Chuong 2 - Cam bien.pdf

Cam bien - tự động hoá

Cảm biến (Sensor)

1 Khái niệm chung

2 Một số tiêu chí đánh giá cảm biến

3 Nguyên lý làm việc của một số cảm biến

1.Khái niệm chung

)Là những thiết bị có khả năng cảm nhận những

đại l−ợng điện và không điện, chuyển đổi chúng trở thành những tín hiệu điện phù hợp với thiết bị thu nhận tín hiệu.

)Là những thiết bị không thể thiếu trong các hệ thống tự động hoá và sản xuất công nghiệp.

2.1 Phạm vi cảm nhận hoặc khoảng cách cảm nhận.

2.2 Sai số.

) Sai số do mắt trễ ) Sai số về độ phân giải ) Sai số do tuyến tính hoá

2.Một số tiêu chí đánh giá cảm biến

2.1.Phạm vi cảm nhận) Là giới hạn cảm nhận của cảm biến đối với đại lượng vật lý cần

đo

) Ví dụ:

)Cảm biến nhiệt có tín hiệu ra bằng điện tỉ lệ với

nhiệt độ cần đo Do đó trong khoảng giới hạn nhiệt độ trên vμ dưới, mối quan hệ nμy cần phải tuyến tính Vùng tuyến tính đó được gọi lμ phạm

vi cảm nhận.

)Đối với cảm biến tiệm cận lμ khoảng giới hạn

trên vμ dưới mμ cảm biến có thể phát hiện ra đối

UCao

Thấp

Đặc tính ra của một điện trở nhiệt (RTD)

Đối t−ợngCảm biến

S n : Khoảng cách cảm nhận của cảm biến tiệm cận

? Sai số do mắt trễ tín hiệu ) Sự khác biệt lớn nhất giữa giá trị đầu ra đo đ−ợc với giá trị

đầu ra lý thuyết khi tín hiệu đầu vμo tăng hoặc giảm.

2.2. Sai số

tV

Mắt trễ của điện trở nhiệt (RTD)

Dải nhiệt độ ứng với điện áp V1Dải điện áp ứng với t1

t1

? Sai số do độ phân giải ) Độ phân giải: Lμ sự thay đổi lớn nhất của đại lượng vật lý cần đo mμ không gây ra sự thay đổi về tín hiệu đầu ra của cảm biến.

Độ phân giải của điện trở nhiệt (RTD) với đầu ra số

t

Độ phân giải+/- 0.25oC

? Sai số do tuyến tính hoá

) Với một sensor lí tưởng thì tín hiệu đầu vμo luôn tỉ lệ tuyến tính với tín hiệu đầu ra Nhưng trên thực tế để có tín hiệu đo tuyến tính, người ta luôn phải tiến hμnh tuyến tính hoá

Điều nμy sẽ tạo ra sai số của tín hiệu

V

đường cong lí tưởngsai số lớn nhất

3.Nguyên lý lμm việc của một số cảm biến

3.1 Các loại cảm biến đóng cắt (dạng ON-OFF).

) Các kí hiệu điệnTiếp điểm thường hở (NO)

Khi mởKhi đóng

Tiếp điểm thường kín (NC)

Khi đóng

Khi mở

3.1.Các cảm biến đóng cắt dạng ON - off

Vị trí đóngQuãng đường dự trữ

Đặc điểm ) Khi phần chấp hμnh bị tác

động, lò xo chốt sẽ trữ

) Kiểu tác động có trễ

Đặc điểm ) Tiếp điểm NO

đóng trước, tiếp điểm NC

bị ngắt sau

Đóng trước khi ngắt Ngắt trước khi đóng

Đặc điểm ) Tiếp điểm NC

bị ngắt trước, tiếp điểm NO

đóng sau

Đặc điểm chung ) Tạo ra một khoảng thời gian trễ đủ nhỏ giữa hai loại tiếp

? Cảm biến tiệm cận.

