Các cảm biến vị trí và dịch chuyển

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ - - BÀI TẬP LỚN MÔN: KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG VÀ CẢM BIẾN Đề tài: Cảm biến đo vị trí dịch chuyển Sinh viên thực hiện: Nhóm – lớp K57M Khoa: Cơ học kỹ thuật tự động hóa Giáo viên hướng dẫn: TS: Nguyễn Ngọc Linh Hà Nội, tháng năm 2015 Nhóm sinh viên thực hiện: Nhóm 8: Mơn kỹ thuật đo lường điều khiển STT Họ tên Trần Như Chí Nguyễn Đăng Dũng Trần Mạnh Linh Vũ Đình Quang Mã sv 12020029 12020062 12020223 12020304 Ngày sinh 25/11/1993 28/2/1994 12/8/1993 06/12/1994 Ghi Nhóm trưởng CẢM BIẾN VỊ TRÍ Lời mở đầu Mơn Kỹ thuật đo lường cảm biến môn quan trọng ngành điện tử Nó giúp chúng em hiểu sâu kỹ thuật đo lường loại cảm biến để ứng dụng trình học làm sau bọn em Do vậy, chúng em định chọn đề tài “Cảm biến vị trí dịch chuyển” Hiện cảm biến vị trí dịch chuyển có ứng dụng lớn đời sống Vậy gì, ngun lý nào, có loại nào? Đề tài bọn em làm rõ vấn đề Em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Ngọc Linh tạo điều kiện giúp đỡ chúng em hoàn thành đề tài Vì kiến thức cịn hạn hẹp làm thời gian ngắn nên không khỏi mắc phải sai sót mong nhận góp ý thầy bạn Em xin chân thành cảm ơn! CẢM BIẾN VỊ TRÍ Mục lục PHẦN I: TỔNG QUAN VỀ CẢM BIẾN VỊ TRÍ VÀ DỊCH CHUYỂN CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CẢM BIẾN VỊ TRÍ VÀ DỊCH CHUYỂN 1.1 Khái niệm cảm biến? 1.2: Cảm biến vị trí dịch chuyển nguyên lý đo 1.3 Một số loại cảm biến vị trí dịch chuyển thơng dụng CHƯƠNG 2: ĐIỆN THẾ KẾ ĐIỆN TRỎ 2.1: Điện dùng chạy học 2.2: Điện không dùng chạy học CHƯƠNG 3: CẢM BIẾN ĐIỆN CẢM 10 3.1 Cảm biến tự cảm 10 3.2 Cảm biến hỗ cảm 13 CHƯƠNG 4: CẢM BIẾN ĐIỆN DUNG 16 4.1: Cảm biến tụ điện đơn 16 4.2: Cảm biến tụ điện kép vi sai 18 4.3: Mạch đo 18 CHƯƠNG 5: CẢM BIẾN QUANG 19 5.1: Cảm biến quang phản xạ 19 5.2: Cảm biến quang soi thấu 20 CHƯƠNG 6: CẢM BIẾN ĐO DỊCH CHUYỂN BẰNG SÓNG ĐÀN HỒI 21 6.1 Nguyên lý đo dịch chuyển 21 6.2 Cảm biến âm từ 21 PHẦN : TÌM HIỂU CẢM BIẾN PR750 23 CHƯƠNG GIỚI THIỆU CHUNG 23 CHƯƠNG 2: HÌNH DÁNG BÊN NGỒI VÀ THÔNG SỐ KỸ THUẬT 23 2.1 Một số hình ảnh PR750 23 2.2 Thông số kỹ thuật 23 CHƯƠNG CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG 24 3.1 Cấu tạo 24 3.2 Nguyên lý hoạt động cảm biến PR750 25 CHƯƠNG ƯU ĐIỂM VÀ ỨNG DỤNG 27 CẢM BIẾN VỊ TRÍ 4.1 Ưu điểm: 27 4.2 Ứng dụng 27 CẢM BIẾN VỊ TRÍ PHẦN I: TỔNG QUAN VỀ CẢM BIẾN VỊ TRÍ VÀ DỊCH CHUYỂN CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CẢM BIẾN VỊ TRÍ VÀ DỊCH CHUYỂN 1.1 Khái niệm cảm biến? Cảm biến thiết bị dung để cảm nhận biến đổi đại lượng vật lý đại lượng khơng có tính chất điện cần đo thành đại lượng điện xử lý Các đại lượng cần đo (m) thường khơng có tính chất điện (như nhiệt độ, áp suất ) tác động lên cảm biến cho ta đặc trưng (s) mang tính chất điện (như điện tích, điện áp, dịng điện trở kháng) chứa đựng thơng tin cho phép xác định giá trị đại lượng đo Đặc trưng (s) hàm đại lượng cần đo (m) : s = F(m) Người ta gọi (s) đại lượng đầu phản ứng cảm biến, (m) đại lượng đầu vào hay kích thích Thơng qua đo đạc (s) cho phép nhận biết giá trị (m) 1.2: Cảm biến vị trí dịch chuyển nguyên lý đo Việc xác địn vị trí dịch chuyển đóng vai trị quan trọng kỹ thuật 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 từ 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 đc 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 đc thực thơng qua vai trị trung gian điện trường từ trường điện từ trường, ánh sáng 1.3 Một số loại cảm biến vị trí dịch chuyển thông dụng - Điện kế điện trở - Cảm biến điện cảm - Cảm biến điện dung CẢM BIẾN VỊ TRÍ - Cảm biến Quang - Cảm biến dùng song đàn hồi CHƯƠNG 2: ĐIỆN THẾ KẾ ĐIỆN TRỎ Loại cảm biến có cấu tạo đơn giản,tín hiệu đo lớn khơng địi hỏi mạch điện đặc biệt để xử lí tín hiệu Tuy nhiên với điện kế điện trở có chạy học có cọ xát gây ồn mịn, số lần sử dụng thấp chịu ảnh hưởng lớn mơi trường có bụi ẩm 2.1: Điện dùng chạy học 2.1.1: 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 chạy 𝑅𝑥 chạy đầu điện trở 𝑅𝑛 hàm phụ thuộc vào vị trí chạy , vị trí vật chuyển động a) - b) Các dạng điện kế 1) Điện trở 2) chạy Đối với điện kế chạy thẳng (hình a): c) 𝑙 𝑅𝑥 = 𝑅𝑛 𝐿 - Trường hợp điện kế dịch chuyển tròn xoắn : 𝛼 𝑅𝑥 = 𝑅𝑛 𝛼𝑀 𝑜 Trong 𝛼𝑀 < 360 dịch chuyển trịn (hình b) 𝛼𝑀 > 360𝑜 dịch chuyển xoắn (hình c) Các điện trở chế tạo có dạng cuộn dây băng dẫn CẢM BIẾN VỊ TRÍ Các điện trở dạng cuộn dây thường 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 thủy tinh, gốm nhựa), vòng dây cách điện emay lớp oxyt bề mặt Các điện trở dạng băng dẫn chế tạo chất dẻo trộn bột dẫn điện cacbon kim loại cỡ hạt ~ 10−2 𝜇𝑚 Các điện trở chế tạo với giá trị 𝑅𝑛 nằm khoảng 1kΩ đến 100 kΩ, đạt tới MΩ Các chạy phải đảm bảo tiếp xúc điện tốt, điện trở tiếp xúc phải nhỏ ổn định 2.1.2: Các đặc trưng - khoảng chạy có ích chạy : Thơng thường đầu cuối đường chạy chạy tỉ số 𝑅𝑥 \𝑅𝑛 khơng ổn định Khoảng chạy có ích khoảng thay đổi x , mà khoảng 𝑅𝑥 hàm tuyến tính dịch chuyển - Năng suất phân giải Đối với điện trở dây quấn, độ xác 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 vịng dây , phân biệt 2n – vị trí khác điện chạy:  n vị trí tiếp xúc với vịng dây  n- vị trí tiếp xúc với hai vịng dây Độ phân giải điện trở dạng dây phụ thuộc vào hình dạng đường kính dây điện trở vào khoảng ~ 10 𝜇𝑚 Độ phân giải điện trở kiểu băng dẫn phụ thuộc vào kích thước hạt , thường vào cỡ 0,1 