Luận văn: Nghiên cứu thiết kế bộ chuyển đổi đo dịch chuyển điện cảm độ nhạy cao.

Khám phá luận văn nghiên cứu thiết kế, chế tạo bộ chuyển đổi đo dịch chuyển điện cảm độ nhạy cao, bao gồm nguyên lý, tính toán và ứng dụng thực tiễn.

• Tác giả: Nguyễn Thị Kim Cúc
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Công Nghệ Cơ Khí
• Đề tài: Thiết Kế, Chế Tạo Cảm Biến Điện Cảm Độ Nhạy Cao
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ
• Năm xuất bản: 2011
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Khái niệm và nguyên lý cảm biến điện cảm độ nhạy cao

Cảm biến điện cảm là thiết bị đo lường dịch chuyển dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ. Khi có sự thay đổi khe hở không khí giữa lõi từ và cuộn dây, độ tự cảm của cuộn sẽ thay đổi theo, từ đó tạo ra tín hiệu đầu ra tương ứng. Cảm biến điện cảm độ nhạy cao được thiết kế với các thông số kỹ thuật tối ưu để phát hiện những thay đổi nhỏ nhất trong dịch chuyển. Nguyên lý hoạt động dựa trên định luật Faraday về cảm ứng điện từ, cho phép cảm biến này có độ phân giải cao và độ chính xác vượt trội so với các loại cảm biến truyền thống. Ứng dụng của loại cảm biến này rất đa dạng, từ đo độ nhám bề mặt, đo áp suất, cho đến đo lực trong các thiết bị công nghiệp hiện đại.

1.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Cảm biến điện cảm bao gồm hai thành phần chính: lõi từ và cuộn dây. Lõi từ được thiết kế với các hình dạng khác nhau như hình chữ U hoặc hình trụ để tối ưu hóa từ trường. Khi vật được đo gây ra sự thay đổi khoảng cách, độ tự cảm L thay đổi theo hàm số phi tuyến, sinh ra tín hiệu đầu ra. Độ nhạy cao đạt được nhờ việc thiết kế tỉ mỉ cuộn dây và lựa chọn vật liệu lõi từ phù hợp.

1.2. Các loại cảm biến điện cảm

Có ba loại cảm biến điện cảm chính: cảm biến tự cảm, cảm biến hỗ cảm và cảm biến vi sai. Cảm biến tự cảm sử dụng một cuộn dây và một lõi từ động. Cảm biến hỗ cảm gồm hai cuộn dây riêng biệt. Cảm biến vi sai, hay cảm biến kép, sử dụng hai cuộn dây mắc theo kiểu vi sai để loại bỏ ảnh hưởng của nhiễu, nâng cao độ nhạy cao và độ tuyến tính của hệ thống.

II. Thiết kế và chế tạo cảm biến điện cảm

Quá trình thiết kế cảm biến điện cảm yêu cầu tính toán chính xác các thông số kỹ thuật để đạt được độ nhạy cao. Các yếu tố quan trọng bao gồm số vòng cuộn dây, đường kính dây dẫn, chiều dày khe hở không khí và loại vật liệu làm lõi từ. Thiết kế lõi từ có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất của cảm biến, vì nó quyết định độ mạnh của từ trường và khả năng cảm ứng. Phương pháp chế tạo hiện đại sử dụng các công nghệ tính toán để mô phỏng từ trường trước khi sản xuất, giảm thiểu thời gian thử nghiệm và nâng cao chất lượng sản phẩm.

2.1. Thiết kế lõi từ và cuộn dây

Lõi từ được thiết kế dưới hai dạng chính: hình chữ U và hình trụ. Lõi từ hình chữ U phù hợp cho những ứng dụng đo dịch chuyển tuyến tính, trong khi lõi từ hình trụ cung cấp từ trường đều hơn. Số vòng cuộn dây ảnh hưởng trực tiếp đến độ nhạy cao - càng nhiều vòng, độ nhạy càng lớn. Tuy nhiên, phải cân bằng giữa độ nhạy và phạm vi đo để đạt hiệu quả tối ưu.

2.2. Quy trình chế tạo thực nghiệm

Quy trình chế tạo bao gồm các bước: thiết kế CAD, mô phỏng từ trường, gia công lõi từ, quấn cuộn dây, lắp ráp và hiệu chuẩn. Mỗi bước đều cần kiểm tra chất lượng để đảm bảo cảm biến đạt độ nhạy cao và độ chính xác theo yêu cầu. Thử nghiệm xác định đặc tuyến của cảm biến để xác minh hiệu suất.

