Chuyên đề vê một số cảm biến

ACTECH.EDU.VN CẢM BIẾN QUANG Giới thiệu chung về nguyên lý của cảm biến quang 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. Cơ bản về Cảm biến quang Cảm biến quang có ưu việt gì so với các loại cảm biến khác như cảm biến tiệm cận hay cảm biến tiếp xúc ?  không tiếp xúc với vật thể cần phát hiện  ó 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 ACTECH.EDU.VN Cấu trúc thiết kế Cấu trúc của cảm biến quang khá đơn giản, bao gồm 3 thành phần chính:  Bộ Phát sáng  Bộ Thu sáng  Mạch 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. Bộ thu sáng hông thường bộ thu sáng là một phototransistor (tranzito quang).Bộ phận này cảm nhận ánh sáng và chuyển đổi thành tín hiệu điện tỉ lệ. 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 ACTECH.EDU.VN cả các dòng cảm biến quang Omron ra mắt gần đây (như E3Z, E3T, E3F2) đều sử dụng ASIC. 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 ACTECH.EDU.VN Các loại cảm biên 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. ACTECH.EDU.VN Cấu trúc khối của dòng E3Z Bên phải là hình ảnh E3Z, dòng cảm biến quang phổ biến nhất của Omron.  Công tắc chuyển Light-On/Dark-On  Nút chỉnh độ nhạy  Bộ phát sáng  Bộ thu sáng  Đầu (tín hiệu) ra  Đèn chỉ thị CÁC LOẠI CẢM BIẾN QUANG Giới thiệu chung Phân loại theo chế độ hoạt động thì cảm biến quang có 4 loại sau:  Chế độ thu phát  Chế độ phản xạ (gương)  Chế độ phản xạ khuếch tán  Chế độ chống ảnh hưởng của nền ACTECH.EDU.VN  Ta sẽ tìm hiểu kỹ hơn về 4 chế độ này: các ưu việt, nhược điểm cũng như một số ví dụ ứng dụng. Thu phát Cảm biến dạng thu phát có bộ phát và thu sáng tách riêng. Bộ phát truyền ánh sáng đi và bộ thu nhận ánh sáng. Nếu có vật thể chắn nguồn sáng giữa hai phần này thì sẽ có tín hiệu ra của cảm biến. Ưu điểm:  Khoảng cách phát hiện xa (ví dụ E3Z-T82 được tới 30m), phát hiện tốt trong môi trường nhiều bụi.  Khả năng xác định vị trí chính xác của vật thể.  Độ tin cậy cao, phát hiện được mọi loại vật thể (trừ loại trong suốt) Nhược điểm:  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:  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 ACTECH.EDU.VN  Môi trường khắc nghiệt: ví dụ trạm rửa xe, hoặc môi trường nhiều bụi, cần có cảm biến cường độ sáng cao.  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. Phản xạ gương Bộ phát truyền ánh sáng tới một gương phản chiếu lăng kính đặc biệt, và phản xạ lại tới bộ thu sáng của cảm biến. Nếu vật thể xen vào luồng sáng, cảm biến sẽ phát tín hiệu ra. Ưu điểm:  Giá thành thấp hơn loại thu phát  Lắp đặt dễ hơn loại thu phát  Chỉnh định dễ dàng  Với vật thể có bề mặt sáng bóng có thể làm cảm biến không phát hiện được, có thể dùng kính lọc phân cực. Nhược điểm:  Khoảng cách phát hiện ngắn hơn loại thu phát (E3Z-R: chỉ được 4-5m).  Vẫn cần 2 điểm lắp đặt cho cảm biến và gương  Cảm biến phản xạ gương loại 2 thấu kính thường không phát hiện được vật ở một số khoảng cách ngắn nhất định. ACTECH.EDU.VN Phản xạ gương là dạng cảm biến quang phổ biến nhất trong công nghiệp. Loại này có sự kết hợp tốt các yếu tố như phát hiện tin cậy, khoảng cách vừa đủ và giá thành hợp lý. Ví dụ ứng dụng:  Phát hiện vật trên băng chuyền  Các ứng dụng phổ cập trong nhà máy  Phát hiện chai nhựa trong (khi dùng loại thích hợp)  Kiểm soát cửa / cổng ra vào trong các tòa nhà Phản xạ khuếch tán Cảm biến dạng này truyền ánh sáng từ bộ phát tới vật thể. Vật này sẽ phản xạ lại một phần ánh sáng (phản xạ khuếch tán) ngược trở lại bộ thu của cảm biến, kích hoạt tín hiệu ra. Ưu điểm:  Lắp đặt đơn giản, dễ dàng  Chỉ cần 1 điểm lắp đặt duy nhất. Nhược điểm:  Khoảng cách phát hiện ngắn (do chỉ phát hiện được một phần ánh sáng phản xạ). Ví dụ loại E3Z-D: có khoảng cách phát hiện tối đa 1m.  