Các loại cảm biến điện dung. - Tài liệu lý thuyết- 123docz.net

s iết cảm biến điện dung của Siemens.

Mỗi

hỉ dẫn sử dụng cảm

I. Nguyên lý hoạt động của cảm biến siêu âm.

ảm biến siêu âm sử dụng một bộ biến đổi

Họ ản phẩm 3RG16 dùng để nhận b

loại có hai dạng cho điện áp DC và điện áp AC. Hệ thống điều khiển điện tử chẳng hạn như PLC hay relay có thể điều khiển trực tiếp với mức điện áp của cảm biến. Trong trường hợp loại cảm biến sử dụng điện áp AC, tải (tiếp điểm relay, van điện từ) được kết nối trực tiếp với cảm biến và kết nối thẳng với điện áp AC. Các loại cảm biến có các loại 2, 3, và 4 dây ngõ ra.

biến điện dung.

để truyền và nhận tín hiệu siêu âm. Khi vật thể xâm nhập vào chùm tia, sóng siêu âm sẽ bị phản xạ lại cảm biến, là nguyên nhân bật hay tắt ngõ ra của cảm biến.

Đĩa áp điện

áp điện được gắn trên bề mặt cảm biến. Nó có thể truyền và nhậ

ung phát ra trên thực tế là chùm 30 xung với độ khuyêch đại 200Kvolt. Xun

ùng không

trước cảm biến. Nó ở khoảng từ 6 đến 80cm

hoảng xác định (Range Definition)

àn và tín hiệu nhận cho phép xác định khoa

Một đĩa gốm

n xung có tần số cao. Một điện áp có tần số cao được áp vào đĩa làm cho nó dao động cùng tần số. Sự dao động của đĩa tạo nên sóng âm cao tần. Khi xung truyền đi gặp vật thể phản xạ âm, sóng phản xạ được tạo ra. Khoảng thời gian của xung phản xạ được đánh giá tại bộ biến đổi. Khi vật thể xâm nhập khoảng tác động đã được đặt trước, ngõ ra của cảm biến sẽ được thay đổi. Khi vật thể ra khỏi khoảng tác

động, ngõ ra của cảm biến sẽ trở lại trạng thái thường.

g nhận được có thể khoảng vài milivolt.

V nhìn thấy (Blind Zone).

Vùng không nhìn thấy tồn tại ngay

trước cảm biến. Nếu một vật thể đi vào vùng không nhìn thấy sẽ không có sự thay đổi ở ngõ ra.

Khoảng thời gian giữa tín hiệu truye

ûng cách giữa vật thể và cảm biến. Khoảng tác động có thể điều chỉnh được độ rộng và vị trí trong khoảng cảm biến. Giới hạn trên có thể được điều chỉnh

trên tất cả các cảm biến. Giới hạn dưới chỉ có thể điều chỉnh được ở một vài loại. Một vật thể xa hơn giới hạn trên không làm thay đổi ngõ ra của cảm biến.

Trên một vài loại cảm biến, tồn tại một khoảng hạn chế (blocking range). Nó nằm giữa khoảng giới hạn dưới và vùng không nhìn thấy. Một vật thể nằm trong khoảng hạn chế ngăn cản việc xác định vật thể nằm trong khoảng tác động.

Mẫu bức xạ.

Mẫu bức xạ của một cảm biến siêu âm gồm một búp sóng chính và một số búp sóng phụ. Góc của búp sóng chính (tính gần đúng) khoảng 50.

Vùng tự do (Free Zone)

Vùng tự do phải được duy trì xung quanh cảm biến để dành cho búp sóng phụ. Ví dụ sau mô tả vùng tự do cần cho các vị trí khác nhau.

Cảm biến song song.

Trong ví dụ thứ nhất, hai hệ thống định vị dưới nước bằng siêu âm với khoảng cảm biến bằng nhau được gắn song song với nhau. Vật thể thẳng đứng với búp sóng âm. Khoảng cách giữa 2 cảm biến được xác định bởi khoảng cảm biến. Nếu khoảng cảm biến là 6cm, chúng có thể định vị thấp nhất là 15cm.

Trang 41 ự giao thoa lẫn nhau.

u xuất hiện

ắc cảm biến đối diện nhau.

siêu âm với khảng cảm biến giống nhau được lắp

ề mặt bằng phẳng và không bằn

siêu âm được gắn gần

Sự giao thoa lẫn nha

khi cảm biến siêu âm được lắp đặt quá gần nhau và vật thể rơi vào vị trí có thể làm phản xạ lại sóng âm của cảm biến náy sang cảm biến kia. Trong trường hợp này, khoảng cách giữa các cảm biến có thể xác định thông qua thử nghiệm.

Trong ví dụ sau, hai cảm biến

đặt vào vị trí đối diện nhau. Khoảng cách tối thiểu cần giữa hai cảm biến để không có sự giao thoa giữa cảm biến này với cảm biến kia.

g phẳng.

Cảm biến

với một bề mặt bằng phẳng , chẳng hạn như tường hay một máy móc nào đó có bề mặt phẳng thì cần một vùng tự do tối thiểu ít hơn là cảm biến được gắn gần với bề mặt gồ ghề.

Canh góc.

ät thể khi nằm trong búp sóng cũng phải được quan tâm. Độ lệch lớn

ếu góc của vật thể lớn hơn 3 sóng âm sẽ phản xạ đi hướng khác và cảm biến hững chất Chất lỏng, chẳng hạn như nước cũng ật thể ngoài khoảng trắn ät vật thể có thể được đặt Góc của va nhất so với mặt phẳng cảm biến là ±30. N 0

sẽ không nhận được sóng phản hồi.

N lỏng và những vật liệu thô. phải có góc giới hạn 30. Tuy nhiên, đống vật liệu thô, chẳng hạn như cát có độ lệch lớn nhất là 450 do sóng âm có góc phản xạ lớn. V g. Mo ở vùng lân cận của búp sóng, đây là nguyên nhân gây lỗi của cảm biến. Những vật thể này có thể được đặt ngoài khoảng nhận biết bằng

cách sử dụng một lỗ hổng làm bằng vật liệu chặn sóng âm chẳng hạn như đá lông. Lỗ này làm hẹp búp sóng và ngăn chặn những xung phản xạ từ những vật thể không mong đợi.

Các mode thực thi.

Cảm biến siêu âm có thể thiết lập để hoạt động ở các mode sau : khuyếch tán, phản xạ và chùm tia xuyên qua.

Mode khuyếch tán.

Đây là mode chuẩn của tác động. Vật thể, di chuyển vào vùng tác động của búp sóng từ bất cứ hướng này đều làm thay đổi ngõ ra của cảm biến. Mode này của cảm biến siêu âm giống như cảm biến không tiếp xúc (cảm ứng, điện dung).

Mode phản xạ.

Mode phản xạ dùng một mặt phản xạ đặt trong khoảng định vị trước. Khoảng tác động được điều chỉnh bởi mặt phản xạ. Những xung đập vào mặt phản xạ và nảy lại cảm biến. Khi vật thể ngăn chặn xung phản xạ, ngõ ra của cảm biến sẽ thay đổi. Điển hình dùng trong ứng dụng nơi vật thể không phải là một vật hấp thụ sóng âm.

Mode chùm tia xuyên. (thru-beam mode)

Cảm biến chùm tia xuyên gồm một bộ phát để tạo sóng siêu âm và một bộ thu. Nếu chùm tia giữa bộ phát và bộ thu được ngắt thì ngõ ra của cảm biến sẽ chuyển trạng thái.

Aûnh hưởng của môi trường.

Thời gian di chuyển của sóng âm có thể bị tác động bởi tính chất vật lý của không khí. Điều này tác động đến khoảng cách của cảm biến.

XII. Các loại cảm

biến siêu âm.

Họ cảm biến siêu âm bao gồm cảm biến chùm tia xuyên (thru-beam sensor), cảm biến compact range (M18, Compact range 0, I, II, và III), cảm biến điều chỉnh (Modular range II)

Cảm biến chùm tia xuyên.

Cảm biến của chùm tia xuyên gòm một bộ phát và một bộ thu. Bộ phát phát đi một chùm tia hẹp với tần số liên tục. Khi vật thể xuất hiện giữa bộ phát và bộ thu, làm cho sóng âm bị ngắt và ngõ ra của cảm biến thay đổi trạng thái. Mức áp hoạt động của loại này là 20 đến 30 VDC. Tần số của cảm biến là 200Hz tại khoảng cách cảm biến 40cm.

Bộ thu chùm tia.

Có hai loại bộ thu cho cảm biến chùm tia xuyên. Cả hai đều sử dụng transistor PNP. Một bộ cung cấp ngõ ra NO, một loại cung cấp NC.

Độ nhạy và cài đặt tần số của cảm biến thru-beam liên quan đến giá trị X1 trên bộ thu.

