capacitive sensor

Capacitive Proximity Sensor

Capacitive Proximity Sensor เป็นเซนเซอร์ (sensor) ชนิดหนึ่งที่ใช้สำหรับตรวจจับวัตถุโดยไม่ต้องสัมผัส ใช้ตรวจจับวัตถุได้ทุกชนิดทั้งที่เป็นโลหะและอโลหะ เช่น แก้ว น้ำ ไม้ พลาสติก กระดาษ และอื่น ๆ โดยความสามารถในการตรวจจับขึ้นอยู่กับค่าคงที่ไดอิเล็กตริก (dielectric constant, k) ของวัตถุ Capacitive Proximity Sensor มีลักษณะรูปร่าง และโครงสร้างคล้ายกับพร็อกซิมิตี้เซนเซอร์ชนิดเหนี่ยวนำ (inductive proximity sensor) แต่ใช้หลักการทำงานที่แตกต่างกัน

                Capacitive Proximity Sensor ทำงานโดยอาศัยหลักการเปลี่ยนแปลงค่าความจุ เมื่อวัตถุเป้าหมายเคลื่อนที่เข้ามาใกล้สนามไฟฟ้าที่กำเนิดโดยแอกทีฟอิเล็กโทรดและเอิทธ์อิเล็กโทรด การเปลี่ยนแปลงดังกล่าวขึ้นอยู่กับระยะทางระหว่างหน้าพร็อกซิมิตี้และวัตถุเป้าหมาย ขนาดและรูปร่างของวัตถุ และชนิดของวัตถุเป้าหมาย (ค่าคงที่ไดอิเล็กตริก) เมื่อค่าความจุเปลี่ยนแปลงจนถึงค่า ๆ หนึ่ง ซึ่งเท่ากับค่าความต้านทานที่ปรับไว้ในตอนเริ่มต้น จะส่งผลให้เกิดการออสซิลเลทสัญญาณขึ้นและส่งต่อให้เอาต์พุตทำงาน เรียกสภาวะที่เกิดขึ้นนี้ว่า อาร์-ซี รีโซแนนซ์ (R - C Resonance) ส่วนประกอบและการทำงานของพร็อกซิมิตี้เซนเซอร์ชนิดเก็บประจุแสดงดังรูป

ส่วนประกอบ และการกระจายสนามไฟฟ้าของ Capacitive Proximity Sensor

การทำงานของ Capacitive Proximity Sensor

Capacitive Proximity Sensor

Capacitive Proximity Sensor สามารถปรับค่าความไว (sensitivity) ในการตรวจจับได้โดยการปรับค่าความต้านทาน ซึ่งสัมพันธ์กับการปรับระยะการตรวจจับใกล้/ไกล หรือใช้สำหรับการปรับแต่งให้ตรวจจับข้ามผ่านวัตถุที่ขวางกั้นหน้าวัตถุเป้าหมาย ตัวอย่างเช่น การตรวจจับระดับของเหลวที่บรรจุในขวด การตรวจจับสิ่งของที่บรรจุอยู่ภายในกล่อง เป็นต้น

ระยะการตรวจจับของ Capacitive Proximity Sensor ขึ้นอยู่กับระยะห่างระหว่างตัวพร็อกซิมิตี้กับวัตถุ และชนิดของวัตถุที่ต้องการตรวจจับ โดยวัตถุที่มีค่าคงที่ไดอิเล็กตริกสูงจะถูกตรวจจับได้ดีกว่าวัตถุที่มีค่าคงที่ไดอิเล็กตริกต่ำ ในกรณีที่วัตถุเป้าหมายเป็นโลหะระยะการตรวจจับจะเท่ากันหมดไม่ว่าจะเป็นโลหะชนิดใดก็ตาม

อุปกรณ์ที่ใช้ในการทดลอง

1. ชุดทดลอง Capacitive Proximity Sensor 2.  น้ำ 3. น้ำมันพืช 4. เกลือ 5. น้ำตาล 6. Alum milk 7. ทองแดง(3.5×3 cm²) 8. ทองแดง (2×2 cm²) 9. ทองแดง (2×1 cm²)

