Giáo trình Kỹ thuật cảm biến (Bản đẹp)

ơng pháp analog. 
 a. Tốc độ kế dòng một chiều (máy phát tốc). 
 - Thực chất là các máy phát điện công suất nhỏ có sức điện động tỉ lệ với tốc độ 
cần đo được cấu tạo gồm các phần chính 
 Hình 4.1. Cấu tạo của một máy phát dòng một chiều. 
 - Stator: Là một nam châm điện hoặc một nam châm vĩnh cửu có hai cực nam 
và bắc nằm ngoài cùng. 
 - Rotor: 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 
phụgồm có lõi thép phần ứng, trên có xẻ rãnh, trong rãnh có đặt dây quấn. 
 - 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. 
 37 
 - Điện áp trên cực máy phát tỉ lệ với tốc độ quay của nó. Máy phát tốc độ nối 
cùng trục với phanh hãm điện từ và cùng trục với động cơ, do đó tốc độ quay của nó 
chính là tốc độ quay của động cơ. Tốc độ này tỉ lệ với điện áp của máy phát tốc độ. 
 - Dùng Vmét điện từ hoặc đồng hồ đo tốc độ nối với nó có thể đo được tốc độ 
của động cơ. 
 - Giá trị điện áp âm hay dương phụ thuộc vào chiều quay. 
 Er = −( nΦ0 )/ 2π = −NnΦ0 (4.2) 
 - Trong đó: 
 N: Số vòng quay trong 1 s. 
  : Vân tốc góc của rotor. 
 n: Là tổng số dây chính trên rotor. 
 Φ0: Là từ thông xuất phát từ cực nam châm 
 b. Tốc độ kế dòng xoay chiều. 
 - Tốc độ kế dòng xoay chiều có ưu điểm là không có cổ góp điện và chổi than 
nên có tuổi thọ cao. Không có sự tăng, giảm điện áp trên chổi than. 
 - Nhược điểm là mạch điện phức tạp hơn, ngoài ra để xác định biên độ cần 
phải chỉnh lưu và lọc tín hiệu. 
* Máy phát đồng bộ. 
 - Cấu tạo của một tốc độ kế dòng xoay chiều kiểu máy phát đồng bộ thực chất 
đây là một loại máy phát điện xoay chiều loại nhỏ. 
 Hình 4.2. Cấu tạo của một máy phát đồng bộ. (a: 1 pha, b: 3 pha) 
 - Rotor của máy phát được gắn đồng trục với thiết bị cần đo tốc độ. Rotor là 
một nam châm hoặc tổ hợp của nhiều nam châm nhỏ. 
 - Stator gồm các cuộn dây bố trí cách đều trên mặt trong của Stato có thể 1 pha 
hoặc ba pha, là nơi cung cấp sức điện động cảm ứng hình sin có biên độ tỷ lệ với tốc 
độ quay của rotor. 
 e = E0 sinΩt (4.3) 
 E0= K1. , Ω=K2. 
 K1 và K2: Là các thông số đặc trưng cho máy phát. 
 - Ở đầu ra điện áp được chỉnh lưu thành điện áp một chiều. Điện áp này không 
phụ thuộc vào chiều quay và hiệu suất lọc giảm đi khi tần số thấp. 
 38 
 - Tốc độ quay có thể xác định được bằng cách đo tần số của sức điện động. 
Phương pháp này rất quan trọng khi khoảng cách đo lớn. Tín hiệu từ máy phát đồng 
bộ, có thể truyền đi xa và sự suy giảm tín hiệu trên đường đi không ảnh hưởng đến độ 
chính xác của phép đo (vì đo tần số). 
* Máy phát không đồng bộ 
 - Cấu tạo của máy phát không đồng bộ tương tự như động cơ đồng bộ hai pha 
 Hình 4.3.Cấu tạo của một máy phát 
 - Rotor là một đĩa hình trụ kim loại mỏng và dị từ được quay cùng tốc độ với 
trục cần đo vận tốc, khối lượng và quán tính của nó không đáng kể. 
 - Stator làm bằng thép lá kỹ thuật điện, trên có đặt hai cuộn dây 
 + Cuộn thứ nhất là cuộn kích từ được cung cấp một điện áp định mức có biên 
độ và tần số không đổi  e. 
