Chương 19 Cảm Biến: Sổ tay Cơ Điện Tử (Kevin M. Lynch & Michael A. Peshkin)

Tìm hiểu tổng quan về các loại cảm biến trong cơ điện tử, từ cảm biến tiếp xúc, quang học đến hồng ngoại, cùng nguyên lý hoạt động và ứng dụng thực tế.

• Tác giả: Kevin M. Lynch
• Trường học: Northwestern University
• Chuyên ngành: Cơ Điện Tử
• Đề tài: Tổng quan về Cảm Biến trong Cơ Điện Tử: Nguyên lý và Ứng dụng
• Loại tài liệu: Giáo trình/Bài giảng

Tóm tắt

I. Khái niệm cơ bản về Cảm Biến trong Cơ Điện Tử

Cảm biến là những thiết bị quan trọng trong các hệ thống cơ điện tử hiện đại, đóng vai trò chuyển đổi các đại lượng vật lý thành tín hiệu điện có thể xử lý được. Trong lĩnh vực cơ điện tử, cảm biến được sử dụng để đo lường và giám sát các chuyển động, nhiệt độ, ánh sáng và các thông số khác. Hầu hết các chuyển động phổ biến trong các hệ thống cơ khí là dịch chuyển thẳng dọc theo một trục cố định và quay một góc quanh trục cố định. Những chuyển động phức tạp hơn có thể được tạo ra bằng cách kết hợp các chuyển động đơn giản này. Hiểu rõ về nguyên lý hoạt động của cảm biến là nền tảng để thiết kế và vận hành các hệ thống tự động hóa hiệu quả.

1.1. Định nghĩa và chức năng cảm biến

Cảm biến là các phần tử chuyển đổi tín hiệu, có khả năng phát hiện các thay đổi trong môi trường vật lý và truyền tải thông tin này dưới dạng tín hiệu điện. Chức năng chính của cảm biến trong cơ điện tử bao gồm đo lường vị trí, vận tốc, gia tốc và các đại lượng khác. Các cảm biến tuyến tính và cảm biến góc là những loại cơ bản nhất, được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng công nghiệp.

1.2. Tầm quan trọng trong hệ thống tự động hóa

Trong các hệ thống tự động hóa, cảm biến đóng vai trò then chốt trong việc thu thập dữ liệu thực time. Ứng dụng cảm biến trong robot di động, máy CNC, và các hệ thống điều khiển tự động đã cải thiện đáng kể độ chính xác và hiệu suất. Sự phát triển của công nghệ cảm biến hiện đại cho phép các hệ thống phản ứng nhanh chóng với những thay đổi trong môi trường làm việc.

II. Cảm Biến Tiếp Xúc và Công Tắc Cơ Khí

Cảm biến tiếp xúc là loại cảm biến đơn giản nhất, bao gồm các công tắc cơ khí và vi công tắc. Chúng gửi trả thông tin nhị phân: tiếp xúc hoặc không tiếp xúc. Công tắc cơ khí điển hình bao gồm một đòn bẩy, khi bị nhấn sẽ tạo ra một liên kết cơ khí bên trong, từ đó tạo ra một mạch điện kín. Vi công tắc được sử dụng rộng rãi như cảm biến va chạm cho các robot di động, với vật liệu bảo vệ gắn vào đòn bẩy. Một ứng dụng phổ biến khác là công tắc hành trình, dùng để xác định khi nào một khớp đạt tới điểm giới hạn trong hành trình cho phép. Mặc dù đơn giản, nhưng cảm biến tiếp xúc vẫn là những thiết bị đáng tin cậy và hiệu quả trong nhiều ứng dụng công nghiệp.

2.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Vi công tắc cơ bản gồm một đòn bẩy và một cơ cấu tiếp xúc điện. Khi cảm biến bị tác động, đòn bẩy di chuyển và tạo hoặc cắt đứt mạch điện. Cấu hình công tắc có thể là thường mở (NO) hoặc thường đóng (NC). Các công tắc phức tạp hơn như SPDT (một chuyển mạch hai tiếp điểm) có thể chuyển đổi giữa hai tiếp xúc khác nhau, trong khi DPST chuyển hai chuyển mạch.

2.2. Ứng dụng và xử lý tín hiệu

Cảm biến tiếp xúc thường được sử dụng để phát hiện va chạm, kiểm tra vị trí và giới hạn chuyển động. Tín hiệu từ cảm biến cần được xử lý bằng mạch "giảm nhiễu" để làm sạch các ảnh hưởng nhỏ khi công tắc đóng. Các ứng dụng cảm biến trong robot di động bao gồm phát hiện vật cản thông qua va chạm cơ khí với "râu" cảm biến.

III. Cảm Biến Quang Học và Tia Hồng Ngoài

Cảm biến quang học sử dụng tia hồng ngoài và ánh sáng để đo lường các dịch chuyển thẳng hoặc quay. Cảm biến này bao gồm một phần tử phát sáng như LED hồng ngoài (photoemitter) và một thiết bị cảm ứng quang (photodetector) để phát hiện tia sáng. Bộ thu quang có thể là quang điện trở, tế bào quang điện, diode quang hoặc transistor quang, mỗi loại có các đặc tính riêng biệt. Trong transistor quang, tia hồng ngoài tới hoạt động như dòng điện base, và dòng điện collector tỉ lệ với cường độ tia nhận được. Ứng dụng cảm biến quang rất đa dạng, từ phát hiện vật thể tới đo khoảng cách với độ chính xác cao. Cảm biến hồng ngoài có thể được điều biến ở tần số cao để phân biệt với ánh sáng xung quanh.

3.1. Bộ ngắt quang và bộ phản xạ quang

Bộ ngắt quang (optical switch) hoạt động khi bộ phát và bộ thu hướng về nhau, có thể phát hiện bất kỳ vật gì đi qua chúng. Cảm biến phản xạ quang đặt bộ phát và thu cùng hướng về một phía, sử dụng cường độ tia phản xạ để đo khoảng cách tới bề mặt. Ứng dụng cảm biến này trong robot di động bao gồm phát hiện các bề mặt hấp thụ hay phản xạ ánh sáng ở khoảng cách không đổi.

3.2. Cảm biến vị trí quang PSD và ứng dụng nâng cao

Cảm biến vị trí (Position Sensitive Detector - PSD) là thiết bị quang học tiên tiến có khả năng đo vị trí chính xác của tia sáng. Công nghệ cảm biến này cho phép xác định không chỉ cường độ mà còn vị trí của tia sáng trên bề mặt nhạy cảm. Các bộ lọc phân cực có thể được sử dụng để bộ thu chỉ phát hiện ánh sáng phản xạ từ bề mặt đặc biệt, nâng cao độ chọn lọc của cảm biến quang.

IV. Các Loại Cảm Biến Chuyên Dụng Khác

Ngoài cảm biến tiếp xúc và cảm biến quang, các hệ thống cơ điện tử sử dụng nhiều loại cảm biến chuyên dụng khác. Cảm biến gia tốc được sử dụng để đo lường gia tốc của các vật thể, rất quan trọng trong các ứng dụng giám sát độ rung và an toàn. Cảm biến đo khoảng cách và cảm biến tiệm cận (proximity sensors) có khả năng phát hiện sự hiện diện của vật thể mà không cần tiếp xúc trực tiếp. Các hệ thống nhận biết ánh sáng, hình ảnh và nhận dạng sử dụng camera và xử lý hình ảnh để thu thập thông tin chi tiết. Cảm biến tuyến tính và cảm biến góc cung cấp thông tin chính xác về vị trí và hướng quay. Sự đa dạng của các loại cảm biến cho phép các kỹ sư chọn lựa thiết bị phù hợp nhất cho từng ứng dụng cụ thể trong các hệ thống cơ điện tử.

4.1. Cảm biến gia tốc và cảm biến khoảng cách

Cảm biến gia tốc (accelerometers) đo lường tốc độ thay đổi của vận tốc, được ứng dụng trong giám sát độ rung máy móc và hệ thống an toàn. Cảm biến đo khoảng cách sử dụng các nguyên lý vật lý khác nhau như siêu âm hoặc laser để xác định khoảng cách tới vật thể. Cảm biến tiệm cận phát hiện sự hiện diện mà không cần tiếp xúc, được sử dụng rộng rãi trong tự động hóa công nghiệp.

4.2. Hệ thống nhận biết hình ảnh và xử lý dữ liệu cảm biến

Hệ thống nhận biết ánh sáng, hình ảnh sử dụng camera và thuật toán xử lý ảnh để phân tích môi trường chi tiết. Công nghệ cảm biến hình ảnh cho phép nhận dạng vật thể, đo lường kích thước, và phát hiện lỗi với độ chính xác cao. Sự kết hợp của nhiều loại cảm biến và xử lý dữ liệu hiện đại tạo nên những hệ thống cơ điện tử thông minh và đáng tin cậy.

Trích đoạn nội dung tài liệu

19 Cảm biến Kevin M. Lynch Northwestern University Micheal A.1 Cảm biến tuyến tính và cảm biến góc.2 Cảm biến gia tốc .3 19-31 Curtin University of Technoloty 19. 19-31 Đại học Virginia 19.7 Cảm biến đo khoảng cách và cảm biến tiệm cận. 19-45 Jorge Fernando Figueroa 19.8 Các hệ thống nhận biết ánh sáng, hình ảnh và nhận dạng19-73 và H.1 Cảm biến tuyến tính và cảm biến góc Kevin M.

Lynch and Michael A. Peshkin Hầu như tất cả các chuyển động phổ biến nhất trong các hệ thống cơ khí là dịch chuyển thẳng dọc theo một trục cố định và quay một góc quanh trục cố định. Những chuyển động phức tạp hơn có thể được tạo ra bởi việc kết hợp những chuyển động đơn giản đó. Chương này sẽ giới thiệu tóm tắt một số công nghệ sẵn có để đo các chuyển động thẳng và chuyển động quay dọc theo một trục đơn.

Các phương thức đo được sắp xếp theo các hiệu ứng vật lý được khai thác để đưa ra các phương pháp đo lường. Tiếp xúc Loại đơn giản nhất của cảm biến dịch chuyển là một công tắc cơ khí, nó gửi trả một bit thông tin: chạm hoặc không chạm. Một công tắc điển hình bao gồm một đòn bẩy, khi nó được nhấn sẽ tạo ra một liên kết cơ khí bên trong nó, từ đó tạo ra một mạch điện kín( hình 19. Có thể sử dụng các vi công tắc này như là những cảm biến va chạm dùng cho các mobile robot, thường là gắn một vật liệu dễ chế tạo vào một đòn bẩy (như một cái râu) để bảo vệ robot khi va chạm với các vật cản cứng.

Một ứng dụng thông dụng khác của vi công tắc trong robot là công tắc hành trình, dùng để xác định một khớp đã đạt tới điểm giới hạn trong hành trình cho phép của nó.com Sổ tay Cơ điện tử HÌNH 19.1 Một vi công tắc cơ bản HÌNH 19.2 Tín hiệu tạo thành từ một công tắc đóng ngắt Hình 19.2 mô tả cấu hình cơ bản của một vi công tắc. Cái điện trở treo giữ tín hiệu ở trạng thái +V tới khi công tắc đóng, đưa tín hiệu tới đất. Tuy nhiên khi công tắc đóng, một loạt các ảnh hưởng nhỏ có thể dẫn đến tình trạng “nhiễu” của tín hiệu. Một mạch “giảm nhiễu” được tạo ra để làm sạch tín hiệu ra.

Các công tắc có thể có hai loại: thường mở – NO, hoặc thường đóng - NC. Một công tắc có thể có nhiều chuyển mạch (P - poles) và 1 hoặc 2 tiếp điểm (T - throw) cho mỗi chuyển mạch. Một chuyển mạch dịch chuyển như một công tắc được kích hoạt, và nối với tiếp điểm. Vì vậy một công tắc SPDT (một chuyển mạch hai tiếp điểm) sẽ chuyển một chuyển mạch từ tiếp xúc với tiếp điểm này sang tiếp sang tiếp xúc với tiếp điểm kia, và một công tắc (double pole single throw) chuyển hai chuyển mạch từ mở sang đóng (Hình 19.3 Cấu tạo của các công tắc SPDT và DPST HÌNH 19.4 Các ký hiệu mạch quang điện tử và cấu hình một bộ phát/thu điển hình Tia hồng ngoại Người ta có thể sử dụng tia hồng ngoại để đo các dịch chuyển thẳng hoặc dịch chuyển quay.

Điển hình như diode phát tia hồng ngoại (LED), hoặc là đèn phát quang (photoemitter), được dùng như một nguồn phát sáng, và một thiết bị cảm ứng hồng ngoại được dùng để phát hiện tia sáng. Bộ thu có thể là một quang điện trở hoặc tế bào quang điện, một biến trở có điện trở thay đổi theo cường độ của tia tới (tia hồng ngoại hoặc tia không nhìn thấy); một diode quang, nó cho phép dòng điện chạy theo một hướng khi có tia hồng ngoại, nếu không nó hoạt động như một phần tử hở mạch; hoặc transistor quang. Trong một transistor quang, tia hồng ngoại tới hoạt động như dòng điện base của transistor, dòng điện collector tỉ lệ với cường độ của tia hồng ngoại nhận được (cho tới trạng thái bão hoà của transistor). Các ký hiệu mạch cho các phần tử biến đổi được chỉ ra trong hình 19.

Nếu thiết bị phát và thiết bị dò đặt hướng về nhau thì chúng có thể được sử dụng như một bộ ngắt tia để phát hiện ra bất kỳ vật gì đi qua chúng. Thiết bị này được gọi là thiết bị ngắt quang (hình 19. Nếu bộ phận phát và thu di chuyển tự do theo đường thẳng nối chúng, thì cường độ của tín hiệu nhận được có thể được sử dụng để đo khoảng cách giữa chúng. Tuy nhiên, các bộ phát hiện tia hồng ngoại cũng có thể nhạy cảm với cả ánh sáng xung quanh.

Để phân biệt tia sáng của bộ phát với ánh sáng nền, có thể điều biến nguồn phát (có nghĩa là đóng hoặc mở ở tần số cao), và các thiết bị thu được thiết kế để chỉ đáp ứng với tia hông ngoại đã được điều biến. Một bộ phát sáng và bộ dò đặt cùng hướng về một phía có thể đo thô khoảng cách tới một bề mặt gần đó nhờ cường độ của tia phản xạ khi va vào bề mặt. Thiết bị đó gọi là thiết bị phản xạ quang (hình 19. Một cảm biến như vậy có thể được dùng cho các robot di động để phát hiện các bề mặt hấp thụ hay phản xạ ánh sáng ở một khoảng cách không đổi.

Các bộ lọc phân cực tia sáng có thể dùng với bộ dò và phát để bộ dò chỉ phát hiện ra ánh sáng được phản xạ bởi một bề mặt đặc biệt. 19-2 Cảm biến HÌNH 19.5 Bộ ngắt quang bán dẫn QVA11234 HÌNH 19.6 Cảm biến phản xạ quang bán dẫn QRB1114 HÌNH 19.7 Bộ dò vị trí (PSD) (UDT cảm biến Inc) Các thiết bị ngắt quang và các các thiết bị phản xạ quang có thể được đóng gói sẵn hoặc chế tạo riêng biệt từ một đèn LED hồng ngoại và một diode quang hoặc một transistor quang, sau khi chắc chắn rằng thiết bị dò là nhạy cảm với bước sóng sinh ra bởi đèn LED. Các khối thiết bị phản xạ quang cũng có sẵn các bộ dò vị trí (PSD) hiện đại hơn, nó sẽ báo vị trí của tia sáng hồng ngoại trên bề mặt đo (hình 19. Vị trí cố định của đèn LED có quan hệ với PSD, cũng như vị trí ảnh của tia hồng ngoại trên PSD, cho phép sử dụng phép tam giác hoá để xác định khoảng cách tới đích.

Các cảm biến đo khoảng cách như vậy được sản xuất bởi Sharp và Hamamatsu.8 Encoder tương đối Các Encoder quang học Một encoder quang sử dụng một bộ ngắt quang để biến chuyển động thành một chuỗi xung điện. Những chuỗi xung này “mã hoá” chuyển động, và các xung được đếm hoặc “được giải mã” bởi một mạch điện để đưa ra số đo dịch chuyển. Chuyển động có thể là thẳng hoặc quay, nhưng chúng ta tập trung nhiều hơn vào các encoder quang quay thông thường. 19-3 Sổ tay Cơ điện tử Có hai encoder quang quay cơ bản là encoder tương đối (incremental encoder) và encoder tuyệt đối (absolute encoder).

Trong một encoder tương đối, một đĩa (đĩa mã) được gắn vào một trục quay tròn giữa hai bộ ngắt quang học (hình 19. Đĩa có thể là nhựa trong hoặc kính với có đặt các vạch hướng tâm, hoặc nhựa mờ với các khe nhỏ, vì vậy khi đĩa quay thì các vạch này sẽ ngăn hoặc cho qua tia sáng hồng ngoại tới thiết bị dò quang học. (Còn có một mặt nạ đứng yên giồng như đĩa mã đặt giữa bộ phát và bộ thu) Các dãy xung thu được từ các bộ dò này có tần số tương ứng với vận tốc góc của đĩa. Những tín hiệu này được ký hiệu là A và B, và chúng lệch pha nhau ¼ chu kỳ.

Các tín hiệu có thể đến từ các bộ ngắt quang học thẳng hàng với hai rãnh tách biệt tại các điểm ứng với các góc khác nhau của đĩa, hoặc có thể được sinh ra bởi cùng một rãnh, với các bộ ngắt quang học được đặt tương đối với bộ ngắt khác để đưa ra các chuỗi xung pha. Thông qua việc đếm số lượng các xung và số lượng của các đường xuyên tâm trong đĩa đã biết, ta có thể đo được tốc độ quay của trục. Hướng quay được xác định dựa trên quan hệ pha của các chuỗi xung A và B. Ví dụ, A tăng khi B = 1 có thể chỉ ra là chuyển động quay ngược chiều kim đồng hồ, trong khi A tăng khi B = 0 chỉ ra chuyển động quay thuận chiều kim đồng hồ.

Hai tín hiệu pha này được biết như là các tín hiệu cầu phương. Các encoder tương đối thường có một đầu ra tín hiệu thứ ba gọi là tín hiệu chỉ số, kí hiệu là I hoặc Z. Tín hiệu chỉ số được lấy từ một rãnh riêng biệt sinh ra một xung đơn trên một vòng quay của đĩa, để định hướng tuyệt đối. Trong thực tế, có thể thay thế nhiều bộ ngắt quang học bằng một nguồn đơn và một thiết bị dò tín hiệu đơn.

Các chíp giải mã được dùng để giải mã các chuỗi xung. Đầu vào của các chip là các tín hiệu A và B, và đầu ra là một hoặc nhiều chuỗi xung được đưa vào một bộ đếm. Ví dụ như bộ LS7083 số của Mỹ cho ra hai chuỗi xung, một cho chuyển động quay theo chiều kim đồng hồ và một cho chuyển động quay ngược chiều kim đồng hồ, chúng sẽ được gửi tới các đầu vào của bộ đếm 74193 (Hình 19. Các phương pháp giải mã chuẩn cho đầu vào cầu phương là các phương pháp với độ phân giải 1X, 2X và 4X.

Trong phương pháp 1X, giá trị của bộ đếm sẽ tăng lên một đơn vị khi có một sườn lên hoặc xuống của chỉ một chuỗi xung, do đó tổng số đếm của encoder cho một vòng quay của đĩa bằng tổng số vạch trên đĩa. Trong phương pháp 4X, giá trị của bộ đếm được tăng lên một đơn vị khi có một sườn lên hoặc xuống của một trong hai dãy xung, vì vậy độ phân giải góc được giảm 4 lần. Một encoder với 1000 vạch trên đĩa mã giải mã được theo phương pháp 4X với độ phân giải góc là 3600 / (4 ´ 1000) = 0, 090 .9 Encoder quang, chip giải mã cầu phương số LS7083 của Mỹ, và bộ đếm (US Digital Inc.) 19-4 Cảm biến HÌNH 19.10 Đĩa của encoder tuyệt đối mã Gray 8 bit, (BEI Technogies Industrial Encoder Division) Trong khi một encoder đầu ra đơn (single-ended output encoder) đưa ra tín hiệu A, B và có thể là Z, thì một encoder đầu ra vi phân (differential output encoder) cung cấp thêm các đầu ra bù A’, B’ và Z’. Các đầu ra vi phân, khi được dùng với thiết bị thu vi phân, có thể làm tăng tính chống nhiễu điện của encoder.