Chương 1: Các Khái Niệm Chung o Cảm ảm biến thụ ñộng (không có nguồn): Cảm biến gọi là là thụ th ñộng khi chúng cần có thêm nguồn ngu năng lượng phụ ñể hoàn tất ất nhiệm vụ ño kiểm, còn c loại tích cực thìì không cần c thêm nguồn năng lượng. Cảm ảm biến thụ ñộng ñược ñặc trưng bằng ằng các thông số: R, L, C…tuyến tính hoặc phi tuyến. Các loại cảm biến thường thư sử dụng trong công nghiệp vàà dân dụng d o Cảm ảm biến tiệm cận. o Cảm ảm biến quang.
o Cảm biến màu àu sắc. s o Cảm ảm biến thông minh. minh o Cảm ảm biến sợi quang. o Cảm biến lực ực căng áp suất.
o Cảm ảm biến nhiệt. o Cảm ảm biến vị trí và v dịch chuyển. o Cảm biến lưu ưu lượng. lư o Cảm biến siêu êu âm….
Ký hiệu ệu các loại cảm biến Hình 1.11 Ký hiệu các loại cảm biến thường dùng ùng Trang 16 Chương 1: Các Khái Niệm Chung Cảm biến ñược ký hiệu như hình 1.11, tùy theo loại cảm biến mà trong ký hiệu sẽ kèm thêm các ký hiệu riêng ñặc trưng cho loại cảm biến ñó như cuộn dây cho cảm biến ñiện cảm, tụ cho cảm biến ñiện dung… Ví dụ: Hình 1.12 là ký hiệu của cảm biến ñiện dung, ngõ ra dạng ON/OFF loại thường hở, chuyển mạch dương.12 Ký hiệu cảm biến ñiện dung 1.6 Mạch ño cảm biến 1.1 Sơ ñồ mạch ño Mạch ño bao gồm toàn bộ thiết bị ño (trong ñó có cảm biến) cho phép xác ñịnh chính xác giá trị của ñại lượng cần ño trong những ñiều kiện tốt nhất. o Ở ñầu vào của mạch, cảm biến chịu tác ñộng của ñại lượng cần ño gây nên tín hiệu ñiện mang theo thông tin về ñại cần ño. o Ở ñầu ra của mạch, tín hiệu ñiện ñã qua xử lý ñược chuyển ñổi sang dạng có thể ñọc ñược trực tiếp giá trị cần tìm của ñại lượng ño. Việc chuẩn hệ ño ñảm bảo cho mỗi giá trị của chỉ thị ñầu ra tương ứng với một giá trị của ñại lượng ño tác ñộng ở ñầu vào của mạch.13 Sơ ñồ mạch ño nhiệt ñộ bằng cặp nhiệt Trang 17 Chương 1: Các Khái Niệm Chung Trên thực tế, do các yêu cầu khác nhau khi ño, mạch ño thường gồm nhiều thành phần trong ñó có các khối ñể tối ưu hoá việc thu thập và xử lý dữ liệu, chẳng hạn mạch tuyến tính hoá tín hiệu nhận từ cảm biến, mạch khử ñiện dung ký sinh, các bộ chuyển ñổi nhiều kênh, bộ khuếch ñại, bộ so pha lọc nhiễu, bộ chuyển ñổi tương tự - số, bộ vi xử lý, các thiết bị hỗ trợ.14 biểu diễn sơ ñồ khối một mạch ñiện ño ñiện thế trên bề mặt màng nhạy quang ñược lắp ráp từ nhiều phần tử.
1) Máy phát chức năng 2) Cảm biến ñiện tích 3) Tiền khuếch ñại 4) So pha lọc nhiễu 5) Khuếch ñại 6) Chuyển ñổi tương tự số 7) Máy tính Hình 1.14 Mạch ño ñiện thế bề mặt 1.2 Một số phần tử cơ bản của mạch ño a. Bộ khuếch ñại thuật toán (KðTT) Bộ khuếch ñại thuật toán mạch tích hợp là bộ khuếch ñại dòng một chiều có hai ñầu vào và một ñầu ra chung, thường gồm nhiều transistor và các ñiện trở, tụ ñiện ghép nối với nhau. Ở ñầu vào của mạch, cảm biến chịu tác ñộng của ñại lượng cần ño gây nên tín hiệu ñiện mang theo thông tin về ñại cần ño.15 Sơ ñồ mạch khuếch ñại thuật toán Trang 18 Chương 1: Các Khái Niệm Chung b. Bộ khuếch ñại ño lường IA Bộ khuếch ñại ño lường IA có hai ñầu vào và một ñầu ra.
Tín hiệu ñầu ra tỷ lệ với hiệu của hai ñiện áp ñầu vào: U ra = A(U + − U − ) = A∆U (1.16 Sơ ñồ mạch khuếch ñại ño lường gồm 3 bộ KðTT ghép ñiện trở c. Khử ñiện áp lệch o ðối với một bộ khuếch KðTT lý tưởng khi hở mạch phải có ñiện áp ra bằng không khi hai ñầu vào nối mass. o Thực tế vì các ñiện áp bên trong nên tạo ra một ñiện áp nhỏ (ñiện áp phân cực) ở ñầu vào KðTT cỡ vài mV, nhưng khi sử dụng mạch kín ñiện áp này ñược khuếch ñại và tạo nên ñiện áp khá lớn ở ñầu ra. ðể khử ñiện áp lệch có thể sử dụng sơ ñồ hình như sau, bằng cách ñiều chỉnh biến trở R3.
Trang 19 Chương 1: Các Khái Niệm Chung Hình 1.17 Sơ ñồ mạch khử ñiện áp lệch d. Mạch cầu o Cầu Wheatstone thường ñược sử dụng trong các mạch ño nhiệt ñộ, lực, áp suất, từ trường. Cầu gồm bốn ñiện trở R1, R2, R3 cố ñịnh và R4 thay ñổi (mắc như hình 1.18) hoạt ñộng như cầu không cân bằng dựa trên việc phát hiện ñiện áp qua ñường chéo của cầu. o Ở ñầu ra của mạch, tín hiệu ñiện ñã qua xử lý ñược chuyển ñổi sang dạng có thể ñọc ñược trực tiếp giá trị cần tìm của ñại lượng ño.
Việc chuẩn hệ ño ñảm bảo cho mỗi giá trị của chỉ thị ñầu ra tương ứng với một giá trị của ñại lượng ño tác ñộng ở ñầu vào của mạch.18 Sơ ñồ mạch cầu Wheatstone Trang 20 Chương 2: Cảm Biến Tiệm Cận Chương 2 CẢM BIẾN TIỆM CẬN (Proximity Sensor) 2.1 Giới thiệu Cảm biến tiệm cận bao gồm tất cả các loại cảm biến phát hiện vật thể không cần tiếp xúc giống như công tắc hành trình, mà dựa trên những mối quan hệ vật lý giữa cảm biến và vật thể cần phát hiện. Cảm biến tiệm cận chuyển ñổi tín hiệu về sự chuyển ñộng hoặc xuất hiện của vật thể thành tín hiệu ñiện. Có 3 hệ thống phát hiện ñể thực hiện công việc chuyển ñổi này: o Hệ thống sử dụng dòng ñiện xoáy ñược phát ra trong vật thể kim loại nhờ hiện tượng cảm ứng ñiện từ o Hệ thống sử dụng sự thay ñổi ñiện dung khi ñến gần vật thể cần phát hiện o Hệ thống sử dụng nam châm và hệ thống chuyển mạch cộng từ. Theo tiêu chuẩn công nghiệp của Nhật (JIS) ñịnh nghĩa cảm biến tiệm cận (JIS C 8201-5-2) phù hợp với chuẩn IEC 60947-5-2 là bộ chuyển mạch phát hiện vị trí không tiếp xúc.
Cảm biến tiệm cận dùng phát hiện vật thể kim loại từ tính, kim loại không từ tính (như Nhôm, ñồng.) sử dụng cảm biến loại ñiện cảm (Inductivity Proximity Sensor) và phát hiện vật phi kim sử dụng loại cảm biến tiệm cận kiểu ñiện dung (Capacitve Proximity Sensor). ðồng thời có sẵn các loại ñáp ứng ñược hầu hết các ñiều kiện môi trường lắp ñặt: nhiệt ñộ cao, nhiệt ñộ thấp, chống nước, chống hóa chất … 2.2 ðặc ñiểm cảm biến tiệm cận Theo hướng ứng dụng, cảm biến tiệm cận thường có các ñặc ñiểm sau: o Phát hiện vật không cẩn tiếp xúc o Tốc ñộ ñáp ứng cao o ðầu cảm biến nhỏ có thể lắp ở nhiều nơi o Có thể sử dụng trong môi trường khắc nghiệt Trang 21 Chương 2: Cảm C Biến Tiệm Cận Hình 2. Cảm biến tiệm cận loại phát hiện vật rơi ơi và vật v cản. Cảm ảm biến tiệm cận là l một ột kỹ thuật ñể nhận biết sự có mặt hay không có mặt của một ột vật thể với cảm biến ñiện tử không công tắc (không ñụng chạm).
Cảm biến tiệm cận ận có một vị trí rất quan trọng trong thực tế. Thí dụ phát hiện vật trên tr dây chuyền ñể robot bắt giữ ữ lấy; phát hiện chai, lon nhôm trên tr băng chuyền…. Tín hiệu ở ngõ ng ra của cảm biến thường ờng dạng logic (có hoặc không). Cảm ảm biến tiệm cận có các loại: o Loại cảm ứng từ: có hai loại lo ñiện cảm và từ cảm, loại này ày có tầm t phát hiện ngắn và chỉ phát hiện ñược ợc những nhữ vật có từ tính o Loại cảm ứng ñiện ện dung: tầm phát hiện ngắn phát hiện ñược ñ ợc các vật có hằng số ñiện môi lớn hơn 1,, thường thư có bộ phận chỉnh ñộ nhạy.
o Loại ại cảm biến quang: có ba loại xuyên xuy suốt, phản xạ vàà khuyết khuy tán loại này có tầm ño tương ñối ối xa có thể lên l ñến 30m, phát hiện ñược ợc hầu hết các vật. vật o Loại cảm biến siêu êu âm: có thể thể phát hiện tất cả các vật tầm phát hiện trung bình b 2.3 Cảm biến tiệm ệm cận cảm ứng từ (Magnectic sensor) 2. Giới ới thiệu cảm tiệm cận cảm ứng từ a. Hình dạng cảm ảm biến cảm ứng từ Cảm biến cảm ứng từ t có rất nhiều hình dạng khác nhau, nhưng ưng thường thư sử dụng là dạng hình chữ nhật như ư hình h 2.2 Hình dạng cảm biến từ Trang 22 Chương 2: Cảm Biến Tiệm Cận b.
Nguyên tắc chế tạo cảm biến cảm ứng từ Nguyên tác chế tạo cảm biến từ dựa theo hiện tượng cảm ứng từ Hall Hình 2.3 Hiện tượng cảm ứng từ Hall. Khi ñặt một tấm vật liệu mỏng (thường là bán dẫn) khi có dòng ñiện I chạy qua sẽ sinh ra một từ trường B có phương tạo với dòng ñiện một góc θ thì sẽ xuất hiện một ñiện thế Vh theo hướng vuông góc giữa B và I như hình 2.1) Trong ñó Kh là hệ số vật liệu Hình 2.4 Hoạt ñộng cảm ứng từ Hall. Trang 23 Chương 2: Cảm C Biến Tiệm Cận Hiệu ứng Hall ñược ợc dùng d ñểể chế tạo cảm biến xác ñịnh sự di chuyển của vật, vật ñược gắn vào ào thanh nam châm tạo t từ trường B. Từ trường ờng do cuộn dây của cảm biến tạo ra sẽ thay ñổi khi tương ương tác với với vật thể kim loại do ñó chỉ phát hiện ñược ñ với vật thể là kim loại.5 Nguyên tắc chung của ủa cảm biến từ.
ừ loại ñiện cảm (Inductive sensor) 2. Cảm biến từ a. Hình dạng ảm cũng có rất nhiều hình dạng Cảm biến ñiện cảm ạng khác nhau, nhưng nh thường sử dụng là dạng hình trụ tròn òn võ bọc b bằng kim loại như hình 2.6 ại ñiện cảm.6 Các loại cảm biến từ loại cảm Cảm ứng từ ừ loại ñiện cảm dựa vào v ñiện ện cảm của cuộn dây sinh ra từ trường tr xung quanh nó ñểể nhận biết vật. Cảm biến loại ñiện cảm rất ña dạng như nh ở hình 2.
Cảm biến tiệm cận ận ñiện cảm có nhiều kích thước th và hình dạng ạng khác nhau tương t ứng với các ứng dụng khác nhau. Cảm ảm biến tiệm cận ñiện cảm ñược ñ dùng ùng ñể ñ phát hiện các ñối Trang 24 Chương 2: Cảm C Biến Tiệm Cận tượng là kim loại (nhưng nhưng chúng không thể phát hiện các ñối tượng ợng có cấu tạo không phải là kim loại). Cấu tạo Hình 2.7 Cấu tạo cảm biến từ loại ại ñiện cảm.