Bài giảng đo lường cảm biến chương 2

Chương 2: CẢM BIẾN & ĐO
LƯỜNG VỊ TRÍ, SỰ DỊCH
CHUYỂN
-Kiểm tra vị trí và sự dịch chuyển đóng vai trò quan
trọng đối với hoạt động của nhiều máy mọc, công cụ.
-Một số đại lượng vật lý có thể đo được thông qua việc
xác định sự dịch chuyển của một vật chịu tác động của
đại lượng vật lý đó.

Trang 1


I. Cảm biến sự dịch chuyển dùng điện trở
Gồm một điện trở cố định Rn và một tiếp xúc điểm có thể di
chuyển gắn với chuyển động cần đo. Vi trí con chạy tỷ lệ với giá
trị điện trở tại đầu ra của tiếp xúc điểm
+ Dịch chuyển thẳng

l
R(l ) = Rn
L
+ Dịch chuyển quay

α
R ( α ) = Rn
αo
Trang 2


Đặc tính:
+ Giá trị điện trở từ 1kΩ  100kΩ, đôi khi lên đến MΩ

+ Độ phân giải : thông thường đạt cỡ 10 µm
+ Tuổi thọ của con chạy : 106 lần
với dạng xoay và 107 – 108 với
dạng dịch chuyển
+ Độ tuyến tính : ở đầu đường chạy
hoặc cuối đường chạy : độ tuyến
tính kém.

Trang 3


Tra
ng
4


Trang 5


II. Cảm biến sự dịch chuyển dùng điện dung
Nguyên lý làm việc : thay đổi giá trị điện dung dưới tác động dịch
chuyển làm thay đổi vị trí của 2 bản cực.

Trang 6


Tra
ng
7

Cảm biến được đặc trưng bởi độ nhạy:
+ độ nhạy điện dung: Sc = ΔC / Δx
+ độ nhạy điện kháng: Sz = ΔZ / Δx
Điện dung sẽ phụ thuộc vào tiết diện, khoảng cách 2 bản cực và
điện môi giữa 2 bản cực C(x) = f (A,x, ε)

ε .ε 0 . A
C ( x) =
x

Tra
ng
8


Ví dụ : dịch chuyển theo chiều dọc

ε .ε 0 .A
x
ε0 = 8,85.10-12 F/m : hằng số điện môi
Sự thay đổi điện dung:

C( x ) =

A
x

C(x) : không tuyến tính theo độ dịch chuyển
Độ nhạy :

Aεε
dC ( x )
= − 20
dx
x
Aεε 0 1
dC ( x )
C( x )
=−
. =−
dx
x x
x
dC ( x )
dx
=−
C( x )
x

Độ biến thiên điện dung bằng với độ biến thiên của sự
dịch chuyển nhưng ngược chiều.
Trang 9


Để tuyến tính hóa, người ta có thể dùng mạch điện sau cho
trường hợp trên:
Cx
Cf

i x + if = 0
ex − ei eo − ei
=
1/ Cf
1/ C x

ex ~

+

eo

Cf ex
Cf ex
eo = −
=−
.x
Cx
ε 0εA
Qua mạch điện thì ngõ ra eo tuyến tính với sự dịch chuyển x
Tụ có khoảng cách biến thiên có thể đo được dịch chuyển nhỏ,
trong khi đó tụ có diện tích biến thiên chỉ đo được dịch chuyển lớn
hơn 1cm
Trang 10


v

Ví dụ : dịch chuyển theo chiều ngang

ε .ε 0 .( A − vx )
C( x ) =
d

A

A

d

C(x) : tuyến tính theo độ dịch chuyển
x

Ví dụ : thay đổi điện môi.

ε0
C( x ) = .( ε 1.vx + ε 2 ( A − vx ))
d

v

ε0
C ( x ) = .( ε 2 A + (ε1 − ε 2 ).vx )
d

A
ε1

ε2

x

C(x) : tuyến tính theo độ dịch chuyển
Trang 11


Chuyển đổi điện dung vi sai

• C1-C2 = εε0 A/(d-x) - εε0 A/(d+x)
= 2εε0 Ax/(d2-x2)
• C1+C2

= εε0 A/(d-x) + εε0 A/(d+x)
= 2εε0 Ad/(d2-x2)
Trang 12


III. Cảm biến sự dịch chuyển dùng điện cảm

1. Lõi sắt, 2. Cuộn dây, 3. Phần ứng di chuyển được, 4. Khe hở không khí

Xv tác động làm phần ứng 3 dịch chuyển  khe hở không khí δ
thay đổi  thay đổi từ trở của lõi thép  điện cảm và tổng trở của
cảm biến cũng thay đổi theo.
Trang 13


n .µ .µ 0 .s
n
L=

=
Rδ
δ
2

Điện cảm:
Với :

δ
Rδ =
µ.µ0 .s

2

Rδ : từ trở của khe hở không
khí.

s: tiết diện thực của khe hở
không khí
μ0 = 4π. 10-7 H/m: hằng số từ
thẩm
Điện cảm sẽ phụ thuộc vào khoảng cách khe hở
không khí.

Trang 14


Ví dụ 1:

RA

Từ trở của tổng mạch từ:

RG

R = RA + RC + RG
Trong đó :

RA từ trở trong lõi di chuyển
RC từ trở trong ống dây

2x
RG =
µ0a

RG từ trở không khí.

Lc
Rc =
µc µ0a

x
Rc
i

LA
RA =
µ Aµ 0A

Lc

2x
LA
R=
+
+
µ0a µc µ0a µA µ0 A
Trang 15


n2
L=
Rδ

Đặt R0 là từ trở mạch khi khe hở x bằng 0
R0 =

Lc
LA
+
µc µ0a µ A µ0 A

R = R0 + K .x

Điện cảm :

Với :

2
K=
µ0a

n2

R0
L0
n2
n2
L=
=
=
=
R R0 + Kx 1 + K .x 1 + αx
R0

L phi tuyến theo x.

Trang 16


Ví dụ 2:

L1 =
L2 =

L2
L01
1 + α (l + x )

RA

2l

l-x
l+x

L02
1 + α (l − x )

Rc

L1

i
Với cách đo này thì độ nhạy tăng lên so với cách đo trước 2 lần
và giảm đáng kể sự không tuyến tính

Trang 17


IV. LVDT sensor

Trang 18


V. Encoder thẳng

Trang 19


VI. Đo bằng sóng siêu âm

d = v.t/2

Trang 20


VII. Cảm biến tiệm cận (đo vị trí)
Đặc điểm:
+ Phát hiện vật không cần tiếp xúc
+ Tốc độ đáp ứng nhanh
+ Đầu cảm biến nhỏ, tiện lợi khi sử dụng
+ Sử dụng được trong những môi trường khắc nghiệt
Một số định nghĩa:
+ Vật chuẩn: các tính chất của vật
phải phù hợp phát huy hết các đặc
tính của cảm biến.
+ Khỏang cách phát hiện : khỏang
cách xa nhất từ đầu cảm biến đến
vị trí vật chuẩn mà cảm biến có thể
phát hiện được
Trang 21


+ Khỏang cách cài đặt : khỏang
cách để cảm biến có thể nhận
biết vật một cách ổn định
(thường bằng 70 – 80% khỏang
cách phát hiện)

+ Thời gian đáp ứng:

t1 : Thời gian từ lúc đối tượng đi vào
vùng phát hiện của cảm biến đến
lúc cảm biến báo tín hiệu
t2 : Thời gian từ lúc đối tượng
chuẩn đi ra khỏi vùng phát hiện cho
đến khi cảm biến hết báo tín hiệu
Trang 22


+ Tần số đáp ứng: số lần lặp lại trong 1 giây khi vật cảm
biến đi qua vùng phát hiện

Trang 23


1. Cảm biến tiệm cận điện cảm.

Bao gồm : + Cuộn dây và lõi ferit
+ Mạch dao động
+ Mạch phát hiện
+ Mạch đầu ra

Trang 24


Trang 25