Vcvbcb

Trường đại học bách khoa hà nội
viện đào tạo và bồi dưỡng sau đại học
viện vật lý kỹ thuật.

***

Báo cáo môn:
Cảm biến trong kỹ thuật phân tích và đo lường vật lý.



Thầy hướng dẫn : TS. Đặng Đức Vượng.
Học viên cao học : Vũ Đình Phước.
Lớp cao học khoá : 2006 - 2008.
Ngành : Vật Lý Kỹ Thuật.


Hà nội - 2008.
Đề tài:
Cảm biến tiếp cận.
Nội dung báo cáo:
I/ Cảm biến tiếp cận.
II/ Cảm biến tiếp cận điện cảm.
III/ Cảm biến tiếp cận điện dung.
IV/ Cảm biến tiếp cận quang học.
1/ Cảm biến đặt đối diện với nguồn phát.
2/ Cảm biến đặt cùng phía với nguồn phát quang.
3/ Phát hiện đối tượng nhờ tia phản xạ sử dụng bộ lọc phân cực.
4/ Phát hiện gần nhờ ánh sáng phản chiếu khuếch tán.
I/ Cảm biến tiếp cận.
Cảm biến tiếp cận được sử dụng để phát hiện sự có mặt hoặc không có mặt của đối tượng bằng kỹ thuật cảm biến không có tiếp xúc cơ học.
Các cảm biến tiếp cận sử dụng nguyên lý thay đổi điện cảm hoặc điện dung của phần tử mạch điện khi có mặt hoặc không có mặt đối tượng.
Loại cảm biến này không đòi hỏi tiếp xúc cơ học nhưng tầm hoạt động lại hạn chế với khoảng cách tối đa 100mm. Kỹ thuật cảm biến tiếp cận dựa trên nguyên lý quang học có tầm hoạt động lớn và được dùng rộng rãi hơn.
II/ Cảm biến tiếp cận điện cảm.
Bộ cảm biến tiếp cận điện cảm gồm có bốn khối chính:
* Cuộn dây và lõi ferit.
* Mạch dao động.
* Mạch phát hiện.
* Mạch đầu ra.
Mạch dao động phát dao động điện từ tần số rađiô. Từ trường biến thiên tập trung từ lõi sắt sẽ móc vòng với đối tượng kim loại đặt đối diện với nó. Khi đối tượng lại gần sẽ có dòng điện Foucault cảm ứng trên mặt đối tượng tạo nên một tải làm giảm biên độ tín hiệu dao động. Mạch bị phát hiện sẽ ở vị trí ON phát tín hiệu làm mạch ra ở vị trí ON. Khi mục tiêu rời khỏi trường của bộ cảm biến biên độ mạch dao động tăng lên trên giá trị ngưỡng và bộ phát hiện trở về vị trí OFF là vị trí bình thường.

Hiệu biên độ tác động và không tác động của bộ dao động tương ứng với sự trễ từ trường của cảm biến, nó tương ứng với điểm phát hiện và điểm nhả của cảm biến đối diện với bề mặt của đối tượng.
Phạm vi của cảm biến tiếp cận điện cảm liên quan đến khoảng cách giữa bề mặt cảm biến và đối tượng. Hình dáng của lõi và dây quấn cũng có ảnh hưởng đến phạm vi hoạt động.
Những yếu tố có ảnh hưởng đến phạm vi hoạt động của cảm biến:
- Kích thước và hình dáng lõi, cuộn dây, vật liệu lõi.
- Vật liệu và kích thước đối tượng.
- Điều kiện từ trường xung quanh.
- Nhiệt độ môi trường.
Hình vẽ dưới đây là biểu diễn dòng điện cảm ứng trong đối tượng kim loại và lõi của cảm biến tiếp cận điện cảm.




Cảm biến tiếp cận tiêu chuẩn thường có vỏ bọc, với trường hợp này lõi ferit tạo nên từ trường thẳng với bề mặt cảm biến. Hình vẽ (a) là mặt cắt bộ cảm biến tiêu chuẩn, hình (b) là phạm vi của bộ cảm biến tiêu chuẩn.
: khoảng cách cảm nhận định mức.






Hình vẽ dưới cho ta thấy sai số cho phép khoảng cách cảm nhận :
: Khoảng cách cảm nhận định mức.
: Khoảng cách cảm nhận hiệu quả.
: Khoảng cách không cảm nhận.

Cảm biến có phạm vi mở rộng.

Quan hệ giữa kích thước vật liệu với khoảng cách.


III/ Cảm biến tiếp cận điện dung.
Cảm biến tiếp cận điện dung hoạt động theo nguyên lý khi có mặt của đối tượng sẽ làm thay đổi điện dung C của các bản cực.
Cảm biến tiếp cận điện dung cũng có bốn bộ phận chính:
- Cảm biến (các bản cực cách điện).
- Mạch dao động.
- Bộ phát hiện.
- Mạch đầu ra.
Ưu điểm: của cảm biến điện dung là không đòi hỏi đối tượng phải là kim loại. Đối tượng phát hiện có thể là chất lỏng, vật liệu phi kim loại, thuỷ tinh,... Tốc độ chuyển mạch tương đối nhanh, có thể phát hiện các đối tượng kích thước nhỏ, phạm vi cảm nhận lớn.
Nhược điểm: Cảm biến điện dung chịu ảnh hưởng của độ ẩm và bụi.
* Một số ứng dụng của các bộ cảm biến tiếp cận điện cảm và điện dung.
IV/ Cảm biến tiếp cận quang học.
Các cảm biến tiếp cận dùng phương pháp quang học sử dụng nguồn sáng và cảm biến quang. Đối tượng cần phát hiện sẽ cắt chùm tia sáng làm cảm biến tác động. Sau đây ta đi nghiên cứu một số cách bố trí cảm biến và nguồn phát.
1/ Cảm biến đặt đối diện với nguồn phát.

* Ưu điểm của cách bố trí này là:
- Cự ly cảm nhận xa.
- Có khả năng thu được tín hiệu mạnh.
- Tỷ số độ tương phản sáng, tối lớn nhất.
- Đối tượng phát hiện có thể lặp lại.
* Hạn chế của cách này:
- Đòi hỏi dây nối qua vùng phát hiện giữa nguồn sáng và cảm biến.
- Khó chỉnh thẳng hàng giữa nguồn sáng và cảm biến.
- Nếu đối tượng có kích thước nhỏ hơn đường kính hiệu dụng của chùm tia phải cần có thấu kính để thu hẹp chùm tia.
2/ Cảm biến đặt cùng phía với nguồn phát quang.







ánh sáng đập vào mặt phản xạ trở về cảm biến.
* Ưu điểm:
Không cần dây nối qua khu vực cảm nhận.
* Nhược điểm:
Nếu nguồn sáng khác chiếu vào mặt phản xạ có thể gây tác động sai.

3/ Phát hiện đối tượng nhờ tia phản xạ sử dụng bộ lọc phân cực.
Đặt bộ lọc phân cực giữa nguồn sáng và gương phản xạ sao cho cảm biến chỉ nhận được tia trở về từ gương phản xạ.
* Ưu điểm:
Khắc phục được tác động sai do nguồn sáng ngoài chiếu vào gương phản xạ.
Tỷ số độ tương phản sáng/tối lớn.
Dễ bố trí và căn chỉnh.
* Nh­îc ®iÓm:
-Cù ly t¸c ®éng gi¶m do tæn thÊt cña bé läc tÝn hiÖu.
-C¶m biÕn kh«ng lµm viÖc nÕu vËt ph¶n chiÕu cã thuû tinh.
4/ Phát hiện gần nhờ ánh sáng phản chiếu khuếch tán.
Nguồn sáng và bộ cảm biến đặt cùng phía, nhưng ở đây đối tượng đóng vai trò gương phản chiếu.
Bộ cảm biến tiếp cận có thể tụ tiêu được, vì vậy có thể phát hiện được các mục tiêu có kích thước nhỏ, các lỗ, khe hẹp, ... ( Hình bên).
* Ưu điểm của phương pháp này là:
- Lắp đặt và chỉnh định đơn giản.
- Chỉ cần nối dây một phía vùng cảm nhận.
- Có thể phát hiện với độ phản chiếu khác nhau.
* Hạn chế:
- Vùng cảm nhận bị hạn chế.
- Độ tương phản sáng/tối và khoảng cách cảm nhận phụ thuộc vào độ phản chiếu của bề mặt đối tượng.
Bµi tr×nh bÇy cña em ®Õn ®©y lµ kÕt thóc.
Em xin ch©n thµnh c¶m ¬n!