Chuyên đề vê một số cảm biến

CẢM BIẾN QUANG Giới thiệu chung về nguyên lý của cảm biến quang Cảm biến Quang điện Photoelectric Sensor, PEScó thể phát hiện nhiều dạng vật thể khác nhau: từ việc phát hiện 1 chai nhựa

CẢM BIẾN QUANG Giới thiệu chung về nguyên lý của cảm biến quang

Cảm biến Quang điện (Photoelectric Sensor, PES)có thể phát hiện nhiều dạng

vật thể khác nhau: từ việc phát hiện 1 chai nhựa trên băng chuyền hoặc kiểm tra xem tay robot đã gắp linh kiện ô tô để lắp đặt hay chưa

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

Cơ bản về Cảm biến quang

Cảm biến quang có ưu việt gì so với các loại cảm biến khác như cảm biến tiệm cận hay cảm biến tiếp xúc ?

 không tiếp xúc với vật thể cần phát hiện

 ó thể phát hiện vật từ khoảng cách xa

 không bị hao mòn / có tuổi thọ cao

 có thời gian đáp ứng nhanh (ví dụ 1 ms)

 có thể phát hiện mọi loại vật thể / vật chất

Ngày nay cảm biến quang thường sử dụng đèn bán dẫn LED

(Light Emitting Diode)

Ánh sáng được phát ra theo xung Nhịp điệu xung đặc biệt giúp cảm biến phân biệt được ánh sáng của cảm biến và ánh sáng từ các nguồn khác (như ánh nắng mặt trời hoặc ánh sáng trong phòng)

Các loại LED thông dụng nhất là LED đỏ, LED hồng ngoại hoặc LED laze Một

số dòng cảm biến đặc biệt dùng LED trắng hoặc xanh lá Ngoài ra cũng có LED vàng

Bộ thu sáng

hông thường bộ thu sáng là một phototransistor (tranzito quang).Bộ phận này

cảm nhận ánh sáng và chuyển đổi thành tín hiệu điện tỉ lệ Hiện nay nhiều loại cảm biến quang sử dụng mạch ứng dụng tích hợp chuyên

dụng ASIC ( Application Specific Integrated Circuit) Mạch này tích hợp tất cả

bộ phận quang, khuếch đại, mạch xử lý và chức năng vào một vi mạch (IC) Tất

cả các dòng cảm biến quang Omron ra mắt gần đây (như E3Z, E3T, E3F2) đều

sử dụng ASIC

Bộ phận thu có thể nhận ánh sáng trực tiếp từ bộ phát (như trường hợp của loại thu-phát), hoặc ánh sáng phản xạ lại từ vật bị phát hiện (trường hợp phản xạ khuếch tán) Bạn sẽ tìm hiểu rõ hơn về các chế độ hoạt động này trong chương sau

Mạch tín hiệu ra

Mạch đầu ra chuyển tín hiệu tỉ lệ (analogue) từ tranzito quang / ASIC thành tín hiệu On / Off được khuếch đại Khi lượng ánh sáng thu được vượt quá mức ngưỡng được xác định, tín hiệu ra của cảm biến được kích hoạt

Mặc dù một số loại cảm biến thế hệ trước tích hợp mạch nguồn và dùng tín hiệu

ra là tiếp điểm rơ le vẫn khá phổ biến, ngày nay các loại cảm biến chủ yếu

dùng tín hiệu ra bán dẫn (PNP/NPN)

Một số cảm biến quang còn có cả tín hiệu tỉ lệ ra phục vụ cho các ứng dụng đo đếm

Điều chỉnh độ nhạy

Các loại cảm biên quang tiêu chuẩn thường có 2 khả năng chỉnh độ nhạy:

2 Công tắc chuyển Light-On/Dark-On

Công tắc L-On/D-On thay đổi tình trạng đầu ra cảm biến Bạn sẽ hiểu rõ hơn về hoạt động L-On và D-On ở phần sau

2 Đèn báo tín hiệu ra vàng cam / đỏ

Đèn LED vàng cam hay đỏ bật khi có vật thể được phát hiện và có tín hiệu đầu

ra

Cấu trúc khối của dòng E3Z

Bên phải là hình ảnh E3Z, dòng cảm biến quang phổ biến nhất của Omron

 Công tắc chuyển Light-On/Dark-On

 Mất nhiều thời gian để chỉnh vị trí lắp đặt

 Mất nhiều thời gian nối dây vì có 2 dây riêng biệt

 Giá thành sản phẩm cao

Ví dụ ứng dụng:

 Kiểm soát cổng ra vào: Thông thường cổng ra vào có kính mờ / tối che ngoài Bởi vậy cần loại thu phát có cường độ sáng cao để xuyên qua lớp kính

 Môi trường khắc nghiệt: ví dụ trạm rửa xe, hoặc môi trường nhiều bụi, cần có cảm biến cường độ sáng cao

 Các ứng dụng rộng rãi khác trong tự động hóa công nghiệp, đặc biệt trong trường hợp cần xác định vị trí của vật thể

Phản xạ gương

Bộ phát truyền ánh sáng tới một gương phản chiếu lăng kính đặc biệt, và phản

xạ lại tới bộ thu sáng của cảm biến Nếu vật thể xen vào luồng sáng, cảm biến sẽ phát tín hiệu ra

Ưu điểm:

 Giá thành thấp hơn loại thu phát

 Lắp đặt dễ hơn loại thu phát

 Chỉnh định dễ dàng

 Với vật thể có bề mặt sáng bóng có thể làm cảm biến không phát hiện được, có thể dùng kính lọc phân cực

Nhược điểm:

 Khoảng cách phát hiện ngắn hơn loại thu phát (E3Z-R: chỉ được 4-5m)

 Vẫn cần 2 điểm lắp đặt cho cảm biến và gương

 Cảm biến phản xạ gương loại 2 thấu kính thường không phát hiện được vật ở một số khoảng cách ngắn nhất định

Phản xạ gương là dạng cảm biến quang phổ biến nhất trong công nghiệp Loại này có sự kết hợp tốt các yếu tố như phát hiện tin cậy, khoảng cách vừa đủ và giá thành hợp lý

Ví dụ ứng dụng:

 Phát hiện vật trên băng chuyền

 Các ứng dụng phổ cập trong nhà máy

 Phát hiện chai nhựa trong (khi dùng loại thích hợp)

 Kiểm soát cửa / cổng ra vào trong các tòa nhà

Phản xạ khuếch tán

Cảm biến dạng này truyền ánh sáng từ bộ phát tới vật thể Vật này sẽ phản xạ lại một phần ánh sáng (phản xạ khuếch tán) ngược trở lại bộ thu của cảm biến, kích hoạt tín hiệu ra

 Thông thường, nếu không cần độ chính xác cao, hoặc khó khăn trong việc lắp đặt gương, người ta sẽ dùng loại phản xạ khuếch tán

Ví dụ ứng dụng:

 Các ứng dụng phổ cập trong nhà máy: như phát hiện vật trên băng chuyền

 Công nghiệp chế tạo gạch men (dùng loại nguồn sáng rộng)

Hạn chế nhiễu của nền(BGS)

Đây là cảm biến phản xạ khuếch tán đặc biệt Trong khi loại thường phát

hiệntổng lượng ánh sáng nhận được, loại BGS phát hiện góc của ánh sáng phản

xạ.Công nghệ này có tên là triangulation (phép đạc tam giác) Bởi vậy, độ

nhạy của cảm biến sẽ không phụ thuộc vào màu sắc vật hay nền sau vật

Để làm điều này, cảm biến dùng 2 điôt cho bộ thu (như hình bên) hoặc 1 mạch điôt/PSD

 Khoảng cách phát hiện ngắn; ví dụ E3Z-LS: chỉ được tối đa 200mm

Cảm biến BGS ngày càng phổ biến hơn trong các ứng dụng công nghiệp vì không cần gương và phát hiện tin cậy Thông thường cảm biến BGS lắp đặt bên cạnh hoặc bên trên băng chuyền (xem hình mô phỏng)

Lưu ý: vít biến trở của cảm biến BGS dòng E3Z không điều chỉnh ngưỡng/độ nhạy (như các model khác), mà thay đổi vị trí của thấu kính để điều chỉnh

khoảng cách phát hiện

Dark-On và Light-On

Một tính năng liên quan đến cảm biến quang là phản hồi của cảm biến khi phát hiện hoặc không phát hiện thấy ánh sáng Tính năng này có tên là chế độ Dark-

On hay Light-On Các trang tiếp theo sẽ giải thích kỹ hơn!

Tín hiệu ra của cảm biến sẽ có khi bộ thu không nhận được ánh sáng

Cảm biến thu phát và phản xạ gương thường hoạt động ở chế độ D-On này Vật thể ngăn tia sáng và kích hoạt tín hiệu ra

Tín hiệu ra có khi bộ thu nhận được ánh sáng từ vật thể

Cảm biến phản xạ và BGS thường hoạt động ở chế độ L-ON này Bộ thu nhận được ánh sáng phản xạ từ vật thể, và kích hoạt tín hiệu ra

Tại sao nên chọn Cảm biến Tiệm cận?

Một Cảm biến tiệm cận (còn được gọi là “Công tắc tiệm cận” hoặc đơn giản là

“PROX”) phản ứng khi có vật ở gần cảm biến Trong hầu hết các trường hợp,

khoảng cách này chỉ là vài mm Cảm biến tiệm cận thường phát hiện vị trí cuối của chi tiết máy và tín hiệu đầu ra của cảm biến khởi động một chức năng khác của máy

Các lợi ích chính của cảm biến tiệm cận công nghiệp là:

 Vận hành đáng tin cậy ngay cả trong môi trường khắc nghiệt (ví dụ: môi trường ngoài trời hoặc môi trường dầu mỡ)

 Vận hành/cài đặt đơn giản và dễ dàng

 Mức giá hấp dẫn (ví dụ: rẻ hơn Cảm biến quang điện)

 Ngày nay, cảm biến tiệm cận có mặt trong nhiều loại hình công nghiệp và ứng dụng

Một số ứng dụng:

 Công nghiệp chế tạo ô tô

 Công nghiệp máy công cụ

 Công nghiệp chế biến thực phẩm

 Xe đa dụng (ví dụ: xe tải, máy nông nghiệp)

 Máy rửa xe

Các loại Cảm biến Tiệm cận

Có 2 loại cảm biến tiệm cận công nghiệp chính là:

Cảm biến tiệm cận cảm ứng phát hiện các vật bằng cách tạo ra trường điện từ

Dĩ nhiên, thiết bị chỉ phát hiện được vật kim loại

Cảm biến tiệm cận điện dung phát hiện các vật bằng cách tạo ra trường điện

dung tĩnh điện Do đó, thiết bị này có thể phát hiện mọi loại vật

Mặc dù cảm biến cảm ứng chỉ phát hiện được các vật kim loại, chúng phổ biến hơn nhiều trong công nghiệp Những cảm biến này ít chịu ảnh hưởng của các nhiễu bên ngoài hơn như EMC và – cuối cùng nhưng không kém phần quan trọng – những cảm biến này rẻ hơn cảm biến điện dung

Trang tiếp theo sẽ giới thiệu cho bạn một số lý thuyết kỹ thuật về cách vận hành của cảm biến cảm ứng

Cách vận hành của Cảm biến Cảm ứng

Cảm biến tiệm cận cảm ứng bao gồm một cuộn dây được cuốn quanh một lõi từ

ở đầu cảm ứng Sóng cao tần đi qua lõi dây này sẽ tạo ra một trường điện từ dao động quanh nó Trường điện từ này được một mạch bên trong kiểm soát

Khi vật kim loại di chuyển về phía trường này, sẽ tạo ra dòng điện (dòng điện xoáy) trong vật

Những dòng điện này gây ra tác động như máy biến thế, do đó năng lượng trong cuộn phát hiện giảm đi và dao động giảm xuống; độ mạnh của từ trường giảm

Đầu ra của Cảm biến Cảm ứng

Ngày nay, hầu hết cảm biến cảm ứng đều có đặc điểm đầu ra tranzito có logic NPN hoặc PNP (xem hình bên phải) Những loại này còn được gọi là kiểu DC-3 dây

Trong một số trường hợp cài đặt, người ta sử dụng cảm biến tiệm cận có 2 kết

nối (âm và dương) Chúng được gọi là kiểu DC-2 dây (xem sơ đồ bên dưới)

Thường Mở/Thường Đóng

Cảm biến tiệm cận được chia theo chế độ hoạt động thường mở (NO) và thường đóng (NC) mô tả tình trạng có tín hiệu đầu ra của cảm biến sau khi có

hoặc không phát hiện được vật

 Thường mở: Tín hiệu điện áp cao, khi phát hiện ra vật; tín hiệu điện áp thấp khi không có vật

 Thường đóng: Tín hiệu cao khi không có vật; tín hiệu thấp khi phát hiện ra vật

Ví dụ minh họa ở bên trái trình bày cảm biến tiệm cận DC-2 dây có đầu ra thường mở (NO) Đầu ra hoạt động khi vật di chuyển gần cảm biến

Di chuyển chuột (=vật) của bạn qua cảm biến để làm bóng đèn sáng

bây giờ, hãy xem ví dụ minh họa tương tự với đầu ra thường đóng (NC)

Bóng đèn tắt ngay khi vật (chuột) di chuyển đến gần cảm biến

Cảm biến tiệm cận có cả hai đầu ra NO và NC được gọi là kiểu đối lập

Lưu ý: Kiểu NO/NC dùng cho cả cảm biến cảm ứng và cảm biến điện dung Hình này trình bày cảm biến điện dung

Khoảng cách Phát hiện – Tỷ lệ Tiêu chuẩn

Khoảng cách phát hiện là một thông số kỹ thuật quan trọng khi thiết kế

PROX trong máy

Có ba loại là cảm biến tiệm cận cảm ứng khoảng cách phát hiện ngắn, trung và dài

Khoảng cách phát hiện được nêu trong thông số kỹ thuật của cảm biến tiệm cận cảm ứng dựa trên mục tiêu chuẩn di chuyển hướng trục của cảm biến Mục tiêu chuẩn này là một bản thép mềm hình vuông dày 1 mm, vật có thành phần chính

là sắt (được xác định theo EN 60947-5-2)

Lưu ý: Đối với các vật di chuyển hướng tâm về phía bề mặt cảm ứng, khoảng cách phát hiện sẽ khác!

Hệ số Giảm Khoảng cách Phát hiện

Tùy thuộc vào loại kim loại được sử dụng, phạm vi phát hiện có thể nhỏ hơn khoảng cách phát hiện định mức Bảng sau cung cấp mức giảm khoảng cách phát hiện gần đúng của một PROX tiêu chuẩn đối với các vật liệu kim loại khác nhau Thông tin chi tiết về sự lệ thuộc vào các loại kim loại có trong thông tin kỹ thuật của tài liệu mỗi cảm biến cảm ứng

Lưu ý: Các cảm biến cảm ứng đặc biệt có khoảng cách không phụ thuộc vào khoảng cách của loại kim loại sử dụng Chúng còn được gọi là cảm biến tiệm cận “Hệ số 1″

Ảnh hưởng của Kích thước Vật

Khoảng cách phát hiện cũng chịu ảnh hưởng của kích thước của vật (vật nhỏ

hơn sẽ làm giảm khoảng cách phát hiện

Đồng thời loại và độ dày của lớp mạ cũng ảnh hưởng đến khoảng cách phát hiện

Giá trị của độ trễ thường nằm trong khoảng 5-10%

Cảm biến Cảm ứng Được bảo vệ

PROX được bảo vệ có cấu tạo gồm một tấm chắn quanh lõi từ Tấm này có tác dụng dẫn trường điện từ đến trước phần đầu

Cảm biến tiệm cận được bảo vệ có thể được lắp chìm bằng mặt trên bề mặt kim loại, nếu không gian chật hẹp Điều này cũng có lợi là có thể bảo vệ cảm biến về mặt cơ học

Tuy nhiên, phạm vi phát hiện bị hạn chế, nhưng có thể lắp cảm biến dễ dàng với các kim loại xung quanh mà không gây ra ảnh hưởng nào

Cảm biến Cảm ứng Không được bảo vệ

Cảm biến không được bảo vệ không có lớp bảo vệ quanh lõi từ Sự khác biệt giữa cảm biến được bảo vệ và không được bảo vệ có thể quan sát được một cách

dễ dàng

Thiết kế này cho khoảng cách phát hiện lớn hơn cảm biến tiệm cận được bảo vệ Cảm biến cảm ứng không được bảo vệ có khoảng cách phát hiện gần gấp đôi so với loại được bảo vệ có cùng kích thước đường kính

Không thể lắp PROX không được bảo vệ chìm bằng mặt với bề mặt kim loại Do

đó, khả năng bảo vệ về mặt cơ học thấp hơn Vì từ trường mở rộng ra tới cạnh của cảm biến, nên có thể bị ảnh hưởng của những kim loại trong khu vực

này Cảm biến tiệm cận không được bảo vệ cũng nhạy cảm hơn với giao thoa hỗ tương

Để tránh trục trặc khi lắp loại cảm biến này, vui lòng làm theo các hướng dẫn có trong bản dữ liệu

Chọn Cảm biến Cảm ứng

Kết luận: Nếu muốn chọn đúng cảm biến tiệm cận cho một ứng dụng, cần phải lưu ý đến một số điều sau:

 Điều kiện cụ thể của vật (loại kim loại, kích thước, lớp mạ)

 Hướng chuyển động của mục tiêu

 Vận tốc của mục tiêu

 Ảnh hưởng của kinh loại xung quanh

 Ảnh hưởng của nhiệt độ, điện áp, EMC, độ rung, va chạm, độ ẩm, dầu, bột, hóa chất hoặc chất tẩy rửa

 Khoảng cách phát hiện bắt buộc

E2A - Dải sản phẩm phong phú

Cảm biến tiệm cần cảm ứng E2A phải là lựa chọn đầu tiên, khi thảo luận với khách hàng của mình về PROX Thiết kế chất lượng cao và tuổi thọ lâu dài của E2A mang lại giá trị tốt nhất cho các ứng dụng tiêu chuẩn

 Khoảng cách phát hiện (trung) được mở rộng

 IP67 và IP69k có khả năng chịu nước cao nhất

 Có sẵn các loại DC 2 dây, DC 3 dây (NO, NC), DC 4 dây (đối lập)

 Tỷ lệ giá cả-tính năng tốt

 Phạm vi kết nối rộng và có khả năng sửa đổi kết nối khối

 Nhóm phụ đặc biệt:

 E2AU (Nhóm được Emark chứng nhận dành cho các xe đa dụng)

 E2A3 (nhóm khoảng cách dài)

Điểm nổi bật:

 Vỏ bằng thép không gỉ trên thoàn thân cung cấp sự bảo vệ cơ học cao nhất

 Điều biến tần số thấp để miễn cảm với phoi kim loại

 Cáp làm chậm cháy mang lại sự bảo vệ cao trước hư hại của tia lửa hàn

 Bề mặt cảm ứng siêu mạnh

E2EH - Chịu Nhiệt

Nhóm cảm biến tiệm cận cảm ứng E2EH là lựa chọn tốt nhất cho các môi

trường đòi hỏi khắt khe, ví dụ như làm sạch của ống rửa trong công nghiệp chế

biến thực phẩm

Điểm nổi bật:

 Chịu nhiệt lên tới 120°C

 Thân vỏ bằng thép không gỉ SUS316L với bề mặt cảm ứng bằng nhựa chịu nhiệt

 Tiêu chuẩn IP69k có khả năng chịu nước cao nhất

 ECOLAB đã kiểm tra và chứng nhận khả năng chịu chất tẩy rửa

E2E – Cỡ thu nhỏ – Đường kính nhỏ

Cảm biến tiệm cận cảm ứng E2E với đường kính nhỏ từ 3 mm đến 5,4 mm là giải pháp lý tưởng ở những nơi có khoảng không chật hẹp Vỏ bằng kim loại mang lại sự bảo vệ cơ học cao

Điểm nổi bật:

 Vỏ thu nhỏ có kích thước từ 3 mm đến 5,4 mm đường kính

 Vỏ bằng thép không gỉ hoặc đồng thau

 Tần suất chuyển mạch 3 kHz

TL-W - Hình dạng phẳng

cảm biến tiệm cận cảm ứng TL-W cung cấp nhiều cảm biến cảm ứng dạng khối

để lắp đơn giản trên các bề mặt phẳng Với khoảng cách phát hiện từ 1,5 mm đến 20 mm, TL-W là giải pháp lý tưởng cho tất cả các ứng dụng tiêu chuẩn Điểm nổi bật:

 Bề mặt mặt trước và mặt bên

 IP67

 Kiểu DC 2 dây và DC 3 dây

 Khoảng cách phát hiện từ 1,5 mm đến 20 mm

E2Q5 - Khoảng cách dài

Do khoảng cách phát hiện dài tới 40mm, cảm biến tiệm cận cảm ứng E2Q5 lý tưởng cho việc phát hiện các vật kim loại lớn, ví dụ: trong dây chuyền lắp ráp ôtô

E2S – Cỡ thu nhỏ – Hình dạng Vuông

Nhóm cảm biến tiệm cận cảm ứng E2S có đặc điểm vỏ nhựa loại khối thu nhỏ

để lắp đơn giản trên các bề mặt phẳng