Bài giảng Kỹ thuật cảm biến và đo lường - Chương 2: Cảm biến & đo lường vị trí, sự dịch chuyển

Trang 1 
Chương 2: CẢM BIẾN & ĐO L ƯỜ NG VỊ TRÍ, SỰ DỊCH CHUYỂN 
Kiểm tra vị trí và sự dịch chuyển đóng vai trò quan trọng đối với hoạt động của nhiều máy mọc, công cụ. 
Một số đại lượng vật lý có thể đo được thông qua việc xác định sự dịch chuyển của một vật chịu tác động của đại lượng vật lý đó. 
Trang 2 
I. Cảm biến sự dịch chuyển dùng điện trở 
Gồm một điện trở cố định R n và một tiếp xúc điểm có thể di chuyển gắn với chuyển động cần đo. Vi trí con chạy tỷ lệ với giá trị điện trở tại đầu ra của tiếp xúc điểm 
+ Dịch chuyển thẳng 
+ Dịch chuyển quay 
Trang 3 
Đặc tính: 
+ Giá trị điện trở từ 1k Ω 100k Ω, đôi khi lên đến MΩ 
+ Độ phân giải : thông thường đạt cỡ 10 m 
+ Tuổi thọ của con chạy : 10 6 lần với dạng xoay và 10 7 – 10 8 với dạng dịch chuyển 
+ Độ tuyến tính : ở đầu đường chạy hoặc cuối đường chạy : độ tuyến tính kém. 
Trang 4 
Trang 5 
Trang 6 
II. Cảm biến sự dịch chuyển dùng điện dung 
Nguyên lý làm việc : thay đổi giá trị điện dung dưới tác động dịch chuyển làm thay đổi vị trí của 2 bản cực. 
Trang 7 
Trang 8 
Cảm biến được đặc trưng bởi độ nhạy: 
+ độ nhạy điện dung: S c = ΔC / Δx 
+ độ nhạy điện kháng: S z = ΔZ / Δx 
Điện dung sẽ phụ thuộc vào tiết diện, khoảng cách 2 bản cực và điện môi giữa 2 bản cực C(x) = f (A,x, ε) 
Trang 9 
A 
x 
Sự thay đổi điện dung: 
C(x) : không tuyến tính theo độ dịch chuyển 
Độ nhạy : 
Độ biến thiên điện dung bằng với độ biến thiên của sự dịch chuyển nhưng ngược chiều. 
Ví dụ : dịch chuyển theo chiều dọc 
ε 0 = 8,85.10 -12 F/m : hằng số điện môi 
Trang 10 
Để tuyến tính hóa, người ta có thể dùng mạch điện sau cho trường hợp trên: 
~ 
- 
+ 
e x 
e o 
C x 
C f 
Qua mạch điện thì ngõ ra e o tuyến tính với sự dịch chuyển x 
Tụ có khoảng cách biến thiên có thể đo được dịch chuyển nhỏ, trong khi đó tụ có diện tích biến thiên chỉ đo được dịch chuyển lớn hơn 1cm 
Trang 11 
Ví dụ : dịch chuyển theo chiều ngang 
A 
A 
v 
d 
C(x) : tuyến tính theo độ dịch chuyển 
Ví dụ : thay đổi điện môi. 
x 
A 
ε 1 
ε 2 
v 
C(x) : tuyến tính theo độ dịch chuyển 
x 
Trang 12 
Chuyển đổi điện dung vi sai 
C1-C2 =  0 A/(d-x) -  0 A/(d+x) 
	= 2 0 Ax/(d 2 -x 2 ) 
C1+C2 	=  0 A/(d-x) +  0 A/(d+x) 
	= 2 0 Ad/(d 2 -x 2 ) 
Trang 13 
III. Cảm biến sự dịch chuyển dùng điện cảm 
1. Lõi sắt, 2. Cuộn dây, 3. Phần ứng di chuyển được, 4. Khe hở không khí 
X v tác động làm phần ứng 3 dịch chuyển khe hở không khí δ thay đổi thay đổi từ trở của lõi thép điện cảm và tổng trở của cảm biến cũng thay đổi theo. 
Trang 14 
Điện cảm: 
Với : 
R δ : từ trở của khe hở không khí. 
s: tiết diện thực của khe hở không khí 
μ 0 = 4π. 10 -7 H/m: hằng số từ thẩm 
Điện cảm sẽ phụ thuộc vào khoảng cách khe hở không khí. 
Trang 15 
Ví dụ 1: 
R A 
R c 
x 
i 
R G 
Từ trở của tổng mạch từ: 
R = R A + R C + R G 
Trong đó : 	R A từ trở trong lõi di chuyển 
	R C từ trở trong ống dây 
	R G từ trở không khí. 
Trang 16 
Đặt R 0 là từ trở mạch khi khe hở x bằng 0 
Với : 
Điện cảm : 
L phi tuyến theo x. 
Trang 17 
Ví dụ 2: 
l-x 
l+x 
R A 
R c 
i 
2l 
L 1 
L 2 
Với cách đo này thì độ nhạy tăng lên so với cách đo trước 2 lần và giảm đáng kể sự không tuyến tính 
Trang 18 
IV. LVDT sensor 
Trang 19 
V. Encoder thẳng 
Trang 20 
VI. Đo bằng sóng siêu âm 
d = v.t/2 
Trang 21 
VII. Cảm biến tiệm cận (đo vị trí) 
Đặc điểm: 
+ Phát hiện vật không cần tiếp xúc 
+ Tốc độ đáp ứng nhanh 
+ Đầu cảm biến nhỏ, tiện lợi khi sử dụng 
+ Sử dụng được trong những môi trường khắc nghiệt 
Một số định nghĩa: 
+ Vật chuẩn: các tính chất của vật phải phù hợp phát huy hết các đặc tính của cảm biến. 
+ Khỏang cách phát hiện : khỏang cách xa nhất từ đầu cảm biến đến vị trí vật chuẩn mà cảm biến có thể phát hiện được 
Trang 22 
+ Khỏang cách cài đặt : khỏang cách để cảm biến có thể nhận biết vật một cách ổn định (thường bằng 70 – 80% khỏang cách phát hiện) 
+ Thời gian đáp ứng: 
t 1 : Thời gian từ lúc đối tượng đi vào vùng phát hiện của cảm biến đến lúc cảm biến báo tín hiệu 
t 2 : Thời gian từ lúc đối tượng chuẩn đi ra khỏi vùng phát hiện cho đến khi cảm biến hết báo tín hiệu 
Trang 23 
+ Tần số đáp ứng: số lần lặp lại trong 1 giây khi vật cảm biến đi qua vùng phát hiện 
Trang 24 
1. Cảm biến tiệm cận điện cảm. 
Bao gồm : 
+ Cuộn dây và lõi ferit 
+ Mạch dao động 
+ Mạch phát hiện 
+ Mạch đầu ra 
Trang 25 
Trang 26 
Nguyên lý họat động: 
Mạch dao động tạo dao động điện từ. Từ trường biến thiên từ lõi sắt sẽ tác động với vật kim lọai đặt trước nó. 
Khi có đối tượng lại gần xuất hiện dòng điện cảm ứng chống lại sự thay đổi dòng điện giảm biên độ tín hiêu dao động. 
Bộ phát hiện sẽ phát hiện sự thay đổi tín hiệu và tác động để mạch ra lên mức ON 
Những yếu tố ảnh hưởng đến tầm của cảm biến: 
+ Kích thứơc, hình dáng, vật liệu lõi và cuộn dây. 
+ Vật liệu và kích thước đối tượng 
+ Nhiệt độ môi trường 
Trang 27 
2. Cảm biến tiệm cận điện dung. 
Bao gồm 4 bộ phận chính: 
+ Cảm biến (các bản cực cách điện) 
+ Mạch dao động 
+ Mạch phát hiện 
+ Mạch đầu ra 
Trang 28 
Trong lọai cảm ứng này, sự có mặt của đối tượng làm thay đổi điện dung của các bản cực 
Đối tượng không nhất thiết phải là kim lọai, có thể là chất lỏng, vật liệu phi kim: nhựa, thủy tinh, Tốc độ phát hiện nhanh, có thể phát hiện đối tượng kích thước nhỏ. 
Nguyên lý họat động: