Chương 3: Hệ thống thông tin giám sát trong Cơ Điện tử

Chương 3: Hệ thống thông tin giám sát trong Cơ Điện tử, GV: Đỗ Đức Nam, ĐH Bách Khoa Hà Nội

HỆ THỐNG THÔNG TIN GIÁM SÁT

TRONG CƠ ĐIỆN TỬ

Bộ môn Cơ sở thiết kế máy và Robot,

Viện Cơ khí, Đại học Bách Khoa Hà Nội

Đỗ Đức Nam

Đặc điểm:

• Là các thiết bị cảm nhận và đáp ứng theo các kích thích của các đại lượng không điện và chuyển thành các đại lượng điện

• Các thông tin của các đại lượng này được truyền về HT đo lường

điều khiển, giúp nhận dạng, đánh giá & điều khiển mọi biến trạng thái của đối tượng

Đặc điểm và vai trò của HT thông tin giám sát:

Vai trò:

• Có vai trò rất quan trọng, đóng góp nhiều chức năng trong các sản

phảm thuộc lĩnh lực cơ điện tử

• Hệ thống này còn có vai trò như các giác quan của một cơ thể sống

Các thiết bị thông tin giám sát điển hình

• Cảm biến (Sensor): CB quang, CB nhiệt độ, CB vị trí & di chuyển, CB vận tốc, gia tốc, CB biến dạng, CB lực & ứng suất…

• Camera giám sát, các bộ chuyển đổi tín hiệu số, …

Giác quan

Vị giác

Thính giác

Khứu giác

Thị giác Xúc giác

Đặc điểm và vai trò của HT thông tin giám sát:

Một cách tiếp cận khác…

Để nhận thức được thế giới quan

con người dựa vào 5 giác quan

Hệ thống thông tin

đo lường và điều khiển

- Cảm biến được phân loại thành 2 dạng tương tự hoặc số dựa

trên dạng tín hiệu đầu ra Cảm biến tương tự cung cấp tín hiệu liên tục tỷ lệ với tham số cần đo và cần sự biến đổi tương tự thành số trước khi chuyển cho bộ điều khiển số Trong khi đó, cảm biến số cung cấp đầu ra số có thể trực tiếp ghép nối với bộ điều khiển số

Giới thiệu về cảm biến (Sensor)

- Cảm biến là thiết bị dùng để cảm nhận sự biến đổi của

các đại lượng vật lý cần đo thành các đại lượng đo chứa

đựng thông tin cho phép xác định giá trị đại lượng cần đo

Cảm biến (Sensor)

Các đại lượng không điện: nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ, lực,

mô men, áp suất…

Để điều khiển, điều chỉnh các quá trình của đại lượng

không điện cần thu thập thông tin, đo đạc, theo dõi sự

biến thiên của chúng thông qua các bộ cảm biến

• Định nghĩa: (nghĩa rộng) là các thiết bị cảm nhận và

Quá trình (Các biến trạng thái)

Bộ vi xử lý Chương trình

Hệ thống tự động điều khiển quá trình

x: biến trạng thái cần đo y: đáp ứng đầu ra

Phân loại các bộ cảm biến

Theo nguyên lý chuyển đổi giữa đáp ứng và kích thích

và kích thích

Vật lý -Nhiệt điện

-Quang điện -Quang từ -Quang đàn hồi -Từ điện

-Nhiệt từ -Nhiệt quang

Hóa học -Biến đổi hóa học

-Biến đổi điện hóa -Phân tích phổ

Sinh học -Biến đổi sinh hóa

- Biến đổi vật lý -Hiệu ứng trên cơ thể sống -Phân tích phổ

Phân loại các bộ cảm biến

- Điện trường (Biên pha, phân cực, phổ)

- Điện dẫn, hằng số điện môi

Phân loại các bộ cảm biến

Theo tính năng các bộ cảm biến

- Nghiên cứu khoa học

- Môi trường, khí tượng -Thông tin, viễn thông

Các đặc trưng của bộ cảm biến

Coi cảm biến như một hộp đen có quan hệ Đáp ứng- Kích thích

Quan hệ trên được đặc trưng bởi nhiều đại lượng cơ bản:

Hàm truyền:

Cho biết quan hệ giữa đáp ứng và kích thích y=f(x)

Dạng: tuyến tính, phi tuyến, hàm logarit, lũy thừa hoặc hàm mũ

Độ lớn của tín hiệu vào:

Là giá trị lớn nhất của tín hiệu đặt vào bộ CB mà sai số không vượt quá trị số cho phép

Với bộ có đáp ứng phi tuyến, ngưỡng động của kích thích biểu diễn bằng dexiben (dB), Logarit (lg) của tỷ số CS, điện áp của tín hiệu input và output:

1dB=10lg (P 2 /P 1 )= 20lg (u 2 /u 1 )

Sai số và độ chính xác

Do chịu tác động của nhiều đại lượng vật lý khác->sai số Sai số tương đối của CB:  %=(  x/x) 100 (x:sai số tuyệt đối; x: giá trị thực đo)

Các bộ cảm biến điển hình:

Cảm biến quang Cảm biến nhiệt độ Cảm biến vị trí và di chuyển Cảm biến vận tốc và gia tốc Cảm biến biến dạng

Cảm biến bức xạ hạt nhân Cảm biến thông minh

Các bộ cảm biến điển hình:

Cảm biến quang:

o Cảm biến quang điện

o Cảm biến phát xạ

o Cảm biến quang điện tử logic mờ

o Cảm biến quang điện

- Thực chất là các linh kiên quang điện, dùng để thay đổi trạng thái

điện khi có ánh sáng thích hợp tác động vào bề mặt của nó

- Tế bào quang dẫn: Đặc trưng là điện trở phụ thuộc thông

lượng của bức xạ và phổ của bức xạ; có độ nhạy cao

+ Cơ sở vật lý: là hiện tượng quang dẫn do kết quả của hiệu ứng

quang điện bên trong (ht giải phóng hạt tải điện trong VL bán dẫn)

Vật liêu chế tạo

Bán dẫn đa tinh thể đồng nhất hoặc đơn tinh thể, bán dẫn

riêng hoặc pha tạp

o Cảm biến quang điện

- Photodiot (Diode thu quang)

Đặc điểm: thu quang hoạt động ở chế độ phân cực nghịch, vỏ

diode có một miếng thuỷ tinh để ánh sáng chiếu vào mối P – N ,

dòng điện ngược qua diode tỷ lệ thuận với cường độ ánh sáng

chiếu vào diode

Nguyên lý hoạt động: Khi chiếu sáng lên bề mặt diot bán dẫn bằng

bức xạ có bước sóng  < bước sóng ngưỡng s sẽ xuất hiện các cặp

điện tử-lỗ trống; để các hạt này tham gia vào độ dẫn và làm tăng dòng

điện I

Các vật liệu chế tạo: Germanium ( Ge) và Silicium (Si) (vùng ánh sáng nhìn thấy và hồng

ngoại gần) và GaAs, InAs, InSn, CdHgTe (vùng hồng ngoại)

o Cảm biến quang điện

Phototranzito: (điot tách sóng)

Coi là một tổ hợp của photodiot và một tranzito

-Photodiot: cung cấp dòng quang điện tại bazơ

- Tranzito: cho hiệu ứng khuếch đại 

a) Sơ đồ mạch b) Sơ đồ tương đương c) Tách cặp điện tử Phototranzito là tranzito silic loại NPN trong đó vùng bazơ có thể chiếu sáng

Khi không có điện áp đặt trên bazơ, chỉ có điện áp trên C, chuyển tiếp B-C phân cực ngược (a) Điện áp đặt tập trung hầu như toàn bộ lên chuyển tiếp B-C, độ chênh điện thế giữa E-B không đáng kể VBC=0,6~0,7V ; B-C được chiếu sáng và hoaatj động giống photodiot ở cđ quang dẫn Dòng điện ngược: Ir=Io+Ip (Io: dòng điện ngược trong tối; Ip : dòng quang điện ki có quang thông chiếu qua bề dầy X), Ir: đóng vai trò là dòng bazơ, nó gây dòng colector IC =(  +1)Ir

o Cảm biến phát xạ

• Cơ chế hoạt động: biến đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện

nhờ hiện tượng phát xạ quang điện

• Vật liệu chế tạo:

Vật liệu catot: AgOCs nhạy từ vùng hồng ngoại;

Cs 3 Sb, (Cs)Na 2 KSb, K 2 CsSb: nhạy với ánh sáng nhìn thấy và

vùng tử ngoại hiệu suất phát xạ 1%~20%

Ngoài ra: sử dụng các hợp chất nhóm III-V: Ga As x , Sb 1-x ,Ga 1-x ,In x As, InAs P 1-x Ngưỡng nhạy ở vùng hồng ngoại, hiệu suất phát xạ 30%

• Tế bào quang điện chất khí: giống như TBQĐ chân không,

nhưng khí bên trong là khí trơ (argon As: 10-1 ~ 10-2 mmHg)

Đặc điểm: - Có dạng ống hình trụ, 1 cửa số trong suốt được hút chân

không với AS 10-6 ~ 10-8 mmHg; Catot có khả năng phát xạ khi được

chiếu sáng và 1 anot;

- Sử dụng trong vùng bão hòa, khi đó nó giống như nguồn dòng có độ

lớn chỉ phụ thuộc quang thông

- Điện trở lớn (1010  ); Giá trị độ nhạy: 10~100 mA/W

• Tế bào quang điện chân không:

o Cảm biến quang điện điện tử logic mờ

• Mục đích: Lô gic mờ dùng để nhận dạng hình ảnh

và mầu sắc của đối tượng trong khoảng xác định

• Nguyên lý cảm biến:

-Thiết kế với nguồn sáng phổ rộng dùng một chùm

diot phát quang LED (ổn định, bền vững, có khả năng

chiếu sáng cho các mục tiêu tốc độ cao)

- Chùm LED: có 3 mầu đại diện:

đỏ - xanh lá cây - xanh da trời

• Ánh sáng tới đích được phản xạ với cường độ thay đổi phụ

thuộc vào mầu của mục tiêu cần phân tích

Các bộ cảm biến điển hình:

Cảm biến nhiệt độ

o Thang nhiệt độ

o Cảm biến nhiệt điện trở

o Cảm biến cặp nhiệt ngẫu

o Đo nhiệt độ bằng Điot và Tranzito

o Thang nhiệt độ: Dựa theo định luật nhiệt động

Thang nhiệt độ tuyệt đối dựa trên t/c của khí lý tưởng

Gồm: - Thang nhiệt độ nhiệt động tuyệt đối

- Thang Celsius: T(oC)=T(K)-273,15

- Thang Fahrenhei : T(oF)=(9/5) T(oC)+32

o Cảm biến nhiệt điện trở :

- 1821: Humphry Davy phát hiện Kloại thay đổi theo to

- 1871: Wiliam Siemens dùng nhiệt kế điện trở platin

Ưu: đơn giản, độ nhạy cao, ổn định dài hạn

Phân loại: Điện trở kim loại; điện trở bán dẫn; nhiệt điện trở

o Cảm biến nhiệt điện trở :

Đặc điểm: Có dạng dây kim loại hoặc màng mỏng

kim loại có điện trở suất thay đổi theo t o

Vật liệu: platin, niken, đồng và vonfram

Để đạt được độ nhạy cao, điện trở phải lớn: giảm

tiết diện, tăng chiều dài dây

R=100  ở 0 o C->để đạt độ bền cơ học

Thực tế: các điện trở thương phẩm ở 0 o C là 50 

-500  -1000 

-Các nhiệt điện trở có trị số lớn thường dùng đo

ở dải t o thấp, ở đó thu được độ nhạy tốt

Hình: Nhiệt điện trở công nghiệp Platin

1- Nhiệt điện trở kim loại

2- Nhiệt điện trở silic

Đặc điểm: silic tinh khiết hoặc đơn tinh thể silic có hệ số điện trở âm Khi được kích

tạp loại n ở dải t o nào đó, hệ số nhiệt điện trở của nó thành dương do điện tích mang chuyển sang t o thấp hơn

o Cảm biến cặp nhiệt ngẫu

Đặc điểm: là một mạch từ có 2 hay nhiều thanh dẫn điện gồm 2 dây dẫn A,B

Chỗ nối giữa 2 thanh KL được hàn với nhau

- Seebek chứng minh : nếu nhiệt độ các mối hàn t và t o khác nhau,

trong mạch sẽ có dòng điện, chiều dòng điện phụ thuộc t và t o

- Để hở 1 đầu trong mạch sẽ xuất hiện 1 sức điện động (sđđ)

Bằng cách đo sđđ này -> xác định được t (nếu để t o =const )

o Đo nhiệt độ bằng Điot và Tranzito

Link kiên điện tử nhạy với nhiệt độ như: điot và tranzito

Cách nối: theo kiểu điot (nối B và C) phân cực thuận có

dòng điện không đổi -> điện áp 2 cực sẽ là hàm của t o

- Độ nhạy nhiệt xác định theo công thức:

