Cơ cấu cảm biến

Cảm biến vị trí và lượng dịch chuyển Sai số: Sai số phụ tải loading error xảy ra khi con trượt của biến trở được nối với tải có trở kháng lớn không đáng kể so với giá trị của biến trở vớ

Trang 1

Nhữ thiết bị à ấ thô ti h bộ điề khiể ề hữ ì đ th ả

• Những thiết bị mà cung cấp thông tin cho bộ điều khiển về những gì đang thực sự xảy

ra thì được gọi là cảm biến (sensor / transducer)

• Hầu hết các cảm biến thực hiện biến đổi đại lượng vật lý (nhiệt độ, áp suất …) thành tín ự ệ ạ ợ g ậ ý ( ệ ộ, p )hiệu điện

Trang 2

• Biến trở (potentiometer)

5.1 Cảm biến vị trí và lượng dịch chuyển g y

Thí dụ: một biến trở được cấp nguồn 10 Vdc, và được đặt ở vị trí 82o Dãy tối đa của biến trở là 350o Xác định giá trị điện áp ra của biến trở

Giải

Trang 3

Độ phân giải

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:

5.1 Cảm biến vị trí và lượng dịch chuyển

Sai số: Sai số phụ tải (loading error) xảy ra

khi con trượt của biến trở được nối với tải

có trở kháng lớn không đáng kể so với giá

trị của biến trở

với

Trang 4

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

• Biến thế vi sai tuyến tính (LVDT – Linear Variable Differential Transformer) LVDT là bộ cảm biến vị trí có độ phân giải lớn dựa vào hiện tượng cảm ứng điện từ Ngõ

ra của LVDT có dạng điện áp xoay chiều – biên độ của nó tỉ lệ tuyến tính với lượng dịchchuyển 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

Trang 5

Với tín hiệu ra là điện áp xoay chiều:

• Biên độ của nó phụ thuộc vào lượng dịch chuyển (so với vị trí điểm giữa)

• Góc pha của nó phụ thuộc vào chiều dịch chuyển – dịch chuyển sang phải tạo ra góc

pha 0o, dịch chuyển sang trái tạo ra góc pha 180o

Trang 6

• Bộ mã hóa quang học (optical encoder)

Bộ mã hóa quang học là bộ cảm biến vị trí góc có tín hiệu ra ở dạng số Thành phầnchính: nguồn sáng, đĩa vạch, và tế bào quang học

Dạng tín hiệu của tế bào quang

Bộ mã hóa được phân thành 2 loại: tương đối (incremental encoder) và tuyệt đối

(absolute encoder)

Bộ mã hóa tuyệt đối

Bộ mã hóa tuyệt đối có tín hiệu ra là một con số nhị phân - xác định vị trí của đĩa vạchmột cách duy nhất

với N là số rãnh trên đĩa vạch (cũng là

số bit của con số nhị phân)

Trang 7

Thí dụ:một bộ mã hóa tuyệt đối được Giải:

Thí dụ: một bộ mã hóa tuyệt đối được

đáp ứng yêu cầu này

Vấn đề đối với bảng mã nhị phân tự nhiên là có nhiều bit thay đổi trạng thái đồng thời

Đối với bảng mã Gray, chỉ có 1 bit thay đổi trạng thái khi chuyển từ một giá trị đến giá trị

Trang 8

Bộ mã hóa tương đối

Bộ mã hóa tương đối chỉ có một vòng rãnh,

với các vạch được phân bố đều 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) ồi 45 h ù hiề ki đồ hồ (CW) Xá đị h ịngược chiều kim đồng hồ (CCW), rồi 45 vạch cùng chiều kim đồng hồ (CW) Xác định vị trí hiện tại của đĩa vạch

Giải: mỗi vạch tương ứng với 1o Do đó vị trí hiện tại là: 100o(CW) - 30o(CCW) + 45o(CW)

Giải: mỗi vạch tương ứng với 1 Do đó vị trí hiện tại là: 100 (CW) 30 (CCW) 45 (CW)

