Bài giảng kỹ thuật đo và cảm biến trong công nghiệp xi măng pdf

Đại lượng đo + Là một thông số đặc trưng cho đại lượng vật lý cần đo + Phân loại theo sự biến đổi của tín hiệu: + Đại lượng tiền định + Đại lượng gần tiền định + Đại lượng ngẫu nhiên +

Bài giảng kỹ thuật đo và cảm biến trong công nghiệp

xi măng

LỜI NÓI ĐẦU

Kỹ thuật đo và cảm biến trong công nghiệp là môn học quan trọng dành

cho sinh viên các trường đại học và các kỹ sư đang làm việc trong lĩnh vực Đo lường – Điều khiển - Tự động hoá Sự phát triển của khoa học kỹ thuật hiện nay

đã và đang tạo ra những bước đột phá mới trong lĩnh vực đo và Cảm biến

Bài giảng được biên soạn nhằm trình bày về Kỹ thuật đo và Cảm biến trong công nghiệp Nội dung trình bày được chú trọng chính là sự kết hợp chặt chẽ giữa

lí thuyết và các ví dụ thực tiễn Đây là phần tài liệu cập nhật mới được đúc kết từ kinh nghiệm giảng dạy cho sinh viên đại học và trong các nhà máy công nghiệp gần đây của tác giả và các đồng nghiệp

Bài giảng này được biên soạn nhằm phục vụ các cán bộ kỹ thuật của các ngành công nghiệp như: Xi- măng, hoá chất, bia… đồng thời nó cũng có thể được làm tài liệu tham khảo tốt cho các sinh viên trong các trường Đại học Do thời gian

và trình độ có hạn nên bài giảng chắc sẽ có những thiếu sót Mọi thư từ và góp ý xin chuyển đến tác giả biên soạn theo địa chỉ:

Bùi Đăng Thảnh

Khoa Điện- ĐHBK Hà Nội

Tel: 0915.897.699 Email: Buidangthanh-3i@mail.hut.edu.vn

Chương 1 KỸ THUẬT ĐO

1.1.1 Định nghĩa

+ Đo lường: là quá trình đánh giá định lượng đại lượng cần đo để có kết bằng số

so với đơn vị đo

Ax = X/X0 + Ngành khoa học chuyên nghiên cứu về các phương pháp để đo các đại lượng

khác nhau, nghiên cứu về mẫu và đơn vị đo được gọi là đo lường học

+ Ngành kỹ thuật chuyên nghiên cứu và áp dụng các thành quả của đo lường học

vào phục vụ sản xuất và đời sống gọi là kỹ thuật đo lường

1.1.2 Phân loại phép đo

+ Phép đo trực tiếp

+ Phép đo gián tiếp

+ Phép đo thống kê

1.2.1 Đại lượng đo

+ Là một thông số đặc trưng cho đại lượng vật lý cần đo

+ Phân loại theo sự biến đổi của tín hiệu:

+ Đại lượng tiền định

+ Đại lượng gần tiền định

+ Đại lượng ngẫu nhiên

+ Phân loại theo đặc tính của tín hiệu

+ Đại lượng số

VD về quy định mức logic trong một số chuẩn công nghiệp

+ Đại lượng tương tự

VD về các đại lượng đo thông dụng như nhiệt độ, áp suất …

1.2.2 Điều kiện đo

Điều kiện đo là điều kiện để tiến hành phép đo, nó có ảnh hưởng lớn đến kết quả của phép đo

1.2.3 Đơn vị đo

+ Đơn vị đo là giá trị đơn vị tiêu chuẩn về một đại lượng đo nào đó được quốc tế quy định mà mỗi quốc gia đều phải tuân thủ

`+ Bao gồm:

- Các đơn vị cơ bản (m, kg, s, A, K, Cd, mol): được thể hiện bằng các đơn vị chuẩn với độ chính xác cao nhất mà khoa học kỹ thuật hiện đại có thể thực hiện được

- Đơn vị dẫn xuất là đơn vị có liên quan đến các đơn vị cơ bản bởi những quy luật thể hiện bằng các biểu thức Các đơn vị cơ bản được chọn sao cho với

số lượng ít nhất có thể suy ra các đơn vị dẫn suất cho tất cả các đại lượng vật lí

1.2.4 Thiết bị đo và phương pháp đo

Thiết bị đo là thiết bị kỹ thuật dùng để gia công tín hiệu mang thông tin đo thành dạng tiện lợi cho người quan sát

Phương pháp đo: biến đổi thẳng, kiểu bù

- Chuẩn cấp I được gọi là chuẩn, bảo đảm tạo ra những đại lượng có đơn

vị chính xác nhất của một quốc gia

- Các thiết bị chuẩn và mẫu dùng để khôi phục một đại lượng vật lí nhất định Chúng thường có độ chính xác cao tuỳ theo từng cấp

1.5.1 Sai số của phép đo

+ Phân loại sai số theo cách thể hiện bằng số: sai số tuyệt đối, tương đối

+ Phân loại sai số theo nguồn gây ra sai số: sai số phương pháp, thiết bị, chủ quan, bên ngoài

+ Phân loại sai số theo quy luật suất hiện của sai số: sai số hệ thống, sai số ngẫu nhiên

1.6.1 Hiển thị tương tự

- Cơ cấu từ điện

- Cơ cấu điện từ

- Cơ cấu điện động

- Cơ cấu cảm ứng

1.6.2 Hiển thị tự ghi

Bao gồm các cơ cấu chỉ thị tự ghi tốc độ thấp, trung bình và cao

Có thể sử dụng PC với các phần mềm thông dụng - một ví dụ trong VB

1.6.3 Hiển thị số

Thuận lợi trong quan sát, đa dạng trong hiển thị…

Có thể hiển thị LED 7 thanh, LCD hay PC

Chương 2 TỔNG QUAN CHUNG VỀ CẢM BIẾN

2.1.1 Chuyển đổi đo lường và chuyển đổi đo lường sơ cấp

Trong các hệ thống đo lường - điều khiển mọi quá trình đều được đặc trưng bởi các biến trạng thái như nhiệt độ, áp suất, tốc độ, mômen các biến trạng thái này thường là các đại lượng không điện Nhằm mục đích điều chỉnh, điều khiển các quá trình ta cần thu thập thông tin, đo đạc, theo dõi sự biến thiên của các biến trạng thái của quá trình Chính các chuyển đổi đo lường và đo lường sơ cấp thực hiện chức năng này

Trên thực tế tín hiệu cần xử lý có thể là điện hoặc không điện Ta đưa ra các khái niệm sau:

+ Chuyển đổi đo lường: Là chuyển đổi làm nhiệm vụ biến đổi từ đại lượng vật lý

này sang đại lượng vật lý khác theo một quan hệ hàm Mối quan hệ giữa đại lượng vào và ra có thể tuyến tính hoặc phi tuyến

y = f(x) Trong đó: x: Đại lượng vật lý tác động

y: Đại lượng vật lý khác f: Là một hàm có tính chất đơn trị, phi tuyến hoặc tuyến tính

+ Chuyển đổi đo lường sơ cấp: là các chuyển đổi đo lường mà đại lượng vào là

đại lượng không điện và đại lượng ra là đại lượng điện hoặc mang thông tin về điện

y = f(x) Trong đó: x: Đại lượng vào không điện

y: Đại lượng ra là điện

2.1.2 Cảm biến đo lường

Các bộ cảm biến thường được định nghĩa theo nghĩa rộng là thiết bị cảm nhận và đáp ứng với các tín hiệu và kích thích Nói cách khác cảm biến chính là các chuyển đổi sơ cấp được đặt trong một vỏ hộp có kích thước và hình dáng rất khác nhau phù hợp với chỗ đặt của điểm đo để tạo thành cảm biến hay còn gọi là sensor

giao diện thích hợp

+ Nguyên lí của các cảm biến đa số dựa trên các hiệu ứng vật lí

Ví dụ: nhiệt điện, quy điện, hoá điện

2.2.1 Sai số và độ chính xác

+ Sai số tuyệt đối: x= X - Xth

+ Sai số tương đối: % *100%

hoặc thay đổi chậm theo thời gian đo hoặc thay đổi có quy luật

Nguyên nhân:

- Do nguyên lý của cảm biến

- Do không hoàn thiện cấu trúc

- Do yếu kém của công nghệ chế tạo

- Do đặc tính của cảm biến hoặc xử lý kết quả đo

+ Sai số ngẫu nhiên: Là sai số có độ lơn là chiều không xác định

Nguyên nhân:

Do điều kiện ngoài khác điều kiện chuẩn

Do tín hiệu ngẫu nhiên

Khắc phục sai số:

- Bảo vệ mạch đo chống ảnh hưởng của nhiễu

- Tự động điều chỉnh điện áp nguồn nuôi

Để làm rõ các đặc tính cơ bản của cảm biến ta xét dựa trên mô hình thiết bị đo (TBĐ) sau

Mô hình của TBĐ đơn giản

Chúng được mô tả trên hình 2.1

Hình 2.1 Mô hình một TBĐ đơn giản

Trong đó, quá trình vật lý cần đo nằm ở bên trái của hình vẽ và đại lượng cần đo được mô tả bởi đại lượng vật lý có thể quan sát được X (biến đo lường) Tuy nhiên, đại lượng quan sát được X không nhất thiết phải là đại lượng cần đo, nhưng lại có quan hệ với đại lượng cần đo theo một cách nào đó Chẳng hạn khối lượng được đo bởi quá trình cân, trong đó đại lượng cần đo là khối lượng, nhưng đại lượng đo vật lý (measurement) là lực hút của trái đất trong trường lực hấp dẫn trái đất

Có rất nhiều đại lượng vật lý cần đo như nhiệt độ, độ ẩm, lực, áp suất… và tín hiệu sau sensor đo cũng rất đa dạng như: điện áp, dòng điện, điện trở, điện dung

…

Phần tử chức năng chính của của TBĐ là sensor (hình 1) Sensor có chức năng biến đổi đại lượng vật lý ở đầu vào thành tín hiệu thích hợp ở đầu ra Đặc điểm của tín hiệu này là có thể điều khiển được trong một hệ thống truyền dẫn, chẳng hạn như mạch điện hay mạch cơ Chính vì đặc điểm này mà tín hiệu có thể được truyền đến một đầu ra, hoặc được ghi vào một thiết bị mà nó ở xa sensor Trong mạch điện, điện áp và dòng điện là những tín hiệu phổ biến Tương tự vậy trong

hệ thống cơ là độ dịch chuyển và lực Tín hiệu đi ra từ sensor có thể được hiển thị, ghi lại, hoặc làm tín hiệu đầu vào cho một thiết bị hoặc hệ thống khác Trong một thiết bị đo cơ sở, tín hiệu được truyền đến thiết bị hiển thị hoặc thiết bị ghi mà

ở đó đại lượng đo được đọc bởi quan sát viên Đầu ra quan sát được là đại lượng

đo M Có rất nhiều loại thiết bị hiển thị Từ những loại khắc độ và tay quay đơn

được dùng trực tiếp cho một hệ thống lớn hơn mà ở đó thiết bị đo chỉ là một thành phần trong hệ thống Ví dụ, tín hiệu đầu ra của một sensor có thể được sử dụng làm tín hiệu vào cho một hệ thống điều khiển vòng kín

Nếu tín hiệu ra từ sensor nhỏ thì cần khuếch đại tín hiệu Hình sau mô tả việc khuếch đại tín hiệu nhỏ có sử dụng bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu

số ADC để ghép nối mới máy tính (PC)

Hình 2.2 Thiết bị đo ghép nối PC

Tín hiệu ra sau khuếch đại có thể được truyền đến thiết bị hiển thị hoặc được ghi lại, tuỳ thuộc vào từng ứng dụng đo Trong một số trường hợp TBĐ cần tín hiệu ra

là số để giao tiếp với hệ thống thu thập dữ liệu hoặc hệ thống giao tiếp trên máy tính(computer-based) Hình 2.2 đúng trong trường hợp Sensor không cho tín hiệu đầu ra là số

Việc lưu trữ và hiển thị thông tin đo trên máy tính ngày nay đang là một giải pháp rất hiệu quả Bởi máy tính cho phép hiển thị linh hoạt đồng thời nhiều giá trị đo của các điểm đo khác nhau, đồng thời máy tính cũng hỗ trợ mạnh mẽ trong lưu trữ số liệu, quản lí thông tin đo…

Sensor tích cực và thụ động

Như đã trình bày ở trên, sensor biến các đại lượng vật lý thành các tín hiệu Sensor có thể chia làm 2 loại chính tuỳ thuộc vào cách mà chúng tương tác với môi trường chúng đo Sensor thụ động (Passive sensor) không nhận thêm năng lượng như là một phần của quá trình đo nhưng lại có thể mất mát năng lượng trong quá trình đo đó Chẳng hạn với cặp nhiệt điện nhiệt, ở đó nhiệt độ vật lý được biến đổi thành tín hiệu điện áp Trong trường hợp này, gradient nhiệt độ trong môi trường đo tạo nên một điện áp nhiệt điện và trở thành tín hiệu

Sensor tích cực (Active sensor) là loại sensor nhận năng lượng từ môi trường như

là một phần của quá trình đo Một ví dụ về sensor tích cực là hệ thống radar, ở đó

khoảng cách đến một đối tượng nào đó được đo bằng cách chủ động gửi đi một sóng radar, rồi sóng đó phản xạ lại, đếm thời gian lan truyền kết hợp với vận tốc lan truyền sẽ cho ta khoảng cách cần đo

Khắc độ

Quan hệ giữa đại lượng đo đầu vào và tín hiệu đầu ra của một sensor được gọi

là sự khắc độ của sensor Thông thường, một sensor (hoặc cả một hệ thống đo) được khắc độ bằng cách đưa vào một đại lượng vật lý đã biết và ghi lại giá trị ra

Số liệu được vẽ trên một đường cong khắc độ như ví dụ trong hình 2.3

Hình 2.3 Minh họa về khắc độ sensor

Trong ví dụ này, sensor có đáp ứng tuyến tính khi đầu vào nhỏ hơn X0 Độ nhạy của thiết bị chính bằng độ dốc của đường cong khắc độ Sensor sẽ ít nhạy hơn khi đầu vào lớn hơn X0 và trở nên bão hoà khi tín hiệu ra đạt đến giá trị tới hạn Sensor không thể đo được giá trị lớn hơn giá trị bão hoà Trong một số trường hợp, sensor sẽ không phản ứng với những đầu vào có giá trị quá nhỏ Độ chênh lệch giữa đầu vào có giá trị nhỏ nhất và đầu vào có giá trị lớn nhất được đo bằng một TBĐ xác định dải đo động

Đầu vào hiệu chỉnh và nhiễu đầu vào

Trong một số trường hợp, tín hiệu ra của sensor chịu tác động của các đại lượng vật lý khác nhiều hơn là của đại lượng cần đo Trong hình 2.4, X là đại lượng cần

đo, Y là nhiễu đầu vào, Z là đầu vào hiệu chỉnh

Hình 2.4 Mô hình đo lường có tính đến tác động của nhiễu

Nhiễu đầu vào Y làm cho sensor phản ứng như là sự xếp chồng tuyến tính của Y

và X Do đó, tín hiệu ra đo được cũng phải là sự kết hợp của X và Y, trong đó Y gây nhiễu lên đại lượng cần đo X Các đầu vào hiệu chỉnh có thể làm thay đổi hoạt động của sensor, theo đó sẽ làm thay đổi quan hệ vào/ra và khắc độ của thiết bị

Sai số và lỗi

Sai số của phép đo được xác định bằng hiệu của giá trị đúng của đại lượng cần

đo và giá trị đo được hiển thị trên TBĐ Thông thường, giá trị đúng được xác định dựa trên các chuẩn Bất kỳ một phép đo nào cũng có sai số bao gồm sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên Sự kết hợp giữa sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên

có thể hình dung như trong hình 2.5 Ta sẽ xem xét cụ thể các nguồn gây ra sai

số

Hình 2.5 Minh họa lỗi hệ thống và lỗi ngẫu nhiên

độ mà ta lại sử dụng sensor ở nhiệt độ khác với nhiệt độ khắc độ thì sẽ gây ra sai

số hệ thống Trong nhiều trường hợp nếu biết trước nguồn sai số hệ thống thì ta

có thể hiệu chỉnh bằng cách sử dụng phương pháp bù

Ngoài ra còn có một số nguyên nhân khác cũng có thể làm thay đổi khắc độ của sensor và do đó gây nên sai số hệ thống Ở một số sensor, sự già hoá của các bộ phận làm thay đổi đáp ứng của sensor và do đó làm thay đổi khắc độ Những hư hỏng hoặc cách sử dụng sensor sai cũng có thể làm thay đổi khắc độ Do vậy, để loại bỏ sai số hệ thống ta phải thường xuyên hiệu chỉnh khắc độ của sensor

Sai số hệ thống cũng có thể xuất hiện khi chính quá trình đo làm thay đổi đại lượng cần đo Quá trình này được gọi là sự xâm lấn (invasiveness), và là một mối quan tâm chính trong rất nhiều bài toán đo lường Trong thực tế, luôn luôn tồn tại tác động qua lại giữa đại lượng đo và thiết bị đo; tuy nhiên, trong nhiều trường hợp nó lại không đáng quan tâm Ví dụ, trong các hệ thống điện, tổn hao năng lượng của một TBĐ có thể bỏ qua nếu trở kháng vào rất lớn Một ví dụ cực kỳ đơn giản về sự xâm lấn là dùng một nhiệt kế rất ấm để đo nhiệt độ của một thể tích nhỏ chất lỏng lạnh Nhiệt sẽ được truyền ra từ nhiệt kế, và sẽ làm chất lỏng ấm lên, kết quả là làm cho phép đo mất chính xác

Sai số hệ thống cũng có thể xuất hiện trong đường tín hiệu của quá trình đo như trong hình 3 Nếu tín hiệu được hiệu chỉnh theo một cách nào đó thì chỉ số của phép đo sẽ khác với giá trị cảm nhận được Ở các đường tín hiệu trong các hệ thống cơ khí mà nó truyền lực hay độ dịch chuyển, ma sát có thể làm thay đổi tín hiệu được truyền đi Trong các mạch điện, trở kháng cũng có thể làm thay đổi tín hiệu, kết quả là xuất hiện sai số hệ thống

Cuối cùng là sai số hệ thống có thể xảy ra do người quan sát đọc kết quả trong quá trình đo Một ví dụ phổ biến về sai số hệ thống do người quan sát là sai số thị sai Đây là sai số do người đọc đồng hồ ở sai vị trí Bởi vì kim chỉ thị luôn ở trên mặt đồng hồ nên giá trị đọc được từ bên ngoài sẽ bị sai lệch so với giá trị đúng

Các nguồn sai số ngẫu nhiên

Ta đã biết sai số hệ thống có thể loại bỏ khỏi phép đo, tuy nhiên cũng có những sai số mà nó luôn được duy trì do các nguồn sai số ngẫu nhiên làm ảnh hưởng đến độ chính xác của phép đo Sai số ngẫu nhiên đôi khi còn được gọi là ồn (một kiểu tín hiệu mang thông tin không có ích) Nếu một phép đo có một lượng sai số ngẫu nhiên nhất định được lặp đi lặp lại nhiều lần thì sẽ xuất hiện phân bố Gauss như minh hoạ trong hình 2.6

Hình 2.6 Minh họa về phân bố Gauss

Phân bố Gauss được tập trung xung quanh giá trị đúng (bỏ qua sai số hệ thống) nên giá trị trung bình của tất cả các phép đo sẽ phản ánh một ước lượng của giá trị đúng

Độ chính xác của phép đo được xác định bằng độ lệch chuẩn σ Đó chính là độ rộng của phân bố Gauss Nếu số phép đo là 69% tổng số phép đo thì độ chính xác là ±1σ, nếu 95% thì độ chính xác là ±2σ, nếu 99.7% thì độ chính xác là ±3σ

Độ lệch chuẩn càng nhỏ thì độ chính xác càng cao Trong rất nhiều ứng dụng, độ lệch chuẩn thường dùng là 2σ Tuy nhiên, cũng có một số ứng dụng, chẳng hạn như trong ngành hàng hải, người ta thường lấy là 3σ

Có rất nhiều loại nguồn nhân tố ngẫu nhiên có thể làm suy giảm độ chính xác của phép đo, bắt đầu với sự lặp đi lặp lại nhiều lần cùng một phép đo

Sai số ngẫu nhiên tạo nên ồn cũng có thể xuất hiện trong mỗi bước của quá trình

đo như trong hình 2.7 Chúng ta cũng dễ dàng thấy rằng ồn được khuếch đại khi

đi qua khâu khuếch đại (Amplifier)

Hình 2.7 Các nguồn nhiễu tác động vào TBĐ

và giá trị đầu ra sau sensor phụ thuộc vào nhiệt độ

Cảm biến trong công nghiệp có thể được phân loại theo nhiều tiêu chí khác nhau Tuy nhiên trong tài liệu này sẽ được phân loại theo ứng dụng chúng bao gồm:

- Cảm biến vị trí

- Cảm biến tốc độ

2.4.1 Nhiễu nội tại

Nhiễu nội tại phát sinh do sự không hoàn thiện trong việc thiết kế, công nghệ chế tạo, tính chất vật liệu của bộ cảm biến, do đó đáp ứng có thể bị méo so với chuẩn

2.4.2 Nhiễu do truyền dẫn

Nguồn nhiễu:

- Từ trường tĩnh điện

- Quá độ trong nguồn nuôi

- Trường điện từ tần số radio

- Biến thiên nhiệt

Chương 3 CẢM BIẾN VỊ TRÍ

Cảm biến vị trí dùng để xác định vị trí vật lí của đối tượng so với điểm chuẩn Thông tin mà chúng mang lại có thể là các dịch chuyển góc hoặc dịch chuyển thẳng Chúng được ứng dụng ở nhiều nơi trong các ứng dụng khác nhau chẳng hạn cánh tay Robot Các dịch chuyển cơ học, trong các máy CNC …

Chương này trình bày về nguyên lí của một số loại chuyển đổi dùng làm cảm biến

vị trí, trong đó đề cập đến nguyên lí, mạch đo và các ví dụ minh hoạ

Cảm biến biến trở có thể được dùng để xác định các dịch chuyển góc hoặc dịch chuyển tuyến tính và biến những giá trị này thành tín hiệu điện (thường là điện áp) Mô tả về cảm biến biến trở được trình bày trên hình sau:

Hình 3.1 Chuyển đổi biến trở

Cấu tạo của cảm biến biến trở trong đo vị trí

Chúng có thể là loại biến trở quay hoặc loại tuyến tính tương ứng với yêu cầu cần xác định loại vị trí dịch chuyển cần đo Cấu tạo gồm 3 phần chính:

- Lõi: thường làm từ vật liệu cách điện như gốm, sứ,… hoặc đồng nhôm có

phủ lớp cách điện

- Dây quấn điện trở: thường được làm từ maganin, niken, crom hoặc

vonfram Đường kính dây từ 0.02mm đến 0.1mm Điện trở của dây có thể thay đổi

từ vài chục đến vài ngàn ôm Các dây được tráng êmay cách điện để có thể quấn sát nhau

- Con trượt: thường được chế tạo bằng hợp kim platin-iridi hoặc platin-berin

Nguyên lý hoạt động

Khi đại lượng đầu vào thay đổi sẽ tác động vào con trượt thông qua bộ phận truyền động Như vậy con trượt sẽ dịch chuyển tỉ lệ với tác động đầu vào và chúng được mô tả theo phương trình:

y = f(xv) Trong đó y là đại lượng đầu ra sau chuyển đổi nó có thể là điện trở hoặc điện áp nếu có tính đến việc cung cấp nguồn cho biến trở, xv là đại lượng đầu vào

Trên hình 1 ta thấy việc đo các vị trí dịch chuyển góc hay dịch chuyển thẳng có thể lựa chọn kiểu biến trở loại vòng xuyến hoặc loại tuyến tính

Ví dụ 1: Một tay máy chuyển động có gắn cảm biến biến trở như hình 2 Biến trở

có nguồn cung cấp là 10V và góc quay được đặt là 820 Dải hoạt động của biến trở là 3500 Xác định điện áp đầu ra của cảm biến

Giải: Trong ví dụ này ta thấy một tay máy được điều khiển bởi một Motor, để xác

định vị trí của tay máy ta gắn trên trục quay một cảm biến kiểu biến trở Như vậy khi nguồn cung cấp là 10 V, góc cực đại là 3500 thì đầu ra là 10V Do đó giá trị điện áp đầu ra của biến trở ứng với góc quay là 820 được xác định là:

VDC x

VDC

34.282350

Hình 3.2 Dùng biến trở với nhiệm vụ của cảm biến vị trí

Sai số tải (Loading error)

Mạch đo sau biến trở cũng cần được quan tâm, người ta thường dùng mạch chia Một sai số tải xuất hiện khi con trượt của biến trở được kết nối tới mạch với một

điện trở đầu vào mà nó không lớn lắm Khi điều này sảy ra dòng chảy qua con trượt là nguyên nhân gây ra sai số Để giải quyết vấn đề này, một bộ đệm trở kháng cao sẽ được sử dụng Sai số của tải là sự khác nhau giữa đầu ra không tải

và đầu ra có tải và được đưa ra như sau:

Sai số tải = V NL - V L

Trong đó: - VNL là điện áp đầu ra không tải

- VL là điện áp đầu ra có tải

Để làm rõ vấn đề này chúng ta xét ví dụ sau:

Ví dụ 2: Một biến trở 10K được sử dụng làm cảm biến vị trí (mô tả trên hình 3)

Giả sử con trượt nằm giữa giải đo Hãy xác định sai số tải khi:

- Mạch giao diện (Interface circuit) sử dụng điện trở vào là vô cùng

- Mạch giao diện sử dụng điện trở vào là 100K

Hình 3.3 Sai số tải

Giải:

+ Trong trường hợp Hình 3.a, điện trở của mạch giao diện là rất cao nên không có dòng chảy qua con trượt Biến trở sẽ bao gồm 2 phần điện trở 5 K nối tiếp, theo công thức tính toán trong mạch chia điện áp ta có điện trở đầu ra của biến trở:

V K K

K x

V

V pot 5

55

//

5Như vậy điện áp đầu ra của biến trở là:

V x

V

V pot 4.88

76.45

76.4



Sai số tải sẽ là: 5V – 4.88V = 0.12V

Sai số tải cực đại xuất hiện khi biến trở làm việc ở trên 2/3 giải đo Nếu chúng ta cho biến trở làm việc với phần nhỏ hơn của giải đo sai số tải sẽ giảm Điều này cho thấy ảnh hưởng của sai số tải là không tuyến tính

Trong nhiều ứng dụng, tổng các dịch chuyển quay được đo được là ít hơn giá trị quay thực tế của đối tượng cần đo Hãy xem một tay máy như hình 4, nó dịch chuyển một góc 900 Qua một hệ bánh răng truyền động thì biến trở đã quay 2700, như vậy với cách đo này đã làm tăng độ phân giải của phép đo

Hình 3.4 Khi trục của Motor quay 90 0 , biến trở quay 270 0

Sai số tuyến tính (Linearity error)

Cũng như tất cả các hệ thống vật lí, các biến trở Cacbon không thể chế tạo hoàn toàn tuyến tính, vì vậy có thể định nghĩa sai số tuyến tính là sự khác nhau giữa góc quay thực và giá trị mà cảm biến biến trở đã chỉ ra Ta xác định chúng theo công thức sau:

tot tt

R

x R

S  100Trong đó:

 Stt là sai số tuyến tính

 R Sai lệch điện trở cực đại

 Rtot Điện trở tổng của biến trở

Khi biến trở được sử dụng làm cảm biến vị trí, điện áp đầu ra sẽ tỉ lệ với góc quay của trụ, vì vậy sai số tuyến tính có thể được xác định như sau:

tot tt

x S



 100



Trong đó:

  Sai lệch góc cực đại (tính theo độ)

 tot Dải đo tổng của biến trở

Hình 3.5 Sai số tuyến tính của cảm biến biến trở

Ví dụ 3: Một biến trở quay (góc quay cực đại là 3500) có sai số tuyến tính là 0.1%,

nó được kết nối với một nguồn 5V Xác định sai số góc cực đại

Giải: Dựa vào công thức trên dễ dàng tính được sai số góc cực đại:

0 0

35.0100

3501.0



 S tt x  tot x



Độ phân giải (Resolution)

Sai số tuyến tính xác định độ chính xác của cảm biến Một khái niệm quan trọng trong đo lường đó là độ phân giải (resolution) Độ phân giải có thể hiểu là sự tăng nhỏ nhất của dữ liệu mà có thể dò tìm được hoặc ghi lại được Như vậy độ phân giải được tính theo biểu thức sau:

100Re

R

R solution

tot



Trong đó:

- R là sự thay đổi nhỏ nhất của điện trở

Chúng ta xét ví dụ sau:

Ví dụ 4: Phần tử điện trở dài 10in, với 100/in Biến trở gồm 200vòng Dải đo của

Giải: Điện trở tổng được xác định:

in x in

1005100Re

R

R solution

tot

Mô tả về độ phân giải của cảm biến biến trở được chỉ ra trên hình 3.6

Hình 3.6 Độ phân giải của cảm biến biến trở vòng

Đầu ra của một cảm biến vị trí có thể là điện áp một chiều liên tục Chúng có thể được kết nối số với các bộ vi điều khiển thông qua bộ chuyển đổi tín hiệu tương

tự thành tín hiệu số ADC, hãy xem ví dụ sau để minh hoạ

Ví dụ 5: Một cánh tay Robot được chỉ ra trên hình 7 quay được 1200 theo kiểu stop-stop Người ta sử dụng biến trở làm cảm biến vị trí Một bộ vi điều khiển 8 bit được sử dụng và vị trí thực của tay máy phải nằm trong khoảng 0.50 Xác định độ phân giải ở 200 như hình 7

Giải:

Hình 3.7 Cảm biến vị trí là biến trở trong xác định dịch chuyển của tay máy

Do hệ số chia của bánh răng là 2:1 nên khi biến trở ở vị trí 200 tức là cách tay máy

ở vị trí 100 ta tính điện áp tại vị trí này:

V x

V x V

pot x

pot

arm

/686.0255

55

3502

0

0

Trong đó:

 arm là kí hiệu của phần tay máy

 pot là kí hiệu của phần biến trở

 State là trạng thái tín hiệu số

Giá trị này lớn hơn giá trị mong muốn là 0.5% Nhưng thực ra khi tay máy quay

1200 tức là biến trở quay 2400 thì đã đầy thang đo tức điện áp cung cấp là 5V Vậy ứng với góc quay là 3500 thì điện áp phải là 5Vx(3500/2400) = 7.3V Độ phân giải

sẽ được tính là:

state arm

V x V

pot x

pot

arm

/470.0255

53

.7

3502

0

0

Kết quả này phù hợp với yêu cầu đặt ra

Encoder dạng này tạo ra các dữ liệu vị trí góc trực tiếp dạng số, do đó không cần dùng ADC Ý tưởng được thể hiện trên hình 3.8, là một đĩa có khía rãnh được gắn vào 1 trục Một nguồn sáng và một cảm biến quang được đặt đối diện nhau, và ánh sáng sẽ lọt qua hoặc không lọt qua khi đĩa quay Góc quay của đĩa có thể được suy ra từ tín hiệu đầu ra của cảm biến quang Có thể chia làm 2 loại Encoder là encoder tuyệt đối (absolute encoder) và encoder tăng (incremental encoder)

Hình 3.8 Encoder quang

Encoder quang tuyệt đối (Absolute Optical Encoder)

Sử dụng 1 đĩa thủy tinh được đánh dấu bằng những vết đồng tâm (Hình 3.9)

Từng tia sáng sẽ chiếu qua các rãnh tới cảm biến quang tương ứng của nó Mỗi cảm biến ánh sáng sẽ tạo ra 1 bit trong từ mã hóa tín hiệu vị trí Encoder trong hình 3.9 có đầu ra là 1 từ 4 bit (dạng LSB) Đĩa được chia thành 16 phần, do đó

độ phân giải trong trường hợp này là 360o/16= 22.5 o Để có độ phân giải tốt hơn thì cần phải tạo ra nhiều rãnh hơn Ví dụ 8 rãnh (ứng với 256 trạng thái) cho 360 o/256= 1.4 o / 1 trạng thái và 10 rãnh (1024 trạng thái) ứng với 360 o /1024 = 0.35 o/

1 trạng thái

Hình 3.9 Encoder tuyệt đối cho tín hiệu ra trực tiếp dạng nhị phân

Hình 3.10 Encoder quang tuyệt đối chỉ ra trường hợp một cảm biến quang đặt

lệch và gây ra một trạng thái lỗi

Với chú ý miền tối cho tín hiệu logic 1 và miền sáng cho tín hiệu logic 0

Thuận lợi của loại encoder này là dạng tín hiệu đầu ra là ở dạng tín hiệu số nhưng chỉ là góc mà đĩa đã quay được Nó ngược với loại encoder tăng sẽ được chỉ ra dưới đây mà nó có thể xác định được góc quay của đĩa cả về và giá trị và hướng Cái không thuận lợi của Encoder tuyệt đối là giá thành đắt vì cần rất nhiều cảm biến quang và các rãnh phải được khắc rất chính xác

Nếu đĩa quang kiểu tuyệt đối không khắc chính xác, nó có thể đưa ra dữ liệu bị lỗi Hình 3.10 thể hiện trường hợp này và nó xảy ra khi có hơn 1 bit thay đổi tại 1 thời điểm, chẳng hạn như từ sector 7(0111) sang 8(1000) Trong hình, các cảm biến quang không nằm trên cùng 1 đường thẳng Trong trường hợp này, cảm biến B1 nằm bị lệch và nó chuyển từ 1 sang 0 trước những cảm biến khác Do đó nó sẽ gây ra một lỗi ở đầu ra : 5(0101) Nếu máy tính yêu cầu lấy dữ liệu trong thời điểm này, nó sẽ nhận được một câu trả lời bị sai Một giải pháp để khắc phục là sử dụng mã Grey thay vì dùng trực tiếp mã nhị phân (hình 3.11) Với mã Grey, chỉ có

1 bit thay đổi giữa 2 sector Nếu cảm biến quang nằm lệch đường thẳng, thì điều tồi tệ nhất có thể xảy ra chỉ là tín hiệu ra chuyển sớm hay muộn Mặt khác, lỗi xảy

ra thì cũng không bao giờ vượt quá một bit LSB khi sử dụng mã Grey

Hình 3.11 Bộ mã hoá quang tuyệt đối dùng mã Grey

Encoder quang tăng (Incremental Optical Encoder)

Encoder loại này (hình 3.12) chỉ có các rãnh cách đều nhau Vị trí góc được xác định bằng cách đếm số các rãnh được truyền qua bởi cảm biến quang Mỗi rãnh sẽ ứng với một góc đã biết Hệ thống này cần có 1 điểm bắt đầu để làm tham chiếu bằng cách thêm 1 cảm biến thứ 2 vào như hình vẽ hoặc đơn giản là có 1 điểm dừng cơ học, 1 điểm chuyển giới hạn Trong nhiều trường hợp, trục được

định được vị trí này thì bộ điều khiển cần phải biết được hướng quay của đĩa cũng như số rãnh đã đi qua Ví dụ 6.6 sẽ chỉ ra điều này

Ví dụ 6: Một incremental encoder có 360 rãnh Bắt đầu từ một điểm tham chiếu,

cảm biến quang đếm được 100 rãnh theo chiều kim đồng hồ, 30 rãnh theo chiều ngược chiều kim đồng hồ, rồi 45 rãnh theo chiều kim đồng hồ Vậy vị trí hiện tại của đĩa là bao nhiêu?

Giải:

Nếu đĩa có 360 rãnh, vậy mỗi rãnh tương ứng với 1 độ quay Bắt đầu từ điểm tham chiếu, đầu tiên quay 100 o theo chiều kim đồng hồ, rồi quay ngược 30 o đến

vị trí 70 o, và cuối cùng lại quay ngược lại 45 o, do đó chúng ta sẽ có góc quay là

115 o ( theo chiều kim đồng hồ) từ vị trí tham chiếu

Hình 3.12 Bộ mã hoá quang tăng

Với chỉ một cảm biến quang thì ta không thể xác định được đĩa đã quay theo hướng nào, tuy nhiên 1 hệ thống thông minh sử dụng 2 cảm biến Trong hình 3.13, 2 cảm biến V1 và V2 được đặt liên tiếp nhau trên cùng 1 rãnh Trong ví dụ này, V1 lúc bắt đầu đang tắt (off) trong khi V thì đang bật (on) Hãy tưởng tượng đĩa quay ngược chiều kim đồng hồ, đầu tiên có thể nhận thấy là V1 ở trạng thái hoàn toàn bật trong khi V2 đang bật Đĩa quay thêm 1 chút, V2 chuyển sang trạng thái tắt và tiếp sau đó V1 tắt Trong hình 3.13b chỉ ra dạng tín hiệu của V1 và V2 Bây giờ tưởng tượng điều gì sẽ xảy ra khi đĩa quay theo chiều kim đồng hồ( Bắt đầu từ vị trí được chỉ ra trong hình 3.13a), ở đây V1 ở trạng thái tắt hoàn toàn và V2 vẫn ở trạng thái bật trong 1 nửa rãnh, rồi mới tắt Sau đó V1 bật rồi đến V2 bật Hình 3.13c chỉ ra dạng sóng tạo ra bởi V1 và V2

So sánh dạng tín hiệu, trong trường hợp quay ngược chiều kim đồng hồ V2 nhanh pha hơn V1 90 độ, còn khi quay cùng chiều kim đồng hồ thì V1 nhanh pha hơn V2 90 độ Sự khác nhau về pha sẽ cho phép xác định hướng quay của đĩa

Giải mã V1 và V2: Phần cứng của Encoder này thì đơn giản hơn so với kiểu tuyệt

đối ( Absolute) Giá phải trả cho sự đơn giản hơn này là ta không thể tạo ra trực tiếp vị trí dạng nhị phân từ V1 và V2 Tuy nhiên, mạch giải mã được sử dụng để chuyển đổi tín hiệu từ cảm biến quang sang dạng từ nhị phân Mạch sẽ gồm 2 phần: Phần đầu tiên dùng để xác định thông tin về hướng, và phần thứ 2 là bộ đếm tiến – lùi , để xác định vị trí góc hiện tại Sơ đồ khối được thể hiện trong hình 3.14 Từ sơ đồ, ta có thể thấy V1 và V2 được chuyển đổi thành 2 tín hiệu mới biểu thị đếm tiến và lùi ( count up and count down) Tín hiệu đếm lùi sẽ cho ra một xung ứng với mỗi rãnh khi đĩa quay cùng chiều kim đồng hồ Những tín hiệu này

sẽ là đầu vào cho bộ đếm tiến lùi như là TTL 74193 Bộ đếm sẽ bắt đầu từ 0 (thông thường được reset bởi cảm biến tham chiếu Sau đó sẽ xác định vị trí hiện tại của đĩa từ các giá trị đếm được theo cùng chiều kim đồng hồ và ngược chiều kim đồng hồ Xem lại ví 6, bộ đếm bắt đầu từ 0, đếm đếm 100, đếm xuống 30 xung đến giá trị 70, sau đó đếm tiến 45 xung và được giá trị cuối cùng là 115 Giá trị hiện thời trong bộ đếm sẽ cho biết góc quay hiện thời của đĩa

Hình 3.13 Encoder quang thuận

Hình 3.14 Sơ đồ khối của hệ thống Encoder thuận

Cách đơn giản nhất để làm thiết kế mạch giải mã là sử dụng 1 D flip- flop đơn

và 2 cổng AND (Hình 3.15) Để hiểu chức năng của mạch này, chúng ta cần xem xét dạng sóng của V1 và V2 (hình 3.16) Trong trường hợp quay ngược chiều kim đồng hồ, mọi lúc khi V2 chuyển sang mức thấp, V1 đang ở mức cao; trong trường hợp quay cùng chiều kim đồng hồ, khi V2 chuyển sang mức thấp thì V21 đang ở mức thấp Chính điều này dùng để xác định chiều quay của Encoder V2 thì được nối chân lock (âm) của flip- flop và V1 thì được nối với đầu vào của D Bất kỳ lúc nào V2 chuyển sang mức thấp, V1 sẽ được chốt và xuất hiện ở đầu ra

Do đó, ngay khi đĩa quay ngược chiều kim đồng hồ, đầu ra sẽ ở mức cao và khi

nó quay cùng chiều kim đồng hồ thì đầu ra sẽ ở mức thấp Tín hiệu hướng này có thể kết hợp với V2 để tạo ra đầu vào cho bộ đếm tiến hay lùi Tín hiệu đếm tiến sẽ làm cho bộ đếm tiến tăng 1 / rãnh khi đĩa quay cùng chiều kim đồng hồ, và bộ đếm lùi sẽ tăng 1 / rãnh khi đĩa quay ngược chiều kim đồng hồ

Mạch giải mã ở trên là một cách tiếp cận trực tiếp với độ phân giải thấp (độ chính xác) Ta có thể nhận được độ chính xác gấp 4 lần với mạch giải mã phức tạp hơn bởi vì tín hiệu V2 trong chu kỳ V2 bao gồm 4 trạng thái mỗi lần có một rãnh đi qua cảm biến Những trạng thái này được biểu diễn trên hình 6.17 Nếu chúng ta giải mã được các trạng thái này trong ví dụ 7, chúng ta có thể xác định được góc quay xấp xỉ 0.36 o (= 1.44 o /4) thay vì 1.44 o

Hình 3.15 Bộ giải mã cho mã hoá thuận

Hình 3.16 Chiều của giải mã từ V 1 và V 2

Ví dụ 7: Một hệ thống cảm biến vị trí (hình 3.14) sử dụng một đĩa 250 rãnh Giá

trị hiện tại của bộ đếm là 00100110 Hãy xác định góc của trục đã quay

Giải:

Với một đĩa 250 rãnh, mỗi 1 rãnh tương ứng với 360 o /250=1.44 o Và giá trị đếm 00100110 =38 (hệ thập phân), ứng với vị trí là 38* 1.44 o = 54.72 o

Giao diện kết nối một Incremental Encoder với 1 máy tính:

Có một vấn đề đặc biệt khi cố gắng truyền dữ liệu đến mày tính từ một chuẩn bộ đếm số kiểu ripple( Bộ đếm ripple cần 1 thời gian hữu hạn để làm ổ định ở đầu ra bởi vì một số đếm mới có thể gây ra sóng mang tạo ra gợn tới tất cả các bit) Bộ đếm thì đang đếm các sự kiện trong thế giới thực và do đó sẽ không đồng bộ với máy tính Nếu máy tính yêu cầu xác định vị trí trong khi bộ đếm đang thay đổi, nó rất có thể nhận được dữ liệu không có giá trị Bởi vì đây là xác xuất điều khiển từ

xa , kết quả có lỗi rất thường gặp và trong nhiều ứng dụng có thể bỏ qua Nhưng trong các trường hợp khác cần những dữ liệu này phải luôn luôn chính xác

Hình 3.17 Encoder thuận thể hiện trạng thái ở mỗi chu kỳ

Một cách giải quyết vấn đề này là “đóng băng” bộ đếm khi máy tính nhận dữ liệu Nhưng nếu có một xung đếm xảy ra khi bộ đếm bị “đóng băng”, nó sẽ bị mất,

bộ đếm sẽ không đếm được Cách giải quyết là thêm một chốt( một thanh ghi tạm thời) giữa bộ đếm và máy tính (hình 6.18) Bằng cách này, bộ đếm không bao giờ

“đóng băng” và luôn luôn đếm đúng Chốt thì chứa giá trị giống như là giá trị của

bộ đếm Trong khoảng thời gian trên khi mà bộ đếm đang đếm, chốt sẽ không cập nhật sự thay đổi này Với hệ thống này thì bộ đếm sẽ không bao giờ bị mất số liệu Trong trường hợp xấu nhất khi một số đếm mới đến khi máy tính đang trao đối thì số mới này sẽ không được chuyển lên máy tính vì chốt đã đóng băng Ngay khi bộ đếm cập nhật xong, chốt sẽ được cập nhật và số đếm này sẽ được đưa lên máy tính trong lần trao đổi tiếp theo

Ví dụ 8: Vị trí góc của một trục có độ phân giải là 0.5 độ Có hệ thống sử

dụng 720 rãnh(hình 6.19) Bộ điều khiển sử dụng vi điều khiển họ 8051 với cổng 8 bit Hãy thiết kết cụ thể?

Giải:

Với độ phân giải 0.5 o, bộ encoder phải có các rãnh ứng với 0.5 o Đầu tiên,

Hình 3.18 Mạch giao diện với Encoder

Hình 3.19 Giao diện ghép nối với vi điều khiển

3.4 Biến áp vi sai (Linear Variable Differential Transformers- LVDT)

Là một cảm biến vị trí có độ phân giải cao mà tín hiệu ra là điện áp xoay chiều với biên độ tỉ lệ tuyến tính với vị trí cần đo Nó có một miền hẹp của 2 đầu vào, nhưng nó có thuận lợi là không bị trượt Hình 3.20a chỉ ra rằng khối chức năng này bao gồm 3 cuộn dây và 1 lõi thép có thể di chuyển được Cuộn dây trung tâm (hay cuộn sơ cấp) được nối với một điện áp xoay chiều chuẩn Hai cuộn dây còn lại gọi là 2 cuộn thứ cấp, được nói với một đầu ra của cuộn còn lại và nối nối tiếp Nếu lõi thép ở chính giữa, điện áp cảm ứng trên cuộn thứ cấp do cuộn sơ cấp tạo

ra sẽ bằng và ngược dấu nhau, cho ở đầu ra điện áp Vnet =0 V (như chỉ ra trên hình 3.20c) Suy nghĩ điều gì sẽ xảy ra lõi thép di chuyển sang phải 1 chút Như vậy cuộn sơ cấp thứ 2 sẽ có điện áp cao hơn điện áp của cuộn sơ cấp 1 Hình 3.20 d chỉ ra dạng sóng trong trường hợp này Tổng đại số điện áp của 2 cuộn sơ cấp thì cùng pha với cuộn thứ cấp 2, và độ lớn thì tỷ lệ với độ dịch chuyển của lõi thép so với trung tâm Nếu lõi di chuyển một chút sang trái, thì cuộn thứ cấp 1 sẽ

có điện áp lớn hơn, tạo ra điện áp ở đầu ra cùng pha với cuộn thứ cấp 1( Hình 3.20 b) Trên thực tế, chỉ có một cách để xác định chiều dịch chuyển của lõi là pha Tóm lại, tín hiệu ra của LVDT là một điện áp xoay chiều với độ lớn và góc pha Độ lớn cho biết độ dịch chuyển của lõi và góc pha cho biết hướng dịch chuyển

Hình 3.20 Biến áp vi sai (LVDT)

Hình 3.21 cho thấy một LVDT với một IC hỗ trợ cho nó Một máy phát cung cấp điện áp xoay chiều tham chiếu cho cuộn sơ cấp, thường là 50-10 KHz với điện áp hiệu dụng 10 V hoặc nhỏ hơn Tín hiệu ra của LVDT được đưa tới chỉnh lưu pha(

tham chiếu Nếu chúng cùng pha, chỉnh lưu sẽ có đầu ra là phần dương của tín hiệu Nếu chúng ngược pha, tín hiệu sau chỉnh lưu chỉ là phần âm Sau đó, một

bộ lọc thông thấp sẽ làm trơn tín hiệu sau chỉnh lưu để có tín hiệu 1 chiều Cuối cùng, một bộ khuếch đại điều chỉnh tín hiệu để có trong miền mong muốn Mạch giao diện đầu ra của LVDT là một điện áp 1 chiều mà độ lớn và chiều thì tỷ lệ thuận với độ dịch chuyển của lõi so với trung tâm Một vài mạch tích hợp, chẳng hạn như AD698 (của Analog Devices), gói tất cả các chức năng trên chỉ trong 1

IC (hình 3.21)

Hình 3.21 Mạch giao diện với LVDT

Chương 4 CẢM BIẾN TỐC ĐỘ VÀ CẢM BIẾN GIỚI HẠN

1 2

t t t

Ví dụ 1: Một bộ phận máy quay có một cảm biến pot (biến trở đo vị trí) nối với một

ADC với LSB = 10 Xác định cách cài đặt hệ thống để thu được dữ liệu là vận tốc của tay máy

1 2

t

t 





Nếu ta có các mẫu dữ liệu chính xác đến từng giây thì mẫu số ở phương trình 6.3

sẽ bằng 1 Trong trường hợp đó, vận tốc bằng ( -2  ), tuy nhiên 1 giây là khoảng 1

thời gian quá lớn để bộ điều khiển đợi giữa hai mẫu Thay vào đó, chọn thời gian giữa hai lần lấy mẫu là 1/10 s (100 ms), bây giờ ta có thể viết :

1 Lấy hai mẫu vị trí sau mỗi khoảng 1/10 s

2 Trừ hai giá trị đó cho nhau

3 Nhân kết quả với 10

Số liệu vận tốc có thể thu được từ một encoder quay quang học bằng hai cách

(potentionmeter) ; cách thứ hai đòi hỏi phải xác định được thời gian mỗi khe trên đĩa đi qua tia sáng Nếu vận tốc nhỏ dẫn đến sự kéo dài khoảng thời gian nói trên Mạch đếm số trên hình 4.1 có thể sử dụng để xác định mỗi khe đi qua mất bao nhiêu thời gian Ý tưởng ở đây là đếm số các chu kỳ của một đồng hồ tốc độ cao

biết trước trong mỗi chu kỳ khe Giá trị đếm được cuối cùng tỷ lệ với thòi gian cần

thiết để mỗi khe đi qua

Hình 4.1

Cách thực hiện của mạch hình 4.1 như sau Một trong các đầu ra của encoder quang học (gọi là V1) dùng làm đầu vào cho Timer Xung V'

1 được tạo ra mỗi khi

V1 xuất hiện sườn dương ( khi đó V1 kích hoạt khối ONE-SHOT trên hình vẽ): đó

là một xung âm khá ngắn dùng để xóa bộ đếm Khi xung V'

1 ở mức cao thì đồng

hồ tốc độ cao được đếm bởi bộ đếm Khi khe kế tiếp kích hoạt khối ONE-SHOT,

số liệu đếm được truyền vào một bộ chốt riêng, và bộ đếm bị xóa để có thể khởi động lại lần đếm sau đó Bộ điều khiển đọc số đếm từ bộ chốt Giá trị đếm được

tỷ lệ với nghịch đảo vận tốc góc Vận tốc càng nhỏ thì số đếm càng lớn Điều đó

cũng có nghĩa với những vận tốc rất nhỏ, bộ đếm có thể sẽ bị tràn và sẽ bắt đầu đếm lại tăng dần từ 0 (giống như thiết bị đo quãng đường odometer bị tràn từ 99.999 trở về 0) Thực tế, khi đĩa dừng hẳn, mọi bộ đếm rốt cuộc đều bị tràn số

Để khắc phục, một mạch đặc biệt dùng thêm một bộ ONE-SHOT khác Mỗi khi bộ đếm bị đầy , bộ ONE-SHOT được kích hoạt và nạp lại bit 1 vào tất cả các bit Điều

này ngăn chặn bộ đếm tràn bất cứ lúc nào Kết quả là mỗi khi bộ đếm đầy thì bộ điều khiển hiểu là “vận tốc quá nhỏ để đo”

Optical Tachometers

Cảm biến quang đo vận tốc góc là một thiết bị đơn giản, có thể xác định tốc độ trục quay theo đơn vị vòng/phút (rpm) Hình 4.2 cho thấy một viền phản quang được đặt trên trục Một photo sensor được đặt để xuất ra một xung mỗi khi viền phản quang đi ngang qua nó Chu kỳ của dạng sóng này tỷ lệ nghịch với vận tốc góc của trục và có thể đo được bằng cách sử dụng một mạch đếm tương tự như encoder quang đã nói trên (Hình 4.1) Lưu ý rằng hệ thống này không thể cảm nhận được vị trí hay hướng Tuy nhiên, nếu có 2 photo sensor thì hướng có thể được xác định bằng pha, tương tự như bộ encoder quang học đếm tăng dần

Hình 4.2 Optical Tachometers

Toothed-Rotor Tachometers

Cảm biến đo vận tốc góc loại Rotor có bánh răng cấu tạo bởi một cảm biến cố định và một cảm biến quay có dạng một bánh xe sắt có răng (Hình 4.3) Bánh răng (trông như một hộp số cỡ lớn) có thể được gắn vào trong những bộ phận có thể là đối tượng của các phép đo – ví dụ như tay quay của động cơ xe hơi Cảm biến này sinh ra một xung mỗi khi một răng đi qua cảm biến cố định (khi đó từ trở của cảm biến cố định thay đổi) Vận tốc góc của bánh xe tỷ lệ thuận với tần số của xung Ví dụ, nếu bánh xe có 20 răng thì có thể sẽ có 20 xung mỗi vòng

Có hai loại cảm biến loại này được sử dụng Loại thứ nhất được gọi là một cảm biến có từ trở thay đổi và nó gồm một nam châm được bao quanh bởi một cuộn dây (xem hình 4.3) Mỗi khi một răng sắt di chuyển đến gần nam châm, từ

trường xung quanh nam châm tăng lên, cảm ứng một điện áp nhỏ ở hai đầu cuộn dây Những xung này có thể được chuyển thành một sóng hoàn toàn vuông với một mạch phát hiện ngưỡng Loại cảm biến thứ 2 là cảm biến dựa trên hiệu ứng Hall (Hall-effect sensor) Chi tiết của sensor này sẽ được đề cập chi tiết ở bài viết sau, nhưng có thể nói đơn giản là sensor này cũng cho 1 xung mỗi khi 1 răng sắt

Do đó quan hệ đầu vào – đầu ra của hệ thống như sau : rotor quay 1 rpm sẽ cho tần số 0.33 Hz ở đầu ra, vậy khi tần số đầu ra là 120 Hz thì số vòng quay trong 1 phút là

rpm = 120Hz x

Hz

rpm

33.01

= 360 rpmsensor

Do đó rotor quay với vận tốc 360 rpm

Direct Current Tachometers

Một cảm biến đo vận tốc góc loại này về cơ bản là một máy phát điện một chiều

vì nó đưa ra điện áp một chiều tỷ lệ với vận tốc trục quay Cực của đầu ra cảm biến được xác định bởi chiều quay của trục Thông thường, cơ cấu bao gồm các nam châm vĩnh cửu đứng im và các cuộn dây quay Một thiết kế như vậy giúp giảm quán tính nhưng cần dùng thêm các chổi quét – chổi này sẽ bị mòn dần theo thời gian Mặc dù vậy cơ cấu này rất hữu ích vì nó có thể chuyển đổi trực tiếp từ vận tốc sang điện áp

Hình 4.4 chỉ rõ một cảm biến như vậy : CK20 Vỏ của cảm biến này được chế tạo sao cho nó có thể nâng một bộ phận gọi là “piggyback” trên một động

cơ – có thể phản hồi vận tốc của động cơ Hàm truyền của cảm biến này có đơn vị là volts/1000rpm Ta có thể dùng hàm truyền để tính điện áp ra để tính vận tốc của chi tiết Quan sát phần cuối hình 4.4 CK20 có 3 kiểu Ví dụ, đầu ra của CK20-A cho 3 V mỗi 1000 rpm (3 V/Krpm) Dải vận tốc đo được từ 0-6000 rpm, do đó điện áp cực đại đầu ra có thể là 18V ứng với vận tốc 6000 rpm Thông số này được biểu diễn trên đồ thị hình 6.26 Từ đồ thị ta dễ dàng thấy điện áp ra ứng với mỗi vận tốc cho trước Độ “tuyến tính hóa” của động cơ cho phép là 0.2%, điều đó có nghĩa là vận tốc thực tế của động cơ sai lệch 0.2% so với trên đồ thị Ví dụ, nếu đầu ra có 9V thì vận tốc là 3000 rpm, tuy nhiên vì 0.2% x 3000 = 6 rpm, suy ra vận tốc thực tế có thể nằm trong khoảng từ 2994 đến 3006 rpm

Hình 4.4 CK20 DC TACHOMETER

Model CK20 là một cảm biến đo tốc độ góc

có cuộn dây di chuyển được thiết kế cho

các ứng dụng yêu cầu phản hồi vận tốc và

quán tính tải phải là nhỏ nhất

Tham số Giá trị Đơn vị

1

Thường đối với các máy cơ khí nặng ít khi ta gặp vận tốc hàng nghìn rpm, do vậy

các cảm biến đo tốc độ góc thường được gắn vào motor, và motor được xuống số

để điều khiển tải Ví dụ 4.5 minh họa rõ điều này

VÍ DỤ 3: Như chỉ ra trên hình 4.6, một motor có một cảm biến đo vận tốc góc

piggyback gắn trên hộp số tỷ lệ 100:1 ( trục đầu ra quay chậm hơn motor 100 lần) Cảm biến vận tốc góc loại CK20-A có đầu ra 3 V/ Krpm Cơ cấu này điều khiển máy công cụ vận tốc quay cực đại là 600/s

a Đầu ra của cảm biến ra là bao nhiêu ?

b Tìm độ phân giải của hệ đo lường nếu dữ liệu cảm biến chuyển đổi sang

số bằng một ADC 8 bit như hình 4.6

0

360

1rev

xmin

b Để có độ phân giải tốt nhất, ta nên tham chiếu ADC với 3 V sao cho 3V =

11111111bin (giá trị 255 thập phân) Vì ta biết tachometer đưa ra 3 V khi trục máy quay với vận tốc 10 rpm và 8 bit biểu diễn được 255 mức nên có thể tính được số rpm được biểu diễn bởi một trạng thái nhị phân:

Nghĩa là bộ điều khiển số sẽ biết vận tốc trục máy tới mức 0.04 rpm, đó cũng

là độ phân giải của hệ thống

4.3 Cảm biến giới hạn

Limit Switches (công tắc giới hạn)

Một cảm biến tiệm cận đơn giản nói cho bộ điều khiển biết liệu chi tiết chuyển động có ở một vị trí xác định hay không Một công tắc giới hạn (limit switch) là một

ví dụ điển hình Công tắc giới hạn là một công tắc nút bấm cơ khí được gắn sao cho nó được kích hoạt khi bộ phận cơ khí hoặc cánh tay đòn đi đến cuối hành trình của nó.Ví dụ, ở một gara cửa mở tự động, tất cả các bộ điều khiển cần biết khi nào thì đóng và khi nào thì mở cửa Công tắc giới hạn có thể phát hiện ra hai trạng thái đó Các công tắc phù hợp cho nhiều ứng dụng, nhưng nó có ít nhất hai hạn chế :

(1) Một thiết bị cơ khí luôn bị ăn mòn dần dần

(2) Nó luôn cần một lực cơ học để kích hoạt

Hai loại cảm biến tiệm cận khác là cảm biến quang học và cảm biến từ khắc phục được hai hạn chế này Để cải thiện vấn đề người ta cần sự hỗ trợ của kỹ thuật điện tử

Optical Proximity Sensors ( Cảm biến giới hạn quang học)

Cảm biến tiệm cận quang học, hay còn gọi là cái ngắt, cấu tạo bởi một nguồn sáng và một photo sensor sao cho vật bị phát hiện cắt ngang tia sáng giữa bên phát và bên thu Hình 4.7 minh họa hai ứng dụng có sử dụng các photodetectors Trong hình 4.7 (a), một photodetector đang đếm các hộp trên dây chuyền lắp ráp Trên hình 4.7(b), photodetector đang xác định xem lỗ chống ghi trên một đĩa mềm đang đóng hay đang mở

Hình 4.7 Hai ứng dụng của cảm biến giới hạn

Cảm biến tiệm cận quang thường dùng một mặt phản xạ để cho bộ thu ánh sáng

và nguồn sáng có thể nằm trong cùng một hộp Nguồn sáng cũng có thể được điều chế để có thể phát ra một “chữ ký” duy nhất sao cho bộ thu có thể phân biệt với các ánh sáng nhiễu loạn xung quanh

Có 4 loại photodetector hay được sử dụng trong công nghiệp là: photo resistors, photodiodes, photo transistors và photovoltaic cells Một photo resistor cấu tạo từ vật liệu như như CdS, nó có tính chất điện trở giảm khi cường độ ánh sáng chiếu vào tăng lên Cảm biến loại này giá rẻ và khá nhạy : điện trở có thể thay đổi với hệ số 100 khi để ở chỗ tối và chỗ sáng