2.Thực hành với cảm biến LM35

* Mục đích : Khảo sát IC LM35

* Thiết bị : - IC LM 35, điện trở

Với IC LM35 điện áp ngõ ra tỉ lệ trực tiếp với thang đo Celsius Thực tế

IC LM35 có 4 dạng như sau :

Hình 1.21 Sơ đồ chân của IC LM35

- Lắp mạch như ở hình vẽ 1.22 thang đo + 2 0 C đến 150 0 C

+ Sử dụng Milivôn kế đo giá trị điện áp VOUT : VOUT + Tính nhiệt độ t + Đưa cảm biến đến gần nguồn nhiệt theo dõi sự thay đổi của VOUT

- Lắp mạch như ở hình vẽ 1.23 thang đo - 55 0 C đến

150 0 C Giá trị R1 được chọn tuỳ thuộc vào –VS ; R1 = -

+ Sử dụng milivôn kế đo giá trị điện áp VOUT : VOUT + Tính nhiệt độ t + Đưa cảm biến đến gần nguồn nhiệt theo dõi sự thay đổi của VOUT

- Lắp mạch như hình vẽ 1.24 thang đo từ -55 0 C đến 150 0 C

+ Sử dụng milivôn kế đo giá trị điện áp VOUT : VOUT + Tính nhiệt độ t + Đưa cảm biến đến gần nguồn nhiệt theo dõi sự thay đổi của VOUT

- Lắp mạch như ở hình vẽ 1.25

Trong mạch này, giá trị điện áp ra tỷ lệ trực tiếp với nhiệt độ theo thang đo Fahrenheit, giúp đo lường chính xác hơn Nên sử dụng một mili volt kế để đo giá trị điện áp VOUT, từ đó tính toán nhiệt độ t một cách chính xác Để đảm bảo hiệu quả đo lường, cần đưa cảm biến gần nguồn nhiệt và theo dõi sự thay đổi của VOUT liên tục, phản ánh chính xác mức độ nhiệt độ cần đo.

CẢM BIẾN TIỆM CẬN VÀ CÁC LOẠI CẢM BIẾN XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ, KHOẢNG CÁCH

Cảm biến tiệm cận (Proximity Sensor)

3.1.1.Đại cương về cảm biến tiệm cận

Cảm biến tiệm cận là thiết bị dùng để đo lường và phát hiện vật thể ở khoảng cách gần mà không cần tiếp xúc trực tiếp, giúp nâng cao độ chính xác và an toàn trong các quá trình tự động hóa Các cảm biến này có đặc điểm chính là khả năng phát hiện vật thể mà không yêu cầu tiếp xúc trực tiếp, phù hợp đa dạng ứng dụng công nghiệp Nhờ những ưu điểm này, cảm biến tiệm cận thường được sử dụng trong tự động hóa, robot, hệ thống điều khiển và các lĩnh vực yêu cầu phát hiện vật thể hiệu quả và chính xác.

- Phát hiện vật không cần tiếp xúc

- Tốc độ đáp ứng cao

- Đầu sensor nhỏ, có thể lắp đặt nhiều nơi

- Có thể sử dụng trong môi trường khắc nghiệt Đối với cảm biến tiệm cận thường được chia thành hai loại, đó là :

* Các thuật ngữ thường sử dụng :

- Vật chuẩn, vật cảm biến :

Vật chuẩn (Standard Object) là vật được coi là chuẩn nếu hình dạng, vật liệu và kích thước của nó phù hợp với yêu cầu của nhà sản xuất Sử dụng vật chuẩn chính xác giúp đảm bảo độ chính xác trong quá trình hiệu chuẩn cảm biến Việc chọn vật chuẩn phù hợp là yếu tố quan trọng để phát huy hết đặc tính kỹ thuật của cảm biến, đảm bảo đo lường chính xác và tin cậy trong các ứng dụng công nghiệp.

Hình 3.1 Cách đo lường không tiếp xúc của cảm biến tiệm cận

Vật cảm biến (Target Object) là vật được đưa vào để cảm biến đo lường, phát hiện và xác định chính xác mục tiêu cần đo Để tận dụng tối đa các tính năng kỹ thuật của cảm biến, người thiết kế cần hiểu rõ các đặc tính của vật cảm biến nhằm lựa chọn cảm biến phù hợp nhất với ứng dụng của mình.

- Khoảng cách phát hiện, khoảng cách cài đặt :

The detecting distance refers to the space between the sensor's surface at the sensor's tip and the furthest targeted object that the sensor can identify This measurement is essential for understanding the sensor's range and capability to detect objects at varying distances.

The setting distance refers to the space between the sensor's surface and the target object, which is essential for stable detection Typically, it is about 70-80% of the sensor's maximum detection range, ensuring accurate and reliable object detection Properly configuring this distance optimizes sensor performance and prevents false triggers.

Hình 3.2 Khoảng cách phát hiện vật chuẩn của cảm biến

Hình 3.3 Khoảng cách cài đặt đối với vật cảm biến

- Thời gian đáp ứng, tần số đáp ứng :

+ Thời gian đáp ứng (Response Time) :

Hình 2.4 Minh họa về thời gian đáp ứng

T1 : Khoảng thời gian từ lúc vật chuẩn chuyển động đi vào vùng phát hiện của sensor tới lúc đầu ra của sensor lên ON

T2 : Khoảng thời gian từ lúc vật chuẩn chuyển động đi ra khỏi vùng phát hiện của sensor tới khi đầu ra của sensor tắt về OFF

Nếu T1 và T2 càng lớn thì thời gian trễ sẽ càng cao,do đó chúng ta mong muốn T1 và T2 càng nhỏ càng tốt

+ Tần số đáp ứng (Response Frequency) :

Tần số của vật cảm biến là số lần xuất hiện lặp lại của vật trong vùng tác động của cảm biến, giúp xác định mức độ hoạt động của vật khi nó đi qua cảm biến Thông thường, tần số này được ký hiệu là fvật cảm biến, với công thức fvật cảm biến = 1, thể hiện số lần vật cảm biến xuất hiện trong khoảng thời gian nhất định Việc đo lường tần số cảm biến giúp tối ưu hóa quá trình giám sát và xử lý dữ liệu, nâng cao hiệu quả hoạt động của hệ thống cảm biến trong các ứng dụng công nghiệp và tự động hóa.

Hình 2.5 Minh họa về tần số đáp ứng

Tần số đáp ứng của cảm biến là số lần tác động lặp lại khi vật đi vào vùng cảm biến, giúp đảm bảo hoạt động chính xác của hệ thống Để đảm bảo hiệu quả, tần số đáp ứng của cảm biến cần phải lớn hơn tần số của nguồn tác động Điều này giúp cảm biến phản hồi nhanh chóng và duy trì độ chính xác trong quá trình hoạt động Việc chọn cảm biến có tần số đáp ứng phù hợp là yếu tố quan trọng để nâng cao hiệu quả và độ bền của hệ thống cảm biến.

3.1.2 Cảm biến tiệm cận điện cảm (Inductive Proximity Sensor)

Dùng để phát hiện những vật bằng kim loại, với khoảng cách phát hiện nhỏ (có thể lên đến 50mm)

* Cấu tạo và nguyên lý hoạt động :

Cuộn dây Vỏ bảo vệ

Vùng từ trường Tạo từ trường Biến đổi

Hình 3.6 Cấu tạo cảm biến tiệm cận điện cảm

+ Tạo từ trường gồm : bộ tạo dao động và cuộn dây cảm ứng,

+ Biến đổi gồm : cuộn dây so sánh, bộ so sánh, bộ khuếch đại

Bộ tạo dao động phát ra tín hiệu tần số cao và truyền qua cuộn cảm ứng để tạo ra vùng từ trường phía trước Năng lượng từ bộ tạo dao động cũng được chuyển đến bộ so sánh nhằm làm mẫu chuẩn, đảm bảo độ chính xác trong quá trình đo lường.

Khi không có vật cảm biến nằm trong vùng từ trường, năng lượng nhận về từ cuộn dây sẽ bằng với năng lượng do bộ dao động gửi qua, dẫn đến việc không có tác động nào xảy ra.

Khi vật cảm biến bằng kim loại nằm trong vùng từ trường, vùng từ trường tác động gây hình thành dòng điện xoáy trong kim loại Càng gần vùng từ trường của cuộn cảm, dòng điện xoáy sẽ càng tăng, làm cho năng lượng phát trên cuộn cảm giảm Điều này khiến năng lượng mà cuộn dây nhận được nhỏ hơn so với mẫu chuẩn do bộ dao động cung cấp Tín hiệu sai lệch sau khi qua bộ so sánh sẽ được khuếch đại và sử dụng làm tín hiệu điều khiển đầu ra, đảm bảo chính xác trong quá trình đo lường hoặc điều khiển.

* Phân loại cảm biến tiệm cận điện cảm :

Xét về hình dáng thì cảm biến tiệm cận điện cảm có hai loại :

Cảm biến tiệm cận điện cảm loại có vỏ bảo vệ (Shielded) hoặc cảm biến tiệm cận điện cảm đầu bằng có vùng từ trường tập trung phía trước mặt cảm biến, giúp giảm nhiễu từ kim loại xung quanh Tuy nhiên, do tập trung vùng từ trường này, phạm vi đo của cảm biến sẽ bị giới hạn hơn so với các loại không có vỏ bảo vệ.

Hình 3.7 Cảm biến tiệm cận điện cảm đầu bằng E2EV của hãng Omron

Cảm biến tiệm cận điện cảm không có vỏ bảo vệ (Un-Shielded) hoặc cảm biến tiệm cận điện cảm đầu lồi có vùng từ trường tập trung phía trước mặt và xung quanh cảm biến, giúp mở rộng phạm vi đo Tuy nhiên, loại cảm biến này dễ bị ảnh hưởng bởi nhiễu do kim loại xung quanh, yêu cầu vị trí lắp đặt cẩn thận để đảm bảo độ chính xác.

Hình 3.8 Cảm biến tiệm cận điện cảm đầu lồi E2E-X2F1 2M OMS của hãng Omron

* Khoảng cách đo – các yếu tố ảnh hưởng :

Vật liệu của vật cảm biến ảnh hưởng lớn đến khoảng cách phát hiện của cảm biến phụ, khi vật cảm biến có đặc tính từ tính hoặc kim loại, khả năng cảm biến sẽ được cải thiện rõ rệt Chọn lựa vật liệu phù hợp là yếu tố then chốt để nâng cao hiệu suất cảm biến và mở rộng phạm vi phát hiện Các vật liệu có độ từ tính cao hoặc kim loại giúp cảm biến xác định chính xác các vật thể trong môi trường, đảm bảo hoạt động hiệu quả và độ chính xác cao.

Aluminum loại có chứa sắt sẽ có khả năng phát hiện xa hơn các vật liệu không có từ tính hoặc không chứa sắt

Hình 3.9 Đường đặc tuyến quan hệ giữa khoảng cách phát hiện và từ tính của vật

Hình 3.10 Ảnh hưởng của vật liệu làm vật cảm biến đến khoảng cách phát hiện

- Kích cỡ của vật cảm biến : Nếu kích cỡ vật cảm biến nhỏ hơn vật chuẩn, khoảng cách phát hiện của sensor sẽ giảm

Kho ảng c ác h phá t hi ện ( mm )

Hình 3.11 Ảnh hưởng của kích cỡ vật cảm biến đến khoảng cách phát hiện

Vật cảm biến thuộc nhóm kim loại từ tính như sắt, niken yêu cầu có bề dày ít nhất 1mm để đảm bảo hoạt động chính xác Bề dày của vật cảm biến càng mỏng thì khả năng phát hiện sẽ giảm, vì vậy cần chọn vật cảm biến phù hợp về kích thước để đảm bảo hiệu quả cảm biến tối ưu.

Hình 3.12 Ảnh hưởng của bề dày vật cảm biến đến khoảng cách phát hiện

Lớp mạ bên ngoài của vật cảm biến có thể ảnh hưởng đến khả năng phát hiện Khi vật cảm biến được mạ, khoảng cách phát hiện sẽ bị ảnh hưởng đáng kể Ví dụ, các cảm biến của hãng Omron có đặc điểm này, do đó, việc mạ bên ngoài cần được xem xét kỹ lưỡng để đảm bảo hiệu quả hoạt động của cảm biến.

