………… o0o…………
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
BÁO CÁO TÌM HIỂU CẢM BIẾN VỊ TRÍ GÓC QUAY
VERT – X 13E5V
Nhóm 2 – Lớp K55M
Giảng viên: Đoàn Thị Hương Giang
Thành viên:
1. Nguyễn Phú Sơn Anh
2. Lê Minh Chương
3. Nguyễn Văn Cường
4. Hoàng Văn Nam
5. Phạm Văn Quyết
Báo cáo môn đo lường và cảm biến
Cảm biến vị trí góc quay Vert – X 13E5V
Nhóm 2 – K55M
MỤC LỤC
I) Tổng quan về các loại cảm biến
II) Nguyên lý và các phương pháp đo cảm biến góc quay
III) Cảm biến vị trí góc quay Vert – X 13E
IV) Mạch đo sử dụng vi điều khiển atmega32
V) Ứng dụng của cảm biến góc quay
Bảng phân công công việc
Nguyễn Phú Sơn Anh Mô phỏng với Proteus Tốt
Lê Minh Chương Tín hiệu tuyến tính(VERT-X
13E), Incremental (VERT-X
13E), SSI (VERT-X 13E),
xuất sắc
Nguyễn Văn Cường Nguyên lý, tính năng cảm biến
Vert-X 13E, Thông số kỹ thuật

Hiện nay có hai phương pháp cơ bản để xác định vị trí và dịch chuyển.
Trong 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 dịch chuyển.
Trong phương pháp thứ hai, ứng với một dịch chuyển cơ bản, cảm biến phát ra
một xung. Việc xác định vị trí và dịch chuyển được tiến hành bằng cách đếm số xung
phát ra.
Một số cảm biến không đòi hỏi liên kết cơ học giữa cảm biến và vật cần đo vị trí
hoặc dịch chuyển. Mối liên hệ giữa vật dịch chuyển và cảm biến được thực hiện thông
qua vai trò trung gian của điện trường, từ trường hoặc điện từ trường, ánh sáng.
2.2. Các loại cảm biến đo góc
1. Điện thế kế điện trở
Loại cảm biến này có cấu tạo đơn giản, tín hiệu đo lớn và không đòi hỏi mạch
điện đặc biệt để xử lý tín hiệu. Tuy nhiên với các điện thế kế điện trở có con chạy cơ
học có sự cọ xát gây ồn và mòn, số lần sử dụng thấp và chịu ảnh hưởng lớn của môi
trường khi có bụi và ẩm.
1.1. điện thế kế dùng con chạy cơ học
3
Báo cáo môn đo lường và cảm biến
Cảm biến vị trí góc quay Vert – X 13E5V
Nhóm 2 – K55M
a. Cấu tạo và nguyên lý làm việc
Cảm biến gồm một điện trở cố định R
n
, trên đó có một tiếp xúc điện có thể di
chuyển được gọi là con chạy. Con chạy được liên kết cơ học với vật chuyển động cần
khảo sát. Giá trị của điện trở R
x
giữa con chạy và một đầu của điện trở R
n

là hàm
tuyến tính của dịch chuyển.
4
Báo cáo môn đo lường và cảm biến
Cảm biến vị trí góc quay Vert – X 13E5V
Nhóm 2 – K55M
Hình 2: sự phụ thuộc của điện trở điện thế kế vào con chạy
Hình 3 Độ phân giải của điện thế kế dạng dây
- Năng suất phân giải:
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. Giả sử cuộn dây có n vòng
dây, có thể phân biệt 2n-2 vị trí khác nhau về điện của con chạy:
+n vị trí tiếp xúc với một vòng dây.
+n - 2 vị trí tiếp xúc với hai vòng dây.
Độ phân giải của điện trở dạng dây phụ thuộc vào hình dạng và đường kính của
dây điện trở và vào khoảng ~10àm.
- Thời gian sống:
Thời gian sống của điện kế là số lần sử dụng của điện thế kế. Nguyên nhân gây ra
hư 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. Thường thời gian sống của điện thế kế dạng dây dẫn vào
cỡ 10
6
lần.
1.2. 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
5
Báo cáo môn đo lường và cảm biến
Cảm biến vị trí góc quay Vert – X 13E5V
Nhóm 2 – K55M
dụng điện thế kế liên kết quang hoặc từ.

chung (2) và một trong hai đầu (1) hoặc (3).
Khi đó điện áp đo được xác định bởi công thức:
6
Báo cáo môn đo lường và cảm biến
Cảm biến vị trí góc quay Vert – X 13E5V
Nhóm 2 – K55M
Trong đó R
1
là hàm phụ thuộc vị trí của trục quay, vị trí này xác định phần của R
1
chịu
ảnh hưởng của từ trường còn R = R
1
+ R
2
= const.
Từ hình 5b ta nhận thấy điện áp đo chỉ tuyến tính trong một khoảng ~90
o
đối với
điện kế quay.
2. Cảm biến điện cảm
Cảm biến điện cảm 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 điện cảm được chia ra: cảm biến tự
cảm và hỗ cảm.
2.1. cảm biến tự cảm
a) Cảm biến tự cảm có khe từ biến thiên
- Cảm biến tự cảm đơn: trên hình 6 trình bày sơ đồ nguyên lý cấu tạo của một số
loại cảm biến tự cảm đơn.
-

∆δ
Hình 7 Sự phụ thuộc giữa L, Z với chiều dày khe hở không khí δ
Đặc tính của cảm biến tự cảm đơn Z = f(∆δ) là hàm phi tuyến và phụ thuộc tần số
nguồn kích thích, tần số nguồn kích thích càng cao thì độ nhạy của cảm biến càng cao
(hình 7).
- Cảm biến 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 (hình 8)
X
V
Hình 8 Cảm biến tự cảm kép mắc theo kiểu vi sai
Cảm biến tự cảm đơn gồm một cuộn dây quấn trên lõi thép cố định (phần tĩnh)
và một lõi thép có thể di động dưới tác động của đại lượng đo (phần động), giữa phần
tĩnh và phần động có khe hở không khí tạo nên một mạch từ hở.
Khi phần ứng quay, tiết diện khe hở không khí thay đổi, làm
cho từ trở của mạch từ biến thiên, do đó hệ số tự cảm và tổng trở của cuộn dây thay
đổi theo.
Nếu bỏ qua điện trở của cuộn dây và từ trở của lõi thép ta có:
9
Báo cáo môn đo lường và cảm biến
Cảm biến vị trí góc quay Vert – X 13E5V
Nhóm 2 – K55M
Trường hợp W=const ta có:
Với lượng thay đổi hữu hạn ∆δ và ∆s ta có:
(5)
Độ nhạy của cảm biến tự cảm khi thay đổi tiết diện không khí ( δ = const):
(6)
Tổng trở của cảm biến:
(7)
Từ công thức (7) ta thấy tổng trở Z của cảm biến là hàm tuyến tính với tiết diện

W
1
μ
0
ωI .
Với W
2
, W
1
, μ
0
, ω và I là hằng số, ta có:
Hay
Còn độ nhạy khi tiết diện khe hở không khí s thay đổi (d = const):
Sức điện động hỗ cảm ban đầu trong cuộn đo W
2
khi X
V
= 0.
Ta nhận thấy công thức xác định độ nhạy của cảm biến hỗ cảm có dạng tương tự nh-
cảm biến tự cảm chỉ khác nhau ở giá trị của E
0
và L
0
. Độ hạy của cảm biến hỗ cảm
cũng tăng khi tần số nguồn cung cấp tăng.
- Cảm biến vi sai: để tăng độ nhạy và độ tuyến tính của đặc tính cảm biến người
ta mắc cảm biến theo sơ đồ vi sai. Khi mắc vi sai độ nhạy của cảm
11
Báo cáo môn đo lường và cảm biến

- Tổng trở đầu vào tức là tổng trở của đường chéo cầu phải thật lớn.
- Các dây dẫn phải được bọc kim loại để tránh ảnh hưởng của điện
trường
ngoài.
- Không được mắc các điện trở song song với cảm biến.
- Chống ẩm tốt.
Hình 15a là sơ đồ mạch cầu dùng cho cảm biến tụ kép vi sai với hai điện trở.
Cung cấp cho mạch cầu là một máy phát tần số cao.
Hình 15b là sơ đồ mạch mạch cầu biến áp với hai nhánh tụ điện.
13
Báo cáo môn đo lường và cảm biến
Cảm biến vị trí góc quay Vert – X 13E5V
Nhóm 2 – K55M
4. Cảm biến quang
Các cảm biến đo vị trí và dịch chuyển theo phương pháp quang học gồm nguồn
phát ánh sáng kết hợp với một đầu thu quang (thường là tế bào quang điện).
Tuỳ 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.
- Cảm biến quang soi thấu.
4.1. Cảm biến quang phản xạ
Đầu thu quang đặt cùng phía với nguồn phát. Tia sáng từ nguồn phát qua thấu
kính hội tụ đập 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 sáng gặp phải vạch
chia phản quang sẽ bị phản xạ trở lại đầu thu quang.
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 (thường là tế bào quang điện).
14
Báo cáo môn đo lường và cảm biến

có nhiều cải tiến và các giao thức hỗ trợ của 2 phiên bản cũng có sự khác nhau.
Hình ảnh của cảm biến:
Hình ảnh của cảm biến Vert- X 13E5V
16
Báo cáo môn đo lường và cảm biến
Cảm biến vị trí góc quay Vert – X 13E5V
Nhóm 2 – K55M
Cảm biến Vert X 13E5V gồm có 3 chân trong đó :
- chân màu đỏ là chân điện áp +5V cung cấp cho cảm biến
- chân màu đen tương ứng với chân GDD của cảm biến
- chân màu trắng là chân tín hiệu ra của cảm biến
A. Nguyên lý hoạt động và các thông số cơ bản
1. Nguyên lý hoạt động
Cảm biến Vert-X 13E sử dụng phương pháp đo vị trí góc quay không tiếp xúc
ứng dụng định lý Hall để xác định vị trí góc quay. Cấu tạo Vert-X 13E gồm 2
phần chính. Phần chuyển động được gắn với cơ cấu và nam châm để tạo từ
trường. Phần đứng yên có cảm biến xác định vị trí theo từ trường.
2. Tính năng nổi bật
- Lớp bảo vệ IP69 chất lượng cao
- Kích thước rất nhỏ gọn
- Độc lập với phương pháp đo lường( non-contacting measuring method)
- Thời gian sử dụng lớn
- Độ chính xác cao
- Có khả năng làm việc trong điều kiện chật hẹp
3. Một số tính năng tùy chọn
- Khả năng tùy chỉnh giá trị tương ứng điện áp-góc
- Khả năng điều chỉnh độ lớn tín hiệu ra X…Y% UB
- Tùy chọn thiết kế hình dạng
- Tùy chọn thiết kế nam châm tác động
- Tùy chọn cáp/ dây dẫn.

Nguồn nuôi
5±10% 5± 10%
Dòng tiêu thụ không tải
Xem B xemC
Trở thuần tải nhỏ nhất ở đầu ra
Xem B Xem C
điện dung tải lớn nhất ở đầu ra
Xem B Xem C
Tần số PWM
Xem B
Tính năng đảo ngược cực để bảo vệ
nguồn
Xem B Xem C
Phương thức kết nối qua
Xem B Xem C
Thông số cơ học
Dải đo cơ (
0
)
360 360
Thời gian sống nhỏ nhất( cơ học)
Vô hạn Vô hạn
Nhiệt độ làm việc
Xem B Xem C
Nhiệt độ lưu trữ
Xem B Xem C
Lớp bảo vệ
IP69 IP69
Chuẩn
EN 55022 lớp B, phát xạ bức xạ (30 đến

PWM SPI
Độc lập tuyến tính ( không có sai số) ±0.3 ±0.3 ±0.3
Độc lập tuyến tính ( Cho phép sai số) ±0.5 ±0.5 ±0.5
Trễ max 0.1 0.10.1 0.1
Dải đo ( bit) 12 12 14
Lặp Max 0.1 0.1 0.1
Phương thức mẫu tỉ lệ nhanh (KHz) 5 5 5
Phương thức mẫu tỉ lệ chậm (KHz) 1.66 1.66 1.66
Hệ thống trễ nhanh (μs) 800 800 400
Hệ thống trễ chậm (μs) 4600 4600 600
Dòng tiêu thụ. Không tải.Giao tiếp
nhanh( mA)
16 16 16
Dòng tiêu thụ.Không tải.Giao tiếp
chậm(mA)
10 10 10
Tải ở đầu ra (kOhm) 10 10 -
Điện dung lớn nhất ở đầu ra (nF) 10 1 -
Tần số xung (kHz) - 0.1 ( 1) -
Tính năng đảo ngược cực để bảo vệ
nguồn
Có Có có
Kết nối điện trục Dây Dây Dây băng
19
Báo cáo môn đo lường và cảm biến
Cảm biến vị trí góc quay Vert – X 13E5V
Nhóm 2 – K55M
Mặt cắt của dây đơn ( mm
2
) 0.25

Điện dung ở đầu ra lớn nhất (nF) 1 1
Điện vòng kết nối xuyên tâm 6 pol pol
Kết nối đồng trục Dải băng Dải băng
Thiết diện đơn của dây (mm
2
) 0.09 (AWG28) 0.09 (AWG28)
Nhiệt độ hoạt động(
o
C) -40 +125 -40 +125
Nhiệt độ lưu trữ (
o
C) -40 +125 -40 +125
các đặc trưng cơ bản của cảm biến
- Giới hạn đo: 0-360
0
- Giới hạn chuyển động: không giới hạn
- Điện áp làm việc: 5V(±10%)
- Độ phân giải: 10-12-14 bit
20
Báo cáo môn đo lường và cảm biến
Cảm biến vị trí góc quay Vert – X 13E5V
Nhóm 2 – K55M
- Giao tiếp: USB/Ribbon cable/round cable/dây
- Dạng tín hiệu đầu ra: tuyến tính/PWM/SPI/SSI/Incremental
-
5. Tín hiệu đầu ra( Output signal)
5.1. Tín hiệu ra tuyến tính
Tín hiệu ra là tín hiệu tương tự có giá trị điện áp từ 10% đến 90% điện áp
nguồn nuôi (hoặc X% đến Y% tùy chỉnh).
5.2. PWM

Master In Slave Out), dành cho việc truyền dữ liệu từ thiết bị bị động đến thiết bị chủ
động.
SCLK hay SCK — tín hiệu đồng hồ tăctơ nối tiếp (tiếng Anh: Serial Clock), dành cho
việc truyền tín hiệu đồng hồ tăctơ dành cho thiết bị bị động.
CS hay SS — chọn vi mạch, chọn bên bị động (tiếng Anh: Chip Select, Slave Select).
Về bản chất, SPI là sự hoán đổi dữ liệu giữa 2 bên. Việc chuẩn bị dữ liệu của 2 bên
được thực hiện từ trước khi thao tác trao đổi dữ liệu xảy ra. Dữ liệu Slave trả về là nội
dung của thanh ghi dữ liệu của SPI tích hợp trên Slave.
22
Báo cáo môn đo lường và cảm biến
Cảm biến vị trí góc quay Vert – X 13E5V
Nhóm 2 – K55M
Giao tiếp SPI với Vert-X 13E
- SPI: Độ phân giải 14 bit
Tốc độ lấy mẫu: 0.55-2.2 KHz
Cảm biến đóng vai trò slave. Dữ liệu được ghi vào thanh ghi SPDR sau mỗi lần lấy
mẫu. Khi Master (vdk) đưa tín hiệu chân SS xuống thấp, phát xung giữ nhịp trên SCK,
Dữ liệu về vị trí của cảm biến được tự động truyền sang master.
5.4. SSI (synchronous serial interface)
SSI (synchronous serial interface) là chuẩn truyền thông nối tiếp đồng bộ, điểm
nối điểm giữa một trạm chủ (vdk) và một trạm tớ (cảm biến). SSI xây dựng trên chuẩn
RS422 có hiệu quả cao và được phát triển trên nền tảng phần cứng rất đa dạng. SSI rất
thích hợp cho các ứng dụng đòi hỏi độ tin cậy trong đo lường ở nhiều môi trường công
nghiệp khác nhau.
23
Báo cáo môn đo lường và cảm biến
Cảm biến vị trí góc quay Vert – X 13E5V
Nhóm 2 – K55M
Việc truyền dữ liệu được đồng bộ hóa giữa trạm truyền và nhận bằng tín hiệu xung giữ
nhịp (clock signal). Trạm chủ điều khiển xung dữ nhịp còn trạm tớ gửi dữ liệu theo

5.5. Incremental (dạng tín hiệu xung vuông, giống encoder loại số gia) :
Tín hiệu ra incremental của cảm biến Vert-X 13E tương tự như tín hiệu ra của
incremental encoder quang học. Mỗi cảm biến sẽ có 3 kênh( A, B, Z). Tín hiệu trên
kênh A là dạng xung vuông. Cứ mỗi một bước chuyển động quay của vật cần đo, cảm
biến sẽ phát ra một xung trên kênh A. Số xung được phát ra trên một vòng quay được
gọi là độ phân giải của cảm biến. Tín hiệu trên kênh B là dạng xung vuông có cùng tần
số với tín hiệu trên kênh A nhưng lệch pha 90
0
hoặc 180
0
, được dùng để xách định
chiều quay của vật cần đo. Cứ mỗi một vòng quay của vật, kênh Z sẽ phát ra một xung
vuông. Tín hiệu trên kênh này dùng để xác định số vòng quay của vật.
25