ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ - ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

BÀI TẬP LỚN Nhm 3
Môn: Kỹ Thuật Đo Lường Và Cảm Biến
Giảng viên hướng dẫn: Th. Đoàn Thị Hương Giang
Sinh viên thực hiện: Đỗ Hải Bằng

Trần Văn Nam
Nguyễn Văn Toản
Vũ Xuân Trường
Khiếu Thanh Tùng
Lớp: K55M
Hà Nội,04/2013
Mục lục
Linear position sensor – R series
Linear position sensor – R series: Cảm biến vị trí tuyến tính loại R
I.Giới thiệu chung về cảm biến đo vị trí và dịch chuyển.
1.Khái quát chung.
- Ngày nay, cảm biến vị trí và dịch chuyển được ứng dụng rất rộng rãi. Việc kiểm
tra vị trí và dịch chuyển đóng vai trò rất quan trọng đối với hoạt động của nhiều máy
móc, công cụ…
- Thông thường có hai phương pháp cơ bản để xác định vị trí và độ dịch chuyển.
+ Phương 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 vị trí hay độ dịch chuyển dài.
+ Phương pháp thứ hai: Ứng với một dịch chuyển cơ bản, cảm biến phát ra
một xung. Việc xác định vị trí và độ dịch chuyển dài được tiến hành thông qua việc
đếm số xung phát ra.
Linear position sensor – R series Page 3
- Một số cảm biến không đòi hỏi sự liên kết cơ học giữa cảm biến và vật cần đo vị
trí hoặc độ dịch chuyển. Mối liên hệ giữa vật dịch chuyển và cảm biến được thực hiện

μm.
Các điện trở được chế tạo với các giá trị R
n
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, ổn định.
b.Các đặc trưng
Khoảng cách có ích của con chạy: thông thường ở đầu hoặc cuối đường chạy của
con chạy tỷ 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.
Linear position sensor – R series Page 5
Năng suất phân giải: Với điện trở dây cuốn, độ phân giải xác định bởi lượng dịch
chuyển cực đại cần thiết để đưa con chạy từ vị trí tiếp xúc hiện tại sang vị trí tiếp xúc lân
cận tiếp theo. Độ phân giải của điện trở dạng dây phụ thuộc vào hình dạng và đường kính
của dây điện trở (~10μm), điện trở kiểu băng dẫn phụ thuộc và kích thước hạt, thường
vào cỡ ~0.1μm.
Thời gian sống: là số lần sử dụng của điện thế kế. Nguyên nhân gây 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. Thông thường thời gian sống của điện thế kế dạng dây dẫn cỡ 10
6
lần, điện kế
dạng băng dẫn vào cỡ 5.10
7
– 10
8
lần.
2.1.2.Cảm biến điện thế kế không dùng con chạy cơ học
Để khắc phục nhược điểm của điện thế kế dùng con chạy cơ học, người ta sử dụng
điện thế kế liên kết quang hoặc từ
a.Điện thế kế dùng con trỏ quang

cảm và tổng trở của cuộn dây thay đổi theo.
Sơ đồ b: khi phần ứng quay, tiết diện khe hở không khí thay đổi, làm cho từ trở của
mạch điện 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 tổn hao sinh ra bởi dòng điện xoáy
khi tấm sắt từ dịch chuyển dưới tác động của đại lượng đo
Nếu bỏ qua điện trở của cuộn dây và từ trở của lõi thép ta có: L = =
Trong đó W là số vòng dây, là từ trở khe hở không khí,
chiều dài khe hở không khí, s là tiết diện thực của khe hở không khí.
Với lượng thay đổi hữu hạn Δδ và Δs ta có:
Độ nhạy của cảm biến tự cảm khi thay đổi tiết diện không khí (δ = const):
Linear position sensor – R series Page 8
Tổng trở của cảm biến: => 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
Đặc tính của cảm biến đơn Z = f(∆δ) là hàm phi tuyến và phụ thuộc vào tần số
nguồn kích thích, tần số nguồn kích thích càng cao thì độ nhạy của cảm biến càng cao.
b.Cảm biến loại tự cảm kép lắp theo kiểu vi sai
Để tăng độ nhạy của cảm biến và tăng đoạn đặc tính tuyến tính người ta thường
dùng cảm biến tự cảm kép mắc theo kiểu vi sai.
Đặc tính của cảm biến tự cảm kép vi sai có dạng :
Linear position sensor – R series Page 9
2.2.2.Cảm biến tự cảm có lõi từ di động
Cảm biến gồm một cuộn dây bên trong có lõi từ di động được:
Dưới tác động của đại lượng đo , lõi từ dịch chuyển làm cho độ dài l
f
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 l
f
là hàm không tuyến tính, tuy nhiên có thế 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.

Khi bản cực động di chuyển sẽ kéo theo sự thay đổi điện dung của tụ điện.
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 nhưng 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 nhưng phi tuyến khi diện tích bản cực và hằng số điện môi thay
đổi
2.3.2.Cảm biến tụ kép vi sai
Tụ kép vi sai có khoảng cách giữa các bản cực biến thiên dịch chuyển thẳng hoặc có
diện tích bản cực biến thiên dịch chuyển quay và dịch chuyển thẳng gồm ba bản cực. Độ
nhạy và độ tuyến tính của tụ kép vi sai cao hơn tụ đơn và lực tương hỗ giữa các bản cực
triệt tiêu lẫn nhau do ngược chiều nhau.
Linear position sensor – R series Page 12
2.4.Cảm biến quang
Các cảm biến đo vị trí và độ dịch chuyển theo phương pháp quang học gồm có
nguồn phát ánh sáng kết hợp với một đầu thu quang (thường là tế bào quang điện).
Tùy theo cách bố trí đầu thu quang, nguồn phát và thước đo (hoặc đối tượng đo),
các cảm biến được chia ra cảm biến quang phản xạ và cảm biến quang soi thấu
2.4.1.Cảm biến quang phản xạ
Cảm biến quang phản xạ hoạt động theo nguyên tắc dọi phản quang: đầu thu quang
đặt cùng phía với nguồn phát. Tia sang từ nguồn phát qua thấu kính hội tụ tới một thước
đo chuyển động cùng vật khảo sát, trên thước có những vạch chia phản quang và không
phản quang kế tiếp nhau, khi tia sang gặp phải vạch chia phản quang sẽ bị phản xạ trở lại
đầu thu quang.
\
Cảm biến loại dọi phản quang không cần dây nối qua vùng cảm nhận nhưng cự ly
cảm nhận thấp và chịu ảnh hưởng của ánh sang từ những nguồn sang khác.
2.4.2.Cảm biến quang soi thấu
Cảm biến gồm một nguồn phát ánh sáng, một thấu kính hội tụ, một lưới chia kích
quang và các phần tử thu quang.
Linear position sensor – R series Page 13

Sóng phát ra nhờ hiệu ứng Wiedemam: là hiện tượng xoắn một ống trụ sắt từ khi nó
chịu tác động đồng thời của một từ trường dọc và ngang.
Sóng đàn hồi thu được dựa trên cơ sở sử dụng hiệu ứng Vilari: sức căng cơ học làm
thay đổi khả năng từ hóa và độ từ thẩm của vật liệu sắt từ.
Linear position sensor – R series Page 15
Máy phát (4) cung cấp một xung điện truyền qua dây dẫn (3), xung này truyền với
vận tốc ánh sang (c), từ trường do nó sinh ra có đường sức đồng tâm với trục ống. Khi
sóng điện từ truyền đến nam châm (2), hai sóng kết hợp sẽ làm cho ống bị xoắn cục bộ,
xoắn này truyền đi dưới dạng sóng với vận tốc v. Khi sóng đên máy thu (5) làm thay đổi
độ từ hóa gây nên tín hiệu hồi đáp. Biết được thời gian truyền sóng ta sẽ biết được vị trí
và độ dịch chuyển.
II. Tổng quan về cảm biến vị trí tuyến tính
1.Khái niệm
Cảm biến vị trí tuyến tính là cảm biến dùng để phát hiện và đo lường vị trí và
chuyển động của một đối tượng, sử dụng phương pháp tiếp xúc hoặc không tiếp xúc để
đo tốc độ hoặc vị trí của một đối tượng.
2.Nguyên lý hoạt động
 Cảm biến vị trí tuyến tính sử dụng một loạt các công nghệ để phát hiện và đo
lường vị trí và chuyển động của một đối tượng. Cơ chế chung của hầu hết các cảm
biến liên quan đến emittance (độ trưng, công suất bức xạ) bị tác động bởi các đối
tượng, được ghi lại và dịch sang một thước đo khoảng cách hoặc vận tốc. Các loại
cảm biến vị trí tuyến tính được phân biệt dựa trên các chức năng cụ thể của nó.
3.Phân loại
Có rất nhiều các công nghệ cảm biến vị trí tuyến tính khác nhau như: Điện dung,
dòng xoáy, quang điện, siêu âm,cảm biến hiệu ứng Hall, từ điện, từ giảo, biến trở từ và
chiết áp tuyến tính. Hầu hết các loại cảm biến này được chế tạo dựa trên những đặc điểm
được nêu trên mục I
4.Giới thiệu về cảm biến vị trí tuyến tính – loại R (Linear position sensor – R series)
4.1 Giới thiệu chung
Cảm biến vị trí tuyến tính – loại R là dòng sản phẩm do hãng MTS sản xuất. Cảm

Nam châm bị giữ trượt sử dụng vòng bi trượt chất liệu đặc biệt làm giảm ma sát khi cần
thiết, giúp giảm thiểu bụi bẩn xây dựng. Vòng bi trượt được thiết kế để hoạt động khô,
không cần dầu bôi trơn bên ngoài hoặc bảo trì.
Nam châm vòng khuyên kiểu M giá đỡ di chuyển trên bộ phận của máy và vừa di
chuyển đường bao ngoài của sensor, nam châm vòng khuyên yêu cầu một khoảng cách
đủ lớn từ kim loai màu để cấp phát chính xác đầu ra sensor. Giá đỡ cần phải sử dụng vít
không màu và một giá côn xông kim loại màu hoặc dùng một miếng đệm kim loại màu
có độ dày tối thiểu 5mm
Linear position sensor – R series Page 18
+ Chọn vị trí nam châm
Temposonics model RP profile –MTS cung cấp hai phương pháp lắp cơ bản : rãnh
bên dùng với chân đỡ hoặc một đường rãnh dưới thiết kế T-slot ( rãnh T). Cả hai chân đỡ
và hạt T-slot có thể bố trí theo suất chiều dài của cảm biến để đảm bảo cho cảm biến sử
dụng tốt nhất trong mỗi ứng dụng đặc biệt.
 Chú ý :
- Mô hình cảm biến RP bao gồm 2 chân đỡ ( bộ phận số 400802 ) cho độ dài hành
trình cảm biến lên đến 1250 mm ( 50in).
- Một chân đỡ thêm vào để cho độ dài hành trình có thể vượt 1250 mm và cho mỗi
500mm thêm vào sau đó.
- MTS đề xuất sử dụng 10-32 vít chốt để cảm biến đạt momen xoắn tối đa 44 in.lbs
khi gắn chân đỡ.
Linear position sensor – R series Page 19
Linear position sensor – R series Page 20
4.3 Nguyên lý hoạt động
Cảm biến vị trí tuyến tính – loại R hoạt động dựa trên nguyên tắc cảm biến vị trí
từ giảo được phát triển bởi hãng MTS.
- Bên trong phần tử cảm biến, một xung sóng căng được cảm ứng trong một ống
dẫn sóng từ giảo được thiết kế đặc biệt bởi sự tương tác tức thời của hai từ trường. Một từ
trường tạo bởi một nam châm vĩnh cửu có thể di chuyển đi dọc theo phía ngoài của cảm
biến.

Tốc độ quay và tuyến tính
- 0.5, 1, 2, 5, 10, 20, 50, 100 μm
+ 300, 750, 1000, 2000, 5000 mm
+ 3.7 3.0 2.3 1.2 0.5 kHz
- ± 0.01%(tối thiểu ± 40 mm)
- ± 0,001%(tối thiểu ± 2,5 mm)
- < 4μm, 2 μm là điển hình
+ Synchronous Serial Interface (SSI),(rs-422
loại khác biệt giữa các cặp tín hiệu).
+ Nhị phân, tùy chọn chẵn lẻ và lỗi bit, tùy chọn
nhiệt độ bên trong
+ 8 đến 32 bit
+ 1MBd <400kBd <300kBd <200kBd <100kBd
+ <3 <50 <100 <200 <400 m
+ Profile style: 25-5080mm
Rod style: 25-7260mm
Flexible style: 255-10060mm
+ 75mm tối thiểu cho 2 đầu ra khác biệt
• Điện thế
- Điện áp hoạt động
- Dòng
- Điện áp điện môi chịu được
- Môi trường làm việc
+ Điều kiện hoạt động
+ Độ ẩm tương đối
+ Hệ số nhiệt độ
- Đánh giá độ rung động
- Đánh giá shock
- Danh định +24V (-15% hoặc +20%)
- Điển hình 100 mA

Trạm tớ bắt đầu chuẩn bị dữ liệu cho lần truyền tiếp theo trong khi giữ tín hiệu dây data ở
mức cao ở chế độ nhàn rỗi (sau khoảng thời gian tm).
Chế độ truyền liên tiếp
Linear position sensor – R series Page 23
Như đã nói ở trên, trước khi kết thúc khoảng thời gian tối thiểu chờ timeout, nếu xuất
hiện xung clock từ trạm chủ thì trạm tớ sẽ hoạt động ở chế độ truyền liên tiếp. Trạm tớ sẽ
không bắt đầu cập nhập dữ liệu mới mà truyền lại dữ liệu đã chuẩn bị trước đó.
Chế độ truyền liên tiếp thường dùng để kiểm tra tính toàn vẹn của dữ liệu. Sự truyền
hỏng sẽ được phát hiện sau khi so sánh 2 giá trị nhận được.
Temposonics r-series cảm biến với giao diện SSI đáp ứng tất cả các yêu cầu của tiêu
chuẩn giao diện cho một bộ mã hóa tuyệt đối. Giá trị vị trí được mã hóa trong một định
dạng mã 24/25/26 và được truyền đi với tốc độ cao trong giao SSI tiêu chuẩn định dạng
cho các thiết bị điều khiển. Tính năng chính của giao diện SSI là việc chuyển giao dữ liệu
đồng bộ, truyền dữ liệu đồng bộ hóa đơn giản hóa hệ thống điều khiển vòng kín
- Đầu vào cảm biến và biểu đồ thời gian
Linear position sensor – R series Page 24
Một xung clock từ một bộ điều khiển được đưa đến đầu ra dữ liệu cảm biến. Một bit
dữ liệu vị trí được chuyển đến bộ điều khiển cho mỗi xung clock nhận được bởi cảm
biến. Các dữ liệu vị trí tuyệt đối được cập nhật liên tục bởi các cảm biến và chuyển đổi
bằng cách ghi thông tin thay đổi liên tiếp.
 Chế độ đo
Chu kì đo: chu kỳ đo lường bắt đầu với một xung rất ngắn dòng điện được áp dụng
cho ống dẫn sóng của cảm biến này được gọi là 'xung tra dò'. Nó tạo ra một từ trường
tương tác với một từ trường phát ra từ vị trí nam châm. Tương tác này tạo ra hiệu ứng từ
giảo và kết quả trong một dòng cơ bản địa hóa trong ống dẫn sóng của cảm biến. Khi
xung tra dò kết thúc, sức căng đột ngột cắt, gửi một xung sóng căng quay xuống ống dẫn
sóng. Chu kỳ đo lường kết thúc khi xung sóng căng đến cuối của ống dẫn sóng và được
hiển thị bởi các thiết bị.
Linear position sensor – R series Page 25