Bài giảng Cảm biến và đo lường - Chương 4: Cảm biến vị trí và dịch chuyển

Friday, December 3, 2021 
1 
Chương IV. Cảm biến vị trí và dịch chuyển 
Cảm biến vị trí tiếp xúc 
Công tắc hành trình (Limit Switchs) 
Điện thế kế điện trở ( P otentiometers) 
Cảm biến vị trí không tiếp xúc 
Cảm biến từ (Magnetic Sensors) 
Cảm biến siêu âm (Ultrasonic Sensors) 
Cảm biến tiệm cận (Promixity Sensors) 
Cảm biến quang điện (Photoelectric Sensors) 
Đơn giản 
Rẻ tiền 
Làm việc bền 
 Môi trường khắc nghiệt 
Đắt tiền hơn 
Friday, December 3, 2021 
2 
1.1 Công tắc hành trình 
Có nhiều loại công tắc hành trình, có được dùng trong nhiều điều kiện môi trường khác nhau 
Gia công vật liệu 
Nhà máy bia 
Máy đóng gói 
Thiết bị đúc 
 Thiết bị nâng chuyển 
Công tắc hành trình có thể được đặt với nhiều thiết bị chấp hành như cần trượt, cần xoay, cần lắc, ... 
Friday, December 3, 2021 
3 
1.1 Công tắc hành trình 
Friday, December 3, 2021 
4 
1.1 Công tắc hành trình 
Friday, December 3, 2021 
5 
1.1 Công tắc hành trình 
Ưu điểm 
Đáng tin cậy, chịu được va chạm và dễ sử dụng 
Không bị ảnh hưởng bởi nhiễu 
Hoạt động đơn giản (ON/OFF) 
Nhược điểm 
Tuổi thọ ngắn, bị hao mòn 
Friday, December 3, 2021 
6 
1.2 Điện thế kế điện trở 
Cấu tạo và nguyên lý làm việc 
R m, , L m 
R x , l 
Đo dịch chuyển 
thẳng 
1 
2 
R m 
R 
Đo dịch chuyển 
quay > 360 o 
1 
2 
 M 
R 
R m 
Đo dịch chuyển 
 quay < 360 o 
1 
2 
 m 
Friday, December 3, 2021 
7 
1. 2 Điện thế kế điện trở 
Cấu tạo và nguyên lý làm việc 
Gồm một điện trở cố định (R m ) và một tiếp xúc điện (con chạy) liên kết với đối tượng. Khi đối tượng di chuyển, con chạy di chuyển theo, điện trở đo phụ thuộc vào vị trí con chạy. Đo điện trở vị trí 
Điện trở dạng dây cuộn: 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 thuỷ tinh, gốm hoặc nhựa), giữa các vòng dây cách điện bằng emay hoặc lớp oxyt bề mặt. 
Điện trở dạng băng dẫn: được chế tạo bằng chất dẻo trộn bột dẫn điện là cacbon hoặc kim loại cỡ hạt ~10 -2  m. 
Friday, December 3, 2021 
8 
1. 2 Điện thế kế điện trở 
Ưu điểm 
Rẻ tiền 
Cấu tạo đơn giản, dễ sử dụng 
Đo được khoảng dịch chuyển lớn 
Nhược điểm 
Bị ảnh hưởng của bụi và ẩm 
Tuổi thọ kém, mau bị hao mòn 
Friday, December 3, 2021 
9 
2.1 Cảm biến từ 
Các đặc tính từ có thể được dùng để đo vị trí thông qua việc xác định sự xuất hiện, cường độ hoặc hướng của từ trường 
Cảm biến từ là nhóm các cảm biến làm việc dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ . Vật cần đo vị trí hoặc dịch chuyển được gắn vào một phần tử của mạch từ gây nên sự biến thiên từ thông qua cuộn đo. 
Cảm biến từ được chia ra 2 loại: cảm biến tự cảm và cảm biến hỗ cảm 
Friday, December 3, 2021 
10 
2.1 .1 Cảm biến t ự cảm 
 a) Cảm biến tự cảm đơn có khe từ biến thiên 
 Cấu tạo và nguyên lý làm việc 
2 
1. Lõi sắt từ 2. Cuộn dây 
3. Tấm sắt từ 
X V 
Đo dịch 
 chuyển thẳng 
1 
2 
3 
1 
3 
 
Đo dịch 
 chuyển quay 
Friday, December 3, 2021 
11 
2.1 .1 Cảm biến t ự cảm 
 a) Cảm biến tự cảm đơn có khe từ biến thiên 
 Hệ số tự cảm 
Tổng trở của cảm biến: 
Khi , s thay đổi, L và Z thay đổi. Đo L hoặc Z 
	 vị trí hoặc độ dịch chuyển 
W- số vòng dây. 
R  - từ trở của khe hở không khí. 
 - chiều dài khe hở không khí. 
s - tiết diện thực của khe hở không khí. 
L = f(  ) 
Z 5000Hz = f(  ) 
Z 500Hz = f(  ) 
Z, L 
  
Friday, December 3, 2021 
12 
2.1 .1 Cảm biến t ự cảm 
 b) Cảm biến tự cảm kép có khe từ biến thiên 
 Cấu tạo và nguyên lý làm việc 
X V 
X V 
Đo dịch 
chuyển thẳng 
Đo dịch 
chuyển quay 
Friday, December 3, 2021 
13 
2.1 .1 Cảm biến t ự cảm 
b) Cảm biến tự cảm kép có khe từ biến thiên 
 Hệ số tự cảm 
Đặc điểm: 
Độ nhạy lớn. 
Độ tuyến tính cao hơn. 
L 1 = f(  ) 
L 1 - L 2 = f(  ) 
L 2 = f(  ) 
 
L 
Friday, December 3, 2021 
14 
2.1 .1 Cảm biến t ự cảm 
c) Cảm biến tự cảm có lõi từ di động 
 Cấu tạo và nguyên lý làm việc 
Đặc điểm: 
L = f(l f ) phi tuyến, độ nhạy và độ tuyến tính của CB kép cao hơn CB đơn. 
Đo được dịch chuyển lớn hơn so với CBTC có khe từ biến thiên 
l 0 
l f 
l 
X V 
1 
2 
1 
1 
X V 
Đơn 
Kép 
Friday, December 3, 2021 
15 
2.1 .2 Cảm biến hỗ cảm 
a) 
3 
X V 
1 
2 
~ 
4 
b) 
1 
2 
3 
4 
Cuộn sơ cấp 
 Gông từ 
Tấm sắt từ di động 
Cuộn thứ cấp (cuộn đo) 
Cấu tạo và nguyên lý làm việc 
Friday, December 3, 2021 
16 
2.1 .2 Cảm biến hỗ cảm 
Cấu tạo và nguyên lý làm việc 
Khi cấp dòng xoay chiều ( ) vào cuộn sơ cấp, sinh ra  biến thiên trong cuộn thứ cấp sinh ra sức điện động cảm ứng: 
Giá trị hiệu dụng của suất điện động 
 E = f(s, ) 
Friday, December 3, 2021 
17 
2.1 .2 Cảm biến hỗ cảm 
 Đặc điểm 
E = f(s, ) tuyến tính theo (s) và phi tuyến theo () 
	 Với (khi X V = 0) 
Để tăng độ nhạy và độ tuyến tính CBHC kép lắp vi sai. 
Friday, December 3, 2021 
18 
2.1 .2 Cảm biến hỗ cảm 
Cảm biến hỗ cảm kép lắp vi sai 
X V 
~ 
 1 
 2 
~ 
X V 
~ 
Dịch chuyển thẳng 
Dịch chuyển quay 
Friday, December 3, 2021 
19 
2.1.3 Biến áp vi sai biến đổi tuyến tính (LVDT) 
Cấu tạo 
Gồm 1 cuộn sơ cấp, 2 cuộn thứ cấp và phần lõi sắt từ 
Cuộn sơ cấp được cấp nguồn AC, 2 cuốn thứ cấp được mắc ngược nhau 
Friday, December 3, 2021 
20 
2.1.3 Biến áp vi sai biến đổi tuyến tính (LVDT) 
Hoạt động 
Ngõ ra là điện áp giữa 2 đầu cuộn thứ cấp phụ thuộc vào vị trí của lõi sắt từ. 
Khi lõi sắt ở giữa 2 cuộn thứ cấp, sẽ sinh ra điện áp bằng nhau và ngược dấu nhau điện áp ra bằng 0. 
Khi vật di chuyển lên hay xuống thì làm cho điện áp của các cuộn thứ cấp tăng hoặc giảm. 
Đo điện áp ngõ ra để xác định độ dịch chuyển 
Friday, December 3, 2021 
21 
2.1.3 Biến áp vi sai biến đổi tuyến tính (LVDT) 
Ưu điểm 
Phát hiện được cả khoảng cách và chiều di chuyển 
Chính xác 
Làm việc được trong môi trường khắc nghiệt 
Ít ảnh hưởng bởi rung động 
Nhược điểm 
Không phù hợp cho việc đo khoảng cách lớn 
Ứng dụng 
Đo dịch chuyển tuyến tính 
Đo vị trí 
Friday, December 3, 2021 
22 
2.2 Cảm biến siêu âm 
 Nguyên lý và cấu tạo 
Siêu âm là sóng cơ học có tần số lớn hơn tần số âm thanh nghe thấy (trên 20kHz). Thính giác của con người rất nhạy cảm với dải tần số từ âm trầm (vài chục Hz) đến các âm thanh rất cao (gần 20kHz). 
Cảm biến siêu âm sử dụng nguyên lý phản xạ sóng siêu âm. 
 Cảm biến gồm 2 phần: phần phát ra sóng siêu âm và phần thu sóng siêu âm phản xạ về 
Friday, December 3, 2021 
23 
2.2 Cảm biến siêu âm 
 Nguyên lý và cấu tạo 
Cảm biến sẽ phát ra 1 sóng siêu âm. Nếu có chướng ngại vật trên đường đi, sóng siêu âm sẽ phản xạ  lại và tác động lên module nhận sóng. 
Đo thời gian từ lúc phát và nhận sóng ta sẽ tính được khoảng cách từ cảm biến đến chướng ngại vật   
V: vận tóc sóng siêu âm (343 m/s trong không khí) 
t: thời gian từ lúc phát đến lúc thu 
Friday, December 3, 2021 
24 
2.2 Cảm biến siêu âm 
Ưu điểm 
Đo được khoảng cách rời rạc của vật di chuyển 
Ít ảnh hưởng bởi vật liệu và bề mặt 
Không ảnh hưởng bởi màu sắc 
Tín hiệu đáp ứng tuyến tính với khoảng cách 
Có thể phát hiện vật nhỏ ở khaongr cách xa 
Nhược điểm 
Sóng phản hồi bị ảnh hưởng của sóng âm thanh tạp âm 
Cần 1 khoảng thời gian sau mỗi lần sóng phát đi để sẵn sàng nhận sóng phản hồi chậm hơn CB khác 
Khó phát hiện vật có mật độ vật chất thấp ở khoảng cách xa 
Friday, December 3, 2021 
25 
2.2 Cảm biến siêu âm 
Bố trí cảm biến 
Friday, December 3, 2021 
26 
2.2 Cảm biến siêu âm 
Bố trí cảm biến 
Friday, December 3, 2021 
27 
2.2 Cảm biến siêu âm 
Bố trí cảm biến 
Friday, December 3, 2021 
28 
2.2 Cảm biến siêu âm 
Bố trí cảm biến 
Friday, December 3, 2021 
29 
2.2 Cảm biến siêu âm 
Bố trí cảm biến 
Friday, December 3, 2021 
30 
2.2 Cảm biến siêu âm 
Một số ứng dụng 
Friday, December 3, 2021 
31 
2.2 Cảm biến siêu âm 
Friday, December 3, 2021 
32 
2.3 Cảm biến tiệm cận 
Cấu tạo và nguyên lý: 
Cảm biến tiệm cận sử dụng dao động tần số cao để phát hiện vật khi gần cảm biến 
Có 2 loại cảm biến tiệm cận: 
Loại cảm ứng: phát hiện kim loại từ tính và không từ tính bằng cách tạo ra trường điện từ. 
Loại điện dung: phát hiện vật kim loại và không kim loại bằng tạo ra điện trường tĩnh. 
Friday, December 3, 2021 
33 
2.3 Cảm biến tiệm cận 
Một số hình ảnh thực tế 
Friday, December 3, 2021 
34 
2.3 .1 Cảm biến tiệm cận loại cảm ứng 
Cấu tạo: 
Gồm có 4 thành phần: 
Cuộn dây: tạo ra từ trường 
Bộ dao động: tạo dao động tần số cao 
Mạch kích: Giám sát biên độ của bộ dao động 
Ngõ ra: Mở / tắt 
Friday, December 3, 2021 
35 
2.3 .1 Cảm biến tiệm cận loại cảm ứng 
Hoạt động: 
Khi đối tượng vi chuyển đến gần cảm biến - đi vào vùng từ trường, xuất hiện dòng điện xoáy trên bề mặt đối tượng, làm giảm biên độ của bộ dao động. 
Mạch kích giám sát biên độ của bộ giao động và kích thích cho ngõ ra của cảm biến mở (tắt) 
Friday, December 3, 2021 
36 
2.3 .1 Cảm biến tiệm cận loại cảm ứng 
Đấu dây: 
Friday, December 3, 2021 
37 
2.3 .1 Cảm biến tiệm cận loại cảm ứng 
Ưu điểm 
Chính xác hơn so với các cảm biến khác 
Có tỉ lệ chuyển đổi cao 
Có thể làm việc trong môi trường khắc nghiệt 
Nhược điểm 
Chỉ phát hiện đối tượng kim loại 
Tầm hoạt động bị giới hạn 
Friday, December 3, 2021 
38 
2.3 .2 Cảm biến tiệm cận loại điện dung 
Cấu tạo và hoạt động 
Bề mặt của cảm biến điện dung có 2 bản cực kim loại có dạng đồng tâm. 
Khi đối tượng đến gần cảm biến, làm thay đổi điện dung trong mạch dao động và mạch dao động bắt đầu hoạt động. 
Mạch kích đo biên độ dao động và kích ngõ ra cảm biến thay đổi trạng thái khi biên độ đến mức chỉ định. 
Friday, December 3, 2021 
39 
2.3 .2 Cảm biến tiệm cận loại điện dung 
Ưu điểm 
Phát hiện được mọi vật liệu 
Ổn định và tốc độ cao 
Độ phân giải tốt 
Giá thấp 
Nhược điểm 
Ảnh hưởng bởi nhiệt độ và độ ẩm 
Khó thiết kế 
Độ tuyến tính không cao 
Không chính xác bằng cảm biến loại cảm ứng 
Friday, December 3, 2021 
40 
2.3 Cảm biến tiệm cận 
Friday, December 3, 2021 
41 
2.3 Cảm biến tiệm cận 
Một số ứng dụng 
Friday, December 3, 2021 
42 
2.3 Cảm biến tiệm cận 
Một số ứng dụng 
Friday, December 3, 2021 
43 
2.4 Cảm biến quang điện 
Cấu tạo 
Bộ phát sáng: 
Thường dùng LED: LED đỏ, LED hồng ngoại, LED lazer,  
Ánh sáng được phát ra theo xung 
Bộ thu sáng: 
Thường dùng Phototransistor 
Cảm nhận ánh ánh sáng và chuyển đổi thành tín hiệu điện tỉ lệ 
Mạch tín hiệu ra: 
Chuyển tín hiệu tỉ lệ từ bộ thu sáng thành tín hiệu ON/OFF được khuếch đại 
Friday, December 3, 2021 
44 
2.4 Cảm biến quang điện 
Một số hình ảnh thực tế 
Friday, December 3, 2021 
45 
2.4 Cảm biến quang điện 
Hoạt động 
Thu phát: 
Bộ thu và phát tách riêng biệt nhau 
Nếu có vật chắn ngang nguồn sáng sẽ có tín hiệu ra 
Ưu điểm: khoảng cách phát hiện xa (có thể đến 30 m), độ tin cậy và độ chính xác vị trí cao, phát hiện được mọi vật thể (trừ trong suốt). 
Nhược điểm: mất nhiều thời gian cho việc lắp đặt, giá thành cao. 
Friday, December 3, 2021 
46 
2.4 Cảm biến quang điện 
Hoạt động 
Phản xạ gương: 
Nguồn sáng phát ra tới gương và phản xạ lại bộ thu 
Nếu có vật chắn ngang nguồn sáng sẽ có tín hiệu ra 
Ưu điểm: giá thành thấp hơn loại thu phát, dễ lắp đặt và hiệu chỉnh, tin cậy. 
Nhược điểm: khoảng cách phát hiện ngắn, vẫn cần 2 điểm lắp đặt cảm biến và gương 
Friday, December 3, 2021 
47 
2.4 Cảm biến quang điện 
Hoạt động 
Phản xạ khuếch tán: 
Bộ phát sáng phát nguồn sáng tới đối tượng 
Đối tượng này sẽ phản xạ một phần ánh sáng (phản xạ khuếch tán) ngược lại bộ thu sáng, kích hoạt tín hiệu ra 
Ưu điểm: giá thành thấp, dễ lắp đặt (chỉ cần 1 điểm lắp đặt duy nhất) 
Nhược điểm: khoảng cách phát hiện ngắn và phụ thuộc vào kích thước, bề mặt và hình dáng của đối tượng. 
Friday, December 3, 2021 
48 
2.4 Cảm biến quang điện 
Ưu điểm 
Phát hiện được mọi vật liệu 
Ổn định và tốc độ cao 
Độ phân giải tốt 
Giá thấp 
Nhược điểm 
Ảnh hưởng bởi nhiệt độ và độ ẩm 
Khó thiết kế 
Độ tuyến tính không cao 
Không chính xác bằng cảm biến loại cảm ứng 
Friday, December 3, 2021 
49 
2.4 Cảm biến quang điện 
Friday, December 3, 2021 
50 
2.4 Cảm biến quang điện 
Một số ứng dụng 
Friday, December 3, 2021 
51 
2.4 Cảm biến quang điện 
Một số ứng dụng