Khảo Sát Nguyên Lý Hoạt động Của Cảm Biến Tiệm Cận điện Cảm

L ỜI GIỚI THIỆU

3.2.1. Khảo sát nguyên lý hoạt động của cảm biến tiệm cận điện cảm

CÂU HỎI ÔN TẬP

Câu hỏi 1: Trình bày đặc điểm, các thuật ngữ thường sử dụng trong cảm biến tiệm cận ?

Câu hỏi 2: Trình bày giới thiệu chung, cấu tạo, nguyên lý hoạt động, phân loại cảm biến tiệm cận điện cảm ?

Câu hỏi 3: Trình bày giới thiệu chung, cấu tạo, nguyên lý hoạt động, phân loại cảm biến tiệm cận điện dung ?

Câu hỏi 4: Trình bày giới thiệu chung, cấu tạo, nguyên lý hoạt động cảm biến tiệm cận siêu âm ?

Câu hỏi 5:Nêu ưu, nhược điểm, các yếu tố ảnh hưởng và ứng dụng của cảm biến tiệm cận điện dung ?

Câu hỏi 6:Nêu ưu, nhược điểm, các yếu tố ảnh hưởng và ứng dụng của cảm biến tiệm cận điện cảm ?

Câu hỏi 7:Nêu ưu, nhược điểm, các yếu tố ảnh hưởng và ứng dụng của cảm biến tiệm cận siêu âm ?

Câu hỏi 8: Trình bày cấu hình ngõ ra của cảm biến tiệm cận và cách kết nối các cảm biến tiệm cận với nhau ?

37

Chương 4: ĐO VẬN TỐC VÒNG QUAY VÀ GÓC QUAY 4.1. Một số phương pháp cơ bản.

- Trong công nghiệp, phần lớn trường hợp đo vận tốc là đo tốc độ quay của máy. Độ an toàn cũng như chế độ làm việc của máy phụ thuộc rất lớn vào tốc độ quay. Trong trường hợp chuyển động thẳng, việc đo vận tốc dài cũng thường được chuyển về đo tốc độ quay. Bởi vậy, các cảm biến đo vận tốc góc đóng vai trò quan trọng trong việc đo vận tốc.

- 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 (4.1) - Để đo tốc độ quay của rotor ta có thể sử dụng các phương pháp sau: + Sử dụng tốc độ kế dòng một chiều, tốc độ kế dòng xoay chiều + Sử dụng bộ cảm biến quang tốc độ.

+ Sử dụng máy đo góc tuyệt đối.

4.1.1. Đo vận tốc vòng quay bằng phương pháp analog.a. Tốc độ kế dòng một chiều (máy phát tốc). a. Tốc độ kế dòng một chiều (máy phát tốc).

- Thực chất là các máy phát điện công suất nhỏ có sức điện động tỉ lệ với tốc độ cần đo được cấu tạo gồm các phần chính

Hình 4.1. Cấu tạo của một máy phát dòng một chiều.

- Stator: Là một nam châm điện hoặc một nam châm vĩnh cửu có hai cực nam và bắc nằm ngoài cùng.

- Rotor: Là một trục sắt gồm nhiều lớp ghép lại, trên mặt ngoài roto xẽ các rãnh song song với trục quay và cách đều nhau. Trong các rãnh đặt các dây dẫn bằng đồng gọi là dây chính, các dây chính được nối với nhau từng đôi một bằng các dây

phụgồm có lõi thép phần ứng, trên có xẻ rãnh, trong rãnh có đặt dây quấn.

- Cổ góp là một hình trụ trên mặt có gắn các lá đồng cách điện với nhau, mỗi lá nối với một dây chính của roto. Hai chổi quét ép sát vào cổ góp được bố trí sao cho tại một thời điểm chúng luôn tiếp xúc với hai lá đồng đối diện nhau.

38

- 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 (4.2) - Trong đó:

N: Số vòng quay trong 1 s. : Vân tốc góc của rotor.

n: Là tổng số dây chính trên rotor.

Φ0: Là từ thông xuất phát từ cực nam châm

b. 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 cao. Không có sự 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.

- Cấu tạo của một tốc độ kế dòng xoay chiều kiểu máy phát đồng bộthực chất đây là một loại máy phát điện xoay chiều loại nhỏ.

Hình 4.2. Cấu tạo của một máy phát đồng bộ. (a: 1 pha, b: 3 pha)

- Rotor của máy phát được gắn đồng trục với thiết bị cần đo tốc độ. Rotor là một nam châm hoặc tổ hợp của nhiều nam châm nhỏ.

- Stator gồm các cuộn dây bố trí cách đều trên mặt trong của Stato có thể 1 pha hoặc ba pha, là nơi cung cấp sức điện động cảm ứng hình sin có biên độ tỷ lệ với tốc độ quay của rotor.

e = E0 sinΩt (4.3)

E0= K1., Ω=K2.

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.

39

- 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 (vì đo tần số).

