ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ - ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI  BÀI TẬP LỚN Nhm 3 Môn: Kỹ Thuật Đo Lường Và Cảm Biến Giảng viên hướng dẫn: Th. Đoàn Thị Hương Giang Sinh viên thực hiện: Đỗ Hải Bằng Trần Văn Nam Nguyễn Văn Toản Vũ Xuân Trường Khiếu Thanh Tùng Lớp: K55M Hà Nội,04/2013 Mục lục Linear position sensor – R series Linear position sensor – R series: Cảm biến vị trí tuyến tính loại R I.Giới thiệu chung về cảm biến đo vị trí và dịch chuyển. 1.Khái quát chung. - Ngày nay, cảm biến vị trí và dịch chuyển được ứng dụng rất rộng rãi. Việc kiểm tra vị trí và dịch chuyển đóng vai trò rất quan trọng đối với hoạt động của nhiều máy móc, công cụ… - Thông thường có hai phương pháp cơ bản để xác định vị trí và độ dịch chuyển. + Phương pháp thứ nhất: 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 cần xác định vị trí hay độ dịch chuyển dài. + Phương pháp thứ hai: Ứng với một dịch chuyển cơ bản, cảm biến phát ra một xung. Việc xác định vị trí và độ dịch chuyển dài được tiến hành thông qua việc đếm số xung phát ra. Linear position sensor – R series Page 3 - Một số cảm biến không đòi hỏi sự liên kết cơ học giữa cảm biến và vật cần đo vị trí hoặc độ dịch chuyển. Mối liên hệ giữa vật dịch chuyển và cảm biến được thực hiện thông qua vai trò trung gian của điện trường, từ trường, hoặc điện từ trường, ánh sáng. 2.Một số loại cảm biến thông dụng để xác định vị trí và dịch chuyển. 2.1.Cảm biến loại điện kế điện trở Loại cảm biến này có cấu tạo đơn giản, tín hiệu đo lớn và không đòi hỏi mạch điện đặc biệt để xử lý tín hiệu. Tuy nhiên với các điện thế kế điện trở có con chạy cơ học có sự cọ xát gây ồn và mòn, số lần sử dụng thấp và chịu ảnh hưởng lớn của môi trường khi có bụi và ẩm cao. 2.1.1.Cảm biến loại điện thế kế điện trở dùng con chạy cơ học a.Cấu tạo và nguyên lý hoạt động Cảm biến loại này cấu tạo gồm có một điện trở cố định R n , trên đó có một tiếp xúc điện có thể di chuyển được gọi là con chạy. Con chạy được liên kết cơ học với vật chuyển động cần khảo sát. Giá trị điện trở R x giữa con chạy và một đầu điện trở và con chạy là hàm phụ thuộc và vị trí con chạy, cũng chính là vị trí của vật chuyển động. R x = R n Điện thế kế chuyển động thẳng Linear position sensor – R series Page 4 Điện thế kế dịch chuyển tròn hoặc xoắn Các điện trở được chế tạo có dạng cuộn dây hoặc băng dẫn. Điện trở dạng cuộn dây thường được chế tạo từ các hợp kim Ni-Cr, Ni-Cu, Ni-Fe, Ag-Pd quấn thành vòng xoắn dạng lò xo trên lõi cách điện ( bằng thủy tinh, gốm hoặc nhựa), giữa các vòng dây cách điện bằng emay hoặc lớp oxyt bề mặt. Điện trở băng dẫn được chế tạo bằng chất dẻo trộn bột dẫn điện là cacbon hoặc kim loại cỡ hạt ~10 -2 μm. Các điện trở được chế tạo với các giá trị R n nằm trong khoảng 1kΩ đến 100kΩ, đôi khi đạt tới MΩ. Các con chạy phải đảm bảo tiếp xúc điện tốt, điện trở tiếp xúc phải nhỏ, ổn định. b.Các đặc trưng Khoảng cách có ích của con chạy: thông thường ở đầu hoặc cuối đường chạy của con chạy tỷ số Rx/Rn không ổn định. Khoảng chạy có ích là khoảng thay đổi của x mà trong khoảng đó Rx là hàm tuyến tính của dịch chuyển. Linear position sensor – R series Page 5 Năng suất phân giải: Với điện trở dây cuốn, độ phân giải xác định bởi lượng dịch chuyển cực đại cần thiết để đưa con chạy từ vị trí tiếp xúc hiện tại sang vị trí tiếp xúc lân cận tiếp theo. Độ phân giải của điện trở dạng dây phụ thuộc vào hình dạng và đường kính của dây điện trở (~10μm), điện trở kiểu băng dẫn phụ thuộc và kích thước hạt, thường vào cỡ ~0.1μm. Thời gian sống: là số lần sử dụng của điện thế kế. Nguyên nhân gây hỏng và hạn chế thời gian sống của điện thế kế là sự mài mòn con chạy và dây điện trở trong quá trình làm việc. Thông thường thời gian sống của điện thế kế dạng dây dẫn cỡ 10 6 lần, điện kế dạng băng dẫn vào cỡ 5.10 7 – 10 8 lần. 2.1.2.Cảm biến điện thế kế không dùng con chạy cơ học Để khắc phục nhược điểm của điện thế kế dùng con chạy cơ học, người ta sử dụng điện thế kế liên kết quang hoặc từ a.Điện thế kế dùng con trỏ quang Điện thế kế dùng con trỏ quang gồm có diode phát quang, băng đo, băng tiếp xúc và băng quang dẫn. Băng điện trở được phân cách với băng tiếp xúc bằng một băng quang dẫn rất mảnh làm bằn CdSe trên đó có con trỏ quang dịch chuyển. Điện trở của vùng quang dẫn giảm đáng kể trong vùng được chiếu sáng tạo nên sự liên kết giữa băng đo và băng tiếp xúc Điện thế kế quay dung con trỏ quang 1) Điod phat quang 2) Băng đo 3) Băn tiếp xúc 4) Băng quang dẫn Linear position sensor – R series Page 6 b.Điện thế kế dùng con trỏ từ Điện thế kế điện từ Điện áp nguồn ES được đặt giữa hai điểm (1) và (3), điện áp đo Vra lấy từ điểm chung (2) và một trong hai đầu (1) hoặc (3) Khi đó: Trong đó R1 là hàm phụ thuộc vị trí của trục quay, vị trí này xác định phần của R1 Chịu ảnh hưởng của từ trường còn R = R1 + R2 = const Từ hình b ta thấy điện áp đo chỉ tuyến tính trong một khoảng ~90 đối với điện kế quay. Đối với điện kế dịch chuyển thẳng khoảng tuyến tính chỉ cỡ vài mm. 2.2.Cảm biến loại điện cảm Cảm biến loại này là nhóm cảm biến làm việc dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ. Vật cần đo vị trí hoặc dịch chuyển được gắn vào một phần tử của mạch từ gây nên sự biến thiên từ thông qua cuộn đo. Cảm biến điện cảm được chia ra làm hai loại là cảm biến tự cảm và hỗ cảm. 2.2.1.Cảm biến loại tự cảm a.Cảm biến loại tự cảm có khe từ biến thiên Linear position sensor – R series Page 7 Cảm biến tự cảm đơn: chỉ gồm một cuộn dây quấn trên lõi thép cố định (phần tĩnh) và một lõi thép có thể di động được dưới tác dụng của đại lượng đo (phần động), giữa phần tĩnh và phần động có khe hở không khí tạo nên một mạch từ hở . Sơ đồ a: dưới tác động của đại lượng đo, phần ứng của cảm biến di chuyển, khe hở không khí δ trong mạch từ thay đổi, làm cho từ trở của mạch từ biến thiên, do đó hệ số tự cảm và tổng trở của cuộn dây thay đổi theo. Sơ đồ b: khi phần ứng quay, tiết diện khe hở không khí thay đổi, làm cho từ trở của mạch điện biến thiên, do đó hệ số tự cảm và tổng trở của cuộn dây thay đổi theo. Hệ số tự cảm của cuộn dây cũng có thể thay đổi tổn hao sinh ra bởi dòng điện xoáy khi tấm sắt từ dịch chuyển dưới tác động của đại lượng đo Nếu bỏ qua điện trở của cuộn dây và từ trở của lõi thép ta có: L = = Trong đó W là số vòng dây, là từ trở khe hở không khí, chiều dài khe hở không khí, s là tiết diện thực của khe hở không khí. Với lượng thay đổi hữu hạn Δδ và Δs ta có: Độ nhạy của cảm biến tự cảm khi thay đổi tiết diện không khí (δ = const): Linear position sensor – R series Page 8 Tổng trở của cảm biến: => tổng trở Z của cảm biến là hàm tuyến tính với tiết diện khe hở không khí s và phi tuyến với chiều dài khe hở không khí Đặc tính của cảm biến đơn Z = f(∆δ) là hàm phi tuyến và phụ thuộc vào tần số nguồn kích thích, tần số nguồn kích thích càng cao thì độ nhạy của cảm biến càng cao. b.Cảm biến loại tự cảm kép lắp theo kiểu vi sai Để tăng độ nhạy của cảm biến và tăng đoạn đặc tính tuyến tính người ta thường dùng cảm biến tự cảm kép mắc theo kiểu vi sai. Đặc tính của cảm biến tự cảm kép vi sai có dạng : Linear position sensor – R series Page 9 2.2.2.Cảm biến tự cảm có lõi từ di động Cảm biến gồm một cuộn dây bên trong có lõi từ di động được: Dưới tác động của đại lượng đo , lõi từ dịch chuyển làm cho độ dài l f của lõi từ nằm trong cuộn dây thay đổi, kéo theo sự thay đổi hệ số tự cảm L của cuộn dây. Sự phụ thuộc của L vào l f là hàm không tuyến tính, tuy nhiên có thế cải thiện bằng cách ghép hai cuộn dây đồng dạng vào hai nhánh kề sát nhau của một cầu điện trở có chung một lõi sắt. 2.2.3.Cảm biến hỗ cảm. Cấu tạo của cảm biến hỗ cảm tương tự cảm biến tự cảm chỉ khác ở chỗ có thêm một cuộn dây đo. Trong các cảm biến đơn khi chiều dài khe hở không khí hoặc tiết diện khe không khí thay đổi hoặc tổn hao do dòng điện xoáy thay đổi sẽ làm cho từ thông của mạch từ biến thiên kéo theo suất điện động e trong cuộn đo thay đổi Cảm biến đơn có khe không khí: Linear position sensor – R series Page 10 [...]... tuyến tính và quay Tuyến tính và độ dich chuyển Tốc độ quay và tuyến tính - Phân giải - 0.5, 1, 2, 5, 10, 20, 50, 100 μm - Tốc độ + 30 0, 750, 1000, 2000, 5000 mm + Đo chiều dài/s + 3. 7 3. 0 2 .3 1.2 0.5 kHz + Đo tần số/s - ± 0.01%(tối thiểu ± 40 mm) - Phi tuyến - Lặp lại - ± 0,001%(tối thiểu ± 2,5 mm) - Độ trễ - < 4μm, 2 μm là điển hình - Đầu ra + Điểm chung + Synchronous Serial Interface (SSI),(rs-422 +... chuyển II Tổng quan về cảm biến vị trí tuyến tính 1.Khái niệm Cảm biến vị trí tuyến tính là cảm biến dùng để phát hiện và đo lường vị trí và chuyển động của một đối tượng, sử dụng phương pháp tiếp xúc hoặc không tiếp xúc để đo tốc độ hoặc vị trí của một đối tượng 2.Nguyên lý hoạt động  Cảm biến vị trí tuyến tính sử dụng một loạt các công nghệ để phát hiện và đo lường vị trí và chuyển động của một... style: 2 5-7 260mm Flexible style: 25 5-1 0060mm + 75mm tối thiểu cho 2 đầu ra khác biệt • - Linear position sensor – R series - Danh định +24V (-1 5% hoặc +20%) - Điển hình 100 mA - 500V DC,nối đất + -4 0 °C (-4 0 °F) tới +75 °C (+167 °F) + 90% ko ngưng tụ + < 15 ppm/ °C - 15 g (30 g với HVR tùy chọn) /10 hz 2000, tiêu chuẩn IEC 6 8-2 -6 (hoạt động) - 100 g (hit) /IEC tiêu chuẩn 6 8-2 -2 7 (sống sót) - 7 chân... dò và bắt đầu xung đến của tín hiệu trả lời Thời gian của phép đo tỉ lệ thuận với vị trí của nam châm vĩnh cửu Giá trị đo được là giá trị tuyệt đối, do đó đầu ra của cảm biến tương ứng với vị trí tuyệt đối Có sự lặp lại của đầu ra Linear position sensor – R series Page 21 4.4 Thông số kỹ thuật cảm cảm biến vị trí tuyến tính – loại R mô hình RP Thông số Đặc điểm kỹ thuật • Đầu ra - Biến đo đầu ra - Vị... cập nhật và lưu trữ bên trong cảm biến một cách nhanh chóng như chu kỳ đo lường cảm biến cho phép Thời gian tối thiểu cho các chu kỳ đo lường được xác định bởi chiều dài tổng thể nhịp của cảm biến Thời gian vòng lặp của bộ điều khiển sẽ xác định khi dữ liệu được lưu trữ của bộ cảm biến được thu thập chế độ này thời gian điều khiển vòng lặp là không đồng bộ với thời gian chu kỳ đo của cảm biến Tuy nhiên,... Model RP - kiểu bóng sử dụng trong các loại máy - Model RD4 - kiểu thanh với các thiết bị điện tử tách rời sử dụng trong các khớp cầu gắn xilanh - Model RF – kiểu thanh dài có thể cuộn sử dụng trong một không gian hạn chế Cùng với sụ đa dạng Model là sự đa dạng về chuẩn đầu ra để thuận tiện sử dụng: - Voltage: R-Analog - Current: R-Analog - SSI: R-SSI - Canbus: R-canbus - DeviceNet: R-DeviceNet - ProfileBus:... dưới thiết kế T-slot ( rãnh T) Cả hai chân đỡ và hạt T-slot có thể bố trí theo suất chiều dài của cảm biến để đảm bảo cho cảm biến sử dụng tốt nhất trong mỗi ứng dụng đặc biệt  - Chú ý : Mô hình cảm biến RP bao gồm 2 chân đỡ ( bộ phận số 400802 ) cho độ dài hành trình cảm biến lên đến 1250 mm ( 50in) Một chân đỡ thêm vào để cho độ dài hành trình có thể vượt 1250 mm và cho mỗi 500mm thêm vào sau đó MTS... đơn và lực tương hỗ giữa các bản cực triệt tiêu lẫn nhau do ngược chiều nhau Linear position sensor – R series Page 12 2.4 .Cảm biến quang Các cảm biến đo vị trí và độ dịch chuyển theo phương pháp quang học gồm có nguồn phát ánh sáng kết hợp với một đầu thu quang (thường là tế bào quang điện) Tùy theo cách bố trí đầu thu quang, nguồn phát và thước đo (hoặc đối tượng đo) , các cảm biến được chia ra cảm biến. .. kín - Đầu vào cảm biến và biểu đồ thời gian Linear position sensor – R series Page 24 Một xung clock từ một bộ điều khiển được đưa đến đầu ra dữ liệu cảm biến Một bit dữ liệu vị trí được chuyển đến bộ điều khiển cho mỗi xung clock nhận được bởi cảm biến Các dữ liệu vị trí tuyệt đối được cập nhật liên tục bởi các cảm biến và chuyển đổi bằng cách ghi thông tin thay đổi liên tiếp  Chế độ đo Chu kì đo: ... điện, từ giảo, biến trở từ và chiết áp tuyến tính Hầu hết các loại cảm biến này được chế tạo dựa trên những đặc điểm được nêu trên mục I 4.Giới thiệu về cảm biến vị trí tuyến tính – loại R (Linear position sensor – R series) 4.1 Giới thiệu chung Cảm biến vị trí tuyến tính – loại R là dòng sản phẩm do hãng MTS sản xuất Cảm biến này là loại cảm biến vị trí tuyến tính không tiếp xúc (cảm biến số, thụ động) . nên sự biến thiên từ thông qua cuộn đo. Cảm biến điện cảm được chia ra làm hai loại là cảm biến tự cảm và hỗ cảm. 2.2.1 .Cảm biến loại tự cảm a .Cảm biến loại. dụng: - Voltage: R-Analog - Current: R-Analog - SSI: R-SSI - Canbus: R-canbus - DeviceNet: R-DeviceNet - ProfileBus: R-ProfileBus - EtherCAT: R-EtherCAT -