thiết bị & hệ thống điều khiển tự động

T
T
H
H
I
I
Ế
Ế
T
T
Đ
Đ
I
I
Ề
Ề
U
U


K
K
Đ
Đ
Ạ
Ạ
I
I


H

H
K
K
H
H
BIÊN SO

T
T
À
À
I
I


L
L
I
I
Ệ
Ệ
U
U


M
M
Ô
Ô
N

N




T
T


B
B
Ị
Ị


&
&


H
H
Ệ
Ệ


T
T
H
H
Ố

Ố
K
K
H
H
I
I
Ể
Ể
N
N


T
T
Ự
Ự


Đ
Đ
Ộ
Ộ
L
L
Ư
Ư
U
U

H
H
À
À
N
N
H
H


N
N
Ộ
Ộ
I
I


B
B
Ộ
Ộ


2
2
0
0
1

1
2
2


H
H
Ọ
Ọ
C
C


C
C
Ô
Ô
N
N
G
G


N
N
G
G
H
H
I

I
Ệ
Ệ
P
P


T
T
P
P
.
.
H
H
C
C
H
H
O
O
A
A


C
C
Ô
Ô
N

N
G
G


N
N
G
G
H
H
Ệ
Ệ


Đ
Đ
I
I
Ệ
Ệ
N
N


T
T
Ử
Ử

-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-

-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-


BIÊN SO

ẠN:
TRẦN VĂN H
ÙNG
Ố
Ố
N
N
G
G


Ộ
Ộ
N
N
G
G




C
C
M
M


ÙNG

MỤC LỤC

Chương 1 –
CÁC KHÁI NIỆM CHUNG

1.1
Khái niệm và phân loại hệ thống ñiều khiển tự ñộng
1
1.2
Các thành phần của hệ thống ñiều khiển tự ñộng
2
1.3
Các ví dụ về hệ thống ñiều khiển tự ñộng
12

Chương 2 –
CẢM BIẾN VÀ CHUYỂN ðỔI

2.1 Giới thiệu 21
2.2 ðường cong chuẩn của cảm biến 22
2.3 Các ñặc trưng cơ bản của cảm biến
24

2.4 Nguyên lý chế tạo cảm biến
28

2.5 Phân loại cảm biến
33
2.6 Mạch ño cảm biến 37

2.7 Cảm biến tiệm cận (Proximity Sensor) 41

2.8 Cảm biến vị trí và khoảng cách (Sensors for distance and displacement) 120

2.9 Cảm biến lực và áp suất (Sensors for force and pressure) 167

2.10 Cảm biến nhiệt ñộ (Temperature Sensors) 198

Chương 3 –
THIẾT BỊ CÔNG SUẤT VÀ CHẤP HÀNH

3.1 Giới thiệu 239
3.2 Thiết bị ñiện tử 239
3.3 Thiết bị ñiện từ 247
3.4 ðộng cơ ñiện 264
3.5 Thiết bị khí nén 302
Chương 4 –
BỘ ðIỀU KHIỂN

4.1 Giới thiệu 313
4.2 Bộ ñiều khiển bằng tiếp ñiểm 318
4.3 Bộ ñiều khiển dùng Vi xử lí 320
4.4 Bộ ñiều khiển dùng PLC - Máy tính 322
4.5 Bộ ñiều khiển dùng biến tần 326

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Chương 1: Các khái niệm chung


Trang 1

Chương 1
CÁC KHÁI NIỆM CHUNG

1.1 Khái niệm và phân loại hệ thống ñiều khiển tự ñộng

1.1.1 Khái niệm về ñiều khiển
a. ðiều khiển tự ñộng
ðịnh nghĩa: ðiều khiển là quá trình thu thập thông tin, xử lý thông tin và
tác ñộng lên hệ thống ñể ñáp ứng của hệ thống “gần” với mục ñích ñịnh trước.
ðiều khiển tự ñộng là quá trình ñiều khiển không có sự tác ñộng của con người.
o Các ví dụ:
− ðiều khiển tốc ñộ ñộng cơ
− ðiều khiển nhiệt ñộ
− ðiều khiển vị trí bàn máy
− ðiều khiển các hệ thống ứng dụng trong sinh hoạt: cửa tự ñộng, bãi ñậu xe,
thang máy.
− ðiều khiển các quá trình công nghiệp nói chung.
b. Tại sao cần phải ñiều khiển tự ñộng
− ðáp ứng của hệ thống không thỏa mãn yêu cầu.
− Tăng ñộ chính xác.
− Tăng năng suất.
− Tăng hiệu quả kinh tế.
1.1.2 Phân loại hệ thống ñiều khiển
a. Phân loại dựa trên mô tả toán học của hệ thống:
− Hệ thống liên tục: Hệ thống liên tục ñược mô tả bằng phương trình vi phân.
− Hệ thống rời rạc: Hệ thống rời rạc ñược mô tả bằng phương trình sai phân.
Chương 1: Các khái niệm chung


Trang 2

− Hệ thống tuyến tính: hệ thống ñược mô tả bằng hệ phương trình vi phân/ sai
phân tuyến tính.
− Hệ thống phi tuyến: Hệ thống ñược mô tả bằng hệ phương trình vi phân/ sai
phân phi tuyến.
− Hệ thống bất biến theo thời gian: Hệ số của phương trình vi phân/ sai phân
mô tả hệ thống không ñổi.
− Hệ thống biến ñổi theo thời gian: Hệ số của phương trình vi phân/ sai phân
mô tả hệ thống thay ñổi theo thời gian.
b. Phân loại dựa vào số ngõ vào – ra của hệ thống:
− Hệ thống một ngõ vào – một ngõ ra (hệ SISO): (Single Input – Single
Output)
− Hệ thống nhiều ngõ vào – nhiều ngõ ra (hệ MIMO): (Multi Input – Multi
Output)
ða số các hệ thống trong thực tế ñều là hệ phi tuyến biến ñổi theo thời gian,
nhiều ngõ vào, nhiều ngõ ra.
Cho dù hệ thống ñiều khiển thuộc loại nào ñi nữa thì trên một hệ thống
cũng phải có các thiết bị ñể thực hiện cho việc ñiều khiển hệ thống ñó. Trong
môn học này phân ra các thiết bị theo các thành phần cơ bản của một hệ thống ñể
khảo sát.
1.2 Các thành phần cơ bản của một hệ thống ñiều khiển tự ñộng

Hệ thống ñiều khiển có ba thành phần cơ bản: ðối tượng, bộ ñiều khiển và
cảm biến

Hình 1.1 Hệ thống ñiều khiển cơ bản.



a. ðối tượng ñi
ều khiển

ðối tư
ợng ñiều khiển c
ñể ñạt ñược các y
êu c
quát chung, c
ần phân biệt r
th
ống” mang tính bao h
o ðối tư
ợng ñiều khiển th
− ðộng cơ DC
: là lo
có ñ
ặc tính ngẫu lực lớn, dễ ñiều khiển
− ðộng cơ AC
: lo
dụng với lo
ại
thường ñư
ợc ñiều khiển d
Hình 1.3
− ðộng cơ bư
ớc:
cho t
ừng cực, loại ñộng c
r
ất nhiều trong ñiều khiển tự ñộng nhất l

Chương 1: Các khái ni

Trang 3
ều khiển
(plant, process):
ợng ñiều khiển c
hính là mục tiêu thiết yếu mà
chúng ta c
êu c
ầu mong muốn. Trên ñây từ “ñối tư
ợng” mang tính khái
ần phân biệt r
õ “ñối tượng” và “hệ thống”.

ống” mang tính bao h
àm, có ngh
ĩa có thể bao gồm nhiều ñối t
ợng ñiều khiển th
ường là các ñộng cơ:
: là lo
ại ñộng cơ s
ử dụng nguồn ñiện DC, với loại ñộng c
ặc tính ngẫu lực lớn, dễ ñiều khiển
…

Hình 1.2 ðộng cơ DC.

: lo
ại ñộng cơ s
ử dụng nguồn ñiện AC loại n
ại
ñộng cơ không ñồng bộ một pha v

à ba pha,
ợc ñiều khiển d
ùng biến tần
Hình 1.3
ðộng cơ không ñồng bộ một v
à ba pha
ớc:
là loại ñộng cơ s
ử dụng nguồn DC với dạng xung ñiều khiển
ừng cực, loại ñộng c
ơ này làm vi
ệc có ñộ chính xác cao ñ
ất nhiều trong ñiều khiển tự ñộng nhất l
à trong các máy công c
Chương 1: Các khái ni
ệm chung
chúng ta c
ần tác ñộng
ợng” mang tính khái

Thông thường “hệ
ĩa có thể bao gồm nhiều ñối t
ượng.
ử dụng nguồn ñiện DC, với loại ñộng c
ơ này

ử dụng nguồn ñiện AC loại n
ày hiện rất thông
à ba pha,
hai loại này

à ba pha
.

ử dụng nguồn DC với dạng xung ñiều khiển
ệc có ñộ chính xác cao ñ
ược ứng dụng
à trong các máy công c
ụ.
Chương 1: Các khái niệm chung


Trang 4

Hình 1.4 ðộng cơ bước.

− ðộng cơ servo: là loại ñộng cơ AC hay DC có mạch ñiều khiển hồi tiếp về
khi làm việc (ñiều khiển vòng kín) loại ñộng cơ này có công suất tương ñối
lớn và ñộ chính xác trong ñiều khiển khá cao.

Hình 1.5 ðộng cơ servo.
o Hệ thống ñiều khiển ñộng cơ AC ba pha: Một hệ thống ñiều khiển ñộng
cơ ba pha hoàn chỉnh tương ñối hiện ñại. Hệ thống bao gồm:
− Bộ ñiều khiển: là card ñiều khiển trung tâm ñiều khiển giao tiếp máy tính,
ñiều khiển biến tần, và giao tiếp vào ra trên bộ hiển thị số.
− ðối tượng ñiều khiển: là ñộng cơ AC ba pha.
− Hồi tiếp: là cảm biến từ Hall.

Hình 1.6 Mô hình
o Mô hình ñi
ều khiển ñộng c
− ðối tư
ợng ñiều khiển l
− Hồi tiếp: là
encoder l
khiển.
− Bộ ñi
ều khiển: l
khi
ển tốc ñộ, ñiều khiển giao tiếp hiển thị tr
ph
ần hồi tiếp ñể hiệu chỉnh sử

Chương 1: Các khái ni

Trang 5
Hình 1.6 Mô hình
ñiều khiển ñộng c
ơ AC ba pha.
ều khiển ñộng c
ơ bao gồm:
ợng ñiều khiển l
à ñộng cơ DC.
encoder l
ấy tín hiệu tốc ñộ từ trục ñộng c
ều khiển: l
à một mạch ñiều khiển ñư
ợc tích hợp từ nhiều mạch ñiều

ển tốc ñộ, ñiều khiển giao tiếp hiển thị tr
ên máy tính và giao ti
ần hồi tiếp ñể hiệu chỉnh sử
a sai.
Hình 1.7 Mô hình ñiều khiển ñộng c
ơ DC
Chương 1: Các khái ni
ệm chung

ơ AC ba pha.

ấy tín hiệu tốc ñộ từ trục ñộng c
ơ quay về bộ ñiều
ợc tích hợp từ nhiều mạch ñiều
ên máy tính và giao ti
ếp thành

ơ DC
.



o Mô hình ñi
ều khiển bồn n
− ðối tư
ợng ñiều khiển: l
− Cảm biến: l
à c
− B
ộ ñiều khiển: l

mực nư
ớc trong bồn theo y
Hình 1.8 Mô hình
o Mô hình ñi
ều khiển máy ñóng gói:
Hình 1.9 Mô hình
o Mô hình ñi
ều

Chương 1: Các khái ni

Trang 6
ều khiển bồn n
ước:
ợng ñiều khiển: l
à mực nước trong bồn.
à c
ảm biến ñiện dung kiểm tra mực nư
ớc trong bồn
ộ ñiều khiển: l
à mạch dùng chip vi ñi
ều khiển lập tr
ớc trong bồn theo y
êu cầu.

Hình 1.8 Mô hình
ñiều khiển bồn nước ñ
ơn.
ều khiển máy ñóng gói:

Hình 1.9 Mô hình
ñi
ều khiển máy ñóng gói.
ều
khiển quá trình phân loại và ñóng h
ộp sả
u(t)
Motor
Chương 1: Các khái ni
ệm chung
ớc trong bồn

ều khiển lập tr
ình ñiều khiển cho

ơn.


ều khiển máy ñóng gói.

ộp sả
n phẩm:
q
in
q
out
h(t)
Chương 1: Các khái niệm chung

Trang 7

Hình 1.10 Mô hình ñiều khiển quá trình phân loại và ñóng hộp sản phẩm.
o Mô hình ñiều khiển quá trình nung và vận chuyển sản phẩm:

Hình 1.11 Mô hình ñiều khiển quá trình nung và vận chuyển sản phẩm.
b. Bộ ñiều khiển ( Controller ):
Bộ ñiều khiển (Controller): Là thành phần quan trọng quyết ñịnh khả năng
hoạt ñộng và ñộ chính xác của hệ thống. Bộ phận này thông thường ñược tích
hợp dưới dạng các board mạch ñiều khiển, có thể có các loại sau:
− IC ñiều khiển trung tâm (CPU) kết hợp với các card ñiều khiển phân theo
modul (ñối với hệ thống qui mô lớn).
− Các bộ ñiều khiển khả trình PLC (Programable Logic Controller), vi xử lý
(hệ thống nhúng)…
− Máy tính thông qua các card giao tiếp ñiều khiển (PCI…)
− Sử dụng các bộ ñiều khiển PMAC (Programable Multi-Axies Controller)
trong các máy gia công cơ khí CNC.
Chương 1: Các khái niệm chung


Trang 8
− Sử dụng các bộ ñiều khiển thông qua biến tần.
− Sử dụng ñiều khiển qua hệ thống van khí nén…
o Card ñiều khiển DSP và PCI: Hỗ trợ thông qua kết nối giao tiếp với máy
tính và các thiết bị hiển thị khác…

Hình 1.12 Card ñiều khiển DSP và PCI
o Các bộ logic khả trình: Sử dụng các bộ lập trình dưới dạng hàm có các
loại theo ứng dụng lớn nhỏ khác nhau như:
− Bộ ñiều khiển lập trình PLC dùng cho các ứng dụng lớn

Hình 1.13 Bộ lập trình PLC.

− Bộ ñiều khiển Logo! dùng trong các ứng dụng cở vừa và nhỏ

Hình 1.14 Bộ lập trình Logo!.
Chương 1: Các khái niệm chung


Trang 9
− Bộ ñiều khiển ZEN dùng trong các ứng dụng cở vừa và nhỏ

Hình 1.15 Bộ lập trình ZEN.
o Hệ thống ñiều khiển ñiện khí nén có chức năng:
− Là cơ cấu biến ñổi năng lượng.
− Là phần tử ñưa tín hiệu và xử lý các tín hiệu ra.
− Các cơ cấu ñiều khiển và ñiều chỉnh làm nhiện vụ khác nhau. Tùy thuộc
vào nhiện vụ của hệ thống mà các cơ cấu này chia ra làm ba loại: cơ cấu
chỉnh áp, cơ cấu chỉnh lưu lượng và cơ cấu chỉnh hướng.

Hình 1.16 Nguồn cấp khí nén.
o Biến tần: Dùng ñể ñiều khiển tốc ñộ ñộng cơ không ñồng bộ 1 pha và 3
pha.
Sử dụng trong các hệ thống truyền ñộng
ñiện.

