Giới thiệu cảm biến đo tốc độ gĩc.

- Z Z1 , 2: Phản lực mặt đường tác dụng lên cầu trước và sau.

4.1.Giới thiệu cảm biến đo tốc độ gĩc.

c. Tỷ số p.

4.1.Giới thiệu cảm biến đo tốc độ gĩc.

4.1.1. Nguyên lý đo vận tốc gĩc.

Để đo vận tốc gĩc thường ứng dụng các phương pháp sau đây:

 Sử dụng tốc độ kế vịng kiểu điện từ: nguyên lý hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ. Cảm biến gồm cĩ hai phần: phần cảm (nguồn từ thơng) và phần ứng (phần cĩ từ thơng đi qua). Khi cĩ chuyển động tương đối giữa phần cảm và phần ứng, từ thơng đi qua phần ứng biến thiên, trong nĩ xuất hiện suất điện động cảm ứng xác

định theo cơng thức: 0 ( ) d dF x dx e dt dx dt Φ = − = −Φ

Suất điện động này tỉ lệ với vận tốc cần đo.

 Sử dụng tốc độ kế vịng loại xung: làm việc theo nguyên tắc đo tần số chuyển động của phần tử chuyển động tuần hồn, ví dụ chuyển động quay. Cảm biến loại này thường cĩ một đĩa, được mã hố gắn với trục quay, chẳng hạn gồm các phần trong suốt xen kẽ các phần khơng trong suốt. Cho chùm sáng chiếu qua đĩa đến một đầu thu quang, xung điện lấy từ đầu thu quang cĩ tần số tỉ lệ với vận tốc quay cần đo…

4.1.2. Các loại cảm biến đo tốc độ gĩc.

Để đo tốc độ gĩc của vật quay ta cĩ thể sử dụng loại cảm biến theo nguyên lý tốc độ kế điện từ. Tuy nhiên loại cảm biến này phù hợp với điều kiện tĩnh tại, và với những ứng dụng cĩ kết cấu khá phức tạp. Để cĩ thể ứng dụng phù hợp với điều kiện vận hành trên xe ơ tơ, ta sử dụng loại cảm biến với nguyên lý tốc độ kế xung.

Tốc độ kế xung đa dạng về chủng loại, tuỳ thuộc vào bản chất của vật quay và dấu hiệu mã hố trên vật quay, người ta sử dụng loại cảm biến thích hợp.

 Cảm biến từ trở biến thiên: sử dụng khi vật quay là sắt từ.

 Cảm biến từ điện trở: sử dụng khi vật quay là một hay nhiều nam châm nhỏ.

 Cảm biến quang cùng với nguồn sáng: sử dụng khi trên vật quay cĩ các lỗ, đường vát, mặt phản xạ.

1. Cảm biến từ trở biến thiên

Hình 4.1. Sơ đồ cấu tạo của cảm biến từ trở biến thiên

1) Đĩa quay (bánh răng) 2) Cuộn dây 3) Nam châm vĩnh cửu

Cấu tạo của cảm biến từ trở biến thiên gồm một cuộn dây cĩ lõi sắt từ chịu tác

động của một nam châm vĩnh cửu đặt đối diện với một đĩa quay làm bằng vật liệu sắt từ trên đĩ cĩ khía răng. Khi đĩa quay, từ trở của mạch từ biến thiên một cách tuần hồn làm cho từ thơng qua cuộn dây biên thiên, trong cuộn dây xuất hiện một suất điện động cảm ứng cĩ tần số tỉ lệ với tốc độ quay.

Tần số của suất điện động trong cuộn dây xác định bởi biểu thức: f = p.n

Trong đĩ: p - số lượng răng trên đĩa.

n - số vịng quay của đĩa trong một giây.

Biên độ E của suất điện động trong cuộn dây phụ thuộc hai yếu tố:

 Khoảng cách giữa cuộn dây và đĩa quay: khoảng cách càng lớn E càng nhỏ.

 Tốc độ quay: Tốc độ quay càng lớn, E càng lớn. Khi tốc độ quay nhỏ, biên độ E rất bé và khĩ phát hiện, do vậy tồn tại một vùng tốc độ quay khơng thể đo được, người ta gọi vùng này là vùng chết. Dải đo của cảm biến phụ thuộc vào số răng của đĩa. Khi p lớn, tốc độ nmin đo

được cĩ giá trị bé. Khi p nhỏ, tốc độ nmax đo được sẽ lớn. Thí dụ với p = 60 răng, dải tốc độ đo được n = 50 - 500 vịng/phút, cịn với p =15 răng dải tốc độ đo được 500 -10.000 vịng/phút.

2. Tốc độ kế quang

Hình 4.2. Sơ đồ nguyên lý của tốc độ kế quang

1) Nguồn sáng 2) Thấu kính hội tụ 3) Đĩa quay 4) Đầu thu quang

Nguồn sáng phát tia hồng ngoại là một diot phát quang (LED). Đĩa quay, đặt

giữa nguồn sáng và đầu thu, cĩ các lỗ bố trí cách đều trên một vịng trịn. Đầu thu là một photodiode hoặc phototranzitor. Khi đĩa quay, đầu thu chỉ chuyển mạch khi nguồn sáng, lỗ, nguồn phát sáng thẳng hàng. Kết quả là khi đĩa quay, đầu thu quang nhận được một thơng lượng ánh sáng biến điệu và phát tín hiệu cĩ tần số tỉ lệ với tốc độ quay nhưng biên độ khơng phụ thuộc tốc độ quay.

Trong các cảm biến quang đo tốc độ, người ta cũng cĩ thể dùng đĩa quay cĩ

các vùng phản xạ ánh sáng bố trí tuần hồn trên một vịng trịn để phản xạ ánh sáng tới đầu thu quang. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

Phạm vi tốc độ đo được phụ thuộc vào hai yếu tố chính:  Số lượng lỗ trên đĩa.

 Dải thơng của đầu thu quang và của mạch điện tử.

Để đo tốc độ nhỏ (0,1 vịng/phút) phải dùng đĩa cĩ số lượng lỗ lớn (500 -1.000 lỗ). Trong trường hợp đo tốc độ lớn ( ~ 105 - 106 vịng/phút) phải sử dụng đĩa quay chỉ một lỗ, khi đĩ tần số ngắt của mạch điện xác định tốc độ

cực đại cĩ thể đo được. Nhưng tốc độ kế quang khơng thể sử dụng ngồi mơi trường bụi, dầu mỡ…

4.1.3. Lựa chọn cảm biến đo đạc trên xe thí nghiệm. 4.1.3.1. Đặt vấn đề.

Cảm biến đo tốc độ gĩc bánh xe, chuyển thành tín hiệu điện làm đầu vào của bộ điều khiển điện tử ECU, nhằm mục đích xác định thời điểm bánh xe bị bĩ cứng bằng cách theo dõi sự thay đổi vận tốc gĩc (gia tốc) của bánh xe. Do đĩ, khơng gian gá đặt cảm biến là hạn hẹp, và mơi trường làm việc thường xuyên tiếp xúc với bụi bẩn, đá sỏi, đặc biệt là trên xe tải.

Cảm biến tốc độ kế xung cĩ thể đo với dải đo lớn hơn loại tốc độ kế quang, lại cĩ cấu tạo đơn giản, chắc chắn, dễ chế tạo, chịu đựng tốt trong mơi trường độc hại, khả năng chống nhiễu và chống suy giảm tín hiệu cao, dễ biến đổi tín hiệu sang dạng số.

Dựa trên những đặc tính và điều kiện làm việc đĩ của cảm biến, nhĩm nghiên cứu lựa chọn cảm biến tốc độ kế xung loại từ trở biến thiên để lắp đặt và sử dụng trên xe thí nghiệm.

Trên thị trường hiện nay cĩ cảm biến tiệm cận loại cảm ứng từ làm việc với nguyên lý tốc độ kế xung, với tần số đáp ứng cao, khoảng cách phát hiện nhỏ phù hợp với yêu cầu đo tốc độ trên xe và giá thành phù hợp với việc

thực hiện thí nghiệm, như cảm biến tiệm cận của Omron loại E2A-S08- KS02-WP-C1 hoặc E2E-X1R5E1 hoặc E2E-X2D1.

4.1.3.2. Lý thuyết về cảm biến tiệm cận.

Cảm biến tiệm cận (proximity sensor) cho phép phát hiện vật tới gần mà khơng cần tiếp xúc, với khoảng cách phát hiện nhỏ. Cảm biến tiệm cận thường phát hiện vị trí cuối của chi tiết máy, và tín hiệu đầu ra được dùng để điều khiển đối tượng khác.

Cĩ 2 loại cảm biến tiệm cận chính là:

 Cảm biến tiệm cận cảm ứng từ phát hiện các vật bằng cách tạo ra trường điện từ. Dĩ nhiên, thiết bị chỉ phát hiện được vật kim loại.  Cảm biến tiệm cận điện dung phát hiện các vật bằng cách tạo ra

trường điện dung tĩnh điện. Do đĩ, thiết bị này cĩ thể phát hiện mọi loại vật.

Hình 4.3 : Các loại cảm biến tiệm cận

Mặc dù cảm biến cảm ứng từ chỉ phát hiện được các vật kim loại, nhưng chúng phổ biến hơn nhiều trong cơng nghiệp. Những cảm biến này ít chịu ảnh hưởng của các nhiễu bên ngồi như EMC và cuối cùng nhưng khơng kém phần quan trọng những cảm biến này rẻ hơn cảm biến điện dung. Đặc điểm của cảm biến tiệm cận:

 Phát hiện vật khơng cần tiếp xúc  Tốc độ đáp ứng nhanh

 Vận hành đáng tin cậy ngay cả trong mơi trường khắc nghiệt (ngồi trời hoặc dầu mỡ).

 Dễ tìm mua, giá cả hợp lý.

Hình 4.4 : Nguyên lý làm việc cảm biến tiệm cận

Cảm biến tiệm cận cảm ứng bao gồm một cuộn dây được cuốn quanh một lõi từ ở đầu cảm ứng. Sĩng cao tần đi qua lõi dây này sẽ tạo ra một trường điện từ dao động quanh nĩ. Trường điện từ này được một mạch bên trong kiểm sốt. Khi vật kim loại di chuyển về phía trường này, sẽ tạo ra dịng điện (dịng điện xốy) trong vật. Những dịng điện này gây ra tác động như máy biến thế, do đĩ năng lượng trong cuộn phát hiện giảm đi và dao động giảm xuống; độ mạnh của từ trường giảm đi. Mạch giám sát phát hiện ra mức dao động giảm đi và sau đĩ thay đổi đầu ra. vật đã được phát hiện. Vì nguyên tắc vận hành này sử dụng trường điện từ nên cảm biến cảm ứng vượt trội hơn cảm biến quang điện về khả năng chống chịu với mơi trường. Ví dụ: dầu hoặc bụi thường khơng làm ảnh hưởng đến sự vận hành của cảm biến.

Cảm biến tiệm cận phân loại theo chế độ hoạt động cĩ loại thường mở (NO) và thường đĩng (NC), mơ tả tình trạng cĩ tín hiệu đầu ra của cảm biến sau khi

cĩ hoặc khơng phát hiện được vật.

 Thường mở (NO): Tín hiệu điện áp cao, khi phát hiện ra vật; tín hiệu điện áp thấp khi khơng cĩ vật

Hinh 4.5 : Cảm biến

tiệm cận loại thường

mở NO

 Thường

đĩng (NC): Tín (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

hiệu cao khi

khơng cĩ vật; tín hiệu thấp khi phát hiện ra vật.

Hình 4.6 : Cảm biến tiệm cận loại thường đĩng NC

Ngày nay, hầu hết cảm biến cảm ứng đều cĩ đặc điểm đầu ra tranzito cĩ logic NPN hoặc PNP. Những loại này cịn được gọi là kiểu DC-3 dây.

Hình 4.7 : Đặc tính đầu ra loại NPN – NO

Hình 4.8 : Đặc tính đầu ra loại PNP - NO

Khoảng cách phát hiện là một thơng số kỹ thuật quan trọng khi thiết kế cảm biến tiệm cận. Cĩ ba loại là cảm biến tiệm cận cảm ứng khoảng cách phát hiện ngắn, trung và dài.

Khoảng cách phát hiện định mức được nêu trong thơng số kỹ thuật của cảm biến tiệm cận cảm ứng dựa trên vật tiêu chuẩn với hướng di chuyển tiêu chuẩn theo hướng trục của cảm biến. Vật tiêu chuẩn này là một bản thép mềm, hình vuơng d x d mm, dày 1 mm, vật cĩ thành phần chính là sắt (được xác định theo EN 60947-5-2).

Đối với loại cảm biến cĩ vỏ bọc (shielded_ hướng từ trường được thu gọn hơn về vùng tác động phía trước để tránh nhiễu xung quanh) bề mặt vật tiêu chuẩn cĩ kích thước đúng bằng đường kính bề mặt tác động của cảm biến. Với cảm biến khơng cĩ vỏ bọc, bề mặt vật tiêu chuẩn bằng với đường kính vùng tác động của cảm biến, hoặc bằng 3 lần vùng tác động của cảm biến, hoặc cĩ thể lớn hơn.

Đối với các vật di chuyển hướng tâm về phía bề mặt cảm ứng, khoảng cách phát hiện sẽ khác với khoảng cách quy định trong catalog, và được khuyến cáo sử dụng kích thước tiêu chuẩn như hình vẽ dưới đây.

Hình 4.9 : Cảm biến tiệm cận phát hiện vật quay.

Tùy thuộc vào loại kim loại được sử dụng, phạm vi phát hiện cĩ thể nhỏ hơn khoảng cách phát hiện định mức. Các vật liệu cĩ

Khoảng cách phát hiện

Kim loại khơng chứa sắt (nhơm, đồng, …) Vật Đầu Sensor Kim loại cĩ từ tính (sắt, SUS, …) Vật Đầu Sensor

từ tính hoặc kim loại cĩ chứa sắt sẽ cĩ khoảng cách phát hiện xa hơn các vật liệu khơng từ tính hoặc khơng chứa sắt.

Hinh 4.10 : Khoảng cách phát hiện phụ thuộc vật liệu vật CB

Thơng tin chi tiết về sự lệ thuộc vào các loại kim loại cĩ trong thơng tin kỹ thuật của tài liệu mỗi cảm biến cảm ứng.

Một số cảm biến tiệm cận cảm ứng từ đặc biệt, cĩ khoảng cách khơng phụ thuộc vào khoảng cách của loại kim loại sử dụng. Chúng cịn được gọi là cảm biến tiệm cận “Hệ số 1″.

Hinh 4.11 : Khoảng cách phát hiện phụ thuộc kích thước vật

Khoảng cách phát hiện cũng chịu ảnh hưởng của kích thước của vật. Để khoảng cách cảm biến với vật cảm biến đạt tiêu chuẩn theo quy định của nhà sản xuất thì kích thước vật phải thỏa mãn ≥ d (đường kính cảm biến). Tuy nhiên, nếu vật cảm biến nhỏ hơn vật thử chuẩn (test object) hoặc cĩ

hình dạng khơng đều, khoảng cách phát hiện của cảm biến sẽ giảm. Do đĩ phải đặt gần hơn thì cảm biến mới cĩ thể thấy được.

Hinh 4.12: Khoảng cách phát hiện phụ thuộc bề dày vật

Bề dày của vật cảm biến là hệ số khác cần phải xét đến. Khoảng cách vùng tác động thì khơng đổi so với vật chuẩn (vật cĩ từ tính), và yêu cầu bề dày của vật phải đảm bảo ≥ 1 (mm). Tuy nhiên, đối với vật thể khơng cĩ từ tính sẽ xảy ra hiện tượng “hiệu ứng bề mặt” (skin effect). Khoảng cách vùng cảm ứng sẽ giảm khi độ dày của vật thể tăng lên. Đồng thời loại và độ dày của lớp mạ cũng ảnh hưởng đến khoảng cách phát hiện thực.

Nếu muốn chọn đúng cảm biến tiệm cận cho một ứng dụng, cần phải lưu ý đến một số điều sau:

 Điều kiện cụ thể của vật (loại kim loại, kích thước, lớp mạ).

 Hướng chuyển động của mục tiêu

 Vận tốc của mục tiêu

 Ảnh hưởng của kinh loại xung quanh

 Ảnh hưởng của nhiệt độ, điện áp, EMC, độ rung, va chạm, độ ẩm, dầu, bột, hĩa chất hoặc chất tẩy rửa

 Khoảng cách phát hiện bắt buộc (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

Hình 4.13: Các yếu tố cần chú ý khi chọn cảm biến ứng dụng

4.1.3.3. Thơng số kỹ thuật của cảm biến tiệm cận.

Lựa chọn cảm biến tiệm cận E2A-S08-KS02-WP-C1 làm đầu thu tín hiệu tốc độ gĩc đầu ra dưới dạng tín hiệu xung.

Hình 4.14: Cảm biến tiệm cận E2A-S08-KS02-WP-C1 (shielded – NPN – NO)

Thơng số kỹ thuật cảm biến.

Mã E2A-S08-KS02-WP-C1

Cỡ M8

Loại Shielded

Khoảng cách phát hiện (với vật tiêu chuẩn)

2 ± 10% mm

điện áp hoạt động) (10 đến 32 VDC) Vật phát hiện Vật liệu từ tính Khoảng cách đặt 0 – 1,6 mm Vật tiêu chuẩn (thép mềm) 8 x 8 x 1 mm

Khoảng cách vi sai Tối đa 10% khoảng cách phát hiện của sensor

Tần số đáp ứng 1500 Hz

Hoạt động Thường mở NO, đầu ra NPN, tín hiệu ra DC Tiêu thụ điện Tối đa 10 mA

Đầu ra điều khiển

Dịng tải Tối đa 200 mA (tối đa 32 VDC)

Điện áp dư Tối đa 2V (dịng tải 200mA, chiều dài cáp 2m) Bảo vệ mạch Chống ngược cực nguồn, điện áp xung, đoản

mạch

Chỉ thị hoạt động Đèn led màu vàng

Cách thức nối dây Pre-wired, dây nối sẵn, dài 2m

Nhiệt độ mơi trường Hoạt động: -40oC đến 70oC; Cất giữ: -40oC đến 85oC (khơng đĩng băng hoặc ngưng hơi).

Độ ẩm mơi trường Hoạt động: 35% đến 95%; Cất giữ: 35% đến 95%

Ảnh hưởng nhiệt độ Tối đa ±10% khoảng cách phát hiện tại 23oC trong dải nhiệt độ từ -25oC đến 70oC

Tối đa ±15% khảng cách phát hiện tại 23oC trong dải nhiệt độ từ -40oC đến 70oC

Ảnh hường điện áp Tối đa ±1% khoảng cách phát hiện trong dải điện áp danh định ±15%

Trờ kháng cách điện Tối thiểu 50 MΩ (tại 500 VDC) giữa các bộ phận mang điện và vỏ

Mức độ chịu rung 10 đến 55 Hz, 1.5-mm trong 2 giờ theo các hướng X,Y,Z

Mức độ chịu sốc 500 m/s2, 10 lần theo các hướng X,Y, Z

Trọng lượng Xấp xỉ 65g.

Vật liệu Thân Thép khơng gỉ Bề mặt CB PBT (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});