Cảm biến lực và áp suất docx

• Cảm biến vị trí ño sự dịch chuyển của vật theo khoảng cách ñể xác ñịnh chính xác vị trí của vật • Yêu cầu ño vị trí và dịch chuyển lớn • Dùng ñể ño các ñại lượng khác • Có nhiều loại

Trang 1

KHOA CÔNG NGHỆ ðIỆN TỬ

KỸ THUẬT CẢM BIẾN VÀ ðO LƯỜNG

KHOA CÔNG NGHỆ ðIỆN TỬ

KỸ THUẬT CẢM BIẾN VÀ ðO LƯỜNG

Chương 3: CẢM BIẾN QUANG

Biên soạn: ThS Trần Văn Hùng

03-2012

NỘI DUNG MÔN HỌC

4.5 ðo vận tốc vòng quay bằng phương pháp

quang ñiện tử (Encoder)

4.6 ðo vận tốc vòng quay với nguyên tắc ñiện

Trang 2

• Cảm biến vị trí ño sự dịch chuyển của vật

theo khoảng cách ñể xác ñịnh chính xác vị

trí của vật

• Yêu cầu ño vị trí và dịch chuyển lớn

• Dùng ñể ño các ñại lượng khác

• Có nhiều loại cảm biến ño vị trí sử dụng

các nguyên lý khác nhau như hầu hết ngõ

ño là một hàm phụ thuộc vị trí trong phần tử CB, thông thường là trở kháng.

– – Không ñòi hỏi liên kết cơ học giữa CB và Không ñòi hỏi liên kết cơ học giữa CB và vật ño: tín hiệu ño ñược thông qua các ñại lượng trung gian như ñiện trường.

Nguồn cấp là tín hiệu xoay chiều

4.2 CẢM BIẾN NGÕ RA ANALOG

Trang 3

Mạch từ có khe từ biến thiên

0 0

2 0

l x 2 1

x l s N 2 L

∆ +

∆ µ

4 7 0

−

π

= µ

ðộ nhạy cao hơn loại ñơn mạch từ

Tuyến tính hơn (kết hợp với mạch cầu ño)

Loại 2 mạch từ

[1 ( )]

01 1

xd

LL

−+

=

02 2

xd

LL

++

Cảm biến hổ cảm có khe hở không khí

ðộ nhạy của cảm biến với sự thay ñổi của chiều dài khe hở không khí δ (s=const):

ðộ nhay khi tiết diện khe hở không khí s thay ñổi (δ=const):

2 0 0

0 2

δ

δδ

E ks

E S

o

o s

s

E k s

Trang 4

Biến ñổi sai phân tuyến tính: LVDT (Linear

Variable Differential Transformer)là một cơ cấu cơ

- ñiện tạo ra ñiện áp tỉ lệ với vị trí của lỏi biến

áp trong lòng cuộn dây

và ổn ñịnh nhiệt

ðiện áp AC ñưa vào

cuộn sơ cấp, tạo ra

Cuộn thứ cấp quấn theo hai chiếu ngược nhau, nên

ñiện áp ra sẽ thay ñổi cực tính khi lõi dịch chuyển.

ðiện áp ngõ ra là hiệu hai ñiện

áp cảm ứng trên cuộn thứ cấp.

Ngõ ra bằng không khi lõi sắt

từ nằm trung tâm thiết bị.

Trang 5

Khi lõi ñược dịch về phíacuộn thứ cấp thứ nhấtE1 tăng lên, E2 giảm do lượng từ thông ñược tậptrung nhiều về phía cuộndây thứ nhất

ðiện áp ngõ ra so vớiñiện áp trên cuộn sơ cấp

Khi lõi sắt từ di chuyển khỏi vị trí trung tâm thì ñiện áp một trong hai cuộn thứ cấp sẽ tăng, cuộn còn lại giảm tương ứng.

Nguyên lý làm việc của LVDT

Chúng ta có thể dùng mạch mạch khuếch ñại vi sai ñể tính ñiện

áp ngõ ra.

Tuy nhiên, chúng ta có thể nối hai cuộn sơ cấp ngược pha nhau như trong hình bên ñể tìm Vo.

4.2 CẢM BIẾN NGÕ RA ANALOGNgõ ra vi sai của LVDT

Trang 6

ðiện áp ra

Vị trí lõi (%) so vị trí 0

Vùngphi tuyến

Vùngphi tuyếnVùng tuyến tính

+0.25%)

ðơn vị thường ñược sử dụng là mV/V/mm hay mV/V/in.

4.2 CẢM BIẾN NGÕ RA ANALOGðặc tính của LVDT

Tín hiệu ñiện áp ngõ ra chính là tín hiệu ñược

ñiều chế từ chuyển ñộng của lõi

Khi di chuyển lệch vị trí trung tâm, ñiện ápcảm ứng ở hai cuộn thứ cấp khác nhau

Biên ñộ tỷ lệ chiều dài dịch chuyển của lõi vàpha của nó thể hiện hướng dịch chuyển

Trang 7

Mạch giao tiếp của LVDT

4.2 CẢM BIẾN NGÕ RA ANALOGChỉnh lưu ngõ ra cho LVDT

Hiện nay các máy biến áp LVDT thường kết hợp

thêm với mạch chỉnh lưu ñể tạo ra ñiện áp DC

ðiện áp ra Hướng chuyển ñộng

Trang 8

Mạch chỉnh lưu cầu ñôi

Là kiểu chuyển ñổi khí (dùng kỹ thuật LVDT) biến áp lực thành dịch chuyển theo

vị trí, vị trí dịch chuyển

tỉ lệ với áp lực ñặt vào

Tín hiệu ra

LVDT dùng ống Bourdon

Chọn lựa LVDT

• ðo vị trí không tổn hao do ma sát.

• ðộ phân giải không xác ñịnh.

Trang 9

Không có sự tiếp xúc nào của lõi với các bộ phận

khác nên phương pháp này không tạo ra sự hao

mòn trên thiết bị Dẫn ñến thiết bị này có ñộ bền

cao hơn các phương pháp khác

Không có giới hạn cho ñộ phân giải cho phương

pháp này do sử dụng từ trường làm trung gian

=> ñộ phân giải chỉ phụ thuộc vào ñộ phân giải

của dụng cụ ño ñiện áp

Cảm biến ñiện dung có ñộ tuyến tính lớn và phạm

vi rộng Phần tử cảm ứng cơ bản của cảm biến

ñiện dung bao gồm 2 cực của một tụ ñiện có ñiện

dung C ðiện dung là một hàm của khoảng cách d

giữa 2 cực của tụ ñiện, diện tích bản cực A và

hằng số ñiện môi

) , , ( d A ε

A x

Trang 10

ðiện dung của loại cảm biến này biến

thiên phi tuyến theo độ dịch chuyển x

ðộ nhạy:

Kiểu cảm biến này thường sử dụng để đo

dịch chuyển cĩ độ tăng nhỏ mà khơng cần

tiếp xúc với đối tượng cần đo

2 0x

A dx

Cảm biến quang điện gồm bộ phát và bộ thu ánh sáng, nguồn sáng sử dụng là diode phát quang hay diode lazer,ánh sáng dùng loại hồng ngoại hay màu đỏ,xanh

Tuỳ theo cách bố trí bộ thu và bộ phát, ta sẽ chia cảm biến quang điện thành các loại sau:

BỀ MẶT PHẢN XẠ PHÁT: Transmitter

THU: Receiver

T R

PHÁT: Transmitter THU: Receiver

Trang 11

• Cảm biến lazer dùng ñể ño ñộ dịch chuyển khôngcần tiếp xúc, khoảng cách từ vật ñến cảm biếntương ñối lớn thường khoảng 4 – 10cm

• Cảm biến lazer hoạt ñộng theo nguyên tắc: mộttia lazer chiếu lên vật và ñược phản xạ lại và sau khiqua hệ thống thấu kính sẽ tác ñộng lên cảm biến vịtrí

