Ch 5: Cơ cấu cảm biến Nhữ thiếtbị à ấ thô ti h bộ điề khiể ề hữ ì đ th ả • Nhữ ng thiết bị m à cung c ấ p thô ng ti n c h o bộ điề u khiể n v ề n hữ ng g ì đ ang th ực sự x ả y ra thì được gọi là cảm biến (sensor / transducer). •Hầu hết các cảm biến th ự c hi ệ n biến đổi đ ạ i lư ợ n g v ậ t l ý ( nhi ệ t đ ộ, á p suất … ) thành tín ự ệ ạ ợ g ậ ý( ệ ộ,p ) hiệu điện. © C.B. Pham Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 5-1 +→ © C.B. Pham Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 5-2 5.1. Cảm biến vị trí và lượn g dịch chu y ển g y •Biến trở (potentiometer) © C.B. Pham Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 5-3 5.1. Cảm biến vị trí và lượn g dịch chu y ển g y Thí dụ: một biến trở được cấp nguồn 10 Vdc, và được đặt ở vị trí 82 o . Dãy tối đa của biến trở là 350 o . Xác định giá trị điện áp ra của biến trở. Giải © C.B. Pham Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 5-4 5.1. Cảm biến vị trí và lượn g dịch chu y ển Độ phân giải g y Nếu biến trở có dạng dây quấn với N vòng, thì độ phân giải của biến trở là buớc điện áp giữa 2 vòng liền kề và được xác định là: © C.B. Pham Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 5-5 5.1. Cảm biến vị trí và lượn g dịch chu y ển Sai số: Sai số phụ tải (loading error) xảy ra g y khi con trượt của biến trở được nối với tải có trở kháng lớn không đáng kể so với giá trị của biến trở © C.B. Pham Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 5-6 với 5.1. Cảm biến vị trí và lượn g dịch chu y ển g y Thí dụ: một biến trở 10 kΩ có cấu tạo 1000 vòng. Xác định độ phân giải của biến trở và sai số phụ tải khi điện trở tải là 10 kΩ và con trượt nằm ở vị trí điểm giữa của biến trở. Giải © C.B. Pham Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 5-7 5.1. Cảm biến vị trí và lượn g dịch chu y ển g y •Biến thế vi sai tuyến tính (LVDT – Linear Variable Differential Transformer) LVDT là bộ cảmbiếnvị trí có độ phân giảilớndựa vào hiệntượng cảm ứng điệntừ.Ngõ ra củaLVDTcódạng điện áp xoay chiều – biên độ củanótỉ lệ tuyếntínhvớilượng dịch chuyển Thành phần chính : cuộn sơ cấp 2 cuộn thứ cấp và lõi từ chuyển . Thành phần chính : cuộn sơ cấp , 2 cuộn thứ cấp , và lõi từ . © C.B. Pham Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 5-8 5.1. Cảm biến vị trí và lượn g dịch chu y ển g y Với tín hiệuralàđiện áp xoay chiều: •Biênđộ củanóphụ thuộcvàolượng dịch chuyển(sovớivị trí điểmgiữa) • Góc pha củanóphụ thuộcvàochiềudịch chuyển–dịch chuyểnsangphảitạo ra góc h 0 o dị h h ể tái t ó h 180 o © C.B. Pham Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 5-9 p h a 0 o , dị c h c h uy ể n sang t r ái t ạorag ó cp h a 180 o . 5.1. Cảm biến vị trí và lượn g dịch chu y ển g y © C.B. Pham Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 5-10 5.1. Cảm biến vị trí và lượn g dịch chu y ển g y •Bộ mã hóa quang học (optical encoder) Bộ mã hóa quang họclàbộ cảmbiếnvị trí góc có tín hiệuraở dạng số. Thành phần chính: nguồn sáng, đĩavạch, và tế bào quang học. Dạng tín hiệu của tế bào quang Bộ mã hóa được phân thành 2 loại: tương đối(incremental encoder)vàtuyệt đối © C.B. Pham Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 5-11 (absolute encoder). 5.1. Cảm biến vị trí và lượn g dịch chu y ển g y Bộ mã hóa tuyệt đối Bộ mã hóa tuyệt đốicótínhiệuralàmộtconsố nhị phân - xác định vị trí của đĩavạch một cách duy nhất. với N là số rãnh trên đĩavạch (cũng là số bit củaconsố nhị phân) © C.B. Pham Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 5-12 5.1. Cảm biến vị trí và lượn g dịch chu y ển g y Thí dụ: mộtbộ mã hóa tuyệt đối được Giải: Thí dụ: một bộ mã hóa tuyệt đối được sử dụng để xác định vị trí góc của một trục xoay với yêu cầu độ phân giải ít nhấtlà1 o Xác định số bit cầnthiết để Giải: nhất là 1 . Xác định số bit cần thiết để đáp ứng yêu cầu này. Vấn đề đốivớibảng mã nhị phân tự nhiênlàcónhiềubitthayđổitrạng thái đồng