Giáo trình Nhập môn cơ điện tử (Nghề: Cơ điện tử): Phần 2 - Trường CĐ Nghề Kỹ thuật Công nghệ

45

BÀI 4: KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN
Mã bài:
Giới thiệu:
Cảm biến là thiết bị đầu vào cũng như thiết bị ngoại vi của hệ thống cơ điện tử.
Để hệ thống cơ điện tử có thể hoạt động với hiệu suất cao và chính xác thì hệ thống
cảm biến và q trình đo lường cảm biến địi hỏi phải chính xác.
Mục tiêu:
Trang bị cho sinh viên những kiến thức:
 Đặc điểm cấu tạo và nguyên lý hoạt động của các loại cảm biến thơng dụng.
 Cách thức lắp đặt, chuẩn đốn lỗi của cảm biến trong quá trình sử dụng
Nội dung chính:
1. Kỹ thuật đo lường
Đo lường là q trình so sánh, định lượng giữa đại lượng chưa biết (đại lượng đo)
với đại lượng đã được chuẩn hóa (đại lượng mẫu hoặc đại lượng chuẩn).
Như vậy, công việc đo lường là nối thiết bị đo vào hệ thống được khảo sát và
quan sát kết quả đo các đại lượng cần thiết.
Tín hiệu đo : Là tín hiệu mang thơng tin về giá trị của đại lượng đo lường
Đại lượng đo là thơng số xác định q trình vật lý của tín hiệu đo . Trong một q
trình vật lý có nhiều thông số nhưng trong mỗi trường hợp cụ thể , ta chỉ quan tâm đến
một thông số cụ thể . Đại lượng đo được phân thành 2 loại là đại lượng đo tiền định và
đại lượng đo ngẫu nhiên . Đại lượng đo tiền định là đại lượng đo đã biết trước quy luật
thay đổi theo thời gian của chúng và đại lượng đo ngẫu nhiên là đại lượng đo mà sự
thay đổi của chúng không theo quy luật nhất định
Thiết bị đo là thiết bị kỹ thuật dùng để gia cơng tín hiệu mang thơng tin đo thành
dạng tiện lợi cho người quan sát . Thiết bị đo gồm có : Thiết bị mẫu , các chuyển đổi
đo lường , các dụng cụ đo , các tổ hợp thiết bị đo lường và hệ thống thông tin đo lường
1.1 Đại lượng đo lường
Dựa trên tính chất cơ bản của đại lượng đo, chúng ta có thể phân đại lượng đo
lường ra thành hai loại cơ bản

- Đại lượng điện
- Đại lượng không điện
Đại lượng điện
Đại lượng điện được phân thành hai dạng
- Đại lượng điện tác động ( active )
- Đại lượng điện thụ động ( passive )
1.2 Đại lượng điện tác động


46

Đại lượng điện tác động là những đại lượng điện có sẵn năng lượng điện nên khi
đo lường các đại lượng này , ta không cần cung cấp cung cấp năng lượng cho mạch đo .
Đại lượng điện tác động như đại lượng điện áp, dịng điện, cơng suất . . .
Trong trường hợp năng lượng của đại lượng cần đo quá lớn sẽ được giảm bớt cho
phù hợp với mạch đo . Ví dụ điện áp cần đo quá lớn , ta có thể sử dụng cầu phân áp để
cho phù hợp với cơ cấu đo hay thông qua một thiết bị khác để giảm nhỏ năng lượng cần
đo hoặc khi năng lượng quá nhỏ thì được khuếch đại đủ lớn cho mạch đo có thể hoạt
động được.
1.3 Đại lượng điện thụ động
Đại lượng điện thụ động là các đại lượng khơng mang năng lượng điện . Vì vậy
khi đo lường các đại lượng loại này , ta cần phải cung cấp nguồn năng lượng điện cho
mạch đo . Đại lượng điện thụ động như điện cảm , điện trở , điện dung , hỗ cảm . . .
Sau khi cung cấp năng lượng điện cho các đại lượng này , các đại lượng này sẽ
được đo lường dưới dạng đại lượng điện tác động . Như vậy các đại lượng điện thụ
động có sự tiêu hao năng lượng , cho nên phải có những yêu cầu riêng cho đại lượng
này như : Tiêu hao năng lượng ít , khi được cung cấp năng lượng điện , bản chất của các
đại lượng điện này khơng thay đổi . Thí dụ : dòng điện cung cấp cho điện trở cần đo có
trị số lớn khiến cho một nhiệt lượng đốt nóng điện trở làm thay đổi trị số điện trở
1.4 . Đại lượng không điện

