Cảm biến đo 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
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Cảm biến đo dịch chuyển theo phương pháp từ trườngCảm biến dịch chuyển theo phương pháp từ trườngMở đầuCảm biến đo dịch chuyển (thẳng hoặc góc) hoạt động dựa trên sự thay đổi của từ trường đã vàđang được ứng dụng rất rộng rãi trong công nghiệp. Các cảm biến này đã thể hiện nhiều tínhnăng vượt trội so với các cảm biến hoạt động dựa trên nguyên lý khác như nguyên lý biến trởhay bộ mã hóa quang.Ưu điểm quan trọng của chúng phải kể đến là đo không tiếp xúc. Không có mối liên hệ cơ họcnào giữa thành phần cố định và thành phần dịch chuyển của cảm biến. Vì vậy tuổi thọ của cáccảm biến này sẽ không bị giới hạn bởi hao mòn do ma sát. Thành phần cấu tạo cơ bản của chúnglà nam châm vĩnh cửu hoặc nam châm điện, kết hợp với những vật liệu đặc biệt có khả năngnhạy 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 theochiều dài của nó. Thân của chúng được giữ cố định, còn nam châm được gắn với đối tượng cầnđo 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 lênnhững vật liệu này gây ra sự thay đổi về kích thước hoặc hình dạng của chúng. Vật liệu thuận từnở ra, còn vật liệu nghịch từ co lại khi bị từ hóa. Những nguyên tố thường được dùng trong cảmbiến 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 cácmiền từ (domains). Mỗi miền bao gồm nhiều nguyên tử và được sắp xếp ngẫu nhiên khi chưa bịtừ hóa. Khi vật liệu bị từ hóa dưới tác động của từ trường ngoài, miền quay với trục gần nhưsong 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. Thôngthường chỉ cần sự biến dạng cục bộ dựa trên hiệu ứng Wiedemann: khi một sợi dây từ giảo đặttrong từ trường trục có dòng điện chạy qua, nó sẽ bị xoắn tại điểm giao nhau với từ trường. Từtrường trục này được tạo ra bởi một nam châm vĩnh cửu. Chính sự tương tác giữa nó với từtrường 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 dẫnsóng). Thiết bị sẽ đo khoảng cách giữa nam châm vị trí và đầu thu. Khi bắt đầu đo, một xungdòng điện được đưa vào ống dẫn sóng. Xung được sử dụng thường kéo dài 1-2 µs. Theo hiệuứng Wiedemann, sóng xoắn cơ học sẽ xuất hiện tại điểm đặt nam châm vị trí. Sóng này dichuyển về cả 2 hướng lại gần và ra xa đầu thu với tốc độ 3.000 m/s. Khoảng thời gian từ lúc bắtđầu xuất hiện sóng (chính là thời điểm đặt xung dòng điện) đến lúc sóng tới đầu thu sẽ đặc trưngcho vị trí của nam châm. Phần sóng di chuyển ra xa đầu thu có thể đóng vai trò như nhiễu khi nóphản xạ ngược trở lại. Vì vậy, nó sẽ được khử ở đầu kia của ống dẫn sóng. Khu vực gắn vật liệukhử 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 tínhiệu 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 tínhvật 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 vớidòng điện. Mật độ từ thông càng tăng thì điện trở càng giảm, cho tới khi đạt trạng thái bão hòatừ. Lượng điện trở thay đổi khoảng 1% ở nhiệt độ phòng (0.3% với sắt, 2% với nickel). Khi từtrường song song với dòng điện, điện trở tăng khi cường độ từ trường tăng. Đây là những đặcđiểm 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 thayđổi. Sự thay đổi là lớn nhất khi nam châm đi qua tâm của nó. Sau đó mức độ thay đổi sẽ giảmdần tới khi nam châm hoàn toàn vượt qua thành phần này. Điện trở thay đổi được tính theo côngthức 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 thànhphần MR sắp xếp trên một đường thẳng. Chuỗi tín hiệu từ các cảm biến được giải mã để tìm rathành phần MR bị ảnh hưởng nhiều nhất bởi nam châm. Sau đó các phép đo rời rạc được tiếnhành để xác định chính xác hơn vị trí của nam châm. Nguyên tắc này có thể tạo được những cảmbiến có hiệu suất đo cao, tuy nhiên cần tính đến cả ảnh hưởng của nhiệt độ. Các cảm biến dài yêucầu nhiều thành phần MR nên chúng đắt tiền và khó chế tạo.Hiệu ứng từ trở của một vật dẫn có t ...