Tiểu luận " Cảm biến "

Các biến trạng thái này thường là các đại lượng không điện như nhiệt độ, áp suất, lưu lượng, tốc độ, độ di chuyển v.v… Để thực hiện các quá trình đo lường và điều khiển cần phải thu thập

Tiểu luận " Cảm biến "

1

MỤC LỤC

Lời nói đầu 2

I Cảm biến đo rung 3

1 Giới thiệu chung về cảm biến rung 3

2 Các loại cảm biến rung 5

3 Ứng dụng của các cảm biến rung 6

II Chấn động kế cảm ứng 10

1. Sơ đồ cấu tạo của chấn động kế kiểu cảm ứng 10

2. Nguyên lí hoạt động 11

3. Mốt số ứng dụng của trấn động kế cảm ứng 12

III Cảm biến áp điện đo gia tốc 12

1. Sơ đồ cấu tạo và nguyên lí hoạt động 15

2. Đặc trưng của cảm biến 15

3. Một số loại cảm biến áp điện đo gia tốc 17

IV Cảm biến áp trở đo gia tốc 18

1. Cấu tạo và nguyên lí hoạt động 20

2. Cảm biến áp trở kim loại

21 3. Cảm biến áp trở bán dẫn 23

4. Một số đặc điểm của cảm biến áp trở 26

5. Cảm biến áp trở đo gia tốc 27

6. Một số loại cảm biến áp trở đo gia tốc 28

V Đặc điểm của các cảm biến đo rung và gia tốc 29

* Một số hình ảnh các loại cảm biến gia tốc khác tìm được 30

**Một số ứng dụng của cảm biến đo gia tốc 31

Tài liệu tham khảo 37

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, trong các hệ thống đo lường - điều khiển, mọi quá trình đều được đặc trưng bởi các biến trạng thái Các biến trạng thái này thường là các đại lượng không điện như nhiệt độ, áp suất, lưu lượng, tốc độ, độ di chuyển v.v…

Để thực hiện các quá trình đo lường và điều khiển cần phải thu thập thông tin,

đo đạc, theo dõi sự biến thiên của các biến trạng thái của quá trình thực hiện chức năng trên là các thiết bị cảm biến

Cảm biến là các phần tử nhạy cảm dùng để biến đổi các đại lượng đo lường, kiểm tra hay điều khiển từ dạng này sang dạng khác thuận tiện hơn cho việc tác động của các phần tử khác Cảm biến là một thiết bị chịu tác động của đại lượng cần

đo m không có tính chất điện và cho một đặc trưng mang bản chất điện (như điện tích, điện áp, dòng điện, trở kháng) kí hiệu là s có: s = F(m) Cảm biến thường dùng

ở khâu đo lường và kiểm tra

Các loại cảm biến được sử dụng rộng rãi trong tự động hóa các quá trình sản xuất và điều khiển tự động các hệ thống khác nhau Chúng có chức năng biến đổi sự thay đổi liên tục các đại lượng đầu vào (đại lượng đo lường - kiểm tra, là các đại lượng không điện nào đó thành sự thay đổi của các đại lượng đầu ra là đại lượng điện, ví dụ: điện trở, điện dung, điện kháng, dòng điện, tần số, điện áp rơi, góc pha, Căn cứ theo dạng đại lượng đầu vào người ta phân ra các loại cảm biến như: cảm biến chuyển dịch thẳng, chuyển dịch góc quay, tốc độ, gia tốc, momen quay, nhiệt độ, áp suất, quang, bức xạ v.v

Các thiết bị cảm biến đang dần trở thành một phần không thể thiếu trong đời sống hiện đại của chúng ta Trong tiểu luận này, chúng tôi chỉ xét đến hai loại cảm biến khá phổ biến trong các hệ thống đo lường và điều khiển ngày nay, đó là cảm biến gia tốc và rung Do kiến thức còn hạn chế và thời gian tìm hiểu chưa được nhiều nên bài tiểu luận này còn nhiều thiếu xót Chúng tôi hi vọng sẽ nhận được nhiều ý kiến từ thầy hướng dẫn và các bạn đọc để bài viết được hoàn thiện hơn

3

Chúng tôi xin chân thành cảm ơn!

I CẢM BIẾN ĐO RUNG

1 Giới thiệu chung về cảm biến rung

Đo độ rung trong công nghiệp có tầm quan trọng đặc biệt vì rung động gâynên tiếng ồn có hại cho sức khỏe, giảm tuổi thọ và năng suất của các thiết bị, làmmài mòn và gây mỏi cho các chi tiết cơ khí Vì vậy trong các quy định người ta giớihạn biên độ rung động cho các thiết bị cụ thể theo tiêu chuẩn quốc gia Giám sát độrung theo thời gian cho phép các kỹ sư nhà máy dự đoán các vấn đề trước khi xảy rathiệt hại nghiêm trọng Độ rung được đặc trưng bởi độ dịch chuyển, tốc độ hoặc giatốc tại các điểm nào đó trên thiết bị

Cấu tạo chung: Cảm biến rung bao gồm một phần tử nhạy cảm (lò xo, tinh thể

áp điện…) nối với một khối lượng rung và được đặt chung trong một vỏ hộp.Chuyển động rung của khối lượng M tác động lên phần tử nhạy cảm của cảm biến

và được chuyển thành tín hiệu ở đầu ra

Hình 1: Sơ đồ nguyên lý cảm biến đo gia tốc và rung

1) Khối rung 2) Vỏ hộp 3) Phần tử nhạy cảm 4) Giảm chấn

Gọi ho là tung độ của điểm a của vỏ hộp, h là tung độ điểm b của khối lượngrung Khi không có gia tốc tác động lên vỏ hộp, tung độ của a và b bằng nhau

Dịch chuyển tương đối của khối lượng M so với vỏ hộp xác định bởi biểu thức:

z = h - ho

Khi đó phương trình cân bằng lực có dạng:

Cz dt

dz F dt

h d

M - Lực đo gia tốc của khối M gây nên

Hay :

Cz dt

dz F dt

z d M dt

h d

2 2

0 2

Từ công thức trên ta nhận thấy cấu tạo của cảm biến để đo đại lượng sơ cấp

độ dịch chuyển ho, vận tốc dho/dt ( hoặc gia tốc d2ho/dt2 ) phụ thuộc vào đại lượngđược chọn để làm đại lượng đo thứ cấp m2 ( z, dz/dt hoặc d2z/dt2 ) và dải tần số làmviệc Dải tần số làm việc quyết định số hạng nào trong vế phải phương trình chiếm

ưu thế ( Cz, Fdz/dt hoặc Md2z/dt2 )

Ở đây ta chỉ xét cảm biến thứ cấp là cảm biến đo vị trí tương đối của khối lượngrung M so với vỏ hộp

Quan hệ giữa tần số cộng hưởng của hệ thống cơ và giải tần cần đo thường tỷ

lệ nghịch với nhau Tần số của cảm biến khi đo độ rung cần thấp hơn một số lần giớihạn dưới của dải tần cần đo Khi đo gia tốc tần số của cảm biến cần lớn hơn một sốlần giới hạn trên của dải tần cần đo

Dải tần đo độ rung nằm trong khoảng 20 ÷ 3000 Hz vì vậy hệ thống cơ cần cótần số nằm trong khoảng 2 ÷ 7 Hz Khi đo gia tốc, tần số nằm trong khoảng 10 ÷ 15Hz

Tùy theo dải tần, cảm biển rung được cấu tạo khác nhau cho phù hợp

5

Hình 2: Cấu trúc chung của cảm biến

đo rung (a), đo lắc (b)

2.Các loại cảm biến rung

Cảm biến rung trên thị trường hiện nay có ít nhất 3 loại:

a Cảm biến đo biên độ rung: Loại này thường được chế tạo để đo độ rung của các

trục máy Nó dựa trên hiệu quả của dòng điện xoáy và phản ứng ngược lại của dòngđiện này Các cảm biến này khá gọn nhẹ, nhưng đòi hỏi mạch xử lý tín hiệu phứctạp Chỉ ứng dụng tốt đối với đo độ rung của các thiết bị lớn, được gia công chínhxác, và cần có hệ điều kiển thông minh, đắt tiền với những phần mềm khủng

b Cảm biến đo tốc độ rung: Loại này dùng đo tốc độ rung của hầu hết các thiết

bị thông dụng Thường sử dụng nguyên lý cảm ứng điện từ, độ chính xác phụ thuộcrất nhiều vào nam châm vĩnh cửu và chất dầu cản dịu bên trong Loại này tương đối

bền bỉ nhất Chỉ cần mạch khuếch đại AC đơn giản là có thể đo chính xác Muốn đo

biên độ rung, thì cần mạch khuếch đại tích phân cơ bản

c Cảm biến đo gia tốc rung: Đa số là loại cảm biến kiểu áp điện, ứng dụng hiệu

ứng áp điện (Piezo electric) Cảm biến này luôn cần phải có nguồn cung cấp Trị số

điện áp ra tỷ lệ với gia tốc rung Muốn đo vận tốc rung phải dùng mạch khuếch đạitích phân Muốn đo biên độ rung phải dùng

mạch tích phân hai lớp

Tuy nhiên, hầu hết các mạch đo rung đều hoạt động ở điện áp xoay chiều, tần sốtối thiểu cỡ 15 Hz, và tối đa lên đến chục kHz Nếu những máy có phân tích họa tầnthì độ rộng băng càng cần lớn hơn nữa Những mạch khuếch đại sẽ rất phức tạp

3 Ứng dụng của cảm biến rung

Cảm biến rung có rất nhiều ứng dụng trong lao động và đời sống hàng ngày

Nó giúp người điều khiển có thể kiểm tra được tình trạng hoạt động của các thiết bị đang hoạt động Đối với một số thiết bị kỹ thuật số hiện đại thì việc đo cảm biến rung để tìm cách hạn chế ảnh hưởng của sự rung là một việc rất quan trọng Ta có thể lấy một số ví dụ về cảm biến rung sau:

Cảm biến rung có thể lắp dưới nước để bảo vệ bơm: Bơm thường có các thànhphần mà nó phải mang như ổ trục Việc giám sát rung ổ trục cung cấp cho kỹ sư bảo trì thông tin để chẩn đoán khi cần sửa chữa hoặc thay thế linh kiện Điều này làm cho nhà máy hoạt động hiệu quả hơn, giảm chi phí vận hành cũng như chống thời gian chết máy móc

Dưới đây là một số cảm biến của hãng Hansford Sensors có thể hoạt động khi chúng được nhúng hoàn toàn dưới nước, khiến chúng trở nên lí tưởng đối với việc giám sát bơm.

7

Hình 3: Cảm biến của hãng Hansford Sensors

Cảm biến này cũng được sử dụng trong điều kiện từ xa tại giếng bơm, lỗ khoan, khử muốn và các nhà máy quá trình công nghiệp

- Cảm biến rung dùng trong mạch chống trộm:

Hình 4: Cảm biến chống trộm

9

Khi bị rung thì đoạn kim loại nảy lên làm hở mạch Kim loại càng cứng thì độ nhạy càng cao.

EX64xB7x là cảm biến ra 4-20 mA nguồn vòng lặp với NPT 1-inch, hộp dẫn khuỷu tay 90 độ, đáp ứng những yêu cầu chứng nhận ATEX và CSA sử dụng trong môi trường khắc nghiệt

Hình 5: Cảm biến EX64xB7x

Cảm biến hoạt động từ nguồn vòng lặp 24V tiêu chuẩn, giúp chúng trực tiếp tương thích với các hệ thống PLCs, SCADA, DCS, và Plant Information (PI) hiện nay, phục vụ giám sát độ rung liên tục các mức rung trên máy trong những môi trường ứng dụng khắc nghiệt

Cảm biến này có đầu ra gia tốc và vận tốc với biên độ thay đổi rộng Đầu ra của độ rung cao nhất hoặc RMS có thể được lựa chọn, cũng như nhiệt độ lựa chọn

và đầu ra rung nhỏ Đầu ra rung nhỏ cung cấp tín hiệu bộ đệm có thể được sử dụng với thiết bị thu thập dữ liệu rung để thực hiện phân tích chẩn đoán chi tiết khi trục trặc được phát hiện

Đo vị trí thực của các gối trục của máy:Đây là cách bố trí các cảm biến rung kiểu đo khoảng cách (vị trí) để có thể đo vị trí thực ở khu vực 4 gối trục của hệ Tua bin, máy phát

Hình 6: Vị trí các cảm biến rung trong tua bin, máy phát

II CHẤN ĐỘNG KẾ CẢM ỨNG

1 Sơ đồ cấu tạo của cảm biến đo chấn động kiểu cảm ứng

1-giá đỡ bằng kim loai

Hình 7: Sơ đồ chấn động kế cảm ứng

2 Nguyên lý hoạt động

Bình thường dưới tác dụng của trọng lượng khối quán tính và lực dây của lò

xo ở trạng thái cân bằng,cuộn dây của lò xo ở trạng thái cân bằng.Cuộn dây cảm ứngđặt giữa khe hở không khí của nam châm đứng yên

Khi có chấn động (độ dung), giữa nam châm và cuộn dây di chuyển tương đốivới nhau làm cho từ thông móc vòng qua cuộn dây thay đổi tạo ra sức điện động cảm ứng

Sức điện động này tỷ lệ với biên độ rung và được đưa ra mạch đo và chỉ thị Sức điện động cảm ứng có thể bị nhiễu do từ trường bên ngoài, để khử nhiễu người

ta quấn thêm cuộn dây bù có số vòng bằng cuộn dây cảm ứng nhưng được đấu ngược chiều Sức điện động do nhiễu sinh ra trong 2 cuộn dây sẽ khử lẫn nhau

Kết hợp với các mạch đo, cảm biến có thể đo được biên độ rung, tốc độ và gia tốc

Hinh 8: Một số chấn động kế cảm ứng thông dụng

Hình bên là chấn động kế cảm ứng của hãng

Meas với nhãn hiệu Model EGHS – M được thiết kế

cho các ứng dụng nhúng, gia tốc có sẵn trong ±30.000

÷ ± 60.000g được đóng gói trong một phong bì LCC

thu nhỏ

Mô hình EGHS – M kết hợp một cảm biến

MEMS không bị kẹt với một tần số > 200kHz cộng hưởng Đó là lý tưởng cho việc

đo đạc xung sốc trong thời gian ngắn

Ứng dụng của EGHS – M là tác động và kiểm tra shock, các ứng dụng nhúng, các cúsốc biên độ cao

III CẢM BIẾN ÁP ĐIỆN ĐO GIA TỐC

1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động:

Hình 9: Chấn động kế

của hãng Meas

- Khi một lực vật lý được tác động thêm gia tốc, các địa chấn tải sẽ tác động

lên các phần tử áp điện một lực tuân theo định luật II Newton ( F = m.a) Các lực này có thể đo được bằng cách đo sự thay đổi trong lực tĩnh điện hoặc điện áp được tạo ra bởi các vật liệu áp điện Từ đó, ta có thể đo được gia tốc đã được thêm vào

Vật liệu áp điện được sử dụng cho mục đích gia tốc có thể rơi vào hai loại Đầu tiên

và được sử dụng rộng rãi hơn là vật liệu đơn tinh thể ( thường là thạch anh ) Loại còn lại là vật liệu gốm áp điện tổng hợp So với vật liệu đơn tinh thể thì vật liệu gốm

áp điện tổng hợp có độ nhạy cảm tốt hơn nhưng tuổi thọ của độ nhạy cảm lại ít hơn

so với các vật liệu đơn tinh thể.

- 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

Hầu hết các gia tốc áp điện được làm bằng

thạch anh tinh thể, gốm áp điện, hoặc đối với hoạt

động nhiệt độ cao, là tuamalin hoặc niobate

lithium Chúng phải tuân theo định luật II Newton,

F =m.a, trong đó lực lượng tác động lên các yếu tố

đo được tỷ lệ thuận với khả năng tăng tốc của sản

xuất

- Tác dụng: Đo độ rung có tần số cao

(10 ÷ 20 kHz)

- Hoạt động: Khi đo, khối rung tác động lên phần tử áp điện và chúng tạo nên các

điện tích tỷ lệ với phản lực, tức là với sự chuyển động của khối rung Tín hiệu được đưa ra ngoài và đo bằng dụng cụ đo

Sơ đồ khối của dụng cụ vạn năng dùng cảm biến áp điện đo biên độ rung và gia tốc:

15

Hình 10: Cảm biến áp điện đo gia tốc

1) Vỏ bọc 2) Ren lắp 3) Phần tử áp điện 4)Khối quán tính 5)Dây dẫn 6)Cáp bọc kim

Hình 11: Sơ đồ khối gia tốc kế áp điện

Thông thường cần phải đo gia tốc theo hai hướng dọc theo trục nhạy cảm Tuỳthuộc vào bản chất lực tác dụng ( nén, kéo hoặc cắt ) trong bộ cảm biến phải có bộ phận cơ khí tạo ứng lực cơ học đặt trước lên phần tử áp điện để mở rộng dải đo gia tốc theo hai chiều

Lực tác dụng lên áp điện có thể phân thành hai loại: nén hoặc uốn

Dưới đây là sơ đồ cấu tạo của các gia tốc kế áp điện kiểu nén

Hình 12: Sơ đồ cấu tạo gia tốc kế áp điện kiểu nén

1) Khối lượng rung 2) Phiến áp điện 3) Đai ốc 4) Đế 5) Vỏ hộp

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

Sơ đồ cấu tạo của gia tốc kế kiểu uốn cong trình bày trên hình 13

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.

Hình 13: Sơ đồ cấu tạo gia tốc kế áp điện kiểu uốn cong

1)Khối lượng rung 2)Phiến áp điện 3)Vỏ hộp

2 - Đặc trưng của cảm biến:

Độ nhạy được biểu diễn bằng biểu thức:

2

1S S a

Q

S  

Trong đó: a – Gia tốc của cảm biến

Q – Điện tích được tạo khi cảm biến rung với gia tốc a

S1 – Độ nhạy cơ của hệ thống khối lượng rung

S2 – Độ nhạy điện của cảm biếnGiá trị của S1, S2 được xác định như sau:

2 0

2 0

2 2

1

) 2 ( ) 1 (

2 0

2

) ( 1

Q S

Trong đó : d – Hằng số điện môi

c – Độ cứng của phần tử nhạy cảm



 1

 – Tần số tắt dưới của hệ thống cảm biến - mạch đo

Để nhận được điện áp xoay chiều tỷ lệ với gia tốc rung nhưng không phụ

thuộc vào tần số rung, cảm biến được nối song song với tụ C Trở kháng X c = 1/ωc ωc c

17

với giải tần làm việc cần có điện trở rất nhỏ ở đầu vào của khuếch đại để hạn chế giới hạn của giải tần làm việc.

Điện áp ra sau khuếch đại được tách thành hai kênh song song Một kênh gồmkhuếch đại, chỉnh lưu và chỉ thị gia tốc Kênh còn lại tín hiệu được đưa qua hai bộ tích phân và chỉnh lưu để chỉ biên độ rung

Dải tần làm việc của cảm biến và thiết bị từ 20Hz ÷ 10kHz Sai số quy đổi

±5% Với mạch đo trên thiết bị có bốn giới hạn đo gia tốc 20, 100, 400 và 2000m/s2 Bốn giới hạn đo biên độ rung: 0,05; 0,25; 1 và 5mm

3 Một số loại cảm biến áp điện đo gia tốc

Chúng ta đã từng nghe nói đến những chiếc laptop sẽ tự tắt ổ cứng (đưa đầu đọc đến vị trí an toàn) khi phát hiện rung động mạnh, hay gần gũi hơn là những chiếc iPhone mà bạn có thể chơi trò đua xe dễ dàng bằng cách nghiêng thân máy…

Đó là những ví dụ dễ thấy nhất về tầm quan trọng cũng như ứng dụng của các thiết

bị cảm biến đo gia tốc đến ngành công nghiệp điện tử

Hình 15: Mô hình endevco 751

IV CẢM BIẾN ÁP TRỞ ĐO GIA TỐC

1 Nguyên lý hoạt động

Khi vật dẫn chịu biến dạng cơ học mà điện trở của nó thay đổi, hiện tượng đó được gọi là hiệu ứng áp trở (Piezo resistive effect) Cảm biến có nguyên lý hoạt động dựa trên hiệu ứng đó gọi là cảm biến áp trở

Như ta đã biết, điện trở của một vật dẫn được biểu diễn bằng biểu thức

R=

Do chịu ảnh hưởng của biến dạng nên điệu trở của cảm biến bị thay đổi một lượng R Ta có:

= + Nếu gọi :

-19

Hình 16: Endevco mô hình

65HT ISOTRON

= - lượng biến thiên tương đối của điện trở khi bị biến dạng

= - lượng biến thiên tương đối theo chiều dài

= - lượng biến thiên tương đối theo điện trở suất

= – lượng biến thiên tương đối theo tiết diện

Ta có thể viết lại dưới dạng

= + Trong cơ học ta đã biết

-= -2( là hệ số poission) và

= cc- hệ số Bridman