• Tín hiệu xuất ra là dòng hay áp theo tỷ lệ khoảngcách

Cảm biến siêu âm ño khoảng cách dựa trên thời

gian T từ khi phát ra chùm sóng siêu âm ñến khi

nhận ñược chùm sóng phản xạ

d: khoảng cách từ vật ñến cảm biến

v: Vận tốc âm thanh

ðộ phân giải của cảm biến siêu âm khoảng

0,2nn nên kém chính xác hơn so cảm biến lazer

Sai số ño của cảm biến này còn phụ thuộc vào

hướng của mặt tia phản xạ

v

d

T =24.2 CẢM BIẾN NGÕ RA ANALOG

Trang 12

• Chiết áp khác với biến trở volume

thay ñỏi theo hàm log.

4.3 CHIẾT ÁP

• Khảo sát chiết áp như một cảm biến vị trí.

• Khảo sát ảnh hưởng của tải lên chiết áp.

4.3 CHIẾT ÁP

Trang 13

ðiện trở cố ñịnh Rn, con chạy.

Giá trị R là hàm phụ thuộc vị trí con chạy

(ñiện trở thay ñổi phụ thuộc vị trí con chạy)

R ( ) = n

0α

α

α Rn

R =4.3 CHIẾT ÁP

Trang 14

Pot có nhiều dạng, tùy theo từng ứng dụng

cụ thể mà chúng có những thiết kế khác

nhau.

Pot sử dụng ño lường vị trí yêu cầu có chất

lượng cao, có nhiều chức năng mở rộng.

4.3 CHIẾT ÁP

Pot chính xác có thể ở dạng quay, dạng dichuyển tuyến tính và dạng chuỗi

Pot chuỗi dùng ñể ño chiều dài mở rộng của cápñược chịu tải bằng lò xo

Pot quay có thể ở dạng quay 1 vòng hay nhiềuvòng, phổ biến là 3, 5 hay 10 vòng

4.3 CHIẾT ÁP

Pot di chuyển tuyến tính hoạt ñộng trong phạm vi

từ 5mm ñến hơn 4m

Pot chuỗi có thể ño ñộ dịch chuyển tối ña là 50m

Nhà chế tạo thường cung cấp các thông tin về

kiểu pot, chất liệu phần tử ñiện trở, các tham số

ñiện và cơ khí và các phương pháp lắp ñặt

4.3 CHIẾT ÁP

• ðộ phân giải: thông thường ñạt cỡ 10 µm

xoay và 107– 108với dạng dịch chuyển

• ðộ tuyến tính: giá trị của tỉ số R(x)/Rn ởhai ñầu của ñiện trở không ổn ñịnh, do ñó ởñầu ñường chạy hoặc cuối ñường chạy thì

ñộ tuyến tính kém

4.3 CHIẾT ÁP

Trang 15

Chiết áp dùng ñể phát hiện góc quay của tay

máy như hình trên Tìm ñiện áp ngõ ra tại vị trí

82o?

4.3 CHIẾT ÁP

V x

Sai số tải:

Sai số tải = ñiện áp không tải – ñiện áp có tải

L NL

Tìm sai sai số số tải? tải? Khi Khi::

aa Mạch Mạch giao giao tiếp tiếp có có ñiện ñiện trở trở vô vô cùng cùng lớn lớn

K V

5 5

5

Ω + Ω

Trang 16

b/ Do mạch giao tiếp có ñiện trở 100KΩ nên ñiện

trở thực của mạch là:

Ω

=+

1005

V

76.45

76.4

+

=

V V

V

ðiện áp tại ngõ ra biến trở:

Sai số tải là tại vị trí pot (con trượt) ở trung tâm

Sai số tuyến tính là sai số tải lớn nhất so với giá trị

tổng ñiện trở của chiết áp

Trang 17

Chiết áp quay một vòng 350 ñộ có sai số

tuyến tính là 0.1% và nối với nguồn 5V Tìm

sai số góc lớn nhất?

35 0 100

350 1 0

Giải

ðiện trở dây quấn có cấu tạo gồm 10 bộ, mỗi bộ

có ñiện trở 100Ω Tổng số vòng dây ñược quấn

200 vòng, góc quay cho phép tối ña là 350o Tìm

ñộ phân giải của biến trở

Trang 18

1005100

=Ω

Rx

tot

ðộ phân giải =

Nếu như ñiện trở này ñược sử dụng như cảm

biến vị trí, nó cần phải tính ñược ñộ phân giải

theo ñộ Sự thay ñổi ñiện trở nhỏ nhất tương

ứng ñiện trở một vòng và ñiện trở này ñược chia

350otừ 200 vòng Khi ñó ñộ phân giải ñược tính:

o o

vong 1 . 75 200

Ngoài các ñặc tính về ñiện, cần phải lưu ý một số ñặc tính về

cơ khí như: tải cơ khí, ñường chạy cơ khí, nhiệt ñộ làm việc, chấn ñộng, tốc ñộ di chuyển, tuổi thọ làm việc…

4.3 CHIẾT ÁP

Trang 19

• Chiết áp dây kim loại

• Chiết áp với lớp polymer

• Chiết áp với oxit kim loại – thủy tinh

Tần số ño ñược tỉ lệ với vòng quay n và số dấu k:

f = n.k

4.4 CẢM BIẾN ðO VẬN TỐC VÒNG QUAY

Trang 20

ðể ño tốc ñộ quay của rotor ta có thể sử dụng các

phương pháp sau:

Sử dụng máy phát tốc ñộ một chiều hoặc xoay

chiều

Sử dụng bộ cảm biến quang tốc ñộ với bộ mã hóa

Sử dụng máy ño góc tuyệt ñối

Xác ñịnh tốc ñộ gián tiếp qua phép ño dòng và áp

trên stator mà không cần dùng bộ cảm biến tốc ñộ

cơ do ñó tốc ñộ quay của nó chính là tốc ñộ quay của ñộng cơ.

Tốc ñộ ñộng cơ này tỉ lệ với ñiện áp của máy phát

tốc ñộ, dùng V mét ñiện từ hoặc ñồng hồ ño tốc ñộ

nối với nó có thể ño ñược tốc ñộ của ñộng cơ Giá

trị ñiện áp âm hay dương phụ thuộc vào chiều quay

N: số vòng quay trong 1s

Ω: vân tốc góc của rotor

n: là tổng số dây chính trên rotor

Φ0: là từ thông xuất phát từ cực nam châm

Stator (phần cảm) là một nam châm ñiện hoặc mộtnam châm vĩnh cửu có hai cực nam và bắc nằmngoài cùng Rotor (phần ứng) gồm có lõi thép phầnứng, trên có xẻ rãnh, trong rãnh có ñặt dây quấn

Trang 21

Tốc ñộ kế dòng xoay chiều có ưu ñiểm là

không có cổ góp ñiện và chổi than nên có

tuổi thọ, không có tăng, giảm ñiện áp trên

chổi than Nhược ñiểm là mạch ñiện phức

tạp hơn, ngoài ra ñể xác ñịnh biên ñộ cần

phải chỉnh lưu và lọc tín hiệu

Là một loại máy phát ñiện xoay chiều loại nhỏ Rotor của máy phát ñược gắn ñồng trục với thiết bị cần ño tốc ñộ Rotor là một nam châm hoặc nhiều nam châm nhỏ hình.

Stator là phần cảm, có thể 1 pha hoặc ba pha, là nơi cung cấp suất ñiện ñộng hình sin có biên ñộ tỷ lệ với tốc ñộ quay của rotor.

Ở ñầu ra ñiện áp ñược chỉnh lưu thành ñiện áp

một chiều ðiện áp này không phụ thuộc vào

chiều quay và hiệu suất lọc giảm ñi khi tần số

thấp Tốc ñộ quay có thể xác ñịnh ñược bằng

cách ño tần số của sức ñiện ñộng

Trang 22

Cuộn thứ nhất là cuộn kích từ ñược cung

k là hằng số phụ thuộc vào cấu trúc của máy

Φ: ñộ lệch pha

Khi ño Em sẽ xác ñịnh ñượcω

Trang 23

Tín hiệu số xuất ra

Các bộ nhận quang (photo-transistor)

1 hoặc nhiều bộ phát quang

(LED)

Trục của encoder

Bao gồm một đĩa plastic hoặc thủy tinh quay giữa một/nhiều nguồn

phát sáng (LED) và một/ nhiều photo-transistor nhận quang.

Đĩa được mã hóa với các phần hình quạt sáng và tối xen kẽ nhau

để xung có thể được tạo ra khi đĩa quay.

4.5 CẢM BIẾN ðO VẬN TỐC GÓC QUAY

•• Chế tạo máy bay và tàu vũ trụ

•• Chụp ảnh y khoa (MRI, x Chụp ảnh y khoa (MRI, x ray imaging) ray imaging)

•• ðo ñạt trong công nghệ bán dẫn

•• ðo ñạt trong thiên văn 4.5 CẢM BIẾN ðO VẬN TỐC GÓC QUAY

Trang 24

•• Encoder loại quay ( Multi Encoder loại quay ( Multi turn ) turn )

•• Encoder loại góc ( Single Encoder loại góc ( Single turn ) turn )

•• Encoder loại dịch thẳng

Các loại encoder

•• Encoder tương ñối (Incremental, Quadrature)

•• Encoder tuyệt ñối (Absolute)

Các loại encoder quay

–– Một bộ thu phát Một bộ thu phát quang

–– Một ñĩa với các rãnh.Một ñĩa với các rãnh

–– Một trục quay.Một trục quay

–– Cáp nguồn và tín Cáp nguồn và tín hiệu

Cấu tạo ENCODER TƯƠNG ðỐI

Trang 25

Xung xuất ra được đếm để cung cấp vị trí quay của encoder

Mỗi incremental step sẽ xuất ra một xung tương ứng.

track

Kênh A Kênh B

A B Z

lên “1” trước xung B, encoder đang quay chiều thuận và ngược lại.

ENCODER TƯƠNG ðỐI

Loại 1 kênh ENCODER TƯƠNG ðỐI

• Vị trí ñược xác ñịnh dựa vào số xung ñến ñược

• Số rãnh trên mỗi vòng xác ñịnh số góc ứng với

từng ñới rãnh

• Encoder quang loại một kênh không chothông tin về chiều quay

Trang 26

• Một encoder quang gồm 360 rãnh, bắt ñầu từ vị

trí chuẩn (reference) Cảm biến quang ñếm 100

rãnh cùng chiều kim ñồng hồ và 30 rãnh theo

chiều ngược lại rồi 45 rãnh theo cung chiều kim

ñồng hồ Tìm vị trí hiện tại?

Giải Encoder 360 ñộ thì mỗi rãnh có giá trị góc là một ñộ Vậy

vị trí hiện tại là:

100 – 30 + 45 = 115 ñộ theo chiều kim ñồng hồ.

Ví dụ ENCODER TƯƠNG ðỐI

Tín hiệu xuất ra

Các bộ nhận quang (photo -transistor)

1 hoặc nhiều bộ phát quang (LED)

Track Ðia code

Trục của encoder

• ðĩa quay encoder 2 kênh.

• V1 và V2: vị trí hai cảm biến quang.

• CCW và CW: chiều quay ngược

và cùng chiều kim ñồng hồ

• Dạng sóng ngõ ra hai cảm biến khi quay CCW.

•Dạng sóng ngõ ra hai cảm biến khi quay CW.

Trang 27

• Mạch ñếm tăng dần mỗi khi ñĩa quay cùng chiều

kim ñồng hồ (CW)

• Mạch ñếm giảm dần mỗi khi ñĩa quay theo chiều

ngươc chiều kim ñồng hồ (CCW)

Giải mã Encoder ENCODER TƯƠNG ðỐI

•• Cách ñơn giản nhất ñể thực hiện mạch giải mã là dùng flip

giải mã là dùng flip lop lop.

Mạch giải mã và dạng sóng giải mã của V1 và V2.

Giải mã Encoder ENCODER TƯƠNG ðỐI

Cho hệ thống cảm biến vị trí như trong hình

trên Sử dụng encoder loại 250 xung/vòng Giá

trị hiện tại của bộ ñếm là 00100110 Tìm vị trí

góc hiện tại?

Ví dụ giải mã Encoder ENCODER TƯƠNG ðỐI

Giải

Encoder gồm 250 xung Vậy 1 xung ứng với 360/250 = 1.44 o Giá trị nhị phân của bộ ñếm là: 00100110 tương ñương số thập phân là 38 Vậy vị trí hiện tại là: 38x1.44

= 54.72 o

Ví dụ giải mã Encoder ENCODER TƯƠNG ðỐI

Trang 28

Cấu tạo ENCODER TUYỆT ðỐI

Absolute encoder gồm nhiều bộ nhận quang (có thể tối đa tới

gần 20 track Ứng với mỗi vị trí của encoder có một tín hiệu ra

nhị phân vi sai để xác định chính xác vị trí trục của encoder.

Với absolute encoder, thông tin về vị trí vẫn không thay đổi

ngay cả khi tắt và bật nguồn encoder trở lại.

Nguyên lý hoạt ñộng ENCODER TUYỆT ðỐI

Mã hoá encoder tuyệt ñối ENCODER TUYỆT ðỐI

Trang 29

ðĩa Encoder tuyệt ñối 4 bit

ðĩa Encoder ENCODER TUYỆT ðỐI

Loại ñơn giản nhất gồm hai bit ngõ ra

Loại 2 bit ENCODER TUYỆT ðỐI

Loại mã hóa 4 bit nhị phân từ 0000 tới 1111

Mũi tên chỉ chiều quay của ñĩa sẽ cho ngõ ra ñếm xuống Trọng số thấp nhất nằm phía ngoài của ñĩa, trọng số lớn nằm phía trong của ñĩa.

Loại 4 bit ENCODER TUYỆT ðỐI

Trang 30

ðĩa tạo mã ENCODER TUYỆT ðỐI

Linear magnetic encoder

Encoder tịnh tuyến ENCODER TUYỆT ðỐI

Trang 31

ENCODER QUAY DẠNG TỪ

• Encoder quay dạng từ ñược thiết kế ñể làm việc với tốc ñộ cao và môi trường khắc nghiệt.

• Loại này ñược thiết kế ñể tích hợp trên máy móc.

• Loại encoder từ thường chế tạo dưới dạng thiết bị cầm tay rất tiện lợi.

• Loại encoder từ khi quay nó ñược thực hiện từ con chip bên trong và nó cho phép truy suất theo theo yêu cầu ở ngõ ra.

ENCODER TUYỆT ðỐI

Ứng dụng ENCODER TUYỆT ðỐI

Đo chiều dài của vật

ðo chiều dài của cuộn giấy

ðo vị trí bàn dạng trục quay

Trang 32

1 Loại Encoder cần sử dụng:

Một Số Lưu Ý Khi Chọn Encoder

Rotary encoder Linear encoder

2 Encoder loại absolute hay incremental:

Incremental encoder:

Đo vị trí tương đối của

encoder so với vị trí cuối cùng

Mất thông tin vị trí khi cúp điện

3 Độ phân giải – Resolution (P/R):

5 VDC, 5 12 VDC, 12 VDC, 5 24 VDC, 12 24 VDC

6 Cấu Trúc Cơ Khí:

Chiều dài, đường kính trục: 25, 40, 50, 55, hoặc 60

Khoảng cách và lỗ để gá encoder lên

Đường kính và chiều dài tổng thể của encoder

7 Các yếu tố môi trường ảnh hưởng:

Định dạng
Số trang	35
Dung lượng	3,15 MB