Giới thiệu cơ bản về cảm biến đo lường
Sản xuất công nghiệp ngày nay đã đạt tới trình độ cao về độ tinh xảo trong các thiết kế sản phẩm và phương thức sản xuất. Để đạt được điều này nhà sản xuất cần tới sự trợ giúp của các loại cảm biến hình ảnh và cảm biến đo lường.
Các ví dụ về ứng dụng của Cảm biến đo lường thông minh.
Các cảm biến đo lường công nghiệp xuất hiện ở nhiều ứng dụng và các quá trình sản xuất công nghiệp.
Thông thường các cảm biến này được dùng để kiểm soát chất lượng hoặc định vị chính xác vật thể.
Người ta thường dùng kết hợp một hoặc nhiều cảm biến chính xác và các dữ liệu đo được trong quá trình xử lý tổng thể để đạt tới kết quả mong muốn. Để giải quyết các ứng dụng như vậy cần tới các chuyên gia có kinh nghiệm.
Bạn hãy nhấn vào hình bên phải để xem một số ví dụ về sử dụng Cảm biến đo lường trong công nghiệp.
Định nghĩa Cảm biến đo lường thông minh
Cảm biến đo lường của Omron không chỉ đưa ra giá trị đo mà còn cung cấp các chức năng thông minh đi kèm giúp người sử dụng cài đặt và vận hành một cách dễ dàng. Ví dụ:
- Xử lý các thuật toán như góc ren, các giá trị nhỏ nhất/lớn nhất.
- Tự động điều chỉnh nguồn phát laze cho phù hợp ứng dụng (các cảm biến dòng ZS, ZX2, ZX1)
- Kiểm soát nhiều đầu cảm biến
Thuật ngữ về Cảm biến đo lường thông minh.
Trước khi tiếp tục, chúng ta cần xem qua một số định nghĩa cơ bản để có thể đánh giá được đặc tính của những cảm biến này cũng như khả năng ứng dụng của chúng. Đó là:
- Độ tuyến tính (Linearity)
- Độ phân giải (Resolution)
- Độ chính xác (Accuracy)
- Độ chuẩn xác (Precision)
Độ tuyến tính (Linearity)
Tín hiệu đầu ra của cảm biến sẽ tỷ lệ tuyến tính với giá trị đo lường tương ứng.
Trong thực tế, có độ lệch (deviation) giữa giá trị thực và giá trị đầu ra của cảm biến. Độ lệch này là một trong những thông số cho biết chất lượng của cảm biến đo lường và được gọi là độ tuyến tính trong tài liệu kỹ thuật.
Độ phân giải (Resolution)
Độ phân giải trong các cảm biến đo lường và cảm biến đo độ dịch chuyển của OMRON được hiểu là dao động nhỏ của đầu ra khi cả đối tượng cần đo và cảm biến đều ở trạng thái ổn định.
Độ phân giải có mối liên hệ chặt chẽ với độ chuẩn xác của cảm biến và nó chính là mức nhiễu tín hiệu của cảm biến. Độ phân giải cũng bị ảnh hưởng bởi màu sắc, bề mặt của đối tượng và đặc tính của cảm biến.
Hiệu chỉnh CMOS, quang học, và thuật toán phần mềm trong một số cảm biến có thể giảm bớt ảnh hưởng của màu sắc và bề mặt của đối tượng cần đo tới độ phân giải.
Trong những ứng dụng với đối tượng di chuyển, cảm biến được chọn cần có độ phân giải tốt hơn từ 10 đến 100 lần so với loại được chọn dùng để đo vật tĩnh.
Để cải thiện độ phân giải thì cảm biến đo lường và cảm biến đo độ dịch chuyển cần tính toán lấy giá trị trung bình của nhiều phép đo.
Ví dụ trong tài liệu kỹ thuật ở bên phải, giá trị về độ phân giải được tính dựa trên giá trị trung bình của 4069 lần đo.
Độ phân giải sẽ tăng nếu cảm biết được thiết lập lấy giá trị trung bình của nhiều lần đo hơn. Tuy nhiên thời gian đáp ứng cũng tăng theo.
Một số cảm biến có thể tự tối ưu số lần đo như cảm biến ZX2 và ZX1 của OMRON. Chúng ta sẽ tìm hiểu kỹ hơn về cảm biến này ở bài sau.
Công thức thường dùng khi lựa chọn cảm biến là độ phân giải nên gấp 10 lần so với ứng dụng yêu cầu.
Ví dụ: Nếu ứng dụng yêu cầu độ phân giải 1mm, thì nên chọn cảm biến có độ phân giải tối thiểu là 100µm.
Độ chính xác và độ chuẩn xác
Độ chính xác (Accuracy) là độ lệch của giá trị đo hay giá trị tính toán so với giá trị thực. Nó phản ánh tất cả những sai số có thể có như là sai số căn chỉnh, sai số phép đo, sai số do nhiệt độ thay đổi.
Độ chuẩn xác (Precision) – còn được gọi là khả năng lặp lại – là cấp độ cho thấy giá trị đo lường hay tính toán của nhiều phép đo là như nhau hoặc tương tự nhau.
Với hầu hết các ứng dụng đo độ dịch chuyển thì độ chuẩn xác cao quan trọng hơn độ chính xác cao.
Vậy khác biệt giữa cảm biến đo lường (measurement) và cảm biến độ dịch chuyển (displacement)là gì ?
Tài liệu cảm biến thường phân biệt giữa và cảm biến đo lường và cảm biến đo dịch chuyển.
Cảm biến đo lường (measurement) có khả năng đo một giá trị hay khoảng cách tuyệt đối. .
Cảm biến đo độ dịch chuyển (displacement) thì đo giá trị tương đối (ví dụ di chuyển từ vị trí A tới vị trí B) .
Cảm biến đo lường cùng nhóm với cảm biến đo dịch chuyển bởi vì chúng căn theo một giá trị tham chiếu đã biết để tính được giá trị khoảng cách tuyệt đối.
Các công nghệ Cảm biến đo lường thông minh
Hiện có nhiều công nghệ được sử dụng cho các loại cảm biến đo và cảm biến dịch chuyển.
Trong khóa này chúng ta sẽ tập trung vào các loại chính được ứng dụng trong cảm biến đo và cảm biến dịch chuyển của Omron:
- Công nghệ Tam giác laze (Laser Triangulation)
- Micro-mét laze (Laser Micrometer)
- Công nghệ Đo tiếp xúc
- Đo theo nguyên lý cảm ứng từ
Công nghệ Tam giác Laze (Laser Triangulation)
Các cảm biến sử dụng nguyên lý Tam giác Laze xác định vị trí của đối tượng bằng ánh sáng phản xạ lại từ bề mặt vật. Một tia laze được phóng về đối tượng và tia phản xạ được tập trung bằng 1 ống kính quang học vào thiết bị cảm nhận ánh sáng hay đầu thu.
Nếu vị trí đối tượng thay đổi từ vị trí tham chiếu, vị trí của điểm phản xạ ánh sáng trên đầu thu cũng thay đổi theo. Vị trí của điểm này được chuyển đổi sang giá trị đầu ra số hay tương tự tỷ lệ với vị trí của đối tượng.
Khoảng cách phát hiện xa, tốc độ và độ phân giải cao cho phép cảm biến Laze ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp.
Xem thêm về công nghệ này tại: Công nghệ Tam giác Laze
Công nghệ Micro-mét Laze (Laser Micrometer)
Micro-mét Laze tạo ra 1 dải ánh sáng giữa đầu phát và đầu thu. Ở đầu phát, 1 ống kính chuẩn trực (collimation lens) mở rộng tia laze thành 1 dải sáng. Ở đầu thu, có 1 dải các cảm biến nhận ánh sáng (ví dụ CCD) để phát hiện vị trí dải ánh sáng bị chắn, dù là nhỏ nhất.
Do vậy, Micro-mét Laze phát hiện các góc cạnh, đo được đường kính và tính toán chính xác vị trí của vật nằm trong dải sáng. Phương pháp đo này rất ổn định thậm chí cho cả đối tượng trong suốt hay bề mặt bóng loáng. Độ phân giải điển hình của Micro-mét Laze là 10µm.
Xem thêm các ứng dụng tại: ứng dụng Công nghệ Micro-mét Laze
Công nghệ Đo tiếp xúc 
Cảm biến tiếp xúc được dùng để đo kích thước của đối tượng với độ chính xác cao như máy công cụ hay chi tiết ôtô và cho độ phân giải cao nhất trong số các công nghệ đề cập trong khóa này (ví dụ ZX-T có độ phân giải 0.1µm).
Cảm biến đo tiếp xúc cũng nên được dùng cho các ứng dụng mà đối tượng có thể dính dầu mỡ hay các phần tử vi mô.
Vì việc đo của cảm biến đo tiếp xúc cần một thời gian nhất định nên nó không thể ứng dụng cho các quá trình tốc độ cao.
Ứng dụng:
| Đo độ dày pít tông | Đo độ méo của tấm che ổ cứng HDD |
 |
 |
Công nghệ đo theo nguyên lý cảm ứng từ
Cảm biến dịch chuyển đo theo nguyên lý cảm ứng từ dùng 1 trường điện từ dao động để đo khoảng cách đến vật. Do vậy nó chỉ phát hiện được các đối tượng là kim loại.
Cảm biến loại này thường có độ phân giải 1µm và thời gian đáp ứng khoảng 150µs.
Cảm biến dịch chuyển cảm ứng từ được dùng trong các môi trường khắc nghiệt như ngành chế tạo ô tô, máy gia công kim loại.
Dưới đây là ví dụ ứng dụng kiểm soát độ lệch tâm.
