Tài liệu Giáo Trình Cảm Biến Quang potx

Cảm biến tích cực - Định nghĩa: Cảm biến tích cực là các loại cảm biến hoạt động như một máy phát điện, về mặt nguyên lý nó thường dựa trên các hiệu ứng vật lý biến đổi một dạng năng lượ

NGHIỆP Nội dung:

-Chương 1 Cảm biến

-Chương 2: Các bộ điều khiển

-Chương 3: Hệ thống điều khiển khí nén

Tài liệu tham khảo:

1)Các bộ cảm biến trong kỹ thuật đo lường và điều khiển Lê Văn Doanh

2)Giáo trình cảm biến Phan Quốc Phô, Nguyễn Đức Chiến

3)Giáo trình thiết bị điều khiển Khoa điện tử

Tín hiệu

điều khiển 24VDC

-Nút nhấn -Cảm biến -Công tắc

Cơ cấu chấp hành

-Động cơ -Van điện từ.

- Biến trở

Thiết bị

điều khiển công suất lớn(thiết bị

động lực)

Nguồn công suất lớn- 220V, 380V

Tín hiệu điều khiển 24VDC

Phối ghép

Phối ghép

Mạch kích thích

Ngoại vi

Đối tượng

M

U X

đáp ứng lại một tín hiệu hay một tác nhân kích

thích”.

 Tác nhân kích thích là một lượng, tính chất hay trạng thái được cảm nhận Để nhấn mạnh đặc trưng định lượng của việc cảm nhận (sensing), thuật ngữ

“đại lượng cần đo” được sử dụng thay cho “tác nhân kích thích”.

-> Sensor là một thiết bị nhận một tín hiệu hay một tác nhân kích thích và đáp ứng lại bằng một tín hiệu điện (dưới dạng điện áp, dòng điện, điện tích hay điện kháng).

->Transducer-cảm biến: một thiết bị biến đổi năng

lượng từ dạng này sang dạng khác.

- Hiệu suất biến đổi năng lượng: 5% hay 0,1% cũng

không quan trọng với sensor nhưng với transducer hiệu suất là rất quan trọng tuy rằng có thể nó không cao.

- Độ tuyến tính: quan trọng đối với sensor nhưng lại

không quan trọng đối với transducer.

-Sensor và transducer được coi là như nhau.

Theo nguyên lý người ta chia cảm biến làm hai loại: Cảm biến tích cực và cảm biến thụ động.

a Cảm biến tích cực

- Định nghĩa: Cảm biến tích cực là các loại cảm biến hoạt động như một máy phát điện, về mặt nguyên lý nó thường dựa trên các hiệu ứng vật lý biến đổi một dạng năng lượng nào đó (như nhiệt, cơ, quang, ) thành năng lượng điện.

* Hiệu ứng nhiệt điện

M1

M1

M2 T1

T2

e = f(T1, T2)

hoá học được hàn lại với nhau thành một mạch điện có nhiệt độ ở hai mối hàn là T1 và T2 thì trong mạch điện

sẽ suất hiện một suất điện động e = F(T1, T2).

Nếu biết trước được T2 thì ta có thể suy ra T1 Thực tế hiệu ứng này được ứng dụng để chế tạo cặp nhiệt dùng

để đo nhiệt độ.

* Hiệu ứng áp điện

Khi tác dụng lực cơ học lên một vật làm bằng vật liệu

áp điện thí dụ thạch anh, sẽ gây nên biến dạng của vật

đó và làm xuất hiện lượng điện tích bằng nhau nhưng trái dấu trên các mặt đối diện của vật

e = f(n)

n

* Hiệu ứng quang điện

Hiệu ứng quang điện là hiện tượng giải phóng các hạt dẫn tự do trong vật liệu (thường là vật liệu bán dẫn) dưới tác dụng của bức xạ ánh sáng

* Hiệu ứng Hall

Hiệu ứng hall trong thực tế được ứng dụng để chế tạo các loại cảm biến đo góc quay, cảm biến áp lực

Là các loại cảm biến được chế tạo từ các vật liệu có những thông số trở kháng nhạy với đại lượng đo Giá trị của trở kháng của cảm biến không những phụ thuộc vào hình dạng, kích thước mà còn phụ thuộc vào tính chất điện của vật liệu như: điện trở suất , từ thẩm , hằng số điện môi .

Phụ thuộc vào bản chất của các vật liệu khác nhau, tính chất điện của chúng có thể nhạy với nhiều đại lượng vật lý như: nhiệt độ, độ chiếu sáng, áp suất, độ ẩm,

Trở kháng của cảm biến thụ động và sự thay đổi của trở kháng dưới tác dụng của của đại lượng đo chỉ có thể xác định được khi cảm biiến là một thành phần trong một mạch điện Trên thực tế, tuỳ từng trường hợp cụ thể mà người ta chọn mạch đo cho thích hợp với cảm biến

R2

LED

1.2.1 Các đại lượng ảnh hưởng tới cảm biến

+ Nhiệt độ: Làm thay đổi các đặc trưng điện, cơ và kích thước của cảm biến

+ Độ ẩm: Có thể làm thay đổi tính chất điện của vật liệu

+ Áp suất, gia tốc, độ rung: Có thể gây nên biến dạng hoặc ứng suất trong

+ Từ trường: có thể gây nên sức điện động cảm ứng chồng lên tín hiệu có ích

1.2.2 Sai số của phép đo

Khi đánh giá sai số người ta phân làm hai loại: Sai số hệ

thống và sai số ngẫu nhiên

Độ nhạy của cảm biến S xung quanh một giá trị không đổi micủa đại lượng đo được xác định bởi tỷ số giữa biến thiên s của đại lượng ở đầu ra và biến thiên m tương ứng của đại lượng đầu vào.

i

m m

m

s S

VD: / oC đối với nhiệt điện trở

V / oC đối với cặp nhiệt điện

phụ thuộc nhất vào các yếu tố sau:

- Giá trị của đại lượng cần đo m và tần số thay đổi của nó

- Độ nhanh: Là đặc trưng của cảm biến cho phép đánh giá xem đại lượng đầu ra có theo kịp về thời gian với biến thiên của đại lượng đo hay không.

- Thời gian hồi đáp: Là đại lượng được sử dụng để xác định giá trị số của độ nhanh

1.2.5 Giới hạn sử dụng

Trong quá trình sử dụng cảm biến luôn phải chịu các ứng lực cơ khí hoặc nhiệt độ tác động lên chúng Nếu các ứng lực này vượt quá ngưỡng cho phép chúng sẽ làm thay đổi các đặc trưng làm việc của cảm biến, hoặc có thể gây nên phá huỷ cảm biến Bởi vậy trong quá trình sử dụng cảm biến người sử dụng phải lưu ý tới giới hạn làm việc của cảm biến và phải tuyệt đối tuân thủ theo chúng

dụng bình thường của cảm biến Giới hạn của vùng là các giá trị ngưỡng mỡ các đại lượng đo, các đại lượng vật lý có liên quan đến đại lượng đo hoặc các đại lượng ảnh hưởng có thể thường xuyên đạt tới mà không làm thay đổi các đặc trưng làm việc danh định của cảm biến.

b) Vùng không gây nên hư hỏng

Vùng không gây nên hư hỏng là vùng mà khi mà các đại lượng

đo hoặc các đại lượng vật lý có liên quan và các đại lượng ảnh hưởng vượt qua ngưỡng của vùng làm việc danh định nhưng vẫn còn nằm trong phạm vi không gây nên hư hỏng, các đặc trưng của cảm biến có thể bị thay đổi nhưng những thay đổi này mang tính thuận nghịch, tức là khi trở về vùng làm việc danh định các đặc trưng của cảm biến lấy lại giá trị ban đầu của chúng

đại lượng vật lý có liên quan và các đại lượng ảnh hưởng vượt qua ngưỡng của vùng không gây nên hư hỏng nhưng vẫn còn nằm trong phạm vi không bị phá hủy

Các đặc trưng của cảm biến bị thay đổi và những thay đổi này mang tính không thuận nghịch, tức là khi trở về vùng làm việc danh định các đặc trưng của cảm biến không thể lấy lại giá trị ban đầu của chúng Trong trường hợp này cảm biến vẫn còn sử dụng được, nhưng phải tiến hành chuẩn lại cảm biến

1.3.1 Ánh sáng và phép đo quang

1.3.1.1 Tính chất của ánh sáng

Ánh sáng có hai tính chất cơ bản là sóng và hạt:

- Tính chất sóng:

Sóng ánh sáng là sóng điện từ phát ra khi có sự chuyển điện

tử giữa các mức năng lượng của nguyên tử của nguồn sáng Các sóng này truyền trong chân không với vận tốc c = 3.108

m/s

Tần số ánh sáng f liên hệ với bước sóng  theo biểu thức:

Trong môi trường bất kỳ: = v/f

Trong môi trường chân không: = c/f

Màu sắc của ánh sáng phụ thuộc vào bước sóng Dựa vào bước sóng người ta phân ánh sáng làm 3 vùng: Vùng ánh sáng

tử ngoại, vùng ánh sáng nhìn thấy, vùng hồng ngoại

Tử ngoại

Như vậy, trong vùng ánh sáng nhìn thấy màu đỏ là màu có vận tốc lớn nhất Do đó, trong thực tế người ta thường sơn các biển báo bằng màu đỏ và đèn báo thường là đèn có ánh sáng đỏ

Tính chất hạt của ánh sáng thể hiện qua sự tương tác của nó với vật chất Ánh sáng bao gồm các hạt photon, mỗi một photon này mang một năng lượng w = h.f (h = 6,625.10-34 J.s)

Trong vật chất các điện tử quay xung quanh hạt nhân nhờ một lực liên kết với hạt nhân We, lực này mạnh với các điện tử lớp trong và yếu với các điện tử lớp ngoài, do đó các điện tử lớp ngoài dễ có khả năng tách

ra khỏi nguyên tử Tính chất của vật chất phụ thuộc vào số lượng các điện tử tự do trong vật chất Các điện tử tự do ở lớp vỏ ngoài cùng muốn thoát ra khỏi nguyên tử để trở thành điện tử tự do thì phải được cấp một năng lượng lớn hơn hoặc bằng lực liên kết Khi ánh sáng chiếu lên vất chất nếu năng lượng của các photon đủ lớn để cấp cho điên tử thắng lại lực liên kết thì các điện tử trong vật chất sẽ được giải phóng để trở thành các điện tử tự do Hiện tượng này gọi là hiện tượng quang điện.

- Năng lượng bức xạ - Q là năng lượng phát xạ lan truyền hoặc bức xạ dưới dạng bức xạ.

Đơn vị đo: J(Jun) hoặc lm.s (lumen giây)

- Thông lượng ánh sáng -  là công suất phát xạ, lan truyền hoặc hấp thụ

Đơn vị đo W (Woat) hoặc lm(lumen)

- Cường độ ánh sáng – I là luồng năng lượng phát theo một hướng dưới một đơn vị góc khối

Đơn vị đo: W/Sr (Woat/Steradian) hoặc Cd (Candela)

b) Các đơn vị đo năng lượng ánh sáng

- Độ chói L: Là tỷ số giữa cường độ ánh sáng phát ra bởi một phần tử bề mặt theo một hướng xác định và diện tích hình chiếu của phần tử này trên mặt phẳng vuông góc với hướng đó.

Đơn vị đo: W/m2 hoặc lm/m2

Việc sử dụng cảm biến quang chỉ có hiệu quả khi nó phù hợp với bức xạ ánh sáng (phổ, thông lượng, tần số) Nguồn sáng sẽ quyết định mọi đặc tính quan trọng của bức xạ

1.3.2 Nguồn sáng

Ánh sáng do đèn sợi đốt phát ra có đặc điểm:

-Thông lượng lớn, dải phổ rộng

-Quán tính nhiệt lớn, không thể thay đổi bức xạ một cách tức thời, tuổi thọ thấp

Vì các đặc điểm trên nên trong thực tế người ta không dùng đèn sợi đốt để làm nguồn sáng cho cảm biến quang

a) Đèn sợi đốt

b) Diot phát quang

Đặc điểm của ánh sáng do điot phát quang phát ra:

-Thời gian hồi đáp nhỏ cỡ ns do đó có thể điều chế bằng nguồn nuôi, phổ ánh sáng hoàn toàn xác định, độ tin cậy cao,

độ bền tốt

V +

Trong thực tế điot phát quang có loại phát ra ánh sáng nhìn thấy (gọi là LED thường) có loại phát ra ánh sáng hồng ngoại (gọi

là LED hồng ngoại)

Hầu hết các loại cảm biến quang thông thường trong công

nghiệp đều dùng LED hồng ngoại để làm nguồn sáng

Nguồn sáng laser trong các cảm biến công nghiệp do diode laze phát ra.

1.3.3 Tế bào quang dẫn (photocell)

Ký hiệu

a) Vật liệu chế tạo

Các tế bào quang dẫn dùng để chế tạo cảm biến thường được làm từ các bán dẫn đa tinh thể đồng nhất hoặc đơn tinh thể, bán dẫn riêng hoặc bán dẫn pha tạp

-Bán dẫn đa tinh thể: Cds, Cdse, CdTe, Pbs, PbSe, PbTe

-Bán dẫn đơn tinh thể: Ge, Si, tinh khiết hoặc pha tạp với Au,

Cu, Sb, In hoặc SbIn, AsIn, PIn, CdHgTe

Vùng phổ làm việc của một số loại vật liệu

b) Các đặc trưng

Điện trở

Điện trở của tế bào quang dẫn được phân làm hai dạng: Điện trở khi tế bào không được chiếu sáng gọi là điện trở tối Rco và điện trở khi tế bào được chiếu sáng Rc

Điện trở tối Rco phụ thuộc vào dạng hình học, kích thước, nhiệt

độ và bản chất lý hoá của vật liệu chế tạo

Điện trở Rc của tế bào quang dẫn khi bị chiếu sáng sẽ giảm rất mạnh khi độ rọi của ánh sáng tăng lên.

Độ nhạy

- Tế bào quang dẫn là loại cảm biến không tuyến tính, độ nhạy của nó giảm khi bức xạ tăng

- Độ nhạy của tế bào quang dẫn tỷ lệ thuận với điện áp đặt vào

tế bào, nhưng điều này chỉ đúng khi điện áp đặt vào đủ nhỏ

để hiệu ứng jun không làm thay đổi nhiệt độ của tế bào

- Độ nhạy của tế bào quang dẫn tỷ lệ nghịch với nhiệt độ đặt lên tế bào Nếu nhiệt độ vượt quá 50oC thì tế bào không còn

độ nhạy

c) Ứng dụng

Tế bào quang dẫn có một số nhược điểm:

-Hồi đáp phụ thuộc không tuyến tính vào thông lượng ánh sáng

-Thời gian hồi đáp lớn

-Chóng già hoá

-Độ nhạy phụ thuộc vào nhiệt độ

-Một số loại đòi hỏi phải làm nguội

Do những đặc điểm trên mà ứng dụng của tế bào quang dẫn trong thực tế bị hạn chế

Thu tín hiệu quang (đếm vật thể)

Ứng dụng của tế bào quang dẫn điều khiển rơle

Sơ đồ điều khiển rơ le trực tiếp Sơ đồ điều khiển gián tiếp

1.3.4 Photodiode

Ký hiệu:

a) Nguyên lý và cấu tạo

P N

Photodiode được cấu tạo từ hai phiến bán dẫn PN ghép lại với nhau Lớp bán dẫn loại P được chế tạo thật mỏng để ánh sáng có thể xuyên tới lớp tiếp giáp Khi phân cực ngược cho photodiode nếu có ánh sáng chiếu vào lớp tiếp giáp nó sẽ làm biến đổi tính chất điện của lớp tiếp giáp dẫn tới dòng điện ngược tăng lên

Vật liệu chế tạo photodiode là Si hoặc Ge cho vùng ánh sáng nhìn thấy và hồng ngoại gần và GaAs, InAs, InSb, HgCdTe cho vùng hồng ngoại

b) Hoạt động

Chế độ quang dẫn

Là chế độ sử dụng dòng điện ngược của photodiode, dòng điện này biến đổi phụ thuộc vào cường độ ánh sáng chiếu vào

c) Độ nhạy

- Photodiode có độ nhạy phụ thuộc phổ của ánh sáng chiếu vào nó Photodiode đạt độ nhạy cao trong khoảng phổ từ 0,4 1,2 m và nó đạt độ nhạy cao nhất ở khoảng phổ 0,8

Sơ đồ đo dòng Ir

Tác dụng của R m để chống nhiễu

Sơ đồ tác động nhanh:

Tụ C có tác dụng bù ảnh hưởng của điện dung ký sinh trên R1

Sơ đồ điều khiển tranzitor.

Chế độ quang thế

Có thể làm việc ở chế độ tuyến tính hoặc logarit tuỳ thuộc vào tải, ít nhiễu, thì gian hồi đáp lớn, dải thông nhỏ, nhạy cảm với nhiệt độ ở chế độ logarit

Sơ đồ tuyến tính đo dòng ngắn mạch Isc

Sơ đồ logarit

V0 = (1 + R2/R1).Voc +

Vco

R2

R1

V0 -

Ký hiệu

a) Cấu tạo và nguyên lý

b) Độ nhạy

Độ nhạy của phototranzitor phụ thuộc vào độ rọi ánh sáng chiếu vào tiếp giáp B- C (độ rọi tăng => độ nhạy tăng ) và nhiệt độ đặt lên phototranzitor

c) Ứng dụng

Photo tranzitor có thể dùng làm bộ chuyển mạch, hoặc phần tử tuyến tính, ở chế độ chuyển mạch nó có ưu điểm so với photodiode là cho phép điều khiển một cách trực tiếp dòng chạy qua tương đối lớn và có độ nhạy cao Ngược lại ở chế độ tuyến tính thì photodiode có ưu điểm là độ tuyến tính tốt hơn

- Các chế độ chuyển mạch

* Điều khiển trực tiếp rơle

* Điều khiển gián tiếp rơle

Điều khiển cổng logic

Điều khiển

thirystor

Ký hiệu

Phân loại: Theo vị nguồn sáng giữa Phần phát và phần thu:

-Thu phát tách biệt

-Thu phát một phía sử dụng gương phản xạ

-Thu phát một phía sử dụng phản xạ khuếch tán

Bn

Bu Bk

LOẠI ĐẦU THU -PHÁT

Cường độ sáng Điện áp

Lượng ánh sáng nhận về sẽ được

chuyển tỉ lệ thành tín hiệu điện áp (hoặc

dòng điện) và sau đó được khuếch đại.

Cường độ sáng

Điện áp

Mức ngưỡng ON

OFF

Sensor xuất tín hiệu ra báo có vật nếu mức điện áp lớn hơn mức ngưỡng

Thu Phát Độc Lập Thu Phát Chung

Khuyếch Tán

OFF ON

Phát hiện vật

Diode nhận quang

Thấu kính Mạch

nhận ás

bộ thu (receiver) nằm độc lập ở những thiết bi tách rời nhau Phương pháp này tạo ra ánh sáng ở bộ thu có cường độ lớn nhất.

- Khả năng phân biệt sáng tối cao.,

- Khả năng phát hiện vật thể không phụ thuộc vào màu sắc

và bề mặt của vật thể

- Mặt hạn chế của loại cảm biến thu phát là giá thành thường cao hơn các loại khác (do có tới 2 bộ phận là bộ thu và bộ phát) và khó khăn trong việc thiết lập quan hệ với các loại khác

- Ứng dụng phổ biến của loại cảm biến quang loại thu phát

là trong các hệ thống cửa mở tự động của các gara hiện đại Một bộ cảm biến được đặt cách mặt đất khoảng 6 inch để đảm bảo rằng không có vật cản nào, chẳng hạn như trẻ nhỏ, nằm trên đường đóng mở cửa Trong sản xuất, loại cảm biến này được sử dụng tốt nhất cho việc phát hiện các vật thể đã

đi qua vị trí nào đó

Phát hiện các vật nhỏ

Phát hiện gãy mũi khoan

được sữa / nước trái cây tại thời điểm hiện tại

cũng như phát hiện được mức của chất lỏng này

Vật

Khoảng cách phát hiện

Gương

Khả năng phân biệt sáng tối khá cao.

Có thể phân biệt được vật thể trong suốt.

Giá thành của cảm biến loại phản xạ gương giảm hơn

so với loại thu phát tách biệt vì nó chỉ có một thiết bị duy nhất Đồng thời nó có thể được cài đặt dễ dàng hơn vì chỉ cần điều chỉnh ở một thiết bị duy nhất

Đầu ra của cảm biến quang kiểu phản xạ gương thường

là đầu ra tranzitor Cấu trúc giống đầu ra tranzitor của cảm biến kiểu thu phát tách biệt nên cách đấu nối dây giống như cảm biến kiểu thu phát tách biệt.