Nghiên ứu thiết kế, hế tạo huyển đổi đo dịh huyển ó độ nhậy ao dạng điện ảm

Mối liên hệ ữa vật dịch chuyển và cảm biến được thực gihiện thông qua vai trò trung gian của điện trường, từ trường hoặc điện từ trường, ánh sáng.. ột số ảm biến thông dụ ứng dụng trong

NGHIÊN C Ứ U THI T K Ế Ế , CH Ế Ạ T O CHUY Ể N Đ I ĐO DỊ Ổ CH

LUẬ N VĂN TH C SĨ KHOA H Ạ Ọ C

ngành Công Nghệ Cơ Khí

Hà Nội – Năm 2011

Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17057205280091000000

2

M Ụ C LỤ C

34T

MỤC LỤC34T 1 34T

LỜI CAM ĐOAN34T 5 34T

5.3.1 Ứ ng dụ ng chuy ển đổ i đi ệ n cả trong máy đo độ m nhám b m t ki u đi n c m ề ặ ể ệ ả

b ằng phương pháp tiế p xúc 34T 75 34T

5.3.2 Ứng dụng chuyển đổ ệ ả i đi n c m trong c m bi n ả ế đo áp suấ t 34T 77 34T

5.3.3 Ứng dụng chuyển đổ ệ ả i đi n c m trong c m bi ả ến đo lự ở c thi t b r ế ị ạch đo độ bám dính bề ặ m t màng 34T 79 34T

5.3.4 Ứng dụng cảm biế n đi ệ n cảm trong đầu đo của máy đo độ tròn 34T 82 34T

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ34T 83

TÀI LIỆU THAM KHẢO 85

4

TÓM T T LU Ắ ẬN VĂN 87 34T 34T

PHỤ Ụ L C 88

5

Tên tôi là Nguy n Th Kim Cúc là h c viên cao h c ngành Công Nghễ ị ọ ọ ệ Cơ Khí Khóa 2008-2010 Giáo viên hướng d n khoa h c TS Nguyẫ ọ ễn Văn Vinh Tôi xin cam đoan tấ ảt c các s li u, k t qu c a luố ệ ế ả ủ ận văn này đều có th t và do chính tác giả ậnghiên c u th c nghiứ ự ệm

DANH M C CÁC KÝ HI U, CH Ụ Ệ Ữ VI T TẮT Ế

VĐK: Vi điề u khi n ể

ADC ho ặ c A/D: chuyển đổi tương tự ố (Analog Digital Convert) s

AC: Dòng điệ n xoay chi u ề

DC: Dòng điệ n m t chi u ộ ề

DANH M Ụ C CÁC B Ả NG

Trang

B ả ng 1 1 B ả ng công thức thực nghiệm tính toán cảm biến điện cảm 26

B ả ng 1 2 Bảng đặc trưng nhạy cảm của vật liệu làm lõi 30

DANH M C CÁC HÌNH V Ụ Ẽ , Đ Ồ TH Ị

Chương 1

6

Chương 2

7

Chương 4

Chương 5

8

9

M Ở ĐẦ U

Hiện nay các loại chuyển đổi và thiết bị đo được ứng dụng rất nhiều trong các hệ ố th ng t ự động hóa và sản xuất công nghiệp Chuyển đổi đo là bộ phận cấu trúc đo cơ bản và quan tr ng nh t, có tính ch t quyọ ấ ấ ết định v ề phương pháp và khảnăng đo lường c a thi t b ủ ế ị đo Trong đó chuyển đổi điện c m đ c s d ng nhi u ả ượ ử ụ ềtrong các thi t bế ị đo cần chuyển đổi đo dịch chuy n nhể ỏ như máy đo độ nhám, máy

đo độ tròn, đo áp xuất…

Chuyển đổi đo điện cảm có là loại chuyển đổi có cấu trúc đơn giản, dễ chế ạo, t

độ nh y cao, ph n x lý tín hiạ ầ ử ệu không đòi hỏi mạch điện đặc bi t, và d dàng ghép ệ ễ

nối trong các thiết bị đo Nhưng những hiểu biết về chúng còn rất hạn chế thêm nữa toàn bộ ụ c m chuyển đổi thường đi kèm ảc modul không bán sẵ do đó viện c sửa chữa thay th rế ất khó khăn và tốn kém

Tuy nhiên hi n nay các tài li u công thệ ệ ức có liên quan đến chuyển đổi đo điện

cảm còn hạn chế và rất ít do vậy rất khó khăn cho việc tính toán ết kế Và chưa thi

có m t công trình nghiên c u nào chộ ứ ế ạ t o lo i chuyạ ển đổ ểi k trên áp d ng cho các ụ

h thệ ống đo dịch chuyển Luận áp này nhằm làm rõ các loại chuyển đổi đo dạng điện c m, nghiên c u các d ng chuy n đả ứ ạ ể ổi đo điện c m phù h p v i t ng yêu cầu ả ợ ớ ừ

của thiết bị đo Nâng cao kỹ thu t x lý tín hi u tậ ử ệ ừ ả c m biến điện cảm nhằm nâng cao độ ổn định, độ chính xác c a hệủ chuyển đổi đo Nghiên c u th c nghiứ ự ệm đưa ra các phương án thiế ế ựt k th c nghi m và xây dệ ựng các đường đặc tuy n th c nghi m ế ự ệ

của chuyển đổi điện cảm nhằm tích hợp với các cơ cấu máy đo phù hợp Tạo điều

kiện sử ụng khai thác và ch d ế ạ t o thiết bị có đ nhộ ạy và độ chính xác cao Làm chủ công nghệ ch tế ạo các máy đo đắt tiền Nh m ch tằ ế ạo và ch y thạ ử chuyển đổi đo điện c m trên thi t b nhám, thi t b ả ế ị đo độ ế ị đo áp suất, thi t b ế ị đo lực… bước đầu đã

10

có k t qu ng dế ả ứ ụng, đánh giá khả năng chế ạ t o ra các thi t bế ị đo chuyên dụng ph c ụ

v mụ ục đích nghiên cứu và sản xuất

Do ki n thế ức và thời gian h n ch nên luạ ế ận văn không tránh khỏi các thi u sót ế

v mề ặt tính toán cũng như không đầy đủ ề ộ v n i dung Em rất mong được s góp ý ự

của các thầy cô giáo để ận văn được hoàn thiện, có thể giúp ích hiệu q ả cho công lu u

11

Chương 1 -T NG Ổ QUAN VỀ CHUY ỂN ĐỔI ĐO DỊ CH CHUYỂN NHỎ

1.1 Khái niệm và ứng dụng của các chuyể ổi đo dị n đ ch chuyển nhỏ

Chuyển đổ đo dịi ch chuyển nhỏ là thiết bị dùng để ảm nhận biến đổ c i các đại lượng v t lý và các đạậ i lượng không có tính chất điện cần đo thành các đạ lượi ng điện phù h p v i thi t b thu nh n tín hi u ợ ớ ế ị ậ ệ

Chuyển đổi đo lường là bộ ận của cấu trúc đo lường có nhiệm vụ ếp nhậ ph ti n

biến thiên của kích thước đo (tín hiệu vào chuyển đổi) đưa tín hiệu đó vào bộchuyển đổi, chế ến thành tín hiệu ra thể ện trên cơ cấ bi hi u ch th Cơ s t o ra ỉ ị ở để ạchuyển đổi đo lường là mối qua hệ ật lý giữa các đại lượ v ng vào là y u t cế ố ần đo (kích thước ho c biặ ến thiên kích thước) và đại lượng ra là các phương tiện ch th ỉ ịkhác nhau (chuyể ị ủn v c a kim chỉ thị, biến thi n áp suất, điện áp ) Do đó để ạo ra ê t

một chuyển đổi đo lường cần phân tích kỹ ối quan hệ ật lý có liên quan đến yế m v n

-Mức độ tuyến tính củ ặa đ c tính làm việc của chuyển đổi

- Kh ả năng truyền chuẩn của chuyển đổi và chức năng của nó trong hệ ố th ng thiết đo

Việc chọn các nguyên lý c a chuyủ ển đổi đo có ý nghĩa quyết định sự thành công hay th t bấ ạ ủi c a công tác nghiên c u, thi t kứ ế ế các phương tiện đo

1T

Chúng c m nhả ận và đáp ứng theo các kích thích thường là các đ i lượạ ng không điện, chuyển đổi các đ i lượng này thành các đạạ i lượng điện và truy n các ề

vật lý học hiện đại, của công nghệ ới trong điện tử và tin học, của lý thuyết mđiều khi n hiể ện đại, nh m t o nên các chuyằ ạ ển đổi đo có độ nh y cao và linh ho t ạ ạ

Các chuyển đổi đo lường sơ cấp ho t đ ng thuân theo các hi u ng vạ ộ ệ ứ ật lý Độ

nhạy và độ chính xác của các bộ ảm biến phụ c thuộc rất nhiều vào khả năng chuyển đổi của các hiện tượng vật lý

Việc xác định ví trí và dịch chuyển rất quan trọng trong kỹ thuật Hiện nay phương pháp cơ bản để xác đ nh v trí và dịch chuy n là bị ị ể ộ ả c m bi n cung c p tín ế ấhiệu là hàm phụ thuộc vào vị trí của một trong các ph n tầ ử ủ c a cảm biến, đồng thời

phần tử này có liên quan đến vật cần xác định dịch chuyển

Một số ảm biến không đòi ỏi liên kết cơ họ c h c gi a cảm biến và vậ ần đo ữ t c

v ị trí hoặc dịch chuyển Mối liên hệ ữa vật dịch chuyển và cảm biến được thực gihiện thông qua vai trò trung gian của điện trường, từ trường hoặc điện từ trường, ánh sáng

Hình 1.1 là một số ứng dụng tiêu b ểu củ Các loại cảm biến thông dụ

hiện nay:

13

Hình1.1 M t s ng d ng tiêu bi u c a chuy ộ ố ứ ụ ể ủ ển đổi đo dị ch chuy n ể

Thêm n a ph n thu thữ ầ ập và x lử ý tín hi u là quan tr ng trong các hệ ọ ệ ố th ng

đo hình dưới đây là mộ ố phương pháp thu thật s p x lý tín hiệử u cơ b n t các cảm ả ừ

bi n: ế

a,

14

b,

Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý h th ng x lý tín hi u ệ ố ử ệ

Ở sơ đồ hình a tín hi u t ệ ừcác cảm b ế được ử lý i n x theo phương pháp thông thường t c là x lý tín hiứ ử ệu tương tự ộ m t cách thu n túy b ng các thi t b n t , sơ ầ ằ ế ị điệ ử

đồ hình b tín hi u t các c m biệ ừ ả ến đượ ố hóa sau đó ửc s x lý toàn b b ng máy tính ộ ằDưới đây là sơ đồi kh i h th ng chuyố ệ ố ển đổi đo dịch chuy n cơ bản: ể

15

1.2 Các loại chuyể ổ n đ đo dị i ch chuyển nhỏ

Các b cộ ảm biến đóng vai trò hết sức quan trọng trong chuy n ể đổi đo dịch chuy n Mể ột số ảm biến thông dụ ứng dụng trong chuyển đổi đo dịch chuyể c ng n :

Cảm biến chuyển vị điện trở

1.2.1 C ả m biến chuyển vị điện trở

Cảm biến chuyển vị điện trở là loại cảm biến dựa vào nguyên tắc chung phân

áp gi i hớ ạn hoặc các chiết áp M t chiộ ết áp là một thi t bế ị điệ n tử ba ồm mộo g t chổi điện t ừ trượt ch ng l i thành phố ạ ần điện tr c nh theo v trí và góc của một trục ở ố đị ịbên ngoài Thành phần điện trở được phân chia theo v trí tị ại các điểm con chạy ti p ếxúc Do vậy các con chạy phải đảm bảo tiếp xúc điện tốt, điện trở ếp xúc phải nhỏ ti

và n nh ổ đị Để đo chuyển vị dùng một dây đặc biệt bên trong điện áp chia Các

mạch đầu ra, xác định ịv trí chức năng của con chạy và được truyền như ộm t tín

hiệu sóng có sẵ được sử ụng trực tiếp hoặc sốn, d hóa

Việc chia điện áp có sẵn là mộ ấu hình truy n tht c ề ống để đo đạc chính xác

Mạch đầu ra là điện áp một chiều có biên độ ớn có giá trị khác nhau ở các điể l m

của toàn bộ điện trở và có độ tương thích cao với các mạch và hệ ố th ng khác

Độ phân gi i c a đi n tr d ng dây ph thu c vào hình dả ủ ệ ở ạ ụ ộ ạng và đường kính

của dây điện trở và vào khoảng ~10μm

Độ phân gi i c a các đi n tr kiả ủ ệ ở ểu băng dẫn ph thuụ ộc vào kích thước h t, ạthường vào c ~ 0,1 m ỡ μ

16

Để kh c phắ ục nhược điểm c a đi n th k dùng con ch y cơ học, ngườủ ệ ế ế ạ i ta s ử

dụng điện thế ế liên kết quang hoặc từ có sẵn trong các dạng chuyển động quay và k chuyển động tịnh tiến

Loại cảm biến này có cấu tạo đơn giản, dễ ử ụng, tín hiệu đo lớn và không s dđòi hỏi m ch ạ điện đặc biệt để ử x lý tín hi u Tuy nhiên vệ ới các điện thế ế điệ k n trở

có con chạy cơ h c có sự c ọ ọ xát gây ồn v mòn, số ần sử ụà l d ng thấp v chịu ảà nh

huởng lớn của môi ờng khi có bụi v ẩm tru à

1.2.2 C ả m biế điện cả n m

Cảm biến điện cảm được sử ụng rộng rãi trong ngành công nghiệp và có dnhi u ề ứng dụng khác nhau Chúng có độ ạy cao nhỏ ọ nh g n ít ảnh hưởng của các yếu

t ố môi trường (ví dụ độ ẩm, bụi) so với các loại c m bi n khác ả ế

Cảm biến điện cảm làm việc với mạch điện dao động xoay chiều cuộn cảm thường đượ ức ng dụng như mộ ảt c m bi n bế ằng cách thay đổi độ ừ ẩ t th m c a lõi t c ủ ứ

là thay đổ ậ ệi v t li u lõi ho c v trí của lõi ặ ị Nói chung cảm biến điện cảm có ph m vi ạ

nh ỏ và thường được sử ụng trong các ứng dụng chuyên nghành như đầu dò áp lực d

Lực từ tính bên trong phần lõi là khá lớn điều này làm gi i hớ ạn ứng d ng cụ ủa cảm

bi n ế

B cộ ảm biến này d a ự trên sự thay đổi từ ở ủa các phần dòng từ thông tr cĐây là loạ ải c m bi n ng d ng đ c biế ứ ụ ặ ệt trong các phép đo gia tốc Tuy nhiên chúng

có thể được xây dựng trong các phép đo chuyển v và v n tị ậ ốc

1.2.3.C ả m biến điện dung

Các cảm biến tụ điện đơn là mộ ụ điệt t n ph ng ho c hình tr ẳ ặ ụcó một bản cự ắn cốc g

định (b n cả ực tĩnh) và mộ ảt b n c c di chuyự ển (bả ự ộn c c đ ng) liên kết với vật cần đo Khi b n cả ực động di chuy n s kéo theo sể ẽ ự thay đổi điện dung của tụ điệ n

17

- Đối với cảm biến hình : dướ1.2 i tác động củ ại lượng đo XV, bảa đ n cực

động di chuy n, kho ng các gi a các b n cể ả ữ ả ực thay đổi, kéo theo điện dung t n ụ điệ

biến thiên

δ

εε s

ε - hằng số điện môi của môi trường

ε0 ằ- h ng s n môi c a chân không ố điệ ủ

s - diện tích nằm giữa hai điện cực

δ - khoảng cách giữa hai bản cực

Độ nhạy và độ tuy n tính c a t ế ủ ụ kép vi sai cao hơn tụ đơn và lực tương hỗgiữa các bản cực triệt tiêu lẫn nhau do ngược chi u nhau ề

Cảm biến điện dung có các đặc điểm:

- Biến thiên điện dung của cảm biến tụ điện là hàm tuyến tính khi diện tích

b n cả ực v ằng số điện môi thay đổi nhưng phi tuyến khi khoảng cách giữa hai bản à h

c c ự thay đổi

- Biến thiên dung kháng của cảm biế ụ điện t n là hàm tuy n tính khi khoế ảng cách giữa hai bản cực thay đổi nhưng phi tuyến khi ện tích bản cực và hdi ằng sốđiện môi thay đổi Ngoài ra gi a hai b n cữ ả ực khi có điện áp đặt v o sà ẽ phát sinh l c ựhút, lực này cần phải nhỏ hơn đại lượng đo

1.2.4.C ả m biến quang

Các cảm biến đo vị trí và d ch chuyị ển theo phương pháp quang học gồm ngu n phồ át ánh sáng kết hợp với mộ ầu thu quang (thườt đ ng là tế bào quang điện)

Sơ đồ ấ c u trúc c a m t c m biủ ộ ả ến đo vị trí và d ch chuy n theo nguyên t c ị ể ắtruyền qua trình bày trên hình 1.6 a Cảm biến gồm một nguồn phát ánh sáng, một

th u ấ kính hội tụ, một lưới chia kích quang v các phần tử thu quang thường là tếà bào quang điện

Khi thước đo ắg n với đố ượi t ng kh o sát, ch y gi a th u kính h i t và l i ả ạ ữ ấ ộ ụ ướchia có chuyển động tương đối so với nguồn sáng sẽ làm xu t hi n m t tín hi u ánhấ ệ ộ ệ

20

sáng hình sin Tín hi u nệ ày được thu bởi các tế o quang điện đặ bà t sau l i chia ướCác tín hiệ ầu đ u ra của cảm biế ượn đ c khuế h đại trong một bộ ạo xung điện tử ạc t t o thành tín hiệu xung dạng chữ ậ nh t

Khi thước đo ắg n v i đớ ối tượng kh o sát, chả ạy giữa th u kính h i tấ ộ ụvà lưới chia

có chuyển động tương đối so v i ngu n sáng sớ ồ ẽ làm xu t hi n m t tín hi u ánh sáng ấ ệ ộ ệhình sin Tín hiệu này được thu b i các tế bào quang điệ ặt sau lướở n đ i chia Các tín hiệu đầu ra của cảm biến được khuếch đại trong m t bộ ộ tạo xung điệ ử ạn t t o thành tín hi u xung d ng chệ ạ ữ nh t ậ

Các tế bào quang điệ ố trí thành hai dãy và đặ ện b t l ch nhau m t ph n tư độ chia ộ ầnên ta nhận được hai tín hiệu lệch pha 90P 0

P (hình 1.6 b), nhờ đó không những xác định được độ ị d ch chuy n mà còn có thể nhể ận biết được cả chiều chuyển động Đểkhôi phục điểm gốc trong trường h p mợ ất điện nguồn người ta trang b thêm mị ốc

đo chuẩn trên thước đo

Ưu điểm c a các c m bi n truy n qua là củ ả ế ề ự ly c m nh n xa, có kh ả ậ ả năng thu được tín hi u m nh và t s ệ ạ ỉ ố độ tương phản sáng t i l n, tuy nhiên có h n ch là khó ố ớ ạ ế

b ốtrí và chỉnh thẳng hàng nguồn phát và đầu thu

21

1.2.5.C ả m biế n đo chuy ể n vị ằng sóng đàn hồ b i

Tốc độ truyền sóng đàn hồi v trong chấ ắt r n ~ 103m/s Th i gian truyờ ền sóng giữa hai điểm trong v t r n cách nhau m t khoậ ắ ộ ảng l xác định b i bi u thở ể ức:

đầu phát sóng và sóng l i khi tín hiạ ệu đến được máy thu

Gọi số xung đếm được là N và chu kỳ ủa xung đếm là t c R H R, ta có:

22

Trong các c m biả ến áp điện, sóng đà ồn h i được phát và thu nhờ ử ụ s d ng

hi u ệ ứng áp điện Hiệ ứng áp điện là hiện tượng khi một tấm vật liệu áp điện (thí u

d thụ ạch anh) bị ến dạng dưới tác dụng của một lự bi c cơ học có chiều nhất định, trên các mặt đối di n cệ ủa tấm xuấ ệt hi n m t lưộ ợng điện tích bằng nhau nhưng trái dấu, ngược lại dưới tác động của điện trường có chiều thích hợp, tấm vật liệu áp điện b bi n d ng ị ế ạ

Để đo dịch chuy n ta có thể ể ử ụ s d ng hai dạng sóng đà ồi: n h

- Sóng khối: dọc và ngang

- Sóng bề ặ m t

Sóng kh i d c truyố ọ ền cho các phầ ử ủn t c a vậ ắt r n d ch chuy n d c theo ị ể ọphương truyền sóng t o nên s nén r i l i giãn n của các lớ ủ ậ ắạ ự ồ ạ ở p c a v t r n Sóng này được kích thích b ng ph n t áp đi n rung theo b ằ ầ ử ệ ềdày (hình 1.10 a)

Sóng kh i ngang gây nên d ch chuy n vuông góc vố ị ể ới phương truyền sóng, tạo ra chuyển động trượt tương đối giữa các lớp của vật rắn Sóng này được kích thích b ng m t ph n tằ ộ ầ ử áp điện rung theo mặt cắt (hình 1.10 b)

23

Sóng bề mặt truy n trong l p bề ớ ề mặt của vật rắn, biên độ ủ c a chúng hầu như

bằng không ở độ sâu 2λ dưới bề ặt Sóng bề ặt gồm một thμnh phần sóng dọc và m m

một thành phần sóng ngang Nguồn kích thích sóng bề ặt là một hệ điện cực kiể m u răng lược cài nhau ph lên b m t v t liủ ề ặ ậ ệu áp điện (hình 4.19c) Kho ng cách gi a ả ữhai răng kề nhau c a các đi n c c ph i b ng λ đểủ ệ ự ả ằ có th gây ra bi n d ng khi có ể ế ạđiện áp V cùng pha đặt vào và để tăng hiệ ứu ng c a chúng Máy thu sóng b m t ủ ề ặcũng có cấ ạo tương tự như máy phát đượu t c g n c nh vào b m t v t r n, khi có ắ ố đị ề ặ ậ ắsóng bề ặt đi qua, các răng củ m a điện c c làm bi n d ng bự ế ạ ề mặt vật rắn và gây nên điện áp do hi u ệ ứng áp điện

1.2.6.C ả m biến âm từ

Sóng đàn hồi phát ra nh s dờ ử ụng hiệu ứng Wiedemam: hiện tượng xoắn một

ống tr s t t khi nó ch u tác dụ ắ ừ ị ụng đồng th i c a m t t ờ ủ ộ ừ trường d c và m t t ọ ộ ừtrường ngang Sóng đàn hồi được thu trên cơ sở ử ụ s d ng hi u ng Vilari: s c căng ệ ứ ứ

cơ học làm thay đổi kh ả năng từhoá và t th m c a vậ ệ ắ ừđộ ừ ẩ ủ t li u s t t

Sơ đồ nguyên lý và c u t o c a c m bi n âm t ấ ạ ủ ả ế ừtrình bày trên hình 1.9

Cấu tạo của cảm biến gồ ống sắt từ (1), nam châm di động (2) trượ ọ ốm t d c ng g n ắ

với vật cần xác định vị trí Dây dẫn (3) n m gi a trằ ữ ục ống và đượ ố ớc n i v i máy phát xung (4) Máy thu (5) có lõi từ ố n i cơ họ ớ ốc v i ng

24

Nguyên lý hoạt động của cảm bi n: Máy phát (4) cung c p mế ấ ột xung điện truyền qua dây d n (3), xung này truy n vẫ ề ới vậ ốn t c ánh sáng (c), từ trường do nó sinh ra

có đường sức là đường tròn đồng tâm v i tr c ớ ụ ống Khi sóng điệ ừn t truyền đến v ịtrí nam châm (2), sự ế k t hợp của hai từ trường làm cho ng bố ị xoắn cục bộ, xoắn

cục bộ này truyền đi trong ống dướ ạng sóng đàn hồ ớ ậ ốc v Khi sóng đàn i d i v i v n t

hồi đến máy thu (5) nó làm thay đổi độ ừ t hoá gây nên tín hi u hệ ồi đáp

Gọi tP là thời gian t khi phát xung hừ ỏ ếi đ n khi nhận được xung hồi đáp, do v << c

25

C hương 2 - CƠ SỞ TÍNH TOÁN THIẾT KẾ Ả C M BI ẾN ĐIỆ N CẢ M

2.1.Gi ớ i thiệu chung về ảm biế c n đi ệ n cả m

2.1.1 Định nghĩa

Cảm biến điện cảm là nhóm các cảm biến làm việc dựa trên nguyên lý cảm ứng điệ ừn t V t cậ ần đo vị trí ho c d ch chuyặ ị ển được g n vào m t ph n t c a m ch ắ ộ ầ ử ủ ạ

t ừgây nên sự ến thiên từ thông qua cuộn đo bi

Cảm biến điện cảm chủ ếu dựa trên các nguyên t y ắc của mạch t Chúng có ừ

th ế được phân loại là tự ảm hoặc thụ độ c ng

Các loại cảm biến tự ảm sử ụng nguyên tắc máy phát điện, có nghĩa là khi c d

có m t chuyộ ển động tương đối giữa một dây dẫn và m t t ộ ừ trường

Hình minh họa là loại cảm biến điện cảm đơn giản nếu bỏ qua từ ở lõi trthép, từ thông rò và t ừthông tản khe hở không kh m việc th ta c điện cảí là ì ó m

26

[ ] H

s N

G N L

Ta có:

RR T R: điện tr tở ải, R: điện tr cuở ộn dây Điện c m L s ả ẽ thay đổ ếi n u ta l m thay à

đổi khe h δ, di n t ch S hoở ệ í ặc độ ừ ẩ t th m dµ, ẫn đến dòng điện i biến thiên tương

ứng  ng d ng hiƯ ụ ện tượng này người ta chế ạ t o c c lo i c m biá ạ ả ến điện cảm khác nhau

Cảm biến có ph n ầ ứng chuyển dịch ngang như h nh 1.2 ì

27

Độ nh y c a c m bi n khi khe h ạ ủ ả ế ở thay đổi :

2 0 0

Cuộn cảm đượ ặc trưng bằng độc đ t cự ảm L henr (H) Cuộn cảm có độ ự ảm y t ccàng cao thì càng tạo ra từ trường mạnh và dự ữ tr nhiều năng lượng Cu n c m là ộ ảlinh kiện điệ ử ện t l thu c và tầ ố.ộ n s

L : là hệ ố ự ả s t c m của cuôn dây, đơn vịlà Henrry (H)

N : là số vòng dây của cuộn dây

l : là chi u dài cề ủa cuộn dây tính b ng mét (m) ằ

S : là ti t diế ện của lõi, tính b ng mằ P 2

P

µr : là hệ ố ừ ẩ s t th m của vậ ệt li u làm lõi

T ừ công thứ trên ta th y nc ấ ếu số vòng của cuộn dây càng l n thì hớ ệ ố ự s t

cảm càng lớn tuy nhiên nếu số vòng lớn thì điện trở cuộn dây cũng rất lớn do vậy

cần phải chọn số vòng dây thật kỹ lưỡng để phù hợp với mạch cần đo

- N: Số vòng của cuộn dây

- K hệ ố Nagaoka s

- A: Tiết diện cuộn dây.( m P

2

P )

- l: Chiều dài cuộn dây (m) Dây dẫn

- r = bán kính ngoài của cuộn dây (in)

- l = chiều dài cuộn dây (in)

- N = số vòng quấn Cuộn dây

nhi ề u lớ p

μRrR = độ ừ t thẩm tương đối của vật liệu lõi

N = số vòng

f : là tần số đơn vịlà Hz

L : là hệ ố ự ả s t c m , đơn vị là Henry

Cảm kháng của cuộn dây tỷ ệ ới hệ ố ự ả l v s t c m c a cu n dây và tỷ ệ ớủ ộ l v i

tần số dòng điện xoay chiều, nghĩa là dòng điện xoay chiều có tần số càng cao thì đi qua cuộn dây càng khó, dòng điện một chi u có t n s f = 0 Hz vì v y v i dòng mề ầ ố ậ ớ ột chiều cuộn dây có cảm kháng ZL = 0

c) Điệ n tr thu n c a cu n dây ở ầ ủ ộ

Điện trở thuần của cuộn dây là điện trở mà ta có thể đo được bằng đồng h v n ồ ạnăng, thông thường cu n dây có ph m ch t tộ ẩ ấ ốt thì điện tr thu n phở ầ ải tương đối nh ỏ

so v i cớ ảm kháng, điện trở thuần còn gọi là điện tr tở ổn hao vì chính điện tr này ởsinh ra nhi t khi cu n dây hoệ ộ ạ ột đ ng

W : năng lượng ( June )

L : Hệ ố ự ả s t c m ( H )

hằng số điện môi của vật liệu từ

Trên b ng 1.ả 2 giới thiệu các đại lượng cần đo có khả năng làm thay đổi tính chất điện c a v t li u s d ng ch t o c m bi n ủ ậ ệ ử ụ ế ạ ả ế

Bảng đặc trưng nhạy cảm của vật liệu làm lõi

- 8.0×10−4 16 - 640

− 6 0.999992 Chân không 1.2566371×10P

2.2 Các dạng ảm biế c n đi ệ n cảm

2.2.1.C ả m biến tự ảm c

2.2.1.1 C ả m biến tự ảm có khe t c ừ ế bi n thiên

- C ả m biến tự ảm đơn: trên hình 2.4 trình bày sơ đồ nguyên lý cấu tạo của một số c

loại cảm biến tự ảm đơn c

Cảm biến tự ảm đơn gồm một cuộn dây quấn trên lõi thép cố c định (phần tĩnh) và một lõi thép có th ể di động dưới tác động c a đủ ại lượng đo (phần động),

giữa phần tĩnh và phần động có khe hở không khí tạo nên một mạch từ ở h

Sơ đồ hình 2.4.a: dư i tác đ ng c a đớ ộ ủ ại lượng đo XR V R, phầ ứn ng của cảm biến

di chuy n, khe h không khí ể ở δ trong mạch từ thay đổi, làm cho từ ở ủa mạch từ tr c

biến thiên, do đó hệ ố ự ả s t c m và tổng trở ủa cuộn dây thay đổi theo c

33

Sơ đồ hình 2.4b: khi ph n ng quay, ti t di n khe h ầ ứ ế ệ ở không khí thay đổi, làm cho từ ở ủ tr c a mạch từ ến thiên, do đó hệ ố bi s t cự ảm và tổng trở ủa cuộn dây thay c

đổi theo

H s t cệ ố ự ảm của cuộn dây cũng có thể thay đổi do thay đổ ổi t n hao sinh ra

bởi dòng điện xoáy khi tấm sắt từ ịch chuyển dưới tác động củ ạ d a đ i lượng đo XR v R(hình 2.4.c)

0

0 0

2

µ S N

L =

Tổng trở ủa cảm biế c n:

δ

µ ω

T ừcông thức trên ta thấy tổng trở Z của cảm biến là hàm tuyến tính với tiết

diện khe hở không khí s và phi tuy n v i chi u dài khe h không khí ế ớ ề ở δ

Cảm biến điện cảm vớ δ thay đổ ỷ ố ∆δ δi i,t s / R 0 R không vợt quá 0,2 đối với

loại đơn và 0,4 với cảm biến mắc vi sai và độ phi tuyế không vượn t quá 1%

34

Đặc tính của cảm bi n tế ự ả c m đơn Z = f(∆δ) là hàm phi tuyến và ph thu c t n ụ ộ ầ

s nguố ồn kích thích, tần số nguồn kích thích càng cao thì độ ạy của cảm biế nh n càng cao (hình 2.5)

- C ả m biến tự ảm kép lắp theo kiểu vi sai: Vấn đề củ ộ c a đ không tuyến tính của

cảm biến tự ảm lõi đơn Thêm nữ ể c a đ tăng độ nhạy của cảm biến và tăng đoạ đặc n tính tuyến tính người ta thường dùng c m bi n tả ế ự ả c m kép mắc theo ki u vi sai ể(hình 2.6 )

Đặc tính c a c m bi n t c m kép vi sai có dạng như hình 2.6 ủ ả ế ự ả

Cảm biến này bao gồm một lõi từ di chuyển giữa hai lõi đồng nhất và được tách bi t b i kho ng cách cệ ở ả ố định 2d Công thức tính cu n c m cho hai lõi: ộ ả

35

Mặc dù mối quan hệ ữa l gi R 1 R và lR 2 Rvẫn chưa được tuyến tính hóa ảm biến C

có thể được kế ợt h p trong m t m ch cộ ạ ầu viên đầu ra được tuy n tính vế ới các dịch chuyển nhỏ ỗi do độ ễ ủa ộL tr c b truyền tới hầu hết giới hạn hoàn toàn tới các bộ

phận cơ khí Cảm biến này đáp ứng được cả hai phép đo tĩnh và đo động Một cảm

biến điển hình của loại này có khoảng cách đầu vào 1cm, độ ự ảm của lõi 25mH, t cđiện tr c a cuở ủ ộn dây là 75 Ω Độ phi tuy n tế ối đa là 0.5%

2.2.1 C 2 ảm biến tự ảm có lõi từ c di độ ng

Cảm biến gồm một cuộn dây bên trong có lõi từ di động được (hình 2.8 )

36

1) Cuộn dây 2) Lõi từ

Hình 2.8 là cấu tạo của cảm biến có lõi từ ị d ch chuy n gể ồm mạch từ ạ d ng hình ống, cuộn dây 2 quấn phía ngoài và lõi thép 3 Dưới tác động của đại lượng đo

XR V R, lõi từ ị dch chuyển làm cho độdài lfR R của lõi từ ằm trong cuộn dây thay đổi, kéo ntheo sự thay đổi hệ ố ự ả s t c m L của cuộn dây

37

2.2.2.C ả m biến hỗ ả c m

Cấu tạo của cảm biến hỗ ảm tương tự ảm biến tự ảm chỉ c c c khác ở chỗ có thêm m t cuộ ộn dây đo (hình 2.9) Trong các c m biả ến đơn khi chiều dài khe h ởkhông khí (hình 2 a) ho c ti9 ặ ết diện khe không khí thay đổi (hình 2 b) ho9 ặc tổn hao do dòng điện xoáy thay đổi (hình 2.9c) sẽ làm cho t thông c a m ch t bi n ừ ủ ạ ừ ếthiên kéo theo suất điện động e trong cuộn đo thay đổi

i

R N

i

t = 1 = 1. 0 Φ

- giá trị dòng điện tức thời trong cuộn dây kích thích NR 1 R

Sức điện động cả ứng trong cuộn dây đo m N :`

WR 2 R - s ốvòng dây của cuộn dây đo

Khi làm việc với dòng xoay chi u iề = IR m R sinωt , ta có:

t I

S N N

δ

µ

cos 2 01

−

=

và giá tr hiị ệu d ng cụ ủa suất điện động:

38

δ

ω δ

N N

Còn độ ạ nh y khi ti t di n khe hế ệ ở không khí s thay đổi ( = const): δ

- sức điện động hỗ ảm ban đầu trong cuộn đo c N2 khi XV= 0

Ta nh n th y công thậ ấ ức xác định độ nh y c a cảạ ủ m bi n h cế ỗ ảm có dạng tương tựnhư cảm bi n t c m ch khác nhau ởế ự ả ỉ giá tr c a Eị ủ 0 và L0 Độ nhạy của cảm biến hỗcảm Sδ và SS cũng tăng khi tần số nguồn cung cấp tăng

Giống như cảm biến điện c m, c m bi n h cả ả ế ỗ ảm có đặc tính phi tuy n khi δ ếthay đổi và phi tuy n khi di n tích ti t diế ệ ế ện S thay đổi Ngoài ra nh y c a c m độ ạ ủ ả

biến tăng khi tần số nguồn cấp tăng

39

Sai số ủ c a cảm bi n gây nên do ngu n cung cế ồ ấp điện áp không ổn định, điện áp thay đổi 1% gây sai s 1% T n s ngu n cung cố ầ ố ồ ấp thay đổi cũng gây sai số

Với sự thay đổi tần số 1% gây sai số 0,2%

Khi chế ạ t o c m biả ến điện cảm và cảm bi n hế ỗ cảm cần chú ý đến lực cơ tác

- Cảm biến vi sai: để tăng độ ạy và độ nh tuyến tính củ ặa đ c tính cảm biến người

ta mắc cảm biến theo sơ đồ vi sai (hình 2.10d,đ,e) Khi mắc vi sai độ nhạy của cảm biến tăng gấp đôi và phạm vi làm việc tuyến tính mở ộng đáng kể r

V ềnguyên tắc, khi lõi từ v ở ị trí trung gian, điện áp đo Vm ở đầu ra hai cuộn

th cứ ấp bằng không Khi lõi từ ịch chuyển, làm thay đổi mối quan hệ ữa cuộn sơ d gi

cấp với các cuộn thứ ấp, tức là làm thay đổi hệ ố ỗ ảm giữa cuộn sơ cấp vớ c s h c i

40

cuộn th cứ ấp Khi điện tr c a thi t bị đo đủ ớn, điện áp đo Vm gần như tuyếở ủ ế l n tính

với hiệu số các hệ ố ỗ ảm của hai cuộn thứ ấ s h c c p

2 2.2.3 Biến thế vi sai có lõi từ :

Lõi từ ồ g m b n cuố ộn dây ghép đồng tr c t o thành hai c m biụ ạ ả ến đơn đối

xứng, bên trong có lõi từ di động được (hình 2.11) Các cuộn thứ ấp đượ ố c c n i ngược v i nhau sao cho suớ ất điện động trong chúng tri t tiêu l n nhau ệ ẫ

Hình 2 11 Cả m bi n h ế ỗ ả c m vi sai

Nguyên lý làmviệc: Điện áp AC đưa vào cuộn sơ cấp, tạo ra điện áp cả ứm ng trên 2 đầu cu n th c p Khi lõi chuyển động làm cho điệộ ứ ấ n áp đầu ra th c p thay ứ ấ

đổi Cu n th c p cu n theo 2 chi u ngộ ứ ấ ố ề ược nhau, nên điện áp s ẽ thay đổ ựi c c tính khi lõi d ch chuyị ển