Cảm biến vị trí và dịch chuyển
GV: Nguyễn Hoàng Hiếu Khoa: CN Điện Tử
1
Yêu cầu đo vị trí và dịch chuyển lớn Dùng để đo các đại lượng khác Phương pháp đo:
Phần tử CB gắn với vật di động, tín hiệu đo là một
hàm phụ thuộc vị trí trong phần tử CB, thông thường là trở kháng.
Không đòi hỏi liên kết cơ học giữa CB và vật đo: tín
hiệu đo được thông qua các đại lượng trung gian như điện trường.
2
Tổng quan đo vị trí và dịch chuyển
)l(R (cid:0)
nR
l L
Điện thế kế điện trở Potentiometer Potentiometer
(R
)
R
n
(cid:0) (cid:0) (cid:0)
m
Điện trở cố định Rn, con chạy. Giá trị R là hàm phụ thuộc vị trí con chạy (điện trở
thay đổi phụ thuộc vị trí con chạy)
3
(cid:0)
Theo cấu hình mạch phân áp
4
Nguyên tắc đo
RTH
c
iL
iiss
RL
ETH
(1x) RRpp(1x) iiLL
b
RRpp
(cid:0)(cid:0)
VS
dd
V L
iixx
RRpp x x RRLL
R (cid:0)
R
L
P
5
(cid:0)
VVScale Scale
Dạng băng dẫn có độ
Độ chính xác
nturn nturn
Dạng dây quấn độ
V
chính xác cao.
V
scale n
(cid:0) (cid:0)
V
V
max
min
n
6
(cid:0) (cid:0) chính xác phụ thuộc hình dạng kích thước (~ 10μm)
Pot có nhiều dạng, tùy theo từng ứng dụng cụ thể mà chúng có những thiết kế khác nhau. Pot sử dụng để đo lường vị trí yêu cầu có chất lượng cao, có các chức năng mở rộng.
Pot chính xác có thể ở dạng quay, dạng di chuyển
tuyến tính và dạng chuỗi. Pot chuỗi dùng để đo chiều dài mở rộng của cáp được chịu tải bằng lò xo. Pot quay có thể ở dạng quay 1 vòng hay nhiều vòng, phổ biến là 3, 5 hay 10 vòng. Pot di chuyển tuyến tính hoạt động trong phạm vi từ 5mm đến hơn 4m. Pot chuỗi có thể đo độ dịch chuyển tối đa là 50m. Nhà chế tạo thường cung cấp các thông tin về kiểu pot, chất liệu phần tử điện trở, các tham số điện và cơ khí và các phương pháp lắp đặt.
7
Phân loại
Ưu điểm: Giá rẻ Dể sử dụng Tín hiệu đo lớn
Khuyết điểm:
Mài mòn do ma sát Ảnh hưởng môi trường Không bền
8
Đánh giá
Đầu cuối kết nối Độ tuyến tính Tải điện Độ phân giải Công suất định mức Hệ số nhiệt Điện trở Nguồn điện áp sử dụng
9
Đặc tính điện cần quan tâm
Ngoài các đặc tính về điện, cần phải lưu ý một số đặc
tính về cơ khí như: tải cơ khí, đường chạy cơ khí, nhiệt độ làm việc, chấn động, tốc độ di chuyển, tuổi thọ làm việc…
10
Các đặc tính khác
11
Vài hình ảnh Potentiometric Displacement Sensors
Nguyên lý: dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ Thay đổi hệ số tự cảm L, hệ số hổ cảm M. Vật cần đo gắn vào một phần tử mạch từ, vật
Cảm biến cảm ứng
Nguồn cấp là tín hiệu xoay chiều
12
dịch chuyển gây nên sự biến thiên từ thông trong cuộn dây đo dẫn đến thay đổi điện áp trên hai đầu của nó.
Mạch từ có khe từ biến thiên
2 sN2 0
(cid:0) (cid:0) (cid:0)
L
.
(cid:0) (cid:0)
l
0
(cid:0)
1
x x2 l
0
(cid:0)
7 m/H10.4
0
N: số vòng dây L0 : chiều dài khe hở không khí S: tiết diện
13
(cid:0) (cid:0) (cid:0) (cid:0)
14
ZL = ω.L
Phi tuyến Phụ thuộc tần số nguồn kích thích, tần số càng cao thì độ nhạy càng lớn
15
Đặc trưng
Độ nhạy cao hơn loại đơn mạch từ Tuyến tính hơn (kết hợp với mạch cầu đo)
16
Loại hai mạch từ
Đo độ dịch chuyển: hoạt động dựa trên nguyên
LVDT, An Inductive Displacement Sensor LVDT, An Inductive Displacement Sensor Biến thế vi sai
Cấu tạo gồm cuộn dây sơ cấp và hai cuộn thứ
lý máy biến áp.
Điện áp ngõ ra AC tỉ lệ với độ di chuyển của lõi.
17
cấp giống nhau
LVDT – Hoạt động
Điện áp đo được ở ngõ
2
ra là điện áp xoay chiều có giá trị: E out
EE 1
Trong đó E1 , E2 là điện áp xoay chiều được tạo ra trên 2 cuộn dây thứ cấp.
(cid:0) (cid:0)
Khi lõi nằm ở vị trí cân bằng như hình vẽ , điện áp trên 2 cuộn dây thứ cấp có giá trị bằng nhau nên ta có: E out EE 1
(cid:0) (cid:0) (cid:0)
02
18
LVDT – Hoạt động
Khi lõi được dịch về phía cuộn thứ cấp thứ nhất E1 tăng lên, E2 giảm do lượng từ thông được tập trung nhiều về phía có cuộn dây thứ nhất. Điện áp ngõ ra so với
19
điện áp trên cuộn sơ cấp
LVDT – Hoạt động
Tương tự, khi lõi được dịch về phía cuộn thứ cấp thứ hai, ta có E1 giảm , E2 tăng.
Điện áp ngõ ra so với
20
điện áp trên cuộn sơ cấp
LVDT – Đặc trưng
Độ tuyến tính của phương pháp LVDT được biểu diễn trên đồ thị -Khi lõi dịch chuyển càng xa vị trí cân bằng, biên độ điện áp đo được tại ngõ ra càng tăng.
Biên độ áp ra chỉ tuyến tính với độ dịch chuyển của lõi khi lõi nằm trong một khoảng giới hạn. Khi lõi càng tiến gần các vị trí giới hạn thì phép đo không còn tuyến tính.
21
LVDT – Đặc trưng
Phạm vi tuyến tính LVDT từ + 1mm đến + 50cm
Đơn vị thường được sử dụng là mV/V/mm hay
(sai số tuyến tính +0.25%)
LVDT cung cấp tín hiệu sin cho cuộn sơ cấp với tần số từ 50hz đến 25khz. Tần số này chính là tần số sóng mang và phải lớn hơn tần số của chuyển động của lõi ít nhất 10 lần.
Tín hiệu điện áp ngõ ra chính là tín hiệu điều
mV/V/in.
22
chế được từ chuyển động của lõi.
Do điện áp ở ngõ ra là điện áp xoay chiều nên biên độ điện áp luôn tăng khi lõi càng rời xa vị trí cân bằng bất chấp chiều chuyển động của lõi.
Để xác định vị trí của lõi nằm ở phía nào , ta cần quan tâm đến cả biên độ lẫn góc pha của điện áp ngõ ra so với điện áp cung cấp.
Tín hiệu điều chế được đưa qua mạch giải điều chế như hình
vẽ để thu được điện áp một chiều ở ngõ ra .
- Dấu của điện áp một chiều này thể hiện vị trí của lõi nằm về
phía cuộn dây nào trong quá trình chuyển động.
23
Xác định ngõ ra
Không có sự tiếp xúc nào của lõi với các bộ
Đánh giá
Không có giới hạn cho độ phân giải của phương pháp này do sử dụng từ trường làm trung gian => độ phân giải chỉ phụ thuộc vào độ phân giải của dụng cụ đo điện áp .
24
phận khác nên phương pháp này không tạo ra sự hao mòn của trên thiết bị. -> Thiết bị này có độ bền cao hơn các phương pháp khác.
Cảm biến điện dung được sử dụng rất phổ biến trong
CN và trong các lĩnh vực khoa học. Nguyên lý của chúng là dựa trên sự thay đổi của điện dung khi có sự dịch chuyển.
Cảm biến điện dung có độ tuyến tính lớn và phạm vi
rộng. Phần tử cảm ứng cơ bản của cảm biến điện dung bao gồm 2 cực của một tụ điện có điện dung C. Điện dung là một hàm của khoảng cách d giữa 2 cực của tụ điện, diện tích bản cực A và hằng số điện môi.
25
Cảm biến điện dung
Loại cảm biến này tạo ra từ 2 bản cực phẳng cách nhau một khoảng cách x có thể thay đổi được. Do đó, điện dung của tụ điện là:
26
Loại khoảng cách biến thiên
Điện dung của loại cảm biến này biến thiên phi
Độ nhạy: Kiểu cảm biến này thường sử dụng để đo dịch chuyển có độ tăng nhỏ mà không cần tiếp xúc với đối tượng cần đo.
27
tuyến theo độ dịch chuyển x.
Độ dịch chuyển có thể đo bởi cảm biến điện dung có diện tích bản cực biến thiên.
Điện dung tuyến tính với độ dịch chuyển.
Dùng để đo dịch
chuyển góc
28
Loại diện tích bản cực biến thiên
Độ dịch chuyển có thể đo dùng cảm biến điện
Loại điện môi biến thiên
Ngõ ra loại cảm biến này cũng tỷ lệ tuyến tính với độ dịch chuyển x. thường được sử dụng để đo mức của chất lỏng trong thùng. Với điều kiện chất lỏng không dẫn điện dạng điện môi.
29
dung dựa trên sự dịch chuyển tương đối của vật liệu điện môi giữa các bản cực.
Trong một số trường hợp, ngõ ra của cảm biến điện dung biến thiên phi tuyến với độ dịch chuyển. Điều này có thể khử được bằng cách sử dụng cảm biến điện dung dạng vi sai.
Cảm biến điện dung loại này thường có 3 bản cực. Tùy theo từng ứng dụng cụ thể mà cảm biến loại này có thể có cấu tạo khác nhau.
30
Loại vi sai
Loại vi sai – công thức
Cảm biến điện dung loại này tuyến tính hơn nhiều so với cảm biến điên dung 2 bản cực. Tuy nhiên, trong thực tế vẫn tồn tại một số thành phần phi tuyến do những khuyết điểm trong cấu trúc. Do đó, ngõ ra cảm biến loại này cần phải được xử lý cẩn thận nhằm thu được ngõ ra tối ưu.
31
Mạch cầu không cân bằng, cấp nguồn xoay
Mạch đo
Đối với loại vi sai, tần số tín hiệu phải lớn
32
chiều
ấ
C u hình 4 dây:
ộ ị
ể
ạ
ộ
Đ d ch chuy n =
(G là đ nh y)
ấ
ở
ờ
ơn và k t n i ế ố đơn giàn hơn c u ấ ị ả ệ đo b nh h ố
i tín hi u ệ
ở ấ
đòi h i ít dây h ạ ệ đ ) ộ đăc bi
ề ư ng nhi u b i môi t khi dây n i dài và ngu n s
ồ ơ c p có
ỏ C u hình này hình 5 dây nhưng bù l trư ng (nhi t ộ ấ biên đ th p.
ấ
C u hình 5 dây:
ộ ị
ể
Đ d ch chuy n =
ề
ị ả
ở
ở
ơn nhưng ít ch u nh h
ư ng b i
ầ ấ C u hình này c n nhi u dây h nhi
t ệ đ . ộ
ữ
ể
ố
Dây n i gi a LVDT và SCXI có th kéo dài h
ơn.
33
ỷ
ỏ Ca m Bie n Quang
ẹ ọ ie n
– CBQÑ goàm boä phaùt vaø boä thu aùnh
saùng,
nguoàn saùng söû duïng laø diode phaùt
quang hay
diode lazer,aùnh saùng duøng loaïi hoàng ngoaïi hay maøu ñoû,xanh.
– Tuyø theo caùch boá trí boä thu vaø boä
phaùt,ta seõ
34
chia caûm bieán quang ñieän thaønh caùc
loaïi sau:
ề
ạ
Lo i Truy n Tia
EMITTER
DETECTOR
EMITTER
DETECTOR
– Loaïi Phaûn Xaï
EMITTER
EMITTER
DETECTOR
DETECTOR
EMITTER
DETECTOR
35
ạ – Lo i Khe
ề ạ
36
ạ M ch Gia Công Photoelectric Sensors D ng Truy n Tia
ủ
ể
ợ
ể Ưu Đi m Và Nh
ư c Đi m C a CBQĐ
– Öu Ñieåm: +CBQÑ laø loaïi caûm bieán khoâng tieáp xuùc
giuùp phaùt hieän vaät ôû khoaûng caùch xa,toái ña leân tôùi 10m
+CBQÑ coù theå thieát keá ñôn giaûn,reû tieàn. – Khuyeát Ñieåm: +Do CBQÑ söû duïng aùnh saùng hoàng ngoaïi neân raát deã bò nhieãu khi hoaït ñoäng trong moâi tröôøng
+Khi CBQÑ bò buïi baùm thì cöôøng ñoä aùnh saùng tôùi boä thu seõ bò giaûm xuoáng cho neân caàn phaûi coù maïch chuaån ñoaùn ñeå caûnh baùo.
37
Ứ
ủ
ụ
ng D ng C a CBQĐ Trong CN
38
ế
ả
C m Bi n Lazer Và Siêu Âm
ế ả đ ể đo đ d ch chuy n ể ộ ị ế ả ừ ậ đ n c m bi n v t
ừ 410 cm)
ậ ế ả – C m Bi n Lazer(CBLZ) dùng ế không ti p xúc,kho ng cách t ố ớ tương đ i l n (t ế + Tia lazer chi u lên v t và ả đư c ph n x l
ấ ạ ạ ả ợ ụ ị
ệ ố ẽ ự
ể i.sau khi ế qua h th ng th u kính tác d ng lên c m bi n v trí ị ớ +VXL s d a trên phép tính tam giác(so sánh v i 1 v ừ ậ ớ ả ả i c m
39
ế ệ trí chu n) ẩ đ tính ra kho ng cách t ấ bi n,tín hi u xu t ra là dòng hay áp t v t t ỷ ệ l
ả
ờ
ừ
ả
ế
khi
ự đo kho ng cách d a trên th i gian T t ả ạ
ợ
ậ đư c chùm sóng ph n x
ế
ế ả ừ ậ đ n c m bi n
ộ
ề
ả ả ủ i c a CBSA kho ng 0.2mm kém ớ ấ ạ ủ ả
ụ
ộ
ế
ớ
ặ ủ ư ng c a m t
ả ạ
– C m Bi n Siêu Âm(CBSA) ế phát ra chùm sóng siêu âm đ n khi nh n T=2d/v ả +d: Kho ng cách t v t ậ ố +v: V n t c âm thanh – Đ phân gi chính xác hơn r t nhi u so v i CBLZ – Sai s ố đo c a c m bi n lo i này còn ph thu c vào h ph n x tia
40
41
Ứ
ủ
ụ
ng D ng C a CBLZ & CBSA Trong CN
42
