Ứng dụng cảm biến khoảng cách laser trong đo lường

Ứng dụng cảm biến khoảng cách laser (độ phân giải lớn) trong đo lường cơ khí chính xác

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ ĐO LƯỜNG 5

1.1 Khái niệm đo lường 5

1.2 Phân loại các phương pháp đo 5

1.2.1.Phân loại theo quan hệ giữa đầu đo và chi tiết đo 6

1.2.2.Phân loại theo quan hệ giữa giá trị chỉ thị và giá trị đại lượng đo 6

1.2.3.Phân loại theo quan hệ giữa đại lượng cần đo và đại lượng được đo……… 7

1.3 Các nguyên tắc cơ bản trong đo lường 8

1.3.1 Nguyên tắc Abbe 8

1.3.2 Nguyên tắc xích truyền động ngắn nhất 10

1.3.3 Nguyên tắc chuẩn thống nhất (trùng chuẩn) 10

1.3.4 Nguyên tắc kinh tế 10

1.4 Các nguyên lý chuyển đổi và khuếch đại trong đo lường 11

1.4.1 Khái niệm chung 11

1.4.2 Chuyển đổi cơ khí và phương pháp khuyếch đại cơ khí 14

1.4.3 Chuyển đổi quang học 16

1.4.4 Các phương pháp chuyển đổi và khuếch đại điện 18

CHƯƠNG 2 NGUYÊN LÝ CẤU TẠO OPTIMET ĐỨNG ИКВ 23

2.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của optimet ИКВ 23

2.1.1 Cấu tạo của optimet đứng ИКВ 23

2.1.2 Nguyên lý hoạt động 26

2.2 Các hỏng hóc và giải pháp cải tiến 28

2.2.1 Tình trạng hỏng hóc của optimet đứng ИКВ 28

2.2.2 Giải pháp cải tiến 29

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ CẢI TIẾN OPTIMET ĐỨNG ИКВ 32

3.1 Cảm biến khoảng cách laser CD1-30N 32

3.1.1 Các thông số kỹ thuật 32

3.1.3 Nguyên lý đo tam giác ứng dụng trong cảm biến khoảng cách 40

3.2 Thiết kế cơ cấu gá đặt cảm biến trên optimet 45

3.2.1 Phần hộp đỡ 45

3.2.2 Phần thân trụ 46

3.3 Thiết kế bộ xử lý số 48

3.3.1 Các khái niệm chung 48

3.3.2 Hệ thống xử lý số liệu 51

3.3.3 Thiết kế phần cứng xử lý tín hiệu 55

3.3.4 Thuật toán xử lý kết quả đo 73

CHƯƠNG 4 THỰC NGHIỆM ĐÁNH GIÁ ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA OPTIMET CẢI TIẾN 76

4.1 Các bước tiến hành đo trên optimet cải tiến 76

4.1.1 Các bước tiến hành đo 76

4.1.2 Một số trường hợp đo cần lưu ý 76

4.2 Đánh giá độ chính xác của optimet cải tiến 79

4.2.1 Xác định sai lệch trung bình số học và sai lệch bình phương trung bình của một loạt chi tiết 79

4.2.2 Kiểm tra chi tiết đánh giá sai số hình dáng 82

CHƯƠNG 5 PHỤ LỤC 87

5.1 Chương trình trên bộ xử lý 87

5.1.1 Quét lệnh bàn phím 88

5.1.2 Quét lệnh máy tính 88

5.1.3 Đọc giá trị từ khối A/D 90

5.1.4 Quy đổi giá trị đo 91

5.2 Chương trình xử lý trên máy tính 93

5.2.1 Xử lý các chức năng truyền dữ liệu 94

5.2.2 Xử lý số liệu 96

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, với sự phát triển của các ngành khoa học kĩ thuật nói chung vàngành sản xuất cơ khí nói riêng, đã tạo ra các sản phẩm phục vụ quá trình sản xuất

và đời sống xã hội có chất lượng cao, đa dạng về chủng loại Vì vậy trong quá trìnhsản xuất cần phải đảm bảo mức độ chất lượng sản phẩm cho trước , giảm đến mứcthấp nhất các hao phí trong khi chế tạo sản phẩm Điều đó nói lên vai trò của ngành

đo lường là rất quan trọng, để cung c ấp nhanh chóng và chính xác các thông tin vềchất lượng của sản phẩm ở từng giai đoạn sản xuất, xử lý các thông tin đó để cónhững biện pháp công nghệ thích hợp Vì vậy, người kỹ sư c ơ khí cần phải nắmvững các kiến thức cơ bản về quá trình vật lý của đo lường, biết chọn phươngpháp đo và dụng cụ đo thích hợp, biết xử lý các thông tin về quá trình công nghệqua quá trình đo Tuy nhiên với hệ thống dụng cụ đo lường hiện tại có thể khôngđáp ứng được yêu cầu trên do được trang bị lâu năm đã trở nên lỗi thời hoặc hỏnghóc Vì vậy hướng giải quyết là cần được trang bị mới hoặc cải tạo lại theo hướngcông nghệ mới

Trong điều kiện thực tế của phòng thí nghiệm có một số dụng cụ đo đã giảmchất lượng hoặc hư hỏng, nhất là các thiết bị đo quang cơ bị mốc ẩm hệ thống quang

do điều kiện khí hậu và bảo quản Vì vậy tôi đã đượ c giao đề tài tốt nghiệp " Thiết kếcải tạo optimet đứng ИКВ theo phương pháp đo không tiếp xúc hiện số" nhằm phụchồi các dụng cụ đo tại phòng thí nghiệm và có điều kiện tìm hiểu về các phương pháp

đo mới đã được ứng dụng trong thực tế Nội dung nghiên cứu bao gồm:

Chương 1: Các khái niệm cơ bản về đo lường

Chương 2: Nguyên lý cấu tạo Optimet đứng ИКВ

Chương3: Thiết kế cải tiến Optimet đứng ИКВ

Chương 4: Thực nghiệm đánh giá độ chính xác Optimet đứng ИКВ

Chương 5: Phụ lục, trình bày các thuật toán xử lý số liệu trong bộ xử lý số

Tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo Hồ Việt Hải , cùng các thầy giáo trong

bộ môn chế tạo máy đã tạo điều kiện giúp đỡ để tôi hoàn thành đồ án tốt nghiệp V ìđây là lý thuyết mới có liên quan đến lý thuyết chuyên ngành điện, kiến thức cònhạn chế và kinh nghiệm còn ít nên một số nội dung nghiên cứu còn chưa hoànthiện Vì vậy rất mong nhận được sự đóng góp của các thầy giáo và các bạn

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Chương 1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ ĐO LƯỜNG

Để phục vụ tốt cho việc cải tiến optimet, ta cần xem xét tìm hiểu một số kháiniệm cơ bản về đo lường mà dụng cụ đó đã ứng dụng hoặc ta sẽ ứng dụng trongquá trình cải tiến nó

1.1 Khái niệm đo lường

Đo lường một đại lượng vật lý là việc thiết lập quan hệ giữ a đại lượng đóvới đại lượng cùng tính chất vật lý nào đó được dùng làm đơn vị đo hay một đạilượng tiêu chuẩn được quy ước Thực chất của việc đo lường là so sánh đại lượngcần đo với đơn vị đo hay đại lượng tiêu chuẩn quy ước để tìm ra tỷ lệ giữa chúng,tức là xác định độ lớn (theo đơn vị ) bằng trị số của đại lượng đo

1.2 Phân loại các phương pháp đo

Phương pháp đo là cách thức thủ thuật để xác định thông số cần đo Đó là

tập hợp mọi cơ sở khoa học có thể thực hiện phép đo, trong đo nói rõ nguyên tắc

để xác định thông số đo Các nguyên tắc này có thể dựa trên mối quan hệ toá n họchay mối quan hệ vật lý có liên quan đến đại lượng đo

Các phương pháp đo được phân loại trên cơ sở:

 Quan hệ giữa đầu đo và chi tiết đo.

 Quan hệ giữa giá trị chỉ thị trên dụng cụ đo và giá trị đại lượng đo.

1.2.1 Phân loại theo quan hệ giữa đầu đo và chi tiết đo

Dựa trên quan hệ giữa đầu đo và chi tiết đo các phương pháp đo phânthành :

 Phương pháp đo tiếp xúc.

 Phương pháp đo không tiếp xúc.

Phương pháp đo tiếp xúc là phương pháp đo mà giữa đầu đo và bề mặt chi tiết

đo tồn tại một áp lực gọi là áp lực đo, áp lực này làm cho vị trí đo ổn định vì thế kếtquả đo tiếp xúc rất ổn định Tuy nhiên, vì có áp lực đo sẽ gây biến dạng bề mặt vật

đo, nhất là các chi tiết làm bằng vật liệu mềm dẻo hoặc hệ đo kém cứng vững

Phương pháp đo không tiếp xúc là phương pháp đo không có áp lực đo giữayếu tố đo và bề mặt chi tiết đo Chính vì vậy phương pháp này có những ưu điểm sau:

 Không gây biến dạng bề mặt chi tiết đo, không gây sai số do biến

dạng bề mặt dưới tác dụng của lự c đo

 Không có sai số do mòn đầu đo.

 Không có sai số đo gây nên bởi hình dáng bề mặt chi tiết đo làm chất

lượng tiếp xúc của đầu đo và chi tiết đo không tốt

 Không chịu tác dụng của độ không ổn định lực đo.

 Có hệ số khuyếch đại lớn nên sai số nhỏ.

Nhờ những ưu điểm trên làm cho phương pháp đo không tiếp xúc được sửdụng rộng rãi trong thực tế Đặc biệt là để đo các chi tiết mềm, mỏng dễ biến dạnghoặc các sản phẩm yêu cầu cao về chất lượng bề mặt

1.2.2 Phân loại theo quan hệ giữa giá trị chỉ thị và giá trị đại l ượng đo

Dựa trên quan hệ giữa giá trị chỉ thị trên dụng cụ đo và giá trị của đại lượng

đo các phương pháp đo phân thành :

 Phương pháp đo tuyệt đối.

 Phương pháp đo so sánh.

Trong phương pháp đo tuyệt đối, giá trị chỉ thị trên đụng cụ đo là giá trị đođược Phương pháp đo này đơn giản, ít nhầm lẫn, nhưng vì hành trình đo dài nên

Trong phương pháp đo so sánh, giá trị chỉ thị trên dụng cụ đo chỉ cho ta sailệch giữa giá trị của chuẩn dùng khi chỉnh "0" cho dụng cụ đo và giá trị của đạilượng cần đo Kết quả đo phải là tổng của giá trị chuẩn và giá trị chỉ thị :

 Phương pháp đo trực tiếp.

 Phương pháp đo gián tiếp.

Phương pháp đo trực tiếp (đo thẳng) là phương pháp đo mà đại lượng đochính là đại lượng cần đo

Phương trình cơ bản của phép đo là: Q X

Trong đó: Q- Đại lượng thực cần đo ;

X- Chỉ số của máy đo

Phương pháp đo trực tiếp có độ chính xác cao nhưng trong một số trườnghợp kém hiệu quả

Phương pháp đo gián tiếp là phương pháp mà giá trị của đại lượng cần đođược xác định thông qua các mối quan hệ hàm toán học hoặc vật lý giữa đại lượngđược đo và đại lượng cần đo Phương pháp đo gián tiếp thông qua các mối quan hệtoán học hoặc vật lý học giữa đại lượng được đo và đại lượng cần đo là m phươngpháp đo phong phú, đa dạng và rất hiệu quả Tuy nhiên, nếu h àm quan hệ càngphức tạp thì độ chính xác đo càng thấp Việc tính toán xử lý kết quả đo và độ chính

Phương trình cơ bản của phép đo gián tiếp là:

1 2

( , , , n)

Trong đó xi là các giá trị đo trực tiếp, có quan hệ hàm với đại lượng cần tìm Q

1.3 Các nguyên tắc cơ bản trong đo lường

Trong khi thiết kế một phương án đo, lập qui trình để kiểm tra đo lường mộtchi tiết, để đảm bảo độ chính xác và chỉ tiêu kinh tế cho phép đo cần phải dựa t rênnhững nguyên tắc cơ bản được trình bày dưới đây

1.3.1 Nguyên tắc Abbe

Nguyên tắc: Đường tâm của kích thước đo và đường tâm kích thước mẫu

(tức là thước đo) phải nằm trên cùng đường thẳng

Trong khi đo có hai cách gá đặt kích thước đo và kích thước mẫu

 Đặt nối tiếp (như khi đo trên pan me).

 Đặt song song (như khi đo trên thước cặp).

Đặt nối tiếp kích thước đo và kích thước mẫu là phù hợp với nguyên tắcAbbe Có thể chứng minh được rằng cùng k ích thước và sai số công nghệ của máy

đo (ví dụ khe hở, độ song song của sống trượt ) thì đặt kích thước theo nguyên tắcAbbe sẽ cho sai số đo nhỏ hơn

Trên Hình 1-1 biểu diễn nguyên tắc đo kích thước trên thước cặp Ta có thểtính được sai số lớn nhất phạm phải là:

f1 = L - L' = S tg

15

23

12  5 

Với nhỏ bỏ qua các số hạng bậc cao ta có tg , do đó: f1 = S.

Hình 1-1 Nguyên tắc đo kích thước trên thước cặp.

Trường hợp kích thước đặt nối tiếp ta có thế lấy ví dụ đo trên pan me hayKomparato kiểu Abbe (Hình 1-2) biểu diễn nguyên tắc đo và cho phép ta cách tínhtoán sai số phạm phải: f2 = L –L’ = L (1- cos)

Hình 1-2 Nguyên tắc đo kích thước trên panme (Komparao) kiểu Abbe.

Tính gần đúng cos =

21

21

So sánh f1 và f2 thấy rằng sai số f1 lớn hơn f2 nhiều vì  là góc lệch do khe

hở của sống trượt rất nhỏ nên sai số bậc 2 sẽ rất nhỏ

1.3.2 Nguyên tắc xích truyền động ngắn nhất

Nói chung do hạn chế của trình độ công nhân chế tạo, các chi tiết máy đềumang sẵn sai số chế tạo ngoài ra khi lắp ráp còn có sai số do lắp rắp các sai sốtrên sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng làm việc của từng khâu, nhóm chi tiết

và nói chung cả xích truyền của máy Nếu xích truyền dài, số chi tiết, khâu khớptham gia sẽ càng lớn và sai số tích luỹ sẽ của máy sẽ càng lớn Bởi vậy trong thiết

kế nêu ra nguyên tắc xích truyền động ngắn nhất , đó là: với tỷ số truyền yêu cầu,giảm đến mức ít nhất số khâu tham gia vào xích truyền để giảm sai số của máy

1.3.3 Nguyên tắc chuẩn thống nhất (trùng chuẩn)

Trong công nghệ sản xuất phân ra:

 Chuẩn thiết kế (do người thiết kế dùng)

 Chuẩn gia công (cho người chế tạo dùng).

 Chuẩn lắp ráp.

 Chuẩn kiểm tra (cho người kiểm tra dùg khi kiểm tra).

Nguyên tắc chuẩn thống nhất nêu là khi các chuẩn trên đượ c dùng thốngnhất (chọn trùng nhau) thì sai số đo sẽ nhỏ nhất

Điều đó có thể giải thích như sau: mỗi kích thước chi tiết thường có chodung sai Nếu vì lý do nào đó mà ta phải chuyển chuẩn thì bản thân chuẩn đã mangtrong đó dung sai của kích thước, dung sai đó là sai số chuyển chuẩn và nếuchuyển chuẩn càng nhiều thì độ chính xác của kết quả đo càng kém

Nguyên tắc chuẩn thống nhất là cần để đảm bảo độ chính xác khi kiểm tra

đo lường song cần phải giành ưu tiên cho công nghệ để tránh khó khăn phiền phứccho sản xuất ảnh hưởng đến giá thành sản phẩm

1.3.4 Nguyên tắc kinh tế

Nội dung của nguyên tắc này là: Cần đảm bảo được độ chính xác đo lườngtheo yêu cầu trong điều kiện kinh tế nhất, tức là yêu cầu về điều kiện kinh tế là thấpnhất (đơn giản, rẻ tiền) mà vẫn đ ảm bảo độ chính xác đo lường yêu cầu Cụ thể là:

 Độ chính xác máy (máy và dụng cụ đo) đủ dùng.

 Hiệu suất cao thao tác nhanh, dễ điều chỉnh, đo hàng loạt, tự động

người kiểm tra).

 Thiết bị phục vụ việc kiểm tra đo lường đơn giản, dễ chỉnh, rẻ tiền,

vạn năng, dễ mua, dễ chế tạo, có điều kiện tự trang tự chế

 Dựa vào thiết bị sẵn có của phòng thí nghiệm để đỡ tốn phí mua sắm thêm.

Trên đây đã trình bày 4 nguyên tắc cơ bản trong đo lường nh ằm đảm bảotính chính xác và tính kinh tế của việc kiểm tra đo lường Tuỳ trường hợp cụ thểcủa trình độ và nhịp độ sản xuất mà c oi trọng nguyên tắc nào Tuỳ điều kiện kỹthuật và khó khăn của chế tạo và khả năng điều chỉnh có thể dùng những kết cấukhông hoàn toàn tôn trọng các nguyên tắc trên

1.4 Các nguyên lý chuyển đổi và khuếch đại trong đo lường

1.4.1 Khái niệm chung

Công cụ thực hiện nhiệm vụ đo lường là các thiết bị đo, về nguyên lý cấu tạobao gồm các bộ phận chính sau :

 Bộ chuyển đổi dùng để tiếp nhận thông tin vào.

 Bộ khuyếch đại thông tin.

 Bộ chỉ thị để biểu đạt hoặc ghi nhận thông tin ra.

 Để đạt độ chính xác cao trong khi đo thì các bộ phận này cần phải đạt

những yêu cầu sau:

 Chuyển đổi có độ nhạy giới hạn với độ ổn định cao.

 Hệ số khuếch đại lớn.

 Thông tin chính xác, độ tin cậy cao, thông tin ra cần dễ ghi nhận và

quan sát

Hình 1-3 Các bộ phận trong dụng cụ đo.

1 Bộ chuyển đổi

Bộ chuyển đổi là một bộ phận cấu trúc đo dùng để phát hiện biến thiên củathông số đo Nếu đưa tín hiệu vào bộ chuyển đổi là biến thiên kích thước X, tanhận được Y là thông tin ra của chuyển đổi để đưa vào bộ khuyếch đại Nếu X và

Y có cùng đặc tính vật lý thì ta nói đó là chuyển đổi trực tiếp, nếu X và Y khácloại thì ta có chuyển đổi gián tiếp

Dựa vào cơ sở vật lý của các chuyển đổi người ta phân ra các loại chuyểnđổi sau: chuyển đổi cơ, chuyển đổi điện, chuyển đổi quang hình quang lý, quangđiện, chuyển đổi khí nén, chuyển đổi thuỷ lực, chuyển đổi tiếp xúc, điện từ, điệncảm, điện dung

Cảm biến là dụng cụ, ph ần tử thực hiện việc chuyển đổi để phát hiện biếnthiên của thông số đo Tùy thuộc cảm biến dựa trên nguyên lý chuyển đổi nào mà

có các tên gọi tương ứng như: cảm biến điện trở, cảm biến điệ n cảm, cảm biến điệndung, cảm biến điện áp Trong phần sau sẽ nói rõ về nguyên lý hoạt động của cácloại cảm biến này

2 Bộ khuếch đại

Thông tin Y từ chuyển đổi ra thường là rất nhỏ và có th ể là loại tín hiệuphức tạp rất khó diễn đạt và ghi nhận ở bộ ch ỉ thị, vì vậy phần khuếch đại và chếbiến thông tin có nhiệm vụ truyền và chế biến nó thành dạng tín hiệu dễ diễn đạt vàghi nhận bằng các thiết bị chỉ thị, ghi nhận Chất lượng của bộ khuếch đại và chếbiến thông tin được đánh giá qua chỉ tiêu độ nhạy và độ méo của thông tin ra Y2

 Nếu Y1 và Y2 cùng loại ta có bộ khuếch đại không chuyển đổi tínhiệu

 Nếu Y1 và Y2 khác loại ta có bộ khuếch đại có chuyển đổi tín hiệu

 Nếu ta có quan hệ Y2 = f (Y1) thì độ nhạy

1

f K Y

 Vấn đề méo tín hiệu ở đây không trình bày cụ thể vì rất phức tạp và

phụ thuộc vào điều kiện cụ thể của mạch khuếch đại Trong bộ khuếch đại ngoài

bộ phận khuếch đại là chính, tùy theo yêu cầu còn có các mạch sau :

 Mạch tỉ lệ thực hiện một phép nhân (hoặc chia) với một hệ số K.

 Mạch gia công và tính toán thực hiện các phép tính đại số như cộng,

trừ, nhân, chia, tích phân, vi phân

 Mạch đạo hàm tạo ra những hàm số theo yêu cầ u của phép đo nhằm mục

đích tuyến tính hóa các đặc tính của tín hiệu đo ở đầu ra các bộ phận cảm biến

 Mạch biến đổi A/D, D/A biến đổi tín hiệu đo tương tự thành tín hiệu

số và ngược lại Mạch này thường được sử dụng cho kỹ thuật đo số và chế tạo cácmạch ghép nối với máy tính

 Mạch đo sử dụng kỹ thuật vi xử lý là mạch đo có cài đặt bộ vi xử lý để

tạo ra các cảm biến thông minh, khắc độ bằng máy tính và gia công sơ bộ số liệu đo

Thiết bị đo ngày càng hiện đại thì khối khuếch đại ngày càng phức tạp.Người ta thường dùng nhiều loại mạch đo khác nhau để hoàn thành nhiều chứcnăng, tăng độ nhạy và độ chính xác

3 Bộ chỉ thị

Bộ chỉ thị có nhiệm vụ ghi lại kết quả đo được Có nhiều loại thiết bị ghi tùytheo loại cảm biến, tính chất đo tĩnh hay động, mức độ chính xác cần đạt được Cácthiết bị ghi thường phân chia thành các loại :

1.4.2 Chuyển đổi cơ khí và phương pháp khuyếch đại cơ khí

1 Các chuyển đổi cơ khí

Chuyển đổi cơ khí thường dùng trong thực tế là chuyển đổi có tiếp xúc Giả

sử trong quá trình đo, sự tiếp xúc giữa đầu đo và chi tiết đo không gây ra một sựbiến dạng nào, nghĩa là hệ cứng tuyệt đối thì khi kích thước L biến thiên một lượng

X =l thì trục đo (cụ thể là tiếp điểm A thuộc trục đo ) sẽ có một chuyển vị tươngứng theo phương biến thiên của kích thước đó lượng Y = l Đây là một chuyểnđổi trực tiếp Độ chính xác của chuyển đổi này phụ thuộc vào 2 yếu tố:

 Chất lượng tiếp xúc của đầu đo và chi tiết đo.

 Biến dạng của mặt chi tiết đo dưới tác dụng của lực đo và biến dạng

của cơ cấu chuyển đổi do lực phản tác dụng gây ra

Hình 1-4 Hệ thống đo cơ khí.

2 Các phương pháp khuyếch đại cơ khí

Optimet đứng là dụng cụ đo kích thước thẳng theo phương pháp đo so sánhvới mẫu chuẩn Vì vậy , theo hướng cải tiến optimet, ta chỉ đề cập đến các phươngpháp khuyếch đại cơ khí kích thước thẳng

a Truyền động đòn bẫy

Dưới tác dụng của lực đo P các điểm A sẽ dịch tới A',B tới B' Ta có hệ sốkhuếch đại của chuyển vị như sau:

b OA

OB s

mà chỉ phụ thuộc vào độ lớn của hai đòn

Hình 1-5 Cơ cấu khuyếch đại bằng đòn bẫy.

b Truyền động kiểu ăn khớp

Trong máy đo người ta dùng nhiều truyền động kiểu ăn khớp như bánh răng thanh răng, vít-đai ốc, kết hợp bộ truyền ăn khớp với bộ truyền đòn

-Hình 1-6 Cơ cấu truyền động kiểu ăn khớp.

Truyền động bánh răng-thanh răng dùng trong các đồng hồ đo chuyển vị.Khi trục đo di chuyển sẽ làm quay Z2, Z3, Z1 và kim R quay chỉ thị chuyển vị trên

2 3

1 2 3

1

2 2

Z

Z tZ

R Z

Z mZ

R

( 1-7)Trong đó: t - bước răng ;

m- môđun của các bánh răng

Có thể tăng K bằng cách tăng cấp truyền, tuy nhiên người ta chỉ dùng đếnhai cấp là cùng vì bánh răng chế tạo rất khó chính xác, chúng có sai số tích luỹ, bởithế nếu tăng nhiều cấp truyền sai số đo sẽ rất lớn Thường người ta tăng K bằngcách kết hợp thêm bộ truyền đòn , lúc này K = K1 K2

1.4.3 Chuyển đổi quang học

1 Các phương pháp chuyển đổi

Ứng dụng quang học trong kĩ thuật đo lường có nhiều ưu điểm, bởi vì tínhchất của ánh sáng là truyền thẳng và không bị thay đổi t ính chất khi qua hệ thốngkhuếch đại Vì thế người ta có thể chế tạo ra các máy đo với độ chính xác rất cao

mà các hệ thống đo cơ khí không thể đạt được Do đặc trưng riêng như vậy mà cácphương pháp chuyển đổi cũng rất khác nhau, chúng bao gồm :

a Chuyển đổi quang hình

Ảnh của vật thể sau khi đi qua hệ thống thấu kính quang học được phóng đạilên rất nhiều lần Bằng các cách quan trắc khác nhau người ta đo được biến thiêncủa kích thước ảnh, thường là đọc số trực tiếp biến thiên kích thước vật (chi tiếtđo) Chuyển đổi này có ưu điểm là có độ chính xác cao do có độ khuếch đại lớn, cókhả năng đo các kích thước nhỏ, chi tiết phức tạp, mềm, không cần có sự tiếp xúcnên không có sai số do lực đo, sai số do bề mặt chi tiết đo

b Chuyển đổi quang điện

Kích thước biến thiên làm quay

gương phản xạ đi một góc nào đó, tia

sáng phản xạ cũng bị xoay đi một góc

tương ứng Tia phản xạ chiếu lên các tế

bào quang điện khác nhau sẽ đưa ra tín

hiệu đo tương ứng Tế bào quang điện

nhận được tia phản xạ sẽ đưa ra mức

điện áp điều khiển, vị trí của tế bào

quang điện nhận được sẽ tương ứng với

góc lệch gương, cũng là mức độ chuyển

c Chuyển đổi laser

Loại này có kết cấu giống như hệ thống dùng quang điện đã nêu ở trên, ánhsáng được thay bằng ánh sáng laser có cường độ chiếu sáng lớn với tia chiếu rấtmảnh Hệ thống tế bào quang điện được thay bằng đầu đọc ảnh (PSD hoặc CCD)

2 Các phương pháp khuyếch đại

Các phương pháp khuyếch đại thường dùng có thể là hệ thống khuếch đạiquang hoặc khuếch đại điện Với hệ thống khuếch đại quang được dùng trong hệthống optimet đứng ta sẽ nghiên cứu sâu hơn trong mục sau Có thể nêu ra một sốphương pháp khuếch đại sau :

 Phương pháp khuếch đại đòn bẫy–quang.

 Phương pháp khuếch đại chiếu hình.

 Phương pháp khuếch đại giao thoa.

1.4.4 Các phương pháp chuyển đổi và khuếch đại điện

1 Chuyển đổi điện cảm

Nguyên tắc ứng dụng chuyển đổi điện cảm làm chuyển đổi đo lường nhưsau: biến thiên kích thước chi tiết sẽ được ch uyển đổi thành biến thiên điện cảm L

Đo biến thiên điện cảm ta có thể suy ra biến thiên kích thước

a Chuyển đổi điện cảm có khe hở không khí

Hình 1-8 Quan hệ trở kháng – chuyển vị trong chuyển đổi điện cảm.

Đây là loại cảm biến không tiếp xúc, ứng dụng để đo các vật thể bằng kimloại có từ tính

Cấu tạo gồm: Cuộn dây 1 quấn trên lõi thép 2 Vật đo 3 di chuyển làm khe

hở không khí thay đổi làm thay đổi từ trở, dẫn đến điện cảm cuộn dây thay đổi làmtổng trở cuộn dây thay đổi Do đó chuyển vị có quan hệ với điện cảm theo côngthức Z  f  Loại cảm biến này dùng để đo chuyển vị từ  m đến mm

Đặc tính của chuyển đổi điện cảm có khe hở không khí thường là phi tuyến

 

 f

Z phụ thuộc vào tần số kích thích, tần số càng cao thì càng nhạy Ta chỉchọn khoảng đo nhất định (δ trên Hình 1-8), với khoảng đo đó sẽ gần như tuyếntính hoặc thực hiện tuyến tính hóa tín hiệu đó

Khi đó cuộn dây có dòng điện xoay chiều đi qua thì tổng trở là:

 2 2

Trong đó Z: tổng trở cuôn dây (Ω) ;

F: Tần số dòng xoay chiều (Hz) ;L: Điện cảm cuộn dây (H) ;R: Điện trở thuần (Ω)

Biểu thức 2 fL thể hiện điện trở cảm ứng, đối với dây quấn chất lượng caothì trở cảm ứng lớn hơn nhiều so với trở thuần Khi đo coi như tổng trở Z phụ thuộctuyến tính vào điện cảm

b Chuyển đổi điện cảm có lõi chuyển động

Kết cấu như một máy biến thế

điện gồm 1 cuộn dây sơ cấp và 2 cuộn

thứ cấp Dây có dạng ống để cho lõi

thép điện từ có thể dịch chuyển bên

trong Lõi thép điện từ sẽ là môi trường

dẫn cho từ trường liên kết giữa các

cuộn dây Khi ta nối hai đầu dây của

cuộn sơ cấp vào nguồn điện xoay chiều,

cuộn thứ cấp sẽ có dòng điện cảm ứng,

mô hình hoạt động như sau:

Hình 1-9 Cấu tạo của cảm biến điện cảm

có lõi.

Hai cuộn thứ cấp được mắc nối tiếp nhau do đó điện thế đầu ra VA và VB

ngược pha nhau, tổng điện thế đầu ra là VA – VB Nếu lõi thép đặt ở vị trí giữa, khi

đó VAvà VB cùng giá trị nhưng ngược dấu nên đầu ra bằng 0

Khi lõi thép dịch chuyển về một phía (phía cuộn A), giá trị VA tăng và giá trị

VB giảm do đó hiệu VA– VB thay đổi phụ thuộc vào vị trí của lõi thép Nếu ta biếtcường độ và pha của đi ện thế ra thì có thể xác định được khoảng cách và hướngdịch chuyển từ vị trí “0” ban đầu Giá trị đầu ra là một hàm tuyến tính trong khoảng

Trong thực tế để mở rộng khoảng đo, người ta ghép nối tiếp các cuộn dây vớinhau, khi đó giá trị đo vẫn đảm bảo tuyến tính trong khoảng rộng.

2 Chuyển đổi điện dung

Công cụ chuyển đổi điện dung là tụ điện Chuyển vị cần đo là hàm số của sựthay đổi điện dung của cảm biến Công thức tính điện dung của một tụ điện cơ bảnlà:

δ – khoảng cách khe hở hai cực

Trong môi trường đồng nhất thì hằng số điện môi là không đổi, vậy điệndung chỉ phụ thuộc vào hai đại lượng S và δ

Cấu hình đơn giản nhất của một cảm biến đo khoảng cách là hai tấm đặt songsong nhau với một khe hở nhỏ Điện dung của cảm biến là tỷ lệ của tiết diện củađiện cực, hằng số điện môi hoặc khoảng cách giữa hai bản cực Do đó, cảm biếnđiện dung có thể được dùng để đo chính xác khoảng cách, hoặc các đại lượng giántiếp khác như: áp suất, gia tốc, mức chất lỏng…

Hai biến khoảng cách và diện tích được dùng để đo góc, kích thước thẳng.Khoảng cách thay đổi của hai tấm phẳng đặt song song thường áp dụng để xác định

sự dịch chuyển nếu khoảng cách đó thay đổi nhỏ hơn kích thước của bản cực Khikhoảng cách tăng lên đến kích thước của bản cực thì độ chính xác của phép đo thayđổi do mức tín hiệu giảm mạnh , do đó dựa vào sự thay đổi tiết diện thường dùnghơn Khi hai bản cực trượt trên nhau sẽ làm thay đổi điện dung tuyến tính với sựdịch chuyển đó Sử dụng bộ chuyển đổi điện kháng-điện áp ta có thể đo được điệndung của hệ thống, điện dung được chuyển thành điện áp cho các quá trình xử lýtiếp theo

Hình 1-11 Bộ chuyển đổi trở kháng – điện áp khi làm việc gần tần số cộng hưởng.

Cảm biến điện dung được kích thích với bộ dao động tần số cao gần tần số cộnghưởng của mạch để trở kháng điện giảm thấp nhất nhằm tăng độ nhạy khi đo khoảngcách là lớn nhất Tần số cộng hưởng của bộ chuyển đổi phụ thuộc vào các tham số hìnhhọc của cảm biến và trở kháng mắc nối tiếp Zs Trở kháng mắc nối tiếp phải đủ lớn để

đo được khoảng cách lớn nhất Sau khi điều chế điện áp ra ta thu được điện áp ra U.Hình 1-12 mô tả các mức tín hiệu tại các tần số kích thích khác nhau

Hoạt động của cảm biến quan hệ với sự thay đổi điện dung/trở kháng trongkhoảng hiệu chỉnh của vật đo Khoảng đo được mở rộng với tần số kích thích, trong

điện áp ra thay đổi từ 21 V/mm đến 97 V/mm tại tầ n số 28Khz để đo khoảng nhỏ1mm, do đó cảm biến có độ nhạy rất cao Với độ phân giải khoảng 0,5nm để đodịch chuyển có thể thực hiện được khi tần số kích thích gần với tần số cộng hưởng.

Hình 1-12 Điện áp của cảm biến khi gần giá trị cộng hưởng 30.4Khz

với khoảng cách thay đổi.

Để tăng khoảng đo và cải thiện độ tuyến tính của cảm biến, tần số kích thích

và mạch xử lý tín hiệu phải đồng bộ Đồng bộ tần số kích thích cho một cảm biếnmẫu trên hình là 30 ,8Khz, trường hợp này độ nhạy cảm biến thay đổi từ 7,1 đến 7,2

và độ tuyến tính 0,05% là có thể đạt được bằng cách đồng bộ tần số kích thích, kếtcấu cảm biến và mạch xử lý tín hiệu

Chương 2 NGUYÊN LÝ CẤU TẠO OPTIMET ĐỨNG ИКВ2.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của optimet ИКВ

Optimet đứng ИКВ được dùng để đo các kích thước bên ngoài của các chitiết được chế tạo chính xác bằng cách so sánh nó với kích thước của căn mẫu, hoặcdùng để đo đường kính của dây nhỏ, đường kính viên bi và các tấm mỏng có cácmặt song song

2.1.1 Cấu tạo của optimet đứng ИКВ

Các bộ phận chính của Optimet ИКВ bao gồm :

1 Phần thân

Phần thân giá 1(Hình 2-1) được đúc bằng gang, có khối lượng lớn nhằm tạo

độ cứng vững và chống rung động Phần đế dạng đĩa độ dày 13mm được đúc đặc vàliền khối với bộ phận mang bàn đo Phần sau được liên kết cứng với trụ đứng, trêntrụ có ren thang để điều chỉnh độ cao của đầu đo bằng đai ốc 2

Lỗ trụ mang bàn đo được chế tạo thẳng góc với mặt phẳng ngang, khoảngcách giữa lỗ trụ và trụ đứng là 100mm Lỗ trụ mang bàn đo có đường kính 24mm

bề mặt bên trong được gia công nhẵn bóng để thân bàn đo xoay dễ dàng, có phầnkhoang rỗng để bố trí lò xo ép bàn đo và lắp các cơ cấu hãm Vít hãm 4 bắt xuyênqua trục bàn đo dùng để hãm chặt thân bàn đo với phần thân giá Để điều chỉnh độcao của bàn đo, thân bàn đo được gối lên vít chỉnh 3, lực nén để ép thân bàn đo lênvít 3 luôn được đảm bảo nhờ cơ cấu lò xo bên trong Khi điều chỉnh vít 3 (bước ren1mm) sẽ làm thân bàn đo dịch chuyển lên xuống theo phương thẳng đứng

Bàn đo 8 được đặt trên ba điểm đỡ, một là viên bi thép Φ10 (cố định), haiđiểm còn lại là vít chỉnh 6 Vít chỉnh 6 ăn khớp với phần ren được tạo ngay trênthân bàn đo, vít chỉnh 6 được khoét rỗng để lồng vít hãm 7 Khi muốn điều chỉnh

độ phẳng của bàn đo, ta chỉnh độ cao của các vít chỉnh 6 sau đó vặn chặt vít hãm 7

Hình 2-1 Cấu tạo optimet đứng.

Trụ đứng có ren thang đường kính ngoài Φ50 trên toàn bộ chiều dài Đai ốc 2

có tác dụng chỉnh độ cao của đầu đo theo chiều dọc trục, được đỡ bằng bộ đỡ 16

Bệ đỡ đầu đo 9 có thể trượt dọc trên trụ đứng với lỗ đường kính Φ50 Vít hã m 10dùng để bắt chặt ngàm kẹp với trụ đứng Lỗ lắp đầu đo có đường kính 29

2 Đầu đo

Đầu đo là một kết cấu hệ quang cơ , hệ thống quang-cơ của dụng cụ được đặttrong một ống hình thước thợ Để tạo lực đo là 2  0,2 N thì đầu đo luôn bị kéo vềphía dưới nhờ một lò xo Đòn bẩy 14 dùng để nhấc đầu đo khi đưa chi tiết cần đovào hay lấy chi tiết ra

Gương phản xạ 12 dùng để phản chiếu ánh sáng mặt trời hoặc ánh sáng từđèn chiếu dùng để chiếu sáng thước chia độ Ngoài ra còn có hệ thống đèn chiếusáng bên trong (nguồn 127/220V xoay chiều) để chiếu sáng thước vạch, hoặc đượcchiếu sáng bằng hệ thống gương chiếu ánh sáng ngoài

3 Hệ thống quang học của máy

Hình 2-2 Cấu tạo phần quang của optimet

đứng.

Hệ thống quang học thực tế là

một kính hiển vi để quan sát giá trị đã

vạch trên kính chuẩn Cấu tạo của hệ

thống quang học gồm các bộ phận sau:

Gương nhận ảnh 3 có liên hệ vớiđầu đo 2, khi đầu đo dịch chuyển thìgương 3 nghiêng đi một góc  tươngứng Ảnh của kích thước chia sẽ hiệnlên trong màn ảnh nằm trên mặt tiêu cựcủa vật kính 4 Hệ thống chiếu sáng cómàn chắn 7 và lăng kính 8 đặt tronghộp thị kính Trên kính chuẩn 6 cóthước chia vạch và các con số, nó đượcđặt trong mặt tiêu cự của vật kính Hệthấu kính 9 có tác dụng như kính hiển

vi để quan sát vạch chia Lăng kính 5dùng đổi hướng tia sáng để đến mắtngười quan sát

2.1.2 Nguyên lý hoạt động

Hoạt động của optimet đứng theo nguyên lý đòn bẩy quang đều dựa trênnguyên tắc tự chuẩn ánh sáng mà nội dung của nó g ồm 3 điểm chính sau:

 Khi chùm sáng đi từ nguồn S đặt tại tiêu điểm F của thấu kính tới

gương phẳng đặt vuông góc với quang trục sẽ được phản xạ trở lại và hội t ụ tại S'trùng S

 Nếu nguồn S nằm trên tiêu điểm của thấu kính và lệch quang trục một

đoạn SF = b thì chùm phản xạ sẽ hội tụ trên tiêu diện và đối xứng S: S'F=b

 Nếu nguồn S nằm trên tiêu điểm F của thấu kính Khi ta xoay gương

phản xạ đi một góc  thì chùm phản xạ sẽ hội tụ tại S' cách F đoạn t=f.tg2 và góccủa tia tới và tia phản xạ lệch nhau 2

Trên Hình 2-2, các tia sáng từ gương 8 (nhận được từ hệ thống đèn chiếu)được đổi hướng 900 đi qua lăng kính 7 rồi qua thước 6, đi qua lăng kính 5, vật kính

4 và đến gương 3 nó phản chiếu lại và tia sáng quay về vật kính 4 đi qu a lăng kính

5, bản phẳng 6, thị kính 9 rồi tới mắt người quan sát Khi đầu đo có sự dịch chuyểntheo chiều trục, gương 3 sẽ nghiêng một góc , do vậy ảnh của thước cũng sẽ dịchchuyển một khoảng tương ứng.Ở loại dụng cụ này nếu đầu đo dịch chuyển 0,001

mm thì ảnh của thước sẽ xê dịch đi một vạch chia Nghĩa là giá trị vạch chia củathước là 0,001 mm

Theo nguyên tắc tự chuẩn ánh sáng, khi trục đo di chuyển một đoạn sgương phẳng số 3 bị quay đi góc  và tia phản xạ sẽ quay đi góc 2 - điểm hội tụ(ảnh nguồn sáng) sẽ dịch đi khoảng s = f tg2 Người ta bố trí nguồn sáng nhưHình 2-3 Trên đó có kính chuẩn số 6 một nửa trên khắc bảng chia, nửa dưới khắcvạch chỉ thị Chắn sáng 7 sẽ làm cho nguồn S chỉ chiếu sáng nửa trên bảng chia , coinhư nguồn sáng S được đặt tại S1 nằm trên tiêu diện của thấu kính

Hình 2-3 Sơ đồ nguyên lý khuếch đại của ốptimét

Theo nguyên tắc tự chuẩn ảnh của nó sẽ là S’ đối xứng qua x - x Bảng chiađược tạo ảnh xuống nửa dưới của kính chuẩn Khi gương quay đi góc  như hìnhảnh S' sẽ dịch đến S" làm cho ảnh bảng chia dịch đi một đoạn t = f.tg2 Hệ sốkhuếch đại tính bằng:





tg a

tg f S

t K

.

2

Trong đó:

- Góc của tia tới và tia ló ;

n - Số lần phản xạ ;

- Góc lệch của gương quay

Đó là nguyên tắc làm việc của ốptimét siêu cấp thường thì chỉ dùng n = 2 Khi trục đo di chuyển đoạn S thì gương phản xạ 3 sẽ quay đi góc , tia phản xạ sẽlệch đi một góc 4 và ảnh của bảng chia trên kính chuẩn 8 sẽ dịch đi một đoạn.2 4

t  f tg  Hệ số khuếch đại được tính theo công thức:

a

f tg

a

tg f

 Phần thân được chế tạo chắc chắn không rơ lắc, các cơ cấu vẫn đảm

bảo hoạt động bình thường; các vít chỉnh, vít hãm còn tốt

 Kết cấu cơ khí của hệ thống quang bị hỏng dẫn tới hiện tượng trơn

trượt của các thang chia

 Hệ thống quang học bị mốc do không khí nóng ẩm.

 Nguyên nhân dẫn đến các hư hỏng của thiết bị đó là :

 Do môi trường khí hậu khắc nghiệt, cộng với chế độ bảo quản không

phù hợp

 Các thiết bị được khai thác sử dụng nhiều và cũng đã đến niên hạn

thay thế

2.2.2 Giải pháp cải tiến

Với các hư hỏng về quang học với điều kiện kỹ thuật của phòng thí nghiệmkhông đủ khả năng khắc phục, mặt khác do dụng cụ đo đòi hỏi độ chính xác caonên khả năng sau sửa chữa dụng cụ sẽ không đảm bảo độ chính xác theo yêu cầu.Tuy nhiên, hệ thống cơ khí đảm bảo vẫn còn hoạt động tốt, cho nên hướng khắcphục là thay thế đầu đo cơ khí sử dụng hệ thống quang bằng đầu đo mới chooptimet theo hướng cải thiện độ chính xác và đơn giản trong thao tác đo

Sau khi tham khảo các hệ thống đo đang được ứng dụng trong thực tế, tôiđưa ra hai hướng giải quyết như sau:

 Ứng dụng phương pháp đo tiếp xúc bằng đầu đo điện cảm.

 Ứng dụng phương pháp đo không tiếp xúc sử dụng cảm biến laser.

a Phương pháp đo tiếp xúc bằng đầu đo điện cảm

Phương pháp đo dùng đầu đo điện cảm có nhiều ưu điểm :

 Lực đo không đáng kể (0,3 – 0,7N), vì đầu đo chỉ chuyển động trong

ống dây cảm ứng

 Độ chính xác khá cao, tùy vào phạm vi đo có thể đạt được 0.5m, với

độ phân giải 0,1m; độ chính xác lặp lại 0,1m

 Số liệu đo có thể giao tiếp trực tiếp với máy tính (khi đầu ra là số),

hoặc thông qua chuyển đổi A/D (khi đầu ra là tương tự) Tốc độ đo nhanh, khảnăng xử lý thông qua máy tính nên thao tác đo dễ dàng, chuẩn ‘0’ nhanh

Như vậy, việc thay thế đầu đo cũ rất dễ dàng bằng cách thiết kế cơ cấu mangthân đầu đo có kết cấu tương tự, chỉ khác là đầu đo cơ khí sử dụng hệ thống quangđược thay thế bằng đầu cảm biến Nguyên lý hoạt động cũng là đo chuyển vị thẳng

quang học được thay thế bằng hiển thị số trên màn hình máy tính Trong thực tế, việc

áp dụng hướng cait tiến này là phổ biến, đặc biệt là các dụng cụ đo chính xác cần sửdụng cảm biến điện cảm để vẫn đảm bảo lực đo nhỏ mà nâng cao được độ chính xác

Hình 2-4 Kết cấu Optimet sử dụng đầu đo điện cảm.

Tuy nhiên việc ứng dụng phương án này còn gặp một số khó khăn : Giáthành đầu đo điện cảm rất đắt tiền, trong khi sử dụng đòi hỏi việc bảo quản rấtnghiêm ngặt, các thiết bị phụ kiện cũng rất phức tạp Khả năng cải tiến trong phạm

b Phương pháp đo không tiếp xúc sử dụng cảm biến khoảng cách laser

Hình 2-5 Cảm biến khoảng cách laser.

Phương án đo này có một số ưu điểm như :

 Dùng ánh sáng laser mảnh chiếu lên vật đo nên không xuất hiện lực đo

nên có thể đo được các chi tiết mềm mỏng

 Tốc độ đo cao, có thể lấy 10–1000 mẫu trong 1 giây, thích hợp cho

việc kiểm độ tròn, đảo của hình trụ khi cho trục quay nhanh

 Tia sáng laser có độ đơn sắc cao, vì thế có thể tia chiếu rất nhỏ nhưng

có cường độ lớn Vì thế có thể coi điểm đo rất nhỏ, lại không phụ thuộc vào chấtlượng bề mặt nên có khả năng đo các chi tiết phức tạp

 Kết cấu đầu đo đơn giản, rất dễ lắp đặt và thao tác khi đo.

Vì cảm biến có dạng hộp kích thước 50x60x20 nên khi thiết kế bộ gá cần làmdạng hộp bao cảm biến Phần thân trụ có kích thước 29 để lắp vào ngàm trên thânoptimet Hướng cải tiến optimet dùng cảm biến khoảng cách laser là có thể thựchiện được trong điều kiện phòng thí nghiệm

Chương 3 THIẾT KẾ CẢI TIẾN OPTIMET ĐỨNG ИКВ3.1 Cảm biến khoảng cách laser CD1-30N

Với phương án cải tiến theo phương pháp đo không tiếp xúc sử dụng cảmbiến khoảng cách laser được chọn thì cảm biến khoảng cách laser CD1 -30N là mộtthành phần quan trọng trong việc cải tiến optimet sang hướng chuyển đổi số, nó cầnphải được khảo sát và tìm hiểu

 Công tắc (Switching): NPN - 100mA - 36V

2 Chức năng các nút điều khiển

Mặt trên của cảm biến bố trí các nút điều khiển và các đèn hiển thị:

 Nút 4 : Teaching để xác nhận một cài đặt.

 Núm chỉnh 5: Chuyển chế độ: chạy-cài đặt-chạy có thời gian trễ.

 Núm chỉnh 6: Lựa chọn thời gian đo 1ms-10ms-100ms.

 Núm chỉnh 7: Chọn trạng thái bề mặt: trắng-đen-tự động.

 Đèn hiển thị khoảng cách đo 2 : hiển thị vị trí tương đối giữa cảm biến

và vật đo, bố trí ở giữa, có kích thước to nhất, phát sáng ba màu xanh, cam, đỏ

 Đèn trạng thái đo 3: hiển thị cường độ tia phản xạ, có ký hiệu STAB.

 Đèn hiển thị tín hiệu ra 1: ký hiệu OUT/Teach Khi công tắc chế độ ở

vị trí SET thì đèn này có tác dụng báo trạng thái cài đặt

3 Cài đặt các chế độ của cảm biến

a Lựa chọn độ nhạy vật đo

Tùy thuộc vào tính chất màu sắc vật đo mà ta chọn chế độ nhạy hợp lý, có 3nấc chỉnh: Trắng/Đen/Tự động Thông thường ta để ở chế độ tự động để cảm biến

tự động chọn chế độ

b Lựa chọn thời gian đo

Có 3 nấc thời gian 100ms,10ms,1ms Thời gian đo càng lâu thì độ chính xác càngcao, bởi vì trạ ng thái nhận của các tế bào nhạy sáng phụ thuộc nhiều vào thời gian

c Lựa chọn chế độ hoạt động

Có 3 nấc chọn: SET/RUN/RUN OFF DELAY

SET: đặt chế độ cho cảm biến

RUN OFF DELAY: hoạt động ở chế độ ngắt quãng, dừng 40ms.

d Đặt chế độ đo giới hạn giữa hai điểm

Khi đặt chế độ này, ta cần lấy hai mốc chuẩn đo, nếu vật đo nằm trong giớihạn của hai mốc thì cảm biến sẽ báo xác nhận, ngược lại nếu nằm ngoài hai mốcchuẩn này, cảm biến báo không xác nhận Chức năng này thường dùng trong kiểmnghiệm loạt sản phẩm chế tạo theo dây chuyền

e Lựa chọn chế độ bù tín hiệu ra

Tín hiệu ra có thể được bù 12mA khi đo trong vùng đo Khi đó trong khoảng

đo, tín hiệu có thể cộng thêm hoặc trừ đi 12 mA, lựa chọn này để phù hợp với thiết

bị chuyển đổi bên ngoài Còn ở chế độ mặc định thì đèn Distance sáng (màu dacam) và tín hiệu ra là 12 +/- 8mA

Hình 3-2 Chế độ bù tín hiệu ra 12  8mm.

f Cài đặt từ bên ngoài

Thay vì phải bấm nút xác nhận cài đặt teach trên cảm biến, ta có thể thựchiện thông qua dây REMOTE INPUT (có màu hồng) Khi đó gạt nút MODESELECTOR về vị trí RUN hoặc RUN OFF DELAY

Cấp xung để cài đặt hoạt động của cảm biến, hoàn thành việc cài đặt cảmbiến tự động chuyển về chế độ hoạt động bình thường Khi ở chế độ cài đặt giớihạn đo giữa hai điểm, cấp xung đầu tiên để xác nhận giới hạn thứ nhất, xung thứ hai

phải cấp trong 30 giây sau để xác nhận giới hạn thứ hai nếu không cảm biến sẽ hủy

bỏ chế độ cài đặt và tự động hoạt động lại theo cài đặt gốc

g Đầu vào chốt

Có thể chốt tín hiệu ra bằng cách cấp xung điều khiển vào dây chốt BLANK

IN, khi có tín hiệu chốt thì trạng thái tín hiệu ra được giữ ở giá trị cố định mặc dầuchi tiết đo thay đổi khoảng cách, sử dụng chốt trong quá trình đọc dữ liệu để đảmbảo độ chính xác khi đo vật thể ở trạng thái không ổn định (rung động)

Khi cấp tín hiệu cho dây chốt ở mức cao, tín hiệu đầu ra được giữ ở giá trị cốđịnh trong suốt thời gian tín hiệu được cấp

Hình 3-3 Các trạng thái khi chốt.

4 Thông số về kích thước

Cảm biến được chế tạo có dạng hộp bằng hợp kim đúc liền khối, nhằm bảo

vệ phần kết cấu điện tử bên trong Phần để lắp ráp được làm lồi sang hai bên hôngvới chiều dày 0,2mm Vì vậy khi gá có thể lấy chuẩn một mặt hoặc cả hai mặt đốidiện Kích thước được thể hiện chi tiết trên Hình 3-4 Dây cáp tín hiệu được bọckim và bọc nhựa chắc chắn, chiều dài dây là 2m, có thể nối dài bằng đầu nối tiêu

Hình 3-4 Thông số kích thước.

3.1.2 Nguyên lý hoạt động của cảm biến

Hoạt động trên nguyên lý quang-điện như đã trình bày ở Chương 1, các tếbào quang điện được thay thế bằng các mảng thu bán dẫn để thu nhận sự thay đổigóc tia sáng phản xạ từ vật đo

Hầu hết các loại cảm biến laser để có cấu tạo gồm các bộ phận như nhau.Gồm nguồn phát laser 1 và bộ thu bán dẫn 5 để đo khoảng cách tới vật theo nguyên

lý đo tam giác Nguồn phát là một bóng laser bán dẫn, thông qua thấu kính hội tụ 2

để tạo tia sáng song song và rất mảnh chiếu đến vật 3 Vật phản xạ lại các tia sángnày, các tia sáng phản xạ lại qua một thấu kính hội tụ 4 và chiếu lên bộ thu có dạngmột điểm sáng Khi vật thể dịch chuyển thì điểm sáng này cũng dịch chuyển theo

do đó khoảng cách có thể được xác định theo sự dịch chuyển của điểm sáng nàytrên bộ thu

Hình 3-5 Cấu tạo cảm biến laser : 1.Đầu phát laser ; 2.Hệ thấu kính hội tụ ;

3.Vật đo ; 4.Hệ thấu kính thu ; 5.Đầu thu quang điện.

Ánh sáng phản xạ lại từ vật đo bao gồm hai thành phần: phản xạ chính vàphản xạ khuyếch tán Cường độ ánh sáng phản xạ phụ thuộc vào loại v ật liệu vàđiều kiện bề mặt vật thể Tia phản xạ chính có thành phần nhiều hơn khi vật có bềmặt gương, nhẵn bóng Ngược lại tia phản xạ khuyếch tán nhiều hơn đối với bề mặtphản xạ là nhám

Thông thường khi cần đo chính xác cao thì vật đo cần có bề mặt nhẵn bóng,bởi vì thành phần tia sáng phản xạ chính có cường độ cao, sau khi đi qua hệ thốngthấu kính sẽ đạt được độ hội tụ tốt nhất và cường độ tín hiệu trên bộ thu có mức độchênh lệch lớn nhất, kết quả chính xác hơn Tuy nhiên trong đo lường không phảichi tiết nào cũn g đạt độ nhẵn bóng theo yêu cầu mà trong thực tế các vật đo kiểm làcác chi tiết có độ nhám nhất định nên thường dùng là cảm biến loại tia phản xạkhuyếch tán Loại này cường độ ánh sáng chiếu trên bộ thu thấp hơn, giá trị vị tríchính xác là điểm có cường độ chiếu lớn nhất, vì vậy thuật toán xử lý của cảm biến

Hình 3-6 Vị trí đo đúng là có mức tín hiệu cực đại.

Đường kính điểm sáng thường xác định tại giới hạn đo nhỏ nhất (standoff)nhưng do hạn chế về mặt vật lý của hệ thống quang, không thể tạo tia sáng có kíchthước như nhau dọc theo vùng làm việc được mà có dạng bị thắt lại tại giới hạn đonhỏ nhất, đi ra khỏi vùng đo tia sáng mở rộng dần ra

Hình 3-7 Kích thước của tia sáng laser.

2 Bộ thu

Bộ thu (hay là bộ dò) nhận tia sáng phản xạ từ vật đo Bộ thu này sẽ xác định

Bộ thu quang này thường có hai loại chính: bộ dò vị trí ( position-sensedetectors - PSD) và mảng điểm dò (Charge Coupled Device array - CCD) Mỗi loại

có ưu điểm và hạn chế riêng sẽ đươc phân tích cụ thể dưới đây

Bộ thu PSD: (là loại bộ thu tương tự) Được chế tạo bằng vật liệu nhạy sáng

có dạng tấm mỏng hình chữ nhật hai đầu có hai cực điện Cường độ dòng điện ởmỗi cực điện phụ thuộc vào vị trí điểm sáng chiếu lên đó Nếu điểm sáng chiếu tạitâm thì cường độ dòng điện ở hai cực bằng nhau, khi điểm sáng dịch chuyển xa tâmthì giá trị dòng điện hai cực điện thay đổi, từ đó có thể xác định vị trí điểm sángthông qua sự thay đổi dòng điện tại hai điện cực

Hình 3-8 Cấu tạo bộ thu PSD.

Ưu điểm của PSD là tốc độ đo có thể đạt đến 200Khz, kết cấu của bộ xử lýkhông có gì phức tạp Ngoài ra bộ thu này không phụ thuộc vào cường độ tia sángchiếu lên nó mà chỉ phụ thuộc vào vị trí tia chiếu , với đặc tính này ta có thể loại bỏảnh hưởng của chất lượng tia laser (cường độ không ổn định)

Nhược điểm của bộ thu PSD là không thể xác định giá trị cực đại của tia sángchiếu lên Vì đây là bộ thu tương tự nên giá trị cường độ dòng điện tín hiệu chỉphản ánh gần đúng kết quả đo theo tỷ lệ của hai tín hiệu  X2X1 / X2 X1 .Muốn đạt độ chính xác cao thì cần tăng hệ số khuếch đại của mạch ngoài lên

Mảng điểm thu (CCD): Bao gồm một mảng các đơn vị thu ảnh, mỗi đơn vị

cho ra tín hiệu điện phụ thuộc vào ánh sáng chiếu vào Nếu một mảng có 256 điểm

cường độ khác nhau biến thiên như Hình 3-9, mạch xử lý sẽ lọc ra giá trị cực đại

để tìm vị trí thu chính xác Hệ thống càng có nhiều các đơn vị điểm thu này sẽ có

độ phân giải của phép đo cao Với công nghệ chế tạo hiện nay, người ta có thể giảmkích thước của các đơn vị thu để tăng mật độ lên nhiều lần

Hình 3-9 Cấu tạo và mức tín hiệu của bộ thu CCD.

Loại này yêu cầu quá trình xử lý số liệu phức tạp hơn PSD vì phải quét tất cảcác đơn vị thu để lọc ra giá trị cực đại, do đó tốc độ xử lý dữ liệu chậm hơn Kết cấuthường lớn hơn PSD làm kích thước cảm biến cũng lớn hơn Các đơn vị thu hoạt độngđộc lập với nhau, vì thế có thể nhận nhiều tia sáng chiếu lên cùng một lúc Thực tế cóthể ứng dụng khả năng này cho phép đo trực tiếp chiều dày của chi tiết như sau: tiasáng phát ra theo một dải song song, chi tiết đo chắn ngang qua dải chiếu sáng làmxuất hiện một vùng tối trên bộ thu, từ đó có thể tính được chiều dày của chi tiết

3.1.3 Nguyên lý đo tam giác ứng dụng trong cảm biến khoảng cách

Gọi là nguyên lý đo tam giác là vì tia sáng p hát ra đến vật đo và phản xạ trởlại đầu nhận của cảm biến là một tam giác khép kín Tia sáng laser được chiếu ra từthiết bị và tia phản xạ từ bề mặt vật đo đi qua hệ thấu kính, được hội tụ thành điểmsáng trên bộ thu Bộ thu xác định góc nghiêng giữa tia phản xạ và tia phát, từ đóđịnh ra khoảng cách

L