Tìm hiểu cảm biến vị trí góc quay VERT – x 13E5V

cơ khí chế tạo máy, cảm biến góc quay, Phân loại cảm biến, nguyên lý cảm biến, nguyên lý cảm biến, Tín hiệu tuyến tính

1 Nguyễn Phú Sơn Anh

2 Lê Minh Chương

3 Nguyễn Văn Cường

4 Hoàng Văn Nam

5 Phạm Văn Quyết

MỤC LỤC

I) Tổng quan về các loại cảm biến

II) Nguyên lý và các phương pháp đo cảm biến góc quay

III) Cảm biến vị trí góc quay Vert – X 13E

IV) Mạch đo sử dụng vi điều khiển atmega32

V) Ứng dụng của cảm biến góc quay

Bảng phân công công việc

Lê Minh Chương Tín hiệu tuyến tính(VERT-X

13E), Incremental (VERT-X 13E), SSI (VERT-X 13E),

xuất sắc

Nguyễn Văn Cường Nguyên lý, tính năng cảm biến

Vert-X 13E, Thông số kỹ thuật Vert-X 13E, SPI(VERT-X 13E),

good

Nguyễn Văn Nam Tổng quan, nguyên lý cảm biến

nói chung, Cảm biến góc quay từtrường, Cảm biến góc quay quanghọc,

pro

Phạm Văn Quyết Cảm biến góc quay điện trở, Cảm

biến góc quay điện dung, Cảm biến Hiệu ứng Hall, PWM (VERT-X 13E)

vãi

a Khái niệm về cảm biến

Cảm biến là thiết bị dùng để cảm nhận biến đổi các đại lượng vật lý và các đại lượng không

có tính chất điện cần đo thành các đại lượng điện có thể đo và xử lý được

b Phân loại cảm biến

Các bộ cảm biến được phân loại theo các đặc trưng cơ bản sau:

- Theo nguyên lý chuyển đổi giữa đáp ứng và kích thích( hiện tượng hóa học, vật

lý, sinh học)

- Theo dạng kích thích( âm thanh, điện, từ, quang, cơ, nhiêt, bức xạ)

- Theo tính năng của bộ cảm biến( độ nhạy, độ chính xác, độ phân giải,…)

- Theo phạm vi sử dụng( công nghiệp, dân sự, quân sự, vũ trụ,…)

- Theo thông số mô hình mạch thay thế

2.1 Nguyên lý

Hiện nay có hai phương pháp cơ bản để xác định vị trí và dịch chuyển

Trong phương pháp thứ nhất, bộ cảm biến cung cấp tín hiệu là hàm phụ thuộc vào

vị trí của một trong các phần tử của cảm biến, đồng thời phần tử này có liên quan đếnvật cần xác định dịch chuyển

Trong phương pháp thứ hai, ứng với một dịch chuyển cơ bản, cảm biến phát ramột xung Việc xác định vị trí và dịch chuyển được tiến hành bằng cách đếm số xungphát ra

Một số cảm biến không đòi hỏi liên kết cơ học giữa cảm biến và vật cần đo vị tríhoặc dịch chuyển Mối liên hệ giữa vật dịch chuyển và cảm biến được thực hiện thôngqua vai trò trung gian của điện trường, từ trường hoặc điện từ trường, ánh sáng

2.2 Các loại cảm biến đo góc

1 Điện thế kế điện trở

Loại cảm biến này có cấu tạo đơn giản, tín hiệu đo lớn và không đòi hỏi mạchđiện đặc biệt để xử lý tín hiệu Tuy nhiên với các điện thế kế điện trở có con chạy cơhọc có sự cọ xát gây ồn và mòn, số lần sử dụng thấp và chịu ảnh hưởng lớn của môi

trường khi có bụi và ẩm.

1.1 điện thế kế dùng con chạy cơ học

a Cấu tạo và nguyên lý làm việc

Cảm biến gồm một điện trở cố định Rn, trên đó có một tiếp xúc điện có thể dichuyển được gọi là con chạy Con chạy được liên kết cơ học với vật chuyển động cầnkhảo sát Giá trị của điện trở Rx giữa con chạy và một đầu của điện trở Rn là hàm phụthuộc vào vị trí con chạy, cũng chính là vị trí của vật chuyển động

Trong đó αM < 360o khi dịch chuyển tròn (hình 1b) và αM > 360o khi dịch chuyển xoắn.(hình 1c)

Các điện trở dạng cuộn dây thường được chế tạo từ các hợp kim Ni - Cr, Ni - Cu ,

Ni - Cr - Fe, Ag - Pd quấn thành vòng xoắn dạng lò xo trên lõi cách điện (bằng thuỷtinh, gốm hoặc nhựa), giữa các vòng dây cách điện bằng emay hoặc lớp oxyt bề mặt.Các điện trở được chế tạo với các giá trị Rn nằm trong khoảng 1kΩ đến 100kΩ, đôi khi đạt tới MΩ

Các con chạy phải đảm bảo tiếp xúc điện tốt, điện trở tiếp xúc phải nhỏ và ổn định

b Các đặc trưng

- Khoảng chạy có ích của con chạy:

Thông thường ở đầu hoặc cuối đường chạy của con chạy tỉ số Rx/Rn không ổnđịnh Khoảng chạy có ích là khoảng thay đổi của x mà trong khoảng đó Rx là hàmtuyến tính của dịch chuyển

Hình 2: sự phụ thuộc của điện trở điện thế kế vào con chạy

Hình 3 Độ phân giải của điện thế kế dạng dây

- Năng suất phân giải:

Độ phân giải xác định bởi lượng dịch chuyển cực đại cần thiết để đưa con chạy từ

vị trí tiếp xúc hiện tại sang vị trí tiếp xúc lân cận tiếp theo Giả sử cuộn dây có n vòngdây, có thể phân biệt 2n-2 vị trí khác nhau về điện của con chạy:

+n vị trí tiếp xúc với một vòng dây

+n - 2 vị trí tiếp xúc với hai vòng dây

Độ phân giải của điện trở dạng dây phụ thuộc vào hình dạng và đường kính của dây điện trở và vào khoảng ~10àm

- Thời gian sống:

Thời gian sống của điện kế là số lần sử dụng của điện thế kế Nguyên nhân gây ra

hư hỏng và hạn chế thời gian sống của điện thế kế là sự mài mòn con chạy và dây điệntrở trong quá trình làm việc Thường thời gian sống của điện thế kế dạng dây dẫn vào

cỡ 106 lần

1.2 điện thế kế không dùng con chạy cơ học

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

dụng điện thế kế liên kết quang hoặc từ.

a Điện thế kế dùng con trỏ quang

Hình 4 trình bày sơ đồ nguyên lý của một điện thế kế dùng con trỏ quang Điện thế kế tròn dùng con trỏ quang gồm điot phát quang (1), băng đo (2), băng tiếp xúc (3)

và băng quang dẫn (4) Băng điện trở đo được phân cách với băng tiếp xúc bởi một băng quang dẫn rất mảnh làm bằng CdSe trên đó có con trỏ quang dịch chuyển khi trục của điện thế kế quay Điện trở của vùng quang dẫn giảm đáng kể trong vùng đượcchiếu sáng tạo nên sự liên kết giữa băng đo và băng tiếp xúc

Hình 5 trình bày sơ đồ nguyên lý một điện thế kế từ gồm hai từ điện trở R1 và R2

mắc nối tiếp và một nam châm vĩnh cữu (gắn với trục quay của điện thế kế) bao phủlên một phần của điện trở R1 và R2, vị trí phần bị bao phủ phụ thuộc góc quay của trục.Điện áp nguồn ES được đặt giữa hai điểm (1) và (3), điện áp đo Vm lấy từ điểm chung (2) và một trong hai đầu (1) hoặc (3)

Khi đó điện áp đo được xác định bởi công thức:

Trong đó R1 là hàm phụ thuộc vị trí của trục quay, vị trí này xác định phần của R1 chịuảnh hưởng của từ trường còn R = R1 + R2 = const.

Từ hình 5b ta nhận thấy điện áp đo chỉ tuyến tính trong một khoảng ~90o đối vớiđiện kế quay

2 Cảm biến điện cảm

Cảm biến điện cảm là nhóm các cảm biến làm việc dựa trên nguyên lý cảm ứngđiện từ Vật cần đo vị trí hoặc dịch chuyển được gắn vào một phần tử của mạch từ gâynên sự biến thiên từ thông qua cuộn đo Cảm biến điện cảm được chia ra: cảm biến tựcảm và hỗ cảm

2.1 cảm biến tự cảm

a) Cảm biến tự cảm có khe từ biến thiên

- Cảm biến tự cảm đơn: trên hình 6 trình bày sơ đồ nguyên lý cấu tạo của một sốloại cảm biến tự cảm đơn

Cảm biến tự cảm đơn gồm một cuộn dây quấn trên lõi thép cố định (phần tĩnh) và mộtlõi thép có thể di động dưới tác động của đại lượng đo (phần động), giữa phần tĩnh và phần động có khe hở không khí tạo nên một mạch từ hở

khi phần ứng quay, tiết diện khe hở không khí thay đổi, làm cho từ trở của mạch

từ biến thiên, do đó hệ số tự cảm và tổng trở của cuộn dây thay đổi theo

Nếu bỏ qua điện trở của cuộn dây và từ trở của lõi thép ta có:

Trường hợp W = const ta có:

Với lượng thay đổi hữu hạn ∆δ và ∆s ta có:δ và ∆δ và ∆s ta có:s ta có:

Độ nhạy của cảm biến tự cảm khi khe hở không khí thay đổi (s=const)

Độ nhạy của cảm biến tự cảm khi thay đổi tiết diện không khí (δ = const):

Tổng trở của cảm biến:

Từ công thức (7) ta thấy tổng trở Z của cảm biến là hàm tuyến tính với tiết diện khe hởkhông khí s và phi tuyến với chiều dài khe hở không khí δ

Đặc tính của cảm biến tự cảm đơn Z = f(∆δ và ∆s ta có:δ) là hàm phi tuyến và phụ thuộc tần sốnguồn kích thích, tần số nguồn kích thích càng cao thì độ nhạy của cảm biến càng cao(hình 7).

- Cảm biến tự cảm kép lắp theo kiểu vi sai: Để tăng độ nhạy của cảm biến và tăngđoạn đặc tính tuyến tính người ta thường dùng cảm biến tự cảm kép mắc theo kiểu visai (hình 8)

Khi phần ứng quay, tiết diện khe hở không khí thay đổi, làm

cho từ trở của mạch từ biến thiên, do đó hệ số tự cảm và tổng trở của cuộn dây thay đổi theo

Nếu bỏ qua điện trở của cuộn dây và từ trở của lõi thép ta có:

Hình 8 Cảm biến tự cảm kép mắc theo kiểu vi sai

Cấu tạo của cảm biến hỗ cảm tương tự cảm biến tự cảm chỉ khác ở chỗ có thêm một cuộn dây đo (hình 11)

Trong các cảm biến đơn khi chiều dài khe hở không khí (hìn h 11a) hoặc tiết diện khe không khí thay đổi (hình 11b) hoặc tổn hao do dòng điện xoáy thay đổi (hình 11c) sẽ làm cho từ thông của mạch từ biến thiên kéo th eo suất điện động E trong cuộn đo

thay đổi

- Cảm biến đơn có khe hở không khí:

Hình 11 Cảm biến hỗ cảm1) Cuộn sơ cấp 2) Gông từ 3) lõi từ di động 4) Cuộn thứ cấp (cuộn đo)

Sức điện động cảm ứng trong cuộn dây đo W2 :

W2 – số vòng dây của cuộn dây đo

Khi làm việc với dòng xoay chiều I = Imsin ωt , ta có:t , ta có:

và giá trị hiệu dụng của suất điện động:

I - giá trị hiệu dụng của dòng điện, k=W2W1μ0ωt , ta có:I

Với W2, W1 , μ0, ωt , ta có: và I là hằng số, ta có:

Hay

Còn độ nhạy khi tiết diện khe hở không khí s thay đổi (d = const):

Sức điện động hỗ cảm ban đầu trong cuộn đo W2 khi XV = 0

Ta nhận thấy công thức xác định độ nhạy của cảm biến hỗ cảm có dạng tương tự nh- cảm biến tự cảm chỉ khác nhau ở giá trị của E0 và L0 Độ hạy của cảm biến hỗ cảm cũng tăng khi tần số nguồn cung cấp tăng

- Cảm biến vi sai: để tăng độ nhạy và độ tuyến tính của đặc tính cảm biến người

ta mắc cảm biến theo sơ đồ vi sai Khi mắc vi sai độ nhạy của cảm

biến tăng gấp đôi và phạm vi làm việc tuyến tính mở rộng đáng kể

- Biến thế vi sai có lõi từ: gồm bốn cuộn dây ghép đồng trục tạo thành hai cảm

biến đơn đối xứng, bên trong có lõi từ di động được (hình 12) Các cuộn thứ cấp

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

3 Cảm biến điện dung

3.1 Cảm biến tụ điện đơn

Các cảm biến tụ điện đơn là một tụ điện phẳng hoặc hình trụ có một bản cực

gắn cố định (bản cực tĩnh) và một bản cực di chuyển quay (bản cực động) liên kết vớivật

cần đo Khi bản cực động di chuyển sẽ kéo theo sự thay đổi điện dung của tụ điện

Hình 13 Cảm biến tụ điện đơn

s- diện tích nằm giữa 2 bản cực

δ – Khoảng cách giữa 2 bản cực

Đưa về dạng sai phân

Độ nhạy của cảm biến

Nếu xét đến dung kháng:

Đưa về dạng sai phân

- Biến thiên điện dung của cảm biến tụ điện là hàm tuyến.

- Tổng trở đầu vào tức là tổng trở của đường chéo cầu phải thật lớn

- Các dây dẫn phải được bọc kim loại để tránh ảnh hưởng của điệntrường

4.2 Cảm biến quang soi thấu

Cảm biến gồm một nguồn phát ánh sáng, một thấu kính hội tụ, một lưới chia kíchquang và các phần tử thu quang (thường là tế bào quang điện)

Nguyên lý làm việc của cảm biến quang soi thấu

Cảm biến quang soi thấu – Encoder loại

số gia

Encoder tuyệt đối

5 Cảm biến hiệu ứng Hall

5.1 Hiệu ứng Hall

Hiệu ứng Hall là hiệu ứng vật lý khi từ trường vuông góc tác dụng lên một bản làm bằng kim loại, chất bán dẫn (chất dẫn điện nói chung ) đang có dòng điện chạy qua Lúc đó người ta nhận được hiệu điện thế (hiệu thế Hall) sinh ra tại hai mặt đối diện của thanh Hall Tỷ số giữa hiệu thế Hall và dòng điện chạy qua thanh Hall gọi là điện trở Hall, đặc trưng cho vật liệu làm nên thanh Hall

5.2 Cảm biến vị trí góc quay sử dụng hiệu ứng Hall

Cảm biến góc quay sử dụng hiệu ứng Hall là loại cảm biến không tiếp xúc Cảm biến

có 2 phần: Một thành phần là nam châm vĩnh cửu 2 cực có thể quay quanh trục cố định Phần này được nối với cơ cấu chuyển động quay cần xác định vị trí Thành phần thứ 2 xác định vị trí của cơ cấu thông qua tín hiệu từ trường quay là dãy các cảm biến Hall Tín hiệu ra của các cảm biến Hall thông thường là tín hiệu dạng sin hoặc có thêmmạch để chuyển tín hiệu thành dạng xung vuông

Tín hiệu ra của cảm biến Hall

III Cảm biến đo vị trí góc quay Vert- X 13E

Cảm biến Vert- X 13E là cảm ứng đo vị trí góc quay do hãng CONTELEC của Thụy Sĩ phát triển, được ứng dụng khá rộng rãi trong các lĩnh vực của cuộc sống Vert- X13E5V có 2 phiên bản, phiên bản B và phiên bản C, trong đó, phiên bản C

có nhiều cải tiến và các giao thức hỗ trợ của 2 phiên bản cũng có sự khác nhau Hình ảnh của cảm biến:

Hình ảnh của cảm biến Vert- X 13E5V

Cảm biến Vert X 13E5V gồm có 3 chân trong đó :

- chân màu đỏ là chân điện áp +5V cung cấp cho cảm biến

- chân màu đen tương ứng với chân GDD của cảm biến

- chân màu trắng là chân tín hiệu ra của cảm biến

A Nguyên lý hoạt động và các thông số cơ bản

1 Nguyên lý hoạt động

Cảm biến Vert-X 13E sử dụng phương pháp đo vị trí góc quay không tiếp xúc ứng dụng định lý Hall để xác định vị trí góc quay Cấu tạo Vert-X 13E gồm 2 phần chính Phần chuyển động được gắn với cơ cấu và nam châm để tạo từ trường Phần đứng yên có cảm biến xác định vị trí theo từ trường

- Khả năng tùy chỉnh giá trị tương ứng điện áp-góc

- Khả năng điều chỉnh độ lớn tín hiệu ra X…Y% UB

Tốc độ lấy mẫu Xem B Xem C

hệ số nhiệt độ tối đa của tín

-Tính năng đảo ngược cực để bảo vệ

Thông số cơ học

Thời gian sống nhỏ nhất( cơ học) Vô hạn Vô hạn

Chuẩn

EN 55022 lớp B, phát xạ bức xạ (30 đến

230 MHz)

Max 30 dB(μV/m)

Độc lập tuyến tính ( không có sai số) ±0.3 ±0.3 ±0.3

Độc lập tuyến tính ( Cho phép sai số) ±0.5 ±0.5 ±0.5

-Tính năng đảo ngược cực để bảo vệ

(AWG24) (AWG24) (AWG28)Nhiệt độ hoạt động (oC)

-40 +125 -40

+125 -40 +125Nhiệt độ lưu trữ(oC)

-40 +125 -40

+125 -40 +125

Vert – X 13E5V version C

Độ phân giải cho từng kênh (ppr) - 256/128/64/32

Thiết diện đơn của dây (mm2) 0.09 (AWG28) 0.09 (AWG28)

- Độ phân giải: 10-12-14 bit

- Giao tiếp: USB/Ribbon cable/round cable/dây

- Dạng tín hiệu đầu ra: tuyến tính/PWM/SPI/SSI/Incremental

“Definition from Wikipedia”

5.3 SPI:

SPI (tiếng Anh: Serial Peripheral Interface, SPI bus — Giao diện Ngoại vi Nối tiếp, bus SPI) là một chuẩn đồng bộ nối tiếp để truyền dữ liệu ở chế độ song công toàn phần full-duplex (hai chiều, hai phía), do công ty Motorola thiết kế nhằm đảm bảo sự liên hợp giữa các vi điều khiển và thiết bị ngoại vi một cách đơn giản và giá rẻ Đôi khi SPI còn được gọi là giao diện bốn-dây (tiếng Anh:

four-wire)

Khác với cổng nối tiếp chuẩn (tiếng Anh: standard serial port), SPI là giao diện đồng

bộ, trong đó bất cứ quá trình truyền nào cũng được đồng bộ hóa với tín hiệu đồng hồ tăctơ chung, tín hiệu này sinh ra bởi thiết bị chủ động (bộ vi xử lí) Thiết bị ngoại vi bên phía nhận (bị động) làm đồng bộ quá trình nhận chuỗi bit với tín hiệu đồng hồ tăctơ Có thể kết nối một số vi mạch vào mỗi giao diện ngoại vi nối tiếp của vi mạch-thiết bị chủ động Thiết bị chủ động chọn thiết bị bị động để truyền dữ liệu bằng cách kích hoạt tín hiệu "chọn chip" (tiếng Anh: chip select) trên vi mạch bị động Thiết bị ngoại vi nếu không được chọn bởi bộ vi xử lí sẽ không tham gia vào quá trình truyền theo giao diện SPI

Trong giao diện SPI có sử dụng bốn tín hiệu số:

MOSI hay SI — cổng ra của bên chủ động, cổng vào của bên bị động (tiếng Anh: Master Out Slave In), dành cho việc truyền dữ liệu từ thiết bị chủ động đến thiết bị bị động

MISO hay SO — cổng vào của bên chủ động, cổng ra của bên bị động (tiếng Anh: Master In Slave Out), dành cho việc truyền dữ liệu từ thiết bị bị động đến thiết bị chủ động

SCLK hay SCK — tín hiệu đồng hồ tăctơ nối tiếp (tiếng Anh: Serial Clock), dành cho việc truyền tín hiệu đồng hồ tăctơ dành cho thiết bị bị động

CS hay SS — chọn vi mạch, chọn bên bị động (tiếng Anh: Chip Select, Slave Select)

Về bản chất, SPI là sự hoán đổi dữ liệu giữa 2 bên Việc chuẩn bị dữ liệu của 2 bên được thực hiện từ trước khi thao tác trao đổi dữ liệu xảy ra Dữ liệu Slave trả về là nội dung của thanh ghi dữ liệu của SPI tích hợp trên Slave