Là đại lượng không mang năng lượng điện , đó là đại lượng vật lý chẳng hạn như
nhiệt độ lực , áp suất , ánh sáng , tốc độ . . .
Để đo lường các đại lượng vật lý này , người ta có những phương pháp và thiết bị
đo lường thích hợp để chuyển đổi các đại lượng không điện thành đại lượng điện . Nhất
là với hệ càng hiện đại sẽ cần nhiều thông số để xử lý trong đó các thơng số khơng điện
cần xử lý ngày càng nhiều . Tuy nhiên việc đo các đại lượng không điện thường phức
tạp và rời rạc . Do đó , cần chuyển đổi những đại lượng không điện thành đại lượng
điện để phép đo được dễ dàng , thuận lợi , tin cậy và chính xác đồng thời tăng tính tự
động hố . Cách thức đo này đã mở rộng kỹ thuật đo lường nói chung cho các đại lượng
và không điện . Những thiết bị biến đổi đại lượng vật lý sang đại lượng điện được gọi là
cảm biến điện hoặc chuyển đổi mà chúng ta sẽ đề cập đến ở phần sau .
2. Các thông số đặc trưng cảm biến.
Cảm biến – sensor: xuất phát từ chữ “ sense” nghĩa là giác quan – do đó nó như các
giác quan trong cơ thể con người. Nhờ cảm biến mà mạch điện, hệ thống điện có thể thu
nhân thơng tin từ bên ngồi. Từ đó, hệ thống máy móc, điện tử tự động mới có thể tự
động hiển thị thơng tin về đại lượng đang cảm nhận hay điều khiển q trình định trước
có khả năng thay đổi một cách uyển chuyển theo môi trường hoạt động.
Để dễ hiểu có thể so sánh cảm nhận của cảm biến qua 5 giác quan của người như
sau:
5 giác quan
Thay đổi môi trường
Thiết bị cảm biến
Thị giác
Ánh sáng, hình dạng, kích
Cảm biến thu hình, cảm
thước, vị trí xa gần, màu sắc. biến quang.
Xúc giác
Áp suất, nhiệt độ, cơn đau,
Nhiệt trở, cảm biến tiệm
tiếp xúc, tiệm cận, ẩm, khô.

cận, cảm biến độ rung


47

Vị giác
Thính giác

Ngọt, mặn, chua cay, béo.
động.
Âm rầm bổng, sóng âm, âm
Đo lượng đường trong
lượng.
máu.
Khứu giác
Mùi của các chất khí, chất
Cảm biến sóng siêu âm,
lỏng.
mi-cro.
Đo độ cồn, thiết bị cảm
nhận khí ga.
Cảm biến là thiết bị dùng để cảm nhận biến đổi các đại lượng vật lý và các đại lượng
khơng có tính chất điện cần đo thành các đại lượng điện có thể đo và xử lýđược.
Các đại lượng cần đo (m) thường khơng có tính chất điện (như nhiệt độ, áp suất
...) tác động lên cảm biến cho ta một đặc trưng (s) mang tính chất điện (như điện tích,
điện áp, dịng điện hoặc trở kháng) chứa đựng thông tin cho phép xác định giá trị của
đại lượng đo. Đặc trưng (s) là hàm của đại lượng cần đo (m): s = F(m)
Phạm vi ứng dụng:
 Công nghiệp
 Nghiên cứu khoa học.

 Mơi trường, khí tượng.
 Thơng tin viễn thông.
 Nông nghiệp.
 Dân dụng
 Giao thông.
 Vũ trụ
 Quân sự
2.1 Phân loại cảm biến
Các bộ cảm biến được phân loại theo các đặc trưng cơ bản sau đây:
2.1.1 Theo nguyên lý chuyển đổi giữa kích thích và đáp ứng:
Hiện tượng vật lý:
- Nhiệt điện
- Quang điện
- Quang từ
- Điện từ
- Quang đàn hồi
- Từ điện
- Nhiệt từ...
Hiện tượng hoá học:
- Biến đổi hoá học
- Biến đổi điện hoá
- Phân tích phổ ...
- Biến đổi sinh hố
Hiện tượng sinh học :
- Biến đổi vật lý
- Hiệu ứng trên cơ thể sống ...
2.1.2 Phân loại theo dạng kích thích :
Âm thanh:

48

- Biên pha, phân cực
- Phổ
- Tốc độ truyền sóng ...
Điện:
- Điện tích, dịng điện
- Điện thế, điện áp
- Điện trường (biên, pha, phân cực, phổ)
- Điện dẫn, hằng số điện môi ...
Từ:
- Từ trường (biên, pha, phân cực, phổ)
- Từ thông, cường độ từ 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
- Mô men:
- Khối lượng, tỉ trọng
- Vận tốc chất lưu, độ nhớt ...
Nhiệt:
- Nhiệt độ
- Thông lượng

- Nhiệt dung, tỉ nhiệt ...
Bức xạ:
- Kiểu
- Năng lượng
- Cường độ ...
2.1.3 Theo tính năng của bộ cảm biến :
- Độ nhạy
- Độ chính xác
- Độ phân giải
- Độ chọn lọc
- Độ tuyến tính
- Cơng suất tiêu thụ
- Dải tần
- Độ trễ
- Khả năng quá tải
- Tốc độ đáp ứng


49

- Độ ổn định
- Tuổi thọ
- Điều kiện môi trường
- Kích thước, trọng lượng
2.1.4 Phân loại theo phạm vi sử dụng
- Cơng nghiệp
- Nghiên cứu khoa học
- Mơi trường, khí tượng
- Thông tin, viễn thông
- Nông nghiệp

- Dân dụng
- Giao thông
- Vũ trụ
- Quân sự
2.1.5 Phân loại theo thông số của mơ hình mạch điện thay thế :
+ Cảm biến tích cực có đầu ra là nguồn áp hoặc nguồn dòng.
+ Cảm biến thụ động được đặc trưng bằng các thơng số R, L, C, M .... tuyến tính
hoặc phi tuyến.
2.2 Vai trò - ứng dụng của cảm biến
Các bộ cảm biến đóng vai trị cực kỳ quan trọng trong lĩnh vực đo lường và điều
khiển. Chúng cảm nhận và đáp ứng theo các kích thích thường là các đại lượng không
điện, chuyển đổi các đại lượng này thành các đại lượng điện và truyền các thông tin về
hệ thống đo lường điều khiển, giúp chúng ta nhận dạng đánh giá và điều khiển mọi
biến trạng thái của đối tượng.
3. Giới thiệu các loại cảm biến
Cảm biến – sensor: xuất phát từ chữ “ sense” nghĩa là giác quan – do đó nó như các
giác quan trong cơ thể con người. Nhờ cảm biến mà mạch điện, hệ thống điện có thể thu
nhân thơng tin từ bên ngồi. Từ đó, hệ thống máy móc, điện tử tự động mới có thể tự
động hiển thị thông tin về đại lượng đang cảm nhận hay điều khiển q trình định trước
có khả năng thay đổi một cách uyển chuyển theo môi trường hoạt động.
Để dễ hiểu có thể so sánh cảm nhận của cảm biến qua 5 giác quan của người như
sau:
5 giác quan
Thay đổi môi trường
Thiết bị cảm biến
Thị giác
Ánh sáng, hình dạng, kích
Cảm biến thu hình, cảm
thước, vị trí xa gần, màu sắc. biến quang.
Xúc giác

Áp suất, nhiệt độ, cơn đau,
Nhiệt trở, cảm biến tiệm
tiếp xúc, tiệm cận, ẩm, khô.
cận, cảm biến độ rung
Vị giác
Ngọt, mặn, chua cay, béo.
động.
Thính giác
Âm rầm bổng, sóng âm, âm
Đo lượng đường trong
lượng.
máu.
Khứu giác
Mùi của các chất khí, chất
Cảm biến sóng siêu âm,
lỏng.
mi-cro.
Đo độ cồn, thiết bị cảm


50

nhận khí ga.
Cảm biến là thiết bị dùng để cảm nhận biến đổi các đại lượng vật lý và các đại lượng
khơng có tính chất điện cần đo thành các đại lượng điện có thể đo và xử lýđược.
Các đại lượng cần đo (m) thường khơng có tính chất điện (như nhiệt độ, áp suất
...) tác động lên cảm biến cho ta một đặc trưng (s) mang tính chất điện (như điện tích,
điện áp, dịng điện hoặc trở kháng) chứa đựng thông tin cho phép xác định giá trị của
đại lượng đo. Đặc trưng (s) là hàm của đại lượng cần đo (m): s = F(m)
Phạm vi ứng dụng:

 Công nghiệp
 Nghiên cứu khoa học.
 Mơi trường, khí tượng.
 Thơng tin viễn thông.
 Nông nghiệp.
 Dân dụng
 Giao thông.
 Vũ trụ
 Quân sự
2.2 Phân loại cảm biến
Các bộ cảm biến được phân loại theo các đặc trưng cơ bản sau đây:
2.1.1 Theo nguyên lý chuyển đổi giữa kích thích và đáp ứng:
Hiện tượng vật lý:
- Nhiệt điện
- Quang điện
- Quang từ
- Điện từ
- Quang đàn hồi
- Từ điện
- Nhiệt từ...
Hiện tượng hoá học:
- Biến đổi hoá học
- Biến đổi điện hố
- Phân tích phổ ...
- Biến đổi sinh hố
Hiện tượng sinh học :
- Biến đổi vật lý
- Hiệu ứng trên cơ thể sống ...
2.1.2 Phân loại theo dạng kích thích :
Âm thanh:

- Biên pha, phân cực
- Phổ
- Tốc độ truyền sóng ...
Điện:
- Điện tích, dịng điện
- Điện thế, điện áp


51

- Điện trường (biên, pha, phân cực, phổ)
- Điện dẫn, hằng số điện môi ...
Từ:
- Từ trường (biên, pha, phân cực, phổ)
- Từ thông, cường độ từ 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
- Mô men:
- Khối lượng, tỉ trọng
- Vận tốc chất lưu, độ nhớt ...
Nhiệt:

- Nhiệt độ
- Thông lượng
- Nhiệt dung, tỉ nhiệt ...
Bức xạ:
- Kiểu
- Năng lượng
- Cường độ ...
2.1.3 Theo tính năng của bộ cảm biến :
- Độ nhạy
- Độ chính xác
- Độ phân giải
- Độ chọn lọc
- Độ tuyến tính
- Cơng suất tiêu thụ
- Dải tần
- Độ trễ
- Khả năng quá tải
- Tốc độ đáp ứng
- Độ ổn định
- Tuổi thọ
- Điều kiện mơi trường
- Kích thước, trọng lượng
2.1.4 Phân loại theo phạm vi sử dụng
- Công nghiệp


52

- Nghiên cứu khoa học
- Mơi trường, khí tượng

- Thơng tin, viễn thông
- Nông nghiệp
- Dân dụng
- Giao thông
- Vũ trụ
- Quân sự
2.1.5 Phân loại theo thông số của mô hình mạch điện thay thế :
+ Cảm biến tích cực có đầu ra là nguồn áp hoặc nguồn dịng.
+ Cảm biến thụ động được đặc trưng bằng các thông số R, L, C, M .... tuyến tính
hoặc phi tuyến.
2.2 Vai trò - ứng dụng của cảm biến
Các bộ cảm biến đóng vai trị cực kỳ quan trọng trong lĩnh vực đo lường và điều
khiển. Chúng cảm nhận và đáp ứng theo các kích thích thường là các đại lượng khơng
điện, chuyển đổi các đại lượng này thành các đại lượng điện và truyền các thông tin về
hệ thống đo lường điều khiển, giúp chúng ta nhận dạng đánh giá và điều khiển mọi
biến trạng thái của đối tượng.
3.Giới thiệu các loại cảm biến
3.1Cảm biến tiệm cận
3.1.1. Đặc điểm:
Phát hiện vật không cần tiếp xúc.
Tốc độ đáp ứng cao.
Đầu sensor nhỏ có thể lắp ở nhiều nơi.
Có thể sử dụng trong môi trường khắc nghiệt.
3.1.2.Một số định nghĩa: ( các thuật ngữ thường dùng)


53

Các Thuật Ngữ Thường Sử Dụng
+ Vật Chuẩn (Standard Object):

Vật liệu
Hình dạng
Kích thước
Tốc độ
v..v..v..
Vật Chuẩn (Standard Object):
Một vật được xem là vật chuẩn nếu hình dạng, vật liệu, kích cỡ,
v.v.v... của vật phải phù hợp để phát huy được các đặt tính kỹ thuật
của
sensor.
+.
Thời
Gian Đáp Ứng (Response Time):
Cảm Biến

Trong dải hoạt động

Tiệm Cận

Dãi hoạt động

Ngoài dải hoạt động

+. Tần Số Đáp Ứng (Response Frequency):
Bề mặt

Vật

cảm biến

Cảm
Biến

Biến

Cảm

Tiệm

Cận

cách

Khoảng

cảm

Bề

mặt

cảm

biến

biến

Thời gian đáp ứng (Response Time):
t1 : Khoảng thời gian từ lúc đối tượng chuẩn chuyển động đi vào vùng
phát hiện của sensor tới khi đầu ra sensor bật ON.

Vật

cảm

biến

t2 : Khoảng thời gian từ lúc đối tượng chuẩn chuyển động đi ra khỏi
vùng phát hiện của sensor tới khi đầu ra sensor tắt về OFF.
Tần số đáp ứng f (Response Frequency):
Số lần tác động lặp lại khi vật cảm biến đi vào vùng hoạt động của
sensor.
3.2. CẢM BIẾN TIỆM CẬN ĐIỆN CẢM
3.2.1 Cấu trúc của cảm biến tiệm cận điện cảm:


54

Hình 6.13 Cấu tạo cảm biến tiệm cận điện cảm
Một bộ cảm biến tiệm cận điện cảm gồm có 4 khối chính:
-

Cuộn dây và lõi ferit.
Mạch dao động.
Mạch phát hiện.
Mạch đầu ra.

3.2.2. Nguyên lý hoạt động:

Hình 6-14: Nguyên lý hoạt động của cảm biến tiệm cận điện cảm
Mạch dao động tạo dao động điện từ, từ trường biến thiên từ lõi sắt sẽ tác động với

vật kim loại đặt trước nó.
Khi có đối tượng lại gần, xuất hiện dịng điện cảm ứng chống lại sự thay đổi dòng
điện, giảm biên độ tín hiệu dao động.
Bộ phát hiện sẽ phát hiện sự thay đổi tín hiệu và tác động để mạch ra lên mức ON.
3.2.3.Phân loại:


55

Loại Có Bảo Vệ (Shielded):
Vật
Cảm

Từ trường được tập trung trước
Sensor

mặt sensor nên ít bị nhiễu bởi

Biến

kim loại xung quanh, tuy nhiên
Shielded

khoảng cách đo ngắn đi.

Loại Khơng Có Bảo Vệ (Un-Shielded):
Khơng có bảo vệ từ trường xung

Sensor

quanh mặt sensor nên khoảng
cách đo dài hơn, tuy nhiên dễ bị
nhiễu của kim loại xung quanh.

UnShielded

Vật Cảm Biến

3.2.4. Những yếu tố ảnh hưởng đến tầm phát hiện của cảm biến tiệm cận điện
cảm.
a. Vật Liệu Đối Tượng (Material):
Khoảng cách
Đầu Sensor

Đầu Sensor

phát hiện

Vật

Vật
Kim loại có từ tính (sắt, SUS, …)

Khoảng cách phát hiện của sensor phụ
thuộc rất nhiều vào vật liệu của vật cảm
biến.
Các vật liệu có từ tính hoặc kim loại có
chứa sắt sẽ có khoảng cách phát hiện xa
hơn các vật liệu khơng từ tính hoặc
khơng chứa sắt.

Khoảng cách cảm biến (mm)

Kim loại không chứa sắt (nhôm, đồng, …)

Iron

SUS
Brass
Aluminum
Copper

Độ dẫn của vật


56

b. Kích Cỡ Của Đối Tượng (Size):

Khoảng cách
phát hiện

Đầu Sensor

Đầu Sensor

Vật

Vật
Kích thước vật lớn

Kích thước vật nhỏ

Nếu vật cảm biến nhỏ hơn vật thử chuẩn (test object), khoảng cách
phát hiện của sensor sẽ giảm.

c. Bề Dày Của Đối Tượng (Size):
Với vật cảm biến thuộc nhóm kim loại có từ tính (sắt, niken,
SUS, …), bề dày vật phải lớn hơn hoặc bằng 1mm.
Khoảng cách
Đầu Sensor

cảm biến

Độ dày
vật
Vật

Với vật cảm biến không thuộc nhóm kim loại có từ tính, bề
dày của vật càng mỏng thì khoảng cách phát hiện càng xa

3.2.5. Ưu, nhược điểm của cảm biến tiệm cận điện cảm:
Ưu điểm:
-

Phát hiện vật không cần phải tiếp xúc.
Không gây nhiễu cho các sóng điện từ, sóng siêu âm.
Tốc độ đáp ứng nhanh.

57

-

Có thể sử dụng trong mơi trường khắc nghiệt.
Đầu cảm biến nhỏ, có thể lắp đặt ở nhiều nơi.

Nhược điểm:
Khoảng phát hiện vật còn hơi nhỏ.
Chỉ phát hiện được các vật bằng kim loại.
* Giới thiệu các đầu cảm biến tiệm cận điện cảm trong thực tế

3.2.6. Một số ứng dụng của cảm biến tiệm cận điện cảm:
Ứng dụng: phát hiện việc đóng nắp nhơm các chai bia


58

-

Phát hiện các lá kim loại trên giấy bọc socola sau khi đóng gói

3.3.Cảm biến tiệm cận điện dung
Cảm biến tiệm cận điện dung tương tự như cảm biến điện cảm, điểm khác nhau
chính đó là cảm biến tiệm cận điện cảm sinh ra vùng tĩnh điện thay vì vùng từ điện như
cảm biến tiện cận điện cảm.


