Đề tài cảm biến siêu âm

.Cảm biến siêu âm là cảm biến dùng để phát hiện và xác định vị trí của các vật thông qua phát sóng siêu âm.. Một số loại như dơi ong, cá heo, cá voi có thể nhận được sóng siêu âm .Cảm

Nhóm 4:

.Cảm biến siêu âm là cảm biến dùng để phát hiện và xác định vị trí của các vật thông qua phát sóng siêu

âm

.Sóng siêu âm là gì? Sóng siêu âm là sóng cơ học có tần số lớn hơn tần số nghe thấy (trên 20kHZ) Thính giác của con người nghe được âm thanh với dải tần số từ vài Hz đến âm thanh rất cao (gần 20kHz) Một số loại như dơi ong, cá heo, cá voi có thể nhận được sóng siêu âm

.Cảm biến siêu âm có thể phát hiện ra hầu hết các đối tượng là kim loại hoặc không phải là kim loại, chất lỏng hoặc chất rắn, vật trong hoăc mờ đục(những vật có hệ số phản xạ sóng âm thanh đủ lớn)

2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

a. Sơ đồ cấu tạo

 Một cảm biến siêu âm làm việc với bốn bộ phận:

- Bộ phận phát và nhận sóng siêu âm

- Bộ phận so sánh

- Mạch phát hiện

- Mạch ngõ ra

 Khoảng cách từ cảm biến tới vật :

Trong đó: L0 - là khoảng cách cần đo

v - vận tóc sóng siêu âm (343 m/s trong không khí)

t - thời gian từ lúc phát đi đến lúc sóng được ghi nhận lại

của cảm biến mở rộng theo hình nón

 Tín hiệu ngõ ra có thể là digital hoặc là analog Tín hiệu từ cảm biến digital báo có hay không sự xuất hiện của đối tượng trong vùng cảm nhận của cảm biến Tín hiệu từ cảm biến analog chứa đựng thông tin khoảng cách của đối tượng tới cảm biến

 Vùng cảm biến rộng khoảng cách phát hiện vật thể có thể lên đến vài m.

 Đo được khoảng cách rời rạc của vật di chuyển

 Ít ảnh hưởng bởi vật liệu và bề mặt

 Không ảnh hưởng bởi màu sắc, có thể dùng để xác định các vật thể có màu sắc và vật liệu khó phân biệt

 Tín hiệu đáp ứng tuyến tính với khoảng cách

 Có thể phát hiện vật nhỏ ở khoảng cách xa

 Ít bị suy giảm trong môi trường nước

 Có thể phát hiện được vật thể trong suốt ( vật liệu thủy tinh )

 Có thể làm việc trong một môi trường dơ và bụi

 Cảm biến siêu âm có giá thành rất cao, không kinh tế

 Sóng phản hồi bị ảnh hưởng của sóng âm thanh tạp âm

 Cần 1 khoảng thời gian sau mỗi lần sóng phát đi để sẵn sàng nhận sóng phản hồi  thời gian tác động chậm hơn CB khác

 Tần số chuyển mạch từ 1 đến 125 HZ

 Khó phát hiện vật có mật độ vật chất thấp ở khoảng cách xa

4 Một số ứng dụng của cảm biến tiệm cận siêu âm

Từ lâu thì cảm biến siêu âm đã được sử dụng trong các lĩnh vực như:

 Rada siêu âm(sona) dùng để phát hiện các mục tiêu thăm dò dưới nước như tham dò đáy biển, phát hiện tàu ngầm, đàn cá Nhờ vào ưu điểm ít bị suy giảm trong môi trường nước

 Phát hiện phóng điện cục bộ trong MBA Khi có phóng điện trong MBA sẽ phát sinh sóng siêu âm lan truyền trong dầu Nhờ bộ cảm biến siêu âm gắn trên thùng dầu có thể phân tích sóng tới và sóng phản xạ của nguồn phóng điện và xác định chính xác vị trí của dây quấn MBA có phóng điện cục bộ

 Một số hình ảnh ứng dụng của cảm biến siêu âm:

Đo mực chất lỏng trong bình bồn chứa

5 Bố trí cảm biến siêu âm

How to connect?

Tiêu biểu là việc đóng hay là ngắt điện áp

 Các ngõ ra tiêu biểu của cảm biến là :

 sinking/sourcing : Đóng cắt dòng điện

 Switches : Đóng cắt điện áp

 TLT(transistor logic): sử dụng mức điện áp 0-5v để chỉ thị mức logic

 Sinking/sourcing:

 Các sensor ngõ ra sinking(rút dòng) cho phép dòng điện chạy vào cảm biến

 Các sensor ngõ ra sourcing(nguồn dòng) cho phép dòng điện chạy từ sensor ra đối tượng được kết nối

Ở hai cái loại ngõ ra này cần chú ý tới dòng điện chứ không phải là điện áp bằng cách sử dụng dòng điện thì nhiễu được loại trừ bớt

thì ngõ ra của cảm biến thường là một transistor chuyển mạch Transistor PNP được sử dụng cho các ngõ ra sourcing, và NPN cho các ngõ ra sinking

 Sinking

 Để cảm biến hoạt động thì cần phải có nguồn cấp(chân L+ và chân L-) khi mà cảm biến phát hiện đối tượng thì có điện áp tại cực B của transistor NPN transistor chuyển sang trạng thái dẫm và cho biến dòng chảy từ cảm biến xuống mass(L-)

 Khi không không phát hiện đối tượng thì cực B của transistor xuống mức thấp(0v) trasisstor không dẫn Điều này có nghĩa là transistor không có dòng vào/ra(khóa)

 Sourcing:

 Ngược với sinking nó sử dụng transistor PNP Khi cảm biến không phát hiện đối tượng thì cực B của

transistor ở giá trị L+, và transistor ở trạng thái ngưng dẫn Khi cảm biến được kích hoạt thì cực B sẽ ỏ trạng thái 0v, và transistor cho phép dòng điện chày tù cảm biến ra ngoại thiết bị được nối

 Thông thường thì các ngõ vào của PLC là dạng sinking nên ta kết nối với các cảm biến loại sourcing

 Lưu ý : các tiếp điểm trong cảm biến sinking đóng thì ngõ ra được nối với L-(COM), tiếp điểm trong cảm biến sourcing thì ngõ ra nối với L+

 Kết nối cảm biến hai dây với PLC

a Ngõ vào PLC loại sourcing b Ngõ vào PLC Loại sinking

a Ngõ vào PLC loại sourcing(PNP) b Ngõ vào PLC loại sinking(NPN)

sau: dây màu nâu là dây L+, dây màu xanh dương là dây L-, và ngõ ra là màu trắng đối với sinking(NPN)

và là màu đen đối với sourcing(PNP)

9 Một số loại cảm biến siêu âm trong thực tế

Các cảm biến thì ngày càng đa dạng về cả mẫu mã, chủng loại kích thước tùy thuộc và khoảng cách đối

tượng nhận biết là xa hay gần, tính chất của đối tượng cần phát hiện, ở các điều kiện môt trường đo khác nhau,

và giá thành thì ngày càng giảm thấp và trở nên thông dụng Chúng có nhiều hình dáng khác nhau được sản xuất bởi nhiều công ty, tập đoàn khác nhau như : Siemens(đức), Omron(nhật), Pepperl+Fuch(đức), Carlo

Gavazzi(italia) Autonics(hàn quốc), Schneider (mỹ ) Dưới đây là một số loại cảm biến siêu âm trong thực tế:

- Nhiệt độ làm việc: -10 ~ 55oC

- Cấp bảo vệ: IEC60529: IP65

 Hãng: CARLO GAVAZZI Xuất xứ : Italia

 – Nguồn cấp cho cảm biến : 15-30VDC.

– Output: 4-20mm hoặc 0-10VDC, tích hợp thêm ngõ ra NPN/PNP.

