Cảm biến Tiệm cận Nguyên lý và ứng dụng

Đã từ lâu cảm biến được sử dụng như những bộ phận cảm nhận và phát hiện, nhưng chỉ vài chục năm trở lại đây chúng mới thể hiện rõ vai trò quan trọng trong các hoạt động của con người.Nhờ những thành tựu mới của khoa học công nghệ trong lĩnh vực vật liệu , thiết bị điện tử và tin học ,các cảm biến đã được giảm thiều kích thước ,cải tiến tính năng và càng ngày mở rộng phạm vi hoạt động. Giờ đây không một lĩnh vực nào mà ở đó không sử dụng cảm biến .Chúng có mặt trong các hệ thống tự động hóa,người máy kiểm tra sản phẩm,tiết kiệm năng lượng, chống ô nhiễm môi trường, trong các lĩnh vực giao thong vận tải ,ô tô .Qua việc tìm tòi trên mạng và trong quá trình chúng em thấy cảm biến tiệm cận được ứng dụng rất nhiều trong các dây chuyền sản xuất cũng như việc tìm và dò đường và phát hiện vật thể của robot .Nên nhóm tìm hiều và chọn đề tài này .Vì thời gian còn hạn hẹp nên chúng em chỉ đưa ra câu tạo và nguyên lí hoạt động cúng với các tính năng chung của cảm biến .Bài báo cáo còn nhiều thiếu sót mong thầy và bạn bè cùng đóng góp đã đề tài thêm đầy đủ hơn .Em xin chân thành cảm ơn thầy .

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN VẬT LÍ KĨ THUẬT

MÔN : CẢM BIẾN VÀ KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG

ĐỀ TÀI : CẢM BIẾN TIỆM CẬN

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN:

Đã từ lâu cảm biến được sử dụng như những bộ phận cảm nhận và phát hiện, nhưng chỉ vài chục năm trở lại đây chúng mới thể hiện rõ vai trò quan trọng trong các hoạt động của con người.Nhờ những thành tựu mới của khoa học công nghệ trong lĩnh vực vật liệu , thiết bị điện tử và tin học ,các cảm biến đã được giảm thiều kích thước ,cải tiến tính năng và càng ngày mở rộng phạm vi hoạt động Giờ đây không một lĩnh vực nào mà ở đó không sử dụng cảm biến Chúng có mặt trong các hệ thống tự động hóa,người máy kiểm tra sản phẩm,tiết kiệm năng lượng, chống ô nhiễm môi trường, trong các lĩnh vực giao thong vận tải ,ô tô Qua việc tìm tòi trên mạng và trong quá trình chúng em thấy cảm biến tiệm cận được ứng dụng rất nhiều trong các dây chuyền sản xuất cũng như việc tìm và dò đường và phát hiện vật thể của robot .Nên nhóm tìm hiều và chọn đề tài này Vì thời gian còn hạn hẹp nên chúng em chỉ đưa ra câu tạo và nguyên lí hoạt động cúng với các tính năng chung của cảm biến Bài báo cáo còn nhiều thiếu sót mong thầy và bạn bè cùng đóng góp đã đề tài thêm đầy đủ hơn Em xin chân thành cảm ơn thầy

MỤC LỤC

I GIỚI THIỆU VỀ CẢM BIẾN TIỆM CẬN………4

I.1 Khái niệm chung về cảm biến……… 4

I.2 Khái niệm về cảm biến tiệm cận ………4

I.3 Đặc điểm của cảm biến tiệm cận……… 4

II MỘT SỐ LOẠI CẢM BIẾN TIỆN CẬN……….5

II.1 Cảm biến tiệm cận điện cảm……… 5

II.1.1 Khái niệm và cấu tạo……….5

II.1.2 Nguyên tắc hoạt đông………6

II.1.3 Các yếu tố ảnh hưởng………6

II.1.4 Ưu và nhược điểm……… 8

II.2 Cảm biến tiệm cận điện dung………8

II.2,1 Khái niệm và cấu tạo……… 8

II.2.2 Nguyên tắc hoạt động……….9

II.2.3 Các yếu tố ảnh hưởng……… 9

II.2.4 Ưu và nhược điểm………9

I GIỚI THIỆU VỀ CẢM BIẾN TIỆM CẬN

I.1 Khái niệm chung về cảm biến

 Là những thiết bị điện tử dùng để biến đổi các đại lượng vật lí vá các đại lượng không điện cần

đo thành các đại lượng điện có thể đo được

 Thông tin được xử lý để rút ra tham số định tính hoặc định lượng của môi trường, phục vụ các nhu cầu nghiên cứu khoa học kỹ thuật hay dân sinh và gọi ngắn gọn là đo đạc, phục vụ trong truyền và xử lý thông tin, hay trong điều khiển các quá trình khác

 Có nhiều loại cảm biến khác nhau và có thể chia ra hai nhóm chính:

 Cảm biến vật lý: sóng điện từ, ánh sáng, tử ngoại, hồng ngoại, tia X, tia gamma, hạt bức xạ, nhiệt độ, áp suất, âm thanh, rung động, khoảng cách, chuyển động, gia tốc,

từ trường, trọng trường,

 Cảm biến hóa học: độ ẩm, độ PH, các ion, hợp chất đặc hiệu, khói,

Các hiện tượng cần cảm biến rất đa dạng, cũng như phương cách chế ra các cảm biến, và những cảm biến mới liên tục phát triển Việc phân loại cảm biến cũng phức tạp vì khó có thể đưa ra đủ các tiêu chí phân loại cho tập hợp đa dạng như vậy được

I.2 Khái niệm về cảm biến tiệm cận

 Cảm biến tiệm cận (còn được gọi là “Công tắc tiệm cận” hoặc đơn giản là “PROX” tên tiếng anh

là Proximity Sensors ) là loại cảm biến giúp phát hiện vật thể mà không cần phải tiếp xúc dựa vào mối quan hệ vât lí giữa cảm biến và vật thể cần phát hiện.Nó giúp chuyển đổi tín hiệu về sự chuyển động và sự xuất hiện của các vật thể đề chuyển thành tín hiệu Cảm biến tiệm cận chuyển đổi tín hiệu về sự chuyển động hoặc xuất hiện của vật thể thành tín hiệu điện

 Có 3 hệ thống phát hiện để thực hiện công việc chuyển đổi này:

-Hệ thống sử dụng dòng điện xoáy được phát ra trong vật thể kim loại nhờ hiện tượng cảm ứng điện từ

-Hệ thống sử dụng sự thay đổi điện dung khi đến gần vật thể cần phát hiện

-Hệ thống sử dụng nam châm và hệ thống chuyển mạch cộng từ

I.3 Đặc điểm của cảm biến tiệm cận

 Phát hiện vật không cần tiêp xúc

 Tốc độ đáp ứng cao

 Đầu sensor nhỏ có thế lắp ở nhiều nơi

 Có thể hoạt động trong môi trương khắc nghiệt

Hinh 1 Cảm biến phát hiện vật rơi và vật cản.

II MỘT SỐ LOẠI CẢM BIẾN TIỆN CẬN

Cảm biến tiện cận có nhiều loại như cảm biến tiệm cận quang, cảm biến tiệm cận siêu âm nhưng cảm biến giá rẻ và được dung phổ biến là hai loại là cảm biến tiệm cận điện cảm và cảm biến tiệm cận điện dung

II.1 Cảm biến tiệm cận điện cảm

II.1.1 Khái niệm và cấu tạo

 Khái niệm : là cảm biến phát hiện các vật bằng các tạo ra trường điện từ

 Cấu tạo gồm 4 thành phần :

2- Mạch dao động : Chức năng mạch này tạo ra mạch dao động với dạng tín hiệu sin tần số cao (có thể lên đến 1MHz) khi có sự tương tác lên bề mặt cảm biến thì biên độ dao động của tín hiệu này

sẽ giảm

3- Mạch phát hiện: Chức năng mạch này dựa vào điện thế tham chiếu để phát hiện giá trị biên độ của mạch dao động khi có vật tác động lên bề mặt cảm biến, lúc biên độ này giảm đến một giá trị cho phép nào đó sẽ xuất ra tín hiệu ở ngõ ra

4- Mạch đầu ra: Ngõ ra là kết quả của mạch so sánh ngưỡng để nhận biết có vật nằm trong tầm hoạt động của cảm biến hay không, do đó tín hiện ra dạng ON/OFF

II.1.2 Nguyên tắc hoạt động

 Nguyên tắc hoạt động : Từ trường tạo ra xung quanh cuộn dây khi có dòng điện xoay chiều chay qua Khi có vật thể bằng kim loại đưa vào vung từ trường 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 lên mức