59

3.3.1. Cấu

trúc

của

cảm

biến

tiệm

cận

điện

dung:

Hình Cấu tạo cảm biến tiệm cận điện dung
Cảm biến tiệm cận điện dung gồm bốn bộ phận chính :
- Cảm biến(các bản cực cách điện).
- Mạch dao động.`
- Bộ phát hiện.
- Mạch đầu ra.
3.3.2.Nguyên lý của cảm biến tiệm cận điện dung:
Trong cảm biến tiệm cận điện dung có bộ phận làm thay đổi điện dung C của các
bản cực.
Nguyên lý hoạt động cơ bản của cảm biến điện dung dựa trên việc đánh giá sự thay
đổi điện dung của tụ điện.Bất kì vật nào đi qua trong vùng nhạy của cảm biến điện dung
thì điện dung của tụ điện tăng lên.Sự thay đổi điện dung này phụ thuộc vào khoảng

cách,kích thước và hằng số điện mơi của vật liệu.
Bên trong có mạch dùng nguồn DC tạo dao động cho cảm biến dòng, cảm biến dòng
sẽ đưa ra một dòng điện tỉ lệ với khoảng cách giữa 2 tấm cực
3.3.3. Ưu, nhược điểm của cảm biến tiệm cận điện dung:
Ưu điểm:
Đối tượng phát hiện có thể là chất lỏng,vật liệu phi kim
Tốc độ chuyển mạch tương đối nhanh
Có thể phát hiện các đối tượng có kích thước nhỏ.
Phạm vi cảm nhận lớn.
Đầu cảm biến nhỏ, có thể lắp đặt ở nhiều nơi.
Nhược điểm
- Chịu ảnh hưởng của bụi và độ ẩm
* Giới thiệu các đầu cảm biến tiệm cận điện dung trong thực tế


60

3.3.4. Một số ứng dụng của cảm biến tiệm cận điện dung
Ứng dụng : dùng để phát hiện sữa trong hộp giấy.

Phát hiện được bề mặt chất lỏng, không bị ảnh hưởng bởi màu sắc chất lỏng
và khi ống bị bẩn


61

bọt

Điều chỉnh độ nhạy

Chất lỏng

Dây ra

E2KQ-X10ME1
Monitor photodiode

3.4. Cảm biến tiệm cận siêu âm
3.4.1 . Cấu trúc:

3.4.2.Nguên lý hoạt động:
Sử dụng bộ chuyển đổi đóng vai trị vừa là bộ phát vừa là bộ thu sóng âm. Bộ
chuyển đổi có thể đặt trên đỉnh của bình chứa. Sóng âm dạng xung phát ra từ bộ chuyển
đổi đến bề mặt chất lưu sẽ bị phản xạ trở lại và được bộ chuyển đổi thu nhận để biến
thành tín hiệu điện. Khoảng thời gian từ thời điểm phát xung đến thời điểm thu sóng
phản xạ sẽ tỉ lệ với khoảng cách từ bộ chuyển đổi đến bề mặt chất lưu. Như vậy, qua
có thể để đánh giá được mức của chất lưu trong bình chứa.
3.4.3. Ưu điểm của cảm biến tiệm cận siêu âm:
 Vùng cảm biến rộng khoảng cách phát hiện vật thể có thể lên đến vài m.
 Có thể dùng để xác định các vật thể có màu sắc và vật liệu khó phân biệt.


62

 Có thể phát hiện được vật thể trong suốt ( vật liệu thủy tinh ).
 Có thể làm việc trong một môi trường dơ và bụi.
3.4.4. Nhược điểm của cảm biến tiệm cận siêu âm:
 Cảm biến siêu âm có giá thành rất cao, khơng kinh tế.
 Cảm ứng siêu âm phản ứng tín hiệu chậm hơn các dạng cảm biến khác.
 Tần số chuyển mạch từ 1 đến 125 HZ.

3.4.5. Một số ứng dụng của cảm biến tiệm cận siêu âm:

CẢM BIẾN SIÊU ÂM

Đầu ra analog: 4  20mA/ 0  10V
Nối connector ra (M12)
Độ phân giải : 0.172 mm
Nguồn vào: 10  30VDC


63

Đo mực chất lỏng trong bồn

Đo độ chùng của vật

Đo độ cao của 1 đống đồ

Đo số lượng giấy bị cuốn

3.5 Cấu hình ngõ ra một số cảm biến tiệm cận
Ngõ ra dạng Transistor NPN và Transistor PNP:
Cảm biến ba dây:
BN(1)
BK(4)

+24V DC

BU(3)

0V

BN(1)
BK(4)

+24V DC

0V

BN(1)

BU(3)

PNP normally closed

L

BU(3)

BK(4)

PNP normally
closed open
PNP normally

L

+24V DC
NPN normally open
L

64

Cảm biến bốn dây

PNP có một thường đóng và
một thường mở

NPN có một thường đóng và một
thường mở

Kết nối 2 cảm biến hai dây mắc song song

+24V DC
BN(1)

BN(1)

BU(3)

BU(3)

UV

L
0V

Kết nối 2 cảm biến 3 dây mắc song song
+24V DC

BN(1)
BK(4)
BU(3)

BN(1)
BK(4)
BU(3)

V

L
0V


65

Kết nối 2 cảm biến hai dây mắc nối tiếp
+24V DC
BN(1)
BU(3)

V

V1

BN(1)
BU(3)

V2
L

0V

Kết nối 2 cảm biến ba dây mắc nối tiếp
+24V DC
BN(1)
BK(4)
BU(3)

V

BN(1)
BK(4)
BU(3)

V1

V

V2

L
0V

Bài tập:
1. Cảm biến là gì?
2. Ứng dụng của cảm biến?
3. Hãy kể tên các loại cảm biến thông dụng.
4. Nêu nguyên lý hoạt động của cảm biến quang.
5. Vẽ sơ đồ lắp đặt cảm biến điện dung, điện từ.

6. Nêu một số lỗi của cảm biến trong quá trình sử dụng và cách khắc phục.


66

BÀI 5: KHÁI NIỆM XỬ LÝ THÔNG TIN TRONG HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ
Mã bài:
Giới thiệu:
Sau khi thu thập dữ liệu từ cảm biến và các thiết bị ngoại vi. Hệ thống cơ điện tử cần
phải qua một quá trình xử lý để điều khiển các thiết bị đầu ra. Qúa trình xử lý là quá
trình quan trọng nhất, là bộ não của hệ thống cơ điện tử.
Mục tiêu:
-

Nắm được các khái niệm xử lý thông tin trong hệ thống cơ điện tử.
Phân tích, tính tốn được các hệ thống xử lý số

Nội dung chính:
1. Một số hệ đếm điển hình
a.Hệ nhị phân:
Hệ đếm nhị phân cịn gọi là hệ đếm cơ số 2 là hệ đếm mà trong đó người ta chỉ
sử dụng hai chữ số 0 và 1 để biểu diễn tất cả các số.
Hai số 0,1 được gọi là bit hoặc digit đặc trưng cho hai trạng thái ổn định của
Flip-Flop và các mạch điện tử.
Một số nhị phân n cấp (gọi là n bit nhị phân) ở hệ 10 có dạng:
A(10)= an-1.2n-1 + an-2.2n-2 + …+ a1.21 + a0.20

(1.1)

Trong đó: an-1 gọi là bit có nghĩa lớn nhất tức là có trọng số lớn nhất.

a0 gọi là bit có nghĩa nhỏ nhất tức là có trọng số nhỏ nhất.
Các ký tự ak chỉ nhận một trong hai giá trị 0 hoặc 1.
Ví dụ: cho số nhị phân 10111001(2) có n = 8 ( 8 bit hay gọi là 1 byte) ở hệ đếm
10 nó biểu diễn số:
1.27 + 0.26 + 1.25 + 1.24 + 1.23 + 0.22 + 0.21 + 1.20
= 128 + 0 + 32 + 16 + 8 + 0 + 0 + 1 = 185(10)
Xét một số nhị phân 4 bit: a3a2a1a0. Biểu diễn dưới dạng đa thức theo cơ số của nó
là:
a3a2a1a0 = a3.23 + a2.22 + a1.21 + a0.20 = 8a3 + 4a2 + 2a1 + 1a0.
Trong đó:
23, 22, 21, 20 (8,4,2,1) là các trọng số của số nhị phân.
a3 bit có trọng số lớn nhất (MSB: most significant bit)
a0 bit có trọng số nhỏ nhất (LSB: least significant bit)


67

- Một nhóm 4 bit : nibble
- Một nhóm 8 bit : byte
- Một nhóm nhiều byte : word (từ)
Như vậy nếu sử dụng nhóm 4 bit ta biểu diễn được 24 = 16 số.
Bảng các số nhị phân 4bit:
STT

Số nhị phân
a3a2a1a0

Số thập
phân

1

0000

0

2

0001

1

3

0010

2

4

0011

3

5

0100

4

6

0101

5

7

0110

6

8

0111

7

9

1000

8

10

1001

9

11

1010

10

12

1011

11

13

1100

12

14

1101

13

15

1110

14

16

1111

15

Một số nhị phân có thể gồm 2 phần: bên trái dấu phẩy là phần nguyên sử dụng
hệ thức (1.1) để xác định biểu diễn trong hệ mười. Nếu các ký số 0,1 nằm bên phải, sau
dấu phẩy chúng sẽ biểu diễn phần lẻ, được biểu diễn trong hệ mười tương đương như
sau:
Ví dụ:
0,1010(2) = 1.2-1 + 0.2-2 + 1.2-3 + 0.2-4
= 12 + 0 + 1/8
= 0,625(2)
Như vậy số nhị phân:10111001,1010(2) = 185,625(10)
b.Để biểu diễn một số dương hay âm trong hệ nhị phân có thể sử dụng cách bổ
sung vào số đó một ký số (được gọi là bit thể hiện dấu) ở đầu phía trước số đã cho theo
qui định:


68

Ký số 1 biểu diễn số nhị phân sau nó là số âm.
Ký số 0 biểu diễn số nhị phân sau nó là số dương.
Ta gọi đây là cách biểu diễn dấu và trị số thật để phân biệt với cách biểu hiện dấu khác.
Ví dụ: -242(10) = 1 11110010(2) ; +150(10)= 0 10010110.
Biểu diễn theo số bù 1: tương tự như trên để diểu biễn một số nhị phân n bit
theo nguyên tắc:
-

MSB là bit dấu với: ký số 1 biểu diễn số âm và ký số 0 biểu biễn số âm.

