tiểu luận CHƯƠNG 5 cảm biến tốc độ đo tốc độ QUAY của ĐỘNG cơ

CHƯƠNG 5

Cảm Biến Tốc Độ
— NHÓM 5 —


NỘI DUNG CHÍNH
1. ĐO TỐC ĐỘ QUAY CỦA ĐỘNG CƠ
2. TỐC ĐỘ KẾ SỢI QUANG
3. GIA TỐC KẾ SỢI QUANG
4. ĐỔI HƯỚNG KẾ SỢI QUANG
5. ĐỔI HƯỚNG KẾ CON QUAY HỒI CHUYỂN
6. CẢM BIẾN TỐC ĐỘ QUAY THẠCH ANH
7. ỨNG DỤNG CON QUAY HỒI CHUYỂN ĐIỀU KHIỂN CHUỘT
8. GIA TỐC KẾ RUNG
9. GIA TỐC KẾ ĐIỆN DUNG
10. GIA TỐC KẾ ÁP TRỞ
11. GIA TỐC KẾ ÁP ĐIỆN


01

ĐO TỐC ĐỘ QUAY CỦA ĐỘNG
CƠ
Trình bày – Lê Danh Mạnh


1. ĐO TỐC ĐỘ QUAY CỦA ĐỘNG CƠ
KHÁI NIỆM
+ Thể hiện mức độ thay đổi vị trí của đối tượng
+ Là một đại lượng vecto : có hướng và độ lớn

NGUYÊN LÍ ĐO :
+ Dựa vào cảm ứng điện từ
+ Dựa vào sai lệch di chuyển
+ Dựa vào dịch chuyển Doppler
+ Chuyển từ vận tốc tuyến tính sang vận tốc góc


1. ĐO TỐC ĐỘ QUAY CỦA ĐỘNG CƠ

Vai trò đo vận tốc:
•

Trong cơng  nghiệp, phần lớn trường hợp đo vận tốc là đo tốc độ quay của máy.

•

Độ an tồn, chế độ làm việc của máy phụ thuộc rất lớn vào tốc độ quay. 

•

Trong trường hợp chuyển động thẳng, việc đo vận tốc dài cũng thường được chuyển về
đo tốc độ quay.

•

Do vậy, các cảm biến đo vận tốc góc đóng vai trị quan trọng trong việc đo vận tốc.


Các phương pháp đo vận tốc
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 thơng) và
phần ứng (phần có từ thơng 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). 

●

 Các loại: Tốc độ kế một chiều, tốc độ kế xoay chiều…

●

Sức điện động cảm ứng:

●

Từ thông qua phần ứng:

●

e( t )  

d
dt

x  động.

 0 F x 
F(x) là hàm phụ thuộc vị trí của 
phần
e( t )    0 .

dF( x )
dF( x ) dx
  0 .
.
dt
dx dt


Các phương pháp 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 hố
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…


02

TỐC ĐỘ KẾ SỢI QUANG
Trình bày – Huỳnh Văn Phú


2. TỐC ĐỘ KẾ SỢI QUANG

Tốc độ kế laser hiệu ứng Doppler là dụng cụ đo
tốc độ của các đối tượng bằng các truyền dẫn
hoặc bằng phản xạ . Dải đo rộng từ 10-6 – 105
m/s. Phép đo không làm thay đổi chuyển động
của hệ.
Nguyên lý: Chiếu sáng đối tượng cần đo tốc độ
bằng một lưới các vân sáng, ánh sáng khuếch tán
từ đối tượng tuân theo hiệu ứng Doppler nghĩa là
tấn số của nó khác với tần số ánh sáng nguồn. Độ
lệch tần số này phụ thuộc vào tốc độ của vật.


2. TỐC ĐỘ KẾ SỢI QUANG
Trường hợp đo tốc độ dịng chảy nên cho vào dịng chảy các hạt
có kích thước đủ nhỏ để không ảnh hưởng đến tốc độ dòng chảy,
các hạt này sẽ khuếch tán ánh sáng khi có nguồn cắt qua. Tín
hiệu quang do các hạt phát ra được điều biến bằng các vân tối,
sáng với tần số tỷ lệ với tốc độ dòng chảy.
Tần số điều biến ánh sáng do các hạt khuếch tán f=|V|/y
•

|V| thành phần tốc độ của các hạt vng góc với vân sáng

•

y khoảng cách các vân sáng


2. TỐC ĐỘ KẾ SỢI QUANG
Theo một phương pháp khác hạt cắt qua một trong hai tia sáng không song song đến từ một nguồn

laser He-Ne. Ta nhận được hai tia khuếch tán từ hạt, mỗi tia được đặc trưng bằng một tần số
Doppler. Giao thoa cảu hai tia này tạo nên một phách tần số f suy ra biên độ nhưng không cho biết
chiều chuyển động
Khắc phục bằng cách sử dụng hai tốc kế vng góc, ta đã biết hai thành phần tốc độ do vậy ta có
thể xây dựng vetor V
Ta cũng có thể điều pha ϕ của một trong hai tia ở tốc độ dϕ/dt nhờ khối Bragg. Các vân lệch pha với
tốc độ V0

Ánh sáng bị điều biến ở tấn số

Ta chọn dϕ/dt sao cho V0 luôn lớn hơn biên độ vận tốc V của các hạt


2. TỐC ĐỘ KẾ SỢI QUANG
Một diode laser có thể sử dụng trước khối laser Bragg dùng để điều biến dòng phát. Các sợi
quang phối hợp với diode quang tạo nên thiết bị đo tốc độ hoàn chỉnh

a) Chùm tia chiếu qua vật thể đo vận
tốc bắng hệ thống quang học thông
thường

b) Chia chùm tia bằng bộ
ghép nối quang


ỨNG DỤNG
• Nghiên cứu dịng chảy: đo vận tốc
dịng nước, kiểm tra khí dộng học
máy bay, tên lửa,..
• Tự động hóa : đo vận tóc bang

chuyền
• Y tế: định lượng một phần lưu
lượng máu trong các mô của con
người như da, nền mắt
• Ngồi ra cịn được ứng dụng trong
qn sự, dẫn đường hiệu chuẩn và
đo lường


03

GIA TỐC KẾ SỢI QUANG
Trình bày – Huỳnh Văn Phú


3. GIA TỐC KẾ SỢI QUANG
Gia tốc kế sợi quang sử dụng giao
thoa sợi quang có độ nhạy cao
nhất.
Gia tốc cần đơ tác dộng vào một
hệ có khối lượng khoảng 1 gam,
một phần tử treo đàn hồi giữa hai
sợi quang dài 1 cm tạo nên hai
nhánh của một giao thoa kế
Michelson hoặc Mach-Zehndes.
Nếu gia tốc sặt trên trục các sợi lực
quán tính sự sai khác bước giữa
hai sợi
b) Đường cong độ nhạy,
c) quan hệ tần số cộng hưởng và

khối lượng vật treo

a) Nguyên lý


3. GIA TỐC KẾ SỢI QUANG
Gia tốc kế hai cuộn dây sơi quang phân các bằng một ngăn chứa đầy chất lỏng.Mỗi cuộn dây là một
nhánh của giao thoa kế. Khi ngăn được gia tốc dọc theo trục đối xứng của nó, áp suất vi sai sinh ra trong
chất lỏng được truyền vào các sợi quang và tạo nên các bước sóng khác nhau
Ứng dụng: theo dõi chấn động của các thiết bị, cho biết tính trạng cân bằng kém để khắc phục, trong y
tế ứng dụng để lường màn nhĩ,..

Gia tốc kế hai cuộn sợi quang


04

ĐỔI HƯỚNG KẾ
CON QUAY HỒI CHUYỂN
Trình bày – Phan Bá Rôn


3. ĐỔI HƯỚNG KẾ CON QUAY HỒI CHUYỂN
Con quay hồi chuyển gồm một roto lắp trên một khung động và được quay quanh trục Y’Y với tốc độ lớn
(~104vòng/phút) nhờ một động cơ.
Tốc độ quay ω cần đo theo trục Z’Z vng góc với trục Y’Y làm xuất hiện một ngẫu lực Cg tỉ lệ với ω
theo hướng X’X vuông góc với hai trục Y’Y và Z’Z có xu hướng làm cho khung động của con quay hồi
chuyển quay theo.
Ngẫu lực Cg được cân bằng bởi ngẫu lực đàn hồi Cr của hai lị xo gây nên có giá trị tỉ lệ với góc quay α
của khung. Ở trạng thái cân bằng: Cg =Cr với Cr = kα (k là hệ số đàn hồi của lò xo) và Cg = ωH ( H là

mômen động học của rôto). Thay các giá trị vào cơng thức trên ta có cơng thức xác định góc α:


3. ĐỔI HƯỚNG KẾ CON QUAY HỒI CHUYỂN

Góc quay α của khung động của con quay hồi chuyển
tỉ lệ với vận tốc góc ω cần đo.
Để tiện cho xử lý, góc quay α được chuyển đổi thành
tín hiệu điện nhờ một điện thế
kế.
Các thơng số của máy đo như sau:
• Dải đo từ ± 7o/s đến ± 360o/s.
• Sai lệch khỏi độ tuyến tính <± 1,5% của dải đo.


05

ĐỔI HƯỚNG KẾ SỢI QUANG
Trình bày – Phan Bá Rơn


5. ĐỔI HƯỚNG KẾ SỢI QUANG
Đổi hướng kế quang gồm nguồn phát chùm tia laze (1), cuộn dây sợi quang (2) có chiều dài L quấn thành
vịng bán kính R quay với cùng vận tốc góc ω với vật quay. 


5. ĐỔI HƯỚNG KẾ SỢI QUANG
Chùm tia xuất phát từ nguồn phát (1) qua bản phân tách (3) tạo thành hai chùm tia truyền theo hai hướng
ngược nhau trong sợi cáp quang. Khi ra khỏi cáp, do quảng đường truyền sóng khác nhau, hai tia lệch
pha nhau, độ lệch pha giữa hai chùm tia bằng:

λ - bước sóng tia laze
c - vận tốc ánh sáng.
Trên đầu thu (4) ta thu được hệ vân giao thoa của hai chùm tia. Bằng cách đếm
số vân giao thoa ΔZ bị dịch chuyển do cáp quang quay, ta có thể tính được tốc độ quay theo công thức:


06

CẢM BIẾN TỐC ĐỘ QUAY
THẠCH ANH
Trình bày – Phan Thanh Trường


6.CẢM BIẾN TỐC ĐỘ QUAY THẠCH ANH
Việc sử dụng phần tử dao động để đo tốc độ quay ứng dụng nguyên lý Coriolis đã được biết từ 50 năm
nay. Cảm biến tốc độ thạch anh QRS (Quartz Rate Sensor) được sử dụng có kết quả trong thực tế vì có
kích thước nhỏ, tiêu thụ công suất bé.
Các con quay hồi chuyển kích thước lớn thời gian sử dụng cỡ vài trăm giờ được dùng cho mục đích quân
sự và dẫn đường máy bay. Cảm biến tốc độ quay thạch anh có kích thước cỡ miếng thạch anh trong đồng
hồ thạch anh có cấu gồm hai phần : phần quay và cảm nhận.

Cảm biến thạch anh quay


6.CẢM BIẾN TỐC ĐỘ QUAY THẠCH ANH
Phần quay tác động chính xác như một chạc quay có kích thước nhỏ. Mỗi chạc có khối lượng và tốc độ
hướng kính biến thiên hình sin. Khi quay ổn định mơmen động của hai chạc bằng khơng và khơng có năng
lượng truyền từ các chạc vào đế. Để duy trì chạc quay cần cơng suất 6µW. Khi chạc quay quanh trục đối
xứng, lực Coriolis ảnh hưởng tới hệ thống được tính theo cơng thức :

m là khối lượng chạc
w tốc độ góc
V, tốc độ hướng kính.
Vì tốc độ hướng kính của chạc là hình sin, đối với hai chạc là bằng nhau và ngược chiều do đó lực Coriolis
bằng nhau và ngược chiều sinh ra mômen dao động của để tỉ lệ với tốc độ góc đầu vào. Phần cảm biến
cảm nhận lực tỷ lệ với tốc độ quay, do đó khi các chạc cảm biến khơng chuyển động QRS phát hiện góc
quay bằng không. Khi cảm biến quay xuất hiện điện áp tỷ lệ với tốc độ quay, điện áp này được khuếch đại
và xử lý. Cảm biến QRS có thời gian sử dụng trung bình 100.000 giờ, được sử dụng trong kỹ thuật đo
lường và điều khiển.