)Tiệm cận điện cảm (Inductive proximity) )Tiệm cận điện dung (Capacitive proximity) )Tiệm cận siêu âm (Ultrasonic proximity) )Tiệm cận quang học (Photoelectric proximity)

) Tiệm cận điện cảm (Inductive proximity)

& Lμ loại cảm biến sử dụng trường điện-từ để phát hiện

đối tượng bằng kim loại.

& Điện áp lμm việc DC, AC hoặc AC/DC

Bộ dao động

Bộ điều chỉnh điện áp

& Nèi d©y cho lo¹i PNP (sourcing):

T¶iPNP transistor

& Nèi d©y cho lo¹i NPN (sinking):

NPN transistor

T¶i

T¶i T¶i

T¶i

Lo¹i 2 d©y PNP

Lo¹i 3 d©y PNP

Lo¹i 4 d©y PNP

CÊu h×nh c¶m biÕn lo¹i transistor PNP

2 d©y song song 3 d©y

2 d©y nèi tiÕp 3 d©y

& Theo khoảng cách được chia ra lμm hai loại: có bảo vệ(shielded) vμ không bảo vệ (unshielded)

Bề mặt sensor

Có bảo vệ Không bảo vệ

Nhận xét:

) Khoảng cách cảm nhận từ 0.6 - 20 (mm) ) Tiệm cận điện cảm phụ thuộc vμo một số yếu tố sau của đối tượng:

& Hình dáng đối tượng

& Độ dầy của đối tượng

& Vật liệu của đối tượng

) Tiệm cận điện dung (Capacitive proximity)

& Lμ loại cảm biến sử dụng trường tĩnh điện để phát hiện

đối tượng bằng kim loại vμ phi kim loại.

& Điện áp lμm việc DC, AC hoặc AC/DC

) Nguyên lí hoạt động:

Nhận xét:

) Khoảng cách cảm nhận từ 5 - 20 (mm) ) Có khả năng phát hiện mức chất lỏng xuyên qua thùng

trong suốt (Chất lỏng phải có hằng số điện môi cao hơn

vỏ thùng)

)Môi trường lμm việc phải khô, bởi vì khi có chất lỏng trên bề mặt của cảm biến, cảm biến có thể tác động nhầm.

Hằng số điện môi của một số vật liệu

) Tiệm cận siêu âm (Ultrasonic proximity)

& Lμ loại cảm biến sử dụng bộ thu phát tín hiệu siêu âm,

tần số cao.

a/ Nguyên lí lμm việc b/ Đặc điểm

c/ Các chế độ hoạt động d/ ả nh hưởng của môi trường

Nguyên lí lμm việc

Vùng mù:

& Vùng này tồn tại ngay phía trước cảm biến, tuỳ theo loại cảm biến mà

vùng mù này có khoảng cách chừng 6 - 80 cm Nếu đối tượng được đặttrong vùng này sẽ khiến cho trạng thái đầu ra không ổn định

Đặc điểm

Các cảm biến đặt song song :

& Giả thiết 2 cảm biến có cùng khoảng cách cảm nhận được đặt song song với nhau Đối tượng đặt vuông góc với nguồn âm Vậy khoảngcách giữa các cảm biến được xác định thông qua khoảng cách cảmnhận

& Ví dụ nếu khoảng cách cảm nhận là 6 cm, thì khoảng cách giữa cáccảm biến là 15 cm.

Khoảng cách X (cm) cảm nhận

(cm) 6-30 > 15 20-130 > 60 40-300 > 150 60-600 > 250 80-1000 > 350

Nhiễu giao nhau giữa các cảm biến

& Nhiễu xảy ra khi các cảm biến được đặt gần nhau, chùm phản xạ củacảm biến này lại tác động đến cảm biến khác

& Trong trường hợp này khoảng cách X cần được xác định thông qua thửnghiệm

Khoảng cách tối thiểu cho hai cảm biến đặt đối nhau

& Giả thiết 2 cảm biến có cùng khoảng cách cảm nhận được đặt đối diệnnhau Khoảng cách X được xác định sao cho 2 cảm biến không gâynhiễu cho nhau

Khoảng cách X (cm) cảm nhận

(cm) 6-30 > 120 20-130 > 400 40-300 > 1200 60-600 > 2500 80-1000 > 4000

Góc nghiêng:

& Góc nghiêng giữa đối tượng với phương truyền sóng phải được cânnhắc khi lắp đặt Nếu góc nghiêng quá lớn sóng phản xạ có thể không

đến được cảm biến

Đối với chất lỏng vμ vật liệu dưới dạng hạt:

& Đối với chất lỏng (ví dụ nước) giới hạn góc nghiêng ở 3o

& Đối với vật liệu dưới dạng hạt thì góc nghiêng có thể lớn tới 45o

Loại bỏ đối tượng nhiễu:

& Một đối tượng nhiễu bất kì có thể nằm trong phạm vi cảm nhận củacảm biến Điều này sẽ gây ra tác động nhầm của cảm biến Để loại bỏ

đối tượng nhiễu người ta dùng một loại vật liệu có khả năng hấp thụ

âm, chỉ để lại một khe hở khiến cho nguồn âm không thể tới đối tượngnhiễu được

Đối tượng nhiễu

Khe hởVật liệu hấp thụ âm

& Đây là chế độ làm việc phổ biến của cảm biến siêu âm Khi đối t−ợng

bị phát hiện trong phạm vi cảm nhận thì cảm biến sẽ chuyển trạng thái

đầu ra, chế độ này hoạt động nh− một cảm biến tiệm cận

Phạm vi cảm nhận

Đối tượng có hình dạng đặc biệt

Đối tượng hấp thụ âm

Xuyên suốt:

& Trong chế độ này người ta sử dụng hai bộ thu phát riêng biệt, khi chùm

âm bị gián đoạn bởi đối tượng thì đầu ra cảm biến sẽ thay đổi trạng thái

ả nh hưởng của môi trường :

Nhiệt độ: Nhiệt độ cao gây ảnh hưởng tới chế độ lμm việc của cảm biến, thông thường đối với cảm biến siêu âm đều

có bù nhiệt độ

áp suất: Khi áp suất thay đổi ±5% so với áp suất mặt nước biển, thì tốc độ âm thay đổi khoảng ±0,6% Khi cảm biến đặt cao hơn mực nước biển 3 km thì tốc độ âm giảm 3,6% Cần điều chỉnh khoảng cách cảm biến cho hợp lí.

Chân không: Trong môi trường nμy thì cảm biến không hoạt

động được.

Độ ẩm: Khi độ ẩm tăng thì tốc độ âm tăng

Tốc độ gió: < 50km/h, cảm biến không bị ảnh hưởng; 100km/h, cảm biến lμm việc không chắc chắn; > 100km/h, cảm biến không lμm việc được

50-Thời tiết: Mưa nhỏ vμ tuyết nhỏ không ảnh hưởng tới hoạt

động của cảm biến Tuy nhiên bề mặt của bộ chuyển đổi nên được giữ khô ráo.

Lớp sương mù: Nói chung lμ không có ảnh hưởng gì tới cảm biến, tuy nhiên không nên để chúng đọng trên bề mặt bộ chuyển đổi.

