BÁO cáo môn học điều KHIỂN QUÁ TRÌNH đề tài tìm HIỂU về cảm BIẾN vị TRÍ và DỊCH CHUYỂN

TỔNG LIÊN ĐỒN LAO ĐỘNG VIỆT
NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC TƠN ĐỨC
THẮNG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BÁO CÁO MÔN HỌC

ĐIỀU KHIỂN Q TRÌNH
ĐỀ TÀI: TÌM HIỂU VỀ CẢM BIẾN VỊ TRÍ VÀ
DỊCH CHUYỂN
NHĨM 13

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, NĂM 2022


LỜI CẢM ƠN
Chúng em xin chân thành cám ơn thầy TS. Lê Anh Tuấn đã tận tình giảng dạy
giúp chúng em có nền tảng vững chắc để hồn thành đề tài này!

ii


DANH SÁCH NHĨM
Tên

Nguyễn Hồng Anh
(nhóm trưởng)

Nguyễn Thanh Như

Trần Trà My

Lê Nhật Nguyên

Nguyễn Anh Đức


iii


Mục Lục
CHƯƠNG 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT....................................................................................5
ĐIỆN THẾ KẾ ĐIỆN TRỞ.......................................................................................5
1.1.1

Định nghĩa...........................................................................................................5

1.1.2

Cấu tạo và nguyên lí làm việc............................................................................. 5

1.1.3

Các đặc trưng......................................................................................................6

1.1.4

Ưu điểm, nhược điểm và ứng dụng.....................................................................7

CẢM BIẾN ĐO DỊCH CHUYỂN BẰNG SĨNG ĐÀN HỒI...................................9
1.2.1

Khái niệm............................................................................................................ 9

1.2.2

Ngun lí hoạt động............................................................................................ 9

1.2.3

Ưu điểm và nhược điểm.................................................................................... 10

1.2.4

Ứng dụng thực tế...............................................................................................11

CẢM BIẾN ĐIỆN CẢM......................................................................................... 19
1.3.1

Định nghĩa.........................................................................................................19

1.3.2

Ứng dụng...........................................................................................................22

CẢM BIẾN ĐIỆN DUNG.......................................................................................23
1.4.1

Định nghĩa.........................................................................................................23

1.4.2

Cảm biến tụ điện đơn........................................................................................ 23

1.4.3

Cảm biến tu kép vi sai.......................................................................................25

1.4.4

Cảm biến mạch đo.............................................................................................25

1.4.5

Ứng dụng...........................................................................................................26

CẢM BIẾN QUANG.............................................................................................. 27
1.5.1

Định nghĩa.........................................................................................................27

1.5.2

Cấu tạo và nguyên lí hoạt động........................................................................ 28

1.5.3

Các loại cảm biến quang...................................................................................28

1.5.4

Ứng dụng của cảm biến quang......................................................................... 32

CHƯƠNG 2. XÂY DỰNG MƠ HÌNH.............................................................................33
2.1.1

Linh kiện sử dụng trong mạch:..........................................................................33

2.1.2

Thiết kế mạch.................................................................................................... 35

iv


BÁO CÁO ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH
Trang 5

CHƯƠNG 1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
ĐIỆN THẾ KẾ ĐIỆN TRỞ
1.1.1 Định nghĩa
Loại cảm biến này có cấu tạo đơn giản, tín hiệu đo lớn và khơng địi hỏi mạch điện
đặt biệt để xử lý tín hiệu. Tuy nhiên với các điện kế điện trở có con chạy cơ học có
sự cọ xát gây ồn gây mòn, số lần sử dụng thấp và chịu ảnh hưởng lớn của mơi
trường khi có bụi ẩm
1.1.2 Cấu tạo và nguyên lí làm việc
Cảm biến gồm một điện trở cố định Rn, trên đó có một tiếp xúc điện có thể di
chuyển được gọi là con chạy. Con chạy được liên kết cơ học với vật chuyển động
cần khảo sát. Giá trị điện trở Rx giữa con chạy và một đầu của điện trở Rn là hàm
phụ thuộc vào vị trí con chạy, cũng chính là vị trí của vật chuyển động.

