Tài liệu Bài giảng kỹ thuật công nghệ _ Cảm biến và ứng dụng doc

BÀI GIẢNG KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ



CẢM BIẾN VÀ ỨNG DỤNG

58
CẢM BIẾN VÀ ỨNG DỤNG.

Trong các hệ thống điều khiển tự động, cảm biến đóng vai trò hết sức quan trọng vì
nó là thiết bò cung cấp thông tin của quá trình điều khiển cho bộ điều khiển để bộ điều khiển
đưa ra những quyết đònh phù hợp nhằm nâng cao chất lượng của quá trình điều khiển. Có thể
so sánh các cảm biến trong hệ thống điều khiển tự động như là các giác quan của con người.
Nội dung của chương này sẽ trình bày một số loại cảm biến thông dụng trong công nghiệp
và các ứng dụng của nó.
I. CÁC ĐỊNH NGHĨA VÀ ĐẶC TRƯNG CHUNG
:
I.1
Đònh Nghóa Cảm Biến
:
Các hệ thống điều khiển tự động trong công nghiệp có vô số các đại lượng vật lý cần
đo như: nhiệt độ, áp suất, dòch chuyển, lưu lượng, trọng lượng … cần đo. Các đại lượng vật lý
này không có tính chất điện, trong khi đó các bộ điều khiển và các cơ cấu chỉ thò lại làm việc
với tín hiệu điện vì thế phải có thiết bò để chuyển đổi các đại lượng vật lý không có tính chất
điện thành đại lượng điện tương ứng mang đầy đủ các tính chất của đại lượng vật lý cần đo.
Thiết bò chuyển đổi đó là cảm biến.
a. Cảm biến
:
Cảm biến là thiết bò chòu tác động của các đại lượng vật lý không có tính chất điện m
và cho ra một đại lượng vật lý có tính chất điện x như: điện trở, điện tích, điện áp, dòng điện

tương ứng với m.


Quan hệ giữa s và m x = f(m) được gọi là phương trình chuyển đổi của cảm biến, hàm f()
phụ thuộc vào cấu tạo, vật liệu làm cảm biến … Để chế tạo cảm biến, người ta sử dụng các
hiệu ứng vật lý.
b. Cảm biến tích cực
:
Cảm biến tích cực hoạt động như một nguồn áp hoặc nguồn dòng được biểu diễn bằng
một mạng hai cửa có nguồn.
c. Cảm biến thụ động
:
Cảm biến thụ động được mô tả như một mạng hai cửa không nguồn, có trở kháng phụ
thuộc vào các kích thích.
I.2
Các Hiệu Ứng Vật Ly
ù:
a. hiệu ứng hoả điện
:
Một số tinh thể gọi là tinh thể hoả điện (thí dụ như tinh thể sulfate triglycine), có tính
phân cực điện tự phát phụ thuộc vào nhiệt độ. Trên các bề mặt đối diện của chúng tồn tại
những điện tích trái dấu có độ lới tỷ lệ thuận với độ phân cực điện. Hiệu ứng hỏa điện được
sử dụng để chế tạo cảm biến đo thông lượng búc xạ của ánh sáng. Khi tinh thể hoả điện hấp
thụ ánh sáng, nhiệt độ của nó tăng lên làm thay đổi phân cực điện. Sự thay đội phân cực này
có thể xác đònh được bằng cách đo sự biến thiên điện áp trên hai cực của tụ điện.
Cảm biến
Đại lượng
điện x
Đại lượng
ca

à
nđom

59





b. Hiệu ứng áp điện
:
Khi tác động một lực cơ học lên một vật làm bằng chất áp điện (Ví dụ như Thạch
anh), sẽ làm cho vật đó bò biến dạng và làm xuất hiện trên hai mặt đối diện của vật đó một
lượng điện tích bằng nhau nhưng trái dấu. Hiệu ứng này được dùng để chế tạo các cảm biến
đo lực, đo áp suất, gia tốc … thông qua việc đo điện tích trên 2 cực của tụ điện.







Hiệu ứng này do nhà vật lý học người pháp là Pierre Curie phát hiện vào năm 1880.
c. Hiệu ứng cảm ứng điện từ
:
Khi một thanh dẫn chuyển động trong từ trường sẽ xuất hiện một sức điện động tỷ lệ
với biến thiên của từ thông nghóa là tỷ lệ với tốc độ chuyển động của thanh dẫn. Hiệu ứng
điện từ được ứng dụng để chế tạo cảm biến đo tốc độ dòch chuyển của vật thông qua việc đo
sức điện động cảm ứng.

Hiệu ứng này do nhà vật lý học người Anh là M.Faraday phát hiện vào năm 1831.
d. Hiệu ứng quang điện
:
Bản chất của hiệu ứng quang điện là hiện tượng giải phóng các hạt dẫn tự do trong
vật liệu dưới tác dụng của bức xạ ánh sáng. Hiệu ứng này do Einstein phát hiện vào năm
1905 và được ứng dụng để chế tạo các cảm biến quang.
e. Hiệu ứng quang điện trong chất bán dẫn
:
Khi một chuyển tiếp P-N được chiếu sáng sẽ phát sinh ra các cặp điện tử – lỗ trống,
chúng chuyển động dưới tác dụng của điện trường của chuyển tiếp làm thay đổi hiệu điện
thế giữa hai đầu chuyển tiếp. Hiệu ứng này cũng thường được dùng để chế tạo cảm biến
quang.
V
→

φ

φ
Hình 1.2 Hiệu ứng hỏa điện

V
→

φ

F

Hình 1.3 Hiệu ứng áp điện

e
B
Hình 1.4 Hiệu ư
ù
ng điện tư
ø
ω

60
f. Hiệu ứng nhiệt điện:
Khi hai dây dẫn có bản chất hóa học khác nhau, được hàn kín sẽ xuất hiện một sức
điện động tỷ lệ với nhiệt độ mối hàn. Hiệu ứng này do Seebeck pháy hiện vào năm 1821 và
được ứng dụng để chế tạo cảm biến nhiệt độ.
I.2
Các thông số đặc trưng của cảm biến
:
a. Độ nhạy của cảm biến
:
Độ nhạy của cảm biến ở giá trò m = m
0
là tỷ số giữa biến thiên ở ngõ ra cửa cảm biến
∆x và biến thiên ở ngõ vào ∆m trong lân cận của m
0
. Gọi s là độ nhạy của cảm biến:
()
1.1lim
0
0

0
mm
mm
mm
m
x
m
x
m
x
s
=
→
→
∂
∂
=
∆
∆
=
∆
∆
=

b. Sai số của cảm biến
:
Sai số của cảm biến là sai lệch giữa giá trò đo được bằng cảm biến và giá trò thực của
đại lượng cần đo, được đánh giá bằng %. Nếu gọi x là giá trò thực của đại lượng cần đo, ∆x
là sai lệch giữa giá trò đo và giá trò thực (gọi là sai số tuyệt đối), thì sai số của cảm biến là δ
được xác đònh như sau:

()
2.1100.
x
x
∆
=
δ

Ví dụ: Một cảm biến nhiệt độ có độ nhạy là: s = 0,1 [mV/
o
C], tạo ra điện áp ở 100 [
0
C] là
10,5 [mV] thì sai số của cảm biến là:
()
3.1%5100.
10
105,10
=
−
=
δ

Sai số của cảm biến được chia thành 2 loại: sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên.
Sai số hệ thống
:
Sai số hệ thống là sai số không phụ thuộc vào số lần đo, có giá trò không đổi hoặc
thay đổi châm theo thời gian. Các nguyên nhân gây ra sai số hệ thống:
- Do nguyên lý của cảm biến.
- Do đặc tính của bộ cảm biến.

- Do chế độ và điều kiện sử dụng cảm biến.
- Do xử lý kết quả đo.
Sai số ngẫu nhiên
:
Sai số ngẫu nhiên là sai số xuất hiện có độ lớn và chiều không xác đònh. Nguyên
nhân gây sai số ngẫu nhiên:
- Do sự thay đổi đặc tính của thiết bò.
- Do tín hiệu nhiễu ngẫu nhiên.
- Do ảnh hưởng bởi các thông số môi trường như: từ trường, nhiệt độ, độ ảm, độ rung …
c. Độ tuyến tính của cảm biến
:
Cảm biến được gọi là tuyến tình trong một dải đo nếu có độ nhạy không đổi trong ở
mọi điểm trong dải đo.


61
I.3
Mạch Xử Lý Tín Hiệu Cảm Biến
:
Đáp ứng ngõ ra của cảm biến thường là không phù hợp với các cơ cấu chỉ thò hoặc các
thiết bò đọc tín hiệu hồi tiếp trong các hệ thống điều khiển vì vậy cần có một mạch xử lý
(chuyển đổi tín hiệu) cho phù hợp với các cơ cấu này. Sơ đồ khối minh họa việc kết hợp
giữa cảm biến và mạch xử lý tín hiệu như hình I.5



a. Các mạch khuếch đại trong đo lường
:
Do các tín hiệu điện ở ngõ ra của các cảm biến thường rất nhỏ, để tăng giá trò của các
tín hiệu này ta dùng các mạch khuếch đại.

- Mạch khuếch đại đảo:
Đầu ra
Đầu vào
+
-
OP-07
3
2
6
7
1
4
8

1 3
2
R2

R2


Hình 1.6 Mạch khuếch đại đảo với biến trở chỉnh offset
()
4.1
1
2
io
V
R
R

V −=

Với V
o
là điện áp ở đầu ra, V
i
là điện áp ở đầu vào.
- Mạch khuếch đại không đảo:
Đầu ra
Đầu vào
+
-
OP-07
3
2
6
7
1
4
8

1 3
2
R2

R1


Hình 1.7 Mạch khuếch đại không đảo với biến trở chỉnh offset
Tới cơ cấu đo

Hình 1.5 Mạch đo và cảm biến

Đ
ại lượng đo
Cảm biến
Mạch xủ lý
tín hiệu đo

62
()
5.11
1
2
io
V
R
R
V








+=

Với V
o

là điện áp ở đầu ra, V
i
là điện áp ở đầu vào.
- Mạch lặp lại điện áp:
Đầu ra
Đầu vào
+
-
U2
OP07
3
2
6
7
1
4
8

Hình 1.8 Mạch lặp lại điện áp
V
o
= V
i
(1.6)
Với V
o
là điện áp ở đầu ra, V
i
là điện áp ở đầu vào.
- Mạch khuếch đại vi sai:

+
-
U2
OP07
3
2
6
R1

R3
R2

R4

V1
V2
Vo

Hình 1.9 Mạch khuếch đại vi sai
Chọn R
1
= R
3
, R
2
= R
4
thì:
()()
7.1

21
1
2
VV
R
R
V
o
−−=
- Mạch khuếch đại dụng cụ:






Hình 1.10 Mạch khuếch đại dụng cụ
R

R3

+
-
OP07
3
2
6
+
-
OP07

3
2
6
+
-
OP07
3
2
6
Ra

R

R2

R2

R3

Vo
V2
V1

63
()()
8.1
2
1
21
2

3
VV
R
R
Ra
R
V
o
−






+=

b. Mạch cầu Wheatstone
:
Mạch cầu Wheastone dùng để chuyển đổi sự thay đổi của điện trở thành sự thay đổi
của điện áp trên đường chéo của cầu.
Vcc
Ro
Ro
Ro
Rx
V+
V-

Hình 1.11 Mạch cầu wheastone

Trong sơ đồ trên Rx = Ro + ∆R, ∆U = V
+
- V
-
ta có:
()
()
9.1
222
1
2
cc
o
cc
o
o
V
RR
R
V
RR
RR
U
∆+
∆
=









−
∆+
∆+
=∆

Nếu ∆R << R
o
thì biểu thức trên có thể viết lại như sau:
()
10.1
4
cc
o
V
R
R
U
∆
=∆
II.
CẢM BIẾN VÀ ỨNG DỤNG:

II.1
Cảm Biến Quang
:
a. Tế bào quang dẫn

:
Tế bào quang dẫn là một loại cảm biến quang dụa trên hiện tượng quang dẫn do kết
qủa của hiệu ứng quang điện bên trong. Đó là hiện tượng giải phóng các hạt tải điện trong
vật liệu bán dẫn dưới tác dụng của ánh sáng.




Hình 1.12 Tế bào quang dẫn

64
- Các vật liệu dùng để chế tạo tế bào quang dẫn:
Tế bào quang dẫn thường được chế tạo bằng các bán dẫn đa tinh thể đồng nhất hoặc
đơn tinh thể, bán dẫn riêng hoặc pha tạp.
+ Đa tinh thể: CdS, CdSe, CdTe, PbS, PbSe, PbTe.
+ Đơn tinh thể: Ge, Si tinh khiết hoặc pha tạp Au, Cu, Sb, In, SbIn, AsIn, CdHgTe.
-

Các tính chất cơ bản của tế bào quang dẫn
:
+ Điện trở vùng tối R
co
phụ thuộc vào hình dạng, kích thùc, nhiệt độ và bản chất lý hoá
của vật liệu
Các chất PbS, CdS, CdSe có điện trở vùng tối rất cao ( từ 10
4
tới 10
5
Ω ở 25
o

C), trong
khi đó SbIn, AbSs, CdHgTe có điện trở vùng tối tương đối nhỏ (từ 10 tới 10
3
Ω ở 25
o
C).
Khi được chiếu sáng, điện trở cửa tế bào quang dẫn giảm xuống rất nhanh, quan hệ
giữ điện trở của tế bào quang dẫn và độ rọi sáng:
(
)
1.2.
γ
−
Φ= aR
c

Trong đó a là hằng số phụ thuộc vào vật liệu, 0,5 < γ < 1
Hình 2.1 biểu diễn quan hệ giữa điện trở của tế bào quang dẫn và độ rọi sáng.







Hình 2.1 Quan hệ giữa độ rọi và điện trở của tế bào quang dẫn.
Ký hệu của tế bào quang dẫn trên sơ đồ mạch:

Hình 2.2 Ký hiệu của tế bào quang dẫn.
+ Độ nhạy của tế bào quang dẫn: Nếu đặt lên 2 đầu tế bào quang dẫn một điện áp V, thì sẽ

có một dòng điện I chảy qua tế bào quang dẫn:
()
2.2
γ
Φ==
a
V
R
V
I
c

Đ
ộ rọi sáng (Lux)
Đ
iện trở (
Ω
)
10
7
10
6
10
5
10
4
10
3
10
2

10
8
0,01 0,1 1 10 1001000

65
Độ nhạy của tế bào quang dẫn:
()
3.2
1−
Φ=
Φ
=
γ
γ
a
V
d
dI
s

- Ứng dụng của tế bào quang dẫn
:
Tế bào quang dẫn thường được dùng để đo thông lượng ánh sáng, kết hợp với nguồn
sáng để dò vạch dẫn dường cho các mobile robot, đọc mã vạch, phát hiện đầu băng trắng,
điều khiển đóng ngắt Relay theo ánh sáng …
Sơ đồ dùng tế bào quang dẫn:
VCC
Q1
13
2

K2
RELAY SPDT
3
5
4
1
2


Hình 2.3 Sơ đồ điều khiển đóng ngắt Relay theo ánh sáng.
VCC
Tới VĐK hoặc PLC
13
2 Q1
R3

Hình 2.4 Sơ đồ dùng tế bào quang dẫn để dò vạch dẫn đường, đọc mã vạch.
b. Photo Diode
:
- Cấu tạo của Photo Diode
:
Photo diode là một tiếp giáp p-n được tạo bởi các vật liệu như: Ge, Si (Cho vùng ánh
sáng trông thấy và gần hồng ngoại), GaAs, InAs, CdHgTe, InSb cho vùng ánh sáng hồng
ngoại.



Hình 2.5 Cấu tạo của photo diode
- Nguyên lý làm việc của photo diode
:

Khi chiếu sáng lên bề mặt của photo diode bằng bức xạ có bước sóng nhỏ hơn bước
sóng ngưỡng λ < λ
n
sẽ xuất hiện thêm các cặp điện tử – lỗ trống. Để các hạt này có thể
tham gia vào độ dẫn và làm tăng dòng điện I ta cần phải ngăn quá trình tái hợp của chúng
Vùng nghèo
p
n
Chuyển tiếp
E

66
nghóa là phải nhanh chóng tách cặp điện tử – lỗ trống dưới tác dụng của điện trường. Quá
trình này chỉ xảy ra trong vùng nghèo và làm tăng dòng điện ngược.
- Các chế độ làm việc của photo Diode
:
+ Chế độ quang dẫn
:
Ở chế độ quang dẫn, photo diode được phân cực ngược bởi nguồn sức điện động E như hình
2.6:



Hình 2.6 Sơ đồ phân cực cho photo diode o chế độ quang dẫn.
Dòng điện ngượi I
r
chảy qua diode:
()
4.2exp1
p

d
or
I
kT
qV
II +












−=

Trong đó: I
o
là dòng ngược khi không được chiếu sáng, I
p
là dòng quang điện khi ánh
sáng đạt tới vùng nghèo sau khi qua bề dày X của lớp bán dẫn.
(
)
5.2
X

op
eKI
α
−
Φ=
K là hằng số, Φ
o
là quang thông bên ngoài lớp bán dẫn, α ≈ 10
5
[cm
-1
], V
d
là điện áp
ngược trên photo diode.
Khi V
d
có giá trò đủ lớn thì: I
r
= I
o
+ I
p
(2.6)
do I
o
thường rất nhỏ nên: I
r
= I
p

(2.7)
Viết phương trình cho mạch điện hình 2.6: E = V
R
- V
d
(2.8)
Trong đó V
R
= R*I
r
là đường thẳng tải.
Hay
()
9.2
R
V
R
E
I
d
r
+=






Hình 2.7 Đặc tuyến I-V với thông lượng ánh sáng khác nhau của photo diode
R

E
I
r
0-5-10-15-20-E-30-35
10
20
30
70
50
60
I
r
0V
d
50
µ
W
100
µ
W
150
µ
W
200
µ
W
∆

67
+ Chế độ quang thế:

Trong chế độ quang thế không có điện áp ngoài đặt vào Diode, Photo diode làm việc
như một nguồn dòng. Đặc điểm của chế độ này là không có dòng điện tối do không có
nguồn phân cực ngoài nên giảm được ảnh hưởng của nhiễu và cho phép đo quang thông nhỏ.
Khi chiếu sáng vào photo diode, các hạt dẫn không cơ bản tăng lên làm cho hàng rào
điện thế của tiếp giáp thay đổi một lượng ∆v
b
khi đó ta có :
()
10.201 =+








−
∆
p
kT
vq
o
IeI
b

()
11.21ln









+=∆
o
p
b
I
I
q
kT
v

Sự thay đổi của hàng rào điện thế này được xác đònh bằng cách đo hiệu điện thế trên
photo diode ở trạng thái hở mạch.
Khi chiếu sáng yếu: I
p
<< I
o
, phương trình (2.11) có thể viết lại:
()
12.2
o
X
o
o
p

b
I
eK
q
kT
I
I
q
kT
v
α
−
Φ
==∆

Từ (2.12) ta thấy điện áp trên diode phụ thuộc tuyến tính vào thông lượng ánh sáng
Φ.
Khi chiếu sáng mạnh: I
p
>> I
o
, (2.11) được viết lại:
()
13.2ln









=∆
o
p
b
I
I
q
kT
v

Với I
p
được tính trong công thức (2.5) thì từ (2.13) ta thấy điện áp trên photo diode
phụ thuộc theo thông lượng ánh sáng theo hàm logarit.
- Độ nhạy của photo diode
:
()
14.2
X
o
p
Ke
d
dI
s
α
−
=

Φ
=
- Ứng dụng của photo diode
:
Photo diode có thể dùng để do thông lượng ánh sáng, dò vạch dẫn đường cho mobile
robot, làm dầu thu trong các bộ điều khiển từ xa không dây, đọc mã vạch …
Sơ đồ dùng photo diode:





Hình 2.7 Sơ đồ mạch đo dòng ngược ở chế độ quang dẫn
E
Vo
+
-
3
2
1
8 4
R1
R2
R3

68
Vo
+
-
3

2
1
8 4
R1
R2

Hình 2.8 Sơ đồ mạch đo dùng photo diode ở chế độ quang thế
c. Photo transistor
:
- Cấu tạo của photo transistor và nguyên lý làm việc của transistor quang
:
Photo transistor là transistor silic loại NPN mà vùng Bazơ có thể được chiếu sáng. Khi
không có điện áp đặt lên Bazơ chỉ có điện áp đặt lên Colector, chuyển tiếp BC bò phân cực
ngược như hình 2.9.








Hình 2.9 Sơ đồ mạch đo dùng transistor quang
Điện áp đặt vào E hầu như tập trung toàn bộ trên chuyển tiếp B-C, trong khi đó sự
chênh lệch điện thế giữa Emiter và Bazơ là không đáng kể (V
BE
≈ 0,7 [V]). Khi chuyển tiếp
B-C được chiếu sáng, nó hoạt động như một photo diode ở chế độ quang dẫn với dòng điện
ngược
I

r
= I
o
+ I
p
(2.15)
Trong (2.15) I
o
là dòng điện ngược khi không được chiếu sáng, I
p
là dòng quang điện
khi có quang thông Φ
o
chiếu qua bề dày X của lớp bán dẫn. I
r
đóng vai trò như dòng Bazơ,
nó sẽ gây nên dòng colector I
c
:
I
c
= (β +1)I
r
(2.16)
Trong (2.16) thì β là hệ số khuếch đại dòng khi emiter nối chung.
- Độ nhạy của transistor quang
:
() ()
17.21
X

o
c
eK
d
dI
s
α
β
−
+=
Φ
=
- Ứng dụng của transistor quang
:

Transistor có thể dùng để do thông lượng ánh sáng, dò vạch dẫn đường cho mobile
robot, làm đầu thu trong các bộ điều khiển từ xa không dây, đọc mã vạch, chế tạo cáac cảm
biến quang trong công nghiệp …

E
R
E
Q3
NPN BCE
R
a. Sơ đồ phân cực transistor quang b. Sơ đồ tương đương

69
d. Cảm biến quang trong công nghiệp:
- Cấu tạo

:
Cảm biến quang trong công nghiệp có cấu tạo:













Cảm biến gồm phần phát và phần thu:
+ Phần phát gồm một Led phát hồng ngoại hoặc Led phát Laser có vai trò như một nguồn
phát sáng được đặt ngay tại tiêu điểm của thấu kính hội tụ phát nhằm mục đích tạo ra chùm
tia sáng hẹp để chiếu đến phần thu.
+ Phần thu gồm một transistor quang đặt ngay tại tiêu điểm của thấu kính hội tụ thu mhằm
mục đích tập trung ánh sáng rọi vào trasistor. Transistor quang thu được nối vào mạch ra để
tạo mức logic ở ngõ ra.
- Một số dạng của cảm biến quang trong công nghiệp
:
Sau đây là một số dạng của cảm biến quang trong công nghiệp của hãng OMRON:

Hình 2.11 Dạng thu phát chung không cần gương phản xạ
Đ
ầu thu
R
Mạch ra
Led phát
Transistor
q
uan
g
thu
Thấu kính
ho
ä
i tu
ï
Đầu
p
hát
Hình 2.10.a Cấu ta
ï
o cảm biến
q
uan
g
da
ï
n
g
thu

p
ha
ù
t riên
g

R

Led
p
hát
Transistor
q
uan
g
thu
Thấu kính
hội tụ
Cảm biến
thu
p
hát
Hình 2.10.b Cấu tạo cảm biến
q
uan
g
dạn
g
thu
p

hát chun
g

Mạch ra

70





Hình 2.12 Dạng thu phát riêng




Hình 2.13 Dạng thu phát chung có gương phản xạ




Hình 2.14 Cảm biến sợi quang
- Cấu trúc mạch ra của cảm biến quang
:

1
8
3
Mạch cảm
biến
Tải
GND
10-
Nâu
Đen
Xanh
Đèn báo
Hình 2.15 Mach ra kiểu transistor NPN cưc thu để hở
1
8
3
Mạch cảm
biến
Tải
GND
10-30VDC
Nâu
Đen

Xanh
Đèn báo
Hình 2.16 Ma
ï
ch ra kiểu transistor PNP cư
ï
c thu để hở

71

II.2
Ứng Dụng Của Cảm Biến Quang
:

Dùng để phát hiện sự vật thể tại một vò trí đònh trước như: dùng làm cảm biến phát
hiện sản phẩm trong các hệ thống đếm sản phẩm và đóng thùng sản phẩm, phát hiện có vật
cản ngay cửa của các thang máy, phát hiện chấm đen ở đầu bao bì trong các hệ thống đóng
gói sản phẩm, dùng đo tốc độ động cơ … Dưới đây trình bày một số ví dụ ứng dụng của cảm
biến quang.
Ví dụ 1
: Ứng dụng cảm biến quang để phát hiện đầu vật liệu trong hệ thống cắt sản phẩm
theo chiều dài

Hình 2.17 Hệ thống cắt sản phẩm theo chiều dài
Ví dụ 2
: Ứng dụng cảm biến quang để phát hiện chấm đen ở đầu bao bì trong hệ thống đóng
gói sản phẩm.

Hình 2.18 Hệ thống đóng gói bao bì
Ví dụ 3

: Ứng dụng cảm biến quang để phát hiện hộp sữa bằng giấy trên băng tải trong hệ
thống sản xuất sữa hộp giấy (hình 2.19).
Dao cắt
Cảm biến quang
PLC
Cảm biến quang
Chấm đen
Dao cắt
Rulo kéo phim

72
Ví dụ 4: Ứng dụng cảm biến quang để phát hiện thực phẩm trên băng tải trong hệ thống sản
xuất thực phẩm (hình 2.20).
Ví dụ 5
: Ứng dụng cảm biến quang để phát hiện chai trên băng tải và đếm số chai trong hệ
thống sản xuất nước uống (hình 2.21).

Hình 2.19 Phát hiện hộp sữa.

Hình 2.20 Phát hiện thực phẩm.

Hình 2.21 Phát hiện và đếm chai.


Cảm biến quang
Hộp sữa
Băng tải
Thành băng tải
Cảm biến quang
Băng tải

Thực phẩm
Cảm biến quang
Băng tải
Gương phản xạ

73

III.
CẢM LÂN CẬN (Proxmity Sensor) VÀ ỨNG DỤNG
:
III.1
Cảm Biến Lân Cận Dạng Điện Cảm
:
a. Cấu tạo
:
Cảm biến lân cận dạng điện cảm có cấu tạo gồm 4 bộ phận chính như hình 3.1








- Đầu phát hiện gồm 1 cuộn dây quấn trên lõi sắt từ có nhiệm vụ tạo ra từ trường biến
thiên trong không gian phía trước. Cấu tạo và cách bố trí cuộn dây và lõi sắt của đầu phát
hiện như hình 3.2

- Mạch dao động có nhiệm vụ tạo dao động điện từ tần số radio.
- Mạch phát hiện mức dùng để so sánh biên độ tín hiệu của mạch dao động.
- Mạch ngõ ra dùng để tạo mức logic cho tín hiệu ngõ ra của cảm biến.
b. Nguyên lý hoạt động của cảm biến lân cận điện cảm
:
Khi có mục tiêu cần phát hiện (đối tượng) bằng kim loại tới gần cảm biến (vào vùng
từ trường biến thiên của cảm biến), từ trường biến thiên do mạch dao động gây ra tập trung
ở lõi sắt sẽ gây nên một dòng điện xoáy trên bề mặt của đối tượng. Dòng điện xoáy sinh ra
trên bề mặt đối tượng tạo nên một tải làm giảm biên độ tín hiệu của mạch dao động. Khi
biên độ của tín hiệu ao động nhỏ hơn một ngưỡng đònh trước, mạch phát hiện mức sẽ tác
động mạch ngõ ra để đặt trạng thái ngõ ra lên ON. Khi đối tượng rời khỏi vùng từ trường của
cảm biến, biên độ tín hiệu ở mạch dao động tăng lên, khi tín hiệu ở mạch dao động có biên
Đầu phát
hiện
Mạch dao
động
Mạch phát
hiện mức
Mạch ngõ raMục tiêu
Hình 3.1 Cấu tạo của cảm biến lân cận điện cảm
Hình 3.2 Cấu tạo của đầu phát hiện
Cuộn dâyVỏ bọc Lõi sắt từ
Bố trí của đầu
phát hiện

74
độ lớn hơn ngưỡng, mạch phát hiệm mức sẽ tác động mạch ngõ ra tạo trạng thái ngõ ra là
OFF. Hoạt động của cảm biến được minh hoạ như hình 3.3

c. Một số dạng cảm biến lân cận điện cảm trong công nghiệp
:
Sau đây là một số dạng của cảm biến lân cận điện cảm trong công nghiệp của hãng
OMRON.





Hình 3.4 Cảm biến lân cận điện cảm dạng tròn


Hình 3.4 Cảm biến lân cận điện cảm dạng vuông
III.2
Cảm Biến Lân Cận Dạng Điện Dung
:
a. Cấu tạo
:
Cảm biến lân cận dạng điện dung có cấu tạo gầm 4 phần tử như cảm biến lân cận
dạng điện cảm như hình 3.5:

Đối tượng
Cảm biến
Tín hiệu
mạch dao
Sóng ra
Mạch ra OFF ON
Mức tác động
Hình 3.3 Hoat động của cảm biến

75








Đầu phát hiện trong cảm biến lân cận điện dung là một bản cực của tụ điện.
b. Nguyên lý hoạt động của cảm biến lân cận điện dung
:
Khi mục tiêu cần phát hiện di chuyển đến gần đầu phát hiện của cảm biến sẽ làm
điện dung của tụ điện (được tạo bởi một bản cực là bề mặt của đầu thu và bản cực còn lại
chính là đối tượng) C bò thay đổi. Khi điện dung của tụ điện bò thay đổi thì mạch dao động sẽ
tạo ra tín hiệu dao động. Khi tín hiệu dao động có biên độ lớn hơn một ngưỡng đặt trước
mạch phát hiện mức sẽ điều khiển mạch ra ở trạng thái ON. Khi đối tượng ở xa cảm biến,
biên độ tín hiệu ở mạch dao động sẽ nhỏ, mạch phat hiện mức sẽ điều khiển mạch ra ở trạng
thái OFF.
c. Một số dạng của cảm biến lân cận điện dung
:

Dưới đây giới thiệu một số dạng cảm biến lân cận điện dung:






Hình 3.6 Một số dạng cảm biến lân cận điện dung của hãng OMRON
III.3
Cấu Trúc Mạch Ra Của Cảm Biến Lân Cận
:






Đầu phát
hiện
Mạch dao
động
Mạch phát
hiện mức
Mạch ngõ ra Mục tiêu
Hình 3.5 Cấu tạo của ca
û
m biến lân cận điện dung
100
Mạch cảm biến
Tải

24 VDC
OUT
0 V
Hình 3.7 Mạch ra dạn
g
NPN cực thu để hở

76








III.4
Ứng Dụng Của Cảm Biến Lân Cận:

- Cảm biến lân cận điện cảm được dùng để phát hiện sự xuất hiện của một vật thể kim
loại tại một vò trí xác đònh trước (vò trí đặt cảm biến) như: Phát hiện Cabin thang máy tại các
tầng, phát hiện chai nước ngọt có nắp hay không (Nắp của chai nước ngọt làm bằng kim
loai), xác đònh vò trí hai đầu mút của mũi khoan, phát hiện trạng thái đóng hay mở van, đo
tốc độ quay của động cơ, phát hiện trạng thái đóng- mở của các xi lanh …
- Cảm biến lân cận điện ung được dùng để phát hiện sự xuất hiện của một vật thể kim loại
hoặc phi kim loại tại một vò trí xác đònh trước (vò trí đặt cảm biến) như: Phát hiện thủy tinh,
nhựa, chất lỏng …
- Dưới đây trình bày một số ví dụ ứng dụng cảm biến lân cận.
Ví dụ 1
: Dùng cảm biến lân cận điện cảm đo tốc độ động cơ hình 3.9

Ví dụ 2
: Dùng cảm biến điện dung để xác đònh mức của chất lỏng hình 3.10.
Ví dụ 3
: Dùng cảm biến điện dung để phát hiện hộp sữa không đầy trong dây chuyền sản
xuất sửa hộp hình 3.11.




Hình 3.9 Ứng dụng cảm biến điện cảm trong hệ thống đo tốc độ động cơ





Tải
24 VDC
OUT
0 V
Hình 3.8 Mạch ra dạn
g
PNP cực thu để hở
100
Mạch cảm biến
Động cơ
Cảm biến

77

Hình 3.10 Ứng dụng cảm biến điện dung để phát hiện hộp sữa không đầy


Hình 3.11 Ứng dụng cảm biến lân cận điện dung để phát hiện mức chất lỏng.
IV.
CẢM BIẾN NHIỆT ĐỘ:

IV.1
Cảm Biến Nhiệt Điện Trở
:
Cảm biến nhiệt điện trở là cảm biến có điện trở thay đổi theo nhiệt độ. Cảm biến
nhiệt điện trở có 2 loại:
- Cảm biến nhiệt điện trở kim loại.
- Thermistor.
Cảm biến
Xy lanh
PLC
Hồ chứa
Van xả
Bơm
Cảm biến
Cảm biến
Ốâng nhựa

78
a. Cảm biến nhiệt điện trở kim loại:
a.1 Cấu tạo của cảm biến nhiệt điện trở kim loại
:
Cảm biến nhiệt điện trở kim loại gồm một dây dẫn bằng kim loại như: Platin, Niken,
Đồng quấn trên một lõi cách điện như hình 4.1.

a.2 Hoạt động và phương trình chuyển đổi của cảm biến nhiệt điện trở kim loại
:
Khi nhiệt độ của cảm biến thay đổi, điện trở của cảm biến thay đổi theo phương trình
(4.1):
)1.4()1()(
32
0
CTBTATRTR +++=
Trong đó T đo bằng
o
C, R(T) là điện trở của cảm biến ở nhiệt độ T, R
0
là điện trở của
cảm biến ở 0
o
C, A, B, C là các hằng số và được xác đònh bằng cách đo điện trở của cảm
biến tại các nhiệt độ đã biết trước. Ở nhiệt độ thấp, phương trình chuyển đổi của cảm biến là
tuyến tính (4.2)

)2.4()1()(
0
TRTR
α

+
=

Với α là hệ số nhiệt của điện trở, tuỳ thuộc vào kim loại như ở bảng sau:
Kim loại Platin Đồng Niken
α (/
o
C) 3,9.10
-3
4,3.10
-3
5,4.10
-3
Do tính chất của các kim loại dùng chế tạo cảm biến có tính chất lý hoá khác nhau
nên tầm đo của các cảm biến sủ dụng các kim loại khác nhau cũng khác nhau.
Cảm biến Platin Đồng Niken
Tầm đo
(
o
C)
-200 - 1000

< 100

< 300

Do bạch kim có độ bền vật lý cao và không bò oxy hoá nên cảm biến nhiệt điện trở
bạch kim là thông dung nhất. Các cảm biến nhiệt điện trở dùng bạch kim thường được chết
tạo có điện trở R
o

là 100; 200; 500; 1000 [Ω]. Cảm biến nhiệt điện trở kim loại như hình 4.2.

Vỏ cảm biến
Dây kim loại
Sứ cách điện
Bột cách điện và đònh hình
Hình 4.1 : Cấu tạo của cảm biến nhiệt điện trở kim loại trong công nghiệp

79






Hình 4.2 Cảm biến nhiệt điện trở kim loại.
a.3 Mạch đo sử dụng cảm biến nhiệt điện trở kim loại
:
Để chuyển sự thay đổi điện trở của cảm biến theo nhiệt độ thành sự thay đổi điện áp, ta kết
nối cảm biến với mạch đo như hình 4.3.
VCC
Vo
R
R
R
Rx
+
-
OP-07
3

2
6
7
1
4
8
R1
R3
R2
R4

Hình 4.3: Mạch đo dùng cảm biến nhiệt điện trở.
Gọi Rx = R+∆R là điện trở của cảm biến. Với R là điện trở của cảm biến ở 0 [
o
C],
chọn R
1
= R
3
, R
2
= R
4
thì điện áp ngõ ra của mạch đo là:
)3.4(
2)22
1
2
1
2

1
2
Vcc
RR
R
R
R
Vcc
RR
RR
R
R
V
o








∆+
∆
−=







−
∆+
∆+
−=

b. Thermistor
:
b.1 Cấu tạo của Thermistor
:
Thermistor được chế tạo từ các hỗn hợp oxyt bán dẫn đa tinh thể như: MgO, MgAl
2
O
4
,
Mn
2
O
3
, Fe
3
O
4
, Co
2
O
3
, NiO, ZnTiO
4
dưới dạng bột và được trộn với nhau theo một tỷ lệ nhất

đònh. Sau khi trộn với nhau, người ta nén đònh dạng hỗn hợp thành phiến và nung ở nhiệt độ
1000
o
C. Trên bề mặt của phiến sau khi nung, người ta hàn các dây nối và phủ lên mặt phiến
một lớp kim loại.


Hình 4.4: Thermistor
b.2 Phương trình chuyển đổi của Thermistor
:
Khi nhiệt độ của Thermistor thay đổi thì điện trở của nó thay đổi theo phương trình:
)4.4()(
0
11
0








−
=
TT
eRTR
β

Phiến bán dẫn

Dây nối
Màng kim loại

80
R(T) và R
0
là điện trở ở nhiệt độ T và T
0
, T được đo theo thang
o
K. β là hằng số có
giá trò từ 3000 đến 5000 tuỳ thuộc vào cách chế tạo.
Thermistor hoạt động trong khoảng nhiệt độ từ 50 đến 150
o
C. Tuy nhiên do tính phi
tuyến của nó nên người ta không dùng để đo nhiệt độ mà thường dùng trong các mạch cảnh
báo quá nhiệt độ hay mạch bù nhiệt.
VCC
VCC
Tín hiệu cảnh báo
Q1
Rx
R1 R2
+
-
LM339
7
6
1
3 12

R3
13
2

Hình 4.5: Mạch cảnh báo nhiệt độ dùng thermistor
c. Cảm biến nhiệt độ bán dẫn
:
c.1 Cấu tạo của cảm biến nhiệt độ bán dẫn
:
Cảm biến nhiệt độ bán dẫn được chế tạo gồm các tiếp giáp P-N, kết hợp với mạch đo
rồi tích
hợp thành các vi mạch. Bảng sau giới thiệu một số vi mạch đo nhiệt độ thông dụng của hãng
National Semiconductor.
Tên vi mạch Tầm đo Độ chính xác Độ nhạy
LM 34 -50 -> 300
o
F ± 3
o
F 10 mV/
o
F
LM 35A -55 -> 150
o
C ± 1
o
C 10 mV/
o
C
LM 45B -20 -> 150
o

C ± 2
o
C 10 mV/
o
C
LM 135A -55 -> 150
o
C ± 1,3
o
C 10 mV/
o
K
LM 335A -40 -> 150
o
C ± 2
o
C 10 mV/
o
K

Hình 4.6: Hình dạng, sơ đồ chân của vi mạch LM 335

81
c.2 Hoạt động và phương trình chuyển đổi của cảm biến nhiệt độ bán dẫn:
Cảm biến bán dẫn hoạt động trên nguyên tắc của tiếp giáp P-N.



Hình 4.7 Tiếp giáp P-N.
Phương trình chuyển đổi của tiếp giáp P –N

)5.4(1
.
0








−=
KT
Vq
D
AK
eII
Trong đó: q là điện tích của 1 điện tử, K là hằng số Brizman, T là nhiệt độ tuyệt đối
o
K, I
o
là dòng điện ngược.
Phương trình (4.5) có thể viết lại:
)6.4(ln
0
0









+
=
I
II
q
KT
V
D
AK

Với một tiếp giáp cụ thể thì I
0
là hằng số. Nếu ta cho một dòng điện không đổi I
D

chảy qua tiếp giáp P-N thì V
AK
phụ thuộc tuyến tính vào nhiệt độ của tiếp giáp.







Phương trình chuyển đổi của cảm biến:

)7.4(])[273.(][. CtsKTsV
oo
o
+==
c.3 Mạch đo dùng cảm biến nhiệt độ bán dẫn
:
Vcc
Vcc
Vo
1 3
2
+
-
3
2
6
7
1
4
8
13
2
LM 335
2,73 V

Hình 4.9: Mạch đo nhiệt độ dùng vi mạch bán dẫn.

d. Cặp nhiệt điện (Thermocouple)
:
d.1 Cấu tạo của Thermocouple

:
Thermocouple gồm 2 kim loại khác nhau được hàn chung với nhau ở một đầu gọi là đầu
nóng, hai đầu còn lại không hàn chung gọi là đầu lạnh hay đầu chuẩn.
NP
V
AK
V
AK
I
D
Hình 4.8: Mạch nguyên lý của cảm biến vi mạch
V
AK

Mạch đo

V
o