THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO CẢM BIẾN ĐO TỐC ĐỘ QUAY TỰ GHI

--------------------------------------------------------------------------------------------------------
Mục lục
Lời nói đầu:.....................................................................................2
Chương 1: Tổng quan về các hệ thống đo tốc độ quay...............3
1.1. Các nguyên lý cơ bản dùng để đo tốc độ quay.................................................3
1.1.1. Đo số vòng quay dựa trên nguyên lý của định luật faraday......................3
1.1.2. Đo số vòng quay theo tần số của tín hiệu phát ra từ vật đang quay..........5
2.1. Lựa chọn nguyên lý..........................................................................................7
Chương 2: Thiết kế mạch đo tần số quay.....................................9
2.1. Lựa chọn loại vi điều khiển..............................................................................9
2.1.1. Một số loại vi điều khiển hiện nay............................................................9
2.1.2. Vi điều khiển họ AVR..............................................................................9
2.2. Thiết kế mạch.................................................................................................11
2.2.1. Thiết kế mạch nguyên lý.........................................................................11
2.2.2. Thiết kế các mạch phụ trợ khác..............................................................13
2.2.3. Nghiên cứu lập trình cho mạch điều khiển.............................................18
Chương 3: Chế tạo nghiên cứu và khảo sát mạch.....................21
3.1. Quy trình chế tạo và lắp ráp...........................................................................21
3.2. Thí nghiệm sơ đồ trên phần mềm...................................................................21
3.3 Thí nghiệm đo tấn số quay bộ phận máy và so sánh với thiết bị đo khác.......22
Chương 4: Kết luận và đề nghị....................................................26
1. Kết luận..............................................................................................................26
2. Đề nghị...............................................................................................................27
--------------------------------------------------------------------------------------------------------
--------------------------------------------------------------------------------------------------------
Tên đề tài:
THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO CẢM BIẾN ĐO TỐC ĐỘ
QUAY TỰ GHI
Lời nói đầu:
Có thể nói ở trong các ngành kỹ thuật thì việc đo tốc độ quay là hết sức cần thiết, từ
việc đo tốc độ quay qua đó ta có thể xác định được gia tốc phục vụ cho việc khảo sát và

tính toán và nghiên cứu các thiết bị trong kỹ thuật.
Trong thực tế đã có nhiều thiết bị đo tốc độ quay được bán trên thị trường với nhiều
nguyên lý đo khác nhau, nhưng nói một cách thực tế về điều kiện kinh tế hiện nay thì
các thiết bị đo đó còn quá đắt, chính vì thế nên việc mua một loại máy đo tốc độ quay để
trang bị cho những cơ sở nhỏ lẽ là chưa thực hiện được. Những người làm việc trong kỹ
thuật cần một loại máy với tác dụng đơn giản để đo tốc độ quay với một giá tiền phù
hợp và tiện sử dụng khi có thể mang đi đến bất kì nơi nào mà không gặp phải một khó
khăn nào. Chính vì yêu cầu đó chúng tôi quyết định nghiên cứu và thực hiện đề tài với
mục tiêu: Thiết kế và chế tạo được một bộ cảm biến đo tự ghi tốc độ quay của một bộ
phận máy bất kì để trang bị cho Khoa Cơ Điện cũng như cho những người nghiên cứu
có thể lựa chọn một sản phẩm thay thế cho hàng nhập ngoại từ các nước khác.
Dự kiến kết quả đạt được là:
Loại sản phẩm: thiết bị đo lường giá thành thấp, độ chính xác bảo đảm
Tên sản phẩm: Thiết bị đo tốc độ quay dải rộng tự ghi
Do thời gian thực hiện đề tài ngắn so với tính phức tạp và đa dạng của đề tài, do sự
hạn chế về các thiết bị kiểm chứng bằng thực tế, bên cạnh đó là khả năng có hạn nên đề
tài sẽ không tránh khỏi sự thiếu sót và hạn chế, tác giả sẽ tiếp tục đầu tư để có thể hoàn
thiện thêm.
--------------------------------------------------------------------------------------------------------
--------------------------------------------------------------------------------------------------------
Chương 1: Tổng quan về các hệ thống đo tốc độ quay
1.1. Các nguyên lý cơ bản dùng để đo tốc độ quay
Trong kĩ thuật, số vòng quay thực hiện được trong thời gian một phút là thông số
được sử dụng rộng rãi và thường gọi tắt là số vòng quay. Giữa số vòng quay và vận tốc
góc có mối quan hệ sau:
30
n
π
ω
=

rad/s
Trong đó:
ω
: vận tốc góc
n : số vòng quay (vòng/phút)
Các thiết bị đo số vòng quay hiện nay rất đa dạng, nhưng có thể gộp chúng lại thành
hai nhóm lớn theo phương pháp đo. Nhóm thứ nhất gồm các thiết bị đo số vòng quay
bằng cảm biến điện từ, còn các thiết bị thuộc nhóm thứ hai đo số vòng quay dựa trên
phương pháp tần số (đếm xung).
1.1.1. Đo số vòng quay dựa trên nguyên lý của định luật faraday
Định luật Faraday:
e = -
dt
d
φ
Nghĩa là sức điện động e xuất hiện trong một cuộn dây tỉ lệ thuận với sự biến thiên
cảu từ thông
φ
đi qua nó. Nếu từ thông được biểu diễn dưới dạng:
φφ
=
)(x
o
.F(x)
Với x là góc quay, thì sức điện động cuộn dây sẽ tỉ lệ với vận tốc góc (dx/dt):
e= -
φ
0
dx
xdF )(

.
dt
dx
Dựa trên nguyên lý này người ta chế tạo các loại cảm biến hoạt động tương tự như
các máy phát điện (một chiều hoặc xoay chiều).
Loại này thường là các tachomet máy phát, cũng có thể là loại một chiều (tốc kế một
chiều) hoặc loại hai chiều đồng bộ hoặc không đồng bộ. Các cảm biến này hoạt động
dựa trên nguyên tắc của máy phát điện. Khi rôto quay trên phần ứng tạo một điện áp tỷ
lệ thuận với vận tốc quay.Trên hình 1 thể hiện tốc kế một chiều.
--------------------------------------------------------------------------------------------------------
--------------------------------------------------------------------------------------------------------
Hình 1: Tốc kế một chiều
Trên hình 2 thể hiện tốc kế xoay chiều đồng bộ
Hình 2: tốc kế xoay chiều đồng bộ
Ưu điểm của cảm biến máy phát một chiều là:
Gợn sóng còn lại sau khi gom ở colector nhỏ (<2%)
Có thể nhận biết chiều quay
Khoảng cách đo lớn 0.1 – 1000V/ph
Nhược điểm là thời gian làm việc của cổ góp. Cũng có loại cảm biến đặc biệt là máy
phát một chiều không có cổ góp. Khi đó điện áp phần ứng được gom nhờ chỉnh lưu điốt.
Nhưng nhược điểm là cần có chi phí kĩ thuật cao và có yêu cầu năng lượng phụ trợ.
Trên hình 3 thể hiện tốc kế xoay chiều không đồng bộ.
--------------------------------------------------------------------------------------------------------
--------------------------------------------------------------------------------------------------------
Hình 3: Tốc kế xoay chiều không đồng bộ
1.1.2. Đo số vòng quay theo tần số của tín hiệu phát ra từ vật đang quay
Nhóm thiết bị này hoạt động trên nguyên tắc đo tần số của tín hiệu phát ra từ vật
đang quay, tần số này tỉ lệ với vận tốc góc hay số vòng quay của vật. Trên hình 4 thể
hiện sơ đồ nguyên lý nguyên lý hoạt động cảm biến đo số vòng quay.
Cảm biến gồm một đĩa răng làm từ vật liệu sắt từ được gắn với vật cần đo tốc độ

quay, một cuộn dây có lõi sắt và một nam châm vĩnh cửu.
Cảm biến hoạt động như sau: Khi đĩa quay, lần lượt các đĩnh răng và các rãnh đi qua
đầu cuộn dây làm cho từ thông đi qua nó thay đổi theo chu kỳ. Nhờ đó, trong cuộn dây
xuất hiện dòng điện cảm ứng dạng xung với tần số xuất hiện với tỉ lệ với tốc độ quay
của đĩa. Dòng điện này được đưa vào thiết bị xử lý để xác định tần số xuất hiện xung và
từ đó tính ra số vòng quay trong một phút.
--------------------------------------------------------------------------------------------------------
--------------------------------------------------------------------------------------------------------
Hình 4: Sơ đồ nguyên lý hoạt động cảm biến đo số vòng quay
Loại cảm biến trên được dùng khá phổ biến nhờ có độ tin cậy và độ chính xác cao,
việc xử lí tín hiệu đơn giản, không đòi hỏi các thiết bị phức tạp đắt tiền. Tín hiệu ra của
loại này có dạng hình sin. Khoảng cách giữa nam châm và đỉnh răng cũng ảnh hưởng
đến biên độ tín hiệu ra. Mặt khác khi tăng tần số quay làm cho biên độ tín hiệu tăng cao
nên cần có bộ đánh giá điện tử để hạn chế tín hiệu. thông tin để đo tần số tốt nhất là tần
số của tín hiệu ra.
Quan hệ giữa tần số tín hiệu và tần số quay tại cảm biến cảm ứng là tuyến tính và
phụ thuộc vào số răng của bánh răng sử dụng. Về nguyên tắc nên chọn số răng lớn. Tất
nhiên cũng có thể dẫn tới chiếm chỗ, vì còn tùy thuộc vào các tương quan bề rộng của
răng và bề rộng của cảm biến. Nhưng nếu đo ở tốc độ quay thấp thì số răng càng lớn thì
phép đo càng chính xác.
Cũng với nguyên lý xác định tần số, người ta có thể sử dụng các loại cảm biến khác.
Trên hình 5, 6 thể hiện hai nguyên lý đo sử dụng cảm biến quang học.
--------------------------------------------------------------------------------------------------------
--------------------------------------------------------------------------------------------------------
Hình 5: Cảm biến quang (phương pháp 1)
Trong đó: 1: nguồn phát quang, 2: cảm biến quang,
3: đĩa quay, 4: Mạch đo
5: thiết bị xử lý, hiển thị
Hình 6: Cảm biến quang (phương pháp 2)
Trong đó: 1: trục quay, 2: tấm phản quang,

3: đầu thu phát quang, 4: thiết bị xử lý, hiển thị
Thiết bị đo số vòng quay ở hình 5 bao gồm đĩa 3 với các lỗ khoan cách đều nhau.
Phía bên trái của đĩa có bố trí nguồn phát quang 1 (nguồn sáng, điốt phát quang ..) sao
cho tia sáng phát sang đi qua tâm lỗ khoan trên đĩa. Ở phía đối diện nguồn sáng là cảm
biến quang 2 (tế bào quang điện, điốt cảm quang …). Với cách bố trí như vậy, cứ mỗi
khi cảm biến nhận được tia sáng thì trong mạch đo 4 xuất hiện một xung điện. Tần số
xuất hiện của các xung này tỷ lệ thuận với tốc độ quay của đĩa nên thiết bị 5 dễ dàng
phân tích tín hiệu và tính được số vòng quay của đĩa.
Thiết bị đo trên hình 6 bao gồm đầu phát quang và bộ phận xử lý và hiển thị kết quả.
Để đo được số vòng quay của trục 1, người ta dán lên nó một miếng giấy phản quang 2
rồi đặt thiết bị đo gần trục sao cho đầu thu phát 3 chiếu thẳng vào khu vực dán giấy
phản quang. Mỗi ki tấm phản quang đi qua nó sẽ phản hồi tia sáng từ đầu phát hắt
ngược trở lai đầu thu làm xuất hiện xung điện trong mạch đo cảu thiết bị tương tự như
trong trường hợp trên.
2.1. Lựa chọn nguyên lý
Nguyên lý là thành phần quyết định đến việc thiết kế và chế tạo, chính vì thế nên
việc lựa chọn nguyên lý thích hợp là rất quan trọng. Dựa trên yêu cầu của đề tài đặt ra là
chế tạo được một thiết bị đo vận tốc quay có độ chính xác, có khả năng tự ghi lại, tiện
gá lắp để thực hiện đo, có tính cơ động cao, có thể hiển thị trực tiếp kết quả ra LCD, nên
sau khi đã cân nhắc chúng tôi quyết định chọn nguyên lý cảm biến quang để thực hiện
quá trình ngiên cứu và chế tạo. Ưu điểm của phương pháp này là:
--------------------------------------------------------------------------------------------------------
--------------------------------------------------------------------------------------------------------
Thiết bị đo tần số quay gọn nhẹ, có thể mang theo người
Gá lắp dễ dàng
Kết quả đo có độ chính xác cao
Có thể lưu lại kết quả đo nhiều lần
Có thể hiện thị trực tiếp trên LCD để chúng ta có thể theo dõi
Kết nối với máy tính để tiện cho việc tính toán
--------------------------------------------------------------------------------------------------------