Thiết kế nguyên lý mạch xử lý tín hiệu đo lường tần số và biên độ dao động rung

BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

“Nghiên cứu ứng dụng công nghệ cơ khí và tự động hóa”
MÃ SỐ: KC.03.27/11-15

BÁO CÁO CHUYÊN ĐỀ SỐ 3.3

Thiết kế nguyên lý mạch xử lý tín hiệu đo lường tần
số và biên độ dao động rung

ĐỀ TÀI/DỰ ÁN SXTN: “Nghiên cứu thiết kế và chế tạo thiết bị rung khử
ứng suất dư ứng dụng cho chi tiết cơ khí dạng hàn và đúc có trọng lượng
và kích thước lớn”
Mã số: KC.03.27/11-15

Cơ quan chủ trì đề tài/dự án: Học viện KTQS
Chủ nhiệm đề tài/dự án: TS Nguyễn Văn Dương

Người thực hiện chuyên đề (Họ tên và chữ ký)

Trần Công Thành
Hà Nội – 2014


1

MỤC LỤC
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt
Danh mục các bảng
Danh mục các hình vẽ, đồ thị

MỞ ĐẦU...............................................................................................................................................................................

CHƯƠNG 1...........................................................................................................................................................................

TỔNG QUAN VỀ DAO ĐỘNG RUNG....................................................................................................................................

1.1. Khái niệm dao động rung.........................................................................................................................................

1.2. Tính chất của dao động rung.......................................................................................................................................

1.3. Các nguyên nhân tạo nên Dao động rung...................................................................................................................

CHƯƠNG 2...........................................................................................................................................................................

PHÂN TÍCH TÍN HIỆU DAO ĐỘNG RUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐO.......................................................................................

2.1. Phân tích Dao động rung.........................................................................................................................................

2.2. Đánh giá Dao động rung..........................................................................................................................................

2.3. Tỷ lệ tuyến tính và logarit.........................................................................................................................................

2.4. Mô tả Dao động rung máy.......................................................................................................................................

2.5. Nguyên lý làm việc của thiết bị đo Dao động rung.................................................................................................

CHƯƠNG 3...........................................................................................................................................................................

THIẾT KẾ SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ CỦA THIẾT BỊ ĐO DAO ĐỘNG RUNG....................................................................................

3.1. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển thiết bị rung khử ứng suất dư.............................................................................

3.2. Sơ đồ khối thiết bị đo dao động rung.....................................................................................................................

3.3. Nguyên lý các khối chức năng.................................................................................................................................

3.2.1 Khối nguồn:........................................................................................................................................................

3.2.2 Khối cảm biến.....................................................................................................................................................

3.2.3. Khối xử lý tín hiệu và khuếch đại trung gian....................................................................................................

3.3. Khối chuyển đổi ADC và giao tiếp máy tính............................................................................................................

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.....................................................................................................................................................

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................................................................................


2

PHỤ LỤC...............................................................................................................................................................................

MỞ ĐẦU
a) Mục đích nghiên cứu
Chuyên đề được thực hiện với các mục đích sau đây:
- Tìm hiểu tổng quan về dao động rung;
- Phân tích tín hiệu dao động rung và phương pháp đo;
- Thiết kế nguyên lý mạch xử lý tín hiệu đo lường tần số và biên độ dao
động rung.

b) Giới hạn phạm vi nghiên cứu
Nội dung của chuyên đề tập trung nghiên cứu cơ sở lý thuyết tính hiệu
dao động rung, lựa chọn xử lý tín hiệu đo, Thiết kế nguyên lý mạch xử lý tín
hiệu đo lường tần số và biên độ dao động rung.


3

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ DAO ĐỘNG RUNG

1.1. Khái niệm dao động rung.
Dao động rung đơn giản là sự di chuyển qua lại của máy hoặc các bộ phận
máy. Tất cả các thành phần máy di chuyển qua lại hay dao động qua lại là đang
Dao động rung.
Dao động rung có thể có nhiều dạng khác nhau. Một thành phần máy có thể
dao động một khoảng cách lớn hoặc nhỏ, nhanh hoặc chậm và có thể cảm nhận
được âm thanh và nhiệt. Dao động rung 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….

Hình 1.1. Dao động rung của máy.

để đo được dao động rung thì phải có dụng cụ đo, thông thường trong công
nghiệp dao động rung được đo bằng cảm biến và phương pháp này tiện lợi là có


4

thể truyền tín hiệu Dao động rung đi xa không ảnh hưởng tới sự làm việc của hệ

thống khi cần xác định dao động rung.
1.2. Tính chất của dao động rung.
Dao động rung có thể là Dao động tuần hoàn, Dao động rung ngẫu nhiên và
Dao động rung tắt dần. Trong đó phổ biến nhất là Dao động rung tuần hoàn.
Dao động rung của máy có tính tuần hoàn, được xác định qua ba thông số
cơ bản: chuyển vị, vận tốc, gia tốc.
Mối quan hệ giữa chuyển vị gia tốc và vận tốc ứng với tần số của một Dao
động rung, cho thấy:
- Chuyển vị càng cao thì tần số càng thấp, vì vậy cần đo chuyển vị khi tần
số Dao động rung thấp - Vận tốc có giá trị không đổi khi tần số thay đổi và thể
hiện rõ nhất ở khoảng tần số trung bình. Vì vậy, đo vận tốc Dao động rung
thường được áp dụng trong giám sát Dao động rung liên tục.
- Gia tốc càng cao khi tần số Dao động rung càng cao. Vì vậy, đo gia tốc
thường áp dụng trong giám sát rung đông có tần số Dao động rung lớn. Nếu đo
được gia tốc của Dao động rung thì có thể suy ra vận tốc và chuyển vị bằng phép
tích phân. Tuy nhiên để có gia tốc bằng cách lấy vi phân từ vận tốc thì tín hiệu
rất dễ bị nhiễu do tính chất của mạch điện tử vi phân không chống nhiễu tốt như
mạch tích phân.
Dao động rung ngẫu nhiên, thường xảy ra một cách tự nhiên và được đặc
trưng bằng quá trình chuyển động bất thường không bao giờ lặp lại một cách
chính xác.
Dao động rung tức thời, là Dao động rung không liên tục (tắt dần). Dao
động rung này có thể là xung va đập. Xung va đập là một Dao động rung có tần
số rất cao và là rung động tắt dần. Đo xung va đập là một trong những phương
pháp phân tích Dao động rung rất phổ biến hiện nay.
1.3. Các nguyên nhân tạo nên Dao động rung.
Có nhiều nguyên nhân khác nhau gây Dao động rung cho thiết bị, máy và
hệ thống sản xuất như:
- Mất cân bằng.
- Không đồng trục.

- Các mối lắp ghép bị lỏng.
- Cộng hưởng dao động.
- Trục bị cong.
- Thiết bị không phù hợp...


5

Dưới đây đề cập đến một số nguyên nhân chính gây ra Dao động rung, từ
đó có thể phát hiện và đưa ra các giải pháp tạo các Dao động rung này.
- Mất cân bằng :
Sự phân bố khối lượng không đồng đều trên bộ phận quay gây nên mất cân
bằng.
Sự phân bố khối lượng không đồng đều được mô hình hóa tại một điểm và
được gọi là đốm nặng.
Giá trị mất cân bằng = trọng lượng mất cân bằng × khoảng cách từ tâm
quay đến vị trí trọng lượng mất cân bằng
Hoặc:
Giá trị cân bằng = trọng lượng của đĩa quay x khoảng cách giữa tâm quay
với đĩa tâm.

Hình 1.2. Nguyên lý tạo dao động

Như được trình bày trong hình 1.3 mất cân bằng nghiêm trọng thường tạo
ra một biên độ cao bất thường tại vận tốc tới hạn và biên độ giảm xuống sau khi
vượt qua vận tốc tới hạn. Tuy nhiên sau khi giảm xuống biên độ này vẫn còn lớn
hơn so với biên độ của rôto cân bằng.

Hình 1.3. Đáp ứng trạng thái rotor

Khi đốm nặng chỉ hiện diện trong một mặt phẳng đơn thì gọi là mất cân
bằng tĩnh.


6

Khi đốm nặng hiện diện trong hơn một mặt phẳng thì gọi là mất cân bằng
động. Trong trường hợp này, đặt trục lên đồ gá sẽ không thấy được tình trạng
mất cân bằng. Lực ly tâm do không cân bằng gây ra Dao động rung.
Đây là cơ sở để chúng ta thiết kế chọn thiết bị tạo dao động như ở chuyên
đề trước.
Căn cứ tính chất đặc điểm dao động rung của thiết bị rung được chọn ta cần
có phương án đo được dao động rung. Chuyên đề này tập trung Nghiên cứu
Thiết kế nguyên lý mạch xử lý tín hiệu đo lường tần số và biên độ dao động
rung.


7

CHƯƠNG 2
PHÂN TÍCH TÍN HIỆU DAO ĐỘNG RUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐO

2.1. Phân tích Dao động rung.
Theo phép phân tích Fourier thì một đường cong tuần hoàn bất kỳ, cho dù
phức tạp đến đâu, đều có thể biểu diễn bằng một tập hợp các đường cong hình
sin thuần túy. Số phần tử trong tập hợp này có thể vô hạn. Số phần tử càng lớn,
đường cong có được càng trùng khớp với đường cong cần phân tích.
a = a1 + a2.
Năm 1965 hai nhà bác học J. W. Cooley và J. W. Tukey đã đề xuất cách
chuyển phép phân tích Fourier sang dạng logarit gọi là phương pháp chuyển đổi

Fourier nhanh FFT (Fast Fourier Transformation). Phương pháp này là công cụ
rất hiệu quả để phân tích Dao động rung với sự trợ giúp của máy tính.
2.2. Đánh giá Dao động rung
Các đơn vị đo lường Dao động rung thường là: mm, mm/s, m/s2.
Ngoài ra để đánh giá Dao động rung người ta có thể áp dụng một số giá trị
đo như: giá trị đỉnh (Xp), “đỉnh đến đỉnh” (Xp-t-p), trị tuyệt đối giá trị trung
bình và giá trị mức quân phương (RMS).
Giá trị Xp-t-p và Xp tương ứng với các đỉnh của chuyển vị. Hai giá trị này
chỉ thích hợp cho các Dao động rung điều hòa đơn giản, vì chúng chỉ phụ thuộc
vào độ lớn tức thời của Dao động rung không cho thấy được đặc tính của Dao
động rung trong một khoảng thời gian.
- Trị tuyệt đối giá trị trung bình được xác định theo công thức sau:
Mặc dù thông số này được xác định trong khoảng thời gian chu kỳ T hay có
thể xác định trong một giới hạn quan tâm. Tuy nhiên giá trị này vẫn không quan
hệ trực tiếp đến bất kỳ thông số vật lý nào của Dao động rung thường dùng.
- Giá trị RMS được xác định trong khoảng thời gian nhất định và được sử
dụng phổ biến.
Giá trị này được cho bởi công thức sau:


8

T

1
. a 2 ( t ).dt
T

∫

ar .m.s =

0

Trong đó:
ar.m.s là giá trị hiệu dụng của gia tốc rung r.m.s, tính bằng mét trên giây bình
phương.
a(t) là gia tốc rung, tính bằng mét trên giây bình phương.
T là khoảng thời gian đo, tính bằng giây.
Giá trị RMS có quan hệ trực tiếp đến thành phần năng lượng của Dao động
rung và được sử dụng phổ biến trong các thiết bị đo Dao động rung.
2.3. Tỷ lệ tuyến tính và logarit
Trong thực tế, khoảng giá trị của Dao động rung rất rộng vì vậy vận tốc và
gia tốc của Dao động rung thường được đo trong các thang tuyến tính hay thang
logarit với đơn vị đo là dB. Cụ thể như sau:
Mức gia tốc rung La, tính bằng dexiben, được tính theo công thức sau:
La = 20 log (A/Ao)
Trong đó:
A là gia tốc rung, được tính bằng mét trên giây bình phương, được đo trực
tiếp trên máy theo giá trị r.m.s hoặc tính theo biểu thức sau:
A=

[∑ A

2
n

x 10 an / 10

]

1/ 2

An là giá trị gia tốc rung hiệu dụng ở tần số n Hz; tính bằng mét trên giây
bình phương;
an là hệ số theo dải tần số n Hz;
Ao = 10-5 m/s2
Ngoài ra trong kỹ thuật đo Dao động rung còn nhiều kiểu thang đo khác tùy
trường hợp cụ thể mà sử dụng loại thang đo phù hợp.
2.4. Mô tả Dao động rung máy
Để phân tích chính xác một Dao động rung, nó cần thiết phải mô tả sự Dao
động rung theo một cách thức nhất quán và đảm bảo độ tin cậy. Sự phân tích
Dao động rung dựa trên sự mô tả bằng con số hơn là sự mô tả bằng lời nói, giúp
cho việc phân tích và truyền đạt được chính xác.
Có hai con số quan trọng nhất mô tả Dao động rung máy là biên độ
(amplitude) và tần số (frequency).


9

Biên độ mô tả mức độ Dao động rung và tần số mô tả tốc độ dao động của
Dao động rung. Cả biên độ và tần số Dao động rung cung cấp cơ sở cho việc xác
định thông số Dao động rung.
Biên độ Dao động rung là độ lớn của sự Dao động rung. Một máy với biên
độ Dao động rung lớn thì sẽ có một chuyển động dao động mạnh, nhanh và lớn.
Vì thế mà biên độ năng lượng của Dao động rung. Nói chung, mức độ hay biên
độ của Dao động rung còn liên hệ tới:
(a) khoảng chuyển động Dao động rung
(b) tốc độ của chuyển động
(c) lực kết hợp với chuyển động

Nhưng trong hầu hết các trường hợp, tốc độ và biên độ vận tốc (velocity
amplitude) của máy cho thông tin hữu ích về tình trạng của máy.
Vậy vận tốc là gì? Nó đơn giản là tốc độ được đo theo một chiều xác định.

Hình 2.1. Vận tốc quay theo thời gian

Biên độ vận tốc có thể biểu diễn theo các thuật ngữ như peak value (giá trị
đỉnh) hoặc RMS (root-mean-square value – giá trị hiệu dụng).
Biên độ vận tốc tối đa hay đỉnh (peak) của một Dao động rung đơn giản là
giá trị tốc độ Dao động rung maximum (peak) có được của dao động trong một
chu kỳ thời gian.
Trái ngược với biên độ vận tốc tối đa, biên độ vận tốc RMS của Dao động
rung cho chúng ta biết năng lượng Dao động rung. Năng lượng Dao động rung
càng cao, biên độ RMS càng lớn.
Cụm từ “root-mean-square“ thường viết tắt là RMS và biên độ RMS luôn
luôn thấp hơn biên độ tối đa hay biên độ đỉnh (peak amplitude).


10

Hai đơn vị biên độ vận tốc được sử dụng phổ biến là inches/second (in/s)
và millimeters/second (mm/s).
Tần số (Frequency) là khi một thành phần của máy đang Dao động rung nó
sẽ lặp lại các chu kỳ chuyển động. Phụ thuộc vào lực gây ra sự Dao động rung,
thành phần của máy đó sẽ dao động nhanh hay chậm.
Ở tốc độ mà một thành phần của máy dao động được gọi là tần số dao động
hay tần số dao động rung. Tần số dao động rung càng nhanh thì dao động càng
nhanh.

Hình 2.2. Thông số dao động rung

Chúng ta có thể xác định tần số của một thành phần đang Dao động rung
bằng cách đếm số chu kỳ dao động sau mỗi giây. Ví dụ, một thành phần đi qua 5
chu kỳ trong 1 giây có nghĩa là nó đang Dao động rung ở một tần số 5 chu
kỳ/giây (5cps).


11

Hình 2.3. Thông tin biểu đồ sóng.

Những thông tin mà một dạng sóng cho biết, phụ thuộc vào khoảng thời
gian và độ phân giải của một dạng sóng (waveform). Thời khoảng của một
waveform là tổng chu kỳ thời gian qua đi mà có thể biết được từ một waveform.
Trong hầu hết các trường hợp, một vài giây là đủ. Độ phân giải của một
waveform là một số đo mức độ chi tiết trong waveform và được xác định bằng
số điểm dữ liệu mô tả hình dạng của một waveform. Nếu càng nhiều điểm thì
biểu đồ waveform càng chi tiết.
- Biểu đồ dạng phổ:
Một loại biểu diễn khác thường được sử dụng phổ biến trong phân tích Dao
động rung là biểu đồ phổ (spectrum). Một spectrum là một biểu đồ biểu diễn các
tần số ở một thành phần Dao động rung cùng với các biên độ ở mỗi tần số đó.
Hình dưới đây là một ví dụ về một spectrum vận tốc. Nhưng tại sao một thành
phần máy duy nhất mà lại có đồng thời Dao động rung ở nhiều hơn một tần số.


12

Hình 2.4. Thông tin biểu đồ dạng phổ.

Trả lời nằm trong thực tế rằng, sự Dao động rung máy, khác với sự chuyển
động dao động đơn giản của một quả lắc, nó không chỉ có một chuyển động Dao
động rung đơn giản mà thông thường nó bao gồm nhiều chuyển động Dao động
rung xảy ra đồng thời.
Lấy ví dụ: spectrum vận tốc của một gối đỡ thường cho thấy rằng vòng bi
đang Dao động rung không chỉ ở một tần số mà ở nhiều tần số khác nhau. Sự
Dao động rung ở một vài tần số có thể là do chuyển động của các chi tiết trong
vòng bi, ngoài ra còn ở các tần số khác là do sự tác động của các răng của bánh
răng hoặc có các tần số khác là do sự quay tròn của cánh quạt làm mát motor.
Một spectrum cho thấy các tần số mà ở đó xảy ra sự Dao động rung nên nó
là công cụ phân tích Dao động rung rất hữu ích. Bằng việc phân tích các tần số
riêng của một thành phần máy đang Dao động rung cũng như các biên độ tương
ứng với mỗi tần số đó, và chúng ta có thể tìm ra có sự liên phân tích Dao động
rung.
Ngược lại, một waveform lại không cho thấy một cách rõ ràng các tần số
mà ở đó xảy ra sự Dao động rung. Thay vào đó, một waveform lại chỉ biểu diễn
giá trị tổng thể overall. Cho nên sẽ không dễ dàng khi đánh giá dao động rung
bằng biểu đồ waveform.
Cho nên ngoại trừ có một vài trường hợp đặc biệt, các spectrum đóng vai
trò là công cụ quan trọng cho việc phân tích Dao động rung.
Các thông tin mà một spectrum chứa đựng phụ thuộc vào giá trị Fmax (tần
số maximum) và độ phân giải (resolution) của spectrum đó. Fmax là giới hạn tần
số của một spectrum có thể biểu diễn. Giá trị Fmax này bao nhiêu phụ thuộc vào
tốc độ vận hành của máy. Tốc độ vận hành càng cao thì Fmax càng phải cao. Độ


13

phân giải của một spectrum là một số đo mức độ chi tiết của spectrum, và được
xác định bởi số đường phổ mô tả hình dạng của biểu đồ spectrum. Càng nhiều

đường phổ thì mức độ chi tiết của spectrum càng cao.
2.5. Nguyên lý làm việc của thiết bị đo Dao động rung
Spectrum (biểu đồ dạng phổ). Khi chúng ta đo Dao động rung máy chúng
ta thường đo các spectrum Dao động rung, khi mà spectrum của một thành phần
Dao động rung nói cho chúng ta biết thông tin có giá trị và đạt được độ chính
xác.
Những điều cần phải chú ý để đảm bảo các số đo được chính xác :
- Cách gắn các cảm biến đo Dao động rung.
- Xác định được cần cài đặt các thông số đo nào.
- Cách lấy số đo một cách có hệ thống.
Trước khi lấy số đo Dao động rung, ta phải gắn một cảm biến mà có thể
theo dõi Dao động rung của máy được đo. Có nhiều loại cảm biến đo Dao
động rung khác nhau. Tuy nhiên loại gia tốc kế accelerometer thường được
sử dụng nhất vì có nhiều ưu điểm hơn các loại khác. Gia tốc kế là một cảm
biến mà tạo ra một tín hiệu điện mà tỉ lệ với sự gia tốc của thành phần Dao
động rung.

Hình 2.5. Sơ đồ thu thập dữ liệu dao động rung.

Vậy gia tốc của một thành phần Dao động rung là một số đo về lượng


14

thay đổi của vận tốc của thành phần Dao động rung.
Tín hiệu gia tốc được tạo ra bởi gia tốc kế gắn trên thiết bị đo Dao động
rung và lần lượt chuyển đổi tín hiệu thành một tín hiệu vận tốc. Phụ thuộc
vào sự lựa chọn của người sử dụng, tín hiệu có thể biểu diễn thành biểu đồ
dạng sóng vận tốc hay một biểu đồ phổ vận tốc. Một phổ vận tốc được
chuyển đổi từ biểu đồ waveform vận tốc bằng một công thức toán học gọi là

Fast Fourier Transform hay FFT (gọi là chuyển đổi Fourier).
- Xử lý dữ liệu
Khi đo Dao động rung sẽ có nhiều dạng phổ được đo và sau đo lấy trung
bình để được một dạng phổ trung bình. Một dạng phổ trung bình biểu diễn cách
thức Dao động rung tốt hơn khi mà phép xử lý trung bình làm tối thiểu các ảnh
hưởng của các thay đổi ngẫu nhiên hay các xung nhiễu thường có trong Dao
động rung. Giá trị trung bình tuyến tính được đề nghị cho hầu hết các trường
hợp. Giá trị trung bình số mũ thường được sử dụng chỉ khi cách thức dao động
rung thay đổi đáng kể theo thời gian. Thông số xác định số các dạng phổ liền
nhau sử dụng để tính trung bình, các dạng phổ sử dụng càng lớn, các xung nhiễu
sẽ giảm và các dạng phổ sẽ biểu diễn chính xác hơn.

