chương 4 cảm biến vị trí và dịch chuyển

Friday, May 23, 2014
1
Chương IV. Cảm biến vị trí và dịch chuyển
Chương 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)
1. 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
Friday, May 23, 2014
2

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,
Friday, May 23, 2014
3
1.1 Công tắc hành trình
Friday, May 23, 2014
4
1.1 Công tắc hành trình
Friday, May 23, 2014
5
1.1 Công tắc hành trình
Ưu điểm
Đáng tin cậy, chịu được va chạm và dễ sử dụng
Không bị ảnh hưởng bởi nhiễu
Hoạt động đơn giản (ON/OFF)
Nhược điểm
Tuổi thọ ngắn, bị hao mòn
Friday, May 23, 2014
6
1.2 Điện thế kế điện trở

Cấu tạo và nguyên lý làm việc
R
m,
, L
m
R
x
, l
Đo dịch chuyển
thẳng
12
R
m
R
α
Đo dịch chuyển
quay α > 360
o
1
2
mx
R
L
l
R
=
m
m
RR
α

α
=
α
m
m
RR
α
α
=
α
α
M
R
α
R
m
Đo dịch chuyển
quay α < 360
o
1
2
α
α
m
Friday, May 23, 2014
7
1.2 Điện thế kế điện trở
Cấu tạo và nguyên lý làm việc
Gồm một điện trở cố định (R
m

) 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 trí
Điện 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
µm.
Friday, May 23, 2014
8
1.2 Điện thế kế điện trở
Ưu điểm
Rẻ tiền
Cấu tạo đơn giản, dễ sử dụng
Đo được khoảng dịch chuyển lớn
Nhược điểm
Bị ảnh hưởng của bụi và ẩm
Tuổi thọ kém, mau bị hao mòn
Friday, May 23, 2014
9
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 trường
Cảm 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
Friday, May 23, 2014
10
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
X
V
Đo dịch
chuyển thẳng
1
2
3
1
3
δ
Đo dịch
chuyển quay
Friday, May 23, 2014
11
2.1.1 Cảm biến tự cảm

a) Cảm biến tự cảm đơn có khe từ biến thiên
Hệ số tự cảm
Tổng trở của cảm biến:
Khi δ, s thay đổi, L và Z thay đổi. Đo L hoặc Z
⇒ vị trí hoặc độ dịch chuyển
W- số vòng dây.
Rδ - từ trở của khe hở không khí.
δ - chiều dài khe hở không khí.
s - tiết diện thực của khe hở không khí.
δ
µω
=ω=
sW
LZ
0
2
L = f(∆δ)
Z
5000Hz
= f(∆δ)
Z
500Hz
= f(∆δ)
Z, L
∆δ
Friday, May 23, 2014
12
2.1.1 Cảm biến tự cảm
b) Cảm biến tự cảm kép có khe từ biến thiên
Cấu tạo và nguyên lý làm việc

X
V
X
V
Đo dịch
chuyển thẳng
Đo dịch
chuyển quay
Friday, May 23, 2014
13
2.1.1 Cảm biến tự cảm
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.
L
1
= f(δ)
L
1
- L
2
= f(δ)
L
2
= f(δ)
δ

L
Friday, May 23, 2014
14
2.1.1 Cảm biến tự cảm
c) Cảm biến tự cảm có lõi từ di động
Cấu tạo và nguyên lý làm việc
Đặc điểm:
•
L = f(l
f
) → 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
l
0
l
f
l
X
V
1
2
1
1
X
V
Đơn
Kép

Friday, May 23, 2014
15
2.1.2 Cảm biến hỗ cảm
a)
3
X
V
1
2
~
4
b)
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
Friday, May 23, 2014
16
2.1.2 Cảm biến hỗ cảm
Cấu tạo và nguyên lý làm việc
Khi cấp dòng xoay chiều ( ) vào cuộn sơ
cấp, sinh ra Φ biến thiên → trong cuộn thứ cấp sinh
ra sức điện động cảm ứng:
Giá trị hiệu dụng của suất điện động
tcosI

sWW
e
m
012
ωω
δ
µ
−=
δ
=ω
δ
µ
−=
s
kI
sWW
E
012
⇒ E = f(s, δ)
Friday, May 23, 2014
17
2.1.2 Cảm biến hỗ cảm
Đặc điểm
E = f(s, δ)→ tuyến tính theo (s) và phi tuyến theo (δ)

Với (khi X
V
= 0)
Để tăng độ nhạy và độ tuyến tính → CBHC kép lắp vi
sai.

2
0
0
0
2
0
2
0
1
E
1
ksE
S








δ
δ∆
+δ
=









δ
δ∆
+δ
−=
δ∆
∆
=
δ
0
0
0
S
s
E
k
s
E
S
=
δ
=
∆
∆
=
0
0
0

ks
E
δ
=
Friday, May 23, 2014
18
2.1.2 Cảm biến hỗ cảm
Cảm biến hỗ cảm kép lắp vi sai
X
V
~
φ
1
φ
2
~
X
V
~
Dịch chuyển thẳng
Dịch chuyển quay
Friday, May 23, 2014
19
2.1.3 Biến áp vi sai biến đổi tuyến tính (LVDT)
Cấu tạo
Gồm 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
Friday, May 23, 2014
20

2.1.3 Biến áp vi sai biến đổi tuyến tính (LVDT)
Hoạt động
Ngõ 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
Friday, May 23, 2014
21
2.1.3 Biến áp vi sai biến đổi tuyến tính (LVDT)
Ưu điểm
Phát 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 điểm
Không phù hợp cho việc đo khoảng cách lớn
Ứng dụng
Đo dịch chuyển tuyến tính
Đo vị trí
Friday, May 23, 2014
22
2.2 Cảm biến siêu âm

Nguyên lý và cấu tạo
Siêu 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 về
phần thu sóng siêu âm phản xạ về
Friday, May 23, 2014
23
2.2 Cảm biến siêu âm
Nguyên lý và cấu tạo
Cảm 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
Friday, May 23, 2014
24
2.2 Cảm biến siêu âm
Ưu điểm
Đo được khoảng cách rời rạc của vật di chuyển
Ít ảnh hưởng bởi vật liệu và bề mặt
Không ảnh hưởng bởi màu sắc
Tín hiệu đáp ứng tuyến tính với khoảng cách
Có thể phát hiện vật nhỏ ở khaongr cách xa
Nhược điểm
Sóng phản hồi bị ảnh hưởng của sóng âm thanh tạp
âm
Cần 1 khoảng thời gian sau mỗi lần sóng phát đi để
sẵn sàng nhận sóng phản hồi  chậm hơn CB khác
Khó phát hiện vật có mật độ vật chất thấp ở khoảng
cách xa
Friday, May 23, 2014
25
2.2 Cảm biến siêu âm
Bố trí cảm biến