Ngoài ra: Cảm biến quang đo nhiệt độ,

Cảm biến siêu âm nhiệt độ …

Các bộ cảm biến điển hình:

Cảm biến vị trí và di chuyển

o Đo di chuyển nhỏ bằng phương pháp sóng đàn hồi

o Phát hiện di chuyển cơ học bằng phương pháp

quang đàn hồi

o Cảm biến sợi quang đo vị trí và di chuyển

o Cảm biến tiệm cận

o Cảm biến tiệm cận quang học

o Cảm biến di chuyển sử dụng tia laser

o Cảm biến vi sóng

o Cảm biến điện từ

o Cảm biến điện dung

o Cảm biến đo dao động của cấu trúc

Cảm biến tiệm cận

o Đo di chuyển nhỏ bằng phương pháp sóng đàn hồi

(Phát sóng đàn hồi bằng tác động của tia laser lên đối tượng)

Cảm biến vị trí và di chuyển

Đặc điểm: có 2 phương pháp cơ bản để xác định vị trí và di chuyển

+ Phương pháp 1: bộ CB cung cấp tín hiệu là hàm phụ thuộc vào vị trí

của 1 trong các phần tử của cảm biến (phần tử liên quan đến vật di

động cần xđ vị trí)

+ Phương pháp 2: ứng với 1 dịch chuyển cơ bản, bộ CB sẽ phát ra 1

xung, việc đếm số xung sẽ xác định được vị trí và dịch chuyển

• Sóng đàn hồi: sóng âm hoặc sóng siêu âm ->là các sóng cơ học

dịch chuyển trong vật chất

o Phát hiện di chuyển cơ học bằng phương pháp quang đàn hồi

• Mô tả thiết bị quang đo di chuyển cơ của bề mặt

• T/bị này không nhạy bằng cảm biến áp điện, nhưng có ưu điểm là:

xem xét cục bộ, không tiếp xúc cơ học và có dải thông rât rộng

Phân loại: Cảm biến không giao thoa & cảm biến giao thoa

o Cảm biến sợi quang đo vị trí và di chuyển

Đặc điểm: Gồm 900 sợi quang ghép trong cùng 1 sợi cáp kèm theo một sợi kim loại

ở giữa để đảm bảo độ cứng (d trong = 2,2mm; d ngoài = 3,2mm) Có 2 loại:

+ Cảm biến 2 sợi quang

+ Cảm biến 1 sợi quang

(ánh sáng tới và về qua cùng 1 sợi cáp)

- Ánh sáng tới đập vào mục tiêu và trờ về sợi quang thứ 2, đáp ứng của

cảm biến theo khoảng cách đến mục tiêu (xem hình trên)

- Khoảng cách giữa đầu sợi quang và mục tiêu là thông số chính của hệ.

o Cảm biến tiệm cận

Đặc điểm: dùng để phát hiện sự có mặt hoặc không của các đối tượng

bằng kỹ thuật cảm biến không có tiếp xúc cơ học

-Sử dụng nguyên lý thay đổi điện cảm hay điện dung

của phần tử mạch điện

- Cấu trúc đơn giản, không yêu cầu tiếp xúc cơ học

-Tầm hoạt động hạn chế với khoảng cách tối đa 100mm

-Các kỹ thuật tiếp cận dựa trên nguyên lý vi sóng và quang học

-Ứng dụng rộng trong thực tế.

Các loại cảm biến tiệm cận:

+ Cảm biến TC điện cảm (Inductivity Proximity Sensor): phát

hiện vật thể kim loại từ tính, kim loại không từ tính (như Nhôm,

đồng )

+ Cảm biến TC điện dung (Capacitve Proximity Sensor): phát

hiện vật phi kim

Có sẵn Model đáp ứng được hầu hết các điều kiện môi trường

lắp đặt: nhiệt độ cao, nhiệt độ thấp, chống nước, chống hóa

o Cảm biến tiệm cận quang học

Đặc điểm: tiếp cận theo phương pháp quang học sử dụng

nguồn sáng và cảm biến quang; Đối tượng cần phát hiện

sẽ cắt chùm tia sáng làm cảm biến tác động

Bố trí cảm biến & nguồn phát:

1-CB đặt đối diện nguồn phát quang :

đối tượng cần phát hiện sẽ cắt chùm tia

-Cần dây nối qua vùng phát hiện giữa nguồn sáng và cảm biến

-Khó chỉnh thẳng hàng giữa nguồn sáng và cảm biến

- Nếu kích thước của đối tượng nhỏ hơn đường kính hiệu dụng

của chùm tia cần có thấu kính để thu hẹp chùm tia

Hình: Vùng hiệu dụng chùm tia

Hình: Thu hẹp vùng hiệu dụng bằng thấu kính

Bố trí cảm biến & nguồn phát:

