1 KHOA CÔNG NGHỆ ðIỆN TỬKHOA CÔNG NGHỆ ðIỆN TỬ KỸ THUẬT CẢM BIẾN VÀ ðO LƯỜNGKỸ THUẬT CẢM BIẾN VÀ ðO LƯỜNG KHOA CÔNG NGHỆ ðIỆN TỬKHOA CÔNG NGHỆ ðIỆN TỬ KỸ THUẬT CẢM BIẾN VÀ ðO LƯỜNGKỸ THUẬT CẢM BIẾN VÀ ðO LƯỜNG Chương 3: CẢM BIẾN QUANGChương 3: CẢM BIẾN QUANG Biên soạn: ThS. Trần Văn Hùng 03-2012 2:52 p.m.2:52 p.m. 11 NỘI DUNG MÔN HỌCNỘI DUNG MÔN HỌC • KHÁI NIỆM CHUNG • CẢM BIẾN TIỆM CẬN • CẢM BIẾN QUANG • CẢM BIẾN VỊ TRÍ VÀ KHOẢNG CÁCH • CẢM BIẾN LỰC VÀ ÁP SUẤT • CẢM BIẾN NHIỆT ðỘ 2:52 p.m.2:52 p.m. 22 NỘI DUNG CHƯƠNG 4NỘI DUNG CHƯƠNG 4 4.1 Khái niệm 4.2 Cảm biến ño khoảng cách ngõ ra analog 4.3 Bộ phân thế (Potentiometer) 4.4 Cảm biến ño vận tốc vòng quay và góc quay (Tachometter) 4.5 ðo vận tốc vòng quay bằng phương pháp quang ñiện tử (Encoder) 4.6 ðo vận tốc vòng quay với nguyên tắc ñiện trở từ 2:52 p.m.2:52 p.m. 33 4.1 KHÁI4.1 KHÁI NIỆMNIỆM 2:52 p.m.2:52 p.m. 44 2 • Cảm biến vị trí ño sự dịch chuyển của vật theo khoảng cách ñể xác ñịnh chính xác vị trí của vật • Yêu cầu ño vị trí và dịch chuyển lớn • Dùng ñể ño các ñại lượng khác • Có nhiều loại cảm biến ño vị trí sử dụng các nguyên lý khác nhau như hầu hết ngõ ra dạng analog 4.1 KHÁI4.1 KHÁI NIỆMNIỆM 2:52 p.m.2:52 p.m. 55 4.1 KHÁI4.1 KHÁI NIỆMNIỆM •• Phương pháp ño:Phương pháp ño: –– Phần tử CB gắn với vật di ñộng, tín hiệu Phần tử CB gắn với vật di ñộng, tín hiệu ño là một hàm phụ thuộc vị trí trong ño là một hàm phụ thuộc vị trí trong phần tử CB, thông thường là trở kháng.phần tử CB, thông thường là trở kháng. –– Không ñòi hỏi liên kết cơ học giữa CB và Không ñòi hỏi liên kết cơ học giữa CB và vật ño: tín hiệu ño ñược thông qua các vật ño: tín hiệu ño ñược thông qua các ñại lượng trung gian như ñiện trường.ñại lượng trung gian như ñiện trường. 2:52 p.m.2:52 p.m. 66 4.2 CẢM BIẾN NGÕ RA ANALOG CẢM BiẾN ĐO KHOẢNG CÁCH NGÕ RA DẠNG ANALOG 2:52 p.m.2:52 p.m. 77  Nguyên lý: dựa trên hiện tượng cảm ứng ñiện từ  Thay ñổi hệ số tự cảm L, hệ số hổ cảm M.  Vật cần ño gắn vào một phần tử mạch từ, vật dịch chuyển gây nên sự biến thiên từ thông trong cuộn dây ño dẫn ñến thay ñổi ñiện áp trên hai ñầu của nó.  Nguồn cấp là tín hiệu xoay chiều 4.2 CẢM BIẾN NGÕ RA ANALOG 2:52 p.m.2:52 p.m. 88 3 Mạch từ có khe từ biến thiên 0 0 2 0 l x2 1 x . l sN2 L ∆ ∆∆ ∆ + ++ + ∆ ∆∆ ∆µ µµ µ− −− − = == =∆ ∆∆ ∆ • N: số vòng dây • L 0 : chiều dài khe hở không khí • S: tiết diện • m/H10.4 7 0 − −− − π ππ π= == =µ µµ µ 4.2 CẢM BIẾN NGÕ RA ANALOG 2:52 p.m.2:52 p.m. 99  ðộ nhạy cao hơn loại ñơn mạch từ  Tuyến tính hơn (kết hợp với mạch cầu ño) Loại 2 mạch từ 4.2 CẢM BIẾN NGÕ RA ANALOG [ ] )(1 01 1 xd L L −+ = α [ ] )(1 02 2 xd L L ++ = α ; 2:52 p.m.2:52 p.m. 1010 Cảm biến hổ cảm: Cấu tạo của cảm biến hổ cảm tương tự cảm biến tự cảm chỉ khác là có thêm một cuộn dây ño 4.2 CẢM BIẾN NGÕ RA ANALOG 2:52 p.m.2:52 p.m. 1111 Cảm biến hổ cảm có khe hở không khí ðộ nhạy của cảm biến với sự thay ñổi của chiều dài khe hở không khí δ (s=const): ðộ nhay khi tiết diện khe hở không khí s thay ñổi (δ=const): 4.2 CẢM BIẾN NGÕ RA ANALOG 2 0 0 0 2 0 2 0 11         ∆ + =         ∆ + −= ∆ ∆ = δ δ δ δ δ δ δ δ E ksE S o o s s E k s E S == ∆ ∆ = 0 δ 2:52 p.m.2:52 p.m. 1212 4 Biến ñổi sai phân tuyến tính: LVDT (Linear Variable Differential Transformer) là một cơ cấu cơ - ñiện tạo ra ñiện áp tỉ lệ với vị trí của lỏi biến áp trong lòng cuộn dây Vỏ thép không rỉ Vành chống nhiễu ñiện từ và tĩnh ñiện Cuộn dây Lớp Epoxy Lõi Hỗn hợp chống ẩm và ổn ñịnh nhiệt 4.2 CẢM BIẾN NGÕ RA ANALOG 2:52 p.m.2:52 p.m. 1313  ðo ñộ dịch chuyển: hoạt ñộng dựa trên nguyên lý máy biến áp.  Cấu tạo gồm cuộn dây sơ cấp và hai cuộn thứ cấp giống nhau  ðiện áp ngõ ra AC tỉ lệ với ñộ di chuyển của lõi. 4.2 CẢM BIẾN NGÕ RA ANALOG Cấu tạo của LVDT 2:52 p.m.2:52 p.m. 1414 ðiện áp AC ñưa vào cuộn sơ cấp, tạo ra ñiện cảm ứng trên 2 ñầu cuộn thứ cấp. Khi lõi chuyển ñộng làm cho ñiện áp ñầu ra thứ cấp thay ñổi. Lõi ðiện áp vào ðiện áp ra Cuộn thứ cấp quấn theo hai chiếu ngược nhau, nên ñiện áp ra sẽ thay ñổi cực tính khi lõi dịch chuyển. 4.2 CẢM BIẾN NGÕ RA ANALOG Nguyên lý làm việc của LVDT 2:52 p.m.2:52 p.m. 1515 Là một biến áp gồm một cuộn sơ cấp và ai cuộn thứ cấp giống nhau. ðiện áp ngõ ra là hiệu hai ñiện áp cảm ứng trên cuộn thứ cấp. Ngõ ra bằng không khi lõi sắt từ nằm trung tâm thiết bị. Secondary V s V o Primary ∆ ∆∆ ∆∆ ∆∆ ∆xx LL 11 LL 33 LL 22 4.2 CẢM BIẾN NGÕ RA ANALOG Nguyên lý làm việc của LVDT 2:52 p.m.2:52 p.m. 1616 5  Khi lõi ñược dịch về phía cuộn thứ cấp thứ nhất E1 tăng lên, E2 giảm do lượng từ thông ñược tập trung nhiều về phía cuộn dây thứ nhất.  ðiện áp ngõ ra so với ñiện áp trên cuộn sơ cấp 4.2 CẢM BIẾN NGÕ RA ANALOG Nguyên lý làm việc của LVDT 2:52 p.m.2:52 p.m. 1717 Lõi sắt từ có ñộ từ thẩm cao Khi lõi tại vị trí trung tâm thì L1=L2, mạch cầu cân bằng nên V out = 0. 4.2 CẢM BIẾN NGÕ RA ANALOG Nguyên lý làm việc của LVDT 2:52 p.m.2:52 p.m. 1818 Khi lõi sắt từ di chuyển khỏi vị trí trung tâm thì ñiện áp một trong hai cuộn thứ cấp sẽ tăng, cuộn còn lại giảm tương ứng. 4.2 CẢM BIẾN NGÕ RA ANALOG Nguyên lý làm việc của LVDT 2:52 p.m.2:52 p.m. 1919 Chúng ta có thể dùng mạch mạch khuếch ñại vi sai ñể tính ñiện áp ngõ ra. Tuy nhiên, chúng ta có thể nối hai cuộn sơ cấp ngược pha nhau như trong hình bên ñể tìm V o . 4.2 CẢM BIẾN NGÕ RA ANALOG Ngõ ra vi sai của LVDT 2:52 p.m.2:52 p.m. 2020 6 ðiện áp ra Vị trí lõi (%) so vị trí 0 Vùng phi tuyến Vùng phi tuyến Vùng tuyến tính Vị trí 100% Vị trí 100% Vị trí 0% 4.2 CẢM BIẾN NGÕ RA ANALOG Vùng hoạt ñộng của LVDT 2:52 p.m.2:52 p.m. 2121  Phạm vi tuyến tính LVDT từ + 1mm ñến + 50cm (sai số tuyến tính + 0.25%)  ðơn vị thường ñược sử dụng là mV/V/mm hay mV/V/in. 4.2 CẢM BIẾN NGÕ RA ANALOG ðặc tính của LVDT 2:52 p.m.2:52 p.m. 2222  LVDT cung cấp tín hiệu sin cho cuộn sơ cấp với tần số từ 50hz ñến 25khz. Tần số này chính là tần số sóng mang và phải lớn hơn tần số chuyển ñộng của lõi ít nhất 10 lần.  Tín hiệu ñiện áp ngõ ra chính là tín hiệu ñược ñiều chế từ chuyển ñộng của lõi. 4.2 CẢM BIẾN NGÕ RA ANALOG ðặc tính của LVDT 2:52 p.m.2:52 p.m. 2323 Khi lõi tại vị trí trung tâm, áp ngõ ra bằng không. 4.2 CẢM BIẾN NGÕ RA ANALOG Biên ñộ sóng ra của LVDT Khi di chuyển lệch vị trí trung tâm, ñiện áp cảm ứng ở hai cuộn thứ cấp khác nhau. Biên ñộ tỷ lệ chiều dài dịch chuyển của lõi và pha của nó thể hiện hướng dịch chuyển. 2:52 p.m.2:52 p.m. 2424 7 4.2 CẢM BIẾN NGÕ RA ANALOG Mạch giao tiếp của LVDT 2:52 p.m.2:52 p.m. 2525 4.2 CẢM BIẾN NGÕ RA ANALOG Chỉnh lưu ngõ ra cho LVDT 2:52 p.m.2:52 p.m. 2626 Hiện nay các máy biến áp LVDT thường kết hợp thêm với mạch chỉnh lưu ñể tạo ra ñiện áp DC ðiện áp ra Hướng chuyển ñộng 4.2 CẢM BIẾN NGÕ RA ANALOG Chỉnh lưu ngõ ra cho LVDT 2:52 p.m.2:52 p.m. 2727 Mạch chỉnh lưu cầu diode 4.2 CẢM BIẾN NGÕ RA ANALOG Chỉnh lưu ngõ ra cho LVDT 2:52 p.m.2:52 p.m. 2828 8 Mạch chỉnh lưu cầu ñôi 4.2 CẢM BIẾN NGÕ RA ANALOG Chỉnh lưu ngõ ra cho LVDT 2:52 p.m.2:52 p.m. 2929 Dạng sóng ngõ ra mạch chỉnh lưu 4.2 CẢM BIẾN NGÕ RA ANALOG Chỉnh lưu ngõ ra cho LVDT 2:52 p.m.2:52 p.m. 3030 Là kiểu chuyển ñổi khí (dùng kỹ thuật LVDT) biến áp lực thành dịch chuyển theo vị trí, vị trí dịch chuyển tỉ lệ với áp lực ñặt vào ống Bourdon ðầu gá Ống áp lực Lò xo Tín hiệu vào Tín hiệu ra 4.2 CẢM BIẾN NGÕ RA ANALOG LVDT dùng ống Bourdon 2:52 p.m.2:52 p.m. 3131 Chọn lựa LVDT • ðo vị trí không tổn hao do ma sát. • ðộ phân giải không xác ñịnh. • Rất bền. • Khả năng lập lại cao. • Ngõ vào và ra cách ly. 4.2 CẢM BIẾN NGÕ RA ANALOG 2:52 p.m.2:52 p.m. 3232 9  Không có sự tiếp xúc nào của lõi với các bộ phận khác nên phương pháp này không tạo ra sự hao mòn trên thiết bị. Dẫn ñến thiết bị này có ñộ bền cao hơn các phương pháp khác.  Không có giới hạn cho ñộ phân giải cho phương pháp này do sử dụng từ trường làm trung gian => ñộ phân giải chỉ phụ thuộc vào ñộ phân giải của dụng cụ ño ñiện áp. 4.2 CẢM BIẾN NGÕ RA ANALOG ðánh giá LVDT 2:52 p.m.2:52 p.m. 3333  Cảm biến ñiện dung ño khoảng cách về cấu tạo cũng giống cảm biến ñiện dung tiệm cận nhưng ngõ ra là analog. Cảm biến ñiện dung ñược sử dụng rất phổ biến trong công nghiệp và trong các lĩnh vực khoa học. Nguyên lý của chúng là dựa trên sự thay ñổi của ñiện dung khi có sự dịch chuyển. 4.2 CẢM BIẾN NGÕ RA ANALOG 2:52 p.m.2:52 p.m. 3434  Cảm biến ñiện dung có ñộ tuyến tính lớn và phạm vi rộng. Phần tử cảm ứng cơ bản của cảm biến ñiện dung bao gồm 2 cực của một tụ ñiện có ñiện dung C. ðiện dung là một hàm của khoảng cách d giữa 2 cực của tụ ñiện, diện tích bản cực A và hằng số ñiện môi. ),,( ε AdfC = 4.2 CẢM BIẾN NGÕ RA ANALOG 2:52 p.m.2:52 p.m. 3535 Loại cảm biến này tạo ra từ 2 bản cực phẳng cách nhau một khoảng cách x có thể thay ñổi ñược. Do ñó, ñiện dung của tụ ñiện là: x A x A xC r 0 )( εε ε == 4.2 CẢM BIẾN NGÕ RA ANALOG 2:52 p.m.2:52 p.m. 3636 10  ðiện dung của loại cảm biến này biến thiên phi tuyến theo độ dịch chuyển x.  ðộ nhạy:  Kiểu cảm biến này thường sử dụng để đo dịch chuyển có độ tăng nhỏ mà khơng cần tiếp xúc với đối tượng cần đo. 4.2 CẢM BIẾN NGÕ RA ANALOG 2 0 x A dx dC r ε ε −= 2:52 p.m.2:52 p.m. 3737  Cảm biến quang điện gồm bộ phát và bộ thu ánh sáng, nguồn sáng sử dụng là diode phát quang hay diode lazer,ánh sáng dùng loại hồng ngoại hay màu đỏ,xanh  Tuỳ theo cách bố trí bộ thu và bộ phát, ta sẽ chia cảm biến quang điện thành các loại sau: 4.2 CẢM BIẾN NGÕ RA ANALOG 2:52 p.m.2:52 p.m. 3838 4.2 CẢM BIẾN NGÕ RA ANALOG 2:52 p.m.2:52 p.m. 3939 T R BỀ MẶT PHẢN XẠ PHÁT: Transmitter THU: Receiver T R PHÁT: Transmitter THU: Receiver 4.2 CẢM BIẾN NGÕ RA ANALOG 2:52 p.m.2:52 p.m. 4040 [...]... a c m bi n này còn ph thu c vào hư ng c a m t tia ph n x 2:52 p.m 43 2:52 p.m 44 11 4.3 CHI T ÁP 4.3 CHI T ÁP 2:52 p.m 45 4.3 CHI T ÁP 46 4.3 CHI T ÁP • ð chuy n ñ i g c quay hoăc kho ng cách tuy n tính thành ñi n áp • Chi t áp có ñi n tr thay ñ i tuy n tính so v i tr c quay • Chi t áp khác v i bi n tr volume thay ñ i theo hàm log 2:52 p.m 2:52 p.m 47 • Kh o sát chi t áp như m t c m bi n v trí • Kh... ng c a t i lên chi t áp 2:52 p.m 48 12 4.3 CHI T ÁP ði n tr c ñ nh Rn, con ch y Giá tr R là hàm ph thu c v trí con ch y (ñi n tr thay ñ i ph thu c v trí con ch y) 2:52 p.m 4.3 CHI T ÁP 49 4.3 CHI T ÁP 2:52 p.m 50 4.3 CHI T ÁP is Rp(1-x) (1- R VS Σ p d ix iL Rp x RL VL ðo theo c u hình m ch phân áp 2:52 p.m R (l ) = R n 51 2:52 p.m l L Rα = Rn α α0 52 13 4.3 CHI T ÁP 4.3 CHI T ÁP Pot chính xác có th... và 107 – 108 v i d ng d ch chuy n • ð tuy n tính: giá tr c a t s R(x)/Rn ki u pot, ch t li u ph n t ñi n tr , các tham s hai ñ u c a ñi n tr không n ñ nh, do ñó ñi n và cơ khí và các phương pháp l p ñ t ñ u ñư ng ch y ho c cu i ñư ng ch y thì 2:52 p.m 55 ñ tuy n tính kém 2:52 p.m 56 14 4.3 CHI T ÁP 4.3 CHI T ÁP ði n áp ngõ ra t i v trí 82o là: Vout = 10 x82 = 2.34V 350 Sai s t i: Sai s t i = ñi n áp. .. 4.3 CHI T ÁP 2:52 p.m 62 4.3 CHI T ÁP Sai s tuy n tính là sai s t i l n nh t so v i giá tr ði n tr s d ng như c m bi n v trí nên ñi n áp t ng ñi n tr c a chi t áp ngõ ra t l v i v trí góc c a tr c quay Do ñó sai ett = s tuy n tính có th bi u di n theo góc quay: ∆Rx100 R pot ett = ∆R :Sai s t i l n nh t R pot :T ng ñi n tr c a chi t áp 2:52 p.m 63 2:52 p.m ∆θx100 θ 64 16 4.3 CHI T ÁP Chi t áp quay m... a/ Do m ch giao ti p có ñi n tr vô l n nên coi như không nh hư ng t i chi t áp nên: Không có sai s t i 2:52 p.m 59 2:52 p.m 60 15 4.3 CHI T ÁP 4.3 CHI T ÁP a Tìm sai s t i khi Pot t i v trí 2/3 và ¾ chi t áp? b K t lu n? b/ Do m ch giao ti p có ñi n tr 100KΩ nên ñi n tr th c c a m ch là: 5 x100 R pot = = 4.76 KΩ 5 + 100 ði n áp t i ngõ ra bi n tr : V pot = 10 4.76 = 4.88V 5 + 4.76 Sai s t i là t i v... T ÁP ði n áp ngõ ra t i v trí 82o là: Vout = 10 x82 = 2.34V 350 Sai s t i: Sai s t i = ñi n áp không t i – ñi n áp có t i el = V NL − VL Chi t áp dùng ñ phát hi n góc quay c a tay máy như hình trên Tìm ñi n áp ngõ ra t i v trí 82o? 2:52 p.m 57 4.3 CHI T ÁP 2:52 p.m 58 4.3 CHI T ÁP Chi t áp 10Kohm như hình dư i, s d ng như m t bi n 10Kohm tr Gi s con trư t ñang v trí trung tâm bi n tr Tìm sai s t... ðO V N T C VÒNG QUAY 4.4 C M BI N ðO V N T C VÒNG QUAY ñ u ra ñi n áp ñư c ch nh lưu thành ñi n áp m t chi u ði n áp này không ph thu c vào chi u quay và hi u su t l c gi m ñi khi t n s th p T c ñ quay có th xác ñ nh ñư c b ng cách ño t n s c a s c ñi n ñ ng Rotor là m t hình tr kim lo i m ng ñư c quay v i v n t c c n ño, kh i lư ng và quán tính c a nó không ñáng k Stator làm b ng thép lá k thu t ñi... như: t i cơ khí, ñư ng ch y cơ khí, nhi t ñ làm vi c, ch n ñ ng, t c ñ di chuy n, tu i th làm vi c… 71 2:52 p.m 72 18 4.3 CHI T ÁP 4.4 C M BI N ðO V N T C VÒNG QUAY • Chi t áp dây kim lo i • Chi t áp v i l p polymer • Chi t áp v i oxit kim lo i – th y tinh (cermet) • Chi t áp v i màng m ng kim lo i 2:52 p.m 73 4.4 C M BI N ðO V N T C VÒNG QUAY 2:52 p.m 74 4.4 C M BI N ðO V N T C VÒNG QUAY C m bi n v... 2:52 p.m ∆θx100 θ 64 16 4.3 CHI T ÁP Chi t áp quay m t vòng 350 ñ 4.3 CHI T ÁP có sai s ð phân gi i c a chi t áp là s thay ñ i nh nh t mà thi t b có th ghi nh n tuy n tính là 0.1% và n i v i ngu n 5V Tìm sai s góc l n nh t? Gi i Sai s góc: ∆θ = ett xθ 0.1x350 = = 0.35 100 100 2:52 p.m 65 4.3 CHI T ÁP 2:52 p.m 66 4.3 CHI T ÁP ði n tr dây qu n có c u t o g m 10 b , m i b có ñi n tr 100Ω T ng s vòng dây... ñư c cung c p m t ñi n áp ñ nh m c có biên ñ và t n s không ñ i 2:52 p.m 83 2:52 p.m 84 21 4.4 C M BI N ðO V N T C VÒNG QUAY Cu n th nh t là cu n kích t ñư c cung c p m t ñi n áp ñ nh m c có biên ñ và hai là cu n dây ño, gi a hai ñ u c a cu n này s su t hi n s c ñi n ñ ng có biên em = Em cos(ω et + Φ) = k ωVe cos(ω et + Φ) ve=Vecos ωet V i :Em = k ω Ve = k’ω k là h ng s ph thu c vào c u trúc c a máy . THUẬT CẢM BIẾN VÀ ðO LƯỜNGKỸ THUẬT CẢM BIẾN VÀ ðO LƯỜNG KHOA CÔNG NGHỆ ðIỆN TỬKHOA CÔNG NGHỆ ðIỆN TỬ KỸ THUẬT CẢM BIẾN VÀ ðO LƯỜNGKỸ THUẬT CẢM BIẾN VÀ ðO LƯỜNG Chương 3: CẢM BIẾN QUANGChương 3: CẢM. p.m.2:52 p.m. 1010 Cảm biến hổ cảm: Cấu tạo của cảm biến hổ cảm tương tự cảm biến tự cảm chỉ khác là có thêm một cuộn dây ño 4.2 CẢM BIẾN NGÕ RA ANALOG 2:52 p.m.2:52 p.m. 1111 Cảm biến hổ cảm có khe. thuật LVDT) biến áp lực thành dịch chuyển theo vị trí, vị trí dịch chuyển tỉ lệ với áp lực ñặt vào ống Bourdon ðầu gá Ống áp lực Lò xo Tín hiệu vào Tín hiệu ra 4.2 CẢM BIẾN NGÕ RA ANALOG LVDT