BAI GIANG CAM BIEN doc

Nhiệm vụ của cảm biến ?Cảm biến có nhiệm vụ tiếp nhận các tín hiệu vào và chuyển đổi các tín hiệu đó thành các đại lượng vật lý khác thường là tín hiệu điện và truyền cho mạch điều khiển

GIỚI THIỆU

ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN

Điều kiện tiên quyết:

- Điện tử căn bản.

- Đo lường điện.

Kết quả học tập môn học:

1. Trình bày những khái niệm và các đặt trưng

cơ bản của cảm biến trong đo lường.

2. Trình bày các chức năng và ứng dụng của

cảm biến quang.

3. Mô tả các chức năng và ứng dụng của cảm

biến đo nhiệt độ.

4. Trình bày các chức năng và ứng dụng của

cảm biến đo lực.

Kết quả học tập môn học (tt):

5. Mô tả chức năng và ứng dụng của cảm biến

đo vị trí.

6. Trình bày chức năng và ứng dụng của cảm

biến đo áp suất.

7. Mô tả chức năng của cảm biến đo lưu lượng

và mức chất lưu.

CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ CẢM

BIẾN

CHƯƠNG 1

PHÂN TÍCH MỘT HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG

SƠ ĐIỀU ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG QUÁ

TRÌNH

Nhiệm vụ của các phần tử chính trong hệ thống tự động

chính như sau :

2- Bộ phận xử lí tín hiệu.

3- Bộ phận chấp hành

4- Bộ phận giao tiếp

Nhiệm vụ của cảm biến ?

Cảm biến có nhiệm vụ tiếp nhận các tín hiệu vào và chuyển đổi các tín hiệu đó thành các đại lượng vật lý khác (thường là tín hiệu điện) và truyền cho mạch điều khiển (bộ phận xử lí tín hiệu)

Nhiệm vụ của cảm biến

BIẾN ĐỔI ĐẠI

TÍN HIỆU CẦN TRUYỀN

BỘ CẢM BIẾN BỘ XỬ LÝÙÙ

Điện năng

Nhiệm vụ của bộ phận xử lí tín hiệu

(thiết bị điều khiển)

Thiết bị điều khiển trong hệ thống tự động làm nhiệm vụ thu thập các thông tin từ cảm biến, từ chương trình điều khiển, từ các phần tử điều khiển bằng tay sau đó xử lý thông tin đó theo một thuật toán định trước và ra lệnh cho cơ cấu chấp hành thao tác đúng trình tự công nghệ

Nhiệm vụ của phần tử chấp

hành là gì ?

Phần tử chấp hành sẽ thực hiện các hoạt động như: đóng, mở, đẩy, ngắt… các chuyển động của các bộ phận máy hay các đầu lực thực hiện nhiệm vụ của mình.

KHÁI NIỆM CẢM BIẾN

 Cảm biến trong tiếng Anh gọi là “sensor”, xuất phát từ chữ “sense” theo nghĩa Latinh là cảm nhận Cảm biến được định nghĩa theo nghĩa rộng là thiết bị cảm nhận và đáp ứng với các tín hiệu và kích thích

y=f(x)

NỘI DUNG CẢM BIẾN

biến.

3 Phân loại cảm biến

2.1.1-Các thông số đặc trưng

của cảm biến

 1-Miền đo

 2-Độ phân giải

 3-Độ chính xác và độ chính xác lặp

 4-Độ tuyến tính

 5-Tốc độ đáp ứng của cảm biến

 6- Sai số

 7- Nhiễu

1 Miền đo

Miền đo hay khoảng đo của cảm biến là miền giới hạn bởi giá trị cực đại và giá trị cực tiểu của đại lượng cần đo, mà cảm biến có thể phân biệt được trong khi vẫn đảm bảo độ tuyến tính yêu cầu.

Ví dụ: Miền đo của cảm biến nhiệt độ.

Miền đo của cảm biến từ : -10º  +200º

-10 º -250º

A

B

2 Độ phân giải

Giá trị độ phân giải đối với mỗi cảm biến là sự thay đổi lớn nhất của giá trị đo mà không làm giá trị đầu ra của cảm biến thay đổi.

Nói cách khác là giá trị được đo có thể thay đổi bằng độ lớn của độ phân giải mà không làm thay đổi giá trị đầu ra của cảm biến.

Độ phân giải của cảm biến nhiệt độ số

Đầu ra là số bước tương ứng với

nhiệt độ

21

6 5

Độ phân giải =+/- 0,25º

3 Độ chính xác – độ chính xác lặp

Độ chính xác của cảm biến được hiểu như độ nhạy của cảm biến và được định nghĩa là sự thay đổi nhỏ nhất của đại lượng cần đo thể hiện ở đầu

Độ chính xác lặp lại làø miền giá trị đầu ra có thể nhận được khi cảm biến đo cùng một giá trị

4 Độ tuyến tính

Bộ chuyển đổi làø lý tưởng khi mà đầu ra tuyến tính

chính xác với đại lượng đo Thực tế không có đầu đo nào hoàn hảo như thế

 Độ tuyến tính thường đưa ra với một dãy giá trị +/-cho các tín hiệu đầu ra của cảm biến

 Sai số về độ tuyến tính không phải trên toàn bộ miền

đo, có thể cải thiện bằng cách chia tỉ lệ trung tâm của miền đo

 Các cảm biến luôn có độ sai số về không tuyến tính

Độ phi tuyến của cảm biến áp lực

Đầu ra thực tế của cảm biến

5 Tốc độ đáp ứng của cảm biến

có theo kịp sự thay đổi của đại lượng được đo hay không.

rất quan trọng đối với các thiết bị chuyển đổi tốc độ cao như rôbôt, máy công cụ điều khiển số.

tính động lực học của từng hệ thống.

 Sai số là sự sai khác giữa giá trị đo được và giá trị thực của đại lượng cần đo.

Hai loại sai số cơ bản:

giữa giá trị thực và giá trị cần đo

định

7- Nhiễu

nhiễu nội tại do cảm biến sinh ra và nhiễu do

truyền dẫn

 Dùng kỹ thuật vi sai

 Cách ly nguồn, màn chắn, nối đất,lọc nguồn

 Bố trí linh kiện thích hợp, không để điện cao áp ở gần đầu vào của cảm biến

 Sử dụng cáp chống nhiễu

2.1.2- CẤU TẠO CẢM BIẾN

Bộ phận nhận tín

hiệu

Bộ phận biến đổi

điểm thường mở

2.1.3- PHÂN LOẠI CẢM BIẾN

Tín hiệu tương tự

0 1

Tín hiệu SỐ

1.Phân loại theo tín hiệu ra:

có 3 dạng tín hiệu ra:

- Tín hiệu ON / OFF

- Tín hiệu tương tự

- Tín hiệu số

2.1.3- PHÂN LOẠI CẢM BIẾN

 2 Phân loại theo nguyên lý chuyển đổi giữa đáp ứng và kích thích

 - Vật lý: nhiệt điện, quang điện, điện từ, từ điện,…

 - Hĩa học: hĩa điện, phổ,…

 - Sinh học: sinh điện, …

 3 Phân loại theo dạng kích thích: âm thanh, điện,

từ, quang, cơ, nhiệt,…

 4 Phân loại theo tính năng: độ nhạy, độ chính xác,

độ phân giải, độ tuyến tính…

2.1.3- PHÂN LOẠI CẢM BIẾN

 5 Phân loại theo phạm vi sử dụng: cơng

nghiệp, nghiên cứu khoa học, mơi trường,

thơng tin, nơng nghiệp…

 6 Phân loại theo thơng số của mơ hình thay thế:

 - Cảm biến tích cực (cĩ nguồn) ngõ ra là nguồn áp hoặc nguồn dịng.

 - Cảm biến thụ động (khơng cĩ nguồn): R, L, C,

tuyến tính, phi tuyến.

Cảm biến tích cực

a Hiệu ứng cảm ứng điện từ (Faraday phát

hiện năm 1831)

 Nguyên lý: khi một thanh dẫn chuyển động trong từ

trường sẽ xuất hiện sức điện động tỉ lệ với biến thiên

từ thông, tức là tỷ lệ với tốc độ chuyển động của

thanh dẫn

 Ứng dụng để xác định tốc độ chuyển động của vật thông qua việc đo sức điện động cảm ứng

Cảm biến tích cực

b Hiệu ứng nhiệt điện (Seebeck phát hiện

năm 1821)

 Nguyên lý: Khi hai dây dẫn có bản chất hóa

học khác nhau được hàn kín sẽ xuất hiện sức điện động tỉ lệ nhiệt độ mối hàn.

 Ứng dụng để đo nhiệt độ

Cảm biến tích cực

c Hiệu ứng hỏa điện

 Nguyên lý: Một số tinh thể hỏa điện có tính chất phân

cực điện tự phát phụ thuộc vào nhiệt độ Trên các mặt đối diện của chúng xuất hiện các điện tích trái dấu có độ lớn tỷ lệ thuận với độ phân cực điện phụ

thuộc vào quang thông φ

 Ứng dụng để đo thông lượng của bức xạ ánh

sáng

Cảm biến tích cực

d Hiệu ứng áp điện (Pierre Curie phát hiện

năm 1880)

 Nguyên lý: Khi tác động cơ học lên bề mặt vật

liệu áp điện (thạch anh, muối Segnet…) làm vật liệu biến dạng và xuất hiện các điện tích bằng nhau và

trái dấu

 Ứng dụng để đo các đại lượng cơ như áp suất, gia tốc, lực… thông qua việc đo điện áp trên hai cực tụ điện

F

Cảm biến tích cực

e Hiệu ứng quang điện (A Einstein phát hiện

năm 1905)

 Nguyên lý: bản chất hiệu ứng quang điện là

việc giải phóng các hạt dẫn tự do trong vật

liệu dưới tác dụng của bức xạ ánh sáng.

 Ứng dụng để chế tạo

các cảm biến quang.

Cảm biến tích cực

f Hiệu ứng quang-điện-từ

 Nguyên lý: Khi tác dụng một từ trường vuông góc

với bức xạ ánh sáng, trong vật liệu bán dẫn được chiếu sáng sẽ xuất hiện hiệu điện thế vuông góc với phương từ trường và phương bức xạ ánh sáng

 Ứng dụng trong các bộ cảm

biến đo các đại lượng quang hoặc

chuyển đổi thông tin dạng ánh

sáng thành tín hiệu điện

Cảm biến tích cực

g Hiệu ứng Hall (Hall phát hiện năm 1879)

 Cho dòng điện chạy qua vật liệu bán dẫn đặt trong từ trường B có phương tạo thành góc θ với dòng điện sẽ xuất hiện điện áp vuông góc với B và

B I K

VH =

Cảm biến thụ động

 Cảm biến thụ động thường được chế tạo từ những trở kháng có một trong các thông số chủ yếu nhạy

với đại lượng cần đo

 Ví dụ: các thông số như điện trở suất, từ thẩm, hằng

số điện môi,…

 Thông số hình học hoặc kích thước của trở kháng có

thể thay đổi nếu cảm biến có phần tử chuyển động hoặc phần tử biến dạng

Các đại lượng đặc trưng của cảm biến thụ động

Các đại lượng đặc trưng

của cảm biến tích cực

2.1.4 - Các loại cảm biến

CẢM BIẾN QUANG

(Light sensor)

KẾT QUẢ HỌC TẬP

1 Nhắc lại các khái niệm cơ bản về ánh sáng.

2 Trình bày cấu tạo và nguyên tắc hoạt động cảm biến

quang.

3 Phân loại cảm biến quang

4 Tìm hiểu và ứng dụng cảm biến màu.

5 Khảo sát ứng dụng cảm biến sợi quang.

6 Trình bày đặc điểm và ứng dụng các loại cảm biến ánh sáng thông dụng khác.

Cơ Bản Về Ánh Sáng

Tần Số và Bước Sóng:

Các bức xạ tần số cao (tia gamma, tia X và ánh sáng cực tím) có

bước sóng ngắn, mang nhiều năng lượng.

Các bức xạ trường điện từ tấn số thấp (as thấy được, as hồng ngoại)

có bước sóng lớn hơn nhưng mang ít năng lượng hơn.

AS thấy được （ Visible Light

）

AS hồng ngoại （ Infra- Red ）

Violet Indigo Blue Green Yellow Orange Red

Bước sóng

Tính chất áng sáng

b) Tính chất hạt: chùm hạt (photon) chuyển

động với vận tốc lớn, mỗi hạt mang một năng lượng nhất định, năng lượng này chỉ phụ thuộc tần số ( ν ) của ánh sáng:

Đơn vị đo quang

 Năng lượng bức xạ Q (J): là năng lượng lan

truyền hoặc hấp thụ dưới dạng bức xạ tính bằng Jun.

 Thông lượng ánh sáng Φ : là công suất phát

xạ, lan truyền hoặc hấp thụ tính bằng oat.

dt

dQ

=

Đơn vị đo quang

Đơn vị đo quang

b) Đơn vị đo thị giác:

 Độ nhạy đối với ánh sáng của mắt phụ thuộc bước sóng:

λ ( µ m)

V( λ )

0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0

0,5 1

λmax

Độ nhạy cực đại ứng với sóng λmax

Đơn vị đo quang

Đại lượng đo Đơn vị

Cơ Bản Về Ánh Sáng Phản xạ AS trên bề mặt:

nguồn sáng

Bề mặt khuếch tán bề mặt bóng loáng

nguồn sáng

ө ө

Cơ Bản Về Ánh Sáng Khúc xạ AS:

Chiết xuất

n Không khí : 1.00

n nước : 1.33

n thủy tinh : 1.46

Cơ Bản Về Ánh Sáng Ảnh Hưởng Của Bề Mặt Lên AS Phản Xạ:

bề mặt khuếch tán bề mặt bóng loáng bề mặt kim loại Vật trong suốt

Nguồn sáng Nguồn sáng Nguồn sáng Nguồn sáng

 1 Đèn sợi đốt vonfram

 Cấu tạo: gồm một sợi vonfram đặt trong bóng thủy tinh

có chứa khí halogen để giảm bay hơi sợi đốt

 - 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

Nguồn sáng

 - 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.

Nguồn sáng

 3 Laser (Light Amplification by Stimulated

Emission Radiation)

 Laser là nguồn sáng rất đơn sắc, độ chói lớn, rất

định hướng và đặc biệt là tính liên kết mạnh (cùng

phân cực, cùng pha)một sóng duy nhất và rất xác định

 Đặc điểm chính của laser là có bước sóng đơn

sắc hoàn toàn xác định, quang thông lớn, có

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

Nguồn sáng

Cấu Tạo Và Nguyên Tắc Hoạt Động

Cường độ sáng Điện áp

Lượng ánh sáng nhận về sẽ được chuyển tỉ lệ

thành tín hiệu điện áp (hoặc dòng điện) và sau

đó được khuếch đại.

Cấu Tạo Và Nguyên Tắc Hoạt Động

PHÂN LOẠI CẢM BIẾN QUANG

Thu Phát Độc Lập

Thu Phát Chung

Khuyếch Tán

1 Thu Phát Độc Lập (Through Beam):

Thấu kính

Vật thể

Diode nhận quang

Thấu kính Mạch

nhận ás

Ứng Dụng Cảm Biến Thu Phát Độc Lập:

E3Z-T61, với tia sáng mạnh có thể xuyên qua vỏ bọc giấy bên ngoài và vì vậy

có thể phát hiện được sữa / nước trái cây tại thời điểm hiện tại cũng như phát hiện được mức của chất lỏng này.

2 Thu Phát Chung (Retro Replective):phản xạ gương

Gương MSR (Mirror Surface Rejection) Gương Thường

Ứng Dụng Cảm Biến Thu Phát Chung:

Ứng Dụng Cảm Biến Thu Phát Chung:

Ứng Dụng Cảm Biến Thu Phát Chung:

E3Z-B là loại sensor mới của Omron chuyên dùng để nhận biệt các chai PET

và chai trong suốt Bạn cũng có thể dùng model cũ là E3S-CR67

Ứng Dụng Cảm Biến Thu Phát Chung:

Nếu sử dụng các sensor thường để phát hiện chai PET trong thì đôi lúc không ổn định Sensor E3Z-B có khả năng phát hiện tốt với độ tin cậy rất cao

3 Khuyếch Tán (Diffuse Replective):

Ứng Dụng Cảm Biến Khuyếch 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.

Ứng Dụng Cảm Biến Khuyếch Tán:

E3C-VM35R rất nhỏ và có thể phát hiện vật thể có kích thước nhỏ đến 0,2 mm Nó cũng phân biệt được sự khác biệt rất nhỏ về màu sắc.

3b Cảm Biến Quang Phản Xạ Giới Hạn (Limited Reflective):

Trục thu

Đặc điểm:

- Chỉ phát hiện vật trong vùng phát hiện giới hạn.

- Không bị ảnh hưởng bởi màu nền sau vùng cảm biến.

- Lý tưởng cho nhiều ứng dụng cần triệt tiêu nền

3C Cảm Biến Quang Đặt Khoảng Cách (Distance Settable):

Dảicảm biến

Sensor

Vật Dải cài đặt

Nhờ đặt được khoảng cách, nền đã được triệt tiêu

PSD

vật 　

Ứng Dụng Cảm Biến Đặt Khoảng Cách:

Đặc điểm:

- Chỉ phát hiện vật theo vị trí đặt

- Bộ thu sử dụng thiết bị định vị vị trí (PSD), không sử dụng transistor

quang nên không bị ảnh hưởng bởi màu nền, độ bóng, …

E3G-L1 là sensor đặt được khoảng cách thế hệ mới Nó có thể nhận biết được

sự khác biệt rất nhỏ về chiều cao Sensor hoạt động rất ổn định và không bị ảnh hưởng bởi màu sắc, chất liệu, độ nghiêng dốc, độ bóng và kích thước của vật thể

Để phát hiện có hoặc không có ống hút đi kèm theo đồ uống đóng hộp.

Phát hiện thiếu niêm phong bằng cao su trên nắp chai lọ?

Phát hiện chai bị thiếu trong hộp !

Phát hiện bao đựng gạo đã được mở trước khi bao này tới máy đổ gạo vào bao

E3G-L1 là sensor đặt khoảng cách thế hệ mới Nó cũng có thể phát hiện được

sự khác nhau về độ cao cho dù là rất nhỏ một cách chính xác.

Hình dạng của viên kẹo không đúng qui cách và sẽ có phản xạ từ giấy bọc kẹo và màu của giấy bọc cũng thay đổi E3G-L1 có chức năng đặt nền có thể phát hiện được vật thể bóng và gồ ghề màu sắc khác nhau với độ tin cậy cao

Phát hiện kẹo trên dây chuyền?

Phát hiện thực phẩm trong khay.

E3S-CL1 là sensor quang đặt được khoảng cách Có thể deã dàng chỉnh được khoảng cách đo.

4 Cảm Biến Màu (Color Sensor):

Cảm biến màu phát các ánh sáng đỏ (R) , xanh lá (G) , xanh dương

(B) tới vật cảm biến, sau đó nhận ánh sáng phản xạ về, phân tích tỉ

lệ các ánh sáng R , G , B để phân biệt màu của vật.

Thấu kính phát

Thấu kính thu

LED

đỏ

LED xanh dương

LED xanh lá

kính FAO

(đỏ qua, xanh lá phản xạ)

kính FAO

(đỏ, xanh lá qua, xanh dương phản

xạ)

Monitor photodiode

Vật

Biến đổi tín hiệu ra của bộ cảm biến màu thành số

Ứng Dụng Cảm Biến Phát Hiện Màu:

Đặc điểm:

- Độ tin cậy cao.

- Dễ sử dụng.

- Có thể dạy cho cảm biến biết màu

của vật (chức năng teach).

Để phát hiện bàn chải đánh răng các màu khác nhau.

E3MC là loại sensor màu và nó rất dễ dàng nhận biết các màu theo yêu cầu.

Không có vật  thu được as  Light  ON

2 Vùng Chết (Dead Zone - vùng sensor không hoạt động):

L à khoảng thời gian trì hoãn từ khi ánh sáng nhận vào đến lúc ngõ ra điều khiển được kích hoạt hoặc reset

Những Điều Cần Lưu Ý

4 Vị trí đặt sensor quang:

OK NG

Lắp đặt sensor tùy theo hướng di chuyển của vật Sensor nên đặt vuông góc với hướng di chuyển của vật

OK NG

OK NG

Sensor nên đặt vuông góc với

hướng di chuyển của vật

Những Điều Cần Lưu Ý

4 Vị trí đặt sensor quang:

OK NG

Ánh sáng phản xạ từ vật nên về

thẳng Sensor, không nên cho

phản xạ qua một vật khác

Những Điều Cần Lưu Ý

4 Vị trí đặt sensor quang:

OK NG

Ánh sáng phản xạ từ vật nên về thẳng Sensor, không nên cho phản xạ qua một vật khác

Nếu vật cảm biến là vật đen,

di chuyển sensor gần vật

hơn và nên đặt sensor

nghiêng 1 góc khoảng 15 0