Bài giảng Đo lường và cảm biến: Chương 4 - ThS. Trần Văn Lợi

Chương 4<br /> CẢM BIẾN VỊ TRÍ VÀ DỊCH CHUYỂN<br /> 4.1<br /> <br /> ĐIỆN THẾ KẾ ĐIỆN TRỞ<br /> <br /> 4.1.1<br /> <br /> Cấu tạo<br /> <br /> Gồm một điện trở cố định R, trên có một tiếp xúc điện có thể di chuyển gọi là<br /> con chạy. Giá trị của điện trở đo được giữa con chạy và một đầu của điện trở R là<br /> hàm phụ thuộc vị trí con chạy và bản thân điện trở R.<br /> Nếu điện trở được chế tạo đồng đều thì R sẽ tỉ lệ tuyến tính với vị trí con chạy. Có<br /> hai dạng cảm biến vị trí điện trở: cảm biến điện trở dịch chuyển thẳng hình 4.1a; cảm biến<br /> điện trở tròn và tròn xoắn hình 4.1b-c<br /> <br /> Hình 4.1<br /> Điện trở dịch chuyển thẳng: R(l ) =<br /> Điện trở dịch chuyển tròn: R(a) =<br /> <br /> 1<br /> R<br /> L<br /> a<br /> <br /> am<br /> <br /> R<br /> <br /> Đối với điện trở tròn: αM < 360°<br /> Đối với điện trở xoắn: αM > 360°<br /> Bài giảng Đo lường và cảm biến<br /> <br /> Trang 42<br /> <br /> Hợp kim thường dùng làm điện trở là Ni–Cr, Ni–Cu, Ni–G–Fe, Ag–Pd. Dây điện<br /> trở được cuốn trên lõi cách điện còn dây được cách điện bằng emay.<br /> R nằm trong khoảng từ 1K – 100KΩ, có thể đạt đến vài MΩ.<br /> Con chạy phải tiếp xúc tốt, không tạo ra suất điện động tiếp xúc, điện trở tiếp<br /> xúc nhỏ và ổn định. Các tiêu chuẩn này phải đảm bảo trong điều kiện dao động và tốc<br /> độ dịch chuyển lớn.<br /> 4.1.2<br /> <br /> Đặc điểm<br /> <br /> Hình 4.2<br /> Khoảng cách có ích của con chạy<br /> Giá trị R(x)/R thường không ổn định ở cuối đường chạy của con trỏ hoặc ở các chỗ nối<br /> mạch điện hình 4.2. Khoảng cách có ích là khoảng mà trong đó R(x) là hàm tuyến tính của<br /> dịch chuyển.<br /> Độ phân giải<br /> Các cảm biến dây chỉ cho ta phát hiện sự biến thiên điện trở bằng một vòng dây,<br /> tương ứng với dịch chuyển hai vòng dây. Nếu điện trở toàn phần là R0, số vòng dây W, điện<br /> R<br /> trở nhỏ nhất có thể phát hiện được là rn = 0 ; rn- ngưỡng nhạy của cảm biến.<br /> W<br /> Thời gian sống<br /> Thời gian sống của điện kế là số lần sử dụng của điện thế kế. Nguyên nhân gây ra hư<br /> hỏng và hạn chế thời gian sống của điện thế kế là sự mài mòn con chạy và dây điện trở trong<br /> quá trình làm việc. Thường thời gian sống của điện thế kế dạng dây dẫn vào cỡ 106 lần, điện<br /> kế dạng băng dẫn vào cỡ 5.107 - 108 lần. Moät soá ñaëc ñieåm cuûa caûm bieán thoâng duïng<br /> Thoâng soá<br /> -daûi ño<br /> -ñoä phaân daûi<br /> -coâng suaát<br /> -heä soá nhieät ñoä<br /> -taàn soá<br /> -ñoä beàn<br /> <br /> Bài giảng Đo lường và cảm biến<br /> <br /> Di chuyeån thaúng<br /> 2mm->8m<br /> 50 mm<br /> 0.1-50W<br /> 20-1000phaàn / 10 6 / o C<br /> 3Hz<br /> Ñeán 4x10 8 chu kì dòch chuyeån<br /> <br /> Di chuyeån vuoâng goùc<br /> 10 O -60 voøng<br /> 2 o - 0 .2 o<br /> <br /> Trang 43<br /> <br /> 4.1.3 Maïch ño<br /> Maïch phaân aùp<br /> <br /> Ta coù:<br /> <br /> R3<br /> E<br /> =<br /> U o R2 + R3<br /> <br /> Maïch kieå u caà u phaân aùp<br /> <br /> Ta coù:<br /> <br /> 4.2<br /> <br /> Uo<br /> R2<br /> R4<br /> =<br /> E R 2 + R1 R 4 + R3<br /> <br /> ĐIỆN THẾ KẾ DÙNG CON TRỎ QUANG<br /> <br /> Để khắc phục nhược điểm của điện thế kế dùng con chạy cơ học, người ta sử dụng<br /> điện thế kế liên kết quang hoặc từ.<br /> Hình 4.3 trình bày sơ đồ nguyên lý của một điện thế kế dùng con trỏ quang. Điện thế<br /> kế tròn dùng con trỏ quang gồm điot phát quang (1), băng đo (2), băng tiếp xúc (3) và băng<br /> quang dẫn (4). Băng điện trở đo được phân cách với băng tiếp xúc bởi một băng quang dẫn<br /> rất mảnh làm bằng CdSe trên đó có con trỏ quang dịch chuyển khi trục của điện thế kế quay.<br /> Điện trở của vùng quang dẫn giảm đáng kể trong vùng được chiếu sáng tạo nên sự liên kết<br /> giữa băng đo và băng tiếp xúc.<br /> <br /> Hình 4.3 Điện thế kế quay dùng con trỏ quang<br /> Thời gian hồi đáp của vật liệu quang dẫn cỡ vài chục ms.<br /> Bài giảng Đo lường và cảm biến<br /> <br /> Trang 44<br /> <br /> 4.3<br /> <br /> ĐO DỊCH CHUYỂN BẰNG ENCODER THẲNG<br /> <br /> Các cảm biến đo vị trí và dịch chuyển theo phương<br /> pháp quang học gồm nguồn phát ánh sáng kết hợp với một<br /> đầu thu quang (thường là tế bào quang điện). Hình 4.4 đo<br /> dịch chuyển bằng thước khắc vạch (encoder tăng) cấu tạo của<br /> nó gồm: 1- thước khắc vạch, 2- nguồn sáng; 3,4,5,7- thấu<br /> kính, 6- tấm chắn ánh sánh; 8- tế bào quang điện.<br /> Nguyên lý hoat động tương tự giống cảm biến quang<br /> phản xạ, thước khắc vạch được khắc vạch trắng và đen xen<br /> nhau, ánh sáng bị hấp thụ khi gặp vạch đen và phản xạ khi<br /> gặp vạch trắng, như vậy cứ mỗi lần ánh sáng chuyển qua một<br /> vạch thì tế bào quang điện nhận được một xung ánh sáng và<br /> một xung điện được tạo ra, đếm số xung ta có thể suy ra di<br /> chuyển:<br /> Ta có: Dx=Nd<br /> Trong đó: Dx là khoảng dịch chuyển, N là số xung<br /> đếm được; d giá trị của mạch chia độ.<br /> <br /> Hình 4.4<br /> <br /> Người ta có thể thực hiện 200 vạch/mm.<br /> <br /> 4.4<br /> <br /> CẢM BIẾN ĐIỆN CẢM<br /> <br /> Cảm biến điện cảm là nhóm các cảm biến làm việc dựa trên nguyên lý cảm ứng điện<br /> từ. Vật cần đo vị trí hoặc dịch chuyển được gắn vào một phần tử của mạch từ gây nên sự biến<br /> thiên từ thông qua cuộn đo. Cảm biến điện cảm được chia ra: cảm biến tự cảm và hỗ cảm.<br /> 4.4.1<br /> <br /> Cảm biến tự cảm có khe từ biến thiên<br /> <br /> Cảm biến tự cảm đơn<br /> Trên hình trình bày sơ đồ nguyên lý cấu tạo của một số loại cảm biến tự cảm đơn.<br /> <br /> Hình 4.5 Cảm biến tự cảm<br /> Cấu tạo gồm một cuộn dây quấn trên lõi thép cố định (phần tĩnh) và một lõi thép có<br /> thể di động dưới tác động của đại lượng đo (phần động), giữa phần tĩnh và phần động có khe<br /> hở không khí tạo nên một mạch từ hở. Dưới tác động của đại lượng đo Xv, phần ứng của cảm<br /> biến di chuyển, khe hở không khí d trong mạch từ thay đổi, làm cho từ trở của mạch từ biến<br /> thiên, do đó hệ số tự cảm và tổng trở của cuộn dây thay đổi theo. Khi phần ứng quay, tiết<br /> diện khe hở không khí thay đổi, làm cho từ trở của mạch từ biến thiên, do đó hệ số tự cảm và<br /> tổng trở của cuộn dây thay đổi theo. Hệ số tự cảm của cuộn dây cũng có thể thay đổi do thay<br /> đổi tổn hao sinh ra bởi dòng điện xoáy khi tấm sắt từ dịch chuyển dưới tác động của đại<br /> lượng đo Xv.<br /> Bài giảng Đo lường và cảm biến<br /> <br /> Trang 45<br /> <br /> Nếu bỏ qua điện trở của cuộn dây và từ trở của lõi thép ta có:<br /> W 2 Wm 0 s<br /> L=<br /> =<br /> Rd<br /> d<br /> Trong đó:<br /> W- số vòng dây.<br /> d<br /> Rd =<br /> - từ trở của khe hở không khí.<br /> m0 s<br /> d - chiều dài khe hở không khí.<br /> s - tiết diện thực của khe hở không khí.<br /> ¶L<br /> ¶L<br /> Trường hợp W = const ta có: dL = .ds +<br /> .dd<br /> ¶s<br /> ¶d<br /> Với lượng thay đổi hữu hạn ∆d và ∆s ta có:<br /> W 2 m0<br /> W 2 m 0 s0<br /> DL =<br /> Ds Dd<br /> d0<br /> (d 0 + Dd )2<br /> Độ nhạy của cảm biến tự cảm khi khe hở không khí thay đổi (s=const):<br /> DL<br /> L0<br /> Sd =<br /> =2<br /> Dd<br /> é æ Dd öù<br /> ÷ú<br /> d 0 ê1 + ç<br /> ç<br /> ÷<br /> ë è d 0 øû<br /> Độ nhạy của cảm biến tự cảm khi thay đổi tiết diện không khí (d = const) :<br /> DL L0<br /> Sd =<br /> =<br /> Ds s 0<br /> Tổng trở của cảm biến :<br /> wW 2 m 0 s<br /> Z = wL =<br /> d<br /> Ta thấy tổng trở Z của cảm biến là hàm tuyến tính với tiết diện khe hở không khí s và phi<br /> tuyến với chiều dài khe hở không khí δ.<br /> <br /> Hình 4.6 Sự phụ thuộc giữa L, Z với chiều dày khe hở không khí δ<br /> Đặc tính của cảm biến tự cảm đơn Z = f(∆δ) là hàm phi tuyến và phụ thuộc tần số nguồn kích<br /> thích, tần số nguồn kích thích càng cao thì độ nhạy của cảm biến càng cao.<br /> Cảm biến tự cảm kép lắp theo kiểu vi sai<br /> Để tăng độ nhạy của cảm biến và tăng đoạn đặc tính tuyến tính người ta thường dùng cảm<br /> biến tự cảm kép mắc theo kiểu vi sai (hình 4.7).<br /> <br /> Bài giảng Đo lường và cảm biến<br /> <br /> Trang 46<br /> <br />