* Máy phát không đồng bộ

- Cấu tạo của máy phát không đồng bộ tương tự như động cơ đồng bộ hai pha

Hình 4.3.Cấu tạo của một máy phát

- Rotor là một đĩa hình trụ kim loại mỏng và dị từđược quay cùng tốc độ với trục cần đo vận tốc, khối lượng và quán tính của nó không đáng kể.

- Stator làm bằng thép lá kỹ thuật điện, trên có đặt hai cuộn dây

+ Cuộn thứ nhất là cuộn kích từ được cung cấp một điện áp định mức có biên độ và tần số không đổi e.

+ 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 (4.4) Trong đó:

em: sức điệnđộng

Em:Biên độ

e: Tần số góc

k là hằng số phụ thuộc vào cấu trúc của máy. Φ: độ lệch pha.

Khi đo Em sẽ xác định được 

4.1.2. Đo vận tốc vòng quay bằng phương pháp quang điện tửa. Dùng bộ cảm biến quang tốc độ với đĩa mã hóa a. Dùng bộ cảm biến quang tốc độ với đĩa mã hóa

- Đĩa mã hóa là thiết bị có thể phát hiện sự chuyển động hay vị trí của vật. Đĩa mã hóa 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.

40

Hình 4.4. 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.

- Nhượcđiểm: cần nhiều lỗ để nâng cao độ chính xác nên dễ làm hư hỏng đĩa quay

b. Đĩa mã hóa tương đối

- Đĩa mã hóa với 1 bộ xung thì sẽ không thể phát hiện được chiều quay, hầu hết các đĩa mã hóa đều có bộ xung thứ 2 lệch pha 900 so với bộ xung thứ nhất, và một xung xác định mỗi thời gian đĩa mã hóa quay một vòng.

Hình 4.5. Sơ đồ thu phát đĩa mã hóa 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.

41

Hình 4.6. Dạng sóng ra của mã hóa 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.

n (vòng / phút) = n T N N 0 40 60 (4.5)

c. Đĩa mã hóa tuyệt đối.

- Để khắc phục nhược điểm chính của đĩa mã hóa tương đối là khi mất nguồn số đếm sẽ bị mất. Như vậy khi các cơ cấu ngưng hoạt động vào buổi tối hay khi bảo trì đến khi bật nguồn trở lại encoder sẽ không thể xác định chính xác vị trí cơ cấu.

Hình 4.7. Sơ đồ thu phát mã hóa tuyệt đối

- Đĩa mã hóa tuyệt đối được thiết kế để luôn xác định được vị trí vật một cách chính xác.

- Đĩa mã hóa 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. 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

42

được vị trí 1/8, 1/16... của vòng tròn. Vòng phân đoạn ngoài cùng cho ta độ chính xác cuối cùng.

- Loại mã hóa này có nguồn sáng và bộ thu cho mỗi vòng như nếu mã hóa có 10 vòng sẽ có 10 bộ nguồn sáng và thu, nếu mã hóa 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 mã hóa còn có thể giảm tốc xuống sao cho encoder quay đủ 1 vòng suốt chiều dài cơ cấu.

4.1.3. Đo vận tốc vòng quay với nguyên tắc điện trở từ. a. Các đơn vị đo từ trường a. Các đơn vị đo từ trường

* Từ trường

Từ trường là một dạng vật chất tồn tại xung quanh dòng điện, hay nói chính xác là xung quanh các hạt mang điện chuyển động. Tính chất cơ bản của từ trường là tác dụng lực từ lên dòng điện, lên nam châm.

* Cảm ứng từ B

- Về mặt gây ra lực từ, từ trường được đặc trưng bằng vectơ cảm ứng từ B. Trong hệ thống đơn vị SI đơn vị cảm ứng từ B là T (Tesla).

1 T = 1Wb/m2 = 1V.s/m2 (4.6)

* Từ thông 

- Từ thông gửi qua diện tích dS là đại lượng về giá trị bằng:

S d B d   .   (4.7) - Trong đó:

B là vectơ cảm ứng từ tại 1 điểm bất kì trên diện tích ấy.

S d 

là vectơ có phương của vectơ pháp tuyến n

với diện tích đang xét, chiều là chiều dương của pháp tuyến, độ lớn bằng độ lớn diện tích đó.

- Trong hệ thống đơn vị SI đơn vị từ thông là Weber (Wb). Nếu từ thông thay đổi 1 đơn vị trong thời gian 1s, điện áp cảm ứng sinh ra trong cuộn dây là 1V: 1Wb = 1Vs

* Cường độ từ trường H

- Cường độ từ trường H đặc trưng cho từ trường do riêng dòng điện sinh ra và không phụ thuộc vào tính chất môi trường trong đó đặt dòng điện.

- Trong hệ thống đơn vị SI đơn vị của cường độ từ trường H là A/m

b. Cảm biến điện trở từ

- Cảm biến điện trở từ là 1 linh kiện bán dẫn có hai cực, điện trở của nó gia tăng dưới tác động của từ trường. Trong trường hợp từ trường tác dụng thẳng góc mặt phẳng của cảm biến ta có độ nhạy lớn nhất. Chiều của từ trường không ảnh hưởng gì đến hiệu ứng điện trở từ trong trường hợp này.

43

- Độ lớn của tín hiệu ra của cảm biến điện trở từ không phụ thuộc vào tốc độ quay. Khác với trường hợp cảm biến điện cảm, độ lớn tín hiệu ra quan hệ trực tiếp với tốc độ quay, vì vậy đòi hỏi các thiết bị điện tử phức tạp để có thể thu nhận được các tín hiệu trên 1 dải điện áp rộng.

- Ngược lại với cảm biến điện trở từ, tín hiệu ra được hình thành bởi sự đổi hướng của đường cảm ứng từ - bending of magnetic field lines (thay đổi theo vị trí của bánh răng). Tín hiệu ra của cảm biến vẫn được hình thành dù đối tượng không di chuyển rất chậm.

Hình 4.8. Tín hiệu tạo ra bởi cảm biến điện trở từ

4.2. Cảm biến đo góc với tổ hợp có điện trở từ 4.2.1. Nguyên tắc đo - Từ công thức cơ bản R = R0 + 2 0cos R  (4.8) - Ta có thể giữa R và  có sự liên hệ gần đúng R 2 (4.9)

Dựa trên nguyên tắc này, cảm biến có thể đo góc mà không cần sự đụng chạm.

4.2.2. Các loại cảm biến KM110BH/2 của hãng Philips Semiconductor

44

Hình 4.9. Cấu trúc cảm biến KM110BH/21

- Loại cảm biến KM110BH/21 có 2 dạng: KMB110BH/2130 và KMB110BH/2190 có thang đo khác nhau nhưng có mạch điện như nhau

+ KMB110BH/2130 được chế tạo với thang đo nhỏ hơn để có độ khuếch đại lớn hơn, giải đo từ -150đến +150. Tín hiệu ra tuyến tính (độ phi tuyến chỉ 1%).

+ KMB110BH/2190 giải đo từ -450 đến +450, tín hiệu ra hình sin. Cả hai cảm biến đều có tín hiệu ra dạng Analog. Ngoài 2 dạng cảm biến này, còn có các thiết kế mới KM110BH/23 và KM110BH/24

Bảng 4.1. Thông số của 1 số loại cảm biến

Thông số KM110BH/ Đơn vị 2130 2190 2270 2390 2430 2470 Thang đo 30 90 70 90 30 70 0,001 Điện áp ra 0,5 tới 4,5 0,5 tới 4,5 - 0,5 tới 4,5 0,5 tới 4,5 0,5 tới 4,5 V Dòng điện ra 4 tới 20 mA Đặc tuyến ngõ ra Tuyến tính Hình sin Hình sin Tuyến tính Tuyến tính Hình sin Điện áp hoạt động 5 5 8,5 5 5 5 V Nhiệt độ hoạt -40 tới +125 -40 tới +125 -40 tới +125 -40 tới +125 -40 tới +125 -40 tới +125 0C

45 động

Độ phân

giải 0,001 0,001 0,001 0,001 0,001 0,001 Độ

- Sơ đồ khối của các loại cảm biến KM110BH/21, KM110BH/24 và KM110BH/2390

Hình 4.10.Sơ đồ khối của các loại cảm biến KM110BH/21, KM110BH/24 và KM110BH/2390

- Đặc tuyến của cảm biến KM110BH/2130 và KM110BH/2190

Hình 4.11.Đặc tuyến của cảm biến KM110BH/2130 và KM110BH/2190

- Loại cảm biến KM110BH /2270 có thang đo từ -350đến +350. Tín hiệu ngõ ra là dòng điện từ 4 đến 20 mA. Có thể sử dụng 1 điện trở để chuyển sang dạng điện áp.

46

Hình 4.12. Tín hiệu ra của

KM110BH /2270

Hình 4.13. Sơ đồ khối của loại cảm biến

KM110BH/2270

4.2.3. Các loại cảm biến KMA10 và KMA20

- KMA10 và KMA20 là loại cảm biến đo góc (không cần đụng chạm) được thiết kế để có thể hoạt động trong môi trường khắc nghiệt hơn. Ứng dụng trong lĩnh vực tự động và công nghiệp.

- Hai loại cảm biến KMA10 và KMA20 được thiết kế và phát triển bởi sự hợp tác giữa Philips Semiconductor và AB Electronic.

- KMA10 cho tín hiệu ra dưới dạng dòng điện. (KMA10/70 phát triển từ loại KM110BH/2270).

- KMA20 cho tín hiệu ra dưới dạng điện áp. KMA20/30 phát triển từ loại KM110BH/2430, KMA20/70 từ loại KM110BH/2470, còn KMA20/90 phát triển từ loại KMA20/2390. Tuy nhiên tín hiệu từ KMA20/30 thì tuyến tính và từ KMA20/70 thì hình sin.

Bảng 4.2. Thông số của 1 số loại cảm biến

Thông số KMA10/70 KMA20/30 KMA20/70 KMA20/90 Đơn vị

Thang đo 70 30 70 90 Độ