Bài giảng Cảm biến vị trí và dịch chuyển - Nguyễn Hoàng Hiếu

1Cảm biến vị trí và dịch chuyểnGV: Nguyễn Hoàng HiếuKhoa: CN Điện Tử2Tổng quan đo vị trí và dịch chuyểnYêu cầu đo vị trí và dịch chuyển lớnDùng để đo các đại lượng khácPhương 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.3Điện thế kế điện trở PotentiometerĐiện 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)4Nguyên tắc đoTheo cấu hình mạch phân áp5Rp(1-x)RLVSV LdSRp xRpisiLixRTHRLcbETHiL6Độ chính xácDạng băng dẫn có độ chính xác cao.Dạng dây quấn độ chính xác phụ thuộc hình dạng kích thước (~ 10μm)n-turnVScale7Phân 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. 8Đánh giáƯu điểm:Giá rẻDể sử dụngTín hiệu đo lớnKhuyết điểm:Mài mòn do ma sátẢnh hưởng môi trườngKhông bền9Đặc tính điện cần quan tâmĐầu cuối kết nốiĐộ tuyến tínhTải điện Độ phân giảiCông suất định mứcHệ số nhiệtĐiện trở Nguồn điện áp sử dụng 10Các đặc tính khácNgoài 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 việc11Vài hình ảnh Potentiometric Displacement Sensors12Cảm biến cảm ứngNguyên lý: dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từThay 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 chiều13Mạch từ có khe từ biến thiên N: số vòng dâyL0 : chiều dài khe hở không khíS: tiết diện 1415Đặc trưngPhi tuyếnPhụ thuộc tần số nguồn kích thích, tần số càng cao thì độ nhạy càng lớnZL = ω.L16Loại hai mạch từĐộ nhạy cao hơn loại đơn mạch từTuyến tính hơn (kết hợp với mạch cầu đo)17LVDT, An Inductive Displacement Sensor  Biến 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 nhauĐiện áp ngõ ra AC tỉ lệ với độ di chuyển của lõi.18LVDT – Hoạt độngĐiện 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:19LVDT – Hoạt độngKhi 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 20LVDT – Hoạt độngTương 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 21LVDT – 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.22LVDT – Đặc trưngPhạm 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.23Xác định ngõ raDo 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. 24Đánh giáKhông 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 .25Cảm biến điện dungCảm 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.26Loại khoảng cách biến thiênLoại 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:27Điện 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. 28Loại 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	 29Loại điện môi biến thiênĐộ 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.30Loại vi saiTrong 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. 31Loại vi sai – công thứcCảm 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. 32Mạch đoMạch cầu không cân bằng, cấp nguồn xoay chiềuĐối với loại vi sai, tần số tín hiệu phải lớn33Cấu hình 4 dây:	Độ dịch chuyển = 	 (G là độ nhạy)Cấu hình này đòi hỏi ít dây hơn và kết nối đơn giàn hơn cấu hình 5 dây nhưng bù lại tín hiệu đo bị ảnh hưởng nhiều bởi môi trường (nhiệt độ) đăc biệt khi dây nối dài và nguồn sơ cấp có biên độ thấp.Cấu hình 5 dây:	Độ dịch chuyển =Cấu hình này cần nhiều dây hơn nhưng ít chịu ảnh hưởng bởi nhiệt độ. Dây nối giữa LVDT và SCXI có thể kéo dài hơn.34Caỷm Bieỏn Quang ẹieọn– 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 Loại Truyền Tia – Loaïi Phaûn Xaï – Loại KheEMITTERDETECTOREMITTERDETECTOREMITTERDETECTOREMITTERDETECTOREMITTERDETECTOR36Mạch Gia Công Photoelectric Sensors Dạng Truyền Tia 37Ưu Điểm Và Nhược Điểm Của CBQĐ– 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. 38Ứng Dụng Của CBQĐ Trong CN39 Cảm Biến Lazer Và Siêu Âm– Cảm Biến Lazer(CBLZ) dùng để đo độ dịch chuyển không tiếp xúc,khoảng cách từ vật đến cảm biến tương đối lớn (từ 4-10 cm)+ Tia lazer chiếu lên vật và được phản xạ lại.sau khi qua hệ thống thấu kính tác dụng lên cảm biến vị trí+VXL sẽ dựa trên phép tính tam giác(so sánh với 1 vị trí chuẩn) để tính ra khoảng cách từ vật tới cảm biến,tín hiệu xuất ra là dòng hay áp tỷ lệ40– Cảm Biến Siêu Âm(CBSA) đo khoảng cách dựa trên thời gian T từ khi phát ra chùm sóng siêu âm đến khi nhận được chùm sóng phản xạ T=2d/v +d: Khoảng cách từ vật đến cảm biến+v: Vận tốc âm thanh  – Độ phân giải của CBSA khoảng 0.2mm kémchính xác hơn rất nhiều so với CBLZ – Sai số đo của cảm biến loại này còn phụ thuộc vào hướng của mặt phản xạ tia 4142Ứng Dụng Của CBLZ & CBSA Trong CN