Đề cương ôn tập Vi xử lý trong Đo Lường và Cảm Biến

Giúp ôn tập kiến thức môn Vi xử lý trong Đo Lường và Cảm Biến; ĐỀ CƯƠNG ÔN TẬP MÔN ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN Câu1: Tìm hiểu cấu tạo, nguyên lý hoạt động, tính năng cơ bản, ứng dụng của công tơ đo điện năng cơ điện , điện tử: 1. Cấu tạo: • Công tơ cơ điện: 2. Nguyên lý hoạt động: 3. Tính năng cơ bản: • Công tơ cơ điện: 4. Ứng dụng: Câu 2: Cảm biến quang Câu hỏi : Cảm biến quang điện là gì ? Trả lời : Cảm biến quang điện là thiết bị phát ra chùm tia ánh sáng dạng tần số chiếu vào vật thể cần phát hiện hoặc gương. Khi vật thể đi qua sẽ ảnh hưởng đến tần số của bộ thu sáng. Sự thay đổi này được biến đổi thành tín hiệu điện nhờ hiện tượng phát xạ điện tử ở cực catot (Cathode) khi có một lượng ánh sáng chiếu vào.

ĐỀ CƯƠNG ÔN TẬP MÔN ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN

Câu1: Tìm hiểu cấu tạo, nguyên lý hoạt động, tính năng cơ bản, ứng dụng của công tơ đo điện năng cơ điện , điện tử:

Câu 2: Cảm biến quang

Câu hỏi : Cảm biến quang điện là gì ?

Trả lời : Cảm biến quang điện là thiết bị phát ra chùm tia ánh sáng dạng tần số chiếu vào vật thể cần phát hiện hoặc gương Khi vật thể đi qua sẽ ảnh hưởng đến tần số của bộ thu sáng Sự thay đổi này được biến đổi thành tín hiệu điện nhờ hiện tượng phát xạ điện tử ở cực catot (Cathode) khi có một lượng ánh sáng chiếu vào

Hình 2 : Nguyên lý cơ bản cảm biến quangCảm biến quang điện hoạt động như thế nào?

Cấu tạo của cảm biến quang cơ bản gồm có 3 phần chính :

1 Bộ phát ánh sáng : Có nhiệm vụ phát ra ánh sáng dạng xung (tần số) Tần số ánh sáng này sẽ được hãng sản xuất thiết kế đặc biệt để bộ thu ánh sáng có thể phân biệt được ánh sáng từ cảm biến và ánh sáng từ nguồn khác bên ngoài như : ánh sáng tự nhiên (ban ngày), bóng đèn,…

2 Bộ thu ánh sáng : Có nhiệm vụ tiếp nhận ánh sáng từ bộ phát sáng, nó được gọi là phototransistor (tranzito quang)

3 Mạch xử lý tín hiệu điện : Khi tiếp nhận tín hiệu từ bộ thu ánh sáng Mạch điện tử sẽ chuyển tín hiệu tỉ lệ (analogue) từ tranzito quang thành tín hiệu

ON / OFF được khuếch đại Tín hiệu ngõ ra thường dùng nhất là NPN, PNP,

…

Cảm biến quang điện có bao nhiêu loại ?

Cảm biến quang điện hiện nay có khoảng 5 loại khác nhau tùy vào ứng dụng Tuy nhiên nguyên lý làm việc chung vẫn giống nhau Nhưng chi tiết từng loại lại khác nhau đôi chút Chúng ta cùng khám phá từng loại nhé

1 Cảm biến quang điện thu phát độc lập

Loại cảm biến quang thu phát độc lập là cảm biến ánh sáng không phản xạ, để hoạtđộng được cần một con phát ánh sáng và một con thu ánh sáng lắp đối diện với nhau

Đặc điểm : Không bị ảnh hưởng bởi bề mặt, màu sắc, khoảng cách phát hiện đến 60m

Nguyên lý hoạt động như sau :

+ Trạng thái không có vật cản : Cảm biến phát ánh sáng và cảm biến thu ánh sáng Phát và thu ánh sáng liên tục với nhau

+ Trạng thái có vật cản : Cảm biến phát vẫn phát ánh sáng Nhưng cảm biến thu ánh sáng không thu được ánh sáng (bị vật cản che chắn)

Hình 3 : Nguyên lý hoạt động cảm biến quang thu phát độc lập

Ứng dụng cảm biến quang điện thu phát độc lập :

