Bài giảng Kỹ thuật cảm biến: Cảm biến

Bài giảng Kỹ thuật cảm biến: Cảm biến cung cấp cho bạn đọc khái niệm, phân loại và nguyên lý hoạt động của cảm biến. Để hiểu rõ hơn, mời các bạn tham khảo chi tiết nội dung bài giảng.

CẢM BIẾN (SENSOR) Giảng viên: Vũ Hồng Nghiên 7.1.1 Khái niệm     Cảm biến là thiết bị dùng để cảm nhận biến đổi các đại lượng vật  lý và các đại lượng khơng có tính chất điện cần đo thành các đại  lượng có thể đo và xử lý được Các đại lượng đo (M) thường khơng có tính chất điện (như nhiệt  độ, áp suất, trọng lượng…) tác động lên cảm biến cho ta đại lượng  đặc trưng (S) mang tính chất điện như (như điện tích, điện áp,  dòng điện hay trở kháng) chứa đựng thơng tin cho phép xác định  giá trị của đại lượng đó.  Đặc trưng (s) là hàm của đại lượng cần đo (M) S = F(M) Người ta gọi (S) là đại lượng đầu ra hoặc phản ứng của cảm biến.  (M) là đại lượng đầu vào hay kích thích ( có nguồn gốc đại lượng  cần đo). Thơng qua đo đạc (S) cho phép nhận biết giá trị (M) 7.1.2 Phân loại cảm biến  Các bộ cảm biến được phân loại theo đặc trưng sau  đây:  Theo nguyên lý chuyển đổi giữa đáp ứng kích thích  Phân loại theo dạng kích thích  Phân loại theo phạm vi sử dụng  Phân loại theo thơng số mơ hình mạch thay thế Theo ngun lý chuyển đổi giữa đáp  ứng kích thích Hiện  tượng Vật lý Hố học Sinh Học Chuyển đổi và đáp ứng kích thích ­ Nhiệt điện;  ­ Quang điện; ­ Quang từ ­ Điện từ; ­ Quang đàn hồi; ­ Từ  điện ­ Nhiệt từ ­ Biến đổi hố học ; ­ Biến đổi điện hố ­ Phân tích phổ… ­ Biến đổi sinh hố; ­ Biến đổi vật lý ­ Hiệu ứng trên cơ thể sống Phân loại theo dạng kích thích  Âm  ­Biên pha, phân cực; ­Phổ; ­Tốc độ truyền sóng Điện ­Điện tích, dòng điện; ­Điện thế, điện áp ­Điện trường; ­Điện dẫn, hằng số điện mơi Từ ­Từ trường; ­Từ thơng, cường độ điện trường; ­Độ từ  thẩm Quang ­Biên, pha, phân cực,phổ; ­Tốc độ truyền ­Hệ số phát xạ, khúc xạ; ­Hệ số hấp thụ, hệ số bức  xạ Cơ ­Vị trí; ­lực ,áp suất; ­Gia tốc, vận tốc ­Ứng suất, độ cứng; ­Moment; ­Khối luợng tỷ trọng ­Vân tốc chất lưu, độ nhớt… Nhiệt ­Nhiệt độ; ­Thơng lượng; ­Nhiệt dung, tỉ nhiệt Bức xạ ­Kiểu; ­Năng lượng; ­Cường độ Theo tính năng của bộ cảm biến         Độ nhạy Độ chính xác Độ phân giải Độ chọn lọc Độ tuyến tính Cơng suất tiêu thụ Dải tần Độ trễ Theo tính năng của bộ cảm biến         Độ nhạy Độ chính xác Độ phân giải Độ chọn lọc Độ chính xác Độ tuyến tính Cơng suất tiêu thụ Dải tần        Độ trễ Khả năng quá tải Tốc độ đáp ứng Độ ổn định Tuổi thọ Điều kiện lựa chọn Kích thước, trọng lượng Phân loại theo phạm vi sử dụng       Khả năng quá tải Tốc độ đáp ứng Độ ổn định Tuổi thọ Điều kiện lựa chọn Kích thước, trọng lượng Phân loại theo phạm vi sử dụng         Công nghiệp Nghiên cứu khoa học Mơi trường, khí tượng Thơng tin, viễn thơng Nơng nghiệp Dân dụng Vũ trụ Qn sự Phân loại theo thơng số mơ hình  mạch thay thế    Cảm biến tích cực đầu ra là nguồn áp, nguồn dòng  (NPN, PNP…) Cảm biến thụ động được đặc trưng bởi thơng số R, L,  C, M… tuyến tính hoặc phi tuyến Đường cong chuẩn của cảm biến là đường cong được  biểu diễn sự phụ thuộc vào đại lượng điện (S) ở đầu ra  của cảm biến vào giá trị của đại lượng đo (m) ở đầu  vào Phát hiện dấu/vết trên nền  E3X­DA là sensor có đèn led màu đỏ/màu xanh  dương hoặc xanh lá cho phép phát hiện độ tương  phản giữa các điểm, các vết màu trên nền. Người  kỹ sư rất dễ vận hành nhờ nút Tech trên sensor Phát hiện dây băng  Bao thuốc lá được bọc bởi một vỏ bọc nylon sáng màu  và có 1 dy băng để dễ dàng bóc lớp bao này ra. Có thể  dùng sensor trong trường hợp này để phát hiện dây  băng này có nằm đúng vị trí hay khơng. E3C­VM35R rất  nhỏ, có thể phát hiện vật thể có kích thướt nhỏ đến  0,2mm. Nó cũng phân biệt được sự khác biệt rất nhỏ về  màu sắc Phát hiện băng niêm phong trên nắp  lọ/hộp  Nắp lọ/hộp được bọc bởi một lớp plastic bảo vệ niêm  phong ngăn khơng khí, vỏ bọc này rất mỏng, trong suốt,  và bóng láng. Một sensor truyền thống khơng thể phát  hiện được chính xác đối tượng có độ bóng cao như vậy.  Omron đã sáng chế ra loại sensor cụ thể đáp ứng được  u cầu trên là: E3X­NL11 dùng với đầu E32­S15L1 với  độ tin cậy cao Phát hiện nhãn bằng plastic bóng  trên giấy  Nhãn giấy bằng plastic có độ phản xạ rất cao mà các  loại sensor trước đây khơng thể phát hiện được. Sensor  E3X­NL11 với đầu fiber E32­S15L­1 của OMRON có  thể được dùng để phát hiện các vật thể bóng lống như  trong trường hợp này Phát hiện nắp nhơm trên chai nước   Nhiệm vụ là phát hiện nắp nhơm trên chai nước. E2CY­ C2A là sensor tiệm cận chun để phát hiện vật thể  bằng nhơm với độ tin cậy cao. Nó rất dễ cài đặt, chỉ cần  ấn nút TEACH trên bộ khuyếch đại Phát hiện chai PET   Chai PET thường rất mỏng và chứa nước hoặc chất  lỏng trong suốt. Hình dạng của chai là hình trọn hoặc  hình vng với các gờ cạnh. Do vậy, việc dùng các loại  sensor quang thơng thường để phát hiện sẽ khơng tin  cậy. Omron đã phát triển 1 loại sensor đặc biệt dùng  cho mục đích này là model E3Z­B với độ tin cậy cao Phát hiện mẫu bánh trên băng  chuyền  Phát hiện mẩu bánh, kẹo với kích thướt và hình dạng,  màu sắc khác nhau mà khơng cần phải cài đặt, thiết lập  phức tạp. E3S­CL là loại Photosensor của OMRON với  khoảng cách phát hiện xác định và điều chỉnh được dễ  dàng Phân biệt chiều cao của nắp  E3G­L1 là loại photosensor đặt được khoảng cách thế  hệ mới. Nó có thể phát hiện 1 cách chính xác sự khác  biệt dù là nhỏ nhất về chiều cao vật. Hoạt động của  sensor khơng bị ảnh hưởng bởi màu sắc, chất liệu, độ  nghiêng dốc, độ bóng và kích thướt vật thể. Có thể dể  dàng chỉnh được khoảng cách phát hiện của sensor  bằng nàn hiển thị kép Phát hiện mức sữa/nước trái cây  bên trong hộp  Phát hiện sữa/nước trái cây bên trong hộp màu trắng,  khơng trong suốt (hộp đã đóng nắp). E3Z­T61 với tia  sáng mạnh, có thể xun qua lớp vỏ bọc giấy bên ngồi  của hộp và do đó có thể phát hiện được sữa/trái cây có  bên trong hộp giấy hay khơng. E2K­C là sensor tiệm  cận cơng suất lớn, nó cũng có thể phát hiện được có  chất lỏng bên trong hộp hay khơng Cảm biến phát hiện màu  Nhiệm vụ là phát hiện bàn chải đánh răng và phân loại  các màu khác nhau. E3MC là loại sensor màu, nó rất dễ  dàng nhận biết màu của vật theo u cầu (có chức  năng Teach). Tín hiệu ra của E3MC có thể nối với bộ  điều khiển để phân loại, xác định lỗi … Đo đường kính của ống   Sensor laser với tia sáng song song Z4LC là loại cho  phép đo đường kính ống với độ chính xác cao mà khơng  cần tiếp xúc Kiểm tra hiện tượng thủng nắp thiếc,  nắp nhơm  Bằng cách kiểm tra độ lõm của nắp. Sensor lazer ZX có  thể phân biệt được độ chênh lệch chiều cao rất nhỏ, do  vậy khi nắp bị dẹp (do thủng lỗ) hay lồi lên, đầu ra sẽ  được cảnh báo ngay với tốc độ hoạt động khá cao Phát hiện nắp lọ bị lỏng  Phát hiện nắp lọ bị lỏng với Z4LB­S10V2 của loại  sensor thơng minh ZX­LT với tia lazer song song có thể  phát hiện được nắp lọ bị lỏng hoặc các ứng dụng tương  tự chính xác tới vài micromet Kiểm mẫu, phát hiện chiều quay  của viên pin  Sensor F10 hoạt động trên ngun tắc bắt hình và so  với mẫu đã lưu. Do đó ta có thể kiểm tra sản phẩm có  hình ảnh khơng đúng như mẫu đã lưu (hình bị quay,  nghiêng, sai loại…) Phát hiện lon kim loại   Phát hiện các lon kim loại đang di chuyển trên băng  chuyền. E2EV là loại cảm biến tiệm cận cảm ứng từ, có  thể phát hiện tất cả các kim loại, ngồi ra còn có loại  sensor phát hiện sắt từ(E2E) và sensor chỉ phát hiện  nhơm/đồng là E2EY ... gian (rơle trung gian, bộ điều khiển cảm biến . . . . ) Một số hình ảnh các loại cảm biến cảm ứng từ Một số hình ảnh các loại cảm biến cảm ứng từ Một số hình ảnh các loại cảm biến cảm ứng từ Một số hình ảnh các loại cảm biến cảm ứng từ... tượng có kích thước nhỏ, phạm vi cảm nhận lớn Cảm biến điện dung chịu ảnh hưởng bởi bụi và độ ẩm.  Cảm biến điện dung có vùng cảm nhận lớn hơn vùng  cảm nhận của cảm biến điện cảm Một số hình ảnh các loại cảm biến điện dung...  là số lần tác động lập lại khi cảm biến đi vào vùng  hoạt động của senso  / f =1 T1 +T2             M  2M          zM Khoảng cách ½ cảm biến Vật cảm biến T1          T2      T3 7.2.3 Cảm biến tiệm cận cảm ứng  Cảm biến cảm ứng từ gồm có 4 khối chính: