Bài giảng Capacitive Sensors

Bài giảng Capacitive Sensors trình bày các nội dung chính: các khái niệm cơ bản, cấu tạo và nguyên lý hoạt động, độ nhạy và hệ số khử, nhiễu và khử nhiễu, ứng dụng, một số loại cảm biến. Đây là tài liệu tham khảo dành cho sinh viên ngành Cơ khí - chế tạo máy.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Bài giảng Capacitive SensorsĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁYCAPACITIVESENSORS GROUP 1 - 2NỘI DUNG I. CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN II. CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG III. ĐỘ NHẠY & HỆ SỐ KHỬ IV. NHIỄU VÀ KHỬ NHIỄU V. ỨNG DỤNG VI. MỘT SỐ LOẠI CẢM BIẾNI. CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢNa. Điện dung là gì?Nếu đặt vào 2 bản cực dẫn điệncủa tụ điện một điện áp thì cácbản cực này sẽ tích các điệntích trái dấu. Khoảng khônggian này sẽ tích lũy một điệntrường, điện trường này phụthuộc vào một hệ số C gọi làđiện dung của tụ điện.I. CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢNb. Cảm biến điện dung là gì?Cảm biến điện dung làm việc như cảm biến cảmứng nhưng không cần tiếp xúc. Dùng để đo lườngchính xác vị trí một đối tượng dẫn hoặc không dẫn,đo được bề dày của đối tượng.Được dùng ở những nơi mà cảm biến cảm ứngkhông thể đo lường được do yếu tố không tiếp xúc.I. CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢNCảm biến điện dung đo lường sự thay đổi điện dunggiữa cảm biến và đối tượng bằng cách tạo ra mộtđiện trường xoay chiều giữa các cảm biến và đốitượng, theo dõi sự thay đổi trong điện trường.Điện dung bị tác động bởi 3 yếu tố: § Độ lớn cảm biến và bề mặt đối tượng § Khoảng cách giữa chúng § Điện môiii. CẤU TẠO và nguyên lý hoạt độnga. Cấu tạoThành phần cấu tạo gồmmột điện cực dạng đĩabên trong vỏ bọc hình trụrỗng. Hai điện cực tạothành một tụ điện vớimột điện dung Cg.ii. CẤU TẠO và nguyên lý hoạt độngb. Nguyên lý hoạt độngKhi một đối tượng tiếp cận cảm biến thì điệndung thay đổi một lượng C.Tụ điện trên là một phần của một bộ dao động RC,điện áp đầu ra phụ thuộc vào sự thay đổi điện dungCa= Cg + C giữa các điện cực và điện thế vỏ bọc.ii. CẤU TẠO và nguyên lý hoạt động c. Sơ đồ khốiĐiện áp đầu ra bộ dao động được chỉnh lưu, qua bộlọc và khử nhiễu. Chuyển đổi thành một tín hiệu đầucuối.ii. CẤU TẠO và nguyên lý hoạt độngd. Các phương pháp kích hoạt các cảm biến điệndung non conducting targetii. CẤU TẠO và nguyên lý hoạt động isolated conducting targetii. CẤU TẠO và nguyên lý hoạt động earthet conducting targetIII. ĐỘ NHẠY & HỆ SỐ KHỬa. Độ nhạyTrong phần lớn các ứng dụng, độ lớn cảm biến vàđối tượng không đổi, vật liệu đối tượng không đổi,chỉ có khoảng cách giữa đối tượng và cảm biến thayđổi.Độ nhạy được tính bằng cách xác định sự thay đổiđiện dung ΔC (sự thay đổi khoảng cách), tương ứngvới thay đổi tín hiệu ở đầu ra của cảm biến.III. ĐỘ NHẠY & HỆ SỐ KHỬb. Hệ số khửTùy thuộc vào vật liệu của đối tượng không dẫn, thìtạo ra sự thay đổi điện dung ΔC khác nhau.Hệ số khử của một vật liệu phụ thuộc được địnhnghĩa tương tự như cảm biến tiệm cận.IV. NHIỄU VÀ KHỬ NHIỄUa. Tác động của nhiễuYếu tố can thiệp quan trọng là dòng điện xoay chiều.Chúng được liên kết trong mạch vào trở kháng caocủa bộ dao động thông qua các điện cực cảm biến vàcó thể gây ra dao động.Nguồn gốc của các vùng giao thoa là: ví dụ, bóng đènhuỳnh quang, van kích điện, ở đĩa thyristor và máyphát vô tuyến. Nhiễu liên tục chỉ có thể được loại bỏbằng cách thay đổi tần số dao động.IV. NHIỄU VÀ KHỬ NHIỄUNhiễu tạm thời có thể được loại bỏ bởi các bộ lọc nhiễu,cung cấp độ rộng xung nằm trong thời gian điều chỉnh.Nguồn gốc khác của nhiễu là hiệu ứng nhiệt độ. Thayđổi nhiệt độ ảnh hưởng bộ dao động RC. Hiệu ứng nàycó thể được giảm thiểu bằng cách thiết lập một điểmhoạt động phù hợp.Độ ẩm, bụi và các hình thức ô nhiễm ảnh hưởng đếncác bộ cảm biến bằng cách thay đổi hằng số điện môitrong diện tích bề mặt hoạt động. Để bù vào sự ônhiễm, thì phải cải tiến nhiều ứng dụng.IV. NHIỄU VÀ KHỬ NHIỄU b. Bù trừ ô nhiễm Mục đích của việc bù trừ ô nhiễm là để duy trì một hằng số phạm vi cảm biến s, khi bề mặt của bộ cảm biến bị ô nhiễm.IV. NHIỄU VÀ KHỬ NHIỄUĐiều này đạt đượcthông qua việc thêmvào điện cực bùdạng tách giữa cácđiện cực cảm biếnvà vỏ bọc, được kếtnối với đầu ra bộdao động.IV. NHIỄU VÀ KHỬ NHIỄUc. Lọc nhiễuĐiện trường có thể dẫn đến trục trặc của bộ daođộng. Sau chỉnh lưu và các bộ lọc thông thấp của tínhiệu đầu ra dao động, nó đi qua một bộ lọc nhiễu,ngăn chặn xung nhiễu, bằng cách sử dụng cácthành phần bộ lọc phi tuyến cung cấp không vượtquá mức tối đa, lựa chọn, khoảng thời gian.IV. NHIỄU VÀ KHỬ NHIỄUTuy nhiên điều này có những bất lợi mà yêu cầu ởtín hiệu chuyển đổi, tín hiệu đó có một độ rộng xungdài hơn, không thể phát hiện, điều này có nghĩa làtần số tối đa chuyển đổi có thể có của các bộ cảmbiến điện dung bị giảm. Thông thường tần số nằmtrong phạm vi 1Hz đến 10 Hz.V. ỨNG DỤNGCảm ứng điện dung được ứng dụng rộng rãi trongdụng cụ bán dẫn, ổ đĩa và các ngành công nghiệpsản xuất chính xác, nơi mà độ chính xác và đápứng tần số cao là chỉ tiêu quan trọng. ...