GIÁO TRÌNH : Kỹ thuật cảm biến

Lời nói đầu…………………………………………………………….Bài mở đầu: Cảm biến và ứng dụng………………………………......Bài 1: Cảm biến nhiệt độ………………………………………………Bài 2: Cảm biến tiệm cận và một số cản biến xác định khoảng cách……………………………………………………………………Bài 3: phương pháp đo lưu lượng…………………………………….Bài 4: Đo vận tốc vòng quay và góc quay……………………………Tài liệu tham khảo

Bài 1: Khái niệm bane cảm biến BỘ LAO ĐỘNG - THƯƠNG BINH VÀ XÃ HỘI TỔNG CỤC DẠY NGHỀ GIÁO TRÌNH Tên mơ đun: Kỹ thuật cảm biến NGHỀ: ĐIỆN CƠNG NGHIỆP TRÌNH ĐỘ CAO ĐẲNG NGHỀ (Ban hành kèm theo Quyết định số: 120/QĐ-TCDN ngày 25 tháng 02 năm 2013 Tổng cục trưởng Tổng cục Dạy nghề) Bài 1: Khái niệm bane cảm biến Hà Nội, năm 2013 TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu thuộc loại sách giáo trình nên nguồn thơng tin phép dùng nguyên trích dùng cho mục đích đào tạo tham khảo Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh bị nghiêm cấm Bài 1: Khái niệm bane cảm biến LỜI NÓI ĐẦU Trong thời đại phát triển khoa học kỹ thuật ngày cảm biến đóng vai trị quan trọng Nó thành phần quan trọng thiết bị đo hay hệ thống điều khiển tự động Có thể nói nguyên lý hoạt động cảm biến, nhiều trường hợp thực tế nguyên lý phép đo hay phương pháp điều khiển tự động Giờ khơng có lĩnh vực mà khơng sử dụng cảm biến Chúng có măt hệ thống tự động phức tạp, người máy, kiểm tra sản phẩm, tiết kiệm lượng, chống ô nhiễm môi trường Cảm biến ứng dụng rộng rãi lĩnh vực giao thông vận tải, hàng tiêu dùng, bảo quản thực phẩm, tơ, trị chơi điện tử Do việc trang bị cho kiến thức loại cảm biến nhu cầu thiếu kỹ thuật viên, kỹ sư ngành điện ngành khác Môn học kỹ thuật cảm biến môn học chuyên môn học viên ngành điện công nghiệp Môn học nhằm trang bị cho học viên trường nghề kiến thức nguyên lý, cấu tạo, mạch ứng dụng thực tế số loại cảm biến Với kiến thức trang bị học viên áp dụng trực tiếp vào lĩnh vực sản xuất đời sống Ngoài kiến thức dùng làm phương tiện để học tiếp môn chuyên môn ngành điện Trang bị điện, PLC Môn học làm tài liệu tham khảo cho cán kỹ thuật, học viên ngành khác quan tâm đến lĩnh vực Hà Nội, ngày tháng năm 2013 Tham gia biên soạn Nguyễn Thúy Hiền: Chủ biên Phạm Thúy Hịe Đồn Năng Trình Bài 1: Khái niệm bane cảm biến MỤC LỤC Lời nói đầu…………………………………………………………… Bài mở đầu: Cảm biến ứng dụng……………………………… Bài 1: Cảm biến nhiệt độ……………………………………………… Bài 2: Cảm biến tiệm cận số cản biến xác định khoảng cách…………………………………………………………………… Bài 3: phương pháp đo lưu lượng…………………………………… Bài 4: Đo vận tốc vịng quay góc quay…………………………… Tài liệu tham khảo 12 42 73 104 125 Bài 1: Khái niệm bane cảm biến MÔN HỌC: KỸ THUẬT CẢM BIẾN Mã môn học: MH 27 Vị trí, tính chất, ý nghĩa vai trị mơn học: - Môn học Kỹ thuật cảm biến học sau môn học, mô đun Kỹ thuật sở, đặc biệt môn học, mô đun: Mạch điện, Điện tử bản, Đo lường điện Trang bị điện - Là môn học chuyên môn nghề Kỹ thuật cảm biến ngày sử dụng rộng rãi đặc biệt ngành tự động hóa nói chung tự động hóa cơng nghiệp nói riêng Mơn học trang bị kiến thức kỹ để người học hiểu rõ sử dụng thành thạo loại cảm biến ứng dụng ngành công nghiệp Mục tiêu môn học: - Phân tích cấu tạo, nguyên lý hoạt động loại cảm biến - Phân tích nguyên lý mạch điện cảm biến - Biết đấu nối loại cảm biến mạch điện cụ thể - Hình thành tư khoa học phát triển lực làm việc theo nhóm - Rèn luyện tính xác khoa học tác phong công nghiệp Nội dung môn học: Thời gian (giờ) Số Tổn Lý Thực hành Kiểm tra* Tên chương, mục TT g số thuyết Bài tập (LT TH) Bài mở đầu: Cảm biến 2 ứng dụng 1.Khái niệm cảm biến 2.Phạm vi ứng dụng I Cảm biến nhiệt độ 16 14 Đại cương Nhiệt điện trở với Platin Nickel Bài 1: Khái niệm bane cảm biến 3.Cảm biến nhiệt độ với vật liệu silic 4.IC cảm biến nhiệt độ 5.Nhiệt điện trở NTC 6.Các thực hành ứng dụng loại cảm biến nhiệt độ Cảm biến tiệm cận loại cảm biến xác định vị trí, khoảng cách 1.Cảm biến tiệm cận (Proximity Sensor II 2.Một số loại cảm biến xác định vị trí, khoảng cách khác 3.Các thực hành ứng dụng loại cảm biến tiệm cận Cảm biến đo lưu lượng Đại cương 2.Phương pháp đo lưu lượng dựa nguyên tắc chênh lệch áp suất III 3.Phương pháp đo lưu lượng tần số dịng xốy 4.Các thực hành ứng dụng cảm biến đo lưu lượng Cảm biến đo vận tốc vịng quay góc quay 1.Một số phương pháp đo vận tốc vòng quay IV 2.Cảm biến đo góc với tổ hợp có điện trở từ 3.Các thực hành ứng dụng Cộng 10 14 10 18 12 60 45 12 Bài 1: Khái niệm bane cảm biến BÀI MỞ ĐẦU: CẢM BIẾN VÀ ỨNG DỤNG Giới thiệu: Cảm biến phần tử có chức tiếp thu, cảm nhận tín hiệu đầu vào dạng đưa tín hiệu dạng khác Cảm biến ứng dụng rộng rãi lĩnh vực, đặc biệt lĩnh vực tự động hóa cơng nghiệp Mục tiêu: - Trình bày khái niệm, đặc điểm, phạm vi ứng dụng cảm biến - Rèn luyện tính cẩn thận, xác, logic khoa học, tác phong cơng nghiệp Nội dung chính: Khái niệm cảm biến Mục tiêu: - Phát biểu khái niệm cảm biến, vị trí cảm biến dây truyền sản xuất cách phân loại cảm biến thực tế 1.1 Khái niệm Cảm biến thiết bị dùng để cảm nhận biến đổi đại lượng vật lý, đại lượng khơng có tínhử chất điện cần đo thành đại lượng có tính chất điện đo xử lý Các đại lượng cần đo (m) thường khơng có tính chất điện (như nhiệt độ, áp suất, lưu lượng, vận tốc ) tác động lên cảm biến cho ta đặc trưng (s) mang tính chất điện (như dòng điện, điện áp, trở kháng ) chứa đựng thông tin cho phép xác định giá trị đại lượng cần đo Đặc trưng (s) hàm đại lượng cần đo: s = f(m) s: Đại lượng đầu hay gọi đáp ứng đầu cảm biến m: đại lượng đầu vào kích thích (có nguồn gốc đại lượng cần đo) Bài 1: Khái niệm bane cảm biến f :là hàm truyền đạt cảm biến Hàm truyền đạt thể cấu trúc thiết bị biến đổi thường có đặc tính phi tuyến, điều làm giới hạn khoảng đo dẫn tới sai số Trong trường hợp đại lượng đo biến thiên phạm vi rộng cần chia nhỏ khoảng đo để có hàm truyền tuyến tính(Phương pháp tuyến tính hố đoạn) Thơng thường thiết kế mạch đo người ta thực mạch bổ trợ để hiệu chỉnh hàm truyền cho hàm truyền đạt chung hệ thống tuyến tính Giá trị (m) xác định thơng qua việc đo đạc giá trị (s) Các tên khác khác cảm biến: Sensor, cảm biến đo lường, đầu dò, van đo lường, nhận biết biến đổi Trong hệ thống đo lường điều khiển, cảm biến cảm biến ngồi việc đóng vai trò “giác quan“ để thu thập tin tức cịn có nhiệm vụ “nhà phiên dịch“ để cảm biến dạng tín hiệu khác tín hiệu điện Sau sử dụng mạch đo lường xử lý kết đo vào mục đích khác khác *Sơ đồ nguyên tắc hệ thồng đo lường điều khiển Đối tượng điều khiển thiết bị thừa hành Cảm biến đo lường Mạch đo điện Chỉ thị xử lý Mạch so sánh chuẩn so sánh Hình 1: Sơ đồ nguyên tắc hệ thống đo lường điều khiển Tham số trạng thái X đối tượng cần điều khiển dược cảm biến sang tín hiệu y nhờ cảm biến đo lường Tín hiệu lối mạch đo điện sử lý để đưa cấu thị Trong hệ thống điều khiển tự động, tín hiệu lối mạch đo điện đưa trở lối sau ki thực iện thao tác so sánh với chuẩnm tín hiệu lối khởi phát thiết bị thừa hành để điều khiển đối tượng * Trong hệ thống đo lường điều khiển đại, trình thu thập sử lý tín hiệu thường máy tính đảm nhiệm Bài 1: Khái niệm bane cảm biến Hình 2: Hệ thống đo lường điều khiển ghép PC Trong sơ đồ đối tượng điều khiển dặc trưng biến trạng thái cảm biến thu nhận Đầu cảm biến phối ghép với vi điều khiển qua dao diện Vi điều khiển có tể oạt động độc lập theo cương trình cào đặt sẵn phối ghép với máy tính Đầu vi điều kiển phối ghép với cấu cháp hành nhằm tác động lên trình hay đối tượng điều khiển Chương trình cho vi điều khiển cài đặt thơng qua máy tính nạp chương trình chuyên dụng Đây sơ đồ điều khiển tự động trình (đối tượng ), đố cảm buến đóng vai trị phần tử cảm nhận, đo đạc đánh giá thông số hệ thống Bộ vi điều khiển làm nhiệm vụ xử lý thông tin đưa tín hiệu q trình Từ sen-sor từ mượn tiếng la tinh Sensus tiếng Đức tiếng Anh gọi sensor, tiếng Việt thường gọi cảm biến.Trong kỹ thuật hay gọi tuật ngữ đầu đo hay đầu dò Các cảm biến thường định nghĩa theo nghĩa rộng thiết bị cảm nhận đáp ứng tín hiệu kích thích 1.2 Phân loại cảm biến Cảm biến phân loại theo nhiều tiêu chí Người ta phân loại cảm biến theo cách sau: 1.2.1 Theo nguyên lý chuyển đổi đáp ứng kích thích Hiện tượng Vật lý Hóa học Chuyển đổi đáp ứng kích thích Nhiệt điện Quang điện Quang từ Điện từ Từ điện …vv Biến đổi hóa học Biến đổi điện hóa Phân tích phổ …vv Bài 1: Khái niệm bane cảm biến Sinh học Biến đổi sinh hóa Biến đổi vật lý Hiệu ứng thể sống vv 1.2.2 Theo dạng kích thích Kích thích Âm Điện Các đặc tính kích thích Biên pha, phân cực Phổ Tốc độ truyền sóng …vv Điện Điện Điện Điện …vv tích, dòng điện thế, điện áp trường dẫn, số điện môi Từ Từ trường Từ thông, cường độ từ trường Độ từ thẩm …vv Cơ Vị trí Lực, áp suất Gia tốc, vận tốc, ứng suất, độ cứng Mô men Khối lượng, tỉ trọng Độ nhớt…vv Quang Phổ Tốc độ truyền Hệ số phát xạ, khúc xạ …VV Nhiệt Nhiệt độ Thông lượng Tỷ nhiệt …vv 10 Bài 1: Khái niệm bane cảm biến Với biến xuất dịng xốy, vận tốc dòng chảy hai bên vật cản đường dịng xốy thay đổi cách cục Tần số dao động vận tốc đo với phương pháp khác Các nhà sản xuất lưu lượng kế sử dụng ngun tắc tần số dịng xốy dùng kỹ Hình 3.26: Kỹ thuật đo với cảm biến áp điện thuật khác để ghi nhận tần số Một số sử dụng “vây cá” khí để ghi nhận rung động dòng chảy Số khác sử dụng kỹ thuật cảm biến áp điện sóng siêu âm để cảm nhận thay đổi áp suất Ngồi cịn có số phương pháp khác để ghi nhận số liệu như: Đo dao động áp suất với màng sọc co dãn Hình 3.27: Kỹ thuật đo dùng Sóng siêu âm Kỹ thuật số mở kỉ nguyên cho lưu lượng kế sử dụng ngun tắc tần số dịng xốy, kỹ thuật số cho phép phân tích tín hiệu nhận được, điều mà trước thực Trong báo cáo