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

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

1. Ch−ơng VII cảm biến vận tốc, gia tốc và rung 7.1. Cảm biến đo vận tốc 7.1.1. Nguyên lý đo vận tốc Trong công nghiệp, phần lớn tr−ờng hợp đo vận tốc là đo tốc độ quay của máy. Độ an toàn cũng nh− chế độ làm việc của máy phụ thuộc rất lớn vào tốc độ quay. Trong tr−ờng hợp chuyển động thẳng, việc đo vận tốc dài cũng th−ờng đ−ợc chuyển về đo tốc độ quay. Bởi vậy, các cảm biến đo vận tốc góc đóng vai trò quan trọng trong việc đo vận tốc. Để đo vận tốc góc th−ờng ứng dụng các ph−ơng pháp sau đây: - Sử dụng tốc độ kế vòng kiểu điện từ: nguyên lý hoạt động dựa trên hiện t−ợng cảm ứng điện từ. Cảm biến gồm có hai phần: phần cảm (nguồn từ thông) và phần ứng (phần có từ thông đi qua). Khi có chuyển động t−ơng đối giữa phần cảm và phần ứng, từ thông đi qua phần ứng biến thiên, trong nó xuất hiện suất điện động cảm ứng xác định theo công thức: dΦ e = − dt Thông th−ờng từ thông qua phần ứng có dạng: Φ()x = Φ0F ()x Trong đó x là biến số của vị trí thay đổi theo vị trí góc quay hoặc theo đ−ờng thẳng, khi đó suất điện động e xuất hiện trong phần ứng có dạng: dF(x) dx e = −Φ 0 dx dt Suất điện động này tỉ lệ với vận tốc cần đo. - Sử dụng tốc độ kế vòng loại xung: làm việc theo nguyên tắc đo tần số chuyển động của phần tử chuyển động tuần hoàn, ví dụ chuyển động quay. Cảm biến loại này th−ờng có một đĩa đ−ợc mã hoá gắn với trục quay, chẳng hạn gồm các phần trong suốt xen kẽ các phần không trong suốt. Cho chùm sáng chiếu qua đĩa đến một đầu thu quang, xung điện lấy từ đầu thu quang có tần số tỉ lệ với vận tốc quay cần đo. 7.1.2. Tốc độ kế điện từ a) Tốc độ kế điện từ đo vận tốc góc -108-
2. - Tốc độ kế dòng một chiều: Sơ đồ cấu tạo của một tốc độ kế dòng một chiều biểu diễn trên hình 7.1. 1 2 N S 4 3 Hình 7.1 Sơ đồ cấu tạo của máy phát dòng một chiều 1) Stato 2) Rôto 3) Cổ góp 4) Chổi quét Stato (phần cảm) là một nam châm điện hoặc nam châm vĩnh cửu, roto (phần ứng) là một trục sắt gồm nhiều lớp ghép lại, trên mặt ngoài roto xẽ các rãnh song song với trục quay và cách đều nhau. Trong các rãnh đặt các dây dẫn bằng đồng gọi là dây chính, các dây chính đ−ợc nối với nhau từng đôi một bằng các dây phụ. Cổ góp là một hình trụ trên mặt có gắn các lá đồng cách điện với nhau, mỗi lá nối với một dây chính của roto. Hai chổi quét ép sát vào cổ góp đ−ợc bố trí sao cho tại một thời điểm chúng luôn tiếp xúc với hai lá đồng đối diện nhau. Khi rô to quay, suất điện động xuất hiện trong một dây dẫn xác định theo biểu thức: dφ e = − i i dt Trong đó dφi là từ thông mà dây dẫn cắt qua trong thời gian dt: dφi = dS cdBi = dS cBiN dSc là tiết diện bị cắt trong khoảng thời gian dt: dS c = lvdt = lωrdt Trong đó: l - chiều dài dây dẫn. v - vận tốc dài của dây. ω - vận tốc góc của dây. r - bán kính quay của dây. Biểu thức của suất điện động xuất hiện trong một dây: ei = −ωrlBiN -109-
3. Suất điện động ứng với một nửa số dây ở bên phải đ−ờng trung tính: ω E = − Nφ = −nNφ p 2π 0 0 N - tổng số dây chính trên roto. n - số vòng quay trong một giây. φ0 - là từ thông xuất phát từ cực nam châm. T−ơng tự tính đ−ợc suất điện động ứng với một nửa số dây ở bên trái: E t = nNφ0 (7.1) Nguyên tắc nối dây là nối thành hai cụm, trong mỗi cụm các dây mắc nối tiếp với nhau, còn hai cụm thì mắc ng−ợc pha nhau. b) Tốc độ kế dòng xoay chiều - Máy phát đồng bộ: Sơ đồ cấu tạo của một tốc độ kế dòng xoay chiều kiểu máy phát đồng bộ biểu diễn trên hình 7.2. Thực chất đây là một máy phát điện xoay chiều nhỏ. Roto (phầm cảm) của máy phát là một nam châm hoặc tổ hợp của nhiều nam châm nhỏ. Phần ứng gồm các cuộn dây bố trí cách đều trên mặt trong của stato là nơi cung cấp suất điện động cảm ứng hình sin có biên độ tỉ lệ với tốc độ quay của roto. e = Esin Ωt (7.2) Trong đó E = K1ω, Ω = K 2ω, K1 và K2 là các thông số đặc tr−ng cho máy phát. 1 N 2 N S 1 S S N 2 Hình 7.2 Sơ đồ cấu tạo của máy phát đồng bộ 1) Stato 2) Rôto Giá trị của ω có thể tính đ−ợc theo E hoặc Ω. - Xác định ω từ biên độ suất điện động: Cuộn cảm ứng có trở kháng trong: Zi = Ri + jLiΩ -110-
4. Trong đó Ri, Li là điện trở và tự cảm của cuộn dây. Điện áp ở hai đầu cuộn ứng với tải R có giá trị: RE RK ω U = = 1 (7.3) 2 2 2 2 ()()R + Ri + LiΩ ()()R + Ri + K 2Liω Từ biểu thức (7.3), ta thấy điện áp U không phải là hàm tuyến tính của tốc độ quay ω. Điều kiện để sử dụng máy phát nh− một cảm biến vận tốc là R>>Zi để sao cho có thể coi U ≈ E. Điện áp ở đầu ra đ−ợc chỉnh l−u thành điện áp một chiều, điện áp này không phụ thuộc chiều quay và hiệu suất lọc giảm khi tần số thấp. Mặt khác, sự có mặt của bộ lọc làm tăng thời gian hồi đáp của cảm biến. - Xác định bằng cách đo tần số của suất điện động: ph−ơng pháp này có −u điểm là tín hiệu có thể truyền đi xa mà sự suy giảm tín hiệu không ảnh h−ởng tới độ chính xác của phép đo. - Máy phát không đồng bộ: Cấu tạo của máy phát không đồng bộ t−ơng tự nh− động cơ không đồng bộ hai pha (hình 7.3). Roto là một đĩa hình trụ kim loại mỏng và dị từ quay cùng tốc độ với trục cần đo, khối l−ợng và quán tính của nó không đáng kể. Stato làm bằng thép từ tính, trên đó bố trí hai cuộn dây, một cuộn là cuộn kích thích đ−ợc cung cấp điện áp Vc có biên độ Ve và tần số ωe ổn định Vc = Ve cosωet . 2 Ve 3 ω em 2 Hình 7.3 Sơ đồ cấu tạo máy phát không đồng bộ 1) Cuộn kích 2) Rôto 3) Cuộn đo Cuộn dây thứ hai là cuộn dây đo. Giữa hai đầu ra của cuộn này xuất hiện một suất điện động em có biên độ tỉ lệ với tốc độ góc cần đo: em = E m cos()ωet + ϕ = kωVe cos(ωet + ϕ) -111-
5. Trong đó k là hằng số phụ thuộc vào kết cấu của máy, ϕ là độ lệch pha. c) Tốc độ kế điện từ đo vận tốc dài Khi đo vận tốc dài, với độ dịch chuyển lớn của vật khảo sát (> 1m) th−ờng chuyển thành đo vận tốc góc. Tr−ờng hợp đo vận tốc của dịch chuyển thẳng nhỏ có thể dùng cảm biến vận tốc dài gồm hai phần tử cơ bản: một nam châm và một cuộn dây. Khi đo, một phần tử đ−ợc giữ cố định, phần tử thứ hai liên kết với vật chuyển động. Chuyển động t−ơng đối giữa cuộn dây và nam châm làm xuất hiện trong cuộn dây một suất điện động tỉ lệ với vận tốc cần đo. Sơ đồ cảm biến có cuộn dây di động biểu diễn trên hình 7.4. 2 v S N S 1 Hình 7.4 Cảm biến dùng cuộn dây di động 1) Nam châm 2) Cuộn dây Suất điện động xuất hiện trong cuộn dây có dạng: e = 2πrNBv = lBv N - số vòng dây. r - bán kính vòng dây. B - giá trị của cảm ứng từ. v - tốc độ dịch chuyển của vòng dây. l - tổng chiều dài của dây. Tốc độ kế loại này đo đ−ợc độ dịch chuyển vài mm với độ nhạy ~ 1V/m.s. Khi độ dịch chuyển lớn hơn (tới 0,5 m) ng−ời ta dùng tốc độ kế có nam châm di động (hình 7.5). Cảm biến gồm một nam châm di chuyển dọc trục của hai cuộn dây quấn ng−ợc chiều nhau và mắc nối tiếp. Khi nam châm di chuyển, suất điện động xuất hiện trong từng cuộn dây tỉ lệ với tốc độ của nam châm nh−ng ng−ợc chiều nhau. Hai cuộn dây đ−ợc mắc nối tiếp và quấn ng−ợc chiều nên nhận đ−ợc suất điện động ở đầu ra khác không. -112-
6. 1 2 v a) b) Hình 7.5 Cảm biến có lõi từ di dộng a) Cấu tạo b) Sơ đồ nguyên lý 1) Nam châm 2) Cuộn dây 7.1.3. Tốc độ kế xung Tốc độ kế xung th−ờng có cấu tạo đơn giản, chắc chắn, chịu đựng tốt trong môi tr−ờng độc hại, khả năng chống nhiễu và chống suy giảm tín hiệu cao, dễ biến đổi tín hiệu sang dạng số. Tuỳ thuộc vào bản chất của vật quay và dấu hiệu mã hoá trên vật quay, ng−ời ta sử dụng loại cảm biến thích hợp. - Cảm biến từ trở biến thiên: sử dụng khi vật quay là sắt từ. - Cảm biến từ điện trở: sử dụng khi vật quay là một hay nhiều nam châm nhỏ. - Cảm biến quang cùng với nguồn sáng: sử dụng khi trên vật quay có các lỗ, đ−ờng vát, mặt phản xạ. a) Tốc độ kế từ trở biến thiên Cấu tạo của cảm biến từ trở biến thiên gồm một cuộn dây có lõi sắt từ chịu tác động của một nam châm vĩnh cửu đặt đối diện với một đĩa quay làm bằng vật liệu sắt từ trên đó có khía răng. Khi đĩa quay, từ trở của mạch từ biến thiên một cách tuần hoàn làm cho từ thông qua cuộn dây biên thiên, trong cuộn dây xuất hiện một suất điện động cảm ứng có tần số tỉ lệ với tốc độ quay. 3 2 Khe từ 1 Hình 7.6 Sơ đồ cấu tạo của cảm biến từ trở biến thiên 1) Đĩa quay (bánh răng) 2) Cuộn dây 3) Nam châm vĩnh cửu -113-
7. Tần số của suất điện động trong cuộn dây xác định bởi biểu thức: f = pn p - số l−ợng răng trên đĩa. n - số vòng quay của đĩa trong một giây. Biên độ E của suất điện động trong cuộn dây phụ thuộc hai yếu tố: - Khoảng cách giữa cuộn dây và đĩa quay: khoảng cách càng lớn E càng nhỏ. - Tốc độ quay: Tốc độ quay càng lớn, E càng lớn. Khi tốc độ quay nhỏ, biên độ E rất bé và khó phát hiện, do vậy tồn tại một vùng tốc độ quay không thể đo đ−ợc, ng−ời ta gọi vùng này là vùng chết. Dải đo của cảm biến phụ thuộc vào số răng của đĩa. Khi p lớn, tốc độ nmin đo đ−ợc có giá trị bé. Khi p nhỏ, tốc độ nmax đo đ−ợc sẽ lớn. Thí dụ với p = 60 răng, dải tốc độ đo đ−ợc n = 50 - 500 vòng/phút, còn với p =15 răng dải tốc độ đo đ−ợc 500 - 10.000 vòng/phút. b) Tốc độ kế quang Hình 7.7 trình bày sơ đồ nguyên lý của một tốc độ kế quang đo tốc độ quay. Nguồn sáng phát tia hồng ngoại là một diot phát quang (LED). Đĩa quay, đặt giữa nguồn sáng và đầu thu, có các lỗ bố trí cách đều trên một vòng tròn. Đầu thu là một photodiode hoặc phototranzitor. Khi đĩa quay, đầu thu chỉ chuyển mạch khi nguồn sáng, lỗ, nguồn phát sáng thẳng hàng. Kết quả là khi đĩa quay, đầu thu quang nhận đ−ợc một thông l−ợng ánh sáng biến điệu và phát tín hiệu có tần số tỉ lệ với tốc độ quay nh−ng biên độ không phụ thuộc tốc độ quay. 4 1 2 3 Hình 7.7 Sơ đồ nguyên lý của tốc độ kế quang 1) Nguồn sáng 2) Thấu kính hội tụ 3) Đĩa quay 4) Đầu thu quang Trong các cảm biến quang đo tốc độ, ng−ời ta cũng có thể dùng đĩa quay có các vùng phản xạ ánh sáng bố trí tuần hoàn trên một vòng tròn để phản xạ ánh sáng tới đầu thu quang. -114-
8. Phạm vi tốc độ đo đ−ợc phụ thuộc vào hai yếu tố chính: - Số l−ợng lỗ trên đĩa. - Dải thông của đầu thu quang và của mạch điện tử. Để đo tốc độ nhỏ (~ 0,1 vòng/phút) phải dùng đĩa có số l−ợng lỗ lớn (500 - 1.000 lỗ). Trong tr−ờng hợp đo tốc độ lớn ( ~ 105 - 106 vòng/phút) phải sử dụng đĩa quay chỉ một lỗ, khi đó tần số ngắt của mạch điện xác định tốc độ cực đại có thể đo đ−ợc. 7.1.4. Máy đo góc tuyệt đối Máy đo góc tuyệt đối gồm hai phần: phần động gắn liền với trục quay chứa cuộn sơ cấp đ−ợc kích thích bằng sóng mang có tần số 2 - 10 kHz qua máy biến áp quay (hình 7.8a). Phần tĩnh có hai dây quấn thứ cấp (cuộn sin và cuộn cos) đặt lệch nhau 90o. sin sin t cos U0sinωt UU0sinωtsinθ cos θ t UU0sinωtcosθ a) b) Hình 7.8 Sơ đồ nguyên lý máy đo góc tuyệt đối Khi trục quay, ở đầu ra của hai dây quấn thứ cấp ta thu đ−ợc hai tín hiệu điều biên UU0sinωtsinθ và UU0sinωtcosθ (hình 7.8b). Đ−ờng bao của biên độ kênh tín hiệu ra chứa thông tin về vị trí tuyệt đối (góc θ) của roto máy đo tức là vị trí tuyệt đối của trục quay. Có hai cách xử lý thông tin thu đ−ợc. Cách thứ nhất là hiệu chỉnh sửa sai góc thu đ−ợc đ−ợc trên cơ sở so sánh góc với một số vi mạch sẵn có. Các vi mạch này cho tín hiệu góc dạng số với độ phân giải 10 - 16 bit/1vòng và một tốc độ quay dạng t−ơng tự. Độ phân giải của ph−ơng pháp này phụ thuộc vào thông số của mạch điều chỉnh. -115-
9. Cách thứ hai, có chất l−ợng cao hơn, là dùng hai bộ chuyển đổi t−ơng tự - số để lấy mẫu trực tiếp từ đỉnh tín hiệu điều chế. Trong tr−ờng hợp này cần đồng bộ chặt chẽ giữa thời điểm lấy mẫu và khâu tạo tín hiệu kích thích 2 - 10 kHz sau đó dùng bộ lọc để chuyển xung hình chữ nhật thành tín hiệu kích thích hình sin. Độ phân giải của phép đo dùng máy đo góc tuyệt đối hoàn toàn phụ thuộc vào độ phân giải của bộ chuyển đổi t−ơng tự số. Khi biết góc quay tuyệt đối θ, lấy đạo hàm ta nhận đ−ợc tốc độ góc ω cần đo. 7.1.5. Đổi h−ớng kế Đổi h−ớng kế đ−ợc gắn vào vật chuyển động để đo tốc độ góc của vật. Hai dạng đổi h−ớng kế th−ờng dùng là: đổi h−ớng kế cơ học dùng con quay hồi chuyển, đổi h−ớng kế quang dùng laze và cáp quang dựa trên hiện t−ợng truyền sóng ánh sáng. a) Đổi h−ớng kế dùng con quay hồi chuyển Con quay hồi chuyển gồm một roto lắp trên một khung động và đ−ợc quay quanh trục Y’Y với tốc độ lớn (~104vòng/phút) nhờ một động cơ. 1 Z’ X Y’ 4 3 Y X’ ω 2 Z Hình 7.9 Sơ đồ nguyên lý đổi h−ớng kế dùng con quay hồi chuyển 1) Con quay hồi chuyển 2) Khung động 3) Lò xo 4) Điện thế kế Tốc độ quay ω cần đo theo trục Z’Z vuông góc với trục Y’Y làm xuất hiện một ngẫu lực Cg tỉ lệ với ω theo h−ớng X’X vuông góc với hai trục Y’Y và Z’Z có xu h−ớng làm cho khung động của con quay hồi chuyển quay theo. Ngẫu lực Cg đ−ợc cân bằng bởi ngẫu lực đàn hồi Cr của hai lò xo gây nên có giá trị tỉ lệ với góc quay α của khung. ở trạng thái cân bằng: -116-
10. Cg = Cr (7.4). với Cr = kα (k là hệ số đàn hồi của lò xo) và Cg = ωH ( H là mômen động học của rôto). Thay các giá trị vào công thức (7.4) ta có công thức xác định góc α: H α = ω (7.5) k Góc quay α của khung động của con quay hồi chuyển tỉ lệ với vận tốc góc ω cần đo. Để tiện cho xử lý, góc quay α đ−ợc chuyển đổi thành tín hiệu điện nhờ một điện thế kế. Các thông số của máy đo nh− sau: - Dải đo từ ± 7o/s đến ± 360o/s. - Sai lệch khỏi độ tuyến tính <± 1,5% của dải đo. b) Đổi h−ớng kế quang Đổi h−ớng kế quang gồm nguồn phát chùm tia laze (1), cuộn dây sợi quang (2) có chiều dài L quấn thành vòng bán kính R quay với cùng vận tốc góc ω với vật quay. 4 3 1 2 Hình 7.10 Sơ đồ nguyên lý đổi h−ớng kế quang dùng laze và cáp quang 1) Nguồn phát laze 2) Cáp quang 3) Bản phân tách 4) Đầu thu Chùm tia xuất phát từ nguồn phát (1) qua bản phân tách (3) tạo thành hai chùm tia truyền theo hai h−ớng ng−ợc nhau trong sợi cáp quang. Khi ra khỏi cáp, do quảng đ−ờng truyền sóng khác nhau, hai tia lệch pha nhau, độ lệch pha giữa hai chùm tia bằng: 4πRLω ∆Φ = (7.6) λc λ - b−ớc sóng tia laze. -117-
11. c - vận tốc ánh sáng. Trên đầu thu (4) ta thu đ−ợc hệ vân giao thoa của hai chùm tia. Bằng cách đếm số vân giao thoa ∆Z bị dịch chuyển do cáp quang quay, ta có thể tính đ−ợc tốc độ quay theo công thức: 2LRω ∆Z = (7.7) λc 7.2. Cảm biến rung và gia tốc 7.2.1. Khái niệm cơ bản a) Dải gia tốc và ph−ơng pháp đo gia tốc Theo nguyên lý cơ bản của cơ học, gia tốc là đại l−ợng vật lý thể hiện mối quan hệ giữa lực và khối l−ợng. Phép đo gia tốc có thể thực hiện qua việc đo lực (cảm biến áp điện, cảm biến cân bằng ngẫu lực) hoặc đo gián tiếp thông qua sự biến dạng hay di chuyển của vật trung gian. Tuỳ theo mức gia tốc và dải tần của hiện t−ợng khảo sát ng−ời ta phân biệt các dải gia tốc sau: - Đo gia tốc chuyển động của một khối l−ợng nào đó, trong đó chuyển động của trọng tâm luôn giữ ở tần số t−ơng đối thấp (từ 0 đến vài chục Hz), giá trị của gia tốc nhỏ. Các cảm biến th−ờng dùng là các cảm biến gia tốc đo dịch chuyển và cảm biến gia tốc đo biến dạng. - Đo gia tốc rung của các cấu trúc cứng hoặc cấu trúc có khối l−ợng lớn, tần số rung đạt tới hàng trăm Hz. Cảm biến gia tốc th−ờng dùng là cảm biến từ trở biến thiên, đầu đo biến dạng kim loại hoặc áp điện trở. - Đo gia tốc rung mức trung bình và dải tần t−ơng đối cao (~10kHz), th−ờng gặp khi vật có khối l−ợng nhỏ. Cảm biến gia tốc sử dụng là loại áp trở hoặc áp điện. - Đo gia tốc khi va đập, thay đổi gia tốc có dạng xung. Cảm biến gia tốc sử dụng là các loại có dải thông rộng về cả hai phía tần số thấp và tần số cao. Cảm biến đo gia tốc là cảm biến chuyển động không cần có điểm mốc, chúng khác với các cảm biến dịch chuyển bởi vì khi đo dịch chuyển của một vật ng−ời ta phải đo chuyển động t−ơng đối của vật đó so với một vật khác cố định lấy làm mốc. b) Chuyển động rung và ph−ơng pháp đo Đo độ rung trong công nghiệp có tầm quan trọng đặc biệt vì các lý do: - Nhằm khống chế biên độ rung để tránh gây tiến ồn có hại cho sức khoẻ. -118-
12. - Hạn chế mức rung ở giới hạn cho phép để đảm bảo độ an toàn cho công trình. - Rung động liên quan đến trạng thái mài mòn và bền mỏi của chi tiết cơ khí trong máy móc. Đo độ rung giúp cho ng−ời quản lý nắm đ−ợc tình trạng mòn của chi tiết từ đó có kế hoạch bảo d−ỡng, sửa chữa kịp thời. Độ rung đ−ợc đặc tr−ng bởi độ dịch chuyển, tốc độ hoặc gia tốc ở các điểm trên vật rung. Bởi vậy khi đo rung động ng−ời ta đo một trong những đặc tr−ng trên. Cảm biến rung có thể là cảm biến dịch chuyển, cảm biến tốc độ hoặc cảm biến gia tốc nh−ng có thể mô tả nguyên lý hoạt động của chúng bằng mô hình hệ cơ học có một bậc tự do nh− trình bày ở hình 7.11. Cảm biến gồm một phần tử nhạy cảm (lò xo, tinh thể áp điện ) nối với một khối l−ợng rung và đ−ợc đặt chung trong một vỏ hộp. Chuyển động rung của khối l−ợng M tác động lên phần tử nhạy cảm của cảm biến và đ−ợc chuyển thành tín hiệu điện ở đầu ra. z 4 h M b’ b h0 2 a 1 3 Hình 7.11 Sơ đồ nguyên lý cảm biến đo gia tốc và rung 1) Khối rung 2) Vỏ hộp 3) Phần tử nhạy cảm 4) Giảm chấn Gọi h0 là tung độ của điểm a của vỏ hộp, h là tung độ điểm b của khối l−ợng rung. Khi không có gia tốc tác động lên vỏ hộp tung độ của a và b bằng nhau. Dịch chuyển t−ơng đối của khối l−ợng M so với vỏ hộp xác định bởi biểu thức: z = h − h0 (7.8) Khi đó ph−ơng trình cân bằng lực có dạng: d2 h dz M = −F − Cz dt 2 dt Cz - phản lực của lò xo. dz F - lực ma sát nhớt. dt -119-
13. d2 h M - lực do gia tốc của khối M gây nên. dt 2 Hay: d2h d2z dz − M 0 = M + F + Cz (7.9) dt 2 dt 2 dt Từ công thức (7.9), ta nhận thấy cấu tạo của cảm biến để đo đại l−ợng sơ cấp 2 2 m1 (độ dịch chuyển h0, vận tốc dh0/dt hoặc gia tốc d h0/dt ) phụ thuộc vào đại l−ợng 2 2 đ−ợc chọn để làm đại l−ợng đo thứ cấp m2 (z, dz/dt hoặc d z/dt ) và dải tần số làm việc. Dải tần số làm việc quyết định số hạng nào trong vế phải ph−ơng trình chiếm −u thế (Cz, Fdz/dt hoặc Md2z/dt2). Trên thực tế cảm biến thứ cấp th−ờng sử dụng là: - Cảm biến đo vị trí t−ơng đối của khối l−ợng rung M so với vỏ hộp. - Cảm biến đo lực hoặc cảm biến đo biến dạng. - Cảm biến đo tốc độ t−ơng đối. Dùng toán tử laplace (p) có thể mô tả hoạt động của cảm biến rung bằng biểu thức sau: 2 2 − Mp h0 = Mp z + Fpz + Cz Hoặc: 2 z − p 2ω0 = 2 h0 p p 2 + 2ξ +1 ω0 ω0 Với: C ω = = 2πf là tần số riêng của M trên lò xo có độ cứng C. 0 M 0 F ξ = là hệ số tắt dần. 2 CM Độ nhạy của cảm biến có thể tính bằng tỉ số giữa đại l−ợng điện đầu ra s và đại l−ợng đo sơ cấp m1. s m 2 s S = = . = S1.S 2 m1 m1 m 2 Trong đó: -120-
14. m 2 S1 = là độ nhạy cơ của đại l−ợng đo sơ cấp. m1 s S 2 = là độ nhạy của cảm biến thứ cấp. m 2 7.2.2. Cảm biến đo tốc độ rung Sơ đồ cảm biến đo tốc độ rung trình bày trên hình 7.12. 1 2 M b 3 b 4 6 5 Hình 7.12 Sơ đồ nguyên lý cảm biến đo vận tốc rung 1) Vỏ hộp 2) Khối rung 3) Lõi nam châm 4) Cuộn dây 5) Lò xo 6) Giảm chấn Trong cảm biến loại này, đại l−ợng đo sơ cấp m1 là tốc độ rung dh0/dt, đại l−ợng đo thứ cấp m2 là dịch chuyển t−ơng đối z. Độ nhạy sơ cấp S1 xác định bởi biểu thức: 2 m2 z − p / ω0 S1 = = = m ph p2 p 1 0 + 2ξ +1 2 ω0 ω0 Để tiện lợi trong sử dụng, ng−ời ta cũng sử dụng đại l−ợng đo thứ cấp m2 là tốc độ dịch chuyển t−ơng đối dz/dt. Việc chuyển đổi tốc độ t−ơng đối của khối l−ợng rung so với vỏ hộp thành tín hiệu điện thực hiện bởi một cảm biến vị trí t−ơng đối kiểu điện từ gồm một cuộn dây và một lõi nam châm. Cuộn dây gắn với khối l−ợng rung, lõi nam châm đặt bên trong cuộn dây và gắn với vỏ cảm biến. Bằng cách đo suất điện động của cuộn dây có thế đánh giá đ−ợc tốc độ rung cần đo. Một điều cần quan tâm khi sử dụng cảm biến loại này đó là phản ứng của cảm biến thứ cấp đối với chuyển động của khối l−ợng rung thể hiện thông qua phản lực f = B.l.i tác động lên cuộn dây khi cuộn dây chuyển động trong từ tr−ờng cảm ứng -121-
15. B. Giả thiết bỏ qua trở kháng của cuộn dây Lω, khi đó phản lực f tỉ lệ với tốc độ t−ơng đối: 1 dz f = ()Bl 2 R dt Lực này chống lại chuyển động của khối l−ợng rung, làm thay đổi hệ số tắt dần của chuyển động. 7.2.3. Gia tốc kế áp điện a) Cấu tạo và nguyên lý hoạt động Cấu tạo chung của gia tốc kế áp điện gồm một khối l−ợng rung M và một phần tử áp điện đặt trên giá đỡ cứng, và toàn bộ đ−ợc đặt trong một vỏ hộp kín. Thông th−ờng cần phải đo gia tốc theo hai h−ớng dọc theo trục nhạy cảm. Tuỳ thuộc vào bản chất lực tác dụng (nén, kéo hoặc cắt) trong bộ cảm biến phải có bộ phận cơ khí tạo ứng lực cơ học đặt tr−ớc lên phần tử áp điện để mở rộng dải đo gia tốc theo hai chiều. Trên hình 7.13 trình bày sơ đồ cấu tạo của các gia tốc kế áp điện kiểu nén. 5 3 1 2 4 Hình 7.13 Sơ đồ cấu tạo gia tốc kế áp điện kiểu nén 1) Khối l−ợng rung 2) Phiến áp điện 3) Đai ốc 4) Đế 5) Vỏ hộp Cảm biến loại này có tần số cộng h−ởng cao, kết cấu chắc chắn, nhạy với ứng lực của đế. Sơ đồ cấu tạo của gia tốc kế kiểu uốn cong trình bày trên hình 7.14. Phần tử áp điện của cảm biến gồm hai phiến áp điện mỏng dán với nhau, một đầu gắn cố định lên vỏ hộp cảm biến, một đầu gắn với khối l−ợng rung. Cảm biến loại này cho độ nhạy rất cao nh−ng tần số và gia tốc rung đo đ−ợc bị hạn chế. -122-
16. 3 2 1 M Hình 7.14 Sơ đồ cấu tạo gia tốc kế áp điện kiểu uốn cong 1) Khối l−ợng rung 2) Phiến áp điện 3) Vỏ hộp b) Đặc tr−ng của cảm biến Độ nhạy đ−ợc biểu diễn bởi biểu thức: Q S = = S S a 1 2 Trong đó: a - gia tốc của cảm biến. Q - điện tích đ−ợc tạo ra khi cảm biến rung với gia tốc a. S1 - độ nhạy cơ của hệ thống khối l−ợng rung. S2 - độ nhạy điện của cảm biến. Giá trị của S1 và S2 xác định nh− sau: z 1 S1 = = a 2 ⎛ ω2 ⎞ ⎛ ω ⎞ ω2 ⎜1− ⎟ + ⎜2ξ ⎟ 0 ⎜ 2 ⎟ ⎜ ⎟ ⎝ ω0 ⎠ ⎝ ω0 ⎠ Q 1 S 2 = = dC 2 z ⎛ ω ⎞ 1+ ⎜ 0 ⎟ ⎝ ω ⎠ Trong đó: d - hằng số điện môi. c - độ cứng của phần tử nhạy cảm. 1 ω = - tần số tắt d−ới của hệ thống cảm biến - mạch đo. τ 7.2.4. Gia tốc kế áp trở Cấu tạo chung của một gia tốc kế áp trở gồm một tấm mỏng đàn hồi một đầu gắn với giá đỡ, một đầu gắn với khối l−ợng rung, trên đó có gắn từ 2 đến 4 áp trở -123-
17. mắc trong một mạch cầu Wheatstone. D−ới tác dụng của gia tốc, tấm đàn hồi bị uốn cong, gây nên biến dạng trong đầu đo một cách trực tiếp hoặc gián tiếp qua bộ khuếch đại cơ. Trên hình 7.15 giới thiệu sơ đồ nguyên lý của một cảm biến gia tốc áp trở. 3 2 4 e M b G L 1 F Hình 7.15 Sơ đồ nguyên lý của cảm biến gia tốc áp trở 1) Khối rung 2) Tấm đàn hồi 3) áp trở 4) Đế Độ nhạy của cảm biến đ−ợc biểu diễn bằng biểu thức: ε V S= S S = . m 1 2 a ε - Độ nhạy điện của cầu Wheatstone S1: vì 4 đầu đo đều có cùng một biến dạng ε nên điện áp ra Vm của đầu đo bằng: ∆R V = e = e Kε m s R s Suy ra: S 2 = Kes Trong đó: es - điện áp nuôi cầu (10 - 15 V). K - hệ số đầu đo áp trở. R - điện trở một đầu đo. - Độ nhạy cơ S1 của hệ thống cơ khí xác định theo biểu thức: A 1 S1 = ω2 2 0 ⎛ ω2 ⎞ ⎛ ω ⎞ ⎜1− ⎟ + ⎜2ξ ⎟ ⎜ 2 ⎟ ⎜ ⎟ ⎝ ω0 ⎠ ⎝ ω0 ⎠ Giá trị của A và ω0 phụ thuộc vào kết cấu của hệ chịu uốn, ví dụ với cảm biến cho ở hình 7.15: -124-
18. Yle3 ω0 = 4L3M be A = 1,5 L3 Trong đó Y là môđun Young. -125-