Cảm Biến Và Ứng Dụng

Tổng quang mạng Cảm Biến. Tìm Hiểu Mạng Cảm Biến Và Ứng Dụng Mạng Cảm Biến hay còn gọi là mạng Cảm Biến không dây (Wireless Sensor Network) là sự kết hợp các khả năng Cảm Biến,

CẢM BIẾN VÀ ỨNG DỤNG

Trong các hệ thống điều khiển tự động, cảm biến đóng vai trò hết sức quan trọng vì nó là thiết bị cung cấp thông tin của quá trình điều khiển cho bộ điều khiển để bộ điều khiển đưa ra những quyết định phù hợp nhằm nâng cao chất lượng của quá trình điều khiển Có thể

so sánh các cảm biến trong hệ thống điều khiển tự động như là các giác quan của con người Nội dung của chương này sẽ trình bày một số loại cảm biến thông dụng trong công nghiệp và các ứng dụng của nó

I CÁC ĐỊNH NGHĨA VÀ ĐẶC TRƯNG CHUNG:

I.1 Định Nghĩa Cảm Biến:

Các hệ thống điều khiển tự động trong công nghiệp có vô số các đại lượng vật lý cần

đo như: nhiệt độ, áp suất, dịch chuyển, lưu lượng, trọng lượng … cần đo Các đại lượng vật lý này không có tính chất điện, trong khi đó các bộ điều khiển và các cơ cấu chỉ thị lại làm việc với tín hiệu điện vì thế phải có thiết bị để chuyển đổi các đại lượng vật lý không có tính chất điện thành đại lượng điện tương ứng mang đầy đủ các tính chất của đại lượng vật lý cần đo Thiết bị chuyển đổi đó là cảm biến

a Cảm biến:

Cảm biến là thiết bị chịu tác động của các đại lượng vật lý không có tính chất điện m và cho ra một đại lượng vật lý có tính chất điện x như: điện trở, điện tích, điện áp, dòng điện tương ứng với m

Quan hệ giữa s và m x = f(m) được gọi là phương trình chuyển đổi của cảm biến, hàm f() phụ thuộc vào cấu tạo, vật liệu làm cảm biến … Để chế tạo cảm biến, người ta sử dụng các hiệu ứng vật lý

b Cảm biến tích cực:

Cảm biến tích cực hoạt động như một nguồn áp hoặc nguồn dòng được biểu diễn bằng một mạng hai cửa có nguồn

c Cảm biến thụ động:

Cảm biến thụ động được mô tả như một mạng hai cửa không nguồn, có trở kháng phụ thuộc vào các kích thích

I.2 Các Hiệu Ứng Vật Lý:

a hiệu ứng hoả điện:

Một số tinh thể gọi là tinh thể hoả điện (thí dụ như tinh thể sulfate triglycine), có tính phân cực điện tự phát phụ thuộc vào nhiệt độ Trên các bề mặt đối diện của chúng tồn tại những điện tích trái dấu có độ lới tỷ lệ thuận với độ phân cực điện Hiệu ứng hỏa điện được sử dụng để chế tạo cảm biến đo thông lượng búc xạ của ánh sáng Khi tinh thể hoả điện hấp thụ ánh sáng, nhiệt độ của nó tăng lên làm thay đổi phân cực điện Sự thay đội phân cực này có thể xác định được bằng cách đo sự biến thiên điện áp trên hai cực của tụ điện

Cảm biến Đại lượng

điện x Đại lượng

cần đo m

b Hiệu ứng áp điện:

Khi tác động một lực cơ học lên một vật làm bằng chất áp điện (Ví dụ như Thạch anh), sẽ làm cho vật đó bị biến dạng và làm xuất hiện trên hai mặt đối diện của vật đó một lượng điện tích bằng nhau nhưng trái dấu Hiệu ứng này được dùng để chế tạo các cảm biến

đo lực, đo áp suất, gia tốc … thông qua việc đo điện tích trên 2 cực của tụ điện

Hiệu ứng này do nhà vật lý học người pháp là Pierre Curie phát hiện vào năm 1880

c Hiệu ứng cảm ứng điện từ:

Khi một thanh dẫn chuyển động trong từ trường sẽ xuất hiện một sức điện động tỷ lệ với biến thiên của từ thông nghĩa là tỷ lệ với tốc độ chuyển động của thanh dẫn Hiệu ứng điện từ được ứng dụng để chế tạo cảm biến đo tốc độ dịch chuyển của vật thông qua việc đo sức điện động cảm ứng

Hiệu ứng này do nhà vật lý học người Anh là M.Faraday phát hiện vào năm 1831

d Hiệu ứng quang điện:

Bản chất của hiệu ứng quang điện là hiện tượng giải phóng các hạt dẫn tự do trong vật liệu dưới tác dụng của bức xạ ánh sáng Hiệu ứng này do Einstein phát hiện vào năm

1905 và được ứng dụng để chế tạo các cảm biến quang

e Hiệu ứng quang điện trong chất bán dẫn:

Khi một chuyển tiếp P-N được chiếu sáng sẽ phát sinh ra các cặp điện tử – lỗ trống, chúng chuyển động dưới tác dụng của điện trường của chuyển tiếp làm thay đổi hiệu điện thế giữa hai đầu chuyển tiếp Hiệu ứng này cũng thường được dùng để chế tạo cảm biến quang

V →φφ

Hình 1.2 Hiệu ứng hỏa điện

V →φ

F

Hình 1.3 Hiệu ứng áp điện

e B

Hình 1.4 Hiệu ứng điện từω

f Hiệu ứng nhiệt điện:

Khi hai dây dẫn có bản chất hóa học khác nhau, được hàn kín sẽ xuất hiện một sức điện động tỷ lệ với nhiệt độ mối hàn Hiệu ứng này do Seebeck pháy hiện vào năm 1821 và được ứng dụng để chế tạo cảm biến nhiệt độ

I.2 Các thông số đặc trưng của cảm biến:

a Độ nhạy của cảm biến:

Độ nhạy của cảm biến ở giá trị m = m0 là tỷ số giữa biến thiên ở ngõ ra cửa cảm biến

∆x và biến thiên ở ngõ vào ∆m trong lân cận của m0 Gọi s là độ nhạy của cảm biến:

( )1.1lim

0 0

m

x m

x m

x s

b Sai số của cảm biến:

Sai số của cảm biến là sai lệch giữa giá trị đo được bằng cảm biến và giá trị thực của đại lượng cần đo, được đánh giá bằng % Nếu gọi x là giá trị thực của đại lượng cần đo, ∆x là sai lệch giữa giá trị đo và giá trị thực (gọi là sai số tuyệt đối), thì sai số của cảm biến là δ được xác định như sau:

( )1.2100

Ví dụ: Một cảm biến nhiệt độ có độ nhạy là: s = 0,1 [mV/oC], tạo ra điện áp ở 100 [0C] là 10,5 [mV] thì sai số của cảm biến là:

( )1.3

%5100.10

105,10

=

−

=δSai số của cảm biến được chia thành 2 loại: sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên

Sai số hệ thống:

Sai số hệ thống là sai số không phụ thuộc vào số lần đo, có giá trị không đổi hoặc thay đổi châm theo thời gian Các nguyên nhân gây ra sai số hệ thống:

- Do nguyên lý của cảm biến

- Do đặc tính của bộ cảm biến

- Do chế độ và điều kiện sử dụng cảm biến

- Do xử lý kết quả đo

Sai số ngẫu nhiên:

Sai số ngẫu nhiên là sai số xuất hiện có độ lớn và chiều không xác định Nguyên nhân gây sai số ngẫu nhiên:

- Do sự thay đổi đặc tính của thiết bị

- Do tín hiệu nhiễu ngẫu nhiên

- Do ảnh hưởng bởi các thông số môi trường như: từ trường, nhiệt độ, độ ảm, độ rung …

c Độ tuyến tính của cảm biến:

Cảm biến được gọi là tuyến tình trong một dải đo nếu có độ nhạy không đổi trong ở mọi điểm trong dải đo

I.3 Mạch Xử Lý Tín Hiệu Cảm Biến:

Đáp ứng ngõ ra của cảm biến thường là không phù hợp với các cơ cấu chỉ thị hoặc các thiết bị đọc tín hiệu hồi tiếp trong các hệ thống điều khiển vì vậy cần có một mạch xử lý (chuyển đổi tín hiệu) cho phù hợp với các cơ cấu này Sơ đồ khối minh họa việc kết hợp giữa cảm biến và mạch xử lý tín hiệu như hình I.5

a Các mạch khuếch đại trong đo lường:

Do các tín hiệu điện ở ngõ ra của các cảm biến thường rất nhỏ, để tăng giá trị của các tín hiệu này ta dùng các mạch khuếch đại

- Mạch khuếch đại đảo:

Đầu ra Đầu vào

Với Vo là điện áp ở đầu ra, Vi là điện áp ở đầu vào

- Mạch khuếch đại không đảo:

Đầu ra

Đầu vào

+ -

OP-07 3

Hình 1.7 Mạch khuếch đại không đảo với biến trở chỉnh offset

Tới cơ cấu đo

Hình 1.5 Mạch đo và cảm biến Đại lượng đo

Cảm biến Mạch xủ lý tín hiệu đo

( )1 5 1

=

Với Vo là điện áp ở đầu ra, Vi là điện áp ở đầu vào

- Mạch lặp lại điện áp:

Đầu ra

Đầu vào

+ -

- Mạch khuếch đại vi sai:

+ -

- Mạch khuếch đại dụng cụ:

Hình 1.10 Mạch khuếch đại dụng cụ

R

R3

+ -

OP07

3

+ -

R2

R3

Vo

V2 V1

b Mạch cầu Wheatstone:

Mạch cầu Wheastone dùng để chuyển đổi sự thay đổi của điện trở thành sự thay đổi của điện áp trên đường chéo của cầu

1

R R

R V

R R

R R U

∆ +

∆ +

II CẢM BIẾN VÀ ỨNG DỤNG:

II.1 Cảm Biến Quang:

a Tế bào quang dẫn:

Tế bào quang dẫn là một loại cảm biến quang dụa trên hiện tượng quang dẫn do kết qủa của hiệu ứng quang điện bên trong Đó là hiện tượng giải phóng các hạt tải điện trong vật liệu bán dẫn dưới tác dụng của ánh sáng

Hình 1.12 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 Rco 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 104 tới 105 Ω ở 25 oC), trong khi đó SbIn, AbSs, CdHgTe có điện trở vùng tối tương đối nhỏ (từ 10 tới 103 Ω ở 25 oC)

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:

( )2.1.Φ−γ

= a

R c

Trong đó a là hằng số phụ thuộc vào vật liệu, 0,5 < γ < 1

Hình 2.1 biểu diễn quan hệ giữa điện trở của tế bào quang dẫn và độ rọi sáng

Hình 2.1 Quan hệ giữa độ rọi và điện trở của tế bào quang dẫn

Ký hệu của tế bào quang dẫn trên sơ đồ mạch:

Hình 2.2 Ký hiệu của tế bào quang dẫn

+ Độ nhạy của tế bào quang dẫn: Nếu đặt lên 2 đầu tế bào quang dẫn một điện áp V, thì sẽ có một dòng điện I chảy qua tế bào quang dẫn:

V I

Độ nhạy của tế bào quang dẫn: = Φ − 1 ( )2.3

Φ

a

V d

dI s

Tế bào quang dẫn thường được dùng để đo thông lượng ánh sáng, kết hợp với nguồn sáng để dò vạch dẫn dường cho các mobile robot, đọc mã vạch, phát hiện đầu băng trắng, điều khiển đóng ngắt Relay theo ánh sáng …

Sơ đồ dùng tế bào quang dẫn:

Hình 2.3 Sơ đồ điều khiển đóng ngắt Relay theo ánh sáng

- Cấu tạo của Photo Diode:

Photo diode là một tiếp giáp p-n được tạo bởi các vật liệu như: Ge, Si (Cho vùng ánh sáng trông thấy và gần hồng ngoại), GaAs, InAs, CdHgTe, InSb cho vùng ánh sáng hồng ngoại

Hình 2.5 Cấu tạo của photo diode

Khi chiếu sáng lên bề mặt của photo diode bằng bức xạ có bước sóng nhỏ hơn bước sóng ngưỡng λ < λn sẽ xuất hiện thêm các cặp điện tử – lỗ trống Để các hạt này có thể tham gia vào độ dẫn và làm tăng dòng điện I ta cần phải ngăn quá trình tái hợp của chúng

nChuyển tiếp

E

nghĩa là phải nhanh chóng tách cặp điện tử – lỗ trống dưới tác dụng của điện trường Quá trình này chỉ xảy ra trong vùng nghèo và làm tăng dòng điện ngược

+ Chế độ quang dẫn:

Ở chế độ quang dẫn, photo diode được phân cực ngược bởi nguồn sức điện động E như hình 2.6:

Hình 2.6 Sơ đồ phân cực cho photo diode o chế độ quang dẫn

Dòng điện ngượi Ir chảy qua diode:

( )2 4 exp

K là hằng số, Φo là quang thông bên ngoài lớp bán dẫn, α ≈ 105 [cm-1], Vd là điện áp ngược trên photo diode

Khi Vd có giá trị đủ lớn thì: Ir = Io + Ip (2.6)

do Io thường rất nhỏ nên: Ir = Ip (2.7)

Viết phương trình cho mạch điện hình 2.6: E = VR - Vd (2.8)

Trong đó VR = R*Ir là đường thẳng tải

Hay ( )2 9

R

V R

10 20 30 70 50 60

+ Chế độ quang thế:

Trong chế độ quang thế không có điện áp ngoài đặt vào Diode, Photo diode làm việc như một nguồn dòng Đặc điểm của chế độ này là không có dòng điện tối do không có nguồn phân cực ngoài nên giảm được ảnh hưởng của nhiễu và cho phép đo quang thông nhỏ

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 một lượng ∆vb khi đó ta có :

(2.10)0

=

∆

o

p b

I

I q

kT v

Sự thay đổi của hàng rào điện thế này được xác định bằng cách đo hiệu điện thế trên photo diode ở trạng thái hở mạch

Khi chiếu sáng yếu: Ip << Io, phương trình (2.11) có thể viết lại:

(2.12)

o

X o o

p b

I

e K q

kT I

I q

kT v

Φ

Khi chiếu sáng mạnh: Ip >> Io, (2.11) được viết lại: ∆ = ln   (2 13)

o

p b

I

I q

kT v

Với Ip được tính trong công thức (2.5) thì từ (2.13) ta thấy điện áp trên photo diode phụ thuộc theo thông lượng ánh sáng theo hàm logarit

(2.14)

X o

p

Ke d

dI

Φ

=

Photo diode có thể dùng để do thông lượng ánh sáng, dò vạch dẫn đường cho mobile robot, làm dầu thu trong các bộ điều khiển từ xa không dây, đọc mã vạch …

Sơ đồ dùng photo diode:

Hình 2.7 Sơ đồ mạch đo dòng ngược ở chế độ quang dẫn

R3

+ -

Hình 2.8 Sơ đồ mạch đo dùng photo diode ở chế độ quang thế

c Photo transistor:

Photo transistor là transistor silic loại NPN mà vùng Bazơ có thể được chiếu sáng Khi không có điện áp đặt lên Bazơ chỉ có điện áp đặt lên Colector, chuyển tiếp BC bị phân cực ngược như hình 2.9

Hình 2.9 Sơ đồ mạch đo dùng transistor quang Điện áp đặt vào E hầu như tập trung toàn bộ trên chuyển tiếp B-C, trong khi đó sự chênh lệch điện thế giữa Emiter và Bazơ là không đáng kể (VBE ≈ 0,7 [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

Ir = Io + Ip (2.15) Trong (2.15) 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 Ic:

Ic = (β +1)Ir (2.16) Trong (2.16) thì β là hệ số khuếch đại dòng khi emiter nối chung

Transistor có thể dùng để do thông lượng ánh sáng, dò vạch dẫn đường cho mobile robot, làm đầu thu trong các bộ điều khiển từ xa không dây, đọc mã vạch, chế tạo cáac cảm biến quang trong công nghiệp …

E

R

E

Q3 NPN BCE R

a Sơ đồ phân cực transistor quang b Sơ đồ tương đương

d Cảm biến quang trong công nghiệp:

- Cấu tạo:

Cảm biến quang trong công nghiệp có cấu tạo:

Cảm biến gồm phần phát và phần thu:

+ Phần phát gồm một Led phát hồng ngoại hoặc Led phát Laser có vai trò như một nguồn phát sáng được đặt ngay tại tiêu điểm của thấu kính hội tụ phát nhằm mục đích tạo ra chùm tia sáng hẹp để chiếu đến phần thu

+ Phần thu gồm một transistor quang đặt ngay tại tiêu điểm của thấu kính hội tụ thu mhằm mục đích tập trung ánh sáng rọi vào trasistor Transistor quang thu được nối vào mạch ra để tạo mức logic ở ngõ ra

Sau đây là một số dạng của cảm biến quang trong công nghiệp của hãng OMRON:

Thấu kính hội tụ

Cảm biến thu phát

Hình 2.10.b Cấu tạo cảm biến quang dạng thu phát chung

Mạch ra

Hình 2.12 Dạng thu phát riêng

Hình 2.13 Dạng thu phát chung có gương phản xạ

Hình 2.14 Cảm biến sợi quang

1 8 3

Mạch cảm biến

Hình 2.15 Mach ra kiểu transistor NPN cưc thu để hở

1 8 3

Mạch cảm biến

TảiGND

10-30VDC Nâu

Đen

XanhĐèn báo

Hình 2.16 Mạch ra kiểu transistor PNP cực thu để hở

II.2 Ứng Dụng Của Cảm Biến Quang:

Dùng để phát hiện sự vật thể tại một vị trí định trước như: dùng làm cảm biến phát hiện sản phẩm trong các hệ thống đếm sản phẩm và đóng thùng sản phẩm, phát hiện có vật cản ngay cửa của các thang máy, phát hiện chấm đen ở đầu bao bì trong các hệ thống đóng gói sản phẩm, dùng đo tốc độ động cơ … Dưới đây trình bày một số ví dụ ứng dụng của cảm biến quang

Ví dụ 1: Ứng dụng cảm biến quang để phát hiện đầu vật liệu trong hệ thống cắt sản phẩm theo chiều dài

Hình 2.17 Hệ thống cắt sản phẩm theo chiều dài

Ví dụ 2: Ứng dụng cảm biến quang để phát hiện chấm đen ở đầu bao bì trong hệ thống đóng gói sản phẩm

Hình 2.18 Hệ thống đóng gói bao bì

Ví dụ 3: Ứng dụng cảm biến quang để phát hiện hộp sữa bằng giấy trên băng tải trong hệ thống sản xuất sữa hộp giấy (hình 2.19)

Ví dụ 4: Ứng dụng cảm biến quang để phát hiện thực phẩm trên băng tải trong hệ thống sản xuất thực phẩm (hình 2.20)

Ví dụ 5: Ứng dụng cảm biến quang để phát hiện chai trên băng tải và đếm số chai trong hệ thống sản xuất nước uống (hình 2.21)

Hình 2.19 Phát hiện hộp sữa

Hình 2.20 Phát hiện thực phẩm

Hình 2.21 Phát hiện và đếm chai

Cảm biến quang

Hộp sữa

Băng tải Thành băng tải

Cảm biến quang

Băng tải Thực phẩm

Cảm biến quangBăng tải Gương phản xạ

III CẢM LÂN CẬN (Proxmity Sensor) VÀ ỨNG DỤNG:

III.1 Cảm Biến Lân Cận Dạng Điện Cảm:

a Cấu tạo:

Cảm biến lân cận dạng điện cảm có cấu tạo gồm 4 bộ phận chính như hình 3.1

- Đầu phát hiện gồm 1 cuộn dây quấn trên lõi sắt từ có nhiệm vụ tạo ra từ trường biến thiên trong không gian phía trước Cấu tạo và cách bố trí cuộn dây và lõi sắt của đầu phát hiện như hình 3.2

- Mạch dao động có nhiệm vụ tạo dao động điện từ tần số radio

- Mạch phát hiện mức dùng để so sánh biên độ tín hiệu của mạch dao động

- Mạch ngõ ra dùng để tạo mức logic cho tín hiệu ngõ ra của cảm biến

b Nguyên lý hoạt động của cảm biến lân cận điện cảm:

Khi có mục tiêu cần phát hiện (đối tượng) bằng kim loại tới gần cảm biến (vào vùng từ trường biến thiên của cảm biến), từ trường biến thiên do mạch dao động gây ra tập trung

ở lõi sắt sẽ gây nên một dòng điện xoáy trên bề mặt của đối tượng Dòng điện xoáy sinh ra trên bề mặt đối tượng tạo nên một tải làm giảm biên độ tín hiệu của mạch dao động Khi biên độ của tín hiệu ao động nhỏ hơn một ngưỡng định trước, mạch phát hiện mức sẽ tác động mạch ngõ ra để đặt trạng thái ngõ ra lên ON Khi đối tượng rời khỏi vùng từ trường của cảm biến, biên độ tín hiệu ở mạch dao động tăng lên, khi tín hiệu ở mạch dao động có biên

Đầu phát hiện Mạch dao động Mạch phát hiện mức Mạch ngõ raMục tiêu

Hình 3.1 Cấu tạo của cảm biến lân cận điện cảm

Hình 3.2 Cấu tạo của đầu phát hiệnCuộn dây

Vỏ bọc Lõi sắt từ Bố trí của đầu phát hiện

độ lớn hơn ngưỡng, mạch phát hiệm mức sẽ tác động mạch ngõ ra tạo trạng thái ngõ ra là OFF Hoạt động của cảm biến được minh hoạ như hình 3.3

c Một số dạng cảm biến lân cận điện cảm trong công nghiệp:

Sau đây là một số dạng của cảm biến lân cận điện cảm trong công nghiệp của hãng OMRON

Hình 3.4 Cảm biến lân cận điện cảm dạng tròn

Hình 3.4 Cảm biến lân cận điện cảm dạng vuông

III.2 Cảm Biến Lân Cận Dạng Điện Dung:

a Cấu tạo:

Cảm biến lân cận dạng điện dung có cấu tạo gầm 4 phần tử như cảm biến lân cận dạng điện cảm như hình 3.5:

Đối tượng Cảm biến Tín hiệu

Đầu phát hiện trong cảm biến lân cận điện dung là một bản cực của tụ điện

b Nguyên lý hoạt động của cảm biến lân cận điện dung:

Khi mục tiêu cần phát hiện di chuyển đến gần đầu phát hiện của cảm biến sẽ làm điện dung của tụ điện (được tạo bởi một bản cực là bề mặt của đầu thu và bản cực còn lại chính là đối tượng) C bị thay đổi Khi điện dung của tụ điện bị thay đổi thì mạch dao động sẽ tạo ra tín hiệu dao động Khi tín hiệu dao động có biên độ lớn hơn một ngưỡng đặt trước mạch phát hiện mức sẽ điều khiển mạch ra ở trạng thái ON Khi đối tượng ở xa cảm biến, biên độ tín hiệu ở mạch dao động sẽ nhỏ, mạch phat hiện mức sẽ điều khiển mạch ra ở trạng thái OFF

c Một số dạng của cảm biến lân cận điện dung:

Dưới đây giới thiệu một số dạng cảm biến lân cận điện dung:

Hình 3.6 Một số dạng cảm biến lân cận điện dung của hãng OMRON

III.3 Cấu Trúc Mạch Ra Của Cảm Biến Lân Cận:

Đầu phát hiện Mạch dao động Mạch phát hiện mức Mạch ngõ ra Mục tiêu

Hình 3.5 Cấu tạo của cảm biến lân cận điện dung

III.4 Ứng Dụng Của Cảm Biến Lân Cận:

- Cảm biến lân cận điện cảm được dùng để phát hiện sự xuất hiện của một vật thể kim loại tại một vị trí xác định trước (vị trí đặt cảm biến) như: Phát hiện Cabin thang máy tại các tầng, phát hiện chai nước ngọt có nắp hay không (Nắp của chai nước ngọt làm bằng kim loai), xác định vị trí hai đầu mút của mũi khoan, phát hiện trạng thái đóng hay mở van, đo tốc độ quay của động cơ, phát hiện trạng thái đóng- mở của các xi lanh …

- Cảm biến lân cận điện ung được dùng để phát hiện sự xuất hiện của một vật thể kim loại hoặc phi kim loại tại một vị trí xác định trước (vị trí đặt cảm biến) như: Phát hiện thủy tinh, nhựa, chất lỏng …

- Dưới đây trình bày một số ví dụ ứng dụng cảm biến lân cận

Ví dụ 1: Dùng cảm biến lân cận điện cảm đo tốc độ động cơ hình 3.9

Ví dụ 2: Dùng cảm biến điện dung để xác định mức của chất lỏng hình 3.10

Ví dụ 3: Dùng cảm biến điện dung để phát hiện hộp sữa không đầy trong dây chuyền sản xuất sửa hộp hình 3.11

Hình 3.9 Ứng dụng cảm biến điện cảm trong hệ thống đo tốc độ động cơ

Tải

24 VDCOUT

0 VHình 3.8 Mạch ra dạng PNP cực thu để hở

100

Mạch cảm biến

Động cơ

Cảm biến

Hình 3.10 Ứng dụng cảm biến điện dung để phát hiện hộp sữa không đầy

Hình 3.11 Ứng dụng cảm biến lân cận điện dung để phát hiện mức chất lỏng

IV CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ:

IV.1 Cảm Biến Nhiệt Điện Trở:

Cảm biến nhiệt điện trở là cảm biến có điện trở thay đổi theo nhiệt độ Cảm biến nhiệt điện trở có 2 loại:

- Cảm biến nhiệt điện trở kim loại

Cảm biến

Ốâng nhựa

a Cảm biến nhiệt điện trở kim loại:

a.1 Cấu tạo của cảm biến nhiệt điện trở kim loại:

Cảm biến nhiệt điện trở kim loại gồm một dây dẫn bằng kim loại như: Platin, Niken, Đồng quấn trên một lõi cách điện như hình 4.1

a.2 Hoạt động và phương trình chuyển đổi của cảm biến nhiệt điện trở kim loại:

Khi nhiệt độ của cảm biến thay đổi, điện trở của cảm biến thay đổi theo phương trình (4.1):

)1.4()1

()

R T

Trong đó T đo bằng oC, R(T) là điện trở của cảm biến ở nhiệt độ T, R0 là điện trở của cảm biến ở 0 oC, A, B, C là các hằng số và được xác định bằng cách đo điện trở của cảm biến tại các nhiệt độ đã biết trước Ở nhiệt độ thấp, phương trình chuyển đổi của cảm biến là tuyến tính (4.2)

)2.4()1()

Với α là hệ số nhiệt của điện trở, tuỳ thuộc vào kim loại như ở bảng sau:

Kim loại Platin Đồng Niken

Vỏ cảm biến

Dây kim loạiSứ cách điện

Bột cách điện và định hìnhHình 4.1 : Cấu tạo của cảm biến nhiệt điện trở kim loại trong công nghiệp

Hình 4.2 Cảm biến nhiệt điện trở kim loại

a.3 Mạch đo sử dụng cảm biến nhiệt điện trở kim loại:

Để chuyển sự thay đổi điện trở của cảm biến theo nhiệt độ thành sự thay đổi điện áp, ta kết nối cảm biến với mạch đo như hình 4.3

Hình 4.3: Mạch đo dùng cảm biến nhiệt điện trở

Gọi Rx = R+∆R là điện trở của cảm biến Với R là điện trở của cảm biến ở 0 [oC], chọn R1 = R3, R2 = R4 thì điện áp ngõ ra của mạch đo là:

) 3 4 ( 2 ) 2

2

1

2 1

R R

R R

R Vcc R

R

R R R

R

V o =−  ++∆∆ −  =−  ∆+∆ 

b Thermistor:

b.1 Cấu tạo của Thermistor:

Thermistor được chế tạo từ các hỗn hợp oxyt bán dẫn đa tinh thể như: MgO, MgAl2O4,

Mn2O3, Fe3O4, Co2O3, NiO, ZnTiO4 dưới dạng bột và được trộn với nhau theo một tỷ lệ nhất định Sau khi trộn với nhau, người ta nén định dạng hỗn hợp thành phiến và nung ở nhiệt độ

1000 oC Trên bề mặt của phiến sau khi nung, người ta hàn các dây nối và phủ lên mặt phiến một lớp kim loại

Hình 4.4: Thermistor

b.2 Phương trình chuyển đổi của Thermistor:

Khi nhiệt độ của Thermistor thay đổi thì điện trở của nó thay đổi theo phương trình:

) 4 4 ( )

1 1 0

Màng kim loại

R(T) và R0 là điện trở ở nhiệt độ T và T0, T được đo theo thang oK β là hằng số có giá trị từ 3000 đến 5000 tuỳ thuộc vào cách chế tạo

Thermistor hoạt động trong khoảng nhiệt độ từ 50 đến 150 oC Tuy nhiên do tính phi tuyến của nó nên người ta không dùng để đo nhiệt độ mà thường dùng trong các mạch cảnh báo quá nhiệt độ hay mạch bù nhiệt

Hình 4.5: Mạch cảnh báo nhiệt độ dùng thermistor

c Cảm biến nhiệt độ bán dẫn:

c.1 Cấu tạo của cảm biến nhiệt độ bán dẫn:

Cảm biến nhiệt độ bán dẫn được chế tạo gồm các tiếp giáp P-N, kết hợp với mạch đo rồi tích

hợp thành các vi mạch Bảng sau giới thiệu một số vi mạch đo nhiệt độ thông dụng của hãng National Semiconductor

Tên vi mạch Tầm đo Độ chính xác Độ nhạy