Bài giảng Cảm biến và cơ cấu chấp hành

56 trang hapham 140

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Cảm biến và cơ cấu chấp hành", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

bai_giang_cam_bien_va_co_cau_chap_hanh.pdf

Nội dung text: Bài giảng Cảm biến và cơ cấu chấp hành

Giáo trình: Cảm biến và Cơ cấu chấp hành
Chương I: NHỮNG KHÁI NIỆM VỀ CÁC BỘ CẢM BIẾN 1.1 Định nghĩa Trong các hệ thống đo lường – điều khiển mọi quá trình đều được đặc trưng bởi các biến trạng thái như nhiệt độ, áp suất, tốc độ, momen các biến trạng thái này thường là các quá trình ta cần thu thập thông tin , đo đạc, theo dõi sự biến thiên của các biến trạng thái của quá trình. Các bộ cảm biến thực hiện chức năng này, chúng thu nhận và đáp ứng với các tín hiệu và kích thích, là “tai mắt” của các hoạt động khoa học và công nghệ của con người. Các bộ cảm biến thường được định nghĩa theo nghĩa rộng là thiết bị cảm nhận và đáp ứng với các tín hiệu và kích thích. Trong thế giới tự nhiên các cơ thể sống thường đáp ứng với các tín hiệu bên ngoài có đặc tính điện hóa, dựa trên cơ sở trao đổi ion, ví dụ như hoạt động của hệ thần kinh trong các quá trình đo lường – điều khiển thông tin được truyền tải và xử lý dưới dạng điện nhờ sự truyền tải của các điện tử. Phương trình mô tả quan hệ giữa đáp ứng y và kích thích x ở bộ cảm biến có dạng : Y = f(x) (1.1) Quan hệ (1.1) thường rất phức tạp vì có quá nhiều yếu tố ảnh hưởng tới quan hệ đáp ứng – kích thích. Trong các hệ thống đo lường – điều khiển hiện đại quá trình thu thập và xử lý tín hiệu thường do máy tính đảm nhiệm. Trong sơ đồ hình 1.2 quá trình (đối tượng) được đặc trưng bằng các biến trạng thái và đươc các bộ cảm biến thu nhận. đầu ra của các biến trạng thái được phối ghép với bộ vi xử lý qua các giao diện. đầu ra của bộ vi xử lý được phối ghép với cơ cấu chấp hành nhằm tác động lên quá trình (đối tượng). đây là sơ đồ điều khiển tự động quá trình (đối tượng), trong đó bộ cảm biến đóng vai trò cảm nhận, đo đạc và đánh giá các thông số của hệ thống. bộ vi xử lý làm nhiệm vụ xử lý thông tin và đưa ra tín hiệu điều khiển quá trình. 1.2 Phân loại các bộ cảm biến. a. Theo nguyên lý chuyển đổi giữa đáp ứng và kích thích.
b. Theo dạng kích thích có thể phân chia các bộ cảm biến như sau c. Theo tính năng các bộ cảm biến
d. Theo phạm vi sử dụng các bộ cảm biến e. Theo thông số của mô hình mạch thay thế o Cảm biến tích cực (có nguồn) đầu ra là nguồn áp hoặc nguồn dòng. o Cảm biến thụ động (thông nguồn) được đặc trưng bằng các thông số R, L , C, M, tuyến tính hoặc phi tuyến. 1.3 Các đơn vị đo lường Các đơn vị đo lường cơ sở của hệ đơn vị quốc tế SI(IE Systems International d’ Unites) như trong bảng:
1.4 Các đặc trưng cơ bản của bộ cảm biến Theo quan điểm mô hình mạch tao coi bộ cảm biến như một hộp đen, có quan hệ đáp ứng – kích thích được điều diễn bằng phương trình (1.1) quan hệ này được đặc trưng bằng nhiều đại lượng cơ bản cửa bộ cảm biến. ta có thể định nghĩa các đại lượng đặc trưng cơ bản của bộ cảm biến như sau : a. Hàm truyền: Quan hệ giữa đáp ứng và kích thích của bộ cảm biến có thể cho dưới dạng bảng giá trị, graph hoặc biểu thức toán học. gọi x là kích thích, y là tín hiệu đáp ứng, hàm truyền cho ta quan hệ giữa đáp ứng và kích thích. Hàm truyền có thể được biểu diễn dưới dạng tuyến tính, phi tuyến, theo hàm logarit, hàm lũy thừa hoặc hàm mũ. Quan hệ tuyến tính giữa đáp ứng và kích thích có dạng : Y = a + bx (1.2)
a là hằng số bằng tín hiệu ra khi tín hiệu vào bằng không, b là độ nhạy, y là một trong các đặc trưng của tín hiệu ra có thể là biên độ, tần số hoặc pha tùy theo các tính chất của bộ cảm biến. Hàm truyền logarit có dạng: y = 1 + blnx (1.3) Dạng mũ : y = aekx (1.4) Dạng lũy thừa : y = ao + a1xk (1.5) K: hằng số Các bộ cảm biến phi tuyến không thể được đặc trưng bằng các hàm truyền kể trên, trong trường hợp này ta phải sử dụng các hàm gần đúng là các đa thức bậc cao. Trong nhiều trường hợp ta có thể làm gần đúng hàm truyền phi tuyến bằng phương pháp tuyến tính hóa từng đoạn. b. Độ lớn của tín hiệu vào: Độ lớn của tín hiệu vào là giá trị lớn nhất của tín hiệu đặt vào bộ cảm biến mà sai số mà sai số không vượt quá ngưỡng cho phép. Đối với các bộ cảm biến có đáp ứng phi tuyến ngưỡng động của kích thích thường được biểu diển bằng dexibel, bằng logarit của tỷ số công suất hoặc điện áp của tín hiệu ra vào tín hiệu vào : 1 dB = 10 lg P2/ P1 Quan hệ giữa các tỷ số công suất, tỷ số điện áp ( hoặc dòng điện) tính theo dexibel được cho trong bảng: c. Sai số và độ chính xác: Các bộ cảm biến cũng như các dụng cụ đo lường khác, ngoài đại lượng cần đo (cảm nhận) còn chịu tác động của nhiều đại lượng vật lý khác gây nên sai số giữa giá trị đo được và giá trị thực của đại lượng cần đo. Gọi ∆x độ lệch tuyệt đối giữa giá trị đo và giá trị thực x, sai số tương đối của bộ cảm biến được tính bằng : ∆ δ% = . 100 ∆x : sai số tuyệt đối. Ví dụ : một bộ cảm biến di chuyển thằng có độ nhạy 1mV trên 1mm di chuyển. nếu di chuyển 10mm tạo nên điện áp 10,5mV thì tạo nên sai số tuyệt đối là 10,5 – 10 = 0,5mV. Sai số tuyệt đối của bộ cảm biến là : , δ% = . 100 = 5% Khi đánh giá sai số của cảm biến ta thường phân chúng thành hai loại : sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên. Sai số hệ thống là sai số không phụ thuộc vào số lần đo, có giá trị không đổi hoặc thay đội chậm theo thời gian đo và thêm vào một độ lệch không đổi giữa trị thực và giá trị đo được. sai số hệ thống thường do sự thiếu hiểu biết về hệ đo, do điều kiện sử dụng không tốt.
Các nguyên nhân gây sai số hệ thống có thể là : Do nguyên lý của cảm biến Giá trị đại lượng chuẩn không đúng. Do đặc tính của bộ cảm biến. Do điều kiện và chế độ sử dụng. Do xử lý kết quả đo. Sai số ngẫu nhiên là sai số xuất hiện có độ lớn và chiều không xác định. Có thể dự đoán được một số nguyên nhân của sai số ngẫu nhiên nhưng không thể dự đoán độ lớn và dấu của nó. Những nguyên nhân gây sai số ngẫu nhiên có thể là: Do sự thay đổi đặc tính của thiết bị, Do tín hiệu nhiễu ngẫu nhiên, Do các đại lượng ảnh hưởng như các thông số môi trường (nhiệt độ, độ ẩm, điện từ trường, độ rung ) không được tính đến trong khi chuẩn cảm biến. có thể giảm thiểu sai số ngẫu nhiên bằng một số biện pháp thực nghiệm thích hợp như bảo vệ các mạch đo tránh ảnh hưởng của nhiễu, tự động điều chỉnh điện áp nguồn nôi, bù các ảnh hưởng nhiệt độ, tần số, vận hành sử dụng đúng chế độ hoặc thực hiện phép đo lường thống kê. 1.5 Chuẩn các bộ cảm biến Chuẩn các bộ cảm biến nhằm xác định dưới dạng đồ thị, giải tích mối liên hệ giữa đáp ứng và kích thích của bộ cảm biến có tính đến tất cả các yếu tố ảnh hưởng. các thông số ảnh hưởng có thể là các đại lượng vật lý liên quan đến đáp ứng như độ lớn, chiều và tốc độ biến thiên của các kích thích. Ngoài ra chúng cũng có thể là các đại lượng vật lý không liên quan đến kích thích nhưng tác động đến bộ cảm biến khi sử dụng và làm thay đổi hồi đáp. Thông thường các đại lượng vật lý này là các thông số môi trường như nhiệt độ, áp suất, độ ẩm và các thông số của nguồn như biên độ, tần số, điện áp làm việc của các bộ cảm biến. a. Chuẩn đơn giản: Chuẩn đơn giản là ghép đo chỉ có một đại lượng duy nhất tác động lên một kích thích xác định và sử dụng một cảm biến không nhạy với các đại lượng và không chịu tác động của kích thích này. Đây là trường hợp đặc biệt của các kích thích tĩnh, nghĩa là các đại lượng có giá trị không đổi. trong những điều kiện này việc chuẩn cảm biến chính là sự kết hợp các giá trị hoàn toàn xác định của kích thích với các giá trị tương ứng của đáp ứng đầu ra. Có thể chuẩn các bộ cảm biến bằng một trong các phương pháp sau đây: o Chuẩn trực tiếp : các giá trị khác nhau của kích thích lấy từ mẫu chuẩn hoặc các phần tử so sánh có giá trị đã biết với độ chính xác cao.
o Chuẩn gián tiếp : sử dụng một bộ cảm biến chuẩn đã biết đường cong chuẩn và so sánh với bộ cảm biến cần định chuẩn và cả hai cùng được đặt trong cùng một điều kiện làm việc. khi tác động lần lượt lên hai bộ cảm biến bằng cùng một kích thích ra nhận được các kết quả tương ứng của cảm biến mẫu và cảm biến định chuẩn. Lập lại với các giá trị khác nhau của kích thích ta xác định được đường cong chuẩn cho bộ cảm biến. b. Chuẩn nhiều lần: Khi bộ cảm biến có chứa những phần tử có độ trễ, giá trị đáp ứng không chỉ phụ thuộc vào giá trị tức thời của kích thích mà còn phụ thuộc vào các giá trị trước đó của kích thích này. Khi đó cần phải tiến hành chuẩn nhiều lần theo trình tự sau đây: o Đặt lại điểm O của cảm biến , đó là điểm gốc khi kích thích bằng không thì đáp ứng của bộ cảm biến phải bằng không. o Dựng lại đáp ứng bằng cách lúc đầu cho kích thích có giá trị cực đại sau đó giảm dần, nhờ đó có thể xác định được đường cong chuẩn theo 2 hướng kích thích tăng dần và giảm dần. 1.6 Độ tuyến tính Bộ cảm biến gọi tuyến tính trong một dải kích thích nếu trong dải đó độ nhạy không phục thuộc vào giá trị của kích thích tức là độ nhạy là 1 hằng số Trong chế độ tĩnh, độ tuyến tĩnh được thể hiện bằng các đoạn thẳng trên đặc tuyến tính và hoạt động của bộ cảm biến là tuyến tính khi các kích thích tác động còn nằm trong vùng này. Trong chế độ động, độ tuyến tính bao gồm sự không đổi của độ nhạy tĩnh, đồng thời các thông số quyết định hồi đáp như tần số dao động riêng, hệ số suy giảm cũng không phụ thuộc vào kích thích. 1.7 Tác động nhanh và đặc tính động của đáp ứng Để đánh giá thời gian hồi đáp của đáp ứng theo kích thích ta sử dụng khái niệm độ tác động nhanh của bộ cảm biến. Thời gian hồi đáp τ càng nhỏ chứng tỏ bộ cảm biến đáp ứng càng nhanh. Khi kích thích có dạng bước nhảy đơn vị thì đặc tính của bộ cảm biến có thể có những dạng sau đây o Đáp ứng tức thời o Đáp ứng trễ theo hàm mũ o Đáp ứng tức thời và suy giảm o Đáp ứng trễ và suy giảm o Đáp ứng cộng hưởng dải hẹp
1.8 Bộ cảm biến tích cực và thụ động Các bộ cảm biến tích cực hoạt động như 1 nguồn áp hoặc 1 nguồn dòng được biểu diễn bằng mạng 2 cửa có nguồn. Còn bộ cảm biến thụ động được biểu diễn bằng mạng 2 cửa không nguồn có trở kháng phục thuộc vào kích thích. Sau đây giới thiệu sơ lược các hiệu ứng vật lý ứng dụng trong các bộ cảm biến tích cực. a. Hiệu ứng cảm ứng điện từ: Khi một thanh dẫn chuyển động trong môi trường sẽ xuất hiện sức điện động tỷ lệ với biến thiên từ thông, nghĩa là tỷ lệ với tốc độ chuyển động của thanh dẫn. Hiệu ứng cảm ứng điện từ được ứng dụng để xác định tốc độ chuyển động của vật thông qua việc đo sức điện động cảm ứng b. Hiệu ứng nhiệt điện: Khi hai dây dẫn có bản chất hóa học khác nhau được hàn kín sẽ xuất hiện một sức điện động tỷ lệ với nhiệt độ mối hàn. Hiệu ứng này thường được ứng dụng để đo nhiệt độ. Ngược lại khi cho dòng điện chạy từ chất có bản chất hóa học khác nhau sẽ tạo nên chênh lệch nhiệt độ. c. Hiệu ứng hỏa điện: Một số tinh thể gọi là tinh thể hỏa điện có tính chất ohaan cực điện tự phát phụ thuộc vào nhệt độ. Trên các mặt đối diện của chúng xuất hiện các điện tích trái dấu phụ thuộc vào độ phân cực điện. Hiệu ứng hỏa điện thường được ứng dụng để đo thông lượng của bức xạ ánh sáng. Khi tinh thể hỏa điện hấp thụ ánh sáng nhiệt độ của chúng tăng lên làm thay đổi phân cực điện làm xuất hiện điện áp trên hai cực của tụ điện phụ thuộc vào quang thông Φ d. Hiệu ứng áp điện: Khi tác động ứng suất cơ lên bề mặt của vật liệu áp điện (thạch anh, muối segnet ) làm vật liệu bị biến dạng và xuất hiện các điện tích bằng nhau và trái dấu. thông qua việc đo điện áp trên 2 bản cực tụ điện ta có thể đo được các đại lượng cơ tác dụng lên vật liệu áp điện như áp suất, ứng suất e. Hiệu ứng quang điện: Bản chất là giải phóng các hạt dẫn tự do trong vật liệu dưới tác dụng của bức xạ ánh sáng. Hiệu ứng này được ứng dụng để chế tạo các cảm biến quang f. Hiệu ứng quang điện từ: Khi tác động một từ trường vuông góc với bức xạ ánh sáng trong vật liệu bán dẫn được chiếu sáng sẽ xuất hiện một hiệu điện thế theo phương vuông góc với từ trường B và phương bức xạ ánh sáng. Hiệu ứng này được ứng dụng trong các bộ cảm biến đo các đại lượng quang hoặc biến đổi các thông tin chứa đựng trong ánh sáng thành tín hiệu điện.