III. Mạch điện xử lý tín hiệu

Để cảm biến điện cảm độ nhạy cao phát huy tối đa hiệu năng, cần có một mạch điện xử lý tín hiệu phù hợp. Mạch này chịu trách nhiệm chuyển đổi những thay đổi nhỏ trong độ tự cảm thành tín hiệu điện có thể đo được. Các thành phần chính bao gồm khuếch đại tín hiệu, bộ lọc tần số và bộ chuyển đổi tín hiệu. Phương án xử lý tín hiệu có thể là analog hoặc số (digital), tùy thuộc vào yêu cầu ứng dụng. Mạch khuếch đại lõi được được sử dụng để khuếch đại sự khác biệt giữa hai nhánh của cảm biến vi sai, loại bỏ tín hiệu chế độ chung.

3.1. Khuếch đại tín hiệu vi sai

Khuếch đại tín hiệu vi sai là thành phần then chốt trong mạch xử lý của cảm biến điện cảm. Nó khuếch đại chỉ sự khác biệt giữa hai tín hiệu đầu vào từ hai cuộn dây của cảm biến, loại bỏ các thành phần nhiễu chung. Điều này giúp nâng cao tỷ số signal-to-noise (SNR) và cải thiện độ nhạy cao của toàn hệ thống.

3.2. Bộ lọc và chuyển đổi tín hiệu

Bộ lọc thông thấp tích cực được sử dụng để loại bỏ các thành phần tần số cao không mong muốn, làm sạch tín hiệu. Bộ chuyển đổi analog-to-digital (ADC) chuyển đổi tín hiệu analog thành dạng số để xử lý tiếp theo. Tốc độ lấy mẫu và độ phân giải của ADC ảnh hưởng đến độ chính xác cuối cùng của hệ thống đo lường.

IV. Ứng dụng và hiệu suất của cảm biến

Cảm biến điện cảm độ nhạy cao có nhiều ứng dụng thực tiễn trong các lĩnh vực công nghiệp. Chúng được sử dụng để đo độ nhám bề mặt bằng phương pháp tiếp xúc, trong đó cảm biến phát hiện những dao động nhỏ trên bề mặt vật liệu. Ứng dụng khác bao gồm đo áp suất, đo lực, và cảm biến vị trí trong các hệ thống tự động hóa. Độ chính xác và độ nhạy cao của cảm biến này làm cho nó trở thành lựa chọn ưa thích trong các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao. Các đặc tuyến cảm biến cho thấy mối quan hệ tuyến tính giữa dịch chuyển đầu vào và tín hiệu đầu ra.

4.1. Ứng dụng trong đo độ nhám bề mặt

Máy đo độ nhám bề mặt sử dụng cảm biến điện cảm để phát hiện những biến dạng nhỏ trên bề mặt vật liệu. Cảm biến chạy trên bề mặt và ghi lại những thay đổi độ cao, từ đó tính toán giá trị độ nhám Ra. Độ nhạy cao của cảm biến cho phép phát hiện những vân nhỏ đến vài micromet.

4.2. Ứng dụng trong đo áp suất và lực

Cảm biến điện cảm cũng được sử dụng để chế tạo các cảm biến đo áp suất và lực. Khi áp lực hoặc lực tác dụng lên cảm biến, nó gây ra sự dịch chuyển của lõi từ, thay đổi độ tự cảm. Đường đặc tuyến cảm biến từng được hiệu chuẩn cho phép chuyển đổi tín hiệu điện thành giá trị áp suất hoặc lực chính xác.

Trích đoạn nội dung tài liệu

BO GIÁO DỤC VA BAO TAO 'TRƯỜNG DẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Nguyễn Thị Kim Cúc TÊN ĐÈ TÀI TUẬN VĂN NGHIÊN CỨU THIẾT KÉ, CHE TAO CHUYEN BOI DO DỊCH CHUYEN CO BO NHAY CAO DANG BIEN CAM. LUAN VAN THAC Si_ KHOA HOC ngành Công Nghệ Cơ Khí HàNMội Năm 2011 MỤC LỤC MỤC LỤC 1 LOGI CAM DOAN a) 5 DANH MỤC CAC BANG. 5 DANH MUC CAC HINH VE, DO THL. Khái niệm vả ứng dụng của các chuyển đổi đo dịch chuyển nh: 1.

Cá chuyển doi do chuyén nha. Câm biến chuyên vị điện trở. Cảm biển điện cảm.3 Cảm biển điện dụng. Cám biển tự điện đơn.Cảm biển te điện kép vi sai 1.

Câm bidn qin 1. Cảm biển quang phân xạ. Cam bién quang iuvén qua.5 Cam biển đo chuyên vị bằng sóng dan hdi.1 Nguyên lý đo dịch chuyển bằng sóng đàn hãi 22] 4.2 Cảm biến sử dụng phần tử áp điện 1.6 Cam biến dim th. Hee Chương 2- CƠ SỞ TÍNH TOÁN THIẾT KẺ CẦM BIỂN ĐIỆN CẢM.Giới thiệu chung về cảm biển điện căm.12 CÂN tựo cuộn cẩm 3.2 Các đại lượng đặc trưng của cuộn e 28 2.

Tình chất nạp, xã của cuộn cảm 30 2. Lật liêu làm lối. Các dạng cảm hiến điện cảm.Câm biễn tự cảm.1 Cảm biển tự cảm có kha từ biển thiên.2 Cảm biển tự cảm có lõi từ đi động. Cian bién hd cém.1 Cảm biển dơn có Khe hi không khi.2 Cảm biển vi sai, 2.3 Biển thế vi saicó Ì - Chương 3- NGUYÊN CỬU CHẾ TẠO CẢM BIẾN.

-42 DỊCH CHUYỂN ĐIỆN CẢM. Sơ đỗ khối chuyến đối do dich chuyển điện cảm. Nguyên lý thiết kế, chế tạc 32.1 Thiết kế lõi từ và cuộn đây 3.2 Bồ trí tuẫn tằm.1hiết kế cảm biến dạng lõi hình chữ kˆ 3. Thiết kế cảm biến dạnglõi hình trụ.

Chương 4 MẠCH ĐIỆN XỬ LÝ TÍN HIỆU. Lý thuyết về xử lý tín hiệu. Phương án1 sử lý tín hiệu.2, Phương án 2 sử lý số tín hiệu.1 Khuấch đại Ấo lường vì sai 4.2, "Mach loc thông thấp tích cực. Chương S— CHE TAG THỰC NGHIỆM VẢ BẢN LUẬN.1 Xác dịnh độ nhạy của cảm bid 3.1 Xây dựng đường đặc tuyên của cảm biến.

Độ nhạy và sai sỐ của dâm ĐIỄN,. Một số hình ãnh thiết bị chế tạo được.1 Ứng đụng chuyển đổi điện cảm trong máy do độ nhám bê mặt kiểu điện cảm bằng phương pháp tiếp xúc.2 Ứng đụng chuyển đối điện cám trong căm biến do ap suit.3 Ứng đụng chuyển đối điện cám trong căm biến đo lực ở thiết bị rach đo độ bám đính b mi màng.4 Ủng đụng cảm biển điện câm trong diu do eita may do 4 tin .82 KẾT LUẬN VÄ KIẾN NGHỊ.B3 'TÀI LIỆU THAM KHẢO. -B5 TOM TAT LUAN VAN.ccccccsescsosessscesssesssasescesseassnssvssnsnesinssenssserssnsseassansssueesieaeee 87 PHY Lyc 88 Hình 17 Câm biển quang phản xe 13 Hink 18 a) Sơ đồ cấu tạa cảm biển quang soi thâu h) Tín hiệu ra 14 Wink 1.9 So dé thoi của một tết bị do dịch chuyên bằng sóng đứn hei 16 Tình 7 10 Các dụng sóng đần hãi 1? lHinh 1.11 Sơ đề nguyên lý câm biến ân: từ 18 "hương 2 Hinh 21 a, Sơ đồ; ù, Đặc tỉnh cảm biến có khe hữ thay đổi 20 Hình22 @, Can biển phân tíng dịch chuyển ngàng ; b, Dae tink 22 Hinh 2.3 Cấu tạo cuộn cân 23 Hinh 24 Cảm biển tự cắm 28 Hinh.5 Sự phụ thuậc giữa L„ Z với chiều dày khe hở không khi d 30 Hình 26 âm biển tự cảm kán mắc theo kiểu vi sai 30 Hình 2.7 Déie tinh cita căm biến tự cám kép ví sai 3L Hình 2.8 So đồ nguyên lý câm biến tự cảm có lối từ 3 Linh 2.9 Cảm biển hỗ cảm! 33 Hình 2 10 Cảm biển vì sai 36 Hình 2. Cảm biển bỗ cảm ví sai 36 Hình 2 12 Sơ đã cảm hiến biẫn áp vị sai 3? Hình 2.

Sơ để đặc tuyển câm biến 3? Hình 3.14 Sơ đỗ mạch điện 37 Chương 3 THmh3 1 So' dé chuyén đổi dịch chuyên kiểu điện cam 40 đình 32 Tình dạng lõi tie chitE 4 Hinks 3. 1iình dạng lõi từ hình tru 4 đình 3.4 Sơ để hồ trỉ cuôn cảm 4 Hinh 5. Câm biến lối chitE va lỗi trụ chế tạo được 7L Hình 5 6 Mach điện chế tạa theo phương án 1 7 Tình 5. Tìn hiệu sin chuẩn và tin hiệu sìn của mạch do 2 Tĩnh 5 8 Thiét bị thí nghiệm vẽ đặc tuyển cảm biến lối trụ 73 Tình $.

Cảm biển diện cảm trong máy do độ nhám bê mặt. Sơ đồ khối của máy đo nhám 74 Hình 511. Đường dặc tuyển của câm biễn diện cam 75 Tĩnh 5 12. Ảnh cảm biển do ép sudt dau 76 Hình 513.

Đặc tuyển cảm biến do áp suất 1 7? Hình 514 Đặc tuyễn cảm biên do úp sHẤI2 78 Hinh.15 Các sâm biến diện cằm trên tuổi bị rạch 79 Tình 5.16 Sơ đồ khải cảm biến đn lực sử dụng chuyển đối điện cản: 80 Hình5 17 Đường đặc tuyến của cảm biến áp lực 81 dinh 5.18 Chuyên đổi đo điện cảm chế tạo 81 Hình 17 Câm biển quang phản xe 13 Hink 18 a) Sơ đồ cấu tạa cảm biển quang soi thâu h) Tín hiệu ra 14 Wink 1.9 So dé thoi của một tết bị do dịch chuyên bằng sóng đứn hei 16 Tình 7 10 Các dụng sóng đần hãi 1? lHinh 1.11 Sơ đề nguyên lý câm biến ân: từ 18 "hương 2 Hinh 21 a, Sơ đồ; ù, Đặc tỉnh cảm biến có khe hữ thay đổi 20 Hình22 @, Can biển phân tíng dịch chuyển ngàng ; b, Dae tink 22 Hinh 2.3 Cấu tạo cuộn cân 23 Hinh 24 Cảm biển tự cắm 28 Hinh.5 Sự phụ thuậc giữa L„ Z với chiều dày khe hở không khi d 30 Hình 26 âm biển tự cảm kán mắc theo kiểu vi sai 30 Hình 2.7 Déie tinh cita căm biến tự cám kép ví sai 3L Hình 2.8 So đồ nguyên lý câm biến tự cảm có lối từ 3 Linh 2.9 Cảm biển hỗ cảm! 33 Hình 2 10 Cảm biển vì sai 36 Hình 2. Cảm biển bỗ cảm ví sai 36 Hình 2 12 Sơ đã cảm hiến biẫn áp vị sai 3? Hình 2. Sơ để đặc tuyển câm biến 3? Hình 3.14 Sơ đỗ mạch điện 37 Chương 3 THmh3 1 So' dé chuyén đổi dịch chuyên kiểu điện cam 40 đình 32 Tình dạng lõi tie chitE 4 Hinks 3. 1iình dạng lõi từ hình tru 4 đình 3.4 Sơ để hồ trỉ cuôn cảm 4 có kết quả ứng dụng, đánh giá khả năng chế tạo ra cáo thiết bị đo chuyên dụng phục vụ mục đích nghiên cứu và sản xuất.

Do kiến thức và thời gian hạn chế nêu luận văn không tránh khỏi cáo thiểu sót về mặt lính toán cũng như không đây đủ về nội dụng, Em rất mơng được sự góp Ý của các thây cô giáo để luận văn được hoàn thiện, có thể giúp ích hiệu quả cho công việc thiết kế, chế tao. Em xin chân thành câm ơn sự giúp đỡ và hướng dẫn tận tỉnh của thay gido TS. Nguyễn Văn Vĩnh cùng với các thầy cô giáo trong bộ môn và các bạn sinh viễn đã †ạo điều kiện tết cho em hoàn thành luận văn này. 10 LOLCAM DOAN Tên tôi là Nguyễn Thị Kim Cúc là học viên cao học ngành Công Nghé Co Khi Khóa 2008-2010.

