Bài giảng Đo lường - Cảm biến - Chương 4: Cảm biến vị trí và dịch chuyển

Đo lường - cảm biến Cảm biến vị trí và dịch chuyển 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 Cảm biến đo vị trí dạng điện trở Potentiometric Sensor Đo lường – Cảm biến 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 Gravitational Sensors Đo lường – Cảm biến Một số dạng cảm biến thông dụng dùng trọng lực: - Cảm biến dạng phao - Cảm biến đo độ nghiêng (như hình) Cảm biến điện dung - Capacitive Sensors Đo lường – Cảm biến 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 Cảm biến điện dung • Proximity sensor – Cảm biến lân cận dạng điện dung Đo lường – Cảm biến 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 Cảm biến điện dung • Proximity sensor – Cảm biến lân cận dạng điện dung Đo lường – Cảm biến - 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 Cảm biến điện dung Cảm biến vi sai LVDT Đo lường – Cảm biến • 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 LVDT - Linear Variable Differential Transformer Đo lường – Cảm biến 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 • 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 LVDT - Linear Variable Differential Transformer Đo lường – Cảm biến Eddy Current Sensors – Cảm biến dựa vào dòng điện xoáy Đo lường – Cảm biến 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 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 Eddy Current Sensors – Cảm biến dựa vào dòng điện xoáy Đo lường – Cảm biến Eddy current sensors Đo lường – Cảm biến Eddy current sensors Đo lường – Cảm biến 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 A B Z Các tín hiệu ra của Inc. Encoder Encoder tăng – Incremental Encoder Đo lường – Cảm biến Đo lường – Cảm biến Chiều quay: Kiểm tra chiều quay sử dụng D Flip Flop A B D F/F D Q F / R [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 Encoder tăng – Incremental Encoder Đo lường – Cảm biến 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 Encoder tuyệt đối – Absolute Encoder Đo lường – Cảm biến Đo lường – Cảm biến 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 Encoder tuyệt đối – Absolute Encoder  Dữ liệu đầu ra - Mã Grey được dùng để hạn chế sai số đo Natural Binary Code Gray Code Decimal 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 2 0 0 0 1 1 0 0 0 1 0 3 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0 4 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 5 0 0 1 1 0 0 0 1 0 1 6 0 0 1 1 1 0 0 1 0 0 7 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 8 0 1 0 0 1 0 1 1 0 1 9 0 1 0 1 0 0 1 1 1 1 10 0 1 0 1 1 0 1 1 1 0 11 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 31  Mã Grey - Chỉ một bit thay đổi khi chuyển vị trí Mã nhị phân và Mã Grey (5-bit) Đo lường – Cảm biến 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 • 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 Cảm biến tiếp cận điện cảm Đo lường – Cảm biến Cảm biến Hall Đo lường – Cảm biến B I C V H I C d BBI d K V CH   Điện áp đầu ra của phần tử Hall - Điện áp Hall tỉ lệ với từ thông - Chiều của điện áp Hall chính là chiều của từ thông Ví dụ, cảm biến Hall dùng như một cảm biến quay Cảm biến Hall Đo lường – Cảm biến Cảm biến Hall dùng phát hiện vị trí rotor động cơ BLDC Cảm biến quang dùng đo vị trí Đo lường – Cảm biến Cảm biến tiếp cận dạng phản xạ Thước quang – Linear encoder Thước quang Đo lường – Cảm biến Một mảng các photovoltaic cell sẽ chuyển đổi các tia sáng có cường độ sáng khác nhau thành tín hiệu điện Absolute Incremental Đo khoảng cách dùng siêu âm và laser Đo lường – Cảm biến 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 Khoảng cách Lo tới vật thể có thể được tính dựa vào vận tốc v và góc  Cảm biến siêu âm dùng trong môi trường không khí Cảm biến laser