Chương 4. cảm biến đo vị trí và dịch chuyển

Wednesday, April 12, 2023 1

Chương IV. Cảm biến vị trí và dịch chuyểnChương IV. Cảm biến vị trí và dịch chuyển

1. Cảm biến vị trí tiếp xúc Công tắc hành trình (Limit Switchs) Điện thế kế điện trở (Potentiometers)

2. Cảm biến vị trí không tiếp xúc Cảm biến từ (Magnetic Sensors) Cảm biến siêu âm (Ultrasonic Sensors) Cảm biến tiệm cận (Promixity Sensors) Cảm biến quang điện (Photoelectric Sensors)

-Đơn giản-Rẻ tiền

-Làm việc bền- Môi trường khắc nghiệt-Đắt tiền hơn


1.1 Công tắc hành trình

Có nhiều loại công tắc hành trình, có được dùng trong nhiều điều kiện môi trường khác nhau

Gia công vật liệu

Nhà máy bia

Máy đóng gói

Thiết 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, ...







Ưu điểmĐáng tin cậy, chịu được va chạm và dễ sử dụng

Không bị ảnh hưởng bởi nhiễu

Hoạt động đơn giản (ON/OFF)

Nhược điểmTuổi thọ ngắn, bị hao mòn


1.2 Điện thế kế điện trở

Cấu tạo và nguyên lý làm việc

Rm, , Lm

Rx, l

Đo dịch chuyểnthẳng

12Rm

R

Đo dịch chuyển quay > 360o

1

2

mx RL

lR m

m

RR

mm

RR

M

RRm

Đo dịch chuyển quay < 360o

12

m



Cấu 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.



Ưu điểmRẻ tiền

Cấu tạo đơn giản, dễ sử dụng

Đo được khoảng dịch chuyển lớn

Nhược điểmBị ảnh hưởng của bụi và ẩm

Tuổi 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 việc

2

1. Lõi sắt từ 2. Cuộn dây

3. Tấm sắt từ

XV

Đo dịch chuyển thẳng

1

2

3 1

3

Đo dịch chuyển quay



a) Cảm biến tự cảm đơn có khe từ biến thiên Hệ số tự cảm

Tổng trở của cảm biến:

Khi , s thay đổi, L và Z thay đổi. Đo L hoặc Z vị trí hoặc độ dịch chuyển

sWRW

L 022

W- 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.

sW

LZ 02

L = f()

Z5000Hz = f()

Z500Hz = f()

Z, L



b) Cảm biến tự cảm kép có khe từ biến thiên Cấu tạo và nguyên lý làm việc

XV

XV

Đo dịch chuyển thẳng

Đo dịch chuyển quay



b) Cảm biến tự cảm kép có khe từ biến thiên Hệ số tự cảm

Đặc điểm:

• Độ nhạy lớn.

• Độ tuyến tính cao hơn.

L1 = f()L1 - L2 = f()

L2 = f()

L



c) Cảm biến tự cảm có lõi từ di động Cấu tạo và nguyên lý làm việc

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

l0 lf

l

XV

12 1 1

XV

ĐơnKép


2.1.2 Cảm biến hỗ cảm

a)

3

XV

1

2

~

4b)

1 2

3

4

1. Cuộn sơ cấp 2. Gông từ

3. Tấm sắt từ di động 4. Cuộn thứ cấp (cuộn đo)

Cấu tạo và nguyên lý làm việc



Cấu 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

tsinIi m

tcosIsWW

e m012

s

kIsWW

E 012

E = f(s, )



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

00

02

0

20 1

E

1

ksES

0

0

0S s

EksE

S

0

00

ksE



Cảm biến hỗ cảm kép lắp vi sai

XV

~

1 2

~

XV

~

Dịch chuyển thẳng Dịch 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 từ

Cuộn sơ cấp được cấp nguồn AC, 2 cuốn thứ cấp được mắc ngược nhau



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



Ưu điểmPhát hiện được cả khoảng cách và chiều di chuyển

Chính xác

Làm việc được trong môi trường khắc nghiệt

Ít ảnh hưởng bởi rung động

Nhược điểmKhông phù hợp cho việc đo khoảng cách lớn

Ứng dụngĐo dịch chuyển tuyến tính

Đo 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 Siêu âm là sóng cơ học có tần số lớn hơn tần số âm thanh thanh nghe thấy (trên 20kHz). Thính giác của con nghe thấy (trên 20kHz). Thính giác của con người rất nhạy cảm với dải tần số từ âm trầm (vài người rất nhạy cảm với dải tần số từ âm trầm (vài chục Hz) đến các âm thanh rất cao (gần 20kHz). chục Hz) đến các âm thanh rất cao (gần 20kHz).

Cảm biến siêu âm sử dụng nguyên lý phản xạ sóng Cảm biến siêu âm sử dụng nguyên lý phản xạ sóng siêu âm.siêu âm.

Cảm biến gồm 2 phần:Cảm biến gồm 2 phần: phần phát ra sóng siêu âm và phần phát ra sóng siêu âm và phần thu sóng siêu âm phản xạ vềphần thu sóng siêu âm phản xạ về



Nguyên lý và cấu tạoCảm biến sẽ phát ra 1 sóng siêu âm. Nếu có chướng Cảm biến sẽ phát ra 1 sóng siêu âm. Nếu có chướng ngại vật trên đường đi, sóng siêu âm sẽ phản xạ lại và ngại vật trên đường đi, sóng siêu âm sẽ phản xạ lại và tác động lên module nhận sóng. tác động lên module nhận sóng.

Đo thời gian từ lúc phát và nhận sóng ta sẽ tính được Đo thời gian từ lúc phát và nhận sóng ta sẽ tính được khoảng cách từ cảm biến đến chướng ngại vật 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



Ưu 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 xa

Nhược 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



Bố trí cảm biến















Một số ứng dụng




2.3 Cảm biến tiệm cận

Cấu tạo và nguyên lý:Cảm biến tiệm cận sử dụng dao động tần số cao để phát hiện vật khi gần cảm biến

Có 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.



Một số hình ảnh thực tế


2.3.1 Cảm biến tiệm cận loại cảm ứng

Cấu tạo: Gồm có 4 thành phần:

• Cuộn dây: tạo ra từ trường

• Bộ dao động: tạo dao động tần số cao

• Mạch kích: Giám sát biên độ của bộ dao động

• Ngõ ra: Mở / tắt



Hoạt 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)



Đấu dây:



Ưu điểmChính xác hơn so với các cảm biến khác

Có tỉ lệ chuyển đổi cao

Có thể làm việc trong môi trường khắc nghiệt

Nhược điểmChỉ phát hiện đối tượng kim loại

Tầm hoạt động bị giới hạn


2.3.2 Cảm biến tiệm cận loại điện dung

Cấu 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 dung

Ưu điểmPhát hiện được mọi vật liệu

Ổn định và tốc độ cao

Độ phân giải tốt

Giá thấp

Nhược điểmẢnh hưởng bởi nhiệt độ và độ ẩm

Khó thiết kế

Độ tuyến tính không cao

Không chính xác bằng cảm biến loại cảm ứng










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 xung

Bộ thu sáng:

• Thường dùng Phototransistor

• Cảm nhận ánh ánh sáng và chuyển đổi thành tín hiệu điện tỉ lệ

Mạch tín hiệu ra:

• Chuyển tín hiệu tỉ lệ từ bộ thu sáng thành tín hiệu ON/OFF được khuếch đại



Một số hình ảnh thực tế



Hoạt độngThu phát:

• Bộ thu và phát tách riêng biệt nhau• Nếu có vật chắn ngang nguồn sáng sẽ có tín hiệu ra

• Ưu 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.



Hoạt độngPhản xạ gương:

• Nguồn sáng phát ra tới gương và phản xạ lại bộ thu

• Nếu có vật chắn ngang nguồn sáng sẽ có tín hiệu ra

• Ưu 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



Hoạt độngPhản xạ khuếch tán:

• Bộ phát sáng phát nguồn sáng tới đối tượng• Đối tượng này sẽ phản xạ một phần ánh sáng (phản xạ

khuếch tán) ngược lại bộ thu sáng, kích hoạt tín hiệu ra

• Ưu 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.



Ưu điểmPhát hiện được mọi vật liệu

Ổn định và tốc độ cao

Độ phân giải tốt

Giá thấp

Nhược điểmẢnh hưởng bởi nhiệt độ và độ ẩm

Khó thiết kế

Độ tuyến tính không cao

Không chính xác bằng cảm biến loại cảm ứng









Education

Chương 4. cảm biến đo vị trí và dịch chuyển