Tài liệu cảm biến và thiết bị chấp hành , chương 1 docx

Thiết bị lập trình
1
Cảm biến (Sensor)
1. Khái niệm chung
2. Một số tiêu chí đánh giá cảm biến
3. Nguyên lý làm việc của một số cảm biến
Thiết bị lập trình
2
1.
Khái niệm chung
)Là những thiết bị có khả năng cảm nhận những
đại lợng điện và không điện, chuyển đổi
chúng trở thành những tín hiệu điện phù hợp
với thiết bị thu nhận tín hiệu.
)Là những thiết bị không thể thiếu trong các hệ
thống tự động hoá và sản xuất công nghiệp.
2.1 Phạm vi cảm nhận hoặc khoảng cách cảm nhận.
2.2 Sai số.
) Sai số do mắt trễ
) Saisốvềđộphângiải
) Sai số do tuyến tính hoá
2.
Một số tiêu chí đánh giá cảm biến
Thiết bị lập trình
3
2.1.
Phạm vi cảm nhận
) Là giới hạn cảm nhận của cảm biến đối với đại lợng vật lý cần
đo.
) Ví dụ:
)Cảm biến nhiệt có tín hiệu ra bằng điện tỉ lệ với

nhiệt độ cần đo. Do đó trong khoảng giới hạn
nhiệt độ trên v dới, mối quan hệ nycònđợc
coi l tuyến tính. Vùng tuyến tính đó đợc gọi l
phạm vi cảm nhận.
)Đốivớicảmbiếntiệmcậnl khoảng giới hạn
trên v dới m cảm biến có thể phát hiện ra đối
tợng, lm cho đầu ra chuyển tín hiệu một cách
chắc chắn.
t
U
Cao
Thấp
Đặc tính ra của một điện trở nhiệt (RTD)
Đối tợng
Cảm biến
S
n
: Khoảng cách cảm nhận
của cảm biến tiệm cận
Thiết bị lập trình
4
? Sai số do mắt trễ tín hiệu
) Sự khác biệt lớn nhất giữa giá trị đầu ra đo đợc với giá trị
đầu ra lý thuyết khi tín hiệu đầu votănghoặcgiảm.
2.2.
Sai số
t
V
Mắt trễ của điện trở nhiệt (RTD)
Dải nhiệt độ ứng với điện áp V

1
Dải điện áp ứng với t
1
t
1
? Sai số do độ phân giải
) Độ phân giải: L sự thay đổi lớn nhất của đại lợng vật lý
cần đo m không gây ra sự thay đổi về tín hiệu đầu ra của
cảm biến.
Độ phân giải của điện trở nhiệt
(RTD) với đầu ra số
t
Độ phân giải
+/- 0.25
o
C
Thiết bị lập trình
5
? Sai số do tuyến tính hoá
) Với một sensor lí tởngthìtínhiệuđầuvoluôntỉlệtuyến
tính với tín hiệu đầu ra. Nhng trên thực tế để có tín hiệu đo
tuyến tính, ngời ta luôn phải tiến hnhtuyếntínhhoá.
Điều nysẽtạo rasaisốcủatínhiệu
p
V
Tuyến tính hoá trong cảm biến áp suất
caothấp
thấp
cao
dải đo

đờng cong thực tế
đờng cong lí tởng
sai số lớn nhất
3.
Nguyên lý lm việc của một số cảm biến
3.1 Các loại cảm biến đóng cắt (dạng ON-OFF).
) Công tắc giới hạn hnh trình.
) Cảmbiếntiệmcận.
3.2 Các cảm biến sử dụng bộ chuyển đổi (transducer)
3.3 Một số cảm biến ví trí
Thiết bị lập trình
6
? Công tắc giới hạn hành trình.
) Các kí hiệu điện
) Nguyênlýlmviệc
) Kiểu tác động tức thời
) Kiểu tác động có trễ
) Bố trí tiếp điểm
) Các kí hiệu điện
Tiếp điểm thờng hở (NO)
Khi mở
Khi đóng
Tiếp điểm thờng kín (NC)
Khi đóng
Khi mở
3.1.
Các cảm biến đóng cắt dạng ON - off
ĐT
) Nguyên lí làm việc
Hnh trình nhả

Độ sai lệch giữa hai vị trí
Vị trí nhả
Quãng
đờng
chuyển
động
Vị trí đóng
Quãng đờng dự trữ
phần chấp hnh
phần đầu
phần thân
Thiết bị lập trình
7
) Kiểu tác động tức thời
Tiếp điểm thờng đóng
Tiếp điểm thờng hở
Trục động
Tiếp điểm tĩnh
Tiếp điểm động
Lò xo phản hồi
Lò xo chốt
Đặc điểm
) Khi phần chấp
hnh bị tác
động, lò xo
chốt sẽ trữ
năng lợng,
đến vị trí đóng
lò xo chốt giải
phóng năng

lợng
) Kiểu tác động có trễ
Đặc điểm
) Tiếp điểm NO
đóng trớc,
tiếp điểm NC
bị ngắt sau
Đóng trớc khi ngắt Ngắt trớc khi đóng
Đặc điểm
) Tiếp điểm NC
bị ngắt trớc,
tiếp điểm NO
đóng sau
Đặc điểm chung
) Tạo ra một khoảng thời gian trễ đủ nhỏ giữa hai loại tiếp
điểm
Thiết bị lập trình
8
Trục động
Tiếp điểm động
Lò xo phản hồi
Tiếp điểm tĩnh
) Bố trí tiếp
điểm
(SPDT)
(DPDT)
? Cảmbiếntiệmcận.
)Tiệm cận điện cảm (Inductive proximity)
)Tiệm cận điện dung (Capacitive proximity)
)Tiệm cận siêu âm (Ultrasonic proximity)

)Tiệm cận quang học (Photoelectric proximity)
) Tiệm cận điện cảm (Inductive proximity)
& L loại cảm biến sử dụng trờng điện-từ để phát hiện
đối tợng bằng kim loại.
& Điện áp lm việc DC, AC hoặc AC/DC
Phân loại:
& Theo chức năng đợc chia ra lm hai loại: PNP (sourcing)
v NPN (sinking)
Thiết bị lập trình
9
&Nối dây cho loại PNP (sourcing):
T
ải
PNP transistor
&Nối dây cho loại NPN (sinking):
NPN transistor
T
ải
& Theo khoảng cách đợc chia ra lm hai loại: có bảo vệ
(shielded) v không bảo vệ (unshielded)
Bề mặt sensor
Có bảo vệ Không bảo vệ
Nhận xét:
) Khoảng cách cảm nhận từ 0.6 - 20 (mm)
) Tiệm cận điện cảm phụ thuộc vomộtsốyếutố
sau của đối tợng:
& Hình dáng đối tợng
& Độ dầy của đối tợng
& Vật liệu của đối tợng
Thiết bị lập trình

10
) Tiệm cận điện dung (Capacitive proximity)
& L loại cảm biến sử dụng trờng tĩnh điện để phát hiện
đối tợng bằng kim loại v phi kim loại.
& Điện áp lm việc DC, AC hoặc AC/DC
Phân loại:
& Theo chức năng đợc chia ra lm hai loại: PNP (sourcing)
v NPN (sinking)
& Tất cả cảm biến điện dung của siemens đều có bảo vệ
(shielded)
Bề mặt sensor
Đối tợng
Nhận xét:
) Khoảng cách cảm nhận từ 5 - 20 (mm)
) Có khả năng phát hiện mức chất lỏng xuyên qua thùng
trong suốt (Chất lỏng phải có hằng số điện môi cao hơn
vỏ thùng)
)
Môi trờng lm việc phải khô, bởi vì khi có chất lỏng
trên bề mặt của cảm biến, cảm biến có thể tác động
nhầm.
Thiết bị lập trình
11
Hằng số điện môi của một số vật liệu
) Tiệm cận siêu âm (Ultrasonic proximity)
& L loại cảm biến sử dụng bộ thu phát tín hiệu siêu âm,
tần số cao.
a/ Đặc điểm
b/ Các chế độ hoạt động
c/

ả
nh hởng của môi trờng
Thiết bị lập trình
12
Vùng mù:
&
V
ùng này tồn tại ngay phía trớc cảm biến, tuỳ theo loại cảm biến mà
vùng mù này có khoảng cách chừng 6 - 80 cm. Nếu đối tợng đợc đặt
trong vùng này sẽ khiến cho trạng thái đầu ra không ổn định.
Đặc điểm
Các cảm biến đặt song song
:
& Giả thiết 2 cảm biến có cùng khoảng cách cảm nhận đợc đặt song
song với nhau. Đối tợng đặt vuông góc với nguồn âm. Vậy khoảng
cách giữa các cảm biến đợc xác định thông qua khoảng cách cảm
nhận.
& Ví dụ nếu khoảng cách cảm nhận là 6 cm, thì khoảng cách giữa các
cảm biến là 15 cm
.
Khoảng cách X (cm)
cảm nhận
(cm)
6-30 > 15
20-130 > 60
40-300 > 150
60-600 > 250
80-1000 > 350
Thiết bị lập trình
13

Nhiễu giao nhau giữa các cảm biến
& Nhiễu xảy ra khi các cảm biến đợc đặt gần nhau, chùm phản xạ của
cảm biến này lại tác động đến cảm biến khác
& Trong trờng hợp này khoảng cách X cần đợc xác định thông qua thử
nghiệm.
Khoảng cách tối thiểu cho hai cảm biến đặt đối
nhau
& Giả thiết 2 cảm biến có cùng khoảng cách cảm nhận đợc đặt đối diện
nhau. Khoảng cách X đợc xác định sao cho 2 cảm biến không gây
nhiễu cho nhau.
Khoảng cách X (cm)
cảm nhận
(cm)
6-30 > 120
20-130 > 400
40-300 > 1200
60-600 > 2500
80-1000 > 4000
Thiết bị lập trình
14
Góc nghiêng:
& Góc nghiêng giữa đối tợng với phơng truyền sóng phải đợc cân
nhắc khi lắp đặt. Nếu góc nghiêng quá lớn sóng phản xạ có thể không
đến đợc cảm biến.
Đối với chất lỏng v vật liệu dới dạng hạt:
& Đối với chất lỏng (ví dụ nớc) giới hạn góc nghiêng ở 3
o
& Đối với vật liệu dới dạng hạt thì góc nghiêng có thể lớn tới 45
o
.

Thiết bị lập trình
15
Loại bỏ đối tợng nhiễu:
& Một đối tợng nhiễu bất kì có thể nằm trong phạm vi cảm nhận của
cảm biến. Điều này sẽ gây ra tác động nhầm của cảm biến. Để loại bỏ
đối tợng nhiễu ngời ta dùng một loại vật liệu có khả năng hấp thụ
âm, chỉ để lại một khe hở khiến cho nguồn âm không thể tới đối tợng
nhiễu đợc.
Đối tợng nhiễu
Khe hở
Vậtliệuhấpthụâm
Các chế độ hoạt động:
& Khuếch tán
& Phản xạ
& Xuyên suốt
Khuếch tán:
& Đây là chế độ làm việc phổ biến của cảm biến siêu âm. Khi đối tợng
bị phát hiện trong phạm vi cảm nhận thì cảm biến sẽ chuyển trạng thái
đầu ra, chế độ này hoạt động nh một cảm biến tiệm cận.
Ph
ạm vi
cảm nhận
Thiết bị lập trình
16
Phản xạ:
& Trong chế độ này có dùng thêm một bộ phản xạ đợc đặt trong vùng
làm việc. Bộ phản xạ đợc điều chỉnh sao cho các sóng âm sau khi
đập vào bộ phản xạ sẽ quay trở về cảm biến. Khi đối tợng cần phát
hiện cản trở sóng phản xạ thì cảm biến sẽ tác động.
& Bộ phản xạ thờng đợc dùng khi đối tợng có hình dạng đặc biệt,

hoặc hấp thụ âm thanh.
Đối tợng có hình dạng đặc biệt
Đối tợng hấp thụ âm
Thiết bị lập trình
17
Xuyên suốt:
& Trong chế độ này ngời ta sử dụng hai bộ thu phát riêng biệt, khi chùm
âm bị gián đoạn bởi đối tợng thì đầu ra cảm biến sẽ thay đổi trạng
thái.
Bộ phát
Bộ thu
ả
nh hởng của môi trờng
:
Nhiệt độ:
Nhiệt độ cao gây ảnh hởng tới chế độ lmviệc
của cảm biến, thông thờng đối với cảm biến siêu âm đều
có bù nhiệt độ
á
p suất:
Khi áp suất thay đổi 5% so với áp suất mặt
nớc biển, thì tốc độ âm thay đổi khoảng 0,6%. Khi cảm
biến đặt cao hơn mực nớc biển 3 km thì tốc độ âm giảm
3,6%. Cần điều chỉnh khoảng cách cảm biến cho hợp lí.
Chân không:
Trong môi trờng ny thì cảm biến không hoạt
động đợc.
Độ ẩm:
Khiđộẩmtăngthìtốcđộâm tăng
Tốc độ gió:

< 50km/h, cảm biến không bị ảnh hởng; 50-
100km/h, cảm biến lm việc không chắc chắn; > 100km/h,
cảm biến không lmviệcđợc
Thiết bị lập trình
18
Thời tiết:
Ma nhỏ v tuyết nhỏ không ảnh hởng tới hoạt
động của cảm biến. Tuy nhiên bề mặt của bộ chuyển đổi
nên đợc giữ khô ráo.
Lớp sơng mù:
Nói chung l không có ảnh hởng gì tới cảm
biến, tuy nhiên không nên để chúng đọng trên bề mặt bộ
chuyển đổi.
Bụi:
Môi trờng bụi lm giảm phạm vi cảm nhận của cảm
biến xuống 25-33%
Tiệm cận quang học (Photoelectric proximity)
L loại cảm biến sử dụng chùm tia sáng đợc điều biến. Cấu
tạo cảm biến gồm một thiết bị phát v một thiết bị thu
Đặc điểm:
1/ Chùm tia sáng đợc điều biến
2/ Hệ số khuếch đại ánh sáng
3/ Kí hiệu
Công nghệ tiệm cận quang học
1/ Xuyên suốt
2/ Xuyến suốt tích cực
3/ Phản xạ
Thiết bị lập trình
19
4/ Phản xạ tích cực

5/ Lọc phân cực với các đối tợng phản quang
6/ Khuếch tán
Các chế độ lmviệc
1/ Chế độ tối
2/ Chế độ sáng
Công nghệ sợi quang
Công nghệ Laser
Chùm tia sáng đợc điều biến:
Mục đích làm tăng khoảng cách cảm nhận và giảm ảnh hởng của ánh
sáng môi trờng. ánh sáng điều biến là một chùm xung có tần số từ 5kHz
đến 30 kHz. Nguồn sáng dùng trong các cảm biến loại này có phổ sáng từ
ánh sáng xanh nhìn đợc tới ánh sáng hồng ngoại không nhìn đợc. Tiêu
biểu là nguồn sáng từ LED.
Thiết bị lập trình
20
Hệ số khuyếch đại ánh sáng:
H
ệ số khuyếch đại ánh sáng là lợng ánh sáng phát ra vợt quá lợng
yêu cầu của thiết bị thu.
Trong môi trờng sạch thì hệ số này bằng hoặc lớn hơn 1 là đủ lợng yêu
cầu của thiết bị thu. Môi trờng càng ô nhiễm thì hệ số này càng cao, do
một phần ánh sáng phát ra sẽ bị môi trờng này hấp thụ. Tuy nhiên hệ số
càng cao thì khoảng cách cảm nhận thực tế càng giảm.
H
ệsố
khuyếch
đại
Khoảng cách cảm nhận
Thiết bị lập trình
21

Kí hiệu:
Khuếch tán
Khuếch tán
dùng tấm chắn
Phản xạ
Xuyên suốt
Khuếch tán đầu
ra tơng tự
Cảm biến dùng
sợi quang
Cảm biến mầu Cảm biến vạch
mầu
Cảm biến khe
hẹp
Xuyên suốt:
& Công nghệ ny sử dụng phần phát v phần thu riêng
biệt, hai phần nyđợc bố trí sao cho phần thu có thể
nhận đợc tối đa chùm xung ánh sáng từ phần phát
& Nếuvìlído gìđóm chùm tia sáng không tới đợc phần
thu, thì đầu ra của phần thu sẽ thay đổi trạng thái.
& Thích hợp đối với những vật chắn sáng v phản quang
& Phạm vi cảm nhận lên tới 90 m (300 feet)
Thiết bị lập trình
22
Xuyênsuốttíchcực:
& Đối tợng đợc phát
hiện khi cắt chùm tia tích
cực.
& Chùm tia tích cực có độ rộng bằng đờng kính thấu kính phát và thấu
kính thu

& Kích thớc nhỏ nhất của đối tợng bằng với độ rộng chùm tia
Phát Thu Phát
Đối tợng
Phát
Thu
Chùm tia
tích cực
Thu
Chùm tia
tích cực
Phản xạ:
& Công nghệ này gắn phần phát với phần thu trên cùng một bộ. Khi ánh
sáng phát ra từ phần phát gặp mặt phản xạ sẽ quay trở lại phần thu.
& Nếu có bất kì đối tợng nào chắn ngang đờng truyền sáng thì đầu ra
của cảm biến sẽ chuyển trạng thái
& Phạm vi cảm nhận tối đa cỡ 10 m (35 feet)
Phát
Thu
Đối tợng
Thiết bị lập trình
23
Phản xạ tích cực:
& Chùm sáng tích cực phát ra từ thấu kính phát có độ rộng phù hợp với
bề mặt phản xạ.
& Kích thớc tối thiểu của đối tợng bằng với bề mặt phản xạ
& Mặt phản xạ:
Mặt phản xạ tơng ứng với từng kiểu cảm biến phản xạ,
có thể hình tròn, hình vuông hoặc dải băng. Khoảng cách cảm nhận tuỳ
thuộc vào việc sử dụng bề mặt phản xạ .
Phát chùm tia

tích cực
Mặt phản xạ
Lọcphâncựcđốivớiđốitợng phản quang:
& Đối với cảm biến phản xạ việc phát hiện đối tợng phản quang là
không thể, do cảm biến không phân biệt đợc chùm sáng phản hồi từ
đối tợng hay từ bề mặt phản xạ.
& Để có thể phát hiện đợc ngời ta dùng thêm bộ lọc phân cực đặt phía
trớc thấu kính phát và thu
Chùm sáng cha
phân cực
Thấu kính
Lọc phân cực
Chùm sáng phân cực
Mặt phản xạ
Chùm sáng phân cực
Thiết bị lập trình
24
Cảmbiếnkhuếchtán
& Công nghệ này cũng gắn phần phát và thu trên cùng một bộ. Chùm
sáng phát ra đập vào đối tợng và bị khuếch tán dới các góc khác
nhau, nếu phần thu nhận đợc đủ ánh sáng thì đầu ra cảm biến thay
đổi trạng thái
& Để nâng cao hiệu quả ngời ta dùng công nghệ tấm chắn trong cảm
biến khuếch tán. Khoảng cách càng lớn thì góc phản xạ ánh sáng càng
hẹp. Bằng cách sử dụng tấm chắn PSD ngời ta có thể thu đợc ánh
sáng từ các góc độ khác nhau.
& PSD: Position Senser Detector
Thiết bị lập trình
25
Chế độ lmviệctối:

& Khi cảm biến quang làm việc ở chế độ này, thì đầu ra sẽ chuyển trạng
thái khi ánh sáng không tới đợc thiết bị thu.
Phát
Thu
Thu
Phát
Đối tợng
Chế độ lmviệcsáng
& Khi cảm biến quang làm việc ở chế độ này, thì đầu ra sẽ chuyển trạng
thái khi ánh sáng tới đợc thiết bị thu.
Phát
Thu
Thu
Phát
Đối tợng