Chapter 6 shock and vibration measurement

1
Vibration, Shock & Acceleration Measurement
Instructor: Nguyễn Ngọc Văn
Hà Nội, 05/2013
Introdution
 Độ dịch chuyển (displacement), vận tốc (velocity) và gia tốc (acceleration)
là các thông số của chuyển động.
 Có thể xác định được các thông số của chuyển động như vị trí (position),
vận tốc, gia tốc, độ giật (jerk) từ một thông số biết trước. Ví dụ, có thể xác
định gia tốc bằng cách lấy đạo hàm của vận tốc theo thời gian hoặc lấy
tích phần của độ giật (jerk). Tương tự, có thể thu được vận tốc bằng cách
lấy đạo hàm của độ dịch chuyển hoặc tích phân của gia tốc.
 Gia tốc là một thông số quan trọng trong phép đo chuyển động tuyệt đối,
độ rung (vibration) và va đập (shock). Có nhiều loại gia tốc kế khác nhau
với nhiều dải đo được sử dụng trong các lĩnh vực:
2
 Các ứng dụng thương mại: xe ô tô, tàu thủy, các thiết bị gia dụng, thể thao
…
 Các ứng dụng công nghiệp: Robotics, điều khiển máy móc, kiểm tra độ
rung, các thiết bị đo đạc.
 Các ứng dụng có độ tin cậy cao: quân sự, công nghiệp hàng không và vũ
trụ, khảo sát địa chấn, đo độ nghiêng, va đập, rung.
 Một đơn vị của gia tốc rung chính là gia tốc trọng trường (g = 9,8 m/s
2
hay 32,3 ft/sec
2
).
 Theo phương pháp đo, có thể chia gia tốc kế làm 2 loại:
 Đo trực tiếp bằng các gia tốc kế chuyên dùng.
 Đo gián tiếp bằng cách đo tốc độ rồi lấy đạo hàm theo thời gian.
 Khả năng ứng dụng của những phương pháp này tùy thuộc dạng chuyển

động (chuyển động thẳng – rectilinear; chuyển động góc – angular hoặc
chuyển động theo đường cong – curvilinear motion).
 Đối với chuyển động thẳng hoặc cong, người ta thường sử dụng
phương pháp trực tiếp để đo gia tốc. Tuy nhiên, gia tốc góc thì lại
thường được đo bằng phương pháp gián tiếp.
 Tầm quan trọng của việc đo độ rung:
 Giới hạn độ rung, tránh gây tiếng ồn có hại cho sức khỏe.
 Tránh gây mài mòn, hư hại cho thiết bị, công trình.
 Giúp người quản lý có kế hoạch bảo dưỡng, phòng ngừa hỏng hóc
thiết bị.
3
 Với kích thước nhỏ gọn, trọng lượng nhẹ, bền với môi trường công
nghiệp, gia tốc kế có thể là loại sensor tích cực (active) hoặc thụ động
(passive). Gia tốc kế loại tích cực (ví dụ gia tốc kế áp điện) cho tín hiệu
ra mà không cần nguồn cấp bên ngoài, trong khi loại bị động thì cần
phải được cấp nguồn (tính chất điện của sensor thay đổi).
 Việc lựa chọn gia tốc kế là loại tích cực hay thu động rất quan trọng
trong ứng dụng cụ thể, các sensor tích cực không thể đo được ở chế độ
tĩnh hoặc chế độ một chiều. Để đo gia tốc tĩnh, cần phải dùng sensor thụ
động.
 Nhìn chung, gia tốc kế được quan tâm hơn các sensor đo độ dịch
chuyển hoặc tốc độ rung vì những lý do sau:
 Dải tần hoạt động rất rộng.
 Lực phá hủy kết cấu hoặc thiết bị thường liên quan trực tiếp đến gia tốc
rung thay vì tốc độ hoặc li độ rung.
 Có thể đo rung động hoặc va đập trong thời gian ngắn dễ dàng hơn so với
việc đo tốc độ hoặc độ dịch chuyển.
 Độ dịch chuyển cũng như tốc độ rung có thể xác định tương đối đơn giản
nhờ lấy tích phân gia tốc. Trong các mạch điện tử, mạch tích phân thường
được dùng phổ biến hơn mạch vi phân.

4
 Một số loại gia tốc kế:
 1. Seismic (Inertial)
 2. Piezoelectric
 3. Piezoresistive and strain gages
 4. Electromechanical
 5. Capacitive and electrostatic
 6. Micro- and nanosensors
 7. Velocity sensors
 8. Noncontact proximity sensors
 9. Mechanical switches
 10. Optical sensors
Acceleration as a Phenomenon & dynamic characteristics
 Gia tốc thẳng (hình a) - Rectilinear acceleration:
 
2
2
0
/
lim
t
d ds dt
v dv d s
a
t dt dt dt
 

   

 Gia tốc góc (hình b) - Angular acceleration:

 
2
2
0
/
lim
t
d d dt
d d
a
t dt dt dt

  
 

   

 Gia tốc trong chuyển động cong (hình c) - Curvilinear acceleration:
2 2 2
2 2 2
dv d x d y d z
a i j k
dt dt dt dt
   
 Với i, j, k là các
vector đơn vị
5
Accelerometer operation principle
 Hoạt động của gia tốc kế có thể được mô tả bằng thiết bị đo gia tốc một bậc tự
do bao gồm một vật nặng, lò xo và một bộ giảm chấn (damper). Trong trường

hợp hệ nhiều bậc tự do (multi-degrees-of-freedom systems), có thể áp dụng biểu
thức mô tả chuyển động cong kết hợp với sử dụng nhiều bộ chuyển đổi để tạo ra
các sensor chuyển đổi một trục (uniaxial), hai trục (biaxial) hoặc ba trục
(triaxial).
 Nếu hệ một bậc tự do đáp ứng tuyến tính theo thời gian với quy luật bất
biến, có thể mô tả chuyển động của vật trong hệ khối quán tính – lò xo
bằng một phương trình vi phân bậc 2:
 
2
2
d x dx
f t m c kx
dt dt
  
 Trong đó f(t) là lực tác động theo thời gian, m là khối lượng của khối quán
tính, c là hệ số ma sát nhớt và k là hệ số đàn hồi của lò xo.
 Phần đế của gia tốc kế được gắn với chuyển động cần khảo sát. Khi
phần đế chuyển động, khối quán tính cũng dao động. Nếu kể tới ảnh
hưởng chuyển động của phần đế thì biểu thức trên trở thành:
2 2
1
2 2
cos
d z dz d x
m c kz mg m
dt dt dt

   
6
 Trong đó z = x

2
– x
1
là chuyển động tương đối giữa khối quán tính và phần
đế, x
1
là li độ chuyển động của phần đế, x
2
là li độ chuyển động của khối
quán tính và θ là góc hợp bởi trục của sensor và phương của trọng lực.
 Áp dụng nguyên lý xếp chồng (superposition principle) và biến đối
Laplace, ta được:
 
 
2
1
X s
cs k
F s ms
  
 
 
 
2 2
/ 2 / 1
n n
X s
K
F s
s s

  

 
 Trong đó s là toán tử Laplace, K = 1/k là độ nhạy tĩnh (static sensitivity)
/
n
k m


là tần số riêng (rad/s) - undamped critical frequency
 
/ 2c km


là hệ số tắt dần - damping ratio
Vibration & shock
 Độ rung (vibration) có thể được thể hiện dưới dạng độ dịch chuyển
(displacement), tốc độ (velocity) hay gia tốc (acceleration). Chuyển
động rung có thể tuân theo quy luật biết trước, có thể ngẫu nhiên.
 Trong các thiết bị chuyển động quay, sự hao mòn các bộ phận cơ
thường gây ra rung động. Có thể kiểm tra tuổi thọ của các bộ phận cơ
khí bằng thiết bị đo độ rung. Dải tần số rung trong các thiết bị như máy
nén, turbine và các máy điện quay thường nằm trong khoảng từ 10 ÷
2000 Hz hoặc cao nhất cũng chỉ từ 1 ÷ 20000 Hz. Biên độ rung phụ
thuộc vào cấu trúc của bộ phận quay. Đối với các máy điện quay vận
hành êm, biên độ rung chỉ khoảng 0,01 g. Với các hộp số tốc độ cao
biên độ rung có thể lên đến 100 g ở tần số 5000 Hz hoặc cao hơn. Khi
va đập, biên độ rung có thể đạt tới 100000 g.
 Nếu thiết bị đo (tốc độ hoặc gia tốc) được gá lên bề mặt của đối tượng
đo thì giá trị đọc là độ rung tuyệt đối của đối tượng so với 1 điểm cố

định trong không gian.
7
 Nếu khối lượng của đối tượng quay (và do đó, tần số cộng hưởng) bị
ảnh hưởng do việc gắn thiết bị đo lên đối tượng thì có thể khoan một lỗ
xuyên qua housing của ổ đỡ. Một đầu đo tiệm cận không tiếp xúc có thể
phát hiện chuyển động tương đối giữa trục và ổ đỡ. Hạn chế của
phương pháp này là nếu trục và ổ đỡ đều rung do các bu lông liên kết
(tie-down bolts) bị lỏng thì cảm biến tiệm cận không thể phát hiện được.
 Mạch điện tử của thiết bị đo có thể là loại tích hợp hoặc tách rời. Nếu
thiết kế mạch điện tử tích hợp thì giá thành thấp hơn, ít bị ảnh hưởng
bởi nhiễu hơn nhưng bị hạn chế bởi nhiệt độ làm việc và khả năng chịu
rung. Ưu điểm chính của các sensor tích cực là không cần nguồn kích
thích nhưng nhược điểm chính là chúng là không phù hợp để đo gia tốc
không đổi, ví dụ như đo gia tốc trong các máy li tâm (centrifuge).
Periodic Vibrations
 Đối với chuyển động rung có quy luật, chuyển động của đối tượng được
lặp lại và có thể được mô tả bởi hàm điều hòa:
 
sin
p
x t X t


 Trong đó x(t) là độ dịch chuyển theo thời gian
 ω = 2πft là tần số góc
 X
p
là biên độ chuyển động so với điểm tham chiếu.
 Tốc độ rung và gia tốc rung tương ứng là:
     

cos sin / 2
p p
dx
v t X t V t
dt
   
   
     
2
2
2
sin sin
p p
dv d x
a t X t A t
dt dt
   
     

Như vậy, tốc độ rung nhanh pha hơn li độ một góc 90
0
nhưng chậm
pha hơn gia tốc rung một góc 90
0
.
8
 Trong tự nhiên, chuyển động rung có thể là loại tuần hoàn nhưng không
nhất thiết là dạng điều hòa. Tuy nhiên, một hàm tuần hoàn có thể được
phân tích thành tổng các hàm điều hòa theo phân tích Fourier:
     

 
0 1 1 1 2 2 2
sin sin
sin
n n n
x t X X t X t
X t
 

      
  
 Số số hạng trong phân tích Fourier trên càng lớn thì độ chính xác càng
cao. Những số hạng này tạo thành phổ tần (frequency spectrum).
Chuyển động rung có thể được mô tả trên miền thời gian (time domain)
hoặc trên miền tần số (frequency domain).
Stationary Random Vibrations
 Chuyển động rung loại ngẫu nhiên, dừng (tại chỗ):
 Chuyển động rung ngẫu nhiên là loại thường gặp trong tự nhiên gồm các
chu kỳ chuyển động không theo quy luật và không lặp lại tuyệt đối chính
xác. Theo lý thuyết, để mô tả chuyển động rung, cần những thông tin về
chuyển động trong khoảng thời gian vô hạn. Tuy nhiên, có thể sử dụng lý
thuyết xác suất thống kê để phân tích thông qua các thời điểm trích mẫu.
Có thể sử dụng các công cụ toán học như phân bố xác suất (probability
distributions), mật độ xác suất (probability densities), phổ tần (frequency
spectra), tương quan chéo (cross-correlations), tự tương quan (auto-
correlation), biến đổi Fourier số (digital Fourier transforms – DFTs), biến
đổi Fourier nhanh (fast Fourier transforms – FFTs), phân tích phổ tự động
(auto-spectral-analysis), giá trị căn quân phương (root-mean-square
values) và digital filter analysis.
9

Nonstationary Random Vibrations
 Chuyển động rung loại ngẫu nhiên, không dừng.
 Trong trường hợp này, tính chất thống kê của chuyển động rung thay đổi
theo thời gian. Các phương pháp như tính trung bình theo thời gian và các
kỹ thuật thống kê có thể được sử dụng.
Transients and Shocks
 Những chuyển động rung xảy ra đột ngột trong thời gian ngắn (transient)
có thể xem là dạng va đập và có thể miêu tả dưới dạng lực, gia tốc, tốc độ
hoặc li độ rung. Trong trường hợp va đập ngẫu nhiên, có thể sử dụng
phương pháp thống kê và biến đổi Fourier FFTs để phân tích.
Seismic (inertial) sensors
 Vỏ sensor được gắn vào nguồn gây rung. Khi hệ thống rung, khối quán tính có
xu hướng duy trì vị trí cũ của nó và chuyển động rung có thể phân tích qua độ
dịch chuyển tương đối giữa khối lượng rung và vỏ sensor.
 Bằng cách lựa chọn hợp lý khối lượng rung, lò xo, bộ giảm chấn, thiết bị có thể
sử dụng để đo gia tốc rung hoặc li độ rung. Nhìn chung, một khối quán tính lớn
kết hợp với một lò xo mềm là thích hợp để đo độ dịch chuyển trong khi một khối
quán tính nhỏ kết hợp với lò xo có độ cứng cao thường sử dụng để đo gia tốc.
10
 Tuy nhiên, thiết bị đo dạng này thường sử dụng để đo rung chấn ở mức
độ thấp trên mặt đất hoặc công trình kiến trúc.
 Để mô tả đáp ứng của một gia tốc kế quán tính (seismic accelerometer),
từ định luật 2 Newton có thể thiết lập được biểu thức:
2
2 2 1
2 1
2
cos
d x dx dx
m c kx c kx mg

dt dt dt

    
 Trong đó x
1
là độ dịch chuyển của vỏ sensor, x
2
là độ dịch chuyển của
khối lượng rung, c là hằng số vận tốc, θ là góc hợp bởi trục sensor và
trọng lực và k là độ cứng của lò xo. Biến đổi biểu thức trên ta được:
2 2
1
2 2
cos
d z dz d x
m c kz mg m
dt dt dt

   
 Trong đó z = x
2
- x
1
là độ dịch chuyển tương đối giữa khối lượng rung và đế.
 Biểu thức trên được thiết lập với giả định rằng lực cản của bộ giảm chấn
chỉ tỷ lệ với vận tốc.
 Nếu x
1
biến đổi theo quy luật hình sin
thì:

   
1 0 1
sinx t X t


2
1
0 1
2
2
1 1
2
sin
cos sin
d x
m mX t
dt
d z dz
m c kz mg ma t
dt dt

 
 
    
Với:
2
1 0 1
a mX



11
 Trong đó là tần số riêng (natural frequency) của khối quán
tính.
 là hệ số tắt dần (damping ratio)
 là góc pha
 Và
 
 
 
 
 
1 1
2
1 1
1 1
2
2
2 2
cos sin
sin
cos
1 2
n
n
mg ma t
z
k
k m jc
a t
mg

z
r r
 
 



 
 
 
 
  
 
/
n
k m


 
/ 2 hay c/c
c
c km


 
2
1 1
arctan /c km
 
 

 
 
1
/
n
r
 

Nghiệm của phương trình vi phân trên có dạng:
Piezoelectric Sensors
 Sensor áp điện là cảm biến
tích cực (self-generating), rất
lý tưởng để đo rung động và
va đập. Với tín hiệu ra lớn và
kích thước tương đối nhỏ gọn,
có thể đo được rung chấn với
tần số rất cao nên sensor áp
điện rất phù hợp trong những
ứng dụng cao tần và đo va
đập (shock).
 Phần tử nhạy cảm (sensing element) được kẹp giữa vỏ thiết bị và khối
quán tính (thường là vônfram). Do khối quán tính có khối lượng không đổi,
lực tác dụng vào phần tử cảm biến chỉ tỷ lệ bậc nhất với gia tốc (F = ma).
Piezoelectric sensor.
12
 Nếu phần tử cảm biến là tinh thể thạch anh hoặc muối chì-zirconate-
titanate (PZT), điện tích sinh ra tỷ lệ với lực tác dụng và do đó tỷ lệ với
gia tốc(nếu là PZT thì điện tích sinh ra gấp thạch anh khoảng 150 lần).
 Điện lượng q sinh ra được xác định bởi:
q = d

ij
F = d
ij
ma
Với d
ij
là hệ số áp điện của vật liệu.
 Hàm truyền của hệ thống có thể được mô tả gần đúng bằng hàm bậc 3:
 
 
 
 
0
2 2 2
1 / 2 / 1
q
n n n
K s
e s
a s
C s s s

    

  
 Với K
q
là hằng số áp điện có liên quan đến điện tích.
 τ là hằng số thời gian và s là toán tử Laplace. Cần chú ý rằng bản thân
tinh thể áp điện không có hằng số thời gian mà hằng số thời gian được

xác định khi gia tốc kế được nối với mạch đo.
 Đáp ứng thấp tần chính xác cần τ lớn. Có thể đạt được điều này bằng
cách sử dụng mạch khuếch đại điện áp với trở kháng cao. Ở tần số rất
thấp, nhiệt độ có thể ảnh hưởng nghiêm trọng đên đặc tính vận hành.
 Trong các gia tốc kế áp điện, 2 loại cơ bản thường được sử dụng: loại
nén (compression-type accelerometers) và loại biến dạng cắt (shear-
stress accelerometer).
 Trong gia tốc kế loại nén, tinh thể áp điện chịu biến dạng nén bởi tải trọng
đặt trước (preload), chuyển động rung sẽ làm thay đổi ứng suất nén tác dụng
lên phần tử áp điện.
 Với loại shear-stress, chuyển động rung làm biến dạng cắt tinh thể áp điện.
 Gia tốc kế loại nén có độ nhạy lớn hơn. Khi phần vỏ là bộ phận không
thể tách rời của hệ khối quán tính - lò xo, nó có thể gây sai lệch tín hiệu
ra nếu được kích thích ở tần số riêng.
13
 Gia tốc kế áp điện có dải đo rộng. Một gia tốc kế đo va đập có
thể có độ nhạy 0,004 pC /g và tần số riêng lên tới 250000 Hz
với kích thước chỉ khoảng 3×3 mm
2
và khối lượng khoảng 0,5g
kể cả cáp. Chúng có dải nhiệt độ làm việc rộng và một số loại
được thiết kể để có thể chịu được môi trường phóng xạ cao
trong các lò phản ứng hạt nhân. Tuy nhiên, các gia tốc kế áp
điện có độ nhạy ngang trục (cross-axis sensitivity) lớn hơn các
loại khác khoảng 2 ÷ 4 %. Một vài trường hợp, có thể giảm độ
nhạy ngang trục trong quá trình lắp đặt bằng cách lựa chọn
hướng hợp lý.
 Tín hiệu ra của phần tử áp điện bị ảnh hưởng khi nhiệt độ thay đổi, Tuy
nhiên, thạch anh và các loại vật liệu gốm áp điện mới, có độ nhạy nhiệt
thấp hơn các vật liệu cũ như barium titanate hoặc PZT.

 Trong môi trường nhiễu điện, thì cần phải bọc chống nhiễu cho phần tử
áp điện.
The main components of a piezoelectric accelerometer are the body, the sensing element,
and the seismic mass. (Courtesy of Kistler Instrument Co.)
14
 Một số sensor gia tốc áp điện có kích thước và trọng lượng rất nhỏ
(khoảng 1g), hoặc được thiết kế để làm việc ở nhiệt độ cao với khả năng
đo gia tốc và độ rung ở tần số lên tới 30000 Hz và biên độ tới 100000g.
Các phần tử áp điện PZT thường sử dụng lò xo có độ cứng cao và khối
quán tính nhỏ, vì vậy chúng có kích thước nhỏ và phù hợp để đo độ rung
ở tần số cao.
 Gia tốc kế có thể được gá bằng cơ khí, được dán, hoặc liên kết từ tính
với bề mặt rung. Các gia tốc kế có khối lượng nhẹ thường được dán vào
bề mặt bằng keo. Nếu bề mặt rung có cấu trúc đặc biệt, người ta sử
dụng miếng lót (mounting pad) để tạo bề mặt gá bằng phẳng và cách ly
với đất.
 Với bề mặt bằng vật liệu sắt từ, có thể sử dụng liên kết bằng từ tính
nhằm mục đích kiểm tra nhanh độ rung nhưng với tần số tối đa chỉ là
1000 Hz. Các tấm gá ba trục (triaxial mounting pad) cũng có thể được
sử dụng khi phân tích rung chấn trong hệ ba trục trực giao.
 Khi gia tốc kế làm việc, sự dịch chuyển hoặc ứng suất căng tác dụng lên
cáp tín hiệu có thể gây ma sát tĩnh điện (triboelectric). Các ứng suất
hoặc biến dạng do dãn nở nhiệt của vỏ bảo vệ hoặc do các ngoại lực
không mong muốn tác động có thể truyền áp lực vào phần tử áp điện và
gây sai số. Ngoài ra, do tín hiệu ra rất nhỏ, cáp tín hiệu cần được chống
nhiễu. Nếu vỏ bọc chống nhiễu không liên tục, điện dung tản ở chỗ tiếp
giáp có thể gây ra nhiễu tĩnh điện (electrostatic noise), vì vậy vỏ bọc
chống nhiễu cần phải liên tục, không đứt gẫy. Chỉ nối đất ở 1 điểm để
tránh tạo thành mạch vòng (ground loop). Nhiễu từ trường có thể giảm
thiểu bằng cách dùng cáp xoắn kép và không đặt cạnh dây động lực.

15
Piezoresistive & Strain Gauge Sensors
 Các sensor áp trở (piezoresistive sensor) về bản chất là điện trở lực
căng bằng vật liệu bán dẫn với gauge factor cao. Hầu hết các gia tốc kế
áp trở sử dụng 2 hoặc 4 áp trở để tạo thành mạch cầu Wheatstone.
Ngoài ra người ta còn sử dụng các điện trở chính xác để điều chỉnh độ
nhạy, để cân bằng mạch cầu hoặc để bù nhiệt độ.
 Các áp trở không phải là loại cảm biến tích cực vì vậy chúng cần được
cấp nguồn.
 Các phần tử áp trở có thể hoạt động ở tần số 2000 Hz. Do có độ nhạy
cao, chúng thường được đặt trong dầu để triệt cộng hưởng. Việc thêm
dầu vào phần tử áp trở làm chúng bền hơn nhưng sự thay đổi nhiệt độ
cũng có thể ảnh hưởng đến đáp ứng tần. Khi được kích thích ở tần số
công hưởng, phần tử áp trở có thể bị hư hại.
 Các sensor điện trở lực căng (strain-gauge sensor) dựa trên tính chất
khi một vật dẫn bị kéo dãn hoặc nén thì điện trở của nó thay đổi do sự
thay đổi cả về kích thước và điện trở. Điều này chỉ ra rằng, điện trở suất
ρ của vật dẫn phụ thuộc vào ứng suất căng tác dụng lên nó. Sự phụ
thuộc này được thể hiện qua gauge factor.
 Trong đo l chỉ rằng điện trở thay đổi do chiều dài, 2ν chỉ ra rằng điện
trở thay đổi do tiết diện thay đổi và (dρ/ρ)/(dL/L) chỉ ra rằng điện trở
thay đổi do điện trở suất thay đổi.
/ /
2
/ /
dR R d
l
dL L dL L
 


  
16
Strain gauge vibration sensor (acceleration sensitive).
Các sensor được sắp xếp sao cho khi đo một nửa chịu kéo và một
nửa chịu nén.
Toàn bộ cấu trúc được đặt trong môi trường dầu.
Bending-type vibration sensor (acceleration sensitive).
17
 Giả sử giá trị ban đầu của các điện trở R
G1
= R
G2
= 1000 Ω và
 Thì điện áp ra lớn nhất được xác định bởi:
0,1
G
G
R
R


   
1 4
1 2 3 4
G G
O
G G G G
R R R
V E
R R R R R R

 
 
 
 
     
 
1100 1000
10
2000 2000
O
V
 
 
 
 
 Thiết bị nối với V
O
phải có đầu vào trở kháng cao. Trong ví dụ trên,
chỉ sử dụng 2 điện trở lực căng. Có thể tăng độ nhạy bằng cách sử
dụng 4 điện trở lực căng để tạo thành cầu Wheatstone hoàn chỉnh.
Electromechanical sensors
 Các gia tốc kế và chấn động kế cơ điện thường là loại tự động cân bằng.
Khối quán tính thường được đặt ở điểm cân bằng với độ dịch chuyển
bằng 0. Khi khối quán tính dịch chuyển, lực từ sinh ra có tác dụng ngăn
cản chuyển động của khối quán tính và kéo nó về vị trí cân bằng.
 Ưu điểm của phương pháp này là cho đặc tính ra tuyến tính hơn và
giảm được hiện tượng trễ (hysteresis effect) nếu so với các gia tốc và
chấn động kế thông thường sử dụng lò xo cơ khí. Ngoài ra việc giảm
chấn bằng điện cũng ít nhạy nhiệt như là cách thông thường.
 Một trong những khả năng rất quan trọng của gia tốc kế cơ điện là có

thể kiểm tra trạng thái của thiết bị bằng cách tạo lực điện từ kích thích
hệ thống. Tính năng tự kiểm tra (self-checking feature) có thể rất hữu
ích trong các phép đo chính xác đắt đỏ và phức tạp. Những thiết bị này
cũng rất hữu ích trong hệ điều khiển gia tốc do giá trị gia tốc tham
chiếu có thể tạo ra bằng dòng điện kích thích tỷ lệ với nó.
 Các gia tốc kế cơ điện thường dùng để đo rung chấn với tần số thấp.
18
Capacitive Accelerometers
 Gia tốc kế điện dung vi sai (differential-capacitance accelerometer)
A differential-capacitance-type accelerometer.
 Trên khối quán
tính có gắn bản
cực động đối diện
với hệ bản cực
tĩnh được đặt trên
đế
Velocity sensor
 Gia tốc là đạo hàm theo thời gian của vận tốc.
Như vậy, có thể đo gia tốc rung thông qua đo
tốc độ rung.
 Một sensor vận tốc điển hình bao gồm phần vỏ
được gắn với bề mặt rung và lõi từ treo bên
trong vỏ. Chuyển động tương đối giữa 2 phần
tạo ra điện áp tỷ lệ với tốc độ dịch chuyển.
 Ưu điểm của sensor này là sensor tích cực
(self-generating), tín hiệu ra lớn (250
mV/in./sec). Ít chịu ảnh hưởng bởi cách lắp đặt,
mômen ngoại lực và nhiễu.
 Nhược điểm là có kích thước và trọng lượng
tương đối lớn, không thể dùng đo tốc độ rung

với tần số nhỏ hơn 10 Hz và có tín hiệu ra nhỏ
khi tần số vượt quá 1000 Hz.
Schematic representation of a
velocity sensor.
19
 Sensor tốc độ bao gồm một cuộn dây được treo bởi một lò xo hoặc hệ
lò xo và được đặt trong từ trường của nam châm vĩnh cửu. Toàn bộ hệ
thống có thể được đặt trong dầu silicon hoặc sử dụng cuộn dây sinh
lực điện từ có tác dụng giảm chấn.
 Điện áp ra của cuộn dây tỷ lệ với tốc độ rung và có tần số bằng tần số
rung. Có thể xác định li độ rung (theo đơn vị mil (1mil = 10
-3
in.))
bằng cách lấy tích phân tốc độ.
 Nếu giảm chấn là dạng nhúng trong dầu, thì sensor khá nhạy với nhiệt
độ do độ nhớt của dầu thay đổi theo nhiệt độ.
Noncontact or proximity sensors
Eddy current probe schematic.
 Các cảm biến tiệm cận có khả năng đo khoảng cách tới đối tượng,
do đó chúng có thể sử dụng để đo tần số và biên độ rung.
20
 Đối với vật liệu dẫn điện, có thể sử dụng đầu đo kiểu dòng xoáy. Hai
cuộn dây được quấn trên đầu đo và cùng với hai điện trở tạo thành
một mạch cầu. Khi không gần bề mặt dẫn điện, cầu cân bằng và cầu
mất cân bằng khi đầu đo gần bề mặt dẫn điện và tín hiệu ra tỷ lệ với
khoảng cách tới đối tượng. Nguồn cấp là nguồn xoay chiều cao tần
tạo ra dòng xoáy trên đối tượng đo.
 Biên độ của tín hiệu ra tỷ lệ với độ rung và tần số thay đổi của biên độ
chính là tần số rung.
 Mạch cầu được cấp bằng nguồn cao tần với tần số từ 100 kHz ÷ 2

MHz