thời. © C.B. Pham Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 5-13 5.1. Cảm biến vị trí và lượn g dịch chu y ển g y Đốivớibảng mã Gray, chỉ có1bitthayđổitrạng thái khi chuyểntừ mộtgiátrịđếngiátrị kế tiếp. Decimal Binary code Gray code 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 1 2 0 1 0 0 1 1 3 0 1 1 0 1 0 4 100 110 4 1 0 0 1 1 0 5 1 0 1 1 1 1 6 1 1 0 1 0 1 7 1 1 1 1 0 0 © C.B. Pham Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 5-14 Đ ĩa vạch dùng bảng mã Gray 5.1. Cảm biến vị trí và lượn g dịch chu y ển g y Bộ mã hóa tương đối Bộ mã hóa tương đốichỉ có một vòng rãnh, vớicácvạch đượcphânbốđều nhau. Thí dụ: Bộ mã hóa tương đối với vòng rãnh có 360 vạch. Bắt đầu ở vị trí tham chiếu (home), bộ tế bào quang học đếm được 100 vạch cùng chiều kim đồng hồ (CW), 30 vạch hiề ki đồ hồ (CCW) ồi45 hù hiề ki đồ hồ (CW) Xá đị h ị ngược c hiề u ki m đồ ng hồ (CCW) , r ồi 45 vạc h c ù ng c hiề u ki m đồ ng hồ (CW) . Xá c đị n h v ị trí hiện tại của đĩa vạch. Giải: mỗivạch tương ứng với1 o .Dođóvị trí hiệntạilà: 100 o (CW) - 30 o (CCW) + 45 o (CW) © C.B. Pham Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 5-15 Giải: mỗi vạch tương ứng với 1 . Do đó vị trí hiện tại là: 100 (CW) 30 (CCW) 45 (CW) = 115 o (CW). 5.1. Cảm biến vị trí và lượn g dịch chu y ển g y Thí dụ: Bộ mã hóa tương đối với vòng rãnh có 180 vạch được dùng để đo lượng di động của một thanh răng thông qua cơ cấu thanh răng – bánh răng. Bánh răn g có đườn g kính trun g bình d = 5.91 cm. Xác định độ g gg phân giải (lượng dịch chuyển / xung) và lượng dịch chuyển đo được khi tổng số xung nhận được là N = 700. Giải: Bộ mã hóa tương đốicầncó3bộ (nguồnsáng–tế bàoquanghọc) để xác định vị trí tuyệt đốicủa đĩavạch. © C.B. Pham Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 5-16 5.1. Cảm biến vị trí và lượn g dịch chu y ển g y Với tín hiệu ra là hai dãy xung, pha A (V 1 )vàphaB(V 2 ): •Số vòng quay là số xung đếm đượctrênmộtpha. •Chiều quay đượcxácđịnh từ sự lệch pha giữaphaAvàphaB. © C.B. Pham Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 5-17 5.1. Cảm biến vị trí và lượn g dịch chu y ển g y Thí dụ: một hệ thống cảm biến (như hình trên) sử dụng đĩa có 250 vạch. Giá trị hiện tại của b ộ đếm là 00100110. Xác đ ị nh g iá tr ị g óc của tr ụ c đư ợ c đo. ộ ị g ị g ụ ợ Giải: ta có © C.B. Pham Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 5-18 5.1. Cảm biến vị trí và lượn g dịch chu y ển g y Mạch giảimã © C.B. Pham Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 5-19 5.1. Cảm biến vị trí và lượn g dịch chu y ển g y Độ phân giảicủabộ mã hóa có thể tăng 2 lần, 4 lần Giao tiếpbộ mã hóa với máy tính © C.B. Pham Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 5-20 [...]... định nào đó • Liên tục: cho ra một tín hiệu tương tự tỉ lệ với mực chất lỏng © C.B Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 5- 61 Kỹ thuật điều khiển tự động 5- 62 5. 7 Đo mức Cảm biến mức rời rạc © C.B Pham 5. 7 Đo mức Cảm biến mức liên tục © C.B Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 5- 63 Kỹ thuật điều khiển tự động 5- 64 5. 7 Đo mức Cảm biến mức liên tục © C.B Pham 5. 7 Đo mức Thí dụ: Một hệ thống đo mức được sử dụng... quang cảm) trong một đơn vị thời gian khi trục xoay © C.B Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 5- 35 5.2 Đo vận tốc Tương tự đối với phương pháp kiểu cảm ứng g ự p gp p g © C.B Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 5- 36 5. 2 Đo vận tốc Xác định khoảng thời gian khi nhận được 1 xung từ cơ cấu cảm biến ị g g ậ ợ g © C.B Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 5- 37 5. 3 Đo gia tốc g - Khung gia tốc kế được gắn vào vật thể cần... I là dòng điện chạy qua tấm bản; B là cường độ từ trường; và D là bề dày của tấm bản © C.B Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 5- 31 5. 1 Cảm biến vị trí và lượng dịch chuyển g y © C.B Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 5- 32 5. 1 Cảm biến vị trí và lượng dịch chuyển g y © C.B Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 5- 33 5. 2 Đo vận tốc • Bộ phát tốc một chiều (DC tachometer) Máy phát tốc một chiều thực chất là máy... độ khác nhau một điện áp (được gọi là thế điện động) được hình thành nhau, trong mạch do hai dây kim loại tạo nên - điện thế hiệu ứng Seebeck Điện thế hiệu ứng này tỉ lệ với khoảng chênh lệch nhiệt độ giữa hai điểm nối Hệ số nhiệt là: 35 µV/0F ệ ệ µ © C.B Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 5- 52 5. 5 Đo nhiệt độ © C.B Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 5- 53 5. 5 Đo nhiệt độ IC cảm biến nhiệt ệ Loại cảm biến... với giá trị nhiệt độ Thí dụ: họ LM 35 có thể đo được nhiệt độ trong phạm vi ( 55 0C ÷ + 155 0C) với tín hiệu ra là: vout = 0 01T (V) ( -55 0.01T Thí dụ: Thiết kế mạch cảm biến nhiệt dùng LM 35 với đặc tính như sau: • Phạm vi nhiệt độ đo: (5 ÷ 100 0C) • Điệ á nguồn cấp LM 35 5 V Điện áp ồ ấ LM 35: • Điện áp ngõ ra: vout = 0.1 V/ 0C © C.B Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 5- 54 5. 6 Đo lưu lượng g Lưu lượng kế hiệu... thuật điều khiển tự động 5- 56 5. 6 Đo lưu lượng g Lưu lượng kế turbin ợ g Loại cảm biến này tạo nên một tín hiệu số, tỉ lệ với lưu lượng dòng chảy © C.B Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 5- 57 5. 6 Đo lưu lượng g Lưu lượng kế từ trường ợ g g Loại cảm biến này làm việc dựa trên nguyên tắc một điện áp được cảm ứng trong một dây dẫn di động trong vùng từ trường Do tính chất dẫn điện của lưu chất, sự chuyển động. .. này là loại không kết dính © C.B Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 5- 59 5. 6 Đo áp suất Cảm biến áp suất đàn hồi p Trong các loại cảm biến này, phần tử đàn hồi (sơ cấp) bị biến dạng dưới tác động của áp suất Sau đó, phần tử thứ cấp biến đổi lượng biến dạng thành đại lượng điện Bourdon b B d tube © C.B Pham Bellows B ll Kỹ thuật điều khiển tự động Diaphragm Di h 5- 60 5. 7 Đo mức Đo mực nước hoặc trọng lượng... đo được bị giới hạn bởi giá trị áp suất nguồn cung cấp © C.B Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 5- 47 5. 5 Đo nhiệt độ Cảm biến nhiệt độ có tín hiệu ở ngõ ra tỉ lệ với tín hiệu nhiệt độ cần đo Phần lớn các cảm biến có hệ số nhiệt dương – tín hiệu ra của cảm biến tăng khi giá trị nhiệt độ tăng © C.B Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 5- 48 5. 5 Đo nhiệt độ Cảm biến nhiệt lưỡng kim (bimetallic temperature sensor)... kim loại / phi kim • Cảm biến tiếp cận hiệu ứng Hall © C.B Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 5- 21 5. 1 Cảm biến vị trí và lượng dịch chuyển g y Công tắc hành trình (limit switch) – Thiết bị cơ → có sự mài mòn → tuổi thọ làm việc ngắn ngắn – Cần tạo ra một lực để tác động lên công tắc hành trình © C.B Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 5- 22 5. 1 Cảm biến vị trí và lượng dịch chuyển g y Cảm biến tiếp cận điện... g ê cá ay đò C o b ế © C.B Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 5- 65 5.7 Đo mức • Khối lượng phao, M = 2 kg • Diện tích mặt cắt ngang của phao, A = 20 cm2 • Chiều dài của phao, L = 2 .5 m • Lưu chất sử dụng: kerosene (ρ = 800 kg/m3) Giải: Lực tác dụng lên cánh tay đòn nhỏ nhất khi h = L Lực tác dụng lên cánh tay đòn lớn nhất khi h = 0 © C.B Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 5- 66 . Pham Kỹ thuật điềukhiểnt động 5- 1 +→ © C.B. Pham Kỹ thuật điềukhiểnt động 5- 2 5. 1. Cảm biến vị trí và lượn g dịch chu y ển g y •Biến trở (potentiometer) © C.B. Pham Kỹ thuật điềukhiểnt động 5- 3 5. 1 Pham Kỹ thuật điềukhiểnt động 5- 31 5. 1. Cảm biến vị trí và lượn g dịch chu y ển g y © C.B. Pham Kỹ thuật điềukhiểnt động 5- 32 5. 1. Cảm biến vị trí và lượn g dịch chu y ển g y © C.B. Pham Kỹ thuật. thờigiankhitrục xoay. © C.B. Pham Kỹ thuật điềukhiểnt động 5- 35 5.2. Đo vận tốc Tươn g t ự đốivới p hươn g p há p kiểucảm ứn g . g ự p g pp g © C.B. Pham Kỹ thuật điềukhiểnt động 5- 36 5. 2. Đo vận tốc Xác đ ị nh