Cảm biến tốc độ

Cảm biến tốc độ

Giáo viên hướng dẫn: Bùi Thu Hà

Vận tốc là đại lượng vật lý ở dạng véc-tơ, có độ lớn đặc trưng cho

tính chất nhanh hay chậm của chuyển động và phương chỉ phương của chuyển động.

Khái niệm

Vận tốc tức thời mô tả sự nhanh chậm và chiều chuyển động tại một

thời điểm nào đó trên đường đi của vật

Vận tốc trung bình là vận tốc chuyển động tính đều trên quãng

đường chuyển động của vật

Vận tốc tức thời mô tả sự nhanh chậm và chiều chuyển động tại một

thời điểm nào đó trên đường đi của vật

Vận tốc trung bình là vận tốc chuyển động tính đều trên quãng

đường chuyển động của vật

Dựa vào sự chuyển

động

Dựa vào loại chuyển

động

Vận tốc của chuyển động quay hay vận tốc góc là đại lượng

vec tơ thể hiện mức độ thay đổi theo thời gian vị trí góc của vật

và hướng của sự chuyển động này.

Vận tốc của chuyển động tịnh tiến

Nguyên lý đo vận tốc

 Trong công nghiệp , phần lớn

trường hợp đo vận tốc là đo

tốc độ quay của máy Độ an

toàn cũng như chế độ làm việc

của máy phụ thuộc rất lớn vào

tốc độ quay Trong trường hợp

chuyển động thẳng , việc đo

vận tốc dài cũng thường được

chuyển về đo tốc độ quay Bởi

vậy , các cảm biến đo vận tốc

góc đóng vai trò quan trọng

trong việc đo vận tốc.

Ánh sáng được phát ra từ khe thứ nhất của một bánh xe quay rất nhanh, truyền đến một cái gương vf phản xạ trở lại Thay đổi vận tốc quay của bánh xe và khoảng cách từ báng xe đên gương sao cho khi ánh sáng phản xạ trở lại đi qua đúng khe tiếp theo của bánh xe

Như vậy thời gian truyền sáng là 2S/c chính bằng thời gian bánh xe quay được giữa hai khe liên

 Sử dụng tốc độ kế vòng kiểu điện từ: nguyên lý hoạt động dựa trên

hiện tượng cảm ứng điện từ Cảm biến gồm có 2 phần: phần cảm

( nguồn từ thông) và phần ứng ( phần có từ thông đi qua) Khi có

chuyển động tương đối giữa phần cảm và phần ứng , từ thông đi qua phần ứng biến thiên , trong nó xuất hiện suất điện động cảm ứng xác đinh theo công thức:

Thông thương từ thông qua phần ứng có dạng:

Trong đó x là biến số của vị trí thay đổi theo vị trí góc quay hoặc theo đường thẳng, khi đó suất điện động e xuất hiện trong phần ứng có

dạng:

Một số phương pháp đo vận tốc

Một số phương pháp đo vận tốc

Sử dụng tốc độ kế vòng loại xung:

làm việc theo nguyên tắc đo tần số

chuyển động tuần hoàn , ví dụ

chuyển động quay Cảm biến loại

này thường có 1 đĩa được mã hóa

gắn vối trục quay, chẳng hạn gồm

các phần trong suốt xen kẽ các

phần không trong suốt Cho chùm

sáng chiếu qua đĩa đến 1 đầu thu

quang , xung điện lấy từ đầu thu

quang có tần số tỉ lệ với vận tốc

quay cần đo

Cảm biến phát hiện chuyển động Busch Watchdog 220 ( cảm biến đo góc chuyển động) Máy bắn tốc độ

Đo tốc độ động cơ bằng encoder Cảm biến tốc độ kiểu

từ trở biến thiên

Máy phát tốc độ một chiều

CẤU TẠO MÁY PHÁT TỐC

Gồm có: Stato, Roto, cổ góp

và chổi điện

Stator (phần cảm) thường là 1

hay nhiều cặp nam châm

vĩnh cửu , hay nam châm

điện

Rotor (phần ứng) gồm lõi

thép hình trụ làm bằng các

lá thép kỹ thuật điện có phủ

sơn cách điện ghép lại với

nhau và cuộn dây quấn được

nối với nguồn điện một

CẤU TẠO MÁY PHÁT TỐC

Cổ góp: gồm các phiến góp

bằng đồng được ghép

cách điện, có dạng hình

trụ, gắn ở đầu trục roto,

các đầu dây của phần tử

nối với phiến góp.

Chổi điện (chổi than): làm

bằng than graphit Các

chổi tỳ chặt lên cổ góp

nhờ lò xo và giá chổi điện

gắn trên nắp máy.

Nguyên lý làm việc của máy phát tốc

Người ta gắn trục của máy phát tốc vào cơ cấu quay ( hoặc trục của động cơ điện ) cần xác định vận tốc Khi cơ cấu quay thì cuộn dây phản ứng sẽ cảm ứng một sức điện

Nguyên lý làm việc của máy phát tốc

Nguyên lý làm việc của máy phát tốc

 Pha 1: Từ trường của rotor cùng cực với

stator, sẽ đẩy nhau tạo ra chuyển động

quay của rotor.

 Pha 2: Rotor tiếp tục quay.

 Pha 3: Bộ phận chỉnh điện sẽ đổi cực

sao cho từ trường giữa stator

và rotor cùng dấu, trở lại pha 1

Đặc điểm

 Máy phát tốc một chiều có tín hiệu đầu ra là tín hiệu

điện áp mộ chiều, tín hiệu này là tín hiệu tương tự và tỷ

lệ với tốc độ quay.

 Máy phát tốc một chiều có tín hiệu đầu ra không hoàn toàn tuyến tính, vì nó phụ thuộc vào đặc tính từ hoá

của vật liệu từ.

 Ở dải tốc độ rất thấp điện áp đầu ra hầu như không có,

ở dải vận tốc cao thì điện áp đầu ra bị bão hòa.

 Do đặc điểm này mà hiện nay người ta ít dùng máy

phát tốc trong công nghiệp.

 Cấu tạo

Cảm biến từ trở biến thiên bao gồm

Nguyên lý hoạt động

 Trong cảm biến từ trở biến thiên cuộn đo có lõi từ chịu tác động của từ

trường của một nam châm vĩnh cửu.Cuộn này đặt đối diện với một đĩa quay làm bằng vật liệu sắt từ có khía răng(hoặc bánh răng).khi đĩa quay , từ trở của mạch từ của cuộn dây biến thiên một cách tuần hoàn làm xuất hiện

trong cuộn dây một suất điện động có tần số tỷ lệ với tộc độ quay.

p - số lượng răng trên đĩa

n - số vòng quay của đĩa trong một giây

Nguyên lý hoạt động

Biên độ E của suất điện động trong cuộn dây phụ thuộc vào

hai yếu tố chủ yếu:

-Khoảng cách giữa cuộn dây và đĩa quay:khoảng cách

này(chính là khe từ ) càng lớn thì biên độ của suất điện động càng nhỏ.Thông thường sự thay đổi khoảng cách này không vượt quá vài mm.

-Tốc độ quay:về nguyên tắc biên độ của suất điện động tỷ

lệ thuận với tốc độ quay.Khi tốc độ quay rất nhỏ biên độ sẽ quá bé để có thể phát hiện được nó, do vậy có vùng tốc độ

“chết” mà ở đó không thể đo được suất điện động.Vùng này

Nguyên lý hoạt động

Dải đo của cảm biến từ trở biến thiên phụ thuộc vào số răng p của đĩa Tốc độ tối thiểu Vmin có thể đo được sẽ rất nhỏ khi p lớn.Tốc độ tối đa Vmax có thể đo được càng lớn khi p càng nhỏ.

Khi bánh răng có lỗi

Đặc điểm ứng dụng

Loại cảm biến này thường

đươc sử dụng cho cảm biến

Encoder là gì ?

Là bộ chuyển đổi các tập tin đa phương tiện từ

định dạng chuẩn sang định dạng không chuẩn

nhằm phục vụ mục đích lưu trữ

Encoder mục đích dùng để quản lý vị trí góc của một đĩa quay, đĩa quay có thể là bánh xe,

trục động cơ, hoặc bất kỳ thiết bị quay nào cần xác định vị trí góc.

Encoder dùng để làm gì ?

Khi động cơ quay, encoder gắn đồng trục với động cơ sẽ biến đổi chuyển động quay này thành một chuỗi liên tục các xung điện Nhờ đó mà vi xử lý

Tín hiệu số xuất ra

Các bộ nhận quang (photo-transistor)

1 hoặc nhiều bộ phát quang

(LED)

Trục của encoder

Bao gồm một đĩa plastic hoặc thủy tinh quay giữa một/nhiều nguồn phát

sáng (LED) và một/ nhiều photo-transistor nhận quang.

Encoders sử dụng nhiều cách khác nhau để tạo ra tín hiệu Các encoder

thông thường sử dụng công nghệ, cơ học, từ trường, điện trở, quang học

Một tia sáng phát ra từ một LED xuyên qua khe hở của đĩa kim loại Tia

sáng đó kích thích những photon, được hiểu là các sensor ánh sáng Các

sensor này sẽ phản xạ lại một chùm sáng, sinh ra một sóng hình sin, sóng

này được biến đổi thành sóng vuông hoặc các xung truyền đi Các xung tín hiệu này sau khi truyền đến bộ đếm hoặc bộ điều khiển chúng sẽ cho tín hiệu

để có các chức năng mong muốn.

Nguyên lý làm việc của Encoder:

Cấu tạo

Loại 1: Encoder tương đối

 Xung xuất ra được đếm để cung cấp vị trí quay của encoder Mỗi incremental step sẽ xuất ra một xung tương ứng.

LED ph át

Phototransistor

thu

Trục

Đĩa quay Code track

Kênh A Kênh B

A B Z

 D ùng 2 xung A và B để nhận biết chiều quay của encoder Nếu xung A lên

Bộ thu phát hồng ngoại

Cấu tạo

Bộ thu phát hồng ngoại

Mạch ngõ ra của encoder

Hình dạng Encoder thực tế

 Encoder tuyệt đối gồm nhiều bộ nhận quang (có thể tối đa tới gần 20 track) Ứng với mỗi vị trí của encoder có một tín hiệu ra nhị phân vi sai để xác định chính xác vị trí trục của encoder.

 Với encoder tuyệt đối, thông tin về vị trí vẫn không thay đổi ngay cả khi tắt và bật nguồn encoder trở lại.

Loại 2: Encoder tuyệt đối

Loại 2: Encoder tuyệt đối

1 Loại Encoder cần sử dụng:

Một Số Lưu Ý Khi Chọn Encoder

2 Encoder loại absolute hay incremental:

I.Mạch phát hiện chiều quay

 Phát hiện trạng thái chuyển tiếp của B khi A ở mức thấp:

variable reluctance sensor

Tăng độ phân giải cho encoder ?

Sử dụng mạch vi phân RC + Diode ngược

 Đưa 2 tín hiệu A và B vào cổng XOR => tăng độ phân giải gấp đôi

 Có thể tăng độ phân giải lên gấp 4 bằng cách lấy vi

phân cạnh lên các tín hiệu sau cổng XOR, đưa qua

mạch đơn ổn để tạo xung kích và kết hợp lại bằng cách

sử dụng cổng OR các xung kích này

Gấp đôi và gấp 4 độ phân giải

Đưa 2 tín hiệu A và B vào cổng XOR => tăng độ phân giải gấp đôi

Lấy vi phân

Kết hợp lại bằng cách

dùng cổng OR

Sơ đồ mạch thực hiện

Mạch đơn ổn Kết hợp xung

Mạch xác định chiều quay bằng xung

clock ngoài đưa vào

 Đặt vấn đề: nếu dùng 2 xung A, B

-Có sự rung lắc cơ khí, tạo ra các xung có bề rộng rất nhỏ bên cạnh xung chính=> xác định sai chiều.

-Sự chồng chập tín hiệu vào và nhiễu => sai số bộ

đếm=>phải lọc nhiễu bằng low-pass filter.

 Không yêu cầu dùng các mạch RC để lấy vi phân cạnh

Đồng bộ với A, B Dịch pha hơn A0, B0 mo chu kỉ T1

Bảng chân trị

1,3,5,7: chiều thận

9, 11, 13, 15: chiều nghịch

Ứng dụng Encoder

Mạch đo từ 0-99 dùng encoder tương đối

Ứng dụng của encoder trong hệ thống điều khiển

 Nguyên lí hoạt động :dựa trên hiện tượng cảm

ứng điện từ

 Cấu tạo gồm 2 phần :phần cảm và phần ứng

Nguyên tắc nối dây :nối thành 2 cụm

mỗi cụm các dây mắc nối tiếp với nhau

,hai cụm mắc ngược chiều nhau

Tốc độ kế dòng xoay chiều

Máy phát đồng bộ:

Thực tế là một máy phát

điện xoay chiều

nhỏ.Rôto là nam châm,

stato có các cuộn dây bố

trí đều cung cấp suất

điện động cảm ứng có

biên độ tỉ lệ với tốc độ

quay của roto.

Sử dụng tốc độ kế vòng loại xung

Nguyên lí hoạt động:đo tần số chuyển động của vật

chuyển động tuần hoàn.Vd:chuyển động quay…Tín

hiệu xung điện lấy ra từ cảm biến có tần số tỉ lệ với vận tốc quay cần đo.

Cấu tạo:thường có 1 đĩa được mã hóa gắn với trục

quay chẳng hạn như 1 đĩa kim loại được khoan, cắt

vát , mặt phản xạ

-Có tính chụi đựng tốt trong môi trường độc hại ,khả năng chống nhiễu chống suy giảm cao, dễ biến đổi biến hiệu sang số.

Ứng dụng

-Cảm biến từ trở biến thiên khi vật quay là sắt từ

-Cảm biến từ điện trở khi vật quay là nam châm

-Cảm biến quang cùng với nguồn sáng sử dụng khi trên vật quay có các lỗ,đường vát…

Máy đo góc tuyệt đối

Cấu tạo:gồm 2 phần

Phần động gắn với trục quay chứa cuộn sơ cấp được kích

thích bằng song mang có tần số 2-10khz qua máy biến áp quay.Phần tĩnh có 2 dây quấn thứ cấp (cuộn sin và cuộn cos) đặt lệch nhau 90°.