Cảm biến vị trí cho truyền động thủy lực

CẢM BIẾN VỊ TRÍ CHO TRUYỀN ĐỘNG THỦY LỰC

Giới thiệu chung

Các truyền động thủy lực ngày nay được thiết kế hệ thống hoàn chỉnh, trong đó sử dụng các loại bơm, xi lanh, van, bộ biến đổi và các bộ điều khiển khả trình. Xu hướng trong ngành công nghiệp bao gồm các công nghệ cảm biến mới, các thành phần nhỏ hơn nhưng có chức năng rất quan trọng. Các sơ đồ điều khiển ngày càng phức tạp hơn, các hệ điều khiển phân tán, các cảm biến thông minh, tự xử lý lỗi và theo các chuẩn thông tin phổ biến nhất.

Một bộ phận hợp thành của hệ thống này là các cảm biến vị trí. Với những xu hướng này, chúng ta sẽ thấy có những loại cảm biến vị trí với  kích thước nhỏ hơn, tính chính xác cao hơn, thông minh và có rất nhiều cách thu, nhận thông tin khác nhau.

Phân loại các cảm biến vị trí

Các cảm biến vị trí có thể cung cấp tín hiệu dưới dạng liên tục hay rời rạc (mở/đóng) cho một bộ điều khiển khả trình. Hầu hết các cảm biến tương tự có thể đo sự dịch chuyển tuyến tính và có chức năng như một khóa chuyển mạch trong các ứng dụng rời rạc. Chỉ có một số ít loại cảm biến có thể đo được góc quay như các cảm biến kiểu chiết áp, encoders hoặc các bộ đếm xung đồng bộ.

Dưới đây sẽ giới thiệu về bộ cảm biến mà có thể được tích hợp bên trong hay được gắn trực tiếp vào một xi lanh, bao gồm các cảm biến vị trí tương tự và rời rạc. Các thiết bị rời rạc là các công tắc hành trình, các rơ le kiểu cảm ứng, khóa chuyển mạch lò xo từ, các thiết bị hiệu ứng Hall, và các chuyển mạch từ trở.

Các cảm biến liên tục bao gồm: các bộ biến đổi chiết áp, các bộ biến đổi cảm ứng kiểu vi sai biến thiên tuyến tính và các bộ mã hóa.

Cảm biến vị trí gián đoạn – Xưa và nay

Ba đặc tính quan trọng nhất của một thiết bị cảm biến vị trí là thời gian tác động, khoảng trễ và khả năng lặp lại.

Thời gian tác động chỉ đơn giản là khoảng thời gian để cho một cảm biến hay một khóa chuyển mạch bât hay tắt. Thời gian tác động nhanh sẽ rất quan trọng vì chính nó cho phép các xi lanh làm việc được với tốc độ cao và làm giảm thời gian của một chu kỳ chuyển động.

Nếu trong một điều kiện làm việc như nhau thì việc đóng/cắt của một dụng cụ sẽ xảy ra tại các giá trị khác nhau của tín hiệu vào. Hiện tượng không trở lại cùng giá trị này được gọi là hiện tượng trễ. Có nhiều dạng trễ khác nhau. Sự tác động của một hệ thống cơ học thường xuất hiện khoảng trễ. Hầu như tất cả các bộ biến đổi đều có trễ cơ và nhiệt. Khi khoảng trễ rất nhỏ thì nó thường không quan trọng. Tuy nhiên, đỗi với các cảm biến kiểu từ thì khoảng trễ có thể khá ổn định.

Cũng có nhiều chuyển mạch vị trí được xem như các cảm biến tương tự để do hành trình của chuyển động. Nếu như các thiết bị tương tự có khoảng trễ nhõ (theo như mong muốn trong thiết bị tương tự ) thì nhà thiết kế lại cần phải tăng khoảng trễ để tạo ra được một khóa chuyển mạch nhằm loại bỏ được sự dao động ( những vận hành đa chuyển mạch, ví dụ như khóa chuyển mạch hay đóng nhiều lần trong một khoảng thời gian ngắn) bằng cách tao ra một vùng chết. Vùng này không cho phép khóa chuyển mạch mở và đóng sau khi đã vượt qua một giá trị gọi là ngưỡng tăng và nó chỉ có thể hoạt động cho tới khi đạt đến hay vượt quá một giá trị ngưỡng khác giảm. Chính vì vậy nên cần loại bỏ những ảnh hưởng của hiện tượng nhiễu do rung, do biến động khi hàn điện, do sóng điện từ.

Khả năng lặp lại là một khoảng mà khóa chuyển mạch sẽ thực hiện việc “đóng” hay “mở” ở cùng một điểm chuyển mạch vật lý cho trước. Tính lặp lại là sự chính xác tuyệt đối của khóa chuyển mạch khi nó phải chịu ảnh hưởng của các môi trường hoạt động bình thường. Ví dụ, một sự thay đổi về nhiệt độ hay điện áp cáp cho khóa chuyển mạch sẽ làm thay đổi vị trí mà tại đó khóa chuyển mạch hoạt động.

Một thông số khác cần chú ý là sự bão hòa. Sự bão hòa thường được định nghĩa cho các khóa chuyển mạch lò xo ở một giá trị mà tại đó khóa không còn bị ảnh hưởng bởi hiện tượng tăng lên của từ trường. Tuy nhiên, đối với các khóa chuyển mạch lò xo và ở những cảm biến từ gắn cố định bên trong, nếu vượt quá ngưỡng chuyển mạch thì nó có thể gây ra một sự thay đổi tạm thời gian trong trạng thái ra của khóa.

Bảng dưới đây cho biết tính năng của một số thiết bị cảm biến vị trí cho ra tín hiệu gián đoạn, bao gồm cả những thiết bị trước đây và hiện nay.

Hai loại cảm biến vị trí rời rạc được sử dụng phổ biến trong công nghiệp ngày nay là: loại dùng tiếp điểm, ví dụ như công tắc hành trình và các bộ chuyển mạch lò xo từ; hoặc loại không tiếp điểm, ví dụ như các thiết bị cảm ứng, hiệu ứng Hall và các thiết bị từ trở. Mặc dù các công tắc hành trình vẫn được sử dụng trong nhiều ngành nhưng khách hàng của ngành thủy lực vẫn thích dùng các bộ chuyển mạch lò xo từ và các thiết bị không tiếp xúc hơn. Hầu hết các cảm biến không tiếp xúc là các bộ biến đổi được gắn cứng theo cơ cấu nên chức năng của nó biến đổi theo chuyển mạch. Thông thường một tín hiệu điện áp tương tự được so sánh với một điện áp đặt trước và khi vượt qua giá trị đó thì khóa sẽ tác động

Công tắc hành trình

Dạng cảm biến vị trí kiểu gián đoạn đầu tiên là công tắc (chuyển mạch) hành trình cơ học. Mặc dù loại chuyển mạch này ngày nay không còn được sử dụng nhiều trong ngành thủy lực nữa nhưng chúng vẫn đóng vai trò rất quan trọng trong quá khứ. Chúng là loại cảm biến đầu tiên đi kèm với những ứng dụng xi lanh.

Hai ưu điểm chính của chuyển mạch cơ học là chúng có thể chịu được dòng lớn và giá thành không cao. Thời gian tác động, khoảng trễ và khả năng lặp lại vị trí chuyển mạch của những thiết bị này phù hợp hầu hết các ứng dụng thủy lực. Công tắc hành trình cơ học có một số nhược điểm như: chúng yêu cầu có sự tiếp xúc vật lý với một vật thể chuyển động, chúng phải có bộ phận chuyển động nên bị bào mòn, dễ hỏng và dễ vỡ. Vì có sự chuyển động của xi lanh và các bộ phận khác của công tắc nên chúng cần phải được điều chỉnh lại thường xuyên để duy trì độ chính xác. Tuổi thọ của loại khóa này thấp hơn so với các thiết bị lắp liền vào xilanh. Chúng cũng gây ra những hoạt động da chuyển mạch trong một khoảng thời gian ngắn.

Các chuyển mạch kiểu cảm ứng

Một cảm biến kiểu này sẽ phân biệt được vị trí xa/gần khi áp cạnh một vật thể kim loại nhờ việc do hiệu ứng của từ trường do nó tạo ra. Tến dao ừ trường của cảm biến dao động và nó tạo nên các dòng trên bề mặt vật thể kim loại. Các dòng này là các dòng điện xoáy. Khi vật thể kim loại nằm ngoài từ trường của cảm biến thì độ dao động sẽ giảm đi. Và nếu khi chúng tiếp xúc với nhau thì những dao động này hầu như mất hẳn.

Các cảm biến cảm ứng là những thiết bị không tiếp xúc có độ chính xác, khả năng lặp lại cao do chúng sử dụng công nghệ đúc liền khối và có khoảng trễ rất thấp.Thời gian tác động của chúng rất nhanh và tuổi thọ cao. Cảm biến cảm ứng cũng là một trong số những loại cảm biến rời rạc có giá đắt nhất.

Cảm biến từ

Những cảm biến từ sử dụng khả năng dò từ trường được sử dụng nhiều trong công nghiệp bởi vì ở đó ít khi tồn tại một từ trường mạnh ảnh hưởng đến cảm biến. Chính điêu đó cho phép cảm biến phân biệt được đối tượng đích thực, loại bỏ ảnh hưởng lỗi vốn có trong nhiều công nghệ khác. Mặc dù có nhiều từ trường phân tán tồn tại trong một môi trường công nghiệp nhưng khoảng cách (1/r2). Phần lớn các cảm biến vị trí từ được sử dụng trong các ứng dụng thủy lực là các khóa chuyển mạch lò xo hoặc các thiết bị hiệu ứng Hall.

Cảm biến từ: chuyển mạch lò xo

Bộ phận quan trọng nhất của rơ le từ lò xo và tiếp điểm. Khi một nam châm di chuyển đến gần khóa, lò xo sẽ bị hút và các tiếp điểm thường mở sẽ đóng lại. Khi từ trường mất đi thì các tiếp điểm lại mở ra. Tiếp điểm của chúng có thể: thường mở, thường đóng hoặc có ba vị trí. MẶc dù khóa chuyển mạch lò xo là một thiết bị cơ học nhưng nếu được sử dụng đúng cách thì tuổi thọ của chúng sẽ rất cao. Và chúng cũng có kích thước tương đối nhỏ.

Ưu điểm của khóa chuyển mạch lò xo là nó rất nhạy với từ trường và không có dòng rò hay hiện tượng sụt áp, có thể chịu được dòng và áp cao và giá thành rẻ. Tính lặp lại của thiết bị này khá tốt. Nhược điểm của chúng là gây nhiễu điện từ, có thời gian tác động chậm và khoảng trễ tương đối lớn. Khoảng trễ này là do tác động cơ học của các tiếp điểm lò xo và dòng chảy qua thiết bị. Khi dòng chảy qua mạch kín sẽ sinh ra một từ trường bổ sung vào từ trường của nam châm làm tăng khoảng trễ. Khoảng trễ sẽ tăng theo thời gian do sự tích tụ của cacbon tại các tiếp điểm lò xo.

Cảm biến từ:c huyển mạch nhờ hiệu ứng Hall

Khóa chuyển mạch hiệu ứng Hall là những dụng cụ có kết cấu liền khối với xilanh, có kích thước rất nhỏ và không tiếp xúc, có thời gian tác động nhanh và tuổi thọ cao. Khả năng lặp lại của thiết bị này cũng rất cao, tuy nhiên, chúng lại bị ảnh hưởng của các lỗi do nhiệt độ. Hơn nữa, do bản chất nhạy với cực từ của các thiết bị hiệu ứng Hall nên các nhà thiết kế khóa chuyển mạch cần phải bổ sung một khoảng trễ vào trong cảm biến tương tự hiệu ứng Hall. Điều này sẽ làm cho các cửa sổ khởi động khóa chuyển mạch nhỏ trong một chiều và lớn hơn rất nhiều trong một chiều khác. Nói cách khác, cửa sổ khóa chuyển mạch bao phủ một vùng khác nhỏ hơn nhiều khi khóa đi theo hướng ngược lại.

Một vấn đề khác cần qua tâm về loại công nghệ này là các nhà sản xuất chất bán dẫn không có khả năng thỏa mãn hết nhu cầu của người sử dụng vì độ nhạy của phân từ rất hiệu ứng Hall do vậy đã sản xuất ra hay rất khác nhau. Nhà sản xuất mạch tích hợp hiêu ứng Hall chỉ đưa ra thông số làm việc cho một thiết bi tiêu chuẩn từ 20 đến 100 gauss. Để có được một dụng cụ có hiệu ứng Hall cần phải kiểm tra về độ nhạy. CHính công đoạn này đã làm tăng giá thành của thiết bị. Một số nhà sản xuất hiệu ứng Hall đã đạt được nhiều tiến bộ trong lĩnh vực này, tuy nhiên vẫn còn rất nhiều việc phải làm.

Cảm biến từ: chuyển mạch kiểu từ trở

Cảm biến từ trở là một sự kết hợp những đặc điểm tốt nhất của thiết bị hiệu ứng Hall và khóa chuyển mạch lò xo. Đây là một dụng cụ có kết cấu liền khối, không tiếp xúc có kích thước rất nhỏ, tốc độ cao, khả năng lặp lại tốt và giá thành trung bình. Chúng gần như không có khoảng trễ và cso thể được chế tạo lại ở môt mức gauss cụ thể. Trong các thiết bị hiệu ứng, những giới hạn cơ học của xilanh làm tăng khoảng trễ hơn loại thiết bị này. Khoảng trễ cơ học có thể xuất hiện do những biến đổi của áp suất không khí, rung động, piston và nam châm bị quay và những biến đổi khác trong nam châm.

Từ trở cũng giống như một biến điện trờ, nó làm thay đổi cường độ của từ trường. Các vật liệu từ trở truyền thống có độ bão hòa rất thấp. Điều này làm cho thiết bị chuyển trạng thái rất nhanh nếu như cường độ từ trường tăng lên cao. Mức bão hòa này là rất nhỏ, chỉ khoảng 10 gauss.

Những xu hướng trước đây

Vì các chuyển mạch lò xo đầu tiên được gắn trên các xilanh với các nam châm tiếp xúc với piston nên khách hàng có thể điều khiển được piston nên khách hàng có thể điều khiển được