BÁO CÁO TÌM HIỂU CẢM BIẾN VỊ TRÍ GÓC QUAY VERT – X 13E5V

………… o0o………… TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI BÁO CÁO TÌM HIỂU CẢM BIẾN VỊ TRÍ GÓC QUAY VERT – X 13E5V Nhóm – Lớp K55M Giảng viên: Đoàn Thị Hương Giang Thành viên: Nguyễn Phú Sơn Anh Lê Minh Chương Nguyễn Văn Cường Hoàng Văn Nam Phạm Văn Quyết Báo cáo môn đo lường cảm biến Cảm biến vị trí góc quay Vert – X 13E5V Nhóm – K55M MỤC LỤC I) Tổng quan loại cảm biến II) Nguyên lý phương pháp đo cảm biến góc quay III) Cảm biến vị trí góc quay Vert – X 13E IV) Mạch đo sử dụng vi điều khiển atmega32 V) Ứng dụng cảm biến góc quay Nguyễn Phú Sơn Anh Bảng phân công công việc Mô với Proteus Tốt Lê Minh Chương Tín hiệu tuyến tính(VERT-X 13E), Incremental (VERT-X 13E), SSI (VERT-X 13E), xuất sắc Nguyễn Văn Cường Nguyên lý, tính cảm biến Vert-X 13E, Thông số kỹ thuật Vert-X 13E, SPI(VERT-X 13E), good Nguyễn Văn Nam Tổng quan, nguyên lý cảm biến pro nói chung, Cảm biến góc quay từ trường, Cảm biến góc quay quang học, Phạm Văn Quyết Cảm biến góc quay điện trở, Cảm vãi biến góc quay điện dung, Cảm biến Hiệu ứng Hall, PWM (VERT-X 13E) I Tổng quan loại cảm biến a Khái niệm cảm biến Báo cáo môn đo lường cảm biến Cảm biến vị trí góc quay Vert – X 13E5V Nhóm – K55M Cảm biến thiết bị dùng để cảm nhận biến đổi đại lượng vật lý đại lượng tính chất điện cần đo thành đại lượng điện đo xử lý b Phân loại cảm biến Các cảm biến phân loại theo đặc trưng sau: - Theo nguyên lý chuyển đổi đáp ứng kích thích( tượng hóa học, vật lý, sinh học) - Theo dạng kích thích( âm thanh, điện, từ, quang, cơ, nhiêt, xạ) - Theo tính cảm biến( độ nhạy, độ xác, độ phân giải,…) - Theo phạm vi sử dụng( công nghiệp, dân sự, quân sự, vũ trụ,…) - Theo thông số mô hình mạch thay II Nguyên lý phương pháp đo cảm biến góc quay 2.1 Nguyên lý Hiện có hai phương pháp để xác định vị trí dịch chuyển Trong phương pháp thứ nhất, cảm biến cung cấp tín hiệu hàm phụ thuộc vào vị trí phần tử cảm biến, đồng thời phần tử có liên quan đến vật cần xác định dịch chuyển Trong phương pháp thứ hai, ứng với dịch chuyển bản, cảm biến phát xung Việc xác định vị trí dịch chuyển tiến hành cách đếm số xung phát Một số cảm biến không đòi hỏi liên kết học cảm biến vật cần đo vị trí dịch chuyển Mối liên hệ vật dịch chuyển cảm biến thực thông qua vai trò trung gian điện trường, từ trường điện từ trường, ánh sáng 2.2 Các loại cảm biến đo góc Điện kế điện trở Loại cảm biến có cấu tạo đơn giản, tín hiệu đo lớn không đòi hỏi mạch điện đặc biệt để xử lý tín hiệu Tuy nhiên với điện kế điện trở có chạy học có cọ xát gây ồn mòn, số lần sử dụng thấp chịu ảnh hưởng lớn môi Báo cáo môn đo lường cảm biến Cảm biến vị trí góc quay Vert – X 13E5V Nhóm – K55M trường có bụi ẩm 1.1 điện kế dùng chạy học a Cấu tạo nguyên lý làm việc Cảm biến gồm điện trở cố định Rn, có tiếp xúc điện di chuyển gọi chạy Con chạy liên kết học với vật chuyển động cần khảo sát Giá trị điện trở Rx chạy đầu điện trở Rn hàm phụ thuộc vào vị trí chạy, vị trí vật chuyển động Trong αM < 360o dịch chuyển tròn (hình 1b) αM > 360o dịch chuyển xoắn (hình 1c) Các điện trở dạng cuộn dây thường chế tạo từ hợp kim Ni - Cr, Ni - Cu , Ni - Cr - Fe, Ag - Pd quấn thành vòng xoắn dạng lò xo lõi cách điện (bằng thuỷ tinh, gốm nhựa), vòng dây cách điện emay lớp oxyt bề mặt Các điện trở chế tạo với giá trị Rn nằm khoảng 1kΩ đến 100kΩ, đạt tới MΩ Các chạy phải đảm bảo tiếp xúc điện tốt, điện trở tiếp xúc phải nhỏ ổn định b Các đặc trưng - Khoảng chạy có ích chạy: Thông thường đầu cuối đường chạy chạy tỉ số R x/Rn không ổn định Khoảng chạy có ích khoảng thay đổi x mà khoảng Rx hàm tuyến tính dịch chuyển Báo cáo môn đo lường cảm biến Cảm biến vị trí góc quay Vert – X 13E5V Nhóm – K55M Hình 2: phụ thuộc điện trở điện kế vào chạy Hình Độ phân giải điện kế dạng dây - Năng suất phân giải: Độ phân giải xác định lượng dịch chuyển cực đại cần thiết để đưa chạy từ vị trí tiếp xúc sang vị trí tiếp xúc lân cận Giả sử cuộn dây có n vòng dây, phân biệt 2n-2 vị trí khác điện chạy: + n vị trí tiếp xúc với vòng dây + n - vị trí tiếp xúc với hai vòng dây Độ phân giải điện trở dạng dây phụ thuộc vào hình dạng đường kính dây điện trở vào khoảng ~10àm - Thời gian sống: Thời gian sống điện kế số lần sử dụng điện kế Nguyên nhân gây hư hỏng hạn chế thời gian sống điện kế mài mòn chạy dây điện trở trình làm việc Thường thời gian sống điện kế dạng dây dẫn vào cỡ 106 lần 1.2 điện kế không dùng chạy học Để khắc phục nhược điểm điện kế dùng chạy học, người ta sử Báo cáo môn đo lường cảm biến Cảm biến vị trí góc quay Vert – X 13E5V Nhóm – K55M dụng điện kế liên kết quang từ a Điện kế dùng trỏ quang Hình trình bày sơ đồ nguyên lý điện kế dùng trỏ quang Điện kế tròn dùng trỏ quang gồm điot phát quang (1), băng đo (2), băng tiếp xúc (3) băng quang dẫn (4) Băng điện trở đo phân cách với băng tiếp xúc băng quang dẫn mảnh làm CdSe có trỏ quang dịch chuyển trục điện kế quay Điện trở vùng quang dẫn giảm đáng kể vùng chiếu sáng tạo nên liên kết băng đo băng tiếp xúc Điện trở ~20 ms Thời gian Hình Điện kế quay dùng trỏ quang 1) Điot phát quang 2) Băng đo 3) Băng tiếp xúc 4) Băng quang dẫn Thời gian hồi đáp vật liệu quang dẫn cỡ vài chục ms b Điện kế dùng trỏ từ Hình trình bày sơ đồ nguyên lý điện kế từ gồm hai từ điện trở R R2 mắc nối tiếp nam châm vĩnh cữu (gắn