Chuong 2 - Cam bien.pdf

Cam bien - tự động hoá

Cảm biến (Sensor)

1 Khái niệm chung

2 Một số tiêu chí đánh giá cảm biến

3 Nguyên lý làm việc của một số cảm biến

1.Khái niệm chung

)Là những thiết bị có khả năng cảm nhận những đại l−ợng điện và không điện, chuyển đổi

chúng trở thành những tín hiệu điện phù hợp với thiết bị thu nhận tín hiệu.

)Là những thiết bị không thể thiếu trong các hệthống tự động hoá và sản xuất công nghiệp.

2.1Phạm vi cảm nhận hoặc khoảng cách cảm nhận.2.2Sai số.

) Sai số do mắt trễ) Sai số về độ phân giải) Sai số do tuyến tính hoá

2.Một số tiêu chí đánh giá cảm biến

2.1.Phạm vi cảm nhận

) Là giới hạn cảm nhận của cảm biến đối với đại lượng vật lý cần đo.

) Ví dụ:

)Cảm biến nhiệt có tín hiệu ra bằng điện tỉ lệ với

nhiệt độ cần đo Do đó trong khoảng giới hạn nhiệt độ trên vμ dưới, mối quan hệ nμy cần phảituyến tính Vùng tuyến tính đó được gọi lμ phạm vi cảm nhận.

)Đối với cảm biến tiệm cận lμ khoảng giới hạn

trên vμ dưới mμ cảm biến có thể phát hiện ra đối

của cảm biến tiệm cận

? Sai số do mắt trễ tín hiệu

) Sự khác biệt lớn nhất giữa giá trị đầu ra đo đ−ợc với giá trịđầu ra lý thuyết khi tín hiệu đầu vμo tăng hoặc giảm.

2.2. Sai số

t V

Mắt trễ của điện trở nhiệt (RTD)

Dải nhiệt độ ứng với điện áp V1 Dải điện áp ứng với t1

t1

? Sai số do độ phân giải

) Độ phân giải: Lμ sự thay đổi lớn nhất của đại lượng vật lýcần đo mμ không gây ra sự thay đổi về tín hiệu đầu ra của

? Sai số do tuyến tính hoá

) Với một sensor lí tưởng thì tín hiệu đầu vμo luôn tỉ lệ tuyếntính với tín hiệu đầu ra Nhưng trên thực tế để có tín hiệu đo tuyến tính, người ta luôn phải tiến hμnh tuyến tính hoá Điều nμy sẽ tạo ra sai số của tín hiệu

đường cong lí tưởng sai số lớn nhất

3.Nguyên lý lμm việc của một số cảm biến

3.1Các loại cảm biến đóng cắt (dạng ON-OFF).

Tiếp điểm thường đóng Tiếp điểm thường hở

? Cảm biến tiệm cận.

)Tiệm cận điện cảm (Inductive proximity))Tiệm cận điện dung (Capacitive proximity))Tiệm cận siêu âm (Ultrasonic proximity)

)Tiệm cận quang học (Photoelectric proximity)

) Tiệm cận điện cảm (Inductive proximity)

& Lμ loại cảm biến sử dụng trường điện-từ để phát hiện

đối tượng bằng kim loại.

& Điện áp lμm việc DC, AC hoặc AC/DC

& Nèi d©y cho lo¹i PNP (sourcing):

CÊu h×nh c¶m biÕn lo¹i transistor PNP

2 d©y song song 3 d©y

2 d©y nèi tiÕp 3 d©y

& Theo khoảng cách được chia ra lμm hai loại: có bảo vệ (shielded) vμ không bảo vệ (unshielded)

Bề mặt sensor

Có bảo vệ Không bảo vệ

Nhận xét:

) Khoảng cách cảm nhận từ 0.6 - 20 (mm)

) Tiệm cận điện cảm phụ thuộc vμo một số yếu tốsau của đối tượng:

& Hình dáng đối tượng & Độ dầy của đối tượng & Vật liệu của đối tượng

) Tiệm cận điện dung (Capacitive proximity)

& Lμ loại cảm biến sử dụng trường tĩnh điện để phát hiện

đối tượng bằng kim loại vμ phi kim loại.

