KĨTHUẬT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN

THS. TRẦN THỊ KIM NGÀ

Sinh viên thực hiên: Võ Văn Huy Hoàng

Lớp: DH12CD MSSV: 12153079

I)Cảm biến nhiệt độ.1)Giới thiệu

Cảm biến nhiệt độ là thiết bị dùng để đo nhiệt độ của đối tượng.

Các cảm biến này cảm nhận sự thay đổi của nhiệt độ và cho tín hiệu ngõra một trong hai dạng: thay đổi điện áp hoặc thay đổi điện trở.

Cảm biến nhiệt độ được chia làm 2 loại:

+ cảm biến loại tiếp xúc

+ cảm biến loại không tiếp xúc( đo bức xạ nhiệt)

Trường Đại học Nông Lâm TPHCM Khoa Cơ khí -Công ngệ

Bộ môn Cơ điện tử

Cảm biến loại tiếp xúc:

+ Cặp nhiệt điện.

+ Nhiệt điện trở.

+ Ic đo nhiệt độ.

Cảm biến loại không tiếp xúc

nhiệt kế hồng ngoại: Đo nhiệt độ bằng cách nhận năng lượng hồng ngoại được phát ra từ vật liệu

Giới thiệu một số loại cảm biến

1. Cặp nhiệt điện (Thermocouple)

- Cấu tạo: Gồm 2 chất liệu kim loại khác nhau, hàn dính một đầu.

- Nguyên lý: Nhiệt độ thay đổi cho ra sức điện động thay đổi ( mV).

- Ưu điểm: Bền, đo nhiệt độ cao.- Khuyết điểm: Nhiều yếu tố ảnh hưởng làm sai số. Độ nhạy không cao.- Thường dùng: Lò nhiệt, môi trường khắt nghiệt, đo nhiệt nhớt máy nén,…- Dải đo: -100 ~ 1400oC- Ứng dụng: sản xuất công nghiệp, luyện kim, giáo dục hay gia công vậtliệu… Trên thị trường hiện nay có nhiều loại Cặp nhiệt điện khác nhau (E,

J, K, R, S, T…) đó là vì mỗi loại Cặp nhiệt điện đó được cấu tạo bởi 1chất liệu khác nhau, từ đó sức điện động tạo ra cũng khác nhau dẫn đếndải đo cũng khác nhau. Người sử dụng cần chú ý điều này để có thể lựa chọn loại Cặp nhiệt điện phù hợp với yêu cầu của mình. + Đồng thời khi lắp đặt sử dụng loại Cặp nhiệt điện thì cần chú ý tới những điểm sau đây:- Dây nối từ đầu đo đến bộ điều khiển càng ngắn càng tốt (vì tín hiệu truyền đi dưới dạng điện áp mV nên nếu dây dài sẽ dẫn đến sai số nhiều).- Thực hiện việc cài đặt giá trị bù nhiệt (Offset) để bù lại tổn thất mất mát trên đường dây. Giá trị Offset lớn hay nhỏ tùy thuộc vào độ dài, chất liệu dây và môi trường lắp đặt.- Không để các đầu dây nối của Cặp nhiệt điện tiếp xúc với môi trường cần đo.- Đấu nối đúng chiều âm, dương cho Cặp nhiệt điện.

2. Nhiệt điện trở (Resitance temperature detector –RTD).

- Cấu tạo của RTD gồm có dây kim loại làm từ: Đồng, Nikel, Platinum,…được quấn tùy theo hình dáng của đầu đo. - Nguyên lí hoạt động: Khi nhiệt độ thay đổi điện trở giữa hai đầu dâykim loại này sẽ thay đổi, và tùy chất liệu kim loại sẽ có độ tuyến tính trong một khoảng nhiệt độ nhất định.- Ưu điểm: độ chính xác cao hơn Cặp nhiệt điện, dễ sử dụng hơn, chiều dài dây không hạn chế.- Khuyết điểm: Dải đo bé hơn Cặp nhiệt điện, giá thành cao hơn Cặp nhiệt điện

- Dải đo: -200~700oC- Ứng dụng: Trong các ngành công nghiệp chung, công nghiệp môi trường hay gia công vật liệu, hóa chất…Hiện nay phổ biến nhất của RTD là loại cảm biến Pt, được làm từ Platinum. Platinum có điện trở suất cao, chống oxy hóa, độ nhạy cao, dải nhiệt đo được dài. Thường có các loại: 100, 200, 500, 1000 ohm (khi ở 0 oC). Điện trở càng cao thì độ nhạy nhiệt càng cao.- RTD thường có loại 2 dây, 3 dây và 4 dây. Loại 4 dây cho kết quả đo chính xác nhất.

3. Điện trở oxit kim loại (Thermistor)

- Cấu tạo: Làm từ hổn hợp các oxid kim loại: mangan, nickel, cobalt,…

- Nguyên lý: Thay đổi điện trở khi nhiệt độ thay đổi.

- Ưu điểm: Bền, rẽ tiền, dễ chế tạo.

- Khuyết điểm: Dãy tuyến tính hẹp.

- Dải đo:  50o

- Ứng dụng: Làm các chức năng bảo vệ, ép vào cuộn dây động cơ, mạch điện tử.- Có hai loại thermistor: Hệ số nhiệt dương PTC- điện trở tăng theo nhiệt độ; Hệ số nhiệt âm NTC – điện trở giảm theo nhiệt độ. Thường dùng nhất là loại NTC.

4. Cảm biến nhiệt bán dẫn

- Cấu tạo: Làm từ các loại chất bán dẫn.

- Nguyên lý: Sự phân cực của các chất bán dẫn bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ.

- Ưu điểm: Rẻ tiền, dễ chế tạo, độ nhạy cao, chống nhiễu tốt, mạch xử lý đơn giản.

- Khuyết điểm: Không chịu nhiệt độ cao, kém bền.

- Dải đo: -50 ~ 150o

 Ứng dụng: Đo nhiệt độ không khí, dùng trong các thiết bị đo, bảo vệ các mạch điện tử.- Các loại cảm biến nhiệt bán dẫn điển hình: kiểu diod, các kiểu IC LM35, LM335, LM45.

                                          

5. Nhiệt kế bức xạ (Hay hỏa kế)

- Cấu tạo: Làm từ mạch điện tử, quang học.

- Nguyên lý: Đo tính chất bức xạ năng lượng của môi trường mang nhiệt.

- Ưu điểm: Dùng trong môi trường khắc nghiệt, không cần tiếp xúc với môi trường đo.

- Khuyết điểm: Độ chính xác không cao, đắt tiền.

- Ứng dụng: Làm các thiết bị đo cho lò nung.

 Dải đo: -97 ~ 1800 oC

Hỏa kế gồm có các loại: Hỏa kế bức xạ, hỏa kế cường độ sáng, hỏa kế màu sắc. Chúng hoạt động dựa trên nguyên tắc các vật mang nhiệt sẽ có hiện tượng bức xạ năng lượng. Và năng lượng bức xạ sẽ có một bước sóngnhất định. Hỏa kế sẽ thu nhận bước sóng này và phân tích để cho ra nhiệt độ của vật cần đo.

6. Tổng kết

Như trên ta đã thấy thì hiện nay có rất nhiều loại cảm biến đo nhiệt độ khác nhau, và việc lựa chọn chúng phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố: độ chính xác, khoảng nhiệt, tốc độ phản ứng, môi trường (hóa học, vật lý, hay điện) và giá thành. Việc lựa chọn cảm biến không hề dễ dàng, cách an toàn và hay được sử dụng nhất là lựa chọn theo ngành nghề bởi thông thường, mỗi loại cảm biến được thiết kế để phục vụ cho một chuyên ngành riêng.Và dưới dây là các yêu cầu đặt ra khi lựa chọn 1 loại cảm biến nhiệt và Bảng tổng hợp kinh nghiệm lựa chọn cảm biến nhiệt dựa theo các ngành nghề khác nhau:- Độ chính xác

- Sự linh hoạt, có thể lắp ráp dễ dàng

- Giới hạn khoảng nhiệt cần đo

- Giá thành

- Có thể điều chỉnh riêng lẻ hay không

- Sự tương thích với môi trường và những ảnh hưởng (nếu có) của các tác nhân bên ngoài môi trường.

II) Cảm biến quang1)Giới thiệu

Đầu phát của cảm biến phát ra một nguồn sáng về phía trước. Nếu có vật thể che chắn, nguồnsáng này tác động lên vật thể và phản xạ ngược lại đầu thu, đầu thu nhận tín hiệu ánh sáng này và chuyển thành tín hiệu điện. Tuỳ theo lượng ánh sáng chuyển về, mà chuyển thành tín hiệu điện áp và dòng điện và khuyếch đại thành tín hiệu ra

Cấu trúc thiết kế

Cấu trúc của cảm biến quang khá đơn giản, bao gồm 3 thành phần chính:

1. Bộ Phát sáng

2. Bộ Thu sáng

3. Mạch xử lý tín hiệu ra

Bộ phát sáng

Ngày nay cảm biến quang thường sử dụng đèn bán dẫn LED (Light Emitting Diode).

Ánh sáng được phát ra theo xung. Nhịp điệu xung đặc biệt giúp cảm biếnphân biệt được ánh sáng của cảm biến và ánh sáng từ các nguồn khác (như ánh nắng mặt trời hoặc ánh sáng trong phòng).

Các loại LED thông dụng nhất là LED đỏ, LED hồng ngoại hoặc LED laze. Một số dòng cảm biến đặc biệt dùng LED trắng hoặc xanh lá. Ngoài ra cũng có LED vàng.

Bộ thu sáng

hông thường bộ thu sáng là một phototransistor (tranzito quang).Bộ phận này cảm nhận ánh sáng và chuyển đổi thành tín hiệu điện tỉ lệ. Hiện nay nhiều loại cảm biến quang sử dụng mạch ứng dụng tích hợp chuyên dụng ASIC ( Application Specific Integrated Circuit). Mạch này tích hợp tất cả bộ phận quang, khuếch đại, mạch xử lý và chức năng vàomột vi mạch (IC). Tất cả các dòng cảm biến quang Omron ra mắt gần đây (như E3Z, E3T, E3F2) đều sử dụng ASIC.

Bộ phận thu có thể nhận ánh sáng trực tiếp từ bộ phát (như trường hợp của loại thu-phát), hoặc ánh sáng phản xạ lại từ vật bị phát hiện (trường hợp phản xạ khuếch tán). Bạn sẽ tìm hiểu rõ hơn về các chế độ hoạt động này trong chương sau.

Mạch tín hiệu ra

Mạch đầu ra chuyển tín hiệu tỉ lệ (analogue) từ tranzito quang / ASIC thành tín hiệu On / Off được khuếch đại. Khi lượng ánh sáng thu được vượt quá mức ngưỡng được xác định, tín hiệu ra của cảm biến được kích hoạt.

Mặc dù một số loại cảm biến thế hệ trước tích hợp mạch nguồn và dùng tín hiệu ra là tiếp điểm rơ le vẫn khá phổ biến, ngày nay các loại cảmbiến chủ yếu dùng tín hiệu ra bán dẫn (PNP/NPN).

Một số cảm biến quang còn có cả tín hiệu tỉ lệ ra phục vụ cho các ứng dụng đo đếm.

2)Phân loại

Cảm biến quang thu phát độc lập (Thought Beam)

Cảm biến quang phát thu chung (Retro Replective)

Cảm biến quang khuyếch đại ( Diffuse Replective)

Cảm biến quang phản xạ giới hạn (Limited Reflective)

Cảm biến quang thu phát độc lập (Thought Beam)

Đặc điểm:

- Độ tin cậy cao

- Khoảng cách phát hiện xa

- Không bị ảnh hưởng bởi bề mặt, màu sắc vật

Cảm biến quang phát thu chung (Retro Replective)

Đặc điểm:

- Dễ lắp đặt.

- Bị ảnh hưởng bởi màu sắc, bề mặt vật, nền

Cảm biến quang khuyếch đại ( Diffuse Replective)

Đặc điểm:

Dễ lắp đặt.

Bị ảnh hưởng bởi màu sắc, bề mặt vật, nền

Cảm biến quang phản xạ giới hạn (Limited Reflective)

Đặc điểm:

Chỉ phát hiện vật trong vùng phát hiện giới hạn

Không bị ảnh hưởng bởi màu nền phía sau cảm biến

Lý tưởng cho nhiều ứng dụng cần triệt tiêu nền

3)Các ứng dụng cảm biến trong công nghiệp

Sự đa dạng về chủng loại trong các sản phẩm cảm biến đáp ứng được nhiều ứng dụng chuyên sâu trong lỉnh vực tự động hoá công nghiệp. Một vài ứng dụng điển hình... 

Phát hiện màn trong

Phát hiện dấu/vết trên nền

Phát hiện dây băng

Phát hiện băng niêm phong trên nắp lọ/hộp

Phát hiện nhãn bằng plastic bóng trên giấy

Phát hiện nắp nhôn trên chai nước

Phát hiện chai PET

Phát hiện mẫu bánh trên băng chuyền

Phân biệt chiều cao của nắp

Phát hiện mức sữa/nước trái cây bên trong hộp

Cảm biến phát hiện màu

Đo đường kính của ống

Kiểm tra hiện tượng thủng nắp thiếc, nắp nhôm

Phát hiện nắp lọ bị lỏng

Kiểm mẫu, phát hiện chiều quay của viên pin

Phát hiện lon kim loại

III)Cảm biến siêu âm1)Giới thiệu

Cảm biến siêu âm có nhiều loại, tùy thuộc theo công dụng như để nhận biết vật trong khoảng cách gần hay xa, nhận biết các vật có tính chất khác nhau và trong những điều kiện hoạt động khác nhau mà người ta chếtạo các loại cảm biến siêu âm cũng khác nhau.

a.      Cảm biến siêu âm và nguyên tắc TOF ( Time Of Flight )

Sóng siêu âm được truyền đi trong không khí với vận tốc khoảng 343m/s.Nếu một cảm biến phát ra sóng siêu âm và thu về sóng phản xạ đồng thời, đo được khoảng thời gian từ lúc đi tới lúc thu về, thì máy tính có thể xác định được quãng đường mà sóng đã di chuyển trong không gian. Quãng đường di chuyển của sóng sẽ bằng 2 lần khoảng cách từ cảm biến tới chướng ngại vật sẽ được tính theo nguyên lý TOF:  d = v* t/2

b.    Tầm quét của cảm biến siêu âm

Cảm biến siêu âm có thể được mô hình hóa thành một hình quạt, trong đócác điểm ở giữa dường như không có chướng ngại vật, còn các điểm trên biên thì dường như có chướng ngài vật nằm ở đâu đó.

c.      Thông số một số loại cảm biến siêu âm SRF

 

*: Ước tính góc của hình nón cảm biến ở ½ cảm biến

**: Số vọng ghi lại bởi cảm biến. Đây là những tiếng vọng ghi từ đọc gần đây nhất, và được ghi đè mới bằng mỗi lần khác nhau.

A: Những cảm biến nhỏ hơn điển hình ( SRF05/04) kích thước.

B: Phạm vi thời gian có thể được điều chỉnh xuống bằng cách điều chỉnhđược.

C: Cảm biến này cũng bao gồm một photocell ở mặt trước để phát hiện ánh sáng.

D: Hoạt động ở một tần số 235kHz cao hơn.

Giới thiệu về cảm biến siêu âm SRF05

Trên thị trường có rất nhiều loại cảm biến siêu âm, nhưng ở đây chỉ giới thiệu về loại cảm biến thông dụng là cảm biến siêu âm SRF05.

 Hoạt động phát và nhận phản hồi song âm cơ bản của SRF05

    Nguyên tắc cơ bản của sonar: là tạo ra một xung âm thanh điện tử và sau đó lắng nghe tiếng vọng tạo ra khi các làn sóng âm thanh số truy cập một đối tượng và được phản xạ trở lại. Để tính thời gian cho phản hồi trở về, một ước tính chính xác có thể được làm bằng khoảng cách tới đối tượng. Xung âm thanh tạo ra bởi SRF05 là siêu âm, nghĩa là nó ở trên phạm vi nhận xét của con người. Trong khi tần số thấp hơncó thể được sử dụng trong các loại ứng dụng, tần số cao hơn thực hiện tốt hơn cho phạm vi ngắn, nhu cầu độ chính xác cao.

 

    Một số đặc điểm khác của cảm biến siêu âm SRF05

Mức độ của sóng âm hồi tiếp phụ thuộc vào cấu tạo của đối tượng và gócphản xạ của nó.

 

Một đối tượng mềm có thể cho ra tín hiệu phản hồi yếu hoặc không có phản hồi. Một đối tượng ở một góc cân đối thì mới có thể chuyển thành tín hiệu phản chiếu một chiều cho cảm biến nhận.

    Vùng phát hiện của SRF05

Nếu ngưỡng để phát hiện đối tượng được đặt quá gần với cảm biến, các đối tượng trên một đường có thể bị va chạm tại một điểm mù. Nếu ngưỡngnày được đặt ở một khoảng cách quá lớn từ các cảm biến thì đối tượng sẽ được phát hiện mà không phải là trên một đường va chạm.

 

Một kỹ thuật phổ biến để làm giảm các điểm mù và đạt được phát hiện chiều rộng lớn hơn cự ly gần là thêm một cải tiến bằng cách thêm một đơn vị SRF05 bổ sung và gắn kết của hai đơn vị hướng về phía trước. Thiết lập như vậy thì có một khu vực mà hai khu vực phát hiện chồng chéo lên nhau.

 

IV)Cảm biến nút nhấn đa hướng (joystick)

1)Giới thiệu

Joystiick được cấu tạo gồm cần gạt có chức năng xoay hai biến trở đạt vuông góc với nhaukhi cấp nguồn cho mạch, từ các đầu ra của biến trở ta thu được tín hiệu điện

áp. Từ các tín hiệu điện áp này ta thông qua bộ chuyển đổi ADC để phụcvụ cho công việc mà chúng ta cần dùng

2)Chức năng

Vì joystick này hoạt động trên sự thay đổi của biến trở nên nó có thể quay được nhiều hướng nên còn được gọi là nút nhấn đa hướng. Nhờ sự điều khiển dễ dàng này nên nó được dùng nhiều trong các tay cầm game,cần gạt, hay điều khiển các thiết bị từ xa

Các hình ảnh về ứng dụng của cảm biến joystick

V)Cảm biến cảm ứng (touch)1)Giới thiệu

 Cảm biến cảm ứng: Là một tấm (panel) thủy tinh hay nhựa acrylic trongsuốt, bề mặt được thiết kế các cảm biến (sensor) để nhận dạng và đáp ứng những tác động từ ngón tay người dùng hay bút trâm. Thông thường, cảm biến cảm ứng được ghép sát với màn hình hiển thị để đạt được độ chính xác tuyệt đối về tọa độ của điểm tiếp xúc. Có nhiều công nghệ được các hãng sản xuất áp dụng để "giăng lưới" và "bẫy" điểm tiếp xúc trên màn hình cảm ứng. Tuy nhiên, về cơ bản, khi có bất kỳ tiếp xúc nào lên màn hình cảm ứng thì giá trị điện áp, điện dung hay điện trở của màn hình (nói chính xác là của cảm biến cảm ứng) sẽ thay đổi; và bằng những thuật toán xây dựng sẵn, toạ độ điểm tiếp xúc sẽ được xác định một cách dễ dàng và nhanh chóng.

1. Màn hình cảm ứng điện trở (resistive touchscreen): Là loại nhạy cảmvới "áp lực" tác động lên bề mặt và có thể được điều khiển bằng bút trâm, ngón tay hay bất kỳ vật nào có đầu nhọn. Màn hình cảm ứng điện trở sử dụng panel kiếng hay nhựa acrylic gồm 2 lớp tương tác mỏng: lớpchất dẫn điện và lớp điện trở - 2 lớp này được cách ly bởi những điểm và khoảng trống mà mắt thường không thể nhìn thấy. Trên bề mặt mỗi lớptương tác được phủ một hợp chất gọi là ITO (oxít thiếc và Indi), trongkhi đó dòng điện với mức điện thế khác nhau sẽ được truyền qua 2 lớp này. Khi có một tác động lên màn hình, 2 lớp tương tác này "chạm" nhauvà mạch điện sẽ được nối, cường độ dòng điện chạy qua mỗi lớp cũng sẽ thay đổi. Lớp phía trước sẽ lấy điện thế từ lớp dưới và lớp dưới sẽ lấy điện thế từ lớp trên, qua đó cho phép bộ điều khiển xác định tọa độ X-Y của vị trí tiếp xúc. Người ta thậm chí còn phân loại màn hình cảm ứng điện trở dựa trên số lượng dây điện trở sử dụng, thường là 4/5/8 dây.

.

2. Màn hình cảm ứng điện dung (capacitive touchscreen): Khác với màn hình cảm ứng điện trở, màn hình cảm ứng điện dung chỉ sử dụng một lớp tương tác, đó là panel kiếng được phủ kim loại và điều này trước mắt sẽ cho ánh sáng đi qua nhiều hơn (đến 90%) giúp hình ảnh hiển thị rõ ràng hơn. Lớp kim loại trên bề mặt sẽ tạo ra một lưới các tụ điện cho toàn bộ màn hình. Về nguyên lý, màn hình cảm ứng điện dung dựa trên các thuộc tính điện năng của cơ thể con người để xác định "khi nào và ở đâu" trên màn hình mà bạn tiếp xúc. Nhờ vậy, màn hình cảm ứng dạng này có thể được điều khiển bởi những "cái chạm" rất nhẹ từ ngón tay, tuy nhiên thường thì bạn không thể sử dụng được với bút trâm hay ngón tay có đeo găng. Đó chính là lý do mà nhiều người gọi màn hình dạng này là màn hình cảm ứng nhiệt.

Điện áp sẽ được đặt vào các góc của màn hình. Khi ngón tay chạm vào màn hình, vùng bị tiếp xúc sẽ được nhấn xuống, ngón tay sẽ "hút" một dòng điện và làm thay đổi giá trị dòng điện, tần số cũng được tạo ra từ các mạch điện được đặt ở góc hình (khác nhau tùy hãng sản xuất). Các mạch điện này sẽ tính toán vị trí tọa độ X-Y từ sự thay đổi giá trị điện dung tại điểm tiếp xúc.

Hình 3: Mànhình cảm ứng hồng ngoại và SAW.

Cụ thể hơn, các hãng sản xuất sử dụng một cảm biến gọi là "tụ điện đã được lập trình" đặt giữa 2 lớp kiếng (màn hình hiển thị và panel kiếng

cảm ứng). Khi màn hình được tác động, bộ điều khiển sẽ xác định vị trítọa độ X-Y từ sự thay đổi điện dung trên lưới tụ điện. Màn hình cảm ứng điện dung có độ chính xác và tin cậy cao nên được dùng rộng rãi trong các thiết bị sản xuất và điều khiển công nghiệp, màn hình hiển thị nơi công cộng. Nhờ sự linh hoạt trong nhận diện điểm tiếp xúc, mànhình cảm ứng điện dung cũng cho phép những tác động "2 ngón" như khả năng đa chạm trên iPhone, iPod Touch hay "kéo thả" trên nhiều dòng ĐTDĐ, smartphone hiện nay.

3. Màn hình cảm ứng hồng ngoại (infrared touchscreen): Có phần giống màn hình cảm ứng điện trở, màn hình cảm ứng hồng ngoại phát ra các tiahồng ngoại theo chiều ngang và dọc trên bề mặt màn hình để tạo ra một lưới ánh sáng. Nguyên lý hoạt động dựa trên công nghệ ngắt tia sáng. Về cơ bản, màn hình cảm ứng hồng ngoại bố trí đầu phát tia hồng ngoại ở một (hay hai) cạnh màn hình, đối diện với đầu phát là cảm biến ánh sáng hay bộ dò ánh sáng.

Khi màn hình được tác động, ở vị trí bút trâm hay bất kỳ vật thể nào "cản" đường truyền của tia hồng ngoại, tín hiệu nhận được ở đầu bộ thuhay cảm biến ánh sáng sẽ bị gián đoạn. Ngay lập tức, bộ dò hay cảm biến ánh sáng sẽ tìm được tọa độ của điểm tiếp xúc trên màn hình.

4. Màn hình cảm ứng sóng âm thanh bề mặt(SAW touchscreen): Là dạng màn hình cảmứng tiên tiến nhất. Công nghệ SAW dựatrên hai bộ thu/phát sóng âm thanh(transducer) trên đồng thời trục X vàtrục Y của màn hình cảm ứng. Một thànhphần quan trọng khác của SAW được đặttrên mặt kiếng màn hình, được gọi là bộphản hồi (reflector). Nguyên lý hoạtđộng của màn hình cảm ứng sóng âm cũngtương tự màn hình cảm ứng hồng ngoại, đó là kiểm soát sự ngắt quãng tín hiệu, trong trường hợp này là sóng siêu âm.

Bộ điều khiển của màn hình cảm ứng sẽ gửi tín hiệu điện tử sang bộ phát sóng, và bộ phát sóng sẽ chuyển đổi tín hiệu nhận được sang dạng

Màn hình cảm ứng trongdàn âm

sóng siêu âm để chuyển tiếp sóng âm này đến bộ phản hồi được đặt ở đầubên kia panel màn hình. Sau khi bộ phản hồi "khúc xạ" tín hiệu lại chobộ thu sóng, tín hiệu sẽ được bộ thu gửi trả cho bộ điều khiển. Khi một ngón tay hay bút trâm chạm vào màn hình, chùm sóng đang di chuyển ngang/dọc trên màn hình sẽ bị ngắt quãng và tạo ra một "biến cố chạm" để từ đó bộ điều khiển xác định chính xác vị trí điểm tiếp xúc.

VI) load cell

1. Khái niệm Load cell

1.1.Khái niệm

Loadcell là thiết bị cảm biến dùng để chuyển đổi lực hoặc trọng lượng thành tín hiệu điện.

Khái niệm"strain gage": cấu trúc có thể biến dạng đàn hồi khi chịu tácđộng của lực tạo ra một tín hiệu điện tỷ lệ với sự biến dạng này.

Loadcell thường được sử dụng để cảm ứng các lực lớn, tĩnh hay các lực biến thiên chậm.Một số trường hợp loadcell được thiết kế để đo lực tácđộng mạnh phụ thuộc vào thiết kế của Loadcell.

2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

2.1. Cấu tạo

Loadcell được cấu tạo bởi hai thành phần, thành phần thứ nhất là "Strain gage" và thành phần còn lại là "Load". Strain gage là một điệntrở đặc biệt chỉ nhỏ bằng móng tay, có điện trở thay đổi khi bị nén hay kéo dãn và được nuôi bằng một nguồn điện ổn định, được dán chết lên "Load" - một thanh kim loại chịu tải có tính đàn hồi.

2.2. Nguyên lý hoạt động

Hoạt động dựa trên nguyên lý cầu điện trở cân bằng Wheatstone. Giá trịlực tác dụng tỉ lệ với sự thay đổi điện trở cảm ứng trong cầu điện trở, và do đótrả về tín hiệu điện áp tỉ lệ.

3. Thông số kĩ thuật cơ bản

- Độ chính xác: cho biết phần trăm chính xác trong phép đo. Độ chính xác phụ thuộc tính chất phi tuyến tính, độ trễ, độ lặp.

- Công suất định mức: giá trị khối lượng lớn nhất mà Loadcell có thể đo được.

- Dải bù nhiệt độ: là khoảng nhiệt độ mà đầu ra Loadcell được bù vào, nếu nằm ngoài khoảng này, đầu ra không được đảm bảo thực hiện theo đúng chi tiết kĩ thuật được đưa ra.

- Cấp bảo vệ: được đánh giá theo thang đo IP, (ví dụ: IP65: chống đượcđộ ẩm và bụi).

- Điện áp: giá trị điện áp làm việc của Loadcell (thông thường đưa ra giá trị lớn nhất và giá trị nhỏ nhất 5 - 15 V).

- Độ trễ:hiện tượng trễ khi hiển thị kết quả dẫn tới sai số trong kết quả. Thường được đưa ra dưới dạng % của tải trọng.

- Trở kháng đầu vào: trở kháng được xác định thông qua S- và S+ khi Loadcell chưa kết nối vào hệ thống hoặc ở chế độ không tải.

- Điện trở cách điện: thông thường đo tại dòng DC 50V. Giá trị cách điện giữa lớp vỏ kim loại của Loadcell và thiết bị kết nối dòng điện.

- Phá hủy cơ học: giá trị tải trọng mà Loadcell có thể bị phá vỡ hoặc biến dạng.

- Giá trị ra: kết quả đo được (đơn vị: mV).

- Trở kháng đầu ra: cho dưới dạng trở kháng được đo giữa Ex+ và EX- trong điều kiện load cell chưa kết nối hoặc hoạt động ở chế độ không tải.

- Quá tải an toàn: là công suất mà Loadcell có thể vượt quá (ví dụ: 125% công suất).

- Hệ số tác động của nhiệt độ: Đại lượng được đo ở chế độ có tải, là sự thay đổi công suất của Loadcell dưới sự thay đổi nhiệt độ, (ví dụ: 0.01%/10°C nghĩa là nếu nhiệt dộ tăng thêm 10°C thì công suất đầy tải của Loadcell tăng thêm 0.01%).

- Hệ số tác động của nhiệt độ tại điểm 0: giống như trên nhưng đo ở chế độ không tải.

 

4.Phân loại

Có thể phân loại loadcells như sau:

- Phân loại Loadcell theo lực tác động: chịu kéo (shear loadcell), chịunén (compression loadcell), dạng uốn (bending), chịu xoắn (TensionLoadcell) .

- Phân loại theo hình dạng: dạng đĩa, dạng thanh, dạng trụ, dạng cầu,dạng chữ S

-Phân loại theo kích thước và khả năng chịu tải: loại bé, vừa, lớn.

5. Ứng dụng của Loadcell.

Một ứng dụng khá phổ biến thường thấy của Loadcell là được sử dụng trong các loại cân điện tử hiện nay.

 

Từ ứng dụng trong những chiếc cân kĩ thuật đòi hỏi độ chính xác cao cho tới những chiếc cân có trọng tải lớn trong công nghiệp như cân xe tải.

 

Một số ứng dụng khác:

- Trong ngành công nghệ cao:

Với nền khoa học kĩ thuật tiên tiến hiện nay thì loại Loadcell cỡ nhỏ cũng được cải tiến công nghệ và tính ứng dụng cao hơn. Loại Loadcell này được gắn vào đầu của ngón tay robot để xác định độ bền kéo và lực nén tác động vào các vật khi chúng cầm nắm hoặc nhấc lên.

 

- Phân phối đều trọng lượng trong công nghiệp:

Công nghệ sử dụng:

Các thế bào tải(Loadcell LSB and LCF Series) kết hợp với các thiết bị định hướng và thu thập dữ liệu qua máy tính hoặc PLC

Sơ lược hoạt động:

Các load cell được thiết kế để phù hợp với các ứng dụng tự động hóa trong công nghiệp để phân phối đều trọng lượng sản phẩm. Như thể hiện trong sơ đồ dưới đây, Loadcell được lắp đặt trong dây chuyền tự động hóa, giám sát việc phân phối khối lượng vào từng bao bì một cách chínhxác.

 

Hệ thống hoạt động:

+ Một tế bào tải được kết nối với thiết bị đo cần thiết.

+ Khi khối lượng sản phẩm cho phân phối vào thùng đủ yêu cầu, Loadcellsẽ phát ra tín hiệu tới bộ diều khiển băng tải để băng tải ngừng làm việc.

+ Tín hiệu khi băng tải dừng được truyền đến hệ thống phân phối thùng chứa để xuất thùng chứa.

+ Khi thùng chứa được phân phối sẽ phát ra tín hiệu để hệ thống phân phối sản phẩm tiếp tục hoạt động.

- Ứng dụng trong cầu đường

Các Loadcell được sử dụng trong việc cảnh báo độ an toàn cầu treo. Loadcell được lắp đặt trên các dây cáp để đo sức căng của cáp treo và sức ép chân cầu trong các điều kiện giao thông và thời tiết khác nhau.Các dữ liệu thu được sẽ được gửi đến một hệ thống thu thập và xử lí sốliệu. sau đó số liệu sẽ được xuất ra qua thiết bị truy xuất như điện thoại, máy tính, LCD. Từ đó có sự cảnh báo về độ an toàn của cầu. Từ đó tìm ra các biện pháp cần thiết để sửa chữa kịp thời.

VII)Cảm biến đo nhịp tim1)Giới thiệu

Khi tim co bóp nó sẽ đẩy máu đi khắp cơ thể, khi tim dãn ra dồn máu vào trong nó lúc này áp suất của máu trong động mạch giảm đi và khi tim co lại áp suất trong động mạch tang lên chinh sự thay đổi áp suất này làm thay đổi mức hấp thụ ánh sang của động mạch , do đó khi 1 ánh sáng truyền qua động mạch thì cường độ ánh sáng sau khi truyền qua động mạch sẽ biến thiên đồng bộ với nhịp tim, khi tim dãn ra áp suất máu nhỏ nên hấp thụ ít ánh sáng ánh sáng truyền qua động mạch có cườngđộ lớn ngược lại khi tim co vào áp suất máu lớn ánh sáng khi truyền qua động mạch sẽ có cường độ nhỏ hơn.

2)Nguyên lí

Cảm biến nhịp tim dựa trên nguyên lí cảm biến quang. Cảm biến gồm 2 led 1 led thu và 1 led phát dặt dưới ngón tay, khi có dòng máu sẽ có tín hiệu phản xạ. dựa vào các tín hiệu xung mà cảm biến quang thu đượcchúng ta có thể tính được nhịp tim.

3)ứng dụng

với cảm biến này thì chúng ta có thể chế tạo ra các máy đo nhịp tim vànồng độ oxy trong máu bằng phương pháp quang học. Dựa vào nguyên lí này hiện nay các điện thoại smartphone đã ra mắt ứng dụng đo nhịp tim trên điện thoại.

VIII) Cảm biến cháy1)cảm biến lửa

Cảm biến lửa hoạt động dựa trên nguyên lí: khi lửa cháy thì phát ra ánh sáng hồng ngoại, do đó ta sử dụng các linh kiện phát hiện tia hồngngoại để phát hiện lửa. Nguyên lí hoạt động là điện trở của các linh kiện thu sóng hồng ngoại tang nó chuyển tín hiệu thu được thành tín hiệu điện để báo động

2)Cảm biến khói.

a)Đầu báo khói ion hoá (còn gọi là báo khói ion) sử dụng một chất đồngvị phóng xạ như Americium 241 (nguồn phát hạt alpha – α) để tạo ra sự ion hoá trong không khí.

 

Đầu báo khói ion có độ nhạy cao trong giai đoạn cháy rực (khói không nhìn thấy) hơn so với đầu báo khói quang, trong khi đầu báo khói quanglại phát hiện tốt những đám cháy trong giai đoạn đầu âm ỉ.

 

Nếu có một số phần tử của khói chui vào buồng ion hoá, các ion sẽkết hợp với các phần tử khói làm giảm dòng điện giữa 2 điện cực. Một mạnh phát hiện sự suy giảm dòng đi ện và phát tín hiệu báo động. Ở trạng thái báo động, đèn LED trên đầu báo sẽ sáng đồng thời tín hiệu sẽ được chuyển về trung tâm báo cháy.

b)   Đầu báo khói quang điện (Photoelectric Smoke Detector):

Đầu báo khói quang điện hay còn gọi là đầu báo khói quang bao gồm một nguồn sáng nhỏ (LED phát hồng ngoại), một thấu kính hội tụ ánh sáng thành chùm tia và một cảm biến quang điện (photoelectric hoặc photodiode) đặt lệch góc với chùm tia hồng ngoại.

 

Buồng quang học (1) có cấu tạo đặc biệt để ánh sáng bên ngòai không thể lọt vào được, nhưng khói có thể dễ dàng đi vào. Bên ngoài của

buồng quang học có một lớp lưới để ngăn bụi và côn trùng chui vào bên trong.

 

Trong trường hợp bình thường (không có khói), chùm tia sáng được tạo ra từ đèn

phát hồng ngoại (5) đi theo đường thẳng không đến được đầu cảm biến quang (4).

 

Khi có khói vào bên trong buồng quang học ngang qua đường đi của chùm tia hồng ngoại, một số tia sáng bị khuyếch tán bởi các hạt khói đi đếnđầu cảm biến quang (4) và kích hoạt báo động. Khi đó, mạch điện sẽ chuyển tín hiệu hồng ngọai (quang) thành tín hiệu điện (báo động). Ở trạng thái báo động, đèn LED trên đầu báo sẽ sáng đồng thời tín hiệu sẽ được truyền về tủ báo cháy.

IX) Cảm biến từ trường ( cảm biến hall)1)Giới thiệu

Cảm biến Hall làm việc dựa trên hiệu ứng Hall. Khi từ trường tác dụng vào dòng điện trong vật dẫn theo những góc phù hợp, sẽ xuất hiện một hiệu điện thế Vh, được gọi là hiệu điện thế Hall. Hiệu điện thế này vuông góc với cả từ trường và dòng điện trong vật dẫn. Độ lớn Vhtỉ lệ thuận với cường độ dòng điện và từ trường, tính theo công thức:

VH = KH β I / z

VH - Hiệu điện thế Hall

KH  - Hằng số Hall

β  - Cường độ từ trường

I - Dòng điện chạy trong vật dẫn

z- Độ dày của vật dẫn

Hình 3. Mô tả cảm biến Hall.

Cảm biến loại này thường được chế tạo từ vật liệu bán dẫn (cả p và n đều được sử dụng với dòng điện phân cực phù hợp). Trong đo dịch chuyển, một bộ phận cảm biến Hall và một nam châm di động (tín hiệu ratỉ lệ với khoảng cách giữa 2 thành phần này) kết hợp với nhau, hoặc cóthể sử dụng 2 nam châm đặt cách đều như H. 4.

Hình 4. Đo dịch chuyển với cảm biến Hall.

Các cách sắp xếp này có giới hạn tuyến tính rất hẹp. Để tạo những cảm biến có khoảng đo rộng hơn, thường phải sử dụng nhiều cảm biến Hall đặt trên một giá đỡ và nam châm dịch chuyển dọc theo chiều dài giá đỡ.Khi nam châm lại gần và ra xa các thành phần cảm biến Hall, tín hiệu ra của cảm biến này sẽ tăng hoặc giảm tương ứng. Đầu ra của cả hệ

thống được xác định bằng cách đọc và giải mã tín hiệu của những cảm biến ở gần nam châm nhất.

Phương pháp này tạo được những cảm biến dịch chuyển tương đối chính xác và có thể dài tới vài mét. Nhược điểm chính là khó sản xuất và đắttiền bởi cần số lượng cảm biến Hall lớn.

2)ứng dụng

Cảm biến hall thường được dùng để xác định vị trí hoặc xác định tốc độ của vật chuyển động quay (led quay).

Hình ảnh một số cảm biến Hall

X) led RGB1) Giới thiệu

 Trong kỹ thuật hiển thị màu sắc của điểm ảnh người ta dùng cách phối hợp tỉ lệ về cường độ sáng của 3 nguồn ánh sáng có màu cơ bản là: Màu đỏ(Red), Xanh lá(Green) và xanh dương(Blue). Dựa vào cách thức này ta có thể tạo được LED RGB bằng cách ghép 3 LED đơn có 3 màu đỏ, xanh lá và xanh dương lại với nhau.

            - Đặc điểm của việc phối hợp màu:

                + Góc nhìn: khi ta lại gần nguồn sáng thì góc nhìn sẽ rộng, do đó sẽ phân biệt được những chi tiết nhỏ, nên cần ghép 3 điểm lại gần với nhau thì việc phối hợp màu sẽ không bị phát hiện ra. Nhưngở khoảng cách xa hay nguồn sáng hay bị che chắn bởi lớp vật liệu mờ ( Mica, Kính bắn cát...) thì các điểm gần sẽ trở thành 1 điểm mà mắt không thể phân biệt được, nên ta có thể tạo ra sự phối hợp đa sắc màu bằng cách ghép những LED đơn có 3 màu cơ bản(R,G,B) để cho giá thành thấp hơn và linh hoạt hơn vào những ứng dụng đòi hỏi công suất sáng cao: Sàn nhảy, Hộp đèn đổi màu...

2)ứng dụng

Nhờ vào sự phối màu của led RGB nên nó được ứng dụng nhiều trong lĩnh vực giửi trí và quảng cáo như: biển quang báo, hiệu ứng trên các sân khấu, các biên trang trí…..

một số hình ảnh về led RGB

XI) Cảm biến âm thanh1)Giới thiệu

Cảm biến âm thanh sử dụng microphone điện động.

Phát hiện (Cảm biến) âm thanh, tiếng động xung quang…Có thể điều chỉnhđộ nhạy cảm biến

Khi có âm thanh lớn từ môi trường bên ngoài, thiết bị sẽ khuếch đại tín hiệu và trả về HIGH .

Cảm biến âm thanh có 2 ngõ ra: analog và digital.

Ngõ analog cho biết hiệu điện thế đầu ra.

Ngõ digital có 2 mức LOW, HIGH.

Ứng dụng

Phát hiện tiếng động

Cảnh báo , báo động trộm

Hệ thống điều khiển bằng âm thanh .

2)Nguyên lý hoạt động

- Phát hiện âm thanh đủ lớn từ môi trường

- Chân OUT bình thường là mức cao (1), khi có âm thanh, tiếng động vượt quá ngưỡng so sánh của Ic opam thì chân OUT đạt mức thấp (0)- Chân OUT có thể được kết nối trực tiếp với vi điều khiển để phát hiện âm thanh.

- Chân OUT có thể điều khiển trực tiếp một Rơ le (50mA)

XII) Cảm biến rung1)Giới thiệu

Cảm biến rung được sử dụng để đo độ rung. Nó có thể kích hoạt từ mọi góc độ và thường được sử dụng cho việc đo cảm ứng chạm, rung, sốc

2)ứng dụng

Báo động tự động

Phát hiện chuyển động

Các ứng dụng phát hiện rung động

.Giới thiệu module cảm biến rung SW-18015p

Thông số kỹ thuật

– Đầu ra số : D0– Led xanh báo phát hiện rung động, tín hiệu đầu ra DO ở mức thấp.– Cổng ra DO có thể điều khiển một Rơ le 5V, hoặc được đưa trực tiếp và chân ngắt của MCU– Dùng LM393 để so sánh điện áp– Điện áp làm việc: 3.3 – 5VDC. Có đèn led đỏ báo nguồn– Có thể điều chỉnh độ nhạy của module cảm biến.– Kích thước: 3.2cm X 1.4cm.

3)Nguyên lý hoạt động

Theo sơ đồ mạch nguyên lý dưới: Khi module cảm biến rung được kích hoạt, khi đó sẽ có sự thay đổi điện áp tại đầu vào của Ic LM393. Ic này nhận biết có sự thay đổi nó sẽ đưa ra một tín hiệu thấp để báo hiệu có sự rung động.

XII) Cảm biến độ ẩm của đất1)Giới thiệu.

Cảm biến phát hiện độ ẩm đất, bình thường đầu ra mức thấp, khi đất thiếu nước đầu ra sẽ mức cao, độ nhạy có thể điều chỉnh được bằng biếntrở. Cảm biến có thể sử dung tưới hoa tự động khi không có người quản lý khu vườn của bạn…Độ nhạy của cảm biến độ ẩm đất có thể điều chỉnh được

Phần đầu dò được cắm vào đất để phát hiện độ ẩm, khi độ ầm của đất đạtngưỡng thiết lập, đầu ra DO sẽ chuyển trạng thái từ mức thấp lên mức cao

2) Cảm biến độ ẩm đất được bán trên thị trường

Thông số kỹ thuật

Điện áp hoạt động: 3.3V-5V

Kích thước PCB: 3cm * 1.6cm

Led đỏ báo nguồn, Led xanh báo độ ẩm vượt ngưỡng

Ic so sánh : LM393

VCC: 3.3V-5V

GND: Đất

DO: Đầu ra số (0 và 1)

AO: Đầu ra tương tự

Nguyên lý hoạt động

Theo sơ đồ mạch nguyên lý dưới: Khi module cảm biến độ ẩm được kích hoạt, khi đó sẽ có sự thay đổi điện áp tại đầu vào của Ic LM393. Ic này nhận biết có sự thay đổi nó sẽ đưa ra một tín hiệu thấp để báo hiệu. và thay đổi như thế nào sẽ được tính toán để đọc độ ẩm đất.

1. Mô-đun độ ẩm đất là nhạy cảm nhất với độ ẩm môi trường xung quanh thường được sử dụng để phát hiện độ ẩm của đất.

2. Khi độ ẩm của đất vượt quá giá trị ngưỡng được thiết lập, đầu ra của module D0 ở mức thấp.

3. Đầu ra D0 có thể được kết nối trực tiếp với vi điều khiển, để phát hiện cao và thấp, và do đó để phát hiện độ ẩm của đất;

4. Đầu ra tương tự AO có thể được kết nối với bộ chuyển đổi ADC, bạn có thể nhận được các giá trị chính xác hơn độ ẩm của đất;