Giáo trình Hệ thống sản xuất tự động hóa với PLCs

4. CÁC CẢM BIẾN LOGIC

Chủ đề:

 Đi dây cảm biến, các chuyển mạch, TTL, sourcing (cấp cho), sinking (nối đất)

 Phát hiện ở gần, các chuyển mạch tiếp xúc, các cảm biến quang, điện dung,

cảm ứng và siêu âm

Mục tiêu:

 Hiểu các loại khác nhau của các đầu ra cảm biến.

 Biết các loại cảm biến cơ bản và hiểu các vấn đề ứng dụng

4.1 GIỚI THIỆU

Các cảm biến cho phép một PLC dò ra trạng thái của một quá trình. Các cảm

biến logic chỉ có thể dò ra một trạng thái mà trạng thái này hoặc là đúng hoặc là sai.

Các ví dụ của các hiện tượng vật lý mà các hiện tượng này thông thường được dò ra

được liệt kê dưới đây.



Cảm ứng gần – là một đối tượng kim loại ở gần?

Điện dung gần – là một đối tượng điện môi ở gần?

Hiện diện quang học – là một đối tượng làm gián đoạn tia sáng hay

phản chiếu ánh sáng?

Công tắc cơ khí – là một đối tượng tiếp xúc với chuyển mạch?



Gần đây, giá thành của các cảm biến đã giảm và chúng đã trở nên các món hàng

có giá thường nằm giữa 50 và 100 đô la. Chúng có sẵn trong nhiều dạng từ nhiều nhà

cung cấp như Allen-Bradley, Omron, Hyde Park và Turck. Trong các ứng dụng các cảm

biến là có thể thay thế nhau giữa các nhà cung cấp PLC, nhưng mỗi cảm biến sẽ có

những yêu cầu giao diện cụ thể.

Chương này sẽ bắt đầu kiểm tra các kiểu kỹ thuật đi dây điện khác nhau cho các cảm

biến, và kết thúc với một kiểm tra về nhiều loại cảm biến thông dụng.

4.2 ĐI DÂY CHO CẢM BIẾN

Khi một cảm biến dò ra một thay đổi logic nó phải báo sự thay đổi đó cho PLC.

Điều này thường được làm xong bằng việc chuyển mạch một điện thế hay một dòng

là tắt hay bật. Trong một vài trường hợp đầu ra này của cảm biến được dùng để

chuyển mạch một tải một cách trực tiếp, hoàn toàn không liên quan đến PLC. Các

đầu ra điển hình từ các cảm biến (và các đầu vào tới các PLC) được liệt kê dưới đây

theo sự phổ dụng một cách tương đối.

Sinking/Sourcing – Chuyển mạch dòng bật hay tắt.

Các chuyển mạch đơn giản – Chuyển mạch điện thế bật hay tắt.

Các rơ le trạng thái rắn – Chúng chuyển mạch đầu ra xoay chiều.

TTL (Transistor Transistor Logic) – Dùng 0V và 5V để biểu thị các giá trị logic.

4.2.1 Các chuyển mạch

Ví dụ đơn giản nhất của các cảm biến đầu ra là các chuyển mạch và các rơ le.

Một ví dụ đơn giản được chỉ ra trong hình 4.1.

Figure 4.1 An Example of Switched Sensors

Một ví dụ về các cảm biến chuyển mạch

Trong hình trên một chuyển mạch công tắc NO được nối với đầu vào 01. Một

cảm biến với một đầu ra rơ le cũng được chỉ ra. Cảm biến này phải được cấp điện

riêng, vì vậy các đầu V+ và V- được nối tới nguồn điện. Đầu ra của cảm biến này sẽ

trở nên kích hoạt khi một hiện tượng nào đó được phát hiện. Điều này có nghĩa

chuyển mạch bên trong (có khả năng là một rơ le) sẽ được đóng cho phép dòng

chuyển qua và điện thế dương sẽ được cấp cho đầu vào 06.

4.2.2 Transistor Transistor Logic (TTL)

TTL dựa trên hai mức điện áp, 0V cho sai (false) và 5V cho đúng (true). Những

điện áp này có thể thực sự hơi lớn hơn 0V, hay nhỏ hơn 5V và vẫn được phát hiện

một cách chính xác. Phương thức này là rất nhạy cảm với tiếng ồn điện trong nhà

máy, và chỉ nên sử dụng khi cần. Các đầu ra TTL là phổ biến trên những thiết bị điện

và các máy tính, và sẽ thỉnh thoảng là cần thiết. Khi kết nối tới các thiết bị khác các

mạch điện đơn giản có thể được dùng để cải thiện tín hiệu, như là bộ giải mã Schmitt

trong hình 4.2.

Figure 4.2 A Schmitt Trigger – Một bộ giải mã Schmitt

Một bộ giải mã Schmitt sẽ nhận một điện thế đầu vào giữa 0-5V và chuyển nó

tới 0V hay 5V. Nếu điện thế đó là trong một khoảng không rõ ràng, khoảng 1,5 – 3,5V

nó sẽ bị bỏ qua.

Nếu một cảm biến có một đầu ra TTL PLC đó phải dùng một thẻ đầu vào TTL để

đọc các giá trị. Nếu cảm biến TTL đang được dùng cho các ứng dụng khác nó phải

được nhắc nhở rằng dòng cực đại cho đầu ra là thông thường khoảng 20mA.

4.2.3 Sinking/Sourcing

Các cảm biến sinking cho phép dòng chuyển vào trong cảm biến này tới điện thế

trung hòa (thông thường), trong khi các cảm biến sourcing cho phép dòng đi ra khỏi

cảm biến đó từ một cực dương. Với cả hai phương pháp này nhấn mạnh vào dòng

điện, không phải điện áp. Bằng cách sử dụng dòng, thay vì điện áp, nhiều vấn đề về

ồn điện được giảm xuống.

Khi thảo luận sourcing và sinking ta đang nói đến đầu ra của cảm biến mà cảm

biến này đang hoạt động như một chuyển mạch. Thực tế đầu ra của cảm biến này

thông thường là một bán dẫn, mà bán dẫn này sẽ hoạt động như một chuyển mạch

(với sự mất đi một ít điện áp). Một bán dẫn PNP được sử dụng cho đầu ra sourcing,

và một bán dẫn NPN sẽ được dùng cho đầu vào sinking. Khi thảo luận những cảm

biến này thuật ngữ sourcing thường được cùng dùng như PNP, và sinking là NPN.

Một ví dụ đơn giản hóa của một cảm biến đầu vào sinking được chỉ ra trong hình 4.3.

Cảm biến này sẽ có một vài phần mà nó làm việc phát hiện, nó ở bên trái. Cảm biến

này sẽ cần một điện thế nguồn để hoạt động, vì vậy một nguồn điện áp là cần thiết

cho cảm biến này. Nếu cảm biến này đã phát hiện thấy một vài hiện tượng thì nó sẽ

bật đường kích hoạt (active line). Đường kích hoạt này được kết nối trực tiếp với một

bán dẫn NPN. (Ghi nhớ: đối với một bán dẫn NPN mũi tên luôn chỉ từ trung tâm ra).

Nếu điện thế này tới bán dẫn trên đường kích hoạt là 0V, thì bán dẫn này sẽ không

cho dòng đi vào trong cảm biến. Nếu điện thế trên đường kích hoạt trở nên lớn hơn

(nói 12V )thì bán dẫn này sẽ bật và cho phép dòng chuyển vào trong cảm biến tới dây

trung hòa.

Thêm: Cảm biến hồi đáp cho một hiện tượng vật lý. Nếu cảm biến này là không

kích hoạt (thụ động) (không phát hiện được gì) thì đường kích hoạt sẽ thấp và bán

dẫn này sẽ tắt, đây là như một chuyển mạch mở. Có nghĩa đầu ra NPN sẽ không có

dòng vào/ra. Khi cảm biến được kích hoạt, nó sẽ làm đường kích hoạt cao. Điều này

sẽ bật bán dẫn, và đóng chuyển mạch một cách thực sự. Điều này làm cho dòng đi

vào trong cảm biến tới đất (vì thế sinking). Điện thế trên đầu ra NPN sẽ bị kéo xuống

tới V-. Ghi chú: điện áp này luôn là 1 đến hơn 2V vì bán dẫn. Khi cảm biến này tắt,

đầu ra NPN sẽ thả nổi, và bất cứ mạch điện số nào cần phải chứa một điện trở kéo

lên.

Figure 4.3 A Simplified NPN/Sinking Sensor

Một cảm biến NPN/Sinking đơn giản hóa

Các cảm biến sourcing là phần bổ sung cho các cảm biến sinking. Các cảm biến

sourcing này dùng một một bán dẫn PNP, như trong hình 4.4. (Ghi chú: Các bán dẫn

PNP luôn được vẽ bởi một dấu mũi tên chỉ vào trung tâm). Khi cảm biến này thôi kích

hoạt đường kích hoạt (active line) ở tại giá trị V+, và bán dẫn này ở tại vị trí tắt. Khi

cảm biến này trở nên kích hoạt đường kích hoạt sẽ bị làm thành 0V, và bán dẫn này

sẽ cho dòng đi ra ngoài khỏi cảm biến đó.

Thêm: Cảm biến phản hồi các hiện tượng vật lý. Nếu cảm biến là không kích

hoạt (không cái gì được phát hiện) thì đường kích hoạt là cao và bán dẫn này là tắt,

đây là như một chuyển mạch mở. Điều đó có nghĩa đầu ra PNP sẽ không có dòng

vào/ra. Khi cảm biến là kích hoạt, nó sẽ làm cao đường kích hoạt. Điều này sẽ bật bán

dẫn, và đóng chuyển mạch một cách thực sự. Điều này sẽ cho dòng từ V+ qua cảm

biến tới đầu ra (vì vậy sourcing). Điện thế trên đầu ra PNP sẽ được kéo lên đến giá trị

V+. Nhớ là: điện áp này sẽ luôn nhỏ hơn 1-2V vì ta dùng bán dẫn đó. Khi tắt, đầu ra

PNP sẽ trôi nổi, nếu được sử dụng với một mạch kỹ thuật số một điện trở kéo xuống

sẽ được cần đến.

Figure 4.4 A Simplified Sourcing/PNP Sensor

Một cảm biến Sourcing/PNP đơn giản hóa

Hầu hết các cảm biến NPN/PNP là có thể xử lý dòng lên đến vài A, và chúng có

thể được dùng để chuyển mạch các tải một cách trực tiếp. (Ghi chú: luôn kiểm tra tài

liệu cho điện thế tiêu thụ và dòng tiêu thụ). Một ví dụ dùng các cảm biến sourcing và

sinking để điều khiển các đèn được chỉ trong hình 4.5 (Ghi chú: Ví dụ này có thể cho

một máy dò chuyển động mà máy dò này bật các đèn trong các sảnh tối).

Ghi chú: nhớ kiểm tra dòng tiêu thụ và thế tiêu thụ cho các cảm biến.

Ghi chú: khi đánh dấu các đầu cuối dùng điện, thỉnh thoảng sẽ có hai tập hợp

của các đánh dấu. Tập hợp chuẩn hơn là V+ và COM, nhưng thỉnh thoảng bạn sẽ thấy

các thiết bị và các nguồn điện không có một COM (common), trong trường hợp này

giả thiết rằng V- là common (dây trung hòa, tài nguyên dùng chung).

Figure 4.5 Direct Control Using NPN/PNP Sensors

Điều khiển trực tiếp dùng các cảm biến NPN/PNP

Trong hệ sinking trong hình 4.5 đèn ấy có V+ mắc vào một bên. Bên kia được

nối với đầu ra NPN của cảm biến. Khi cảm biến này bật dòng sẽ có thể chuyển qua

đèn, vào trong đầu ra tới V- trung hòa (common). (Ghi chú: Yes, dòng sẽ được phép

đi vào trong đầu ra cho một cảm biến NPN). Trong sự mắc nối sourcing đèn sẽ bật khi

đầu ra trở nên kích hoạt, cho phép dòng tới từ V+, qua cảm biến, đèn và tới V- (dây

trung hòa - common).

Tại thời điểm này là đáng giá để phát biểu rõ ràng – Đầu ra của một cảm biến sẽ

là một đầu vào của một PLC. Và, như ta đã thấy với cảm biến NPN, điều này không

cần thiết chỉ ra nơi dòng điện đang di chuyển. Có hai tiếp cận có thể có để nối các

cảm biến tới các PLC. Cách đầu là luôn dùng các cảm biến PNP và các thẻ đầu vào

điện áp thông thường. Cách lựa chọn thứ hai là mua các thẻ đầu vào được thiết kế

đặc biệt cho các cảm biến sourcing hay sinking. Một ví dụ về một thẻ PLC cho các

cảm biến sinking được chỉ ra trong hình 4.6.

Ghi chú của người gõ: Khi một thẻ đầu vào PLC không có một common (dây

trung tính) nhưng thay vì thế nó có một V+, nó có thể được dùng cho các cảm biến

NPN. Trong trường hợp này dòng sẽ đi ra ngoài thẻ (sourcing) và ta phải chuyển nó

tới đất.

Thêm: Thẻ này được chỉ ra với 2 khoang móc nối (optocoupler) (một cái cho mỗi

đầu ra). Bên trong các thiết bị này có một đèn LED và một bán dẫn quang điện,

nhưng không có kết nối điện nào. Những thiết bị này được dùng để cách ly hai hệ

thống điện khác nhau. Trong trường hợp này chúng bảo vệ mức điện thế kỹ thuật số

số 5V của máy tính PLC ấy khỏi nhiều điện thế và dòng bên ngoài khác nhau.

Figure 4.6 A PLC Input Card for Sinking Sensors

Một thẻ đầu vào PLC cho các cảm biến sinking

Dòng nét đứt trong hình biểu thị cho mạch, hay đường đi của dòng khi cảm biến

là kích hoạt. Đường này đi vào trong thẻ đầu vào PLC đầu tiên tại một đầu cuối V+

(Ghi chú: không có dây trung hòa (common) nào cho thẻ này) và chuyền qua một

khoang móc nối (optocoupler). Dòng này sẽ dùng đèn để bật một bán dẫn quang

điện để bảo máy tính trong PLC là dòng đầu vào đang di chuyển. Sau đó dòng lại rời

thẻ này tại đầu vào 00 và đi qua cảm biến tới V-. Khi cảm biến này là không kích hoạt

dòng sẽ không di chuyển, và đèn trong khoang móc nối sẽ bị tắt. Khoang móc nối này

được sử dụng để giúp bảo vệ PLC khỏi các vấn đề điện bên ngoài PLC.

Các thẻ đầu vào cho các cảm biến PNP là tương tự với các thẻ NPN, như được

chỉ ra trong hình 4.7.

Ghi chú của người gõ: Khi ta có một thẻ đầu vào PLC mà thẻ này có một dây

trung hòa thì ta có thể dùng các cảm biến PNP. Trong trường hợp này dòng sẽ đi vào

trong thẻ và sau đó ra dây trung hòa đến nguồn.

Figure 4.7 PLC Input Card for Sourcing Sensors

Thẻ đầu vào PLC cho các cảm biến sourcing

Vòng di chuyển dòng cho một cảm biến tích cực được chỉ ra bởi đường đứt

quãng. Theo sau đường này của dòng điện ta thấy nó bắt đầu từ V+, qua cảm biến,

vào đầu vào 00, qua khoang móc nối, ra dây trung hòa và đến đầu V-.

Đi dây là một mối quan tâm chính của các ứng dụng PLC, như vậy để giảm số

lượng của dây, hai cảm biến mắc dây với nhau trở nên thông dụng. Nhưng, bằng cách

tích hợp giá trị của chức năng ba dây thành hai dây, giờ ta có thể kết hợp nguồn và

các chức năng cảm biến thành một. Hai cảm biến nối nhau được vẽ trong hình 4.8.

Figure 4.8 Two Wire Sensors – Hai cảm biến nối dây với nhau

Ghi chú: Những cảm biến này yêu cầu một rò rỉ (mất mát) dòng nhất định để

cấp điện cho các thiết bị điện tử.

Cặp hai cảm biến nối nhau có thể dùng như một đầu vào sourcing hay một đầu

vào sinking. Trong cả hai sự mắc nối này cảm biến ấy sẽ đòi hỏi một dòng nhỏ để cấp

điện cho cảm biến ấy, nhưng khi hoạt động (kích hoạt) nó sẽ cho nhiều dòng di

chuyển hơn. Điều này đòi hỏi những thẻ đầu vào mà các thẻ này sẽ cho một lượng

nhỏ dòng di chuyển (được gọi là the leakage current – dòng rò rỉ (mất mát)), nhưng

cũng có thể được phát hiện ra khi dòng này vượt quá một giá trị cho trước.

Khi mua các cảm biến và các thẻ đầu vào có một số cân nhắc quan trọng. Hầu

hết các cảm biến hiện đại có cả các đầu ra PNP và NPN, mặc dầu nếu sự lựa chọn là

không có sẵn, PNP là một sự lựa chọn phổ dụng. Các thẻ PLC có thể gây nhầm lẫn khi

mua, khi mỗi nhà cung cấp nói đến các thẻ này một cách khác nhau. Để tránh các vấn

đề ấy, quan sát nếu thẻ đó là chuyên biệt cho các cảm biến sinking hay các cảm biến

sourcing, hay tìm ra một V+ (sinking) hay COM (sourcing). Một vài nhà cung cấp cũng

bán những thẻ mà những thẻ này sẽ cho bạn có các đầu vào NPN và PNP hỗn hợp

trong cùng một thẻ.

Khi vẽ các sơ đồ nối dây các ký hiệu trong hình 4.9 được dùng cho các cảm biến

tiệm cận sinking và các cảm biến lân cận sourcing. Nhớ rằng trong cảm biến sinking

khi chuyển mạch đóng (chuyển động về phía đầu cuối) nó kết nối dây trung hòa

(common). Đóng chuyển mạch trong cảm biến sourcing sẽ kết nối đầu ra tới đầu V+.

Trong cảm biến vật lý các dây được mã hóa bằng màu như được chỉ ra trong sơ đồ.

Dây màu nâu là cực dương, dây màu xanh nước biển là cực âm và đầu ra là trắng cho

sinking và đen cho sourcing. Hình dạng bên ngoài của cảm biến này có thể thay đổi

cho các thiết bị khác nhau, như là các cảm biến chụp ảnh (photo sensor) mà các cảm

biến này thường được chỉ ra như là các vòng tròn.

Figure 4.9 Sourcing and Sinking Schematic Symbols

Các ký hiệu trong giản đồ sourcing và sinking

4.2.4 Các rơ le trạng thái rắn

Các rơ le trạng thái rắn chuyển mạch các dòng xoay chiều. Đây là những thứ

không đắt một cách tương đối và có sẵn cho các tải lớn. Một vài cảm biến và thiết bị

là có sẵn với các rơ le này như là các đầu ra.

4.3 NHỮNG THIẾT BỊ DÒ

Có hai cách cơ bản để phát hiện sự hiện diện của đối tượng; tiếp xúc và lân cận.

Tiếp xúc ngụ ý rằng có một sự tiếp xúc cơ học và một lực hệ quả giữa cảm biến này

và đối tượng ấy. Lân cận chỉ ra rằng đối tượng ấy là gần, nhưng sự tiếp xúc là không

cần thiết. Những phần sau đây kiểm tra các loại cảm biến khác nhau để dò ra sự hiện

diện của đối tượng. Những cảm biến này chiếm đa số của các cảm biến được dùng

trong các ứng dụng.

4.3.1 Các chuyển mạch tiếp xúc

Các chuyển mạch tiếp xúc là có sẵn như là thường đóng và thường mở. Vỏ bọc

của chúng được gia cố để chúng có thể chịu được những lực cơ học lặp đi lặp lại.

Những cái vỏ này thường có con lăn và đeo miếng đệm cho tiếp điểm. Các chuyển

mạch tiếp xúc trọng lượng nhẹ có thể mua với giá thấp hơn một đô la, nhưng các

chuyển mạch tiếp xúc công suất lớn sẽ có giá cao hơn nhiều. Các ví dụ về các ứng

dụng bao gồm các chuyển mạch giới hạn chuyển động và các máy dò hiện diện vật

thể.

4.3.2 Các chuyển mạch lưỡi gà

Các chuyển mạch lưỡi gà là rất giống với các rơ le, trừ ra một nam châm vĩnh

cửu được dùng để thay thế cho một cuộn dây kim loại. Khi nam châm này ra xa

chuyển mạch này là mở, nhưng khi nam châm được mang tới gần chuyển mạch này

là đóng như hình 4.10. Các chuyển mạch loại này là không đắt lắm và có thể mua với

giá vài đô la. Chúng thường được dùng cho các màn hình và cửa ra vào an toàn vì

chúng là rất khó để bị đánh lừa hơn các cảm biến khác.

Ghi chú: Với thiết bị này nam châm được di chuyển về phía chuyển mạch lưỡi

gà. Khi nó đến gần hơn chuyển mạch sẽ đóng. Điều này cho phép sự phát hiện lân

cận không là tiếp xúc, nhưng yêu cầu một nam châm riêng lẻ được gắn với một phần

chuyển động.

Figure 4.10 Reed Switch

Chuyển mạch lưỡi gà

4.3.3 Các cảm biến quang học (quang điện)

Các cảm biến ánh sáng đã được dùng từ gần một thế kỷ - các tế bào quang điện

ban đầu được dùng cho các ứng dụng như là đọc các rãnh âm thanh trên các hình

ảnh chuyển động. Nhưng các cảm biến quang học hiện đại là phức tạp hơn nhiều.

Cảm biến quang yêu cầu cả hai nguồn nguồn phát sáng (emitter – bộ phát sáng)

và nguồn sáng của máy dò. Các bộ phát sáng sẽ sản sinh ra các chùm sáng trong cả

khoảng nhìn thấy và không nhìn thấy bằng cách dùng các đèn LED và các đi ốt la de.

Các máy dò thông thường được chế tạo bởi các quang đi ốt hay các bán dẫn quang

học. Cả nguồn phát sáng và nguồn sáng của máy dò được định vị để một đối tượng

sẽ bị chặn hay phản chiếu một chùm sáng khi nó xuất hiện. Một cảm biến quang cơ

bản được chỉ ra trong hình 4.11.

Figure 4.11 A Basic Optical Sensor

Một cảm biến quang học cơ bản

Trong hình chùm sáng được sinh ra ở bên trái, tiêu cự hóa bởi một thấu kính.

Bên máy dò chùm sáng được hội tụ trên máy dò bởi một thấu kính thứ hai. Nếu

chùm sáng bị đứt quãng máy dò sẽ báo có một đối tượng đang hiện diện. Sóng ánh

sáng dao động được dùng để cảm biến này có thể lọc ánh sáng nhìn thấy trong

phòng. Ánh sáng từ nguồn phát sáng (emitter) được bật và tắt tại một tần số được

thiết lập. Khi máy dò nhận ánh sáng này nó kiểm tra để chắc rằng ánh sáng này ở

cùng một tần số. Nếu ánh sáng được nhận tại tần số đúng thì chùm sáng không bị

đứt quãng. Tần số của dao động là trong khoảng KHz, và quá nhanh để nhận ra. Một

hiệu ứng phụ của phương pháp tần số là các cảm biến có thể được dùng với nguồn

điện yếu hơn với những khoảng cách xa hơn.

Một nguồn phát sáng có thể được lắp đặt chỉ thẳng trực tiếp tới một máy dò,

điều này được biết như là chế độ tương phản. Khi chùm sáng là đứt quãng vật thể

này được phát hiện. Cảm biến này cần hai thành phần riêng biệt, như trong hình

4.12. Sự sắp xếp này làm việc tốt với các đối tượng mờ và các đối tượng phản chiếu

với nguồn sáng và máy dò cách nhau bởi khoảng cách lên đến hàng trăm bộ (foot).

Figure 4.12 Opposed Mode Optical Sensor

Cảm biến quang kiểu tương phản

Việc có nguồn sáng và máy dò riêng rẽ làm tăng lên các vấn đề về bảo trì, và sự

thẳng hàng là bắt buộc. Một giải pháp được ưa thích là lắp chúng vào một đơn vị.

Nhưng điều này đòi hỏi ánh sáng được phản chiếu ngược lại như hình 4.13. Các cảm

biến này là thích hợp tốt cho các đối tượng to lớn lên đến vài bộ

Ghi chú: bộ phản xạ được làm với màn hình phân cực được định hướng tại góc

90 độ. Nếu ánh sáng được phản chiếu ngược lại một cách trực tiếp thì ánh sáng

không thể qua màn hình ở đằng trước máy dò. Bộ phản xạ được thiết kế để quay pha

của ánh sáng 90 độ, vì vậy bây giờ nó sẽ đi qua màn hình trước máy dò.

Figure 4.13 Retroreflective Optical Sensor

Cảm biến quang phản xạ lùi

Trong hình trên, nguồn phát sáng gửi ra một chùm sáng. Nếu ánh sáng được trở

về từ bộ phản chiếu thì hầu hết chùm sáng được trở về máy dò. Khi một đối tượng

làm ngắt chùm sáng giữa nguồn phát sáng và bộ phản chiếu thì chùm sáng này không

bao giờ phản xạ tới máy dò, và cảm biến này trở nên kích hoạt. Một vấn đề tiềm tàng

với cảm biến này là đối tượng phản chiếu có thể phản lại một chùm sáng tốt. Vấn đề

này được khắc phục bằng cách phân cực ánh sáng tại nguồn phát sáng (với một bộ

lọc), và sau đó dùng một bộ lọc phân cực tại máy dò. Bộ phản chiếu dùng các phản

quang lập phương nhỏ và khi ánh sáng được phản chiếu sự phân cực được quay 90

độ. Nếu ánh sáng được phản chiếu đối tượng ánh sáng sẽ không quay 90 độ. Vì vậy

các bộ lọc phân cực trên nguồn phát sáng và máy dò bị quay 90 độ, như trong hình

4.14. Bộ phản chiếu rất giống với các bộ phản chiếu được sử dụng cho xe đạp.

Figure 4.14 Polarized Light in Retroreflective Sensors

Phân cực ánh sáng trong các cảm biến phản xạ lùi

Đối với các bộ phản xạ lùi các bộ phản xạ này là hoàn toàn thẳng hàng, nhưng

phương pháp này vẫn yêu cầu hai thành phần được gắn kết. Một cảm biến khuyếch

tán là một đơn vị đơn lẻ mà không dùng một bộ phản xạ, nhưng sử dụng ánh sáng

tập trung như hình 4.15.

Ghi chú: Với sự phản chiếu khuyếch tán ánh sáng bị tán xạ. Điều này làm giảm

số lượng ánh sáng trở lại. Kết quả là ánh sáng cần được khuyếch đại bằng cách sử

dụng các ống kính.

Figure 4.15 Diffuse Optical Sensor

Cảm biến quang khuyếch tán

Các cảm biến khuyếch tán dùng ánh sáng được hội tụ trong một phạm vi nhất

định, và một sự điều chỉnh độ nhạy được dùng để lựa chọn một khoảng cách. Các

cảm biến này là dễ nhất để lắp đặt, nhưng chúng đòi hỏi các điều kiện kiểm soát tốt.

Ví dụ nếu nó (các sensor) phát hiện được các đối tượng ánh sáng và các đối tượng có

màu tối các vấn đề sẽ xảy ra.

Khi dùng các cảm biến với chế độ tương phản các nguồn phát sáng và máy dò

phải được căn chỉnh để nguồn phát sáng và cửa sổ máy dò giao nhau, như hình 4.16.

Nguồn phát sáng thường có dạng hình nón với một góc nhỏ của độ phân kỳ (một vài

độ hay nhỏ hơn). Các máy dò cũng có một khối hình nón của việc thăm dò. Vì vậy khi

căn chỉnh về chế độ tương phản phải chú ý đến cảm biến không chỉ chỉ ra nguồn phát

sáng tại máy dò mà còn máy dò đối với nguồn phát sáng (emitter). Một yếu tố khác

phải được xem xét với điều này và các cảm biến khác là cường độ ánh sáng giảm dần

theo khoảng cách, vì thế các cảm biến sẽ có một giới hạn bởi khoảng cách.

Figure 4.16 Beam Divergence and Alignment – Chùm sáng phân kỳ và sự căn chỉnh

Nếu một đối tượng là nhỏ hơn độ rộng của chùm sáng nó sẽ không thể bị chặn

lại toàn bộ khi nó ở phía trước như hình 4.17. Điều này sẽ tạo ra những khó khăn cho

phát hiện, hay có khả năng dừng việc phát hiện hoàn toàn. Các giải pháp cho vấn đề

này là dùng các chùm sáng hẹp hơn, hay các đối tượng rộng hơn. Các cáp sợi quang

có thể được dùng với cảm biến quang ở chế độ tương phản để giải quyết vấn đề này,

tuy nhiên khoảng cách hiệu quả tối đa là giảm xuống tới một vài bộ (a couple of feet).

Figure 4.17 The Relationship Between Beam Width and Object Size

Mối liên quan giữa độ rộng chùm sáng và kích thước đối tượng

Các cảm biến đơn lẻ có thể phát hiện các vật thể phản chiếu bằng cách dùng

phản chiếu như hình 4.18. Nguồn phát sáng và máy dò được bố trí sao cho khi một

bề mặt phản chiếu là trong tầm thì ánh sáng được trở về máy dò. Khi bề mặt ấy là

không hiện diện ánh sáng không trở về.

Figure 4.18 Detecting Reflecting Parts – Phát hiện các vật thể phản chiếu

Những loại khác của các cảm biến quang có thể cũng hội tụ trên một điểm đơn

lẻ dùng các chùm sáng mà các chùm sáng này là hội tụ thay vì phân kỳ. Nguồn phát

sáng được hội tụ ở một khoảng cách để cường độ ánh sáng là mạnh nhất tại tiêu

điểm. Máy dò này có thể nhìn vào điểm từ một góc độ khác để hai đường tâm của

nguồn phát sáng và máy dò giao nhau tại điểm mong muốn. Nếu một đối tượng hiện

diện trước hay sau tiêu điểm máy dò sẽ không thấy ánh sáng phản chiếu. Kỹ thuật

này có thể được dùng để phát hiện nhiều điểm và nhiều khoảng, như hình 4.20 ở

hình này lưới góc của sự phản chiếu bởi ống kính xác định máy dò nào được sử dụng.

Kiểu tiếp cận này, với nhiều các máy dò hơn, được dùng cho các hệ thống nhận biết

khoảng.

Figure 4.19 Point Detection Using Focused Optics

Phát hiện điểm dùng cảm biến quang hội tụ

Figure 4.20 Multiple Point Detection Using Optics

Phát hiện nhiều điểm dùng các cảm biến quang

Một vài ứng dụng không cho phép các cảm biến quang học được định cỡ đầy đủ

được sử dụng. Các cảm biến sợi quang có thể được dùng để phân tách nguồn phát

sáng và máy dò từ ứng dụng này. Một số nhà cung cấp cũng bán các cảm biến quang

mà các cảm biến quang này có những bán dẫn quang và các LED được tách ra từ các

thiết bị điện tử.

Các rèm ánh sáng là một dãy của các chùm sáng, lắp đặt như hình 4.21. Nếu bất

cứ một chùm sáng nào bị đứt quãng nó cho biết rằng một ai đó đã vào phòng làm

việc và máy cần được tắt. Đây là một sự thay thế không đắt cho một vài lồng cơ khí

và các rào cản.

Figure 4.21 A Light Curtain – Một rèm ánh sáng

Hệ số phản xạ quang của các đối tượng biến thiên từ vật liệu này tới vật liệu

khác như được chỉ ra trong hình 4.22. Những giá trị này chỉ ra tỷ lệ của ánh sáng tới

trên một bề mặt mà bề mặt ấy được phản chiếu. Những giá trị này có thể được dùng

cho các so sánh tương đối của vật liệu và các thay đổi ước tính trong sự thiết đặt độ

nhạy cho các cảm biến.

Hệ số phản xạ

Các vật liệu không sáng

Thẻ kiểm tra trắng Kodak

Giấy trắng

Giấy gói dầy, các tông

Gỗ xẻ (thông, khô, sạch)

Ván gỗ thô

90%

80%

70%

75%

20%

70%

14%

4%

Bọt bia

Ni lông đen chắn sáng

Cao su tổng hợp đen

Tường bằng lốp cao su đen

1,5%

Các vật liệu sáng/trong suốt Chai nhựa trong suốt

Chai nhựa nâu mờ

Nhựa trắng mờ

40%

60%

87%

Nhôm thô

Nhôm thẳng

Nhôm mạ đen thô

Thép không gỉ tinh

Thép không gỉ mờ

140%

105%

115%

400%

120%

Ghi chú: Cho các vật liệu sáng và trong suốt hệ số phản xạ có thể cao hơn 100%

vì nó phản xạ cả ánh sáng xung quanh.

Figure 4.22 Table of Reflectivity Values for Different Materials [Banner Handbook of

Photoelectric Sensing] - Hình 4.22 Bảng giá trị hệ số phản xạ cho các vật liệu khác

nhau [Sổ tay chỉ nam cho các thiết bị nhận biết quang học]

4.3.4 Cảm biến điện dung

Các cảm biến điện dung là có thể phát hiện nhiều vật liệu ở những khoảng cách

tới một vài centimét. Nhớ lại mối quan hệ cơ bản cho điện dung.

C= ^ꢀꢁ

,

trong đó:

C là điện dung (Fara)

ꢂ

k là hằng số điện môi

A là diện tích các điện cực

d là khoảng cách giữa các điện cực

Trong cảm biến này diện tích của các điện cực và khoảng cách giữa chúng là cố

định. Nhưng, hằng số điện môi của không gian xung quanh chúng sẽ thay đổi khi các

chất liệu khác nhau được đem gần tới cảm biến. Một minh họa cho một cảm biến

điện dung được chỉ ra trong hình 4.23. Một trường dao động được dùng để xác định

điện dung của các điện cực. Khi điều này thay đổi vượt quá độ nhạy được lựa chọn

đầu ra cảm biến này được kích hoạt.

Ghi chú: Đối với các cảm biến này sự tiếp cận của bất cứ vật liệu nào gần các

điện cực sẽ tăng điện dung. Điều này sẽ thay đổi độ lớn của tín hiệu dao động và máy

dò sẽ quyết định khi nào điều này đủ lớn để xác định độ gần gũi.

Figure 4.23 A Capacitive Sensor

Một cảm biến điện dung

Các cảm biến này làm việc tốt cho các chất cách điện (như là nhựa) điều này có

xu hướng làm tăng hệ số điện môi, vì nó tăng điện dung. Nhưng, chúng cũng làm việc

tốt cho các vật liệu kim loại vì các chất liệu dẫn điện trong mục tiêu xuất hiện như là

các điện cực lớn hơn, vì vậy tăng điện dung như trong hình 4.24. Gộp lại điện dung

thay đổi là bình thường theo thứ tự của pF.

