MÔN HỌC ĐO LƯỜNG VÀ CẢM BIẾN CHƯƠNG 2 CẢM BIẾN ĐO VỊ TRÍ DỊCH CHUYỂN

ĐO LƯỜNG VÀ CẢM BIẾN CHƯƠNG 2: CẢM BIẾN ĐO VỊ TRÍ DỊCH CHUYỂN GVHD: Thạc sĩ Phạm Xuân Hổ Lớp thứ 7 Tiết (1-3) T.P Hồ Chí Minh, tháng 11 năm 2019 ________________________________________ Chương 2 ĐO DỊCH CHUYỂN MỤC ĐÍCH CHƯƠNG 3 2.1 GIỚI THIỆU 4 2.2 CẢM BIẾN ĐIỆN TRỞ 5 2.2.1 Nguyên lý 5 2.2.3 Phân loại biến trở 9 2.2.4 Sai số trong biến trở dây quấn 12 2.2.5 Mạch đo 13 2.3 CẢM BIẾN ĐIỆN CẢM 15 2.3.1 Lõi sắt di chuyển trong cuộn dây 15 2.3.2 Ưu điểm và Nhược điểm: 18 2.3.3 Ứng dụng 18 2.4 CẢM BIẾN ĐIỆN DUNG 18 2.4.1 Thay đổi khoảng cách 19 2.4.2 Thay đổi tiết diện thực 22 2.4.3 Thay đổi điện môi 24 2.5 BIẾN ÁP VI SAI (LVDT) 28 2.5.1 Cấu tạo 28 2.5.2 Nguyên lý hoạt động 30 2.5.3 Ưu điểm và nhược điểm: 32 2.5.4 Ứng dụng 32 2.5.3 DC-LVDT 33 2.5.4 Đặc điểm của LVDT 35 2.6 CẢM BIẾN TỪ 37 2.6.1 Cảm biến Hall 38 2.6.2 Cảm biến điện trở từ 44 MỤC ĐÍCH CHƯƠNG  Trình bày được nguyên lý đo dịch chuyển dùng điện thế kế điện trở dây quấn (biến trở) dạng dịch chuyển thẳng.  Hiểu nguyên lý hoạt động của biến trở dây kéo do dịch chuyển.  Hiểu nguyên lý hoạt động của cảm biến đo dịch chuyển dùng điện cảm và cách xác định điện cảm theo sự dịch chuyển.  Giải thích được quan hệ giữa điện áp ra và sự dịch chuyển là tuyến tính khi sử dụng mạch cầu Wheatstone đối với trường hợp điện cảm mắc vi sai.  Hiểu được phương pháp đo dịch chuyển dùng điện dung ứng với từng trường hợp thay đổi khoảng cách, tiết diện, điện môi.  Trình bày được cấu tạo và nguyên lý hoạt động của biến áp vi sai đo dịch chuyển LVDT.  Trình bày được nguyên lý hoạt động của cảm biến Hall đo dịch chuyển.  Hiểu nguyên lý hoạt động của cảm biến điện trở từ bán dẫn và điện trở từ kim loại.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

T.P Hồ Chí Minh, tháng 11 năm 2019

Ch ương 2 ng 2

ĐO D CH CHUY N ỊCH CHUYỂN ỂN

MỤC ĐÍCH CHƯƠNG 3

2.1 GIỚI THIỆU 4

2.2 CẢM BIẾN ĐIỆN TRỞ 5

2.2.1 Nguyên lý 5

2.2.3 Phân loại biến trở 9

2.2.4 Sai số trong biến trở dây quấn 12

2.2.5 Mạch đo 13

2.3 CẢM BIẾN ĐIỆN CẢM 15

2.3.1 Lõi sắt di chuyển trong cuộn dây 15

2.3.2 Ưu điểm và Nhược điểm: 18

2.3.3 Ứng dụng 18

2.4 CẢM BIẾN ĐIỆN DUNG 18

2.4.1 Thay đổi khoảng cách 19

2.4.2 Thay đổi tiết diện thực 22

2.4.3 Thay đổi điện môi 24

2.5 BIẾN ÁP VI SAI (LVDT) 28

2.5.1 Cấu tạo 28

2.5.2 Nguyên lý hoạt động 30

2.5.3 Ưu điểm và nhược điểm: 32

2.5.4 Ứng dụng 32

2.5.3 DC-LVDT 33

2.5.4 Đặc điểm của LVDT 35

2.6 CẢM BIẾN TỪ 37

2.6.1 Cảm biến Hall 38

2.6.2 Cảm biến điện trở từ 44

MỤC ĐÍCH CHƯƠNG

 Trình bày được nguyên lý đo dịch chuyển dùng điện thế kế điện trở dây quấn (biến trở) dạng dịch chuyển thẳng

 Hiểu nguyên lý hoạt động của biến trở dây kéo do dịch chuyển

 Hiểu nguyên lý hoạt động của cảm biến đo dịch chuyển dùng điện cảm và cách xác định điện cảm theo sự dịch chuyển

 Giải thích được quan hệ giữa điện áp ra và sự dịch chuyển là tuyến tính khi sửdụng mạch cầu Wheatstone đối với trường hợp điện cảm mắc vi sai

 Hiểu được phương pháp đo dịch chuyển dùng điện dung ứng với từng trường hợp thay đổi khoảng cách, tiết diện, điện môi

 Trình bày được cấu tạo và nguyên lý hoạt động của biến áp vi sai đo dịch chuyển LVDT

 Trình bày được nguyên lý hoạt động của cảm biến Hall đo dịch chuyển

 Hiểu nguyên lý hoạt động của cảm biến điện trở từ bán dẫn và điện trở từ kim loại

2.1 GIỚI THIỆU

Cảm biến dịch chuyển thường được dùng để đo lường hoặc điều khiển vị trí, sựdịch chuyển của một vật hay thiết bị nào đó Ngõ ra của cảm biến sẽ xuất hiện một tín hiệu biến đổi theo sự thay đổi về vị trí cũng như dịch chuyển của vật đó Thông thường, các cảm biến vị trí/dịch chuyển (dạng chuyển động thẳng hoặc quay) đượcứng dụng trong các ngành công nghiệp, sản xuất cũng như trong các hệ thống điều khiển trên xe hơi, tàu… với rất nhiều chủng loại, kiểu dáng, thiết kế khác nhau tùy thuộc vào mục đích ứng dụng

Bảng 2.1: So sánh đặc tính cơ bản các nguyên lý đo vị trí, dịch chuyển

biến từ

500mm

5 ~1000mm

0,25 ~10mm

0,25 ~250mm

Độ phức tạp của

mạch đo

Chú thích : **** Rất tốt, *** Tốt, ** Khá, * Trung Bình, - Kém

Ngoài ra , để phát hiện có hay không có vật thể nào đó đi qua một vùng xác định, người ta dùng một loại cảm biến khác gọi là cảm biến tiệm cận (proximity sensor) Các nguyên lý của cảm biến tiệm cận có thể kể đến như : dùng từ trường (điện cảm) , dùng điện trường (điện dung) hoặc dùng nguyên lý quang (tiệm cận quang).Mặc dù các nguyên lý đo vị trí, dích chuyển có thể áp dụng cho cả chuyển động dạng quay, tuy nhiên trong phạm vi công nghiệp cũng như những ứng dụng dân dụng, phổ biến nhất vẫn là dạng chuyển động thẳng với phạm vi đo từ vài milimét đến vài mét Việc chọn cảm biến thường dựa vào ba yếu tố chính :

- Đặc tính kỹ thuật

- Tính kinh tế về giá cả, chi phí vận hành bảo dưỡng

- Đặc tính ngoài như vỏ bộc, kết nối, ảnh hưởng môi trường

Các nguyên lý phổ biến nhất của cảm biến đo vị trí, dịch chuyển dạng thẳng bao gồm dùng điện trở, điện cảm, điện dung, biến áp vi sai (LVDT), từ trường So sánhđặc tính chung của các nguyên lý này được trình bày ở bảng 2.1 Trong các phần tiếp theo, các nguyên lý cơ bản của một số loại cảm biến đo vị trí, dịch chuyển phổbiến kể trên sẽ được trình bày cụ thể

2.2 CẢM BIẾN ĐIỆN TRỞ

2.2.1 Nguyên lý

Hình 2.1 : Nguyên lý cảm biến đo vị trí, dịch chuyển dùng điện trở

Cảm biến điện trở đo vị trí, dịch chuyển thực chất là một điện thế kế điện trở (phổ biến nhất là điện trở dây quấn) với tiếp điểm trượt trên dây quấn là một con chạy được gắn với chuyển động cần đo như hình 2.1 a Khi chuyển động làm con chạy dịch chuyển, điện trở ngõ ra của cảm biến thay đổi một cách tuyến tính theo khoảng dịch chuyển Nối cảm biến vào các mạch đo, ta có thể hiển thị kết quả đo hoặc dùng để điều khiển các đối tượng khác Hình 2.1b mô tả một dạng khác của cảm biến với chuyển động cần đo là dạng chuyển động xoay

Hình dạng thực tế của điện thế kế đo vị trí, dịch chuyển rất phong phú và đa dạng tùy theo hãng chế tạo, mục đích sử dụng… Hình 2.2 cho thấy tiêu biểu một

số loại điện thế kế đo dịch chuyển của hãng Honeywell, và hình 2.3 là một ứng dụng khá phổ biến của điện thế kế biến trở trong cần điều khiển (joystick

potentiometer) Dạng cần điều khiển biến trở này có loại điều khiển một chiều hoặc hai chiều tùy theo phạm vi ứng dụng

Hình 2.2: Một số dạng biến trở đo dịch chuyển của hãng Honeywell

(a) Cần điều khiển một chiều (b) Cần điều khiển hai chiểu

Hình 2.3: Cần điều khiển dùng biến trở điều khiển một chiều và hai chiều

Đối với dạng dịch chuyển thẳng, điện trở liên hệ với khoảng dịch chuyển theo dạng:

trong đó, x chiều dài dây điện trở cũng chính là khoảng dịch chuyển, ρ là điện trở suất, và S là tiết diện dây

Tương tự, điện trở của toàn bộ biến trở R là:

Cảm biến đo vị trí, dịch chuyển dùng biến trở có một số đặc điểm chung như:

- Điện trở cảm biến thay đỏi theo vị trí con chạy trong dịch chuyển thẳng hoặctheo góc xoay trong dịch chuyển tròn

- Độ phân giải cao nhất hiện nay khoảng 2000 vòng/inch tương đương khoảng0,01 mm đối với loại điện trở dây quấn, và đạt khoảng 0,001 mm đối với loại điện trở màng

- Khoảng dịch chuyển có thể có từ vài milimmét đến vài mét tùy loại và tùy hãng chế tạo

- Điện áp rat hay đổi từ 0V đến giá trị nguồn cung cấp

- Nhiễu do tại tiếp điểm và các đầu nối dây ít nhiều có điện trở.

- Thời gian sử dụng càng nhiều, độ chính xác càng giảm

- Trong quá trình sử dụng, bụi bẩn bám vào thiết bị sẽ gây sai số điện trở cũng như sai số điện áp ra

- Đáp ứng động kém do giữa trục và con chạy có quán tính, vì vậy chỉ phù hợp với đo lường trạng thái tĩnh hoặc không cần đáp ứng với tần số cao

- Tiếp điểm di chuyển quá nhanh có thể làm tiếp xúc không tốt dẫn đến tín hiệu ngõ ra bị ngắt quãng, không liên tục

- Lực ma sát giữa tiếp điểm và vòng dây có thể cản trở chuyển động cần đo

2.2.3 Phân loại biến trở

(a) Dạng màng điện trở (b) Dạng dây trượt

Hình 2.4: Cảm biến dịch chuyển biến trở dạng màng và dạng dây trượt

Có nhiều loại cảm biến dịch chuyển dùng biến trở như loại dây điện trở quấn (wire wound), màng carbon (cacbon film), màng kim loại (metal film), màng chất dẻo (plastic film), gốm kim loại (cermet), dây trượt (slide wire)… Những loại này có thể được dùng để thiết kế thành biến trở dạng dịch chuyển thẳng (linear) hoặc dạng xoay (rotary) đơn/đa vòng (single/multi-turn), và thông thường các biến trở dạng màng có độ phân giải và độ chính xác rất cao

so sánh với các biến trở dạng dây quấn Hình 2.4 mô tả các loại biến trở dạng màng nói chung và biến trở dạng dây trượt

 Loại dây trượt

Loại biến trở đơn giản nhất trong số kể trên là loại dây trượt Loại này chỉ

có cấu tạo đơn giản là một đoạn dây điện trở thẳng, và nguồn điện áp sẽ được cấp thẳng vào hai đầu đoạn dây này Một con chạy di chuyển dọc theo dây điệntrở để lấy tín hiệu điện áp ra

 Loại màng carbon

Loại cảm biến màng carbon được tạo thành từ một màng mỏng làm bằng hỗn hợp carbon và một dạng đất sét đặt trên một lớp cách điện thường là nhựa phenol Loại này thường được sử dụng rất phổ biến do giá thành khá rẻ mà độ phân giải tốt hơn loại dây quấn, tuy nhiên tuổi thọ và mức độ chống chịu chỉ ở mức trung bình

 Loại màng kim loại

Biến trở màng kim loại cấu tạo gồm một lớp điện trở tạo thành từ bột kim loại không dẫn điện hoàn toàn (thường là hợp kim Nichrome=

Nickel+Chrome) được phun lên một bề mặt chất nền tạo thành một lớp

màng điện trở mà trên đó con chạy sẽ trượt lên Giá trị điện trở sẽ được kiểmsoát bằng việc tăng độ dày của màng Loại biến trở này có độ ổn định nhiệt

độ và độ chính xác tốt hơn màng carbon và nhiễu thấp

 Loại gốm kim loại

Biến trở dạng gốm kim loại (cermet) được chế tạo từ hỗn hợp vật liệu

gốm và kim loại (ceramic+metal=cermet) được nung trên một bề mặt để tạo

thành một lớp điện trở bền chắc và rất cứng Gốm kim loại sẽ kết hợp đặc tính của gốm là có độ cứng và điện trở ở nhiệt độ cao và đặc tính của kim loại là chịu đựng biến dạng Kim loại thông thường được sử dụng là Nickel, Cobalt, và thể tích kim loại trong hỗn hợp thường ít hơn 20%

 Loại dây quấn

Loại cảm biến này cấu tạo gồm nhiều vòng dây điện trở (cũng thường được làm bằng vật liệu Nichrome, NiCr) được quấn quanh một lõi bằng vật liệu cách điện/ từ ví dụ như plastic, ceramic, sợi thủy tinh Các vòng dây được gắn chặt sát nhau bằng các chất kết dính, và bên trên các vòng dây có một tiếp điểm trượt tiếp xúc liên tiếp với các vòng dây Vì cấu tạo như vậy nên độ phân giải của loại cảm biến này phụ thuộc vào kích thước dây quấn Dây quấn càng nhỏ càng cho nhiều vòng quấn dẫn đến nhiệt độ phân giải sẽ càng nhỏ

 Loại màng chất dẻo

Loại này cấu tạo từ vật liệu chất dẻo dẫn điện (có đặc tính điện trở được kiểm soát chính xác) được đúc thành một lớp màng và gắn cố định lên lớp nền cách điện Độ phân giải loại này cũng tốt hơn loại dây quấn, tuổi thọ cao, nhiễu thấp, chống xâm thực tốt

Ưu điểm và nhược điểm của từng loại biến trở trên được trình bày tóm tắt trong bảng 2.2 bên dưới

Ưu điểm

Màng kim loại Chắc chắn và chịu đựng được chấn động , độ phân giải tốt,

ít nhiễu, tuổi thọ caoMàng carbon Độ phân giải tốt

Màng plastic Tuổi thọ cao (>10 triệu lần), độ phân giải tốt (100Ω/mm,

0,001 mm)

Gốm kim loại Độ phân giải tốt, nhiễu thấp, tuổi thọ cao

Dây trượt Cấu tạo đơn giản, đo được khoảng cách khá lớn,ngõ ra

tuyến tính., công suất lớn, điện trở nhỏ, ít nhiễu, tuổi thọ cao

Dây quấn Công suất lớn, tuổi thọ cao (>10 triệu lần), chắc chắn, đáng

tin cậyNhược điểm

Màng kim loại Bị mòn

Màng carbon Việc bị bào mòn tạo một lớp hạt đọng ở bề mặt tiếp xúc gây

sai số, điện trở thay đổi theo nhiệt độMàng plastic Bị mòn

Gốm kim loại Cần phải hiệu chỉnh sau khi sản xuất vì sự không đồng nhất

trong các quá trình sản xuất cảm biếnDây trượt Cần nguồn có điện trở nhỏ, công suất lớn, kích thước lớnDây quấn Giá trị điện trở tăng dạng bậc thang khi tiếp điểm dịch

chuyển sang vòng dây kế tiếp, do đó độ phân giải bị giới hạn bởi chiều dài/ số vòng Nhiễu phát sinh khi tiếp điểm di chuyển giữa các vòng dây => bôi dầu nhớt để làm sạch và tránh bị oxy hóa

Ngoài ra, một ưu điểm chung nữa của các biến trở loại màng là điện trở ngõ ra có thể được thiết kế theo quan hệ dạng tuyến tính hay logarithm Tuy nhiên, biến trở loại màng cũng là loại dễ bị mòn và cũng chính các hạt tinh thể bị bào mòn này sẽ đọng lại bên dưới tiếp điểm như hình 2.5 gây ra sự tiếp xúc chập chờn hoặc sai số cho quá trình đo

Trong một số trường hợp, cảm biến biến trở có ngõ ra theo quan hệ hàm logarith rất hữu ích trong việc điều chế tín hiệu Nếu trong một phép đo mà vốn dĩ quan hệ là hàm lũy thừa thì biến trở logarithm có thể được dùng để bùtrừ lại, hoặc cũng có thể dùng biến trở loại này để biến đổi quan hệ thành hàm logarithm mong muốn Điều này giải thích tại sao biến trở logarithm rấtthường được sử dụng trong việc điều khiển âm lượng, âm thanh bởi vì độ lớn của âm thanh (decibel) là một đại lượng được định nghĩa theo hàm

logarithm

Biến trở dây kéo

Một ứng dụng khá đặc biệt của cảm biến biến trở đó là biến trở dây kéo

(string potentiometer) Trong cảm biến dạng này, một dây kéo được quấn vào xung quanh một tang trống gắn với lò xo, trục tang trống nối với một cảm biến quay (có thể là cảm biến biến trở dạng xoay để đo vị trí/dịch

chuyển hoặc là cảm biến Encoder để đo vận tốc) Như vậy thông qua biến trở dây kéo này, chuyển động thẳng được chuyển biến thành chuyển động quay Hiện nay, biến trở dây kéo được coi là loại cảm biến điện trở có thể đo

được khoảng cách lớn nhất trong tất cả các loại kể trên với phạm vi đo lên đến vài mét, và những ứng dụng của nó trong công nghiệp cũng rất phong phú, đa dạng.

2.2.4 Sai số trong biến trở dây quấn

Như nguyên lý trình bày ở trên, biến trở dây quấn sẽ có điện trở ngõ ra thay đổi khi tiếp điểm con chạy di chuyển từ vòng dây này sang vòng dây kếtiếp Do vậy, về mặt lý thuyết, điện trở không thay đổi liên tục mà thay đổi theo dạng bậc thang khi con chạy di chuyển Tuy nhiên, khi con chạy di chuyển nằm giữa hai vòng dây kế tiếp nhau (bắc cầu) thì sẽ xảy ra tình trạng điện trở thay đổi nửa bậc giữa các vòng dây là khác nhau và phụ thuộc vào

vị trí tương đối của con chạy so với phía đầu hay cuối biến trở

Ví dụ một biến trở dây quán tiếp điểm con chạy có 100 vòng dây, điện trở mỗi vòng dây là 0,5Ω Khi con chạy di chuyển tại bất kỳ một vị trí xác định nào thì tỉ số điện áp ra, vào trên biến trở được xác định bằng tỉ số điện trở tạitiếp điểm trên điện trở tổng

Khi con chạy tại vòng dây thứ 20:

V out = 100 X 0,5 20 X 0.5 V¿ = 20%V¿ (2.4)

Khi con chạy bắc cầu giữa hai vòng dây kế tiếp nhau, tổng số vòng dây sẽ

bị giảm đi một vòng, vì lúc đó coi như có một vòng dây bị ngắn mạch Vớicon chạy nằm bắc cầu tại vòng dây thứ 20 và 21 thì:

V out =(100−1) X 0,520 X 0.5 V¿= 20.2% V¿ (2.5)Như vậy sự bắc cầu giữa vòng dây thứ 20 và 21 đã thêm vào 0,2% giátrị điện trở

Khi con chạy tại vòng dây thứ 70 thì:

V out = 100 X 0,5 70 X 0.5 V¿ = 70%V¿ (2.6)

Với con chạy bắc cầu tại vòng dây thứ 70 và 71 thì:

V out = 70 X 0.5

(100−1) X 0,5 V¿= 70.7% V¿ (2.7)Trong trường hợp này, sự bắc cầu giữa vòng dây thứ 70 và 71 đã thêm 0,7% giá trị điện trở

Với cách tính tương tự, sự bắc cầu tại vòng dây thứ 50 và 51 sẽ thêm vào 0,5% giá trị điện trở Như vậy sự thay đổi điện trở tại các vị trí bắc cầu

là không đều nhau, hay nói một cách khác là việc tăng điện trở đã được số hóa với các bậc là không tuyến tính

2.2.5 Mạch đo

* Mạch đo cấp nguồn trực tiếp

Nguồn điện áp V S được cấp trực tiếp vào biến trở (thường dùng đối với mạch công suất lớn và nguồn V S ổn định) thì khi đó biến trở đóng vai trò là một bộ chia

lắp đặt chính xác, …

(10Ω-1MΩ)

Nhược điểm:

 Tiếp điểm mòn dần do con chạy trượt trên các vòng dây.

điện áp không ổn định

động)

hiệu ngõ ra bị ngắt quãng, không liên tục

2.2.7 Ứng dụng

2.3 CẢM BIẾN ĐIỆN CẢM

2.3.1 Lõi sắt di chuyển trong cuộn dây

Khi lõi sắt dịch chuyển vào/ra bên trong một cuộn dây dẫn như hình 2.5a, từ trở mạch thay đổi dẫn đến điện cảm cuộn dây thay đổi Từ nguyên lý trên, người taứng dụng thiết bị này làm cảm biến đo khoảng cách, dịch chuyển Khi kết hợp với mạch cầu hoặc những mạch điện tử nhạy với điện cảm, đại lượng không điện là sự dịch chuyển sẽ được chuyển thành tín hiệu điện Cụ thể mối quan hệ giữa điện cảm

và cuộn dây là khoảng dịch chuyển sẽ được trình bày sau đây

Công thức tính điện cảm L của cuộn dây là:

L= W

2

với W: số vòng cuộn dây

R: từ trở của mạch từ

Hình 2.5: Nguyên lý cảm biến điện cảm đo khoảng cách có lõi sắt di chuyển

bên trong lòng cuộn dây

Như trong hình 2.5a, mạch từ (từ thông) đi qua ba vùng: vùng không khí bên ngoài cuộn dây, vùng không khí bên trong cuộn dây, và vùng lõi sắt Do đó, từ trở của mạch sẽ là tổng từ trở của ba thành phần: từ trở không khí bên ngoài cuộn dây

R out , từ trở không khí bên trong cuộn dây R¿ và từ trở của lõi sắt R S

Từ trở của từng thành phần trên tỉ lệ thuận với chiều dài và tiết diện của mạch

từ tương ứng với thành phần đó theo công thức:

d, D: lần lượt là chiều dài trung bình mạch từ phần không khí bên ngoài

cuộn dây, và chiều dài cuộn dây

x: chiều dài mạch từ phần không khí bên trong cuộn dây cũng chính là

khoảng dịch chuyển cần đo

A out ,A: lần lượt là tiết diện mạch từ phần không khí bên ngoài cuộn dây, phần

không khí bên trong cuộn dây

khoảng dịch chuyển theo công thức:

L= L o

Nhìn vào công thức này, chúng ta dễ dàng nhận thấy điện cảm L của cuộn dây phụ thuộc vào khoảng dịch chuyển x theo quan hệ hàm hyperbol phi tuyến códạng đồ thị:

Độ nhạy của cảm biến điện cảm loại này là:

S= dL

dx=

−L o k

Có nghĩa là độ nhạy sẽ giảm rất nhiều khi khoảng dịch chuyển tăng lên

* Mắc vi sai hai cuộn dây

Đo dịch chuyển dùng điện cảm mắc dạng vi sai được trình bày với giả thuyếtban đầu lõi sắt ở vị trí gốc là chính giữa cuộn dây d o (d o=D/2) Khi lõi sắt dịch chuyển về bên trái hoặc phải một khoảng x, điện cảm hai cuộn dây thay đổi ngược nhau: điện cảm cuộn này tăng thì cuộn kia

Độ nhạy cảm biến tăng gấp đôi và phạm vi làm việc tuyến tính mở rộng

2.3.2 Ưu điểm và Nhược điểm:

Ưu điểm:

 Nhận biết được hướng di chuyển

 Không có ma sát giữa lõi di chuyển và cuộn dây

 Hoạt động được trong điều kiện khắc nghiệt

 Ít bị nhiễ

 Không bị ảnh hưởng bởi bụi bẩn, dầu mỡ,…

 Độ trễ không đáng kể

 Thời gian hoạt động bền.

 Khoảng cách hoạt động lớn, từ 10-7m đến 2m

 Dãi nhiệt độ hoạt động rộng

Nhược điểm:

 Cần phải có vỏ chống lại trường điện từ gây nhiễu từ bên ngoài

 Phải sử dụng nguồn điện xoay chiều

2.3.3 Ứng dụng

2.4 CẢM BIẾN ĐIỆN DUNG

Nguyên lý cơ bản của cảm biến điện dung đo vị trí, dịch chuyển được dựa trên công thức tính điện dung giữa hai bản cực của một tụ điện phẳng

C= εrε0 A

d

trong đó:

εr : hằng số điện môi tương đối của môi chất giữa hai bản cực

ε0 : hằng số điện môi chân không.

A: tiết diện thực giữa hai bản cực

d: khoảng cách giữa hai bản cực

Từ công thức trên , ta thấy có ba cách để thay đổi điện dung của tụ điện : thay đổi khoảng cách giữa hai bản cực d , thay đổi tiết diện thực giữa hai bản cực A ,

và thay đổi điện môi giữa hai bản cực ε r .Vậy nếu gắn chuyển động cần đo dịch

chuyển với cách làm thay đổi điện dung như trên thì tương ứng ta có ba nguyên lý

đo dịch chuyển dùng điện dung

2.4.1 Thay đổi khoảng cách

Hình 2.17 mô tả nguyên lý đo dịch chuyển dùng điện dung với khoảng cách giữahai bản cực thay đổi Một bản cực tụ điện cố định, bản cực kia di chuyển theo chuyển động cần đo (chiều mũi tên) Ban đầu khi chưa có sự dịch chuyển, khoảng cách giữa hai bản cực là d 0 , khi một bản cực dịch chuyển một khoảng x thì:

d + x

Hình 2.17 Đo dich chuyển với khoảng cách bản cực tụ thay đổi

Hình 2.18 Đặc tính của tụ điện khi khoảng cách bản cực thay đổi

Điện dung của tụ điện phụ thuộc phi tuyến theo khoảng dịch chuyển theo quan

hệ hàm hyperbol có đặc tính biểu diễn ở hình 2.18 Độ nhạy của cảm biến điện dung dạng này là:

S= dC

dx =−

εε0 A

( d +x )2

sẽ giảm mạnh khi khoảng dịch chuyển tăng lên

*Mắc vi sai khoảng cách thay đổi

Nguyên lý hoạt động của cảm biến điện dung đo dịch chuyển trong trường hợp mắc vi sai khoảng cách bản cực thay đổi được mô tả như hình 2.19 với d là khoảng cách ban đầu giữa hai bản cực (lúc bản cực chưa di chuyển)

Hình 2.19: Mắc vi sai khoảng cách bản cực thay đổi

Hình 2.20: Mạch cầu đo mắc vi sai khoảng cách bản cực thay đổi

Khi bản cực di chuyển về một phía một khoảng x, khoảng cách giữa hai bản cực của tụ điện C 1 , C 2 lần lượt là d-x và d+x, tương ứng ta có điện dung tụ điện C 1 , C 2 lần lượt là :

với X1=1/(ωCC1) , X2=1/(ωCC2) lần lượt là dung kháng tụ điện C 1 , C 2

2.4.2 Thay đổi tiết diện thực

Hình 2.21: Đo dịch chuyển với tiết diện thực hai bản cực thay đổi

Khi bản cực di chuyển một khoảng x, tiết diện thực giữa hai bản cực chỉ cón lại

A 1 = A- Δ A = A-ax Vậy điện dung tụ điện:

C= εε0( A−ax )

d

Công thức trên là phương trình chuyển đổi của cảm biến trong trường hợp tiết diện thực giữa hai bản cực thay dổi, biểu diễn mối quan hệ giữa điện dung-khoảng dịch chuyển là tuyến tính.

Độ nhạy của cảm biến điện dung trong trường hợp này là:

S= dC

dx =−

εε0a d

là hằng số không phụ thuộc vào khoảng dịch chuyển của x

* Mắc vi sai tiết diện thực thay đổi

Hình 2.22 mô tả nguyên lý mắc vi sai trong trường hợp tiết diện thực giữa hai bản cực thay đổi với bản cực di chuyển ban đầu ở vị trí chính giữa hai bản cực đối diện Khi đó, điện dung các tụ điện lần lượt được xác định:

C1= εε0( A0− ax )

d C2= εε0( A0+ ax )

d

với A 0 là một nửa tiết diện toàn bộ bản cực

Hình 2.22: Mắc vi sai tiết diện thực thay đổi

Hình 2.23: Mạch cầu đo mắc vi sai tiết diện thực thay đổi

Dùng mạch đo như hình 2.23 với C 1 và C 2 ta có thể xác định được điện áp :

Hình 2.24: Đo dịch chuyển với điện môi giữa hai bản cực thay đổi

Hình 2.25: Hai tụ điện thành phần mắc song song

Trường hợp lớp điện môi giữa hai bản cực dịch chuyển theo chuyển động cần đo như hình 2.24 tức là ban đầu điện môi giữa hai bản cực là ε1 , sau đó lớp điện môinày dịch chuyển một khoảng x Vậy giữa hai bản tụ hình thành hai lớp điện môi là

ε1 và ε2 tương ứng coi như tạo thành hai tụ điện C 11 và C 22 mắc song songnhau như hình 2.25 Giá trị của hai tụ điện là:

S= dC

dx =

( ε2− ε1) ε0a

d

là một hằng số không phụ thuộc vào khoảng dịch x

* Mắc vi sai điện môi thay đổi

Hình 2.26: Mắc vi sai điện môi thay đổi

Ban đầu lớp điện môi ε1 và ε2 ở vị trí chính giữa tiết diện bản cực A 0 =A/

2 Khi lớp điện môi ε1 dịch chuyển một khoảng x (tương ứng với phần tiết diện

trên bản cực thay đổi một lượng ΔA =ax) thì tụ điện C 1 và C 2 lại bao gồm hai tụ điện thành phần mắc song song tương ứng với lớp điện môi ε1 và ε2

giống như mô tả hình 2.25 Do vậy ta có: