Tài liệu Tiểu luận bộ môn : Cơ Điện Tử Ứng Dụng ppt

Tiểu luận bộ môn : Cơ Điện Tử Ứng Dụng - Nhóm 8
PROXIMITY SENSOR (CẢM BIẾN TIỆM CẬN)
 INDUCTIVE PROXIMITY SENSOR:
 Cảm biến tiệm cận điện cảm (inductive proximity sensor) là loại cảm biến
dùng để phát hiện sự có mặt của một vật thể mà không cần tiếp xúc trực
tiếp với vật thể đó, cảm biến tiệm cận đa dạng về kích cỡ và hình dáng,
được ứng dụng trong nhiều mục đích và lĩnh vực khác nhau.
 Loại cảm biến này gồm có một cuộn dây điện từ được sử dụng để phát
hiện sự có mặt của một vật thể kim loại, nó không thể phát hiện một vật
thể phi kim.
1.Cấu tạo nguyên lý hoạt động của Inductive Pro Sensor:
a. Cấu tạo:gồm có 4 thành phần chính:
 Coil: Cuộn dây cảm biến.
 Oscillator: Bộ tạo dao động gồm một tụ điện và một cuộn dây
mắc song song.
 Trigger Circuit: Mạch ghi nhận tín hiệu.
 Output Circuit: Mạch điện ngõ ra.
b. Nguyên lý hoạt động:
GVHD: TS.Đào Thế Diệu Trang 1
Tiểu luận bộ môn : Cơ Điện Tử Ứng Dụng - Nhóm 8
 Khi một vật thể kim loại tiến vào vùng từ trường ( sinh ra bởi bề
mặt xuyên qua cuộn dây dến bề mặt của cảm biến) (khoảng cách từ
0÷20 cm), từ trường này phản hồi lại giữ cho mạch dao động tiếp
tục hoạt động. Khi một vật thể kim loại tiến vào vùng từ trường,
một dòng điện xoáy sinh ra trên bề mặt vật thể kim loại. Dòng điện
xoáy này tạo nên tải của cảm biến, làm giảm biên độ của vùng điện
từ. Khi vật thể càng đến gần cảm biến thì dòng điện xoáy càng tăng
lên làm tăng tải của mạch dao động và hơn nữa làm giảm biên độ
của từ trường (từ trở tăng lên). Đến một trị số nào đó sẽ không tăng
nữa và bộ tạo dao động sẽ không dao động nữa, tín hiệu này sẽ
được ghi nhận (bởi mạch Trigger), xử lý và đưa ra ngõ ra.

 Khi vật thể đi ra khỏi vùng cảm biến, biên độ tần số của mạch
dao động tăng lên đến một giá trị định trước thì mạch Trigger thay
đổi trạng thái ngõ ra của cảm biến và trạng thái ban đầu của nó.
2. Phân loại : Gồm 5 loại chính
 Cylindrical : Loại hình trụ.
 Rectangular: Loại hình chữ nhật.
 Miniature : Loại dẹt – mỏng.
 Harsh enviroment : Loại dùng trong môi trường khắc nghiệt.
 Special purpose: Loại dùng cho mục đích đặc biệt.
GVHD: TS.Đào Thế Diệu Trang 2
Tiểu luận bộ môn : Cơ Điện Tử Ứng Dụng - Nhóm 8
3. Đặc tính kĩ thuật:
Ưu điểm:
 Phát hiện được những khoảng cách nhỏ (≤1 inch)
 Phát hiện được những kim loại có tính chất sắt từ hay không sắt
từ, cấu trúc bé, không ảnh hưởng bởi bụi bẩn, dầu, độ ẩm…
 Độ chính xác cao.
 Điện áp đầu vào 10 ÷ 30 VDC (cho từng loại)
 Tuổi thọ cao 100.000 hours.
 Dễ lắp đặt.
 Chịu nhiệt độ từ 40
0
C -> 85
0
C.
Nhược điểm:
 Biên độ tín hiệu và sự tuyến tính bị ảnh hưởng bởi tính chất điện
từ của vật liệu cần đo.
 Chiều dài dây nối sensor bị hạn chế khoảng 12÷18mm vì tần số
dao động cao.

b. Target (đối tượng cảm biến):
 Target đúng tiêu chuẩn thường là thép, có bề dày 1mm, chiều dài
cũng như chiều rộng bằng đường kính của đầu cảm biến sensor
(Active Face), hướng vuông góc với cảm biến.
GVHD: TS.Đào Thế Diệu Trang 3
Tiểu luận bộ môn : Cơ Điện Tử Ứng Dụng - Nhóm 8
 Đối với cảm biến có vòng chắn thì Target chuẩn có kích thước
bằng với đường kính của bề mặt tác động của cảm biến. Target
chuẩn đối với cảm biến không có vòng chắn là vật có bề mặt bằng
với đường kính của bề mặt tác động của cảm biến hoặc bằng 3 lần
vùng tác động của cảm biến và có thể lớn hơn.
 Để khoảng cách cảm biến với Target đạt chuẩn theo quy định của
nhà sản xuất thì Target ≥ d. Tuy nhiên, nếu Target < Standard
Target hoặc có hình dạng không đều thì khoảng tác động của cảm
biến (Sn) giảm xuống. Do đó phải đạt gần hơn thì cảm biến mới có
thể nhận thấy được.
c. Hệ số chỉnh sửa kích thước vật thể:
 Một hệ số chỉnh sửa chấp nhận được khi vật thể nhỏ hơn vật
chuẩn. Để xác định vùng cảm ứng cho vật thể nhỏ hơn vật chuẩn
(Snew), ta nhân khoảng cách vùng tác động của cảm biến (Srated)
với hệ số chỉnh sửa (T). Ví dụ: Như một cảm biến có vòng chắn có
khoảng cách vùng tác động là 1mm và vật thể cần phát hiện có kích
thước bằng một nửa vật chuẩn, ta tính được khoảng cách tác động
mới là 0.83 mm (1mm x 0.83).
 Snew = Srated x T
 Snew = 1mm x 0.83
 Snew = 0.83 mm
GVHD: TS.Đào Thế Diệu Trang 4
Tiểu luận bộ môn : Cơ Điện Tử Ứng Dụng - Nhóm 8
d. Bảng thông số về độ chính xác cho mỗi loại Target:

e. Độ dày của vật thể:
 Độ dày của vật thể là một hệ số khác cần được xem xét. Khoảng
cách vùng tác động thì không đổi đối với vật chuẩn. Tuy nhiên đối
với vật thể không có sắt trong thành phần như đồng thau (brass),
nhôm (aluminum), và đồng đỏ(copper) thì sẽ xảy ra hiện tượng
“hiệu ứng bề mặt” (skin effect). Khoảng cách vùng cảm ứng sẽ
giảm khi độ dày của vật thể tăng lên. Nếu độ dày của vật thể khác
so với vật chuẩn thì một hệ số chỉnh sửa sẽ được dung để điều
chỉnh lại.
GVHD: TS.Đào Thế Diệu Trang 5
Tiểu luận bộ môn : Cơ Điện Tử Ứng Dụng - Nhóm 8
f. Kim loại của vật thể:
 Kim loại cấu tạo nên vật thể củng ảnh hưởng đến khoảng cách
vùng tác động. Khi một kim loại nào đó khác thép thì một hệ số
chỉnh sửa được sử dụng để hiệu chỉnh.
4. Vùng tác động của cảm biến:
 Khoảng cách tác động (Sn) (the rated sensing distance) là một
giá trị lý thuyết mà nó không phụ thuộc vào tính toán như là sai số
của quá trình sản xuất, nhiệt độ hoạt động và điện áp cung cấp.
Trong một vài trường hợp cảm biến có thể phát hiện ra vật thể nằm
ngoài khoảng cách tác động này. Hoặc có trường hợp vật thể không
được phát hiện cho đến khi nó đến gần hơn khoảng cách tác động.
Có một vài giới hạn phải được xem xét khi ước lượng khoảng cách
tác động trong mỗi trường hợp cụ thể.
 Khoảng cách hoạt động hiệu quả (Sr) (the effective operating
distance) ở điều kiện nguồn điện cung cấp ổn định với nhiệt độ dao
động trong khoảng từ 23
0
C ± 0.5
0

C. Nó dựa vào việc tính toán sai
số trong quá trình sản xuất. Khoảng cách hoạt động hiệu quả
khoảng ± 10
0
C của khoảng cách tác động (Sn). Điều này có nghĩa
là vật thể sẽ được phát hiện trong khoảng từ 0 đến 90% của khoảng
cách tác động. Tùy thuộc vào mỗi thiết bị, tuy nhiên, khoảng cách
GVHD: TS.Đào Thế Diệu Trang 6
Tiểu luận bộ môn : Cơ Điện Tử Ứng Dụng - Nhóm 8
tác động hiệu quả (Sr) có thể xa hơn 110% của khoảng cách tác
động (Sn).
 Khoảng cách chuyển mạch hữu ích (Su) (the useful switching
distance) là khoảng cách chuyển mạch được tính toán theo điều
kiện điện áp và nhiệt độ lý thuyết. Khoảng cách chuyển mạch hữu
ích (Su) thì bằng khoảng 10% của khoảng cách hoạt động hiệu quả
(Sr).
 Khoảng cách hoạt động chắc chắn (Sa) (the guaranteed operating
distance) là khoảng cách chuyển mạch cho sự hoạt động của cảm
biến tiệm cận trong phạm vi điều kiện hoạt động cụ có thể chấp
nhận được đảm bảo. Khoảng cách hoạt động chắc chắn (Sa) nằm
trong khoảng 0 ÷ 81% của khoảng cách hoạt động (Sn).

 Các chuyển mạch của cảm biến tiệm cận chỉ đáp ứng lại với vật
thể khi vật thể đó nằm trong khu vực xác định đằng trước bề mặt
của cảm biến. Điểm mà cảm biến tiệm cận nhận ra được một vật
thể mang đến gọi là điểm tác động (operating point). Và điểm mà
khi vật thể đi ra làm thiết bị chuyển lại trạng thái ban đầu gọi là
GVHD: TS.Đào Thế Diệu Trang 7
Tiểu luận bộ môn : Cơ Điện Tử Ứng Dụng - Nhóm 8
điểm thoát (release point). Khoảng cách giữa 2 điểm này gọi là

vùng trễ (hysteretis zone).
 Kích thước và hình dạng của đường cong đáp ứng thì tùy thuộc
vào từng loại cảm biến cụ thể. Đáp ứng dưới đây miêu tả cụ thể
một loại cảm biến tiếp cận cụ thể.
 Hysteresis là khoảng cách giữa điểm hoạt động và khoảng hoạt
động của sensor. Biên độ dao động phải bé hơn dải Hysteresis để
tránh tạo ra các xung chuyển mạch khi sensor ON/OFF.
 Tốc độ lớn nhất mà sensor có thể đọc riêng lẻ từng tín hiệu xung
(đối với Target quay) khi vật ở trong hay ở ngoài vùng cảm
biếnvật. Giá trị này phụ thuộc vào kích thước vật cảm biến (mXm),
GVHD: TS.Đào Thế Diệu Trang 8
Tiểu luận bộ môn : Cơ Điện Tử Ứng Dụng - Nhóm 8
khoảng cách từ bề mặt cảm biến đến bề mặt đối tượng S
n
/2, tốc độ
chuyển động của Target. Các yếu tố trên sẽ cho ta biết khả năng lớn
nhất về hoạt động của cảm biến trên một đơn vị thời gian.

 d:đường kính Active Face
 S
n
: khoảng cách tối thiểu có thể của cảm
5. Vòng chắn( Sheilding)
 Shielded Inductive Pro Sensor: Cấu tạo tương tự như IPS nhưng
có thêm miếng kim loại mỏng bao quanh lõi ferrit và cuộn dây, lõi
ferrit tập trung từ trường phân tán vào hướng sử dụng (hướng mà
vật thể cần phát hiện sẽ đi qua). Cảm biến tiếp cận có vòng chắn
gồm có vòng kim loại bao quang lõi để giới hạn từ trường tỏa ra ở
phần bên. Loại cảm biến này có thể đặt lên giá bằng kim loại, có
một khoảng trống không cảm ứng được, kim loại ở trên và trước bề

mặt tác động của cảm biến. Mỗi cảm biến sẽ có hướng dẫn kèm
theo cho mỗi ứng dụng. Nếu có bề mặt kim loại đặt đối diện với
cảm biến thì nó phải được đặt xa hơn tối thiểu 3 lần khoảng tác
động của cảm biến.
GVHD: TS.Đào Thế Diệu Trang 9
Tiểu luận bộ môn : Cơ Điện Tử Ứng Dụng - Nhóm 8
GVHD: TS.Đào Thế Diệu Trang 10
Tiểu luận bộ môn : Cơ Điện Tử Ứng Dụng - Nhóm 8
 Unshielded Inductive Pro Sensor (không có màng chắn): Có thị
trường tác động rộng hơn loại có màn chắn. Lõi ferrit tập trung từ
trường phân tán vào hướng sử dụng (hướng mà vật thể cần phát
hiện sẽ đi qua).
GVHD: TS.Đào Thế Diệu Trang 11
Tiểu luận bộ môn : Cơ Điện Tử Ứng Dụng - Nhóm 8
GVHD: TS.Đào Thế Diệu Trang 12
Tiểu luận bộ môn : Cơ Điện Tử Ứng Dụng - Nhóm 8
GVHD: TS.Đào Thế Diệu Trang 13
Tiểu luận bộ môn : Cơ Điện Tử Ứng Dụng - Nhóm 8
6. Khoảng cách giữa các cảm biến:
 Cần phải chú ý khi sử dụng nhiều cảm, khi có hai hay nhiều hơn
cảm biến đặt kế nhau hay đối diện nhau có thể xảy ra nhiễu hoặc sự
ảnh hưởng lẫn nhau giữa chúng dẫn đến sai tín hiệu đầu ra. Những
nguyên dưới đây tắc nhìn chung có thể làm thấp nhất sự tác động
lẫn nhau của các cảm biến:
 Các loại cảm biến có vòng chắn đặt đối diện nhau phải cách ít nhất
4 lần vùng tác động của cảm biến.
 Các loại cảm biến không có vòng chắn đặt đối diện nhau
phải cách ít nhất 6 lần vùng tác động của cảm biến.
 Các loại cảm biến có vòng chắn đặt cạnh nhau phải cách ít
nhất 2 lần đường kính bề mặt tác động của cảm biến.

 Các loại cảm biến không có vòng chắn đặt cạnh nhau phải cách ít
nhất 3 lần đường kính bề mặt tác động của cảm biến.
GVHD: TS.Đào Thế Diệu Trang 14
Tiểu luận bộ môn : Cơ Điện Tử Ứng Dụng - Nhóm 8
7. Các loại ngõ ra:
 Loại cảm biến tiệm cận điện cảm có 3 dây đầu ra (sử dụng điện
áp DC) có thể có ngõ ra là PNP hoặc là NPN. Điều này phụ thuộc
vào loại transistor được sử dụng trong chuyển mạch ngõ ra của cảm
biến.
 Hình vẽ dưới đây minh họa cho loại cảm biến có ngõ ra là PNP.
Thiết bị tải được mắc giữa ngõ ra (ký hiệu A) và dây(-) của nguồn
điện (ký hiệu L-). Một transistor loại PNP được mắc giữa ngõ ra
(A) và dây (+) (ký hiệu L+) của nguồn điện. Khi transistor hoạt
động ở chế độ ON,có một dòng điện đi từ dây (L+) qua tải đến dây
(L-). Trong trường hợp này, dòng điện này được gọi là dòng điện
nguồn(dòng điện quy ước), nó đi từ chiều(+) đến chiều(-) của
nguồn điện và đi qua tải. Thuật ngữ này gây khó khăn cho những
người mới sử dụng cảm biến, vì dong electron(dòng điện thực) đi
từ chiều(-), qua tải và sau đó đến chiều (+) của nguồn khi transistor
PNP hoạt động ở chế độ ON.

 Hình vẽ dưới đây minh họa cho loại cảm biến có ngõ ra là loại
NPN. Thiết bị tải được mắc giữa ngõ ra(ký hiệu A) và dây (+) của
nguồn(kí hiệu L+). Một loại transistor loại NPN được mắc giữa ngõ
ra(A) và dây (+) (kí hiệu L+) của nguồn điện. Khi transistor hoạt
động ở chế độ ON, dòng điện đi qua tải gọi là dòng điện mát (dòng
điện quy ước). Dòng điện này có chiều ngược lại so với dòng
electron (dòng điện thực).
GVHD: TS.Đào Thế Diệu Trang 15
Tiểu luận bộ môn : Cơ Điện Tử Ứng Dụng - Nhóm 8

 Ngõ ra được gọi là thường mở (NO) hoặc thường đóng (NC) tùy
thuộc vào trạng thái của transistor khi chưa phát hiện ra vật thể. Ví
dụ, ngõ ra PNP là OFF khi chưa phát hiện ra vật thể, khi đó nó là
một thiết bị thường mở. Ngược lại nếu ngõ ra PNP là ON khi chưa
phát hiện ra vật thể, khi đó nó là một thiết bị thường đóng.
 Ngoài ra còn có loại cảm biến có ngõ ra bổ sung (có 4 dây ở ngõ
ra). Ngõ ra bổ sung là loại ngõ ra có cả tiếp điểm thường đóng và
thường mở trên cùng một cảm biến.
8. Các dạng kết nối cảm biến với tải:
 Trong một vài ưng dụng có thể phải sử dụng nhiều cảm biến để
điều khiển một quá trình công tác.những cảm biến này có thể được
kết nối với nhau theo kiểu song song hoặc nối tiếp. Đối với kiểu kết
GVHD: TS.Đào Thế Diệu Trang 16
Tiểu luận bộ môn : Cơ Điện Tử Ứng Dụng - Nhóm 8
nối nối tiếp tất cả cảm biến đều ON thì ngõ ra mới ON. Còn đối với
kiểu kết nối song song thì một trong các cảm biến ON thì ngõ ra sẽ
ON.
 Có một vấn đề phải được xem xét khi kết nối các cảm biến theo
kiểu kết nối song song. Chẳng hạn vấn đề sụt áp trên mỗi cảm biến
khi có nhiều cảm biến mắc nối tiếp với nhau.
a. Nối nối tiếp: Ở trường hợp này để cho cảm biến hoạt động bình thường thì điện
áp rơi trên tải phải bé hơn hoặc bằng điện áp nguồn trừ đi điện áp rơi trên các
cảm biến.
V
load
≤ V
soure
-V
sensor
GVHD: TS.Đào Thế Diệu Trang 17

Tiểu luận bộ môn : Cơ Điện Tử Ứng Dụng - Nhóm 8

b. Kết nối song song: Điều khiển tổng các dòng rò trên cảm biến phải bé hơn dòng
điện tĩnh lớn nhất của tải:
I
roø
≤ I
static load
*Chú ý: Khi kết nối song song nếu dòng rò chạy qua tải quá lớn thì có thể do
công tắc bán dẫn thay đổi trạng thái.
GVHD: TS.Đào Thế Diệu Trang 18
Tiểu luận bộ môn : Cơ Điện Tử Ứng Dụng - Nhóm 8
GVHD: TS.Đào Thế Diệu Trang 19
Tiểu luận bộ môn : Cơ Điện Tử Ứng Dụng - Nhóm 8
*Điện trở R
*
để ổn định điện áp bé nhất khi cảm biến đang hoạt động
9. Ứng dụng trong công nghiệp và sản xuất:
 Điều khiển lưu lượng bằng phao.
 Điều khiển máy tiện, máy cắt.
 Điều khiển quy trình nấu chảy chất dẻo của máy đúc chất dẻo
(giữ cho nhiệt độ ổn định).
GVHD: TS.Đào Thế Diệu Trang 20
Tiểu luận bộ môn : Cơ Điện Tử Ứng Dụng - Nhóm 8
GVHD: TS.Đào Thế Diệu Trang 21
Tiểu luận bộ môn : Cơ Điện Tử Ứng Dụng - Nhóm 8
GVHD: TS.Đào Thế Diệu Trang 22
Tiểu luận bộ môn : Cơ Điện Tử Ứng Dụng - Nhóm 8
GVHD: TS.Đào Thế Diệu Trang 23
Tiểu luận bộ môn : Cơ Điện Tử Ứng Dụng - Nhóm 8

GVHD: TS.Đào Thế Diệu Trang 24
Tiểu luận bộ môn : Cơ Điện Tử Ứng Dụng - Nhóm 8
GVHD: TS.Đào Thế Diệu Trang 25