Đề cương có giải đáp Cảm biến và hệ thống đo

Trong chế độ động, độ tuyến tính bao gồm sự không phụ thuộc của độ nhạy ở chế độ tĩnh S0vào đại lượng đo, đồng thời các thông số quyết định sự hồi đáp như tần số riêng f0 của dao động kh

ĐỀ CƯƠNG ÔN TẬP MÔN CẢM BIẾN VÀ HỆ THỐNG ĐO

Ví dụ thực tiễn:

+ Mô hình khí hậu toàn cầu được sử dụng cho cả dự báo thời tiết ngắn hạn và biến đổi khí hậudài hạn

+ Để đánh giá tác động của nhà máy xử lý nước thải trên một dòng sông, hoặc để đánh giá

hành vi và chiều dài cuộc sống của sinh bộ lọc đối với nước thải bị ô nhiễm

3 Em hiểu thế nào về khái niệm đường thẳng tốt nhất của cảm biến?

Trả lời:

Khi chuẩn cảm biến, từ kết quả thực nghiệm ta nhận được một loạt điểm tương ứng (si,mi) của đại lượng đầu ra và đại lượng đầu vào Về mặt lý thuyết, đối với các cảm biến tuyến tính, đường cong chuẩn là một đường thẳng Tuy nhiên, do sai số khi đo, các điểm chuẩn (mi, si) nhận được bằng thực nghiệm thường không nằm trên cùng một đường thẳng

Đường thẳng được xây dựng trên cơ sở các số liệu thực nghiệm sao cho sai số là bé nhất, biểu diễn sự tuyến tính của cảm biến được gọi là đường thẳng tốt nhất Phương trình biểu

diễn đường thẳng tốt nhất được lập bằng phương pháp bình phương bé nhất

4 Hãy phân tích các loại sai số của cảm biến, nguyên nhân sai số, phương pháp hạn chế sai số? Lấy một ví dụ liên hệ với thực tế?

Trả lời:

- Có 2 loại sai số là: Sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên

- Nguyên nhân:

o Sai số hệ thống:

 Do nguyên lý của cảm biến

 Do giá trị của đại lượng chuẩn không đúng

 Do sự thay đổi đặc tính của thiết bị.

 Do tín hiệu nhiễu ngẫu nhiên

 Do các đại lượng ảnh hưởng không được tính đến khi chuẩn cảm biến

- Phương pháp hạn chế sai số:

o Sai số hệ thống: chú ý công tác đo lường, và dùng dụng cụ đạt chuẩn

o Sai số ngẫu nhiên: sai số ngẫu nhiên xuất hiện ngoài ý muốn chủ quan của con người, chủ yếu do điều kiện bên ngoài, ta khó khắc phục mà chỉ có thể tìm cách hạn chế ảnh hưởng của nó qua một số quy luật đặc tính như giới hạn, tập trung, đối xứng, bù trừ

Ví dụ liên hệ thực tế:

- Sai số trong các dụng cụ đo: thước kẹp, đồng hồ đo, thước panme… là 0,01

- Sai số trong chế tạo các cảm biến nhiệt độ, cảm biến độ rung…

-Sai số xảy ra ở dự báo thời tiết

5 Trình bày các hiệu ứng trong chế tạo cảm biến

5 Mạch cầu wheatstone có cấu tạo thế nào? Hãy cho một ví dụ sử dụng mạch cầu wheatstone trong cảm biến và đo lường?

- Mạch phát hiện ánh sáng: quang trở CdS

6 Phân tích độ tuyến tính của cảm biến? Làm rõ khái niệm đường thẳng tốt nhất và độ lệch tuyến tính?

Trả lời:

Trong chế độ động, độ tuyến tính bao gồm sự không phụ thuộc của độ nhạy ở chế độ tĩnh S(0)vào đại lượng đo, đồng thời các thông số quyết định sự hồi đáp (như tần số riêng f0 của dao động không tắt, hệ số tắt dần cũng không phụ thuộc vào đại lượng đo.

Nếu cảm biến không tuyến tính, người ta đưa vào mạch đo các thiết bị hiệu chỉnh sao cho tín hiệu điện nhận được ở đầu ra tỉ lệ với sự thay đổi của đại lượng đo ở đầu vào Sự hiệu chỉnh

đó được gọi là sự tuyến tính hoá

b) Đường thẳng tốt nhất

Khi chuẩn cảm biến, từ kết quả thực nghiệm ta nhận được một loạt điểm tương ứng (si,mi) của đại lượng đầu ra và đại lượng đầu vào Về mặt lý thuyết, đối với các cảm biến tuyến tính, đường cong chuẩn là một đường thẳng Tuy nhiên, do sai số khi đo, các điểm chuẩn (mi, si) nhận được bằng thực nghiệm thường không nằm trên cùng một đường thẳng

Đường thẳng được xây dựng trên cơ sở các số liệu thực nghiệm sao cho sai số là bé nhất, biểudiễn sự tuyến tính của cảm biến được gọi là đường thẳng tốt nhất Phương trình biểu diễn đường thẳng tốt nhất được lập bằng phương pháp bình phương bé nhất

c) Độ lệch tuyến tính

Đối với các cảm biến không hoàn toàn tuyến tính, người ta đưa ra khái niệm độ lệch tuyến tính, xác định bởi độ lệch cực đại giữa đường cong chuẩn và đường thẳng tốt nhất, tính bằng

% trong dải đo

7 Phân tích các giới hạn sử dụng cảm biến? Lấy ví dụ liên hệ với thực tế sử dụng?

Lời giải:

- Giới hạn sử dụng của cảm biến:

Trong quá trình sử dụng, các cảm biến luôn chịu tác động của ứng lực cơ học, tác động nhiệt Khi các tác động này vượt quá ngưỡng cho phép, chúng sẽ làm thay đổi đặc trưng làm việc của cảm biến Bởi vậy khi sử dụng cảm biến, người sử dụng cần phải biết rõ các giới hạn này

a) Vùng làm việc danh định

Vùng làm việc danh định tương ứng với những điều kiện sử dụng bình thường của cảm biến Giới hạn của vùng là các giá trị ngưỡng mà các đại lượng đo, các đại lượng vật lý có liên quan đến đại lượng đo hoặc các đại lượng ảnh hưởng có thể thường xuyên đạt tới mà

không làm thay đổi các đặc trưng làm việc danh định của cảm biến.

b) Vùng không gây nên hư hỏng

Vùng không gây nên hư hỏng là vùng mà khi mà các đại lượng đo hoặc các đại lượng vật

lý có liên quan và các đại lượng ảnh hưởng vượt qua ngưỡng của vùng làm việc danh địnhnhưng vẫn còn nằm trong phạm vi không gây nên hư hỏng, các đặc trưng của cảm biến có thể bị thay đổi nhưng những thay đổi này mang tính thuận nghịch, tức là khi trở về vùng làm việc danh định các đặc trưng của cảm biến lấy lại giá trị ban đầu của chúng

c) Vùng không phá huỷ

Vùng không phá hủy là vùng mà khi mà các đại lượng đo hoặc các đại lượng vật lý có liênquan và các đại lượng ảnh hưởng vượt qua ngưỡng của vùng không gây nên hư hỏng nhưng vẫn còn nằm trong phạm vi không bị phá hủy, các đặc trưng của cảm biến bị thay đổi và những thay đổi này mang tính không thuận nghịch, tức là khi trở về vùng làm việc danh định các đặc trưng của cảm biến không thể lấy lại giá trị ban đầu của chúng Trong trường hợp này cảm biến vẫn còn sử dụng được, nhưng phải tiến hành chuẩn lại cảm biến

Cấu tạo gồm 2 tấm bán dẫn, 1 tấm thuộc loại N và 1 tấm thuộc loại P, ghép tiếp xúc với nhau Tại

mặt tiếp xúc hình thành vùng nghèo hạt dẫn vì tại vùng này tồn tại 1 điện trường và hình thành 1 hàng rào điện thế Vb.

Nguyên lý hoạt động: Khi chiếu sáng điôt bằng bức xạ có bước sóng nhỏ hơn bước sóng ngưỡng,

sẽ xuất hiện thêm các cặp điện tử – lỗ trống Đề các hạt dẫn này tham gia dẫn điện ta cần nhanh chóng tách rời cặp điện tử – lỗ trống Sự tách cặp điện tử – lỗ trống chỉ xẩy ra trong vùng nghèo nhờ tác dụng của điện trường

Số hạt dẫn được giải phóng phụ thuộc vào thông lượng ánh sáng tới vùng nghèo và khả năng hấp

thụ của vùng này Thông lượng ánh sáng tới vùng nghèo phụ thuộc đáng kể vào bề dày lớp bán dẫn mà nó đi qua: Φ(X)= Φ 0 e – ∝x

với (∝ xấp xỉ 105 cm-1)

=>Vì vậy để tăng thông lượng ánh sáng đến vùng nghèo người ta thường chế tạo điot với phiến bán dẫn có bề dày rất bé Ví dụ loại PIN:

Ứng dụng: Được dùng trong kỹ thuật điện tử, làm các thiết bị đo đạc, truyền dẫn thông tin, thiết

bị giám sát, điều khiển

2 Photodiot có bao nhiêu chế độ hoạt động hãy phân tích chế độ quang dẫn? ( CÂU 1)

3 Trình bày cấu tạo và nguyên lý hoạt động của phototranzito?

Trả lời:

Cấu tạo:

-Phototranzito là các tranzito mà vùng bazơ có thể được chiếu sáng, không có điện áp đặtlên bazơ, chỉ có điện áp đặt trên Collector, và chuyển tiếp B-C phân cực ngược

-Điện áp đặt vào tập trung chủ yếu ở BC, điện áp ở chuyển tiếp BE nhỏ 0.6 - 0.7 V

-Khi chuyển tiếp BC được chiếu sáng, nó hoạt động như photodiode ở chế độ quang dẫn.Nguyên lý hoạt động:

- Có thể coi phototranzito như tổ hợp của photodiode và tranzito Photodiode đóng vai tròcung cấp dòng quang điện tại bazơ (khi bazơ được chiếu sáng) Còn tranzitor cho hiệuứng khuếch đại β

-Khi bị chiếu sáng thì các điện tử và lỗ trống phát sinh trong vùng bazơ sẽ phân chia dướitác dụng của điện trường tại chuyển tiếp bazơ

4 So sánh photodiot và phototranzito ?

Trả lời:

- Về nguyên lí hoạt động là giống nhau

-Sự khác biệt chính giữa Photodiode và Phototransistor

- Một photodiode bao gồm một diode bán dẫn, tạo ra dòng điện khi tiếp xúc với ánh

sáng Mặt khác, phototransistor bao gồm một bóng bán dẫn tiếp giáp mà khi tiếp xúc với năng lượng ánh sáng sẽ tạo ra dòng điện

- Một phototransistor hiệu quả hơn so với photodiode.

- Khi chúng ta nói về khả năng miễn nhiễm tiếng ồn thì đáng chú ý là một điốt quang khôngtránh khỏi nhiễu do nhiễu gây ra Tuy nhiên, phototransistors miễn nhiễm với sự can thiệp

đó Điều này đôi khi chứng tỏ là một bất lợi của photodiode

- Ở dải tần số cao, phototransistor không chuyển đổi hiệu quả năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện Vì chống lại nhược điểm này không chiếm ưu thế trong photodiode và

do đó cung cấp phản ứng tốt so với phototransistor

- Một phototransistor như cảm biến ánh sáng là một thiết bị ít tốn kém hơn so với bất kỳ thiết bị nhạy cảm ánh sáng nào khác Do đó được sử dụng rộng rãi

- Photodiodes có khả năng tạo ra một đầu ra với tốc độ nhanh hơn nhiều khi ánh sáng rơi xuống bề mặt của nó so với phototransistor

5 Phân tích mối tương quan giữa nhiệt độ đo được và nhiệt độ cần đo?

Trả lời:

Giả sử, khi đo ta nhận đc nhiệt độ là nhiệt độ của phần tử cảm nhận của cảm biến nhưngmôi trường đo có nhiệt độ thực = Như vậy ,nhiệt độ đo đc là ,nhiệt độ cần đo gọi là Điều kiện để đo đúng nhiệt độ là phải có sự cân bằng nhiệt giữa môi trường đô và cảmbiến Tuy nhiên trong thực tế , nhiệt độ cảm biến không bao giờ đạt tới nhiệt độ môi trường

do nhiêu nguyên nhân , nên đã tồn tại 1 chêch lệch nhiệt độ nhất định Độ chính xáccủa phép đo phụ thuộc vào hiệu số , nếu hiệu số này càng bé thì độ chính xác củaphép đo càng cao

Biện pháp nhằm đạt đc hiệu sổ nhỏ nhất :

- Giảm sự trao đổi nhiệt giữa bộ cảm biến và môi trg bên ngoài

- Tăng cường sự trao đổi nhiệt giữa bộ cảm biến và môi trường đo

6 Có bao nhiêu loại nhiệt kế điện trở? Nêu cấu tạo và hoạt động của nhiệt điện trở kim

loại?

Lời giải:

Có 3 loại nhiệt kế điện trở:

- Nhiệt kế điện trở kim loại

- Nhiệt kế điện trở oxit bán dẫn

- Nhiệt kế điện trở silic

Cấu tạo:

- Dựa vào dải nhiệt độ cần đo và các tính chất đặc biệt người ta thường làm điện trở bằng platin, niken, ngoài ra có thể dùng Cu, wonfram

Nhiệt điện trở kim loại có 2 loại:

- Nhiệt kế công nhiệp: Để sử dụng cho mục đích công nghiệp, các nhiệt kế phải có vỏ bọc tốt chống được va chạm mạnh và rung động, điện trở kim loại được cuộn và bao bọc trongthủy tinh hoặc gốm và đặt trong vỏ bảo vệ bằng thép

- Nhiệt kế bề mặt: dùng để đo nhiệt độ trên bề mặt vật rắn Chúng thường được chế tạo bằng phương pháp quang hóa và sử dụng vật liệu làm điện trở là Ni, Fe-Ni hoặc Pt

Nguyên lý hoạt động:

- Hoạt động dựa vào sự thay đổi điện trở của vật liệu khi nhiệt độ thay đổi, với điện trở kim loại ta có biểu thức sau:

R(T)=R0.[1+AT+BT2+CT3 ]

Trong đó: A,B,C là hệ số thực nghiệm.Và R0: giá trị điện trở của cảm biến tại 0C

- Ứng dụng: Được dùng trong công nghiệp, những vùng có nhiệt độ khắc nghiệt,…

7 So sánh nhiệt kế điện trở kim loại và nhiệt kế điện trở oxit bán dẫn?

8 Phân tích các phương pháp chuẩn cảm biến? Cho một liên hệ thực tế?

Trả lời:

Phương pháp chuẩn cảm biến

Chuẩn cảm biến là phép đo nhằm mục đích xác lập mối quan hệ giữa giá trị s đo được của đạilượng điện ở đầu ra và giá trị m của đại lượng đo có tính đến các yếu tố ảnh hưởng, trên cơ sở đóxây dựng đường cong chuẩn dưới dạng tường minh (đồ thị hoặc biểu thức đại số) Khi chuẩn cảmbiến, với một loạt giá trị đã biết chính xác mi của m, đo giá trị tương ứng si của s và dựng đườngcong chuẩn

Hình 1.2 : Phương pháp chuẩn cảm biến

• Chuẩn đơn giản

Trong trường hợp đại lượng đo chỉ có một đại lượng vật lý duy nhất tác động lên một đạilượng đo xác định và cảm biến sử dụng không nhạy với tác động của các đại lượng ảnh hưởng,người ta dùng phương pháp chuẩn đơn giản Thực chất của chuẩn đơn giản là đo các giá trị củađại lượng đầu ra ứng với các giá xác định không đổi của đại lượng đo ở đầu vào Việc chuẩnđược tiến hành theo hai cách:

- Chuẩn trực tiếp: các giá trị khác nhau của đại lượng đo lấy từ các mẫu chuẩn hoặc các phần

tử so sánh có giá trị biết trước với độ chính xác cao

- Chuẩn gián tiếp: kết hợp cảm biến cần chuẩn với một cảm biến so sánh đã có sẵn đườngcong chuẩn, cả hai được đặt trong cùng điều kiện làm việc Khi tác động lên hai cảm biến vớicùng một giá trị của đại lượng đo ta nhận được giá trị tương ứng của cảm biến so sánh và cảmbiến cần chuẩn Lặp lại tương tự với các giá trị khác của đại lượng đo cho phép ta xây dựng đượcđường cong chuẩn của cảm biến cần chuẩn.

• Chuẩn nhiều lần

Khi cảm biến có phần tử bị trễ (trễ cơ hoặc trễ từ), giá trị đo được ở đầu ra phụ thuộc khôngnhững vào giá trị tức thời của đại lượng cần đo ở đầu vào mà còn phụ thuộc vào giá trị trước đócủa của đại lượng này Trong trường hợp như vậy, người ta áp dụng phương pháp chuẩn nhiều lần

và tiến hành như sau:

- Đặt lại điểm 0 của cảm biến: đại lượng cần đo và đại lượng đầu ra có giá trị tương ứng vớiđiểm gốc, m=0 và s=0

- Đo giá trị đầu ra theo một loạt giá trị tăng dần đến giá trị cực đại của đại lượng đo ở đầu vào

- Lặp lại quá trình đo với các giá trị giảm dần từ giá trị cực đại

Khi chuẩn nhiều lần cho phép xác định đường cong chuẩn theo cả hai hướng đo tăng dần và đogiảm dần

9 Từ hiệu ứng nhiệt điện hãy viết phương trình cơ bản của cặp nhiệt ngẫu?

Hình 5.1: Sơ đồ nguyên lý cặp nhiệt ngẫu

Tương tự tại mặt tiếp xúc ở đầu tự do (nhiệt độ t0) cũng xuất hiện một hiệu điện thế eAB(t0) Giữahai đầu của một dây dẫn cũng có chênh lệch nồng độ điện tử tự do, do đó cũng có sự khuếch tánđiện tử và hình thành hiệu điện thế tương ứng trong A là eA(t,t0) và trong B là eB(t,t0) Sức điệnđộng tổng sinh ra do hiệu ứng nhiệt điện xác định bởi công thức sau:

(5.1)

Vì eA(t0,t) và eB(t,t0) nhỏ và ngược chiều nhau có thể bỏ qua, nên ta có:

(5.2)Nếu nhiệt độ hai mối hàn bằng nhau, chẳng hạn bằng t0 khi đó sức điện động tổng:

(5.3)Hay:

(5.4)Như vậy:

(5.5) Phương trình (5.5) gọi là phương trình cơ bản của cặp nhiệt ngẫu

Từ phương trình (5.5) nhận thấy nếu giữ nhiệt độ t = const thì:

(5.6)

10 Nêu phương pháp đo nhiệt độ bằng cặp nhiệt ngẫu? Cho một ví dụ của một cặp nhiệt

ngẫu được sử dụng trên thực tế?

Lời giải:

Phương pháp đo nhiệt độ bằng cảm biến nhiệt ngẫu dựa trên cơ sở hiệu ứng nhiệt điện.Người ta nhận thấy rằng khi hai dây dẫn chế tạo từ vật liệu có bản chất hoá học khác nhau đượcnối với nhau bằng mối hàn thành một mạch kín và nhiệt độ hai mối hàn là t và t0 khác nhau thìtrong mạch xuất hiện một dòng điện Sức điện động xuất hiện do hiệu ứng nhiệt điện gọi là sứcđiện động nhiệt điện Nếu một đầu của cặp nhiệt ngẫu hàn nối với nhau, còn đầu thứ hai để hởthì giữa hai cực xuất hiện một hiệu điện thế Hiện tượng trên có thể giải thích như sau:

Trong kim loại luôn luôn tồn tại một nồng độ điện tử tự do nhất định phụ thuộc bản chấtkim loại và nhiệt độ Thông thường khi nhiệt độ tăng, nồng độ điện tử tăng

Ví dụ:

11. Chứng minh rằng khi thêm thanh C và D sao cho thì

Lời giải: tương tự trang 71( giáo trình)

12 Nêu cấu tạo và nguyên lý hoạt động của cảm biến vị trí điện thế kế dùng con chạy

cơ học?

Lời giải:

13 Hãy trình bày nguyên lý hoạt động, công thức liên hệ, phạm vi sử dụng của loại cảm

biến có cấu tạo như hình 1? Cho ví dụ ứng dụng cụ thể?

Trả lời:

- Cảm biến trên là cảm biến xác định vị trí Hall

- Nguyên lí hoạt động: cảm biến hall dựa trên nguyên lí của hiệu ứng hall

- ứng dụng: Ứng dụng chủ yếu của Cảm biến Hall là đo tốc độ bánh xe ,xác định vị trí của trục khuỷu hoặc trục cam trong các hệ thống động cơ Các cảm biến này gồm 1 thanh hall

và một nam châm được đặt gần bánh răng của trục quay

- ví dụ: điển hình là động cơ trong xe đạp điện chúng có nhiệm vụ kiểm soát vị trí của roto

theo stato

← 13 Nêu cấu tạo và nguyên lý hoạt động của cảm biến vị trí tụ điện đơn?

Trả lời:

- Cấu tạo:là một tụ điện phẳng hoặc hình trụ có một bản cực

gắn cố định (bản cực tĩnh) và một bản cực di chuyển (bản cực động) liên kết với vật

Để tránh hiện tượng này, người ta cần mã hóa mỗi số hạng sao cho hai số liên tiếp chỉ khác nhau

một phần tử nhị phân (1 bit) gọi là mã cách khoảng đơn vị hay mã Gray.

Cách chuyển mã bcd về gray:

15.Có bao nhiêu loại encoder? Nêu cấu tạo và nguyên lý hoạt động của từng loại?

Trả lời:

Encoder tương đối

Cấu tạo vào nguyên lý hoạt động :

- Đĩa mã hóa gồm 1 hoặc nhiều dải băng tạo xung, trên dải băng này đc chia

ra làm nhiều lỗ bằng nhau và cách đều nhau (lỗ có thể thay bằng vật liệu trong suốt choánh sáng truyền qua) Khi đĩa mã hóa quay, cứ qua 1 lỗ, cảm biến nhận đc tín hiệu từđèn LED chiếu qua thì Encoder sẽ tăng lên 1 giá trị trong biến đếm

- Thông thường với encoder tương đối có 3 xung A, B và Z Khi đĩa mã hóaquay, lỗ trống sẽ lần lượt đi qua các trục tia sáng của xung A và B khi trục tia sáng củaxung nào xuyên qua lỗ trống thì ở cảm biến sẽ cho ra tín hiệu mức 1, ngược lại thì cảmbiến sẽ cho ra tín hiệu ở mức 0 Số xung phát ra ở của ra của mỗi cảm biến là số lỗtrống trên đĩa mã hóa Khi đĩa mã hóa quay đc 1 vòng thì xung Z sẽ phát ra 1 xung.Dựa vào 2 xung này có thể biết đc chiều quay của động cơ

Ưu điểm :

- tín hiệu dạng xung điện có thể sử dụng ở dạng số

- có độ phân giải cao

Nhược điểm :

- Không thích hợp sự dụng trong mỗi trường có dao động lớn

- Không cho phép biết đc vị trí tuyệt đối của vật

Encoder tuyệt đối

Cấu tạo vào nguyên lý hoạt động :

- Cấu tạo của encoder tuyệt đối tương tự như cấu tạo chung của encoder, tuynhiên khác biệt với encoder tương đối ở phần tử đĩa mã hóa.

- Đĩa mã hóa đc chế tạo từ vật liệu trong suốt, mặt đĩa chia thành các góc đềunhau và các đường tròn đồng tâm, trên các đường tròn đồng tâm này chia thành cácphần trong suốt ánh sáng có thể xuyên qua và các phần tử mà ánh sáng không thểxuyên qua đc (đc phủ 1 lớp chắn sáng)

- Khi đĩa mã hóa quay, ánh sáng từ nguồn sáng chiếu tới đĩa mã hóa:

+ nếu đối diện với tia sáng là vùng diện tích trong suốt ánh sáng xuyên qua đĩa đếncảm biến quang, lúc này cảm biến, lúc này cảm biến quang nhận đc tín hiêu 1 trong mãnhị phân

+ nếu đối diện với tia sáng là vùng diện tích bị phủ lớp chắn sáng, ánh sáng khôngđến đc cảm biến quang, lúc này cảm biến quang nhận đc tín hiệu 0 trong mã nhị phân

Ưu điểm :

- Tín hiệu dạng xung điện có thể sử dụng ở dạng số

- Xác định chính xác vị trí tuyệt đối của vật

- Thuận lợi cho quá trình tính toán và giao tiếp của các chip xử lý

Nhược điểm :

Chế tạo phức tạp dẫn tới giá thành cao hơn encoder tương đối

16.Cánh tay robot được minh họa trên hình 3 quay giữa 2 điểm dừng là 120o và sử dụng Potentiometer (biến trở) làm cảm biến vị trí Bộ điều khiển 8 bít cho biết vị trí thực của cánh tay chính xác đến 0.5° Hãy xác định xem cấu hình này có thực hiện được nhiệm vụ không? Tính độ phân giải thực của hệ thống ?

Trả lời:

- ta có tổng giá trị: 28 -1 = 255 ( giá trị)

- độ phân giải đến 0,5° => góc đo tối đa: 0,5.255=127,5°>120°

Vậy cấu hình này có thể thực hiện nhiệm vụ

17.So sánh encoder tuyệt đối với encoder tương đối? vẽ hình minh họa?

Trả lời:

Encoder tương đối

Cấu tạo vào nguyên lý hoạt động :

- Đĩa mã hóa gồm 1 hoặc nhiều dải băng tạo xung, trên dải băng này đc chia ra làmnhiều lỗ bằng nhau và cách đều nhau (lỗ có thể thay bằng vật liệu trong suốt cho ánhsáng truyền qua) Khi đĩa mã hóa quay, cứ qua 1 lỗ, cảm biến nhận đc tín hiệu từ đènLED chiếu qua thì Encoder sẽ tăng lên 1 giá trị trong biến đếm

- Thông thường với encoder tương đối có 3 xung A, B và Z Khi đĩa mã hóa quay, lỗtrống sẽ lần lượt đi qua các trục tia sáng của xung A và B khi trục tia sáng của xungnào xuyên qua lỗ trống thì ở cảm biến sẽ cho ra tín hiệu mức 1, ngược lại thì cảm biến

sẽ cho ra tín hiệu ở mức 0 Số xung phát ra ở của ra của mỗi cảm biến là số lỗ trốngtrên đĩa mã hóa Khi đĩa mã hóa quay đc 1 vòng thì xung Z sẽ phát ra 1 xung Dựa vào

2 xung này có thể biết đc chiều quay của động cơ

Ưu điểm :

- tín hiệu dạng xung điện có thể sử dụng ở dạng số

- có độ phân giải cao

Nhược điểm :

- Không thích hợp sự dụng trong mỗi trường có dao động lớn

- Không cho phép biết đc vị trí tuyệt đối của vật

Encoder tuyệt đối

Cấu tạo vào nguyên lý hoạt động :

- Cấu tạo của encoder tuyệt đối tương tự như cấu tạo chung của encoder, tuy nhiên khácbiệt với encoder tương đối ở phần tử đĩa mã hóa

- Đĩa mã hóa đc chế tạo từ vật liệu trong suốt, mặt đĩa chia thành các góc đều nhau vàcác đường tròn đồng tâm, trên các đường tròn đồng tâm này chia thành các phần trongsuốt ánh sáng có thể xuyên qua và các phần tử mà ánh sáng không thể xuyên qua đc(đc phủ 1 lớp chắn sáng)

- Khi đĩa mã hóa quay, ánh sáng từ nguồn sáng chiếu tới đĩa mã hóa:

+ nếu đối diện với tia sáng là vùng diện tích trong suốt ánh sáng xuyên qua đĩa đến cảmbiến quang, lúc này cảm biến, lúc này cảm biến quang nhận đc tín hiêu 1 trong mã nhịphân

+ nếu đối diện với tia sáng là vùng diện tích bị phủ lớp chắn sáng, ánh sáng không đến đccảm biến quang, lúc này cảm biến quang nhận đc tín hiệu 0 trong mã nhị phân

Ưu điểm :

- Tín hiệu dạng xung điện có thể sử dụng ở dạng số

- Xác định chính xác vị trí tuyệt đối của vật

- Thuận lợi cho quá trình tính toán và giao tiếp của các chip xử lý

Nhược điểm :

- Chế tạo phức tạp dẫn tới giá thành cao hơn encoder tương đối

18.Hãy cho một ví dụ về encoder tương đối, nói rõ làm thế nào để xác định được chiều

quay của nó?

Trả lời:

- Ví dụ: trong động cơ servo sử dụng ecoder tương đối để xác định chiều quay và tốc

độ của máy cho người dùng qua hệ thống giám sát của máy tính điều khiển

- Bảng mã hóa nhị phân và giản đồ xung: (cái này là của hệ 4 bits Mk nhầm Mn có thể

vẽ cái 16 bits vì nó tương tự)

2n

20.Hãy trình bày nguyên lý hoạt động và phạm vi sử dụng của loại cảm biến có cấu tạonhư hình 1? Cho ví dụ ứng dụng cụ thể?

Trả lời:

- Đây là cảm biến đo vận tốc sử dụng tốc kế từ trở biến thiên

- Nguyên lí hoạt động: + Cấu tạo của cảm biến từ trở biến thiên gồm một cuộn dây có lõi sắt từ chịu tác động của một nam châm vĩnh cửu đặt đối diện với một đĩa quay làm bằng vật liệu sắt từ trên đó có khía răng Khi đĩa quay, từ trở của mạch từ biến thiên một cách tuần hoàn làm cho từ thông qua cuộn dây biên thiên, trong cuộn dây xuất hiện một suất điện động cảm ứng có tần số tỉ lệ với tốc độ quay