Chương 7 Cảm biến đo vận tốc, gia tốc và rung

Chương 7 CẢM BIẾN ĐO VẬN TỐC, GIA TỐC VÀ RUNG 1. Cảm biến đo vận tốc 1.1. Nguyên lý đo 1.2. Tốc độ kế điện từ 1.3. Tốc độ kế xung 2. Cảm biến đo rung và gia tốc 2.1. Nguyên lý đo 2.2. Cảm biến đo tốc độ rung 2.3. Gia tốc kế áp điện 2.4. Gia tốc kế áp trở 1.1. Nguyên lý đo vận tốc Vai trò đo vận tốc quay: v Trong công nghiệp, phần lớn trường hợp đo vận tốc là đo tốc độ quay của máy. v Trong trường hợp chuyển động thẳng, việc đo vận tốc dài cũng thường được chuyển về đo tốc độ quay. ⇒ Chủ yếu nghiên cứu cảm biến đo tốc độ quay. 1.1. Nguyên lý đo vận tốc Nguyên lý đo vận tốc quay: v Phương pháp 1 (sử dụng tốc độ kế điện từ): Dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ. Cảm biến gồm có hai phần: phần cảm (nguồn từ thông) và phần ứng (phần có từ thông đi qua). Khi có chuyển động tương đối giữa phần cảm và phần ứng → từ thông (Φ) đi qua phần ứng biến thiên → trong phần ứng xuất hiện suất điện động cảm ứng (e) ∈ tốc độ biến thiên (Φ) → ∈ tốc độ dịch chuyển. Đo (e) → (v). v Các loại: Tốc độ kế một chiều, tốc độ kế xoay chiều… 1.1. Nguyên lý đo vận tốc • Sức điện động cảm ứng: • Từ thông qua phần ứng: F(x) là hàm phụ thuộc vị trí của phần động. ⇒ ( ) ( )xFx 0Φ=Φ dt d)t(e Φ−= dt dx. dx )x(dF. dt )x(dF.)t(e 00 Φ−=Φ−= 1.1. Nguyên lý đo vận tốc • Phương pháp 2 (Sử dụng tốc độ kế vòng loại xung): làm việc theo nguyên tắc đo tần số chuyển động của phần tử chuyển động quay. Cảm biến có một đĩa được mã hoá gắn với trục quay, ứng với một chuyển dịch cơ bản → xung. Tần số xung tỉ lệ với tốc độ cần đo. • Các loại: Tốc độ kế từ trở biến thiên, tốc độ kế quang… 1.2. Tốc độ kế điện từ a) Tốc độ kế điện từ một chiều: Cấu tạo và nguyên lý làm việc: 1.2. Tốc độ kế điện từ • Rôto: lõi thép kỹ thuật điện ghép từ nhiều tấm, mặt ngoài xẻ rãnh và đặt các dây dẫn chính.Các dây dẫn chính của nối với nhau thành cặp bằng dây phụ và mắc nối tiếp hai cụm, hai cụm mắc ngược pha nhau. • Stato: nam chân vĩnh cửu hoặc nam châm điện. 1.2. Tốc độ kế điện từ • Khi rô to quay, trong dây dẫn → sđđ cảm ứng: • Trong nửa số dây ở bên phải đường trung tính: • Trong nửa số dây ở bên trái đường trung tính: iN i i B.l.r.dt de ω−=Φ−= 00p .N.n.N.2 E Φ−=Φ pi ω −= 00t .N.n.N.2 E Φ=Φ pi ω = 1.2. Tốc độ kế điện từ b) Tốc độ kế dòng xoay chiều Loại đồng bộ: 1.2. Tốc độ kế điện từ • Khi rôto (phần cảm) quay, trong các cuộn dây của stato (phần ứng) xuất hiện s.đ.đ. cảm ứng: K1 và K2 là các thông số phụ thuộc cấu tạo của máy phát. ⇒ Đo E hoặc Ω→ ω. tsin.Ee Ω= ω= .KE 1 ω=Ω .K2 1.2. Tốc độ kế điện từ • Đo E ⇒ ω: có sai số do ảnh hưởng của tổng trở cuộn ứng và suy giảm tín hiệu khi truyền đi xa. Điện áp V ở hai đầu cuộn ứng: Khi điện trở tải (tổng trở của cuộn ứng) . Đo Ω→ ω: có thể truyền tín hiệu đi xa không ảnh hưởng đến độ chính xác. ( ) ( ) ( ) ( ) →ω++ ω = Ω++ = 2 i2 2 i 1 2 i 2 i .LKRR K.R .LRR E.RV Ω+=>> .L.jRZR iii EV ≈→ Phi tuyến 1.2. Tốc độ kế điện từ Loại không đồng bộ: 1. 2. 3. • • • 1.2. Tốc độ kế điện từ • Khi rô to quay, trong cuộn đo xuất hiện s.đ.đ cảm ứng: Biên độ s.đ.đ cảm ứng Em = K.ω (K: hệ số tỉ lệ). Đo Em ⇒ ω. ( ) ( )ϕ+ωω=ϕ+ω= tcos..Ktcos.Ee eemm 1.3. Tốc độ kế xung 1.3.1. Tốc độ kế từ trở biến thiên a) Cấu tạo và nguyên lý làm việc: 1. 2. 3. 1.3.1. Tốc độ kế từ trở biến thiên • Khi đĩa quay → khe hở δ biến thiên → từ trở mạch từ biến thiên → Φ qua cuộn dây biến thiên → trong cuộn dây xuất hiện s.đ.đ cảm ứng (e) có tần số (f) tỉ lệ với tốc độ quay (n): pnf = (p – số răng của đĩa) 1.3.1. Tốc độ kế từ trở biến thiên b) Đặc điểm: • Biên độ (E) của s.đ.đ cảm ứng phụ thuộc: khoảng cách giữa cuộn dây - đĩa quay và tốc độ quay (δmin↓, n↑ → E↑). Với n≤nmin nhất định E quá bé không thể đo được → vùng chết. • Dải đo của cảm biến phụ thuộc vào số răng (p) của đĩa: p lớn → nmin nhỏ, p nhỏ → nmax lớn. Ví dụ: p = 60 răng → dải đo n = 50 ÷ 500 vg/ph, p = 15 răng → dải đo n = 500 ÷ 10.000 vg/ph. 1.3.2. Tốc độ kế quang a) Cấu tạo và nguyên lý làm việc: 1. 1.3.2. Tốc độ kế quang b) Đặc điểm: • Phạm vi đo phụ thuộc: + Số lượng lỗ trên đĩa. + Dải thông của đầu thu quang và mạch điện tử. Để đo tốc độ nhỏ (~ 0,1 v/ph) phải dùng đĩa có số lượng lỗ lớn (500 ÷ 1.000 lỗ). với tốc độ lớn (~ 105 - 106 v/ph) 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. 2. Cảm biến đo rung và gia tốc 2.1. Nguyên lý và phương pháp đo: a) Gia tốc: Gia tốc là đại lượng vật lý thể hiện mối quan hệ giữa lực và khối lượng. Phép đo gia tốc có thể thực hiện qua việc đo lực (cảm biến áp điện, cảm biến cân bằng ngẫu lực) hoặc đo gián tiếp thông qua sự biến dạng hay di chuyển của vật trung gian. Phương pháp đo gia tốc phụ thuộc dải gia tốc. 2.1. Nguyên lý & phương pháp đo Dải gia tốc và phương pháp đo: v Gia tốc nhỏ của chuyển động có dao động trọng tâm tần số thấp (f = 0 ÷ ~20 Hz) → CB gia tốc đo dịch chuyển và CB gia tốc đo biến dạng. v Gia tốc rung có f ≈ hàng trăm Hz (của các cấu trúc cứng,có M lớn…) → CB từ trở biến thiên, CB đo biến dạng (kim loại hoặc áp điện trở). 2.1. Nguyên lý & phương pháp đo • Gia tốc rung có (f) trung bình và tương đối cao (f~10kHz) (vật có khối lượng nhỏ) → CB gia tốc áp trở hoặc áp điện. • Gia tốc khi va đập, gia tốc tốc có dạng xung → CB gia tốc có dải thông rộng về cả hai phía f thấp và cao. 2.1. Nguyên lý & phương pháp đo b) Rung động (Rung): • Rung động là hiện tượng thường gặp trong kỹ thuật,ảnh hưởng rất lớn đến tính năng làm việc, độ an toàn và tuổi thọ của máy móc, thiết bị. • Độ rung được đặc trưng bởi độ dịch chuyển (z), tốc độ (v) hoặc gia tốc (a) ở các điểm trên vật rung. ⇒ Đo rung: đo một trong những đặc trưng trên. ⇒CB đo rung: CB đo dịch chuyển, CB đo tốc độ hoặc cảm biến đo gia tốc. 2.1. Nguyên lý & phương pháp đo c) Sơ đồ nguyên lý cảm biến đo gia tốc và rung: 1. 2. 3. 4. 2.1. Nguyên lý & phương pháp đo • Phương trình cân bằng lực: ⇒ Mô tả bằng toán tử laplace: Cz dt dzF dt zdM dt hdM 2 2 2 0 2 ++=− 0hhz −=Czdt dzF dt hdM 2 2 −−= Với 1p2p p h z 0 2 0 2 2 02 0 + ω ξ+ ω ω− = (*) 0f2M C pi==ω →Tần số riêng. CM2 F =ξ →HS tắt dần 2.1. Nguyên lý & phương pháp đo • Từ công thức (*) ⇒ cấu tạo của cảm biến để đo đại lượng sơ cấp m1 (độ dịch chuyển h0, vận tốc dh0/dt hoặc gia tốc d2h0/dt2) phụ thuộc vào đại lượng được chọn để làm đại lượng đo thứ cấp m2 (z, dz/dt hoặc d2z/dt2) và dải tần số làm việc. 2.1. Nguyên lý & phương pháp đo • Cảm biến thứ cấp thường sử dụng: + Cảm biến đo vị trí tương đối của khối lượng rung M so với vỏ hộp. + Cảm biến đo lực hoặc cảm biến đo biến dạng. + Cảm biến đo tốc độ tương đối. • Hệ số khuếch đại: 21 21 2 1 s.s m s. m m m sS === 2.2. Cảm biến đo tốc độ rung a) Cấu tạo & nguyên lý làm việc: 1. 2. 3. 4. 5. 6. • Đại lượng đo sơ cấp m1 là tốc độ rung dh0/dt. • Đại lượng đo thứ cấp m2 là dịch chuyển tương đối z hoặc tốc độ dịch chuyển tương đối dz/dt. 2.2. Cảm biến đo tốc độ rung b) Đặc điểm: • Kết cấu đơn giản. • Sai số do lực cản của cuộn dây CB thứ cấp. • Tín hiệu ra là điện áp. • Đo rung tần số thấp. 2.3. Gia tốc kế áp điện a) Cấu tạo và nguyê lý làm việc: Kiểu nén: 1. 2. 4. Đế 2.3. Gia tốc kế áp điện Kiểu uốn cong: 1.2. 3. 2.3. Gia tốc kế áp điện b) Đặc điểm: Kiểu nén: v Có tần số cộng hưởng cao. v Kết cấu chắc chắn. v Nhạy với ứng lực của đế. Kiểu uốn cong: v Độ nhạy rất cao v Tần số và gia tốc rung đo được bị hạn chế. 2.3. Gia tốc kế áp điện c) Độ nhạy: • Độ nhạy của CB sơ cấp: • Độ nhạy của CB thứ cấp: 21 S.Sa QS == 2 0 2 0 2 2 0 1 21 1 a zS     ω ωξ+    ω ω −ω == 2 0 2 1 1dC z QS    ω ω + == a - gia tốc Q - điện tích S1 - độ nhạy cơ. S2 - độ nhạy điện d - hằng số điện môi. c - độ cứng của p.tử nhạy cảm. ω=1/τ - tần số tắt dưới của hệ thống cảm biến - mạch đo. 2.4. Gia tốc kế áp trở a) Cấu tạo và nguyên lý làm việc: 2.4. Gia tốc kế áp trở b) Độ nhạy: • Độ nhạy cơ: • Độ nhạy điện của cầu Wheatstone: 21 mm S.SV. aa VS = ε ε ==     ω ωξ+    ω ω − ω = ε = 0 2 2 0 2 21 .21 1.A a S 3L be5,1A = s sm 2 e.K .e.KVS = ε ε = ε = K – hệ số đầu đo es – điện áp nuôi cầu ML4 Yle 3 3 0 =ω Y - môddun Joung