Cảm biến vị trí đặc điểm, nh tên gọi của chúng, đợc dùng để giám sát vị trí tức thời của các cơ cấu. Tuỳ theo dạng chuyển động cần quan tâm mà vị trí có thể đợc tính theo đơn vị dài hay đơn vị góc. Nhờ các chuyển đổi cơ khí cần thiết có thể dùng sensor đo góc để đo chiều dài và ngợc lai. Các sensor đo chiều dài có thể là biến trở, biến thế vi sai, encoder thẳng. Để đo góc quay có các loại sensor đo góc, nh biến trở quay, encoder góc,resolver.
Encoder là loại thớc đo vị trí theo kiểu số, trong đó toạ độ đợc mã hoá theo hệ nhị phân. Tuỳ theo đơn vị đo, chúng ta có encoder thẳng (linear encoder) hay encoder góc (rotary encoder). Hai loại này giống nhau về nguyên lý làm việc, chỉ khác nhau ở chỗ các vạch đợc khắc theo đờng thẳng hay theo vòng tròn. Theo phơng pháp mã hoá, có 2 loại encoder là tuyệt đối (absolute) hay gia số (incremental).
Thớc đo vị trí kiểu gia số có 1 hoặc 2 đĩa quang, đợc khắc các vùng trong và đục xen kẽ nhau. Nếu dùng một đĩa thì nó đợc gắn với trục quay. Nếu dùng 2 đĩa thì một đĩa gắn với truc quay, còn đĩa kia cố định. Một phía của đĩa đặt nguồn sáng phía đối diện đặt trục 3 “con mắt điện” để thu tín hiệu của từng vòng tròn. Tại một vị trí nhất định của đĩa, vùng nào cho tia sáng đi qua sẽ đợc mã hoá là 1, vùng nào ngăn tia sáng sẽ đợc mã hoá là 0. Số vùng sáng tối trên đĩa quyết định độ phân giải của encoder.
Tại thời điểm bắt đầu làm việc, hệ thống phải đợc quy không bằng cách quay lỗ sát vòng tròn thứ 2 tới vị trí đối diện nguồn sáng để con mắt thứ 3 nhìn thấy tia sáng. Khi hệ thống bắt đầu làm việc, một bộ xử lý sẽ đếm số lần con mắt ngoài cùng nhìn thấy tia sáng, từ đó tính ra góc mà đĩa phải quay. Chiều quay của đĩa đợc nhận biết nhờ sự phối hợp tín hiệu của 2 vòng: nếu đĩa quay theo chiều kim đồng hồ thì mắt ngoài cùng nhìn thấy tia sáng trớc mắt thứ hai và ngợc lại. Căn cứ vào chiều quay mà gia số sẽ đợc cộng hoặc trừ vào tổng số.
Nguồn sáng
Đĩa quay Trục quay
Vào DC sensor #1 ra sensor #2 ra sensor gốc ra 360° 9°
Hình 3-6 : Sơ đồ nguyên lý của thớc đo vị trí theo gia số.
Thớc đo vị trí tuyệt đối có một đĩa quang, trên đó có nhiều vòng tròn đồng tâm. Mỗi vòng chứa các vùng trong và đục xen kẽ nhau. Số vòng tròn quyết định độ phân giải của encoder. Nếu số vòng tròn là công suất thì số phần mà một vòng tròn có thể đợc chia ra bằng 2n, góc nhỏ nhất mà encoder phân biệt đ- ợc là 360°/2n. Ví dụ nếu số vòng là n = 4 thì số phần chia của vòng tròn là 24 = 16, encoder sẽ phân biệt đợc góc quay 360°/16 = 22,5°. Nếu n = 8 thì góc đó là 360°/4096 = 0.088°.
Vùng Binary Xám 0000 0000 0001 0001 0 0011 0010 1 0010 0011 2 0110 0100 3 0111 0101 4 0101 0110 5 0100 0111 6 1100 1000 7 1101 1001 8 1010 9 1111 1011 10 1110 1100 11 1010 1101 12 1110 13 1111 14 15 1011 1001 1000 Đĩa mã hoá nhị phân Đĩa mã xám 360o 0o 221 o 4 0 45o 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 1o o 0 o 360 o 45 0224 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Hình 3-7 : Sơ đồ nguyên lý của thớc đo vị trí tuyệt đối
Resolver không phát tín hiệu nh encoder mà phát ra tín hiệu tơng tự đại diện cho vị trí của đối tợng đo. Nhìn vẻ ngoài nó giống động cơ điện nhng nguyên lý làm việc của nó giống biến thế nhiều hơn. Cuộn dây rotor đợc cấp điện áp DC thông qua các vành dẫn điện.
Điện áp cung cấp cho rotor dạng hình sin, dạng Vsinωt, tần số trong khoảng 0,4ữ10 kHz. Stator của resolver có 2 cuộn dây, đặt lệch nhau 90°, còn trên cuộn dây kia có điện áp Vsinωt.sinθ. Rõ ràng giá trị điện áp ra phụ thuộc góc θ giữa rotor và stator. Tín hiệu phản hồi α của góc quay đợc cung cấp cho 2 cuộn dây qua hàm sinα và cosα, sau khi nhân với tín hiệu đầu vào và cộng đại số đợc tín hiệu ra là Vsinωt.sin(θ-α). Tín hiệu này đợc khuếch đại và gửi tới khối đồng bộ, đảm bảo giá trị của nó lphải tỉ lệ với sin(θ-α). Nếu có sai lệch, tín hiệu này đợc bù bởi thiết bị bù. Sau đó, tín hiệu đợc tích phân. Mạch phản hồi có bộ tạo dao đông, chuyển đổi điện áp thành tần số, và khối đếm xung. Giá trị
α sinα V α sin α sin Đếm xung sinωt sinυ V Vsinωtcosυ
Vsinωtsin(υ−α) Khuyếch đại
Dò đồng bộ Bù
VCO
ζ
Hình 3-8 : Sơ đồ nguyên lý làm việc và xử lý tín hiệu của resolver.
3.2.2.2 Cảm biến vị trí kiểu biến áp:
Cảm biến kiẻu này hoạt động theo nguyên lý của một biến áp sai động ( differential transfomer): lõi từ chuyển động tơng đối với hai cuộn dây cố định và làm việc thay đổi dòng cảm ứng giữa chúng.
Roto có một cuộn dây, còn stato có một hoặc một vài cuộn dây cảm ứng đồng bộ.
Giả thiết cấp vào cuộn dây của roto một điện áp: ur = U sinωt
thì trong các cuộn dây trên stato sẽ xuất hiện các điện áp cảm ứng: us1 = KUr cos r sin (ωt + ϕ)
us2 = KUr cos r sin (ωt + ϕ)
Trong đó:
K: hệ số biến áp
ϕ: độ lệch pha
Từ các công thức trên ta có thể xác định đợc góc r.
Tuy nhiên sự biến động biên độ điện áp làm giảm độ chính xác tính toán. Bởi thế ngời ta sử dụng phơng pháp giải điều biến đồng bộ trên cơ sở đối chiếu với tín hiệu chuẩn. Trong trờng hợp biến áp biến áp xoay nhiều thì độ chính xác
có thể tăng lên. Ngời ta thờng sử dụng kết hợp bộ biến áp xoay chiều với bộ biến áp điện tử số để nâng cao độ chính xác.
Cảm biến vị trí kiểu biến áp làm việc tin cậy, chính xác và phù hợp với dải rộng tần số quay. Vì không dùng đến vòng tiếp điểm nh kiểu chiết áp nên chúng có thể làm việc với vận tốc cao ( khoảng 9000 vòng/phut). Tuy nhiên lại đòi hỏi độ chính xác cao về chế tạo và lặp ráp, nên giá thành cũng cao hơn nhiều.
Tơng tự, đối với trờng hợp tịnh tiến có cảm biến vị trí kiểu chiết áp sai động thay đổi tuyến tính LVDT ( Linear Variable Differential Transformer). Bao bọc xung quanh lõi từ là một quộn dây sơ cấp và hai cuộn dây thứ cấp giống hệt nhau. Khi dịch chuyển lõi từ độ từ cảm tơng hỗ giữa cuộn dây sơ cấp và các cuộn dây thứ cấp sẽ biến đổi tuyến tính theo độ dịch chuyển đó.
3.2.2.3 Vận tốc kế:
Phạm vi sử dụng vận tốc kế ( tachometers) và gia tốc kế ( accelerometers) ngày nay trở nên thu hẹp, mà thông dụng hơn là xác định theo số gia của các thông tin cảm biến vị trí bằng kỹ thuật số hay kỹ thuật vi mạch. Cách làm đó đạt đợc độ chính xác cao hơn và ngày càng rẻ hơn.
Thờng dùng các thiết bị sau để thực hiện chức năng của vận tốc kế: - Phát tốc ( tachogenerator) dùng một chiều.
Khi Stator đợc kích từ thì tạo nên từ thông, khi đó trong các cuộn cảm trên roto có suất điện động từ cảm với giá trị trung bình tỷ lệ với góc quay của roto.
- Phát tốc không đồng bộ dòng xoay chiều.
Khi dòng điện xoay chiều chạy qua cuộn dây sơ cấp của Stato thì điện áp trên các đầu dây cuộn thứ cấp của Stato sẽ cùng tần số, biên độ và tỷ lệ thuận với vận tốc góc của roto.
- Phát tốc đồng bộ.
Nam châm vĩnh cửu trên Stato gây dòng điện cảm trong cuộn dây của Stato. Tần số và giá trị điện áp của nó tỷ lệ thuận với vận tốc của roto.
Đĩa quay có khe rãnh đặt trớc nguồn sáng tạo ra các xung có tần số tỷ lệ với vận tốc góc quay.