Đề tài Cảm biến đo vị trí, dịch chuyển, cảm biến siêu âm (HC_SR04,HC_SRF05)

Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải TP.HCM ĐỀ TÀI 8: Cảm biến đo vị trí, dịch chuyển, cảm biến siêu âm(HC_SR04,HC_SRF05) GVHD: Lê Mạnh Thắng Thành viên nhóm 4: 1. Phạm Hoài Nam 2. Dương Quốc Hưng 3. Trần Thế Phong Mục Lục Khái niệm 3 Cảm biến điện trở 3 Cảm biến điện dung 5 Cảm biến điện cảm 8 Cảm biến siêu âm 11 SR_F05 14 Khái niệm: Vị trí là thuật ngữ chỉ tọa độ của một đối tượng với chuẩn chọn trước Dịch chuyển là sự chuyển động của đối tượng từ vị trí này sang vị trí khác với một khoảng cách hoặc một góc nào đó Có 2 pp để xác định vị trí và dịch chuyển + Bộ cảm biến cung cấp tín hiệu là hàm phụ thuộc vị trí của một trong các phần tử của cảm biến, đồng thời phần tử này có liên quan đến vật cần xác định dịch chuyển + Ứng với một dịch chuyển cơ bản, cảm biến phát ra một xung. Việc xác định vị trí và dịch chuyển được tiến hành bằng cách đếm số xung phát ra Một số cảm biến không đòi hỏi liên kết cơ học giữa cảm biến và vật cần đo vị trí hoặc dịch chuyển. Mối liên hệ giữa vật dịch chuyển và cảm biến được thực hiện thông qua vai trò trung gian của điện trường, từ trường hoặc điện từ trường, ánh sáng Các loại thông dụng: + Cảm biến điện trở + Cảm biến điện dung + Cảm biến điện cảm + Cảm biến quang Cảm biến điện trở Cấu tạo và nguyên lý làm việc: Cảm biến gồm một điện trở cố định, trên đó có một tiếp xúc điện có thể di chuyển gọi là con chạy. Con chạy được liên kết cơ học với vật chuyển động cần khảo sát Cảm biến điện trở chuyển động thẳng Rx=lLRn Cảm biến điện trở chuyển động tròn hoặc xoắn Rα=ααnRn aM < 3600 (tròn) aM > 3600 (xoắn) Cảm biến điện dung Cảm biến kiểu tụ không tiếp xúc đo những thay đổi về tính chất điện tương ứng thường gọi là cảm biến điện dung. Điện dung mô tả hai vật dẫn điện cách nhau một khoảng phản ứng lại với sự chênh thế giữa chúng. Đặt một điện thế vào hai đầu của một điện trở ta được một tụ điện giữa hai vật dẫn đó (một đầu dương, một đầu âm) CẢM BIẾN ĐIỆN DUNG THÂN KIM LOẠI - Điện áp: 10-40VDC  - Khoảng nhận: 2-16 mm or 4-25 mm (adjustable)  - IP: 67 - Output: PNP/NPN - NO/NC  - Nhiệt độ: -25~80oC  - Tần số: 50Hz  - Thân: Thép không gỉ/nhựa  - Chống nhiễu cao CẢM BIẾN ĐIỆN DUNG THÂN VUÔNG - Thân: PC/ABS (35x55x15mm)  - Nhiệt độ : 0-50oC  - Điện áp : 10-30VDC  - IP: 65  - Khoảng nhận: 5-10mm  - Tần số 10Hz Các cảm biến kiểu tụ (hay điện dung) sử dụng điện thế xoay chiều tạo ra điện tích trái dấu ở phía của bản cực. Sự dịch chuyển của điện tích tạo ra dòng xoay chiều và được cảm biến phát hiện (hình 2). Điện dung = (Điện tích x Hằng số điện môi) / Khoảng cách giữa hai phân cực Dòng điện tích được xác đinh bởi giá trị điện dung, và tỷ lệ thuận với diện tích bề mặt và tỷ lệ nghịch với khoảng cách giữa hai vật thể. Điện dung dĩ nhiên cũng phụ thuộc vào đặc trưng điện môi của vật liệu giữa hai bản cực. Độ nhạy thông thường là 1 V/0.1 mm Cảm biến điện cảm Nguyên lý hoạt động: Cảm biến điện cảm hoạt động dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ Cảm biến điện cảm là một cuộn dây bằng đồng có đường kính từ 0.02mm ÷ 0.1mm được quấn trên lõi thép có khe hở không khí (mạch từ hở). Dưới tác động của đại lượng đo phần ứng dịch chuyển làm cho khe hở không khí thay đổi kéo theo từ trở của mạch từ thay đổi và điện cảm L cũng thay đổi. Biến áp vi sai thay đổi tuyến tính (LVDT) Cấu tạo: Gồm 1 cuộn sơ cấp, 2 cuộn thứ cấp và phần lõi sắt từ Cuộn sơ cấp được cấp nguồn AC, 2 cuốn thứ cấp được mắc ngược nhau Hoạt động: Ngõ ra là điện áp giữa 2 đầu cuộn