Bài giảng Cảm biến và đo lường - Chương VII: Cảm biến đo vận tốc, gia tốc và rung

Nội dung text: Bài giảng Cảm biến và đo lường - Chương VII: Cảm biến đo vận tốc, gia tốc và rung

1. VII. Cảm biến đo vận tốc, gia tốc và rung 1. Cảm biến đo vận tốc 2. Cảm biến đo gia tốc 3. Cảm biến đo rung
2. 1. Cảm biến đo vận tốc a) Giới thiệu Vận tốc (tuyến tính/dài): Thể hiện mức độ thay đổi vị trí của đối tượng Là một đại lượng vectơ: có hướng và độ lớn • Hướng chỉ hướng di chuyển của vật • Độ lớn (tốc độ) xác định mức độ nhanh của đối tượng di chuyển Đơn vị đo: chiều dài/thời gian (km/h, m/s, ) Vận tốc góc: Thể hiện mức độ thay đổi vị trí góc của đối tượng Là đại lượng vectơ Đơn vị đo: góc quay/thời gian (vòng/phút, rad/s)
3. 1. Cảm biến đo vận tốc b) Đo vận tốc tuyến tính Nguyên lý đo Dựa vào cảm ứng điện từ Dựa vào sai lệch dịch chuyển Dựa vào dịch chuyển Doppler Chuyển từ vận tốc tuyến tính sang vận tốc góc
4. 1. Cảm biến đo vận tốc b) Đo vận tốc tuyến tính Cảm biến vận tốc điện từ Khi cuộn dây di chuyển hoặc nam châm di chuyển thì từ trường biến thiên trong cuộn dây và sinh ra một hiệu điện thế cảm ứng e0 = BLV B: Cường độ từ trường L: Chiều dài cuộn dây V: vận tốc di chuyển
5. 1. Cảm biến đo vận tốc b) Đo vận tốc tuyến tính Dựa vào sai lệch dịch chuyển
6. 1. Cảm biến đo vận tốc b) Đo vận tốc tuyến tính Dựa vào dịch chuyển Doppler Phát sóng tới vật, sau đó nhận sóng phản hồi. Đo bước sóng phản hồi tính ra vận tốc
7. 1. Cảm biến đo vận tốc b) Đo vận tốc tuyến tính Chuyển từ vận tốc tuyến tính sang vận tốc góc Thảo luận: - Nguyên lý súng bắn tốc độ của CSGT? - Nguyên lý đồng hồ tốc độ của xe?
8. 1. Cảm biến đo vận tốc c) Đo vận tốc gốc Máy phát tốc – Tachogenerator Tạo ra điện áp tỉ lệ với vận tốc góc của trục quay ngõ vào DC: tạo ra một mức điện áp tỉ lệ với tốc độ. AC: tạo ra một điện áp AC với tần số tỉ lệ với tốc độ.
9. 1. Cảm biến đo vận tốc c) Đo vận tốc gốc Cấu tạo: - Đĩa quay Tốc độ kế xung - Cuộn dây có lõi sắt từ - Nam châm vĩnh cửu Từ trở biến thiên - Đĩa quay Hoạt động: Khi đĩa quay khe hở  biến thiên từ trở mạch từ biến thiên  qua cuộn dây biến thiên trong cuộn dây xuất hiện s.đ.đ cảm ứng (e) có tần số (f) tỉ lệ với tốc độ quay (n): f=n.p (p: số răng trên đĩa) Biên độ E phụ thuộc hai yếu tố: - Khoảng cách giữa cuộn dây và đĩa quay: khoảng cách càng lớn E càng 1) Đĩa quay (bánh răng) nhỏ. 2) Cuộn dây 3) Nam châm vĩnh cửu - Tốc độ quay: Tốc độ quay càng lớn, E càng lớn.
10. 1. Cảm biến đo vận tốc c) Đo vận tốc gốc - Nguồn sáng là một diot phát quang Tốc độ kế xung - Đĩa quay: đặt giữa nguồn sáng và đầu thu, có các lỗ bố trí cách đều trên một Quang vòng tròn. - Đầu thu là một photodiode hoặc phototranzitor. Hoạt động - Khi đĩa quay, đầu thu chỉ chuyển mạch khi nguồn sáng, lỗ, nguồn phát sáng thẳng hàng. - Đầu thu quang nhận được một thông lượng ánh sáng thay đổi và phát tín hiệu 1) Nguồn sáng 2) Thấu kính hội tụ có tần số tỉ lệ với tốc độ quay nhưng 3) Đĩa quay 4) Đầu thu quang biên độ không phụ thuộc tốc độ quay.
11. 1. Cảm biến đo vận tốc c) Đo vận tốc gốc Tốc độ kế xung
12. 2. Cảm biến đo gia tốc Phương pháp đo: Gia tốc nhỏ có dao động trọng tâm tần số thấp (f = 0  ~20 Hz): dùng cảm biến đo dịch chuyển và cảm biến đo biến dạng. Gia tốc rung (tần số vài trăm Hz): dùng cảm biến từ trở biến thiên, cảm biến đo biến dạng (kim loại hoặc áp điện trở). Gia tốc rung ( tần số trung bình và tương đối cao: ~10kHz): dùng gia tốc kế áp trở hoặc áp điện. Gia tốc khi va đập, gia tốc tốc có dạng xung: dùng cảm biến gia tốc có dải thông rộng về cả hai phía tần số thấp và cao.
13. 2. Cảm biến đo gia tốc Gia tốc kế áp trở (Piezoresistive Acceleration) Gia tốc kế áp điện (Piezoelectric Acceleration)
14. 2.1 Gia tốc kế áp điện Các tinh thể áp điện có thể được cắt hay căng theo các cách: Cắt Uốn Nén
15. Dạng nén HOUSING PRELOAD STUD PIEZOELECTRIC SEISMIC CRYSTAL(S) MASS - - - - - - - + + + + + + BUILT-IN + + + + + + - - - - - - - ELECTRONICS ELECTRODE SIGNAL (+) GROUND (-)
16. Dạng nén PRELOAD STUD INCREASES STIFFNESS OF ELEMENT CAUSING HIGH RESONANCE THERMAL TRANSIENTS - - - - - - - CAUSE METALS TO + + + + + + EXPAND AND CONTRACT + + + + + + - - - - - - - STRESSING CRYSTALS ALONG SENSITIVE AXIS STRAIN WAVES TRAVEL UNIMPEDED DIRECTLY INTO CRYSTAL
17. Dạng uốn PIEZOELECTRIC SEISMIC CRYSTAL MASS + + + + + + + - - - - - - - - BUILT-IN ELECTRONICS HOUSING SIGNAL (+) GROUND (-)
18. Dạng uốn PIEZOELECTRIC CRYSTAL HAS NO PRELOAD RESULTING IN A LOW RESONANCE + + + + + + + - - - - - - - - TEMPERATURE CHANGES CAN ONLY REACH ELEMENT BY RADIATION. THERMAL STRESS IS ALONG NON-SENSITIVE AXIS STRAIN WAVES ARE SHUNTED BY FULCRUM
19. Dạng cắt BUILT-IN ELECTRONICS PRE-LOAD RING + - - + + - - + + - - + PIEZOELECTRIC + - - + CRYSTAL + - - + MASS HOUSING SIGNAL GROUND (Case)
20. Dạng cắt THERMAL TRANSIENTS + - - + CAUSE STRESSES + - - + ALONG THE + - - + NONSENSITIVE + - - + AXIS + - - + STRAIN WAVES ARE SHUNTED AT POST
21. 2.2 Gia tốc kế áp trở Cấu tạo:
22. 3. Cảm biến đo rung Rung động là hiện tượng thường gặp trong kỹ thuật, ảnh hưởng rất lớn đến tính năng làm việc, độ an toàn và tuổi thọ của máy móc, thiết bị. Độ rung được đặc trưng bởi độ dịch chuyển (z), tốc độ (v) hoặc gia tốc (a) ở các điểm trên vật rung. Đo rung: đo một trong những đặc trưng trên. ÞCảm biến đo rung: cảm biến đo dịch chuyển, cảm biến đo tốc độ hoặc cảm biến đo gia tốc.