Kỹ Thuật Điều Khiển Tự Động 5. Cơ cấu cảm biến HCM City Univ. of Technology, Faculty of Mechanical Engineering Phung Tri Cong Kỹ Thuật Điều Khiển Tự Động 5.02 Chương 5 GIỚI THIỆU • Những thiết bị mà cung cấp thông tin cho bộ điều khiển về những gì đang thực sự xảy ra thì được gọi là cảm biến (sensor / transducer). • Hầu hết các cảm biến thực hiện biến đổi đại lượng vật lý (nhiệt độ, áp suất …) thành tín hiệu điện.
HCM City Univ. of Technology, Faculty of Mechanical Engineering Phung Tri Cong Kỹ Thuật Điều Khiển Tự Động 5.03 Chương 5 GIỚI THIỆU HCM City Univ. of Technology, Faculty of Mechanical Engineering Phung Tri Cong Kỹ Thuật Điều Khiển Tự Động 5. CẢM BIẾN VỊ TRÍ VÀ LƯỢNG DỊCH CHUYỂN Biến trở (potentiometer) HCM City Univ.
of Technology, Faculty of Mechanical Engineering Phung Tri Cong Kỹ Thuật Điều Khiển Tự Động 5. CẢM BIẾN VỊ TRÍ VÀ LƯỢNG DỊCH CHUYỂN Ví dụ: một biến trở được cấp nguồn 10 Vdc, và được đặt ở vị trí 82o. Dãy tối đa của biến trở là 350o. Xác định giá trị điện áp ra của biến trở.
Giải HCM City Univ. of Technology, Faculty of Mechanical Engineering Phung Tri Cong Kỹ Thuật Điều Khiển Tự Động 5. CẢM BIẾN VỊ TRÍ VÀ LƯỢNG DỊCH CHUYỂN Độ phân giải Nếu biến trở có dạng dây quấn với N vòng, thì độ phân giải của biến trở là buớc điện áp giữa 2 vòng liền kề và được xác định là: HCM City Univ. of Technology, Faculty of Mechanical Engineering Phung Tri Cong Kỹ Thuật Điều Khiển Tự Động 5.
CẢM BIẾN VỊ TRÍ VÀ LƯỢNG DỊCH CHUYỂN Sai số: Sai số phụ tải (loading error) xảy ra khi con trượt của biến trở được nối với tải có trở kháng lớn không đáng kể so với giá trị của biến trở với HCM City Univ. of Technology, Faculty of Mechanical Engineering Phung Tri Cong Kỹ Thuật Điều Khiển Tự Động 5. CẢM BIẾN VỊ TRÍ VÀ LƯỢNG DỊCH CHUYỂN Ví dụ: một biến trở 10 k có cấu tạo 1000 vòng. Xác định độ phân giải của biến trở và sai số phụ tải khi điện trở tải là 10 k và con trượt nằm ở vị trí điểm giữa của biến trở.
Giải HCM City Univ. of Technology, Faculty of Mechanical Engineering Phung Tri Cong Kỹ Thuật Điều Khiển Tự Động 5. CẢM BIẾN VỊ TRÍ VÀ LƯỢNG DỊCH CHUYỂN Biến thế vi sai tuyến tính (LVDT – Linear Variable Differential Transformer) LVDT là bộ cảm biến vị trí có độ phân giải lớn dựa vào hiện tượng cảm ứng điện từ. Ngõ ra của LVDT có dạng điện áp xoay chiều – biên độ của nó tỉ lệ tuyến tính với lượng dịch chuyển.
Thành phần chính: cuộn sơ cấp, 2 cuộn thứ cấp, và lõi từ. HCM City Univ. of Technology, Faculty of Mechanical Engineering Phung Tri Cong Kỹ Thuật Điều Khiển Tự Động 5. CẢM BIẾN VỊ TRÍ VÀ LƯỢNG DỊCH CHUYỂN Với tín hiệu ra là điện áp xoay chiều: • Biên độ của nó phụ thuộc vào lượng dịch chuyển (so với vị trí điểm giữa) • Góc pha của nó phụ thuộc vào chiều dịch chuyển – dịch chuyển sang phải tạo ra góc pha 0o, dịch chuyển sang trái tạo ra góc pha 180o.
HCM City Univ. of Technology, Faculty of Mechanical Engineering Phung Tri Cong Kỹ Thuật Điều Khiển Tự Động 5. CẢM BIẾN VỊ TRÍ VÀ LƯỢNG DỊCH CHUYỂN HCM City Univ. of Technology, Faculty of Mechanical Engineering Phung Tri Cong Kỹ Thuật Điều Khiển Tự Động 5.
CẢM BIẾN VỊ TRÍ VÀ LƯỢNG DỊCH CHUYỂN Bộ mã hóa quang học (optical encoder) Bộ mã hóa quang học là bộ cảm biến vị trí góc có tín hiệu ra ở dạng số. Thành phần chính: nguồn sáng, đĩa vạch, và tế bào quang học. Dạng tín hiệu của tế bào quang Bộ mã hóa được phân thành 2 loại: tương đối (incremental encoder) và tuyệt đối (absolute encoder). HCM City Univ.
of Technology, Faculty of Mechanical Engineering Phung Tri Cong Kỹ Thuật Điều Khiển Tự Động 5. CẢM BIẾN VỊ TRÍ VÀ LƯỢNG DỊCH CHUYỂN Bộ mã hóa tuyệt đối Bộ mã hóa tuyệt đối có tín hiệu ra là một con số nhị phân - xác định vị trí của đĩa vạch một cách duy nhất. với N là số rãnh trên đĩa vạch (cũng là số bit của con số nhị phân) HCM City Univ. of Technology, Faculty of Mechanical Engineering Phung Tri Cong Kỹ Thuật Điều Khiển Tự Động 5.
CẢM BIẾN VỊ TRÍ VÀ LƯỢNG DỊCH CHUYỂN Ví dụ: một bộ mã hóa tuyệt đối được sử dụng Giải: để xác định vị trí góc của một trục xoay với yêu cầu độ phân giải ít nhất là 1o. Xác định số bit cần thiết để đáp ứng yêu cầu này. Vấn đề đối với bảng mã nhị phân tự nhiên là có nhiều bit thay đổi trạng thái đồng thời. HCM City Univ.
of Technology, Faculty of Mechanical Engineering Phung Tri Cong Kỹ Thuật Điều Khiển Tự Động 5. CẢM BIẾN VỊ TRÍ VÀ LƯỢNG DỊCH CHUYỂN Đối với bảng mã Gray, chỉ có 1 bit thay đổi trạng thái khi chuyển từ một giá trị đến giá trị kế tiếp. Decimal Binary code Gray code 0 000 000 1 001 001 2 010 011 3 011 010 4 100 110 5 101 111 6 110 101 7 111 100 Đĩa vạch dùng bảng mã Gray HCM City Univ. of Technology, Faculty of Mechanical Engineering Phung Tri Cong Kỹ Thuật Điều Khiển Tự Động 5.
CẢM BIẾN VỊ TRÍ VÀ LƯỢNG DỊCH CHUYỂN Bộ mã hóa tương đối Bộ mã hóa tương đối chỉ có một vòng rãnh, với các vạch được phân bố đều nhau. Ví dụ: Bộ mã hóa tương đối với vòng rãnh có 360 vạch. Bắt đầu ở vị trí tham chiếu (home), bộ tế bào quang học đếm được 100 vạch cùng chiều kim đồng hồ (CW), 30 vạch ngược chiều kim đồng hồ (CCW), rồi 45 vạch cùng chiều kim đồng hồ (CW). Xác định vị trí hiện tại của đĩa vạch.
Giải: mỗi vạch tương ứng với 1o. Do đó vị trí hiện tại là: 100o (CW) - 30o (CCW) + 45o (CW) = 115o (CW). HCM City Univ. of Technology, Faculty of Mechanical Engineering Phung Tri Cong Kỹ Thuật Điều Khiển Tự Động 5.
CẢM BIẾN VỊ TRÍ VÀ LƯỢNG DỊCH CHUYỂN Ví dụ: Bộ mã hóa tương đối với vòng rãnh có 180 vạch được dùng để đo lượng di động của một thanh răng thông qua cơ cấu thanh răng – bánh răng. Bánh răng có đường kính trung bình d = 5. Xác định độ phân giải (lượng dịch chuyển / xung) và lượng dịch chuyển đo được khi tổng số xung nhận được là N = 700. Giải: Bộ mã hóa tương đối cần có 3 bộ (nguồn sáng – tế bào quang học) để xác định vị trí tuyệt đối của đĩa vạch.
HCM City Univ. of Technology, Faculty of Mechanical Engineering Phung Tri Cong Kỹ Thuật Điều Khiển Tự Động 5. CẢM BIẾN VỊ TRÍ VÀ LƯỢNG DỊCH CHUYỂN Với tín hiệu ra là hai dãy xung, pha A (V1) và pha B (V2) : • Số vòng quay là số xung đếm được trên một pha. • Chiều quay được xác định từ sự lệch pha giữa pha A và pha B.
HCM City Univ. of Technology, Faculty of Mechanical Engineering Phung Tri Cong Kỹ Thuật Điều Khiển Tự Động 5. CẢM BIẾN VỊ TRÍ VÀ LƯỢNG DỊCH CHUYỂN Ví dụ: một hệ thống cảm biến (như hình trên) sử dụng đĩa có 250 vạch. Giá trị hiện tại của bộ đếm là 00100110.
