Bài giảng Cảm biến và đo lường - Chương IV: Cảm biến đo vị trí và dịch chuyển

Nội dung text: Bài giảng Cảm biến và đo lường - Chương IV: Cảm biến đo vị trí và dịch chuyển

1. Ch−ơng IV Cảm biến đo vị trí và dịch chuyển 4.1. Nguyên lý đo vị trí và dịch chuyển Việc xác định vị trí và dịch chuyển đóng vai trò rất quan trọng trong kỹ thuật. Hiện nay có hai ph−ơng pháp cơ bản để xác định vị trí và dịch chuyển. Trong ph−ơng 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 cần xác định dịch chuyển. Trong ph−ơng pháp thứ hai, ứng với một dịch chuyển cơ bản, cảm biến phát ra một xung. Việc xác định vị trí và dịch chuyển đ−ợc 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 dịch chuyển và cảm biến đ−ợc thực hiện thông qua vai trò trung gian của điện tr−ờng, từ tr−ờng hoặc điện từ tr−ờng, ánh sáng. Trong ch−ơng này trình bày các loại cảm biến thông dụng dùng để xác định vị trí và dịch chuyển của vật nh− điện thế kế điện trở, cảm biến điện cảm, cảm biến điện dung, cảm biến quang, cảm biến dùng sóng đàn hồi. 4.2. Điện thế kế điện trở Loại cảm biến này có cấu tạo đơn giản, tín hiệu đo lớn và không đòi hỏi 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 h−ởng lớn của môi tr−ờng khi có bụi và ẩm. 4.2.1. Điện thế kế dùng con chạy cơ học a) Cấu tạo và nguyên lý làm việc Cảm biến gồm một điện trở cố định Rn, trên đó có một tiếp xúc điện có thể di chuyển đ−ợc gọi là con chạy. Con chạy đ−ợc liên kết cơ học với vật chuyển động cần khảo sát. Giá trị của điện trở Rx giữa con chạy và một đầu của điện trở Rn là hàm phụ thuộc vào vị trí con chạy, cũng chính là vị trí của vật chuyển động. - Đối với điện thế kế chuyển động thẳng (hình 4.1a): l R = R (4.1) x L n - 71 -
2. - Tr−ờng hợp điện thế kế dịch chuyển tròn hoặc xoắn: α (4.2) R x = R n α M o o Trong đó αM 360 khi dịch chuyển xoắn. (hình 4.1c) Rx, l 2 1 1 R , L n, a) 2 1 1 2 Rn Rα Rα Rn c) b) Hình 4.1 Các dạng điện thế kế 1) Điện trở 2) Con chạy Các điện trở đ−ợc chế tạo có dạng cuộn dây hoặc băng dẫn. Các điện trở dạng cuộn dây th−ờng đ−ợc 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 thuỷ tinh, gốm hoặc nhựa), giữa các vòng dây cách điện bằng emay hoặc lớp oxyt bề mặt. Các điện trở dạng băng dẫn đ−ợc chế tạo bằng chất dẻo trộn bột dẫn điện là cacbon hoặc kim loại cỡ hạt ~10-2àm. Các điện trở đ−ợc chế tạo với các giá trị Rn 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 tr−ng - Khoảng chạy có ích của con chạy: - 72 -
