zunia.vn

Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z

zunia.vn

» Kỹ Thuật - Công Nghệ

» Điện - Điện tử

Kỹ thuật điều khiển tự động _ Chương số 5

Chia sẻ: Nguyễn Hoàng Quoc Viet | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:33

Báo xấu

86
lượt xem 25
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Ch 5: Cơ cấu cảm biến • Nhữ thiết bị mà cung cấp thông ti cho bộ điều khiển về những gì đang thực sự xảy Những à ấ thô tin h điề khiể ề hữ ìđ th ả ra thì được gọi là cảm biến (sensor / transducer). ự ệ ạ ợ g ậ ý (nhiệt ộ, p ) • Hầu hết các cảm biến thực hiện biến đổi đại lượng vật lý ( ệ độ, áp suất …) thành tín hiệu điện.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Kỹ thuật điều khiển tự động _ Chương số 5

Ch 5: Cơ cấu cảm biến • Nhữ thiết bị mà cung cấp thông ti cho bộ điều khiển về những gì đang thực sự xảy Những à ấ thô tin h điề khiể ề hữ ìđ th ả ra thì được gọi là cảm biến (sensor / transducer). • Hầu hết các cảm biến thực hiện biến đổi đại lượng vật lý ( ệ độ, áp suất …) thành tín ự ệ ạ ợ g ậ ý (nhiệt ộ, p ) hiệu điện. © C.B. Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 5-1 + → © C.B. Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 5-2
5.1. Cảm biến vị trí và lượng dịch chuyển g y • Biến trở (potentiometer) © C.B. Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 5-3 5.1. Cảm biến vị trí và lượng dịch chuyển g y Thí dụ: một biến trở được cấp nguồn 10 Vdc, và được đặt ở vị trí 82o. Dãy tối đa của biến trở là 350o. Xác định giá trị điện áp ra của biến trở. Giải © C.B. Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 5-4
5.1. Cảm biến vị trí và lượng dịch chuyển g y Độ phân giải Nếu biến trở có dạng dây quấn với N vòng, thì độ phân giải của biến trở là buớc điện áp giữa 2 vòng liền kề và được xác định là: © C.B. Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 5-5 5.1. Cảm biến vị trí và lượng dịch chuyển g y Sai số: Sai số phụ tải (loading error) xảy ra khi con trượt của biến trở được nối với tải có trở kháng lớn không đáng kể so với giá trị của biến trở với © C.B. Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 5-6
5.1. Cảm biến vị trí và lượng dịch chuyển g y Thí dụ: một biến trở 10 kΩ có cấu tạo 1000 vòng. Xác định độ phân giải của biến trở và sai số phụ tải khi điện trở tải là 10 kΩ và con trượt nằm ở vị trí điểm giữa của biến trở. Giải © C.B. Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 5-7 5.1. Cảm biến vị trí và lượng dịch chuyển g y • Biến thế vi sai tuyến tính (LVDT – Linear Variable Differential Transformer) LVDT là bộ cảm biến vị trí có độ phân giải lớn dựa vào hiện tượng cảm ứng điện từ. Ngõ ra của LVDT có dạng điện áp xoay chiều – biên độ của nó tỉ lệ tuyến tính với lượng dịch chuyển. chuyển Thành phần chính: cuộn sơ cấp 2 cuộn thứ cấp và lõi từ cấp, cấp, từ. © C.B. Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 5-8
5.1. Cảm biến vị trí và lượng dịch chuyển g y Với tín hiệu ra là điện áp xoay chiều: • Biên độ của nó phụ thuộc vào lượng dịch chuyển (so với vị trí điểm giữa) • Góc pha của nó phụ thuộc vào chiều dịch chuyển – dịch chuyển sang phải tạo ra góc pha 0o, dị h chuyển sang t ái t ra góc pha 180o. h dịch h ể trái tạo ó h © C.B. Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 5-9 5.1. Cảm biến vị trí và lượng dịch chuyển g y © C.B. Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 5-10
5.1. Cảm biến vị trí và lượng dịch chuyển g y • Bộ mã hóa quang học (optical encoder) Bộ mã hóa quang học là bộ cảm biến vị trí góc có tín hiệu ra ở dạng số. Thành phần chính: nguồn sáng, đĩa vạch, và tế bào quang học. Dạng tín hiệu của tế bào quang Bộ mã hóa được phân thành 2 loại: tương đối (incremental encoder) và tuyệt đối (absolute encoder). © C.B. Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 5-11 5.1. Cảm biến vị trí và lượng dịch chuyển g y Bộ mã hóa tuyệt đối Bộ mã hóa tuyệt đối có tín hiệu ra là một con số nhị phân - xác định vị trí của đĩa vạch một cách duy nhất. với N là số rãnh trên đĩa vạch (cũng là số bit của con số nhị phân) © C.B. Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 5-12
5.1. Cảm biến vị trí và lượng dịch chuyển g y Thí dụ: một bộ mã hóa tuyệt đối được Giải: sử dụng để xác định vị trí góc của một trục xoay với yêu cầu độ phân giải ít nhất là 1o. Xác định số bit cần thiết để đáp ứng yêu cầu này. Vấn đề đối với bảng mã nhị phân tự nhiên là có nhiều bit thay đổi trạng thái đồng thời. © C.B. Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 5-13 5.1. Cảm biến vị trí và lượng dịch chuyển g y Đối với bảng mã Gray, chỉ có 1 bit thay đổi trạng thái khi chuyển từ một giá trị đến giá trị kế tiếp. Decimal Binary code Gray code 0 000 000 1 001 001 2 010 011 3 011 010 4 100 110 5 101 111 6 110 101 7 111 100 Đĩa vạch dùng bảng mã Gray © C.B. Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 5-14
5.1. Cảm biến vị trí và lượng dịch chuyển g y Bộ mã hóa tương đối Bộ mã hóa tương đối chỉ có một vòng rãnh, với các vạch được phân bố đều nhau. Thí dụ: Bộ mã hóa tương đối với vòng rãnh có 360 vạch. Bắt đầu ở vị trí tham chiếu (home), bộ tế bào quang học đếm được 100 vạch cùng chiều kim đồng hồ (CW), 30 vạch ngược chiều kim đồng hồ (CCW), rồi 45 vạch cùng chiều kim đồng hồ (CW). Xá định vị hiề ki đồ (CCW) ồi h ù hiề ki đồ (CW) Xác đị h ị trí hiện tại của đĩa vạch. Giải: mỗi vạch tương ứng với 1o. Do đó vị trí hiện tại là: 100o (CW) - 30o (CCW) + 45o (CW) = 115o (CW). © C.B. Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 5-15 5.1. Cảm biến vị trí và lượng dịch chuyển g y Thí dụ: Bộ mã hóa tương đối với vòng rãnh có 180 vạch được dùng để đo lượng di động của một thanh răng thông qua cơ cấu thanh răng – bánh răng. Bánh răng có đường kính trung bình d = 5.91 cm. Xác định độ g g g phân giải (lượng dịch chuyển / xung) và lượng dịch chuyển đo được khi tổng số xung nhận được là N = 700. Giải: Bộ mã hóa tương đối cần có 3 bộ (nguồn sáng – tế bào quang học) để xác định vị trí tuyệt đối của đĩa vạch. © C.B. Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 5-16
5.1. Cảm biến vị trí và lượng dịch chuyển g y Với tín hiệu ra là hai dãy xung, pha A (V1) và pha B (V2) : • Số vòng quay là số xung đếm được trên một pha. • Chiều quay được xác định từ sự lệch pha giữa pha A và pha B. © C.B. Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 5-17 5.1. Cảm biến vị trí và lượng dịch chuyển g y Thí dụ: một hệ thống cảm biến (như hình trên) sử dụng đĩa có 250 vạch. Giá trị hiện tại của bộ đếm là 00100110. Xác định g trị g của trục được đo. ộ ị giá ị góc ụ ợ Giải: ta có © C.B. Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 5-18