2-CB đặt cùng phía nguồn phát quang: ánh sáng đập vào mặt phản xạ trở về cảm

biến, vì hành trình đi và về nên cự ly cảm nhận thấp hơn so với phương pháp đặt đối

diện, nhưng không cần nối dây qua khu vực cảm nhận

- Cự ly tác động giảm do tổn thất của bộ lọc tín hiệu

- Cảm biến tia phản xạ phân cực không làm việc nếu vật

phản chiếu có thủy tinh, nếu mục tiêu bọc bằng chất dẻo

o Cảm biến di chuyển sử dụng tia laser

Đặc điểm: gồm phần tử phát quang và phần tử cảm nhận

-Laser bán dẫn được tụ tiêu trên mục tiêu nhờ các thấu kính; mục tiêu phản chiếu tia laser và được tiêu tụ trên toàn bộ cảm biến vệt sáng, vệt sáng chuyển động khi mục tiêu chuyển động

=> phát hiện sự chuyển động bằng cách theo dõi sự chuyển động của vệt sáng

Ứng dụng (trong công nghiệp)

- Phát hiện sự bố trí sai linh kiện điện tử

- Phát hiện khuyết tật của băng video

- Đo độ sâu của pitong

- Đo độ dầy của thanh truyền

- Đo đường kính sau khi mài

- Đo chiều sâu của rãnh tản nhiệt

- Phát hiện vật liệu kẹt khi đóng hộp

- Phát hiện hộp không có nắp hoặc có nắp 2 nắp

- Phát hiện bố trí sai sản phẩm

- Đo chiều dầy tờ giấy

- Phát hiện bề mặt bị lệch do kẹp sai …

Phát hiện sự bố trí sai linh kiện điện tử Phát hiện khuyết tật của băng video Đo độ sâu của pitong

Đo độ dầy của thanh truyền Đo đường kính sau khi mài Đo chiều sâu của rãnh tản nhiệt

Ứng dụng (trong công nghiệp 1)

Phát hiện vật liệu kẹt khi đóng hộp Phát hiện hộp không có nắp

hoặc có nắp 2 nắp

Phát hiện bố trí sai sản phẩm

Đo chiều chiều dầy băng Đo chiều dầy tờ giấy Phát hiện bề mặt bị lệch do kẹp sai

Ứng dụng (trong công nghiệp 2)

o Cảm biến vi sóng

Nguyên lý: là thiết bị điện tử sử dụng sóng cực ngắn để đo tốc

độ,chiều chuyển động, khoảng cách, phát hiện đối tượng

Phân loại: 5 loại

- Cảm biến chuyển động phát hiện đối tượng di chuyển vào vùng bảo vệ

- Cảm biến tốc độ: đo tốc độ của đối tượng, VD: máy đo tốc độ ô tô của

cảnh sát

- Phát hiện hướng chuyển động của đối tượng ( chạy tiến, lùi của máy

quay)

- Cảm biến tiệm cận: phát hiện sự hiện diện của đối tượng

- Cảm biến đo khoảng cách: đo k/c từ cảm biến đến đối tượng vd: đo

mức dầu trong bình

o Cảm biến vi sóng

Đặc điểm:

1 Không tiếp xúc cơ khí : do đó CB vi sóng có thể làm việc trong các môi trường độc hại,

dễ cháy nổ, có thể thâm nhập vào bề mặt không kim loại như sợi thủy tinh, phát hiện mức, Phát hiện đối tượng bằng các tông…

2 Bền vững: CBVS không có bộ phận chuyển động, có thể được bọc kín

3 Vùng tác động rộng : Phát hiện đối tượng xa từ 25~45000mm và lớn hơn (phụ thuộc

kích thước đối tượng, công suất nguồn và anten)

4 Kích thước nhỏ: Dù lớn hơn CB tiệm cận điện cảm, điện dung, nhưng khi sử dụng tần số cao và mạch điện tử công nghệ cao có thể giảm kích thước và giá thành

5 Kích thước mục tiêu : phát hiện các mục tiêu, dù nhỏ như hạt cát

6 Môi trường làm việc : môi trường khó khăn -55oC~+125oC, môi trường bụi bẩn, ô nhiễm, độc hại