Chương 4: CẢM BIẾN VỊ TRÍ VÀ KHOẢNG CÁCH

ði n cm này sm thay ñFi ph0 thu-c và khong cách khe không khí và giá tr ñi n cm thay ñFi phi tuy/n... ks E δNu dài khe h@ không khí... Phân lo i Tùy theo cách bH trí cm bi/n thu phát mà

Phương pháp th, hai: ,ng v7i m-t d ch chuy n cơ b)n, c)m bi/n phát ra m-t xung

Vi c xác ñ nh v trí và d ch chuy n

− Yêu c2u ño v trí và d ch chuy n l7n

− Dùng ñ ño các ñ<i lư=ng khác

V"t c2n ño g>n vào m-t ph2n t3 m<ch tE, v"t d ch chuy n gây nên sD bi/n thiên

tE thông trong cu-n dây ño dMn ñ/n thay ñFi ñi n áp trên hai ñ2u c1a nó Ngu5n c p là tín hi u xoay chiNu và có các lo<i thông d0ng sau:

a M ch t có khe t bi n thiên

Nguyên t c ho t ñ ng

Hình 4.1 Ho t ñ ng c m bi n ñi n c m analog 1) Lõi s t t# 2) Cuôn dây 3) ph+n ñ ng Trên hình 4.1 trình bày sơ ñ5 nguyên lý c u t<o c1a m-t sH lo<i c)m bi/n tD c)m ñơn C)m bi/n tD c)m ñơn g5m m-t cuôn dây qu n trên lõi thép cH ñ nh (ph2n tĩnh) và m-t lõi thép có th di ñ-ng dư7i tác ñ-ng c1a ñ<i lư=ng ño (ph2n ñ-ng), giCa ph2n tĩnh và ph2n ñ-ng có khe h@ không khí t<o nên m-t m<ch tE h@

Z hình 4.1a: Dư7i tác ñ-ng c1a ñ<i lư=ng ño XV, ph2n ,ng c1a c)m bi/n

di chuy n, khe h@ không khí δ trong m<ch tE thay ñFi, làm cho tE tr@ c1a m<ch

tE bi/n thiên, do ñó h sH tD c)m và tFng tr@ c1a cu-n dây thay ñFi theo

Z hình 4.1b: Khi ph2n ,ng quay, ti/t di n khe h@ không khí thay ñFi, làm cho t3 tr@ c1a m<ch tE bi/n thiên, do ñó h sH tD c)m và tFng tr@ c1a cu-n dây thay ñFi theo

H sH tD c)m c1a cu-n dây cũng có th thay ñFi do thay ñFi tFn hao sinh

ra b@i dòng ñi n xoáy khi t m s>t tE d ch chuy n dư7i tác ñ-ng c1a ñ<i lư=ng ño

XV (hình 4.1c)

N/u bB qua ñi n tr@ c1a cu-n dây và t3 tr@ c1a lõi thép ta có:

= : TE tr@ c1a khe h@ không khí

− δ: ChiNu dài khe h@ không khí

− s: Ti/t di n thDc c1a khe h@ không khí

Trư6ng h=p W = const ta có:

δ

δ d

L ds s

L dL

∂

∂ +

W L

o

o o

δδ

=

=

δ

δδ

δ

δ

o

oLL

ð- nh<y c1a c)m bi/n tD c)m khi thay ñFi ti/t di n không khí (δ= const):

0

0s

Ls

ð1c tính làm vi5c

Hình 4.2 S6 thay ñ7i gi8a L, Z v:i chi;u dài khe h> không khí δ ðgc tính c1a c)m bi/n tD c)m ñơn Z=f( δ)là hàm phi tuy/n và ph0 thu-c t2n

sH ngu5n kích thích, t2n sH ngu5n kích thích càng cao thì ñ- nh<y c1a c)m bi/n càng cao (hình 4.2)

Ki u m ch t# hình ch8 U

Hình 4.3 C m bi n c m Ang t# m ch t# hình ch8 U

0 0

2 0

2 1 2

l x

x l

s N L

Hình 4.3 C m bi n c m Ang t# m ch t# hình xuy nLo<i này g5m ba ph2n: M-t lõi s>t tE hình xuy/n, m-t khe tE bi/n thiên và m-t bN mgt làm blng lõi s>t tE ði n c)m này sm thay ñFi ph0 thu-c và kho)ng cách khe không khí và giá tr ñi n c)m thay ñFi phi tuy/n

) 1 ( ) (

0 0

2

d

L kd

n L

α+

= + ℜ

0 1

x d

L L

− +

=

02 2

x d

L L

+ +

=

ðgc trưng c)m bi/n ñi n c)m bi/n thiên

Ngõ ra thay ñFi phi tuy/n, ph0 thu-c t2n sH ngu5n kích thích, t2n sH càng cao thì ñ- nh<y càng l7n

4.2.2 Lo5i h7 c/m

a C m bi n h c m

C u t<o c1a c)m bi/n hJ c)m tương tD c)m bi/n tD c)m chr khác @ chF có thêm m-t cu-n dây ño (hình 4.6)

Hình 4.6 C m bi n hJ c m 1) Cu n sơ cKp 2) Gông t# 3) lõi t# di ñ ng 4) Cu n thA cKp (Cu n ño)

Trong các c)m bi/n ñơn, khi chiNu dài khe h@ không khí (Hình 4.6a) hogc ti/t di n khe không khí thay ñFi (Hình 4.6b) hogc tFn hao do dòng ñi n xoáy thay ñFi (Hình 4.6c) sm làm cho tE thông c1a m<ch tE bi/n thiên kéo theo su t ñi n ñ-ng e trong cu-n ño thay ñFi

0 2

δ

δδ

δ

δ

E ks

s

Eks

ks E δ

Nu dài khe h@ không khí

0 0

ks: S,c ñi n ñ-ng hJ c)m ban ñ2u trong cu-n

- nh<y và ñ- tuy/n tính c1a ñgc tính c)m bi/n

vi sai (hình 4.6 d, e, f) Khi m>c vi sai ñ- nh<y

vi làm vi c tuy/n tính m@ r-ng ñáng k

ai phân tuy n tính LVDT (Linear Var

-t cơ c u cơ w ñi n t<o ra ñi n áp tr l v7i v dây

Hình 4.7 CKu t o LVDT

ñ ng -n dây ghép ñ5ng tr0c t<o thành hai c)m bi/n

di ñ-ng ñư=c (hình 4.7) Các cu-n th, c p ñ

t ñi n ñ-ng trong chúng tri t tiêu lMn nhau

g cu-n ño W2 khi XV=0

bi/n ngư6i ta m>c c)m nh<y c1a c)m bi/n tăng

Variable Differential

v7i v trí c1a lõi bi/n áp

bi/n ñơn ñHi x,ng, bên

c p ñư=c nHi ngư=c v7i

i u sH các h sH hJ c)m c1a hai cu-n th, c p.

ưa vào cu-n sơ c p, t<o ra ñi n c)m ,ng tr

n ñ-ng làm cho ñi n áp ñ2u ra th, c p thay ñ

c p qu n theo hai chi/u ngư=c nhau, nên ñi n

ch chuy n

Hình 4.9 Mô t nguyên lý ho t ñ ng LVDT

/n áp g5m m-t cu-n sơ c p và ai cu-n th,

õ ra là hi u hai ñi n áp c)m ,ng trên cu-n th, c

g không khi lJi s>t tE nlm trung tâm thi/t b

ño Vm @ ñ2u ra hai cu-n

i mHi quan h giCa cu-n

J c)m giCa cu-n sơ c p , ñi n áp ño Vm g2n như

− Khi lõi t<i v trí tr

HìnhBiên ñ ñi5n áp ng

− Khi lõi t<i v trí tr

v trí trung tâm thì L1=L2, m<ch c2u cân blng n

ình 4.11 Tín hi5u ra cYa LVDT thay theo lõi ngõ ra

v trí trung tâm, áp ngõ ra blng không

n l ch v trí trung tâm, ñi n áp c)m ,ng @ hai

l chiNu dài d ch chuy n c1a lõi và pha c1a

Hình 4.12 Biên ñ tín hi5u ra cYa LVDT

tính c1a phương pháp LVDT ñư=c bi u di{n

ch chuy n càng xa v trí cân blng, biên ñ- ñ

p ra chr tuy/n tính v7i ñ- d ch chuy n c1a lõi

i h<n Khi lõi càng ti/n g2n các v trí gi7i h<n

uy/n tính LVDT tE ±1mm ñ/n ±50cm (sai sH tu6ng ñư=c s3 d0ng là mV/mm hay V/mm hay

p tín hi u sin cho cu-n sơ c p v7i t2n sH t

nh là t2n sH sóng mang và ph)i l7n hơn t2n sH

0 l2n

i n áp ngõ ra chính là tín hi u ñiNu ch/ ñư=c tE

D ti/p xúc nào c1a lõi v7i các b- ph"n khác

D hao mòn c1a trên thi/t b , dMn t7i thi/t b

g pháp khác

u di{n trên ñ5 th (Hình

- ñi n áp ño ñư=c t<i

õi khi lõi nlm trong 7i h<n thì phép ño không

H tuy/n tính ±0.25%) hay mV/in hay V/in 2n sH tE 50hz ñ/n 25khz 2n sH c1a chuy n ñ-ng

=c tE chuy n ñ-ng c1a

n khác nên phương pháp /t b này có ñ- bNn cao

Không có gi7i h<n cho ñ- phân gi)i c1a phương pháp này do s3 d0ng tE trư6ng làm trung gian ⇒ ñ- phân gi)i chr ph0 thu-c vào ñ- phân gi)i c1a d0ng c0 ño ñi n áp

M ch giao ti p cYa LVDT

Hình 4.14 M ch giao ti p cYa LVDT

M t s[ lưu ý khi ch]n LVDT

ð ch n b- bi/n ñFi sai phân tuy/n tính ta c2n quan tâm ñ/n các v n ñN sau:

− ðo v trí không tFn hao do ma sát

− ð- phân gi)i không xác ñ nh

− BNn vCng

− Kh) năng l"p l<i cao

− Ngõ vào và ra cách ly

4.2.3 Lo5i ñi-n dung

C)m bi/n ñi n dung ñư=c s3 d0ng r t phF bi/n trong công nghi p và trong các lĩnh vDc khoa h c Nguyên lý c1a chúng là dDa trên sD thay ñFi c1a ñi n dung khi có

sD d ch chuy n C)m bi/n ñi n dung có ñ- tuy/n tính l7n và ph<m vi r-ng Ph2n t3 c)m ,ng cơ b)n c1a c)m bi/n ñi n dung bao g5m 2 cDc c1a m-t t0 ñi n có ñi n dung

C ði n dung là m-t hàm c1a kho)ng cách d giCa 2 cDc c1a t0 ñi n, di n tích b)n cDc

A và hlng sH ñi n môi

) , , ( d A ε

f

a. Lo i có kho ng cách bi n thiên

Hình 4.15 C m bi n dung lo i kho ng cách bi n thiên Lo<i c)m bi/n này t<o ra tE 2 b)n cDc ph~ng cách nhau m-t kho)ng cách x

có th thay ñFi ñư=c Do ñó, ñi n dung c1a t0 ñi n là:

x

Ax

Ax

εr: Hlng sH ñi n môi chân không (hlng sH εr =8.854188x10w12 F/mw1)

x: kho)ng cách gi3a hai bN mgt tính blng m

Hình 4.16 C m bi n dung lo i ñi5n tích b n c6c bi n thiên C)m bi/n ñi n dung lo<i ñi n tích b)n cDc bi/n thiên có ñgc tính sau:

− ði n dung tuy/n tính v7i ñ- d ch chuy n

− Dùng ñ ño d ch chuy n góc

c Lo i ñi0n môi bi n thiên

ð- d ch chuy n có th ño dùng c)m bi/n ñi n dung dDa trên sD d ch chuy n tương ñHi c1a v"t li u ñi n môi giCa các b)n cDc

Hình 4.17 C m bi n dung ñi5n môi bi n thiên

w

V7i:

ε1: Hlng sH ñi n môi liên quan ch t li u làm ch t ñi n môi

ε2: Hlng sH ñi n môi t<i v trí khi ch t ñi n môi b d ch chuy n

Ngõ ra lo<i c)m bi/n này cũng tz l tuy/n tính v7i ñ- d ch chuy n x thư6ng ñư=c s3 d0ng ñ ño m,c c1a ch t lBng trong thùng V7i ñiNu ki n ch t lBng không dMn ñi n d<ng ñi n môi

tuy/n v7i ñ- d ch chuy n ðiNu này có th kh3 ñư=c blng cách s3 d0ng c)m bi/n ñi n dung d<ng vi sai

C)m bi/n ñi n dung lo<i này thư6ng có 3 b)n cDc Tùy theo tEng ,ng d0ng c0 th mà c)m bi/n lo<i này có th có c u t<o khác nhau

Hình 4.18 C m bi n dung lo i vi sai

)(

2)(

)(

2

2 2 0 0

0 2

1

dd

dlwd

d

lwd

d

lwC

C

δ

δεεδ

εεδ

εεδ

+

=+

2)(

)(

2

2 2 0 0

0 2

1

dd

lwdd

d

lwd

d

lwC

C

δ

εεδ

εεδ

εε

+

=+

+

−

=+

d

d C

Hình 4.19 M ch ño c m bi n ñi5n dung analog M<ch c2u không cân blng, c p ngu5n xoay chiNu ðHi v7i lo<i vi sai, t2n sH tín hi u ph)i l7n

Hình 4.20 M ch ño c m bi n analog CKu hình 4 dây:

ð- d ch chuy n =Gx ( VCH+ − VCH−) (G là ñ- nh<y) (4.21)

C u hình này ñòi hBi ít dây hơn và k/t nHi ñơn gi)n hơn c u hình 5 dây nhưng tín hi u ño b )nh hư@ng nhiNu b@i nhi t ñ- môi trư6ng ñgt bi t khi dây nHi dài và ngu5n có biên ñ- th p

CKu hình 5 dây:

ð- d ch chuy n:

)(

)(

− +

− +

+

−CH CH

CH CH

VV

VV

hay màu (ñB hay xanh)

Hình 4.21 C m bi n quang ñi5n

b Phân lo i

Tùy theo cách bH trí c)m bi/n thu phát mà ta có th chia c)m bi/n quang

ñi n ra nhiNu lo<i khác nhau:

Lo i ph n x

Hình 4.22 Phân lo i c m bi n quang ñi5n

Lo i khe hình móng ng6a

Hình 4.23 C m bi n quang ñi5n lo i khe hình móng ng6a

c Ưu như9c ñi:m c;a c m bi n quang ñi0n

Ưu ñi m

C)m bi/n quang ñi n là lo<i c)m bi/n phát hi n v"t không c2n ti/p xúc và

có th phát hi n v"t @ kho)ng cách xa C)m bi/n quang ñi n có th thi/t k/ ñơn gi)n r‚ tiNn

Nhưcc ñi m

S3 d0ng ánh sáng h5ng ngo<i nên d{ b nhi{u khi ho<t ñ-ng môi trư6ng B tác ñ-ng b@i ô nhi m c1a môi trư6ng, khi c)m bi/n quang ñi n b bám b0i thì cư6ng ñ- sáng t7i b- thu sm gi)m

4.2.5 C/m bi1n Lazer và siêu âm

a C m bi n Lazer

C)m bi/n lazer dùng ñ ño ñ- d ch chuy n không c2n ti/p xúc, kho)ng cách

tE v"t ñ/n c)m bi/n tương ñHi l7n thư6ng kho)ng 4 – 10cm

C)m bi/n lazer ho<t ñ-ng theo nguyên t>c: m-t tia lazer chi/u lên v"t ñư=c ph)n x< l<i và sau khi qua h thHng th u kính sm tác ñ-ng lên c)m bi/n v trí Vi x3 lý sm dDa trên phép tính tam giác (so sánh v7i m-t v trí chu•n) ñ tính ra kho)ng cách tE v"t ñ/n c)m bi/n, tín hi u xu t ra là dòng hay áp theo tz l kho)ng cách

b C m bi n siêu âm

C)m bi/n siêu âm ño kho)ng cách dDa trên th6i gian T tE khi phát ra chùm sóng siêu âm ñ/n khi nh"n ñư=c chùm sóng ph)n x<

d: kho)ng cách tE v"t ñ/n c)m bi/n

v: V"n tHc âm thanh ð- phân gi)i c1a c)m bi/n siêu âm kho)ng 0,2mm nên kém chính xác hơn

so c)m bi/n lazer Sai sH ño c1a c)m bi/n này còn ph0 thu-c vào hư7ng c1a mgt tia ph)n x<

Hình 4.24 Các lo i c m bi n ño m6c nư:c ðgc ñi m c1a c)m bi/n siêu âm:

ð2u ra analog: dòng 4 → 20mA, ñi n áp 0→10Volt

ð- phân gi)i cao: kho)ng 0,172mm

Ngu5n vào: 10 →30VDC

Kho)ng cách phát hi n trên 6m

C)m bi/n siêu âm có th ñiNu chrnh kho)ng cách phát hi n (Background Suppression)

M-t sH d<ng c)m bi/n ngõ ra analog cho phép ñiNu chrnh kho)ng cách phát

hi n, chúng có th tE chHi vi c phát hi n các ñHi tư=ng sau m-t kho)ng cách xác

ñ nh Kho)ng cách phát hi n có th ñiNu chrnh b@i ngư6i s3 d0ng

Ngoài ra ñ c)m bi/n không phát hi n ñHi tư=ng dù chúng di chuy n vào vùng ho<t ñ-ng c1a c)m bi/n, ngư6i ta có th t<o 1 l7p vB blng ch t li u có kh) năng không ph)n x< l<i sóng âm thanh

4.3 Chi1t áp (BA phân th1): (Potentiometer)

4.3.1 CDu t5o – hình d5ng

G5m m-t ñi n tr@ cH ñ nh Rn và m-t ti/p xúc ñi n có th di chuy n g>n v7i chuy n ñ-ng c2n ño g i là con ch<y V trí con ch<y tz l v7i giá tr ñi n tr@ t<i ñ2u ra c1a ti/p xúc ñi m Hình 4.25 và hình d<ng hình 4.26

Căn c, vào hình d<ng c1a Rn và d<ng chuy n ñ-ng c1a con ch<y ngư6i ta chia ra

2 lo<i:

D ch chuy n th~ng:

L

l R l

D ch chuy n góc quay:

0α

c1a tr sH R(x)/Rn @ hai ñ2u c1a ñi n tr@ không Fn ñ nh, do ñó @ ñ2u ñư6ng ch<y hogc cuHi ñư6ng ch<y thì ñ- tuy/n tính kém Hình 4.27

Hình 4.27 S6 thay ñ7i cYa tf s[ R(x)/Rn phh thu c vào vd trí con ch y

Hình 4.28 Cánh tay robot hàn Kh)o sát chi/t áp như m-t c)m bi/n v trí Hình 4.28 sD )nh hư@ng c1a t)i lên chi/t áp ñ có th ñiNu khi n cánh tay robot hàn

Chi/t áp dùng ñ chuy n ñFi góc quay hogc kho)ng cách tuy/n tính thành

ñi n áp Hình 4.29, chi/t áp có ñi n tr@ thay ñFi tuy/n tính so v7i tr0c quay

Chi/t áp khác v7i chi/t áp volume thư6ng thay ñFi theo hàm log không tuy/n tính

Vout 82 2 34 350

10

=

=Sai s[ t i: Sai sH t)i = ñi n áp không t)i – ñi n áp có t)i

L NL

Sai s[ tuy n tính: là sai sH t)i l7n nh t so v7i giá tr tFng ñi n tr@ c1a chi/t áp

pot tt

RRx

ði n tr@ s3 d0ng như c)m bi/n v trí nên ñi n áp ngõ ra tz l v7i v trí góc c1a tr0c quay

Do ñó sai s[ tuy n tính có th bi u diin theo góc quay:

tr sH R(x)/Rn Có nhiNu lo<i chi/t áp, tùy theo tEng ,ng d0ng mà ngư6i ta ch n lo<i chi/t áp thích h=p

a Chi t áp dây kim lo i

Lo<i chi/t áp này có th dùng v7i dòng ñi n khá cao Nó có h sH nhi t ñ-

th p, ít ti/ng 5n cho m<ch ñi n t3 và tr sH ñi n tr@ không b trôi theo th6i gian và

do )nh hư@ng c1a khí h"u Như=c ñi m là ñ- phân gi)i th p

b Chi t áp v>i l>p polymer

L7p ñi n tr@ ñư=c c u t<o b@i m-t lo<i sơn hCu cơ tr-n v7i mu-i than và b-t graphit L7p ñi n t3 lo<i này r t trơn ph~ng, khó b mài mòn Tuy nhiên nó có

h sH nhi t ñ- khá l7n (300…1000ppm/K) Do ñ- Fn ñ nh c1a nó so v7i chi/t áp dây kim lo<i @ nhi t ñ- cao kém

c Chi t áp v>i oxit kim lo i – th;y tinh (cermet)

Lo<i ñi n tr@ này ñư=c tôi luy n @ nhi t ñ- khá cao 800 … 9000C, cho nên

r t c,ng Tuy nhiên bN mgt nhám, không thích h=p cho sD d ch chuy n con ch<y nhiNu l2n Chi/t áp lo<i này thích h=p cho vi c chrnh ñi n áp trong các m<ch ñi n t3

d Chi t áp v>i màng mAng kim lo i

V7i phương pháp phun ph1 hay phun b0i catot ngư6i ta có th t<o m-t l7p kim lo<i thDc ph~ng trên m-t nNn th1y tinh V"t li u có th là h=p kim Ni/Cr hay oxit kim lo<i Ta2O5 Màng mBng kim lo<i có bN dày kho)ng 1 m

Trong các lo<i chi/t áp trên chr có lo<i chi/t áp v7i l7p polymer là thích h=p hơn c) cho công vi c ñ nh v và tính kho)ng cách V7i bN mgt trơn láng và ít b mài mòn, lo<i chi/t áp này có th ch u ñDng ñư=c r t nhiNu l2n d ch chuy n c1a con ch<y mà ñgc tính k! thu"t không b thay ñFi Lo<i c)m bi/n này ñư=c dùng nhiNu trong các lĩnh vDc như: K! thu"t xe hơi, ñ nh v trong m-t h thHng ño ñ<c

và ngay c) tính h sH góc cho vi c ñiNu chrnh ñ-ng cơ bư7c, vì v7i cách này sD thay ñFi góc ñư=c chuy n ñFi nhiNu n c ð- d2y c1a l7p polymer kho)ng tE 10 w

20 m và ch u ñDng ñư=c nhi t ñ- ñ/n 1500C V"t li u ch/ t<o các con ch<y là h=p kim c1a các kim lo<i quí như: Pd, Pt, Au và Ag V7i các h=p kim này sD hình thành các l7p dMn ñi n kém do )nh hư@ng c1a khí h"u không x)y ra Do v"y giCa con ch<y và màng polymer luôn luôn có sD ti/p xúc ñi n r t tHt Các l7p polymer này ñư=c ch/ t<o v7i phương pháp in l0a th"t th"n tr ng trong ñiNu ki n s<ch không có b0i Sau ñó ñư=c làm c,ng l<i qua sD nung nóng @ nhi t ñ- 1500C ñ/n 2500C L7p polymer có th ch u ñDng ñư=c 107 l2n d ch chuy n c1a con ch<y mà ñi n tr@ giCa con ch<y và l7p polymer thì không gia tăng