Số thứ tự Vật liệu mạ và độ dày Vật liệu làm lõi

Bảng 1.1 Ảnh hưởng của lớp mạ bên ngoài cảm biến đến khoảng cách phát hiện

3.1.3 Cảm biến tiệm cận điện dung (Capacitive Proximity Sensor)

Dùng để phát hiện những bằng phi kim, với khoảng cách phát hiện nhỏ (có thể lên đến 50mm)

+ Tạo vùng điện môi (hoặc vùng từ trường) gồm : bộ tạo dao động và các bản cực hở (bản cực trong và bản cực ngoài)

+ Biến đổi gồm : bộ so sánh, bộ khuếch đại

Hình 3.13 Cấu tạo cảm biến tiệm cận điện dung

Một số loại cảm biến xác định vị trí, khoảng cách khác

3.2.1 Xác định vị trí và khoảng cách dùng biến trở

Các phần tử biến trở thường được chế xuất dưới dạng chiết áp potentiometer Trị số điện trở thuần Ohm của biến trở kim loại dây cuốn là:

Trong đó : - điện trở suất vật liệu điện trở, [ Ω mm 2

]; m l – chiều dài dây cuốn điện trở;

S – tiết diện dây trở, [ mm 2 ]

Các chiết áp có tiếp điểm con trượt thường có chuyển động thẳng tuyến tính hoặc vòng (hình 2.21), với kiểu phổ biến là có bộ phận truyền động trục quay, có thể quay tay hoặc sử dụng motor điện Biến trở được chế tạo từ điện trở dây cuốn hoặc màng điện trở phim resistors bằng vật liệu dẫn điện như carbon hoặc chất dẻo dẫn điện Mặc dù mỗi chiết áp thực tế có thể có thành phần điện cảm và điện dung, nhưng chúng thường được bỏ qua khi hoạt động với điện một chiều hoặc tần số xoay chiều thấp Hiện nay, công nghệ biến trở từ – magnetic field resistors đang phát triển, loại này hoạt động không tiếp xúc và không bị ảnh hưởng bởi ma sát con trượt.

Hình 3.21 Cảm biến điện trở: ; Hình 3.22 Sai lệch tuyến tính của a) Chiết áp thẳng chiết áp do dung sai chế tạo b) Chiết áp vòng (amular)

* Các thông số đặc trưng của biến trở :

- Trị số điện trở (danh định): Trị số điện trở điển hình là 100[ Ω ] và 100 [k Ω]

Mức tổn hao công suất cho phép sẽ tăng theo mức tăng điện áp khi điện trở nhỏ, trong khi điện trở lớn không những làm tăng ảnh hưởng của phần điện cảm và điện dung mà còn có nguy cơ gây nhiễu điện-từ Do đó, cần lựa chọn phương án phù hợp dựa trên trường hợp ứng dụng cụ thể để cân bằng giữa hiệu quả và độ ổn định của hệ thống Điện áp lớn nhất U0 max có thể cung cấp cho chiết áp được tính bằng công thức phù hợp với các điều kiện thực tế của hệ thống.

– công suất tổn hao cho phép của chiết áp, [W];

Dung sai cho phép phản ánh giới hạn sai số tối đa chấp nhận được trong quá trình sử dụng Dung sai của chiết áp chính là mức độ sai lệch giữa trị số thực tế và trị số danh định, được tính bằng tỷ lệ phần trăm so với trị danh định, thể hiện sai số tương đối của biến trở chiết áp Thông số này nằm trong phạm vi quy định nhằm đảm bảo độ chính xác và độ tin cậy của thiết bị trong các ứng dụng điện tử.

(1 ÷10)[%] Trị số điển hình là trong khoảng 3[%] và 5[%]

Độ tuyến tính là đặc tính quan trọng của các phần tử tự động, ảnh hưởng đến độ chính xác của hệ thống trong mọi điều kiện hoạt động, kể cả không tải Trong điều kiện không tải, thay đổi điện áp đầu ra vẫn không hoàn toàn tuyến tính với đường trượt hay góc quay của con trượt do sai lệch của điện trở thực tế so với đường cong lý tưởng thường nằm trong khoảng từ 0,05% đến 1% Chiết áp dây cuốn có độ tuyến tính tối ưu, nhưng nhược điểm là giá trị biến trở thay đổi theo vòng dây, dẫn đến độ phân giải phụ thuộc vào số vòng dây trên mỗi mm Thực tế, người ta có thể chế tạo chiết áp với 25 vòng trên 1 mm, cho phép đạt độ phân giải giới hạn khoảng 40 μm.

Độ phân giải của chiết áp vòng đơn đường kính 25 mm là khoảng 0,2 mm, mặc dù về lý thuyết các loại chiết áp màng carbon hoặc màng dẻo điện dẫn có độ phân giải vô hạn Trong thực tế, các cảm biến này có thể đạt độ phân giải khoảng 0,01 mm khi đo dịch chuyển thẳng và 0,01 mm khi đo di góc Tuy nhiên, độ tuyến tính của các cảm biến này kém hơn so với các loại chiết áp dây cuốn, ảnh hưởng đến độ chính xác trong các ứng dụng đo lường.

Phương pháp xác định trị số điện trở chính xác nhất hiện nay là sử dụng sơ đồ cầu đo Hình 3.23 trình bày nguyên lý hoạt động của sơ đồ mạch cầu dùng để đo trị số biến trở, đảm bảo độ chính xác cao trong các phép đo điện trở.

Sơ đồ mạch cầu ứng dụng cho phần tử biến trở thường dựa trên nguyên lý sơ đồ cầu cân bằng, giúp đảm bảo đo chính xác và ổn định Trong đó, sơ đồ hình 3.23 được chỉnh định sao cho điện áp đường chéo của cầu là điểm quan trọng để xác định giá trị biến trở Việc sử dụng sơ đồ cầu cân bằng giúp cải thiện độ chính xác của phép đo, đồng thời dễ dàng điều chỉnh để phù hợp với các yếu tố kỹ thuật khác nhau Đây là phương pháp phổ biến trong các ứng dụng đo lường điện trở biến trở, đảm bảo hiệu quả và độ tin cậy cao.

= 0 [V], tức là dùng điện kế galvanometer chỉ thị “0” Khi cầu cân bằng, có thể xác định trị số điện trở chưa biết trước của các điện trở kia

Bạn có thể sử dụng sơ đồ cầu theo nguyên lý cầu lệch để xử lý gia công tín hiệu đo, giúp cải thiện độ chính xác của phép đo điện áp Khi áp dụng phương pháp này, đồng hồ chỉ thị sẽ phản ánh chính xác điện áp đường chéo cầu, đảm bảo kết quả đo tin cậy và ổn định hơn Đây là kỹ thuật hiệu quả trong các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao về điện áp trong công nghiệp và kỹ thuật điện.

U D là điện áp đầu ra

Thông thường phần tử biến trở R 2 trong sơ đồ cầu lệch hình 3.24 thay đổi theo chuyển vị x dạng R 2 = R(1 + x) (2-5)

Như vậy, điện áp đường chéo cầu U D chuyển dịch x

– chính là điện áp ra, tỷ lệ với độ

Hình 2.23 Sơ đồ cầu trở với Hình 2/24 Sơ đồ cầu trở với một phần tử biến trở hai phần tử biến trở

3.2.2 Xác định vị trí khoảng cách bằng tự cảm (Inductance Transducers)

* Nguyên lý : Điện cảm của cuộn dây được xác định bằng :

Trong đó : N – số vòng dây μ 0- độ từ thẩm của khoảng không μ = 4 π 10 7 [H/m] μ r – độ từ thẩm tương đối

A – diện tích l – độ dài của cuộn dây

Trong thực tế, việc tính toán điện cảm của cuộn dây dựa trên các đại lượng này thường không khả thi Thay vào đó, người ta thường xác định điện cảm bằng cách đo trị hiệu dụng dòng và áp xoay chiều với tần số f trên cuộn dây, giúp đảm bảo độ chính xác và phù hợp với thực tế hoạt động của mạch điện.

Nguyên lý hoạt động của cảm biến điện cảm dựa trên việc thay đổi các đại lượng xác định điện cảm của cuộn cảm như số vòng dây N, bán kính r, diện tích A và chiều dài l, để tạo ra biến cảm Các phần tử cảm biến điện cảm có thể được thiết kế với nhiều phương án khác nhau, như minh họa trong hình 3.27, nhằm tối ưu hóa độ nhạy và chính xác của cảm biến Việc điều chỉnh các thành phần này giúp biến đổi giá trị điện cảm phù hợp với ứng dụng đo lường, đảm bảo hiệu quả và độ chính xác trong đo đạc.

Có thể điều chỉnh số vòng dây N bằng cách sử dụng kết cấu con trượt (hình 3.27a), mặc dù việc thay đổi kích thước hình học của từng vòng dây riêng lẻ gặp khó khăn Một phương pháp khác là chia cuộn dây thành hai nửa và điều chỉnh khoảng không gian giữa chúng (hình 3.27b), từ đó thay đổi sự ghép từ tính và điện cảm toàn phần Đối với cuộn cảm có lõi sắt, sự dịch chuyển của lõi sắt-từ trong lòng cuộn dây sẽ ảnh hưởng đến độ từ thẩm, như kiểu phần ứng dọc (hình 3.27c - nguyên lý và kết cấu) Ngoài ra, kiểu phần ứng ngang sử dụng một bản cực điện dẫn đặt gần hoặc trên thân cuộn dây để tạo dòng xoáy Foucault trong phiến điện dẫn, kết hợp tương tác với từ trường của cuộn dây để thay đổi điện cảm (hình 3.27d – nguyên lý và kết cấu).

Hình 3.27 trình bày nguyên lý biến cảm theo phương án biến thiên, gồm các yếu tố chính như số vòng dây N, bố trí hình học và độ từ thẩm của lõi sắt từ trong thiết kế Nguyên lý này giúp hiểu rõ cách cảm biến chuyển đổi sự biến đổi từ các yếu tố hình học và từ thông thành tín hiệu điện Các tổn hao dòng xoáy, đặc biệt trên phiến điện dẫn, cũng được phân tích theo kiểu phần ứng ngang để tối ưu hiệu suất cảm biến Việc lựa chọn cách bố trí hình học và độ từ thẩm phù hợp đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện độ nhạy và độ chính xác của hệ thống biến cảm theo phương án biến thiên.

Phần tử biến cảm có lõi sắt-từ bên trong cuộn dây n vòng, giúp thay đổi điện cảm khi chuyển dịch lõi sắt-từ (hình 3.28a) Điện cảm của cảm biến phụ thuộc vào số vòng dây n, độ từ thẩm, và kích thước hình học của phần tử Đây là các yếu tố chính ảnh hưởng đến hiệu suất và độ chính xác của cảm biến từ trường.

Hình 2.28 Nguyên lý cấu tạo phần tử biến cảm a) Cấu trúc lõi trượt (phần ứng dọc trục); b) Cấu trúc phần ứng ngang theo nguyên lý thay đổi từ thông

Phần tử biến cảm có cấu trúc lõi trượt, còn gọi là phần tử cảm biến điện cảm có phần ứng dọc, là dạng biến cảm dựa trên nguyên lý thay đổi từ thông, hay phần ứng ngang Khi cung cấp điện áp xoay chiều cho cuộn cảm, từ trường xuyên qua phiến điện dẫn nằm cách cuộn cảm một khoảng ∆l sẽ tạo ra dòng xoáy Foucault bên trong phiến Dòng xoáy này tạo ra trường đối ngẫu, làm tăng hoặc giảm điện trường của cuộn cảm, qua đó ảnh hưởng đến điện cảm ban đầu của nó.

Như vậy, phần tử cảm biến điện cảm nói chung có hai dạng kết cấu cơ bản:

- Cuộn cảm không lõi sắt

- Cuộn cảm lõi sắt-từ

Kết cấu biến cảm hoạt động dựa trên nguyên lý biến áp, sử dụng lõi sắt-từ để tạo ra sự ghép từ tính giữa các phần tử Hệ số ghép của nó tương đương với hệ số biến áp, giúp chuyển đổi năng lượng từ một phần của mạch sang phần khác một cách hiệu quả Đây là nguyên lý cơ bản của các thiết bị cảm biến biến cảm, đảm bảo hoạt động chính xác và ổn định trong các ứng dụng kỹ thuật.

Do đó dạng kết cấu có lõi sắt có hai kiểu cơ bản:

- Kiểu phần ứng dọc longitudinal armature

- Kiểu phần ứng ngang transverse armature Ở đây, cũng như trong kỹ thuật điện-từ, bộ phận động gọi là phần ứng

Các bài thực hành ứng dụng các loại cảm biến tiệm cận

3.3.1.Thực hành với cảm biến tiệm cận điện cảm

+ Cảm biến tiệm cận điện cảm IW-2008-BRKG/IW5039 + Relay trung gian, tiếp điểm thường mở của relay trung gian + Nguồn 24VDC

+ Đèn tín hiệu 24VDC + Vật cảm biến

Ghi các thông số kỹ thuật của cảm biến

Mã số sản xuất sản phẩm: Điện áp hoạt động:

Dòng điện: Đặc tính hoạt động:

Vẽ sơ đồ kết nối cảm biến

Bước 1 : Tiến hành đấu nối cảm biến theo sơ đồ đã vẽ

Chú ý : Tùy thuộc vào ngõ ra của cảm biến mà có thể đấu nối theo dạng NPN hoặc PNP

Trong bước 2, lần lượt đưa các vật cảm biến bằng kim loại có kích thước hoặc độ từ tính khác nhau qua cảm biến để xác định ảnh hưởng của từng loại vật đến khoảng cách phát hiện Điều này giúp đánh giá khả năng cảm biến nhận biết các vật thể khác nhau dựa trên đặc tính vật liệu và kích thước của chúng Quá trình này nhằm tối ưu hóa độ nhạy và độ chính xác của cảm biến trong các ứng dụng thực tế.

Những ghi chú khi thực hành và nhận xét :

3.3.2.Thực hành với cảm biến tiệm cận điện dung

+ Cảm biến tiệm cận điện dung KIE3015-FPKG + Relay trung gian, tiếp điểm thường mở của relay trung gian + Nguồn 24VDC

+ Đèn tín hiệu 24VDC + Vật cảm biến

Trong bước 2, bạn lần lượt đưa các vật cảm biến bằng phi kim như giấy, gỗ, nhựa hoặc kim loại với các kích thước và mức độ từ tính khác nhau qua cảm biến để quan sát sự thay đổi về khoảng cách phát hiện Quá trình này giúp xác định ảnh hưởng của từng vật cảm biến đến khả năng phát hiện của cảm biến, từ đó tối ưu hóa hiệu suất cảm biến trong các ứng dụng thực tế.

CẢM BIẾN QUANG ĐIỆN

Đại cương

4.1.1.Tính chất 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 truyền đi với vận tốc c = 299.792 km/s trong chân không Trong môi trường vật chất, sóng ánh sáng có vận tốc v = c/n, với n là chiết suất của môi trường, giúp phân biệt tốc độ truyền trong các môi trường khác nhau.

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

Phổ ánh sáng được biểu diễn như hình 5.1

Tính chất hạt thể của ánh sáng thể hiện qua khả năng tương tác của các hạt photon với vật chất Các photon mang năng lượng W tỷ lệ thuận với tần số của ánh sáng, cho thấy rằng năng lượng này chỉ phụ thuộc vào tần số của ánh sáng mà không phụ thuộc vào cường độ hay bước sóng Chính vì vậy, mức năng lượng của photon là yếu tố cốt lõi quyết định tính chất hạt của ánh sáng trong các quá trình tương tác vật chất.

Các đại lượng quang học :

- Cường độ : oat/steradian (W/Sr)

Một điện tử liên kết với nguyên tử có năng lượng liên kết Wl Để giải phóng điện tử này khỏi nguyên tử, cần cung cấp năng lượng bằng Wl Do đó, năng lượng cần cung cấp phải bằng năng lượng liên kết để có thể thúc đẩy electron thoát ra khỏi nguyên tử một cách hiệu quả.

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

Hình 5.1 Phân bố phổ ánh sáng

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

502 Bad GatewayUnable to reach the origin service The service may be down or it may not be responding to traffic from cloudflared

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

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)

502 Bad GatewayUnable to reach the origin service The service may be down or it may not be responding to traffic from cloudflared

Tế bào quang dẫn là cảm biến quang dựa trên hiện tượng quang dẫn, xảy ra do hiệu ứng quang điện bên trong vật liệu bán dẫn Hiện tượng này bao gồm việc giải phóng các hạt tải điện trong vật liệu bán dẫn dưới tác dụng của ánh sáng, giúp tế bào quang dẫn chuyển đổi ánh sáng thành tín hiệu điện một cách hiệu quả.

Hình 5.2 Tế bào quang dẫn

- Các vật liệu dùng để chế tạo tế bào quang dẫn:

Tế bào quang dẫn thường được chế tạo bằng các bán dẫn đa tinh thể đồng nhất hoặc đơn tinh thể, bán dẫn riêng hoặc pha tạp

+ Đa tinh thể: CdS, CdSe, CdTe, PbS, PbSe, PbTe

+ Đơn tinh thể: Ge, Si tinh khiết hoặc pha tạp Au, Cu, Sb, In, SbIn, AsIn, CdHgTe

- Các tính chất cơ bản của tế bào quang dẫn:

+ Điện trở vùng tối Rc phụ thuộc vào hình dạng, kích thuớc, nhiệt độ và bản chất lý hoá của vật liệu

Các chất PbS, CdS, CdSe có điện trở vùng tối rất cao ( từ 10 4 tới 10 5 Ω ở

25 0 C) , trong khi đó SbIn, AbSs, CdHgTe có điện trở vùng tối tương đối nhỏ

Khi được chiếu sáng, điện trở cửa tế bào quang dẫn giảm xuống rất nhanh, quan hệ giữ điện trở của tế bào quang dẫn và độ rọi sáng :

Trong đó : a – là hằng số phụ thuộc vào vật liệu γ – tần số của ánh sáng 0,5 < γ < 1

Hình 5.3 Quan hệ giữa độ rọi và điện trở của tế bào quang dẫn

Hình 5.4 Ký hiệu của tế bào quang dẫn

- Ứng dụng của tế bào quang dẫn :

Trong thực tế các tế bào quang dẫn thường được ứng dụng trong hai trường hợp :

Thu tín hiệu quang là quá trình tế bào quang điện chuyển đổi xung quang thành xung điện, giúp thiết bị nhận biết các tín hiệu ánh sáng một cách chính xác Các mạch đo quang này thường được ứng dụng để đếm vật thể hoặc đo tốc độ quay của đĩa, đảm bảo độ chính xác và hiệu quả trong các hệ thống tự động hóa và điều khiển.

Hình 5.5 Minh họa dùng tế bào quang dẫn điều khiển Relay a) Điều khiển trực tiếp b) Điều khiển gián tiếp qua transistor khuếch đại

- Cấu tạo của Photo Diode :

Photodiode là một tiếp giáp p-n được chế tạo từ các vật liệu như Ge, Si để cảm nhận ánh sáng trong vùng ánh sáng khả kiến và gần hồng ngoại, cùng với các vật liệu như GaAs, InAs, CdHgTe, InSb dành cho vùng ánh sáng hồng ngoại, giúp thiết bị phát hiện và chuyển đổi tín hiệu quang thành điện một cách chính xác và hiệu quả.

Hình 5.6 Cấu tạo của Photo Diode

- Nguyên lý làm việc của photo diode:

Khi chiếu sáng bề mặt của photo diode bằng bức xạ có bước sóng nhỏ hơn bước sóng ngưỡng λ < λn, các cặp điện tử–lỗ trống sẽ xuất hiện thêm, giúp tăng khả năng tham gia vào quá trình dẫn điện Để các hạt này góp phần làm tăng dòng điện I trong diode, cần phải thúc đẩy quá trình chuyển đổi các cặp electron-hole thành dòng điện hiệu quả hơn Thường thì việc chiếu sáng có bước sóng phù hợp sẽ tối ưu hóa khả năng tạo ra các cặp điện tử–lỗ trống, từ đó nâng cao hiệu suất hoạt động của photo diode trong các ứng dụng quang học và quang điện.

Quá trình ngăn quá trình tái hợp của chúng nghĩa là phải nhanh chóng tách cặp electron– lỗ trống dưới tác dụng của điện trường Quá trình này chỉ diễn ra trong vùng nghèo, góp phần làm tăng dòng điện ngược và ảnh hưởng đến hiệu suất của thiết bị điện tử Hiểu rõ cơ chế này giúp tối ưu hóa các thiết kế điện tử để hạn chế dòng điện không mong muốn.

- Các chế độ làm việc của Photo Diode :

+ Chế độ quang dẫn : Ở chế độ quang dẫn, Photo Diode được phân cực ngược bởi nguồn sức điện động E như hình 5.7

Hình 5.7 Sơ đồ phân cực Photo Diode ở chế độ quang dẫn

Trong chế độ quang thế, diode và photodiode hoạt động như nguồn dòng khi không có điện áp ngoài đặt vào, giúp giảm ảnh hưởng của nhiễu và cho phép đo quang thông nhỏ chính xác hơn Đặc điểm nổi bật của chế độ này là không có dòng điện tối do không có nguồn phân cực ngoài, từ đó nâng cao độ nhạy và độ chính xác trong các ứng dụng quang học.

Khi chiếu sáng vào photo diode, các hạt dẫn không cơ bản tăng lên làm cho hàng rào điện thế của tiếp giáp thay đổi

- Ứng dụng của photo diode

Photo diode được sử dụng để đo thông lượng ánh sáng, giúp xác định cường độ ánh sáng chính xác Ngoài ra, nó còn được ứng dụng trong việc dò vạch dẫn đường cho robot tự hành, nâng cao khả năng di chuyển tự động chính xác Bên cạnh đó, photodiode còn là thành phần quan trọng trong các bộ thu trong hệ thống điều khiển từ xa không dây, đảm bảo truyền tải tín hiệu ổn định và hiệu quả.

- Sơ đồ dùng photo diode :

Hình 5.9 Sơ đồ mạch đo dòng ngược dùng photo diode ở chế độ quang dẫn

Hình 5.9 Sơ đồ mạch đo dùng photo diode ở chế độ quang thế

Cấu tạo của photo transistor là một transistor silic loại NPN có vùng Bazơ có khả năng tiếp xúc với ánh sáng, giúp chuyển đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện Nguyên lý hoạt động của transistor quang dựa trên quá trình khi ánh sáng chiếu vào vùng Bazơ, làm thay đổi điện năng trong vùng này và điều chỉnh dòng điện qua các cực của transistor Khi không có điện áp đặt lên Bazơ, chỉ có điện áp được áp dụng lên cực Colector, dẫn đến chế độ phân cực ngược của chuyển tiếp BC (như hình 5.10 a) Điện áp đặt vào chân E hầu như tập trung vào chuyển tiếp B-C, còn chênh lệch điện thế giữa Emiter và Bazơ gần như không đáng kể (VBE ≈ 0,7V), giúp transistor hoạt động hiệu quả trong mạch đo bằng transistor quang.

[V]) Khi chuyển tiếp B-C được chiếu sáng, nó hoạt động như một photo diode ở chế độ quang dẫn với dòng điện ngược

Trong đó : Io - là dòng điện ngược khi không được chiếu sáng

Ip - là dòng quang điện khi có quang thông Φo chiếu qua bề dày X của lớp bán dẫn

Ir đóng vai trò như dòng Bazơ, nó sẽ gây nên dòng colector

- Ứng dụng của transistor quang :

Transistor có thể được sử dụng để đo lượng ánh sáng, dò đường dẫn cho robot di động, làm đầu thu trong các bộ điều khiển từ xa không dây, đọc mã vạch, và chế tạo cảm biến quang trong ngành công nghiệp.

4.1.4.Một số cảm biến quang thông dụng

Cảm biến quang loại thu phát độc lập

Cảm biến quang loại thu phát độc lập (through beam) bao gồm hai bộ phận chính đó là bộ phận phát và bộ phận thu (như hình 5.13)

Hình 5.13 Cấu tạo cảm biến quang loại thu phát độc lập

Bộ phận phát tỏa ra ánh sáng hồng ngoại, truyền đi thẳng và đã được mã hóa theo một tần số nhất định để tránh bị ảnh hưởng của các nguồn ánh sáng bên ngoài Nhờ đó, hệ thống có thể hoạt động chính xác hơn trong môi trường có nhiều ánh sáng xung quanh Ánh sáng hồng ngoại này đảm bảo truyền tín hiệu ổn định và giảm thiểu nhiễu do các yếu tố ngoại lai gây ra.

Khi đặt bộ phận thu trên đường truyền thẳng của ánh sáng hồng ngoại, bộ phận thu sẽ nhận được tín hiệu ánh sáng mà không gây ảnh hưởng hay tác động nào đến ngõ ra, đảm bảo chính xác trong quá trình truyền tín hiệu.

Khi vật cảm biến đi ngang qua, nó sẽ ngắt ánh sáng truyền đến bộ phận thu, khiến bộ phận thu không còn nhận được ánh sáng từ bộ phận phát Điều này tạo ra tín hiệu tác động tại ngõ ra của hệ thống cảm biến, báo hiệu sự có mặt hoặc sự di chuyển của vật thể Các cảm biến quang học hoạt động dựa trên nguyên lý này để phát hiện vật thể một cách chính xác và hiệu quả.

Khoảng cách phát hiện của cảm biến quang loại thu phát độc lập là khoảng cách tính từ bộ phận phát đến bộ phận thu sao cho bộ phận thu có thể nhận được ánh sáng hồng ngoại từ bộ phận phát Do đó, khoảng cách phát hiện chính là khoảng cách cài đặt của cảm biến quang.

Hình 5.14 Khoảng cách cài đặt của cảm biến quang loại thu phát độc lập

Trên thực tế bộ phận phát không phát ra một tia sáng truyền thẳng mà phát ra một tia sáng có đường kính tăng dần

Hình 5.15 Góc phát quang của cảm biến quang loại thu phát độc lập

* Chế độ hoạt động Dark-On và Light-On :

- Chế độ hoạt động Dark-On :

Hình 5.16 Chế độ hoạt động Dark-On của cảm biến quang loại thu phát độc lập

- Chế độ hoạt động Light-On :

Hình 5.17 Chế độ hoạt động Light-On của cảm biến quang loại thu phát độc lập

Tùy thuộc vào đối tượng tải thực tế, lựa chọn bộ phận thu của cảm biến quang là loại DC hay AC để đảm bảo hoạt động chính xác Khi kết nối cảm biến với tải, cần tuân thủ đúng hướng dẫn ghi trên nhãn của cảm biến để tránh gây hỏng hóc Việc kết nối sai sẽ làm giảm tuổi thọ và gây hỏng cảm biến quang, ảnh hưởng đến hiệu quả hoạt động của hệ thống.

- Kết nối tải khi bộ phận thu là kiểu NPN :

Hình 5.18 Kết nối bộ phận thu kiểu NPN

- Kết nối tải khi bộ phận thu là kiểu PNP :

Hình 5.19 Kết nối bộ phận thu kiểu PNP

Tải có thể là Relay, PLC hoặc các mạch Logic

Cảm biến quang loại phản xạ

Cảm biến quang loại phản xạ gương (retro reflective) gồm hai thành phần chính đó là bộ phận phát – thu và gương phản xạ như hình 5.20

Bộ phận phát phát ra tia hồng ngoại có cường độ cao và truyền thẳng theo một hướng nhất định Ánh sáng hồng ngoại này đã được mã hóa theo một tần số nhất định nhằm tránh bị ảnh hưởng bởi các nguồn sáng xung quanh Điều này giúp hệ thống hoạt động chính xác và ổn định hơn trong các điều kiện môi trường khác nhau.

Thiết bị cảm biến ánh sáng hoạt động dựa trên nguyên lý phản xạ của ánh sáng khi không có vật cảm biến xuất hiện, ánh sáng từ bộ phát sẽ bị phản xạ lại và không tạo ra tác động ở ngõ ra Khi vật cảm biến đi ngang qua và cắt ngang tia sáng; bộ phận thu sẽ không nhận được ánh sáng từ bộ phát, dẫn đến tín hiệu tác động ở ngõ ra, giúp xác định sự xuất hiện của vật thể trong hệ thống cảm biến.

Hình 5.20 Cấu tạo cảm biến quang loại phản xạ gương

Gương phản xạ là loại gương phản xạ lại ánh sáng sao cho ánh sáng phản xạ trở lại song song với tia tới ban đầu Thường được sử dụng trong cảm biến quang, gương phản xạ có dạng hình vuông hoặc hình chữ nhật để dễ dàng lắp đặt và sử dụng Về cấu tạo bên trong, gương phản xạ gồm hai loại chính là gương hạt thủy tinh và gương ba mặt, mang đến các ứng dụng đa dạng trong các thiết bị công nghệ và đo lường.

Hình 5.21 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của : a)Gương thường b)Gương phản xạ 3 mặt c) Gương phản xạ loại hạt thủy tinh

Khoảng cách phát hiện của cảm biến quang loại gương phản xạ là khoảng cách tính từ bộ phận phát – thu đến gương phản xạ, đảm bảo bộ phận thu nhận được ánh sáng hồng ngoại phát ra từ bộ phận phát Do đó, khoảng cách này chính là khoảng cách cài đặt của cảm biến, giúp đảm bảo hoạt động chính xác trong quá trình phát hiện vật thể.

Hình 5.22 Khoảng cách cài đặt của cảm biến quang loại gương phản xạ

Hình 5.23 Chế độ hoạt động Dark – On của cảm biến quang loại gương phản xạ

Hình 5.24 Chế độ hoạt động Light – On của cảm biến quang loại gương phản xạ

* Kết nối cảm biến : (Tương tự như kết nối cảm biến quang loại phát thu độc lập)

4.4.Cảm biến quang loại khuếch tán

Cảm biến quang loại phản xạ khuếch tán hoạt động dựa trên nguyên lý phát và thu tín hiệu, sử dụng tia hồng ngoại có góc phát mở rộng dần khi ánh sáng đi xa Loại cảm biến này thường được ứng dụng trong các hệ thống tự động hóa nhờ khả năng phát hiện vật thể qua phản xạ của ánh sáng hồng ngoại Phương pháp đo dựa vào phản xạ khuếch tán giúp cảm biến phát hiện các vật thể ở nhiều khoảng cách khác nhau một cách chính xác.

Hình 5.25 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động cảm biến quang loại phản xạ khuếch tán

Khoảng cách phát hiện của cảm biến quang phản xạ khuếch tán là khoảng cách xa nhất từ bộ phận phát – thu đến vật cảm biến sao cho bộ phận thu vẫn có thể nhận được ánh sáng hồng ngoại phát ra từ bộ phận phát Do đó, khoảng cách phát hiện chính là khoảng cách cài đặt của cảm biến, đảm bảo khả năng phát hiện vật thể trong phạm vi mong muốn.

Hình 5.26 Khoảng cách cài đặt của cảm biến quang loại phản xạ khuếch tán

Hình 5.27 Chế độ hoạt động Dark – On của cảm biến quang loại phản

Hình 5.28 Chế độ hoạt động Light – On của cảm biến quang loại phản xạ khuếch tán

* Kết nối cảm biến : (Tương tự như kết nối cảm biến quang loại phát thu độc lập)

4.5 Một số ứng dụng của cảm biến quang điện

* Cảm biến quang loại phát thu độc lập :

Phát hiện gãy mũi khoan Phát hiện các vật lớn

Phát hiện linh kiện điện tử Phát hiện các vật nhỏ

Phát hiện vật băng ngang qua

Phát hiện sữa trong hộp giấy

Cảm biến E3Z-T61 có tia sáng mạnh có khả năng xuyên qua vỏ bọc giấy bên ngoài, giúp phát hiện chính xác các loại sữa và nước trái cây ngay tại thời điểm hiện tại Ngoài ra, cảm biến còn có khả năng đo mức chất lỏng, đảm bảo kiểm soát chất lượng và quản lý tồn kho hiệu quả Với khả năng phát hiện đa dạng mức chất lỏng, E3Z-T61 là lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng công nghiệp đòi hỏi độ chính xác cao.

* Cảm biến quang loại phản xạ gương :

Phát hiện người để mở cửa Phát hiện xe đi qua

Phát hiện vali, túi xách … trên băng chuyền Nhận dạng và đếm IC

Phát hiện màn trong Phát hiện chai PET

* Cảm biến quang loại phản xạ khuếch tán :

Z4W-V là loại Laser sensor và nó có thể phát hiện được chiều cao của bánh được làm ra với độ chính xác tới vài micromet

Phát hiện bánh trên băng chuyền

Nhận dạng và cắt cao su

4.6 Thực hành với cảm biến quang

4.6.1.Thực hành với cảm biến quang loại phát thu độc lập

+ Cảm biến quang loại phát thu độc lập E3C + Relay trung gian 24VDC

+ Nguồn 24VDC + Đèn tín hiệu 24VDC + Vật cảm biến

Bước 2: Đưa các vật cảm biến khác nhau lần lượt đi qua giữa bộ phận phát và bộ phận thu để kiểm tra tác động tại ngõ ra của cảm biến Quá trình này giúp đánh giá chính xác khả năng hoạt động của cảm biến trong các điều kiện khác nhau Việc kiểm tra này là bước quan trọng để đảm bảo cảm biến phản ứng đúng với các tác nhân trong thực tế.

4.6.2.Thực hành với cảm biến quang loại gương phản xạ

+ Cảm biến quang loại gương phản xạ E3T - SR + Relay trung gian 24VDC

Bước 2 : Lần lượt cho các vật cảm biến khác nhau đi qua giữa bộ phận phát

- thu và gương phản xạ để xét xem tác động ở ngõ ra của cảm biến

4.6.3.Thực hành với cảm biến quang loại phản xạ khuếch tán

+ Cảm biến quang loại phản xạ khuếch tán E3S – CL1 + Relay trung gian 24VDC

+ Nguồn 24VDC + Đèn tín hiệu 24VDC

Trong bước 2, tiến hành lần lượt đưa các vật cảm biến khác nhau qua bộ phận phát - thu với các khoảng cách khác nhau để đánh giá tác động tại ngõ ra của cảm biến Quá trình này giúp xác định độ nhạy cảm và khả năng phản hồi của cảm biến đối với các vật thể ở các vị trí khác nhau Việc kiểm tra này là bước quan trọng trong quá trình hiệu chỉnh cảm biến, đảm bảo hệ thống hoạt động chính xác và ổn định.

Một số ứng dụng của cảm biến quang điện

* Cảm biến quang loại phát thu độc lập :

Phát hiện gãy mũi khoan Phát hiện các vật lớn

Phát hiện linh kiện điện tử Phát hiện các vật nhỏ

Phát hiện vật băng ngang qua

Phát hiện sữa trong hộp giấy

E3Z-T61 là cảm biến ánh sáng mạnh có khả năng xuyên qua vỏ bọc giấy bên ngoài, giúp phát hiện chính xác sữa hoặc nước trái cây trong các thùng chứa Thiết bị này còn có khả năng đo mức chất lỏng, tối ưu hóa quá trình kiểm tra và đảm bảo chất lượng sản phẩm Với công nghệ tiên tiến, E3Z-T61 phù hợp cho các ứng dụng đóng gói và kiểm soát mức chất lỏng trong ngành công nghiệp thực phẩm và đồ uống.

* Cảm biến quang loại phản xạ gương :

Phát hiện người để mở cửa Phát hiện xe đi qua

Phát hiện vali, túi xách … trên băng chuyền Nhận dạng và đếm IC

Phát hiện màn trong Phát hiện chai PET

* Cảm biến quang loại phản xạ khuếch tán :

Z4W-V là loại Laser sensor và nó có thể phát hiện được chiều cao của bánh được làm ra với độ chính xác tới vài micromet

Phát hiện bánh trên băng chuyền

Nhận dạng và cắt cao su

Thực hành với cảm biến quang

4.6.1.Thực hành với cảm biến quang loại phát thu độc lập

+ Cảm biến quang loại phát thu độc lập E3C + Relay trung gian 24VDC

Bước 2 trong quá trình kiểm tra cảm biến là lần lượt đưa các vật cảm biến khác nhau qua giữa bộ phận phát và bộ phận thu Quá trình này giúp xác định xem các vật thể có tác động như thế nào đến ngõ ra của cảm biến Việc kiểm tra này là bước quan trọng để đánh giá chính xác khả năng phản hồi của cảm biến đối với các vật thể khác nhau trong môi trường làm việc.

4.6.2.Thực hành với cảm biến quang loại gương phản xạ

+ Cảm biến quang loại gương phản xạ E3T - SR + Relay trung gian 24VDC

Bước 2 : Lần lượt cho các vật cảm biến khác nhau đi qua giữa bộ phận phát

- thu và gương phản xạ để xét xem tác động ở ngõ ra của cảm biến

4.6.3.Thực hành với cảm biến quang loại phản xạ khuếch tán

+ Cảm biến quang loại phản xạ khuếch tán E3S – CL1 + Relay trung gian 24VDC

+ Nguồn 24VDC + Đèn tín hiệu 24VDC

Trong bước 2, lần lượt đưa các vật cảm biến khác nhau qua bộ phận phát - thu với các khoảng cách khác nhau để kiểm tra tác động tại ngõ ra của cảm biến Quá trình này giúp xác định chính xác phạm vi cảm biến hoạt động và độ nhạy của hệ thống Việc kiểm tra các vật cảm biến qua các khoảng cách khác nhau là bước quan trọng để tối ưu hóa hiệu suất cảm biến trong các ứng dụng thực tế.

PHƯƠNG PHÁP ĐO LƯU LƯỢNG

ĐO VẬN TỐC VÒNG QUAY VÀ GÓC QUAY

Định dạng
Số trang	99
Dung lượng	3,61 MB