Tự động điều khiển thiết bị điện P3
Cảm biến (Sensor) - khái niệm chung - một số tiêu chí đánh giá cảm biến - nguyên lý làm việc của một số cảm biến
ThiÕt bÞ lËp tr×nh
C¶m biÕn (Sensor)
1. Kh¸i niÖm chung
2. Mét sè tiªu chÝ ®¸nh gi¸ c¶m biÕn
3. Nguyªn lý lµm viÖc cña mét sè c¶m biÕn
1. Kh¸i niÖm chung
Lµ nh÷ng thiÕt bÞ cã kh¶ n¨ng c¶m nhËn nh÷ng
®¹i l−îng ®iÖn vµ kh«ng ®iÖn, chuyÓn ®æi
chóng trë thµnh nh÷ng tÝn hiÖu ®iÖn phï hîp
víi thiÕt bÞ thu nhËn tÝn hiÖu.
Lµ nh÷ng thiÕt bÞ kh«ng thÓ thiÕu trong c¸c hÖ
thèng tù ®éng ho¸ vµ s¶n xuÊt c«ng nghiÖp.
1
ThiÕt bÞ lËp tr×nh
2. Mét sè tiªu chÝ ®¸nh gi¸ c¶m biÕn
2.1 Ph¹m vi c¶m nhËn hoÆc kho¶ng c¸ch c¶m nhËn.
2.2 Sai sè.
Sai sè do m¾t trÔ
Sai sè vÒ ®é ph©n gi¶i
Sai sè do tuyÕn tÝnh ho¸
2.1. Ph¹m vi c¶m nhËn
Lµ giíi h¹n c¶m nhËn cña c¶m biÕn ®èi víi ®¹i l−îng vËt lý cÇn
®o.
VÝ dô:
C¶m biÕn nhiÖt cã tÝn hiÖu ra b»ng ®iÖn tØ lÖ víi
nhiÖt ®é cÇn ®o. Do ®ã trong kho¶ng giíi h¹n
nhiÖt ®é trªn vμ d−íi, mèi quan hÖ nμy cÇn ph¶i
tuyÕn tÝnh. Vïng tuyÕn tÝnh ®ã ®−îc gäi lμ ph¹m
vi c¶m nhËn.
§èi víi c¶m biÕn tiÖm cËn lμ kho¶ng giíi h¹n
trªn vμ d−íi mμ c¶m biÕn cã thÓ ph¸t hiÖn ra ®èi
t−îng, lμm cho ®Çu ra chuyÓn tÝn hiÖu mét c¸ch
ch¾c ch¾n.
2
ThiÕt bÞ lËp tr×nh
U
Cao
ThÊp
t
§Æc tÝnh ra cña mét ®iÖn trë nhiÖt (RTD)
Sn: Kho¶ng c¸ch c¶m nhËn §èi t−îng
cña c¶m biÕn tiÖm cËn
C¶m biÕn
2.2. Sai sè
Sai sè do m¾t trÔ tÝn hiÖu
Sù kh¸c biÖt lín nhÊt gi÷a gi¸ trÞ ®Çu ra ®o ®−îc víi gi¸ trÞ
®Çu ra lý thuyÕt khi tÝn hiÖu ®Çu vμo t¨ng hoÆc gi¶m.
V D¶i nhiÖt ®é øng víi ®iÖn ¸p V1
D¶i ®iÖn ¸p øng víi t1
t1
t
M¾t trÔ cña ®iÖn trë nhiÖt (RTD)
3
ThiÕt bÞ lËp tr×nh
Sai sè do ®é ph©n gi¶i
§é ph©n gi¶i: Lμ sù thay ®æi lín nhÊt cña ®¹i l−îng vËt lý
cÇn ®o mμ kh«ng g©y ra sù thay ®æi vÒ tÝn hiÖu ®Çu ra cña
c¶m biÕn.
§é ph©n gi¶i
+/- 0.25oC
t
§é ph©n gi¶i cña ®iÖn trë nhiÖt
(RTD) víi ®Çu ra sè
Sai sè do tuyÕn tÝnh ho¸
Víi mét sensor lÝ t−ëng th× tÝn hiÖu ®Çu vμo lu«n tØ lÖ tuyÕn
tÝnh víi tÝn hiÖu ®Çu ra. Nh−ng trªn thùc tÕ ®Ó cã tÝn hiÖu ®o
tuyÕn tÝnh, ng−êi ta lu«n ph¶i tiÕn hμnh tuyÕn tÝnh ho¸.
§iÒu nμy sÏ t¹o ra sai sè cña tÝn hiÖu
cao d¶i ®o
V
sai sè lín nhÊt
®−êng cong lÝ t−ëng
®−êng cong thùc tÕ
thÊp
thÊp p cao
TuyÕn tÝnh ho¸ trong c¶m biÕn ¸p suÊt
4
ThiÕt bÞ lËp tr×nh
3. Nguyªn lý lμm viÖc cña mét sè c¶m biÕn
3.1 C¸c lo¹i c¶m biÕn ®ãng c¾t (d¹ng ON-OFF).
C«ng t¾c giíi h¹n hμnh tr×nh.
C¶m biÕn tiÖm cËn.
3.2 C¸c c¶m biÕn sö dông bé chuyÓn ®æi (transducer)
3.3 Mét sè c¶m biÕn vÝ trÝ
3.1. C¸c c¶m biÕn ®ãng c¾t d¹ng ON - off
C«ng t¾c giíi h¹n hµnh tr×nh.
C¸c kÝ hiÖu ®iÖn
Nguyªn lý lμm viÖc
KiÓu t¸c ®éng tøc thêi
KiÓu t¸c ®éng cã trÔ
Bè trÝ tiÕp ®iÓm
C¸c kÝ hiÖu ®iÖn Khi më
TiÕp ®iÓm th−êng hë (NO)
Khi ®ãng
Khi ®ãng
TiÕp ®iÓm th−êng kÝn (NC)
Khi më
5
ThiÕt bÞ lËp tr×nh
Nguyªn lÝ lµm viÖc Qu·ng
®−êng
chuyÓn
®éng
VÞ trÝ ®ãng
VÞ trÝ nh¶
Qu·ng ®−êng dù tr÷
phÇn chÊp hμnh
§é sai lÖch gi÷a hai vÞ trÝ
phÇn ®Çu
Hμnh tr×nh nh¶
§T
phÇn th©n
KiÓu t¸c ®éng tøc thêi
TiÕp ®iÓm th−êng ®ãng
TiÕp ®iÓm th−êng hë
Trôc ®éng
§Æc ®iÓm
Khi phÇn chÊp
hμnh bÞ t¸c
TiÕp ®iÓm tÜnh
®éng, lß xo
chèt sÏ tr÷ TiÕp ®iÓm ®éng
n¨ng l−îng,
®Õn vÞ trÝ ®ãng
lß xo chèt gi¶i
phãng n¨ng
l−îng Lß xo ph¶n håi
Lß xo chèt
6
ThiÕt bÞ lËp tr×nh
KiÓu t¸c ®éng cã trÔ
§ãng tr−íc khi ng¾t Ng¾t tr−íc khi ®ãng
§Æc ®iÓm §Æc ®iÓm
TiÕp ®iÓm NO TiÕp ®iÓm NC
®ãng tr−íc, bÞ ng¾t tr−íc,
tiÕp ®iÓm NC tiÕp ®iÓm NO
bÞ ng¾t sau ®ãng sau
§Æc ®iÓm chung
T¹o ra mét kho¶ng thêi gian trÔ ®ñ nhá gi÷a hai lo¹i tiÕp
®iÓm
Bè trÝ tiÕp Trôc ®éng
®iÓm
TiÕp ®iÓm tÜnh
TiÕp ®iÓm ®éng
(SPDT)
Lß xo ph¶n håi
(DPDT)
7
ThiÕt bÞ lËp tr×nh
C¶m biÕn tiÖm cËn.
TiÖm cËn ®iÖn c¶m (Inductive proximity)
TiÖm cËn ®iÖn dung (Capacitive proximity)
TiÖm cËn siªu ©m (Ultrasonic proximity)
TiÖm cËn quang häc (Photoelectric proximity)
TiÖm cËn ®iÖn c¶m (Inductive proximity)
Lμ lo¹i c¶m biÕn sö dông tr−êng ®iÖn-tõ ®Ó ph¸t hiÖn
®èi t−îng b»ng kim lo¹i.
§iÖn ¸p lμm viÖc DC, AC hoÆc AC/DC
Ph©n lo¹i:
Theo chøc n¨ng ®−îc chia ra lμm hai lo¹i: PNP (sourcing)
vμ NPN (sinking)
Nguyªn lÝ ho¹t ®éng:
Tr−êng ®iÖn tõ
Cuén d©y t¹o tõ tr−êng
Bé dao ®éng
Bé ®iÒu chØnh ®iÖn ¸p
§Çu ra t¶i
8
ThiÕt bÞ lËp tr×nh
Nèi d©y cho lo¹i PNP (sourcing):
PNP transistor
T¶i
Nèi d©y cho lo¹i NPN (sinking):
T¶i
NPN transistor
9
ThiÕt bÞ lËp tr×nh
Lo¹i 2 d©y PNP
T¶i
Lo¹i 3 d©y PNP
T¶i
Lo¹i 4 d©y PNP
T¶i
CÊu h×nh c¶m biÕn lo¹i transistor PNP
2 d©y song song 3 d©y
2 d©y nèi tiÕp 3 d©y
10
ThiÕt bÞ lËp tr×nh
Theo kho¶ng c¸ch ®−îc chia ra lμm hai lo¹i: cã b¶o vÖ
(shielded) vμ kh«ng b¶o vÖ (unshielded)
BÒ mÆt sensor
Cã b¶o vÖ Kh«ng b¶o vÖ
NhËn xÐt:
Kho¶ng c¸ch c¶m nhËn tõ 0.6 - 20 (mm)
TiÖm cËn ®iÖn c¶m phô thuéc vμo mét sè yÕu tè
sau cña ®èi t−îng:
H×nh d¸ng ®èi t−îng
§é dÇy cña ®èi t−îng
VËt liÖu cña ®èi t−îng
TiÖm cËn ®iÖn dung (Capacitive proximity)
Lμ lo¹i c¶m biÕn sö dông tr−êng tÜnh ®iÖn ®Ó ph¸t hiÖn
®èi t−îng b»ng kim lo¹i vμ phi kim lo¹i.
§iÖn ¸p lμm viÖc DC, AC hoÆc AC/DC
Ph©n lo¹i:
Theo chøc n¨ng ®−îc chia ra lμm hai lo¹i: PNP (sourcing)
vμ NPN (sinking)
TÊt c¶ c¶m biÕn ®iÖn dung cña siemens ®Òu cã b¶o vÖ
(shielded)
BÒ mÆt sensor
§èi t−îng
11
ThiÕt bÞ lËp tr×nh
Nguyªn lÝ ho¹t ®éng:
NhËn xÐt:
Kho¶ng c¸ch c¶m nhËn tõ 5 - 20 (mm)
Cã kh¶ n¨ng ph¸t hiÖn møc chÊt láng xuyªn qua thïng
trong suèt (ChÊt láng ph¶i cã h»ng sè ®iÖn m«i cao h¬n
vá thïng)
M«i tr−êng lμm viÖc ph¶i kh«, bëi v× khi cã chÊt láng
trªn bÒ mÆt cña c¶m biÕn, c¶m biÕn cã thÓ t¸c ®éng
nhÇm.
12
ThiÕt bÞ lËp tr×nh
H»ng sè ®iÖn m«i cña mét sè vËt liÖu
TiÖm cËn siªu ©m (Ultrasonic proximity)
Lμ lo¹i c¶m biÕn sö dông bé thu ph¸t tÝn hiÖu siªu ©m,
tÇn sè cao.
a/ Nguyªn lÝ lμm viÖc
b/ §Æc ®iÓm
c/ C¸c chÕ ®é ho¹t ®éng
d/ ¶nh h−ëng cña m«i tr−êng
13
ThiÕt bÞ lËp tr×nh
Nguyªn lÝ lμm viÖc
§Æc ®iÓm
Vïng mï:
Vïng nµy tån t¹i ngay phÝa tr−íc c¶m biÕn, tuú theo lo¹i c¶m biÕn mµ
vïng mï nµy cã kho¶ng c¸ch chõng 6 - 80 cm. NÕu ®èi t−îng ®−îc ®Æt
trong vïng nµy sÏ khiÕn cho tr¹ng th¸i ®Çu ra kh«ng æn ®Þnh.
14
ThiÕt bÞ lËp tr×nh
C¸c c¶m biÕn ®Æt song song:
Gi¶ thiÕt 2 c¶m biÕn cã cïng kho¶ng c¸ch c¶m nhËn ®−îc ®Æt song
song víi nhau. §èi t−îng ®Æt vu«ng gãc víi nguån ©m. VËy kho¶ng
c¸ch gi÷a c¸c c¶m biÕn ®−îc x¸c ®Þnh th«ng qua kho¶ng c¸ch c¶m
nhËn.
VÝ dô nÕu kho¶ng c¸ch c¶m nhËn lµ 6 cm, th× kho¶ng c¸ch gi÷a c¸c
c¶m biÕn lµ 15 cm.
Kho¶ng c¸ch X (cm)
c¶m nhËn
(cm)
6-30 > 15
20-130 > 60
40-300 > 150
60-600 > 250
80-1000 > 350
NhiÔu giao nhau gi÷a c¸c c¶m biÕn
NhiÔu x¶y ra khi c¸c c¶m biÕn ®−îc ®Æt gÇn nhau, chïm ph¶n x¹ cña
c¶m biÕn nµy l¹i t¸c ®éng ®Õn c¶m biÕn kh¸c
Trong tr−êng hîp nµy kho¶ng c¸ch X cÇn ®−îc x¸c ®Þnh th«ng qua thö
nghiÖm.
15
ThiÕt bÞ lËp tr×nh
Kho¶ng c¸ch tèi thiÓu cho hai c¶m biÕn ®Æt ®èi
nhau
Gi¶ thiÕt 2 c¶m biÕn cã cïng kho¶ng c¸ch c¶m nhËn ®−îc ®Æt ®èi diÖn
nhau. Kho¶ng c¸ch X ®−îc x¸c ®Þnh sao cho 2 c¶m biÕn kh«ng g©y
nhiÔu cho nhau.
Kho¶ng c¸ch X (cm)
c¶m nhËn
(cm)
6-30 > 120
20-130 > 400
40-300 > 1200
60-600 > 2500
80-1000 > 4000
Gãc nghiªng:
Gãc nghiªng gi÷a ®èi t−îng víi ph−¬ng truyÒn sãng ph¶i ®−îc c©n
nh¾c khi l¾p ®Æt. NÕu gãc nghiªng qu¸ lín sãng ph¶n x¹ cã thÓ kh«ng
®Õn ®−îc c¶m biÕn.
16
ThiÕt bÞ lËp tr×nh
§èi víi chÊt láng vμ vËt liÖu d−íi d¹ng h¹t:
§èi víi chÊt láng (vÝ dô n−íc) giíi h¹n gãc nghiªng ë 3o
§èi víi vËt liÖu d−íi d¹ng h¹t th× gãc nghiªng cã thÓ lín tíi 45o.
Lo¹i bá ®èi t−îng nhiÔu:
Mét ®èi t−îng nhiÔu bÊt k× cã thÓ n»m trong ph¹m vi c¶m nhËn cña
c¶m biÕn. §iÒu nµy sÏ g©y ra t¸c ®éng nhÇm cña c¶m biÕn. §Ó lo¹i bá
®èi t−îng nhiÔu ng−êi ta dïng mét lo¹i vËt liÖu cã kh¶ n¨ng hÊp thô
©m, chØ ®Ó l¹i mét khe hë khiÕn cho nguån ©m kh«ng thÓ tíi ®èi t−îng
nhiÔu ®−îc.
§èi t−îng nhiÔu
Khe hë
VËt liÖu hÊp thô ©m
17
ThiÕt bÞ lËp tr×nh
C¸c chÕ ®é ho¹t ®éng:
KhuÕch t¸n
Ph¶n x¹
Xuyªn suèt
KhuÕch t¸n:
§©y lµ chÕ ®é lµm viÖc phæ biÕn cña c¶m biÕn siªu ©m. Khi ®èi t−îng
bÞ ph¸t hiÖn trong ph¹m vi c¶m nhËn th× c¶m biÕn sÏ chuyÓn tr¹ng th¸i
®Çu ra, chÕ ®é nµy ho¹t ®éng nh− mét c¶m biÕn tiÖm cËn.
Ph¹m vi
c¶m nhËn
Ph¶n x¹:
Trong chÕ ®é nµy cã dïng thªm mét bé ph¶n x¹ ®−îc ®Æt trong vïng
lµm viÖc. Bé ph¶n x¹ ®−îc ®iÒu chØnh sao cho c¸c sãng ©m sau khi
®Ëp vµo bé ph¶n x¹ sÏ quay trë vÒ c¶m biÕn. Khi ®èi t−îng cÇn ph¸t
hiÖn c¶n trë sãng ph¶n x¹ th× c¶m biÕn sÏ t¸c ®éng.
Bé ph¶n x¹ th−êng ®−îc dïng khi ®èi t−îng cã h×nh d¹ng ®Æc biÖt,
hoÆc hÊp thô ©m thanh.
18
ThiÕt bÞ lËp tr×nh
§èi t−îng cã h×nh d¹ng ®Æc biÖt
§èi t−îng hÊp thô ©m
Xuyªn suèt:
Trong chÕ ®é nµy ng−êi ta sö dông hai bé thu ph¸t riªng biÖt, khi chïm
©m bÞ gi¸n ®o¹n bëi ®èi t−îng th× ®Çu ra c¶m biÕn sÏ thay ®æi tr¹ng
th¸i.
Bé thu
Bé ph¸t
19
ThiÕt bÞ lËp tr×nh
¶nh h−ëng cña m«i tr−êng:
NhiÖt ®é: NhiÖt ®é cao g©y ¶nh h−ëng tíi chÕ ®é lμm viÖc
cña c¶m biÕn, th«ng th−êng ®èi víi c¶m biÕn siªu ©m ®Òu
cã bï nhiÖt ®é
¸p suÊt: Khi ¸p suÊt thay ®æi ±5% so víi ¸p suÊt mÆt
n−íc biÓn, th× tèc ®é ©m thay ®æi kho¶ng ±0,6%. Khi c¶m
biÕn ®Æt cao h¬n mùc n−íc biÓn 3 km th× tèc ®é ©m gi¶m
3,6%. CÇn ®iÒu chØnh kho¶ng c¸ch c¶m biÕn cho hîp lÝ.
Ch©n kh«ng: Trong m«i tr−êng nμy th× c¶m biÕn kh«ng ho¹t
®éng ®−îc.
§é Èm: Khi ®é Èm t¨ng th× tèc ®é ©m t¨ng
Tèc ®é giã: < 50km/h, c¶m biÕn kh«ng bÞ ¶nh h−ëng; 50-
100km/h, c¶m biÕn lμm viÖc kh«ng ch¾c ch¾n; > 100km/h,
c¶m biÕn kh«ng lμm viÖc ®−îc
Thêi tiÕt: M−a nhá vμ tuyÕt nhá kh«ng ¶nh h−ëng tíi ho¹t
®éng cña c¶m biÕn. Tuy nhiªn bÒ mÆt cña bé chuyÓn ®æi
nªn ®−îc gi÷ kh« r¸o.
Líp s−¬ng mï: Nãi chung lμ kh«ng cã ¶nh h−ëng g× tíi c¶m
biÕn, tuy nhiªn kh«ng nªn ®Ó chóng ®äng trªn bÒ mÆt bé
chuyÓn ®æi.
Bôi: M«i tr−êng bôi lμm gi¶m ph¹m vi c¶m nhËn cña c¶m
biÕn xuèng 25-33%
20