g. Hiệu ứng Hall: Trong vật liệu (thường là bán dẫn) có dòng điện chạy qua đặt trong từ trường B có phương tạo thành góc θ với dòng điện I sẽ xuất hiện điện áp U11 theo phương vuông góc với B và I và có độ lớn là : U11 = K.I.B.sinθ K là hệ số phụ thuộc vào vật liệu và kích thước của mẫu. Hiệu ứng Hall được sử dụng để đo các đại lượng từ, đại lượng điện hoặc xác định vị trí chyển động hình. 1.9 Mạch giao diện của các bộ cảm biến a. Các đặc tính đầu vào của mạch giao diện: Đáp ứng của các bộ cảm biến nói chung không phù hợp với tải về điện áp, công suất vì vậy cần có mạch giao diện giữa bộ cảm biến và tải. cần phải phối hợp giữa đầu ra của bộ cảm biến và đầu vào của hệ thống xử lý dữ liệu. Công việc này gọi là chuẩn hóa tín hiệu và các mạch điện tử giao diện thực hiện nhiệm vụ này. b. Các đặc tính của bộ khuếch đại thuật toán (KĐTT): Các mạch giao diện thường được xây dựng trên cơ sở các bộ khuếch đại thuật toán. Đó là các bộ khuếch đại một chiều có hệ số khuếch đại rất lớn và tổng trở vào rất lớn. Bộ khuếch đại thuật toán mạch tích hợp có thể chứa hàng trăm tranzito và các điện trở, tụ điện có : o hai đầu vào, một đầu đảo (-) và một dấu không đảo (+), o điện trờ vào rất lớn, cỡ hàng trăm MΩ hoặc có thể tới GΩ, o điện trở ra rất nhỏ ( phần chục Ω), o điện áp lệch đầu vào e0 rất nhỏ (cỡ vài nV), o dòng điện phân cực đầu vào i0 rất nhỏ (cỡ vài pA) o hệ số khuếch đại hở mạch rất lớn (A0 = 100.000), o dải tần làm việc rộng, o hệ số suy giảm theo cách nói chung CMRR (khoảng 90 dB), o tốc độ tăng hạn chế sự biến thiên cực đại của điện áp tính bằng V/µs. c. Bộ khuếch đại đo lường IA: Bộ khuếch đại IA có hai đầu vào và một đầu ra. Hệ số khuếch đại của IA không cao (không quá 100) có hai đầu vào, tín hiệu ra tỷ lệ với hiệu của hai điện áp vào: Ura = A(U+ - U-) = A∆U ∆ Điện áp trên Ra phải bằng điện áp vi sai đầu vào ∆U và tạo nên dòng điện I = Hệ sống khuếch đại tổng của IA là:
A = (1 + ) d. Khử điện áp lệch: Trị số điện áp lệch cỡ một vài mV nhưng khi sử dụng mạch kín điện áp này được khuếch đại và tạo nên điện áp lệch đầu ra. e. Mạch lặp lại điện áp: KĐTT có thể được sử dụng như bộ lặp lại điện áp chính xác. Để làm việc này bộ KĐTT làm việc ở chế độ không đảo với hệ số khuếch đại bằng 1 Mạch lặp lại có chức năng tăng điện trở đầu vào, do vậy mà dùng để ghép nối giữa hai khâu trong mạch đó. f. Nguồn điện áp chính xác: Để chuẩn các dụng cụ đo chính xác cần có điện áp chuẩn, pin mẫu weston tạo nên điện áp chính xác 1,018 V được dùng như điện áp mẫu, tuy nhiên pin này có điện trở từ 1 ÷ 2 K không còn là nguồn điện áp chính xác nếu dòng điện cỡ µA. g. Mạch cầu: Cầu wheatstone gồm bốn điện trở hoạt động như cầu không cân bằng, dựa trên việc phát hiện điện áp qua đường chéo của cầu. điện áp ra là hàm phi tuyến nhưng với biến đổi nhỏ ∆ < 0,05 có thể coi là tuyến tính. Độ nhạy của cầu: α = () h. Bù nhiệt độ của các cầu điện trở: Sử dụng phương pháp nối trực tiếp mạch bù nhiệt độ vào sơ đồ cầu để bù lại sự mất mát cho các điện trở do nhạy với nhiệt độ trong sơ đồ wheatston. 1.10 Truyền dữ liệu a. Truyền dữ liệu bằng đường truyền hai dây: Để phối ghép từ bộ cảm biến đến thiết bị điều khiển và chị thỉ thường sử dụng đường truyền hai dây. Tín hiệu điện áp trên tải thích hợp với việc xử lý tiếp theo của các mạch điện tử. b. Đường truyền bốn dây: Đôi khi người ta mong muốn bộ cảm biến với mạch giao diện điều khiển từ xa. Khi bộ cảm biến có điện trở tương đối thấp c. Đường truyền sáu dây: Khi cầu wheatstone được sử dụng từ xa điện áp của cầu đóng vai trò quan trọng trong việc ổn định nhiệt của cầu. 1.11 Nhiễu trong các bộ cảm biến và mạch
Nhiễu trong các bộ cảm biến và mạch là nguồn gốc của sai số mà ta phải tìm các biện pháp khắc phục. giống như bệnh tật nhiễu không thể loại trừ hoàn toàn mà chỉ có thể phòng ngừa, làm giảm ảnh hưởng của chúng và việc khắc phục nhiễu đòi hỏi nhiều biện pháp tổng hợp. có hai loại nhiễu : nhiễu nội tại và nhiễu tác động trên mạch truyền dẫn tín hiệu. a. Nhiễu nội tại: Nhiễu nội tại phát sinh do sự không hoàn thiện trong việc thiết kế, công nghệ chế tạo, tính chất vật liệu của các bộ cảm biến do đó đáp ứng có thể bị méo mó so với dạng lý tưởng. sự méo mó của tín hiệu ra có thể có tính hệ thống hoặc ngẫu nhiên. Dạng tín hiệu ra liên quan chặt chẽ đến hàm truyền, đặc tính tuyến tính và đặc tính động của bộ cảm biến. Từ bộ cảm biến tín hiệu được khuếch đại và chuyển đổi thành dạng số không biểu thị bằng độ lớn và đặc tính phổ mà theo độ phân giải số. khi tăng độ phân giải số trị số của bit trọng số thấp sẽ giảm. Điện áp lệch đầu vào và dòng điện phân cực có thể bị trôi. Tín hiệu nhiễu (điện áp và dòng điện) do cơ chế vật lý xảy ra trong các điện trở và tranzitor sử dụng để chế tạo mạch. Một nguyên nhân gây nhiễu là do tính chất rời rạc của dòng điện, bởi vì dòng điện là dòng của các điện tích chuyển động, mỗi điện tích mang một giá trị xác định. ở mức nguyên tử dòng điện rất linh động, chuyển động của chúng phụ thuộc vào nhiệt độ. Giá trị quân phương của điện áp nhiễu có thể được tính theo công thức : = 4k TR∆f (V2/Hz) Trong đó: k là hằng số boltzman = 1,38.10-23 (J/K) T là nhiệt độ (K) R là điện trở (Ω) ∆f là độ rộng rải tần (Hz) Ở nhiệt độ phòng mật độ nhiễu do điện trở tạo nên có thể tính bằng ̅ = 0,13√ tính bằng nV/√, với dải tần 100Hz, điện trở 10 MΩ có điện áp nhiễu bằng 4 µV b. Nhiễu do truyền dẫn: Để chống nhiễu ta thường sử dụng kỹ thuật vi sai phối hợp bộ cảm biến từng đôi, trong đó tín hiệu ra là hiệu của hai tín hiệu ra của từng bộ. một bộ cảm biến gọi là cảm biến chính và bộ kia là cảm biến chuẩn được đặt trong màn chắn. c. Màn chắn, vỏ bọc về điện: Nhiễu có nguyên nhân điện trường và tĩnh điện có thể giảm đáng kể bằng cách làm màn chắn, bọc bộ cảm biến và mạch, đặc biệt là các phần tử có tổng trở và phi tuyến. từng vấn đề màn chắn phải được phân tích riêng một cách tỷ mỷ. điều quan trọng là phải nhận dạng đúng nguồn nhiễu và mối liên hệ của nhiễu với mạch. Màn chắn có hai mục đích, đầu tiên là giới hạn nhiễu trong miền nhỏ tránh nhiễu lây lan sang mạch lân cận. mục
đích thứ 2 của màn chắn là nếu có tồn tại nhiễu trong mạch thì màn chắn bố trí xung quanh các bộ phận nhạy cảm của bộ cảm biến sẽ ngăn nhiễu ảnh hưởng tới các phần này. Màn có thể là hộp kim loại hoặc bọc kim cho cáp tín hiệu. d. Màn từ: Chống ảnh hưởng của từ trường khó hơn chống ảnh hưởng của điện trường và trường tĩnh điện bởi vì từ trường thâm nhập vào vật dẫn. việc bọc kim quanh dây dẫn và nối đất một phía ảnh hưởng ít đến điện áp cảm ứng do từ trường. từ trường thâm nhập vào màn, biên độ của nó giảm theo hàm số mũ. Một số giải pháp chống ảnh hưởng của từ trường như sau : o Bố trí mạch thu xa nguồn gây ra từ trường, o Tránh các dây song song với từ trường, nên thay bằng dây vuông góc với từ trường, o Làm màn từ bằng vật liệu thích hợp, tùy theo tần số và cường độ từ trường o Sử dụng đôi dây xoắn để dẫn dòng điện lớn, nếu các dòng điện trong đôi dây bằng nhau về trị số và ngược dấu trong mỗi chu kỳ xoắn từ trường của nó bằng không. o Sử dụng màn chắn cáp như mạch trở về, nếu dòng i2 bằng ngược dấu dòng điện trong lõi cáp thì từ trường của cáp bằng không. Chương II: CÁC LOẠI CẢM BIẾN 2.1 Cảm biến đo nhiệt độ 2.1.1 Thang nhiệt độ. - Thang nhiệt độ nhiệt động tuyệt đối(Thang Kelvin): Đơn vị là K, nhiệt độ cho điểm cân bằng của 3 trạng thái nước - nước đá - hơi bằng 273,15 K. - Thang nhiệt độ bách phân (Thang Celsius): Đơn vị là C (oC), ta có: T(oC) = T(K)- 273,15 2.1.2 Nhiệt độ đo được và nhiệt độ cần đo. Nhiệt độ đo được bằng cảm biến T phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường Tx và sự trao đổi nhiệt trong đó. Để đo đúng hiệu số Tx – T phải cực tiểu. Có 2 biện pháp nâng cao độ chính xác đo: - Tăng cường trao đổi nhiệt giữa bộ cảm biến và nhiệt độ môi trường cần đo - Giảm trao đổi nhiệt giữa bộ cảm biến và nhiệt độ môi trường bên ngoài Bộ cảm biến nhiệt tiếp xúc gồm các bộ phận sau đây: - Phần tử cảm nhận: bằng vật liệu có đặc tính thay đổi theo nhiệt độ, có tỷ nhiệt thấp, nhiệt dẫn suất cao, nhạy với nhiệt độ. - Tiếp điểm dẫn: từ phần tử cảm nhận và mạch điện tử bên ngoài.
- Vỏ bảo vệ: phân cách cảm biến với môi trường. Vỏ bảo vệ phải có nhiệt trở thấp, cách điện tốt, chịu ẩm và các yếu tố ăn mòn. Bộ cảm biến nhiệt độ không tiếp xúc là bộ cảm biến bức xạ nhiệt có cửa sổ quang học qua đó bức xạ nhiệt có thể truyền tới. 2.1.3 Cảm biến nhiệt điện trở. Có ưu điểm đơn giản, độ nhạy cao, ổn định dài hạn. Được chia làm 3 loại: điện trở kim loại, điện trở bán dẫn và nhiệt điện trở. a. Nhiệt điện trở kim loại: Thường có dạng dây kim loại hoặc màng mỏng kim loại có điện trở suất thay đổi theo nhiệt độ. Dựa vào dải nhiệt độ cần đo và các tính chất môi trường ta thường làm điện trở bằng Platin, Niken đôi khi là đồng và vonfram. Để đạt được độ nhạy cao, điện trở phải lớn, muốn vậy cần giảm tiết diện và tăng chiều dài dây. Tuy nhiên để có độ bền cơ học tốt các nhiệt điện trở kim loại cần có điện trở R vào khoảng 100Ω ở 0oC. Thực tế các điện trở trên thị trường có điện trở ở 0oC là 50, 500, 1000 Ω. Các nhiệt điện trở có các trị số lớn thưởng dùng đo ở dải nhiệt độ thấp, ở đó cho phép thu được độ nhạy tốt. Để sử dụng trong công nghiệp các nhiệt điện trở thường có vỏ bọc tốt, chống được va chạm và rung động. b. Cảm biến nhiệt điện trở silic: Silic tinh khiết hoặc đơn tinh thể có hệ số điện trở âm tuy nhiên khi được kích tạp loại n ở một dải nhiệt độ nào đó hệ số nhiệt điện trở của nó trở thành dương do điện tích mang chuyển sang nhiệt độ thấp hơn. Ở các nhiệt độ cao hơn số điện tích tụ do tăng lên do điện tích tự phát và đặc tính của silic chiếm đa số do vậy dưới 200oC điện trở suất của silic có hệ số nhiệt dương nhưng trên 200oC hệ số nhiệt điện trở là âm. 2.1.4 Nhiệt điện trở. Đặc tính quan trọng của loại điện trở này là có độ nhạy nhiệt rất cao gấp hàng chục lần độ nhạy của điện trở kim loại. Gồm 2 loại: - Nhiệt điện trở có hệ số nhiệt điện trở dương - Nhiệt điện trở có hệ số nhiệt điện trở âm Nhiệt điện trở được làm từ hỗn hợp oxit bán dẫn đa tinh thể như MgO,NiO, Nhiệt điện trở được chế tạo dưới dạng bột oxit, trộn với nhau theo tỉ lệ nhất định sau đó được nén định dạng và thiêu kết ở nhiệt độ 1000 oC. Các dây nối kim loại được hàn tại 2 điểm trên bề mặt và được phủ bằng 1 lớp kim loại. Các nhiệt điện trở được chế tạo với các hình dáng khác nhau. Cảm biến có kích thước nhỏ cho phép đo nhiệt độ tại từng điểm, đồng thời do nhiệt dung nhỏ nên thời gian hồi đáp nhỏ.
2.1.5 Cảm biến cặp nhiệt ngẫu. a. Nguyên lý làm việc: Bộ cảm biến cặp nhiệt ngẫu là 1 mạch có từ 2 hay nhiều thanh dẫn điện gồm 2 đầu dây dẫn A và B. Chỗ nối giữa 2 thanh kim loại 1 và 2 được hàn với nhau. Seebeck đã chứng minh rằng, nếu nhiệt độ các mối hàn t và t0 khác nhau thì trong mạch khép kín có 1 dòng điện chạy qua. Chiều của dòng nhiệt điện này phụ thuộc vào nhiệt độ tương ứng của mối hàn, nếu t > t0 thì dòng điện chạy theo hướng ngược lại. Nếu để hở 1 đầu thì giữa 2 cực xuất hiện 1 sức điện động nhiệt. b. Các phương pháp mắc cặp nhiệt ngẫu mẫu: Việc nối các cặp nhiệt ngẫu mẫu có thể thực hiện tùy theo trường hợp cụ thể để nâng cao độ chính xác. Có 3 cách mắc: - Nối vi sai các cặp nhiệt ngẫu - Mắc nối tiếp n cặp nhiệt ngẫu - Nối vi sai biến đổi c.Phương pháp đo tín hiệu nhiệt ngẫu: Sử dụng milivon kế từ điện, điện thế kế và thiết bị biến đổi chuẩn. 2.1.6 Đo nhiệt độ bằng Diode và tranzitor. Linh kiện điện tử nhạy cảm với nhiệt độ, do đó có thể sử dụng một số linh kiện bán dẫn như diode hoặc tranzitor nối theo kiểu diode phân cực thuận có dòng điện không đổi, khi đó điện áp giữa 2 cực là hàm của nhiệt độ. Dải nhiệt độ làm việc bị hạn chế trong khoảng T=-50oC ÷150oC. Trong khoảng này bộ cảm biến có độ ổn định cao. 2.1.7 Cảm biến quang đo nhiệt độ. a. Hỏa kế bức xạ: Tất cả các vật thể nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ tuyệt đối đều phát ra các bức xạ nhiệt. Bức xạ nhiệt là các bức xạ điện từ tạo ra từ các chất do nội năng của chúng (với bức xạ huỳnh quang do kích thích của nguồn ngoài). Cường độ bức xạ nhiệt giảm mạnh khi nhiệt độ của vật giảm. Hỏa kế được dùng chủ yếu để đo nhiệt độ từ 300 - 6000 oC và cao hơn. Hỏa kế sử dụng các bức xạ nhìn thấy và hồng ngoại. Đo nhiệt độ của vật bằng bức xạ nhiệt dựa trên cơ sở các quy luật với vật đen tuyệt đối. Khi đo nhiệt độ bằng hỏa kế thì độ chói của phổ năng lượng là 1 đại lượng cơ bản. Để đo độ chói của vật mang nhiệt độ ta dùng hỏa kế quang học và hỏa kế quang điện.
b. Hỏa kế quang học: được sử dụng trong phòng thí nghiệm để đo nhiệt độ lớn hơn 800 oC. Nguyên lý hoạt động là dựa trên cơ sở so sánh độ chói quang phổ của vật đo với độ chói chuẩn bằng mắt thường để xác định sự trùng của độ chói đo với độ chói chuẩn. c. Hỏa kế quang điện: là dụng cụ đo tự động. Phần tử thu năng lượng bức xạ có thể là tế bào quang điện, điện trở quang điện hay diode quang điện. Nguyên lý hoạt động cũng dựa trên cơ sở sự phụ thuộc quang phổ độ chói của vật vào nhiệt độ của nó. Theo nguyên lý hoạt đông, hỏa kế quang điện được phân thành 2 loại: + Dụng cụ nhận năng lượng bức xạ truyền tới phần tử thu và làm thay đổi các tham số của nó (dòng quang điện, điện trở) + Đo năng lượng bức xạ bằng phương pháp bù. Hỏa kế quang điện có thể đo được nhiệt độ từ 800 ÷ 2000 oC có cấp chính xác 1 và 1,5. 2.1.8 Áp kế nhiệt. Nguyên lý hoạt động của áp kế nhiệt dựa trên sự phụ thuộc của áp suất làm việc của các chất trong hệ thống nhiệt vào nhiệt độ. Áp kế nhiệt có thể đo nhiệt độ từ -150 ÷ 600 oC. Nhiệt kế đặc biệt (kim loại nóng chảy) có thể đo được nhiệt độ từ 100 ÷ 1000 oC. Nhiệt kế áp suất gồm một bình nhiệt 1, một ống mao dẫn 2 và lò xo áp kế 3. Phần tử nhạy cảm với nhiệt độ (bình nhiệt) được nhúng chìm vào đối tượng đo, chất mang nhiệt trong bình chứa nhiệt đạt tới nhiệt độ của môi trường. Khi nhiệt độ của chất trong bình thay đổi, truyền qua ống mao dẫn tới lò xo của áp kế làm quay kim chỉ thị của nhiệt kế 2.1.9 Cảm biến siêu âm nhiệt độ. Trong một số môi trường khó đo nhiệt độ như trong khu vực nhiệt độ thấp, vùng có mức bức xạ cao trong lò phản ứng hạt nhân hoặc trong khu vực hoàn toàn kín, không tiện bố trí bộ cảm biến ta có thể dùng phương pháp âm thanh để đo nhiệt độ. Nguyên lý hoạt động của bộ cảm biến siêu âm nhiệt độ dựa trên quan hệ giữa nhiệt độ và môi trường truyền âm. Cấu tạo của bộ cảm biến âm nhiệt độ gồm 3 bộ phận: máy phát siêu âm, máy thu siêu âm và ống kính chứa khí khô. 2.2 Cảm biến vị trí và di chuyển 2.2.1 Khái niệm chung Có 2 phương pháp cơ bản để xác định vị trí và di chuyển: - Phương pháp 1: Bộ cảm biến cung cấp tín hiệu là hàm phụ thuộc vào vị trí của một trong các phần tử cảm biến, đồng thời phần tử này có liên quan đến vật di động cần xác định di chuyển.
- Phương pháp 2: Ứng với 1 dịch chuyển cơ bản bộ cảm biến sẽ phát ra 1 xung. Việc xác định vị trí và dịch chuyển sẽ tiến hành bằng cách đếm số sung phát ra. 2.2.2 Đo di chuyển nhỏ bằng phương pháp sóng đàn hồi a. Phát sóng đàn hồi bằng tác động của tia laser lên đối phương: Các sóng đàn hồi còn gọi là sóng âm hoặc siêu âm là các sóng cơ học chuyển dịch trong vật chất. trong vật rắn đẳng hướng và vô hạn có thể truyền hai sóng: sóng dọc và sóng ngang. Tốc độ truyền sóng dọc luôn lớn hơn tốc độ truyền sóng ngang. Các tốc độ này không phụ thuộc vào phương truyền và vào khoảng vài nghìn mét trong một giây. Tùy theo mật độ công suất, sự va đập của xung ánh sáng lên mặt tự do của vật rắn mà tạo nên các sóng đàn hồi có cơ chế khác nhau theo hai loại: o Loại sóng làm thay đổi trạng thái bề mặt (hiện tượng cắt) o Loại sóng không làm thay đổi trạng thái bề mặt (áp suất bức xạ hiệu ứng nhiệu đàn hồi) Khi mật độ công suất ánh sáng không tạo nên sự bay hơi vật liệu, hiệu ứng dãn nở cục bộ do sự phát sóng là chủ yếu ( chế độ nhiệt đàn hồi) so với áp suất bức xạ. sự dãn nở nhiệ gây ra các lực lượng song song với mặt tự do. Ba chế độ phát sóng đàn hồi do laser tạo nên. 1. Chế độ đàn hồi nhiệt Khi tia bức xạ có cường độ ánh sáng trên mặt kim loại nhỏ hơn ngưỡng cắt trường điện từ cảm ứng một dòng điện dẫn lân cận bề mặt. một phần năng lượng tới bị hấp thu do hiệu ứng Joule và biến đổi thành nhiệt còn phần khác bị phản xạ. vì hiệu ứng màn của các điện tử dẫn hiện tượng này được tập trung lị gần bề mặt kim loại trong một lớp mỏng (hiệu ứng mặt ngoài). Laser cường độ yếu đóng vai trò nguồn nhiệt và gây ra biến dạng cơ học. nguồn đàn hồi nhiệt không tạo nên sóng dọc nếu nguồn nằm trong vật rắn. khi có bề mặt là nguồn gốc biến đổi thành sóng ngang. Sự phối hợp của các chuyển dịch dọc và ngang tạo nên sóng Rayleigh lan truyền trên bề mặt chất rắn. 2. Mô hình một chiều Mô hình một chiều là mô hình đơn giản, bỏ qua khuếch tán nhiệt trong khoảng thời gian rất ngắn (từ 10 đến 100ns). Mô hình một chiều chỉ đúng khi chiều ngang của nguồn lớn hơn bước sóng âm. Trong thực tế cho thời gạn xung laser từ 30 đến 50ns, kích thước ngang của nguồn cỡ mm, nghĩa là kích thước chùm tia A ≈ 1 cm2 , mật độ công suất trở nên quá nhỏ để biên độ lớn. 3. Mô hình nguồn điểm
Sự bức xạ của một nguồn đàn hồi nhiệt có kích thước tùy ý được tính toán từ nguồn điểm b. Chế độ cắt: Khi mật độ công suất ánh sáng hấp thụ I (W/m2) đủ lớn tia laser gây nóng chảy rồi làm bay hơi một lượng vật chất. ứng dụng công nghiệp của chế độ này rất phổ biến. Chế độ cắt xuất hiện bắt đầu từ ngưỡng / I > ( − ) ∆ Phụ thuộc vào nhiệt độ bay hơi Tv và nhiệt độ ban đầu Ti của vật liệu. c. Tăng hiệu quả: Trong lĩnh vực kiểm tra không phá hỏng mẫu chế độ đàn hồi nhiệt tránh được hư hỏng bề mặt mẫu. biên độ di chuyển cơ nhỏ dẫn tới phát hiện quang học khó khăn. Có thể tăng hiệu quả phát nếu sử dụng một lưới nguồn di động để phân bố công suất trên bề mặt rộng. sự có mặt một màng mỏng hấp thụ hoặc một lớp trong suốt trên bề mặt vật liệu cũng làm thay đổi loại nguồn đàn hồi nhiệt theo chiều hướng có lợi. d. Mạng lưới nguồn: Nguyên lý của lưới cảm biến (phased array) được dùng trong thiết bị y tế có thể dùng cho laser. Đối với phát hiên khuyết tật không tiếp xúc cơ, kỹ thuật này có hai ưu điểm : o Độ nhạy được cải thiện (> 20dB) theo tỷ số tín hiệu nhiễu o Hướng chùm tia âm có thể được điều khiển bằng cách thay đổi độ trễ 1, 2 o để quét nhanh mẫu cần kiểm tra. Ảnh hưởng của màng mỏng: Sự có mặt của một màng mỏng (ví dụ lớp dầu) làm tăng độ hấp thụ tia sáng, làm nhiệt độ màng tăng lên, sự bay hơi tạo nên việc truyền một phần di chuyển và lực pháp tuyến trong chế độ cắt. Phản ứng này đặc biệt có lợi đối với việc phát sóng dọc. 2.2.3 Phát hiện di chuyển cơ học bằng phương pháp quang đàn hồi Thiết bị này không nhạy bằng cảm biến áp điện nhưng có ưu điểm cơ bản là xem xét cục bộ. không có tiếp xúc cơ học và có dải thông rất rộng. Tương tác của một chùm tia sáng đường kính d với một sóng âm bước sóng λ làm thay đổi : o Hướng chùm tia nếu d λ , chùm tia sáng nhiều bước sóng bị khúc xạ bằng một lưới pha phối hợp với sóng đàn hồi.
o Pha chùm tia do sự thay đổi đường tia sáng do sự di chuyển của bề mặt theo pháp tuyến. o Tần số chùm tia do hiệu ứng Doppler. Các cảm biến di chuyển cơ học bằng quang đàn hồi gồm hai loại : o Cảm biến không giao thoa, khai thác sự lệch hay khúc xạ tia sáng, o Cảm biến giao thoa khai thác điều biến pha hay điều biến tần số của sóng ánh sáng. a. Phương pháp không giao thoa: Phương pháp này được sử dụng để xem xét sóng tạo nên sóng bề mặt như sóng Rayleigh. Các sóng này được quét nhanh trên bề mặt. - Sự lệch tia: Hình vẽ minh họa nguyên lý của phương pháp này. Tia sáng bước sóng λ phản xạ trên bề mặt bị dao động khi sóng bề mặt qua. Chùm tia được che bằng một khuôn để cường độ dòng quang điện được điều biến theo tần số sóng (trong thực tế là bờ cảm biến quang) Kỹ thuật này rất đơn giản và hiệu quả được sử dụng rộng rãi để quan sát trường âm bề mặt nhưng có nhược điểm là cần bề mặt trạng thái tốt. Thiết bị Slam ( scanning laser Acoustic Microscope) có nguyên lý được trình bày trên hình vẽ, chi tiết cần xem xét được nhúng trong bình nước triệt tâm đối với tia siêu âm. Tia sáng quét trên mặt nhẵn và được kim loại hóa một tấm thủy tinh hữu cơ và tạo nên hình ảnh sóng âm được truyền qua mẫu. - Sự khúc xạ: Kỹ thuật này được sử dụng ở chế độ xác lập, phân bố không gian của tia sóng đàn hồi bề mặt. b. Các phương pháp nhiễu xạ: - Cảm biến đồng dao động:Hình 5.18a là sơ đồ nhiễu xạ kế michelson trong đó tia laser công suất PL được chia thành hai thành phần bằng nhau được phản xạ vào đối tượng ( tia S) và trên gương (tia R) và được trộn lẫn vào photodiot. Một bộ cách ly ngăn phần chia trở lại nguồn thâm nhập vào hốc cộng hưởng của laser và dẫn đến mất ổn định. Cường độ dòng quang điện phụ thuộc vào hình sin vào bước sóng ^, vào hiệu LS. Vị trí của gương chuẩn được điều chỉnh sao cho duy trì điểm làm việc vuông pha trong vị trí này không phụ thuộc vào các biến thiên ngẫu nhiên của quãng đường quang. - Cảm biến ngoại sai:Trong nhiễu xạ kế ngoại sai tần số của một hoặc hai tia lệch nhau - Cấu trúc quang compact: Cấu trúc của nhiễu xạ kế michelson được thay đổi, trong đó bộ phận chia các tia được thay bằng bộ điều khiển âm quang có nhiều nhược điểm. các tia cảm biến và chuẩn không vuông góc. Thấu kính tiêu thụ tia cảm biến trên đối tượng cải thiện độ phân giải không gian làm tăng số lượng ánh sáng thu thập trong trường hợp mặt khuếch tán và làm bộ cảm biến ít
nhạy với mẫu nghiêng khi di chuyển. sự lệch so với trục của hai khối làm khử tín hiệu nhiễu do sự lệch của các tia S và R tạo nên trên mặt phân cách của bộ phận chia B. điều chỉnh bộ cảm biến này nhanh bởi vì bộ điều biến chỉ cho tia cảm biến cắt qua một lần và hai tia song song hoặc vuông góc. Vì bộ phận quang làm việc chắc chắn nên ổn định. 2.2.4.Nhiễu xạ kế Doppler Trong các nhiễu xạ kế miêu tả ở trên, sóng phản xạ có thể bị thay đổi, xáo trộn với 1 sóng chuẩn. Trường hợp mặt khuếch tán các sóng này chỉ có thể thu thập ánh sáng liên kết cùng pha, về hình học nó kéo dài vô hạn. Để khắc phục nhược điểm này chỉ cần dùng 1 sóng đến bề mặt và có thể đo được di chuyển. Thông tin về di chuyển là do phách giữa một phần của sóng này và phần sóng khác có thời gian trễ . Phương pháp quang đo di chuyển cơ của bề mặt có độ phân dải 10-6 mm/√ Ưu điểm là không đòi hỏi tiếp xúc cơ học và có dải thông rất rộng và không làm nhiễu loạn việc truyền sóng đàn hồi. 2.2.5 Cảm biến cáp sợi quang đo vị trí và di chuyển Các cảm biến điều biên đơn giản và rẻ tiền đã được áp dụng từ những năm 60 để đo vị trí, khoảng cách và di chuyển. Cảm biến gồm khoảng 900 sợi quang ghép trong cùng một sợi cáp kèm thêm một sợi kim loại ở giữa để đảm bảo độ cứng mong muốn. đường kính trong 2,2mm , đường kính ngoài 3,2 mm. có hai phương án : cảm biến hai sợi quang và một sợi ánh sáng tới và trở về qua cùng một cáp. Tia sáng tới sau khi đập vào mục tiêu sẽ trở về sợi quang thứ hai Khoảng cách giữa đầu sợi quang và mục tiêu là thông số chính của hệ thống đo. Nếu khoảng cách quá bé ánh sáng phản xạ trực tiếp và hầu như không nhận được ánh sáng trở về. ngược lại nếu khoảng cách quá lớn vì sự phân kỳ của mặt phản xạ cũng không nhận được tia trở về, do vậy cũng có một khoảng cách tối ưu ở đó thu được giá trị đáp ứng cực đại. các sợi quang phát và nhận có thể được phân bố tùy ý, phân bố trong một nửa vòng tròn hoặc đồng tâm. ứng vói các cách bố trí này có thể nhận được các đường cong đáp ứng khác nhau. 2.2.6 Cảm biến tiếp cận Cảm biến tiếp cận được sử dụng để phát hiện sự có mặt hoặc không có mặt của đối tượng bằng kỹ thuật cảm biến không có tiếp xúc cơ học. các công tắc hành trình đòi hỏi sự tiếp xúc của đối tượng sẽ không được đề cập ở đây. Các cảm biến tiếp cận sử dụng nguyên lý thay đổi điện cảm hay điện dung của phần tử mạch điện khi có mặt hoặc không có mặt đối tượng có cấu trúc tương đối đơn giản,
không đòi hỏi tiếp xúc cơ học nhưng tầm hoạt động hạn chế với khoảng cách tối đa 100mm. các kỹ thuật tiếp cận dựa trên nguyên lý vì sóng và quang học có tầm hoạt động lớn và sử dụng rộng rãi trong thực tế. a. Cảm biến tiếp cận điện cảm:Một bộ cảm biến điện cảm gồm có bốn khối chính o Cuộn dây và lõi ferit o Mạch dao động o Mạch phát hiện o Mạch đầu ra Mạch dao động phát dao điện từ tần số radio. Từ trường biến thiên tập trung từ lõi sắt sẽ móc vòng với đối tượng kim loại đặt đối diện với nó. Khi đối tượng lại gần sẽ có dòng điện foucault cảm ứng trên mặt đội tượng tạo nên một tải làm giảm biên độ tín hiệu dao động. bộ phát điện sẽ phát hiện sự thay đổi trạng thái biên độ mạch dao động (hình 5.33). mạch bị phát điện sẽ ở vị trí ON phát hiện tín hiệu làm mạch ra ở vị trí ON. Khi mục tiêu rời khỏi trường của bộ cảm biến biên độ mạch dao động tăng lên trên giá trị ngưỡng và bộ phát hiện trở về vị trí OFF là vị trí bình thường. Những yếu tố sau đây ảnh hưởng đến tần cảm biến : o Kích thước và hình dáng lõi, cuộn dây, vật liệu lõi. o Vật liệu và kích thước đối tượng. o Điều kiện điện từ xung quanh. o Nhiệt độ môi trường. b. Cảm biến tiếp cận điện dung: Trong cảm biến tiếp cận điện dung sự có mặt của đối tượng làm thay đổi điện dung C của các bản cực. cảm biến tiếp cần điệ dung cũng gồm có bốn bộ phận chính là: 1. Cảm biến (các bản cực cách điện) 2. Mạch dao động 3. Bộ phát hiện 4. Mạch đầu ra Tuy nhiên cảm biến điện dung không đòi hỏi đối tượng là kim loại. đối tượng phát hiện có thể là chất lỏng, vật liệu phi kim loại : thủy tinh, nhựa. tốc độ chuyển mạch tương đối nhanh, có thể phát hiện các đối tượng kích thước nhỏ, phạm vi cảm nhận lớn. Hạn chế chủ yếu của cảm biến dung là chịu ảnh hưởng của độ ẩm và bụi. cảm biến tiếp cận điện dung có vùng cảm nhận lớn hơn vùng cảm nhận của cảm biến điện cảm. Để có thể bù ảnh hưởng của môi trường và đối tượng các cảm biến tiếp cận điện dung thường có một chiết áp điều chỉnh. c. Một số ứng dụng của cảm biến tiếp cận:
2.2.7 Cảm biến tiếp cận quang học Các cảm biến tiếp cận theo phương pháp quang học sử dụng nguồn sáng và cảm biến quang. Đối tượng cần phát hiện sẽ cắt chùm tia sáng làm cảm biến tác động. a. Cách bố trí cảm biến và nguồn phát:
- Cảm biến đặt đối diện với nguồn phát: Ưu điểm: o Cự ly cảm nhận xa. o Có khả năng thu được tín hiệu mạnh. o Tỷ số độ tương phản sáng/tối lớn nhất o Đối tượng phát hiện có thể lặp lại. Hạn chế của cách bố trí này là : o Đỏi hỏi dây nối qua vùng phát hiện giữa nguồn sáng và cảm biến. o Khó chỉnh thằng hằng giữa nguồn sáng và cảm biến. o Nếu đối tượng có kích thước nhỏ hơn đường kính hiệu dụng của chùm tia cần có thâu kính để thu hẹp chùm tia. - Cảm biến đặt cùng phía với nguồn phát quang: Ánh sáng đập vào mặt phản xạ trở về cảm biến. vì hành trình của tia sáng theo cả hai chiêu đi và về nên cự ly cảm nhận thấp hơn so với phương pháp đặt đối diện, nhưng không cần dây nói qua khu vực cảm nhận. hạn chế chính của cách bố trí này là nguồn sáng khác chiếu vào mặt phản xạ có thể gây tác động sai. - Phát hiện đối tượng nhờ tia phản xạ sử dụng bộ lọc phân cực: Đặt bộ lọc phân cực giữa nguồn sáng và gương phản xạ sao cho cảm biến chỉ nhận được tia trở về từ gương phản xạ. cách bố trí này khắc phục được sự tác động sai do các nguồn sáng ngoài chiếu vào gương phản xạ vì bộ cảm biến chỉ cảm nhận tia sáng bị phân cực. Phương pháp bố trí này có ưu điểm sau đây: o Không bị tác động sai. o Tỷ số độ tương phản sáng/tối lớn.
o Dễ bố trí và căn chỉnh. Chỉ cần nối dây một phía. Tuy nhiên có một số hạn chế: o Cự ly tác động giảm do tổn thất của bộ lọc tín hiệu o Cảm biến tia phản xạ phân cực không làm việc nếu vật phản chiến có thủy tinh, do đó nếu mục tiêu bọc bằng chất dẻo trong có thể tác động sai. - Phát hiện gần nhờ ánh sáng phản chiếu khuếch tán: Nguồn sáng và bộ cảm biến đặt cùng phía nhưng ở đây đối tượng đóng vai trò gương phản chiếu. trong trường hợp này đối tượng đặt khá gần nguồn sáng. Ưu điểm của phương pháp này là : o Lắp đặt và chỉnh định đơn giản o Chỉ cần nối dây một phía vùng cảm nhận o Có thể phát hiện với độ phản chiếu khác nhau. Những hạn chế là: o Vùng cảm nhận bị hạn chế. o Độ tương phản sáng/ tối và khoảng cách cảm nhận phụ thuộc vào độ phản chiếu của bề mặt đối tượng - Chỉnh định hệ thống cảm biến ánh sáng: Cáp quang dùng trong mạch cảm biến và điều khiển thường có hai loại : o Loại không phân nhánh một đầu nối với nguồn phát quang hoặc máy thu, một đầu nối với bộ cảm biến. o Loại phân nhánh một đầu nối với nguồn phát quang đầu phân nhánh kia nối với máy thu còn đầu kia nối với bộ cảm biến. loại này thường dùng cho cảm biến tiếp cận và có thể bố trí thêm thấu kính tiêu thụ Chỉnh định vị trí giữa nguồn phát và cảm biến được tiến hành như sau: o Đối với cách bố trí đối diện : có thể tiến hành xoay nguồn phát theo các mặt nằm ngang và thẳng đứng. o Đối với cách bố trí một phía. Tiến hành định vị trí gương phản xạ theo các chiều phải trái, lên xuống. o Đối với cách bố trí tiếp cận : tiến hành chỉnh định nguồn thu và phát như cách bố trí đối diện, nghĩa là quay phải trái hoặc lên xuống. 2.2.8 Cảm biến di chuyển sử dụng tia laser a. Nguyên lý: Cảm biến di chuyển laser gồm phần tử phát quang và phần tử cảm nhận. laser bán dẫn được tụ tiêu trên mục tiêu nhờ các thấu kính. Mục tiêu phản chiếu tia laser và được tiêu tụ trên bộ cảm biến vệt sáng. Vệt sáng sẽ chuyển động khi mục tiêu chuyển động, do đó có
thể phát hiện sự chuyển động của các chi tiết bằng cách theo dõi sự chuyển động của các vệt sáng. b. Một số ứng dụng của cảm biến laser 2.2.9 Cảm biến vi sóng Các cảm biến vi sóng là thiết bị điện tử sử dụng sóng cực ngắn để đo di chuyển tốc độ, chiều chiều động, khoảng cách, phát hiện. a. Phân loại: Kỹ thuật cảm biến vi sóng có thể được chia thành năm loại : - Cảm biến chuyển động phát hiện đối tượng chuyển động đi vào vùng bảo vệ. - Cảm biến tốc độ : đo tốc độ của đối tượng, ví dụ máy đo tốc độ oto của cảnh sát. - Phát hiện hướng chuyển động của đối tượng (chạy tiến, lùi của máy quay). - Cảm biến tiếp cận : phát hiện sự hiện diện của đối tượng. - Cảm biến khoảng cách : đo khoảng cách từ cảm biến đến đối tượng, có thể áp dụng đo mức dầu trong bình b. Các đặc điểm của cảm biến vi sóng: - Không tiếp xúc vớ cơ khí: do không tiếp xúc cơ khí với đối tượng cảm biến vi sóng có thể làm việc trong các môi trường độc hại, dễ cháy nổ, có thể thâm nhập vào bề mặt không kim loại như sợi thủy tinh, phát hiện mức, phát hiện đối tượng bằng cáctong - Bền vững : cảm biến vi sóng không có bộ phận chuyển động, có thể được bọc kín. - Vùng tác động rộng : cảm biến vi sóng có thể phát hiện các đối tượng xa từ 25 đến 45.000 mm và lớn hơn, phụ thuộc vào kích thước của đối tượng, công suất nguồn và anten. - Kích thước nhỏ : mặc dù có kích thước lớn hơn cảm biến tiếp cận điện cảm, điện dung nhưng khi sử dụng tần số cao và mạch điện tử công nghệ cao có thể giảm kích thước và giá thành. - Kích thước mục tiêu : cảm biến vi sóng phù hợp với các mục tiêu phát hiện kể cả mục tiêu nhỏ như một hạt cát. - Môi trường làm việc : có thể làm việc trong điều kiện môi trường khó khăn từ -550C tới +1250C, môi trường bụi bẩn, ô nhiễm, độc hại. c. Nguyên lý hoạt động: Cảm biến vi sóng gồm có ba phần chính : nguồn, anten tụ tiêu, máy thu và xử lý tín hiệu. Khi tia phản xạ lại máy thu ddiot trộn sẽ phối hợp vói một phần tín hiệu phát. Nếu mục tiêu chuyển động pha của hai tín hiệu phát và trở về khác nhau do hiệu ứng doppler. Tín hiệu đến máy thu cỡ µV đến mV cần được khuếch đại. ngoài khuếch đại, so sánh có
thêm mạch rowle đầu ra để phù hợp với ứng dụng. hình 5.53 trình bày cấu trúc moodun cảm biến vi sóng. 2.2.10 Bộ cảm biến phát hiện hư hỏng trong các bộ phận chuyển động của máy 2.2.11 Cảm biến điện từ Cảm biến điện từ là nhóm các bộ cảm biến làm việc dựa trên nguyên lý điện từ. đại lượng không điện cần đo làm thay đổi điện cảm, hỗ cảm của cảm biến hay từ thông, độ từ thẩm của lõi thép. a. Cảm biến điện cảm và hỗ cảm: - Cảm biến điện cảm là một cuộn dây quấn trên lõi thép có khe hở không khí (mạch từ hở hình 5.55). thông số của nó thay đổi dưới tác động của đại lượng vào XV. Dưới tác động của đại lượng đo XV làm cho phần ứng 3 di chuyển, khe hở không khí δ thay đổi từ trở của lõi thép do đó điện cảm và tổng trở của cảm biến cũng thay đổi theo hình 5.55a. điện cảm có thể thay đổi do tiết diện khe hở không khí thay đổi (hình 5.55b) hoặc thay đổi do tổn hao dòng điện xoáy dưới tác động của đại lượng đo XV (hình 5.55c) Để tăng độ nhạy cảm biến và tăng đoạn đặc tính tuyến tính làm việc người ta thường dùng cảm biến điện cảm mắc theo kiểu vi sai. - Cảm biến hỗ cảm (chuyển đổi biến áp): Cấu tạo của cảm biến hỗ cảm giống như cảm biến điện cảm, chỉ khác ở chỗ có thêm một cuộn dây đo, khi chiều dài hoặc tiết diện khe hở không khí thay đổi làm cho từ thông của mạch từ thay đổi và suất hiện sức điện động e. Đối với cảm biến điện cảm và hỗ cảm, trên các đoạn sắt từ của mạch từ có tổn hao trễ và dòng xoáy làm thay đổi từ trở và do đó tổng trở cũng bị thay đổi. tín hiệu ra sẽ thay đổi của biên độ và pha. Tuy vật sự thay đổi về pha có thể được khắc phục nếu cảm biến được cung cấp bằng điện áp ổn định. Đặc tính động của các cảm biến điện cảm và hỗ cảm được xác định chủ yếu ở hệ thống cơ của phần động. Tần số làm việc rất rộng tùy theo cấu trúc của phần động có thể đo được các đại lượng biến thiên từ 500 Hz ÷ vài kHz. - Mạch đo: Thường người ta dùng mạch cầu không cân bằng với nguồn cung cấp xoay chiều có một nhánh hoạt động (cảm biến đơn) hoặc hai nhánh hoạt động (cảm biến vi sai). - Sai số và ứng dụng . các cảm biế điện cảm làm việc vó mạch cầu không cân bằng, nguồn cung cấp cho mạch cầu cần phải ổn định. Nếu điện áp người cung cấp thay đổi 1% có thể gây sai số tới 1%.
b. Cảm biến cảm ứng: Cảm biến cảm ứng gồm có nam châm vĩnh cửu hoặc nam châm điện (trong một số trường hợp) và cuộn dây. 2.2.12 Cảm biến điện dung a. Tính chất chung và các dạng cơ bản của cảm biến điện dung: Nguyên lý làm việc của các cảm biến điện dung dựa trên sự tác động tương hỗ giữa hai điện cực, tạo thành một tụ điện. điện dung của nó được thay đổi dưới tác động của đại lượng vào. Cảm biến điện dung có thể chia thành hai nhóm chính, cảm biến máy phát và cảm biến thông số. Đại lượng ra của các cảm biến điện dung máy phát thường là điện áp ra của máy phát. Đại lượng vào là sự di chuyển thẳng, di chuyển góc của bản điện cực động của cảm biến. loại này thường dùng đo các đại lượng cơ học. Đại lượng vào của các cảm biến điện dung thông số là sự di chuyển, đại lượng ra là sự thay đổi điện dung C của cảm biến. b.Mạch đo: Thông thường mạch đo dùng với cảm biến điện dung là các mạch cầu không cân bằng cung cấp bằng dòng xoay chiều. mạch đo cần phải thỏa mãn các yêu cầu sau : tổng trở đầu vào tức là tổng trở của đường chéo cần phải thật lớn, các dây dãn được bọc kim để tránh ảnh hưởng của điện trường ngoài à không được mắc điện trở song song với cảm biến làm giảm tổng trở của nó và chống ẩm tốt. tần số nguồn cung cấp cẩn phải cao, để tăng công suất ra của cảm biến có thể tới hàng chục MHz. Để đo đại lượng biến thiên cùng với mạch cầu người ra còn dùng mạch đo dòng một chiều. c.Phạm vi ứng dụng: o Loại có khe hở không khí thay đổi được dùng đo những di chuyển nhỏ (từ vài micromet đến vài milimet). o Nếu dùng cảm biến điện dung trong mạch cung cấp bằng điện áp một chiều có thể đo được tốc độ, độ dịch chuyển biến thiên và các đại lượng khác có thể biến đổi thành di chuyển (lực, áp suất, gia tốc). o Loại có điện tích bản cực thay đổi dùng đo các di chuyển lớn (hơn 1 cm) và di chuyển góc (đến 2700C). o Cảm biến có hằng số điện môi ε thay đổi dùng đo độ ẩm (vải, chất dẻo) đo mức nước, chiều dày của các vật cách điện, đo lực. o Cảm biến có tổn hao điện môi thay đổi (mạch đo dùng đo góc tổn tao tgδ của tụ trong mạch xoay chiều) dùng để xác định các tham số vật lý của vật liệu nào đó đặt giữa hai bản cực o
2.3 Cảm biến vận tốc và gia tốc 2.3.1 Đo tốc độ quay của động cơ. Để đo tốc độ roto ta có thể sử dụng các phương pháp sau: - Sử dụng bộ cảm biến quang tốc độ với đĩa mã hóa - Sử dụng máy đo góc tuyệt đối - Xác định tốc độ gián tiếp qua phép đo dòng điện và điện áp stato mà không cần dùng bộ cảm biến tốc độ a. Sử dụng bộ cảm biến quang tốc độ với đĩa mã hóa (Incremetal Encoder). Đĩa mã hóa gắn trên trục động cơ gồm các lỗ. Đĩa đặt giữa nguồn tia hồng ngoại do diode phát quang LED cung cấp và đầu thu là tranzitor quang. Khi đĩa quang tranzitor quang sẽ chỉ chuyển mạch nếu vị trí LED, lỗ, tranzitor quang thẳng hàng. Khi đó tranzitor quang đưa điện áp trên R2 về mức thấp. Khi đĩa ngăn ánh sáng thì tranzito quang bị khóa, kết quả là điện áp trên R2 về mức cao. Khi đĩa mã hóa quay trên đầu ra R2 đếm được 8 xung hình chữ nhật. Tần số xung phụ thuộc vào tốc độ đĩa. Để xác định chiều quay cần sử dụng bộ cảm biến kép gồm có 2 LED và 2 tranzito quang, 2 đĩa mã hóa. Khi đĩa quay ta nhận được 2 xung chữ nhật lệch nhay 90o. Chiều quay được xác định bằng vị trí tương đối của 2 tín hiệu ra. Tốc độ bằng 0 tức là xung tiếp theo không bao giờ tới. b. Sử dụng máy đo góc tuyệt đối (Resolver). Cấu tạo gồm 2 phần: + Phần động: gắn liền với trục quay động cơ chứa cuộn sơ cấp được kích thích bằng sóng mang tần số 2-10 kHz qua máy biến áp quay. + Phần tĩnh: có 2 dây quấn thứ cấp (cuộn sin và cuộn cos) đặt lệch nhau 90o Đầu ra của 2 cuộn dây thứ cấp ta thu được 2 tín hiệu điều biên UU0sintsin và UU0sintcos. Đường bao của biên độ kênh tín hiệu ra chứa thông tin về vị trí tuyệt đối (góc ) của roto máy đo – vị trí tuyệt đối của roto động cơ. Có 2 cách thu nhập thông tin về . Cách thứ 1 là hiệu chỉnh sửa sai góc thu được trên cơ sở so sánh góc và được cài đặt sẵn trong 1 số vi mạch sẵn có. Các vi mạch này cho tín hiệu góc dạng số với độ phân giải 10 – 16 bit/1 vòng và 1 tín hiệu tốc độ quay dạng tương tự. Cách thứ 2 có chất lượng cao hơn là dùng 2 bộ đổi tương tự - số để lấy mẫu trực tiếp từ đỉnh tín hiệu điều chế. Máy đo góc tuyệt đối ít nhạy với nhiệt độ và ít bị nhiễm điện từ, tuy vậy chúng không đạt được độ phân giải cao như như bộ cảm biến quang tốc độ với tín hiệu hình sin.
c. Phương pháp không sử dụng bộ cảm biến tốc độ. Các phương pháp sử dụng máy phát tốc độ hoặc bộ cảm biến tốc độ có một số nhược điểm là làm cho hệ thống truyền động không đồng nhất do phải lắp thêm vào trục động cơ các cảm biến, và nhiễu do truyền dẫn tín hiệu từ bộ cảm biến đến tủ điều khiển có thể ảnh hưởng tới hệ thống. Để khắc phục nhược điểm trên, ta dùng hệ thống truyền động không sử dụng bộ cảm biến. Trong hệ thống này tốc độ động cơ được ước lượng từ điện áp và dòng điện stato và sử dụng làm tín hiệu phản hồi của vòng điều chỉnh tốc độ. 2.3.2 Tốc độ kế sợi quang Là dụng cụ đo tốc độ của các đối tượng bằng cách truyền dẫn (đối với dòng chất lỏng) hoặc bằng phản xạ (đối với vật rắn chuyển động dưới đầu laser). Dải đo rất rộng từ 10-6 – 105 m/s. Phép đo không làm thay chuyển động của hệ. Nguyên lý tốc độ kế sợi quang là chiếu sáng đối tượng cần đo tốc độ bằng 1 lưới các vân sáng. Ánh sáng khuếch tán từ đối tượng tuân theo hiệu ứng Doppler nghĩa là tần số của nó khác với tần số ánh sáng nguồn. Độ lệch tần số này phụ thuộc vào tốc độ của vật. 2.3.3 Gia tốc kế sợi quang Gia tốc kế được sử dụng rộng rãi để theo dõi chấn động của các máy quay. Nó cho biết tình trạng cân bằng kém và tìm các biện pháp khắc phục. Gia tốc kế sử dụng giao thoa sợi quang có độ nhạy cao nhất. Gia tốc cần đo tác động vào 1 hệ thống gồm 1 khối lượng khoảng 1g, 1 phần tủ treo đàn hồi giữa 2 sợi quang dài khoảng 1 cm tạo nên 2 nhánh của một giao thoa kế Michelson hoặc Mach-Zehndes. Nếu gia tốc đặt trên trục các sợi lực quán tính dẫn đến sự sai khác bước giữa 2 sợi. Một phương án khác là gia tốc kế 2 cuộn dây sợi quang phân cách bằng 1 ngăn chứa đầy chất lỏng. Mỗi cuộn dậy là 1 nhánh của giao thoa kế. Khi ngăn được gia tốc dọc theo trục đối xứng của nó, áp suất vi sai sinh ra trong chất lỏng được truyền vào các sợi quang và tạo nên các bước sóng khác nhau, có thể khai thác để đo đạc. 2.3.4 Đổi hướng kế sợi quang và con quay hồi chuyển a. Đổi hướng kế sợi quang: Đổi hướng kế sợi quang đơn mode khai thác giao thoa kế Sagnac. Với một sợi quang chiều dài L bố trí thành 1 vòng bán kính R quay với vận tốc Ω hiệu số pha giữa 2 chùm tia có chiều ngược nhau xuất phát từ giao thoa kế là: ∆Φ = 4π RL. Ω/λoC λo: bước sóng tia laser
C: vận tốc ánh sáng Nói chung tốc độ quay mà đối hướng kế laser từ 0,1 – 400o/h. Dải pha cần đo từ 10-7-10 rad. Có thể dùng kỹ thuật phát hiện ngoại sai hoặc 1 tần số. Các nhiễu loạn tác động như nhau đối với 2 đường tia sáng ngược chiều nhau của giao thao kế Sagnac. Chỉ có sự quay tạo nên sự lệch pha này. Phương án cấu trúc thuận nghịch gồm 1 sợi quang đơn mode và 1 bộ lọc phân cực I/O của giao thoa kế. Hệ thống cho phép khắc phục sự không thuận nghịch của bộ phân cách và loại trừ được hiện tượng lưỡng chiết tồn tại trong sợi quang. Điều chỉnh bước sóng nguồn cho phép đảm bảo tính ổn định. b. Đổi hướng kế con quay hồi chuyển: Đổi hướng kế hoạt động dựa theo nguyên lý quay hai-ba bậc tự do của con quay hồi chuyển. Con quay hồi chuyển được lắp trên một khung động và quay quang trục YY’ với tốc độ lớn (~104 vg/ph) nhờ 1 động cơ. Tốc độ quay ω cần đo theo trục ZZ’ vuông góc với YY’ làm xuất hiện 1 ngẫu lực Cg tỉ lệ với ω theo hướng X’X và có xu hướng làm cho khung động của con quay hồi chuyển quay theo. Ngẫu lực Cg được cân bằng bởi ngẫu lực đàn hồi Cr do 2 lò xo gây nên và có giá trị tỉ lệ với góc α của khung. Ở trạng thái cân bằng: Cg = Cr Góc quay của khung động của con quay hồi chuyển tỉ lệ với vận tốc góc cần đo ω. Góc α được mã hóa thành tín hiệu điện. Dải đo: 7 – 360o/s Độ sai lệch: < ± 1,5% dải đo 2.3.5 Cảm biến tốc độ quay thạch anh Cảm biến tốc độ thạch anh (Quartz Rate Sensor)được sử dụng có kết quả trong thực tế vì có kích thước nhỏ, tiêu thụ công suất bé. Nó có kích thước cỡ miếng thạch anh trong đồng hồ thạch anh gồm 2 phần phần quay và cảm nhận. Phần quay tác động chính xác như 1 chạc quay có kích thước nhỏ. Mỗi chạc có khối lượng và tốc độ hướng kính biến thiên hình sim. Khi quay ổn định moment động của 2 chạc bằng 0 và không có năng lượng truyền từ các chạc vào đế. Khi chạc quay quanh trục đối xứng hệ thống chịu ảnh hưởng bởi lực Coriolis. Phần cảm biến cảm nhận lực tỉ lệ với tốc độ quay, do đó khi các chạc cảm biến không chuyển động QRS phát hiện góc quay bằng 0, sau đó điện áp này sẽ được khuếch đại và xử lý. 2.3.6 Gia tốc kế rung, điện dung, áp trở, áp điện a. Gia tốc kế rung:
Hiện tượng rung cơ học của một vật có một bậc tự do quanh vị trí chuẩn có thể được sử dụng để đo gia tốc. Khi chế tạo và lắp đặt đúng, gia tốc kế phải có khả năng nhận dạng đúng tần số cộng hưởng. Sự thay đổi tần số rung đầu ra của cảm biến sẽ phản ánh chính xác trong đặc tính tần của gia tốc kế. - Độ nhạy là tỉ số giữa điện áp ra với đại lượng cơ đưa vào. - Đáp ứng tần số là tín hiệu ra trong khoảng tần số mà bộ cảm biến có thể hoạt động được - Tần số cộng hưởng trong bộ cảm biến không suy giảm là điểm cực đại - Đầu ra có kích thước bằng 0 được quy định với vị trí của bộ cảm biến. - Độ tuyến tính của gia tốc kế được quy định trong dải động của các tín hiệu vào b. Gia tốc kế điện dung: Gồm 2 bộ phận: Phần tĩnh gắn với vỏ hộp là 1 bản cực còn bản kia gắn với vật rung. Các bản cực này tạo nên 1 tụ điện có điện dung phụ thuộc vào gia tốc. Di chuyển cực đại mà gia tốc kế điện dung có thể đo được là 20 µm. Do vậy di chuyển nhỏ đòi hỏi phải bù ảnh hưởng của sự trôi và nhiễu. c. Gia tốc kế áp trở: Phần tử cảm nhận là 1 đầu ứng suất, đo ứng suất trong lò xo đỡ vật rung. Ứng suất liên hệ với độ lớn và tốc độ chuyển động của vật, do đó cũng phụ thuộc vào gia tốc. Dải đo: 0 – 13 kHz và chịu được rung động đến 10000g d. Gia tốc kế áp điện: Vật rung được đặt trên phần tử áp điện. Phần tử áp điện sinh ra điện tích tỉ lệ với chuyển động của vật rung. Cảm biến và vật được gắn trên giá đỡ cứng và toàn bộ được đặt trong hộp kín. - Gia tốc kế áp điện kiểu nén: - Gia tốc kế áp điện kiểu uốn cong: 2.4 Cảm biến biến dạng 2.4.1Khái niệm chung về cảm biến biến dạng. Biến dạng ε : là tỷ số giữa biến thiên kích thước ∆l và kích thước ban đầu l : ∆ = Biến dạng gọi là đàn hồi khi ứng lực mất đi thì biến dạng cũng mất đi. Giới hạn đàn hồi : là ứng dụng tối đa không gây nên biến dạng cố định có giá trị lớn hơn 0,2%. Độ lớn của giới hạn đàn hồi được đo bằng kglực/mm2. o Thép từ 20 đến 80 o Đồng từ 3 đến 12 o Chì từ 0,4 đến 1
Theo định luật hooke trong vùng giới hạn đàn hồi ứng lực tỷ lệ với biến dạng do nó gây nên. Modun Young Y xác định biến dạng theo phương của ứng lực = = trong đó ứng lực σ = Đơn vị đo modun Young là kglực/mm2. Sau đây là modun Young của một số vật liệu : o Thép từ 18.000 đến 29.000 o Đồng từ 9900 đến 140000 o Chì từ 500 đến 1400 Hệ số poisson ν: xác định biến dạng theo phương vuông góc với lực: ε⊥ = −ν ε trong vùng đàn hồi ν = 0,3. 2.4.2. Nguyên lý của cảm biến biến dạng Đầu đo biến dạng loại điện trở thường là sợi dây kim loại mảnh được gắn trực tiếp lên bề mặt cấu trúc cần khảo sát. Sự biến dạng của cấu trúc kéo theo biến dạng của cảm biến và làm cho điện trở của nó bị thay đổi. 2.4.3 Các loại đầu đo kim loại Đầu đo dây kim loại có đường kính rất mảnh d ≈ 20µm, giá đỡ 0,1 mm (giấy) hoặc 0,03mm (epoxy). Các đầu đo dùng lưới màng thường được chế tạo bằng phương pháp mạch in để giảm kích thước và cho phép đo từng điểm. Các thông số chủ yếu của đầu đo kim loại là : o Điện trở suất : điện trở suất của vật liệu phải đủ lớn để tránh dây kim loại quá dài làm tăng kích thước của bộ cảm biến nhưng tiết diện không nên quá nhỏ để dòng điện đo đủ lớn nhằm tăng độ nhạy. o Hệ số đầu đo K thường từ 2 ÷ 3. o Ảnh hưởng của lực đên độ tuyến tính : trong giới hạn đàn hồi hệ số đầu đo không đổi do quan hệ tuyến tính giữa điện trở và biến dạng o Ảnh hưởng của nhiệt độ : nói chung K ít chịu ảnh hưởng của nhiệt độ. o Độ nhạy ngang 2.4.4 Cảm biến áp trở silic a. Nguyên lý: Sự thay đổi điện trở của vật rắn dưới tác dụng của ứng suất, đối với Si được cho bởi phương trình: ∆ ∆ ∆ ∆ ∆ = + − − R: điện trở : điện trở suất l: chiều dài : chiều dầy
: chiều rộng của cảm biến silic b. Cấu tạo: Cảm biến áp trở được chế tạo từ đơn tinh thể Si tinh khiết và thể hiện tính đối xứng, do vậy cần quy định các phương x, y và mặt phẳng của cảm biến c. Các thông số cơ bản của đầu đo silic: - Điện trở : khi tăng nồng độ pha tạp, mật độ hạt dẫn trong vật liệu tăng lên và điện trở suất của chúng giảm đi. Biểu thức chung của điện trở suất có dạng : ρ = ( ) trong đó q là giá trị tuyệt đối của điện tích điện tử hoặc lỗ (1,6.10-19C), n và p là mật độ điện tử và lỗ trống tự do, µn và µp là độ linh động của chúng. - Ảnh hưởng của nhiệt độ : khi nhiệt độ nhỏ hơn 1200c hệ số nhiệt độ của nó có giá trị dương và giảm dần khi độ pha tạp tăng lên. ở nhiệt độ cao điện trở suất giảm khi nhiệt độ tăng và hệ số nhiệt độ của nó có giá trị âm và không phụ thuộc vào độ pha tạp. - Hệ số đầu đo K : hệ số đầu đo phụ thuộc vào độ pha tạp. khi độ pha tạp tăng lên, hệ số đầu đo giảm 2.4.5 Đầu đo trong chế độ động a. Tần số sử dụng tối đa: Tần số làm việc của đầu đo không phụ thuộc vào vật liệu chế tạo tuy vậy tần số làm vệc phụ thuộc vào phương pháp gắn đầu đo và kích thước của nó. Quan hệ giữa kích thước l của đầu đo và chiều dài bước sóng phải thỏa mãn điều kiện. l ≤ 0,1 Tần số sử dụng cực đại của đầu đo có chiều dài l là : fmax = Đối với thép fmax = 60 kHz khi l = 1 cm. b. Giới hạn mỏi: Biến dạng lặp lại nhiều lần sẽ dẫn đến làm tăng điện trở đầu đo. Đó là hiệu ứng mỏi, hiệu ứng này càng mạnh khi biên độ biến dạng càng lớn. Giới hạn mỏi được xác định bằng chu kỳ biến dạng N với biên độ cho trước gây nên biến thiên điện trở tương đương với biến dạng giả định bằng 10-4. Với biên độ biến dạng ± 2.10-3 giới hạn mỏi phụ thuộc dạng đầu đo và nằm trong khoảng từ 104 (constantan) đến 108 ( isoelastic) chu kỳ. 2.4.6 Cảm biến dao động sử dụng hiệu ứng doppler
Một sợi quang 1mm đưa ánh sáng từ laser He-Ne vào đĩa cánh, ánh sáng phản xạ từ cánh, do hiệu ứng Doppler bị lệch tần số và được sợi quang này truyền về thiết bị đo. Dụng cụ có thể đạt được độ chính xác đo tần số dao động của các cánh là 0,12% 2.4.7 Cảm biến ghép sợi quang Sử dụng 2 sợi quang đơn mode, cùng chiết suất (n1=1,62), đường kính nhỏ (1 µm) cùng đặt trong một vỏ đường kính ngoài 250 µm,n2=1,52, đặt cạnh nhau với khoảng cách 2 µm. Ta nhận thấy có sự liên hệ về quang giữa 2 sợi. Một phần ánh sáng phát trong một sợi được thấy trong sợi kia. Cách ghép này nhạy với biến dạng dài và cũng chịu ảnh hưởng của nhiệt độ. 2.4.8 Hologram (ảnh toàn ký) giao thoa Nguyên lý: Ảnh toàn ký là một phép ghi trên cùng một bản nhạy ánh sáng khác nhau của cùng một vật đang chịu niến dạng. Sự lệch giữa hai ảnh này tạo nên giao thoa. Các vân giao thoa đặc trưng cho biến dạn này. Ảnh toàn ký giao thoa được sử dụng trong phép đo biến dạng chính xác như chong chóng máy bay trực thăng, buồng đẩy tên lửa. 2.4.9 Kiểm tra trạng thái bề mặt Khi chiếu sáng một bề mặt bằng tia laser người quan sát tháy nhiều hạt gồ ghề trên bề mặt. Hiện tượng này la do các hạt tạo ra giao thoa giữa các tia tới và tia phản xạ bởi bề mặt này. Ghi hình ảnh của đối tượng đang chịu ứng suất hoặc dao động nhỏ ta nhận được
các vân giao thoa đặc trưng cho vật. Hình ảnh này có thể được truyền bằng sợi quang do kích thước của nó lớn hơn kích thước của mỗi sợi. Kỹ thuật có thể tổng quát hóa, chỉ cần một camera CCD ma trận 500 x 500 điểm để xác định toàn bộ mặt rộng đồng thời và hầu như tức thời, độ lớn và pha của mỗi kiểu chấn động của các chi tiết phức tạp. 2.5 Cảm biến lực và ứng suất 2.5.1 Đại cương về cảm biến đo lực và ứng suất Phép đo lực là yêu cầu đối với cơ học vật rắn, còn đối với cơ học chất lỏng và chất khí người ta chu ý đến áp suất. Lực được chu ý khi tác động lên một điểm còn áp suất được đo khi lực phân bố trên diện rộng. Các bộ cảm biến lực có thể phân thành hai lớp : các bộ cảm biến định lượng và định tính. Các bộ cảm biến định lượng dùng để đo lực có giá trị được thể hiện bằng tín hiệu điện. Các bộ cảm biến định tính là các thiết bị có ngưỡng, tín hiệu ra của nó chỉ đọ lớn của lực đã vượt qua một ngưỡng định trước. Các phương pháp cảm biến lực có thể thực hiện bằng hai cách : - Cân bằng một lực chưa biết với một lực đối kháng sao cho lực tổng cộng và momen tổng của chúng bằng không. - Đso gia tốc của vật có khối lượng đã biết để xác định lực. - Cân bằng lực chưa biết với một lực điện từ - Biến đổi lực thành áp suất chất lỏng và đo áp suất này. - Đp ứng suất tạo nên khi vật bị biến dạng đàn hồi và suy ra lực. 2.5.2 Cảm biến áp điện Hiệu ứng áp điện là hiên tượng xuất hiện phân cực điện hay thay đổi phân cực điện đã có trong một số chất điện môi như thạch anh, tuamalin, sunfat liti khi chúng bị biến dạng dưới tác dụng của lực. Cảm biến áp điện gồm một phiến áp điện mỏng phủ lên hai mặt của một tụ điện và tác dụng một lực lên hai bản cực thì trêm hai bản cực đó xuất hiện một điện tích trái dấu. Điện áp giữa hai bản cực tỷ lệ với lực tác động. Khi có tác động lực dạng hình sin F = Fmaxsinωt thì điện áp ra : ./ = = / Độ nhạy của phức chuyển đổi : () = = = = ( + ) Trong đó : τ :hằng số thời gian của mạch và cảm biến
, , , :điện trở và điện dung thực của cảm biến và mạch khuếch đại Lĩnh vực áp dụng: đo lực biến thiên (đến 10000 N), đo áp suất 1000ms-2/(100N/mm2) và gia tốc (tới 1000g) trong giải tần từ 0,5 – 100 Khz Ưu điểm : cấu trúc đơn giản, kích thước nhỏ , độ tin cậy cao, có khả năng đo các đại lượng biến thiên nhanh Nhược điểm : không đo được lực tĩnh, khó khắc độ 2.5.3 Bộ cảm biến từ giảo Do tác động của từ trường một số vật liệu sát từ thay đổi tính chất hình học hoặc thính chất cơ học. Đay là hiệu ứng từ giảo, được ứng dụng để chế tạo các bộ chuyển đổi siêu âm hoặc các phân tử săt từ hoạt động ở chế độ cộng hưởng cơ học. Mọi ứng lực trong vật liệu cần đo lực sẽ làm thay đổi đường cong từ hóa và có thể đánh giá lực tác động bằng sự biến thiên của độ từ thẩm hoặc từ dư. Hình 8.5 Cảm biến từ giảo Sự thay đổi của độ từ thẩm µ dưới ảnh hưởng của lực làm thay đổi điện cảm L của cuộn dây. Bộ biến cảm gồm một cuộn dây có lõi bị biến dạng dưới tác dụng của lực cần đo theo công thức : ∆ ∆ ∆ = − = = σ : ứng lực cần đo, K: hệ số tỷ lệ 2.5.4 Bộ cảm biến lực dựa trên việc đo di chuyển Lực được đặt lên vật trung gian gây nên sự thay đổi kích thước ∆l. Sự thay đổi kích thước được đo bằng cảm biến di chuyển. Tỷ số giữa tín hiệu ra Vm và lực tác dụng F được cho bằng biểu thức : ∆ = ∆ : hệ số truyền đạy cảu bộ cảm biến ∆ ∆ : độ mềm của vật trung gian Vật trung gian thường là lò xo, dùng để đo các lực tương đối nhỏ, tùy điều kiện sử dụng có thể dùng nhiều loại cảm biến di chuyển khác nhau dể đo lực như : - Điện thế kế điện trở - Cảm biến từ trở biến thiên - Cảm biến tụ điện 2.5.5 Bộ cảm biến xúc giác
Bộ cảm biến xúc giác thuộc loại chuyển đổi lực và áp suất đặc biệt có chiều dầy rất mỏng, do vậy có thể sử dụng trong những nơi có lực và áp suất tạo nên giữa hai mặt lân cận nhau. 2.5.6 Bộ cảm biến ứng suất siêu âm đo biến động trong vật liệu Bộ cảm biến ứng suất vectơ động siêu âm (Ultrasomic Dynamic Vector Stress Sensor UDVSS) mới đây được sử dụng để đo sự thay đổi ứng suật động có ảnh hưởng trong vật liệu hay trong cấu trúc, khi vật liệu hay cấu trúc chịu tải trọng chu kỳ. Chuyển đổi nhạy với lực căng được sử dụng để đo ứng suất. UDVSS là thiết bị xách tay có thể xác định trực tiếp ứng suất trên mẫu mà không cần sử dụng chuyển đổi gắn với mẫu.
Cảm biến ứng suất động siêu âm UDVSS được ứng dụng rộng rãi trong việc chế tạo cấu trúc tàu vũ trụ, kết cấu ô tô để thử ứng suất và đánh giá các thiết kế. 2.6 Cảm biến thông minh 2.6.1 Khái niệm về cảm biến thông minh Kỹ thuật đo lường và điều khiển tự động hiện đại ngày nay có những tiến bộ vượt bậc nhờ việc sử dụng kỹ thuật vi điện tử, vi xử lý (µP) và vi điều khiển (µC). Để thực hiện được những đặc tính mới cho dụng cụ đo như : tự động, chọn thang đo, tự động xử lý thông tin đo, tự động bù sai số v.v người ta sử dụng các bộ vi xử lý hay vi điều khiên kết hợp với các loại cảm biến khác nhau để tạo ra một loại cảm biến mới gọi là cảm biến thông minh (Intelligent Sensor). 2.6.2 Cấu trúc của một cảm biến thông minh
Hình 17.1 Cấu trúc một cảm biến thông minh Các chương trình phần mềm bảo đảm mọi hoạt động của cảm biến bao gồm: - Chương trình thu thập dữ liệu - Chương trình biến đổi và xử lý thông tin đo - Chương trình giao diện 2.6.3 Các khâu chức năng của cảm biến thông minh a. Chuyển đổi chuẩn hóa: Làm nhiệm vụ biến đổi tín hiệu điện sau cảm biến thành tín hiệu chuẩn thường là áp từ 0 ÷ 5 V hay 0 ÷ 10 V hoặc dòng từ 0 ÷ 20 mA hay 4 ÷ 20 mA. Giữa các cảm biến và chuyển đổi A/D rồi vào µP nhất thiết phải qua các CĐCH sao cho bất kể khoảng đo nào của các đại lượng đo thì cũng tương ứng với một giới hạn đo của CĐCH. Các chuyển đổi chuẩn hóa có thể phục vụ riêng cho từng cảm biến và đặt trước MUX hay cho một nhóm các cảm biến giống nhau về loại và khoảng đo đặt sau MUX. Nhiệm vụ của CĐCH là biến đổi tỷ lệ. Nếu tín hiệu vào x nằm trong khoảng từ x1 – x2 thì tín hiệu ra f phải là 0 ÷ y x y CĐCH Sơ đồ nguyên lý chuyển đổi chuẩn hóa Đặc tính của CĐCH là : = − + CĐCH có đầu ra là tín hiệu một chiều (là dòng hay áp) được thực hiện bởi hai bước : - Bước 1 : Trừ đi giá trị ban đầu x = X1, tạo ra ở đầu ra của CĐCH giá trị y = 0 - Bước 2 : Thực hiện khuếch đại ( K>1) hay suy giảm (K<1).
b. Bộ dồn kênh MUX: Nhiệm vụ là dồn kênh, biến tín hiệu song song từ các cảm biến thành nối tiếp để đưa vào A/D và µP. Để đảm bảo tác động nhanh người ta phải sử dụng các kháo điện tử, tức là thực hiện mạch đổi nối không tiếp xúc. Bộ đổi nối có hai chế độ làm việc : - Chế độ chu trình : các cảm biến sẽ lần lượt được đưa vào A/D theo một chu trình. Tần số lặp lại của tín hiệu sẽ được lựa chọn tùy thuộc sai số của phép đo cho trước. - Chế độ địa chỉ : bộ đổi nối làm việc theo một chương trình đã định trước. c. Bộ chuyển đổi tương tự số - A/D Để đưa thông tin đo vào µP ta cần phải biến đổi tín hiệu tương tụ thành số. Thiết bị thực hiện nhiệm vụ đó là mạch chuyển đổi tườn tự số A/D Nguyên lý làm viếc của A/D:Có 3 phương pháp khác nhau để chế tạo một bộ chuyển đổi A/D như sau : a. Phương pháp song song b. Phương pháp trọng số c. Phương pháp số 2.6.4 Các thuật toán xử lý cho cảm biến thông minh a. Tự động khắc số b. Xử lý tuyến tính hóa từng đoạn c. Gia công kết quả đo d. Sai số của kết quả các phép đo gián tiếp 2.6.5 Ví dụ về cảm biến thông minh Bộ cảm biến áp suất vi sai thông minh Cảm biến ST 3000
Chương III: CÁC CƠ CẤU CHẤP HÀNH 3.2 . Các động cơ bước. 3.2.1. Giới thiệu các loại động cơ bước. - Động cơ bước thực chất là một động cơ đồng bộ dùng để biến đổi các tín hiệu điều khiển dưới dạng các xung điện rời rạc kế tiếp nhau thành các chuyển động góc quay hoặc các chuyển động của Roto và có khả năng cố định Roto vào những vị trí cần thiết. Theo một phương diện khác, có thể coi động cơ bước là linh kiện (hay dụng cụ số mà ở đó các thông tin số hoá đã thiết lập sẽ được chuyển thành chuyển động quay theo từng bước. Động cơ bước sẽ thực thực hiện trung thành các lệnh đã số hoá mà máy tính yêu cầu. - STEP có 5 đặc tính cơ bản như sau: + Brushless(không chổi than): STEP là loại động cơ không chổi than + Load independent(độc lập với tải): động cơ bước quay với tốc độ ổn định trong tầm mômen của động cơ. + Open loop positioning(điều khiển vị trí hở vòng): thông thường chúng ta có thể đếm xung kích ở động cơ để xác định vị trí mà không cần phải có cảm biến hồi tiếp vị trí, nhưng đôi khi trong những ứng dụng đòi hỏi tính chính xác cao STEP thường được sử dụng kết hợp với các cảm biến vị trí như: encoder, biến trở, . + Holding torque(moment giữ): STEP có thể giữ được trục quay của nó, so với động cơ DC không hộp số thì moment giữ của STEP lớn hơn rất nhiều. + Excellent response(đáp ứng tốt): STEP đáp ứng tốt khi khởi động, dừng lại và đảo chiều quay 1 cách dễ dàng. 3.2.2. Phân loại và cấu tạo. - Có 3 loại động cơ bước cơ bản: + Động cơ nam châm vĩnh cửu (Permanent Magnet) + Động cơ từ trở thay đổi (Variable Reluctance) + Động cơ lai (Hybrid)
- STEP nam châm vĩnh cửu là động cơ có rotor được từ hóa, trong khi STEP từ trở thay đổi xoa rotor được sẽ rãnh nhỏ, và động cơ lai (hybrid) kết hợp cả hai kĩ thuật trên tạo thành. - Stator của STEP có nhiều cuộn dây quấn trên nó. Sự sắp xếp các cuộn dây này tạo nên hệ số thứ cấp, hệ số này sẽ phân biệt thành các loại động cơ khác nhau. STEP nam châm vĩnh cửu và loại STEP lai có thể được kết liên kết lại với nhau để phân biệt thành 3 chủng loại motor: đơn cực, lưỡng cực, và STEP hai dây song song. a. STEP từ trở thay đổi: - Thông thường loại STEP này có 3 hoặc 5 cuộn dây với cấu tạo được mô tả ở hình 1. STEP từ trở thay đổi trong hình 1 bao gồm 3 cuộn dây được nối chung ở một đầu. Stator STEP có 6 cực và rotor có 4 răng. Chúng ta có thể nhìn vào hình thì cuộn dây 1 đang được cấp điện, vì thể răng X ở vị trí cực 1. Sau đó khi cuộn 2 được cấp điện lực từ sinh ra sẽ hút đầu Y về cực 2, và trong trường hợp này nếu cuộn 3 được cấp điện thì răng Y sẽ di chuyển về phía cực 3 lúc đó động cơ STEP sẽ di chuyển ngược chiều kim đồng hồ. Như vậy chúng ta thấy mỗi bước động cơ di chuyển là 30 độ, và để thực hiện một vòng thì STEP phải di chuyển 12 bước. - Trên thực tế thì động cơ STEP từ trở thay đổi có số cực và số răng nhiều hơn để di chuyển những bước nhở hơn. STEP loại này có thể đạt tới 1 độ / bước. b. STEP đơn cực (Unipolar Stepper Motor):
- STEP loại đơn cực bao gồm 2 cuộn dây, mỗi cuộn được nối ra ngoài ở giữa cuộn, vì vậy thông thường trên thực tế đây là loại động cơ 5 hoặc 6 dây ra, STEP loại này được điều khiển bẳng cách cho đầu dây chung nối lên nguồn và từng đầu dây còn lại lần lượt được nối mass. - STEP loại đơn cực hoạt động giống như tất cả động cơ STEP nam châm vĩnh cữu và STEP lai, nghĩa là nó hoạt động trên nguyên tắc dòng từ thông ngắn nhất giữa cực stator và răng rotor. STEP hoạt động dựa trên lưc hút giữa cực bắc và cực nam của rotor được nhiễm từ vĩnh cữu và cực của stator tạo ra do chiều dòng điện chạy qua stator. Cực bắc và nam trên rotor nam châm vĩnh cữu đã được từ hóa trước, và cực từ của stator được quy định tùy theo chiều di chuyển của dòng điện qua các cực stator, và trên nguyên tắc từ thông sẽ hướng từ cực bắc đến cực nam. - Trên hình vẽ chúng ta thấy cuộn dây 1a được cấp điện chạy theo hướng từ trên xuống dưới, nghĩa là khi đó, cực phía trên sẽ trở thành cực bắc và phía dưới là cực nam, cực bắc cửa cuộn dây sẽ hút cực nam của rotor và làm cho rotor di chuyển, và sau đó chúng ta sẽ cấp điện cho cuộn 2a, thì cuộn bên trái sẽ trở thành cực bắc sẽ hút cực nam của rotor làm cho rotor xoay theo chiều kim đồng hồ, ngược lại nếu chúng ta cấp điện cho cuộn 2b thì động cơ sẽ quay ngược chiều kim đồng hồ, và mỗi bước động cơ STEP di chuyển 1 góc 30 độ. Tại mỗi thời điểm chỉ có một nữa cuộn dây có điện, hoặc 1a hoặc 1b hoặc 2a hoặc 2b vì vậy để thực hiện hết vòng quay động cơ phải di chuyển 1 bước.
- Ở phương pháp điều khiển thứ hai, thì tại mỗi thời điểm 2 nữa cuộn dây sẽ được cấp điện, làm tăng thêm moment động cơ, và do đó động cơ sẽ tiêu hao nhiều công suất hơn. Ở hai phương pháp trên thì mỗi bước động cơ đi chuyển 1 góc 30 độ (full step). Và kết hợp hai phương pháp trên khi đó động cơ di chuyển mỗi bước 15 độ (half step) và vì vậy động cơ sẽ di chuyển 24 bước / vòng. - Để có được độ phân giải nhở hơn cho mỗi bước di chuyển thì STEP cần phải tăng thêm số cực rotor của động cơ STEP. c. STEP lưỡng cực. - STEP lưỡng cực bao gồm 2 cuộn dây, vì thế trên thực tế đối với loại STEP này sẽ có 4 dây ra. Không giồng với động cơ loại đơn cực, tại mỗi thời điểm dòng điện sẽ đi qua toàn bộ cuộn dây, nhờ vậy moment sinh ra sẽ lớn hơn nhiều so với STEP đơn cực. Dòng điện qua hai cuộn dây là hai chiều điều này đòi hỏi cực của động cơ STEP phải được thay đổi. Dựa vào hình chúng ta thấy dòng điện chạy từ đầu 1b sang đầu 1a và dòng điện sẽ chạy theo hướng ngược lại khi đảo chiều cấp điện. Vì vậy để điều khiển được động cơ loại lưỡng cực chúng ta cần 2 mạch cầu H để thay đổi cực tính ở mỗi cuộn dây.
- Phương pháp điều khiển động cơ STEP loại lưỡng cực: - Đối với phương pháp trên thì tại mỗi thời điểm chỉ có 1 cuộn dây được cấp điện, khi đó công suất tiêu thụ của động cơ thấp. Và ở phương pháp thứ 2 thì 2 cuộn dây động cơ được cấp điện cùng lúc, khi đó moment động cơ là cực đại và công suất tiêu thụ của động cơ lúc này cũng lớn. Và kết hợp hai phương pháp này động cơ STEP sẽ di chuyển 1 góc 15 độ thay vì 30 độ như trên, tuy nhiên khi đó moment do động cơ sinh ra sẽ không đều. d. STEP hai dây song song: - Đối với loại STEP này thì chúng ta hoàn toàn có thể đấu nối để nó trở thành động cơ đơn cực hoặc lưỡng cực - Chúng ta sẽ kết nối song song hai cuộn dây khi cần dòng điện hoạt động lớn, và kết
nối hai dây nối tiếp khi cần điện áp hoạt động lớn. e. STEP lai. - STEP lai là loại kết hộp giữa STEP từ thông thay đổi và loại nam châm vĩnh cửu. rotor cho động cơ STEP lai có nhiều răng , giống như loại từ thông thay đổi, chứa lõi từ hóa tròn đồng tâm xoay quanh trục của nó. Răng của rotor tạo đường dẫn giúp định hướng cho từ thông ưu tiên vào trong lỗ không khí. STEP lai được lái giống như STEP đơn cực và lưỡng cực. 3.2.3. Lựa chọn động cơ bước. - So sánh động cơ từ trở thay đổi với loại nam châm vĩnh cửu và loại lai: Để lựa chọn động cơ cho các ứng dụng ta cần quan tâm đến loại động cơ nào sử dụng phù hợp cho ứng dụng này, moment của hệ thống như thế nào, độ phức tạp của hệ điều khiển và các đại lượng vật lý của động cơ. Đối với động cơ từ thông thay đổi, loại động cơ này có lợi từ sự đơn giản của ứng dụng. Nó không yêu cầu roto từ thông vĩnh cửu phức tạp nên hoạt động ổn định hơn rất nhiều so với loại nam châm vĩnh cửu. Tuy moment của tất cả các loại động cơ bước đều giảm khi vận tốc tăng, nhưng đối với STEP từ trở thay đổi thì sự giảm moment này là hầu như không đáng kể khi vận tốc tăng, nó có thể đạt được vận tốc 10000 bước/s, với STEP nam châm vĩnh cửu là 5000 bước/s (thường là 1000 bước/s). Vì vậy STEP từ trở thay đổi thường được sử dụng không cần hộp giảm tốc, thường được ứng dụng trong các máy giặt. Ngược lại động cơ STEP nam châm vĩnh cửu và lai lại tạo ra ít tiếng ồn , trong khi loại từ trở thay đổi lại tạo ra tiếng ồn khá lớn. Với hệ thống điều khiển thích hợp: động cơ STEP nam châm vĩnh cửu và lai có thể điều khiển vi bước phụ thuộc vào tỉ số dòng điện ở các cuộn dây. - So sánh động cơ đơn cực với lưỡng cực:
Động cơ loại lưỡng cực sẽ có moment sinh ra nhiều hơn 30% so với loại đơn cực có cũng kích thước. Tuy nhiên động cơ loại lưỡng cực lại có mạch điều khiển phức tạp hơn so với loại đơn cực. - So sánh động cơ lai và động cơ nam châm vĩnh cửu: STEP size: Nam châm vĩnh cửu:(3,6 - >7,5) độ Lai (0,9 - >3,6) độ Để có độ phân giải nhỏ hơn ta có thể sử dụng thêm hộp giảm tốc. Moment: đây là một trong những vấn đề quan trọng khi lựa chọn động cơ bước + Moment giữ: là moment cần thiết để xoay trục động cơ khi cuộn dây được cấp điện. + Moment kéo: là moment sinh ra khi động cơ xoay ở vận tốc ổn định, moment này chống lại khả năng tăng tốc của động cơ mà không bị trượt bước. + Moment kéo ra: moment này có thể làm cho động cơ di chuyển khi động cơ đang hoạt động. + Moment chốt: là moment đòi hỏi để xoay động cơ khi cuộn dây động cơ không cấp điện. Tất cả các hàm moment đều là hàm theo vận tốc, dựa vào moment này mà ta có thể lựa chọn động cơ phù hợp với tải sao cho không bị trượt bước. Khi bị trượt bước thì bộ điều khiển không thể biết được vị trí trục động cơ ở đâu nếu không có bộ hồi tiếp vị trí. Tất cả các loại moment này được ghi lại trong đặc tính động cơ do nhà sản xuất cung cấp. Tuổi thọ: Khi lựa chọn động cơ, ta chọn động cơ phù hợp với moment cản của tải, chọn tải làm việc có moment cản bằng 40% - 60% moment của động cơ. Khi sử dụng động cơ trong môi trường ẩm ướt, chúng ta cần bảo vệ động cơ để động cơ hoạt động hiệu quả, tăng tuổi thọ động cơ. 3.2.4. Mạch điều khiển động cơ bước cơ bản a. STEP từ trở thay đổi: Mạch điều khiển bao gồm 3 mosfet điều khiển đóng mở 3 cuộn dây. Khi mosfet chuyển từ trạng thái đóng sang trạng thái mở, sẽ xuất hiện các xung điện áp, có thể làm hỏng mosfet, vì thế chúng ta cần lắp thêm diode bảo vệ khi chuyển mạch.
b. STEP đơn cực: Động cơ loại này cách điều khiển cũng hoàn toàn tương tự cách điều khiển STEP từ trở thay đổi. c. STEP lưỡng cực. Động cơ loại này do có 2 cuộn dây và dòng điện qua 2 cuộn dây đảo chiều nên mạch điều khiển của nó gồm 2 cầu H. Khi sử dụng cầu H để lái động cơ ta cần chú ý đến hiện tượng trùng dẫn, nghĩa là 2 mosfet trên cùng 1 nhánh đều đóng, làm cho dòng điện tăng nhanh, sẽ đánh hỏng mosfet. Hiện nay đã có nhiều hãng thiết kế IC cầu H với công suất
tương đối phù hợp cho các động cơ loại vừa, nhỏ hoặc chúng ta có thể sử dụng module PWM của vi điều khiển phù hợp cho việc điều khiển tốc độ động cơ và tạo khoảng thời gian delay tránh trùng dẫn. d. Điều khiển vi bước (microstep) đối với loại lưỡng cực và đơn cực: Đối với STEP di chuyển một bước đơn hoàn toàn, nghĩa là kích điện áp trực tiếp, cách này chỉ được áp dụng khi động cơ làm việc ở vận tốc thấp, nhược điểm lớn nhất của phương pháp này là moment động cơ sẽ bị suy giảm nghiêm trọng do tính cảm của cuộn dây sẽ tạo ra thời hằng, lúc đó cần có thời gian để dòng điện qua cuộn dây đạt giá trị max.
Microstepping được sử dụng để tăng độ phân giải bước cho động cơ và tạo ra sự chuyển đổi mịn giữa các bước. Thông thường phương pháp Microstepping được áp dụng trong các hệ thống giới hạn tiếng ồn và các vấn đề về cộng hưởng. Microstepping làm việc trên nguyên tắc sự gia tăng dòng điện từ cuộn dây này qua cuộn dây khác của động cơ bước. Điều này có thể đạt được nhờ vào việc điều xung điện áp cấp vào cuộn dây động cơ. Tỉ số điều xung trên cuộn dây này giảm thì tỉ số điều xung trên cuộn dây kia lại tăng lên tạo ra sự chuyển bước mịn, không tạo ra tiếng ồn.
3.3 Van khí nén 3.3.1. Nguồn cấp khí nén. - Bao gồm một máy nén khí, một van áp suất, một bình chứa 3.3.2. Các kí hiệu dùng trong van khí nén.
3.3.3. Nguyên lý làm việc. Nguồn năng lượng cung cấp và truyền động cho xilanh quay hoặc chuyển động thẳng là dòng khí nén áp lực cao điều khiển bằng van điện. Do nguồn cung cấp khí nén đặt độc lập với cơ cấu chuyển động nên hệ số quán tính của hệ thống nhỏ, tuy nhiên các thiết bị khí nén hoạt động với áp suất thông thường là 7-8 at nên tỷ số P/W thấp hơn nhiều so với cơ cấu thủy lực. Khi cuộn dây của van có điện, van mở và dòng khí áp lực cao đi vào xilanh. Khi van đóng, piston phục hồi về vị trí ban đầu, van hồi khí nén mở 3.3.4. Khảo sát 1 số mạch dùng khí nén.
3.3.5 Van thủy khí.
3.4 Các loại máy điện 3.4.1 Máy biến áp a. Định nghĩa: Những thiết bị dùng để tăng điện áp ở đầu ra của máy phát điện, tức ở đầu đường dây dẫn điện và giảm điện áp khi tới các hộ tiêu thụ, tức cuối đường dây dẫn điện gọi là máy biến áp. Máy biến áp là 1 thiết bị điện tử đứng yên, làm việc trên nguyên lý cảm ứng điện từ, biến đổi 1 hệ thống dòng điện xoay chiều ở điện áp này thành 1 hệ thống dòng điện xoay chiều ở điện áp khác, với tần số không thay đổi. b. Nguyên lý làm việc: Dây quấn 1 có ω1 vòng dây và dây quấn 2 có vòng dây được quấn trên lõi thép 3. Khi đặt 1 điện áp xoay chiều u1 vào dây quấn 1 , trong đó sẽ có dòng điện i1. Trong lõi thép sẽ sinh ra từ thông Φ móc vòng với cả 2 dây quấn 1 và 2, cảm ứng ra s.đ.đ e1 và e . Dây quấn 2 sẽ có s.đ.đ sẽ sinh ra dòng điện i đưa ra tải với điện áp là u 3.4.2 Máy điện không đồng bộ Kết cấu gồm các bộ phận chính sau: a. Phần tĩnh (Stato): gồm vỏ, lõi sắt và dây quấn - Vỏ: có tác dụng cố định lõi sắt và dây quấn, không dùng để làm mạch dẫn từ. - Lõi sắt: là phần dẫn từ, được làm từ những lá thép kĩ thuật điện dày 0,5 mm ghép lại. - Dây quấn: được đặt vào các rãnh của lõi sắt và được cách điện tốt với lõi sắt.
b. Phần động (Roto): - Lõi sắt: dùng các lá thép kĩ thuật như stato, phía ngoài của lá thép có sẻ rãnh để quấn dây - Roto và dây quấn roto: Gồm 2 loại chính: + Kiểu roto dây quấn + Kiểu roto lồng sóc c. Khe hở: Khe hở trong máy không đồng bộ rất nhỏ để hạn chế dòng điện từ hóa lấy từ lưới vào và như vậy mới có thể làm cho hệ số công suất của máy cao hơn. 3.5 Áp điện a. Định nghĩa: Hiện tượng áp điện ( piezoelectric phenomena) là một hiện tượng được nhà khoáng vật học người Pháp đề cập đầu tiên vào năm 1817, sau đó được anh em nhà Pierre và Jacques Curie chứng minh và nghiên cứu thêm vào năm 1880. Hiện tượng xảy ra như sau: người ta tìm được một loại chất có tính chất hóa học gần giống gốm (ceramic) và nó có hai hiệu ứng thuận và nghịch nhưng khi áp vào nó một trường điện thì nó biến đổi hình dạng và ngược lại khi dùng lực cơ học tác động vào nó thì nó tạo ra. Nó như một máy biến đổi trực tiếp từ năng lượng điện sang năng lượng cơ học và ngược lại. Nếu như theo chiều hướng thuận, có nghĩa là tác dụng lực lên vật thì sẽ sinh ra điện và ngược lại là áp điện nghịch : tác động hiệu thế vào vạt thì sẽ sinh ra công biến dạng làm biến đổi lực. Một vật được cấu tạo bởi ba yếu tố PZT ( chì Pb, zorconi, titan ) sẽ có tính chất áp điện( VD: thạch anh ). b. Ứng dụng: Ngày nay hiện tượng áp điện được ứng dụng rất rộng rãi trong kỹ thuật phục vụ cho cuộc sống hàng ngày như: máy bật lửa, cảm biến, máy siêu âm, điều khiển góc quay nhỏ gương phản xạ tia laser, các thiết bị, động cơ có kích thước nhỏ, hiện nay người ta đang phát triển nhiều chương trình nghiên cứu như máy bay bay đập cánh như côn trùng, cơ nhân tạo, cánh máy bay biến đổi hình dạng, phòng triệt tiêu âm thanh, các cấu trúc thông minh, hầu hết các máy in hiện nay một trong những ứng dụng quan trọng hiện nay trong kỹ thuật là dùng làm động cơ piezo Cho đến hiện nay người ta đã tìm ra được 2 loại vật liệu piezo cơ bản đó là dạng cục (như gốm) ceramic và tấm mỏng như tấm film.Các phương pháp số dùng để tính toán cho loại vật liệu này như cũng đã được nghiên cứu khắp nơi trên thế giới. 3.6 MEMS (Microelectromechanical Systems) MEMS (viết tắt của cụm từ microelectromechanical systems, nghĩa là vi hệ thống cơ điện tử) là thuật ngữ thường dùng để chỉ các hệ thống điện tử có thể có thêm các bộ phận chuyển động có kích thước cỡ micromet. Công nghệ chế tạo các MEMS là công nghệ sử dụng kỹ thuật giống như kỹ thuật mạch tích hợp (ví dụ như các công nghệ quang khắc, chùm ion hội tụ, ). Tuy nhiên không
giống như linh kiện IC được tạo ra từ những lớp cấu trúc 2D, sản phẩm của công nghệ MEMS là các linh kiện có cấu trúc không gian 3 chiều thực sự - gọi là thiết bị MEMS.