Tài liệu hạn chế xem trước, để xem đầy đủ mời bạn chọn Tải xuống
1
/ 19 trang
THÔNG TIN TÀI LIỆU
Thông tin cơ bản
Định dạng
Số trang
19
Dung lượng
166,73 KB
Nội dung
- 71 -
Chơng IV
Cảm biến đo vị trí và dịch chuyển
4.1. Nguyên lý đo vị trí và dịch chuyển
Việc xác định vị trí và dịch chuyển đóng vai trò rất quan trọng trong kỹ thuật.
Hiện nay có hai phơng pháp cơ bản để xác định vị trí và dịch chuyển.
Trong phơng pháp thứ nhất, bộ cảmbiến cung cấp tín hiệu là hàm phụ thuộc
vào vị trí của một trong các phần tử của cảm biến, đồng thời phần tử này có liên
quan đến vật cần xác định dịch chuyển.
Trong phơng pháp thứ hai, ứng với một dịch chuyển cơ bản, cảmbiến phát ra
một xung. Việc xác định vị trí và dịch chuyển đợc tiến hành bằng cách đếm số
xung phát ra.
Một số cảmbiến không đòi hỏi liên kết cơ học giữa cảmbiến và vật cần đo vị
trí hoặc dịch chuyển. Mối liên hệ giữa vật dịch chuyển và cảmbiến đợc thực hiện
thông qua vai trò trung gian của điện trờng, từ trờng hoặc điện từ trờng, ánh
sáng.
Trong chơng này trình bày các loại cảmbiến thông dụng dùng để xác định vị
trí và dịch chuyển của vật nh điện thế kế điện trở, cảmbiến điện cảm, cảmbiến
điện dung, cảmbiến quang, cảmbiến dùng sóng đàn hồi.
4.2. Điện thế kế điện trở
Loại cảmbiến này có cấu tạo đơn giản, tín hiệu đo lớn và không đòi hỏi mạch
điện đặc biệt để xử lý tín hiệu. Tuy nhiên với các điện thế kế điện trở có con chạy cơ
học có sự cọ xát gây ồn và mòn, số lần sử dụng thấp và chịu ảnh hởng lớn của môi
trờng khi có bụi và ẩm.
4.2.1. Điện thế kế dùng con chạy cơ học
a) Cấu tạo và nguyên lý làm việc
Cảm biến gồm một điện trở cố định R
n
, trên đó có một tiếp xúc điện có thể di
chuyển đợc gọi là con chạy. Con chạy đợc liên kết cơ học với vật chuyển động
cần khảo sát. Giá trị của điện trở R
x
giữa con chạy và một đầu của điện trở R
n
là
hàm phụ thuộc vào vị trí con chạy, cũng chính là vị trí của vật chuyển động.
-
Đối với điện thế kế chuyển động thẳng (hình 4.1a):
nx
R
L
l
R =
(4.1)
- 72 -
-
Trờng hợp điện thế kế dịch chuyển tròn hoặc xoắn:
n
M
x
RR
=
(4.2)
Trong đó
M
< 360
o
khi dịch chuyển tròn (hình 4.1b) và
M
> 360
o
khi dịch chuyển
xoắn. (hình 4.1c)
Các điện trở đợc chế tạo có dạng cuộn dây hoặc băng dẫn.
Các điện trở dạng cuộn dây thờng đợc chế tạo từ các hợp kim Ni - Cr, Ni -
Cu , Ni - Cr - Fe, Ag - Pd quấn thành vòng xoắn dạng lò xo trên lõi cách điện (bằng
thuỷ tinh, gốm hoặc nhựa), giữa các vòng dây cách điện bằng emay hoặc lớp oxyt bề
mặt.
Các điện trở dạng băng dẫn đợc chế tạo bằng chất dẻo trộn bột dẫn điện là
cacbon hoặc kim loại cỡ hạt ~10
-2
àm.
Các điện trở đợc chế tạo với các giá trị R
n
nằm trong khoảng 1k
đến 100k
,
đôi khi đạt tới M
.
Các con chạy phải đảm bảo tiếp xúc điện tốt, điện trở tiếp xúc phải nhỏ và ổn
định.
b) Các đặc trng
- Khoảng chạy có ích của con chạy:
R
n,
, L
R
x
, l
R
R
n
R
n
R
Hình 4.1 Các dạng điện thế kế
1) Điện trở 2) Con chạy
a)
b)
c)
12
1
1
2
1
2
- 73 -
Thông thờng ở đầu hoặc cuối đờng chạy của con chạy tỉ số R
x
/R
n
không ổn
định. Khoảng chạy có ích là khoảng thay đổi của x mà trong khoảng đó R
x
là hàm
tuyến tính của dịch chuyển.
- Năng suất phân giải:
Đối với điện trở dây cuốn, độ phân giải xác định bởi lợng dịch chuyển cực đại
cần thiết để đa con chạy từ vị trí tiếp xúc hiện tại sang vị trí tiếp xúc lân cận tiếp
theo. Giả sử cuộn dây có n vòng dây, có thể phân biệt 2n-2 vị trí khác nhau về điện
của con chạy:
+ n vị trí tiếp xúc với một vòng dây.
+ n - 2 vị trí tiếp xúc với hai vòng dây.
Độ phân giải của điện trở dạng dây phụ thuộc vào hình dạng và đờng kính
của dây điện trở và vào khoảng ~10
àm.
Độ phân giải của các điện trở kiểu băng dẫn phụ thuộc vào kích thớc hạt,
thờng vào cỡ ~ 0,1
àm.
- Thời gian sống:
Thời gian sống của điện kế là số lần sử dụng của điện thế kế. Nguyên nhân gây
ra h hỏng và hạn chế thời gian sống của điện thế kế là sự mài mòn con chạy và dây
điện trở trong quá trình làm việc. Thờng thời gian sống của điện thế kế dạng dây
dẫn vào cỡ 10
6
lần, điện kế dạng băng dẫn vào cỡ 5.10
7
- 10
8
lần.
4.2.2. Điện thế kế không dùng con chạy cơ học
Để khắc phục nhợc điểm của điện thế kế dùng con chạy cơ học, ngời ta sử
dụng điện thế kế liên kết quang hoặc từ.
Khoản
g
chạ
y
có ích
Cuối đờn
g
chạ
y
Đầu đờn
g
chạ
y
x
Hình 4.2 Sự phụ thuộc của điện trở
điện thế kế vào vị trí con chạy
R
x
Hình 4.3 Độ phân giải của điện thế
kế dạng dây
- 74 -
a) Điện thế kế dùng con trỏ quang
Hình 4.4 trình bày sơ đồ nguyên lý của một điện thế kế dùng con trỏ quang.
Điện thế kế tròn dùng con trỏ quang gồm điot phát quang (1), băng đo (2),
băng tiếp xúc (3) và băng quang dẫn (4). Băng điện trở đo đợc phân cách với băng
tiếp xúc bởi một băng quang dẫn rất mảnh làm bằng CdSe trên đó có con trỏ quang
dịch chuyển khi trục của điện thế kế quay. Điện trở của vùng quang dẫn giảm đáng
kể trong vùng đợc chiếu sáng tạo nên sự liên kết giữa băng đo và băng tiếp xúc.
Thời gian hồi đáp của vật liệu quang dẫn cỡ vài chục ms.
b) Điện thế kế dùng con trỏ từ
Hình 4.5 trình bày sơ đồ nguyên lý một điện thế kế từ gồm hai từ điện trở R
1
và
R
2
mắc nối tiếp và một nam châm vĩnh cữu (gắn với trục quay của điện thế kế) bao
phủ lên một phần của điện trở R
1
và R
2
, vị trí phần bị bao phủ phụ thuộc góc quay
của trục.
Điện áp nguồn E
S
đợc đặt giữa hai điểm (1) và (3), điện áp đo V
m
lấy từ điểm
chung (2) và một trong hai đầu (1) hoặc (3).
Khi đó điện áp đo đợc xác định bởi công thức:
S
1
S
21
1
m
E
R
R
E
RR
R
V =
+
=
(4.3)
Hình 4.4 Điện thế kế quay dùng con trỏ quang
1) Điot phát quang 2) Băng đo 3) Băng tiếp xúc 4) Băng quang dẫn
Điện tr
ở
Thời gian
1
2
3
4
~20 ms
- 75 -
Trong đó R
1
là hàm phụ thuộc vị trí của trục quay, vị trí này xác định phần của R
1
chịu ảnh hởng của từ trờng còn R = R
1
+ R
2
= const.
Từ hình 4.5b ta nhận thấy điện áp đo chỉ tuyến tính trong một khoảng ~90
o
đối
với điện kế quay. Đối với điện kế dịch chuyển thẳng khoảng tuyến tính chỉ cỡ vài
mm.
4.3. Cảm biến điện cảm
Cảm biến điện cảm là nhóm các cảmbiến làm việc dựa trên nguyên lý cảm
ứng điện từ. Vật cần đo vị trí hoặc dịch chuyển đợc gắn vào một phần tử của mạch
từ gây nên sự biến thiên từ thông qua cuộn đo. Cảmbiến điện cảm đợc chia ra:
cảm biến tự cảm và hỗ cảm.
4.3.1. Cảmbiến tự cảm
a) Cảmbiến tự cảm có khe từ biến thiên
- Cảmbiến tự cảm đơn: trên hình 4.6 trình bày sơ đồ nguyên lý cấu tạo của
một số loại cảmbiến tự cảm đơn.
Hình 4.6 Cảmbiến tự cảm
1) Lõi sắt từ 2) Cuộn dây 3) Phần động
X
V
X
V
a) b) c)
1
2
3
1
2
3
1
2
R
R
2
R
1
1
2
3
Hình 4.5 Điện thế kế điện từ
30%
50%
70%
0
O
180
O
360
O
V
m
/
E
S
a)
b)
- 76 -
Cảmbiến tự cảm đơn gồm một cuộn dây quấn trên lõi thép cố định (phần tĩnh)
và một lõi thép có thể di động dới tác động của đại lợng đo (phần động), giữa
phần tĩnh và phần động có khe hở không khí tạo nên một mạch từ hở.
Sơ đồ hình 4.6a: dới tác động của đại lợng đo X
V
, phần ứng của cảmbiến di
chuyển, khe hở không khí
trong mạch từ thay đổi, làm cho từ trở của mạch từ biến
thiên, do đó hệ số tự cảm và tổng trở của cuộn dây thay đổi theo.
Sơ đồ hình 4.6b: khi phần ứng quay, tiết diện khe hở không khí thay đổi, làm
cho từ trở của mạch từ biến thiên, do đó hệ số tự cảm và tổng trở của cuộn dây thay
đổi theo.
Hệ số tự cảm của cuộn dây cũng có thể thay đổi do thay đổi tổn hao sinh ra
bởi dòng điện xoáy khi tấm sắt từ dịch chuyển dới tác động của đại lợng đo X
v
(hình 4.6c).
Nếu bỏ qua điện trở của cuộn dây và từ trở của lõi thép ta có:
à
==
sW
R
W
L
0
2
2
Trong đó:
W- số vòng dây.
s
R
0
à
=
- từ trở của khe hở không khí.
- chiều dài khe hở không khí.
s - tiết diện thực của khe hở không khí.
Trờng hợp W = const ta có:
+
= d
L
ds
s
L
dL
Với lợng thay đổi hữu hạn
và
s ta có:
()
+
à
à
=
2
0
00
2
0
0
2
sW
s
W
L
(4.4)
Độ nhạy của cảmbiến tự cảm khi khe hở không khí thay đổi (s=const):
2
0
0
0
1
L
L
S
+
=
=
(4.5)
Độ nhạy của cảmbiến tự cảm khi thay đổi tiết diện không khí (
= const):
- 77 -
0
0
s
s
L
s
L
S =
= (4.6)
Tổng trở của cảm biến:
à
==
sW
LZ
0
2
(4.7)
Từ công thức (4.7) ta thấy tổng trở Z của cảmbiến là hàm tuyến tính với tiết diện
khe hở không khí s và phi tuyến với chiều dài khe hở không khí
.
Đặc tính của cảmbiến tự cảm đơn Z = f(
) là hàm phi tuyến và phụ thuộc tần
số nguồn kích thích, tần số nguồn kích thích càng cao thì độ nhạy của cảmbiến
càng cao (hình 4.7).
- Cảmbiến tự cảm kép lắp theo kiểu vi sai: Để tăng độ nhạy của cảmbiến và tăng
đoạn đặc tính tuyến tính ngời ta thờng dùng cảmbiến tự cảm kép mắc theo kiểu vi
sai (hình 4.8).
Đặc tính của cảmbiến tự cảm kép vi sai có dạng nh hình 4.9.
X
V
X
V
X
V
a)
b)
c)
Hình 4.8 Cảmbiến tự cảm kép mắc theo kiểu vi sai
L = f
(
)
Z
5000Hz
= f
(
)
Z
500Hz
= f
(
)
Hình 4.7 Sự phụ thuộc giữa L, Z với chiều dày khe hở không khí
Z, L
- 78 -
b) Cảmbiến tự cảm có lõi từ di động
Cảmbiến gồm một cuộn dây bên trong có lõi từ di động đợc (hình 4.10).
Dới tác động của đại lợng đo X
V
, lõi từ dịch chuyển làm cho độ dài l
f
của lõi
từ nằm trong cuộn dây thay đổi, kéo theo sự thay đổi hệ số tự cảm L của cuộn dây.
Sự phụ thuộc của L vào l
f
là hàm không tuyến tính, tuy nhiên có thể cải thiện bằng
cách ghép hai cuộn dây đồng dạng vào hai nhánh kề sát nhau của một cầu điện trở
có chung một lõi sắt.
4.3.2. Cảmbiến hỗ cảm
Cấu tạo của cảmbiến hỗ cảm tơng tự cảmbiến tự cảm chỉ khác ở chỗ có thêm
một cuộn dây đo (hình 4.11).
Trong các cảmbiến đơn khi chiều dài khe hở không khí (hình 4.11a) hoặc tiết
diện khe không khí thay đổi (hình 4.11b) hoặc tổn hao do dòng điện xoáy thay đổi
(hình 4.11c) sẽ làm cho từ thông của mạch từ biến thiên kéo theo suất điện động e
trong cuộn đo thay đổi.
- Cảmbiến đơn có khe hở không khí:
L
1
= f
(
)
Hình 4.9 Đặc tính của cảmbiến tự cảm kép lắp vi sai
L
1
- L
2
= f(
)
L
2
= f(
)
L
Hình 4.10 Sơ đồ nguyên lý cảmbiến tự cảm có lõi từ
1) Cuộn dây 2) Lõi từ
l
0
l
f
l
X
V
1
2
- 79 -
Từ thông tức thời:
à
==
siW
R
iW
011
t
i - giá trị dòng điện tức thời trong cuộn dây kích thích W
1
.
Sức điện động cảm ứng trong cuộn dây đo W
2
:
dt
di
.
sWW
dt
d
We
012t
2
à
=
=
W
2
- số vòng dây của cuộn dây đo.
Khi làm việc với dòng xoay chiều
tsinIi
m
=
, ta có:
tcosI
sWW
e
m
012
à
=
và giá trị hiệu dụng của suất điện động:
=
à
=
s
kI
sWW
E
012
I - giá trị hiệu dụng của dòng điện,
IWWk
012
à
=
.
Với các giá trị W
2
, W
1
,
à
0
,
và I là hằng số, ta có:
+
= d
E
ds
s
E
dE
Hình 4.11 Cảmbiến hỗ cảm
1) Cuộn sơ cấp 2) Gông từ 3) lõi từ di động 4) Cuộn thứ cấp (cuộn đo)
a)
3
X
V
1
2
~
b)
1
2
3
c)
X
V
3
4
~
X
V
4
~
1
2
d)
X
V
~ ~
e)
~
X
V
~
đ)
4
4
1
- 80 -
Hay
()
2
0
0
ks
s
kE
+
=
(4.8)
Độ nhạy của cảmbiến với sự thay đổi của chiều dài khe hở không khí (s = const):
2
0
0
0
2
0
2
0
1
E
1
ksE
S
+
=
+
=
=
(4.9)
Còn độ nhạy khi tiết diện khe hở không khí s thay đổi ( = const):
0
0
0
S
s
E
k
s
E
S =
=
= (4.10)
0
0
0
ks
E
=
- sức điện động hỗ cảm ban đầu trong cuộn đo W
2
khi X
V
= 0.
Ta nhận thấy công thức xác định độ nhạy của cảmbiến hỗ cảm có dạng tơng
tự nh cảmbiến tự cảm chỉ khác nhau ở giá trị của E
0
và L
0
. Độ nhạy của cảmbiến
hỗ cảm S
và S
S
cũng tăng khi tần số nguồn cung cấp tăng.
- Cảmbiến vi sai: để tăng độ nhạy và độ tuyến tính của đặc tính cảmbiến ngời
ta mắc cảmbiến theo sơ đồ vi sai (hình 4.11d,đ,e). Khi mắc vi sai độ nhạy của cảm
biến tăng gấp đôi và phạm vi làm việc tuyến tính mở rộng đáng kể.
- Biến thế vi sai có lõi từ: gồm bốn cuộn dây ghép đồng trục tạo thành hai cảm
biến đơn đối xứng, bên trong có lõi từ di động đợc (hình 4.12). Các cuộn thứ cấp
đợc nối ngợc với nhau sao cho suất điện động trong chúng triệt tiêu lẫn nhau.
Về nguyên tắc, khi lõi từ ở vị trí trung gian, điện áp đo V
m
ở đầu ra hai cuộn
thứ cấp bằng không. Khi lõi từ dịch chuyển, làm thay đổi mối quan hệ giữa cuộn sơ
cấp với các cuộn thứ cấp, tức là làm thay đổi hệ số hỗ cảm giữa cuộn sơ cấp với các
Hình 4.12 Cảmbiến hỗ cảm vi sai
1) Cuộn sơ cấp 2) Cuộn thứ cấp 3) Lõi từ
~
~
1
2
2
3
[...]... quang - 84 - 1 2 3 Hình 4.16 Cảm biến quang phản xạ 1) Nguồn phát 2) Thớc đo 3) Đầu thu quang Cảmbiến loại dọi phản quang, không cần dây nối qua vùng cảm nhận nhng cự ly cảm nhận thấp và chịu ảnh hởng của ánh sáng từ nguồn sáng khác 4.5.2 Cảm biến quang soi thấu Sơ đồ cấu trúc của một cảmbiến đo vị trí và dịch chuyển theo nguyên tắc soi thấu trình bày trên hình 4.17a Cảmbiến gồm một nguồn phát ánh... đợc mắc các điện trở song song với cảmbiến - Chống ẩm tốt Hình 4.15a là sơ đồ mạch cầu dùng cho cảmbiến tụ kép vi sai với hai điện trở Cung cấp cho mạch cầu là một máy phát tần số cao Hình 4.15b là sơ đồ mạch mặch cầu biến áp với hai nhánh tụ điện Cx R eS ~ A2 A1 A3 Ura C0 eS ~ Ura R b) a) Hình 4.15 Mạch đo thờng dùng với cảmbiến tụ điện 4.5 Cảmbiến quang Các cảmbiến đo vị trí và dịch chuyển theo... ánh sáng kết hợp với một đầu thu quang (thờng là tế bào quang điện) Tuỳ theo cách bố trí đầu thu quang, nguồn phát và thớc đo (hoặc đối tợng đo), các cảmbiến đợc chia ra: - Cảm biến quang phản xạ - Cảmbiến quang soi thấu 4.5.1 Cảmbiến quang phản xạ Cảmbiến quang phản xạ (hình 4.16) hoạt động theo nguyên tắc dọi phản quang: đầu thu quang đặt cùng phía với nguồn phát Tia sáng từ nguồn phát qua thấu... tuyến tính với hiệu số các hệ số hỗ cảm của hai cuộn thứ cấp 4.4 Cảmbiến điện dung 4.4.1 Cảmbiến tụ điện đơn Các cảmbiến tụ điện đơn là một tụ điện phẳng hoặc hình trụ có một bản cực gắn cố định (bản cực tĩnh) và một bản cực di chuyển (bản cực động) liên kết với vật cần đo Khi bản cực động di chuyển sẽ kéo theo sự thay đổi điện dung của tụ điện - Đối với cảmbiến hình 4.13a: dới tác động của đại... trên ta có độ nhạy của cảmbiến theo dung kháng: - 82 - S Z = S Zs = S Z = 0 (4.17) s 0 ( 0 + ) 2 0 (4.18) 0 (s 0 + s ) 2 1 0 s 0 (4.19) Từ các biểu thức trên có thể rút ra: - Biến thiên điện dung của cảmbiến tụ điện là hàm tuyến tính khi diện tích bản cực và hằng số điện môi thay đổi nhng phi tuyến khi khoảng cách giữa hai bản cực thay đổi - Biến thiên dung kháng của cảmbiến tụ điện là hàm tuyến... và độ từ thẩm của vật liệu sắt từ Sơ đồ nguyên lý và cấu tạo của cảmbiến âm từ trình bày trên hình 4.20 Cấu tạo của cảmbiến gồm ống sắt từ (1), nam châm di động (2) trợt dọc ống gắn với vật cần xác định vị trí Dây dẫn (3) nằm giữa trục ống và đợc nối với máy phát xung (4) Máy thu (5) có lõi từ nối cơ học với ống 1 Đầu thu 2 3 5 l Máy phát xung 4 Hình 4.20 Sơ đồ nguyên lý cảmbiến âm từ 1) ống sắt... )2 C = (4.13) Khi khoảng cách giữa hai bản cực thay đổi ( = const và s=const), độ nhạy của cảm biến: SC = 0s0 C = ( 0 + )2 (4.14) Khi diện tích của bản cực thay đổi ( = const và = const), độ nhạy của cảm biến: SCS = C 0 = s 0 (4.15) Khi hằng số điện môi thay đổi ( s = const và = const), độ nhạy của cảm biến: SC = C s 0 = 0 (4.16) Nếu xét đến dung kháng: Z= 1 = C s dZ = Z Z Z d + ds + d s... xung đếm đợc là N và chu kỳ của xung đếm là tH, ta có: t P = Nt H - 86 - l = vNt H Khi đó: (4.20) 4.6.2 Cảmbiến sử dụng phần tử áp điện Trong các cảmbiến áp điện, sóng đàn hồi đợc phát và thu nhờ sử dụng hiệu ứng áp điện Hiệu ứng áp điện là hiện tợng khi một tấm vật liệu áp điện (thí dụ thạch anh) bị biến dạng dới tác dụng của một lực cơ học có chiều nhất định, trên các mặt đối diện của tấm xuất hiện... cực khi có điện áp đặt vào sẽ phát sinh lực hút, lực này cần phải nhỏ hơn đại lợng đo 4.4.2 Cảmbiến tụ kép vi sai XV A2 A 1 A3 XV A1 A2 A1 XV A3 A2 a) A3 c) b) Hình 4.14 Cảmbiến tụ kép vi sai Tụ kép vi sai có khoảng cách giữa các bản cực biến thiên dịch chuyển thẳng (hình 4.14a) hoặc có diện tích bản cực biến thiên dịch chuyển quay (hình 4.14b) và dịch chuyển thẳng (hình 4.14c) gồm ba bản cực Bản... bản cực động di chuyển, khoảng các giữa các bản cực thay đổi, kéo theo điện dung tụ điện biến thiên C= 0 s - hằng số điện môi của môi trờng 0 - hằng số điện môi của chân không s - diện tích nằm giữa hai điện cực - khoảng cách giữa hai bản cực XV XV XV c) b) a) Hình 4.13 Cảmbiến tụ điện đơn - Đối với cảmbiến hình 4.13b: dới tác động của đại lợng đo XV, bản cực động di chuyển quay, diện tích . sự biến thiên từ thông qua cuộn đo. Cảm biến điện cảm đợc chia ra:
cảm biến tự cảm và hỗ cảm.
4.3.1. Cảm biến tự cảm
a) Cảm biến tự cảm có khe từ biến.
4.3.2. Cảm biến hỗ cảm
Cấu tạo của cảm biến hỗ cảm tơng tự cảm biến tự cảm chỉ khác ở chỗ có thêm
một cuộn dây đo (hình 4.11).
Trong các cảm biến đơn