CHƯƠNG 1. Câu 1: Trình bày hiệu ứng áp điện? Câu 2: Trình bày hiệu ứng quang điện? Câu 3: Trình bày hiệu ứng nhiệt điện? Câu 4: Trình bày các nguyên nhân sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên của cảm biến? Cho ví dụ về sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên của cảm biến Câu 5: Kể tên các thành phần chính của thiết bị đo lường và cảm biến ? Câu 6: Một cảm biến đo có độ nhạy 1mV trên 1mm. Nếu di chuyển 10mm tạo điện áp 10,5mV. Tính sai số tương đối của bộ cảm biến? Câu 7: Một cảm biến đo nhiệt độ có dải đầu vào 0 đến 100 0C tương ứng với đầu ra là 0 đến 10V.
Khi nhiệt độ đo là 50 0C thì đầu ra là 4. Tính độ chính xác của phép đo? Câu 8: Khái niệm về cảm biến? Phân loại cảm biến? các vấn đề khi thiết kế và sử dụng cảm biến? Câu 9: Kể tên 1 loại cảm biến và mô tả 1 ví dụ ứng dụng thực tiễn của cảm biến đó? Câu 10: Để điều khiển thông minh đèn, quạt trong 1 hộ gia đình thì có thể sử dụng một số loại cảm biến nào? QLĐT-BM13-QT31 19 CHƯƠNG 2: CẢM BIẾN QUANG GIỚI THIỆU Cảm biến quang được sử dụng để chuyển thông tin từ ánh sáng nhìn thấy hoặc tia hồng ngoại (IR) và tia tử ngoại (UV) thành tín hiệu điện. Do đó cảm biến quang được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp và dân dụng với rất nhiều ứng dụng khác nhau. MỤC TIÊU Sau khi học xong bài này sinh viên có khả năng: Mô tả, phân biệt được các loại cảm biến quang Trình bày được nguyên lý các loại cảm biến quang Lắp ráp và khảo sát được một số mạch ứng dụng cảm biến quang Rèn luyện tính tỷ mỉ, chính xác, an toàn và vệ sinh công nghiệp 2.
Giới thiệu chung về cảm biến quang. Cảm biến quang (Photoelectric Sensor) là tổ hợp của các linh kiện quang điện. Cảm biến quang sử dụng ánh sáng phát ra từ bộ phận phát để phát hiện sự hiện diện của vật thể. Khi có sự thay đổi ở bộ phận thu thì mạch điều khiển của cảm biến quang sẽ cho ra tín hiệu ở ngõ OUT.
Cấu tạo của cảm biến quang cơ bản gồm có 3 phần chính : +Bộ phát ánh sáng: Có nhiệm vụ phát ra ánh sáng dạng xung (tần số). Tần số ánh sáng này sẽ được hãng sản xuất thiết kế đặc biệt để bộ thu ánh sáng có thể phân biệt được ánh sáng từ cảm biến và ánh sáng từ nguồn khác bên ngoài như : ánh sáng tự nhiên (ban ngày), bóng đèn,… +Bộ thu ánh sáng: Có nhiệm vụ tiếp nhận ánh sáng từ bộ phát sáng, nó được gọi là phototransistor (tranzito quang). +Mạch xử lý tín hiệu điện: Khi tiếp nhận tín hiệu từ bộ thu ánh sáng. Mạch điện tử sẽ chuyển tín hiệu tỉ lệ (analogue) từ tranzito quang thành tín hiệu ON/OFF được khuếch đại.
Tín hiệu ngõ ra thường dùng nhất là NPN, PNP,… Phân loại cảm biến quang: +Cảm Biến Quang Điện Thu Phát Độc Lập: Loại cảm biến quang thu phát độc lập là cảm biến ánh sáng không phản xạ, để hoạt động được cần một con phát ánh sáng và một con thu ánh sáng lắp đối diện với nhau QLĐT-BM13-QT31 20 +Cảm Biến Quang Phản Xạ Gương: Bộ cảm biến quang điện phản xạ gương là cảm biến có bộ phát ánh sáng và thu ánh sáng trên cùng một thiết bị. Gương phản xạ là một lăng kính đặc biệt +Cảm Biến Quang Phản Xạ Khuếch Tán: Thiết bị cảm biến quang phản xạ khuếch tán là loại cảm biến có bộ thu và phát chung Ưu Điểm Của Cảm Biến Quang: Phát hiện vật thể từ khoảng cách xa mà không cần tiếp xúc với vật thể đó, lên tới 100m Ít bị hao mòn, có tuổi thọ và độ chính xác, tính ổn định cao Có thể phát hiện nhiều vật thể khác nhau Thời gian đáp ứng nhanh, có thể điều chỉnh độ nhạy theo ứng dụng. Nhược Điểm Của Cảm Biến Quang: Cảm biến sẽ hoạt động không tốt nếu như bề mặt của nó bị bẩn Khoảng cách nhận biết vật phụ thuộc nhiều về yếu tố màu sắc và hệ số phản xạ của vật đó. Ứng Dụng Của Cảm Biến Quang: Đếm số lượng sản phẩm di chuyển trên băng tải tốc độ cao Phát hiện các nhãn bị thiếu trên sản phẩm Đảm bảo kiểm soát an toàn khi mở và đóng cửa nhà xe Bật vòi nước rửa bằng sóng của bàn tay.
Phát hiện người và vật đi qua cửa Phát hiện xe trong bãi giữ xe Thông Số Cơ Bản Của Cảm Biến Quang: Nguồn cấp: 12-24VDC, 24-240VAC Khoảng cách phát hiện: 15m (Loại thu - phát); 0.1~5m (phản xạ gương); 700mm (phản xạ khuếch tán) Độ trễ: Lớn nhất 20% khoảng cách cài đặt định mức (phản xạ khuếch tán) Vật phát hiện chuẩn: vật mờ đục: Ø15 mm (Thu-phát), vật mờ đục: Ø60 mm (Phản xạ gương), vật mờ đục, trong mờ (Phản xạ khuếch tán) Chế độ hoạt động: Có thể lựa chọn Light ON hay Dark ON bởi công tắc Ngõ ra: Ngõ ra tiếp điểm relay 30VDC 3A, 250VAC 3A tải thuần trở QLĐT-BM13-QT31 21 2. Quang trở: Quang trở (điện trở quang hay photoresistor, photocell) được làm từ vật liệu bán dẫn (như: CdSe, CdS, CdTe, InSb, InP, PbS, PbSe, Ge, Is, GaAs…) có đặc tính nhạy sáng. Quang trở là một điện trở có thể thay đổi được giá trị theo cường độ ánh sáng.1: Hình dạng và ký hiệu quang trở Cấu tạo của quang trở gồm 2 phần là phần trên và phần dưới là các màng kim loại được đấu nối với nhau thông qua các đầu cực, nhằm cung cấp diện tích tiếp xúc tối đa nhất với 2 màng kim loại và được đặt trong một hộp nhựa có thể giúp tiếp xúc được với ánh sáng.2: Cấu tạo của quang trở Thành phần chính để tạo nên quang trở đó chính là Cadmium Sulphide (CdS) được sử dụng là chất quang dẫn, thường không chứa hoặc có rất ít các hạt electron khi không được ánh sáng chiếu vào. Trong bóng tối, quang trở thường có điện trở lên vài MΩ.
Còn khi có ánh sáng chiếu vào thì giá trị điện trở có thể giảm xuống mức một cho đến vài trăm Ω. Ứng dụng: Quang trở được sử dụng nhiều trong các mạch cảm biến ánh sáng, đèn đường, báo động ánh sáng, đồng hồ ngoài trời… QLĐT-BM13-QT31 22 Ưu điểm: Quang trở với một số ưu điểm như giá thành rẻ, đa dạng về kích cỡ có thể áp dụng với nhiều các bo mạch khác nhau, kích thước phổ biến có đường kính mặt là 10mm. Cùng với đó là năng lượng tiêu thụ và điện áp hoạt động nhỏ. Nhược điểm: Thời gian phản hồi chậm nên độ chính xác sẽ không cao.
Thời gian phản hồi của quang trở nằm trong khoảng từ hàng chục cho đến hàng trăm mili giây.3: Đặc tuyến của quang trở. Bài tập ứng dụng: Giải thích tóm tắt nguyên lý hoạt động của mạch sau: Hình 2.4: Mạch tự động tắt mở đèn theo ánh sáng dùng quang trở 2.Diode quang, transistor quang. *Diode quang (photo diode) Cấu tạo: Photo diode là một tiếp giáp p-n được tạo bởi các vật liệu như: Ge, Si (Cho vùng ánh sáng trông thấy và gần hồng ngoại), GaAs, InAs, CdHgTe, InSb cho vùng ánh sáng hồng ngoại.5: Cấu tạo của photo Diode QLĐT-BM13-QT31 23 Nguyên lý làm việc của photo diode: Khi chiếu sáng lên bề mặt của photo diode bằng bức xạ có bước sóng nhỏ hơn bước sóng ngưỡng < n sẽ xuất hiện thêm các cặp điện tử – lỗ trống. Để các hạt này có thể tham gia vào độ dẫn và làm tăng dòng điện I ta cần phải ngăn quá trình tái hợp của chúng nghĩa là phải nhanh chóng tách cặp điện tử – lỗ trống dưới tác dụng của điện trường.
Quá trình này chỉ xảy ra trong vùng nghèo và làm tăng dòng điện ngược. Ứng dụng của photo diode: Photo diode có thể dùng để đo thông lượng ánh sáng, dò vạch dẫn đường cho mobile robot, làm đầu thu trong các bộ điều khiển từ xa, đọc mã vạch … * Photo transistor: Cấu tạo: Photo transistor là transistor silic loại NPN mà vùng Bazơ có thể được chiếu sáng. Khi không có điện áp đặt lên Bazơ chỉ có điện áp đặt lên Colector, chuyển tiếp BC bị phân cực ngược Hình 2.6: Phân cực cho Transistor quang và sơ đồ tương đương Điện áp đặt vào E hầu như tập trung toàn bộ trên chuyển tiếp B-C, trong khi đó sự chênh lệch điện thế giữa Emiter và Bazơ là không đáng kể (VBE ≈ 0,7V). Khi chuyển tiếp B-C được chiếu sáng, nó hoạt động như một photo diode ở chế độ quang dẫn với dòng điện ngược Ứng dụng của transistor quang: Transistor có thể dùng để do thông lượng ánh sáng, dò vạch dẫn đường cho mobile robot, làm đầu thu trong các bộ điều khiển từ xa không dây, đọc mã vạch, chế tạo các cảm biến quang trong công nghiệp.
QLĐT-BM13-QT31 24 Bài tập ứng dụng: Giải thích tóm tắt nguyên lý hoạt động của mạch sau: Hình 2.7: Mạch tự động tắt mở đèn khi có vật cản 2.Giới thiệu một số loại cảm biến quang khác. Cảm biến quang dùng trong công nghiệp thường có 3 bộ phận chính bao gồm: bộ phận phát sáng, bộ phận thu sáng và mạch xử lý tín hiệu đầu ra. Bộ phận thu sáng: là một phototransistor cảm nhận ánh sáng và chuyển đổi thành tín hiệu điện tương ứng Bộ phận phát sáng: là đèn bán dẫn LED và ánh sáng được phát ra thường sẽ theo dạng xung. Mạch xử lý tín hiệu đầu ra: chuyển tín hiệu tỉ lệ (analogue) từ tranzito quang thành tín hiệu ON/OFF và được khuếch đại.
*Cảm biến quang thu phát chung: Thiết bị cảm biến quang phản xạ khuếch tán là loại cảm biến có bộ thu và phát chung. Đặc điểm nổi bật là bị ảnh hưởng bởi bề mặt, màu sắc, khoảng cách tối đa 2m.8: Cảm biến quang thu phát chung Nguyên lý hoạt động như sau : Cảm biến thu phát chung hoạt động theo 2 trạng thái là: +Trạng thái báo phát hiện vật cản: cảm biến phát ánh liên tục từ bộ phát đến bề mặt vật cản. Ánh sáng phản xạ đi ngược về vị trí thu sáng QLĐT-BM13-QT31 25 +Trạng thái không vật cản: Khi không có vật cản đi vào, ánh sáng không phản xạ về vị trí thu được hoặc bề mặt vật không phản xạ ánh sáng về vị trí thu.9: Cảm biến quang thu phát chung *Cảm biến quang thu phát độc lập: Loại cảm biến quang thu phát độc lập là cảm biến ánh sáng không phản xạ, để hoạt động được cần một bộ phát ánh sáng và một bộ thu ánh sáng lắp đối diện với nhau. Đặc điểm của dòng cảm biến này là không bị ảnh hưởng bởi bề mặt, màu sắc, khoảng cách phát hiện đến 60m.