Bài giảng kỹ thuật công nghệ _ Cảm biến và ứng dụng

Chia sẻ: Phạm Bá Thành | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:0

Thêm vào BST

Báo xấu

633
lượt xem 295
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tham khảo tài liệu 'bài giảng kỹ thuật công nghệ _ cảm biến và ứng dụng', kỹ thuật - công nghệ, tự động hoá phục vụ nhu cầu học tập, nghiên cứu và làm việc hiệu quả

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng kỹ thuật công nghệ _ Cảm biến và ứng dụng

BÀI GIẢNG KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ CẢM BIẾN VÀ ỨNG DỤNG
CAÛM BIEÁN VAØ ÖÙNG DUÏNG. Trong caùc heä thoáng ñieàu khieån töï ñoäng, caûm bieán ñoùng vai troø heát söùc quan troïng vì noù laø thieát bò cung caáp thoâng tin cuûa quaù trình ñieàu khieån cho boä ñieàu khieån ñeå boä ñieàu khieån ñöa ra nhöõng quyeát ñònh phuø hôïp nhaèm naâng cao chaát löôïng cuûa quaù trình ñieàu khieån. Coù theå so saùnh caùc caûm bieán trong heä thoáng ñieàu khieån töï ñoäng nhö laø caùc giaùc quan cuûa con ngöôøi. Noäi dung cuûa chöông naøy seõ trình baøy moät soá loaïi caûm bieán thoâng duïng trong coâng nghieäp vaø caùc öùng duïng cuûa noù. I. CAÙC ÑÒNH NGHÓA VAØ ÑAËC TRÖNG CHUNG: I.1 Ñònh Nghóa Caûm Bieán: Caùc heä thoáng ñieàu khieån töï ñoäng trong coâng nghieäp coù voâ soá caùc ñaïi löôïng vaät lyù caàn ño nhö: nhieät ñoä, aùp suaát, dòch chuyeån, löu löôïng, troïng löôïng … caàn ño. Caùc ñaïi löôïng vaät lyù naøy khoâng coù tính chaát ñieän, trong khi ñoù caùc boä ñieàu khieån vaø caùc cô caáu chæ thò laïi laøm vieäc vôùi tín hieäu ñieän vì theá phaûi coù thieát bò ñeå chuyeån ñoåi caùc ñaïi löôïng vaät lyù khoâng coù tính chaát ñieän thaønh ñaïi löôïng ñieän töông öùng mang ñaày ñuû caùc tính chaát cuûa ñaïi löôïng vaät lyù caàn ño. Thieát bò chuyeån ñoåi ñoù laø caûm bieán. a. Caûm bieán: Caûm bieán laø thieát bò chòu taùc ñoäng cuûa caùc ñaïi löôïng vaät lyù khoâng coù tính chaát ñieän m vaø cho ra moät ñaïi löôïng vaät lyù coù tính chaát ñieän x nhö: ñieän trôû, ñieän tích, ñieän aùp, doøng ñieän töông öùng vôùi m. Ñaïi löôïng Ñaïi löôïng Caûm bieán ñieän x caàn ño m Quan heä giöõa s vaø m x = f(m) ñöôïc goïi laø phöông trình chuyeån ñoåi cuûa caûm bieán, haøm f() phuï thuoäc vaøo caáu taïo, vaät lieäu laøm caûm bieán … Ñeå cheá taïo caûm bieán, ngöôøi ta söû duïng caùc hieäu öùng vaät lyù. b. Caûm bieán tích cöïc: Caûm bieán tích cöïc hoaït ñoäng nhö moät nguoàn aùp hoaëc nguoàn doøng ñöôïc bieåu dieãn baèng moät maïng hai cöûa coù nguoàn. c. Caûm bieán thuï ñoäng: Caûm bieán thuï ñoäng ñöôïc moâ taû nhö moät maïng hai cöûa khoâng nguoàn, coù trôû khaùng phuï thuoäc vaøo caùc kích thích. I.2 Caùc Hieäu ÖÙng Vaät Lyù: a. hieäu öùng hoaû ñieän: Moät soá tinh theå goïi laø tinh theå hoaû ñieän (thí duï nhö tinh theå sulfate triglycine), coù tính phaân cöïc ñieän töï phaùt phuï thuoäc vaøo nhieät ñoä. Treân caùc beà maët ñoái dieän cuûa chuùng toàn taïi nhöõng ñieän tích traùi daáu coù ñoä lôùi tyû leä thuaän vôùi ñoä phaân cöïc ñieän. Hieäu öùng hoûa ñieän ñöôïc söû duïng ñeå cheá taïo caûm bieán ño thoâng löôïng buùc xaï cuûa aùnh saùng. Khi tinh theå hoaû ñieän haáp thuï aùnh saùng, nhieät ñoä cuûa noù taêng leân laøm thay ñoåi phaân cöïc ñieän. Söï thay ñoäi phaân cöïc naøy coù theå xaùc ñònh ñöôïc baèng caùch ño söï bieán thieân ñieän aùp treân hai cöïc cuûa tuï ñieän. 58
φ V→φ Hình 1.2 Hieäu öùng hoûa ñieän b. Hieäu öùng aùp ñieän: Khi taùc ñoäng moät löïc cô hoïc leân moät vaät laøm baèng chaát aùp ñieän (Ví duï nhö Thaïch anh), seõ laøm cho vaät ñoù bò bieán daïng vaø laøm xuaát hieän treân hai maët ñoái dieän cuûa vaät ñoù moät löôïng ñieän tích baèng nhau nhöng traùi daáu. Hieäu öùng naøy ñöôïc duøng ñeå cheá taïo caùc caûm bieán ño löïc, ño aùp suaát, gia toác … thoâng qua vieäc ño ñieän tích treân 2 cöïc cuûa tuï ñieän. F V→φ Hình 1.3 Hieäu öùng aùp ñieän Hieäu öùng naøy do nhaø vaät lyù hoïc ngöôøi phaùp laø Pierre Curie phaùt hieän vaøo naêm 1880. c. Hieäu öùng caûm öùng ñieän töø: Khi moät thanh daãn chuyeån ñoäng trong töø tröôøng seõ xuaát hieän moät söùc ñieän ñoäng tyû leä vôùi bieán thieân cuûa töø thoâng nghóa laø tyû leä vôùi toác ñoä chuyeån ñoäng cuûa thanh daãn. Hieäu öùng ñieän töø ñöôïc öùng duïng ñeå cheá taïo caûm bieán ño toác ñoä dòch chuyeån cuûa vaät thoâng qua vieäc ño söùc ñieän ñoäng caûm öùng. B ω e Hình 1.4 Hieäu öùng ñieän töø Hieäu öùng naøy do nhaø vaät lyù hoïc ngöôøi Anh laø M.Faraday phaùt hieän vaøo naêm 1831. d. Hieäu öùng quang ñieän: Baûn chaát cuûa hieäu öùng quang ñieän laø hieän töôïng giaûi phoùng caùc haït daãn töï do trong vaät lieäu döôùi taùc duïng cuûa böùc xaï aùnh saùng. Hieäu öùng naøy do Einstein phaùt hieän vaøo naêm 1905 vaø ñöôïc öùng duïng ñeå cheá taïo caùc caûm bieán quang. e. Hieäu öùng quang ñieän trong chaát baùn daãn: Khi moät chuyeån tieáp P-N ñöôïc chieáu saùng seõ phaùt sinh ra caùc caëp ñieän töû – loã troáng, chuùng chuyeån ñoäng döôùi taùc duïng cuûa ñieän tröôøng cuûa chuyeån tieáp laøm thay ñoåi hieäu ñieän theá giöõa hai ñaàu chuyeån tieáp. Hieäu öùng naøy cuõng thöôøng ñöôïc duøng ñeå cheá taïo caûm bieán quang. 59
f. Hieäu öùng nhieät ñieän: Khi hai daây daãn coù baûn chaát hoùa hoïc khaùc nhau, ñöôïc haøn kín seõ xuaát hieän moät söùc ñieän ñoäng tyû leä vôùi nhieät ñoä moái haøn. Hieäu öùng naøy do Seebeck phaùy hieän vaøo naêm 1821 vaø ñöôïc öùng duïng ñeå cheá taïo caûm bieán nhieät ñoä. I.2 Caùc thoâng soá ñaëc tröng cuûa caûm bieán: a. Ñoä nhaïy cuûa caûm bieán: Ñoä nhaïy cuûa caûm bieán ôû giaù trò m = m0 laø tyû soá giöõa bieán thieân ôû ngoõ ra cöûa caûm bieán ∆x vaø bieán thieân ôû ngoõ vaøo ∆m trong laân caän cuûa m0. Goïi s laø ñoä nhaïy cuûa caûm bieán: ∆x ∆x ∂x (1.1) s= = lim = ∆m m → m0 ∆m ∂m m → m0 m = m0 b. Sai soá cuûa caûm bieán: Sai soá cuûa caûm bieán laø sai leäch giöõa giaù trò ño ñöôïc baèng caûm bieán vaø giaù trò thöïc cuûa ñaïi löôïng caàn ño, ñöôïc ñaùnh giaù baèng %. Neáu goïi x laø giaù trò thöïc cuûa ñaïi löôïng caàn ño, ∆x laø sai leäch giöõa giaù trò ño vaø giaù trò thöïc (goïi laø sai soá tuyeät ñoái), thì sai soá cuûa caûm bieán laø δ ñöôïc xaùc