CẢM BIẾN CÔNG NGHIỆP - CHƯƠNG 4 CẢM BIẾN ĐO VỊ TRÍ VÀ DỊCH CHUYỂN ppt

Chương 4
CẢM BIẾN ĐO VỊ TRÍ VÀ DỊCH CHUYỂN
1. Nguyên lý đo
2. Điện thế kế điện trở
3. Cảm biến điện cảm
4. Cảm biến điện dung
5. Cảm biến quang
6. Cảm biến sóng đàn hồi

1. Nguyên lý đo
1.1. Phương pháp 1: bộ cảm biến cung cấp tín
hiệu là hàm phụ thuộc vào vị trí của một trong
các phần tử của cảm biến, đồng thời phần tử
này có liên quan đến vật cần xác định vị trí
hoặc dịch chuyển.
2.2. Phương pháp 2: ứng với một dịch chuyển
cơ bản, cảm biến phát ra một xung. Việc xác
định vị trí hoặc dịch chuyển được tiến hành
bằng cách đếm số xung phát ra.



2. Điện thế kế điện trở
2.1. Điện thế kế dùng con chạy cơ học
a) 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 vật khảo sát.
Khi vật di chuyển, con chạy di chuyển
theo, điện trở đo phụ thuộc vào vị trí con

chạy. Đo điện trở ⇒ vị trí.
2.1. Điện thế kế con chạy cơ
học

Đo dịch chuyển
quay α > 360
o



mx
R
L
l
R =

m
m
RR
α
α
=
α
m
m
RR
α
α
=
α

2.1. Điện thế kế con chạy cơ học
• 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.

2.1. Điện thế kế con chạy cơ học
b) Đặc điểm:
• Cấu tạo đơn giản.
• Đo được dịch chuyển lớn.
• Khoảng chạy có ích nhỏ hơn chiều dài điện trở
(L
m
).
•
Độ phân giải của điện trở dạng dây ~10µm,
dạng băng dẫn ~ 0,1 µm.
• Thời gian sống thấp: dạng dây ~10
6
lần, dạng
băng dẫn 5.10
7
- 10
8
lần.
• Chịu ảnh hưởng lớn của bụi và ẩm.


2.2. Điện thế kế con chạy quang và từ
2.2.1. Điện thế kế con chạy quang
a) Cấu tạo và nguyên lý làm việc:

2.2.1. Điện thế kế con chạy quang
b) Đặc điểm:
• Không có tiếp xúc cơ học tránh mòn, tránh
gây tiếng ồn.

• Tuổi thọ cao.
•
Thời gian hồi đáp ngắn (~20µs).
2.2.2. Điện thế kế dùng con trỏ từ
a) Cấu tạo và nguyên lý làm việc:

















R
1
, R
2
: điện trở
Cấu tạo:
• R
1

và R
2
: từ điện trở.
• NC: nam châm vĩnh
cửu.
•
NC
E
s


V
m


2.2.2. Điện thế kế dùng con trỏ từ
Nguyên lý:
v Nam châm quay. Chiều
dài từ điện trở nằm trong
từ trường thay đổi →
điện trở thay đổi.
v Tín hiệu ra:


v
Đo V
m
⇒ vị trí góc.

S
1
S
21
1
m
E
R
R
E
RR

R
V =
+
=
Thường dùng trong khoảng tuyến tính: góc quay
~ 90
o
, dịch chuyển thẳng ~ 1 – 2 mm.


3. Cảm biến điện cảm
3.1. Nguyên lý chế tạo:
• Cảm biến điện cảm 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 điện cảm được chia ra: cảm
biến tự cảm và hỗ cảm.

3.2. Cảm biến tự cảm (CBTC)
3.2.1. CBTC đơn có khe từ biến thiên:
Cấu tạo và nguyên lý làm việc:

3.2.1. CBTC đơn có khe từ biến thiên

δ
µ
==
δ
sW
R
W
L
0
2
2
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
•
•
3.2.1. CBTC đơn có khe từ biến thiên
Độ nhạy khi δ thay đổi:

0
0
0
0
2
s
s
LW
s
L
S =
δ
µ
=
∆
∆
=

Đặc điểm:
•
L = f(∆δ)→ phi tuyến còn L= f(∆s)→ tuyến tính

δ

δ∂
∂
+
∂
∂
= d
L
ds
s
L
dL
( )
δ∆
δ∆+δ
µ
−∆
δ
µ
=∆
2
0
00
2
0
0
2
sW
s
W
L

⇒

2
0
0
0
1
L
L
S














δ
δ∆
+δ
−=
δ∆
∆

=
δ
•
Z phụ thuộc δ, s và ω:
s = f(∆δ)→ phi tuyến
s = f(∆s)→ tuyến tính
s tăng khi ω tăng.









a) Cấu tạo:

3.2.2. CBTC kép có khe từ biến thiên
b) Đặc điểm:
- Độ nhạy lớn.
- Độ tuyến tính cao hơn.









3.2.3. CBTC có lõi từ di động
a) Cấu tạo và nguyên lý làm việc

Đơn
Kép
(lắp vi sai)
3.2.3. CBTC có lõi từ di động
b) 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.

3.3. Cảm biến hỗ cảm (CBHC)
3.3.1. CBHC có khe từ biến thiên
a) Cấu tạo và nguyên lý làm việc:

1.
2.
3. Tấm sắt
4.
3.3.1. CBHC có khe từ biến thiên
• 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:

tsinIi
m
ω=

tcosI
sWW
e
m

012
ωω
δ
µ
−=

δ
=ω
δ
µ
−=
s
kI
sWW
E
012
Giá trị hiệu dụng của suất điện động:
⇒ E = f(s, δ)
3.3.1. CBHC có khe từ biến thiên
b) 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
=
3.3.1. CBHC có khe từ biến thiên
• CBHC kép lắp vi sai:

3.3.2. CBHC có lõi từ di động
(Biến thế vi sai)
a) Cấu tạo và nguyên lý làm việc:























4. Cảm biến điện dung
4.1. Nguyên lý: dựa trên sự thay đổi điện
dung của cảm biến khi phần tử gắn với vật

khảo sát di động → thay đổi kích thước
hình học của cảm biến (CB thụ động).