Với môi trường làm việc trong hóa chất, nhiệt độ cao,… các linh kiện cảm biến quang phải đảm bảo đạt các yếu cầu sau:
Có độ bền cơ khí cao, giảm được chấn động, vận tốc quét cao, chống run cơ học, …
Có độ nhạy cảm cao, giảm tối thiểu được ảnh hưởng của môi trường làm việc,…
Thích hợp với nhu cầu và đáp ứng được nhu cầu sử dụng.
Các hãng sản xuất thiết bị tự động đã đưa ra thị trường các loại cảm biến đạt được các yêu cầu nói trên. Đề tài ứng dụng cảm biến quang (Photo Electric Sensors) nên chỉ tập trung tìm hiểu về loại cảm biến này.
Về ứng dụng người ta có thể chia cảm biến quang ra làm hai loại: Loại chùm tia xuyên.
Loại tán xạ.
Hình 04: Sơ đồ cấu tạo bộ ghép quang Opto-coupler
Tiến hành phân tích hai thể loại trên để tìm ra giải pháp cho đề tài. 1. Loại chùm tia xuyên:
a. Nguyên tắc hoạt động:
Bộ thu và bộ phát cùng nằm trên cùng một đường thẳng. Dùng kĩ thuật phát hiện do che khuất hay vật thể làm cho ánh sáng có bước sóng đã chọn không thể xuyên thấu.
Kĩ thuật này thường được sử dụng trong các bộ phận đếm và kiểm tra sản phẩm.
b. Các thông số đáng chú ý:
Hình dạng : hình trụ hay khối chữ nhật. Tầm cảm nhận : tối đa khoảng 20 mét. Đầu vào : 24 đầu dây.
Đầu ra : Rờ le (Relay). Tần số chuyển : 1,5200Hz.
c. Nhận xét:
Với nguyên lý hoạt động như trên, có thể ứng dụng để thiết kế đầu đọc cho đề tài. Nhìn chung, dù là khả thi nhưng mạch rất khó thực hiện, vì lý do:
Linh kiện rất đắt.
Thực hiện xuyên qua một lớp giấy, nếu như đục lổ thì không khả thi còn như tự xuyên vật chất (giấy) thì đụng đến độ dầy mỏng và trắng đen của giấy (phẩm chất giấy).
Rất khó để cải tiến đầu đọc vì đầu dò cảm biến quang trong trường hợp này chỉ thích ứng với sự chuyển động tịnh tiến (trong khả năng là một sinh viên, kinh phí thực hiện không cao, không thể thực hiện) hoặc cố định.
Độ tinh tia quét, theo khả năng cho phép thực hiện, không cao.
Kết luận sau cùng là: phương pháp này không phải là tối ưu hoàn toàn Hình 05: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của bộ thu phát
2. Loại phản hồi:
a. Nguyên tắc hoạt động:
Mỗi vật chất đều có tính chất hấp thụ (vật đen) hay phản xạ (gương) năng lượng từ ngoài tác động vào. Tùy theo mức độ phản xạ của vật thể khi nhận một chùm tia tới chiếu đến mà chùm tia phản xạ có thể là mạnh hay yếu. Cảm biến quang dựa theo nguyên tắc phản hồi chính là dựa trên nguyên tắc phản xạ của chùm tia phản xạ.
b. Các thông số tiêu chuẩn:
Hình dạng : hình trụ hay khối chữ nhật. Tầm cảm nhận : 1,570mm.
Đầu vào : 2 đầu dây, 12VDC hay 24VDC. Đầu ra : 1 đầu dây tín hiệu.
Tần số chuyển : 1,5200Hz.
Theo tài liệu của hãng “PEPPERL+FUCHS” về cường độ phản xạ tia hồng ngoại trên các gam màu và vật chất ta có bảng sau:
Vật ật ch ất
Phản xạ Từ nguyên bản
Trắng tiêu chuẩn 90% Testcard standard white Xám tiêu chuẩn 18% Testcard standard grey Giấy trắng 80% White paper
Chữ in trên báo 55% News print Gỗ thông sạch 75% Clean pine wood
Nút bần 35% Cork
Tấm bảng gỗ sạch 20% Wooden pallets clean
Bọt bia 70% Beer foam
Chai nhựa trong 40% Clear plastic bottes
Chai nhựa nâu trong 60% Transparent brown plastic bottles Nhựa trắng đục 87% Opaque white plastic
Nhựa đen 14% Black plastic Đen tuyền 04% Black neoprene
Gáy xoắn đen 02% Black foam carpet backing Lốp xe hơi 1.5% Automobile tyres
Hình 06: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của bộ thu
Nhôm nguyên chất 140% Aluminium, untreated Thép bóng láng 400% Polished stainless steel
c.Nhận xét:
Với nguyên lý hoạt động như trên, rất tốt để ứng dụng thiết kế đầu đọc cho đề tài. Nhìn chung, dù là khả thi nhưng mạch rất khó thực hiện, vì lý do:
Linh kiện rất đắt.
Thực hiện phản hồi trên một lớp giấy có rất nhiều tia tán xạ gây ảnh hưởng đến vùng lân cận nếu như sử dụng nhiều đầu quét sát liền nhau.
Độ tinh tia quét, theo khả năng cho phép thực hiện, không cao.
Kết luận sau cùng là: phương pháp này không phải là tối ưu hoàn toàn đối với người nghiên cứu nhưng mang tính khả thi hơn nếu thực hiện công việc cải tiến cũng như tìm vật tương ứng thay thế.
d. Giải pháp:
* Mạch phát hồng ngoại:
Diod phát hồng ngoại có bước sóng = 950nm (dãy phát = 900 1020 nm), thời gian trể là 0,5s, dòng tiêu thụ 20 30mA. Khi sử dụng dùng thêm một điện trở hạn dòng từ 180 330. * Mạch thu hồng ngoại:
Mạch thu hồng ngoại có một Diod thu loại Silic, DIN (Diod Infraronge), độ nhạy = 900 950 nm thích hợp với mạch phát hồng ngoại. Sử dụng trực tiếp bộ thu hồng ngoại nhận tín hiệu của bộ điều khiển xa của Television SONY, giá thị trường khoảng 10.000 ĐVN. Bộ thu hồng ngoại này hoạt động ổn định ở mức áp +5VDC, có ba chân (một chân VCC, một chân Mass và một chân tín hiệu).
* Nguyên lý hoạt động:
Khi hệ thống làm việc, đầu đọc luôn ở trạng thái đọc. Đầu quét nhận tín hiệu đọc từ mạch trung tâm (nối Mass), đèn hồng ngoại chiếu sáng, phát ra tín hiệu hồng ngoại. Tùy theo bề mặt của tờ giấy là sáng hay tối mà độ phản xạ tia hồng ngoại mạch hay yếu. Điện áp đường tín hiệu của đầu đọc tùy thuộc vào cường độ chiếu của tia hồng ngoại, điện áp này sẽ qua bộ khuếch đại thuật toán (Opamp) để chuyển đổi mức tín hiệu 0 hay 1. Tín hiệu này sẽ được truyền về slot giao tiếp chờ CPU đọc vào. * Bước cải tiến so với đề tài trước:
Đầu quét và đầu đọc được thiết kế có thể chuyển động tịnh tiến trên cùng một cần quét do một động cơ bước loại nhỏ điều khiển, lấy trong ổ đĩa mềm1,2 MB.
Cần quét, mang đầu đọc và đầu quét có thể trượt tịnh tiến trên thanh trượt dọc theo chiều ngang của giấy quét. Cần quét do một động cơ bước loại lớn điều khiển, lấy trong máy in kim-động cơ kéo đầu ổ kim.
Lợi điểm của những cải tiến này là:
Độ tinh tia quét cao hơn và đầu đọc_quét có thể chuyển động tịnh tiến: thích hợp cho xử lý ảnh mức sắc nét hơn, rông hơn theo đúng yêu cầu.
Cần quét di động được: có thể đọc được mọi phương thức bố trí vị trí đánh dấu trắc nghiệm.
Dùng ít đầu đọc_quét hơn.
Khuyết điểm của những cải tiến này là: Tổn hao công suất cao hơn.
Tiếng ồn do động cơ sinh ra (rất nhỏ). Kết luận:
Người thực hiện đề tài quyết định áp dụng giải pháp và những cải tiến này để thực hiện đề tài chính vì tính linh hoạt, tính kinh tế cũng độ tin cậy sau khi đã thực nghiệm.
Do mỗi linh kiện được thiết kế bởi một nhu cầu nhất định nào đó, trong một hay một số hệ thống. Ngoài các các IC chuyên dùng là nhà sản xuất thiết kế theo một chuẩn mực riêng nên tính ổn định của chúng khá cao, riêng các IC số là được thiết kế cho nhu cầu rộng rãi của nhiều nhà thiết kế nên khi áp dụng cho việc thiết kế một mạch có tính năng riêng biệt đôi khi xuất hiện hiện tượng hoạt động bất ổn. Để giúp cho hệ thống hoạt động ổn định mạch cần có một số mạch hỗ trợ cho hoạt động của mạch. Chính vì nhu cầu ấy mà trong mạch thiết kế cần sử dụng một số mạch có tác dụng hỗ trợ như sau:
Mạch Autoreset.
Mạch đệm và công suất phần cơ. Mạch khuếch đại tín hiệu.