ĐỀ TÀI CẢM BIẾN QUANG

CAM BIEN QUANG

ĐỀ TÀI CẢM BIẾN QUANG

KĨ THUẬT ĐO 2

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐIỆN- ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

CẢM BẾN QUANG

Trước khi đi sâu vào đề tài thì nhóm sẽ giới thiệu những điều cơ bản về ánh

sáng

 Như các bạn đều biết thì ánh sáng vừa có tính chất sóng vừa có tính chất hạt.

 Dạng sóng ánh sáng là sóng điện từ phát ra khi có sự chuyển động của điện tử giữa các mức năng

lượng của nguyên tử nguồn sáng

 Các sóng này có vận tốc truyền đi trong chân không là c = 299 792 m/s Trong môi trường vật chất là

v = c/n (n là chiết quang của môi trường )

Phổ ánh sáng được biểu diễn như hình:

1 Đại lượng đo

 Cảm biến quang điện (Photoelectric Sensor, PES) có thể phát hiện nhiều dạng vật thể khác nhau : từ việc phát hiện 1 chai nhựa trên băng chuyền hoặc kiểm tra xem tay robot đã gắp linh kiện ô tô để lắp đặt hay chưa.

 Nếu không có cảm biến quang thì khó mà có được tự động hóa công nghiệp, giống như làm việc mà không nhìn được vậy.

 Cảm biến quang có một số ưu việt hơn so với các cảm biến khác.

không tiếp xúc với vật thể cần phát hiện.

 Có thể phát hiện vật từ khoảng cách xa

 Không bị hao mòn / có tuổi thọ cao

 Có thời gian đáp ứng nhanh (ví dụ 1 ms)

 Có thể phát hiện mọi loại vật thể / vật chất

Cấu trúc của cảm biến quang khá đơn giản, bao gồm 3 thành phần chính : bộ phát sáng, bộ thu sáng và bộ xử lý tín hiệu ra

Bộ phát sáng

 Ngày nay cảm biến quang thường sử dụng đèn bán dẫn LED (Light Emitting Diode).

 Ánh sáng được phát ra theo xung Nhịp điệu xung đặc biệt giúp cảm biến phân

biệt được ánh sáng của cảm biến và ánh sáng từ các nguồn khác (như ánh nắng mặt trời hoặc ánh sáng trong phòng).

 Các loại LED thông dụng nhất là LED đỏ, LED hồng ngoại hoặc LED laze Một số dòng cảm biến đặc biệt dùng LED trắng hoặc xanh lá Ngoài ra cũng có LED vàng.

Mất nhiều thời gian để chỉnh vị trí lắp đặt.

Mất nhiều thời gian nối dây vì có 2 dây riêng biệt

Giá thành sản phẩm cao

Ví dụ ứng dụng

 1 Kiểm soát cổng ra vào:

Thông thường cổng ra

vào có kính mờ / tối che

ngoài Bởi vậy cần loại

thu phát có cường độ

sáng cao để xuyên qua

lớp kính Omron đi đầu

trên thế giới về loại cảm biến quang sử dụng trong các ứng dụng này

 2 Môi trường khắc nghiệt: ví dụ trạm rửa xe, hoặc môi trường nhiều bụi, cần có cảm biến cường độ sáng cao

 3 Các ứng dụng rộng rãi khác trong tự động hóa công nghiệp, đặc biệt trong trường hợp cần xác định vị trí của vật thể

Bộ thu sáng

 Thông thường bộ thu sáng là một phototransistor (tranzito quang)

 Hiện nay 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 bộ phận quang, khuếch đại, mạch

xử lý và chức năng vào một vi mạch (IC) Tất cả các dòng cảm biến quang Omron ra mắt gần đây (như E3Z, E3T, E3F2) đều sử dụng ASIC

Bộ thu sáng

 Bộ phận thu có thể nhận ánh sáng trực tiếp từ bộ phát (như trường hợp của loại thu-phát), hoặc ánh sáng phản xạ lại từ vật bị phát hiện (trường hợp phản xạ khuếch tán) Bạn sẽ tìm hiểu rõ hơn về các chế độ hoạt động này trong chương sau

Mạch tín hiệu ra

 Mạch đầu ra chuyển tín hiệu tỉ lệ (analogue) từ tranzito quang / ASIC thành tín hiệu On / Off được khuếch đại Khi lượng ánh sáng thu được vượt quá mức ngưỡng được xác định, tín hiệu ra của cảm biến được kích hoạt

 Mặc dù một số loại cảm biến thế hệ trước tích hợp mạch nguồn và dùng tín hiệu ra là tiếp

điểm rơ le vẫn khá phổ biến, ngày nay các loại cảm biến chủ yếu dùng tín hiệu ra bán

dẫn (PNP/NPN).

 Một số cảm biến quang còn có cả tín hiệu tỉ lệ ra phục vụ cho các ứng dụng đo đếm

Điều chỉnh độ nhạy

 Các loại cảm biến quang tiêu chuẩn thường có 2 khả năng chỉnh độ nhạy:

1 Chỉnh ngưỡng

Người sử dụng có thể điều chỉnh mức ngưỡng, là mức ánh sáng đủ để kích hoạt đầu ra Khi ánh

sáng thu được bằng hoặc lớn hơn ngưỡng, sẽ có tín hiệu xuất ra Trong thực tế, thay đổi ngưỡng

sẽ dẫn đến tăng hoặc giảm khoảng cách phát hiện.

 Việc chỉnh ngưỡng cũng có thể giúp cảm biến nhạy hơn, phát hiện được vật nhỏ hơn hoặc các vật

trong mờ Cảm biến quang Omron thường có một biến trở vặn vít để điều chỉnh ngưỡng Một số cảm biến còn có nút đặt ngưỡng (teach) để có ngưỡng thích hợp nhất cho từng ứng dụng cụ thể.

2 Công tắc chuyển Light-On/Dark-On

 Công tắc L-On/D-On thay đổi tình trạng đầu ra cảm biến Bạn sẽ hiểu rõ hơn về hoạt động L-On và D-On ở phần sau

 Các loại Đèn báo

Phần lớn cảm biến quang Omron có 2 đèn báo:

1 Đèn xanh – báo mức ổn định

Đèn LED xanh cho biết cảm biến đang ở tình trạng phát hiện ổn định, nghĩa là tín hiệu

ON (có) hay OFF (không có) rõ ràng Đèn này cũng giúp cho việc cài đặt, chỉnh cảm biến dễ dàng.

2 Đèn báo tín hiệu ra vàng cam / đỏ

Đèn LED vàng cam hay đỏ bật khi có vật thể được phát hiện và có tín hiệu đầu ra.

IV Mạch đo

 Ánh sáng là một hiện tượng rất phức tạp nó không thể được đo lường một cách dễ dàng như nhiệt độ không khí và áp suất Mỗi nguồn sang đều có nhiều đặc tính khác nhau Ánh sáng có bước sóng xác định hoặc hỗn hợp của các bước sóng có thể đo được (đơn vị đo thường là nanomet) Nó có một tần số sóng Ánh sang có đặc tính cường độ mà có thể

đo được theo một số cách khác nhau Ngoài ra ánh sáng còn có nhiều đặc điểm khác như sự phân cực các phương pháp đo ánh sáng và các đơn vị để đo tính chất khác nhau của ánh sáng Phương pháp đo lường dựa vào số lượng photon rơi xuống bề mặt chiếu sáng thì sử dụng đơn vị là micromols mỗi mét vuông trên giây (µmol m-2 s-1) hay đơn

vị đo tương đương là microeinsteins mỗi mét vuông trên giây (µE m-2 s-1) Với các ứng dụng nuôi trồng cây xanh, mức lượng tử ánh sáng đo lường bức xạ nằm trong dải PAR (Photosynthetically Active Radiation) PAR luôn được định nghĩa trong khoảng 400-700 nm Hệ số chuyển đổi một số đơn vị đo lường ánh sáng được tính như sau:

 - Độ sáng (phản ứng của mắt người):

 1 lux = 1 lumen m-2 = 0,093 foot-candle;

1 foot-candle = 1 lumen ft-2 = 10,76 lumen m-2

- Bứcxạ (tổng mức năng lượng ánh sáng):

1W m-2 = 0,316998 BTU/(h ft2)

- Lượngtử PAR: 1 µmol m-2 s-1 (PAR) = 1 µE m-2 s-1 (PAR

 Cảm biến quang đơn giản nhất là phần từ quang trở: nội trở của quang trở giảm xuống (vídụ: 10 kΩ tương ứng với ánh sáng 10 lux khi đo bằng quang điện trở LDR12mm-10K/2M) khi ánh sang kích thích chiếu vào và tăng lên rất lớn (2 MΩ) khi không bị kích thích chiếu sáng (bề mặt quang điện trở bị che tối) Nhờ sự thay đổi điện trở này, quang điện trở (cảmbiếnánhsáng) được ghép nối vào các mạch điện tử phù hợp để tạo ra thiết chuyển mạch đóng/ngắt, hay dịch chuyển trong từng ứng dụng cụ thể, như hệ thống đóng/mở đèn chiếu sáng, hệ thống điều chỉnh chiếu sáng trong nhà kính,…

 Đối với các hệ thống tự động hóa ngày này, cảm biến

quang điện như những con mắt nhân tạo là một thành

phần cơ bản trong hệ thống tự động hóa Chúng hoạt

động ở những nơi cần sự phát hiện chính xác các vật thể

một cách phi tiếp xúc Đối với cảm biến loại này, chất

liệu của vật thể không còn là điều quan trong So sánh với

cảm biến tiệm cận điện dung, cảm biến quang điện có dải

phát hiện lớn hơn nhiều.

Ứng dụng thưc tế

1 Đếm vật thể

 Through-beam sensors

 Cảm biến phản quang (Retro-reflective sensors)

 Cảm biến phản xạ khuếch tán (Diffuse reflection sensor )

Hãng IFM đưa ra 3 loại cảm biến quang điện chính:

 Ưu điểm lớn nhất của Through beam sensors

là nó có thể phát hiện vật thể ở khoảng cách

lớn Cảm biến bao gồm 2 phần riêng biệt: bộ

phát và bộ thu Ánh sáng chỉ được truyền theo

sương mù sẽ không gây ảnh hưởng ngay lập tức đến hệ

thống (độ khếch đại tín hiệu của cảm biến rất lớn).

2 Cảm biến phản quang

Đối với cảm biến phản quang, bộ thu và bộ phát được

tích hợp trong 1 hộp vỏ duy nhất Bằng 1 gương phản

xạ, tia sáng phát ra sẽ trở về bộ thu Cảm biến phản

quang không có bộ lọc phân cực làm việc trong vùng

hồng ngoại, nếu hệ thống có bộ lọc phân cực, chúng có

thể làm việc với ánh sáng đỏ nhìn thấy dược.

Nguyên tắc quang học cơ bản của chuột quang bao gồm một nguồi sáng rọi vào bề mặt bên dưới của chuột, một lăng

Chuột quang

 Sự khác biệt chính của công nghệ mới này so với

các công nghệ quang học truyền thống đó là ở

góc đặt lăng kính Các lăng kính ở chuột quang

truyền thống được đặt song song với bề mặt rê

chuột và chỉ hứng được các tia sáng bị tán xạ từ

bề mặt lên Đặc biệt tia sáng của chuột

Logitech là tia hồng ngoại, nên hầu như bạn

sẽ không thấy được bằng mắt thường.

Công nghệ mới của Logitech đặt lăng kính theo một góc nghiêng so với bề mặt rê chuột giúp tiếp thu được gần như 100% luồng sáng phản xạ từ bề mặt tiếp xúc của chuột Luồng sáng phản xạ này mạnh hơn so với luồng sáng bị tán xạ của công nghệ quang học cũ Và dĩ nhiên khi đó, bộ cảm biến sẽ mô phỏng rõ nét hơn bề mặt tiếp xúc của chuột và đem lại độ nhạy cao hơn gấp nhiều lần khi bạn rê chuột.

Đó cũng là lí do mà những chú chuột công nghệ mới của Logitech có khả năng di chuyển nhạy hơn trên hầu như mọi bề mặt kể

cả những bề mặt sáng bóng như gỗ bóng, kim loại, sứ, gạch men, giấy bóng…và thậm chí là trên mặt kính.

Cảm biến phản xạ khếch tán

 Cảm biến phản xạ khuếch tán được dùng để phát hiện trực tiếp đối tượng Bộ phát và thu được tích hợp trong 1 vỏ duy nhất Bộ phát phát ra ánh sáng, được phản lại bởi đối tượng và truyền đến bộ thu Ánh sáng phản từ đối tượng sẽ được ước định.

Bởi vậy ở cảm biến phản xạ khếch tán, các bộ phận bổ xung chức năng là không cần thiết cho sự vận hành (như gương phản xạ đối với retro-reflective sensors)

Ứng dụng cảm biến phát xạ ánh sáng

 Hãng Ford mới đây đã giới thiệu một công nghệ mới

giúp lái xe tránh và giảm thiểu tối đa va chạm với

người đi bộ hay các phương tiện giao thông khác

 Công nghệ này có tên là “Hệ thống tránh va chạm”,

sử dụng 6 radar, cảm biến siêu âm và một máy ảnh để

quét khu vực đường phía trước trong vòng 200m

Cảm Biến Quang 25

Cảm Biến Quang 27

Cảm Biến Quang 29

Cảm Biến Quang 31

Cảm Biến Quang 33

Cảm Biến Quang 35

Cảm Biến Quang 37