Cảm biến công ngiệp-chuong 4

Phương pháp 1: bộ cảm biến 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 vị trí hoặc dịch

Chương 4 CẢM BIẾN ĐO VỊ TRÍ VÀ DỊCH CHUYỂN

1 Nguyên lý đo

1.1 Phương pháp 1: bộ cảm biến 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 vị trí hoặc dịch chuyển

2.2 Phương pháp 2: ứng với một dịch chuyển cơ bản, cảm biến phát ra một xung Việc xác định vị trí hoặc dịch chuyển được tiến hành bằng cách

đếm số xung phát ra

2 Điện thế kế điện trở

2.1 Điện thế kế dùng con chạy cơ học

a) Cấu tạo và nguyên lý làm việc: gồm một điện trở cố định (Rm) và một

tiếp xúc điện (con chạy) liên kết với vật khảo sát Khi vật di chuyển, con chạy di chuyển theo, điện trở đo phụ thuộc vào vị trí con chạy Đo điện trở

⇒ vị trí

2.1 Điện thế kế con chạy cơ học

Rm

R α

Đo dịch chuyển quay α > 360o

R R

1 2

α

αm

2.1 Điện thế kế con chạy cơ học

• Điện trở dạng dây cuộn: được 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

• Điện trở dạng băng dẫn: được chế tạo bằng chất dẻo trộn bột dẫn điện là cacbon hoặc kim loại cỡ hạt ~10-2µm

2.1 Điện thế kế con chạy cơ học

b) Đặc điểm:

• Cấu tạo đơn giản.

• Đo được dịch chuyển lớn.

• Khoảng chạy có ích nhỏ hơn chiều dài điện trở (Lm).

• Độ phân giải của điện trở dạng dây ~10 µ m, dạng băng dẫn ~ 0,1 µ m.

• Thời gian sống thấp: dạng dây ~106 lần, dạng băng dẫn 5.107 - 108 lần.

• Chịu ảnh hưởng lớn của bụi và ẩm.

2.2 Điện thế kế con chạy quang và từ

2.2.1 Điện thế kế con chạy quang

a) Cấu tạo và nguyên lý làm việc:

Đ iện trở

Thời gian 1

2

1 Điot phát quang 2.Băng đo

3 Băng tiếp xúc 4 Băng quang dẫn

2.2.1 Điện thế kế con chạy quang

2.2.2 Điện thế kế dùng con trỏ từ

a) Cấu tạo và nguyên lý làm việc:

R2 R1

2.2.2 Điện thế kế dùng con trỏ từ

 Nguyên lý:

• Nam châm quay Chiều dài từ điện trở nằm

trong từ trường thay đổi → điện trở thay

2 1

1

R

R E

R R

3 Cảm biến điện cảm

3.1 Nguyên lý chế tạo:

• Cảm biến điện cảm là nhóm các 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 sự biến thiên từ thông qua cuộn đo

• Cảm biến điện cảm được chia ra: cảm biến tự cảm và hỗ cảm

3.2 Cảm biến tự cảm (CBTC)

3.2.1 CBTC đơn có khe từ biến thiên:

 Cấu tạo và nguyên lý làm việc:

1 Lõi sắt từ 2 Cuộn dây 3 Tấm sắt từ

XV

XV

Đo dịch chuyển thẳng

Đo dịch chuyển thẳng

ϕ

3.2.1 CBTC đơn có khe từ biến thiên

W- số vòng dây.

R δ - từ trở của khe hở không khí.

δ - chiều dài khe hở không khí.

s - tiết diện thực của khe hở không khí.

3.2.1 CBTC đơn có khe từ biến thiên

Độ nhạy khi δ thay đổi:

Độ nhạy khi s thay đổi:

0

00

0

2s

s

L

W s

∂

∂ +

( δ + ∆ δ ) ∆ δ

µ

−

∆ δ

0

s

W L

⇒

2

0 0

0

1

L L

δ

∆ + δ

−

= δ

∆

∆

=

δ

Đo dịch chuyển quay

Đo dịch chuyển thẳng

3.2.2 CBTC kép có khe từ biến thiên

(CBTC vi sai)

3.2.2 CBTC kép có khe từ biến thiên

3.3 Cảm biến hỗ cảm (CBHC)

3.3.1 CBHC có khe từ biến thiên

a) Cấu tạo và nguyên lý làm việc:

a)

3

XV 1

3.3.1 CBHC có khe từ biến thiên

• Khi cấp dòng xoay chiều ( ) vào cuộn sơ cấp, sinh ra Φ biến thiên → trong cuộn thứ cấp sinh ra sức điện động cảm ứng:

t cos I

s W

3.3.1 CBHC có khe từ biến thiên

0 2

0

2

E 1

ks

E S

−

= δ

S

s

E

k s

ks E

δ

=

3.3.1 CBHC có khe từ biến thiên

4 Cảm biến điện dung

4.1 Nguyên lý: dựa trên sự thay đổi điện dung của cảm biến khi phần tử

gắn với vật khảo sát di động → thay đổi kích thước hình học của cảm biến (CB thụ động)

4.2.Cảm biến tụ điện đơn

a) Cấu tạo và nguyên lý làm việc:

π ε

360

r C

2 0

2 C

1 2

Bản động

Bản động

4.2.Cảm biến tụ điện đơn

s

C S

δ

∆ + δ

ε

−

= δ

C

s

C S

s

C S

δ

= ε

0

0 Z

s

S

ε

∆+εω

0

0 Zs

s s

S

∆ + ωε

δ

−

=

0 0

Z

s

1 S

4.3 Cảm biến tụ kép vi sai

b) Đặc điểm:

• Độ nhạy (S) cao hơn CB đơn

• Độ tuyến tính cao hơn CB đơn

• Cấu tạo phức tạp hơn

Mạch cầu với tụ kép Mạch cầu với biến áp

4.4 Mạch đo

b) Yêu cầu:

• Tổng trở đầu vào tức là tổng trở của đường chéo cầu phải thật lớn

• Các dây dẫn phải được bọc kim loại để tránh ảnh hưởng của điện trường ngoài

• Không được mắc các điện trở song song với cảm biến

• Chống ẩm tốt

5.3 Cảm biến quang soi thấua) Cấu tạo và nguyên lý làm việc:

1 Nguồn sáng

2 Thấu kính hội tụ

3 Thước đo

Tín Hiệu

ra Vr1

Vr2

Tín hiệu chuẩn

5.3 Cảm biến quang soi thấu

b) Đặc điểm:

• Cự ly cảm nhận lớn.

• Có khả năng thu được tín hiệu mạnh và tỉ số độ tương phản sáng tối lớn.

• Ít ảnh hưởng nhiễu của nguồn sáng khác.

• Khó bố trí và chỉnh thẳng hàng nguồn phát và đầu thu.

6 Cảm biến đo dịch chuyển

bằng sóng đàn hồi

6.1 Nguyên lý đo:

• Tốc độ truyền sóng đàn hồi trong chất rắn:

• Thời gian truyền sóng giữa hai điểm có khoảng cách (l):

• Đo tp ⇒ vị trí hoặc dịch chuyển (l).

l = H

⇒

Vật truyền sóng (vật liệu áp điện)

6.2 CB sử dụng phần tử áp điện

• Phát dựa vàohHiệu ứng áp điện nghịch: dưới tác động

của điện trường có chiều thích hợp → tấm vật liệu áp

điện bị biến dạng → sóng.

• Thu dựa vào hiệu ứng áp điện thuận: tấm vật liệu áp điện

bị biến dạng dưới tác dụng của một lực cơ học → trên

các mặt đối diện của tấm xuất hiện một lượng điện tích

bằng nhau nhưng trái dấu.

+ + + + + + + +

- - - +Q - Q

-+ + + + + + + +

- - - U

-ε

Điện cực răng lược

Bề mặt truyền sóng (vật liệu áp điện)

6.3.Cảm biến âm từ

• Sóng đàn hồi phát ra nhờ sử dụng hiệu ứng Wiedemam: hiện tượng ống trụ sắt từ bị xoắn khi nó chịu tác dụng đồng thời của một từ trường dọc và một từ trường ngang

• Sóng đàn hồi được thu trên cơ sở sử dụng hiệu ứng Vilari: sức căng

cơ học làm thay đổi khả năng từ hoá và độ từ thẩm của vật liệu sắt từ