Giáo trình Tự động hóa trong quá trình sản xuất

Việt Nam, một nước đang phát triển lại càng cần thiết sự tự động hóa cao nhất là trong lĩnh vực tự động hóa quá trình sản xuất, giúp người lao động nâng cao hiệu suất làm việc và tránh[r]

Trang MỤC LỤC

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TỰ ĐỘNG HĨA Q TRÌNH SẢN XUẤT

1.1 Giới thiệu

1.2 Khái niệm định nghĩa

1.3 Hệ thống tự động hóa q trình sản xuất

CHƢƠNG 2: CẢM BIẾN VÀ CƠ CẤU CHẤP HÀNH 2.1 Cảm biến 10

2.2 Một số cảm biến phổ biến lĩnh vực tự động hóa 14

2.2.1 Cảm biến dịch chuyển thẳng quay 14

2.2.2 Cảm biến lực 16

2.2.3 Cảm biến khoảng cách 17

2.2.4 Cảm biến quang 19

2.2.5 Cảm biến điện dung 21

2.2.6 Cảm biến điện cảm (điện từ) 22

2.3 Cơ cấu chấp hành 23

2.3.1 Động điện 23

2.3.2 Hệ thống điều khiển khí nén 29

CHƢƠNG 3: BỘ ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH PLC 3.1 Giới thiệu 39

3.2 Sự khác hệ điều khiển relay hệ điều khiển PLC 39

3.3 Cấu trúc PLC 42

3.4 Các khối PLC 44

3.4.1 Khối nguồn cung cấp 44

3.4.2 Bộ nhớ chương trình 44

3.4.3 Khối trung tâm (CPU) 46

3.4.4 Khối vào 46

3.4.5 Khối 46

3.4.6 Các khối đặc biệt 47

3.5 Phương thức thực chương trình PLC 47

CHƢƠNG 4: PLC SIMATIC S7-200 4.1 Cấu hình phần cứng 49

4.1.1 Khối xử lý trung tâm 49

4.1.2 Khối mở rộng 52

4.1.2.1 Digital module 52

4.1.2.2 Analog module 52

4.1.2.3 Intelligent module 53

4.1.2.4 Function module 54

4.2 Màn hình điều khiển 54

4.3 Các vùng nhớ 55

4.4 Qui ước địa PLC S7-200 58

4.4.1 Truy xuất theo bit 58

4.4.2 Truy xuất theo byte (8 bit) 58

4.4.3 Truy xuất theo word (16 bit) 58

4.4.4 Truy xuất theo word (Double word = 32 bit) 58

4.5 Xử lý chương trình 60

Trang

5.1.1 Giới thiệu CPU 224 cách kết nối với thiết bị ngoại vi 62

5.1.2 Kết nối với máy tính 62

5.1.3 Nối nguồn cung cấp cho CPU 64

5.1.4 Kết nối vào/ra số với ngoại vi 65

5.1.4.1 Kết nối ngõ vào số với ngoại vi 65

5.1.4.2 Kết nối ngõ số với ngoại vi 66

CHƢƠNG 6: CÁC PHÉP TỐN LOGIC VÀ TẬP LỆNH LẬP TRÌNH 6.1 Ngăn xếp (logic stack) S7-200 70

6.2 Các phép toán logic 70

6.2.1 Phép toán AND 70

6.2.2 Phép toán OR 71

6.2.3 Tổ hợp cổng AND OR 71

6.2.3.1 AND trước OR 71

6.2.3.2 OR trước AND 72

6.2.4 Phép toán XOR 73

6.3 Xử lý tiếp điểm, cảm biến nối với ngõ vào PLC 73

6.4 Ví dụ ứng dụng liên kết logic 75

6.4.1 Mạch tự trì ưu tiên mở máy 75

6.4.2 Mạch tự trì ưu tiên dừng máy 76

6.4.3 Điều khiển ON/OFF động có báo 76

6.4.4 Điều khiển đảo chiều quay động 78

6.5 Các lệnh SET, RESET mạch nhớ RS 80

6.5.1 Lệnh SET 80

6.5.2 Lệnh RESET (R) 80

6.5.3 Mạch nhớ R-S 81

6.5.3.1 Ưu tiên SET (khâu SR) 81

6.5.3.2 Ưu tiên RESET (khâu RS) 82

6.5.4 Các qui tắc sử dụng Set Reset 82

6.6 Các lệnh nhận biết cạnh tín hiệu lệnh NOT 83

6.6.1 Lệnh NOT 83

6.6.2 Các lệnh nhận biết cạnh tín hiệu 83

6.7 Các Bit nhớ đặc biệt (Special Memory bits) 84

CHƢƠNG 7: BỘ ĐỊNH THỜI (TIMER) VÀ BỘ ĐẾM (COUNTER) 7.1 Giới thiệu định thời 85

7.2 Timer đóng mạch chậm TON 85

7.3 Timer đóng mạch chậm có nhớ TONR 86

7.4 Timer mở mạch chậm TOF 87

7.5 Giới thiệu đếm 89

7.6 Bộ đếm lên CTU (Count Up) 89

7.7 Bộ đếm xuống CTD (Count Down) 90

7.8 Bộ đếm lên-xuống CTUD (Count Up/Down) 91

CHƢƠNG 8: PHƢƠNG PHÁP LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN TUẦN TỰ 8.1 Cấu trúc chung chương trình điều khiển 93

8.2 Điều khiển 93

8.2.1 Giới thiệu 93

8.2.2 Phương pháp lập trình điều khiển 95

8.3 Các thủ tục tổng quát để thiết kế toán 96

8.4 Cấu trúc toán điều khiển 97

8.4.1 Hệ thống nối tiếp 98

Trang 8.4.3 Hệ thống rẽ nhánh có lựa chọn 102 8.4.4 Hệ thống có vịng lặp 105 CHƢƠNG 9: CÁC CƠ CẤU TỰ ĐỘNG CƠ KHÍ

Trang CHƢƠNG 1:

TỔNG QUAN VỀ TỰ ĐỘNG HĨA Q TRÌNH SẢN XUẤT

1.1 Giới thiệu

Những cách mạng công nghệ giúp nâng cao chất lượng sống Một khía cạnh ưu việt lĩnh vực chế tạo máy sản xuất hàng hóa Tính tự động hóa trang thiết bị cơng ty, nhà máy, xí nghiệp ngày phổ biến phát triển với qui mô lớn, yêu cầu độ xác cao, giúp giải phóng sức lao động, nâng cao chất lượng sản lượng đáp ứng nhu cầu sống người Việt Nam, nước phát triển lại cần thiết tự động hóa cao lĩnh vực tự động hóa q trình sản xuất, giúp người lao động nâng cao hiệu suất làm việc tránh công việc nặng nhọc, nguy hiểm đến sức khỏe Ở đất nước có cường độ làm việc độ xác cao, người đảm nhiệm được, lúc máy móc thay người giám sát người.Vì vậy, việc tự động hóa hệ thống sản xuất với trang thiết bị đại điều cần thiết

1.2 Khái niệm định nghĩa

Hệ thống:Ngay từ năm 1990, nhu cầu quan điểm toàn diện hệ thống sản xuấtlà cần thiết (ví dụ Rampersad 1994; Wu 1994; Bellgran 1998) Một quan điểm toàn diện hệ thống sản xuất hệ thốngnên thiết kế với phận kỹ thuật vật lý, người hệ thống, cách tổ chức công việc, xem xét (Bennett 1986) Để tạo thuận lợi, quan điểm toàn diện dựa lý thuyết hệ thống, hệ thống sản xuất Tầm quan trọng tổng thể hệ thống nhấn mạnh hệ thống quan điểm lý thuyết áp dụng cho hệ thống sản xuất Với hỗ trợ từ hệ thống quan điểm lý thuyết tất phận lấy vào xem xét tác động lẫn phận khác sản xuất Ngày nay, Cáckhái niệm hệ thốngđãtrở nên ngày càngphổ biếnđể mô tảhoạt động tượng trongcác tình khác nhau(Lind 2001) Do đó, khái niệm hệ thống thường xuất kết hợpvới thuật ngữ khác, trường hợphệ thống sản xuất, hệ thống chế tạo (gia cơng) hệ thốnglắp ráp (hình1.1)Hệ thốngtồn tạiở khắp nơivà bất chấpsự khác biệt tất cảcác hệ thống chia sẻ số cấu trúc chung.Như hệ quảcủa hệ thống quan điểm lý thuyết phát triển cách giải thích hệ thốngmột cách khoa học(Wu 1994):" Các ngành công nghiệp sản xuất rời khỏi khái niệm tuổi cơng nghệ đặc trưngbằng máy móc,và q trình chuyển sang đặc trưng tuổicủa hệ thống "(Wu 1994) Từ thấy nhận thức hệ thống hữu ích để tăngsự hiểu biết hệ thống sản xuất phức tạp để thành công phát triển vận hành hệ thốngsản xuất hiểu biết tốt thành phần mộthệ thống sản xuấtvà làm thành phần tương tác điều cần thiết

