Bài giảng Hệ thống cơ điện tử: Chương 2 - TS. Ngô Hà Quang Thịnh

Bài giảng Hệ thống cơ điện tử: Chương 2 Thành phần đầu vào của hệ thống cơ điện tử cung cấp cho người học những kiến thức như: Môđun môi trường; Môđun đo lường; Bộ cảm biến và bộ chuyển đổi; Cảm biến đo chuyển vị; Cảm biến đo lực; Cảm biến nhiệt; Cảm biến tiếp xúc;...Mời các bạn cùng tham khảo!

Thành Phần Đầu Vào Của Hệ

Thống Cơ Điện Tử

GV: TS Ngô Hà Quang Thịnh Khoa: Cơ-Điện

Mô Đun Môi Trường

Mô Đun Môi Trường

Môđun môi trường hình thành từ điều kiện biên hoặc các tiêuchuẩn, quy tắc thực tế và chức năng thực hiện của hệ thống.Môđun môi trường vừa đóng vai trò đầu vào vừa đóng vai tròđầu ra của hệ thống sản phẩm

Ví dụ: xe tải có bộ giảm xóc thông minh, bộ giảm xóc này cóthể chỉnh sao cho xe có thể chạy trên đường xóc, khi quẹo hoặcchuyển động trên đường khập khễnh v…v cũng y như chạy trênđường bằng phẳng Trường hợp này độ nhấp nhô mặt đường làđiều kiện biên

Mô Đun Môi Trường

► Liên quan đến các thông số bên ngoài

► Vừa đóng vai trò đầu vào, đầu ra

► Không hiện diện trong sản phẩm cơ điện tử

► Đặc biệt đối với các hệ thống điều khiển trong công nghiệp chú ý môi trường điện từ trường và nhiễu tín hiệu do đột biến áp khi kích hoạt động

cơ ba pha nối tam giác

Mô Đun Đo Lường

Mô Đun Đo Lường

Cảm biến: cảm nhận đại lượng đang được đo bằng cách sinhtại đầu ra của nó một tín hiệu tương ứng

Xử lý tín hiệu: chuyển đổi các tín hiệu từ cảm biến thành trạngthái phù hợp để hoặc hiển thị hoặc vào mô đun xử lí

Hệ thống hiển thị: nơi tín hiệu ra từ bộ xử lý tín hiệu được thểhiện dưới dạng con số so với đơn vị đo( hiển thị số) hoặc dạngbiểu đồ ( hiển thị tương tự)

Mô Đun Đo Lường

Khi thiết kế hệ thống đo, lưu ý các yêu cầu sau:

Nhận dạng bản chất các yêu cầu của phép đo: vùng giá trị, độchính xác, tốc độ phép đo,độ tin cậy và môi trường đo

Nhận dạng đầu ra: dạng hiển thị yêu cầu, thông số đo là mộtphần của hệ thống điều khiển ( ví dụ: các ứng dụng điều khiển

có thể yêu cầu dòng điện từ 4-20mA)

Nhận dạng các sai lệch của cảm biến: toàn thang đo, độ chínhxác, tính tuyến tính, tốc độ đáp ứng, độ tin cậy, khả năng duy trì,tuổi thọ, nguồn cấp

Chọn giải pháp xử lý tín hiệu phù hợp

Mô Đun Đo Lường

Bộ Cảm Biến & Bộ Chuyển Đổi

Bộ Cảm Biến

Cảm Biến Đo Chuyển Vị

Bộ cảm biến cung cấp tín hiệu là hàm phụ thuộc vào vị trí củamột trong các phần tử của cảm biến, đồng thời phần tử này cóliên quan đến vật cần xác định dịch chuyển

Cảm Biến Đo Tốc Độ

Cảm biến này có thể đo tốc độ góc và độ tịnh tiến, đó là các bộ

mã hóa quang học gia số (incremental encoder) và bộ đo tốc độgóc (tachognerator)

Cảm Biến Đo Lực & Áp Suất

Cảm biến đo lực: đo lực có thể xác định qua các đại lượng

trung gian như khoảng cách dịch chuyển khi dung tế bào đo lựctenxơ

Cảm biến đo áp suất: thông qua biến dạng dẻo do chênh

lệch áp tại hai phía màng ngăn, đầu chặn hoặc ống nhờ một sốsensor do chuyển dịch

Cảm Biến Đo Lưu Lượng & Mức

Cảm biến đo lưu lượng: dạng tấm có lỗ thông qua biến trung

gian áp suất hoặc dạng tua-bin thông qua sự quay của roto (vậntốc góc tỉ lệ thuận với tốc độ lưu lượng

Cảm biến đo mức chất lỏng: nguyên lí kiểm soát chuyển

động của phao hoặc chênh lệch áp lực

Cảm biến đo mức chất lỏng

Cảm Biến Nhiệt

Cảm biến nhiệt: ở đây sự thay đổi nhiệt độ dẫn đến sự giãn

hoặc co vật chất rắn, lỏng hoặc khí, tạo nên sự thay đổi điện trởcủa dây dẫn hoặc bán dẫn Cảm biến nhiệt có thể sử dụngnguyên lí của bimental, cảm biến nhiệt điện trở, điện trở nhiệt,cặp nhiệt ngẫu

Cảm Biến Tiếp Xúc

Cảm biến tiếp xúc: đây là các công tắc giới hạn hành trình

được dùng trong chuyển động bàn máy của các máy công cụ tựđộng nhỏ để đóng tiếp xúc

Cảm Biến Không Tiếp Xúc

Cảm biến không tiếp xúc: như công tắc lưỡi từ (magnetic

reed sensor), cấu tạo bởi 2 tiếp điểm vật liệu feromagnetic đượcđóng kín trong một ống thủy tinh nhỏ chứa đầy khí trơ- nitơ

Đây là một sensor nhận dạng không tiếp xúc, thường được sửdụng để cảm nhận vị trí của tay đòn piston xi lanh khí nén và gócquay trong các thành phần kích truyền động tròn như tốc kế góc(tachometer)

Cảm Biến Nhận Dạng Điện Cảm

Cảm biến tiếp cận điện cảm (inductive proximity sensor)

Loại cảm biến này dùng để cảm nhận những đối tượng bằng kimloại Thành phần chính: cuộn dây quấn xung quanh một lõi sắt,mạch tạo dao động, mạch cảm biến dòng, và công tắc bán dẫn

Cảm Biến Nhận Dạng Điện Cảm

Những ứng dụng:

Cảm Biến Nhận Dạng Điện Dung

Cảm biến tiếp cận điện dung (capacitive proximity sensor)

Loại cảm biến tiếp cận này dùng cảm nhận những đối tượng dựa vào khả năng tích điện của đối tượng Do đó loại này có thể cảm nhận sự hiện diện của tất cả các loại đối tượng (kim loại cũng như phi kim, e.g gỗ, giấy, nước, nhựa …) Thành phần chính: mạch tạo dao động, mạch cảm biến dòng, 1 bản cực nội, và công tắc bán dẫn.

Cảm Biến Nhận Dạng Điện Dung

Một số ứng dụng

Cảm Biến Nhận Dạng Quang Điện

Cảm biến nhận diện quang điện (photoelectric proximiti

sensor) : còn được gọi là cảm biến tiệm cận, dùng để phát hiện

sự có mặt của một vật thể, khoảng cách nhận dạng có thể lênđến 100m

Xử Lý Tín Hiệu

Mạch Giao Tiếp

Thuật ngữ mạch giao tiếp (interface) được sử dụng để chỉnhững sự kết nối giữa thiết bị và một cổng

Đó có thể là những đầu ra từ các cảm biến, các đóng ngắt,các bảng chuyển mạch và các đầu ra tới màn hiển thị hoặc hệkích truyền động

Quá Trình Xử Lý Tín Hiệu

Tránh hư hại thiết bị khỏi dòng hoặc điện ápcao như điện trở giới hạn dòng, cầu chì,mạch giới hạn điện áp và bảo vệ cực

Bộ Khuếch Đại Thuật Toán

Op-Amp thường Op-Amp lý tưởng

Một Op-Amp có các ngõ vào (Input signal) và các ngõ ra(Output signal) có quan hệ như sau:

Output signal = A x Input signal

Trong đó A là hệ số khuếch đại

Tùy thuộc vào tín hiệu vào và tín hiệu ra, có 4 loại sau: điện ápra/ điện áp vào, dòng điện ra/ dòng điện vào, điện áp ra/ dòngđiện vào, dòng điện ra/ điện áp vào

Bộ Khuếch Đại Thuật Toán

LM741 là một bộ khuếch đại thuật toán thông dụng hoạt độngtheo các chuẩn công nghiệp hiện nay

Một số đặc tính của Op-amp LM741 như sau:

• Điện áp nguồn: ±18V

• Công suất tiêu thụ: 500mW

• Tín hiệu ngõ vào tối đa: ±15V

• Tín hiệu vi sai ngõ vào tối đa: ±30V

Bộ Khuếch Đại Thuật Toán

5 giả thiết về đặc tính làm việc lý tưởng của Op-amp trong vùng làm việc tuyến tính

• Hệ số khuếch đại vô cùng lớn, A = ∞

 v1 = v2

• Trở kháng vào vô cùng lớn: Rin = ∞

 i1 = i2 = 0

• Trở kháng ra vô cùng bé: Rout = 0

 Không tiêu hao năng lượng

• Băng thông vô cùng lớn

 Không giới hạn tần số làm việc

• Đường đặc tuyến luôn đi qua điểm gốc tọa độ

 Vout = 0 (khi v1 = v2)

Đặc tính làm việc của các mạch Op-amp ứng dụng (hệ số khuếch đại, trở kháng, và đáp ứng tần số) đều được xác định bởi các linh kiện (điện trở, tụ điện) được nối trong mạch.

Các Mạch Op-amp Cơ Bản

Các Mạch Op-amp Cơ Bản

• Mạch lặp điện áp

Các Mạch Op-amp Cơ Bản

Thí dụ : một phần tử đo sơ cấp có tín hiệu ra biến thiên từ 0 đến 100 mV khi biến được đo thay đổi trong toàn bộ phạm vi hoạt động Thiết

kế mạch khuếch đại đảo để tạo ra một tín hiệu

Các Mạch Op-amp Cơ Bản

Thí dụ : một phần tử đo sơ cấp có tín hiệu ra biến thiên từ 0 đến 100 mV khi biến được đo thay đổi trong toàn bộ phạm vi hoạt động Thiết

kế mạch khuếch đại không đảo để tạo ra một tín hiệu ra biến thiên từ 0 đến 5 V.

Giải: Hệ số khuếch đại: A = 5 / 0.1 = 50

Chọn

Lưu ý: giá trị của Ri và Rf thường được chọn sao cho:

Các Mạch Op-amp Cơ Bản

Thí dụ : Theo thước đo về sự thoải mái, hệ thống điều hòa của một tòa nhà sẽ hoạt động khi tổng giá trị trả về từ bộ cảm biến nhiệt độ và bộ cảm biến độ ẩm là 1 V Điện áp ngưỡng để kích hoạt hệ thống điều hòa là 5 V Thiết kế mạch giao tiếp để kết nối tín hiệu của hai bộ cảm biến với hệ thống điều hòa.

Nếu

Các Mạch Op-amp Cơ Bản

Nếu và

Các Mạch Op-amp Cơ Bản

Các Mạch Op-amp Cơ Bản

Thí dụ : Tín hiệu hằng số 100 mV áp vào một mạch tích phân Mạch có trở kháng là 10 k 

và điện dung là 1  F

• Xác định biểu thức của tín hiệu ngõ ra ở thời điểm t2.

• Nếu t1 = 5 s và vout(t1) = +10 V, xác định thời điểm t2 khi Op-amp đạt đến trạng thái bảo hòa (ở giá trị -16 V).

Giải :

Các Mạch Op-amp Cơ Bản

Mạch Bảo Vệ

Tại đường vào các mạch bảo vệ có thể sử dụng loạt điện trởgiới hạn dòng đến mức chấp nhận hoặc cầu chì ngắt nếu dòngvượt quá

Trường hợp muốn cách li mạch hoàn toàn và loại bỏ các mốinối điện giữa chúng có thể sử dụng cách li bằng quang (optoisolator)

Cách ly bằng transitor quang

Cầu Watson

Cầu Watson

Ứng dụng để thực hiện mạch bù nhiệt độ (Temperature compensation) bù nhiệt ngẫu (Thermocuple compensation).

Mạch cầu cân bằng:

Thí dụ: Một mạch cầu Watson được dùng để đo

một giá trị điện trở chưa biết (Rs như hình trên)

Biến trở R3 được cân chỉnh cho đến khi mạch

cầu cân bằng Khi mạch cầu cân bằng, R2 = 500

, R3 = 226 , và R4 =1000  Xác định giá trị

Rs.

Giải :

Tín Hiệu Số

Tín Hiệu Số

Chuyển đổi tương tự số (analog to digital converter):

Một nhóm các bit gọi là

từ, chiều dài từ có n bit

toàn thang đầu tương tự

VFS sẽ được chia thành

2n mẫu

VD: Một bộ chuyển đổi

tương tự số có chiều dài

là 10 bit và tín hiệu tương

tự ở toàn thang là 10V,

khi đó độ phân dải sẽ là

10/210 =9, 8mV

Tín Hiệu Số

Chuyển đổi số tương tự (digital to analog converter):

Tín Hiệu Số

Bộ dồn kênh (multiplexer): thực chất là một thiết bị đảo mạch,

cho phép mỗi một tín hiệu đầu vào có thể lần lượt được lấy mẫu

Điều Biến

Điều Biến

Điều Biến (modulation): là truyền tínhiệu lần lượt (không truyền trực tiếp)

Khi truyền các tín hiệu DC mức thấp

từ các sensor và được xử lí bởi bộkhuếch đại thuật toán có thể xảy rahiện tượng trôi (drift) tín hiệu

Sau khi được truyền, các tín hiệu đãđiều biến được giải biến để trả vềtrạng thái tín hiệu ban đầu

Hệ Thống Hiển Thị

Hệ Thống Hiển Thị

Hệ Thống Hiển Thị

Hệ Thống Hiển Thị Tương Tự Hệ Thống Hiển Thị Số

Cơ Cấu Hiển Thị Cơ Cấu Chỉ Thị

oscilloscope))

Bộ hiển thị số LED 7 vạch, màn hình số quang học, màn hình tinh thể lỏng, máy in

Thiết bị ghi từ (magnet media), thiết bị ghi dữ liệu (data logger) gồm:

bộ đồn tín hiệu (multiplexer), phân nhỏ và giữ (sample

& hold) và bộ biến đổi tương tự- số (analog to digital converter

CÂU HỎI ÔN TẬP BÀI 2

1 Cảm biến là gì ? Phân loại các loại cảm biến thường dùng

2 Mô đun đo lường có chức năng gì ? Vẽ sơ đồ khối của một

mô đun đo lường

3 Xử lý tín hiệu là gì ? Nêu các phương pháp xử lý tín hiệu thường dùng trong cơ điện tử