Cảm biến đo vận tốc, gia tốc và rung

CHƯƠNG 6: CẢM BIẾN ĐO VẬN TỐC, GIA TỐC VÀ RUNG

NỘI DUNG CHƯƠNG TRÌNH

từ: cảm biến quang với đĩa mã hóa

điện và điện áp mà không cần cảm biến tốc độ.

1 ĐO VẬN TỐC VÒNG QUAY BẰNG MÁY

PHÁT TỐC

 1 1 Máy phát tốc

 Roto của máy phát điện một chiều quay trong từ trường của nam châm vĩnh cửu, điện áp trên cực máy phát tỉ lệ với tốc độ quay của nó Cực tính điện áp đầu ra xác định được chiều quay

Cấu tạo của máy phát điện một

chiều

1 ĐO VẬN TỐC VÒNG QUAY BẰNG MÁY

PHÁT TỐC

 1.1 Máy phát điện một chiều

 Cấu tạo: Roto là một lõi thép gồm nhiều lớp ghép lại có các rãnh quấn dây, trục của roto gắn với trục của đối tượng đo Trên roto được quấn một hay nhiều cuộn dây.

 Nguyên lý: Khi roto quay→ điện thế tự cảm sinh ra

trong cuộn dây tỷ lệ với vận tốc vòng quay (tốc độ quay của động cơ), tốc độ này tỉ lệ với điện áp của máy phát tốc độ

n : là vòng quay của một giây.

Φ0:là từ thông xuất phát từ cực nam châm xuyên qua cuộn dây.

1 ĐO VẬN TỐC VÒNG QUAY BẰNG MÁY

60 a – Số đôi cực; n – Tốc độ quay; f – Tần số

1 ĐO VẬN TỐC VÒNG QUAY BẰNG MÁY

PHÁT TỐC

 1.2 Tốc độ kế dòng xoay chiều

 Tín hiệu điện áp ra của phần cảm, có thể là 1 pha hoặc 3 pha, là nơi cung cấp suất điện động hình sin có biên độ tỉ lệ với tốc độ quay của rôto

e = E 0 sinΩt ; E 0 = K 1 .ω , Ω = K 2 .ω

 E0: Suất điện động cảm ứng trong roto.

 K1 và K2 là các thông số đặc trưng cho máy phát

Sơ đồ cấu tạo của máy phát tốc xoay chiều

2 Đo vận tốc vòng quay bằng phương pháp

quang điện từ

 Cảm biến đo tốc độ quay hay còn gọi là máy đo gia tốc góc là những thiết bị có tín hiệu đầu ra của nó tỷ lệ với tốc độ góc quay.

 Ứng dụng: Sử dụng trong điều khiển tốc độ động cơ hoặc được sử dụng trong các hệ thống điều khiển vị trí.

 Phương pháp: Dùng bộ cảm biến quang tốc độ với đĩa

mã hóa để đo tốc độ vòng quay

2 Đo vận tốc vòng quay bằng phương pháp

quang điện từ

 Nguyên lý: Tốc độ quay được xác định theo nguyên lý của một trong hai phương pháp cơ bản xác định vị trí và độ dịch chuyển tương ứng (thông qua số xung đếm ứng với chuyển vị

cơ bản của cảm biến) Nguồn sáng được lắp đặt sao cho ánh sáng liên tục được tập trung xuyên qua đĩa, bộ phận thu nhận ánh sáng được lắp đặt ở mặt còn lại của đĩa sao cho có thể nhận được ánh sáng

Cảm biến quang đo tốc độ với đĩa mã hoá:

a) Nguyên lý cảm biến; b) Nguyên lý

photo-transistor.

2 Đo vận tốc vòng quay bằng phương pháp

quang điện từ

 Tn- chu kỳ điều chỉnh tốc độ = chu kỳ đếm xung, [s];

 N0- số xung trong một vòng quay = độ phân giải của cảm

biến;

 N – số xung đếm trong khoảng thời gian

nT N

N n

0

4 60



2 Đo vận tốc vòng quay bằng phương pháp

θ 1 , θ 2: Tương ứng với các vị trí góc.

t 1 , t 2 : Các thời điểm tương ứng với vị trí góc

θ 1 , θ 2.

1.2 Đo vận tốc vòng quay bằng phương

pháp quang điện từ

 Nguyên lý: Tín hiệu ra từ encoder V1 được sử dụng làm tín hiệu vào của đồng hồ đo thời gian (Timer), V1 kích một xung ngắn để tạo ra xung, xung có phần âm dùng để xóa bộ đếm Khi trở lên cao (loại bỏ xung xóa), một xung nhịp tốc độ cao được đếm bởi bộ đếm Khi xung kích của rãnh tiếp theo được hình thành, dữ liệu bộ đếm đã được chuyển đến bộ chốt (Latch) và sau đó bộ đếm được xóa và thực hiện quá trình lặp lại

Mạch đếm khoảng thời gian giữa hai rãnh (xác định tốc độ góc từ encorder xung)

 Encoder là loại cảm biến vị trí, đưa ra thông tin về góc quay/ vịtrí dưới dạng số mà không cần bộ ADC

Encoder quay Loại thẳng (linearencoder) thước quang

CẤU TẠO

 Đĩa quay được khoét lỗ gắn vào trục động cơ

 Một đèn led làm nguồn phát sáng và 1 mắt thu quang điện được bố trí thẳng hàng.

 Mạch khuếch đại tín hiệu

các rãnh Khi đĩa quay, chỗ có đèn led sẽ chiếu xuyên qua rãnh tới mắt thu, cứ mỗi lần mắt thu nhận được tín hiệu từ đèn led thì Encoder trả về một xung.

Absolute Encoder

 4/ Phân loại encoder

 Ưu điểm : Nhớ vị trí đã dịch chuyển,

kể cả khi mất điện nguồn hay dùng trong các hệ thống có sự dịch chuyển hữu hạn, nhưng lại cần biết

vị trí tuyệt đối như cần cẩu, máy CNC,…

 Nhược điểm: Giá thành cao vì chế tạo phức tạp, đọc tín hiệu ngõ ra khó.

 Encoder tương đối : khi thay đổi vị trí, số xung ra cho biết khoảng dịch chuyển tương đối so với vị trí ban đầu

 Encoder tương đối chỉ có 1,2 hoặc tối đa 3 vòng lỗ Encoder tương đối thường có thêm một lỗ định vị (channel Z) được gọi là tín hiệu gốc hay tín hiệu chuẩn, trong đó, chúng chỉ cung cấp một xung duy nhất lặp đi lặp lại khi đĩa quay đủ 1 vòng

 Phân loại encoder

 -Ưu điểm: Giá thành rẻ, chế tạo đơn giản, xử lí tín hiệu trả về dễ dàng

 -Nhược điểm: Dễ bị sai lệch về xung khi trả về Khi đó nếu hoạt động lâu dài sai

số này sẽ

Encoder quay quang

 Encoder quay quang đưa ra thông tin về vị trí trực tiếp dưới dạng số, cần bộ chuyển đổi tương tự - số

 Cấu tạo: Encoder quay quang gồm một đĩa xẻ rãnh được gắn vào trục, một nguồn phát sáng và tế bào quang điện (photocell) được bố trí thẳng hàng sao cho chùm sáng đi qua các rãnh khi đĩa quay Góc của trục quay được suy ra

từ đầu quay của tế bào quang điện

Encoder quay quang

 Encoder tuyệt đối quang:

 Sử dụng một đĩa được mã hóa theo các rãnh đồng tâm Mỗi tia sáng riêng biệt được chiếu đến một rãnh của từng

tế bào quang điện Mỗi tế bào quang điện đưa ra một bít cho đầu ra số

Encoder tuyệt đối quang

Encoder xung

 Encoder xung quang bao gồm một đĩa tròn

chia các rãnh bằng nhau, việc xác định vị

trí bằng cách đếm số xung mà nó đi qua

cảm biến quang, mỗi rãnh tương ứng với

góc cho trước

Encoder tuyệt đối quang sử dụng mã Grey

Linear Encoder

Linear Encoder

2 Đo vận tốc vòng quay bằng phương pháp

quang điện từ

 Bài tập: Một cảm biến xung có 360 rãnh, bắt đầu quay từ một điểm chuẩn, cảm biến quang đếm được 100 rãnh theo chiều kim đồng hồ, 30 rãnh theo chiều ngược kim đồng hồ, sau đó lại đếm 45 rãnh theo chiều kim đồng hồ Hỏi vị trí hiện tại là bao nhiêu?

Encoder xung

2 Đo vận tốc vòng quay bằng phương

pháp quang điện từ

Giải:

 Một đĩa có 360 rãnh tương ứng với 3600 → 1 rãnh/ 10

 Ban đầu quay theo chiều kim đồng hồ 1000 → quay ngược

chiều kim đồng hồ 300 đến 700 sau đó quay theo chiều kim đồng

hồ 450

 Như vậy vị trí hiện tại của đĩa: 1000 – 300 + 450 = 1150

3 CẢM BIẾN ĐO RUNG VÀ GIA TỐC

 3.1 Cảm biến đo rung:

 3.1.1 Các khái niệm

 Cảm biến rung (Vibration Sensor) là một loại thiết bị điện tử có khả năng đo lường  độ rung động hoặc dịch chuyển của các vật xung quanh

 Ví dụ như chuyển động của người

 Cảm biến rung có thể được sử dụng trong sản xuất công nghiệp và trong đời sống như một giải pháp bảo vệ an ninh.

 Phân loại: Có 3 loại cảm biến rung phổ biến là:

 Cảm biến gia tốc (Accelerometers)

 Cảm biến dòng điện xoáy (Eddy-current)

 Cảm biến đo sức căng (Strain Gauge)



 3.1.2 Nguyên lý cảm biến rung

• Rung động báo đến được đo dựa vào cảm biến gia tốc trên

cảm biến rung → Tinh thể áp điện sẽ bị biến dạng và tạo ra điện tích (hiện tượng áp điện)

• Một điện tích được chuyển vào một mạch điện bên trong cảm biến rung, sau đó biến đổi thành điện áp

• Điện áp được tạo ra từ điện tích sẽ chuyển vào thiết bị đo độ rung thông quan connector và cáp để chuyển đổi thành dữ liệu đo

PHÂN LOẠI RUNG CỦA MÁY

 Khi giám sát máy móc, sẽ có 2 loại độ rung chính:

 Rung dọc trục (Axial Vibration): Là rung động theo trục dọc hoặc song song với trục của động cơ

 Rung hướng tâm( Radial Vibration): Rung hướng tâm xảy ra khi một lực tác dụng ra ngoài từ trục. Rung hướng tâm sẽ xảy ra nếu xuất hiện một điểm nặng trong động cơ khi nó quay.

PHÂN LOẠI RUNG CỦA MÁY

 (VD: trục nối bị lệch trục có thể

gây ra rung động dọc trục).

 VD: cánh quạt bị biến dạng Khi quạt quay, cánh quạt bị biến dạng sẽ kéo ra ngoài trên trục của động cơ gây ra rung động hướng tâm.

Rung dọc trục Rung hướng tâm

3.2 CẢM BIẾN ĐO GIA TỐC

 3.2.1 Các khái niệm

 Cảm biến đo gia tốc một thiết bị điện tử được sử dụng để đo gia tốc của một vật thể, bao gồm tốc độ hoặc hướng chuyển động

 3.2.2 Cấu tạo:

 Thành phần chính là một khối trọng lực bên trong thiết bị (khối trọng lực) được gắn một cách linh hoạt để có thể di chuyển theo các hướng khác nhau

 3.2.3 Nguyên lý hoạt động: 

 Dựa trên nguyên lý cơ bản của nguyên lý gia tốc học Khi có

sự thay đổi về gia tốc (tăng tốc, giảm tốc hoặc thay đổi hướng), khối trọng lực này sẽ trải qua một lực tương ứng dẫn đến sự thay đổi vị trí

3.2 CẢM BIẾN ĐO GIA TỐC

 3.2.4 Phân loại cảm biến gia tốc

• Gia tốc kế áp điện (Piezoelectric Accelerometer):

• Gia tốc kế điện trở áp (Piezoresistive Accelerometer):

• Cảm biến điện dung (Capacitive Accelerometer):

• 3.2.5 Ứng dụng của cảm biến gia tốc

Apple

watch

Macbook

4 CẢM BIẾN ĐO LỰC

  

6.4 1 CẢM BIẾN ĐO LỰC

 Thành phần nhạy cảm với lực: vật liệu phổ biến được sử dụng là hợp kim nhôm, hợp kim thép hoặc thép không gỉ Ở đây chúng ta thường sử dụng các vật liệu có tính đàn hồi tốt để có thể trở về

vị trí ban đầu khi biến dạng nhẹ

 Thành phần chuyển đổi tín hiệu: được xem là bộ phận đóng vai trò quan trọng nhất của cảm biến đo lực Loại thành phần chuyển đổi tín hiệu phổ biến nhất là 

cảm biến lá điện trở đo biến dạng (hay còn gọi là Strain Gag e)

Cảm biến điện trở này có tác dụng chuyển đổi tín hiệu lực tác động lên nó và gây ra biến dạng thành tín hiệu điện và truyền về

bộ chuyển đổi

 Mạch chuyển đổi tín hiệu: mạch chuyên đổi và bộ khuếch đại là nơi thu nhận tín hiệu truyền về từ Strain Gage qua bộ xử lý và chuyển đổi thành tín hiệu số để hiển thị lên màn hình của máy đo lực

CẤU TẠO CỦA STRAIN GAUGE

Cấu tạo Strain gauge

Hình dáng của loadcell thực tế

Cấu tạo của loadcell

Strain gauge Sensors

 Hệ thống sử dụng xung điện để xử lý thông tin sau mỗi lần chạm, tương tự như hệ thần kinh của con người

 Cấu tạo:

 Da điện tử (e-skin) chứa cảm biến cảm nhận lực bằng cách chạm;

 Hệ tế bào thần kinh nhân tạo giúp chuyển đổi tín hiệu cảm ứng thành xung điện;

 Bộ xử lý tín hiệu xử lý và nhận dạng đối tượng

 Thiết lập này giúp chuyển đổi tín hiệu chạm cảm ứng thành các xung điện, sau đó một bộ xử lý sẽ xử lý các tín hiệu và nhận dạng đối tượng

 Phần chính của cảm biến là một đế cách điện trên đó có một lưới dẫn điện được đặt dưới điện áp V

 Lưới điện gồm hai hệ thống dây dẫn (X1, X2, ) và (Y1, Y2, ) vuông góc với nhau tạo thành những ô vuông nhỏ, mỗi ô vuông nhỏ đều

có một điện cực được cách điện với dây dẫn của lưới bao quanh

nó, các điện cực này nối với đất thông qua mạch đo dòng

 Mặt trên của hệ thống được phủ cao su có pha các hạt dẫn điện Khi có lực nén tác dụng lên một phần nào đó của tấm cao su, khoảng cách giữa các hạt dẫn điện ở phần đó ngắn lại, điện trở giảm xuống, dòng điện tăng lên.

 Toạ độ của vùng có dòng điện tăng lên sẽ xác định vị trí của lực tác dụng và giá trị của nó xác định giá trị của lực

 Công nghệ cảm ứng xúc giác (Haptic Technology) là một lĩnh

vực công nghệ cho phép người dùng cảm nhận các tương tác vật

lý trong môi trường số hóa thông qua rung động, lực, hoặc áp

lực

 Công nghệ này mô phỏng cảm giác thực tế, giúp người dùng trải nghiệm những phản hồi xúc giác chân thật như chạm, kéo, đẩy hoặc nắm giữ, dù họ chỉ tương tác với thiết bị kỹ thuật số Đây là cầu nối giữa thế giới thực và ảo, mang lại trải nghiệm chân thực và tương tác sâu sắc hơn.

ỨNG DỤNG

• Đào tạo y khoa: đào tạo các bác sĩ và nhân viên y tế

cách người chơi tương tác với game và ứng dụng thực tế ảo

• Công nghiệp ô tô: sử dụng để tăng cường an toàn và tiện nghi Thiết bị hỗ trợ người khuyết tật: cải thiện chất lượng sống cho

người khuyết tật

• Thiết bị di động: phản hồi rung khi nhập văn bản, chạm màn hình

đến các tín hiệu rung nhỏ khi nhận thông báo, công nghệ này không chỉ giúp tăng cường trải nghiệm người dùng mà còn nâng cao tính tiện lợi trong việc tương tác với thiết bị.