Cảm biến quang là các linh kiện quang điện có thể thay đổi trạng thái điện khi có ánh sáng thích hợp chiếu vào bề mặt của nó. Cảm biến quang thường được sử dụng giống như một công tắt đóng, ngắt mạch điện nhờ vào sự chiếu sáng hay không chiếu sáng đến linh kiện cảm nhận quang khi có mặt hay không có mặt của đối tƣợng cần phát hiện
Cấu tạo cảm biến quang công nghiệp
Hình 3.19: Cấu tạo cảm biến quang thu phát riêng
Hình 3.20: Cấu tạo cảm biến quang thu phát chung Cảm biến gồm phần phát và phần thu:
+ Phần phát gồm một Led phát hồng ngoại hoặc Led phát Laser có vai trò nhƣ một nguồn phát sáng đƣợc 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 rọivào trasistor. Transistor quang thu đƣợc nối vào mạch ra để tạo mức logic ở ngõ ra.
Một số hình dạng thực tế
Chương 3: Cảm biến quang học
a.Loại phản xạ b.Loại thu - phát riêng c.Loại hộp vuông
d. Loại thu phát riêng e. Loại dùng gương phản xạ Hình 3.21: Hình dạng thực tế 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.
Cảm biến quang để phát hiện đầu vật liệu trong hệ thống cắt sản phẩm theo chiều dài
Chương 3: Cảm biến quang học
Phát hiện chai và đếm số chai
Hình 3.23: Ứng dụng cảm biến quang phản xạ để đếm chai
Cảm biến khuếch tán dùng để phát hiện chiều cao của bánh có trong khay ( hộp ) chính xác lên đến vài micromet
Hình 2.24: Ứng dụng cảmbiến quang khuếch tán phát hiện bánh trong khay
Phát hiện ống hút trong hộp sữa
Chương 3: Cảm biến quang học E3G-L1 là sensor đặt đƣợc khoảng cách thế hệ mới. Nó có thể nhận biết đƣợc sự khác biệt rất nhỏ về chiều cao. Sensor hoạt động rất ổn định và không bị ảnh hưởng bởi màu sắc, chất liệu, độ nghiêng dốc, độ bóng và kích thước của vật thể. Để phát hiện có hoặc không có ống hút đi kèm theo đồ uống đóng hộp
Phát hiện thực phẩm trong khay
Hình 2.26: Mô hình hoạt động với sensor E3S_CL1
Kiểm tra mức chất lỏng có trong hộp giấy
Hình 2.27:Ứng dụng của cảm biến thu phát độc lập
Chương 3: Cảm biến quang học
CÂU HỎI ÔN TẬP
1. Muốn Diode quang ( photoDiode) dùng trong việc đo quang thông thì ta phải cho Dioode quang làm việc ở chếđộ nào?
2. Diode quang có mấy chếđộ làm việc? Trình bày các ứng dụng của Diode quang.
3. Muốn Diode quang ( photoDiode) dùng làm đầu thu trong các bộđiều khiển từ xa không dây thì ta phải cho Dioode quang làm việc ở chếđộ nào?
4. Sensor E3Z _ T61 có đặc điểm như thế nào và được sử dụng trong những trường hợp nào?
5. Đặc điểm và ứng dụng của cảm biến thu phát chung?
6. Đặc điểm và ứng dụng của cảm biến thu phát độc lập?
7. Cho biết đặc điểm của E3S_R12 và ứng dụng của nó trong thực tế? 8. Cho biết đặc điểm và ứng dụng của E3Z_B?
9. Cho biết đặc điểm và ứng dụng của Z4W_V?
10. Cho biết đặc điểm của loại cảm biến quang không bị ảnh hưởng bởi màu nền?
11. Trình bày các khối chính trong một sensor quang 12. Trình bày cấu tạo và đặc điểm của quang trở TRẮC NGHIỆM
Câu 13: Ƣu điểm của cảm biến sợi quang là
a. Hoạt động trong môi trường khắc nghiệt c. Có độ nhạy tốt b. Có sai số nhỏ d. Tốc độ nhanh, chính xác
Câu 14: ứng dụng nổi bật của cảm biến sợi quang là:
a. Phát hiện kim loại, phi kim c. Dễ lắp đặt ở không gian nhỏ b Phát hiện đƣợc nhựa, thủy tinh d. Không gian nhỏ, phát hiện vật nhỏ Câu 15: PhotoDiode làm việc chế độ quang dẫn đƣợc
a. Khuếch đại c. Phân cực thuận
Chương 3: Cảm biến quang học Câu 16: Ứng dụng phổ biến của photo diode là
a. Đầu thu từ bộ điều khiển Remote c. Mã vạch số
b. Cảm biến nhiệt d. Cảm biến ánh sáng
Câu 17: Khi đƣợc chiếu sáng, điện trở tế bào quang dẫn sẽ
a. Tăng khi nhiệt độ cũng tăng c. Tăng lên
b. Giảm xuống d. Không đổi
Câu 18: Tế bào quang dẫn là cảm biến dựa trên hiện tƣợng
a. Quang điện c. Cảm ứng
b. Quang dẫn d. Nhiệt độ - Ánh sáng
Câu 19:Các ứng dụng như đọc mã vạch, phát hiện đầu băng trắng, dò vạch dẫn đường thường dùng cảm biến
a. Điện dung c. Tế bào quang dẫn
b. Điện cảm d. Tiệm cận
Chương 4: Cảm biến vị tri và dịch chuyển
CHƯƠNG 4
4.1 Cảm biến biến trở.
Cấu tạo : Cảm biến biến trở có cấu tạo đơn giản và giá thành rẻ. Cảm biến bao gồm dây quấn thường được làm bằng hợp kim có khả năng chịu mài mòn tốt như: Ni-Cr, Ni-Cu, Ni- Cu-Fe, Ag-Pd …, có đường kính từ0,02 đến 0,1 mm, được quấn được quấn trên một lõi làm bằng vật liệu cách điện như : gốm, sứ, bakelit …. Dây quấn thường có điện trở từ vài chục Ohm tới vài nghìn Ohm, đƣợc tráng một lớp cách điện để có thể quấn sát nhau. Trên lõi và dây quấn có một con trƣợt đƣợc làm bằng hợp kim có lực đàn hồi và tiếp xúc tốt.
Hình 4.1: Cảm biến dịch chuyển biến trở và đồ thị Hoạt động và phương trình chuyển đổi:
Con trƣợt đƣợc liên kết cơ khí với đối tƣợng cần đo địch chuyển. Khi đối tƣợng di chuyển sẽ làm cho con trƣợt di chuyển làm cho điện trở Rx thay đổi.
(4.1)
Trong đó : L là chiều dài của cảm biến, x là dịch chuyển của con chạy.
Cảm biến biến trở chỉ cho phép phát hiện biến thiên của di chuyển bằng khoảng cách giữa 2 vòng dây. Nếu gọi khoảng cách giữa 2 vòng dây là l0, số vòng dây của cảm biến là W thì cảm biến biến trở chỉ phát hiện đƣợc biến thiên di chuyển là:
(4.2)
sai số cảm biến là
Chương 4: Cảm biến vị tri và dịch chuyển Trong đó : R là điện trở một vòng dây.
Mạch đo dùng cảm biến biến trở:
Để chuyển sự thay đổi điện trở của cảm biến theo dịch chuyển thành sự thay đổi điện áp, ta kết nối cảm biến với mạch đo nhƣ hình
Hình 4.2: Mạch đo dùng cảm biến biến trở
(4.4)
4.2 Cảm biến từ
Cảm biến từ dùng để đo dịch chuyển hoặc khoảng cách nhỏ.
Cấu tạo: Cảm biến điện từ có cấu tạo là một khung dây nhƣ (hình 4.3)
Hình 4.3 Cấu tạo của cảm biến từ
Mục tiêu là một phần của đối tƣợng cần đo dịch chuyển hay khoảng cách nhỏ, khi mục tiêu di chuyển là cho khe hở không khí thay đổi là cho từ trở của mạch từ thay đổi làm cho điện cảm của cuộn dây thay đổi. Nếu bỏ qua điện trở của dây dẫn và bỏ qua từ trở của lõi sắt từ thì điện cảm của cuộn dây:
(4.5)
Chương 4: Cảm biến vị tri và dịch chuyển Trong đó: l0 và lf là chiều dài trung bình của đường sức từ trong lõi không khí và trong sắt từ, à0 là độ từ thẩm của khụng khớ , àf là độ từ thẩm của lừi sắt từ, s là tiết diện của khe hở khụng khí, W là số vòng dây,
Mạch đo: Mạch đo là một cầu xoay chiều nhƣ hình
Hình 4.4 : Mạch đo dùng cảm biền từ
Mạch xử lý tín hiệu đo: Mạch xử lý tín hiệu đo là một khối rời có cơ cấu chỉ thị và cho phép cài đặt dạng tín hiệu ngõ ra là tuyến tính hay là tín hiệu điều khiển nhƣ hình
Hình 4.5: Hình dạng cảm biến điện từ
Ứng dụng của cảm biến điện từ: Cảm biến điện từ thường được dùng để đo dịch chuyển nhỏ khoảng vài mm, đo độ lệch tâm của các cơ cấu cam, đo độ dày mỏng của kim loại. Sau đây là một sốứng dụng của cảm biến từ.
Đo độ cao của đinh ốc
Chương 4: Cảm biến vị tri và dịch chuyển
Đo độ dày mỏng của kim loại.
Hình 4.7: Ứng dụng đo độ dày của tấm thép
Đo độ lệch tâm
Hình 4.8: Ứng dụngđo độ lệch tâm của bánh cam
4.3 Cảm biến biến áp vi sai.
Cấu tạo và nguyên lý của biến áp vi sai:
Cảm biến biến áp vi sai gồm có một cuộn sơ cấp và hai cuộn thứ cấp quấn trên một ống hình trụ, trong ống có một lõi ferite di chuển tự do. Hai cuộn thứ cấp đƣợc mắc đối xứng so với cuộn sơ cấp sao cho sức điện dộng cảm ứng sinh ra trên hai cuộn dây này ngƣợc pha với nhau.
Cuộn dây sơ cấp đƣợc nuôi bằng nguồn xoay chiều Vi
Chương 4: Cảm biến vị tri và dịch chuyển Nguyên lý làm việc
Hình 4.10: Sơ đồ nguyên lý của biến áp vi sai.
Lõi ferite đƣợc liên kết cơ khí với đối tƣợng cần đo vị trí. Khi lõi ferite nằm ở vị trí cách đều giữa 2 cuộn dây thứ cấp (x=0), sức điện e1= e2 nên V0 = 0. Khi đối tƣợng di chuyển làm lõi ferite di chuyển và nằm lệch so với2 cuộn dây thứ cấp, khi đó sức điện động sinh ra trên 2 cuộn thứ cấp không bằng nhau làm xuất hiện điện áp ra Vo= e1– e2= x.Vi tỷ lệ với dịch chuyển x của lõi ferite.
Hình 4.11:Hình dạng của cảm biến biến áp vi sai
Hình 4.12: Mạch điện ngõ ra và đặc tuyến ngõ ra của cảm biến biến áp vi sai
Cảm biến biến áp vi sai đƣợc dùng để đo dịch chuyển, đo độ dày của vật liệu, đo khoảng cách, đo độ phẳng của bề mặt … Sau đây là một số ví dụ ứng dụng của cảm biến biến áp vi sai.
Chương 4: Cảm biến vị tri và dịch chuyển
Hình 4.13: Đo độ nhẵn của bề mặt chi tiết cơ khí
Đo độ dày mỏng dùng biến áp vi sai.
Hình 4.14: Đo độ dày mỏng dùng biến áp vi sai
4.4 Cảm biến điện dung.
4.4.1 Cảm biến tụ điện đơn
Cấu tạo: là một tụ điện phẳng hoặc hình trụ có một bản cực gắn cố định ( bản cực tĩnh ) và một bản cực di chuyển ( bản cực động ) liên kết với vật cần đo. Khi bản cực động di chuyển sẽ kéo theo sự di chuyển sẽ kéo theo sựthay đổi điện dung của tụ.
