Giáo trình kỹ thuật cảm biến nghề điện công nghiệp trung cấp phần 2 trường cao đẳng cơ điện xây dựng việt xô

Giáo trình cảm biến vận tốc vòng quay điện công nghiệp cung cấp kiến thức cơ bản và ứng dụng trong đo lường và điều khiển tự động.

• Trường học: Trường Cao Đẳng Cơ Điện Xây Dựng Việt Xô
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cảm Biến
• Đề tài: Giáo Trình Kỹ Thuật Cảm Biến Nghề Điện Công Nghiệp Trung Cấp Phần 2
• Loại tài liệu: Giáo Trình

Mục lục chi tiết

• 1. Bài 4: CẢM BIẾN VẬN TỐC VÒNG QUAY VÀ GÓC QUAY
• 1.1. Giới thiệu
• 1.2. Mục tiêu
• 1.3. Nội dung chính
• 1.3.1. Một số phương pháp cơ bản
• 1.3.2. Đo vận tốc vòng quay bằng phương pháp analog
• 1.3.2.1. Tốc độ kế một chiều (máy phát tốc)
• 1.3.2.2. Tốc độ kế dòng xoay chiều
• 1.3.2.3. Máy phát đồng bộ
• 1.3.2.4. Máy phát không đồng bộ
• 1.3.3. Đo vận tốc vòng quay bằng phương pháp quang điện tử
• 1.3.3.1. Đĩa mã hóa tương đối Encoder
• 1.3.3.2. Đĩa mã hóa tuyệt đối Encoder
• 1.3.3.3. Mã nhị phân và mã Gray
• 1.3.4. Đo vận tốc vòng quay với nguyên tắc điện trở từ
• 1.3.4.1. Các đơn vị từ trường và định nghĩa
• 1.3.4.2. Cảm biến điện trở từ
• 1.3.4.2.1. Cảm biến điện trở từ với vật liệu InSb / NiSb
• 1.3.4.2.2. Cảm biến điện trở từ với vật liệu permalloy
• 1.3.4.3. Đặc điểm của việc đo tốc độ với cảm biến điện trở từ
• 1.3.4.3.1. Đối tượng thụ động
• 1.3.4.3.2. Đối tượng tích cực
• 1.3.4.4. Cảm biến đo tốc độ quay KMI15/x và KMI16/x
• 1.3.4.5. Mạch ứng dụng
• 1.3.5. Cảm biến đo góc với tổ hợp có điện trở từ
• 1.3.5.1. Nguyên tắc
• 1.3.5.2. Các loại cảm biến KM110BH/2 của hãng Philips Semiconductor
• 1.3.5.3. Các loại cảm biến KMA10 và KMA20
• 1.3.6. Máy đo góc tuyệt đối (Resolver)

Tóm tắt

I. Tổng quan về giáo trình kỹ thuật cảm biến nghề điện công nghiệp trung cấp phần 2

Giáo trình kỹ thuật cảm biến nghề điện công nghiệp trung cấp phần 2 tại trường cao đẳng cơ điện xây dựng Việt Xô cung cấp kiến thức chuyên sâu về các loại cảm biến và ứng dụng của chúng trong ngành điện công nghiệp. Nội dung giáo trình được thiết kế nhằm giúp sinh viên nắm vững các nguyên lý hoạt động, cấu tạo và ứng dụng thực tiễn của các cảm biến trong công nghiệp.

1.1. Nội dung chính của giáo trình kỹ thuật cảm biến

Giáo trình bao gồm các phần lý thuyết và thực hành về cảm biến, từ cảm biến vận tốc đến cảm biến góc quay. Mỗi phần đều có các ví dụ minh họa cụ thể để sinh viên dễ dàng tiếp cận và hiểu rõ hơn về ứng dụng thực tế.

1.2. Mục tiêu đào tạo của giáo trình

Mục tiêu chính của giáo trình là trang bị cho sinh viên kiến thức và kỹ năng cần thiết để lắp ráp, vận hành và bảo trì các hệ thống cảm biến trong ngành điện công nghiệp, từ đó nâng cao khả năng làm việc thực tế của sinh viên.

