MÔN HỌC đo LƯỜNG VÀ CẢM BIẾN đề TÀI NGHIÊN cứu CẢM BIẾN đo BẰNG PHƯƠNG PHÁP QUANG

lOMoARcPSD|10162138 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TƯ - - MÔN HỌC: ĐO LƯỜNG VÀ CẢM BIẾN ***** ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU CẢM BIẾN ĐO BẰNG PHƯƠNG PHÁP QUANG GVHD: Ths Phạm Xuân Hô Thực hiên: ̣ Nhóm 10 Thạch Hoàn Hảo (nhóm trưởng) 20161109 Nguyễn Đình Long 20161334 Hà Vũ Minh Luân 20161338 Nguyễn Trọng Hiền 20161092 Nguyễn Công Văn 20161394 TP Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2021 lOMoARcPSD|10162138 MỤC LỤC I GIỚI THIỆU CHUNG Tính chất của ánh sáng: Các loại nguồn sáng: Cảm biến quang và cấu tạo: a) Bộ phận phát sáng: b) Bộ phận thu sáng: c) Mạch xử lý tín hiệu đầu ra: .6 Các hãng sản xuất cảm biến: Các loại cảm biến quang: II Nguyên lý hoạt động: Cảm biến quang thu phát độc lập: Cảm biến quang phản xạ gương: 10 Cảm biến quang phản xạ khuếch tán: 11 III ỨNG DỤNG CỦA CẢM BIẾN QUANG TRONG THỰC TẾ 13 IV TRANG DATA CỦA CẢM BIẾN QUANG TỪ CÁC HÃNG SẢN XUẤT .14 lOMoARcPSD|10162138 I GIỚI THIỆU CHUNG Tính chất của ánh sáng: Ánh sáng có tính chất bản là sóng và hạt Dạng sóng ánh sáng là sóng điện từ phát có chuyển điện tử mức lượng nguyên tử nguồn sáng Các sóng này có vận tốc truyền chân không là c = 299792 km/s, môi trường vật chất là : v = c/n (n : chiết suất môi trường) Tần số γ và bước sóng λ ánh sáng liên hệ với qua biểu thức : λ = v /γ chân không : λ=c/γ Phổ ánh sáng biểu diễn hình 1.1 Hình 1.1 Phân bổ ánh sáng Tính chất hạt thể qua tương tác với vật chất Ánh sáng bao gồm hạt photon mang lượng W phụ thuộc vào tần số   W  h γ (h = 6,6256.Js : số Planck) Các đại lượng quang học : - Thông lượng : Oat (W) - Cường độ : Oat/steradian (W/Sr) - Độ chói : (W/Sr ) - Năng lượng : J lOMoARcPSD|10162138 Một điện tử liên kết có lượng , để giải phóng điện tử khỏi nguyên tử cần cung cấp cho lượng với lượng liên kết Vậy điện tử giải phóng hấp thụ photon có lượng nghĩa là hay Bước sóng ngưỡng (bước sóng lớn nhất) ánh sáng gây nên tượng giải phóng điện tử tính từ biểu thức : Hiện tượng hạt dẫn điện giải phóng tác dụng ánh sáng làm thay đổi tính chất điện vật liệu gọi là hiệu ứng quang điện Đây là nguyên lý bản cảm biến quang Các loại nguồn sáng: Một cảm biến quang hiệu quả phù hợp với xạ ánh sáng (phổ, thông lượng, tần số) Nguồn sáng định mọi đặc tính xạ * Đèn sợi đốt vonfram Cấu tạo : gồm sợi vonfram đặt bóng thủy tinh có chứa khí halogen để giảm bay sợi đốt Đặc điểm : - Nhiệt độ giống nhiệt độ vật đen tuyệt đối - Phổ phát xạ nằm vùng nhìn thấy - Quang thơng lớn, dải phổ rộng - Qn tính nhiệt lớn nên khơng thể thay đổi xạ nhanh chóng - Tuổi thọ thấp, dễ vỡ * Diode phát quang Cấu tạo : gồm nối P-N Năng lượng giải phóng tái hợp hạt dẫn làm phát sinh photon Đặc điểm : - Thời gian hồi đáp nhỏ cỡ ns, có khả biến điệu tần số cao - Phổ ánh sáng hoàn toàn xác định, độ tin cậy cao - Tuổi thọ cao, kích thước nhỏ, tiêu thụ lượng thấp lOMoARcPSD|10162138 - Quang thông tương đối nhỏ và nhạy với nhiệt độ là nhược điểm hạn chế phạm vi sử dụng đèn * Laser (Light Amplification by Stimulated Emission Radiation) Laser là nguồn sáng đơn sắc, độ chói lớn, định hướng và đặc biệt là tính liên kết mạnh (cùng phân cực, pha) Đối với nguồn sáng khác, xạ phát là chồng chéo nhiều sóng thành phần có phân cực và pha khác Trong trường hợp tia laser, tất cả xạ cấu thành đều pha phân cực và bởi chồng chéo lên chúng tạo thành sóng và xác định Đặc điểm laser là có bước sóng đơn sắc hoàn toàn xác định, quang thơng lớn, có khả nhận chùm tia mảnh với độ định hướng cao, truyền khoảng cách lớn Cảm biến quang và cấu tạo: Cảm biến quang tên tiếng anh là Photoelectric Sensor là tổ hợp linh kiện quang điện Khi tiếp xúc với ánh sáng chúng thay đổi trạng thái Cảm biến quang sử dụng ánh sáng phát từ phận phát để phát diện vật thể Khi có thay đổi ở phận thu thì mạch điều khiển cảm biến quang cho tín hiệu ở ngõ OUT Cảm biến quang là thiết bị đóng vai trị quan trọng lĩnh vực cơng nghiệp tự động hóa Nếu khơng có cảm biến quang thì khó mà có tự động hóa, giống làm việc mà khơng nhìn Cảm biến quang Thông thường thì cảm biến quang có cấu tạo đơn giản bao gồm phận là: lOMoARcPSD|10162138 a) Bộ phận phát sáng: Hầu hết thì loại cảm biến quang thường sử dụng đèn bán dẫn LED và anh sáng phát theo xung Nhịp điệu xung đặc biệt giúp cảm biến phân biệt ánh sáng cảm biến và ánh sáng từ nguồn khác (như ánh nắng mặt trời ánh sáng phòng) Các loại LED thông dụng là LED đỏ, LED hồng ngoại LED lazer Một số dòng cảm biến đặc biệt dùng LED trắng xanh Ngoài thì số trường hợp cũng thấy loại LED vàng b) Bộ phận thu sáng: Thông thường cảm biến quang thì thu sáng là phototransistor (tranzito quang) Bộ phận này cảm nhận ánh sáng và chuyển đổi thành tín hiệu điện tỉ lệ Hiện nhiều loại cảm biến quang sử dụng mạch ứng dụng tích hợp chuyên dụng ASIC (Application Specific Integrated Circuit) Mạch này tích hợp tất cả phận quang, khuếch đại, mạch xử lý và chức vào vi mạch (IC) Bộ phận thu nhận ánh sáng trực tiếp từ phát (như trường hợp loại thu-phát), ánh sáng phản xạ lại từ vật bị phát (trường hợp phản xạ khuếch tán) c) Mạch xử lý tín hiệu đầu ra: Mạch đầu chuyển tín hiệu tỉ lệ (analogue) từ tranzito quang thành tín hiệu ON/OFF khuếch đại Khi lượng ánh sáng thu vượt mức ngưỡng xác định, tín hiệu cảm biến kích hoạt Mặc dù số loại cảm biến hệ trước tích hợp mạch nguồn và dùng tín hiệu là tiếp điểm rơ-le (relay) phổ biến, ngày lOMoARcPSD|10162138 loại cảm biến chủ yếu dùng tín hiệu bán dẫn (PNP/NPN) Một số cảm biến quang cịn có cả tín hiệu tỉ lệ phục vụ cho ứng dụng đo đếm Các hãng sản xuất cảm biến: Chúng ta có nhiều hãng sản xuất cảm biến quang khác thị trường Mỗi hãng đều có loại đặc trưng cho riêng mình, cụ thể theo mình tìm hiểu có hãng như: - Cảm biến quang Omron – Nhật Bản - Cảm biến quang Panasonic – Nhật Bản - Cảm biến quang Keyence – Nhật Bản - Cảm biến quang Yamatake – Nhật Bản - Cảm biến quang Sunx – Nhật Bản - Cảm biến quang Sick – Đức - Cảm biến quang IFM – Đức - Cảm biến quang Autonics – Hàn - Cảm biến quang Schneider – Pháp Các loại cảm biến quang: Trên thị trường thì có loại cảm biến quang: - Cảm biến quang thu phát chung (through – beam sensor) - Cảm biến quang phản xạ gương (retro – reflection sensor) - Cảm biến quang khuếch tán (diffuse reflection sensor) lOMoARcPSD|10162138 II Nguyên lý hoạt động: Nguyên lý hoạt động bản Cảm biến quang điện là cảm biến phát chùm sáng từ phần cảm biến gọi là phát và chùm ánh sáng này truyền đến phần cảm biến thu thập ánh sáng gọi là thu Tuỳ thuộc vào loại cảm biến, ánh sáng truyền trực tiếp đến thu cảm biến đến vật phản xạ vật thể quay trở lại thu Cảm biến quang thu phát độc lập: Cảm biến quang thu phát độc lập có phát và thu riêng biệt Để cảm biến quang thu phát độc lập hoạt động thì phát và thu phải hướng vào và chỉnh Khi chúng chỉnh và khơng có vật cản ánh sáng, đầu cảm biến ở trạng thái ON, phát và thu ánh sáng liên tục với Nếu ta đặt vật cản phát và thu để chặn ánh sáng, đầu cảm biến ở trạng thái OFF Đầu cảm biến là tín hiệu từ cảm biến đến PLC Tuỳ thuộc vào càm biến, đầu là tín hiệu tích cực mức cao (Positive) tín hiệu ở tín hiệu tích cực mức thấp (Negative) Loại tín hiệu đầu cảm biến ta sử dụng phụ thuộc vào loại đầu vào PLC mà cảm biến kết nối Giả sử cảm biến PNP nghĩa là có tín hiệu đầu dương (+) thì dây đầu cảm biến phải kết nối với Sinking input PLC, ngược lại cảm biến là NPN, tín hiệu đầu là âm và dây đầu cần kết nối với Sourching input PLC lOMoARcPSD|10162138 Cảm biến quang thu phát độc lập sử dụng mơi trường có tính chất phản xạ ánh sáng cao, bề mặt hấp thụ ánh sáng,… không dùng cảm biến thu phát chung Đặc trưng: - Hoạt động ổn định và khoảng cách cảm nhận dài từ vài cm đến vài chục mét - Vị trí cảm biến khơng bị ảnh hưởng bởi thay đổi đường dẫn đối tượng cảm biến - Hoạt động không bị ảnh hưởng nhiều bởi việc cảm nhận độ bóng, màu sắc độ nghiêng đối tượng Ưu điểm: Cảm biến có phạm vi phát vật thể xa cảm biến quang phản xạ gương và cảm biến quang khuếch tán Điều này là ánh sáng phải truyền theo hướng để từ phát đến thu Nhược điểm: + Giá thành cao + Cần lắp đặt xác + Mất nhiều thời gian để nối dây vì có dây riêng biệt + Khơng phát tốt vật suốt mỏng (Ánh sáng xuyên qua vật thể đến phận thu) Cảm biến quang phản xạ gương: lOMoARcPSD|10162138 Cảm biến quang phản xạ gương có phát và thu thiết bị Gương phản xạ là lăng kính đặc biệt Để cảm biến phản xạ hoạt động, phát cảm biến cần phải hướng vào phản xạ và chỉnh để ánh sáng truyền từ phát cảm biến đến phản xạ và sau phản xạ trở lại thu cảm biến Đầu cảm biến phản xạ hoạt động giống đầu cảm biến thu phát độc lập Đầu sáng ánh sáng không bị chặn và đầu tắt ánh sáng bị chặn Cảm biến phản xạ có phạm vi hoạt động ngắn so với cảm biến thu phát độc lập Điều này là ánh sáng phải đến phản xạ và sau quay trở lại cảm biến thay vì truyền thẳng đến thu Đặc trưng: - Khoảng cách phát từ vài cm đến vài mét - Đi dây và điều chỉnh trục quang đơn giản (tiết kiệm nhân công) lOMoARcPSD|10162138 - Hoạt động không bị ảnh hưởng nhiều bởi màu sắc góc đối tượng cảm nhận - Ánh sáng qua đối tượng cảm biến hai lần, làm cho Cảm biến này thích hợp để phát đối tượng suốt - Có thể khơng phát đối tượng cảm biến có lớp hoàn thiện phản chiếu vì lượng ánh sáng phản xạ trở lại Bộ thu từ bề mặt sáng bóng khiến khơng có đối tượng cảm biến nào Sự cố này khắc phục cách sử dụng chức MSR - Cảm biến phản xạ ngược có vùng chết ở khoảng cách gần Ưu điểm: - Giá thành rẻ loại thu phát độc - Lắp đặt dễ Nhược điểm: - Phải lắp đặt cảm biến với gương phản xạ, vật thể sáng bóng, làm bật đầu thay vì phản xạ - Khoảng cách phát ngắn cảm biến thu phát độc lập Cảm biến quang phản xạ khuếch tán: Cảm ơn biến quang phản xạ khuếch tán là loại cảm biến có thu và phát chung Thường dùng để phát vật thể hệ thống máy móc tự động Giám sát thiết bị lắp vị trí hay chưa lOMoARcPSD|10162138 Để cảm biến quang phản xạ khuếch tán hoạt động, phát cảm biến cần phải hướng vào vật thể để ánh sáng truyền từ phát cảm biến đến đối tượng và sau phản xạ trở lại thu cảm biến Đầu cảm biến quang phản xạ khuếch tán hoạt động giống đầu cảm biến thu phát độc lập và cảm biến phản xạ gương Cảm biến phản xạ khuếch tán có phạm vi phát ngắn ba loại cảm biến Bởi vì tuỳ thuộc vào hình dạng, kich thước và màu sắc vật thể, cảm biến khơng phản xạ ánh sáng tốt trở lại thu cảm biến Đặc trưng: lOMoARcPSD|10162138 - Khoảng cách phát từ vài cm đến vài mét - Điều chỉnh lắp dễ dàng - Cường độ ánh sáng phản xạ, độ ổn định hoạt động và khoảng cách phát thay đổi theo điều kiện (ví dụ: màu sắc và độ mịn) bề mặt đối tượng cảm biến Ưu điểm: + Lắp đặt đơn giản, dễ dàng + Chỉ cần điểm lắp đặt Nhược điểm: + Khoảng cách phát vật thể ngắn III ỨNG DỤNG CỦA CẢM BIẾN QUANG TRONG THỰC TẾ Ứng dụng chủ yếu cảm biến quang là dùng để phát nhiều dạng vật thể khác nhau, phát đo lường khoảng cách hay phát tốc độ đối tượng,…ví dụ: phát chai nhựa băng chuyền kiểm tra xem tay robot gắp linh kiện ô tô để lắp đặt hay chưa? Cảm biến quang đóng vai trị quan trọng lĩnh vực cơng nghiệp tự động hóa Nếu khơng có cảm biến quang thì khó mà có tự động hóa, giống làm việc mà không nhìn Sau là vài ứng dụng thực tế để ta hình dung rõ Kiểm soát bãi giữ xe Đo mực nước mong muốn Downloaded by Quang Tran (quangvaytiennhanh1994@gmail.com) Đếm số lon băng chuyền Kiểm tra sản phẩm lOMoARcPSD|10162138 Downloaded by Quang Tran (quangvaytiennhanh1994@gmail.com) lOMoARcPSD|10162138 IV TRANG DATA CỦA CẢM BIẾN QUANG TỪ CÁC HÃNG SẢN XUẤT BR Series của Autonics (Hàn Quốc) Downloaded by Quang Tran (quangvaytiennhanh1994@gmail.com) lOMoARcPSD|10162138 Downloaded by Quang Tran (quangvaytiennhanh1994@gmail.com) lOMoARcPSD|10162138 Downloaded by Quang Tran (quangvaytiennhanh1994@gmail.com) lOMoARcPSD|10162138 Downloaded by Quang Tran (quangvaytiennhanh1994@gmail.com) lOMoARcPSD|10162138 Downloaded by Quang Tran (quangvaytiennhanh1994@gmail.com) lOMoARcPSD|10162138 Downloaded by Quang Tran (quangvaytiennhanh1994@gmail.com) ... Các loại cảm biến quang: II Nguyên lý hoạt động: Cảm biến quang thu phát độc lập: Cảm biến quang phản xạ gương: 10 Cảm biến quang phản... Bản - Cảm biến quang Keyence – Nhật Bản - Cảm biến quang Yamatake – Nhật Bản - Cảm biến quang Sunx – Nhật Bản - Cảm biến quang Sick – Đức - Cảm biến quang IFM – Đức - Cảm biến quang. .. Hàn - Cảm biến quang Schneider – Pháp Các loại cảm biến quang: Trên thị trường thì có loại cảm biến quang: - Cảm biến quang thu phát chung (through – beam sensor) - Cảm biến quang phản