Trang

Hệ thống sản xuất

Q trình tạo hàng hóa / dịch vụ thông qua kết hợp vật liệu, công việc, vốn gọi sản xuất Sản xuất thứ từ sản xuất hàng tiêu dùng, sản xuất dịch vụ công ty tư vấn, âm nhạchoặc sản xuất lượng Có mối liên hệ rõ ràng sản xuất hàng hóa dịch vụ Sự tiêu thụ tạo động lực cao cấp cho sản xuất Hàng hóa sản xuất phải cách phân phối cho tiêu dùng Do sản xuất hàng hố thường khơng quan tâm, khơng kết hợp với sản xuất dịch vụ, ví dụ khu vực hậu cần (Mattsson Jonsson 2003).Tuy nhiên loại hình cụ thể sản xuất nêu tài liệu làhoạt động sản xuất công nghiệp Giới hạn sản xuất hàng hóa, nơi màsự chuyển đổi nguyên liệu thành sản phẩm thực hệ thống sản xuất hình 1.2

Một hệ thống sản xuất bao gồm số yếu tố mà chúng cóquan hệ đối ứng Yếu tố thường đề cập đến địa điểm, người, máy móc,và thiết bị (Lofgren 1983) Phần mềm qui trìnhcó thể thêm vào thành phần hệ thống Chapanis(1996) Một quan điểm cấu trúc hệ thống sản xuất sử dụng để mô tả yếu tố hệ thống khác mối quan hệ họ, xem hình1.3

Hình 1.2 Mơ tả chức hệ thống sản xuất

Hình 1.3 Các thành phần hệ thống sản xuất

Tuy nhiên,một khơng gian khác thêm vào mơ tả mộ thệ thống sản xuất, q trình định.Quá trình định cho hệ thống sản xuất thêm quản lý vốn(chủ sở hữu), quản lý sản xuất kinh doanh quản lý để mô tả mộthệ thống sản xuất(Sandkull vàJohansson2000)

Trang Các hoạt động hệ thống sản xuất thường mơ tả dựa vịng đời sản phẩm (Foresight kỹ thuật năm 2003):

Hình 1.4Mơ hình hệ thống sản xuất bao gồm trình định

• Các hoạt động thị trường tạo nhu cầu sản phẩm tạo từ hệ thống sản xuất cung cấp mức độ yêu cầu chất lượng suất hệ thống sản xuất bao gồm điều kiện tiên thời gian để phát triển, chất lượng sản phẩm chi phí;

• Các hoạt động kỹ thuật kiểm sốt phát triển sản phẩm điều kiện tiên cho hệ thống sản xuất;

• Các hoạt động sản xuất tạo sản phẩm hệ thống sản xuất; hoạt động phân phối làm cho chắn sản phẩm giao theo điều kiện cho khách hàng;

• Các hoạt động dịch vụ nhằm mục đích loại bỏ ngăn ngừa khuyết tật mà xuất sản phẩm;

• Các hoạt động tái chế nhằm tiết kiệm tài nguyên xử lý vật liệu bị mài mòn nhanh

Trang Hình1.5Chu kỳ hoạt động hệ thống sản xuất

Hệ thống sản xuấtmớiđược thiết kế vàthực hiệnsong songvớihệ thống cũvẫn cịn hoạt động, cung cấpcác hộitốt để ứng dụng kinh nghiệm Bản chất củacác hệ thống sản xuấtlà khác trongvòng đờikhác nhautheo giai đoạn,cũng cácyêu cầu đặt racho khả đáp ứng củahệ thống.Vì thế,nhận diệncủacáchệ thống sản xuấtvị trí vai trị giai đoạn trongchu kỳ hệ thống sản xuất đểđạt tính tự động hóa cao.iệu sản xuất quan tâm khivịng đời hệ thống sản xuất xem xét Hiệu sản xuất thường đo giai đoạn hoạt động Nếu hiệu sản xuất xác định từ bắt đầu giai đoạn lập kế hoạch thiết kế có nhiều hội nâng cao hiệu trong giai đoạn phát triển ban đầu hệ thống sản xuất

1.3 Hệ thống tự động trình sản xuất

Ngày có nhiều hệ thống tự động hóa q trình sản xuất phân loại dựa khía cạnh khác dựa ứng dụng, loại sản phẩm chế tạo, dòng sản phẩm nhà cung cấp theo xu phát triển công nghệ ứng dụng hình 1.6-1.8

Trang Hình1.7 Hệ thống tự động hóa nhà máy sản xuất xi măng

Hình1.8 Hệ thống tự động hóa đóng gói bao bì nhà máy sản xuất sản phẩm từ sữa Tài liệu giới thiệu khía cạnh phát triển hệ thống tự động trình sản xuất dựa phát triển hệ thống điều khiển nơi mà kỹ thuật điều khiển cũ dần thay phương pháp điều khiển ngày hoàn thiện cho độ chính, xác, ổn định tin cậy cao

Trang Hình1.10 Mơ hình cấu trúc mạng hệ thống Đo lường, điều khiển giám sát (SCADA)

Các thiết bị bao gồm thiết bị cảm biến, cấu chấp hành, mạng truyền thông điều khiển đượccải tiến, cập nhật áp dụng thành tựu cơng nghệ ,như hình 1.9-1.11nhằm đáp ứng thỏa mãn yêu cầu phù hợp với hoạt động sản xuất phù hợp với xu phát triển nhân loại

Trang 10 CHƢƠNG 2: CẢM BIẾN VÀ CƠ CẤU CHẤP HÀNH

Cảm biến cấu chấp hành hai thành phần hệ thống điều khiển phổ biến hệ thống tự động hóa sản xuất Hình 2.1 bao gồm khối cảm biến, khối điều khiển khối cấu chấp hành Khối cảm biến đơn giản cảm biến đơn lẻ gồm thành phần bổ sung lọc, khuếch đại, điều chế biến đổi tín hiệu khác Khối điều khiển nhận thơng tin từ khối cảm biến, đưa định dựa thuật toán điều khiển lệnh tới khối cấu chấp hành Khối cấu chấp hành bao gồm cấu chấp hành thêm nguồn cấu ghép nối

Hình 2.12 Hệ thống Cơ điện tử thường gặp hệ thống tự động hóa 2.1Cảm Biến

Cảm biến thiết bị mà có tượng vật lý tác động vào (nhiệt độ, lực, ánhsáng,…) tạo tín hiệu đầu (điện, học, từ,…) tỷ lệ.Cảm biến phân loại thành dạng tương tự số dựa dạng tín hiệu đầu Cảm biến tương tự cung cấp tín hiệu liên tục tỷ lệ với tham số cần đo cần biến đổi tương tự thành số trước chuyển cho điều khiển số Trong đó, cảm biến số cung cấp đầu số trực tiếp ghép nối với điều khiển số

Phân loại cảm biến

Một số loại cảm biến thường gặp phân loại theo ứng dụng như:  Cơng tắc hành trình

 Cảm biến dịch chuyển thẳng quay  Cảm biến gia tốc

 Cảm biến lực

 Cảm biến đo mômen công suất  Cảm biến lưu lượng

 Cảm biến nhiệt độ

 Cảm biến đo khoảng cách

 Các cảm biến nhận biết ánh sáng, hình ảnh nhận dạng Hoặc phân loại theo nguyên lý biến đổi vật lý, hóa học

Khối cảm biến

Khối cấu chấp hành BỘ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG

Trang 11  Cảm biến điện dung

 Cảm biến điện từ  Cảm biến quang  Cảm biến siêu âm  Cảm biến hiệu ứng Hall

Tiêu chuẩn lựa chọn

 Dải đo:  Độ phân giải:  Độ xác:  Tính xác:  Độ nhạy:

 Thời gian đáp ứng:  Nhiệt độ hoạt động:  Vùng chết:

Dải đo: chênh lệch giá trị lớn giá trị nhỏ tham số cần đo Dải đo thường quy định nhà sản xuất cảm biến

Độ phân giải: cảm biến khoảng thay đổi nhỏ đầu vào mà cảm biến đo Độ phân giải hiểu số đếm nhỏ cảm biến Ví dụ mã hóa 1024 ppr (xung/vịng) có độ phân giải là:

xung độ độ 0.3516 xung

1024

360 

Độ nhạy: cảm biến định nghĩa tỷ số thay đổi đầu đơn vị thay đổi đầu vào Độ nhạy cảm biến thường liên quan mật thiết đến độ phân giải Một cảm biến có đặc tính tuyến tính có độ nhạy khơng đổi tồn dải đầu vào Các cảm biến có đặc tính phi tuyến có độ nhạy tăng giảm đầu vào thay đổi hình 2.2

Trang 12 Sai số: sai số độ sai khác giá trị đo giá trị thực đầu vào Có hai loại sai số sai số hệ thống sai số ngẫu nhiên Sai số hệ thống có tất phép đo thực với cảm biến Các dạng sai số hệ thống:

 Sai số lệch không: dạng phổ biến sai số hệ thống giá trị đầu khác không với đầu vào không

 Sai số tải: thêm cảm biến vào hệ đo làm thay đổi hệ

 Sai số độ nhạy cảm biến thay đổi không giống mong muốn

Khả lặp lại: khả thu đầu giống với đầu vào giống cảm biến Sai số ngẫu nhiên làm giảm khả lặp lại Sai số ngẫu nhiên khắc phục cách lấy trung bình số phép đo Nhiễu làm giảm khả lặp lại

Vùng chết: vùng đầu vào gần điểm không mà đầu giữ giá trị không Khi đầu vào dịch khỏi vùng chết đầu thay đổi theo đầu vào (hình 2.3).Vùng chết thường dùng ổn nhiệt gia đình điều khiển q trình

Ví dụ ổn nhiệt gia đình mơ tả hình 2.4

Khi nhiệt độ đạt điểm đặt (giá trị mong muốn) ổn nhiệt, đầu giữ trạng thái tắt Ngay nhiệt độ phòng tăng lên tới giá trị điểm đặt cộng nửa giá trị vùng chết đầu hệ thống làm mát bật hồn tồn

Khi phịng lạnh đi, đầu giữ trạng thái bật đến nhiệt độ phòng đạt điểm đặt trừ nửa giá trị vùng chết, đầu hệ thống làm lạnh tắt hồn tồn

Hình 2.14Vùng chết

đầu

đầu vào Vùng chết

Tuyến tính

Trang 13 Hình 2.15Vùng chết ổn nhiêt

Tính ổn định: thuật ngữ tính ổn định có nhiều định nghĩa cách dùng khác định nghĩa phổ biến định nghĩa liên quan đến cân Một hệ cân giữ trạng thái khơng đổi khơng có nhiễu tác động Một hệ ổn định trở lại trạng thái cân có nhiễu nhỏ làm dịch chuyển hệ thống khỏi trạng thái ban đầu Một hệ không ổn định khơng trở lại vị trí cân thường dịch chuyển xa vị trí cân

Hình 2.5 cho thấy ba điều kiện ổn định với hệ đơn giản gồm: bóng đồi Trong trường hợp, vị trí cân xác định dễ dàng – đỉnh đồi đáy Trong trường hợp ổn định, dịch chuyển nhỏ bóng khỏi vị trí cân bằng, quay trở vị trí cân bằng, sau vài dao động Trong trường hợp thứ ba, trường hợp khơng có ma sát làm bóng dao động liên tục quanh vị trí cân sau có chuyển động nhỏ Trường hợp đặc biệt gọi biên ổn định hệ thống không thực trở lại vị trí cân

Hầu hết cảm biến cấu chấp hành vốn ổn định Tuy nhiên, việc thêm hệ điều khiển chủ động làm hệ thiết bị ổn định trở thành khơng ổn định Cần phân tích kiểm tra cẩn thận để đảm bảo hệ điện tử hoạt động trạng thái ổn định

Hình 2.16 Tính ổn định hệ thống

Thời gian đáp ứng: thời gian trễ đầu vào đầu Cảm biến tốt thời gian đáp ứng nhỏ

Nhiệt độ hệ thống: khoảng nhiệt độ mà cảm biến cịn hoạt động

Việc chọn cảm biến thỏa mãn tất đặc tính kỹ thuật khơng thực tế Ví dụ việc tìm cảm biến vị trí với độ phân giải m khoảng mét gần không đáp ứng với hầu hết loại cảm biến Do tùy theo hệ Cơ điện tử thiết kế mà ta lựa chọn cảm biến cho phù hợp

Không ổn định Ổn định Biên giới ổn định

Có ma sát Khơng ma sát

Vùng chết

điểmđặt nhiệtđộ đầu

bật

Trang 14 Khi hệ số chức thỏa mãn, người ta đưa danh sách cảm biến Sự lựa chọn cuối phụ thuộc vào kích cỡ, độ tin cậy, độ bền vững, khả bảo dưỡng giá thành cảm biến

2.2 Một số cảm biến phổ biến lĩnh vực tự động hóa 2.2.1 Cảm biến dịch chuyển thẳng quay

Hầu hết chuyển động phổ biến hệ thống khí chuyển động thằng dọc theo trục cố định quay góc quanh trục cố định Những chuyển động phức tạp thường tạo việc kết hợp chuyển động đơn giản Trong phần giới thiệu tóm tắt số cơng nghệ sẵn có để đo chuyển động thẳng chuyển động quay quanh trục

Chuyển mạch tiếp xúc (công tắc, công tắc hành trình)

Loại đơn giản cảm biến dịch chuyển cơng tắc hành trình, gởi trả bit thơng tin: chạm khơng chạm Một cơng tắc hành trình điển hình bao gồm địn bẩy, tác động tạo tiếp xúc khí bên cơng tắc, từ tạo mạch điện kín (hình 2.6) Có thể sử dụng cơng tắc cảm biến va chạm

Hình 2.17 Cơng tắc hình trình

Hình 2.18 Một số dạng cơng tắc hành trình

Chuyển mạch tiếp xúc thường có hai dạng thường hở (normally open) thường đóng (normally closed) Phần tiếp xúc gia cố để chịu lực tác động nhiều lần

Công tắc từ (Reed Switches)

Trang 15 tiếp điểm đóng lại Các cảm biến thường dùng làm cơng tắc hành trình khơng tiếp xúc cho xy lanh khí nén

Hình 2.19Công tắc từ Tia hồng ngoại

Tia hồng ngoại sử dụng để đo dịch chuyển thẳng dịch chuyển quay Thông thường điôt phát tia hồng ngoại (LED) đèn phát quang (Thiết bị phát) dùng nguồn phát sáng thiết bị cảm nhận hồng ngoại dùng để phát tia sáng (thiết bị thu)

Nếu thiết bị phát thiết bị thu đặt đối diện chúng sử dụng ngắt tia để phát vật qua chúng Thiết bị gọi thiết bị ngắt quang (hình 2.9)

Hình 2.20Bộ ngắt quang dẫn QVA11234

Nếu thiết bị phát thu di chuyển tự theo đường thẳng nối chúng, cường độ tín hiệu nhận được sử dụng để đo khoảng cách chúng Tuy nhiên thiết bị thu tia hồng ngoại nhạy cảm với ánh sáng môi trường xung quanh Do trình thiết kế ta phải để ý đến tượng để làm cho cảm biến chống nhiễu cách tốt

Một phát sáng dị đặt hướng phía đo thô khoảng cách tới bề mặt gần nhờ cường độ tia phản xạ sau va vào bề mặt Thiết bị gọi thiết bị phản xạ quang (hình 2.9) Một cảm biến dùng cho robot di động để phát vật cản khoảng cách cho trước

Các thiết bị ngắt quang thiết bị phản xạ quang đóng gói sẵn chế tạo riêng biệt từ LED hồng ngoại điôt quang tranzito quang, sau chắn thiết bị thu nhạy cảm với bước sóng sinh LED phát hồng ngoại

Các mã hóa quang học

Trang 16

Hình 2.21Cảm biến phản xạ quang bán dẫn QRB1114

Có hai mã hóa quang quay là: mã hóa tương đối mã hóa tuyệt đối Trong mã hóa tương đối, đĩa (đĩa chia vạch) gắn vào trục quay trịn hai ngắt quang học (hình 2.10) Vì trục quay vạch ngăn cho tia sáng hồng ngoại tới thiết bị dò quang học Các dãy xung thu từ dị có tần số tương ứng với vận tốc góc đĩa Những tín hiệu ký hiệu A B Hai tín hiệu A B lệch pha ¼ chu kỳ

Hình 2.22 Bộ mã hóa tương đối

Thơng qua việc đếm số lượng xung số lượng vạch đĩa biết, ta đo tốc độ quay trục Hướng quay xác định dựa quan hệ pha chuỗi xung A B Ví dụ A tăng B = ta nói chuyển động đĩa chuyển động quay ngược chiều kim đồng hồ Ngược lại A tăng B = chuyển động đĩa chuyển động quay chiều kim đồng hồ

2.2.2 Cảm biến lực

Lực đại lượng vectơ, định nghĩa tác nhân gây gia tốc phản ứng cụ thể vật Trong phần giới thiệu phương pháp ứng dụng để xác định độ lớn lực

Trang 17 Hình 2.23Vật bị kéo dọc trục (a), nén dọc trục (b), biến dạng (c)

Trong kỹ thuật đo có, nhóm gọi cảm biến tải Nhìn chung cảm biến tải gồm khung cứng, môi trường để đo lực đặt vào đầu đo Các cảm biến lực sử dụng để đo lực lớn, tĩnh biến thiên chậm với độ lệch tương đối xác Có thể áp dụng phương pháp khác để đo lực tùy thuộc vào thiết kế cảm biến lực Ví dụ hình 2.13 minh họa cảm biến lực thủy lực Cảm biến lực dùng để đo lực tương đối lớn với giá thành thấp Cảm biến lực thủy lực dùng khung cứng với khoang chứa đầy chất lỏng Khi có tải, áp lực dầu tăng, đầu đo xác đọc giá trị

Hình 2.24Cảm biến lực thủy lực 2.2.3 Cảm biến đo khoảng cách

Cảm biến sử dụng để đo khoảng cách từ điểm tham chiếu tới đối tượng Rất nhiều công nghệ khác ứng dụng để phát triển loại cảm biến này, tiêu biểu ánh sáng/quang học, hình ảnh, vi sóng siêu âm Cảm biến đo khoảng cách phân làm hai loại: Tiếp xúc không tiếp xúc Ta chủ yếu đề cập đến loại không tiếp xúc

Cảm biến đo khoảng cách không tiếp xúc loại cảm biến đo khoảng cách thực từ điểm tham chiếu tới đối tượng không qua tiếp xúc vật lý Có thể phân làm hai loại là: chủ động (phát số dạng lượng vào khu vực cần quan tâm) bị động (dựa lượng phát từ đối tượng khu vực quan tâm)

Với loại cảm biến chủ động (phản xạ), khoảng cách đo hiệu phụ thuộc không vào mức lượng phát mà phụ thuộc vào đặc tính sau đối tượng:

 Diện tích tiết diện ngang: xác định lượng lượng phát tác động vào đối tượng

 Hệ số phản xạ: xác định lượng lượng truyền tới phản xạ so với lượng lượng bị hấp thụ xuyên qua

Trang 18

 Độ tập trung: xác định khả phân bố lại lượng phản xạ

Rất nhiều cảm biến không tiếp xúc hoạt động dựa tượng truyền sóng Sóng phát điểm tham chiếu, khoảng cách xác định cách đo thời gian truyền từ điểm tham chiếu tới vật suy giảm cường độ sóng truyền tới vật quay trở lại điểm tham chiếu Thời gian truyền sóng thường đo phương pháp thời gian truyền (TOF_Time of flight)

Phƣơng pháp thời gian truyền:

Phương pháp thời gian truyền minh họa hình 2.14 2.15 Một phát sóng (phát vài chu kỳ) phát phản xạ từ vật thu có vị trí gần phát Bộ phát thu tích hợp cảm biến Bộ thu gắn vật TOF thời gian từ bắt đầu phát đến có tín hiệu trả Khoảng cách xác định công thức d = c.TOF/2 (khi phát thu vị trí ) d = c.TOF (khi thu gắn vật)

Hình 2.25Sóng phát phản xạ lại từ vật

Hình 2.26 Định nghĩa thời gian truyền sóng

Trang 19 Hình 2.27TOF tính theo biên độ lớn tín hiệu phản xạ

Sai số phương pháp thời gian truyền nguyên nhân sau:

 Sự thay đổi tốc độ truyền sóng:đặc biệt với hệ thống âm ta phải ý tới thay đổi Vì tốc độ âm chịu ảnh hưởng rõ rệt nhiệt độ độ ẩm

 Không xác định xác thời gian đến xung phản xạ  Sai số mạch định thời sử dụng để đo thời gian truyền

 Sự tương tác sóng tới bề mặt đối tượng cần đo khoảng cách: Khi ánh sáng, âm sóng radio tác động vào đối tượng, tín hiệu phản hồi đo thể phần nhỏ tín hiệu ban đầu Năng lượng lại phản xạ theo hướng khác hấp thụ xuyên qua đối tượng, phụ thuộc vào đặc tính đối tượng góc tới chùm sóng

Các cảm biến phân loại theo nguyên lý hoạt động dựa tượng vật lý khác

2.2.4 Cảm biến quang

Các cảm biến quang yêu cầu có hai phận nguồn sáng (đầu phát) đầu thu Các đầu phát (emitter) phát tia sáng phổ nhìn thấy khơng nhìn thấy sử dụng LED cá diode laser Đầu thu có cấu tạo diode quang (photodiode transistor quang (phototransistor) Đầu phát đầu thu bố trí để đối tượng xuất cắt ngang phản xạ lại tia sáng

Hình 2.28Nguyên lý hoạt động cảm biến quang

Trang 20 a.Cảm biến quang phát đối tượng chắn sáng phản xạ, phần phát thu bố trí độc

lập

Hình 2.29 Cảm biến thu phát độc lập

Đầu phát đầu thu tách riêng thành phần bố trí thẳng hàng với Cách bố trí phát đối tượng chắn sáng phản xạ Khoảng cách nhận biết lên đến trăm mét Tuy nhiên cách bố trí phần phát phần thu riêng lẻ làm tăng vấn đề bảo trì đòi hỏi thẳng hàng lắp đặt phần phát phần thu

b.Cảm biến quang phát đối tượng chắn sáng phản xạ, phần phát thu bố trí chung vỏ, sử dụng gương phản xạ

Hình 2.30 Cảm biến quang có gương phản xạ

Đầu phát đầu thu bố trí vỏ Thơng thường ánh sáng phát không bị chắn ngang đến gương phản xạ hầu hết quay trở đầu thu Nếu có vật chắn sáng chắn ngang qua bên thu khơng nhận ánh sáng phản xạ ngõ cảm biến tích cực Vấn đề rủi ro gặp phải đối tượng phản xạ ánh sáng tốt đầu thu nhận nhiều ánh sáng phản xạ không phát đối tượng Để khắc phục nhược điểm này, cảm biến quang dạng thường bố trí kính phân cực ánh sáng đầu phát, dùng lọc phân cực đầu thu

Như cảm biến loại phát đối tượng chắn sáng phản xạ, khoảng cách lên đến hàng trăm mét Do bố trí đầu phát đầu thu chung vỏ nên việc bảo trì đơn giản Tuy nhiên phải sử dụng gương phản xạ, yêu cầu lắp đặt gương cảm biến phải thẳng hàng vng góc

c.Cảm biến quang phát đối tượng phản xạ