Bài soạn CẢM BIẾN VỊ TRÍ VÀ DỊCH CHUYỂN

Bài soạn CẢM BIẾN VỊ TRÍ VÀ DỊCH CHUYỂN

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (151.9 KB, 7 trang )

CẢM BIẾN VỊ TRÍ VÀ DỊCH CHUYỂN
I. Giới thiệu
Ngày nay cảm biến vị trí được ứng dụng rất rộng rãi. Đó là vì việc kiểm tra vị trí
và dịch chuyển đóng vai trò rất quan trọng đối với hoạt động cùa nhiều máy móc, trong
hệ thống điều khiển tử động bằng điện tử, hệ thống bảo vệ và an toàn. Hơn nữa, một số
đại lượng vật lí có thể đo được thông qua việc xác định sự dịch chuyển của một vật chịu
tác động của đại lượng vật lý đó.
Vị trí là thuật ngữ chỉ tọa độ của một đối tượng với một chuẩn nào đó được chọn
trước. Dịch chuyển là sự chuyển động của đối tượng từ vị trí này đến vj trí khác với một
khoảng cách hoặc một góc quay nào đó.
Có hai phương pháp cơ bản để xác định vị trí và dịch chuyển. Trong phương pháp
thứ nhất (được sử dụng nhiều hơn cả), cảm biến cung cấp một tín hiệu là hàm phụ thuộc
vào vị trí của một trong những phần tử của cảm biến, đồng thời phần tử đó có liên quan
tới vật di động mà ta cần đo sự dịch chuyển. Sự thay đổi của tính hiệu sẽ cho ta biết độ
dịch chuyển của vật thể. Một số cảm biến loại này có cấu tạo bao gồm một trở kháng có
một trong những đặc trưng hình học hoặc kích thước thay đổi theo vị trí của phần tử
động như: điện thế kế, cuộn cảm có lõi động… Trong phương pháp thứ hai (ít ứng dụng
hơn), ứng với một dịch chuyển cơ bản (một đơn vị dịch chuyển), cảm biến sẽ phát ra
một xung. Khi đó vị trí và dịch chuyển được xác định bằng cách điếm số xung phát ra.
Một số loại cảm biến không đòi hỏi liên kết cơ học giữa cảm biến và vật cần đo
khoảng cách hoặc dịch chuyển. Mối liên hệ giữa vật dịch chuyển với cảm biến được
thực hiện thông qua vai trò trung gian của điện trường, điện từ trường hoặc điện trường
tĩnh điện. Độ lớn của đại lượng trung gian là hàm của khoảng cách giữa vật thể và cảm
biến và được xác định bằng phản hồi điện của cảm biến
Trong chương này ta chỉ nghiên cứu hai loại cảm biến thông dụng nhất để xác
định vị trí và dịch chuyển của đối tưởng cần đó là: Cảm biến kiểu cảm ứng điện từ và
cảm biến kiểu biến trở.
II. Cơ sở lý Thuyết Của Cảm Biến Vị Trí Kiểu Cảm Ứng Điện Từ
1
Cảm biến điện từ là nhóm các cảm biến hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứng
điện từ. Loại cảm biến này rất thông dụng trong các ngành kỹ thuật.

1. Cảm Biến Có Khe Hở Từ Biến Thiên
Cảm biến gồm một cuộn dây bằng đồng có đường kính 0.02mm
÷
0.1mm, quấn
trên lõi sắt từ cạnh một nam châm vĩnh cửu cố định ( phần tĩnh ) và một rotor bằng thép
có răng (số răng khác nhau đối với các cảm biến khác nhau ) và có thể chuyển động
( phần động ), giữa phần tĩnh và phần động có khe hở không khí tạo nên một mạch từ
hở, khi phần động chuyển động làm cho khe hở không khí này thay đổi kéo theo từ trở
của mạch từ biến thiên, do đó hệ số tự cảm và tổng trở của cuộn dây thay đổi theo.
1- lõi sắt từ 2- cuộn dây 3- phần động
Hình sơ đồ nguyên lý cảm biến điện từ có khe hở từ biến thiên
Khi khe hở không khí giữa phần tĩnh và phần động thay đổi, sẽ làm biến thiên của
từ thông xuyên qua cuộn dây. Sự biến thiên của từ thông xuyên qua cuộn dây sẽ tao ra
sức điện động e :


e = k.ω.n.
dt
Trong đó:
k – hệ số phụ thuộc chất liệu từ lõi thép và môi trường khe hở giữa
phần tĩnh và phần động.

ω
– số vòng dây cuốn trên lõi thép từ.
n – tốc độ quay của phần động.


dt
– độ biến thiên từ thông trong lõi thép từ.
2

Hệ số tự cảm của cuộn dây cũng có thể thay đổi. Nếu bỏ qua điện trở thuần của
cuộn dây và từ trở lõi thép ta có :
2
2
0
δ
W .μ .s
W
L = =

Trong đó:
W – số vòng dây
δ
0
δ
R =
μ .s
– từ trở của khe hở không khí.
δ
– độ rộng khe hở không khí.

0
μ
– độ từ thẩm của không khí
s – tiết diện thật của khe hở không khí.
Với lượng thay đổi hữu hạn Δδ và Δs ta có :
2 2
0 0
2
0 0

W .μ W .μ.s
ΔL = .Δs – .Δδ
δ (δ +Δδ)
Độ nhạy của cảm biến :
* Khi khe hở không khí
δ
thay đổi (s = const):
0
δ
2
0
0
L
ΔL
S = = –
Δδ
Δδ
δ 1+
δ
 
 
 
 ÷
 
 
* Khi thay đổi tiết diện không khí s (
δ
= const):
0
s

0
L
L
S = =
s s


trong đó:
2
0 0
0
0
W .μ .s
L =
δ
– là giá trị điện cảm ban đầu
Tổng trở của cảm biến:
Nếu tổng trở
Z = ω.L
thì ta có :
2
0
ω.W .μ .s
Z =
δ

3
Từ công thức trên ta thấy tổng trở Z của cảm biến là hàm tuyến tính với tiết diện khe hở
không khí s và phi tuyến với khe hở không khí
δ

. Các cảm biến điện cảm với
δ
thay đổi
thì tỷ số
0
Δδ
δ
không vượt quá
0,2 0,4÷
và độ phi tuyến không vượt quá 1%.
Sự phụ thuộc giữa L, Z vào khe hở không khí
δ
Đặc tính của cảm biến điện cảm Z = f(Δδ) là hàm phi tuyến và phụ thuộc tần số
nguồn kích thích, tần số nguồn kích thích càng cao thì độ nhạy của cảm biến càng cao.
2. Cảm Biến Có Lõi Từ Dịch Chuyển
Cảm biến gồm một cuộn dây bên trong có lõi sắt từ di động được như hình vẽ :
1- cuộn dây 2- lõi từ
Sơ đồ nguyên lý của cảm biến điện từ có lõi từ
Nguyên lý hoạt động của cảm biến cũng giống loại có khe hở từ biến thiên, khi có sự
dich chuyển của lõi từ, làm cho điện cảm của cuộn dây thay đổi :
0 f
L = L +L +2M
4
Trong đó : L – là điện cảm toàn phần

0
L
– là điện cảm phần không có lõi từ

f

L
– là điện cảm phần có lõi từ
M – hệ số,
0 f
M = k. L .L
k – là hệ số ghép nối
0 k 1
≤ ≤
với :
2 2
0 0 0 0 0 0 f
2 2
W W
L = μ. .s l = μ. .s .(l l )
l l

{ }
2
f 0 0 f f
2
W
L = μ. . s (μ 1).s .l
l
+ −
Ta có :
( ) ( ) ( )
2
0 0 f f f 0 0 f f f f
2
W

L = μ. s l μ 1 s l 2k s s μ 1 s. l l l
l
 
+ − + + + − − 
 
 
 
Với độ dịch chuyển
f
Δl
của lõi từ kéo theo sự thay đổi
ΔL
của độ tự cảm. Độ tự cảm
phụ thuộc vào
f
l
và là hàm không tuyến tính của
f
Δl
. Sự không tuyến tính này cũng có
thể cải thiện bằng cách ghép hai cuộn dây đồng dạng vào thành hai nhánh kề sát nhau
của một cầu điện trở có chung cùng một lõi từ.
3. Ứng Dụng Trên Xe Hơi
Cảm biến vị trí loại điện từ là một cảm biến quan trọng trong hệ thống điều khiển
động cơ hiện đại như : hệ thống đánh lửa điện tử, hệ thống phun nhiên liệu điện tử EFI,
hệ thống chống bó cứng phanh ABS, điều khiển tốc độ không tải và một số hệ thống
khác trên ô tô.
Cảm biến điện từ được ứng dụng để : đo tốc độ như tốc độ động cơ, tốc độ bánh
xe, xác định vị trí trục khuỷu hoặc trục cam, tạo xung cho việc đánh lửa. Ngoài ra cảm
biến cảm ứng điện từ còn được dùng kết hợp với các cảm biến khác trên ôtô.

III. Cơ Sở Lý Thuyết Của Cảm Biến Kiểu Biến Trở
Đây là loại cảm biến được sự dụng rộng rãi để đo vị trí và dịch chuyển. Ưu điểm
của nó là nguyên lý đơn giản, tín hiệu ra lớn và không đòi hỏi phải có mạch đặc biệt để
xử lý tín hiệu.
5
1. Cảm Biến Có Khe Hở Từ Biến ThiênCảm biến gồm một cuộn dây bằng đồng có đường kính 0.02 mm0. 1 mm, quấntrên lõi sắt từ cạnh một nam châm từ vĩnh cửu cố định và thắt chặt ( phần tĩnh ) và một rotor bằng thépcó răng ( số răng khác nhau so với những cảm biến khác nhau ) và hoàn toàn có thể hoạt động ( phần động ), giữa phần tĩnh và phần động có khe hở không khí tạo nên một mạch từhở, khi phần động hoạt động làm cho khe hở không khí này biến hóa kéo theo từ trởcủa mạch từ biến thiên, do đó thông số tự cảm và tổng trở của cuộn dây biến hóa theo. 1 – lõi sắt từ 2 – cuộn dây 3 – phần độngHình sơ đồ nguyên tắc cảm biến điện từ có khe hở từ biến thiênKhi khe hở không khí giữa phần tĩnh và phần động biến hóa, sẽ làm biến thiên củatừ thông xuyên qua cuộn dây. Sự biến thiên của từ thông xuyên qua cuộn dây sẽ tao rasức điện động e : dΦe = k. ω. n. dtTrong đó : k – thông số phụ thuộc vào vật liệu từ lõi thép và môi trường tự nhiên khe hở giữaphần tĩnh và phần động. – số vòng dây cuốn trên lõi thép từ. n – vận tốc quay của phần động. dΦdt – độ biến thiên từ thông trong lõi thép từ. Hệ số tự cảm của cuộn dây cũng hoàn toàn có thể biến hóa. Nếu bỏ lỡ điện trở thuần củacuộn dây và từ trở lõi thép ta có : W. μ. sL = = RδTrong đó : W – số vòng dâyR = μ. s – từ trở của khe hở không khí. – độ rộng khe hở không khí. – độ từ thẩm của không khís – tiết diện thật của khe hở không khí. Với lượng biến hóa hữu hạn Δδ và Δs ta có : 2 20 00 0W. μ W. μ. sΔL =. Δs -. Δδδ ( δ + Δδ ) Độ nhạy của cảm biến : * Khi khe hở không khíthay đổi ( s = const ) : ΔLS = = – ΔδΔδδ 1 +        ÷     * Khi biến hóa tiết diện không khí s ( = const ) : S = = s strong đó : 0 0W. μ. sL = – là giá trị điện cảm ban đầuTổng trở của cảm biến : Nếu tổng trởZ = ω. Lthì ta có : ω. W. μ. sZ = Từ công thức trên ta thấy tổng trở Z của cảm biến là hàm tuyến tính với tiết diện khe hởkhông khí s và phi tuyến với khe hở không khí. Các cảm biến điện cảm vớithay đổithì tỷ sốΔδkhông vượt quá0, 2 0,4 ÷ và độ phi tuyến không vượt quá 1 %. Sự phụ thuộc vào giữa L, Z vào khe hở không khíĐặc tính của cảm biến điện cảm Z = f ( Δδ ) là hàm phi tuyến và nhờ vào tần sốnguồn kích thích, tần số nguồn kích thích càng cao thì độ nhạy của cảm biến càng cao. 2. Cảm Biến Có Lõi Từ Dịch ChuyểnCảm biến gồm một cuộn dây bên trong có lõi sắt từ di động được như hình vẽ : 1 – cuộn dây 2 – lõi từSơ đồ nguyên tắc của cảm biến điện từ có lõi từNguyên lý hoạt động giải trí của cảm biến cũng giống loại có khe hở từ biến thiên, khi có sựdich chuyển của lõi từ, làm cho điện cảm của cuộn dây đổi khác : 0 fL = L + L + 2MT rong đó : L – là điện cảm toàn phần – là điện cảm phần không có lõi từ – là điện cảm phần có lõi từM – thông số, 0 fM = k. L. Lk – là thông số ghép nối0 k 1 ≤ ≤ với : 2 20 0 0 0 0 0 f2 2W WL = μ. . s l = μ. . s. ( l l ) l l { } f 0 0 f fL = μ. . s ( μ 1 ). s. l + − Ta có : ( ) ( ) ( ) 0 0 f f f 0 0 f f f fL = μ. s l μ 1 s l 2 k s s μ 1 s. l l l   + − + + + − −         Với độ dịch chuyểnΔlcủa lõi từ kéo theo sự thay đổiΔLcủa độ tự cảm. Độ tự cảmphụ thuộc vàovà là hàm không tuyến tính củaΔl. Sự không tuyến tính này cũng cóthể cải tổ bằng cách ghép hai cuộn dây đồng dạng vào thành hai nhánh kề sát nhaucủa một cầu điện trở có chung cùng một lõi từ. 3. Ứng Dụng Trên Xe HơiCảm biến vị trí loại điện từ là một cảm biến quan trọng trong mạng lưới hệ thống điều khiểnđộng cơ tân tiến như : mạng lưới hệ thống đánh lửa điện tử, mạng lưới hệ thống phun nguyên vật liệu điện tử EFI, mạng lưới hệ thống chống bó cứng phanh ABS, điều khiển và tinh chỉnh vận tốc không tải và một số ít hệ thốngkhác trên xe hơi. Cảm biến điện từ được ứng dụng để : đo vận tốc như vận tốc động cơ, vận tốc bánhxe, xác lập vị trí trục khuỷu hoặc trục cam, tạo xung cho việc đánh lửa. Ngoài ra cảmbiến cảm ứng điện từ còn được dùng tích hợp với những cảm biến khác trên ôtô. III. Cơ Sở Lý Thuyết Của Cảm Biến Kiểu Biến TrởĐây là loại cảm biến được sự dụng thoáng đãng để đo vị trí và dịch chuyển. Ưu điểmcủa nó là nguyên tắc đơn thuần, tín hiệu ra lớn và không yên cầu phải có mạch đặc biệt quan trọng đểxử lý tín hiệu .

5/5 - (1 vote)
Subscribe
Notify of
guest
0 Comments
Inline Feedbacks
View all comments