Thực hành với cảm biến phân loại màu

3.1. Thiết bị:

+ Cảm biến phân loại màu F150 – 3

+ Relay trung gian, tiếp điểm thường mở của relay trung gian + Nguồn 24VDC

+ Đèn tín hiệu 24VDC + Vật cảm biến

3.2. Ghi các thông số kỹ thuật của cảm biến

Nguồn gốc: ... Công ty sản xuất: ... ... Mã số sản xuất sản phẩm: ... ... Điện áp hoạt động: ... Dòng điện: ... Đặc tính hoạt động: ... Khoảng cách tác động: ... Tiêu chuẩn cách điện: ...

3.3. Vẽ sơ đồ kết nối cảm biến 3.4. Các bƣớc thực hành

Bước 1: Tiến hành đấu nối cảm biến theo sơ đồ đã vẽ.

Bước 2: Lần lượt cho các vật cảm biến có màu sắc khác nhau (đỏ, xanh lá, xanh dương) đi qua cảm biến để xét xem với các vật cảm biến khác nhau thì các tác động ở ngõ ra của cảm biến sẽ như thế nào?

3.5. Những ghi chú khi thực hành và nhận xét: ... ... ... ... ... ...

CÂU HỎI BÀI 9

1. Trình bày nguyên lý hoạt động của cảm biến màu?

64

BÀI 10: ĐO VẬN TỐC VÕNG QUAY VÀ GÓC QUAY

Giới thiệu:

Trong công nghiệp, việc đo vận tốc trong phần lớn các trường hợp thường là đo tốc độ quay của máy. Ở đây muốn nói đến việc theo dõi tốc độ vì nguyên nhân an toàn hoặc để khống chế các điều kiện đặt trước cho hoạt động của máy móc, thiết bị. Trong trường hợp chuyển động thẳng, việc đo vận tốc dài cũng được chuyển sang đo vận tốc quay. Bởi vậy, các cảm biến đo vận tốc góc chiếm vị trí ưu thế trong lĩnh vực đo tốc độ.

Mục tiêu:

- Phân tích được các phương pháp đo vòng quay và góc quay - Giải thích sự khác nhau giữa các loại thiết bị đo góc.

- Thực hiện các phương pháp đo góc đạt yêu cầu kỹ thuật.

- Rèn luyện tinh thần tự giác học tập, thái độ học tập nghiêm túc.

Nội dung chính:

1. Đo vận tốc vòng quay bằng phƣơng pháp analog: 1.1. Tốc độ kế một chiều (Máy phát tốc DC):

Dùng máy phát tốc DC xác định tốc độ và hướng của chuyển động, không xác định được vị trí. Điện áp ngõ ra thay đổi theo tốc độ.

 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động:

Hình 10.1: Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của tốc độ kế 1 chiều.

- Stato (phần cảm) là một nam châm điện hoặc nam châm vĩnh cửu.

- Roto (phần ứng) là một trục sắt gồm nhiều lớp ghép lại, trên mặt ngoài có sẽ các

rãnh song song với trục quay và cách đều nhau. Trong các rãnh đặt các dây dẫn bằng đồng gọi là dây chính, các đây chính được nối với nhau từng đôi một bằng các dây phụ

- Cổ góp là một hình trụ trên mặt có gắn các lá đồng cách điện với nhau, mỗi lá nối

với một dây chính của roto. Hai chổi quét ép sát vào cổ góp được bố trí sao cho tại một thời điểm chúng luôn tiếp xúc với 2 lá đồng đối diện nhau.

- Khi Roto quay, xuất hiện suất điện động trong dây dẫn:

0 0 2     N nN E  

Trong đó:  - Tốc độ góc của trục quay

N- Tổng số dây chính trên roto

0

 - Từ thông xuất phát từ cực nam châm (nam châm, cuộn kích từ làm ảnh

hưởng giá trị từ thông, trong máy phát tốc giữ không đổi).

n - Số vòng quay trong 1 giây.

Đo suất điện động, ta sẽ tính được tốc độ quay.

65  Giới thiệu máy phát tốc DC trong thực tế

Hình 10.2: Một số máy phát tốc DC trong thực tế

1.2. Tốc độ kế xoay chiều (Máy phát tốc AC):

Máy phát tốc độ dòng xoay chiều không có hệ cổ góp – chổi than, nên không bị sụt áp trên hệ này và bền hơn, tuổn thọ cao hơn. Vì điện áp phát ra là xoay chiều nên việc xác định biên độ cần phải chỉnh lưu và lọc.

Máy phát tốc độ dòng xoay chiều có 2 loại: đồng bộ và không đồng bộ. Chủ yếu dùng là máy phát đồng bộ vì chế tạo đơn giản, điện áp ra ổn định

1.2.1. Máy phát tốc độ đồng bộ:

Đây chính là máy phát xoay chiều nhỏ. Roto của máy phát đồng bộ được gắn với trục cần đo tốc độ quay. Roto này là một nam châm hoặc một tập hợp của nhiều nam châm nhỏ. Stato được cuốn dây làm phần cảm ứng, có thể là một pha hoặc nhiều pha, là nơi cung cấp suất điện động hình sin có biên độ tỉ lệ với tốc độc quay của roto

Hình 10.3: Cấu tạo máy phát tốc độ đồng bộ

1.2.2. Máy phát tốc tốc độ không đồng bộ:

Máy có kết cấu như đông cơ không đồng bộ 2 pha:

Hình 10.4: Cấu tạo máy phát tốc độ không đồng bộ

66

- Stator được ghép từ các lá thép từ tính, có 2 cuộn dây lệnh nhau 900, cuộn dây kích

thích và cuộn dây đo.

+ Cuộn kích thích được cung cấp điện áp có tầ số kt rất ổn định.

ukt = Uktcosktt

+ Cuộn đo sẽ sinh sức điện động cảm ứng mà biên độ tỷ lệ với tốc độ góc cần đo .

eđo = Eđocos(ktt +) = k Uktcos ( ktt +) : Góc lệch pha.

k: Hệ số phụ thuộc kết cấu máy.

2. Đo vận tốc vòng quay bằng phƣơng pháp Digital.

2.1. Đo vận tốc vòng quay bằng phƣơng pháp quang điện tử. 2.1.1.Dùng bộ cảm biến quang tốc độ với đĩa mã hóa:

Trước tiên hãy hãy tìm hiểu thế nào là đĩa mã hóa. Đĩa mã hóa (Encoder) là thiết bị có thể phát hiện sự chuyển động hay vị trí của vật.

 Cấu tạo:

Nguồn sáng phát ra ánh sáng (thông thường là LED). Đĩa quay đặt giữa nguồn sáng và bộ thu, có các lỗ bố trí cách đều trên một vòng, số lỗ này sẽ quyết định độ chính xác của thiết bị. Bộ thu thường là photodiode hoặc phototransistor. Đĩa quay được gắn trên một cái trục, và trục quay này sẽ được gắn với trục quay của đối tượng cần đo tốc độ.  Nguyên lý hoạt động:

Khi đĩa quay, đầu thu chỉ chuyển mạch khi nguồn sáng, lỗ thẳng hàng. Kết quả khi đĩa quay, đầu thu quang nhận được một lượng ánh sáng biến điện và phát tín hiệu (1 chuỗi xung) có tần số tỉ lệ với tốc độ quay nhưng biên độ không phụ thuộc tốc độ quay. Bằng cách đếm số xung, ta sẽ xác định được tốc độ quay của vật cần đo.

Hình 10.5: Nguyên lý hoạt động của đĩa mã hóa

Khuyết điểm: Cần nhiều lỗ để nâng cao độ chính xác nên d làm hư hỏng đĩa quay.

2.1.2. Đĩa mã hóa tƣơng đối (Increment Encoder)

 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động :

Trên đĩa mã hóa tương đối có các lỗ khoét theo 2 vòng tròn: Vòng tròn A và vòng tròn B.

Các lỗ trên khe A và khe B được khoan lệch vị trí với nhau.

Trạng thái pha nhanh hay chậm của 2 pha A và B giúp ta xác định chiều quay của đối tượng, để từ đấy bộ đếm tiến hoặc đếm lùi.

67

Hình 10.6: Cấu tạo đĩa mã hóa tương đối

Hình 10.7: Ý nghĩa rãnh A và rãnh B trên đĩa mã hóa tương đối

Gọi TN là thời gian đếm xung, N0 là số xung trong một vòng (độ phân giải của bộ

cảm biến tốc độ, phụ thuộc vào số lỗ), N là số xung trong thời gian TN:

N T  0 N N = ) (vòng/giây n

Ngoài ra trên đĩa người ta còn có thể khoan thêm 1 lỗ (khe Z) để xác định đĩa quay đã quay hết 1 vòng.

Hình 10.8: Khe Z trên đĩa mã hóa tương đối

Giới thiệu đĩa mã hóa tương đối trong thực tế:

68 Ứng dụng:

 Dừng động cơ chính xác:

Hình 10.10a: Ứng dụng của đĩa mã hóa tương đối

 Kiểm tra vị trí và góc quay của cách tay Robot:

Hình 10.10b: Ứng dụng của đĩa mã hóa tương đối

 Đo chiều dài của các lát vật liệu (sheet)

Hình 10.10c: Ứng dụng của đĩa mã hóa tương đối

 Điều khiển vị trí của con trục chuyển động:

69

2.1.3. Đĩa mã hóa tuyệt đối

 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động:

Đĩa mã hóa tuyệt đối được thiết kế để luôn xác định vị trí vật một cách chính xác. Đĩa mã hóa tuyệt đối sử dụng nhiều vòng phân đoạn theo hình đồng tâm. Vòng trong cùng xác định đĩa quay đang nằm ở nữa vòng tròn nào. Kết hợp vòng trong cùng với vòng tiếp theo sẽ xác định đĩa quay đang nằm ở 1/4 vòng tròn nào….

Hình 10.11: Cấu tạo đĩa mã hóa tuyệt đối

Độ phân giải được xác định bằng số lượng các bit ở ngõ ra. Ngõ ra có thể mã hóa dưới dạng mã nhị phân hay mã gray.

- Đặc điểm:

+ Mỗi vị trí xác định trên đĩa quay là duy nhất

+ Ngõ ra là một số lượng lớn các bit, có thể truyền song song hoặc nối tiếp

+ Thông tin về vị trí vẫn không thay đổi ngay cả khi tắt và bật nguồn encoder trở lại.

- Giới thiệu đĩa mã hóa tuyệt đối trong thực tế:

70

Ứng dụng:

 Điều khiển vị trí khoan của máy NC.

Hình 10.13a: Ứng dụng đĩa mã hóa tuyệt đối

 Định vị khoan của máy NC

Hình 10.13b: Ứng dụng đĩa mã hóa tuyệt đối

2.2.Đo vận tốc vòng quay với nguyên tắc điện trở từ: 2.2.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của điện trở từ: 2.2.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của điện trở từ:

71

Khi đĩa (bánh răng) 4 quay, khe từ 3 thay đổi khoảng cách làm từ trở của mạch từ cuộn dây 2 biến thiên tuần hoàn và sức điện động xuất hiện trong cuôn dây 2 tỷ lệ với tốc độ quay của đĩa, sức điện động này có biên độ E phụ thuộc vào:

- Khoảng cách khe từ

- Tốc độ quay của đĩa. Biên độ E càng lớn thì  càng lớn.

Gọi: p: số răng trên đĩa, N: (vòng/s) Khi đó tần số xung: f= p.N (Hz) Dải tốc độ đo phụ thuộc vào p:

- p lớn , tần số biến thiên nhanh, sđđ cảm ứng lớn nên mở rông thang đo min.

- p nhỏ thì ngược lại, mở rộng thang đo max

2.2.2. Đo góc quay, vận tốc vòng quay bằng Encoder tuơng đối và tuyệt đối.

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động:

Tín hiệu số xuất ra

Các bộ nhận quang (photo-transistor) 1 hoặc nhiều bộ phát quang

(LED)

Track Đĩa code

Trục của encoder

Hình 10.15: Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của Encoder

Bao gồm một đĩa plastic hoặc thủy tinh quay giữa một/nhiều nguồn phát sáng (LED) và một/ nhiều photo-transistor nhận quang.

Đĩa được mã hóa với các phần hình quạt sáng và tối xen kẽ nhau để xung có thể được tạo ra khi đĩa quay.

Các loại Encoder.

Loại 1:Incremental Encoder:

- Xung xuất ra được đếm để cung cấp vị trí quay của encoder. Mỗi incremental step

sẽ xuất ra một xung tương ứng.

72

- Dùng 2 xung A và B để nhận biết chiều quay của encoder. Nếu xung A lên “1”

trước xung B, encoder đang quay chiều thuận và ngược lại.

- Xung Z lên “1” khi encoder đã quay giáp 1 vòng.

Hình 10.17:Nguyên lý hoạt động của Incremental Encoder

Loại 2:Absolute Encoder

- Absolute encoder (đĩa mã hóa tuyệt đối) gồm nhiều bộ nhận quang (có thể tối đa tới gần 20 track). Ứng với mỗi vị trí của encoder có một tín hiệu ra nhị phân vi sai để xác định chính xác vị trí trục của encoder.

- Với absolute encoder, thông tin về vị trí vẫn không thay đổi ngay cả khi tắt và bật nguồn encoder trở lại.

73

Một số lƣu ý khi chọn Encoder

- Loại Encoder cần sử dụng:

Hình 10.19: Một số loại encoder

- Encoder loại absolute hay incremental:

Incremental encoder

- Đo vị trí tương đối của encoder so

với vị trí cuối cùng

- Mất thông tin vị trí khi cúp điện

- Ứng dụng điển hình: Điều chỉnh tốc

độ, vị trí của băng chuyền

Absolute encoder:

- Xuất ra một số duy nhất tại mỗi vị

trí khi encoder quay

- Thông tin về vị trí không mất khi

cúp điện.

- Ứng dụng điển hình: Điều khiển

cánh tay robot

- Độ phân giải – Resolution (P/R):

10, 20, 30, 40, 50, 60, 100, 200, 300, 360, 400, 500, 600, 720, 800, 1000, 1024, 1200, 1500, 1800, 2000, 2048, 2500, 3600, 5000, 6000.

- Điện áp cấp cho encoder:

5 VDC, 5  12 VDC, 12 VDC, 5  24 VDC, 12  24 VDC

- Ngõ ra của encoder:

+ Incremental Encoder: A, B, Z, A, B, Z

+ Absolute Encoder: Binary, BCD, hay Gray code

- Cấu trúc cơ khí:

+ Chiều dài, đường kính trục:25, 40, 50, 55, hoặc 60

+ Khoảng cách và lỗ để gá encoder lên

+ Đường kính và chiều dài tổng thể của encoder - Các yếu tố môi trường ảnh hưởng:

+ Bụi, độ ẩm … + Shock, độ rung … + Nhiệt độ hoạt động

Một số ứng dụng của encoder:

- Đo chiều dài của vải sản xuất ra:

Encoder được gắn với một cái cốt, khi cốt quay thì encoder sẽ xuất ra xung tương ứng và ứng với số lượng xung nhận được ta d dàng biết được chiều dài của vật cần đo

74

Hình 10.20a: Ứng dụng của encoder

- Kiểm tra tốc độ các máy trộn, máy ly tâm

Hình 10.20b: Ứng dụng của encoder

Sử dụng kết hợp encoder với một bộ K3MA-F. Encoder gắn với phần quay cơ khí, khi encoder quay sẽ xuất ra tín hiệu xung và được đưa về bộ K3MA-F hiển thị tốc độ quay của máy trộn, máy ly tâm.

- Định vị cho máy cắt.

75

Encoder cho phép định vị ở một bước cắt nhất định cho dao cắt vật một cách chính xác

- Tính và hiển thị thời gian bánh ở trong lò nướng

Hình 10.20d: Ứng dụng của encoder

Encoder được dùng để giám sát tốc độ của dây chuyền, từ đó sẽ tính được thời gian bánh ở trong lò. Kết hợp một bộ K3 của Omron để hiển thị thời gian bánh ở trong lò.

3. Thực hành với cảm biến đo tốc độ (encoder) 3.1. Thiết bị: 3.1. Thiết bị:

Hình 10.21: Module thí nghiệm thực hành cảm biến đo lường tốc độ

Thông số kỹ thuật

76

- Động cơ: Một chiều công tốc độ max 1800v/p dùng cho thí nghiệm tính năng đo tốc độ, đếm xung

- Bộ điều khiển tốc độ động cơ một chiều: Công suất 75W, thay đổi tốc độ bằng chiết áp xoay.

- Chế độ hiển thị: cho phép hiển thị đồng thời vận tốc dài và vận tốc góc

- Số cổng vào: 01 cổng cho cảm biến tốc độ kiểu phát tốc, 01 đầu cho cảm biến tốc độ kiểu encoder

- Kiểu hiển thị: Led 7 thanh

- Đèn báo trạng thái quay thuận, quay ngịch

- Các đầu ra: Đầu ra xung tốc độ, xung chiều quay, xung vị trí - Thông số kĩ thuật bộ cảm biến tốc độ kiểu Encoder

+Số xung trên 1 vòng quay ngõ 1: 360 xung + Kiểu đầu ra: A, B, Z

+Số xung trên 1 vòng quay ngõ 2: 18 xung + Kiểu đầu ra: A

+ Đầu ra điện áp: 01 đầu

+ Tần số đáp ứng tối đa: 100 kHz + Cấp bảo vệ: IP50

+ Tốc độ quay tối đa: 6000 vòng/phút.

- Thông số kĩ thuật bộ cảm biến tốc độ kiểu phát tốc

+ Đầu ra điện áp: 01 đầu

+ Tốc độ quay tối đa: 6000 vòng/phút.

Các đầu vào ra

- L1, N: Nguồn cấp cho module

- Photo Sensor:

+ V+, GND: Nguồn cấp cho cảm biến.

+ A, B: Tín hiệu ra của cảm biến.

- Encoder:

+ V+, GND: Nguồn cấp cho encoder.

+ A, B: Tín hiệu ra của emcoder.

- Đồng hồ MP5W:

+ 12V, GND: Điện áp ra. + A, B: Tín hiệu vào đồng hồ.

- V.adj: điều chỉnh tốc độ động cơ.

- SW: Chọn chiều quay động cơ: