B. nội dung
3.2.1.Giới thiệu chung về cảm biến vận tốc từ
Một cảm biến vận tốc từ tính được sử dụng một từ trường đến cảm giác của một cách tiếp cận mục tiêu kim loại đen, mà có thể là một bánh răng, lưỡi quạt, lưỡi cánh quạt, bánh xe, nói,... các bộ cảm biến vận tốc từ sẽ phát hiện sự hiện diện hoặc vắng mặt của mục tiêu. Biên độ tín hiệu sẽ thay đổi nhanh như thế nào với mục tiêu là chuyển động, làm thế nào các cảm biến vận tốc từ có
thể tiếp sức tốc độ. Khi tìm hiểu về cảm biến vận tốc từ người ta thấy rằng: Có một số công nghệ khác nhau được sử dụng cho một cảm biến vận tốc từ tính.
Trong đó, cơ bản nhất là miễn cưỡng cảm ứng biến tốc độ, mà sẽ cung cấp
một đầu ra sóng sin. Tuy nhiên, cũng có một số sử dụng nhiều công nghệ tinh vi, như một cảm biến vận tốc khuếch đại từ, một hiệu ứng Hall cảm biến hoặc một bộ cảm biến từ điện trở, trong đó cung cấp cho người sử dụng với một đầu ra sóng kĩ thuật số vuông.
3.2.2. Nguyên tắc hoạt động: Miễn cưỡng cảm ứng biến
Biến miễn cưỡng (VR) cảm biến cung cấp một giải pháp duy nhất cho một vấn đề về đo lường nhiều hệ thống bằng cách cung cấp một thiết bị không biến chứng, chính xác, đáng tin cậy, tớnh linh hoạt.
Một bộ cảm biến miễn cưỡng bao gồm một vết thương uốn lượn xung quanh một vật liệu từ tính hình trụ, thường được làm bằng một vật liệu sắt từ được gọi là mảnh cực. Một nam châm được gắn đằng sau mảnh cực quanh co. Lĩnh vực này từ dự án phía trước mảnh cực, còn được gọi là mũi cảm biến. Khi vật liệu sắt đi qua và gây gián đoạn từ trường, điện (một làn sóng sin) được tạo ra. Chúng là các thiết bị thụ động và không yêu cầu bất kỳ nguồn bên ngoài của quyền lực để tạo ra một tín hiệu.
Vì vậy, khi mũi cảm biến được đặt gần một thiết bị di chuyển hoặc xoay làm bằng kim loại đen như một bánh hoặc cánh quạt, một kĩ thuật đơn giản để đo tốc độ quay là tạo ra, tần số của tín hiệu tỉ lệ thuận với tốc độ quay. Biên độ của tín hiệu ảnh hưởng bởi tốc độ luân chuyển, vật liệu đang được cảm nhận khoảng cách, được gọi là khoảng cách không khí ''giữ mũi cảm biến và đối tượng luân phiên''.
Tóm lại, cảm biến chuyển đổi miễn cưỡng biến chuyển động cơ học thành năng lượng điện mà không cần liên hệ trực tiếp khi vị trí gần một cánh quạt quay, bánh, trục hoặc khác thường xuyên di chuyển thiết bị. Tín hiệu đầu ra có thể đưa vào một truy cập kỹ thuật số, totailizer, tương tự chuyển đổi,
tachometer, overspeed hoặc underspeed kiểm soát, Oscilloscope, hoặc giám sát khác và các thiết bị điều khiển. Cảm biến này cung cấp một cách đơn giản,
đáng tin cậy không tốn kém cho hệ thống điều khiển rất tinh vi.
3.2.3. Thiết kế cảm biến vận tốc từ
Một biến miễn cưỡng (VR) từ bộ cảm biến tốc độ bao gồm nhiều yếu tố, gồm các cuộn dây và nam châm quanh co. Do kích thước của bộ cảm biến tốc độ từ tính, dây điện từ được sử dụng là rất tốt (38-44 AWG) và đòi hỏi
phải sử lý đặc biệt. Hầu hết các nhà sản xuất âm lượng cao của cảm biến tốc độ từ trường có tự động hoá quá trình này, tuy nhiên do các yêu cầutựy chỉnh nó thường là cần thiết và hiệu quả hơn để xây dựng các bộ cảm biến bằng tay. Thiết bị cảm ứng chuyển động sử dụng một sự kết hợp các phương pháp tuỳ thuộc vào thiết kế cấu hình và âm lượng.
Các VR cảm biến tốc độ từ trường cũng bao gồm một nam châm. Magnet lựa chọn dựa trên hình học của cảm biến gauss sức mạnh mong muốn, được điều khiển bởi những tải airgap và các yêu cầu cường độ tín hiệu, cũng như các vấn đề kéo tiềm năng (thường trong ''thấp dòng chảy'' tuabin flowmeterring ứng dụng.
Hỡnh 3.5 : Cảm biến vận tốc từ
Có những chi tiết kỹ thuật cần xem xét lựa chọn các cảm biến tốc độ từ trường để đảm bảo rằng sức mạnh là tín hiệu mong muốn đạt được. Điều này
sẽ phụ thuộc một phần sau khi cân nhắc áp dụng, không chỉ các cảm biến tốc độ từ, cho airgap, (VD: khoảng cách giữa phía trước và cảm biến các mục tiêu), mục tiêu hình học bánh, số lượng răng mục tiêu, mục tiêu vật chất, và tốc độ mà ở đó nó đang chuyển động.
Ngoài ra, các tiêu chuẩn khác như nguồn tiếng ồn bên ngoài mà có thể gây trở ngại cho đầu ra cảm biến tốc độ cần được xem xét để đạt được hiệu quả tối ưu.
3.2.4. ứng dụng cân nhắc
Cảm biến tốc độ từ thường được kết hợp vào tachometers hoặc sử dụng như là bộ cảm biến tốc độ bao gồm ôtô flowmetering tuabin, hàng không vũ trụ, đường sắt và vận chuyển quá cảnh. Mỗi ngành công nghiệp có đặc trưng riêng biệt và yêu cầu của nó. Nhiều lần, bộ cảm biến tốc độ được sử dụng trong ngành ôtô sẽ được epoxy đóng gói, trong khi những người trong ngành hàng không vũ trụ có thể được hermetically kín để chống ẩm và điều kiện môi trường. Trong các ứng dụng như đường sắt và ngành công nghiệp vận chuyển quá cảnh, cảm biến vận tốc từ tính là mọi trường gắn trên mặt dưới của chiếc xe đường sắt. Do đó, nó được thiết kế với dây cáp đặc biệt và ống để bảo vệ các cảm biến từ thiệt hại. Khám phá các loại cảm biến tốc độ từ.
3.3. Cảm biến vận tộc quay xe đường sắt
Rất nhiều hệ thống phụ trong một chiếc xe đường sắt, như một xe lửa hoặc nhiều đơn vị, phụ thuộc vào một tín hiệu đáng tin cậy và chính xác tốc độ quay, trong một số trường hợp như một thước đo tốc độ hoặc thay đổi tốc độ. Điều này áp dụng cụ thể để kiểm soát lực kéo, mà còn để bảo vệ trượt bánh xe, đăng ký, quản lý đào tạo, kiểm soát cửa v.v. Những công cụ này được thực hiện bởi một số cảm biến tốc độ quay có thể được tìm thấy trong bộ phận khác nhau của xe.
Trong quá khứ, cảm biến cho mục đích này thường không hoạt động tốt hay không đủ đáng tin cậy đã tăng tới lỗi xe. Điều này đặc biệt là trường hợp
cho chủ yếu là các bộ cảm biến tương tự sớm, nhưng các mô hình kỹ thuật số cũng bị ảnh hưởng.
Điều này đã được chủ yếu do các điều kiện hoạt động vô cùng khắc nghiệt gặp phải trong các phương tiện đường sắt. Các tiêu chuẩn có liên quan xác định các tiêu chuẩn kiểm tra chi tiết, nhưng trong hoạt động thực hiện các điều kiện thường gặp phải nhiều hơn cùng cực (như sốc, rung động và khả năng tương thích đặc biệt là điện từ (EMC)).
3.4. Cảm biến KM116
Cảm biến này hoạt động bằng cách phát hiện những thay đổi trong một từ trường khi di chuyển một vật liệu sắt qua nó. Ví dụ, một bánh xe có răng đi qua một từ trường sẽ gây ra cảm biến phát hiện một sự thay đổi mỗi khi đi ngang qua một chiếc răng. Điều này có nghĩa là các bộ cảm biến có thể làm việc một cách chính xác phải xuống rất thấp, tốc độ quay. Các tín hiệu điện tử điều này làm sạch tín hiệu và tạo ra một xung kỹ thuật số khác biệt về đầu ra 5V cho mỗi thay đổi sao cho tần số của tín hiệu tỷ lệ thuận với tốc độ quay của bánh xe. Ngược lại, cảm biến hiệu ứng cảm có mức sản lượng tỷ lệ thuận với tốc độ của đối tượng luân phiên và do đó không phải là rất chính xác ở tốc độ chậm. Ngoài ra, sản lượng có thể khác nhau từng miliVolts nhiều, đòi hỏi phải có thêm thiết bị điện tử này để biến thành một tín hiệu có thể sử dụng. Một ưu điểm khác quan trọng hơn cảm biến hiệu ứng Hall là cảm biến MR Philips Semciconductors không phải là áp lực nhạy cảm và do đó có thể tiêm moulded để hình thành tiểu điền hội đồng có chứa các thiết bị điện tử và điện từ. Cách tiếp cận hệ thống hoàn chỉnh làm cho nó rất dễ dàng để thiết kế và cài đặt như cấu hình của nam châm và bộ cảm biến được thực hiện đã được. Ngoài ra, còn rất nhiều ứng dụng của cảm biến vận tốc trong các lĩnh vực khác nhau như: Trong lĩnh vực hàng không cảm biến dùng để xác định độ nghiêng của máy bay, trong lĩnh vực quân sự cảm biến dùng để xác định khả năng bay xa và định hướng chính xác và sử dụng trong lĩnh vực giả trí [3].
3.5. Các hướng nghiên cứu và ứng dụng của cảm biến đang phát triển
Cùng với sự phát triển như vũ bão của khoa học công nghệ, đã tạo ra nhu cầu phát triển mạnh mẽ của các ngành kĩ thuật, chế tạo…
Dĩ nhiên, công nghệ chế tạo các loại cảm biến nói chung và công nghệ chế tạo cảm biến vận tốc nói riêng cũng không nằm ngoài quy luật của sự phát triển. Các loại cảm biến hiện nay được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực khoa học khác nhau và có rất nhiều đóng góp quan trọng cho sự phát triển chung của toàn xã hội. Tuy nhiên, sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ lại đặt ra một yêu cầu cấp thiết đối với lĩnh vực cảm biến là cần phải có những cấu trúc mới, mới đảm bảo được nhu cầu ứng dụng ngày càng phong phú và hiện đại. Nói chung cảm biến đo vận tốc được sử dụng rất nhiều. Tuy có nhiều thành công nhưng cũng không tránh khỏi những hạn chế nhất định là do kết cấu hoặc do công nghệ chế tạo mà khi hoạt động trong những điều kiện nhất định tạo ra. Để khắc phục phần nào những hạn chế đó người ta đã cải tiến công nghệ chế tạo.
3.6. Cải tiến công nghệ chế tạo
Công nghệ chế tạo cảm biến vì nó đặt ra những yêu cầu khắt khe, đặc biệt là những yêu cầu giao diện, sự tán nhiệt, và sự cần thiết phải khắc phục độ nhiễu, độ ồn cho tất cả các thiết bị điện và cơ. Một giao diện trong một hệ thống siêu vi luôn tồn tại những thông lượng không mong muốn (thông lượng thừa), như thông lượng điện từ, cơ khí, nhiệt, hoá học, âm thanh, và quang thông. Như vậy, một yêu cầu đặt ra là phải luôn có sự cải tiến về công nghệ chế tạo.
Để hoàn thiện và tăng khả năng ứng dụng của linh kiện, việc đánh giá các thông số của chúng đặc biệt quan trọng. Do kích thước của những linh kiện vi cơ nói chung và cảm biến đo vận tốc nói riêng là rất nhỏ, từ vài chục milimetcho đến vài chục micomet, và nhỏ hơn nữa, nên việc đo đạc đánh giá chính xác các tham số của chúng là một bài toán đòi hỏi độ chính xác cao,
tinh tế. Với linh kiện MEMS nói chung và cảm biến vận tốc nói riêng, cấu trúc kiểu tụ cho phép linh kiện làm việc với độ ổn định cao. Tuy nhiên, dao diện điện tử tương đối phức tạp.
Cảm biến vận tốc được chế tạo bằng vật liệu silic. Cấu trúc được chế tạo trên cơ sở công nghệ vi cơ khối dựa trên đặc tính ăn mòn dị hướng của vật liệu silic đơn tinh thể trong dung dịch kiềm potassum hyđroxit để tạo nên các cấu trúc cơ học dạng khối. Ưu điểm của công nghệ này là tương đối đơn giản, do chỉ dùng kết hợp kĩ thuật quang khác với phương pháp ăn mòn ướt để tạo cấu trúc. Song nhược điểm của nó là do đặc điểm có sự khác nhau về tốc độ ăn mòn của silic theo hướng tinh thể khác nhau. Chính vì vậy, cấu trúc không có cạnh thẳng đứng và không thể giảm kích thước đến giớ hạn ngưỡng đối với một chiều dày nhất định. Tuy có sự hạn chế về cấu trúc cơ xong nhiều thông số công nghệ có thể được cải thiện nhờ phần mạch điện tử. Các phần tử mạch điện được ghép trực tiếp trên cấu trú cơ tạo thành cảm biến hoàn chỉnh. Thông qua các phần tử mạch điện ta có thể điều chỉnh các thông số đầu vào cũng như việc xử lý các tín hiệu đầu ra. Như vậy, vấn đề đặt ra là cần phải xây dựng lên các phần tử mạch điện hoàn chỉnh, xây dựng các phương pháp đo hợp lý hơn để có thể khắc phục phần nào nhược điểm trong công nghệ vi cơ tạo ra.
Công nghệ nano, một công nghệ đầy hứa hẹn với nhiều lĩnh vực trong cuộc sống, trong đó có công nghệ cảm biến. Rồi đây công nghệ nano sẽ mang lại những thành công vượt bậc cho công nghệ chế tạo các loại cảm biến. Công nghệ tích hợp nano có thể tạo ra những thế hệ cảm biến tí hon, thông minh, nhạy, ít hao mòn điện năng và có thể được sản xuất hàng loạt với giá thành hạ. Trên đây là một vài ứng dụng của cảm biến vận tốc, còn rất nhiều ứng dụng của cảm biến loại này, trong các lĩnh vực khác nhau mà tôi không trình bày trong khoá luận này. Mong rằng, ngoài các ứng dụng mà tôi trình bày ở trên các bạn sẽ tự tìm hiểu các ứng dụng khác. Chắc chắn rằng các bạn sẽ thấy rất thú vị [3].
C. Kết luận
Sau quỏ trỡnh học tập và nghiờn cứu, dưới sự giỳp đỡ chỉ bảo tận tỡnh của thầy hướng dẫn cựng cỏc thầy cụ trong khoa, em đó hoàn thành khoỏ luận tốt nghiệp với đề tài nghiờn cứu: “Cảm biến vận tốc”. Với những kết quả bước đầu như trờn, trong thời gian tới em hy vọng sẽ tiếp tục hoàn thiện đề tài hơn nữa. Qua việc nghiờn cứu đề tài em rỳt ra được một số kết luận như sau:
ư Tỡm hiểu các kiến thức cơ bản về cảm biến. ư Tỡm hiểu về cảm biến vận tốc.
ư Đó tỡm hiểu được ứng dụng và một số thiết kế thường gặp của cảm biến vận tốc.
Em hy vọng từ khoỏ luận này, sau này em cú thể tỡm hiểu được những ứng dụng mới nhất, hiện đại nhất của cảm biến để phục vụ cho cuộc sống.
D. Tài liệu tham khảo
[1] Lê Văn Doanh, Phạm Thượng Hàn, Nguyễn Văn Hoà, Võ Thạch Sơn,
Đoàn Văn Tân, “Cảm biến trong kĩ thuật đo lường và điều khiển”. Nhà xuất
bản khoa học và kĩ thuật 2000.
[2] Phan Quốc Phô, Nguyễn Đức Chiến, “Giáo trình cảm biến”. Nhà xuất bản
khoa học kĩ thuật 2000. [3]
[4] H.T.Lim, J. W. Song, J. G. Lee and Y. K. Kim “ A Few deg/hr Resolvable Low Noise Lateral Micro gyroscope” Fỡteenth IEEE International Coference
on Micro Electro Mechanical Systems, 2002, pp.627ư630.
[5] F.Paoletti, M.A. Gretillat, and N. F. de Rooij “A Silicon Micromachined
Tuning Fork Gyrospoce” IEE Colloquium on Slicon Febricated Intertial
Instrruments, 1996, pp.1ư6.
[6] J.V.Clark, N.Zhou, D.Bindel. 3D MEMS Simulation Modeling using modified nodal analysis. Http://wwwưbsac.eecs.berkeley.edu.
[7] K.Maenaka, T.Fujita, Y.Konishi, and M.Maeda “Analysis of a Highly
Sensitive Silicon Gyrospoce with Cantilever Beam as Vibrating Mass”
Sensors and Actuators (physical), 1996, vol. 1ư3, pp.568ư573.
[8] H. Xie and G. K. Fedder “A CMOS-MEMS Lateral-Axis Gyroscope”
Technical Digest. MEMS 2001. 14th IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems, 2001, pp.162ư165.
http://translate.google.com.vn/translate?hl=vi&langpair=en%7Cvi&u =http://en.wikipedia.org/wiki/Wheel speed sensor.