Tự động hóa quá trình sản xuất. Phần 8: Cảm biến (SENSOR)

Chương 7:
CẢM BIẾN (SENSOR)


Nội dung



7. 1 Khái quát
7.2 Cảm biến tiệm cận


7.1 .KHÁI QUÁT
7.1.1 Khái niệm & phân loại
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, phân 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 tuyến tính
Công suất tiêu thụ
Dải 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:
s

s

0

m

a)

0

m

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
7.2.2
7.2.3
7.2.4
7.2.5
7.2.6

Đặc điểm
Các thuật ngữ thường sử dụng
Cảm biến tiệm cận cảm ứng
Cảm biến tiệm cận điện dung
Cảm biến quang
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.
Bề
mặt
cảm
biến
biến

ON
OFF
Đối
tượn
g
Cảm
Biến

Khoảng cách
Phát hiện

Khoảng cách Reset

Cảm
biến
tiệm
cận


Khoảng cách cài đặt (Setting
distance)

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 7080% khoảng cách
phát hiện)



Khoảng
cách cài
đặt

Đối
tượ
ng
Bề mặt
củ
cảm biến
a
Cả
m
Biế
Khoảng
n
cách ước
lượng

Cảm biến
tiệm cận

Ngo
õ ra


Thời gian đáp ứng
(Response time)
Cảm biến
tiệm cận

Dãi hoạt
động

Đối
tượ
ng
của
Cả
m
Biế
n

Ngo
õ ra

Bề mặt
cảm biến

Trong dãi
hoạt động

Ngoài
dãy
hoạt
ON
động
OFF

T1
T2

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

Tn s ỏp ng (Response
Frequency)
l s ln tỏc ng lp li khi cm bin i vo
vựng hot ng ca senso



/

f =1 T1 +T2

2M
M
zM

Khoaỷng
caựch ẵ
caỷm bieỏn

Vaọt caỷm
bieỏn

T1
T3

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