 + Cuộn dây thứ hai là cuộn dây đo, giữa hai đầu của cuộn này sẽ suất hiện sức 
điện động có biên độ tỉ lệ với vận tốc góc cần đo. 
 em = Em cos( et + Φ) = k Ve cos( et + Φ) do Em = k Ve (4.4) 
 Trong đó: 
 em: sức điện động 
 Em: Biên độ 
  e: Tần số góc 
 k là hằng số phụ thuộc vào cấu trúc của máy. 
 Φ: độ lệch pha. 
 Khi đo Em sẽ xác định được  
 4.1.2. Đo vận tốc vòng quay bằng phương pháp quang điện tử 
 a. Dùng bộ cảm biến quang tốc độ với đĩa mã hóa 
 - Đĩa mã hóa là thiết bị có thể phát hiện sự chuyển động hay vị trí của vật. Đĩa 
mã hóa sử dụng các cảm biến quang để sinh ra chuỗi xung, từ đó chuyển sang phát 
hiện sự chuyển động, vị trí hay hướng chuyển động của vật thể. 
 39 
 Hình 4.4. Sơ đồ hoạt động đĩa quang mã hóa 
 - Nguồn sáng được lắp đặt sao cho ánh sáng liên tục được tập trung xuyên qua 
đĩa thủy tinh. Bộ phận thu nhận ánh sáng được lắp ở mặt còn lại của của đĩa sao cho 
có thể nhận được ánh sáng. Đĩa được lắp đặt đến trục động cơ hay thiết bị khác cần 
xác định vị trí sao cho khi trục quay, đĩa cũng sẽ quay. Khi đĩa quay sao cho lỗ, 
nguồn sáng, bộ phận nhận ánh sáng thẳng hàng thì tín hiệu xung vuông sinh ra. 
 - Nhược điểm: cần nhiều lỗ để nâng cao độ chính xác nên dễ làm hư hỏng đĩa 
quay 
b. Đĩa mã hóa tương đối 
 - Đĩa mã hóa với 1 bộ xung thì sẽ không thể phát hiện được chiều quay, hầu 
hết các đĩa mã hóa đều có bộ xung thứ 2 lệch pha 900 so với bộ xung thứ nhất, và một 
xung xác định mỗi thời gian đĩa mã hóa quay một vòng. 
 Hình 4.5. Sơ đồ thu phát đĩa mã hóa tương đối 
 - Xung A, xung B và xung điểu khiển, nếu xung A xảy ra trước xung B, trục 
sẽ quay theo chiều kim đồng hồ, và ngược lại, xung Z xác định đã quay xong một 
vòng. 
 40 
 Hình 4.6. Dạng sóng ra của mã hóa 2 bộ xung 
 - Gọi Tn là thời gian đếm xung, N0 là số xung trong một vòng (độ phân giải 
của bộ cảm biến tốc độ, phụ thuộc vào số lỗ), N là số xung trong thời gian Tn. 
 60N
 n (vòng / phút) = (4.5) 
 40N 0Tn
c. Đĩa mã hóa tuyệt đối. 
 - Để khắc phục nhược điểm chính của đĩa mã hóa tương đối là khi mất nguồn 
số đếm sẽ bị mất. Như vậy khi các cơ cấu ngưng hoạt động vào buổi tối hay khi bảo 
trì đến khi bật nguồn trở lại encoder sẽ không thể xác định chính xác vị trí cơ cấu. 
 Hình 4.7. Sơ đồ thu phát mã hóa tuyệt đối 
 - Đĩa mã hóa tuyệt đối được thiết kế để luôn xác định được vị trí vật một cách 
chính xác. 
 - Đĩa mã hóa tuyệt đối sử dụng nhiều vòng phân đoạn theo hình đồng tâm, 
gồm các phân đoạn chắn sáng và không chắn sáng. Vòng trong cùng xác định đĩa 
quay đang nằm ở nửa vòng tròn nào. Kết hợp vòng trong cùng với vòng tiếp theo sẽ 
xác định đĩa quay đang nằm ở ¼ vòng tròn nào. Các rãnh tiếp theo cho ta xác định 
 41 
được vị trí 1/8, 1/16... của vòng tròn. Vòng phân đoạn ngoài cùng cho ta độ chính xác 
cuối cùng. 
 - Loại mã hóa này có nguồn sáng và bộ thu cho mỗi vòng như nếu mã hóa có 
10 vòng sẽ có 10 bộ nguồn sáng và thu, nếu mã hóa có 16 vòng sẽ có 16 bộ nguồn 
sáng và thu. 
 - Ngoài việc khắc phục nhược điểm của đĩa mã hóa tương đối, với đĩa mã hóa 
tuyệt đối mã hóa còn có thể giảm tốc xuống sao cho encoder quay đủ 1 vòng suốt 
chiều dài cơ cấu. 
 4.1.3. Đo vận tốc vòng quay với nguyên tắc điện trở từ. 
 a. Các đơn vị đo từ trường 
 * Từ trường 
 Từ trường là một dạng vật chất tồn tại xung quanh dòng điện, hay nói chính 
xác là xung quanh các hạt mang điện chuyển động. Tính chất cơ bản của từ trường là 
tác dụng lực từ lên dòng điện, lên nam châm. 
 * Cảm ứng từ B 
 - Về mặt gây ra lực từ, từ trường được đặc trưng bằng vectơ cảm ứng từ B. 
Trong hệ thống đơn vị SI đơn vị cảm ứng từ B là T (Tesla). 
 1 T = 1Wb/m2 = 1V.s/m2 (4.6) 
 * Từ thông  
 - Từ thông gửi qua diện tích dS là đại lượng về giá trị bằng: 
 d B.dS (4.7) 
 - Trong đó: 
 B là vectơ cảm ứng từ tại 1 điểm bất kì trên diện tích ấy. 
 d S là vectơ có phương của vectơ pháp tuyến n với diện tích đang xét, chiều 
là chiều dương của pháp tuyến, độ lớn bằng độ lớn diện tích đó. 
 - Trong hệ thống đơn vị SI đơn vị từ thông là Weber (Wb). Nếu từ thông thay 
đổi 1 đơn vị trong thời gian 1s, điện áp cảm ứng sinh ra trong cuộn dây là 1V: 1Wb = 
1Vs 
 * Cường độ từ trường H 
 - Cường độ từ trường H đặc trưng cho từ trường do riêng dòng điện sinh ra và 
không phụ thuộc vào tính chất môi trường trong đó đặt dòng điện. 
 - Trong hệ thống đơn vị SI đơn vị của cường độ từ trường H là A/m 
 b. Cảm biến điện trở từ 
 - Cảm biến điện trở từ là 1 linh kiện bán dẫn có hai cực, điện trở của nó gia 
tăng dưới tác động của từ trường. Trong trường hợp từ trường tác dụng thẳng góc 
mặt phẳng của cảm biến ta có độ nhạy lớn nhất. Chiều của từ trường không ảnh 
hưởng gì đến hiệu ứng điện trở từ trong trường hợp này. 
 42 
 - Độ lớn của tín hiệu ra của cảm biến điện trở từ không phụ thuộc vào tốc độ 
quay. Khác với trường hợp cảm biến điện cảm, độ lớn tín hiệu ra quan hệ trực tiếp 
với tốc độ quay, vì vậy đòi hỏi các thiết bị điện tử phức tạp để có thể thu nhận được 
các tín hiệu trên 1 dải điện áp rộng. 
 - Ngược lại với cảm biến điện trở từ, tín hiệu ra được hình thành bởi sự đổi 
hướng của đường cảm ứng từ - bending of magnetic field lines (thay đổi theo vị trí 
của bánh răng). Tín hiệu ra của cảm biến vẫn được hình thành dù đối tượng không di 
chuyển rất chậm. 
 Hình 4.8. Tín hiệu tạo ra bởi cảm biến điện trở từ 
4.2. Cảm biến đo góc với tổ hợp có điện trở từ 
 4.2.1. Nguyên tắc đo 
 - Từ công thức cơ bản 
 2
 R = R0 + R0 cos (4.8) 
 - Ta có thể giữa R và có sự liên hệ gần đúng 
 R 2 (4.9) 
 Dựa trên nguyên tắc này, cảm biến có thể đo góc mà không cần sự đụng chạm. 
 4.2.2. Các loại cảm biến KM110BH/2 của hãng Philips Semiconductor 
 - Cấu trúc cảm biến KM110BH/21 
 43 
 Hình 4.9. Cấu trúc cảm biến KM110BH/21 
 - Loại cảm biến KM110BH/21 có 2 dạng: KMB110BH/2130 và 
KMB110BH/2190 có thang đo khác nhau nhưng có mạch điện như nhau 
 + KMB110BH/2130 được chế tạo với thang đo nhỏ hơn để có độ khuếch đại 
lớn hơn, giải đo từ -150 đến +150. Tín hiệu ra tuyến tính (độ phi tuyến chỉ 1%). 
 + KMB110BH/2190 giải đo từ -450 đến +450, tín hiệu ra hình sin. Cả hai cảm 
biến đều có tín hiệu ra dạng Analog. Ngoài 2 dạng cảm biến này, còn có các thiết kế 
mới KM110BH/23 và KM110BH/24 
 Bảng 4.1. Thông số của 1 số loại cảm biến 
Thông KM110BH/ Đơn 
số 2130 2190 2270 2390 2430 2470 vị 
Thang 
 30 90 70 90 30 70 0,001 
đo 
Điện áp 0,5 tới 0,5 tới 0,5 tới 0,5 tới 0,5 tới 
 - V 
ra 4,5 4,5 4,5 4,5 4,5 
Dòng 4 tới 
 mA 
điện ra 20 
Đặc 
 Tuyến Hình Hình Tuyến Tuyến Hình 
tuyến 
 tính sin sin tính tính sin 
ngõ ra 
Điện áp 
hoạt 5 5 8,5 5 5 5 V 
động 
Nhiệt độ -40 tới -40 tới -40 tới -40 tới -40 tới -40 tới 
 0C 
hoạt +125 +125 +125 +125 +125 +125 
 44 
động 
Độ phân 
 0,001 0,001 0,001 0,001 0,001 0,001 Độ 
giải 
 - Sơ đồ khối của các loại cảm biến KM110BH/21, KM110BH/24 và 
KM110BH/2390 
 Hình 4.10. Sơ đồ khối của các loại cảm biến KM110BH/21, KM110BH/24 và 
 KM110BH/2390 
 - Đặc tuyến của cảm biến KM110BH/2130 và KM110BH/2190 
 Hình 4.11. Đặc tuyến của cảm biến KM110BH/2130 và KM110BH/2190 
 - Loại cảm biến KM110BH /2270 có thang đo từ -350 đến +350. Tín hiệu ngõ 
ra là dòng điện từ 4 đến 20 mA. Có thể sử dụng 1 điện trở để chuyển sang dạng điện 
áp. 
 45 
 Hình 4.12. Tín hiệu ra của Hình 4.13. Sơ đồ khối của loại cảm biến 
 KM110BH /2270 KM110BH/2270 
 4.2.3. Các loại cảm biến KMA10 và KMA20 
 - KMA10 và KMA20 là loại cảm biến đo góc (không cần đụng chạm) được 
thiết kế để có thể hoạt động trong môi trường khắc nghiệt hơn. Ứng dụng trong lĩnh 
vực tự động và công nghiệp. 
 - Hai loại cảm biến KMA10 và KMA20 được thiết kế và phát triển bởi sự hợp 
tác giữa Philips Semiconductor và AB Electronic. 
 - KMA10 cho tín hiệu ra dưới dạng dòng điện. (KMA10/70 phát triển từ loại 
KM110BH/2270). 
 - KMA20 cho tín hiệu ra dưới dạng điện áp. KMA20/30 phát triển từ loại 
KM110BH/2430, KMA20/70 từ loại KM110BH/2470, còn KMA20/90 phát triển từ 
loại KMA20/2390. Tuy nhiên tín hiệu từ KMA20/30 thì tuyến tính và từ KMA20/70 
thì hình sin. 
 Bảng 4.2. Thông số của 1 số loại cảm biến 
Thông số KMA10/70 KMA20/30 KMA20/70 KMA20/90 Đơn 
 vị 
Thang đo 70 30 70 90 Độ 
Điện áp 
 - 0,5 tới 4,5 0,5 tới 4,5 0,5 tới 4,5 V 
ra 
Dòng 
 4 tới 20 - - - mA 
điện ra 
Đặc tuyến 
 Hình sin Tuyến tính Hình sin Tuyến tính 
ngõ ra 
Điện áp 
 8,5 5 5 5 V 
hoạt động 
Nhiệt độ 
 -40 tới +100 -40 tới +125 -40 tới +125 -40 tới +125 0C 
hoạt động 
 46 
Độ phân 
 0,001 0,001 0,001 0,001 Độ 
giải 
 4.2.4. Máy đo góc tuyệt đối (Resolver). 
 - Là thiết bị đo kiểu tương tự, dùng để xác định vị trí hoặc tốc độ dựa theo 
nguyên lý cảm ứng điện từ 
 - Điện áp tín hiệu vào tỷ lệ với vị trí góc hoặc tốc độ trục của Resolver 
 a. Cấu tạo 
 * Phần động : Gắn liền với trục quay động cơ chứa cuộn sơ cấp được kích 
thích bằng sóng mang tần số 2 – 10 Khz qua máy biến áp quay (Hình 3.16.a) 
 * Phần tĩnh: Có 2 dây quấn thứ cấp (cuộn sin và cuộn cos) đặt lệch nhau 90o. 