ON Khi đối tượng rời khỏi khu vực

điện trường, sự dao động được lập lại,

cảm biến trở lại trạng thái bình thường

Khi vật cản tác động lên bề mặt của

cảm biến, biên độ tín hiệu của mạch

dao động sẽ thay đổi, biên độ này sẽ

giảm dần khi vật càng tiến gần bề mặt

tác động Khi khoảng cách đủ lớn ngõ

ra của cảm biến sẽ cho ra một xung và đèn chỉ báo sẽ sang lên

II.1.3 Các yếu tố ảnh hưởng

 Vật liệu đối tượng :Vật liệu đối tượng là khoảng cách phát hiện của cảm biến phụ thuộc rất nhiều vào vật liệu của vật cảm biến (Hình 4)

Hình 3:Hoạt động của cảm biến tiện cận điện cảm

Hình 4: Mô tả đăc tính của vật liệu

 Các vật liệu có từ tính hoặc kim loại có chứa sắt sẽ có khoảng cách phát hiện xa hơn các vật liệu không có từ tính hoặc không chứa sắt

 Kích thước đối tượng : Nếu vật cảm biến nhỏ hơn vật thử chuẩn (test object) khoảng cách phát hiện của cảm biến sẽ giảm Hình 5

Hình 5: Mô tả sự phụ thuộc kích thước và khoách cách

 Bề dày đối tượng : Độ dày của vật thể là một hệ số khác cần được xem xét Khoảng cách vùng tác động thì không đổi đối với vật chuẩn Tuy nhiên đối với vật thể không có sắt trong thành phần như đồng thau (brass), nhôm (aluminum), và đồng đỏ (copper) thì sẽ xảy ra hiện tượng “hiệu ứng

bề mặt” (skin effect) Khoảng cách vùng cảm ứng sẽ giảm

khi độ dày của vật thể tăng lên Nếu độ dày của vật thể

khác so với vật chuẩn thì một hệ số chỉnh sửa sẽ được

dừng để điều chỉnh lại.Với vật cảm biến thuộc nhóm kim

loại có từ tính (sắt, Niken, SUS…), bề dày vật phải lớn

hơn 1mm.Trong vật cảm biến không có từ tính thì bề dày

II.1.4 Ưu và nhược điểm

 Ưu điểm :

 Không chịu ảnh hưởng của độ ẩm

 Không có bộ phận chuyển động

 Không chịu ảnh hưởng của bụi bặm

 Không phụ thuộc vào màu sắc

 Ít phụ thuộc vào bề mặt đối tượng hơn so với các kĩ thuật khác

 Không có vùng chết (blind zone): cảm biến không phát hiện ra đối tượng mặc dù đối tượng ở gần cảm biến

 Nhược điểm :

 Chỉ phát hiện được đối tượng là kim loại

 Có thể chịu ảnh hưởng bởi các vùng điện từ mạnh

 Phạm vi hoạt động ngắn hơn so với các kỹ thuật khác

II.2 Cảm biến tiệm cận điện dung

II.2.1 Khái niệm và cấu tạo

 Khái niệm : Phát hiện sự thay đổi điện dung giữa cảm biến và đối tượng cần phát hiện

 Cấu tạo : Bên trong cảm biến có mạch dùng nguồn DC tạo dao đông cho cảm biến Cảm biến này sẽ đưa ra một dòng điện tỷ lệ với khoảng cách giữa 2 tấm cực

Hình 7 : Sơ đồ cấu tạo cảm biến tiệm cận điện dung

II.2.2 Nguyên lí hoạt động

 Nguyên lí hoạt động : Cảm biến tiệm cận điện dung phát hiện theo nguyên tắc tĩnh điện nghĩa là

của cảm biến, đối tượng cần phát hiện là bản

cực còn lại Mối quan hệ giữa biên độ sóng

dao động và vị trí đối tượng ở cảm biến tiệm

cận điện dung trái ngược sovới cảm biến

tiệm cận điện cảm Hình 8

II.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng

 Cảm biến phát hiện được tất cả những vật có hằng số điện môi lớn hơn không khí Vật có hằng số điện môi càng lớn thì khoảng cách phát hiện càng xa Hình vẽ

Hình 9:Sự phụ thuộc khoảng cách và hằng số

 Ngoài ra mối số yếu tố như kích thước của điện cực, vật liệu và kích thước đối tượng, nhiệt độ của môi trường

II.2.3 Ưu và nhược điểm

 Ưu điểm:

 Có thể cảm nhận vật dẫn điện và không dẫn điện

 Tính chất tuyến tính và độ nhạy không tùy thuộc vào vật liệu kim loại

 Nó có thể cảm nhận được vật thể nhỏ, nhẹ

 Tốc độ hoạt động nhanh

 Tuổi thọ cao và độ ổn định cũng cao đối với nhiệt độ

 Nhược điểm:

Hình 8: Hoạt động cảm biến