Trang 1/6 PHAN 1: TIM HIEU VE CAM BIEN QUANG 1.1 Khái niệm về quang ánh sáng: Ánh sáng là tên gọi chung đề chỉ hoạt động bức xạ điện từ sở hữu những bước sóng nhỏ nằm trong điện từ qu
Trang 1
TONG LIEN DOAN LAO ĐỘNG VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HOC TON DUC THANG KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ
BAO CAO THUYET TRINH MON: DIEU KHIEN QUA TRINH
DE TAIL:
TIM HIEU VE CAM BIEN QUANG VA
THIET KE HE THONG SAN XUAT
KEO DUA
GVHD: TS Lé Anh Tuan
Nhom mon hoc : 06
Nhom thuyét trinh: 14
THANH PHO HO CHi MINH, NAM 2022
Trang 2
TONG LIEN DOAN LAO ĐỘNG VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HOC TON DUC THANG KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ
BAO CAO THUYET TRINH MON: DIEU KHIEN QUA TRINH
DE TAIL:
TIM HIEU VE CAM BIEN QUANG VA
THIET KE HE THONG SAN XUAT
KEO DUA
GVHD: TS Lé Anh Tuan
Nhom mon hoc : 06
Nhom thuyét trinh: 14
THANH PHO HO CHi MINH, NAM 2022
Trang 3LỜI CẢM ƠN Chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Lê Anh Tuần- giảng viên
bộ môn “Điều khiến quá trình” đã trang bị cho chúng em nhiều kiến thức, cũng
như những kĩ năng cần thiết đề hoàn thành bài báo cáo này
Tuy nhiên trong quá trình thực hiện đề tài, do kiến thức còn nhiều hạn chế nên
chúng em còn nhiều thiếu sót khi tìm hiểu và trình bày báo cáo Rất mong nhận
được sự quan tâm, góp ý của thầy đề đề tài báo cáo của chúng em được đây đủ và
hoàn chỉnh hơn
Xin chân thành cảm ơn!
Trang 4DANH SÁCH THÀNH VIÊN THỰC HIEN
Tìm hiểu về khái niệm quang
Định nghĩa, cấu tạo, nguyên lí,
ưu nhược điểm và ứng dụng về cảm biến quang phản xạ
khuếch tán
Tìm hiểu về linh kiện thiết kế
hệ thống Viết chương trình
điều khiến hệ thống và gia
công mạch san pham (Phan 1) Xây dựng và thiết kế hệ thống trên HMI Phân tích và vẽ lại bản vẽ P&ID của hệ thống
Định nghĩa, cầu tạo, nguyên lí,
ưu nhược điểm và ứng dụng về cảm biến quang thu phát độc lập và cảm biến quang phản xạ
qua guong
Tim hiéu vé linh kién thiét ké
hệ thống Thiết kế sơ đồ nguyên lí hệ thống (Phần 1)
Viết chương trình điều khiến
Trang 5
Tìm hiểu về định nghĩa, cầu tạo, nguyên lí, ưu nhược điểm
và ứng dụng của Photodiode
Lựa chọn đề tài, xây dựng vả thiết kế hệ thống Thực hiện vẽ mach PCB hệ thống (Phần 1)
Tìm hiểu về hệ thống, viết chương trình điều khiến hệ
thống, vẽ lưu đồ giải thuật và
sơ đồ khối hệ thong (Phan 2)
Lựa chọn linh kiện thiết kế hệ
thống Xây dựng sơ đồ nguyên
lí hệ thông và thực hiện vẽ
mạch PCB cho hệ thống Viết báo cáo hệ thông (Phân 1)
Tìm hiểu về hệ thống, thiết kế
giao diện hệ thống trên HMI
Thiết kế và vẽ các sơ đồ cầu
QUANG Tim hiéu vé dinh nghia, cau
tao, nguyén li, wu nhuoec diém
va ung dung cua Encoder
Trang 6
Việt chương trình điêu khiên cho hệ thống và gia công mach (Phan 1) Xây dựng chương trình điều
khién hệ thống, xây dựng lưu
dé giải thuật và vẽ các sơ đồ khối và sơ đồ cấu trúc hệ
thong (Phan 2)
Trang 7DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình ! Bước sóng của ánh sáng - - - c0 22 22211112111 1211 1211111111011 101 1111011111118 kk Hình 2 Nguyên lí cảm biến quang phản xạ khuếch tán + 22s E21 22122221 x52 Hình 3 Cảm biến quang phản xạ khuếch tán 55-5 1 111 S11511211111 111111222 1e 6
Hình 4 Cảm biến quang EL8- D80NK 5 c1 1E EE1211212111112111 111111111110 ng
Hình 5 Cảm biến quang thu phát độc lập S111 1 1EE1E111111511121111111 E222 1e Hình 6 Nguyên lí hoạt động của cảm biến quang thu phát độc lập - eee Hình 7 Ứng dụng của cảm biến quang s55 1c 1E 1111211111211 11 1101 11121 re Hình 8 Module diode quang - - 2: 2221220111 231113111131 1111111111111 1111111111111 11k Hình 9 Kí hiệu Diode quang - 5 2c 2211222111121 1 1211111112221 111182211 111821 11111 21k Hình 10 Câu tạo Diode quang tiếp giáp P- N - - cct t1 11 11212121 ctt re, Hình 11 Diode quang cau trúc PIN - 5221 S222121511111211111211212212 121 xe Hình 12 Sơ đồ chuyền tiếp P - N và hiệu ứng quang điện trong vùng nghẻo Hình 13 Cấu tạo loại Diode PIN 2s n n2 S1 11111511511 151 211215515121 ng
Hình 14 Chế độ quang điện - ¿+ s11 9 1E1111E1E11E1111E11512112111171121111211111111 ru
Hình 15 Dùng Điốt quang ở chế độ quang dẫn - s11 SE E1 1 1111111115121 1 xe2 Hình 16 Mắt thu hồng ngoại 1S Ss TS 1E 1 1EE12111121111111211 11111111101 111 ru Hinh 17 Hình dáng PhototransISfOr - c2 2211211121 12112 11221 10111112111 1518211181 Hình I8 Câu tạo phototranIsiSỂOr -s- 5c 511221111 11211111111111111121211 1110101111 rrg Hình 19 Cường độ dòng điện thay đối theo ánh sáng 22 2s 22222112 2e Hinh 20 Nguyên lí hoạt động của PhototrafnSISfOF - 0 2222212211211 122tr Hình 2l Ứng dụng của Transistor quang 5c 5s s12 19118111211211211112 211 2t Hinh 22 Encoder quang L L2 2201121111211 152111211 1121115 211101111011 12 110011111 Hình 23 Mạch khuếch đại của Encoder quang 5s S11 E1 EEEEEEE221122222E222 xe Hình 24 Nguyên lí hoạt động của Encođer quang tuyệt đối + 2 s2 sec Hình 25 Tín hiệu Encoder quang tuyệt đối s2 S111 1E1E111111 1111111115121 xe Hinh 26 Encoder quang - L L2 2201121111211 152111211 1121112 211101111011 12 0111011111 Hình 27 Động Cơ DC Servo GMI25-370 DC Geared Motor - -ccc sec scss2
Trang 8DANH MUC BANG VE
Bang I Thông số của cảm bién quang E18- D8ONK uo csccsesesessesessesessesessesseeen Bang 2 Vùng bước sóng của một số chất bán đẫn - S1 E2 EE121211111111 52 te
Trang 9Trang 1/6
PHAN 1: TIM HIEU VE CAM BIEN QUANG
1.1 Khái niệm về quang (ánh sáng):
Ánh sáng là tên gọi chung đề chỉ hoạt động bức xạ điện từ sở hữu những bước sóng nhỏ nằm trong điện từ quang phố, tính chất của ánh sáng cũng tương tự như mọi hoạt động bức xạ điện từ và chúng được hình thành từ những hạt photon chuyền động theo từng đợt sóng
- Anh sang kha kién:
Ánh sáng hay ánh sáng khả kiến là các bức xạ điện từ có bước sóng năm trong vùng quang phô nhìn thấy được bằng mắt thường của con người (tức là từ khoảng 380 nm đến 760 nm), còn gọi là vùng khả kiến
- Anh sang bat khả kiến: Không thuộc vào vùng khả kiến
1.1.2 Cac don vi do:
- Cwong do sang - Luminous Intensity
Điều Khiến Quá Trình Nhóm 14
Trang 10Trang 2/6
