CHƯƠNG III : TÍNH TỒN THIẾT KẾ KỸ THUẬT BĂNG THỬ TẢI
3.5. THIẾT BỊ ĐO
3.5.4. Cảm biến vận tốc trượt
3.5.4.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động.
Để phù hợp với vị trí lắp đặt, kết cấu và đặc điểm hoạt động của bệ thử, ta chọn loại cảm biến xung chuyển đổi cảm ứng có cấu tạo như hình 3.21.
Hình 3.52. Cảm biến đo tốc độ bánh xe.
1. Nam châm vĩnh cửu; 2. Cuộn dây; 3. Lõi sắt từ; 4. Con lăn trơn; 5. Lỗ Hổng; a: khe hở khơng khí.
Trong cảm biến đo vận tốc được chọn có cuộn dây đo quấn quanh một lõi thép chịu tác động của từ trường một nam châm vĩnh cửu. Cuộn dây đặt đối diện với một con lăn bằng thép trơn có khoan lỗ. Nhờ lị xo mà con lăn ln tỳ sát vào bánh xe.
Khi con lăn ma sát quay làm bánh xe quay theo, bánh xe lúc này đóng vai trị chủ động kéo con lăn trơn quay theo. Khe hở khơng khí của mạch từ thay đổi làm từ trở của mạch từ của cuộn dây biến thiên một cách tuần hoàn làm xuất hiện trong cuộn dây một sức điện động có tần số tỷ lệ thuận với tốc độ quay.
Ta có:
𝐿 = 𝑊2
𝑅𝛿 =
𝑊2𝜇0𝑠 𝛿
Trong đó:
- W: số vịng cuộn dây.
- Rδ = G: từ trở của khe hở khơng khí. - δ: chiều dài khe hở khơng khí.
- μ0: độ từ thẩm của khơng khí. - S: tiết diện thực của cuộn dây.
Từ thông thay đổi do vị trí tương đối của cuộn dây và con lăn thay đổi làm thay đổi khe hở khơng khí và từ trở của mạch từ thay đổi. Khi từ thơng θ thay đổi, móc vịng qua cuộn dây sẽ sinh ra 1 sức điện động e.
𝑒 = −𝑊𝑑𝜃 𝑑𝑡 = −𝑊 𝑑 𝑑𝑡( 𝐹𝑀 𝑅𝑀) = 𝑊𝐹𝑀 𝑅𝑀2 𝑑𝑅𝑀 𝑑𝑡 RM = RMo + k.RMo.X Trong đó:
- FM: sức từ động của nam châm. - W: số vòng dây của cuộn cảm ứng. - RM: từ trở của mạch từ.
- X: đại lượng đo.
- RMo: từ trở của mạch từ khi X = 0.
- k: hệ số phụ thuộc vào cấu trúc chuyển đổi. Xem như: ∆RM << RM, ta có phương trình:
𝑒 = 𝑘𝑊𝐹𝑀 𝑅𝑀𝑜 𝑑𝑋 𝑑𝑡 = 𝑆 𝑑𝑋 𝑑𝑡 Với:
S: là độ nhạy của chuyển đổi
Khi trục quay quanh lõi sắt từ, khe hở khơng khí giữa đầu cực từ biến thiên theo quy luật hình sin. Một cách gần đúng, ta có từ trở của mạch từ và từ thơng sẽ thay đổi theo dạng hình sin:
𝜃𝑡 = [0,5(𝜃 max + 𝜃𝑚𝑖𝑛) + 0,5(𝜃𝑚𝑎𝑥 − 𝜃𝑚𝑖𝑛)]. 𝑆𝑖𝑛2𝑛𝜔𝑡
𝑒 = −𝑊𝑑𝜃(𝑡)
𝑑𝑡 = −𝑛𝑊. 𝜔𝐵𝑠𝑎𝑐𝑜𝑠2𝑛𝜔𝑡
Trong đó:
- θmax, θmin: giá trị từ thông lớn nhất và nhỏ nhất - sa: tiết diện của cuộn dây.
- n: số lỗ trên con lăn trơn. - ω: tốc độ của con lăn.
- B: cường độ từ trường của nam châm vĩnh cửu.
Ta có thể vẽ mạch tương đương của chuyển đổi như sơ đồ trên hình vẽ 4.19.
Hình 3.53. Mạch tương đương của chuyển đổi cảm ứng điện từ.
Các đại lượng trên sơ đồ như sau:
- RL, L: là điện trở thực và điện cảm của cuộn dây. - Rt: điện trở tải.
Ứng với điều kiện ban đầu, độ nhạy tốn tử của mạch có dạng: 𝑆(𝑃) = 𝑈𝜏 𝑋𝑉 = 𝑆. 𝑅𝑡. 𝑝 𝑅𝑡 + 𝑅𝐿 + 𝑝. 𝐿 = 𝑆0 𝜏𝑝 1 + 𝜏𝑝 Với: - 𝜏 = 𝑅 𝐿
𝑡+𝑅𝐿 : hằng số thời gian của mạch. - 𝑆0 =𝑆𝑅𝑡
Từ các phương trình đặc trưng của chuyển đổi, ta cũng thấy rằng sức điện động ở đầu ra tỷ lệ với tốc độ của biến thiên của tín hiệu vào. Do đó, muốn đo tín hiệu phải lắp thêm bộ phân tích ở đầu ra của chuyển đổi.
Ta cũng có thể mắc sơ đồ mạch chuyển đổi tín hiệu thiết bị đo như sau:
Hình 3.54. Sơ đồ mạch chuyển đổi tín hiệu.
1. Con lăn; 2. Cuộn dây; 3. Bộ khuếch đại tín hiệu; 4. Thiết bị tính; 5. Bộ hiển thị; 6. Máy phát xung.