Thiết kế cảm biến gia tốc và rung

Trường ĐH GTVT TP.Hồ Chí Minh
Bài Thuyết Trình
Đề Tài
Thiết kế cảm biến gia tốc và rung
Nhóm 7
1.Dương Văn Hòa TD12
2.Thái Hoàng Tuấn TD12
3.Phạm Minh Thịnh TD12
4.Nguyễn Trọng Thủy TD12


Nội dung bài thuyết trình
I.Khái niệm,tính chất của gia tốc và rung
II.Phương pháp đo và cảm biến đo gia tốc,rung;
1.Phương pháp đo
2.Các đặc trưng của cảm biến
3.Cảm biến gia tốc
3.1:cảm biến đo gia tốc áp trở
3.2:cảm biến đo gia tốc áp điện
4.Cảm biến đo rung
III.Ứng Dụng


I.Khái niệm,tính chất của gia tốc,rung


I.Khái niệm và tính chất của gia tốc và rung
gia tốc:
- kí hiệu: a
- đơn vị đo: m/s2
- Theo nguyên lý cơ bản của cơ học ,gia tốc là mối

quan hệ giữa lực và khối lượng.
- Động học : gia tốc được hiểu là đại lượng vật lý
đặc trưng cho sự thay đổi của vận tốc theo thời
gian

dv
2
a = (m / s )
dt

=>1 vật có gia tốc khi vật đó biến thiên vận tốc
VD: xe gắn máy khi tăng tốc sẽ có gia tốc.còn cánh
quạt khi quay đều không có gia tốc.


I.Khái niệm và tính chất của gia tốc và rung(tt)
 Tính chất của gia tốc
- Nó là một trong những đại lượng cơ bản dùng để
mô tả chuyển động. Cũng như vận tốc, gia tốc là
đại lượng hữu hướng (vector)
- Chuyển động tăng tốc khi vectơ gia tốc cùng chiều
với chiều chuyển động; giảm tốc khi vectơ gia tốc
ngược chiều với chiều chuyển động; đổi hướng
khi véc tơ gia tốc có phương khác với phương
chuyển động.


I.Khái niệm và tính chất của gia tốc và rung(tt)
Rung
- Là dao động cơ học của vật thể, sinh ra khi trọng

tâm và trục đối xứng của chúng xê dịch trong
không gian hoặc do sự thay đổi có tính chu kỳ
hình dạng mà chúng có ở trạng thái tĩnh.
- Rung trong công nghiệp là sự di chuyển qua lại
của máy hoặc các bộ phận máy
- Rung làm thay đổi phổ tần dẫn đến trạng thái
mài mòn và mỏi các chi tiết cơ khí


I.Khái niệm và tính chất của gia tốc và rung(tt)
- Rung động được đặc trưng bởi độ dịch chuyển,
tốc độ hoặc gia tốc ở các điểm xác định trên vật
rung. Bởi vậy khi đo rung động của một vật
người ta đo một trong các đặc trưng trên
- Trong các máy đo gia tốc thường sử dụng các cảm
biến thích hợp để đo độ rung và va đập.
- Khi đo gia tốc người ta có thể xác định được tốc
độ và quãng đường dịch chuyển của vật bằng
cách lấy tích phân một lần hoặc tích phân kép


I.Khái niệm và tính chất của gia tốc và rung(tt)


I.Khái niệm và tính chất của gia tốc và rung(tt)

- Một thành phần máy có thể dao động một khoảng
cách lớn hoặc nhỏ, nhanh hoặc chậm và có thể
cảm nhận được bằng âm thanh và nhiệt.
- Rung động máy thường có thể cố ý được tạo ra

nhờ thiết kế của máy và tùy vào mục đích sử
dụng của máy như sàng rung, phễu nạp liệu,
băng tải, máy đánh bóng, máy dầm đất, v.v….
Nhưng hầu hết, rung động máy là không mong
muốn và nó thường gây ra những hư hỏng cho
máy.


II.Cảm biến đo gia tốc,rung và phương pháp đo


1. Phương pháp đo


Phương pháp đo:
Gia tốc nhỏ có dao động trọng tâm tần số thấp (f = 0 ÷
~20 Hz): dùng cảm biến đo dịch chuyển và cảm biến
đo biến dạng.
Gia tốc rung (tần số vài trăm Hz): dùng cảm biến từ
trở biến thiên, cảm biến đo biến dạng (kim loại hoặc
áp điện trở).
Gia tốc rung ( tần số trung bình và tương đối cao:
~10kHz): dùng gia tốc kế áp trở hoặc áp điện.
Gia tốc khi va đập, gia tốc tốc có dạng xung: dùng cảm
biến gia tốc có dải thông rộng về cả hai phía tần số
thấp và cao.


2. Các đặc trưng của cảm biến đo gia tốc(tt)
 Độ nhanh

- tần số riêng f0: là đại lượng đặc trưng cho hoạt
động của cảm biến,tương đương với khái niệm
tần số riêng của con lắc.
 Trường hợp 1:máy đo gia tốc treo trong không
khí bao gồm khối lượng rung M, lò xo có độ
cứng C, bệ đỡ và vỏ bọc có khối lượng mb, tần số
dao động riêng sẽ có dạng:

 1 1 
1
f0 =
C  + 
2π
 M mb 


2. Các đặc trưng của cảm biến đo gia tốc(tt)
 Trường hợp 2:máy đo gia tốc gắn trên cấu trúc cần
nghiên cứu có khối lượng Ms biểu diễn như hình dưới
 1
1
1 


f0 =
C +
2π
 M mb + M s 

2. Các đặc trưng của cảm biến đo gia tốc(tt)

f r = f 0 = 1 − 2ξ

2

Ms
2
γ =γ
( g / cm )
M s +M c
'


2. Các đặc trưng của cảm biến đo gia tốc(tt)
 Độ nhạy
- độ nhạy được biểu diễn bởi biểu thức

Q
S = = S1.S 2
γ
Trong đó:
‫ﻻ‬- là gia tốc của cảm biến
Q- là điện tích được tạo ra khi cảm biến rung với gia tốc
trên
S1- là độ nhạy cơ học của hệ thống khối lượng rung
S2- là độ nhạy điện của cảm biến


2. Các đặc trưng của cảm biến đo gia tốc(tt)

S1 =

z
=
γ

1
2

 ω2   ω 
2
ω 0 . 1 − 2  +  2ξ 
 ω0   ω0 

2

Q
S2 =
= d .C.
z

1
 ω0 
1+  
ω 

2

3.Cảm biến đo gia tốc
A. Gia tốc kế áp điện
 Cấu tạo :
- Cấu tạo chung của gia tốc kế áp điện gồm một khối lượng
rung M và một phần tử áp điện đặt trên giá đỡ cứng, và
toàn bộ được đặt trong một vỏ hộp kín.

- Cảm biến loại này có tần số cộng hưởng cao, kết cấu chắc
chắn, nhạy với ứng lực của đế.


3.Cảm biến đo gia tốc(tt)
 Nguyên tắc hoạt động:
- Trong cảm biến gia tốc áp điện ,khối lượng rung được đặt
trên phần tử áp điện.Phần tử này cung cấp 1 điện tích tỉ
lệ với ứng lực,nghĩa là với chuyển động của khối lượng
rung


3.Cảm biến đo gia tốc(tt)
+ Phần tử áp điện của cảm biến gồm hai phiến áp
điện mỏng dán với nhau, một đầu gắn cố định lên
vỏ hộp cảm biến, một đầu gắn với khối lượng rung.
Cảm biến loại này cho độ nhạy rất cao nhưng tần số
và gia tốc rung đo được bị hạn chế.


3.Cảm biến đo gia tốc(tt)

q = d ij .F = d ij .m.a

3.Cảm biến đo gia tốc(tt)
Các tinh thể áp điện có thể được cắt hay căng
theo các cách:
Cắt

Uốn

Nén


Dạng nén

PRELOAD STUD
(trục nhạy cảm)

HOUSING
SEISMIC
MASS
(khối lượng rung)

+
+
-

+
+
-

- - + +
+ +
- - -

+
+
-

+
+
-

ELECTRODE
( điện cực)

PIEZOELECTRIC
CRYSTAL(S)
(phần tử áp điện)
BUILT-IN
ELECTRONICS
SIGNAL (+)
GROUND (-)

Tần số cộng hưởng cao,chắc chắn,nhạy với úng lực của đế


Dạng nén
preload stud tăng
độ cứng của yếu tố
gây cộng hưởng cao

+
+
-

+
+
-

- - + +
+ +
- - -

+
+
-

+
+
-

nguyên nhân gây ra các
kim loại thoáng nhiệt
nở rộng và hợp đồng
tinh thể nhấn mạnh
dọc theo trục nhạy cảm
Các tinh thể bị cản trở
sẽ đi ra ngoài thành tín
hiệu điện

Dạng uốn

SEISMIC
MASS

+
-

+ + + + + +
- - - - - - -

PIEZOELECTRIC
CRYSTAL
BUILT-IN
ELECTRONICS

HOUSING
SIGNAL (+)
GROUND (-)

Hai phiến điện áp mỏng được dán với nhau cho độ nhạy rất cao nhưng bị hạn chế bởi gia tốc rung thấp và tần số nhỏ


Dạng uốn

+
-

+ + + + + +

- - - - - - -

PIEZOELECTRIC CRYSTAL
HAS NO PRELOAD
RESULTING IN
A LOW RESONANCE
TEMPERATURE CHANGES
CAN ONLY REACH ELEMENT
BY RADIATION. THERMAL
STRESS IS ALONG
NON-SENSITIVE
AXIS

STRAIN WAVES ARE
SHUNTED BY FULCRUM