L ỜI GIỚI THIỆU
3. Cảm biến tiệm cận điện dung
Cảm biến điện dung (Capacitive sensor) tương tự như cảm biến điện cảm, điểm khác nhau chính đó là cảm biến tiệm cận điện dung sinh ra vùng tĩnh điện thay vì vùng từ điện như cảm biến tiện cận điện cảm.
3.1 Cấu trúc và nguyên lý hoạt động Cấu trúc Hình 3.20: Cấu tạo và ký hiệu cảm biến tiệm cận điện dung Cảm biến tiệm cận điện dung gồm bốn bộ phận chính: - Cảm biến (các bản cực cách điện). - Mạch dao động. - Bộ phát hiện. - Mạch đầu ra. Nguyên lý hoạt động
Trong cảm biến tiệm cận điện dung có bộ phận làm thay đổi điện dung C của các bản cực.
Nguyên lí hoạt động cơ bản của cảm biến điện dung dựa trên việc đánh giá sự thay đổi điện dung của tụ điện. Bất kì vật nào đi qua trong vùng nhạy của cảm biến điện dung thì điện dung của tụ điện tăng lên. Sự thay đổi điện dung này phụ thuộc vào khoảng cách, kích thước và hằng sốđiện môi của vật liệu.
Bên trong có mạch dùng nguồn DC tạo dao động cho cảm biến dòng, cảm biến dòng sẽ đưa ra một dòng điện tỉ lệ với khoảng cách giữa 2 tấm cực.
3.2 Đặc tính kỹ thuật
- Đối tượng phát hiện có thể là chất lỏng, vật liệu phi kim. - Tốc độ chuyển mạch tương đối nhanh
- Có thể phát hiện các đối tượng có kích thước nhỏ. - Phạm vi cảm nhận lớn.
- Đầu cảm biến nhỏ, có thể lắp đặt ở nhiều nơi. - Chịu ảnh hưởng của bụi và độẩm.
- Các thông số kỹ thuật của cảm biến cần quan tâm: + Điện áp hoạt động (đơn vị là V)
+ Dòng điện định mức ngõ ra (đơn vị là mA) + Đặc tính ngõ ra: loại PNP hay NPN; NO, NC
27 + Khoảng cách phát hiện (mm)
+ Thời gian đáp ứng (ms), độ nhạy
3.3 Sơ đồ kết nối cảm biến
Cảm biến tiệm cận điện dung cũng có các loại như cảm biến tiệm cận điện cảm, vì vậy cảm biến tiệm cận điện dung cũng có sơ đồ kết nối giống như cảm biến tiệm cận điện cảm.
- Ký hiệu cảm biến tiệm cận điện dung:
Loại ngõ ra thường mở Loại ngõ ra thường đóng
Hình 3.21 Ký hiệu cảm biến tiệm cận điện dung
- Loại 2 dây:
Hình 3.22: Sơ đồ kết nối cảm biến điện dung 2 dây
- Loại 3 dây – ngõ ra NPN
Hình 3.23: Sơ đồ kết nối cảm biến điện dung loại NPN –ngõ ra thường mở
- Loại 3 dây – ngõ ra PNP
28
Cách kết nối 2 cảm biến song song
Hình 3.25: Sơ đồ kết nối hai cảm biến song song
Chú thích: - Diode là linh kiện bán dẫn, có đặc tính chỉ cho dòng điện đi một chiều khi điện áp phía A (Anode) lớn điện áp phía K (Kathode).
Hình 3.26: Ký hiệu Diode
- Trong trường hợp này, Diode được sử dụng để tránh dòng điện đi ngược vào cảm biến qua chân out – Black, nhằm bảo vệ ngõ ra cảm biến
29
Hình 3.27: Sơ đồ kết nối hai cảm biến nối tiếp
3.4 Ứng dụng của cảm biến điện dung
Giới thiệu các đầu cảm biến tiệm cận điện dung trong thực tế
Hình 3.28: Cảm biến tiệm cận điện dung của hãng Omron
Cảm biến tiệm cận loại điện dung được dùng rất nhiều trong các băng tải hàng hóa; chúng có tác dụng đếm sản phẩm đi qua; bằng cách lắp các cảm biến điện dung cách xa vật từ vài milimet đến vài chục milimet.
- Báo mức chất lỏng – chất rắn dạng báo đầy – báo cạn; dùng cảm biến điện dung rất chính xác vì độ nhạy cao
- Dùng để phát hiện sữa trong hộp giấy…
Hình 3.29: Ứng dụng của cảm biến tiệm cận điện dung
3.5 Lắp mạch điện sử dụng cảm biên điện cảm
Yêu cầu: Lắp đặt mạch điện điều khiển băng tải bằng cảm biến điện dung theo yêu cầu sau:
- Nhấn START: hệ thống sẵn sàng hoạt động
+ Cảm biến 1 phát hiện vật kim loại: băng tải hoạt động + Cảm biến 2 phát hiện hộp: băng tải dừng.
30 - Nhấn STOP: hệ thống dừng
Hình 3.30: Mô tả hệ thống
Sơ đồđiều khiển:
Hình 3.31: Sơ đồ mạch điện
- Chú thích:
+ STOP: nút nhấn thường đóng + START: nút nhấn thường mở + RL1, RL2, RL3, K: rơ le trung gian + CB1, CB2: cảm biến điện dung loại PNP
- Giải thích mạch điện:
+ Cấp nguồn 24VDC
+ Nhấn START: cuộn dây rơ le RL1 có điện, tiếp điểm thường mở RL1 đóng lại, duy trì cấp điện cho cuộn dây RL1 khi không nhấn START, đồng thời cấp điện cho các cảm biến CB1 và CB2.
+ Khi cảm biến CB1 phát hiện có vật, cuộn dây rơ le RL2 có điện, tiếp điểm thường mở RL2 đóng lại, cấp điện cho cuộn dây rơ le K tiếp điểm thường mở K đóng lại, duy trì cấp điện cho cuộn dây rơ le K khi cuộn dây RL2 mất điện. Đồng thời
31
phía mạch điều khiển động cơ, tiếp điểm K cũng đóng lại, cấp điện cho động cơ, làm băng tải hoạt động.
+ Khi cảm biến CB2 phát hiện có vật, cuộn dây rơ le RL3 có điện, tiếp điểm thường đóng RL3 mở ra, làm mất điện cuộn dây rơ le K các tiếp điểm trở lại trạng thái ban đầu, động cơ mất điện, băng tải dừng hoạt động.
+ Khi nhấn STOP, cuộn dây rơ le RL1 mất điện mất điện toàn mạch băng tải dừng.
CÂU HỎI ÔN TẬP
1. Trình bày các định nghĩa về cảm biến tiệm cận.
2. Trình bày cấu trúc, nguyên lý hoạt động, đặc tính kỹ thuật và phạm vi ứng dụng của cảm biến tiệm cận điện cảm và điện dung.
3. Vẽ mạch điện điều khiển máy bơm nước theo yêu cầu sau: - Nhấn START:
+ Nếu nước trong bể cạn thì bơm hoạt động + Nếu nước trong bểđầy thì bơm dừng
+ Để phát hiện mức nước đầy và mức nước cạn, người ta dùng 2 cảm biến điện dung.
32
BÀI 4
KHÁI QUÁT VỀ CẢM BIẾN QUANG ĐIỆN Giới thiệu
Cảm biến quang (Photoelectric Sensors) là một trong những cảm biến được sử dụng phổ biến nhất. Hoạt động dựa trên nguyên lý chuyển đổi thông tin ánh sáng thành tín hiệu điện.
Mục tiêu
- Trình bày được cấu trúc, nguyên lý và các chế độ hoạt động của các loại cảm biến quang.
- Vẽđược sơ đồ kết nối các cảm biến quang điện theo yêu cầu mạch điện - Lắp được mạch điện sử dụng các cảm biến quang theo sơ đồ cho trước. - Rèn luyện tinh thần tự giác học tập, thái độ học tập nghiêm túc.
Nội dung 1. Đại cương 1.1 Cấu trúc chung Hình 4.1: Cấu tạo cảm biến quang Hình 4.2: Sơ đồ cấu trúc và ký hiệu cảm biến quang Gồm có 4 khối chính: - Khối phát (transmitter): phát tín hiệu ra - Khối nhận (receiver): nhận tín hiệu phản xạ từ vật vào hoặc tín hiệu từ đầu phát của sensor.
- Khối chuyển đổi tín hiệu (signal converter): chuyển đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện là dòng điện hay điện áp.
33
Hình 4.3: Cảm biến quang điện
1.2 Nguyên tắc hoạt động
Hình 4.4: Nguyên tắc hoạt động của cảm biến quang điện
Cấp nguồn cho sensor, đầu phát của sensor phát tín hiệu tới đầu thu hoặc vật, ánh sáng phản xạ từ vật đến đầu thu sẽđược chuyển tỉ lệ thành tín hiệu điện áp (hoặc dòng điện) và sau đó được khuếch đại. Nếu mức điện áp (hoặc dòng điện) lớn hơn mức ngưỡng Sensor xuất tín hiệu ra báo có vật.
Vùng phát hiện của cảm biến quang
- Vùng phát hiện: là vùng ánh sáng phản xạ từ vật vào được đầu thu. Sensor phát hiện được vật
Hình 4.5: Vùng phát hiện của cảm biến quang điện
- Vùng chết (Dead zone) : là vùng không hoạt động, nằm ngoài vùng phát, vùng thu nằm gần thấu kính. Sensor không phát hiện được vật trong vùng này.
34
Hình 4.6: Vùng chết của cảm biến quang điện
- Thời gian đáp ứng (Response Time) : Là khoảng thời gian trì hoãn từ khi ánh sáng nhận vào đến lúc ngõ ra điều khiển được kích hoạt hoặc reset.
Hình 4.7: Biểu đồ thời gian tín hiệu ngõ ra của sensor
1.3 Phân loại cảm biến quang điện 1.3.1 Phân loại theo tín hiệu thu phát
- Cảm biến quang thu phát độc lập.
- Cảm biến quang thu phát chung phản xạgương. - Cảm biến quang phản xạ khuyếch tán.
- Cảm biến quang loại phản xạ giới hạn. - Cảm biến quang đặt khoảng cách.
- Cảm biến quang loại phát hiện Mark, cảm biến màu.
1.3.2 Phân loại theo cấu tạo
35
1.4 Các chếđộ hoạt động của cảm biến quang điện
Một tính năng liên quan đến cảm biến quang là phản hồi của cảm biến khi phát hiện hoặc không phát hiện thấy ánh sáng. Tính năng này có tên là chế độ Dark-On hay Light-On.
Đối cới cảm biến quang loại thu phát độc lập nếu cảm biến đặt chếđộ Dark-ON: Có vật, đầu thu không nhận được ánh sáng từđầu phát, cảm biến xuất tín hiệu ra lên mức ON. Không có vật, đầu thu nhận ánh sáng từ đầu phát báo mức OFF. Nếu sensor đặt chếđộ Light-ON: Không có vật, đầu thu nhận được ánh sáng từđầu phát xuất tín hiệu ra lên mức ON. Có vật, đầu thu không nhận được ánh sáng từđầu phát, sensor chuyển mức OFF.
Hình 4.9: Chếđộ làm việc của cảm biến quang
Đối cới cảm biến quang loại khuếch tán thì ngược lại. Nếu cảm biến đặt chế độ Dark-ON: Không có vật, đầu thu không nhận được ánh sáng, cảm biến xuất tín hiệu ra lên mức ON. Có vật đầu thu nhận ánh sáng báo mức OFF. Nếu cảm biến đặt chế độ Ligh-ON: Có vật, đầu thu nhận được ánh sáng xuất tín hiệu ra lên mức ON. Không có vật, đầu thu không nhận được ánh sáng, cảm biến chuyển mức OFF.
Cách điều chỉnh độ nhạy cảm biến: Các loại cảm biến quang tiêu chuẩn trên thị trường hiện nay sẽthường có 2 khảnăng chỉnh độ nhạy:
- Điều chỉnh ngưỡng: người sử dụng có thể điều chỉnh mức ngưỡng hay còn gọi là mức ánh sáng đủ để kích hoạt đầu ra. Khi ánh sáng thu được bằng hoặc lớn hơn ngưỡng, sẽ có tín hiệu xuất ra. Trong thực tế, thay đổi ngưỡng sẽ dẫn đến tăng hoặc giảm khoảng cách phát hiện. Việc chỉnh ngưỡng cũng có thể giúp cảm biến nhạy hơn, phát hiện được vật nhỏhơn hoặc các vật trong mờ. Một vài nhãn hiệu cảm biến quang có một biến trở vặn vít đểđiều chỉnh ngưỡng.
- Công tắc chuyển Light-On / Dark-On: công tắc L-On / D-On thay đổi tình trạng đầu ra cảm biến.
36
Hình 4.10: Điều chỉnh độ nhạy của cảm biến quang
1.5 Yêu cầu khi lắp đặt cảm biến
- Lắp đặt cảm biến tùy theo hướng di chuyển của vật. Cảm biến nên đặt vuông góc với hướng di chuyển của vật.
Hình 4.11: Cảm biến nên đặt vuông góc với hướng di chuyển của vật
- Ánh sáng phản xạ từ vật nên về thẳng cảm biến, không nên cho phản xạ qua một vật khác.
Hình 4.12: Ánh sáng phản xạ về thẳng cảm biến
- Nếu vật cảm biến là vật đen, di chuyển sensor gần vật hơn và nên đặt sensor nghiêng 1 góc khoảng 150.
37
Hình 4.13: Khoảng cách nhận biết của Sensor đối với các màu sắc
2. Cảm biến quang thu phát độc lập 2.1 Cấu trúc và nguyên tắc hoạt động
Cấu trúc
Hình 4.14: Cấu trúc cảm biến quang thu phát độc lập
- Bộ phát: gồm 1 led phát hồng ngọai hoặc led phát laser đểphát ánh sang đến bộ thu.
- Bộ thu: gồm 1 transistor quang được nối vào mạch ra để tạo tín hiệu ngõ ra khi nhận hoặc không nhận ánh sang từ bộ phát
Nguyên tắc hoạt động
Cảm biến quang thu phát độc lập là cảm biến ánh sáng không phản xạ, để hoạt động được cần một con phát ánh sáng và một con thu ánh sáng lắp đối diện với nhau.
Hình 4.15: Nguyên tắc hoạt động của cảm biến quang thu phát độc lập
Cấp nguồn cho đầu phát và đầu thu, qua mạch phát sáng, diode đầu phát phát ra ánh sáng truyền đến đầu thu, nếu không có vật chắn giữa đầu phát và đầu thu thì đầu thu nhận được ánh sáng từđầu phát tới.
38
Nếu Sensor đặt chếđộ Dark-ON: Không có vật, đầu thu nhận ánh sáng từ đầu phát báo mức OFF. Có vật, đầu thu không nhận được ánh sáng từđầu phát, sensor xuất tín hiệu ra lên mức ON.
