Bài giảng đo lường cảm biến chương 2

Chương 2: CẢM BIẾN & ĐO LƯỜNG VỊ TRÍ, SỰ DỊCH CHUYỂN -Kiểm tra vị trí dịch chuyển đóng vai trò quan trọng hoạt động nhiều máy mọc, công cụ -Một số đại lượng vật lý đo thông qua việc xác định dịch chuyển vật chịu tác động đại lượng vật lý Trang I Cảm biến dịch chuyển dùng điện trở Gồm điện trở cố định Rn tiếp xúc điểm di chuyển gắn với chuyển động cần đo Vi trí chạy tỷ lệ với giá trị điện trở đầu tiếp xúc điểm + Dịch chuyển thẳng l R(l ) = Rn L + Dịch chuyển quay α R ( α ) = Rn αo Trang Đặc tính: + Giá trị điện trở từ 1kΩ  100kΩ, lên đến MΩ + Độ phân giải : thông thường đạt cỡ 10 µm + Tuổi thọ chạy : 106 lần với dạng xoay 107 – 108 với dạng dịch chuyển + Độ tuyến tính : đầu đường chạy cuối đường chạy : độ tuyến tính Trang Tra ng Trang II Cảm biến dịch chuyển dùng điện dung Nguyên lý làm việc : thay đổi giá trị điện dung tác động dịch chuyển làm thay đổi vị trí cực Trang Tra ng Cảm biến đặc trưng độ nhạy: + độ nhạy điện dung: Sc = ΔC / Δx + độ nhạy điện kháng: Sz = ΔZ / Δx Điện dung phụ thuộc vào tiết diện, khoảng cách cực điện môi cực C(x) = f (A,x, ε) ε ε A C ( x) = x Tra ng Ví dụ : dịch chuyển theo chiều dọc ε ε A x ε0 = 8,85.10-12 F/m : số điện môi Sự thay đổi điện dung: C( x ) = A x C(x) : không tuyến tính theo độ dịch chuyển Độ nhạy : Aεε dC ( x ) = − 20 dx x Aεε dC ( x ) C( x ) =− =− dx x x x dC ( x ) dx =− C( x ) x Độ biến thiên điện dung với độ biến thiên dịch chuyển ngược chiều Trang Để tuyến tính hóa, người ta dùng mạch điện sau cho trường hợp trên: Cx Cf i x + if = ex − ei eo − ei = 1/ Cf 1/ C x ex ~ + eo Cf ex Cf ex eo = − =− x Cx ε 0εA Qua mạch điện ngõ eo tuyến tính với dịch chuyển x Tụ có khoảng cách biến thiên đo dịch chuyển nhỏ, tụ có diện tích biến thiên đo dịch chuyển lớn 1cm Trang 10 n µ µ s n L= = Rδ δ Điện cảm: Với : δ Rδ = µ.µ0 s Rδ : từ trở khe hở không khí s: tiết diện thực khe hở không khí μ0 = 4π 10-7 H/m: số từ thẩm Điện cảm phụ thuộc vào khoảng cách khe hở không khí Trang 14 Ví dụ 1: RA Từ trở tổng mạch từ: RG R = RA + RC + RG Trong : RA từ trở lõi di chuyển RC từ trở ống dây 2x RG = µ0a RG từ trở không khí Lc Rc = µc µ0a x Rc i LA RA = µ Aµ 0A Lc 2x LA R= + + µ0a µc µ0a µA µ0 A Trang 15 n2 L= Rδ Đặt R0 từ trở mạch khe hở x R0 = Lc LA + µc µ0a µ A µ0 A R = R0 + K x Điện cảm : Với : K= µ0a n2 R0 L0 n2 n2 L= = = = R R0 + Kx + K x + αx R0 L phi tuyến theo x Trang 16 Ví dụ 2: L1 = L2 = L2 L01 + α (l + x ) RA 2l l-x l+x L02 + α (l − x ) Rc L1 i Với cách đo độ nhạy tăng lên so với cách đo trước lần giảm đáng kể không tuyến tính Trang 17 IV LVDT sensor Trang 18 V Encoder thẳng Trang 19 VI Đo sóng siêu âm d = v.t/2 Trang 20 VII Cảm biến tiệm cận (đo vị trí) Đặc điểm: + Phát vật không cần tiếp xúc + Tốc độ đáp ứng nhanh + Đầu cảm biến nhỏ, tiện lợi sử dụng + Sử dụng môi trường khắc nghiệt Một số định nghĩa: + Vật chuẩn: tính chất vật phải phù hợp phát huy hết đặc tính cảm biến + Khỏang cách phát : khỏang cách xa từ đầu cảm biến đến vị trí vật chuẩn mà cảm biến phát Trang 21 + Khỏang cách cài đặt : khỏang cách để cảm biến nhận biết vật cách ổn định (thường 70 – 80% khỏang cách phát hiện) + Thời gian đáp ứng: t1 : Thời gian từ lúc đối tượng vào vùng phát cảm biến đến lúc cảm biến báo tín hiệu t2 : Thời gian từ lúc đối tượng chuẩn khỏi vùng phát cảm biến hết báo tín hiệu Trang 22 + Tần số đáp ứng: số lần lặp lại giây vật cảm biến qua vùng phát Trang 23 Cảm biến tiệm cận điện cảm Bao gồm : + Cuộn dây lõi ferit + Mạch dao động + Mạch phát + Mạch đầu Trang 24 Trang 25 Nguyên lý họat động: Mạch dao động tạo dao động điện từ Từ trường biến thiên từ lõi sắt tác động với vật kim lọai đặt trước Khi có đối tượng lại gần  xuất dòng điện cảm ứng chống lại thay đổi dòng điện  giảm biên độ tín hiêu dao động Bộ phát phát thay đổi tín hiệu tác động để mạch lên mức ON Những yếu tố ảnh hưởng đến tầm cảm biến: + Kích thứơc, hình dáng, vật liệu lõi cuộn dây + Vật liệu kích thước đối tượng + Nhiệt độ môi trường Trang 26 Cảm biến tiệm cận điện dung Bao gồm phận chính: + Cảm biến (các cực cách điện) + Mạch dao động + Mạch phát + Mạch đầu Trang 27 Nguyên lý họat động: Trong lọai cảm ứng này, có mặt đối tượng làm thay đổi điện dung cực Đối tượng không thiết phải kim lọai, chất lỏng, vật liệu phi kim: nhựa, thủy tinh,… Tốc độ phát nhanh, phát đối tượng kích thước nhỏ Trang 28 [...]... thay đổi điện môi ε0 C( x ) = ( ε 1.vx + ε 2 ( A − vx )) d v ε0 C ( x ) = ( ε 2 A + (ε1 − ε 2 ).vx ) d A ε1 2 x C(x) : tuyến tính theo độ dịch chuyển Trang 11 Chuyển đổi điện dung vi sai • C1-C2 = εε0 A/(d-x) - εε0 A/(d+x) = 2 ε0 Ax/(d2-x2) • C1+C2 = εε0 A/(d-x) + εε0 A/(d+x) = 2 ε0 Ad/(d2-x2) Trang 12 III Cảm biến sự dịch chuyển dùng điện cảm 1 Lõi sắt, 2 Cuộn dây, 3 Phần ứng di chuyển được, 4 Khe... tính của cảm biến + Khỏang cách phát hiện : khỏang cách xa nhất từ đầu cảm biến đến vị trí vật chuẩn mà cảm biến có thể phát hiện được Trang 21 + Khỏang cách cài đặt : khỏang cách để cảm biến có thể nhận biết vật một cách ổn định (thường bằng 70 – 80% khỏang cách phát hiện) + Thời gian đáp ứng: t1 : Thời gian từ lúc đối tượng đi vào vùng phát hiện của cảm biến đến lúc cảm biến báo tín hiệu t2 : Thời... trở trong ống dây 2x RG = µ0a RG từ trở không khí Lc Rc = µc µ0a x Rc i LA RA = µ Aµ 0A Lc 2x LA R= + + µ0a µc µ0a µA µ0 A Trang 15 n2 L= Rδ Đặt R0 là từ trở mạch khi khe hở x bằng 0 R0 = Lc LA + µc µ0a µ A µ0 A R = R0 + K x Điện cảm : Với : 2 K= µ0a n2 R0 L0 n2 n2 L= = = = R R0 + Kx 1 + K x 1 + αx R0 L phi tuyến theo x Trang 16 Ví dụ 2: L1 = L2 = L2 L01 1 + α (l + x ) RA 2l l-x l+x L 02 1 + α (l − x )... chuẩn đi ra khỏi vùng phát hiện cho đến khi cảm biến hết báo tín hiệu Trang 22 + Tần số đáp ứng: số lần lặp lại trong 1 giây khi vật cảm biến đi qua vùng phát hiện Trang 23 1 Cảm biến tiệm cận điện cảm Bao gồm : + Cuộn dây và lõi ferit + Mạch dao động + Mạch phát hiện + Mạch đầu ra Trang 24 Trang 25 Nguyên lý họat động: Mạch dao động tạo dao động điện từ Từ trường biến thiên từ lõi sắt sẽ tác động với vật... RA 2l l-x l+x L 02 1 + α (l − x ) Rc L1 i Với cách đo này thì độ nhạy tăng lên so với cách đo trước 2 lần và giảm đáng kể sự không tuyến tính Trang 17 IV LVDT sensor Trang 18 V Encoder thẳng Trang 19 VI Đo bằng sóng siêu âm d = v.t /2 Trang 20 VII Cảm biến tiệm cận (đo vị trí) Đặc điểm: + Phát hiện vật không cần tiếp xúc + Tốc độ đáp ứng nhanh + Đầu cảm biến nhỏ, tiện lợi khi sử dụng + Sử dụng được trong... hiện dòng điện cảm ứng chống lại sự thay đổi dòng điện  giảm biên độ tín hiêu dao động Bộ phát hiện sẽ phát hiện sự thay đổi tín hiệu và tác động để mạch ra lên mức ON Những yếu tố ảnh hưởng đến tầm của cảm biến: + Kích thứơc, hình dáng, vật liệu lõi và cuộn dây + Vật liệu và kích thước đối tượng + Nhiệt độ môi trường Trang 26 2 Cảm biến tiệm cận điện dung Bao gồm 4 bộ phận chính: + Cảm biến (các bản... phần ứng 3 dịch chuyển  khe hở không khí δ thay đổi  thay đổi từ trở của lõi thép  điện cảm và tổng trở của cảm biến cũng thay đổi theo Trang 13 n µ µ 0 s n L= = Rδ δ 2 Điện cảm: Với : δ Rδ = µ.µ0 s 2 Rδ : từ trở của khe hở không khí s: tiết diện thực của khe hở không khí μ0 = 4π 10-7 H/m: hằng số từ thẩm Điện cảm sẽ phụ thuộc vào khoảng cách khe hở không khí Trang 14 Ví dụ 1: RA Từ trở của tổng mạch... điện) + Mạch dao động + Mạch phát hiện + Mạch đầu ra Trang 27 Nguyên lý họat động: Trong lọai cảm ứng này, sự có mặt của đối tượng làm thay đổi điện dung của các bản cực Đối tượng không nhất thiết phải là kim lọai, có thể là chất lỏng, vật liệu phi kim: nhựa, thủy tinh,… Tốc độ phát hiện nhanh, có thể phát hiện đối tượng kích thước nhỏ Trang 28 ... vùng phát cảm biến đến lúc cảm biến báo tín hiệu t2 : Thời gian từ lúc đối tượng chuẩn khỏi vùng phát cảm biến hết báo tín hiệu Trang 22 + Tần số đáp ứng: số lần lặp lại giây vật cảm biến qua... phát huy hết đặc tính cảm biến + Khỏang cách phát : khỏang cách xa từ đầu cảm biến đến vị trí vật chuẩn mà cảm biến phát Trang 21 + Khỏang cách cài đặt : khỏang cách để cảm biến nhận biết vật cách... ε1 2 x C(x) : tuyến tính theo độ dịch chuyển Trang 11 Chuyển đổi điện dung vi sai • C1-C2 = εε0 A/(d-x) - εε0 A/(d+x) = 2 ε0 Ax/(d2-x2) • C1+C2 = εε0 A/(d-x) + εε0 A/(d+x) = 2 ε0 Ad/(d2-x2) Trang