Bài báo cáo: Cảm biến lực (khối lượng) và encoder

Chia sẻ: Liêm Phan | Ngày: | Loại File: DOCX | Số trang:34

Thêm vào BST

Báo xấu

339
lượt xem 61
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài báo cáo: Cảm biến lực (khối lượng) và encoder với các nội dung chính hướng đến trình bày như: Giới thiệu về cảm biến lực (Khối lượng) và cách đo lực, giới thiệu về Encoder. Hy vọng tài liệu là nguồn thông tin hữu ích cho quá trình học tập và nghiên cứu của các bạn.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài báo cáo: Cảm biến lực (khối lượng) và encoder

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP. HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG ĐỀ TÀI: CẢM BIẾN LỰC (KHỐI LƯỢNG) VÀ ENCODER Thành viên nhóm : Phạm Minh Tuấn – DC12 Đặng Huy Nam – DC12 Võ Xuân Phố – DC12 Thành phố Hồ Chí Minh, ngày… tháng… năm 2015 I. Giới thiệu về cảm biến lực (Khối lượng) và cách đo lực: 1. Định nghĩa: Lực là một đại lượng vecto, đặc trương cho tác dụng tương hỗ giữa các vật thể, làm cho các vật thế biến dạng hay vận động Khối lượng là số lượng vật chất và người ta có thể định nghĩa lực là lực hấp dẫn giữa các khối lượng. Trọng lượng của một vật là lực hút của trái đất tác dụng lên nó. 2. Nguyên tắc đo lực. Lực được xác định từ công thức cơ bản của định luật II Newton: F= k.M.a Trong đó : M là khối lượng (kg) chịu tác dụng của lực F(N) gây nên 1 gia tốc a(m/s²). K là hệ số phụ thuộc vào đơn vị dùng. Trọng lực: được xác định theo công thức: P=k.M.g
Trong đó: M là khối lượng của vật đó(kg). a là gia tốc trọng trường nơi đặt vật(m/s²). k làhệ số phụ thuộc vào đơn vị dùng. Đối với phép đo lực, ta có thể thực hiện đo bằng cách sử dụng 1 lực đối kháng sao cho lực tổng cộng và moment đối kháng bằng 0. Khi đó cảm biến cần có 1 vật trung gian chịu tác động của lực cần đo và bị biến dạng, biến dạng này do lực đối kháng gây ra. 3. Khái niệm về cảm biến lực, khối lượng (Loadcell). Loadcell là một cảm biến lực (khối lượng hoặc mô men xoắn).Khi một lực tác dụng lên loadcell, nó sẽ chuyển đổi các lực tác dụng thành tín hiệu điện tử.Các thiết bị như màn hình hiễn thị, máy tính hoặc các thiết bị đo lường khác là rất cần thiết dùng để hiễn thị và xử lý các tín hiệu điện tử. Các giá trị xuất ra sau đó có thể được lưu lại trong một cơ sở dữ liệu hoặc có thể in ấn và tổ chức , sắp xếp lại bằng nhiều cách khác nhau. Tín hiệu điện tử ngõ ra của loadcell có thể là một sự thay đổi điện áp, thay đổi tín hiệu dòng, tín hiệu số hay thay đổi tần số tùy thuộc vào loại loadcell và mạch sử dụng. Phổ biến nhất hiện nay là loadcell thay đổi điện áp. Các loadcell có thể sử dụng điện trở (strain gauge), điện dung, kỹ thuật bù lực điện cực. Phổ biến nhất là các loadcell có sẵn dựa trên nguyên tắc thay đổi điện trở để đáp ứng với 1 tải ứng dụng. Vì thế ở đây, ta sẽ nói về loadcell thay đổi điện trở (strain gauge). Các loadcell thường được biết đến như “ đầu dò tải(load transducer) bởi vì nó cũng có thể chuyển đổi một tải trọng (lực tác dụng) thành tín hiệu điện.
loadcell được định nghĩa là một “thiết bị đo trọng lượng cần thiết cho hiển thị trọng lượng bằng chữ số” 4. Cấu tạo: Bộ phận chính của loadcell là những tấm điện trở strain gauge mỏng loại dán (còn gọi là cầu wheatstone), cầu wheatstone bao gồm 4 cảm biến điện trở strain gauge, 2 cảm biến được dán ở mặt trên và 2 cảm biến được dán ở mặt dưới. Trường hợp 1: thay đổi 1 điện trở thành một strain gauge:
V0 = ( – ). Vex = .( ) Hệ số gauge (GF) GF = = △R = RG.GF.Ɛ Với RG : là điện trở danh nghĩa của strain gauge Ɛ : độ căng GF : độ nhạy của strain gauge (hệ số gauge) Trường hợp 2: Thay đổi 2 điện trở thành 2 strain gauge Trường hợp 3: Thay đổi 4 điện trở thành 4 strain gauge Strain gauge gồm một sợi dây kim loại mảnh đặt trên một tấm cách điện đàn hồi.
Tấm điện trở là một phương tiện để biến đổi một biến dạng nhỏ thành sự thay đổi tương ứng trong điện trở. Một mạch đo dùng các miếng biến dạng sẽ cho phép thu được một tín hiệu điện tỉ lệ với mức độ thay đổi của điện trở. Mạch thông dụng nhất sử dụng trong loadcell là cầu Wheatstone. Để tăng chiều dài dây dẫn điện trở strain gauge, người ta đặt chúng theo hình ziczac, mục đích là để tăng độ biến dạng khi lực tác dụng qua đó tăng độ chính xác của thiết bị cảm biến sử dụng strain gauge. Trong đó: R= Điện trở strain gauge (Ohm) L = Chiều dài của sợi kim loại strain gauge (m) S = Tiết diện của sợi kim loại strain gauge (m2) r= Điện trở suất vật liệu của sợi kim loại strain gauge Khi dây kim loại bị lực tác động sẽ thay đổi điện trở Khi dây bị lực nén, chiều dài strain gauge giảm, điện trở sẽ giảm xuống. Khi dây bi kéo dãn, chiều dài strain gauge tăng, điện trở sẽ tăng lên Điện trở thay đổi tỷ lệ với lực tác động. Lực kế điện trở ở dạng thanh Ɛa= Ɛb = Với : A là diện tích mặt cắt ngang của phân tử đàn hồi .
E là mô đun đàn hồi của vật liệu phần tử đần hồi. P là hệ số poisson . Một số loại loadcell thông dụng: 5. Nguyên lý: Loadcell gồm các điện trở strain gauge R1, R2, R3, R4 kết nối lại thành 1 cầu điện trở Wheatstone như hình bên dưới và được dán vào phần thân của loadcell.
Một điện áp kích thích được cung cấp cho ngõ vào loadcell (2 góc (2) và (3) của cầu điện trở Wheatstone) và điện áp tín hiệu ra được đo giữa hai góc khác. Tại trạng thái cân bằng (trạng thái không tải), điện áp tín hiệu ra là số không hoặc gần bằng không khi bốn điện trở được gắn phù hợp về giá trị. Đó là lý do tại sao cầu điện trở Wheatstone còn được gọi là một mạch cầu cân bằng. a.Đo điện trở dùng cầu Wheatstone cân bằng Cầu Wheatstone được mắc như hình vẽ . Trong đó R1 , R2 , R3 là các điện trở mẫu G là điện kế chỉ thị 0 RX là điện trở cần đo Vận hành Ta chỉnh các giá trị điện trở R1 , R2 , R3 cho đến khi điện kế G chỉ zero . Khi cầu cân bằng , dòng điện qua điện kế G bằng không ( zero ) nghĩa là UC = UA. Hay UR1 = UR2 và URX = UR3 I1 R1 = I2 R2 và I1 RX = I2 R3
Suy ra : = => Rx = Với phương pháp đo này RX sẽ được so sánh với các điện trở mẫu Ta nhận thấy , kết quả đo điện trở RX không phụ thuộc vào nguồn cung cấp cho mạch điện , đây là ưu điểm của cầu đo Wheatstone . Tuy nhiên phương pháp thao tác phức tạp vì phải điều chỉnh các điện trở mẫu nhiều lần và giá trị điện trở cần đo RX lại phụ thuộc vào độ nhạy của điện kế G , độ nhạy của điện kế G càng cao thì sự xác định cân bằng càng đúngvà phụ thuộc vào dây nối và điện trở tiếp xúc ở các mối nối . Ngoài ra sai số của các điện trở mẫu cũng ảnh hưởng đến sai số của RX , chẳng hạn , nếu sai số của các điện trở lần lượt là R1 = R2 = ± 0.5% , R3 = ± 10% thì sai số của điện trở khi đo là R = R1,2,3 = R1 + R2 + R3 = 0.5% + 1% + 1% = ± 2.5% Với điện trở bất kỳ RX , để cầu wheatstone cân bằng , ta thay đổi tỷ số giữa R1/ R2 và thay đổi giá trị điện trở R3 , điện trở R3 có giá trị thay đổi từng cấp , mỗi cấp có giá trị 0.1 b.Đo điện trở dùng cầu Wheatstone không cân bằng Trong công nghiệp , người ta thường dùng nguyên lý cầu Wheatstone không cân bằng nghĩa là căn cứ vào điện áp ra hay dòng điện ra ở ngõ ra của cầu Wheatstone để đo điện từ hay sai số (R của phần tử đo . Phương pháp này cần có nguồn cung cấp ổn định vì điện áp ra phụ thuộc vào nguồn cung cấp E , ngoài ra sai số còn phụ thuộc vào các điện trở mẫu thành phần của cầu Wheatstone . Còn độ nhạy của cầu lại phụ vào nguồn cung cấp E và nội trở của bộ chỉ thị. Khi tháo điện kế G ra khỏi mạch , ta có Tổng trở được xác định R = ( R1 // RX ) + ( R2 // R3 ) Điện áp ở ngõ ra của cầu: Ua – Uc = E.( – )
Vậy khi có tải trọng hoặc lực tác động lên thân của loadcell, thì loadcell sẽ bị biến dạng (giãn hoặc nén) điều này kéo theo sự thay đổi chiều dài và tiết diện của các sợi kim loại của điện trở strain gauge dán trên thân loadcell dẫn đến sự thay đổi giá trị của các điện trở strain gauge. Sự thay đổi này làm thay đổi điện áp đầu ra.
Sự thay đổi điện áp này là rất nhỏ, do đó chỉ có thể được đo và chuyển thành số sau khi qua bộ khuếch đại của các bộ chỉ thị của can điện tử 6. Thông số kĩ thuật cơ bản Độ chính xác: cho biết phần trăm chính xác trong phép đo. Độ chính xác phụ thuộc tính chất phi tuyến tính, độ trễ, độ lặp. Công suất định mức: giá trị khối lượng lớn nhất mà Loadcell có thể đo được. Dải bù nhiệt độ: là khoảng nhiệt độ mà đầu ra Loadcell được bù vào, nếu nằm ngoài khoảng này, đầu ra không được đảm bảo thực hiện theo đúng chi tiết kĩ thuật được đưa ra. Cấp bảo vệ: được đánh giá theo thang đo IP, (ví dụ: IP65: chống được độ ẩm và bụi). Điện áp: giá trị điện áp làm việc của Loadcell (thông thường đưa ra giá trị lớn nhất và giá trị nhỏ nhất 5 15 V). Độ trễ:hiện tượng trễ khi hiển thị kết quả dẫn tới sai số trong kết quả. Thường được đưa ra dưới dạng % của tải trọng. Trở kháng đầu vào: trở kháng được xác định thông qua S và S+ khi Loadcell chưa kết nối vào hệ thống hoặc ở chế độ không tải. Điện trở cách điện: thông thường đo tại dòng DC 50V. Giá trị cách điện giữa lớp vỏ kim loại của Loadcell và thiết bị kết nối dòng điện. Phá hủy cơ học: giá trị tải trọng mà Loadcell có thể bị phá vỡ hoặc biến dạng. Giá trị ra: kết quả đo được (đơn vị: mV). Trở kháng đầu ra: cho dưới dạng trở kháng được đo giữa Ex+ và EX trong điều kiện load cell chưa kết nối hoặc hoạt động ở chế độ không tải. Quá tải an toàn: là công suất mà Loadcell có thể vượt quá (ví dụ: 125% công suất). Hệ số tác động của nhiệt độ: Đại lượng được đo ở chế độ có tải, là sự thay đổi công suất của Loadcell dưới sự thay đổi nhiệt độ, (ví dụ: 0.01%/10°C nghĩa
là nếu nhiệt dộ tăng thêm 10°C thì công suất đầy tải của Loadcell tăng thêm 0.01%). Hệ số tác động của nhiệt độ tại điểm 0: giống như trên nhưng đo ở chế độ không tải. Loadcell có 4 dạng chính là: Loadcell dạng thanh (kéo căng, nén) Load cell dạng trụ (nén) Loadcell dạng chữ S (kéo căng, nén) Loadcell dạng trụ dẹt (nén)
Với loadcell dạng thanh (hay gọi là loadcell điểm đơn) thường được sử dụng cho các dạng cân bình thường (có kích thước vừa và nhỏ) . Điểm đặt tải của các loadcell điểm đơn , được đặt ở tâm của mặt bàn cân.
Với các hệ thống cân công nghiệp như hệ thống cân bồn, hệ thống cân phễu, loadcell dạng thanh và loadcell dạng trụ thường được sử dụng. Có thể sử dụng một hoặc nhiều loadcell, nhưng nếu sử dụng nhiều loadcell, tải trọng được phân bố vào từng loadcell đều hơn, nên độ chính xác sẽ cao hơn. Loại này có phạm vi thay đổi lớn , bằng cách thay đổi đường kính D hay chiều dài t hay chiều rộng w Nguyên lý hoạt động cũng dự vào sự hoạt động của các biến trở, dẫn đến tín hiệu ra có quan hệ tuyến tính với lực cần đo. Loadcell chữ “S” thường được sử dụng cho các máy đo lực.
Cách sử dụng loadcell: Loadcell thông thường và được sử dụng phổ biến ở Việt Nam có 5 dây. Các loại cáp đầu ra của một loadcell bao gồm 2 dây nguồn (+ / ), hai dây tín hiệu (+ / ), và một dây max. Để giảm bớt nguy cơ bị lỗi, đôi khi người ta sử dụng 7 dây, với 2 dây cảm biến bổ sung Trong hướng dẫn sử dụng hoặc thông số của loadcell, có mô tả chi tiết các loại dây và màu sắc của chúng. Thường hai dây nguồn là màu đỏ và đen, hai dây tín hiệu là xanh và trắng. Đọc hướng dẫn sử dụng của đầu cân và hàn jack theo đúng sơ đồ chân kết nối. Lưu ý, mỗi hãng cân điện tử sử dụng một phương thức kết nối riêng, vì vậy cần đọc kỹ các hướng dẫn để thực hiện. Sau khi hàn jack và kết nối với đầu cân , bắt buộc phải calibration ( hiệu chỉnh) lại loadcell để đảm bảo tính chính xác.
6/ Ứng dụng của thiết bị Một ứng dụng khá phổ biến thường thấy của Loadcell là được sử dụng trong các loại cân điện tử hiện nay. Từ ứng dụng trong những chiếc cân kĩ thuật đòi hỏi độ chính xác cao cho tới những chiếc cân có trọng tải lớn trong công nghiệp như cân xe tải. Một số ứng dụng khác: Trong ngành công nghệ cao: Với nền khoa học kĩ thuật tiên tiến hiện nay thì loại Loadcell cỡ nhỏ cũng được cảitiến công nghệ và tính ứng dụng cao hơn. Phân phối đều trọng lượng trong công nghiệp: Công nghệ sử dụng:
Các thế bào tải(Loadcell LSB and LCF Series) kết hợp với các thiết bị định hướng và thu thập dữ liệu qua máy tính hoặc PLC Sơ lược hoạt động: Các load cell được thiết kế để phù hợp với các ứng dụng tự động hóa trong công nghiệp để phân phối đều trọng lượng sản phẩm. Như thể hiện trong sơ đồ dưới đây, Loadcell được lắp đặt trong dây chuyền tự động hóa, giám sát việc phân phối khối lượng vào từng bao bì một cách chính xác. Hệ thống hoạt động: + Một tế bào tải được kết nối với thiết bị đo cần thiết. + Khi khối lượng sản phẩm cho phân phối vào thùng đủ yêu cầu, Loadcell sẽ phát ra tín hiệu tới bộ diều khiển băng tải để băng tải ngừng làm việc. + Tín hiệu khi băng tải dừng được truyền đến hệ thống phân phối thùng chứa để xuất thùng chứa. + Khi thùng chứa được phân phối sẽ phát ra tín hiệu để hệ thống phân phối sản phẩm tiếp tục hoạt động. Ứng dụng trong cầu đường Các Loadcell được sử dụng trong việc cảnh báo độ an toàn cầu treo. Loadcell được lắp đặt trên các dây cáp để đo sức căng của cáp treo và sức ép chân cầu trong các điều kiện giao thông và thời tiết khác nhau. Các dữ liệu thu được sẽ được gửi đến một hệ thống thu thập và xử lí số liệu. sau đó số liệu sẽ được xuất ra qua thiết bị truy xuất như điện thoại, máy tính, LCD. Từ đó có sự cảnh báo về độ an toàn của cầu. Từ đó tìm ra các biện pháp cần thiết để sửa chữa kịp thời. II. Giới thiệu về Encoder: 1. Định nghĩa, phân loại và ứng dụng của Encoder: 1.1 Định nghĩa:
Encoder dạng chuyển động quay (rotary encoder) còn được gọi là shaft encoder là thiết bị điện cơ dùng biến đổi các vị trí góc của trục quay từ giá trị analog (tương tự) sang mã digital (số). Encoder mục đích dùng để quản lý vị trí góc của một đĩa quay, đĩa quay có thể là bánh xe, trục động cơ, hoặc bất kỳ thiết bị quay nào cần xác định vị trí góc… 1.2 Phân loại: Encoder được chia làm 2 loại: encoder tuyệt đối (absolute encoder) và encoder tương đối (incremental encoder.) 1.3 Ứng dụng: Encoder mục đích dùng để quản lý vị trí góc của một đĩa quay, đĩa quay có thể là bánh xe, trục động cơ, hoặc bất kỳ thiết bị quay nào cần xác định vị trí góc… để cảm biến vị trí, tốc độ của đông cơ… Ứng dụng của encoder quay: + Trên máy công nghệ cao encoder được trang bị để đo và tìm được chính xác vị trí của các trục máy cũng như vị trí dao cắt. Nhờ đó quá trình gia công được thực hiện chính xác. Kết quả encoder đo được sẽ gửi về bộ phận kiểm tra tích cực trên máy để điều chỉnh lại vị trí chi tiết hay vị trí của dao cắt nhằm sữa chữa lỗi và hạn chế được phế phẩm. + Encoder còn được trang bị trên động cơ của thang máy để biết được chính xác vị trí của thang máy. Đảm bảo được thang máy sẽ dừng ở đúng cửa ra vào. + Trên các rô bốt công nghiệp encoder không thể thiếu. Nó dùng để quản lý các cử động của các khớp nối, cử động của cánh tay rô bốt để đảm bảo chính sác vị trí của các cử động.
+ Trong các cuộc thi robocon. Tín hiệu gởi về của encoder giúpta biết được vị trí của robocon trên sân đấu. Ở các khúc cua thì vận tốc của 2 bánh xe phải và bánh xe trái sẽ không giống nhau. Nhờ có encoder mà ta có thể tính toán và lập trình được số vòng quay của 2 bánh xe ở các khúc cua. + Ứng dụng rỗng rãi trong nhiều lĩnh vưc:Robot, máy công cụ,hàng không vũ trụ... Ứng dụng trong dây chuyền sản xuất:
2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của từng loại Encoder: Nguyên lý hoạt động cơ bản của encoder: Nguyên lý cơ bản của encoder, đó là một đĩa tròn xoay, quay quanh trục. Trên đĩa có các lỗ (rãnh). Người ta dùng một đèn led để chiếu lên mặt đĩa. Khi đĩa quay, chỗ không có lỗ (rãnh), đèn led không chiếu xuyên qua được, chỗ có lỗ (rãnh), đèn led sẽ chiếu xuyên qua. Khi đó, phía mặt bên kia của đĩa, người ta đặt một con mắt thu. Với các tín hiệu có, hoặc không có ánh sáng chiếu qua, người ta ghi nhận được đèn led có chiếu qua lỗ hay không. Khi trục quay, giả sử trên đĩa chỉ có một lỗ duy nhất, cứ mỗi lần con mắt thu nhận được tín hiệu đèn led, thì có nghĩa là đĩa đã quay được một vòng.
Đây là nguyên lý rất cơ bản của encoder. Tuy nhiên, những vấn đề được đặt ra là, làm sao để xác định chính xác hơn vị trí của đĩa quay (mịn hơn) và làm thế nào để xác định được đĩa đang quay theo chiều nào? Đó chính là vấn đề để chúng ta tìm hiểu về encoder. 2.1 Encoder tuyệt đối (absolute encoder) : Encoder tuyệt đối là thiết bị chuyển đổi, áp dụng kỹ thuật số để tạo ra một mã bằng số số tương ứng với mỗi góc quay của một trục. 2.1.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động: + Một đĩa quay được mã hóa theo các rãnh đồng tâm. + Đầu đọc: gồm các tia sáng và các tế bào quang điện. Mỗi tia sáng riêng biệt được chiếu đến từng rãnh cho từng tế bào quang điện. Mỗi tế bào quang điện đưa ra 1 bít cho đầu ra số.