Đầu ra của 2 dây quấn thứ cấp ta thu được 2 tín hiệu điều biên V.sin ɷt.sin Ɵ và 
V.sin ɷt.cos Ɵ chứa thông tin về vị trí tuyệt đối của rotor máy đo, tương ứng vị trí 
tuyệt đối của rotor động cơ cần đo 
 b. Nguyên lý đo 
 - Lấy đạo hàm góc quay ta có tốc độ quay của động cơ 
 - Độ phân giải của máy đo phụ thuộc khả năng phân giải của bộ chuyển đổi 
A/D mắc trong mạch đo 
 - Nhược điểm: Hệ truyền động không đồng nhất do phải tải thêm phần động 
của cảm biến 
 Ứng dụng phương pháp không có cảm biến (Hình 4.14.b) 
 - Đường bao của tín hiệu ra chứa thông tin tín hiệu tuyệt đối (góc Ɵ) của rotor 
máy đo, có nghĩa là vị trí tuyệt đối của rotor động cơ (Hình 4.14.c) 
 Hình 4.14. (a_ Cấu tạo, b- Sơ đồ nguyên lý, c- Hai kênh tín hiệu ra) 
 - Sơ đồ dây quấn 
 47 
 Hình 4.15. Sơ đồ dây quấn 
 + S1 đến S3 = V.sin ɷt.sin Ɵ 
 + S1 đến S3 = V.sin ɷt.sin 90O = V.sin ɷt.sin Ɵ 
 + Ɵ: Góc lệch tuyệt đối của rotor động cơ 
 - Khi bộ đo góc tuyệt đối được sử dụng như một cảm biến vị trí, thì một cuộn 
dây của rotor được nối tắt 
 - Điện áp cuộn rotor có dạng E = Vsin ɷt còn điện áp ở 2 cuộn stator cũng có 
dạng hình sin có biên độ thay đổi theo sin của góc dịch chuyển vị trí rotor 
 c. Nguyên tắc hoạt động 
 - Người ta đặt một điện áp xoay chiều vào cuộn dây rotor của Resolver khi 
rotor quay trên các cuộn dây của stator sẽ xuất hiện các điện áp 
 - Vị trí 0: điện áp xoay chiều xuất hiện trên cuộn cosin 
 - Rời khỏi vị trí 0 đến vị trí 90: điện áp xoay chiều xuất hiện trên cả 2 cuộn sin 
và cosin 
 - Đến vị trí 90: Không còn điện áp xoay chiều xuất hiện trên cuộn cosin chỉ 
còn điện áp xuất hiện trên cuộn sin 
 - Tương tự xét cho các góc lớn hơn 
4.3. Các bài tập ứng dụng 
 Khảo sát nguyên lý hoạt động của cảm biến đo góc KM110BH /2430, 
KM110BH /2470. 
 CÂU HỎI ÔN TẬP 
 Câu hỏi 1: Kể tên một số phương pháp cơ bản để đo tốc độ quay của rotor ? 
 Câu hỏi 2: Trình bày kiến thức cơ bản về tốc độ kế một chiều ? 
 Câu hỏi 3: Trình bày kiến thức cơ bản về tốc độ kế xoay chiều? 
 Câu hỏi 4: Kể tên và trình bày các đơn vị đo từ trường ? 
 48 
 Câu hỏi 5: Trình bày cấu tạo, nguyên lý đo, nguyên tắc hoạt động máy đo góc 
tuyệt đối ? 
 49 
 XÁC NHẬN KHOA 
 Bài giảng môn học/mô đun “Kỹ thuật cảm biến” đã bám sát các nội dung trong 
chương trình môn học, mô đun. Đáp ứng đầy đủ các nội dung về kiến thức, kỹ năng, năng lực 
tự chủ trong chương trình môn học, mô đun. 
Đồng ý đưa vào làm Bài giảng cho môn học, mô đun Kỹ thuật cảm biến thay thế cho giáo 
trình. 
 Người biên soạn Lãnh đạo Khoa 
 ( Ký, ghi rõ họ tên) ( Ký, ghi rõ họ tên) 
 Đinh Phương Thùy Đỗ Xuân Sinh 
 50 
51