Cảm biến dịch chuyển theo phương pháp từ trường

Cảm biến đo dịch chuyển (thẳng hoặc góc) hoạt động dựa trên sự thay đổi của từ trường đã và đang được ứng dụng rất rộng rãi trong công nghiệp. Các cảm biến này đã thể hiện nhiều tính năng vượt trội so với các cảm biến hoạt động dựa trên nguyên lý khác như nguyên lý biến trở hay bộ mã hóa quang.

Ưu điểm quan trọng của chúng phải kể đến là đo không tiếp xúc. Không có mối liên hệ cơ học nào giữa thành phần cố định và thành phần dịch chuyển của cảm biến. Vì vậy tuổi thọ của các cảm biến này sẽ không bị giới hạn bởi hao mòn do ma sát. Thành phần cấu tạo cơ bản của chúng là nam châm vĩnh cửu hoặc nam châm điện, kết hợp với những vật liệu đặc biệt có khả năng nhạy với từ trường.

Trong bài viết này chúng tôi sẽ trình bày các cảm dựa trên các hiệu ứng tiêu biểu như: từ giảo (magnetostrictive), từ trở (magnetoresistive), hiệu ứng Hall và mã hóa từ.

1. Cảm biến từ giảo (magnetostrictive)

Cảm biến từ giảo sử dụng vật liệu sắt từ để xác định vị trí của một nam châm dịch chuyển theo chiều dài của nó. Thân của chúng được giữ cố định, còn nam châm được gắn với đối tượng cần đo và dịch chuyển dọc theo thân cảm biến (H.1).

Hình 1. Cảm biến từ giảo.

Nguyên lý hoạt động dựa theo tính chất từ giảo của vật liệu sắt từ. Ảnh hưởng của từ trường lên những vật liệu này gây ra sự thay đổi về kích thước hoặc hình dạng của chúng. Vật liệu thuận từ nở ra, còn vật liệu nghịch từ co lại khi bị từ hóa. Những nguyên tố thường được dùng trong cảm biến từ giảo là các kim loại như sắt, côban, niken…

Thực tế, có thể coi vật liệu sắt từ là tập hợp của nhiều nam châm vĩnh cửu nhỏ, được gọi là các miền từ (domains). Mỗi miền bao gồm nhiều nguyên tử và được sắp xếp ngẫu nhiên khi chưa bị từ hóa. Khi vật liệu bị từ hóa dưới tác động của từ trường ngoài, miền quay với trục gần như song song nhau, gây nên hiện tượng từ giảo (H. 2).

Hình 2. Hiệu ứng từ giảo.

Sự biến dạng đồng bộ của các miền thực chất không có nhiều tác dụng đối với việc đo. Thông thường chỉ cần sự biến dạng cục bộ dựa trên hiệu ứng Wiedemann: khi một sợi dây từ giảo đặt trong từ trường trục có dòng điện chạy qua, nó sẽ bị xoắn tại điểm giao nhau với từ trường. Từ trường trục này được tạo ra bởi một nam châm vĩnh cửu. Chính sự tương tác giữa nó với từ trường tròn của dây dẫn đã sinh ra hiện tượng xoắn cơ học.

Trong cảm biến từ giảo, yếu tố cảm nhận là một dây hoặc thanh sắt từ (được gọi là ống dẫn sóng). Thiết bị sẽ đo khoảng cách giữa nam châm vị trí và đầu thu. Khi bắt đầu đo, một xung dòng điện được đưa vào ống dẫn sóng. Xung được sử dụng thường kéo dài 1-2 µs. Theo hiệu ứng Wiedemann, sóng xoắn cơ học sẽ xuất hiện tại điểm đặt nam châm vị trí. Sóng này di chuyển về cả 2 hướng lại gần và ra xa đầu thu với tốc độ 3.000 m/s. Khoảng thời gian từ lúc bắt đầu xuất hiện sóng (chính là thời điểm đặt xung dòng điện) đến lúc sóng tới đầu thu sẽ đặc trưng cho vị trí của nam châm. Phần sóng di chuyển ra xa đầu thu có thể đóng vai trò như nhiễu khi nó phản xạ ngược trở lại. Vì vậy, nó sẽ được khử ở đầu kia của ống dẫn sóng. Khu vực gắn vật liệu khử không có tác dụng cho việc xác định vị trí nên được gọi là “vùng chết”.

Thời gian đo được có thể đưa vào bộ nhớ đệm và sử dụng như kết quả trực tiếp, hoặc truyền tín hiệu về trung tâm để xử lý thông qua các chuẩn truyền dẫn công nghiệp như CANbus, HART, Profibus,...

Hệ số nhiệt độ có thể đạt từ 2 đến 5ppm/C. Do loại cảm biến này hoạt động chỉ dựa vào đặc tính vật lý của vật liệu nên chúng rất ổn định.

2. Cảm biến từ trở (magnetoresistive)

Trong hầu hết vật liệu từ, điện trở giảm dưới tác động từ trường khi sự từ hóa vuông góc với dòng điện. Mật độ từ thông càng tăng thì điện trở càng giảm, cho tới khi đạt trạng thái bão hòa từ. Lượng điện trở thay đổi khoảng 1% ở nhiệt độ phòng (0.3% với sắt, 2% với nickel). Khi từ trường song song với dòng điện, điện trở tăng khi cường độ từ trường tăng. Đây là những đặc điểm của hiện tượng từ trở (magnetoresistive - MR).

Khi một nam châm vị trí đến gần thành phần cảm biến từ trở, điện trở của thành phần này sẽ thay đổi. Sự thay đổi là lớn nhất khi nam châm đi qua tâm của nó. Sau đó mức độ thay đổi sẽ giảm dần tới khi nam châm hoàn toàn vượt qua thành phần này. Điện trở thay đổi được tính theo công thức sau:

R = Hiệu điện thế/(mật độ hạt mang điện x vận tốc hạt mang điện)

Một thiết bị đo sự dịch chuyển dài hơn có thể được thực hiện bằng cách sử dụng nhiều thành phần MR sắp xếp trên một đường thẳng. Chuỗi tín hiệu từ các cảm biến được giải mã để tìm ra thành phần MR bị ảnh hưởng nhiều nhất bởi nam châm. Sau đó các phép đo rời rạc được tiến hành để xác định chính xác hơn vị trí của nam châm. Nguyên tắc này có thể tạo được những cảm biến có hiệu suất đo cao, tuy nhiên cần tính đến cả ảnh hưởng của nhiệt độ. Các cảm biến dài yêu cầu nhiều thành phần MR nên chúng đắt tiền và khó chế tạo.

Hiệu ứng từ trở của một vật dẫn có thể tăng bằng cách chế tạo với 2 hoặc nhiều lớp vật liệu có độ từ trở khác nhau. Không những thế, một số vật liệu có thể kết cấu tới 10 lớp giúp chúng bão hòa ở cường độ từ trường mạnh hơn.

3.Cảm biến Hall

Cảm biến Hall làm việc dựa trên hiệu ứng Hall. Khi từ trường tác dụng vào dòng điện trong vật dẫn theo những góc phù hợp, sẽ xuất hiện một hiệu điện thế Vh, được gọi là hiệu điện thế Hall. Hiệu điện thế này vuông góc với cả từ trường và dòng điện trong vật dẫn. Độ lớn Vhtỉ lệ thuận với cường độ dòng điện và từ trường, tính theo công thức:

VH = KH β I / z

VH - Hiệu điện thế Hall

KH  - Hằng số Hall

β  - Cường độ từ trường

I - Dòng điện chạy trong vật dẫn

z- Độ dày của vật dẫn

Hình 3. Mô tả cảm biến Hall.

Cảm biến loại này thường được chế tạo từ vật liệu bán dẫn (cả p và n đều được sử dụng với dòng điện phân cực phù hợp). Trong đo dịch chuyển, một bộ phận cảm biến Hall và một nam châm di động (tín hiệu ra tỉ lệ với khoảng cách giữa 2 thành phần này) kết hợp với nhau, hoặc có thể sử dụng 2 nam châm đặt cách đều như H. 4.

Hình 4. Đo dịch chuyển với cảm biến Hall.

Các cách sắp xếp này có giới hạn tuyến tính rất hẹp. Để tạo những cảm biến có khoảng đo rộng hơn, thường phải sử dụng nhiều cảm biến Hall đặt trên một giá đỡ và nam châm dịch chuyển dọc theo chiều dài giá đỡ. Khi nam châm lại gần và ra xa các thành phần cảm biến Hall, tín hiệu ra của cảm biến này sẽ tăng hoặc giảm tương ứng. Đầu ra của cả hệ thống được xác định bằng cách đọc và giải mã tín hiệu của những cảm biến ở gần nam châm nhất.

Phương pháp này tạo được những cảm biến dịch chuyển tương đối chính xác và có thể dài tới vài mét. Nhược điểm chính là khó sản xuất và đắt tiền bởi cần số lượng cảm biến Hall lớn.

4. Bộ mã hóa từ (magnetic encoders)

Bộ mã hóa từ sử dụng dải băng từ hoặc đĩa từ có lưu dữ liệu kĩ thuật số. Những dữ liệu này được ghi lại ở vị trí mà nó miêu tả, dưới dạng một tập hợp các vùng từ hóa hoặc không từ hóa. Một bộ mã hóa từ gồm có thành phần cảm biến, một hoặc nhiều đầu đọc, thành phần điện tử và vỏ cơ học với ống vào. Trục đầu vào di chuyển vào/ra đối với cảm biến thẳng và xoay được đối với cảm biến quay.

Hình 5. Bộ mã hóa từ.

Đầu đọc chứa một động cơ lõi sắt từ với dây điện vào/ra. Xung đọc được đưa vào đầu vào, thông tin đọc ra ở đầu ra. Nếu lõi nằm trên phần từ hóa của đĩa thông tin, lõi sẽ bị bão hòa và không tạo được xung ra, dẫn đến kết quả logic 0. Nếu lõi nằm trên phần không từ hóa thì khi xung đọc được đưa vào, xuất hiện xung đầu ra dẫn đến kết quả logic 1. Mỗi mã nhị phân tương ứng với một thông tin về vị trí. Xét ví dụ với cảm biến góc như hình dưới (mã nhị phân 3 bit, màu đen ứng với bit 1, màu trắng ứng với bit 0)

Mã nhị phân thông thường gây ra vấn đề cho bộ mã hóa: có những số cần thay đổi nhiều bit một lúc ngay cả khi chỉ thay đổi một đơn vị. Điều này có thể gây lỗi trong quá trình đọc. Để minh họa vấn đề này, ta xem xét việc xảy ra khi góc quay thay đổi từ 179,9° đến 180,1° (từ miền 3 đến miền 4). Theo như bảng trên, tín hiệu đầu ra thay đổi từ 0-1-1 đến1-0-0. Tuy nhiên trong thực tế, các đường phân cách giữa 2 miền không bao giờ thẳng tuyệt đối, vì thế các bit lần lượt thay đổi ở những thời điểm khác nhau. Nếu trình tự thay đổi của các bit là 1-3-2 thì để đi từ miền 3 đến miền 4, tín hiệu ra sẽ trải qua các trạng thái:

Hình 6. Bộ mã hóa từ dùng mã Gray.

0-1-1 (điểm bắt đầu)

1-1-1 (đầu tiên, bit 1 chuyển lên giá trị 1)

1-1-0 (sau đó, bit 3 trở về giá trị 0)

1-0-0 (cuối cùng, bit 2 trở về giá trị 0)

Đối chiếu vào bảng, ta thấy: các trạng thái tương ứng thứ tự sẽ là 3, 7, 6 và 4. Vì vậy, tín hiệu ra được hiểu là nhảy rất nhanh từ miền 3 đến 7, trở về 6 rồi mới đến 4. Trong nhiều tình huống, cách thể hiện này khiến hệ thống không ổn định và có thể gây ra lỗi hiểu nhầm.

Để tránh vấn đề này, người ta sử dụng một biến thể của mã nhị phân là mã Gray. Trong mã Gray, khi một số thay đổi một đơn vị thì nó chỉ thay đổi một bit.

Trong trường hợp này, sự dịch chuyển trạng thái từ miền 3 đến 4 (cũng như mọi sự dịch chuyển khác) sẽ chỉ làm thay đổi duy nhất 1 bit. Điều này sẽ tránh được việc giải mã sai tín hiệu như khi sử dụng mã nhị phân thông thường.

5. Kết luận

Xác định dịch chuyển của các vật trong công nghiệp có ý nghĩa quan trọng. Việc mô tả và phân tích các nguyên lý hoạt động của các cảm biến đo dịch chuyển theo nguyên lý từ tính giúp hỗ trợ tốt cho việc lựa chọn các cảm biến phù hợp cho từng ứng dụng công nghiệp.

Đồng Thảo Phương, Nguyễn Đại Dương: Lớp Kỹ sư Chất lượng cao Tin học Công nghiệp K54, ĐH Bách khoa Hà Nội
Bùi Đăng Thảnh Viện Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, ĐH Bách Khoa Hà Nội

Số 146 (3/2013)♦Tạp chí tự động hóa ngày nay