Chương 4. cảm biến đo vị trí và dịch chuyển

Wednesday, September 11, 2013 1
Chương IV. Cảm biến vị trí và dịch chuyểnChương IV. Cảm biến vị trí và dịch chuyển
1. Cảm biến vị trí tiếp xúc
 Công tắc hành trình (Limit Switchs)
 Điện thế kế điện trở (Potentiometers)
1. Cảm biến vị trí không tiếp xúc
 Cảm biến từ (Magnetic Sensors)
 Cảm biến siêu âm (Ultrasonic Sensors)
 Cảm biến tiệm cận (Promixity Sensors)
 Cảm biến quang điện (Photoelectric Sensors)
-Đơn giản
-Rẻ tiền
-Làm việc bền
- Môi trường
khắc nghiệt
-Đắt tiền hơn

1.1 Công tắc hành trình
Có nhiều loại công tắc hành trình, có được dùng
trong nhiều điều kiện môi trường khác nhau
Gia công vật liệu
Nhà máy bia
Máy đóng gói
Thiết bị đúc
Thiết bị nâng chuyển
…
Công tắc hành trình có thể được đặt với nhiều
thiết bị chấp hành như cần trượt, cần xoay, cần
lắc, ...

Ưu điểm
Đáng tin cậy, chịu được va chạm và dễ sử dụng
Không bị ảnh hưởng bởi nhiễu
Hoạt động đơn giản (ON/OFF)
Nhược điểm
Tuổi thọ ngắn, bị hao mòn

1.2 Điện thế kế điện trở
Cấu tạo và nguyên lý làm việc
Rm, , Lm
Rx, l
Đo dịch chuyển
thẳng
12
Rm
Rα
Đo dịch chuyển
quay α > 360o
1
2
mx R
L
l
R = m
m
RR
α
α
=αm
m
RR
α
α
=α
αM
Rα
Rm
Đo dịch chuyển
quay α < 360o
12
α
αm

Gồm một điện trở cố định (Rm) và một tiếp xúc điện
(con chạy) liên kết với đối tượng. Khi đối tượng di
chuyển, con chạy di chuyển theo, điện trở đo phụ
thuộc vào vị trí con chạy. Đo điện trở ⇒ vị trí
Điện trở dạng dây cuộn: được chế tạo từ các hợp kim
Ni - Cr, Ni - Cu , Ni - Cr - Fe, Ag - Pd quấn thành vòng
xoắn dạng lò xo trên lõi cách điện (bằng thuỷ tinh,
gốm hoặc nhựa), giữa các vòng dây cách điện bằng
emay hoặc lớp oxyt bề mặt.
Điện trở dạng băng dẫn: được chế tạo bằng chất dẻo
trộn bột dẫn điện là cacbon hoặc kim loại cỡ hạt ~10-2
µm.

Ưu điểm
Rẻ tiền
Cấu tạo đơn giản, dễ sử dụng
Đo được khoảng dịch chuyển lớn
Nhược điểm
Bị ảnh hưởng của bụi và ẩm
Tuổi thọ kém, mau bị hao mòn

2.1 Cảm biến từ
Các đặc tính từ có thể được dùng để đo vị trí
thông qua việc xác định sự xuất hiện, cường độ
hoặc hướng của từ trường
Cảm biến từ là nhóm các cảm biến làm việc dựa
trên nguyên lý cảm ứng điện từ. Vật cần đo vị trí
hoặc dịch chuyển được gắn vào một phần tử của
mạch từ gây nên sự biến thiên từ thông qua cuộn
đo.
Cảm biến từ được chia ra 2 loại: cảm biến tự cảm
và cảm biến hỗ cảm

2.1.1 Cảm biến tự cảm
a) Cảm biến tự cảm đơn có khe từ biến thiên
2
1. Lõi sắt từ
2. Cuộn dây
3. Tấm sắt từ
XV
Đo dịch
chuyển thẳng
1
2
3 1
3
δ
Đo dịch
chuyển quay

a) Cảm biến tự cảm đơn có khe từ biến thiên
Hệ số tự cảm
Tổng trở của cảm biến:
Khi δ, s thay đổi, L và Z thay đổi. Đo L hoặc Z
⇒ vị trí hoặc độ dịch chuyển
W- số vòng dây.
Rδ - từ trở của khe hở không khí.
δ - chiều dài khe hở không khí.
s - tiết diện thực của khe hở không khí.
δ
µω
=ω=
sW
LZ 0
2
L = f(∆δ)
Z5000Hz = f(∆δ)
Z500Hz = f(∆δ)
Z, L
∆δ

b) Cảm biến tự cảm kép có khe từ biến thiên
XV
XV
Đo dịch
chuyển thẳng
Đo dịch
chuyển quay

b) Cảm biến tự cảm kép có khe từ biến thiên
Hệ số tự cảm
Đặc điểm:
• Độ nhạy lớn.
• Độ tuyến tính cao hơn.
L1 = f(δ)
L1 - L2 = f(δ)
L2 = f(δ)
δ
L

c) Cảm biến tự cảm có lõi từ di động
Đặc điểm:
• L = f(lf) → phi tuyến, độ nhạy và độ tuyến tính của CB
kép cao hơn CB đơn.
• Đo được dịch chuyển lớn hơn so với CBTC có khe từ
biến thiên
l0 lf
l
XV
1
2 1 1
XV
Đơn
Kép

2.1.2 Cảm biến hỗ cảm
a)
3
XV
1
2
~
4
b)
1 2
3
4
1. Cuộn sơ cấp
2. Gông từ
3. Tấm sắt từ di động
4. Cuộn thứ cấp (cuộn đo)

Khi cấp dòng xoay chiều ( ) vào cuộn sơ
cấp, sinh ra Φ biến thiên → trong cuộn thứ cấp sinh
ra sức điện động cảm ứng:
Giá trị hiệu dụng của suất điện động
tcosI
sWW
e m
012
ωω
δ
µ
−=
δ
=ω
δ
µ
−=
s
kI
sWW
E 012
⇒ E = f(s, δ)

Đặc điểm
E = f(s, δ)→ tuyến tính theo (s) và phi tuyến theo (δ)
Với (khi XV = 0)
Để tăng độ nhạy và độ tuyến tính → CBHC kép lắp vi
sai.
2
0
0
0
2
0
2
0 1
E
1
ksE
S






δ
δ∆
+δ
=






δ
δ∆
+δ
−=
δ∆
∆
=δ
0
0
0
S
s
Ek
s
E
S =
δ
=
∆
∆
=
0
0
0
ks
E
δ
=

Cảm biến hỗ cảm kép lắp vi sai
XV
~
φ1 φ2
~
XV
~
Dịch chuyển thẳng Dịch chuyển quay

2.1.3 Biến áp vi sai biến đổi tuyến tính (LVDT)
Cấu tạo
Gồm 1 cuộn sơ cấp, 2 cuộn thứ cấp và phần lõi sắt từ
Cuộn sơ cấp được cấp nguồn AC, 2 cuốn thứ cấp được
mắc ngược nhau

Hoạt động
Ngõ ra là điện áp giữa 2 đầu cuộn thứ cấp phụ thuộc
vào vị trí của lõi sắt từ.
Khi lõi sắt ở giữa 2 cuộn
thứ cấp, sẽ sinh ra điện áp
bằng nhau và ngược dấu
nhau  điện áp ra bằng 0.
Khi vật di chuyển lên hay
xuống thì làm cho điện áp
của các cuộn thứ cấp tăng
hoặc giảm.
Đo điện áp ngõ ra để xác
định độ dịch chuyển

Ưu điểm
Phát hiện được cả khoảng cách và chiều di chuyển
Chính xác
Làm việc được trong môi trường khắc nghiệt
Ít ảnh hưởng bởi rung động
Nhược điểm
Không phù hợp cho việc đo khoảng cách lớn
Ứng dụng
Đo dịch chuyển tuyến tính
Đo vị trí

2.2 Cảm biến siêu âm
Nguyên lý và cấu tạo
Siêu âm là sóng cơ học có tần số lớn hơn tần số âmSiêu âm là sóng cơ học có tần số lớn hơn tần số âm
thanhthanh nghe thấy (trên 20kHz). Thính giác của connghe thấy (trên 20kHz). Thính giác của con
người rất nhạy cảm với dải tần số từ âm trầm (vàingười rất nhạy cảm với dải tần số từ âm trầm (vài
chục Hz) đến các âm thanh rất cao (gần 20kHz).chục Hz) đến các âm thanh rất cao (gần 20kHz).
Cảm biến siêu âm sử dụng nguyên lý phản xạ sóngCảm biến siêu âm sử dụng nguyên lý phản xạ sóng
siêu âm.siêu âm.
Cảm biến gồm 2 phần:Cảm biến gồm 2 phần: phần phát ra sóng siêu âm vàphần phát ra sóng siêu âm và
phần thu sóng siêu âm phản xạ vềphần thu sóng siêu âm phản xạ về

Nguyên lý và cấu tạo
Cảm biến sẽ phát ra 1 sóng siêu âm. Nếu có chướngCảm biến sẽ phát ra 1 sóng siêu âm. Nếu có chướng
ngại vật trên đường đi, sóng siêu âm sẽ phản xạ lại vàngại vật trên đường đi, sóng siêu âm sẽ phản xạ lại và
tác động lên module nhận sóng.tác động lên module nhận sóng.
Đo thời gian từ lúc phát và nhận sóng ta sẽ tính đượcĐo thời gian từ lúc phát và nhận sóng ta sẽ tính được
khoảng cách từ cảm biến đến chướng ngại vậtkhoảng cách từ cảm biến đến chướng ngại vật
V: vận tóc sóng siêu âm (343 m/s
trong không khí)
t: thời gian từ lúc phát đến lúc thu

Ưu điểm
Đo được khoảng cách rời rạc của vật di chuyển
Ít ảnh hưởng bởi vật liệu và bề mặt
Không ảnh hưởng bởi màu sắc
Tín hiệu đáp ứng tuyến tính với khoảng cách
Có thể phát hiện vật nhỏ ở khaongr cách xa
Nhược điểm
Sóng phản hồi bị ảnh hưởng của sóng âm thanh tạp
âm
Cần 1 khoảng thời gian sau mỗi lần sóng phát đi để
sẵn sàng nhận sóng phản hồi  chậm hơn CB khác
Khó phát hiện vật có mật độ vật chất thấp ở khoảng
cách xa

Bố trí cảm biến

Một số ứng dụng

2.3 Cảm biến tiệm cận
Cấu tạo và nguyên lý:
Cảm biến tiệm cận sử dụng dao động tần số cao để
phát hiện vật khi gần cảm biến
Có 2 loại cảm biến tiệm cận:
• Loại cảm ứng: phát hiện kim loại từ tính và không từ
tính bằng cách tạo ra trường điện từ.
• Loại điện dung: phát hiện vật kim loại và không kim
loại bằng tạo ra điện trường tĩnh.

Một số hình ảnh thực tế

2.3.1 Cảm biến tiệm cận loại cảm ứng
Cấu tạo:
Gồm có 4 thành phần:
• Cuộn dây: tạo ra từ trường
• Bộ dao động: tạo dao động
tần số cao
• Mạch kích: Giám sát biên
độ của bộ dao động
• Ngõ ra: Mở / tắt

Hoạt động:
Khi đối tượng vi chuyển đến gần cảm biến - đi vào
vùng từ trường, xuất hiện dòng điện xoáy trên bề mặt
đối tượng, làm giảm biên độ của bộ dao động.
Mạch kích giám sát biên độ của bộ giao động và kích
thích cho ngõ ra của cảm biến mở (tắt)

Đấu dây:

Ưu điểm
Chính xác hơn so với các cảm biến khác
Có tỉ lệ chuyển đổi cao
Có thể làm việc trong môi trường khắc nghiệt
Nhược điểm
Chỉ phát hiện đối tượng kim loại
Tầm hoạt động bị giới hạn

2.3.2 Cảm biến tiệm cận loại điện dung
Cấu tạo và hoạt động
Bề mặt của cảm biến điện dung có 2 bản cực kim loại
có dạng đồng tâm.
Khi đối tượng đến gần cảm biến, làm thay đổi điện
dung trong mạch dao động và mạch dao động bắt đầu
hoạt động.
Mạch kích đo biên độ dao động và kích ngõ ra cảm
biến thay đổi trạng thái khi biên độ đến mức chỉ định.

2.3.2 Cảm biến tiệm cận loại điện dung
Ưu điểm
Phát hiện được mọi vật liệu
Ổn định và tốc độ cao
Độ phân giải tốt
Giá thấp
Nhược điểm
Ảnh hưởng bởi nhiệt độ và độ ẩm
Khó thiết kế
Độ tuyến tính không cao
Không chính xác bằng cảm biến loại cảm ứng

2.4 Cảm biến quang điện
Cấu tạo
Bộ phát sáng:
• Thường dùng LED: LED đỏ, LED hồng ngoại, LED
lazer, …
• Ánh sáng được phát ra theo xung
Bộ thu sáng:
• Thường dùng Phototransistor
• Cảm nhận ánh ánh sáng và chuyển đổi thành tín hiệu
điện tỉ lệ
Mạch tín hiệu ra:
• Chuyển tín hiệu tỉ lệ từ bộ thu sáng thành tín hiệu
ON/OFF được khuếch đại

Một số hình ảnh thực tế

Hoạt động
Thu phát:
• Bộ thu và phát tách riêng biệt nhau
• Nếu có vật chắn ngang nguồn sáng sẽ có tín hiệu ra
• Ưu điểm: khoảng cách phát hiện xa (có thể đến 30 m),
độ tin cậy và độ chính xác vị trí cao, phát hiện được
mọi vật thể (trừ trong suốt).
• Nhược điểm: mất nhiều thời gian cho việc lắp đặt, giá
thành cao.

Hoạt động
Phản xạ gương:
• Nguồn sáng phát ra tới gương và phản xạ lại bộ thu
• Nếu có vật chắn ngang nguồn sáng sẽ có tín hiệu ra
• Ưu điểm: giá thành thấp hơn loại thu phát, dễ lắp đặt
và hiệu chỉnh, tin cậy.
• Nhược điểm: khoảng cách phát hiện ngắn, vẫn cần 2
điểm lắp đặt cảm biến và gương

Hoạt động
Phản xạ khuếch tán:
• Bộ phát sáng phát nguồn sáng tới đối tượng
• Đối tượng này sẽ phản xạ một phần ánh sáng (phản xạ
khuếch tán) ngược lại bộ thu sáng, kích hoạt tín hiệu ra
• Ưu điểm: giá thành thấp, dễ lắp đặt (chỉ cần 1 điểm
lắp đặt duy nhất)
• Nhược điểm: khoảng cách phát hiện ngắn và phụ
thuộc vào kích thước, bề mặt và hình dáng của đối
tượng.

Ưu điểm
Phát hiện được mọi vật liệu
Ổn định và tốc độ cao
Độ phân giải tốt
Giá thấp
Nhược điểm
Ảnh hưởng bởi nhiệt độ và độ ẩm
Khó thiết kế
Độ tuyến tính không cao
Không chính xác bằng cảm biến loại cảm ứng

Chương 4. cảm biến đo vị trí và dịch chuyển

Recommandé

Recommandé

Contenu connexe

Tendances

Tendances (20)

En vedette

En vedette (6)

Similaire à Chương 4. cảm biến đo vị trí và dịch chuyển

Similaire à Chương 4. cảm biến đo vị trí và dịch chuyển (20)

Plus de Đinh Công Thiện Taydo University

Plus de Đinh Công Thiện Taydo University (20)

Dernier

Dernier (20)

Chương 4. cảm biến đo vị trí và dịch chuyển

Notes de l'éditeur