= 115o(CW)

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

răng có đường kính trung bình d = 5.91 cm Xác định độ g g g

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 đối cần có 3 bộ (nguồn sáng – tế bào quang học) để xác định vị trítuyệt đối của đĩa vạch

Trang 9

Với tín hiệu ra là hai dãy xung, pha A (V1) và pha B (V2) :

• Số vòng quay là số xung đếm được trên một pha

• Chiều quay được xác định từ sự lệch pha giữa pha A và pha B

Thí dụ: một hệ thống cảm biến (như hình trên) sử dụng đĩa có 250 vạch Giá trị hiện tại của bộ đếm là 00100110 Xác định giá trị góc của trục được đo.ộ ị g ị g ụ ợ

Giải: ta có

Trang 10

Mạch giải mã

Độ phân giải của bộ mã hóa có thể tăng 2 lần, 4 lần

Giao tiếp bộ mã hóa với máy tính

Trang 11

• Cảm biến tiếp cận (proximity sensor)

Cảm biến tiếp cận là loại cảm biến ON/OFF dùng để nhận biết sự hiện diện của đốitượng

• Cảm biến tiếp xúc

• Cảm biến không tiếp xúc

Cảm biến tiếp cận điện cảm: cảm nhận những đối tượng kim loại

Cảm biến tiếp cận điện dung: cảm nhận những đối tượng kim loại / phi kim

Cảm biến điện quang: cảm nhận những đối tượng kim loại / phi kim

• Cảm biến tiếp cận hiệu ứng HallCảm biến tiếp cận hiệu ứng Hall

Công tắc hành trình (limit switch)

Thiết bị cơ→ có sự mài mòn → tuổi thọ làm việc ngắn

– Thiết bị cơ→ có sự mài mòn → tuổi thọ làm việc ngắn

– Cần tạo ra một lực để tác động lên công tắc hành trình

Trang 12

Cảm biến tiếp cận điện cảm (inductive proximity sensor)

Loại cảm biến này dùng để cảm nhận những đối tượng bằng kim loại Thành phần chính:cuộn dây quấn xung quanh một lõi sắt, mạch tạo dao động, mạch cảm biến dòng, vàcông tắc bán dẫn

công tắc bán dẫn

Nguyên lý hoạt động: mạch dao động tạo ra một vùng từ trường ở phía trước cảm biến.Khi có đối tượng bằng kim loại bước vào vùng từ trường, biên độ vùng từ trường suygiảm do sự thất thoát năng lượng (chuyển sang đối tượng) Mạch cảm biến dòng nhận

biết sự thay đổi và kích hoạt công tắc

Phạm vi cảm biến là khoảng cách tính từ bề mặt cảm biến mà đối tượng chuẩn được

nhận biết trong phạm vi đó Phạm vi cảm biến và độ nhạy của cảm biến (tốc độ chuyểnmạch) phụ thuộc vào kích thước và vật liệu của đối tượng cảm biến Xét mẫu thí nghiệm(đối tượng cảm biến) là một tấm thép hình vuông dày 1 (mm), có các cạnh bằng đường

kính của bề mặt cơ cấu cảm biến, đặc điểm điển hình của loại cảm biến này như sau:

Sensing range (mm) g g ( ) Diameter (mm) ( ) Length (mm) g ( ) Switching speed (Hz) g p ( )

Trang 13

Cảm biến tiếp cận điện dung (capacitive proximity sensor)

Loại cảm biến tiếp cận này dùng cảm nhận những đối tượng dựa vào khả năng tích điệncủa đối tượng Do đó loại này có thể cảm nhận sự hiện diện của tất cả các loại đối tượng(kim loại cũng như phi kim e g gỗ giấy nước nhựa ) Thành phần chính: mạch tạo(kim loại cũng như phi kim, e.g gỗ, giấy, nước, nhựa …) Thành phần chính: mạch tạodao động, mạch cảm biến dòng, 1 bản cực nội, và công tắc bán dẫn

Nguyên lý hoạt động: khi có đối tượng xuất hiện phía trước cảm biến, thì đối tượng đóngvai trò như một bản cực ngoại của tụ điện Bản cực ngoại này kết hợp với bản cực nộihình thành nên một tụ điện và khi đó hiện tượng tích điện trên hai bản cực của tụ điệnxảy ra Điều này tạo nên một dòng điện thay đổi chạy qua bản cực nội Mạch cảm biếndòng nhận biết sự thay đổi và kích hoạt công tắc

Những vật liệu nào có hằng số điện môi từ 1.2 trở lên đều có thể nhận biết bởi loại cảmbiế à Ph i ả biế < 70 ( )

biến này Phạm vi cảm biến: < 70 (mm)

• với hằng số điện môi càng lớn, đối tượng càng dễ được nhận biết

• với hằng số điện môi càng lớn, khoảng cách nhận biết càng xa.với hằng số điện môi càng lớn, khoảng cách nhận biết càng xa

• vật liệu có hằng số điện môi lớn cũng có thể nhận biết được khi chứa trong thùnglàm bằng vật liệu có hằng số điện môi thấp hơn

Trang 14

Cảm biến điện quang (photoelectric sensor)

Loại cảm biến này dùng một chùm sáng để phát hiện sự hiện diện của đối tượng mà làmcản trở hoặc phản xạ chùm sáng Thành phần chính: nguồn sáng (bộ phát) và tế bàoquang cảm (bộ thu)

quang cảm (bộ thu)

Phần lớn các cảm biến loại này sử dụng LED (Light Emitting Diode) làm nguồn sáng.LED có thể được thiết kế để phát ra các ánh sáng khác nhau

Trang 15

Bốn loại tế bào quang cảm thường được sử dụng là: photo-resistor,photo-diode,transistor, vàphotovoltaic cell(photocell).

Bộ phát và bộ thu có thể được thiết kế thành

Kiểu truyền trực tiếp ( Opposed sensing mode )

hai khối tách biệt hoặc cùng chung trong mộtkhối tùy thuộc vào kiểu cảm biến

( Opposed sensing mode )

Kiểu truyền phản xạ y p ( Retro-reflective sensing mode )

Kiểu truyền khuếch tán ( Proximity sensing mode )

Trang 16

Cảm biến tiếp cận hiệu ứng Hall (1879, E.H Hall)

Hiệu ứng Hall xảy ra khi áp dụng một từ trường vuông góc lên một tấm bản làm bằng

kim loại hay chất bán dẫn đang có dòng điện I chạy qua, các hạt mang điện tích bị dồn

về một phía của tấm bản dẫn đến sự chênh lệch về điện thế giữa hai bên của tấm bản

và hình thành nên một điện áp hiệu ứng Hall, UH

với K là hằng số (phụ thuộc vào vật liệu);

I là dòng điện chạy qua tấm bản; B là cường độ từ trường; và D là bề dày của

tấm bản

Trang 17

5.2 Đo vận tốc

• Bộ phát tốc một chiều (DC tachometer)

Máy phát tốc một chiều thực chất là máy phát điện một

chiều – tạo ra một tín hiệu điện áp DC tỉ lệ với vận tốc

góc của trục quay

- Phần stator: nam châm vĩnh cữu

- Phần rotor (phần ứng): những cuộn dâylắp trên một lõi trụ kim loại

-Phần ứng quay tự do trong môi trườngPhần ứng quay tự do trong môi trường

từ trường (do nam châm của phần statortao ra)

- Hai đầu của cuôn dây nối vào hai nữacủa cổ góp Điện áp giữa 2 nữa của cổgóp được đưa ra ngoài thông qua haichổi than

Trang 18

• Bộ phát tốc quang học (optical tachometer)

Đối với phương pháp này, thì công việc chính là xác định số xung nhận được (từ tế bàoquang cảm) trong một đơn vị thời gian khi trục xoay

5.2 Đo vận tốc

Tương tự đối với phương pháp kiểu cảm ứng.g ự p g p p g

Trang 19

Xác định khoảng thời gian khi nhận được 1 xung từ cơ cấu cảm biếnị g g ậ ợ g

5.3 Đo gia tốc g

- Khung gia tốc kế được gắn vào vật thể cần đo gia tốc

- Bên trong gia tốc kế, khối M được đỡ bởi hai thanh lò xo lá và được giảm chấn bởi khối

dầu nhớt xung quanh nó

Trang 20

Một hệ thống bậc 2 được đặc trưng bởi hai thông số:

• Tỉ số giảm chấn

M: khối lượng (kg) b: hằng số giảm chấn (N.s/m)

Xét trường hợp khung đi lên với gia tốc hằng số, khối M sẽ làm lệch hai thanh lò xo láxuống phía duới (duới tác động của lực quán tính) Hai thanh lò xo lá tạo ra một phản lựcngược chiều với lực quan tính Khi hai lực này cân bằng, khối M sẽ nằm lệch ở vị tríkhông đổi

Lưu ý: Tần số cộng hưởng của gia tốc kế phải lớn hơn đáng kể tần số của tín hiệu gia

- Hai phương pháp để tạo ra sự cân bằng lực:

phương pháp cân bằng không

(null balance method)

phương pháp dịch chuyển

(displacement method)

Trang 21

• Cảm biến lực biến dạng (strain gauge force sensor)

- Với loại cảm biến này, lực cần đo tác động vào phần tử

đàn hồi Lượng biến dạng của phần tử này được chuyển

đổi thành tín hiệu điện tỉ lệ với lực được đo

- Để đo lượng biến dạng, tấm điện trở (strain gauge)

thường được sử dụng Thông thường gồm có 2 loại:

• loại kết dính: đo biến dạng ở một vị trí cụ thể trên

bề mặt biến dạng của phần tử đàn hồi

ế

• loại không kết dính: đo lượng di động nhỏ

- Tấm điện trở kết dính (bonded-wire strain gage) có thể đo lực từ vài kg đến vài tấn

5.4 Đo lực

Hê số cảm biến của tấm điện trở:

Với R: điện trở của tấm điện trở (Ω) L: chiều dài của tấm điện trở (m)

Hê số cảm biến G được cung cấp bởi nhà chế tạo ra tấm điện trở Thông thường:

∆R: khoảng điện trở thay đổi (Ω) ∆L: khoảng chiều dài thay đổi (m)

Hê số cảm biến G được cung cấp bởi nhà chế tạo ra tấm điện trở Thông thường:

G = 2 ÷ 4; L = 0.5 ÷ 4 (cm); R = 50 ÷ 5000 (Ω)

Ứng suất của phần tử đàn hồi được

xác định bằng lực (f) trên đơn vị diện

tích (A)

Với vật liệu đàn hồi, tỉ số giữa ứng suất

(S) và lượng biến dạng (ε= ∆L/L) là một hằng số và được gọi là mô-đun đàn hồi

Trang 22

Khoảng điện trở thay đổi của tấm điện trở thường rất bé Vì thế mạch cầu Wheatstoneg y gthường được sử dụng để khuếch đại tín hiệu (điện áp) ở ngõ ra Với mạch cầuWheatstone, yếu tố ảnh hưởng của nhiệt độ lên sự thay đổi giá trị điện trở (của tấm điệntrở tích cực) cũng có thể được triệt tiêu bằng cách dùng thêm một tấm điện trở bùự ) g ợ ệ g g ộ ệ(compensation gauge) đặt gần và theo hướng vuông góc với tấm điện trở tích cực.

5.4 Đo lực

Phân tích mạch cầu ở hình trên, ta có:

Giả sử xét 4 điện trở của mạch cầu đều có giá trị R khi mạch cầu cân bằng Khi có sự biến dạng, RG= R + ∆R.

Trang 23

Thí dụ: Một tấm điện trở được dùng để đo lực

kéo trên một khối trụ bằng thép có diện tích mặt

cắt ngang A = 13 cm2 Tấm điện trở có giá trị

danh nghĩa là 120g Ω và hệ số biến dạng G = 2.g

Mạch cầu được cấp nguồn Vs= 10 V Khi không

có lực kéo, mạch cầu cân bằng, do đó Vout= 0 V

Khi có lực kéo, mạch cầu có giá trị Vự , ạ g ị outout = 0.0005

V Xác định lực tác dụng lên khối trụ này Cho

biết thép có E = 2.07× 107(N/cm2)

Giải:

5.4 Đo lực

• Cảm biến lực khí ép (pneumatic force transmitter)

- Loại cảm biến này làm việc dựa trên phương pháp cân bằng không Lực cần đo đượccân bằng với một phản lực tạo nên bởi áp suất tác động nên bề mặt tấm màng đàn hồi.Lượng áp suất tỉ lệ với lực cần đo và do đó giá trị áp suất đo được phản ánh giá trị lựccần đo

Trang 24

Giả sử xét trường hợp khi lực tác dụng tăng đối với hình trên, làm chốt di chuyển lên và

do đó làm giảm tiết diện chảy qua hở Điều này sẽ làm tăng áp suất bên trong buồngphía trên màng đàn hồi và làm phục hồi trạng thái cân bằng của tấm màng đàn hồi Bằng

cách đo áp suất p trong buồng, lực cần đo f được xác định như sau:

Với f: giá trị lực cần đo

p: áp suất đo được trong buồng

A: diện tích hiệu dụng của tấm màng đàn hồiệ ệ ụ g g

Thành phần (p - 3) có nghĩa rằng giá trị áp suất trong buồng là p = 3 (psi) tương ứng với

giá trị lực f = 0 Ở trường hợp này màng vẫn được duy trì ở trạng thái cân bằng dưới tácdụng của lực lò xo

Lưu ý: phạm vi lực có thể đo được bị giới hạn bởi giá trị áp suất nguồn cung cấp

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 cáccảm biến có hệ số nhiệt dương – tín hiệu ra của cảm biến tăng khi giá trị nhiệt độ tăng

Trang 25

Cảm biến nhiệt lưỡng kim (bimetallic temperature sensor)

Phần tử lưỡng kim hai mảnh kim loại khác nhau kết thành dạng tấm, cuộn, hoặc xoắn

ốc Hệ số nở nhiệt của hai mảnh kim loại khác nhau, để khi dưới sự ảnh hưởng củanhiệt độ hình dáng của chúng thay đổi so với ban đầu Cảm biến loại này thường dùngtrong hệ thống điều khiển ON/OFF

5.5 Đo nhiệt độ

Cảm biến nhiệt điện trở (RTD – resistance temperature detector) ệ ệ ( p )

Cảm biến nhiệt điện trở làm việc dựa trên sự thay đổi điện trở của kim loại khi nhiệt độthay đổi Điện trở của hầu hết kim loại đều tăng khi nhiệt độ tăng

Phần tử cảm biến là cuộn dây điện trở

- thí dụ như bạch kim - quấn xungthí dụ như bạch kim quấn xung

quanh một lõi bằng gốm (ceramic) và

đặt ở cuối ống bảo vệ RTD rất đa

dạng với những giá trị điện trở khác

nhau (giá trị điện trở thông thường là

100Ω ở nhiệt độ 00C)

Dây bạch kim có hệ số nhiệt là: 0.0039Ω/0C cho mỗi đơn vị điện trở Nếu điện trở củaRTD là 100Ω, thì toàn bộ cuôn dây sẽ tăng thêm 0.39 Ω khi nhiệt độ tăng thêm 1, ộ y g ệ ộ g 0C

Định dạng
Số trang	33
Dung lượng	2,58 MB