© Dr. H T Tran - IUH
SENSORS AND ACTUATORS
Dr. Toan Tran-Huu
Email: tranhuutoan@iuh.edu.vn
E-Learning: Trần Hữu Toàn
ocw.fet.iuh.edu.vn
© Dr. H T Tran - IUH
2
COURSE SYLLABUS
Name: SENSORS AND ACTUATORS
(For Computer Science; Automation Students, IoT)
Index: 2102705
Number of Credits: 2(2,0,4)
Exam & Evaluation: Exercise(E-Learning) – Experiment
– Mid-Term Exam – Final Exam
© Dr. H T Tran - IUH
3
Course Description
This course provides the knowledge of the devices called
sensors which can convert physical quantities to electrical ones.
o The first content of this course is mainly how a sensor can
work to measure physical quantities such as position, velocity,
force, pressure, temperature… based on basically physical
phenomena
© Dr. H T Tran - IUH
4
Course Description
o The second content of this course is characteristics and
operations of typical sensors/actuators used frequently in
industrial and practical environment such as proximity sensor,
position sensors, force sensors, temperature sensor, motors...
o And the last content is to how to choose, apply a sensory
system and put them together for an automatic & smart
systems
© Dr. H T Tran - IUH
5
Course Outcomes
• Instruction 1: Identify and use a sensor/actuator using characteristics of
digital/analog sensors such as: optical sensors, capacity sensor, inductive
sensor, position sensor, force sensor (load-cell).
© Dr. H T Tran - IUH
6
Course Outcomes
• Instruction 2: Concepts of characteristic curve of a sensor and its relation to sensor
calibration
Given any analog sensor, students will be able to specify and draw a characteristic
curve of the sensor or calibrate the sensor for an automatic system whose
parameters can be adjusted completely based on this curve.
© Dr. H T Tran - IUH
7
Course Outcomes
• Instruction 3: making a choice and put many sensors for a sensor in an automatic
and smart system
Given an automatic project or machine along with its operational principle, students
will be able to analyze, point out possible sensors, and make a choice of sensor to
design for the machine which can be automatically controlled through received signal
from the sensor.
© Dr. H T Tran - IUH
8
Contents
Chapter 1. Overview
Chapter 2. Sensors and Converters
Chapter 3. Actuators
Chapter 4. Applications of sensor & actuators
Exams
© Dr. H T Tran - IUH
References
1. Huu-Toan Tran, Lectures of sensors and actuators, Industrial
University of Ho Chi Minh City
2. Kilian, 2006, Thomson Learning Inc, Modern control technology:
Components and systems, 3rd Edition (ISBN-13: 978-1401858063,
ISBN-10: 1401858066)
3. Gerard C.M Meijer, Smart Sensor Systems, John Willey & Sons,
2008, ISBN: 978-0-470-86691-7
4. Jon S. Wilson. Sensor Technology Handbook. Copyright © 2005,
Elsevier Inc
9
© Dr. H T Tran - IUH
10
Course Evaluation
•
Excersice & Report Writing on E-Learning
(ocw.fet.iuh.edu.vn
/ https://lms.iuh.edu.vn/)
•
Mid-Term Exam
•
Final Exam (Writing/Interview, 4-5 questions, 90 minutes)
© Dr. H T Tran - IUH
11
CHAPTER I. OVERVIEW OF SENSORS
& ACTUATORS
1.1. Overview of automatic Control
1.1. Overview of automatic Control
1.1. Overview of automatic Control
 Sensors/actuators are common
 Usually integrated in a system (never alone)
 A system with various complexity levels cannot be
designed without them
 Definitions and terms are confusing
© Dr. H T Tran - IUH
CONCEPT OF MEASUREMENT AND CONTROL
 Robot arm control
Please specify the objectives of the elements and signals one by one
© Dr. H T Tran - IUH
CONCEPT OF MEASUREMENT AND CONTROL
 Motor control
© Dr. H T Tran - IUH
CONCEPT OF MEASUREMENT AND CONTROL
 Temperature control
Hãy xác định vai trò của từng phần tử, tín hiệu trong hệ thống điều khiển
tự động trên
© Dr. H T Tran - IUH
CONCEPT OF MEASUREMENT AND CONTROL
 Temperature control
© Dr. H T Tran - IUH
CONCEPT OF MEASUREMENT AND CONTROL
 Overview of an automatic control system
POWERs
PC/COMPUTER
PLANT
Set Point
CONTROLLER
RELAY/CONVERTER
DEVICEs
Feedback Signal
SENSORs
ACTUATORs
MECHANISM
/PHYSICAL SYSTEM
Outputs
1.2. Sensors
1
Definitions
2
Classification
3
Physical Principles
4
General specifications
5
Applications
1. Definition
 Chúng ta thấy cảm biến ở đâu?
1. Definition
Các đại lượng vật lý:
- Nhiệt độ T(0C)
- Vị trí X(mm)
- Lực F(N)
- Vận tốc v(rpm)
- Áp suất P(N/m2)
- …
CẢM BIẾN
(SENSOR)
Các đại lượng mang điện:
- Cường độ dòng điện
I(mmA)
- Điện áp U(V)
- Điện trở R(Ω)
- Điện dung C(F)
- …
1. Definition
 Also called: transducer, probe, gauge, detector, pick-up etc.
 Some definitions:
- A device that responds to a physical stimulus and transmits a
resulting impulse. (New Collegiate Dictionary)
- A device, such as a photoelectric cell, that receives and
responds to a signal or stimulus. (American Heritage Dictionary)
- A device that responds to a physical stimulus (as heat, light,
sound, pressure, magnetism, or a particular motion) and
transmits a resulting impulse (as for measurement or operating
a control) (Webster, 3rd ed., 1999)
1. Definition
Stimulus
Quantity
Acoustic
Wave (amplitude, phase, polarization), Spectrum,
Wave Velocity
Biological & Chemical
Electric
Magnetic
Fluid Concentrations (Gas or Liquid)
Charge, Voltage, Current, Electric Field
(amplitude, phase, polarization), Conductivity,
Permittivity
Magnetic Field (amplitude, phase, polarization),
Flux, Permeability
Optical
Refractive Index, Reflectivity, Absorption
Thermal
Temperature, Flux, Specific Heat, Thermal
Conductivity
Mechanical
Position, Velocity, Acceleration, Force, Strain,
Stress, Pressure, Torque
TAKING NOTE:
Definitions
Sensor
 A device that responds to a physical stimulus.
Transducer
 A device that converts energy of one form into
energy of another form.
Actuator
 A device or mechanism capable of performing a
physical action
Stimulus
 The quantity that is sensed.
 Sometimes called the measurand.
TAKING NOTE:
Definitions
Requirements for interfacing:
 Matching (impedances, voltages, currents, power)
 Transformations (AC/DC, DC/AC, A/D, D/A, VtoF, etc.)
 Matching of specifications (temperature ranges,
environmental conditions, etc.)
 Alternative designs
 Etc.
TAKING NOTE:
Definitions
Units
 SI units in most cases
 Standard units when understanding warrants it
(e.g. psi for pressure)
 Will avoid mixed units (a common problem in
sensors and actuators)
Definitions
Example - Temperature control
Sense the temperature of a CPU
Control the speed of the fan to keep the
temperature constant
2. Classification of Sensors
 Phân loại – Cảm biến (Sensor)
Đặc điểm
vật lý
Cấu tạo
Hiện tượng
vật lý
Tín hiệu
•Cảm biến nhiệt độ
•Cảm biến áp suất
•Cảm biến vị trí…
•Chủ động (I, U, f)
•Thụ động (R, L, C)
•Cảm biến dòng điện Hall
•Cảm biến siêu âm
•Cảm biến lazer
•Số (ON/OFF)
•Tương tự (Analog)
•Xung (Pulse)
2. Classification of Sensors
a. Classification by physical area of detection:
 Magnetic
 Electromagnetic
 Acoustic
 Chemical
 Optical
 Temperature
 Position
 Radiation
 Velocity
 Force
…
2. Classification of Sensors
b. Classification by structure:
Active sensor: a sensor that requires external power to operate.
Examples: the carbon microphone, thermistors, strain gauges,
capacitive and inductive sensors, etc.
Other name: parametric sensors (output is a function of a
parameter - like resistance)
Passive sensor: generates its own electric signal and does not
require a power source. Examples:
thermocouples,
magnetic microphones, piezoelectric sensors.
Other name: self-generating sensors
Note: some define these exactly the other way around
2. Classification of Sensors
c. Classification by physical law:













Photoelectric
Magnetoelectric
Thermoelectric
Photoconductive
Magnitostrictive
Electrostrictive
Photomagnetic
Thermoelastic
Thermomagnetic
Electrochermical
Magnetoresistive
Photoelastic
Etc.
2. Classification of Sensors
d. Classification by output signal of sensors:
 ON/OFF (Digital-Proximity) sensors
Các đại lượng vật lý:
- Nhiệt độ T(0C)
- Vị trí X(mm)
- Lực F(N)
- Vận tốc v(rpm)
- Áp suất P(N/m2)
- …
CẢM BIẾN
(SENSOR)
2. Classification of Sensors
d. Classification by output signal of sensors:
 Analog sensor
Các đại lượng vật lý:
- Nhiệt độ T(0C)
- Vị trí X(mm)
- Lực F(N)
- Vận tốc v(rpm)
- Áp suất P(N/m2)
- …
CẢM BIẾN
(SENSOR)
2. Classification of Sensors
d. Classification by output signal of sensors:
 Pulse sensor (Encoder)
Các đại lượng vật lý:
- Nhiệt độ T(0C)
- Vị trí X(mm)
- Lực F(N)
- Vận tốc v(rpm)
- Áp suất P(N/m2)
- …
CẢM BIẾN
(SENSOR)
2. Classification of Sensors
Contact sensor: a sensor that requires physical contact
with the stimulus. Examples: strain gauges, most
temperature sensors
Non-contact sensor: requires no physical contact.
Examples: most optical and magnetic sensors,
infrared thermometers, etc.
3. Physical Principles
 Amperes’s Law
 A current carrying conductor in a magnetic field
experiences a force (e.g. galvanometer)
 Curie-Weiss Law
 There is a transition temperature at which ferromagnetic
materials exhibit paramagnetic behavior
 Faraday’s Law of Induction
 A coil resist a change in magnetic field by generating an
opposing voltage/current (e.g. transformer)
 Photoconductive Effect
 When light strikes certain semiconductor materials, the
resistance of the material decreases (e.g. photoresistor)
3. Physical Principles
8:31 AM
Ví dụ. Hiệu ứng áp điện
 Một số vật liệu gọi chung là vật liệu áp điện, khi bị biến
dạng dưới tác động của lực cơ học, trên các mặt đối diện của
tấm vật liệu xuất hiện những lượng điện tích bằng nhau
nhưng trái dấu, được gọi là hiệu ứng áp điện. Đo V ta có thể
xác định được cường độ của lực tác dụng F.
 Hiệu
ứng
áp
điện
thường dùng chế tạo cảm
biến lực.
38
3. Physical Principles
8:31 AM
Ví dụ. Hiệu ứng cảm ứng điện từ
 Khi một dây dẫn chuyển động trong từ trường không đổi,
trong dây dẫn xuất hiện một suất điện động tỷ lệ với từ thông
cắt ngang dây trong một đơn vị thời gian, nghĩa là tỷ lệ với tốc
độ dịch chuyển của dây (Tương tự cho một khung dây)
 Hiệu ứng cảm ứng điện
từ được ứng dụng để xác
định tốc độ dịch chuyển
của vật thông qua việc đo
39
suất điện động cảm ứng.
4. Specifications of Sensor
a. Charasteristic curve (Đường cong đặc tính)
Xét ví dụ hệ thống đo nhiệt độ dùng cảm biến nhiệt:
4. Specifications of Sensor
a. Charasteristic curve (Đường cong đặc tính)
Xét ví dụ hệ thống đo nhiệt độ dùng cảm biến nhiệt:
Linearity
Tuyến tính hóa đường đặc tính: Một cảm biến được gọi
là tuyến tính trong một dải đo xác định nếu trong dải
chế độ đó, độ nhạy không phụ thuộc vào đại lượng đo.
Nếu cảm biến không tuyến tính, ta đưa vào mạch đo
các thiết bị hiệu chỉnh để tuyến tính hoá.
8:31 AM
42
Linearity
8:31 AM
 Tuyến tính hóa đường đặc tính:
• Khi chuẩn cảm biến, ta nhận được nhiều điểm
tương ứng (si ,mi) của đại lượng đầu ra và đại
lượng đầu vào.
• Với các cảm biến tuyến tính, đường cong chuẩn là
một đường thẳng.
• Do sai số khi đo, các điểm chuẩn (mi, si) nhận được
bằng thực nghiệm thường không nằm trên cùng
một đường thẳng.
43
4. Specifications of Sensor
b. Accuracy: error between the result of a
measurement and the true value being
measured.
Accuracy
8:31 AM
 Độ chính xác được đo bằng Sai số (Error)
Cảm biến cũng như các dụng cụ đo lường khác,
ngoài đại lượng cần đo còn chịu tác động của nhiều
đại lượng vật lý khác gây nên sai số giữa giá trị đo
được và giá trị thực của đại lượng cần đo. Gọi ∆x là độ
lệch tuyệt đối giữa giá trị đo và giá trị thực x (sai số
tuyệt đối), sai số tương đối của bộ cảm biến được tính
bằng:
45
4. Specifications of Sensor
 Resolution: the smallest increment of measure
that a device can make.
Accuracy vs. Resolution
True value
measurement
Sensitivity
c. Độ nhạy của cảm biến
Đối với cảm biến tuyến tính, giữa biến thiên đầu ra ∆s
và biến thiên đầu vào ∆m có sự liên hệ tuyến tính:
:được gọi là độ nhạy của cảm biến
8:31 AM
48
4. Specifications of Sensor
 Dynamic Range: the ratio of maximum recordable
input amplitude to minimum input amplitude, i.e.
D.R. = 20 log
 Transfer Function (Frequency Response): The
relationship between physical input signal and
electrical output signal, which may constitute a
complete description of the sensor characteristics.
 Bandwidth: the frequency range between the
lower and upper cutoff frequencies, within which
the sensor transfer function is constant gain or
linear.
 Noise: random fluctuation in the value of input that
causes random fluctuation in the output value
5. Applications
Sensors & Control in Industrial applications
5. Applications
tranhuutoan@iuh.edu.vn
5. Applications
tranhuutoan@iuh.edu.vn
5. Applications
tranhuutoan@iuh.edu.vn
5. Applications
tranhuutoan@iuh.edu.vn
5. Applications
tranhuutoan@iuh.edu.vn
5. Applications
tranhuutoan@iuh.edu.vn
5. Applications
tranhuutoan@iuh.edu.vn
5. Applications
tranhuutoan@iuh.edu.vn
5. Applications
Antenna Position Control
5. Applications
Biped Robot [Source: Asimo]
5. Applications
Lower Exoskeleton and BioRobot [Source: BLEEX, HAL,
Walker]
5. Applications
Lower Exoskeleton and Bio Robot [Source: HUALEX]
POWERs
PC/COMPUTER
PLANT
Set Point
CONTROLLER
RELAY/CONVERTER
DEVICEs
Feedback Signal
SENSORs
ACTUATORs
MECHANISM
/PHYSICAL SYSTEM
Outputs
1.3. Overview of actuators
 Khái niệm – Phần tử chấp hành (Actuator)
 An actuator is a component of a machine that is responsible for
moving and controlling a mechanism or system, for example by opening a
valve.
 An actuator requires a control signal and a source of energy.
1.3. Overview of actuators
 Phân loại – Phần tử chấp hành (Actuator) theo chuyển động
Vị trí/vận
tốc
Tịnh tiến
Lực
Cơ học
Góc
quay/vt góc
Quay
Momen
1.3. Overview of actuators
 Khái niệm – Phần tử chấp hành (Actuator)
 Phân loại – Phần tử chấp hành (Actuator)
• Động cơ DC/AC
• Động cơ bước
Điện - Cơ • Động cơ Servo
Khí nén
• Xylanh khí nén (các loại)
• Động cơ khí nén
• Xylanh thủy lực (các loại)
• Động cơ thủy lực
Thủy lực
67
1. CÁC PHẦN TỬ CHẤP HÀNH ĐIỆN CƠ
a. Động cơ DC
68
1. CÁC PHẦN TỬ CHẤP HÀNH ĐIỆN CƠ
a. DC motor (Động cơ DC)
The DC motor is the device which converts the direct current into the
mechanical work. It works on the principle of Lorentz Law, which states
that “the current carrying conductor placed in a magnetic and electric
field experience a force”. And that force is called the Lorentz force. The
Flemming left-hand rule gives the direction of the force.
69
1. CÁC PHẦN TỬ CHẤP HÀNH ĐIỆN CƠ
b. AC motor (Động cơ AC)
70
1. CÁC PHẦN TỬ CHẤP HÀNH ĐIỆN CƠ
b. Động cơ AC.
In an AC motor, the induction principle is utilized in reverse. A live
conductor is placed in a magnetic field. The conductor is influenced by a
force which tries to move it through the magnetic field
71
1. CÁC PHẦN TỬ CHẤP HÀNH ĐIỆN CƠ
c. Động cơ bước
1. CÁC PHẦN TỬ CHẤP HÀNH ĐIỆN CƠ
c. Động cơ bước
Điều khiển vị trí theo vòng hở: Một lợi thế rất lớn của động cơ bước là
ta có thể điều chỉnh vị trí quay của rotor theo ý muốn mà không cần
đến phản hồi vị trí như các động cơ khác, không phải dùng đến
encoder hay máy phát tốc.
8:31 AM
1. CÁC PHẦN TỬ CHẤP HÀNH ĐIỆN CƠ
c. Động cơ bước
Nguyên lý: Cấp xung lần lượt cho các cuộn dây stator:
8:31 AM
74
1. CÁC PHẦN TỬ CHẤP HÀNH ĐIỆN CƠ
d. Động cơ servo
75
1. CÁC PHẦN TỬ CHẤP HÀNH ĐIỆN CƠ
d. Động cơ servo
Servo driver
Servo motor
76
2. CÁC PHẦN TỬ CHẤP HÀNH KHÍ NÉN/THỦY LỰC
Xylanh khí nén tác dụng kép: Áp lực tác dụng lên
xylanh một/hai phía
Kí hiệu loại không điều
chính được vị trí
Kí hiệu loại điều chính
được vị trí
Động cơ khí nén tác dụng kép: Áp lực tác dụng lên
động cơ một/hai chiều
79
2. CÁC PHẦN TỬ CHẤP HÀNH KHÍ NÉN/THỦY LỰC
Van đảo chiều (van phân phối) solenoid
80
2. CÁC PHẦN TỬ CHẤP HÀNH KHÍ NÉN/THỦY LỰC
1.4. Overview of Power devices & Drivers
 Khái niệm – Phần tử trung gian: Điều khiển – Động lực
POWERs
PC/COMPUTER
PLANT
Set Point
CONTROLLER
RELAY/CONVERTER
DEVICEs
Feedback Signal
SENSORs
ACTUATORs
MECHANISM
/PHYSICAL SYSTEM
Outputs
1.4. Overview of Power devices & Drivers
 Khái niệm – Phần tử trung gian: Điều khiển – Động lực
 Phân loại – Theo Phần tử chấp hành (Actuator)
• Relay-Contactor
• Soft-Starter
Điện - Cơ • Biến tần - Drivers
Khí nén
• Van đảo chiều (solenoid)
• Van áp suất (solenoid)
• Van phân phối (solenoid)
Thủy lực • Van tỉ lệ (driver)
83
1. CÁC PHẦN TỬ TRUNG GIAN ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN - CƠ
Relay
Hình dạng một vài
loại Rơ le trung
gian thường dùng
8:31 AM
Nguyên lý hoạt động
Nguyên lý hoạt động
Ký hiệu
86
1. CÁC PHẦN TỬ TRUNG GIAN ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN - CƠ
Contactor
CONTACTOR SHI-L
CONTACTOR GMC-22
87
1. CÁC PHẦN TỬ TRUNG GIAN ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN - CƠ
Relay bán dẫn của các nước sản xuất
Hình dạng Rơ le thời gian OFF-Delay
8:31 AM
88
Nguồn
Sơ đồ chân Rơ le thời gian
8:31 AM
89
8:31 AM
90
8:31 AM
91
a. Hình dạng của Relay bán dẫn
Loại Solid State
Relay một pha:
Nguồn điều khiển
có hai dạng loại sử
dụng điện AC hay
DC và có một tiếp
điểm đóng ngắt.
8:31 AM
92
Solid State relay của Pháp
8:31 AM
93
Solid State relay của Mỹ
8:31 AM
94
Solid State Relay là loại điều khiển công suất ON/OFF cơ bản,
dùng cho thay thế các thiết bị đóng ngắt truyền thống như Relay,
contactors với những tính năng vượt trội hơn.
Có hai loại rơ le bán dẫn: một pha và ba pha
8:31 AM
95
Power controller.
8:31 AM
96
8:31 AM
97
8:31 AM
98
Bộ đếm và đặt thời gian
8:31 AM
99
8:31 AM
100
 Các ứng dụng ứng dụng của bộ Counter-Times
Đếm
số
lượng.
8:31 AM
101
 Các ứng dụng ứng dụng của bộ Counter-Times
Đo
chiều
dài.
8:31 AM
102
Là bộ điều khiển chỉ thị nhiệt độ
và nhiều chức năng cũng như
công dụng khác:
• Sử dụng cảm biến nhiệt độ.
• Làm lạnh, xả đông
• Điều khiển nhiệt độ
• Điều khiển PID kép…
Bộ điều khiển nhiệt độ E5CSZ
8:31 AM
103
 Biến tần là thiết bị làm thay đổi tần số dòng điện đặt lên cuộn dây
bên trong động cơ và thông qua đó biến tần có thể điều khiển tốc độ
động cơ một cách vô cấp, không cần dùng đến các hộp số cơ khí.
biến tần thường sử dụng các linh kiện bán dẫn để đóng ngắt tuần tự
các cuộn dây của động cơ để làm sinh ra từ trường xoay ....
8:31 AM
104
 Nguyên lý
8:31 AM
105
 Nguyên lý
B1. Đầu tiên, nguồn điện xoay chiều 1 pha hay 3 pha được chỉnh lưu và
lọc thành nguồn 1 chiều bằng phẳng. Công đoạn này được thực hiện bởi
bộ chỉnh lưu cầu diode và tụ điện. Nhờ vậy, hệ số công suất cosphi của hệ
biến tần đều có giá trị không phụ thuộc vào tải và có giá trị ít nhất 0.96.
B2. Điện áp một chiều này được biến đổi (nghịch lưu) thành điện áp xoay
chiều 3 pha đối xứng. Công đoạn này hiện nay được thực hiện thông qua
hệ IGBT (transistor lưỡng cực có cổng cách ly) bằng phương pháp điều
chế độ rộng xung (PWM). Nhờ tiến bộ của công nghệ vi xử lý và công
nghệ bán dẫn lực hiện nay, tần số chuyển mạch xung có thể lên tới dải tần
số siêu âm nhằm giảm tiếng ồn cho động cơ và giảm tổn thất trên lõi sắt
động cơ.
8:31 AM
106
 Datasheet Manual của biến tần Omron
8:31 AM
107
 Datasheet Manual của biến tần Omron
8:31 AM
108
 Datasheet Manual của biến tần Omron
8:31 AM
109
110
2. CÁC PHẦN TỬ TRUNG GIAN ĐIỀU KHIỂN KHÍ NÉN
11
1
© Dr. H T Tran - IUH
tranhuutoan@iuh.edu.vn