Cảm biến dịch chuyển theo phương pháp từ trường

Cảm biến đo dịch chuyển (thẳng hoặc góc) hoạt động dựa trên sự thay đổi của từ trường đã và đang được ứng dụng rất rộng rãi trong công nghiệp. Các cảm biến này đã thể hiện nhiều tính năng vượt trội so với các cảm biến hoạt động dựa trên nguyên lý khác như nguyên lý biến trở hay bộ mã hóa quang. Ưu điểm quan trọng của chúng phải kể đến là đo không tiếp xúc. Không có mối liên hệ cơ học nào giữa thành phần cố định và thành phần dịch chuyển của cảm biến....
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Cảm biến dịch chuyển theo phương pháp từ trường Cảm biến dịch chuyển theo phương pháp từ trường Mở đầu Cảm biến đo dịch chuyển (thẳng hoặc góc) hoạt động dựa trên sự thay đổi của từ trường đã và đang được ứng dụng rất rộng rãi trong công nghiệp. Các cảm biến này đã thể hiện nhiều tính năng vượt trội so với các cảm biến hoạt động dựa trên nguyên lý khác như nguyên lý biến trở hay bộ mã hóa quang. Ưu điểm quan trọng của chúng phải kể đến là đo không tiếp xúc. Không có mối liên hệ cơ học nào giữa thành phần cố định và thành phần dịch chuyển của cảm biến. Vì vậy tuổi thọ của các cảm biến này sẽ không bị giới hạn bởi hao mòn do ma sát. Thành phần cấu tạo cơ bản của chúng là nam châm vĩnh cửu hoặc nam châm điện, kết hợp với những vật liệu đặc biệt có khả năng nhạy với từ trường. Trong bài viết này chúng tôi sẽ trình bày các cảm dựa trên các hiệu ứng tiêu biểu như: từ giảo (magnetostrictive), từ trở (magnetoresistive), hiệu ứng Hall và mã hóa từ. 1. Cảm biến từ giảo (magnetostrictive) Cảm biến từ giảo sử dụng vật liệu sắt từ để xác định vị trí của một nam châm dịch chuyển theo chiều dài của nó. Thân của chúng được giữ cố định, còn nam châm được gắn với đối tượng cần đo và dịch chuyển dọc theo thân cảm biến (H.1). Hình 1. Cảm biến từ giảo. Nguyên lý hoạt động dựa theo tính chất từ giảo của vật liệu sắt từ. Ảnh hưởng của từ trường lên những vật liệu này gây ra sự thay đổi về kích thước hoặc hình dạng của chúng. Vật liệu thuận từ nở ra, còn vật liệu nghịch từ co lại khi bị từ hóa. Những nguyên tố thường được dùng trong cảm biến từ giảo là các kim loại như sắt, côban, niken… Thực tế, có thể coi vật liệu sắt từ là tập hợp của nhiều nam châm vĩnh cửu nhỏ, được gọi là các miền từ (domains). Mỗi miền bao gồm nhiều nguyên tử và được sắp xếp ngẫu nhiên khi chưa bị từ hóa. Khi vật liệu bị từ hóa dưới tác động của từ trường ngoài, miền quay với trục gần như song song nhau, gây nên hiện tượng từ giảo (H. 2). Hình 2. Hiệu ứng từ giảo. Sự biến dạng đồng bộ của các miền thực chất không có nhiều tác dụng đối với việc đo. Thông thường chỉ cần sự biến dạng cục bộ dựa trên hiệu ứng Wiedemann: khi một sợi dây từ giảo đặt trong từ trường trục có dòng điện chạy qua, nó sẽ bị xoắn tại điểm giao nhau với từ trường. Từ trường trục này được tạo ra bởi một nam châm vĩnh cửu. Chính sự tương tác giữa nó với từ trường tròn của dây dẫn đã sinh ra hiện tượng xoắn cơ học. Trong cảm biến từ giảo, yếu tố cảm nhận là một dây hoặc thanh sắt từ (được gọi là ống dẫn sóng). Thiết bị sẽ đo khoảng cách giữa nam châm vị trí và đầu thu. Khi bắt đầu đo, một xung dòng điện được đưa vào ống dẫn sóng. Xung được sử dụng thường kéo dài 1-2 µs. Theo hiệu ứng Wiedemann, sóng xoắn cơ học sẽ xuất hiện tại điểm đặt nam châm vị trí. Sóng này di chuyển về cả 2 hướng lại gần và ra xa đầu thu với tốc độ 3.000 m/s. Khoảng thời gian từ lúc bắt đầu xuất hiện sóng (chính là thời điểm đặt xung dòng điện) đến lúc sóng tới đầu thu sẽ đặc trưng cho vị trí của nam châm. Phần sóng di chuyển ra xa đầu thu có thể đóng vai trò như nhiễu khi nó phản xạ ngược trở lại. Vì vậy, nó sẽ được khử ở đầu kia của ống dẫn sóng. Khu vực gắn vật liệu khử không có tác dụng cho việc xác định vị trí nên được gọi là “vùng chết”. Thời gian đo được có thể đưa vào bộ nhớ đệm và sử dụng như kết quả trực tiếp, hoặc truyền tín hiệu về trung tâm để xử lý thông qua các chuẩn truyền dẫn công nghiệp như CANbus, HART, Profibus,... Hệ số nhiệt độ có thể đạt từ 2 đến 5ppm/C. Do loại cảm biến này hoạt động chỉ dựa vào đặc tính vật lý của vật liệu nên chúng rất ổn định. 2. Cảm biến từ trở (magnetoresistive) Trong hầu hết vật liệu từ, điện trở giảm dưới tác động từ trường khi sự từ hóa vuông góc với dòng điện. Mật độ từ thông càng tăng thì điện trở càng giảm, cho tới khi đạt trạng thái bão hòa từ. Lượng điện trở thay đổi khoảng 1% ở nhiệt độ phòng (0.3% với sắt, 2% với nickel). Khi từ trường song song với dòng điện, điện trở tăng khi cường độ từ trường tăng. Đây là những đặc điểm của hiện tượng từ trở (magnetoresistive - MR). Khi một nam châm vị trí đến gần thành phần cảm biến từ trở, điện trở của thành phần này sẽ thay đổi. Sự thay đổi là lớn nhất khi nam châm đi qua tâm của nó. Sau đó mức độ thay đổi sẽ giảm dần tới khi nam châm hoàn toàn vượt qua thành phần này. Điện trở thay đổi được tính theo công thức sau: R = Hiệu điện thế/(mật độ hạt mang điện x vận tốc hạt mang điện) Một thiết bị đo sự dịch chuyển dài hơn có thể được thực hiện bằng cách sử dụng nhiều thành phần MR sắp xếp trên một đường thẳng. Chuỗi tín hiệu từ các cảm biến được giải mã để tìm ra thành phần MR bị ảnh hưởng nhiều nhất bởi nam châm. Sau đó các phép đo rời rạc được tiến hành để xác định chính xác hơn vị trí của nam châm. Nguyên tắc này có thể tạo được những cảm biến có hiệu suất đo cao, tuy nhiên cần tính đến cả ảnh hưởng của nhiệt độ. Các cảm biến dài yêu cầu nhiều thành phần MR nên chúng đắt tiền và khó chế tạo. Hiệu ứng từ trở của một vật dẫn có thể tăng bằng cách chế tạo với 2 hoặc nhiều lớp vật liệu có độ từ trở khác nhau. Không những thế, một số vật liệu có thể kết cấu tới 10 lớp giúp chúng bão hòa ở cường độ từ trường mạnh hơn. 3.Cảm biến Hall Cảm biến Hall làm việc dựa trên hiệu ứng Hall. Khi từ trường tác dụng vào dòng điện trong vật dẫn theo những góc phù hợp, sẽ xuất hiện một hiệu điện thế Vh, được gọi là hiệu điện thế Hall. Hiệu điện thế này vuông góc với cả từ trường và dòng điện trong vật dẫn. Độ lớn Vhtỉ lệ thuận với cường độ dòng điện và từ trường, tính theo công thức: VH = KH β I / z VH - Hiệu điện thế Hall KH - Hằng số Hall β - Cường độ từ trường I - Dòng điện chạy trong vật dẫn z- Độ dày của vật dẫn Hình 3. Mô tả cảm biến Hall. Cảm biến loại này thường được chế tạo từ vật liệu bán dẫn (cả p và n đều được sử dụng với dòng điện phân cực phù hợp). Trong đo dịch chuyển, một bộ phận cảm biến Hall và một nam châm di động (tín hiệu ra tỉ lệ với kho ...