Đã từ lâu cảm biến được sử dụng như những bộ phận cảm nhận và phát hiện, nhưng chỉ vài chục năm trở lại đây chúng mới thể hiện rõ vai trò quan trọng trong các hoạt động của con người.Nhờ những thành tựu mới của khoa học công nghệ trong lĩnh vực vật liệu , thiết bị điện tử và tin học ,các cảm biến đã được giảm thiều kích thước ,cải tiến tính năng và càng ngày mở rộng phạm vi hoạt động. Giờ đây không một lĩnh vực nào mà ở đó không sử dụng cảm biến .Chúng có mặt trong các hệ thống tự động hóa,người máy kiểm tra sản phẩm,tiết kiệm năng lượng, chống ô nhiễm môi trường, trong các lĩnh vực giao thong vận tải ,ô tô .Qua việc tìm tòi trên mạng và trong quá trình chúng em thấy cảm biến tiệm cận được ứng dụng rất nhiều trong các dây chuyền sản xuất cũng như việc tìm và dò đường và phát hiện vật thể của robot .Nên nhóm tìm hiều và chọn đề tài này .Vì thời gian còn hạn hẹp nên chúng em chỉ đưa ra câu tạo và nguyên lí hoạt động cúng với các tính năng chung của cảm biến .Bài báo cáo còn nhiều thiếu sót mong thầy và bạn bè cùng đóng góp đã đề tài thêm đầy đủ hơn .Em xin chân thành cảm ơn thầy .
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN VẬT LÍ KĨ THUẬT MÔN : ĐỀ TÀI : CẢM BIẾN VÀ KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN TIỆM CẬN GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN: LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI T r a n g | 10 Đã từ lâu cảm biến sử dụng phận cảm nhận phát hiện, vài chục năm trở lại chúng thể rõ vai trò quan trọng hoạt động người.Nhờ thành tựu khoa học công nghệ lĩnh vực vật liệu , thiết bị điện tử tin học ,các cảm biến giảm thiều kích thước ,cải tiến tính ngày mở rộng phạm vi hoạt động Giờ khơng lĩnh vực mà khơng sử dụng cảm biến Chúng có mặt hệ thống tự động hóa,người máy kiểm tra sản phẩm,tiết kiệm lượng, chống ô nhiễm môi trường, lĩnh vực giao thong vận tải ,ô tô Qua việc tìm tịi mạng q trình chúng em thấy cảm biến tiệm cận ứng dụng nhiều dây chuyền sản xuất việc tìm dò đường phát vật thể robot Nên nhóm tìm hiều chọn đề tài Vì thời gian hạn hẹp nên chúng em đưa câu tạo nguyên lí hoạt động cúng với tính chung cảm biến Bài báo cáo cịn nhiều thiếu sót mong thầy bạn bè đóng góp đề tài thêm đầy đủ Em xin chân thành cảm ơn thầy T r a n g | 10 MỤC LỤC I GIỚI THIỆU VỀ CẢM BIẾN TIỆM CẬN……………………………………………………………………………………4 I.1 Khái niệm chung cảm biến……………………………………………………………………… I.2 Khái niệm cảm biến tiệm cận ……………………………………………………………………4 I.3 Đặc điểm cảm biến tiệm cận…………………………………………………………………… II MỘT SỐ LOẠI CẢM BIẾN TIỆN CẬN……………………………………………………………………………………….5 II.1 Cảm biến tiệm cận điện cảm……………………………………………………………………… II.1.1 Khái niệm cấu tạo……………………………………………………………………………….5 II.1.2 Nguyên tắc hoạt đông………………………………………………………………………………6 II.1.3 Các yếu tố ảnh hưởng………………………………………………………………………………6 II.1.4 Ưu nhược điểm………………………………………………………………………………… II.2 Cảm biến tiệm cận điện dung…………………………………………………………………………8 II.2,1 Khái niệm cấu tạo……………………………………………………………………………… II.2.2 Nguyên tắc hoạt động……………………………………………………………………………….9 II.2.3 Các yếu tố ảnh hưởng……………………………………………………………………………… II.2.4 Ưu nhược điểm……………………………………………………………………………………9 T r a n g | 10 I GIỚI THIỆU VỀ CẢM BIẾN TIỆM CẬN I.1 Khái niệm chung cảm biến Là thiết bị điện tử dùng để biến đổi đại lượng vật lí vá đại lượng không điện cần đo thành đại lượng điện đo Thơng tin xử lý để rút tham số định tính định lượng môi trường, phục vụ nhu cầu nghiên cứu khoa học kỹ thuật hay dân sinh gọi ngắn gọn đo đạc, phục vụ truyền xử lý thông tin, hay điều khiển q trình khác Có nhiều loại cảm biến khác chia hai nhóm chính: Cảm biến vật lý: sóng điện từ, ánh sáng, tử ngoại, hồng ngoại, tia X, tia gamma, hạt xạ, nhiệt độ, áp suất, âm thanh, rung động, khoảng cách, chuyển động, gia tốc, từ trường, trọng trường, Cảm biến hóa học: độ ẩm, độ PH, ion, hợp chất đặc hiệu, khói, Các tượng cần cảm biến đa dạng, phương cách chế cảm biến, cảm biến liên tục phát triển Việc phân loại cảm biến phức tạp khó đưa đủ tiêu chí phân loại cho tập hợp đa dạng I.2 Khái niệm cảm biến tiệm cận Cảm biến tiệm cận (cịn gọi “Cơng tắc tiệm cận” đơn giản “PROX” tên tiếng anh Proximity Sensors ) loại cảm biến giúp phát vật thể mà không cần phải tiếp xúc dựa vào mối quan hệ vât lí cảm biến vật thể cần phát hiện.Nó giúp chuyển đổi tín hiệu chuyển động xuất vật thể đề chuyển thành tín hiệu Cảm biến tiệm cận chuyển đổi tín hiệu chuyển động xuất vật thể thành tín hiệu điện Có hệ thống phát để thực cơng việc chuyển đổi này: -Hệ thống sử dụng dịng điện xoáy phát vật thể kim loại nhờ tượng cảm ứng điện từ -Hệ thống sử dụng thay đổi điện dung đến gần vật thể cần phát -Hệ thống sử dụng nam châm hệ thống chuyển mạch cộng từ I.3 Đặc điểm cảm biến tiệm cận Phát vật không cần tiêp xúc Tốc độ đáp ứng cao Đầu sensor nhỏ lắp nhiều nơi Có thể hoạt động mơi trương khắc nghiệt T r a n g | 10 Hinh Cảm biến phát vật rơi vật cản II MỘT SỐ LOẠI CẢM BIẾN TIỆN CẬN Cảm biến tiện cận có nhiều loại cảm biến tiệm cận quang, cảm biến tiệm cận siêu âm cảm biến giá rẻ dung phổ biến hai loại cảm biến tiệm cận điện cảm cảm biến tiệm cận điện dung II.1 Cảm biến tiệm cận điện cảm II.1.1 Khái niệm cấu tạo Khái niệm : cảm biến phát vật tạo trường điện từ Cấu tạo gồm thành phần : Hình : Cấu tạo cảm biến tiệm cận điện cảm 1- Cuộn dây lõi ferit : Phần tạo từ trường nhờ tượng cảm ứng điện từ cuộn dây lõi ferit, vùng từ trường tập trung phía trước đầy cảm biến nên vùng tác động lên vật đo T r a n g | 10 2- Mạch dao động : Chức mạch tạo mạch dao động với dạng tín hiệu sin tần số cao (có thể lên đến 1MHz) có tương tác lên bề mặt cảm biến biên độ dao động tín hiệu giảm 3- Mạch phát hiện: Chức mạch dựa vào điện tham chiếu để phát giá trị biên độ mạch dao động có vật tác động lên bề mặt cảm biến, lúc biên độ giảm đến giá trị cho phép xuất tín hiệu ngõ 4- Mạch đầu ra: Ngõ kết mạch so sánh ngưỡng để nhận biết có vật nằm tầm hoạt động cảm biến hay khơng, tín dạng ON/OFF II.1.2 Ngun tắc hoạt động Nguyên tắc hoạt động : Từ trường tạo xung quanh cuộn dây có dịng điện xoay chiều chay qua Khi có vật thể kim loại đưa vào vung từ trường này, xuất dịng điện xốy (dịng điện cảm ứng) vật thể kim loại Dịng điện xốy gây nên tiêu hao lượng (do điện trở kim loại), làm ảnh hưởng đến biên độ sóng dao động Đến trị số tín hiệu ghi nhận Mạch phát phát thay đổi tín hiệu tác động để mạch lên mức ON Khi đối tượng rời khỏi khu vực điện trường, dao động lập lại, cảm biến trở lại trạng thái bình thường Khi vật cản tác động lên bề mặt cảm biến, biên độ tín hiệu mạch dao động thay đổi, biên độ giảm dần vật tiến gần bề mặt tác động Khi khoảng cách đủ lớn ngõ Hình 3:Hoạt động cảm biến tiện cận điện cảm cảm biến cho xung đèn báo sang lên II.1.3 Các yếu tố ảnh hưởng Vật liệu đối tượng : Vật liệu đối tượng khoảng cách phát cảm biến phụ thuộc nhiều