Kích thước nhỏ nhất của một vật thể có thể phát hiện được là một hàm của khoảng cách giữa bộ phát và bộ thu. Nếu khoảng cách giữa bộ phát và bộ thu nhỏ hơn 40cm và lỗ hổng nhỏ nhất giữa hai vật thể ít nhất là 3 cm thì có thể phát hiện được vật thể lớn hơn hoặc bằng 2cm. Nếu khoảng cách giữa bộ phát và bộ thu nhỏ hơn, thì dù lỗ hổng có nhỏ hơn 1mm thì cảm biến củng có thể phát hiện được. Tại khoảng cách cảm biến lớn nhất, những vật thể lớn hơn 4cm có thể được phát hiện miễn là lỗ hổng giũa những vật thể lớn hơn 1cm.

Loại compact range 0.

Cảm biến Compact range 0 có thể là loại tích hợp hay loại riêng lẽ các bộ chuyển đổi. Chúng được xây dựng cấu hình với ngõ ra NC, NO hay ngõ ra tương tự. Những cảm biến này có hình khối dạng lập phương (80x65x30mm) cảm biến có thể hoạt động với mức áp 18 đến 35 VDC và có thể lái tải đến 100mA.

Tuỳ thuộc vào cảm biến, khoảng cảm biến có thể thay đổi từ 6 đến 20cm (bộ chuyển đổi riêng lẽ) hoặc từ 20 đến 100cm (bộ chuyển đổi tích hợp). Tần số chuyển mạch có thể từ 5 đến 8Hz. Cảm biến Compact range 0 có thể triệt nhiễu nền. Điều này có nghĩa là khoảng giới hạn trên của cảm biến được điều chỉnh bằng một cầu phân thế. Những vật thể trong khoảng cảm biến nhưng xa hơn khoảng chuyển mạch của giới hạn trên thì không làm thay đổi ngõ ra của cảm biến.

Loại Compact Range I.

Loại cảm biến Compact Range I được sản xuất dưới 3 dạng NC, NO và loại 2 ngõ ra thường đóng và thường hở. Những dạng

này có dạng hình trụ (M30x150mm). Có một vài dạng khác nhau bao gồm dạng có bộ phát thu riêng lẽ (có trên hình sau) và dạng tilting-head (không có trong hình). Cảm biến hoạt động với mức áp từ 20 đến 30 VDC và có thể hoạt động với dòng tải đến 200mA.

Tuỳ thuộc vào loại cảm biến mà khoảng cảm biến nằm trong khoảng 6-30 cm, 20-130 cm, 40-300 cm

hay 60-600 cm. Tần số chuyển mạch biến đổi từ 1 đến 8Hz. Loại cảm biến Compact Range I có thể triệt nhiễu nền (background supression) và nhiễu xung

quanh (foreground superession). Điều này có

nghĩa là giới hạn trên và giới

hạn dưới của khoảng cảm biến có thể điều chỉnh được với biến áp riêng lẽ. Những vật thể trong khoảng cảm biến nhưng ở ngoài khoảng chuyển mạch của giới hạn trên và giới hạn dưới của cảm biến thì thiết bị sẽ không xác định được.

SONPROG.

Các loại cảm biến siêu âm đã được thảo luận (Thru-beam, Compact Range 0, Compact Range I) trong cả dạng có thể điều chỉnh được bằng tay với biến áp và cả dạng không điều chỉnh được. SONPROG là một chương trình máy tính dùng để điều chỉnh cảm biến Compact Range II, Compact Range III và Compact Range M18.

Với cảm biến siêu âm SONPROG có thể phục vụ cho từng yêu cầu của từng ứng dụng thực tế. Một giao diện được kết nối giữa cảm biến và cổng RS232 của máy tính. SONPROG có thể dùng để thiết lập các thông số sau :

• Khoảng bắt đầu và kết thúc chuyển mạch.

• Độ trể của chuyển mạch.

• Bắt đầu và kết thúc của đặc trưng tương tự.

• Kết thúc của vùng không nhìn thấy được.

• Kết thúc của vùng cảm biến được.

• Tiếp điểm loại NC hay NO.

• Bật/tắt điều chỉnh biến áp trên cảm biến

Những giá trị này có thể in ra và lưu trữ trong file, khi cần có thể lấy từ file để thiết lập lại cho cảm biến.

Loại Compact Range II.

Cảm biến Compact Range II có bề ngoài giống như cảm biến Compact Range I. Sự khác nhau chính là Compact Range II có thể điều chỉnh bằng tay hoặc với SONPROG. Cảm biến này gồm có hai loại NC và NO dưới 3 dạng : một NC, một NO hoặc một NC và một NO. Cấu tạo chung của loại này là hình trụ (M30x150mm). Có vài kiểu bao gồm cả kiểu bộ phát và bộ thu rời. Cảm biến Compact Range II làm việc trong khoảng điện áp 20 – 30 VDC và có thể kéo tải đến 300mA. Cảm biến Compact Range II có thể đồng bộ để ngăn chặn sự giao thoa khi sử dụng nhiều cảm biến quá gần nhau.

Tuỳ thuộc vào loại cảm biến mà khoảng cảm biến nằm trong khoảng 6-30 cm, 20-130 cm, 40-300 cm

hay 60-600 cm. Tần số chuyển mạch biến đổi từ 1 đến 8Hz. Loại cảm biến Compact Range I có thể triệt nhiễu nền (background supression) và nhiễu xung

quanh (foreground superession). Điều này có

nghĩa là giới hạn trên và giới

Kiểu Compact Range II tương tự.

Compact Range II có kiểu tương tự. Giá trị tương tự cảm biến được đổi sang xung số. Một bộ đếm trong LOGO hoặc trong PLC sẽ đếm số xung chuyển đổi giá trị đo lường. Ví dụ, chuyển mạch ngõ ra của cảm biến được thiết lập 50 Hz tương ứng với 50 cm và cổng thời gian của LOGO set 1 giây. Điều này có nghĩa là trong một giây (tính

theo đồng hồ của PLC), nếu có bao nhiêu xung thì khoảng cách cảm biến được sẽ tương ứng. LOGO có thể chuyển đổi chính xác một tần số sang khoảng cách tương ứng.

Kiểu Compact Range III.

Giống như Compact Range II, cảm biến Compact Range III có thể điều chỉnh được bằng tay hoặc bằng SONPROG. Cảm biến này gồm có hai loại NC và NO dưới 3 dạng : một NC, một NO hoặc loại có hai ngõ ra tương tự, 0-20mA hoặc 0-10 VDC. Cảm biến làm việc tại điện áp 20-30VDC và có thể hoạt động với tải lên đến 300mA. Cảm biến Compact Range III có thể đồng bộ để ngăn chặn sự giao thoa khi sử dụng nhiều cảm biến quá gần nhau. Thêm vào đó, cảm biến này có tích hợp một tính trung bình số học, có ích cho cảm biến mực chất lỏng hay những ứng dụng khác nơi có sự thay đổi của mức chất lỏng. Bộ trung bình số học bù đóng vai trò quân bình giá trị đó.

Tuỳ thuộc vào loại cảm biến mà khoảng cảm biến nằm trong khoảng 6-30 cm, 20-130 cm, 40-300 cm, 60- 600 cm hoặc 80-1000 cm. Tần số chuyển mạch biến đổi từ 0.5 đến 5Hz. Loại cảm biến Compact Range III có thể triệt

nhiễu nền (background supression) và nhiễu xung quanh (foreground superession).

Loại Compact Range M18

Kích thước nhỏ (M18 x 101 mm) của loại cảm biến Compact Range M18 làm cho nó thích ứng với những ứng dụng nơi không gian giới hạn. Cảm biến Compact Range M18 có hai dạng NO và NC, ngòai ra nó còn có loại một ngõ ra tương tự ( 4-20mA, 0-20mA, hay 0-10 VDC). Cảm biến làm việc ở mức điện áp 20- 30VDC và có thể kéo tải đến 100mA.

Tùy từng loại cảm biến mà khoảng cảm biến là 5-30 cm hoặc 15-100 cm và tần số chuyển mạch là 4 hay 5 Hz. Cảm biến M18 có chống nhiễu nền (background suppression)

Sử dụng Compact Range với AS-i.

Siemens cũng sản xuất dạng cảm biến siêu âm để sử dụng với AS-i. Gồm 4 khoảng cảm biến sau : 6-30 cm, 20-130 cm, 40-300 cm và 60-600 cm. Tần số chuyển mạch thay đổi từ 1 đến 8 Hz.

Loại Modular Range II và bộ đếm xung (Sígnal Evaluator).

Nhóm kế tiếp của cảm biến siêu âm là Modular Range II. Nó gồm những cảm biến và bộ đếm xung tương ứng. Bộ đếm tín hiệu cần thiết cho những cảm biến Modular Range II. Giá trị cảm biến được thiết lập sử dụng những nút trên bộ đếm. Hai dòng màn hình LCD hiển thị giá trị thiết lập.

Bộ đếm xung có thể làm việc tối đa vơi 2 cảm biến Modular Range II. Nó được cấp nguồn từ 20-30 VDC. Nó có 2 ngõ ra chuyển mạch, một ngõ ra lỗi và một ngõ ra tương tự.

Những cảm biến Modular Range II.

Cảm biến Modular Range II có 3 kiểu : cảm biến hình khối, cảm biến hình trụ và cảm biến hình cầu. Chúng có những ngõ ra NC, NO và ngõ ra tương tự. Như đã đề cập ở trên, tất cả các