Bài giảng Cảm biến vị trí, dịch chuyển và vận tốc

CHƯƠNG 4 Cảm biến vị trí, dịch chuyển và vận tốc 1. Cảm biến vị trí, dịch chuyển 1.1. Cảm biến tiếp cận (proximity sensor) Cảm biến tiếp cận dùng để phát hiện không tiếp xúc sự hiện diện của vật, thường dùng thay contact hành trình cơ khí. a. Cảm biến tiếp cận điện cảm * Cấu tạo - nguyên lý hoạt động Thay đổi điện cảm cuộn dây của mạch dao động LC khi đặt gần vật kim loại. Dùng để phát hiện kim loại có sắt hay không sắt. Khoảng cách 2-20cm. CB E2E – OMRON b. Cảm biến tiếp cận điện dung * Cấu tạo - nguyên lý hoạt động Thay đổi điện dung của mạch dao động Dùng để phát hiện cho vật kim loại và không kim loại như thủy tinh, giấy, gỗ, nước, dầu, … Khoảng cách 3-25cm CB E2KQ – OMRON * Đặc điểm – lựa chọn ứng dụng cho cảm biến Ngõ ra cảm biến tiệm cận: công tắc thường mở, đóng; cực thu hở NPN hay PNP. 1.3 Biến áp vi sai (LVDT Linear Variable Differential Transformer) * Cấu tạo - nguyên lý hoạt động LVDT gồm cuộn sơ cấp và 2 cuộn thứ cấp quấn trên lõi hình trụ đấu nối tiếp ngược chiều cung cấp điện áp ra, biên độ và pha tuỳ thuộc vào khoảng di chuyển của nòng lõi ferrite. Mạch xử lý dùng 2 diode chỉnh lưu, qua mạch lọc thông thấp để được điện áp DC ngõ ra tỷ lệ với độ dịch chuyển. LVDT có độ phi tuyến thấp, dùng đo khoảng cách chính xác cao (tầm đo khoảng 10mm), giá thành cao. 1.4 Cảm biến siêu âm, laser * Cấu tạo - nguyên lý hoạt động Cảm biến siêu âm, laser dùng để đo khoảng cách vật đến CB tương đối lớn. Bộ phát và bộ thu cùng nằm trên CB, CB đo khoảng cách d dựa trên thời gian T từ khi phát chùm tia đến khi nhận được chùm sóng phản xạ có vận tốc v : Độ chính xác của phương pháp này không cao lắm, giá thành đắt, dễ lắp đặt. 2. Cảm biến vận tốc Encoder * Cấu tạo - nguyên lý hoạt động Encoder thường dùng để đo góc quay hay tốc độ của động cơ. Có 2 loại encoder tương đối (incremental encoder) và encoder tuyệt đối (absolute encoder). Cả hai đều dựa trên nguyên tắc CB ánh sáng với một đĩa có khắc vạch quay giữa nguồn sáng và phototransitor thu quang. Encoder tương đối (incremental encoder) Có 3 đầu ra A, B, Z. Hai đầu A, B phát ra n xung/vòng còn Z phát ra 1 xung/vòng. Xung A sớm pha 90 so với xung B khi đĩa quay theo chiều kim đồng hồ và trễ pha 90 quay ngược kim đồng hồ. Để xác định chiều quay: xét cả 2 xung A, B nếu cùng off, sau đó nếu A chuyển trạng thái lên on trước B quay theo chiều kim đồng hồ và ngược lại. Q = 0: CW Q = 1: CCW Dùng bộ đếm lên/xuống để xác định vị trí của encoder (quay theo 2 chiều). Xung A là xung clock cho bộ đếm, mỗi khi có cạnh lên A nếu B=0 thì đếm lên (chiều kim đồng hồ), B=1 thì đếm xuống(ngược chiều kim đồng hồ). Encoder tuyệt đối (absolute encoder) Cho trị số nhị phân (hay mã Gray-sai số sẽ giảm còn 1 LSB, có thể phát hiện sai số: 2 số kế nhau mã Gray chỉ khác nhau 1 bit) của góc quay từ 0-360 so với vị trí gốc, độ phân giải từ 8-14 bit. Encoder tuyệt đối cho ta biết vị trí trực tiếp của trục quay. Khi mất điện Encoder tuyệt đối có khả năng nhớ vị trí * Đặc điểm – lựa chọn ứng dụng cho cảm biến Encoder được dùng rất phổ biến. Cách tính vận tốc động cơ dùng Encoder tương đối. Ngõ ra của encoder thường là cực thu hở, hay điện áp. Encoder tương đối E6B2 Encoder tuyệt đối E6F Mã nhị phân Mã Gray Máy phát tốc (Tachometer) * Cấu tạo - nguyên lý hoạt động Có 2 loại: máy phát tốc một chiều và xoay chiều Máy phát tốc một chiều Rotor của máy phát điện một chiều quay trong từ trường của nam châm vĩnh cửu, cuộn dây trên rotor sẽ sinh ra điện thế tự cảm (DC nếu được đảo cực qua chổi than) tỉ lệ với vận tốc vòng quay, âm hay dương tuỳ theo chiều quay. Máy phát tốc xoay chiều Các cuộn dây cố định còn các nam châm quay tròn. Điện áp tự cảm được chỉnh lưu tỉ lệ với vận tốc vòng quay (phương pháp này không biết được chiều vòng quay. Phương pháp dùng máy phát tốc cần phải thêm bộ AD, độ chính xác thấp, rẻ. Máy đo góc tuyệt đối (Resolver) * Cấu tạo - nguyên lý hoạt động Cấu tạo gồm 2 phần: phần Rotor gắn với trục động cơ chứa cuộn dây cấp nguồn tần số sóng mang 400Hz-10KHz, phần Stator quấn hai cuộn dây thứ cấp đặt lệch nhau 90 độ. : góc lệch tuyệt đối của Rotor động cơ Resolver-to-digital converter Detector: bộ giải điều chế đồng bộ cho ra tín hiệu Error DC tỉ lệ với . Qua bộ tích phân Integrator lái bộ VCO (voltage controled osccilator) tác động bộ đếm lên/xuống để : góc thử sai, khi Máy đo góc tuyệt đối ít nhạy với nhiệt độ và nhiễu điện từ, chịu được va đập, độ phân giải thấp hơn encoder.