Cảm biến tốc độ - Kỹ thuật cảm biến

Nội dung thực hiện: Khái niệm về đo tốc độ Các phương pháp đo tốc độ Máy phát tốc độ 1 chiều Cấu tạo của máy phát tốc 1 chiều Nguyên lý hoạt động Đặc điểm của phép đo Ưu và nhược điểm của cảm biến Mạch ứng dụng và video ứng dụng Cảm biến tốc độ kiểu từ trở biến thiên Cấu tạo, nguyên lý Đặc điểm của cảm biến Ưu và nhược điểm của cảm biến Mạch ứng dụng và video ứng dụng Encoder Nguyên lý cấu tạo Phân loại: Encoder tuyệt đối; encoder tương đối (cấu tạo, nguyên lý mỗi loại; đặc điểm ứng dụng, cách thức phân biệt chiều quay) Ưu và nhược điểm của cảm biến Mạch ứng dụng và video ứng dụng Súng bắn tốc độ Cấu tạo, nguyên lý Đặc điểm của cảm biến Ưu và nhược điểm của cảm biến Mạch ứng dụng và video ứng dụng Các cách thức đo tốc độ khác Đặc điểm của cảm biến Ưu và nhược điểm của cảm biến Mạch ứng dụng và video ứng dụng

Chủ đề thuyết trình

CẢM BIẾN TỐC ĐỘ

Nhóm 11

Thành viên: 1 Trần Thị Thùy Minh

2 Nguyễn Minh Tân

3 Nguyễn Xuân Trường

4 Nguyễn Tri Tùng Lớp: DHDTTT03- K14

Sáng tạo – Chất lượng – Phát triển – Hiệu quả

1 Khái niệm về đo tốc độ

1.1 Khái niệm về tốc độ và đo tốc độ

- Vận tốc, gia tốc là những thông số chuyển động Quan hệ giữa chúng là những

phép tính vi tích phân đơn giản Nếu ta gọi giá trị tức thời của khoảng dịch chuyển

là x thì giá trị tức thời của tốc độ là:

ẋ = 𝑑𝑥

𝑑𝑡 và gia tốc là ẍ= 𝑑2𝑥

𝑑𝑡2

- Vì vậy, muốn tìm được tốc độ ta chỉ cần tích phân gia tốc hoặc tính khoảng rời

rạc bằng tích phân tốc độ theo thời gian

1 Khái niệm về đo tốc độ

1.1 Khái niệm về tốc độ và đo tốc độ

Trong công nghiệp, việc đo vận tốc thông thường được

đưa về đo tốc độ quay Vì vậy các cảm biến đo vận tốc

góc giữ vai trò quan trọng trong lĩnh vực đo tốc độ Có

thể sử dụng nhiều loại cảm biến khác nhau để xác định

vận tốc, gia tốc như cảm biến điện từ, cảm biến điện

dung, cảm biến quang, Việc sử dụng loại cảm biến nào

tùy thuộc yêu cầu của phép đo như độ chính xác, tần số

biến thiên, biên độ tín hiệu và các điều kiện liên quan

khác

1 Khái niệm về đo tốc độ

1.2 Phân loại phép đo

• Cảm biến vận tốc góc quay cung cấp cho ta tín hiệu đo là tần số

• Thông thường trên trục quay được đánh một hay nhiều dấu và một cảm biến ở

phần không chuyển động sẽ ghi nhận sự chuyển động của các dấu này

• Tần số đo được tỉ lệ với vòng quay n và số dấu k:

f=n.k

1 Khái niệm về đo tốc độ

- Sử dụng máy phát tốc độ một chiều hoặc xoay chiều, thực chất là các

máy phát điện công suất nhỏ có sức điện động tỉ lệ với tốc độ cần đo

Được sử dụng rộng rãi trong các hệ chuyển động kinh điển

- Sử dụng bộ cảm biến quang tốc độ với bộ mã hóa

- Sử dụng máy đo góc tuyệt đối

- Xác định tốc độ gián tiếp qua phép đo dòng điện và điện áp stator mà

không cần dùng bộ cảm biến tốc độ

❖ Để đo tốc độ quay của rotor ta có thể sử dụng các phương pháp sau:

1.2 Phân loại phép đo

2 Các phương pháp đo tốc độ

2.1 Phương pháp đo tiếp xúc

• Tốc độ vòng quay của vật cần đo sẽ được cảm biến chuyển đổi

thành tín hiệu điện, tín hiệu này sẽ được thiết bị phân tích và hiển

thị Phương pháp đo này vẫn được sử dụng thường xuyên

nhưng chủ yếu dùng cho những vật có vận tốc quay thấp từ 20

rpm đến 20.000 rpm

• Sự bất lợi của phương pháp đo này là tốc độ quay của tải phụ

thuộc rất nhiều vào lực tiếp xúc Ngoài ra, phương pháp đo này

không thể đo cho những vật có kích thước nhỏ

2 Các phương pháp đo tốc độ

2.3 Phương pháp đo rpm sử dụng tần số chớp

❖ Dựa vào nguyên lý của tần số chớp, các vật thể sẽ đứng yên

trong mắt người quan sát khi tần số chớp tốc độ cao đồng bộ

với sự di chuyển của vật Phương pháp đo này có những đặc

tính nổi bật hơn các phương pháp đo khác là:

- Phương pháp đo có thể đo được cho những vật rất nhỏ hoặc đo được ở những nơi ta không chạm đến được

- Dải đo: 30 rpm đến 20.000 rpm

- Ngoài ra, phương pháp đo này không chỉ đo được rpm

mà nó còn có thể đo rung và theo dõi chuyển động ví dụ như:

các màng rung, màng loa

2 Các phương pháp đo tốc độ

2.2 Phương pháp đo không tiếp xúc

• Tốc độ vòng quay sẽ được đo bằng cách đo thời gian của chùm tia

phản xạ tại vật cần đo Thiết bị sẽ phát ra 1 chùm tia hồng ngoại,

chùm tia ánh sáng này sẽ bị phản xạ lại tại vật cần đo bởi tấm phản

quang được dán trên vật cần đo Chú ý rằng khoảng cách lớn nhất

giữa tấm phản quang và thiết bị đo không vượt quá 350 mm)

• Phương pháp đo này sẽ cao cấp hơn phương pháp đo tiếp xúc Tuy

nhiên, không phải lúc nào ta cũng có thể dán được tấm phản quang

lên trên vật cần đo

• Dải đo: 20 rpm đến 100.000 rpm

3 Máy phát tốc độ một chiều

3.1 Cấu tạo

❖ Máy phát tốc độ một chiều có cấu tạo giống

như một máy phát điện một chiều công suất

bé được kích từ bằng nam châm vĩnh cửu

❖ Gồm có: stator, rotor, cổ góp và chổi điện

• Stator (phần cảm) thường là một hay

nhiều cặp nam châm vĩnh cửu, hay nam

châm điện | Rotor (phần ứng) gồm lõi

thép hình trụ làm bằng

Cấu tạo của máy phát tốc độ một chiều

3 Máy phát tốc độ một chiều

3.2 Nguyên lý hoạt động

• Người ta gắn trục của máy phát tốc vào cơ cấu quay (hoặc trục

của động cơ điện) cần xác định vận tốc Khi cơ cấu quay thì cuộn

dây phản ứng sẽ cảm ứng một sức điện động:

E = ke.n ∅

(ke: hệ số cấu tạo; nó tốc độ phần ứng; ∅: từ thông kích từ)

• Sức điện động này được lấy ra các chổi than tiếp xúc với vành

góp

• Nhìn vào biểu thức ta thấy sức điện động E tỷ lệ với tốc độ quay n

của cơ cấu, như vậy bằng cách xác định E ta sẽ suy ra tốc độ quay

n

+ Dễ dàng điều chỉnh tốc độ và khả năng tải.

+ Có thể điều chỉnh rộng và chính xác, cấu trúc mạch lực, mạch điều khiển

đơn giản và có chất lượng cao mà không cần các thiết bị biến đổi đi kèm

do đó sẽ tiết kiệm được chi phí mua thiết bị

Nhược điểm

+ Trong cấu tạo của động cơ điện một chiều có hệ thống cổ góp – chổi

than nên vận hành kém và không đảm bảo an toàn trong các môi trường

rung chấn, dễ cháy nổ

3 Máy phát tốc độ một chiều

3.1 Cấu tạo

Cấu tạo của máy phát tốc độ một chiều

• Rotor (phần ứng) gồm lõi thép hình trụ làm

bằng các lá thép kỹ thuật điện có phủ sơn

cách điện ghép lại với nhau và cuộn dây

quấn được nối với nguồn điện một chiều

• Cổ góp: gồm các phiến góp bằng đồng

được ghép cách điện, có dạng hình trụ,

gắn ở đầu trục rotor, các đầu dây của phần

tử nối với phiên góp.

3 Máy phát tốc độ một chiều

3.4 Đặc điểm và ứng dụng

• Máy phát tốc một chiều có tín hiệu đầu ra là tín hiệu điện áp một chiều, tín hiệu

này là tín hiệu tương tự và tỷ lệ với tốc độ quay Ứng dụng đo tốc độ quay của

động cơ, máy phát điện có dải đo từ vài trăm đến 3000 vòng/phút

3 Máy phát tốc độ một chiều

3.4 Đặc điểm và ứng dụng

• Hiện nay, trong thực tế người ta hay sử dụng máy

phát tốc một chiều để chỉ thị tốc độ chuyển động

của máy vận chuyển như ô tô, tàu, Máy phát tốc

một chiều có tín hiệu đầu ra không hoàn toàn tuyến

tính, vì nó phụ thuộc vào đặc tính từ hoá của vật

liệu từ Ở dải tốc độ rất thấp điện áp đầu ra của cảm

biến hầu như không có, ở dải tốc độ cao quá định

mức thì điện áp đầu ra bị bão hoà Do nhược điểm

này mà hiện nay người ta ít dùng máy phát tốc

trong công nghiệp

3 Máy phát tốc độ một chiều

3.4 Đặc điểm và ứng dụng

4 Cảm biến tốc độ kiểu từ trở biến thiên

4.1 Cấu tạo

Cấu tạo:

o Một nam châm vĩnh cửu

o Một cuộn dây quấn trên gông từ

o Một bánh răng làm bằng sắt từ gắn trên trục của cơ cấu cần đo tốc độ

Cấu tạo và nguyên lý

lệ với tốc độ quay

4 Cảm biến tốc độ kiểu từ trở biến thiên

4.2 Nguyên lý hoạt động

Nguyên lý hoạt động:

o Đo tần số của sức điện động ta có thể

xác định được tốc độ quay của cơ cấu

4 Cảm biến tốc độ kiểu từ trở biến thiên

4.2 Nguyên lý hoạt động

4 Cảm biến tốc độ kiểu từ trở biến thiên

4.3 Ưu, nhược điểm

❑ Ưu điểm:

✓ Phòng chống sự hãm cững phanh của

bánh xe ô tô trong trường hợp cần

giảm tốc độ đột ngột

✓ Hạn chế tối đa khả năng văng trượt

✓ Đo được tốc độ của các chuyển động

4 Cảm biến tốc độ kiểu từ trở biến thiên

4.4 Đặc điểm và ứng dụng

❑ Thường được ứng dụng để đo tốc độ của các chuyển động quay

có vận tốc lớn Còn các chuyển động có tốc độ nhỏ sẽ làm cho

biên độ của suất điện động quá bé không thể phát hiện được

❑ Dải đo của cảm biến phụ thuộc vào số răng của bánh răng, muốn

đo được tốc độ lớn thì số răng phải ít, còn muốn đo được tốc độ

bé thì số răng phải nhiều

Ví dụ:

− Bánh răng có 𝑝 = 60 răng cho dải đo từ 50 → 500 v/p

4 Cảm biến tốc độ kiểu từ trở biến thiên

4.4 Đặc điểm và ứng dụng

4 Cảm biến tốc độ kiểu từ trở biến thiên

4.4 Đặc điểm và ứng dụng

Hình ảnh ứng dụng:

4 Cảm biến tốc độ kiểu từ trở biến thiên

4.4 Đặc điểm và ứng dụng

Video ứng dụng:

4 Cảm biến tốc độ kiểu từ trở biến thiên

4.4 Đặc điểm và ứng dụng

5 Encoder

5.1 Cấu tạo và nguyên lý

5 Encoder

5.2 Đặc điểm của cảm biến

❑ Các điện áp ra OUT tạo ra các xung

❑ Tần số xung phụ thuộc vào tốc độ quay của đĩa

❑ Đo tần số ta có thể xác định được tốc độ quay của động

cơ

❑ Dải tốc độ đo của cảm biến phụ thuộc vào hai yếu tố:

=> Ngày nay các thiết bị điều khiển trong công nghiệp hầu hết là các thiết bị kỹ thuật

số nên để xác định tốc độ quay của động cơ điện hoặc xác định toạ độ của các cơ

5 Encoder

5.3 Encoder tuyệt đối

Đĩa quang của Encoder tuyệt đối

- Encoder tuyệt đối là các thiết bị phản hồi cung cấp tốc độ, thông tin vị trí bằng

cách xuất ra một từ hoặc bit kỹ thuật số liên quan đến chuyển động Các encoder

tuyệt đối này tạo ra các từ hoặc bit duy nhất cho mỗi vị trí

5 Encoder

Đặc điểm:

• Sử dụng đĩa theo mã nhị phân hoặc mã Gray

• Có kết cấu gồm: bộ phát ánh sáng (LED), đĩa mã hóa (có chứa dãi băng mang tín hiệu), một bộ thu ánh sáng nhạy với ánh sáng phát ra

• Đĩa ecoder tuyệt đối sử dụng nhiều vòng phân đoạn theo hình đồng tâm gồm các

phân đoạn chắn sáng và không chắn sáng

❑ Ưu điểm: giữ được giá trị tuyệt đối khi Encoder mất nguồn.

❑ Nhược điểm: giá thành cao vì chế tạo phức tạp, đọc tín hiệu khó.

5.3 Encoder tuyệt đối

5 Encoder

❖ Nguyên lý hoạt động:

• Thiết bị này hoạt động bằng cách xuất ra một từ kỹ thuật số

bit khi trục quay Trong đó có hai đĩa, cả hai đều có vòng tròn

đồng tâm với điểm đánh dấu bù Một đĩa được cố định vào

trục trung tâm, đĩa còn lại di chuyển tự do

• Khi đĩa quay, các điểm đánh dấu dọc theo rãnh

của encoder sẽ thay đổi vị trí trên đĩa cố định

• Mỗi cấu hình dọc theo đĩa của encoder quay tuyệt đối đại

diện cho một mã nhị phân duy nhất

• Dựa vào mã nhị phân đó mà chúng ta xác định vị trí tuyệt đối

của đối tượng

5.3 Encoder tuyệt đối

5 Encoder

5.4 Encoder tương đối

Encoder tương đối: là một loại thiết bị mã hóa chuyển đổi chuyển động góc hoặc vị

trí của trục thành mã tương tự hoặc kỹ thuật số để xác định vị trí hoặc chuyển động

5 Encoder

5.4 Encoder tương đối

a Bộ tốc độ kế quang một đường tín hiệu

❑ Cấu tạo: Mạch chính bao gồm

✓ Một đĩa quang

✓ Một bộ thu phát hồng ngoại

✓ Một mạch xử lý tín hiệu

❑ Đặc điểm: Bộ tốc độ kế quang một đường tín hiệu chỉ cho ta một đường xung ra nên chỉ xác

định được tốc độ mà không xác định được chiều quay.

Cấu trúc đầu ra của Encoder Cấu tạo bộ tốc kế quang một đường tín hiệu

5 Encoder

5.4 Encoder tương đối

b Tốc độ kế quang tăng dần

Tốc độ kế quang tăng dần

❑ Cấu tạo đĩa quang: Gồm 3 đường lỗ

✓ Hai đường lỗ ngoài, các lỗ giữa 2 đường khoét lệch

5 Encoder

5.4 Encoder tương đối

❑ Đặc điểm:

✓ Đĩa mã hóa bao gồm một dãy băng tạo xung, thường được chia

thành nhiều lỗ bằng nhau và được cách đều nhau

✓ Chất liệu có thể là trong suốt để giúp ánh sáng chiếu qua

✓ Là Encoder chỉ có 1,2 hoặc tối đa 3 vòng lỗ, và thường có thêm

một lỗ định vị

❑ Ưu điểm: giá thành rẻ, chế tạo đơn giản, xử lý tín hiệu trả về dễ

dàng

❑ Nhược điểm: dễ bị sai lệch về xung khi trả về Sẽ tích lũy sai số

khi hoạt động lâu dài

b Tốc độ kế quang tăng dần

5 Encoder

5.4 Encoder tương đối

❑ Nguyên lý hoạt động:

b Tốc độ kế quang tăng dần

Xác định chiều quay của Encoder tương đối

❑ Cách thức phân biệt chiều quay: Sự lệch pha điện của 2 tín hiệu A và B cho phép ta xác định chiều quay

5 Encoder

5.4 Encoder tương đối

❖ Video so sánh Ecoder tuyệt đối và tốc độ kế quang tăng dần:

5 Encoder

5.5 Ứng dụng

Ứng dụng trong các ngành công nghiệp:

✓ Ô tô: được sử dụng làm cảm biến chuyển động cơ học, kiểm soát tốc độ.

✓ Điện tử tiêu dùng và thiết bị văn phòng: bộ mã hóa Encoder được sử dụng như thiết bị

dựa trên PC, máy in và máy quét.

✓ Công nghiệp: sử dụng trong máy dán nhãn, đóng gói và chế tạo máy với bộ điều khiển động

cơ đơn và đa trục.

✓ Y tế: bộ mã hóa Encoder được sử dụng trong máy quét y tế, điều khiển chuyển động bằng

kính hiển vi hoặc nano của các thiết bị tự động và bơm phân phối.

✓ Quân đội: sử dụng trong ứng dụng ăng ten định vị.

5 Encoder

5.5 Ứng dụng

Video ứng dụng:

6 Súng bắn tốc độ

Súng bắn tốc độ là thiết bị chuyên dùng có chức năng tính toán tốc độ của xe

trên một đoạn đường nhất định, từ đó xác định phương tiện có vi phạm về tốc độ

hay không Thiết bị này còn có khả năng ghi lại hình ảnh của đối tượng đo

❑ Bộ phận truyền radio tạo nên các dao động điện với

điện thế thay đổi Tùy theo mức thay đổi của tần

số, mà súng radar có thể tính toán tốc độ của xe

đang dịch chuyển

6 Súng bắn tốc độ

6.2 Nguyên lý hoạt động

❑ Có 2 kiểu súng bắn tốc độ hay gặp :

6 Súng bắn tốc độ

6.2 Nguyên lý hoạt động

6 Súng bắn tốc độ

6.3 Ưu nhược điểm

6 Súng bắn tốc độ

6.4 Ứng dụng

❑ Nhằm giảm thiểu tai nạn giao thông do tốc độ gây ra, lực lượng cảnh sát

giao thông (CSGT) được trang bị súng bắn tốc độ nhằm hạn chế ngườitham gia giao thông chạy vượt quá tốc độ cho phép

7 Các cách thức đo tốc độ khác

7.1 Tốc độ kế điện từ đo vận tốc dài

- Khi đo vận tốc dài, với độ dịch chuyển lớn của

vật khảo sát (> 1m) thường chuyển thành đo

vận tốc góc Trường hợp đo vận tốc của dịch

chuyển thẳng nhỏ có thể dùng cảm biến vận tốc

dài gồm hai phần tử cơ bản: một nam châm và

một cuộn dây Khi đo, một phần tử được giữ cố

định, phần tử thứ hai liên kết với vật chuyển

động Chuyển động tương đối giữa cuộn dây và

nam châm làm xuất hiện trong cuộn dây một

suất điện động tỉ lệ với vận tốc cần đo Cảm biến dùng cuộn dây di độnga) Nam châm

b) Cuộn dây

7 Các cách thức đo tốc độ khác

7.1 Tốc độ kế điện từ đo vận tốc dài

Tốc độ kế loại này đo được độ dịch chuyển vài mm với độ nhạy ~ 1V/m.s Khi độ

dịch chuyển lớn hơn (tới 0,5 m) người ta dùng tốc độ kế có nam châm di động

Cảm biến gồm một nam châm di chuyển dọc trục của hai cuộn dây quấn ngược

chiều nhau và mắc nối tiếp Khi nam châm di chuyển, suất điện động xuất hiện

trong từng

cuộn dây tỉ lệ với tốc độ của nam châm nhưng ngược chiều nhau Hai cuộn dây

được mắc nối tiếp và quấn ngược chiều nên nhận được suất điện động ở đầu ra

khác không

7 Các cách thức đo tốc độ khác

7.2 Tốc độ kế sợi quang

- Nguồn sáng phát tia hồng ngoại là một diot phát quang (LED) Đĩa

quay, đặt giữa nguồn sáng và đầu thu, có các lỗ bố trí cách đều trên

một vòng tròn Đầu thu là một photodiode hoặc phototranzitor Khi đĩa

quay, đầu thu chỉ chuyển mạch khi nguồn sáng, lỗ, nguồn phát sáng

thẳng hàng Kết quả là khi đĩa quay, đầu thu quang nhận được một

thông lượng ánh sáng biến điệu và phát tín hiệu có tần số tỉ lệ với tốc

độ quay nhưng biên độ không phụ thuộc tốc độ quay

7 Các cách thức đo tốc độ khác

7.2 Tốc độ kế sợi quang

Sơ đồ nguyên lý của tốc độ kế quang

1) Nguồn sáng 2) Thấu kính hội tụ 3) Đĩa quay 4) Đầu thu quang

- Phạm vi tốc độ đo được phụ thuộc vào hai yếu tố chính:

• Số lượng lỗ trên đĩa

• Dải thông của đầu thu quang và của mạch điện tử

Để đo tốc độ nhỏ (~ 0,1 vòng/phút) phải dùng đĩa có số lượng lỗ lớn (500 - 1.000

lỗ) Trong trường hợp đo tốc độ lớn ( ~ 105 - 106 vòng/phút) phải sử dụng đĩa quay

chỉ một lỗ

7 Các cách thức đo tốc độ khác

7.2 Tốc độ kế sợi quang

Ứng dụng:

- Của tốc độ kế quang là để đo tốc độ quay của động cơ Nếu ta dùng 2 tốc

độ kế đặt vuông góc với nhau trên cùng một trục quay thì ta có thế xác định

được chiều quay

- Ví dụ: Đo Tốc Độ Động Cơ Sử Dụng Cảm Biến IR FC-03

7 Các cách thức đo tốc độ khác

7.2 Tốc độ kế sợi quang

Hình ảnh bên dưới là phần dụng cảm biến FC-03 trong xe Mạch được sử

dụng là mạch điều khiển động cơ L298 để điều khiển motor DC