Trao đổi trực tuyến tại: http://www.mientayvn.com/chat_box_li.html MÔN HỌC Giảng viên: Nguyễn Đức Hoàng Bộ môn Điều Khiển Tự Động Khoa Điện – Điện Tử Đại.

Download Report

Transcript Trao đổi trực tuyến tại: http://www.mientayvn.com/chat_box_li.html MÔN HỌC Giảng viên: Nguyễn Đức Hoàng Bộ môn Điều Khiển Tự Động Khoa Điện – Điện Tử Đại.

Trao đổi trực tuyến tại:
http://www.mientayvn.com/chat_box_li.html
MÔN HỌC
Giảng viên: Nguyễn Đức Hoàng
Bộ môn Điều Khiển Tự Động
Khoa Điện – Điện Tử
Đại Học Bách Khoa Tp.HCM
Email: [email protected]
CHƯƠNG 4
CẢM BIẾN ĐO
DỊCH CHUYỂN ,VỊ TRÍ
6:21 PM
Nội dung chương 4
4.1
4.2
4.3
4.4
4.5
6:21 PM
Nguyên lý đo
Cảm biến điện trở
Cảm biến điện dung
Cảm biến điện cảm (LVDT)
Cảm biến quang (Encoder)
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
6:21 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
6:21 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
6:21 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
6:21 PM
Cảm biến điện trở (tt)
Cảm biến điện trở chuyển động thẳng
Rx 
l
L
Rn
Cảm biến điện trở chuyển động tròn hoặc xoắn
R 

n
Rn
M < 3600 (tròn)
M > 3600 (xoắn)
6:21 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.
6:21 PM
Cảm biến điện trở
Ví dụ: Joystick
Tính vx , vy ?
6:21 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 100K
6:21 PM
Cảm biến điện trở
Chiết áp đo dịch chuyển
Mạch tương đương
vm  v0
Tính sai số tương  
v0
đối:
Tìm vị trí con trượt để  lớn nhất. Tính max
6:21 PM
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: C   S

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)
6:21 PM
Cảm biến điện dung
6:21 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
6:21 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:
C 

C

C0
C0 
6:21 PM
S0
0
 

0

 0S0
0
0
0
S
S0

S 
 0S0
 0   

1

 
1 


0 

2
0
2

Cảm biến điện dung
Độ nhạy của cảm biến:
+ Khi  thay đổi (,S = const):
+ Khi S thay đổi (,  = const):
+ Khi  thay đổi (,S = const):
S0 
SS 
SS 
C C0
  0
C / C0
S / S0
C / C0
 /  0

1
1

 
1 


0 

2
1
 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.
6:21 PM
Cảm biến điện dung
Tụ điện kép (vi sai)
C1 
U1 
 0S0
 x
U
1
j C 1
U2 

1
1

 x
*
j C 2
U
j C 1
6:21 PM
,C2 
 0S0
1
j C 2
*
1
j C 1
1
j C 2
U
U
C2
C1  C 2
C1
C1  C 2
Cảm biến điện dung
Tụ điện kép (vi sai)
 0S0
 x


x
U1  U
U
 0S0
 S
2
 0 0
 x  x
 0S0
 x


x
U2 U
U
 0S0
 S
2
 0 0
 x  x
U1  U 2  U
6:21 PM
 x
2
U
 x
2
U
x

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)
6:21 PM
Cảm biến điện dung
Mạch đo dịch chuyển của cảm biến điện dung
Nếu độ dịch chuyển  << 0 , ta được:U ra  U 0
j 
 0 1  j 
Độ nhạy phức
S 
 S 
6:21 PM
U0

0
1   

2
 S0
U ra


1   

2

U0
j 
 0 1  j 
Nếu  >>1
 S  S0
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 10F. 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.
6:21 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.
6:21 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.
6:21 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.
6:21 PM
Cảm biến điện cảm
6:21 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.
6:21 PM
Cảm biến điện cảm
Biến áp vi sai thay đổi tuyến tính (LVDT)
6:21 PM
Cảm biến điện cảm
Mạch đo LVDT
6:21 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
6:21 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
6:21 PM
Cảm biến quang
Encoder tuyệt đối : Sai số do canh sai
6:21 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
6:21 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
6:21 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?
6:21 PM
Cảm biến quang
Encoder loại tăng dùng 2 tế bào quang
6:21 PM
Cảm biến quang
Mạch đếm
6:21 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?
x  x m in 
6:21 PM
x m ax  x m in
2 1
B
.X