CHƯƠNG III: CẢM BIẾN VỊ TRÍ VÀ DỊCH CHUYỂN pot

CHƯƠNG III: CẢM BIẾN VỊ TRÍ VÀ DỊCH CHUYỂN
- Cảm biến đo độ dòch chuyển dạng điện trở (potentiometers), thường gọi
tắt pots. Pot là 1 loại thiết bò cơ điện chứa 1 cây cọ (wiper) dẫn điện trượt
dọc theo 1 phần tử điện trở cố đònh tương ứng với vò trí hay góc của một trục
bên ngoài.
I. CẢM BIẾN ĐIỆN TRỞ
-Xét về điện, phần tử điện trở được chia ở điểm tiếp xúc của nó với wiper. Để
đo độ dòch chuyển, cảm biến dạng này được thiết kế theo cấu hình chia áp.
Ngõ ra của mạch là một hàm theo vò trí của wiper, là một điện áp analog. Từ
điện áp này có thể tính được độ dòch chuyển dựa vào mối quan hệ của điện áp
này và vò trí của wiper.
Pot chính xác:
- Pot có nhiều dạng, tùy theo từng ứng dụng cụ thể mà chúng có những thiết
kế khác nhau. Pot sử dụng để đo lườngvòtríyêucầucóchấtlượngcao, có
các chức năng mở rộng.
- Pot chính xác có thể ở dạng quay, dạng di chuyển tuyến tính và dạng
chuỗi. Pot chuỗi dùng để đo chiều dài mở rộng của cáp được chòu tải bằng
lò xo. Pot quay có thể ở dạng quay 1 vòng hay nhiều vòng, phổ biến là 3, 5
hay 10 vòng. Pot di chuyển tuyến tính hoạt động trong phạm vi từ 5mm đến
hơn 4m. Pot chuỗi có thể đo độ dòch chuyển tối đa là 50m. Nhà chế tạo
thường cung cấp các thông tin về kiểu pot, chất liệu phần tử điện trở, các
tham số điện và cơ khí và các phương pháp lắp đặt.
- Phần tử điện trở trong Pot thường ở dạng dây quấn (wirewound) hoặc không phải dây
quấn (nonwirewound). Loại dây quấn chứa các cuộn dây điện trở nhỏ đo lường lượng
tử theo độ tăng theo từng bước. Ngược lại, loại không dây quấn chứa các phiến vật
liệu điện trở liên tiếp, và kết quả đo dựa trên độ phân giải của các phiến vật liệu.
-Trước khi chọn Pot và tích hợp nó vào một hệ thống đo lường, cần phải xem xét các
đặc tính điện sau đây:
+ Đầu cuối kết nối
+ Độ tuyến tính
+ Tải điện

+ Độ phân giải
+ Công suất đònh mức
+ Hệ số nhiệt
+ Điện trở
+ Nguồn điện áp sử dụng
+ Đường chạy của điện
Ngoài các đặc tính về điện, cần phải lưu ý một số đặc tính về cơ khí như:
Tải cơ khí, đường chạy cơ khí, nhiệt độ làm việc, chấn động, tốc độ di
chuyển, tuổi thọ làm việc…
- Cảm biến dòch chuyển dạng điện cảm được sử dụng rất phổ biến trong
công nghiệp và trong rất nhiều các ứng dụng khác. Chúng rất bền và gọn
gàng, ít bò ảnh hưởng của môi trường.
- Cảm biến điện cảm chủ yếu dựa trên nguyên lý của mạch từ. Chúng
được phân thành 2 loại là tích cực và thụ động. Loại tích cực sử dụng nguyên
lý phát điện; đó là khi có sự chuyển động tương đối giữa dây dẫn điện và từ
trường, một điện áp được cảm ứng vào dây dẫn điện, hoặc khi từ trường biến
thiên kết hợp với dây dẫn điện cố đònh sẽ tạo ra điện áp trong dây dẫn điện.
Trong các ứng dụng đo lường, từ trường có thể biến thiên ở một số tần số
trong khi dây dẫn điện có thể di chuyển ở cùng thời điểm. Với cảm biến
dạng thụ động, nó yêu cầu nguồn công suất bên ngoài. Trong trường hợp
này, hoạt động của nó đơn giản chỉ là sự điều chế của tín hiệu kích thích.
II. CẢM BIẾN ĐIỆN CẢM
- Mạch từ bao gồm một lõi làm bằng vật liệu sắt từ, có chiều dài l và
một cuộn dây n vòng quấn trên nó. Cuộn dây hoạt động như một nguồn lực từ
chuyển động (mmf: magnetomotion), nó lái từ thông Φ qua mạch từ. Giả sử
khe hở không khí (air gap) bằng 0, phương trình mạch từ được biểu diễn như
sau:
Trong đó, từ trở giới hạn từ thông Φ trong mạch từ giống như điện trở giới
hạn dòng trong một mạch điện.

Từ thông của mạch từ:
Tổng từ thông:
Điện cảm:
Có nghóa là điện cảm của một phần tử cảm ứng có thể tính được bởi tính chất
của mạch từ. Biểu diễn theo kích thước:
- Cấu hình trong hình trên là cấu hình cơ bản của cảm biến điện cảm nếu khe
hở không khí được cho phép thay đổi. Khi đó, lõi sắt từ được tách thành 2 phần
bởi khe hở không khí. Tổng từ trở của mạch lúc đó bao gồm từ trở của lõi và từ
trở của khe hở không khí. Độ thẩm từ tỷ đối của không khí =1, trong khi độ
thẩm từ tỷ đối của sắt từ lên tới vài ngàn, do đó, sự xuất hiện của khe hở không
khí sẽ tạo ra một lượng tăng lớn về từ trở của mạch và qua đó làm giảm từ
thông. Hầu hết các cảm biến điện cảm đều dựa trên nguyên lý hoạt động này.
CAM BIEN ẹIEN CAM BIEN ẹOI TUYEN TNH VAỉ QUAY
-
- Cảm biến dòch chuyển kiểu điện cảm sử dụng để đo lường độ dòch chuyển
cũng như vận tốc, loại cảm biến này có nhiều dạng khác nhau, tùy vào từng ứng
dụng cụ thể.
Cảm biến điện cảm thay đổi tuyến tính 1 cuộn dây.
Loại này bao gồm 3 phần: 1 lõi sắt từ có hình bán khuyên, 1 khe hở
không khí biến đổi và 1 phiến sắt từ. Tổng từ trở của mạch từ là tổng của các từ
trở riêng biệt.
- Mỗi từ trở có thể được xác đònh dựa vào các tính chất của vật liệu liên quan,
trong trường hợp trên:
Trong phương trình trên, tất cả mọi tham số đều cố đònh, ngoại trừ 1 tham số
phụ thuộc là khe hở không khí. Do đó, có thể biểu diễn:
Điện cảm có thể biểu diễn:
Giá trò phụ thuộc vào dạng hình học của lõi và độ từ thẩm của môi
trường.
Cảm biến điện cảm dạng vi sai:
- Với cảm biến điện cảm 1 cuộn dây, mối quan hệ của điện cảm và kh hở

không khí là phi tuyến. Để khắc phục nhược điểm này Ỉ sử dụng cảm biến
điện cảm dạng vi sai.
- Cảm biến này bao gồm 1 bộ phận di chuyển giữa 2 lõi giống nhau, cách
nhau 1 khoảng cách cố đònh là 2d. Dựa vào loại 1 cuộn dây:
- Mặc dù mối quan hệ trên vẫn là phi tuyến, cảm biến có thể được kết hợp
vào cầu đo AC để có được ngõ ra tuyến tính với sự thay đổi nhỏ.
III. Cảm biến Điện dung
- Cảm biến điện dung được sử dụng rất phổ biến trong CN và trong các lónh vực
khoa học. Nguyên lý của chúng là dựa trên sự thay đổi của điện dung khi có
sự dòch chuyển.
- Cảm biến điện dung có độ tuyến tính lớn và phạm vi rộng. Phần tử cảm ứng
cơ bản của cảm biến điện dung bao gồm 2 cực của một tụ điện có điện dung
C. Điện dung là một hàm của khoảng cách d giữa 2 cực của tụ điện, diện tích
bản cực A và hằng số điện môi.
- Do đó, có 3 phương pháp để tạo ra cảm biến dòch chuyển dạng điện dung
bằng cách thay đổi: d, A, ε.
Cảm biến điện dung khoảng cách biến thiên
- Loại cảm biến này tạo ra từ 2 bản cực phẳng cách nhau một khoảng cách x có
thể thay đổi được. Do đó, điện dung của tụ điện là:
- Điện dung của loại cảm biến này biến thiên phi tuyến theo độ dòch chuyển x.
- Độ nhạy:
- Độ nhạy tăng khi khoảng cách tăng.
Ỉ Tỷ lệ thay đổi của C tỷ lệ với độ thay đổi của x.
Kiểu cảm biến này thường sử dụng để đo dòch chuyển có độ tăng nhỏ mà
không cần tiếp xúc với đối tượng cần đo.
Cảm biến điện dung diện tích bản cực biến thiên
- Độ dòch chuyển có thể đo bởi cảm biến điện dung có diện tích bản cực biến
thiên.
- Ngõ ra loại cảm biến này tỷ lệ tuyến tính với độ dòch chuyển x. loại cảm biến
này thường được thực hiện như một tụ điện quay để đo độ dòch chuyển góc.

Cảm biến điện dung điện môi biến thiên
- Độ dòch chuyển có thể đo dùng cảm biến điện dung dựa trên sự dòch chuyển
tương đối của vật liệu điện môi giữa các bản cực.
- Ngõ ra loại cảm biến này cũng tỷ lệ tuyến tính với độ dòch chuyển x. Loại
cảm biến này thường được sử dụng để đo mức của chất lỏng trong thùng. Với
điều kiện chất lỏng không dẫn điện dạng điện môi.
Cảm biến điện dung Vi sai
- Trong một số trường hợp, ngõ ra của cảm biến điện dung biến thiên phi tuyến
với độ dòch chuyển. Điều này có thể khử được bằng cách sử dụng cảm biến
điện dung dạng vi sai.
- Cảm biến điện dung loại này thường có 3 bản cực. Tùy theo từng ứng dụng cụ
thể mà cảm biến loại này có thể có cấu tạo khác nhau.
Cảm biến điện dung loại này tuyến tính hơn nhiều so với cảm biến điên dung
2 bản cực. Tuy nhiên, trong thực tế vẫn tồn tại một số thành phần phi tuyến
do những khuyết điểm trong cấu trúc. Do đó, ngõ ra cảm biến loại này cần
phải được xử lý cẩn thận nhằm thu được ngõ ra tối ưu.
Xử lý tín hiệu ngõ ra của cảm biến điện dung:
Cảm biến điện dung yêu cầu mạch bên ngoài tương đối phức tạp so với các
loại cảm biến khác. Tuy nhiên, nó có ưu điểm là đơn giản về cơ khí. Để xử lý
tín hiệu, ngõ ra cảm biến này thường được đưa vào một mạch cầu AC hay các
mạch dao động.
Trong thực tế, các cảm biến điện dung không thuần dung, nó có thêm thành
phần điện trở ký sinh biểu diễn tổn hao trong điện môi.
Xử lý tín hiệu sử dụng Khuếch đại thuật toán
Phương pháp này khử tính phi tuyến của mối quan hệ giữa biến vật lý và điện
dung C.