Edited by Foxit Reader Copyright(C) by Foxit Corporation,2005-2010 For Evaluation Only Chơng VII cảm biến vận tốc, gia tốc rung 7.1 Cảm biến đo vận tốc 7.1.1 Nguyên lý đo vận tốc Trong công nghiệp, phần lớn trờng hợp đo vận tốc đo tốc độ quay máy Độ an toàn nh chế độ làm việc máy phụ thuộc lớn vào tốc độ quay Trong trờng hợp chuyển động thẳng, việc đo vận tốc dài thờng đợc chuyển đo tốc độ quay Bởi vậy, cảm biến đo vận tốc góc đóng vai trò quan trọng việc đo vận tốc Để đo vận tốc góc thờng ứng dụng phơng pháp sau đây: - Sử dụng tốc độ kế vòng kiểu điện từ: nguyên lý hoạt động dựa tợng cảm ứng điện từ Cảm biến gồm có hai phần: phần cảm (nguồn từ thông) phần ứng (phần có từ thông qua) Khi có chuyển động tơng đối phần cảm phần ứng, từ thông qua phần ứng biến thiên, xuất suất điện động cảm ứng xác định theo công thức: e= d dt Thông thờng từ thông qua phần ứng có dạng: (x ) = Φ F (x ) Trong ®ã x biến số vị trí thay đổi theo vị trí góc quay theo đờng thẳng, suất điện động e xuất phần ứng có d¹ng: e = −Φ dF(x) dx dx dt SuÊt điện động tỉ lệ với vận tốc cần đo - Sử dụng tốc độ kế vòng loại xung: làm việc theo nguyên tắc đo tần số chuyển động phần tử chuyển động tuần hoàn, ví dụ chuyển động quay Cảm biến loại thờng có đĩa đợc mà hoá gắn với trục quay, chẳng hạn gồm phần suốt xen kẽ phần không suốt Cho chùm sáng chiếu qua đĩa đến đầu thu quang, xung điện lấy từ đầu thu quang có tần số tỉ lệ với vận tốc quay cần đo 7.1.2 Tèc ®é kÕ ®iƯn tõ a) Tèc ®é kÕ ®iƯn tõ ®o vËn tèc gãc - 108 - - Tèc độ kế dòng chiều: Sơ đồ cấu tạo tốc độ kế dòng chiều biểu diễn h×nh 7.1 N S H×nh 7.1 Sơ đồ cấu tạo máy phát dòng chiều 1) Stato 2) R«to 3) Cỉ gãp 4) Chỉi qt Stato (phần cảm) nam châm điện nam châm vĩnh cửu, roto (phần ứng) trục sắt gồm nhiều lớp ghép lại, mặt roto xẽ rÃnh song song với trục quay cách Trong rÃnh đặt dây dẫn đồng gọi dây chính, dây đợc nối với đôi dây phụ Cổ góp hình trụ mặt có gắn đồng cách điện với nhau, nối với dây roto Hai chổi quét ép sát vào cổ góp đợc bố trí cho thời điểm chúng tiếp xúc với hai đồng đối diện Khi rô to quay, suất điện động xuất dây dẫn xác định theo biểu thức: ei = d i dt Trong di từ thông mà dây dẫn cắt qua thời gian dt: dφ i = dS c d B i = dS c B iN dSc tiết diện bị cắt kho¶ng thêi gian dt: dS c = lvdt = lrdt Trong đó: l - chiều dài dây dẫn v - vận tốc dài dây - vận tốc góc dây r - bán kính quay dây BiĨu thøc cđa st ®iƯn ®éng xt hiƯn mét d©y: e i = −ωrlB iN - 109 - SuÊt điện động ứng với nửa số dây bên phải đờng trung tính: Ep = N = − nNφ 2π N - tỉng sè d©y roto n - số vòng quay giây - từ thông xuất phát từ cực nam châm Tơng tự tính đợc suất điện động ứng với nửa số dây bên trái: E t = nN0 (7.1) Nguyên tắc nối dây nối thành hai cụm, cụm dây mắc nối tiếp với nhau, hai cụm mắc ngợc pha b) Tốc độ kế dòng xoay chiều - Máy phát đồng bộ: Sơ đồ cấu tạo tốc độ kế dòng xoay chiều kiểu máy phát đồng biểu diễn hình 7.2 Thực chất máy phát điện xoay chiều nhỏ Roto (phầm cảm) máy phát nam châm tổ hợp nhiều nam châm nhỏ Phần ứng gồm cuộn dây bố trí cách mặt stato nơi cung cấp suất điện động cảm ứng hình sin có biên độ tỉ lệ với tốc độ quay roto e = E sin Ωt (7.2) Trong ®ã E = K 1ω , Ω = K ω , K1 K2 thông số đặc trng cho máy ph¸t N N S S S N Hình 7.2 Sơ đồ cấu tạo máy phát đồng 1) Stato 2) Rôto Giá trị tính đợc theo E - Xác định từ biên độ suất điện động: Cuộn cảm ứng cã trë kh¸ng trong: Z i = R i + jL i Ω - 110 - Trong ®ã Ri, Li điện trở tự cảm cuộn dây Điện áp hai đầu cuộn ứng với tải R có giá trị: RE U= (R + R i )2 + (L i Ω )2 = RK 1ω (R + R i )2 + (K L i ω)2 (7.3) Từ biểu thức (7.3), ta thấy điện áp U hàm tuyến tính tốc độ quay Điều kiện để sử dụng máy phát nh cảm biến vận tốc R>>Zi để cho coi U E Điện áp đầu đợc chỉnh lu thành điện áp chiều, điện áp không phụ thuộc chiều quay hiệu suất lọc giảm tần số thấp Mặt khác, có mặt lọc làm tăng thời gian hồi đáp cảm biến - Xác định cách đo tần số suất điện động: phơng pháp có u điểm tín hiệu truyền xa mà suy giảm tín hiệu không ảnh hởng tới độ xác phép đo - Máy phát không đồng bộ: Cấu tạo máy phát không đồng tơng tự nh động không đồng hai pha (hình 7.3) Roto đĩa hình trụ kim loại mỏng dị từ quay tốc độ với trục cần đo, khối lợng quán tính không đáng kể Stato làm thép từ tính, bố trí hai cuộn dây, cuộn cuộn kích thích đợc cung cấp điện áp Vc có biên độ Ve tần số e ổn định Vc = Ve cos e t Ve em Hình 7.3 Sơ đồ cấu tạo máy phát không đồng 1) Cuộn kích 2) Rôto 3) Cuộn đo Cuộn dây thứ hai cuộn dây đo Giữa hai đầu cuộn xuất suất điện động em có biên ®é tØ lƯ víi tèc ®é gãc cÇn ®o: e m = E m cos(ωe t + ϕ) = kωVe cos(ωe t + ϕ) - 111 - Trong ®ã k số phụ thuộc vào kết cấu máy, độ lệch pha c) Tốc độ kế điện từ đo vận tốc dài Khi đo vận tốc dài, với độ dịch chuyển lớn vật khảo sát (> 1m) thờng chuyển thành đo vận tốc góc Trờng hợp đo vận tốc dịch chuyển thẳng nhỏ dùng cảm biến vận tốc dài gồm hai phần tử bản: nam châm cuộn dây Khi đo, phần tử đợc giữ cố định, phần tử thứ hai liên kết với vật chuyển động Chuyển động tơng đối cuộn dây nam châm làm xuất cuộn dây suất điện động tỉ lệ với vận tốc cần đo Sơ đồ cảm biến có cuộn dây di động biểu diễn hình 7.4 v S N S Hình 7.4 Cảm biến dùng cuộn dây di động 1) Nam châm 2) Cuộn dây Suất điện động xuất cuộn dây có dạng: e = πrNBv = lBv N - sè vßng dây r - bán kính vòng dây B - giá trị cảm ứng từ v - tốc độ dịch chuyển vòng dây l - tổng chiều dài dây Tốc độ kế loại đo đợc độ dịch chuyển vài mm với độ nhạy ~ 1V/m.s Khi độ dịch chuyển lớn (tới 0,5 m) ngời ta dùng tốc độ kế có nam châm di động (hình 7.5) Cảm biến gồm nam châm di chuyển dọc trục hai cuộn dây quấn ngợc chiều mắc nối tiếp Khi nam châm di chuyển, suất điện động xt hiƯn tõng cn d©y tØ lƯ víi tèc độ nam châm nhng ngợc chiều Hai cuộn dây đợc mắc nối tiếp quấn ngợc chiều nên nhận đợc suất điện động đầu khác không - 112 - v b) a) H×nh 7.5 Cảm biến có lõi từ di dộng a) Cấu tạo b) Sơ đồ nguyên lý 1) Nam châm 2) Cuộn dây 7.1.3 Tốc độ kế xung Tốc độ kế xung thờng có cấu tạo đơn giản, chắn, chịu đựng tốt môi trờng độc hại, khả chống nhiễu chống suy giảm tín hiệu cao, dễ biến đổi tín hiệu sang dạng số Tuỳ thuộc vào chất vật quay dấu hiệu mà hoá vật quay, ngời ta sử dụng loại cảm biến thích hợp - Cảm biến từ trở biến thiên: sử dụng vật quay sắt từ - Cảm biến từ điện trë: sư dơng vËt quay lµ mét hay nhiỊu nam châm nhỏ - Cảm biến quang với nguồn sáng: sử dụng vật quay có lỗ, đờng vát, mặt phản xạ a) Tốc độ kế từ trở biến thiên Cấu tạo cảm biến từ trở biến thiên gồm cuộn dây có lõi sắt từ chịu tác động nam châm vĩnh cửu đặt ®èi diƯn víi mét ®Üa quay lµm b»ng vËt liƯu sắt từ có khía Khi đĩa quay, từ trở mạch từ biến thiên cách tuần hoàn làm cho từ thông qua cuộn dây biên thiên, cuộn dây xuất suất điện động cảm ứng có tần số tỉ lệ với tốc độ quay Khe từ Hình 7.6 Sơ đồ cấu tạo cảm biến từ trở biến thiên 1) Đĩa quay (bánh răng) 2) Cuộn dây 3) Nam châm vĩnh cửu - 113 - Tần số suất điện động cuộn dây xác định biểu thức: f = pn p - số lợng đĩa n - số vòng quay đĩa giây Biên độ E suất điện động cuộn dây phụ thuộc hai yếu tố: - Khoảng cách cuộn dây đĩa quay: khoảng cách lớn E nhỏ - Tốc độ quay: Tốc độ quay lớn, E lớn Khi tốc độ quay nhỏ, biên độ E bé khó phát hiện, tồn vùng tốc độ quay đo đợc, ngời ta gọi vùng vùng chết Dải đo cảm biến phụ thuộc vào số đĩa Khi p lớn, tốc độ nmin đo đợc có giá trị bé Khi p nhỏ, tốc độ nmax đo đợc lớn Thí dụ với p = 60 răng, dải tốc độ đo đợc n = 50 - 500 vòng/phút, với p =15 dải tốc độ đo đợc 500 10.000 vòng/phút b) Tốc độ kế quang Hình 7.7 trình bày sơ đồ nguyên lý tốc độ kế quang đo tốc độ quay Nguồn sáng phát tia hồng ngoại diot phát quang (LED) Đĩa quay, đặt nguồn sáng đầu thu, có lỗ bố trí cách vòng tròn Đầu thu photodiode phototranzitor Khi đĩa quay, đầu thu chuyển mạch nguồn sáng, lỗ, nguồn phát sáng thẳng hàng Kết đĩa quay, đầu thu quang nhận đợc thông lợng ánh sáng biến điệu phát tín hiệu có tần số tỉ lệ với tốc độ quay nhng biên độ không phụ thuộc tốc độ quay Hình 7.7 Sơ đồ nguyên lý tốc độ kế quang 1) Nguồn sáng 2) Thấu kính hội tụ 3) Đĩa quay 4) Đầu thu quang Trong cảm biến quang đo tốc độ, ngời ta dùng đĩa quay có vùng phản xạ ánh sáng bố trí tuần hoàn vòng tròn để phản xạ ánh sáng tới đầu thu quang - 114 - Phạm vi tốc độ đo đợc phụ thuộc vào hai yếu tố chính: - Số lợng lỗ đĩa - Dải thông đầu thu quang mạch điện tử Để đo tốc độ nhỏ (~ 0,1 vòng/phút) phải dùng đĩa có số lợng lỗ lớn (500 1.000 lỗ) Trong trờng hợp đo tốc độ lớn ( ~ 105 - 106 vòng/phút) phải sử dụng đĩa quay lỗ, tần số ngắt mạch điện xác định tốc độ cực đại đo đợc 7.1.4 Máy đo góc tuyệt đối Máy đo góc tuyệt đối gồm hai phần: phần động gắn liền với trục quay chứa cuộn sơ cấp đợc kích thích b»ng sãng mang cã tÇn sè - 10 kHz qua máy biến áp quay (hình 7.8a) Phần tĩnh có hai dây quấn thứ cấp (cuộn sin cuộn cos) ®Ỉt lƯch 90o sin sin t cos U0sinωt cos UU0sintsin t UU0sintcos a) b) Hình 7.8 Sơ đồ nguyên lý máy đo góc tuyệt đối Khi trục quay, đầu hai dây quấn thứ cấp ta thu đợc hai tín hiệu điều biên UU0sintsin UU0sintcos (hình 7.8b) Đờng bao biên độ kênh tín hiệu chứa thông tin vị trí tuyệt đối (góc ) roto máy đo tức vị trí tuyệt đối trục quay Có hai cách xử lý thông tin thu đợc Cách thứ hiệu chỉnh sửa sai góc thu đợc đợc sở so sánh góc với số vi mạch sẵn có Các vi mạch cho tín hiệu góc dạng số với độ phân giải 10 - 16 bit/1vòng tốc độ quay dạng tơng tự Độ phân giải phơng pháp phụ thuộc vào thông số mạch điều chỉnh - 115 - Cách thứ hai, có chất lợng cao hơn, dùng hai chuyển đổi tơng tự - sè ®Ĩ lÊy mÉu trùc tiÕp tõ ®Ønh tÝn hiƯu điều chế Trong trờng hợp cần đồng chặt chẽ thời điểm lấy mẫu khâu tạo tín hiƯu kÝch thÝch - 10 kHz sau ®ã dïng lọc để chuyển xung hình chữ nhật thành tín hiệu kích thích hình sin Độ phân giải phép đo dùng máy đo góc tuyệt đối hoàn toàn phụ thuộc vào độ phân giải chuyển đổi tơng tù sè Khi biÕt gãc quay tut ®èi θ, lÊy đạo hàm ta nhận đợc tốc độ góc cần đo 7.1.5 Đổi hớng kế Đổi hớng kế đợc gắn vào vật chuyển động để đo tốc độ góc vật Hai dạng đổi hớng kế thờng dùng là: đổi hớng kế học dùng quay hồi chuyển, đổi hớng kế quang dùng laze cáp quang dựa tợng truyền sóng ánh sáng a) Đổi hớng kế dïng quay håi chuyÓn Con quay håi chuyÓn gåm roto lắp khung động đợc quay quanh trục YY với tốc độ lớn (~104vòng/phút) nhờ ®éng c¬ X Z’ Y’ X’ ω Z Y Hình 7.9 Sơ đồ nguyên lý đổi h−íng kÕ dïng quay håi chun 1) Con quay hồi chuyển 2) Khung động 3) Lò xo 4) Điện kế Tốc độ quay cần đo theo trục ZZ vuông góc với trục YY làm xuất ngÉu lùc Cg tØ lƯ víi ω theo h−íng X’X vuông góc với hai trục YY ZZ có xu hớng làm cho khung động quay hồi chuyển quay theo Ngẫu lực Cg đợc cân ngẫu lực đàn hồi Cr hai lò xo gây nên có giá trị tỉ lệ với góc quay khung trạng thái cân bằng: - 116 - Cg = Cr (7.4) víi Cr = kα (k lµ hƯ số đàn hồi lò xo) Cg = H ( H mômen động học rôto) Thay giá trị vào công thức (7.4) ta có công thức xác định góc : = H k (7.5) Góc quay α cđa khung ®éng cđa quay håi chun tØ lệ với vận tốc góc cần đo Để tiện cho xử lý, góc quay đợc chuyển đổi thành tín hiệu điện nhờ điện kế Các thông số máy đo nh sau: - Dải đo từ ± 7o/s ®Õn ± 360o/s - Sai lƯch khái ®é tuyến tính < 1,5% dải đo b) Đổi hớng kế quang Đổi hớng kế quang gồm nguồn phát chùm tia laze (1), cuộn dây sợi quang (2) có chiều dài L quấn thành vòng bán kính R quay với cïng vËn tèc gãc ω víi vËt quay Hình 7.10 Sơ đồ nguyên lý đổi hớng kế quang dùng laze cáp quang 1) Nguồn phát laze 2) Cáp quang 3) Bản phân tách 4) Đầu thu Chïm tia xuÊt ph¸t tõ nguån ph¸t (1) qua phân tách (3) tạo thành hai chùm tia truyền theo hai hớng ngợc sợi cáp quang Khi khỏi cáp, quảng đờng truyền sóng khác nhau, hai tia lệch pha nhau, độ lệch pha hai chïm tia b»ng: ∆Φ = πRLω λc (7.6) λ - b−íc sãng tia laze - 117 - c - vận tốc ánh sáng Trên đầu thu (4) ta thu đợc hệ vân giao thoa hai chùm tia Bằng cách đếm số vân giao thoa Z bị dịch chuyển cáp quang quay, ta tính đợc tốc ®é quay theo c«ng thøc: ∆Z = LRω λc (7.7) 7.2 Cảm biến rung gia tốc 7.2.1 Khái niệm a) Dải gia tốc phơng pháp đo gia tốc Theo nguyên lý học, gia tốc đại lợng vật lý thể mối quan hệ lực khối lợng Phép đo gia tèc cã thĨ thùc hiƯn qua viƯc ®o lùc (cảm biến áp điện, cảm biến cân ngẫu lực) đo gián tiếp thông qua biến dạng hay di chun cđa vËt trung gian T theo møc gia tốc dải tần tợng khảo sát ngời ta phân biệt dải gia tốc sau: - Đo gia tốc chuyển động khối lợng đó, chuyển động trọng tâm giữ tần số tơng đối thấp (từ đến vài chục Hz), giá trị gia tốc nhỏ Các cảm biến thờng dùng cảm biến gia tốc đo dịch chuyển cảm biến gia tốc đo biến dạng - Đo gia tốc rung cấu trúc cứng cấu trúc có khối lợng lớn, tần số rung đạt tới hàng trăm Hz Cảm biến gia tốc thờng dùng cảm biến từ trở biến thiên, đầu đo biến dạng kim loại áp điện trở - Đo gia tốc rung mức trung bình dải tần tơng đối cao (~10kHz), thờng gặp vật có khối lợng nhỏ Cảm biến gia tốc sử dụng loại áp trở áp điện - Đo gia tốc va đập, thay đổi gia tốc có dạng xung Cảm biến gia tốc sử dụng loại có dải thông rộng hai phía tần số thấp tần số cao Cảm biến đo gia tốc cảm biến chuyển động không cần có điểm mốc, chúng khác với cảm biến dịch chuyển đo dịch chuyển vật ngời ta phải đo chuyển động tơng ®èi cđa vËt ®ã so víi mét vËt kh¸c cè định lấy làm mốc b) Chuyển động rung phơng pháp đo Đo độ rung công nghiệp có tầm quan trọng đặc biệt lý do: - Nhằm khống chế biên độ rung để tránh gây tiến ồn có hại cho sức khoẻ - 118 - - Hạn chế mức rung giới hạn cho phép để đảm bảo độ an toàn cho công - Rung động liên quan đến trạng thái mài mòn bền mỏi chi tiết khí trình máy móc Đo độ rung giúp cho ngời quản lý nắm đợc tình trạng mòn chi tiết từ có kế hoạch bảo dỡng, sửa chữa kịp thời Độ rung đợc đặc trng độ dịch chuyển, tốc độ gia tốc điểm vật rung Bởi đo rung động ngời ta đo đặc trng Cảm biến rung cảm biến dịch chuyển, cảm biến tốc độ cảm biến gia tốc nhng mô tả nguyên lý hoạt động chúng mô hình hệ học có bậc tự nh trình bày hình 7.11 Cảm biến gồm phần tử nhạy cảm (lò xo, tinh thể áp điện ) nối với khối lợng rung đợc đặt chung vỏ hộp Chuyển động rung khối lợng M tác động lên phần tử nhạy cảm cảm biến đợc chuyển thành tín hiệu ®iƯn ë ®Çu z M b’ b a h h0 Hình 7.11 Sơ đồ nguyên lý cảm biến đo gia tốc rung 1) Khối rung 2) Vỏ hộp 3) Phần tử nhạy cảm 4) Giảm chấn Gọi h0 tung độ điểm a vỏ hộp, h tung độ điểm b khối lợng rung Khi gia tốc tác động lên vỏ hộp tung độ a b Dịch chuyển tơng đối khối lợng M so với vỏ hộp xác định biểu thức: z = h h0 (7.8) Khi phơng trình cân lùc cã d¹ng: d2h dz M = − F Cz dt dt Cz - phản lực lò xo F dz - lùc ma s¸t nhít dt - 119 - M d2h - lùc gia tèc cña khối M gây nên dt Hay: M d2h0 d2z dz = M + F + Cz 2 dt dt dt (7.9) Tõ c«ng thøc (7.9), ta nhËn thÊy cấu tạo cảm biến để đo đại lợng sơ cấp m1 (độ dịch chuyển h0, vận tốc dh0/dt gia tốc d2h0/dt2) phụ thuộc vào đại lợng đợc chọn để làm đại lợng đo thứ cấp m2 (z, dz/dt d2z/dt2) dải tần số làm việc Dải tần số làm việc định số hạng vế phải phơng trình chiếm u (Cz, Fdz/dt Md2z/dt2) Trên thực tế cảm biến thứ cấp thờng sử dụng là: - Cảm biến đo vị trí tơng đối khối lợng rung M so với vỏ hộp - Cảm biến đo lực cảm biến đo biến dạng - Cảm biến đo tốc độ tơng đối Dùng toán tử laplace (p) mô tả hoạt động cảm biÕn rung b»ng biÓu thøc sau: − Mp h = Mp z + Fpz + Cz Hc: − p ω02 z = h0 p2 p + 2ξ +1 ω0 ω0 Víi: ω0 = ξ= C = 2f0 tần số riêng M lò xo có độ cứng C M F hệ số tắt dần CM Độ nhạy cảm biến tính tỉ số đại lợng điện đầu s đại lợng đo sơ cấp m1 S= m s s = = S S m1 m1 m Trong ®ã: - 120 - S1 = m2 độ nhạy đại lợng đo sơ cấp m1 S2 = s độ nhạy cảm biến thứ cấp m2 7.2.2 Cảm biến đo tốc độ rung Sơ đồ cảm biến đo tốc độ rung trình bày hình 7.12 M b b Hình 7.12 Sơ đồ nguyên lý cảm biến đo vận tốc rung 1) Vỏ hộp 2) Khèi rung 3) Lâi nam ch©m 4) Cuén d©y 5) Lò xo 6) Giảm chấn Trong cảm biến loại này, đại lợng đo sơ cấp m1 tốc độ rung dh0/dt, đại lợng đo thứ cấp m2 dịch chuyển tơng đối z Độ nhạy sơ cấp S1 xác định bëi biÓu thøc: S1 = m2 − p / ω02 z = = m1 ph p p + +1 0 Để tiện lợi sử dụng, ngời ta sử dụng đại lợng đo thứ cấp m2 tốc độ dịch chuyển tơng đối dz/dt Việc chuyển đổi tốc độ tơng đối khối lợng rung so với vỏ hộp thành tín hiệu điện thực cảm biến vị trí tơng đối kiểu điện từ gồm cuộn dây lõi nam châm Cuộn dây gắn với khối lợng rung, lõi nam châm đặt bên cuộn dây gắn với vỏ cảm biến Bằng cách đo suất điện động cuộn dây đánh giá đợc tốc độ rung cần đo Một điều cần quan tâm sử dụng cảm biến loại phản ứng cảm biến thứ cấp chuyển động khối lợng rung thể thông qua phản lực f = B.l.i tác động lên cuộn dây cuộn dây chuyển động tõ tr−êng c¶m øng - 121 - B Gi¶ thiÕt bỏ qua trở kháng cuộn dây L, phản lực f tỉ lệ với tốc độ tơng đối: f = (Bl ) dz R dt Lùc chống lại chuyển động khối lợng rung, làm thay đổi hệ số tắt dần chuyển động 7.2.3 Gia tốc kế áp điện a) Cấu tạo nguyên lý hoạt động Cấu tạo chung gia tốc kế áp điện gồm khối lợng rung M phần tử áp điện đặt giá đỡ cứng, toàn đợc đặt vỏ hộp kín Thông thờng cần phải đo gia tốc theo hai hớng dọc theo trục nhạy cảm Tuỳ thuộc vào chất lực tác dụng (nén, kéo cắt) cảm biến phải có phận khí tạo ứng lực học đặt trớc lên phần tử áp điện để mở rộng dải đo gia tốc theo hai chiều Trên hình 7.13 trình bày sơ đồ cấu tạo gia tốc kế áp điện kiểu nén Hình 7.13 Sơ đồ cấu tạo gia tốc kế áp điện kiểu nén 1) Khối lợng rung 2) Phiến áp điện 3) Đai ốc 4) Đế 5) Vỏ hộp Cảm biến loại có tần số cộng hởng cao, kết cấu chắn, nhạy với ứng lực đế Sơ đồ cấu tạo gia tốc kế kiểu uốn cong trình bày hình 7.14 Phần tử áp điện cảm biến gồm hai phiến áp điện mỏng dán với nhau, đầu gắn cố định lên vỏ hộp cảm biến, đầu gắn với khối lợng rung Cảm biến loại cho độ nhạy cao nhng tần số gia tốc rung đo đợc bị hạn chế - 122 - M Hình 7.14 Sơ đồ cấu tạo gia tốc kế áp điện kiểu uốn cong 1) Khối lợng rung 2) Phiến áp điện 3) Vỏ hộp b) Đặc trng cảm biến Độ nhạy ®−ỵc biĨu diƠn bëi biĨu thøc: S= Q = S 1S a Trong ®ã: a - gia tèc cđa cảm biến Q - điện tích đợc tạo cảm biến rung với gia tốc a S1 - độ nhạy hệ thống khối lợng rung S2 - độ nhạy điện cảm biến Giá trị S1 S2 xác định nh sau: S1 = S2 = z = a ω02 Q = dC z ⎛ ω2 ⎞ ⎛ ⎞ ⎜1 − ⎟ + ⎜ 2ξ ω ⎟ ⎜ ⎜ ω ⎟ ω0 ⎟⎠ ⎠ ⎝ ⎝ ⎛ω ⎞ 1+ ⎜ ⎟ ⎝ ω⎠ Trong ®ã: d - h»ng sè điện môi c - độ cứng phần tử nhạy cảm = - tần số tắt dới hệ thống cảm biến - mạch đo 7.2.4 Gia tốc kế áp trở Cấu tạo chung gia tốc kế áp trở gồm mỏng đàn hồi đầu gắn với giá đỡ, đầu gắn với khối lợng rung, có gắn từ đến áp trở - 123 - mắc mạch cầu Wheatstone Dới tác dụng gia tốc, đàn hồi bị uốn cong, gây nên biến dạng đầu đo cách trực tiếp gián tiếp qua khuếch đại Trên hình 7.15 giới thiệu sơ đồ nguyên lý cảm biến gia tốc áp trở e M b G L F H×nh 7.15 Sơ đồ nguyên lý cảm biến gia tốc áp trở 1) Khối rung 2) Tấm đàn hồi 3) áp trở 4) Đế Độ nhạy cảm biến đợc biĨu diƠn b»ng biĨu thøc: ε V S = S 1S = m a - Độ nhạy điện cầu Wheatstone S1: đầu đo có biến dạng nên điện áp Vm đầu đo bằng: Vm = e s R = e s Kε R Suy ra: S = Ke s Trong đó: es - điện áp nuôi cầu (10 - 15 V) K - hệ số đầu đo áp trở R - điện trở đầu đo - Độ nhạy S1 hệ thống khí xác ®Þnh theo biĨu thøc: S1 = A ω02 ⎛ ω2 ⎞ ⎞ ⎛ ⎜1 − ⎟ + ⎜ 2ξ ω ⎟ ⎟ ⎜ ⎜ ω ⎟ ⎝ Giá trị A phụ thuộc vào kết cấu hệ chịu uốn, ví dụ với cảm biến cho hình 7.15: - 124 - Edited by Foxit Reader Copyright(C) by Foxit Corporation,2005-2010 For Evaluation Only ω0 = A = 1,5 Yle L3 M be L3 Trong Y môđun Young - 125 - ... cảm biến gia tốc đo biến dạng - Đo gia tốc rung cấu trúc cứng cấu trúc có khối lợng lớn, tần số rung đạt tới hàng trăm Hz Cảm biến gia tốc thờng dùng cảm biến từ trở biến thiên, đầu đo biến dạng... trình chiếm u (Cz, Fdz/dt Md2z/dt2) Trên thực tế cảm biến thứ cấp thờng sử dụng là: - Cảm biến đo vị trí tơng ®èi cđa khèi l−ỵng rung M so víi vá hép - Cảm biến đo lực cảm biến đo biến dạng -. .. điện trở - Đo gia tốc rung mức trung bình dải tần tơng đối cao (~10kHz), thờng gặp vật có khối lợng nhỏ Cảm biến gia tốc sử dụng loại áp trở áp điện - Đo gia tốc va đập, thay đổi gia tốc có dạng