BÀI GIẢNG cảm BIẾN (SENSOR)

Thiết bị lập trình Cảm biến (Sensor) Khái niệm chung Một số tiêu chí đánh giá cảm biến Nguyên lý làm việc số cảm biến Khái niệm chung Là thiết bị có khả cảm nhận đại lợng điện không điện, chuyển đổi chúng trở thành tín hiệu điện phù hợp với thiết bị thu nhận tín hiệu Là thiết bị thiếu hệ thống tự động hoá sản xuất công nghiệp Su t m b i: www.daihoc.com.vn Thiết bị lập trình Một số tiêu chí đánh giá cảm biến 2.1 Phạm vi cảm nhận khoảng cách cảm nhận 2.2 Sai số Sai số mắt trễ Sai số độ phân giải Sai số tuyến tính hoá 2.1 Phạm vi cảm nhận Là giới hạn cảm nhận cảm biến đại lợng vật lý cần đo Ví dụ: Cảm biến nhiệt có tín hiệu điện tỉ lệ với nhiệt độ cần đo Do khoảng giới hạn nhiệt độ v dới, mối quan hệ ny cần phải tuyến tính Vùng tuyến tính đợc gọi l phạm vi cảm nhận Đối với cảm biến tiệm cận l khoảng giới hạn v dới m cảm biến phát đối tợng, lm cho đầu chuyển tín hiệu cách chắn Sưu t m b i: www.daihoc.com.vn ThiÕt bÞ lËp trình U Cao Thấp t Đặc tính điện trở nhiệt (RTD) Sn: Khoảng cách cảm nhận cảm biến tiệm cận 2.2 Đối tợng Cảm biến Sai số Sai số mắt trễ tín hiệu Sự khác biệt lớn giá trị đầu đo đợc với giá trị đầu lý thuyết tín hiệu đầu vo tăng giảm V Dải nhiệt độ ứng với điện áp V1 Dải điện áp ứng với t1 t1 t Mắt trễ điện trở nhiệt (RTD) Su t m b i: www.daihoc.com.vn Thiết bị lập trình Sai số độ phân giải Độ phân giải: L thay đổi lớn đại lợng vật lý cần đo m không gây thay đổi tín hiệu đầu cảm biến Độ phân giải +/- 0.25oC t Độ phân giải điện trở nhiệt (RTD) với đầu số Sai số tuyến tính hoá Với sensor lí tởng tín hiệu đầu vo tỉ lệ tuyến tính với tín hiệu đầu Nhng thực tế để có tín hiệu đo tuyến tính, ngời ta phải tiến hnh tuyến tính hoá Điều ny tạo sai số tín hiệu dải đo cao V sai số lớn đờng cong lÝ t−ëng ®−êng cong thùc tÕ thÊp thÊp p cao Tuyến tính hoá cảm biến áp suất Su t m b i: www.daihoc.com.vn Thiết bị lập trình Nguyên lý lm việc số cảm biến 3.1 Các loại cảm biến đóng cắt (dạng ON-OFF) Công tắc giới hạn hnh trình Cảm biến tiệm cận 3.2 Các cảm biến sử dụng chuyển đổi (transducer) 3.3 Một số cảm biến ví trí 3.1 Các cảm biến đóng cắt dạng ON - off Công tắc giới hạn hành trình Các kí hiệu điện Nguyên lý lm việc Kiểu tác động tức thời Kiểu tác động có trễ Bố trí tiếp điểm Các kí hiệu điện Khi mở TiÕp ®iĨm th−êng hë (NO) Khi ®ãng Khi ®ãng TiÕp ®iÓm th−êng kÝn (NC) Khi më Sưu t m b i: www.daihoc.com.vn Thiết bị lập trình Nguyên lí làm việc Vị trí đóng QuÃng đờng chuyển động Vị trí nhả QuÃng đờng dự trữ phần chấp hnh ĐT Độ sai lệch hai vị trí Hnh trình nhả phần đầu phần thân Kiểu tác động tức thời Tiếp điểm thờng đóng Tiếp điểm thờng hở Trục động Đặc điểm Khi phần chấp hnh bị tác động, lò xo chốt trữ lợng, đến vị trí đóng lò xo chốt giải phóng lợng Su t m b i: www.daihoc.com.vn Tiếp điểm tĩnh Tiếp điểm động Lò xo phản hồi Lò xo chốt Thiết bị lập trình Kiểu tác động có trễ Đóng trớc ngắt Ngắt trớc đóng Đặc điểm Đặc điểm Tiếp điểm NO đóng trớc, tiếp điểm NC bị ngắt sau Tiếp điểm NC bị ngắt trớc, tiếp điểm NO đóng sau Đặc điểm chung Tạo khoảng thời gian trễ đủ nhỏ hai loại tiếp điểm Bố trí tiếp điểm Trục ®éng TiÕp ®iĨm tÜnh TiÕp ®iĨm ®éng (SPDT) Lß xo ph¶n håi (DPDT) Sưu t m b i: www.daihoc.com.vn Thiết bị lập trình Cảm biến tiệm cận Tiệm cận ®iƯn c¶m (Inductive proximity) TiƯm cËn ®iƯn dung (Capacitive proximity) Tiệm cận siêu âm (Ultrasonic proximity) Tiệm cận quang học (Photoelectric proximity) Tiệm cận điện cảm (Inductive proximity) L loại cảm biến sử dụng trờng điện-từ để phát đối tợng kim loại Điện áp lm việc DC, AC AC/DC Phân loại: Theo chức đợc chia lm hai loại: PNP (sourcing) v NPN (sinking) Nguyên lí hoạt động: Trờng điện từ Cuộn dây tạo từ trờng Bộ dao động Bộ điều chỉnh điện áp Đầu tải Su t m b i: www.daihoc.com.vn Thiết bị lập trình Nối dây cho loại PNP (sourcing): PNP transistor Tải Nối dây cho loại NPN (sinking): Tải NPN transistor Sưu t m b i: www.daihoc.com.vn ThiÕt bÞ lËp trình Loại dây PNP Tải Loại dây PNP Tải Loại dây PNP Tải Cấu hình cảm biến loại transistor PNP dây song song dây d©y nèi tiÕp d©y Sưu t m b i: www.daihoc.com.vn 10 Thiết bị lập trình Chuyển đổi nhiệt độ (Cảm biến nhiệt) Cảm biến nhiệt dùng để đo v giám sát thay đổi nhiệt độ Trên thực tế có hai loại chuyển đổi sau: Đo thay đổi điện trở nội Đo chênh lệch điện áp Đầu cảm biến nhiệt dới dạng tín hiệu dòng áp tỉ lệ với nhiệt độ cần ®o KiĨu th−êng lμ RTD hc Thermistor kiĨu th−êng lμ cỈp nhiƯt ngÉu (can nhiƯt) RTD (Resistance Temperature Detector) (Nhiệt điện trở kim loại) RTD đợc chế tạo từ dây dẫn nhậy cảm với nhiệt độ (phần tư ®iƯn trë), vËt liƯu phỉ biÕn nhÊt lμ platium, nickel, đồng, nickel-sắt Chúng đợc đặt ống bảo vệ Đối với RTD trở kháng tăng tuyến tính với nhiệt độ cần đo, RTD có hệ số nhiệt dơng Phần tử điện trở Tấm cách điện Vỏ bảo vệ Để đo nhiệt độ, RTD đợc mắc theo kĩ thuật cầu điện trở Su t m b i: www.daihoc.com.vn 33 Thiết bị lập trình Cách mắc gây sai số Cách mắc bù sai số Với điều kiện RL1 = RL2 Đối với module RTD PLC, đà cã m¹ch bï sai sè, vËy ta cã thĨ mắc trực tiếp RTD vo module Trong trờng hợp dùng module tơng tự, ta cần thiết kế thêm cầu cân bằng, kết hợp với khuếch đại tín hiệu Thermistor (Nhiệt điện trở bán dẫn) Thermistor đợc lm từ vật liệu bán dẫn, thay đổi điện trở vật liệu tỉ lệ với nhiệt độ dải đo Tuy nhiên nhiệt độ tăng điện trở lại giảm, Thermistor có hệ số nhiệt âm Mặc dï vËy, cịng cã mét sè thermistor cã hƯ sè nhiƯt d−¬ng Sưu t m b i: www.daihoc.com.vn 34 ThiÕt bị lập trình Từ đờng đặc tính trên, thermistor cho ta độ phân giải cao so với RTD Rất thích hợp với ứng dụng có dải nhiệt độ hẹp So sánh loại trên: RTD: u điểm: Tuyến tính dải nhiệt độ rộng Đo đợc nhiệt độ cao, dải đo lớn ổn định tốt nhiệt độ cao nhợc điểm: Độ nhậy Giá thnh cao Bị ảnh hởng rung động, điện trở tiÕp xóc Sưu t m b i: www.daihoc.com.vn 35 ThiÕt bị lập trình Thermistor: u điểm: Đáp ứng nhanh Đo đợc nhiệt độ dải đo hẹp với độ xác cao Không bị ảnh hởng điện trở dây nối Có khả chống rung Giá thnh thấp nhợc điểm: Khả tuyến tính thấp dải đo lớn Phạm vi đo nhiệt độ hẹp Cặp nhiệt ngẫu (can nhiệt) Đợc cấu tạo từ cặp kim loại, lm từ vật liệu khác đầu nối với v đặt vùng nhiệt độ, chênh lệch nhiệt độ tạo sức điện động đầu cặp nhiệt ngẫu Kim loại A T1: nhiệt độ cần đo T2: nhiệt độ mẫu Nóng e Lạnh Kim loại B Kim loại A Đến PLC Nóng Kim lo¹i B L¹nh Sưu t m b i: www.daihoc.com.vn 36 Thiết bị lập trình Nhiệt độ mẫu chuẩn (lạnh) l 0oC, datasheet cặp nhiệt ngẫu, điện áp đầu dựa nhiệt độ mẫu 0oC Tuy nhiên công nghiệp việc tạo 0oC l bất tiện, cần phải tiến hnh bù nhiệt độ mẫu Xét ví dụ: Dùng cặp nhiệt ngẫu loại E, có tín hiệu điện áp đầu l 16,42 mV, nhiệt độ T2 l 46oF, tìm nhiệt độ cần ®o T1 (nhiƯt ®é ®óng) Do nhiƯt ®é T2 kh«ng phải nhiệt độ mẫu, nên ta tiến hnh bù, để bù đợc ta cần dựa vo đặc tính cặp nhiệt ngẫu (xem hình) Constantan Ta đợc X = 0,458 mV, e 0oC hay Lạnh Nóng oF điện áp 32 Crôm đầu lμ: 16,42 + 0,458 = = 16,878 mV Tõ gi¸ trị tìm đợc ta lại nội suy v đợc 474,71oF Sưu t m b i: www.daihoc.com.vn 37 ThiÕt bÞ lËp trình Một số cảm biến thực tế Loại thermistor: LM35 Loại RTD: Pt - 100 có điện trở 00C lμ 100Ω , Pt - 300 cã ®iƯn trë ë 00C lμ 300Ω, Pt - 500 cã ®iƯn trë ë 00C lμ 500Ω, Pt - 1000 cã ®iƯn trë 00C l 1000, loại có điện trở lớn có độ nhạy cao Cặp nhiệt ngẫu: Chuyển đổi lực (Cảm biến lực) Cảm biến lực v áp suất dùng để đo lực đơn vị diện tích Có loại chuyển đổi lực phổ biến l: Đo sức căng Dùng ống Bourdon Dùng load cell Đo sức căng (cảm biến áp trở) L kiểu chuyển đổi khí dùng để đo biến dạng, sức căng vật cứng có lực tác động Kiểu chuyển đổi ny dựa vo thay đổi trở kháng dây quấn bị lực tác động Dây quấn lm từ kim loại (đồng, sắt, platium) từ chÊt b¸n dÉn (silic, german) Sưu t m b i: www.daihoc.com.vn 38 Thiết bị lập trình Kiểu chuyển đổi ny có hai hình thức l Dán (mng mỏng) v Tự Dán: l hình thức gắn trực tiếp chuyển đổi lên bề mặt cần đo (a) Tự do: l hình thức không gắn trực tiếp chuyển đổi lên bề mặt cần đo (b) Vị trí đỡ Dây quấn Lực tác động Dây quấn Lực tác động Đo sức căng dùng kĩ thuật mạch cầu cân bằng, nhiên nhiệt độ lại lm ảnh hởng đến trở kháng, cần thiết kế thêm mạch bù Dây quấn Dây qn phơ chÝnh Lùc ChØ cã d©y qn (R4) cã chiều tơng ứng với lực tác động , lúc trở kháng R4 bị thay đổi Nhiệt độ đợc bù thông qua R3 Su t m b i: www.daihoc.com.vn 39 Thiết bị lập trình Dùng ống Bourdon L kiểu chuyển đổi khí (dùng kĩ thuật LVDT) biến ¸p lùc thμnh dÞch chun theo vÞ trÝ VÞ trÝ dịch chuyển tỉ lệ với áp lực đặt vo ống Bourdon Lõi Đầu gá Tín hiệu ống áp lực Tín hiệu vo Lò xo Dùng Load Cell L cảm biến đo trọng lợng v lực dựa nguyên lý chuyển đổi đo sức căng kiểu dán L loại cảm biến dùng chủ yếu cân nặng Chuyển đổi lu lợng (Cảm biến lu lợng) Cảm biến lu lợng dùng để đo lu lợng vật liệu bất kì, dới dạng rắn, lỏng, khí Đo lu lợng rắn Thờng dïng chđ u lμ bé chun ®ỉi Load Cell, ®Ĩ đo trọng lợng sản phẩm Su t m b i: www.daihoc.com.vn 40 Thiết bị lập trình Ví dụ: Bi toán cần giữ ổn định lu lợng vật liệu băng tải Phễu P v Q= L Trọng lợng (P) Van ChiỊu dμi (L) Tèc ®é (v) Load Cell Đo lu lợng lỏng Tiến hnh đo yếu tố Độ chênh áp suất Chuyển động chất láng §o u tè thø nhÊt ng−êi ta cã thĨ dùng ống Venturi orifice Đo yếu tố thứ hai ngời ta dùng đồng hồ đo lu lợng dùng turbine ống Venturi v orifice: dựa vo nguyên lí Bernoulli, thể mối quan hệ tốc độ v độ chênh áp suất điểm đo ống venturi v orifice thích hợp với đo áp suất thÊp Sưu t m b i: www.daihoc.com.vn 41 ThiÕt bÞ lập trình v = k P v: tốc độ môi chÊt ΔP = P1 - P2 k: H»ng sè Bernoulli Q = v A Vμo èng Khe c«n hĐp Ra ¸p suÊt = A k ΔP Tèc ®é = K P A: Tiết diện mặt cắt ngang ống ống Venturi áp suất Vỏ ống Lỗ Orifice Tấm Orifice TÊm Orifice TÊm orifice Sưu t m b i: www.daihoc.com.vn 42 Thiết bị lập trình Đồng hồ đo lu lợng dùng turbine: dựa vo nguyên lí cảm ứng điện từ Về cấu tạo, đồng hồ gồm rôto gắn với nhiều cánh, stato để tạo tín hiệu ®iƯn Khi roto quay d−íi t¸c ®éng cđa lng chÊt lỏng, tạo từ trờng cảm ứng đồng hồ Từ trờng ny đợc tạo thnh tín hiệu ®iƯn ¸p nhá (cì 10-20mV) Bé chun ®ỉi ®iƯn cã thể tạo tín hiệu tơng tự tín hiệu số (xung) tỉ lệ với lu lợng môi chất qua ống Xung Bộ chuyển đổi điện Chuyển đổi vị trí (Cảm biến vị trí) L loại cảm biến phát vị trí đối tợng hnh trình Cảm biến vị trí trục quay: Bao gồm nhiều tiếp điểm đợc xếp theo quy luật Cảm biến vị trí dùng photo-điốt: Bao gồm dÃy phát dÃy thu Tuy vào vị trí đối tợng mà điôt tơng ứng tắt Su t m b i: www.daihoc.com.vn Phát 43 Thiết bị lập trình Cảm biến vị trí dùng phân áp (potentiometer): Sử dụng Nguồn DC phân áp, tuỳ vào điện áp đầu mà cho ta vị trí đối tợng cần phát Điện trở Nguồn DC Đầu trợt Đầu trợt Điện trở Cảm biến vị trí dùng kÜ tht LVDT: Sư dơng mét biÕn ¸p LVDT, t vào vị trí dịch chuyển đối tợng mà cho ta điện áp tơng ứng đầu biếp áp Cảm biến vị trí dùng encoder quang: Là loại cảm biến chuyển dấu hiệu vị trí theo góc, theo đờng thẳng thành tín hiệu nhị phân tơng đơng Đối với loại cảm biến thờng đợc chia làm hai loại: Mà hoá liên tục Mà hoá tuyệt đối Mà hoá liên tục: Bao gồm nguồn phát quang, hai đĩa mà hoá, ba cảm biến quang, điều khiển Trên đĩa mà hoá đợc bố trí khe hẹp, để nguồn sáng lät qua Sưu t m b i: www.daihoc.com.vn 44 ThiÕt bị lập trình A B C Đĩa mà hoá cho encoder xác định hớng quay đĩa nhờ vào lệch pha 900 hai chuỗi xung hai cảm biến A B tạo A B Ngợc Thuận Mà hoá tuyệt đối: Bao gồm đĩa quay làm từ vật liệu suốt Trên đĩa đợc chia thành vùng có góc nhau, số lợng tuỳ thuộc vào độ phân giải số lợng vòng cung đồng tâm Một vòng cung suốt số vùng, vùng lại bị che khuất 100 000 101 111 Đĩa mà hoá vßng cung 001 011 110 010 Sưu t m b i: www.daihoc.com.vn 45 Thiết bị lập trình Hình ta thấy đĩa mà hoá có vòng cung, tạo thành vùng (23 = 8) với độ phân giải 360/8 = 45o (trªn thùc tÕ th−êng tõ → 12 vòng cung) Mỗi vòng cung có cảm biến quang Tuỳ vào thời điểm mà ta có chuỗi bít tơng ứng với vị trí đĩa Ví dụ: Nếu chuỗi bít 010 vị trí tơng ứng 4h30' đến 6h00' Nh chuỗi bít phải đợc mà theo chu kì vòng tròn, vùng liền kề đợc khác bít Độ phân giải bị giới hạn số lợng vòng cung đĩa Ví dụ đĩa có vòng cung độ phân giải sÏ lµ 28 = 256 vïng, hay 360/256 = 1,4o Chuyển đổi tốc độ (Cảm biến tốc độ) Dùng để xác định tốc độ quay thời đối tợng Cảm biến tốc độ quay tự cảm: Dựa thay đổi từ thông qua cuộn dây cố định a) b) Sưu t m b i: www.daihoc.com.vn 46 ThiÕt bÞ lập trình Cảm biến tốc độ máy phát tốc: Thực chất l máy phát điện chiều, kích từ nam châm vĩnh cửu Có đặc điểm điện áp phát tỉ lệ với số vòng quay rôto Sưu t m b i: www.daihoc.com.vn 47 ... tán: Đây chế độ làm việc phổ biến cảm biến siêu âm Khi đối tợng bị phát phạm vi cảm nhận cảm biến chuyển trạng thái đầu ra, chế độ hoạt động nh cảm biến tiệm cận Phạm vi cảm nhận Phản xạ: Trong chế... tÝnh ho¸ cảm biến áp suất Su t m b i: www.daihoc.com.vn Thiết bị lập trình Nguyên lý lm việc số cảm biến 3.1 Các loại cảm biến đóng cắt (dạng ON-OFF) Công tắc giới hạn hnh trình Cảm biến tiệm... Các cảm biến đặt song song: Giả thiết cảm biến có khoảng cách cảm nhận đợc đặt song song với Đối tợng đặt vuông góc với nguồn âm Vậy khoảng cách cảm biến đợc xác định thông qua khoảng cách cảm