CHƯƠNG III: CẢM BIẾN VỊ TRÍ VÀ DỊCH CHUYỂN pot

Ngược lại, loại không dây quấn chứa các phiến vật liệu điện trở liên tiếp, và kết quả đo dựa trên độ phân giải của các phiến vật liệu.- Trước khi chọn Pot và tích hợp nó vào một hệ thống

CHƯƠNG III: CẢM BIẾN VỊ TRÍ VÀ DỊCH CHUYỂN

- Cảm biến đo độ dịch chuyển dạng điện trở (potentiometers), thường gọi

tắt pots Pot là 1 loại thiết bị cơ điện chứa 1 cây cọ (wiper) dẫn điện trượt

dọc theo 1 phần tử điện trở cố định tương ứng với vị trí hay góc của một trụcbên ngoài

I CẢM BIẾN ĐIỆN TRỞ

-Xét về điện, phần tử điện trở được chia ở điểm tiếp xúc của nó với wiper Để

đo độ dịch chuyển, cảm biến dạng này được thiết kế theo cấu hình chia áp Ngõ ra của mạch là một hàm theo vị trí của wiper, là một điện áp analog Từđiện áp này có thể tính được độ dịch chuyển dựa vào mối quan hệ của điện ápnày và vị trí của wiper

Pot chính xác:

- Pot có nhiều dạng, tùy theo từng ứng dụng cụ thể mà chúng có những thiếtkế khác nhau Pot sử dụng để đo lường vị trí yêu cầu có chất lượng cao, cócác chức năng mở rộng

- Pot chính xác có thể ở dạng quay, dạng di chuyển tuyến tính và dạng

chuỗi Pot chuỗi dùng để đo chiều dài mở rộng của cáp được chịu tải bằnglò xo Pot quay có thể ở dạng quay 1 vòng hay nhiều vòng, phổ biến là 3, 5 hay 10 vòng Pot di chuyển tuyến tính hoạt động trong phạm vi từ 5mm đếnhơn 4m Pot chuỗi có thể đo độ dịch chuyển tối đa là 50m Nhà chế tạo

thường cung cấp các thông tin về kiểu pot, chất liệu phần tử điện trở, các

tham số điện và cơ khí và các phương pháp lắp đặt

- Phần tử điện trở trong Pot thường ở dạng dây quấn (wirewound) hoặc không phải dây quấn (nonwirewound) Loại dây quấn chứa các cuộn dây điện trở nhỏ đo lường lượng tử theo độ tăng theo từng bước Ngược lại, loại không dây quấn chứa các phiến vật liệu điện trở liên tiếp, và kết quả đo dựa trên độ phân giải của các phiến vật liệu.

- Trước khi chọn Pot và tích hợp nó vào một hệ thống đo lường, cần phải xem xét các đặc tính điện sau đây:

+ Đầu cuối kết nối + Độ tuyến tính + Tải điện

+ Độ phân giải + Công suất định mức + Hệ số nhiệt

+ Điện trở + Nguồn điện áp sử dụng + Đường chạy của điện

Ngoài các đặc tính về điện, cần phải lưu ý một số đặc tính về cơ khí như: Tải cơ khí, đường chạy cơ khí, nhiệt độ làm việc, chấn động, tốc độ dichuyển, tuổi thọ làm việc…

- Cảm biến dịch chuyển dạng điện cảm được sử dụng rất phổ biến trongcông nghiệp và trong rất nhiều các ứng dụng khác Chúng rất bền và gọngàng, ít bị ảnh hưởng của môi trường

- Cảm biến điện cảm chủ yếu dựa trên nguyên lý của mạch từ Chúngđược phân thành 2 loại là tích cực và thụ động Loại tích cực sử dụng nguyênlý phát điện; đó là khi có sự chuyển động tương đối giữa dây dẫn điện và từtrường, một điện áp được cảm ứng vào dây dẫn điện, hoặc khi từ trường biếnthiên kết hợp với dây dẫn điện cố định sẽ tạo ra điện áp trong dây dẫn điện Trong các ứng dụng đo lường, từ trường có thể biến thiên ở một số tần sốtrong khi dây dẫn điện có thể di chuyển ở cùng thời điểm Với cảm biến

dạng thụ động, nó yêu cầu nguồn công suất bên ngoài Trong trường hợpnày, hoạt động của nó đơn giản chỉ là sự điều chế của tín hiệu kích thích

II CẢM BIẾN ĐIỆN CẢM

- Mạch từ bao gồm một lõi làm bằng vật liệu sắt từ, có chiều dài l vàmột cuộn dây n vòng quấn trên nó Cuộn dây hoạt động như một nguồn lực từchuyển động (mmf: magnetomotion), nó lái từ thông Φ qua mạch từ Giả sửkhe hở không khí (air gap) bằng 0, phương trình mạch từ được biểu diễn nhưsau:

Trong đó, từ trở giới hạn từ thông Φ trong mạch từ giống như điện trở giớihạn dòng trong một mạch điện

Từ thông của mạch từ:

Tổng từ thông:

Điện cảm:

Có nghĩa là điện cảm của một phần tử cảm ứng có thể tính được bởi tính chấtcủa mạch từ Biểu diễn theo kích thước:

- Cấu hình trong hình trên là cấu hình cơ bản của cảm biến điện cảm nếu khehở không khí được cho phép thay đổi Khi đó, lõi sắt từ được tách thành 2 phầnbởi khe hở không khí Tổng từ trở của mạch lúc đó bao gồm từ trở của lõi và từtrở của khe hở không khí Độ thẩm từ tỷ đối của không khí =1, trong khi độ

thẩm từ tỷ đối của sắt từ lên tới vài ngàn, do đó, sự xuất hiện của khe hở khôngkhí sẽ tạo ra một lượng tăng lớn về từ trở của mạch và qua đó làm giảm từ

thông Hầu hết các cảm biến điện cảm đều dựa trên nguyên lý hoạt động này

CẢM BIẾN ĐIỆN CẢM BIẾN ĐỔI TUYẾN TÍNH VÀ QUAY

Cảm biến dịch chuyển kiểu điện cảm sử dụng để đo lường độ dịch chuyểncũng như vận tốc, loại cảm biến này có nhiều dạng khác nhau, tùy vào từng ứngdụng cụ thể

Cảm biến điện cảm thay đổi tuyến tính 1 cuộn dây.

Loại này bao gồm 3 phần: 1 lõi sắt từ có hình bán khuyên, 1 khe hởkhông khí biến đổi và 1 phiến sắt từ Tổng từ trở của mạch từ là tổng của các từtrở riêng biệt

- Mỗi từ trở có thể được xác định dựa vào các tính chất của vật liệu liên quan, trong trường hợp trên:

Trong phương trình trên, tất cả mọi tham số đều cố định, ngoại trừ 1 tham sốphụ thuộc là khe hở không khí Do đó, có thể biểu diễn:

Điện cảm có thể biểu diễn:

Giá trị phụ thuộc vào dạng hình học của lõi và độ từ thẩm của môitrường

Cảm biến điện cảm dạng vi sai:

- Với cảm biến điện cảm 1 cuộn dây, mối quan hệ của điện cảm và kh hởkhông khí là phi tuyến Để khắc phục nhược điểm này Ỉ sử dụng cảm biếnđiện cảm dạng vi sai

- Cảm biến này bao gồm 1 bộ phận di chuyển giữa 2 lõi giống nhau, cách

nhau 1 khoảng cách cố định là 2d Dựa vào loại 1 cuộn dây:

- Mặc dù mối quan hệ trên vẫn là phi tuyến, cảm biến có thể được kết hợpvào cầu đo AC để có được ngõ ra tuyến tính với sự thay đổi nhỏ

III Cảm biến Điện dung

- Cảm biến điện dung được sử dụng rất phổ biến trong CN và trong các lĩnh vựckhoa học Nguyên lý của chúng là dựa trên sự thay đổi của điện dung khi cósự dịch chuyển

- Cảm biến điện dung có độ tuyến tính lớn và phạm vi rộng Phần tử cảm ứng

cơ bản của cảm biến điện dung bao gồm 2 cực của một tụ điện có điện dung

C Điện dung là một hàm của khoảng cách d giữa 2 cực của tụ điện, diện tíchbản cực A và hằng số điện môi

- Do đó, có 3 phương pháp để tạo ra cảm biến dịch chuyển dạng điện dung

bằng cách thay đổi: d, A, ε

Cảm biến điện dung khoảng cách biến thiên

- Loại cảm biến này tạo ra từ 2 bản cực phẳng cách nhau một khoảng cách x cóthể thay đổi được Do đó, điện dung của tụ điện là:

- Điện dung của loại cảm biến này biến thiên phi tuyến theo độ dịch chuyển x

- Độ nhạy:

- Độ nhạy tăng khi khoảng cách tăng

Ỉ Tỷ lệ thay đổi của C tỷ lệ với độ thay đổi của x

Kiểu cảm biến này thường sử dụng để đo dịch chuyển có độ tăng nhỏ mà

không cần tiếp xúc với đối tượng cần đo

Cảm biến điện dung diện tích bản cực biến thiên

- Độ dịch chuyển có thể đo bởi cảm biến điện dung có diện tích bản cực biếnthiên

- Ngõ ra loại cảm biến này tỷ lệ tuyến tính với độ dịch chuyển x loại cảm biếnnày thường được thực hiện như một tụ điện quay để đo độ dịch chuyển góc

Cảm biến điện dung điện môi biến thiên

- Độ dịch chuyển có thể đo dùng cảm biến điện dung dựa trên sự dịch chuyểntương đối của vật liệu điện môi giữa các bản cực

- Ngõ ra loại cảm biến này cũng tỷ lệ tuyến tính với độ dịch chuyển x Loạicảm biến này thường được sử dụng để đo mức của chất lỏng trong thùng Vớiđiều kiện chất lỏng không dẫn điện dạng điện môi.

Cảm biến điện dung Vi sai

- Trong một số trường hợp, ngõ ra của cảm biến điện dung biến thiên phi tuyếnvới độ dịch chuyển Điều này có thể khử được bằng cách sử dụng cảm biếnđiện dung dạng vi sai

- Cảm biến điện dung loại này thường có 3 bản cực Tùy theo từng ứng dụng cụthể mà cảm biến loại này có thể có cấu tạo khác nhau

Cảm biến điện dung loại này tuyến tính hơn nhiều so với cảm biến điên dung

2 bản cực Tuy nhiên, trong thực tế vẫn tồn tại một số thành phần phi tuyến

do những khuyết điểm trong cấu trúc Do đó, ngõ ra cảm biến loại này cần

phải được xử lý cẩn thận nhằm thu được ngõ ra tối ưu

Xử lý tín hiệu ngõ ra của cảm biến điện dung:

Cảm biến điện dung yêu cầu mạch bên ngoài tương đối phức tạp so với cácloại cảm biến khác Tuy nhiên, nó có ưu điểm là đơn giản về cơ khí Để xử lýtín hiệu, ngõ ra cảm biến này thường được đưa vào một mạch cầu AC hay cácmạch dao động

Trong thực tế, các cảm biến điện dung không thuần dung, nó có thêm thànhphần điện trở ký sinh biểu diễn tổn hao trong điện môi

Xử lý tín hiệu sử dụng Khuếch đại thuật toán

Phương pháp này khử tính phi tuyến của mối quan hệ giữa biến vật lý và điệndung C

Ỉ Điện áp ngõ ra tỷ lệ tuyến tính với độ dịch chuyển x giửa 2 bản cực của tụđiện Tuy nhiên, mạch thực tế yêu cầu thêm một số điện trở để giới hạn trôi ởngõ ra

IV Cảm biến vị trí Encoder quang

- Đo độ dịch chuyển góc hoặc tuyến tính là một chức năng cơ bản của nhiều hệthống như các máy công cụ, robot công nghiệp, nhiều dụng cụ khác, trongchuột máy tính …

- Encoder quang được sử dụng để đo vị trí góc hay tuyến tính Chúng sử dụngtín hiệu quang làm phương tiện để biến đổi sự dịch chuyển thành tín hiệu

điện En coder được chia làm 2 loại: absolute và Incremental

74LS00 74LS04

74LS08