Cảm biến vị trí và dịch chuyển

1. Cảm biến vị trí và dịch chuyển GV: Nguyễn Hoàng Hiếu Khoa: CN Điện Tử

2. Tổng quan đo vị trí và dịch chuyển • Yêu cầu đo vị trí và dịch chuyển lớn • Dùng để đo các đại lượng khác • Phương pháp đo: • Phần tử CB gắn với vật di động, tín hiệu đo là một hàm phụ thuộc vị trí trong phần tử CB, thông thường là trở kháng. • Không đòi hỏi liên kết cơ học giữa CB và vật đo: tín hiệu đo được thông qua các đại lượng trung gian như điện trường.

3. Điện thế kế điện trở Potentiometer • Điện trở cố định Rn, con chạy. • Giá trị R là hàm phụ thuộc vị trí con chạy (điện trở thay đổi phụ thuộc vị trí con chạy)

4. Nguyên tắc đo • Theo cấu hình mạch phân áp

5. RTH c is iL ETH RL Rp(1-x) iL Rp VS b S Rp x d VL RL ix

6. VScale n-turn Độ chính xác • Dạng băng dẫn có độ chính xác cao. • Dạng dây quấn độ chính xác phụ thuộc hình dạng kích thước (~ 10μm)

7. Phân loại • Pot có nhiều dạng, tùy theo từng ứng dụng cụ thể mà chúng có những thiết kế khác nhau. Pot sử dụng để đo lường vị trí yêu cầu có chất lượng cao, có các chức năng mở rộng. • Pot chính xác có thể ở dạng quay, dạng di chuyển tuyến tính và dạng chuỗi. Pot chuỗi dùng để đo chiều dài mở rộng của cáp được chịu tải bằng lò xo. Pot quay có thể ở dạng quay 1 vòng hay nhiều vòng, phổ biến là 3, 5 hay 10 vòng. Pot di chuyển tuyến tính hoạt động trong phạm vi từ 5mm đến hơn 4m. Pot chuỗi có thể đo độ dịch chuyển tối đa là 50m. Nhà chế tạo thường cung cấp các thông tin về kiểu pot, chất liệu phần tử điện trở, các tham số điện và cơ khí và các phương pháp lắp đặt.

8. Đánh giá • Ưu điểm: • Giá rẻ • Dể sử dụng • Tín hiệu đo lớn • Khuyết điểm: • Mài mòn do ma sát • Ảnh hưởng môi trường • Không bền

9. Đặc tính điện cần quan tâm • Đầu cuối kết nối • Độ tuyến tính • Tải điện • Độ phân giải • Công suất định mức • Hệ số nhiệt • Điện trở • Nguồn điện áp sử dụng

10. Các đặc tính khác • Ngoài các đặc tính về điện, cần phải lưu ý một số đặc tính về cơ khí như: tải cơ khí, đường chạy cơ khí, nhiệt độ làm việc, chấn động, tốc độ di chuyển, tuổi thọ làm việc…

11. Vài hình ảnh Potentiometric Displacement Sensors

12. Cảm biến cảm ứng • Nguyên lý: dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ • Thay đổi hệ số tự cảm L, hệ số hổ cảm M. • Vật cần đo gắn vào một phần tử mạch từ, vật dịch chuyển gây nên sự biến thiên từ thông trong cuộn dây đo dẫn đến thay đổi điện áp trên hai đầu của nó. • Nguồn cấp là tín hiệu xoay chiều

13. Mạch từ có khe từ biến thiên • N: số vòng dây • L0 : chiều dài khe hở không khí • S: tiết diện

15. Đặc trưng • Phi tuyến • Phụ thuộc tần số nguồn kích thích, tần số càng cao thì độ nhạy càng lớn ZL = ω.L

16. Loại hai mạch từ • Độ nhạy cao hơn loại đơn mạch từ • Tuyến tính hơn (kết hợp với mạch cầu đo)

17. LVDT, An Inductive Displacement SensorBiến thế vi sai • Đo độ dịch chuyển: hoạt động dựa trên nguyên lý máy biến áp. • Cấu tạo gồm cuộn dây sơ cấp và hai cuộn thứ cấp giống nhau • Điện áp ngõ ra AC tỉ lệ với độ di chuyển của lõi.

18. LVDT – Hoạt động • Điện áp đo được ở ngõ ra là điện áp xoay chiều có giá trị: • Trong đó E1 , E2 là điện áp xoay chiều được tạo ra trên 2 cuộn dây thứ cấp. • Khi lõi nằm ở vị trí cân bằng như hình vẽ , điện áp trên 2 cuộn dây thứ cấp có giá trị bằng nhau nên ta có:

19. LVDT – Hoạt động • Khi lõi được dịch về phía cuộn thứ cấp thứ nhất E1 tăng lên, E2 giảm do lượng từ thông được tập trung nhiều về phía có cuộn dây thứ nhất. • Điện áp ngõ ra so với điện áp trên cuộn sơ cấp

20. LVDT – Hoạt động • Tương tự, khi lõi được dịch về phía cuộn thứ cấp thứ hai, ta có E1 giảm , E2 tăng. • Điện áp ngõ ra so với điện áp trên cuộn sơ cấp

21. LVDT – Đặc trưng • Độ tuyến tính của phương pháp LVDT được biểu diễn trên đồ thị -Khi lõi dịch chuyển càng xa vị trí cân bằng, biên độ điện áp đo được tại ngõ ra càng tăng. • Biên độ áp ra chỉ tuyến tính với độ dịch chuyển của lõi khi lõi nằm trong một khoảng giới hạn. Khi lõi càng tiến gần các vị trí giới hạn thì phép đo không còn tuyến tính.

22. LVDT – Đặc trưng • Phạm vi tuyến tính LVDT từ + 1mm đến + 50cm (sai số tuyến tính +0.25%) • Đơn vị thường được sử dụng là mV/V/mm hay mV/V/in. • LVDT cung cấp tín hiệu sin cho cuộn sơ cấp với tần số từ 50hz đến 25khz. Tần số này chính là tần số sóng mang và phải lớn hơn tần số của chuyển động của lõi ít nhất 10 lần. • Tín hiệu điện áp ngõ ra chính là tín hiệu điều chế được từ chuyển động của lõi.

23. Xác định ngõ ra • Do điện áp ở ngõ ra là điện áp xoay chiều nên biên độ điện áp luôn tăng khi lõi càng rời xa vị trí cân bằng bất chấp chiều chuyển động của lõi. • Để xác định vị trí của lõi nằm ở phía nào , ta cần quan tâm đến cả biên độ lẫn góc pha của điện áp ngõ ra so với điện áp cung cấp. • Tín hiệu điều chế được đưa qua mạch giải điều chế như hình vẽ để thu được điện áp một chiều ở ngõ ra . • - Dấu của điện áp một chiều này thể hiện vị trí của lõi nằm về phía cuộn dây nào trong quá trình chuyển động.

24. Đánh giá • Không có sự tiếp xúc nào của lõi với các bộ phận khác nên phương pháp này không tạo ra sự hao mòn của trên thiết bị. -> Thiết bị này có độ bền cao hơn các phương pháp khác. • Không có giới hạn cho độ phân giải của phương pháp này do sử dụng từ trường làm trung gian => độ phân giải chỉ phụ thuộc vào độ phân giải của dụng cụ đo điện áp .

25. Cảm biến điện dung • Cảm biến điện dung được sử dụng rất phổ biến trong CN và trong các lĩnh vực khoa học. Nguyên lý của chúng là dựa trên sự thay đổi của điện dung khi có sự dịch chuyển. • Cảm biến điện dung có độ tuyến tính lớn và phạm vi rộng. Phần tử cảm ứng cơ bản của cảm biến điện dung bao gồm 2 cực của một tụ điện có điện dung C. Điện dung là một hàm của khoảng cách d giữa 2 cực của tụ điện, diện tích bản cực A và hằng số điện môi.

26. Loại khoảng cách biến thiên • Loại cảm biến này tạo ra từ 2 bản cực phẳng cách nhau một khoảng cách x có thể thay đổi được. Do đó, điện dung của tụ điện là:

27. Điện dung của loại cảm biến này biến thiên phi tuyến theo độ dịch chuyển x. • Độ nhạy: • Kiểu cảm biến này thường sử dụng để đo dịch chuyển có độ tăng nhỏ mà không cần tiếp xúc với đối tượng cần đo.

28. Loại diện tích bản cực biến thiên Độ dịch chuyển có thể đo bởi cảm biến điện dung có diện tích bản cực biến thiên. • Điện dung tuyến tính với độ dịch chuyển. • Dùng để đo dịch chuyển góc

29. Loại điện môi biến thiên • Độ dịch chuyển có thể đo dùng cảm biến điện dung dựa trên sự dịch chuyển tương đối của vật liệu điện môi giữa các bản cực. • Ngõ ra loại cảm biến này cũng tỷ lệ tuyến tính với độ dịch chuyển x. thường được sử dụng để đo mức của chất lỏng trong thùng. Với điều kiện chất lỏng không dẫn điện dạng điện môi.

30. Loại vi sai • Trong một số trường hợp, ngõ ra của cảm biến điện dung biến thiên phi tuyến với độ dịch chuyển. Điều này có thể khử được bằng cách sử dụng cảm biến điện dung dạng vi sai. • Cảm biến điện dung loại này thường có 3 bản cực. Tùy theo từng ứng dụng cụ thể mà cảm biến loại này có thể có cấu tạo khác nhau.

31. Loại vi sai – công thức • Cảm biến điện dung loại này tuyến tính hơn nhiều so với cảm biến điên dung 2 bản cực. Tuy nhiên, trong thực tế vẫn tồn tại một số thành phần phi tuyến do những khuyết điểm trong cấu trúc. Do đó, ngõ ra cảm biến loại này cần phải được xử lý cẩn thận nhằm thu được ngõ ra tối ưu.

32. Mạch đo • Mạch cầu không cân bằng, cấp nguồn xoay chiều • Đối với loại vi sai, tần số tín hiệu phải lớn

33. Caáu hình 4 daây: Ñoä dòch chuyeån = (G laø ñoä nhaïy) Caáu hình naøy ñoøi hoûi ít daây hôn vaø keát noái ñôn giaøn hôn caáu hình 5 daây nhöng buø laïi tín hieäu ño bò aûnh höôûng nhieàu bôûi moâi tröôøng (nhieät ñoä) ñaêc bieät khi daây noái daøi vaø nguoàn sô caáp coù bieân ñoä thaáp. Caáu hình 5 daây: Ñoä dòch chuyeån = Caáu hình naøy caàn nhieàu daây hôn nhöng ít chòu aûnh höôûng bôûi nhieät ñoä. Daây noái giöõa LVDT vaø SCXI coù theå keùo daøi hôn.

34. Caûm Bieán Quang Ñieän – CBQÑ goàm boä phaùt vaø boä thu aùnh saùng, nguoàn saùng söû duïng laø diode phaùt quang hay diode lazer,aùnh saùng duøng loaïi hoàng ngoaïi hay maøu ñoû,xanh. – Tuyø theo caùch boá trí boä thu vaø boä phaùt,ta seõ chia caûm bieán quang ñieän thaønh caùc loaïi sau:

35. – Loaïi Phaûn Xaï – Loaïi Khe Loaïi Truyeàn Tia EMITTER DETECTOR EMITTER DETECTOR EMITTER EMITTER DETECTOR DETECTOR EMITTER DETECTOR

36. Maïch Gia Coâng Photoelectric Sensors Daïng Truyeàn Tia

37. Öu Ñieåm Vaø Nhöôïc Ñieåm Cuûa CBQÑ – Öu Ñieåm: +CBQÑ laø loaïi caûm bieán khoâng tieáp xuùc giuùp phaùt hieän vaät ôû khoaûng caùch xa,toái ña leân tôùi 10m +CBQÑ coù theå thieát keá ñôn giaûn,reû tieàn. – Khuyeát Ñieåm: +Do CBQÑ söû duïng aùnh saùng hoàng ngoaïi neân raát deã bò nhieãu khi hoaït ñoäng trong moâi tröôøng +Khi CBQÑ bò buïi baùm thì cöôøng ñoä aùnh saùng tôùi boä thu seõ bò giaûm xuoáng cho neân caàn phaûi coù maïch chuaån ñoaùn ñeå caûnh baùo.

38. ÖÙng Duïng Cuûa CBQÑ Trong CN

39. Caûm Bieán Lazer Vaø Sieâu AÂm – Caûm Bieán Lazer(CBLZ) duøng ñeå ño ñoä dòch chuyeån khoâng tieáp xuùc,khoaûng caùch töø vaät ñeán caûm bieán töông ñoái lôùn (töø 4-10 cm) + Tia lazer chieáu leân vaät vaø ñöôïc phaûn xaï laïi.sau khi qua heä thoáng thaáu kính taùc duïng leân caûm bieán vò trí +VXL seõ döïa treân pheùp tính tam giaùc(so saùnh vôùi 1 vò trí chuaån) ñeå tính ra khoaûng caùch töø vaät tôùi caûm bieán,tín hieäu xuaát ra laø doøng hay aùp tyû leä

40. – Caûm Bieán Sieâu AÂm(CBSA) ño khoaûng caùch döïa treân thôøi gian T töø khi phaùt ra chuøm soùng sieâu aâm ñeán khi nhaän ñöôïc chuøm soùng phaûn xaïT=2d/v+d: Khoaûng caùch töø vaät ñeán caûm bieán+v: Vaän toác aâm thanh – Ñoä phaân giaûi cuûa CBSA khoaûng 0.2mm keùmchính xaùc hôn raát nhieàu so vôùi CBLZ – Sai soá ño cuûa caûm bieán loaïi naøy coøn phuï thuoäc vaøo höôùng cuûa maët phaûn xaï tia

42. ÖÙng Duïng Cuûa CBLZ & CBSA Trong CN