Nghiên cứu thiết bị đo tốc độ vòng quay sử dụng cảm biến gia tốc

Tuy nhiên các thiết bị này chỉ sử dụng được với các động cơ có phần quay hở còn khi đo động cơ có phần quay hoàn toàn bị che kín như máy li tâm, máy vắt, máy khuấy, v..v… thì chỉ xác địn

Tôi xin cam đoan bản luận văn thạc sỹ kỹ thuật: “Nghiên cứu thiết bị đo tốc

độ vòng quay sử dụng cảm biến gia tốc” do tôi tự thiết kế dưới sự hướng dẫn của

GS.TS Phạm Thị Ngọc Yến Các số liệu và kết quả là hoàn toàn đúng với thực tế

Để hoàn thành luận văn này tôi chỉ sử dụng các tài liệu được ghi trong danh mục tài liệu tham khảo và không sao chép hay sử dụng bất kỳ tài liệu nào khác Nếu phát hiện có sự sao chép tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm

Hà Nội, ngày 20 tháng 9 năm 2013

Tác giả luận văn

Nguyễn Thị Hằng

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

1 MEMS: Microelectromechanical Systems

2 LabVIEW: Laboratory Virtual Instrument Electronic Workbench

3 VI: Virtual Instrument

4 DAQ: Data Acquisition

5 NI: National Instruments

6 MAX: Measurement & Automation Explorer

7 DUT: Device under test

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2- 1 Phân tích tần số của một số nguyên nhân gây rung động 45 Bảng 4- 1 Kết quả thử nghiệm trên hệ thống tạo dao động sin chuẩn 66Bảng 4- 2 Kết quả thực nghiệm trên động cơ xoay chiều 68Bảng 4- 3 Kết quả thử nghiệm trên động cơ xoay chiều điều chỉnh tốc độ bằng biến tần 71

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1- 1 Sơ đồ cấu tạo máy phát tốc một chiều 12

Hình 1- 2 Sơ đồ cấu tạo của máy phát tốc xoay chiều (đồng bộ) 13

Hình 1- 3 Cảm biến dùng cuộn dây di động 14

Hình 1- 4 Cảm biến có lõi từ di động 15

Hình 1- 5 Cấu tạo của cảm biến cảm ứng đo tốc độ quay 16

Hình 1- 6 Sơ đồ nguyên lý của tốc độ kế quang 17

Hình 1- 7 Sơ đồ nguyên lý máy đo góc tuyệt đối và tín hiệu đầu ra 18

Hình 1- 8 Sơ đồ nguyên lý đổi hướng kế dùng con quay hồi chuyển 19

Hình 1- 9 Sơ đồ nguyên lý đổi hướng kế quang dùng laze và cáp quang 20

Hình 1- 10 Một số dạng tín hiệu rung động 21

Hình 1- 11 Đồ thị biểu diền quan hệ giữa các giá trị Peak - Peak, RMS, Trung bình 23 Hình 1- 12 Đồ thị chuyển đổi giữa các đại lượng gia tốc, vận tốc, dịch chuyển của một tín hiệu rung hình sin 24

Hình 1- 13 Phương pháp đo rung kiểu cũ - cảm nhận bằng giác quan 24

Hình 1- 14 Phương pháp đo rung kiểu cũ - Tự ghi bằng cơ cấu cơ khí 25

Hình 1- 15 Phương pháp đo rung kiểu cũ - Đầu dò (Eddy Current Proximity Probes) 25

Hình 1- 16 Velocity Pickup 26

Hình 1- 17 Sơ đồ nguyên lý của máy đo rung 27

Hình 1- 18 Sơ đồ nguyên lý của máy phân tích rung 27

Hình 2- 1 Một số dạng cảm biến gia tốc áp điện 30

Hình 2- 2 Sơ đồ nguyên lý của cảm biến gia tốc kế áp trở 30

Hình 2- 3 Các bước vi gia công để sản xuất các gia tốc kế nhỏ và siêu nhỏ 34

Hình 2- 4 Lõi của một gia tốc kế MEMS 3 trục 35

Hình 2- 5 Trọng lượng của cảm biến và cơ cấu rung 36

Hình 2- 6 Đồ thị thời gian – Tần số của tín hiệu rung 37

Hình 2- 7 Phổ tần của tín hiệu Chirp 38

Hình 2- 8 Sự kiện thoáng qua ở tín hiệu 2 không thấy được ở phổ tần số 39

Hình 2- 9 Phổ tần tại hộp số của tuabin gió tại tốc độ quay 60 Hz 39

Hình 2- 10 Phổ tần tại hộp số của tuabin gió tại tốc độ quay 50 Hz 40

Hình 2- 11 Phổ theo bậc sóng hài của tuabin gió tại tốc độ quay 60 Hz (trên) và 50 Hz (dưới) 40

Hình 2- 12 Kết quả Phân tích JTFA của hai tín hiệu Chirp Tín hiệu có tần số giảm theo thời gian (bên trái) và tín hiệu có tần số tăng theo thời gian (bên phải) 41

Hình 2- 13 Quan hệ giữa phổ tần và Cepstrum 42

Hình 2- 14 Phổ tần của sóng sin và sóng wavelet 43

Hình 2- 15 Trong miền thời gian không phân biệt được dạng sóng của động cơ tốt và động cơ bị lỗi, nhưng sử dụng phương pháp phân tích wavelet các lỗi sẽ trở lên rõ ràng hơn 43

Hình 2- 16 Sai số mô hình AR chỉ ra quá trình quá độ trong tín hiệu gốc 44

Hình 2- 17 Phổ tần số của tín hiệu thu được từ cảm biến gia tốc 46

Hình 2- 18 Sóng tổng hợp của 3 sóng thành phần 47

Hình 2- 19 Cách gắn cảm biến gia tốc lên vỏ máy 52

Hình 3- 1 Mô hình kiến trúc chuẩn cho thiết bị đo 53

Hình 3- 2 Cảm biến PV-41 của Rion 54

Hình 3- 3 Sơ đồ mạch chuẩn hóa tín hiệu 55

Hình 3- 4 Sơ đồ khối NI USB-6008 56

Hình 3- 5 Sơ đồ chân NI USB-6008 57

Hình 3- 6 Sơ đồ kết nối phần cứng thiết bị đo tốc độ vòng quay sử dụng cảm biến gia tốc 57

Hình 3- 7.Lưu đồ thuật toán 58

Hình 3- 8 Sơ đồ khối chương trình 58

Hình 3- 9 Khối thu thập tín hiệu DAQ Assistant với các đầu vào, ra dữ liệu 58

Hình 3- 10 Khối Filter và các đầu vào, ra tín hiệu 59

Hình 3- 11 Khối Spectral Measurements với các đầu vào, ra tín hiệu 60

Hình 3- 12 Khối Tone Measurements với các đầu vào, ra tín hiệu 60

Hình 3- 13 Khối Write LabVIEW Measurement File 61

Hình 3- 14 Toán tử nhân với các đầu vào, ra số liệu 61

Hình 3- 15 Giao diện phần mềm Tachometer 62

Hình 4- 1 Sơ đồ thử nghiệm trên hệ thống tạo rung sin chuẩn 64

Hình 4- 2 Sơ đồ gá cảm biến lên bộ tạo rung động chuẩn 65

Hình 4- 3 Kết quả thực nghiệm trên hệ thống tạo dao động sin chuẩn tại tần số 20 Hz 67

Hình 4- 4 Sơ đồ thử nghiệm trên động cơ xoay chiều điều chỉnh tốc độ bằng biến tần 68

Hình 4- 5 Kết quả thực nghiệm trên động cơ xoay chiều 69

Hình 4- 6 Sơ đồ thử nghiệm trên động cơ xoay chiều điều chỉnh tốc độ bằng biến tần 70

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT 2

DANH MỤC CÁC BẢNG 3

LỜI CẢM ƠN 10

MỞ ĐẦU 11

PHẦN I: LÝ THUYẾT 12

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐO TỐC ĐỘ VÀ ĐO LƯỜNG RUNG ĐỘNG 12

1.1 Các phương pháp đo tốc độ động cơ 12

1.1.1 Sử dụng tốc độ kế vòng kiểu điện từ 12

1.1.2 Sử dụng tốc độ kế vòng loại xung 15

1.1.3 Sử dụng máy đo góc tuyệt đối – Resolver 17

1.1.4 Sử dụng đổi hướng kế 18

1.1.5 Sử dụng cảm biến gia tốc 20

1.2 Đo lường rung động 20

1.2.1 Rung động là gì 20

1.2.2 Mục đích của việc đo lường rung động 21

1.2.3 Các đại lượng vật lý dùng trong đo lường rung động 23

1.2.4 Các phương pháp đo lường rung động 24

1.2.5 Máy đo và phân tích rung động 27

CHƯƠNG 2: ĐO TỐC ĐỘ VÒNG QUAY CỦA ĐỘNG CƠ BẰNG CẢM BIẾN GIA TỐC 28

2.1 Tổng quan về các loại cảm biến gia tốc 28

2.1.1 Gia tốc kế quán tính 28

2.1.2 Gia tốc kế cơ điện 28

2.1.3 Gia tốc kế áp điện 29

2.1.4 Gia tốc kế áp trở 30

2.1.5 Gia tốc kế hiệu chuẩn ứng suất 31

2.1.6 Gia tốc kế tĩnh điện 32

2.1.7 Gia tốc kế nhỏ và siêu nhỏ (MEMS) 33

2.2 Các thông số kỹ thuật cơ bản của cảm biến gia tốc 35

2.2.1 Độ nhạy 35

2.2.2 Trọng lượng của cảm biến 35

2.2.3 Phạm vi đo 36

2.2.4 Tần số tự nhiên 36

2.3 Một số phương pháp phân tích và xử lý tín hiệu rung 37

2.3.1 Phân tích trong miền tần số 37

2.3.2 Phân tích theo bậc sóng hài 39

2.3.3 Phân tích trong miền thời gian - tần số 41

2.3.4 Phân tích Quefrency 41

2.3.5 Phân tích Wavelet 42

2.3.6 Phân tích dựa trên mô hình 43

2.4 Ứng dụng đo vận tốc vòng quay bằng cảm biến gia tốc 44

2.4.1 Thuật toán 46

2.4.2 Cách gắn cảm biến gia tốc lên vỏ máy 48

PHẦN II: THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐO TỐC ĐỘ VÒNG QUAY SỬ DỤNG CẢM BIẾN GIA TỐC 53

CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH & CÁC PHẦN TỬ TRONG MÔ HÌNH THU THẬP TÍN HIỆU 53

3.1 Phân tích bài toán 53

3.2 Các thiết bị sử dụng trong mạch đo 54

3.2.1 Cảm biến gia tốc PV-41 54

3.2.2 Mạch chuẩn hóa tín hiệu 55

3.2.3 Vỉ thu thập dữ liệu USB 6008 55

3.3 Kết nối phần cứng 57

3.4 Chương trình phần mềm 58

3.4.1 Lưu đồ thuật toán 58

3.4.2 Sơ đồ khối chương trình 58

3.4.3 Giao diện phần mềm Tachometer 62

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 64

4.1 Kết quả thực nghiệm 64

4.1.1 Thực nghiệm trên hệ thống tạo dao động sin chuẩn 64

4.1.2 Thử nghiệm trên động cơ xoay chiều 1 pha 67

4.1.3 Thử nghiệm trên động cơ xoay chiều điều chỉnh tốc độ sử dụng biến tần 69

4.1.4 Đánh giá kết quả thực nghiệm 72

4.2 Hướng phát triển đề tài 72

KẾT LUẬN 73

TÀI LIỆU THAM KHẢO 74

LỜI CẢM ƠN

Đề hoàn thành được luận văn này, tôi đã nhận được sự giúp đỡ và hướng dẫn tận tình của các thầy cô giáo, gia đình và bạn bè về mọi mặt Tự đáy lòng của mình, tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn tới:

GS.TS Phạm Thị Ngọc Yến hiện là Viện trưởng Viện Nghiên cứu Quốc tế MICA,

Trưởng Bộ môn Kỹ thuật đo và Tin học công nghiệp – Viện Điện – Đại Học Bách Khoa Hà Nội Mặc dù rất bận nhưng cô đã tận tình giúp đỡ tôi trong suốt quá trình làm luận văn Cô đã cố vấn về chuyên môn, giúp tôi hoàn thiện về mặt nội dung và hình thức của luận văn này, cũng như đã truyền đạt những kinh nghiệm của mình giúp cho tôi hoàn thành tốt luận văn và đúng thời hạn

Xin chân thành cảm ơn tập thể các thầy cô giáo trong Khoa Điện và Bộ môn Kỹ thuật đo và Tin học công nghiệp Mặc dù không trực tiếp hướng dẫn nhưng đã trang

bị các kiến thức cần thiết giúp tôi hoàn thành tốt luận văn

Xin chân thành cảm Phòng Đo lường Thời gian - Tần số, Viện Đo lường Việt Nam tạo điều kiện thuận lợi về thời gian và trang thiết bị thí nghiệm cần thiết giúp tôi hoàn thành luận văn này

Cảm ơn tất cả các bạn học viên lớp Đo lường và các hệ thống điều khiển 2011B đã sát cánh cùng tôi trong suốt thời gian vừa qua

Trân trọng!

MỞ ĐẦU

Trong quá trình sản xuất hiện đại, đo tốc độ động cơ đóng vai trò quan trọng trong các bài toán nâng cao độ chính xác và thích nghi với các yêu cầu ngày càng cao của công nghiệp Hiện nay, các thiết bị đo tốc độ vòng quay sử dụng cảm biến quang, máy phát tốc được dùng rất nhiều trong công nghiệp và có độ chính xác cao Tuy nhiên các thiết bị này chỉ sử dụng được với các động cơ có phần quay hở còn khi đo động cơ có phần quay hoàn toàn bị che kín như máy li tâm, máy vắt, máy khuấy, v v… thì chỉ xác định được tốc độ vòng quay thông qua việc phân tích đặc

trưng rung động của động cơ thu được từ cảm biến gia tốc Đề tài: “Nghiên cứu thiết bị đo tốc độ vòng quay sử dụng cảm biến gia tốc” nhằm góp phần bổ xung

thêm phương pháp đo tốc độ động cơ Đề tài cũng đã phát triển hệ thống đo, qua thực nghiệm thu được kết quả tốt và tiết kiệm được chi phí so với thiết bị nhập ngoại

Sau hơn ba tháng thực hiện luận văn, với sự hướng dẫn tận tình của GS.TS Phạm Thị Ngọc Yến, luận văn tốt nghiệp đã được hoàn thành đúng thời hạn Tuy

vậy, trong quá trình làm luận văn không tránh khỏi những thiếu sót, rất mong được

sự góp ý của các thầy cô và các bạn

Hà Nội, ngày 20 tháng 9 năm 2013

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Thị Hằng

PHẦN I: LÝ THUYẾT

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐO TỐC ĐỘ VÀ ĐO LƯỜNG RUNG ĐỘNG

1.1 Các phương pháp đo tốc độ động cơ

1.1.1 Sử dụng tốc độ kế vòng kiểu điện từ

1.1.1.1 Máy phát tốc một chiều

Hình 1- 1 Sơ đồ cấu tạo máy phát tốc một chiều

1 – Stato 2 – Roto 3 – Cổ góp 4 – Chổi quét Máy phát tốc một chiều là máy phát điện một chiều có sức điện động ra tỷ lệ với tốc độ quay Stato là một nam châm vĩnh cửu có hai cực Nam và Bắc Roto là một lõi thép gồm nhiều lớp ghép lại có các rãnh quấn dây Trục Roto được ghép với trục đối tượng đo

Khi Roto quay, do cảm ứng điện từ, chúng tạo ra sức điện động cảm ứng:

dt

d W

KN W

2



(2) ω: vận tốc góc

Φ0: từ thông ban đầu của nam châm K: hệ số

N: số vòng quay trong một giây Sức điện động được lấy ra qua các chổi than tiếp xúc với vành góp Ứng dụng đo tốc độ quay của động cơ, máy phát điện có dải đo từ vài trăm – 3000 vòng / phút

1.1.1.2 Máy phát tốc xoay chiều

Hình 1- 2 Sơ đồ cấu tạo của máy phát tốc xoay chiều (đồng bộ)

1 – Stato 2 – Roto Máy phát tốc xoay chiều là máy phát điện xoay chiều trong đó Roto là một nam châm Stato gồm các cuộn dây cảm ứng quấn trên lõi thép

Khi Roto quay, tín hiệu ra là điện áp xoay chiều có tần số tỷ lệ với tốc độ quay:

60

an

a: số đôi cực n: tốc độ quay f: tần số

Đo điện áp ra hoặc tần số f có thể xác định được tốc độ quay Thông thường chỉ thị kèm theo thường là tần số kế vì đo tần số có sai số nhỏ và không bị phụ thuộc vào cấu tạo của máy phát mà chỉ phụ thuộc vào cách bố trí số lượng các cực Máy phát tốc xoay chiều có thể là 1 pha hoặc 3 pha

1.1.1.3 Tốc độ kế điện từ đo vận tốc dài

Khi đo vận tốc dài, với độ dịch chuyển lớn của vật khảo sát (>1m) thường chuyển thành đo vận tốc góc Trường hợp đo vận tốc của dịch chuyển thẳng nhỏ có thể dùng cảm biến vận tốc dài gồm hai phần tử cơ bản: 1 nam châm và 1 cuộn dây Khi đo, một phần tử được giữ cố định, phần tử thứ hai liên kết với vật chuyển động Chuyển động tương đối giữa cuộn dây và nam châm làm xuất hiện trong cuộn dây một suất điện động tỷ lệ với vận tốc cần đo

Hình 1- 3 Cảm biến dùng cuộn dây di động

1 – Nam châm 2 – Cuộn dây Suất điện động xuất hiện trong cuộn dây có dạng:

Bve rNBv

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 được độ dịch chuyển vài mm với độ nhạy cỡ 1V/m.s Khi độ dịch chuyển lớn hơn (tới 0,5m) người ta dùng tốc độ kế có nam châm di động

Hình 1- 4 Cảm biến có lõi từ di động a) Cấu tạo b) Sơ đồ nguyên lý

1 – Nam châm 2 – Cuộn dây

Cảm biến gồm một nam châm di chuyển dọc trục của hai cuộn dây quấn ngược nhau và mắc nối tiếp Khi nam châm di chuyển, suất điện động xuất hiện trong từng cuộn dây tỷ lệ với tốc độ của nam châm nhưng ngược chiều nhau Hai cuộn dây được mắc nối tiếp và quấn ngược chiều nên nhận được suất điện động ở đầu ra khác 0

1.1.2 Sử dụng tốc độ kế vòng loại xung

Phương pháp đếm xung đo tốc độ quay là phương pháp đo được sử dụng nhiều do chúng có những ưu điểm mà các phương pháp khác không đạt được (độ chính xác cao, chống nhiễu tốt, chống suy giảm tín hiệu cao, thực hiện được dưới dạng số, kết cấu đơn giản, chắc chắn, chịu đựng tốt trong môi trường độc hại và độ tin cậy cao)

Tùy thuộc vào bản chất của vật quay và dấu hiệu mã hóa trên vật quay, người ta sử dụng loại cảm biến thích hợp

1.1.2.1 Cảm biến từ trở biến thiên (cảm biến cảm ứng)

Hình 1- 5 Cấu tạo của cảm biến cảm ứng đo tốc độ quay Cấu tạo gồm bánh răng làm bằng vật liệu sắt từ, cuộn dây cảm ứng đặt đối diện với đĩa quay và nam châm vĩnh cửu Số lượng răng của đĩa p = 1; 6; 60; 180; 200; 250 và 600 để có tần số thấp nhất là 10Hz

Khi bánh răng quay, do tác động của trường điện từ và từ trở mạch từ biến thiên một cách tuần hoàn làm cho từ thông qua cuộn dây biến thiên, trong cuộn dây xuất hiện một suất điện động cảm ứng có tần số tỷ lệ với tốc độ quay:

dt

d W

(5) Tần số của suất điện động trong cuộn dây xác định bởi biểu thức:

pn

p: số lượng răng trên bánh răng n: số vòng quay của bánh răng trong một giây Biên độ ecu của suất điện động trong cuộn dây phụ thuộc các yếu tố:

- Khoảng cách giữa cuộn dây và đĩa quay: khoảng cách càng lớn E càng nhỏ

- Tốc độ quay: 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 được gọi là vùng chết

- Khoảng cách giữa đĩa và cảm biến, do vậy cần chọn khe hở sao cho thích hợp

Dải đo của cảm biến phụ thuộc vào số răng p của đĩa Số răng p càng lớn, tốc

độ có thể đo được càng nhỏ và ngược lại

1.1.2.2 Tốc độ kế quang (Encoder)

Hình 1- 6 Sơ đồ nguyên lý của tốc độ kế quang

1 – Nguồn sáng 2 – Thấu kính hội tụ 3 – Đĩa quay 4 – Đầu thu quang

Nguồn sáng phát tia hồng ngoại là một LED Đĩa quay (có các lỗ bố trí cách đều trên một vòng tròn ) đặt giữa nguồn sáng và đầu thu Đầu thu là một photodiode hoặc phototranzitor Khi đĩa quay, đầu thu chỉ chuyển mạch khi nguồn sáng, lỗ, đầu thu thẳng hàng Kết quả là đầu thu nhận được một thông lượng ánh sáng biến điệu

và phát tín hiệu có tần số tỷ lệ với tốc độ quay nhưng biên độ không phụ thuộc tốc

- Dải thông của đầu thu quang và của mạch điện tử

Để đo tốc độ nhỏ (cỡ 0,1 vòng / phút) phải dùng đĩa có số lượng lỗ lớn (500 – 1000 lỗ) Trong trường hợp đo tốc độ lớn ( cỡ 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 được

1.1.3 Sử dụng máy đo góc tuyệt đối – Resolver

Máy đo góc tuyệt đối gồm hai phần: phần động gắn liền với trục quay chứa cuộn sơ cấp được kích thích bằng sóng mang có tần số 2 -10 kHz qua máy biến áp quay Phần tĩnh có hai dây quấn thứ cấp (cuộn sin và cuộn cos) đặt lệch nhau 900

Hình 1- 7 Sơ đồ nguyên lý máy đo góc tuyệt đối và tín hiệu đầu ra

Khi trục quay, ở đầu ra của hai dây quấn thứ cấp thu được hai tín hiệu điều biên UU0sinωtsinθ và UU0sinωtcosθ Đường 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 được:

1) Hiệu chỉnh hai góc thu được trên cơ sở so sánh góc với một số vi mạch sẵn có Các vi mạch này chỉ tín hiệu góc dạng số với độ phân giải 10 – 16 bit/vòng

và một tốc độ quay dạng tương tự Độ phân giải phụ thuộc vào thông số của mạch điều chỉnh

2) Dùng hai bộ chuyển đổi tương tự - số để lấy mẫu trực tiếp từ đỉnh tín hiệu điều chế 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 tương tự số Khi biết góc quay tuyệt đối θ, lấy đạo hàm ta nhận được tốc độ góc ω cần đo

1.1.4 Sử dụng đổi hướng kế

1.1.4.1 Đổi hướng kế dùng 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 (cỡ 104 vòng / phút) nhờ một động cơ

Hình 1- 8 Sơ đồ nguyên lý đổi hướng 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 tỷ lệ với ω theo hướng X’X, 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 Crcủa hai lò xo gây nên, có giá trị tỷ lệ với góc quay α của khung

Góc quay α của khung động con quay hồi chuyển tỷ lệ với vận tốc góc ω cần

đo Để tiện xử lý, góc quay α được chuyển đổi thành tín hiệu điện nhờ một điện thế

kế

1.1.4.2 Đổi hướng kế quang

Đổi hướng kế quang gồm: nguồn phát chùm tia laze, cuộn dây sợi quang có chiều dài L quấn thành vòng bán kính R, quay với cùng vận tốc góc ω với vật quay

Hình 1- 9 Sơ đồ nguyên lý đổi hướng 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 qua bản phân tách tạo thành chùm tia truyền theo hai hướng ngược nhau trong sợi cáp quang Khi ra khỏi cáp, do quãng đường truyền sóng khác nhau, hai tia lệch pha nhau, độ lệch pha giữa hai chùm tia bằng:

c

RL Z

Rung động là sự dao động của đại lượng đặc trưng cho sự chuyển động của

hệ thống cơ khí Rung động có thể là rung động tại một tần số hoặc là tổ hợp của nhiều tần số (ví dụ như sự chuyển động của piston trong động cơ đốt trong) Trong

thực tế thì tín hiệu rung là tổ hợp của rất nhiều tần số, khi phân tích phổ tần tín hiệu rung động của máy ta thấy một số thành phần tần số nhất định liên quan đến sự chuyển động của các thành phần khác nhau của máy Từ đó có thể chuẩn đoán nguồn gốc của các rung động không mong muốn

