Ch 05 co cau cam bien

Độ phân giải Nếu biến trở có dạng dây quấn với N vòng, thì độ phân giải của biến trở là buớc điện áp giữa 2 vòng liền kề và được xác định là:... • Cảm biến tiếp xúc • Cảm biến không ti

05 Cơ cấu cảm biến

• Những thiết bị mà cung cấp thông tin cho bộ điều khiển về những gì

đang thực sự xảy ra thì được gọi là cảm biến (sensor / transducer)

• Hầu hết các cảm biến thực hiện biến đổi đại lượng vật lý (nhiệt độ, áp

suất …) thành tín hiệu điện

 

Biến trở (potentiometer)

Ví dụ: một biến trở được cấp nguồn 10 Vdc, và được đặt ở vị trí 82 o Dãy tối đa của biến trở là 350 o Xác định giá trị điện áp ra của biến trở.

Giải

Độ phân giải

Nếu biến trở có dạng dây quấn với N vòng, thì độ phân giải của biến trở

là buớc điện áp giữa 2 vòng liền kề và được xác định là:

Sai số: Sai số phụ tải ( loading error ) xảy ra

khi con trượt của biến trở được nối với tải

có trở kháng lớn không đáng kể so với giá

trị của biến trở

Ví dụ: một biến trở 10 k  có cấu tạo 1000 vòng Xác định độ phân giải của biến trở và sai số phụ tải khi điện trở tải là 10 k  và con trượt nằm ở vị trí điểm giữa của biến trở

Giải

Biến thế vi sai tuyến tính (LVDT – Linear Variable Differential

Transformer)

LVDT là bộ cảm biến vị trí có độ phân giải lớn dựa vào hiện tượng cảm ứng điện

từ Ngõ ra của LVDT có dạng điện áp xoay chiều – biên độ của nó tỉ lệ tuyến tính với lượng dịch chuyển Thành phần chính: cuộn sơ cấp, 2 cuộn thứ cấp, và lõi từ

Với tín hiệu ra là điện áp xoay chiều:

• Biên độ của nó phụ thuộc vào lượng dịch chuyển (so với vị trí điểm giữa)

• Góc pha của nó phụ thuộc vào chiều dịch chuyển – dịch chuyển sang phải tạo ra góc pha 0o, dịch chuyển sang trái tạo ra góc pha 180o.

Bộ mã hóa quang học (optical encoder)

Bộ mã hóa quang học là bộ cảm biến vị trí góc có tín hiệu ra ở dạng số

Thành phần chính: nguồn sáng, đĩa vạch, và tế bào quang học

Bộ mã hóa được phân thành 2 loại: tương đối ( incremental encoder ) và

tuyệt đối ( absolute encoder )

Dạng tín hiệu của tế bào quang

Bộ mã hóa tuyệt đối

Bộ mã hóa tuyệt đối có tín hiệu ra là một con số nhị phân - xác

định vị trí của đĩa vạch một cách duy nhất

với N là số rãnh trên đĩa vạch (cũng là số

bit của con số nhị phân)

Ví dụ: một bộ mã hóa tuyệt đối được sử dụng

để xác định vị trí góc của một trục xoay với yêu

cầu độ phân giải ít nhất là 1o Xác định số bit

cần thiết để đáp ứng yêu cầu này.

Giải :

Vấn đề đối với bảng mã nhị phân tự nhiên là có nhiều bit thay đổi trạng thái

đồng thời

Đối với bảng mã Gray, chỉ có 1 bit thay đổi trạng thái khi chuyển

từ một giá trị đến giá trị kế tiếp

Decimal Binary code Gray

Bộ mã hóa tương đối

Bộ mã hóa tương đối chỉ có một vòng

rãnh, với các vạch được phân bố đều nhau

Ví dụ: Bộ mã hóa tương đối với vòng rãnh có 360 vạch Bắt đầu ở vị trí tham chiếu

(home), bộ tế bào quang học đếm được 100 vạch cùng chiều kim đồng hồ (CW), 30

vạch ngược chiều kim đồng hồ (CCW), rồi 45 vạch cùng chiều kim đồng hồ (CW)

Xác định vị trí hiện tại của đĩa vạch.

Giải : mỗi vạch tương ứng với 1o Do đó vị trí hiện tại là: 100o (CW) - 30o

(CCW) + 45o (CW) = 115o (CW)

Bộ mã hóa tương đối cần có 3 bộ (nguồn sáng – tế bào quang học) để xác định

vị trí tuyệt đối của đĩa vạch.

Giải :

Ví dụ: Bộ mã hóa tương đối với vòng rãnh có 180 vạch

được dùng để đo lượng di động của một thanh răng thông

qua cơ cấu thanh răng – bánh răng Bánh răng có đường

kính trung bình d = 5.91 cm Xác định độ phân giải (lượng

dịch chuyển / xung) và lượng dịch chuyển đo được khi tổng

số xung nhận được là N = 700.

Với tín hiệu ra là hai dãy xung, pha A (V 1 ) và pha B (V 2 ) :

• Số vòng quay là số xung đếm được trên một pha

• Chiều quay được xác định từ sự lệch pha giữa pha A và pha B.

Ví dụ: một hệ thống cảm biến (như hình trên) sử dụng đĩa có 250 vạch Giá trị

hiện tại của bộ đếm là 00100110 Xác định giá trị góc của trục được đo

Giải: ta có

Mạch giải mã

Độ phân giải của bộ mã hóa có thể tăng 2 lần, 4 lần

Giao tiếp bộ mã hóa với máy tính

Cảm biến tiếp cận (proximity sensor)

Cảm biến tiếp cận là loại cảm biến ON/OFF dùng để nhận biết sự hiện diện của đối tượng

• Cảm biến tiếp xúc

• Cảm biến không tiếp xúc

 Cảm biến tiếp cận điện cảm: cảm nhận những đối tượng kim loại

 Cảm biến tiếp cận điện dung: cảm nhận những đối tượng kim loại / phi kim

 Cảm biến điện quang: cảm nhận những đối tượng kim loại / phi kim

 Cảm biến tiếp cận hiệu ứng Hall

Công tắc hành trình (limit switch)

– Thiết bị cơ  có sự mài mòn  tuổi thọ làm việc ngắn

– Cần tạo ra một lực để tác động lên công tắc hành trình

Cảm biến tiếp cận điện cảm (inductive proximity sensor)

Nguyên lý hoạt động: mạch dao động tạo ra một vùng từ trường ở phía trước cảm

biến Khi có đối tượng bằng kim loại bước vào vùng từ trường, biên độ vùng từ trường suy giảm do sự thất thoát năng lượng (chuyển sang đối tượng) Mạch cảm biến dòng nhận biết sự thay đổi và kích hoạt công tắc

Loại cảm biến này dùng để cảm nhận những đối tượng bằng kim loại

Thành phần chính: cuộn dây quấn xung quanh một lõi sắt, mạch tạo dao

động, mạch cảm biến dòng, và công tắc bán dẫn

Phạm vi cảm biến là khoảng cách tính từ bề mặt cảm biến mà đối tượng chuẩn được nhận biết trong phạm vi đó Phạm vi cảm biến và độ nhạy của cảm biến (tốc độ chuyển mạch) phụ thuộc vào kích thước và vật liệu của đối tượng cảm biến Xét mẫu thí nghiệm (đối tượng cảm biến) là một tấm thép hình vuông dày 1 (mm), có các cạnh bằng đường kính của bề mặt cơ cấu cảm biến, đặc điểm điển hình của loại cảm biến này như sau:

Sensing range (mm)

Diameter (mm) Length (mm) Switching speed

Cảm biến tiếp cận điện dung (capacitive proximity sensor)

Loại cảm biến tiếp cận này dùng cảm nhận những đối tượng dựa vào khả năng tích điện của đối tượng Do đó loại này có thể cảm nhận sự hiện diện của tất cả các loại đối tượng (kim loại cũng như phi kim, e.g gỗ, giấy, nước, nhựa …) Thành phần chính: mạch tạo dao động, mạch cảm biến dòng, 1 bản cực nội, và công tắc bán dẫn

Nguyên lý hoạt động : khi có đối tượng xuất hiện phía trước cảm biến, thì đối tượng đóng vai trò như một bản cực ngoại của tụ điện Bản cực ngoại này kết hợp với bản cực nội hình thành nên một tụ điện và khi đó hiện tượng tích điện trên hai bản cực của tụ điện xảy ra Điều này tạo nên một dòng điện thay đổi chạy qua bản cực nội Mạch cảm biến dòng nhận biết sự thay đổi và kích hoạt công tắc

Những vật liệu nào có hằng số điện môi từ 1.2 trở lên đều có thể nhận biết bởi loại cảm biến này Phạm vi cảm biến: < 70 (mm)

• với hằng số điện môi càng lớn, đối tượng càng dễ được nhận biết

• với hằng số điện môi càng lớn, khoảng cách nhận biết càng xa

• vật liệu có hằng số điện môi lớn cũng có thể nhận biết được khi chứa trong thùng làm bằng vật liệu có hằng số điện môi thấp hơn

Cảm biến điện quang (photoelectric sensor)

Loại cảm biến này dùng một chùm sáng để phát hiện sự hiện diện của đối

tượng mà làm cản trở hoặc phản xạ chùm sáng Thành phần chính: nguồn

sáng (bộ phát) và tế bào quang cảm (bộ thu)

Phần lớn các cảm biến loại này sử dụng LED (Light Emitting Diode) làm nguồn sáng LED có thể được thiết kế để phát ra các ánh sáng khác nhau

Bốn loại tế bào quang cảm thường được sử dụng là: photo-resistor , photo-diode ,

photo-transistor , và photovoltaic cell (photocell)

Bộ phát và bộ thu có thể được thiết kế thành hai khối tách biệt hoặc cùng chung trong một khối tùy thuộc vào kiểu cảm biến

Kiểu truyền trực tiếp ( Opposed sensing mode )

Kiểu truyền phản xạ ( Retro-reflective sensing mode )

Kiểu truyền khuếch tán ( Proximity sensing mode )

Cảm biến tiếp cận hiệu ứng Hall (1879, E.H Hall)

Hiệu ứng Hall xảy ra khi áp dụng một từ trường vuông góc lên một tấm bản làm

bằng kim loại hay chất bán dẫn đang có dòng điện I chạy qua, các hạt mang điện

tích bị dồn về một phía của tấm bản dẫn đến sự chênh lệch về điện thế giữa hai

bên của tấm bản và hình thành nên một điện áp hiệu ứng Hall, UH

với K là hằng số (phụ thuộc vào vật liệu); I

là dòng điện chạy qua tấm bản; B là cường

độ từ trường; và D là bề dày của tấm bản

Bộ phát tốc một chiều (DC tachometer)

Máy phát tốc một chiều thực chất là máy phát

điện một chiều – tạo ra một tín hiệu điện áp DC

tỉ lệ với vận tốc góc của trục quay

- Phần stator: nam châm vĩnh cữu

- Phần rotor (phần ứng): những cuộn dây lắp trên một lõi trụ kim loại

- Phần ứng quay tự do trong môi trường từ trường (do nam châm của phần stator tao ra)

- Hai đầu của cuôn dây nối vào hai nữa của cổ góp Điện áp giữa 2 nữa của cổ góp được đưa ra

Bộ phát tốc quang học (optical tachometer)

Đối với phương pháp này, thì công việc chính là xác định số xung nhận

được (từ tế bào quang cảm) trong một đơn vị thời gian khi trục xoay

Tương tự đối với phương

pháp kiểu cảm ứng

Xác định khoảng thời gian khi nhận được 1 xung từ cơ cấu cảm biến

- Khung gia tốc kế được gắn vào vật thể cần đo gia tốc

- Bên trong gia tốc kế, khối M được đỡ bởi hai thanh lò xo lá và được giảm

Lưu ý: Tần số cộng hưởng của gia tốc kế phải lớn hơn đáng kể tần số của tín

hiệu gia tốc cần đo

Xét trường hợp khung đi lên với gia tốc hằng số, khối M sẽ làm lệch hai thanh

lò xo lá xuống phía duới (duới tác động của lực quán tính) Hai thanh lò xo lá tạo ra một phản lực ngược chiều với lực quán tính Khi hai lực này cân bằng, khối M sẽ nằm lệch ở vị trí không đổi

Một hệ thống bậc 2 được đặc trưng bởi hai thông số:

• Tần số cộng hưởng

• Tỉ số giảm chấn

Với K: hằng số lò xo (N/m) M: khối lượng (kg)

b: hằng số giảm chấn (N.s/m)

𝑎 = 𝐾𝑥

𝑀

- Lực là một đại lượng vật lý được tạo ra nhằm làm thay đổi vận tốc hay hình dáng của một vật thể

- Hai lực (cùng tác dụng lên vật) có độ lớn bằng nhau và đối nhau là hai lực cân bằng

- Hai phương pháp để tạo ra sự cân bằng lực:

Cảm biến lực biến dạng (strain gauge force sensor)

- Với loại cảm biến này, lực cần đo tác động vào phần tử đàn

hồi Lượng biến dạng của phần tử này được chuyển đổi

thành tín hiệu điện tỉ lệ với lực được đo

- Để đo lượng biến dạng, tấm điện trở (strain gauge) thường

được sử dụng Thông thường gồm có 2 loại:

• loại kết dính: đo biến dạng ở một vị trí cụ thể trên bề

mặt biến dạng của phần tử đàn hồi

• loại không kết dính: đo lượng di động nhỏ

- Tấm điện trở kết dính ( bonded-wire strain gage ) có thể đo lực từ vài kg đến vài tấn

Hê số cảm biến G được cung cấp bởi nhà chế tạo ra tấm điện trở Thông thường:

G = 2  4; L = 0.5  4 (cm); R = 50  5000 (  )

Ứng suất của phần tử đàn hồi

được xác định bằng lực (f) trên

đơn vị diện tích (A)

Với vật liệu đàn hồi, tỉ số giữa ứng

suất (S) và lượng biến dạng (  =

 L  L) là một hằng số và được gọi

là mô-đun đàn hồi

Hê số cảm biến của tấm điện trở:

Với R: điện trở của tấm điện trở (  ) L: chiều dài của tấm điện trở (m)

 R: khoảng điện trở thay đổi (  )  L: khoảng chiều dài thay đổi (m)

Khoảng điện trở thay đổi của tấm điện trở thường rất bé Vì thế mạch cầu Wheatstone thường được sử dụng để khuếch đại tín hiệu (điện áp) ở ngõ ra Với mạch cầu Wheatstone, yếu tố ảnh hưởng của nhiệt độ lên sự thay đổi giá trị điện trở (của tấm điện trở tích cực) cũng có thể được triệt tiêu bằng cách dùng thêm một tấm điện trở bù ( compensation gauge ) đặt gần và theo hướng vuông góc với tấm điện trở tích cực

Phân tích mạch cầu ở hình trên, ta có:

Giả sử xét 4 điện trở của mạch cầu đều có giá trị R khi mạch cầu cân

bằng Khi có sự biến dạng, RG = R + R

Giải :

Ví dụ: Một tấm điện trở được dùng để đo lực kéo

trên một khối trụ bằng thép có diện tích mặt cắt

ngang A = 13 cm2 Tấm điện trở có giá trị danh

nghĩa là 120  và hệ số biến dạng G = 2 Mạch cầu

được cấp nguồn Vs = 10 V Khi không có lực kéo,

mạch cầu cân bằng, do đó Vout = 0 V Khi có lực kéo,

mạch cầu có giá trị Vout = 0.0005 V Xác định lực tác

dụng lên khối trụ này Cho biết thép có E = 2.07 

107 (N/cm2)

Cảm biến lực khí ép (pneumatic force transmitter)

- Loại cảm biến này làm việc dựa trên phương pháp cân bằng không Lực cần

đo được cân bằng với một phản lực tạo nên bởi áp suất tác động nên bề mặt tấm màng đàn hồi Lượng áp suất tỉ lệ với lực cần đo và do đó giá trị áp suất

đo được phản ánh giá trị lực cần đo

Giả sử xét trường hợp khi lực tác dụng tăng đối với hình trên, làm chốt di chuyển lên và

do đó làm giảm tiết diện chảy qua hở Điều này sẽ làm tăng áp suất bên trong buồng phía trên màng đàn hồi và làm phục hồi trạng thái cân bằng của tấm màng đàn hồi Bằng

cách đo áp suất p trong buồng, lực cần đo f được xác định như sau:

Với f: giá trị lực cần đo

p: áp suất đo được trong buồng

A: diện tích hiệu dụng của tấm màng đàn hồi

Thành phần (p - 3) có nghĩa rằng giá trị áp suất trong buồng là p = 3 (psi) tương ứng

với giá trị lực f = 0 Ở trường hợp này, màng vẫn được duy trì ở trạng thái cân bằng dưới tác dụng của lực lò xo

Lưu ý: phạm vi lực có thể đo được bị giới hạn bởi giá trị áp suất nguồn cung cấp

Cảm biến nhiệt độ có tín hiệu ở ngõ ra tỉ lệ với tín hiệu nhiệt độ cần đo Phần lớn các cảm biến có hệ số nhiệt dương – tín hiệu ra của cảm biến tăng khi giá trị nhiệt độ tăng

Cảm biến nhiệt lưỡng kim (bimetallic temperature sensor)

Phần tử lưỡng kim hai mảnh kim loại khác nhau kết thành dạng tấm, cuộn, hoặc xoắn

ốc Hệ số nở nhiệt của hai mảnh kim loại khác nhau, để khi dưới sự ảnh hưởng của nhiệt độ, hình dáng của chúng thay đổi so với ban đầu Cảm biến loại này thường dùng trong hệ thống điều khiển ON/OFF

Cảm biến nhiệt điện trở (RTD – resistance temperature detector)

Cảm biến nhiệt điện trở làm việc dựa trên sự thay đổi điện trở của kim loại khi

nhiệt độ thay đổi Điện trở của hầu hết kim loại đều tăng khi nhiệt độ tăng

Phần tử cảm biến là cuộn dây điện trở -

thí dụ như bạch kim - quấn xung quanh

một lõi bằng gốm ( ceramic ) và đặt ở

cuối ống bảo vệ RTD rất đa dạng với

những giá trị điện trở khác nhau (giá trị

điện trở thông thường là 100  ở nhiệt

độ 0 0C)

Dây bạch kim có hệ số nhiệt là: 0.0039  /0C cho mỗi đơn vị điện trở Nếu điện trở của

RTD có ưu điểm là chính xác và ổn định nhưng nhược điểm của nó độ

nhạy thấp, đáp ứng tương đối chậm khi nhiệt độ thay đổi, và đắt tiền

Ví dụ : một RTD bạch kim 100  được sử dụng trong hệ thống Giá trị

điện trở đọc được là 110  Xác định nhiệt độ hiện tại

Cảm biến cặp nhiệt điện (thermocouple)

Cặp nhiệt điện gồm hai dây kim loại khác nhau được nối chung ở hai đầu Một đầu được coi là điểm lạnh (điểm tham chiếu) và một đầu được coi là điểm nóng (điểm đo) Khi hai đầu có nhiệt độ khác nhau, một điện áp (được gọi là thế điện động) được hình thành trong mạch do hai dây kim loại tạo nên - điện thế hiệu ứng

Seebeck Điện thế hiệu ứng này tỉ lệ với khoảng chênh lệch nhiệt độ giữa hai điểm

nối

IC cảm biến nhiệt

Loại cảm biến này là những thiết bị bán dẫn có độ chính xác cao với ngõ ra là tín hiệu điện áp tỷ lệ tuyến tính với giá trị nhiệt độ Thí dụ: họ LM35 có thể đo được nhiệt độ trong phạm vi (-55 0C  +155 0C) với tín hiệu ra là: vout = 0.01T (V)

Thí dụ: Thiết kế mạch cảm biến nhiệt dùng LM35 với đặc tính như sau:

• Phạm vi nhiệt độ đo: (5  100 0C)

• Điện áp nguồn cấp LM35: 5 V

• Điện áp ngõ ra: vout = 0.1 V/ 0C