Tài liệu CẢM BIẾN ĐO VẬN TỐC, GIA TỐC VÀ RUNG ppt

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
3. 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:
•
Trong công nghiệp, phần lớn trường hợp
đo vận tốc là đo tốc độ quay của máy.
•
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:
•
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).
•
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.
⇒
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
N
S
2
3
4
1) Stato 2) Rôto 3) Cổ góp 4) Chổi quét
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
d
e ω−=
Φ
−=
00p
.N.n.N.
2
E Φ−=Φ
π
ω
−=
00t
.N.n.N.
2
E Φ=Φ
π
ω

=
1.2. Tốc độ kế điện từ
b) Tốc độ kế dòng xoay chiều

Loại đồng bộ:
1) Stato 2) Rôto
1
2
N
S
N
N
S
S
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 .K
2
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.R
V
Ω+=>> .L.jRZR
iii
EV
≈→

Phi tuyến
1.2. Tốc độ kế điện từ

Loại không đồng bộ:
ω
1
3
2
em
1. Cuộn kích
2. Rôto
3. Cuộn đo
•
Rôto làm bằng kim loại dị từ quay cùng trục quay.
•
Stato: có hai cuộn dây: cuộn kích và cuộn đo
•
Điện áp kích thích Vc = Ve.cosωet.
Vc
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. Đĩa quay (bánh răng)
2. Cuộn dây
3. Nam châm vĩnh cửu
3
2
1
Khe từ
(δ)
ω
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. Nguồn sáng 2. Thấu kính hội tụ
3. Đĩa quay 4. Đầu thu quang
1
2
3
4
1
2
3
4
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:
•
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.
•
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:
b
b’
h
h0
M
a
1
2
3
4
z
1. Khối rung
2. Vỏ hộp
3. Phần tử nhạy cảm
4. Giảm chấn
2.1. Nguyên lý & phương pháp đo
•
Phương trình cân bằng lực:

⇒
Mô tả bằng toán tử laplace:
Cz
dt
dz
F
dt
zd
M
dt
hd
M
2
2
2
0
2
++=−
0
hhz
−=
Cz
dt
dz
F
dt
hd
M
2

2
−−=
Với
1
p
2
p
p
h
z
0
2
0
2
2
02
0
+
ω
ξ+
ω
ω−
=
(*)
0
f2
M
C
π==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.