Hình 1- 10 Một số dạng tín hiệu rung động

1.2.2 Mục đích của việc đo lường rung động

Máy móc, thiết bị hoạt động ở các mức độ khác nhau đều gây nên rung động Trong trường hợp có hại, các rung động tự phát gây ra sự tháo lỏng các chỗ lắp nối chi tiết, gây nên những va đập các khe hở do dung sai chế tạo v.v Sự rung động làm giảm độ chính xác của các thiết bị, máy móc, làm giảm độ bền của các chi tiết

và hậu quả của chúng là làm giảm tuổi thọ và năng suất của máy móc Vì vậy cần đặc biệt chú ý đến các hiện tượng rung động, nhất là trong điều kiện của kỹ thuật hiện đại, các máy móc có số vòng quay và tốc độ lớn, các rung động gây nên những tác hại không thể bỏ qua được

Phân tích độ rung công nghiệp là một phương pháp đo lường được dùng để xác định, tiên đoán, và ngăn ngừa hư hỏng đối với máy móc có thiết bị quay Thực hiện phân tích độ rung của máy móc sẽ cải thiện được độ tin cậy của máy móc và dẫn đến hiệu quả máy móc cao hơn và giảm thiểu hư hỏng về điện hay cơ khí Chương trình phân tích rung động được dùng khắp nơi trên thế giới trong lĩnh vực công nghiệp để phát hiện lỗi trong máy, lên kế hoạch sửa chữa máy móc, và giữ cho máy móc chạy đúng chức năng, không hư hỏng trong thời gian lâu nhất

Có nhiều hư hỏng trong các dạng máy quay có thể được phát hiện bằng cách

đo và phân tích độ rung phát ra từ máy như:

• Rối khuôn lưỡi cắt

• Rối chong chóng gió

Vì vậy việc đo, phân tích đặc trưng rung động của động cơ từ đó xác định nguyên nhân gây rung động nhằm giảm và khử rung không chỉ là vấn đề kỹ thuật đơn thuần mà còn có ý nghĩa quan trọng đối với khoa học bảo hộ lao động, nó được

xếp trong mười hai vấn đề về con người - môi trường được các tổ chức y học quốc

tế quan tâm

1.2.3 Các đại lượng vật lý dùng trong đo lường rung động

Để đánh giá biên độ tín hiệu rung trong miền thời gian, thông thường hay sử dụng một số thông số sau:

 Peak (Là giá trị biên độ đỉnh thường dùng khi chỉ những tác động trong khoảng thời gian ngắn, tuy nhiên nó chỉ phản ánh biên độ lớn nhất mà không phản ánh quá trình đã xảy ra)

 Peak –peak (Là giá độ lệch đỉnh đỉnh lớn nhất của tín hiệu so với trục tọa độ thường dùng khi đánh giá mức độ chịu đựng áp lực tối đa của các thành phần máy)

 Trung bình (Ít dùng trong thực tế vì nó không trực tiếp liên quan gì đến các hiện tượng vật lý)

 RMS (là giá trị được sử dụng nhiều nhất vì nó phản ảnh cả quá trình sóng theo thời gian và liên quan trực tiếp đến năng lượng sóng)

 Crest factor (độ mấp mô của sóng đỉnh)

 Chu kì rung

Hình 1- 11 Đồ thị biểu diền quan hệ giữa các giá trị Peak - Peak, RMS, Trung bình

Các đại lượng đặc trưng cho rung động gồm có gia tốc, vận tốc và dịch chuyển, ba đại lượng này có cùng hình dạng và chu kì chỉ khác nhau về pha Khi đã

xác định được gia tốc thì bằng phép lấy tích phân ta có thể xác định được vận tốc và dịch chuyển Hầu hết các máy đo rung hiện đại đều đo được cả ba thông số này

Hình 1- 12 Đồ thị chuyển đổi giữa các đại lượng gia tốc, vận tốc, dịch chuyển của

một tín hiệu rung hình sin

1.2.4 Các phương pháp đo lường rung động

Một số phương pháp đo rung động kiểu cũ

Hình 1- 13 Phương pháp đo rung kiểu cũ - cảm nhận bằng giác quan

Hình 1- 14 Phương pháp đo rung kiểu cũ - Tự ghi bằng cơ cấu cơ khí

Hình 1- 15 Phương pháp đo rung kiểu cũ - Đầu dò (Eddy Current Proximity

Probes)

Hình 1- 16 Velocity Pickup Hiện nay phương pháp đo lường rung động phổ biến là sử dụng cảm biến gia tốc kiểu áp điện Nguyên lý hoạt động dựa trên hiệu ứng áp điện Trái tim của một cảm biến gia tốc là một miếng tinh thể áp điện Dưới tác động của lực căng, nén hoặc kéo, nó sẽ tạo ra trên bề mặt của tinh thể này một điện tích tỉ lệ với lực tác động Nó có ưu điểm vượt trội hơn hẳn các loại cảm biến khác:

 Có dải tần rộng

 Phạm vi đo lớn

 Độ tuyến tính cao

 Tính ổn định cao trong thời gian dài

Ngoài ra nó là loại cảm biến tích cực, không cần nguồn nuôi bên ngoài Đầu ra tỉ lệ thuận với giá trị gia tốc đo được và có thể thực hiện tích phân để thu được giá trị vận tốc và dịch chuyển

1.2.5 Máy đo và phân tích rung động

Hình 1- 17 Sơ đồ nguyên lý của máy đo rung

Một máy đo rung thông thường chỉ cung cấp cho chúng ta 1 biên độ rung

duy nhất trong cả dải tần số Để biết được từng thành phần phần tần số trong tín

hiệu đó ta phải thực hiện phân tích tần số Với mục đích này ta sử dụng bộ lọc chỉ

cho các tín hiệu trong 1 băng tần hẹp qua, sau đó chuyển sang dải khác….cho đến

hết dải tần mà ta quan tâm để xác được biên độ rung tại mỗi băng tần

Hình 1- 18 Sơ đồ nguyên lý của máy phân tích rung

Tiền

khuếch

đại

Khối tích phân (xác định vận tốc, dịch chuyển

Lọc thông cao

Khuếch đại

Lọc thông thấp

Khuếch đại

Khối xác định giá trị đỉnh hoặc RMS

Bộ chuyển đổi Lin/

Log

Bộ chỉ thị

Bộ lọc ngoài Cảm biến

gia tốc

CHƯƠNG 2: ĐO TỐC ĐỘ VÒNG QUAY CỦA ĐỘNG CƠ BẰNG CẢM

BIẾN GIA TỐC

2.1 Tổng quan về các loại cảm biến gia tốc

Một gia tốc kế cơ bản gồm một khối lượng có thể di chuyển tự do dọc trục

đo trong một vỏ Công nghệ chế tạo gia tốc kế dựa nhiều vào cơ sở này và có thể phân chia theo nhiều cách, loại cơ hay điện, chủ động hay bị động, độ lệch hay vị trí cân bằng không Loại thường dùng trong đo dao động hay shock thường là dạng độ lệch, với mục đích định hướng thì ta có thể dùng loại độ lệch hay vị trí cân bằng không

2.1.1 Gia tốc kế quán tính

Các gia tốc kế quán tính là các gia tốc kế cơ khí sử dụng một khối lượng động được treo bởi 1 lò xo hoặc một đòn bẩy bên trong một khung Khung mang khối lượng động được nối cứng với nguồn dao động Khi hệ dao động, khối lượng

có xu hướng trở về vị trí cân bằng của nó để chuyển động có thể được ghi lại giống như một dịch chuyển tương đối giữa khối lượng và khung Một bộ chuyển đổi xác định dịch chuyển này và đưa tín hiệu đến bộ xử lý Có thể chế tạo các phần

tử chuyển đổi bằng vật liệu có tính điện trở, điện dung, cảm ứng, áp điện, áp trở, và quang học Trong thực tế, khối lượng động không đem đến một trạng thái ổn định tuyệt đối, nhưng nó có thể đạt được một vị trí gần đó với các tần số xác định

Qua việc lựa chọn hợp lý giữa khối lượng, lò xo và giảm chấn có thể sử dụng thiết bị này cho cả mục đích đo gia tốc và đo dịch chuyển Nói chung, vật có khối lượng lớn cùng một lò xo mềm thích hợp cho việc đo dao động và chuyển dịch, trong khi một khối lượng tương đối nhỏ và lò xo cứng sử dụng trong các gia tốc kế

2.1.2 Gia tốc kế cơ điện

Các gia tốc kế cơ điện có thành phần cơ bản là điều khiển servo và cân bằng

ở vị trí không, hoạt động dựa trên nguyên lý phản hồi Một vật có khối lượng nhạy

gia tốc được giữ rất gần với một vị trí trung tâm hoặc điểm không bằng cách xác định độ dịch chuyển và phản hồi các ảnh hưởng của dịch chuyển Một lực từ tương ứng được tạo ra để chống lại chuyển động của khối lượng dịch chuyển từ vị trí không, do đó quá trình trở lại giá trị này giống như một lò xo cơ khí trong một gia tốc kế thường làm

Ưu điểm của việc tiếp cận này là tuyến tính tốt hơn và hạn chế hiện tượng trễ, giống như lò xo cơ khí Trong một số trường hợp, có thể tạo thêm bộ giảm chấn điện, có độ nhạy nhỏ hơn với sự thay đổi nhiệt độ

Một đặc điểm rất quan trọng của gia tốc kế cơ điện là khả năng kiểm tra về động học và tĩnh học của thiết bị bằng cách đưa kích thích điện vào hệ thống Việc kiểm tra này khá thuận tiện trong các trường hợp phức tạp và tốn kém với yêu cầu chính xác cao Các thiết bị này cũng hữu ích cho các hệ thống điều khiển gia tốc, vì giá trị gia tốc có thể được đưa ra bởi một dòng điện tương ứng từ nguồn ngoài Chúng sử dụng cho mục đích đo các chuyển động thông thường và điều khiển dao động tần số thấp

Có nhiều loại gia tốc kế cơ điện: Dạng từ trường và cuộn dây, dạng cảm ứng…

Hình 2- 1 Một số dạng cảm biến gia tốc áp điện

P – Phần tử áp điện E – Mạch điện tử S – Lò xo

Cảm biến áp điện kiểu nén có tần số cộng hưởng cao, kết cấu chắc chắn, nhạy với ứng lực đế

Còn cảm biến áp điện kiểu kéo cho độ nhạy rất cao nhưng tần số và gia tốc rung đo được bị hạn chế

2.1.4 Gia tốc kế áp trở

Hình 2- 2 Sơ đồ nguyên lý của cảm biến gia tốc kế áp trở

1 – Khối rung 2 – Tấm đàn hồi 3 – Áp trở 4 – Đế

Cấu tạo của một cảm biến áp trở gồm khối quán tính M gắn với một tấm đàn hồi mỏng (gắn liền với đế) trên đó gắn 2 hoặc 4 áp trở mắc thành mạch cầu Wheasstone

Bình thường khi chưa có gia tốc, tấm đàn hồi đứng yên, các áp trở có trị số xác định và mạch cầu cân bằng Khi có gia tốc, các áp trở biến dạng và điện trở của chúng thay đổi làm cho cầu mất cân bằng Điện áp ra của cầu được xác định (với 4 điện trở làm việc):

R

R U





k: hằng số ε: độ biến dạng tương đối l: độ dài của điện trở lực căng

U0: điện áp cung cấp cho cầu Suy ra: U ra U0k  S (14)

S: độ nhạy của cảm biến Thông thường hệ số k = 1,8 ÷ 2,4 đối với kim loại

k = 50 ÷ 200 đối với bán dẫn

R = 300 ÷ 600 và lớn hơn

2.1.5 Gia tốc kế hiệu chuẩn ứng suất

Gia tốc kế hiệu chuẩn ứng suất dựa trên thuộc tính điện trở của dây dẫn: nếu một dây dẫn được kéo dài hoặc bị nén lại, điện trở của nó vốn phụ thuộc vào chiều dài dây dẫn và thay đổi theo tính chất cơ bản của vật liệu, gọi là áp trở

Điều này chỉ ra rằng điện trở suất ρ của dây dẫn phụ thuộc ứng suất cơ khí đặt lên nó Sự phụ thuộc này được biểu diễn theo hệ số hiệu chuẩn:

L dL

d v L

dL R

Trong đó 1 xác định điện trở thay đổi theo chiều dài, 2v chỉ ra điện trở thay đổi theo diện tích, và (d ρ / ρ) /(dL / L) nói rằng điện trở thay đổi theo tính chất

áp trở

Có nhiều dạng hiệu chuẩn ứng suất: hiệu chuẩn dây kim loại không tiếp xúc, hiệu chuẩn dây kim loại liên kết, hiệu chuẩn lá kim loại liên kết, hiệu chuẩn màng kim loại mỏng đặt trong chân không, hiệu chuẩn bán dẫn liên kết và hiệu chuẩn bán dẫn khuếch tán

2.1.6 Gia tốc kế tĩnh điện

Các gia tốc kế tĩnh điện hoạt động dựa trên định luật Coulomb giữa hai vật mang điện, do đó chúng là dạng điện dung Phụ thuộc vào nguyên tắc hoạt động và các mạch ngoài, chúng có thể được phân loại chung thành gia tốc kế phản hồi lực tĩnh điện, và các gia tốc kế điện dung vi phân

2.1.6.1 Gia tốc kế phản hồi lực tĩnh điện

Gia tốc kế phản hồi lực tĩnh điện bao gồm 1 điện cực (khối lượng m và diện tích S) treo trên một cần trục nhẹ có thể di chuyển tương đối với một vài điện cực

cố định Khoảng trống nhỏ h giữa trục và các điện cực cố định được duy trì bởi một

hệ thống servo cân bằng lực, nó có khả năng biến đổi điện thế của các điện cực trong tương ứng tới các tín hiệu từ cơ cấu đo sự thay đổi tương đối trong khoảng trống

Sự khó khăn cơ bản trong việc cơ khí hoá gia tốc kế lực tĩnh điện là cường

độ điện trường tương đối cao để thu được một lực duy nhất Độ suy giảm có thể do điện hoặc tính nhớt của môi trường khí ở trong khoảng không giữa hai điện cực Hiện tượng đánh thủng điện thế phi tuyến cho gradient lớn hơn trong những khoảng trống rất nhỏ

Ưu điểm chính của gia tốc kế tĩnh điện là kết cấu cơ khí rất đơn giản, yêu cầu nguồn thấp, không có các nguyên nhân dẫn đến hiện tượng trễ, hệ số nhiệt 0 và

dễ che chắn tránh các nguồn nhiễu

2.1.6.2 Gia tốc kế điện dung vi phân

Nguyên tắc để thiết kế các gia tốc kế này là sự thay đổi điện dung tương tứng với gia tốc tác dụng Trong dạng này, người ta tạo một khối lượng động của gia tốc

kế như phần tử di động của một bộ dao động điện Khối lượng động được đỡ bởi một dầm đàn hồi di chuyển song song từ chân đế Hệ thống này được đặt để có một tần số danh nghĩa xác định cụ thể khi không bị làm nhiễu Nếu thiết bị có gia tốc, tần số sẽ biến đổi cao hơn hoặc thấp hơn giá trị tần số danh nghĩa phụ thuộc vào hướng của gia tốc

Khối lượng động mang theo một điện cực được đặt đối diện với các điện cực

cố định mà nó xác định các tụ điện biến đổi Các điện cực cố định xác định trước để đảm bảo duy trì dao động trong một khoảng thay đổi của điện dung xác định bởi gia tốc

2.1.7 Gia tốc kế nhỏ và siêu nhỏ (MEMS)

Vào những năm cuối của thập kỷ 70 công nghệ mạch xử lý tích hợp (IC) phẳng được biến đổi để chế tạo các cấu trúc điện cơ 3 chiều bởi quá trình vi gia công Gia tốc kế và cảm biến áp suất là các cảm biến IC đầu tiên Gia tốc kế đầu tiên được phát triển vào năm 1979

Từ đó công nghệ chế tạo ngày càng phát triển, ngày nay rất nhiều loại gia tốc kế khác nhau đã xuất hiện Hầu hết các cảm biến đều sử dụng các khối gia công siêu nhỏ hơn là các kỹ thuật gia công siêu nhỏ bề mặt Trong khối gia công siêu nhỏ, độ cong, các dầm công xôn và các thành phần cơ bản khác của gia tốc kế được sản xuất từ các khối silicon để sử dụng các tính chất cơ khí của tinh thể silicon Với thiết kế và quy trình phim hợp lý, các khối gia công siêu nhỏ đem lại các gia tốc kế hoàn toàn ổn định và bền vững

Tất cả các gia tốc kế dạng micro hoặc nano đều phát hiện gia tốc qua việc đo chuyển động tương đối giữa khối lượng mẫu và nền treo Khối lượng mẫu được treo trên nền qua một lò xo cơ khí Khi cảm biến chịu gia tốc, khối lượng mẫu có

xu hướng trở về vị trí cân bằng và do đó nó dịch chuyển đối với nền chuyển động Việc đo các dịch chuyển này nhờ phương pháp áp trở hoặc áp điện sử dụng công

nghệ CMOS Mạch điện tử có nhiệm vụ triệt tiêu lệch không, do vậy ổn định lệch không, ổn định hệ số khuếch đại, bù nhiệt, tiền lọc, giảm nhiễu đầu ra…

Bề mặt vi gia công được sử dụng để tạo ra các gia tốc kế dùng cho ứng dụng đặc biệt như các ứng dụng về túi khí trong công nghiệp ôtô Cảm biến vi cơ ngày càng nhanh hơn, nhạy hơn, nhẹ hơn, rẻ hơn và có độ tin cậy cao chưa từng có so với các cảm biến chế tạo theo công nghệ điện tử trước đây

Hình 2- 3 Các bước vi gia công để sản xuất các gia tốc kế nhỏ và siêu nhỏ Nhiều gia tốc kế trên một chip đơn

Cảm biến gia tốc chế tạo theo công nghệ vi cơ điện tử có hai loại là kiểu

tụ và kiểu áp trở Trong nhiều ứng dụng việc lựa chọn cảm biến kiểu tụ hay kiểu

áp trở là rất quan trọng Cảm biến kiểu áp trở có ưu điểm là công nghệ cấu tạo rất đơn giản Tuy nhiên nhược điểm là hoạt động phụ thuộc nhiều vào sự thay đổi nhiệt

và có độ nhạy kém hơn cảm biến kiểu tụ Các cảm biến kiểu tụ có độ nhạy cao hơn,

ít bị phụ thuộc vào nhiệt, ít bị nhiễu và mất mát năng lượng Tuy nhiên chúng có nhược điểm là mạch điện tử phức tạp hơn Các cảm biến kiểu tụ được ứng dụng rộng rãi hơn

Hình 2- 4 Lõi của một gia tốc kế MEMS 3 trục

2.2 Các thông số kỹ thuật cơ bản của cảm biến gia tốc

2.2.1 Độ nhạy

Là tỉ số giữa đầu vào và đầu ra khi có kích thích tác động song song với trục của độ nhạy Nói chung độ nhạy là một đại lượng phức bao gồm thông tin về pha và biên độ và thay đổi theo tần số

Kí hiệu S = V/A

Đơn vị mV/m/s2

, pC/ m/s2, mV/g , pC/ g Thông thường chúng ta đều muốn có một đầu ra lớn, nhưng điều đó cũng có nghĩa

là phải có một tinh thể áp điện lớn, dẫn đến kích thước lớn Trong các trường hợp thông thường thì độ nhạy lớn cũng không cần thiết vì chúng ta còn có các bộ tiền khuếch đại chấp nhận những tín hiệu nhỏ

2.2.2 Trọng lượng của cảm biến

Khi dùng để đo các đối tượng nhẹ thì trọng lượng và kích thước của cảm biến lại là yếu tố quan trọng Trọng lượng của cảm biến có thể làm thay đổi đáng kể biên độ rung và tần số tại điểm đo Nói chung khối lượng của cảm biến phải nhỏ hơn 1/10 khối lượng của phần động của cơ cấu rung

Hình 2- 5 Trọng lượng của cảm biến và cơ cấu rung

với các thiết bị đo thông dụng

Giới hạn trên thì phụ thuộc cấu trúc của cảm biến, loại thông thường khoảng 50000 – 100000 m/s2 Một số loại được thiết kế đặc biệt để đo shock cơ khí lên đến 1000 km/s2

2.2.4 Tần số tự nhiên

Tần số tự nhiên của một cảm biến gia tốc là điểm mà tại đó của trên đường cong đáp ứng tần số có tỷ số đầu vào trên đầu ra là cao nhất Tại điểm này đường cong là phi tuyến Do đó, tốt nhất là không để hoạt động gần tần số tự nhiên của nó

M

K

f N

2

1



(16) K: là độ cứng

M: khối lượng

Từ công thức trên, ta thấy để tăng tần số tự nhiên, thì có thể tăng độ cứng hoặc giảm khối lượng Khi giảm khối lượng cũng làm giảm độ nhạy, nên trong tăng độ cứng hoặc kết hợp cả hai cách thì thích hợp hơn

2.3 Một số phương pháp phân tích và xử lý tín hiệu rung

Tín hiêu rung động thu được từ cảm biến gia tốc thông thường là dạng sóng phức tạp là tổ hợp của nhiều tần số, mà trong đó các thông tin tần số sẽ cho ta biết nguồn gốc của thành phần gây rung động, và thông tin về biên độ rung sẽ cho t biết mức độ nghiêm trọng của nguồn gây rung đó Việc trích xuất chính xác các thông tin đó sẽ giúp cho việc sửa chữa và bảo dưỡng động cơ thích hợp Có rất nhiều dạng tín hiệu rung động khác nhau, thường được phân loại như sau:

- Tín hiệu diễn ra trong thời gian dài, nhưng trong dải tần hẹp

- Tín hiệu diễn ra trong thời gian ngắn, nhưng trong dải tần rộng

- Tín hiệu diễn ra trong thời gian ngắn, nhưng trong dải tần hẹp

- Tín hiệu có dải tần thay đổi theo thời gian phụ thuộc vào tốc độ động cơ

Hình 2- 6 Đồ thị thời gian – Tần số của tín hiệu rung Bước đầu tiên trong việc phân tích tín hiệu là phải biết rõ tín hiệu cần phân tích ở dạng nào và sau đó là lựa chọn thuật toán phù hợp để trích xuất được các thông tin cần thiết từ tín hiệu thô ban đầu

2.3.1 Phân tích trong miền tần số

Phân tích trong miền tần số là phương pháp phổ biến nhất được sử dụng nhất

để phân tích một tín hiệu rung động Cơ bản nhất là FFT là phương pháp chuyển

đổi tín hiệu từ miền thời gian vào miền tần số Kết quả của chuyển đổi này là một phổ năng lượng và cho biết năng lượng của tín hiệu tại từng tần số riêng Phương pháp này phú hợp cho việc phân tích các tín hiệu có thành phần tần số không thay đổi theo thời gian Tuy nhiên kết quả của phương pháp này không mang thông tin

về thời gian nên phương pháp này không phú hợp cho việc phân tích các tín hiệu có thành phần tần số thay đổi theo thời gian Và có thể có một số lượng vô hạn các tín hiệu có thể tạo ra phổ năng lượng như nhau Ví dụ, trong hình 16, có hai tín hiệu chirp Ở hình trên tần số tín hiệu tăng theo thời gian trong khi ở hính dưới tần số tín hiệu dưới giảm theo thời gian Mặc dù cách biến đổi tần số của hai tín hiệu là khác nhau, nhưng phổ tần số tính bằng FFT là giống hệt nhau vì năng lượng ở mỗi tần số riêng là như nhau

Hình 2- 7 Phổ tần của tín hiệu Chirp Hạn chế thứ hai của FFT là nó không thể phát hiện các sự kiện diến ra trong khoảng thời gian cực ngắn hoặc các đỉnh nhọn trong tín hiệu Các sự kiện này thường diễn ra đột ngột trong một khoảng thời gian ngắn và thường có năng lượng thấp trong một băng tần rộng Khi chuyển đổi sang miền tần số, năng lượng của nó trải dài trên một bằng tần rộng,nên có thể không nhận ra được sự tồn tại của nó trong miền tần số Trong hình 27, hai tín hiệu tương tự nhau, với tín hiệu thứ 2 chứa một sự kiện thoáng qua Bất chấp sự hiện diện của sự kiện này thoáng qua, phổ của

cả hai tín hiệu giống hệt nhau