nghiên cứu gần cho thấy nhà sản xuất đạt tiến đáng kể cho mục tiêu bản: Đo tần số dịng xốy Vấn đề ln xác định tín hiệu từ dịng xốy, đặc biệt tần số dịng xốy mức thấp Với tín hiệu dịng xốy tần số thấp, có chia dải tần với rung động hạ tần khác công nghiệp Các nhà sản xuất sử dụng lọc để tăng tỷ lệ tín hiệu tạp âm Tuy nhiên tần số dịng xốy thay đổi, thiết bị 94 Bài 1: Khái niệm bane cảm biến phải tự động điều chỉnh lại dải thơng lọc Tình trạng so sánh với radio, người sử dụng dò tần số đài phát thanh, tìm thấy giữ cố định Vấn đề tần số dịng xốy khó khăn hơn, có nhiều tín hiệu khác dải tần mà thiết bị tìm kiếm Thậm chí tìm tần số rồi, thay đổi chốc lát 3.2 Các ưu điểm bật hạn chế phương pháp đo lưu lượng với nguyên tắc tần số dòng xốy *Các ưu điểm  Rất kinh tế có độ tin cậy cao  Tần số dịng xốy khơng bị ảnh hưởng dơ bẩn hay hư hỏng nhẹ vật cản Đường biểu diễn tuyến tính khơng thay đổi theo thời gian sử dụng  Sai số phép đo bé  Khoảng đo lưu lượng tính thể tích từ 3% đến 100% thang đo  Phép đo dịng xốy độc lập với tính chất vật lý mơi trường dịng chảy Sau lần chuẩn định, khơng cần chuẩn định lại với loại lưu chất  Các máy đo lưu lượng dịng xốy khơng có phận học chuyển động đòi hỏi cấu trúc đơn giản  Lưu chất khơng cần có tính chất dẫn điện phép đo lưu lượng cảm ứng điện từ  Không gây cản trở dòng chảy nhiều *Các hạn chế  Với tốc độ dịng chảy q thấp, dịng xốy khơng tạo lưu lương kế mức  Các rung động ảnh hưởng đến độ xác kết đo  Việc lắp đặt tạo tạo điểm nhơ (như vị trí hàn…) ảnh hưởng tới dạng dịng xốy, ảnh hưởng tới độ xác  Tốc độ lớn cho phép dòng chảy theo dẫn thường mức 80 đến 100 m/s Nếu lưu chất đo dạng khí mà vận tốc lớn gặp nhiều vấn đề khó khăn đặc biệt với chất khí ẩm ướt bẩn  Địi hỏi phải có đoạn ống thẳng, dài trước vị trí đo 3.3 Một số ứng dụng cảm biến đo lưu lượng với ngun tắc tần số dịng xốy  Đo lưu lượng nước khu vực nung nóng tạo khu vực sử dụng  Đo lưu lượng chất khí đốt  Đo lưu lượng dẫn điện không dẫn điện 95 Bài 1: Khái niệm bane cảm biến Sử dụng khu vực có yêu cầu khắc nghiệt  Đo lượng lưu chất cần thiết (hệ thống nén khí, sản phẩm hóa học ) Hệ thống đo lưu lượng thực tế dùng máy tính lưu lượng (flow computer), cảm biến đo nhiệt độ, cảm biến áp suất đem lại tiện dụng cho người sử dụng  Hình 3.28: Hệ thống đo lưu lượng với cảm biến Vortex 96 Bài 1: Khái niệm bane cảm biến CHƯƠNG 4: ĐO VẬN TỐC VỊNG QUAY VÀ GĨC QUAY Mã chương: MH27-04 Giới thiệu: Trong cơng nghiệp có nhiều trường hợp cần đo vận tốc quay máy Người ta thường theo dõi tốc độ quay máy lý an tồn để khống chế điều kiện đặt trước cho hoạt động máy móc, thiết bị Trong chuyển động thẳng việc đo vận tốc dài thường chuyển sang đo vận tốc quay Bởi cảm biến đo vận tốc góc chiếm vị trí ưu lĩnh vực đo tốc độ Mục tiêu: - Trình bày phương pháp đo - Lắp ráp số mạch đo ứng dụng dùng loại cảm biến - Phát huy tính tích cực chủ động, sáng tạo, tác phong cơng nghiệp Nội dung chính: Một số phương pháp Mục tiêu: Trình bày phương pháp đo tốc độ Cảm biến vận tốc góc quay cung cấp cho ta tín hiệu đo tần số Thông thường trục quay đánh hay nhiều dấu cảm biến phần không chuyển động ghi nhận chuyển động dấu Tần số đo tỉ lệ với vòng quay n số dấu k: f = n.k Để đo tốc độ quay rotor ta sử dụng phương pháp sau:  Sử dụng máy phát tốc độ chiều xoay chiều, thực chất máy phát điện cơng suất nhỏ có sức điện động tỉ lệ với tốc độ cần đo Được sử dụng rộng rãi hệ chuyển động kinh điển  Sử dụng cảm biến quang tốc độ với mã hóa  Sử dụng máy đo góc tuyệt đối  Xác định tốc độ gián tiếp qua phép đo dịng điện điện áp stator mà khơng cần dùng cảm biến tốc độ 1.1 Đo vận tốc vòng quay phương pháp analog 1.1.1 Tốc độ kế chiều (máy phát tốc): Máy phát tốc độ máy phát điện chiều, cực từ nam châm vĩnh cửu Điện áp cực máy phát tỉ lệ với tốc độ quay Máy phát tốc độ nối trục với phanh hãm điện từ trục với động tốc độ quay tốc độ quay động Tốc độ tỉ lệ với điện áp máy phát tốc độ, dùng Vmét điện từ đồng hồ đo tốc độ nối với đo 97 Bài 1: Khái niệm bane cảm biến tốc độ động Giá trị điện áp âm hay dương phụ thuộc vào chiều quay Er = −( nΦ0 )/ 2π = −NnΦ0 N: số vòng quay s : vân tốc góc rotor n: tổng số dây rotor Φ0: từ thơng xuất phát từ cực nam châm Các phần tử cấu tạo tốc độ kế dòng chiều biểu diễn hình 4.1 Stator (phần cảm) nam châm điện nam châm vĩnh cửu có hai cực nam bắc nằm ngồi Rotor (phần ứng) gồm có lõi thép phần ứng, có xẻ rãnh, rãnh có đặt dây quấn Hình 4.1: Cấu tạo máy phát dòng chiều 1.1.2 Tốc độ kế dòng xoay chiều Tốc độ kế dòng xoay chiều có ưu điểm khơng có cổ góp điện chổi than nên có tuổi thọ, khơng có tăng, giảm điện áp chổi than Nhược điểm mạch điện phức tạp hơn, để xác định biên độ cần phải chỉnh lưu lọc tín hiệu a Máy phát đồng Là loại máy phát điện xoay chiều loại nhỏ Rotor máy phát gắn đồng trục với thiết bị cần đo tốc độ Rotor nam châm nhiều nam châm nhỏ hình 4.3 Stator phần cảm, pha ba pha, nơi cung cấp suất điện động hình sin có biên độ tỷ lệ với tốc độ quay rotor e = E0 sinΩt E0= K1 , Ω=K2 K1 K2 thông số đặc trưng cho máy phát Ở đầu điện áp chỉnh lưu thành điện áp chiều Điện áp không phụ thuộc vào chiều quay hiệu suất lọc giảm tần số thấp Tốc 98 Bài 1: Khái niệm bane cảm biến độ quay xác định cách đo tần số sức điện động Phương pháp quan trọng khoảng cách đo lớn Tín hiệu từ máy phát đồng truyền xa suy giảm tín hiệu đường khơng ảnh hưởng đến độ xác phép đo (vì đo tần số) Hình 4.2 Cấu tạo máy phát đồng (a: pha, b: pha) b Máy phát không đồng Cấu tạo máy phát không đồng tương tự động không đồng hai pha (hình 4.3) Hình 4.3 Cấu tạo máy phát đồng Rotor hình trụ kim loại mỏng quay với vận tốc cần đo, khối lượng qn tính khơng đáng kể Stator làm thép kỹ thuật điện, có đặt hai cuộn dây bố trí hình vẽ Cuộn thứ cuộn kích từ cung cấp điện áp định mức có biên độ tần số khơng đổi e ve=Vecos t Cuộn dây thứ hai cuộn dây đo, hai đầu cuộn suất sức điện động có biên độ tỉ lệ với vận tốc góc cần đo em = Em cos( e t + Φ) = k Ve cos( e t + Φ) Do Em = k Ve = k’ k số phụ thuộc vào cấu trúc máy Φ: độ lệch pha Khi đo Em xác định 99 Bài 1: Khái niệm bane cảm biến 1.2 Đo vận tốc vòng quay phương pháp quang điện tử 1.2.1 Dùng cảm biến quang tốc độ với đĩa mã hóa Encoder thiết bị phát chuyển động hay vị trí vật Encoder sử dụng cảm biến quang để sinh chuỗi xung, từ chuyển sang phát chuyển động, vị trí hay hướng chuyển động vật thể Hình 4.5: Sơ đồ hoạt động đĩa quang mã hóa Nguồn sáng lắp đặt cho ánh sáng liên tục tập trung xuyên qua đĩa thủy tinh Bộ phận thu nhận ánh sáng lắp mặt cịn lại của đĩa cho nhận ánh sáng Đĩa lắp đặt đến trục động hay thiết bị khác cần xác định vị trí cho trục quay, đĩa quay Khi đĩa quay cho lỗ, nguồn sáng, phận nhận ánh sáng thẳng hàng tín hiệu xung vng sinh Khuyết điểm: cần nhiều lỗ để nâng cao độ xác nên dễ làm hư hỏng đĩa quay 1.2.2 Đĩa mã hóa tương đối Encoder với xung khơng thể phát chiều quay, hầu hết encoder mã hóa có xung thứ lệch pha 90 so với xung thứ nhất, xung xác định thời gian encoder quay vịng Hình 4.6: Sơ đồ thu phát Encoder tương đối 100 Bài 1: Khái niệm bane cảm biến Xung A, xung B xung điểu khiển, xung A xảy trước xung B, trục quay theo chiều kim đồng hồ, ngược lại, xung Z xác định quay xong vịng Hình 4.7: Dạng sóng Encoder xung Gọi Tn thời gian đếm xung, N0 số xung vòng (độ phân giải cảm biến tốc độ, phụ thuộc vào số lỗ), N số xung thời gian Tn n (vòng / phút) = 1.2.3.Đĩa mã hóa tuyệt đối Để khắc phục nhược điểm đĩa mã hóa tương đối nguồn số đềm bị Như cấu ngưng hoạt động vào buổi tối hay bảo trì khi bật nguồn trở lại encoder khơng thể xác định xác vị trí cấu Hình 4.8: Sơ đồ thu phát Encoder tuyệt đối (sử dụng mã Gray) 101 Bài 1: Khái niệm bane cảm biến Đĩa mã hóa tuyệt đối thiết kế để ln xác định vị trí vật cách xác Đĩa encoder tuyệt đối sử dụng nhiều vịng phân đoạn theo hình đồng tâm gồm phân đoạn chắn sáng không chắn sáng - Vòng xác định đĩa quay nằm nửa vòng tròn - Kết hợp vòng với vòng xác định đĩa quay nằm ¼ vịng trịn - Các rãnh cho ta xác định vị trí 1/8, 1/16 vịng trịn Vịng phân đoạn ngồi cho ta độ xác cuối Loại encoder có nguồn sáng thu cho vịng encoder có 10 vịng có 10 nguồn sáng thu, encoder có 16 vịng có 16 nguồn sáng thu Ngồi việc khắc phục nhược điểm đĩa mã hóa tương đối, với đĩa mã hóa tuyệt đối encoder cịn giảm tốc xuống cho encoder quay đủ vòng suốt chiều dài cấu Để đếm đo vận tốc hay vị trí (góc quay), sử dụng mã nhị phân mã Gray Tuy nhiên thực tế có mã Gray sử dụng phổ biến ∗ Xét trường hợp đĩa mã hóa tuyệt đối trường hợp rãnh với mã nhị phân mã Gray  Mã nhị phân Bảng giá trị Mã nhị phân Vùng Vịng Vịng Vịng Góc off off off 0° tới 45° off off on 45° tới 90° off on off 90° tới 135° off on on 135°tới 180° on off off 180°tới 225° on off on 225°tới 270° on on off 270°tới 315° on on on 315°tới 360° Hình 4.9: Đĩa mã hóa tuyệt đối trường hợp rãnh với mã nhị phân Ghi chú: Vùng màu đen qui ước tương ứng với giá trị on (phân đoạn không chắn sáng) 102 Bài 1: Khái niệm bane cảm biến Chiều quay ngược chiều kim đồng hồ (góc quay mang giá trị dương) Vịng (vịng 1): tương ứng với bit MSB Vịng ngồi cùng: tương ứng với bit LSB Một cách tổng quát, có n vịng có số lượng vị trí đối tượng n ví dụ n = số lượng vị trí xác định 23 = Ở ví dụ trên, mã nhị phân tạo đĩa quay, qua xác định vị trí đĩa quay Tuy nhiên thực tế việc đặt vị trí rãnh chắn sáng rãnh cho ánh sáng qua khó mà thực cách hồn hảo Trong vị trí chúng lại định giá trị gõ Ví dụ đĩa chuyển từ vị trí 179,9 tới 180,10 (từ vùng sang vùng 5), tức khắc, theo bảng giá trị 1, có chuyển trạng thái từ off-on-on sang on-off-off Cách thức hoạt động khơng có độ tin cậy, vị thực tế khơng thể có chuyển trạng đồng thời cách hoàn hảo Nếu vị trí vịng chuyển trạng thái trước, đến vịng vịng thực có chuỗi mã nhị phân sau tạo off-on-on (vị trí bắt đầu) on-on-on (đầu tiên, trạng thái vòng lên on) on-on-off (kế đến, trạng thái vòng xuống off) on-off-off (cuối cùng, trạng thái vòng xuống off) Như chuỗi mã nhị phân tạo tương ứng với việc đĩa quay vị trí 4, 8, 7, Trong nhiều trường hợp điều gây nên rắc rối, làm lỗi hệ thống Ví dụ encoder sử dụng cho cánh tay robot, điều khiển cho cánh tay sai vị trí cố gắng thực việc di chuyển 180 để quay vị trí  Mã Gray Để khắc phục vấn đề nêu trên, mã Gray sử dụng Đây hệ thống mã nhị phân có khác mã Gray (chỉ có bit thay đổi trạng thái) Ví dụ bảng giá trị 2, từ vùng chuyển sang vùng có thay đổi từ off sang on vị trí bit đại diện cho vòng Bảng giá trị 103 Bài 1: Khái niệm bane cảm biến Mã Gray Vùng Vịng Vịng Vịng Góc off off off 0° tới 45° off off on 45° tới 90° off on on 90° tới 135° off on off 135°tới 180° on on off 180°tới 225° on on on 225°tới 270° on off on 270°tới 315° on off off 315° ới 360° Hình 4.10: Đĩa mã hóa tuyệt đối trường hợp rãnh với mã Gray Hình 4.11 : Dạng sóng encoder với đĩa mã hóa tuyệt đối (mã Gray) Hình 4.12: Đĩa mã hóa tuyệt đối trường hợp rãnh 104 Bài 1: Khái niệm bane cảm biến a) mã nhị phân b) mã Gray 1.3.Đo vận tốc vòng quay với nguyên tắc điện trở từ 1.3.1 Các đơn vị từ trường định nghĩa  Từ trường Từ trường dạng vật chất tồn xung quanh dịng, hay nói xác xung quanh hạt mang điện chuyển động tính chất từ trường tác dụng lực từ lên dòng điện, lên nam châm  Cảm ứng từ B Về mặt gây lực từ, từ trường đặc trưng vectơ cảm ứng từ B Trong hệ thống đơn vị SI dơn vị cảm ứng từ B T (Tesla) T = 1Wb/m2 = 1V.s/m2 Từ thông Từ thơng gởi qua diện tích dS đại lượng giá trị  Trong đó: - vectơ cảm ứng từ điểm diện tích vectơ có phương vectơ pháp tuyến với diện tích xét, chiều chiều dương pháp tuyến, độ lớn độ lớn diện tích Trong hệ thống đơn vị SI đơn vị từ thông Weber (Wb) Nếu từ thông thay đổi đơn vị thời gian s, điện áp cảm ứng sinh cuộn dây V 1Wb = 1Vs  Cường độ từ trường H Cường độ từ trường H đặc trưng cho từ trường riêng dòng điện sinh khơng phụ thuộc vào tính chất mơi trường đặt dịng điện Trong hệ thống đơn vị SI đơn vị cường độ từ trường H A/m 1.3.2 Cảm biến điện trở từ Cảm biến điện trở từ linh kiện bán dẫn có hai cực, điện trở gia tăng tác động từ trường Trong trường hợp từ trường tác dụng thẳng góc mặt phẳng cảm biến ta có độ nhạy lớn Chiều từ trường khơng ảnh hưởng đến hiệu ứng điện trở từ trường hợp Độ lớn tín hiệu cảm biến điện trở từ không phụ thuộc vào tốc độ quay Khác với trường hợp cảm biến điện cảm, độ lớn tín hiệu quan hệ 105 Bài 1: Khái niệm bane cảm biến trực tiếp với tốc độ quay, địi hỏi thiết bị điện tử phức tạp để thu nhận tín hiệu dải điện áp rộng Ngược lại với cảm biến điện trở từ, tín hiệu hình thành đổi hướng đường cảm ứng từ - bending of magnetic field lines (thay đổi theo vị trí bánh răng) Tín hiệu cảm biến hình thành dù đối tượng khơng di chuyển chậm Hình 4.13: Tín hiệu tạo cảm biến điện trở từ a Cảm biến điện trở từ với vật liệu InSb / NiSb • Hiệu ứng điện trở từ với vật liệu InSb / NiSb Vật liệu bán dẫn InSb với liên kết III – V có độ linh động lớn Trong vật liệu bán dẫn, tác dụng từ trường hướng dịch chuyển điện tích bị lệch góc tg = B Do lệch đoạn đường dịch chuyển electron dài Kết điện trở cảm biến gia tăng tác dụng từ trường Để hiệu ứng sử dụng thực tế, góc cần phải lớn Trong kim loại, góc bé Với germanium góc lệch khoảng 200, Indiumantimon độ linh động electron cao nên góc lệch = 800 với B = 1T 106 Bài 1: Khái niệm bane cảm biến Để tạo đường dịch chuyển electron dài tốt tác dụng từ trường, ngõ có thay đổi điện trở lớn hơn, cảm biến kết cấu hình Nhiều phiến InSb (bề rộng vài ) ghép nối tiếp Giữa Hình 4.14: Kết cấu cảm biến điện trở từ với vật liệu phiến InSb/ NiSb màng kim loại Trong thực tế với kỹ thuật luyện kim người ta tạo kim Nickelantimon nằm bên InSb có chiều song song với hai cực điện Cho mục đích này, NiSb cho vào InSb chảy lỏng qua công đoạn làm nguội vô số kim NiSb hình thành bên InSb Các kim có đường kính khoảng dài 50 Các kim dẫn điện tốt khơng có điện áp nơi Mật độ điện tích phân bố khơng InSb tác dụng từ trường, phân bố phân bố lại kim Như ta có phân bố điện tích nơi khởi đầu vùng giống nơi khởi đầu vùng Điện trở từ coi hàm cảm ứng từ theo cách tính gần RB=R0(1+k ) k số vật liệu có trị số khoảng 0,85 Điện trở cảm biến nằm khoảng 10 -500 Diện tích cắt ngang bán dẫn nhỏ tốt, nhiên chiều rộng nhỏ 80 b Cảm biến điện trở từ với vật liệu permalloy • Hiệu ứng điện trở từ với vật liệu permalloy Một màng mỏng vật liệu sắt từ gọi permalloy (20% Fe, 80% Ni) - Khi khơng có diện từ trường, vectơ từ hóa bên vật liệu nằm song song với dòng điện 107 Bài 1: Khái niệm bane cảm biến - Với từ trường nằm song song với mặt phẳng màng mỏng thẳng góc với dịng điện, vectơ từ hóa quay góc permalloy thay đổi theo Kết điện trở R = R0 + R0 thông số phụ thuộc vào chất liệu permalloy khoảng đến 3% R0 Hình 4.15: Hiệu ứng điện trở từ permalloy Nguyên tắc ứng dụng để đo tốc độ quay góc quay • Tuyến tính hóa đặc tính cảm biến Theo phương trình bậc 2: R = R + điện trở cảm biến điện trở từ khơng tuyến tính (xem đặc tuyến a hình 4.17) Để cảm biến tiện lợi sử dụng tốt đặc tuyến tuyến tính, biện pháp thiết kế tốt điều cần thiết Hiệu ứng điện trở từ tuyến tính hóa cách đặt màng mỏng nhơm gọi (barber poles) lên màng mỏng permalloy với góc 450 so với trục màng mỏng (như hình 4.16) Nhơm có tính chất dẫn điện tốt so với permalloy, barber poles làm thay đổi góc dịng điện 450 Như góc dịng điện Hình 4.16 vectơ từ hóa từ thành( 45 ) Hình 4.17 biểu diễn ảnh hưởng barber poles lên đặc tính cảm biến điện trở từ 108 ... bình thường 41 Bài 1: Khái niệm bane cảm biến Hình 2. 8: Hoạt động cảm biến tiệm cận điện cảm 1.2.3 Phân loại cảm biến tiệm cận điện cảm Cảm biến tiệm cận điện cảm phân làm loại: Shielded (được bảo... với cảm biến tiệm cận điện cảm Điểm khác biệt 47 Bài 1: Khái niệm bane cảm biến chúng cảm biến tiệm cận điện dung tạo vùng điện trường cảm biến tiệm cận điện cảm tạo vùng điện từ trường Cảm biến. .. 60 45 12 Bài 1: Khái niệm bane cảm biến BÀI MỞ ĐẦU: CẢM BIẾN VÀ ỨNG DỤNG Giới thiệu: Cảm biến phần tử có chức tiếp thu, cảm nhận tín hiệu đầu vào dạng đưa tín hiệu dạng khác Cảm biến ứng dụng