vào vật liệu vật cảm biến (Hình 4) T r a n g | 10 Hình 4: Mơ tả đăc tính vật liệu Các vật liệu có từ tính kim loại có chứa sắt có khoảng cách phát xa vật liệu khơng có từ tính khơng chứa sắt Kích thước đối tượng : Nếu vật cảm biến nhỏ vật thử chuẩn (test object) khoảng cách phát cảm biến giảm Hình Hình 5: Mơ tả phụ thuộc kích thước khốch cách Bề dày đối tượng : Độ dày vật thể hệ số khác cần xem xét Khoảng cách vùng tác động khơng đổi vật chuẩn Tuy nhiên vật thể sắt thành phần đồng thau (brass), nhơm (aluminum), đồng đỏ (copper) xảy tượng “hiệu ứng bề mặt” (skin effect) Khoảng cách vùng cảm ứng giảm độ dày vật thể tăng lên Nếu độ dày vật thể khác so với vật chuẩn hệ số chỉnh sửa dừng để điều chỉnh lại.Với vật cảm biến thuộc nhóm kim loại có từ tính (sắt, Niken, SUS…), bề dày vật phải lớn 1mm.Trong vật cảm biến từ tính bề dày cảng mỏng khoảng cách phát xa.Hình Hình 6:Mơ tả bề dày đối tượng T r a n g | 10 II.1.4 Ưu nhược điểm Ưu điểm : Không chịu ảnh hưởng độ ẩm Khơng có phận chuyển động Khơng chịu ảnh hưởng bụi bặm Không phụ thuộc vào màu sắc Ít phụ thuộc vào bề mặt đối tượng so với kĩ thuật khác Khơng có vùng chết (blind zone): cảm biến không phát đối tượng đối tượng gần cảm biến Nhược điểm : Chỉ phát đối tượng kim loại Có thể chịu ảnh hưởng vùng điện từ mạnh Phạm vi hoạt động ngắn so với kỹ thuật khác II.2 Cảm biến tiệm cận điện dung II.2.1 Khái niệm cấu tạo Khái niệm : Phát thay đổi điện dung cảm biến đối tượng cần phát Cấu tạo : Bên cảm biến có mạch dùng nguồn DC tạo dao đơng cho cảm biến Cảm biến đưa dòng điện tỷ lệ với khoảng cách cực Hình : Sơ đồ cấu tạo cảm biến tiệm cận điện dung II.2.2 Nguyên lí hoạt động Nguyên lí hoạt động : Cảm biến tiệm cận điện dung phát theo nguyên tắc tĩnh điện nghĩa dựa thay đổi điện dung vật thể xuất vùng điện trường Từ thay đổi trạng thái “On” hay “Off” tín hiệu mà ngõ xác định Một cực thành phần T r a n g | 10 cảm biến, đối tượng cần phát cực lại Mối quan hệ biên độ sóng dao động vị trí đối tượng cảm biến tiệm cận điện dung trái ngược sovới cảm biến tiệm cận điện cảm Hình Hình 8: Hoạt động cảm biến II.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng Cảm biến phát tất vật có số điện mơi lớn khơng khí Vật có số điện mơi lớn khoảng cách phát xa Hình vẽ Hình 9:Sự phụ thuộc khoảng cách số Ngồi mối số yếu tố kích thước điện cực, vật liệu kích thước đối tượng, nhiệt độ môi trường II.2.3 Ưu nhược điểm Ưu điểm: Có thể cảm nhận vật dẫn điện khơng dẫn điện Tính chất tuyến tính độ nhạy khơng tùy thuộc vào vật liệu kim loại Nó cảm nhận vật thể nhỏ, nhẹ Tốc độ hoạt động nhanh Tuổi thọ cao độ ổn định cao nhiệt độ Nhược điểm: Bị ảnh hưởng độ ẩm Dây nối với sensor phải ngắn để điện dung dây không ảnh hưởng đến cộng hưởng dao động T r a n g | 10 T r a n g 10 | 10 ... LOẠI CẢM BIẾN TIỆN CẬN Cảm biến tiện cận có nhiều loại cảm biến tiệm cận quang, cảm biến tiệm cận siêu âm cảm biến giá rẻ dung phổ biến hai loại cảm biến tiệm cận điện cảm cảm biến tiệm cận điện... niệm cảm biến tiệm cận Cảm biến tiệm cận (cịn gọi “Cơng tắc tiệm cận? ?? đơn giản “PROX” tên tiếng anh Proximity Sensors ) loại cảm biến giúp phát vật thể mà không cần phải tiếp xúc dựa vào mối... chung cảm biến? ??…………………………………………………………………… I.2 Khái niệm cảm biến tiệm cận ……………………………………………………………………4 I.3 Đặc điểm cảm biến tiệm cận? ??………………………………………………………………… II MỘT SỐ LOẠI CẢM BIẾN TIỆN CẬN……………………………………………………………………………………….5