Xây dựng đặc tính của cảm biến tiệm cận cho robot di động

Vì dải khoảng cách cảm biến tương đối rộng nên cảm biến tiệmcận còn được ứng dụng trong dò đường của robot để phát hiện các chướngngại vật khác nhau.. - Nghiên cứu các phương pháp đo đặc

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục đích của đề tài 1

3 Nội dung nghiên cứu 1

4 Phương pháp nghiên cứu 2

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 3

CHƯƠNG 1 4

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ CẢM BIẾN TIỆM CẬN CHO ROBOT DI ĐỘNG 4

1.1 Lịch sử phát triển 4

1.2 Tổng quan về cảm biến tiệm cận 6

1.2.1 Định nghĩa cảm biến tiệm cận 6

1.2.2 Nguyên lý làm việc 6

1.2.3 Cảm biến tiệm cận tín hiệu tương tự 9

1.2.4 Cảm biến tiệm cận tín hiệu số 10

1.3 Một số tiêu chuẩn trong quá trình đo cảm biến 12

1.3.1 Khoảng cách cảm biến 12

1.3.2 Hiện tượng trễ 13

1.4 Mô hình động học để đo đặc tính của cảm biến tiệm cận 15

CHƯƠNG 2 21

PHƯƠNG PHÁP ĐO 21

2.1 Sơ đồ nguyên lý đo đặc tính tĩnh của cảm biến tiệm cận 21

2.2 Sơ đồ và nguyên lý đo đặc tính động của cảm biến tiệm cận 22

CHƯƠNG 3 25

3.1.4 Al, chiều dày 0.1mm 29

3.1.5 Al, chiều dày 0.15mm 30

3.1.6 Hợp kim, chiều dày 0.3mm 31

3.2 Đo đặc tính động của cảm biến tiệm cận 32

3.2.1 Sự biến dạng của tấm nhôm khi sử dụng và không sử dụng tấm nhựa đặt bên dưới 32

3.2.2 Hình dạng của tín hiệu đầu ra khi sử dụng cảm biến tiệm cận loại tương tự và loại số 35

3.2.3 Mối quan hệ giữa tốc độ băng tải, khoảng cách cảm biến và hình dạng của tín hiệu 37

3.2.4 Hình dạng của tín hiệu đầu ra khi thêm tấm nhựa bên dưới 45

3.2.5 Hình dạng của tín hiệu đầu ra khi thay đổi chiều dày của tấm nhôm 47

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 49

1 Kết luận 49

2 Hướng phát triển của đề tài 49

TÀI LIỆU THAM KHẢO 50

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Đối với tất cả các hệ thống điều khiển cùng với sự phát triển của xe khôngngười lái, việc xác định đặc tính tĩnh của cảm biến đóng vai trò rất quan trọngtrong việc nghiên cứu đặc tính động học của hệ thống

Cảm biến tiệm cận ngày càng sử dụng phổ biến để ứng dụng trong điềukhiển robot Vì dải khoảng cách cảm biến tương đối rộng nên cảm biến tiệmcận còn được ứng dụng trong dò đường của robot để phát hiện các chướngngại vật khác nhau Tín hiệu đầu ra từ các loại cảm biến khác nhau sẽ quyếtđịnh các vùng hoạt động khác nhau của robot di động Nếu tín hiệu này xuấthiện nhiễu thì sẽ rất khó khăn trong việc điều khiển robot cũng như các thiết bị

- So sánh các kết quả và chỉ ra được vùng hoạt động tối ưu của robot di độngtrong môi trường thực tế

3 Nội dung nghiên cứu

đây, đánh giá tầm quan trọng của đặc tính tĩnh và đặc tính động của cảm biếntiệm cận.

- Nghiên cứu các phương pháp đo đặc tính tĩnh và đặc tính động của cảmbiến tiệm cận

Trong chương này, đưa ra hai phương pháp đo cùng mô hình thực nghiệm

để xác lập mối quan hệ giữa các thông số khác nhau:

+ Đặc tính tĩnh: Chiều dày vật liệu (Al, Cu, Steel, Alloy) và khoảng cáchcảm biến

+ Đặc tính động: Hình dạng tín hiệu, khoảng cách cảm biến và tốc độ

- Phân tích và đánh giá kết quả đạt được

Dựa vào những kết quả nhận được, tiến hành phân tích, so sánh và đánh giá

về mối quan hệ giữa các thông số trong mô hình đo đặc tính tĩnh và mô hình

đo đặc tính động Từ đó, tìm ra vùng hoạt động tối ưu trong quá trình nhậndạng của robot di động

- Rút ra kết luận và hướng phát triển của đề tài

Trong phần này, rút ra một số kết luận về mối quan hệ giữa khoảng cáchcảm biến và chiều dày của các loại vật liệu khác nhau Cũng như sự khác biệt

về tín hiệu nhận được khi có sự thay đổi các thông số khoảng cách cảm biến,vận tốc Từ đó đưa ra hướng phát triển trong tương lai nhằm hoàn thiện hơn vềcác đặc tính này

4 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu kỹ cơ sở lý thuyết của cảm biến tiệm cận bao gồm: Loại cảmbiến, tính chất vật lý, dải khoảng cách cảm biến thường dùng cho việc điềukhiển, dò đường

- Nghiên cứu lại tính chất vật lý của các vật liệu kim loại Al, Cu, Steel,

- Thiết lập một mô hình tĩnh và mô hình động để đo đặc tính của cảm biếnđược chính xác

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

- Nghiên cứu và khai thác các loại cảm biến tiệm cận, đặc biệt là cảm biệntiệm cận loại điện cảm cho công tác đào tạo, đặc biệt trong chuyên ngành Sảnxuất tự động

- Ứng dụng bộ cảm biến tiệm cận vào công việc do đường của robot di độngthông qua vùng hoạt động tối ưu của nó

- Việc phát hiện các chướng ngại vật với khoảng cách rất xa cho phép cảmbiến tiệm cận có nhiều ưu điểm vượt trội hơn các loại cảm biến khác Đặc biệtvới việc sử dụng cảm biến tiệm cận thì mức độ nhiễu của tín hiệu đầu ra đượcgiảm thiểu đáng kể do sự hoàn thiện của mạch IC trong cảm biến

CHƯƠNG 1

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ CẢM BIẾN TIỆM CẬN CHO ROBOT DI

ĐỘNG 1.1 Lịch sử phát triển

Trong lĩnh vực tự động hóa, cảm biến tiệm cận là một trong những bộ

phận điện tử lâu đời nhất, nó không ngừng được phát triển để bắt kịp với xuthế của thời đại

Khoảng 50 năm trước, Walter Pepperl và Wilfried Gehl đã tạo ra mộtbước ngoặt trong sự tiến bộ của công nghệ máy tính thông qua việc khám phá

ra một sự thay thế cho các tiếp xúc cơ học [30-33] Tại thời điểm này, một sốnhà nghiên cứu khác cũng đã nhận ra mối tương tác giữa một vật thể kim loại

và cảm biến tiệm cận Hơn 10 năm trước đó, William B.Shockley đã dùng cácvật liệu bán dẫn để dễ dàng đánh giá và thay đổi tín hiệu chuyển mạch Từ đó,việc phát minh ra loại cảm biến tiệm cận tín hiệu số trở thành một điển hình sơkhai về cách thức truyền dữ liệu và chuyên môn kỹ thuật tiến bộ công nghệ tựđộng hóa

Khoảng 10 năm sau, các cảm biến tiệm cận thế hệ mới lần lượt được trưngbày Các bề mặt hoạt động của cảm biến được thay đổi hiệu quả với các bộkhuếch đại và dải hoạt động khác nhau [28] Hơn nữa, sự hoàn thiện của côngnghệ này dẫn đến sự đa dạng về chủng loại cảm biến

Vùng hoạt động của các loại cảm biến tiệm cận hiện nay cung cấp cáckhoảng cách chuyển đổi từ 20mm đến 40mm Trong các hệ thống có nhiềuthiết bị điện tử làm việc cùng với nhau, điều này cho phép chống lại các nhiễubên ngoài [29] Các cảm biến tiệm cận có thể là loại NPN hoặc PNP

Hình 1.2 Cảm biến tiệm cận loại VariKont

1.2 Tổng quan về cảm biến tiệm cận

1.2.1 Định nghĩa cảm biến tiệm cận

Cảm biến tiệm cận là một thiết bị điện tử dùng để phát hiện đối tượngkhông cần tiếp xúc [1] Chúng có thể nhận dạng chính xác một vật thể màkhông cần thông qua một công tắc cơ học Bên cạnh đó, cảm biến tiệm cậnđược thiết kế và cung cấp các hoạt động chính xác và lặp lại ở tốc độ cao,tốc

độ cao có thể lên đến 5000Hz Vì vậy độ chính xác của chúng có thể được tínhtoán trong vòng 0.001inch [2]

Cảm biến tiệm cận có thể phát hiện được sự hiện diện của cả kim loạimàu và kim loại đen bằng cách tạo ra trường điện từ tần số cao Chúng thườngđược chế tạo bằng cách sử dụng một cuộn dây và lõi pherit [3] Khi đối tượngchuyển động qua từ trường, dòng điện cảm ứng xuất hiện trên bề mặt của vậtthể Dòng điện này gây ra sự thay đổi đặc tính của cuộn dây và khiến nó mấtnăng lượng Cảm biến được thiết kế để phát hiện sự mất năng lượng này như

là một quá trình chuyển đổi Từ đó kích hoạt tín hiệu đầu ra dưới hai trạng thái

ON và OFF Khi đối tượng kim loại ra khỏi khu vực từ trường thì cuộn dâyphục hồi trạng thái và cảm biến trở lại lúc ban đầu

1.2.2 Nguyên lý làm việc

Một cảm biến tiệm cận cảm ứng bao gồm bốn thành phần Có cuộn dây,mạch dao động, mạch phát hiện và mạch đầu ra [4] Cơ sở của nguyên lý cảmbiến cảm ứng là một cuộn dây HF, có thể bị ảnh hưởng từ bên ngoài bởi cácvật liệu kim loại Cuộn dây dao động của mạch cộng hưởng LC, được tích hợptrong lõi ferrite, tạo ra trường xen kẽ điện từ tần số cao - đi qua bề mặt độnghọc Khi một vật kim loại tiếp cận dòng điện xoáy được tạo ra trên bề mặt củamục tiêu tạo ra điện lượng (Q) giảm dần của mạch dao động, do đó, biên độdao động bị giảm [5] Sự thay đổi biên độ dao động này được phát hiện bởimột bộ khuếch đại và chuyển đổi thành tín hiệu chuyển mạch xác định ở giai

DETECTOR OSCILLATOR

HOUSING FERRITE CORE WITH COIL

hd

Hình 1.3 Sơ đồ nguyên lý làm việc của cảm biến tiệm cận

Nhìn chung, một cảm biến tiệm cận loại điện cảm hoạt động theo nguyêntắc thay đổi dòng điện cảm ứng do có sự biến thiên từ trường [6] Nó phát hiện

sự có mặt hoặc không có mặt của kim loại màu và kim loại đen mà không cầnphải tiếp xúc với bề mặt của chúng Rất nhiều loại trong số chúng có thể pháthiện bất kỳ vật liệu kim loại nào vì trong thành phần của nó được tạo ra bởicác vật liệu dẫn điện

Hình 1.4 minh họa sự ứng dụng của cảm biến tiệm cận cho việc dò đườngcủa robot di động nhờ vào độ tin cậy và chính xác của nó

Mobile Robot Proximity sensor

h

Metal tape Defect of metal tape

h

Hình 1.4 Ứng dụng của cảm biến tiệm cận cho việc dò đường của robot [7]

Mỗi cảm biến tiệm cận có phạm vi hoạt động khác nhau, chúng có thểđược bảo vệ hoặc không được bảo vệ bởi lớp vỏ [8] Trong đó, những cảmbiến có vỏ che chắn có dải hoạt động giảm dần so với những cảm biến không

có vỏ che chắn

Các cảm biến tiệm cận loại được che chắn có một dải kim loại bao quanhđầu cảm biến, cái mà bao gồm cuộn dây quấn quanh lõi thép Trường điện từcủa những loại cảm biến này có thể được điều chỉnh ở bề mặt trước Đối vớiloại cảm biến không được bảo vệ, có có dải kim loại ở phần đầu, hơn nữatrường điện từ rộng hơn rất nhiều so với bề mặt cảm biến Hai loại cảm biến

Metal Shield Metal Shield

Ferrite Core

SHIELDED SENSOR

Ferrite Core

UNSHIELDED SENSORHình 1.5 Hai loại cảm biến có vỏ bảo vệ và không có vỏ bảo vệ

1.2.3 Cảm biến tiệm cận tín hiệu tương tự

a Đặc điểm

Cảm biến tiệm cận tương tự cho tín hiệu đầu ra tỷ lệ thuận với khoảngcách cảm biến [9] Tuy nhiên, nó có thể sử dụng với các loại điện áp khácnhau từ 0-20MV Cảm biến tiệm cận tương tự được sử dụng để kiểm soátkhoảng cách, độ dày của băng tải, xác định độ không đồng đều, định vị, điềukhiển mức liên tục, điều khiển tối đa với độ trễ thay đổi cũng như để đánh số

và điều khiển, để đặt tên[10] Trong đó một số ít cảm biến đặc biệt phù hợp để

sử dụng trong việc đo lường các kỹ thuật và hệ thống điều khiển

b Sơ đồ nguyên lý thể hiện các tín hiệu đầu ra khác nhau

BRN 1

BLK 2

WHT 4

15-30VDC VOLTAGE OUTPUT CURRENT OUTPUT

BRN 1 BLK 2

15-30VDC VOLTAGE OUTPUT

BRN 1 BLK 2

15-30VDC CURRENT OUTPUT

Tín hiệu đo được sẽ cho thấy mức điện áp 0-10mV tương ứng với điệntrở > 0.7mV hoặc cường độ dòng điện đầu ra 0-20mV tương ứng với điện trở0-200

c Dải hoạt động

Phạm vi hoạt động của loại cảm biến này có thể được xác định thôngqua mối quan hệ với tín hiệu đầu ra được thể hiện trên hình 1.7 Điển hình nhưloại cảm biến tín hiệu tương tự ST 37

Vout

Sn2

46

810

Sensing distanceHình 1.7 Phạm vi làm việc của cảm biến tín hiệu tương tự [11]

1.2.4 Cảm biến tiệm cận tín hiệu số

a Đặc điểm:

Loại cảm biến này tạo ra tín hiệu đầu ra dưới dạng tín hiệu nhị phânlogic “ 0” hoặc “1” (ON hoặc OFF) Điều này có nghĩa là tín hiệu số chỉ tạo racác giá trị rời rạc (không liên tục) Có thể đầu ra dưới dạng một bit (nối tiếp)hoặc kết hợp nhiều bit (song song)

b Sơ đồ nguyên lý

+V Signal 0V/GND

SENSOR

+12V 12VDC POWER SUPPLY

Brown Black Blue

PHIDGET BOARD WITH DIGITAL INPUTS

VOLTAGE OUTPUT

OF DIGITAL PROXIMITY SENSOR

Hình 1.8 Điện áp đầu ra của cảm biến tín hiệu số Tín hiệu đầu ra có thể ở dạng thường mở (NO) hoặc ở dạng thường đóng(NC) Cảm biến tiệm cận tín hiệu số có thể có 2,3 hoặc 4 dây, tương ứng với 2loại cơ bản NPN hoặc PNP được thể hiện trên hình 1.9

LOAD

PNP TRANSISTOR NPN TRANSISTOR

1.3 Một số tiêu chuẩn trong quá trình đo cảm biến

1.3.1 Khoảng cách cảm biến

Đây là khoảng cách giữa đối tượng (vật liệu kim loại) và đầu đọc cảm

biến Nhiệt độ và trở kháng ở cuối quá trình đo đều ảnh hướng đến kết quả đo

Do đó các yếu tố này cần được loại bỏ để mang đến kết quả đo chính xác [12].Hình 1.10 thể hiện các thông số liên quan đến khoảng cách cảm biến

Sa - Khoảng cách cảm biến được đảm bảo Đây là khoảng cách cảm biếnhữu ích nhỏ nhất đảm bảo hoạt động dưới sự thay đổi của nhiệt độ, điện áp vàlắp ghép.

được thể hiện trong hình 1.11

Proximity sensor

Sensing distance (h) Hysteresis

Target Motion direction

Switch off when leaving

Switch on when approaching

Hình 1.11 Độ trễ của cảm biến

1.4 Mô hình động học để đo đặc tính của cảm biến tiệm cận

h

3

Hình 1.12 Mô hình đo đặc tính động của cảm biến tiệm cận

Trong thực tế, vị trí của các vật kim loại chuyển động được phát hiện màkhông cần tiếp xúc cơ học[15] Những yêu cầu này được đáp ứng hoàn toànbởi các cảm biến cảm ứng không tiếp xúc Mô hình này được sử dụng để táchcác mảnh kim loại khỏi các mảnh vật liệu pha trộn [16] Các cảm biến tiệmcận xác định vị trí của các miếng kim loại và máy tính xử lý hướng dẫn cơ chếphân loại để đặt các mảnh kim loại và phi kim loại vào các thùng chứa riêngbiệt Đồng thời, sự hoàn thiện của ứng dụng này tập trung vào một hệ thống đểtách các mảnh kim loại màu hỗn hợp, thường không thể tách rời bằng cách sử

thuyết của quá trình đo được thể hiện ở hình 1.13-18

Hình 1.14 Kiểm tra một sự tồn tại của một đối tượng ở vị trí xác định

Proximity sensor

Time (s)

Voltage (V)

Object h

Hình 1.15 Định vị vị trí của đối tượng

Time (s)Voltage (V)

Object

Proximity sensor

h

Hình 1.16 Đếm đối tượng

Proximity sensor

Object Voltage(V)

Time(s) h

Hình 1.17 Xác định tốc độ quay

Time (s) Voltage (V)

Time (s) Voltage (V)

Proximity sensor

Velocity

Object h

Hình 1.18 Xác định tốc độ chuyển động tịnh tiến

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP ĐO 2.1 Sơ đồ nguyên lý đo đặc tính tĩnh của cảm biến tiệm cận

Một mô hình thử nghiệm của hệ thống đo lường được hiển thị tronghình.2.1 Có một tấm đá (1) trên một khung thép cố định (5) Trên tấm đá, mộtthước đo chiều cao kỹ thuật số (4) để di chuyển cảm biến tiệm cận điện cảm(2) tịnh tiến lên xuống, sau đó khoảng cách cảm biến (h) được xác định từ vịtrí tham chiếu (bề mặt tham chiếu) đến bề mặt cần đo (đặt lại) Khi một cảmbiến tiệm cận cảm ứng di chuyển vào vùng cảm biến tín hiệu đầu ra sẽ bật ON.Mặt khác, một cảm biến tiệm cận cảm ứng di chuyển ra khỏi vùng cảm biếncảm biến, tín hiệu đầu ra sẽ OFF Để so sánh các khoảng cách cảm nhận khácnhau, nhiều vật kim loại, chẳng hạn như: thép, đồng, nhôm, v.v Bên cạnhviệc tăng và giảm độ dày (d) của tấm kim loại (3) sẽ xác lập được các mốiquan hệ khác nhau của cách cảm biến Để nhận được kết quả chính xác, ba lần

đo được lấy và lấy trung bình để lấy giá trị Bên cạnh tín hiệu điện có thể được

đo bằng mức điện áp như trong hình 2.1

5

h d

1- A stone plate2-Inductive proximity sensor3- Metal tape

2.2 Sơ đồ và nguyên lý đo đặc tính động của cảm biến tiệm cận

Mô hình đo được thể hiện trên hình 2.2-3 Tương ứng với hai loại cảm biến khac nhau

Aluminium

Oscilloscope12V

v

Conveyor belt

Electrical system

Mechanical system

Hình 2.2 Mô hình đo với cảm biến tiệm cận loại tín hiệu số

Blue wire

Oscilloscope 15-30V

v

Conveyorbelt



Electricalsystem

Mechanicalsystem

Hình 2.3 Mô hình đo với cảm biến tiệm cận loại tín hiệu tương tự

Đối với loại cảm biến tín hiệu số (3 dây), để cung cấp dòng điện cho cảmbiến, sử dụng nguồn điện 12VDC Ngoài ra, trong quá trình đo, để giới hạngiá trị của cường độ dòng điện, chúng ta dùng biến trở 10

Đối với loại cảm biến tín hiệu tương tự (4 dây), giá trị điện áp rơi vàokhoảng 15-30VDC, trong trường hợp này chúng ta dùng bộ chuyển đổi Vàchúng ta không cần dùng biến trở

xung hình sin Các tín hiệu đầu ra này được dịch chuyển trên màn hình củamáy hiện sóng, được cung cấp bởi nguồn điện xoay chiều.

cảm biến: cảm biến tiệm cận tương tự và cảm biến tiệm cận kỹ thuật số trongcác trường hợp, chẳng hạn như: chỉ sử dụng một băng nhôm (d = 0,1mm), sửdụng một tấm nhôm với tấm nhựa được đặt bên dưới

Trong mỗi trường hợp, cả hai đều tăng tốc độ băng tải từ thấp lên cao trongkhi vẫn giữ khoảng cách cảm nhận không đổi và thay đổi khoảng cách cảmbiến của các cảm biến với các giá trị khác nhau trong khi giữ tốc độ băng tảikhông thay đổi (vận tốc nhỏ), quan sát sự thay đổi tín hiệu đầu ra đến máyhiện sóng

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Đo đặc tính tĩnh của cảm biến tiệm cận

Thông qua mối quan hệ giữa khoảng cách cảm biến (h) và độ dày của kimloại (d), quá trình đo hiệu suất tĩnh của cảm biến tiệm cận điện cảm được thểhiện trong hình 3.1 Ở đây, giá trị của điện áp DC được giữ không đổi trongsuốt quá trình đo (V = 12.02 (V))

Mối quan hệ giữa khoảng cách cảm biến (h) và độ dày của băng kim loại(d) phụ thuộc vào cơ tính vật liệu, chẳng hạn như: chất nghịch từ, chất thuận

từ và từ tính Với cùng một điện áp đầu vào là 12,02V, về độ dày ban đầu củathép, khoảng cách phát hiện của cảm biến tiệm cận điện cảm tỷ lệ thuận với độdày của vật phát hiện, trong khi tỷ lệ nghịch với độ dày ban đầu của nhôm vàđồng Điều này được giải thích bằng đặc điểm kỹ thuật của thép, nhôm vàđồng

Bên cạnh đó, với cùng điều kiện điện áp, khi đo cùng một vật liệu nhưnghình dạng độ dày khác nhau của đồ thị hầu như không thay đổi (Hình 3.1) Do

đó, với cùng loại tấm kim loại, khoảng cách cảm nhận của cảm biến tiệm cậnđiện cảm không phụ thuộc vào độ dày của băng kim loại

3.1.1 Thép không gỉ 301, chiều dày 0.06mm

từ 0,06 mm đến 0,18 mm Trong phạm vi này, khoảng cách cảm biến khôngphụ thuộc vào độ dày của kim loại Ngoài ra, tồn tại một giá trị độ dày của vậtliệu trong đó khoảng cách cảm biến có giá trị tối đa là 4,7 mm Với kết quảnày, việc xác định cảm biến tiệm cận trong phạm vi từ 0,06 mm đến 0,18 mm

dễ dàng hơn trong phạm vi từ 0,24 mm đến 0,5 mm