Cảm biến vị trí và dịch chuyển

Chương IV. Cảm biến vị trí và dịch chuyển
1. Cảm biến vị trí tiếp xúc


Công tắc hành trình (Limit Switchs)



Điện thế kế điện trở (Potentiometers)

2. Cảm biến vị trí không tiếp xúc


Cảm biến từ (Magnetic Sensors)



Cảm biến siêu âm (Ultrasonic Sensors)



Cảm biến tiệm cận (Promixity Sensors)



-Đơn giản
-Rẻ tiền

-Làm việc bền
Cảm biến quang điện (Photoelectric Sensors)- Môi trường
khắc nghiệt

-Đắt tiền hơn

Tuesday, July 3, 2018


1.1 Công tắc hành trình
Có nhiều loại công tắc hành trình, có được dùng
trong nhiều điều kiện môi trường khác nhau
Gia công vật liệu
Nhà máy bia
Máy đóng gói
Thiết bị đúc
Thiết bị nâng chuyển
…

Công tắc hành trình có thể được đặt với nhiều
thiết bị chấp hành như cần trượt, cần xoay, cần
lắc, ...
Tuesday, July 3, 2018


1.1 Công tắc hành trình

Tuesday, July 3, 2018


1.1 Công tắc hành trình

Tuesday, July 3, 2018

1.1 Công tắc hành trình
Ưu điểm
Đáng tin cậy, chịu được va chạm và dễ sử dụng
Không bị ảnh hưởng bởi nhiễu
Hoạt động đơn giản (ON/OFF)

Nhược điểm
Tuổi thọ ngắn, bị hao mòn

Tuesday, July 3, 2018


1.2 Điện thế kế điện trở
Cấu tạo và nguyên lý làm việc
Rx, l

2

2 1

α αm

1

M

α

Rm, , Lm

Rm

Đo dịch chuyển
thẳng
l
Rx = Rm
L
Tuesday, July 3, 2018

2

Rm
Rα

Rα

Đo dịch chuyển
quay α < 360o
Rα =

1

α
Rm
αm

Đo dịch chuyển
quay α > 360o
Rα =

α
Rm
αm


1.2 Điện thế kế điện trở
Cấu tạo và nguyên lý làm việc
Gồm một điện trở cố định (Rm) và một tiếp xúc điện (con chạy) liên
kết với đối tượng. Khi đối tượng di chuyển, con chạy di chuyển theo,
điện trở đo phụ thuộc vào vị trí con chạy. Đo điện trở ⇒ vị trí
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.

Tuesday, July 3, 2018


1.2 Điện thế kế điện trở
Ưu điểm
Rẻ tiền
Cấu tạo đơn giản, dễ sử dụng
Đo được khoảng dịch chuyển lớn

Nhược điểm
Bị ảnh hưởng của bụi và ẩm
Tuổi thọ kém, mau bị hao mòn

Tuesday, July 3, 2018


2.1 Cảm biến từ
Các đặc tính từ có thể được dùng để đo vị trí
thông qua việc xác định sự xuất hiện, cường độ
hoặc hướng của từ trường
Cảm biến từ 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 từ được chia ra 2 loại: cảm biến tự cảm
và cảm biến hỗ cảm

Tuesday, July 3, 2018


2.1.1 Cảm biến tự cảm
a) Cảm biến tự cảm đơn có khe từ biến thiên
Cấu tạo và nguyên lý làm việc
1

3

2

1

1. Lõi sắt từ

2. Cuộn dây

XV
2
δ

Đo dịch
chuyển thẳng

Tuesday, July 3, 2018

3

Đo dịch
chuyển quay

3. Tấm sắt từ


2.1.1 Cảm biến tự cảm
a) Cảm biến tự cảm đơn có khe từ biến thiên
Hệ số tự cảm

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.
Z, L
L = f(∆δ)

Tổng trở của cảm biến:

ωW 2µ 0s
Z = ωL =
δ

Z5000Hz = f(∆δ)
Z500Hz = f(∆δ)

Khi δ, s thay đổi, L và Z thay đổi. Đo L hoặc Z
⇒ vị trí hoặc độ dịch chuyển
Tuesday, July 3, 2018

∆δ


2.1.1 Cảm biến tự cảm
b) Cảm biến tự cảm kép có khe từ biến thiên
Cấu tạo và nguyên lý làm việc

XV
XV

Đo dịch
chuyển thẳng

Tuesday, July 3, 2018

Đo dịch
chuyển quay

2.1.1 Cảm biến tự cảm
b) Cảm biến tự cảm kép có khe từ biến thiên
Hệ số tự cảm

L
L1 = f(δ)
L1 - L2 = f(δ)
δ
L2 = f(δ)

Đặc điểm:
• Độ nhạy lớn.
• Độ tuyến tính cao hơn.
Tuesday, July 3, 2018


2.1.1 Cảm biến tự cảm
c) Cảm biến tự cảm có lõi từ di động
Cấu tạo và nguyên lý làm việc
1

2
l0

XV

1

1
XV

lf
l

Đơn

Kép

Đặc điểm:

• L = f(lf) → 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
Tuesday, July 3, 2018


2.1.2 Cảm biến hỗ cảm
Cấu tạo và nguyên lý làm việc
~

1

1

3

2

XV

3
4

2
4
a)
1. Cuộn sơ cấp
2. Gông từ

Tuesday, July 3, 2018

b)
3. Tấm sắt từ di động
4. Cuộn thứ cấp (cuộn đo)


2.1.2 Cảm biến hỗ cảm
Cấu tạo và nguyên lý làm việc
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:

W2W1µ 0s
e= −
ωI m cosωt
Giá trị hiệu dụng củaδsuất điện động
W2W1µ 0s

s
E=−
ωI = k
δ
δ
⇒ E = f(s, δ)
Tuesday, July 3, 2018


2.1.2 Cảm biến hỗ cảm
Đặc điểm
E = f(s, δ)→ tuyến tính theo (s) và phi tuyến theo (δ)

Sδ =

∆E
=−
∆δ

ks
 ∆δ 

δ 1+
δ0 

2
0

∆E k E 0
SS =

=
=
∆s δ 0 s0

2

=

E0
 ∆δ 

δ 0 1+
δ0 


2

ks0
Với E 0 =
(khi XV = 0)
δ0

Để tăng độ nhạy và độ tuyến tính → CBHC kép lắp vi sai.

Tuesday, July 3, 2018


2.1.2 Cảm biến hỗ cảm
Cảm biến hỗ cảm kép lắp vi sai
~

~
XV

φ1

XV
φ2
~

Dịch chuyển thẳng

Tuesday, July 3, 2018

Dịch chuyển quay


2.1.3 Biến áp vi sai biến đổi tuyến tính (LVDT)
Cấu tạo
Gồm 1 cuộn sơ cấp, 2 cuộn thứ cấp và phần lõi sắt từ
Cuộn sơ cấp được cấp nguồn AC, 2 cuốn thứ cấp được mắc ngược
nhau

Tuesday, July 3, 2018


2.1.3 Biến áp vi sai biến đổi tuyến tính (LVDT)
Hoạt động
Ngõ ra là điện áp giữa 2 đầu cuộn thứ cấp phụ thuộc vào vị trí của
lõi sắt từ.

Khi lõi sắt ở giữa 2 cuộn
thứ cấp, sẽ sinh ra điện áp
bằng nhau và ngược dấu
nhau  điện áp ra bằng 0.
Khi vật di chuyển lên hay
xuống thì làm cho điện áp
của các cuộn thứ cấp tăng
hoặc giảm.
Đo điện áp ngõ ra để xác
định độ dịch chuyển
Tuesday, July 3, 2018


2.1.3 Biến áp vi sai biến đổi tuyến tính (LVDT)
Ưu điểm
Phát hiện được cả khoảng cách và chiều di chuyển
Chính xác
Làm việc được trong môi trường khắc nghiệt
Ít ảnh hưởng bởi rung động

Nhược điểm
Không phù hợp cho việc đo khoảng cách lớn

Ứng dụng
Đo dịch chuyển tuyến tính
Đo vị trí

Tuesday, July 3, 2018

2.2 Cảm biến siêu âm
Nguyên lý và cấu tạo
Siêu âm là sóng cơ học có tần số lớn hơn tần số âm thanh nghe thấy
(trên 20kHz). Thính giác của con người rất nhạy cảm với dải tần số từ
âm trầm (vài chục Hz) đến các âm thanh rất cao (gần 20kHz).
Cảm biến siêu âm sử dụng nguyên lý phản xạ sóng siêu âm.
Cảm biến gồm 2 phần: phần phát ra sóng siêu âm và phần thu sóng
siêu âm phản xạ về

Tuesday, July 3, 2018


2.2 Cảm biến siêu âm
Nguyên lý và cấu tạo
Cảm biến sẽ phát ra 1 sóng siêu âm. Nếu có chướng ngại vật trên
đường đi, sóng siêu âm sẽ phản xạ  lại và tác động lên module nhận
sóng.
Đo thời gian từ lúc phát và nhận sóng ta sẽ tính được khoảng cách từ
cảm biến đến chướng ngại vật  

V: vận tóc sóng siêu âm (343 m/s
trong không khí)
t: thời gian từ lúc phát đến lúc thu
Tuesday, July 3, 2018


2.2 Cảm biến siêu âm
Ưu điểm
Đo được khoảng cách rời rạc của vật di chuyển

Ít ảnh hưởng bởi vật liệu và bề mặt
Không ảnh hưởng bởi màu sắc
Tín hiệu đáp ứng tuyến tính với khoảng cách
Có thể phát hiện vật nhỏ ở khaongr cách xa

Nhược điểm
Sóng phản hồi bị ảnh hưởng của sóng âm thanh tạp âm
Cần 1 khoảng thời gian sau mỗi lần sóng phát đi để sẵn sàng nhận
sóng phản hồi  chậm hơn CB khác
Khó phát hiện vật có mật độ vật chất thấp ở khoảng cách xa

Tuesday, July 3, 2018


2.2 Cảm biến siêu âm
Bố trí cảm biến

Tuesday, July 3, 2018