Xác định giá trị góc của trục được đo. Giải: ta có HCM City Univ. of Technology, Faculty of Mechanical Engineering Phung Tri Cong Kỹ Thuật Điều Khiển Tự Động 5. CẢM BIẾN VỊ TRÍ VÀ LƯỢNG DỊCH CHUYỂN Mạch giải mã HCM City Univ.
of Technology, Faculty of Mechanical Engineering Phung Tri Cong Kỹ Thuật Điều Khiển Tự Động 5. CẢM BIẾN VỊ TRÍ VÀ LƯỢNG DỊCH CHUYỂN Độ phân giải của bộ mã hóa có thể tăng 2 lần, 4 lần Giao tiếp bộ mã hóa với máy tính HCM City Univ. of Technology, Faculty of Mechanical Engineering Phung Tri Cong Kỹ Thuật Điều Khiển Tự Động 5. CẢM BIẾN VỊ TRÍ VÀ LƯỢNG DỊCH CHUYỂN Cảm biến tiếp cận (proximity sensor) Cảm biến tiếp cận là loại cảm biến ON/OFF dùng để nhận biết sự hiện diện của đối tượng.
• Cảm biến tiếp xúc • Cảm biến không tiếp xúc Cảm biến tiếp cận điện cảm: cảm nhận những đối tượng kim loại Cảm biến tiếp cận điện dung: cảm nhận những đối tượng kim loại / phi kim Cảm biến điện quang: cảm nhận những đối tượng kim loại / phi kim Cảm biến tiếp cận hiệu ứng Hall HCM City Univ. of Technology, Faculty of Mechanical Engineering Phung Tri Cong Kỹ Thuật Điều Khiển Tự Động 5. CẢM BIẾN VỊ TRÍ VÀ LƯỢNG DỊCH CHUYỂN Công tắc hành trình (limit switch) – Thiết bị cơ có sự mài mòn tuổi thọ làm việc ngắn. – Cần tạo ra một lực để tác động lên công tắc hành trình HCM City Univ.
of Technology, Faculty of Mechanical Engineering Phung Tri Cong Kỹ Thuật Điều Khiển Tự Động 5. CẢM BIẾN VỊ TRÍ VÀ LƯỢNG DỊCH CHUYỂN Cảm biến tiếp cận điện cảm (inductive proximity sensor) Loại cảm biến này dùng để cảm nhận những đối tượng bằng kim loại. Thành phần chính: cuộn dây quấn xung quanh một lõi sắt, mạch tạo dao động, mạch cảm biến dòng, và công tắc bán dẫn. Nguyên lý hoạt động: mạch dao động tạo ra một vùng từ trường ở phía trước cảm biến.
Khi có đối tượng bằng kim loại bước vào vùng từ trường, biên độ vùng từ trường suy giảm do sự thất thoát năng lượng (chuyển sang đối tượng). Mạch cảm biến dòng nhận biết sự thay đổi và kích hoạt công tắc. HCM City Univ. of Technology, Faculty of Mechanical Engineering Phung Tri Cong Kỹ Thuật Điều Khiển Tự Động 5.
CẢM BIẾN VỊ TRÍ VÀ LƯỢNG DỊCH CHUYỂN Phạm vi cảm biến là khoảng cách tính từ bề mặt cảm biến mà đối tượng chuẩn được nhận biết trong phạm vi đó. Phạm vi cảm biến và độ nhạy của cảm biến (tốc độ chuyển mạch) phụ thuộc vào kích thước và vật liệu của đối tượng cảm biến. Xét mẫu thí nghiệm (đối tượng cảm biến) là một tấm thép hình vuông dày 1 (mm), có các cạnh bằng đường kính của bề mặt cơ cấu cảm biến, đặc điểm điển hình của loại cảm biến này như sau: Sensing range Diameter (mm) Length (mm) Switching speed (mm) (Hz) 1 8 40 5000 2 12 40 1000 5 18 40 400 10 30 50 200 20 47 60 40 Đối với những đối tượng kim loại không sắt (nonferrous, e. aluminum, brass, copper, and stainless steel), phạm vi cảm biến sẽ ngắn hơn.
HCM City Univ. of Technology, Faculty of Mechanical Engineering Phung Tri Cong Kỹ Thuật Điều Khiển Tự Động 5. CẢM BIẾN VỊ TRÍ VÀ LƯỢNG DỊCH CHUYỂN Cảm biến tiếp cận điện dung (capacitive proximity sensor) Loại cảm biến tiếp cận này dùng cảm nhận những đối tượng dựa vào khả năng tích điện của đối tượng. Do đó loại này có thể cảm nhận sự hiện diện của tất cả các loại đối tượng (kim loại cũng như phi kim, e.
gỗ, giấy, nước, nhựa …).