3. Thông th−ờng ở đầu hoặc cuối đ−ờng 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. R x Cuối đ−ờng chạy Khoảng chạy có ích Đầu đ−ờng chạy x Hình 4.2 Sự phụ thuộc của điện trở Hình 4.3 Độ phân giải của điện thế điện thế kế vào vị trí con chạy kế dạng dây - Năng suất phân giải: Đối với điện trở dây cuốn, độ phân giải xác định bởi l−ợng dịch chuyển cực đại cần thiết để đ−a 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 xúc với hai vòng dây. Độ phân giải của điện trở dạng dây phụ thuộc vào hình dạng và đ−ờng kính của dây điện trở và vào khoảng ~10àm. Độ phân giải của các điện trở kiểu băng dẫn phụ thuộc vào kích th−ớc hạt, th−ờng vào cỡ ~ 0,1 àm. - Thời gian sống: Thời gian sống của điện kế là số lần sử dụng của điện thế kế. Nguyên nhân gây ra h− 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. Th−ờng thời gian sống của điện thế kế dạng dây dẫn vào cỡ 106 lần, điện kế dạng băng dẫn vào cỡ 5.107 - 108 lần. 4.2.2. Điện thế kế không dùng con chạy cơ học Để khắc phục nh−ợc điểm của điện thế kế dùng con chạy cơ học, ng−ời ta sử dụng điện thế kế liên kết quang hoặc từ. - 73 -
4. a) Điện thế kế dùng con trỏ quang Hình 4.4 trình bày sơ đồ nguyên lý của một điện thế kế dùng con trỏ quang. Điện thế kế tròn 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 đ−ợc 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 quang dẫn giảm đáng kể trong vùng đ−ợc chiếu sáng tạo nên sự liên kết giữa băng đo và băng tiếp xúc. 3 4 2 1 Điện trở ~20 ms Thời gian Hình 4.4 Điện thế kế quay dùng con trỏ quang 1) Điot phát quang 2) Băng đo 3) Băng tiếp xúc 4) Băng quang dẫn Thời gian hồi đáp của vật liệu quang dẫn cỡ vài chục ms. b) Điện thế kế dùng con trỏ từ Hình 4.5 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 đ−ợc 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 đ−ợc xác định bởi công thức: R1 R1 Vm = E S = E S (4.3) R1 + R 2 R - 74 -
5. Trong đó R1 là hàm phụ thuộc vị trí của trục quay, vị trí này xác định phần của R1 chịu ảnh h−ởng của từ tr−ờng còn R = R1 + R2 = const. 2 V /E m S R1 70% R2 50% 1 3 30% 0O 180O 360O a) b) Hình 4.5 Điện thế kế điện từ Từ hình 4.5b ta nhận thấy điện áp đo chỉ tuyến tính trong một khoảng ~90o đối với điện kế quay. Đối với điện kế dịch chuyển thẳng khoảng tuyến tính chỉ cỡ vài mm. 4.3. Cảm biến điện cảm Cảm biến điện cảm là nhóm các cảm biến làm việc dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ. Vật cần đo vị trí hoặc dịch chuyển đ−ợc gắn vào một phần tử của mạch từ gây nên sự biến thiên từ thông qua cuộn đo. Cảm biến điện cảm đ−ợc chia ra: cảm biến tự cảm và hỗ cảm. 4.3.1. Cảm biến tự cảm a) Cảm biến tự cảm có khe từ biến thiên - Cảm biến tự cảm đơn: trên hình 4.6 trình bày sơ đồ nguyên lý cấu tạo của một số loại cảm biến tự cảm đơn. 1 2 3 1 2 X XV V R 1 2 3 δ a) b) c) Hình 4.6 Cảm biến tự cảm 1) Lõi sắt từ 2) Cuộn dây 3) Phần động - 75 -
6. Cảm biến tự cảm đơn gồm một cuộn dây quấn trên lõi thép cố định (phần tĩnh) và một lõi thép có thể di động d−ới tác động của đại l−ợng đo (phần động), giữa phần tĩnh và phần động có khe hở không khí tạo nên một mạch từ hở. Sơ đồ hình 4.6a: d−ới tác động của đại l−ợng đo XV, phần ứng của cảm biến di chuyển, khe hở không khí δ trong mạch từ thay đổi, làm cho từ trở của mạch từ biến thiên, do đó hệ số tự cảm và tổng trở của cuộn dây thay đổi theo. Sơ đồ hình 4.6b: khi phần ứng quay, tiết diện khe hở không khí thay đổi, làm cho từ trở của mạch từ biến thiên, do đó hệ số tự cảm và tổng trở của cuộn dây thay đổi theo. Hệ số tự cảm của cuộn dây cũng có thể thay đổi do thay đổi tổn hao sinh ra bởi dòng điện xoáy khi tấm sắt từ dịch chuyển d−ới tác động của đại l−ợng đo Xv (hình 4.6c). Nếu bỏ qua điện trở của cuộn dây và từ trở của lõi thép ta có: W2 W2à s L = = 0 Rδ δ Trong đó: W- số vòng dây. δ Rδ = - từ trở của khe hở không khí. à0s δ - chiều dài khe hở không khí. s - tiết diện thực của khe hở không khí. Tr−ờng hợp W = const ta có: ∂L ∂L dL = ds + dδ ∂s ∂δ Với l−ợng thay đổi hữu hạn ∆δ và ∆s ta có: W2à W2à s ∆L = 0 ∆s − 0 0 ∆δ (4.4) δ 2 0 ()δ0 + ∆δ Độ nhạy của cảm biến tự cảm khi khe hở không khí thay đổi (s=const): ∆L L0 S δ = = − 2 (4.5) ∆δ ⎡ ⎛ ∆δ ⎞⎤ ⎜ ⎟ δ0 ⎢1+ ⎜ ⎟⎥ ⎣ ⎝ δ0 ⎠⎦ Độ nhạy của cảm biến tự cảm khi thay đổi tiết diện không khí (δ = const): - 76 -
7. ∆L L0 S s = = (4.6) ∆s s0 Tổng trở của cảm biến: ωW2à s Z = ωL = 0 (4.7) δ Từ công thức (4.7) ta thấy tổng trở Z của cảm biến là hàm tuyến tính với tiết diện khe hở không khí s và phi tuyến với chiều dài khe hở không khí δ. Z, L L = f(∆δ) Z5000Hz = f(∆δ) Z500Hz = f(∆δ) ∆δ Hình 4.7 Sự phụ thuộc giữa L, Z với chiều dày khe hở không khí δ Đặc tính của cảm biến tự cảm đơn Z = f(∆δ) 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 (hình 4.7). - Cảm biến tự cảm kép lắp theo kiểu vi sai: Để tăng độ nhạy của cảm biến và tăng đoạn đặc tính tuyến tính ng−ời ta th−ờng dùng cảm biến tự cảm kép mắc theo kiểu vi sai (hình 4.8). XV X V X V a) b) c) Hình 4.8 Cảm biến tự cảm kép mắc theo kiểu vi sai Đặc tính của cảm biến tự cảm kép vi sai có dạng nh− hình 4.9. - 77 -
8. L L1 = f(δ) L1 - L2 = f(δ) δ L2 = f(δ) Hình 4.9 Đặc tính của cảm biến tự cảm kép lắp vi sai b) Cảm biến tự cảm có lõi từ di động Cảm biến gồm một cuộn dây bên trong có lõi từ di động đ−ợc (hình 4.10). 1 2 XV l0 lf l Hình 4.10 Sơ đồ nguyên lý cảm biến tự cảm có lõi từ 1) Cuộn dây 2) Lõi từ D−ới tác động của đại l−ợng đo XV, lõi từ dịch chuyển làm cho độ dài lf của lõi từ nằm trong cuộn dây thay đổi, kéo theo sự thay đổi hệ số tự cảm L của cuộn dây. Sự phụ thuộc của L vào lf là hàm không tuyến tính, tuy nhiên có thể cải thiện bằng cách ghép hai cuộn dây đồng dạng vào hai nhánh kề sát nhau của một cầu điện trở có chung một lõi sắt. 4.3.2. Cảm biến hỗ cảm Cấu tạo của cảm biến hỗ cảm t−ơng tự cảm biến tự cảm chỉ khác ở chỗ có thêm một cuộn dây đo (hình 4.11). Trong các cảm biến đơn khi chiều dài khe hở không khí (hình 4.11a) hoặc tiết diện khe không khí thay đổi (hình 4.11b) hoặc tổn hao do dòng điện xoáy thay đổi (hình 4.11c) sẽ làm cho từ thông của mạch từ biến thiên kéo theo suất điện động e trong cuộn đo thay đổi. - Cảm biến đơn có khe hở không khí: - 78 -
9. iW1 iW1à0s Từ thông tức thời: Φ t = = Rδ δ i - giá trị dòng điện tức thời trong cuộn dây kích thích W1. ~ 4 1 1 3 1 2 XV X V 3 3 2 4 4 ~ a)4 b) c) ~ X ~ V XV XV φ1 φ2 ~ ~ ~ e) d) đ) Hình 4.11 Cảm biến hỗ cảm 1) Cuộn sơ cấp 2) Gông từ 3) lõi từ di động 4) Cuộn thứ cấp (cuộn đo) Sức điện động cảm ứng trong cuộn dây đo W2: dΦ W W à s di e = −W t = − 2 1 0 . 2 dt δ dt W2 - số vòng dây của cuộn dây đo. Khi làm việc với dòng xoay chiều i = I m sinωt , ta có: W W à s e = − 2 1 0 ωI cosωt δ m và giá trị hiệu dụng của suất điện động: W W à s s E = − 2 1 0 ωI = k δ δ I - giá trị hiệu dụng của dòng điện, k = W2 W1à0ωI . Với các giá trị W2, W1, à0, ω và I là hằng số, ta có: ∂E ∂E dE = ds + dδ ∂s ∂δ - 79 -
10. ∆s ∆δ Hay ∆E = k − ks 2 (4.8) ∂0 ()δ0 + ∆δ Độ nhạy của cảm biến với sự thay đổi của chiều dài khe hở không khí δ (s = const): ∆E ks E0 S δ = = − 2 = 2 (4.9) ∆δ ⎛ ∆δ ⎞ ⎛ ∆δ ⎞ 2 ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ δ0 ⎜1+ ⎟ δ0 ⎜1+ ⎟ ⎝ δ0 ⎠ ⎝ δ0 ⎠ Còn độ nhạy khi tiết diện khe hở không khí s thay đổi (δ = const): ∆E k E0 SS = = = (4.10) ∆s δ0 s0 ks0 E0 = - sức điện động hỗ cảm ban đầu trong cuộn đo W2 khi XV = 0. δ0 Ta nhận thấy công thức xác định độ nhạy của cảm biến hỗ cảm có dạng t−ơng tự nh− cảm biến tự cảm chỉ khác nhau ở giá trị của E0 và L0. Độ nhạy của cảm biến hỗ cảm Sδ và SS cũng tăng khi tần số nguồn cung cấp tăng. - Cảm biến vi sai: để tăng độ nhạy và độ tuyến tính của đặc tính cảm biến ng−ời ta mắc cảm biến theo sơ đồ vi sai (hình 4.11d,đ,e). Khi mắc vi sai độ nhạy của cảm biến tăng gấp đôi và phạm vi làm việc tuyến tính mở rộng đáng kể. - Biến thế vi sai có lõi từ: gồm bốn cuộn dây ghép đồng trục tạo thành hai cảm biến đơn đối xứng, bên trong có lõi từ di động đ−ợc (hình 4.12). Các cuộn thứ cấp đ−ợc nối ng−ợc với nhau sao cho suất điện động trong chúng triệt tiêu lẫn nhau. 2 2 3 1 ~ ~ Hình 4.12 Cảm biến hỗ cảm vi sai 1) Cuộn sơ cấp 2) Cuộn thứ cấp 3) Lõi từ Về nguyên tắc, khi lõi từ ở vị trí trung gian, điện áp đo Vm ở đầu ra hai cuộn thứ cấp bằng không. Khi lõi từ dịch chuyển, làm thay đổi mối quan hệ giữa cuộn sơ cấp với các cuộn thứ cấp, tức là làm thay đổi hệ số hỗ cảm giữa cuộn sơ cấp với các - 80 -
11. cuộn thứ cấp. Khi điện trở của thiết bị đo đủ lớn, điện áp đo Vm gần nh− tuyến tính với hiệu số các hệ số hỗ cảm của hai cuộn thứ cấp. 4.4. Cảm biến điện dung 4.4.1. Cảm biến tụ điện đơn Các cảm biến tụ điện đơn là một tụ điện phẳng hoặc hình trụ có một bản cực gắn cố định (bản cực tĩnh) và một bản cực di chuyển (bản cực động) liên kết với vật cần đo. Khi bản cực động di chuyển sẽ kéo theo sự thay đổi điện dung của tụ điện. - Đối với cảm biến hình 4.13a: d−ới tác động của đại l−ợng đo XV, bản cực động di chuyển, khoảng các giữa các bản cực thay đổi, kéo theo điện dung tụ điện biến thiên. εε s C = 0 δ ε - hằng số điện môi của môi tr−ờng. ε0 - hằng số điện môi của chân không. s - diện tích nằm giữa hai điện cực. δ - khoảng cách giữa hai bản cực. δ XV α X XV V b) c) a) Hình 4.13 Cảm biến tụ điện đơn - Đối với cảm biến hình 4.13b: d−ới tác động của đại l−ợng đo XV, bản cực động di chuyển quay, diện tích giữa các bản cực thay đổi, kéo theo sự thay đổi của điện dung tụ điện. ε s ε πr 2 C = 0 = 0 .α (4.11) δ 360δ α - góc ứng với phần hai bản cực đối diện nhau. - 81 -
12. Đối với cảm biến hình 4.13c: d−ới tác động của đại l−ợng đo XV, bản cực động di chuyển thẳng dọc trục, diện tích giữa các bản cực thay đổi, kéo theo sự thay đổi của điện dung. 2πε C = 0 .l (4.12) log(r2 / r1 ) Xét tr−ờng hợp tụ điện phẳng, ta có: εs C= δ ∂C ∂C ∂C dC= dε + ds + dδ ∂ε ∂s ∂δ Đ−a về dạng sai phân ta có: s ε ε s 0 0 0 0 (4.13) ∆C = ∆ε + ∆s − 2 ∆δ δ0 δ0 ()δ0 + ∆δ Khi khoảng cách giữa hai bản cực thay đổi ( ε = const và s=const), độ nhạy của cảm biến: ∆C ε0s0 S C δ = = − 2 (4.14) ∆δ ()δ0 + ∆δ Khi diện tích của bản cực thay đổi ( ε = const và δ = const), độ nhạy của cảm biến: ∆C ε0 S C S = = (4.15) ∆s δ0 Khi hằng số điện môi thay đổi ( s = const và δ = const), độ nhạy của cảm biến: ∆C s0 S C ε = = (4.16) ∆ε δ0 Nếu xét đến dung kháng: 1 δ Z = = ωC ωεs ∂Z ∂Z ∂Z dZ= dε + ds + dδ ∂ε ∂s ∂δ Đ−a về dạng sai phân: δ0 δ0 1 ∆Z = − 2 ∆ε − 2 ∆s + ∆δ ωs0 ()ε0 + ∆ε ωε0 ()s0 + ∆s ωε0s0 T−ơng tự trên ta có độ nhạy của cảm biến theo dung kháng: - 82 -
13. δ 0 (4.17) S Zε = − 2 ωs0 ()ε0 + ∆ε δ 0 (4.18) S Zs = − 2 ωε0 ()s0 + ∆s 1 S Zδ = (4.19) ωε0s0 Từ các biểu thức trên có thể rút ra: - Biến thiên điện dung của cảm biến tụ điện là hàm tuyến tính khi diện tích bản cực và hằng số điện môi thay đổi nh−ng phi tuyến khi khoảng cách giữa hai bản cực thay đổi. - Biến thiên dung kháng của cảm biến tụ điện là hàm tuyến tính khi khoảng cách giữa hai bản cực thay đổi nh−ng phi tuyến khi diện tích bản cực và hằng số điện môi thay đổi. Ngoài ra giữa hai bản cực khi có điện áp đặt vào sẽ phát sinh lực hút, lực này cần phải nhỏ hơn đại l−ợng đo. 4.4.2. Cảm biến tụ kép vi sai XV A2 A1 A3 XV A1 A2 A3 α A 1 XV A A 2 3 δ c) a) b) Hình 4.14 Cảm biến tụ kép vi sai Tụ kép vi sai có khoảng cách giữa các bản cực biến thiên dịch chuyển thẳng (hình 4.14a) hoặc có diện tích bản cực biến thiên dịch chuyển quay (hình 4.14b) và dịch chuyển thẳng (hình 4.14c) gồm ba bản cực. Bản cực động A1 dịch chuyển giữa hai bản cực cố định A2 và A3 tạo thành cùng với hai bản cực này hai tụ điện có điện dung C21 và C31 biến thiên ng−ợc chiều nhau. Độ nhạy và độ tuyến tính của tụ kép vi sai cao hơn tụ đơn và lực t−ơng hỗ giữa các bản cực triệt tiêu lẫn nhau do ng−ợc chiều nhau. - 83 -
14. 4.4.3. Mạch đo Thông th−ờng mạch đo dùng với cảm biến điện dung là các mạch cầu không cân bằng cung cấp bằng dòng xoay chiều. Mạch đo cần thoả mãn các yêu cầu sau: - Tổng trở đầu vào tức là tổng trở của đ−ờng chéo cầu phải thật lớn. - Các dây dẫn phải đ−ợc bọc kim loại để tránh ảnh h−ởng của điện tr−ờng ngoài. - Không đ−ợc mắc các điện trở song song với cảm biến. - Chống ẩm tốt. Hình 4.15a là sơ đồ mạch cầu dùng cho cảm biến tụ kép vi sai với hai điện trở. Cung cấp cho mạch cầu là một máy phát tần số cao. Hình 4.15b là sơ đồ mạch mặch cầu biến áp với hai nhánh tụ điện. Cx R A 2 C eS ~ A1 Ura 0 eS ~ U A3 ra R a) b) Hình 4.15 Mạch đo th−ờng dùng với cảm biến tụ điện 4.5. Cảm biến quang Các cảm biến đo vị trí và dịch chuyển theo ph−ơng pháp quang học gồm nguồn phát ánh sáng kết hợp với một đầu thu quang (th−ờng là tế bào quang điện). Tuỳ theo cách bố trí đầu thu quang, nguồn phát và th−ớc đo (hoặc đối t−ợng đo), các cảm biến đ−ợc chia ra: - Cảm biến quang phản xạ. - Cảm biến quang soi thấu. 4.5.1. Cảm biến quang phản xạ Cảm biến quang phản xạ (hình 4.16) hoạt động theo nguyên tắc dọi phản quang: đầu thu quang đặt cùng phía với nguồn phát. Tia sáng từ nguồn phát qua thấu kính hội tụ đập tới một th−ớc đo chuyển động cùng vật khảo sát, trên th−ớc có những vạch chia phản quang và không phản quang kế tiếp nhau, khi tia sáng gặp phải vạch chia phản quang sẽ bị phản xạ trở lại đầu thu quang. - 84 -
15. 1 2 3 Hình 4.16 Cảm biến quang phản xạ 1) Nguồn phát 2) Th−ớc đo 3) Đầu thu quang Cảm biến loại dọi phản quang, không cần dây nối qua vùng cảm nhận nh−ng cự ly cảm nhận thấp và chịu ảnh h−ởng của ánh sáng từ nguồn sáng khác. 4.5.2. Cảm biến quang soi thấu Sơ đồ cấu trúc của một cảm biến đo vị trí và dịch chuyển theo nguyên tắc soi thấu trình bày trên hình 4.17a. Cảm biến gồm một nguồn phát ánh sáng, một thấu kính hội tụ, một l−ới chia kích quang và các phần tử thu quang (th−ờng là tế bào quang điện). Tín hiệu ra Chu kỳ chia Vr1 3 2 V 1 5 r2 Tín hiệu chuẩn 6 4 a) b) Hình 4.17 a) Sơ đồ cấu tạo cảm biến quang soi thấu b) Tín hiệu ra 1) Nguồn sáng 2) Thấu kính hội tụ 3) Th−ớc đo 4) L−ới chia 5) Tế bào quang điện 6) Mã chuẩn Khi th−ớc đo (gắn với đối t−ợng khảo sát, chạy giữa thấu kính hội tụ và l−ới chia) có chuyển động t−ơng đối so với nguồn sáng sẽ làm xuất hiện một tín hiệu ánh sáng hình sin. Tín hiệu này đ−ợc thu bởi các tế bào quang điện đặt sau l−ới chia. Các tín hiệu đầu ra của cảm biến đ−ợc khuếch đại trong một bộ tạo xung điện tử tạo thành tín hiệu xung dạng chữ nhật. - 85 -
16. Các tế bào quang điện bố trí thành hai dãy và đặt lệch nhau một phần t− độ chia nên ta nhận đ−ợc hai tín hiệu lệch pha 90o (hình 4.17b), nhờ đó không những xác định đ−ợc độ dịch chuyển mà còn có thể nhận biết đ−ợc cả chiều chuyển động. Để khôi phục điểm gốc trong tr−ờng hợp mất điện nguồn ng−ời ta trang bị thêm mốc đo chuẩn trên th−ớc đo. −u điểm của các cảm biến soi thấu là cự ly cảm nhận xa, có khả năng thu đ−ợc tín hiệu mạnh và tỉ số độ t−ơng phản sáng tối lớn, tuy nhiên có hạn chế là khó bố trí và chỉnh thẳng hàng nguồn phát và đầu thu. 4.6. Cảm biến đo dịch chuyển bằng sóng đàn hồi 4.6.1. Nguyên lý đo dịch chuyển bằng sóng đàn hồi Tốc độ truyền sóng đàn hồi v trong chất rắn ~ 103m/s. Thời gian truyền sóng giữa hai điểm trong vật rắn cách nhau một khoảng l xác định bởi biểu thức: l t = P v Biết tốc độ truyền sóng v và đo thời gian truyền sóng tP ta có thể xác định đ−ợc khoảng cách l cần đo: l = vt P Sơ đồ khối của một thiết bị đo dịch chuyển bằng sóng đàn hồi biểu diễn trên hình 4.18. Thời gian truyền sóng tP từ khi tín hiệu xuất hiện ở máy phát đến khi nó đ−ợc tiếp nhận ở máy thu đ−ợc đo bằng máy đếm xung. Máy đếm hoạt động khi bắt đầu phát sóng và đóng lại khi tín hiệu đến đ−ợc máy thu. Đồng hồ Máy đếm Máy thu l Máy phát Hình 4.18 Sơ đồ khối của một thiết bị đo dịch chuyển bằng sóng đàn hồi Gọi số xung đếm đ−ợc là N và chu kỳ của xung đếm là tH, ta có: t P = Nt H - 86 -
17. Khi đó: l = vNt H (4.20) 4.6.2. Cảm biến sử dụng phần tử áp điện Trong các cảm biến áp điện, sóng đàn hồi đ−ợc phát và thu nhờ sử dụng hiệu ứng áp điện. Hiệu ứng áp điện là hiện t−ợng khi một tấm vật liệu áp điện (thí dụ thạch anh) bị biến dạng d−ới tác dụng của một lực cơ học có chiều nhất định, trên các mặt đối diện của tấm xuất hiện một l−ợng điện tích bằng nhau nh−ng trái dấu, ng−ợc lại d−ới tác động của điện tr−ờng có chiều thích hợp, tấm vật liệu áp điện bị biến dạng. Để đo dịch chuyển ta có thể sử dụng hai dạng sóng đàn hồi: - Sóng khối: dọc và ngang. - Sóng bề mặt. Sóng khối dọc truyền cho các phần tử của vật rắn dịch chuyển dọc theo ph−ơng truyền sóng tạo nên sự nén rồi lại giãn nở của các lớp của vật rắn. Sóng này đ−ợc kích thích bằng phần tử áp điện rung theo bề dày (hình 4.19a). Sóng khối ngang gây nên dịch chuyển vuông góc với ph−ơng truyền sóng, tạo ra chuyển động tr−ợt t−ơng đối giữa các lớp của vật rắn. Sóng này đ−ợc kích thích bằng một phần tử áp điện rung theo mặt cắt (hình 4.19b). Ph−ơng truyền sóng Ph−ơng truyền sóng V V b) a) λ V c) Hình 4.19 Các dạng sóng đàn hồi a) Sóng dọc b) Sóng ngang c) Sóng bề mặt và dạng điện cực kích thích Sóng bề mặt truyền trong lớp bề mặt của vật rắn, biên độ của chúng hầu nh− bằng không ở độ sâu 2λ d−ới bề mặt. Sóng bề mặt gồm một thành phần sóng dọc và một thành phần sóng ngang. Nguồn kích thích sóng bề mặt là một hệ điện cực kiểu - 87 -
18. răng l−ợc cài nhau phủ lên bề mặt vật liệu áp điện (hình 4.19c). Khoảng cách giữa hai răng kề nhau của các điện cực phải bằng λ để có thể gây ra biến dạng khi có điện áp V cùng pha đặt vào và để tăng hiệu ứng của chúng. Máy thu sóng bề mặt cũng có cấu tạo t−ơng tự nh− máy phát đ−ợc gắn cố định vào bề mặt vật rắn, khi có sóng bề mặt đi qua, các răng của điện cực làm biến dạng bề mặt vật rắn và gây nên điện áp do hiệu ứng áp điện. 4.6.3. Cảm biến âm từ Sóng đàn hồi phát ra nhờ sử dụng hiệu ứng Wiedemam: hiện t−ợng xoắn một ống trụ sắt từ khi nó chịu tác dụng đồng thời của một từ tr−ờng dọc và một từ tr−ờng ngang. Sóng đàn hồi đ−ợc thu trên cơ sở sử dụng hiệu ứng Vilari: sức căng cơ học làm thay đổi khả năng từ hoá và độ từ thẩm của vật liệu sắt từ. Sơ đồ nguyên lý và cấu tạo của cảm biến âm từ trình bày trên hình 4.20. Cấu tạo của cảm biến gồm ống sắt từ (1), nam châm di động (2) tr−ợt dọc ống gắn với vật cần xác định vị trí. Dây dẫn (3) nằm giữa trục ống và đ−ợc nối với máy phát xung (4). Máy thu (5) có lõi từ nối cơ học với ống. 1 2 3 5 Đầu thu l Máy phát xung 4 Hình 4.20 Sơ đồ nguyên lý cảm biến âm từ 1) ống sắt từ 2) Nam châm 3) Dây dẫn 4) Máy phát xung 5) Đầu thu Nguyên lý hoạt động của cảm biến: Máy phát (4) cung cấp một xung điện truyền qua dây dẫn (3), xung này truyền với vận tốc ánh sáng (c), từ tr−ờng do nó sinh ra có đ−ờng sức là đ−ờng tròn đồng tâm với trục ống. Khi sóng điện từ truyền đến vị trí nam châm (2), sự kết hợp của hai từ tr−ờng làm cho ống bị xoắn cục bộ, xoắn cục bộ này truyền đi trong ống d−ới dạng sóng đàn hồi với vận tốc v. Khi sóng đàn hồi đến máy thu (5) nó làm thay đổi độ từ hoá gây nên tín hiệu hồi đáp. - 88 -
19. Gọi tP là thời gian từ khi phát xung hỏi đến khi nhận đ−ợc xung hồi đáp, do v << c ta có: l t = (4.21) P v Trong đó l là khoảng cách từ nam châm đến đầu thu, tP đ−ợc đo bằng ph−ơng pháp đếm xung. - 89 -