Tìm hiểu cảm biến đo vị trí và dịch chuyển môn kỹ thuật đo lường 2

Vị trí và dịch chuyển được hiểu như là việc đo lường khoảng cách từ điểm này đến một điểm bất kỳ khác. Đòi hỏi các phép đo chính xác và các hàm truyền tuyến tính đối với các cảm biến liên quan.Để làm các phép đo này, có thể dùng các cảm biến sau: Cảm biến điện trở. Cảm biến điện cảm. Cảm biến điện dung. Cảm biến truyền sóng đàn hồi. Cảm biến tiệm cận. Cảm biến siêu âm.Gồm có các phần sau:1. Khái niệm2. Các phương pháp xác định vị trí và dịch chuyển3. Một số loại cảm biến vị trí và dịch chuyển 4. Cảm biến siêu âm JSN – SR04T

Môn học : KĨ THUẬT ĐO 2

Chủ đề : CẢM BIẾN ĐO VỊ TRÍ VÀ DỊCH CHUYỂN

Khái niệm

Các phương pháp xác định vị trí và dịch chuyển

Một số loại cảm biến vị trí và dịch chuyển

Cảm biến siêu âm JSN – SR04T

1

2

3

4

❑ Vị trí và dịch chuyển được hiểu như là việc đo lường khoảng cách từ điểm này đếnmột điểm bất kỳ khác.

❑ Đòi hỏi các phép đo chính xác và các hàm truyền tuyến tính đối với các cảm biếnliên quan

❑ Để làm các phép đo này, có thể dùng các cảm biến sau:

- Cảm biến điện trở

- Cảm biến điện cảm

- Cảm biến điện dung

- Cảm biến truyền sóng đàn hồi

- Cảm biến tiệm cận

- Cảm biến siêu âm

Cảm biến điện tr ở Cảm biến điện cảm

Cảm biến điện dung Cảm biến truyền sóng đàn hồi

Cảm biến tiệm cận Cảm biến siêu âm

❑ Việc xác định vị trí và khoảng cách đóng vai rất quan trọng trong kỹ thuật nên có 2phương pháp để xác định vị trí và dịch chuyển :

➢ Bộ cảm biến cung cấp tín hiệu là hàm phụ thuộc vị trí của một trong các phần tử củacảm biến, đồng thời phần tử này có liên quan đến vật cần xác định dịch chuyển

➢ Ứng với một dịch chuyển cơ bản, cảm biến phát ra một xung Việc xác định vị trí vàdịch chuyển được tiến hành bằng cách đếm số xung phát ra

❑ Một số cảm biến không đòi hỏi liên kết cơ học giữa cảm biến với vật cần đo vị trí vàkhoảng cách

❑ Mối quan hệ giữa cảm biến và vật dịch chuyển được thực hiện thông qua vài trò trunggian của điện trường, từ trường…

1) Cảm biến điện trở (điện thế kế điện trở):

❑ Loại cảm biến này có cấu tạo đơn giản, tín hiệu đo lớn và không đòi hỏi mạch điện để

xử lý tín hiệu.Tuy nhiên với các điện thế kế điện trở có con chạy cơ học có sự cọ xátgây ồn và mòn, số lần sử dụng thấp và chịu ảnh hưởng của môi trường khi có bụi vàẩm

• Điện thế kế dùng con chạy cơ học

• Điện thế kế không dùng con chạy cơ học

❑ Cảm biến điện trở gồm 2 loại

a) Điện thế kế dùng con chạy cơ học:

chuyển được gọi là con chạy Con chạy được liên kết cơ học với vật chuyển độngcần khảo sát

- Đối với điện thế kế chuyển động thẳng (hình a):

-Đối với điện thế kế dịch chuyển tròn hoặc xoắn (hình b,c):

b) Điện thế kế không dùng con chạy cơ học:

❑ Điện thế kế dùng con trỏ quang:

1) Điot phát quang2) Băng đo

3) Băng tiếp xúc4) Băng quang dẫn

❑ Điện thế kế dùng con trỏ từ:

𝑅1,𝑅2 : điện trở

- Cảm biến tự cảm đơn gồm một cuộn dây quấn trên lõi thép cố định ( phần tĩnh )

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

động có khe hở không khí tạo thành mạch từ hở

- Hệ số tự cảm của cuộn dây cũng có thể thay đổi do thay đổi tổn hao sinh ra bởi dòng

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

N : số vòng dây

𝑅𝛿 = 𝛿

s : tiết diện thực của khe hở không khí

𝛿 ∶ chiều dài của khe hở không khí

III / MỘT SỐ LOẠI CẢM BIẾN VỊ TRÍ VÀ DỊCH CHUYỂN

➢ Cảm biến tự cảm kép lắp theo kiểu vi sai : Để tăng độ nhạy của cảm biến và độ tuyếntính của cảm biến, người ta thường dùng cảm biến tự cảm mắc theo kiểu vi sai

b Cảm biến hổ cảm

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

mắc cảm biến theo sơ đồ vi sai Khi mắc vi sai thì độ nhạy của cảm biến sẽ tăng gấpđôi 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 Các cuộn thứ cấp nối ngượcvới nhau sao cho suất điện động của chúng triệt tiêu lẫn nhau

- Ưu điểm :

✓ Phát hiện được cả khoảng cách và chiều di chuyển

✓ Độ chính xác cao

✓ Làm việc trong môi trường khắc nhiệt

✓ Ít ảnh hưởng bởi rung động

- Nhược điểm : không phù hợp đo khoảng cách lớn

- Ứng dụng : đo dịch chuyển tuyến tính

3) Cảm biến điện dung

a) Khái niệm

- Cảm biến kiểu tụ không tiếp xúc do những thay đổi về tính chất điện

tương ứng thường gọi là cảm biến điện dung.

− Điện dung mô tả hai vật dẫn điện cách nhau một khoảng phản ứng lại với sự chênh lệch giữa chúng.

b) Phân loại:

− Cảm biến thân kim loại

Điện trường được tạo ra khi áp thế vào hai phía vật dẫn

4) Cảm biến dịch chuyển dùng sóng đàn hồi

❑ Nguyên lý đo dịch chuyển bằng sóng đàn hồi :

giữa hai điểm trong vật rắn cách nhau một khoảng l xác định bởi biểu thức:

❑ Sơ đồ nguyên lí:

a ) Cảm biến sử dụng phần tử điện áp

❑ Hiệu ứng áp điện là hiện tượng khi một tấm vật liệu áp điện (thí dụ thạch anh) bị biến dạng dưới tác dụng của một lực cơ học có chiều nhất định, trên các mặt đối diện của tấm xuất hiện một lượng điện tích bằng nhau nhưng trái dấu, ngược lại

dưới tác động của điện trường có chiều thích hợp, tấm vật liệu áp điện bị biến dạng.

b Cảm biến âm từ

✓ Đầu sensor nhỏ có thể lắp ở nhiều nơi.

✓ Có thể sử dụng trong môi trường khắc nghiệt

❑ Một số thuật ngữ thường sử dụng :

- Vật chuẩn ( standard object )

Một vật được xem là vật chuẩn nếu hình dạng, vật

liệu, kích cỡ, v.v.v của vật phải phù hợp để phát

huy được các đặt tính kỹ thuật của sensor

-Thời gian đáp ứng ( response time )

Bề mặt cảm biến

Cảm Biến Tiệm Cận

Dãi hoạt động

Vật Cả

m Biến

Trong dải hoạt động

Ngoài dải hoạt động

+ t1 : Khoảng thời gian từ lúc đối tượng chuẩn chuyển động đi vào vùng phát hiện của

b Cảm biến tiệm cận điện cảm

❑ Cấu trúc:

-Một bộ cảm biến tiệm cận điện cảm gồm có 4 khối chính:

+ Cuộn dây và lõi ferit

❑ Phân loại :

Cảm Biến

Sensor

Shielded

Từ trường được tập trung trước

mặt sensor nên ít bị nhiễu bởi

kim loại xung quanh, tuy nhiên

khoảng cách đo ngắn đi

Sensor

Không có bảo vệ từ trường xung

quanh mặt sensor nên khoảng

- Loại không có bảo vệ

❑ Những yếu tố ảnh hưởng đến cảm biến tiệm cận điện cảm:

phát hiện

Kim loại không chứa sắt (nhôm, đồng, …)

Vậ t

Đầu Sensor

Kim loại có từ tính (sắt, SUS, …)

Vậ t

Đầu Sensor

+ Khoảng cách phát hiện của sensor phụ thuộc

rất nhiều vào vật liệu của vật cảm biến

+ Các vật liệu có từ tính hoặc kim loại có chứa

sắt sẽ có khoảng cách phát hiện xa hơn các vật

liệu không từ tính hoặc không chứa sắt

Iron

SUS Brass Aluminum

-Kích cỡ của đối tượng

Khoảng cách phát hiện

Kích thước vật lớn Vật

Đầu Sensor

Vật

Đầu Sensor

Kích thước vật nhỏ

-Bề dày của đối tượng:

Với vật cảm biến thuộc nhóm kim loại có từ tính (sắt, niken, SUS, …), bề dày vật phảilớn hơn hoặc bằng 1mm

Standard sensing object: 1mm 0.039inch

❑ Ưu điểm, nhược điểm của cảm biến tiệm cận điện cảm

-Ưu điểm :

+ Phát hiện vật không cần phải tiếp xúc

+ Không gây nhiễu cho các sóng điện từ, sóng siêu âm

+ Tốc độ đáp ứng nhanh

+ Có thể sử dụng trong môi trường khắc nghiệt

+ Đầu cảm biến nhỏ, có thể lắp đặt ở nhiều nơi

-Nhược điểm :

+ Khoảng phát hiện vật còn hơi nhỏ

+ Chỉ phát hiện được các vật bằng kim loại

❑ Giới thiệu các đầu cảm biến tiệm cận điện cảm trong thực tế

❑ Một số ứng dụng của ứng dụng của cảm biến tiệm cận điện cảm

- Phát hiện việc đóng nắp nhôm các chai bia

-Phát hiện các lá kim loại trên giấy bọc

6) Cảm biến siêu âm

a Cấu tạo và nguyên lí hoạt động

-Siêu âm là sóng cơ học có tần số lớn hơn tần số của âm thanh nghe thấy ( trên 20kHz)

-Cảm biến siêu âm là thiết bị dùng để xác định vị trí của các vật thông qua phát sóng siêu âm

❑ Nguyên lí hoạt động:

Để đo được khoảng cách, cảm biến siêu âm phát ra một

xung rất ngắn khoảng 5 micro giây từ chân trig Sao đó

cảm biến sẽ tạo ra một xung HIGH ở chân Echo khi nhận

được tín hiệu trở về

𝐿 0 = 𝑣𝑡𝑐𝑜𝑠𝜃

2

với v : vận tốc sóng siêu âm ( 343 m/s trong không khí )

t : thời gian từ lúc phát đến lúc thu

❑ Tín hiệu vào ra của cảm biến :

-Tín hiệu vào : điện áp

-Tín hiệu ra : tần số

b Thông số kĩ thuật

-Điện áp hoạt động: 5VDC-Dòng cấp: < 2mA

-Góc quét:<15 độ

-Điện áp: DC 5V

-Dòng điện:2mA

- Output Level:5V

c Ưu điểm và nhược điểm

❑ Ưu điểm

✓ Đo được khoảng cách rời rạc của vật di chuyển

✓ Ít ảnh hưởng bởi vật liệu và bề mặt

✓ Không ảnh hưởng bởi màu sắc

✓ Tín hiệu đáp ứng tuyến tính với khoảng cách

✓ Có thể phát hiện với khoảng cách xa

❑ Nhược điểm:

✓ Sóng phản hồi bị ảnh hưởng của sóng âm thanh tạp âm

✓ Cần một khoảng thời gian sau mỗi lần sóng phát đi để sẵn sang nhận sóng

phản hồi => chậm hơn cảm biến khác

✓ Khó phát hiện vật có mật độ chất thấp ở khoảng cách xa

❑ Bố trí cảm biến :

e Ứng dụng :

❑ Cảm biến siêu âm được sử dụng rất nhiều trong các khu vực nhà máy công

nghiệp; dây chuyền sản xuất, khu vực bệnh viện…

- JSN-SR04T-2.0 là cảm biến đo khoảng cách bằng siêu âm, khoảng cách đo từ 600cm, sai số trong khoảng 2mm

được sản xuất theo quy trình công nghiệp, chống thấm nước, hiệu suất ổn định và tương thích với tất cả các MCU hiện có trên thị trường

cách cảm biến từ 20cm trở lên