CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Định nghĩa
Cảm biến này có thiết kế đơn giản, cho tín hiệu đo lớn mà không cần mạch điện phức tạp để xử lý Tuy nhiên, các điện kế điện trở với con chạy cơ học gặp phải vấn đề cọ xát, gây ra tiếng ồn và mòn, dẫn đến số lần sử dụng thấp và dễ bị ảnh hưởng bởi môi trường, đặc biệt là trong điều kiện bụi ẩm.
Cấu tạo và nguyên lí làm việc
Cảm biến bao gồm một điện trở cố định Rn và một tiếp xúc điện di động gọi là con chạy, được kết nối cơ học với vật chuyển động cần khảo sát Giá trị điện trở Rx giữa con chạy và một đầu của Rn phụ thuộc vào vị trí của con chạy, tương ứng với vị trí của vật chuyển động.
Các điện trở được chế tạo có dạng cuộng dây hoặc băng dẫn
Các điện trở dạng cuộn dây thường được chế tạo từ các hợp kim Ni – Cr, Ni – Cu –
Fe, Ag – Pd được quấn thành vòng xoăn dạng lò xo trên lõi cách điện bằng thủy tinh, gốm hoặc nhựa Giữa các vòng dây, cách điện được thực hiện bằng emay hoặc lớp oxyt bề mặt.
Các điện trở băng dẫn được chế tạo bằng chất dẻo trộn bột dẫn điện là cácbon hoặc kim loại cỡ hạt ~10^-2um
Các điện trở được chế tạo với các giá trị Rn nằm trong khoảng 1k Ohm đến 100k Ohm, đôi khi đạt tới M Ohm
Các con chạy phải đảm bảo tiếp xúc điện tốt, điện trở tiếp xúc phải nhỏ dần và ổn định.
Các đặc trưng
Khoảng chạy có ích của con chạy:
Ở đầu hoặc cuối đường chạy, tỉ số Rx/Rn thường không ổn định Khoảng chạy có ích được xác định là khoảng thay đổi của x, trong đó Rx là hàm tuyến tính của dịch chuyển.
Ưu điểm, nhược điểm và ứng dụng
Cấu tạo đơn giản, dễ sử dụng
Đo được khoảng dịch chuyển lớn
Bị ảnh hưởng của bụi và ẩm
Năng suất phân giải của điện trở dây cuốn được xác định bởi lượng dịch chuyển cực đại cần thiết để di chuyển con chạy từ vị trí tiếp xúc hiện tại sang vị trí tiếp xúc lân cận Với cuộn dây có n vòng, có thể phân biệt 2n-2 vị trí điện khác nhau của con chạy.
N vị trí tiếp xúc với một vòng dây
Độ phân giải của điện trở dạng dây phụ thuộc vào hình dạng, đường kính của dây và đạt khoảng 10um, trong khi độ phân giải của điện trở kiểu băng dẫn lại phụ thuộc vào kích thước hạt, thường vào khoảng 0,1um.
Thời gian sống của điện kế phụ thuộc vào số lần sử dụng, với nguyên nhân hư hỏng chủ yếu là do sự mài mòn con chạy và dây điện trở trong quá trình hoạt động Đối với điện kế dạng dây dẫn, thời gian sống khoảng 10^6 lần, trong khi điện kế dạng băng dẫn có thời gian sống cao hơn, từ 5.10^7 đến 10^8 lần.
Tuổi thọ kém, mau bị hao mòn
*Ứng dụng: Đo mực chất lỏng
Khái niệm
Siêu âm là loại sóng cơ học có tần số vượt quá 20kHz, cao hơn tần số âm thanh mà con người có thể nghe thấy Thính giác của con người nhạy cảm với dải tần số từ âm trầm (vài chục Hz) đến gần 20kHz.
Nguyên lí hoạt động
Cảm biến siêu âm sử dụng nguyên lý phản xạ sóng siêu âm
Cảm biến siêu âm hoạt động bằng cách phát ra sóng siêu âm từ đầu cảm biến, tác động lên các bề mặt như mặt nước, kính, tường hoặc dung dịch có diện tích đủ lớn Khi khoảng cách giữa đầu cảm biến và bề mặt thay đổi, tín hiệu ngõ ra của cảm biến cũng sẽ thay đổi, với dạng tín hiệu 4-20mA hoặc 0-10VDC gửi về bộ điều khiển hoặc bộ hiển thị.
Cảm biến siêu âm bao gồm hai phần chính: phần phát sóng siêu âm và phần thu sóng siêu âm phản xạ Khi cảm biến phát ra một sóng siêu âm, nếu có chướng ngại vật trên đường đi, sóng sẽ phản xạ lại và tác động lên module nhận sóng Bằng cách đo khoảng thời gian giữa lúc phát và nhận sóng, chúng ta có thể tính toán khoảng cách từ cảm biến đến chướng ngại vật.
2 v: vận tốc siêu âm( 343m/s trong không khí) t: thời gian từ lúc phát đến lúc thu
Ưu điểm và nhược điểm
Đo khoảng cách rời rạc của vật di chuyển
Ít bị ảnh hưởng bởi vật liệu và bề mặt
Không ảnh hưởng bởi màu sắc
Tín hiệu đáp ứng tuyến tính với khoảng cách
Có thể phát hiện vật nhỏ ở khoàng cách xa
Sóng đàn hồi bị ảnh hưởng của sóng âm (tạp âm)
Cần 1 khoảng thời gian sau mỗi lần phát sóng đi để nhận xong phản hồi => Chậm hơn các cảm biến khác
Khó phát hiện vật có mật độ vật thấp ở khoảng cách xa
Ứng dụng thực tế
Cảm biến siêu âm SRF05 có khả năng phát sóng siêu âm và nhận phản hồi từ sóng siêu âm khi có vật cản, do đó nó được xem như một cảm biến khoảng cách SRF05 thường được ứng dụng trong việc đo khoảng cách và phát hiện, né tránh vật cản.
- Điện áp hoạt động: 5VDC
- Khoảng cách phát hiện: 2cm – 450cm
- Tín hiệu kích hoạt đầu vào: 10us xung TTL
- Kích thước: 43mm x 20mm x 17m Nguyên lý hoạt động:
Cảm biến siêu âm SRF05 có 2 chế độ (mode) hoạt động
Chế độ 1 cho phép sử dụng chân Trigger để kích hoạt phát sóng siêu âm và chân Echo để nhận tín hiệu phản hồi Trong chế độ này, hai chân Trigger và Echo hoạt động độc lập Để sử dụng chế độ này, chân Out cần được để hở mạch, không kết nối.
Để kích hoạt cảm biến SRF05 phát ra sóng siêu âm trong chế độ 1, cần tạo một xung có độ rộng nhất định Giản đồ xung của các chân cảm biến sẽ giúp người dùng hiểu rõ hơn về cách thức hoạt động của cảm biến này.
Để sử dụng cảm biến siêu âm SRF05, cần đảm bảo tín hiệu Trigger có độ dài tối thiểu là 10us Sau đó, cảm biến sẽ phát ra 8 xung siêu âm và chân Echo sẽ được kéo lên mức cao ngay lập tức Khi sóng siêu âm gặp vật cản và phản hồi, chân Echo sẽ giảm xuống mức 0 Nếu độ rộng xung đo được lớn hơn 30ms, điều này cho thấy không có vật cản hoặc vật cản nằm ngoài khoảng cho phép của module.
Chế độ 2 cho phép sử dụng một chân Trigger để kích hoạt phát sóng siêu âm và nhận tín hiệu phản hồi Trong chế độ này, chân Trigger thực hiện đồng thời hai chức năng quan trọng Để sử dụng hiệu quả, cần kết nối chân Out với 0V.
Giản đồ xung của các chân cảm biến trong chế độ 2 như sau
Để kích hoạt phát sóng siêu âm trong chế độ 1, cần tạo xung Trigger có độ rộng tối thiểu 10us, sau đó cảm biến sẽ phát 8 xung siêu âm Sau khi phát sóng, chân Trigger được kéo lên mức 1 và trong khoảng 100us-25ms, nếu có sóng phản hồi, chân Trigger sẽ hạ xuống mức 0 Nếu độ rộng xung đo được lớn hơn 30ms, điều này cho thấy không có vật cản hoặc vật cản nằm ngoài khoảng cho phép của module.
Dựa vào hai giản đồ xung ở phần trên, việc xác định khoảng cách được thực hiện thông qua độ rộng mức 1 của xung tín hiệu phản hồi trên chân Echo (ở chế độ 1) hoặc chân Trigger (ở chế độ 2).
Từ khoảng thời gian độ rộng mức 1, ta tính ra khoảng cách (Distance) từ vật cản đến cảm biến siêu âm SRF05 dựa vào công thức sau:
Gọi thời gian độ rộng xung đo được là t(us)
Thời gian đo độ rộng xung được xác định là khoảng thời gian từ khi sóng được phát ra cho đến khi nó gặp vật cản và phản hồi lại Do đó, thời gian từ cảm biến đến vật cản là t/2 (micro giây).
Ta có vận tốc âm thanh trong không khí = 343.2m/s = 0.03432cm/us
Distance = 0.03432 * t(us)/2 (cm) Distance ≈ t(us)/58 (cm)
Cảm biến siêu âm có khả năng phát sóng siêu âm sau mỗi 50ms Do đó, để đảm bảo độ chính xác, cần chờ 50ms sau mỗi lần đo trước khi thực hiện lần đo tiếp theo.
Hình 1 Cảm biến siêu âm trong công nghiệp
Thông số kỹ thuật cảm biến siêu âm đo khoảng cách, đo mức nước
– Output: 4-20mm/0-10VDC, NPN/PNP
– Thời gian đáp ứng: