Giáo trình môn Kỹ thuật cảm biến

òng 1
Vòng 2
Vòng 3
Góc
1
off
off
off
0° tới 45°
2
off
off
on
45° tới 90°
3
off
on
off
90° tới 135°
4
off
on
on
135°tới 180°
5
on
off
off
180°tới 225°
6
on
off
on
225°tới 270°
7
on
on
off
270°tới 315°
8
on
on
on
315°tới 360°
Hình 4.9: Đĩa mã hóa tuyệt đối trường hợp 3 rãnh với mã nhị phân
Ghi chú: Vùng màu đen qui ước tương ứng với giá trị on (phân đoạn không chắn sáng).
	Chiều quay ngược chiều kim đồng hồ (góc quay mang giá trị dương).
	Vòng trong cùng (vòng 1): tương ứng với bit MSB.
	Vòng ngoài cùng: tương ứng với bit LSB.
Một cách tổng quát, khi có n vòng thì sẽ có số lượng vị trí của đối tượng là 2n. ví dụ n = 3 số lượng vị trí xác định được là 23 = 8.
Ở ví dụ trên, mã nhị phân được tạo ra khi đĩa quay, qua đó có thể xác định được vị trí của đĩa quay. Tuy nhiên trong thực tế việc đặt vị trí các rãnh chắn sáng và các rãnh cho ánh sáng đi qua khó mà có thể thực hiện 1 cách hoàn hảo. Trong khi đó vị trí của chúng lại quyết định giá trị gõ ra. 
Ví dụ khi đĩa chuyển từ vị trí 179,90 tới 180,10 (từ vùng 4 sang vùng 5), trong tức khắc, theo bảng giá trị 1, sẽ có sự chuyển trạng thái từ off-on-on sang on-off-off. Cách thức hoạt động này sẽ không có được độ tin cậy, bởi vị trong thực tế thì sẽ không thể có sự chuyển trạng đồng thời 1 cách hoàn hảo. Nếu ở vị trí vòng 1 chuyển trạng thái trước, rồi đến vòng 3 và vòng 2 thì thực sự sẽ có chuỗi các mã nhị phân như sau sẽ được tạo ra.
off-on-on (vị trí bắt đầu) 
on-on-on (đầu tiên, trạng thái vòng 1 lên on) 
on-on-off (kế đến, trạng thái vòng 3 xuống off) 
on-off-off (cuối cùng, trạng thái vòng 2 xuống off)
	Như vậy chuỗi mã nhị phân tạo ra tương ứng với việc đĩa quay ở các vị trí 4, 8, 7, 5. Trong nhiều trường hợp điều này có thể gây nên rắc rối, làm lỗi hệ thống. Ví dụ encoder được sử dụng cho cánh tay robot, bộ điều khiển cho rằng cánh tay ở sai vị trí và cố gắng thực hiện việc di chuyển 1800 để có thể quay về vị trí đúng.
Mã Gray
Để khắc phục những vấn đề nêu trên, mã Gray được sử dụng. Đây cũng là một hệ thống mã nhị phân nhưng chỉ có 1 sự khác nhau duy nhất giữa 2 mã Gray kế tiếp nhau (chỉ có 1 bit thay đổi trạng thái). Ví dụ trong bảng giá trị 2, từ vùng 1 chuyển sang vùng 2 chỉ có sự thay đổi từ off sang on ở vị trí bit đại diện cho vòng 3.
 Bảng giá trị 2
Mã Gray
Vùng
Vòng 1
Vòng 2
Vòng 3
Góc
1
off
off
off
0° tới 45°
2
off
off
on
45° tới 90°
3
off
on
on
90° tới 135°
4
off
on
off
135°tới 180°
5
on
on
off
180°tới 225°
6
on
on
on
225°tới 270°
7
on
off
on
270°tới 315°
8
on
off
off
315° ới 360°
Hình 4.10: Đĩa mã hóa tuyệt đối trường hợp 3 rãnh với 
mã Gray
Hình 4.11 : Dạng sóng ra của encoder với đĩa mã hóa tuyệt đối (mã Gray)
Hình 4.12: Đĩa mã hóa tuyệt đối trường hợp 5 rãnh
a) mã nhị phân 	b) mã Gray
1.3.Đo vận tốc vòng quay với nguyên tắc điện trở từ.
1.3.1. Các đơn vị từ trường và định nghĩa
Từ trường
Từ trường là một dạng vật chất tồn 
xung quanh dòng, 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 dơn vị cảm ứng từ B là T (Tesla).
1 T = 1Wb/m2 = 1V.s/m2
Từ thông 
Từ thông gởi qua diện tích dS là đại lượng về giá trị bằng
Trong đó:
- là vectơ cảm ứng từ tại 1 điểm bất kì trên diện tích ấy.
- là vectơ có phương của vectơ pháp tuyến 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 1 s, điện áp cảm ứng sinh ra trong cuộn dây là 1 V.
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
1.3.2. 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.
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 4.13: Tín hiệu tạo ra bởi cảm biến điện trở từ
a. Cảm biến điện trở từ với vật liệu InSb / NiSb
Hiệu ứng điện trở từ với vật liệu InSb / NiSb
Vật liệu bán dẫn InSb với liên kết III – V có độ linh động rất lớn.
Trong vật liệu bán dẫn, dưới tác dụng của từ trường hướng dịch chuyển của các điện tích bị lệch đi 1 góc tg = . B. Do sự lệch này đoạn đường dịch chuyển của electron dài hơn. Kết quả là điện trở cảm biến gia tăng dưới tác dụng của từ trường. Để hiệu ứng này có thể sử dụng trong thực tế, góc cần phải lớn. Trong kim loại, góc này rất bé. Với germanium góc lệch này khoảng 200, trong Indiumantimon do độ linh động của electron rất cao nên góc lệch = 800 với B = 1T.
Để tạo con đường dịch chuyển của electron càng dài càng tốt dưới tác dụng của từ trường, như vậy ngõ ra sẽ có sự thay đổi điện trở lớn hơn, cảm biến được kết cấu như hình. Nhiều phiến InSb (bề rộng vài ) được ghép nối tiếp nhau. Giữa các phiến này là các màng kim loại.
Hình 4.14: Kết cấu cảm biến điện trở từ với vật liệu 
InSb/ NiSb
 Trong thực tế với kỹ thuật luyện kim người ta tạo ra các cây kim bằng Nickelantimon nằm bên trong InSb có chiều song song với hai cực điện. Cho mục đích này, một ít NiSb được cho vào trong InSb chảy lỏng và qua các công đoạn làm nguội vô số cây kim NiSb được hình thành bên trong InSb. Các cây kim này có đường kính khoảng 1 và dài 50 . Các cây kim này dẫn điện rất tốt và hầu như không có điện áp nơi trên nó.
Mật độ điện tích phân bố không đều trong InSb do tác dụng của từ trường, sẽ phân bố được phân bố đều lại ở trên các cây kim. Như thế ta có sự phân bố điện tích ở nơi khởi đầu vùng 1 giống như ở nơi khởi đầu vùng 2.
Điện trở từ có thể coi như 1 hàm của cảm ứng từ theo cách tính gần đúng
RB=R0(1+k)
k là hằng số vật liệu có trị số khoảng 0,85.
Điện trở cảm biến nằm trong khoảng 10 -500 . Diện tích cắt ngang của bán dẫn càng nhỏ càng tốt, tuy nhiên chiều rộng không thể nhỏ hơn 80 
b. Cảm biến điện trở từ với vật liệu permalloy
Hiệu ứng điện trở từ với vật liệu permalloy
Một màng mỏng vật liệu sắt từ gọi là permalloy (20% Fe, 80% Ni).
- Khi không có sự hiện diện của từ trường, vectơ từ hóa bên trong vật liệu nằm song song với dòng điện.
- Với 1 từ trường nằm song song với mặt phẳng màng mỏng nhưng thẳng góc với dòng điện, vectơ từ hóa sẽ quay đi 1 góc . Kết quả là điện trở của permalloy thay đổi theo .
R = R0 + 
R0 và là các thông số phụ thuộc vào chất liệu permalloy.
 khoảng 2 đến 3% của R0.
Hình 4.15: Hiệu ứng điện trở từ trên permalloy
Nguyên tắc này được ứng dụng để đo tốc độ quay và góc quay.
Tuyến tính hóa đặc tính của cảm biến
Theo phương trình bậc 2: R = R0 + thì điện trở cảm biến điện trở từ không tuyến tính (xem đặc tuyến a hình 4.17). Để 1 cảm biến tiện lợi trong sử dụng thì tốt nhất là đặc tuyến của nó tuyến tính, vì vậy biện pháp thiết kế tốt hơn là điều cần thiết.
Hiệu ứng điện trở từ có thể được tuyến tính hóa bằng cách đặt 1 màng mỏng nhôm gọi là (barber poles) lên trên màng mỏng permalloy với góc 450 so với trục của màng mỏng (như hình 4.16). Nhôm có tính chất dẫn điện tốt hơn so với permalloy, barber poles làm thay đổi góc của dòng điện 450. Như vậy góc giữa dòng điện và vectơ sự từ hóa từ thành(- 450). Hình 4.17 biểu diễn ảnh hưởng của barber poles lên đặc tính của cảm biến điện trở từ.
Hình 4.16
Để tạo nên một cảm biến hoàn chỉnh cầu Wheatstone với 4 cảm biến điện trở từ được sử dụng. Trong đó cặp cảm biến đối diện nhau qua đường chéo sẽ có cùng “sự định hướng”. Điều này có nghĩa là 1 cặp cảm biến có barber poles tạo với trục mặt phẳng màng 1 góc + 450 và 1 cặp có barber poles tạo với trục mặt phẳng màng 1 góc - 450.
Điều này làm cho biên độ tín hiệu ra tăng lên 2 lần và vẫn đảm bảo sự tuyến tính. Bên cạnh đó ảnh hưởng của nhiệt độ trong cầu điện trở sẽ được bù qua lại.
Hình 4.17: Ảnh hưởng của barber poles lên đặc tính của cảm biến điện trở từ.
a: Đặc tuyến R-H của cảm biến loại tiêu chuẩn
b: Đặc tuyến R-H của cảm biến loại có barber poles
c. Đặc điểm của việc đo tốc độ với cảm biến điện trở từ
Cảm biến điện trở từ không thể đo trực tiếp tốc độ quay mà chỉ phát hiện sự chuyển động của các bánh răng làm từ vật liệu chứa sắt (đối tượng thụ động) và hoặc đối tượng quay có các cực nam châm thay đổi tuần tự ( đối tượng tích cực, xem hình)
Đối tượng “thụ động”
Đặc điểm hoạt động của cảm biến với đối tượng thụ động được mô tả ở hình 4.13.
Cảm biến cần được gắn với 1 nam châm vĩnh cửu.
Hình 4.18. Cấu trúc đối tượng (hình tròn)
Ký hiệu
Miêu tả
Đơn vị
z
Số lượng răng
d
Đường kính
mm
m
m =d/z
mm
p (bước bánh răng)
p = .m
mm
Các thông số đặc trưng của đối tượng (theo tiêu chuẩn DIN)
Hình 4.19: Các thành phần chi tiết của cảm biến KMI 15/1
của hãng Philips Semiconductors với đối tượng thụ động.
Đối tượng “tích cực “
Hình 4.20
	Đối tượng tích cực cung cấp vùng “làm việc”. Do đó không cần nam châm châm cho cảm biến để hoạt động. Tuy nhiên để cảm biến hoạt động ổn định không chịu tác động không theo ý muốn, một nam châm nhỏ vẫn được dùng trong cảm biến.
Hình 4.21:Các thành phần chi tiết của cảm biến KMI 15/2 của hãng Philips Semiconductors với đối tượng “tích cực”
	Cảm biến đo tốc độ quay KMI15/x và KMI16/x do hãng Philips Semiconductors sản xuất sử dụng hiệu ứng điện trở từ. Cấu tạo của cảm biến bao gồm bộ phận cảm biến điện trở từ, nam châm vĩnh cữu và tích hợp cả mạch điều chình tín hiệu. Bộ phận điều chỉnh tín hiệu có chức năng khuếch đại ( với KMI15/x) và chuyển đổi tín hiệu thành dạng digital (với KMI16/x).
Hình 4.22: Cấu trúc loại cảm biến KMI
Hình 4.23: Sơ đồ khối của cảm biến KMI15/x
Hình 4.24: Sơ đồ khối của cảm biến KMI16/x
Mạch ứng dụng
	Việc dùng cảm biến KMI15/x trong các ứng dụng thực tế cần được lắp đặt như hình bên để có thể khử nhiễu và bảo vệ cảm biến trong trường hợp cực tính nguồn bị lắp sai. 
2. Cảm biến đo góc với tổ hợp có điện trở từ
Mục tiêu: Trình bày được các đặc trưng và nguyên lý làm việc của cảm biến đo góc với tổ hợp có điện trở từ.
 2.1. Nguyên tắc
Từ công thức cơ bản
R = R0 + 
Ta có thể giữa R và có sự liên hệ gần đúng
R 
Dựa trên nguyên tắc này, cảm biến có thể đo góc mà không cần sự tiếp xúc
 2.2.Các loại cảm biến KM110BH/2 của hang Philips Semiconductor
	Loại cảm biến KM110BH/21 có hai dạng KM110BH/2130 và KM110BH/2190. Tuy có thang đo khác nhau nhưng có mạch điện như nhau.
	KM110BH/2130 được chế tạo với thang đo hơn để có độ khuếch đại lớn hơn, đo từ -150 đến +150. Tín hiệu ra truyến tính (độ phi tuyến chỉ 1%).
	KM110BH/2190 đo từ -450 đến +450. Tín hiệu ra hình sin.
	Cả hai cảm biến đều có tín hiệu ra analog.
	Ngoài hai cảm biến này còn có các cảm biến thiết kế KM110BH/23 KM110BH/24
* Bảng thông số một số cảm biến KM110BH
Thông số
KM110BH
Đơn vị
2130
2190
2270
2390
2430
2470
Thang đo
30
90
70
90
30
70
0,001
Điện áp ra
0,5 tới 4,5
0,5 tới 4,5
0,5 tới 4,5
0,5 tới 4,5
0,5 tới 4,5
0,5 tới 4,5
V
Dòng điện ra
4 tới 20
mA
Đặc tuyến ngõ ra
Tuyến tính
Hình sin
Hình sin
Tuyến tính
Tuyến tính
Hình sin
Điện áp hoạt động
5
5
8,5
5
5
5
V
Nhiệt độ hoạt động
-40 tới +120
-40 tới +120
-40 tới +120
-40 tới +120
-40 tới +120
-40 tới +120
0C
Độ phân giải
0,001
0,001
0,001
0,001
0,001
0,001
Độ
	Các loại cảm biến KM110BH/2270 có thang đo từ -350 đến +350, có thể sử dụng một điện trở để chuyển sang dạng điện áp. 
2.3. Các loại cảm biến KMA10 và KMA20
	Cảm biến KMA10 và KMA20là loại cảm biến đo góc (không cần tiếp xúc) được thiết kế để có thể hoạt động trong môi trường khắc nghiệt hơn. Được 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 Electonic.
	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 phát triển từ loại KM110BH/2470, 
KMA20/90 phát triển từ loại KM110BH/2390. Tuy nhiên tín hiệu từ KMA20/30 thì tuyến tính và từ KMA20/70 thì hình sin.
* Bảng thông số một số cảm biến KMA
Thông số 
KMA10/70
KMA20/30
KMA20/70
KMA20/90
Đơn vị
Thang đo
70
90
70
90
0,001
Điện áp ra
-
0,5 tới 4,5
0,5 tới 4,5
0,5 tới 4,5
V
Dòng điện ra
4 tới 20
-
-
-
mA
Đặc tuyến ngõ ra
Hình sin 
Tuyến tính
Hình sin
Tuyến tính
Điện áp hoạt động
8,5
5
5
5
V
Nhiệt độ hoạt động
-40 tới +100
-40 tới +125
-40 tới +125
-40 tới +125
0C
Độ phân giải
0,001
0,001
0,001
0,001
Độ
3. Máy đo góc tuyệt đối (Resolver)
Mục tiêu: Trình bày được các đặc trưng và nguyên lý làm việc của máy đo góc tuyệt đối.
Máy đo góc tuyệt đối có cấu tạo gồm hai phần: phần động gắn liền với trục quay động cơ chứa cuộn sơ cấp được kích thích bằng sóng mang tần số 2-10Khz qua máy biến áp quay (hình 4.30 a). Phần tĩnh có 2 dây quấn thứ cấp (cuộn sin và cuộn cos) đặt lệch nhau 900. Đầu ra của hai dây quấn thứ cấp ta thu được 2 tín hiệu điều biên UU0sintsinϑ và UU0sintcosϑ (hình 4.30 b). Đường bao của kênh tín hiệu ra chứa thông tin về vị trí tuyệt đối (gócϑ) của rotor máy đo, có nghĩa là vị trí tuyệt đối của rotor động cơ (hình 4.30 c).
Hình 4.30: Máy đo góc tuyệt đối
a) cấu tạo b) sơ đồ nguyên lý c)hai kênh tín hiệu ra
Có 2 cách thu thập thông tích về :
- Hiệu chỉnh sửa sai góc thu được trên cơ sở so sánh góc và được cài đặt sẵn trong 1 số vi mạch sẵn có. Các vi mạch này cho tín hiệu góc dạng số (độ phân giải 10-16 bit/1 vóng và tốc độ quay dưới dạng tương tự.
- Dùng hai bộ chuyển đổi tương tự - số để lấy mẫu trực tiếp từ đỉnh tín hiệu điều chế. Trong trường hợp này cần đồng bộ chặt chẽ giữa thời điểm lấy mẫu và khâu tạo tín hiệu kích thích 2-10 kHz.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Nguyễn Trọng Thuần, Điều khiển logic và ứng dựng, NXB Khoa học kỹ thuật 2006.
[2] Nguyễn Văn Hòa, Giáo trình đo lường và cảm biến đo lường, NXB Giáo dục 2005.
[3] Lê Văn Doanh- Phạm Thượng Hàn, Các bộ cảm biến trong kĩ thuật đo lường và điều khiển, NXB Khoa học và kỹ thuật 2006.
[4] Lê Văn Doanh, Các bộ cảm biến trong kĩ thuật đo lường và điều khiển, NXB Khoa học và kỹ thuật 2001.
[5] Nguyễn Thị Lan Hương, Kỹ thuật cảm biến, NXB Khoa học và kỹ thuật 2008.
[6] Phan Quốc Phô, Nguyễn Đức Chiến, Cảm biến, NXB Khoa học và kỹ thuật 2000.