Bài giảng Đo lường và cảm biến: Chương 4 - ThS. Trần Văn Lợi

Bài giảng Đo lường và cảm biến - Chương 4: Cảm biến vị trí và dịch chuyển giúp các bạn nắm vững nội dung về điện thế kế điện trở, điện thế kế dùng con trỏ quang, đo dịch chuyển bằng encoder thẳng, cảm biến điện cảm, cảm biến điện dung, cảm biến điện từ, biến áp vi sai lvdt (linear variable differential transformer), máy đo góc tuyệt đối resolver, cảm biến tiệm cận (proximity sensor), cảm biến laser và siêu âm.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Bài giảng Đo lường và cảm biến: Chương 4 - ThS. Trần Văn LợiChương 4CẢM BIẾN VỊ TRÍ VÀ DỊCH CHUYỂN4.1ĐIỆN THẾ KẾ ĐIỆN TRỞ4.1.1Cấu tạoGồm một điện trở cố định R, trên có một tiếp xúc điện có thể di chuyển gọi làcon chạy. Giá trị của điện trở đo được giữa con chạy và một đầu của điện trở R làhàm phụ thuộc vị trí con chạy và bản thân điện trở R.Nếu điện trở được chế tạo đồng đều thì R sẽ tỉ lệ tuyến tính với vị trí con chạy. Cóhai dạng cảm biến vị trí điện trở: cảm biến điện trở dịch chuyển thẳng hình 4.1a; cảm biếnđiện trở tròn và tròn xoắn hình 4.1b-cHình 4.1Điện trở dịch chuyển thẳng: R(l ) =Điện trở dịch chuyển tròn: R(a) =1RLaamRĐối với điện trở tròn: αM < 360°Đối với điện trở xoắn: αM > 360°Bài giảng Đo lường và cảm biếnTrang 42Hợp kim thường dùng làm điện trở là Ni–Cr, Ni–Cu, Ni–G–Fe, Ag–Pd. Dây điệntrở được cuốn trên lõi cách điện còn dây được cách điện bằng emay.R nằm trong khoảng từ 1K – 100KΩ, có thể đạt đến vài MΩ.Con chạy phải tiếp xúc tốt, không tạo ra suất điện động tiếp xúc, điện trở tiếpxúc nhỏ và ổn định. Các tiêu chuẩn này phải đảm bảo trong điều kiện dao động và tốcđộ dịch chuyển lớn.4.1.2Đặc điểmHình 4.2Khoảng cách có ích của con chạyGiá trị R(x)/R thường không ổn định ở cuối đường chạy của con trỏ hoặc ở các chỗ nốimạch điện hình 4.2. Khoảng cách có ích là khoảng mà trong đó R(x) là hàm tuyến tính củadịch chuyển.Độ phân giảiCác cảm biến dây chỉ cho ta phát hiện sự biến thiên điện trở bằng một vòng dây,tương ứng với dịch chuyển hai vòng dây. Nếu điện trở toàn phần là R0, số vòng dây W, điệnRtrở nhỏ nhất có thể phát hiện được là rn = 0 ; rn- ngưỡng nhạy của cảm biến.WThời gian sốngThời gian sống của điện kế là số lần sử dụng của điện thế kế. Nguyên nhân gây ra hưhỏng và hạn chế thời gian sống của điện thế kế là sự mài mòn con chạy và dây điện trở trongquá trình làm việc. Thường thời gian sống của điện thế kế dạng dây dẫn vào cỡ 106 lần, điệnkế dạng băng dẫn vào cỡ 5.107 - 108 lần. Moät soá ñaëc ñieåm cuûa caûm bieán thoâng duïngThoâng soá-daûi ño-ñoä phaân daûi-coâng suaát-heä soá nhieät ñoä-taàn soá-ñoä beànBài giảng Đo lường và cảm biếnDi chuyeån thaúng2mm->8m50 mm0.1-50W20-1000phaàn / 10 6 / o C3HzÑeán 4x10 8 chu kì dòch chuyeånDi chuyeån vuoâng goùc10 O -60 voøng2 o - 0 .2 oTrang 434.1.3 Maïch ñoMaïch phaân aùpTa coù:R3E=U o R2 + R3Maïch kieå u caà u phaân aùpTa coù:4.2UoR2R4=E R 2 + R1 R 4 + R3ĐIỆN THẾ KẾ DÙNG CON TRỎ QUANGĐể khắc phục nhược điểm của điện thế kế dùng con chạy cơ học, người ta sử dụngđiện thế kế liên kết quang hoặc từ.Hình 4.3 trình bày sơ đồ nguyên lý của một điện thế kế dùng con trỏ quang. Điện thếkế tròn dùng con trỏ quang gồm điot phát quang (1), băng đo (2), băng tiếp xúc (3) và băngquang dẫn (4). Băng điện trở đo được phân cách với băng tiếp xúc bởi một băng quang dẫnrất mảnh làm bằng CdSe trên đó có con trỏ quang dịch chuyển khi trục của điện thế kế quay.Điện trở của vùng quang dẫn giảm đáng kể trong vùng được chiếu sáng tạo nên sự liên kếtgiữa băng đo và băng tiếp xúc.Hình 4.3 Điện thế kế quay dùng con trỏ quangThời gian hồi đáp của vật liệu quang dẫn cỡ vài chục ms.Bài giảng Đo lường và cảm biếnTrang 444.3ĐO DỊCH CHUYỂN BẰNG ENCODER THẲNGCác cảm biến đo vị trí và dịch chuyển theo phươngpháp quang học gồm nguồn phát ánh sáng kết hợp với mộtđầu thu quang (thường là tế bào quang điện). Hình 4.4 đodịch chuyển bằng thước khắc vạch (encoder tăng) cấu tạo củanó gồm: 1- thước khắc vạch, 2- nguồn sáng; 3,4,5,7- thấukính, 6- tấm chắn ánh sánh; 8- tế bào quang điện.Nguyên lý hoat động tương tự giống cảm biến quangphản xạ, thước khắc vạch được khắc vạch trắng và đen xennhau, ánh sáng bị hấp thụ khi gặp vạch đen và phản xạ khigặp vạch trắng, như vậy cứ mỗi lần ánh sáng chuyển qua mộtvạch thì tế bào quang điện nhận được một xung ánh sáng vàmột xung điện được tạo ra, đếm số xung ta có thể suy ra dichuyển:Ta có: Dx=NdTrong đó: Dx là khoảng dịch chuyển, N là số xungđếm được; d giá trị của mạch chia độ.Hình 4.4Người ta có thể thực hiện 200 vạch/mm.4.4CẢM BIẾN ĐIỆN CẢMCảm biến điện cảm là nhóm các cảm biến làm việc dựa trên nguyên lý cảm ứng điệntừ. Vật cần đo vị trí hoặc dịch chuyển được gắn vào một phần tử của mạch từ gây nên sự biếnthiên từ thông qua cuộn đo. Cảm biến điện cảm được chia ra: cảm biến tự cảm và hỗ cảm.4.4.1Cảm biến tự cảm có khe từ biến thiênCảm biến tự cảm đơnTrên hình trình bày sơ đồ nguyên lý cấu tạo của một số loại cảm biến tự cảm đơn.Hình 4.5 Cảm biến tự cảmCấu tạo gồm một cuộn dây quấn trên lõi thép cố định (phần tĩnh) và một lõi thép cóthể di động dưới tác động của đại lượng đo (phần động), giữa phần tĩnh và phần động có khehở không khí tạo nên một mạch từ hở. Dưới tác động của đại lượng đo Xv, phần ứng của cảmbiến di chuyển, khe hở không khí d trong mạch từ thay đổi, làm cho từ trở của mạch từ biếnthiên, do đó hệ số tự cảm và tổng trở củ ...