& Điện áp lμm việc DC, AC hoặc AC/DC

)Nguyên lí hoạt động:

Nhận xét:

) Khoảng cách cảm nhận từ 5 - 20 (mm)

) Có khả năng phát hiện mức chất lỏng xuyên qua thùng

trong suốt (Chất lỏng phải có hằng số điện môi cao hơnvỏ thùng)

)Môi trường lμm việc phải khô, bởi vì khi có chất lỏngtrên bề mặt của cảm biến, cảm biến có thể tác độngnhầm.

H»ng sè ®iÖn m«i cña mét sè vËt liÖu

) TiÖm cËn siªu ©m (Ultrasonic proximity)

& Lμ lo¹i c¶m biÕn sö dông bé thu ph¸t tÝn hiÖu siªu ©m,

Nguyên lí lμm việc

Vùng mù:

& Vùng này tồn tại ngay phía trước cảm biến, tuỳ theo loại cảm biến mà

vùng mù này có khoảng cách chừng 6 - 80 cm Nếu đối tượng được đặt trong vùng này sẽ khiến cho trạng thái đầu ra không ổn định.

Đặc điểm

Các cảm biến đặt song song:

& Giả thiết 2 cảm biến có cùng khoảng cách cảm nhận được đặt song song với nhau Đối tượng đặt vuông góc với nguồn âm Vậy khoảng cách giữa các cảm biến được xác định thông qua khoảng cách cảm

Nhiễu giao nhau giữa các cảm biến

& Nhiễu xảy ra khi các cảm biến được đặt gần nhau, chùm phản xạ của cảm biến này lại tác động đến cảm biến khác

& Trong trường hợp này khoảng cách X cần được xác định thông qua thử nghiệm.

Khoảng cách tối thiểu cho hai cảm biến đặt đối nhau

& Giả thiết 2 cảm biến có cùng khoảng cách cảm nhận được đặt đối diện nhau Khoảng cách X được xác định sao cho 2 cảm biến không gây nhiễu cho nhau.

& Góc nghiêng giữa đối tượng với phương truyền sóng phải được cân nhắc khi lắp đặt Nếu góc nghiêng quá lớn sóng phản xạ có thể không đến được cảm biến.

Đối với chất lỏng vμ vật liệu dưới dạng hạt:

& Đối với chất lỏng (ví dụ nước) giới hạn góc nghiêng ở 3o

& Đối với vật liệu dưới dạng hạt thì góc nghiêng có thể lớn tới 45o.

Loại bỏ đối tượng nhiễu:

& Một đối tượng nhiễu bất kì có thể nằm trong phạm vi cảm nhận của cảm biến Điều này sẽ gây ra tác động nhầm của cảm biến Để loại bỏ đối tượng nhiễu người ta dùng một loại vật liệu có khả năng hấp thụ âm, chỉ để lại một khe hở khiến cho nguồn âm không thể tới đối tượng

& Đây là chế độ làm việc phổ biến của cảm biến siêu âm Khi đối tượng bị phát hiện trong phạm vi cảm nhận thì cảm biến sẽ chuyển trạng thái đầu ra, chế độ này hoạt động như một cảm biến tiệm cận.

Phạm vi cảm nhận

Phản xạ:

& Trong chế độ này có dùng thêm một bộ phản xạ được đặt trong vùng làm việc Bộ phản xạ được điều chỉnh sao cho các sóng âm sau khi đập vào bộ phản xạ sẽ quay trở về cảm biến Khi đối tượng cần phát hiện cản trở sóng phản xạ thì cảm biến sẽ tác động.

