TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP. HCM
Chủ đề : CẢM BIẾN ĐO VỊ TRÍ VÀ DỊCH CHUYỂN
Mơn học : KĨ THUẬT ĐO 2
Chủ đề- CẢM BIẾN ĐO VỊ TRÍ VÀ DỊCH CHUYỂN
1
NỘI DUNG THUYẾT TRÌNH
Khái niệm
1
Các phương pháp xác định vị trí và dịch chuyển
2
Một số loại cảm biến vị trí và dịch chuyển
3
4
Cảm biến siêu âm JSN – SR04T
Chủ đề- CẢM BIẾN ĐO VỊ TRÍ VÀ DỊCH CHUYỂN
2
I/
KHÁI NIỆM
❑ Vị trí và dịch chuyển được hiểu như là việc đo lường khoảng cách từ điểm này đến
một điểm bất kỳ khác.
❑ Địi hỏi các phép đo chính xác và các hàm truyền tuyến tính đối với các cảm biến
liên quan.
❑ Để làm các phép đo này, có thể dùng các cảm biến sau:
- Cảm biến điện trở.
- Cảm biến điện cảm.
- Cảm biến điện dung.
- Cảm biến truyền sóng đàn hồi.
- Cảm biến tiệm cận.
- Cảm biến siêu âm.
Chủ đề- CẢM BIẾN ĐO VỊ TRÍ VÀ DỊCH CHUYỂN
3
I/
KHÁI NIỆM
Cảm biến điện trở
Cảm biến điện cảm
Chủ đề- CẢM BIẾN ĐO VỊ TRÍ VÀ DỊCH CHUYỂN
4
I/
KHÁI NIỆM
Cảm biến điện dung
Cảm biến truyền sóng đàn hồi
Chủ đề- CẢM BIẾN ĐO VỊ TRÍ VÀ DỊCH CHUYỂN
5
I/
KHÁI NIỆM
Cảm biến tiệm cận
Cảm biến siêu âm
Chủ đề- CẢM BIẾN ĐO VỊ TRÍ VÀ DỊCH CHUYỂN
6
II/ CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH VỊ TRÍ VÀ DỊCH CHUYỂN
❑ Việc xác định vị trí và khoảng cách đóng vai rất quan trọng trong kỹ thuật nên có 2
phương pháp để xác định vị trí và dịch chuyển :
➢ Bộ cảm biến cung cấp tín hiệu là hàm phụ thuộc vị trí của một trong các phần tử của
cảm biến, đồng thời phần tử này có liên quan đến vật cần xác định dịch chuyển.
➢ Ứng với một dịch chuyển cơ bản, cảm biến phát ra một xung. Việc xác định vị trí và
dịch chuyển được tiến hành bằng cách đếm số xung phát ra.
❑ Một số cảm biến khơng địi hỏi liên kết cơ học giữa cảm biến với vật cần đo vị trí và
khoảng cách.
❑ Mối quan hệ giữa cảm biến và vật dịch chuyển được thực hiện thơng qua vài trị trung
gian của điện trường, từ trường…
Chủ đề- CẢM BIẾN ĐO VỊ TRÍ VÀ DỊCH CHUYỂN
7
III / MỘT SỐ LOẠI CẢM BIẾN VỊ TRÍ VÀ DỊCH CHUYỂN
1) Cảm biến điện trở (điện thế kế điện trở):
❑ Loại cảm biến này có cấu tạo đơn giản, tín hiệu đo lớn và khơng địi hỏi mạch điện để
xử lý tín hiệu.Tuy nhiên với các điện thế kế điện trở có con chạy cơ học có sự cọ xát
gây ồn và mòn, số lần sử dụng thấp và chịu ảnh hưởng của mơi trường khi có bụi và
ẩm.
❑ Cảm biến điện trở gồm 2 loại
• Điện thế kế dùng con chạy cơ học
• Điện thế kế khơng dùng con chạy cơ học
Chủ đề- CẢM BIẾN ĐO VỊ TRÍ VÀ DỊCH CHUYỂN
8
III / MỘT SỐ LOẠI CẢM BIẾN VỊ TRÍ VÀ DỊCH CHUYỂN
a) Điện thế kế dùng con chạy cơ học:
❑ Cảm biến này gồm một điện trở cố định 𝑅𝑛 ,trên đó có một tiếp xúc điện có thể di
chuyển được gọi là con chạy. Con chạy được liên kết cơ học với vật chuyển động
cần khảo sát
- Đối với điện thế kế chuyển động thẳng (hình a):
-Đối với điện thế kế dịch chuyển trịn hoặc xoắn (hình b,c):
Trong đó:
• 1 : điện trở
• 2 : con chạy
Chủ đề- CẢM BIẾN ĐO VỊ TRÍ VÀ DỊCH CHUYỂN
9
III / MỘT SỐ LOẠI CẢM BIẾN VỊ TRÍ VÀ DỊCH CHUYỂN
b) Điện thế kế không dùng con chạy cơ học:
❑ Điện thế kế dùng con trỏ quang:
1) Điot phát quang
2) Băng đo
3) Băng tiếp xúc
4) Băng quang dẫn
Chủ đề- CẢM BIẾN ĐO VỊ TRÍ VÀ DỊCH CHUYỂN
10
III / MỘT SỐ LOẠI CẢM BIẾN VỊ TRÍ VÀ DỊCH CHUYỂN
❑ Điện thế kế dùng con trỏ từ:
𝑅1 ,𝑅2 : điện trở
𝑉𝑚 : điện áp(2)và 1 trong 2 đầu (1),(3)
𝐸𝑠 : điện áp nguồn (1)và(3)
Chủ đề- CẢM BIẾN ĐO VỊ TRÍ VÀ DỊCH CHUYỂN
11
III / MỘT SỐ LOẠI CẢM BIẾN VỊ TRÍ VÀ DỊCH CHUYỂN
2 ) Cảm biến điện cảm
Cảm biến điện cảm được chia làm 2 loại : cảm biến tự cảm và cảm biến hỗ cảm
a. Cảm biến tự cảm
➢ Cảm biến tự cảm đơn :
1) Lõi sắt từ
2) Cuộn dây
3) Phần động
Chủ đề- CẢM BIẾN ĐO VỊ TRÍ VÀ DỊCH CHUYỂN
12
III / MỘT SỐ LOẠI CẢM BIẾN VỊ TRÍ VÀ DỊCH CHUYỂN
- Cảm biến tự cảm đơn gồm một cuộn dây quấn trên lõi thép cố định ( phần tĩnh )
và lõi thép có thể di động của đại lượng đo ( phần động ) , giữa phần tĩnh và phần
động có khe hở khơng khí tạo thành mạch từ hở.
- Dưới tác động của đại lượng đo 𝑋𝑉 , phần ứng của cảm biến di chuyển, làm cho khe
hở khơng khí bị thay đổi, do đó hệ số tự cảm và tổng trở cuộn dây cũng thay đổi theo .
Khi phần ứng quay, tiết diện khe hở khơng khí thay đổi, làm cho từ trở của mạch từ
biến thiên, do đó hệ số tự cảm và tổng trở của cuộn dây thay đổi theo.
Chủ đề- CẢM BIẾN ĐO VỊ TRÍ VÀ DỊCH CHUYỂN
13
III / MỘT SỐ LOẠI CẢM BIẾN VỊ TRÍ VÀ DỊCH CHUYỂN
- Hệ số tự cảm của cuộn dây cũng có thể thay đổi do thay đổi tổn hao sinh ra bởi dịng
điện xốy khi tấm sắt từ dịch chuyển dưới tác động của đại lượng đo Xv .
Nếu bỏ qua điện trở của cuộn dây và từ trở của lõi thép thì ta có
L=
Trong đó :
N : số vịng dây
𝑅𝛿 =
𝑁2
𝑅𝛿
=
𝑁2 𝜇0 𝑠
𝛿
𝛿
: từ trở của khe hở không khí
𝜇0 𝑠
s : tiết diện thực của khe hở khơng khí
𝛿 ∶ chiều dài của khe hở khơng khí
𝜇0 = 4𝜋. 10−7 H/m : hằng số từ thẩm
Chủ đề- CẢM BIẾN ĐO VỊ TRÍ VÀ DỊCH CHUYỂN
14
III / MỘT SỐ LOẠI CẢM BIẾN VỊ TRÍ VÀ DỊCH CHUYỂN
- Tổng trở của cảm biến
Z = 𝜔𝐿 =
𝜔𝑁2 𝜇0 𝑠
𝛿
-Khi 𝛿 thay đổi, s thay đổi, L và Z thay đổi . Đo L hoặc Z => vị trí và độ dịch chuyển.
Chủ đề- CẢM BIẾN ĐO VỊ TRÍ VÀ DỊCH CHUYỂN
15
III / MỘT SỐ LOẠI CẢM BIẾN VỊ TRÍ VÀ DỊCH CHUYỂN
➢ Cảm biến tự cảm kép lắp theo kiểu vi sai : Để tăng độ nhạy của cảm biến và độ tuyến
tính của cảm biến, người ta thường dùng cảm biến tự cảm mắc theo kiểu vi sai.
Chủ đề- CẢM BIẾN ĐO VỊ TRÍ VÀ DỊCH CHUYỂN
16
III / MỘT SỐ LOẠI CẢM BIẾN VỊ TRÍ VÀ DỊCH CHUYỂN
b. Cảm biến hổ cảm
- Cảm biến đơn có khe hở khơng khí
1)
2)
3)
4)
Chủ đề- CẢM BIẾN ĐO VỊ TRÍ VÀ DỊCH CHUYỂN
Cuộn sơ cấp
Gông từ
Lõi từ di động
Cuộn thứ cấp ( cuộn đo )
17
III / MỘT SỐ LOẠI CẢM BIẾN VỊ TRÍ VÀ DỊCH CHUYỂN
- Cảm biến vi sai : Để tăng độ nhạy và đặc tính tuyến tính của cảm biến người ta
mắc cảm biến theo sơ đồ vi sai. Khi mắc vi sai thì độ nhạy của cảm biến sẽ tăng gấp
đơi và phạm vi làm việc tuyến tính mở rộng đáng kể.
Chủ đề- CẢM BIẾN ĐO VỊ TRÍ VÀ DỊCH CHUYỂN
18
III / MỘT SỐ LOẠI CẢM BIẾN VỊ TRÍ VÀ DỊCH CHUYỂN
- Biến thế vi sai có lõi từ : gồm bốn cuộn dây ghép đồng trục tạo thành hai cảm
biến đơn đối xứng, bên trong có lõi từ di động được. Các cuộn thứ cấp nối ngược
với nhau sao cho suất điện động của chúng triệt tiêu lẫn nhau.
Chủ đề- CẢM BIẾN ĐO VỊ TRÍ VÀ DỊCH CHUYỂN
19
III / MỘT SỐ LOẠI CẢM BIẾN VỊ TRÍ VÀ DỊCH CHUYỂN
-
Ưu điểm :
✓
✓
✓
✓
Phát hiện được cả khoảng cách và chiều di chuyển.
Độ chính xác cao.
Làm việc trong mơi trường khắc nhiệt.
Ít ảnh hưởng bởi rung động.
- Nhược điểm : không phù hợp đo khoảng cách lớn.
- Ứng dụng : đo dịch chuyển tuyến tính
Chủ đề- CẢM BIẾN ĐO VỊ TRÍ VÀ DỊCH CHUYỂN
20
III / MỘT SỐ LOẠI CẢM BIẾN VỊ TRÍ VÀ DỊCH CHUYỂN
3) Cảm biến điện dung
a) Khái niệm
- Cảm biến kiểu tụ không tiếp xúc do những thay đổi về tính chất điện
tương ứng thường gọi là cảm biến điện dung.
− Điện dung mô tả hai vật dẫn điện cách nhau một khoảng phản ứng
lại với sự chênh lệch giữa chúng.
b) Phân loại:
−
−
Cảm biến thân kim loại
Cảm biến thân vuông
Chủ đề- CẢM BIẾN ĐO VỊ TRÍ VÀ DỊCH CHUYỂN
21
III / MỘT SỐ LOẠI CẢM BIẾN VỊ TRÍ VÀ DỊCH CHUYỂN
Cảm biến thân kim loại
- Điện áp: 10-40VDC
- Khoảng nhận: 2-16 mm
- IP: 67
- Output: PNP/NPN – NO/NC
- Nhiệt độ: -25 – 800 C
- Tần số: 50Hz
- Thân: Thép không gỉ (nhựa)
- Chống nhiễu cao
Chủ đề- CẢM BIẾN ĐO VỊ TRÍ VÀ DỊCH CHUYỂN
22
III / MỘT SỐ LOẠI CẢM BIẾN VỊ TRÍ VÀ DỊCH CHUYỂN
Cảm biến thân vuông
- Thân: PC/ABS (35*55*15mm)
- Nhiệt độ: 0 – 500 C
- Điện áp: 10 – 30 VDC
- IP:65
- Khoảng nhận: 5 – 10 mm
- Tần số: 10 Hz
Chủ đề- CẢM BIẾN ĐO VỊ TRÍ VÀ DỊCH CHUYỂN
23
III / MỘT SỐ LOẠI CẢM BIẾN VỊ TRÍ VÀ DỊCH CHUYỂN
Điện trường được tạo ra khi áp thế vào hai phía vật dẫn
Chủ đề- CẢM BIẾN ĐO VỊ TRÍ VÀ DỊCH CHUYỂN
24
III / MỘT SỐ LOẠI CẢM BIẾN VỊ TRÍ VÀ DỊCH CHUYỂN
Điện áp xoay chiều làm dịch chuyển điện tích
Chủ đề- CẢM BIẾN ĐO VỊ TRÍ VÀ DỊCH CHUYỂN
25