Khái niệm cường độ sáng thể hiện mật độ năng lượng phát ra từ một nguồn sáng trong một hướng cụ thế, hay có thê được định nghĩa là quang thông theo một hướng nhất định phát ra trên một đơn vị góc khdi (1cd = | lumen/steradian)
Quang thông là đại lượng trắc quang cho biết công suất bức xạ của chùm ánh sáng phát ra từ một nguồn sáng, hoặc định nghĩa khác quang thông là thông lượng ánh sáng phát ra từ một nguồn sáng theo mọi hướng trong một giây
Nhiệt độ màu của một nguồn sáng được thể hiện theo thang Kelvin (K) là biêu hiện màu sắc của ánh sáng đo nó phát ra
- Chi sé hoan mau - Color Render Index CRI (Ra)
Chỉ số hoàn mau (hay còn được gọi là: Độ hoàn màu; Độ trả màu hoặc Chỉ
số kết xuất màu) là một đại lượng biểu thị về khả năng của một nguồn sáng nhân tao so voi nguồn sáng lý tưởng hoặc tự nhiên khi so sánh độ trung thực màu sắc của vật được nguồn sáng chiếu tới
Quang hiệu (hoặc thường gọi là hiệu suất phát quang) thê hiện đầy đủ khả năng biến đôi năng lượng mà nguồn sáng tiêu thụ thành quang năng
Trang 11- Cam bién quang phan xa guong
- Cam bién quang thu phat
- Cam biến quang thu phát độc lập
- Cam bién quang phan xa khuéch tan
Hình 2 Nguyên lí cảm biến quang phản xạ khuếch tán
1⁄3 Cảm biến quang phản xạ khuếch tán
1.3.1 Định nghĩa cảm biến khuếch tán
Cảm biến quang khuếch tán hay còn được biết tới là cảm biến quang phản
xạ khuếch tán là một cảm biến tiệm cận(khoảng cách) sử dụng quang học Nó sử dụng nguyên tắc phản xạ ánh sáng đề phát hiện các vật thể trong phạm vi của nó 1.3.2 Cấu tạo:
- Cảm biến có một nguồn sáng và một bộ thu được đặt trong củng một gói Chùm sáng được phát ra về phía mục tiêu / đối tượng và được mục tiêu phản xạ trở
lại cảm biến
Điều Khiến Quá Trình Nhóm 14
Trang 12Trang 4/6
- Ban than vat thé hoat động như một tấm phản xạ, loại bỏ sự cần thiết của một bộ phận phản xạ riêng biệt Cường độ của ánh sáng phản xạ được sử dung dé
phát hiện sự hiện diện của đối tượng
Hình 3 Cảm biến quang phản xạ khuếch tán
Hình 4 Cảm biến quang E18- D80NK Bảng 1 Thông số của cảm biến quang E1§- D80NK
Điện áp hoạt động
Khoảng cách hoạt động tôi đa
Dòng kích ngõ ra
Thời gian phản hồi
Điều Khiễn Quá Trình
Trang 13Chiéu dai cam bién 45mm
1.3.3 Nguyên lý hoạt động:
— Khi không có vật cản : ánh sáng không phản xạ về vị trí thu hoặc bề mặt vật
không phản xạ về vị trí thu Cảm biến báo trạng thái ON
— Khi có vật cản : cảm biến phát ánh sáng ra liên tục từ bộ phát Khi gặp vật cản ánh sáng bị phản xạ lại về vị trí thu trên cảm biến
1.3.4 Ứng dụng:
- Bật tắt đèn tự động
- Cảm biến hồng ngoại giúp chống trộm
- Giúp mở cửa tự động
- Giúp truyền lệnh điều khiên
1.4 Cảm biến quang thu phát độc lập:
1.4.1 Đặc điểm:
Loại cảm biến quang thu phát độc lập là cảm biến ánh sáng không phản xạ
Đề cảm biến có thê hoạt động được cần một con phát ánh sáng và một con thu ánh sáng lắp đối diện với nhau
Không bị ảnh hưởng bởi bề mặt, màu sắc, khoảng cách phát hiện đến 60m
Điều Khiến Quá Trình Nhóm 14
Trang 14Hình 6 Nguyên lí hoạt động của cảm biến quang thu phát độc lập
1.5 Cảm biến quang phản xạ gương (Retro — Reflection Sensor)
1.51 5 Khái niệm
Bộ cảm biến quang điện phản xạ gương là cảm biến có bộ phát ánh sáng và thu ánh sáng trên cùng một thiết bị
Gương phản xạ là một lăng kính đặc biệt được trang bị kèm với cảm biến quang
Điều Khiễn Quá Trình Nhóm 14
Trang 15Trang 7/6
1.52 Đặc điểm
- Lap đặt thuận tiện, tiết kiệm dây dẫn, phát hiện được vật trong suốt, mờ,
- Khoang cach téi da 15m
1.5.3 Nguyén li hoat dong
- Cảm biến hoạt động bộ phát ánh sáng sẽ phát ánh sáng đến gương, sẽ có 2 trường hợp:
- Khi không có vật cản đi qua thì gương sẽ phản xạ lại bộ thu ánh sang
- Khi có vật cản đi qua thì sẽ làm thay đôi tần số của ánh sáng phản xạ hoặc
bị mắt ánh sáng thu Lúc này cảm biến sẽ xuất tín hiệu điện PNP, NPN,
1.5.4 Ưu và nhược điểm
Ưu điểm
- It bi hao mòn, tuôi thọ và độ chính xác cao, tính ôn định khá cao
- Có thé phát hiện nhiều vật thể khác
- Có thê điều chỉnh độ nhạy theo ứng dụng, thời gian đáp ứng nhanh
- Khoảng cách phát hiện vật thê lên tới 100m mà không cần tiếp xúc với vật
- Bè mat ban sé lam cảm biến hoạt động không tốt
- Khoang cach nhan biét vat phụ thuộc vào hai yếu tố là màu sắc và hệ số
phản xạ của vật
- Hoạt động kém trong môi trường bụi bản
1.5.5 Ứng dụng
- Kiểm tra sản phẩm đi qua trong quá trình rửa, sơ chế, đóng gói, thành phẩm,
- Kiểm tra đường đi của xe ô tô, thực phâm đóng hép, nude dong chai, trén băng tải
- Đếm chai di chuyền trên băng tải tốc độ cao
- Bật vòi nước rửa băng sóng của bàn tay
- Phát hiện người và vật đi qua cửa
Điều Khiến Quá Trình Nhóm 14
Trang 16Các photon có thể là ở vùng phổ ánh sáng nhìn thấy, hồng ngoại, tử ngoại,
tia X, tia gamma Khi photon xâm nhập lớp hoạt động của photodiode là tiếp giáp p-n hoặc cấu trúc PIN, sẽ tạo ra điện tích làm phát sinh dòng điện Tùy theo cách thức chế tạo, mà dòng điện này nhỏ và photodiode đùng làm cảm biến photon, hay dòng điện đủ lớn dé lam nguồn điện như trong pin mặt trời
Điều Khiến Quá Trình Nhóm 14
Trang 17Trang 9/6 2.1.1 Kí hiệu
Hình 9 Kĩ hiệu Diode quang Trong mạch điện thì Điốt quang có ký hiệu tương tự Diode nhưng có thêm 2 mũi tên chiếu vào, biểu thị ánh sáng chiếu vào Điốt quang
2.2 Cau tạo
Photodiode được làm băng một số chất bán dẫn liệt kê đưới đây, và vùng phô
ánh sáng làm việc Phạm vi của ánh sáng nhìn thấy là từ 380nm đến 780 nm
Điều Khiến Quá Trình Nhóm 14
Trang 18Trang 10/6 2.2.1 Diode quang tiếp giáp P-N
Hình 10 Cấu tạo Diode quang tiếp giáp P- N
Điốt quang hoạt động ở chế độ phân cực ngược; phía P của điết quang được kết nối với cực âm của pin (hoặc nguồn điện) và phía N với cực đương của pin Mối nỗi P-N của thiết bị đặt bên trong vật liệu thủy tình Điều này được thực hiện
đề cho phép năng lượng ánh sáng truyền qua nó một cách đễ dàng Vì chỉ có phần tiếp giáp tiếp xúc với ánh sáng, do đó phần khác của vật liệu thủy tính được sơn màu đen hoặc được mạ kim loại Dòng điện chạy qua thiết bị có đơn vị là micro- ampe cấu tạo pin diode
2.2.2 Diode quang cấu trúc PIN
Hình 11 Diode quang cấu trúc PIN
- Một tiếp giáp gồm 2 ban dan tét là P+ và N+ làm nền, ở giữa có một lớp mỏng bán dẫn yếu loại N hay một lớp tự dẫn 1 (Intrinsic)
- Trên bề mặt của lớp bán dẫn P+ là một điện cực vòng (ở giữa đề cho ánh sáng thâm nhập vào miên ])
Điều Khiến Quá Trình Nhóm 14
Trang 19Trang 11/6
- Đồng thời trên lớp bán dẫn P+ có phủ một lớp mỏng chất chống phản xạ để tránh tôn hao ánh sáng vào
- Điện áp phân cực ngược đề cho diode không có đòng điện (chỉ có thế có một đòng ngược rất nhỏ, gọi là đòng điện tối)
2.3 Nguyên lí hoạt dộng
Xét hai tắm bán dẫn, một thuộc loại N và một thuộc loại P, ghép tiếp xuc nhau Tại mặt tiếp xúc hình thành một vùng nghèo hạt dẫn vi tai vùng này tồn tai
một điện trường và hình thành hàng rào thế Vb
Hình 12 Sơ đồ chuyên tiếp P - N và hiệu ứng quang điện trong vùng nghèo
2.3.1 Khi chưa có điện áp đặt vào
- Khi không có điện thế ở ngoài đặt lên chuyền tiếp (V=0), dòng điện chạy qua chuyền tiếp I =0, thực tế dòng I chính là dòng tổng cộng của hai dòng điện bằng nhau và ngược chiều:
- Dong khuéch tan cac hat co ban sinh ra khi ion hoa cac tap chat (16 tréng trong ban dan loai P, điện tử trong bán dẫn loại N) do năng lượng nhiệt của các hạt
- dẫn cơ bản đủ lớn để vượt qua hàng rào thé
- Dong hat dan không cơ ban sinh ra do kích thích nhiệt (điện tử trong ban dẫn P, lỗ trồng trong bán dẫn N) chuyên động dưới tác dụng của điện trường E trong vùng nghèo
2.3.2 Khi có điện áp đặt vào
Khi có điện áp đặt lên điode, hàng rào thể thay đổi kéo theo sự thay đôi dòng hạt cơ bản và bề rộng vùng nghèo Dòng điện qua chuyền tiếp:
Điều Khiến Quá Trình Nhóm 14
Trang 20Trang 12/6
V
I=I,exp 1 ru kT
2.3.3 Khi chiếu sáng Diode
Khi chiếu sáng diode bằng bức xạ có bước sóng nhỏ hơn bước sóng
ngưỡng, sẽ xuất hiện thêm các cặp điện tử - lỗ trống Đề các hạt đẫn này tham gia dẫn điện cần phải ngăn cản sự tái hợp của chúng, tức là nhanh chóng tách rời cặp điện tử - lỗ trống Sự tách cặp điện tử - lỗ trông chỉ xảy ra trong vùng nghèo nhờ tác dụng của điện trường
Số hạt dẫn được giải phóng phụ thuộc vào thông lượng ánh sáng đạt tới vùng nghèo và khả năng hấp thụ của vùng này Thông lượng ánh sáng chiếu tới vùng nghèo phụ thuộc đáng kế vào chiều dày lớp vật liệu mà nó đi qua:
@œ=d@e “
Trong đó hệ số « = 105 em! Dé tang thong lwong anh sang dén vùng
nghèo người ta chế tạo điết với phiến bán dẫn chiều day rat bé
Khả năng hấp thụ bức xạ phụ thuộc rất lớn vào bề rộng vùng nghèo Đề tăng khả năng mở rộng vùng nghèo người ta dùng điết PIN, lớp ban dẫn riêng I kẹp giữa hai lớp bán dẫn P và N, với loại didt này chỉ cần điện áp ngược vài vôn có thê mở rộng vùng nghèo ra toàn bộ lớp bán dẫn I
Hình 13 Cấu tạo loại Diode PIN
2.4 Chế độ hoạt động
2.4.1 Chế độ quang điện (Photovoltaic mode):
Diode quang làm việc khi có điện áp đặt lên 2 đầu của nó Dòng quang điện được ánh sáng tạo ra và có thê dùng làm nguồn cấp điện Các tâm pin năng lượng mặt trời thường trời hoạt động ở chế độ này
Điều Khiến Quá Trình Nhóm 14