Đo lường - cảm biến
Cảm biến vị trí và dịch chuyển
Giới thiệu
• Vị trí và dịch chuyển thường được hiểu như việc đo lường
khoảng cách hay đường đi từ một điểm tới một điểm khác. • Đòi hỏi các phép đo chính xác và các hàm truyền tuyến tính
đối với các cảm biến liên quan.
• Để làm được các phép đo này, có thể dùng các cảm biến
như
- Potentiometric Sensor - Gravitational Sensors - Capacitive Sensors - Inductive and Magnetic Sensors: - Optical sensors, ultrasonic sensors, …
Đo lường – Cảm biến
Cảm biến đo vị trí dạng điện trở Potentiometric Sensor
Điện áp V tỉ lệ với độ dịch chuyển d
Mặc dù đơn giản nhưng cảm biến điện trở vẫn có một số nhược điểm: - Cần một tải cơ đáng kể - Cần có một cơ cấu kết nối với vật thể - Tốc độ chậm - Ma sát và điện áp kích thích có thể làm nóng cảm biến - Sự ổn định về môi trường không cao
Đo lường – Cảm biến
Gravitational Sensors
Một số dạng cảm biến thông dụng dùng trọng lực: - Cảm biến dạng phao - Cảm biến đo độ nghiêng (như hình)
Đo lường – Cảm biến
Cảm biến điện dung - Capacitive Sensors
Nguyên lý hoạt động cơ bản của cảm biến điện dung là dựa trên sự thay đổi hình học, ví dụ như thay đổi khoảng cách giữa các bản điện cực, hoặc là sự thay đổi điện dung dựa vào sự xuất hiện các vật liệu dẫn điện hay điện môi
Đo lường – Cảm biến
Cảm biến điện dung
• Proximity sensor – Cảm biến lân cận dạng điện dung
Gồm các dạng cơ bản: - Dạng 1: Cho phép khoảng cách giữa các bản cực dịch chuyển (hình a).
Vị trí của thiết bị dịch chuyển tạo ra sự thay đổi vị trí điện môi và điều này làm thay đổi điện dung C Điện dung tỉ lệ nghịch với chuyển động Đầu ra tuyến tính nếu khoảng cách cảm nhận nhỏ
Đo lường – Cảm biến
Cảm biến điện dung
• Proximity sensor – Cảm biến lân cận dạng điện dung
- Dạng 2: Cảm nhận bởi sự dịch
chuyển điện môi (hình b). Đầu ra tuyến tính và tỉ lệ với độ rộng của tụ điện, có tầm đo dịch chuyển lớn
- Dạng 3: Cảm nhận bởi sự dịch
chuyển của toàn bộ tụ điện (hình c) (không cần tiếp xúc cơ khí với vật thể). Bề mặt vật thể đóng vai trò như một bản cực tụ điện
Đo lường – Cảm biến
Cảm biến điện dung
Cảm biến vi sai LVDT
• Cảm biến dịch chuyển dựa trên nguyên lý máy biến
áp.
• Hoạt động theo 1 trong hai cách:
– Khoảng cách giữa 2 cuộn dây của một máy biến áp được
thay đổi
– Hệ số kết nối giữa hai cuộn dây được thay đổi bằng việc
dịch chuyển lõi thép trong khi 2 cuộn dây được giữ cố định
Đo lường – Cảm biến
LVDT - Linear Variable Differential Transformer
Gồm 1 cuộn sơ cấp và hai cuộn thứ cấp Cuộn sơ cấp được cấp nguồn sine ổn định tại tần số hằng số (>= 10 lần tần số dịch chuyển của lõi) Ngõ ra tuyến tính nếu độ dịch chuyển nhỏ
Đo lường – Cảm biến
LVDT - Linear Variable Differential Transformer
• Ngõ ra bằng 0 nếu lõi thép nằm ở
•
trung tâm Lõi chuyển động sang phải hay trái sẽ làm đổi chiều (cực tính) ngõ ra • Dựa theo nguyên lý máy biến áp có
từ trở thay đổi
• Có thể phát hiện được cả khoảng
cách và chiều chuyển động
Đo lường – Cảm biến
Eddy Current Sensors – Cảm biến dựa vào dòng điện xoáy
Dòng điện xoáy sẽ tạo một từ trường ngược chiều từ trường kích thích của cuộn dây. Điều này làm cho trở kháng Z của cuộn dây thay đổi
Cảm biến dòng xoáy gồm 4 bộ phận: cuộn dây, đối tượng, mạch giao tiếp điện tử, và khối xử lý tín hiệu
Đo lường – Cảm biến
Eddy Current Sensors – Cảm biến dựa vào dòng điện xoáy
Trở kháng cuộn dây Z là hàm của khoảng cách với đối tượng kim loại a. Do đó việc đo độ thay đổi trở kháng cũng chính là đo khoảng dịch chuyển của vật thể
Đo lường – Cảm biến
Eddy current sensors
Đo lường – Cảm biến
Eddy current sensors
Đo lường – Cảm biến
Encoder tăng – Incremental Encoder
Cấu trúc của Inc. Encoder: - Các tín hiệu ra: A, B, Z - Các xung A và B: Có nhiều độ phân giải khác nhau cho mỗi vòng quay
Ví dụ 2048 P/R (pulses per revolution) A và B lệch pha nhau 90
- Xung Z: Đưa ra một xung cho mỗi vòng quay
Các tín hiệu ra của Inc. Encoder
A
B
Z
Đo lường – Cảm biến
Đo lường – Cảm biến
Encoder tăng – Incremental Encoder
A
D
Q
F / R
D F/F
Chiều quay: Kiểm tra chiều quay sử dụng D Flip Flop
B
[1] Chiều quay thuận
- A sớm pha 90 so với xung B Ngõ ra của D F/F là “1”
A
B
F / R
[2] Chiều quay nghịch
- B sớm pha 90 so với A Ngõ ra của D F/F là “0”
A
B
F / R
Đo lường – Cảm biến
Encoder tuyệt đối – Absolute Encoder
Cấu trúc của Abs. Encoder
- Nhiều lớp: ví dụ, 12-bit absolute encoder 12 lớp
Ưu điểm
- Giá trị số hóa cho các vị trí - Vị trí tuyệt đối có thể nhận được tại mọi
thời điểm
Khuyết điểm
- Nhiều tín hiệu ra - Giá thành cao so với Inc. Encoder - Số bit liên quan tới giá thành và độ
phân giải
Đo lường – Cảm biến
Angle
Binary
Decimal
0-45
000
0
45-90
001
1
90-135
010
2
135-180
011
3
180-225
100
4
225-270
101
5
270-315
110
6
315-360
111
7
Đo lường – Cảm biến
Encoder tuyệt đối – Absolute Encoder
Mã nhị phân và Mã Grey (5-bit)
Dữ liệu đầu ra
Decimal
- Mã Grey được dùng để hạn chế sai số
đo
Gray Code Natural Binary Code
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1
Mã Grey
0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 2
0 0 0 1 1 0 0 0 1 0 3
- Chỉ một bit thay đổi khi chuyển vị trí
0 0 1 0 0 0 0 1 1 0 4
0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 5
0 0 1 1 0 0 0 1 0 1 6
0 0 1 1 1 0 0 1 0 0 7
0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 8
0 1 0 0 1 0 1 1 0 1 9
0 1 0 1 0 0 1 1 1 1 10
0 1 0 1 1 0 1 1 1 0 11
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1 1 1 1 1 0 0 0 0 31 1 Đo lường – Cảm biến
Cảm biến tiếp cận
• Cảm biến tiếp cận(điện dung hay điện cảm) có thể
được dùng để cảm nhận khoảng cách.
• Hàm truyền rất phi tuyến • Các cảm biến tiếp cận thường được dùng như các công tắc tác động khi đạt tới một khoảng cách đã định trước.
Đo lường – Cảm biến
Cảm biến tiếp cận điện cảm
• Hoạt động: – Khi cảm biến tới gần bề mặt vật thể, độ tự cảm của cuộn dây tăng nếu bề mặt
vật thể là vật liệu từ
– Khi đó dựa vào việc đo độ tự cảm này để suy ra vị trí và khoảng cách
Đo lường – Cảm biến
Cảm biến Hall
d
I C
Điện áp đầu ra của phần tử Hall
B
I
BB
V H
C
K d
I C
- Điện áp Hall tỉ lệ với từ thông - Chiều của điện áp Hall chính là chiều của từ thông
V H
Ví dụ, cảm biến Hall dùng như một cảm biến quay
Đo lường – Cảm biến
Cảm biến Hall
Cảm biến Hall dùng phát hiện vị trí rotor động cơ BLDC
Đo lường – Cảm biến
Cảm biến quang dùng đo vị trí
Cảm biến tiếp cận dạng phản xạ
Thước quang – Linear encoder
Đo lường – Cảm biến
Thước quang
Một mảng các photovoltaic cell sẽ chuyển đổi các tia sáng có cường độ sáng khác nhau thành tín hiệu điện
Absolute
Incremental
Đo lường – Cảm biến
Đo khoảng cách dùng siêu âm và laser
Khoảng cách Lo tới vật thể có thể được tính dựa vào vận tốc v và góc
Cảm biến siêu âm hoạt động dựa vào việc truyền và nhận năng lượng sóng siêu âm. Khi sóng siêu âm truyền tới vật thể, một phần năng lượng của nó bị phản xạ về
Cảm biến siêu âm dùng trong môi trường không khí
Cảm biến laser
Đo lường – Cảm biến