Giáo viêu hướng dẫn khoa học TS. Tôi xin cam đoạn tất cả cáo số liện, kết quả của luận vấn này đều có thật và do chính tác giả hiên cửu thực nghiệm DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIÊ? VDK: Vi điền khiển ADC hoặc A/D: chuyển déi trong tu sé (Analog Digital Convert) AC: Dong diện xoay chiều. DC: Dòng diện một chiều. DANH MỤC CÁC BẰNG Trang, Bang 1.1 Bang công thức thực nghiêm tính toàn căm biển điện cảm 26 Bang 1.2 Bảng đặc trưng nhạy cảm cũa vật liệu làm lõi 30 Bang 13 Đăng giả trị độ từ thẩm của một số vột liệu thông đụng.

30 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐÔ THỊ Trang, Chuong 1 inch 1.1 MOI sé ting dung, néu biéu cia chuyén abi do dich chen 7 Hình 12 Sơ đã nguyên lý hệ tung sử Íý tin hiệu 8 Hink 1.3 Sơ đề khối chuyến đối đo dịch chuyến cơ bản 8 Finks 14 Cảm biển điện dung H Hình L5 Cửm biển tụ điện đơn "1 Tình 1.6 Cam hiển tụ kép vì sai 12 Hình 17 Câm biển quang phản xe 13 Hink 18 a) Sơ đồ cấu tạa cảm biển quang soi thâu h) Tín hiệu ra 14 Wink 1.9 So dé thoi của một tết bị do dịch chuyên bằng sóng đứn hei 16 Tình 7 10 Các dụng sóng đần hãi 1? lHinh 1.11 Sơ đề nguyên lý câm biến ân: từ 18 "hương 2 Hinh 21 a, Sơ đồ; ù, Đặc tỉnh cảm biến có khe hữ thay đổi 20 Hình22 @, Can biển phân tíng dịch chuyển ngàng ; b, Dae tink 22 Hinh 2.3 Cấu tạo cuộn cân 23 Hinh 24 Cảm biển tự cắm 28 Hinh.5 Sự phụ thuậc giữa L„ Z với chiều dày khe hở không khi d 30 Hình 26 âm biển tự cảm kán mắc theo kiểu vi sai 30 Hình 2.7 Déie tinh cita căm biến tự cám kép ví sai 3L Hình 2.8 So đồ nguyên lý câm biến tự cảm có lối từ 3 Linh 2.9 Cảm biển hỗ cảm! 33 Hình 2 10 Cảm biển vì sai 36 Hình 2. Cảm biển bỗ cảm ví sai 36 Hình 2 12 Sơ đã cảm hiến biẫn áp vị sai 3? Hình 2. Sơ để đặc tuyển câm biến 3? Hình 3.14 Sơ đỗ mạch điện 37 Chương 3 THmh3 1 So' dé chuyén đổi dịch chuyên kiểu điện cam 40 đình 32 Tình dạng lõi tie chitE 4 Hinks 3. 1iình dạng lõi từ hình tru 4 đình 3.4 Sơ để hồ trỉ cuôn cảm 4 TOM TAT LUAN VAN.ccccccsescsosessscesssesssasescesseassnssvssnsnesinssenssserssnsseassansssueesieaeee 87 PHY Lyc 88 có kết quả ứng dụng, đánh giá khả năng chế tạo ra cáo thiết bị đo chuyên dụng phục vụ mục đích nghiên cứu và sản xuất.

Do kiến thức và thời gian hạn chế nêu luận văn không tránh khỏi cáo thiểu sót về mặt lính toán cũng như không đây đủ về nội dụng, Em rất mơng được sự góp Ý của các thây cô giáo để luận văn được hoàn thiện, có thể giúp ích hiệu quả cho công việc thiết kế, chế tao. Em xin chân thành câm ơn sự giúp đỡ và hướng dẫn tận tỉnh của thay gido TS. Nguyễn Văn Vĩnh cùng với các thầy cô giáo trong bộ môn và các bạn sinh viễn đã †ạo điều kiện tết cho em hoàn thành luận văn này. 10 Hình 17 Câm biển quang phản xe 13 Hink 18 a) Sơ đồ cấu tạa cảm biển quang soi thâu h) Tín hiệu ra 14 Wink 1.9 So dé thoi của một tết bị do dịch chuyên bằng sóng đứn hei 16 Tình 7 10 Các dụng sóng đần hãi 1? lHinh 1.