Chương 4 Cảm biến đo vị trí và dịch chuyển

Chương 4 CẢM BIẾN ĐO VỊ TRÍ VÀ DỊCH CHUYỂN 1. Nguyên lý đo 2. Điện thế kế điện trở 3. Cảm biến điện cảm 4. Cảm biến điện dung 5. Cảm biến quang 6. Cảm biến sóng đàn hồi 1. Nguyên lý đo 1.1. Phương pháp 1: bộ cảm biến cung cấp tín hiệu là hàm phụ thuộc vào vị trí của một trong các phần tử của cảm biến, đồng thời phần tử này có liên quan đến vật cần xác định vị trí hoặc dịch chuyển. 2.2. Phương pháp 2: ứng với một dịch chuyển cơ bản, cảm biến phát ra một xung. Việc xác định vị trí hoặc dịch chuyển được tiến hành bằng cách đếm số xung phát ra. 2. Điện thế kế điện trở 2.1. Điện thế kế dùng con chạy cơ học a) Cấu tạo và nguyên lý làm việc: gồm một điện trở cố định (Rm) và một tiếp xúc điện (con chạy) liên kết với vật khảo sát. Khi vật di chuyển, con chạy di chuyển theo, điện trở đo phụ thuộc vào vị trí con chạy. Đo điện trở ⇒ vị trí. 2.1. Điện thế kế con chạy cơ học Đo dịch chuyển quay α > 360o mx RL lR = mm RR α α =αm m RR α α =α 2.1. Điện thế kế con chạy cơ học • Điện trở dạng dây cuộn: được chế tạo từ các hợp kim Ni - Cr, Ni - Cu , Ni - Cr - Fe, Ag - Pd quấn thành vòng xoắn dạng lò xo trên lõi cách điện (bằng thuỷ tinh, gốm hoặc nhựa), giữa các vòng dây cách điện bằng emay hoặc lớp oxyt bề mặt. • Điện trở dạng băng dẫn: được chế tạo bằng chất dẻo trộn bột dẫn điện là cacbon hoặc kim loại cỡ hạt ~10-2µm. 2.1. Điện thế kế con chạy cơ học b) Đặc điểm: • Cấu tạo đơn giản. • Đo được dịch chuyển lớn. • Khoảng chạy có ích nhỏ hơn chiều dài điện trở (Lm). • Độ phân giải của điện trở dạng dây ~10µm, dạng băng dẫn ~ 0,1 µm. • Thời gian sống thấp: dạng dây ~106 lần, dạng băng dẫn 5.107 - 108 lần. • Chịu ảnh hưởng lớn của bụi và ẩm. 2.2. Điện thế kế con chạy quang và từ 2.2.1. Điện thế kế con chạy quang a) Cấu tạo và nguyên lý làm việc: 2.2.1. Điện thế kế con chạy quang b) Đặc điểm: • Không có tiếp xúc cơ học tránh mòn, tránh gây tiếng ồn. • Tuổi thọ cao. • Thời gian hồi đáp ngắn (~20µs). 2.2.2. Điện thế kế dùng con trỏ từ a) Cấu tạo và nguyên lý làm việc: R1, R2: điện trở Cấu tạo: • R1 và R2: từ điện trở. • NC: nam châm vĩnh cửu. • NC Es Vm 2.2.2. Điện thế kế dùng con trỏ từ Nguyên lý: v Nam châm quay. Chiều dài từ điện trở nằm trong từ trường thay đổi → điện trở thay đổi. v Tín hiệu ra: v Đo Vm⇒ vị trí góc. S 1 S 21 1 m ER RE RR RV = + = Thường dùng trong khoảng tuyến tính: góc quay ~ 90o, dịch chuyển thẳng ~ 1 – 2 mm. 3. Cảm biến điện cảm 3.1. Nguyên lý chế tạo: • Cảm biến điện cảm là nhóm các cảm biến làm việc dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ. Vật cần đo vị trí hoặc dịch chuyển được gắn vào một phần tử của mạch từ gây nên sự biến thiên từ thông qua cuộn đo. • Cảm biến điện cảm được chia ra: cảm biến tự cảm và hỗ cảm. 3.2. Cảm biến tự cảm (CBTC) 3.2.1. CBTC đơn có khe từ biến thiên: Cấu tạo và nguyên lý làm việc: 3.2.1. CBTC đơn có khe từ biến thiên δ µ == δ sW R WL 0 22 W- số vòng dây. Rδ - từ trở của khe hở không khí. δ - chiều dài khe hở không khí. s - tiết diện thực của khe hở không khí. • δ µω =ω= sWLZ 0 2 • • 3.2.1. CBTC đơn có khe từ biến thiên Độ nhạy khi δ thay đổi: 0 0 0 0 2 s s LW s LS = δ µ = ∆ ∆ = Đặc điểm: • L = f(∆δ)→ phi tuyến còn L= f(∆s)→ tuyến tính δ δ∂ ∂ + ∂ ∂ = dLds s LdL ( ) δ∆δ∆+δ µ −∆ δ µ =∆ 2 0 00 2 0 0 2 sWsWL⇒ 2 0 0 0 1 LLS        δ δ∆ +δ −= δ∆ ∆ =δ • Z phụ thuộc δ, s và ω: s = f(∆δ)→ phi tuyến s = f(∆s)→ tuyến tính s tăng khi ω tăng. a) Cấu tạo: 3.2.2. CBTC kép có khe từ biến thiên b) Đặc điểm: - Độ nhạy lớn. - Độ tuyến tính cao hơn. 3.2.3. CBTC có lõi từ di động a) Cấu tạo và nguyên lý làm việc Đơn Kép (lắp vi sai) 3.2.3. CBTC có lõi từ di động b) Đặc điểm: • L = f(lf) → phi tuyến, độ nhạy và độ tuyến tính của CB kép cao hơn CB đơn. •Đo được dịch chuyển lớn hơn so với CBTC có khe từ biến thiên. 3.3. Cảm biến hỗ cảm (CBHC) 3.3.1. CBHC có khe từ biến thiên a) Cấu tạo và nguyên lý làm việc: 1. 2. 3. Tấm sắt 4. 3.3.1. CBHC có khe từ biến thiên • Khi cấp dòng xoay chiều ( ) vào cuộn sơ cấp, sinh ra Φ biến thiên → trong cuộn thứ cấp sinh ra sức điện động cảm ứng: tsinIi m ω= tcosIsWWe m012 ωωδ µ −= δ =ω δ µ −= skIsWWE 012 Giá trị hiệu dụng của suất điện động: ⇒ E = f(s, δ) 3.3.1. CBHC có khe từ biến thiên b) Đặc điểm: • E = f(s, δ)→ tuyến tính theo (s) và phi tuyến theo (δ). Với (khi XV = 0) Để tăng độ nhạy và độ tuyến tính → CBHC kép lắp vi sai. 2 0 0 0 2 0 2 0 1 E 1 ksES     δ δ∆ +δ =     δ δ∆ +δ −= δ∆ ∆ =δ 0 0 0 S s Ek s ES = δ = ∆ ∆ = 0 0 0 ksE δ = 3.3.1. CBHC có khe từ biến thiên • CBHC kép lắp vi sai: 3.3.2. CBHC có lõi từ di động (Biến thế vi sai) a) Cấu tạo và nguyên lý làm việc: 4. Cảm biến điện dung 4.1. Nguyên lý: dựa trên sự thay đổi điện dung của cảm biến khi phần tử gắn với vật khảo sát di động → thay đổi kích thước hình học của cảm biến (CB thụ động). 4.2.Cảm biến tụ điện đơn a) Cấu tạo và nguyên lý làm việc: α δ piε = . 360 rC 2 0 δ εε = sC 0 l.)r/rlog( 2C 12 0piε = Bản tĩnh Bản tĩnh Bản tĩnh Bản động Bản động Bản động 4.2.Cảm biến tụ điện đơn Đặc điểm: v Độ nhạy: ( )20 00 C sCS δ∆+δ ε −= δ∆ ∆ =δ 0 0 SC s CS δ ε = ∆ ∆ = 0 0 C sCS δ = ε∆ ∆ =ε ⇒ Phi tuyến ⇒ Tuyến tính ⇒ Tuyến tính ( )200 0 Z s S ε∆+εω δ −=ε ( )200 0 Zs ss S ∆+ωε δ −= 00 Z s 1S ωε =δ ⇒ Tuyến tính ⇒ Phi tuyến ⇒ Phi tuyến 4.3. Cảm biến tụ kép vi sai a) Cấu tạo và nguyên lý làm việc: 4.3. Cảm biến tụ kép vi sai b) Đặc điểm: • Độ nhạy (S) cao hơn CB đơn • Độ tuyến tính cao hơn CB đơn • Cấu tạo phức tạp hơn 4.4. Mạch đo a) Sơ đồ và nguyên lý làm việc: Mạch cầu với tụ kép Mạch cầu với biến áp 4.4. Mạch đo b) Yêu cầu: •Tổng trở đầu vào tức là tổng trở của đường chéo cầu phải thật lớn. • Các dây dẫn phải được bọc kim loại để tránh ảnh hưởng của điện trường ngoài. • Không được mắc các điện trở song song với cảm biến. • Chống ẩm tốt. 5. Cảm biến quang 5.1. Nguyên lý cấu tạo: theo nguyên tắc của cảm biến xung. • Gồm 3 bộ phận: + Bộ phát quang. + Thước đo. + Bộ thu quang. 5.2. Cảm biến quang phản xạ a) Cấu tạo và nguyên lý làn việc: 1. 2. 3. 4.Vạch phản quang 5. 5.2. Cảm biến quang phản xạ b) Đặc điểm: • Nguồn phát, bộ thu bố trí một phía →Dễ bố trí. • Cự li cảm nhận bé. • Chịu ảnh hưởng của nhiễu từ nguồn sáng khác. 5.3. Cảm biến quang soi thấu a) Cấu tạo và nguyên lý làm việc: 2. T 3. 4. 5. 6. 5.3. Cảm biến quang soi thấu b) Đặc điểm: • Cự ly cảm nhận lớn. • Có khả năng thu được tín hiệu mạnh và tỉ số độ tương phản sáng tối lớn. • Ít ảnh hưởng nhiễu của nguồn sáng khác. • Khó bố trí và chỉnh thẳng hàng nguồn phát và đầu thu. 6. Cảm biến đo dịch chuyển bằng sóng đàn hồi 6.1. Nguyên lý đo: • Tốc độ truyền sóng đàn hồi trong chất rắn: • Thời gian truyền sóng giữa hai điểm có khoảng cách (l): • Đo tp ⇒ vị trí hoặc dịch chuyển (l). v lt P = v = const (~103m/s) ⇒ tp = f(l) 6.2. CB sử dụng phần tử áp điện Sơ đồ khối: • Máy phát phát xung có chu kỳ tH (máy đếm làm việc) → truyền đến máy thu (máy đếm ngừng)→ số xung: N. •Thời gian truyền: vtNl H..= HP Ntt = ⇒ 6.2. CB sử dụng phần tử áp điện a) Cảm biến dùng sóng khối: Sóng đàn hồi được phát và thu nhờ sử dụng bộ tạo sóng và thu bằng phần tử áp điện. Bộ tạo sóng Vật truyền sóng Bộ tạo sóng Vật truyền sóng (vật liệu áp điện) 6.2. CB sử dụng phần tử áp điện • Phát dựa vàohHiệu ứng áp điện nghịch: dưới tác động của điện trường có chiều thích hợp → tấm vật liệu áp điện bị biến dạng → sóng. • Thu dựa vào hiệu ứng áp điện thuận: tấm vật liệu áp điện bị biến dạng dưới tác dụng của một lực cơ học → trên các mặt đối diện của tấm xuất hiện một lượng điện tích bằng nhau nhưng trái dấu. F F + + + + + + + + - - - - - - - - +Q - Q + + + + + + + + - - - - - - - - U ε 6.2. CB sử dụng phần tử áp điện b) Cảm biến dùng sóng bề mặt: 6.3.Cảm biến âm từ a) Cấu tạo và nguyên lý làm việc: 1. 2. 6.3.Cảm biến âm từ • Sóng đàn hồi phát ra nhờ sử dụng hiệu ứng Wiedemam: hiện tượng ống trụ sắt từ bị xoắn khi nó chịu tác dụng đồng thời của một từ trường dọc và một từ trường ngang. • Sóng đàn hồi được thu trên cơ sở sử dụng hiệu ứng Vilari: sức căng cơ học làm thay đổi khả năng từ hoá và độ từ thẩm của vật liệu sắt từ.