II. Các thách thức trong việc ứng dụng cảm biến trong công nghiệp

Việc ứng dụng cảm biến trong công nghiệp gặp phải nhiều thách thức, từ việc lựa chọn loại cảm biến phù hợp đến việc đảm bảo độ chính xác và độ tin cậy của các thiết bị. Những thách thức này cần được giải quyết để tối ưu hóa hiệu suất làm việc của hệ thống.

2.1. Vấn đề lựa chọn cảm biến phù hợp

Lựa chọn cảm biến phù hợp với yêu cầu kỹ thuật và môi trường làm việc là một trong những thách thức lớn nhất. Cần xem xét các yếu tố như độ nhạy, độ bền và khả năng chống chịu với điều kiện môi trường khắc nghiệt.

2.2. Đảm bảo độ chính xác và độ tin cậy

Độ chính xác và độ tin cậy của cảm biến là yếu tố quyết định đến hiệu suất của hệ thống. Việc kiểm tra và hiệu chỉnh định kỳ các cảm biến là cần thiết để đảm bảo chúng hoạt động ổn định và chính xác.

III. Phương pháp đo vận tốc và góc quay trong công nghiệp

Có nhiều phương pháp khác nhau để đo vận tốc và góc quay trong công nghiệp, mỗi phương pháp đều có ưu điểm và nhược điểm riêng. Việc hiểu rõ các phương pháp này sẽ giúp sinh viên áp dụng hiệu quả trong thực tế.

3.1. Phương pháp đo vận tốc bằng máy phát tốc độ

Máy phát tốc độ là một trong những thiết bị phổ biến nhất để đo vận tốc quay. Nó hoạt động dựa trên nguyên lý điện từ, cung cấp tín hiệu điện áp tỉ lệ với tốc độ quay của trục. Việc sử dụng máy phát tốc độ giúp đảm bảo độ chính xác cao trong các ứng dụng công nghiệp.

3.2. Sử dụng cảm biến quang tốc độ

Cảm biến quang tốc độ sử dụng ánh sáng để phát hiện chuyển động và đo tốc độ quay. Phương pháp này có ưu điểm là không bị ảnh hưởng bởi từ trường và có thể đo chính xác trong các điều kiện khắc nghiệt.

IV. Ứng dụng thực tiễn của cảm biến trong ngành điện công nghiệp

Cảm biến được ứng dụng rộng rãi trong ngành điện công nghiệp, từ việc giám sát và điều khiển đến việc thu thập dữ liệu cho các hệ thống tự động hóa. Những ứng dụng này không chỉ giúp nâng cao hiệu suất làm việc mà còn đảm bảo an toàn cho người lao động.

4.1. Giám sát và điều khiển hệ thống

Cảm biến được sử dụng để giám sát các thông số như nhiệt độ, áp suất và độ ẩm trong các hệ thống điện. Thông qua việc thu thập dữ liệu từ cảm biến, các hệ thống điều khiển có thể tự động điều chỉnh hoạt động để đảm bảo hiệu suất tối ưu.

4.2. Thu thập dữ liệu cho hệ thống tự động hóa

Cảm biến đóng vai trò quan trọng trong việc thu thập dữ liệu cho các hệ thống tự động hóa. Dữ liệu này được sử dụng để phân tích và tối ưu hóa quy trình sản xuất, từ đó nâng cao năng suất và giảm thiểu lãng phí.

V. Kết luận và tương lai của cảm biến trong ngành điện công nghiệp

Cảm biến sẽ tiếp tục đóng vai trò quan trọng trong ngành điện công nghiệp, với sự phát triển không ngừng của công nghệ. Tương lai của cảm biến hứa hẹn sẽ mang lại nhiều cải tiến và ứng dụng mới, giúp nâng cao hiệu quả và an toàn trong sản xuất.

5.1. Xu hướng phát triển công nghệ cảm biến

Công nghệ cảm biến đang phát triển nhanh chóng với sự xuất hiện của các cảm biến thông minh và cảm biến không dây. Những công nghệ này sẽ giúp cải thiện khả năng thu thập dữ liệu và điều khiển trong các hệ thống công nghiệp.

5.2. Tác động của cảm biến đến ngành điện công nghiệp

Cảm biến không chỉ giúp nâng cao hiệu suất làm việc mà còn đảm bảo an toàn cho người lao động. Việc ứng dụng cảm biến trong ngành điện công nghiệp sẽ tiếp tục mở ra nhiều cơ hội mới cho sự phát triển bền vững.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Bài 4: CẢM BIẾN VẬN TỐC VÒNG QUAY VÀ GÓC QUAY Mã bài: MĐ 18.04 Giới thiệu: Trong công nghiệp có rất nhiều trường hợp cần đo vận tốc quay của máy. Người ta thường theo dõi tốc độ quay của máy vì lý do an toàn hoặc để khống chế các điều kiện đặt trước cho hoạt động của máy móc, thiết bị. Trong chuyển động thẳng việc đo vận tốc dài cũng thường được chuyển sang đo vận tốc quay. Bởi vậy các cảm biến đo vận tốc góc chiếm vị trí ưu thế trong lĩnh vực đo tốc độ.

Mục tiêu: - Trình bày được các phương pháp đo. - Lắp ráp được một số mạch đo ứng dụng dùng các loại cảm biến trên. - Phát huy tính tích cực chủ động, sáng tạo,tác phong công nghiệp. Nội dung chính: 1.

Một số phương pháp cơ bản. Cảm biến vận tốc góc quay cung cấp cho ta tín hiệu đo là tần số. Thông thường trên trục quay được đánh một hay nhiều dấu và một cảm biến ở phần không chuyển động sẽ ghi nhận sự chuyển động của các dấu này. Tần số đo được tỉ lệ với vòng quay n và số dấu k: f = n.k Để đo tốc độ quay của rotor ta có thể sử dụng các phương pháp sau:  Sử dụng máy phát tốc độ một chiều hoặc xoay chiều, thực chất là các máy phát điện công suất nhỏ có sức điện động tỉ lệ với tốc độ cần đo.

Được sử dụng rộng rãi trong các hệ chuyển động kinh điển.  Sử dụng bộ cảm biến quang tốc độ với bộ mã hóa.  Sử dụng máy đo góc tuyệt đối.  Xác định tốc độ gián tiếp qua phép đo dòng điện và điện áp stator mà không cần dùng bộ cảm biến tốc độ.

Đo vận tốc vòng quay bằng phương pháp analog 1. Tốc độ kế một chiều (máy phát tốc): Máy phát tốc độ là máy phát điện một chiều, cực từ là nam châm vĩnh cửu. Điện áp trên cực máy phát tỉ lệ với tốc độ quay của nó. Máy phát tốc độ nối cùng trục với phanh hãm điện từ và cùng trục với động cơ do đó tốc độ quay của nó chính là tốc độ quay của động cơ.

Tốc độ này tỉ lệ với điện áp của máy phát tốc độ, dùng Vmét điện từ hoặc đồng hồ đo tốc độ nối với nó có thể đo được tốc độ của động cơ. Giá trị điện áp âm hay dương phụ thuộc vào chiều quay. Er= −(  nΦ0 )/ 2π = −NnΦ0 N: số vòng quay trong 1 s. 80  : vân tốc góc của rotor.

n: là tổng số dây chính trên rotor. Φ0: là từ thông xuất phát từ cực nam châm Các phần tử cấu tạo cơ bản của một tốc độ kế dòng một chiều biểu diễn trên hình 4. Stator (phần cảm) là một nam châm điện hoặc một nam châm vĩnh cửu có hai cực nam và bắc nằm ngoài cùng. Rotor (phần ứng) gồm có lõi thép phần ứng, trên có xẻ rãnh, trong rãnh có đặt dây quấn Hình 5.1: Cấu tạo của một máy phát dòng một chiều.

Tốc độ kế dòng xoay chiều Tốc độ kế dòng xoay chiều có ưu điểm là không có cổ góp điện và chổi than nên có tuổi thọ, không có tăng, giảm điện áp trên chổi than. Nhược điểm là mạch điện phức tạp hơn, ngoài ra để xác định biên độ cần phải chỉnh lưu và lọc tín hiệu. Máy phát đồng bộ. Là một loại máy phát điện xoay chiều loại nhỏ.

Rotor của máy phát được gắn đồng trục với thiết bị cần đo tốc độ. Rotor là một nam châm hoặc nhiều nam châm nhỏ hình 4. Stator là phần cảm, có thể 1 pha hoặc ba pha, là nơi cung cấp suất điện động hình sin có biên độ tỷ lệ với tốc độ quay của rotor.  K1 và K2 là các thông số đặc trưng cho máy phát.

Ở đầu ra điện áp được chỉnh lưu thành điện áp một chiều.Điện áp này không phụ thuộc vào chiều quay và hiệu suất lọc giảm đi khi tần số thấp. Tốc độ quay có thể xác định được bằng cách đo tần số của sức điện động. Phương pháp này rất quan trọng khi khoảng cách đo lớn. Tín hiệu từ máy phát đồng bộ có thể truyền đi xa và sự suy giảm tín hiệu trên đường đi không ảnh hưởng đến độ chính xác của phép đo.Cấu tạo của một máy phát đồng bộ.

Máy phát không đồng bộ Cấu tạo của máy phát không đồng bộ tương tự như động cơ không đồng bộ hai pha (hình 4.Cấu tạo của một máy phát đồng bộ. Rotor là một hình trụ kim loại mỏng được quay với vận tốc cần đo, khối lượng và quán tính của nó không đáng kể. Stator làm bằng thép lá kỹ thuật điện, trên có đặt hai cuộn dây được bố trí như hình vẽ.Cuộn thứ nhất là cuộn kích từ được cung cấp một điện áp định mức có biên độ và tần số không đổi  e. ve=Vecos  e t Cuộn dây thứ hai là cuộn dây đo, giữa hai đầu của cuộn này sẽ suất hiện sức điện động có biên độ tỉ lệ với vận tốc góc cần đo.

em= Emcos(  et + Φ) = k  Vecos(  et + Φ) Do Em = k  Ve = k’  k là hằng số phụ thuộc vào cấu trúc của máy. Khi đo Em sẽ xác định được  1. Đo vận tốc vòng quay bằng phương pháp quang điện tử 1. Dùng bộ cảm biến quang tốc độ với đĩa mã hóa Encoder là thiết bị có thể phát hiện sự chuyển động hay vị trí của vật.

Encoder sử dụng các cảm biến quang để sinh ra chuỗi xung, từ đó chuyển sang phát hiện sự chuyển động, vị trí hay hướng chuyển động của vật thể.5: Sơ đồ hoạt động đĩa quang mã hóa Nguồn sáng được lắp đặt sao cho ánh sáng liên tục được tập trung xuyên qua đĩa thủy tinh. Bộ phận thu nhận ánh sáng được lắp ở mặt còn lại của của đĩa sao cho có thể nhận được ánh sáng. Đĩa được lắp đặt đến trục động cơ hay thiết bị khác cần xác định vị trí sao cho khi trục quay, đĩa cũng sẽ quay. Khi đĩa quay sao cho lỗ, nguồn sáng, bộ phận nhận ánh sáng thẳng hàng thì tín hiệu xung vuông sinh ra.

Khuyết điểm: cần nhiều lỗ để nâng cao độ chính xác nên dễ làm hư hỏng đĩa quay 1. Đĩa mã hóa tương đối Encoder với 1 bộ xung thì sẽ không thể phát hiện được chiều quay, hầu hết các encoder mã hóa đều có bộ xung thứ 2 lệch pha 90 0 so với bộ xung thứ nhất, và một xung xác định mỗi thời gian encoder quay một vòng.6: Sơ đồ thu phát Encoder tương đối Xung A, xung B và xung điểu khiển, nếu xung A xảy ra trước xung B, trục sẽ quay theo chiều kim đồng hồ, và ngược lại, xung Z xác định đã quay xong một vòng.7: Dạng sóng ra của Encoder 2 bộ xung Gọi Tn là thời gian đếm xung, N0 là số xung trong một vòng (độ phân giải của bộ cảm biến tốc độ, phụ thuộc vào số lỗ), N là số xung trong thời gian Tn.Đĩa mã hóa tuyệt đối Để khắc phục nhược điểm chính của đĩa mã hóa tương đối là khi mất nguồn số đềm sẽ bị mất. Như vậy khi các cơ cấu ngưng hoạt động vào buổi tối hay khi bảo trì thì khi khi bật nguồn trở lại encoder sẽ không thể xác định chính xác vị trí cơ cấu.8: Sơ đồ thu phát Encoder tuyệt đối (sử dụng mã Gray) Đĩa mã hóa tuyệt đối được thiết kế để luôn xác định được vị trí vật một cách chính xác. Đĩa encoder tuyệt đối sử dụng nhiều vòng phân đoạn theo hình đồng tâm gồm các phân đoạn chắn sáng và không chắn sáng.

- Vòng trong cùng xác định đĩa quay đang nằm ở nửa vòng tròn nào 84 - Kết hợp vòng trong cùng với vòng tiếp theo sẽ xác định đĩa quay đang nằm ở ¼ vòng tròn nào. - Các rãnh tiếp theo cho ta xác định được vị trí 1/8, 1/16. của vòng tròn. Vòng phân đoạn ngoài cùng cho ta độ chính xác cuối cùng.

Loại encoder này có nguồn sáng và bộ thu cho mỗi vòng như nếu encoder có 10 vòng sẽ có 10 bộ nguồn sáng và thu, nếu encoder có 16 vòng sẽ có 16 bộ nguồn sáng và thu. Ngoài việc khắc phục nhược điểm của đĩa mã hóa tương đối, với đĩa mã hóa tuyệt đối encoder còn có thể giảm tốc xuống sao cho encoder quay đủ 1 vòng suốt chiều dài cơ cấu. Để đếm đo vận tốc hay vị trí (góc quay), có thể sử dụng mã nhị phân hoặc mã Gray. Tuy nhiên thực tế chỉ có mã Gray được sử dụng phổ biến.

 Xét trường hợp đĩa mã hóa tuyệt đối trường hợp 3 rãnh với mã nhị phân và mã Gray  Mã nhị phân Bảng giá trị 1 Mã nhị phân Vòng Vòng Vùng Vòng 2 Góc 1 3 1 off off off 0° tới 45° 2 off off on 45° tới 90° 3 off on off 90° tới 135° 4 off on on 135°tới 180° 5 on off off 180°tới 225° Hình 5.9: Đĩa mã hóa tuyệt đối trường hợp 3 rãnh với mã 6 on off on 225°tới 270° nhị phân 7 on on off 270°tới 315° 8 on on on 315°tới 360° Ghi chú: Vùng màu đen qui ước tương ứng với giá trị on (phân đoạn không chắn sáng). Chiều quay ngược chiều kim đồng hồ (góc quay mang giá trị dương). Vòng trong cùng (vòng 1): tương ứng với bit MSB. Vòng ngoài cùng: tương ứng với bit LSB.

85 Một cách tổng quát, khi có n vòng thì sẽ có số lượng vị trí của đối tượng là 2 .ví dụ n = 3 số lượng vị trí xác định được là 23 = 8. n Ở ví dụ trên, mã nhị phân được tạo ra khi đĩa quay, qua đó có thể xác định được vị trí của đĩa quay. Tuy nhiên trong thực tế việc đặt vị trí các rãnh chắn sáng và các rãnh cho ánh sáng đi qua khó mà có thể thực hiện 1 cách hoàn hảo. Trong khi đó vị trí của chúng lại quyết định giá trị gõ ra.

Ví dụ khi đĩa chuyển từ vị trí 179,90 tới 180,10 (từ vùng 4 sang vùng 5), trong tức khắc, theo bảng giá trị 1, sẽ có sự chuyển trạng thái từ off-on-on sang on-off-off. Cách thức hoạt động này sẽ không có được độ tin cậy, bởi vị trong thực tế thì sẽ không thể có sự chuyển trạng đồng thời 1 cách hoàn hảo. Nếu ở vị trí vòng 1 chuyển trạng thái trước, rồi đến vòng 3 và vòng 2 thì thực sự sẽ có chuỗi các mã nhị phân như sau sẽ được tạo ra.