& Bộ phản xạ thường được dùng khi đối tượng có hình dạng đặc biệt, hoặc hấp thụ âm thanh.

Đối tượng có hình dạng đặc biệt

Đối tượng hấp thụ âm

Xuyên suốt:

& Trong chế độ này người ta sử dụng hai bộ thu phát riêng biệt, khi chùm âm bị gián đoạn bởi đối tượng thì đầu ra cảm biến sẽ thay đổi trạng thái.

ảnh hưởng của môi trường:

Nhiệt độ:Nhiệt độ cao gây ảnh hưởng tới chế độ lμm việccủa cảm biến, thông thường đối với cảm biến siêu âm đềucó bù nhiệt độ

áp suất:Khi áp suất thay đổi ±5% so với áp suất mặtnước biển, thì tốc độ âm thay đổi khoảng ±0,6% Khi cảmbiến đặt cao hơn mực nước biển 3 km thì tốc độ âm giảm3,6% Cần điều chỉnh khoảng cách cảm biến cho hợp lí.

Chân không:Trong môi trường nμy thì cảm biến không hoạt

Thời tiết:Mưa nhỏ vμ tuyết nhỏ không ảnh hưởng tới hoạt động của cảm biến Tuy nhiên bề mặt của bộ chuyển đổinên được giữ khô ráo.

Lớp sương mù: Nói chung lμ không có ảnh hưởng gì tới cảmbiến, tuy nhiên không nên để chúng đọng trên bề mặt bộchuyển đổi.

Bụi:Môi trường bụi lμm giảm phạm vi cảm nhận của cảm

Tiệm cận quang học (Photoelectric proximity)

Lμ loại cảm biến sử dụng chùm tia sáng được điều biến Cấutạo cảm biến gồm một thiết bị phát vμ một thiết bị thu

Chùm tia sáng được điều biến:

Mục đích làm tăng khoảng cách cảm nhận và giảm ảnh hưởng của ánh sáng môi trường ánh sáng điều biến là một chùm xung có tần số từ 5kHz đến 30 kHz Nguồn sáng dùng trong các cảm biến loại này có phổ sáng từ ánh sáng xanh nhìn được tới ánh sáng hồng ngoại không nhìn được Tiêu biểu là nguồn sáng từ LED.

Hệ số khuyếch đại ánh sáng:

Hệ số khuyếch đại ánh sáng là lượng ánh sáng phát ra vượt quá lượng

yêu cầu của thiết bị thu.

Trong môi trường sạch thì hệ số này bằng hoặc lớn hơn 1 là đủ lượng yêu cầu của thiết bị thu Môi trường càng ô nhiễm thì hệ số này càng cao, do một phần ánh sáng phát ra sẽ bị môi trường này hấp thụ Tuy nhiên hệ số càng cao thì khoảng cách cảm nhận thực tế càng giảm.

Hệ số khuyếch đại

Kí hiệu:

Khuếch tánKhuếch tán

dùng tấm chắnPhản xạ

Xuyên suốtKhuếch tán đầu

ra tương tựCảm biến dùngsợi quang

Cảm biến mầuCảm biến vạch mầu

Cảm biến khehẹp

Xuyên suốt:

& Công nghệ nμy sử dụng phần phát vμ phần thu riêng

biệt, hai phần nμy được bố trí sao cho phần thu có thểnhận được tối đa chùm xung ánh sáng từ phần phát

& Nếu vì lí do gì đó mμ chùm tia sáng không tới được phần

thu, thì đầu ra của phần thu sẽ thay đổi trạng thái.

& Thích hợp đối với những vật chắn sáng vμ phản quang& Phạm vi cảm nhận lên tới 90 m (300 feet)

& Công nghệ này gắn phần phát với phần thu trên cùng một bộ Khi ánh sáng phát ra từ phần phát gặp mặt phản xạ sẽ quay trở lại phần thu & Nếu có bất kì đối tượng nào chắn ngang đường truyền sáng thì đầu ra

của cảm biến sẽ chuyển trạng thái

& Phạm vi cảm nhận tối đa cỡ 10 m (35 feet)

Phát

Phản xạ tích cực:

& Chùm sáng tích cực phát ra từ thấu kính phát có độ rộng phù hợp với bề mặt phản xạ.

& Kích thước tối thiểu của đối tượng bằng với bề mặt phản xạ

& Mặt phản xạ: Mặt phản xạ tương ứng với từng kiểu cảm biến phản xạ,

có thể hình tròn, hình vuông hoặc dải băng Khoảng cách cảm nhận tuỳ thuộc vào việc sử dụng bề mặt phản xạ

Phát chùm tia tích cực

Mặt phản xạ

Lọc phân cực đối với đối tượng phản quang:

& Đối với cảm biến phản xạ việc phát hiện đối tượng phản quang là không thể, do cảm biến không phân biệt được chùm sáng phản hồi từ

Cảm biến khuếch tán

& Công nghệ này cũng gắn phần phát và thu trên cùng một bộ Chùm sáng phát ra đập vào đối tượng và bị khuếch tán dưới các góc khác nhau, nếu phần thu nhận được đủ ánh sáng thì đầu ra cảm biến thay đổi trạng thái

& Để nâng cao hiệu quả người ta dùng công nghệ tấm chắn trong cảm biến khuếch tán Khoảng cách càng lớn thì góc phản xạ ánh sáng càng hẹp Bằng cách sử dụng tấm chắn PSD người ta có thể thu được ánh sáng từ các góc độ khác nhau.

& PSD: Position Senser Detector

Chế độ lμm việc tối:

& Khi cảm biến quang làm việc ở chế độ này, thì đầu ra sẽ chuyển trạng thái khi ánh sáng không tới đ−ợc thiết bị thu.

& Khi cảm biến quang làm việc ở chế độ này, thì đầu ra sẽ chuyển trạng thái khi ánh sáng tới đ−ợc thiết bị thu.

Đối t−ợng

3.2.một số cảm biến sử dụng bộ chuyển đổi ? Các phương pháp chuyển đổi

? Chuyển đổi nhiệt (cảm biến nhiệt độ) ? Chuyển đổi lực (cảm biến lực)

? Chuyển đổi lưu lượng (cảm biến lưu lượng)

? Các phương pháp chuyển đổi.

) Kĩ thuật mạch cầu cân bằng

) Kĩ thuật LVDT (Linear Variable Differential Transformer)

) Kĩ thuật mạch cầu cân bằng.

) Mạch cầu dùng các phần tử điện trở, tuỳ theo cách cấu

hình cho cầu cân bằng mμ ta có hai kiểu đo theo dònghoặc theo áp.

) ở điều kiện bình thường (cầu cân bằng) thì điện áp

Uoutput= 0, hoặc không có dòng điện qua cầu (Icầu= 0).

) Cầu điện áp: Lμ mạch cầu có điện áp Uoutputtỉ lệ vớisự thay đổi trở kháng trong mạch cầu Trên hình bên thìD lμ thiết bị thu thập RDlμ nội trở của nó

Với cầu này thì

) Cầu dòng điện: Nhằm tạo ra sự thay đổi về dòng

điện ở đầu ra của cầu cân bằng, giữa 2 điểm A vμ B Thiết bị thu thập D có nội trở rất thấp Ví dụ nh− nhữngmodule PLC khuếch đại dòng có trở kháng vμo thấp.

Trong đó: R4Blà trở kháng của R4khi cầu cân bằng

ΔR4: Độ chênh trở kháng giữa giá trị R4Bvà giá trị thực của trở kháng tại thời điểm đang xét.

RD: Trở kháng đầu vào của module thu thập

) Kĩ thuật LVDT (Linear Variable Differential Transformer).

LVDT lμ một cơ cấu cơ - điện tạo ra điện áp tỉ lệ với vị trícủa lõi biến áp (BA) trong lòng cuộn dây.

) Nguyên lý lμm việc: Điện áp AC đ−a vào cuộn sơ

cấp, tạo ra điện áp cảm ứng trên 2 đầu cuộn thứ cấp Khi lõi chuyển động làm cho điện áp đầu ra thứ cấpthay đổi Cuộn thứ cấp cuốn theo 2 chiều ng−ợcnhau, nên điện áp sẽ thay đổi cực tính khi lõi dịch

? Chuyển đổi nhiệt độ (Cảm biến nhiệt).

) Cảm biến nhiệt dùng để đo vμ giám sát sự thay đổi nhiệt

độ Trên thực tế có hai loại chuyển đổi sau:Đo sự thay đổi điện trở nội

Đo sự chênh lệch điện áp

) Đầu ra của cảm biến nhiệt có thể dưới dạng tín hiệu dòng

hoặc áp tỉ lệ với nhiệt độ cần đo

) Kiểu 1 thường lμ RTD hoặc Thermistor) kiểu 2 thường lμ cặp nhiệt ngẫu (can nhiệt)

RTD (Resistance Temperature Detector) (Nhiệt điện trở kim loại)

) RTD được chế tạo từ các dây dẫn nhậy cảm với nhiệt độ

(phần tử điện trở), vật liệu phổ biến nhất lμ platium, nickel, đồng, nickel-sắt Chúng được đặt trong ống bảo vệ

Đối với RTD thì trở kháng tăng tuyến tính với nhiệt độcần đo, do vậy RTD có hệ số nhiệt dương

) Để đo nhiệt độ, RTD được mắc theo kĩ thuật cầu điện

) Đối với module RTD của PLC, thì đã có mạch bù sai số,

do vậy ta có thể mắc trực tiếp RTD vμo module

) Trong trường hợp dùng module tương tự, thì ta cần thiết

kế thêm cầu cân bằng, kết hợp với khuếch đại tín hiệu.

) Thermistor (Nhiệt điện trở bán dẫn)

) Thermistor được lμm từ các vật liệu bán dẫn, sự thay

đổi điện trở của vật liệu tỉ lệ với nhiệt độ trong dải đo.

) Từ đường đặc tính trên, thì thermistor cho ta độ phân

giải cao hơn so với RTD Rất thích hợp với những ứngdụng có dải nhiệt độ hẹp.

So sánh 2 loại trên:

) RTD: ưu điểm:

Tuyến tính trong dải nhiệt độ rộngĐo được nhiệt độ cao, dải đo lớn

) Thermistor: ưu điểm:

Đáp ứng nhanh

Đo được nhiệt độ ở dải đo hẹp với độ chính xác caoKhông bị ảnh hưởng của điện trở dây nối

) Cặp nhiệt ngẫu (can nhiệt)

) Được cấu tạo từ một cặp kim loại, lμm từ vật liệu khác

nhau 2 đầu nối với nhau vμ đặt ở 2 vùng nhiệt độ, sựchênh lệch nhiệt độ tạo ra sức điện động trên 2 đầu cặp

) Nhiệt độ mẫu chuẩn (lạnh) lμ 0oC, do vậy trong

datasheet của cặp nhiệt ngẫu, điện áp đầu ra dựa trênnhiệt độ mẫu 0oC.

) Tuy nhiên trong công nghiệp việc tạo ra 0oC lμ rất bấttiện, cho nên cần phải tiến hμnh bù nhiệt độ mẫu

Xét ví dụ: Dùng cặp nhiệt ngẫu loại E, có tín hiệu điện áp đầu ra lμ 16,42 mV, nhiệt độ T2lμ 46oF, tìm nhiệt độ cầnđo T1(nhiệt độ đúng)

) Do nhiệt độ T2không phải nhiệt độ mẫu, nên ta tiếnhμnh bù, để bù đ−ợc ta cần dựa vμo đặc tính ra của cặpnhiệt ngẫu (xem hình).

? Chuyển đổi lực (Cảm biến lực).

) Cảm biến lực vμ áp suất dùng để đo lực trên một đơn vị

) Kiểu chuyển đổi nμy có hai hình thức lμ Dán

) Chỉ có dây quấn (R4) có chiều tương ứng với lực tác động, lúc đó chỉ trở kháng R4mới bị thay đổi.

)Dùng ống Bourdon

) Lμ kiểu chuyển đổi cơ khí (dùng kĩ thuật LVDT) biến áp

lực thμnh dịch chuyển theo vị trí Vị trí dịch chuyển tỉ lệ

) Lμ cảm biến đo trọng lượng vμ lực dựa trên nguyên lý

chuyển đổi đo sức căng kiểu dán Lμ loại cảm biến dùngchủ yếu trong cân nặng.

? Chuyển đổi lưu lượng (Cảm biến lưu lượng).

) Cảm biến lưu lượng dùng để đo lưu lượng của một vật

liệu bất kì, dưới dạng rắn, lỏng, khí

) Đo lưu lượng rắn

) Ví dụ: Bμi toán cần giữ ổn định lưu lượng của vật liệuChuyển động của chất lỏng.

) Đo yếu tố thứ nhất người ta có thể dùng ống Venturi

hoặc tấm orifice

) Đo yếu tố thứ hai người ta dùng đồng hồ đo lưu lượng

dùng turbine.

ống Venturi vμ tấm orifice: đều dựa vμo nguyên lí

Bernoulli, thể hiện mối quan hệ giữa tốc độ vμ độ chênháp suất giữa 2 điểm đo ống venturi vμ tấm orifice thíchhợp với đo áp suất thấp

Đồng hồ đo lưu lượng dùng turbine: dựa vμo nguyên lí cảmứng điện từ Về cấu tạo, đồng hồ gồm một rôto gắn vớinhiều cánh, một stato để tạo ra tín hiệu điện Khi rotoquay dưới tác động của luồng chất lỏng, sẽ tạo ra từtrường cảm ứng trong đồng hồ Từ trường nμy được tạo thμnh những tín hiệu điện áp nhỏ (cỡ 10-20mV) Bộchuyển đổi điện có thể tạo tín hiệu tương tự hoặc tín hiệusố (xung) tỉ lệ với lưu lượng môi chất qua ống

Xung ra Bộ chuyển đổi điện

) Lμ loại cảm biến phát hiện vị trí hiện tại của đối

tượng trong hμnh trình.

) Cảm biến vị trí trục quay: Bao gồm nhiều tiếp điểm được sắp xếp theo một quy luật nào đó.

) Cảm biến vị trí dùng photo-điốt: Bao gồm một dãy phát và một dãy thu Tuy vào vị trí của đối tượng mà các điôt tương ứng sẽ tắt

? Chuyển đổi vị trí (Cảm biến vị trí).

) Cảm biến vị trí dùng bộ phân áp (potentiometer): Sử dụng một bộ phân áp, tuỳ vào điện áp đầu ra mà cho ta vị trí của đối tượng cần phát hiện.

) Cảm biến vị trí dùng kĩ thuật LVDT: Sử dụng một biến áp LVDT, tuỳ vào vị trí dịch chuyển của đối tượng mà cho ta điện áp tương ứng ở đầu ra của biếp áp.

) Cảm biến vị trí dùng encoder quang: Là loại cảm biến chuyển dấu hiệu vị trí theo góc, theo đường thẳng thành tín hiệu nhị phân tương đương Đối với loại cảm biến này thường được chia ra làm hai loại:

Mã hoá liên tụcMã hoá tuyệt đối