CHệễNG III CẢM BIẾN VỊ TRÍ
II. ĐO LƯỜNG VỊ TRÍ (DỊCH VỊ)
Phương pháp cảm biến : đo lường vị trí (dịch vị) được chia ra hai loại, dịch vị thẳng và dịch vị góc. Dịch vị thẳng được đo lường trên đơn vị chiều dài, dịch vị góc được đo lường trên đơn vị radian hay độ.
Hình3.2 :thể hiện sự chuyển đổi giữa dịch vị thẳng và dịch vị góc:
∆S Dũch chuyeồn Vò trí
1 Vò trí
2
3.2(a) Dòch vò thaúng
Dòch vò Góc ∆θ
3.2(b) Dịch vị góc
∆θ
r
∆S
∆θ = ∆S/R (rad)
3.2(c) Chuyển đổi dịch chuyển thẳng thành dịch chuyển góc
Min Max
Đại lượng được đo ,C
N go ỷ r a ch uy ển đo ồi đ o lư ờn g ,C m
3.1(d): Đồ thị I/0 đo lường chuyển đổi
Trong xử lý tín hiệu cả liên tục và rời rạc, cảm biến vị trí được sử dụng để xác định vị trí, đo lường bề dầy, đường kính của một vật, vị trí hiện tại của vật đang dịch chuyển, xác định sự tồn tại của một vật.
Cảm biến vị trí thường có một trục có quan hệ cơ khí với đối tượng cần đo.
Để đo lường, cảm biến dựa vào vị trí của trục cảm biến, chức năng của cảm biến là chuyển đổi vị trí của trục cảm biến thành một phẩm chất đo lường. Ví dụ vị trí hiện tại của trục cảm biến có thể gây nên sự thay đổi của điện dung của một tụ điện, tự cảm của cuộn dây, hổ cảm của hai cuộn dây, điện trở ,… từ đó xác định được vị trí của đối tượng. Ngoài ra trục của cảm biến có thể ghép với encoder, một thiết bị chuyển đổi vị trí hiện tại thành tín hiệu số.
Ngoài ra có một số cảm biến, không cần tiếp xúc với đối tượng đo lường.
Cảm biến loại này sử dụng sự thay đổi của hệ số hổ cảm, điện dung, điện trở, … để xác định sự hiện diện và đo lường vị trí của đối tượng.
1. Cảm biến vị trí dùng chiết áp : Cảm biến chứa đựng một biến trở và một contact trượt có thể di chuyển từ đầu này đến đầu kia của điện trở. Cảm biến chiết áp đo lường cả dịch chuyển thẳng và dịch chuyển góc. Như mô tả ở hình 3.3, hai đầu dây biến trở được cung cấp một điện áp chuẩn Es. Điện áp Eoutt của contact trượt có quan hệ trực tiếp với hằng số điện áp chuẩn Es.
+ Chiết áp dịch vị thẳng : OUT ES L
E = x (3.1)
+ Chiết áp dịch vị góc : S
L
OUT E
E θ
= θ (3.2)
Dây điện trở Es
1 2
+ -
+ -
Eout Contact trượt
L x
3.3(a): Chiết áp dịch vị thẳng
Khi dây điện trở là dây quấn thì độ phân giải của cảm biến được xác định bởi bước điện áp hai vòng kề sát nhau của dây. Nếu dây điện trở có N vòng dây, thì bước điện áp giữa mổi vòng là
N
Et =ES (3.3). Neỏu tớnh baống ủụn vũ phaàn traờm của toàn tầm ta có :
N 100 E
E N 100 E
E (%) 100 giải phaân Độ
S S
S
t =
=
= (3.4)
Cảm biến vị trí dùng phương pháp chiết áp có thể gây ra sai số bởi một dòng điện đi qua dây nối với contact trượt, do điện trở tải nối giữa contact trượt và điểm chuaồn .
Cảm biến chiết áp có điện trở tải được mô tả bởi hình 3.4:
ES Daây
điện trở
Contact Trượt θL
θ
+
+ -
- EOUT 3.3(b): chiết áp dịch vị góc
RL
Es 1
2
+
- +
- Eout IL
aRp
Rp
Hình3.4 : Sai số tải được tạo ra ở chiết áp
khi một điện trở tải được nối giữa Contact
trượt và một đầu của dây điện trở
Nếu RP là điện trở của chiết áp và a là vị trí giữa contact trượt và điểm chuẩn. Điện trở RL được nối song song với điện trở aRP, và điện trở tương ủửụng:
P L
P
L aR
R aR R
+ , điện trở ở phần còn lại của chiết áp (1-a)Rp. Điện trở tổng :
P L
P P L
EQ R aR
R R aR
) a 1 (
R = − + + (3.5)
Điện áp ngỏ ra : S 2 S
P L P P L
P L P L
OUT E
r a ar 1 E a ) aR R R ( R aR ) a 1 (
) aR R R ( aR
E = + +
+ +
−
= + (3.6)
Với :r=RP/RL
Sai số tải là sự khác nhau giữa điện thế ngõ ra có tải EOUT và điện thế ngõ ra không tải aES.
) volts ( r E a ar 1
) a 1 ( r E a
r a ar 1 aE a E
aE
Saisoá S OUT S 2 S 2 2 S
− +
= −
−
− +
=
−
= (3.7)
Khi diễn đạt sai số tải là phần trăm của toàn tầm(full scale) :
− +
= −
) a 1 ( ar 1
) a 1 ( r 100 a (%)
Saisoá 2 (3.8)
2. Cảm biến vị trí dùng biến áp vi sai LVDT ( Linear Variable Differental Transformers ) :
Được sử dụng để đo lường dịch chuyển thẳng. Sơ đồ khối của LVDT ở hình3.5:
∼
0 0 Lỏi từ
Dũch chuyeồn X a b
Phát hiện độ lệch
pha
EOUT
(a): Sơ đồ nguyên lý LVDT
-X +X
EOUT +
-
(b): Đồ thị quan hệ ngõ vào/ra Hình3.5: Biến áp vi sai và bộ phát hiện độ lệch pha tạo ra một
điện áp dc EOUT quan hệ với sự dịch chuyển của lỏi từ
LVDT gồm cuộn dây sơ cấp nằm giữa hai cuộn dây thứ cấp trên một lỏi từ hình trụ rỗng. Lỏi từ có thể di chuyển tạo ra sự biến đổi áp quan hệ từ giữa các cuộn dây. Trục cảm biến được gắn vào lỏi từ, do đó sự dịch chuyển của lỏi từ là do sự dịch chuyển của vật được đo. Điện áp AC được cung cấp cho cuộn sơ cấp và kết quả ghép chuyển đổi này làm xuất hiện một điện áp AC ngang qua từng cuộn thứ cấp. Khi lỏi từ ở vị trí trung tâm, thì hai điện áp thứ cấp triệt tiêu lẩn nhau tại hai đầu a và b. Khi lỏi từ dịch chuyển sang một bên, điện thế ở một cuộn thứ cấp được ghép chặt và có giá trị lớn hơn cuộn còn lại. Trị tuyệt đối của điện áp Va-b có liên hệ với sự dịch chuyển của lỏi từ kể từ vị trí không. Khi lỏi từ dịch chuyển cùng khoảng cách nhưng ở hai bên khác nhau của vị trí không, thì điện áp AC tại a và b là: Va-b và –Va-b. Hay nói cách khác, trị tuyệt đối của áp Va-b thể hiện độ lớn dịch chuyển và dấu thể hiện chiều dịch chuyển kể từ vị trí không.
3. Cảm biến vị trí sử dụng selsyn (Synchro Systems):
Selsyn là bộ phận chuyển đổi chuyển động quay thành(dịch chuyển góc) thành một điện áp AC, hay ngược lại chuyển đổi điện áp AC thành chuyển động quay. Có ba loại selsyn khác nhau được sử dụng trong chuyển đổi dịch chuyển góc là: bộ điều khiển phát, bộ điều khiển biến áp và bộ điều khiển vi sai.
Cảm biến vị trí dùng selsyn sử dụng nhóm hai hay ba bộ phận trên để đo lường dịch chuyển góc. Ví dụ một bộ phát điều khiển và biến áp điều khiển từ một hệ thống hai thiết bị ở hình 3.6 để đo lường dịch chuyển góc giữa hai lỏi quay.
AC ∼
CX S1 CT
R1
S2 S3 S2
eOUT
R2
(a):θ = 00
eOUT
t
Sự đo lường dịch chuyển dựa vào sự sai lệch tín hiệu đồng bộ của hai lỏi. Ta có thể thêm vào một bộ điều khiển vi sai tạo một selsyn ba thiết bị như hình3.8 để hiệu chỉnh quan hệ góc của hai lỏi trong khi hoạt động.
Xét selsyn hai thiết bị, được biểu diễn ở hình 3.6. Bộ điều khiển phát là cuộn CX và bộ biến áp điều khiển là cuộn CT. Cả hai bộ phát và biến áp có một lỏi Rotor hình chử H với một cuộn dây đơn nối đến cuộn Rotor xuyên qua vòng trượt trên lỏi, stator của mỗi bộ có ba cuộn dây đấu hình sao.
Một điện áp AC cung cấp cho cuộn Rotor của bộ điều khiển phát, tạo ra một điện áp AC ở ba cuộn Stator, và được dùng để xác định vị trí góc của Rotor. Điện áp Stator này tạo ra một điện áp ở cuộn Rotor của bộ biến thế và được dùng để xác định quan hệ vị trí của hai Rotor. Biên độ điện áp Rotor của bộ biến áp eOUT đạt
AC ∼
CX S1 CT
R1
S2 S3 S2 R2
(b):θ = 900
eOUT
eOUT
t
AC ∼
CX S1 CT
R1
S2 S3 S2
eOUT R2
(c):θ = 1800
eOUT
t
Hình3.6 : Selsyn hai thiết bị(bộ điều khiển phát và bộ điều khiển biến áp) đo lường sự khác pha giữa hai lỏi quay
cực đại khi góc dịch chuyển của hai Rotor là ±1800 và 00, và bằng không khi góc dịch chuyển là ±900.
Hình 3.7 biểu diễn quan hệ biên độ của điện áp ngõ ra eout với góc dịch chuyeồn θ :
(E cos )sin t
eout = m θ ω . (3.9)
Với Em : Biên độ cực đại . θ : Góc dịch chuyển .
ω : Tần số góc của điện áp AC cung cấp cho Rotor bộ phát.
Dấu và biên độ của Emcosθ được xác định bởi sự dịch chuyển của góc θ và hướng dịch chuyển.
Một bộ điều khiển vi sai có thể thêm vào hệ thống trên(hình 3.7), để điều chỉnh điểm hoạt động(điểm không :Emcosθ =0) (hình 3.8). Bộ điều khiển vi sai có Rotor ba cực với ba cuộn dây đấu hình sao. Bộ điều khiển vi sai được nối giữa bộ điều khiển phát và bộ điều khiển biến áp, điện áp ngỏ ra bây giờ là :
( )
[E cos ]sin t
eOUT = m θ+θd ω (3.10)
Với θd là góc quan hệ dịch chuyển của rotor khác(vi sai). Khi θd=0, hệ thống selsyn ba thiết bị không khác với hệ thống selsyn hai thiết bị trên. Khi θd≠0, thì bộ điều khiển vi sai điều khiển điểm hoạt động của hệ thống trở nên đơn giản khi hai rotor của bộ điều khiển phát và bộ điều khiển biến áp dịch chuyển khác nhau.
∼
eout θ
Vò trí Rotor cuûa
bộ phát Vị trí Rotor của bộ biến áp
Điểm làm vieọc θ = 900
Taàm làm việc [Emcosθ]
Góc dịch chuyển θ Hình 3.7 : Biên độ của eout biến đổi theo góc dịch chuyển giữa hai lỏi
theo hàm cosin
4. Bộ giải góc (bộ giải vectơ : resolvers) :
Bộọ giảỷi gúc là một thiết bị chuyển đổi chuyển động quay thành một tớn hiệu ở ngõ ra là một hàm của vị trí Rotor. Hình 3.9 thể hiện vị trí của các cuộn dây trong bộ giải góc. Hai cuộn rotor đặt cách nhau 900, hai cuộn Stator đặt cách nhau 900. Mổi cặp cuộn dây có thể xem như là cuộn sơ cấp và cuộn còn lại là cuộn thứ cấp.
Công thức sau định nghĩa điện áp thứ cấp quan hệ với điện áp sơ cấp khi cuộn rotor được sử dụng như là cuộn sơ cấp :
) 12 . 3 ( ) sin E cos E ( K E
) 11 . 3 ( ) sin E cos E ( K E
3 4
2
4 3
1
θ + θ
=
θ
− θ
=
CX CT
S2 S2
S1
Bộ phát ∼
S3
eout
S3
S2
S3
S1 S1
CR
Bộ vi sai Bộ biến áp
θd
θd=0
( )
[E cos ]sin t
eOUT = m θ+θd ω Hình 3.8: Hệ thống selsyn 3 thiết bị có hiệu chỉnh điểm làm việc
E1 E3
E2
E4 θ
Hình 3.9: Bộ giải góc, một loại cảm biến mà tín hiệu ngõ
ra của nó là một hàm lượng giác của vị trí trục rotor θ. Hai rotor cuộn đặt cách nhau 900 , hai cuộn Stator cũng đặt cách
nhau 900.
Khi bộ giải góc được sử dụng như là cảm biến vị trí, thì một cuộn rotor được nối tắt(hình 3.10). Nếu E4 được nối tắc thì công thức (3.11) và (3.12) đơn giản thành:
) 14 . 3 ( sin KE E
) 13 . 3 ( cos KE E
3 2
3 1
θ
=
θ
=
Công thức (3.13) và (3.14) định nghĩa ngõ ra của bộ giải góc hình (3.10).
Điện áp ngõ vào: E3 = Asin(ωt), điện áp ngõ ra E1 là điện áp dạng sin có biên độ đổi theo sin của góc dịch chuyển vị trí rotor, tương tự ngõ ra E2 cũng là dạng sin có biên độ thay đổi theo hàm sin của góc dịch chuyển vị trí rotor.
Cảm biến vị trí sử dụng bộ giải góc, yêu cầu một mạch sử lý tín hiệu để chuyển đổi hai điện áp E1, E2 thành tín hiệu điện thế có liên hệ với góc dịch chuyển rotor θ. Nếu yêu cầu tín hiệu ngõ ra của cảm biến là tín hiệu số, thì mạch sử lý tín hiệu cũng phải chuyển đổi tín hiệu từ dạng analog sang dạng số , vậy cảm biến thực hiện hai chức năng là bộ giải góc và chuyển đổi tín hiệu sang dạng số.
5. Các loại cảm biến vị trí có ngõ ra là số để giao tiếp trực tiếp với máy tính:
a. Bộ chuyển đổi số : a.1/ Bộ mã hóa số trực tiếp :
Theo lý tưởng, bộ biến đổi có thể đo một đại lượng vật lý tự nhiên và chuyển thành số Binary hay số BCD. Bộ biến đổi loại này rất ít, thực tế thì bộ mã hóa số hầu như chỉ là phần căn bản của bộ biến đổi số. Về căn bản bộ biến đổi số đo sự thay đổi của đại lượng.Tuy nhiên nó có thể dùng để xác định lực, áp suất, mực chất
E1=KE3cosθ
E3=Asinωt E2=KE3sinθ
Hình 3.10: Bộ giải góc sử dụng như cảm biến, có một cuộn θ dây rotor được ngắn mạch.
Từ bộ giải góc đến encoder soá
lỏng bằng cách dùng thiết bị đo chuyển động cơ học (analog mechanical motion translators). Xung nhịp thời gian cũng thuộc loại này, nó trực tiếp tạo tín hiệu số ở ngõ ra.
Bộ biến đổi loại này giao tiếp chính xác với máy tính và biểu thị thông tin của đại lượng tương đồng trực tiếp dưới dạng số.
a.2/ Bộ mã hóa xung ,tần số và thời gian :
Bộ mã hóa loại này tạo ra một chuổi xung số ứng với một hiện tượng vật lý.
Ở đây giá trị của đại lượng cần đo được mã hóa thành độ rộng xung hoặc tần số của xung. Một vài bộ gia công số yêu cầu phải có một thời gian hoặc tần số mẫu chính xác để so sánh với xung của đại lượng vật lý được đo. Tần số và chu kỳ được liên hệ bởi công thức : Tần số = 1/(chu kỳ).
Thông tin từ bộ biến đổi số loại này tương thích với máy tính, máy tính phải đếm được độ rộng xung hoặc xung clock để lấy được thông tin của đại lượng bên ngoài.
a.3/ Bộ mã hóa tương tự sang số :
Ở đây tín hiệu tương tự (thay đổi điện trở, ứng suất) được ghép với một mạch điện để tạo ra tần số hoặc một chuổi xung.
Bộ chuyển đổi Biến đổi trực tiếp Nhieọt
độ,dòng chảy, áp suất, dòng ủieọn, ủieọn áp v…v
Ngõ ra số Máy tính (ngõ vào
soá) Hình 3.11: Sơ đồ khối bộ mã hóa số trực tiếp
Bộ chuyển đổi Tốc độ,
dòng chảy,
v…v Bộ đếm Ngõ ra số
Xung Xử lý số
Máy tính(ngõ
vào số) Hình 3.12: Sơ đồ khối bộ mã hóa xung, tần số, thời gian
Ngõ ra Điện trở, số
ứng suất Nhiệt độ, áp
suaát, khoái lượngv…v
Bộ đếm Xử lý số
Khueách đại
xung
Hình 3.13 : Sơ đồ khối bộ mã hóa tương tự sang số
a.4/ Bộ chuyển đổi A/D.
