BÀI GIẢNG KHÍ CỤ ĐIỆN

CHƯƠNG 7 : CẢM BIẾN( sensor)

BỘ CÔNG THƯƠNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HCM

KHOA ĐIỆN

Khái niệm và phân loại cảm biến :

Thiết bị dùng để cảm nhận biến đổi các đại lượng vật lý và

các đại lượng không có tính chất điện thành các đại lượng

có thể đo và xử lý được.

Các đại lượng đo (M) thường không có tính chất điện (như

nhiệt độ ,áp suất, trọng lượng…) tác động lên cảm biến cho

ta đại lượng đặc trưng (S) mang tính chất điện ( điện tích,

điện áp, dòng điện hay trở kháng). Đặc trưng (s) là hàm của

đại lượng cần đo (M) S = F(M)

Gọi (S) là đại lượng đầu ra hoặc phản ứng của cảm biến.

(M) là đại lượng đầu vào hay kích thích (có nguồn gốc đại

lượng cần đo). Thông qua đo đạc (S) cho phép nhận biết giá

trị (M)

KHÁI QUÁT

.Phân loại cảm biến:

Các bộ cảm biến được phân loại theo đặc trưng sau đây:

Theo nguyên lý chuyển đổi giữa đáp ứng kích thích

Hiện tượng Chuyển đổi và đáp ứng kích thích

Hiện tượng vật lý -Nhiệt điện

-Quang điện

-Quang từ

-Điện từ

-Quang đàn hồi

-Từ điện

-Nhiệt từ....

Hoá học -Biến đổi hoá học

-Biến đổi điện hoá

-Phân tích phổ…..

Sinh Học Biến đổi sinh hoá.

Biến đổi vật lý.

-Hiệu ứng trên cơ thể sống

Phân loại theo dạng kích thích

Âm thanh -Biên pha, phân cực

-Phổ

-Tốc độ truyền sóng

Điện -Điện tích, dòng điện.

-Điện thế, điện áp

-Điện trường

-Điện dẫn, hằng số điện môi

Từ -Từ trường

-Từ thông, cường độ điện 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

Nhiệt -Nhiệt độ

-Thông lượng

-Nhiệt dung, tỉ nhiệt

Bức xạ -Kiểu

-Năng lượng

-Cường độ

Cơ -Vị trí

-lực ,áp suất

-Gia tốc, vận tốc

-Ứng suất, độ cứng

-Moment

-Khối luợng tỷ trọng

-Vân tốc chất lưu, độ nhớt…

Theo tính năng của bộ cảm biến

-Độ nhạy

-Độ chính xác

-Độ phân giải

-Độ chọn lọc

-Độ chính xác

-Độ tuyến tính

-Công suất tiêu thụ

-Dãi tần

-Độ trễ

-Khả năng quá tải

-Tốc độ đáp ứng

-Độ ổn định

-Tuổi thọ

-Điều kiện lựa chọn

-Kích thước, trọng lượng

-Công nghiệp, nông nghiệp, vũ trụ, dân dụng

-Quân sự

-Nghiên cứu khoa học

-Môi trường, khí tượng

-Thông tin, viễn thông

Phân loại theo phạm vi sử dụng

Phân loại theo thông số mô hình mạch thay thế:

+ Cảm biến tích cực đầu ra là nguồn áp, nguồn dòng

(NPN,PNP…)

+ Cảm biến thụ động được đặc trưng bởi thông số

R,L,C,M…tuyến tính hoặc phi tuyến.

Đường cong chuẩn của cảm biến:

Đường cong chuẩn của cảm biến là đường cong được

biểu diễn sự phụ thuộc vào đại lượng điện (S) ở đầu ra

của cảm biến vào giá trị của đại lượng đo (m) ở đầu vào.

Đường cong được biểu thể biểu diễn bằng biểu thức đại

số dưới dạng S = F (M) hoặc bằng đồ thị sau đây:

0 0

s s

m m a) b)

Hinh 1:Đường cong chuẩn của

cảm biến

a.Dạng đường cong chuẩn b)Đường cong chuẩn của cảm

biến tuyến tính.

Các thuật ngữ thường sử dụng

Vật chuẩn

Một vật được là vật chuẩn nếu hình dạng, vật liệu kích

cỡ….của vật liệu phải phù hợp để phát huy hết đặc tính

kỹ thuật của sensor.

Khoảng cách phát hiện (sensing distance)

Khoảng cách phát hiện là khoảng cách từ bề mặt cảm biến ở đầu

sensor tới vị trí vật chuẩn xa nhất mà sensor có thể phát hiện được.

Đối

tượng

Cảm

Biến

OFF ON

Bề mặt

cảm

biến

biến

Cảm biến

tiệm cận

Khoảng cách

Phát hiện

Khoảng cách Reset

Đặc điểm :

Phát hiện vật không cần tiếp xúc

Tốc độ đáp ứng nhanh

Đầu cảm biến nhỏ có thể lắp đặt nhiều nơi

Có thể sử dụng trong môi trường khắc nghiệt

CẢM BIẾN TIỆM CẬN

Cảm biến tiệm cận cảm ứng

Cảm biến cảm ứng từ gồm có 4 khối chính : Cuộn dây và

lõi Fefit, mạch dao động, mặt phát hiện, mặt đầu ra.

Mạch dao động phát dao động điện từ tần số radio. Từ

trường biến thiên tập trung từ lõi sắt sẽ móc vòng qua đối

tượng kim loại đặt đối diện với nó. Khi đối tượng lại gần

sẽ có dòng điện Foucaul cảm ứng lên trên mặt đối tượng

tạo nên một tải gim tín hiệu dao động. Bộ phát hiện sẽ

phát hiện sự thay đổi trạng thái biên độ mạch dao động.

Mạch phát hiện ở vị trí ON phát tín hiệu mặt đầu ra ở vị

trí ON

Từ trường do cuộn dây cảm biến thay đổi khi tương tác

với vật thể bằng kim loại. Do đó, loại cảm biến này chỉ

phát hiện vật thể bằng kim loại.

Khoảng cách cài đặt

Khoảng cách cài đặt là khoảng cách từ bề mặt cảm biến

ở đầu sensor tới vị trí vật cảm biến để sensor có thể phát

hiện vật ổn định ( thường khoảng cách này bằng 70-80%

khoảng cách phát hiện)

Đối tượng của Cảm Biến

Cảm biến tiệm cận

Ngõ ra Bề mặt cảm biến

Khoảng cách ước lượng

Khoảng cách cài đặt

Thời gian đáp ứng

T1 :Khoảng thời gian từ lúc đối tượng chuẩn chuyển động đi vào

vùng phát hiện của sensor tới lúc đầu ra của sensor lên ON

T2 : Khoảng thời gian từ lúc đối tượng chuẩn chuyển động đi ra

khỏi vùng phát hiện của sensor tới khi đầu ra của sensor tắt về

OFF

Đối

tượng

của

Cảm Biến

Cảm biến tiệm

cận

Ngõ

ra Bề mặt cảm biến

Dãi hoạt

động

T1 T2

Trong dãi hoạt

động Ngoài dãy

hoạt động ON

OFF

Tần số đáp ứng ( Response Frequency)

Tần số đáp ứng là số lần tác động lập lại khi cảm biến đi vào

vùng hoạt động của senso

Đặc điểm:

Phát hiện vật không cần tiếp xúc

Đầu cảm biến nhỏ có thể lắp đặt nhiều nơi

Tốc độ đáp ứng nhanh

Làm việc trong môi trường khắc nghiệt

Làm việc theo nguyên lý cảm ứng từ, do đó dễ bị ảnh

hưởng của nguồn nhiễu hay ảnh hưởng của nguồn ký

sinh

Cảm biến sử dụng điện áp một chiều khoảng 10-

30VDC, đầu ra cảm biến chịu dòng điện nhỏ ( tối đa

khoảng 200mA), đo đó thường đấu nối ra thiết bị trung

gian

( rơle trung gian, bộ điều khiển cảm biến . . . . )

Một số hình ảnh các loại cảm biến cảm ứng từ:

Cảm biến tiệm cận điện dung :

Cảm biến tiệm cận điện dung khi có mặt của đối tượng

làm thay đổi điện dung C của bản cực.

Cảm biến tiệm dung củng gồm 4 bộ phận chính : Cảm

biến ( các bản cực cách điện), mạch dao động, bộ phát

hiện, mạch đầu ra. Tuy nhiên cãm biến dung không đòi

hỏi đối tượng làm bằng kim loại. Đối tượng phát hiện là

chất lỏng, vật liệu phi kim, thuỷ tinh ,nhựa. Tốc độ

chuyển mạch tương đối nhanh, có thể phát hiện đối tượng

có kích thước nhỏ, phạm vi cảm nhận lớn.

Cảm biến điện dung chịu ảnh hưởng bởi bụi và độ ẩm.

Cảm biến điện dung có vùng cảm nhận lớn hơn vùng cảm

nhận của cảm biến điện cảm

Một số hình ảnh các loại cảm biến điện dung:

Cảm biến quang

Chiếu nguồn sáng thích hợp vào cảm biến, tính chất dẫn

điện cảm biến thay đổi, mạch tín hiệu cảm ứng thay đổi ,

thông tin ánh sáng sẽ chuyển thành thông tin tín hiệu điện

Đầu phát của cảm biến phát ra một nguồn sáng về phía

trước. Nếu có vật thể che chắn, nguồn sáng này tác động

lên vật thể và phản xạ ngược lại đầu thu, đầu thu nhận tín

hiệu ánh sáng này và chuyển thành tín hiệu điện. Tuỳ theo

lượng ánh sáng chuyển về, mà chuyển thành tín hiệu điện

áp và dòng điện và khuếch đại thành tín hiệu đầu ra

Đầu

phát Đầu thu

Khoảng

cách phát

hiện

Hình Cảm biến quang thu phát độc lập

Đặc điểm:

Độ tin cậy cao

Khoảng cách phát hiện xa

Không bị ảnh hưởng bởi bề mặt, màu sắc vật

Phân loại

Cảm biến quang thu phát độc lập

Hình Cảm biến quang phát thu chung

Đặc điểm:

Độ tin cậy cao

Giảm bớt dây dẫn

Có thể phân biệt được vật trong suốt, mờ bóng loáng

Cảm biến quang phát thu chung

Khoảng

cách

Phát

hiện

Đầu phát và

đầu thu

Gương

Hình Cảm biến quang khuyếch đại

Đặc điểm:

Dễ lắp đặt.

Bị ảnh hưởng bởi màu sắc, bề mặt vật, nền . . .

Cảm biến quang khuyếch đại

Vật

Khoảng

cách phát

hiện

Hình : Sơ đồ cảm biến quang loại phản xạ giới hạn

Đặc điểm:

Chỉ phát hiện vật trong vùng phát hiện giới hạn

Không bị ảnh hưởng bởi màu nền phía sau cảm biến

Lý tưởng cho nhiều ứng dụng cần triệt tiêu nền

Khoảng

cách

phát hiện

Trục thu

Đầu thu và đầu

phát

Vật

Cảm biến quang loại phản xạ giới hạn