BÁO CÁO KỸ THUẬT CẢM BIẾN (CẢM BIẾN TIỆM CẬN QUANG)

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG CAO ĐẲNG KỸ THUẬT CAO THẮNG
KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN


BÁO CÁO
KỸ THUẬT CẢM BIẾN
ĐỀ TÀI: CẢM BIẾN TIỆM CẬN QUANG
Sinh viên thực hiện nhóm 1:

Lớp: CĐ DDT 20H


MỤC LỤC
CHƯƠNG 1: Khái quát chung về cảm biến tiệm cận quang điện: ......................... 4
1.1

Giới thiệu cảm biến quang:............................................................................ 4

1.1.1

.Cấu tạo và chức năng của cảm biến quang: ........................................... 5

1.1.2

Bộ phát ánh sáng : ................................................................................... 6

1.1.3

.Bộ thu ánh sáng : .................................................................................... 7

1.1.4

Mạch xử lý tín hiệu điện : ....................................................................... 8

1.1.5

.PNP ......................................................................................................... 9

1.1.6

.NPN ...................................................................................................... 10

1.1.7

Phân biệt giữa NPN và PNP.................................................................. 11

1.1.8

. Chế độ light on và dark on là gì .......................................................... 12

CHƯƠNG 2: Phân loại theo phương pháp cảm biến: ........................................... 13
2.1

Phương pháp cảm biến xuyên tia: ............................................................... 13

2.1.1
2.2

Nguyên lý hoạt động như sau:............................................................... 14

Phương pháp cảm biến Thu Phát Chung – phản xạ gương (Retro Replective):
17

2.2.1

Nguyên lý hoạt động: ............................................................................ 17

2.2.2

Cảm biến phản xạ omron E3S-R series................................................. 18

2.3

Phương pháp cảm biến khuếch tán: ............................................................. 20

2.3.1

Nguyên lý hoạt động như sau :.............................................................. 20

2.3.2

Cảm biến khuếch tán E3C-L11M ......................................................... 21

CHƯƠNG 3: Ưu điểm, nhược điểm, ứng dụng: ................................................... 23
3.1

Ưu điểm: ...................................................................................................... 23

3.2

Nhược điểm: ................................................................................................ 23

3.3

Ứng dụng: .................................................................................................... 23



CHƯƠNG 1:

Khái quát chung về cảm biến tiệm cận quang điện:

Trước tiên, muốn tìm hiểu về cảm biến tiệm cận quang ta phải hiểu được thế nào là
cảm biến và cảm biến có cơng dụng gì trong cuộc sống xung quanh của chúng ta?
Cảm biến là thiết bị điện tử cảm nhận những trạng thái hay quá trình vật lý phát hiện
phơi quang học hóa học hay sinh học của mơi trường cần khảo sát, và biến đổi
thành tín hiệu điện để thu thập thông tin về trạng thái hay q trình đó. Trong đời
sống cảm biến góp phần vào sự tiến bộ sự phát triển cho một đất nước, góp phần thay
thế con người trong một số cơng việc giúp tiết kiệm thời gian và nâng cao năng suất
lao động. Một số ví dụ về cảm biến: nếu trước đây ở những dòng điện thoại cũ khi
truy cập chúng ta phải mở khóa bằng password nhưng ở những dịng điện thoại mới
bây giờ đã được tích hợp them chế độ nhận diện khuôn mặt và nhận diện vận tay,…
Quay lại vấn đề nhờ có cảm biến ở những dịng điện thoại mới chúng ta có thêm chức
năng cảm biến vân tay hay cảm biến nhận diện khuôn mặt giúp bảo mật thông tin
của chúng ta tốt hơn.
1.1

Giới thiệu cảm biến quang:

Cảm biến tiệm cận quang tên tiếng anh là (Proximity Sensors) phản ứng khi có vật ở
gần cảm biến. Trong hầu hết các trường hợp, khoảng cách này chỉ là vài mm. Cảm
biến tiệm cận thường phát hiện vị trí cuối của chi tiết máy và tín hiệu đầu ra của cảm
biến khởi động một chức năng khác của máy. Đặc biệt cảm biến này hoạt động tốt
ngay cả trong những môi trường khắc nghiệt.


1.1.1

.Cấu tạo và chức năng của cảm biến quang:

Cảm biến quang điện phát hiện các đối tượng, sự thay đổi trong điều kiện bề mặt và
các mục khác thông qua nhiều đặc tính quang học. Cảm biến quang điện chủ yếu bao
gồm Bộ phát để phát ra ánh sáng và Bộ thu để nhận ánh sáng. Khi ánh sáng phát ra
bị gián đoạn hoặc bị phản xạ bởi đối tượng cảm biến, nó sẽ thay đổi lượng ánh sáng
đến Bộ thu. Bộ thu phát hiện sự thay đổi này và chuyển nó thành đầu ra điện. Nguồn
sáng cho phần lớn Cảm biến quang điện là tia hồng ngoại hoặc ánh sáng nhìn thấy
(thường là màu đỏ, hoặc xanh lá cây/ xanh lam để xác định màu sắc).

Hình 1.1.1: Cấu tạo của cảm biến quang


1.1.2

Bộ phát ánh sáng :

Hầu hết thì các loại cảm biến quang thường sử dụng đèn bán dẫn LED và ánh sáng
được phát ra thường sẽ theo dạng xung. Nhịp điệu xung đặc biệt 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
xanhlá. Ngồi ra thì trong một số trường hợp chúng ta cũng có thể thấy loại LED
vàng.

Hình 1.1.2


1.1.3

.Bộ thu ánh sáng :

Thông thường đối với một cảm biến quang thì 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).

Hình 1.1.3


1.1.4

Mạch xử lý tín hiệu điện :

Khi tiếp nhận tín hiệu từ bộ thu ánh sáng. Mạch điện tử sẽ chuyển tín hiệu tỉ lệ
(analogue) từ tranzito quang thành tín hiệu ON / OFF được khuếch đại. Tín hiệu ngõ
ra thường dùng nhất là NPN, PNP,…

1.1.5

.PNP

PNP là một trong hai loại transistor lưỡng cực, loại thứ hai là NPN. Là một linh kiện
điện tử do kết hợp 2 chất bán dẫn điện "N" ám chỉ negative nghĩa là "cực âm", "P"
là positive nghĩa là "cực dương".
Các transistor PNP bao gồm một lớp bán dẫn được pha tạp loại N (tác nhân pha tạp
là Asernic) đóng vai trò cực gốc, nằm giữa hai lớp bán dẫn được pha tạp loại P (tác
nhân pha tạp thường là Boron, ký hiệu trong hóa học là Bo).


1.1.6

.NPN

NPN Là một linh kiện điện tử cấu tạo từ nối ghép 1 bán dẫn điện dương giữa hai bán
dẫn điện âm. "N" ám chỉ negative, nghĩa là "cực âm"; "P" là positive, nghĩa là "cực
dương"
Transistor được sử dụng nhiều trong việc khuếch đại, công tắc, hay điện dẫn (buffer)
trong công nghiệp điện tử hay làm cổng số (Logic gate) trong điện tử số.
Để transistor hoạt động hay dẫn điện cần phải có một điện thế kích hoạt. Lối mắc
của transistor với điện trở cho ra chức năng hoạt động của transistor.


1.1.7

Phân biệt giữa NPN và PNP

Nhìn vào hai hình trên chúng ta thấy rất rõ sự khác nhau giữa hai loại tín hiệu PNP
và NPN . Bên trái là sơ đồ của tiếp điểm PNP và bên phải là sơ đồ của tiếp điểm
NPN .
Ở đây chúng ta thấy có hình nét đứt – đó chính là tải . Tải sử dụng trong tiếp điểm
PNP và NPN chỉ có hai loại là cuộn dây và điện trở . Chúng ta thường dùng hai tiếp
điểm này để kích vào nguồn của rờle kiếng , role kiếng chính là loại cuộn dây .
Tiếp điểm PNP được kích hoạt sẽ mang điện áp dương tức là tải sẽ phải nhận nguồn
dương từ PNP , còn nguồn âm sẽ được đấu với nguồn .
Ngược lại tiếp điểm NPN khi được kích hoạt sẽ mang điện áp 0V , tức là chân dương
của tải sẽ kết nối với nguồn còn chân âm của tải sẽ được nối với tiếp điểm NPN . Đối
với các anh em chưa hiểu rõ về NPN sẽ nghĩ rằng nếu tiếp điểm là nguồn 0V thì sao
điều khiển được . Tơi sẽ giải thích một cách đơn giản dể hiểu nhất về tiếp điểm NPN
trong thực tế.


1.1.8

. Chế độ light on và dark on là gì

Các thuật ngữ Light ON và Dark ON được đưa ra để xác định rõ hơn đầu ra của cảm
biến là gì khi khơng có hoặc có ánh sáng tại bộ thu tín hiệu của cảm biến. Các quy
định này chỉ áp dụng cho cảm biến quang điện.
Chế độ Light ON (LO) có nghĩa là tín hiệu đầu ra của cảm biến chỉ được ON khi nó
nhận được ánh sáng ở bộ thu tín hiệu. Nếu khơng, đầu ra vẫn OFF. Ngược lại, chế
độ Dark ON (DO) có nghĩa là tín hiệu đầu ra của cảm biến chỉ được ON khi nó
KHƠNG nhận được ánh sáng ở bộ thu tín hiệu.
Thay vì sử dụng quy ước tiêu chuẩn để mơ tả đầu ra là thường mở (NO) hoặc thường
đóng (NC), hầu hết các nhà sản xuất cảm biến quang điện chỉ định hành vi đầu ra là
Light ON hoặc Dark ON.

CHƯƠNG 2:
Phân loại theo phương pháp cảm biến:
2.1 Phương pháp cảm biến xuyên tia:
Loại 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.
Đặc điểm của dịng cảm biến này là khơng bị ảnh hưởng bởi bề mặt, màu sắc, khoảng
cách phát hiện đến 60m.


2.1.1 Nguyên lý hoạt động như sau:
Loại cảm biến này cũng hoạt động theo 2 trạng thái duy nhất đó là:
-

Trạng thái khơng có vật cản: cảm biến phát ánh sáng và cảm biến thu ánh
sáng. Quá trình phát và thu ánh sáng liên tục với nhau
Trạng thái có vật cản: cảm biến phát vẫn phát ánh sáng nhưng cảm biến thu
ánh sáng không thu được ánh sáng (bị vật cản che chắn)


Cảm biến xuyên tia loại thu phát riêng E3JK-TR11-C 2M

Sensing method

Through-beam type

Sensing distance

40 m

Light source

Red LED (624 nm)

Power supply voltage

24 to 240 VAC,24 to 240 VDC

Power consumption

Emitter and Receiver: 3W max.

Operation mode

Light-ON/Dark-ON selectable

Response time
Sensitivity setting
Connection method
Indicator
Weight
Accessories

Material

20 ms max.
Single-turn adjustment (Receiver only)
Pre-wired models (Cable length 2 m)
Operation indicator (orange), Stability indicator
(green), Power indicator (green)

Package: Approx. 350 g
Instruction manual, Mounting bracket
Case:
Lens:
Methacrylate
Display:
Methacrylate
Adjustment:
Cable: Polyvinyl chloride (PVC)

ABS
resin
resin
POM



2.2 Phương pháp cảm biến Thu Phát Chung – phản xạ gương (Retro
Replective):
Bộ cảm biến quang điện phản xạ gương là cảm biến có bộ phát ánh sáng và thu ánh
sáng trên cùng một thiết bị. Gương phản xạ là một lăng kính đặc biệt được trang bị
kèm với cảm biến quang. Đặc điểm của dòng cảm biến này là lắp đặt thuận tiện, tiết
kiệm dây dẫn, phát hiện được vật trong suốt, mờ,… khoảng cách tối đa 15m
2.2.1 Nguyên lý hoạt động:
Khi cảm biến hoạt động bộ phát ánh sáng sẽ phát ánh sáng đến gương, sẽ có 2 trường
hợp:
Khi khơng có vật cản: thì gương sẽ phản xạ lại bộ thu ánh sáng.
Khi có vật cản đi qua: thì sẽ làm thay đổi tần số của ánh sáng phản xạ hoặc bị mất
ánh sáng thu. Lúc này cảm biến sẽ xuất tín hiệu điện PNP, NPN,…

2.2.2 Cảm biến phản xạ omron E3S-R series

Type

Preflect mirror

Power supply

12 to 24 VDC±10%

Detection
distance

500 mm, 2 m

Standard
Detector

D65 transparent plastic bottle (500ml)

Light source

Red LED (6 80 mm)

Operation mode Light-ON / Dark-ON
Way out

NPN/PNP open collector output: maximum voltage 26.4
VDC , load current 100mA

Operation
directive

Green led (stability), orange led (activity indicator)

Response time

1ms

Sensitivity
adjustment

Adjustment screw

Connection type Standard cable (0.3m, 0.5m, 2m); jack (M8 - 4 pins)
Accessories
Mirror, bracket, I/O connector
(sold separately)
Protection level

IP6 7

Standard

IEC , CE


Sơ đồ đầu nối

2.3 Phương pháp cảm biến khuếch tán:
Thiết bị cảm biến quang phản xạ khuếch tán là loại cảm biến có bộ thu và phát chung.
Thường được dùng để phát hiện các vật thể trên hệ thống máy móc tự động. Giám
sát các thiết bị đã được lắp đúng vị trí hay chưa. Đặc điểm nổi bật là bị ảnh hưởng
bởi bề mặt, màu sắc, khoảng cách tối đa 2m. Các bạn có thể dễ dàng bắt gặp chúng
trong các dây chuyền sản xuất, đóng gói sản phẩm cũng như đếm các sản phẩm để
cho vào một thùng hay bộ lô.
2.3.1 Nguyên lý hoạt động như sau :
Trạng thái báo phát hiện vật cản: Cảm biến phát ánh liên tục từ bộ phát đến bề mặt

vật cản. Ánh sáng phản xạ đi ngược về vị trí thu sáng
Trạng thái khơng vật cản: Khi khơng có vật cản đi vào, ánh sáng khơng phản xạ về vị trí
thu được hoặc bề mặt vật khơng phản xạ ánh sáng về vị trí thu.


2.3.2 Cảm biến khuếch tán E3C-L11M

Type

Diffuse

Power supply

24 VDC

Detection
distance

20±10 mm

Latency

0.5mm max (for 20mm detection distance)

Standard
Detector

Clear glass cutting edge (t = 0.7 mm)

Light source

Infrared LED ( 60 nm)

Operation
mode

Light-ON / Dark-ON

Way out

NPN open collector

Operation
directive

Light source (orange), stability (green)

Connection
type

Standard cable length 2m

Protection
level

IP 50

Standard

IEC



CHƯƠNG 3:
Ưu điểm, nhược điểm, ứng dụng:
3.1 Ưu điểm:
• Phát hiện vật thể không cần tiếp xúc. Khoảng cách xa nhất có thể tới 100m
• Tuổi thọ cao, ổn định và chính xác cao cũng như ít bị hao mịn theo thời gian
• Phát hiện được phần lớn các vật chất rắn
• Thời gian đáp ứng nhanh & có thể tuỳ chỉnh được độ nhạy theo mong muốn
• Có nhiều nhà cung cấp khác nhau
3.2

Nhược điểm:

• Cảm biến báo ảo khi dính bụi bẩn trên bề mặt
• Cảm biến quang chỉ hoạt động trong một vài điều kiện cụ thể cho từng loại.
Màu sắc và độ phản xạ phụ thuộc rất nhiều vào độ chính xác của cảm biến.
• Cần phải có kinh nghiệm để chọn đúng loại cho từng ứng dụng cụ thể

3.3 Ứng dụng:
• Phát hiện sự thay đổi màu sắc, độ tương phản và độ phát quang của đối tượng
• Phát hiện các mục tiêu có lỗ rỗng và các dấu hiệu khơng nhìn thấy được trên
sản phẩm
• Phát hiện sự hiện diện hoặc chuyển động của một vật trong khu vực hoặc vùng
cảm ứng xác định
• Phát hiện mức độ chứa trong một phễu
• Kiểm tra sản phẩm đi qua trong q trình rửa
• Định vị vị trí của hệ thống lưu trữ và truy xuất tự động
• Phát hiện sự có mặt / khơng có nội dung trong thùng / chai sữa
• Kiểm tra đường đi của xe ơ tơ trên băng tải
• Kiểm tra chỗ ngồi của các phôi cho một bộ xử lý NC
• Kiểm tra vị trí của ơ tơ trong dây chuyền lắp ráp cuối cùng
• Kiểm tra khối động cơ
• Xác minh mức độ đầy của cà phê trong lon
• Đếm chai di chuyển trên băng tải tốc độ cao
• Phát hiện các nhãn bị thiếu trên chai


• Đảm bảo kiểm sốt an tồn khi mở và đóng cửa nhà xe
• Bật bật vịi nước rửa bằng sóng của bàn tay
• Kiểm sốt thang máy, và mở cửa ra vào cửa hàng tạp hóa
• Phát hiện chiếc xe chiến thắng tại các sự kiện đua xe.