Giáo trình Đo lường-Cảm biến - Chương 4: Cảm biến vị trí và dịch chuyển

Nội dung text: Giáo trình Đo lường-Cảm biến - Chương 4: Cảm biến vị trí và dịch chuyển

1. Đo lường - cảm biến Cảm biến vị trí và dịch chuyển
2. Giới thiệu • Vị trí và dịch chuyển thường được hiểu như việc đo lường khoảng cách hay đường đi từ một điểm tới một điểm khác. • Đòi hỏi các phép đo chính xác và các hàm truyền tuyến tính đối với các cảm biến liên quan. • Để làm được các phép đo này, có thể dùng các cảm biến như - Potentiometric Sensor - Gravitational Sensors - Capacitive Sensors - Inductive and Magnetic Sensors: - Optical sensors, ultrasonic sensors, Đo lường – Cảm biến
3. Cảm biến đo vị trí dạng điện trở Potentiometric Sensor Điện áp V tỉ lệ với độ dịch chuyển d Mặc dù đơn giản nhưng cảm biến điện trở vẫn có một số nhược điểm: - Cần một tải cơ đáng kể - Cần có một cơ cấu kết nối với vật thể - Tốc độ chậm - Ma sát và điện áp kích thích có thể làm nóng cảm biến - Sự ổn định về môi trường không cao Đo lường – Cảm biến
4. Gravitational Sensors Một số dạng cảm biến thông dụng dùng trọng lực: - Cảm biến dạng phao - Cảm biến đo độ nghiêng (như hình) Đo lường – Cảm biến
5. Cảm biến điện dung - Capacitive Sensors Nguyên lý hoạt động cơ bản của cảm biến điện dung là dựa trên sự thay đổi hình học, ví dụ như thay đổi khoảng cách giữa các bản điện cực, hoặc là sự thay đổi điện dung dựa vào sự xuất hiện các vật liệu dẫn điện hay điện môi Đo lường – Cảm biến
6. Cảm biến điện dung • Proximity sensor – Cảm biến lân cận dạng điện dung Gồm các dạng cơ bản: - Dạng 1: Cho phép khoảng cách giữa các bản cực dịch chuyển (hình a). Vị trí của thiết bị dịch chuyển tạo ra sự thay đổi vị trí điện môi và điều này làm thay đổi điện dung C Điện dung tỉ lệ nghịch với chuyển động Đầu ra tuyến tính nếu khoảng cách cảm nhận nhỏ Đo lường – Cảm biến
7. Cảm biến điện dung • Proximity sensor – Cảm biến lân cận dạng điện dung - Dạng 2: Cảm nhận bởi sự dịch chuyển điện môi (hình b). Đầu ra tuyến tính và tỉ lệ với độ rộng của tụ điện, có tầm đo dịch chuyển lớn - Dạng 3: Cảm nhận bởi sự dịch chuyển của toàn bộ tụ điện (hình c) (không cần tiếp xúc cơ khí với vật thể). Bề mặt vật thể đóng vai trò như một bản cực tụ điện Đo lường – Cảm biến
8. Cảm biến điện dung
9. Cảm biến vi sai LVDT • Cảm biến dịch chuyển dựa trên nguyên lý máy biến áp. • Hoạt động theo 1 trong hai cách: – Khoảng cách giữa 2 cuộn dây của một máy biến áp được thay đổi – Hệ số kết nối giữa hai cuộn dây được thay đổi bằng việc dịch chuyển lõi thép trong khi 2 cuộn dây được giữ cố định Đo lường – Cảm biến
10. LVDT - Linear Variable Differential Transformer Gồm 1 cuộn sơ cấp và hai cuộn thứ cấp Cuộn sơ cấp được cấp nguồn sine ổn định tại tần số hằng số (>= 10 lần tần số dịch chuyển của lõi) Ngõ ra tuyến tính nếu độ dịch chuyển nhỏ Đo lường – Cảm biến
11. LVDT - Linear Variable Differential Transformer • Ngõ ra bằng 0 nếu lõi thép nằm ở trung tâm • Lõi chuyển động sang phải hay trái sẽ làm đổi chiều (cực tính) ngõ ra • Dựa theo nguyên lý máy biến áp có từ trở thay đổi • Có thể phát hiện được cả khoảng cách và chiều chuyển động Đo lường – Cảm biến
12. Eddy Current Sensors – Cảm biến dựa vào dòng điện xoáy Dòng điện xoáy sẽ tạo một từ trường ngược chiều từ trường kích thích của cuộn dây. Điều này làm cho trở kháng Z của cuộn dây thay đổi Cảm biến dòng xoáy gồm 4 bộ phận: cuộn dây, đối tượng, mạch giao tiếp điện tử, và khối xử lý tín hiệu Đo lường – Cảm biến
13. Eddy Current Sensors – Cảm biến dựa vào dòng điện xoáy Trở kháng cuộn dây Z là hàm của khoảng cách với đối tượng kim loại a. Do đó việc đo độ thay đổi trở kháng cũng chính là đo khoảng dịch chuyển của vật thể Đo lường – Cảm biến
14. Eddy current sensors Đo lường – Cảm biến
15. Eddy current sensors Đo lường – Cảm biến
16. Encoder tăng – Incremental Encoder Cấu trúc của Inc. Encoder: - Các tín hiệu ra: A, B, Z - Các xung A và B: Có nhiều độ phân giải khác nhau cho mỗi vòng quay Ví dụ 2048 P/R (pulses per revolution) A và B lệch pha nhau 90 - Xung Z: Đưa ra một xung cho mỗi vòng quay Các tín hiệu ra của Inc. Encoder A B Z Đo lường – Cảm biến
17. Đo lường – Cảm biến
18. Encoder tăng – Incremental Encoder A D Q F / R D F/F Chiều quay: Kiểm tra chiều quay sử dụng D Flip Flop B [1] Chiều quay thuận - A sớm pha 90 so với xung B Ngõ ra của D F/F là “1” A B F / R [2] Chiều quay nghịch - B sớm pha 90 so với A Ngõ ra của D F/F là “0” A B F / R Đo lường – Cảm biến
19. Encoder tuyệt đối – Absolute Encoder Cấu trúc của Abs. Encoder - Nhiều lớp: ví dụ, 12-bit absolute encoder 12 lớp Ưu điểm - Giá trị số hóa cho các vị trí - Vị trí tuyệt đối có thể nhận được tại mọi thời điểm Khuyết điểm - Nhiều tín hiệu ra - Giá thành cao so với Inc. Encoder - Số bit liên quan tới giá thành và độ phân giải Đo lường – Cảm biến
20. Angle Binary Decimal 0-45 000 0 45-90 001 1 90-135 010 2 135-180 011 3 180-225 100 4 225-270 101 5 270-315 110 6 315-360 111 7 Đo lường – Cảm biến
21. Encoder tuyệt đối – Absolute Encoder Mã nhị phân và Mã Grey (5-bit)  Dữ liệu đầu ra Natural Binary Gray Code Decimal - Mã Grey được dùng để hạn chế sai số Code đo 0000000000 0 0000100001 1  Mã Grey 0001000011 2 - Chỉ một bit thay đổi khi 0001100010 3 chuyển vị trí 0010000110 4 0010100111 5 0011000101 6 0011100100 7 0100001100 8 0100101101 9 0 1 0 1 0 0 1 1 1 1 10 0101101110 11 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Đo lường – Cảm biến1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 31
22. Cảm biến tiếp cận • Cảm biến tiếp cận(điện dung hay điện cảm) có thể được dùng để cảm nhận khoảng cách. • Hàm truyền rất phi tuyến • Các cảm biến tiếp cận thường được dùng như các công tắc tác động khi đạt tới một khoảng cách đã định trước. Đo lường – Cảm biến
23. Cảm biến tiếp cận điện cảm • Hoạt động: – Khi cảm biến tới gần bề mặt vật thể, độ tự cảm của cuộn dây tăng nếu bề mặt vật thể là vật liệu từ – Khi đó dựa vào việc đo độ tự cảm này để suy ra vị trí và khoảng cách Đo lường – Cảm biến
24. Cảm biến Hall d I C  Điện áp đầu ra của phần tử Hall K B VHC IBB  d I C - Điện áp Hall tỉ lệ với từ thông - Chiều của điện áp Hall chính là chiều của từ thông V H Ví dụ, cảm biến Hall dùng như một cảm biến quay Đo lường – Cảm biến
25. Cảm biến Hall Cảm biến Hall dùng phát hiện vị trí rotor động cơ BLDC Đo lường – Cảm biến
26. Cảm biến quang dùng đo vị trí Cảm biến tiếp cận dạng phản xạ Thước quang – Linear encoder Đo lường – Cảm biến
27. Thước quang Một mảng các photovoltaic cell sẽ chuyển đổi các tia sáng có cường độ sáng khác nhau thành tín hiệu điện Absolute Incremental Đo lường – Cảm biến
28. Đo khoảng cách dùng siêu âm và laser Khoảng cách Lo tới vật thể có thể được tính dựa vào vận tốc v và góc  Cảm biến siêu âm hoạt động dựa vào việc truyền và nhận năng lượng sóng siêu âm. Khi sóng siêu âm truyền tới vật thể, một phần năng lượng của nó bị phản xạ về Cảm biến siêu âm dùng trong môi trường không khí Cảm biến laser Đo lường – Cảm biến