Thiết kế nguyên lý mạch xử lý tín hiệu đo lường tần số và biên độ dao động rung

Thiếtkế nguyênlý mạch xử lý, tín hiệu đo lường tần số,biên độ dao động rung,Nghiên cứu thiết kế và chế tạo ,thiết bị rung khử ứng suất dư, ứng dụng cho chi tiết cơ khí ,dạng hàn và đúc, có trọng lượng ,và kích thước lớn

BÁO CÁO CHUYÊN ĐỀ SỐ 3.3

Thiết kế nguyên lý mạch xử lý tín hiệu đo lường tần

số và biên độ dao động rung

ĐỀ TÀI/DỰ ÁN SXTN: “Nghiên cứu thiết kế và chế tạo thiết bị rung khử ứng suất dư ứng dụng cho chi tiết cơ khí dạng hàn và đúc có trọng lượng

và kích thước lớn”

Mã số: KC.03.27/11-15

Cơ quan chủ trì đề tài/dự án: Học viện KTQS

Chủ nhiệm đề tài/dự án: TS Nguyễn Văn Dương

Trần Công Thành

Hà Nội – 2014

MỤC LỤC

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt

Danh mục các bảng

Danh mục các hình vẽ, đồ thị

MỞ ĐẦU

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ DAO ĐỘNG RUNG

1.1 Khái niệm dao động rung

1.2 Tính chất của dao động rung

1.3 Các nguyên nhân tạo nên Dao động rung

CHƯƠNG 2

PHÂN TÍCH TÍN HIỆU DAO ĐỘNG RUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐO

2.1 Phân tích Dao động rung

2.2 Đánh giá Dao động rung

2.3 Tỷ lệ tuyến tính và logarit

2.4 Mô tả Dao động rung máy

2.5 Nguyên lý làm việc của thiết bị đo Dao động rung

CHƯƠNG 3

THIẾT KẾ SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ CỦA THIẾT BỊ ĐO DAO ĐỘNG RUNG

3.1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển thiết bị rung khử ứng suất dư

3.2 Sơ đồ khối thiết bị đo dao động rung

3.3 Nguyên lý các khối chức năng

3.2.1 Khối nguồn:

3.2.2 Khối cảm biến

3.2.3 Khối xử lý tín hiệu và khuếch đại trung gian

3.3 Khối chuyển đổi ADC và giao tiếp máy tính

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC

MỞ ĐẦU

a) Mục đích nghiên cứu

Chuyên đề được thực hiện với các mục đích sau đây:

- Tìm hiểu tổng quan về dao động rung;

- Phân tích tín hiệu dao động rung và phương pháp đo;

- Thiết kế nguyên lý mạch xử lý tín hiệu đo lường tần số và biên độ dao

động rung

b) Giới hạn phạm vi nghiên cứu

Nội dung của chuyên đề tập trung nghiên cứu cơ sở lý thuyết tính hiệu

dao động rung, lựa chọn xử lý tín hiệu đo, Thiết kế nguyên lý mạch xử lý tín

hiệu đo lường tần số và biên độ dao động rung

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ DAO ĐỘNG RUNG

1.1 Khái niệm dao động rung.

Dao động rung đơn giản là sự di chuyển qua lại của máy hoặc các bộ phậnmáy Tất cả các thành phần máy di chuyển qua lại hay dao động qua lại là đangDao động rung

Dao động rung có thể có nhiều dạng khác nhau Một thành phần máy có thểdao động một khoảng cách lớn hoặc nhỏ, nhanh hoặc chậm và có thể cảm nhậnđược âm thanh và nhiệt Dao động rung máy thường có thể cố ý được tạo ra nhờthiết kế của máy và tùy vào mục đích sử dụng của máy như sàng rung, phễu nạpliệu, băng tải, máy đánh bóng, máy dầm đất, v.v…

Hình 1.1 Dao động rung của máy.

để đo được dao động rung thì phải có dụng cụ đo, thông thường trong côngnghiệp dao động rung được đo bằng cảm biến và phương pháp này tiện lợi là có

thể truyền tín hiệu Dao động rung đi xa không ảnh hưởng tới sự làm việc của hệthống khi cần xác định dao động rung.

1.2 Tính chất của dao động rung.

Dao động rung có thể là Dao động tuần hoàn, Dao động rung ngẫu nhiên vàDao động rung tắt dần Trong đó phổ biến nhất là Dao động rung tuần hoàn.Dao động rung của máy có tính tuần hoàn, được xác định qua ba thông số

cơ bản: chuyển vị, vận tốc, gia tốc

Mối quan hệ giữa chuyển vị gia tốc và vận tốc ứng với tần số của một Daođộng rung, cho thấy:

- Chuyển vị càng cao thì tần số càng thấp, vì vậy cần đo chuyển vị khi tần

số Dao động rung thấp - Vận tốc có giá trị không đổi khi tần số thay đổi và thểhiện rõ nhất ở khoảng tần số trung bình Vì vậy, đo vận tốc Dao động rungthường được áp dụng trong giám sát Dao động rung liên tục

- Gia tốc càng cao khi tần số Dao động rung càng cao Vì vậy, đo gia tốcthường áp dụng trong giám sát rung đông có tần số Dao động rung lớn Nếu đođược gia tốc của Dao động rung thì có thể suy ra vận tốc và chuyển vị bằng phéptích phân Tuy nhiên để có gia tốc bằng cách lấy vi phân từ vận tốc thì tín hiệurất dễ bị nhiễu do tính chất của mạch điện tử vi phân không chống nhiễu tốt nhưmạch tích phân

Dao động rung ngẫu nhiên, thường xảy ra một cách tự nhiên và được đặc

trưng bằng quá trình chuyển động bất thường không bao giờ lặp lại một cáchchính xác

Dao động rung tức thời, là Dao động rung không liên tục (tắt dần) Dao

động rung này có thể là xung va đập Xung va đập là một Dao động rung có tần

số rất cao và là rung động tắt dần Đo xung va đập là một trong những phươngpháp phân tích Dao động rung rất phổ biến hiện nay

1.3 Các nguyên nhân tạo nên Dao động rung.

Có nhiều nguyên nhân khác nhau gây Dao động rung cho thiết bị, máy và

Dưới đây đề cập đến một số nguyên nhân chính gây ra Dao động rung, từ

đó có thể phát hiện và đưa ra các giải pháp tạo các Dao động rung này

Hình 1.2 Nguyên lý tạo dao động

Như được trình bày trong hình 1.3 mất cân bằng nghiêm trọng thường tạo

ra một biên độ cao bất thường tại vận tốc tới hạn và biên độ giảm xuống sau khivượt qua vận tốc tới hạn Tuy nhiên sau khi giảm xuống biên độ này vẫn còn lớnhơn so với biên độ của rôto cân bằng

Hình 1.3 Đáp ứng trạng thái rotor

Khi đốm nặng chỉ hiện diện trong một mặt phẳng đơn thì gọi là mất cânbằng tĩnh

Khi đốm nặng hiện diện trong hơn một mặt phẳng thì gọi là mất cân bằngđộng Trong trường hợp này, đặt trục lên đồ gá sẽ không thấy được tình trạngmất cân bằng Lực ly tâm do không cân bằng gây ra Dao động rung.

Đây là cơ sở để chúng ta thiết kế chọn thiết bị tạo dao động như ở chuyên

đề trước

Căn cứ tính chất đặc điểm dao động rung của thiết bị rung được chọn ta cần

có phương án đo được dao động rung Chuyên đề này tập trung Nghiên cứu

Thiết kế nguyên lý mạch xử lý tín hiệu đo lường tần số và biên độ dao động rung.

CHƯƠNG 2 PHÂN TÍCH TÍN HIỆU DAO ĐỘNG RUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐO

2.1 Phân tích Dao động rung.

Theo phép phân tích Fourier thì một đường cong tuần hoàn bất kỳ, cho dùphức tạp đến đâu, đều có thể biểu diễn bằng một tập hợp các đường cong hìnhsin thuần túy Số phần tử trong tập hợp này có thể vô hạn Số phần tử càng lớn,đường cong có được càng trùng khớp với đường cong cần phân tích

a = a1 + a2

Năm 1965 hai nhà bác học J W Cooley và J W Tukey đã đề xuất cáchchuyển phép phân tích Fourier sang dạng logarit gọi là phương pháp chuyển đổiFourier nhanh FFT (Fast Fourier Transformation) Phương pháp này là công cụrất hiệu quả để phân tích Dao động rung với sự trợ giúp của máy tính

2.2 Đánh giá Dao động rung

Các đơn vị đo lường Dao động rung thường là: mm, mm/s, m/s2

Ngoài ra để đánh giá Dao động rung người ta có thể áp dụng một số giá trị

đo như: giá trị đỉnh (Xp), “đỉnh đến đỉnh” (Xp-t-p), trị tuyệt đối giá trị trungbình và giá trị mức quân phương (RMS)

Giá trị Xp-t-p và Xp tương ứng với các đỉnh của chuyển vị Hai giá trị nàychỉ thích hợp cho các Dao động rung điều hòa đơn giản, vì chúng chỉ phụ thuộcvào độ lớn tức thời của Dao động rung không cho thấy được đặc tính của Daođộng rung trong một khoảng thời gian

- Trị tuyệt đối giá trị trung bình được xác định theo công thức sau:

Mặc dù thông số này được xác định trong khoảng thời gian chu kỳ T hay cóthể xác định trong một giới hạn quan tâm Tuy nhiên giá trị này vẫn không quan

hệ trực tiếp đến bất kỳ thông số vật lý nào của Dao động rung thường dùng

- Giá trị RMS được xác định trong khoảng thời gian nhất định và được sửdụng phổ biến

Giá trị này được cho bởi công thức sau:

=

T s

m

T

a

0 2

1

Trong đó:

ar.m.s là giá trị hiệu dụng của gia tốc rung r.m.s, tính bằng mét trên giây bìnhphương

a(t) là gia tốc rung, tính bằng mét trên giây bình phương.

T là khoảng thời gian đo, tính bằng giây.

Giá trị RMS có quan hệ trực tiếp đến thành phần năng lượng của Dao độngrung và được sử dụng phổ biến trong các thiết bị đo Dao động rung

2.3 Tỷ lệ tuyến tính và logarit

Trong thực tế, khoảng giá trị của Dao động rung rất rộng vì vậy vận tốc vàgia tốc của Dao động rung thường được đo trong các thang tuyến tính hay thanglogarit với đơn vị đo là dB Cụ thể như sau:

Mức gia tốc rung La, tính bằng dexiben, được tính theo công thức sau:

La = 20 log (A/A o)Trong đó:

A là gia tốc rung, được tính bằng mét trên giây bình phương, được đo trực

tiếp trên máy theo giá trị r.m.s hoặc tính theo biểu thức sau:

10an / /

n x A

2.4 Mô tả Dao động rung máy

Để phân tích chính xác một Dao động rung, nó cần thiết phải mô tả sự Daođộng rung theo một cách thức nhất quán và đảm bảo độ tin cậy Sự phân tíchDao động rung dựa trên sự mô tả bằng con số hơn là sự mô tả bằng lời nói, giúpcho việc phân tích và truyền đạt được chính xác

Có hai con số quan trọng nhất mô tả Dao động rung máy là biên độ(amplitude) và tần số (frequency)

Biên độ mô tả mức độ Dao động rung và tần số mô tả tốc độ dao động củaDao động rung Cả biên độ và tần số Dao động rung cung cấp cơ sở cho việc xácđịnh thông số Dao động rung.

Biên độ Dao động rung là độ lớn của sự Dao động rung Một máy với biên

độ Dao động rung lớn thì sẽ có một chuyển động dao động mạnh, nhanh và lớn

Vì thế mà biên độ năng lượng của Dao động rung Nói chung, mức độ hay biên

độ của Dao động rung còn liên hệ tới:

(a) khoảng chuyển động Dao động rung

(b) tốc độ của chuyển động

(c) lực kết hợp với chuyển động

Nhưng trong hầu hết các trường hợp, tốc độ và biên độ vận tốc (velocityamplitude) của máy cho thông tin hữu ích về tình trạng của máy

Vậy vận tốc là gì? Nó đơn giản là tốc độ được đo theo một chiều xác định

Hình 2.1 Vận tốc quay theo thời gian

Biên độ vận tốc có thể biểu diễn theo các thuật ngữ như peak value (giá trịđỉnh) hoặc RMS (root-mean-square value – giá trị hiệu dụng)

Biên độ vận tốc tối đa hay đỉnh (peak) của một Dao động rung đơn giản làgiá trị tốc độ Dao động rung maximum (peak) có được của dao động trong mộtchu kỳ thời gian

Trái ngược với biên độ vận tốc tối đa, biên độ vận tốc RMS của Dao độngrung cho chúng ta biết năng lượng Dao động rung Năng lượng Dao động rungcàng cao, biên độ RMS càng lớn

Cụm từ “root-mean-square“ thường viết tắt là RMS và biên độ RMS luônluôn thấp hơn biên độ tối đa hay biên độ đỉnh (peak amplitude)

Hai đơn vị biên độ vận tốc được sử dụng phổ biến là inches/second (in/s)

và millimeters/second (mm/s)

Tần số (Frequency) là khi một thành phần của máy đang Dao động rung nó

sẽ lặp lại các chu kỳ chuyển động Phụ thuộc vào lực gây ra sự Dao động rung,thành phần của máy đó sẽ dao động nhanh hay chậm

Ở tốc độ mà một thành phần của máy dao động được gọi là tần số dao độnghay tần số dao động rung Tần số dao động rung càng nhanh thì dao động càngnhanh

Hình 2.2 Thông số dao động rung

Chúng ta có thể xác định tần số của một thành phần đang Dao động rungbằng cách đếm số chu kỳ dao động sau mỗi giây Ví dụ, một thành phần đi qua 5chu kỳ trong 1 giây có nghĩa là nó đang Dao động rung ở một tần số 5 chukỳ/giây (5cps)

Hình 2.3 Thông tin biểu đồ sóng.

Những thông tin mà một dạng sóng cho biết, phụ thuộc vào khoảng thờigian và độ phân giải của một dạng sóng (waveform) Thời khoảng của mộtwaveform là tổng chu kỳ thời gian qua đi mà có thể biết được từ một waveform.Trong hầu hết các trường hợp, một vài giây là đủ Độ phân giải của mộtwaveform là một số đo mức độ chi tiết trong waveform và được xác định bằng

số điểm dữ liệu mô tả hình dạng của một waveform Nếu càng nhiều điểm thìbiểu đồ waveform càng chi tiết

- Biểu đồ dạng phổ:

Một loại biểu diễn khác thường được sử dụng phổ biến trong phân tích Daođộng rung là biểu đồ phổ (spectrum) Một spectrum là một biểu đồ biểu diễn cáctần số ở một thành phần Dao động rung cùng với các biên độ ở mỗi tần số đó.Hình dưới đây là một ví dụ về một spectrum vận tốc Nhưng tại sao một thànhphần máy duy nhất mà lại có đồng thời Dao động rung ở nhiều hơn một tần số

Hình 2.4 Thông tin biểu đồ dạng phổ.

Trả lời nằm trong thực tế rằng, sự Dao động rung máy, khác với sự chuyểnđộng dao động đơn giản của một quả lắc, nó không chỉ có một chuyển động Daođộng rung đơn giản mà thông thường nó bao gồm nhiều chuyển động Dao độngrung xảy ra đồng thời

Lấy ví dụ: spectrum vận tốc của một gối đỡ thường cho thấy rằng vòng biđang Dao động rung không chỉ ở một tần số mà ở nhiều tần số khác nhau SựDao động rung ở một vài tần số có thể là do chuyển động của các chi tiết trongvòng bi, ngoài ra còn ở các tần số khác là do sự tác động của các răng của bánhrăng hoặc có các tần số khác là do sự quay tròn của cánh quạt làm mát motor.Một spectrum cho thấy các tần số mà ở đó xảy ra sự Dao động rung nên nó

là công cụ phân tích Dao động rung rất hữu ích Bằng việc phân tích các tần sốriêng của một thành phần máy đang Dao động rung cũng như các biên độ tươngứng với mỗi tần số đó, và chúng ta có thể tìm ra có sự liên phân tích Dao độngrung

Ngược lại, một waveform lại không cho thấy một cách rõ ràng các tần số

mà ở đó xảy ra sự Dao động rung Thay vào đó, một waveform lại chỉ biểu diễngiá trị tổng thể overall Cho nên sẽ không dễ dàng khi đánh giá dao động rungbằng biểu đồ waveform

Cho nên ngoại trừ có một vài trường hợp đặc biệt, các spectrum đóng vaitrò là công cụ quan trọng cho việc phân tích Dao động rung

Các thông tin mà một spectrum chứa đựng phụ thuộc vào giá trị Fmax (tần

số maximum) và độ phân giải (resolution) của spectrum đó Fmax là giới hạn tần

số của một spectrum có thể biểu diễn Giá trị Fmax này bao nhiêu phụ thuộc vàotốc độ vận hành của máy Tốc độ vận hành càng cao thì Fmax càng phải cao Độ

phân giải của một spectrum là một số đo mức độ chi tiết của spectrum, và đượcxác định bởi số đường phổ mô tả hình dạng của biểu đồ spectrum Càng nhiềuđường phổ thì mức độ chi tiết của spectrum càng cao.

2.5 Nguyên lý làm việc của thiết bị đo Dao động rung

Spectrum (biểu đồ dạng phổ) Khi chúng ta đo Dao động rung máy chúng

ta thường đo các spectrum Dao động rung, khi mà spectrum của một thành phầnDao động rung nói cho chúng ta biết thông tin có giá trị và đạt được độ chínhxác

Những điều cần phải chú ý để đảm bảo các số đo được chính xác :

- Cách gắn các cảm biến đo Dao động rung

- Xác định được cần cài đặt các thông số đo nào

- Cách lấy số đo một cách có hệ thống

Trước khi lấy số đo Dao động rung, ta phải gắn một cảm biến mà có thểtheo dõi Dao động rung của máy được đo Có nhiều loại cảm biến đo Daođộng rung khác nhau Tuy nhiên loại gia tốc kế accelerometer thường được

sử dụng nhất vì có nhiều ưu điểm hơn các loại khác Gia tốc kế là một cảmbiến mà tạo ra một tín hiệu điện mà tỉ lệ với sự gia tốc của thành phần Daođộng rung

Hình 2.5 Sơ đồ thu thập dữ liệu dao động rung.

Vậy gia tốc của một thành phần Dao động rung là một số đo về lượng

thay đổi của vận tốc của thành phần Dao động rung.

Tín hiệu gia tốc được tạo ra bởi gia tốc kế gắn trên thiết bị đo Dao độngrung và lần lượt chuyển đổi tín hiệu thành một tín hiệu vận tốc Phụ thuộcvào sự lựa chọn của người sử dụng, tín hiệu có thể biểu diễn thành biểu đồdạng sóng vận tốc hay một biểu đồ phổ vận tốc Một phổ vận tốc đượcchuyển đổi từ biểu đồ waveform vận tốc bằng một công thức toán học gọi làFast Fourier Transform hay FFT (gọi là chuyển đổi Fourier)

- Xử lý dữ liệu

Khi đo Dao động rung sẽ có nhiều dạng phổ được đo và sau đo lấy trungbình để được một dạng phổ trung bình Một dạng phổ trung bình biểu diễn cáchthức Dao động rung tốt hơn khi mà phép xử lý trung bình làm tối thiểu các ảnhhưởng của các thay đổi ngẫu nhiên hay các xung nhiễu thường có trong Daođộng rung Giá trị trung bình tuyến tính được đề nghị cho hầu hết các trườnghợp Giá trị trung bình số mũ thường được sử dụng chỉ khi cách thức dao độngrung thay đổi đáng kể theo thời gian Thông số xác định số các dạng phổ liềnnhau sử dụng để tính trung bình, các dạng phổ sử dụng càng lớn, các xung nhiễu

sẽ giảm và các dạng phổ sẽ biểu diễn chính xác hơn

Hình 2.6 Xử lý dữ liệu bình quân

Tuy nhiên, nếu số lần trung bình càng lớn thì dữ liệu cần thu thập càngnhiều, và vì thế sẽ mất thời gian để có được biểu đồ dạng phổ trung bình Số lầnlấy trung bình bằng 4 là đủ cho hầu hết các trường hợp Dữ liệu được thu thậpkhông được sử dụng trực tiếp để tạo ra một dạng phổ mà thường đưa sửa chữatrước để phục vụ cho yêu cầu nào đó của quá trình xử lý FFT (Fast FourierTransform là quá trình chuyển đổi dữ liệu thành một biểu đồ dạng phổ) Dữ liệu