Cảm biến đo vận tốc

Cảm biến đo vận tốc Cảm biến đo vận tốc Bởi: Khoa CNTT ĐHSP KT Hưng Yên Nguyên lý đo vận tốc Trong công nghiệp, phần lớn trường hợp đo vận tốc đo tốc độ quay máy Độ an toàn chế độ làm việc máy phụ thuộc lớn vào tốc độ quay Trong trường hợp chuyển động thẳng, việc đo vận tốc dài thường chuyển đo tốc độ quay Bởi vậy, cảm biến đo vận tốc góc đóng vai trò quan trọng việc đo vận tốc Để đo vận tốc góc thường ứng dụng phương pháp sau đây: - Sử dụng tốc độ kế vòng kiểu điện từ: nguyên lý hoạt động dựa tượng cảm ứng điện từ Cảm biến gồm có hai phần: phần cảm (nguồn từ thông) phần ứng (phần có từ thông qua) Khi có chuyển động tương đối phần cảm phần ứng, từ thông qua phần ứng biến thiên, xuất suất điện động cảm ứng xác định theo công thức: Thông thường từ thông qua phần ứng có dạng: Trong x biến số vị trí thay đổi theo vị trí góc quay theo đường thẳng, suất điện động e xuất phần ứng có dạng: Suất điện động tỉ lệ với vận tốc cần đo - Sử dụng tốc độ kế vòng loại xung: làm việc theo nguyên tắc đo tần số chuyển động phần tử chuyển động tuần hoàn, ví dụ chuyển động quay Cảm biến loại thường có 1/9 Cảm biến đo vận tốc đĩa mã hoá gắn với trục quay, chẳng hạn gồm phần suốt xen kẽ phần không suốt Cho chùm sáng chiếu qua đĩa đến đầu thu quang, xung điện lấy từ đầu thu quang có tần số tỉ lệ với vận tốc quay cần đo Tốc độ kế điện từ Tốc độ kế điện từ đo vận tốc góc - Tốc độ kế dòng chiều: Sơ đồ cấu tạo tốc độ kế dòng chiều biểu diễn hình 18.1 Hình 18.1: Sơ đồ cấu tạo máy phát dòng chiều 1) Stato 2) Rôto 3) Cổ góp 4) Chổi quét Stato (phần cảm) nam châm điện nam châm vĩnh cửu, roto (phần ứng) trục sắt gồm nhiều lớp ghép lại, mặt roto xẽ rãnh song song với trục quay cách Trong rãnh đặt dây dẫn đồng gọi dây chính, dây nối với đôi dây phụ Cổ góp hình trụ mặt có gắn đồng cách điện với nhau, nối với dây roto Hai chổi quét ép sát vào cổ góp bố trí cho thời điểm chúng tiếp xúc với hai đồng đối diện Khi rô to quay, suất điện động xuất dây dẫn xác định theo biểu thức: Trong dΦi từ thông mà dây dẫn cắt qua thời gian dt: dSc tiết diện bị cắt khoảng thời gian dt: 2/9 Cảm biến đo vận tốc Trong đó: l - chiều dài dây dẫn v - vận tốc dài dây ω - vận tốc góc dây r - bán kính quay dây Biểu thức suất điện động xuất dây: Suất điện động ứng với nửa số dây bên phải đường trung tính: N - tổng số dây roto n - số vòng quay giây Φ0 - từ thông xuất phát từ cực nam châm Tương tự tính suất điện động ứng với nửa số dây bên trái: (18.1) Nguyên tắc nối dây nối thành hai cụm, cụm dây mắc nối tiếp với nhau, hai cụm mắc ngược pha Tốc độ kế dòng xoay chiều - Máy phát đồng bộ: Sơ đồ cấu tạo tốc độ kế dòng xoay chiều kiểu máy phát đồng biểu diễn hình 18.2 Thực chất máy phát điện xoay chiều nhỏ Roto (phầm cảm) máy phát nam châm tổ hợp nhiều nam châm nhỏ Phần ứng gồm 3/9 Cảm biến đo vận tốc cuộn dây bố trí cách mặt stato nơi cung cấp suất điện động cảm ứng hình sin có biên độ tỉ lệ với tốc độ quay roto (18.2) Trong E=K1ω, ?=K2ω, K1 K2 thông số đặc trưng cho máy phát Hình 18.2: Sơ đồ cấu tạo máy phát đồng 1) Stato 2) Rôto Giá trị ω tính theo E ? - Xác định ω từ biên độ suất điện động: Cuộn cảm ứng có trở kháng trong: Trong Ri, Li điện trở tự cảm cuộn dây Điện áp hai đầu cuộn ứng với tải R có giá trị: (18.3) Từ biểu thức (18.3), ta thấy điện áp U hàm tuyến tính tốc độ quay ω Điều kiện để sử dụng máy phát cảm biến vận tốc R>>Zi để cho coi U ≈ E Điện áp đầu chỉnh lưu thành điện áp chiều, điện áp không phụ thuộc chiều quay hiệu suất lọc giảm tần số thấp Mặt khác, có mặt lọc làm tăng thời gian hồi đáp cảm biến 4/9 Cảm biến đo vận tốc - Xác định cách đo tần số suất điện động: phương pháp có ưu điểm tín hiệu truyền xa mà suy giảm tín hiệu không ảnh hưởng tới độ xác phép đo - Máy phát không đồng bộ: Cấu tạo máy phát không đồng tương tự động không đồng hai pha (hình 18.3) Roto đĩa hình trụ kim loại mỏng dị từ quay tốc độ với trục cần đo, khối lượng quán tính không đáng kể Stato làm thép từ tính, bố trí hai cuộn dây, cuộn cuộn kích thích cung cấp điện áp Vc có biên độ Ve tần số ωe ổn định Vc = Ve cos ωet Hình 18.3: Sơ đồ cấu tạo máy phát không đồng 1) Cuộn kích 2) Rôto 3) Cuộn đo Cuộn dây thứ hai cuộn dây đo Giữa hai đầu cuộn xuất suất điện động em có biên độ tỉ lệ với tốc độ góc cần đo: Trong k số phụ thuộc vào kết cấu máy, φ độ lệch pha Tốc độ kế điện từ đo vận tốc dài Khi đo vận tốc dài, với độ dịch chuyển lớn vật khảo sát (> 1m) thường chuyển thành đo vận tốc góc Trường hợp đo vận tốc dịch chuyển thẳng nhỏ dùng cảm biến vận tốc dài gồm hai phần tử bản: nam châm cuộn dây Khi đo, phần tử giữ cố định, phần tử thứ hai liên kết với vật chuyển động Chuyển động tương 5/9 Cảm biến đo vận tốc đối cuộn dây nam châm làm xuất cuộn dây suất điện động tỉ lệ với vận tốc cần đo Sơ đồ cảm biến có cuộn dây di động biểu diễn hình 18.4 Hình 18.4: Cảm biến dùng cuộn dây di động 1) Nam châm 2) Cuộn dây Suất điện động xuất cuộn dây có dạng: N - số vòng dây r - bán kính vòng dây B - giá trị cảm ứng từ v - tốc độ dịch chuyển vòng dây l - tổng chiều dài dây Tốc độ kế loại đo độ dịch chuyển vài mm với độ nhạy ~ 1V/m.s Khi độ dịch chuyển lớn (tới 0,5 m) người ta dùng tốc độ kế có nam châm di động (hình 18.5) Cảm biến gồm nam châm di chuyển dọc trục hai cuộn dây quấn ngược chiều mắc nối tiếp Khi nam châm di chuyển, suất điện động xuất cuộn dây tỉ lệ với tốc độ nam châm ngược chiều Hai cuộn dây mắc nối tiếp quấn ngược chiều nên nhận suất điện động đầu khác không 6/9 Cảm biến đo vận tốc Hình 18.5: Cảm biến có lõi từ di dộng a) Cấu tạo b) Sơ đồ nguyên lý 1) Nam châm 2) Cuộn dây Tốc độ kế xung Tốc độ kế xung thường có cấu tạo đơn giản, chắn, chịu đựng tốt môi trường độc hại, khả chống nhiễu chống suy giảm tín hiệu cao, dễ biến đổi tín hiệu sang dạng số Tuỳ thuộc vào