bai soan cam bien vi tri va dich chuyen.doc

Tài liệu cảm biến vị trí và dịch chuyển.

CẢM BIẾN VỊ TRÍ VÀ DỊCH CHUYỂN

I Giới thiệu

Ngày nay cảm biến vị trí được ứng dụng rất rộng rãi Đó là vì việc kiểm tra vị trí

và dịch chuyển đóng vai trò rất quan trọng đối với hoạt động cùa nhiều máy móc, trong

hệ thống điều khiển tử động bằng điện tử, hệ thống bảo vệ và an toàn Hơn nữa, một số đại lượng vật lí có thể đo được thông qua việc xác định sự dịch chuyển của một vật chịu tác động của đại lượng vật lý đó

Vị trí là thuật ngữ chỉ tọa độ của một đối tượng với một chuẩn nào đó được chọn trước Dịch chuyển là sự chuyển động của đối tượng từ vị trí này đến vj trí khác với một khoảng cách hoặc một góc quay nào đó

Có hai phương pháp cơ bản để xác định vị trí và dịch chuyển Trong phương pháp thứ nhất (được sử dụng nhiều hơn cả), 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 phần tử đó

có liên quan tới vật di động mà ta cần đo sự dịch chuyển Sự thay đổi của tính hiệu sẽ cho ta biết độ dịch chuyển của vật thể Một số cảm biến loại này có cấu tạo bao gồm một trở kháng có một trong những đặc trưng hình học hoặc kích thước thay đổi theo vị trí của phần tử động như: điện thế kế, cuộn cảm có lõi động… Trong phương pháp thứ hai (ít ứng dụng hơn), ứng với một dịch chuyển cơ bản (một đơn vị dịch chuyển), cảm biến sẽ phát ra một xung Khi đó vị trí và dịch chuyển được xác định bằng cách điếm

số xung phát ra

Một số loại cảm biến không đòi hỏi liên kết cơ học giữa cảm biến và vật cần đo khoảng cách hoặc dịch chuyển Mối liên hệ giữa vật dịch chuyển với cảm biến 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 khoảng cách giữa vật thể và cảm biến và được xác định bằng phản hồi điện của cảm biến

Trong chương này ta chỉ nghiên cứu hai loại cảm biến thông dụng nhất để xác định vị trí và dịch chuyển của đối tưởng cần đó là: Cảm biến kiểu cảm ứng điện từ và cảm biến kiểu biến trở

II Cơ sở lý Thuyết Của Cảm Biến Vị Trí Kiểu Cảm Ứng Điện Từ

Cảm biến điện từ là nhóm các cảm biến hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ Loại cảm biến này rất thông dụng trong các ngành kỹ thuật

1 Cảm Biến Có Khe Hở Từ Biến Thiên

Cảm biến gồm một cuộn dây bằng đồng có đường kính 0.02mm ÷0.1mm, quấn trên lõi sắt từ cạnh một nam châm vĩnh cửu cố định ( phần tĩnh ) và một rotor bằng thép có răng (số răng khác nhau đối với các cảm biến khác nhau ) và có thể chuyển động ( phần động ), giữa phần tĩnh và phần động có khe hở không khí tạo nên một mạch từ hở, khi phần động chuyển động làm cho khe hở không khí này thay đổi kéo theo từ trở của mạch từ biến thiên, do đó hệ số tự cảm và tổng trở của cuộn dây thay đổi theo

1- lõi sắt từ 2- cuộn dây 3- phần động Hình sơ đồ nguyên lý cảm biến điện từ có khe hở từ biến thiên

Khi khe hở không khí giữa phần tĩnh và phần động thay đổi, sẽ làm biến thiên của từ thông xuyên qua cuộn dây Sự biến thiên của từ thông xuyên qua cuộn dây sẽ tao ra sức điện động e :

e = k.ω.n.dΦ

dt Trong đó:

k - hệ số phụ thuộc chất liệu từ lõi thép và môi trường khe hở giữa phần tĩnh và phần động

ω - số vòng dây cuốn trên lõi thép từ.

n - tốc độ quay của phần động

dΦ

dt - độ biến thiên từ thông trong lõi thép từ.

Hệ số tự cảm của cuộn dây cũng có thể thay đổi Nếu bỏ qua điện trở thuần của cuộn dây và từ trở lõi thép ta có :

2 2

0 δ

W μ s W

L = =

Trong đó:

W - số vòng dây

δ 0

δ

R =

μ s - từ trở của khe hở không khí

δ - độ rộng khe hở không khí

μ0 - độ từ thẩm của không khí

s - tiết diện thật của khe hở không khí

Với lượng thay đổi hữu hạn Δδ và Δs ta có :

2

W μ W μ.s

Độ nhạy của cảm biến :

* Khi khe hở không khí δ thay đổi (s = const):

0

0

0

L ΔL

S = =

δ 1+

δ

  

  

 

* Khi thay đổi tiết diện không khí s (δ= const):

0 s

0

L L

S = =

s s



 trong đó:

2

0

0

W μ s

L =

δ - là giá trị điện cảm ban đầu Tổng trở của cảm biến:

Nếu tổng trở Z = ω.L thì ta có :

2 0

ω.W μ s

Z =

δ

Từ công thức trên ta thấy tổng trở Z của cảm biến là hàm tuyến tính với tiết diện khe

hở không khí s và phi tuyến với khe hở không khí δ Các cảm biến điện cảm với δ

thay đổi thì tỷ số

0

Δδ

δ không vượt quá 0, 2 0, 4 và độ phi tuyến không vượt quá 1%

Sự phụ thuộc giữa L, Z vào khe hở không khí δ

Đặc tính của cảm biến điện cảm Z = f(Δδ) là hàm phi tuyến và phụ thuộc tần số nguồn kích thích, tần số nguồn kích thích càng cao thì độ nhạy của cảm biến càng cao

2 Cảm Biến Có Lõi Từ Dịch Chuyển

Cảm biến gồm một cuộn dây bên trong có lõi sắt từ di động được như hình vẽ :

1- cuộn dây 2- lõi từ

Sơ đồ nguyên lý của cảm biến điện từ có lõi từ

Nguyên lý hoạt động của cảm biến cũng giống loại có khe hở từ biến thiên, khi có sự dich chuyển của lõi từ, làm cho điện cảm của cuộn dây thay đổi :

L = L +L +2M

Trong đó : L - là điện cảm toàn phần

L0 - là điện cảm phần không có lõi từ

Lf - là điện cảm phần có lõi từ

M - hệ số, M = k L L0 f

k - là hệ số ghép nối 0 k 1  

với :

L = μ s l = μ s (l l )

2

W

L = μ s (μ 1).s l

2

W

L = μ s l μ 1 s l 2k s s μ 1 s l l l

l           Với độ dịch chuyển Δlf của lõi từ kéo theo sự thay đổi ΔLcủa độ tự cảm Độ tự cảm phụ thuộc vào lf và là hàm không tuyến tính của Δlf Sự không tuyến tính này cũng có thể cải thiện bằng cách ghép hai cuộn dây đồng dạng vào thành hai nhánh kề sát nhau của một cầu điện trở có chung cùng một lõi từ

3 Ứng Dụng Trên Xe Hơi

Cảm biến vị trí loại điện từ là một cảm biến quan trọng trong hệ thống điều khiển động cơ hiện đại như : hệ thống đánh lửa điện tử, hệ thống phun nhiên liệu điện

tử EFI, hệ thống chống bó cứng phanh ABS, điều khiển tốc độ không tải và một số hệ thống khác trên ô tô

Cảm biến điện từ được ứng dụng để : đo tốc độ như tốc độ động cơ, tốc độ bánh

xe, xác định vị trí trục khuỷu hoặc trục cam, tạo xung cho việc đánh lửa Ngoài ra cảm biến cảm ứng điện từ còn được dùng kết hợp với các cảm biến khác trên ôtô

III Cơ Sở Lý Thuyết Của Cảm Biến Kiểu Biến Trở

Đây là loại cảm biến được sự dụng rộng rãi để đo vị trí và dịch chuyển Ưu điểm của nó là nguyên lý đơn giản, tín hiệu ra lớn và không đòi hỏi phải có mạch đặc biệt để

xử lý tín hiệu

1 Các Loại Cảm Biến

Cảm biến gồm một điện trở cố định Rn, trên đó có một tiếp xúc điện có thể di chuyển được gọi là con chạy Con chạy này được gắn cơ học với vật chuyển động cần nghiên cứu (nhưng hoàn toàn cách điện với nhau) Giá trị của điện trở đo 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 cần đo) Mặt khác nó cũng phụ thuộc vào bản thân điện trở Rn Nếu điện trở Rn được chế tạo đồng đều thì cảm biến sẽ tuyến tính và điện trở R của nó

sẽ tỉ lệ với vị trí của con chạy Phụ thuộc vào dạng hình học của Rn và dạng chuyển động của con chạy, người ta phân biệt hai loại cảm biến sau:

- Cảm biến loại dịch chuyển thẳng :

n

l R(l) = R

L

- Cảm biến lạo dịch chuyển tròn :

n M

α R(α) = R

α Đối với cảm biến loại dịch chuyển tròn αM < 360o (h4.1b), còn đối với cảm biến xoắn

αM > 360o

1- Điện trở 2 – Con chạy các loại cảm biến

2 Điện Trở Của Cảm Biến

Các điện trở có thể tồn tại ở dạng cuộn dây hoặc băng dẫn Điện trở dạng cuộn dây phải không bị mài mòn, đồng thời hệ số nhiệt αRcủa điện trở phải nhỏ và ổn định

Các hợp kim thông dụng dùng làm dây điện trở là Niken, Crôm, Cosntantan, Mangan, Vônfram có đường kính từ 0.02 ÷ 0.1mm Điện trở dây thay đổi từ vài chục ôm đến

MΩ Các dây này được bọc một lớp cách điện để có thể cuốn từng vòng sát nhau

Trên lõi và dây cuốn có con chạy chế tạo bằng hợp kim Iridi hoặc Platin-Berin để có độ đàn hồi và tiếp xúc tôt Lực tì giữa con chạy và cuộn dây rất nhỏ vào cỡ

0.01 ÷ 0.1N

Các điện trở dạng băng dẫn được chế tạo bằng chất dẻo trộ bột dẫn điện là cácbon hoặc kim loại có kích thước hạt cỡ ~ 10-2µm Các hạt sắp xếp không sát nhau nên cấu trúc được coi là không lien tục do đó dộ phân giải bị hạn chế Nguyên lý hoạt động của cảm biến loại này dựa trên biểu thức :

l

R = ρ s Trong đó : R - là điện trở

l - là chiều dài dây

ρ- là điện trở suất

s - là tiết diện của dây với ρvà s không đổi thì điện trở của cảm biến phụ thuộc vào độ dài l Dưới sự thay đổi vị trí của đại lượng đo làm con chạy dịch chuyển một khoảng và điện trở của dây thay đổi

Quan hệ giữa đại lượng ra của cảm biến và đại lượng đo được biểu diễn dưới dạng biểu thức :

R = f(X ) Trong đó Xv là đại lượng đo (độ dịch chuyển)

Các điện trở thường được chế tao với các giá trị Rn nẳm trong khoảng từ 1 kΩ đến 100 kΩ đôi khi có thể đạt tới MΩ Tùy từng trường hợp cụ thể, độ chính xác của điện trở có thể là 20%, 10% và đôi khi đạt tới 5% Trên thực tế không đòi hỏi độ chính xác cao vì tín hiệu đo chỉ phụ thuộc vào tỉ số R(x)/Rn

3 Con Chạy

Con chạy phải đảm bảo tiếp xúc điện tốt, nghĩa là không gây nên 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