Tỉ lệ lỗi đen / trắngcao; khoảng cách phát hiện phụ thuộc nhiều vào màu sắc, kích thước, tính chất bề mặt của vật thể  Độ nhạy và độ tin cậy kém hơn loại Thu phát và Phản xạ gương. ACTECH.EDU.VN  Thông thường, nếu không cần độ chính xác cao, hoặc khó khăn trong việc lắp đặt gương, người ta sẽ dùng loại phản xạ khuếch tán. Ví dụ ứng dụng:  Các ứng dụng phổ cập trong nhà máy: như phát hiện vật trên băng chuyền  Công nghiệp chế tạo gạch men (dùng loại nguồn sáng rộng) Hạn chế nhiễu của nền(BGS) Đây là cảm biến phản xạ khuếch tán đặc biệt. Trong khi loại thường phát hiệntổng lượng ánh sáng nhận được, loại BGS phát hiện góc của ánh sáng phản xạ.Công nghệ này có tên là triangulation (phép đạc tam giác). Bởi vậy, độ nhạy của cảm biến sẽ không phụ thuộc vào màu sắc vật hay nền sau vật. Để làm điều này, cảm biến dùng 2 điôt cho bộ thu (như hình bên) hoặc 1 mạch điôt/PSD. Ưu điểm:  1 điểm lắp đặt duy nhất  Chính xác và tin cậy hơn loại phản xạ thường (bị lỗi trắng/đen)  Có thể chỉnh khoảng cách phát hiện ở 1 mức nhất định Nhược điểm:  Khoảng cách phát hiện ngắn; ví dụ E3Z-LS: chỉ được tối đa 200mm Cảm biến BGS ngày càng phổ biến hơn trong các ứng dụng công nghiệp vì không cần gương và phát hiện tin cậy. Thông thường cảm biến BGS lắp đặt bên cạnh hoặc bên trên băng chuyền (xem hình mô phỏng). Lưu ý: vít biến trở của cảm biến BGS dòng E3Z không điều chỉnh ngưỡng/độ nhạy (như các model khác), mà thay đổi vị trí của thấu kính để điều chỉnh khoảng cách phát hiện. Dark-On và Light-On ACTECH.EDU.VN Một tính năng liên quan đến cảm biến quang là phản hồi của cảm biến khi phát hiện hoặc không phát hiện thấy ánh sáng. Tính năng này có tên là chế độ Dark- On hay Light-On. Các trang tiếp theo sẽ giải thích kỹ hơn! Tín hiệu ra của cảm biến sẽ có khi bộ thu không nhận được ánh sáng. Cảm biến thu phát và phản xạ gương thường hoạt động ở chế độ D-On này. Vật thể ngăn tia sáng và kích hoạt tín hiệu ra. Tín hiệu ra có khi bộ thu nhận được ánh sáng từ vật thể. Cảm biến phản xạ và BGS thường hoạt động ở chế độ L-ON này. Bộ thu nhận được ánh sáng phản xạ từ vật thể, và kích hoạt tín hiệu ra. Tại sao nên chọn Cảm biến Tiệm cận? Một Cảm biến tiệm cận (còn được gọi là “Công tắc tiệm cận” hoặc đơn giản là “PROX”) phản ứng khi có vật ở gần cảm biến. Trong hầu hết các trường hợp, khoảng cách này chỉ là vài mm. Cảm biến tiệm cận thường phát hiện vị trí cuối của chi tiết máy và tín hiệu đầu ra của cảm biến khởi động một chức năng khác của máy. Các lợi ích chính của cảm biến tiệm cận công nghiệp là:  Vận hành đáng tin cậy ngay cả trong môi trường khắc nghiệt (ví dụ: môi trường ngoài trời hoặc môi trường dầu mỡ)  Vận hành/cài đặt đơn giản và dễ dàng [...]... – những cảm biến này rẻ hơn cảm biến điện dung Trang tiếp theo sẽ giới thiệu cho bạn một số lý thuyết kỹ thuật về cách vận hành của cảm biến cảm ứng Cách vận hành của Cảm biến Cảm ứng Cảm biến tiệm cận cảm ứng bao gồm một cuộn dây được cuốn quanh một lõi từ ở đầu cảm ứng Sóng cao tần đi qua lõi dây này sẽ tạo ra một trường điện từ dao động quanh nó Trường điện từ này được một mạch bên trong kiểm soát... của cảm biến ACTECH.EDU.VN Đầu ra của Cảm biến Cảm ứng Ngày nay, hầu hết cảm biến cảm ứng đều có đặc điểm đầu ra tranzito có logic NPN hoặc PNP (xem hình bên phải) Những loại này còn được gọi là kiểu DC-3 dây Trong một số trường hợp cài đặt, người ta sử dụng cảm biến tiệm cận có 2 kết nối (âm và dương) Chúng được gọi là kiểu DC-2 dây (xem sơ đồ bên dưới) ACTECH.EDU.VN Thường Mở/Thường Đóng Cảm biến. .. hấp dẫn (ví dụ: rẻ hơn Cảm biến quang điện)  Ngày nay, cảm biến tiệm cận có mặt trong nhiều loại hình công nghiệp và ứng dụng Một số ứng dụng:  Công nghiệp chế tạo ô tô  Công nghiệp máy công cụ  Công nghiệp chế biến thực phẩm  Xe đa dụng (ví dụ: xe tải, máy nông nghiệp)  Máy rửa xe Các loại Cảm biến Tiệm cận Có 2 loại cảm biến tiệm cận công nghiệp chính là: Cảm biến tiệm cận cảm ứng phát hiện các... cảm biến về mặt cơ học Tuy nhiên, phạm vi phát hiện bị hạn chế, nhưng có thể lắp cảm biến dễ dàng với các kim loại xung quanh mà không gây ra ảnh hưởng nào Cảm biến Cảm ứng Không được bảo vệ Cảm biến không được bảo vệ không có lớp bảo vệ quanh lõi từ Sự khác biệt giữa cảm biến được bảo vệ và không được bảo vệ có thể quan sát được một cách dễ dàng Thiết kế này cho khoảng cách phát hiện lớn hơn cảm biến. .. hiện – Tỷ lệ Tiêu chuẩn Khoảng cách phát hiện là một thông số kỹ thuật quan trọng khi thiết kế PROX trong máy Có ba loại là cảm biến tiệm cận cảm ứng khoảng cách phát hiện ngắn, trung và dài Khoảng cách phát hiện được nêu trong thông số kỹ thuật của cảm biến tiệm cận cảm ứng dựa trên mục tiêu chuẩn di chuyển hướng trục của cảm biến Mục tiêu chuẩn này là một bản thép mềm hình vuông dày 1 mm, vật có thành... trễ Độ trễ của cảm biến mô tả sự chênh lệch giữa khoảng cách mà cảm biến hoạt động và khoảng cách mà cảm biến trở lại trạng thái ban đầu Độ trễ nhỏ cho phép định vị chính xác vật Giá trị của độ trễ thường nằm trong khoảng 5-10% Cảm biến Cảm ứng Được bảo vệ PROX được bảo vệ có cấu tạo gồm một tấm chắn quanh lõi từ Tấm này có tác dụng dẫn trường điện từ đến trước phần đầu ACTECH.EDU.VN Cảm biến tiệm cận... chuyển chuột (=vật) của bạn qua cảm biến để làm bóng đèn sáng bây giờ, hãy xem ví dụ minh họa tương tự với đầu ra thường đóng (NC) Bóng đèn tắt ngay khi vật (chuột) di chuyển đến gần cảm biến ACTECH.EDU.VN Cảm biến tiệm cận có cả hai đầu ra NO và NC được gọi là kiểu đối lập Lưu ý: Kiểu NO/NC dùng cho cả cảm biến cảm ứng và cảm biến điện dung Hình này trình bày cảm biến điện dung Khoảng cách Phát hiện... của những kim loại trong khu vực này Cảm biến tiệm cận không được bảo vệ cũng nhạy cảm hơn với giao thoa hỗ tương Để tránh trục trặc khi lắp loại cảm biến này, vui lòng làm theo các hướng dẫn có trong bản dữ liệu Chọn Cảm biến Cảm ứng Kết luận: Nếu muốn chọn đúng cảm biến tiệm cận cho một ứng dụng, cần phải lưu ý đến một số điều sau:  Điều kiện cụ thể của vật (loại kim loại, kích thước, lớp mạ)  Hướng... loại Cảm biến tiệm cận điện dung phát hiện các vật bằng cách tạo ra trường điện dung tĩnh điện Do đó, thiết bị này có thể phát hiện mọi loại vật ACTECH.EDU.VN Mặc dù cảm biến cảm ứng chỉ phát hiện được các vật kim loại, chúng phổ biến hơn nhiều trong công nghiệp Những cảm biến này ít chịu ảnh hưởng của các nhiễu bên ngoài hơn như EMC và – cuối cùng nhưng không kém phần quan trọng – những cảm biến. .. loại khác nhau Thông tin chi tiết về sự lệ thuộc vào các loại kim loại có trong thông tin kỹ thuật của tài liệu mỗi cảm biến cảm ứng Lưu ý: Các cảm biến cảm ứng đặc biệt có khoảng cách không phụ thuộc vào khoảng cách của loại kim loại sử dụng Chúng còn được gọi là cảm biến tiệm cận “Hệ số 1″ Ảnh hưởng của Kích thước Vật Khoảng cách phát hiện cũng chịu ảnh hưởng của kích thước của vật (vật nhỏ hơn sẽ . thuật về cách vận hành của cảm biến cảm ứng. Cách vận hành của Cảm biến Cảm ứng Cảm biến tiệm cận cảm ứng bao gồm một cuộn dây được cuốn quanh một lõi từ ở đầu cảm ứng. Sóng cao tần đi qua. di chuyển đến gần cảm biến. ACTECH.EDU.VN Cảm biến tiệm cận có cả hai đầu ra NO và NC được gọi là kiểu đối lập. Lưu ý: Kiểu NO/NC dùng cho cả cảm biến cảm ứng và cảm biến điện dung. Hình. không có cảm biến quang thì khó mà có được tự động hóa công nghiệp, giống như làm việc mà không nhìn được vậy. Cơ bản về Cảm biến quang Cảm biến quang có ưu việt gì so với các loại cảm biến