Tín hiệu tương tự từ bộ biến đổi có thể được đưa vào trong máy tính thông qua bộ chuyển đổi A/D.
b. Encoder soá :
Mỗi bộ encoder số bao gồm một đĩa tròn với các vạch kẻ mẫu ở trên đó. Các vạch mẫu này được đọc bởi đầu cảm biến. Đĩa này thường đi kèm với trục của nó và trụùc này làm quay những mẫu khỏc phỏt ra tớn hiệu cho mỗi vị trớ nhận được.
Cách ghi các mã trên đĩa phụ thuộc vào các vạch mẫu trên nó .
Có 3 loại encoder chính: encoder tiếp xúc, encoder từ trường và encoder quang.
b.1/ Encoder tieáp xuùc :
Điểm tiếp xúc thực tế của loại encoder này là giữa đĩa và đầu đọc thông qua
‘chổi than’. Loại này có các nhược điểm là tạo ra ma sát, hao mòn, bụi bẩn, điện trở tiếp xúc và rung động v…v làm giảm độ chính xác và tuổi thọ.
Độ phân giải của encoder phụ thuộc vào đường rãnh và độ chính xác nhỏ nhất của một rãnh có thể có được trên đĩa, độ phân giải có thể đạt đến 10 rãnh trên đĩa.
Độ phân giải có thể tăng lên bằng cách nhiều tần đĩa hoặc dùng bộ đếm lên/xuốngcó dung lượng bộ đếm cao.
b.2/ Encoder từ trường :
Encoder từ trường yêu cầu đĩa phải được tráng một lớp vật liệu từ, trong đó những vạch mẫu không được phủ. Các vết từ có thể đọc bằng một đầu đọc làm bằng nam châm. Encoder từ trường có tuổi thọ cao hơn encoder tiếp xúc.
b.3/ Encoder quang :
Encoder quang là loại thông dụng nhất nhờ vào độ chính xác cao và dùng ánh sáng của bán dẩn(Leds). Một encoder quang có bốn phần chính: nguồn quang, đĩa mã, cảm biến quang và mạch xử lý tín hiệu. Encoder quang có thể được phân thành hai loại: Encoder tăng dần và encoder tuyệt đối.
Xử lý số Nhiệt độ,
dòng chảy,
v…v Ngõ ra
soá Khueách
đại Xử lý tương tự
Chuyển đổi A/D hay V/F
Hình 3.14 :Sơ đồ khối bộ chuyển đổi Analog to Digital
Encoder quang tương đối: tạo ra xung từ một hay nhiều track tập trung trên đĩa mã. Xung được tạo ra khi mà tia sáng xuyên qua lỗ trên đĩa mã. Do Encoder tương đối có ba track thì sẽ có ba nguồn sáng và ba cảm biến quang.
Hình 3.15 biểu diễn một encoder quang tăng dần với 3 track. Trên track trong chỉ có một lổ; hai track còn lại có một chuổi các lổ cách điều nhau tạo thành vòng tròn quanh đĩa mã. Các lổ ở track giữa lệch so với các lổ trên track bên ngoài một khoảng bằng một nửa độ rộng của một lổ. Mục đích của độ lệch này là tạo ra thông tin về hướng quay. Sơ đồ xung do track phát ra (hình 3.15 b) khi đĩa quay trên một bộ đếm độ rộọng xung clock cú hướng. Chỳ ý rằng xung phỏt từ track ngoài tạo sự nhanh pha hơn xung phỏt ra track bờn trong một khoảng bằng ẵ bề rộng của xung. Nếu hướng quay ngược lại, thì xung clock phát ra từ track trong nhanh pha hơn xung clock track ngoài một khoóng bằng ẵ bề rộng xung.
Đĩa mã
3 cảm biến quang
3 tia sáng 3 nguồn sáng
Time 0
Track ngoài Track
giữa Track
trong
PW ẵ PW
Hình 3.15:Encoder tăng dần với 3 track, track trong tạo một xung chuẩn khi trục quay đến vị trí ban đầu, track giữa cung cấp thông tin về hướng quay.
Một hướng, xung do track này phát ra chậm pha hơn track ngoài; hướng khác, track này phát xung nhanh pha hơn track ngoài