– Bán kính hoạt động: 450mm

 Không phụ thuộc hình dáng, tính chất, màu sắc của vật thể.

 Ngỏ ra dạng transistor NPN, PNP với trạng thái NO/NC lựa chọn

 Nhiều kiểu có thể lựa chọn: tự thu phát điều chỉnh được, thu phát riêng

 Tần số sóng siêu âm hoạt động 270Kz

 Góc phát sóng hẹp ±80, kiểm tra được các vật có diện tích nhỏ 100x100mm

 Đèn báo chỉ thị trạng thái ngỏ ra màu xanh.

 Nhiệt độ hoạt động -10~550C, đạt độ kín IEC IP66

 Lắp đặt đơn giản, dễ dàng bảo trì, thiết kế với tuổi thọ cao.

 Ứng dụng phát hiện vật thể, kiểm tra sản phẩm

 Một số model thông dụng:

 E4C-LS35 2M đầu cảm biến loại thu phát riêng khoảng cách 500mm

 E4C-TS50 2M đầu cảm biến loại phản xạ khuếch tán khoảng cách 100-350mm

 E4C-WH4T Bộ khuếch đại loại thu phát

 E4C-WH4L Bộ khuếch đại loại phản xạ khuếch tán

 Không phụ thuộc hình dáng, tính chất, màu sắc của vật thể.

 Ngỏ ra dạng transistor NPN, PNP với trạng thái NO/NC lựa chọn

 Tần số sóng siêu âm hoạt động 255-390Kz

 Góc phát sóng hẹp ±80, kiểm tra được các vật có diện tích nhỏ 100x100mm

 Nhiệt độ hoạt động -10~550C, đạt độ kín IEC IP65

 Ứng dụng phát hiện vật thể

 Một số model thông dụng:

 E4C-DS30 đầu cảm biến loại phản xạ khuếch tán khoảng cách 50-300mm

 E4C-DS80 đầu cảm biến loại phản xạ khuếch tán khoảng cách 70-800mm

 E4C-DS100 đầu cảm biến loại phản xạ khuếch tán khoảng cách 90-1000mm

 E4C-UDA11 Bộ khuếch đại loại phản xạ khuếch tán, 2 ngỏ ra NPN

 E4C-UDA41 Bộ khuếch đại loại phản xạ khuếch tán, 2 ngỏ ra NPN

 Nguồn cấp 12-24VDC ±10%,

 Ngỏ ra dạng transistor NPN-NO

 Nhiều kiểu có thể lựa chọn: tự thu phát điều chỉnh được, phản xạ gương, thu phát riêng

 Tần số sóng siêu âm 200Kz

 Góc phát sóng hẹp 80, kiểm tra được các vật có kích thước nhỏ 20x20mm

 Nhiệt độ hoạt động -10~550C, đạt độ kín IEC IP66

 Một số model thông dụng:

 E4B-TS50E4 loại thu phát riêng khoảng cách 0.5m

 E4B-T1E4 loại thu phát riêng khoảng cách 1m

 E4B-LS20E4 loại phản xạ khuyếch tán với khoảng cách đặt từ 50-200mm

 E4B-LS70E4 loại phản xạ khuyếch tán với khoảng cách đặt từ 200-700mm

 E4B-RS70E4 loại phản xạ khuyếch tán với vùng phát hiện đặt từ 200-700mm

 Nguồn cấp 100/110, 200/220VAC 50/60Hz, 12-24VDC

 Ngỏ ra dạng contact 3A-250VAC/30VDC, NO-NC

 Cho phép nối nhiều cảm biến để hoạt động đồng bộ

 Nhiệt độ hoạt động -20~550C, đạt độ kín IEC IP6

 Một số model thông dụng:

 E4A-3K Cảm biến siêu âm nguồn cấp AC110/220V

 E4A-3K AC120/240 Cảm biến siêu âm nguồn cấp

AC120/240V

 E4A-3K 24 Cảm biến siêu âm nguồn cấp

DC12-24V