Bài giảng Kỹ thuật cảm biến - Chương 8: Cảm biến mức chất lưu. Encoder

Bài 8 
CẢM BIẾN MỨC CHẤT LƯU. 
ENCODER 
1 
Môn học: PTTĐ 
GV: Vũ Xuân Đức 
1 
4.6.1. Chức năng và phương pháp đo: 
Chức năng: xác định mức độ hoặc khối lượng chất lưu trong bình chứa 
Kiểu đo: có 2 kiểu đo : 
	- Đo liên tục: 
	- Đo theo ngưỡng: 
Các phương pháp đo: 
 	- Phương pháp thuỷ tĩnh dùng biến đổi điện; 
	- Phương pháp điện dựa trên tính chất điện của chất lưu; 
	- Phương pháp bức xạ dựa trên sự tương tác giữa bức xạ và chất lưu. 
2 
  4.6. Cảm biến mức chất lưu 
Môn học: PTTĐ 
GV: Vũ Xuân Đức 
2 
Phương pháp thuỷ tĩnh đo liên tục mức chất lưu trong bình chứa. 
3 
4.6.2 . Phương pháp thuỷ tĩnh 
Môn học: PTTĐ 
GV: Vũ Xuân Đức 
3 
 Dùng phao cầu; 
 Dùng phao trụ; 
P - trọng lượng phao; 
h - chiều cao phần ngập trong chất lưu của phao; 
S - tiết diện mặt cắt ngang của phao; 
ρ - khối lượng riêng của chất lưu; 
g - gia tốc trọng trường. 
c. Dùng cảm biến áp suất kiểu vi sai 
Dùng phao nổi 
Nguyên tắc hoạt động: chuyển đổi trực tiếp mức chất lỏng thành tín hiệu điện dựa vào tính chất điện của chất lưu. 
Các cảm biến thường dùng: 
- cảm biến độ dẫn điện: dùng để đo mức các chất lưu có tính dẫn điện 
- cảm biến kiểu điện dung: có thể đo mức chất lưu dẫn điện hoặc không dẫn điện. 
Cảm biến độ dẫn điện: 
a. Cảm biến hai điện cực; b. Cảm biến một điện cực; c. Cảm biến phát hiện mức. 
4 
4.6.3. Phương pháp điện 
Môn học: PTTĐ 
GV: Vũ Xuân Đức 
4 
Nguồn nuôi xoay chiều 10V 
Dòng điện chạy qua các điện cực có biên độ tỉ lệ với chiều dài của phần điện cực nhúng chìm trong chất lỏng. 
- Mức chất lỏng đạt ngưỡng thì dòng điện thay đổi đột biến về giá trị biên độ 
b. Cảm biến kiểu điện dung: 
- Đạt được độ tuyến tính trong khoảng đo lớn, 
- Dùng để đo mức chất lỏng dễ bay hơi, dễ nổ và ăn mòn, 
- Khoảng đo lớn (0-5m) 
Khi chất lỏng không dẫn điện: 
H – Chiều cao tụ điện 
h – chiều mực chất lỏng 
ε – hằng số điện môi chất lỏng 
ε 0 – hằng số điện môi không khí 
R 1 – Bán kính trong 
R 2 – bán kính ngoài (thành bình) 
Yêu cầu: ε lớn hơn đáng kể ε 0 (thường là gấp đôi) 
Khi chất lỏng dẫn điện: 
d – bề dày lớp phủ cách điện 
ε 1 – hằng số điện môi của lớp phủ cách điện 
5 
4.6.3. Phương pháp điện (tt) 
Môn học: PTTĐ 
GV: Vũ Xuân Đức 
5 
Ưu điểm: cho phép đo mức chất lưu mà không cần tiếp xúc với môi trường đo, thích hợp khi đo mức ở điều kiện môi trường đo có nhiệt độ, áp suất cao hoặc môi trường có tính ăn mòn mạnh. 
 a. Cảm biến phát hiện ngưỡng; b. Cảm biến đo mức liên tục; 
Cảm biến đo mức bằng tia bức xạ 
 1. Nguồn phát tia bức xạ; 2. Bộ thu; 3. Chất lưu. 
6 
4.6.4. Phương pháp bức xạ 
Môn học: PTTĐ 
GV: Vũ Xuân Đức 
6 
Cảm biến thu âm gồm một thiết bị phát và một thiết bị thu sóng 
7 
4.6.5. Phương pháp siêu âm 
Môn học: PTTĐ 
GV: Vũ Xuân Đức 
7 
 Khoảng cách từ vị trí đặt cảm biến siêu âm tới bề mặt chất lỏng: 
 v - tốc độ sóng siêu âm, 
 t 1 ,t 2 – thời điểm phát, nhận sóng 
Mức chất lỏng trong bình chứa được xác định khi độ cao bình chứa đã biết: 
5.1. Cảm biến tốc độ góc mã hóa xung vòng quay (Encoder) 
5.1.1. Khái niệm, ứng dụng: 
Khái niệm: Cảm biến mã hóa xung vòng quay (encoder) là một phần tử cảm biến thực hiện đo tốc độ góc, góc quay dựa trên việc biến đổi chuyển động quay thành tín hiệu xung có tần số thay đổi. 
Tốc độ góc quay càng cao thì tín hiệu xung có tần số càng lớn. 
Ứng dụng: Ứ ng dụng nhiều trong các hệ thống đo lường và điều khiển tương tự và số, trong các hệ truyền động bám sát, trong các hệ đồng bộ góc và tốc độ góc giữa các thiết bị bố trí cách nhau một khoảng cách lớn. 
8 
5. Cảm biến tốc độ góc 
Môn học: PTTĐ 
GV: Vũ Xuân Đức 
8 
Cấu tạo chung: 
Nguyên tắc hoạt động chung: 
9 
5.1.2. Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động chung của Encoder 
Môn học: PTTĐ 
GV: Vũ Xuân Đức 
9 
- Encoder tương đối ( incremental encoder ); 
- Encoder tuyệt đối ( absolute encoder ). 
5.1.3.1. Encoder tương đối ( incremental encoder ) 
a. Công dụng  : đo tốc độ góc 
b. Cấu tạo, nguyên tắc hoạt động : 
Trong thành phần cấu tạo chung, đĩa mã hóa thường chỉ có tối đa 1, 2 hoặc 3 vòng khe hở. Mỗi vòng khe hở tương ứng với một đầu ra. 
Đĩa mã hóa có một vòng khe hở sẽ chỉ đếm được số lượng xung trong một vòng quay; như vậy có thể xác định được tốc độ góc quay nhưng không xác định được chiều quay. 
10 
5.1.3. Phân loại Encoder 
Môn học: PTTĐ 
GV: Vũ Xuân Đức 
10 
Đĩa mã hóa có hai vòng khe hở có thể xác định được chiều quay 
11 
5.1.3.1. Encoder tương đối (tt) 
Môn học: PTTĐ 
GV: Vũ Xuân Đức 
11 
Đối với đĩa mã hóa có 1 vòng khe hở, dùng hai nguồn sáng đặt “lệch nhau theo pha” một góc 90 độ có thể xác định được chiều quay 
12 
5.1.3.1. Encoder tương đối (tt) 
Môn học: PTTĐ 
GV: Vũ Xuân Đức 
12 
Đĩa mã hóa có thêm vòng khe hở thứ ba z, chỉ có một khe hở được dùng để xác định điểm gốc ban đầu cho encoder cũng như xác định số lượng các vòng quay của encoder 
13 
5.1.3.1. Encoder tương đối (tt) 
Môn học: PTTĐ 
GV: Vũ Xuân Đức 
13 
c. Đặc tính và hàm truyền: 
Phương trình tĩnh: 
F - tần số xung đầu ra encoder ( Hz ); 
K d - hệ số phân giải ( số lượng xung trên một vòng quay ) 
ω - tốc độ quay cần đo, được tính bằng vòng/s 
Đặc tính tĩnh:   
Phương trình động học : 
Hàm truyền: 
Encoder tuyệt đối khi xác định tốc độ góc được xem là một khâu khuếch đại 
14 
5.1.3.1. Encoder tương đối (tt) 
Môn học: PTTĐ 
GV: Vũ Xuân Đức 
14 
a. Công dụng  : đo góc 
b. Cấu tạo, nguyên tắc hoạt động : 
  Đĩa mã hóa thường được chia thành 4 hoặc 8 vòng khe hở, bố trí số lượng khe hở trong mỗi vòng theo nguyên tắc mã nhị phân . Vòng trong cùng có một khe hở, vòng tiếp theo có hai khe hởKhi đĩa mã hóa quay, mỗi vòng khe hở sẽ tương ứng một đầu ra, trong đó đầu ra tương ứng khe hở trong cùng sẽ là bit có trọng số lớn nhất, đầu ra tương ứng khe hở ngoài cùng đĩa mã hóa sẽ là bít có trọng số nhỏ nhất 
	 a	 b 
Hình 6-3. Bố trí khe hở trên đĩa mã hóa encoder tuyệt đối 4 bit (a) và 8 bit (b) 
15 
5.1.3.2. Encoder tuyệt đối 
Môn học: PTTĐ 
GV: Vũ Xuân Đức 
15 
b. Cấu tạo, nguyên tắc hoạt động  (tt): 
  	 Dãy xung đầu ra encoder tuyệt đối 4 bít 
16 
5.1.3.2. Encoder tuyệt đối (tt) 
Môn học: PTTĐ 
GV: Vũ Xuân Đức 
16 
c. Đặc tính và hàm truyền: 
Phương trình tĩnh: 
N - tần số xung đầu ra encoder ( ); 
K d - hệ số phân giải ( số lượng xung trên một vòng quay = số khe hở ở vòng ngoài cùng) 
 - góc quay 
Đặc tính tĩnh: 
Phương trình động học : 
Hàm truyền: 
Encoder tuyệt đối đối khi xác định góc quay được xem là một khâu khuếch đại 
17 
5.1.3.2. Encoder tuyệt đối (tt) 
Môn học: PTTĐ 
GV: Vũ Xuân Đức 
17 
18 
So sánh giữa Encoder tương đối và Encoder tuyệt đối 
Môn học: PTTĐ 
GV: Vũ Xuân Đức 
18 
INCREMENTAL ENCODER DISK 
  ABSOLUTE ENCODER DISK 
HẾT BÀI 8 
19 
Môn học: PTTĐ 
GV: Vũ Xuân Đức