Tìm hiểu về cảm biến tiệm cận điện dung và lazer - Môn điều khiển tự động

BÀI THẢO LUẬN NHÓM IIIMÔN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG CÂU HỎI : TÌM HIỂU VỀ CẢM BIẾN TIỆM CẬN ĐIỆN DUNG VÀ LAZER I.KHÁI NIỆMCHUNG VỀ CẢM BIẾN Là những thiết bị có khả năng cảm nhận những đại lượng điện và không điện, chuyển đổi chúng thành những tín hiệu điện phù hợp với thiết bị thu nhận tín hiệu Là những thiết bị không thể thiếu trong các hệ thống tự động hóa và sản xuất công nghiệp II.CẤU TẠO CỦA CẢM BIẾN - III.PHÂN LOẠI CẢM BIẾN 1.theo tín hiệu đầu ra Có 3 dạng tín hiệu: - Cảm biến ON/OFF - Cảm biến tương tự - Cảm biến số 2.Tín hiệu đầu vào theo tín hiệu -cảm biến vị trí -cảm biến khối lượng,lưc -cảm biến áp suất -cảm biến vận tốc,gia tốc -cảm biến nhiệt độ -cảm biến nồng độ -cảm biến lưu lượng 3.Theo bản chất và cấu tạo -cảm biến quang điên -cảm biến tiệm cận điện dung -cảm biến siêu âm -camr biến nhiệt -cảm biến tiệm cận điện từ -cảm biến lazer -cảm biến điện cảm A.CẢM BIẾN TIỆM CẬN Cảm biến tiệm cận Đặc điểm: - Phát hiện vật không cần tiếp xúc - Tốc độ đáp ứng cao - Đầu sensor nhỏ có thể lắp ở nhiều nơi - Có thể sử dụng trong môi trường khắc nghiệt. CÁC LOẠI CẢM BIẾN TIỆM CẬN -- Loại hình trụ cảm ứng từ  +.Cảm biến tiệm cận Cảm ứng từ khoảng cách dài +.   Loại hình trụ với đầu lồi +. Loại chống tia hàn điện --- Loại hình vuông cảm ứng từ: +,   Cảm biến tiệm cận loại dẹp +, Cảm biến tiệm cận loại khoảng cách phát hiện dài +, Loại hình vuông có cáp +, Loại hình trụ có giắc cắm -- Loại điện dung: +, Cảm biến tiệm cận loại điện dung --Bộ nối chuyển tiếp: --Hộp mối nối: I.CẢM BIẾN TIỆM CẬN ĐIỆN DUNG1.KHÁI NIỆM - Là loại cảm biến sử dụng trường tĩnh điện để phát hiện vật thể dẫn điện hoặc không dẫn điện -Cảm biến sử dụng vật thể dẫn điện hoặc không dẫn điện như môt cực của tụ điện. Vật thể càng gần cảm biến thì dung lượng của tụ điện càng cao. -Bên trong cảm biến có mạch dùng nguồn DC tạo dao đông cho cảm biến. Cảm biến này sẽ đưa ra một dòng điện tỷ lệ với khoảng cách giữa 2 tấm cực. SƠ ĐỒ Như vậy cảm biến tiệm cận điện từ sẽ có hai trạng thái: ON ( khi có vật dẫn điện hoặc không dẫn điện xuất hiện ), OFF ( khi không có vật xuất hiện ). - Hình dạng cảm biến Cách đấu dây - Khoảng cách cảm nhận từ 3 – 25 mm - Nguồn điện: 10-40 VDC, 90 – 250 VAC Có thể phát hiện vật thể qua lớp cách ly ( không phải là kim loại ) như nước trong thùng nhựa, ống thủy tinh ( chất lỏng phải có hằng số điện môi cao hơn vỏ thùng ) -Môi trường làm việc phải khô, bởi vì khi có chất lỏng trên bề mặt cảm biến, cảm biến có thể sẽ tác động nhầm - Theo chức năng phân làm hai loại là PNP, NPN Chế độ hoạt động -Chế độ Light On: Khi phát hiện vật sẽ cho tín hiệu On, không có vật sẽ cho tín hiệu Off - Chế độ Dark On: Khi phát hiện vật sẽ cho tín hiệu Off, không có vật sẽ cho tín hiệu On - Ứng dụng củaCảm biến tiệm cận - Mạch điện điều khiển - - E2CY-C2A là sensor tiệm cận điện từ chuyên để phát hiện vật thể bằng nhôm ( không phát hiện được sắt ) với độ tin cậy cao. Rất dễ cài đặt sensor, chỉ cần ấn nút TEACH trên bộ khuếch đại. B.CẢM BIẾN LAZER 1.khái niêm: -Laser là nguồn sáng đơn sắc, độ chói lớn, rất định hướng và đặc biệt là tính liên kết mạnh ( cùng phân cực cùng pha ). Đối với những nguồn sáng khác, bức xạ phát rá là sự chồng chéo của rất nhiều sóng thành phần có phân cực và pha khác nhau. Còn tia laze, tất cả các bức xạ cấu thành đều cùng pha cùng phân cực và vì vậy khi chồng chéo lên nhau chúng tạo thành 1 sóng duy nhất và rất xác định. - So sánh tia laze với tia sáng thường So sánh tia laze với tia sáng thường -Đặc điểm chính của tia laze là có bước sóng đơn sắc hoàn toàn xác định, thông lượng lớn, có khả năng nhận được chùm tia rất mảnh với độ định hướng cao và truyền đi trên khoảng cách lớn. - Cấu tạo cảm biến lazer - Cảm biến gồm phần tử phát laser, phần tử cảm nhận và gương. Nguồn sóng phát ra xuyên qua gương 1 phần và chiếu vào đối tượng. Sóng phản hồi từ đối tượng sẽ giao thoa với sóng phát ra. Nếu các đỉnh sóng trùng nhau, thì sóng giao thoa sẽ có biên độ gấp đôi biên độ ban đầu. Nếu sóng phản hồi lệch pha 180° thì biên độ sóng giao thoa sẽ bằng 0 - * Cảm biến Laser Tùy theo khoảng cách từ bề mặt đối tượng tới cảm biến mà ta nhận được điện áp Ux bằng 0 hay lớn nhất. ứng dụng của cảm biến lazer -Cảm biến L18 có thể phát hiện vật thể có kích thước 0,03 mm ở khoảng cách 80 cm - - Kiểm tra việc dán keo từ xa 1m Kiểm tra mỡ bôi trơn trên bề mặt chi tiết - Laser ứng dụng trong điều trị bệnh da liễu -Tia sáng laser với cường độ cao có thể cắt thép và các kim loại khác. -Máy đo khoảng cách bằng laser trong quân sự là loại thiết bị quan trọng -Rada laser có độ chính xác cao hơn rada thông thường, có thể hướng dẫn hai tàu vũ trụ ghép nối chính xác trên không gian. Máy bay chiến đấu bay ở tầm siêu thấp, nếu trang bị rada laser có thể né chính xác tất cả chướng ngại vật, kể cả đường dây điện. Tuy nhiên, những thiết bị laser đều chịu ảnh hưởng của thời tiết, trời mù hoặc mưa thì khoảng cách đo bị giảm đi nhiều -Bom có lắp thiết bị dẫn đường bằng laser và đuôi có lắp hệ thống lái điều khiển sẽ tự động tìm kiếm và đánh trúng mục tiêu. -La bàn laser thay thế la bàn phổ thông, để đo phương vị máy bay, dùng trong máy bay phản lực cỡ lớn và máy bay chiến đấu tính năng cao -Tia laser còn được dùng làm vũ khí, tuy chưa được phổ biến. Ví dụ cảm biến lazerchuột quang - Không như chuột cơ (mechanical mouse); dùng hệ thống cơ_quang to, nặng nề(trái banh, con quay, đĩa quay,…) chuyển đổi sự xoay của trái banh thành sự di chuyển của con trỏ màn hình. Chuột quang (optical mouse) dùng Optical Navigtion Technology (tạm dịch : công nghệ dẫn đường quang) để theo dõi sự di chuyển của chuột.Optical Navigaton Technology sử dụng một cảm biến quang (optical sensor), hệ thấu kính và nguồn phát ánh sáng đơn sắc (chủ yếu là LED đơn sắc).Nguyên lý hoạt động cơ bản được minh họa như hình dưới Nguyên lý hoạt động cơ bản được minh họa như hình dưới - Trong ảnh này, có thể nhìn thấy LED trên đáy của chuột - Chuột quang dùng một LED chiếu sáng một khu vực của bề mặt làm việc, để làm lộ rõ cách sắp xếp hiển vi của các vùng sáng và các vùng tối của bề mặt làm việc.Những cấu trúc này được phản xạ vào trong cảm biến theo dõi mà thu những bức ảnh bề mặt ở tốc độ 1500 ảnh trên giây hay lớn hơn Cấu tạo của chuột quang -Với cùng nguyên lý hoạt động như trên; các nhà sản xuất chuột quang khác nhau sử dụng các công nghệ, thiết kế riêng của mình để thực hiện các khối chức năng nên có nhiều cấu trúc chuột quang khác nhau. Hình sau cho thấy một khái quát cấu trúc bên trong của chuột quang.Hình nhìn từ trên xuống - Bản chứa tất cả các phần tử của chuột quang - -Hai hình cho thấy cấu tạo bên trong của chuột quang của hai nhà sản xuất khác nhau. Chúng ta dễ dàng nhận ra nút Scroll (bánh xe màu đen) nằm giữa hai nút bấm chuột trái và phải ( hai cục màu đen có gạch trắng ở giữa ). Ba nút này hoạt động hoàn toàn giống như của chuột cơ. Rõ ràng, cấu tạo chuột quang rất nhỏ gọn hơn nhiều so với chuột cơ, chỉ một bản mạch nhỏ và một đến ba IC cùng hệ thấu kính và LED nhỏ.Chúng ta trình bày cấu tạo cơ bản của chuột quang (xem hình dưới_lấy từ nhà sản xuất ).Những bộ phận chính của chuột quang gồm:+ Hệ thống quang (optical system)+ Một chipset+ Vỏ (case) Bên trái. Trên : ảnh chụp nhìn từ trên xuống bản mạch bên trong của chuột Dưới : đường đi của ánh sáng từ LED_ qua thấu kính xuống bề mặt sau đó phản xạ lên cảm biến.Bên phải. Sáu hình đầu tiên : Những thành phần cơ bản của chuột quang được tháo rời Ảnh cuối : Các bộ phận cơ bản được lắp ghép với nhau -Hệ thống quangToàn bộ hệ thống quang bao gồm : ▪Một cảm biến quang (IC màu đen 16 chân trong hình );▪Thấu kính (LENS) được thiết kế đặc biệt (bên phải, hình thứ 5 từ trên xuống) để dẫn hướng ánh sáng từ LED chiếu sáng bề mặt rồi phản xạ lên trên cảm biến.Thấu kính được làm bằng plastic đặt biệt; ▪Một diode phát ánh sáng đỏ (LED)_hình thứ 2 bên phải,trên xuống;▪Và một CLIP ( hình đầu tiên từ trên xuống) để giữ cảm biến và LED với nhau.Cảm biến quang sẽ được trình bày chi tiết trong mục cảm biến quang. Ở đây chỉ giới thiệu.Cảm biến quang gồm ba khối chức năng : một hệ thống đọc ảnh ( image reading system ), một bộ xử lý tín hiệu số, một giao tiếp truyền dữ liệu nối tiếp ( serial interface of data transfer )Từ góc độ xem xét cấu trúc, một cảm biến quang là một chip có 16 chân ( cũng có sự thay đổi số chân_điều này không quan trọng), ở phía dưới chip có một vật kính rất nhỏ_là nơi cho ánh sáng phản xạ từ bề mặt hội tụ vào trong cảm biến để xử lý. Phía trong vật kính là một camera CMOS đơn sắc ( monochrome CMOS camera ) mà chụp những ảnh của một vùng bề mặt hình vuông diện tích cỡ một milimet vuông ( diện tích này tùy thuộc tham số kỹ thuật của cảm biến ). - IC cảm biến nhìn phía trên và dưới đáy.Hình bên phải cho thấy phần đĩa tròn có lỗ đen chính giữa. Trong lỗ này là vật kính để ánh sáng từ bề mặt phản xạ vào camera CMOS bên trong nóBức ảnh camera CMOS thu được thường được gọi là frame. Frame của bề mặt được chia thành những phần nhỏ bằng nhau ( gọi là quadrate). - -Ảnh ( frame ) được chia ra thành những hình vuông nhỏ bằng nhau gọi là pixel.Hai frame được chụp khi chuột di chuyển.Với mỗi phần nhỏ đó, giá tri trung bình của độ sáng được tính. Những giá trị thích hợp có thể thay đổi từ 0 đến 63 ( các cảm biến khác nhau có lượng giá trị để mã hóa cho độ sáng của các phần nhỏ là khác nhau), ở đó 0 tương ứng với phần tối đen nhất và 63 ứng với phần nhỏ sáng trắng nhất. Nói chung độ sáng trung bình của mỗi phần nhỏ sẽ được gán một con số.Như vậy, ảnh lắp ghép bao gồm nhiều quadrate có độ sáng khác nhau được thu. Một quadrate như thế gọi là một pixel. Và công suất phân giải của chuột quang được xác định bằng số pixel trên 1inch ( 1inch=2,54cm )_số pixel ( trên ảnh ) xác định được trên mỗi inch trên bề mặt ( không phải trên ảnh). Công suất phân giải của chuột quang được gọi tắt là cpi ( counts per inch ) thay cho dpi ( dots per inch) như chuột thông thường. -Cảm biến chụp chỉ phần nhỏ của bề mặt trong khi con trỏ màn hình phải di chuyển trơn tru và không bị trì hoãn. Để mục đích này đạt được, những frame ( ảnh ) liên tiếp có thể đọc được của bề mặt phải khác so với những frame khác trong chuỗi với khoảng cách nhỏ. Trong trường hợp này, bề mặt được chụp với tốc độ từ 1500 tới 2300 ảnh trên một giây và cho phép chuột di chuyển với tốc độ 14inches trên một giây. -Ở trên tập trung vào hệ thống đọc ảnh. Bộ xử lý tín hiệu số với sự hỗ trợ của của một giải thuật đặc biệt sẽ xử lý những frame thu được (xem hình II.8). So sánh những frame thu được bộ xử lý xác định độ lớn và hướng của sự đổi chỗ của chuột và biến đổi dữ liệu này thành tọa độ. Phần lớn các cảm biến hoạt động nhờ sự cấp xung của một dao động thạch anh tần số 18MHz hay 24MHz. Điều này giải thích cho công suất của bộ xử lý số thực hiện 18 triệu phép toán trên giây. -Cuối cùng tọa độ đã được tính toán được truyền tới máy tính nhờ giao tiếp tuần tự ( sequential interface ). Những mô hình cảm biến đầu tiên của chuột truyền thông với máy tính thông qua giao tiếp PS/2 ( PS/2 interface ) và cần thêm bộ điều khiển để làm việc với giao tiếp USB ( USB interface ). Hiện tại với sự phổ biến, được sử dụng rộng rãi cùng tốc độ truyền cao của USB interface, PS/2 interface sắp trở nên lỗi thời. Hầu hết những chuột mới bây giờ có thể kết nối với máy tính thông qua USB interface và cũng kèm theo một adaptor ( bộ thích ứng )để làm việc trên PS2 port.