-

Các bit còn lại biểu diễn giá trị thực của số dương hoặc biểu thị giá trị của bù
của một số âm.

Số bù 1 có dãy giá trị -(2n-1-1)( 2n-1-1)
Ví dụ: số 13(10) = 0 1101(2)
Số -13(10) = 1 0010(2)
số 31(10) = 0 11111(2)
Số -31(10) = 1 00000(2)
Biểu diễn theo số bù 2:
Dùng số bù 2 để biểu diễn số âm ta sẽ bắt đầu bằng việc thiết lập số bù 1 (đảo)
của số đã cho sau đó cộng thêm 1 vào số vừa tạo thành sẽ nhận được số nhị phân bù 2
của số nhị phân ban đầu.
Ví dụ: 4510 = 1011012  010010 số bù 1 sau đó cộng 1 vào số bù 1:
010010 + 1 = 010011 đây là dạng số bù 2 của số 101101 đã cho. Khi đó
số có dấu được qui định như sau:
0 1011012 = + 4510
1 0100112 = - 4510
c. Các phép toán trong hệ nhị phân: Khi tiến hành thực hiện phép toán trên hệ
nhị phân ta thực hiện theo cột để tránh nhầm lẫn và dễ thực hiện hơn.
 Phép cộng nhị phân:
Qui tắc cộng:
0+0

=0

0+1

=1+0=1

1+1

= 1 0 = 0 + nhớ 1 vào cột tiếp ở bên trái.

1 + 1 + 1 = 1 1 = 1 + nhớ 1vào cột tiếp bên trái.
Ví dụ: các phép cộng nhị phân:
0 1 1 (3)
+ 1 1 0 (6)
1 0 1 1 (9)

+

1 0 1 1 0 1 (45)
1 1 1 1 (15)

1 1, 0 1 1 (3,375)
+ 1 0, 1 1 0 (2,750)

1 1 1 1 0 0 (60)

1 1 0, 0 0 1 (6,125)

 Phép trừ nhị phân:


69

Qui tắc trừ:
0-0

=0

1-0

=1

1-1

=0

10 - 1

= 1 vay ở cấp cao hơn.

Chú ý: khi ở cột thứ k xảy ra việc (0-1) ta áp dụng qui tắc vay 1 ở cấp cao hơn
(k+1) thực hiện theo qui tắc hàng cuối của qui tắc trừ với số chỉ có duy nhất bit MSB
bằng 1 (100…0) sau khi trừ đi số nhị phân chỉ có duy nhất 1 bit LSB kết quả sẽ là bù 1
của số bị trừ:
100…00 -1 =0 11…11
Ví dụ:
1 1 0 0 0 1 1 1 (199)
- 1 1 0 1 1 0 1 (109)
0 1 0 1 1 0 1 0 (90)

Cần chú ý rằng có thể thực hiện phép trừ rồi nhờ đổi dấu số trừ sau đó dùng các
qui tắc của phép cộng để thực hiện giữa số bị trừ (số hạng đầu)và số trừ sau khi đã đổi
dấu.

 Phép nhân nhị phân: thực hiện giống phép nhân trong hệ 10 theo qui tắc
sau:
0.0 =0
0.0 =1.0=0
1.1 =1
Khi thực hiện nhân liên tiếp từng cột của một thừa số với tất cả các cột của thừa
số kia, hai hàng kết quả của hai cột liên tiếp nhau phải đặt dịch trái 1 nhịp sau đó cùng
cộng các tích (các hàng tích sẽ có tích tồn phần).
Ví dụ:
0 1 0 1 Säú bë nhán
1 0 1 Säú nhán
1010
+ 0000
1010
1 1 0 0 1 0 têch säú ton pháưn

Khi số nhị phân có m chữ số lẻ (sau dấu phẩy) và số nhân có n chữ số lẻ, ta bỏ
dấu phẩy của cả 2 thừa số và thực hiện qui tắc nhân như với hai chữ số nhị phân chỉ có
phần ngun. Kết quả ở tích số tồn phần, dấu phẩy được đặt ở vị trí trước cột thứ m+n
tính từ phải qua trái như phép nhân có số thập phân ở hệ 10.
 Phép chia nhị phân: qui tắc chia: