cảm biến vị trí

cảm biến vị trí

MÔN: ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN CHƯƠNG 2: CẢM BIẾN VỊ TRÍ

Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội

GVHD: BÙI THỊ THU HÀ NHÓM SV: Giáp Thị Thảo

Đỗ Thị Thu

Thân Nhân Hưng Nguyễn Đức Khôi Trần Đình Tuấn Nguyễn Đức Vượng Phạm Thị Quỳnh Như Trịnh Duy Đăng

Nguyễn Kim Chính Phạm Thị Tuyển LỚP: CĐ ĐH ĐT 1-K5

ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN

1 Khái niệm về đo khoảng cách và phát hiện vị trí xuất hiện

Khoảng cách là đại lượng vật lý hay toán học để tính độ lớn của đoạn thẳng nối giữa hai điểm nào đó

Vị trí là tọa độ của của một điểm được tính toán theo một hệ tọa độ nhất định

A(x,y) , B(x,y) A(x,y,z) , B(x,y,z)

1.Khái niệm về đo khoảng cách và phát hiện vị trí xuất hiện

- Việc xác định vị trí và độ dịch chuyển có vai trò quan trọng trong

kỹ thuật Có 2 phương pháp đo cơ bản:

Phương pháp 1: 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 đến vật di động cần xác định vị trí

Phương pháp 2: Khi đối tượng dịch chuyển với một khoảng cách

nhất định (đã định trước), cảm biến sẽ phát ra một xung Việc xác

định vị trí và khoảng cách dịch chuyển dựa trên các xung tín hiệu

phát ra

Trong thực tế người ta còn xác định vị trí và độ dịch chuyển dựa

trên mối quan hệ giữa đối tượng và cảm biến bằng tử trường,

điện trường và ánh sáng

1.Khái niệm về đo khoảng cách và phát hiện vị trí xuất hiện

Một số yêu cầu khi thiết kế và lựa chọn cảm biến vị trí:

-Khoảng cách dịch chuyển và loại dịch chuyển (thẳng, góc)

-Độ chính xác và sai số yêu cầu

-Đối tượng đo làm bằng vật liệu gì?

-Điều kiện môi trường làm việc (độ ẩm, nhiệt độ, độ rung…)

-Khả năng nguồn cung cấp cho cảm biến

-Giá thành của cảm biến

2 Phân loại cảm biến vị trí

2

Tín hiệu đầu ra

2 Phân loại cảm biến vị trí

+) Theo nguyên lý người ta chia cảm biến làm hai loại: Cảm biến tích cực và cảm biến thụ động

Cảm biến tích cực là các loại cảm biến hoạt động như một máy phát điện, về mặt nguyên lý nó thường dựa trên các hiệu ứng vật

lý biến đổi một dạng năng lượng nào đó (như nhiệt, cơ, quang, ) thành năng lượng điện

Hiệu ứng nhiệt điện

Hiệu ứng áp điện

Hiệu ứng cảm ứng điện từ

Hiệu ứng quang điện

Hiệu ứng Hall

2 Phân loại cảm biến vị trí

Cảm biến thụ động Là các loại cảm biến được chế tạo từ các vật liệu có những thông số trở kháng nhạy với đại lượng đo Giá trị của trở kháng của cảm biến không những phụ thuộc vào hình dạng, kích thước mà còn phụ thuộc vào tính chất điện của vật liệu như: điện trở suất ρ, từ thẩm µ, hằng số điện môi ξ

Phụ thuộc vào bản chất của các vật liệu khác nhau, tính chất điện của chúng có thể nhạy với nhiều đại lượng vật lý như: nhiệt độ, độ chiếu sáng, áp suất, độ ẩm,

2 Phân loại cảm biến vị trí

+) Theo tín hiệu đầu ra

Cĩ 3 loại tín hiệu đầu ra

Tín hiệu on - offf

Tín hiệu tương tự

01

Nhiệt độ

2500

20 mA

Góc quay 000

001

010

011

2 Phân loại cảm biến vị trí

+) Theo phương pháp đo

-Cảm biến vị trí kiểu cảm ứng

-Cảm biến vị trí kiểu quang học

3.Công tắc hành trình

b, cấu tạo và nguyên lý hoạt động

-Trục điều khiển

-Tiếp điểm thường đóng

-Tiếp điểm thường mở

3.Công tắc hành trình

c, Đặc điểm ứng dụng

Ký hiệu

Đặc điểm

-Là một tiếp điểm cơ khí do đó tuổi thọ không cao, không dùng

được trong môi trường dầu, mỡ, hoá chất

Ứng dụng

- Dùng để nhận biết vị trí chuyển động của cơ cấu máy

3.Công tắc hành trình

Một số hình ảnh trong thực tế

4.Công tắc từ

b, Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Cấu tạo gồm có:

-Tiếp điểm lưỡi gà

-Nam châm vĩnh cửu

-Bóng thủy tinh hút chân không

Nguyên lý hoạt động:

- Khi tiếp điểm lưỡi gà đặt gần nam châm vĩnh cửu thì lực từ trường do nam châm sinh ra sẽ hút tiếp điểm đóng lại

- Trong thực tế, công tắc từ được ứng dụng nhiều trong công

nghiệp như chế tạo cảm biến mức, nhận biết vị trí của các chi tiết máy Đặc biệt, trong hệ thống điều khiển khí nén công tắc từ được

sử dụng rất phổ biến để nhận biết vị trí của piton chuyển động

trong xilanh

5.Cảm biến tiệm cận

 Khái niệm về cảm biến tiệm cận.

- Cảm biến tiệm cận là một dụng cụ kỹ thuật để nhận biết sự có mặt hay không có mặt của một vật thể với cảm biến điện tử không công tắc (không đụng chạm) Tín

hiệu ở ngõ ra của cảm biến thường dạng logic có hoặc không.

 Đặc điểm

- Phát hiện vật không cần tiếp xúc.

- Tốc độ đáp ứng nhanh.

- Đầu sensor nhỏ, có thể lắp ở nhiều nơi.

- Có thể sử dụng trong môi trường khắc nghiệt.

Cảm biến tiệm cận điện dung.

Phân loại cảm biến tiệm cận

5.1 Cảm biến tiệm cận điện cảm

a, cấu tạo và nguyên lý hoạt động

5.1 Cảm biến tiệm cận điện cảm

Nguyên lý hoạt động:

Cảm biến tiệm cận kiểu điện cảm phát hiện sự suy giảm từ tính do dòng điện xoáy sinh ra trên bề mặt vật dẫn do từ trường ngoài Trường điện từ xoay chiều sinh ra trên cuộn dây và thay đổi trở kháng phụ

thuộc vào dòng điện xoáy trên bề mặt vật thể kim loại được phát hiện

5.1 Cảm biến tiệm cận điện cảm

b.Phân loại

Cảm biến tiệm cận điện cảm có thể phân làm 2 loại:

Loại Shielded (được bảo vệ) và unshielded (không được bảo vệ) Loại unshielded thường có tầm phát hiện lớn hơn loại shielded

5.1 Cảm biến tiệm cận điện cảm

c, Những yếu tố ảnh hưởng đến tầm phát hiện của cảm biến tiệm

cận điện cảm :

- Vật liệu đối tượng

 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

Khoảng cách phát hiện

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

5.1 Cảm biến tiệm cận điện cảm

-Kích cỡ của đối tượng:

Nếu vật cảm biến nhỏ hơn vật thử chuẩn (test object), khoảng cách phát hiện của sensor sẽ giảm

Khoảng cách phát hiện

5.1 Cảm biến tiệm cận điện cảm

-Bề dày của đối tượng:

Với vật cảm biến không thuộc nhóm kim loại có từ tính, bề dày của vật càng mỏng thì khoảng cách phát hiện càng xa

Đầu Sensor

Vật

Khoảng cách cảm biến

Độ dày vật

5.1 Cảm biến tiệm cận điện cảm

d, Ưu nhược điểm:

Ưu điểm

 Không chịu ảnh hưởng của độ ẩm

 Không có bộ phận chuyển động.

 Không chịu ảnh hưởng của bụi bặm.

 Không phụ thuộc vào màu sắc.

 Ít phụ thuộc vào bề mặt đối tượng hơn so với các kĩ thuật

khác

 Không có “khu vực mù” (blind zone: cảm biến không

phát hiện ra đối tượng mặc dù đối tượng ở gần cảm biến).Nhược điểm

 Chỉ phát hiện được đối tượng là kim loại.

 Có thể chịu ảnh hưởng bởi các vùng điện từ mạnh

 Phạm vi hoạt động ngắn hơn so với các kĩ thuật khác

5.1 Cảm biến tiệm cận điện cảm

e, một số ứng dụng của cảm biến tiệm cận điện cảm

5.1 Cảm biến tiệm cận điện cảm

e, một số ứng dụng của cảm biến tiệm cận điện cảm

5.1 Cảm biến tiệm cận điện cảm

e, một số ứng dụng của cảm biến tiệm cận điện cảm

5.1 Cảm biến tiệm cận điện cảm

e, một số ứng dụng của cảm biến tiệm cận điện cảm

5.1 Cảm biến tiệm cận điện cảm

f, Một số hình ảnh của cảm biến tiệm điện cảm

5.1 Cảm biến tiệm cận điện cảm

f, Một số hình ảnh của cảm biến tiệm điện cảm

5.2 Cảm biến tiệm cận điện dung

a, cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Đối tượng

cần phát

hiện

5.2 Cảm biến tiệm cận điện dung

Nguyên lý hoạt động:

- Cảm biến tiệm cận điện dung sử dụng vật thể cần phát hiện như một cực của tụ điện.Khi vật thể càng gần cảm biến thì dung lượng của tụ càng cao

- Bên trong có mạnh dùng nguồn DC tạo dao động cấp cho cam biến dòng, cảm biến dòng sẽ đưa ra một dòng điện tỷ lệ với hai bản cực

5.2 Cảm biến tiệm cận điện dung

b.Đặc điểm

 Cảm biến tiệm cận loại điện dung có thể phát hiện bất cứ loại

đối tượng nào có hằng số điện môi lớn hơn không khí Vật liệu càng có hằng số điện môi càng cao thì càng dễ được cảm biến phát hiện Ví dụ nước và không khí, cảm biến tiệm cận điện dung rất dễ dàng phát hiện ra nước (hằng số điện môi = 80) nhưng không thể nhận ra không khí (hằng số điện môi = 1)

 Đối với các chất kim loại khác nhau, khả năng phát hiện của

cảm biến là không đổi Nhưng đối với các chất khác, thì phạm

vi phát hiện của cảm biến đối với từng chất là khác nhau

 Vì vậy, cảm biến tiệm cận điện dung có thể dùng để phát hiện

các vật liệu có hằng số điện môi cao như chất lỏng dù nó được chứa trong hộp kín (làm bằng chất liệu có hằng số điện môi thấp hơn như thủy tinh, plastic) Cần chắc chắn rằng đối tượng cảm biến phát hiện là chất lỏng chứ không phải hộp chứa

5.2 Cảm biến tiệm cận điện dung

c.Phân loại

Cảm biến tiệm cận điện dung cũng phân thành 2 loại: shielded (được bảo vệ) và unshielded (không được bảo vệ)

 Loại shielded có vòng kim loại bao quanh giúp hướng vùng

điện trường về phía trước và có thể đặt ngang bằng với bề mặt làm việc

 Loại unshielded không có vòng kim loại bao quanh và không

thể đặt ngang bằng với bề mặt làm việc Xung quanh cảm biến phải có 1 vùng trống (giống cảm biến tiệm cận điện cảm loại unshielded), kích thước vùng trống tùy thuộc vào từng loại cảm biến

5.2 Cảm biến tiệm cận điện dung

d Những yếu tố ảnh hưởng đến tầm phát hiện của cảm biến tiệm cận điện dung

- Kích thước điện cực của tụ điện

- Vật liệu và kích thước đối tượng

- Nhiệt độ môi trường

- Đối tượng tiêu chuẩn và hằng số điện môi

5.2 Cảm biến tiệm cận điện dung

e, Ưu nhược điểm

Ưu điểm:

- Có thể cảm nhận vật dẫn điện và không dẫn điện

-Tính chất tuyến tính và độ nhạy không tùy thuộc vào vật liệu kim loại

- Dây nối với sensor phải ngắn để điện dung dây không ảnh hưởng đến

bộ cộng hưởng của bộ dao động

5.2 Cảm biến tiệm cận điện dung

f, Ứng dụng của cảm biến tiệm cận điện dung

5.2 Cảm biến tiệm cận điện dung

f, Ứng dụng của cảm biến tiệm cận điện dung

5.2 Cảm biến tiệm cận điện dung

f, Ứng dụng của cảm biến tiệm cận điện dung

5.2 Cảm biến tiệm cận điện dung

f, Ứng dụng của cảm biến tiệm cận điện dung

5.2 Cảm biến tiệm cận điện dung

g, Một số hình ảnh thực tế của cảm biến tiệm cận điện dung

5.2 Cảm biến tiệm cận điện dung

g, Một số hình ảnh thực tế của cảm biến tiệm cận điện dung

5.2 Cảm biến tiệm cận điện dung

g, Một số hình ảnh thực tế của cảm biến tiệm cận điện dung

5.3 Cảm biến siêu âm

a, Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Cấu tạo cảm biến siêu âm bao gồm:

-Bộ phận phát và nhận sóng siêu âm (Transducer / Receiver)

-Bộ phận so sánh (Comparator)

-Mạch phát hiện (Detector Circuit)

-Mạch điện ngõ ra (Output)

5.3 Cảm biến siêu âm

Nguyên lý hoạt động:

Nguyên lý hoạt động của cảm biến siêu âm là nguyên lý TOF (time of flight) :

Kĩ thuật cảm thuật cảm biến siêu âm dựa trên đặc điểm vận tốc

âm thanh là hằng số, thời gian sóng âm thanh đi từ cảm biến đến đối tượng và quay trở lại liên hệ trực tiếp đến độ dài quãng đường

5.3 Cảm biến siêu âm

b, Đặc điểm

- Cảm biến tiệm cận siêu âm có thể phát hiện hầu hết các loại đối tượng: kim loại hoặc không phải là kim loại, chất lỏng hoặc chất rắn, vật trong hoặc mờ đục (những vật có hệ số phản xạ sóng âm thanh đủ lớn)

- Vùng hoạt động: là khu vực giữa 2 giới hạn khoảng cách phát hiện lớn nhất và nhỏ nhất

- Cảm biến tiệm cận siêu âm có một vùng nhỏ không thể sử dụng gần bề mặt cảm biến gọi là “khu vực mù” (blind zone)

5.3 Cảm biến siêu âm

c, Những yếu tố ảnh hưởng tới cảm biến siêu âm

- Hiện tượng khuếch tán: hiện tượng xảy ra khi bề mặt vật cần dò không bằng phẳng và sóng siêu âm phản xạ theo nhiều hướng

khác nhau

5.3 Cảm biến siêu âm

- Hiện tượng tán xạ: hiện tượng xảy ra khi kích thước vật cần dò nhỏ hơn kích thước nguồn sóng

5.3 Cảm biến siêu âm

- Hiện tượng phản xạ : sóng siêu âm có thể bị phản xạ nhiều lần khi môi trường không đồng nhất hoặc qua nhiều lớp phân cách môi trường

5.3 Cảm biến siêu âm

-Hiện tượng hấp thụ : một phần sóng siêu âm bị hấp thụ bởi môi

trường truyền và cả vật cần dò

5.3 Cảm biến siêu âm

-Hiện tượng Crosstalk (hiện tượng đọc chéo):

Khắc phục:

-Dùng cảm biến có góc búp hướng nhỏ

- Dùng nhiều cảm biến

5.3 Cảm biến siêu âm

d, Ưu nhược điểm của cảm biến siêu âm

Ưu điểm:

Sóng phản hồi của cảm biến không phụ thuộc màu sắc của bề

mặc đối tượng hay tính chất phản xạ ánh sáng của đối tượng

ví dụ bề mặt kính trong suốt, bề mặt gốm màu nâu, bề mặt plastic màu trắng, hay bề mặt chất liệu nhôm sáng, trắng là như nhau

Tín hiệu đáp ứng của cảm biến tiệm cận siêu âm analog là

tỉ lệ tuyến tính với khoảng cách Điều này đặc biệt lý tưởng cho các ứng dụng như theo theo dõi các mức của vật chất, mức độ chuyển động của đối tượng

5.3 Cảm biến siêu âm

Nhược điểm :

Cảm biến tiệm cận siêu âm yêu cầu đối tượng có một diện

tích bề mặt tối thiểu (giá trị này tùy thuộc vào từng loại cảm biến)

Sóng phản hồi cảm biến nhận được có thể chịu ảnh hưởng của các sóng âm thanh tạp âm

Cảm biến tiệm cận siêu âm yêu cầu một khoảng thời gian sau mỗi lần sóng phát đi để sẵn sàng nhận sóng phản hồi Kết quả thời gian đáp ứng của cảm biến tiệm cận siêu âm nhìn chung chậm hơn các cảm biến khác khoảng 0,1 s

Với các đối tượng có mật độ vật chất thấp như bọt hay vải

(quần áo) rất khó để phát hiện với khoảng cách lớn

5.3 Cảm biến siêu âm

Cảm biến tiệm cận siêu âm bị giới hạn khoảng cách phát hiện

nhỏ nhất

Sự thay đổi của môi trường như nhiệt độ (vận tốc âm thanh phụ

thuộc vào nhiệt độ), áp suất, sự chuyển không đồng đều của không khí, bụi bẩn bay trong không khí gây ảnh hưởng đến kết quả đo

Nhiệt độ bề mặt của đối tượng của ảnh hưởng đến phạm vi hoạt

động của cảm biến Hơi nóng tỏa ra từ đối tượng có nhiệt độ cao làm méo dạng sóng, làm cho khoảng cách phát hiện của đối tương ngắn lại và giá trị khoảng cách không chính xác

5.3 Cảm biến siêu âm

e, Ứng dụng của cảm biến siêu âm

 Rada siêu âm (Sona) dùng để phát hiện các mục tiêu dưới nước như thăm đò đáy biển, phát hiện tàu ngầm, đàn cá.Ưu điểm của siêu âm là ít bị suy giảm trong môi trường nước

 Phát hiện phóng điện cục bộ trong máy biến áp (MBA) Khi có phóng điện cục bộ trong MBA sẽ phát sinh sóng siêu âm lan

truyền trong dầu Nhờ bộ cảm biến siêu âm gắn trên thùng dầu có thể phân tích sóng tới và sóng phản xạ của nguồn phóng điện và định vị chính xác vị trí dây quấn MBA có phóng điện cục bộ

 Cảm biến siêu âm dùng để điều khiển mực chất lỏng,đo khoảng cách độ cao hay vị trí của phiến gổ trên dây chuyền,dùng để phát hiện ra người,phát hiện dây bị đứt,phát hiện xe,phát hiện chiều cao….và nhiều ứng dụng quan trọng khác trong cuộc sống

5.3 Cảm biến siêu âm

e, Ứng dụng của cảm biến siêu âm

Trong ngành y tế, rada siêu âm giúp các bác sĩ có thể nhìn rõ cấu trúc nội tại của cơ thể, chẩn đoán chính xác khối u, thai nhi…

Siêu âm còn được ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật gia công kim loại Sóng siêu âm là sóng cơ đàn hồi mang năng lượng, có thể làm sạch bề mặt các chi tiết trước khi gia công như mạ, hàn

Trong kĩ thuật đo và kiểm tra công nghiệp, việc đo và phân tích tiếng dội khi chùm siêu âm được chiếu lên bề mặt kiểm tra có thể giúp ta phát hiện được trạng thái bề mặt và các khuyết tật bên trong cấu trúc

5.3 Cảm biến siêu âm

e, Ứng dụng của cảm biến siêu âm

5.3 Cảm biến siêu âm

e, Ứng dụng của cảm biến siêu âm

5.3 Cảm biến siêu âm

e, Ứng dụng của cảm biến siêu âm

5.3 Cảm biến siêu âm

f, Một số hình ảnh thực tế của cảm biến siêu âm

5.3 Cảm biến siêu âm

f, Một số hình ảnh thực tế của cảm biến siêu âm

5.3 Cảm biến siêu âm

f, Một số hình ảnh thực tế của cảm biến siêu âm

6 các phương pháp đo khoảng cách khác

6.1 Xác định vị trí và khoảng cách bằng biến trở

a Cấu trúc:

Gồm một điện trở cố định Rn và một tiếp xúc điện có thể di chuyểngắn với chuyển động cần đo gọi là con chạy Vị trí con chạy tỷ lệ với

giá trị điện trở tại đầu ra của tiếp xúc điểm

Căn cứ vào hình dạng của Rn và dạng chuyển động của con chạy

người ta chia ra 2 loại: