Trao đổi trực tuyến tại:

http://www.mientayvn.com/chat_box_li.html

Giảng viên: Nguyễn Đức Hoàng

Bộ môn Điều Khiển Tự Động

Khoa Điện – Điện Tử

Đại Học Bách Khoa Tp.HCM

Email: ndhoang@hcmut.edu.vn

MÔN HỌC

CẢM BIẾN ĐO

DỊCH CHUYỂN ,VỊ TRÍ

CHƯƠNG 4

6:11 PM

Nội dung chương 4

4.1 Nguyên lý đo

4.2 Cảm biến điện trở

4.3 Cảm biến điện dung

4.4 Cảm biến điện cảm (LVDT)

4.5 Cảm biến quang (Encoder)

6:11 PM

Nguyên lý đo

Vị trí là thuật ngữ chỉ tọa độ của một đối tượng với chuẩn

chọn trước

Dịch chuyển là sự chuyển động của đối tượng từ vị trí

này sang vị trí khác với một khoảng cách hoặc một góc

nào đó

6:11 PM

Nguyên lý đo (tt)

Có 2 pp để xác định vị trí và dịch chuyển

+ Bộ cảm biến cung cấp tín hiệu là hàm phụ thuộc vị trí

của một trong các phần tử của cảm biến, đồng thời phần

tử này có liên quan đến vật cần xác định dịch chuyển

+ Ứng với một dịch chuyển cơ bản, cảm biến phát ra một

xung. Việc xác định vị trí và dịch chuyển được tiến hành

bằng cách đếm số xung phát ra

6:11 PM

Nguyên lý đo (tt)

Một số cảm biến không đòi hỏi liên kết cơ học giữa cảm

biến và vật cần đo vị trí hoặc 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

Các loại thông dụng:

+ Cảm biến điện trở

+ Cảm biến điện dung

+ Cảm biến điện cảm

+ Cảm biến quang

6:11 PM

Cảm biến điện trở

Cấu tạo và nguyên lý làm việc:

Cảm biến gồm một điện trở cố định, trên đó có một tiếp

xúc điện có thể di chuyển gọi là con chạy. Con chạy được

liên kết cơ học với vật chuyển động cần khảo sát

6:11 PM

Cảm biến điện trở (tt)

Cảm biến điện trở chuyển động thẳng

x n

lR R

L

Cảm biến điện trở chuyển động tròn hoặc xoắn

n

n

R R

M < 3600 (tròn)

M > 3600 (xoắn)6:11 PM

Cảm biến điện trở

Ví dụ:

Cảm biến điện trở được sử dụng để đo góc của cánh tay

như hình vẽ. Tính góc quay của cánh tay khi áp ra Vout =

2.34V. Biết tầm đo của cảm biến là 3500 ứng với 10V.

6:11 PM

Cảm biến điện trở

Ví dụ: Joystick

Tính vx , vy ?

6:11 PM

Cảm biến điện trở

Khi cảm biến điện trở nối vào mạch giao tiếp có trở kháng

vào thấp sai số tải

Sai số tải = VNL – VL

VNL : áp ra khi không có tải

VL : áp ra khi có tải

VD:

Chiết áp 10K được sử dụng làm cảm biến vị trí. Giả sử

con trượt ở giữa tầm. Tính sai số tải khi:

a) Mạch giao tiếp có trở kháng ngõ vào vô cùng

b) Mạch giao tiếp có trở kháng ngõ vào bằng 100K6:11 PM

Cảm biến điện trở

Tính sai số tương đối:

6:11 PM

Chiết áp đo dịch chuyển Mạch tương đương

0

0

mv v

v

Tìm vị trí con trượt để lớn nhất. Tính max

Cảm biến điện dung

Cảm biến điện dung thực chất là một tụ điện gồm 2 điện

cực, giữa chúng chứa chất điện môi

Giả sử cảm biến là một tụ phẳng có tiết diện bản cực S,

khoảng cách giữa 2 bản cực và chứa chất điện môi .

Điện dung của tụ điện là:

Nguyên lý hoạt động của cảm biến dựa trên sự thay đổi của

các thông số S, , làm C thay đổi.

Cảm biến thực hiện ở dạng đơn hoặc dạng kép (vi sai)

SC

6:11 PM

Cảm biến điện dung

6:11 PM

Cảm biến điện dung

Cảm biến điện dung chia thành 2 nhóm lớn:

+ Cảm biến máy phát: đại lượng ra là điện áp U, loại này

dùng đo các đại lượng cơ

+ Thông số: có đầu vào là độ dịch chuyển của bản cực, tín

hiệu ra là điện dung C

6:11 PM

Cảm biến điện dung

Khi một trong ba thông số S, , thay đổi điện dung của tụ

điện C sẽ thay đổi.

Với sự thay đổi nhỏ ta có các phương trình:

0 0 0 0

2

0 0 0

S SC S

2

0 0 0 0

0

1

1

C S

C S

0 0

0

0

SC

6:11 PM

Cảm biến điện dung

Độ nhạy của cảm biến:

+ Khi thay đổi (,S = const):

+ Khi S thay đổi (, = const):

+ Khi thay đổi (,S = const):

Độ nhạy của cảm biến điện dung là tuyến tính khi điện

môi và tiết diện S thay đổi và phi tuyến khi khoảng cách

giữa 2 bản cực thay đổi.

0

0

/1

/S

C CS

S S

00 2

0

0

1

1

C CS

0

0

/1

/S

C CS

6:11 PM

Cảm biến điện dung

Tụ điện kép (vi sai)

0 0 0 01 2,

S SC C

x x

21

1 1 2

1 2

1*

1 1

CUU U

j C C C

j C j C

12

2 1 2

1 2

1*

1 1

CUU U

j C C C

j C j C

6:11 PM

Cảm biến điện dung

Tụ điện kép (vi sai)0 0

10 0 0 0 2

S

xxU U US S

x x

0 0

20 0 0 0 2

S

xxU U US S

x x

1 22 2

x x xU U U U U

6:11 PM

Cảm biến điện dung

Mạch đo thường là các mạch cầu không cân bằng cung cấp

bằng nguồn áp xoay chiều với tần số lớn (MHz)

6:11 PM

Cảm biến điện dung

Mạch đo dịch chuyển của cảm biến điện dung

Nếu độ dịch chuyển << 0 , ta được: 0

0 1ra

U jU

j

Độ nhạy phức

0

0 1

raU U jS

j

00

2 20 1 1

US S

Nếu >>1

S S06:11 PM

Cảm biến điện dung

VD1: Cho mạch đo như hình vẽ, tụ C được dùng làm cảm

biến đo dịch chuyển. Khi khoảng cách khe hở 0 = 10mm

thì tụ C có giá trị 10F. Nếu điện áp ra đo được có trị hiệu

dụng bằng 5V, hỏi khoảng dịch chuyển là bao nhiêu? Biết

áp cung cấp U0 có trị hiệu dụng bằng 10V và tần số 1Mhz,

R1 = 100K.

6:11 PM

Cảm biến điện dung

VD2: Sử dụng tụ kép để đo dịch chuyển. Dùng mạch cầu

và mạch khuếch đại để đo điện áp đầu ra. Tính độ dịch

chuyển khi biết áp ra và áp vào. Bỏ qua ảnh hưởng của các

tụ kí sinh.

6:11 PM

Cảm biến điện dung

VD3: Tìm điều kiện cần thỏa mãn của các R và C để ngõ ra

tỉ lệ với dịch chuyển và độc lập với tần số.

6:11 PM

Cảm biến điện cảm

Nguyên lý hoạt động:

Cảm biến điện cảm hoạt động dựa trên nguyên lý cảm ứng

điện từ

Cảm biến điện cảm là một cuộn dây bằng đồng có đường

kính từ 0.02mm ÷ 0.1mm được quấn trên lõi thép có khe

hở không khí (mạch từ hở).

Dưới tác động của đại lượng đo phần ứng dịch chuyển làm

cho khe hở không khí thay đổi kéo theo từ trở của mạch từ

thay đổi và điện cảm L cũng thay đổi.

6:11 PM

Cảm biến điện cảm

6:11 PM

Cảm biến điện cảm

Biến áp vi sai thay đổi tuyến tính (LVDT)

LVDT là cảm biến vị trí có độ phân giải cao, ngõ ra là điện

áp AC có biên độ tỉ lệ với vị trí tuyến tính, có ưu điểm là

không có các tiếp xúc trượt.

6:11 PM

Cảm biến điện cảm

Biến áp vi sai thay đổi tuyến tính (LVDT)

6:11 PM

Cảm biến điện cảm

Mạch đo LVDT

6:11 PM

Cảm biến quang

Encoder quang tạo ra vị trí góc ở dạng số không cần bộ

ADC.

Có 2 loại Encoder quang:

+Encoder tuyệt đối

+Encoder loại tăng

6:11 PM

Cảm biến quang

Encoder tuyệt đối: sử dụng mã nhị phân

Độ phân giải 3600/16 = 22.50

ƯĐ: ngõ ra vị trị tuyệt đối

NĐ: yêu cầu nhiều tế bào

quang được canh chính xác,

nếu không sẽ gây ra sai số

6:11 PM

Cảm biến quang

Encoder tuyệt đối : Sai số do canh sai

6:11 PM

Cảm biến quang

Encoder tuyệt đối : sử dụng mã Grey

0000 0001 0011 0010 0110 0111 0101 0100 1100 1101 1111 1110 1010 1011 1001 1000

Sai số không bao giờ lớn

hơn giá trị 1LSB

6:11 PM

Cảm biến quang

Encoder loại tăng

Vị trí được xác định bằng cách đếm số rãnh đi qua tế bào

quang điện, mỗi rãnh biểu diễn một góc đã biết

6:11 PM

Cảm biến quang

VD: Encoder loại tăng có 360 rãnh. Bắt đầu từ vị trí chuẩn,

tế bào quang điện đếm được 100 rãnh theo chiều kim đồng

hồ, 30 rãnh ngược chiều kim, sau đó 45 rãnh cùng chiều

kim. Hỏi vị trí hiện tại?

6:11 PM

Cảm biến quang

Encoder loại tăng dùng 2 tế bào quang

6:11 PM

Cảm biến quang

Mạch đếm

6:11 PM

Cảm biến quang

VD: Encoder loại tăng có 250 rãnh. Giá trị hiện tại của bộ

đếm là 00100110. Hỏi góc quay là bao nhiêu?

6:11 PM

max minmin .

2 1B

x xx x X