Giáo trình Hệ thống sản xuất tự động hóa với PLCs - Phần 23: Các cảm biến có tín hiệu liên tục

23. CÁC CẢM BIẾN CÓ TÍN HIỆU LIÊN TỤC

 Các vấn đề cảm biến liên tục: độ chính xác, phân giải, v.v...

 Đo góc: các bộ đo điện thế, các bộ mã hóa, và các máy đo số vòng quay

 Đo lường tuyến tính: các bộ đo điện thế, các LVDT, các vân sáng, và các gia tốc

kế

 Đo lực: các máy đo sức căng và áp điện

 Đo lường chất lỏng và chất lưu: áp suất và lưu lượng

 Đo nhiệt: các RTD, các cặp nhiệt điện và các nhiệt điện trở

 Các cảm biến khác

 Các đầu vào tín hiệu liên tục và đi dây

 Chú giải

Mục đích:

 Hiểu được các loại cảm biến liên tục thông dụng

 Hiểu được các vấn đề giao diện

23.1 GIỚI THIỆU

Các cảm biến liên tục chuyển các hiện tượng vật lý tới các tín hiệu có thể đo

được, điển hình là các điện thế hay các dòng. Xem xét một thiết bị đo nhiệt đơn giản,

sẽ có một sự tăng trong điện thế đầu vào tỷ lệ thuận với một độ tăng nhiệt độ. Một

máy tính có thể đo điện thế này, và chuyển nó thành một nhiệt độ. Các hiện tượng

vật lý cơ bản điển hình được đo đạc bởi các cảm biến bao gồm:

- vị trí góc hay vị trí tuyến tính

- gia tốc

- nhiệt độ

- áp suất hay tốc độ dòng chảy

- ứng suất, sức căng hay lực

- cường độ sáng

- âm thanh

Hầu hết các cảm biến này dựa trên các thuộc tính điện vi tế của các chất liệu và

các thiết bị. Kết quả là các tín hiệu này thường yêu cầu các bộ điều chỉnh tín hiệu.

Chúng thường là các bộ khuyếch đại mà chúng tăng các dòng và thế lên các điện thế

lớn hơn. Các cảm biến cũng được gọi là các bộ chuyển đổi. Đây là vì chúng chuyển

một hiện tượng vật lý đầu vào tới một đầu ra trong một dạng khác. Chuyển đổi này

dựa trên một thiết bị được sản xuất với các hạn chế và không hoàn hảo. Kết quả là

các giới hạn cảm biến là thường được tiêu biểu hóa với:

Độ chính xác – đây là sự khác biệt cực đại giữa biểu thị và đọc thực tế. Ví dụ,

nếu một cảm biến đọc một lực là 100N với độ chính xác ±1%, thì lực này có thể bất

cứ đâu từ 99N đến 101N.

Phân giải – Sử dụng cho các hệ mà nó bước qua các việc đọc. Đây là gia số nhỏ

nhất mà cảm biến này có thể phát hiện, điều này có thể cũng được kết hợp vào trong

giá trị chính xác. Ví dụ nếu một cảm biến đo lên tới 10 ing của các chuyển vị tuyến

tính, và nó đưa ra một số giữa 0 và 100, thì phân giải của thiết bị là 0,1 ing.

Nhắc lại - Khi một điều kiện cảm biến đơn lẻ được làm và được nhắc lại, sẽ có

một sự biến thiên nhỏ cho việc đọc cá biệt đó. Nếu ta làm một phạm vi thống kê cho

các việc đọc được nhắc lại này (ví dụ: ±3 độ lệch chuẩn) điều này sẽ là nhắc lại. Ví dụ,

nếu một cảm biến lưu lượng có một độ nhắc lại là 0,5cfm, các kết quả việc đọc cho

một dòng thực sự của 100cfm phải hiếm khi bên ngoài 99,5 - 100,5cfm.

Tuyến tính – Trong một cảm biến tuyến tính hiện tượng vật lý đi vào có một liên

quan tuyến tính với tín hiệu ra. Trong hầu hết các cảm biến đây là một đặc tính được

mong muốn. Khi sự phụ thuộc là phi tuyến, chuyển đổi từ đầu ra cảm biến này (ví dụ:

điện thế) tới một lượng được tính toán (ví dụ: lực) trở nên phức tạp hơn.

Độ rõ ràng (Precision ) – Điều này xem xét độ chính xác (accuracy), phân giải và

nhắc lại hay một thiết bị liên quan tới một cái khác.

Khoảng – Các giới hạn tự nhiên của cảm biến. Ví dụ, một cảm biến cho đọc góc

quay có thể chỉ xoay 200 độ

Phản hồi động – Khoảng dao động cho các hoạt động đều đặn của cảm biến.

Điển hình các cảm biến sẽ có một tần số hoạt động cao hơn, thỉnh thoảng sẽ có các

giới hạn dao động thấp hơn. Ví dụ, tai chúng ta nghe giữa tần số 10Hz và 16KHz.

Môi trường – Các cảm biến đều có một vài hạn chế đối với các yếu tố như nhiệt

độ, độ ẩm, bụi/dầu, các chất ăn mòn và áp suất. Ví dụ nhiều cảm biến sẽ làm việc

trong các độ ẩm tương đối (RH) từ 10% đến 80%.

Hiệu chỉnh – Khi được sản xuất hay được lắp đặt, nhiều cảm biến sẽ cần một vài

sự hiệu chỉnh để xác định hay thiết đặt mối liên hệ giữa hiện tượng vật lý đầu vào, và

đầu ra. Ví dụ, một cảm biến đọc nhiệt độ có thể cần được số không hóa hay được

chỉnh để nhiệt độ được đo phù hợp với nhiệt độ thực sự. Điều này yêu cầu thiết bị

đặc biệt, và cần được thực hiện một cách thường xuyên.

Giá cả - Nói chung nhiều chính xác thì giá nhiều hơn. Một vài cảm biến là không

đắt nhưng các giá thiết bị điều chỉnh tín hiệu là đáng kể.

23.2 INDUSTRIAL SENSORS CÁC CẢM BIẾN CÔNG NGHIỆP

Phần này mô tả các cảm biến mà chúng sẽ được dùng cho đo đạc trong công

nghiệp. Các phần đã được chia bởi hiện tượng vật lý được đo đạc. Ở đó các chi tiết

có thể được cung cấp.

23.2.1 Dịch chuyển góc

23.2.1.1 – Bộ đo điện thế

Các bộ đo điện thế đo vị trí góc của một trục bằng cách dùng một điện trở biến

đổi (biến trở). Một bộ đo điện thế được chỉ trong hình 23.1. Bộ đo điện thế là điện

trở, một cách bình thường được làm với một phim mỏng của chất liệu cách điện.

Một cần gạt có thể được dịch chuyển dọc theo bề mặt của phim cách điện này. Khi

cần gạt này chuyển động tới một đầu mút sẽ có một thay đổi trong điện trở tỷ lệ với

quãng đường đã dịch chuyển. Nếu một điện thế được đưa vào qua điện trở này, điện

thế tại cần gạt nội suy ra các điện thế tại các đầu mút của điện trở này.

Figure 23.1 A Potentiometer – Một bộ đo điện thế

Bộ đo điện thế trong hình 23.2 đang được dùng như một bộ chia điện thế. Khi

cần gạt này quay điện thế đầu ra sẽ tỷ lệ với góc quay này.

ꢇ_ꢈ

(

)

ꢀ

= ꢀ − ꢀ ꢆ

ꢌ + ꢀ

ꢅ

ꢁꢂꢃ

ꢄ

ꢅ

ꢇ_ꢉꢊꢋ

Figure 23.2 A Potentiometer as a Voltage Divider

Một bộ đo điện thế như là một bộ chia điện thế

Các bộ đo điện thế là thông dụng bởi vì chúng không đắt, và không yêu cầu các

bộ điều biến đặc biệt. Nhưng, chúng có độ chính xác bị giới hạn, thông thường trong

khoảng 1% và chúng là chủ đề cho các hao mòn cơ học.

Các bộ đo điện thế đo vị trí tuyệt đối, và chúng được hiệu chỉnh bằng cách quay

chúng trong các giá gắn của chúng, và sau đó làm chặt chúng trong vị trí. Khoảng

quay thông thường được giới hạn nhỏ hơn 360 độ hay bội số của 360 độ. Một vài bộ

đo điện thế có thể quay không bị giới hạn, và cần gạt này sẽ nhảy từ một đầu này tới

đầu kia của điện trở này.

Các lỗi trong các bộ đo điện thế có thể phát hiện bằng cách thiết kế bộ đo điện

thế này để không bao giờ đạt đến các đầu mút của khoảng của chuyển động này.

Nếu một điện thế đầu ra từ bộ đo điện thế này bất cứ lúc nào đạt đến các đầu mút

của khoảng chuyển động, thì một vấn đề đã xảy ra, và máy này có thể được ngừng

hoạt động. Hai ví dụ của các vấn đề mà chúng có thể gây ra điều này là các dây bị

hỏng, hay bộ đo điện thế này quay trong giá của chúng.

23.2.2 Các bộ mã hóa

Các bộ mã hóa dùng các đĩa quay với các cửa sổ quang học, như trong hình

23.3. Bộ mã hóa này bao gồm một đĩa quang với các cửa sổ trong sáng được hiện rõ

vào trong chúng. Ánh sáng từ các bộ phát đi qua các khe trong đĩa này tới các máy

dò. Khi trục bộ mã hóa được quay, các chùm sáng này bị phá vỡ. Bộ mã hóa được chỉ

ra ở đây là một bộ mã hóa cầu phương, và nó sẽ được thảo luận sau.

Ghi chú: Loại bộ mã hóa này

được dùng phổ biến trong

chuột máy tính với một bi lăn

Figure 23.3 An Encoder Disk – Một đĩa bộ mã hóa

Có hai loại bộ mã hóa cơ bản: tuyệt đối và gia tăng. Một bộ mã hóa tuyệt đối sẽ

đo vị trí của góc cho một vòng quay đơn lẻ. Cùng một trục góc sẽ luôn luôn sinh ra

cùng một kết quả đọc. Đầu ra thường là một số nhị phân hay số mã xám. Một bộ mã

hóa gia tăng (hay tương đối) sẽ đưa ra hai xung mà các xung này có thể được dùng

để xác định sự dịch chuyển. Các mạch logic hay phần mềm được dùng để xác định

hướng quay, và đếm các xung để xác định dịch chuyển này. Vận tốc có thể được xác

định bằng cách đo thời gian giữa các xung.

Các đĩa bộ mã hóa được chỉ trong hình 23.4. Bộ mã hóa tuyệt đối này có hai

vòng, vòng ngoài là chữ số có nghĩa lớn nhất của bộ mã hóa này, vòng trong là chữ số

có nghĩa nhỏ nhất. Bộ mã hóa tương đối có hai vòng, với một vòng được quay một

vài độ về phía trước của cái kia, nhưng nếu không thế thì giống nhau. Cả hai vòng dò

vị trí của một phần tư của đĩa. Để thêm độ chính xác tới bộ mã hóa tuyệt đối nhiều

vòng hơn phải được thêm vào đĩa này, và nhiều hơn các máy phát và máy dò. Để

thêm độ chính xác cho bộ mã hóa tương đối ta chỉ cần thêm nhiều cửa sổ cho hai

vòng đang tồn tại này. Các bộ mã hóa điển hình này sẽ có từ 2 tới hàng ngàn cửa sổ

trên một vòng.

Figure 23.4 Encoder Disks – Các đĩa mã hóa

Khi dùng các bộ mã hóa tuyệt đối, vị trí trong một vòng quay đơn lẻ được đo

một cách trực tiếp. Nếu bộ mã hóa này quay nhiều lần thì số lần quay phải được đếm

một cách riêng biệt.

Khi dùng các bộ mã hóa tương đối, khoảng cách quay được xác định bằng cách

đếm các xung từ một trong các vòng này. Nếu bộ mã hóa này chỉ quay theo một

hướng thì một đếm đơn của các xung từ một vòng sẽ xác định tổng khoảng cách.

Nếu bộ mã hóa này có thể quay theo cả hai hướng một vòng thứ hai phải được dùng

để xác định khi nào trừ các xung. Giản đồ cầu phương, dùng hai vòng, được chỉ ra

trong hình 23.5. Các tín hiệu này được thiết đặt để một cái là ngoài pha với cái kia.

Nhớ rằng đối với các hướng quay khác nhau, đầu vào B hoặc dẫn tới hoặc trì hoãn A.

(Ghi chú của người gõ:

Note the change as direction is reversed – Ghi chú sự thay đổi khi hướng dịch chuyển

là ngược lại

total displacement can be determined by adding/subtracting pulse counts (direction

determines add/subtract)

tổng dịch chuyển có thể được xác định bằng cách thêm/bớt các xung đếm (hướng

dịch chuyển xác định cộng hay trừ)

)

Ghi chú: Để xác định hướng dịch chuyển ta có thể làm một kiểm tra đơn giản.

Nếu cả hai đều bật hay tắt, cái đầu tiên thay đổi trạng thái xác định hướng di chuyển

. Xem xét một điểm trong đồ thị này bên trên ở đó cả hai A và B đều tắt. Nếu A là đầu

vào đầu tiên để bật bộ mã hóa này thì quay theo hướng kim đồng hồ. Nếu B là cái

đầu tiên để bật chuyển động quay này là quay theo ngược chiều kim đồng hồ.

Thêm: Một mạch (hay chương trình) có thể được xây dựng cho mạch này bằng

cách dùng một bộ đếm lên/xuống. Nếu khía cạnh tích cực của đầu vào A được sử

dụng để kích hoạt đồng hồ (bộ đếm) này, và một đầu vào B được dùng để điều khiển

đếm lên/xuống, bộ đếm này sẽ giữ việc theo dõi vị trí của bộ mã hóa này.

Figure 23.5 Quadrature Encoders – Các bộ mã hóa cầu phương

Các giao diện cho các bộ mã hóa thường là có sẵn cho các PLC và như các đơn vị

được trả tiền. Các PLC mới hơn sẽ cho phép hai đầu vào bình thường để dùng để giải

mã các đầu vào mã hóa.

Các bộ mã hóa tương đối và tuyệt đối một cách bình thường yêu cầu một pha

hiệu chỉnh khi một bộ điều khiển được bật. Điều này bình thường bao gồm chuyển

động một trục cho đến khi nó đạt đến một cảm biến logic mà cảm biến này đánh dấu

chỗ kết thúc của phạm vi này. Kết thúc của phạm vi này sau đó được dùng như vị trí

số không. Các máy dùng các bộ mã hóa, và các cảm biến tương đối khác, và nhớ rằng

trong đó chúng chuyển động tới một vài vị trí kinh khủng trước khi sử dụng một cách

bình thường.

23.2.2.1 - Bộ đo điện thế

Các bộ đo điện thế đo vận tốc của một trục quay. Một kỹ thuật thông dụng là

gắn kết một nam châm tới một trục quay. Khi từ trường chuyển động qua một cuộn

dây tiếp nhận đứng yên, dòng điện được gây ra. Đối với mỗi vòng quay của trục này

có một xung trong cuộn dây ấy, như được chỉ ra trong hình 23.6. Khi thời gian giữa

các xung này được đo thời kỳ cho một vòng quay có thể được thấy, và tần số này

được tính toán. Kỹ thuật này thường yêu cầu một vài mạch điều hòa tín hiệu.

Figure 23.6 A Magnetic Tachometer – Một bộ đo điện thế từ trường

Một kỹ thuật thông dụng dùng một máy phát điện một chiều nam châm vĩnh

cửu đơn lẻ (ghi chú: bạn cũng có thể dùng một động cơ một chiều nhỏ). Máy phát

điện này được móc nối với trục quay. Việc quay của một trục sẽ gây ra một điện thế

tỷ lệ thuận với tốc độ góc. Kỹ thuật này sẽ giới thiệu một vài ảnh hưởng vào trong hệ

này, và nó được dùng ở nơi mà hiệu suất không là vấn đề.

Cả hai kỹ thuật này đều thông dụng, và không đắt.

23.2.3 Tuyến tính hóa

23.2.3.1 – Máy đo điện thế

Các bộ đo điện thế quay đã được thảo luận trước, nhưng các bộ đo điện thế

cũng là có sẵn trong dạng tuyến tính/trượt. Chúng có khả năng đo sự dịch chuyển

tuyến tính qua các khoảng cách dài. Hình 23.7 chỉ ra điện thế đầu ra khi dùng bộ đo

điện thế (potentiometer) như một bộ chia điện thế.

ꢍ

( )

= ꢀ + ꢀ − ꢀ ( )

ꢅ ꢄ ꢅ

ꢀ

ꢁꢂꢃ

ꢎ

Figure 23.7 Linear Potentiometer – Bộ đo điện thế tuyến tính

Các bộ đo điện thế tuyến tính/trượt có cùng lợi thế và nhược điểm chung với các

bộ đo điện thế quay.

23.2.3.2 - Linear Variable Differential Transformers (LVDT)

Các LVTD đo dịch chuyển tuyến tính qua một khoảng giới hạn. Thiết bị cơ bản

được chỉ trong hình 23.8. Nó bao gồm các cuộn dây ngoài với một lõi từ chuyển động

bên trong. Dòng xoay chiều tần số cao được đưa vào cuộn dây trung tâm này. Nó

sinh ra một từ trường mà nó gây ra một dòng trong hai cuộn dây bên ngoài. Lõi này

sẽ kéo từ trường về phía nó, vì thế trong hình nhiều dòng sẽ được gây ra trong lõi

bên tay trái. Các cuộn dây bên ngoài được quay theo hướng ngược lại để khi lõi là ở

trung tâm các dòng cảm ứng này khử, và tín hiệu ra là không (0Vac). Độ lớn của điện

thế tín hiệu ngoài trong mỗi đường chỉ thị vị trí của lõi. Gần trung tâm của chuyển

động sự thay đổi trong điện thế là tỷ lệ với độ dịch chuyển. Nhưng, xa hơn kể từ

trung tâm quan hệ này trở nên phi tuyến.

Figure 23.8 An LVDT – Một LVDT

Thêm: Mạch bên dưới có thể dùng để sản ra một điện thế mà nó tỷ lệ với vị trí.

Hai đi ốt này chuyển sóng xoay chiều tới một nửa sóng một chiều sóng. Các giá trị tụ

điện và điện trở có thể được chọn để làm việc như một bộ lọc đi qua thấp. Tụ điện

cuối cùng phải đủ lớn để làm mượt các gợn điện thế trên đầu ra này.

Figure 23.9 A Simple Signal Conditioner for an LVDT

Một điều biến tín hiệu đơn giản cho một LVDT

Các thiết bị này là chính xác hơn các bộ đo điện thế tuyến tính, và có ít va chạm

hơn. Các ứng dụng điển hình cho các thiết bị này bao gồm đo các chiều trên các vật

thể cho điều khiển chất lượng. Chúng thường được dùng cho các phép đo áp suất với

các ống và các ống/các khe Bourdon. Một nhược điểm chính của các cảm biến này

giá cao, thường hàng ngàn đô.

23.2.3.3 - Vân giao thoa

Các phép đo dịch chuyển tuyến tính độ rõ ràng cao có thể được làm với các vân

giao thoa, như được chỉ ra trong hình 23.10. Cả hai dải là trong suốt (hay phản xạ),

với các đường đen tại các khoảng thời gian được đo. Khoảng trắng ở giữa các đường

này xác định độ chính xác của các phép đo vị trí này. Dải đứng yên là sự bù đắp tại

một góc nào đó để các dải này gây trở ngại để đưa ra các dạng không hợp lệ. Khi dải

chuyển động đi qua một dải đứng yên các dạng này sẽ dịch lên hay xuống, dựa trên

tốc độ và hướng chuyển động.

Ghi chú: bạn có thể khôi phục hiệu ứng này với các dải dưới đây. Sao chép các

mẫu (dạng) hai lần, phủ lên các tấm này và giữ chúng tới phía đèn. Bạn sẽ nhận thấy

rằng quay một tờ sẽ làm cho các sọc chuyển động lên hay xuống.

Figure 23.10 The Moire Fringe Effect – Hiệu ứng vân giao thoa

Một thiết bị để đo chuyển động của các vân giao thoa này được chỉ ra trong

hình 23.11. Một nguồn sáng được chuẩn trực bằng cách truyền nó qua một khe hẹp

để làm nó trở thành một chùm có độ rộng bằng khe. Chùm này sau đó được đưa

qua các vân để được phát hiện bởi các cảm biến ánh sáng. Tối thiểu hai cảm biến ánh

sáng được cần đến để phát hiện các vị trí sáng và tối này. Hai cảm biến, đủ gần, có

thể hoạt động như là một cặp vuông góc, và cùng một phương pháp được dùng cho

các bộ mã hóa sóng vuông có thể được dùng để xác định hướng và khoảng cách

chuyển động.

Figure 23.11 Measuring Motion with Moire Fringes

Đo chuyển động với các vân giao thoa

Chúng được dùng trong các ứng dụng độ rõ ràng cao qua một quãng đường dài,

thường là hàng mét. Chúng có thể được mua từ một số nhà cung cấp nào đó, nhưng

giá sẽ là cao. Các ứng dụng điển hình bao gồm kết hợp các máy đo (CMMs).

23.2.3.4 – Các gia tốc kế

Các gia tốc kế đo gia tốc bằng cách dùng một khối lượng treo trên một cảm biến

lực, như được chỉ ra trong hình 23.12. Khi cảm biến này tăng tốc, kháng quán tính

của khối lượng này sẽ làm cho cảm biến lực này võng xuống. Bằng cách đo độ võng

gia tốc có thể được xác định. Trong trường hợp này khối lượng được đỡ trên cảm

biến lực này. Một nền và khung bao trùm lấy cảm biến này. Một cột gắn (một trục có

ren) được dùng để gắn kết gia tốc kế này.

Figure 23.12 A Cross Section of an Accelerometer

Mặt cắt ngang của một gia tốc kế

Các gia tốc kế là các cảm biến động, điển hình được dùng cho đo các dao động

giữa 10 Hz tới 10KHz. Các thay đổi nhiệt độ sẽ ảnh hưởng đến độ chính xác của các

cảm biến này. Các gia tốc kế chuẩn có thể là tuyến tính lên đến 100 000 m/s²: các

thiết kế gây sốc có thể lên tới 1 000 000 m/s². Thường có một sự thỏa hiệp giữa một

khoảng dao động rộng và độ nhạy thiết bị (ghi chú: các độ nhạy cao hơn yêu cầu một

khối lượng lớn hơn). Hình 23.13 chỉ độ nhạy của hai gia tốc kế với các tần số cộng

hưởng khác nhau. Một tần số dao động cộng hưởng nhỏ hơn giới hạn tần số cực đại

cho việc đọc này. Tần số dao động thấp gây ra một độ nhạy nhỏ hơn. Các đơn vị cho

độ nhạy là điện lượng trên một m/s².

Figure 23.13 Piezoelectric Accelerometer Sensitivities

Các độ nhạy gia tốc kế áp điện

Cảm biến lực này thường là một mẩu nhỏ của chất liệu áp điện (được thảo luận

sau trong chương này). Chất liệu áp điện này có thể được dùng để đo lực trong lực

cắt hay lực nén. Các gia tốc kế dựa trên áp điện thường có các tham số như là:

- Khoảng làm việc từ -100 tới 250^oC

- Độ nhạy 1mV/g tới 30V/g

- hoạt động tốt dưới một mức độ nào đó của tần số tự nhiên

Gia tốc kế này được gắn trên một điểm chuyển động như hình 23.14. Gia tốc kế

này được cách ly về điện từ nguồn dao động này để cảm biến có thể được tiếp đất

tại bộ khuyếch đại (để giảm ồn điện). Các cáp được cố định tới bề mặt của điểm

chuyển động, gần tới gia tốc kế, và được cố định tới bề mặt này càng thường xuyên

càng tốt để chống lại ồn từ cáp đập vào bề mặt. Các dao động gây nhiễu có thể được

phát hiện bằng cách gắn các điện cực kiểm soát tới các bề mặt không dao động. Mỗi

gia tốc kế là khác nhau, nhưng một vài hướng dẫn áp dụng chung là:

 Các dao động kiểm soát phải nhỏ hơn 1/3 của tín hiệu cho lỗi này được nhỏ

hơn 12%.

 Khối lượng của các gia tốc kế phải nhỏ hơn một phần mười khối lượng được

đo.

 Các thiết bị này có thể hiệu chỉnh bởi các sàng lắc, ví dụ 1 gam sàng lắc sẽ đạt

đến một đỉnh nào đó của vận tốc là 9,81m/s².

Figure 23.14 Mounting an Accelerometer – Gắn một gia tốc kế

Thiết bị thường được dùng khi làm phép thử dao động được chỉ trong hình

23.15. Cảm biến cần được gắn trên thiết bị này để được kiểm tra. Một tiền khuyếch

đại kế thường chuyển điện tích được sinh ra bởi gia tốc kế này sang một điện thế.

Điện thế này sau đó có thể được phân tích để xác định các tần số dao động.

Figure 23.15 Typical Connection for Accelerometers

Kết nối điển hình cho các gia tốc kế

Các gia tốc kế là thường được dùng cho các hệ điều khiển mà các hệ này điều

chỉnh các tốc độ để giảm rung động và ồn. Các máy Computer Controlled Milling

(máy phay được máy tính điều khiển) bây giờ dùng các cảm biến này để loại bỏ tiếng

lạch cạch một cách tích cực, và phát hiện lỗi công cụ. Tín hiệu từ các gia tốc kế có thể

được tích hợp để tìm ra vận tốc và gia tốc.

Các gia tốc kế hiện nay có giá hàng trăm hay hàng ngàn trên một kênh. Nhưng,

các ưu điểm trong vi gia công là đã và đang bắt đầu cung cấp các gia tốc kế mạch tích

hợp với giá thấp. Việc sử dụng hiện nay của chúng là cho các hệ triển khai túi khí

trong các ô tô.

23.2.4 Lực và Mô men lực

23.2.4.1 – Các bộ đo sức căng

Các bộ đo sức căng đo sức căng của các chất liệu bằng cách dùng sự thay đổi

điện trở của một dây điện. Dây này được dán vào bề mặt của một vật thể nào đó, để

nó chịu cùng một sức căng như là vật thể này (tại điểm gắn). Hình 23.16 chỉ ra các

thuộc tính cơ bản của dây không bị biến dạng này. Cơ bản là, điện trở của dây này là

một hàm của trở suất, độ dài, và tiết diện ngang.

ꢀ

ꢎ

ꢏ = = ꢑ = ꢑ

ꢐ

ꢒ

ꢓꢔ

trong đó: R là điện trở của dây

V, I là điện thế và dòng

L là chiều dài dây

w,t là độ rộng và độ dày

A là tiết diện ngang của dây

ρ là trở suất của chất liệu

Figure 23.16 The Electrical Properties of a Wire

Các thuộc tính điện của một dây

Sau khi dây trong hình 23.17 đã bị biến dạng nó sẽ nhận các hướng và điện trở

mới được chỉ ra trong hình 23.17. Nếu một lực được cấp như được chỉ ra, dây này sẽ

trở nên dài hơn, như được dự đoán bởi suất Young. Nhưng, tiết diện ngang này sẽ

giảm, như dự đoán bởi tỷ lệ Poát xông. Độ dài và tiết diện ngang mới này sau đó có

thể được dùng để tìm ra một điện trở mới.

ꢖ

ꢕ = = = ꢘꢙ ∴ ꢙ =

ꢗ

ꢈꢃ

ꢚꢈꢃ

ꢎ^ꢛ

ꢏ^ꢛ= ꢑ

ꢓ^ꢛꢔ^ꢛ

(

)

ꢎ 1 + ꢙ

= ꢑ ꢜ

ꢞ

(

) (

)

ꢓ 1 − ꢝꢙ ꢔ 1 − ꢝꢙ

(ꢅꢟꢠ)

∴ ΔR = R^ꢛ− R = R[₍

]

)

ꢅꢡꢢꢠ (ꢅꢡꢢꢠ)

trong đó:

ν = tỷ lệ Poát xông cho chất liệu

F = lực được cấp

E = suất Young cho chất liệu

σ, ε = sức ép và sức căng của vật liệu

Thêm: Các hệ số đo, như được định nghĩa ở dưới, là một phép đo được sử dụng

phổ biến cho độ nhạy vết đồng hồ.

ꢥꢦ

ꢦ

ꢣꢤ =

ꢙ

Figure 23.17 The Electrical and Mechanical Properties of the Deformed Wire

Các thuộc tính cơ và điện của dây bị biến dạng

Thêm: Các thay đổi trong điện trở đo sức căng thông thường là nhỏ (các giá trị

lớn sẽ đòi hỏi các sức căng mà chúng sẽ làm cho các máy đo này biến dạng một cách

mềm dẻo). Kết quả là, các dụng cụ đo điện trở được dùng để khuyếch đại thay đổi

nhỏ này. Trong mạch này điện trở biến thiên R2 sẽ được chỉnh tới V₀= 0V. Sau đó

điện trở của máy đo sức căng này có thể được tính toán bằng cách dùng phương

trình đã cho.

Figure 23.18 Measuring Strain with a Wheatstone Bridge

Đo sức căng với một bộ đo điện trở

Một bộ đo sức căng phải là nhỏ cho các phép đọc chính xác, vì dây này thực sự

được quấn trong một trục hay hình nơ, như được chỉ ra trong hình 23.19. Khi dùng

các bộ đo trục chiều là quan trọng, nó phải được đặt trên hướng của nén bình

thường. (Ghi chú: bộ đo này không thể đọc các nén cắt). Các bộ đo hình nơ là kém

nhạy với hướng, và nếu một lực cắt hiện diện bộ đo này sẽ đo lực bình thường gây ra

tại 45 độ. Các bộ đo này được bán trên các phim mỏng mà các phim này được dán

tới bề mặt hay một vật thể nào đó. Quá trình gắn các bộ đo sức căng này bao gồm

quét bề mặt, dùng các chất kết dính, và hàn các dây dẫn chính tới các bộ đo sức căng

này.

Figure 23.19 Wire Arrangements in Strain Gages

Các sắp đặt trong các bộ đo sức căng

Một kỹ thuật thiết kế dùng các bộ đo sức căng là thiết kế một vật thể với một cổ

hẹp để gắn bộ đo sức căng này, như được chỉ ra trong hình 23.20. Trong cổ hẹp này

sức căng là tỷ lệ với tải trọng trên thành phần ấy, vì thế nó có thể được dùng cho đo

lực. Các vật thể này thường được gọi là các tế bào tải.

Figure 23.20 Using a Narrow to Increase Strain

Dùng một khe hẹp để tăng sức căng

Các bộ đo sức căng là không đắt, và có thể được dùng để đo một khoảng rộng

của các độ nén với độ chính xác dưới 1%. Các bộ đo yêu cầu hiệu chỉnh trước mỗi lần

sử dụng. Điều này thường bao gồm làm việc đọc không tải, hay một tải được thêm

vào được biết nào đó. Một ứng dụng ví dụ bao gồm sử dụng các bộ đo sức căng để

đo các lực chết trong khi dập để ước lượng khi bảo trì là cần đến.

23.2.4.2 – Áp điện

Khi một tinh thể được làm (trải qua) biến dạng nó di chuyển một lượng nhỏ

điện tích. Nói cách khác, khi khoảng cách giữa các nguyên tử trong mạng tinh thể này

thay đổi vài điện tử bị đẩy ra hay bị lôi vào. Điều này cũng thay đổi điện dung của

tinh thể này. Đây được biết đến như là hiệu ứng áp điện. Hình 23.21 chỉ ra các quan

hệ cho một tinh thể trải qua một biến dạng tuyến tính. Điện tích được sinh ra là một

hàm của lực được cấp, sức căng trong vật liệu, và một hằng số đặc trưng cho chất

liệu này. Sự thay đổi trong điện dung tỷ lệ với thay đổi trong độ dày.

ꢭ

ꢧ = ^ꢨꢊꢩ, ꢫ = ꢙꢬ _ꢭꢃꢤ

ꢪ

trong đó: C = thay đổi điện dung

a, b, c = dạng hình học của chất liệu

ε = hằng số điện môi (quartz typ. 4.06*10**-11 F/m)

i = dòng được sinh ra

F = lực được cấp

g = hằng số cho chất liệu (quartz typ. 50*10**-3 Vm/N) =

E = suất Youngs (quartz typ. 8.6*10**10 N/m**2) =

Figure 23.21 The Piezoelectric Effect – Hiệu ứng áp điện

Các tinh thể này được dùng cho các cảm biến lực, nhưng chúng cũng được dùng

cho các ứng dụng như các cảm biến micrô và các cảm biến áp suất. Đặt một điện tích

điện có thể gây ra sức căng, cho phép chúng được dùng như các bộ truyền động, như

là các loa phát âm thanh.

Khi dùng các cảm biến áp điện các bộ khuyếch đại điện tích được cần đến để

chuyển số lượng nhỏ điện tích tới một điện thế lớn hơn. Các cảm biến này là phù hợp

nhất với các phép đo động, khi được dùng cho các phép đo tĩnh chúng có xu hướng

lệch hay chậm dần mất điện tích, và giá trị tín hiệu sẽ thay đổi.

23.2.5 Các chất lỏng và các các chất khí

Có một số lượng của các yếu tố được xem xét khi kiểm tra các chất lỏng và các

chất khí:



Vận tốc dòng chảy

Mật độ

Độ nhớt

Áp suất

Có một số lượng của các yếu tố khác nhau được xem xét trong khi làm việc với

các chất lỏng và chất khí. Bình thường một chất lỏng được cho là không nén được,

trong khi một chất khí thường tuân theo luật khí lý tưởng. Cũng như vậy, các nhiệt

độ đủ cao được cho trước một cách đầy đủ, hay các áp suất đủ thấp một chất lỏng có

thể trở thành một chất khí.

PV = nRT

trong đó: P = áp suất chất khí

V = thể tích của chất khí

n = số phân tử gam của chất khí

R = hằng số khí lý tưởng

T = nhiệt độ của khí

Khi chảy, dòng chảy này có thể mượt mà hay thành lớp. Trong trường hợp tốc

độ dòng chảy cao hay không hạn chế, sự hỗn loạn có thể dẫn đến. Số Raynold được

dùng để xác định chuyển đổi tới trạng thái hỗn loạn. Phương trình dưới là cho việc

tính toán số Raynold cho dòng chất lỏng trong một ống dẫn nào đó. Một giá trị dưới

2000 sẽ gây ra dòng thành lớp. Ở một giá trị khoảng 3000 dòng chất lỏng này sẽ trở

nên không đồng đều. Tại giá trị giữa 7000 và 8000 dòng chất lỏng này trở nên hỗn

loạn.

ꢮꢯꢰ

ꢏ =

ꢂ

trong đó: R = số Raynold

V = vận tốc

D = đường kính ống

ρ = mật độ chất lỏng

u = độ nhớt

23.2.5.1 – Áp suất

Hình 23.22 chỉ ra hai cơ chế khác nhau cho đo áp suất. Ống Bourdon dùng một

ống áp lực tròn. Khi áp suất bên trong lớn hơn áp suất không khí xung quanh (xấp xỉ

14,7 psi) ống này sẽ duỗi thẳng. Một cảm biến vị trí, được kết nối tới cuối của ống

này, sẽ được kéo dài khi áp suất này gia tăng.

Figure 23.22 Pressure Transducers – Các bộ đo áp suất

Các cảm biến này là rất thông dụng và có độ chính xác là 0,5%.

23.2.5.2 – Các van chế hòa khí (Van Venturi)

Khi một dòng chất lỏng hay khí đi qua một đoạn ống hẹp (cổ) áp suất hạ xuống.

Nếu không có dòng chảy áp suất trước và sau cổ này sẽ bằng nhau. Dòng chảy nhanh

hơn, áp suất lớn hơn khác biệt trước và sau cổ này. Điều này được biết như là một

van chế hòa khí (Venturi). Hình 23.23 chỉ ra một van Venturi đang được dùng để đo

một tốc độ dòng chảy chất lỏng. Tốc độ dòng chảy này sẽ tỷ lệ với áp suất khác biệt

trước và tại cổ hẹp này (hay sau cổ) của van ấy.

Figure 23.23 A Venturi Valve – Một van Venturi

Thêm: Phương trình Bernuolli có thể được dùng để thể hiện việc giảm áp suất

trong một van Venturi.

ꢱ

ꢑ

ꢝ^ꢄ

2

+

+ ꢬꢲ = ꢧ

trong đó: p = áp suất

ρ = mật độ

v = vận tốc

g = hằng số hấp dẫn

z = chiều cao trên một quy chiếu

C = hằng số

Xem xét dòng trung tâm của dòng chất lỏng qua các van này. Giả sử chất lỏng

này là không thể nén được, vì thế mật độ không thay đổi. Và, giả sử dòng trung tâm

này của van không thay đổi. Điều này cho ta một phương trình đơn giản, như được

chỉ ra ở dưới, nó cho thấy vận tốc và áp suất trước và sau khi nó được nén lại.

ꢝ_ꢩ^ꢄ_{ꢴꢵꢁꢶꢴ}

ꢝ_ꢊ^ꢄ_ꢵꢃꢴꢶ

ꢳ_{ꢩꢴꢵꢁꢶꢴ}

ꢳ_{ꢊꢵꢃꢴꢶ}

ꢑ

+

+ ꢬꢲ = ꢧ =

+

+ ꢬꢲ

ꢑ

ꢳ_{ꢩꢴꢵꢁꢶꢴ}

ꢑ

2

ꢝ_ꢩ^ꢄ_{ꢴꢵꢁꢶꢴ}

2

ꢝ_ꢊ^ꢄ_ꢵꢃꢴꢶ

ꢳ_{ꢊꢵꢃꢴꢶ}

ꢑ

=

+

2

ꢝ_ꢊ^ꢄ_ꢵꢃꢴꢶꢝ_ꢩ^ꢄ_{ꢴꢵꢁꢶꢴ}

−

ꢳ_{ꢩꢴꢵꢁꢶꢴ}− ꢳ_{ꢊꢵꢃꢴꢶ}= ꢑ(

)

2

Vận tốc v trong van này sẽ lớn hơn vận tốc trong đoạn ống lớn hơn ở trước. Vì

thế bên tay phải của biểu thức sẽ là dương. Điều này có nghĩa áp suất trước sẽ luôn

cao hơn áp suất sau, và sự khác biệt này sẽ tỷ lệ với bình phương vận tốc.

Figure 23.24 The Pressure Relationship for a Venturi Valve

Mối quan hệ áp suất cho một van Venturi

Các van Venturi cho phép các áp suất được đọc mà không dịch chuyển vật thể,

nó làm chúng rất tin cậy và bền. Chúng làm việc tốt trong cả các chất lỏng và khí.

Thường dùng các van Venturi này để sinh ra các chân không cho các bộ truyền động,

như là các ống hút.

23.2.5.3 – Bộ đo dòng Coriolis

Chất lỏng đi qua các ống mỏng, làm chúng dao động. Khi chất lỏng tiến tới điểm

dao động cực đại nó tăng tốc. Khi rời điểm này nó giảm tốc. Kết quả là một lực phân

bố mà lực này gây ra một mô men uốn, và do đó làm xoắn ống này. Lượng bẻ cong

này là tỷ lệ với vận tốc dòng chất lỏng. Các thiết bị điển hình này có một chỗ thắt lớn

trên dòng chảy, và gây ra các mất mát đáng kể. Một vài thiết bị cũng dùng các ống

uốn cong để tăng độ nhạy, nhưng điều này cũng làm gia tăng cản trở dòng chảy. Độ

chính xác điển hình cho một bộ đo dòng Coriolis là 0,1%.

23.2.5.4 - Bộ đo luồng từ trường

Một cảm biến từ trường gây ra một từ trường vuông góc với dòng chảy của một

chất lỏng dẫn điện. Khi dòng này chuyển động, các điện tử trong dòng chảy này nhận

thấy một lực điện động. Kết quả là một điện thế có thể được đo vuông góc với

hướng của dòng chảy và từ trường này. Tốc độ dòng cao hơn, điện thế cao hơn. Độ

chính xác điển hình cho các cảm biến này là 0,5%.

Các bộ đo dòng này không ngăn cản dòng chất lỏng, và vì thế chúng không làm

cho áp lực giảm đi.

23.2.5.5 - Bộ đo luồng siêu âm

Một máy phát phát ra một âm thanh tần số cao tại điểm trên một ống. Tín hiệu

này sau đó phải đi qua dòng chất lỏng tới một máy dò nơi mà nó được thu vào. Nếu

dòng chất lỏng này đang chảy cùng hướng với âm thanh này nó sẽ đến sớm hơn. Nếu

âm thanh này là ngược lại với dòng chảy nó sẽ mất nhiều thời gian hơn để đến.

Trong một thời điểm di chuyển nào đó bộ đo luồng hai âm thanh được dùng, một đi

về phía trước, và cái kia theo hướng ngược lại. Sự khác biệt trong thời gian di chuyển

cho các âm thanh này được dùng để xác định vận tốc dòng chảy.

Một bộ đo luồng Doppler sinh ra một mẩu nhỏ sóng âm trong một dòng chảy.

Nếu mẩu này đang di chuyển ra từ cặp máy phát và máy dò, thì tần số phát hiện sẽ bị

thấp đi, nếu nó đang di chuyển về phía cặp này tần số sẽ là cao hơn.

Bộ phát và bộ tiếp nhận có một ảnh hưởng tối thiểu trên dòng chảy này, và vì

thế không làm cho áp suất hạ xuống.

23.2.5.6 - Bộ đo sức giật gió

Dòng chất lỏng qua một chướng ngại lớn (thường là bằng phẳng) sẽ tỏa ra các

xoáy. Tần số của các xoáy này sẽ là tỷ lệ với tốc độ dòng chảy. Đo tần số này cho

phép một ước tính tốc độ dòng chảy này. Các cảm biến này có xu hướng có giá thấp

và phổ biến cho các ứng dụng độ chính xác thấp.

23.2.5.7 - Bộ đo độ dịch chuyển điện tích dương

Trong vài trường hợp độ rõ ràng cao hơn các việc đọc các tốc độ dòng chảy và

các thể tích có thể được yêu cầu. Điều này có thể thu được bằng một bộ đo độ dịch

chuyển điện tích dương. Trong thực tế các bộ đo này là giống như các bơm chạy

ngược lại. Khi chất lỏng này được đẩy qua bộ đo này nó sinh ra một đầu ra có thể đo

được, thường là trên một trục xoay.

23.2.5.8 - Các ống Pitot

Tốc độ dòng khí có thể được đo bằng cách dùng các ống Pitot, như được chỉ ra

trong hình 23.25. Chúng là những ống nhỏ mà ống này chiếu vào trong một dòng

chảy nào đó. Đường kính của ống này là nhỏ (thường là nhỏ hơn 1/8 ing) để chúng

không ảnh hưởng đến dòng chảy này.

Figure 23.25 Pitot Tubes for Measuring Gas Flow Rates

Các ống Pitot cho đo tốc độ dòng khí

23.2.6 Nhiệt độ

Các phép đo nhiệt độ là rất phổ biến trong các hệ điều khiển. Các khoảng nhiệt

độ được mô tả một cách bình thường với các phân loại sau:

Các nhiệt độ rất thấp <-60^oC – ví dụ các chất siêu dẫn trong các đơn vị MRI

Nhiệt độ đo thấp -60^oC đến 0^oC – ví dụ các điều khiển máy lạnh

Các nhiệt độ đo tốt 0 đến 100^oC– ví dụ các điều khiển môi trường