Các điện trở được chế tạo có dạng cuộng dây hoặc băng dẫn.

BÁO CÁO ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH
Trang 6

Các điện trở dạng cuộn dây thường được chế tạo từ các hợp kim Ni – Cr, Ni – Cu –
Fe, Ag – Pd quấn thành vòng xoăn dạng lò xo trên lõi cách điện (bằng thủy tinh,
gốm hoặc nhựa), giữa các vòng dây cách điện bằng emay hoặc lớp oxyt bề mặt.
Các điện trở băng dẫn được chế tạo bằng chất dẻo trộn bột dẫn điện là cácbon hoặc
kim loại cỡ hạt ~10^-2um.
Các điện trở được chế tạo với các giá trị Rn nằm trong khoảng 1k Ohm đến 100k
Ohm, đôi khi đạt tới M Ohm.
Các con chạy phải đảm bảo tiếp xúc điện tốt, điện trở tiếp xúc phải nhỏ dần và ổn
định.
1.1.3 Các đặc trưng

Khoảng chạy có ích của con chạy:
Thơng thường ở đầu hoặc cuối đường chạy của con chạy tỉ số Rx/Rn khơng ổn định.
Khoảng chạy có ích là khoảng thay đổi của x mà trong khoảng đó là Rx là hàm
tuyến tính của dịch chuyển.


BÁO CÁO ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH
Trang 7

Năng suất phân giải:
Đối với điện trở dây cuốn, độ phân giải xác định bởi lượng dịch chuyển cực
đại cần thiết để đưa con chạy từ vị trí tiếp xúc hiện tại sang vị trí tiếp xúc lân cận
tiếp theo. Giả sử cuộn dây có n vịng dây, có thể phân biệt 2n-2 vị trí khác nhau về
điện của con chạy:

N vị trí tiếp xúc với một vịng dây.
N – 2 vị trí tiếp xúc với hai vòng dây.
Độ phân giải của điện trở dạng dây phụ thuộc vào hình dạng và đường kính
của dây điện trở và khoảng ~10um.
Độ phân giải của các điện trở kiểu băng dẫn phụ thuộc vào kích thước hạt,
thường vào cỡ ~0,1um.
Thời gian sống:
Thời gian sống của điện kế là số lần sử dụng của điện thế kế. Nguyên nhân
gây ra hư hỏng và hạn chế thời gian sống của điện thế kế là sự mài mòn con chạy
và dây điện trở trong quá trình làm việc. Thường thời gian sống của điện thế kế
dạng dây dẫn vào cỡ 10^6 lần, điện thế kế dạng băng dẫn vào cỡ 5.10^7 – 10^8
lần.

1.1.4 Ưu điểm, nhược điểm và ứng dụng
*Ưu điểm
Rẻ tiền.
Cấu tạo đơn giản, dễ sử dụng
Đo được khoảng dịch chuyển lớn.
*Nhược điểm
Bị ảnh hưởng của bụi và ẩm.


BÁO CÁO ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH
Trang 8

Tuổi thọ kém, mau bị hao mòn.
*Ứng dụng: Đo mực chất lỏng


BÁO CÁO ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH

Trang 9

CẢM BIẾN ĐO DỊCH CHUYỂN BẰNG SĨNG ĐÀN HỒI
1.2.1 Khái niệm
Siêu âm là sóng cơ học có tần số lớn hơn tần số âm thanh nghe thấy ( trên 20kHz). Thính
giác của con người rất nhạy cảm với dải tần số từ âm trầm( vài chục Hz)đến các âm thanh
rất cao( gần 20kHz).

1.2.2 Nguyên lí hoạt động
Cảm biến siêu âm sử dụng nguyên lý phản xạ sóng siêu âm.
Là loại cảm biến sử dụng sóng siêu âm phát ra từ đầu cảm biến tác động lên một mặt phẳng
như mặt nước, tấm kính, vách tường, mặt phẳng các loại dung dịch miễn là có diện tích đủ
lớn, từ đó sẽ xác định được khoảng cách từ đầu cảm biến đến mặt phẳng, khi khoảng cách
thay đổi thì tín hiệu ngõ ra của cảm biến xuất ra cũng thay đổi theo, với dạng tín hiệu là 420mA hoặc 0-10VDC đưa về bộ điều khiển hoặc bộ hiển thị.
Cảm biến gồm 2 phần : phần phát r sóng siêu âm và phần thu sóng siêu âm phản xạ về.
Cảm biến sẽ phát ra 1 sóng siêu âm . nếu có chướng ngại vật trên đường đi, sóng siêu âm
sẽ phản xạ lại và tác động lên module nhận sóng.
Đo khoảng cách từ lúc phát và nhận sóng ta sẽ tính được khồng cách từ cảm biến đến
chướng ngại vật
Công thức :
0=

v:

vận tốc siêu âm( 343m/s trong khơng khí)

t:

thời gian từ lúc phát đến lúc thu

BÁO CÁO ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH
Trang 10

1.2.3 Ưu điểm và nhược điểm
*Ưu điểm






Đo khoảng cách rời rạc của vật di chuyển
Ít bị ảnh hưởng bởi vật liệu và bề mặt
Khơng ảnh hưởng bởi màu sắc
Tín hiệu đáp ứng tuyến tính với khoảng cách



Có thể phát hiện vật nhỏ ở khồng cách xa
*Nhược điểm

 Sóng đàn hồi bị ảnh hưởng của sóng âm (tạp âm)
 Cần 1 khoảng thời gian sau mỗi lần phát sóng đi để nhận xong phản
hồi => Chậm hơn các cảm biến khác
 Khó phát hiện vật có mật độ vật thấp ở khoảng cách xa


BÁO CÁO ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH
Trang 11

1.2.4 Ứng dụng thực tế

SRF05 là một cảm biến siêu âm có chức năng phát ra sóng siêu âm và nhận sóng
siêu âm phản hồi ngược lại khi có vật cản. Do vậy, cảm biến siêu âm SRF05 được
coi như một cảm biến khoảng cách, ứng dụng trong việc đo khoảng cách, hay sử
dụng để phát hiện, né tránh vật cản.
Thông số kĩ thuật:
-

Điện áp hoạt động: 5VDC

-

Khoảng cách phát hiện: 2cm – 450cm

-

Độ chính xác: ± 0.2cm

-

Tín hiệu kích hoạt đầu vào: 10us xung TTL

-

Kích thước: 43mm x 20mm x 17m

Nguyên lý hoạt động:

BÁO CÁO ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH
Trang 12

Cảm biến siêu âm SRF05 có 2 chế độ (mode) hoạt động.
Chế độ 1: Sử dụng chân Trigger để kích hoạt phát sóng siêu âm và chân Echo để
nhận tín hiệu phản hồi.
Ở chế độ này, 2 chân Trigger và Echo được sử dụng độc lập với nhau. Để sử dụng
chế độ này, chân Out để hở mạch (không kết nối).
Giản đồ xung của các chân cảm biến trong chế độ 1 như sau:

Để kích hoạt cảm biến SRF05 phát ra sóng siêu âm, cần tạo 1 xung có độ rộng mức
1 tối thiểu là 10us trên chân Trigger. Sau đó cảm biến siêu âm SRF05 sẽ tạo ra 8
xung để phát ra sóng siêu âm. Sau khi sóng siêu âm được phát ra, chân Echo ngay
lập tức được kéo lên mức cao. Nếu sóng siêu âm gặp vật cản và phản hồi ngược lại
cảm biến siêu âm, chân Echo sẽ được đưa xuống mức 0. Nếu độ rộng xung đo được
lớn hơn 30ms, nghĩa là khơng có vật cản, hoặc vật cản nằm ngoài khoảng cho phép
của module.

Chế độ 2: Sử dụng 1 chân Trigger để kích hoạt phát sóng siêu âm và nhận tín hiệu
phản hồi.


BÁO CÁO ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH
Trang 13

Ở chế độ này, chỉ có 1 chân Trigger được sử dụng đồng thời 2 chức năng kích hoạt
phát sóng siêu âm và nhận tín hiệu phản hồi.
Để sử dụng chế độ này, cần kết nối chân Out với 0V.
Giản đồ xung của các chân cảm biến trong chế độ 2 như sau.

Tương tự chế độ 1, để kích hoạt phát sóng siêu âm, cần tạo xung có độ rộng tối
thiểu 10us trên chân Trigger, sau đó, cảm biến siêu âm sẽ tạo ra 8 xung để phát sóng
siêu âm. Sau khi sóng siêu âm được phát đi, chân Trigger được kéo lên mức 1, trong
khoảng thời gian 100us-25ms, nếu có sóng siêu âm phản hồi, chân Trigger sẽ được
đưa xuống mức 0. Nếu độ rộng xung đo được lớn hơn 30ms, nghĩa là khơng có vật
cản, hoặc vật cản nằm ngồi khoảng cho phép của module.
Tính tốn khoảng cách
Dựa vào 2 giản đồ xung ở phần trên, ta có thể thấy việc xác định khoảng cách sẽ
được xác định bằng cách xác định độ rộng mức 1 của xung tín hiệu phản hồi trên
chân Echo (ở mode 1) hoặc chân Trigger (ở mode 2).
Từ khoảng thời gian độ rộng mức 1, ta tính ra khoảng cách (Distance) từ vật cản
đến cảm biến siêu âm SRF05 dựa vào công thức sau: Gọi thời gian độ rộng xung đo
được là t(us).
Thời gian đo độ rộng xung là thời gian từ lúc sóng truyền đi, gặp vật cản, và phản
hồi lại. Nên thời gian từ cảm biến đến vật cản là: t/2(us).


BÁO CÁO ĐIỀU KHIỂN Q TRÌNH
Trang 14

Ta có vận tốc âm thanh trong khơng khí = 343.2m/s = 0.03432cm/us.
Distance = 0.03432 * t(us)/2 (cm)
Distance ≈ t(us)/58 (cm)
Cảm biến siêu âm có thể kích hoạt phát sóng siêu âm sau mỗi 50ms. Do vậy sau
mỗi lần đo, chúng ta nên chờ 50ms rồi mới thực hiện lần đo tiếp theo.

Hình 1 Cảm biến siêu âm trong công nghiệp
Thông số kỹ thuật cảm biến siêu âm đo khoảng cách, đo mức nước.
– Nguồn cấp: 15-30VDC.

– Output: 4-20mm/0-10VDC, NPN/PNP.
– Cáp: dài 2m PVC.
– Thời gian đáp ứng: <500ms ( loại 2200mm), <50ms (loại 400mm), <125ms (loại
900mm).
– Power on delay: <300ms.
– Cấp chính xác: 1% F.S.


BÁO CÁO ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH
Trang 15

– Nhiệt độ hoạt động: -20~60 độ C.
– Góc phát sóng: 7 độ hoặc 8 độ.
– Độ phân giải: 1 mm.
– Tải định mức: 4-20mA (500 Ohm), 0-10VDC (3KOhm).
– Bán kính hoạt động: 450mm (tùy vào khoảng cách và tùy model sẽ có bán kính
hoạt động nhỏ hơn).
2. Thơng số kích thước cảm biến siêu âm.

3. Thông số phạm vi hoạt động của cảm biến siêu âm
Nhược điểm lớn nhất của cảm biến siêu âm là có phạm vi hoạt động lớn và khơng
được có bất kỳ vật cản nào trên đường đi của sóng, dù cái bể nó lớn đến mấy đi
nữa, điển hình như bồn chứa có cách khuấy.


BÁO CÁO ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH
Trang 16

Một số ứng dụng trong thực tế

BÁO CÁO ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH
Trang 17

Thiết kế cảm biến SRF05 đo khoảng cách vật cản
Sơ đồ nối mạch:


BÁO CÁO ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH
Trang 18


BÁO CÁO ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH
Trang 19

CẢM BIẾN ĐIỆN CẢM
1.3.1 Định nghĩa
- Cảm biến điện cảm là nhóm các cảm biến làm việc dựa trên nguyên lý cảm ứng
điện từ. Vật cần đo vị trí hoặc dịch chuyển được gắn vào một phần tử của mạch từ
gây nên sự biến thiên từ thông qua cuộn đo.
-

Cảm biến điện cảm được chia ra: cảm biến tự cảm và hỗ cảm.