Bụi: Môi trường bụi lμm giảm phạm vi cảm nhận của cảm

Tiệm cận quang học (Photoelectric proximity)

Lμ loại cảm biến sử dụng chùm tia sáng được điều biến Cấu tạo cảm biến gồm một thiết bị phát vμ một thiết bị thu

Đặc điểm:

1/ Chùm tia sáng được điều biến2/ Hệ số khuếch đại ánh sáng3/ Kí hiệu

Công nghệ tiệm cận quang học

1/ Xuyên suốt2/ Xuyến suốt tích cực3/ Phản xạ

4/ Phản xạ tích cực5/ Lọc phân cực với các đối tượng phản quang6/ Khuếch tán

Các chế độ lμm việc

1/ Chế độ tối2/ Chế độ sáng

Chùm tia sáng được điều biến:

Mục đích làm tăng khoảng cách cảm nhận và giảm ảnh hưởng của ánhsáng môi trường ánh sáng điều biến là một chùm xung có tần số từ 5kHz

đến 30 kHz Nguồn sáng dùng trong các cảm biến loại này có phổ sáng từ

ánh sáng xanh nhìn được tới ánh sáng hồng ngoại không nhìn được Tiêubiểu là nguồn sáng từ LED

Hệ số khuyếch đại ánh sáng:

Hệ số khuyếch đại ánh sáng là lượng ánh sáng phát ra vượt quá lượng

yêu cầu của thiết bị thu

Trong môi trường sạch thì hệ số này bằng hoặc lớn hơn 1 là đủ lượng yêucầu của thiết bị thu Môi trường càng ô nhiễm thì hệ số này càng cao, do một phần ánh sáng phát ra sẽ bị môi trường này hấp thụ Tuy nhiên hệ sốcàng cao thì khoảng cách cảm nhận thực tế càng giảm

Hệ sốkhuyếch

đại

Kí hiệu:

Khuếch tán Khuếch tán

dùng tấm chắn Phản xạ

Xuyên suốt Khuếch tán đầu

ra tương tự Cảm biến dùng sợi quang

Cảm biến mầu Cảm biến vạch

mầu

Cảm biến khe hẹp

Xuyên suốt:

& Công nghệ nμy sử dụng phần phát vμ phần thu riêng

biệt, hai phần nμy được bố trí sao cho phần thu có thể nhận được tối đa chùm xung ánh sáng từ phần phát

& Nếu vì lí do gì đó mμ chùm tia sáng không tới được phần

thu, thì đầu ra của phần thu sẽ thay đổi trạng thái.

& Thích hợp đối với những vật chắn sáng vμ phản quang

& Phạm vi cảm nhận lên tới 90 m (300 feet)

Xuyên suốt tích cực:

& Đối tượng được pháthiện khi cắt chùm tia tíchcực

& Chùm tia tích cực có độ rộng bằng đường kính thấu kính phát và thấukính thu

& Kích thước nhỏ nhất của đối tượng bằng với độ rộng chùm tia

Phát

Thu

Chùm tiatích cực Thu

Chùm tiatích cực

Phản xạ tích cực:

& Chùm sáng tích cực phát ra từ thấu kính phát có độ rộng phù hợp với

bề mặt phản xạ

& Kích thước tối thiểu của đối tượng bằng với bề mặt phản xạ

& Mặt phản xạ: Mặt phản xạ tương ứng với từng kiểu cảm biến phản xạ,

có thể hình tròn, hình vuông hoặc dải băng Khoảng cách cảm nhận tuỳthuộc vào việc sử dụng bề mặt phản xạ

Phát chùm tia

tích cực

Mặt phản xạ

Lọc phân cực đối với đối tượng phản quang:

& Đối với cảm biến phản xạ việc phát hiện đối tượng phản quang làkhông thể, do cảm biến không phân biệt được chùm sáng phản hồi từ

đối tượng hay từ bề mặt phản xạ

& Để có thể phát hiện được người ta dùng thêm bộ lọc phân cực đặt phíatrước thấu kính phát và thu

Chùm sáng chưa phân cựcThấu kính

Lọc phân cựcChùm sáng phân cực

Mặt phản xạChùm sáng phân cực

Cảm biến khuếch tán

& Công nghệ này cũng gắn phần phát và thu trên cùng một bộ Chùmsáng phát ra đập vào đối tượng và bị khuếch tán dưới các góc khácnhau, nếu phần thu nhận được đủ ánh sáng thì đầu ra cảm biến thay