chất vật quay dấu hiệu mã hoá vật quay, người ta sử dụng loại cảm biến thích hợp - Cảm biến từ trở biến thiên: sử dụng vật quay sắt từ - Cảm biến từ điện trở: sử dụng vật quay hay nhiều nam châm nhỏ - Cảm biến quang với nguồn sáng: sử dụng vật quay có lỗ, đường vát, mặt phản xạ Tốc độ kế từ trở biến thiên Cấu tạo cảm biến từ trở biến thiên gồm cuộn dây có lõi sắt từ chịu tác động nam châm vĩnh cửu đặt đối diện với đĩa quay làm vật liệu sắt từ có khía Khi đĩa quay, từ trở mạch từ biến thiên cách tuần hoàn làm cho từ thông qua cuộn dây biên thiên, cuộn dây xuất suất điện động cảm ứng có tần số tỉ lệ với tốc độ quay 7/9 Cảm biến đo vận tốc Hình 18.6: Sơ đồ cấu tạo cảm biến từ trở biến thiên 1) Đĩa quay (bánh răng) 2) Cuộn dây 3) Nam châm vĩnh cửu Tần số suất điện động cuộn dây xác định biểu thức: p - số lượng đĩa n - số vòng quay đĩa giây Biên độ E suất điện động cuộn dây phụ thuộc hai yếu tố: - Khoảng cách cuộn dây đĩa quay: khoảng cách lớn E nhỏ - Tốc độ quay: Tốc độ quay lớn, E lớn Khi tốc độ quay nhỏ, biên độ E bé khó phát hiện, tồn vùng tốc độ quay đo được, người ta gọi vùng vùng chết Dải đo cảm biến phụ thuộc vào số đĩa Khi p lớn, tốc độ nmin đo có giá trị bé Khi p nhỏ, tốc độ nmax đo lớn Thí dụ với p = 60 răng, dải tốc độ đo n = 50 - 500 vòng/phút, với p =15 dải tốc độ đo 500 - 10.000 vòng/ phút Tốc độ kế quang Hình 18.7 trình bày sơ đồ nguyên lý tốc độ kế quang đo tốc độ quay Nguồn sáng phát tia hồng ngoại diot phát quang (LED) Đĩa quay, đặt nguồn sáng đầu thu, có lỗ bố trí cách vòng tròn Đầu thu photodiode phototranzitor Khi đĩa quay, đầu thu chuyển mạch nguồn sáng, lỗ, nguồn phát sáng thẳng hàng Kết đĩa quay, đầu thu quang nhận thông lượng ánh sáng biến điệu phát tín hiệu có tần số tỉ lệ với tốc độ quay biên độ không phụ thuộc tốc độ quay 8/9 Cảm biến đo vận tốc Hình 18.7: Sơ đồ nguyên lý tốc độ kế quang 1) Nguồn sáng 2) Thấu kính hội tụ 3) Đĩa quay 4) Đầu thu quang Trong cảm biến quang đo tốc độ, người ta dùng đĩa quay có vùng phản xạ ánh sáng bố trí tuần hoàn vòng tròn để phản xạ ánh sáng tới đầu thu quang Phạm vi tốc độ đo phụ thuộc vào hai yếu tố chính: - Số lượng lỗ đĩa - Dải thông đầu thu quang 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 lỗ, tần số ngắt mạch điện xác định tốc độ cực đại đo 9/9 ... đo vận tốc dài Khi đo vận tốc dài, với độ dịch chuyển lớn vật khảo sát (> 1m) thường chuyển thành đo vận tốc góc Trường hợp đo vận tốc dịch chuyển thẳng nhỏ dùng cảm biến vận tốc dài gồm hai phần... lấy từ đầu thu quang có tần số tỉ lệ với vận tốc quay cần đo Tốc độ kế điện từ Tốc độ kế điện từ đo vận tốc góc - Tốc độ kế dòng chiều: Sơ đồ cấu tạo tốc độ kế dòng chiều biểu diễn hình 18.1... biến thiên cách tuần hoàn làm cho từ thông qua cuộn dây biên thiên, cuộn dây xuất suất điện động cảm ứng có tần số tỉ lệ với tốc độ quay 7/9 Cảm biến đo vận tốc Hình 18.6: Sơ đồ cấu tạo cảm biến