Nếu Sensor đặt chế độ Light-ON: Không có vật, đầu thu Sensor nhận được ánh sáng từđầu phát xuất tín hiệu ra lên mức ON. Có vật, đầu thu không nhận được ánh sáng từ đầu phát, Sensor chuyển mức OFF.
2.2 Đặc tính kỹ thuật
- Có thể phát hiện nhiều vật thể khác nhau
- Thời gian đáp ứng nhanh, có thểđiều chỉnh độ nhạy theo ứng dụng. - Độ tin cậy cao.
- Khoảng cách phát hiện xa: tối đa 30m.
- Không bịảnh hưởng bởi bề mặt, màu sắc vật, ... - Thông số kỹ thuật cần quan tâm:
+ Điện áp hoạt động (V)
+ Dòng điện định mức ngõ ra (mA) + Đặc tính ngõ ra: PNP, NPN, NO, NC + Chếđộ hoạt động: Light – On , Dark - On + Khoảng cách phát hiện (mm)
+ Nguồn sáng: sử dụng LED hồng ngoại (940nm), LED hồng ngoại ( 850nm), LED đỏ (660 nm) + Thời gian đáp ứng (ms), độ nhạy 2.3 Sơ đồ kết nối - Ký hiệu Hình 4.16: Ký hiệu cảm biến quang thu phát độc lập - Loại ngõ ra PNP –thường hở
Hình 4.17: Sơ đồ nối dây cảm biến quang thu phát độc lập loại PNP
39
Hình 4.18: Sơ đồ nối dây cảm biến quang thu phát độc lập, ngõ ra rơ le
- Loại ngõ ra PNP –thường hở, có dây điều khiển chếđộ hoạt động
Hình 4.19: Sơ đồ nối dây cảm biến quang thu phát độc lập loại PNP, có dây điều khiển chếđộ hoạt động
2.4 Ứng dụng
- Xuất tín hiệu báo khi khoan bị gãy mũi: Vì mũi khoan nhỏ nên phải sử dụng sensor phát ra tia nhỏđể phát hiện chính xác. Nếu mũi khoan bị gãy thì ánh sáng từđầu phát sẽđến được đầu thu.
Hình 4.20: Ứng dụng của cảm biến quang
- Đếm số lượng sản phẩm trên băng chuyền: Đối với việc phát hiện các vật nhỏ, sử dụng các sensor phát ra tia nhỏđể phát hiện là chính xác nhất.
40
Hình 4.21: Ứng dụng của cảm biến quang
- Để phát hiện sữa / nước quả bên trong hộp màu trắng không trong suốt. Dùng cảm biến E3Z-T61, với tia sáng mạnh có thể xuyên qua vỏ bọc giấy bên ngoài và vì vậy có thể phát hiện được sữa / nước trái cây tại thời điểm hiện tại cũng như phát hiện được mức của chất lỏng này
- Đếm vật, sản phẩm kích thước lớn trong nhà máy: Trong các ứng dụng dạng như vậy, họ sensor E3JM/ E3JK của Omron phát hiện rất tốt.
Hình 4.22: Ứng dụng của cảm biến quang điện
- Phát hiện vật di chuyển: Có thể sử dụng họ sensor E3Z-G của Omron trong các ứng dụng như thế này. Sensor có loại có 1 trục hoặc 2 trục quang
Hình 4.23: Ứng dụng của cảm biến quang
2.5 Lắp mạch điện
Yêu cầu: Lắp đặt mạch điện điều khiển băng tải dùng cảm quang thu phát độc lập theo yêu cầu sau:
- Nhấn START: hệ thống sẵn sàng hoạt động
41 - Nhấn STOP: hệ thống dừng.
Sơ đồđiều khiển
Hình 4.24: Sơ đồ mạch điện
- Chú thích:
+ STOP: nút nhấn thường đóng + START: nút nhấn thường mở + RL1, RL2, K: rơ le trung gian
+ CB: cảm biến quang thu phát độc lập loại PNP
3. Cảm biến quang phản xạgương