GIỚI THIỆU CẢM BIẾN GIA TỐC SEISMIC ACCELEROMETER SENSOR

GIỚI THIỆU CẢM BIẾN GIA TỐC
SEISMIC ACCELEROMETER
SENSOR 8340

Nhóm 4:
Phạm Đức Sáng
Nguyễn Ngọc Đĩnh
Lê Văn Chỉnh
Bùi Văn Huỳnh
Bùi Văn Hoàng
Đinh Văn Dụng


I.

Mở đầu:
Gia tốc của chuyển động là một thành phần rất quan trọng của các thông số
động học như: vị trí, vận tốc, gia tốc, và tốc độ biến thiên gia tốc. Mỗi một
thông số trên lại có liên hệ tuyến tính với thông số cạnh nó.Bởi thế, tất cả các
thông số động học trên đều có thể được lấy ra từ một thông số.Ví dụ như, gia
tốc có thể lấy được qua đạo hàm của vận tốc tương ứng hoặc là tích phân của
tốc độ biến thiên gia tốc.Tương tự như thế, vận tốc có thể lấy từ đạo hàm vị trí
tương ứng hoặc tích phân gia tốc.Trong thực tế, chỉ sử dụng rộng rãi tích phân
vì nó đem đến kết quả tốt hơn khi có nhiễu và có sự tắt dần.
Có hai kỹ thuật đo gia tốc: phương pháp đo trực tiếp qua gia tốc kế đặc biệt
và phương pháp đó gián tiếp đạo hàm vận tốc.Khả năng ứng dụng của các kỹ
thuật trên phụ thuộc vào dạng chuyển động (chuyển động thẳng, tròn, chuyển
động cong) hoặc trạng thái cân bằng ở giữa các dao động. Với các chuyển động
thẳng và chuyển động cong, người ta ưu tiên dung phương pháp đo gia tốc kế
trực tiếp. Tuy nhiên, người ta thường đo gia tốc góc bằng các phương pháp đo
gián tiếp.

Gia tốc là một thông số quan trọng cho các mục đích đo độ dịch chuyển
tuyệt đối, dao động, và đo độ shock. Với những mục đích như vậy, có nhiều
loại gia tốc kế với các tính và dải đo rộng nhằm đáp ứng các yêu cầu ứng dụng
đa dạng, chủ yếu là trong 3 lĩnh vực:
1. Các ứng dụng thương mại - ôtô, tàu, dụng cụ, thể thao
2. Các ứng dụng công nghiệp - robot, điều khiển máy móc, kiểm tra dao
động, và đo đạc
3. Các ứng dụng có độ tin cậy cao - quân sự, không gian, hàng không, đo
động đất, chấn động, dao động, và các phép đo shock.

I.

Tổng quan về các loại cảm biến gia tốc:
Một gia tốc kế cơ bản gồm một khối lượng có thể di chuyển tự do dọc trục
đo bên trong một cái vỏ. Công nghệ chế tạo gia tốc kế dựa nhiều vào cơ sở này
và có thể phân chia chúng theo nhiều cách, như là loại cơ khí hay điện, chủ
động hay bị động, độ lệch hay vị trí cân bằng không,... Loại thường được dùng
trong đo dao động hay shock thường là dạng độ lệch, khi mà dùng chúng trong
các phép đo chuyển động của các phương tiện, máy bay, và hơn cả là mục đích
định hướng thì ta có thể dùng loại độ lệch hay vị trí cân bằng không.


Các loại gia tốc kế sẽ đề cập trong bài này :
+ Gia tốc kế áp điện
+ Gia tốc kế áp trở
+ Cảm biến đo rung động.
Do cảm biến SEISMIC ACCELEROMETER SENSOR 8340 thuộc loại gia
tốc kế áp điện nên chúng ta sẽ đi sâu hơn vào loại gia tốc kế áp điện.
II.

Giới thiệu chung về các loại gia tốc kế:
1.

Gia tốc kế áp trở:
Nguyên tắc chung:
Khối lượng rung cần đo gia tốc được gắn với một tấm mỏng đàn hồi
trên đó có từ 2 đến 4 đầu đo áp trở trong mạch cầu wheststone. Dưới tác
dụng của gia tốc, lá đàn hồi uốn cong gây lên biến dạng đầu đo một cách
trực tiếp hoặc gián tiếp thông qua bộ khuếch đại cơ.

Độ nhạy của cảm biến:
S=S2.S1 = .
Độ nhạy của cầu wheatstone S2:
4 đầu đo chịu cùng 1 biến dạng | |, vì vậy điện áp đầu ra của đầu đo bằng:
Vm = es. = es.K.ɛ
 S2 = = K.es.
• es : điện áp nuôi cầu (10 -15 V )
• K: hệ số đầu đo áp trở (50 – 100 )
• R: điện trở một đầu đo (30 – 500 Ω)
-

-

Độ nhạy cơ S1 của hệ thống cơ khí

Giá trị của A và ω0 rút ra từ quan điểm cảm biến lực uốn.
ở ví dụ trên:


2.

Gia tốc kế đo độ rung:

Một số lí do khiến độ rung trong công nghiệp quan trọng:
•
•
•

Giới hạn biên độ rung động để tránh gây tiếng ồn nguy hại đến sức khỏe.
Mức rung động có thể có hại cho công trình về thời gian sống và hiệu
suất của thiết bị.
Rung động làm thay đổi phổ tần dẫn đến trạng thái mài mòn và mỏi của
các chi tiết cơ khí vì vậy đo gia tốc và độ rung khiến người quản lí có kế
hoạch bảo dưỡng phòng ngừa hỏng hóc thiết bị.

Một số đặc điểm của độ rung :
•

•

•

Độ rung 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 của độ rung.
Đo gia tốc rung của cấu trúc cứng hoặc cấu trúc có khối lượng lớn cần
phải dùng cảm biến có dải tần tới hàng trăm Hz đồng thời phải cho phép
đo tốc độ không đổi hoặc gần như không đổi với bộ giảm rung thích hợp.
Đo gia tốc rung mức trung bình và dải tần tương đối cao (~ 10kHz)
thường được tiến hành khi vật có khối lượng nhỏ nên đòi hỏi cảm biến

gia tốc phải có độ chính xác cao, sử dụng loại áp trở hoặc áp điện, cấp
chính xác 1/100

Nguyên lý cảm biến rung động
Cảm biến rung động được hình thành từ cảm biến dịch chuyển, cảm biến
tốc độ hoặc cảm biến gia tốc.

.


Cảm biến gồm một bộ phận cơ khí nối với khối lượng rung và tất cả đặt
chung trong chiếc hộp. Chuyển động rung của khối lượng M được chuyển
thành tín hiệu điện là đại lượn thứ cấp

m2

cần đo

Có thể xem hệ này là hệ cơ khí có một bậc tự do:
h0

- tung độ điểm a của vỏ hộp

h- tung độ của điểm b của khối lượng rung
Khi không có gia tốc tác dụng, b ở cùng độ cao với a. Gọi z là độ dịch
chuyển tương đối của khối M so với vỏ:
Z= h-

h0

F
Khi đó phương trình cân bằng giữa phản lực Cz, lực ma sát nhớt
2
Md h

lực

dt 2

và

do gia tốc của khối lượng M gây nên có dạng:
2
Md h

III.

dz
dt

dt

2

= −F

dz
− Cz
dt

Gia tốc kế áp điện:
Các gia tốc kế áp điện được sử dụng rộng rãi với mục đích đo gia tốc ,
shok và dao động. Chúng là các bộ chuyển đổi truyền động cơ bản với các
tín hiệu ra lớn và kích thước tương đối nhỏ và chúng là các bộ nguồn tự tạo
không cần cấp nguồn bên ngoài.Chúng hoạt động ở tần số tự nhiên cao, do
đó thích hợp cho các ứng dụng tần số cao và các phép đo xung động.
a.

Cấu tạo


Cấu tạo chung của gia tốc kế áp điện là gồm một khối lượng rung M và
một phần tử ápđiện đặt trên giá đỡ cứng và toàn bộ được đặt trong một vỏ
hộp kín.
Hai loại tinh thể áp điện thường được sử dụng là gốm lead-zirconate
titanate (PZT) và tinh thể thạch anh. Chúng là các vật liệu tự sinh điện và
sản sinh ra điện tích lớn tuỳ theo kích thước của chúng. Hệ số biến dạng áp
điện của PZT gấp khoảng 150 lần so với thạch anh.Theo đó, các PZT là
nhạy và nhỏ hơn nhiều so với thạch anh.Các gia tốc kế này được dùng trong
các ứng dụng tần số cao. Tần số ban đầu vào khoảng 100 Hz. Các thiết bị
này không có đáp ứng 1 chiều. V. các gia tốc kế áp điện có cản trở cơ khí
tương đối thấp, ảnh hưởng của chúng lên chuyển động của các thành phần
cấu trúc nhất là không đáng kể.
b.

Nguyên lý hoạt động



Cảm biến áp điện hoạt động dựa theo hiệu ứng áp điện của vật liệu điện

môi



Hiệu ứng áp điện: Tín hiệu điện được tạo ra bởi vật liệu điện môi dưới
một áp lực cơ học. Khi áp một chuyển động biến đổi vào gia tốc kế, tinh
thể chịu một lực kích thích biến đổi (F = ma), gây nên một điện tích q tỷ
lệ được hình thành ngang qua nó. Nên:
q = d F = d ma



Dưới tác dụng của lực cơ học F, tấp áp điện bị biến dạng làm xuất hiện
trên 2 bản cực của vật liệu áp điện 1 lượng điện tích bằng nhau trái dấu .
Hiệu điện thế trên 2 bản cực tỉ lệ thuật với F


c.

Cách ghép các bản áp điện

Trong nhiều trường hợp các bản áp điện được ghép thành bộ theo cách
ghép nối tiếp hoặc song song.

a)

theo chiều dọc

c)

theo bề dày

b) theo chiều ngang
d) theo bề mặt

3.4 Các dạng gia tốc áp điện thường gặp


Trong các gia tốc kế áp điện, hai cấu hình thiết kế cơ bản được sử
dụng: các dạng ứng suất nén và ứng suất trượt. Trong các gia tốc kế
dạng nén, tinh thể được giữ ở dạng nén bởi một phần tử có tải trọng
đặt trước; do đó dao động thay đổi ứng suất trong dạng nén. Trong gia
tốc dạng ứng suất trượt, dao động đơn giản làm biến dạng tinh thể ở
dạng trượt.Các gia tốc kế dạng nén có một khối lượng tương đối tốt
cho tỷ lệ độ nhạy và từ đó nó hoạt động tốt hơn.Nhưng, v. vỏ làm việc
như là một phần của hệ thống lo xo - khối lượng, nó có thể sinh ra một
mặt phân cách giả tạo trong đầu ra của gia tốc kế nếu được kích thích
xung quanh tần số tự nhiên của nó.

Sơ đồ cấu tạo gia tốc kế áp điện kiểu nén
1. Khối lượng rung
2. Phiến áp điện
3. Đai ốc
4. Đế
5. Vỏ hộp
-

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

Sơ đồ cấu tạo của gia tốc kế kiểu uốn cong
1. khối lượng rung
2. Phiến áp điện


3. Vỏ hộp
Phần tử áp điện của cảm biến gồm 2 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.
IV.

Giới thiệu về SEISMIC ACCELEROMETER SENSOR
8340

Các tính năng chính:
+ Đo gia tốc, chấn động.
+ Độ nhạy cao, 1V/ms-2 (10V/g).
+ Nhiễu thấp.
+ Trở kháng đầu ra thấp.
+ Lớp vỏ được làm bằng thép không gỉ thích hợp với môi trường làm
việc bên ngoài.
+ Có đế cách điện.
b. Mô tả:
8340 là 1 loại gia tốc kế áp điện hình vòng khuyên.Cảm biến sử
dụng công nghệ FFT mới nhất với 800 điểm, độ phân giải cao.Đầu đo
a.

đặc biệt MIL-C-5015 với độ nhạy cao và tỷ lệ nhiễu hợp lý để có thể thực
hiện phép đo trên các kết cấu lớn, tần số thấp.
8340 hoạt động trong dải tần từ 5Hz đến 1500Hz.

3.3 Bảng thông số chi tiết của 8340:



Thiết kế mạch đo

V.

-

-

Mạch sử dụng mạch khuếch đại điện tích với trở đầu vào rất lớn, sau đó đến
mạch tích phân ( tại đây có thể cho ra các thông số về vận tốc hoặc độ dịch
chuyển ). Tiếp đó là mạch lọc thông thấp và lọc thông cao giúp mạch có thể
điều chỉnh được giải tần hoạt động cho phù hợp. Và cuối cùng là mạch chỉnh
lưu chính xác.
Tín hiệu ra được đưa vào kênh ADC0 10bit của chip Atemega 8. Sau đó
được đưa ra màn hình LCD16x2.
Trong mạch đo trên, quan trọng nhất chính là mạch khuếch đại điện tích:


Từ sơ đồ mạch ta có điện áp ra được tính theo công thưc sau:

Trong đó

VI.

Sq là độ nhạy điện tích
Q là điện tích do gia tốc kế sinh ra
C = Ca+Cc+Cp
R=1/Ra +1/Rc +1/Rp
Cũng có thể thấy:
+ Độ nhạy của gia tốc kế bị giảm tùy thuộc vào độ dài của cáp nối.
ỨNG DỤNG
1. Đo độ rung động là 1 phần rất quan trọng của thiết kế kỹ thuật cũng như
kiểm nghiệm thiết bị trong môi trường làm việc. Việc phân tích độ rung
trong công nghiệp giúp cho việc bảo trì được chủ động và tang độ tin cậy
cho máy móc.
Ví dụ như việc đo rung động của sứ cách điện khi xây dựng cột điện cao áp: