85 V. CẢM BIẾN VỊ TRÍ VÀ DỊCH CHUYỂN : V.1 Cảm Biến Biến Trở : a. Cấu tạo của cảm biến biến trở : Cảm biến biến trở có cấu tạo đơn giản và giá thành rẻ. Cảm biến bao gồm dây quấn thường được làm bằng hợp kim có khả năng chòu mài mòn tốt như: Ni-Cr, Ni-Cu, Ni-Cu-Fe, Ag-Pd …, có đường kính từ 0,02 đến 0,1 mm, được quấn được quấn trên một lõi làm bằng vật liệu cách điện như : gốm, sứ, bakelit …. Dây quấn thường có điện trở từ vài chục ohm tới vài nghìn ohm, được tráng một lớp cách điện để có thể quấn sát nhau. Trên lõi và dây quấn có một con trượt được làm bằng hợp kim có lực đàn hồi và tiếp xúc tốt. Hình 5.1 Cảm biến dòch chuyển biến trở và quan hệ giữa biến trở và di chuyển của con trượt b. Hoạt động và phương trình chuyển đổi của cảm biến biên trở : Con trượt được liên kết cơ khí với đối tượng cần đo đòch chuyển. Khi đối tượng di chuyển sẽ làm cho con trượt di chuyển làm cho điện trở Rx thay đổi. )1.5(x L R R x = Trong (5.1) L là chiều dài của cảm biến, x là dòch chuyển của con chạy. Cảm biến biến trở chỉ cho phép phát hiện biến thiên của di chuyển bằng khoảng cách giữa 2 vòng dây. Nếu gọi khoảng cách giữa 2 vòng dây là l o , số vòng dây của cảm biến là W thì cảm biến biến trở chỉ phát hiện được biến thiên di chuyển là: )2.5( W L l o = Như vậy sai số của cảm biến là: )3.5( 22 R RL W L l o ∆ ±=±=±= ε Trong hệ thức (5.3) thì ∆R là điện trở của một vòng dây. c. Mạch đo dùng cảm biến biến trở : Để chuyển sự thay đổi điện trở của cảm biến theo dòch chuyển thành sự thay đổi điện áp, ta kết nối cảm biến với mạch đo như hình 5.2. Rx x 0 Rx Lõi cách điện Con trượt R 86 Hình 5.2: Mạch đo dùng cảm biến biến trở. )4.5(11 1 2 1 2 xV L R R R V R R R R V cccc x o += += Từ hệ thức (5.4) ta thấy điện áp ra của mạch đo tuyến tính theo dòch chuyển. V.2 Cảm Biến Từ : Cảm biến từ dùng để đo dòch chuyển hoặc khoảng cách nhỏ. a. Cấu tạo và hoạt động của cảm biến điện từ : Cảm biến điện từ có cấu tạo là một khung dây hởn như hình 5.3 Mục tiêu là một phần của đối tượng cần đo dòch chuyển hay khoảng cách nhỏ, khi mục tiêu di chuyển là cho khe hở không khí δ thay đổi là cho từ trở của mạch từ thay đổi làm cho điện cảm của cuộn dây thay đổi. Nếu bỏ qua điện trở của dây dẫn và bỏ qua từ trở của lõi sắt từ thì điện cảm của cuộn dây: )5.5( 1 0 0 2 f f l l sWL µ µ + = Trong (5.5): l 0 và l f là chiều dài trung bình của đường sức từ trong lõi sắt từ và trong không khí, l 0 = 2δ = ∆x, µ 0 là độ từ thẩm của không khí 7 0 104 − = πµ , µ f là độ từ thẩm của lõi sắt từ 43 1010 ÷= f µ , s là tiết diện của khe hở không khí, W là số vòng dây, - Mạch đo: Mạch đo là một cầu xoay chiều như hình 5.4 Vcc Vo 13 2 + - U2 3 2 6 7 1 4 8 R1 R2 Rx Mục tiêu Lõi sắt từ Cuộn dây Lx δ ∆ x Hình 5.3 Cấu tạo của cảm biến từ 87 V~ . 1 3 2 13 2 1 5 4 8 -+ 1 4 3 2 Lx Lo Tới mạch xử lý Hình 5.4 Mạch đo dùng cảm biền từ - Mạch xử lý tín hiệu đo: Mạch xử lý tín hiệu đo là một khối rời có cơ cấu chỉ thò và cho phép cài đặt dạng tín hiệu ngõ ra là tuyến tính hay là tín hiệu điều khiển như hình 5.5 Hình 5.5 Cảmbiến từ và bộ xử lý tín hiệu. b. Ứng dụng của cảm biến đện từ : Cảm biến điện từ thường được dùng để đo dòch chuyển nhỏ khoảng vài mm, đo độ lệch tâm của các cơ cấu cam, đo độ dày mỏng của kim loại. Sau đây là một số ví dụ ứng dụng của cảm biến từ. Ví dụ 1 : Đo độ dày mỏng của kim loại. Hình 5.6 Dùng cảm biến từ đo độ dày của tấm thép Bộ xử lý tín hie ä u Cảm biến từ Bộ xử lý Cảm biến Băng tải Tấm thép 88 Ví dụ 2: Dùng cảm biến từ đo độ cao của đinh ốc Hình 5.7 Dùng cảm biến từ đo độ cao của đinh ốc Ví dụ 3 : Dùng cảm biến từ đo độ lệch tâm của cơ cấu cam Hình 5.8 Dùng cảm biến từ đo độ lệch tâm của cơ cấu cam V.2 Cảm Biến Biến Áp Vi Sai : a. Cấu tạo và nguyên lý của biến áp vi sai : Cảm biến biến áp vi sai gồm có một cuộn sơ cấp và hai cuộn thứ cấp quấn trên một ống hình trụ, trong ống có một lõi ferite di chuển tự do. Hai cuộn thứ cấp được mắc đối xứng so với cuộn sơ cấp sao cho sức điện dộng cảm ứng sinh ra trên hai cuộn dây này ngược pha với nhau. Cuộn dây sơ cấp được nuôi bằng nguồn xoay chiều V i . Hình 5.9 Cấu tạo của biến áp vi sai Sơ đồ nguyên lý của biến áp vi sai như hình 5.10 Hình 5.10 Sơ đồ nguyên lý của biến áp vi sai. Cơ cấu cam Cảm biến Bộ xử lý Cảm biến Đinh ốc Bộ xử lý V i V o Lõi sắt từ x x V o = e 1 – e 2 e 1 e 2 V i 89 Lõi ferite được liên kết cơ khí với đối tượng cần đo vò trí. Khi lõi ferite nằm ở vò trí cách đều giữa 2 cuộn dây thứ cấp (x=0), sức điện e 1 = e 2 nên V o = 0. Khi đối tượng di chuyển làm lõi ferite di chuyển và nằm lệch so với 2 cuộn dây thứ cấp, khi đó sức điện động sinh ea trên 2 cuộn thứ cấp không bằng nhau làm xuất hiện điện áp ra V o = e 1 – e 2 = α.x.V i tỷ lệ với dòch chuyển x của lõi ferite. Hình 5.11 Cảm biến biến áp vi sai Hình 5.12 Mạch điện ngõ ra và đặc tuyến ngõ ra của cảm biến biến áp vi sai b. Ứng dụng của cảm biến biến áp vi sai : Cảm biến biến áp vi sai được dùng để đo dòch chuyển, đo độ dày của vật liệu, đo khoảng cách, đo độ phẳng của bề mặt … Sau đây là một số ví dụ ứng dụng của cảm biến biến áp vi sai. Ví dụ 1 : Dùng biến áp vi sai đo độ nhẵn của bề mặt chi tiết cơ khí. Hình 5.13 Đo độ nhẵn của bế mặt chi tiết cơ khí Vòi phun dầu bôi trơn Cảm biến Chi tiết 90 Ví dụ 2: Đo độ dày mỏng dùng biến áp vi sai. Hình 5.14 Đo độ dày mỏng dùng biến áp vi sai V.3 Encoder: a. Cấu tạo và nguyên lý làm viện của Encoder : Encoder có cấu tạo gồm môt đóa mã có khắc vạch sáng tối, đặt giữa nguồn sáng và transistor quang (phototransistor). Encoder có 2 loại: Encoder tương đối và encoder tuyết đối. - Encoder tương đối: Encoder tương đối có cấu tạo gồm một đóa mã trên đó có khắc một vòng các vạch tối sáng như hình 5.15 Bộ thu phát hồng ngoại có cấu tạo gồm ba cặp thu phát hồng ngoại bố trí như hình 5.16 Hình 5.16 Sơ đồ thu phát hồng ngoại và bố trí các cặp thu phát trong encoder Hai cặp thu phát A, B được bố trí sao cho trục tia sáng nằm trên đường tròn qua tâm lỗ trống nhưng lệch nhau, khi trục tia sáng của cặp A đi qua tâm của một lỗ trống thì trục tia sáng căp B sẽ chiếu qua biên của lỗ trống. Cặp Z được bố trí có trục tia sáng đi chỉ đi qua lỗ trống lớn mà không qua các lỗ trống còn lại. Cảm biến Chi tiết Đóa mã Lỗ trống Trục tia sáng Đóa mã Bộ thu phát hồng ngoại Ổ bi Vỏ Trục quay Led hồng ngoại Phototransistor Hình 5.15 Cấu tạo của encoder tương đối Dây dẫn Led A Led B Led Z Phototransistor A Phototransistor B Phototransistor Z Vcc Vcc Out 1 3 91 Khi đóa mã quay, lỗ trống sẽ lần lượt đi qua các trục tia sáng của cặp A và cặp B. Khi trục tia sáng của cặp nào xuyên qua lỗ trống thì ở phototransistor sẽ cho ra tín hiệu mức 1, ngược lại thì ở phototransistor sẽ cho ra tín hiệu mức 0. Số xung phát ra ở ngõ ra của mỗi phototransistor A, B sẽ bằng số lỗ trống trên đóa mã. Khi đóa mã quay được một vòng thì phototransistor Z sẽ phát ra một xung. Giản đồ xung của Encoder tương đối như hình 5.17. Dựa vào thứ tự xuất hiện của các xung ta có thể xác đònh được chiều quay của encoder. Hình 5.18 hình dạng của encoder tương đối Độ phân giải của encoder tuỳ thuộc vào số lỗ trống (vạch sáng tối) trên đóa mã. Thường thì đóa mã có số lỗ trống là: 100, 200, 500, 1000 lỗ. Nếu gọi số lỗ trống trên đóa mã (số xung phát ra) là n thí độ phân giải của encoder là s: )6.5( 360 n s o = - Encoder tuyệt đối (Absolute Encoder): Encoder tuyệt đối có cấu tạo gồm một đóa mã trên đó có khắc nhiều vòng các vạch tối sáng như hình 5.15. Số vòng các lỗ trống trên đóa mã chính là số bit của encoder. A B Z Quay ngược A B Z Quay thuận Hình 5.17 Giản đồ xung của encoder tương đối Trục tia Đóa mã Bộ thu phát hồng ngoại Ổ bi Vỏ Trục Led hồng ngoại Phototransisto Hình 5.19 Cấu tạo của encoder tuyệt đối 3 bi t Dây da ã n 000 001 Đóa mã Lỗ trống 010 011 100 101 110 111 92 Bộ thu phát hồng ngoại có cấu tạo gồm ba cặp thu phát hồng ngoại bố trí như hình 5.16 Hình 5.20 Sơ đồ thu phát hồng ngoại trong emcoder tuyệt đối Các cặp thu phát hồng ngoại được bố trí thẳng hàng sao cho trục tia sáng của mỗi cặp thu phát sẽ đi qua tâm của một lỗ trống. Khi đóa mã quay thì ở ngõ ra sẽ tạo ra một số nhò phân, mã BCD hoặc mã Gray tuỳ vào cách đục lỗ trên đóa mã. Nếu gọi số bit ngõ ra của encoder tuyệt đối là n thì khi encoder quay một vòng sẽ cho ra 2 n giá trò, gọi độ phân giải của encoder là s: )7.5( 2 360 0 n s = Hình 5.21 Hình dạng của encoder tuyệt đối Mạch ngõ ra của encoder: Hình 5.22 Mạch ngõ ra của encoder b. Ứng dụng của encoder : Encoder được dùng để đo tốc độ, đo chiều dài, đo dòch chuyển, đo vò trí, đo góc quay …. D0 (LSB) D1 D2 93 Ví dụ 1: Dùng encoder để đo tốc độ băng tải trong máy rót nước chai. Hình 5.23 Dùng encoder đo tốc độ băng tải Ví dụ 2 : Dùng encoder để đo chiếu dài trong máy cắt kim loại. Hình 5.24 dùng encoder đo chiều dài Mạch đo từ 0 ÷99 dùng encoder tương đối: Hình 5.25 Mạch đo 2 digit dùng IC đếm lên/xuống Hex Encoder Encoder Vcc Vcc D CK Q QN RS CLK D/U QA QB QC QD 1 2 3 RS CLK D/U QA QB QC QD 1 2 3 U5 7 1 2 6 3 4 5 13 12 11 10 9 15 14 A B C D LT BI LE A B C D E F G 7 1 2 6 3 4 5 13 12 11 10 9 15 14 A B C D LT BI LE A B C D E F G R1 1 16 2 15 3 14 4 13 5 12 6 11 7 10 8 9 R2 1 16 2 15 3 14 4 13 5 12 6 11 7 10 8 9 A B A . Hình 5. 11 Cảm biến biến áp vi sai Hình 5. 12 Mạch điện ngõ ra và đặc tuyến ngõ ra của cảm biến biến áp vi sai b. Ứng dụng của cảm biến biến áp vi sai : Cảm biến biến áp vi sai. 85 V. CẢM BIẾN VỊ TRÍ VÀ DỊCH CHUYỂN : V.1 Cảm Biến Biến Trở : a. Cấu tạo của cảm biến biến trở : Cảm biến biến trở có cấu tạo đơn giản và giá thành rẻ. Cảm biến bao gồm dây. hiệu điều khiển như hình 5. 5 Hình 5. 5 Cảmbiến từ và bộ xử lý tín hiệu. b. Ứng dụng của cảm biến đện từ : Cảm biến điện từ thường được dùng để đo dòch chuyển nhỏ khoảng vài mm, đo độ lệch tâm