tiểu luận CHƯƠNG 5 cảm biến tốc độ đo tốc độ QUAY của ĐỘNG cơ

ĐO TỐC ĐỘ QUAY CỦA ĐỘNG CƠ KHÁI NIỆM + Thể hiện mức độ thay đổi vị trí của đối tượng + Là một đại lượng vecto : có hướng và độ lớn NGUYÊN LÍ ĐO : + Dựa vào cảm ứng điện từ + Dựa vào

CHƯƠNG 5 Cảm Biến Tốc Độ

— NHÓM 5 —

1 ĐO TỐC ĐỘ QUAY CỦA ĐỘNG CƠ

2 TỐC ĐỘ KẾ SỢI QUANG

3 GIA TỐC KẾ SỢI QUANG

4 ĐỔI HƯỚNG KẾ SỢI QUANG

5 ĐỔI HƯỚNG KẾ CON QUAY HỒI CHUYỂN

6 CẢM BIẾN TỐC ĐỘ QUAY THẠCH ANH

7 ỨNG DỤNG CON QUAY HỒI CHUYỂN ĐIỀU KHIỂN CHUỘT

Trình bày – Lê Danh Mạnh

ĐO TỐC ĐỘ QUAY CỦA

ĐỘNG CƠ

01

1 ĐO TỐC ĐỘ QUAY CỦA ĐỘNG CƠ

KHÁI NIỆM

+ Thể hiện mức độ thay đổi vị trí của đối tượng

+ Là một đại lượng vecto : có hướng và độ lớn

NGUYÊN LÍ ĐO :

+ Dựa vào cảm ứng điện từ

+ Dựa vào sai lệch di chuyển

+ Dựa vào dịch chuyển Doppler

+ Chuyển từ vận tốc tuyến tính sang vận tốc góc

1 ĐO TỐC ĐỘ QUAY CỦA ĐỘNG CƠ

Các phương pháp đo vận tốc

Phương pháp 1 : (sử dụng tốc độ kế điện từ):    

● Dựa trên hiện tượng 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 tương đối giữa phần cảm và phần ứng → từ thông (Φ) đi qua phần ứng biến thiên → trong phần ứng xuất hiện suất điện động cảm ứng (e) ∈ tốc độ biến thiên (Φ) → ∈ tốc độ dịch chuyển Đo (e) → (v). 

●  Các loại: Tốc độ kế một chiều, tốc độ kế xoay chiều…

t (

) x ( dF dt

) x ( dF )

t (

e   0   0

Các phương pháp đo vận tốc

Phương pháp 2 (Sử dụng tốc độ kế vòng loại xung): làm việc theo

nguyên tắc đo tần số chuyển động của phần tử chuyển động quay Cảm biến có một đĩa được mã hoá gắn với trục quay, ứng với một chuyển dịch cơ bản  xung Tần số xung tỉ lệ với tốc độ cần đo

● Các loại: Tốc độ kế từ trở biến thiên, tốc độ kế quang…

Trình bày – Huỳnh Văn

Phú

TỐC ĐỘ KẾ SỢI QUANG02

2 TỐC ĐỘ KẾ SỢI QUANG

Tốc độ kế laser hiệu ứng Doppler là

dụng cụ đo tốc độ của các đối tượng

bằng các truyền dẫn hoặc bằng phản

xạ Dải đo rộng từ 10-6 – 105 m/s Phép

đo không làm thay đổi chuyển động

của hệ

Nguyên lý: Chiếu sáng đối tượng cần

đo tốc độ bằng một lưới các vân sáng,

ánh sáng khuếch tán từ đối tượng tuân

theo hiệu ứng Doppler nghĩa là tấn số

của nó khác với tần số ánh sáng

nguồn Độ lệch tần số này phụ thuộc

vào tốc độ của vật

2 TỐC ĐỘ KẾ SỢI QUANG

Trường hợp đo tốc độ dòng chảy nên cho vào dòng chảy các hạt có kích thước đủ nhỏ để không ảnh hưởng đến tốc độ dòng chảy, các hạt này sẽ khuếch tán ánh sáng khi có nguồn cắt qua Tín hiệu quang do các hạt phát ra được điều biến bằng các vân tối, sáng với tần số tỷ lệ với tốc độ dòng chảy.Tần số điều biến ánh sáng do các hạt khuếch tán f=|V|/y

• |V| thành phần tốc độ của các hạt vuông góc với vân sáng

• y khoảng cách các vân sáng

Theo một phương pháp khác hạt cắt qua một trong hai tia sáng không song song đến từ một nguồn laser He-Ne Ta nhận được hai tia khuếch tán từ hạt, mỗi tia được đặc trưng bằng một tần số Doppler Giao thoa cảu hai tia này tạo nên một phách tần số f suy ra biên độ nhưng không cho biết chiều chuyển động Khắc phục bằng cách sử dụng hai tốc kế vuông góc, ta đã biết hai thành phần tốc độ do vậy ta có thể xây dựng vetor V

Ta cũng có thể điều pha ϕ của một trong hai tia ở tốc độ dϕ/dt nhờ khối Bragg Các vân lệch pha với tốc độ V0

Ánh sáng bị điều biến ở tấn số

Ta chọn dϕ/dt sao cho V0 luôn lớn hơn biên độ vận tốc V của các hạt

2 TỐC ĐỘ KẾ SỢI QUANG

ỨNG DỤNG

• Nghiên cứu dòng chảy: đo

vận tốc dòng nước, kiểm tra

khí dộng học máy bay, tên

lửa,

• Tự động hóa : đo vận tóc

bang chuyền

• Y tế: định lượng một phần

lưu lượng máu trong các mô

của con người như da, nền

mắt

• Ngoài ra còn được ứng dụng

trong quân sự, dẫn đường

hiệu chuẩn và đo lường

Trình bày – Huỳnh Văn

Phú

GIA TỐC KẾ SỢI QUANG03

3 GIA TỐC KẾ SỢI QUANG

b) Đường cong độ nhạy,

Nếu gia tốc sặt trên trục các sợi lực quán tính sự sai khác bước giữa hai sợi

3 GIA TỐC KẾ SỢI QUANG

Gia tốc kế hai cuộn sợi quang

Gia tốc kế hai cuộn dây sơi quang phân các bằng một ngăn chứa đầy chất lỏng.Mỗi cuộn dây là một nhánh của giao thoa kế Khi ngăn được gia tốc dọc theo trục đối xứng của nó, áp suất vi sai sinh ra trong chất lỏng được truyền vào các sợi quang

và tạo nên các bước sóng khác nhau

Ứng dụng: theo dõi chấn động của các thiết bị, cho biết tính trạng cân bằng kém

để khắc phục, trong y tế ứng dụng để lường màn nhĩ,

Trình bày – Phan Bá Rôn

ĐỔI HƯỚNG KẾ

CON QUAY HỒI CHUYỂN

04

3 ĐỔI HƯỚNG KẾ CON QUAY HỒI CHUYỂN

Con quay hồi chuyển gồm một roto lắp trên một khung động và được quay quanh trục Y’Y với tốc độ lớn (~104vòng/phút) nhờ một động cơ

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 hướng X’X vuông góc với hai trục Y’Y và Z’Z có xu hướng làm cho khung động của con quay hồi chuyển quay theo

Ngẫu lực Cg được 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: Cg =Cr 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 trên ta có công thức xác định góc α:

3 ĐỔI HƯỚNG KẾ CON QUAY HỒI CHUYỂN

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 được chuyển

đổi thành tín hiệu điện nhờ một điện thế

kế

Các thông số của máy đo như sau:

• Dải đo từ ± 7o/s đến ± 360o/s

• Sai lệch khỏi độ tuyến tính <± 1,5% của

dải đo

Trình bày – Phan Bá Rôn

ĐỔI HƯỚNG KẾ SỢI QUANG05

5 ĐỔI HƯỚNG KẾ SỢI QUANG

Đổi hướng 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. 

5 ĐỔI HƯỚNG KẾ SỢI QUANG

Chùm tia xuất phát từ nguồn phát (1) qua bản phân tách (3) tạo thành hai chùm tia truyền theo hai hướng ngược nhau trong sợi cáp quang Khi ra khỏi cáp, do quảng đường truyền sóng khác nhau, hai tia lệch pha nhau, độ lệch pha giữa hai chùm tia bằng:

λ - bước sóng tia laze

c - vận tốc ánh sáng

Trên đầu thu (4) ta thu được 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 được tốc độ quay theo công thức:

Trình bày – Phan Thanh

Trường

CẢM BIẾN TỐC ĐỘ QUAY

THẠCH ANH

06

6.CẢM BIẾN TỐC ĐỘ QUAY THẠCH ANH

Việc sử dụng phần tử dao động để đo tốc độ quay ứng dụng nguyên lý Coriolis đã được biết từ 50 năm nay Cảm biến tốc độ thạch anh QRS (Quartz Rate Sensor) được

sử dụng có kết quả trong thực tế vì có kích thước nhỏ, tiêu thụ công suất bé

Các con quay hồi chuyển kích thước lớn thời gian sử dụng cỡ vài trăm giờ được dùng cho mục đích quân sự và dẫn đường máy bay Cảm biến tốc độ quay thạch anh có kích thước cỡ miếng thạch anh trong đồng hồ thạch anh có cấu gồm hai phần : phần quay và cảm nhận

Cảm biến thạch anh quay

6.CẢM BIẾN TỐC ĐỘ QUAY THẠCH ANH

Phần quay tác động chính xác như một chạc quay có kích thước nhỏ Mỗi chạc có khối lượng và tốc độ hướng kính biến thiên hình sin Khi quay ổn định mômen động của hai chạc bằng không và không có năng lượng truyền từ các chạc vào đế Để duy trì chạc quay cần công suất 6µW Khi chạc quay quanh trục đối xứng, lực Coriolis ảnh hưởng tới hệ thống được tính theo công thức :

và xử lý Cảm biến QRS có thời gian sử dụng trung bình 100.000 giờ, được sử dụng trong kỹ thuật đo lường và điều khiển

ỨNG DỤNG CỦA CẢM BIẾN TỐC ĐỘ QUAY THẠCH

ANH

Cảm biến tốc độ quay thạch anh là một thành phần quan trọng trong hệ thống kiểm soát ổn định động của ô tô

Cảm biến tốc độ quay thạch anh đóng một

vai trò quan trọng trong việc ổn định nền

tảng của máy bay trực thăng

6.CẢM BIẾN TỐC ĐỘ QUAY THẠCH ANH

Phần quay tác động chính xác như một chạc quay có kích thước nhỏ Mỗi chạc có khối lượng và tốc độ hướng kính biến thiên hình sin Khi quay ổn định mômen động của hai chạc bằng không và không có năng lượng truyền từ các chạc vào đế Để duy trì chạc quay cần công suất 6µW Khi chạc quay quanh trục đối xứng, lực Coriolis ảnh hưởng tới hệ thống được tính theo công thức :

và xử lý Cảm biến QRS có thời gian sử dụng trung bình 100.000 giờ, được sử dụng trong kỹ thuật đo lường và điều khiển

Trình bày – Đinh Trần Vĩ

ỨNG DỤNG CON QUAY HỒI CHUYỂN ĐẦU CHUỘT

07

7 ỨNG DỤNG CON QUAY HỒI CHUYỂN ĐẦU CHUỘT

Cần thiết bị điều khiển chuột một cách linh

hoạt do yêu cầu các phương tiện thông tin

đại chúng và thị trường TV Con trỏ hồi

chuyển (Gyro Point) sử dụng hai con quay

hồi chuyển kích thước nhỏ để điều chỉnh

con chạy màn hình trong không gian ba

chiều

Thiết bị có hình dáng ngoài cho trên Hình

1 Con quay thẳng đứng được sử dụng để

đo góc bước (pitch) còn con quay hướng

được sử dụng để đo góc trệch tương đối

(yaw) Đầu ra được điều khiển bởi bộ vi

điều khiển 8 bit liên hệ với máy tính chủ

qua giao diện nối tiếp

Hình 1

Chuyển động phải/trái (pitch) và lên xuống (yaw) điều khiển chuyển động của con chạy

Bằng cách sử dụng cảm biến quán tính người sử dụng không

bị giới hạn trên mặt phẳng như trường hợp điều khiển chuột thông thường Dụng cụ tỏ ra ưu việt khi sử dụng

Trong nhiều trường hợp người sử dụng quay lưng lại màn hình và đối diện với thính giả mà vẫn điều khiển dễ dàng con chạy

Sơ đồ khối con trỏ hồi chuyển

7 ỨNG DỤNG CON QUAY HỒI CHUYỂN ĐẦU

CHUỘT

Trình bày – Nguyễn Huỳnh Gia

Bảo

GIA TỐC KẾ RUNG08

- Đầu ra có kích thích bằng không (đối với bộ cảm biển điện dung và áp trở)

Là một thiết bị quan trọng trong ngành công nghiệp vì:

- Nhằm khống chế biên độ rung để tránh gây tiếng ồn có hại cho sức khoẻ

- Hạn chế mức rung ở giới hạn cho phép nhằm bảo đảm an toàn cho công trình

- Quản lí nằm được tình trạng máy móc của chi tiết từ đó có kế hoạch bảo dưỡng, sửa chữa kịp thời

Trình bày – Nguyễn Huỳnh Gia

Bảo

GIA TỐC KẾ ĐIỆN DUNG09

8 GIA TỐC KẾ ĐIỆN DUNG

Gia tốc kế điện dung chứa ít nhất hai bộ phận:

8 GIA TỐC KẾ ĐIỆN DUNG

Sơ đồ mạch điện biến đổi từ điện dung sang điện áp bằng mạch tích hợp Silic

Trong đó: Cmc: điện dung giữa vật rung và bản cực trên

Cmb: điện dung giữa vật rung và bản cực dưới

Trình bày – Lê Đình Thiên

Bình

GIA TỐC KẾ ÁP TRỞ10

Phần tử cảm nhận trong gia tốc kế áp trở là một đầu ứng suất, đo ứng suất trong lò xo đỡ vật rung Ứng suất liên hệ với độ lớn và tốc độ chuyển động của vật, do đó cũng phụ thuộc vào gia tốc Thiết bị đo được gia tốc trong dải từ

0 đến 13 kHz Với thiết kế đặc biệt có thể chịu được rung dộng tới 10000g

10 GIA TỐC KẾ ÁP TRỞ

± 25-54 ÷ 135100000,8

± 10000,1 ÷ 0,25

1 ÷ 3253

± 50-20 ÷ 655000

1 ÷ 5Một số đặc tính của gia tốc kế áp trở:

10 GIA TỐC KẾ ÁP TRỞ

Cấu trúc gia tốc kế áp trở:

Vi cảm biến được chế tạo từ ba lớp

silic Lớp trong còn gọi là lõi chứa

vật rung và bản lề đàn hồi Vật rung

được đỡ trên bản lề và có đầu áp

trở Khí gia tốc đặt theo trục nhạy

vật rung quay quanh bản lề Các

đầu đo trên cả hai phía bản lề cho

phép vật quay và tạo nên ứng suất

nén trên một phía và kéo trên phía

kia Vì các đầu đo rất ngắn sự di

chuyển nhỏ cũng làn thay đổi điện

trở lớn để cân bằng điểm không của

cầu áp trở có năm điện trở đặt trong

cùng một tinh thể

Trình bày – Lê Đình Thiên

Bình

GIA TỐC KẾ ÁP ĐIỆN11

11 GIA TỐC KẾ ÁP ĐIỆN

Trong cảm biến gia tốc áp điện, vật rung được đặt trên phần tử áp điện Phần tử

áp điện sinh ra điện tích tỷ lệ với chuyển động của vật rung: Cảm biến và vật được gắn trên giá đỡ cứng và toàn bộ được đặt trong hộp kín

Tùy theo bản chất lực tác dụng mà cần cơ cấu giữ vật liệu áp điện và phương tiện gắn chúng khác nhau Thông thường ta sử hai loại gia tốc kế áp điện

11 GIA TỐC KẾ ÁP ĐIỆN

Gia tốc kế áp điện kiểu nén:

Loại gia tốc kế này có tần số cộng hưởng cao, chắc chắn, nhạy với ứng suất của đế

11 GIA TỐC KẾ ÁP ĐIỆN

Gia tốc kế áp điện kiểu uốn cong:

Phần tử cơ bản của gia tốc kế áp điện kiểu uốn là hai phiến áp điện mỏng được dán với nhau Mỗi đầu phía điện áp được gắn với vật rung, do cấu trúc này gia tốc kế có độ nhạy cao Dải tần số làm việc bị hạn chế bởi gia tốc rung thấp và tần số thấp

11 GIA TỐC KẾ ÁP ĐIỆN

Các thông số đặc trưng:

Độ nhạy của gia tố kế áp điện được cho bởi biểu thức:

Trong đó: γ là gia tốc của bộ cảm biến

Q là điện tích tạo nên khi cảm biến rung với gia tốc γ.S1 là độ nhạy cơ học của hệ thống vật rung

S2 là độ nhạy điện của bộ cảm biến

11 GIA TỐC KẾ ÁP ĐIỆN

Ứng dụng của gia tốc kế:

- Đo gia tốc xe, đo độ rung trên ô tô, máy móc, tòa nhà, …

- Điều hướng thiết bị

- Đo độ sâu của ép ngực CPR

- Theo dõi chuyển động