Bài giảng điện tử: Cảm biến pps

Chương 7:
CẢM BIẾN (SENSOR)
Giảng viên: NINH VĂN TIẾN

Nội dung

7. 1 Khái quát

7.2 Cảm biến tiệm cận

7.1 .KHÁI QUÁT
7.1.1 Khái niệm & phân loạn
7.1.2 Phân loại cảm biến
7.1.3. Đường cong chuẩn của cảm biến

7.1.1 Khái niệm

Cảm biến là thiết bị dùng để cảm nhận biến đổi các đại lượng vật lý
và các đại lượng không có tính chất điện cần đo thành các đại
lượng có thể đo và xử lý được.

Các đại lượng đo (M) thường không có tính chất điện (như nhiệt
độ, áp suất, trọng lượng…) tác động lên cảm biến cho ta đại lượng
đặc trưng (S) mang tính chất điện như (như điện tích, điện áp,
dòng điện hay trở kháng) chứa đựng thông tin cho phép xác định
giá trị của đại lượng đó.

Đặc trưng (s) là hàm của đại lượng cần đo (M)
S = F(M)


Người ta gọi (S) là đại lượng đầu ra hoặc phản ứng của cảm biến.
(M) là đại lượng đầu vào hay kích thích ( có nguồn gốc đại lượng
cần đo). Thông qua đo đạc (S) cho phép nhận biết giá trị (M)

7.1.2 Phân loại cảm biến

Các bộ cảm biến được phân loại theo đặc trưng sau
đây:

Theo nguyên lý chuyển đổi giữa đáp ứng kích thích.

Phân loại theo dạng kích thích

Phân loại theo phạm vi sử dụng

Phân loại theo thông số mô hình mạch thay thế

Theo nguyên lý chuyển đổi giữa đáp
ứng kích thích
Hiện tượng Chuyển đổi và đáp ứng kích thích
Vật lý - Nhiệt điện; - Quang điện; - Quang từ
- Điện từ; - Quang đàn hồi; - Từ điện
- Nhiệt từ
Hoá học - Biến đổi hoá học ; - Biến đổi điện hoá
- Phân tích phổ…
Sinh Học - Biến đổi sinh hoá; - Biến đổi vật lý.
- Hiệu ứng trên cơ thể sống

Phân loại theo dạng kích thích
Âm

thanh
-Biên pha, phân cực; -Phổ; -Tốc độ truyền sóng
Điện -Điện tích, dòng điện; -Điện thế, điện áp
-Điện trường; -Điện dẫn, hằng số điện môi
Từ -Từ trường; -Từ thông, cường độ điện trường; -Độ từ
thẩm
Quang -Biên, pha, phâ 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; -Moment; -Khối luợng tỷ trọng
-Vân tốc chất lưu, độ nhớt…
Nhiệt -Nhiệt độ; -Thông lượng; -Nhiệt dung, tỉ nhiệt
Bức xạ -Kiểu; -Năng lượng; -Cường độ

Theo tính năng của bộ cảm biến

Độ nhạy

Độ chính xác

Độ phân giải

Độ chọn lọc

Độ chính xác

Độ tuyến tính

Công suất tiêu thụ


Dãi tần

Độ trễ

Theo tính năng của bộ cảm biến

Độ nhạy

Độ chính xác

Độ phân giải

Độ chọn lọc

Độ chính xác

Độ tuyến tính

Công suất tiêu thụ

Dải tần

Độ trễ

Khả năng quá tải

Tốc độ đáp ứng

Độ ổn định


Tuổi thọ

Điều kiện lựa chọn

Kích thước, trọng lượng

Phân loại theo phạm vi sử dụng

Khả năng quá tải

Tốc độ đáp ứng

Độ ổn định

Tuổi thọ

Điều kiện lựa chọn

Kích thước, trọng lượng

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

Vũ trụ

Quân sự

Phân loại theo thông số mô hình
mạch thay thế

Cảm biến tích cực đầu ra là nguồn áp, nguồn dòng
(NPN, PNP…)

Cảm biến thụ động được đặc trưng bởi thông số R, L, C,
M… tuyến tính hoặc phi tuyến

Đường cong chuẩn của cảm biến là đường cong được
biểu diễn sự phụ thuộc vào đại lượng điện (S) ở đầu ra
của cảm biến vào giá trị của đại lượng đo (m) ở đầu
vào.

7.1.3. ng cong chun ca
cm bin

ng cong c biu th biu din bng biu thc i
s di dng S = F (M) hoc bng th sau õy:
00
s
s

mm
a) b)
Hinh 1:ẹửụứng cong chuaồn cuỷa caỷm bieỏn

7.1.3. Đường cong chuẩn của
cảm biến

Dạng đường cong chuẩn

Dựa vào đường cong chuẩn của cảm biến, ta có thể xác định
giá trị chuẩn Mi chưa biết của M thông qua giá trị đo được Si
của S

Để dễ sử dụng, người ta thường chế tạo cảm biến có sự phụ
thuộc tuyến tính giữa đại lượng đầu ra và đầu vào, phương
trình S = F(M) có dạng S = AM+B với A,B là các hệ số, đường
cong chuẩn là đường thẳng

7.2 CẢM BIẾN TIỆM CẬN

7.2.1 Đặc điểm

7.2.2 Các thuật ngữ thường sử dụng

7.2.3 Cảm biến tiệm cận cảm ứng

7.2.4 Cảm biến tiệm cận điện dung

7.2.5 Cảm biến quang


7.2.6 Các ứng dụng cảm biến trong công nghiệp

7.2.1.Đặc điểm

Phát hiện vật không cần tiếp xúc

Tốc độ đáp ứng nhanh

Đầu cảm biến nhỏ có thể lắp đặt nhiều nơi

Có thể sử dụng trong môi trường khắc nghiệt

7.2.2. Các thuật ngữ thường sử
dụng

Vật chuẩn (standard sensing object)

Khoảng cách phát hiện (sensing distance)

Khoảng cách cài đặt (Setting distance)

Thời gian đáp ứng (Response time)

Tần số đáp ứng (Response Frequency)

Vật chuẩn (standard sensing
object)

Một vật được là vật chuẩn nếu hình dạng, vật liệu kích
cỡ… của vật liệu phải phù hợp để phát huy hết đặc tính

kỹ thuật của sensor.

Khoảng cách phát hiện (sensing
distance)

là khoảng cách từ bề mặt cảm biến ở đầu sensor tới vị
trí vật chuẩn xa nhất mà sensor có thể phát hiện được.
Đối
tượng
Cảm
Biến
OFF ON
Bề mặt
cảm
biến
biến
Cảm biến
tiệm cận
Khoảng cách
Phát hiện
Khoảng cách Reset

Khoảng cách cài đặt (Setting
distance)
Đối
tượng
của
Cảm
Biến
Cảm biến tiệm

cận
Ngõ
ra
Bề mặt cảm biến
Khoảng cách ước
lượng
Khoảng cách cài
đặt

là khoảng cách từ bề
mặt cảm biến ở đầu
sensor tới vị trí vật
cảm biến để sensor có
thể phát hiện vật ổn
định (thường khoảng
cách này bằng 70-
80% khoảng cách
phát hiện)

Thời gian đáp ứng (Response
time)
Đối
tượng
của
Cảm
Biến
Cảm biến tiệm
cận
Ngõ
ra

Bề mặt cảm
biến
Dãi hoạt
động
T1 T2
Trong dãi hoạt
động
Ngoài dãy
hoạt
động
ON
OFF
T1: Khoảng thời
gian từ lúc đối
tượng chuẩn
chuyển động đi
vào vùng phát hiện
của sensor tới lúc
đầu ra của sensor
lên ON
T2: Khoảng thời
gian từ lúc đối
tượng chuẩn
chuyển động đi ra
khỏi vùng phát
hiện của sensor tới
khi đầu ra của
sensor tắt về

Tn s ỏp ng (Response

Frequency)

l s ln tỏc ng lp li khi cm bin i vo vựng
hot ng ca senso

Khoaỷng caựch ẵ
caỷm bieỏn
Vaọt caỷm bieỏn

2M

M

zM
T1 T2
T3
f =1/T1 +T2

7.2.3 Cảm biến tiệm cận cảm
ứng

Cảm biến cảm ứng từ gồm có 4 khối chính:

Cuộn dây và lõi Fefit

mạch dao động

mặt phát hiện

mặt đầu ra

7.2.3 Cảm biến tiệm cận cảm
ứng

Mạch dao động phát dao động điện từ tần số radio. Từ
trường biến thiên tập trung từ lõi sắt sẽ móc vòng qua
đối tượng kim loại đặt đối diện với nó. Khi đối tượng lại
gần sẽ có dòng điện Foucaul cảm ứng lên trên mặt đối
tượng tạo nên một tải gỉm tín hiệu dao động. Bộ phát
hiện sẽ phát hiện sự thay đổi trạng thái biên độ mạch
dao động. Mạch phát hiện ở vị trí ON phát tín hiệu mặt
đầu ra ở vị trí ON

Từ trường do cuộn dây cảm biến thay đổi khi tương tác
với vật thể bằng kim loại. Do đó, loại cảm biến này chỉ
phát hiện vật thể bằng kim loại.

7.2.3 Cảm biến tiệm cận cảm
ứng

Đặc điểm:

Phát hiện vật không cần tiếp xúc

Đầu cảm biến nhỏ có thể lắp đặt nhiều nơi

Tốc độ đáp ứng nhanh

Làm việc trong môi trường khắc nghiệt


Làm việc theo nguyên lý cảm ứng từ, do đó dễ bị ảnh hưởng
của nguồn nhiễu hay ảnh hưởng của nguồn ký sinh