Thiết kế cảm biến gia tốc và rung

Thiết kế cảm biến gia tốc và rung

Trường ĐH GTVT TP.Hồ Chí Minh

Bài Thuyết Trình

4.Nguyễn Trọng Thủy TD12

Nội dung bài thuyết trình

I.Khái niệm,tính chất của gia tốc và rung

II.Phương pháp đo và cảm biến đo gia tốc,rung;

1.Phương pháp đo

2.Các đặc trưng của cảm biến

3.Cảm biến gia tốc

3.1:cảm biến đo gia tốc áp trở

3.2:cảm biến đo gia tốc áp điện

4.Cảm biến đo rung

III.Ứng Dụng

I.Khái niệm,tính chất của gia tốc,rung

I.Khái niệm và tính chất của gia tốc và rung

gia tốc:

- kí hiệu: a

- đơn vị đo: m/s 2

- Theo nguyên lý cơ bản của cơ học ,gia tốc là mối quan hệ giữa lực và khối lượng.

đặc trưng cho sự thay đổi của vận tốc theo thời gian

=> 1 vật có gia tốc khi vật đó biến thiên vận tốc

VD: xe gắn máy khi tăng tốc sẽ có gia tốc.còn cánh quạt khi quay đều không có gia tốc.

I.Khái niệm và tính chất của gia tốc và rung(tt)

 Tính chất của gia tốc

- Nó là một trong những đại lượng cơ bản dùng để

mô tả chuyển động Cũng như vận tốc, gia tốc là đại lượng hữu hướng (vector)

- Chuyển động tăng tốc khi vectơ gia tốc cùng chiều

với chiều chuyển động; giảm tốc khi vectơ gia tốc

khi véc tơ gia tốc có phương khác với phương

chuyển động.

I.Khái niệm và tính chất của gia tốc và rung(tt)

Rung

- Là dao động cơ học của vật thể, sinh ra khi trọng tâm và trục đối xứng của chúng xê dịch trong không gian hoặc do sự thay đổi có tính chu kỳ hình dạng mà chúng có ở trạng thái tĩnh.

- Rung trong công nghiệp là sự di chuyển qua lại

của máy hoặc các bộ phận máy

- Rung làm thay đổi phổ tần dẫn đến trạng thái

mài mòn và mỏi các chi tiết cơ khí

I.Khái niệm và tính chất của gia tốc và rung(tt)

- Rung động được đặc trưng bởi độ dịch chuyển ,

tốc độ hoặc gia tốc ở các điểm xác định trên vật rung Bởi vậy khi đo rung động của một vật

người ta đo một trong các đặc trưng trên

- Trong các máy đo gia tốc thường sử dụng các cảm biến thích hợp để đo độ rung và va đập.

- Khi đo gia tốc người ta có thể xác định được tốc độ và quãng đường dịch chuyển của vật bằng

cách lấy tích phân một lần hoặc tích phân kép

I.Khái niệm và tính chất của gia tốc và rung(tt)

- Một thành phần máy có thể dao động một khoảng cách lớn hoặc nhỏ, nhanh hoặc chậm và có thể cảm nhận được bằng âm thanh và nhiệt.

- Rung động máy thường có thể cố ý được tạo ra

nhờ thiết kế của máy và tùy vào mục đích sử

dụng của máy như sàng rung, phễu nạp liệu,

băng tải, máy đánh bóng, máy dầm đất, v.v…

Nhưng hầu hết , rung động máy là không mong muốn và nó thường gây ra những hư hỏng cho máy.

II.Cảm biến đo gia tốc,rung và phương pháp đo

1 Phương pháp đo

 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.

2 Các đặc trưng của cảm biến đo gia tốc(tt)

 Độ nhanh

- tần số riêng f 0 : là đại lượng đặc trưng cho hoạt động của cảm biến,tương đương với khái niệm tần số riêng của con lắc.

 Trường hợp 1 :máy đo gia tốc treo trong không khí bao gồm khối lượng rung M, lò xo có độ

cứng C, bệ đỡ và vỏ bọc có khối lượng m b , tần số dao động riêng sẽ có dạng:

2 Các đặc trưng của cảm biến đo gia tốc(tt)

 Trường hợp 2:máy đo gia tốc gắn trên cấu trúc cần

nghiên cứu có khối lượng M s biểu diễn như hình dưới

C

2 1

2 Các đặc trưng của cảm biến đo gia tốc(tt)

) /

M M

M

c s

s

+

= γ γ

2

0 = 1 − 2 ξ

= f

2 Các đặc trưng của cảm biến đo gia tốc(tt)

 Độ nhạy

- độ nhạy được biểu diễn bởi biểu thức

Trong đó:

ﻻ- là gia tốc của cảm biến

Q- là điện tích được tạo ra khi cảm biến rung với gia tốc trên

S 1 - là độ nhạy cơ học của hệ thống khối lượng rung

S 2 - là độ nhạy điện của cảm biến

2 Các đặc trưng của cảm biến đo gia tốc(tt)

2

0

2

2 0

2 2

0

1

2 1

ω ω

γ

z

S

2 0

2

1

1

=

=

ω ω

C

d z

Q S

3.Cảm biến đo gia tốc

A Gia tốc kế áp điện

 Cấu tạo :

- Cấu tạo chung của gia tốc kế áp điện gồm một khối lượng rung M và một phần tử áp điện đặt trên giá đỡ cứng, và toàn bộ được đặt trong một vỏ hộp kín.

- Cảm biến loại này có tần số cộng hưởng cao, kết cấu chắc chắn, nhạy với ứng lực của đế.

3.Cảm biến đo gia tốc(tt)

 Nguyên tắc hoạt động:

- Trong cảm biến gia tốc áp điện ,khối lượng rung được đặt trên phần tử áp điện.Phần tử này cung cấp 1 điện tích tỉ lệ với ứng lực,nghĩa là với chuyển động của khối lượng rung

3.Cảm biến đo gia tốc(tt)

+ 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 lượng rung Cảm biến loại này cho độ nhạy rất cao nhưng tần số

và gia tốc rung đo được bị hạn chế.

3.Cảm biến đo gia tốc(tt)

a m d

F d

Các tinh thể áp điện có thể được cắt hay căng theo các cách:

PRELOAD STUD (trục nhạy cảm) PIEZOELECTRIC CRYSTAL(S)

(phần tử áp điện)

-BUILT-IN ELECTRONICS

GROUND (-)

Dạng nén

Tần số cộng hưởng cao,chắc chắn,nhạy với úng lực của đế

preload stud tăng

độ cứng của yếu tố

gây cộng hưởng cao

Các tinh thể bị cản trở sẽ đi ra ngoài thành tín hiệu điện

Dạng nén

GROUND (-)

Dạng uốn

Hai phiến điện áp mỏng được dán với nhau cho độ nhạy rất cao nhưng bị hạn chế bởi gia tốc rung thấp và tần số nhỏ

+ + + + + + +

-PIEZOELECTRIC CRYSTAL

HAS NO PRELOAD RESULTING IN

A LOW RESONANCE

STRAIN WAVES ARE SHUNTED BY FULCRUM

TEMPERATURE CHANGES CAN ONLY REACH ELEMENT

BY RADIATION THERMAL

STRESS IS ALONG NON-SENSITIVE

AXIS

Dạng uốn

+ + + + +

- - - -

-+ + + + +

- - - -

-GROUND (Case)

SIGNAL MASS

BUILT-IN ELECTRONICS

+ + + + +

- - - -

-+ + + + +

- - - -

-STRAIN WAVES ARE SHUNTED AT POST

THERMAL TRANSIENTS CAUSE STRESSES ALONG THE NONSENSITIVE

AXIS

Dạng cắt

3.Cảm biến đo gia tốc(tt)

B.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 lượng rung , trên đó có gắn từ 2 đến 4 áp trởmắc trong một mạch cầu Wheatstone Dưới 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

1) Khối rung 2) Tấm đàn hồi

3.Cảm biến đo gia tốc(tt)

- 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:

- Độ biến dạng

-Độ uốn cong

- Độ cứng

2

.

.

6

e Y

4

e Y

L

F f

L

e Y

3.Cảm biến đo gia tốc(tt)

- Độ nhạy cơ S1 của hệ thống cơ khí xác định theo biểu thức:

Giá trị của A và ɷ 0 phụ thuộc vào kết cấu của hệ chịu uốn

2 0

1, 5

Yle

L M

b e A

L

=

Một số cảm biến đo gia tốc

MPU-6050 Cảm biến gia tốc

4 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

⇒ Độ rung: đo một trong những đặc trưng trên.

⇒Cảm biến đo rung: cảm biến đo dịch chuyển, cảm

biến đo tốc độ hoặc cảm biến đo gia tốc.

4 Cảm biến đo rung(tt)

Sơ đồ cảm biến đo tốc độ rung trình bày trên hình

4 Cảm biến đo rung(tt)

 Nguyên lý cảm biến đo độ rung:

- Cảm biến gồm 1 bộ phận cơ khí (tinh thể áp điện hoặc lò xo) nối với khối lượng rung và tất cả được đặt

chung trong 1 chiếc hộp Chuyển động rung của khối lượng M sẽ tác động lên phần tử nhạy cảm(lò xo) và chuyển thành tín hiệu điện ở đầu ra.

- khi không có gia tốc tác động lên vỏ hộp

tung độ của a và b bằng nhau

4 Cảm biến đo rung(tt)

- Việc chuyển đổi tốc độ tương đối của khối lượng

rung so với vỏ hộp thành tín hiệu điện thực hiện bởi một cảm biến vị trí tương đối kiểu điện từ gồm

một cuộn dây và một lõi nam

châm Cuộn dây gắn với

khối lượng 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 được tốc độ rung

cần đo.

4 Cảm biến đo rung(tt)

- 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 lượng rung thể hiện thông qua phản lực f = B.l.i tác động lên cuộn dây khi

cuộn dây chuyển động trong từ

trường cảm ứng B Giả thiết bỏ qua trở kháng của cuộn dây Lω , khi đó phản lực f tỉ lệ với tốc độ

tương đối:

Lực này chống lại chuyển động của khối lượng

rung, làm thay đổi hệ số tắt dần của chuyển động.

Một số cảm biến đo rung

Cảm biến rung SW-520D

III.Ứng dụng

- Cảm biến gia tốc dùng để đo gia tốc của vật

chuyển động => có thể đưa ra các thay đổi hợp lí về mặt thông số hoạt động cho các động cơ hay vật chuyển động.cảm biến gia tốc được dùng

nhiều trong ngành hàng không,vũ trụ,nghiên cứu khoa học hoặc lắp đặt trong các điện thoại,xe

máy

- Cảm biến rung dùng để đo mức độ rung của 1 vật => đưa ra các phương pháp giảm thiểu rung vì rung hầu hết là không có lợi.Cảm biến rung được dùng nhiều trong hoạt động hàng không,xây

dựng,địa chất…