ĐO LƯỜNG VÀ CẢM BIẾN CHƯƠNG 2: CẢM BIẾN ĐO VỊ TRÍ DỊCH CHUYỂN GVHD: Thạc sĩ Phạm Xuân Hổ Lớp thứ 7 Tiết (1-3) T.P Hồ Chí Minh, tháng 11 năm 2019 ________________________________________ Chương 2 ĐO DỊCH CHUYỂN MỤC ĐÍCH CHƯƠNG 3 2.1 GIỚI THIỆU 4 2.2 CẢM BIẾN ĐIỆN TRỞ 5 2.2.1 Nguyên lý 5 2.2.3 Phân loại biến trở 9 2.2.4 Sai số trong biến trở dây quấn 12 2.2.5 Mạch đo 13 2.3 CẢM BIẾN ĐIỆN CẢM 15 2.3.1 Lõi sắt di chuyển trong cuộn dây 15 2.3.2 Ưu điểm và Nhược điểm: 18 2.3.3 Ứng dụng 18 2.4 CẢM BIẾN ĐIỆN DUNG 18 2.4.1 Thay đổi khoảng cách 19 2.4.2 Thay đổi tiết diện thực 22 2.4.3 Thay đổi điện môi 24 2.5 BIẾN ÁP VI SAI (LVDT) 28 2.5.1 Cấu tạo 28 2.5.2 Nguyên lý hoạt động 30 2.5.3 Ưu điểm và nhược điểm: 32 2.5.4 Ứng dụng 32 2.5.3 DC-LVDT 33 2.5.4 Đặc điểm của LVDT 35 2.6 CẢM BIẾN TỪ 37 2.6.1 Cảm biến Hall 38 2.6.2 Cảm biến điện trở từ 44 MỤC ĐÍCH CHƯƠNG Trình bày được nguyên lý đo dịch chuyển dùng điện thế kế điện trở dây quấn (biến trở) dạng dịch chuyển thẳng. Hiểu nguyên lý hoạt động của biến trở dây kéo do dịch chuyển. Hiểu nguyên lý hoạt động của cảm biến đo dịch chuyển dùng điện cảm và cách xác định điện cảm theo sự dịch chuyển. Giải thích được quan hệ giữa điện áp ra và sự dịch chuyển là tuyến tính khi sử dụng mạch cầu Wheatstone đối với trường hợp điện cảm mắc vi sai. Hiểu được phương pháp đo dịch chuyển dùng điện dung ứng với từng trường hợp thay đổi khoảng cách, tiết diện, điện môi. Trình bày được cấu tạo và nguyên lý hoạt động của biến áp vi sai đo dịch chuyển LVDT. Trình bày được nguyên lý hoạt động của cảm biến Hall đo dịch chuyển. Hiểu nguyên lý hoạt động của cảm biến điện trở từ bán dẫn và điện trở từ kim loại.
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH MƠN HỌC : ĐO LƯỜNG VÀ CẢM BIẾN CHƯƠNG 2: CẢM BIẾN ĐO VỊ TRÍ DỊCH CHUYỂN GVHD: Thạc sĩ Phạm Xuân Hổ Lớp thứ Tiết (1-3) T.P Hồ Chí Minh, tháng 11 năm 2019 Chương ĐO DỊCH CHUYỂN MỤC ĐÍCH CHƯƠNG 2.1 GIỚI THIỆU 2.2 CẢM BIẾN ĐIỆN TRỞ5 2.2.1 Nguyên lý 2.2.3 Phân loại biến trở 2.2.4 Sai số biến trở dây quấn 12 2.2.5 Mạch đo 13 2.3 CẢM BIẾN ĐIỆN CẢM 15 2.3.1 Lõi sắt di chuyển cuộn dây 15 2.3.2 Ưu điểm Nhược điểm: 18 2.3.3 Ứng dụng 18 2.4 CẢM BIẾN ĐIỆN DUNG 18 2.4.1 Thay đổi khoảng cách .19 2.4.2 Thay đổi tiết diện thực 22 2.4.3 Thay đổi điện môi 24 2.5 BIẾN ÁP VI SAI (LVDT) 28 2.5.1 Cấu tạo .28 2.5.2 Nguyên lý hoạt động .30 2.5.3 Ưu điểm nhược điểm: 32 2.5.4 Ứng dụng 32 2.5.3 DC-LVDT 33 2.5.4 Đặc điểm LVDT .35 2.6 CẢM BIẾN TỪ 37 2.6.1 Cảm biến Hall 38 2.6.2 Cảm biến điện trở từ 44 MỤC ĐÍCH CHƯƠNG Trình bày nguyên lý đo dịch chuyển dùng điện kế điện trở dây quấn (biến trở) dạng dịch chuyển thẳng Hiểu nguyên lý hoạt động biến trở dây kéo dịch chuyển Hiểu nguyên lý hoạt động cảm biến đo dịch chuyển dùng điện cảm cách xác định điện cảm theo dịch chuyển Giải thích quan hệ điện áp dịch chuyển tuyến tính sử dụng mạch cầu Wheatstone trường hợp điện cảm mắc vi sai Hiểu phương pháp đo dịch chuyển dùng điện dung ứng với trường hợp thay đổi khoảng cách, tiết diện, điện mơi Trình bày cấu tạo nguyên lý hoạt động biến áp vi sai đo dịch chuyển LVDT Trình bày nguyên lý hoạt động cảm biến Hall đo dịch chuyển Hiểu nguyên lý hoạt động cảm biến điện trở từ bán dẫn điện trở từ kim loại 2.1 GIỚI THIỆU Cảm biến dịch chuyển thường dùng để đo lường điều khiển vị trí, dịch chuyển vật hay thiết bị Ngõ cảm biến xuất tín hiệu biến đổi theo thay đổi vị trí dịch chuyển vật Thơng thường, cảm biến vị trí/dịch chuyển (dạng chuyển động thẳng quay) ứng dụng ngành công nghiệp, sản xuất hệ thống điều khiển xe hơi, tàu… với nhiều chủng loại, kiểu dáng, thiết kế khác tùy thuộc vào mục đích ứng dụng Bảng 2.1: So sánh đặc tính nguyên lý đo vị trí, dịch chuyển Đặc tính Dải đo Điện trở Điện cảm Điện dung LVDT 2,5 ~ 500mm ** * * ** * * 5~ 1000mm *** *** *** ** ** *** 0,25 ~ 250mm *** **** **** ** ** **** 0,25 ~ 10mm *** *** **** ** ** ** Độ xác Độ phân giải Độ lặp lại, độ trễ Độ tuyến tính Đáp ứng động Dung sai nhiệt độ Chống va đập, ** *** **** rung động Khả chịu **** * **** tải học Tuổi thọ, độ tin * ** *** **** cậy thời gian dài Dạng tiếp xúc Có Khơng Khơng Khơng Chi phí Thấp Thấp Vừa Vừa Độ phức tạp Thấp Vừa Cao Vừa mạch đo Chú thích : **** Rất tốt, *** Tốt, ** Khá, * Trung Bình, - Kém Cảm biến từ 1~ 500mm * * * ** *** ** * Khơng Thấp Thấp Ngồi , để phát có hay khơng có vật thể qua vùng xác định, người ta dùng loại cảm biến khác gọi cảm biến tiệm cận (proximity sensor) Các nguyên lý cảm biến tiệm cận kể đến : dùng từ trường (điện cảm) , dùng điện trường (điện dung) dùng nguyên lý quang (tiệm cận quang) Mặc dù ngun lý đo vị trí, dích chuyển áp dụng cho chuyển động dạng quay, nhiên phạm vi công nghiệp ứng dụng dân dụng, phổ biến dạng chuyển động thẳng với phạm vi đo từ vài milimét đến vài mét Việc chọn cảm biến thường dựa vào ba yếu tố : - Đặc tính kỹ thuật - Tính kinh tế giá cả, chi phí vận hành bảo dưỡng - Đặc tính ngồi vỏ bộc, kết nối, ảnh hưởng môi trường Các nguyên lý phổ biến cảm biến đo vị trí, dịch chuyển dạng thẳng bao gồm dùng điện trở, điện cảm, điện dung, biến áp vi sai (LVDT), từ trường So sánh đặc tính chung nguyên lý trình bày bảng 2.1 Trong phần tiếp theo, nguyên lý số loại cảm biến đo vị trí, dịch chuyển phổ biến kể trình bày cụ thể 2.2 CẢM BIẾN ĐIỆN TRỞ 2.2.1 Nguyên lý Hình 2.1 : Nguyên lý cảm biến đo vị trí, dịch chuyển dùng điện trở Cảm biến điện trở đo vị trí, dịch chuyển thực chất điện kế điện trở (phổ biến điện trở dây quấn) với tiếp điểm trượt dây quấn chạy gắn với chuyển động cần đo hình 2.1 a Khi chuyển động làm chạy dịch chuyển, điện trở ngõ cảm biến thay đổi cách tuyến tính theo khoảng dịch chuyển Nối cảm biến vào mạch đo, ta hiển thị kết đo dùng để điều khiển đối tượng khác Hình 2.1b mơ tả dạng khác cảm biến với chuyển động cần đo dạng chuyển động xoay Hình dạng thực tế điện kế đo vị trí, dịch chuyển phong phú đa dạng tùy theo hãng chế tạo, mục đích sử dụng… Hình 2.2 cho thấy tiêu biểu số loại điện kế đo dịch chuyển hãng Honeywell, hình 2.3 ứng dụng phổ biến điện kế biến trở cần điều khiển (joystick potentiometer) Dạng cần điều khiển biến trở có loại điều khiển chiều hai chiều tùy theo phạm vi ứng dụng Hình 2.2: Một số dạng biến trở đo dịch chuyển hãng Honeywell (a) Cần điều khiển chiều (b) Cần điều khiển hai chiểu Hình 2.3: Cần điều khiển dùng biến trở điều khiển chiều hai chiều Đối với dạng dịch chuyển thẳng, điện trở liên hệ với khoảng dịch chuyển theo dạng: =ρ (2.1) đó, x chiều dài dây điện trở khoảng dịch chuyển, ρ điện trở suất, S tiết diện dây Tương tự, điện trở toàn biến trở R là: R=ρ với D chiều dài biến trở Lập tỉ số điện trở trên, ta có: = hay = (2.2) R (2.3) Nhìn vào cơng thức này, ta nhận thấy điện trở R chiều dài D biến trở số nên điện trở ngõ cảm biến phụ thuộc tuyến tính theo khoảng dịch chuyển x 2.2.2 Đặc điểm chung Cảm biến đo vị trí, dịch chuyển dùng biến trở có số đặc điểm chung như: - Điện trở cảm biến thay đỏi theo vị trí chạy dịch chuyển thẳng theo góc xoay dịch chuyển trịn - Độ phân giải cao khoảng 2000 vòng/inch tương đương khoảng 0,01 mm loại điện trở dây quấn, đạt khoảng 0,001 mm loại điện trở màng - Khoảng dịch chuyển có từ vài milimmét đến vài mét tùy loại tùy hãng chế tạo - Điện áp rat hay đổi từ 0V đến giá trị nguồn cung cấp Ưu điểm Không cần phải dùng phương pháp đặc biệt để điểu chế, gia cơng tín hiệu ngõ Đo dịch chuyển thẳng, quay, góc Có vài khả đo dịch chuyển lớn ( hay 20 vòng, khoảng cách vài mét) Cấu trúc hoạt động đơn giản, dễ hiểu, dễ lắp đặt, giá rẻ, xác, tuyến tính, độ nhạy tốt Hoạt động tốt dải nhiệt độ rộng, có dải điện trở thay đổi lớn (10Ω ~ 1MΩ) Có sẳn nhiều chủng loại để lựa chọn Nhược điểm Tiếp điểm mòn dần chạy chạy trượt vòng dây Nhiễu tiếp điểm đầu nối dây nhiều có điện trở Thời gian sử dụng nhiều, độ xác giảm Trong trình sử dụng, bụi bẩn bám vào thiết bị gây sai số điện trở sai số điện áp Đáp ứng động trục chạy có qn tính, phù hợp với đo lường trạng thái tĩnh không cần đáp ứng với tần số cao Tiếp điểm di chuyển q nhanh làm tiếp xúc khơng tốt dẫn đến tín hiệu ngõ bị ngắt quãng, không liên tục Lực ma sát tiếp điểm vịng dây cản trở chuyển động cần đo 2.2.3 Phân loại biến trở (a) Dạng màng điện trở (b) Dạng dây trượt Hình 2.4: Cảm biến dịch chuyển biến trở dạng màng dạng dây trượt Có nhiều loại cảm biến dịch chuyển dùng biến trở loại dây điện trở quấn (wire wound), màng carbon (cacbon film), màng kim loại (metal film), màng chất dẻo (plastic film), gốm kim loại (cermet), dây trượt (slide wire)… Những loại dùng để thiết kế thành biến trở dạng dịch chuyển thẳng (linear) dạng xoay (rotary) đơn/đa vịng (single/multi-turn), thơng thường biến trở dạng màng có độ phân giải độ xác cao so sánh với biến trở dạng dây quấn Hình 2.4 mơ tả loại biến trở dạng màng nói chung biến trở dạng dây trượt Loại dây trượt Loại biến trở đơn giản số kể loại dây trượt Loại có cấu tạo đơn giản đoạn dây điện trở thẳng, nguồn điện áp cấp thẳng vào hai đầu đoạn dây Một chạy di chuyển dọc theo dây điện trở để lấy tín hiệu điện áp Loại màng carbon Loại cảm biến màng carbon tạo thành từ màng mỏng làm hỗn hợp carbon dạng đất sét đặt lớp cách điện thường nhựa phenol Loại thường sử dụng phổ biến giá thành rẻ mà độ phân giải tốt loại dây quấn, nhiên tuổi thọ mức độ chống chịu mức trung bình Loại màng kim loại Biến trở màng kim loại cấu tạo gồm lớp điện trở tạo thành từ bột kim loại không dẫn điện hoàn toàn (thường hợp kim Nichrome= Nickel+Chrome) phun lên bề mặt chất tạo thành lớp màng điện trở mà chạy trượt lên Giá trị điện trở kiểm soát việc tăng độ dày màng Loại biến trở có độ ổn định nhiệt độ độ xác tốt màng carbon nhiễu thấp Loại gốm kim loại Biến trở dạng gốm kim loại (cermet) chế tạo từ hỗn hợp vật liệu gốm kim loại (ceramic+metal=cermet) nung bề mặt để tạo thành lớp điện trở bền cứng Gốm kim loại kết hợp đặc tính gốm có độ cứng điện trở nhiệt độ cao đặc tính kim loại chịu đựng biến dạng Kim loại thông thường sử dụng Nickel, Cobalt, thể tích kim loại hỗn hợp thường 20% Loại dây quấn Loại cảm biến cấu tạo gồm nhiều vòng dây điện trở (cũng thường làm vật liệu Nichrome, NiCr) quấn quanh lõi vật liệu cách điện/ từ ví dụ plastic, ceramic, sợi thủy tinh Các vòng dây gắn chặt sát chất kết dính, bên vịng dây có tiếp điểm trượt tiếp xúc liên tiếp với vịng dây Vì cấu tạo nên độ phân giải loại cảm biến phụ thuộc vào kích thước dây quấn Dây quấn nhỏ cho nhiều vòng quấn dẫn đến nhiệt độ phân giải nhỏ Loại màng chất dẻo Loại cấu tạo từ vật liệu chất dẻo dẫn điện (có đặc tính điện trở kiểm sốt xác) đúc thành lớp màng gắn cố định lên lớp cách điện Độ phân giải loại tốt loại dây quấn, tuổi thọ cao, nhiễu thấp, chống xâm thực tốt Ưu điểm nhược điểm loại biến trở trình bày tóm tắt bảng 2.2 bên Ưu điểm 10 ... cảm biến đo vị trí, dịch chuyển phổ biến kể trình bày cụ thể 2. 2 CẢM BIẾN ĐIỆN TRỞ 2. 2.1 Nguyên lý Hình 2. 1 : Nguyên lý cảm biến đo vị trí, dịch chuyển dùng điện trở Cảm biến điện trở đo vị trí, ... Cảm biến dịch chuyển thường dùng để đo lường điều khiển vị trí, dịch chuyển vật hay thiết bị Ngõ cảm biến xuất tín hiệu biến đổi theo thay đổi vị trí dịch chuyển vật Thơng thường, cảm biến vị trí/ dịch. . .Chương ĐO DỊCH CHUYỂN MỤC ĐÍCH CHƯƠNG 2. 1 GIỚI THIỆU 2. 2 CẢM BIẾN ĐIỆN TRỞ5 2. 2.1 Nguyên lý 2. 2.3 Phân loại biến trở 2. 2.4 Sai số biến trở dây quấn