BÁO CÁO ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH
Trang 20

+

Cảm biến tự cảm đơn gồm một cuộn dây quấn trên lõi thép cố định (phần tĩnh)

và một lõi thép có thể di động dưới tác động của đại lượng đo (phần động), giữa
phần tĩnh và phần động có khe hở khơng khí tạo nên một mạch từ hở.
+

Cấu tạo của cảm biến hỗ cảm tương tự cảm biến tự cảm chỉ khác ở chỗ có thêm

một cuộn dây đo


BÁO CÁO ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH
Trang 21


BÁO CÁO ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH
Trang 22

1.3.2 Ứng dụng
-

Dùng để phát hiện kim loại.

- Thường sử dụng trong các dây chuyền sản xuất nước giải khát, thực phẩm đóng
hộp; đếm sản phẩm, linh kiện điện tử, sản xuất linh kiện.
- Người ta có thể sử dụng cảm biến từ để đo độ dày các tạp chất bám vào thành ống
sắt từ.
- Cảm biến từ còn được ứng đụng để lắp đặt tại một số vị trí trên xe ơ tơ; với chức
năng phát hiện kim loại để cảnh báo cho tài xế lái xe tại nhưng nơi khó quan sát.
Những chiếc xe hiện đại còn chưa cảm biến từ để đo tốc độ bánh xe, tốc độ động cơ

và nhiều hơn thế nữa.
- Chúng thường được thấy trong các ứng dụng cơng nghiệp và trong thiết bị tiêu dùng.
Ví dụ: máy in, máy tính có thể sử dụng cảm biến để phát hiện nắp mở hay giấy thiếu.
- Cảm biến tiệm cận được sử dụng rất phổ biến cho các cảm biến từ. Ví dụ về điều đó
sẽ là các cảm biến cửa sổ và cửa; trong các hệ thống an ninh gia đình. Bộ cảm biến gắn
trên cửa hoặc cửa sổ hoặc cửa sổ gần cảm biến. Khi cửa hoặc cửa sổ mở ra, cảm biến sẽ
phát hiện sự vắng mặt của từ trường và truyền tin hiệu đến hệ thống an ninh.

- Cảm biến từ tính thường được sử dụng trên thang máy và thang máy; điều khiển
cổng, phát hiện mức độ và kiểm soát truy cập.
- Bên cạnh đó nhiều nơi người ta sử dụng cảm biến từ để đo thể tích chất lỏng trong
bình kín; bằng việc thả một tấm xốp có
gắn kim loại vào miệng thùng sau đó
sử dụng cảm biến từ để đo.


BÁO CÁO ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH
Trang 23

CẢM BIẾN ĐIỆN DUNG
1.4.1 Định nghĩa
Cảm biến điện dung (hoặc cảm biến điện môi) là sử dụng điện dung để đo hằng số
điện môi của môi trường xung quanh. Cấu trúc giống như đầu dò neutron nơi ống
tiếp cận được làm bằng nhựa PVC được lắp đặt trong đất; các đầu dị cũng có thể là
mô-đun (giống như lược) và được kết nối với bộ ghi.

1.4.2 Cảm biến tụ điện đơn
Các cảm biến tụ điện đơn là một tụ điện phẳng hoặc hình trụ có một bản cực gắn cố
định (bản cực tĩnh) và một bản cực di chuyển (bản cực động) liên kết với vật cần
đo. Khi bản cực động di chuyển sẽ kéo theo sự thay đổi điện dung của tụ điện.

C

C: điện dung
ε: hằng số điện môi của môi trường
ε0: hằng số điện mơi của chân khơng
s:
diện tích nằm giữa hai điện cực

=


BÁO CÁO ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH
Trang 24

δ: khoảng cách giữa hai bản cực