cơ sở của chẩn đoán kỹ thuật bằng đo dao động

Nhằm thoả mãn tăng năng suất thiết bị, giảm giá thành sản phẩm tăng khả năng cạnh tranh của sản phẩm trên thị trường đòi hỏi các nhà Quản Lý sản xuất phải đổi mới công nghệ sản xuất cũn

LỜI CẢM ƠN

Với lòng biết ơn sâu sắc, em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy giáo Phạm Minh Hải, người đã hướng dẫn em trong suốt quá trình thực hiện đồ

án này và đã cung cấp cho em những tài liệu để nghiên cứu đề tài và những

ý kiến đóng góp quý báu cho việc hoàn thành đồ án

Em cũng bày tỏ lòng cảm ơn đến tất cả các thầy cô giáo trong Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội nói chung và khoa Cơ Khí nói riêng đã dìu dắt

em trong những năm học vừa qua Bộ môm Cơ Sở Thiết Kế Máy & Robot trường Đai Học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện để em thực tập và hoàn

thành đề tài

Cuối cùng, một lần nữa em xin cảm ơn tất cả các thầy cô trong bộ môn và khoa cơ khí, các bạn bè đồng nghiệp đã giúp đỡ em về mọi mặt để em hoàn thành nhiệm vụ được giao

Hà Nội ngày… tháng……năm……

M C L CỤ Ụ

L I C M NỜ Ả Ơ 1

CHƯƠNG 1 6

T NG QUAN V CH N OÁN K THU TỔ Ề Ẩ Đ Ỹ Ậ 6

1.1 Khái ni m c b n v k thu t ch n oán tình tr ng thi t bệ ơ ả ề ỹ ậ ẩ đ ạ ế ị 6

.8

1.2 Các th nh ph n c b n c a ch n oán tình tr ng thi t b à ầ ơ ả ủ ẩ đ ạ ế ị 8

1.3 H th ng b o dệ ố ả ưỡng phòng ngõa (b o dả ưỡng theo tình tr ng)ạ 10

C S C A CH N OÁN K THU T B NG O DAO Ơ Ở Ủ Ẩ Đ Ỹ Ậ Ằ Đ ĐỘNG 13

.13

2.3 Dao động có chu k ỳ 17

2.4 Các dao động gi chu k ả ỳ 18

Chương 3 19

H TH NG THU TH P S L UỆ Ố Ậ Ố Ệ 19

3.1 G i thi u v các lo i c m bi nớ ệ ề ạ ả ế 19

3.1.1 C m bi n rung ả ế 19

3.1.2 C m bi n l c ả ế ự 23

3.1.3 C m bi n v trí v c m bi n d ch chuy n ả ế ị à ả ế ị ể 24

3.2 S ơ đồ ổ t ng quan c a m t chu i oủ ộ ỗ đ 25

3.2.1 Đối tượ đ 28ng o 3.2.2 Đầ đ 28u o 3.3 B l c sộ ọ ố 29

3.3.1 C s lý thuy t b l c sơ ở ế ộ ọ ố 29

3.3.2 Các lo i b l c sạ ộ ọ ố 32

T N HI U VÀ THU T TOÁNÍ Ệ Ậ 38

4.1 C u trúc c a tín hi u dao ấ ủ ệ độ 38ng 38

M i liên h gi a DFT v i DTFT v sù l y m u t n s ố ệ ữ ớ à ấ ẫ ầ ố 42

4.2.1 Bi n ế đổi Fourier nhanh (FFT) 43

M T S PHỘ Ố ƯƠNG PHÁP CH N OÁN L NẨ Đ Ổ Ă 58

5.1 Các hi n tệ ượng b t thấ ường thường xu t hi n l nấ ệ ở ổ ă 58

5.1.1 H háng do các y u t ngo i lai ư ế ố ạ 58

5.1.2 H háng do gư ỉ 58

5.1.3 H háng do bôi tr n không h p lý ư ơ ợ 58

5.1.4 H háng do l ch vòng trong ho c vòng ngo iư ệ ặ à 58

5.1.5 H háng gây ra trên vòng cách do t i tr ng l nư ả ọ ớ 59

5.1.6 H háng do t i tr ng t ng ư ả ọ ă đột ng tộ 59

5.1.7 H háng do l p ráp ư ắ 59

5.1.8 nh hẢ ưởng b i dao ở động nhẹ 59

5.2 Các khái ni m c b n v ch n oán l n ( Phệ ơ ả ề ẩ đ ổ ă ương pháp dao động )

62

5.2.1 Quá trình quay c a l nủ ổ ă 62

5.2.2 Dao động c a l n ủ ổ ă 65

5.3 Các phương pháp ch n oán l nẩ đ ổ ă 79

5.3.1 Các phương pháp giám sát tình tr ng l n ạ ổ ă 79

3.3.2 Các phương pháp phân tích tình tr ng l nạ ổ ă 88

Chương 6 91

THU T TOÁN CHẬ ƯƠNG TRÌNH 91

6.1 Lùa ch n thu t toánọ ậ 91

6.2 S ơ đồ thu t toánậ 91

6.3 K t lu nế ậ 99

K T LU N CHUNGẾ Ậ 99

TÀI LI U THAM KH OỆ Ả 101

L I NÓI Ờ ĐẦU

Hiện nay, dưới áp lực cạnh tranh gay gắt của thị trường, việc cần thiết phải giảm tối đa giá thành sản phẩm còng nh các chi phí quản lý nhà máy đang là một vấn đề rất bức xúc và cần phải giải quyết một cách triệt để

Hàng năm các công ty phải bỏ ra một khoản chi phí rất lớn để bảo dưỡng

và sửa chữa máy móc Để giảm được tối thiểu chi phí cho bảo dưỡng và sửa chữa thì ta cần phải chủ động trong công tác lập kế hoạch sửa chữa Nhằm thoả mãn tăng năng suất thiết bị, giảm giá thành sản phẩm tăng khả năng

cạnh tranh của sản phẩm trên thị trường đòi hỏi các nhà Quản Lý sản xuất

phải đổi mới công nghệ sản xuất cũng như việc ứng dụng các thành tựu của khoa học vào các dây chuyền sản xuất mét trong những phương pháp được thực hiện chủ yếu tại các nhà máy là nâng cao công tác tổ chức, quản lý bảo dưỡng thiết bị tận dụng tối đa năng lực sản suất của hệ thống thiết bị và giảm tối thiếu các hư háng trên hệ thống thiết bị

Từ những năm 50 của thế kỷ 20 các kỹ thuật tiên tiến đã liên tục được phát triển và ứng dụng tại các dây chuyền sản xuất của các nước công nghiệp phát triển Hàng loạt các phương pháp bảo dưỡng liên tục ra đời thay thế cho các phương pháp cũ lạc hậu trong các dây chuyền sản xuất nh bảo d-ưỡng khi hư háng Hệ thống giám sát và chẩn đoán tình trạng thiết bị là một

hệ thống tích hợp ( phần cứng – máy đo, đầu đo; phần mềm và giải pháp ) thực hiện giám sát tình trạng hoạt động của hệ thống máy móc thiết bị, phân tích các yếu tố tác động lên thiết bị qua đó có thể dự báo chính xác được tuổi thọ của thiết bị, chẩn đoán các hư háng sẽ suất hiện trên hệ thống, xác định được vị trí, nguyên nhân và mức độ hư háng Cung cấp đầy đủ các thông tin cần thiết giúp các nhà quản lý và các kỹ sự bảo dưỡng hoàn toàn chủ động trong việc tổ chức sản xuất, chuẩn bị vật tư thay thế và lên lịch sửa chữa bảo

dưỡng thiết bị Cùng với sự phát triển của công nghệ thông tin các thiết bị đo trở lên nhỏ gọn, có khả năng phân tích và xử lý tín hiệu cao.

Hệ thống giám sát và chẩn đoán tình trạng thiết bị hiện đại còn cho phép tích hợp với các hệ thống điều khiển trung tâm tạo thành hệ thống tác động toàn diện cho phép vừa giám sát, điều khiển công nghệ, vừa giám sát được tình trạng làm việc của từng chi tiết thiết bị của dây chuyền sản xuất Vì vậy trong những năm gần đây, hệ thống giám sát và chẩn đoán tình trạng thiết bị trở thành một bộ phận không thể thiếu trong bất kỳ một dây chuyền sản xuất nào của các nước có nền công nghiệp tiên tiến

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CHẨN ĐOÁN KỸ THUẬT 1.1 Khỏi niệm cơ bản về kỹ thuật chẩn đoỏn tỡnh trạng thiết bị

Cỏc mỏy múc và thiết bị được trang bị trong cỏc nhà mỏy, xớ nghiệp ngày nay càng tăng về kớch cỡ, tốc độ, tớnh liờn tục và độ phức tạp Do đú, sự ảnh hưởng xấu bởi cỏc điều kiện bất thường của mỏy múc thiết bị lờn cỏc dõy chuyền sản xuất rất khú xỏc định, chi phớ cho việc bảo dưỡng mỏy múc sẽ ngày càng tăng trong chi phớ quản lý của nhà mỏy

Để việc bảo dưỡng mỏy múc thiết bị trở lờn chớnh xỏc cú hiệu quả, cần phải biết chớnh xỏc tỡnh trạng hư hỏng cũng như nguyờn nhõn gõy ra hư hỏng trờn hệ thống mỏy thiết bị cần bảo dưỡng Sau khi đó nắm rừ thực trạng của mỏy múc thiết bị, cỏc bước thao tỏc quan trọng sau đõy phải được thực hiện theo đỳng cỏc yờu cầu kỹ thuật của thiết bị:

- Xỏc định thời gian và khối lượng chi tiết cần sửa chữa, thay thế

- Đảm bảo độ tin cậy của cụng tỏc sửa chữa, thay thế -

Xỏc định thời gian đặt hàng của cỏc chi tiết thay thế - Xỏc địng cỏc phương phỏp bảo dưỡng chớnh xỏc

- Đảm bảo độ tin cậy của công tác sửa chữa, thay thế

- Xác định thời gian đặt hàng của các chi tiết thay thế

- Xác địng các phơng pháp bảo dỡng chính xác

Do đú, để cú thể thực hiện cỏc thao tỏc bảo dưỡng mỏy một cỏch chớnh xỏc và cú hiệu quả, việc ỏp dụng kỹ thuật chẩn đoỏn tỡnh trạng của thiết bị ( Machine Condition Diagnosis Technique – CDT ) là đặc biệt cần thiết Với

kỹ thuật này, cỏc hư hỏng, độ sai lệch, độ bền và hiệu suất của mỏy sẽ được

đo đạc để phục vụ cho cỏc cụng tỏc chẩn đoỏn sau này

Kỹ thuật chẩn đoỏn tỡnh trạng của thiết bị cú thể được định nghĩa là: kỹ thuật mà trong đú tỡnh trạng của mỏy như cỏc ngoại lực tỏc động lờn mỏy, độ bền hiệu suất của mỏy, cỏc hư hỏng và cỏc thiếu sút của hệ thống mỏy múc được định lượng nhằm phõn tớch và dự bỏo độ tin cậy và cỏc tớnh năng của

hệ thống, trong đú nếu bất cứ tỡnh trạng bất thường nào được phỏt hiện, nguyờn nhõn, vị trớ, mức độ nguy hiểm sẽ được xỏc định và được phõn tớch nhằm đưa ra cỏc phương phỏp xử lý chớnh xỏc

Do đú, cần phải chỳ ý rằng kỹ thuật chẩn đoỏn tỡnh trạng thiết bị là một khỏi niệm rộng hơn nhiều so với kỹ thuật khảo sỏt và tỡm hiểu hư hỏng của thiết bị Hỡnh 1.1 là cỏc khỏi niệm cơ bản của kỹ thuật chẩn đoỏn tỡnh trạng thiết bị

- Phỏt hiện mức độ hư hỏng.

- Phõn tớch và tớnh toỏn mức độ hư hỏng.

Xỏc định và tớnh toỏn độ bền và hiệu suất thiết bị

- Kỹ thuật xỏc định độ bền

và hiệu suất.

- Phõn tớch và tớnh toỏn hiệu suất và độ bền.

Chẩn đoỏn toàn diện

- Nguyờn nhõn và mức độ hư hỏng.

- Dự đoỏn độ tin cậy và tuổi thọ.

- Lựa chọn cỏc phương phỏp cải tiến, sửa chữa

Thiết bị Tác động

Hình 1.1 Các khái niệm cơ bản của kỹ thuật chẩn

1.2 Cỏc thành phần cơ bản của chẩn đoỏn tỡnh trạng thiết bị

Kỹ thuật giỏm sỏt tỡnh trạng ( Condition Monitoring Technique – CMT) được thực hiện chủ yếu bởi cụng nhõn ngoài hiện trường và đưa ra cỏc chẩn đoỏn ban đầu về tỡnh trạng của thiết bị

Kỹ thuật phõn tớch tỡnh trạng ( Condition analysis Technique - CAT) được thực hiện bởi cỏc chuyờn gia nhằm đưa ra cỏc quyết định cuối cựng về tỡnh trạng của cỏc thiết bị

Kỹ thuật chẩn đoán tình trạng thiết bị

Bình thường

Kỹ thuật chẩn đoán ban đầu cho

thiết bị, được thực hiện bởi công

nhân ngoài hiện trường

Kỹ thuật phân tích tình trạng thiết bị

được thực hiện bởi các chuyên gia gọi là đội phân tích tình trạng.

Các “y tá” cho thiết bị Các” chuyên gia y tế” cho thiết bị

Hình 1.2 Hệ thống cơ bản của chuẩn đoán tình trạng thiết bị

CMT nhằm giám sát tình trạng của thiết bị một cách nhanh chóng và có hiệu quả, kỹ thuật này bao gồm các chức năng cơ bản sau:

- Định hướng tác động lên máy và phát hiện các tác động bất bình thường

- Xác định xu hướng phát triển của sai xót, hư háng nhằm phát hiện chúng ở các giai đoạn sớm nhất

- Xác định các đặc tính của máy móc nhằm phát hiện các trạng thái bất thường

- Giám sát và bảo vệ máy móc

- Tìm kiếm các máy móc hư háng hay các chi tiết bị hư háng

CAT là kỹ thuật phân tích chính xác các “ hiện tượng bất thường “ của thiết bị được phát hiện bởi CMT, nhằm đưa ra các quyết định về việc sửa chữa, bảo dưỡng Do đó, nó bao gồm các chức năng sau:

- Xác định kiểu, dạng của bất thường

- Xác định nguyên nhân gây ra bất thường

- Xác định mức độ nguy hiểm và dự báo cả quá trình phát triển

- Đưa ra các phương pháp xử lý thích hợp

Ngoài ra, CAT còn bao gồm một số các kỹ thuật đo và phân tích cơ bản

nh :

- Kỹ thuật định lượng các tác động

- Kỹ thuật tìm kiếm và phân tích lỗi

- Kỹ thuật định lượng độ bền và hiệu suất của thiết bị

1.3 Hệ thống bảo dưỡng phòng ngõa (bảo dưỡng theo tình trạng)

Bảo dưỡng phòng ngõa được áp dụng hầu hết các ngành công nghiệp Khi công tác sửa chữa được thực hiện định kỳ theo một khoảng thời gian, thì công tác bảo dưỡng được gọi là bảo dưỡng theo thời gian ( Time Based Maintenance – TBM)

Bảo dưỡng theo thời gian thường được thực hiện theo các chu kỳ thời gian ngắn hơn so với tuổi thọ của thiết bị Khoảng thời gian này được xác định dùa theo sự phân bố các hư háng trong quá trình làm việc của từng thiết

bị cụ thể Nếu khoảng thời gian được đặt quá dài, các hư háng có thể xuất hiện do sự phân bố hư háng của máy, vì vậy khoảng thời gian giữa các kỳ bảo dưỡng phải đủ ngắn và khối lượng bảo dưỡng tăng lên

Hỡnh 1.3 mụ tả hai phương phỏp bảo dưỡng, phương phỏp bảo dưỡng theo thời gian và phương phỏp bảo dưỡng theo tỡnh trạng.

Điểm giám sát mức dao động theo chu kỳ

Hệ thống bảo dưỡng theo tình trạng

Thời điểm các kỹ sư CDT yêu cầu sửa chữa

Thực hiện sửa chữa Hư hỏng

Thời gian

Thời điểm sửa chữa theo lịch

Hệ thống bảo dưỡng theo thời gian

Mặc dù các thiết bị được sửa chữa tất cả các hư háng nhưng sau mỗi lần sửa chữa, độ tin cậy của hệ thống vẫn không được nâng cao nh muốn Vì vậy, phương pháp bảo dưỡng theo thời gian không đảm bảo độ tin cậy làm việc của máy còng nh tiết kiệm chi phí bảo dưỡng.

Mặt khác, đối với phương pháp bảo dưỡng theo tình trạng Chu kỳ sửa chữa trong phương pháp bảo dưỡng theo thời gian được thay thế bằng chu

kỳ chẩn đoán

Phương pháp bảo dưỡng theo tình trạng có ưu điểm:

- Vì tình trạng của thiết bị được giám sát một cách chặt chẽ, các chi phí phát sinh trong quá trình bảo dưỡng cũng như các hư háng có thể tránh được

- Khi không cần thực hiện các chu kỳ sửa chữa, các chi phí vật tư còng

nh nhân công cho công tác bảo dưỡng giảm đi đáng kể, các sai sót của công nhân trong quá trình sửa chữa cũng có thể tránh được

Chương 2

CƠ SỞ CỦA CHẨN ĐOÁN KỸ THUẬT BẰNG ĐO DAO ĐỘNG

2.1 í nghĩa và cỏc dạng dao động của mỏy

Khi mỏy múc xuất hiện cỏc hiện tượng bất thường, trong phần lớn cỏc trường hợp, chỳng sẽ làm thay đổi biờn độ và tần số dao động của mỏy Do

đú nếu dao động được đo và phõn tớch ta cú thể xỏc định được cỏc hư hỏng của mỏy mà khụng cần dừng hoặc thỏo mỏy Đõy chớnh là lý do tại sao mà dao động được coi là đại lượng chỉ thị tỡnh trạng của mỏy

Theo quan điểm chẩn đoỏn tỡnh trạng mỏy đặc biệt là cỏc mỏy quay, cỏc

dạng dao động của mỏy như ở hỡnh 2.1

Dao động của mỏy cú thể chia làm hai loại chớnh:

- Dao động cú quy tắc: Là loại dao động mà dạng súng được xỏc định trực tiếp theo thời gian - Dao động bất quy tắc: Là dao động mà dạng súng của nú chỉ cú thể xỏc định bởi cỏc chỉ số thống kờ trực tiếp theo thời gian

- Dao động bất quy tắc: Là dao động mà dạng sóng của nó chỉ có thể xác định bởi các chỉ số thống kê nh giỏ trị trung bỡnh à và hệ số phõn

bố bố δ tại một thời điểm nào đú

Biờn độ dao động cú quy tắc d là một hàm của thời gian t :

d = D(t) (2.1)

Cụng thức này ỏp dụng cho dao động cú chu kỳ và khụng cú chu kỳ

Mặt khỏc, với cỏc dao động bất quy tắc, súng dao động thay đổi khụng theo quy luật thời gian và khụng thể mụ tả chúng nh cụng thức (2.1) Để mụ

tả cỏc dao động bất quy tắc này người ta dựng phương phỏp thống kờ Để

phục vụ cho việc chẩn đoán, cần phải nhận biết các dạng dao động như ở

hình 2.1 tương ứng với dạng dao động của máy cần chẩn đoán và qua đó ta

xác định phương pháp đo và phân tích Dạng dao động thường gặp trong chẩn đoán các máy quay là các dao động có chu kỳ, dao động giả chu kỳ, dao động bất quy tắc có dải hẹp, dao động bất quy tắc có dải rộng

2.2 Dao động điều hoà và đặc tính cơ bản

Chuyển vị d theo thời gian t được mô tả bởi công thức:

d = Dsin( 2πt/T + θ ) Trong đó : T là chu kỳ

f là tần số quay, f = 1/T [ Hz]

ω là tần số góc, ω = 2πf [rad/s]

Trong các thông số của dao động điều hoà, giá trị trung bình dav và giá trị bình phương trung bình drms là hai thông số quan trọng Giá trị dav là giá trị trung bình của 1 nửa chu kỳ drms tương ứng với độ lệch tiêu chuẩn trong các dao động bất quy tắc Hệ số hình dạng Ff dùng để thể hiện dạng sóng của dao động:

2.3 Dao động có chu kỳ

Khi sóng dao động và được lặp lại sau mỗi chu kỳ T và biểu thức D(t)

=D(t +nT) với ( n = 0, 1, 2…) được xác lập thì dao động được gọi là dao

động có chu kỳ Dao động có chu kỳ được coi là tổng của các dao động điều hoà có các tần số khác nhau.

2.4 Các dao động giả chu kỳ

Dạng dao động bất quy tắc với tần số cao fs theo chu kỳ Ts(1/fs) tại tâm dao động xét một cách chính xác thì không phải là dao động có chu kỳ Do

đó, việc phân tích tần số được thực hiện, các giá trị cực đại cũng không thể chỉ ra chính xác trên đồ thị Đặc biệt khi chẩn đoán tình trạng máy, thường ta phải xác định chu kỳ Ts nhưng nó không xuất hiện trên phổ tần số

Chương 3

HỆ THỐNG THU THẬP SỐ LỆU 3.1 Gới thiệu về cỏc loại cảm biến

3.1.1 Cảm biến rung

 Nguyờn lý cảm biến rung động

Tuỳ theo dải tần số, cảm biến rung động được cấu tạo từ một loại cảm biến dịch chuyển, cảm biến tốc độ hoặc cảm biến gia tốc

Chuyển động rung của khối lượng m được chuyển thành tớn hiệu điện là đại lượng thứ cấp m2 cần đo

Nh trờn hỡnh vẽ: h0 tương ứng với tung độ điểm trờn hộp

h tương ứng với tung độ điểm trờn khối lượng rung

Khi khụng cú tỏc động của gia tốc lờn vỏ hộp thỡ ta cú Z = h- h0

Và phương trỡnh cõn bằng giữa phản lực Cz, lực ma sỏt nhớt F và lực m

do gia tốc của khối lượng m gõy lờn sẽ cú dạng

Đế

Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lí cảm biến địa chấn( mass – spring)

m = - F - Cz

hay là m = -m + F + Cz

Từ phương trình này ta thấy cấu tạo của loại cảm biến để đo đại lượng sơ cấp m1(độ dịch chyển, vận tốc hoặc gia tốc) phụ thuộc vào các đại lượng được chọn để làm đại lượng đo thứ cấp m2và dải tần số làm việc

 Lùa chọn đầu đo

thực ( cần đo) là δ0, u0 Các đại đo được δm, um

Ta thiết lập được hệ phương trình vi phân chuyển động

Tỉ lệ giữa biên độ chuyển vị tương đối và biên độ chuyển vị ( δ0/u0)

Đối với đầu đo gia tốc thì dải tần số như hình 3.3 thì ta phải chọn tần số riêng của đầu đo rung động lín hơn tần số kích động ( ωn>ω0).

Mối liên hệ giữa δ0/u0 và tỉ lệ tần sè ω/ωn với các hệ số tắt dần ξ khác nhau được chỉ ra trên hình 3.4

Đối với đầu đo dịch chuyển thì dải tần số như hình 3.3 thì ta phải chọn tần

số riêng của đầu đo rung động nhỏ hơn tần số kích động ( ωn>ω 0).

 Cảm biến rung đo tốc độ

Cấu tạo như hình vẽ:

H×nh 3.4

Việc chuyển tốc độ tương đối của khối lượng so với tớn hiệu điện thực hiện nhờ một cuộn dõy gắn với khối lượng rung Bờn trong cuộn dõy là một lừi từ gắn với vỏ của cảm biến Bằng cỏch đo suất điện động của cuộn dõy

cú thể đỏnh giỏ được đặc tớnh rung động Đại lượng đầu ra của cảm biến cú mối liờn quan đến độ biến thiờn của từ thụng trụng cuộn dõy

3.1.2 Cảm biến lực

Cảm biến lực thường cú một vật trung gian chịu tỏc động của lực cần đo

và bị biến dạng Biến dạng tỉ lệ với lực (theo định luật hooke)

Biến dạng và lực gõy lờn biến dạng cú thể đo trực tiếp bằng cỏc đầu đo hoặc đo giỏn tiếp nếu một trong cỏc tớnh chất điện của vật liệu trung gian phụ thuộc vào biến dạng

Hình 3.5 Sơ đồ nguyên lý cảm biến rung đo tốc độ

Cảm biến lực dùa trên phép đo độ dịch chuyển Trong loại cảm biến này lực đặt lên vật trung gian và gây lên sự thay đổi kích thước của nó

Sự thay đổi kích thước có thể đo bằng cảm biến dịch chuyển

3.1.3 Cảm biến vị trí và cảm biến dịch chuyển

Cảm biến vị trí và cảm biến dịch chuyển được ứng dụng rất rộng dãi Đó

là việc kiểm tra vị trí và dịch chuyển đóng một vai trò rất quan trọng đối với hoạt động của nhiều máy móc, công cụ Hơn nữa, một đại lượng vật lý có thể đo được thông qua việc xác định sự dịch chuyển của một vật chịu tác động của đại lượng vật lý đó

Có hai phương pháp cơ bản để xác định vị trí và dịch chuyển Trong phương pháp thứ nhất, cảm biến cung cấp một tín hiệu là hàm phụ thuộc vào

vị trí của một trong những phần tử của cảm biến, đồng thời phần tử đó có liên quan với vật di động mà ta cần đo sự dịch chuyển Sự thay đổi của tín hiệu sẽ cho biết độ dịch chuyển của vật thể Một số cảm biến loại này có cấu tạo bao gồm một trở kháng có một trong những đặc trưng hình học hoặc kích thước thay đổi theo vị trí của phần tử động như: điện kế, cuộn cảm lõi động

Trong phương pháp thứ hai Ýt sử dụng hơn ứng với một đơn vị dịch chuyển, cảm biến sẽ phát ra mét xung Khi đó vị trí và dịch chuyển được xác định bằng cách đếm số xung pháp ra

Một số loại cảm biến không đòi hỏi liên kết cơ học giữa cảm biến và vật cần đo khoảng cách và dịch chuyển Mối liên hệ giữa vật dịch với cảm biến thực hiện thông qua vai trò trung gian của điện trường, điện từ trường hoặc điện trường tĩnh điện Độ lớn của đại lượng trung gian là hàm của khoảng cách giữa vật thể và cảm biến và được xác định bằng phải hồi điện của cảm biến

 Điện kế thế điện trở

Điện kế gồm một điện trở cố định Ra trên đó có một tiếp xúc điểm có thể

di chuyển gọi là con chạy Con chạy này được gắn cơ học với vật chuyển động cần nghiên cứu Giá trị của điện trở R gữa con chạy và một đầu của điện trở Ra là hàm phụ thuộc vào vị trí của con chạy( cũng chính là vị trí của chuyển động) Mặt khác nó cũng phụ thuộc vào bản thân điện trở Ra Nếu điện trở Ra được chế tạo đồng đều thì điện kế sẽ tuyến tính và R tỷ lệ với vị trí con chạy

 Cảm biến cảm ứng

Trong các loại cảm biến cảm ứng đo vị trí và dịch chuyển, vật cần đo vị trí được gắn vào một phần tử của mạch gây nên sự biến thiên từ thông trong cuộn đo Nếu phần tử động là một lõi sắt từ và dịch chuyển tịnh tiến hoặc quay thì sự dịch chuyển có thể nhận biết dễ dàng thông qua sù thay đổi hệ số

tự cảm của cuộn dây sơ cấp và thứ cấp của một biến thế

Nếu phần tử động là cuộn dây quay tương đối với một cuộn khác cố định.Thì sự dịch chuyển dạng quay có thể nhận biết thông qua điện áp của cuộn ứng, điện áp này thay đổi theo góc quay

3.2 Sơ đồ tổng quan của một chuỗi đo

Hình 3.6 mô tả sơ đồ tổng quan của một chuỗi đo Đối tượng đo là nguồn

rung động như vá máy, đế máy, trục Các tín hiệu rung được đầu đo ghi nhận, thông qua cáp truyền tín hiệu và chuyển tới mạch khuếch đại và mạch lọc Cáp truyền tín hiệu có thể là vô tuyến, hữu tuyến, cáp quang Mạch khuếch đại có tác dụng làm tăng biên độ của tín hiệu còn mạch lọc có tác

dụng loại bỏ những thành phần không cần thiết nh là nhiễu Sau đó, nhờ bộ chuyển đổi tương tự – số, tín hiệu được rời rạc hóa thành tín hiệu số rồi đưa vào lưu trữ và xử lí.

Đối tượng đo

Đầu đo

Cáp truyền tín hiệu

Khuếch đại+ Lọc

Bộ chuyển đổi ADC

Số hoá

Phân tích và Lưu trữ

Hình 3.6 Sơ đồ tổng quan của một chuỗi đo

Dưới đõy ta sẽ xột tới một số thành phần chớnh của một chuỗi đo gồm:

- Đối tượng đo

- Đầu đo

- Bộ lọc số

3.2.1 Đối tượng đo

Hỡnh 3.7 Cỏc vị trớ đặt đỳng của đầu đo trờn đối tượng đo

Trong (hỡnh 3.7) đầu đo 1 được đặt trờn nắp ổ và dựng để đo cỏc tớn hiệu dao động theo phương dọc trục cũn đầu đo 2 được đặt phớa dưới cốc lút và dựng để đo cỏc tớn hiệu dao động theo phương hướng kớnh Vị trớ đặt cỏc đầu

đo 1 và 2 nh trờn hỡnh là đỳng cỏch, bảo đảm cho độ tin cậy của tớn hiệu đo được

3.2.2 Đầu đo

Đầu đo cú nhiều loại với nhiều chức năng đo khỏc nhau nh:

Cốc lót

Phương đo dao động hướng kính

Đầu đo 2 Trục

- Đầu đo dịch chuyển không tiếp xúc.

- Đầu đo vận tốc dao động

- Đầu đo dao động xoắn của trục

Tuy nhiên, được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay vẫn là đầu đo gia tốc dao động sử dụng cảm biến piezo Loại đầu đo này có độ nhạy cao, ổn định, chịu được nhiệt độ lớn, khối lượng nhá

Hình 3.8: Đầu đo gia tốc sử dụng cảm biến piezo

3.3 Bộ lọc số

3.3.1 Cơ sở lý thuyết bộ lọc số

Tín hiệu đo được thông thường chứa rất nhiều các thành phần có tần số khác nhau Mỗi một thành phần tần số sẽ đặc trưng cho một nguồn rung nhất định

Trong nhiều trường hợp, ta chỉ quan tâm tới một dải tần nhỏ nào đó Do

đó, việc lọc bỏ những tín hiệu không cần thiết cho phép ta khảo sát tín hiệu trong một dải tần mong muốn

Trong (hình 3.9), ta chỉ cần quan tâm tới vùng tần số của các dao động tự

do sinh ra do hư hại Vì thế, cần phải lọc bỏ các vùng tần số dao động do ănkhớp Muốn vậy, ta phải dùng đến các bộ lọc số (digital filter)

Định nghĩa bộ lọc số: Bộ lọc số là một hệ thống dựng để làm biến đổi sự

phõn bố tần số của tớn hiệu theo cỏc chỉ tiờu cho trước

Định nghĩa quỏ trỡnh lọc số: là cỏc thao tỏc xử lớ nhằm thay đổi sự phõn bố tần số của tớn hiệu nhờ một bộ lọc số

Cỏc bộ lọc số là đối tượng được nghiờn cứu nhiều nhất hiện nay trong cỏc phương phỏp phõn tớch tớn hiệu số Trong khuụn khổ của đồ ỏn này, ta chỉ quan tõm tới cỏc đặc tớnh của một số bộ lọc số thụng dụng và cỏch sử dụng chỳng cho phõn tớch tớn hiệu dao động

 Cỏc loại bộ lọc số chớnh:

Dao động tự dosinh ra do hư hại

Dao động do ăn khớp

Hình 3.9 Phổ tần số của một dạng tín hiệu dao động trong bánh răng

- Bộ lọc số thụng thấp, hỡnh (3.10a) Bộ lọc này sẽ loại bỏ cỏc thành phần tớn hiệu cú tần số lớn hơn fmax

- Bộ lọc số thụng cao, hỡnh (3.10b), cỏc thành phần tớn hiệu cú tần số nhỏ hơn fmin sẽ bị loại bỏ

- Bộ lọc số thụng dải, hỡnh (3.11a), cỏc thành phần tớn hiệu cú tần số lớn hơn fmax hay nhỏ hơn fmin sẽ bị loại bỏ

- Bộ lọc số chắn dải, hỡnh (3.11b), cỏc thành phần tớn hiệu cú tần số nhỏ hơn fmax và lớn hơn fmin sẽ bị loại bỏ

đờng đặc tính lí tởng

đờng đặc tính thực

Hình 3.10 Các đờng đặc tính của các bộ lọc số thông

thấp ( a ) và thông cao ( b )

Để mạch lọc thụng thấp cú đỏp ứng gần đỳng gần nhất đối với mạch lọc

lý tưởng cần tăng bậc của mạch lọc trung bỡnh động Trong trường hợp này, cỏc tớn hiệu lối vào thăng giỏng nhanh, núi chung, cú nhiều thành phần tần

số cao sẽ bị loại bỏ bởi mạch lọc này do vậy dạng súng của tớn hiệu lối ra sẽ

cú dạng xung răng cưa hơn

 Mạch lọc FIR thụng cao

Mạc lọc FIR thụng cao đơn giản nhất thu được bằng cỏch thay thế z = -z

và trong biểu thức của hàm truyền của mạch lọc FIR thụng thấp H1(z) Nh vậy hàm truyền của mạch lọc FIR thụng cao bậc nhất cú dạng:

Hình 3.11 Các đờng đặc tính của các bộ lọc số thông

dải ( a ) và chắn dải ( b )

Đỏp ứng tần số của mạch lọc FIR bậc cao này cú dạng dốc hơn nhiều so với cỏc mạch lọc bậc thấp.

0 Dap ung pha cua m/l FIR

Omega/pi

Hình 3.12 Đáp ứng biên độ và đáp ứng pha của mạch lọc

FIR thông thấp bậc nhất có hàm truyền 3.1

Mạch lọc số IIR thụng thấp đơn giản nhất là mạch lọc số IIR bậc nhất Hàm truyền của mạch lọc số này cú dạng

H(z) =

Trong đú hệ số <1 để xỏc định mạch lọc ổn định Hàm truyền trờn cú một điểm khụng tại z= - 1, tương ứng với ω = π Nằm trong dải chặn của mạch lọc Đỏp ứng biờn độ và đỏp ứng pha của mạch lọc IIR thụng thấp bậc nhất này với cỏc giỏ trị khỏc nhau của α cho trờn hỡnh 3.13

Hỡnh 3.13 vẽ đỏp ứng biờn độ và đỏp ứng pha của mạch lọc IIR thụng thấp bậc nhất với cỏc giỏ trị khỏc nhau của thụng số α

 Mạch lọc số IIR thụng cao.

