Kỹ thuật cảm biến Khoa Cơ khí - Động lực Trờng Cao Đẳng Nghề Công Nghệ và Nông Lâm Đông Bắc

34
BI 2
CM BIN TIM CN
V CC LOI CM BIN XC NH V TR, KHONG CCH

GII THIU
Cm bin tim cn c s dng nhiu trong cỏc lnh vc t ng
hoỏ quỏ trỡnh sn xut, trong cỏc dõy truyn t ng hoỏ sn xut, trong cỏc ni
lm vic khú khn, c hi, vỡ cm bin tim cn dựng nhn bit cú hoc
khụng cỏc vt th.

MC TIấU BI HC
Sau khi hc xong bi ny hc viờn cú kh nng:
- ỏnh giỏ/xỏc nh c v trớ, nhim v v ng dng ca cỏc b cm bin
tim cn.
- Mụ t c chc nng, nhim v v cỏc iu kin lm vic ca cỏc b cm
bin tim cn.
- Bit c phm vi ng dng, cỏch lp t cỏc b cm bin tim cn .

NI DUNG
* Cm bin tim cn (Proximity Sensor).
* Mt s loi cm bin xỏc nh v trớ, khong cỏch khỏc.
* Cỏc bi thc hnh ng dng cỏc loi cm bin tim cn.

HOT NG I : HC Lí THUYT TRấN LP

1. Cm bin tim cn (Proximity Sensor).
1.1. i cng.
* c im: - Phỏt hin vt khụng cn tip xỳc.


1.2. Cm bin tim cn in cm (Inductive Proximity Sensor).
Cm bin tim cn in cm cú nhiu kớch thc v hỡnh dng khỏc nhau
tng ng vi cỏc ng dng khỏc nhau. Cm bin tim cn in cm c dựng
phỏt hin cỏc i tng l kim loi (loi cm bin ny khụng phỏt hin cỏc
i tng cú cu to khụng phi l kim loi).

Kỹ thuật cảm biến Khoa Cơ khí - Động lực Trờng Cao Đẳng Nghề Công Nghệ và Nông Lâm Đông Bắc

36
thay i tớn hiu v tỏc ng mch ra lờn mc ON. Khi i tng ri khi khu
vc t trng, s dao ng c tỏi lp, cm bin tr li trng thỏi bỡnh thng.
* Phõn loi cm bin tim cn in cm.
Cm bin tim cn in cm cú th chia ra lm 2 loi: Loi c bo v
(Shielded) v loi khụng c bo v (Unshielded), lo
i khụng c bo v
cthng cú tm phỏt hin ln hn loi c bo v.
* Nhng yu t nh hng n tm phỏt hin ca cm bin tim cn in
cm:
- Kớch thc, hỡnh dỏng, vt liu lừi v cun dõy.
- Vt liu v kớch thc i tng.
- Nhit mụi trng.
c im ca i tng tiờu chu
n (mc tiờu): Hỡnh vuụng, di cnh
bng d (ng kớnh ca b mt cm bin), dy 1mm v lm bng thộp mm (mild
steel).
Nu i tng cn phỏt hin cú kớch thc nh hn tiờu chun, tm phỏt
hin ca cm bin s gim (do dũng in xoỏy yu). Nhng nu kớch thc ln
hn kớch thc tiờu chun khụng cú ngha l tm phỏt hin tng lờn.
hiu chnh khong cỏch tm c
m bin ph thuc vo vt liu ngi ta
s dng cỏc vt liu v h s nh bng 1 v 2 di õy.

Bng 1
Vt liu
H s 1
Shielded Unshielded

- Ưu điểm:
+ Không chịu ảnh hưởng của độ ẩm.
+ Không có bộ phận chuyển động.
+ Không chịu ảnh hưở
ng của bụi bặm.
+ Không phụ thuộc vào màu sắc.
+ ít phụ thuộc vào bề mặt đối tượng ơn so với các kỹ thuật khác.
+ Không có khu vực mù (blind zone: cảm biến không phát hiện ra đối
tượng mặc dù đối tượng ở gần cảm biến).
- Nhược điểm:
+ Chỉ phát hiện được đối tượng là kim loại.
+ Có thể chịu ảnh hưởng bởi các vùng điện từ mạ
nh.
+ Phạm vi hoạt động ngắn hơn so với các kỹ thuật khác.
* Một số ứng dụng của cảm biến tiệm cận điện cảm:
1.3. Cảm biến tiệm cận điện dung (Capacitive Proximity Sensor).
Cảm biến tiệm cận điện dung giống về kích thước, hình dáng, cơ sở hoạt
động so với cảm biến tiệm cận điện cảm. Đi
ểm khác biệt căn bản giữa chúng là
cảm biến tiệm cận điện dung tạo ra vùng điện trường còn cảm biến tiệm cận điện
cảm tạo ra vùng điện từ trường. Cảm biến tiệm cận điện dung có thể phát hiện đối
tượng có chất liệu kim loại cũng như không phải là kim loại.
* Cấu trúc của cảm biến tiệ
m cận điện dung.
Giống như cấu trúc của cảm biến tịêm cận điện cảm, cảm biến tiệm cận
điện dung cũng có 4 phần:
- Bộ phận cảm biến (các bản cực hay điện cực cách điện)
- Mạch dao động.
- Mạch ghi nhận tín hiệu.
- Mạch điện ở ngõ ra.

tượng cảm biến phát hiện là chất lỏng chứ không phải là hộp.
* Phân loại cảm biến tiệm cận điện dung: Có hể chia ra làm 2 loại đó là
loại được bảo vệ (Shielded) và loại không được bảo vệ (Unshielded).
Loại được bảo vệ (Shielded) có vòng kim loại bao quanh giúp hướng
vùng điện trường phía trước và có thể đặ
t ngang bằng với bề mặt làm việc.
Loại không được bảo vệ (Unshielded) không có vòng kim loại bao quanh
và không thể đặt ngang bằng với bề mặt làm việc. Xung quanh cảm biến phải có
một vùng trống (giống cảm biến tiệm cận điện cảm loại không có bảo vệ
Unshielded), kích thước vùng trống tuỳ thuộc vào từng loại cảm biến.
* Các yếu tố ảnh hưởng đến tầm phát hiệ
n của cảm biến tiệm cận điện
dung.
- Kích thước của điện cực cảm biến.
- Vật liệu và kích thước đối tượng.
- Nhiệt độ môi trường.
- Đối tượng tiêu chuẩn và hằng số điện môi: Đối tượng tiêu chuẩn được
chỉ định riện với từng loại cảm biến tiệm cận điện dung, thông thường chất liệ
u
của đối tượng tiêu chuẩn được định nghĩa là kim loại hoặc nước.
* Ưu nhược điểm của cảm biến tiệm cận điện dung:
- Ưu điểm:
+ Có thể cảm nhận vật dẫn điện và không dẫn điện.
+ Tính chất tuyến tính và độ nhạy không tuỳ thuộc vào vật liệu kim
loại.
+ Nó có thể cảm nhận đượ
c vật thể nhỏ, gọn, nhẹ.
+ Vận tốc hoạt động nhanh.
+ Tuổi thọ cao và độ ổn định cũng cao đối với nhiệt độ.
- Nhược điểm:

s, thi gian súng õm thanh i t cm bin n i tng v quay tr li liờn h
trc tip n di quóng ng, vỡ vy cm bin siờu õm thng c dựng
trong cỏc
ng dng o khong cỏch.
- Tn s hot ng: Nhỡn chung cỏc cm bin cụng nghip hot ng vi
tn s 25 khz n 500 khz, cỏc cm bin trong lnh vc y khoa thỡ hot ng vi
khong tn s t 5 Mkhz tr lờn. Tn s hot ng ca cm bin t l nghch vi
khong cỏch phỏt hin cm bin. Vi tn s 50 khz, phm vi ho
t ng ca cm
bin cú th ti 10m hoc ln hn, vi tn s 200 khz thỡ phm vi hot ng ca
cm bin b gii hn mc 1m.
- Vựng hot ng: L khu vc gia 2 gii hn khong cỏch phỏt hin ln
nht v nh nht. Cm bin tim cn siờu õm cú mt vựng nh khụng th s dng
gn b mt c
m bin gi l khu vc mự (blind zone).
Kớch thc v vt liu ca i tng cn phỏt hin quyt nh khong
cỏch phỏt hin ln nht.
* Cm bin tim cn siờu õm loi cú th iu chnh khong cỏch phỏt hin
(Background Suppression).
Mt s dng cm bin ngừ ra analog cho phộp iu chnh khong cỏch
phỏt hin, chỳng cú th t chi vic phỏt hin cỏc i tng sau mt khong cỏch
xỏc nh, khong cỏch phỏt hin cú th iu chnh bi ngi s dng. Ngoi ra
cm bin khụng phỏt hin i tng dự chỳng di chuyn vo vựng hot ng ca
cm bin, ngi ta cú th to 1 lp v bng cht liu cú kh nng khụng phn x
li súng õm thanh.
* u nhc im ca cm bin tim cn siờu õm.
- u i
m:
+ Khong cỏch m cm bin cú th phỏt hin vt th lờn ti 15m.
+ Súng phn hi ca cm bin khụng ph thuc vo mu sc ca b

cho khoảng cách phát hiện của đối tượng ngắn lại và giá trị khoảng cách không
chính xác.
+ Bề mặt phản hồi năng lượng của sóng âm thanh tốt hơn bề mặt gồ
ghề, tuy nhiên bề mặt trơn phẳng lại có đòi hỏi khắt khe về vị trí góc tạo thành
giữa cảm biến và mặt phẳng đối tượng.
* Một số ứng dụng của cảm bi
ến tiệm cận siêu âm.
- Phát hiện sự hiện diện, không hiện diện của đối tượng trong suốt bằng
thuỷ tinh.
- Dùng trong điều khiển mực chất lỏng.
- Dùng để đo khoảng cách, độ cao, hay vị trí của phiến gỗ trên dây
chuyền.
1.5. Cấu hình ngõ ra của cảm biến tiệm cận.
* Ngõ ra dạng Transittor NPN và Transittor PNP.(hình 2.3 và 2.4)
Với điện áp DC thấp, cảm biến có 2 dạng cấu hình ngõ ra phổ biế
n là kiểu
NPN Transittor và PNP Transittor.


n ngừ ra dng triac c thit k cú th s dng nh cụng tc
cho in AC. Cm bin dng ny cung cp ngừ ra cú th chu c dũng ln,
in ỏp ri thp do ú thớch hp vi vic kt ni vi cỏc cụng
tc t ln. Dũng tiờu hao ca nú ln hn so vi FETS, giỏ tr ny vt quỏ 1mA
do ú khụng thớch hp kt ni vi cỏc thit b nh
PLC.
* Ngừ ra dng Analog.
Cm bin cú th cung cp tớn hiu ngừ ra di dng dũng v ỏp tng ng
(hay nghch o s tng ng) vi s phỏt hin. Trng thỏi ngừ ra ca cm bin
cú th l thng úng (NO) hoc thng m (NC). Vớ d cm bin loi PNP,
trng thỏi ngừ ra l Off khi khụng cú i tng xut hin thỡ nú l loi thit b
thng m, ng
c li trng thỏi ngừ ra On khi khụng cú i tng xut hin thỡ
nú l loi thng úng. Ngoi loi 3 dõy, cm bin cũn cú loi 4 dõy v loi 2
dõy, vi loi 4 dõy trong mt cm bin cú 2 loi ngừ ra ú l thng úng v

Dạng 2
Kü thuËt c¶m biÕn – Khoa C¬ khÝ - §éng lùc – Tr−êng Cao §¼ng NghÒ C«ng NghÖ vµ N«ng L©m §«ng B¾c

42
On khi tất cả các cảm biến đều lên On, còn khi mắc nối tiếp, chỉ cần trong số các
cảm biến lên On thì ngõ ra lên On.
2. Một số loại cảm biến xác định vị trí, khoảng cách khác.
2.1. Xác định vị trí và khoảng cách bằng biến trở.
* Cấu trúc:
Gồm một điện trở cố định Rn và một tiếp xúc điện có thể di chuyển gắn
với chuyển động cần đ
o gọi là con chạy, vị trí con chạy tỉ lệ với giá trị điện trở tại
đầu ra của tiếp xúc điểm.
Căn cứ vào hình dạng của Rn và dạng chuyển động của con chạy người ta
chia ra làm 2 loại đó là loại dịch chuyển thẳng và dịch chuyển quay.
* Đặc tính:
- Độ phân giải: Thông thường đặt cỡ 10 μm.
- Tuổi thọ của con chạy: 106 lần vớ
i dạng xoay và 107 đến 108 lần với
dạng dịch chuyển.
- Độ tuyến tính: Giá trị của tỉ số R(x)/Rn ở 2 đầu của điện trở không ổn
định, do đó ở đầu đường chạy hoặc cuối đường chạy thì độ tuyến tính kém.
* Các loại biến trở:
Giá trị điện trở Rn từ 1kΩ đến 100 kΩ, đôi khi lên tới hàng MΩ, tuỳ từng
trường hợp cụ thể độ chính xác của điện trở là 20%, 10% và đôi khi đạt tới 5%.
Trên thực tế không cần đòi hỏi độ chính xác cao và tín hiệu đo chỉ phụ thuộc vào
tỉ số R(x)/Rn, có nhiều loại biến trở, tuỳ theo từng ứng dụng mà người ta chọn
loại biến trở thích hợp.
- Biến trở dây kim loại: Loại biến trở này dùng với dòng điện khá cao,
nó có hệ số nhiệt độ thấp, ít tiếng ồn cho mạch điện tử và trị số điện trở không bị

la).

m
R
N
L
2
=
Trong ú: N l s vũng dõy ca cun dõy; Rm l in tr t ca cun dõy.
in tr t ca cun dõy vi lừi st:
Trong ú: ( ca st rt ln (khong 103 n 104) cho nờn coi s thay i
ca phn in tr t trong st khi lừi st di chuyn coi nh khụng ỏng k.
Din tớch Aa trong khụng khớ bờn ngoi cun dõy rt ln hoc cú
th b
c cun dõy bng v st mm v hu nh tt c cỏc ng sc u chy vo
õy vi in tr t coi nh rt nh.
Do ú t v b qua R0.

A
l
R
m
0

= ;
l
k
l
AN
R

u trỳc i xng ng trc, cm bin ny cú th dựng o
khong cỏch, vi cu trỳc vnh khn v xoay, nú c dựng o gúc.
o khong cỏch, c 2 cun dõy c t trong na cu o.
2.3. Xỏc nh v trớ v khong cỏch bng cm bin in dung.
* Nguyờn lý hot ng: Cm bin in dung da trờn tỏc ng tng h
gia 2 in c
c to thnh t in, in dung ca nú thay i di tỏc ng ca
i lng vo. in dung s ph thuc vo tit din, khong cỏch 2 bn cc v
in mụi gia 2 bn cc C(x) = f(A,d,().
Vi trng hp n gin t in phng ta cú: trong ú A l din tớch bn
cc; a l khong cỏch gia 2 bn cc; (0 l hng s
in mụi trong chõn khụng
((0 = 8,85.10-12 F/m); (r l hng s in mụi.
Cm bin c c trng bi nhy:
+ nhy in dung: SC = (C/(x
+ nhy in khỏng: Sz = (z/(x
* S thay i khong cỏch ca 2 bn cc.
in dung ca t in t l nghch vi khong cỏch bn cc, khi khong
cỏch bộ i in dung ln hn v ng
c li.
Xột t in phng: nhy (
Kü thuËt c¶m biÕn – Khoa C¬ khÝ - §éng lùc – Tr−êng Cao §¼ng NghÒ C«ng NghÖ vµ N«ng L©m §«ng B¾c

44
Như vậy sự thay đổi tương đối của điện dung tỉ lệ với sự thay đổi tương
đối của khoảng cách.
Khi a tăng 1 khoảngĠ, điện dung giảm từĠ đếnĠ
Khi tụ điện nằm ở 1/4 cầu:Ġ; Ġ
Điện thế cầu chỉ tỉ lệ tuyến tính gần đúng với sự thay đổi khoả
ng cách bản

o sát cảm biến tiệm cận điện cảm IW-2008-BRKG/IW5039
* Thiết bị: + cảm biến tiệm cận điện cảm IW-2008-BRKG/IW5039
+ Tải: Relay sử dụng điện áp một chiều.
* Thực hiện
* Ghi các thông số kỹ thuật
Nguồn gốc:
Công ty sản xuất:
Mã số sản xuất sản phẩm:
Điện áp hoạt động:
Dòng điện:
Đặc tính hoạt động:
Khoảng cách tác động:
Tiêu chuẩn cách điện:
* Sơ đồ nối cảm biến:
* Những ghi chú khi thực hành:
b/ Thực hành với cảm biến tiệm cận điện cảm 2
* Mục đích - yêu cầu
Khảo sát cảm biến tiệm cận điện cảm IW-5020-IVE3020-BPKG

Khảo sát cảm biến tiệm cận đ
iện cảm IYB3000-8BNOG/IY5015
* Thiết bị: + cảm biến tiệm cận điện cảm IYB3000-8BNOG/IY5015
+ Tải: Relay sử dụng điện áp một chiều.
* Thực hiện
* Ghi các thông số kỹ thuật
Nguồn gốc:
Công ty sản xuất:
Mã số sản xuất sản phẩm:
Điện áp hoạt động:
Dòng điện:
Đặc tính hoạt động:
Khoảng cách tác động:
Tiêu chuẩn cách điện:
* Sơ đồ nối cảm biến:
* Những ghi chú khi thực hành: Kü thuËt c¶m biÕn – Khoa C¬ khÝ - §éng lùc – Tr−êng Cao §¼ng NghÒ C«ng NghÖ vµ N«ng L©m §«ng B¾c

46
3.2. Thực hành với cảm biến tiệm cận điện dung.
a/ Thực hành v
ới cảm biến tiệm cận điện dung1
* Mục đích - yêu cầu
Khảo sát cảm biến tiệm cận điện dung KIE3015-FPKG
* Thiết bị: + cảm biến tiệm cận điện dung KIE3015-FPKG
+ Tải: Relay sử dụng điện áp một chiều.
* Thực hiện
* Ghi các thông số kỹ thuật
Nguồn gốc:
Kü thuËt c¶m biÕn – Khoa C¬ khÝ - §éng lùc – Tr−êng Cao §¼ng NghÒ C«ng NghÖ vµ N«ng L©m §«ng B¾c

47
Công ty sản xuất:
Mã số sản xuất sản phẩm:
Điện áp hoạt động:
Dòng điện:
Đặc tính hoạt động:
Khoảng cách tác động:
Tiêu chuẩn cách điện:
* Sơ đồ nối cảm biến:
* Những ghi chú khi thực hành:


Kỹ thuật cảm biến Khoa Cơ khí - Động lực Trờng Cao Đẳng Nghề Công Nghệ và Nông Lâm Đông Bắc

48 HOT NG II: HC VIấN T NGHIấN CU TI LIU
Hc viờn tham kho cỏc ti liu di õy:
1. Cỏc b cm bin trong k thut o lng v iu khin.
Lờ Vn Doanh, Phm Thng Hn, Nguyn Vn Ho, o Vn Tõn
Nh xut bn Khoa hc v k thut H Ni.
2. Cm bin ng dng Dng Minh Trớ - Nh xut bn Khoa hc v k
thut H Ni.
3. Giỏo trỡnh cm bin - Phm Quc Phụ, Nguyn c Chin - Nh xut
bn Khoa hc v k thut H Ni.
4. Giỏo trỡnh cm bin Trung tõm Vit - c phỏt hnh

HOT NG III: HC TP, THC TP TI XNG TRNG

* Ni dung:
- Nghiờn cu ng dng ca tng loi cm bin tim cn.
- Tỡm hiu cỏch phõn loi, ng dng ca cỏc loi cm bin tim cn.
1/ Hỡnh thc t chc:
Chia thnh cỏc nhúm nh t 2 n 3 hc sinh di s hng dn ca giỏo viờn.
2/ Dng c, thit b: Cỏc loi cm bin tim cn, cỏc mụ hỡnh lp t, kim tra,
3/ Quy trỡnh thc hi
n: