Tiểu luận cơ điện tử ứng dụng

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP. HCM
KHOA CƠ KHÍ
KHÁI NIỆM VÀ PHÂN LOẠI CẢM BIẾN
CẢM BIẾN ĐO VẬN TỐC
CẢM BIẾN ĐO RUNG VÀ GIA TỐC
Khái niệm
•
Cảm biến là bộ phận dùng để cảm nhận và biến đổi
các đại lượng vật lý cần đo (có tính chất điện hoặc
không) thành các đại lượng đo (thường mang tính
chất điện) chứa đựng thông tin cho phép xác định giá
trị của đại lượng cần đo.
.
Phân loại cảm biến
1.1. Nguyên lý đo vận tốc

Vai trò đo vận tốc quay:
•
Trong công nghiệp, phần lớn trường hợp đo
vận tốc là đo tốc độ quay của máy.
•
Trong trường hợp chuyển động thẳng, việc đo
vận tốc dài cũng thường được chuyển về đo
tốc độ quay.
⇒ Chủ yếu nghiên cứu cảm biến đo tốc độ
quay.
1.1. Nguyên lý đo vận tốc

Nguyên lý đo vận tốc quay:
•

Phương pháp 1 (sử dụng tốc độ kế điện từ): Dựa trên
hiện tượng cảm ứng điện từ. Cảm biến gồm có hai
phần: phần cảm (nguồn từ thông) và phần ứng (phần
có từ thông đi qua). Khi có chuyển động tương đối
giữa phần cảm và phần ứng → từ thông (Φ) đi qua
phần ứng biến thiên → trong phần ứng xuất hiện suất
điện động cảm ứng (e) ∈ tốc độ biến thiên (Φ) → ∈
tốc độ dịch chuyển. Đo (e) → (v).
•
Các loại: Tốc độ kế một chiều, tốc độ kế xoay
chiều…
1.1. Nguyên lý đo vận tốc
•
Sức điện động cảm ứng:
•
Từ thông qua phần ứng:
F(x) là hàm phụ thuộc vị trí của phần động.
⇒
dt
d
)t(e
Φ
−=
dt
dx
.
dx
)x(dF
.
dt

)x(dF
.)t(e
00
Φ−=Φ−=
1.1. Nguyên lý đo vận tốc
•
Phương pháp 2 (Sử dụng tốc độ kế vòng loại xung):
làm việc theo nguyên tắc đo tần số chuyển động của
phần tử chuyển động quay. Cảm biến có một đĩa
được mã hoá gắn với trục quay, ứng với một chuyển
dịch cơ bản → xung. Tần số xung tỉ lệ với tốc độ cần
đo.
•
Các loại: Tốc độ kế từ trở biến thiên, tốc độ kế
quang…
1.2. Tốc độ kế điện từ
a) Tốc độ kế điện từ một chiều:

Cấu tạo và nguyên lý làm việc:
1
N
S
2
3
4
1) Stato 2) Rôto 3) Cổ góp 4) Chổi quét
1.2. Tốc độ kế điện từ
•
Rôto: lõi thép kỹ thuật điện ghép từ nhiều tấm,
mặt ngoài xẻ rãnh và đặt các dây dẫn

chính.Các dây dẫn chính của nối với nhau
thành cặp bằng dây phụ và mắc nối tiếp hai
cụm, hai cụm mắc ngược pha nhau.
•
Stato: nam chân vĩnh cửu hoặc nam châm
điện.
1.2. Tốc độ kế điện từ
•
Khi rô to quay, trong dây dẫn → sđđ cảm ứng:
•
Trong nửa số dây ở bên phải đường trung tính:
•
Trong nửa số dây ở bên trái đường trung tính:
iN
i
i
B.l.r.
dt
d
e ω−=
Φ
−=
00p
.N.n.N.
2
E Φ−=Φ
π
ω
−=
00t

.N.n.N.
2
E Φ=Φ
π
ω
=
1.2. Tốc độ kế điện từ
b) Tốc độ kế dòng xoay chiều

Loại đồng bộ:
1) Stato 2) Rôto
1
2
N
S
N
N
S
S
1.2. Tốc độ kế điện từ
•
Khi rôto (phần cảm) quay, trong các cuộn dây của
stato (phần ứng) xuất hiện s.đ.đ. cảm ứng:
K
1
và K
2
là các thông số phụ thuộc cấu tạo của máy
phát.
⇒ Đo E hoặc Ω→ ω.

tsin.Ee Ω=
ω=
.KE
1
ω=Ω
.K
2
1.2. Tốc độ kế điện từ
•
Đo E ⇒ ω: có sai số do ảnh hưởng của tổng trở cuộn
ứng và suy giảm tín hiệu khi truyền đi xa. Điện áp V
ở hai đầu cuộn ứng:
Khi điện trở tải (tổng trở của
cuộn ứng) .
Đo Ω→ ω: có thể truyền tín hiệu đi xa không ảnh
hưởng đến độ chính xác.
( ) ( ) ( ) ( )
→
ω++
ω
=
Ω++
=
2
i2
2
i
1
2
i

2
i
.LKRR
K.R
.LRR
E.R
V
Ω+=>> .L.jRZR
iii
EV
≈→
Phi tuyến
1.2. Tốc độ kế điện từ

Loại không đồng bộ:
ω
1
3
2
e
m
1. Cuộn kích
2. Rôto
3. Cuộn đo
•
Rôto làm bằng kim loại dị từ quay cùng trục quay.
•
Stato: có hai cuộn dây: cuộn kích và cuộn đo
•
Điện áp kích thích V

c
= V
e
.cosω
e
t.
V
c
1.2. Tốc độ kế điện từ
•
Khi rô to quay, trong cuộn đo xuất hiện s.đ.đ cảm
ứng:
Biên độ s.đ.đ cảm ứng E
m
= K.ω (K: hệ số tỉ lệ). Đo
E
m
⇒ ω.
( ) ( )
ϕ+ωω=ϕ+ω= tcos Ktcos.Ee
eemm
1.3. Tốc độ kế xung
1.3.1. Tốc độ kế từ trở biến thiên
a) Cấu tạo và nguyên lý làm việc:
1. Đĩa quay (bánh răng)
2. Cuộn dây
3. Nam châm vĩnh cửu
3
2
1

Khe từ
(δ)
ω
1.3.1. Tốc độ kế từ trở biến thiên
•
Khi đĩa quay → khe hở δ biến thiên → từ trở
mạch từ biến thiên → Φ qua cuộn dây biến
thiên → trong cuộn dây xuất hiện s.đ.đ cảm
ứng (e) có tần số (f) tỉ lệ với tốc độ quay (n):
pnf
=
(p – số răng của đĩa)
1.3.1. Tốc độ kế từ trở biến thiên
b) Đặc điểm:
•
Biên độ (E) của s.đ.đ cảm ứng phụ thuộc: khoảng
cách giữa cuộn dây - đĩa quay và tốc độ quay (δ
min
↓,
n↑ → E↑). Với n≤n
min
nhất định E quá bé không thể
đo được → vùng chết.
•
Dải đo của cảm biến phụ thuộc vào số răng (p) của
đĩa: p lớn → n
min
nhỏ, p nhỏ → n
max
lớn. Ví dụ: p = 60

răng → dải đo n = 50 ÷ 500 vg/ph, p = 15 răng → dải
đo n = 500 ÷ 10.000 vg/ph.
1.3.2. Tốc độ kế quang
a) Cấu tạo và nguyên lý làm việc:
1. Nguồn sáng 2. Thấu kính hội tụ
3. Đĩa quay 4. Đầu thu quang
1
2
3
4
1
2
3
4
1.3.2. Tốc độ kế quang
b) Đặc điểm:
•
Phạm vi đo phụ thuộc:
+ Số lượng lỗ trên đĩa.
+ Dải thông của đầu thu quang và mạch điện tử.
Để đo tốc độ nhỏ (~ 0,1 v/ph) phải dùng đĩa có số
lượng lỗ lớn (500 ÷ 1.000 lỗ). với tốc độ lớn (~ 10
5
-
10
6
v/ph) phải sử dụng đĩa quay chỉ một lỗ, khi đó tần
số ngắt của mạch điện xác định tốc độ cực đại có thể
đo được.
2. Cảm biến đo rung và gia tốc

2.1. Nguyên lý và phương pháp đo:
a)Gia tốc:

Gia tốc là đại lượng vật lý thể hiện mối quan hệ giữa
lực và khối lượng. Phép đo gia tốc có thể thực hiện
qua việc đo lực (cảm biến áp điện, cảm biến cân bằng
ngẫu lực) hoặc đo gián tiếp thông qua sự biến dạng
hay di chuyển của vật trung gian.

Phương pháp đo gia tốc phụ thuộc dải gia tốc.
2.1. Nguyên lý & phương pháp đo

Dải gia tốc và phương pháp đo:
•
Gia tốc nhỏ của chuyển động có dao động trọng tâm
tần số thấp (f = 0 ÷ ~20 Hz) → CB gia tốc đo dịch
chuyển và CB gia tốc đo biến dạng.
•
Gia tốc rung có f ≈ hàng trăm Hz (của các cấu trúc
cứng,có M lớn…) → CB từ trở biến thiên, CB đo
biến dạng (kim loại hoặc áp điện trở).
2.1. Nguyên lý & phương pháp đo
•
Gia tốc rung có (f) trung bình và tương đối cao
(f~10kHz) (vật có khối lượng nhỏ) → CB gia
tốc áp trở hoặc áp điện.
•
Gia tốc khi va đập, gia tốc tốc có dạng xung →
CB gia tốc có dải thông rộng về cả hai phía f
thấp và cao.

2.1. Nguyên lý & phương pháp đo
b) Rung động (Rung):
•
Rung động là hiện tượng thường gặp trong kỹ
thuật,ảnh hưởng rất lớn đến tính năng làm việc,
độ an toàn và tuổi thọ của máy móc, thiết bị.
•
Độ rung được đặc trưng bởi độ dịch chuyển (z),
tốc độ (v) hoặc gia tốc (a) ở các điểm trên vật
rung.
⇒ Đo rung: đo một trong những đặc trưng trên.
⇒
CB đo rung: CB đo dịch chuyển, CB đo tốc độ
hoặc cảm biến đo gia tốc.