Điện, điện tử - Cảm biến (sensor)

CẢM BIẾN (SENSOR) 
Giảng viên: Vũ Hoàng Nghiên 
7.1.1 Khái niệm 
Cảm biến là thiết bị dùng để cảm nhận biến đổi các đại lượng vật lý và các đại lượng không có tính chất điện cần đo 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 như (như điện tích, điện áp, dòng điện hay trở kháng) chứa đựng thông tin cho phép xác định giá trị của đại lượng đó. 
Đặc trưng (s) là hàm của đại lượng cần đo (M) 
	S = F(M) 
Người ta 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) 
7.1.2 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. 
Phân loại theo dạng kích thích 
Phân loại theo phạm vi sử dụng 
Phân loại theo thông số mô hình mạch thay thế 
Theo nguyên lý chuyển đổi giữa đáp ứng kích thích 
Hiện tượng 
Chuyển đổi và đáp ứng kích thích 
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 
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 
Nhiệt 
-Nhiệt độ; -Thông lượng; -Nhiệt dung, tỉ nhiệt 
Bức xạ 
-Kiểu; -Năng lượng; -Cường độ 
Theo tính năng của bộ cảm biến 
Độ nhạy 
Độ chính xác 
Độ phân giải 
Độ chọn lọc 
Độ tuyến tính 
Công suất tiêu thụ 
Dải tần 
Độ trễ 
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 
Dải tần 
Độ trễ 
Khả năng quá tải 
Tốc độ đáp ứng 
Độ ổn định 
Tuổi thọ 
Điều kiện lựa chọn 
Kích thước, trọng lượng 
Phân loại theo phạm vi sử dụng 
Khả năng quá tải 
Tốc độ đáp ứng 
Độ ổn định 
Tuổi thọ 
Điều kiện lựa chọn 
Kích thước, trọng lượng 
Phân loại theo phạm vi sử dụng 
Công nghiệp 
Nghiên cứu khoa học 
Môi trường, khí tượng 
Thông tin, viễn thông 
Nông nghiệp 
Dân dụng 
Vũ trụ 
Quân sự 
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 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. 
7.1.3. Đường cong chuẩn của cảm biến 
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:Ñöôøng cong chuaån cuûa caûm bieán 
7.1.3. Đường cong chuẩn của cảm biến 
Dạng đường cong chuẩn 
Dựa vào đường cong chuẩn của cảm biến, ta có thể xác định giá trị chuẩn Mi chưa biết của M thông qua giá trị đo được Si của S 
Để dễ sử dụng, người ta thường chế tạo cảm biến có sự phụ thuộc tuyến tính giữa đại lượng đầu ra và đầu vào, phương trình S = F(M) có dạng S = AM+B với A,B là các hệ số, đường cong chuẩn là đường thẳng 
7.2 CẢM BIẾN TIỆM CẬN 
7.2.1 Đặc điểm 
7.2.2 Các thuật ngữ thường sử dụng 
7.2.3 Cảm biến tiệm cận cảm ứng 
7.2.4 Cảm biến tiệm cận điện dung 
7.2.5 Cảm biến quang 
7.2.6 Các ứng dụng cảm biến trong công nghiệp 
7.2.1.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 
7.2.2. Các thuật ngữ thường sử dụng 
Vật chuẩn (standard sensing object) 
Khoảng cách phát hiện (sensing distance) 
Khoảng cách cài đặt (Setting distance) 
Thời gian đáp ứng (Response time) 
Tần số đáp ứng (Response Frequency) 
Vật chuẩn (standard sensing object) 
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) 
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. 
Ñoái töôïng 
Caûm Bieán 
 OFF 
 ON 
Beà maët caûm bieán bieán 
Caûm bieán tieäm caän 
Khoaûng caùch 
Phaùt hieän 
Khoaûng caùch Reset 
Khoảng cách cài đặt (Setting distance) 
Ñoái 
töôïng cuûa Caûm 
Bieán 
Caûm bieán tieäm caän 
Ngoõ ra 
 Beà maët caûm bieán 
Khoaûng caùch öôùc löôïng 
Khoaûng caùch caøi ñaët 
 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) 
Thời gian đáp ứng (Response time) 
Ñoái 
töôïng cuûa Caûm 
Bieán 
Caûm bieán tieäm caän 
Ngoõ ra 
 Beà maët caûm bieán 
Daõi hoaït ñoäng 
 T1 T2 
Trong daõi hoaït ñoäng 
 Ngoaøi daõy hoaït ñoäng 
ON 
OFF 
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 
Tần số đáp ứng (Response Frequency) 
 là số lần tác động lập lại khi cảm biến đi vào vùng hoạt động của senso 
Khoaûng caùch ½ caûm bieán 
Vaät caûm bieán 
 2M 
 M 
 zM 
T1 T2 T3 
f = 1 / T1 +T2 
7.2.3 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 
7.2.3 Cảm biến tiệm cận cảm ứng 
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 gỉm 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. 
7.2.3 Cảm biến tiệm cận cảm ứng 
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 
7.2.3 Cảm biến tiệm cận cảm ứng 
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 
Một số hình ảnh các loại cảm biến cảm ứng từ 
Một số hình ảnh các loại cảm biến cảm ứng từ 
Một số hình ảnh các loại cảm biến cảm ứng từ 
7.2.4. 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 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 
Một số hình ảnh các loại cảm biến điện dung 
Một số hình ảnh các loại cảm biến điện dung 
7.2.6 Cảm biến quang 
Nguyên lý hoạt động: Khi chiếu vào nguồn sáng thích hợp vào cảm biến, tính chất dẫn điện của cảm biến thay đổi, làm mạch tín hiệu cảm ứng thay đổi theo. Như vậy thông tin ánh sáng được chuyển thành thông tin của tín hiệu điện. 
 LED 
ÑAÀU PHAÙT 
ÑAÀU THU 
Photo-Transistor 
7.2.6 Cảm biến quang 
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 khuyếch đại thành tín hiệu ra. (Hình 6.1) 
7.2.6 Cảm biến quang 
Ñieän aùp 
Ñieän aùp 
Möùc ngöôõng 
OK 
NG 
Cöôøng ñoä saùng 
Löôïng aùnh saùng nhaän veà ñöôïc chuyeån thaønh tín hieäu ñieän aùp hoaëc doøng ñieän, sau ñoù ñöôïc khuyeách ñaïi 
Cöôøng ñoä saùng 
Caûm bieán seõ xuaát tín hieäu ra baùo coù vaät neáu tín hieäu ñieän aùp lôùn hôn möùc ngöôõng 
Hình 6.2 
7.2.6.1 Nguyên tắc đo của cảm biến quang dịch chuyển 
Ánh sáng từ nguồn sáng được tập trung bởi thấu kính hội tụ và chiếu thẳng vào vật. 
Tia sáng phản xạ từ vật được tập trung lên dụng cụ cảm biến vị trí (PSD: position sensing device) bằng thấu kính thu. Nếu vị trí vật ( khoảng cách đến thiết bị đo) thay đổi, hình ảnh vị trí vật hình thành trên PSD sẻ khác đi và nếu ở trạng thái cân bằng của hai ngõ ra PSD thay đổi ảnh vị trí vật hình thành trên PSD sẽ khác đi và trạng thái cân bằng của 2 PSD cũng thay đổi. 
7.2.6.1 Nguyên tắc đo của cảm biến quang dịch chuyển 
Nếu 2 ngõ ra là A và B, tính A/(A+B) và sử dụng các giá trị thích hợp để tăng hệ số “k” và Offset “C”. 
Khoảng dịch chuyển = .K-C 
Giá trị đo lường của độ rọi (độ sáng) nhưng 2 ngõ dịch chuyển A và B, và chính vì vậy nếu cường độ ánh sáng nhận đươc vì khoảng cách đến vật thay đổi kết quả ngõ ra tuyến tính tương ứng sự thay đổi khoảng cách và thay đổi vị trí 
7.2.6.2 Phân loại 
7.2.6.2.1 Cảm biến quang thu phát độc lập (Thought Beam) 
7.2.6.2.2 Cảm biến quang phát thu chung (Retro Replective) 
7.2.6.2.3 Cảm biến quang khuyếch đại ( Diffuse Replective) 
7.2.6.2.4 Cảm biến quang phản xạ giới hạn (Limited Reflective) 
7.2.6.2.1 Cảm biến quang thu phát độc lập (Thought Beam) 
Đặc điểm: 
Độ tin cậy cao 
Khoảng cách phát hiện xa 
Không bị ảnh hưởng bởi bề mặt, màu sắc vật 
 Ñaàu phaùt 
Ñaàu thu 
Khoaûng caùch phaùt hieän 
7.2.6.2.2 Cảm biến quang phát thui chung (Retro Replective) 
Đặc điểm: 
Dễ lắp đặt. 
Bị ảnh hưởng bởi màu sắc, bề mặt vật, nền . . . 
Khoaûng caùch 
Phaùt hieän 
Ñaàu phaùt vaø ñaàu thu 
Göông 
7.2.6.2.3 Cảm biến quang khuyếch đại ( Diffuse Replective) 
Đặc điểm: 
Dễ lắp đặt. 
Bị ảnh hưởng bởi màu sắc, bề mặt vật, nền . . . 
Vaät 
Khoaûng caùch phaùt hieän 
7.2.6.2.4 Cảm biến quang phản xạ giới hạn (Limited Reflective) 
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 
Khoaûng caùch 
phaùt hieän 
Truïc thu 
Ñaàu thu vaø ñaàu phaùt 
Vaät 
Truïc phaùt 
Neàn 
7.2.6 Các ứng dụng cảm biến trong công nghiệp 
Sự đa dạng về chủng loại trong các sản phẩm cảm biến đáp ứng được nhiều ứng dụng chuyên sâu trong lỉnh vực tự động hoá công nghiệp. Một vài ứng dụng điển hình...  
Phát hiện màn trong 
Phát hiện dấu/vết trên nền 
Phát hiện dây băng 
Phát hiện băng niêm phong trên nắp lọ/hộp 
Phát hiện nhãn bằng plastic bóng trên giấy 
Phát hiện nắp nhôn trên chai nước 
Phát hiện chai PET 
7.2.6 Các ứng dụng cảm biến trong công nghiệp 
Phát hiện mẫu bánh trên băng chuyền 
Phân biệt chiều cao của nắp 
Phát hiện mức sữa/nước trái cây bên trong hộp 
Cảm biến phát hiện màu 
Đo đường kính của ống 
Kiểm tra hiện tượng thủng nắp thiếc, nắp nhôm 
Phát hiện nắp lọ bị lỏng 
Kiểm mẫu, phát hiện chiều quay của viên pin 
Phát hiện lon kim loại 
Phát hiện màn trong 
 E3S-R12 là sensor chuyên dùng để phát hiện các màn trong suốt với độ tin cậy cao. Các sensor quang thông thường không thể xác định được chính xác như vậy. 
Phát hiện dấu/vết trên nền 
E3X-DA là sensor có đèn led màu đỏ/màu xanh dương hoặc xanh lá cho phép phát hiện độ tương phản giữa các điểm, các vết màu trên nền. Người kỹ sư rất dễ vận hành nhờ nút Tech trên sensor. 
Phát hiện dây băng 
Bao thuốc lá được bọc bởi một vỏ bọc nylon sáng màu và có 1 dy băng để dễ dàng bóc lớp bao này ra. Có thể dùng sensor trong trường hợp này để phát hiện dây băng này có nằm đúng vị trí hay không. E3C-VM35R rất nhỏ, có thể phát hiện vật thể có kích thướt nhỏ đến 0,2mm. Nó cũng phân biệt được sự khác biệt rất nhỏ về màu sắc. 
Phát hiện băng niêm phong trên nắp lọ/hộp 
Nắp lọ/hộp được bọc bởi một lớp plastic bảo vệ niêm phong ngăn không khí, vỏ bọc này rất mỏng, trong suốt, và bóng láng. Một sensor truyền thống không thể phát hiện được chính xác đối tượng có độ bóng cao như vậy. Omron đã sáng chế ra loại sensor cụ thể đáp ứng được yêu cầu trên là: E3X-NL11 dùng với đầu E32-S15L1 với độ tin cậy cao 
Phát hiện nhãn bằng plastic bóng trên giấy 
Nhãn giấy bằng plastic có độ phản xạ rất cao mà các loại sensor trước đây không thể phát hiện được. Sensor E3X-NL11 với đầu fiber E32-S15L-1 của OMRON có thể được dùng để phát hiện các vật thể bóng loáng như trong trường hợp này. 
Phát hiện nắp nhôm trên chai nước 
Nhiệm vụ là phát hiện nắp nhôm trên chai nước. E2CY-C2A là sensor tiệm cận chuyên để phát hiện vật thể bằng nhôm với độ tin cậy cao. Nó rất dễ cài đặt, chỉ cần ấn nút TEACH trên bộ khuyếch đại. 
Phát hiện chai PET 
Chai PET thường rất mỏng và chứa nước hoặc chất lỏng trong suốt. Hình dạng của chai là hình trọn hoặc hình vuông với các gờ cạnh. Do vậy, việc dùng các loại sensor quang thông thường để phát hiện sẽ không tin cậy. Omron đã phát triển 1 loại sensor đặc biệt dùng cho mục đích này là model E3Z-B với độ tin cậy cao. 
Phát hiện mẫu bánh trên băng chuyền 
Phát hiện mẩu bánh, kẹo với kích thướt và hình dạng, màu sắc khác nhau mà không cần phải cài đặt, thiết lập phức tạp. E3S-CL là loại Photosensor của OMRON với khoảng cách phát hiện xác định và điều chỉnh được dễ dàng. 
Phân biệt chiều cao của nắp 
E3G-L1 là loại photosensor đặt được khoảng cách thế hệ mới. Nó có thể phát hiện 1 cách chính xác sự khác biệt dù là nhỏ nhất về chiều cao vật. Hoạt động của sensor không bị ảnh hưởng bởi màu sắc, chất liệu, độ nghiêng dốc, độ bóng và kích thướt vật thể. Có thể dể dàng chỉnh được khoảng cách phát hiện của sensor bằng nàn hiển thị kép. 
Phát hiện mức sữa/nước trái cây bên trong hộp 
Phát hiện sữa/nước trái cây bên trong hộp màu trắng, không trong suốt (hộp đã đóng nắp). E3Z-T61 với tia sáng mạnh, có thể xuyên qua lớp vỏ bọc giấy bên ngoài của hộp và do đó có thể phát hiện được sữa/trái cây có bên trong hộp giấy hay không. E2K-C là sensor tiệm cận công suất lớn, nó cũng có thể phát hiện được có chất lỏng bên trong hộp hay không. 
Cảm biến phát hiện màu 
Nhiệm vụ là phát hiện bàn chải đánh răng và phân loại các màu khác nhau. E3MC là loại sensor màu, nó rất dễ dàng nhận biết màu của vật theo yêu cầu (có chức năng Teach). Tín hiệu ra của E3MC có thể nối với bộ điều khiển để phân loại, xác định lỗi  
Đo đường kính của ống 
Sensor laser với tia sáng song song Z4LC là loại cho phép đo đường kính ống với độ chính xác cao mà không cần tiếp xúc. 
Kiểm tra hiện tượng thủng nắp thiếc, nắp nhôm 
Bằng cách kiểm tra độ lõm của nắp. Sensor lazer ZX có thể phân biệt được độ chênh lệch chiều cao rất nhỏ, do vậy khi nắp bị dẹp (do thủng lỗ) hay lồi lên, đầu ra sẽ được cảnh báo ngay với tốc độ hoạt động khá cao 
Phát hiện nắp lọ bị lỏng 
Phát hiện nắp lọ bị lỏng với Z4LB-S10V2 của loại sensor thông minh ZX-LT với tia lazer song song có thể phát hiện được nắp lọ bị lỏng hoặc các ứng dụng tương tự chính xác tới vài micromet. 
Kiểm mẫu, phát hiện chiều quay của viên pin 
Sensor F10 hoạt động trên nguyên tắc bắt hình và so với mẫu đã lưu. Do đó ta có thể kiểm tra sản phẩm có hình ảnh không đúng như mẫu đã lưu (hình bị quay, nghiêng, sai loại) 
Phát hiện lon kim loại 
Phát hiện các lon kim loại đang di chuyển trên băng chuyền. E2EV là loại cảm biến tiệm cận cảm ứng từ, có thể phát hiện tất cả các kim loại, ngoài ra còn có loại sensor phát hiện sắt từ(E2E) và sensor chỉ phát hiện nhôm/đồng là E2EY.