Hình 3.13 Đáp ứng biên độ và pha của mạch lọc IIR

thông bậc nhất

Hàm truyền của mạch lọc số IIR thông cao bậc nhất cho bởi

H(z) =

Trong đó <1 để thoả mãn điều kiện ổn định Đồ thị của đáp ứng biên độ

và đáp ứng pha của mạch lọc với các giá trị khác nhau của α cho trên hình 3.14

Hình3.14 Đáp ứng biên độ và đáp ứng pha của mạch lọc

IIRông th cao với các giá trị khác nhau của thông sè α

 Mạch lọc số IIR thông dải

Đây cũng chính là hàm truyền của mạch lọc thông dải bậc hai vì đáp ứng biên độ của mạch lọc có dải thông hữu hạn nằm giữa hai giá trị tần sè ωc1

trong dải thông nói trên là đi qua, còn tất cả các thành phần tần số khác nằm ngoài dải thông đều bị cắt

Hình 3.15 Đáp ứng biên độ của mạch lọc số IIR thông dải bậc hai với các giá trị khác nhau của các thông sè α và β

 Mạch lọc số IIR chặn dải

Ngược lại với mạch lọc thông dải, mạch lọc chặn dải cắt một thành phần tần số lối vào, do vậy đáp ứng biên độ của nó có dạng hình chữ V Hàm tryền của mạch lọc chặn dải bậc hai có dạng:

Đáp ứng biên độ cho trên hình 3.16 với các giá trị khác nhau của các thông sè α và β Đáp ứng biên độ có giá trị cực đại tại ω = 0 và bằng π và

có giá trị cực tiểu tại ω = ω0 Tần số này được gọi là tần số cắt khía chữ V, vì đáp ứng biên độ có giá trị không tại tần số này

Hình 3.16 Đáp ứng biên độ và đáp ứng pha của mạch lọc số IIR chặn dải bậc hai với các giá trị khác nhau của các thông sè α và β = 0,6

alpha=0,8 alpha=0,5 alpha=0,1

alpha=0,8 alpha=0,5 alpha=0,1

Chương 4TÍN HIỆU VÀ THUẬT TOÁN

4.1 Cấu trỳc của tớn hiệu dao động

Tớn hiệu dao động cú nhiều thành phần khỏc nhau tựy theo cỏch phõn loại

Tín hiệu do mất cân bằng

Tín hiệu do va chạm

Hình 4.1 Sơ đồ các cách phân loại tín hiệu

(4.1) Cấu trỳc này cú dạng tuyến tớnh, do đú, việc phõn tớch trở nờn đơn giản bằng cỏc phương phỏp như phõn tớch phổ, lọc số.

+ Cấu trỳc điều biến: thường gặp ở tớn hiệu đo trong cỏc mỏy quay, hộp

số bỏnh răng Cụng thức mụ tả dạng tớn hiệu này như sau:

Xột một vớ dụ đơn giản được mụ tả trờn sơ đồ dưới đõy:

Hỡnh 4.2: Sơ đồ mụ tả cấu trỳc chập của tớn hiệu

x(t) là lực tỏc dụng vào đối tượng

h(t) là hàm đỏp ứng của đối tượng hay cũn gọi là hàm truyền

y(t) là đại lượng phản hồi từ đối tượng

4.2 Biến đổi Fourier rời rạc (DFT)

Phương phỏp biểu diễn chuỗi Fourier rời rạc (DFS) cung cấp cỏc tớnh toỏn biến đổi Fourier thời gian rời rạc (DTFT) của một dóy toần hoàn x[n] Tuy nhiờn trong thực tế, hầu hết cỏc tớn hiệu lại khụng tuần hoàn mà chỉ xuất

h(t)(hàm đáp ứng)

(phản hồi)

hiện trong một khoảng thời gian ngắn Chúng giống như một dãy có chiều dài hữu hạn Vậy làm thế nào để xác định biểu diễn chuỗi Fourier cho các tín hiệu như vậy Về mặt lý thuyết, ta có thể giải quyết được vấn đề này bằng cách định nghĩa một tín hiệu tuần hoàn mà chu kỳ đầu tiên của nó chính là tín hiệu có chiều dài hữu hạn đã cho và sau đó dùng DFS trên tín hiệu tuần hoàn vừa thiết lập đó Khi làm như vậy thì thực tế, ta có thể định nghĩa một phép biến đổi mới gọi là biến đổi Fourier rời rạc ( DFT ) là chu kỳ đầu tiên của DFS Nhờ DFT, ta có thể tính được biểu diễn Fourier của bất kỳ một tín hiệu thời gian rời rạc có chiều dài hữu hạn nào.

Giả sử tín hiệu rời rạc x[n] có n mẫu gọi là dẫy N- điểm kéo dài từ 0≤ n