Tự động hóa - Chương IV: Cảm biến vị trí và dịch chuyển

**Chương IV. Cảm biến vị trí và dịch chuyểnCảm biến vị trí tiếp xúcCông tắc hành trình (Limit Switchs)Điện thế kế điện trở (Potentiometers)Cảm biến vị trí không tiếp xúcCảm biến từ (Magnetic Sensors)Cảm biến siêu âm (Ultrasonic Sensors)Cảm biến tiệm cận (Promixity Sensors)Cảm biến quang điện (Photoelectric Sensors)Đơn giảnRẻ tiềnLàm việc bền Môi trường khắc nghiệtĐắt tiền hơn**1.1 Công tắc hành trìnhCó nhiều loại công tắc hành trình, có được dùng trong nhiều điều kiện môi trường khác nhauGia công vật liệuNhà máy biaMáy đóng góiThiết bị đúc Thiết bị nâng chuyển Công tắc hành trình có thể được đặt với nhiều thiết bị chấp hành như cần trượt, cần xoay, cần lắc, ...**1.1 Công tắc hành trình**1.1 Công tắc hành trình**1.1 Công tắc hành trìnhƯu điểmĐáng tin cậy, chịu được va chạm và dễ sử dụngKhông bị ảnh hưởng bởi nhiễuHoạt động đơn giản (ON/OFF)Nhược điểmTuổi thọ ngắn, bị hao mòn**1.2 Điện thế kế điện trởCấu tạo và nguyên lý làm việc Rm, , LmRx, lĐo dịch chuyểnthẳng12RmRĐo dịch chuyển quay  > 360o12MRRmĐo dịch chuyển quay  < 360o12m**1.2 Điện thế kế điện trởCấu tạo và nguyên lý làm việcGồm một điện trở cố định (Rm) và một tiếp xúc điện (con chạy) liên kết với đối tượng. Khi đối tượng di chuyển, con chạy di chuyển theo, điện trở đo phụ thuộc vào vị trí con chạy. Đo điện trở  vị tríĐiện 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 ~10-2 m.**1.2 Điện thế kế điện trởƯu điểmRẻ tiềnCấu tạo đơn giản, dễ sử dụngĐo được khoảng dịch chuyển lớnNhược điểmBị ảnh hưởng của bụi và ẩmTuổi thọ kém, mau bị hao mòn**2.1 Cảm biến từ Các đặc tính từ có thể được dùng để đo vị trí thông qua việc xác định sự xuất hiện, cường độ hoặc hướng của từ trườngCảm biến từ 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 từ được chia ra 2 loại: cảm biến tự cảm và cảm biến hỗ cảm **2.1.1 Cảm biến tự cảm a) Cảm biến tự cảm đơn có khe từ biến thiên Cấu tạo và nguyên lý làm việc21. Lõi sắt từ 2. Cuộn dây3. Tấm sắt từXVĐo dịch chuyển thẳng12313Đo dịch chuyển quay**2.1.1 Cảm biến tự cảm a) Cảm biến tự cảm đơn có khe từ biến thiên Hệ số tự cảmTổng trở của cảm biến:Khi , s thay đổi, L và Z thay đổi. Đo L hoặc Z  vị trí hoặc độ dịch chuyểnW- số vòng dây.R - từ trở của khe hở không khí. - chiều dài khe hở không khí.s - tiết diện thực của khe hở không khí.L = f()Z5000Hz = f()Z500Hz = f()Z, L**2.1.1 Cảm biến tự cảm b) Cảm biến tự cảm kép có khe từ biến thiên Cấu tạo và nguyên lý làm việcXVXVĐo dịch chuyển thẳngĐo dịch chuyển quay**2.1.1 Cảm biến tự cảm b) Cảm biến tự cảm kép có khe từ biến thiên Hệ số tự cảmĐặc điểm:Độ nhạy lớn.Độ tuyến tính cao hơn.L1 = f()L1 - L2 = f()L2 = f()L**2.1.1 Cảm biến tự cảm c) Cảm biến tự cảm có lõi từ di động Cấu tạo và nguyên lý làm việcĐặc 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 thiênl0lflXV1211XVĐơnKép**2.1.2 Cảm biến hỗ cảma)3XV12~4b)1234Cuộn sơ cấp Gông từ Tấm sắt từ di động Cuộn thứ cấp (cuộn đo) Cấu tạo và nguyên lý làm việc**2.1.2 Cảm biến hỗ cảmCấu tạo và nguyên lý làm việcKhi cấp dòng xoay chiều ( ) vào cuộn sơ cấp, sinh ra  biến thiên  trong cuộn thứ cấp sinh ra sức điện động cảm ứng:Giá trị hiệu dụng của suất điện động E = f(s, )**2.1.2 Cảm biến hỗ cảm Đặc điểmE = f(s, ) tuyến tính theo (s) và phi tuyến theo () Với (khi XV = 0)Để tăng độ nhạy và độ tuyến tính  CBHC kép lắp vi sai.**2.1.2 Cảm biến hỗ cảmCảm biến hỗ cảm kép lắp vi saiXV~12~XV~Dịch chuyển thẳngDịch chuyển quay**2.1.3 Biến áp vi sai biến đổi tuyến tính (LVDT)Cấu tạoGồm 1 cuộn sơ cấp, 2 cuộn thứ cấp và phần lõi sắt từCuộn sơ cấp được cấp nguồn AC, 2 cuốn thứ cấp được mắc ngược nhau**2.1.3 Biến áp vi sai biến đổi tuyến tính (LVDT)Hoạt độngNgõ ra là điện áp giữa 2 đầu cuộn thứ cấp phụ thuộc vào vị trí của lõi sắt từ.Khi lõi sắt ở giữa 2 cuộn thứ cấp, sẽ sinh ra điện áp bằng nhau và ngược dấu nhau  điện áp ra bằng 0.Khi vật di chuyển lên hay xuống thì làm cho điện áp của các cuộn thứ cấp tăng hoặc giảm.Đo điện áp ngõ ra để xác định độ dịch chuyển**2.1.3 Biến áp vi sai biến đổi tuyến tính (LVDT)Ưu điểmPhát hiện được cả khoảng cách và chiều di chuyểnChính xácLàm việc được trong môi trường khắc nghiệtÍt ảnh hưởng bởi rung độngNhược điểmKhông phù hợp cho việc đo khoảng cách lớnỨng dụngĐo dịch chuyển tuyến tínhĐo vị trí**2.2 Cảm biến siêu âm Nguyên lý và cấu tạoSiêu âm là sóng cơ học có tần số lớn hơn tần số âm thanh nghe thấy (trên 20kHz). Thính giác của con người rất nhạy cảm với dải tần số từ âm trầm (vài chục Hz) đến các âm thanh rất cao (gần 20kHz). Cảm biến siêu âm sử dụng nguyên lý phản xạ sóng siêu âm. Cảm biến gồm 2 phần: phần phát ra sóng siêu âm và phần thu sóng siêu âm phản xạ về**2.2 Cảm biến siêu âm Nguyên lý và cấu tạoCảm biến sẽ phát ra 1 sóng siêu âm. Nếu có chướng ngại vật trên đường đi, sóng siêu âm sẽ phản xạ  lại và tác động lên module nhận sóng. Đo thời gian từ lúc phát và nhận sóng ta sẽ tính được khoảng cách từ cảm biến đến chướng ngại vật   V: vận tóc sóng siêu âm (343 m/s trong không khí)t: thời gian từ lúc phát đến lúc thu**2.2 Cảm biến siêu âmƯu điểmĐo được khoảng cách rời rạc của vật di chuyểnÍt ảnh hưởng bởi vật liệu và bề mặtKhông ảnh hưởng bởi màu sắcTín hiệu đáp ứng tuyến tính với khoảng cáchCó thể phát hiện vật nhỏ ở khaongr cách xaNhược điểmSóng phản hồi bị ảnh hưởng của sóng âm thanh tạp âmCần 1 khoảng thời gian sau mỗi lần sóng phát đi để sẵn sàng nhận sóng phản hồi  chậm hơn CB khácKhó phát hiện vật có mật độ vật chất thấp ở khoảng cách xa**2.2 Cảm biến siêu âmBố trí cảm biến**2.2 Cảm biến siêu âmBố trí cảm biến**2.2 Cảm biến siêu âmBố trí cảm biến**2.2 Cảm biến siêu âmBố trí cảm biến**2.2 Cảm biến siêu âmBố trí cảm biến**2.2 Cảm biến siêu âmMột số ứng dụng**2.2 Cảm biến siêu âm**2.3 Cảm biến tiệm cậnCấu tạo và nguyên lý:Cảm biến tiệm cận sử dụng dao động tần số cao để phát hiện vật khi gần cảm biếnCó 2 loại cảm biến tiệm cận:Loại cảm ứng: phát hiện kim loại từ tính và không từ tính bằng cách tạo ra trường điện từ.Loại điện dung: phát hiện vật kim loại và không kim loại bằng tạo ra điện trường tĩnh.**2.3 Cảm biến tiệm cậnMột số hình ảnh thực tế**2.3.1 Cảm biến tiệm cận loại cảm ứngCấu tạo: Gồm có 4 thành phần: Cuộn dây: tạo ra từ trườngBộ dao động: tạo dao động tần số caoMạch kích: Giám sát biên độ của bộ dao độngNgõ ra: Mở / tắt**2.3.1 Cảm biến tiệm cận loại cảm ứngHoạt động: Khi đối tượng vi chuyển đến gần cảm biến - đi vào vùng từ trường, xuất hiện dòng điện xoáy trên bề mặt đối tượng, làm giảm biên độ của bộ dao động. Mạch kích giám sát biên độ của bộ giao động và kích thích cho ngõ ra của cảm biến mở (tắt)**2.3.1 Cảm biến tiệm cận loại cảm ứngĐấu dây:**2.3.1 Cảm biến tiệm cận loại cảm ứngƯu điểmChính xác hơn so với các cảm biến khácCó tỉ lệ chuyển đổi caoCó thể làm việc trong môi trường khắc nghiệtNhược điểmChỉ phát hiện đối tượng kim loạiTầm hoạt động bị giới hạn**2.3.2 Cảm biến tiệm cận loại điện dungCấu tạo và hoạt động Bề mặt của cảm biến điện dung có 2 bản cực kim loại có dạng đồng tâm.Khi đối tượng đến gần cảm biến, làm thay đổi điện dung trong mạch dao động và mạch dao động bắt đầu hoạt động.Mạch kích đo biên độ dao động và kích ngõ ra cảm biến thay đổi trạng thái khi biên độ đến mức chỉ định.**2.3.2 Cảm biến tiệm cận loại điện dungƯu điểmPhát hiện được mọi vật liệuỔn định và tốc độ caoĐộ phân giải tốtGiá thấp Nhược điểmẢnh hưởng bởi nhiệt độ và độ ẩmKhó thiết kếĐộ tuyến tính không caoKhông chính xác bằng cảm biến loại cảm ứng**2.3 Cảm biến tiệm cận**2.3 Cảm biến tiệm cậnMột số ứng dụng**2.3 Cảm biến tiệm cậnMột số ứng dụng**2.4 Cảm biến quang điện Cấu tạoBộ phát sáng:Thường dùng LED: LED đỏ, LED hồng ngoại, LED lazer, Ánh sáng được phát ra theo xungBộ thu sáng:Thường dùng PhototransistorCảm nhận ánh ánh sáng và chuyển đổi thành tín hiệu điện tỉ lệMạch tín hiệu ra:Chuyển tín hiệu tỉ lệ từ bộ thu sáng thành tín hiệu ON/OFF được khuếch đại**2.4 Cảm biến quang điệnMột số hình ảnh thực tế**2.4 Cảm biến quang điện Hoạt độngThu phát:Bộ thu và phát tách riêng biệt nhauNếu có vật chắn ngang nguồn sáng sẽ có tín hiệu raƯu điểm: khoảng cách phát hiện xa (có thể đến 30 m), độ tin cậy và độ chính xác vị trí cao, phát hiện được mọi vật thể (trừ trong suốt).Nhược điểm: mất nhiều thời gian cho việc lắp đặt, giá thành cao.**2.4 Cảm biến quang điện Hoạt độngPhản xạ gương:Nguồn sáng phát ra tới gương và phản xạ lại bộ thuNếu có vật chắn ngang nguồn sáng sẽ có tín hiệu raƯu điểm: giá thành thấp hơn loại thu phát, dễ lắp đặt và hiệu chỉnh, tin cậy.Nhược điểm: khoảng cách phát hiện ngắn, vẫn cần 2 điểm lắp đặt cảm biến và gương **2.4 Cảm biến quang điện Hoạt độngPhản xạ khuếch tán:Bộ phát sáng phát nguồn sáng tới đối tượngĐối tượng này sẽ phản xạ một phần ánh sáng (phản xạ khuếch tán) ngược lại bộ thu sáng, kích hoạt tín hiệu raƯu điểm: giá thành thấp, dễ lắp đặt (chỉ cần 1 điểm lắp đặt duy nhất)Nhược điểm: khoảng cách phát hiện ngắn và phụ thuộc vào kích thước, bề mặt và hình dáng của đối tượng.**2.4 Cảm biến quang điệnƯu điểmPhát hiện được mọi vật liệuỔn định và tốc độ caoĐộ phân giải tốtGiá thấp Nhược điểmẢnh hưởng bởi nhiệt độ và độ ẩmKhó thiết kếĐộ tuyến tính không caoKhông chính xác bằng cảm biến loại cảm ứng**2.4 Cảm biến quang điện**2.4 Cảm biến quang điệnMột số ứng dụng**2.4 Cảm biến quang điệnMột số ứng dụng