Giáo trình Điều khiển cảm biến (Trình độ Cao đẳng)

.......................... 6 1.1. Khái niệm cơ bản về các bộ cảm biến...................................................... 6 1.2. Phạm vi ứng dụng .................................................................................... 7 1.2.1. Vùng làm việc danh định. .................................................................... 7 1.2.2. Vùng không gây nên hư hỏng. ............................................................. 8 1.2.3. Vùng không phá huỷ. ........................................................................... 8 1.2.4. Sai số và độ chính xác .......................................................................... 8 1.1.5. Độ nhanh và thời gian hồi đáp ............................................................. 9 1.1.6. Độ tuyến tính ....................................................................................... 9 1.3. Phân loại các bộ cảm biến ........................................................................ 9 1.3.1. Phân loại theo nguyên lý chuyển đổi giữa đáp ứng và kích thích.......... 9 1.3.2. Phân loại theo dạng kích thích. .......................................................... 10 1.3.3. Phân loại theo tính năng của bộ cảm biến. ......................................... 10 1.3.4. Phân loại theo phạm vi sử dụng. ........................................................ 11 1.3.5. Phân loại theo thông số của mô hình mạch thay thế. .......................... 11 1.3.6. Phân loại theo cảm biến chủ động và bị động ..................................... 11 1.3.7. Phân loại theo nguyên lý hoạt động ................................................... 11 CÂU HỎI ÔN TẬP .................................................................................................. 12 Bài 2: ĐIỀU KHIỂN CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ .................................................... 13 Phần 1: KIẾN THỨC LÝ THUYẾT ................................................................ 13 2.1. Đại cương về cảm biến nhiệt độ ............................................................. 13 2.1.1. Thang đo nhiệt độ .............................................................................. 13 2.1.2. Nhiệt độ đo được và nhiệt độ cần đo .................................................. 14 2.2. Nhiệt điện trở Platin và Nikel ................................................................ 14 2.2.1. Điện trở kim loại thay đổi theo nhiệt độ. ............................................ 14 2.2.2. Nhiệt điện trở Platin. .......................................................................... 15 2.2.3. Nhiệt điện trở Nikel. .......................................................................... 15 2.2.4. Cách nối dây đo nhiệt điện trở. .......................................................... 15 2.3. Cảm biến nhiệt độ với vật liệu Silic ....................................................... 17 2.3.1. Nguyên tắc chung .............................................................................. 17 2.3.2. Đặc trưng kỹ thuật cơ bản của dòng cảm biến KTY (hãng Philips sản xuất) ............................................................................................................ 18 2.4. IC cảm biến nhiệt độ .............................................................................. 19 2.4.1. Cảm biến nhiệt LM 35/ 34 của National Semiconductor .................... 19 2.4.2..Cảm biến nhiệt độ AD 590 của Analog Devices ................................ 20 2.5. Nhiệt điện trở NTC ................................................................................ 21 2.5.1. Cấu tạo .............................................................................................. 21 2.5.2. Ký hiệu .............................................................................................. 21 2.5.3. Nguyên lý (đặc tính) cảm biến nhiệt NTC .......................................... 21 2.5.4. Ứng dụng ........................................................................................... 21 2.6. Nhiệt điện trở PTC ................................................................................. 22 2.6.1. Cấu tạo .............................................................................................. 22 2 2.6.2. Ký hiệu .............................................................................................. 22 2.6.3. Nguyên lý (đặc tính) cảm biến nhiệt PTC .......................................... 22 2.6.4. Ứng dụng ........................................................................................... 22 2.7. Ứng dụng các loại cảm biến nhiệt độ ..................................................... 23 2.7.1. Quan sát, nhận biết, ghi thông số kỹ thuật của cảm biến nhiệt độ LM35 .................................................................................................................... 23 2.7.2. Quan sát, nhận biết, ghi thông số kỹ thuật của nhiệt điện trở NTC, PTC .................................................................................................................... 23 2.7.3. Cài đặt một số bộ cảm biến nhiệt độ .................................................. 23 CÂU HỎI ÔN TẬP .................................................................................................. 30 Phần 2: HƯỚNG DẪN THỰC HÀNH ............................................................. 31 Bài 3: KẾT NỐI, KHẢO SÁT CẢM BIẾN TIỆM CẬN .................................... 43 Phần 1: KIẾN THỨC LÝ THUYẾT ................................................................ 43 3.1. Cảm biến tiệm cận (Proximity Sensor) ................................................. 43 3.1.1. Cảm biến tiệm cận điện cảm (Inductive Proximity Sensor) ................ 45 3.1.2. Cảm biến tiệm cận điện dung (Capacitive Proximity Sensor). ............ 45 3.1.3. Cảm biến tiệm cận siêu âm (Ultrasonic proximity sensor). ................. 50 3.1.4. Cấu hình ngõ ra của cảm biến tiệm cận .............................................. 53 3.1.5. Cách kết nối các cảm biến tiệm cận với nhau ..................................... 54 3.2. Các bài tập ứng dụng các loại cảm tiệm cận. ........................................ 56 3.2.1. Khảo sát nguyên lý hoạt động của cảm biến tiệm cận điện cảm ......... 56 3.2.2. Khảo sát nguyên lý hoạt động của cảm biến tiệm cận điện dung ........ 56 CÂU HỎI ÔN TẬP .................................................................................................. 56 Phần 2: HƯỚNG DẪN THỰC HÀNH ............................................................. 57 Bài 4: ĐO VẬN TỐC VÒNG QUAY VÀ GÓC QUAY ...................................... 59 Phần 1: KIẾN THỨC LÝ THUYẾT ................................................................ 59 4.1. Một số phương pháp cơ bản. ................................................................. 59 4.1.1. Đo vận tốc vòng quay bằng phương pháp analog. .............................. 60 4.1.2. Đo vận tốc vòng quay bằng phương pháp quang điện tử .................... 62 4.1.3. Đo vận tốc vòng quay với nguyên tắc điện trở từ. .............................. 64 4.2. Cảm biến đo góc với tổ hợp có điện trở từ ............................................ 65 4.2.1. Nguyên tắc đo .................................................................................... 65 4.2.2. Các loại cảm biến KM110BH/2 của hãng Philips Semiconductor ...... 66 4.2.3. Các loại cảm biến KMA10 và KMA20 .............................................. 68 4.2.4. Máy đo góc tuyệt đối (Resolver). ....................................................... 69 4.3. Các bài tập ứng dụng ............................................................................. 71 4.3.1. Kết nối dây, khảo sát nguyên lý hoạt động của cảm biến đo tốc độ động cơ ................................................................................................................ 71 4.3.2. Kết nối dây, khảo sát nguyên lý hoạt động của cảm biến lực .............. 71 4.3.3. Kết nối dây, khảo sát nguyên lý hoạt động của cảm biến đo áp suất ... 71 CÂU HỎI ÔN TẬP .................................................................................................. 71 Phần 2: HƯỚNG DẪN THỰC HÀNH ............................................................. 72 Bài 5: KẾT NỐI, KHẢO SÁT CẢM BIẾN QUANG HỌC ................................ 75 3 Phần 1: KIẾN THỨC LÝ THUYẾT ................................................................ 75 5.1. Ánh sáng và phép đo quang ................................................................... 75 5.1.1. Tính chất của ánh sáng ....................................................................... 75 5.1.2. Các đơn vị đo quang .......................................................................... 76 5.2. Nguồn sáng ............................................................................................. 77 5.2.1. Đèn sợi đốt ........................................................................................ 77 5.2.2. Diode phát quang ............................................................................... 78 5.2.3. Laser .................................................................................................. 79 5.3. Điện trở quang và cảm biến quang, tranzitor quang ............................ 81 5.3.1. Điện trở quang. .................................................................................. 81 5.3.2. Cảm biến quang ................................................................................. 82 5.3.3. Tranzitor quang ................................................................................. 86 5.4. Các bài tập ứng dụng ............................................................................. 87 5.4.1. Kết nối dây, khảo sát nguyên lý hoạt động của cảm biến thu phát quang........................................................................................................... 87 5.4.2. Kết nối dây, khảo sát nguyên lý hoạt động của cảm biến hồng ngoại. 87 5.4.3. Kết nối dây, khảo sát nguyên lý hoạt động của cảm biến quang trở. ... 87 5.4.4. Kết nối dây, khảo sát nguyên lý hoạt động của cảm biến khói. ........... 87 CÂU HỎI ÔN TẬP .................................................................................................. 87 Phần 2: HƯỚNG DẪN THỰC HÀNH ............................................................. 88 4 LỜI NÓI ĐẦU Đề cương Điều khiển cảm biến nhằm trang bị cho người học những kiến thức cơ bản về các loại cảm biến thông dụng và ứng dụng các loại cảm biến trong sản xuất và đời sống. Các bộ cảm biến đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong lĩnh vực đo lường và điều khiển. Chúng cảm nhận và đáp ứng theo các sự kích thích thường là các đại lượng không điện, chuyển đổi các đại lượng này thành các đại lượng điện và truyền các thông tin về hệ thống đo lường điều khiển, giúp chúng ta nhận dạng, đánh giá và điều khiển mọi biến trạng của đối tượng. Trong những năm gần đây không có lĩnh vực nào mà ở đó không sử dụng cảm biến. Chúng có mặt trong các hệ thống tự động phức tạp như người máy, hệ thống kiểm tra chất lượng sản phẩm...Cảm biến cũng được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực giao thông vận tải, hàng tiêu dùng.. Đề cương Điều khiển cảm biến được biên soạn gồm 04 bài trong đó: BÀI 1: PHÂN LOẠI CẢM BIẾN BÀI 2: ĐIỀU KHIỂN CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ BÀI 3: KẾT NỐI , KHẢO SÁT CẢM BIẾN TIỆM CẬN BÀI 4: ĐO VẬN TỐC VÒNG QUAY VÀ GÓC QUAY BÀI 5: KẾT NỐI, KHẢO SÁT CẢM BIẾN QUANG HỌC Mỗi bài sẽ đề cập tới các nội dung cơ bản nhất của các loại cảm biến thông dụng. Kiến thức trong mỗi bài sẽ thật sự hữu ích cho các bạn muốn tìm hiểu và sử dụng các loại cảm biến này một cách thuần thục trong những ngày đầu bỡ ngỡ làm quen. 5 NỘI DUNG CHI TIẾT TẬP BÀI GIẢNG MÔ ĐUN I. Mục tiêu của mô đun: - Về kiến thức: + Mô tả được cấu tạo, phân tích nguyên lý, ứng dụng của các loại cảm biến. + Vẽ được sơ đồ đấu dây của các loại cảm biến. - Về kỹ năng: + Kết nối dây, khảo sát được một số loại cảm biến như: Cảm biến tiệm cận điện cảm, điện dung; cảm biến từ; cảm biến thu phát quang; cảm biến nhiệt độ... + Lựa chọn được loại cảm biến phù hợp trong điều khiển điện công nghiệp và đời sống. - Về năng lực tự chủ và trách nhiệm: + Hình thành tư duy khoa học phát triển năng lực làm việc cá nhân, theo nhóm + Chủ động lập kế hoạch, dự trù được vật tư, thiết bị. + Phát huy tính tích cực, chủ động, sáng tạo và tư duy khoa học trong công việc. + Rèn luyện tính chính xác và tác phong công nghiệp II. Nội dung của mô đun: BÀI 1: PHÂN LOẠI CẢM BIẾN BÀI 2: ĐIỀU KHIỂN CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ BÀI 3: KẾT NỐI , KHẢO SÁT CẢM BIẾN TIỆM CẬN BÀI 4: ĐO VẬN TỐC VÒNG QUAY VÀ GÓC QUAY BÀI 5: KẾT NỐI, KHẢO SÁT CẢM BIẾN QUANG HỌC 6 BÀI 1: PHÂN LOẠI CẢM BIẾN Phần 1: KIẾN THỨC LÝ THUYẾT 1.1. Khái niệm cơ bản về các bộ cảm biến - Cảm biến - sensor: Xuất phát từ chữ sense có nghĩa là giác quan do đó nó như các giác quan trong cơ thể con người. Nhờ cảm biến mà mạch điện, hệ thống điện có thể thu nhận thông tin từ bên ngoài. Từ đó, hệ thống máy móc, điện tử tự động mới có thể tự động hiển thị thông tin về đại lượng đang cảm nhận hay điều khiển quá trình định trước có khả năng thay đổi một cách uyển chuyển theo môi trường hoạt động - Để dễ hiểu có thể so sánh cảm nhận của cảm biến qua 5 giác quan của con người như sau: Bảng 1.1. So sánh cảm nhận của cảm biến qua 5 giác quan của con người 5 giác quan Thay đổi môi trường Thiết bị cảm biến Thị giác Xúc giác Vị giác Thính giác Khứu giác Ánh sáng, hình dạng, kích thước, vị trí xa gần, màu sắc. Áp suất, nhiệt độ, cơn đau, tiếp xúc, tiệm cận, ẩm, khô. Ngọt, mặn, chua cay, béo. Âm rầm bổng, sóng âm, âm lượng. Mùi của các chất khí, chất lỏng. Cảm biến thu hình, cảm biến quang. Nhiệt trở, cảm biến tiệm cận, cảm biến độ rung động. Đo lượng đường trong máu. Cảm biến sóng siêu âm, mi-cro. Đo độ cồn, thiết bị cảm nhận khí ga. - Cảm biến: Là thiết bị điện tử dùng để cảm nhận những trạng thái, quá trình vật lý hay hóa học ở môi trường cần khảo sát (không có tính chất điện) và biến đổi thành tín hiệu điện để thu thập thông tin về trạng thái hay quá trình đó. Thông tin được xử lý để rút ra tham số định tính hoặc định lượng của môi trường, phục vụ các nhu cầu nghiên cứu khoa học kỹ thuật hay dân sinh và gọi ngắn gọn là đo đạc, phục vụ trong truyền và xử lý thông tin hay trong điều khiển các quá trình khác. - Các đại lượng cần đo (m) thường không có tính chất điện như nhiệt độ, áp suất, tác động lên cảm biến cho ta một đại lượng đặc trưng (s) mang tính chất điện như điện tích, điện áp, dòng điện, chứa đựng thông tin cho phép xác định giá trị của đại lượng đo. - Đặc trưng (s) là hàm của đại lượng cần đo (m): s = f(m) (1.1) m s Bộ cảm biến 7 Hình 1.1. Chuyển đổi của bộ cảm biến - Người ta gọi (s) là đại lượng đầu ra hoặc là phản ứng của cảm biến, (m) là đại lượng đầu vào hay kích thích (có nguồn gốc là đại lượng cần đo). Thông qua đo đạc (s) cho phép nhận biết giá trị của (m). - Độ nhạy của cảm biến: Là đại lượng biểu diễn sự so sánh giữa độ biến thiên đầu ra so với độ biến thiên đầu vào S = ds/dm (1.2) Trong đó: ds: Biến thiên đại lượng đầu ra. dm: Biến thiên đại lượng đầu vào. - Thông thường nhà sản xuất sẽ cung cấp giá trị của độ nhạy S tương ứng với những điều kiện làm việc nhất định của cảm biến. - Để phép đo đạt độ chính xác cao, khi thiết kế và sử dụng cảm biến cần làm sao cho độ nhạy S của nó không đổi, nghĩa là ít phụ thuộc nhất vào các yếu tố sau: + Giá trị của đại lượng cần đo và tần số thay đổi của nó. + Thời gian sử dụng. + Ảnh hưởng của các đại lượng vật lý khác (không phải là đại lượng đo) của môi trường xung quanh. - Độ nhạy trong chế độ tĩnh là đại lượng đo không biến thiên tuần hoàn theo thời gian - Độ nhạy trong chế độ động được xác định khi đại lượng đo biến thiên tuần hoàn theo thời gian. - Đường cong chuẩn cảm biến: Là đường cong biểu diễn sự phụ thuộc của đại lượng điện (s) ở đầu ra của cảm biến vào giá trị của đại lượng đo (m) ở đầu vào. 1.2. Phạm vi ứng dụng - Được ứng dụng rất rộng rãi trong công nghiệp, nghiên cứu khoa học, môi trường, khí tượng thủy văn, thông tin viễn thông, nông nghiệp, giao thông, vũ trụ, quân sự, gia dụng, trong kỹ thật điều khiển, đo lườngv.v. - Trong quá trình sử dụng, ứng dụng các cảm biến luôn chịu tác động của các lực cơ học, tác động nhiệt... Khi các tác động này vượt quá ngưỡng cho phép, chúng sẽ làm thay đổi đặc trưng làm việc của cảm biến. Bởi vậy khi sử dụng, ứng dụng cảm biến, người sử dụng cần phải biết rõ các giới hạn, sai số này. 1.2.1. Vùng làm việc danh định. Vùng làm việc danh định tương ứng với những điều kiện sử dụng bình thường của cảm biến. Giới hạn của vùng là các giá trị ngưỡng mà các đại lượng đo, các đại lượng vật lý có liên quan đến đại lượng đo hoặc các đại lượng ảnh hưởng có thể thường xuyên đạt tới mà không làm thay đổi các đặc trưng làm việc danh định của cảm biến. 8 1.2.2. Vùng không gây nên hư hỏng. Vùng không gây nên hư hỏng là vùng mà khi các đại lượng đo hoặc các đại lượng vật lý có liên quan và các đại lượng ảnh hưởng vượt qua ngưỡng của vùng làm việc danh định, nhưng vẫn còn nằm trong phạm vi không gây nên hư hỏng. Các đặc trưng của cảm biến có thể bị thay đổi, nhưng những thay đổi này mang tính thuận nghịch. Tức là khi trở về vùng làm việc danh định, các đặc trưng của cảm biến lấy lại giá trị ban đầu của chúng. 1.2.3. Vùng không phá huỷ. Vùng không phá hủy là vùng mà khi các đại lượng đo hoặc các đại lượng vật lý có liên quan và các đại lượng ảnh hưởng vượt qua ngưỡng của vùng không gây nên hư hỏng nhưng vẫn còn nằm trong phạm vi không bị phá hủy. Các đặc trưng của cảm biến bị thay đổi và những thay đổi này mang tính không thuận nghịch. Tức là khi trở về vùng làm việc danh định, các đặc trưng của cảm biến không thể lấy lại giá trị ban đầu của chúng. Trong trường hợp này cảm biến vẫn còn sử dụng được, nhưng phải tiến hành chuẩn lại cảm biến. 1.2.4. Sai số và độ chính xác a. Sai số - Là giá trị sai lệch giữa giá trị đo được và giá trị thực của đại lượng cần đo. (1.3) Trong đó: x: Giá trị thực x: Sai lệch giữa giá trị đo và giá trị thực b. Sai số hệ thống - Là sai số không phụ thuộc vào số lần đo, có giá trị không đổi hoặc thay đổi chậm theo thời gian đo và thêm vào một độ lệch không đổi giữa giá trị thực và giá trị đo được. - Các nguyên nhân gây ra sai số hệ thống có thể là: + Do nguyên lý của cảm biến. + Do giá trị của đại lượng chuẩn không đúng. + Do đặc tính của bộ cảm biến. + Do điều kiện và chế độ sử dụng. + Do xử lý kết quả đo. c. Sai số ngẫu nhiên - Là sai số xuất hiện có độ lớn và chiều không xác định. Ta có thể dự đoán được một số nguyên nhân gây ra sai số ngẫu nhiên nhưng không thể dự đoán được độ lớn và dấu của nó. - Những nguyên nhân gây ra sai số ngẫu nhiên có thể là: 9 + Do sự thay đổi đặc tính của thiết bị. + Do tín hiệu nhiễu ngẫu nhiên. + Do các đại lượng ảnh hưởng không được tính đến khi chuẩn cảm biến 1.1.5. Độ nhanh và thời gian hồi đáp - Độ nhanh là đặc trưng của cảm biến cho phép đánh giá khả năng theo kịp về thời gian của đại lượng đầu ra khi đại lượng đầu vào biến thiên. Thời gian hồi đáp là đại lượng được sử dụng để xác định giá trị số của độ nhanh. - Độ nhanh là khoảng thời gian từ khi đại lượng đo thay đổi đột ngột đến khi biến thiên của đại lượng đầu ra chỉ còn khác giá trị cuối cùng một lượng giới hạn  tính bằng %. - Thời gian hồi đáp tương ứng với % xác định khoảng thời gian cần thiết phải chờ đợi sau khi có sự biến thiên của đại lượng đo để lấy giá trị của đầu ra với độ chính xác định trước. 1.1.6. Độ tuyến tính - Một cảm biến được gọi là tuyến tính trong một dải đo xác định, nếu trong dải đo đó, độ nhạy không phụ thuộc vào đại lượng đo. - Nếu cảm biến không tuyến tính, người ta đưa vào mạch đo các thiết bị hiệu chỉnh sao cho tín hiệu điện nhận được ở đầu ra tỉ lệ với sự thay đổi của đại lượng đo ở đầu vào. Sự hiệu chỉnh đó được gọi là sự tuyến tính hoá. 1.3. Phân loại các bộ cảm biến - Trên thực tế có rất nhiều những loại cảm biến khác nhau và chúng ta có thể phân loại cảm biến theo các đặc trưng cơ bản sau đây: 1.3.1. Phân loại theo nguyên lý chuyển đổi giữa đáp ứng và kích thích. Bảng 1.2. Phân loại theo nguyên lý chuyển đổi giữa đáp ứng và kích thích Hiện tượng Chuyển đổi đáp ứng và kích thích Hiện tượng vật lý - Quang điện - Điện từ - Từ điện - Nhiệt từ... Hiện tượng hoá học - Biến đổi hoá học - Biến đổi điện hoá - Phân tích phổ ... Hiện tượng sinh học - Biến đổi sinh hoá - Biến đổi vật lý - Hiệu ứng trên cơ thể sống ... 10 1.3.2. Phân loại theo dạng kích thích. Bảng 1.3. Phân loại theo dạng kích thích 1.3.3. Phân loại theo tính năng của bộ cảm biến. Bảng 1.4. Phân loại theo tính năng của bộ cảm biến Hiện tượng Các đặc tính của kích thích Âm thanh - Biên pha, phân cực - Phổ - Tốc độ truyền sóng ... Điện - Điện tích, dòng điện - Điện thế, điện áp - Điện trường (biên, pha, phân cực, phổ) - Điện dẫn, hằng số điện môi ... Từ - Từ trường (biên, pha, phân cực, phổ) - Từ thông, cường độ từ trường - Độ từ thẩm ... Quang - Biên, pha, phân cực, phổ - Tốc độ truyền - Hệ số phát xạ, khúc xạ - Hệ số hấp thụ, hệ số bức xạ ... Cơ - Vị trí - Lực, áp suất - Gia tốc, vận tốc - Ứng suất, độ cứng - Mô men - Khối lượng, tỉ trọng - Vận tốc chất lưu, độ nhớt ... Nhiệt - Nhiệt độ - Thông lượng - Nhiệt dung Bức xạ - Kiểu - Năng lượng - Cường độ ... Hiện tượng Các đặc tính của kích thích - Độ nhạy - Khả năng quá tải 11 1.3.4. Phân loại theo phạm vi sử dụng. - Công nghiệp - Nghiên cứu khoa học - Môi trường, khí tượng - Thông tin, viễn thông - Nông nghiệp - Dân dụng - Giao thông - Vũ trụ - Quân sự 1.3.5. Phân loại theo thông số của mô hình mạch thay thế. - Cảm biến tích cực có đầu ra là nguồn áp hoặc nguồn dòng. - Cảm biến thụ động được đặc trưng bằng các thông số R, L, C ... tuyến tính hoặc phi tuyến. 1.3.6. Phân loại theo cảm biến chủ động và bị động - Cảm biến chủ động: không sử dụng điện năng bổ sung để chuyển sang tín hiệu điện. Điển hình là cảm biến áp điện làm bằng vật liệu gốm, chuyển áp suất thành điện tích trên bề mặt - Cảm biến bị động có sử dụng điện năng bổ sung để chuyển sang tín hiệu điện. Điển hình là các photodiode khi có ánh sáng chiếu vào thì có thay đổi của điện trở tiếp giáp bán dẫn p-n được phân cực ngược. 1.3.7. Phân loại theo nguyên lý hoạt động - Cảm biến điện trở: hoạt động dựa theo di chuyển con chạy hoặc góc quay của biến trở, hoặc sự thay đổi điện trở do co giãn vật dẫn. - Cảm biến cảm ứng: cảm biến biến áp vi phân, cảm biến cảm ứng điện từ, cảm biến dòng xoáy, cảm biến cảm ứng điện động, cảm biến điện dung,. - Cảm biến điện trường: cảm biến từ giảo, cảm biến áp điện, - Độ chính xác - Độ phân giải - Độ chọn lọc - Độ tuyến tính - Công suất tiêu thụ - Dải tần - Độ trễ - Tốc độ đáp ứng - Độ ổn định - Tuổi thọ - Điều kiện môi trường - Kích thước, trọng lượng 12 Và một số cảm biến nổi bật khác như: cảm biến quang, cảm biến huỳnh quang nhấp nháy, cảm biến điện hóa đầu dò ion và độ pH, cảm biến nhiệt độ, CÂU HỎI ÔN TẬP Câu hỏi 1: Trình bày khái niệm cơ bản và các bộ cảm biến ? Câu hỏi 2: Trình bày phạm vi ứng dụng của cảm biến? Câu hỏi 3: Trình bày phân loại các bộ cảm biến ? 13 Bài 2: ĐIỀU KHIỂN CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ Phần 1: KIẾN THỨC LÝ THUYẾT 2.1. Đại cương về cảm biến nhiệt độ - Nhiệt độ là một trong số những đại lượng, có ảnh hưởng rất lớn đến tính chất vật chất. Đo nhiệt độ đóng vai trò quan trọng trong sản xuất công nghiệp và nhiều lĩnh vực khác. Bởi vậy trong nghiên cứu khoa học, trong công nghiệp cũng như trong đời sống, việc đo nhiệt độ là rất cần thiết. Tuy nhiên việc xác định chính xác một nhiệt độ là một vấn đề không đơn giản. Đa số các đại lượng vật lý đều có thể xác định trực tiếp nhờ so sánh chúng với một đại lượng cùng bản chất. - Nhiệt độ là đại lượng chỉ có thể đo gián tiếp dựa vào sự phụ thuộc của tính chất vật liệu vào nhiệt độ. - Cảm biến nhiệt độ là thiết bị dùng để cảm nhận sự biến đổi về nhiệt độ của đại lượng cần đo. - Hiện nay trên thị trường có rất nhiều loại cảm biến nhiệt độ, chúng có các đặc điểm khác nhau tùy vào từng ứng dụng thực tế, được dùng trong hệ thống HV và hệ thống điều khiển môi trường AC, trang bị y tế, cảm biến xử lý thực phẩm, xử lý hóa chất, hệ thống điều khiển ô tô, đo nhiệt độ trong bồn đun nước, đun dầu, đo nhiệt độ lò nung, lò sấy, đo nhiệt độ các loại máy móc 2.1.1. Thang đo nhiệt độ a. Thang Kelvin (Thomson Kelvin - 1852) - Thang nhiệt độ động học tuyệt đối, đơn vị nhiệt độ là K. - Trong thang đo này người ta gán cho nhiệt độ của điểm cân bằng ba trạng thái: nước - nước đá - hơi một giá trị có trị số bằng: 273,15 K. b. Thang Celsius (Andreas Celsius - 1742) - Thang nhiệt độ bách phân, đơn vị nhiệt độ là oC. - Nhiệt độ Celsius xác định qua nhiệt độ Kelvin theo biểu thức: T(oC)= T(K) - 273,15 (2.1) c. Thang Fahrenheit (Fahrenheit - 1706) - Đơn vị nhiệt độ là oF. Trong thang đo này, nhiệt độ của điểm nước đá tan là 32oF và điểm nước sôi là 212oF. - Quan hệ giữa nhiệt độ Fahrenheit và nhiệt Celssius: °C = 5/9 (F – 32) (2.2) °F = 9/5 (C + 32) (2.3) Bảng 2.1. Bảng cho các giá trị tương ứng của một số nhiệt độ quan trọng theo các thang đo khác nhau. Nhiệt độ Kelvin (K) Celsius (oC) Fahrenheit (oF) 14 Điểm 0 tuyệt đối 0 - 273,15 -459,67 Hỗn hợp nước đá 273,15 0 32 Cân bằng nước - nước đá - hơi 273,16 0,01 32,018 Nước sôi 373,15 100 212 2.1.2. Nhiệt độ đo được và nhiệt độ cần đo - Giả sử môi trường đo có nhiệt độ thực bằng Tx, nhưng khi đo ta chỉ nhận được nhiệt độ Tc là nhiệt độ của phần tử cảm nhận của cảm biến. - Nhiệt độ Tx gọi là nhiệt độ cần đo, nhiệt độ Tc gọi là nhiệt độ đo được. - Điều kiện để đo đúng nhiệt độ là phải có sự cân bằng nhiệt giữa môi trường đo và cảm biến. Tuy nhiên, do nhiều nguyên nhân, nhiệt độ cảm biến không bao giờ đạt tới nhiệt độ môi trường Tx, do đó tồn tại một chênh lệch nhiệt độ Tx - Tc nhất định. Độ chính xác của phép đo phụ thuộc vào hiệu số Tx – Tc, hiệu số này càng nhỏ, độ chính xác của phép đo càng cao. Muốn vậy khi đo cần phải: + Tăng cường sự trao đổi nhiệt giữa bộ cảm biến và môi trường cần đo.Giảm sự trao đổi nhiệt giữa bộ cảm biến và môi trường bên ngoài. + Để tăng cường trao đổi nhiệt giữa môi trường có nhiệt độ cần đo và cảm biến ta phải dùng cảm biến có phần tử cảm nhận có tỉ nhiệt thấp, hệ số dẫn nhiệt cao, để hạn chế tổn thất nhiệt từ cảm biến ra ngoài thì các tiếp điểm, dẫn từ phần tử cảm nhận ra mạch đo bên ngoài phải có hệ số dẫn nhiệt thấp. 2.2. Nhiệt điện trở Platin và Nikel 2.2.1. Điện trở kim loại thay đổi theo nhiệt độ. - Nhiệt điện trở là điện trở có giá trị phụ thuộc vào nhiệt độ, khi nhiệt độ thay đổi thì điện trở cũng thay đổi - Với kim loại, sự chuyển động của các hạt mang điện theo một hướng thành một dòng điện trong kim loại. Sự chuyển động này có thể do một lực cơ học hay điện trường gây nên và điện tích có thể âm hay dương chuyển động theo chiều ngược nhau. - Dưới tác dụng của nhiệt độ làm cho sự chuyển động này thay đổi và giá trị điện trở cũng thay đổi. Có thể nhiệt độ tăng điện trở tăng hoặc nhiệt độ tăng thì điện trở giảm. - Khi chế tạo nhiệt điện trở người ta kéo chúng thành sợi mảnh quấn trên khung chịu nhiệt rồi đặt vào hộp có vỏ đặc biệt và đưa ra 2 đầu để lấy tín hiệu với điện trở (R). Trong thực tế nhà sản xuất đã chế tạo nhiệt điện trở có giá trị khoảng từ 10() đến 100(). - Nhiệt điện trở thường được chế tạo từ các vật liệu có khả năng chịu nhiệt như: Đồng, Nikel, Platin. 15 - Điện trở kim loại thay đổi theo nhiệt độ có ưu điểm đơn giản, độ nhạy cao, ổn định dài hạn được sử dụng rất rộng rãi và nhiều. Xong nhược điểm của điện trở kim loại thay đổi theo nhiệt độ là kích thước lớn, cồng kềnh, có quán tính nhiệt lớn. 2.2.2. Nhiệt điện trở Platin. - Platin là vật liệu cho nhiệt điện trở được dùng rộng rãi trong công nghiệp. + Có thể chế tạo với độ tinh khiết rất cao (99,999%) do đó tăng độ chính xác của các tính chất điện. + Có tính trơ về mặt hoá học và tính ổn định cấu trúc tinh thể cao do đó đảm bảo tính ổn định cao về các đặc tính dẫn điện trong quá trình sử dụng. + Hệ số nhiệt điện trở ở 00C bằng 3,9.10-3/0C. + Điện trở ở 1000C lớn gấp 1,385 lần so với ở 00C. + Dải nhiệt độ làm việc khá rộng từ -2000C ÷ 10000C. - Có 2 tiêu chuẩn đối với nhiệt điện trở platin, sự khác nhau giữa chúng nằm ở mức độ tinh khiết của vật liệu. Hầu hết các quốc gia sử dụng tiêu chuẩn quốc tế DIN IEC 751 – 1983 (được sửa đổi lần 1 vào năm 1986, lần 2 vào 1995). Riêng USA vẫn tiếp tục sử dụng tiêu chuẩn riêng. 2.2.3. Nhiệt điện trở Nikel. + Có độ nhạy nhiệt cao bằng 4,7.10-3/0C. + Điện trở ở 1000C lớn gấp 1,617 lần so với ở 00C. + Dễ bị oxy hoá khi ở nhiệt độ cao làm giảm tính ổn định. + Dải nhiệt độ làm việc thấp hơn 2500C. - Nhiệt điện trở Nikel so sánh với Platin rẻ tiền hơn và có hệ số nhiệt độ lớn gần gấp 2 lần (6,18.10-3 0C-1). Tuy nhiên dải đo chỉ từ -600C đến +2500C, vì trên 3500C hệ số nhiệt điện trở của Nikel không ổn định. Cảm biến nhiệt Nikel thường dùng trong công nghiệp điều hoà nhiệt độ phòng. 2.2.4. Cách nối dây đo nhiệt điện trở. - Hiện các nhà sản xuất đã sản xuất ra nhiệt điện trở 2 dây, 3 dây, 4 dây nên ta có 3 kỹ thuật nối dây đo - Tiêu chuẩn IEC 751– 1983 yêu cầu dây nối đến cùng đầu nhiệt điện trở phải có màu giống nhau (đỏ hoặc trắng) và dây nối đến 2 đầu phải khác màu. a. Kỹ thuật hai dây: - Đây là loại cấu hình dây đơn giản nhất và độ chính xác cũng ...ại cho chắc chắn, tiếp xúc tốt - Cài đặt đúng và đủ theo đúng yêu cầu Nguồn điện xoay chiều - Nguồn điện một chiều - Dây kết nối - Đồng hồ VOM - Cảm biến nhiệt độ TC 4S - Nhiệt điện trở (RTD) - Rơ le 24VDC - Nhiệt độ 39 - Bấm phím MODE và giữ cho đến khi màn hình hiển thị màn hình chính hoặc chờ cho cảm biến nhiệt độ tự trở về màn hình chính - Bấm phím MODE liên tục cho đến khi màn hình hiển thị out - Bấm phím lên hoặc xuống chọn ngõ ra rơ le - Bấm phím MODE và giữ cho đến khi màn hình hiển thị màn hình chính VD: 34 - Bấm phím lên hoặc xuống để chọn giá trị cài đặt VD: 40 Bước 5 - Kiểm tra, cấp nguồn, khảo sát mạch điện + Khi nhiệt tác dụng vào RTD < nhiệt độ SV Rơ le tác động đóng mở tiếp điểm theo đèn out sáng tắt + Khi nhiệt độ tác dụng ≥ nhiệt độ SV cài đặt rơ le làm việc ổn định - Dây kết nối hợp lý, chắc chắn, gọn gàng - Mạch điện hoạt động theo đúng nguyên lý - Nguồn điện xoay chiều - Nguồn điện một chiều - Dây kết nối - Đồng hồ VOM - Cảm biến nhiệt độ TC 4S - Nhiệt điện trở (RTD) - Rơ le 24VDC - Nhiệt độ 40 f. Kết nối dây, quan sát, nhận biết, ghi thông số kỹ thuật của cảm biến nhiệt độ TZN 4M PHIẾU HƯ ỚNG DẪN THỰC HÀNH CÔNG VTÊC: Kết nối dây, quan sát, nhận biết, ghi thông số kỹ thuật của cảm biến nhiệt độ TZN 4M 6/B2/MĐ 20 Bước công việc Nội dung Yêu cầu kỹ thuật Dụng cụ, trang thiết bị Ghi chú Bước 1 - Lựa chọn dụng cụ, thiết bị, vật tư - Lựa chọn đúng đủ dụng cụ, thiết bị, vật tư - Nguồn điện xoay chiều - Nguồn điện một chiều - Dây kết nối - Đồng hồ VOM - Cảm biến nhiệt độ TZN 4M - Nhiệt điện trở (RTD) - Rơ le 24VDC - Nhiệt độ Bước 2 - Kiểm tra dụng cụ, thiết bị, vật tư - Lựa chọn phù hợp - Thao tác đúng, chuẩn xác - Nguồn điện xoay chiều - Nguồn điện một chiều - Dây kết nối - Đồng hồ VOM - Cảm biến nhiệt độ TZN 4M - Nhiệt điện trở (RTD) - Rơ le 24VDC - Nhiệt độ Bước 3 * Kết nối dây - Kết nối ngõ vào với RTD 2 dây + Chân số 7-8 với nhiệt điện trở (RTD) 2 dây + Ngõ vào kết nối với RTD loại J(IC) Display JICH Input range oC: 0 - 800 Input range oK: 32 – 1472 - Kết nối ngõ ra rơ le (RELAY OUT) + Từ chân 2 nối với + 24VDC Modul nguồn + Từ chân 1 nối với chân 2 rơ le 24VDC + Từ chân 7 rơ le 24VDC nối GND Modul nguồn - Kết nối dây nguồn - Dây kết nối hợp lý, chắc chắn, gọn gàng - Kết nối được ngõ vào với RTD - Kết nối được ngõ ra rơ le 24VDC - Nguồn điện xoay chiều - Nguồn điện một chiều - Dây kết nối - Đồng hồ VOM - Cảm biến nhiệt độ TZN 4M - Nhiệt điện trở (RTD) - Rơ le 24VDC - Nhiệt độ 41 - Bật công tắc cấp nguồn cho toàn mạch Chú ý: Đồng hồ báo open do 2 nguyên nhân + Chưa kết nối với RTD hoặc kết nối rồi nhưng chân bị lỏng + Chọn chưa đúng Display JICH Chọn lại bằng cách ấn mũi tên rồi bấm phím MD 1 lần để lưu * Cài đặt đồng hồ cảm biến nhiệt độ - Bấm phím MD + phím ∆ và giữ cho đến khi màn hình hiển thị + PV: Int + SV: JICH - Bấm phím MD + phím ∆ và giữ cho đến khi màn hình hiển thị màn hình chính VD: + PV 35 (Nhiệt độ thực tế) + SV: 40 (Giá trị đã cài trước đó) - Cài đặt giá trị SV (thường cài giá trị lớn hơn giá trị nhiệt độ thực tế) VD: + PV: 35 + SV: 45 - Bấm phím out 1 lần để giá trị SV nhấp nháy - Bấm phím tăng hoặc giảm giá trị cần cài đặt - Bấm phím MD 1 lần để lưu - Cài đặt đúng và đủ theo đúng yêu cầu 42 Bước 4 - Kiểm tra, cấp nguồn, khảo sát mạch điện + Khi nhiệt tác dụng vào RTD < nhiệt độ SV Rơ le tác động đóng mở tiếp điểm theo đèn out sáng tắt + Khi nhiệt độ tác dụng ≥ nhiệt độ SV cài đặt rơ le làm việc ổn định - Dây kết nối hợp lý, chắc chắn, gọn gàng - Mạch điện hoạt động theo đúng nguyên lý - - Nguồn điện xoay chiều - Nguồn điện một chiều - Dây kết nối - Đồng hồ VOM - Cảm biến nhiệt độ TZN 4M - Nhiệt điện trở (RTD) - Rơ le 24VDC - Nhiệt độ 43 Bài 3: KẾT NỐI, KHẢO SÁT CẢM BIẾN TIỆM CẬN Phần 1: KIẾN THỨC LÝ THUYẾT 3.1. Cảm biến tiệm cận (Proximity Sensor) * Đặc điểm - Cảm biến tiệm cận là một kỹ thuật để nhận biết sự có mặt hay không có mặt của một vật thể với cảm biến điện tử không công tắc (không đụng chạm). - Phát hiện vật không cần tiếp xúc - Tốc độ đáp ứng cao - Đầu cảm biến nhỏ có thể lắp đặt ở nhiều nơi - Có thể sử dụng trong môi trường khắc nghiệt * Các thuật ngữ thường sử dụng - Vật Chuẩn: Một vật được xem là vật chuẩn nếu hình dạng, vật liệu, kích cỡ... của vật phù hợp với yêu cầu của nhà sản xuất để có thể phát huy được hết các đặc tính kỹ thuật của cảm biến. - Tần số đáp ứng: Số lần tác động lặp lại khi vật cảm biến đi vào vùng hoạt động của cảm biến. - Khoảng cách phát hiện: Khoảng cách xa nhất từ đầu cảm biến đến vị trí vật chuẩn mà cảm biến có thể phát hiện được. 44 Hình 3.1. Khoảng cách phát hiện - Khoảng cách cài đặt: Khoảng cách để cảm biến có thể nhận biết vật một cách ổn định (thường bằng 70 – 80% khoảng cách phát hiện) Hình 3.2. Khoảng cách cài đặt - Thời gian đáp ứng: + t1: Thời gian từ lúc đối tượng đi vào vùng phát hiện của cảm biến đến lúc cảm biến báo tín hiệu + t2: Thời gian từ lúc đối tượng chuẩn đi ra khỏi vùng phát hiện cho đến khi cảm biến hết báo tín hiệu Hình 3.3. Thời gian đáp ứng 45 3.1.1. Cảm biến tiệm cận điện cảm (Inductive Proximity Sensor) - Cảm biến tiệm cận điện cảm có nhiều kích thước và hình dạng khác nhau tương ứng với các ứng dụng khác nhau. - Cảm biến tiệm cận điện cảm được dùng để phát hiện các đối tượng là kim loại Hình 3.4. Cảm biến tiệm cận điện cảm a. Cấu tạo: Gồm có 4 phần chính + Cuộn dây và lõi ferit + Mạch dao động + Mạch phát hiện + Mạch đầu ra b. Nguyên lý hoạt động - Cảm biến tiệm cận điện cảm được thiết kế để tạo ra một vùng điện trường, khi một vật bằng kim loại tiến vào khu vực này, xuất hiện dòng điện xoáy (dòng điện cảm ứng) trong vật thể kim loại này. Dòng điện xoáy gây nên sự tiêu hao năng lượng (do điện trở của kim loại) làm ảnh hưởng đến biên độ sóng dao động, đến một trị số nào đó tín hiệu này được ghi nhận. Mạch phát hiện sẽ phát hiện sự thay đổi tín hiệu và tác động để mạch ra lên mức ON. Khi đối tượng rời khỏi khu vực từ trường, sự dao động được tái lập, cảm biến trở lại trạng thái bình thường - Tùy thuộc vào cấu tạo của sản phẩm, dải đo của cảm biến tiệm cận với khoảng cách phát hiện nhỏ từ 0 đến 50 mm c. Phân loại cảm biến tiệm cận điện cảm - Cảm biến tiệm cận điện cảm có thể phân làm 2 loại: Được bảo vệ và không được bảo vệ. Loại không được bảo vệ thường có tầm phát hiện lớn hơn loại được bảo vệ. - Cảm biến tiệm cận điện cảm loại được bảo vệ: Có 1 vòng kim loại bao quanh giúp hạn chế vùng điện từ trường ở vùng bên. Vị trí lắp đặt cảm biến có thể đặt ngang bằng với bề mặt làm việc. 46 - Cảm biến tiệm cận điện cảm loại không được bảo vệ: Không có vòng kim loại bao quanh. Không thể lắp đặt cảm biến ngang bằng bề mặt làm việc (bằng kim loại). Xung quanh cảm biến phải có 1 vùng không có chứa kim loại Hình 3.5. Hình dạng 2 loại cảm biến d. Những yếu tố ảnh hưởng đến tầm phát hiện của cảm biến tiệm cận điện cảm - Kích thước của vật cảm biến: Nếu kích cỡ vật cảm biến nhỏ hơn vật chuẩn, khoảng cách phát hiện của cảm biến sẽ giảm. - Bề dày của vật cảm biến: Với cảm biến thuộc nhóm kim loại có từ tính (sắt, niken, SUS, ) bề dày của vật chuẩn phải lớn hơn hoặc bằng 1mm. Bề dày của vật cảm biến càng mỏng thì khoảng cách phát hiện càng giảm. - Vật liệu và kích thước đối tượng: Khoảng cách phát hiện của cảm biến phụ thuộc rất nhiều vào vật liệu của cảm biến. Các vật liệu có từ tính hoặc kim loại có chứa sắt sẽ có khoảng cách phát hiện xa hơn các vật liệu không từ tính hoặc không chứa sắt. - Lớp mạ bên ngoài của vật cảm biến: Nếu vật cảm biến được mạ khoảng cách phát hiện cũng sẽ bị ảnh hưởng. - Nhiệt độ môi trường. e. Ưu nhược điểm của cảm biến tiệm cận điện cảm. * Ưu điểm. - Không chịu ảnh hưởng của độ ẩm, bụi bặm. - Không có bộ phận chuyển động, không có “khu vực mù” (cảm biến không phát hiện ra đối tượng mặc dù đối tượng ở gần cảm biến), không gây nhiễu cho các sóng điện từ, sóng siêu âm. - Không phụ thuộc vào màu sắc, ít phụ thuộc vào bề mặt đối tượng hơn so với các kĩ thuật khác. - Phát hiện vật không cần phải tiếp xúc, tốc độ đáp ứng nhanh. - Có thể sử dụng trong môi trường khắc nghiệt, đầu cảm biến nhỏ, có thể lắp đặt ở nhiều nơi. * Nhược điểm. - Chỉ phát hiện được đối tượng là kim loại. - Bị chịu ảnh hưởng bởi các vùng điện từ mạnh. - Phạm vi hoạt động ngắn hơn so với các kĩ thuật khác. 47 f. Một số ứng dụng của cảm biến tiệm cận điện cảm. + Công nghiệp dầu mỏ (xác định vị trí của van) + Công nghiệp đóng gói + Công nghệ mạ + Phát hiện việc đóng nắp nhôm các chai bia + Xác định vị trí thang máy + Phát hiện các lá kim loại trên giấy bọc socola sau khi đóng gói Hình 3.6. Các ứng dụng của cảm biến tiệm cận điện cảm 3.1.2. Cảm biến tiệm cận điện dung (Capacitive Proximity Sensor). a. Giới thiệu chung. - Cảm biến tiệm cận điện dung giống về kích thước, hình dáng, cơ sở hoạt động so với cảm biến tiệm cận điện cảm. Điểm khác biệt căn bản giữa chúng là cảm biến tiệm cận điện dung tạo ra vùng điện trường còn cảm biến tiệm cận điện cảm tạo ra vùng điện từ trường. - Cảm biến tiệm cận điện dung có thể phát hiện đối tượng có chất liệu kim loại cũng như không phải kim loại. 48 Hình 3.7. Cảm biến tiệm cận điện dung b. Cấu tạo: Gồm có 4 phần chính + Bộ phận cảm biến (các bản cực hay điện cực cách điện) + Mạch dao động + Mạch phát tín hiệu + Mạch đầu ra c. Nguyên lý hoạt động. - Tụ điện gồm hai bản cực và chất điện môi ở giữa. Khoảng cách giữa hai điện cực ảnh hưởng đến khả năng tích trữ điện tích của một tụ điện (điện dung là đại lượng đặc trưng cho khả năng tích trữ điện tích của một tụ điện). - Nguyên tắc hoạt động của cảm biến tiệm cận loại điện dung dựa trên sự thay đổi điện dung khi vật thể xuất hiện trong vùng điện trường. Từ sự thay đổi này trạng thái “On” hay “Off” của tín hiệu ngõ ra được xác định. - Một bản cực là thành phần của cảm biến, đối tượng cần phát hiện là bản cực còn lại. - Tùy thuộc vào cấu tạo của sản phẩm, dải đo của cảm biến tiệm cận với khoảng cách phát hiện nhỏ từ 0 đến 50mm d. Phân loại cảm biến tiệm cận điện dung. - Cảm biến tiệm cận điện dung cũng phân thành 2 loại: Được bảo vệ và không được bảo vệ. - Cảm biến tiệm cận điện dung loại được bảo vệ: Có vòng kim loại bao quanh giúp hướng vùng điện trường về phía trước và có thể đặt ngang bằng với bề mặt làm việc. - Cảm biến tiệm cận điện cảm loại không được bảo vệ: Không có vòng kim loại bao quanh và không thể đặt ngang bằng với bề mặt làm việc. Xung quanh cảm biến phải có 1 vùng trống, kích thước vùng trống tùy thuộc vào từng loại cảm biến. e. Những yếu tố ảnh hưởng đến tầm phát hiện của cảm biến tiệm cận điện dung. - Kích thước của điện cực của cảm biến. 49 - Vật liệu và kích thước đối tượng - Nhiệt độ môi trường - Đối tượng tiêu chuẩn và hằng số điện môi: Đối tượng tiêu chuẩn được chỉ định riêng với từng loại cảm biến tiệm cận điện dung. Thông thường chất liệu của đối tượng tiêu chuẩn được định nghĩa là kim loại hoặc nước f. Ưu điểm và nhược điểm của cảm biến tiệm cận điện dung. * Ưu điểm. - Có thể cảm nhận vật dẫn điện, không dẫn điện - Tính chất tuyến tính và độ nhạy không tùy thuộc vào vật liệu kim loại. - Nó có thể cảm nhận được vật thể nhỏ, nhẹ. - Vận tốc hoạt động nhanh. - Tuổi thọ cao và độ ổn định cũng cao đối với nhiệt độ. - Đối tượng phát hiện có thể là chất lỏng, vật liệu phi kim - Phạm vi cảm nhận lớn. - Đầu cảm biến nhỏ, có thể lắp đặt ở nhiều nơi. * Nhược điểm. - Bị ảnh hưởng bởi độ ẩm - Dây nối với sensor phải ngắn để điện dung dây không ảnh hưởng đến bộ cộng hưởng của bộ dao động. g. Một số ứng dụng của cảm biến tiệm cận điện dung. Công nghiệp thực phẩm Đo mực chất lỏng Chế biến gỗ Đo mực chất lỏng 50 Kiểm tra số lượng sản phẩm trong công nghiệp thực phẩm Chế biến gỗ Đo mực chất lỏng Dùng để phát hiện sữa trong hộp giấy Phát hiện được bề mặt chất lỏng, không bị ảnh hưởng bởi màu sắc chất lỏng và khi ống bị bẩn Hình 3.8. Một số ứng dụng của cảm biến tiệm cận điện dung 3.1.3. Cảm biến tiệm cận siêu âm (Ultrasonic proximity sensor). - Cảm biến tiệm cận siêu âm có thể phát hiện hầu hết các loại đối tượng kim loại hoặc không phải là kim loại, chất lỏng hoặc chất rắn, vật trong hoặc mờ đục (những vật có hệ số phản xạ sóng âm thanh đủ lớn). 51 Hình 3.9. Cảm biến tiệm cận siêu âm a. Cấu tạo: Gồm có 4 phần chính + Bộ phận phát và nhận sóng siêu âm + Bộ phận so sánh + Mạch phát hiện + Mạch điện ngõ ra b. Nguyên lý hoạt động - Cảm biến siêu âm phát ra các xung âm thanh tần số ngắn, tần số cao theo khoảng thời gian đều đặn. Chúng lan truyền trong không khí với tốc độ âm thanh. Nếu chúng gặp một vật thể, chúng sẽ phản xạ trở lại dưới dạng tín hiệu phản hồi và tự tính toán khoảng cách tới đích dựa trên khoảng thời gian giữa phát ra tín hiệu và nhận về. - Các cảm biến công nghiệp hoạt động với tần số 25 khz đến 500 Khz. Các cảm biến trong lãnh vực y khoa thì hoạt động với khoảng tần số từ 5MHz trở lên. Tần số hoạt động của cảm biến tỉ lệ nghịch với khoảng cách phát hiện cảm biến. c. Ưu nhược điểm của cảm biến tiệm cận siêu âm * Ưu điểm - Khoảng cách mà cảm biến có thể phát hiện vật thể lên tới 15m. - Sóng phản hồi của cảm biến không phụ thuộc màu sắc của bề mặt đối tượng hay tính chất phản xạ ánh sáng của đối tượng - Tín hiệu đáp ứng của cảm biến tiệm cận siêu âm analog là tỉ lệ tuyến tính với khoảng cách. Điều này đặc biệt lý tưởng cho các ứng dụng như theo dõi các mức của vật chất, mức độ chuyển động của đối tượng. * Nhược điểm - Yêu cầu đối tượng có một diện tích bề mặt tối thiểu (giá trị này tùy thuộc vào từng loại cảm biến). - Chịu ảnh hưởng của các sóng âm thanh tạp âm. - Yêu cầu một khoảng thời gian sau mỗi lần sóng phát đi để sẵn sàng nhận sóng phản hồi. Kết quả thời gian đáp ứng chậm hơn các cảm biến khác khoảng 0,1 s. 52 - Với các đối tượng có mật độ vật chất thấp như bọt hay vải (quần áo) rất khó để phát hiện với khoảng cách lớn. - Bị giới hạn khoảng cách phát hiện nhỏ nhất. - Sự thay đổi của môi trường như nhiệt độ (vận tốc âm thanh phụ thuộc vào nhiệt độ), áp suất, sự chuyển không đồng đều của không khí, bụi bẩn bay trong không khí gây ảnh hưởng đến kết quả đo. - Nhiệt độ bề mặt của đối tượng của ảnh hưởng đến phạm vi hoạt động của cảm biến. d. Một số ứng dụng của cảm biến tiệm cận siêu âm Phát hiện sự hiện diện, không hiện diện của đối tượng trong suốt bằng thủy tinh. Dùng trong điều khiển mực chất lỏng. Đo khoảng cách, độ cao, hay vị trí của phiến gỗ trên dây chuyền Phát hiện người Phát hiện đường kính 53 Phát hiện dây bị đứt Đo mực chất lỏng Đo mực chất lỏng trong lọ (có cổ nhỏ) Phát hiện chiều cao Đếm chai Phát hiện giấy bị đứt Phát hiện xe Phát hiện chiều cao Hình 3.10. Một số ứng dụng của cảm biến tiệm cận siêu âm 3.1.4. Cấu hình ngõ ra của cảm biến tiệm cận Với điện áp DC thấp, cảm biến có 2 dạng cấu hình ngõ ra phổ biến là: kiểu Tranzitor NPN và kiểu Tranzitor PNP a. Trường hợp cảm biến loại NPN: Tải mắc giữa ngõ ra A của cảm biến và cực dương của nguồn điện. 54 Hình 3.11. Loại NPN b. Trường hợp cảm biến loại PNP: Tải mắc giữa ngõ ra A của cảm biến và cực âm của nguồn điện. Hình 3.12. Loại PNP c. Ngõ ra dạng Analog. - Cảm biến có thể cung cấp tín hiệu ngõ ra dưới dạng dòng và áp tương ứng (hay nghịch đảo sự tương ứng) với sự phát hiện. Trạng thái ngõ ra của cảm biến có thể là thường đóng (NO) hoặc thường mở (NC). Ví dụ: Cảm biến loại PNP, trạng thái ngõ ra là Off khi không có đối tượng xuất hiện thì nó là thiết bị loại thường mở. Ngược lại trạng thái ngõ ra là On khi không có đối tượng xuất hiện thì nó là loại thường đóng. 3.1.5. Cách kết nối các cảm biến tiệm cận với nhau - Trong một số ứng dụng đòi hỏi phải sử dụng nhiều hơn 1 cảm biến. Các cảm biến có thể nối song song hoặc mắc nối tiếp. - Khi mắc song song, ngõ ra lên On khi tất cả các cảm biến đều lên On. - Khi mắc nối tiếp, chỉ cần 1 trong số các cảm biến lên On thì ngõ ra lên On. a. Cảm biến tiệm loại 2 dây + Mắc nối tiếp 55 Hình 3.13. Cảm biến 2 dây mắc nối tiếp + Mắc song song Hình 3.14. Cảm biến 2 dây mắc song song b. Cảm biến tiệm loại 3 dây + Mắc song song Hình 3.15. Cảm biến 3 dây mắc song song + Mắc nối tiếp 56 Hình 3.16. Cảm biến 3 dây mắc nối tiếp 3.2. Các bài tập ứng dụng các loại cảm tiệm cận. 3.2.1. Khảo sát nguyên lý hoạt động của cảm biến tiệm cận điện cảm 3.2.2. Khảo sát nguyên lý hoạt động của cảm biến tiệm cận điện dung CÂU HỎI ÔN TẬP Câu hỏi 1: Trình bày đặc điểm, các thuật ngữ thường sử dụng trong cảm biến tiệm cận ? Câu hỏi 2: Trình bày giới thiệu chung, cấu tạo, nguyên lý hoạt động, phân loại cảm biến tiệm cận điện cảm ? Câu hỏi 3: Trình bày giới thiệu chung, cấu tạo, nguyên lý hoạt động, phân loại cảm biến tiệm cận điện dung ? Câu hỏi 4: Trình bày giới thiệu chung, cấu tạo, nguyên lý hoạt động cảm biến tiệm cận siêu âm ? Câu hỏi 5: Nêu ưu, nhược điểm, các yếu tố ảnh hưởng và ứng dụng của cảm biến tiệm cận điện dung ? Câu hỏi 6: Nêu ưu, nhược điểm, các yếu tố ảnh hưởng và ứng dụng của cảm biến tiệm cận điện cảm ? Câu hỏi 7: Nêu ưu, nhược điểm, các yếu tố ảnh hưởng và ứng dụng của cảm biến tiệm cận siêu âm ? Câu hỏi 8: Trình bày cấu hình ngõ ra của cảm biến tiệm cận và cách kết nối các cảm biến tiệm cận với nhau ? 57 Phần 2: HƯỚNG DẪN THỰC HÀNH a. Kết nối dây, khảo sát nguyên lý hoạt động của cảm biến tiệm cận điện cảm PHIẾU HƯ ỚNG DẪN THỰC HÀNH CÔNG VTÊC: Kết nối dây, khảo sát nguyên lý hoạt động của cảm biến tiệm cận điện cảm 1/B3/MĐ 20 Bước công việc Nội dung Yêu cầu kỹ thuật Dụng cụ, trang thiết bị Ghi chú Bước 1 - Lựa chọn dụng cụ, thiết bị, vật tư - Lựa chọn đúng đủ dụng cụ, thiết bị, vật tư - Nguồn điện xoay chiều - Nguồn điện một chiều - Dây kết nối - Đồng hồ VOM - Cảm biến tiệm cận điện cảm Bước 2 - Kiểm tra dụng cụ, thiết bị, vật tư - Lựa chọn phù hợp - Thao tác đúng, chuẩn xác Nguồn điện xoay chiều - Nguồn điện một chiều - Dây kết nối - Đồng hồ VOM - Cảm biến tiệm cận điện Bước 3 * Kết nối dây - Từ +24VDC (Panel nguồn) nối với 12-24V trên panel cảm biến điện cảm - Từ GND (Panel nguồn) nối với GND trên panel cảm biến điện cảm - Từ OUT nối với chân số 2 của Rơ le - Dây kết nối hợp lý, chắc chắn, gọn gàng - Nguồn điện xoay chiều - Nguồn điện một chiều - Dây kết nối - Đồng hồ VOM - Cảm biến tiệm cận điện cảm - Rơ le 24VDC Bước 4 * Kiểm tra, cấp nguồn, khảo sát mạch điện + Di chuyển vật chuẩn (kim loại) vào vùng làm việc của cảm biến (sensor) rơ le tác động đóng đèn led báo sáng. + Di chuyển vật chuẩn (kim loại) ra khỏi vùng làm - Dây kết nối hợp lý, chắc chắn, gọn gàng - Mạch điện hoạt động theo đúng nguyên lý - Nguồn điện xoay chiều - Nguồn điện một chiều - Dây kết nối - Đồng hồ VOM - Cảm biến tiệm cận điện cảm - Rơ le 24VDC 58 b. Kết nối dây, khảo sát nguyên lý hoạt động của cảm biến tiệm cận điện dung PHIẾU HƯ ỚNG DẪN THỰC HÀNH CÔNG VTÊC: Kết nối dây, khảo sát nguyên lý hoạt động của cảm biến tiệm cận điện dung 2/B3/MĐ 20 Bước công việc Nội dung Yêu cầu kỹ thuật Dụng cụ, trang thiết bị Ghi chú Bước 1 - Lựa chọn dụng cụ, thiết bị, vật tư - Lựa chọn đúng đủ dụng cụ, thiết bị, vật tư - Nguồn điện xoay chiều - Nguồn điện một chiều - Dây kết nối - Đồng hồ VOM - Cảm biến tiệm cận điện dung Bước 2 - Kiểm tra dụng cụ, thiết bị, vật tư - Lựa chọn phù hợp - Thao tác đúng, chuẩn xác - Nguồn điện xoay chiều - Nguồn điện một chiều - Dây kết nối - Đồng hồ VOM - Cảm biến tiệm cận điện dung Bước 3 * Kết nối dây - Từ + 24VDC Modul nguồn nối 12 – 24V Modul điện dung - Từ GND Modul nguồn nối GND Modul điện dung - Từ 12 - 24V nối với chân số 2 của rơ le 24VDC - Từ Out nối với chân số 7 - Dây kết nối hợp lý, chắc chắn, gọn gàng - Nguồn điện xoay chiều - Nguồn điện một chiều - Dây kết nối - Đồng hồ VOM - Cảm biến tiệm cận điện dung - Rơ le 24VDC Bước 4 * Kiểm tra, cấp nguồn, khảo sát mạch điện + Di chuyển vật chuẩn (kim loại) vào vùng làm việc của cảm biến (sensor) rơ le tác động đóng + Di chuyển vật chuẩn (kim loại) ra khỏi vùng làm việc của cảm biến (sensor) rơ le tác động mở - Dây kết nối hợp lý, chắc chắn, gọn gàng - Mạch điện hoạt động theo đúng nguyên lý - Nguồn điện xoay chiều - Nguồn điện một chiều - Dây kết nối - Đồng hồ VOM - Cảm biến tiệm cận điện dung - Rơ le 24VDC 59 Bài 4: ĐO VẬN TỐC VÒNG QUAY VÀ GÓC QUAY * Giới thiệu: Trong công nghiệp có rất nhiều trường hợp cần đo vận tốc quay của máy. Người ta thường theo dõi tốc độ quay của máy vì lý do an toàn hoặc để khống chế các điều kiện đặt trước cho hoạt động của máy móc, thiết bị. Trong chuyển động thẳng việc đo vận tốc dài cũng thường 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. Để hiểu rõ và chi tiết hơn chúng ta tìm hiểu bài học này * Mục tiêu: - Trình bày được các phương pháp đo vận tốc vòng quay. - Lắp ráp được một số mạch đo ứng dụng dùng các loại cảm biến đo vận tốc vòng quay. - Phát huy tính tích cực, chủ động, cẩn thận trong công việc. * Nội dung chính: - Một số phương pháp đo vận tốc vòng quay cơ bản. - Đo vận tốc vòng quay bằng phương pháp analog - Đo vận tốc vòng quay bằng phương pháp quang điện tử - Đo vận tốc vòng quay với nguyên tắc điện trở từ - Cảm biến đo góc với tổ hợp có điện trở từ - Các bài ứng dụng đo Phần 1: KIẾN THỨC LÝ THUYẾT 4.1. Một số phương pháp cơ bản. - Trong công nghiệp, phần lớn trường hợp đo vận tốc là đo tốc độ quay của máy. Độ an toàn cũng như chế độ làm việc của máy phụ thuộc rất lớn vào tốc độ quay. Trong trường hợp chuyển động thẳng, việc đo vận tốc dài cũng thường được chuyển về đo tốc độ quay. Bởi vậy, các cảm biến đo vận tốc góc đóng vai trò quan trọng trong việc đo vận tốc. - Cảm biến vận tốc góc quay, cung cấp cho ta tín hiệu đo là tần số. Thông thường trên trục quay, được đánh một hay nhiều dấu và một cảm biến ở phần không chuyển động sẽ ghi nhận sự chuyển động của các dấu này. - Tần số đo được tỉ lệ với vòng quay n và số dấu k: f = n.k (4.1) - Để đo tốc độ quay của rotor ta có thể sử dụng các phương pháp sau: + Sử dụng tốc độ kế dòng một chiều, tốc độ kế dòng xoay chiều + Sử dụng bộ cảm biến quang tốc độ. + Sử dụng máy đo góc tuyệt đối. 60 4.1.1. Đo vận tốc vòng quay bằng phương pháp analog. a. Tốc độ kế dòng một chiều (máy phát tốc). - Thực chất là các máy phát điện công suất nhỏ có sức điện động tỉ lệ với tốc độ cần đo được cấu tạo gồm các phần chính Hình 4.1. Cấu tạo của một máy phát dòng một chiều. - Stator: Là một nam châm điện hoặc một nam châm vĩnh cửu có hai cực nam và bắc nằm ngoài cùng. - Rotor: Là một trục sắt gồm nhiều lớp ghép lại, trên mặt ngoài roto xẽ 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 dây chính được nối với nhau từng đôi một bằng các dây phụgồm có lõi thép phần ứng, trên có xẻ rãnh, trong rãnh có đặt dây quấn. - 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 hai lá đồng đối diện nhau. - Điện áp trên cực máy phát tỉ lệ với tốc độ quay của nó. Máy phát tốc độ nối cùng trục với phanh hãm điện từ và cùng trục với động cơ, do đó tốc độ quay của nó chính là tốc độ quay của động cơ. Tốc độ này tỉ lệ với điện áp của máy phát tốc độ. - Dùng Vmét điện từ hoặc đồng hồ đo tốc độ nối với nó có thể đo được tốc độ của động cơ. - Giá trị điện áp âm hay dương phụ thuộc vào chiều quay. Er = −( nΦ0 )/ 2π = −NnΦ0 (4.2) - Trong đó: N: Số vòng quay trong 1 s.  : Vân tốc góc của rotor. n: Là tổng số dây chính trên rotor. Φ0: Là từ thông xuất phát từ cực nam châm b. Tốc độ kế dòng xoay chiều. - Tốc độ kế dòng xoay chiều có ưu điểm là không có cổ góp điện và chổi than nên có tuổi thọ cao. Không có sự tăng, giảm điện áp trên chổi than. - Nhược điểm là mạch điện phức tạp hơn, ngoài ra để xác định biên độ cần phải chỉnh lưu và lọc tín hiệu. * Máy phát đồng bộ. 61 - Cấu tạo của một tốc độ kế dòng xoay chiều kiểu máy phát đồng bộ thực chất đây là một loại máy phát điện xoay chiều loại nhỏ. Hình 4.2. Cấu tạo của một máy phát đồng bộ. (a: 1 pha, b: 3 pha) - Rotor của máy phát được gắn đồng trục với thiết bị cần đo tốc độ. Rotor là một nam châm hoặc tổ hợp của nhiều nam châm nhỏ. - Stator gồm các cuộn dây bố trí cách đều trên mặt trong của Stato có thể 1 pha hoặc ba pha, là nơi cung cấp sức điện động cảm ứng hình sin có biên độ tỷ lệ với tốc độ quay của rotor. e = E0 sinΩt (4.3) E0= K1. , Ω=K2. K1 và K2: Là các thông số đặc trưng cho máy phát. - Ở đầu ra điện áp được chỉnh lưu thành điện áp một chiều. Điện áp này không phụ thuộc vào chiều quay và hiệu suất lọc giảm đi khi tần số thấp. - Tốc độ quay có thể xác định được bằng cách đo tần số của sức điện động. Phương pháp này rất quan trọng khi khoảng cách đo lớn. Tín hiệu từ máy phát đồng bộ, có thể truyền đi xa và sự suy giảm tín hiệu trên đường đi không ảnh hưởng đến độ chính xác của phép đo (vì đo tần số). * Máy phát không đồng bộ - Cấu tạo của máy phát không đồng bộ tương tự như động cơ đồng bộ hai pha Hình 4.3.Cấu tạo của một máy phát - Rotor là một đĩa hình trụ kim loại mỏng và dị từ được quay cùng tốc độ với trục cần đo vận tốc, khối lượng và quán tính của nó không đáng kể. 62 - Stator làm bằng thép lá kỹ thuật điện, trên có đặt hai cuộn dây + Cuộn thứ nhất là cuộn kích từ được cung cấp một điện áp định mức có biên độ và tần số không đổi  e. + Cuộn dây thứ hai là cuộn dây đo, giữa hai đầu của cuộn này sẽ suất hiện sức điện động có biên độ tỉ lệ với vận tốc góc cần đo. em = Em cos( et + Φ) = k Ve cos( et + Φ) do Em = kVe (4.4) Trong đó: em: sức điện động Em: Biên độ  e: Tần số góc k là hằng số phụ thuộc vào cấu trúc của máy. Φ: độ lệch pha. Khi đo Em sẽ xác định được  4.1.2. Đo vận tốc vòng quay bằng phương pháp quang điện tử a. Dùng bộ cảm biến quang tốc độ với đĩa mã hóa - Đĩa mã hóa là thiết bị có thể phát hiện sự chuyển động hay vị trí của vật. Đĩa mã hóa sử dụng các cảm biến quang để sinh ra chuỗi xung, từ đó chuyển sang phát hiện sự chuyển động, vị trí hay hướng chuyển động của vật thể. Hình 4.4. Sơ đồ hoạt động đĩa quang mã hóa - Nguồn sáng được lắp đặt sao cho ánh sáng liên tục được tập trung xuyên qua đĩa thủy tinh. Bộ phận thu nhận ánh sáng được lắp ở mặt còn lại của của đĩa sao cho có thể nhận được ánh sáng. Đĩa được lắp đặt đến trục động cơ hay thiết bị khác cần xác định vị trí sao cho khi trục quay, đĩa cũng sẽ quay. Khi đĩa quay sao cho lỗ, nguồn sáng, bộ phận nhận ánh sáng thẳng hàng thì tín hiệu xung vuông sinh ra. - Nhược điểm: cần nhiều lỗ để nâng cao độ chính xác nên dễ làm hư hỏng đĩa quay b. Đĩa mã hóa tương đối - Đĩa mã hóa với 1 bộ xung thì sẽ không thể phát hiện được chiều quay, hầu hết các đĩa mã hóa đều có bộ xung thứ 2 lệch pha 900 so với bộ xung thứ nhất, và một xung xác định mỗi thời gian đĩa mã hóa quay một vòng. 63 Hình 4.5. Sơ đồ thu phát đĩa mã hóa tương đối - Xung A, xung B và xung điểu khiển, nếu xung A xảy ra trước xung B, trục sẽ quay theo chiều kim đồng hồ, và ngược lại, xung Z xác định đã quay xong một vòng. Hình 4.6. Dạng sóng ra của mã hóa 2 bộ xung - 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 (vòng / phút) = nTN N 040 60 (4.5) c. Đĩa mã hóa tuyệt đối. - Để khắc phục nhược điểm chính của đĩa mã hóa tương đối là khi mất nguồn số đếm sẽ bị mất. Như vậy khi các cơ cấu ngưng hoạt động vào buổi tối hay khi bảo trì đến khi bật nguồn trở lại encoder sẽ không thể xác định chính xác vị trí cơ cấu. 64 Hình 4.7. Sơ đồ thu phát mã hóa tuyệt đối - Đĩa mã hóa tuyệt đối được thiết kế để luôn xác định được vị trí vật một cách chính xác. - Đĩa mã hóa tuyệt đối sử dụng nhiều vòng phân đoạn theo hình đồng tâm, gồm các phân đoạn chắn sáng và không chắn sáng. Vòng trong cùng xác định đĩa quay đang nằm ở nửa vòng tròn nào. Kết hợp vòng trong cùng với vòng tiếp theo sẽ xác định đĩa quay đang nằm ở ¼ vòng tròn nào. Các rãnh tiếp theo cho ta xác định được vị trí 1/8, 1/16... của vòng tròn. Vòng phân đoạn ngoài cùng cho ta độ chính xác cuối cùng. - Loại mã hóa này có nguồn sáng và bộ thu cho mỗi vòng như nếu mã hóa có 10 vòng sẽ có 10 bộ nguồn sáng và thu, nếu mã hóa có 16 vòng sẽ có 16 bộ nguồn sáng và thu. - Ngoài việc khắc phục nhược điểm của đĩa mã hóa tương đối, với đĩa mã hóa tuyệt đối mã hóa còn có thể giảm tốc xuống sao cho encoder quay đủ 1 vòng suốt chiều dài cơ cấu. 4.1.3. Đo vận tốc vòng quay với nguyên tắc điện trở từ. a. Các đơn vị đo từ trường * Từ trường Từ trường là một dạng vật chất tồn tại xung quanh dòng điện, hay nói chính xác là xung quanh các hạt mang điện chuyển động. Tính chất cơ bản của từ trường là tác dụng lực từ lên dòng điện, lên nam châm. * Cảm ứng từ B - Về mặt gây ra lực từ, từ trường được đặc trưng bằng vectơ cảm ứng từ B. Trong hệ thống đơn vị SI đơn vị cảm ứng từ B là T (Tesla). 1 T = 1Wb/m2 = 1V.s/m2 (4.6) * Từ thông  - Từ thông gửi ...o tác đúng, chuẩn xác - Nguồn điện xoay chiều - Dây kết nối - Đồng hồ VOM - Cảm biến đo tốc độ động cơ - Đồng hồ hiển thị tốc độ Bước 3 * Kết nối dây - Nối dây từ Out (đỏ) với Pulse in (đỏ) - Nối dây từ GND (đen) sang Pulse in (đen) - Dây kết nối hợp lý, chắc chắn, gọn gàng - Nguồn điện xoay chiều - Dây kết nối - Đồng hồ VOM - Cảm biến đo tốc độ động cơ Bước 4 * Kiểm tra, cấp nguồn, khảo sát mạch điện - Dây cắm cấp nguồn cho panel (220 VAC IN) - Bật công tắc cấp nguồn cho panel (POWER ON) - Điều chỉnh nút chỉnh tốc độ motor - Quan sát đồng hồ đo tốc độ tương ứng với điều chỉnh nút chỉnh tốc độ motor - Dây kết nối hợp lý, chắc chắn, gọn gàng - Mạch điện hoạt động theo đúng nguyên lý - Nguồn điện xoay chiều - Dây kết nối - Đồng hồ VOM - Cảm biến đo tốc độ động cơ - Đồng hồ hiển thị tốc độ 73 b. Kết nối dây, khảo sát nguyên lý hoạt động của cảm biến lực PHIẾU HƯ ỚNG DẪN THỰC HÀNH CÔNG VTÊC: Kết nối dây, khảo sát nguyên lý hoạt động của cảm biến cảm biến lực 2/B4/MĐ 20 Bước công việc Nội dung Yêu cầu kỹ thuật Dụng cụ, trang thiết bị Ghi chú Bước 1 - Lựa chọn dụng cụ, thiết bị, vật tư - Lựa chọn đúng đủ dụng cụ, thiết bị, vật tư - Nguồn điện 1 chiều - Dây kết nối - Đồng hồ VOM - Cảm biến lực - Đồng hồ hiển thị Bước 2 - Kiểm tra dụng cụ, thiết bị, vật tư - Lựa chọn phù hợp - Thao tác đúng, chuẩn xác - Nguồn điện 1 chiều - Dây kết nối - Đồng hồ VOM - Cảm biến lực Bước 3 * Kết nối dây + Vàng - vàng + Xanh - xanh + Đỏ - đỏ + Đen - đen. + V0 nối với IN+ - Dây kết nối hợp lý, chắc chắn, gọn gàng - Nguồn điện 1 chiều - Dây kết nối - Đồng hồ VOM - Cảm biến lực - Đồng hồ hiển thị tốc độ Bước 4 * Kiểm tra, cấp nguồn, khảo sát mạch điện - Khi ko có trọng lực quan sát ĐH: điện áp nhỏ khoảng 0,..V - Khi có trọng lực quan sát ĐH: điện áp thay đổi theo lực tác động - Dây kết nối hợp lý, chắc chắn, gọn gàng - Mạch điện hoạt động theo đúng nguyên lý - Nguồn điện 1 chiều - Dây kết nối - Đồng hồ VOM - Cảm biến lực - Đồng hồ hiển thị tốc độ 74 c. Kết nối dây, khảo sát nguyên lý hoạt động của cảm biến áp suất PHIẾU HƯ ỚNG DẪN THỰC HÀNH CÔNG VTÊC: Kết nối dây, khảo sát nguyên lý hoạt động của cảm biến cảm biến áp suất 3/B4/MĐ 20 Bước công việc Nội dung Yêu cầu kỹ thuật Dụng cụ, trang thiết bị Ghi chú Bước 1 - Lựa chọn dụng cụ, thiết bị, vật tư - Lựa chọn đúng đủ dụng cụ, thiết bị, vật tư - Nguồn điện 1 chiều - Dây kết nối - Đồng hồ VOM - Cảm biến áp suất - Đồng hồ hiển thị Bước 2 - Kiểm tra dụng cụ, thiết bị, vật tư - Lựa chọn phù hợp - Thao tác đúng, chuẩn xác - Nguồn điện 1 chiều - Dây kết nối - Đồng hồ VOM - Cảm biến áp suất Bước 3 * Kết nối dây + V0 nối với IN+ + Từ 0V nối với IN- - Dây kết nối hợp lý, chắc chắn, gọn gàng - Nguồn điện 1 chiều - Dây kết nối - Đồng hồ VOM - Cảm biến áp suất Bước 4 * Kiểm tra, cấp nguồn, khảo sát mạch điện - Dây kết nối hợp lý, chắc chắn, gọn gàng - Mạch điện hoạt động theo đúng nguyên lý - Nguồn điện 1 chiều - Dây kết nối - Đồng hồ VOM - Cảm biến áp suất - Đồng hồ hiển thị 75 Bài 5: KẾT NỐI, KHẢO SÁT CẢM BIẾN QUANG HỌC * Giới thiệu: Ánh sáng có một vai trò quan trọng và không thể thiếu được trong cuộc sống hiện đại. Cảm biến quang được sử dụng để chuyển thông tin từ ánh sáng nhìn thấy hoặc tia hồng ngoại (IR) và tia tử ngoại (UV) thành tín hiệu điện. Hiện nay các nhà sản xuất đã chế tạo ra các loại cảm biến quang học và được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp và đời sống. Để hiểu rõ hơn và có thêm một số kiến thức cơ bản chúng ta tìm hiểu bài học này. * Mục tiêu: - Trình bày được tính chất của ánh sáng, đơn vị đo quang, nguồn sáng thông dụng. - Lắp ráp và khảo sát được một số mạch ứng dụng dùng các loại cảm biến thu phát quang, hồng ngoại, quang trở, khói. - Phát huy tính tích cực, chủ động, cẩn thận trong công việc. * Nội dung chính: - Ánh sáng và phép đo quang - Nguồn sáng - Điện trở quang - Cảm biến quang - Các bài thực hành ứng dụng Phần 1: KIẾN THỨC LÝ THUYẾT 5.1. Ánh sáng và phép đo quang 5.1.1. Tính chất của ánh sáng - Hai tính chất cơ bản của ánh sáng đó là tính chất sóng và tính chất hạt - Dạng sóng của ánh sáng là sóng điện từ phát ra khi có sự chuyển điện tử giữa các mức năng lượng của nguyên tử của nguồn sáng. Các sóng này truyền đi trong chân không với vận tốc c ≈ 3.108m/s - Trong vật chất ánh sáng có vận tốc v = c/n(n là chiêt suất của môi trường) - Tần số f và bước sóng ánh sáng  của ánh sáng trong chân không (5.1) - Trong môi trường vật chất có chiết suất n (5.2)   c   v λ  76 - Tính chất hạt của ánh sáng thể hiện qua sự tương tác với vật chất, ánh sáng gồm các hạt nhỏ gọi là các photon có năng lượng phụ thuộc duy nhất vào tần số của sóng ánh sáng qua biểu thức E = hf = h.c/ (5.3) h = 6,625.10-34J.s – hằng số plank - Trong vật chất, các điện tử e- liên kết trong nguyên tử có xu hướng muốn được giải phóng khỏi nguyên tử để trở thành điện tử tự do - Để giải phóng điện tử khỏi nguyên tử cần phải cung cấp cho nó một năng lượng bằng năng lượng mà nó liên kết trong nguyên tử. Khi một photon được hấp thụ sẽ có một điện tử e- được giải phóng. - Hiện tượng giải phóng các hạt điện tử dưới tác dụng của ánh sáng bằng hiệu ứng gọi là hiệu ứng quang điện, đã gây nên sự thay đổi tính chất điện của vật liệu. Đây là nguyên lý cơ bản của các cảm biến quang 5.1.2. Các đơn vị đo quang - Năng lượng bức xạ (Q): Là năng lượng phát xạ, lan truyền hoặc hấp thụ dưới dạng bức xạ được đo bằng Jun (J) - Thông lượng ánh sáng (Φ): Là công suất phát xạ, lan truyền hoặc hấp thụ, được đo bằng oát (w) (5.4) - Cường độ sáng (I): Là luồng năng lượng phát ra theo một hướng cho trước dưới 1 đơn vị góc khối, được đo bằng oat/steradian (5.5) - Độ chói năng lương (L): Là tỷ số giữa cường độ ánh sáng phát ra bởi một phần tử bề mặt dA theo hướng xác định và diện tích hình chiếu của phần tử này trên mặt phẳng P vuông góc với hướng đó, dAn = dA.cosθ (θ là góc giữa P và mặt phẳng chứa dA) Ta có: dAn = dA.cosθ  dAn dII  (5.6) - Đơn vị độ chói năng lượng được đo bằng oát/stersdian.m2 dt dQ     d dI 77 - Độ rọi năng lượng (E): Là tỷ số giữa nguồn năng lượng thu được bởi một phần tử bề mặt và diện tích của phần tử đó. Độ rọi năng lượng được đo bằng oát/m2 (5.7) 5.2. Nguồn sáng - Việc sử dụng một cảm biến quang chỉ có hiệu quả khi nó phù hợp với bức xạ ánh sáng (phổ, thông lượng, tần số). - Nguồn sáng sẽ quyết định mọi đặc tính quan trọng của bức xạ. Vì vậy ở đây chúng ta chỉ xét các đặc tính quan trọng của những nguồn sáng thường sử dụng 5.2.1. Đèn sợi đốt a. Cấu tạo Gồm sợi đốt, bóng thủy tinh và đuôi đèn + Sợi đốt làm bằng Vonfram, chịu được nhiệt độ cao, có chức năng biến đổi điện năng thành quang năng. + Bóng đèn được làm bằng thủy tinh chịu nhiệt, chịu được nhiệt độ cao, bảo vệ sợi đốt đã rút chân không + Đuôi đèn (đuôi xoáy E27 hoặc E14 và đuôi ngạnh B22) được làm bằng đồng hoặc sắt tráng kẽm gắn chặt với bóng thủy tinh, có chức năng nối với mạng điện cung cấp cho đèn b. Nguyên lý - Khi có dòng điện chạy qua dây tóc sẽ làm dây tóc nóng lên và phát ra ánh sáng (vonfram và môi trường chân không). c. Đặc điểm + Cấu tạo đơn giản, giá thành rẻ, sáng nhanh, có thể bật tắt liên tục không nhanh hỏng như các loại đèn phát sáng trong chất khí. + Thông lượng lớn, dải phổ rộng, có thể giảm bằng các tấm lọc + Quán tính nhiệt lớn nên không thể thay đổi bức xạ một cách nhanh chóng + Tuổi thọ không cao (1000h), dễ vỡ. + Hiệu suất phát quang thấp nên tốn điện Hình 5.1 Quan hệ dAn = dA.cosθ dA dE  78 + Phần chuyển thành nhiệt rất nhiều gây nóng + Điện áp sử dụng: theo điện lưới 110V, 127V, 220V.... + Công suất 10W, 25W, 40W, 60W, 75W, 100W, 200W, 300W ... 5.2.2. Diode phát quang a. Cấu tạo - LED, viết tắt của Light-Emitting-Diode có nghĩa là “Diode phát quang”, là một nguồn sáng phát sáng khi có dòng điện tác động lên n - Giống như những điốt thông thường, LED bao gồm hai lớp bán dẫn loại P và N ghép vào nhau. Khối bán dẫn loại p(anốt) chứa nhiều lỗ trống có xu hướng chuyển động khuếch tán sang khối bán dẫn loại n(catốt), cùng lúc khối bán dẫn loại p lại nhận các electron từ khối bán dẫn loại n chuyển sang. Kết quả là hình thành ở khối p điện tích âm và khối n điện tích dương. b. Nguyên lý - Ở bề mặt tiếp giáp giữa hai khối bán dẫn, các electron bị các lỗ trống thu hút và có xu hướng tiến lại gần nhau, kết hợp với nhau tạo thành các nguyên tử trung hoà. Quá trình này giải phóng năng lượng dưới dạng các photon ánh sáng. Bước sóng của ánh sáng phát ra phụ thuộc vào cấu trúc của các phân tử làm chất bán dẫn. Nếu bước sóng này nằm trong dải bước sóng từ vùng hồng ngoại đến vùng tử ngoại, mắt chúng ta có thể cảm nhận được màu sắc của ánh sáng đó. - Thông thường LED được tạo ra từ những hợp chất bán dẫn vô cơ, những hợp chất bán dẫn này rất đa dạng, dưới đây là bảng chỉ rõ màu sắc của LED phụ thuộc vào khoảng bước sóng, điện áp rơi và chất bán dẫn tạo ra LED. - LED trắng: Có hai cách để tạo ra ánh sáng trắng bằng LED. Một là sử dụng những LED riêng biệt của ba màu cơ bản(đỏ, xanh lục, xanh lam), sau đó kết hợp ba màu lại với nhau để tạo ra ánh sáng trắng. Cách thứ hai là dùng bột huỳnh quang phủ lên bề mặt bóng LED của LED xanh lam hoặc UV LED, gần giống với cách phát sáng của đèn huỳnh quang. c. Đặc điểm: + LED có hiệu suất phát sáng cao hơn bóng sợi đốt. + Màu sắc: LED có thể phát ra màu sắc như ý muốn mà không cần bộ lọc màu theo phương pháp truyền thống. + Phổ ánh sáng hoàn toàn xác định, độ tin cậy cao và độ bền tốt + Kích thước: Kích thước của bóng LED rất nhỏ(có thể nhỏ hơn 2 mm2) vì vậy có thể bố trí dễ dàng trên mạch in. + Thời gian bật tắt nhanh: Led có thời gian bật và tắt rất nhanh kể từ lúc có tác động (micro giây). Điều này rất quan trọng trong thông tin liêc lạc, lĩnh vực yêu cầu có thời gian đáp ứng nhanh. + Kích thước: Kích thước của bóng LED rất nhỏ (có thể nhỏ hơn 2 mm2) vì vậy có thể bố trí dễ dàng trên mạch in. 79 + Độ sáng tối: LED có thể dễ dàng điều khiển độ sáng tối bằng phương pháp điều chế độ rộng xung hoặc tăng giảm dòng điện tác động. + Tuổi thọ đèn cao: Đây là ưu điểm lớn nhất của đèn LED, tuổi thọ của đèn LED vào khoảng 35000 đến 50000 giờ, lớn hơn nhiều lần so với bóng huỳnh quang và sợi đốt. + Độ bền cao: LED được làm từ vật liệu bán dẫn, nên rất khó bị phá huỷ bởi sự va đập... + An toàn: LED không gây độc hại, thân thiện với môi trường. d. Ký hiệu 5.2.3. Laser a. Cấu tạo - Một máy laser gồm có: Buồng cộng hưởng chứa hoạt chất laser, nguồn nuôi và hệ thống dẫn quang. Trong đó buồng cộng hưởng với hoạt chất laser là bộ phận chủ yếu. - Buồng cộng hưởng chứa hoạt chất laser, đó là một chất đặc biệt có khả năng khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ cưỡng bức để tạo ra laser. Khi 1 photon tới va chạm vào hoạt chất này thì kéo theo đó là 1 photon khác bật ra bay theo cùng hướng với photon tới. Mặt khác buồng cộng hưởng có 2 mặt chắn ở hai đầu, một mặt phản xạ toàn phần các photon khi bay tới, mặt kia cho một phần photon qua một phần phản xạ lại làm cho các hạt photon va chạm liên tục vào hoạt chất laser nhiều lần tạo mật độ photon lớn. Vì thế cường độ chùm laser được khuếch đại lên nhiều lần. Tính chất của laser phụ thuộc vào hoạt chất đó, do đó người ta căn cứ vào hoạt chất để phân loại laser. b. Nguyên lý hoạt động - Dưới sự tác động của hiệu điện thế lớn, các electron của thạch anh di chuyển từ mức năng lượng thấp lên mức năng lương cao tạo nên trạng thái nghịch đảo mật độ tích lũy của electron. - Ở mức năng lượng cao, một số electron sẽ rơi ngẫu nhiên xuống mức năng lượng thấp, giải phóng hạt ánh sáng được gọi là photon. - Các hạt photon này sẽ toả ra nhiều hướng khác nhau từ một nguyên tử, va phải các nguyên tử khác, kích thích eletron ở các nguyên tử này rơi xuống tiếp, sinh thêm các photon cùng tần số, cùng pha và cùng hướng bay, tạo nên một phản ứng dây chuyền khuếch đại dòng ánh sáng. - Các hạt photon bị phản xạ qua lại nhiều lần trong vật liệu, nhờ các gương để tăng hiệu suất khuếch đại ánh sáng. Hình 5.2. Ký hiệu Diode phát quang 80 - Một số photon thoát ra ngoài nhờ có gương bán mạ tại một đầu của vật liệu. Tia sáng đi ra chính là tia laser. c. Phân loại * Laser chất rắn: - Có khoảng 200 chất rắn có khả năng dùng làm môi trường hoạt chất laser. - Một số loại laser chất rắn thông dụng: + YAG-Neodym: Hoạt chất là Yttrium Aluminium Garnet (YAG) cộng thêm 2- 5% neodymi, có bước sóng 1060 nm thuộc phổ hồng ngoại gần. Có thể phát liên tục tới 100W hoặc phát xung với tần số 1000-10000Hz. + Hồng ngọc (Rubi): hoạt chất là tinh thể Alluminium có gắn những ion crom, có bước sóng 694,3 nm thuộc vùng đỏ của ánh sáng trắng. + Bán dẫn: loại thông dụng nhất là diot Gallium Arsen có bước sóng 890 nm thuộc phổ hồng ngoại gần. * Laser chất khí + He-Ne: hoạt chất là khí heli và neon, có bước sóng 632,8 nm thuộc phổ ánh sáng đỏ trong vùng nhìn thấy, công suất nhỏ, từ một đến vài chục mW. Trong y học được sử dụng làm laser nội mạch, kích thích mạch máu. + Argon: hoạt chất là khí argon, bước sóng 488 và 514,5 nm. + CO2: bước sóng 10.600 nm thuộc phổ hồng ngoại xa, công suất phát xạ có thể tới megawatt (MW). Trong y học ứng dụng làm dao mổ. * Laser chất lỏng - Môi trường hoạt chất là chất lỏng, thông dụng nhất là laser màu. d. Các chế độ hoạt động - Laser có thể được cấu tạo để hoạt động ở trạng thái bức xạ sóng liên tục (hay CW - continuous wave) hay bức xạ xung (pulsed operation). Điều này dẫn đến những khác biệt cơ bản khi xây dựng hệ laser cho những ứng dụng khác nhau. + Chế độ phát liên tục: Trong chế độ phát liên tục, công suất của một laser tương đối không đổi so với thời gian. Sự đảo nghịch mật độ electron cần thiết cho hoạt động laser được duy trì liên tục bởi nguồn bơm năng lượng đều đặn. + Chế độ phát xung: Trong chế độ phát xung, công suất laser luôn thay đổi so với thời gian, với đặc trưng là các giai đoạn "đóng" và "ngắt" cho phép tập trung năng lượng cao nhất có thể trong một thời gian ngắn nhất có thể. Các dao laser là một ví dụ, với năng lượng đủ để cung cấp một nhiệt lượng cần thiết, chúng có thể làm bốc hơi một lượng nhỏ vật chất trên bề mặt mẫu vật trong thời gian rất ngắn. Tuy nhiên, nếu cùng năng lượng như vậy nhưng tiếp xúc với mẫu vật trong thời gian dài hơn thì nhiệt lượng sẽ có thời gian để xuyên sâu vào trong mẫu vật do đó phần vật chất bị bốc hơi sẽ ít hơn. Có rất nhiều phương pháp để đạt được điều này, như: Phương pháp chuyển mạch Q (Q-switching) Phương pháp kiểu khoá (modelocking) 81 Phương pháp bơm xung (pulsed pumping) e. Độ an toàn và ứng dụng. - Laser với cường độ thấp, chỉ là vài miliwatt, cũng có thể nguy hiểm với mắt người. Tại bước sóng mà giác mạc mắt và thủy tinh thể có thể tập trung tốt, nhờ tính đồng nhất và sự định hướng cao của laser, một công suất năng lượng lớn có thể tập trung vào một điểm cực nhỏ trên võng mạc. Kết quả là một vết cháy tập trung phá hủy các tế bào mắt vĩnh viễn trong vài giây, thậm chí có thể nhanh hơn. Độ an toàn của laser được xếp từ I đến IV. Với độ I, tia laser tương đối an toàn. Với độ IV, thậm chí chùm tia phân kỳ có thể làm hỏng mắt hay bỏng da. Các sản phẩm laser cho đồ dân dụng như máy chơi CD và bút laser dùng trong lớp học được xếp hạng an toàn từ I, II, hay III. - Ứng dụng: Laser được dùng trên mọi lĩnh vực của xã hội hiện đại, như phẫu thuật mắt, hướng dẫn phương tiện trong tàu không gian, trong các phản ứng tổng hợp hạt nhân... Laser được cho là một trong những phát minh có ảnh hưởng nhất trong thế kỉ 20. 5.3. Điện trở quang và cảm biến quang, tranzitor quang 5.3.1. Điện trở quang. a. Giới thiệu chung. - Điện trở quang hay quang trở, photoresistor, photocell, LDR (Light-dependent resistor), là linh kiện điện tử chế tạo bằng chất đặc biệt có điện trở thay đổi giảm theo ánh sáng chiếu vào. Đó là điện trở phi tuyến, phi ohmic. b. Nguyên lý hoạt động. - Quang trở làm bằng chất bán dẫn trở kháng cao và không có tiếp giáp nào. Trong bóng tối, quang trở có điện trở đến vài MΩ. Khi có ánh sáng, điện trở giảm xuống mức một vài trăm Ω - Hoạt động của quang trở dựa trên hiệu ứng quang điện trong khối vật chất. Khi photon có năng lượng đủ lớn đập vào, sẽ làm bật electron khỏi phân tử, trở thành tự do trong khối chất và làm chất bán dẫn thành dẫn điện. Mức độ dẫn điện tuỳ thuộc số photon được hấp thụ. - Nghĩa là: Khi ánh sáng chiếu tới làm thay đổi giá trị điện trở nên làm thay đổi dòng điện qua nó - Tuỳ thuộc chất bán dẫn mà quang trở phản ứng khác nhau với bước sóng photon khác nhau. Quang trở phản ứng trễ hơn điốt quang, cỡ 10 ms, nên nó tránh được thay đổi nhanh của nguồn sáng [2]. c. Vật liệu chế tạo. - Cadimi sunfua (CdS) và Cadimi selenua (CdSe), nhưng tại châu Âu đang cấm dùng cadmi. - Chì(II) sunfua (PbS) và Indi antimonua (InSb) được sử dụng cho vùng phổ hồng ngoại. 82 - Gecu là cảm biến dò hồng ngoại xa tốt nhất, được sử dụng trong thiên văn hồng ngoại và quang phổ hồng ngoại. d. Ứng dụng, ký hiệu. * Ứng dụng - Quang trở được dùng làm cảm biến nhạy sáng trong các mạch dò, như trong mạch đóng cắt đèn chiếu bằng kích hoạt của sáng tối - Dàn nhạc có guitar điện thì dùng quang trở để nhận biết độ sáng từ dàn đèn màu nhạc để tạo hiệu ứng âm thanh. - Trong thiên văn hồng ngoại và quang phổ hồng ngoại, hợp chất Gecu được chế thành bảng photocell làm cảm biến ảnh. - Mắc nối tiếp điện trở quang với cuộn dây của rơ le và đóng ngắt nó như một công tắc. Hoặc làm điện trở phân cực cho một Transistor * Ký hiệu: 5.3.2. Cảm biến quang a. Cơ bản về ánh sáng - Phản xạ ánh sáng trên bề mặt LDR K K D N +L H a) Mắc trực tiêp K KD N +L H LDR VR T b) Phân cực Transistor Hình 5.3. Mạch điều khiển đèn dùng điện trở quang Hình 5.4. Ký hiệu điện trở quang 83 Hình 5.5. Phản xạ ánh sáng trên bề mặt - Khúc xạ ánh sáng Hình 5.6. Khúc xạ ánh sáng - Ảnh hưởng của bề mặt lên ánh sáng phản xạ Hình 5.7. Ảnh hưởng của bề mặt lên ánh sáng phản xạ b. Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động * Cấu tạo: Gồm bộ phát, bộ thu, mạch xử lý tín hiệu ra 84 + Bộ Phát sáng: Ngày nay cảm biến quang thường sử dụng đèn bán dẫn LED (Light Emitting Diode). Ánh sáng được phát ra theo xung giúp cảm biến phân biệt được ánh sáng của cảm biến và ánh sáng từ các nguồn khác (như ánh nắng mặt trời hoặc ánh sáng trong phòng). Các loại LED thông dụng nhất là LED đỏ, LED hồng ngoại hoặc LED lazer. Một số dòng cảm biến đặc biệt dùng LED trắng hoặc xanh lá. Ngoài ra cũng có LED vàng. + Bộ Thu sáng: Thông thường bộ thu sáng là một phototransistor (tranzito quang). Bộ phận này cảm nhận ánh sáng và chuyển đổi thành tín hiệu điện tỉ lệ. Hiện nay nhiều loại cảm biến quang sử dụng mạch ứng dụng tích hợp chuyên dụng ASIC (Application Specific Integrated Circuit). Mạch này tích hợp tất cả bộ phận quang, khuếch đại, mạch xử lý và chức năng vào một vi mạch (IC). Bộ phận thu có thể nhận ánh sáng trực tiếp từ bộ phát (như trường hợp của loại thu-phát), hoặc ánh sáng phản xạ lại từ vật bị phát hiện (trường hợp phản xạ khuếch tán). + Mạch xử lý tín hiệu ra: Mạch đầu ra chuyển tín hiệu tỉ lệ (analogue) từ tranzito quang thành tín hiệu ON / OFF được khuếch đại. Khi lượng ánh sáng thu được vượt quá mức ngưỡng được xác định, tín hiệu ra của cảm biến được kích hoạt. Mặc dù một số loại cảm biến thế hệ trước tích hợp mạch nguồn và dùng tín hiệu ra là tiếp điểm rơ-le (relay) vẫn khá phổ biến, ngày nay các loại cảm biến chủ yếu dùng tín hiệu ra bán dẫn (PNP/NPN). Một số cảm biến quang còn có cả tín hiệu tỉ lệ ra phục vụ cho các ứng dụng đo đếm. * Nguyên tắc hoạt động Hình 5.8. Sơ đồ nguyên lý - Lượng ánh sáng nhận về sẽ đượcchuyển tỉ lệ thành tín hiệu điện áp (hoặc dòng điện) và sau đó được khuếch đại. - Sensor xuất tín hiệu ra báo có vật nếu mức điện áplớn hơn mức ngưỡng c. Phân loại cảm biến quang - Độ tin cậy cao - Khoảng cách phát hiện xa: Tối đa 60m (E3Z) - Không bị ảnh hưởng bởi bề mặt, màu sắc vật 85 Hình 5.9. Cảm biến quang thu phát độc lập * Cảm biến thu phát chung – phản xạ gương (Retro Replective) - Độ tin cậy cao - Giảm bớt dây dẫn, phát hiện tối đa 15m - Có thể phân biệt được vật trong suốt, mờ, bóng loáng Hình 5.10. Cảm biến thu phát chung – phản xạ gương * Cảm biến quang thu phát chung – khuếch tán (Diffuse Replective) - Dễ lắp đặt, phát hiện tối đa 2m - Bị ảnh hưởng bởi bề mặt, màu sắc vật, ảnh hưởng nền 86 Hình 5.11. Cảm biến quang Thu Phát Chung – Khuyếch Tán * Cảm biến quang loại phản xạ giới hạn (Limited Reflective) - Chỉ phát hiện vật trong vùng phát hiện giới hạn - Không bị ảnh hưởng bởi màu nền sau vùng cảm biến - Lý tưởng cho nhiều ứng dụng cần triệt tiêu nền Hình 5.12. Cảm biến quang loại phản xạ giới hạn * Cảm biến quang loại phát hiện màu - Độ tin cậy cao - Dễ sử dụng - Có thể dạy cho cảm biến màu của vật (chức năng teach) 5.3.3. Tranzitor quang - Là loại Transistor NPN nhưng khác là vùng Base được chiếu sáng, không có điện áp đặt lên cực B chỉ có điện áp đặt lên cực C và lớp chuyển tiếp BC phân cực ngược Emitter Collector Base E N P N E Dßng ®iÖn tö Dßng lç trèng C E B Hình 4.13. Phân cực Transistor quang 87 - Để làm việc được người ta phải cung cấp cho nó một nguồn điện E nào đó để đảm bảo đủ điều kiện phân cực cho nó BC – phân cực ngược BE – phân cực thuận - Khi có ánh sáng chiếu vào cực B thì tại đó các điện tử và lỗ trống được tạo thành. Các điện tử tự do sẽ di chuyển về phía tiếp giáp BC và sang vùng C. Khi đó B chỉ còn lại các lỗ trống Vậy: Miền B gồm các lỗ trống, miền E gồm các điện tử, tiếp giáp BE được phân cực thuận - Do các điện tử có sẵn ở E sẽ chuyển động sang B theo quán tính nó sẽ vượt qua tiếp giáp BC đến C và về cực dương của nguồn. Kết hợp với dòng điện tử do phân cực ngược của lớp tiếp giáp BC ta được dòng điện tử chuyển động khi đó Transistor mở và dẫn dòng - Trong trường hợp không có ánh sáng chiếu vào cực B, Transistor khóa không cho dòng điện chạy qua nó, chỉ có dòng điện dò rât nhỏ do các điện tử tự do được sinh ra do nhiệt độ - Khi cường độ sáng chiếu tới biến thiên theo quy luật nào đó thì dòng điện qua Transistor cũng biến thiên theo quy luật ấy 5.4. Các bài tập ứng dụng 5.4.1. Kết nối dây, khảo sát nguyên lý hoạt động của cảm biến thu phát quang. 5.4.2. Kết nối dây, khảo sát nguyên lý hoạt động của cảm biến hồng ngoại. 5.4.3. Kết nối dây, khảo sát nguyên lý hoạt động của cảm biến quang trở. 5.4.4. Kết nối dây, khảo sát nguyên lý hoạt động của cảm biến khói. CÂU HỎI ÔN TẬP Câu hỏi 1: Nêu tính chất của ánh sáng và các đơn vị đo quang ? Câu hỏi 2: Kể tên các nguồn sáng thường sử dụng thông dụng nhất ? Câu hỏi 3: Trình bày cấu tạo, nguyên lý, đặc điểm của đèn sợi đốt ? Câu hỏi 4: Trình bày cấu tạo, nguyên lý, đặc điểm, ký hiệu của diode phát quang ? Câu hỏi 5: Trình bày cấu tạo, nguyên lý, phân loại, các chế độ hoạt động, độ an toàn và ứng dụng của Laser ? Câu hỏi 6: Trình bày giới thiệu chung, nguyên lý, vật liệu chế tạo, ứng dụng, ký hiệu điện trở quang ? Câu hỏi 7: Trình bày các bước kết nối, khảo sát cảm biến thu phát quang ? Câu hỏi 8: Trình bày các bước kết nối, khảo sát cảm biến quang trở ? Câu hỏi 9: Trình bày các bước kết nối, khảo sát cảm biến khói ? 88 Phần 2: HƯỚNG DẪN THỰC HÀNH a. Kết nối dây, khảo sát nguyên lý hoạt động của cảm biến thu phát quang PHIẾU HƯ ỚNG DẪN THỰC HÀNH CÔNG VTÊC: Kết nối dây, khảo sát nguyên lý hoạt động của cảm biến cảm biến thu phát quang 1/B5/MĐ 20 Bước công việc Nội dung Yêu cầu kỹ thuật Dụng cụ, trang thiết bị Ghi chú Bước 1 - Lựa chọn dụng cụ, thiết bị, vật tư - Lựa chọn đúng đủ dụng cụ, thiết bị, vật tư - Nguồn điện xoay chiều - Nguồn điện một chiều - Dây kết nối - Đồng hồ VOM - Cảm biến thu phát quang Bước 2 - Kiểm tra dụng cụ, thiết bị, vật tư - Lựa chọn phù hợp - Thao tác đúng, chuẩn xác - Nguồn điện xoay chiều - Nguồn điện một chiều - Dây kết nối - Đồng hồ VOM - Cảm biến thu phát quang Bước 3 * Kết nối dây + Cấp nguồn cho bộ thu: - Từ +24VDC Panel nguồn nối +24V bộ thu - Từ GND Panel nguồn nối GND bộ thu + Cấp nguồn cho bộ phát: - Từ +24VDC Panel nguồn nối 12 - 24V bộ phát - Từ GND Panel nguồn nối GND bộ phát - Từ OUT nối với chân số 7 - Dây kết nối hợp lý, chắc chắn, gọn gàng - Nguồn điện xoay chiều - Nguồn điện một chiều - Dây kết nối - Đồng hồ VOM - Cảm biến thu phát quang - Rơ le 24VDC Bước 4 * Kiểm tra, cấp nguồn, khảo sát mạch điện - Di chuyển vật chuẩn (kim loại) vào vùng làm việc của cảm biến rơ le tác động đóng - Di chuyển vật chuẩn (kim loại) ra khỏi vùng làm việc của cảm biến rơ le ngắt - Dây kết nối hợp lý, chắc chắn, gọn gàng - Mạch điện hoạt động theo đúng nguyên lý - Nguồn điện xoay chiều - Nguồn điện một chiều - Dây kết nối - Đồng hồ VOM - Cảm biến thu phát quang - Rơ le 24VDC 89 b. Kết nối dây, khảo sát nguyên lý hoạt động của cảm biến hồng ngoại PHIẾU HƯ ỚNG DẪN THỰC HÀNH CÔNG VTÊC: Kết nối dây, khảo sát nguyên lý hoạt động của cảm biến cảm biến hồng ngoại 1/B5/MĐ 20 Bước công việc Nội dung Yêu cầu kỹ thuật Dụng cụ, trang thiết bị Ghi chú Bước 1 - Lựa chọn dụng cụ, thiết bị, vật tư - Lựa chọn đúng đủ dụng cụ, thiết bị, vật tư - Nguồn điện xoay chiều - Dây kết nối - Đồng hồ VOM - Cảm biến hồng ngoại Bước 2 - Kiểm tra dụng cụ, thiết bị, vật tư - Lựa chọn phù hợp - Thao tác đúng, chuẩn xác - Nguồn điện xoay chiều - Dây kết nối - Đồng hồ VOM - Cảm biến hồng ngoại - Rơ le 220V Bước 3 * Kết nối dây - Từ 220V Panel nguồn nối L - Từ 0V Panel nguồn nối N - Từ 220V OUT (đỏ) nối với chân số 2 của Rơ le - Từ 220V OUT (xanh) nối với chân số 7 của Rơ le - Từ 2 nối với 8 - Dây kết nối hợp lý, chắc chắn, gọn gàng - Nguồn điện xoay chiều - Dây kết nối - Đồng hồ VOM - Cảm biến hồng ngoại - Rơ le 220VAC Bước 4 * Kiểm tra, cấp nguồn, khảo sát mạch điện - Di chuyển vật chuẩn (kim loại) vào vùng làm việc của cảm biến còi kêu - Di chuyển vật chuẩn (kim loại) ra khỏi vùng làm việc của cảm biến còi ngắt - Dây kết nối hợp lý, chắc chắn, gọn gàng - Mạch điện hoạt động theo đúng nguyên lý - Nguồn điện xoay chiều - Dây kết nối - Đồng hồ VOM - Cảm biến hồng ngoại - Rơ le 220VAC 90 c. Kết nối dây, khảo sát nguyên lý hoạt động của cảm biến quang trở PHIẾU HƯ ỚNG DẪN THỰC HÀNH CÔNG VTÊC: Kết nối dây, khảo sát nguyên lý hoạt động của cảm biến cảm biến quang trở 3/B5/MĐ 20 Bước công việc Nội dung Yêu cầu kỹ thuật Dụng cụ, trang thiết bị Ghi chú Bước 1 - Lựa chọn dụng cụ, thiết bị, vật tư - Lựa chọn đúng đủ dụng cụ, thiết bị, vật tư - Nguồn điện xoay chiều - Dây kết nối - Đồng hồ VOM - Cảm biến quang trở Bước 2 - Kiểm tra dụng cụ, thiết bị, vật tư - Lựa chọn phù hợp - Thao tác đúng, chuẩn xác - Nguồn điện xoay chiều - Dây kết nối - Đồng hồ VOM - Cảm biến quang trở Bước 3 * Kết nối dây - Từ 220V Panel nguồn nối L - Từ 0V Panel nguồn nối N - Từ xanh lá 220V OUT nối điểm đầu đèn - Từ xanh dương 220V OUT nối điểm cuối đèn - Dây kết nối hợp lý, chắc chắn, gọn gàng - Nguồn điện xoay chiều - Dây kết nối - Đồng hồ VOM - Cảm biến quang trở Bước 4 * Kiểm tra, cấp nguồn, khảo sát mạch điện - Khi không có ánh sáng chiếu vào quang trở thì bóng đèn sáng - Khi có ánh sáng chiếu vào quang trở thì bóng đèn tắt - Dây kết nối hợp lý, chắc chắn, gọn gàng - Mạch điện hoạt động theo đúng nguyên lý - Nguồn điện xoay chiều - Dây kết nối - Đồng hồ VOM - Cảm biến quang trở 91 d. Kết nối dây, khảo sát nguyên lý hoạt động của cảm biến khói PHIẾU HƯ ỚNG DẪN THỰC HÀNH CÔNG VTÊC: Kết nối dây, khảo sát nguyên lý hoạt động của cảm biến cảm biến khói 4/B5/MĐ2 0 Bước công việc Nội dung Yêu cầu kỹ thuật Dụng cụ, trang thiết bị Ghi chú Bước 1 - Lựa chọn dụng cụ, thiết bị, vật tư - Lựa chọn đúng đủ dụng cụ, thiết bị, vật tư - Nguồn điện xoay chiều - Nguồn điện một chiều - Dây kết nối - Đồng hồ VOM Bước 2 - Kiểm tra dụng cụ, thiết bị, vật tư - Lựa chọn phù hợp - Thao tác đúng, chuẩn xác - Nguồn điện xoay chiều - Dây kết nối - Đồng hồ VOM - Cảm biến khói Bước 3 * Kết nối dây - + 24VDC Modul nguồn nối + 24V Modul khói - GND Modul nguồn nối GND Modul khói - COM nối + 24VDC - NO nối với chân 2 của rơ le 24VDC - Dây kết nối hợp lý, chắc chắn, gọn gàng - Nguồn điện xoay chiều - Dây kết nối - Đồng hồ VOM - Cảm biến khói - Rơ le 24VDC Bước 4 * Kiểm tra, cấp nguồn, khảo sát mạch điện - Khi cảm biến cảm nhận không có khói đèn led nhấp nháy - Khi cảm biến cảm nhận có khói đèn led sáng rơ le đóng. - Hêt khói cảm biến re set khoảng 5 – 6 phút - Dây kết nối hợp lý, chắc chắn, gọn gàng - Mạch điện hoạt động theo đúng nguyên lý - Nguồn điện xoay chiều - Dây kết nối - Đồng hồ VOM - Cảm biến khói - Rơ le 24VDC 92 XÁC NHẬN KHOA Bài giảng môn học/mô đun “kỹ thuật cảm biến” đã bám sát các nội dung trong chương trình môn học, mô đun. Đáp ứng đầy đủ các nội dung về kiến thức, kỹ năng, năng lực tự chủ trong chương trình môn học, mô đun. Đồng ý đưa vào làm Bài giảng cho môn học, mô đun kỹ thuật cảm biến thay thế cho giáo trình. Người biên soạn ( Ký, ghi rõ họ tên) Đinh Phương Thùy Lãnh đạo Khoa ( Ký, ghi rõ họ tên) Đỗ Xuân Sinh 93