Figure 4.24 Dielectrics and Metals Increase the Capacitance

Các chất điện môi và các kim loại tăng điện dung

Các cảm biến này thông thường được làm bằng các vòng (không phải những

tấm) trong cấu hình trong hình 4.25. Trong hình hai vòng kim loại bên trong là những

điện cực tụ điện, nhưng vòng thứ ba được thêm vào để bù đắp cho các biến thiên.

Không dùng vòng bù đắp này thì cảm biến này sẽ nhạy cảm với bụi, dầu hay các chất

gây ô nhiễm khác mà các chất ô nhiễm này có thể dính vào cảm biến đó.

Ghi chú: điện cực bù đắp này được dùng cho phản hồi tiêu cực để làm cho cảm

biến này có thể chịu được các biến thiên, như là nhiễm bẩn trên bề mặt của cảm biến

đó.

Figure 4.25 Electrode Arrangement for Capacitive Sensors

Bố trí điện cực cho các cảm biến điện dung

Một bảng của các thuộc tính điện môi được cho trong hình 4.26. Bảng này có

thể dùng cho ước tính kích thước tương đối và độ nhạy của các cảm biến. Cũng, xem

xét một trường hợp trong đó một ống sẽ dẫn các dòng chất lỏng khác nhau. Nếu các

hằng số điện môi của chúng là không gần nhau lắm, một cảm biến thứ hai có thể

được mong muốn cho dòng chảy thứ hai.

Chất liệu

Nhựa ABS viên

A-xê-tôn

Acetyl bromide

Nhựa acrylic

Hằng số

1.5-2.5

Chất liệu

Hằng số

hexane

1.9

19.5

16.5

hydrogen cyanide

hydrogen peroxide

isobutylamine

95.4

84.2

4.5

2.7-4.5

Không khí

1.0

Vôi sống, vỏ sò

Đá cẩm thạch

Nhựa melamine

Methane lỏng

methanol

1.2

Cồn, công nghiệp

Cồn, isopropyl

A-mô-ni-ắc

A ni lin

16-31

18.3

15-25

5.5-7.8

50-80

1.7

8.0-8.5

4.7-10.2

1.7

33.6

Dung dịch hòa tan

Tro (bay)

Mica, trắng

4.5-9.6

3.5-4

36

Sữa, làm thành bột

nitrobenzene

Cao su tổng hợp

nylon

Nhựa tổng hợp

Bột lúa mạch

Benzen

3.6

3.0-4.0

2.3

6-9

4-5

benzyl acetate

butan

5

Dầu, cho máy biến áp

dầu, dầu hỏa

Dầu, đậu phộng

Dầu, dầu mỏ

Dầu, đậu tương

Dầu, nhựa thông

Sơn

2.2-2.4

2.2-4.8

3.0

1.4

Hợp chất kín cuộn

canxi cacbonat

carbon tetrachloride

celluloid

2.5

9.1

2.1

2.2

3.0

2.9-3.5

2.2

cellulose

3.2-7.5

1.5-2.1

5-10

3-5

5-8

Xi măng

Dầu hỏa

1.9-2.5

1.6-2.6

4.5

Xi măng bột

Ngũ cốc

Giấy

Giấy, cứng

Than

1.2-1.8

2.0

Giấy, dầu bão hòa

Thủy tinh hữu cơ

Dầu mỏ

4.0

Clo, chất lỏng

Than cốc

3.2-3.5

2.0-2.2

9.9-15

4.9

1.1-2.2

5-10

2.7-2.9

2.5-6

24

Ngô

phenol

Cao su cưn

́

g

Nhựa phenol

polyacetal (Delrin TM)

polyamide (nylon)

polycarbonate

Nhựa polyester

polyethylene

polypropylene

polystyrene

Nhựa PVC

Nhựa dính

ethanol

3.6

2.5

ethyl bromide

Chất chống đông

Bột

4.9

2.9

38.7

2.5-3.0

6.1

2.8-8.1

2.3

FreonTM R22,R502 liq.

Xăng

2.0-2.3

3.0

2.2

Thủy tinh

3.1-10

2.0-2.5

47

2.8-3.1

4.4-7

2-5

Thủy tinh, chất thô

glycerine

Sứ

Ván ép

Thủy tinh thạch anh

Cao su

3.7

Nhựa Teflon (TM), PCTFE 2.3-2.8

Nhựa Teflon (TM), PTFE 2.0

2.5-35

6.0

Muối

toluene

2.3

Cát

3-5

trichloroethylene

Nhựa urê

3.4

Shellac (một loại nhựa) 2.0-3.8

6.2-9.5

3.2

silicon dioxide

Cao su silicone

4.5

urethane

3.2-9.8

Sáp mỡ (vaseline)

2.2-2.9

Giáo trình Hệ thống sản xuất tự động hóa với PLCs - Phần 4: Các cảm biến logic