Chương 1: Các khái niệm chung

Trang 10

Hình 1.17 Biến tần.
c. Cảm biến:
o Cảm biến (Sensor):
Là thiết bị chuyển các ñại lượng vật lý thành các tín hiệu ñiện cung cấp cho
hệ thống nhằm nâng cao khả năng linh hoạt và ñộ chính xác trong ñiều khiển.
Như vậy hệ thống ñiều khiển tự ñộng chính là một hệ thống ñiều khiển kín với
vòng hồi tiếp (Feedback ) ñược thực hiện từ tín hiêu thu về từ cảm biến. Các loại
cảm biến thường gặp như:
− Cảm biến quang.
− Cảm biến vị trí và dịch chuyển.
− Cảm biến ño góc.
− Cảm biến vận tốc.
− Cảm biến gia tốc và rung.
− Cảm biến lực và biến dạng …
Các cảm biến trên có thể cho tín hiệu tương tự (Analog) hoặc tín hiệu số
(Digital), ngoài ra còn sử dụng các bộ mã hoá vị trí, mã hoá góc dịch chuyển
(Encoder, Tachometter)…
Chương 1: Các khái niệm chung


Trang 11

Hình 1.18 Các loại cảm biến thông dụng.

Hình 1.19 Cảm biến quang.


Hình 1.20 Cảm biến tiệm cận.

Chương 1: Các khái niệm chung


Trang 12

Hình 1.21 Encoder.
o Ứng dụng cảm biến quang trong công nghiệp:

Hình 1.22 Các ứng dụng cảm biến quang trong công nghiệp.
1.3 Các ví dụ về hệ thống ñiều khiển tự ñộng

1.3.1 Hệ thống ñiều khiển ñộng cơ
o ðộng cơ (AC, DC) là thiết bị truyền ñộng ñược sử dụng rất phổ biến trong
các nhà máy và dây chuyền sản xuất.
o Có ba bài toán ñiều khiển ñộng cơ thường gặp: ñiều khiển tốc ñộ, ñiều
khiển vị trí và ñiều khiển moment.
a. Ba kiểu ñiều khiển ñộng cơ:
Ba ứng dụng ñiều khiển ñộng cơ:
− ðiều khiển tốc ñộ máy giặt quay thuận nghịch và thay ñổi tốc ñộ.
− ðiều khiển thang máy di chuyển tịnh tiến lên xuống.
Chương 1: Các khái niệm chung


Trang 13
− ðiều khiển băng tải chạy vòng tròn.

Hình 1.23 Ứng dụng ñiều khiển ñộng cơ.
b. Hệ thống ñiều khiển ñộng cơ DC:
− ðối tượng ñiều khiển: ñộng cơ AC hoặc DC
− Bộ ñiều khiển: ñiều khiển ñiện DC (DC Driver) hay ñiều khiển ñiện AC

(AC Driver) còn gọi là biến tần (Inverter)

Hình 1.24 Hệ thống ñiều khiển tốc ñộ ñộng cơ DC.
1.3.2 Hệ thống ñiều khiển nhiệt ñộ
o Nhiệt ñộ là ñại lượng tham gia vào nhiều quá trình công nghệ như: sản
xuất xi măng, gạch men, nhựa, cao su, hóa dầu, chế biến thực phẩm,…
Chương 1: Các khái niệm chung


Trang 14
o Mục tiêu ñiều khiển là giữ cho nhiệt ñộ ổn ñịnh (ñiều khiển ổn ñịnh hóa)
hay ñiều khiển nhiệt ñộ thay ñổi theo ñặc tính thời gian ñịnh trước (ñiều
khiển theo chương trình).

Hình 1.25 Sơ ñồ hệ thống ổn ñịnh nhiệt ñộ.
a. Các nhà máy sản xuất:

Hình 1.26 Các nhà máy sản xuất xi măng và giấy.
b. Hệ thống ñiều khiển lò nhiệt:
Hệ thống ñiều khiển lò nhiệt bao gồm:
− ðối tượng ñiều khiển: nhiệt ñộ trong lò nhiệt với yêu cầu phải ñược giữ cho
nó ổn ñịnh theo giá trị yêu cầu.
Chương 1: Các khái niệm chung


Trang 15
− Bộ ñiều khiển là một thiết bị tự ñộng ñược chế tạo làm việc theo chức năng
và yêu cầu thực tế như chuyển nhiệt ñộ từ lò nhiệt và hiển thị lên màn hình
hiển thị và gởi tín hiệu ñiều khiển ñể ñiều khiển lò nhiệt ổn ñịnh nhiệt ñộ.
− Cảm biến: ñược dùng là loại cảm biến nhiệt.

Hình 1.27 Hệ thống ñiều khiển lò nhiệt.
1.3.3 Hệ thống ñiều khiển mực chất lỏng:
a. Sơ ñồ mạch ñiều khiển:
Bộ ñiều khiển mực chất lỏng: (hình vẽ tham khảo từ giáo trình cơ sở tự
ñộng học, Lương Văn Lăng, NXB ñại học quốc gia)

Hình 1.28 Bộ ñiều khiển mực chất lỏng.
Chương 1: Các khái niệm chung


Trang 16
− ðối tượng ñiều khiển: Hệ thống ñiều khiển mực chất lỏng thường gặp trong
các quá trình công nghiệp như chế biến thực phẩm, nước giải khác, các hệ
thống xử lý nước thải…
− Bộ ñiều khiển: ðiều khiển mực chất lỏng, ñiều khiển lưu lượng chất lỏng.
− Cảm biến ñược dùng các loại cảm biến ño mực chất lỏng:
 Cảm biến ño dịch chuyển: biến trở, encoder.
 Cảm biến áp suất.
 Cảm biến ñiện dung.
b. Mô hình ñiều khiển mực chất lỏng trong phòng thí nghiệm:

Hình 1.29 Mô hình bộ ñiều khiển mực chất lỏng.
1.3.4 ðiều khiển ñộng cơ ba pha dùng biến tần
a.
Vai trò của ñộng cơ không ñồng bộ 3 pha trong hệ thống sản xuất:

− Chuyển ñiện năng thành ñộng năng.
−

Sử dụng trong các hệ thống truyền ñộng
ñ
i
ệ
n.



Hình 1.30 N
−
Nguyên lý ho
ạ
Khi cấp nguồ
n 3 pha vào 3 cu
chạy với tốc ñộ gầ
n b
b. Chức năng của bộ
bi
o
Dùng ñể ñiề
u khi
−
ðiều khiể
n thay ñ
−
Ổn ñịnh tốc ñ
ộ
−
Khởi ñộng m
ề

−
Hạn dòng khở
i ñ
−
Bảo vệ quá tả
i, k
−
Nâng cao chấ
t lư
−
Giảm hệ thố
ng cơ (h
−

Tiết kiệm
năng

Chương 1: Các khái ni

Trang 17
Hình 1.30 N
guyên lý hoạt ñộng của ñộng c
ơ ba pha.
ạ
t ñộng của ñộng cơ không ñồng bộ 3 pha

n 3 pha vào 3 cu
ộn dây Stator: Nối Y
hay n
n b

ằng 60*f/p.
bi
ến tần:

Hình 1.31 Biến tần.

u khi
ển tốc ñộ ñộng cơ KðB 3 pha
n thay ñ
ổi tốc ñộ ñộng cơ KðB 3 pha
ộ
ñộng cơ KðB 3 pha
ề
m và dừng mềm ñộng cơ
i ñ
ộng
i, k
ẹt tải
t lư
ợng sản phẩm
ng cơ (h
ộp số, rulo,…)
năng

lượng,
Chương 1: Các khái ni
ệm chung

ơ ba pha.

hay n
ối ∆ thì ñộng cơ sẽ




o

Dùng ñể kh
ở
o

ðiều khiển
ổ
1.3.5 Ứng dụng trong
ñi
o
Sơ ñồ cấu th
ành m
Sơ ñ
ồ cấu th
ph
ần chính: bộ ñiều
biến. Ngo
ài ra nó còn có thêm các thành ph
Hình 1.34 S

Chương 1: Các khái ni

Trang 18
ở
i ñộng mềm và dừng mềm ñộng
cơ:

Hình 1.32 Khởi ñộng mềm ñộng cơ.
ổ
n ñịnh tốc ñộ ñộng cơ không ñồng bộ 3


Hình 1.33 Ổn ñịnh tốc ñộ ñộng cơ.

ñi
ều khiển robot công nghiệp
ành m
ột robot công nghiệp chuyên dụng:

ồ cấu th
ành một robot công nghiệp chuyên d
ụng cũng bao gồm ba
ần chính: bộ ñiều
khiển, ñối tư
ợng ñiều khiển (cán
ài ra nó còn có thêm các thành ph
ần hỗ tr
ợ nh
Hình 1.34 S
ơ ñồ cấu thành m
ột robot công nghiệp chuy
Chương 1: Các khái ni

ệm chung


pha:

ụng cũng bao gồm ba
ợng ñiều khiển (cán
h tay robot), cảm
ợ nh
ư hình 1.34

ột robot công nghiệp chuy
ên dụng.
Chương 1: Các khái niệm chung


Trang 19
o
Robot hàn ñiểm (Nguồn KUKA, Inc) và robot phẫu thuật (Nguồn Accury,
Inc):



Hình 1.35 Robot hàn ñiểm
.
Hình 1.36 Robot phẫu thuật.

o
Robot song song 6 bậc tự do:
Theo sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, các Robot ngày càng ñược chế tạo

nhỏ gọn hơn, thực hiện ñược nhiều chức năng hơn, thông minh hơn.
Robot song song 6 bậc tự do Merlet.(Nguồn : Dr. J. - P. Merlet và Prof. V.
Hayward.)


Hình 1.37 Robot song song 6 bậc tự do.
o
Robot ñược sử dụng trong công ñoạn cấp liệu và lắp ráp:

Chương 1: Các khái niệm chung


Trang 20


Hình 1.38 Robot ñược sử dụng trong công ñoạn cấp liệu và lắp ráp
o
Các ứng dụng Robot trong các lĩnh vực thám hiểm, quân sự, vệ tinh:


Hình 1.39 Robot trong các lĩnh vực thám hiểm, quân sự, vệ tinh.
o
Robot chuyển ñộng bốn chân (Nguồn: AIBO, SONY, Nhật Bản) và
Mobile Robot tác vụ (Nguồn: SDR-4X, SONY, Nhật Bản)

Hình 1.40 Robot chuyển ñộng bốn chân.
Chương 2: Cảm Biến & Chuyển Đổi

Trang 21
Chương 2

CẢM BIẾN VÀ CHUYỂN ðỔI
2.1
Giới thiệu

Cảm biến là thiết bị dùng ñể cảm nhận biến ñổi các ñại lượng vật lý và các ñại
lượng không có tính chất ñiện cần ño thành các ñại lượng ñiện có thể ño và xử lý
ñược.
Trong quá trình sản xuất có nhiều ñại lượng vật lý như nhiệt ñộ, áp suất, tốc ñộ,
tốc ñộ quay, nồng ñộ pH, ñộ nhờn cần ñược xử lý cho ño lường, cho mục ñích ñiều
khiển truyền ñộng. Các bộ cảm biến thực hiện chức năng này, chúng thu nhận, ñáp
ứng các kích thích.
Cảm biến cũng ñược xem như một kỹ thuật ñể chuyển ñổi các ñại lượng vật lý
gồm nhiệt ñộ, áp suất, khoảng cách sang một ñại lượng khác ñể có thể ñánh giá tốt
hơn. Các ñại lượng này phần lớn là tín hiệu ñiện.
Thí dụ: ðiện áp, dòng ñiện, ñiện trở hoặc tần số dao ñộng. Các tên khác của bộ
cảm biến: Sensor, bộ cảm biến ño lường, ñầu dò, van ño lường, bộ nhận biết hoặc bộ
biến ñổi.
Các ñại lượng cần ño (m) thường không có tính chất ñiện như (nhiệt ñộ, áp
suất…) tác ñộng lên cảm biến cho ta một ñặc trưng (s) mang tính chất ñiện như (ñiện
áp, dòng ñiện, trở kháng…) chứa thông tin cho phép ta có thể xác ñịnh giá trị của ñại
lượng ñiện ñó, ñặc trưng (s) chính là hàm của ñại lượng cần ño (m)
s = F(m) (2.1)
Người ta gọi (s) là ñại lượng ñầu ra hay là phản ứng của cảm biến, (m) là ñại
lượng ñầu vào hay gọi là kích thích. Thông qua ño ñạc (s) cho phép nhận biết giá trị
của (m).
Ví dụ hình ảnh các cảm biến thông dụng ñược mô tả như hình 2.1

Chương 2: Cảm Biến & Chuyển Đổi

Trang 22

Hình 2.1 Các loại cảm biến thông dụng hiện nay
Các bộ cảm biến ñược sử dụng nhiều trong các lĩnh vực kinh tế và kỹ thuật. Các
bộ cảm biến ñặc biệt và rất nhạy cảm ñược sử dụng trong các thí nghiệm các lĩnh vực
nghiên cứu khoa học. Trong lĩnh vực tự ñộng hoá người ta sử dụng các sensor thông
thường hay các cảm biến có chức năng ñặc biệt.

2.2
ðường cong chuẩn của cảm biến

2.2.1 Khái niệm
ðường cong chuẩn cảm biến là ñường cong biểu diễn sự phụ thuộc của ñại lượng
ñiện (s) ở ñầu ra của cảm biến vào giá trị của ñại lượng ño (m) ở ñầu vào. ðường cong
chuẩn có thể biểu diễn bằng biểu thức ñại số dưới dạng s=F(m) hoặc bằng ñồ thị.

Hình 2.2 (a) ðường cong chuẩn b) ðường cong chuẩn của cảm biến tuyến tính hóa.
Dựa vào ñường cong chuẩn của cảm biến, ta có thể xác ñịnh giá trị m
i
chưa biết
của m thông qua giá trị ño ñược s
i
của s. ðể dễ sử dụng, người ta thường chế tạo cảm
Chương 2: Cảm Biến & Chuyển Đổi

Trang 23
biến có sự phụ thuộc tuyến tính giữa ñại lượng ñầu ra và ñại lượng ñầu vào, phương
trình s= F(m) ñược biến ñổi dưới dạng:
s = am +b
(2.2)

với a, b là các hệ số, khi ñó ñường cong chuẩn là ñường thẳng.
2.2.2 Phương pháp chuẩn cảm biến
Chuẩn cảm biến là phép ño nhằm mục ñích xác lập mối quan hệ giữa giá trị s ño
ñược của ñại lượng ñiện ở ñầu ra và giá trị m của ñại lượng ño có tính ñến các yếu tố
ảnh hưởng, trên cơ sở ñó xây dựng ñường cong chuẩn dưới dạng dễ nhận biết hơn (ñồ
thị hoặc biểu thức ñại số). Khi chuẩn cảm biến, với một loạt giá trị ñã biết chính xác m
i

của m, ño giá trị tương ứng s
i
của s và dựng ñường cong chuẩn.
a. Chuẩn ñơn giản
Trong trường hợp ñại lượng ño chỉ có một ñại lượng vật lý duy nhất tác ñộng lên
một ñại lượng ño xác ñịnh và cảm biến sử dụng không nhạy với tác ñộng của các ñại
lượng ảnh hưởng, người ta dùng phương pháp chuẩn ñơn giản. Thực chất của chuẩn
ñơn giản là ño các giá trị của ñại lượng ñầu ra ứng với các giá trị xác ñịnh không ñổi
của ñại lượng ño ở ñầu vào. Việc chuẩn tiến hành theo 2 cách:
o Chuẩn trực tiếp: các giá trị khác nhau của ñại lượng ño lấy từ các mẫu chuẩn
hoặc các phần tử so sánh có giá trị biết trước với ñộ chính xác cao.
o Chuẩn gián tiếp: kết hợp cảm biến cần chuẩn với một cảm biến so sánh ñã có sẵn
ñường cong chuẩn, cả hai ñược ñặt trong cùng ñiều kiện làm việc.
b. Chuẩn nhiều lần
Khi cảm biến có phần tử bị trễ (trễ cơ hoặc trễ từ), giá trị ño ñược ở ñầu ra phụ
thuộc không những vào giá trị tức thời của ñại lượng cần ño ở ñầu vào mà còn phụ
thuộc vào giá trị trước ñó của của ñại lượng này. Trong trường hợp như vậy, người ta
áp dụng phương pháp chuẩn nhiều lần và tiến hành như sau:
o ðặt lại ñiểm 0 của cảm biến: ðại lượng cần ño và ñại lượng ñầu ra có giá trị
tương ứng với ñiểm gốc, m=0 và s=0.