5.3. Đo vận tốc
5.4. Đo gia tốc 5.5. Đo lực 5.5. Đo lực 5.6. Đo nhiệt độ 5.7. Đo lưu lượng 5.8. Đo áp suất 5.9. Đo mức
NGƠ HUỲNH ANH – PHẠM MẠNH HUY – PHẠM THẾ HÙNG – HỒNG ĐỨC LINH Trang 47 5.1. KHÁI NIỆM
Những thiết bị mà cung cấp thơng tin cho bộ điều khiển về những gì thực sự đang xảy ra thì được gọi là cảm biến (sensor/transducer).
Hầu hết các cảm biến thực hiện biến đổi đại lượng vật lý (nhiệt độ, áp suất,…) thành tín hiệu điện.
(Hình 5.1: Cảm biến trong sơ đồ khối)
5.2. CẢM BIẾN VỊ TRÍ VÀ LƯỢNG DỊCH CHUYỂN 5.2.1. Biến trở: (Potentionmeter) Điện áp ngõ ra: - Biến trở thẳng: Eout xEs L = - Biến trở gĩc: out s L E = E
NGƠ HUỲNH ANH – PHẠM MẠNH HUY – PHẠM THẾ HÙNG – HỒNG ĐỨC LINH Trang 48
Độ phân giải: nếu biến trở cĩ dạng dây quấn với N vịng, thì độ phân giải của biến trở là bước điện áp giữa 2 vịng liền kề và được xác định như sau.
( ) T s E 100 R % 100 E N = =
Sai số phụ tải: xảy ra khi con trượt của biến trở được nối với tải cĩ trở kháng lớn khơng đáng kể so với giá trị của biến trở.
( ) ( ) ( ) ( )( ) ( ) 2 s out s 2 out s a r 1 a SSPT aE E E 1 ar 1 a a r 1 a SSPT % 100 1 ar 1 a a E E 1 ar 1 a − = − = + − − = + − = + − với P L R r R
= (RP là biến trở, RL là trở kháng của tải) và a là vị trí con trượt.
(Hình 5.3: Sai số phụ tải trên biến trở)
5.2.2. Biến thế vi sai tuyến tính: (LVDT)
Là bộ cảm biến vị trí cĩ độ phân giải lớn dựa vào hiện tượng cảm ứng điện từ. Ngõ ra cĩ dạng điện áp xoay chiều – biên độ của nĩ tỉ lệ tuyến tính với lượng dịch chuyển ( so với vị trí điểm giữa). Gĩc pha của nĩ phụ thuộc vào chiều dịch chuyển – dịch chuyển sang phải tạo ra gĩc pha 0 , sang trái tạo ra gĩc pha 180 . Thành phần chính gồm cuộn sơ cấp, hai cuộn thứ cấp và lõi từ.
NGƠ HUỲNH ANH – PHẠM MẠNH HUY – PHẠM THẾ HÙNG – HỒNG ĐỨC LINH Trang 49
(Hình 5.4: LVDT – Linear Variable Differential Transformer)
5.2.3. Bộ mã hĩa quang học: (Optical encoder)
Là bộ cảm biến vị trí gĩc cĩ tín hiệu ra ở dạng số. Thành phần chính gồm nguồn sáng, đĩa vạch và tế bào quang học. Cĩ hai loại bao gồm tương đối và tuyệt đối.
(Hình 5.5: Bộ mã hĩa quang học)
5.2.3.1. Bộ mã hĩa tuyệt đối:
Bộ mã hĩa tuyệt đối cĩ tín hiệu ra là số nhị phân – xác định vị trí của đĩa vạch một cách duy nhất.
Độ phân giải: k 1N 2
= với N là số rãnh trên đĩa vạch (số bit của số nhị phân). Đối với bảng mã Gray, chỉ cĩ 1 bit thay đổi trạng thái khi di chuyển từ một gía trị đến giá trị kế tiếp.
NGƠ HUỲNH ANH – PHẠM MẠNH HUY – PHẠM THẾ HÙNG – HỒNG ĐỨC LINH Trang 50
(Hình 5.6: Bộ mã hĩa tuyệt đối) (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
(Hình 5.7: Đĩa vạch dùng bảng mã Gray)
5.2.3.2. Bộ mã hĩa trương đối:
Bộ mã hĩa tương đối chỉ cĩ một vịng rãnh, với các vạch được phân bố đều nhau. Cần ba bộ (nguồn sáng – tế bào quang học) để xác định vị trí tuyệt đối của đĩa vạch. Hai bộ cảm biến đặt lệch pha nhau gĩc 90. Tín hiệu ra là hai dãy xung, pha A và pha B.
- Số vịng quay là số xung đếm được trên một pha.
- Chiều quay được xác định từ sự lệch pha giữa pha A và pha B.
NGƠ HUỲNH ANH – PHẠM MẠNH HUY – PHẠM THẾ HÙNG – HỒNG ĐỨC LINH Trang 51 5.2.4. Cảm biến tiệm cận: (Proximity sensor)
Cảm biến tiệm cận là loại cảm biến đĩng ngắt dùng để nhận biết sự hiện diện của đối tượng. Bao gồm ba loại chính:
- Cảm biến tiếp xúc
- Cảm biến khơng tiếp xúc
Cảm biến tiệm cận điện cảm: cảm nhận những đối tượng kim loại
Cảm biến tiệm cận điện dung: cảm nhận những đối tượng kim loại/ phi kim loại
Cảm biến điện quang: cảm nhận kim loại/ phi kim - Cảm biến tiệm cận hiệu ứng Hall
5.2.4.1. Cơng tắc hành trình: (limit switch)
Là thiết bị cơ học nên cĩ sự mài mịn khi tần suất hoạt động cao dẫn đến tuổi thọ làm việc ngắn. Khi hoạt động cần tạo ra một lực tác động lên cơng tắc hành trình.
(Hình 5.9: Hoạt động của cơng tắc hành trình)
5.2.4.2. Cảm biến tiệm cận điện cảm: (Inductive proximity sensor)
Cảm biến tiệm cận điện cảm dùng để cảm nhận những đối tượng bằng kim loại. Thành phần chính gồm cuộn dây quấn xung quanh một lõi sắt, mạch tạo dao động, mạch cảm biến dịng và cơng tắc bán dẫn.
NGƠ HUỲNH ANH – PHẠM MẠNH HUY – PHẠM THẾ HÙNG – HỒNG ĐỨC LINH Trang 52
Về nguyên lý hoạt động, mạch dao động tạo ra một vùng từ trường ở phía trước cảm biến. Khi cĩ đối tượng bằng kim loại bước vào vùng từ trường, biên độ vùng từ trường suy giảm do sự thất thốt năng lượng (chuyển sang đối tượng). Mạch cảm biến dịng nhận biết sự thay đổi và kích hoạt cơng tắc.
Phạm vi cảm biến là khoảng cách tính từ bề mặt cảm biến mà đối tượng chuẩn được nhận biết trong phạm vi đĩ. Phạm vi cảm biến và độ nhạy của cảm biến (tốc độ chuyển mạch) phụ thuộc vào kích thước và vật liệu của đối tượng cảm biến. Xét mẫu thí nghiệm (đối tượng cảm biến) là một tấm thép hình vuơng dày 1mm, cĩ các cạnh bằng đường kính của bề mặt cơ cấu cảm biến. Đối với những đối tượng kim loại khơng sắt, phạm vi cảm biến sẽ ngắn hơn.
5.2.4.3. Cảm biến tiệm cận điện dung: (Capacitive proximiity sensor)
Cảm biến tiệm cận điện dung dùng cảm nhận những đối tượng dựa vào khả năng tích điện của đối tượng. Cĩ thể cảm nhận sự hiện diện của tất cả các loại đối tượng (kim loại, phi kim, gỗ, giấy, nước, nhựa,…). Thành phần chính gồm mạch tạo dao động, mạch cảm biến dịng, một bản cực nội và cơng tắc bán dẫn.
(Hình 5.11: Cấu tạo cảm biến tiệm cận điện dung)
Về nguyên lý hoạt động, khi cĩ đối tượng xuất hiện phía trước cảm biến thì đối tượng đĩng vai trị như một bản cực ngoại của tụ điện. Bản cực ngoại này kết hợp với bản cực nội hình thành nên tụ điện và khi đĩ hiện tượng tích điện trên hai bản cực của tụ điện xảy ra. Tạo nên dịng điện thay đổi chạy qua bản cực nội. Mạch cảm biến dịng nhận biết sự thay đổi và kích hoạt cơng tắc.
Những vật liệu cĩ hằng số điện mơi từ 1,2 trở lên đều cĩ thể nhận biết bởi loại cảm biến này. Phạm vi cảm biến <70mm. Với hằng số điện mơi càng lớn, đối tượng càng dễ được nhận biết, khoảng cách nhận biế càng xa. Cĩ thể nhận biết được khi chứa trong thùng làm bằng vật liệu cĩ hằng số điện mơi thấp hơn.
NGƠ HUỲNH ANH – PHẠM MẠNH HUY – PHẠM THẾ HÙNG – HỒNG ĐỨC LINH Trang 53 5.2.4.4. Cảm biến điện quang: (Photoelectric sensor)
Cảm biến điện quang dùng một chùm sáng để phát hiện sự hiện diện của đối tượng mà làm cản trở hoặc phản xạ chùm sáng. Thành phần chính bao gồm: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- Nguồn sáng (bộ phát): phần lớn các cảm biến loại này sử dụng LED (Light Emitting Diode) làm nguồn sáng. LED cĩ thể được thiết kế để phát ra các ánh sáng khác nhau.
- Tế bào quang cảm (bộ thu): Bốn loại tế bào quang cảm thường được sử dụng là: photo-resistor, photo-diode, photo-transistor và photovoltaic cell (photocell).
Bộ phát và bộ thu cĩ thể được thiết kế thành hai khối tách biệt hoặc cùng chung trong một khối tùy thuộc vào kiểu cảm biến.
(Hình 5.12: Hoạt động của cảm biến điện quang)
5.2.4.5. Cảm biến tiệm cận hiệu ứng Hall: (1879, E.H. Hall)
Hiệu ứng Hall xảy ra khi áp dụng một từ trường vuơng gĩc lên một tấm bản làm bằng kim loại hay chất bán dẫn đang cĩ dịng điện I chạy qua, các hạt mang điện tích bị dồn về một phía của tấm bản dẫn đến sự chênh lệch về điện thế giữa hai bên của tấm bản và hình thành nên một điện áp hiệu ứng Hall UH.
H
KIB U
D
=
với K là hằng số phụ thuộc vào vật liệu, I là dịng điện chạy qua tấm bản, B là cường độ từ trường, D là bề dày của tấm bản.
NGƠ HUỲNH ANH – PHẠM MẠNH HUY – PHẠM THẾ HÙNG – HỒNG ĐỨC LINH Trang 54
(Hình 5.13: Hiệu ứng Hall trên tấm bản kim loại)
NGƠ HUỲNH ANH – PHẠM MẠNH HUY – PHẠM THẾ HÙNG – HỒNG ĐỨC LINH Trang 55 5.3. ĐO VẬN TỐC
5.3.1. Bộ phát tốc một chiều: (DC tachometer)
Là máy phát điện một chiều – tạo ra một tín hiệu điện áp DC tỉ lệ với vận tốc gĩc của trục quay. Cấu tạo gồm:
- Phần stator: nam châm vĩnh cữu
- Phần rotor (phần ứng): những cuộn dây lắp trên một lõi trụ kim loại.
- Phần ứng quay tự do trong mơi trường từ trường (do nam châm của phần stator tao ra).
- Hai đầu của cuơn dây nối vào hai nữa của cổ gĩp. Điện áp giữa hai nửa của cổ gĩp được đưa ra ngồi thơng qua hai chổi than.
(Hình 5.15: Cấu tạo bộ phát tốc một chiều)
5.3.2. Bộ phát tốc quang học: (Optical tachometer)
Đối với phương pháp này, thì cơng việc chính là xác định số xung nhận được (từ tế bào quang cảm) trong một đơn vị thời gian khi trục xoay.
NGƠ HUỲNH ANH – PHẠM MẠNH HUY – PHẠM THẾ HÙNG – HỒNG ĐỨC LINH Trang 56 5.4. ĐO GIA TỐC
Cảm biến gồm khung gia tốc kế được gắn vào vật thể cần đo gia tốc. Bên trong gia tốc kế, khối M được đỡ bởi hai thanh lị xo lá và được giảm chấn bởi khối dầu nhớt xung quanh nĩ
(Hình 5.17: Gia tốc kế)
Một hệ thống bậc 2 được đặc trưng bởi hai thơng số: - Tần số cộng hưởng: f0 1 K 2 M = - Tỉ số giảm chấn: 2 b 4KM = (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
với K là hằng số lị xo (N/m), M là khối lượng (kg), b là hằng số giảm chấn (Ns/m)
Xét trường hợp khung đi lên với gia tốc hằng số, khối M sẽ làm lệch hai thanh lị xo lá xuống phía duới (duới tác động của lực quán tính). Hai thanh lị xo lá tạo ra một phản lực ngược chiều với lực quan tính. Khi hai lực này cân bằng, khối M sẽ nằm lệch ở vị trí khơng đổi.
M
Kx Ma x a
K
= → =
Lưu ý: Tần số cộng hưởng của gia tốc kế phải lớn hơn đáng kể tần số của tín hiệu
NGƠ HUỲNH ANH – PHẠM MẠNH HUY – PHẠM THẾ HÙNG – HỒNG ĐỨC LINH Trang 57 5.5. ĐO LỰC
5.5.1. Cảm biến lực biến dạng: (Strain gauge force sensor)
Với loại cảm biến này, lực cần đo tác động vào phần tử đàn hồi. Lượng biến dạng của phần tử này được chuyển đổi thành tín hiệu điện tỉ lệ với lực được đo. Để đo lượng biến dạng, tấm điện trở thường được sử dụng đo lực từ vài kg đến vài tấn. Thơng thường gồm cĩ hai loại:
- Loại kết dính: đo biến dạng ở một vị trí cụ thể trên bề mặt biến dạng của phần tử đàn hồi.
- Loại khơng kết dính: đo lượng di động nhỏ.
(Hình 5.18: Tấm điện trở kết dính)
Hệ số cảm biến của tấm điện trở:
R / R G L / L = với: L R A
= : điện trở cảu tấm điện trở ()
R
: khoảng điện trở thay đổi ()
L: chiều dài của tấm điện trở (m)
L
: khoảng chiều dài thay đổi (m)
Hệ số cảm biến G thường được cung cấp bởi nhà chế tạo ra tấm điện trở. Thơng thường: G 2 4;L 0,5 4(cm);R 50 500( )= = = .
Ứng suất cảu phần tử đàn hồi được xác định bằng lực f trên đơn vị diện tích A:
f S
A
NGƠ HUỲNH ANH – PHẠM MẠNH HUY – PHẠM THẾ HÙNG – HỒNG ĐỨC LINH Trang 58
Với vật liệu đàn hồi, tỉ số giữa ứng suất S và lượng biến dạng L L
(adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
= là một hằng số và được gọi là module đàn hồi:
S E=
Khoảng điện trở thay đổi của tấm điện trở thường rất bé. Vì thế mạch cầu Wheatstone thường được sử dụng để khuếch đại tín hiệu (điện áp) ở ngõ ra. Với mạch cầu Wheatstone, yếu tố ảnh hưởng của nhiệt độ lên sự thay đổi giá trị điện trở (của tấm điện trở tích cực) cũng cĩ thể được triệt tiêu bằng cách dùng thêm một tấm điện trở bù đặt gần và theo hướng vuơng gĩc với tấm điện trở tích cực.
(Hình 5.19: Mạch cầu Wheatstone)
Giả sử xét 4 điện trở của mạch cầu đều cĩ giá trị R khi mạch cầu cân bằng. Khi cĩ sự biến dạng, RG = + R R. s s R V V 4R 2 R 4R V R V = +
5.5.2. Cảm biến đo lực khi ép: (Pneumatic force transmitter)
Loại cảm biến này làm việc dựa trên phương pháp cân bằng khơng. Lực cần đo được cân bằng với một phản lực tạo nên bởi áp suất tác động nên bề mặt tấm màng đàn hồi. Lượng áp suất tỉ lệ với lực cần đo và do đĩ giá trị áp suất đo được phản ánh giá trị lực cần đo.
NGƠ HUỲNH ANH – PHẠM MẠNH HUY – PHẠM THẾ HÙNG – HỒNG ĐỨC LINH Trang 59
(Hình 5.20: Cảm biến đo lực khi ép)
Giả sử xét trường hợp khi lực tác dụng tăng đối với hình trên, làm chốt di chuyển lên và do đĩ làm giảm tiết diện chảy qua hở. Điều này sẽ làm tăng áp suất bên trong buồng phía trên màng đàn hồi và làm phục hồi trạng thái cân bằng của tấm màng đàn hồi. Bằng cách đo áp suất p trong buồng, lực cần đo f được xác định như sau:
( )
f = p 3 A−
với f là giá trị lực cần đo, p là áp suất trong buồng, A là diện tích hiệu dụng của tấm màng đàn hồi.
Thành phần (p - 3) cĩ nghĩa rằng giá trị áp suất trong buồng là p = 3 (psi) tương ứng với giá trị lực f = 0. Ở trường hợp này, màng vẫn được duy trì ở trạng thái cân bằng dưới tác dụng của lực lị xo.
Lưu ý: phạm vi lực cĩ thể đo được bị giới hạn bởi giá trị áp suất nguồn cung
cấp.
5.6. ĐO NHIỆT ĐỘ
Cảm biến nhiệt độ cĩ tín hiệu ở ngõ ra tỉ lệ với tín hiệu nhiệt độ cần đo. Phần lớn các cảm biến cĩ hệ số nhiệt dương – tín hiệu ra của cảm biến tăng khi giá trị nhiệt độ tăng.
5.6.1. Cảm biến nhiệt lưỡng kim: (Bimetallic temperature sensor)
Phần tử lưỡng kim hai mảnh kim loại khác nhau kết thành dạng tấm, cuộn, hoặc xoắn ốc. Hệ số nở nhiệt của hai mảnh kim loại khác nhau, để khi dưới sự ảnh hưởng của nhiệt độ, hình dáng của chúng thay đổi so với ban đầu. Cảm biến loại này thường dùng trong hệ thống điều khiển ON/OFF.
NGƠ HUỲNH ANH – PHẠM MẠNH HUY – PHẠM THẾ HÙNG – HỒNG ĐỨC LINH Trang 60
(Hình 5.21: Cảm biến nhiệt lưỡng kim)
5.6.2. Cảm biến nhiệt điện trở: (RTD – Resistance temperature detector)
Cảm biến nhiệt điện trở làm việc dựa trên sự thay đổi điện trở của kim loại khi nhiệt độ thay đổi. Điện trở của hầu hết kim loại đều tăng khi nhiệt độ tăng.
Phần tử cảm biến là cuộn dây điện trở - thí dụ như bạch kim - quấn xung quanh một lõi bằng gốm (ceramic) và đặt ở cuối ống bảo vệ. RTD rất đa dạng với những giá trị điện trở khác nhau (giá trị điện trở thơng thường là 100 ở nhiệt độ ).
(Hình 5.22: Cuộn dây điện trở)
Dây bạch kim cĩ hệ số nhiệt là: 0.0039 Ω /0C cho mỗi đơn vị điện trở. Nếu điện trở của RTD là 100, thì tồn bộ cuơn dây sẽ tăng thêm 0.39 Ω khi nhiệt độ tăng thêm 10C. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
RTD cĩ ưu điểm là chính xác và ổn định nhưng nhược điểm của nĩ độ nhạy thấp, đáp ứng tương đối chậm khi nhiệt độ thay đổi, và đắt tiền.
NGƠ HUỲNH ANH – PHẠM MẠNH HUY – PHẠM THẾ HÙNG – HỒNG ĐỨC LINH Trang 61 5.6.3. Cảm biến cặp nhiệt điện: (Thermocouple)
Cảm biến cặp nhiệt điện gồm hai dây kim loại khác nhau được nối chung ở hai đầu. Một đầu được coi là điểm lạnh (điểm tham chiếu) và một đầu được coi là điểm nĩng (điểm đo). Khi hai đầu cĩ nhiệt độ khác nhau, một điện áp (được gọi là thế điện động) được hình thành trong mạch do hai dây kim loại tạo nên - điện thế hiệu ứng Seebeck. Điện thế hiệu ứng này tỉ lệ với khoảng chênh lệch nhiệt độ giữa hai điểm nối.
net hot cold
V V V
Hệ số nhiệt : 35 V / F
= −
(Hình 5.23: Cấu tạo cảm biến cặp nhiệt điện)
5.6.4. IC cảm biến nhiệt:
Là những thiết bị bán dẫn cĩ độ chính xác cao với ngõ ra là tín hiệu điện áp tỷ lệ tuyến tính với giá trị nhiệt độ.
5.7. ĐO LƯU LƯỢNG
5.7.1. Lưu lượng kế hiệu áp:
Hoạt động dựa trên nguyên tắc là một tiết lưu đặt trong dịng chảy tạo nên một sự sụt áp tỷ lệ thuận với bình phương vận tốc dịng chảy.
( 2 1) 2g Q A P P p = −