Hình 4.15: cấu tạo cảm biến tụ điện đơn Giá trị điện dung thay đổi tùy theo cấu tạo của tụ điện đƣợc xác định
(4.6)
Trong đó: là hằng số điện môi của môi trường
Chương 4: Cảm biến vị tri và dịch chuyển
0là hằng số điện môi của môi trường chân không S là diện tích giữa hai bản cực
là khoảng cách giữa hai bản cực
(4.7) Trong đó: _ góc ứng với phần hai bản cực đối diện
(4.8)
Đặc điểm: Biến thiên điện dung của cảm biến tụ điện là hàm tuyến tính khi diện tích bản cực và hằng sốđiện môi thay đổi, là hàm phi tuyến khi khoảng cách giữa hai bản cực thay đổi. Biến thiên dung kháng của cảm biến tụđiện là hàm tuyến tính khi khoảng cách giữa hai bản cực thay đổi, là hàm phi tuyến khi diện tích bản cực và hằng sốđiện môi thay đổi. Ngoài ra khi có điện áp đặt vào hai bản cực thì sinh ra lực hút, lực này cần nhỏhơn đại lƣợng đo. 4.4.2 Cấu tạo tụ ghép vi sai
Tụ ghép vi sai có khoảng cách giữa các bản cực biến thiên dịch chuyển thẳng hoặc có diện tích bản cực biến thiên dịch chuyển quay và dịch thẳng gồm ba bản cực. bản động A1 dịch giữa hai bản cố định A2 và A3tạo thành hai điện dung C1 và C2 biến thiên cùngchiều nhau.
Tụ kép vi sai có độ nhạy cao hơn tụ đơn và các lựctương hỗ bị triệt tiêu nhau.
Hình 4.16: Cấu tạo tụ ghép vi sai
Mạch đo đƣợc sử dụng là mạch cầu không cân bằng dùng nguồn xoay chiều.
Chương 4: Cảm biến vị tri và dịch chuyển
Hình 4.17: Mạch đo dùng cảm biến tụ điện thường gặp Mạch đo cần có:
- Trở kháng vào lớn
- Dây dẫn bọc kim loại để tránh ảnh hưởng điện trường ngoài - Không mắc song song các cảm biến
- Chống ẩm tốt
4.5 Cảm biến Hall.
Hiệu ứng Hall (đƣợc khám phá bởi Edwin Herbert Hall vào năm 1879) là một hiệu ứng vật lý được thực hiện khi áp một từ trường vuông góc lên một bản làm bằng kim loại hay chất bán dẫn hay chất dẫn điện (thanh Hall) đang códòng điện chạy qua. Lúc đó người ta nhận đƣợc hiệu điện thế (hiệu thế Hall) sinh ra tại hai mặt đối diện của thanh Hall. Tỷ số giữa hiệu thếHall và dòng điện chạy qua thanh Hall gọi là điện trở Hall (đặc trƣng cho vật liệu làm nên thanh Hall). Các điện tích chịulực Lorentzbị đẩy về một trong hai phía của thanh Hall, tùy theo điện tích chuyển động đó âm hay dương. Sự tập trung các điện tích về một phía tạo nên sự tích điện trái dầu ở 2 mặt của thanh Hall, gây ra hiệu điện thế Hall.
Hình 4.18: Cơ chế hiệu ứng Hall trên một thanh Hall
1: electron. 2: thanh Hall. 3: nam châm. 4: từtrường. 5: nguồn điện.
Chương 4: Cảm biến vị tri và dịch chuyển Màu đỏ trên thanh Hall thể hiện sự tập trung của điện tích dương, còn màu xanh, ngược lại, là nơi tập trung điện tích âm.
Công thức liên hệ giữa hiệu thế Hall, dòng điện và từ trường là:
VH = (IB)/(den) ( 4.9)
VHlà hiệu thế Hall, I là cường độ dòng điện, B là cường độ từ trường, d là độ dày của thanh Hall, e là điện tích của hạt mang điện chuyển động trong thanh Hall, và n mật độ các hạt này trong thanh Hall. Hiệu ứng Hall là nó cho phép phân biệt điện tích âm hay dương chạy trong thanh Hall, dựa vào hiệu thế Hall âm hay dương. Với các vật liệu sắt từ, điện trở Hall tăng lên một cách dị thường, được biết đến là hiệu ứng Hall dị thường, tỷ lệ với độ từ hóa của vật liệu.
Hình 4.19: Đầu đo dòng điện có sẵn khuếch đại dùng hiệu ứng Hall.
Cấu tạo: Gồm có 1 động cơ, 1 nam châm hình đĩa tròn (Ring Magnet) nhƣ trong hình vẽ, 1 cảm biến Hall khi động cơ quay => đĩa nam châm gắn với trục động cơ quay theo => từ trường biến thiên. Cảm biến Hall Effect cảm nhận được sự biến thiên này và tạo tín hiệu điện áp đầu ra tương ứng
Hình 4.20: Cấu tạo và hoạt động của cảm biến Hall
Chương 4: Cảm biến vị tri và dịch chuyển ra tín hiệu rất yếu và cần được khuếch đại.Hiệu ứng Hall nhạy cảm với từ trường, mà từ trường được sinh ra từ mộtdòng điệnbất kỳ, do đó có thể đo cường độ dòng chạy qua một dây điện khi đƣa dây này gần thiết bị đo. Thiết bị có 3 đầu ra: một dây nối đất, một dây nguồn để tạo dòng chạy trong thanh Hall, một dây ra cho biết hiệu thế Hall. Phương pháp đo dòng điện này không cần sự tiếp xúc cơ học trực tiếp với mạch điện, hầu nhƣ không gây thêm điện trở phụ của máy đo trong mạch điện, và không bị ảnh hưởng bởi nguồn điện (có thể là cao thế) của mạch điện, tăng tính an toàn cho phép đo.
Đo công suất điện :
Công suất tiêu thụ của một mạch điện là tích của cường độ dòng điện và hiệu điện thế trên mạch. Vậy có thể đo công suất này bằng cách đo dòng điện (nhƣ mô tả ở trên) đồng thời với việc dùng hiệu điện thế của mạch điện để nuôi dòng qua thanh Hall. Phương pháp như vậy có thể được cải tiến để đo công suất dòng điện xoay chiều trong sinh hoạt dân dụng. Nó thường chính xác hơn các thiết bị truyền thông và ít gây cản trở dòng điện
Xác định vị trí và chuyển động
Hiệu ứng Hall có thểdùng đểxác định vịtrí cơ học. Các thiết bị kiểu này không có một chi tiết cơ học chuyển động nào và có thể đƣợc chế tạo kín, chịu đƣợc bụi, chất bẩn, độ ẩm, bùn lầy...
Điều này giúp các thiết bị này có thểđo đạc vị trí tiện hơn dụng cụ quang học hay cơ điện.
Hình 4.21: Cảm biến Hall trong động cơ BLDC
Để xác định vị trí rotor có thể dùng cảm biến Hall hoặc Encoder. Có thể đặt các phần tử cảm biến bên trong động cơ, trên đầu trục động cơ hay dùng cảm biến bên ngoài lắp vào trục động
Chương 4: Cảm biến vị tri và dịch chuyển định vị trí cực nam châm của rotor. Tín hiệu vị trí này là cơ sở để bộ điều khiển đóng cắt các khóa công suất cấp dòng DC cho cuộn dây stator tương ứng. Khi đặt cảm biến Hall trong vùng từ trường và có một dòng điện DC chạy qua thì sẽ có một điện áp sinh ra tại ngõ ra của cảm biến. Sự phân cực xuất hiện khi cảm biến quét qua các nam châm của động cơ. Điện áp V sinh ra có dạng tuyến tính thay đổi theo góc lệch giữa cảm biến và từtrường. Chúng ta cần tín hiệu kỹ thuật số để điều khiển có dạng nhị phân 1/0 do đó cả cảm biến đều đƣợc chế tạo tích hợp trong một IC để dạng điện áp ra là dạng xung vuông. Các cảm biến Hall đặt trong động cơ lệch nhau một góc 120 độ điện hay 60 độđiện đểxác định chính xác vịtrí rotor đểđiều khiển tương ứng các pha của dòng điện phần ứng stator.
Khởi động ô-tô
Khi quay ổ khóa khởi động ô-tô, một nam châm gắn cùng ổ khóa quay theo, gây nên thay đổi từtrường, được cảm nhận bởi thiết bị dùng hiệu ứng Hall. Phương pháp này tiện lợi vì nó không gây hao mòn như phương pháp cơ học khác.
Dò chuyển động quay
Việc dò chuyển động quay tương tự như trên rất có ích trong chế tạo hệ thống hãm phanh chống trượt nhạy bén hơn của ô-tô, giúp người điều khiển xe dễdàng hơn.
Ƣu điểm:
Cấu tạo đơn giản
Giá thành thấp
Hoạt động ổn định Nhƣợc điểm
Kích thước lớn, cồng kềnh
Kém ổn định ở nhiệt độ cao