BÀI TẬP LỚN Nhóm 3 - Kỹ Thuật Đo Lường Và Cảm Biến docx

+ Phương pháp thứ nhất: Bộ cảm biến cung cấp tín hiệu là hàm phụ thuộcvào vị trí của một trong các phần tử của cảm biến, đồng thời phần tử này có liênquan đến vật cần xác định vị trí hay

ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ - ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

- -BÀI TẬP LỚN Nhóm 3

Môn: Kỹ Thuật Đo Lường Và Cảm Biến

Giảng viên hướng dẫn: Th Đoàn Thị Hương Giang Sinh viên thực hiện: Đỗ Hải Bằng

Trần Văn NamNguyễn Văn Toản

Vũ Xuân TrườngKhiếu Thanh TùngLớp: K55M

Hà Nội,04/2013

Mục lục

Mục lục 1

I.Giới thiệu chung về cảm biến đo vị trí và dịch chuyển 1

1.Khái quát chung 1

2.Một số loại cảm biến thông dụng để xác định vị trí và dịch chuyển 2

2.1.Cảm biến loại điện kế điện trở 2

2.1.1.Cảm biến loại điện thế kế điện trở dùng con chạy cơ học 2

2.1.2.Cảm biến điện thế kế không dùng con chạy cơ học 4

2.2.Cảm biến loại điện cảm 5

2.2.1.Cảm biến loại tự cảm 5

2.2.2.Cảm biến tự cảm có lõi từ di động 8

2.2.3.Cảm biến hỗ cảm 8

2.3.Cảm biến điện dung 10

2.3.1.Cảm biến loại tụ điện đơn 10

2.3.2.Cảm biến tụ kép vi sai 10

2.4.Cảm biến quang 11

2.4.1.Cảm biến quang phản xạ 11

2.4.2.Cảm biến quang soi thấu 11

2.5.Cảm biến do độ dịch chuyển bằng song đàn hồi 12

2.5.1.Cảm biến sử dụng phân từ áp điện 13

2.5.2.Cảm biến âm từ 13

II Tổng quan về cảm biến vị trí tuyến tính 14

1.Khái niệm 14

2.Nguyên lý hoạt động 14

3.Phân loại 14

4.Giới thiệu về cảm biến vị trí tuyến tính – loại R (Linear position sensor – R series) 15

4.4 Thông số kỹ thuật cảm cảm biến vị trí tuyến tính – loại R mô hình RP 20 4.5 Mạch đo 24 4.6 Ứng dụng 25

Linear position sensor – R series: Cảm biến vị trí tuyến tính loại R

I.Giới thiệu chung về cảm biến đo vị trí và dịch chuyển.

1.Khái quát chung.

- Ngày nay, cảm biến vị trí và dịch chuyển được ứng dụng rất rộng rãi Việc kiểm tra vị trí và dịch chuyển đóng vai trò rất quan trọng đối với hoạt động của nhiều máy móc, công cụ…

- Thông thường có hai phương pháp cơ bản để xác định vị trí và độ dịch chuyển

+ Phương pháp thứ nhất: Bộ cảm biến cung cấp tín hiệu là hàm phụ thuộcvào vị trí của một trong các phần tử của cảm biến, đồng thời phần tử này có liênquan đến vật cần xác định vị trí hay độ dịch chuyển dài

- Một số cảm biến không đòi hỏi sự liên kết cơ học giữa cảm biến và vật cần đo vịtrí hoặc độ dịch chuyển Mối liên hệ giữa vật dịch chuyển và cảm biến được thực hiệnthông qua vai trò trung gian của điện trường, từ trường, hoặc điện từ trường, ánh sáng.

2.Một số loại cảm biến thông dụng để xác định vị trí và dịch chuyển.

2.1.Cảm biến loại điện kế điện trở

Loại cảm biến này có cấu tạo đơn giản, tín hiệu đo lớn và không đòi hỏi mạch điệnđặc 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 hưởng lớn của môi trường khi cóbụi và ẩm cao

2.1.1.Cảm biến loại điện thế kế điện trở dùng con chạy cơ học

a.Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

điện có thể di chuyển được gọi là con chạy Con chạy được liên kết cơ học với vật

chạy là hàm phụ thuộc và vị trí con chạy, cũng chính là vị trí của vật chuyển động

Rx = 1LRn

Điện thế kế chuyển động thẳng

Điện thế kế dịch chuyển tròn hoặc xoắn

Các điện trở được chế tạo có dạng cuộn dây hoặc băng dẫn Điện trở dạng cuộndây thường được chế tạo từ các hợp kim Ni-Cr, Ni-Cu, Ni-Fe, Ag-Pd quấn thành vòngxoắn dạng lò xo trên lõi cách điện ( bằng thủy tinh, gốm hoặc nhựa), giữa các vòng dâycách điện bằng emay hoặc lớp oxyt bề mặt Điện trở băng dẫn được chế tạo bằng chất dẻotrộn bột dẫn điện là cacbon hoặc kim loại cỡ hạt ~10-2μm.m

Năng suất phân giải: Với điện trở dây cuốn, độ phân giải xác định bởi lượng dịchchuyển cực đại cần thiết để đưa con chạy từ vị trí tiếp xúc hiện tại sang vị trí tiếp xúc lâncận tiếp theo Độ phân giải của điện trở dạng dây phụ thuộc vào hình dạng và đường kínhcủa dây điện trở (~10μm.m), điện trở kiểu băng dẫn phụ thuộc và kích thước hạt, thườngvào cỡ ~0.1μm.m.

Thời gian sống: là số lần sử dụng của điện thế kế Nguyên nhân gây hỏng và hạnchế thời gian sống của điện thế kế là sự mài mòn con chạy và dây điện trở trong quá trình

dạng băng dẫn vào cỡ 5.107 – 108 lần

2.1.2.Cảm biến điện thế kế không dùng con chạy cơ học

Để khắc phục nhược điểm của điện thế kế dùng con chạy cơ học, người ta sử dụngđiện thế kế liên kết quang hoặc từ

a.Điện thế kế dùng con trỏ quang

Điện thế kế dùng con trỏ quang gồm có diode phát quang, băng đo, băng tiếp xúc vàbăng quang dẫn Băng điện trở được phân cách với băng tiếp xúc bằng một băng quangdẫn rất mảnh làm bằn CdSe trên đó có con trỏ quang dịch chuyển Điện trở của vùngquang dẫn giảm đáng kể trong vùng được chiếu sáng tạo nên sự liên kết giữa băng đo vàbăng tiếp xúc

Điện thế kế quay dung con trỏ quang1) Điod phat quang 2) Băng đo 3) Băn tiếp xúc 4) Băng quang dẫn

Trong đó R1 là hàm phụ thuộc vị trí của trục quay, vị trí này xác định phần của R1

Chịu ảnh hưởng của từ trường còn R = R1 + R2 = const

Từ hình b ta thấy điện áp đo chỉ tuyến tính trong một khoảng ~90 đối với điện kế quay Đối với điện kế dịch chuyển thẳng khoảng tuyến tính chỉ cỡ vài mm

2.2.Cảm biến loại điện cảm

Cảm biến loại này là nhóm cảm biến làm việc dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ.Vật cần đo vị trí hoặc dịch chuyển được gắn vào một phần tử của mạch từ gây nên sựbiến thiên từ thông qua cuộn đo Cảm biến điện cảm được chia ra làm hai loại là cảm biến

tự cảm và hỗ cảm

2.2.1.Cảm biến loại tự cảm

a.Cảm biến loại tự cảm có khe từ biến thiên

Cảm biến tự cảm đơn: chỉ gồm một cuộn dây quấn trên lõi thép cố định (phần tĩnh)

và một lõi thép có thể di động được dưới tác dụng của đại lượng đo (phần động), giữa phần tĩnh và phần động có khe hở không khí tạo nên một mạch từ hở

hở không khí δ 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 b: khi phần ứng quay, tiết diện khe hở không khí thay đổi, làm cho từ trở củamạch điện 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 tổn hao sinh ra bởi dòng điện xoáy

Nếu bỏ qua điện trở của cuộn dây và từ trở của lõi thép ta có: L = W R2

δ = W2μ 0 s

δ

μ 0 s là từ trở khe hở không khí,

δ l àchiều dài khe hở không khí, s là tiết diện thực của khe hở không khí

Với lượng thay đổi hữu hạn Δδ và Δs ta có:

Độ nhạy của cảm biến tự cảm khi thay đổi tiết diện không khí (δ = const):

Đặc tính của cảm biến đơn Z = f(∆δ) là hàm phi tuyến và phụ thuộc vào tần sốδ) là hàm phi tuyến và phụ thuộc vào tần sốnguồn kích thích, tần số nguồn kích thích càng cao thì độ nhạy của cảm biến càng cao.b.Cảm biến loại tự cảm kép lắp theo kiểu vi sai

Để tăng độ nhạy của cảm biến và tăng đoạn đặc tính tuyến tính người ta thườngdùng cảm biến tự cảm kép mắc theo kiểu vi sai

Đặc tính của cảm biến tự cảm kép vi sai có dạng :

2.2.2.Cảm biến tự cảm có lõi từ di động

Cảm biến gồm một cuộn dây bên trong có lõi từ di động được:

Dưới tác động của đại lượng đo X v , lõi từ dịch chuyển làm cho độ dài lf của lõi từ nằm trong cuộn dây thay đổi, kéo theo sự thay đổi hệ số tự cảm L của cuộn dây Sự phụ

cuộn dây đồng dạng vào hai nhánh kề sát nhau của một cầu điện trở có chung một lõi sắt

Cảm biến đơn có khe không khí:

Cảm biến vi sai: để tăng độ nhạy và độ tuyến tính của đặc tính cảm biến người ta mắc cảm biến theo sơ đồ vi sai hình d,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 4 cuộn dây ghép đồng trục tạo thành hai cảm biến đơn đối xứng, bên trong có lõi từ di động được Các cuộn thứ cấp được nối ngược với nhau sao cho suất điện động trong chúng triệt tiêu lẫn nhau

thứ cấp

2.3.Cảm biến điện dung

2.3.1.Cảm biến loại tụ điện đơn

Các cảm biến 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

Biến thiên điện dung của cảm biến tụ điện là hàm tuyến tính khi diện tích bản cực

và hằng số điện môi thay đổi nhưng phi tuyến khi khoảng cách giữa hai bản cực thay đổi

Biến thiên dung kháng của cảm biến tụ điện là hàm tuyến tính khi khoảng cách giữa hai bản cực thay đổi nhưng phi tuyến khi diện tích bản cực và hằng số điện môi thayđổi

2.3.2.Cảm biến tụ kép vi sai

Tụ kép vi sai có khoảng cách giữa các bản cực biến thiên dịch chuyển thẳng hoặc có diện tích bản cực biến thiên dịch chuyển quay và dịch chuyển thẳng gồm ba bản cực Độ nhạy và độ tuyến tính của tụ kép vi sai cao hơn tụ đơn và lực tương hỗ giữa các bản cực triệt tiêu lẫn nhau do ngược chiều nhau

\Cảm biến loại dọi phản quang không cần dây nối qua vùng cảm nhận nhưng cự ly cảm nhận thấp và chịu ảnh hưởng của ánh sang từ những nguồn sang khác.

2.4.2.Cảm biến quang soi thấu

Cảm biến gồm một nguồn phát ánh sáng, một thấu kính hội tụ, một lưới chia kích quang và các phần tử thu quang

Khi thước đo (gắn với đối tượng khảo sát) có chuyển động tương đối so với nguồnsáng sẽ làm xuất hiện một tín hiệu hình sin Tín hiệu này được hấp thụ bởi các tế bàoquang điện đặt sau lưới chia Các tín hiệu đầu ra sẽ được khuếch đại trong một bộ tạoxung điện tử tạo thành xung dạng chữ nhật Các tế bào quang điện bố trí lệch nhau ¼ độ

và chiều chuyển động

Ưu điểm của cảm biến loại này là cự ly cảm nhận xa, có khả năng thu được tínhiệu mạnh và tỉ số độ tương phản sáng tối lớn Tuy nhiên có hạn chế là khó bố trí vàchỉnh thẳng hàng nguồn phát và đầu thu

2.5.Cảm biến do độ dịch chuyển bằng song đàn hồi

Nguyên lý đo dịch chuyển bằng song đàn hồi

Tốc độ truyền sóng đàn hồi v trong chất rắn ~ 103m/s Thời gian truyền song giữa hai

v Biết tốc độ

l = vt p

Thời gian truyền song t p t ừ khi tín hiệu xuất hiện ở máy phát đến khi nó được tiếp nhận

ở máy thu được đo bằng máy đếm xung Máy đếm hoạt động khi bắt đầu phát song và đóng lại khi tín hiệu đến được máy thu

Số xung đếm được là N và chu kì của xung đếm là t H, ta có t p=N t HKhi đó l = vNt H

2.5.1.Cảm biến sử dụng phân từ áp điện

Trong các cảm biến áp điện, sóng đàn hồi được phát và thu nhờ sử dụng hiệu ứng ápđiện Hiệu ứng áp điện là hiện tượng khi một tấm vật liệu áp điện (thí dụ thạch anh) bịbiến dạng dưới tác dụng của một lực cơ học có chiều nhất định, trên các mặt đối diện củatấm xuất hiện một lượng điện tích bằng nhau nhưng trái dấu, ngược lại dưới tác động củađiện trường có chiều thích hợp, tấm vật liệu áp điện bị biến dạng

Để đo độ dịch chuyển ta có thể sử dụng hai dạng sóng đàn hồi là sóng khối (dọc vàngang) và sóng bề mặt

Máy phát (4) cung cấp một xung điện truyền qua dây dẫn (3), xung này truyền vớivận tốc ánh sang (c), từ trường do nó sinh ra có đường sức đồng tâm với trục ống Khisóng điện từ truyền đến nam châm (2), hai sóng kết hợp sẽ làm cho ống bị xoắn cục bộ,xoắn này truyền đi dưới dạng sóng với vận tốc v Khi sóng đên máy thu (5) làm thay đổi

độ từ hóa gây nên tín hiệu hồi đáp Biết được thời gian truyền sóng ta sẽ biết được vị trí

lường vị trí và chuyển động của một đối tượng Cơ chế chung của hầu hết các cảm biến liên quan đến emittance (độ trưng, công suất bức xạ) bị tác động bởi các đối tượng, được ghi lại và dịch sang một thước đo khoảng cách hoặc vận tốc Các loại cảm biến vị trí tuyến tính được phân biệt dựa trên các chức năng cụ thể của nó

3.Phân loại

Có rất nhiều các công nghệ cảm biến vị trí tuyến tính khác nhau như: Điện dung, dòng xoáy, quang điện, siêu âm,cảm biến hiệu ứng Hall, từ điện, từ giảo, biến trở từ và chiết áp tuyến tính Hầu hết các loại cảm biến này được chế tạo dựa trên những đặc điểm được nêu trên mục I

4.Giới thiệu về cảm biến vị trí tuyến tính – loại R (Linear position sensor – R series)

4.1

Giới thiệu chung

Cảm biến vị trí tuyến tính – loại R là dòng sản phẩm do hãng MTS sản xuất Cảm biến này là loại cảm biến vị trí tuyến tính không tiếp xúc (cảm biến số, thụ động) với những tính năng hết sức ưu việt như: Độ phân giải tới 0.5Micron, có thể tùy chính điều khiển tuyến tính và vận tốc đầu ra, tỉ lệ phi tuyến thấp dưới 0.01%, lặp lại trong thời gian 0.001%, đồng bộ, tính toán, đo vận tốc, tăng tốc một cách chính xác Hoạt động liên tục trong điều kiện khắc nghiệt, áp suất cao, nhanh chóng, điều khiển chuyển động chính xác

Cảm biến vị trí tuyến tính – loại R có rất đa dạng model:

- Model RH - kiểu thanh sử dụng trong các xilanh

- Model RP - kiểu bóng sử dụng trong các loại máy

- Model RD4 - kiểu thanh với các thiết bị điện tử tách rời sử dụng trong các khớp cầu gắn xilanh

- Model RF – kiểu thanh dài có thể cuộn sử dụng trong một không gian hạn chế.Cùng với sụ đa dạng Model là sự đa dạng về chuẩn đầu ra để thuận tiện sử dụng:

Hình 9 : R-series mô hình cảm biến RP ( hiển thị với D70 tích hợp tùy chọn kết nối)

Hinh 10 : R-series mô hình cảm biến RP ( hiển thị với P05 tích hợp cáp tùy chọn)

- Tiêu chuẩn lựa chọn nam châm (mô hình RP)

+ Lựa chọn điểm đặt nam châm ( mô hình cảm biến RP )

Lựa chon một trong hai dạng giá đỡ nam châm có thể dùng với cấu hình- kiểu cảm biến,một nam châm giữ trượt,kiểu S hoặc V hoặc một nam châm vành khuyên,kiểu M Nam châm bị giữ trượt sử dụng vòng bi trượt chất liệu đặc biệt làm giảm ma sát khi cần thiết, giúp giảm thiểu bụi bẩn xây dựng Vòng bi trượt được thiết kế để hoạt động khô, không cần dầu bôi trơn bên ngoài hoặc bảo trì

Nam châm vòng khuyên kiểu M giá đỡ di chuyển trên bộ phận của máy và vừa di chuyển đường bao ngoài của sensor, nam châm vòng khuyên yêu cầu một khoảng cách

đủ lớn từ kim loai màu để cấp phát chính xác đầu ra sensor Giá đỡ cần phải sử dụng vít

không màu và một giá côn xông kim loại màu hoặc dùng một miếng đệm kim loại màu

có độ dày tối thiểu 5mm

- MTS đề xuất sử dụng 10-32 vít chốt để cảm biến đạt momen xoắn tối đa 44 in.lbs khi gắn chân đỡ.

Nguyên lý hoạt động

Cảm biến vị trí tuyến tính – loại R hoạt động dựa trên nguyên tắc cảm biến vị trí

từ giảo được phát triển bởi hãng MTS

- Bên trong phần tử cảm biến, một xung sóng căng được cảm ứng trong một ống dẫn sóng từ giảo được thiết kế đặc biệt bởi sự tương tác tức thời của hai từ trường Một từtrường tạo bởi một nam châm vĩnh cửu có thể di chuyển đi dọc theo phía ngoài của cảm biến

- Một từ trường khác được tạo bởi dòng xung tra dò đặt dọc ống dẫn sóng Do đó xung song căng di chuyển với vận tốc âm dọc theo ống dẫn sóng và được phát hiện ở đầucủa các phần tử cảm biến.Đo vị trí được đánh dấu bằng một nam châm vĩnh cửu di động xung quanh ống dẫn sóng Đây là 1 cách kết nối với các đối tượng đo lường vị trí

- Vị trí được xác định chính xác bằng cách đo thời gian trôi qua giữa số lần tra dò

và bắt đầu xung đến của tín hiệu trả lời Thời gian của phép đo tỉ lệ thuận với vị trí của nam châm vĩnh cửu Giá trị đo được là giá trị tuyệt đối, do đó đầu ra của cảm biến tương ứng với vị trí tuyệt đối Có sự lặp lại của đầu ra

4.4 Thông số kỹ thuật cảm cảm biến vị trí tuyến tính – loại R mô hình RP

- 0.5, 1, 2, 5, 10, 20, 50, 100 μm.m

+ 300, 750, 1000, 2000, 5000 mm+ 3.7 3.0 2.3 1.2 0.5 kHz

- ± 0.01%(tối thiểu ± 40 mm)

- ± 0,001%(tối thiểu ± 2,5 mm)

- < 4μm.m, 2 μm.m là điển hình

loại khác biệt giữa các cặp tín hiệu)

+ Nhị phân, tùy chọn chẵn lẻ và lỗi bit, tùy chọnnhiệt độ bên trong

+ 8 đến 32 bit+ 1MBd <400kBd <300kBd <200kBd <100kBd+ <3 <50 <100 <200 <400 m

+ Profile style: 25-5080mm Rod style: 25-7260mm Flexible style: 255-10060mm+ 75mm tối thiểu cho 2 đầu ra khác biệt

- Điện áp hoạt động

- Dòng

- Điện áp điện môi chịu được

- Môi trường làm việc

+ Điều kiện hoạt động

+ < 15 ppm/ °C

- 15 g (30 g với HVR tùy chọn) /10 hz 2000, tiêu chuẩn IEC 68-2-6 (hoạt động)