đổi trạng thái

& Để nâng cao hiệu quả người ta dùng công nghệ tấm chắn trong cảmbiến khuếch tán Khoảng cách càng lớn thì góc phản xạ ánh sáng cànghẹp Bằng cách sử dụng tấm chắn PSD người ta có thể thu được ánhsáng từ các góc độ khác nhau

& PSD: Position Senser Detector

3.2.một số cảm biến sử dụng bộ chuyển đổi

? Các phương pháp chuyển đổi

? Chuyển đổi nhiệt (cảm biến nhiệt độ)

? Chuyển đổi lực (cảm biến lực)

? Chuyển đổi lưu lượng (cảm biến lưu lượng)

? Các phương pháp chuyển đổi.

) Kĩ thuật mạch cầu cân bằng ) Kĩ thuật LVDT (Linear Variable Differential Transformer)

) Kĩ thuật mạch cầu cân bằng.

) Mạch cầu dùng các phần tử điện trở, tuỳ theo cách cấu

hình cho cầu cân bằng mμ ta có hai kiểu đo theo dòng hoặc theo áp.

) ở điều kiện bình thường (cầu cân bằng) thì điện áp

U output = 0, hoặc không có dòng điện qua cầu (I cầu = 0).

) Cầu điện áp: Lμ mạch cầu có điện áp U output tỉ lệ với

sự thay đổi trở kháng trong mạch cầu Trên hình bên thì

D lμ thiết bị thu thập R D lμ nội trở của nó

Với cầu này thì

trị số RDphải rấtlớn Ví dụ như trởkháng đầu vàocủa module PLC Xét ví dụhình bên, khi R4thay đổi làm cầumất cân bằng Tỉ

lệ của trở khángtrong mạch như

4 4

4

4 2 3 1

4

1 .

R R

R

R R R R

U R R U

Δ

±

=

) Cầu dòng điện: Nhằm tạo ra sự thay đổi về dòng

điện ở đầu ra của cầu cân bằng, giữa 2 điểm A vμ B

Thiết bị thu thập D có nội trở rất thấp Ví dụ như những module PLC khuếch đại dòng có trở kháng vμo thấp.

4 4

4

3 1 2 4 2 4 1 3 2 4 3 1

1 4

.

.

R R

R

R R R R R R R R R R R R R

U R R I

B D D

Δ

±

=

+ +

+ +

+ +

Δ

±

=Phương trình dòng ID

Trong đó: R4Blà trở kháng của R4khi cầu cân bằng

ΔR4: Độ chênh trở kháng giữa giá trị R4Bvà giá trị thực

của trở kháng tại thời điểm đang xét

RD: Trở kháng đầu vào của module thu thập

) Kĩ thuật LVDT (Linear Variable Differential Transformer).

LVDT lμ một cơ cấu cơ - điện tạo ra điện áp tỉ lệ với vị trí của lõi biến áp (BA) trong lòng cuộn dây.

Vỏ thép không gỉVμnh chống nhiễu

điện-từ vμ tĩnh điện

Cuộn dâyLớp epoxy Lõi

Hỗn hợp chống ẩm,

ổn định nhiệt

) Nguyên lý lμm việc: Điện áp AC đ−a vào cuộn sơ

cấp, tạo ra điện áp cảm ứng trên 2 đầu cuộn thứ cấp

Khi lõi chuyển động làm cho điện áp đầu ra thứ cấp thay đổi Cuộn thứ cấp cuốn theo 2 chiều ng−ợc nhau, nên điện áp sẽ thay đổi cực tính khi lõi dịch chuyển.

Điện áp vμo

Điện áp ra

Sơ cấpThứ cấp Thứ cấp

Lõi

Điện áp ra

Vị trí lõi (%) so với vị trí 0

Vùng tuyến tính

Vùngphi tuyến

Vùngphi tuyến

Vị trí 0% Vị trí 100%

Vị trí 100%

Hướng chuyển động

Thứ cấpSơ cấp

Điện áp ra

? Chuyển đổi nhiệt độ (Cảm biến nhiệt).

) Cảm biến nhiệt dùng để đo vμ giám sát sự thay đổi nhiệt

độ Trên thực tế có hai loại chuyển đổi sau:

Đo sự thay đổi điện trở nội

Đo sự chênh lệch điện áp

) Đầu ra của cảm biến nhiệt có thể dưới dạng tín hiệu dòng

hoặc áp tỉ lệ với nhiệt độ cần đo

) Kiểu 1 thường lμ RTD hoặc Thermistor ) kiểu 2 thường lμ cặp nhiệt ngẫu (can nhiệt)

RTD (Resistance Temperature Detector) (Nhiệt điện trở kim loại)

) RTD được chế tạo từ các dây dẫn nhậy cảm với nhiệt độ

(phần tử điện trở), vật liệu phổ biến nhất lμ platium, nickel, đồng, nickel-sắt Chúng được đặt trong ống bảo vệ

Đối với RTD thì trở kháng tăng tuyến tính với nhiệt độ cần đo, do vậy RTD có hệ số nhiệt dương

) Để đo nhiệt độ, RTD được mắc theo kĩ thuật cầu điện

Cách mắc gây sai số

Cách mắc bùsai số

Với điều kiện

RL1= RL2

) Đối với module RTD của PLC, thì đã có mạch bù sai số,

do vậy ta có thể mắc trực tiếp RTD vμo module

) Trong trường hợp dùng module tương tự, thì ta cần thiết

kế thêm cầu cân bằng, kết hợp với khuếch đại tín hiệu.

) Thermistor (Nhiệt điện trở bán dẫn)

) Thermistor được lμm từ các vật liệu bán dẫn, sự thay

đổi điện trở của vật liệu tỉ lệ với nhiệt độ trong dải đo.

) Từ đường đặc tính trên, thì thermistor cho ta độ phân

giải cao hơn so với RTD Rất thích hợp với những ứng dụng có dải nhiệt độ hẹp.

So sánh 2 loại trên:

) RTD: ưu điểm:

Tuyến tính trong dải nhiệt độ rộng

Đo được nhiệt độ cao, dải đo lớn

ổn định tốt hơn ở nhiệt độ cao

nhược điểm:

Độ nhậy kém Giá thμnh cao

Bị ảnh hưởng do rung động, do điện trở tiếp xúc

) Thermistor: ưu điểm:

Đáp ứng nhanh

Đo được nhiệt độ ở dải đo hẹp với độ chính xác cao Không bị ảnh hưởng của điện trở dây nối

Có khả năng chống rung Giá thμnh thấp

nhược điểm:

) Khả năng tuyến tính thấp ở dải đo lớn ) Phạm vi đo nhiệt độ hẹp

) Cặp nhiệt ngẫu (can nhiệt)

) Được cấu tạo từ một cặp kim loại, lμm từ vật liệu khác

nhau 2 đầu nối với nhau vμ đặt ở 2 vùng nhiệt độ, sự chênh lệch nhiệt độ tạo ra sức điện động trên 2 đầu cặp nhiệt ngẫu.

) Nhiệt độ mẫu chuẩn (lạnh) lμ 0 o C, do vậy trong datasheet của cặp nhiệt ngẫu, điện áp đầu ra dựa trên nhiệt độ mẫu 0 o C.

) Tuy nhiên trong công nghiệp việc tạo ra 0 o C lμ rất bất tiện, cho nên cần phải tiến hμnh bù nhiệt độ mẫu

Xét ví dụ: Dùng cặp nhiệt ngẫu loại E, có tín hiệu điện áp

đầu ra lμ 16,42 mV, nhiệt độ T 2 lμ 46 o F, tìm nhiệt độ cần