Điện - Chương 2: Cảm biến và đo lường vị trí, sự dịch chuyển

Nội dung text: Điện - Chương 2: Cảm biến và đo lường vị trí, sự dịch chuyển

1. 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
2. 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) = R n L + Dịch chuyển quay R( ) = Rn o Trang 2
3. Đặc tính: + Giá trị điện trở từ 1kΩ → 100kΩ, đôi khi lên đến MΩ + Độ phân giải : thông thường đạt cỡ 10 m + 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
4. Tra ng 4
5. Trang 5
6. 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
7. Tra ng 7
8. 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) . .A C(x) = 0 x Tra ng 8
9. Ví dụ : dịch chuyển theo chiều dọc A . .A Sự thay đổi điện dung: C(x) = 0 x x -12 ε0 = 8,85.10 F/m : hằng số điện môi C(x) : không tuyến tính theo độ dịch chuyển Độ nhạy : dC(x) A = − 0 dx x2 dC(x) A 1 C(x) = − 0 . = − 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
10. Để tuyến tính hóa, người ta có thể dùng mạch điện sau cho trường hợp trên: Cx C ix + if = 0 f - eo ex − ei eo − ei + = ex ~ 1/Cf 1/Cx Cf ex Cf ex eo = − = − .x Cx 0A 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
11. Ví dụ : dịch chuyển theo chiều ngang v A A . .(A − vx) C(x) = 0 d d C(x) : tuyến tính theo độ dịch chuyển Ví dụ : thay đổi điện môi. x v A 0 C(x) = .(1.vx + 2(A − vx)) ε ε d 1 2  C(x) = 0 .( A + ( −  ).vx) d 2 1 2 x C(x) : tuyến tính theo độ dịch chuyển Trang 11
12. Chuyển đổi điện dung vi sai • C1-C2 = 0 A/(d-x) - 0 A/(d+x) 2 2 = 20 Ax/(d -x ) • C1+C2 = 0 A/(d-x) + 0 A/(d+x) 2 2 = 20 Ad/(d -x ) Trang 12
13. 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
14. n2 n2.. .s L = = 0 Điện cảm: R  Với :  Rδ : từ trở của khe hở không R = khí. .0.s s: tiết diện thực của khe hở không khí -7 μ0 = 4π. 10 H/m: hằng số từ thẩm Điện cảm sẽ phụ thuộc vào khoảng cách khe hở không khí. Trang 14
15. Ví dụ 1: RA R x Từ trở của tổng mạch từ: G Rc R = RA + RC + RG i Trong đó : RA từ trở trong lõi di chuyển RC từ trở trong ống dây R từ trở không khí. L 2x G R = A RG = A  a Lc   A 0 Rc = A 0 c 0a 2x L L R = + c + A 0a c 0a A0A Trang 15
16. n2 L = R Đặt R0 là từ trở mạch khi khe hở x bằng 0 Lc LA R0 = + c 0a A0A 2 R = R0 + K.x Với : K = 0a n2 Điện cảm : n2 n2 R L L = = = 0 = 0 R R0 + Kx 1+ K .x 1+ x R0 L phi tuyến theo x. Trang 16
17. Ví dụ 2: L2 L R L = 01 2l A l-x 1 1+ (l + x) l+x L02 L2 = R 1+ (l − x) c 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
18. IV. LVDT sensor Trang 18
19. V. Encoder thẳng Trang 19
20. VI. Đo bằng sóng siêu âm d = v.t/2 Trang 20
21. 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
22. + 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
23. + Tần số đáp ứng: số lần lặp lại trong 1 giây khi vật cảm biến đi qua vùng phát hiện Trang 23
24. 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
25. Trang 25
26. Nguyên lý họat động: Mạch dao động tạo dao động điện từ. Từ trường biến thiên từ lõi sắt sẽ tác động với vật kim lọai đặt trước nó. Khi có đối tượng lại gần → xuất hiện dòng điện cảm ứng chống lại sự thay đổi dòng điện → giảm biên độ tín hiêu dao động. Bộ phát hiện sẽ phát hiện sự thay đổi tín hiệu và tác động để mạch ra lên mức ON Những yếu tố ảnh hưởng đến tầm của cảm biến: + Kích thứơc, hình dáng, vật liệu lõi và cuộn dây. + Vật liệu và kích thước đối tượng + Nhiệt độ môi trường Trang 26
27. 2. Cảm biến tiệm cận điện dung. Bao gồm 4 bộ phận chính: + Cảm biến (các bản cực cách điện) + Mạch dao động + Mạch phát hiện + Mạch đầu ra Trang 27
28. Nguyên lý họat động: Trong lọai cảm ứng này, sự có mặt của đối tượng làm thay đổi điện dung của các bản cực Đối tượng không nhất thiết phải là kim lọai, có thể là chất lỏng, vật liệu phi kim: nhựa, thủy tinh, Tốc độ phát hiện nhanh, có thể phát hiện đối tượng kích thước nhỏ. Trang 28