Kỹ thuật điều khiển tự động _ Chương 5 doc

Ch 5: Cơ cấu cảm biến
Nhữ thiếtbị à ấ thô ti h bộ điề khiể ề hữ ì đ th ả
•
Nhữ
ng
thiết

bị
m
à
cung c
ấ
p
thô
ng
ti
n c
h
o
bộ

điề
u
khiể
n v
ề
n
hữ
ng g
ì

đ
ang
th
ực sự x
ả
y
ra thì được gọi là cảm biến (sensor / transducer).
•Hầu hết các cảm biến th
ự
c hi
ệ
n biến đổi đ
ạ
i lư
ợ
n
g
v
ậ
t l
ý

(
nhi
ệ
t đ
ộ,
á
p
suất …

)
thành tín
ự ệ ạ ợ g ậ ý( ệ ộ,p )
hiệu điện.
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 5-1
+→
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 5-2
5.1. Cảm biến vị trí và lượn
g
dịch chu
y
ển
g y
•Biến trở (potentiometer)
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 5-3
5.1. Cảm biến vị trí và lượn
g
dịch chu
y
ển
g y
Thí dụ: một biến trở được cấp nguồn 10 Vdc, và được đặt ở vị trí 82
o
. Dãy tối đa của biến
trở là 350
o
. Xác định giá trị điện áp ra của biến trở.

Giải
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 5-4
5.1. Cảm biến vị trí và lượn
g
dịch chu
y
ển
Độ phân giải
g y
Nếu biến trở có dạng dây quấn với N vòng, thì độ phân giải của biến trở là buớc điện áp
giữa 2 vòng liền kề và được xác định là:
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 5-5
5.1. Cảm biến vị trí và lượn
g
dịch chu
y
ển
Sai số: Sai số phụ tải (loading error) xảy ra
g y
khi con trượt của biến trở được nối với tải
có trở kháng lớn không đáng kể so với giá
trị của biến trở
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 5-6
với
5.1. Cảm biến vị trí và lượn
g
dịch chu

y
ển
g y
Thí dụ: một biến trở 10 kΩ có cấu tạo 1000 vòng. Xác định độ phân giải của biến trở và
sai số phụ tải khi điện trở tải là 10 kΩ và con trượt nằm ở vị trí điểm giữa của biến trở.
Giải
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 5-7
5.1. Cảm biến vị trí và lượn
g
dịch chu
y
ển
g y
•Biến thế vi sai tuyến tính (LVDT – Linear Variable Differential Transformer)
LVDT là bộ cảmbiếnvị trí có độ phân giảilớndựa vào hiệntượng cảm ứng điệntừ.Ngõ
ra củaLVDTcódạng điện áp xoay chiều – biên độ củanótỉ lệ tuyếntínhvớilượng dịch
chuyển
Thành
phần
chính
:
cuộn
sơ
cấp
2
cuộn
thứ
cấp
và

lõi
từ
chuyển
.
Thành
phần
chính
:
cuộn
sơ
cấp
,
2
cuộn
thứ
cấp
,
và
lõi
từ
.
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 5-8
5.1. Cảm biến vị trí và lượn
g
dịch chu
y
ển
g y
Với tín hiệuralàđiện áp xoay chiều:

•Biênđộ củanóphụ thuộcvàolượng dịch chuyển(sovớivị trí điểmgiữa)
• Góc pha củanóphụ thuộcvàochiềudịch chuyển–dịch chuyểnsangphảitạo ra góc
h
0
o
dị h
h ể
tái
t
ó
h
180
o
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 5-9
p
h
a
0
o
,
dị
c
h
c
h
uy
ể
n sang
t

r
ái
t
ạorag
ó
cp
h
a
180
o
.
5.1. Cảm biến vị trí và lượn
g
dịch chu
y
ển
g y
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 5-10
5.1. Cảm biến vị trí và lượn
g
dịch chu
y
ển
g y
•Bộ mã hóa quang học (optical encoder)
Bộ mã hóa quang họclàbộ cảmbiếnvị trí góc có tín hiệuraở dạng số. Thành phần
chính: nguồn sáng, đĩavạch, và tế bào quang học.
Dạng tín hiệu của tế bào quang
Bộ mã hóa được phân thành 2 loại: tương đối(incremental encoder)vàtuyệt đối

© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 5-11
(absolute encoder).
5.1. Cảm biến vị trí và lượn
g
dịch chu
y
ển
g y
Bộ mã hóa tuyệt đối
Bộ mã hóa tuyệt đốicótínhiệuralàmộtconsố nhị phân - xác định vị trí của đĩavạch
một cách duy nhất.
với N là số rãnh trên đĩavạch (cũng là
số bit củaconsố nhị phân)
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 5-12
5.1. Cảm biến vị trí và lượn
g
dịch chu
y
ển
g y
Thí dụ:
mộtbộ mã hóa tuyệt đối được
Giải:
Thí

dụ:

một

bộ

mã

hóa

tuyệt

đối

được

sử dụng để xác định vị trí góc của một
trục xoay với yêu cầu độ phân giải ít
nhấtlà1
o
Xác định số bit cầnthiết để
Giải:

nhất

là

1
.
Xác

định

số

bit

cần

thiết

để

đáp ứng yêu cầu này.
Vấn đề đốivớibảng mã nhị phân tự nhiênlàcónhiềubitthayđổitrạng thái đồng thời.
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 5-13
5.1. Cảm biến vị trí và lượn
g
dịch chu
y
ển
g y
Đốivớibảng mã Gray, chỉ có1bitthayđổitrạng thái khi chuyểntừ mộtgiátrịđếngiátrị
kế tiếp.
Decimal Binary code Gray code
0 0 0 0 0 0 0
1 0 0 1 0 0 1
2 0 1 0 0 1 1
3 0 1 1 0 1 0
4
100
110

4
1

0

0
1

1

0
5 1 0 1 1 1 1
6 1 1 0 1 0 1
7 1 1 1 1 0 0
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 5-14
Đ
ĩa vạch dùng bảng mã Gray
5.1. Cảm biến vị trí và lượn
g
dịch chu
y
ển
g y
Bộ mã hóa tương đối
Bộ mã hóa tương đốichỉ có một vòng rãnh,
vớicácvạch đượcphânbốđều nhau.
Thí dụ: Bộ mã hóa tương đối với vòng rãnh có 360 vạch. Bắt đầu ở vị trí tham chiếu
(home), bộ tế bào quang học đếm được 100 vạch cùng chiều kim đồng hồ (CW), 30 vạch
hiề ki đồ hồ (CCW) ồi45 hù hiề ki đồ hồ (CW) Xá đị h ị

ngược c
hiề
u
ki
m
đồ
ng
hồ

(CCW)
, r
ồi

45
vạc
h
c
ù
ng c
hiề
u
ki
m
đồ
ng
hồ

(CW)
.
Xá

c
đị
n
h
v
ị

trí hiện tại của đĩa vạch.
Giải: mỗivạch tương ứng với1
o
.Dođóvị trí hiệntạilà:
100
o
(CW)
-
30
o
(CCW)
+
45
o
(CW)
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 5-15
Giải:

mỗi

vạch

tương

ứng

với

1
.

Do

đó

vị

trí

hiện

tại

là:

100
(CW)

30
(CCW)

45

(CW)

= 115
o
(CW).
5.1. Cảm biến vị trí và lượn
g
dịch chu
y
ển
g y
Thí dụ: Bộ mã hóa tương đối với vòng rãnh có 180
vạch được dùng để đo lượng di động của một thanh
răng thông qua cơ cấu thanh răng – bánh răng. Bánh
răn
g
có đườn
g
kính trun
g
bình d = 5.91 cm. Xác định độ
g gg
phân giải (lượng dịch chuyển / xung) và lượng dịch
chuyển đo được khi tổng số xung nhận được là N = 700.
Giải:
Bộ mã hóa tương đốicầncó3bộ (nguồnsáng–tế bàoquanghọc) để xác định vị trí
tuyệt đốicủa đĩavạch.
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 5-16
5.1. Cảm biến vị trí và lượn

g
dịch chu
y
ển
g y
Với tín hiệu ra là hai dãy xung, pha A (V
1
)vàphaB(V
2
):
•Số vòng quay là số xung đếm đượctrênmộtpha.
•Chiều quay đượcxácđịnh từ sự lệch pha giữaphaAvàphaB.
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 5-17
5.1. Cảm biến vị trí và lượn
g
dịch chu
y
ển
g y
Thí dụ: một hệ thống cảm biến (như hình trên) sử dụng đĩa có 250 vạch. Giá trị hiện tại
của b
ộ
đếm là 00100110. Xác đ
ị
nh
g
iá tr
ị

g
óc của tr
ụ
c đư
ợ
c đo.
ộ
ị g ị g ụ ợ
Giải: ta có
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 5-18
5.1. Cảm biến vị trí và lượn
g
dịch chu
y
ển
g y
Mạch giảimã
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 5-19
5.1. Cảm biến vị trí và lượn
g
dịch chu
y
ển
g y
Độ phân giảicủabộ mã hóa có thể tăng 2 lần, 4 lần
Giao tiếpbộ mã hóa với máy tính
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 5-20

5.1. Cảm biến vị trí và lượn
g
dịch chu
y
ển
g y
•Cảm biến tiếp cận (proximity sensor)
Cảmbiếntiếpcậnlàloạicảmbiến ON/OFF dùng để nhậnbiếtsự hiệndiệncủa đối
tượng.
•
Cảm
biến
tiếp
xúc
•
Cảm
biến
tiếp
xúc
•Cảmbiến không tiếpxúc
 Cảmbiếntiếpcận điệncảm: cảmnhậnnhững đốitượng kim loại
 Cảmbiếntiếpcận điện dung: cảmnhậnnhững đốitượng kim loại/phikim
 Cảmbiến điện quang: cảmnhậnnhững đốitượng kim loại/phikim
•
Cảm
biến
tiếp
cận
hiệu
ứng

Hall
Cảm
biến
tiếp
cận
hiệu
ứng
Hall
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 5-21
5.1. Cảm biến vị trí và lượn
g
dịch chu
y
ển
g y
Công tắc hành trình (limit switch)
Thiết
bị
cơ
→
có
sự
mài
mòn
→
tuổi
thọ
làm
việc

ngắn
–
Thiết
bị
cơ
→
có
sự
mài
mòn
→
tuổi
thọ
làm
việc
ngắn
.
–Cầntạoramộtlực để tác động lên công tắchànhtrình
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 5-22
5.1. Cảm biến vị trí và lượn
g
dịch chu
y
ển
g y
Cảm biến tiếp cận điện cảm (inductive proximity sensor)
Loạicảmbiến này dùng để cảmnhậnnhững đốitượng bằng kim loại. Thành phầnchính:
cuộn dây quấn xung quanh mộtlõisắt, mạch tạo dao động, mạch cảmbiến dòng, và
công

tắc
bán
dẫn
công
tắc
bán
dẫn
.
ê
ý
ộ
ộ
ộ
ù
ừ
ờ
ở
í
ớ
ả
ế
Nguy
ê
nl
ý
hoạt đ
ộ
ng: mạch dao đ
ộ
ng tạoram

ộ
tv
ù
ng t
ừ
trư
ờ
ng
ở
ph
í
atrư
ớ
cc
ả
mbi
ế
n.
Khi có đốitượng bằng kim loạibước vào vùng từ trường, biên độ vùng từ trường suy
giảmdosự thấtthoátnăng lượng (chuyểnsangđốitượng). Mạch cảmbiến dòng nhận
ế
ổ
ắ
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 5-23
bi
ế
tsự thay đ
ổ
ivàkíchhoạt công t

ắ
c.
5.1. Cảm biến vị trí và lượn
g
dịch chu
y
ển
g y
Phạmvicảmbiếnlàkhoảng cách tính từ bề mặtcảmbiếnmàđốitượng chuẩn được
hậ
biết
t
h
i
đó
Ph
i
ả
biế
à
độ
h
ủ
ả
biế
(tố
độ
h ể
n
hậ

n
biết
t
rong p
h
ạmv
i
đó
.
Ph
ạmv
i
c
ả
m
biế
nv
à
độ
n
h
ạyc
ủ
ac
ả
m
biế
n
(tố
c

độ
c
h
uy
ể
n
mạch) phụ thuộc vào kích thướcvàvậtliệucủa đốitượng cảmbiến. Xét mẫu thí nghiệm
(đốitượng cảmbiến) là mộttấm thép hình vuông dày 1 (mm), có các cạnh bằng đường
kí h
ủ
bề
ặt
ấ
ả
biế
đặ
điể
điể
hì h
ủ
l i
ả
biế
à
h
kí
n
h
c
ủ

a
bề
m
ặt
cơ c
ấ
uc
ả
m
biế
n,
đặ
c
điể
m
điể
n
hì
n
h
c
ủ
a
l
oạ
i
c
ả
m
biế

nn
à
yn
h
ư sau:
Sensin
g
ran
g
e
(
mm
)
Diameter
(
mm
)
Len
g
th
(
mm
)
Switchin
g
s
p
eed
(
Hz

)
gg()
()
g
()
g
p()
1 8 40 5000
2 12 40 1000
5
18
40
400
5
18
40
400
10 30 50 200
20 47 60 40
Đốivớinhững đốitượng kim loại không sắt (nonferrous, e.g. aluminum, brass, copper,
and
stainless
steel),
phạm
vi
cảm
biến
sẽ
ngắn
hơn

.
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 5-24
and
stainless
steel),
phạm
vi
cảm
biến
sẽ
ngắn
hơn
.
5.1. Cảm biến vị trí và lượn
g
dịch chu
y
ển
g y
Cảm biến tiếp cận điện dung (capacitive proximity sensor)
Loạicảmbiếntiếpcận này dùng cảmnhậnnhững đốitượng dựavàokhả năng tích điện
của đốitượng. Do đóloại này có thể cảmnhậnsự hiệndiệncủatấtcả các loại đốitượng
(kim
loại
cũng
như
phi
kim
e

g
gỗ
giấy
nước
nhựa
)
Thành
phần
chính
:
mạch
tạo
(kim
loại
cũng
như
phi
kim
,
e
.
g
.
gỗ
,
giấy
,
nước
,
nhựa

…
)
.
Thành
phần
chính
:
mạch
tạo
dao động, mạch cảmbiến dòng, 1 bảncựcnội, và công tắc bán dẫn.
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 5-25
5.1. Cảm biến vị trí và lượn
g
dịch chu
y
ển
g y
Nguyên lý hoạt động: khi có đốitượng xuấthiện phía trướccảmbiến, thì đốitượng đóng
vai trò như mộtbảncực ngoạicủatụđiện. Bảncựcngoạinàykếthợpvớibảncựcnội
hình thành nên mộttụđiệnvàkhiđóhiệntượng tích điệntrênhaibảncựccủatụđiện
xảyra.Điều này tạonênmột dòng điệnthayđổichạyquabảncựcnội. Mạch cảmbiến
dòng nhậnbiếtsự thay đổivàkíchhoạt công tắc.
Những vậtliệu nào có hằng sốđiệnmôitừ 1.2 trở lên đềucóthể nhậnbiếtbởiloạicảm
biế
à
Ph
i
ả
biế

<
70
()
biế
nn
ày
.
Ph
ạmv
i
c
ả
m
biế
n:
<
70
(
mm
)
.
•vớihằng sốđiệnmôicànglớn, đốitượng càng dễđượcnhậnbiết.
•
với
hằng
số
điện
môi
càng
lớn,

khoảng
cách
nhận
biết
càng
xa
.
với
hằng
số
điện
môi
càng
lớn,
khoảng
cách
nhận
biết
càng
xa
.
•vậtliệucóhằng sốđiệnmôilớncũng có thể nhậnbiết đượckhichứatrongthùng
làm bằng vậtliệucóhằng sốđiệnmôithấphơn.
Material Wood (dry) Gasoline Sugar Water
Dielectric constant
2 ÷ 6
2.2 3 80
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 5-26
5.1. Cảm biến vị trí và lượn

g
dịch chu
y
ển
g y
Cảm biến điện quang (photoelectric sensor)
Loạicảmbiến này dùng một chùm sáng để phát hiệnsự hiệndiệncủa đốitượng mà làm
cảntrở hoặcphảnxạ chùm sáng. Thành phần chính: nguồn sáng (bộ phát) và tế bào
quang
cảm
(bộ
thu)
quang
cảm
(bộ
thu)
.
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 5-27
5.1. Cảm biến vị trí và lượn
g
dịch chu
y
ển
g y
Phầnlớncáccảmbiếnloạinàysử dụng LED (Light Emitting Diode) làm nguồn sáng.
LED có thểđượcthiếtkếđểphát ra các ánh sáng khác nhau.
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 5-28
5.1. Cảm biến vị trí và lượn

g
dịch chu
y
ển
g y
Bốnloạitế bào quang cảmthường đượcsử dụng là: photo-resistor, photo-diode, photo-
transistor,vàphotovoltaic cell (photocell).
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 5-29
5.1. Cảm biến vị trí và lượn
g
dịch chu
y
ển
g y
Bộ phát và bộ thucóthểđượcthiếtkế thành
Kiểu truyền trực tiếp
(
Opposed sensing mode
)
hai khốitáchbiệthoặc cùng chung trong một
khốitùythuộcvàokiểucảmbiến.
(
Opposed

sensing

mode
)
Kiểu tru

y
ền
p
hản xạ
y p
(Retro-reflective sensing mode)
Kiểu truyền khuếch tán
(
Proximity sensing mode)
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 5-30
5.1. Cảm biến vị trí và lượn
g
dịch chu
y
ển
g y
Cảm biến tiếp cận hiệu ứng Hall (1879, E.H. Hall)
Hiệu ứng Hall xảyrakhiápdụng mộttừ trường vuông góc lên mộttấmbảnlàmbằng
kim loại hay chất bán dẫn đang có dòng điện I chạyqua,cáchạtmangđiệntíchbị dồn
về
một
phía
của
tấm
bản
dẫn
đến
sự
chênh

lệch
về
điện
thế
giữa
hai
bên
của
tấm
bản
về
một
phía
của
tấm
bản
dẫn
đến
sự
chênh
lệch
về
điện
thế
giữa
hai
bên
của
tấm
bản

và hình thành nên một điệnáphiệu ứng Hall, U
H
.
với K là hằng số (phụ thuộcvàovậtliệu);
I là dòng điệnchạyquatấmbản; B là
cường độ từ trường; và D là bề dày của
tấmbản.
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 5-31
5.1. Cảm biến vị trí và lượn
g
dịch chu
y
ển
g y
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 5-32
5.1. Cảm biến vị trí và lượn
g
dịch chu
y
ển
g y
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 5-33
5.2. Đo vận tốc
•Bộ phát tốc một chiều (DC tachometer)
Máy phát tốcmộtchiềuthựcchất là máy phát điệnmột
chiều–tạoramộttínhiệu điệnápDCtỉ lệ vớivậntốc
góc

của
trục
quay
góc
của
trục
quay
.
-Phần stator: nam châm vĩnh cữu
-Phần rotor (phần ứng): những cuộndây
lắptrênmộtlõitrụ kim loại.
-
Phần
ứng
quay
tự
do
trong
môi
trường
Phần
ứng
quay
tự
do
trong
môi
trường
từ trường (do nam châm củaphần stator
tao ra).

ầ
ố
-Haiđ
ầ
ucủacuôndâyn
ố
i vào hai nữa
củacổ góp. Điệnápgiữa2nữacủacổ
góp được đưa ra ngoài thông qua hai
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 5-34
chổi than.
5.2. Đo vận tốc
•Bộ phát tốc quang học (optical tachometer)
Đốivớiphương pháp này, thì công việc chính là xác định số xung nhận được(từ tế bào
quang cảm) trong một đơnvị thờigiankhitrục xoay.
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 5-35
5.2. Đo vận tốc
Tươn
g
t
ự
đốivới
p
hươn
g
p
há
p

kiểucảm ứn
g
.
g
ự
p g
pp
g
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 5-36
5.2. Đo vận tốc
Xác đ
ị
nh khoản
g
thời
g
ian khi nh
ậ
n đư
ợ
c1xun
g
từ cơ cấucảmbiến
ị
g
g
ậ
ợ
g

© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 5-37
5.3. Đo
g
ia tốc
g
- Khung gia tốc kế được gắn vào vật thể cần đo gia tốc.
- Bên trong gia tốc kế, khối M được đỡ bởi hai thanh lò xo lá và được giảm chấn bởi khối
dầ hớthó
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 5-38
dầ
u n
hớt
xung quan
h
n
ó
.
5.3. Đo
g
ia tốc
g
Một hệ thống bậc 2 được đặc trưng bởi hai thông số:
•Tần số cộng hưởng
Với K: hằng số lò xo (N/m)
•Tỉ số giảm chấn
M: khối lượng (kg)
b: hằng số giảm chấn (N.s/m)
Xét trường hợp khung đilênvớigiatốchằng số,khốiMsẽ làm lệch hai thanh lò xo lá

xuống
phía
duới
(duới
tác
động
của
lực
quán
tính)
Hai
thanh
lò
xo
lá
tạo
ra
một
phản
lực
xuống
phía
duới
(duới
tác
động
của
lực
quán
tính)

.
Hai
thanh
lò
xo
lá
tạo
ra
một
phản
lực
ngượcchiềuvớilực quan tính. Khi hai lực này cân bằng, khốiMsẽ nằmlệch ở vị trí
không đổi.
Lưu ý: Tần số cộng hưởng của gia tốc kế phải lớn hơn đáng kể tần số của tín hiệu gia
ố ầ
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 5-39
t
ố
c c
ầ
n đo.
5.4. Đo lực
-Lựclàmột đạilượng vậtlýđượctạoranhằmlàmthayđổivậntốc hay hình dáng của
mộtvậtthể.
-Hailực (cùng tác dụng lên vật) có độ lớnbằng nhau và đối nhau là hai lựccânbằng.
Hi
h
há
để

t
â
bằ
l
-
H
a
i
p
h
ương p
há
p
để
t
ạorasự c
â
n
bằ
ng
l
ực:
phương pháp cân bằng không
(null balance method)
phương pháp dịch chuyển
(displacement method).
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 5-40
5.4. Đo lực
•Cảm biến lực biến dạng (strain gauge force sensor)

-Vớiloạicảmbiến này, lựccần đotácđộng vào phầntử
đàn hồi. Lượng biếndạng củaphầntử này được chuyển
đổi
thành
tín
hiệu
điện
tỉ
lệ
với
lực
được
đo
đổi
thành
tín
hiệu
điện
tỉ
lệ
với
lực
được
đo
.
- Để đolượng biếndạng, tấm điệntrở (strain gauge)
thường đượcsử dụng. Thông thường gồmcó2loại:
•loạikếtdính:đobiếndạng ở mộtvị trí cụ thể trên
bề mặtbiếndạng củaphầntửđàn hồi
ế

•loại không k
ế
t dính: đolượng di động nhỏ
-Tấm điệntrở kếtdính(bonded-wire strain gage)cóthểđolựctừ vài kg đếnvàitấn.
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 5-41
5.4. Đo lực
Hê số cảm biến của tấm điện trở:
Với R: điện trở của tấm điện trở (Ω) L: chiều dài của tấm điện trở (m)
∆
R
kh ả điệ t ở th đổi
(
Ω
)
∆
L
kh ả hiề dài th đổi
()
Hê số cảmbiến
G
được cung cấpbởinhàchế tạoratấm điệntrở. Thông thường:
∆
R
:
kh
o
ả
ng
điệ

n
t
r
ở

th
ay
đổi

(
Ω
)

∆
L
:
kh
o
ả
ng c
hiề
u
dài

th
ay
đổi

(
m

)
Hê

số

cảm

biến

G
được

cung

cấp

bởi

nhà

chế

tạo

ra

tấm

điện

trở.

Thông

thường:
G = 2 ÷ 4; L = 0.5 ÷ 4 (cm); R = 50 ÷ 5000 (Ω)
Ứng suất của phần tử đàn hồi được
xác định bằng lực (f) trên đơn vị diện
tích (
A
)
Với vật liệu đàn hồi, tỉ số giữa ứng suất
(S) và lượng biến dạng (
ε
= ∆L/L) là một
hằng số và đượcgọilàmô
-
đun đàn hồi
tích

(
A
)
hằng

số

và

được

gọi

là

mô
-
đun

đàn

hồi
.
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 5-42
5.4. Đo lực
Khoản
g
điệntrở tha
y
đổicủatấm điệntrở thườn
g
rấtbé.Vìthế mạch cầu Wheatstone
g
y
g
thường đượcsử dụng để khuếch đạitínhiệu(điệnáp)ở ngõ ra. Vớimạch cầu
Wheatstone, yếutốảnh hưởng củanhiệt độ lên sự thay đổigiátrịđiệntrở (củatấm điện
trở tích c
ự

c
)
cũn
g
có thểđư
ợ
ctri
ệ
ttiêubằn
g
cách dùn
g
thêm m
ộ
ttấm đi
ệ
ntrở bù
ự )
g
ợ
ệ
g
g
ộ
ệ
(compensation gauge) đặtgần và theo hướng vuông góc vớitấm điệntrở tích cực.
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 5-43
5.4. Đo lực
Phân tích mạch cầu ở hình trên, ta có:

Giả sử xét 4 điệntrở củamạch cầu đềucógiátrị R khi mạch cầu cân bằng. Khi có sự
biếndạng, R
G
= R + ∆R.
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 5-44
5.4. Đo lực
Thí dụ: Mộttấm điệntrởđược dùng để đolực
kéo trên mộtkhốitrụ bằng thép có diệntíchmặt
cắt ngang A =13cm
2
.Tấm điệntrở có giá trị
danh n
g
hĩalà120Ω và hệ số biếndạn
g
G
=2.
g
g
Mạch cầu đượccấp nguồn V
s
=10V. Khi không
có lực kéo, mạch cầucânbằng, do đó V
out
=0V.
Khi có l
ự
ckéo
,

m
ạ
ch cầucó
g
iá tr
ị
V
out
=0.0005
ự
,
ạ
g
ị
out
V.Xácđịnh lựctácdụng lên khốitrụ này. Cho
biết thép có E =2.07× 10
7
(N/cm
2
)
Giải:
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 5-45
5.4. Đo lực
•Cảm biến lực khí ép (pneumatic force transmitter)
-Loạicảmbiến này làm việcdựatrênphương pháp cân bằng không. Lựccần đo được
cân bằng vớimộtphảnlựctạo nên bởiápsuấttácđộng nên bề mặttấm màng đàn hồi.
Lượng
áp

suất
tỉ
lệ
với
lực
cần
đo
và
do
đó
giá
trị
áp
suất
đo
được
phản
ánh
giá
trị
lực
Lượng
áp
suất
tỉ
lệ
với
lực
cần
đo

và
do
đó
giá
trị
áp
suất
đo
được
phản
ánh
giá
trị
lực
cần đo.
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 5-46
5.4. Đo lực
Giả sử xét trường hợpkhilựctácdụng tăng đốivớihìnhtrên,làmchốtdichuyểnlênvà
do đó làm giảmtiếtdiệnchảy qua hở. Điềunàysẽ làm tăng áp suất bên trong buồng
phía trên màng đàn hồivàlàmphụchồitrạng thái cân bằng củatấmmàngđàn hồi. Bằng
cách đoápsuất p trong buồng, lựccần đo f đượcxácđịnh như sau:
Với
f
:giátrị lựccần đo
Với

f
:

giá

trị

lực

cần

đo

p: áp suất đo được trong buồng
A
: di
ệ
n tích hi
ệ
u d
ụ
n
g
của tấm màn
g
đàn hồi
ệ ệ ụ g g
Thành phần(p -3)cónghĩarằng giá trị áp suất trong buồng là p =3(psi)tương ứng với
giá
trị
lực
f
=

0
Ở
trường
hợp
này
màng
vẫn
được
duy
trì
ở
trạng
thái
cân
bằng
dưới
tác
giá
trị
lực
f
=
0
.
Ở
trường
hợp
này
,
màng

vẫn
được
duy
trì
ở
trạng
thái
cân
bằng
dưới
tác
dụng củalựclòxo.
Lưuý:phạmvilựccóthểđo đượcbị giớihạnbởigiátrị áp suấtnguồncungcấp.
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 5-47
5.5. Đo nhiệt độ
Cảmbiến nhiệt độ có tín hiệu ở ngõ ra tỉ lệ vớitínhiệunhiệt độ cần đo. Phầnlớncác
cảmbiếncóhệ số nhiệtdương – tín hiệuracủacảmbiếntăng khi giá trị nhiệt độ tăng.
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 5-48
5.5. Đo nhiệt độ
Cảm biến nhiệt lưỡng kim (bimetallic temperature sensor)
Phầntử lưỡng kim hai mảnh kim loạikhácnhaukếtthànhdạng tấm, cuộn, hoặcxoắn
ốc. Hệ số nở nhiệtcủa hai mảnh kim loại khác nhau, để khi dướisựảnh hưởng của
nhiệt
độ
hình
dáng
của
chúng

thay
đổi
so
với
ban
đầu
Cảm
biến
loại
này
thường
dùng
nhiệt
độ
,
hình
dáng
của
chúng
thay
đổi
so
với
ban
đầu
.
Cảm
biến
loại
này

thường
dùng
trong hệ thống điềukhiểnON/OFF.
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 5-49
5.5. Đo nhiệt độ
Cảm biến nhi
ệ
t đi
ệ
n trở
(
RTD
–
resistance tem
p
erature detector
)
ệ ệ (
p)
Cảmbiến nhiệt điệntrở làm việcdựatrênsự thay đổi điệntrở củakimloạikhinhiệt độ
thay đổi. Điệntrở củahầuhết kim loại đềutăng khi nhiệt độ tăng
Phầntử cảmbiếnlàcuộn dây điệntrở
-
thí
dụ
như
bạch
kim
-

quấn
xung
thí
dụ
như
bạch
kim
quấn
xung
quanh mộtlõibằng gốm(ceramic)và
đặt ở cuối ống bảovệ.RTDrất đa
dạng
với
những
giá
trị
điện
trở
khác
dạng
với
những
giá
trị
điện
trở
khác
nhau (giá trịđiệntrở thông thường là
100 Ω ở nhiệt độ 0
0

C)
Dây bạch kim có hệ số nhiệt là: 0.0039 Ω/
0
Cchomỗi đơnvịđiệntrở.Nếu điệntrở của
RTD là 100 Ω
,
thì toàn b
ộ
cuôn dâ
y
sẽ tăn
g
thêm 0.39
Ω
khi nhi
ệ
t đ
ộ
tăn
g
thêm 1
0
C.
© C.B. Pham
Kỹ thuật điềukhiểntựđộng 5-50
,
ộ
y
g
ệ

ộ
g