thứ cấp phụ thuộc vào vị trí của lõi sắt từ. Khi lõi sắt ở giữa 2 cuộn thứ cấp, sẽ sinh ra điện áp bằng nhau và ngược dấu nhau à điện áp ra bằng 0. Khi vật di chuyển lên hay xuống thì làm cho điện áp của các cuộn thứ cấp tăng hoặc giảm. Đo điện áp ngõ ra để xác định độ dịch chuyển Ưu điểm: Phát hiện được cả khoảng cách và chiều di chuyển Chính xác Làm việc được trong môi trường khắc nghiệt Ít ảnh hưởng bởi rung động Nhược điểm: Không phù hợp cho việc đo khoảng cách lớn Ứng dụng: Đo dịch chuyển tuyến tính Đo vị trí Cảm biến siêu âm: Nguyên lý và cấu tạo: Siêu âm là sóng cơ học có tần số lớn hơn tần số âm thanh nghe thấy (trên 20kHz). Thính giác của con người rất nhạy cảm với dải tần số từ âm trầm (vài chục Hz) đến các âm thanh rất cao (gần 20kHz). Cảm biến siêu âm sử dụng nguyên lý phản xạ sóng siêu âm. Cảm biến gồm 2 phần: phần phát ra sóng siêu âm và phần thu sóng siêu âm phản xạ về Cảm biến sẽ phát ra 1 sóng siêu âm. Nếu có chướng ngại vật trên đường đi, sóng siêu âm sẽ phản xạ  lại và tác động lên module nhận sóng. Đo thời gian từ lúc phát và nhận sóng ta sẽ tính được khoảng cách từ cảm biến đến chướng ngại vật Thông số kỹ thuật: Cảm biến Thông tin Range Angle * Echoes ** Thời gian khác nhau Ghi chú Tối thiểu Tối đa Hc_SR04 Kỹ thuật số 3cm 3m 45° Một 100 μs - 36 ms Hc_SRF05 Kỹ thuật số 3cm 4m 45° Một 100 μs - 36 ms * : Ước tính góc của hình nón cảm biến ở ½ cảm biến. **: Số vang ghi lại bởi cảm biến. Đây là những tiếng vọng ghi từ lần đọc gần đây nhất, và được ghi đè mới bằng mỗi lần khác nhau. Ưu điểm: Đo được khoảng cách rời rạc của vật di chuyển Ít ảnh hưởng bởi vật liệu và bề mặt Không ảnh hưởng bởi màu sắc Tín hiệu đáp ứng tuyến tính với khoảng cách Có thể phát hiện vật nhỏ ở khoảng cách xa Nhược điểm: Sóng phản hồi bị ảnh hưởng của sóng âm thanh tạp âm Cần 1 khoảng thời gian sau mỗi lần sóng phát đi để sẵn sàng nhận sóng phản hồi à chậm hơn cảm biến khác Khó phát hiện vật có mật độ vật chất thấp ở khoảng cách xa Một số ứng dụng của cảm biến tiệm cận siêu âm: Đầu ra analog: 4 à 20mA/ 0 à 10V Nối connector ra (M12) Độ phân giải : 0.172 mm Nguồn vào: 10 à 30VDC Đo mực chất lỏng trong bồn Đo độ cao của 1 đống đồ Đo số lượng giấy bị cuốn Đo độ chùng của vật  Giới thiệu SR_F05 Để đo khoảng cách, ta có nhiều phương pháp đo khác nhau như siêu âm, hồng ngoại,lazer Trong phạm vi bài viết này, chúng ta sẽ sử dụng cảm biến siêu âm để đo khoảng cách, cụ thể là cảm biến SRF05 của Devantech. Hình 1: Cảm biến đo khoảng cách SRF05  CẢM BIẾN SIÊU ÂM SRF05 Cảm biến SRF05 là một loại cảm biến khoảng cách dựa trên nguyên lý thu phát siêu âm. Cảm biến gồm một bộ phát và một bộ thu sóng siêu âm. Sóng siêu âm từ đầu phát truyền đi trong không khí, gặp vật cản (vật cần đo khoảng cách tới) sẽ phản xạ ngược trở lại và được đầu thu ghi lại. Khoảng cách đo được của SRF05 nằm trong phạm vi từ 4cm đến 300cm. Hình 2: Nguyên lý thu phát siêu âm SRF05 có thể thiết lập 2 mode hoạt động khác nhau thông qua các chân điều khiển MODE. Nối hoặc không nối chân MODE xuống GND cho phép cảm biến được điều khiển thông qua giao tiếp dùng 1 chân hay 2 chân IO. Trong demo này,ta sẽ sử dụng mode thứ 2. Để điều khiển SRF05,đầu tiên xuất một xung với độ rộng tối thiểu 10uS vào chân TRIGGER-ECHO (chân số 3) của cảm biến. Sau đó vi xử lý tích hợp trên cảm biến sẽ phát ra tín hiệu điều khiển đầu phát siêu âm. Sau 700uS kể từ lúc kết thúc tín hiệu điều khiển, từ chân TRIGGER-ECHO có thể đọc ra một xung mà độ rộng tỉ lệ với khoảng cách từ cảm biến tới vật thể. Hình 6: Nguyên lý hoạt động của SRF05 ở mode 2