10. เซรามิก 11. อะลูมิเนียม 12. เหล็ก 13. อะคิลิก 14. PVC 15. ซิโนลิก 16. พลาสติก 17. ไม้

         

 ตารางผลการทดลอง

ชนิดของสาร	ระยะที่ทำให้sensorทำงาน(cm.)	ชนิดของสาร	ระยะที่ทำให้sensorทำงาน(cm.)
1. Alum milk 2.น้ำ 3.น้ำมันพืช 4.เกลือ 5.น้ำตาล 6.ทองแดง(3.5×3 cm²) 7.ทองแดง (2×2 cm²) 8.ทองแดง (2×1 cm²)	3.7 3.4 2.2 1.6 1.9 1.4 1.2 0.1	9.อะคิลิก 10.เซรามิก 11.อะลูมิเนียม 12.เหล็ก 13.PVC 14.ซิโนลิก 15.พลาสติก 16.ไม้	1 1.7 3.1 3 1.5 1.7 0.4 2.1

วิจารณ์ผลการทดลอง

            ในการทดลองเมื่อเรานำชนิดของสารเข้าใกล้ตัว capacitive sensor จนทำให้ LED ทำงาน(ไฟติด) ระยะที่วัดได้ในช่วงขาเข้า จะมีค่าน้อยกว่าช่วงขาออก คือ เมื่อเรานำอุปกรณ์เข้าไปจน LED ติดแล้วนำออกมา และLED ยังมีไฟติดอยู่เป็นระยะเวลามากกว่าขาเข้า  เกิดจากตัว capacitive sensor มีคุณลักษณะ ฮีสเทอรีซีส(hysteresis) คือเมื่อตัว capacitive sensor ได้รับโหลดหรือภาระจะเกิดพลังงานสะสมอยู่ภายในเครื่องมือวัดและเมื่อนำโหลดออกมา ยังพบว่ายังคงมีพลังงานบางส่วนสะสมอยู่ภายใน

            การวัดค่าระยะการตรวจจับของ Capacitive sensor อาจจะเกิดความผิดพลาดได้เนื่องจากชนิดสารที่เป็นของเหลว ต้องบรรจุลงในขวดพลาสติก ซึ่งทำให้เซนเซอร์ ตรวจจับได้ผิดพลาด

สรุปผลการทดลอง

            ในการทดลองเมื่อทำการเลื่อนชนิดของสารเข้าใกล้ตัว capacitive sensor อย่างช้าๆ เพื่อทำการวัดหาค่าที่เซนเซอร์สามารถตรวจจับได้ระยะทางที่ไกลที่สุด ก็คือ แอนตาซิล มีค่า 3.7 cm. ส่วนตัวที่เซนเซอร์ตรวจจับได้ระยะใกล้มากที่สุดคือ ทองแดง ขนาด 2×1 cm²  ได้ระยะ 0.1 cm.ซึ่งตัวcapacitive sensor สามารถตรวจจับวัตถุได้เกือบทุกประเภททั้งแบบที่เป็นโลหะ อโลหะ หรือ ของเหลว 

wire guidance control

เป้าหมาย : เพื่อศึกษาการนำทางด้วยเส้นลวดที่ใช้ในระบบAGVของโรงงาน

                  เพื่อวัดค่าความแรงของสัญญาณจาก sensing coil 

อุปกรณ์ที่ใช้ในการทดลอง

1. Dual trace oscilloscope

2. Function generator

3. Sensing coil

4. A spool of wire (20 meters or more)

ขั้นตอนการทดลอง

1.วางsensing coil ให้อยู่ตรงกลางระหว่างขดลวด 2 อัน

2.ต่อsensing coil ทั้งสองอัน ไปที่ ch.1และ ch2.  ของเครื่องออสซิโลสโคป ทำการปรับค่าความถี่เพื่อให้ได้เฟสของเอ้าท์พุตระหว่าง 2 channels ได้เท่ากับ 180 องศา

3.กด ฟังชั่น MATH ของเครื่องออสซิโลสโคป

4.จากเมนู เลือก A+B จะสังเกตุเห็นแถบสีม่วง แสดงผลบวกระหว่าง ch.1 และ ch.2 (A+B)

