Cảm biến vận tốc

Nguyên lý đo vận tốc

Trong công nghiệp, phần lớn trường hợp đo vận tốc là đo tốc độ quay của máy. Độ an toàn cũng như chế độ làm việc của máy phụ thuộc rất lớn vào tốc độ quay. Trong trường hợp chuyển động thẳng, việc đo vận tốc dài cũng thường được chuyển về đo tốc độ quay. Bởi vậy, các cảm biến đo vận tốc góc đóng vai trò quan trọng trong việc đo vận tốc.

Để đo vận tốc góc thường ứng dụng các phương pháp sau đây:

- Sử dụng tốc độ kế vòng kiểu điện từ: nguyên lý hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ. Cảm biến gồm có hai phần: phần cảm (nguồn từ thông) và phần ứng (phần có từ thông đi qua). Khi có chuyển động tương đối giữa phần cảm và phần ứng, từ thông đi qua phần ứng biến thiên, trong nó xuất hiện suất điện động cảm ứng xác định theo công thức:

Thông thường từ thông qua phần ứng có dạng:

Trong đó x là biến số của vị trí thay đổi theo vị trí góc quay hoặc theo đường thẳng, khi đó suất điện động e xuất hiện trong phần ứng có dạng:

Suất điện động này tỉ lệ với vận tốc cần đo.

- Sử dụng tốc độ kế vòng loại xung: làm việc theo nguyên tắc đo tần số chuyển động của phần tử chuyển động tuần hoàn, ví dụ chuyển động quay. Cảm biến loại này thường có một đĩa được mã hoá gắn với trục quay, chẳng hạn gồm các phần trong suốt xen kẽ các phần không trong suốt. Cho chùm sáng chiếu qua đĩa đến một đầu thu quang, xung điện lấy từ đầu thu quang có tần số tỉ lệ với vận tốc quay cần đo.

Tốc độ kế điện từ

a) Tốc độ kế điện từ đo vận tốc góc

- Tốc độ kế dòng một chiều:

Sơ đồ cấu tạo của một tốc độ kế dòng một chiều biểu diễn trên hình 18.1.

Sơ đồ cấu tạo của máy phát dòng một chiều : 1) Stato 2) Rôto 3) Cổ góp 4) Chổi quét

Stato (phần cảm) là một nam châm điện hoặc nam châm vĩnh cửu, roto (phần ứng) là một trục sắt gồm nhiều lớp ghép lại, trên mặt ngoài roto xẽ các rãnh song song với trục quay và cách đều nhau. Trong các rãnh đặt các dây dẫn bằng đồng gọi là dây chính, các dây chính được nối với nhau từng đôi một bằng các dây phụ. Cổ góp là một hình trụ trên mặt có gắn các lá đồng cách điện với nhau, mỗi lá nối với một dây chính của roto. Hai chổi quét ép sát vào cổ góp được bố trí sao cho tại một thời điểm chúng luôn tiếp xúc với hai lá đồng đối diện nhau.

Khi rô to quay, suất điện động xuất hiện trong một dây dẫn xác định theo biểu thức:

Trong đó dΦ_i là từ thông mà dây dẫn cắt qua trong thời gian dt:

dS_c là tiết diện bị cắt trong khoảng thời gian dt:

Trong đó:

l - chiều dài dây dẫn.

v - vận tốc dài của dây.

ω - vận tốc góc của dây.

r - bán kính quay của dây.

Biểu thức của suất điện động xuất hiện trong một dây:

Suất điện động ứng với một nửa số dây ở bên phải đường trung tính:

N - tổng số dây chính trên roto.

n - số vòng quay trong một giây.

Φ₀ - là từ thông xuất phát từ cực nam châm.

Tương tự tính được suất điện động ứng với một nửa số dây ở bên trái:

(18.1)

Nguyên tắc nối dây là nối thành hai cụm, trong mỗi cụm các dây mắc nối tiếp với nhau, còn hai cụm thì mắc ngược pha nhau.

b) Tốc độ kế dòng xoay chiều

- Máy phát đồng bộ:

Sơ đồ cấu tạo của một tốc độ kế dòng xoay chiều kiểu máy phát đồng bộ biểu diễn trên hình 18.2. Thực chất đây là một máy phát điện xoay chiều nhỏ. Roto (phầm cảm) của máy phát là một nam châm hoặc tổ hợp của nhiều nam châm nhỏ. Phần ứng gồm các cuộn dây bố trí cách đều trên mặt trong của stato là nơi cung cấp suất điện động cảm ứng hình sin có biên độ tỉ lệ với tốc độ quay của roto.

(18.2)

Trong đó E=K₁ω, =K₂ω, K₁ và K₂ là các thông số đặc trưng cho máy phát.

Sơ đồ cấu tạo của máy phát đồng bộ : 1) Stato 2) Rôto

Giá trị của ω có thể tính được theo E hoặc Omega.

Từ biểu thức (18.3), ta thấy điện áp U không phải là hàm tuyến tính của tốc độ quay ω. Điều kiện để sử dụng máy phát như một cảm biến vận tốc là R>>Z_i để sao cho có thể coi U ≈ E.

Điện áp ở đầu ra được chỉnh lưu thành điện áp một chiều, điện áp này không phụ thuộc chiều quay và hiệu suất lọc giảm khi tần số thấp. Mặt khác, sự có mặt của bộ lọc làm tăng thời gian hồi đáp của cảm biến.

- Xác định bằng cách đo tần số của suất điện động: phương pháp này có ưu điểm là tín hiệu có thể truyền đi xa mà sự suy giảm tín hiệu không ảnh hưởng tới độ chính xác của phép đo.

- Máy phát không đồng bộ:

Cấu tạo của máy phát không đồng bộ tương tự như động cơ không đồng bộ hai pha (hình 18.3).

Roto là một đĩa hình trụ kim loại mỏng và dị từ quay cùng tốc độ với trục cần đo, khối lượng và quán tính của nó không đáng kể.

Stato làm bằng thép từ tính, trên đó bố trí hai cuộn dây, một cuộn là cuộn kích thích được cung cấp điện áp V_c có biên độ V_e và tần số ω_e ổn định

V_c = V_e cos ω_et.

Sơ đồ cấu tạo máy phát không đồng bộ : 1) Cuộn kích 2) Rôto 3) Cuộn đo

Sơ đồ cấu tạo máy phát không đồng bộ

1) Cuộn kích 2) Rôto 3) Cuộn đo

c) Tốc độ kế điện từ đo vận tốc dài

Khi đo vận tốc dài, với độ dịch chuyển lớn của vật khảo sát (> 1m) thường chuyển thành đo vận tốc góc. Trường hợp đo vận tốc của dịch chuyển thẳng nhỏ có thể dùng cảm biến vận tốc dài gồm hai phần tử cơ bản: một nam châm và một cuộn dây. Khi đo, một phần tử được giữ cố định, phần tử thứ hai liên kết với vật chuyển động. Chuyển động tương đối giữa cuộn dây và nam châm làm xuất hiện trong cuộn dây một suất điện động tỉ lệ với vận tốc cần đo.

Sơ đồ cảm biến có cuộn dây di động biểu diễn trên hình 18.4.

Cảm biến dùng cuộn dây di động : 1) Nam châm 2) Cuộn dây

Cảm biến dùng cuộn dây di động

1) Nam châm 2) Cuộn dây

Suất điện động xuất hiện trong cuộn dây có dạng:

N - số vòng dây.

v - tốc độ dịch chuyển của vòng dây.

l - tổng chiều dài của dây.

Tốc độ kế loại này đo được độ dịch chuyển vài mm với độ nhạy ~ 1V/m.s. Khi độ dịch chuyển lớn hơn (tới 0,5 m) người ta dùng tốc độ kế có nam châm di động (hình 18.5).

Cảm biến gồm một nam châm di chuyển dọc trục của hai cuộn dây quấn ngược chiều nhau và mắc nối tiếp. Khi nam châm di chuyển, suất điện động xuất hiện trong từng cuộn dây tỉ lệ với tốc độ của nam châm nhưng ngược chiều nhau. Hai cuộn dây được mắc nối tiếp và quấn ngược chiều nên nhận được suất điện động ở đầu ra khác không.

Cảm biến có lõi từ di dộng : a) Cấu tạo b) Sơ đồ nguyên lý 1) Nam châm 2) Cuộn dây

Cảm biến có lõi từ di dộng

a) Cấu tạo b) Sơ đồ nguyên lý

1) Nam châm 2) Cuộn dây

Tốc độ kế xung

Tốc độ kế xung thường có cấu tạo đơn giản, chắc chắn, chịu đựng tốt trong môi trường độc hại, khả năng chống nhiễu và chống suy giảm tín hiệu cao, dễ biến đổi tín hiệu sang dạng số.

Tuỳ thuộc vào bản chất của vật quay và dấu hiệu mã hoá trên vật quay, người ta sử dụng loại cảm biến thích hợp.

- Cảm biến từ trở biến thiên: sử dụng khi vật quay là sắt từ.

- Cảm biến từ điện trở: sử dụng khi vật quay là một hay nhiều nam châm nhỏ.

- Cảm biến quang cùng với nguồn sáng: sử dụng khi trên vật quay có các lỗ, đường vát, mặt phản xạ.

a) Tốc độ kế từ trở biến thiên

Cấu tạo của cảm biến từ trở biến thiên gồm một cuộn dây có lõi sắt từ chịu tác động của một nam châm vĩnh cửu đặt đối diện với một đĩa quay làm bằng vật liệu sắt từ trên đó có khía răng. Khi đĩa quay, từ trở của mạch từ biến thiên một cách tuần hoàn làm cho từ thông qua cuộn dây biên thiên, trong cuộn dây xuất hiện một suất điện động cảm ứng có tần số tỉ lệ với tốc độ quay.

Sơ đồ cấu tạo của cảm biến từ trở biến thiên : 1) Đĩa quay (bánh răng) 2) Cuộn dây 3) Nam châm vĩnh cửu

Tần số của suất điện động trong cuộn dây xác định bởi biểu thức:

p - số lượng răng trên đĩa.

n - số vòng quay của đĩa trong một giây.

Biên độ E của suất điện động trong cuộn dây phụ thuộc hai yếu tố:

- Khoảng cách giữa cuộn dây và đĩa quay: khoảng cách càng lớn E càng nhỏ.

- Tốc độ quay: Tốc độ quay càng lớn, E càng lớn. Khi tốc độ quay nhỏ, biên độ E rất bé và khó phát hiện, do vậy tồn tại một vùng tốc độ quay không thể đo được, người ta gọi vùng này là vùng chết.

Dải đo của cảm biến phụ thuộc vào số răng của đĩa. Khi p lớn, tốc độ nmin đo được có giá trị bé. Khi p nhỏ, tốc độ nmax đo được sẽ lớn. Thí dụ với p = 60 răng, dải tốc độ đo được n = 50 - 500 vòng/phút, còn với p =15 răng dải tốc độ đo được 500 - 10.000 vòng/phút.

b) Tốc độ kế quang

Hình 18.7 trình bày sơ đồ nguyên lý của một tốc độ kế quang đo tốc độ quay.

Nguồn sáng phát tia hồng ngoại là một diot phát quang (LED). Đĩa quay, đặt giữa nguồn sáng và đầu thu, có các lỗ bố trí cách đều trên một vòng tròn. Đầu thu là một photodiode hoặc phototranzitor. Khi đĩa quay, đầu thu chỉ chuyển mạch khi nguồn sáng, lỗ, nguồn phát sáng thẳng hàng. Kết quả là khi đĩa quay, đầu thu quang nhận được một thông lượng ánh sáng biến điệu và phát tín hiệu có tần số tỉ lệ với tốc độ quay nhưng biên độ không phụ thuộc tốc độ quay.

Sơ đồ nguyên lí : 1) Nguồn sáng 2) Thấu kính hội tụ 3) Đĩa quay 4) Đầu thu quang

Trong các cảm biến quang đo tốc độ, người ta cũng có thể dùng đĩa quay có các vùng phản xạ ánh sáng bố trí tuần hoàn trên một vòng tròn để phản xạ ánh sáng tới đầu thu quang.

Phạm vi tốc độ đo được phụ thuộc vào hai yếu tố chính:

- Số lượng lỗ trên đĩa.

- Dải thông của đầu thu quang và của mạch điện tử.

Để đo tốc độ nhỏ (~ 0,1 vòng/phút) phải dùng đĩa có số lượng lỗ lớn (500 - 1.000 lỗ). Trong trường hợp đo tốc độ lớn ( ~ 10⁵ - 10⁶ vòng/phút) phải sử dụng đĩa quay chỉ một lỗ, khi đó tần số ngắt của mạch điện xác định tốc độ cực đại có thể đo được.