với trục quay điện kế) bao phủ lên phần điện trở R1 R2, vị trí phần bị bao phủ phụ thuộc góc quay trục Điện áp nguồn ES đặt hai điểm (1) (3), điện áp đo Vm lấy từ điểm chung (2) hai đầu (1) (3) Khi điện áp đo xác định công thức: Báo cáo môn đo lường cảm biến Cảm biến vị trí góc quay Vert – X 13E5V Nhóm – K55M Trong R1 hàm phụ thuộc vị trí trục quay, vị trí xác định phần R1 chịu ảnh hưởng từ trường R = R1 + R2 = const Từ hình 5b ta nhận thấy điện áp đo tuyến tính khoảng ~90 o điện kế quay Cảm biến điện cảm Cảm biến điện cảm nhóm cảm biến làm việc dựa nguyên lý cảm ứng điện từ Vật cần đo vị trí dịch chuyển gắn vào phần tử mạch từ gây nên biến thiên từ thông qua cuộn đo Cảm biến điện cảm chia ra: cảm biến tự cảm hỗ cảm 2.1 cảm biến tự cảm a) Cảm biến tự cảm có khe từ biến thiên - Cảm biến tự cảm đơn: hình trình bày sơ đồ nguyên lý cấu tạo số loại cảm biến tự cảm đơn - Cảm biến tự cảm đơn gồm cuộn dây quấn lõi thép cố định (phần tĩnh) lõi thép di động tác động đại lượng đo (phần động), phần tĩnh phần động có khe hở không khí tạo nên mạch từ hở Báo cáo môn đo lường cảm biến Cảm biến vị trí góc quay Vert – X 13E5V Nhóm – K55M phần ứng quay, tiết diện khe hở không khí thay đổi, làm cho từ trở mạch từ biến thiên, hệ số tự cảm tổng trở cuộn dây thay đổi theo Nếu bỏ qua điện trở cuộn dây từ trở lõi thép ta có: Trường hợp W = const ta có: Với lượng thay đổi hữu hạn ∆δ ∆s ta có: Độ nhạy cảm biến tự cảm khe hở không khí thay đổi (s=const) Độ nhạy cảm biến tự cảm thay đổi tiết diện không khí (δ = const): Tổng trở cảm biến: Từ công thức (7) ta thấy tổng trở Z cảm biến hàm tuyến tính với tiết diện khe hở không khí s phi tuyến với chiều dài khe hở không khí δ Báo cáo môn đo lường cảm biến Cảm biến vị trí góc quay Vert – X 13E5V Nhóm – K55M Z, L L = f(∆δ) Z5000Hz = f(∆δ) Z500Hz = f(∆δ) ∆δ Hình Sự phụ thuộc L, Z với chiều dày khe hở không khí δ Đặc tính cảm biến tự cảm đơn Z = f(∆δ) hàm phi tuyến phụ thuộc tần số nguồn kích thích, tần số nguồn kích thích cao độ nhạy cảm biến cao (hình 7) - Cảm biến tự cảm kép lắp theo kiểu vi sai: Để tăng độ nhạy cảm biến tăng đoạn đặc tính tuyến tính người ta thường dùng cảm biến tự cảm kép mắc theo kiểu vi sai (hình 8) XV Hình Cảm biến tự cảm kép mắc theo kiểu vi sai Cảm biến tự cảm đơn gồm cuộn dây quấn lõi thép cố định (phần tĩnh) lõi thép di động tác động đại lượng đo (phần động), phần tĩnh phần động có khe hở không khí tạo nên mạch từ hở Khi phần ứng quay, tiết diện khe hở không khí thay đổi, làm cho từ trở mạch từ biến thiên, hệ số tự cảm tổng trở cuộn dây thay đổi theo Nếu bỏ qua điện trở cuộn dây từ trở lõi thép ta có: Báo cáo môn đo lường cảm biến Cảm biến vị trí góc quay Vert – X 13E5V Nhóm – K55M Trường hợp W=const ta có: Với lượng thay đổi hữu hạn ∆δ ∆s ta có: (5) Độ nhạy cảm biến tự cảm thay đổi tiết diện không khí ( δ = const): (6) Tổng trở cảm biến: (7) Từ công thức (7) ta thấy tổng trở Z cảm biến hàm tuyến tính với tiết diện khe hở không khí s - Cảm biến tự cảm kép lắp theo kiểu vi sai: Để tăng độ nhạy cảm biến tăng đoạn đặc tính tuyến tính người ta thường dùng cảm biến tự cảm kép mắc theo kiểu vi sai (hình 8) Hình Cảm biến tự cảm kép mắc theo kiểu vi sai Cấu tạo cảm biến hỗ cảm tương tự cảm biến tự cảm khác chỗ có thêm cuộn dây đo (hình 11) Trong cảm biến đơn chiều dài khe hở không khí (hìn h 11a) tiết diện khe không khí thay đổi (hình 11b) tổn hao dòng điện xoáy thay đổi (hình 11c) 10 Báo cáo môn đo lường cảm biến Cảm biến vị trí góc quay Vert – X 13E5V Nhóm – K55M Như nói trên, trước kết thúc khoảng thời gian tối thiểu chờ timeout, xuất xung clock từ trạm chủ trạm tớ hoạt động chế độ truyền liên tiếp Trạm tớ không bắt đầu cập nhập liệu mà truyền lại liệu chuẩn bị trước Chế độ truyền liên tiếp thường dùng để kiểm tra tính toàn vẹn liệu Sự truyền hỏng phát sau so sánh giá trị nhận 5.5 Incremental (dạng tín hiệu xung vuông, giống encoder loại số gia) : Tín hiệu incremental cảm biến Vert-X 13E tương tự tín hiệu incremental encoder quang học Mỗi cảm biến có kênh( A, B, Z) Tín hiệu kênh A dạng xung vuông Cứ bước chuyển động quay vật cần đo, cảm biến phát xung kênh A Số xung phát vòng quay gọi độ phân giải cảm biến Tín hiệu kênh B dạng xung vuông có tần số với tín hiệu kênh A lệch pha 900 1800, dùng để xách định chiều quay vật cần đo Cứ vòng quay vật, kênh Z phát xung vuông Tín hiệu kênh dùng để xác định số vòng quay vật 26 Báo cáo môn đo lường cảm biến Cảm biến vị trí góc quay Vert – X 13E5V Nhóm – K55M B Thiết kế cảm biến góc quay Vert –X 13E5V 27 Báo cáo môn đo lường cảm biến Cảm biến vị trí góc quay Vert – X 13E5V Nhóm – K55M Thông số hình học Vert –X 13E5V Vị trí làm việc( Z) Khoảng cách Z(mm) Version B 11.05 mm Version B redundant 10.55 mm Version C 10.55 mm Độ lệch trục tối đa cho phép nam châm tác động: dx = ± 0.25mm dy = ± 0.25mm 28 Báo cáo môn đo lường cảm biến Cảm biến vị trí góc quay Vert – X 13E5V Nhóm – K55M dz = ± 0.5mm IV Mạch đo sử dụng vi điều khiển atmega32 Giới thiệu vi điều khiển Vi điều khiển atmega32 vdk bit thuộc họ AVR hãng Atmel Atmega32 có đặc điểm chính:  có 40 chân có 32 chân I/O  Tốc độ xung nhịp lên đến 16MHz (nếu sử dụng thạch anh ngoài).Kiến trúc RISC , 131 instruction , 32 ghi mục đích chung, 16MIPS.(ở 16MHz)  Bộ nhớ chương trình 32kb, 1024kb EEPROM , 2kb SRAM  timer/counter bit timer/counter 16bit  kênh PWM  kênh ADC 10-bit  Giao diện dây SPI  Giao diện dây TWI  Giao diện nối tiếp USART 29 Báo cáo môn đo lường cảm biến Cảm biến vị trí góc quay Vert – X 13E5V Nhóm – K55M Thiết kế mạch đo Đọc tín hiệu tuyến tính Ta sử dụng chức ADC vdk atmega32 để đọc tín hiệu tuyến tính từ cảm biến Đọc tín hiệu PWM Tần số 0.1 - kHz Tốc độ lấy mẫu: 1.66-5 kHz Độ phân giải: 12bit 30 Báo cáo môn đo lường cảm biến Cảm biến vị trí góc quay Vert – X 13E5V Nhóm – K55M Để đọc tín hiệu PWM từ cảm biến, ta sử dụng chức Input Capture vdk atmega32 Khi sử dụng chức Input Capture, thay đổi tín hiệu chân CP1(chân20) cho phép ngắt input capture gọi, giá trị cua ghi 16-bit TCNT1(thanh ghi đếm timer/counter 1) ghi sang ghi 16-bit ICP1 Trong ngắt, ta thay đổi chế độ bắt Input Capture (lần lượt bắt cạnh lên xuống xung) Giá trị ICR1 lần cạnh lên xuống giá trị cần đo.Khi xung PWM có duty cycle nhỏ lớn (gần 100%), khó khăn để đọc xung PWM Input Capture, thủ tục gọi hàm ngắt khoản thời gian Vì PWM dùng giao tiếp có duty cycle khoảng định (ví dụ 25% đến 75%) 31 Báo cáo môn đo lường cảm biến Cảm biến vị trí góc quay Vert – X 13E5V Nhóm – K55M Đọc tín hiệu SPI: Độ phân giải 14 bit Tốc độ lấy mẫu: 0.55-2.2 kHz Cảm biến đóng vai trò slave Dữ liệu ghi vào ghi SPDR sau lần lấy mẫu Khi Master (vdk) đưa tín hiệu chân SS xuống thấp, phát xung giữ nhịp SCK, Dữ liệu vị trí cảm biến tự động truyền sang master Vì vậy, Master yêu cầu liệu nhanh, nhỏ thời gian lấy mẫu Slave Khi master nhận lại giá trị cũ nhận lần trước Nếu yêu cầu liệu chậm, ảnh hưởng đến hệ thống 32 Báo cáo môn đo lường cảm biến Cảm biến vị trí góc quay Vert – X 13E5V Nhóm – K55M Đọc tín hiệu SSI Độ phân giải: 10 bit Tốc độ lấy mẫu: 10kHz Do SSI sử dụng chuẩn RS-422 phát tín hiệu vi sai tín hiệu nên phải sử dụng RS-422 Transciever để chuyển đổi tín hiệu đọc PORT vi điều khiển sử dụng IC MAX 1486 hãng MAXIM Nhận liệu từ cảm biến Trên vi điều khiển thông thường module riêng dành cho SSI Tuy nhiên với khung liệu tương đối đơn giản giống với giao diện SPI, ta cho vi điều khiển nhận liệu thông qua module SPI lập trình để vi điều khiển nhận liệu qua chân Nhận liệu từ chân Nguyên tắc phương pháp bật tắt (toggle) chân vi điều khiển để tạo xung clock điều khiển việc truyền liệu từ cảm biến Một chân khác dùng làm cổng nhận liệu “giao 33 Báo cáo môn đo lường cảm biến Cảm biến vị trí góc quay Vert – X 13E5V Nhóm – K55M diện nối tiếp” Ta tạo biến có độ dài thích hợp để chứa liệu nhận Cách ghi liệu vào biến tương đương với ghi dịch Hàm đọc liệu 12bit Uint16 pinToggleReadSSI ( void ) { Uint8 bit_count; Uint16 result = 0; Uint8 portdata; for (bit_count=0; bit_count