𝜇𝑚 - 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 , điện kế băng dẫn vào cỡ 5.107 − 108 lần CẢM BIẾN VỊ TRÍ 2.2: Điện không dùng chạy học 2.2.1: Điện kế dùng trỏ quang Điện kế quay dùng trỏ quang 1) Đi ốt phat quang 2) băng đo 3) băng tiếp xúc 4) băng quang dẫn Điện kế tròn dùng trỏ quang gồm điot phat 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 Thời gian hồi đáp vật liệu quang dẫn cỡ vài chục ms 2.2.2: Điện kế dùng trỏ từ Điện kế điện từ Hình a : sơ đồ nguyên lí điện kế điện từ gồm hai từ điện trở 𝑅1 𝑣à 𝑅2 mắc nối tiếp nam châm vĩnh cửu (gắn với trục quay điện kế ) bao phủ lên phần điện trở 𝑅1 𝑣à 𝑅2 , vị trí bị bao phủ phụ thuộc vào góc quay trục Điện áp nguồn 𝐸𝑠 đặt hai điểm , điện áp đo 𝑉𝑚 lấy từ điểm chung (2) hai đầu (1) (3) Khi điện áp xác định cơng thức : CẢM BIẾN VỊ TRÍ 𝑉𝑚 = 𝑅1 𝑅1 + 𝑅2 𝐸𝑠 = 𝑅1 𝑅 𝐸𝑠 Trong 𝑅1 hàm phụ thuộc vị trí trục quay , vị trí xác định phần 𝑅1 chịu ảnh hưởng từ trường , R = 𝑅1 + 𝑅2 = const Hình b : ta nhận thấy điện áp đo tuyến tính khoảng ~ 90𝑜 điện kế quay Đối với điện kế dịch chuyển thẳng khoảng tuyến tính cỡ vài mm CHƯƠNG 3: 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 3.1 Cảm biến tự cảm 3.1.1 Cảm biến tự cảm có khe từ biến thiên Cảm biến tự cảm đơn: hình 4.6 trình bày sơ đồ nguyên lý cấu tạo số loại cảm biến tự cảm đơn Hình 4.6 Cảm biến tự cảm 1)Lõi sắt từ 2) Cuộn dây 3)Phần động 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 có khe hở khơng khí tạo nên mạch hở Sơ đồ hình 4.6a: tác động đại lượng đo 𝑋𝑣 ,phần ứng cảm biến di chuyển, khe hở không khí δ mạch từ thay đổi, làm cho từ trở mạch từ biến thiên, hệ số tự cảm tổng trở cuộn dây thay đổi theo Sơ đồ hình 4.6b: Khi phần ứng quay, tiết diện khe hở khơng khí thay đổi, làm cho từ trở mạch biến thiên, hệ số tự cảm tổng trở cuộn dây thay đổi theo CẢM BIẾN VỊ TRÍ 10 CHƯƠNG 4: CẢM BIẾN ĐIỆN DUNG 4.1: Cảm biến tụ điện đơn Các cảm biến tụ điện đơn tụ điện phẳng hình trụ có trụ gắn cố định (bản cực tĩnh) cực di chuyển (bản cực động) liên kết với vật cần đo Khi cực động di chuyển kéo theo thay đổi điện dung tụ điện Một số cảm biến tụ điện đơn  Cảm biến hình a: tác động đại lượng đo 𝑋𝑉 , cực động di chuyển, khoảng cách cực thay đổi, kéo theo điện dung tụ điện biến thiên 𝜀𝜀 𝑠 C= 𝛿 𝜀 - số điện môi môi trường 𝜀0 - số điện môi chân khơng 𝑠 - diện tích nằm hai điện cực 𝛿 – khoảng cách hai cực  Cảm biến hình b: tác động đại lượng đo 𝑋𝑉 , cực động di chuyển quay ,diện tích cực thay đổi, kéo theo thay đổi điện dung tụ điện C= 𝜀0 𝑠 𝛿 = 𝜀0 𝜋𝑟 360𝛿 𝛼 𝛼 – góc ứng với phần hai cực đối diện  Cảm biến hình c: tác động đại lượng đo 𝑋𝑉 , cực động di chuyển thẳng dọc trục , diện tích cực thay đổi, kéo theo thay đổi điện dung C= 2𝜋𝜀0 𝑙𝑜𝑔(𝑟2/𝑟1) 𝑙 Xét trường hợp tụ điện phẳng , ta có: C= 𝜀𝑠 𝛿 CẢM BIẾN VỊ TRÍ 16 dC = 𝜕𝑐 𝜕𝜀 𝜕𝑐 𝜕𝑐 𝜕𝑠 𝜕𝛿 d𝜀+ ds+ d𝛿 đưa dạng sai phân ta có: 𝑠 𝜀 𝜀 𝑠 ∆𝐶 = ∆𝜀 + ∆𝑠 - 0 𝛿0 (𝛿0 +∆𝛿)2 𝛿0 ∆𝛿 - khoảng cách hai cực thay đổi ( 𝜀 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡 s = const) , độ nhạy cảm biến : ∆𝐶 𝑆𝐶𝛿 = = - ∆𝛿 𝜀0 𝑠0 (𝛿0 +∆𝛿)2 ∆𝛿 diện tích cực thay đổi (𝜀 = const 𝛿 = const), độ nhạy cảm biến : - 𝑆𝐶𝑠 = ∆𝐶 ∆𝑆 𝜀0 = 𝛿0 số điện môi thay đổi (s= const 𝛿 = const ), độ nhạy cảm biến là: - 𝑆𝐶𝜀 = ∆𝐶 ∆𝜀 = 𝑠0 𝛿0 Nếu xét đến dung kháng : Z= dZ = 𝜔𝐶 𝜕𝑍 𝜕𝜀 = 𝛿 𝜔𝜀𝑠 𝑑𝜀 + 𝜕𝑍 𝜕𝑆 𝑑𝑠 + 𝜕𝑍 𝜕𝛿 𝑑𝛿 Đưa dạng sai phân : ∆Z = - 𝛿0 𝜔𝑆0 (𝜀0 +∆𝜀)2 ∆𝜀 - 𝛿0 𝜔𝜀0 (𝑆0 +∆𝑆)2 ∆𝑠 + 𝜔𝜀0 𝑆0 ∆𝛿 Ta có độ nhạy cảm biến theo dung kháng : Khi số điện môi thay đổi: 𝑆𝐶𝜀 = - 𝛿0 𝜔𝑆0 (𝜀0 +∆𝜀)2 Khi diện tích cực thay đổi: 𝑆𝐶𝑠 = - 𝛿0 𝜔𝜀0 (𝑆0 +∆𝑆)2 Khi khoảng cách hai cực thay đổi : CẢM BIẾN VỊ TRÍ 17 𝑆𝐶𝛿 = 𝜔𝜀0 𝑆0 Từ biểu thức ta rút ra: - - Biến thiên điện dung cảm biến tụ điện, hàm tuyến tính diện tích cực số điện môi thay đổi , phi tuyến khoảng cách hai cực thay đổi Biến thiên dung kháng cảm biến tụ điện hàm tuyến tính khoảng cách hai cực thay đổi , phi tuyến khi diện tích cực số điện môi thay đổi 4.2: Cảm biến tụ điện kép vi sai Cảm biến tụ kép vi sai Tụ kép vi sai có khoảng cách cực biến thiên dịch chuyển thẳng (hình a) có diện tích cực biến thiên dịch chuyển quay (hình b) dịch chuyển thẳng (hình c) gồm cực Bản cực động 𝐴1 dịch chuyển hai cực cố định 𝐴2 𝐴3 tạo thành với hai cực hai tụ điện có điện dung 𝐶21 𝐶31 biến thiên ngược chiều Độ nhạy độ tuyến tính tụ kép vi sai cao tụ đơn lực tương hỗ cực triệt tiêu lẫn ngược chiều 4.3: Mạch đo Thông thường mạch đo dùng với cảm biến điện dung mạch cầu không cân cung cấp dòng xoay chiều Mạch đo cần thỏa mãn yêu cầu sau: - Tổng trở đầu vào tức tổng trở đường chéo cầu phải thật lớn - Các dây dẫn phải bọc kim loại , để tránh ảnh hưởng điện trường - Không mắc điện trở song song với cảm biến CẢM BIẾN VỊ TRÍ 18 - Chống ẩm tốt Mạch đo dùng với cảm biến tụ điện Hình a : sơ đồ mạch cầu dùng cảm biến tụ kép vi sai với hai điện trở cung cấp cho mạch cầu máy phát tần số cao Hình b : sơ đồ mạch cầu biến áp với hai nhánh tụ điện CHƯƠNG 5: CẢM BIẾN QUANG Các cảm biến đo vị trí dịch chuyển theo phương pháp quang học gồm nguồn phát ánh sáng kết hợp với đầu thu quang (thường tế bào quang điện) Tùy theo cách bố trí đầu thu quang , nguồn phát thước đo (hoặc đối tượng đo ) , cảm biến chia : - Cảm biến quang phản xạ Cảm biến quang soi thấu 5.1: Cảm biến quang phản xạ Cảm biến quang phản xạ 1- Nguồn phát, – thước đo, 3- đầu thu quang Cảm biến quang phản xạ hoạt động theo nguyên tắc dọ phản quang : đầu thu quang đặt phía với nguồn phát , tia sáng từ nguồn phát qua thấu kính hội tụ đập CẢM BIẾN VỊ TRÍ 19 tới thước đo chuyển động vật khảo sát, thước có vạch chia phản quang không phản quang tia sáng gặp phải vạch chia phản quang bị phản xạ trở lại đầu thu quang Cảm biến loại dọi phản quang , không cần dây nối qua vùng cảm nhận, cự li cảm nhận thấp chịu ảnh hưởng ánh sáng từ nguồn sáng khác 5.2: Cảm biến quang soi thấu a)Sơ đồ cấu tạo cảm biến quang soi thấu b) tín hiệu 1-nguồn sáng, 2- thấu kính hội tụ, 3- thước đo 4- lưới chia, 5- tế bào quang điện,6- mã chuẩn Cảm biến quang soi thấu gồm nguồn phát sáng , thấu kính hội tụ, lưới chia kích quang phần tử thu quang (thường tế bào quang điện ) Khi thước đo (gắn với đối tượng khảo sát , chạy thấu kính hội tụ lưới chia) có chuyển động tương đối so với nguồn sáng làm xuất tín hiệu ánh sáng hình sin Tín hiệu thu tế bào quang điện đặt sau lưới chia Các tín hiệu đầu cảm biến khuếch đại tạo xung điện tử tạo thành tín hiệu xung dạng chữ nhật Các tế bào quang điện bố trí thành hai dãy đặt lệch phần tư độ chia nên ta nhận hai tín hiệu lệch pha 90 độ, nhờ khơng xác định độ dịch chuyển mà biết chiều chuyển động Để khôi phục điểm gốc trường hợp điện nguồn người ta trang bị thêm mốc đo chuẩn thước đo Ưu điểm cảm biến soi thấu cự li cảm nhận xa, có khả thu tín hiệu mạnh tỉ số độ tương phản sáng tối lớn, nhiên có hạn chế khó bố trí chỉnh thẳng hàng nguồn phát đầu thu CẢM BIẾN VỊ TRÍ 20 CHƯƠNG 6: CẢM BIẾN ĐO DỊCH CHUYỂN BẰNG SÓNG ĐÀN HỒI 6.1 Nguyên lý đo dịch chuyển Tốc độ truyền sóng đàn hồi v chất rắn ~10^3 m/a Thời gian truyền sóng hai điểm vật rắn cách khoảng đc xác đinh: t=1/v Biết tốc độ truyền sóng v thời gian truyền sóng t ta xác định đc khoảng cách cần I đo: I=vt Sơ đồ khối thiết bị: Thời gian truyền sóng t từ tín hiệu xuất máy phát đến đc tiếp nhận máy thu đc đo máy đếm xung Máy đếm hoạt động bắt đầu phát sóng đóng lại tín hiệu đến máy thu Số xung đếm đc N chu kì xung đếm t’, ta có: t=Nt’ Khi đó: I= vNt’ 6.2 Cảm biến âm từ Sóng đàn hồi phát nhờ sử dụng hiệu ứng Widemam : tượng xoắn ống trụ sắt từ chịu tác dụng đồng từ trường học từ trường ngang Sóng đàn hồi đc thu sở sử dụng hiệu ứng Vilari : Sức căng học làm thay đổi khả từ hóa độ từ thẩm cuẩ vật liệu sắt từ Sơ đồ nguyên lý cấu tạo cảm biến âm từ : CẢM BIẾN VỊ TRÍ 21 Máy phát cung cấp xung điện truyền qua dây dẫn, xung truyền với tốc độ ánh sáng, từ trường sinh có đường sức đường trịn đồng tâm với trục ống Khi sóng điện từ truyền đến vị trí nam châm, kết hợp hai từ trường làm cho ống bị xoắn cục bộ, xoắn cục truyền ống dạng sóng đàn hối với vận tốc v Kho sóng đàn hồi đến máy thu làm thay đổi độ từ hóa gây nên tín hiệu hồi đáp Gọi t thời gian từ phát xung hỏi đến nhận đc xung hồi đáp, v