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: