Kỹ Thuật Cảm Biến - Cảm Biến Vị Trí (Sensor Engineering - Position Sensor)

Bộ môn: Kỹ thuật cảm biến
Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội
Khoa Điện Tử
Nội dung thuyết trình: Cảm biến vị trí
Nhóm thực hiện: 01

“ Nội dung 01:
1. Khái niệm chung
2. Phân loại phép đo khoảng cách và vị trí
Khái niệm về đo khoảng cách
và phát hiện vị trí xuất hiện

Khoảng cách:
Đại lượng vật lý hay toán học
để tính độ lớn của đoạn thẳng
nối giữa hai điểm nào đó
5/15/2021 3
A (x1, y1) B(x2, y2)
Vị trí:
Tọa độ của 1 điểm được tính
toán theo một hệ tọa độ nhất
định

Có 2 phương pháp đo khoảng cách cơ bản
• Phương pháp 1: Bộ cảm biến cung cấp tín hiệu là hàm phụ thuộc
vào vị trí của một trong các phần tử của cảm biến, đồng thời phần
tử này có liên quan đến vật di động cần xác định vị trí
• Phương pháp 2: Khi đối tượng dịch chuyển với một khoảng cách
nhất định (đã định trước), cảm biến sẽ phát ra một xung . Việc
xác định vị trí và khoảng cách dịch chuyển dựa trên các xung tín
hiệu phát ra
• Trong thực tế người ta còn xác định dựa trên mối quan hệ gữa
đối tượng và cảm biến bằng từ trường, điện trường
5/15/2021 4

2. Phân loại phép đo khoảng cách và vị trí
5/15/2021 5
Phương pháp Yêu cầu
Phương pháp 01 Khoảng cách dịch chuyển và loại dịch chuyển (thẳng, góc)
Phương pháp 02 Độ chính xác và sai số yêu cầu
Phương pháp 03 Đối tượng đo làm bằng vật liệu gì?
Phương pháp 04 Điều kiện môi trường làm việc ( độ ẩm, nhiệt độ …)
Phương pháp 05 Khả năng nguồn cung cấp cho cảm biến
Phương pháp 06 Giá thành của cảm biến

“ Nội dung 02:
1. Theo nguyên lý hoạt động
2. Theo phương pháp đo
3. Theo tín hiệu đầu ra
Phân loại cảm biến vị trí

Cảm biến tích cực
Khái niệm:
Cảm biến tịch cực là loại cảm biến hoạt động như một máy phát điện, về mặt
nguyên lí nó thường dựa trên các hiệu ứng vật lí biến đổi một dạng năng lượng
nào đó (nhiệt năng, cơ năng, quang năng) thành năng lượng điện
• Hiệu ứng nhiệt điện
• Hiệu ứng áp điện
• Hiệu ứng cảm ứng điện từ
• Hiệu ứng quang điện
• Hiệu ứng Hall
5/15/2021 7

Cảm biến thụ động
Khái niệm:
Cảm biến thụ động là loại cảm biến được chế tạo từ cấc vật liệu có những
thông số trở kháng nhạy với đại lượng đo.
Đặc điểm:
Giá trị trở kháng của cảm biến không những phụ thuộc vào hình dạng, kích
thước mà còn phụ thộc vào tính chất điện của vật liệu như: điện trở suất, từ
thẩm, hằng số điện môi
Phụ thuộc vào bản chất của các vật liệu khác, tính chất điện của chúng có
thể nhạy với nhiều đại lượng vật lí như: nhiệt độ, độ chiếu sáng, áp suất,
độ ẩm,…
5/15/2021 8

2. Theo phương pháp đo
Có 2 loại:
1. Cảm biến vị trí kiểu cảm ứng:
Cảm biến điện từ là nhóm các cảm biến hoạt động dựa trên hiện
tượng cảm ứng điện từ
• Cảm biến có khe hở từ biến thiên
• Cảm biến có lõi từ dịch chuyển
2. Cảm biến vị trí kiểu quang học
5/15/2021 9

3. Theo tín hiệu đầu ra
Có 3 loại tín hiệu đầu ra
1. Tín hiệu ON - OFF
2. Tín hiệu tương tự
3. Tín hiệu số
5/15/2021 10

“ Nội dung 03:
1. Cấu tạo và nguyên lý làm việc
2. Ký hiệu trên bản vẽ kỹ thuật
3. Đặc điểm và ứng dụng
Công tắc hành trình

5/15/2021 12
Trục cơ khí
Đòn bẩy
Lá thép tiếp điểm
NC NO COM
Lò xo
NO NC
COM
Công tắc hành trình kiểu đòn bẩy Công tắc hành trình kiểu vấu cam

5/15/2021 13
Ký hiệu công tắc hành trình kiểu đòn bẩy Ký hiệu công tắc hành trình kiểu vấu cam

• Đặc điểm:
1. Tiếp điểm cơ khí
2. Tuổi thọ không cao
3. Không dung được trong dầu mỡ
• Ứng dụng:
Nhận biết vị trí chuyển động của cơ cấu máy
5/15/2021 14

Một số công tắc hành trình trong thực tế
5/15/2021 15

“ Nội dung 04:
Công tắc từ

5/15/2021 17
Tiếp điểm lưỡi gà
Nam châm vĩnh cửu

5/15/2021 18
Ký hiệu và hình dạng thực tế của công tắc từ

• Đặc điểm
1. Có tiếp điểm đặt trong bóng thủy tinh kín
2. Chịu được môi trường dầu mỡ, hóa chất
• Ứng dụng
1. Chế tạo cảm biến mức
2. Nhận biết vị trí của các chi tiết máy
3. Nhận biết vị trí của Pittong chuyển động trong Xilanh
5/15/2021 19

Một số công tắc từ trong thực tế
5/15/2021 20

“ Nội dung 05:
1. Khái niệm về cảm biến tiệm
2. Cảm biến tiệm cận điện cảm
3. Cảm biến tiệm cận điện dung
4. Cảm biến siêu âm
Cảm biến tiệm cận

1. Khái niệm về cảm biến tiệm cận
• Khái niệm:
1. Dùng để nhận biết sự
có mặt hay không có
mặt của một vật thể với
cảm biến điện tử không
công tắc ( Không đụng
chạm )
2. Cảm biến tiệm cận có
một vị trí rất quan trọng
trong thực tế
5/15/2021 22

Đặc điểm
1. Phát hiện vật không cần tiếp xúc, không tác động lên vật
2. Khoảng cách xa nhất đạt 30m
3. Hoạt động ổn định, chống rung động và chống shock tốt
4. Tốc độ đáp ứng nhanh, tuổi thọ cao
5. Đầu sensor nhỏ, có thể lắp ở nhiều nơi
6. Đặc biệt có thể sử dụng trong môi trường khắc nghiệt
5/15/2021 23

Đặc điểm
Khoảng cách phát hiện xa nhất: Là khoảng cách từ đầu cảm biến đến
vị trí vật thể mà cảm bíeen có thể phát hiện được
5/15/2021 24

Đặc điểm
Khoảng cách cài đặt: Là khoảng cách mà cảm biến có thể nhận biết vật
thể một cách ổn định ( 70-80% khoảng cách phát hiện)
5/15/2021 25

Thời gian đáp ứng
t1:
Thời gian từ lúc đối tượng đi vào
vùng phát hiện của cảm biến đến
lúc cảm biến xuất tín hiệu
t2:
Thời gian từ lúc đối tượng đi ra khỏi
vùng phát hiện của cảm biến đến
lúc cảm biến mất tín hiệu ra
5/15/2021 26
ON
OFF
t1 t2
Ngoài dải hoạt động
Trong dải hoạt động

5/15/2021 27
Cảm biến tiệm
cận điện cảm
Cảm biến tự cảm có khe từ
biến thiên
Cảm biến điện cảm dựa trên
nguyên lý mạch dao động
Cảm biến tự cảm đơn
Cảm biến tự cảm kép mắc
theo kiểu Visai

2.1. Cảm biến tự cảm có khe từ biến thiên
2.1.1 Cảm biến tự cảm đơn
5/15/2021 28
Cấu tạo của các dạng cảm biến tự cảm đơn
1. Lõi sắt từ 2. Cuộn dây 3. Phần động
𝛿
1
2
3
3
1
2
1

2.1. Cảm biến tự cảm có khe từ biến thiên
2.1.2 Cảm biến tự cảm kép
5/15/2021 29
Cảm biến tự cảm kép

2.2. Cảm biến tự cảm dựa trên nguyên lý mạch dao động
2.2.1 Cấu trúc:
5/15/2021 30
Mạch
dao
động
Chỉnh
lưu
Đóng
cắt
Khối đầu ra
Vật thể
kim loại
xuất hiện Sơ đồ cấu trúc cảm biến dựa trên nguyên lý mạch dao động

2.2.2 Nguyên lý
5/15/2021 31

2.2.2 Nguyên lý
5/15/2021 32
Đầu ra mạch đóng cắt
Đầu ra mạch chỉnh lưu
Đầu ra mạch dao động
Vật thể kim loại
tiến gần tới cảm biến

5/15/2021 33
Loại 1: Shielded
( Được bảo vệ )
Loại 2: Unshielded
( Không được bảo vệ )
2.2.3 Phân loại

5/15/2021 34
Vùng điện
từ trường
Bề mặt cảm biến
Lõi Ferit
Vòng kim loại
Loại 1: Shielded
• Gồm một vòng kim loại bao
quanh giúp hạn chế vùng từ
trường ở vùng bên
• Vị trí lắp đặt cảm biến có thể đặt
ngang bằng với bề mặt làm việc
2.2.3 Phân loại

5/15/2021 35
d1
≥3d1
• Không có vòng kim loại bao quanh
• Không thể lắp đặt cảm biến có thể đặt
ngang bằng với bề mặt làm việc ( bằng
kim loại )
• Xung quanh cảm biến phải có một vùng
không chứa kim loại
• Có tầm phát hiện lớn hơn loại Shielded
2.2.3 Phân loại

5/15/2021 36
Bề mặt kim loại
Cảm biến
Tầm phát hiện max
≥ 3 lần tầm phát hiện max

2.2.4 Kỹ thuật nối dây
5/15/2021 37
d1
Mạch
dao
động
Chỉnh
lưu
Đóng
cắt
Khối đầu ra
+
-
OUT
-
+
Kỹ thuật nối dây đối với loại đầu ra NPN

2.2.4 Kỹ thuật nối dây
5/15/2021 38
Kỹ thuật nối dây đối với loại đầu ra PNP
d1
Mạch
dao
động
Chỉnh
lưu
Đóng
cắt
Khối đầu ra
+
-
OUT
+
-

Ưu điểm và nhược điểm của cảm biến điện cảm
5/15/2021 39
Ưu điểm Nhược điểm
Không chịu ảnh hưởng của độ ẩm
Không có bộ phận chuyển động
Không chịu ảnh hưởng của bụi bặm
Không phụ thuộc vào màu sắc
Ít phụ thuộc vào bề mặt đối tượng
hơn so với các kỹ thuật khác
Không có “Khu vực mù”
Chỉ phát hiện được đối tượng là kim
loại
Có thể chịu ảnh hưởng bởi các vùng
điện từ mạnh
Phạm vi hoạt động ngắn so với các kỹ
thuật khác

3.1. Khái niệm
• Cảm biến tiệm cận điện dung giống về kích thước, hình dáng,
cơ sở hoạt động so với cảm biến điện cảm
• Điểm khác biệt: Cảm biến điện dung tạo ra vùng điện trường
còn cảm biến điện cảm tạo ra vùng từ trường
• Cảm biến điện dung có thể phát hiện đối tượng có chất liệu kim
loại hoặc phi kim
5/15/2021 40

3.2. Cấu trúc và nguyên lý hoạt động
5/15/2021 41
d1
Mạch
dao
động
Chỉnh
lưu
Đóng
cắt
Khối đầu ra
+
-
OUT
Cấu trúc của cảm biến tiệm cận điện dung
Điện cực chính Điện cực Phụ

5/15/2021 42

5/15/2021 43
Đầu ra mạch đóng cắt
Đầu ra mạch chỉnh lưu
Đầu ra mạch dao động
Vật thể kim loại
tiến gần tới cảm biến
Nguyên lý hoạt động của cảm biến tiệm cận điện dung

3.3. Phân loại
Cảm biến tiệm cận điện dung được chia thành 2 loại chính:
5/15/2021 44
Loại 1: Shielded
• Gồm một vòng kim loại bao quanh giúp hướng vùng điện
trường về phía trước
• Có thể đặt ngang bằng với bề mặt làm việc
• Không có vòng kim loại bao quanh
• Không thể đặt ngang bằng với bề mặt làm việc
• Kích thước vùng trống tùy thuộc vào từng loại cảm biến

3.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến tầm phát hiện
1. Kích thước của điện cực của cảm biến
2. Vật liệu và kích thước đối tượng
3. Nhiệt độ môi trường
5/15/2021 45

3.5. Ưu điểm và nhược điểm của cảm biến điện dung
5/15/2021 46
Ưu điểm Nhược điểm
Có thể cảm nhận vật dẫn điện và không
dẫn điện
Có tính chất tuyến tính và độ nhạy
không tùy thuộc và vật liệu kim loại
Có thể cảm nhận được vật thể nhỏ nhẹ
Vật tốc hoạt động nhanh
Tuổi thọ cao và độ ổn định cũng cao so
với nhiệt độ
Bị ảnh hưởng bởi độ ẩm
Dây nối với sensor phải ngắn để
điện dung dây không ảnh hưởng
đến bộ cộng hưởng của bộ dao
động

3.6. Một số ứng dụng của cảm biến tiệm cận điện dung
5/15/2021 47

4.1. Khái niệm
5/15/2021 48
• Cảm biến siêu âm là thiết bị dùng để xác định vị trí của các vật thông
qua thu phát sóng siêu âm.
• Thực chất cảm biến siêu âm là một máy phát và một thiết bị thu sóng
siêu âm được chế tạo bằng gồm áp điện hoặc máy phát sóng điện tử
Sóng siêu âm
Là các tín hiệu âm thanh ở tần số cao, ngoài vùng nghe được của con người

4.2. Cấu tạo của cảm biến siêu âm
5/15/2021 49
Trasducer
Receiver
Comparator
Detector
Circuit
Output
Cảm biến siêu âm gồm có 4 phần chính:
1. Bộ phận phát và nhận sóng siêu âm (Trasducer/Receiver)
2. Bộ phận so sánh (Comparator)
3. Mạch phát hiện (Detector Circuit)
4. Mạch điện ngõ ra (Output)

4.3. Nguyên lý hoạt động
Hoạt động theo nguyên lý TOF ( Time Of Fly )
5/15/2021 50
𝑑 =
𝑣 × 𝑡
2
Trong đó:
d: khoảng cách từ cảm biến
đến vật thể
v = 343 m/s là vận tốc sóng
siêu âm trong không khí
t: Thời gian từ lúc phát sóng
đến lúc có sóng phản xạ về

4.3. Nguyên lý hoạt động
Vùng hoạt động của cảm biến siêu âm
5/15/2021 51
• Vùng không thể sử dụng
được gọi là: “Khu vực mù”
(Blind Zone)
• Kích thước và vật liệu của
đối tượng cần phát hiện
quyết định tới khoảng cách
phát hiện

4.4. Ưu điểm và nhược điểm của cảm biến siêu âm
5/15/2021 52
Ưu điểm
1. Khoảng cách có thể lên tới 15m
2. Sóng phản hồi của cảm biến không phụ thuộc vào màu sắc của bề mặt
đối tượng hay tính chất phản xạ ánh sáng của đối tượng
3. Tín hiệu đáp ứng của cảm biến tiệm cận siêu âm Analog tỉ lệ tuyến tính
với khoảng cách

4.4. Ưu điểm và nhược điểm của cảm biến siêu âm
5/15/2021 53
Nhược điểm
1. Yêu cầu đối tượng có một diện tích bề mặt tối thiểu
2. Sóng phản xạ hồi tiếp có thể chịu ảnh hưởng của các tạp âm khác
3. Yêu cầu một khoảng thời gian để phát sóng nhận sóng, do vậy đáp ứng
chậm hơn cảm biến khác 0.1s
4. Khó phát hiện ở khoảng cách lớn với đối tượng có mật độ vật chất nhỏ
5. Giới hạn khoảng cách phát hiện nhỏ nhất
6. Sự thay đổii của môi trường ảnh hưởng tới kết quả đo
7. Nhiệt độ bề mặt của đối tượng ảnh hưởng đến phạm vi hoạt động của
cảm biến

4.5. Một số ứng dụng của cảm biến điện cảm
5/15/2021 54

“ Nội dung 06:
1. Đo khoảng cách bằng phương pháp sử
dụng biến trở
2. Đo khoảng cách bằng phương pháp thay đổi
hệ số tự cảm
3. Đo khoảng cách bằng phương pháp thay đổi
dung kháng
Các phương pháp đo khoảng cách
khác

6.1 Đo khoảng cách sử dụng biến trở
Các phần tử biến trở thường được chế xuất dưới dạng chiết áp
potentiometer. Trị số điện trở thuần Ohm của kim loại dây cuốn là:
𝑅 = ρ ×
𝑙
𝑆
• Trong đó:
• ρ: điện trở suất của vật liệu (Ωm)
• l: chiều dài của dây dẫn (m)
• s: tiết diện của dây dẫn
5/15/2021 56

Cấu trúc:
5/15/2021 57

Các thông số đặc trưng của biến trở:
• Trị số điện trở :Trị số điển hình là 100𝛺 và 100kΩ
• Mức tổn hao công suất cho phép: Tổn hao sẽ tăng tùy mức tăng điện áp
nếu điện trở nhỏ
• Dung sai cho phép: là sai số lớn nhất cho phép (nằm trong phạm vi từ 1-10%)
• Độ tuyến tính: là đặc tính quan trọng với các phần tử tự động
• Độ phân giải: độ phân giải của chiết áp vòng đơn đường kính 25mm là khoảng 0,2
5/15/2021 58

Sơ đồ đo:
5/15/2021 59

Sơ đồ đo:
Phương pháp xác định trị số điện trở chính xác nhất là sử dụng sơ đồ cầu đo (hình
2.23) khi đó sơ đồ được chỉnh định sao cho điện áp đường chéo cầu =0 V, Tức là
dùng điện kế galvanometer chỉ thị “0”. Khi cầu cân bằng có thể xác định trị số điện
trở chưa biết theo giá trị biết trước của các điện trở khác:
Rx = R2 ×
R3
R4
5/15/2021 60

6.2. Đo khoảng cách sử dụng thay đổi hệ số tự cảm
Điện cảm của cuộn dây được xác định bằng
• Chuẩn là tính thấm của không gian trống (4.π.10 -7 )
• Chuẩn là tính thấm tương đối của lõi sắt mềm
• N1 là số vòng dây cuộn sơ cấp
• N2 là số vòng dây cuộn thứ cấp
• A nằm trong diện tích mặt cắt ngang trong m 2
• l là chiều dài cuộn tính bằng mét
5/15/2021 61
0 1 2
r N N A
M
 

0

r


Điện cảm của cuộn dây được xác định bằng
Thực tế:
𝐿 =
𝑢
2𝜋𝑓 × 𝐼
5/15/2021 62
0 1 2
r N N A
M
 


Sơ đồ đo:
Ứng dụng trên nguyên lí biến áp vi sai:
5/15/2021 63

6.3 Đo khoảng cách bằng phương pháp thay đổi
dung kháng
Nguyên lý:
Phần tử biến dung gồm hai bản cực dẫn điện cách ly nhau nhưng có thể
chuyển dịch so với nhau. Hai bản cực đặt song song, nên có thể tính điện
dung của phần tử biến dung bằng:
5/15/2021 64
0
0
.
r
A
C
l
 

Trong đó:
C Diện dung phần tử, tính bằng [F]
Hằng số điện môi tương đối
Hằng số điện môi không khí
A Diện tính bản cực [ ]
Khoảng cách giữa hai bản cực, tính bằng [m]
0

r

2
m
0
l
12
0 8.8854184.10 [ / ]
F m
 


dung kháng
Sơ đồ đo:
5/15/2021 65

dung kháng
Sơ đồ đo:
5/15/2021 66

Giới thiệu 1 số cảm biến tiệm cận trong thực tế
1. Cảm biến tiệm cận Omron E2A-M30LN30-M1-C2
5/15/2021 67
E2A-M30LN30-M1-C2
Nguồn cấp: 12 – 24 VDC
Ripple (p-p): 10% max. (10 to 32 VDC)
Dòng tiêu thụ: Max. 10mA
Hình dạng: Hình trụ, đường kính Ø30
Khoảng cách phát hiện: 3 mm ± 10%
Vật phát hiện chuẩn: 12x12x1 mm
Tần số đáp ứng: 1.000 Hz
Loại tiếp điểm: NC
Tín hiệu đầu ra: DC 3 dây NPN
Loại kết nối: M12 connector
Chất liệu vỏ bảo vệ: Đồng thau
Cấp bảo vệ: IP67

2. Cảm biến tiệm cận Omron E2EZ series
5/15/2021 68
Nguồn cấp:12-24VDC (10-30VDC), 100-220VAC (95-250VAC),
50/60Hz
Khoảng cách phát hiện: 2-8mm
Độ trễ : 20% khoảng cách phát hiện
Vật phát hiện:Kim loại có từ tính
Tần số đáp ứng: 200 Hz, 100Hz, 30Hz, 12Hz,8Hz, 5Hz
Ngõ ra điều khiển: DC 3-wire NPN open-collector output, DC 2-
wire , AC 2-wire
IP67 chống dầu

3. Cảm biến tiệm cận Sick MQ10-60AP-SKQDS01
5/15/2021 69
Thương hiệu: Sick
Loại: Cảm biến tiệm cận
Khoảng cách phát hiện: 60mm
Tín hiệu ngõ ra: NO, PNP
Series:SICK MQ

Thanks!
Any questions?
You can find me at
lequangthinhblog@gmail.com

Kỹ Thuật Cảm Biến - Cảm Biến Vị Trí (Sensor Engineering - Position Sensor)

Recommended

Recommended

More Related Content

What's hot

What's hot (20)

Similar to Kỹ Thuật Cảm Biến - Cảm Biến Vị Trí (Sensor Engineering - Position Sensor)

Similar to Kỹ Thuật Cảm Biến - Cảm Biến Vị Trí (Sensor Engineering - Position Sensor) (20)

More from Quang Thinh Le

More from Quang Thinh Le (7)

Recently uploaded

Recently uploaded (20)

Kỹ Thuật Cảm Biến - Cảm Biến Vị Trí (Sensor Engineering - Position Sensor)

Editor's Notes