ĐỀ TÀI CẢM BIẾN SỢI QUANG Hình 1: Trong hệ cảm biến cáp quang, phát thu đặt khoang Cáp quang nối với khuếch đại cho phép cảm biến tiếp cận khu vực mà cảm biến quang điện bình thường tới Hệ cảm biến hệ thống gồm đường cáp quang nối với cảm biến khuếch đại Cảm biến phát, thu, chuyển đổi lượng ánh sáng thành tín hiệu điện Cáp quang đóng vai trò phương tiện vận chuyển ánh sáng vào khu vực hẹp chịu điều kiện khắc nghiệt Cáp quang gồm lõi nhựa kính bọc lớp vải đặc biệt có chiết suất , bán kính a ( 10 ÷ 100 µm ) vỏ có chiết suất < dày ~ 50 µm Hình Cáp quang hoạt động theo nguyên tắc phản xạ nội toàn phần : Hình Ở mặt phân cách hai môi trường có chiết suất tương ứng ,các góc tia sáng tạo thành với đường trực giác mặt phẳng liên hệ với công thức : sin Khi > = sin xảy tượng phản xạ toàn phần nếu: > Arcsin [ ] = Với điều kiện ,trong cáp quang tia sáng bị giam giữ lõi truyền sóng phản xạ liên tục nối tiếp Hình Hình Vật liệu dùng để chế tạo cáp quang gồm : - tinh khiết pha tạp nhẹ - Thủy tinh, thành phần phụ gia , , … - Polyme ( số trường hợp) Sợi cáp quang làm thủy tinh nhựa  Sợi quang thủy tinh : Sợi quang thủy tinh có cấu tạo bó sợi thủy tinh có đường kính khoảng 0.051 mm bọc lớp PVC thép không rỉ mềm Thủy tinh chịu ăn mòm, làm việc điều kiện khắc nghiệt nhiệt độ cao ăn mòn Các bó sợi thủy tinh chịu nhiệt độ 450ºF, loại đặc biệt chịu tới 1200ºF Tuy nhiên sợi thủy tinh chịu độ uốn định, bẻ ngoặt , kéo dãn chịu độ rung lớn nhiều sợi bị đứt gãy làm ảnh hưởng tới khả truyền tín hiệu cáp  Sợi quang nhựa : Hình Gồm sợi có đường kính 0.254 ÷ 1.52 mm Sợi nhựa mềm đặc biệt thích hợp cho cho ứng dụng yêu cầu độ mềm dẻo lớn để vượt qua chỗ hẹp Hãng Omron số nhà sản xuất khác phát triển loại sợi nhựa siêu bền nhiều lõi linh hoạt Khác với loại nhựa truyền thống, chúng có nhiều lõi độc lập, có độ mềm gần với dây điện , bẻ gập 90º mà không làm giảm độ truyền sáng Sợi quang thông thường : Chỉ sử dụng lõi phần lớp vỏ Gập sợi quang bị gẫy giảm cường độ ánh sáng Sợi quang linh hoạt : Có chứa nhiều lõi độc lập tất bao bọc lớp vỏ Sợi quang bị gập lại vuông góc mà không gẫy làm giảm cường độ ánh sáng Nhiều sợi quang linh hoạt cho việc lắp đặt dễ dàng mà không cường độ ánh sáng, sử dụng loại cáp khác Khi bảo vệ lớp Teflon* , nylon poly – propylen, sợi quang nhựa có khả chịu khắc nghiệt gần sợi thủy tinh Mức độ giảm lượng ánh sáng đường truyền cáp quang chịu ảnh hưởng yếu tố : - Vật liệu sợi cáp - Khoảng cách truyền - Bước song ánh sáng Sợi thủy tinh ổn định với bước sóng Sợi nhựa có xu hướng hấp thụ ánh sánh từ LED hồng ngoại Các LED phát ánh sáng nhìn thấy ánh sáng đỏ bị giảm lượng truyền qua cáp quang nhựa nên sử dụng rộng rãi * Teflon : nhãn hiệu đăng ký Công ty Dupont Công ty hoá chất Dupont Mitsui cho vật liệu Fluoride resin, có khả chống lại môi trường hóa chất khắc nghiệt Các chế độ cảm biến cấu hình : Do hệ cảm biến cáp quang dựa công nghệ cảm biến quang điện nên chúng cho phép chế độ cảm biến quang điện ( phản xạ khuếch tán ,xuyên qua, phản xạ ngược ) Hai loại cấu hình cảm biến sợi quang riêng rẽ hai nhánh : - Cấu hình cảm biến xuyên qua hình gồm nhánh Một cáp nối với phát cảm biến xa, dùng để dẫn hướng ánh sáng tới vị trí cảm nhận Cáp lại nối với thu cảm biến dùng để dẫn hướng ánh sáng từ vị trí cảm nhận ngược cảm biến Các cáp phát cáp phát đặt đối diện nhau.Tín hiệu cảm biến thu nhận ánh sáng truyền từ cáp phát cáp thu bị gián đoạn Cấu hình cảm biến hai nhánh dùng cho chế độ cảm biến phản xạ khuếch tán phản xạ ngược - Ngược với cấu hình hai cáp riên rẽ , cấu hình hai nhánh kết hợp cáp phát cáp thu thành sợi cáp thu phát xếp đặt song song theo chiều dài cáp ( xem hình )và xoắn ngẫu nhiên điểm cảm biến Khi vật thể đặt trước đầu cảm biến, ánh sáng từ cáp phát phản xạ vật thể ngược cáp thu phát vật thể Hình Những lợi ích ứng dụng sợi quang : Ứng dụng quan trọng cáp quang truyền thông tin.Truyền thông tin dạng tín hiệu ánh sáng truyền cáp quang để tránh tín hiệu điện từ ký sinh để đảm bảo cách điện mạch điện nguồn máy thu.Trong ứng dụng thông tin truyền chủ yếu cách mã hóa xung ánh sáng , sử dụng cách biến điệu biên độ tần số ánh sáng Cáp quang cho phép quan sát đo đạc phương pháp quang chỗ khó tiếp cận môi trường độc hại Sử dụng cáp quang dẫn ánh sáng đến vị trí mà điều kiện bình thường ánh sáng chiếu tới Trong số trường hợp tín hiệu quang ( phát sinh cách biến điệ ánh sáng ) tác động đại lượng vật lý làm thay đổi tính chất quang cáp quang thay đổi điều kiện lan truyền sóng Như cáp quang đóng vai trò cảm biến để chuyển thay đổi đại lượng vật lý cần đo thành tín hiệu quang Cáp quang đóng vai trò thành phần khí, thụ động hệ cảm biến cáp quang, phận chuyển dời hay mạch điện nên hoàn toàn miễn dịch với tất nhiễu điện Đặc tính giúp cách ly phận điện tử hệ cảm biến (trong trường hợp cảm biến từ xa) với nguồn nhiễu điện biết trước Ngoài nguy phát sinh tia lửa điện, cho phép cảm biến hoạt động an toàn điều kiện nguy cao nhà máy lọc dầu, chế biến hóa chất, dược phẩm, hầm mỏ Những tiến gần : Các ứng dụng tự động hóa công nghiệp phức tạp cần có hệ thống cảm biến tinh vi, kích thước nhỏ Các nhà sản xuất Omron, Keyence, Banner Engineering SUNX Sensors bắt đầu cho loại cảm biến cáp quang hệ có LED hiển thị số dễ đọc Các giá trị số phần trăm cho phép người dùng theo dõi thiết lập xác cấu hình cho ứng dụng, giúp phát độ sai lệch vị trí nhỏ lớp bám đầu cáp bắt đầu làm giảm hiệu cảm biến Một số cảm biến cần dây nối Thí dụ E3X-DAN Omron cho phép nối 16 cảm biến dùng chung đường điện Một đầu nối chủ từ cảm biến chủ cấp điện tới cảm biến khách Các cảm biến cáp quang hai đầu kết hợp hai cảm biến hệ thống Một số mô hình cho hai đầu số độc lập đầu 10 số analog chung Một số loại có chức khóa đề phòng thay đổi cấu hình cài đặt vô ý Hầu hết loại cảm biến cáp quang hệ tích hợp CPU 12-bit 16-bit chuyển đổi A/D 12-bit cho độ phân giải cao thời gian phản hồi nhanh, số trường hợp nhanh tới 20 µs Một số loại có điều khiển từ xa : Một số hình ảnh cảm biến sợi quang : - Cảm biến sợi quang số hai giá trị E3X-DA-S hãng Omron: 11 - Bộ khuếch đại sợi quang E3X-NA hãng Omron : _ _ C c k oa ọc Mỹ uyê bố rằ ọ vừa x c đị ộ loạ bọ b ể số dư đ y b ể sâu có ể sả s sợ ỏ ro suố Loạ sợ ự ê ày có k ả ă ruyề s ố c qua ro vễ ô oà ra, ó cò ề dẻo c qua - loạ sợ dễ ãy k bị bẻ co qu ức Joa a A ze ber , ườ ụ r c ê cứu Tru Bell, ó "Loạ sợ s ọc ự ê ày có ể đe vẫ k ô ãy - đ ều ày ậ kz d u" 12 â ắ í ú V c ê ỹ ều "Lẵ oa Ve us", ố bọ b ể ro suố ày sử dụ vậ l u ự ê để sả s sợ ề dẻo độ ấ C í đ ều c o é c c k oa ọc y vọ â bả sợ ự ê H ay, ọ ươ sả xuấ sợ qua đò ỏ sử dụ độ cao k ế c o sợ bị dò , dễ ãy T eo A ze ber , ố bọ b ể ày cò có ể bổ su a r vào sợ , ă k ả ă ruyề dẫ s - đ ều k ô ể ực đố v sợ qua đò ỏ độ cao Bà ó "Mộ ro c ức đố v cô đưa ụ a vào cấu rúc uỷ ằ uộc í qua ọc ếu c ú a b ế c í x c ả ế để đưa a r vào sợ qua độ ấ sợ ê ê ìc ú a có ể k ể so ấ ọ uộc í qua ọc" G ố bọ b ể ày s rưở vù c sâu đ Cao k oả 45 cm, k u ì lư ức , cấu ạo ợ c ấ s l c ó, ườ loà ô lấy rú ụ Ở dư ốc, c c sợ ro suố ạo ì vươ c ặ bọ b ể v đ y b ể Loạ sợ ày ườ dà đế 17 c , ỗ sợ có kíc c bằ sợ óc ườ ê cứu ó rê ộ ro k ấ uộc lĩ vực ỏ s ọc Đây ỗ lực ằ ì ểu c ế ố s ọc dụ c c uyê ắc ó vào cô Mặc dù k ô rực ế a a Ger R c o d, óa ọc k oa ọc vậ c ấ uộc Đạ ọc Ore o , vẫ rấ qua â đế ê cứu ày Bà ó "Đây ộ ví dụ uy vờ uy vờ ê ê k ế kế xây dự ê ố ức C ú a có ể vẽ ĩ c c đ ều 13 k ể đ " ó, so v ê ê ìc ú a vẫ cò đa kz đồ Ra dy Koc evar, s ọc b ể uộc Tru â T uỷ s Mo erey Cal for a c o rằ ỏ s ọc ực ộ " ă dò s ọc" dư đ y b ể Ô ó " ườ v c ro cô , y dược oặc cô s ọc oả oà ì k ế c c ợ c ấ đ c ú { dư đ y b ể sâu Ở có ều uồ lợ lạ cò c ưa k a c." Tro ă ầ đây, ườ a k loạ e zy e lấy v k uẩ a ỡ ro c lạ để ế c ấ lượ ặ ; ro e s loà sứa c o é b c sĩ ẫu uậ c ếu s cắ bỏ ế bào u ư; ộ loạ e zy e k c lấy v k uẩ số ầ c cố u uỷ dư đ y b ể có ể ú â cao c ấ lượ AD Koc evar ó rằ rư c k ế ê cứu bọ b ể , A ze ber k rê l vỏ ộ loà b ể có ều ấu kí í o " ắ " c u , ợ { c o kỹ sư ẫu y b ế ố dẫ Ô ó "T ậ k ô ể ổ.C ú ô qua s vậ k ô xế vào loà có ị c ì c c uộc í qua ọc uy vờ ay ro ể c ú " 14 _ Mộ ó c c kỹ sư Mỹ vừa c c c ế ạo sợ c qua rỗ cỡ a o é ( ầ r u l é ), có ể ruyề s v ốc độ cực a ú vào ộ du dịc để ạo vỏ bọc, u ó ro lò ằ đố c y lõ ơ, để lạ ộ l vỏ bọc rỗ ì ố Quy rì ả ày Yus a Ya Cal for a R vers de (Mỹ) s c ế, ươ ú ộ sợ bấc vào du dịc s ộ ự ó kỹ sư Đạ ọc v c ế , bằ c c Trư c ê , ó ê cứu lấy đoạ dà k oả c loà e la ada ascar e s s Mada ascar, ắ c c đầu vào ộ ả bìa , rồ ú ều lầ vào du dịc e rae yl or os l ca e T ế đó, ọ để k ô ự ê sợ “bọc o” ày, rồ đe u đế 420 độ C ằ đố c y lõ bê ro , cò rơ lạ l vỏ bọc ì ố Tro lò u , l o bọc ày co ó lạ ấ lầ , ạo ố s l c rỗ có đườ kí c ỉ ộ cro é (bằ ộ ầ ì l é ) C c k oa ọc dự k ế ạo cấu rúc ì ố ỏ a C ẳ , ọ sử dụ loạ ả ấ có đườ kí c ỉ 10 a o é loà S e ody us ac f cus, â bố Tru Đô a Á Cộ v độ co rú ro lò u , ó k oa ọc y vọ ạo ố rỗ có đườ kí c ỉ k oả a o é V c c ươ ruyề ố ay, ườ a c ỉ có ể ạo ố có đườ kí ố ểu 25 a o é 15 oà ứ dụ ro lĩ vực ruyề dẫ s , ố rỗ cố cũ có ể sử dụ để â cao độ â ả kí ể v qua ọc, oặc ố ú cỡ a o ro c c ế bị b ế , có ể ú â óa c ấ C o ay, ườ a vẫ ườ dù ố a o carbo để c ế ạo c c se sor, c ú bị cấu rúc, ì d kíc cỡ Tro k đó, c c ố rỗ cố có ể có kế cấu ùy { _ V da bậc ầy s , Hộ đồ k oa ọc oà a T ụy Đ ể quyế đị rao ả obel Vậ l{ 2009 v ộ ửa uộc o sư ốc Hoa C arles K Kao, P ò í vễ ô S a dard, Harlow, A , ựu độ l ê qua đế ruyề dẫ s qua sợ qua ; ộ ửa uộc a k oa ọc Mỹ W llard S Boyle Geor e E S c os c ế ạc b dẫ ì ả h – b ế CCD 16 Ha k oa ọc Mỹ W llard S Boyle Geor e E S Tro ô c o ì , Hộ đồ c o b ế a ự k oa ọc ày ú ì ê ề ả bả c o c c xã ộ ày ay Họ ạo bư c độ ro ứ dụ cô ực ễ a lạ { ưở c o cô cụ ục vụ c o ê cứu k oa ọc ă 1966, o sư C arles K Kao k c c ức ruyề dẫ s qua sợ c qua V ộ sợ uầ ủy , í u s có ể ruyề dẫ v k oả c c 100 k so v k oả c c ô dụ 20 é ă 1960 uyế ô ạo ứ c o c c ê cứu k c ế ục rể ề ă sợ qua Sợ qua s uầ c ấ đầu ê c ế ạo cô c ỉ ă sau đó, ă 1970 Ứ dụ sợ qua ạo ê ề ả c o ruyề ô bă ô rộ oà cầu I er e ày ay Á s ruyề dẫ ro sợ qua ỏ, a í u oạ , d l u eo ấ c c c ều c , ì ả , ạc, … có ể ruyề ả k ắ ọ rê ế ro a c ỉ í bằ ây 17 Ha vậ l{ W llard S Boyle Geor e E S ă 1969 CCD (charge-coupled device), cô ì ả sử dụ b ế số đầu ê Cô CCD k a c u ứ đ qua eo l{ uyế Alber E s e (cũ đoạ ả oble Vậ l{ ă 1921) T eo l{ uyế , u ứ ày, s có ể c uyể í u đ Vấ đề k ế kế ộ b ế ì ả v c u ậ đọc c c í u ày sau c uyể số lượ c c đ ể ả ộ ì ả ro ộ k oả a rấ ắ Cả bế ì ả 18 CCD CCD co r y ả số V c s c ế ế bị ày ạo ê ộ c c c c ro ế ả ,k s có ể đ óa rê b ế ay qu rì óa ọc rê Dạ ả số óa ày c o é qu rì xử l{ â ố ì ả rở ê uậ dễ dà Bê cạ đó, cô CCD cũ sử dụ ro rấ ều ứ dụ y ọc cô ộ so ro c ẩ đo v ẫu Số ề ưở rị 10 r u Crow T ụy Đ ể (k oả 1,4 r u USD) c a 50% c o o sư C arles K Kao 50% c o a vậ l{ W llard S Boyle Geor e E S 19 [...]... còn có chức năng khóa đề phòng thay đổi cấu hình cài đặt do vô ý Hầu hết các loại cảm biến cáp quang thế hệ mới tích hợp một CPU 12-bit hoặc 16-bit và một bộ chuyển đổi A/D 12-bit cho độ phân giải cao và thời gian phản hồi nhanh, trong một số trường hợp có thể nhanh tới 20 µs Một số loại còn có điều khiển từ xa : Một số hình ảnh của cảm biến sợi quang hiện nay : - Cảm biến sợi quang hiện số hai giá... hợp có thể nhanh tới 20 µs Một số loại còn có điều khiển từ xa : Một số hình ảnh của cảm biến sợi quang hiện nay : - Cảm biến sợi quang hiện số hai giá trị E3X-DA-S của hãng Omron: 11 - Bộ khuếch đại sợi quang E3X-NA của hãng Omron : _ _ C c à k oa ọc Mỹ uyê bố rằ ọ vừa x c đị được ộ loạ bọ b ể số dư đ y b ể sâu có ể sả s sợ ỏ ro suố Loạ sợ ự ê ày có k ả ă ruyề s ố ơ c qua ro vễ ô oà ra, ó cò ề dẻo... ều ày ậ là kz d u" 12 â ắ í à ú V c ê ỹ ều "Lẵ oa Ve us", ố bọ b ể ro suố ày sử dụ vậ l u ự ê để sả s ra sợ ề dẻo ở độ ấ C í đ ều đó c o é c c à k oa ọc y vọ â bả được sợ ự ê H ay, ọ ươ sả xuấ sợ qua đều đò ỏ sử dụ độ cao k ế c o sợ bị dò , dễ ãy T eo A ze ber , ố bọ b ể ày cò có ể bổ su a r vào sợ , là ă k ả ă ruyề dẫ s - đ ều k ô ể ực được đố v sợ qua đò ỏ độ cao Bà ó "Mộ ro c ức đố v cô là đưa ụ... 1969 đã ra CCD (charge-coupled device), cô ì ả sử dụ cả b ế số đầu ê Cô CCD k a c u ứ đ qua eo l{ uyế của Alber E s e (cũ đoạ ả oble Vậ l{ ă 1921) T eo l{ uyế , u ứ ày, s có ể được c uyể à í u đ Vấ đề k ế kế ộ cả b ế ì ả là v c u ậ và đọc c c í u ày sau đó c uyể à số lượ c c đ ể ả của ộ ì ả ro ộ k oả ờ a rấ ắ Cả bế ì ả 18 CCD CCD được co là r của y ả số V c s c ế ra ế bị ày đã ạo ê ộ cuộc c c c ... hiệu cảm biến Một số cảm biến cần dây nối Thí dụ E3X-DAN Omron cho phép nối 16 cảm biến dùng chung đường điện Một đầu nối chủ từ cảm biến chủ cấp điện tới cảm biến khách Các cảm biến cáp quang. .. cảm biến sợi quang riêng rẽ hai nhánh : - Cấu hình cảm biến xuyên qua hình gồm nhánh Một cáp nối với phát cảm biến xa, dùng để dẫn hướng ánh sáng tới vị trí cảm nhận Cáp lại nối với thu cảm biến. .. trường hóa chất khắc nghiệt Các chế độ cảm biến cấu hình : Do hệ cảm biến cáp quang dựa công nghệ cảm biến quang điện nên chúng cho phép chế độ cảm biến quang điện ( phản xạ khuếch tán ,xuyên