Tài liệu Tiểu luận bộ môn : Cơ Điện Tử Ứng Dụng ppt

PROXIMITY SENSOR CẢM BIẾN TIỆM CẬN INDUCTIVE PROXIMITY SENSOR:  Cảm biến tiệm cận điện cảm inductive proximity sensor là loại cảm biến dùng để phát hiện sự có mặt của một vật thể mà kh

PROXIMITY SENSOR (CẢM BIẾN TIỆM CẬN)

 INDUCTIVE PROXIMITY SENSOR:

 Cảm biến tiệm cận điện cảm (inductive proximity sensor) là loại cảm biến

dùng để phát hiện sự có mặt của một vật thể mà không cần tiếp xúc trựctiếp với vật thể đó, cảm biến tiệm cận đa dạng về kích cỡ và hình dáng,được ứng dụng trong nhiều mục đích và lĩnh vực khác nhau

 Loại cảm biến này gồm có một cuộn dây điện từ được sử dụng để phát

hiện sự có mặt của một vật thể kim loại, nó không thể phát hiện một vậtthể phi kim

1.Cấu tạo nguyên lý hoạt động của Inductive Pro Sensor:

a Cấu tạo :gồm có 4 thành phần chính:

 Coil: Cuộn dây cảm biến

 Oscillator: Bộ tạo dao động gồm một tụ điện và một cuộn dâymắc song song

 Trigger Circuit: Mạch ghi nhận tín hiệu

 Output Circuit: Mạch điện ngõ ra

b Nguyên lý hoạt động:

 Khi một vật thể kim loại tiến vào vùng từ trường ( sinh ra bởi bềmặt xuyên qua cuộn dây dến bề mặt của cảm biến) (khoảng cách từ0÷20 cm), từ trường này phản hồi lại giữ cho mạch dao động tiếptục hoạt động Khi một vật thể kim loại tiến vào vùng từ trường,một dòng điện xoáy sinh ra trên bề mặt vật thể kim loại Dòng điệnxoáy này tạo nên tải của cảm biến, làm giảm biên độ của vùng điện

từ Khi vật thể càng đến gần cảm biến thì dòng điện xoáy càng tănglên làm tăng tải của mạch dao động và hơn nữa làm giảm biên độcủa từ trường (từ trở tăng lên) Đến một trị số nào đó sẽ không tăngnữa và bộ tạo dao động sẽ không dao động nữa, tín hiệu này sẽđược ghi nhận (bởi mạch Trigger), xử lý và đưa ra ngõ ra

 Khi vật thể đi ra khỏi vùng cảm biến, biên độ tần số của mạchdao động tăng lên đến một giá trị định trước thì mạch Trigger thayđổi trạng thái ngõ ra của cảm biến và trạng thái ban đầu của nó

2 Phân loại : Gồm 5 loại chính

3 Đặc tính kĩ thuật:

Ưu điểm:

 Phát hiện được những khoảng cách nhỏ (≤1 inch)

 Phát hiện được những kim loại có tính chất sắt từ hay không sắt

từ, cấu trúc bé, không ảnh hưởng bởi bụi bẩn, dầu, độ ẩm…

 Độ chính xác cao

 Điện áp đầu vào 10 ÷ 30 VDC (cho từng loại)

 Tuổi thọ cao 100.000 hours

 Dễ lắp đặt

 Chịu nhiệt độ từ 400C -> 850C

Nhược điểm:

 Biên độ tín hiệu và sự tuyến tính bị ảnh hưởng bởi tính chất điện

từ của vật liệu cần đo

 Chiều dài dây nối sensor bị hạn chế khoảng 12÷18mm vì tần sốdao động cao

b Target (đối tượng cảm biến):

 Target đúng tiêu chuẩn thường là thép, có bề dày 1mm, chiều dàicũng như chiều rộng bằng đường kính của đầu cảm biến sensor(Active Face), hướng vuông góc với cảm biến

 Đối với cảm biến có vòng chắn thì Target chuẩn có kích thướcbằng với đường kính của bề mặt tác động của cảm biến Targetchuẩn đối với cảm biến không có vòng chắn là vật có bề mặt bằngvới đường kính của bề mặt tác động của cảm biến hoặc bằng 3 lầnvùng tác động của cảm biến và có thể lớn hơn.

 Để khoảng cách cảm biến với Target đạt chuẩn theo quy định củanhà sản xuất thì Target ≥ d Tuy nhiên, nếu Target < StandardTarget hoặc có hình dạng không đều thì khoảng tác động của cảmbiến (Sn) giảm xuống Do đó phải đạt gần hơn thì cảm biến mới cóthể nhận thấy được

c Hệ số chỉnh sửa kích thước vật thể:

 Một hệ số chỉnh sửa chấp nhận được khi vật thể nhỏ hơn vậtchuẩn Để xác định vùng cảm ứng cho vật thể nhỏ hơn vật chuẩn(Snew), ta nhân khoảng cách vùng tác động của cảm biến (Srated)với hệ số chỉnh sửa (T) Ví dụ: Như một cảm biến có vòng chắn cókhoảng cách vùng tác động là 1mm và vật thể cần phát hiện có kíchthước bằng một nửa vật chuẩn, ta tính được khoảng cách tác độngmới là 0.83 mm (1mm x 0.83)

 Snew = Srated x T

 Snew = 1mm x 0.83

 Snew = 0.83 mm

d Bảng thông số về độ chính xác cho mỗi loại Target:

e Độ dày của vật thể:

 Độ dày của vật thể là một hệ số khác cần được xem xét Khoảngcách vùng tác động thì không đổi đối với vật chuẩn Tuy nhiên đốivới 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 sẽgiảm 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 dung để điềuchỉnh lại

f Kim loại của vật thể:

 Kim loại cấu tạo nên vật thể củng ảnh hưởng đến khoảng cáchvùng tác động Khi một kim loại nào đó khác thép thì một hệ sốchỉnh sửa được sử dụng để hiệu chỉnh

4 Vùng tác động của cảm biến:

 Khoảng cách tác động (Sn) (the rated sensing distance) là mộtgiá trị lý thuyết mà nó không phụ thuộc vào tính toán như là sai sốcủa quá trình sản xuất, nhiệt độ hoạt động và điện áp cung cấp

Trong một vài trường hợp cảm biến có thể phát hiện ra vật thể nằmngoài khoảng cách tác động này Hoặc có trường hợp vật thể khôngđược phát hiện cho đến khi nó đến gần hơn khoảng cách tác động

Có một vài giới hạn phải được xem xét khi ước lượng khoảng cáchtác động trong mỗi trường hợp cụ thể

 Khoảng cách hoạt động hiệu quả (Sr) (the effective operatingdistance) ở điều kiện nguồn điện cung cấp ổn định với nhiệt độ daođộng trong khoảng từ 230C ± 0.50C Nó dựa vào việc tính toán sai

số trong quá trình sản xuất Khoảng cách hoạt động hiệu quảkhoảng ± 100C của khoảng cách tác động (Sn) Điều này có nghĩa

là vật thể sẽ được phát hiện trong khoảng từ 0 đến 90% của khoảngcách tác động Tùy thuộc vào mỗi thiết bị, tuy nhiên, khoảng cách

tác động hiệu quả (Sr) có thể xa hơn 110% của khoảng cách tácđộng (Sn).

 Khoảng cách chuyển mạch hữu ích (Su) (the useful switchingdistance) là khoảng cách chuyển mạch được tính toán theo điềukiện điện áp và nhiệt độ lý thuyết Khoảng cách chuyển mạch hữuích (Su) thì bằng khoảng 10% của khoảng cách hoạt động hiệu quả(Sr)

 Khoảng cách hoạt động chắc chắn (Sa) (the guaranteed operatingdistance) là khoảng cách chuyển mạch cho sự hoạt động của cảmbiến tiệm cận trong phạm vi điều kiện hoạt động cụ có thể chấpnhận được đảm bảo Khoảng cách hoạt động chắc chắn (Sa) nằmtrong khoảng 0 ÷ 81% của khoảng cách hoạt động (Sn)

 Các chuyển mạch của cảm biến tiệm cận chỉ đáp ứng lại với vậtthể khi vật thể đó nằm trong khu vực xác định đằng trước bề mặtcủa cảm biến Điểm mà cảm biến tiệm cận nhận ra được một vật thểmang đến gọi là điểm tác động (operating point) Và điểm mà khivật thể đi ra làm thiết bị chuyển lại trạng thái ban đầu gọi là điểm

thoát (release point) Khoảng cách giữa 2 điểm này gọi là vùng trễ(hysteretis zone).

 Kích thước và hình dạng của đường cong đáp ứng thì tùy thuộcvào từng loại cảm biến cụ thể Đáp ứng dưới đây miêu tả cụ thểmột loại cảm biến tiếp cận cụ thể

 Hysteresis là khoảng cách giữa điểm hoạt động và khoảng hoạtđộng của sensor Biên độ dao động phải bé hơn dải Hysteresis đểtránh tạo ra các xung chuyển mạch khi sensor ON/OFF

 Tốc độ lớn nhất mà sensor có thể đọc riêng lẻ từng tín hiệu xung(đối với Target quay) khi vật ở trong hay ở ngoài vùng cảm biếnvật

Giá trị này phụ thuộc vào kích thước vật cảm biến (mXm), khoảng

cách từ bề mặt cảm biến đến bề mặt đối tượng Sn/2, tốc độ chuyểnđộng của Target Các yếu tố trên sẽ cho ta biết khả năng lớn nhất vềhoạt động của cảm biến trên một đơn vị thời gian.

 d:đường kính Active Face

 Sn: khoảng cách tối thiểu có thể của cảm

5 Vòng chắn( Sheilding)

 Shielded Inductive Pro Sensor : Cấu tạo tương tự như IPS nhưng

có thêm miếng kim loại mỏng bao quanh lõi ferrit và cuộn dây, lõiferrit tập trung từ trường phân tán vào hướng sử dụng (hướng màvật thể cần phát hiện sẽ đi qua) Cảm biến tiếp cận có vòng chắngồm có vòng kim loại bao quang lõi để giới hạn từ trường tỏa ra ởphần bên Loại cảm biến này có thể đặt lên giá bằng kim loại, cómột khoảng trống không cảm ứng được, kim loại ở trên và trước bềmặt tác động của cảm biến Mỗi cảm biến sẽ có hướng dẫn kèmtheo cho mỗi ứng dụng Nếu có bề mặt kim loại đặt đối diện vớicảm biến thì nó phải được đặt xa hơn tối thiểu 3 lần khoảng tácđộng của cảm biến

 Unshielded Inductive Pro Sensor (không có màng chắn): Có thị

trường tác động rộng hơn loại có màn chắn Lõi ferrit tập trung từtrường phân tán vào hướng sử dụng (hướng mà vật thể cần pháthiện sẽ đi qua)

6 Khoảng cách giữa các cảm biến:

 Cần phải chú ý khi sử dụng nhiều cảm, khi có hai hay nhiều hơncảm biến đặt kế nhau hay đối diện nhau có thể xảy ra nhiễu hoặc sựảnh hưởng lẫn nhau giữa chúng dẫn đến sai tín hiệu đầu ra Nhữngnguyên dưới đây tắc nhìn chung có thể làm thấp nhất sự tác độnglẫn nhau của các cảm biến:

 Các loại cảm biến có vòng chắn đặt đối diện nhau phải cách ít nhất

7 Các loại ngõ ra:

 Loại cảm biến tiệm cận điện cảm có 3 dây đầu ra (sử dụng điện

áp DC) có thể có ngõ ra là PNP hoặc là NPN Điều này phụ thuộcvào loại transistor được sử dụng trong chuyển mạch ngõ ra của cảmbiến

 Hình vẽ dưới đây minh họa cho loại cảm biến có ngõ ra là PNP

Thiết bị tải được mắc giữa ngõ ra (ký hiệu A) và dây(-) của nguồnđiện (ký hiệu L-) Một transistor loại PNP được mắc giữa ngõ ra(A) và dây (+) (ký hiệu L+) của nguồn điện Khi transistor hoạtđộng ở chế độ ON,có một dòng điện đi từ dây (L+) qua tải đến dây(L-) Trong trường hợp này, dòng điện này được gọi là dòng điệnnguồn(dòng điện quy ước), nó đi từ chiều(+) đến chiều(-) củanguồn điện và đi qua tải Thuật ngữ này gây khó khăn cho nhữngngười mới sử dụng cảm biến, vì dong electron(dòng điện thực) đi từchiều(-), qua tải và sau đó đến chiều (+) của nguồn khi transistorPNP hoạt động ở chế độ ON

 Hình vẽ dưới đây minh họa cho loại cảm biến có ngõ ra là loạiNPN Thiết bị tải được mắc giữa ngõ ra(ký hiệu A) và dây (+) củanguồn(kí hiệu L+) Một loại transistor loại NPN được mắc giữa ngõra(A) và dây (+) (kí hiệu L+) của nguồn điện Khi transistor hoạtđộng ở chế độ ON, dòng điện đi qua tải gọi là dòng điện mát (dòngđiện quy ước) Dòng điện này có chiều ngược lại so với dòngelectron (dòng điện thực)

 Ngõ ra được gọi là thường mở (NO) hoặc thường đóng (NC) tùythuộc vào trạng thái của transistor khi chưa phát hiện ra vật thể Ví

dụ, ngõ ra PNP là OFF khi chưa phát hiện ra vật thể, khi đó nó làmột thiết bị thường mở Ngược lại nếu ngõ ra PNP là ON khi chưaphát hiện ra vật thể, khi đó nó là một thiết bị thường đóng

 Ngoài ra còn có loại cảm biến có ngõ ra bổ sung (có 4 dây ở ngõra) Ngõ ra bổ sung là loại ngõ ra có cả tiếp điểm thường đóng vàthường mở trên cùng một cảm biến

8 Các dạng kết nối cảm biến với tải:

 Trong một vài ưng dụng có thể phải sử dụng nhiều cảm biến đểđiều khiển một quá trình công tác.những cảm biến này có thể được

nối nối tiếp tất cả cảm biến đều ON thì ngõ ra mới ON Còn đối vớikiểu kết nối song song thì một trong các cảm biến ON thì ngõ ra sẽON.

 Có một vấn đề phải được xem xét khi kết nối các cảm biến theokiểu kết nối song song Chẳng hạn vấn đề sụt áp trên mỗi cảm biếnkhi có nhiều cảm biến mắc nối tiếp với nhau

a Nối nối tiếp : Ở trường hợp này để cho cảm biến hoạt động bình thường thì điện

áp rơi trên tải phải bé hơn hoặc bằng điện áp nguồn trừ đi điện áp rơi trên các

cảm biến

Vload ≤ Vsoure -Vsensor

b Kết nối song song : Điều khiển tổng các dịng rị trên cảm biến phải bé hơn dịng

điện tĩnh lớn nhất của tải:

Irò ≤ Istatic load

*Chú ý: Khi kết nối song song nếu dịng rị chạy qua tải quá lớn thì cĩ thể do

cơng tắc bán dẫn thay đổi trạng thái

*Điện trở R* để ổn định điện áp bé nhất khi cảm biến đang hoạt động

9 Ứng dụng trong công nghiệp và sản xuất:

 Điều khiển lưu lượng bằng phao

 Điều khiển máy tiện, máy cắt

 Điều khiển quy trình nấu chảy chất dẻo của máy đúc chất dẻo(giữ cho nhiệt độ ổn định)