đo độ dịch chuyển sử dụng biến áp vi sai biến đổi tuyến tính

LỜI CẢM ƠN Viết một khóa luận khoa học là một trong những việc khó khăn nhất mà chúng em phải hoàn thành từ trước tới nay. Trong quá trình thực hiện đề tài em đã gập rất nhiều khó khăn và bỡ ngỡ. Nếu không có sự giúp đỡ và động viên chân thành của mọi người có lẽ em khó có thể hoàn thành tốt khóa luận này. Đầu tiên em xin gửi lời biết ơn chân thành đến thầy Trần Vĩnh Thắng, người trực tiếp hướng dẫn em hoàn thành khóa luận này. Em cũng xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô phản biện, những ý kiến đóng góp của thầy cô là vô cùng hữu ích, giúp em nhận ra các khuyết điểm của luận văn. Sau cùng em xin cảm ơn tất cả các thầy cô trường Đại học khoa học tự nhiên, các thầy cô đã giúp chúng em góp nhặt những kiến thức quý báu của ngày hôm nay. Em sẽ mãi mãi ghi nhớ công ơn của các thầy cô. 1 BẢNG KÝ HIỆU VIẾT TẮT Ký hiệu Tên AC Điện thế xoay chiều DC Điện thế một chiều. LVDT Biến áp vi sai tuyến tính. L Hệ số tự cảm. R Điện trở. M Hệ số cảm ứng. E Điên thế. S s Độ nhậy cảm biến. 2 MỤC LỤC Lời cảm ơn ………………………………………………………… 1 Bảng ký hiệu viết tắt ……………………………………………… … 2 Mục lục ……………………………………………………………… … 3 Mở đầu………………………………………………………… …… 4 Chương 1: Tổng quan ………………………………………………… 5 1.1: Sơ lược về cảm biến đo lường ……………………….… 5 1.2: Các loại cảm biến do độ dịch chuyển ………………………… 6 1.2.1: Cảm biến điện trở ……………………………………………… 7 1.2.2: Cảm biến loại điện dung .……………………………………… 9 1.2.3: Cảm biến cảm ứng từ ……………………………………… 10 1.2.4: Biến áp vi sai biến đổi tuyến tính …………………………… …. 11 Chương 2: Đối tượng và phương pháp nghiên cứu ……………… … 16 2.1: Biểu diễn toán học của mạch xử lý tín hiệu…………………… 16 2.2: Bộ khuếch đại lock-in ………………………………………… 18 2.3: Hệ đo và chương trình phần mềm ghép nối máy tính ………… 19 Chương 3: Kết quả và thảo luận …………………………………… 22 3.1: Kết quả khảo sát đặc trưng LVDT …………………………… 22 3.2: Kết quả ứng dụng độ dịch chuyển…………………………… 27 Kết luận 29 Tài liệu tham khảo 30 3 MỞ ĐẦU Đo lường luôn là một trong những lĩnh vực quan trọng đối với sự phát triển của khoa học kỹ thuật trong công nghiệp và nhiều lĩnh vực của cuộc sống. Hiện nay, ngành đo lường rất phát triển, ta có thể đo bất kỳ đại lượng vật lý nào bằng cách biến nó thành tín hiệu điện hoặc bằng các thông số trong một mạch điện. Phạm vi đo cũng rất rộng, đại lượng cần đo có thể rất lớn hoặc rất bé, và không giới hạn về khoảng cách từ thiết bị đo tới đối tượng cần đo. Những ứng dụng quan trọng của đo lường hiện nay là trong lĩnh vực công nghiệp, nghiên cứu khoa học, chinh phục vũ trụ và trong ngành y tế, đó là những nơi có môi trường làm việc khắc nghiệt, nhiễu lớn, khoảng cách xa hoặc đòi hỏi phép đo phải độ chính xác, độ ổn định cao. Để nhận biết, theo dõi những đại lượng cần đo ấy người ta sử dụng một thiết bị đặc biệt quan trọng có chức năng chuyển đổi những đại lượng cần đo (thường là không điện) thành các đại lượng điện, đó chính là các cảm biến (sensors). Trước vai trò quan trọng của lĩnh vực đo lường, nội dung của khóa luận này tập trung nghiên cứu về một loại cảm biến đo độ dịch chuyển nhỏ, khảo sát, đánh giá các thông số quan trọng và định hướng ứng dụng trong đo lường các thông số dịch chuyển cơ học có độ chính xác cao. Về bố cục khóa luận được chia thành ba chương: Chương 1: Tổng quan về các loại cảm biến đo độ dịch chuyển, qua đó đánh giá sơ bộ về các loại cảm biến này. Chương 2: Trình bày chi tiết về cảm biến độ dịch chuyển dựa trên nguyên lý của biến áp vi sai biến đổi tuyến tính (LVDT- Linear Variable Differential Transformer), biểu diễn toán học và kỹ thuật thu nhận tín hiệu dựa trên bộ khuếch đại lock-in có ghép nối máy tính để xử lý và hiển thị kết quả. Chương 3: Trình bày kết quả thu được qua đó đánh giá hệ đo đồng thời triển khai vào ứng dụng cụ thể. 4 Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 Sơ lược về cảm biến đo lường [1]. Trong lĩnh vực đo lường, có vô số các đại lượng vật lý cần đo như nhiệt độ, áp suất, độ dịch chuyển…là các đại lượng thường không mang tính chất điện, trong khi các bộ điều khiển và bộ chỉ thị lại làm việc với tín hiệu điện. Vì vậy ta cần thiết bị chuyển đổi các đại lượng vật lý không mang tính chất điện thành các đại lượng điện tương ứng mang đầy đủ tính chất của đại lượng vật lý cần đo, đó chính là các cảm biến. Cảm biến là thiết bị chịu tác động của các đại lượng vật lý cần đo m không mang tính chất điện và cho ra một tín hiệu đặc trưng mang bản chất điện như điện tích, điện áp, trở kháng có thể ký hiệu là S, hình 1.1. Hình 1.1 Vai trò của cảm biến. Đặc trưng S là hàm của đại lượng cần đo m và S=f(m) Để tiện sử dụng, người ta chế tạo cảm biến sao cho có sự liên hệ tuyến tính giữa biến thiên đầu ra ∆S và biến thiên đầu vào ∆m: ∆S=S s .∆m Với S s là độ nhạy cảm biến. Trong quá trình chế tạo và hoạt động nếu độ nhạy S càng ít biến đổi thì cảm biến hoạt động càng chính xác và ổn định. Ví dụ, với cảm biến nhiệt độ dùng cặp nhiệt điện, độ nhạy có đơn vị là µV/ o . Đối với các cảm biến khác nhau cùng dựa trên cùng một nguyên lý vật lý, trị số của độ nhạy S s có thể phụ thuộc vào vật liệu, kích thước hoặc kiểu lắp giáp… Để đánh giá về cảm biến, ngoài độ nhạy còn có tham số khác điển hình là độ tuyến tính, độ ổn định và thời gian đáp ứng. Một cảm biến được gọi là tuyến tính trong một dải đo xác định nếu trong dải đo đó độ nhạy 5 không phụ thuộc vào giá trị của đại lượng đo. Nếu cảm biến không phải tuyến tính thì người ta có thể đưa vào mạch đo các thiết bị hiệu chỉnh gọi là tuyến tính hóa, nhằm giúp cho các tín hiệu điện tỷ lệ với sự thay đổi của đại lượng đo. Độ ổn định, độ lặp lại của phép đo là những tham số đánh giá độ chính xác của phép đo. Thời gian đáp ứng là đặc trưng của cảm biến cho phép ta đánh giá xem tín hiệu ở đầu ra có theo kịp về thời gian với biến đổi của đại lượng đo hay không. Cảm biến càng nhanh thì thời gian hồi đáp của nó càng nhỏ. Thời gian hồi đáp đặc trưng cho tốc độ tiến triển của chế độ quá độ và là hàm của các thông số xác định chế độ này. 1.2 Các loại cảm biến đo độ dịch chuyển Cảm biến vị trí và dịch chuyển là loại cảm biến có vai trò quan trọng đối với sự hoạt động của nhiều loại máy móc, công cụ trong công nghiệp và kỹ thuật, nhất là cơ khí chính xác. Hơn nữa, ta có thể đo được một số đại lượng vật lý thông qua việc xác định sự dịch chuyển của mật vật chịu tác động của đại lượng vật lý đó. Có hai phương pháp cơ bản để xác định vị trí và độ dịch chuyển: Phương pháp thứ nhất: cảm biến cung cấp một tín hiệu là hàm phụ thuộc vào vị trí của một trong những phần tử của cảm biến, đồng thời cảm biến đó có liên quan tới vật di động mà ta cần đo sự dịch chuyển. Sự thay đổi của tín hiệu sẽ cho biết độ dịch chuyển của vật cần đo. Một số cảm biến đặc trưng của phương pháp này là: điện thế kế, cuộn cảm có lõi động… Phương pháp thứ hai: ứng với một dịch chuyển cơ bản (một đơn vị dịch chuyển) cảm biến sẽ phát hiện ra một xung, khi đó thông qua việc đếm số xung phát ra ta có thể xác định vị trí và độ dịch chuyển tương ứng. Một số cảm biến không đòi hỏi liên kết cơ học giữa cảm biến và vật cần đo khoảng cách và độ dịch chuyển, mối quan hệ giữa cảm biến và vật cần đo được thực hiện thông qua vai trò trung gian của điện trường, điện từ trường hoặc điện trường tĩnh điện. Độ lớn của đại lượng trung gian là hàm của 6 khoảng cách giữa vật thể và cảm biến, được xác định thông qua phản hồi điện của cảm biến. Dưới đây là tổng quan một số loại cảm biến đo vị trí và độ dịch chuyển thông dụng: 1.2.1 Cảm biến điện trở. [2] Là loại cảm biến có cấu tạo và nguyên lý đơn giản, chi phí vừa phải, tín hiệu đo lớn và không đòi hỏi mạch điện đặc biệt để xử lý tín hiệu. Tuy nhiên, cảm biến này có nhược điểm là có sự cọ sát gây tiếng ồn, bị mài mòn, số lần sử dung hạn chế và chịu ảnh hưởng của môi trường (bụi, ẩm). Cấu tạo của cảm biến điện trở gồm một điện trở cố định Rn, trên đó có một tiếp xúc điện có thể di chuyển gọi là con chạy, con chạy này được ghép với vật chuyển động cần nghiên cứu nhưng hoàn toàn cách điện với nhau. Giá trị của điện trở R giữa con chạy và một đầu của điện trở Rn là hàm phụ thuộc vào vị trí của con chạy cũng chính là vị trí của vật chuyển động. Mặt khác nó cũng phụ thuộc vào bản thân điện trở Rn. Nếu điện trở Rn được chế tạo đồng bộ thì điện thế sẽ tuyến tính và R tỉ lệ với vị trí của con chạy. Căn cứ vào sự phụ thuộc và hình dạng của Rn và dạng chuyển động của con chạy người ta phân biệt hai loại điện thế kế: Điện thế kế dịch chuyển thẳng: n R L l lR =)( và điện thế kế dịch chuyển tròn: n M RlR α α =)( Đối với dịch chuyển tròn , dịch chuyển xoắn . 7 Hình 1.2 Cấu tạo cảm biến dịch chuyển tròn và dịch chuyển xoắn. Hình 1.3 Cấu tạo cảm biến dịch chuyển thẳng Hiện nay cảm biến điện trở loại dịch chuyển thẳng được ứng dụng rất rộng rãi. Cấu tạo của nó gồm một dây quấn được làm bằng hợp kim có khả năng chịu mài mòn tốt như Ni-Cr, Ni-Cu, Ni-Cu-Fe, Ag-Pd …có đường kính từ 0,02 đến 0,1mm, được quấn trên một lõi làm bằng vật liệu cách điện như gốm, thủy tinh… những dây dẫn thường có điện trở rất lớn từ vài chục ohm tới vài nghìn ohm và được bọc một lớp cách điện để có thể quấn sát nhau. Con trượt phải đảm bảo tiếp xúc điện tốt, nghĩa là không gây ra suất điện động tiếp xúc, điện trở tiếp xúc phải nhỏ và ổn định, ngoài ra phải đảm bảo các tiêu chuẩn trên trong điều kiện có dao động và tốc độ dịch chuyển lớn. Con trượt của cảm biến được gắn với đối tượng cần đo dịch chuyển, khi đối tượng di chuyển sẽ làm cho con trượt di chuyển theo và làm điện trở Rx thay đổi một lượng: x L R R x = Với L là chiều dài của cảm biến, x là độ dịch chuyển của con chạy. Cảm biến điện trở chỉ cho phép phát hiện sự thay đổi của di chuyển trong khoảng cách giữa 2 vòng dây. Nếu gọi khoảng cách giữa 2 vòng dây là l 0 , số vòng dây của cảm biến là , khi ấy cảm biến điện trở sẽ phát hiện được sự biến thiên di chuyển là: ω L l = 0 8 Khi đó sai số của cảm biến sẽ là: 2 0 l ±= ε 1.2.2 Cảm biến loại điện dung. Cấu tạo của cảm biến loại tụ điện gồm một tụ điện phẳng hoặc tụ điện hình trụ có một bản cực có thể di chuyển và được nối cố định với đối tượng dịch chuyển cần đo khi bản cực của tụ điện dịch chuyển sẽ kéo theo sự thay đổi của điện dung của tụ. Điện dung của tụ điện phẳng được biểu diễn bằng công thức: Trong đó: A-diện tích nằn giữa 2 bản cực. D-khoảng cách giữa 2 bản cực. -hằng số điện môi của môi trường. - hằng số điện môi của chân không. Trường hợp tụ tròn ta có: Với l là chiều sâu mà trụ trong so với trụ ngoài, và là bán kính của trụ trong và trụ ngoài. Sự khác biệt giữu tụ phẳng và tụ tròn là trong khi tụ điện phẳng có thể thay đổi A và cố định D hoặc cố định A và thay đổi D (theo chiều vuông góc với bản cực), thì tụ điện hình trụ chỉ có thể thay đổi R. Điểm mạnh của cảm biến tụ điện là dễ chế tạo, độ bền và độ chính xác cao, thường dùng điện môi là không khí. Mỗi cảm biến tụ điện đều được đặc trưng bởi độ nhạy tính theo điện dung hoặc theo trở kháng, trong đó: Độ nhạy điện dung: Sc = ∆C/∆x Độ nhạy trở kháng : Sz = ∆Z/∆x Độ nhạy tương đối: Sr = ∆C/(C.∆x) = - ∆Z/(Z. ∆x) 9 Trên thị trường hiện nay có một số cảm biến thụ điện rất thông dụng như: tụ đơn và tụ kép vi sai. 1.2.3 Cảm biến cảm ứng từ . Trong các cảm biến cảm ứng, vật cần đo được gắn vào một phần tử của mạch từ, gây lên sự biến thiên từ thông trong cuộn dây. Nếu phần tử động là một lõi sắt và sẽ chuyển động dạng tịch tiến hoặc quay thì sự dịch chuyển này có thể nhận biết rễ dàng thông qua sự thay đổi hệ sỗ tự cảm của cuộn dây hoặc thông qua sự thay đổi của mối liên hệ giữa cuộn sơ cấp và thứ cấp của một biến thế. Nếu phần tử động là một cuộn dây quay quanh một cuộn khác cố định thì ta có thể nhận biết chuyển động quay thông qua điện áp của cuộn cảm ứng, điện áp này thay đổi theo góc quay. Thông thường sự thay đổi của hệ số tự cảm L và hệ số cảm ứng (hỗ cảm) M phụ thuộc vào sự dịch chuyển của lõi sắt từ. Sự phụ thuộc này không phải là tuyến tính. Để khắc phục người ta kết hợp hai cuộn dây đối nhau để khi dịch chuyển thì hệ số M và L biến thiên theo chiều ngược nhau, khi đó sự không tuyến tính của hai cuộn dây sẽ triệt tiêu nhau. Các cảm biến được mắc trong mạch với điện áp nguồn kích thích là tín hiệu xoay chiều . Điện áp đo Vm gây lên bởi sự dịch chuyển x(t) được biểu diễn bằng phương trình : Có thể nhận thấy, độ dịch chuyển x(t) phụ thuộc vào sự thay đổi của biên độ. Các cảm biến cảm ứng nhạy với từ trường vì vậy phải đặt chúng trong vỏ bọc có khả năng chắn từ trường. Trong các cảm biến cảm ứng thì hệ số tự cảm L của cuộn dây có N vòng là hàm của từ trở của mạch và được biểu diễn theo biêu thức: 10 [...]... đổi tuyến tính [4] LVDT là tên vi t tắt của biến áp vi sai biến đổi tuyến tính (Linear Variable Differential Transformer), đây là một loại cảm biến vị trí loại cảm ứng từ, nó chuyển đổi sự chuyển động thẳng tuyến tính của một đối tượng mà được gắn với bộ phận dịch chuyển của nó thành tín hiệu điện tương ứng với độ dịch của đối tượng Cảm biến vị trí tuyến tính LVDT có thể đo được những chuyển động nhỏ... ứng dụng phổ biến trong nhiều lĩnh vực công nghiệp, khoa học kỹ thuật 15 Chương 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Trong khóa luận này chúng tôi đo độ dịch chuyển nhỏ sử dụng cảm biến dịch chuyển theo nguyên tắc biến áp vi sai biến đổi tuyến tính GCA121-050 của Lucas Schaevitz Sensors, nay thuộc Measurement Specialties [5] Đây là một loại cảm biến LVDT có độ chính xác và độ nhạy cao Vùng tuyến tính. .. điện áp ra X hoàn toàn tỷ lệ tuyến tính với độ dịch chuyển Sự đổi dấu của cosφ cho biết vị trí dịch chuyển so với gốc 0 của cảm biến LVDT Thực tế, chúng ta sẽ đo điện áp ra R để hoàn toàn loại bỏ ảnh hưởng của sự lệch pha, hình 3.3 đến hình 3.6 là các kết quả đo R (mV) theo các điện áp kích thích Up khác nhau Qua đó ta thu được hệ số chuyển đổi từ điện áp sang độ dịch chuyển 24 Hình 3.3 Điện áp kích... cao khi tín hiệu không thuần sine Do đó, biên độ đo được R này chỉ tính được với thành phần bậc nhất và tỷ lệ tuyến tính với với Eout, độ nhạy của phép đo giờ được tính theo R và có thể gọi là hệ số chuyển đổi vẫn hoàn toàn phản ánh đúng giá trị dịch chuyển của LVDT 2.3 Hệ đo và chương trình phần mềm ghép nối với máy tính [3] Để đo độ dịch chuyển, sơ đồ hệ đo được thực hiện như trên hình 2.4, cuộn sơ... chính là điểm mấu chốt cho phép tăng độ chính xác khi sử dụng khuếch đại lock-in Hệ số chuyển đổi cũng chính là hệ số nhân có thể được dùng trong chương trình để hiển thị trực tiếp độ dịch chuyển với sự thay đổi của điện áp kích thích Tuy nhiên, với những ứng dụng cụ thể, ta có thể chọn điện áp kích cố định 3.2 Kết quả ứng dụng đo độ dịch chuyển Hình 3.8 là kết quả đo độ dày của một lưỡi dao lam tại một... nhôm khoảng 23µm/m/oC Với độ phân giải 0.1µm của hệ đo này, ta hoàn toàn có thể đo được độ giãn nở nhiệt ở độ nhạy cao và qua đó có thể ứng dụng đo nhiệt độ môi trường với độ chính xác đến 0.05 oC hơn hẳn những phương pháp khác như dùng cặp nhiệt điện hay cảm biến nhiệt bán dẫn 29 KẾT LUẬN Khóa luận đã trình bày về cảm biến LVDT qua đó xây dựng hệ đo độ dịch chuyển dùng cảm biến này và bộ khuếch đại... biệt là độ ổn định của cảm biến Thông thường giá trị hiệu dụng E RMS = E o / 2 được đo và ta cần xác định độ dịch chuyển theo ERMS Bài toán đặt ra bây giờ là phải đo được điện áp hiệu dụng có giá trị rất nhỏ cỡ µV RMS để đảm bảo độ chính xác và độ ổn định của phép đo sử dụng LVDT 2.2 Bộ khuếch đại Lock-in [6] Bộ khuếch đại lock-in hay còn gọi là bộ khuếch đại nhạy pha, là thiết bị có khả năng đo những... đặc trưng về biên độ và sự lệch pha của tín hiệu lối ra so với nguồn điện kích thích có dạng UP(t) = Eocosωt Ở đây E P = E ref = E RMS = E o / 2 là giá trị hiệu dụng của tín hiệu Kết quả thu được như trên hình 3.1 Hình 3.1: Kết quả đo điện áp ra X(mV) độ dịch chuyển x(mm) Để khảo sát thêm về độ tuyến tính, độ lệch pha của tín hiệu thu được so với tín hiệu ban đầu được đo theo độ dịch chuyển x, kết quả... hạn chế về độ tuyến tính của đầu ra 14 Cùng với các đặc điểm khác như phần tử chuyển động ít ma sát, độ phân giải gần như vô hạn cùng với độ ổn định và khả năng lặp lại tốt, độ bền cơ học cao do không có sự tiếp xúc thông thường giữa lõi và cuộn dây, có sử dụng lò so cân bằng và chống sốc, hoạt động trong vỏ khép kín cách ly với môi trường khiến LVDT trở thành loại cảm biến vị trí dịch chuyển hoàn... thay đổi và chỉ đổi dấu ở vị trí tâm LVDT, do vậy, bằng cách đo X hoặc Y ta cũng có thể tính được Eout Tuy nhiên, ta có thể tính được R (không phụ thuộc vào ϕ) theo biểu thức: R = X 2 +Y 2 = 17 1 Eout E0 2 Và độ lệch pha ϕ: ϕ = arc tan( Với Y ) X 1 E0 là hằng số, giá trị đọc được R sẽ tỷ lệ tuyến tính với Eout Độ dịch 2 chuyển x sẽ là: x = k (k0 E0 ) Eout Với k là hệ số chuyển đổi phụ thuộc vào biên độ . PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Trong khóa luận này chúng tôi đo độ dịch chuyển nhỏ sử dụng cảm biến dịch chuyển theo nguyên tắc biến áp vi sai biến đổi tuyến tính GCA- 121-050 của Lucas Schaevitz Sensors,. lõi từ. 1.2.4 Biến áp vi sai biến đổi tuyến tính. [4] LVDT là tên vi t tắt của biến áp vi sai biến đổi tuyến tính (Linear Variable Differential Transformer), đây là một loại cảm biến vị trí. cảm biến đo độ dịch chuyển, qua đó đánh giá sơ bộ về các loại cảm biến này. Chương 2: Trình bày chi tiết về cảm biến độ dịch chuyển dựa trên nguyên lý của biến áp vi sai biến đổi tuyến tính