mở đầu - Đối với người dạy: Sử dụng phương pháp giảng giảng dạy tích cực (diễn giảng, vấn đáp, dạy học theo vấn đề, thao tác mẫu, uốn nắn và sửa sai tại chỗ cho người học); yêu cầu người học nhớ các giá trị đại lượng, đơn vị của các đại lượng. Các bước quy trình thực hiện. - Đối với người học: chủ động đọc trước giáo trình trước buổi học, thực hiện thao tác theo hướng dẫn. Điều kiện thực hiện bài học - Phòng học chuyên môn hóa/nhà xưởng: Xưởng cơ điện tử, PLC - Trang thiết bị máy móc: Máy chiếu và các thiết bị dạy học khác, mô hình thực hành cơ điện tử, PLC - Học liệu, dụng cụ, nguyên vật liệu: Chương trình môn học, giáo trình, tài liệu tham khảo, giáo án, phim ảnh, và các tài liệu liên quan.
- Các điều kiện khác: Không có Kiểm tra và đánh giá bài học - Nội dung: ✓ Kiến thức: Kiểm tra và đánh giá tất cả nội dung đã nêu trong mục tiêu kiến thức ✓ Kỹ năng: Đánh giá tất cả nội dung đã nêu trong mục tiêu kĩ năng. ✓ Năng lực tự chủ và trách nhiệm: Trong quá trình học tập, người học cần: + Nghiên cứu bài trước khi đến lớp + Chuẩn bị đầy đủ tài liệu học tập. 11 + Tham gia đầy đủ thời lượng môn học. + Nghiêm túc trong quá trình học tập.
- Phương pháp: ✓ Điểm kiểm tra thường xuyên: 1 điểm kiểm tra (hình thức: hỏi miệng) ✓ Kiểm tra định kỳ lý thuyết: không có ✓ Kiểm tra định kỳ thực hành: 1 điểm kiểm tra (hình thức: thực hành) Nội dung chính: 1.1 Giới thiệu chung về cảm biến - Cảm biến là một thiết bị có khả năng chuyển đổi một tín hiệu vật lý thành một tín hiệu điện. Tính chất và ứng dụng của cảm biến trong lắp đặt và vận hành hệ thống cơ điện tử là rất đa dạng và phong phú. Dưới đây là một số tính chất và ứng dụng chính của cảm biến: - Tính chất của cảm biến: - Độ chính xác: Cảm biến có khả năng đo và phản hồi chính xác với mức độ sai số nhỏ. - Độ nhạy: Cảm biến có khả năng phát hiện và đo lường các thay đổi nhỏ trong tín hiệu đầu vào.
- Độ tin cậy: Cảm biến cần có tính tin cậy cao để hoạt động ổn định trong mọi điều kiện và thời gian dài. - Ứng dụng của cảm biến trong lắp đặt và vận hành hệ thống cơ điện tử: - Đo lường và điều khiển: Cảm biến được sử dụng để đo lường các thông số vật lý như nhiệt độ, áp suất, độ ẩm, mức nước, tốc độ, vị trí, gia tốc, và điều khiển các thiết bị hoạt động dựa trên các giá trị đo được. - Bảo mật và an ninh: Cảm biến có thể được sử dụng để phát hiện chuyển động, ghi nhận hình ảnh hoặc âm thanh, để bảo vệ và giám sát an ninh trong các hệ thống an ninh và giám sát. - Điều khiển tự động: Cảm biến được sử dụng để thu thập thông tin từ môi trường và điều khiển các thiết bị tự động trong các hệ thống như hệ thống điều khiển nhà thông minh, hệ thống tự động hóa công nghiệp, hệ thống lái tự động trong ô tô, v.1 Hoạt động của cảm biến 12 1.2 Phân loại cảm biến 1.1 Cảm ứng từ (Inductive proximity sensor) Nguyên lý hoạt động và ký hiệu trên sơ đồ mạch điện của sensor cảm ứng Các đặc trưng cơ bản của một cảm biến cảm ứng từ: -Đối tượng phát hiện: Kim loại sắt từ.
-Khoảng cách phát hiện: 0,8 – 10mm, ( loại có độ nhạy cao nhất - max 250mm) -Điện áp cung cấp: 10-30 VDC -Dòng điện cung cấp ra tải: 75 - 400mA Nguyên lý hoạt động: Khi vật thể bằng kim loại được đưa vào vùng tác dụng của sensor, dòng điện xoáy xuất hiện trong vật thể, nó làm suy giảm năng lượng của bộ tạo dao động(Oscillator). Điều đó dẫn đến sự thay đổi dòng điện tiêu thụ của sensor. Như vậy, hai trạng thái: suy giảm và không suy giảm dòng điện tiêu thụ của sensor dẫn đến chuyển trạng thái “có” hay “không” bằng mức xung điện áp ra. Xem sơ đồ nguyên lý mạch điện tử của cảm biến cảm ứng từ Hình 1.2 S ơ đồ nguyên lý của cảm biến cảm ứng từ 1.2 Cảm biến tiệm cận điện dung ( capacitive proximity sensor) 13 Ký Hình 1.3 Kí hiệu và sơ đồ nguyênNguyên lý làm việc -Cảm biến điện dung phát hiện được các vật thể làm bằng vật liệu bất kỳ ( kim loại, đá, gỗ , nước.
-Khi vật thể được dẫn vào vùng tác dụng của cảm biến, điện dung của một tụ điện ( được hình thành bởi vật thể và bản cực của cảm biến) thay đổi. Điện dung này tham gia trong một mạch cộng hưởng RC của cảm biến. Trang thái cộng hưởng thay đổi dẫn đến thay đổi dòng điện tiêu thụ của cảm biến và tương ứng với “có” hay “ không có” vật thể trong vùng phát hiện của cảm biến.3Cảm biến tiệm cận quang (Optical proximity sensors) Hình 1.4 Kí hiệu và sơ đồ nguyênNguyên lý làm việc Nguyên lý làm việc : Bộ phận phát sẽ phát đi tia hồng ngoại bằng điôt phát quang, khi gặp vật 14 chắn, tia hồng ngoại sẽ phản hồi lại bộ phận nhận. Như vậy ở bộ phận nhận, tia hồng ngoại phản hồi là tín hiệu kích thích tạo nên tín hiệu ra số loại cảm biến tiệm cận của hãng Omron: Hình 1.5: Một số loại cảm biến tiệm cận của hãng Omron Hai cảm biến song song Hai cảm biến đối diện nhau Hình 1.6 Khoảng cách giữa hai cảm biến: Khoảng cách 2 cảm biến Hình 1.7 Phát hiện và duy trì mức chất lỏng trong bể chứa.3 Đo khoảng cách với cơ cấu biên trở Cảm biến vị trí thực hiện đo vị trí vật lý của vật so với một điểm chuẩn.
Thông tin có thể là vị trí góc hoặc độ quay.1 Nguyên lý làm việc Một chiết áp dùng để chuyển đổi góc quay hoặc độ dịch chuyển tuyến tính hóa thành điện áp. Thực chất thì bản thân chiết áp là điện trở nhưng chính giá trị này dễ dàng được chuyển đổi thành điện áp. Các chiết áp sử dụng làm cảm biến vị trí về nguyên tắc giống như điều chỉnh âm lượng nhưng có những điểm khác. Một chiết áp dùng để điều chỉnh âm lượng, sự thay đổi điện trở có thể ở dạng phi tuyến miễn sao thay đổi được âm thanh, còn chiết áp dùng để đo vị trí góc phải biến đổi tuyến tính – nghĩa là sự thay đổi điện trở tuyến tính theo trục quay.
Chiết áp Ký hiệu Hình 1.8: Chiết áp Chiết áp dịch chuyển tuyến tính Chiết áp được mô tả là một loại vòng – thực tế chỉ khoảng 3500, một chiết áp vòng có thể có các điểm dừng cuối mỗi hành trình của nó, góc quay không vượt quá 3500. Một chiết áp vòng không có các điểm dừng có vùng không nhạy cảm nhỏ khi thanh trượt chuyển động theo hình xoắn ốc, có tới 25 vòng hoặc hơn tính từ điểm dừng này đến điểm dừng khác.9 : Chiết áp tuyến tính 16 Trong trường hợp, thanh trượt có thể dịch chuyển tiến hoặc lùi theo đường thẳng. Các chiết áp dịch chuyển tuyến tích thuận lợi cho việc do vị trí các đối tượng mà nó chuyển động theo dạng tuyến tính.58a minh họa chiết áp dùng để đo vị trí góc của cánh tay robot, trong trường hợp này thân chiết áp được giữ cố định và trục của nó được nối trực tiếp với trục của động cơ. Điện áp 10VDC được cấp cho chiết áp.
Điện áp thay đổi từ 0 ÷ 10V DC dọc theo điện trở, thanh trượt chính là rẽ nhánh, điện áp ra chính là điện áp thanh trượt và điểm 0. Khi thanh trượt ở vị trí dưới cùng thì đầu ra 0V tương ứng với 00. Khi thanh trượt ở vị trí trên cùng, đầu ra ứng với 10V tương ứng với 350 0. Ở vị trí chính giữa, điện áp đầu ra 5V tương ứng với vị trí góc 1750.10: Chiết áp sử dụng làm cảm biến vị trí 1.2 Đo áp suất với cảm biến áp suất đầu ra tín hiệu tương tự - Áp suất là độ lớn sức mạnh thông thường trên mỗi đơn vị diện tích áp dung trong một vật thể, bộ cảm biến áp suất là thiết bị dò thông tin áp suất mà vật thể đối tượng đang có, nó tương ứng với đồng hồ đo dòng, cảm biến áp suất chất bán dẫn, phần tử áp điện.
Có thể sử dụng bộ cảm biến áp suất để đo lực hoặc tải trọng.3 Đo lực với cảm biến lực đầu ra tín hiệu tương tự Một vật chịu tác dụng của lực và momen bao giờ cũng bị biến dạng, nghĩa là có chuyển vị tương đối giữa các phần của nó. Vì vậy các phép đo lực là mômen thường được quy về đo chuyển vị. Để tăng vùng làm việc tuyến tính, người ta dùng cầu cân bằng, trong đó tensiometer là một nhánh (Rs). Khi chưa tác dụng lực, cầu cân bằng, nghĩa là Vo = 0.
Khi có lực, Rs thay dổi, làm cầu mất cân bằng. Tín hiệu ra được tính theo công thức: 17 Để bù sự ảnh hưởng của nhiệt độ, ngươi ta dùng R 3 như điện trở bù, gắn lên vùng không chịu lực. Nếu gắn R3 lên phía đối diện của phần tử biến dạng, sao cho Rs chịu lực kéo còn R3 chịu nén thì sẽ tăng được độ nhạy của sensor.11- Cảm biến điện trở và sơ đồ nối kiểu cầu cân bằng Các tensiometer được dán lên các nhánh chữ thập, sao cho sensor nhận được tín hiệu lực tác dụng theo bất cứ phương nào. Mỗi nhánh chữ thập được dán hai tensiometer, nên tổng số giá trị đo được là 8, từ 1 đến 8.
Lực tổng quát tác dụnglên cổ tay có 6 thành phàn: 3 thành phần lực hướng theo 3 trục toạ độ (fx, fy, fz) và 3 thành phần momen quanh 3 trục đó ( i, y, z). Quan hệ giữa các thành phần lự cvà momen với các giá trị đo được biểu diễn qua một ma trận, gọi là ma trận chuẩn định (calibration matrix): Hình 1.12- Phần tử biến dạng kiểu Maltese Các sensor thông dụng kiểu này có đường kính khoảng 10cm, cao khoảng 5cm, có giới hạn do lực (50 -500)N và momen (5 -70)Nm; độ phân giải đo lựckhoảng 0,1% và mômen 0,5% giá trị cực đại; tốc độ lấy mẫu của mạch xử lý khoảng 1Hz. 18 CÂU HỎI ÔN TẬP 1- Nêu khái niệm cảm biến. 2- Cảm biến là gì? Đóng vai trò gì trong hệ thống điện tử? 3- Tại sao cảm biến quang học được sử dụng rộng rãi trong công nghệ? 4- Đặc điểm chung của cảm biến nhiệt độ là gì? 5- Giải thích nguyên tắc hoạt động của cảm biến áp suất.