ñònh nhö sau: ∆x (1.2) δ= .100 x Ví duï: Moät caûm bieán nhieät ñoä coù ñoä nhaïy laø: s = 0,1 [mV/oC], taïo ra ñieän aùp ôû 100 [0C] laø 10,5 [mV] thì sai soá cuûa caûm bieán laø: 10,5 − 10 (1.3) δ= .100 = 5% 10 Sai soá cuûa caûm bieán ñöôïc chia thaønh 2 loaïi: sai soá heä thoáng vaø sai soá ngaãu nhieân. Sai soá heä thoáng: Sai soá heä thoáng laø sai soá khoâng phuï thuoäc vaøo soá laàn ño, coù giaù trò khoâng ñoåi hoaëc thay ñoåi chaâm theo thôøi gian. Caùc nguyeân nhaân gaây ra sai soá heä thoáng: - Do nguyeân lyù cuûa caûm bieán. - Do ñaëc tính cuûa boä caûm bieán. - Do cheá ñoä vaø ñieàu kieän söû duïng caûm bieán. - Do xöû lyù keát quaû ño. Sai soá ngaãu nhieân: Sai soá ngaãu nhieân laø sai soá xuaát hieän coù ñoä lôùn vaø chieàu khoâng xaùc ñònh. Nguyeân nhaân gaây sai soá ngaãu nhieân: - Do söï thay ñoåi ñaëc tính cuûa thieát bò. - Do tín hieäu nhieãu ngaãu nhieân. - Do aûnh höôûng bôûi caùc thoâng soá moâi tröôøng nhö: töø tröôøng, nhieät ñoä, ñoä aûm, ñoä rung … c. Ñoä tuyeán tính cuûa caûm bieán: Caûm bieán ñöôïc goïi laø tuyeán tình trong moät daûi ño neáu coù ñoä nhaïy khoâng ñoåi trong ôû moïi ñieåm trong daûi ño. 60
I.3 Maïch Xöû Lyù Tín Hieäu Caûm Bieán: Ñaùp öùng ngoõ ra cuûa caûm bieán thöôøng laø khoâng phuø hôïp vôùi caùc cô caáu chæ thò hoaëc caùc thieát bò ñoïc tín hieäu hoài tieáp trong caùc heä thoáng ñieàu khieån vì vaäy caàn coù moät maïch xöû lyù (chuyeån ñoåi tín hieäu) cho phuø hôïp vôùi caùc cô caáu naøy. Sô ñoà khoái minh hoïa vieäc keát hôïp giöõa caûm bieán vaø maïch xöû lyù tín hieäu nhö hình I.5 Ñaïi löôïng ño Tôùi cô caáu ño Maïch xuû lyù Caûm bieán tín hieäu ño Hình 1.5 Maïch ño vaø caûm bieán a. Caùc maïch khueách ñaïi trong ño löôøng: Do caùc tín hieäu ñieän ôû ngoõ ra cuûa caùc caûm bieán thöôøng raát nhoû, ñeå taêng giaù trò cuûa caùc tín hieäu naøy ta duøng caùc maïch khueách ñaïi. - Maïch khueách ñaïi ñaûo: R2 3 2 81 4 1 R2 Ñaàu vaøo OP-07 2 Ñaàu ra - 6 3 + 7 Hình 1.6 Maïch khueách ñaïi ñaûo vôùi bieán trôû chænh offset R2 (1.4) Vo = − Vi R1 Vôùi Vo laø ñieän aùp ôû ñaàu ra, Vi laø ñieän aùp ôû ñaàu vaøo. - Maïch khueách ñaïi khoâng ñaûo: 7 Ñaàu vaøo OP-07 3 Ñaàu ra + 6 2 - 4 38 1 2 R2 1 R1 Hình 1.7 Maïch khueách ñaïi khoâng ñaûo vôùi bieán trôû chænh offset 61
 R (1.5) Vo = 1 + 2 Vi  R1    Vôùi Vo laø ñieän aùp ôû ñaàu ra, Vi laø ñieän aùp ôû ñaàu vaøo. - Maïch laëp laïi ñieän aùp: U2 7 1 Ñaàu vaøo 3 Ñaàu ra + 6 2 - OP07 4 8 Hình 1.8 Maïch laëp laïi ñieän aùp Vo = Vi (1.6) Vôùi Vo laø ñieän aùp ôû ñaàu ra, Vi laø ñieän aùp ôû ñaàu vaøo. - Maïch khueách ñaïi vi sai: R2 U2 R1 V1 2 Vo - 6 V2 3 + R3 OP07 R4 Hình 1.9 Maïch khueách ñaïi vi sai R2 (V1 − V2 ) (1.7 ) Choïn R1 = R3, R2 = R4 thì: Vo = − R1 - Maïch khueách ñaïi duïng cuï: V1 3 R2 R3 + 6 2 - R OP07 2 Vo - 6 Ra 3 + OP07 R 2 R2 - 6 V2 3 + R3 OP07 Hình 1.10 Maïch khueách ñaïi duïng cuï 62
 2 R  R3  (V1 − V2 ) (1.8) Vo =  1 + Ra  R2  b. Maïch caàu Wheatstone: Maïch caàu Wheastone duøng ñeå chuyeån ñoåi söï thay ñoåi cuûa ñieän trôû thaønh söï thay ñoåi cuûa ñieän aùp treân ñöôøng cheùo cuûa caàu. Vcc Ro Ro V+ V- Ro Rx Hình 1.11 Maïch caàu wheastone Trong sô ñoà treân Rx = Ro + ∆R, ∆U = V+ - V- ta coù:  R + ∆R 1  ∆R (1.9) ∆U =  o  2 R + ∆R − 2 Vcc = 2(2 R + ∆R ) Vcc  o  o Neáu ∆R
- Caùc vaät lieäu duøng ñeå cheá taïo teá baøo quang daãn: Teá baøo quang daãn thöôøng ñöôïc cheá taïo baèng caùc baùn daãn ña tinh theå ñoàng nhaát hoaëc ñôn tinh theå, baùn daãn rieâng hoaëc pha taïp. + Ña tinh theå: CdS, CdSe, CdTe, PbS, PbSe, PbTe. + Ñôn tinh theå: Ge, Si tinh khieát hoaëc pha taïp Au, Cu, Sb, In, SbIn, AsIn, CdHgTe. - Caùc tính chaát cô baûn cuûa teá baøo quang daãn: + Ñieän trôû vuøng toái Rco phuï thuoäc vaøo hình daïng, kích thuôùc, nhieät ñoä vaø baûn chaát lyù hoaù cuûa vaät lieäu Caùc chaát PbS, CdS, CdSe coù ñieän trôû vuøng toái raát cao ( töø 104 tôùi 105 Ω ôû 25 oC), trong khi ñoù SbIn, AbSs, CdHgTe coù ñieän trôû vuøng toái töông ñoái nhoû (töø 10 tôùi 103 Ω ôû 25 oC). Khi ñöôïc chieáu saùng, ñieän trôû cöûa teá baøo quang daãn giaûm xuoáng raát nhanh, quan heä giöõ ñieän trôû cuûa teá baøo quang daãn vaø ñoä roïi saùng: (2.1) Rc = a.Φ −γ Trong ñoù a laø haèng soá phuï thuoäc vaøo vaät lieäu, 0,5 < γ < 1 Hình 2.1 bieåu dieãn quan heä giöõa ñieän trôû cuûa teá baøo quang daãn vaø ñoä roïi saùng. Ñieän trôû (Ω) 108 107 106 105 104 103 102 0,01 0,1 1 10 1001000 Ñoä roïi saùng (Lux) Hình 2.1 Quan heä giöõa ñoä roïi vaø ñieän trôû cuûa teá baøo quang daãn. Kyù heäu cuûa teá baøo quang daãn treân sô ñoà maïch: Hình 2.2 Kyù hieäu cuûa teá baøo quang daãn. + Ñoä nhaïy cuûa teá baøo quang daãn: Neáu ñaët leân 2 ñaàu teá baøo quang daãn moät ñieän aùp V, thì seõ coù moät doøng ñieän I chaûy qua teá baøo quang daãn: VVγ (2.2) I= =Φ Rc a 64
dI γV γ −1 (2.3) Ñoä nhaïy cuûa teá baøo quang daãn: s= = Φ dΦ a - ÖÙng duïng cuûa teá baøo quang daãn: Teá baøo quang daãn thöôøng ñöôïc duøng ñeå ño thoâng löôïng aùnh saùng, keát hôïp vôùi nguoàn saùng ñeå doø vaïch daãn döôøng cho caùc mobile robot, ñoïc maõ vaïch, phaùt hieän ñaàu baêng traéng, ñieàu khieån ñoùng ngaét Relay theo aùnh saùng … Sô ñoà duøng teá baøo quang daãn: VCC K2 5 3 4 1 2 1 RELAY SPDT 2 Q1 3 Hình 2.3 Sô ñoà ñieàu khieån ñoùng ngaét Relay theo aùnh saùng. VCC R3 Tôùi VÑK hoaëc PLC 1 2 Q1 3 Hình 2.4 Sô ñoà duøng teá baøo quang daãn ñeå doø vaïch daãn ñöôøng, ñoïc maõ vaïch. b. Photo Diode: Caáu taïo cuûa Photo Diode: - Photo diode laø moät tieáp giaùp p-n ñöôïc taïo bôûi caùc vaät lieäu nhö: Ge, Si (Cho vuøng aùnh saùng troâng thaáy vaø gaàn hoàng ngoaïi), GaAs, InAs, CdHgTe, InSb cho vuøng aùnh saùng hoàng ngoaïi. p Vuøng ngheøo Chuyeån tieáp E n Hình 2.5 Caáu taïo cuûa photo diode Nguyeân lyù laøm vieäc cuûa photo diode: - Khi chieáu saùng leân beà maët cuûa photo diode baèng böùc xaï coù böôùc soùng nhoû hôn böôùc soùng ngöôõng λ < λn seõ xuaát hieän theâm caùc caëp ñieän töû – loã troáng. Ñeå caùc haït naøy coù theå tham gia vaøo ñoä daãn vaø laøm taêng doøng ñieän I ta caàn phaûi ngaên quaù trình taùi hôïp cuûa chuùng 65
nghóa laø phaûi nhanh choùng taùch caëp ñieän töû – loã troáng döôùi taùc duïng cuûa ñieän tröôøng. Quaù trình naøy chæ xaûy ra trong vuøng ngheøo vaø laøm taêng doøng ñieän ngöôïc. Caùc cheá ñoä laøm vieäc cuûa photo Diode: - + Cheá ñoä quang daãn: ÔÛ cheá ñoä quang daãn, photo diode ñöôïc phaân cöïc ngöôïc bôûi nguoàn söùc ñieän ñoäng E nhö hình 2.6: Ir R E Hình 2.6 Sô ñoà phaân cöïc cho photo diode o cheá ñoä quang daãn. Doøng ñieän ngöôïi Ir chaûy qua diode:    qV (2.4) I r = I o 1 − exp d  + I p  kT   Trong ñoù: Io laø doøng ngöôïc khi khoâng ñöôïc chieáu saùng, Ip laø doøng quang ñieän khi aùnh saùng ñaït tôùi vuøng ngheøo sau khi qua beà daøy X cuûa lôùp baùn daãn. (2.5) I p = K Φ o e − αX K laø haèng soá, Φo laø quang thoâng beân ngoaøi lôùp baùn daãn, α ≈ 105 [cm-1], Vd laø ñieän aùp ngöôïc treân photo diode. Khi Vd coù giaù trò ñuû lôùn thì: Ir = Io + Ip (2.6) do Io thöôøng raát nhoû neân: Ir = Ip (2.7) Vieát phöông trình cho maïch ñieän hình 2.6: E = VR - Vd (2.8) Trong ñoù VR = R*Ir laø ñöôøng thaúng taûi. E Vd (2.9) Hay Ir = + RR -35 -30 -E -20 -15 -10 -5 0 0 Vd 10 50 µW 20 100 µW 30 70 ∆ 150 µW 50 200 µW 60 Ir Hình 2.7 Ñaëc tuyeán I-V vôùi thoâng löôïng aùnh saùng khaùc nhau cuûa photo diode 66
+ Cheá ñoä quang theá: Trong cheá ñoä quang theá khoâng coù ñieän aùp ngoaøi ñaët vaøo Diode, Photo diode laøm vieäc nhö moät nguoàn doøng. Ñaëc ñieåm cuûa cheá ñoä naøy laø khoâng coù doøng ñieän toái do khoâng coù nguoàn phaân cöïc ngoaøi neân giaûm ñöôïc aûnh höôûng cuûa nhieãu vaø cho pheùp ño quang thoâng nhoû. Khi chieáu saùng vaøo photo diode, caùc haït daãn khoâng cô baûn taêng leân laøm cho haøng raøo ñieän theá cuûa tieáp giaùp thay ñoåi moät löôïng ∆vb khi ñoù ta coù :   q∆vb (2.10) 1 − e kT  + I p = 0 Io     kT  I p  (2.11) ln1 +  ∆vb = q Io    Söï thay ñoåi cuûa haøng raøo ñieän theá naøy ñöôïc xaùc ñònh baèng caùch ño hieäu ñieän theá treân photo diode ôû traïng thaùi hôû maïch. Khi chieáu saùng yeáu: Ip > Io, (2.11) ñöôïc vieát laïi: ∆vb = ln  q  Io   Vôùi Ip ñöôïc tính trong coâng thöùc (2.5) thì töø (2.13) ta thaáy ñieän aùp treân photo diode phuï thuoäc theo thoâng löôïng aùnh saùng theo haøm logarit. Ñoä nhaïy cuûa photo diode : - dI p (2.14) = Ke −αX s= dΦ o ÖÙng duïng cuûa photo diode: - Photo diode coù theå duøng ñeå do thoâng löôïng aùnh saùng, doø vaïch daãn ñöôøng cho mobile robot, laøm daàu thu trong caùc boä ñieàu khieån töø xa khoâng daây, ñoïc maõ vaïch … Sô ñoà duøng photo diode: E R2 4 2 - 1 Vo 3 + R3 R1 8 Hình 2.7 Sô ñoà maïch ño doøng ngöôïc ôû cheá ñoä quang daãn 67
R2 4 2 - 1 Vo 3 + R1 8 Hình 2.8 Sô ñoà maïch ño duøng photo diode ôû cheá ñoä quang theá c. Photo transistor: - Caáu taïo cuûa photo transistor vaø nguyeân lyù laøm vieäc cuûa transistor quang: Photo transistor laø transistor silic loaïi NPN maø vuøng Bazô coù theå ñöôïc chieáu saùng. Khi khoâng coù ñieän aùp ñaët leân Bazô chæ coù ñieän aùp ñaët leân Colector, chuyeån tieáp BC bò phaân cöïc ngöôïc nhö hình 2.9. E E R R Q3 NPN BCE a. Sô ñoà phaân cöïc transistor quang b. Sô ñoà töông ñöông Hình 2.9 Sô ñoà maïch ño duøng transistor quang Ñieän aùp ñaët vaøo E haàu nhö taäp trung toaøn boä treân chuyeån tieáp B-C, trong khi ñoù söï cheânh leäch ñieän theá giöõa Emiter vaø Bazô laø khoâng ñaùng keå (VBE ≈ 0,7 [V]). Khi chuyeån tieáp B-C ñöôïc chieáu saùng, noù hoaït ñoäng nhö moät photo diode ôû cheá ñoä quang daãn vôùi doøng ñieän ngöôïc Ir = Io + Ip (2.15) Trong (2.15) Io laø doøng ñieän ngöôïc khi khoâng ñöôïc chieáu saùng, Ip laø doøng quang ñieän khi coù quang thoâng Φo chieáu qua beà daøy X cuûa lôùp baùn daãn. Ir ñoùng vai troø nhö doøng Bazô, noù seõ gaây neân doøng colector Ic: Ic = (β +1)Ir (2.16) Trong (2.16) thì β laø heä soá khueách ñaïi doøng khi emiter noái chung. - Ñoä nhaïy cuûa transistor quang: dI c = K (β + 1)e −αX (2.17 ) s= dΦ o ÖÙng duïng cuûa transistor quang: - Transistor coù theå duøng ñeå do thoâng löôïng aùnh saùng, doø vaïch daãn ñöôøng cho mobile robot, laøm ñaàu thu trong caùc boä ñieàu khieån töø xa khoâng daây, ñoïc maõ vaïch, cheá taïo caùac caûm bieán quang trong coâng nghieäp … 68
d. Caûm bieán quang trong coâng nghieäp: Caáu taïo: - Caûm bieán quang trong coâng nghieäp coù caáu taïo: R Ñaàu thu Ñaàu phaùt Maïch ra Led phaùt Thaáu kính Transistor hoäi tuï quang thu Hình 2.10.a Caáu taïo caûm bieán quang daïng thu phaùt rieâng Led phaùt R Caûm bieán thu phaùt Maïch ra Thaáu kính Transistor hoäi tuï quang thu Hình 2.10.b Caáu taïo caûm bieán quang daïng thu phaùt chung Caûm bieán goàm phaàn phaùt vaø phaàn thu: + Phaàn phaùt goàm moät Led phaùt hoàng ngoaïi hoaëc Led phaùt Laser coù vai troø nhö moät nguoàn phaùt saùng ñöôïc ñaët ngay taïi tieâu ñieåm cuûa thaáu kính hoäi tuï phaùt nhaèm muïc ñích taïo ra chuøm tia saùng heïp ñeå chieáu ñeán phaàn thu. + Phaàn thu goàm moät transistor quang ñaët ngay taïi tieâu ñieåm cuûa thaáu kính hoäi tuï thu mhaèm muïc ñích taäp trung aùnh saùng roïi vaøo trasistor. Transistor quang thu ñöôïc noái vaøo maïch ra ñeå taïo möùc logic ôû ngoõ ra. Moät soá daïng cuûa caûm bieán quang trong coâng nghieäp: - Sau ñaây laø moät soá daïng cuûa caûm bieán quang trong coâng nghieäp cuûa haõng OMRON: Hình 2.11 Daïng thu phaùt chung khoâng caàn göông phaûn xaï 69
Hình 2.12 Daïng thu phaùt rieâng Hình 2.13 Daïng thu phaùt chung coù göông phaûn xaï Hình 2.14 Caûm bieán sôïi quang Caáu truùc maïch ra cuûa caûm bieán quang: - Ñeøn baùo 10- Naâu Taûi 3 Maïch caûm Ñen 1 bieán 8 GND Xanh Hình 2.15 Mach ra kieåu transistor NPN cöc thu ñeå hôû Ñeøn baùo 10-30VDC Naâu 8 Maïch caûm Ñen 1 bieán 3 Taûi Xanh GND Hình 2.16 Maïch ra kieåu transistor PNP cöïc thu ñeå hôû 70
II.2 ÖÙng Duïng Cuûa Caûm Bieán Quang: Duøng ñeå phaùt hieän söï vaät theå taïi moät vò trí ñònh tröôùc nhö: duøng laøm caûm bieán phaùt hieän saûn phaåm trong caùc heä thoáng ñeám saûn phaåm vaø ñoùng thuøng saûn phaåm, phaùt hieän coù vaät caûn ngay cöûa cuûa caùc thang maùy, phaùt hieän chaám ñen ôû ñaàu bao bì trong caùc heä thoáng ñoùng goùi saûn phaåm, duøng ño toác ñoä ñoäng cô … Döôùi ñaây trình baøy moät soá ví duï öùng duïng cuûa caûm bieán quang. Ví duï 1: ÖÙng duïng caûm bieán quang ñeå phaùt hieän ñaàu vaät lieäu trong heä thoáng caét saûn phaåm theo chieàu daøi Dao caét Caûm bieán quang Hình 2.17 Heä thoáng caét saûn phaåm theo chieàu daøi Ví duï 2: ÖÙng duïng caûm bieán quang ñeå phaùt hieän chaám ñen ôû ñaàu bao bì trong heä thoáng ñoùng goùi saûn phaåm. Caûm bieán quang Chaám ñen Rulo keùo phim PLC Dao caét Hình 2.18 Heä thoáng ñoùng goùi bao bì Ví duï 3: ÖÙng duïng caûm bieán quang ñeå phaùt hieän hoäp söõa baèng giaáy treân baêng taûi trong heä thoáng saûn xuaát söõa hoäp giaáy (hình 2.19). 71
Ví duï 4: ÖÙng duïng caûm bieán quang ñeå phaùt hieän thöïc phaåm treân baêng taûi trong heä thoáng saûn xuaát thöïc phaåm (hình 2.20). Ví duï 5: ÖÙng duïng caûm bieán quang ñeå phaùt hieän chai treân baêng taûi vaø ñeám soá chai trong heä thoáng saûn xuaát nöôùc uoáng (hình 2.21). Thaønh baêng taûi Baêng taûi Caûm bieán quang Hoäp söõa Hình 2.19 Phaùt hieän hoäp söõa. Caûm bieán quang Thöïc phaåm Baêng taûi Hình 2.20 Phaùt hieän thöïc phaåm. Baêng taûi Göông phaûn xaï Caûm bieán quang Hình 2.21 Phaùt hieän vaø ñeám chai. 72
III. CAÛM LAÂN CAÄN (Proxmity Sensor) VAØ ÖÙNG DUÏNG: III.1 Caûm Bieán Laân Caän Daïng Ñieän Caûm: a. Caáu taïo: Caûm bieán laân caän daïng ñieän caûm coù caáu taïo goàm 4 boä phaän chính nhö hình 3.1 Muïc tieâu Ñaàu phaùt Maïch dao Maïch phaùt Maïch ngoõ ra hieän ñoäng hieän möùc Hình 3.1 Caáu taïo cuûa caûm bieán laân caän ñieän caûm - Ñaàu phaùt hieän goàm 1 cuoän daây quaán treân loõi saét töø coù nhieäm vuï taïo ra töø tröôøng bieán thieân trong khoâng gian phía tröôùc. Caáu taïo vaø caùch boá trí cuoän daây vaø loõi saét cuûa ñaàu phaùt hieän nhö hình 3.2 Boá trí cuûa ñaàu Voû boïc Cuoän daây Loõi saét töø phaùt hieän Hình 3.2 Caáu taïo cuûa ñaàu phaùt hieän Maïch dao ñoäng coù nhieäm vuï taïo dao ñoäng ñieän töø taàn soá radio. - Maïch phaùt hieän möùc duøng ñeå so saùnh bieân ñoä tín hieäu cuûa maïch dao ñoäng. - Maïch ngoõ ra duøng ñeå taïo möùc logic cho tín hieäu ngoõ ra cuûa caûm bieán. - b. Nguyeân lyù hoaït ñoäng cuûa caûm bieán laân caän ñieän caûm: Khi coù muïc tieâu caàn phaùt hieän (ñoái töôïng) baèng kim loaïi tôùi gaàn caûm bieán (vaøo vuøng töø tröôøng bieán thieân cuûa caûm bieán), töø tröôøng bieán thieân do maïch dao ñoäng gaây ra taäp trung ôû loõi saét seõ gaây neân moät doøng ñieän xoaùy treân beà maët cuûa ñoái töôïng. Doøng ñieän xoaùy sinh ra treân beà maët ñoái töôïng taïo neân moät taûi laøm giaûm bieân ñoä tín hieäu cuûa maïch dao ñoäng. Khi bieân ñoä cuûa tín hieäu ao ñoäng nhoû hôn moät ngöôõng ñònh tröôùc, maïch phaùt hieän möùc seõ taùc ñoäng maïch ngoõ ra ñeå ñaët traïng thaùi ngoõ ra leân ON. Khi ñoái töôïng rôøi khoûi vuøng töø tröôøng cuûa caûm bieán, bieân ñoä tín hieäu ôû maïch dao ñoäng taêng leân, khi tín hieäu ôû maïch dao ñoäng coù bieân 73
ñoä lôùn hôn ngöôõng, maïch phaùt hieäm möùc seõ taùc ñoäng maïch ngoõ ra taïo traïng thaùi ngoõ ra laø OFF. Hoaït ñoäng cuûa caûm bieán ñöôïc minh hoaï nhö hình 3.3 Ñoái töôïng Caûm bieán Tín hieäu maïch dao Soùng ra Möùc taùc ñoäng Maïch ra OFF ON Hình 3.3 Hoat ñoäng cuûa caûm bieán c. Moät soá daïng caûm bieán laân caän ñieän caûm trong coâng nghieäp: Sau ñaây laø moät soá daïng cuûa caûm bieán laân caän ñieän caûm trong coâng nghieäp cuûa haõng OMRON. Hình 3.4 Caûm bieán laân caän ñieän caûm daïng troøn Hình 3.4 Caûm bieán laân caän ñieän caûm daïng vuoâng III.2 Caûm Bieán Laân Caän Daïng Ñieän Dung: a. Caáu taïo: Caûm bieán laân caän daïng ñieän dung coù caáu taïo gaàm 4 phaàn töû nhö caûm bieán laân caän daïng ñieän caûm nhö hình 3.5: 74
Muïc tieâu Maïch ngoõ ra Ñaàu phaùt Maïch dao Maïch phaùt hieän ñoäng hieän möùc Hình 3.5 Caáu taïo cuûa caûm bieán laân caän ñieän dung Ñaàu phaùt hieän trong caûm bieán laân caän ñieän dung laø moät baûn cöïc cuûa tuï ñieän. b. Nguyeân lyù hoaït ñoäng cuûa caûm bieán laân caän ñieän dung: Khi muïc tieâu caàn phaùt hieän di chuyeån ñeán gaàn ñaàu phaùt hieän cuûa caûm bieán seõ laøm ñieän dung cuûa tuï ñieän (ñöôïc taïo bôûi moät baûn cöïc laø beà maët cuûa ñaàu thu vaø baûn cöïc coøn laïi chính laø ñoái töôïng) C bò thay ñoåi. Khi ñieän dung cuûa tuï ñieän bò thay ñoåi thì maïch dao ñoäng seõ taïo ra tín hieäu dao ñoäng. Khi tín hieäu dao ñoäng coù bieân ñoä lôùn hôn moät ngöôõng ñaët tröôùc maïch phaùt hieän möùc seõ ñieàu khieån maïch ra ôû traïng thaùi ON. Khi ñoái töôïng ôû xa caûm bieán, bieân ñoä tín hieäu ôû maïch dao ñoäng seõ nhoû, maïch phat hieän möùc seõ ñieàu khieån maïch ra ôû traïng thaùi OFF. c. Moät soá daïng cuûa caûm bieán laân caän ñieän dung: Döôùi ñaây giôùi thieäu moät soá daïng caûm bieán laân caän ñieän dung: Hình 3.6 Moät soá daïng caûm bieán laân caän ñieän dung cuûa haõng OMRON III.3 Caáu Truùc Maïch Ra Cuûa Caûm Bieán Laân Caän: 24 VDC 100 Taûi OUT Maïch caûm bieán 0V Hình 3.7 Maïch ra daïng NPN cöïc thu ñeå hôû 75
24 VDC OUT Maïch caûm bieán Taûi 0V 100 Hình 3.8 Maïch ra daïng PNP cöïc thu ñeå hôû III.4 ÖÙng Duïng Cuûa Caûm Bieán Laân Caän: - Caûm bieán laân caän ñieän caûm ñöôïc duøng ñeå phaùt hieän söï xuaát hieän cuûa moät vaät theå kim loaïi taïi moät vò trí xaùc ñònh tröôùc (vò trí ñaët caûm bieán) nhö: Phaùt hieän Cabin thang maùy taïi caùc taàng, phaùt hieän chai nöôùc ngoït coù naép hay khoâng (Naép cuûa chai nöôùc ngoït laøm baèng kim loai), xaùc ñònh vò trí hai ñaàu muùt cuûa muõi khoan, phaùt hieän traïng thaùi ñoùng hay môû van, ño toác ñoä quay cuûa ñoäng cô, phaùt hieän traïng thaùi ñoùng- môû cuûa caùc xi lanh … - Caûm bieán laân caän ñieän ung ñöôïc duøng ñeå phaùt hieän söï xuaát hieän cuûa moät vaät theå kim loaïi hoaëc phi kim loaïi taïi moät vò trí xaùc ñònh tröôùc (vò trí ñaët caûm bieán) nhö: Phaùt hieän thuûy tinh, nhöïa, chaát loûng … Döôùi ñaây trình baøy moät soá ví duï öùng duïng caûm bieán laân caän. - Ví duï 1: Duøng caûm bieán laân caän ñieän caûm ño toác ñoä ñoäng cô hình 3.9 Ví duï 2: Duøng caûm bieán ñieän dung ñeå xaùc ñònh möùc cuûa chaát loûng hình 3.10. Ví duï 3: Duøng caûm bieán ñieän dung ñeå phaùt hieän hoäp söõa khoâng ñaày trong daây chuyeàn saûn xuaát söûa hoäp hình 3.11. Caûm bieán Ñoäng cô Hình 3.9 ÖÙng duïng caûm bieán ñieän caûm trong heä thoáng ño toác ñoä ñoäng cô 76