Chương 1 - Cảm biến và thiết bị chấp hành

Chia sẻ: Nguyen Ngoc | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:58

0
641
lượt xem
385
download

Chương 1 - Cảm biến và thiết bị chấp hành

Mô tả tài liệu
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Là những thiết bị có khả năng cảm nhận những đại lượng điện và không điện, chuyển đổi chúng trở thành những tín hiệu điện phù hợp với thiết bị thu nhận tín hiệu.

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Chương 1 - Cảm biến và thiết bị chấp hành

  1. 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
  2. ThiÕt bÞ lËp tr×nh 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. 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
  3. ThiÕt bÞ lËp tr×nh 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 cßn ®−îc coi lμ 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. U Cao ThÊp t §Æc tÝnh ra cña mét ®iÖn trë nhiÖt (RTD) §èi t−îng Sn: Kho¶ng c¸ch c¶m nhËn cña c¶m biÕn tiÖm cËn C¶m biÕn 3
  4. ThiÕt bÞ lËp tr×nh 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) 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 4
  5. ThiÕt bÞ lËp tr×nh 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 d¶i ®o cao V sai sè lín nhÊt ®−êng cong lÝ t−ëng ®−êng cong thùc tÕ thÊp thÊp cao p TuyÕn tÝnh ho¸ trong c¶m biÕn ¸p suÊt 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 5
  6. ThiÕt bÞ lËp tr×nh 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 Nguyªn lÝ lµm viÖc Qu·ng ®−êng chuyÓn VÞ trÝ ®ãng ®éng 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 6
  7. ThiÕt bÞ lËp tr×nh 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 Lß xo ph¶n håi l−îng Lß xo chèt KiÓu t¸c ®éng cã trÔ §ãng tr−íc khi ng¾t Ng¾t tr−íc khi ®ãng §Æc ®iÓm §Æc ®iÓm TiÕp ®iÓm NC TiÕp ®iÓm NO bÞ ng¾t tr−íc, ®ãng tr−íc, tiÕp ®iÓm NO tiÕp ®iÓm NC ®ãng sau bÞ ng¾t sau §Æc ®iÓm chung T¹o ra mét kho¶ng thêi gian trÔ ®ñ nhá gi÷a hai lo¹i tiÕp ®iÓm 7
  8. ThiÕt bÞ lËp tr×nh Bè trÝ tiÕp Trôc ®éng ®iÓm TiÕp ®iÓm tÜnh TiÕp ®iÓm ®éng (SPDT) Lß xo ph¶n håi (DPDT) 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) 8
  9. 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 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 9
  10. ThiÕt bÞ lËp tr×nh 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 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. 10
  11. 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/ §Æc ®iÓm b/ C¸c chÕ ®é ho¹t ®éng c/ ¶nh h−ëng cña m«i tr−êng 11
  12. ThiÕt bÞ lËp tr×nh §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. 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 12
  13. ThiÕt bÞ lËp tr×nh 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. 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 13
  14. ThiÕt bÞ lËp tr×nh 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. §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. 14
  15. ThiÕt bÞ lËp tr×nh 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 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 15
  16. ThiÕt bÞ lËp tr×nh 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. §èi t−îng cã h×nh d¹ng ®Æc biÖt §èi t−îng hÊp thô ©m 16
  17. ThiÕt bÞ lËp tr×nh 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 ¶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 17
  18. ThiÕt bÞ lËp tr×nh 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% TiÖm cËn quang häc (Photoelectric proximity) Lμ lo¹i c¶m biÕn sö dông chïm tia s¸ng ®−îc ®iÒu biÕn. CÊu t¹o c¶m biÕn gåm mét thiÕt bÞ ph¸t vμ mét thiÕt bÞ thu §Æc ®iÓm: 1/ Chïm tia s¸ng ®−îc ®iÒu biÕn 2/ HÖ sè khuÕch ®¹i ¸nh s¸ng 3/ KÝ hiÖu C«ng nghÖ tiÖm cËn quang häc 1/ Xuyªn suèt 2/ XuyÕn suèt tÝch cùc 3/ Ph¶n x¹ 18
  19. ThiÕt bÞ lËp tr×nh 4/ Ph¶n x¹ tÝch cùc 5/ Läc ph©n cùc víi c¸c ®èi t−îng ph¶n quang 6/ KhuÕch t¸n C¸c chÕ ®é lμm viÖc 1/ ChÕ ®é tèi 2/ ChÕ ®é s¸ng C«ng nghÖ sîi quang C«ng nghÖ Laser Chïm tia s¸ng ®−îc ®iÒu biÕn: Môc ®Ých lµm t¨ng kho¶ng c¸ch c¶m nhËn vµ gi¶m ¶nh h−ëng cña ¸nh s¸ng m«i tr−êng. ¸nh s¸ng ®iÒu biÕn lµ mét chïm xung cã tÇn sè tõ 5kHz ®Õn 30 kHz. Nguån s¸ng dïng trong c¸c c¶m biÕn lo¹i nµy cã phæ s¸ng tõ ¸nh s¸ng xanh nh×n ®−îc tíi ¸nh s¸ng hång ngo¹i kh«ng nh×n ®−îc. Tiªu biÓu lµ nguån s¸ng tõ LED. 19
  20. ThiÕt bÞ lËp tr×nh HÖ sè khuyÕch ®¹i ¸nh s¸ng: HÖ sè khuyÕch ®¹i ¸nh s¸ng lµ l−îng ¸nh s¸ng ph¸t ra v−ît qu¸ l−îng yªu cÇu cña thiÕt bÞ thu. Trong m«i tr−êng s¹ch th× hÖ sè nµy b»ng hoÆc lín h¬n 1 lµ ®ñ l−îng yªu cÇu cña thiÕt bÞ thu. M«i tr−êng cµng « nhiÔm th× hÖ sè nµy cµng cao, do mét phÇn ¸nh s¸ng ph¸t ra sÏ bÞ m«i tr−êng nµy hÊp thô. Tuy nhiªn hÖ sè cµng cao th× kho¶ng c¸ch c¶m nhËn thùc tÕ cµng gi¶m. HÖ sè khuyÕch ®¹i Kho¶ng c¸ch c¶m nhËn 20
Đồng bộ tài khoản