5.1. Cảm biến vị trí và lượng dịch chuyển g y Mạch giải mã © C.B. Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 5-19 5.1. Cảm biến vị trí và lượng dịch chuyển g y Độ phân giải của bộ mã hóa có thể tăng 2 lần, 4 lần Giao tiếp bộ mã hóa với máy tính © C.B. Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 5-20
5.1. Cảm biến vị trí và lượng dịch chuyển g y • Cảm biến tiếp cận (proximity sensor) Cảm biến tiếp cận là loại cảm biến ON/OFF dùng để nhận biết sự hiện diện của đối tượng. • Cảm biến tiếp xúc • Cảm biến không tiếp xúc Cảm biến tiếp cận điện cảm: cảm nhận những đối tượng kim loại Cảm biến tiếp cận điện dung: cảm nhận những đối tượng kim loại / phi kim Cảm biến điện quang: cảm nhận những đối tượng kim loại / phi kim • Cảm biến tiếp cận hiệu ứng Hall © C.B. Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 5-21 5.1. Cảm biến vị trí và lượng dịch chuyển g y Công tắc hành trình (limit switch) – Thiết bị cơ → có sự mài mòn → tuổi thọ làm việc ngắn ngắn. – Cần tạo ra một lực để tác động lên công tắc hành trình © C.B. Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 5-22
5.1. Cảm biến vị trí và lượng dịch chuyển g y Cảm biến tiếp cận điện cảm (inductive proximity sensor) Loại cảm biến này dùng để cảm nhận những đối tượng bằng kim loại. Thành phần chính: cuộn dây quấn xung quanh một lõi sắt, mạch tạo dao động, mạch cảm biến dòng, và công tắc bán dẫn dẫn. Nguyên lý hoạt động: mạch dao động tạo ra một vùng từ trường ở phía trước cảm biến. ê ý ộ ộ ộ ù ừ ờ í ớ ả ế Khi có đối tượng bằng kim loại bước vào vùng từ trường, biên độ vùng từ trường suy giảm do sự thất thoát năng lượng (chuyển sang đối tượng). Mạch cảm biến dòng nhận biết sự thay đổi và kích hoạt công tắc. ế ổ ắ © C.B. Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 5-23 5.1. Cảm biến vị trí và lượng dịch chuyển g y Phạm vi cảm biến là khoảng cách tính từ bề mặt cảm biến mà đối tượng chuẩn được nhận biết t hậ trong phạm vi đó Ph h i đó. Phạm vi cảm biế và độ nhạy của cảm biế (tố độ chuyển i ả biến à h ủ ả biến (tốc h ể mạch) phụ thuộc vào kích thước và vật liệu của đối tượng cảm biến. Xét mẫu thí nghiệm (đối tượng cảm biến) là một tấm thép hình vuông dày 1 (mm), có các cạnh bằng đường kính ủ kí h của bề mặt cơ cấu cảm biế đặ điể điể hì h của l i cảm biế này như sau: ặt ấ ả biến, đặc điểm điển hình ủ loại ả biến à h Sensing range (mm) g g ( ) Diameter (mm) ( ) Length (mm) g ( ) Switching speed (Hz) g p ( ) 1 8 40 5000 2 12 40 1000 5 18 40 400 10 30 50 200 20 47 60 40 Đối với những đối tượng kim loại không sắt (nonferrous, e.g. aluminum, brass, copper, and stainless steel), phạm vi cảm biến sẽ ngắn hơn. © C.B. Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 5-24
5.1. Cảm biến vị trí và lượng dịch chuyển g y Cảm biến tiếp cận điện dung (capacitive proximity sensor) Loại cảm biến tiếp cận này dùng cảm nhận những đối tượng dựa vào khả năng tích điện của đối tượng. Do đó loại này có thể cảm nhận sự hiện diện của tất cả các loại đối tượng (kim loại cũng như phi kim e g gỗ giấy nước nhựa …). Thành phần chính: mạch tạo kim, e.g. gỗ, giấy, nước, ) dao động, mạch cảm biến dòng, 1 bản cực nội, và công tắc bán dẫn. © C.B. Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 5-25 5.1. Cảm biến vị trí và lượng dịch chuyển g y Nguyên lý hoạt động: khi có đối tượng xuất hiện phía trước cảm biến, thì đối tượng đóng vai trò như một bản cực ngoại của tụ điện. Bản cực ngoại này kết hợp với bản cực nội hình thành nên một tụ điện và khi đó hiện tượng tích điện trên hai bản cực của tụ điện xảy ra. Điều này tạo nên một dòng điện thay đổi chạy qua bản cực nội. Mạch cảm biến dòng nhận biết sự thay đổi và kích hoạt công tắc. Những vật liệu nào có hằng số điện môi từ 1.2 trở lên đều có thể nhận biết bởi loại cảm biến à Phạm vi cảm biế < 70 ( biế này. Ph i ả biến: (mm). ) • với hằng số điện môi càng lớn, đối tượng càng dễ được nhận biết. • với hằng số điện môi càng lớn, khoảng cách nhận biết càng xa. • vật liệu có hằng số điện môi lớn cũng có thể nhận biết được khi chứa trong thùng làm bằng vật liệu có hằng số điện môi thấp hơn. Material Wood (dry) Gasoline Sugar Water Dielectric constant 2÷6 2.2 3 80 © C.B. Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 5-26
5.1. Cảm biến vị trí và lượng dịch chuyển g y Cảm biến điện quang (photoelectric sensor) Loại cảm biến này dùng một chùm sáng để phát hiện sự hiện diện của đối tượng mà làm cản trở hoặc phản xạ chùm sáng. Thành phần chính: nguồn sáng (bộ phát) và tế bào quang cảm (bộ thu) thu). © C.B. Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 5-27 5.1. Cảm biến vị trí và lượng dịch chuyển g y Phần lớn các cảm biến loại này sử dụng LED (Light Emitting Diode) làm nguồn sáng. LED có thể được thiết kế để phát ra các ánh sáng khác nhau. © C.B. Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 5-28
5.1. Cảm biến vị trí và lượng dịch chuyển g y Bốn loại tế bào quang cảm thường được sử dụng là: photo-resistor, photo-diode, photo- transistor, và photovoltaic cell (photocell). © C.B. Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 5-29 5.1. Cảm biến vị trí và lượng dịch chuyển g y Kiểu truyền trực tiếp (Opposed sensing mode) Bộ phát và bộ thu có thể được thiết kế thành hai khối tách biệt hoặc cùng chung trong một khối tùy thuộc vào kiểu cảm biến. Kiểu truyền p y phản xạ (Retro-reflective sensing mode) Kiểu truyền khuếch tán (Proximity sensing mode) © C.B. Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 5-30
5.1. Cảm biến vị trí và lượng dịch chuyển g y Cảm biến tiếp cận hiệu ứng Hall (1879, E.H. Hall) Hiệu ứng Hall xảy ra khi áp dụng một từ trường vuông góc lên một tấm bản làm bằng kim loại hay chất bán dẫn đang có dòng điện I chạy qua, các hạt mang điện tích bị dồn về một phía của tấm bản dẫn đến sự chênh lệch về điện thế giữa hai bên của tấm bản và hình thành nên một điện áp hiệu ứng Hall, UH. với K là hằng số (phụ thuộc vào vật liệu); I là dòng điện chạy qua tấm bản; B là cường độ từ trường; và D là bề dày của tấm bản. © C.B. Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 5-31 5.1. Cảm biến vị trí và lượng dịch chuyển g y © C.B. Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 5-32
5.1. Cảm biến vị trí và lượng dịch chuyển g y © C.B. Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 5-33 5.2. Đo vận tốc • Bộ phát tốc một chiều (DC tachometer) Máy phát tốc một chiều thực chất là máy phát điện một chiều – tạo ra một tín hiệu điện áp DC tỉ lệ với vận tốc góc của trục quay quay. - Phần stator: nam châm vĩnh cữu - Phần rotor (phần ứng): những cuộn dây lắp trên một lõi trụ kim loại. -Phần ứng quay tự do trong môi trường Phần từ trường (do nam châm của phần stator tao ra). - Hai đầu của cuôn dây nối vào hai nữa ầ ố của cổ góp. Điện áp giữa 2 nữa của cổ góp được đưa ra ngoài thông qua hai chổi than. © C.B. Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 5-34
5.2. Đo vận tốc • Bộ phát tốc quang học (optical tachometer) Đối với phương pháp này, thì công việc chính là xác định số xung nhận được (từ tế bào quang cảm) trong một đơn vị thời gian khi trục xoay. © C.B. Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 5-35 5.2. Đo vận tốc Tương tự đối với phương pháp kiểu cảm ứng. g ự p gp p g © C.B. Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 5-36
5.2. Đo vận tốc Xác định khoảng thời gian khi nhận được 1 xung từ cơ cấu cảm biến ị g g ậ ợ g © C.B. Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 5-37 5.3. Đo gia tốc g - Khung gia tốc kế được gắn vào vật thể cần đo gia tốc. - Bên trong gia tốc kế, khối M được đỡ bởi hai thanh lò xo lá và được giảm chấn bởi khối dầu hớt dầ nhớt xung quanh nó. h ó © C.B. Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 5-38
5.3. Đo gia tốc g Một hệ thống bậc 2 được đặc trưng bởi hai thông số: • Tần số cộng hưởng Với K: hằng số lò xo (N/m) M: khối lượng (kg) • Tỉ số giảm chấn b: hằng số giảm chấn (N.s/m) Xét trường hợp khung đi lên với gia tốc hằng số, khối M sẽ làm lệch hai thanh lò xo lá xuống phía duới (duới tác động của lực quán tính) Hai thanh lò xo lá tạo ra một phản lực tính). ngược chiều với lực quan tính. Khi hai lực này cân bằng, khối M sẽ nằm lệch ở vị trí không đổi. Lưu ý: Tần số cộng hưởng của gia tốc kế phải lớn hơn đáng kể tần số của tín hiệu gia tốc cần đo. ố ầ © C.B. Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 5-39 5.4. Đo lực - Lực là một đại lượng vật lý được tạo ra nhằm làm thay đổi vận tốc hay hình dáng của một vật thể. - Hai lực (cùng tác dụng lên vật) có độ lớn bằng nhau và đối nhau là hai lực cân bằng. - H i phương pháp để t ra sự cân bằ l Hai h há tạo â bằng lực: phương pháp cân bằng không phương pháp dịch chuyển (null balance method) (displacement method). © C.B. Pham Kỹ thuật điều khiển tự động 5-40

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

LV.15: Bộ Đồ Án Tốt Nghiệp Chuyên Ngành Cơ Khí

65 tài liệu

2418 lượt tải

THÔNG TIN

TRỢ GIÚP

HỖ TRỢ KHÁCH HÀNG

Theo dõi chúng tôi

Chịu trách nhiệm nội dung:

Nguyễn Công Hà - Giám đốc Công ty TNHH TÀI LIỆU TRỰC TUYẾN VI NA

LIÊN HỆ

Địa chỉ: P402, 54A Nơ Trang Long, Phường 14, Q.Bình Thạnh, TP.HCM

Hotline: 093 303 0098

Email: support@tailieu.vn

Giấy phép Mạng Xã Hội số: 670/GP-BTTTT cấp ngày 30/11/2015 Copyright © 2022-2032 TaiLieu.VN. All rights reserved.