Giáo trình mô đun Kỹ thuật cảm biến trang bị cho người học những kiến thức cơ bản về cấu trúc, nguyên lý hoạt động, đặc tính kỹ thuật của các loại cảm biến; nguyên lý hoạt động của mạch điện dùng cảm biến nhiệt, cảm biến tiệm cận, cảm biến quang; các lỗi do cảm biến trong mạch điện ứng dụng cảm biến nhiệt độ, cảm biến quang, cảm biến tiệm cận.
Trang 1UBND TỈNH BÀ RỊA – VŨNG TÀU
TRƯỜNG CAO ĐẲNG KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ
GIÁO TRÌNH
MÔ ĐUN: KỸ THUẬT CẢM BIẾN NGHỀ: ĐIỆN CÔNG NGHIỆP TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG
(Ban hành kèm theo Quyết định số: 297/QĐ-CĐKTCN ngày 24 tháng 08 năm 2020
của Hiệu trưởng Trường Cao đẳng Kỹ thuật Công nghệ BR – VT)
BÀ RỊA – VŨNG TÀU, NĂM 2020
BM/QT10/P.ĐTSV/04/04 Ban hành lần: 3
Trang 3TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN
Nhằm đáp ứng nhu cầu học tập và nghiên cứu cho giảng viên và sinh viên nghề Điện công nghiệp trong trường Cao đẳng Kỹ thuật Công nghệ Bà Rịa – Vũng Tàu Chúng tôi đã thực hiện biên soạn tài liệu Kỹ thuật cảm biến này
Tài liệu được biên soạn thuộc loại giáo trình phục vụ giảng dạy và học tập, lưu hành nội bộ trong nhà trường nên các nguồn thông tin có thể được phép dùng nguyên bản hoặc trích dùng cho các mục đích về đào tạo và tham khảo
Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc hoặc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh sẽ bị nghiêm cấm
Trang 41
LỜI GIỚI THIỆU
Cùng với sự phát triển không ngừng của lĩnh vực tự động hóa, ngày nay các bộ cảm biến được ứng dụng rất nhiều trong trong lĩnh vực sản xuất công nghiệp và trong đời sống
Các bộ cảm biến ngày càng được hoàn thiện với các nguyên lý mới, các vật liệu mới cũng như kỹ thuật chế tạo gọn, nhỏ, mỏng Vì vậy, tìm hiểu về cảm biến là môn học bắt buộc trong nhiều trường đào tạo khối kỹ thuật, đặc biệt là đào tạo các ngành thuộc ngành điện như: Điện công nghiệp, điện tử và nhất là tự động hóa
Cuốn giáo trình “Kỹ thuật cảm biến” được biên soạn cho sinh viên trình độ cao đẳng nghề Nên chúng tôi đưa ra những loại cảm biến thông dụng nhất Mỗi cảm biến đều được đề cập đến các nét khái quát chung, nguyên lý cấu tạo, nguyên lý làm việc và đặt trưng của nó
Mặc dù có nhiều cố gắng trong biên soạn, nhưng giáo trình chắc chắn không tránh khỏi thiếu sót Rất mong muốn độc giả góp ý trao đổi, để bổ sung cho giáo trình sau này được hoàn thiện hơn
Bà Ria – Vũng Tàu, ngày tháng năm 2020
Tham gia biên soạn Chủ biên - Đoàn Trung Tắng
Trang 52
MỤC LỤC
Trang
LỜI GIỚI THIỆU 1
BÀI 1: ĐẠI CƯƠNG BỘ CẢM BIẾN 6
1 Khái niệm cảm biến 6
2 Phạm vi ứng dụng 7
3 Phân loại cảm biến 7
BÀI 2: CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ 8
1 Đại cương 8
1.1 Thang đo nhiệt độ 8
1.2 Nhiệt độ cần đo và nhiệt độ được đo 8
2 Cảm biến nhiệt độ nhiệt điện trở 9
2.1 Nhiệt điện trở kim loại (PTR và NTR) 9
2.2 Nhiệt điện trở với Platin và Nickel 10
2.3 Nhiệt điện trở Oxit kim loại (NTC, PTC) 13
3 Cảm biến nhiệt độ bán dẫn LM34/LM35 13
3.1 Cấu tạo và nguyên lý làm việc 13
3.2 Sơ đồ kết nối 14
3.3 Đặc điểm 16
4 Cảm biến nhiệt kế bức xạ 16
5 Ứng dụng của cảm biến nhiệt độ 17
BÀI 3: CẢM BIẾN TIỆM CẬN 19
1 Khái niệm chung 19
1.1 Đặc điểm 19
1.2 Các thuật ngữ thường dùng 19
2 Cảm biến tiệm cận điện cảm 21
2.1 Cấu trúc và nguyên lý hoạt động 21
2.2 Đặc tính kỹ thuật 21
2.3 Sơ đồ kết nối cảm biến 22
2.4 Ứng dụng 23
2.5 Lắp mạch điện sử dụng cảm biên điện cảm 24
3 Cảm biến tiệm cận điện dung 26
3.1 Cấu trúc và nguyên lý hoạt động 26
3.2 Đặc tính kỹ thuật 26
3.3 Sơ đồ kết nối cảm biến 27
3.4 Ứng dụng của cảm biến điện dung 29
3.5 Lắp mạch điện sử dụng cảm biên điện cảm 29
BÀI 4: KHÁI QUÁT VỀ CẢM BIẾN QUANG ĐIỆN 32
1 Đại cương 32
1.1 Cấu trúc chung 32
1.2 Nguyên tắc hoạt động 33
1.3 Phân loại cảm biến quang điện 34
1.4 Các chế độ hoạt động của cảm biến quang điện 35
1.5 Yêu cầu khi lắp đặt cảm biến 36
2 Cảm biến quang thu phát độc lập 37
2.1 Cấu trúc và nguyên tắc hoạt động 37
2.2 Đặc tính kỹ thuật 38
2.3 Sơ đồ kết nối 38
Trang 63
2.4 Ứng dụng 39
2.5 Lắp mạch điện 40
3 Cảm biến quang phản xạ gương 41
3.1 Cấu trúc và nguyên tắc hoạt động 41
3.2 Đặc tính kỹ thuật 42
3.3 Sơ đồ kết nối 42
3.4 Ứng dụng của cảm biến quang loại phản xạ gương 43
3.5 Lắp đặt mạch điện 47
4 Cảm biến quang phản xạ khuếch tán 47
4.1 Cấu trúc và nguyên tắc hoạt động 47
4.2 Đặc tính kỹ thuật 48
4.3 Sơ đồ kết nối 48
4.4 Ứng dụng 49
4.5 Lắp mạch điện 50
BÀI 5: CẢM BIẾN ĐO VẬN TỐC VÀ GÓC QUAY 52
1 Các phương pháp đo vận tốc vòng quay 52
1.1 Sử dụng tốc độ kế vòng kiểu điện từ (analog) 52
1.2 Sử dụng tốc độ kế vòng loại xung (Digital) 52
2 Cảm biến đo vận tốc vòng quay bằng phương pháp analog 52
2.1 Tốc độ kế một chiều (Máy phát tốc DC) 52
2.2 Tốc độ kế xoay chiều (Máy phát tốc AC) 53
3 Cảm biến đo vận tốc vòng quay bằng phương pháp quang điện tử 54
3.1 Cảm biến đo vận tốc dùng đĩa mã hóa 54
3.2 Cảm biến đo vận tốc dùng đĩa mã hóa tương đối 55
3.3 Cảm biến đo vận tốc dùng đĩa mã hóa tuyệt đối 57
4 Đo vận tốc vòng quay với nguyên tắc điện trở từ 59
4.1 Các đại lượng liên quan 59
4.2 Cảm biến điện trở từ 60
5 Ứng dụng 62
6 Lắp mạch đo vận độ và góc quay dùng Encoder 64
6.1 Thiết bị 64
6.2 Trình tự thực hiện 78
BÀI 6: CÁC LOẠI CẢM BIẾN KHÁC 80
1 Cảm biến siêu âm 80
1.1 Cấu trúc 80
1.2 Nguyên lý hoạt động 80
1.3 Ưu, nhược điểm 81
1.4 Ứng dụng 81
2 Cảm biến màu sắc 82
2.1 Cấu trúc 82
2.2 Nguyên tắc hoạt động 82
2.3 Đặc điểm 82
2.4 Ứng dụng 82
3 Cảm biến trọng lượng Load cell 84
3.1 Cấu trúc và nguyên lý hoạt động 84
3.2 Phân loại 85
3.3 Loadcells tương tự và Loadcells số 86
3.4 Ứng dụng 88
Trang 74
4 Cảm biến lưu lượng 88
4.1 Cảm biến lưu lượng dựa vào chênh lệch áp suất 89
4.2 Cảm biến lưu lượng điện từ 91
5 Cảm biến áp suất 92
5.1 Khái niệm 92
5.2 Nguyên lý đo áp suất 93
5.3 Ứng dụng 95
TÀI LIỆU THAM KHẢO 96
Trang 85
GIÁO TRÌNH MÔ ĐUN
Tên môn học/mô đun: Kỹ thuật cảm biến
Mã môn học/mô đun: MĐ19
Vị trí, tính chất, ý nghĩa và vai trò của môn học/mô đun
- Vị trí: Mô đun này phải được học sau các mô đun Mạch điện, Điện tử cơ bản, Đo lường điện, Trang bị điện và học trước mô đun PLC
- Tính chất: Là môđun chuyên môn bắt buộc của nghề Điện công nghiệp hệ cao đẳng và trung cấp
- Ý nghĩa và vai trò của môn học/mô đun: Mô đun trang bị cho học viên những kiến thức về nguyên lý, cấu tạo, các mạch ứng dụng trong thực tế của các loại cảm biến…với kiến thức này học viên có thể áp dụng trực tiếp vào lĩnh vực sản xuất cũng như đời sống Ngoài ra các kiến thức này dùng làm phương tiện để học tiếp các môn học khác như PLC, Điều khiển điện – khí nén …
Mục tiêu của môn học/mô đun:
+ Lựa chọn được cảm biến phù hợp cho các dây chuyền sản xuất tự động
+ Vẽ sơ đồ mạch ứng dụng cảm biến nhiệt độ cảm biến quang, cảm biến tiệm cận + Lắp đặt, đấu nối được các loại cảm biến nhiệt độ, cảm biến tiệm cận, cảm biến quang, Encoder
- Về năng lực tự chủ và trách nhiệm:
Người học có khả năng làm việc độc lập hoặc làm nhóm, có tinh thần hợp tác, giúp
đỡ lẫn nhau trong học tập và rèn luyện, có ý thực tự giác, tính kỷ luật cao, tinh thần
trách nhiệm trong công việc
Nội dung của môn học/mô đun:
Trang 96
BÀI 1 ĐẠI CƯƠNG BỘ CẢM BIẾN Giới thiệu
Các bộ cảm biến được sử dụng nhiều trong các lĩnh vực kinh tế và kỹ thuật, các bộ cảm biến đặc biệt rất nhạy cảm được sử dụng trong các thí nghiệm, các lĩnh vực nghiên cứu khoa học Trong lĩnh vực tự động hoá người ta sử dụng các sensor bình thường cũng như đặc biệt Cảm biến có rất nhiều loại, rất đa dạng và phong phú, do nhiều hãng sản xuất, giúp con người nhận biết các quá trình làm việc tự động của máy móc hoặc trong tự động hoá công nghiệp
Cảm biến làm nên một cuộc cách mạng cho sự thông minh của thiết bị máy móc
Mục tiêu
- Trình bày được cấu tạo, đặc tính và ứng dụng của các loại cảm biến nhiệt độ
- Vẽ được sơ đồ kết nối của cảm biến nhiệt độ nhiệt điện trở và bán dẫn
- Lắp đặt được mạch đo nhiệt độ dùng cảm biến nhiệt điện trở và bán dẫn đúng yêu cầu kỹ thuật
- Rèn luyện tính cẩn thận, kỹ năng làm việc nhóm
Nội dung
1 Khái niệm cảm biến
Cảm biến – sensor: xuất phát từ chữ “ sense” nghĩa là giác quan – do đó nó như các giác quan trong cơ thể con người Nhờ cảm biến mà mạch điện, hệ thống điện có thể thu nhân thông tin từ bên ngoài Từ đó, hệ thống máy móc, điện tử tự động mới có thể
tự động hiển thị thông tin về đại lượng đang cảm nhận hay điều khiển quá trình định trước có khả năng thay đổi một cách uyển chuyển theo môi trường hoạt động
Để dễ hiểu có thể so sánh cảm nhận của cảm biến qua 5 giác quan của người như sau:
5 giác quan Thay đổi môi trường Thiết bị cảm biến
Áp suất, nhiệt độ, cơn đau, tiếp xúc, tiệm cận, ẩm, khô
Ngọt, mặn, chua cay, béo
Âm rầm bổng, sóng âm, âm lượng
Mùi của các chất khí, chất lỏng
Cảm biến thu hình, cảm biến quang
Nhiệt trở, cảm biến tiệm cận, cảm biến độ rung động
Đo lượng đường trong máu Cảm biến sóng siêu âm, mi-cro
Đo độ cồn, thiết bị cảm nhận khí ga
Cảm biến là thiết bị dùng để cảm nhận biến đổi các đại lượng vật lý và các đại lượng không có tính chất điện cần đo thành các đại lượng điện có thể đo và xử lý được
Các đại lượng cần đo (m) thường không có tính chất điện (như nhiệt độ, áp suất ) tác động lên cảm biến cho ta một đặc trưng (s) mang tính chất điện (như điện tích, điện
áp, dòng điện hoặc trở kháng) chứa đựng thông tin cho phép xác định giá trị của đại lượng đo Đặc trưng (s) là hàm của đại lượng cần đo (m):
s = F(m)
Trang 107
2 Phạm vi ứng dụng
- Công nghiệp
- Nghiên cứu khoa học
- Môi trường, khí tượng
- Thông tin viễn thông
3 Phân loại cảm biến
Các bộ cảm biến được phân loại theo các đặc trưng cơ bản sau đây:
- Theo nguyên lý chuyển đổi giữa đáp ứng và kích thích:
+ Hiện tượng vật lý:nhiệt điện, quang điện, điện từ, từ điện, nhiệt từ…
+ Hoá học: biến đổi hóa học, biến đổi điện hóa, phân tích phổ, biến đổi sinh hóa + Sinh học: Biến đổi vật lý, hiệu ứng trên cơ thể sống
- Phân loại theo dạng kích thích:
+ Âm thanh: Biên pha, phân cực, phổ, tốc độ truyền sóng
+ Điện: Điện tích, dòng điện, điện thế, điện áp, điện trường (biên, pha, phân cực, phổ), điện dẫn, hằng số điện môi
+ Từ: từ trường (biên, pha, phân cực, phổ), từ thông, cường độ từ trường, độ từ thẩm
+ Quang: Biên, pha, phân cực, phổ, tốc độ truyền, hệ số phát xạ, khúc xạ, hệ số hấp thụ, hệ số bức xạ
+ Cơ: Vị trí, lực, áp suất, gia tốc, vận tốc, ứng suất, độ cứng, moomen, khối lượng, tỷ trọng, độ nhớt, lưu lượng
+ Nhiệt: Nhiệt độ, thông lượng, nhiệt dung, tỷ nhiệt
+ Bức xạ: Kiểu, năng lượng, cường độ
- Theo tính năng của bộ cảm biến: Độ nhạy, độ chính xác, độ chọn lọc, độ phân giải, độ tuyến tính, công suất tiêu thụ, dải tần, độ trễ, khả năng quá tải, tốc độ đáp ứng,
độ ổn định, tuổi thọ, điều kiện môi trường, kích thước, trọng lượng
- Phân loại theo phạm vi sử dụng: Công nghiệp, nông nghiệp, nghiên cứu khoa học, môi trường, khí tượng, thông tin, viễn thông, giao thông, dân dụng, vũ trụ, quân sự
- Phân loại theo thông số của mô hình mạch thay thế:
+ Cảm biến tích cực có đầu ra là nguồn áp hoặc nguồn dòng
+ Cảm biến thụ động được đặc trưng bằng các thông số R, L, C, M tuyến tính hoặc phi tuyến
CÂU HỎI ÔN TẬP
1 Trình bày khái niệm về các bộ cảm biến
2 Trình bày các ứng dụng và phương pháp phân loại các bộ cảm biến
Trang 118
BÀI 2 CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ Giới thiệu
Cảm biến nhiệt độ được sử dụng nhiều trong các lĩnh vực kinh tế và kỹ thuật, vì cảm biến nhiệt độ đóng vai trị quyết định đến tính chất của vật chất, nhiệt độ có thể làm ảnh hưởng đến các đại lượng chịu tác dụng của nó, ví dụ như áp suất, thể tích chất khí
Cảm biến nhiệt độ rất nhạy cảm được sử dụng trong các thí nghiệm, các lĩnh vực nghiên cứu khoa học.Trong lĩnh vực tự động hoá người ta sử dụng các sensor bình thường cũng như đặc biệt
Mục tiêu
- Phân tích được các thang nhiệt độ và các phương pháp đo nhiệt thông thường
- Phân tích được cấu tạo, đặc tính của các loại cảm biến nhiệt độ
- Thực hiện được các mạch cảm biến đúng yêu cầu kỹ thuật
- Rèn luyện tính cẩn thận, kỹ năng làm việc nhóm
Nội dung
1 Đại cương
1.1 Thang đo nhiệt độ
Thang Kelvin : ( Thomson Kelvin – 1852) : Thang nhiệt độ động học tuyệt đối, đơn
vị nhiệt độ là oK Trong thang đo này, người ta gán cho nhiệt độ của điểm cân bằng ba trạng thái nước – nước đá – hơi một giá trị số bằng 273,15 oK
Thang Celsius ( Andreas Celsius 1742) : Thang nhiệt độ bách phân, đơn vị nhiệt độ
là oC và một độ Celsius bằng 1 độ Kelvin
Nhiệt độ Celsius xác định qua nhiệt độ Kelvin theo biểu thức:
T( 0 C) = T( 0 K) – 273,15 Thang Fahrenheit ( Fahrenheit – 1706) : Đơn vị nhiệt độ là oF Trong thang đo này, nhiệt độ của điểm nước đá tan là 32oF và điểm nước sôi là 212 oF
Quan hệ giữa nhiệt độ Fahrenheit và nhiệt Celssius:
T( 0 C) = 5
9(T( 0 F) – 32) T( 0 F) = 9
5T( 0C) + 32
1.2 Nhiệt độ cần đo và nhiệt độ được đo
Giả sử môi trường đo có nhiệt độ thực bằng Tx, nhưng khi đo ta chỉ nhận được nhiệt độ Tc là nhiệt độ của phần tử cảm nhận của cảm biến Nhiệt độ Tx gọi là nhiệt
độ cần đo, nhiệt độ Tc gọi là nhiệt độ đo được Điều kiện để đo đúng nhiệt độ là phải
có sự cân bằng nhiệt giữa môi trường đo và cảm biến Tuy nhiên, do nhiều nguyên nhân, nhiệt độ cảm biến không bao giờ đạt tới nhiệt độ môi trường Tx, do đó tồn tại một chênh lệch nhiệt độ Tx - Tc nhất định Độ chính xác của phép đo phụ thuộc vào hiệu số Tx - Tc, hiệu số này càng bé, độ chính xác của phép đo càng cao Muốn vậy khi đo cần phải:
- Tăng cườnng sự trao đổi nhiệt giữa bộ cảm biến và môi trường đo
Trang 129
- Giảm sự trao đổi nhiệt giữa bộ cảm biến và môi trường bên ngoài
Chúng ta hãy khảo sát trường hợp đo bằng cảm biến tiếp xúc Lượng nhiệt truyền từ môi trường vào bộ cảm biến xác định theo công thức:
dQ = αA(Tx − Tc )dt Với: α - hệ số dẫn nhiệt
A - diện tích bề mặt trao đổi nhiệt
T - thời gian trao đổi nhiệt
Lượng nhiệt cảm biến hấp thụ:
dQ = mCdTc Với: m - khối lượng cảm biến
C - nhiệt dung của cảm biến
Nếu bỏ qua tổn thất nhiệt của cảm biến ra môi trường ngoài và giá đỡ, ta có:
αA Tx − Tc dt = mCdTc
Hình 2.1: Trao đổi nhiệt của cảm biến
Để tăng cường trao đổi nhiệt giữa môi trường có nhiệt độ cần đo và cảm biến ta phải dùng cảm biến có phần tử cảm nhận có tỉ nhiệt thấp, hệ số dẫn nhiệt cao, để hạn chế tổn thất nhiệt từ cảm biến ra ngoài thì các tiếp điểm dẫn từ phần tử cảm nhận ra mạch đo bên ngoài phải có hệ số dẫn nhiệt thấp
2 Cảm biến nhiệt độ nhiệt điện trở
Ưu điểm cơ bản của nhiệt điện trở là đơn giản, độ nhạy cao, ổn định dài hạn Các
cảm biến nhiệt điện trở có thể dùng kim loại, oxyt kim loại hay bán dẫn
2.1 Nhiệt điện trở kim loại (PTR và NTR)
Dựa vào hệ số nhiệt điện trở, có thể phân điện trở nhiệt thành điện trở có hệ số nhiệt điện trở dương PTR (Positive Thermic Resistor) và điện trở có hệ số nhiệt điện trở âm (Negative Thermic Resistor)
- Nhiệt điện trở có hệ số nhiệt điện trở âm NTR Giá trị điện trở giảm khi nhiệt độ tăng
- Nhiệt điện trở có hệ số nhiệt điện trở dương PTR Giá trị điện trở tăng khi nhiệt độ tăng
Đường đặc tuyến của PTR chia làm 3 vùng:
- Vùng nhiệt độ thấp <TA: giống NTC
- Vùng hệ số nhiệt tăng chậm ( TA, TN)
Trang 1310
- Vùng làm việc >TN
Hình 2.2: Đường đặc tuyến làm việc của PTR
2.2 Nhiệt điện trở với Platin và Nickel
2.2.1 Cấu tạo
RTD được sản xuất từ các vật liệu có nhiệt điện trở dương, phổ biến nhất là đồng, nickel, hợp kim sắt-nickel, vonfram, bạch kim Tuy nhiên, bạch kim được xem là chính xác nhất, ổn định nhất và có thể đo nhiệt độ lên đến 1200oF Phạm vi nhiệt độ làm việc của nó cũng cao hơn Nickel, đồng, hợp kim sắt – nickel Ngoài ra sự thay đổi trở kháng theo nhiệt độ của nó tuyến tính nhất
Đặt tính của platin và nickel:
- Platin:
Trang 14+ Dễ bị oxy hoá khi ở nhiệt độ cao làm giảm tính ổn định
+ Dải nhiệt độ làm việc thấp hơn 250 0C
2.2.2 Phân loại RTD
Có 2 loại cơ bản:
2.2.2.1.Loại dây nối (Wire wound Element):
Đây là loại thiết kế đơn giản nhất Sợi dây cảm biến ( làm bằng bạch kim) được quấn xung quanh 1 cái lõi hoặc trục Lõi có thể là tròn hoặc phẳng, nhưng quan trọng
là phải cách điện được Người ta cách điện bằng cách đặt lõi và dây quấn trong 1 cái ống bằng sứ hoặc kiếng Dây cảm biến được nối ra ngoài bằng những sợi dây lớn hơn
Hình 2.3: RTD loại dây nối
2.2.2.2 Loại màng mỏng (Thin Film Element):
Người ta phủ 1 lớp bạch kim mỏng (dày khoảng 10-7 mm đến 10-6mm) lên 1 cái đế bằng sứ Ưu điểm của loại này là giá thành thấp và khối lượng tác dụng nhiệt thấp, làm cho chúng đáp ứng nhanh và dễ dàng đặt vào các vỏ nhỏ Nhưng nó không làm việc ổn định như loại Wire wound
Hình 2.4: RTD loại màng mỏng
2.2.3 Cấu hình dây
Cấu hình dây có ba loại:
Trang 1512
2.2.3.1 Loại 2 dây
Đây là loại cấu hình dây đơn giản nhất và độ chính xác cũng thấp nhất Điện trở của dây mắc nối tiếp với phần tử cảm biến làm ảnh hưởng đến độ chính xác Dây nối càng dài càng ảnh hưởng càng lớn Sơ đồ mạch cầu 2 dây được minh họa trong sơ đồ sau:
Hình 2.5: RTD cấu hình 2 dây
Trong sơ đồ mạch loại 2 dây, dòng điện đi qua phần tử cảm biến Khi nhiệt độ của cảm biến tăng, điện trở sẽ gia tăng Kết quả là điện áp tăng (U=I.R) Trở kháng thực làm cho điện áp tăng chính là tổng trở của phần tử cảm biến và trở kháng của dây nối
Vì vậy để sử dụng được loại này thì dây nối cần phải ngắn
2.2.3.2 Loại 3 dây
Có 3 sợi dây nối từ RTD thay vì 2 dây L1 và L3 dẫn dòng, L2 có vai trò như dây chiết áp Lý tưởng thì điện trở của dây L1 và L3 không có Trở kháng của R3 thì bằng với trở kháng của phần tử cảm biến Rt
Hình 2.6: RTD cấu hình 3 dây
2.2.3.3 Loại 4 dây
Loại này khắc phục được lỗi do trở kháng của điểm nối gây ra Dòng điện đi từ nguồn dòng đến L1 rồi đến dây L4, dây L2 và L3 đo áp rơi trên RTD Với nguồn dòng cố định thì phép đo chính xác hơn Loại cấu hình này có giá thành cao hơn so với cấu hình 2 hay 3 dây, tuy nhiên nếu đòi hỏi chính xác cao thì nên lựa chọn loại cấu hình
này ( trong phòng thí nghiệm, ít dùng trong công nghiệp)
Trang 1613
Hình 2.7: RTD Cấu hình 4 dây
Hình 2.8: Bộ điều khiển nhiệt độ (Controller) của Honeywell
2.3 Nhiệt điện trở Oxit kim loại (NTC, PTC)
Cảm biến nhiệt điện trở oxit kim loại có đặt điểm khác với nhiệt điện trở kim loại:
- Hệ số nhiệt điện trở âm
- Độ nhạy lớn hơn khoảng 10 lần so với độ nhạy nhiệt điện trở kim loại
Các oxit thường được sử dụng: MgO, Mn2O3, Fe3O4, NiO, Co2O3 ,…
Cấu tạo: được ép từ các bột oxit dưới dạng hình đĩa, hình trụ hay hình xuyến, chúng
có kích thước nhỏ và bọc một lớp vỏ bảo vệ
Thường được sử dụng đo nhiệt độ vùng kích thước nhỏ nhờ kích thước cảm biến nhỏ cỡ 1mm phát hiện những biến thiên nhiệt độ rất nhỏ (tới phần nghìn độ) nhờ cảm biến có độ nhạy rất cao Dải nhiệt độ rộng, song cần tránh các biến đổi nhiệt độ đột ngột
vì có thể làm rạn nứt cảm biến
3 Cảm biến nhiệt độ bán dẫn LM34/LM35
3.1 Cấu tạo và nguyên lý làm việc
- Cấu tạo: Làm từ các loại chất bán dẫn thường là Silic tinh khiết hoặc đơn tinh
- Nguyên lý: Sự phân cực của các chất bán dẫn bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ
Silic tinh khiết hoặc đơn tinh thể silic có hệ số nhiệt điện trở âm Sự thay đổi điện trở suất theo nhiệt độ của Si phụ thuộc vào nồng độ pha tạp (dẫn tới số diện tích tự do)
và vào nhiệt độ Do vậy, có thể phân ra 2 miền nhiệt độ Dưới 1200C, hệ số nhiệt độ
Trang 17- Ưu điểm: Rẻ tiền, dễ chế tạo, độ nhạy cao, chống nhiễu tốt và mạch xử lý đơn giản
- Khuyết điểm: Không chịu nhiệt độ cao, kém bền
Hình 2.9: Cấu trúc cảm biến nhiệt bán dẫn Silic
- Cảm biến nhiệt bán dẫn là những loại cảm biến được chế tạo từ những chất bán dẫn
Có các loại như Diode, Transistor, IC Nguyên lý của chúng là dựa trên mức độ phân cực của các lớp P-N tuyến tính với nhiệt độ môi trường Ngày nay với sự phát triển của ngành công nghệ bán dẫn đã cho ra đời rất nhiều loại cảm biến nhiệt với sự tích hợp của nhiều ưu điểm: Độ chính xác cao, chống nhiễu tốt, hoạt động ổn định, mạch điện xử lý đơn giản, rẻ tiền …
Ta dễ dàng bắt gặp các cảm biến loại này dưới dạng diode (hình dáng tương tự Pt100), các loại IC như: LM35, LM335, LM45 Nguyên lý của chúng là nhiệt độ thay đổi sẽ cho ra điện áp thay đổi Điện áp này được phân áp từ một điện áp chuẩn có trong mạch
3.2 Sơ đồ kết nối
Sơ đồ chân LM34 và LM35 giống nhau
Hình 2.10: Sơ đồ chân LM35
Trang 1815
Hình 2.11: Sơ đồ kết nối LM35 đo nhiệt độ dương
Hình 2.12: Sơ đồ kết nối LM35 đo nhiệt độ âm và dương
Kết nối cảm biến nhiệt độ LM35 với PLC S7-1200
Hình 2.13: Sơ đồ kết nối LM35 với PLC S7-1200
Trang 1916
3.3 Đặc điểm
Cảm biến nhiệt độ LM35 có điện áp Analog đầu ra tuyến tính theo nhiệt độ, thường được sử dụng để đo nhiệt độ của môi trường hoặc theo dõi nhiệt độ của thiết bị, … LM35 có dải đo từ 0 °C đến 100 °C, là cảm biến tiêu hao điện năng thấp sử dụng điện
áp 5V Cảm biến gồm có 3 chân, 2 chân nguồn, 1 chân tín hiệu ra dạng Analog
Chân dữ liệu của IC cảm biến LM35 là chân ngõ ra điện áp dạng tuyến tính Chân
số 2 cảm biến xuất ra cứ 1mV = 0.1°C (10mV = 1°C) Để lấy dữ liệu ở dạng °C chỉ cần lấy điện áp trên chân OUT đem chia cho 10
Chân 1 cấp điện áp 5V, chân 3 cấp GND, chân 2 là chân OUTPUT dữ liệu dạng điện áp
Thông số IC cảm biến nhiệt độ LM35:
- Điện áp đầu vào từ 4V đến 30V
- Điện áp ra: -1V đến 6V
- Công suất tiêu thụ là 60uA
- Dải đo nhiệt độ : -55 đến 150°C
- Độ phân giải điện áp đầu ra là 10mV/oC
- Độ chính xác thực tế: 1/4°C ở nhiệt độ phòng và 3/4°C ngoài khoảng -55°C tới 150°C
Lưu ý khi sử dụng
- Vì được chế tạo từ các thành phần bán dẫn nên cảm biến nhiệt bán dẫn kém bền, không chịu nhiệt độ cao Nếu chúng ta sử dụng vượt ngưỡng bảo vệ có thể làm hỏng cảm biến
- Cảm biến bán dẫn mỗi loại chỉ tuyến tính trong một giới hạn nào đó, ngoài dải này cảm biến sẽ mất tác dụng Hết sức quan tâm đến tầm đo của loại cảm biến này để đạt được sự chính xác
- Loại cảm biến này kém chịu đựng trong môi trường khắc nghiệt: Ẩm cao, hóa chất
có tính ăn mòn, rung lắc va chạm mạnh
4 Cảm biến nhiệt kế bức xạ
- Cấu tạo: Làm từ mạch điện tử, quang học
- Nguyên lý: Đo tính chất bức xạ năng lượng của môi trường mang nhiệt
- Ưu điểm: Dùng trong môi trường khắc nghiệt, không cần tiếp xúc với môi trường
đo
- Khuyết điểm: Độ chính xác không cao, đắt tiền
- Ứng dụng: Làm các thiết bị đo cho lò nung
- Tầm đo: khoảng -54 <1000 0F
Trang 2017
Hình 2.14: Nhiệt kế bức xạ
- Nhiệt kế bức xạ (hỏa kế) là loại thiết bị chuyên dụng dùng để đo nhiệt độ của những môi trường mà các cảm biến thông thường không thể tiếp xúc được ( lò nung thép, hóa chất ăn mòn mạnh, khó đặt cảm biến)
- Gồm có các loại: Hỏa kế bức xạ, hỏa kế cường độ sáng, hỏa kế màu sắc Chúng hoạt động dựa trên nguyên tắc các vật mang nhiệt sẽ có hiện tượng bức xạ năng lượng Và năng lượng bức xạ sẽ có một bước sóng nhất định Hỏa kế sẽ thu nhận bước sóng này
và phân tích để cho ra nhiệt độ của vật cần đo
Lưu ý khi sử dụng
Tùy theo thông số của nhà sản xuất mà hỏa kế có các tầm đo khác nhau, tuy nhiên
đa số hỏa kế đo ở khoảng nhiệt độ cao Và vì đặc điểm không tiếp xúc trực tiếp với vật cần đo nên mức độ chính xác của hỏa kế không cao, chịu nhiều ảnh hưởng của môi trường xung quanh (góc độ đo, rung tay, ánh sáng môi trường)
5 Ứng dụng của cảm biến nhiệt độ
- Được ứng dụng nhiều trong các ngành công nghiệp như xi măng, phân bón, lò nung, gạch…
- Đo nhiệt độ không khí, dùng trong các thiết bị đo, bảo vệ các mạch điện tử
- RTD có nhiều ứng dụng: đo được nhiệt độ của chất lỏng, bề mặt vật, các dòng khí RTD là loại thiết bị thụ động, khi sử dụng cần có nguồn cung cấp Sử dụng phổ biến nhất là RTD cấu hình 3 dây
Hình 2.15: Hình ảnh các RTD trong thực tế
Trang 2118
Trong công nghiệp, RTD thường được sử dụng kết hợp với các bộ hiển thị nhiệt độ (Controller) của các hãng Autonics, Honeywell … các bộ chuyển đổi (transmitter) hoặc được nối trực tiếp vào các module AI (của Siemens chẳng hạn) Nếu sử dụng các
bộ hiển thị hay module thì không cần có nguồn cung cấp riêng vì các thiết bị này đã cung cấp nguồn cho RTD
CÂU HỎI ÔN TẬP
1 Trình bày cấu tạo, đặc tính và ứng dụng của các loại cảm biến nhiệt độ
2 Vẽ sơ đồ kết nối của cảm biến nhiệt độ nhiệt điện trở và bán dẫn
Trang 2219
BÀI 3 CẢM BIẾN TIỆM CẬN Giới thiệu
Cảm biến tiệm cận được sử dụng nhiều trong các lĩnh vực tự động hóa quy trình sản xuất, trong các dây chuyền tự động hoá sản xuất, trong các nơi làm việc khó khăn, độc hại, vì cảm biến tiệm cận dùng để nhận biết có hoặc không có vật thể
Mục tiêu
- Trình bày được các định nghĩa về cảm biến tiệm cận
- Trình bày được cấu trúc, nguyên lý hoạt động, đặc tính kỹ thuật và phạm vi ứng dụng của cảm biến tiệm cận điện cảm và điện dung
- Vẽ được sơ đồ kết nối cảm biến điện cảm, điện dung theo yêu cầu mạch điện
- Lắp đặt được các mạch điện ứng dụng của cảm biến tiệm cận điện cảm và điện dung
- Rèn luyện tính cẩn thận, tỉ mỉ, kỹ năng làm việc nhóm
- Đầu cảm biến nhỏ có thể lắp đặt ở nhiều nơi
- Có thể sử dụng trong môi trường khắc nghiệt
1.2 Các thuật ngữ thường dùng
- Vật chuẩn (Standard Object): Một vật được xem là vật chuẩn nếu hình dạng, vật liệu, kích cỡ, của vật phải phù hợp để phát huy được các đặt tính kỹ thuật của sensor
- Khoảng cách phát hiện (Detecting Distance): Là khoảng cách từ bề mặt cảm biến ở
đầu sensor tới vị trí vật chuẩn xa nhất mà sensor có thể phát hiện
- Khoảng cách cài đặt (Setting Distance): Là khoảng cách từ bề mặt cảm biến ở đầu sensor tới vị trí vật cảm biến để sensor có thể phát hiện vật ổn định (thường thì khoảng cách này bằng 70% 80% khoảng cách phát hiện)
Vật Cảm Biến
Bề mặt cảm biến
Cảm Biến Tiệm Cận
Khoảng Cách Phát Hiện Khoảng Cách Reset
Hình 3.1: Định nghĩa khoảng cách phát hiện
Trang 2320
Hình 3.2 Định nghĩa khoảng cách cài đặt
- Thời gian đáp ứng (Response Time):
Hình 3.3 Định nghĩa thời gian đáp ứng
t1: Khoảng thời gian từ lúc đối tượng chuẩn chuyển động đi vào vùng phát hiện của sensor tới khi đầu ra sensor bật ON
t2: Khoảng thời gian từ lúc đối tượng chuẩn chuyển động đi ra khỏi vùng phát hiện của sensor tới khi đầu ra sensor tắt về OFF
- Tần số đáp ứng (Response Frequency): Số lần tác động lặp lại khi vật cảm biến đi vào vùng hoạt động của sensor
Hình 3.4 Định nghĩa tần số đáp ứng
Vật Cảm Biến
Bề mặt cảm biến
Cảm Biến Tiệm Cận Khoảng Cách Phát Hiện ước Lượng
Khoảng Cách Cài Đặt
Trang 2421
2 Cảm biến tiệm cận điện cảm
2.1 Cấu trúc và nguyên lý hoạt động
Cấu trúc
Hình 3.5: Cấu tạovà ký hiêu cảm biến điện cảm
Một bộ cảm biến tiệm cận điện cảm gồm có 4 khối chính:
- Cuộn dây và lõi ferit
- Mạch dao động
- Mạch phát hiện
- Mạch đầu ra
Nguyên lý hoạt động
Hình 3.6: Nguyên lý hoạt động của cảm biến điện cảm
Từ trường do cuộn dây của sensor tạo ra sẽ thay đổi khi tương tác với vật thể kim loại (do đó chỉ phát hiện được vật thể kim loại)
Đối với cảm biến loại có bảo vệ (Shielded) từ trường được tập trung trước mặt
sensor nên ít bị nhiễu bởi kim loại xung quanh, tuy nhiên khoảng cách đo ngắn đi
Loại không có bảo vệ (Un-Shielded): Không có bảo vệ từ trường xung quanh mặt sensor nên khoảng cách đo dài hơn, tuy nhiên dễ bị nhiễu của kim loại xung quanh
2.2 Đặc tính kỹ thuật
- Phát hiện vật không cần phải tiếp xúc
- Không gây nhiễu cho các sóng điện từ, sóng siêu âm
- Tốc độ đáp ứng nhanh
- Có thể sử dụng trong môi trường khắc nghiệt
- Đầu cảm biến nhỏ, có thể lắp đặt ở nhiều nơi
- Khoảng phát hiện vật còn hơi nhỏ
Trang 2522
- Chỉ phát hiện được các vật bằng kim loại
- Các thông số kỹ thuật của cảm biến cần quan tâm:
+ Điện áp hoạt động (đơn vị là V)
+ Dòng điện định mức ngõ ra (đơn vị là mA)
+ Đặc tính ngõ ra: loại PNP hay NPN; thường đóng hay thường mở
+ Khoảng cách phát hiện (mm)
+ Thời gian đáp ứng (ms), độ nhạy
2.3 Sơ đồ kết nối cảm biến
- Ký hiệu cảm biến tiệm cận điện cảm
Loại ngõ ra thường mở Loại ngõ ra thường đóng
Hình 3.7 Ký hiệu cảm biến tiệm cận điện cảm
Trang 2623
- Các loại khác:
Hình 3.11: Sơ đồ kết nối cảm biến điện cảm loại PNP – ngõ ra thường đóng
Hình 3.12: Sơ đồ kết nối cảm biến điện cảm loại PNP
– ngõ ra thường đóng và thường mở
Hình 3.13: Sơ đồ kết nối cảm biến điện cảm loại NPN
– ngõ ra thường đóng và thường mở
2.4 Ứng dụng
Giới thiệu các đầu cảm biến tiệm cận điện cảm trong thực tế
Hình 3.14: Cảm biến tiệm cận điện cảm của hãng Omron
Một số ứng dụng của cảm biến điện cảm:
Trang 2724
- Phát hiện việc đóng nắp nhôm các chai bia
- Phát hiện các lá kim loại trên giấy bọc socola sau khi đóng gói
- Phát hiện đầu mũi khoan bị gãy
- Kiểm tra sự hiện diện của lon và nắp trên một dây chuyền sản xuất,
Hình 3.15: Một số ứng dụng của cảm biến điện cảm
2.5 Lắp mạch điện sử dụng cảm biên điện cảm
Yêu cầu: Lắp đặt mạch điện điều khiển động cơ băng tải dùng cảm biến điện cảm theo
yêu cầu sau:
Trang 2825
- Chú thích:
+ STOP: nút nhấn thường đóng
+ START: nút nhấn thường mở
+ RL1, RL2, K: rơ le trung gian
+ CB1: cảm biến điện cảm loại PNP
- Giải thích mạch điện:
+ Cấp nguồn 24VDC
+ Nhấn START: cuộn dây rơ le RL1 có điện, tiếp điểm thường mở RL1 đóng lại, duy trì cấp điện cho cuộn dây RL1 khi không nhấn START, đồng thời cấp điện cho các cảm biến CB1
+ Khi cảm biến CB1 phát hiện có vật, cuộn dây rơ le RL2 có điện, tiếp điểm thường mở RL2 đóng lại, cấp điện cho cuộn dây rơ le K tiếp điểm thường mở K đóng lại, duy trì cấp điện cho cuộn dây rơ le K khi cuộn dây RL2 mất điện Đồng thời phía mạch điều khiển động cơ, tiếp điểm K cũng đóng lại, cấp điện cho động cơ, làm băng tải hoạt động
+ Khi nhấn STOP, cuộn dây rơ le RL1 mất điện mất điện toàn mạch băng
tải dừng
Sơ đồ nối dây thiết bị với cảm biến điện cảm loại PNP
Hình 3.18: Sơ đồ nối dây thiết bị
Trang 2926
3 Cảm biến tiệm cận điện dung
Cảm biến điện dung (Capacitive sensor) tương tự như cảm biến điện cảm, điểm khác nhau chính đó là cảm biến tiệm cận điện dung sinh ra vùng tĩnh điện thay vì vùng
từ điện như cảm biến tiện cận điện cảm
3.1 Cấu trúc và nguyên lý hoạt động
Cấu trúc
Hình 3.20: Cấu tạo và ký hiệu cảm biến tiệm cận điện dung
Cảm biến tiệm cận điện dung gồm bốn bộ phận chính:
Bên trong có mạch dùng nguồn DC tạo dao động cho cảm biến dòng, cảm biến dòng sẽ đưa ra một dòng điện tỉ lệ với khoảng cách giữa 2 tấm cực
3.2 Đặc tính kỹ thuật
- Đối tượng phát hiện có thể là chất lỏng, vật liệu phi kim
- Tốc độ chuyển mạch tương đối nhanh
- Có thể phát hiện các đối tượng có kích thước nhỏ
- Phạm vi cảm nhận lớn
- Đầu cảm biến nhỏ, có thể lắp đặt ở nhiều nơi
- Chịu ảnh hưởng của bụi và độ ẩm
- Các thông số kỹ thuật của cảm biến cần quan tâm:
+ Điện áp hoạt động (đơn vị là V)
+ Dòng điện định mức ngõ ra (đơn vị là mA)
+ Đặc tính ngõ ra: loại PNP hay NPN; NO, NC
Trang 3027
+ Khoảng cách phát hiện (mm)
+ Thời gian đáp ứng (ms), độ nhạy
3.3 Sơ đồ kết nối cảm biến
Cảm biến tiệm cận điện dung cũng có các loại như cảm biến tiệm cận điện cảm, vì vậy cảm biến tiệm cận điện dung cũng có sơ đồ kết nối giống như cảm biến tiệm cận điện cảm
- Ký hiệu cảm biến tiệm cận điện dung:
Hình 3.21 Ký hiệu cảm biến tiệm cận điện dung
Trang 3128
Cách kết nối 2 cảm biến song song
Hình 3.25: Sơ đồ kết nối hai cảm biến song song
Chú thích: - Diode là linh kiện bán dẫn, có đặc tính chỉ cho dòng điện đi một chiều khi điện áp phía A (Anode) lớn điện áp phía K (Kathode)
Trang 3229
Hình 3.27: Sơ đồ kết nối hai cảm biến nối tiếp
3.4 Ứng dụng của cảm biến điện dung
Giới thiệu các đầu cảm biến tiệm cận điện dung trong thực tế
Hình 3.28: Cảm biến tiệm cận điện dung của hãng Omron
Cảm biến tiệm cận loại điện dung được dùng rất nhiều trong các băng tải hàng hóa; chúng có tác dụng đếm sản phẩm đi qua; bằng cách lắp các cảm biến điện dung cách
xa vật từ vài milimet đến vài chục milimet
- Báo mức chất lỏng – chất rắn dạng báo đầy – báo cạn; dùng cảm biến điện dung rất chính xác vì độ nhạy cao
- Dùng để phát hiện sữa trong hộp giấy…
Hình 3.29: Ứng dụng của cảm biến tiệm cận điện dung
3.5 Lắp mạch điện sử dụng cảm biên điện cảm
Yêu cầu: Lắp đặt mạch điện điều khiển băng tải bằng cảm biến điện dung theo
yêu cầu sau:
- Nhấn START: hệ thống sẵn sàng hoạt động
+ Cảm biến 1 phát hiện vật kim loại: băng tải hoạt động
+ Cảm biến 2 phát hiện hộp: băng tải dừng
Trang 33+ RL1, RL2, RL3, K: rơ le trung gian
+ CB1, CB2: cảm biến điện dung loại PNP
- Giải thích mạch điện:
+ Cấp nguồn 24VDC
+ Nhấn START: cuộn dây rơ le RL1 có điện, tiếp điểm thường mở RL1 đóng lại, duy trì cấp điện cho cuộn dây RL1 khi không nhấn START, đồng thời cấp điện cho các cảm biến CB1 và CB2
+ Khi cảm biến CB1 phát hiện có vật, cuộn dây rơ le RL2 có điện, tiếp điểm thường mở RL2 đóng lại, cấp điện cho cuộn dây rơ le K tiếp điểm thường mở K đóng lại, duy trì cấp điện cho cuộn dây rơ le K khi cuộn dây RL2 mất điện Đồng thời
Trang 34+ Khi nhấn STOP, cuộn dây rơ le RL1 mất điện mất điện toàn mạch băng
tải dừng
CÂU HỎI ÔN TẬP
1 Trình bày các định nghĩa về cảm biến tiệm cận
2 Trình bày cấu trúc, nguyên lý hoạt động, đặc tính kỹ thuật và phạm vi ứng dụng của cảm biến tiệm cận điện cảm và điện dung
3 Vẽ mạch điện điều khiển máy bơm nước theo yêu cầu sau:
- Nhấn START:
+ Nếu nước trong bể cạn thì bơm hoạt động
+ Nếu nước trong bể đầy thì bơm dừng
+ Để phát hiện mức nước đầy và mức nước cạn, người ta dùng 2 cảm biến điện dung
- Nhấn STOP: Hệ thống dừng, bơm ngừng hoạt động
Trang 3532
BÀI 4 KHÁI QUÁT VỀ CẢM BIẾN QUANG ĐIỆN Giới thiệu
Cảm biến quang (Photoelectric Sensors) là một trong những cảm biến được sử dụng phổ biến nhất Hoạt động dựa trên nguyên lý chuyển đổi thông tin ánh sáng thành tín hiệu điện
Mục tiêu
- Trình bày được cấu trúc, nguyên lý và các chế độ hoạt động của các loại cảm biến quang
- Vẽ được sơ đồ kết nối các cảm biến quang điện theo yêu cầu mạch điện
- Lắp được mạch điện sử dụng các cảm biến quang theo sơ đồ cho trước
- Rèn luyện tinh thần tự giác học tập, thái độ học tập nghiêm túc
- Khối phát (transmitter): phát tín hiệu ra
- Khối nhận (receiver): nhận tín hiệu phản xạ từ vật vào hoặc tín hiệu từ đầu phát của sensor
- Khối chuyển đổi tín hiệu (signal converter): chuyển đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện là dòng điện hay điện áp
- Khối khuyếch đại (Amplifier): khuyếch đại đại tín hiệu lên để xử lý tốt hơn
Trang 3633
Hình 4.3: Cảm biến quang điện
1.2 Nguyên tắc hoạt động
Hình 4.4: Nguyên tắc hoạt động của cảm biến quang điện
Cấp nguồn cho sensor, đầu phát của sensor phát tín hiệu tới đầu thu hoặc vật, ánh sáng phản xạ từ vật đến đầu thu sẽ được chuyển tỉ lệ thành tín hiệu điện áp (hoặc dòng điện) và sau đó được khuếch đại Nếu mức điện áp (hoặc dòng điện) lớn hơn mức ngưỡng Sensor xuất tín hiệu ra báo có vật
Vùng phát hiện của cảm biến quang
- Vùng phát hiện: là vùng ánh sáng phản xạ từ vật vào được đầu thu Sensor phát hiện được vật
Hình 4.5: Vùng phát hiện của cảm biến quang điện
- Vùng chết (Dead zone) : là vùng không hoạt động, nằm ngoài vùng phát, vùng thu nằm gần thấu kính Sensor không phát hiện được vật trong vùng này
Trang 3734
Hình 4.6: Vùng chết của cảm biến quang điện
- Thời gian đáp ứng (Response Time) : Là khoảng thời gian trì hoãn từ khi ánh sáng nhận vào đến lúc ngõ ra điều khiển được kích hoạt hoặc reset
Hình 4.7: Biểu đồ thời gian tín hiệu ngõ ra của sensor
1.3 Phân loại cảm biến quang điện
1.3.1 Phân loại theo tín hiệu thu phát
- Cảm biến quang thu phát độc lập
- Cảm biến quang thu phát chung phản xạ gương
- Cảm biến quang phản xạ khuyếch tán
- Cảm biến quang loại phản xạ giới hạn
- Cảm biến quang đặt khoảng cách
- Cảm biến quang loại phát hiện Mark, cảm biến màu
1.3.2 Phân loại theo cấu tạo
Hình 4.8: Phân loại theo cấu tạo của cảm biến quang
Trang 3835
1.4 Các chế độ hoạt động của cảm biến quang điện
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
Đối cới cảm biến quang loại thu phát độc lập nếu cảm biến đặt chế độ Dark-ON: Có vật, đầu thu không nhận được ánh sáng từ đầu phát, cảm biến xuất tín hiệu ra lên mức
ON Không có vật, đầu thu nhận ánh sáng từ đầu phát báo mức OFF Nếu sensor đặt chế độ Light-ON: Không có vật, đầu thu nhận được ánh sáng từ đầu phát xuất tín hiệu
ra lên mức ON Có vật, đầu thu không nhận được ánh sáng từ đầu phát, sensor chuyển mức OFF
Hình 4.9: Chế độ làm việc của cảm biến quang
Đối cới cảm biến quang loại khuếch tán thì ngược lại Nếu cảm biến đặt chế độ Dark-ON: Không có vật, đầu thu không nhận được ánh sáng, cảm biến xuất tín hiệu ra lên mức ON Có vật đầu thu nhận ánh sáng báo mức OFF Nếu cảm biến đặt chế độ Ligh-ON: Có vật, đầu thu nhận được ánh sáng xuất tín hiệu ra lên mức ON Không có vật, đầu thu không nhận được ánh sáng, cảm biến chuyển mức OFF
Cách điều chỉnh độ nhạy cảm biến: Các loại cảm biến quang tiêu chuẩn trên thị trường hiện nay sẽ thường có 2 khả năng chỉnh độ nhạy:
- Điều chỉnh ngưỡng: người sử dụng có thể điều chỉnh mức ngưỡng hay còn gọi là
mức ánh sáng đủ để kích hoạt đầu ra Khi ánh sáng thu được bằng hoặc lớn hơn ngưỡng, sẽ có tín hiệu xuất ra Trong thực tế, thay đổi ngưỡng sẽ dẫn đến tăng hoặc giảm khoảng cách phát hiện Việc chỉnh ngưỡng cũng có thể giúp cảm biến nhạy hơn, phát hiện được vật nhỏ hơn hoặc các vật trong mờ Một vài nhãn hiệu cảm biến quang
có một biến trở vặn vít để điều chỉnh ngưỡng
- Công tắc chuyển Light-On / Dark-On: công tắc L-On / D-On thay đổi tình trạng
đầu ra cảm biến
Trang 3936
Hình 4.10: Điều chỉnh độ nhạy của cảm biến quang
1.5 Yêu cầu khi lắp đặt cảm biến
- Lắp đặt cảm biến tùy theo hướng di chuyển của vật Cảm biến nên đặt vuông góc với hướng di chuyển của vật
Hình 4.11: Cảm biến nên đặt vuông góc với hướng di chuyển của vật
- Ánh sáng phản xạ từ vật nên về thẳng cảm biến, không nên cho phản xạ qua một vật khác
Hình 4.12: Ánh sáng phản xạ về thẳng cảm biến
- Nếu vật cảm biến là vật đen, di chuyển sensor gần vật hơn và nên đặt sensor nghiêng 1 góc khoảng 150
Trang 4037
Hình 4.13: Khoảng cách nhận biết của Sensor đối với các màu sắc
2 Cảm biến quang thu phát độc lập
2.1 Cấu trúc và nguyên tắc hoạt động
Cấu trúc
Hình 4.14: Cấu trúc cảm biến quang thu phát độc lập
- Bộ phát: gồm 1 led phát hồng ngọai hoặc led phát laser để phát ánh sang đến bộ thu
- Bộ thu: gồm 1 transistor quang được nối vào mạch ra để tạo tín hiệu ngõ ra khi nhận hoặc không nhận ánh sang từ bộ phát
Nguyên tắc hoạt động
Cảm biến quang thu phát độc lập là cảm biến ánh sáng không phản xạ, để hoạt động được cần một con phát ánh sáng và một con thu ánh sáng lắp đối diện với nhau
Hình 4.15: Nguyên tắc hoạt động của cảm biến quang thu phát độc lập
Cấp nguồn cho đầu phát và đầu thu, qua mạch phát sáng, diode đầu phát phát ra ánh sáng truyền đến đầu thu, nếu không có vật chắn giữa đầu phát và đầu thu thì đầu thu nhận được ánh sáng từ đầu phát tới