chương 4 - Cảm biến vị trí, dịch chuyển và vận tốc ppt

CHƯƠNG 4 Cảm biến vị trí, dịch chuyển và vận tốc
1. Cảm biến vị trí, dịch chuyển
1.1. Cảm biến tiếp cận (proximity sensor)
Cảm biến tiếp cận dùng để phát hiện không tiếp xúc sự
hiện diện của vật, thường dùng thay contact hành trình cơ khí.
a. Cảm biến tiếp cận điện cảm
* Cấu tạo - nguyên lý hoạt động
Thay đổi điện cảm cuộn dây của mạch dao động LC khi
đặt gần vật kim loại.
Dùng để phát hiện kim loại có sắt hay không sắt. Khoảng
cách 2-20cm.
CB E2E – OMRON
b. Cảm biến tiếp cận điện dung
* Cấu tạo - nguyên lý hoạt động
Thay đổi điện dung của mạch dao động
Dùng để phát hiện cho vật kim loại và không kim loại như
thủy tinh, giấy, gỗ, nước, dầu, … Khoảng cách 3-25cm
CB E2KQ – OMRON
* Đặc điểm – lựa chọn ứng dụng cho cảm biến
 Ngõ ra cảm biến tiệm cận: công tắc thường mở, đóng; cực
thu hở NPN hay PNP.
1.3 Biến áp vi sai (LVDT Linear Variable Differential Transformer)
* Cấu tạo - nguyên lý hoạt động
LVDT gồm cuộn sơ cấp và 2 cuộn thứ cấp quấn trên lõi hình trụ
đấu nối tiếp ngược chiều cung cấp điện áp ra, biên độ và pha tuỳ
thuộc vào khoảng di chuyển của nòng lõi ferrite.

Mạch xử lý dùng 2 diode chỉnh lưu, qua mạch lọc thông
thấp để được điện áp DC ngõ ra tỷ lệ với độ dịch chuyển.
LVDT có độ phi tuyến thấp, dùng đo khoảng cách chính xác cao
(tầm đo khoảng 10mm), giá thành cao.

1.4 Cảm biến siêu âm, laser
* Cấu tạo - nguyên lý hoạt động
Cảm biến siêu âm, laser dùng để đo khoảng cách vật đến
CB tương đối lớn. Bộ phát và bộ thu cùng nằm trên CB, CB đo
khoảng cách d dựa trên thời gian T từ khi phát chùm tia đến khi
nhận được chùm sóng phản xạ có vận tốc v :
.
2
T v
d =
Độ chính xác của phương pháp này không cao lắm, giá
thành đắt, dễ lắp đặt.
2. Cảm biến vận tốc
2.1. Encoder
* Cấu tạo - nguyên lý hoạt động
Encoder thường dùng để đo góc quay hay tốc độ của động cơ.
Có 2 loại encoder tương đối (incremental encoder) và encoder
tuyệt đối (absolute encoder). Cả hai đều dựa trên nguyên tắc
CB ánh sáng với một đĩa có khắc vạch quay giữa nguồn sáng
và phototransitor thu quang.
a. Encoder tương đối (incremental encoder)
Có 3 đầu ra A, B, Z. Hai đầu A, B phát ra n xung/vòng còn Z
phát ra 1 xung/vòng.
Xung A sớm pha 90 so với xung B khi đĩa quay theo chiều
kim đồng hồ và trễ pha 90 quay ngược kim đồng hồ.
 Để xác định chiều quay: xét cả 2 xung A, B nếu cùng off, sau
đó nếu A chuyển trạng thái lên on trước B quay theo chiều
kim đồng hồ và ngược lại.
A
1 2

8
1 1
1 0
5
6
9
J
K
C L R
Q
Q
C L K
B
Q = 0: CW
Q = 1: CCW
 Dùng bộ đếm lên/xuống để xác định vị trí của encoder (quay
theo 2 chiều). Xung A là xung clock cho bộ đếm, mỗi khi có
cạnh lên A nếu B=0 thì đếm lên (chiều kim đồng hồ), B=1 thì
đếm xuống(ngược chiều kim đồng hồ).
b. Encoder tuyệt đối (absolute encoder)
Cho trị số nhị phân (hay mã Gray-sai số sẽ giảm còn 1
LSB, có thể phát hiện sai số: 2 số kế nhau mã Gray chỉ khác
nhau 1 bit) của góc quay từ 0-360 so với vị trí gốc, độ phân giải
từ 8-14 bit. Encoder tuyệt đối cho ta biết vị trí trực tiếp của trục
quay.
 Khi mất điện Encoder tuyệt đối có khả năng nhớ vị trí
* Đặc điểm – lựa chọn ứng dụng cho cảm biến
 Encoder được dùng rất phổ biến.
 Cách tính vận tốc động cơ dùng Encoder tương đối.
 Ngõ ra của encoder thường là cực thu hở, hay điện áp.

Encoder tương đối E6B2
Encoder tuyệt đối E6F
Mã nhị phân Mã Gray
2.2. Máy phát tốc (Tachometer)
* Cấu tạo - nguyên lý hoạt động
Có 2 loại: máy phát tốc một chiều và xoay chiều
a. Máy phát tốc một chiều
Rotor của máy phát điện một chiều quay trong từ trường của
nam châm vĩnh cửu, cuộn dây trên rotor sẽ sinh ra điện thế tự
cảm (DC nếu được đảo cực qua chổi than) tỉ lệ với vận tốc
vòng quay, âm hay dương tuỳ theo chiều quay.
b. Máy phát tốc xoay chiều
Các cuộn dây cố định còn các nam châm quay tròn. Điện áp tự
cảm được chỉnh lưu tỉ lệ với vận tốc vòng quay (phương pháp
này không biết được chiều vòng quay.
 Phương pháp dùng máy phát tốc cần phải thêm bộ AD, độ
chính xác thấp, rẻ.
2.3. Máy đo góc tuyệt đối (Resolver)
* Cấu tạo - nguyên lý hoạt động
Cấu tạo gồm 2 phần: phần Rotor gắn với trục động cơ chứa
cuộn dây cấp nguồn
.sinV t
ω
tần số sóng mang 400Hz-10KHz,
phần Stator quấn hai cuộn dây thứ cấp đặt lệch nhau 90 độ.
θ
: góc lệch tuyệt đối của Rotor động cơ
Resolver-to-digital converter
Detector: bộ giải điều chế đồng bộ cho ra tín hiệu Error DC tỉ lệ
với

( )
sin
θ ϕ
−
. Qua bộ tích phân Integrator lái bộ VCO (voltage
controled osccilator) tác động bộ đếm lên/xuống để
( )
sin 0
θ ϕ
− →
ϕ
: góc thử sai, khi
0,
θ ϕ θ ϕ
− → =

 Máy đo góc tuyệt đối ít nhạy với nhiệt độ và nhiễu điện từ, chịu
được va đập, độ phân giải thấp hơn encoder.