Việc cho ra đời cảm biến quang thu phát độc lập nhằm đáp ứng cho các môi trường

có tính chất phản xạ ánh sáng cao, hoặc bề mặt hấp thụ ánh sáng,…không dùng cảm biến thu phát chung được

Hình 3 : Ứng dụng cảm biến quang thu phát độc lập

2 Cảm biến quang phản xạ gương

Bộ cảm biến quang điện phản xạ gương là cảm biến có bộ phát ánh sáng và thu ánhsáng trên cùng một thiết bị Gương phạn xạ là một lăng kính đặc biệt Đi kèm với cảm biến quang luôn các bạn nhé

Đặc điểm : Lắp đặc thuận tiện, tiết kiệm dây dẫn, phát hiện được vật trong suốt, mờ,… khoảng cách tồi đa 15m

Hình 4 : Nguyên lý hoạt động cảm biến quang phản xạ gương

Nguyên lý hoạt động : Khi cảm biến hoạt động bộ phát ánh sáng sẽ phát ánh sáng đến gương Khi không có vật cản thì gương sẽ phản xạ lại bộ thu ánh sáng Khi có vật cản đi qua thì sẽ làm thay đổi tần số của ánh sáng phản xạ hoặc bị mất ánh sángthu => Cảm biến sẽ xuất tín hiệu điện PNP, NPN,…

Hình 5 : Ứng dụng cảm biến quang phản xạ gương

3 Cảm biến quang phản xạ khuếch tán

Thiết bị cảm biến quang phản xạ khuếch tán là loại cảm biến có bộ thu và phát chung Thường được dùng để phát hiện các vật thể trên hệ thống máy móc tự động.Giám sát các thiết bị đã được lắp đúng vị trí hay chưa.

Đặc điểm : Bị ảnh hưởng bởi bề mặt, màu sắc, khoảng cách tối đa 2m

Hình 6 : Nguyên lý cảm biến quang phản xạ khuếch tánNguyên lý hoạt động như sau :

+ Trạng thái báo phát hiện vật cản : Cảm biến phát ánh liên tục từ bộ phát đến bề mặt vật cản Ánh sáng phản xạ đi ngược về vị trí thu sáng

+ Trạng thái không vật cản : Khi không có vật cản đi vào, ánh sáng không phản

xạ về vị trí thu được hoặc bề mặt vật không phản xạ ánh sáng về vị trí thu

Hình 7 : Ứng dụng cảm biến quang phản xạ khuếch tán

4 Cảm biến quang phát hiện màu (cảm biến màu sắc)

Cảm biến biến nhận dạng màu sắc Để nhận dạng được màu sắc bắt buộc chúng ta phải ” dạy ” cảm biến nhận biết màu sắc cần nhận biết Thuật ngữ dạy cảm biến nghe có vẽ khó hiểu Nhưng thực chất cũng khá đơn giản, vì nhà sản xuất đã lập trình sẵn Khi sử dụng chỉ việc cài đặt cho cảm biến nhận dạng màu trước hoạt động thế thôi

Nguyên lý hoạt động : Cảm biến quang phát hiện màu cũng là loại cảm biến thu phát chung Nó hoạt động tương tự như cảm biến quang phản xạ khuếch tán Nhưng cảm biến chỉ nhận đúng màu đã học mới phát tín hiệu điện NPN, PNP,…

Hình 8 : Ứng dụng cảm biến phát hiện màu trong sản xuất.

2 Cảm biến sợi quang

+Bộ khuếch đại: Gồm nguồn sáng, bộ xử lý ánh sáng hắt lại, có giao diện vận hành, mục đích là thiết lập hoạt động của cảm biến và có tín hiệu đầu ra dẫn đến các thiết bị khác

+Sợi quang: Có vai trò dẫn hướng ánh sáng đi từ bộ khuếch đại đến vật thể và dẫn hướng ánh sáng phản hồi lại bộ khuếch đại để xử lý.

+Đầu sợi quang: Có tác dụng dẫn hướng và đảm bảo sợi quang được lắp chắc chắn

về cơ học Tùy theo tình hình cụ thể đầu sợi quang có thể lắp thêm thấu kính để định hình các tia sáng khi ra khỏi sợi quang và thay đổi góc nhận của ánh sáng phản hồi

*Nguyên lý hoạt dộng :

- Hoạt động dựa trên nguyên lý hoạt động phản xạ trong toàn phần Với mục đích

để dẫn hướng ánh sáng từ sợi quang đến vật thể giúp phát hiện vật thể Ánh sáng như một dòng nước di chuyển từ đầu này sang đầu kia phản xạ với thành phần bên kia giúp phát hiện vật chắn Việc di chuyển này mất rất ít độ sáng => Độ chính xác cao

*Ứng dụng:

+ Kiểm tra sản phẩm đi qua trong quá trình rửa

+ Kiểm tra đường đi của xe ô to trên băng tải

+Xác minh mức độ đầy của các dung dịch trong vỏ đựng kim loại

+ Đếm sản phẩm trên băng tải

+ Phát hiện nhãn thiếu treen chai

+Kiểm tra an toàn khi đóng mở của nhà xe

+Phát hiện người và vật thể khi qua cửa

+ Phát hiện xe trong bãi giữ xe

Câu 3: Cảm biến tiệm cận điện cảm điện dung:

1 Cảm biến tiệm cận điện cảm

*Cấu tạo: gồm 4 khối chính:

+ Cuộn dây và lõi ferit

+Mạch dao động+ Mạch phát hiện+ Mạch đầu ra

*Nguyên lý:

Cảm biến tiệm cận điện cảm được thiết kế để tạo ra một vùng điện từ trường Khi một vật bằng kim loại tiến vào khu vực này, xuất hiện dòng

điện xoáy( dòng điện cảm ứng ) trong vật thể kim loại này

Dòng điện xoáy gây nên sự tiêu hao năng lượng ( do điện trở của kim loại), làm ảnh hưởng đến biên độ sóng dao động Đến một trị số nào đó tín hiệu này được ghi nhận

Mạch phát hiện sẽ phát hiện sự thay đổi tín hiệu và tác động để mạch ra len mức ON Khi đối tượng rời khỏi khu vực điện trường, sự dao động được tái lập, cảm biến trở lại trạng thái bình thường

(126-127)

*Tính năng cơ bản: Phát hiện vật thể kim loại không cần tiếp xúc,

không tác động lên vật, khoảng cách phát hiện xa nhất : 30mm

*Ứng dụng:

+ Đếm sản phẩm

+ Phát hiện vật thể bằng kim loại

+ Kiểm tra mũi khoan

+ Phát hiện vật thể kim loại khác trong dây truyền sản xuất

2 Cảm biến tiệm cận điện dung

Cảm biến tiệm cận điện dung tạo ra vùng điện trường

Dựa trên sự thay đổi điện dung (thông số đặc trưng cho khả năng tích trữ điện tích của tụ điện) khi vật thể xuất hiệntrong vùng điện trường Từ sự thayđổi này trạng thái “On” hay “Off” của tín hiệu ngõ ra được xác định Một bản cực là thành phần của cảm biến, đối tượng cần phát hiện là bản cực còn lại

*Tính năng cơ bản: Phát hiện vật thể không cần tiếp xúc, không tác động

lên vâth thể với dải đo từ 2mm đến 50mm

*Ứng dụng:

+ Đếm sản phẩm

+Kiểm soát mực chất lỏng trong bổn chứa

+Kiểm tra chất lượng sản phẩm

+Phát hiện sản phẩm bị lỗi trong dây truyền công nghiệp

Câu 4: Cảm biến lưu lượng

Câu 5: Cảm biến trọng lượng(lực)

5.2 Cấu tạo

Loadcell được cấu tạo bởi hai thành phần, thành phần thứ nhất là "Strain gage" và thành phần còn lại là "Load" Strain gage là một điện trở đặc biệt

chỉ nhỏ bằng móng tay, có điện trở thay đổi khi bị nén hay kéo dãn và được nuôi bằng một nguồn điện ổn định, được dán chết lên “Load” - một thanh kim loại chịu tải có tính đàn hồi.

5.3 Nguyên lý hoạt động

Hoạt động dựa trên nguyên lý cầu điện trở cân bằng Wheatstone Giá trị lực tác dụng tỉ lệ với sự thay đổi điện trở cảm ứng trong cầu điện trở, và

do đó trả về tín hiệu điện áp tỉ lệ.

Cảm biến loadcell thiết kế gồm 2 đầu: Một đầu cố định và một đầu tự do;

trong đo đầu tự do gắn trực tiếp vào đĩa cân

Khi mà vật thể đặt vào cân, nó sẽ tác động lên cảm biến trọng lượng

Làm cho cảm biến bị biến dạng theo 2 trường hợp giãn ra hoặc là nén vào làm cho sợ dây điện trở strain gauges bị biến dạng theo và thay đổi giá trị tínhiệu điện trở cảm biến

Sự thay đổi này nhỏ và không ảnh hưởng nếu ta thiết kế sợi dây điện

trở strain gauges dài theo hình zíc zắc

Thông qua bộ chuyển đổi tín hiệu Loadcell để chuyển tín hiệu điện trở mV/v

sang tín hiệu analog 4-20mA và hiện thị số lượng trên đầu cân điện tử một

cách chính xác

5.4.Phân loại

Có thể phân loại loadcells như sau:

- Phân loại Loadcell theo lực tác động: chịu kéo (shear loadcell), chịunén (compression loadcell), dạng uốn (bending), chịu xoắn (TensionLoadcell)

- Phân loại theo hình dạng: dạng đĩa, dạng thanh, dạng trụ, dạng cầu,dạng chữ S

- Phân loại theo kích thước và khả năng chịu tải: loại bé, vừa, lớn

những chiếc cân có trọng tải lớn trong công nghiệp như cân xe tải.

Một số ứng dụng khác:

- Trong ngành công nghệ cao:

Với nền khoa học kĩ thuật tiên tiến hiện nay thì loại Loadcell cỡ nhỏ cũng được cải tiến công nghệ và tính ứng dụng cao hơn Loại Loadcell này được gắn vào đầu của ngón tay robot để xác định độ bền kéo và lực nén tác động vào các vật khi chúng cầm nắm hoặc nhấc lên

- Phân phối đều trọng lượng trong công nghiệp:

Công nghệ sử dụng:

Các thế bào tải(Loadcell LSB and LCF Series) kết hợp với các thiết bị định hướng và thu thập dữ liệu qua máy tính hoặc PLC

Sơ lược hoạt động:

Các load cell được thiết kế để phù hợp với các ứng dụng tự động hóa trong công nghiệp để phân phối đều trọng lượng sản phẩm Như thể hiện trong sơ

đồ dưới đây, Loadcell được lắp đặt trong dây chuyền tự động hóa, giám sát việc phân phối khối lượng vào từng bao bì một cách chính xác

Hệ thống hoạt động:

+ Một tế bào tải được kết nối với thiết bị đo cần thiết

+ Khi khối lượng sản phẩm cho phân phối vào thùng đủ yêu cầu, Loadcell sẽphát ra tín hiệu tới bộ diều khiển băng tải để băng tải ngừng làm việc

+ Tín hiệu khi băng tải dừng được truyền đến hệ thống phân phối thùng chứa

để xuất thùng chứa

+ Khi thùng chứa được phân phối sẽ phát ra tín hiệu để hệ thống phân phối sản phẩm tiếp tục hoạt động

- Ứng dụng trong cầu đường

Các Loadcell được sử dụng trong việc cảnh báo độ an toàn cầu treo Loadcellđược lắp đặt trên các dây cáp để đo sức căng của cáp treo và sức ép chân cầu

trong các điều kiện giao thông và thời tiết khác nhau Các dữ liệu thu được sẽđược gửi đến một hệ thống thu thập và xử lí số liệu sau đó số liệu sẽ được xuất ra qua thiết bị truy xuất như điện thoại, máy tính, LCD Từ đó có sự cảnh báo về độ an toàn của cầu Từ đó tìm ra các biện pháp cần thiết để sửa chữa kịp thời.

Câu 6: Cảm biến siêu âm

Thiết bị cảm biến siêu âm là thiết bị đo nhỏ gọn chứa máy phát siêu âm và mô-đun điện tử dùng để đo liên tục hoặc cảm nhận mức giới hạn của chất lỏng, nước thải, bùn, chất kết dính, nhựa trong các mạch đóng và mở khác nhau,… Thông

thường cảm biến siêu âm được dùng để đo mức chất lỏng là chủ yếu ngoài ra còn

có thể dùng để đo chất rắn

Hình 1: Cảm biến siêu âm

Nguyên lý hoạt động:

Cảm biến siêu âm với cấu tạo chứa đầu dò điện âm và mô-đun điện tử sẽ sử

dụng đầu dò điện âm, cảm biến đo mức truyền một loạt các xung siêu âm lan ra bề mặt Hay nói cách dễ hiểu hơn đó là bản thân cảm biến sẽ phát ra sóng liên tục với tốc độ của sóng siêu âm

Khi sóng siêu âm tiếp xúc với các vật cản như nước, nước thải, chất lỏng dạng kết dính, chất rắn như: hạt nhựa, cát, xi măng, đá, bột, cám, thức ăn,… thì sẽ phát tínhhiệu xung truyền về cảm biến siêu âm Sau đó, cảm biến sẽ phân tích và chuyển đổi thành tín hiệu analog 4-20mA để biết được khoảng cách từ vật cản đến cảm biến là bao nhiêu Do đó chúng ta có thể đo được khoảng cách từ cảm biến đến mức chất lỏng và chất rắn

a Cảm biến sẽ phát liên tục các sóng siêu âm b Sóng siêu âm khi gặp chất lỏng

sẽ phản hồi lại

Hình 2: Nguyên Lý Hoạt Động Của Cảm Biến Siêu Âm

Nguyên Lý Cảm Biến Siêu Âm:

Cảm biến siêu âm phát ra các xung âm thanh tần số cao, ngắn đều đặn liên tục Chúng lan truyền trong không khí với vận tốc âm thanh Nếu chúng tiếp xúc với vật thể, thì chúng bị phản xạ trở lại dưới dạng tín hiệu dội tới cảm biến Sau đó, cảm biến sẽ tính khoảng cách tới mục tiêu dựa trên thời gian giữa việc phát tín hiệu và nhận tiếng vang

Vì khoảng cách đến một vật thể được xác định bằng cách đo thời gian phát và nhậntiếng vang chứ không phải bằng cường độ âm thanh, vì vậy cảm biến siêu âm rất tuyệt vời trong việc triệt tiêu nhiễu sóng.

Hầu như tất cả các vật liệu phản ánh âm thanh đều có thể được phát hiện, bất kể màu sắc của chúng Ngay cả các vật liệu trong suốt hoặc lá mỏng cũng không vấn

đề gì đối với cảm biến siêu âm

Cảm biến siêu âm có thể nhìn xuyên qua không khí đầy bụi và sương mù Có thể

đo mức độ đầy trong giếng và ống nghiệm, cũng như phát hiện các chai nhỏ trong ngành đóng gói đều được thực hiện dễ dàng Kể cả các loại dây mỏng cũng được phát hiện một cách chính xác

Cảm biến siêu âm là thiết bị đo lường được sử dụng để đo chất lỏng, chất rắn, Vậy ứng dụng của cảm biến trong công nghiệp cụ thể là như thế nào?

Các ứng dụng cảm biến siêu âm trong thực tế

Cảm biến siêu âm dùng để cảnh báo:

Do độ bám dính bên trong của Label với vật liệu lót thể hiện mối nối không có lớp không khí tách biệt Cảm biến phải được hiệu chuẩn với label và vật liệu lót

Cảm biến siêu âm phát hiện ngườiNếu nhiệm vụ là phát hiện sự hiện diện của người Chúng ta nên chọn cảm biến siêu âm có phạm vi hoạt động tốt vượt quá khoảng cách quét yêu cầu Phạm vi hoạt động của cảm biến càng lớn, tần số siêu âm của nó càng thấp Và tần số siêu

âm càng thấp, càng dễ phát hiện các chất liệu quần áo thấm nước như len

Cảm biến siêu âm định vị

Khi quét các tấm kính hoặc bề mặt phẳng, nhẵn khác,… Cần chú ý để đảm bảo cảm biến siêu âm quét vuông gốc với bề mặt.

Cảm biến siêu âm kiểm soát chất lượng (phát hiện ngã đổ)

Kiểm soát chất lượng trên máy đóng gói, phổ rộng của cảm biến siêu âm có sẵn để phát hiện vật thể trong quá trình nhanh

Tất cả các dạng cảm biến siêu âm dùng để cảnh báo đều cho ngõ ra dạng PNP hoặcNPN Ở trạng thái bình thường thì cảm biến luôn OFF Khi có sự thay đổi của vật cản thì tín hiệu có trạng thái ON để cảnh báo

Cảm biến siêu âm dùng để giám sát liên tục

Cảm biến kiểm soát mức nhiên liệu

Kiểm soát mức độ liên tục cho ra tín hiệu 4-20mA hoặc 0-10V Tín hiệu này được đưa về PLC, biến tần để điều khiển để ổn định mức trong các bồn chứa Độ chính xác của cảm biến siêu âm phụ thuộc vào người lắp đặt và cài đặt Bởi vì khoảng cách càng lớn thì sai số càng lớn Do đó, cần phải xác định được khoảng cách cần

đo để lắp cảm biến chính xác

Cảm biến siêu âm giám sát mức trong ống nghiệm

Giám sát mức trong các thùng chứa nhỏ, ngay cả trong các thùng chứa có đường kính dưới 5mm