Cảm biến đo vị trí. Đê hiểu thêm về cảm biến đo vị trí và dịch chuyển, các bạn theo dỗi bài viêt sau đây nhé !
Phần 1
Nguyên lý đo vị trí và dịch chuyển
Danh mục
Việc xác định vị trí và dịch chuyển đóng vai trò rất quan trọng trong kỹ thuật. Hiện nay có hai phương pháp cơ bản để xác định vị trí và dịch chuyển.
Trong phương pháp thứ nhất, bộ cảm biến cung cấp tín hiệu là hàm phụ thuộc vào vị trí của một trong các phần tử của cảm biến, đồng thời phần tử này có liên quan đến vật caand xác định dịch chuyển.
Trong phương pháp thứ hai, ứng với một dịch chuyển có bản, cảm biến phát ra một xung, việc xác định vị trí và dịch chuyển được tiến hành bằng cách đếm số xung phát ra.
Một số cảm biến không đòi hỏi liên kết cơ học giữa cảm biến và vật cần đo vị trí hoặc dịch chuyển. Mối liên hệ giữa vật chuyển và cảm biến được thực hiên thông qua vai trò trung gian của điện trường, từ trường hoặc điện từ trường, ánh sáng.
Trong chương này trình bày các loại cảm biến thông dụng dùng để xác định vị trí và dịch chuyển của vật như điện kế điện trở, cảm biến điện cảm, cảm biến điện dung, cảm biến quang, cảm biến dùng sóng đàn hồi.
Điện thế kế điện trở – Cảm biến đo vị trí
Loại cảm biến này có cấu tạo đơn giản, tín hiệu đo lớn và không đòi hoit mạch điện đặc biệt để xử lý tín hiệu. tuy nhiên với các điện thế kế điện trở có con chạy cơ học có sự cọ xát gây ồn và mòn, số lần sử dụng thấp và chịu ảnh hưởng lớn của môi trường khi có bụi và ẩm.
Điện thế kế dùng con chạy cơ học – cảm biến đo vị trí
a. Cấu tạo và nguyên lý làm việc
Cảm biến gồm một điện trở cố định R(n), trên đó có một tiếp xúc điện có thể di chuyển được gọi là con chạy. Con chạy được liên kết cơ học vơi vật chuyển động cần khảo sát. Giá trị của điện trở R(x) giữa con chạy và một đầu của điện trở R(n) là hàm phụ thuộc vào vị trí con chạy, cung chình là vị trí của vật chuyển động.
– Đối với điện thế kế chuyển động thẳng:
-Trường hợp điện thế kế dịch chuyển trong hoặc xoắn:
Trong đó α(M) < 360° khi dịch chuyển trong và α(M) > 360° khi dịch chuyển xoắn.
- Điện trở
- Con chạy
Các điện trở dạng cuộn dây thường được chế tạo từ các hợp kim Ni – Cr, Ni – Cu, Ni – Cr – Fe, Ag – Pd quấn thành vòng xoắn dạng lò xo trên lõi cách điện ( bằng thủy tinh, gốm hoặc nhựa), giữa các vòng dây cách điện bằng emay hoặc lớp Oxyt bề mặt.
Các điện trở dạng băng dẫn được chế tạo bằng chất dẻo trộn bột dẫn điện là cacbon hoặc kim loại cỡ hạt ~10‾² μm.
Các điện trở được chế tạo với các giá trị R(n) nằm trong khoảng 1kΩ đến 100kΩ, đôi khi đạt tới MΩ.
Các con chạy phải đảm bảo tiếp xúc điện tốt, điện trở tiếp xúc phải nhỏ và ổn định.
b. Các đặc trưng
Khoảng chạy có ích của con chạy:
Thông thường ở đầu hoặc cuối đường chạy của con chạy tỉ số Rx/Rn không ổn định. Khoảng chạy có ích là khoảng thay đổi của x mà trong khoảng đó Rx là hàm tuyến tính của dịch chuyển.
Năng suất phân giải:
Đối với điện trở dây cuốn, độ phân giải xác định bởi lượng dịch chuyển cực đại cần thiết đê đưa con chạy từ vị trí tiếp xúc hiện tại sang vị trí tiếp xúc lân cận tiếp theo. Giả sử cuộn dây có n vòng dây, có thể phân biệt 2n-2 vị trí khác nhau về điện của con chạy:
+ n vị trí tiếp xúc với một vòng dây.
+ n -2 vị trí tiếp xác với hai vòng dây.
Độ phân giải của điện trở dạng dây phụ thuộc vào hình dạng và đường kính của dây điện trở và vào khoảng ~ 10μm.
Độ phân giải của các điện trở kiểu băng dẫn phụ thuộc vào kích thước hạt, thường vào cỡ ~ 0,1μm.
– Thời gian sống:
Thời gian sống của điện kế là số lần sử dụng của điện thế kế. Nguyên nhân gây ra hư hỏng và hạn chế thời gian sống của điện thế kế là sự mài mòn con chạy và dây điện trở trong quá trình làm việc. Thường thời gian sống của điện thế kế dạng dây dẫn vào cỡ 106 lần, điện kế dạng băng dẫn vào cỡ 5.107-108lần.
Điện thế kế không dùng con chạy cơ học
Để khắc phục nhược điểm của điện thế kế dùng con chạy cơ học, ngươi ta sử dụng điện thế kế liên kết quang hoặc từ.
a. Điện thế kế dùng con trỏ quang
Hình bên dưới trình bày sơ đồ nguyên lý của một điện thế kế dùng con trỏ quang. Điện thế kế còn dùng con trỏ quang gồm điot phát quang (1), băng đo (2), băng tiếp xúc (3) và băng quang dẫn (4). Băng điện trở đo được phân cách với băng tiếp xúc bởi một băng quang dẫn rất mảnh làm bằng CdSe trên đó có con trỏ quang dịch chuyển khi trục của điện thế kế quay. Điện trở của vùng quanh dẫn giảm đáng kể trong vùng được chiếu sáng tạo nên sự liên kết giữa băng đo và băng tiếp xúc.
Thời gian hồi đáp của vật liệu quang dẫn cỡ vài chục ms.
b. Điện thế kế dùng con trỏ từ
Hình trình bày sơ đồ nguyên lý một điện thế kế từ gồm hai từ điện trở R1 và R2 mắc nối tiếp và một nam châm vĩnh cữu ( gắn với trục quay của điện thế kế) bao phủ lên một phần của điện trở R1 và R2, vị trí phần bị bao phủ phụ thuộc góc quay của trục. Điện áp nguồn Es được đặt giữa hai điểm (1) và (3), điện áp đo Vm lấy từ điểm chung (2) và một trong hai đầu (1) hoặc (3).
Khi đó điện áp đo được xác định bởi công thức:
Trong đó R1 là hàm phụ thuộc vị trí của trục quay, vị trí này xác định phần của R1 chịu ảnh hưởng của từ trường còn R=R1 +R2 = Const.
Từ hình ta nhận thấy điện áp đo chỉ tuyến tính trong một khoản ~90° đối với điện kế quay. Đối với điện kế dịch chuyển thẳng khoảng tuyến tính chỉ cỡ vài mm.
Để xem thêm phần hai của cảm biến đo vị trí, các bạn vui lòng theo dõi bài viết sau nhé !
Xem thêm: Cảm biến quang
Xem thêm: Điện trở là gì?
