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
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - Nguyễn Thị Kim Cúc TÊN ĐỀ TÀI LUẬN VĂN NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO CHUYỂN ĐỔI ĐO DỊCH CHUYỂN CÓ ĐỘ NHẠY CAO DẠNG ĐIỆN CẢM LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC ngành Công Nghệ Cơ Khí Hà Nội – Năm 2011 Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17057205280091000000 MỤC LỤC MỤC LỤC T 43 T 43 LỜI CAM ĐOAN T 43 T 43 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT T 43 T 43 DANH MỤC CÁC BẢNG T 43 T 43 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ T 43 T 43 MỞ ĐẦU T 43 T 43 1.1 Khái niệm ứng dụng chuyển đổi đo dịch chuyển nhỏ 11 T 43 T 43 1.2 Các loại chuyển đổi đo dịch chuyển nhỏ 15 1.2.1 Cảm biến chuyển vị điện trở 15 T 43 T 43 T 43 T 43 1.2.2 Cảm biến điện cảm 16 T 43 T 43 1.2.3.Cảm biến điện dung 16 T 43 T 43 1.2.3.1 Cảm biến tụ điện đơn 16 T 43 T 43 1.2.3.2.Cảm biến tụ điện kép vi sai 18 T 43 T 43 1.2.4.Cảm biến quang 18 T 43 T 43 1.2.4.1 Cảm biến quang phản xạ 19 T 43 T 43 1.2.4.2 Cảm biến quang truyền qua 19 T 43 T 43 1.2.5.Cảm biến đo chuyển vị sóng đàn hồi 21 T 43 T 43 1.2.5.1.Nguyên lý đo dịch chuyển sóng đàn hồi 21 T 43 T 43 1.2.5.2.Cảm biến sử dụng phần tử áp điện 22 T 43 T 43 1.2.6.Cảm biến âm từ 23 T 43 T 43 Chương - CƠ SỞ TÍNH TỐN THIẾT KẾ CẢM BIẾN ĐIỆN CẢM 25 T 43 T 43 2.1.Giới thiệu chung cảm biến điện cảm 25 2.1.1.Định nghĩa 25 T 43 T 43 T 43 T 43 2.1.2.Cấu tạo cuộn cảm 27 T 43 T 43 2.1.2.1.Định nghĩa 27 T 43 T 43 2.1.2.2.Các đại lượng đặc trưng cuộn cảm 28 T 43 T 43 2.1.2.3 Tính chất nạp, xả cuộn cảm 30 T 43 T 43 2.1.3 Vật liệu làm lõi 31 T 43 T 43 2.2 Các dạng cảm biến điện cảm 32 2.2.1.Cảm biến tự cảm 32 T 43 T 43 T 43 T 43 2.2.1.1 Cảm biến tự cảm có khe từ biến thiên 32 T 43 T 43 2.2.1.2 Cảm biến tự cảm có lõi từ di động 35 T 43 T 43 2.2.2.Cảm biến hỗ cảm 37 T 43 T 43 2.2.2.1 Cảm biến đơn có khe hở khơng khí 37 T 43 T 43 2.2.2.2 Cảm biến vi sai 39 T 43 T 43 2.2.2.3 Biến vi sai có lõi từ: 40 T 43 T 43 Chương - NGUYÊN CỨU CHẾ TẠO CẢM BIẾN 42 T 43 T 43 DỊCH CHUYỂN ĐIỆN CẢM 42 T 43 T 43 3.1 Sơ đồ khối chuyển đổi đo dịch chuyển điện cảm 42 T 43 T 43 3.2 Nguyên lý thiết kế, chế tạo 42 3.2.1 Thiết kế lõi từ cuộn dây 42 T 43 T 43 T 43 T 43 3.2.2 Bố trí cuộn cảm 45 T 43 T 43 3.3.Thiết kế cảm biến dạng lõi hình chữ E 47 T 43 T 43 3.3 Thiết kế cảm biến dạng lõi hình trụ 49 Chương 4- MẠCH ĐIỆN XỬ LÝ TÍN HIỆU 52 T 43 T 43 T 43 T 43 4.1 Lý thuyết xử lý tín hiệu 52 T 43 T 43 4.1 Phương án sử lý tín hiệu 53 T 43 T 43 4.2 Phương án sử lý số tín hiệu 58 4.2.1 Khuếch đại đo lường vi sai 59 T 43 T 43 T 43 T 43 4.2.2 ` Mạch lọc thông thấp tích cực 61 T 43 T 43 4.2.3 Số hóa tín hiệu 62 Chương – CHẾ TẠO THỰC NGHIỆM VÀ BÀN LUẬN 66 T 43 T 43 T 43 T 43 5.1 Xác định độ nhạy cảm biến 66 5.1.1 Xây dựng đường đặc tuyến cảm biến 66 T 43 T 43 T 43 T 43 5.1.2 Độ nhạy sai số cảm biến 67 T 43 T 43 5.2 Một số hình ảnh thiết bị chế tạo 71 5.3.1 Ứng dụng chuyển đổi điện cảm máy đo độ nhám bề mặt kiểu điện cảm T 43 T 43 T 43 phương pháp tiếp xúc 75 T 43 5.3.2 Ứng dụng chuyển đổi điện cảm cảm biến đo áp suất 77 T 43 T 43 5.3.3 Ứng dụng chuyển đổi điện cảm cảm biến đo lực thiết bị rạch đo độ bám T 43 dính bề mặt màng 79 T 43 5.3.4 Ứng dụng cảm biến điện cảm đầu đo máy đo độ tròn 82 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 83 T 43 T 43 T 43 T 43 TÀI LIỆU THAM KHẢO 85 T 43 T 43 TÓM TẮT LUẬN VĂN 87 T 43 T 43 PHỤ LỤC 88 T 43 T 43 LỜI CAM ĐOAN Tên Nguyễn Thị Kim Cúc học viên cao học ngành Công Nghệ Cơ Khí Khóa 2008-2010 Giáo viên hướng dẫn khoa học TS Nguyễn Văn Vinh Tôi xin cam đoan tất số liệu, kết luận văn có thật tác giả nghiên cứu thực nghiệm DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT VĐK: Vi điều khiển ADC A/D: chuyển đổi tương tự số (Analog Digital Convert) AC: Dòng điện xoay chiều DC: Dòng điện chiều DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 1.1 Bảng cơng thức thực nghiệm tính tốn cảm biến điện cảm 26 Bảng 1.2 Bảng đặc trưng nhạy cảm vật liệu làm lõi 30 Bảng 1.3 Bảng giá trị độ từ thẩm số vật liệu thông dụng 30 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Trang Chương Hình 1.1 Một số ứng dụng tiêu biểu chuyển đổi đo dịch chuyển Hình 1.2 Sơ đồ ngun lý hệ thống sử lý tín hiệu Hình 1.3 Sơ đồ khối chuyển đổi đo dịch chuyển Hình 1.4 Cảm biến điện dung 11 Hình 1.5 Cảm biến tụ điện đơn 11 Hình 1.6 Cảm biến tụ kép vi sai 12 Hình 1.7 Cảm biến quang phản xạ 13 Hình 1.8 a) Sơ đồ cấu tạo cảm biến quang soi thấu b) Tín hiệu 14 Hình 1.9 Sơ đồ khối thiết bị đo dịch chuyển sóng đàn hồi 16 Hình 1.10 Các dạng sóng đàn hồi 17 Hình 1.11 Sơ đồ nguyên lý cảm biến âm từ 18 Hình 2.1 a, Sơ đồ ; b, Đặc tính cảm biến có khe hở thay đổi 20 Hình2.2 a, Cảm biến phần ứng dịch chuyển ngang ; b, Đặc tính 22 Hình 2.3 Cấu tạo cuộn cảm 23 Hình 2.4 Cảm biến tự cảm 28 Hình 2.5 Sự phụ thuộc L, Z với chiều dày khe hở khơng khí d 30 Hình 2.6 Cảm biến tự cảm kép mắc theo kiểu vi sai 30 Hình 2.7 Đặc tính cảm biến tự cảm kép vi sai 31 Hình 2.8 Sơ đồ nguyên lý cảm biến tự cảm có lõi từ 32 Hình 2.9 Cảm biến hỗ cảm 33 Hình 2.10 Cảm biến vi sai 36 Hình 2.11 Cảm biến hỗ cảm vi sai 36 Hình 2.12 Sơ đồ cảm biến biến áp vi sai 37 Hình 2.13 Sơ đồ đặc tuyến cảm biến 37 Hình 2.14 Sơ đồ mạch điện 37 Hình3.1 Sơ đồ chuyển đổi dịch chuyển kiểu điện cảm 40 Hình 3.2 Hình dạng lõi từ chữ E 42 Hình 3.3 Hình dạng lõi từ hình trụ 43 Hình 3.4 Sơ đồ bố trí cuộn cảm 43 Chương Chương Hình 3.5 Cảm biến vi sai có lõi từ chuyển động 44 Hình 3.6 Đường đặc tuyến cảm biến 45 Hình 3.7 Sơ đồ cuộn cảm mắc kiểu vi sai 47 Hình 4.1 Sơ đồ khối sử lý tín hiệu 51 Hình 4.2 Sơ đồ khối mạch điện sử lý tín hiệu theo phương án 52 Hình 4.3 Sơ đồ mạch nguồn tạo dao động Sin 53 Hình 4.4 Mạch cầu chuyển đổi điện cảm 54 Hình 4.5 Sơ đồ mạch khuếch đại lọc nhiễu 55 Hình 4.6 Sơ đồ mạch ADC 12 bit vi xử lý 56 Hình 4.7 Sơ đồ thiết kế khối giao tiếp với máy tính 57 Hình 4.8 Sơ đồ khối số hóa tín hiệu 58 Hình 4.9 Sơ đồ mạch khuếch đại 59 Hình 4.10 Sơ đồ tầng lọc thơng thấp 60 Hình 4.11 Sơ đồ tầng lọc thơng thấp 61 Hình 4.12 Sơ đồ chân DsPic 30F4011 61 Hình 4.13 Lưu đồ thuật tốn thu nhận tín hiệu 62 Hình 4.14 Sơ đồ khối ADC 10- bit 64 Hình 4.15 Sơ đồ khối mạch kết nối với máy tính qua RS232 65 Hình.5.1 Biểu đồ quan hệ giữ dịch chuyển lõi từ điện áp 68 Hình.5.2 Biểu đồ quan hệ giữ dịch chuyển lõi từ điện áp 69 Hình.5.3 Biểu đồ quan hệ giữ dịch chuyển lõi từ điện áp 69 Hình.5.4 Biểu đồ quan hệ giữ dịch chuyển lõi từ điện áp 70 Chương Chương Hình.5.5 Cảm biến lõi chữ E lõi trụ chế tạo 71 Hình.5.6 Mạch điện chế tạo theo phương án 72 Hình.5.7 Tín hiệu sin chuẩn tín hiệu sin mạch đo 72 Hình.5.8 Thiết bị thí nghiệm vẽ đặc tuyến cảm biến lõi trụ 73 Hình.5.9 Cảm biến điện cảm máy đo độ nhám bề mặt 74 Hình.5.10 Sơ đồ khối máy đo nhám 74 Hình.5.11 Đường đặc tuyến cảm biến điện cảm 75 Hình.5.12 Ảnh cảm biến đo áp suất dầu 76 Hình.5.13 Đặc tuyến cảm biến đo áp suất 77 Hình.5.14 Đặc tuyến cảm biến đo áp suất 78 Hình.5.15 Các cảm biến điện cảm thiết bị rạch 79 Hình.5.16 Sơ đồ khối cảm biến đo lực sử dụng chuyển đổi điện cảm 80 Hình.5.17 Đường đặc tuyến cảm biến áp lực 81 Hình.5.18 Chuyển đổi đo điện cảm chế tạo 81 MỞ ĐẦU Hiện loại chuyển đổi thiết bị đo ứng dụng nhiều hệ thống tự động hóa sản xuất công nghiệp Chuyển đổi đo phận cấu trúc đo quan trọng nhất, có tính chất định phương pháp khả đo lường thiết bị đo Trong chuyển đổi điện cảm sử dụng nhiều thiết bị đo cần chuyển đổi đo dịch chuyển nhỏ máy đo độ nhám, máy đo độ tròn, đo áp xuất… Chuyển đổi đo điện cảm có loại chuyển đổi có cấu trúc đơn giản, dễ chế tạo, độ nhạy cao, phần xử lý tín hiệu khơng địi hỏi mạch điện đặc biệt, dễ dàng ghép nối thiết bị đo Nhưng hiểu biết chúng hạn chế thêm toàn cụm chuyển đổi thường kèm modul khơng bán sẵn việc sửa chữa thay khó khăn tốn Tuy nhiên tài liệu cơng thức có liên quan đến chuyển đổi đo điện cảm hạn chế khó khăn cho việc tính tốn thiết kế Và chưa có cơng trình nghiên cứu chế tạo loại chuyển đổi kể áp dụng cho hệ thống đo dịch chuyển Luận áp nhằm làm rõ loại chuyển đổi đo dạng điện cảm, nghiên cứu dạng chuyển đổi đo điện cảm phù hợp với yêu cầu thiết bị đo Nâng cao kỹ thuật xử lý tín hiệu từ cảm biến điện cảm nhằm nâng cao độ ổn định, độ xác hệ chuyển đổi đo Nghiên cứu thực nghiệm đưa phương án thiết kế thực nghiệm xây dựng đường đặc tuyến thực nghiệm chuyển đổi điện cảm nhằm tích hợp với cấu máy đo phù hợp Tạo điều kiện sử dụng khai thác chế tạo thiết bị có độ nhạy độ xác cao Làm chủ cơng nghệ chế tạo máy đo đắt tiền Nhằm chế tạo chạy thử chuyển đổi đo điện cảm thiết bị đo độ nhám, thiết bị đo áp suất, thiết bị đo lực… bước đầu có kết ứng dụng, đánh giá khả chế tạo thiết bị đo chuyên dụng phục vụ mục đích nghiên cứu sản xuất Do kiến thức thời gian hạn chế nên luận văn không tránh khỏi thiếu sót mặt tính tốn khơng đầy đủ nội dung Em mong góp ý thầy cô giáo để luận văn hồn thiện, giúp ích hiệu cho cơng việc thiết kế, chế tạo Em xin chân thành cảm ơn giúp đỡ hướng dẫn tận tình thầy giáo TS Nguyễn Văn Vinh với thầy cô giáo môn bạn sinh viên tạo điều kiện tốt cho em hoàn thành luận văn 10