GIỚI THIỆU CẢM BIẾN GIA TỐC SEISMIC ACCELEROMETER SENSOR 8340 Nhóm 4: Phạm Đức Sáng Nguyễn Ngọc Đĩnh Lê Văn Chỉnh Bùi Văn Huỳnh Bùi Văn Hoàng Đinh Văn Dụng I Mở đầu: Gia tốc chuyển động thành phần quan trọng thông số động học như: vị trí, vận tốc, gia tốc, tốc độ biến thiên gia tốc Mỗi thông số lại có liên hệ tuyến tính với thông số cạnh nó.Bởi thế, tất thông số động học lấy từ thông số.Ví dụ như, gia tốc lấy qua đạo hàm vận tốc tương ứng tích phân tốc độ biến thiên gia tốc.Tương tự thế, vận tốc lấy từ đạo hàm vị trí tương ứng tích phân gia tốc.Trong thực tế, sử dụng rộng rãi tích phân đem đến kết tốt có nhiễu có tắt dần Có hai kỹ thuật đo gia tốc: phương pháp đo trực tiếp qua gia tốc kế đặc biệt phương pháp gián tiếp đạo hàm vận tốc.Khả ứng dụng kỹ thuật phụ thuộc vào dạng chuyển động (chuyển động thẳng, tròn, chuyển động cong) trạng thái cân dao động Với chuyển động thẳng chuyển động cong, người ta ưu tiên dung phương pháp đo gia tốc kế trực tiếp Tuy nhiên, người ta thường đo gia tốc góc phương pháp đo gián tiếp Gia tốc thông số quan trọng cho mục đích đo độ dịch chuyển tuyệt đối, dao động, đo độ shock Với mục đích vậy, có nhiều loại gia tốc kế với tính dải đo rộng nhằm đáp ứng yêu cầu ứng dụng đa dạng, chủ yếu lĩnh vực: Các ứng dụng thương mại - ôtô, tàu, dụng cụ, thể thao Các ứng dụng công nghiệp - robot, điều khiển máy móc, kiểm tra dao động, đo đạc Các ứng dụng có độ tin cậy cao - quân sự, không gian, hàng không, đo động đất, chấn động, dao động, phép đo shock I Tổng quan loại cảm biến gia tốc: Một gia tốc kế gồm khối lượng di chuyển tự dọc trục đo bên vỏ Công nghệ chế tạo gia tốc kế dựa nhiều vào sở phân chia chúng theo nhiều cách, loại khí hay điện, chủ động hay bị động, độ lệch hay vị trí cân không, Loại thường dùng đo dao động hay shock thường dạng độ lệch, mà dùng chúng phép đo chuyển động phương tiện, máy bay, mục đích định hướng ta dùng loại độ lệch hay vị trí cân không Các loại gia tốc kế đề cập : + Gia tốc kế áp điện + Gia tốc kế áp trở + Cảm biến đo rung động Do cảm biến SEISMIC ACCELEROMETER SENSOR 8340 thuộc loại gia tốc kế áp điện nên sâu vào loại gia tốc kế áp điện II Giới thiệu chung loại gia tốc kế: Gia tốc kế áp trở: Nguyên tắc chung: Khối lượng rung cần đo gia tốc gắn với mỏng đàn hồi có từ đến đầu đo áp trở mạch cầu wheststone Dưới tác dụng gia tốc, đàn hồi uốn cong gây lên biến dạng đầu đo cách trực tiếp gián tiếp thông qua khuếch đại Độ nhạy cảm biến: S=S2.S1 = Độ nhạy cầu wheatstone S2: đầu đo chịu biến dạng | |, điện áp đầu đầu đo bằng: Vm = es = es.K.ɛ  S2 = = K.es • es : điện áp nuôi cầu (10 -15 V ) • K: hệ số đầu đo áp trở (50 – 100 ) • R: điện trở đầu đo (30 – 500 Ω) - - Độ nhạy S1 hệ thống khí Giá trị A ω0 rút từ quan điểm cảm biến lực uốn ví dụ trên: Gia tốc kế đo độ rung: Một số lí khiến độ rung công nghiệp quan trọng: • • • Giới hạn biên độ rung động để tránh gây tiếng ồn nguy hại đến sức khỏe Mức rung động có hại cho công trình thời gian sống hiệu suất thiết bị Rung động làm thay đổi phổ tần dẫn đến trạng thái mài mòn mỏi chi tiết khí đo gia tốc độ rung khiến người quản lí có kế hoạch bảo dưỡng phòng ngừa hỏng hóc thiết bị Một số đặc điểm độ rung : • • • Độ rung đặc trưng độ dịch chuyển, tốc độ gia tốc điểm xác định vật rung Bởi đo rung động vật người ta đo đặc trưng độ rung Đo gia tốc rung cấu trúc cứng cấu trúc có khối lượng lớn cần phải dùng cảm biến có dải tần tới hàng trăm Hz đồng thời phải cho phép đo tốc độ không đổi gần không đổi với giảm rung thích hợp Đo gia tốc rung mức trung bình dải tần tương đối cao (~ 10kHz) thường tiến hành vật có khối lượng nhỏ nên đòi hỏi cảm biến gia tốc phải có độ xác cao, sử dụng loại áp trở áp điện, cấp xác 1/100 Nguyên lý cảm biến rung động Cảm biến rung động hình thành từ cảm biến dịch chuyển, cảm biến tốc độ cảm biến gia tốc Cảm biến gồm phận khí nối với khối lượng rung tất đặt chung hộp Chuyển động rung khối lượng M chuyển thành tín hiệu điện đại lượn thứ cấp m2 cần đo Có thể xem hệ hệ khí có bậc tự do: h0 - tung độ điểm a vỏ hộp h- tung độ điểm b khối lượng rung Khi gia tốc tác dụng, b độ cao với a Gọi z độ dịch chuyển tương đối khối M so với vỏ: Z= h- h0 F Khi phương trình cân phản lực Cz, lực ma sát nhớt Md h lực dt gia tốc khối lượng M gây nên có dạng: Md h III dz dt dt = −F dz − Cz dt Gia tốc kế áp điện: Các gia tốc kế áp điện sử dụng rộng rãi với mục đích đo gia tốc , shok dao động Chúng chuyển đổi truyền động với tín hiệu lớn kích thước tương đối nhỏ chúng nguồn tự tạo không cần cấp nguồn bên ngoài.Chúng hoạt động tần số tự nhiên cao, thích hợp cho ứng dụng tần số cao phép đo xung động a Cấu tạo Cấu tạo chung gia tốc kế áp điện gồm khối lượng rung M phần tử ápđiện đặt giá đỡ cứng toàn đặt vỏ hộp kín Hai loại tinh thể áp điện thường sử dụng gốm lead-zirconate titanate (PZT) tinh thể thạch anh Chúng vật liệu tự sinh điện sản sinh điện tích lớn tuỳ theo kích thước chúng Hệ số biến dạng áp điện PZT gấp khoảng 150 lần so với thạch anh.Theo đó, PZT nhạy nhỏ nhiều so với thạch anh.Các gia tốc kế dùng ứng dụng tần số cao Tần số ban đầu vào khoảng 100 Hz Các thiết bị đáp ứng chiều V gia tốc kế áp điện có cản trở khí tương đối thấp, ảnh hưởng chúng lên chuyển động thành phần cấu trúc không đáng kể b Nguyên lý hoạt động  Cảm biến áp điện hoạt động dựa theo hiệu ứng áp điện vật liệu điện môi  Hiệu ứng áp điện: Tín hiệu điện tạo vật liệu điện môi áp lực học Khi áp chuyển động biến đổi vào gia tốc kế, tinh thể chịu lực kích thích biến đổi (F = ma), gây nên điện tích q tỷ lệ hình thành ngang qua Nên: q = d F = d ma  Dưới tác dụng lực học F, tấp áp điện bị biến dạng làm xuất cực vật liệu áp điện lượng điện tích trái dấu Hiệu điện cực tỉ lệ thuật với F c Cách ghép áp điện Trong nhiều trường hợp áp điện ghép thành theo cách ghép nối tiếp song song a) theo chiều dọc c) theo bề dày b) theo chiều ngang d) theo bề mặt 3.4 Các dạng gia tốc áp điện thường gặp Trong gia tốc kế áp điện, hai cấu hình thiết kế sử dụng: dạng ứng suất nén ứng suất trượt Trong gia tốc kế dạng nén, tinh thể giữ dạng nén phần tử có tải trọng đặt trước; dao động thay đổi ứng suất dạng nén Trong gia tốc dạng ứng suất trượt, dao động đơn giản làm biến dạng tinh thể dạng trượt.Các gia tốc kế dạng nén có khối lượng tương đối tốt cho tỷ lệ độ nhạy từ hoạt động tốt hơn.Nhưng, v vỏ làm việc phần hệ thống lo xo - khối lượng, sinh mặt phân cách giả tạo đầu gia tốc kế kích thích xung quanh tần số tự nhiên Sơ đồ cấu tạo gia tốc kế áp điện kiểu nén Khối lượng rung Phiến áp điện Đai ốc Đế Vỏ hộp - Cảm biến loại có tần số cộng hưởng cao, kết cấu chắn nhạy với ứng lực đế Sơ đồ cấu tạo gia tốc kế kiểu uốn cong khối lượng rung Phiến áp điện Vỏ hộp Phần tử áp điện cảm biến gồm phiến áp điện mỏng dán với nhau, đầu gắn cố định lên vỏ hộp cảm biến, đầu gắn với khối lượng rung Cảm biến loại cho độ nhạy cao tần số gia tốc rung đo bị hạn chế IV Giới thiệu SEISMIC ACCELEROMETER SENSOR 8340 Các tính chính: + Đo gia tốc, chấn động + Độ nhạy cao, 1V/ms-2 (10V/g) + Nhiễu thấp + Trở kháng đầu thấp + Lớp vỏ làm thép không gỉ thích hợp với môi trường làm việc bên + Có đế cách điện b Mô tả: 8340 loại gia tốc kế áp điện hình vòng khuyên.Cảm biến sử dụng công nghệ FFT với 800 điểm, độ phân giải cao.Đầu đo a đặc biệt MIL-C-5015 với độ nhạy cao tỷ lệ nhiễu hợp lý để thực phép đo kết cấu lớn, tần số thấp 8340 hoạt động dải tần từ 5Hz đến 1500Hz 3.3 Bảng thông số chi tiết 8340: Thiết kế mạch đo V - - Mạch sử dụng mạch khuếch đại điện tích với trở đầu vào lớn, sau đến mạch tích phân ( cho thông số vận tốc độ dịch chuyển ) Tiếp mạch lọc thông thấp lọc thông cao giúp mạch điều chỉnh giải tần hoạt động cho phù hợp Và cuối mạch chỉnh lưu xác Tín hiệu đưa vào kênh ADC0 10bit chip Atemega Sau đưa hình LCD16x2 Trong mạch đo trên, quan trọng mạch khuếch đại điện tích: Từ sơ đồ mạch ta có điện áp tính theo công thưc sau: Trong VI Sq độ nhạy điện tích Q điện tích gia tốc kế sinh C = Ca+Cc+Cp R=1/Ra +1/Rc +1/Rp Cũng thấy: + Độ nhạy gia tốc kế bị giảm tùy thuộc vào độ dài cáp nối ỨNG DỤNG Đo độ rung động phần quan trọng thiết kế kỹ thuật kiểm nghiệm thiết bị môi trường làm việc Việc phân tích độ rung công nghiệp giúp cho việc bảo trì chủ động tang độ tin cậy cho máy móc Ví dụ việc đo rung động sứ cách điện xây dựng cột điện cao áp: [...]... trọng nhất chính là mạch khuếch đại điện tích: Từ sơ đồ mạch ta có điện áp ra được tính theo công thưc sau: Trong đó VI Sq là độ nhạy điện tích Q là điện tích do gia tốc kế sinh ra C = Ca+Cc+Cp R=1/Ra +1/Rc +1/Rp Cũng có thể thấy: + Độ nhạy của gia tốc kế bị giảm tùy thuộc vào độ dài của cáp nối ỨNG DỤNG 1 Đo độ rung động là 1 phần rất quan trọng của thiết kế kỹ thuật cũng như kiểm nghiệm thiết bị trong...Thiết kế mạch đo V - - Mạch sử dụng mạch khuếch đại điện tích với trở đầu vào rất lớn, sau đó đến mạch tích phân ( tại đây có thể cho ra các thông số về vận tốc hoặc độ dịch chuyển ) Tiếp đó là mạch lọc thông thấp và lọc thông cao giúp mạch có thể điều chỉnh được giải tần hoạt động cho phù hợp Và cuối cùng là mạch chỉnh lưu chính xác Tín hiệu ra được đưa vào ... loại gia tốc kế đề cập : + Gia tốc kế áp điện + Gia tốc kế áp trở + Cảm biến đo rung động Do cảm biến SEISMIC ACCELEROMETER SENSOR 8340 thuộc loại gia tốc kế áp điện nên sâu vào loại gia tốc kế... áp trở áp điện, cấp xác 1/100 Nguyên lý cảm biến rung động Cảm biến rung động hình thành từ cảm biến dịch chuyển, cảm biến tốc độ cảm biến gia tốc Cảm biến gồm phận khí nối với khối lượng rung... đầu gắn với khối lượng rung Cảm biến loại cho độ nhạy cao tần số gia tốc rung đo bị hạn chế IV Giới thiệu SEISMIC ACCELEROMETER SENSOR 8340 Các tính chính: + Đo gia tốc, chấn động + Độ nhạy cao,