Nghiên cứu thiết kế chế tạo chuyển đổi đo dịch chuyển có độ nhậy cao dạng điện cảm

Trong đó chuyển đổi điện cảm được sử dụng nhiều đo độ tròn, đo áp xuất… độ nhạy cao, phần xử lý tín hiệu không đòi hỏi mạch điện đặc biệt, và dễ dàng ghép điện cảm, nghiên cứu các dạng c

B Ộ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

Nguy ễn Thị Kim Cúc

TÊN ĐỀ TÀI LUẬN VĂN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

ngành Công Nghệ Cơ Khí

Hà Nội – Năm 2011

M ỤC LỤC

3

M ỤC LỤC3 13

L ỜI CAM ĐOAN3 53

DANH M ỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT3 53

DANH M ỤC CÁC BẢNG3 53

1.2.3.C ảm biến điện dung3 163

1.2.3.1 C ảm biến tụ điện đơn3 163

1.2.3.2.C ảm biến tụ điện kép vi sai.3 183

1.2.4.C ảm biến quang3 183

1.2.4.1 C ảm biến quang phản xạ3 193

1.2.4.2 C ảm biến quang truyền qua3 193

1.2.5.C ảm biến đo chuyển vị bằng sóng đàn hồi.3 213

1.2.5.1.Nguyên lý đo dịch chuyển bằng sóng đàn hồi.3 213

1.2.5.2.C ảm biến sử dụng phần tử áp điện3 223

1.2.6.C ảm biến âm từ3 233

C hương 2 - CƠ SỞ TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CẢM BIẾN ĐIỆN CẢM3 25

3

2.1.Gi ới thiệu chung về cảm biến điện cảm3 25

3

2.1.1.Định nghĩa3 253

2.1.2.C ấu tạo cuộn cảm3 273

2.1.2.1.Định nghĩa3 273

2.1.2.2.Các đại lượng đặc trưng của cuộn cảm.3 283

2.1.2.3 Tính ch ất nạp, xả của cuộn cảm3 303

2.2.1.1 Cảm biến tự cảm có khe từ biến thiên3 323

2.2.1.2 Cảm biến tự cảm có lõi từ di động3 353

2.2.2.Cảm biến hỗ cảm3 37

2.2.2.1 C ảm biến đơn có khe hở không khí3 373

2.2.2.2 C ảm biến vi sai3 393

2.2.2.3 Bi ến thế vi sai có lõi từ:3 403

C hương 3 - NGUYÊN CỨU CHẾ TẠO CẢM BIẾN3 423

4.2.3 Số hóa tín hiệu3 623

Chương 5 – CHẾ TẠO THỰC NGHIỆM VÀ BÀN LUẬN3 66

5.3.2 Ứng dụng chuyển đổi điện cảm trong cảm biến đo áp suất.3 773

5.3.3 Ứng dụng chuyển đổi điện cảm trong cảm biến đo lực ở thiết bị rạch đo độ bám dính bề mặt màng.3 793

5.3.4 Ứng dụng cảm biến điện cảm trong đầu đo của máy đo độ tròn.3 823

K ẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ3 833

TÀI LIỆU THAM KHẢO3 85

TÓM T ẮT LUẬN VĂN3 873

PH Ụ LỤC3 88

L ỜI CAM ĐOAN

cam đoan tất cả các số liệu, kết quả của luận văn này đều có thật và do chính tác giả

VĐK: Vi điều khiển

ADC hoặc A/D: chuyển đổi tương tự số (Analog Digital Convert)

AC: Dòng điện xoay chiều

Hình 1.1 Một số ứng dụng tiêu biểu của chuyển đổi đo dịch chuyển 7

Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý hệ thống sử lý tín hiệu 8

Hình 1.3 Sơ đồ khối chuyển đổi đo dịch chuyển cơ bản 8

Hình 1.7 C ảm biến quang phản xạ 13

Hình 1.8 a) Sơ đồ cấu tạo cảm biến quang soi thấu b) Tín hiệu ra 14

Hình 1.9 Sơ đồ khối của một thiết bị đo dịch chuyển bằng sóng đàn hồi 16

Hình 1.11 Sơ đồ nguyên lý cảm biến âm từ 18

Chương 2

Hình 2.1 a, Sơ đồ ; b, Đặc tính cảm biến có khe hở thay đổi 20

Hình2.2 a, C ảm biến phần ứng dịch chuyển ngang ; b, Đặc tính 22

Hình 2.5 S ự phụ thuộc giữa L, Z với chiều dày khe hở không khí d 30

Hình 2.6 Cảm biến tự cảm kép mắc theo kiểu vi sai 30

Hình 2.7 Đặc tính của cảm biến tự cảm kép vi sai 31

Hình 2.8 Sơ đồ nguyên lý cảm biến tự cảm có lõi từ 32

Hình 2.12 Sơ đồ cảm biến biến áp vi sai 37

Hình 2.13 Sơ đồ đặc tuyến cảm biến 37

Hình 3.5 C ảm biến vi sai có lõi từ chuyển động 44

Hình 3.7 Sơ đồ cuộn cảm mắc kiểu vi sai 47

Chương 4

Hình 4.2 Sơ đồ khối mạch điện sử lý tín hiệu theo phương án 1 52

Hình 4.3 Sơ đồ mạch nguồn tạo dao động Sin 53

Hình 4.4 M ạch cầu chuyển đổi điện cảm 54

Hình 4.5 Sơ đồ mạch khuếch đại và lọc nhiễu 55

Hình 4.6 Sơ đồ mạch ADC 12 bit và vi xử lý 56

Hình 4.7 Sơ đồ thiết kế khối giao tiếp với máy tính 57

Hình 4.8 Sơ đồ khối số hóa tín hiệu 58

Hình 4.10 Sơ đồ tầng lọc thông thấp 1 60

Hình 4.11 Sơ đồ tầng lọc thông thấp 2 61

Hình 4.12 Sơ đồ chân của DsPic 30F4011 61

Hình 4.13 Lưu đồ thuật toán thu nhận tín hiệu 62

Hình 4.14 Sơ đồ khối cơ bản của ADC 10- bit 64

Hình 4.15 Sơ đồ khối mạch kết nối với máy tính qua RS232 65

Chương 5

Hình.5.1 Bi ểu đồ quan hệ giữ dịch chuyển lõi từ và điện áp ra 68

Hình.5.2 Bi ểu đồ quan hệ giữ dịch chuyển lõi từ và điện áp ra 69

Hình.5.3 Bi ểu đồ quan hệ giữ dịch chuyển lõi từ và điện áp ra 69

Hình.5.4 Bi ểu đồ quan hệ giữ dịch chuyển lõi từ và điện áp ra 70

Hình.5.5 C ảm biến lõi chữ E và lõi trụ chế tạo được 71

Hình.5.6 M ạch điện chế tạo theo phương án 1 72

Hình.5.7 Tín hiệu sin chuẩn và tín hiệu sin của mạch đo 72

Hình.5.8 Thi ết bị thí nghiệm vẽ đặc tuyến cảm biến lõi trụ 73

Hình.5.9 C ảm biến điện cảm trong máy đo độ nhám bề mặt 74

Hình.5.10 Sơ đồ khối của máy đo nhám 74

Hình.5.11 Đường đặc tuyến của cảm biến điện cảm 75

Hình.5.12 Ảnh cảm biến đo áp suất dầu 76

Hình.5.13 Đặc tuyến cảm biến đo áp suất 1 77

Hình.5.14 Đặc tuyến cảm biến đo áp suất 2 78

Hình.5.15 Các c ảm biến điện cảm trên thiết bị rạch 79

Hình.5.16 Sơ đồ khối cảm biến đo lực sử dụng chuyển đổi điện cảm 80

Hình.5.17 Đường đặc tuyến của cảm biến áp lực 81

Hình.5.18 Chuy ển đổi đo điện cảm chế tạo 81

M Ở ĐẦU

trúc đo cơ bản và quan trọng nhất, có tính chất quyết định về phương pháp và khả năng đo lường của thiết bị đo Trong đó chuyển đổi điện cảm được sử dụng nhiều

đo độ tròn, đo áp xuất…

độ nhạy cao, phần xử lý tín hiệu không đòi hỏi mạch điện đặc biệt, và dễ dàng ghép

điện cảm, nghiên cứu các dạng chuyển đổi đo điện cảm phù hợp với từng yêu cầu

cao độ ổn định, độ chính xác của hệ chuyển đổi đo Nghiên cứu thực nghiệm đưa ra các phương án thiết kế thực nghiệm và xây dựng các đường đặc tuyến thực nghiệm

điện cảm trên thiết bị đo độ nhám, thiết bị đo áp suất, thiết bị đo lực… bước đầu đã

có kết quả ứng dụng, đánh giá khả năng chế tạo ra các thiết bị đo chuyên dụng phục

việc thiết kế, chế tạo

Chương 1-TỔNG QUAN VỀ CHUYỂN ĐỔI ĐO DỊCH CHUYỂN NHỎ

1.1 Khái ni ệm và ứng dụng của các chuyển đổi đo dịch chuyển nhỏ

lượng vật lý và các đại lượng không có tính chất điện cần đo thành các đại lượng điện phù hợp với thiết bị thu nhận tín hiệu

biến thiên của kích thước đo (tín hiệu vào chuyển đổi) đưa tín hiệu đó vào bộ

(kích thước hoặc biến thiên kích thước) và đại lượng ra là các phương tiện chỉ thị

tố cần đo

sau:

thiết đo

1

Chúng cảm nhận và đáp ứng theo các kích thích thường là các đại lượng không điện, chuyển đổi các đại lượng này thành các đại lượng điện và truyền các

thông tin về hệ thống đo lường điều khiển, giúp chúng ta nhận dạng, đánh giá và điều khiển mọi biến trạng thái của đối tượng

1

Bộ phận quan trọng nhất của chuyển đổi đo lường đó là các cảm biến Có thể ví vai trò của các bộ cảm biến đối với kỹ thuật đo lường và điều khiển giống như các giác quan đối với cơ thể sống Một số bộ cảm biến có cấu trúc tương đối đơn giản nhưng xu hướng chung ngày nay là triệt để khai thác các thành tựu của

vật lý học hiện đại, của công nghệ mới trong điện tử và tin học, của lý thuyết điều khiển hiện đại, nhằm tạo nên các chuyển đổi đo có độ nhạy cao và linh hoạt

1

hàng loạt và có mặt rộng rãi trên thị trường, bao gồm một chuyển đổi đo lường

sơ cấp đặt trong vỏ bảo vệ, có hình dáng và kích thước phù hợp với đối tượng.1

1

Các chuyển đổi đo lường sơ cấp hoạt động thuân theo các hiệu ứng vật lý Độ

chuyển đổi của các hiện tượng vật lý

phương pháp cơ bản để xác định vị trí và dịch chuyển là bộ cảm biến cung cấp tín

ánh sáng

hiện nay:

Hình1.1 M ột số ứng dụng tiêu biểu của chuyển đổi đo dịch chuyển

đo hình dưới đây là một số phương pháp thu thập xử lý tín hiệu cơ bản từ các cảm

biến:

a,

b,

Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý hệ thống xử lý tín hiệu

a, Sơ đồ xử lý tín hiệu tương tự b, Sơ đồ xử lý tín hiệu số

Ở sơ đồ hình a tín hiệu từ các cảm biến được xử lý theo phương pháp thông thường tức là xử lý tín hiệu tương tự một cách thuần túy bằng các thiết bị điện tử, sơ

đồ hình b tín hiệu từ các cảm biến được số hóa sau đó xử lý toàn bộ bằng máy tính Dưới đây là sơ đồi khối hệ thống chuyển đổi đo dịch chuyển cơ bản:

1.2 Các lo ại chuyển đổi đo dịch chuyển nhỏ

1.2.1 C ảm biến chuyển vị điện trở

điện từ trượt chống lại thành phần điện trở cố định theo vị trí và góc của một trục

Độ phân giải của điện trở dạng dây phụ thuộc vào hình dạng và đường kính

Độ phân giải của các điện trở kiểu băng dẫn phụ thuộc vào kích thước hạt, thường vào cỡ ~ 0,1 μm

Để khắc phục nhược điểm của điện thế kế dùng con chạy cơ học, người ta sử

chuyển động tịnh tiến

đòi hỏi mạch điện đặc biệt để xử lý tín hiệu Tuy nhiên với các điện thế kế điện trở

1.2.2 C ảm biến điện cảm

thường được ứng dụng như một cảm biến bằng cách thay đổi độ từ thẩm của lõi tức

là thay đổi vật liệu lõi hoặc vị trí của lõi Nói chung cảm biến điện cảm có phạm vi

biến

Đây là loại cảm biến ứng dụng đặc biệt trong các phép đo gia tốc Tuy nhiên chúng

1.2.3.C ảm biến điện dung

định (bản cực tĩnh) và một bản cực di chuyển (bản cực động) liên kết với vật cần đo

Hình 1.4 C ảm biến điện dung

động di chuyển, khoảng các giữa các bản cực thay đổi, kéo theo điện dung tụ điện

biến thiên

δ

εε s

ε - hằng số điện môi của môi trường

ε0 - hằng số điện môi của chân không

s - diện tích nằm giữa hai điện cực

δ - khoảng cách giữa hai bản cực

1.2.3.2.C ảm biến tụ điện kép vi sai

điện dung C21 và C31 biến thiên ngược chiều nhau

Độ nhạy và độ tuyến tính của tụ kép vi sai cao hơn tụ đơn và lực tương hỗ

cực thay đổi

điện môi thay đổi Ngoài ra giữa hai bản cực khi có điện áp đặt vào sẽ phát sinh lực

1.2.4.C ảm biến quang

Tuỳ theo cách bố trí đầu thu quang, nguồn phát và thước đo (hoặc đối tượng đo), các cảm biến được chia ra:

quang: đầu thu quang đặt cùng phía với nguồn phát Tia sáng từ nguồn phát qua

Sơ đồ cấu trúc của một cảm biến đo vị trí và dịch chuyển theo nguyên tắc

bào quang điện

Khi thước đo gắn với đối tượng khảo sát, chạy giữa thấu kính hội tụ và lưới

sáng hình sin Tín hiệu này được thu bởi các tế bào quang điện đặt sau lưới chia

1) Ngu ồn sáng 2) Thấu kính hội tụ 3) Thước đo 4) L ưới chia 5) Tế bào quang điện 6) Mã chuẩn

Khi thước đo gắn với đối tượng khảo sát, chạy giữa thấu kính hội tụ và lưới chia

0 P

định được độ dịch chuyển mà còn có thể nhận biết được cả chiều chuyển động Để

đo chuẩn trên thước đo

Ưu điểm của các cảm biến truyền qua là cự ly cảm nhận xa, có khả năng thu được tín hiệu mạnh và tỉ số độ tương phản sáng tối lớn, tuy nhiên có hạn chế là khó

1.2.5.C ảm biến đo chuyển vị bằng sóng đàn hồi

Sơ đồ khối của một thiết bị đo dịch chuyển bằng sóng đàn hồi biểu diễn trên

được tiếp nhận ở máy thu được đo bằng máy đếm xung Máy đếm hoạt động khi bắt đầu phát sóng và sóng lại khi tín hiệu đến được máy thu

Gọi số xung đếm được là N và chu kỳ của xung đếm là tR H R, ta có:

H

t =Khi đó

H

vNt

l =

1.2.5.2.C ảm biến sử dụng phần tử áp điện

điện bị biến dạng

Để đo dịch chuyển ta có thể sử dụng hai dạng sóng đàn hồi:

- Sóng bề mặt

phương truyền sóng tạo nên sự nén rồi lại giãn nở của các lớp của vật rắn Sóng này được kích thích bằng phần tử áp điện rung theo bề dày (hình 1.10 a)

Hình 1.10 Các d ạng sóng đàn hồi

a) Sóng d ọc b) Sóng ngang c) Sóng bề mặt và dạng điện cực kích thích

răng lược cài nhau phủ lên bề mặt vật liệu áp điện (hình 4.19c) Khoảng cách giữa hai răng kề nhau của các điện cực phải bằng λ để có thể gây ra biến dạng khi có điện áp V cùng pha đặt vào và để tăng hiệu ứng của chúng Máy thu sóng bề mặt cũng có cấu tạo tương tự như máy phát được gắn cố định vào bề mặt vật rắn, khi có

điện áp do hiệu ứng áp điện

1.2.6.C ảm biến âm từ

Sóng đàn hồi phát ra nhờ sử dụng hiệu ứng Wiedemam: hiện tượng xoắn một ống trụ sắt từ khi nó chịu tác dụng đồng thời của một từ trường dọc và một từ trường ngang Sóng đàn hồi được thu trên cơ sở sử dụng hiệu ứng Vilari: sức căng

cơ học làm thay đổi khả năng từ hoá và độ từ thẩm của vật liệu sắt từ

Sơ đồ nguyên lý và cấu tạo của cảm biến âm từ trình bày trên hình 1.9

Hình 1.11 Sơ đồ nguyên lý cảm biến âm từ

1) ống sắt từ 2) Nam châm 3) Dây dẫn 4) Máy phát xung 5) Đầu thu

có đường sức là đường tròn đồng tâm với trục ống Khi sóng điện từ truyền đến vị

Gọi tP là thời gian từ khi phát xung hỏi đến khi nhận được xung hồi đáp, do v << c

ta có:

v

l

tp =Trong đó l là khoảng cách từ nam châm đến đầu thu, tP được đo bằng phương pháp đếm xung

C hương 2 - CƠ SỞ TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CẢM BIẾN ĐIỆN CẢM

2.1.Gi ới thiệu chung về cảm biến điện cảm

2.1.1 Định nghĩa

ứng điện từ Vật cần đo vị trí hoặc dịch chuyển được gắn vào một phần tử của mạch

[ ] H

s N

G N L

Độ nhạy của cảm biến khi khe hở thay đổi :

2

0 0

δ

δ

L L

LR 0 R : giá trị điện cảm ban đầu của cảm biến ở δ = δR 0 R; S = SR 0 R

∆δ và ∆S : độ thay đổi khe hở và diện tích

Độ nhạy Kδ là hàm phi tuyến với ∆δ trong đó các trường hợp làm việc có

độ phi tuyến nhỏ có thể chọn

2.1.2.C ấu tạo cuộn cảm

emay cách điện Điện trở của cuộn dây cần được tính toán kỹ trước khi thiết kế

dòng điện xoay chiều.Cuộn cảm có tác dụng lưu trữ năng lượng ở dạng từ năng (năng lượng của từ trường tạo ra bới cuộn cảm khi dòng điện đi qua), và làm dòng điện bị trễ pha so với điện áp một góc bằng 90 độ

linh kiện điện tử lệ thuộc và tần số

Hình 2.3 C ấu tạo cuộn cảm

khi có dòng điện biến thiên chạy qua

l

S N

7 2

10 14,3.4

N : là số vòng dây của cuộn dây

l : là chiều dài của cuộn dây tính bằng mét (m)

S : là tiết diện của lõi, tính bằng mP

2 P

µr : là hệ số từ thẩm của vật liệu làm lõi

Dưới đây là bảng công thức thực nghiệm tính toán độ tự cảm của cuộn dây trong

- N: Số vòng của cuộn dây

- K hệ số Nagaoka

- A: Tiết diện cuộn dây.( mP

2

P)

- l: Chiều dài cuộn dây (m) Dây dẫn

- r = bán kính ngoài của cuộn dây (in)

- l = chiều dài cuộn dây (in)

- N = số vòng quấn

nhiều lớp

r = bán kính trung bình của cuộn dây (in)

l = chiều dài của dây quấn (in)

μRrR= độ từ thẩm tương đối của vật liệu lõi

N = số vòng

r = bán kính vòng quấn (m)

D = đường kính vòng xuyến (m)

ZL = 2.3,14.f.L Trong đó : ZL là cảm kháng, đơn vị là Ω

f : là tần số đơn vị là Hz

L : là hệ số tự cảm , đơn vị là Henry

c) Điện trở thuần của cuộn dây

năng, thông thường cuộn dây có phẩm chất tốt thì điện trở thuần phải tương đối nhỏ

W = L.IP

2 P

/2

W : năng lượng ( June )

L : Hệ số tự cảm ( H )

I: dòng điện

2.1.3 V ật liệu làm lõi

-12 P

F/m nó được xác định như một mối quan hệ của 1 và hằng số điện môi chung và thường được cho là tương đối Hằng số điện môi của không khí gần như đồng nhất so với

hằng số điện môi của vật liệu từ

điện của vật liệu sử dụng chế tạo cảm biến

Ferrite (manganese zinc) >8.0×10P

- C ảm biến tự cảm đơn: trên hình 2.4 trình bày sơ đồ nguyên lý cấu tạo của một số

1)Lõi s ắt từ 2) Cuộn dây 3) Phần động

tĩnh) và một lõi thép có thể di động dưới tác động của đại lượng đo (phần động),

Sơ đồ hình 2.4b: khi phần ứng quay, tiết diện khe hở không khí thay đổi, làm

đổi theo

(hình 2.4.c)

0

0 0 2

µ S N

δ

µ ω

Hình 2.5 S ự phụ thuộc giữa L, Z với chiều dày khe hở không khí d

càng cao (hình 2.5)

- C ảm biến tự cảm kép lắp theo kiểu vi sai: Vấn đề của độ không tuyến tính của

(hình 2.6)

Đặc tính của cảm biến tự cảm kép vi sai có dạng như hình 2.6

Mặc dù mối quan hệ giữa lR 1 R và lR 2 Rvẫn chưa được tuyến tính hóa Cảm biến

điện trở của cuộn dây là 75 Ω Độ phi tuyến tối đa là 0.5%

1) Cu ộn dây 2) Lõi từ

XR V R, lõi từ dịch chuyển làm cho độ dài lR f R của lõi từ nằm trong cuộn dây thay đổi, kéo

l S N

2 0 2

0 0 2 0

Sự phụ thuộc của L vào lR f Rlà hàm không tuyến tính, tuy nhiên có thể cải

cầu điện trở có chung một lõi sắt

2.2.2.C ảm biến hỗ cảm

hao do dòng điện xoáy thay đổi (hình 2.9c) sẽ làm cho từ thông của mạch từ biến

S N

i R

N i

t

.

= Φ

- giá trị dòng điện tức thời trong cuộn dây kích thích NR 1 R

WR 2 R - số vòng dây của cuộn dây đo

Khi làm việc với dòng xoay chiều i = IR m R sinωt , ta có:

t I

S N N

δ

µ

cos 2 01

−

=

và giá trị hiệu dụng của suất điện động:

ω δ

k I S N N

cảm Sδ và SScũng tăng khi tần số nguồn cung cấp tăng

thay đổi và phi tuyến khi diện tích tiết diện S thay đổi Ngoài ra độ nhạy của cảm

Sai số của cảm biến gây nên do nguồn cung cấp điện áp không ổn định, điện áp thay đổi 1% gây sai số 1% Tần số nguồn cung cấp thay đổi cũng gây sai số

động lên phần động của lõi thép

Đặc tính động của cảm biến điện cảm và hỗ cảm phụ thuộc vào hệ thống cơ

1)Cu ộn sơ cấp 2) Gông từ 3) lõi từ di động 4) Cuộn thứ cấp (cuộn đo)

cuộn thứ cấp Khi điện trở của thiết bị đo đủ lớn, điện áp đo Vm gần như tuyến tính

2.2.2.3 Biến thế vi sai có lõi từ:

ngược với nhau sao cho suất điện động trong chúng triệt tiêu lẫn nhau

1) Cu ộn sơ cấp 2) Cuộn thứ cấp 3) Lõi từ

trên 2 đầu cuộn thứ cấp Khi lõi chuyển động làm cho điện áp đầu ra thứ cấp thay đổi Cuộn thứ cấp cuốn theo 2 chiều ngược nhau, nên điện áp sẽ thay đổi cực tính khi lõi dịch chuyển