5.วัดค่าแอมปลิจูด และ เฟส ของ A+B ที่ระยะทางจาก 1 ถึง 20 มิลลิมตร จากขวาและซ้าย โดยเลื่อนทีละ 5 มิลลิเมตร

6.พล๊อตกราฟผลการทดลองที่ได้จากข้อ 5 (แกนตั้งเป็นค่าแรงดัน และแกนนอนเป็นค่าระยะทาง)

Offset(2mm.)	-20	-15	-10	-5	0	5	10	15	20
Vpp(mV.)	30	80	88	68	14	94	124	96	26
Phase	0	0	0	0	0	180	180	180	180

กราฟแสดงความสัมพันธ์ระหว่างระยะทางกับแรงดันเอ้าท์พุต

วิจารณ์ผลการทดลอง

1.การทดลองนี้ทำให้ได้รับความรู้เกี่ยวกับการใช้งานในระบบAGV ซึ่งเป็นความรู้ใหม่ ที่มีประโยชน์อย่างมาก

2.ก่อนการทดลองเราต้องกำหนดค่าความถี่เพื่อให้เป็นค่าที่เหมาะสมระหว่างสัญญาณ A+B โดยค่าความถี่ที่ได้มีค่าประมาณ 169 KHz

3.เรากำหนดค่ามุมเริ่มต้นของสัญญาณ A = 0องศา สัญญาณ B = 180 องศา เพื่อทำการทดลองหาค่า Phase ระหว่างทั้งสองสัญญาณ

4.การใช้งานระบบ Wire Guidance เป็นการนำทางโดยใช้เส้นลวด ซึ่งใช้กับโรงงานอุตสาหกรรมต่างๆ โดยฝังเส้นลวดไว้ใต้พื้นของโรงงานและใช้ AGV เป็นตัวควบคุมโดยไม่ต้องมีคนขับ ซึ่งช่วยลดต้นทุนการผลิต ลดอุบัติเหตุแทนที่จะใช้คนในการส่งของ

5.ค่าความถี่ที่ปรับนี้จะช่วยทำให้รถ AGV เดินทางได้โดยไม่มีข้อผิดพลาดอะไร และจะมีขดลวด 2 ตัว(คือ A กับ B)เป็นตัวช่วยบังคับทิศทางตามเส้นลวด(ซึ่งขดลวดในการทดลองนี้เป็นแบบจำลองตัว sensing coil ) ตัวเส้นลวดจะอยู่กึ่งกลางระหว่าง ขดลวด A และ B

สรุปผลการทดลอง

     ในการทดลองเราพบว่า เมื่อเลื่อนขดลวด (sensing coil) ไปที่  5,10,15 และ 20 mm. จะได้ค่ามุมระหว่าง A กับ B = 180 องศา ตามสัญญาณ B และมีค่าผลต่างแรงดันระหว่าง A กับ B = 94 ,124,96  และ 26 mV. ตามลำดับ ส่วนเมื่อเราเลื่อนขดลวดลงมาที่ –5,-10,-15 และ-20 mm. จะได้ค่ามุมระหว่าง A และ B = 0 องศา (ตามสัญญาณ A)และมีค่าผลต่างแรงดันระหว่าง A กับ B ใกล้เคียงกับระยะทางบวก คือ 68,88,80 และ 30 mV. ตามลำดับ ซึ่งค่า 10 mm. จะมีความต่างของแรงดันมากที่สุดเช่นเดียวกับ -10 mm.แต่ในระบบ Wire Guidance เราต้องการให้ผลต่างแรงดัน = 0 โวลต์ และผลต่างเฟส = 0 องศา เพื่อทำให้รถ AGV สามารถวิ่งได้ถูกต้อง แม่นยำ ดังนั้นเราจึงต้องควบคุมตัว sensing coil ให้อยู่ตรงกลางพอดีจึงจะไม่เกิดความผิดพลาด

ใช้ wire guidance ในAGV โดยทำให้เป็น sensor 

การวิเคราะห์วงจร 

สนามแม่เหล็ก จะถูกสร้างโดยเส้นลวดที่ใช้นำทาง ซึ่งก็คือหาคลื่นโดยขดลวดขวาและซ้าย L1 และ L2  ใน L1 และ C1 เริ่มที่ความถี่ 5 kHz ตัว IC 1B และ D1 เป็นแบบ ไม่มี threshold rectifier และ สัญญาณขยาย ตัว R3 และ C2 เป็น ฟิลเตอร์เอ้าท์พุตดังนั้นเราจะได้ แอมปลิจูดของสัญญาอินพุต

ในการประมวลผลด้านอื่นๆ ที่เหมือนกัน ด้วย IC 1C, D2, R4 และ C3 สัญญาณแอมปลิจูด ทางขวาและซ้าย และจะถูกหักล้างโดย IC 1D และถูกเปลี่ยน ไปเป็นค่ากระแส ด้วย Q1 และ R14 ตัว IC1A และ D3 สร้าง แรงดัน virtual ground 0.6 โวลต์ สำหรับ IC 1B และ IC 1C และแรงดัน offset  จะเลื่อน เอ้าท์พุต ของ ตัวหักล้าง IC1D

ตัว D4,D5 และ C5 สร้างพาวเวอร์ซับพลาย ที่ผ่านการกรองของ เซนเซอร์ RCX 

Simulator สำหรับ การทำงานwire guidance sensor 

Navigation ที่สามารถใช้แทน wire guidance

- Guide tape , Laser target navigation , Inertial (Gyroscopic) navigation,Natural features (Natural Targeting) navigation,Vision guidance,Geoguidance

solar cell เซลล์แสงอาทิตย์

เซลล์แสงอาทิตย์ ( Solar Cell )

         เซลล์แสงอาทิตย์ ( Solar Cell ) เป็นอุปกรณ์สารกึ่งตัวนำที่ประกอบด้วยรอยต่อ พี-เอ็น ที่มีพื้นที่รับแสงขนาดกว้าง เมื่อมีแสงมาตกกระทบกับพื้นที่รับแสง เซลล์แสงอาทิตย์ก็จะกำเนิดพลังงานไฟฟ้ากระแสตรงขึ้น ปรากฏการณ์ในการเปลี่ยนพลังงานแสงอาทิตย์มาเป็นพลังงานไฟฟ้านั้น เรียกได้ว่าเป็น ปรากฏการณ์ Photovoltaics การใช้งานเซลล์แสงอาทิตย์นั้นมีมากมายหลายรูปแบบ โดยส่วนมากพลังงานในรูปแบบนี้จะเหมาะกับสถานที่ที่พลังงานไฟฟ้าจากระบบไฟฟ้าหลักส่งไปไม่ถึงหรือไม่มีความคุ้มทุนที่จะลากสายไปยังพื้นที่ไกลๆ เช่น ระบบไฟฟ้าในชนบท ระบบไฟฟ้าสำหรับดาวเทียม เครื่องคำนวณคณิตศาสตร์ ในขณะนี้เซลล์แสงอาทิตย์ถูกนำมาติดตั้งอยู่บนหลังคาอาคาร บ้านเรือน เพื่อเชื่อมต่อกับระบบไฟฟ้าของการไฟฟ้านครหลวงหรือการไฟฟ้าส่วนภูมิภาค โดยผ่านตัวแปลงไฟฟ้ากระแสตรงไปเป็นไฟฟ้ากระแสสลับ ( อินเวอเตอร์ )

เป้าหมาย

1.เพื่อเข้าใจหลักการทำงานของเซลล์แสงอาทิตย์

2.เพื่อศึกษาคุณสมบัติทางไฟฟ้าของเซลล์แสงอาทิตย์

3. เพื่อศึกษาการนำเซลล์แสงอาทิตย์ไปใช้ในงานต่างๆ

การทดลองที่ 7.1 เรื่องการหาแรงดันเปิดวงจรและกระแสลัดวงจรของเซลล์แสงอาทิตย์

รูปที่ 1

อุปกรณ์ที่ใช้ในการทดลอง

1.ชุดทดลองเซลล์แสงอาทิตย์                          1 ชุด

2.หลอดไฟขนาด 120 วัตต์ 220 โวลท์             1 ชุด

3.แอมป์มิเตอร์ไฟตรง 0 – 250 mA                 1 ตัว

4.โวลท์มิเตอร์ไฟตรง 0 – 10 V                        1 ตัว

ลำดับขั้นตอนการทดลอง

1.ต่อวงจรดังในรูปที่ 1 โดยใช้เซลล์แสงอาทิตย์แผงที่ A โดยทำการปลดโหลด (Load) ทางด้านเอาท์พุตของเซลล์แสงอาทิตย์ออก

2.ทำการเปิดหลอดไฟ (Lamp) โดยที่ตำแหน่งของหลอดไฟจะอยู่เหนือแผงเซลล์แสงอาทิตย์ที่ใช้ในการทดลอง ประมาณ 1 ฟุต หลังจากนั้นบันทึกค่าแรงดันและกระแสทางด้านเซลล์แสงอาทิตย์

3.ทำการปิดหลอดไฟ (Lamp) หลังจากนั้นเปลี่ยนเซลล์แสงอาทิตย์จากแผง A เป็นแผง B หลังจากนั้นทำการทดลองซ้ำขั้นตอนที่ 2

4.ทำการปิดหลอดไฟ (Lamp) ทำการเปลี่ยนแปลงวงจรการทดลองโดยที่ทำการลัดวงจรทางด้านเอาท์พุตทางด้านโหลด (Load )

5.หลังจากนั้นทำการทดลองซ้ำขั้นตอนที่ 2

6.ทำการปิดหลอดไฟ (Lamp) หลังจากนั้นเปลี่ยนเซลล์แสงอาทิตย์จากแผง A เป็นแผงที่ B หลังจากนั้นทำการทดลองซ้ำขั้นตอนที่ 2

บันทึกผลการทดลอง

เซลล์แสงอาทิตย์	กระแสเปิดวงจร Ioc (mA)	แรงดันเปิดวงจร Voc (V)	กระแสลัดวงจร Isc (mA)	แรงดันลัดวงจร Vsc (V)
เซลล์ A	0	3.01	20.01	0
เซลล์ B	0	4.92	7.15	0

การทดลองที่ 7.2 เรื่องการหา V-I Characteristics ของเซลล์แสงอาทิตย์

อุปกรณ์ที่ใช้ในการทดลอง

1.ชุดทดลองเซลล์แสงอาทิตย์                          1 ชุด

2.หลอดไฟขนาด 120 วัตต์ 220 โวลท์             1 ชุด

3.แอมป์มิเตอร์ไฟตรง 0 – 250 mA                 1 ตัว

4.โวลท์มิเตอร์ไฟตรง 0 – 10 V                        1 ตัว

5.ตัวต้านทานปรับค่าได้                                  1 ตัว

ลำดับขั้นตอนการทดลอง

1.ต่อวงจรดังในรูปที่ 1 โดยใช้เซลล์แสงอาทิตย์ แผง A โดยทำการต่อตัวต้านทานปรับค่าได้เป็นโหลด (Load) ทางด้านเอาท์พุตของเซลล์แสงอาทิตย์ออก หลังจากนั้นทำการปรับค่าความต้านทานโหลดให้มีความต้านทานต่ำสุด

2.ทำการเปิดหลอดไฟ (Lamp) โดยที่ตำแหน่งของหลอดไฟจะอยู่เหนือแผงเซลล์แสงอาทิตย์ที่ใช้ในการทดลองประมาณ 1 ฟุต จากนั้นทำการปรับเพิ่มความต้านทานโหลด โดยที่จะทำการปรับเพื่อให้แรงดันตกคร่อมโหลดเพิ่มขึ้นครั้งละ 0.5 โวลท์ หลังจากนั้นบันทึกค่าแรงดันและกระแสทางด้านเซลล์แสงอาทิตย์ ในแต่ละครั้งของการปรับความต้านทานโหลด

3.ทำการปิดหลอดไฟ (Lamp) หลังจากนั้น ทำซ้ำขั้นตอนที่ 1 และ 2  โดยเปลี่ยนเซลล์แงอาทิตย์จากแผง A เป็นแผง B

4.นำค่าแรงดันและกระแสที่ได้จากการทดลอง ไปทำการพล๊อตแสดงความสัมพันธ์ระหว่างกระแสและแรงดัน (V-I Characteristics)

5.จากผลการทดลองที่ได้ให้นักศึกษาหาว่าเซลล์แสงอาทิตย์แต่ละแผงสามารถจ่ายกำลังไฟฟ้าสูงสุดได้เท่ากับเท่าใด และที่แรงดันและกระแสเท่าใด

บันทึกผลการทดลอง

เซลล์ A			เซลล์ B
แรงดัน (V)	กระแส (mA)	กำลังไฟฟ้า (mW)	แรงดัน (V)	กระแส (mA)	กำลังไฟฟ้า (mW)
0	2	0	0	9.92	0
0.5	20.6	10.3	0.5	10.17	5.85
1.0	20.55	20.55	1.0	9.15	9.15
1.5	20.33	30.5	1.5	8.59	12.89
2.0	19.67	39.34	2.0	8.03	16.06
2.5	16.63	41.5	2.5	7.31	18.28
3.0	2.85	8.55	3.0	6.76	20.28
3.5	-	-	3.5	6.39	22.37
4.0	-	-	4.0	6.05	24.20
4.5	-	-	4.5	5.45	24.58

ตอบคำถาม

-       เซลล์แสงอาทิตย์แผง A สามารถจ่ายกำลังไฟฟ้าสูงสุดได้ 41.5 mW ที่แรงดันเท่ากับ 2.5 V และกระแสเท่ากับ 16.63 mA

-       เซลล์แสงอาทิตย์แผง B สามารถจ่ายกำลังไฟฟ้าสูงสุดได้ 24.53 mW ที่แรงดันเท่ากับ 4.5 V และกระแสเท่ากับ 5.45  mA

วิจารณ์ผลการทดลอง

       ในการทดลองถ้าเรายืนบังแสงจากหลอดไฟจะทำให้การวัดค่ากระแสและแรงดันเกิดความคลาดเคลื่อนได้ กระแสไฟและความเข้มของแสงจะเป็นสัดส่วนโดยตรงกัน คือ เมื่อความเข้มของแสงสูง กระแสที่ได้จากเซลล์แสงอาทิตย์ก็สูงขึ้น แต่แรงดันไฟฟ้าแทบจะไม่แปรไปตามความเข้มของแสงมากนัก และในการทดลองนี้โซลาเซลล์ A จะเป็นการต่อแบบขนาน และโซลาเซลล์ B จะเป็นการต่อแบบอนุกรม

สรุปผลการทดลอง

ในการทดลองที่ 1 เมื่อเราทำการปลดโหลดวงจรทางด้านเอ้าท์พุตของเซลล์แสงอาทิตย์ออกและทำการเปิดหลอดไฟ จะเห็นได้ว่าค่ากระแสไฟฟ้าที่วัดได้ มีค่าเป็น 0 มีค่าแรงดันที่แผง A = 3.010 โวลต์ แผง B = 4.92 โวลต์ ส่วนเมื่อทำการลัดวงจรทางด้านเอ้าท์พุตของโหลดค่ากระแสที่แผง A = 20.01 mA. และแผง B = 7.15 mA. ทั้งสองแผงมีค่าแรงดัน = 0 โวลต์ จะเห็นได้ว่าแผง  A มีกระแสมากกว่าแผง B

 ในการทดลองที่ 2 เมื่อเราทำการปรับเพิ่มความต้านทานของโหลดให้มีค่าแรงดัน = 0 – 4.5 โวลต์ นั้นในเซลล์ Aสามารถวัดค่าแรงดันได้มากที่สุด 3 โวลต์ มีค่ากระแสมากที่สุดคือ 20.6 mA. กำลังไฟฟ้าขนาดสูงสุดที่ 41.5 mA. ซึ่งหาค่ากำลังไฟฟ้าได้จาก P =VI ส่วนเซลล์ B สามารถ วัดค่าแรงดันได้มากกว่า 4.5 โวลต์ มีค่ากระแสสูงสุงคือ 10.17 mA. กำลังไฟฟ้าขนาด 24.53 mW. และมีแนวโน้มเพิ่มขึ้นเรื่อยๆจากค่าของแรงดันจะเห็นได้ว่าเซลล์  A จะให้กระแสไฟฟ้าสูงกว่าเซลล์ B และเมื่อค่าแรงดันมีค่าเพิ่มขึ้น ค่ากระแสไฟฟ้าจะมีค่าลดลง