Cơ cấu cảm biến

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 [...]...5.1 Cảm biến vị trí và lượng dịch chuyển g y • Cảm biến tiếp cận (proximity sensor) Cảm biến tiếp cận là loại cảm biến ON/OFF dùng để nhận biết sự hiện diện của đối tượng • 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... (chuyển sang đối tượng) Mạch cảm biến dòng nhận biết sự thay đổi và kích hoạt công tắc ế ổ ắ © C.B Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 5-23 5.1 Cảm biến vị trí và lượng dịch chuyển g y Phạm vi cảm biến là khoảng cách tính từ bề mặt cảm biến mà đối tượng chuẩn được nhận biết t hậ trong phạm vi đó Ph h i đó Phạm vi cảm biế và độ nhạy của cảm biế (tố độ chuyển i ả biến à h ủ ả biến (tốc h ể mạch) phụ thuộc... động 5-26 5.1 Cảm biến vị trí và lượng dịch chuyển g y Cảm biến điện quang (photoelectric sensor) Loại cảm biến này dùng một chùm sáng để phát hiện sự hiện diện của đối tượng mà làm cản trở hoặc phản xạ chùm sáng Thành phần chính: nguồn sáng (bộ phát) và tế bào quang cảm (bộ thu) thu) © C.B Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 5-27 5.1 Cảm biến vị trí và lượng dịch chuyển g y Phần lớn các cảm biến loại này... biến à h ủ ả biến (tốc h ể mạch) 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 ủ kí h của bề mặt cơ cấu cảm biế đặ điể điể hì h của l i cảm biế này như sau: ặt ấ ả biến, đặc điểm điển hình ủ loại ả biến à h Sensing range (mm) g g ( ) Diameter (mm) ( ) Length (mm) g ( ) Switching speed... e.g aluminum, brass, copper, and stainless steel), phạm vi cảm biến sẽ ngắn hơn © C.B Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 5-24 5.1 Cảm biến vị trí và lượng dịch chuyển g y 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 điện của đối tượng Do đó loại này có thể cảm nhận sự hiện diện của tất cả các loại đối tượng (kim... 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 cảm (inductive... 5-40 5.4 Đo lực • 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 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... 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) Phần tử lưỡng kim hai mảnh kim... so với ban đầu Cảm biến loại này thường dùng độ, đầu trong hệ thống điều khiển ON/OFF © C.B Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 5-49 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 độ thay đổi Điện trở của hầu hết kim loại đều tăng khi nhiệt độ tăng Phần tử cảm biến là cuộn dây... trở của nó thay đổi dưới tác dụng của sức căng Tấm điện trở trong loại cảm biến 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