Hình 2.6. Xử lý dữ liệu bình quân

Tuy nhiên, nếu số lần trung bình càng lớn thì dữ liệu cần thu thập càng
nhiều, và vì thế sẽ mất thời gian để có được biểu đồ dạng phổ trung bình. Số lần
lấy trung bình bằng 4 là đủ cho hầu hết các trường hợp. Dữ liệu được thu thập
không được sử dụng trực tiếp để tạo ra một dạng phổ mà thường đưa sửa chữa
trước để phục vụ cho yêu cầu nào đó của quá trình xử lý FFT (Fast Fourier
Transform là quá trình chuyển đổi dữ liệu thành một biểu đồ dạng phổ). Dữ liệu


15

thường được sửa chữa bởi phép tính nhân của một hệ số hiệu chỉnh. Điều này
ngăn ngừa các đường phổ không bị nhòe hay rò sang cái khác.
Thông số mà xác định cách thức mà dạng phổ được hiển thị được kê ra với
đơn vị tính. Để xác định được cách dạng phổ biểu diễn, tỉ lệ chia của dạng phổ
cần được xác định. Tỉ lệ chia của dạng phổ xác định cách chi tiết của các dạng
phổ có thể được thấy dễ dàng và được xác định bằng thông số “Amplitude scale”

tỉ lệ biên độ. Trong hầu hết trường hợp, “Amplitude scale” có thể là tuyến tính.
Để xác định cách mà dạng phổ hiển thị, cần xác định loại biên độ được sử
dụng. Ở phần trước chúng ta đã xác định có 2 loại biên độ là biên độ đỉnh
“peak” và biên độ hiệu dụng rms. Nếu sử dụng biên độ đỉnh hay biên độ “0peak”, thì dạng phổ sẽ biểu diễn tốc độ tối đa đạt được bởi thành phần dao động
rung ở các tần số dao động rung khác nhau.
Mặt khác, nếu sử dụng biên độ hiệu dụng “rms”, thay vào đó sẽ biểu diễn
một lượng năng lượng dao động rung ở các tần số khác nhau. Đối với các dạng
phổ dao động rung, biên độ đỉnh ở một tần số riêng chính xác là căn bậc hai của
2 lần (1,4 lần) biên độ hiệu dụng rms ở tần số đó. Vì vậy loại biên độ nào được
sử dụng là không thật sự quan trọng khi mà có thể thực hiện chuyển đổi đơn vị
nhanh chóng. (Đối với phổ, biên độ đỉnh bằng căn bậc hai của 2 biên độ hiệu
dụng rms. Mối quan hệ này không có giá trị đối với biểu đồ dạng sóng
waveform).

Hình 2.7. Giá trị biên độ và hiệu dụng

Chúng ta nên sử dụng cùng loại biên độ cho các điểm đo để tránh sự hiểu
sai. Một sự chuyển đổi từ biên độ rms sang biên độ đỉnh gây ra sự gia tăng của
biên độ dao động rung mà có thể đánh giá sai giá trị dao động rung. Mặt khác,


16

một sự chuyển đổi từ biên độ đỉnh sang biên độ hiệu dụng rms có thể không thấy
được sự gia tăng thực của biên độ Dao động rung.
Tóm lại, việc thiết kế thiết bị đo dao động rung cần xác định thông số là
biên độ (amplitude) và tần số (frequency). Bên cạnh đó gia tốc của thành phần
dao động rung là một thông số đo về lượng thay đổi của vận tốc của thành
phần dao động rung.
Tín hiệu gia tốc được tạo ra bởi gia tốc kế gắn trên thiết bị đo dao động

rung và lần lượt chuyển đổi tín hiệu thành một tín hiệu vận tốc. Phụ thuộc
vào sự lựa chọn, tín hiệu có thể biểu diễn thành biểu đồ dạng sóng vận tốc
hay một biểu đồ phổ vận tốc. Một phổ vận tốc được chuyển đổi từ biểu đồ
dạng sóng vận tốc bằng một công thức toán học gọi là Fast Fourier
Transform hay FFT (gọi là chuyển đổi Fourier).


17

CHƯƠNG 3
THIẾT KẾ SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ
CỦA THIẾT BỊ ĐO DAO ĐỘNG RUNG
3.1. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển thiết bị rung khử ứng suất dư.
Cảm biến
Tín hiệu điều khiển
Thiết bị tạo
dao động

Thiết bị đo dao động
rung
Hiển thị đo lường

Phản hồi ổn định tần số
Tín hiệu hiện thị đo lường

Hình 3.1. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển thiết bị rung

Nguyên lý chung của hệ thống điều khiển thiết bị rung khử ứng suất dư
trên như sau: Cảm biến gia tốc cảm biến thông số dao động đưa về thiết bị đo xử
lý tín hiệu, Thiết bị đo dao động rung cho ta giá trị thông số biên độ đưa vào bộ

chỉ thị đo, đồng thời lấy tín hiệu biên độ và tần số phản hồi về hệ thống điều
khiển tạo tín hiệu điều khiển thiết bị dao động với tần số mong muốn.
3.2. Sơ đồ khối thiết bị đo dao động rung.
Khối cảm
biến

Khối xử lý
tín hiệu

Khối
khuếch đại

Khối
chuyển đổi
ADC

Khối
nguồn
Hình 3.2. Sơ đồ khối hệ thống đo Dao động rung

Khối hiển
thị đo và
điều khiển


18

- Khối Cảm biến: Đây là bộ phận cảm biến gia tốc kế (biến tín hiệu không
điện thành tín hiệu điện).
- Khối xử lý tín hiệu: Khối này có nhiệm vụ xử lý các tín hiệu đầu vào và đưa

vào khuếch đại.
- Khối khuyếch đại trung gian: Bộ phận này có nhiệm vụ khuyếch đại tín hiệu
từ Sensor sau xử lý tín hiệu.
- Khối chuyển đổi tương tự số: Khối Analog(tín hiệu liên tục) sang Digital (tín
hiệu số) có nhiệm vụ là phân tích tín hiệu tương tự cần đo mã hoá tín hiệu này và
đưa sang chỉ thị số.
- Khối hiển thị: Khối này có nhiệm vụ đọc tín hiệu và hiển thị số liệu đo, khối
kênh nào đo.
- Khối nguồn: Khối này có nhiệm vụ cung cấp điện áp (nguồn nuôi) cho tất cả
các khối trên và tạo ra nguồn luôn ổn định.
3.3. Nguyên lý các khối chức năng.
3.2.1 Khối nguồn:
- Một máy biến áp: với sơ cấp lấy điện 220V, f = 50Hz. Thứ cấp chia làm hai
cuộn có một điểm chung. Đây là biến áp trung tính.
- 4 diod tạo thành chỉnh lưu cầu.
- Dùng IC ổn áp 7812, 7912 tạo ra nguồn E1 = ± 12V và dùng IC ổn áp 7805
tạo ra nguồn E2 = + 5V.


19

- Dùng 4 tụ hoá để lọc.

Hình 3.3. Sơ đồ nguyên lý khối nguồn

3.2.2 Khối cảm biến
Cảm biến rung có thể là cảm biến dịch chuyển, cảm biến tốc độ hoặc cảm biến
gia tốc nhưng để đảm bảo độ chính xác chúng ta chọn cảm biến gia tốc kế vì khi
chuyển đổi sang vận tốc và tần số qua phép lấy tích phân cho ta độ chính xác hơn
khi lấy vi phân để chuyển về gia tốc, ta có thể mô tả nguyên lý hoạt động của chúng

bằng mô hình hệ cơ học có một bậc tự do.
Cảm biến gồm một phần tử nhạy cảm (lò xo, tinh thể áp điện…) nối với một
khối lượng rung và được đặt chung trong một vỏ hộp. chuyển động rung của khối
lượng M tác động lên phần tử nhạy cảm của cảm biến và được chuyển thành tín hiệu
điện ở đầu ra.

Hình 3.4. Sơ đồ nguyên lý cảm biến đo gia tốc và rung
1) Khối rung, 2) Vỏ hộp, 3) Phần tử nhạy cảm, 4) Giảm chấn

Gọi h0 là tung độ của điểm a của vỏ hộp, h là tung độ điểm b của khối
lượng rung. Khi không có gia tốc tác động lên vỏ hộp tung độ của a và b bằng
nhau.
Dịch chuyển tương đối của khối lượng M so với vỏ hộp xác định bởi biểu
thức : z = h – h0;
khi đó phương trình cân bằng lực có dạng :


20

Cz

- là phản lực lò xo.
- là lực ma sát nhớt.
- là lực do gia tốc của khối M gây nên.

Hay :
Từ công thức trên ta nhận thấy cấu tạo của cảm biến để đo đại lượng sơ cấp
m1 (độ dịch chuyển h0, vận tốc dh0/dt hoặc gia tốc d2h0/dt) phụ thuộc vào đại
lượng được chọn để làm đại lượng đo thứ cấp m 2 (z, dz/dt hoặc d2z/dt2) và dải
tần số làm việc. Dải tần số làm việc quyết định số hạng nào trong vế phải

phương trình chiếm ưu thế (Cz, Fdz/dt hoặc Md2z/dt2).
Trên thực tế cảm biến thứ cấp thường sử dụng là :
- Cảm biến đo vị trí tương đối của khối lượng rung M so với vỏ hộp.
- Cảm biến đo lực hoặc cảm biến đo biến dạng.
- Cảm biến đo tốc độ tương đối.
Dùng toán tử laplace (p) có thể mô tả hoạt động của cảm biến rung động
bằng biểu thức sau :
- Mp2h0 = Mp2
Hoặc:

Với:
là tần số riêng của M trên lò xo có độ cứng C.
là hệ số tắt dần.
Độ nhạy của cảm biến có thể tính bằng tỉ số giữa đại lượng điện đầu ra s
và đại lượng đo sơ cấp m1.
Trong đó : - S1 = m2/m1 là độ nhạy cơ của đại lượng đo sơ cấp.
- S2 = s/m2 là độ nhạy của cảm biến thứ cấp.
3.2.3. Khối xử lý tín hiệu và khuếch đại trung gian.

Xử lý tín hiệu,
khuếch đại biên
độ chỉnh lưu hiển
thị LCD
Khâu So sánh
tạo xung tần số
điều khiển

Chỉnh lưu
lấy biên độ
điều khiển

PLC


21

Chỉnh
lưu lấy
biên độ
hiển thị

Hình 3.5. Sơ đồ khối xử lý tín hiệu và khuếch đại trung gian
Hình 3.5. Sơ đồ khối xử lý tín hiệu & khuếch đại

3.2.3.1. Mạch xử lý tín hiệu và chỉnh lưu hiển thị LCD.

Hình 3.6. Sơ đồ nguyên lý mạch xử lý tín hiệu và chỉnh lưu hiển thị LCD

Tín hiệu nhận được sau cảm biến gia tốc ở dạng xung ở dạng phức tạp
bao gồm cả thành phần tuần hoàn và và giá trị bất qui tắc. Để đưa vào các khâu
khuếch đại và hiển thị đo lường và điều khiển ta phải tiến hành xử lý tín hiệu
bằng phương pháp lọc tín hiệu. Mạch lọc thụ động có ưu điểm là rất đơn giản,
tuy nhiên hệ số truyền đạt nhỏ do bị tổn hao trên RC, phụ thuộc nhiều vào tải,
khó phối hợp tổng trở với các mạch ghép. Muốn hạn chế độ suy giảm thì phải
lắp nhiều mắt lọc liên tiếp, lúc này tần số cắt của bộ lọc sẽ khác với các tần số
cắt của các mắt lọc. Cách khắc phục nhược điểm trên đó là sử dụng các mạch
lọc tích cực. Cụ thể là đưa mắt lọc RC vào đường hồi tiếp của Op-Amps để tăng
hệ số truyền đạt, tăng hệ số phẩm chất, đồng thời làm giảm ảnh hưởng của tải
bằng cách dùng tầng đệm để phối hợp trở kháng.

22

Tín hiệu sau cảm biến đi qua tụ lien lạc C13 vào khâu khuếch đại không
đảo U2a. Tín hiệu được lọc thông qua bộ lọc thông cao thụ động C14, C15, C16
và R20 lọc tần số nhiễu cao tần. Qua tụ liên lạc C12 đi vào bộ lọc tích cực U2B
có khâu lọc tích cực dạng Twin-T trên khâu hồi tiếp lọc thông thấp. Tín hiệu
mang thông tin gia tốc được đưa qua khâu tích phân U1D, R15, C9, R19 cho ta
tín hiệu mang thông tin vận tốc dao động, Opamp có điện thế offset lớn ở ngõ ra
(Điện thế ngõ ra cao khi điện thế ngõ vào bằng 0V) thì Vra sẽ nhận sai số đáng
kể, R19 mắc song song (R16-C9) mục đích tạo hồi tiếp âm cho tần số thấp khắc
phục sai số tín hiệu ngõ ra. Sau khâu tích phân tín hiệu đưa đến mạch chỉnh lưu
chính xác U1B, D1, D2 lấy thành phần dương đưa vào khâu tích phân U1C, C1,
R4 cho ta thông tin giá trị biên độ dao động đưa đến hiển thị LCD ở cổng O/P.
Đồng thời tín hiệu mang thông tin vận tốc sau khâu tích phân U1D lấy ra cổng
Port đưa về mạch xử lý tín hiệu biên độ điều khiển và biên độ hiển thị đo.
3.2.3.2. Mạch xử chỉnh lưu tín hiệu biên độ điều khiển.

Hình 3.7. Sơ đồ nguyên lý mạch chỉnh lưu tín hiệu biên độ điều khiển

Tín hiệu từ cổng Port mang thông tin vận tốc đưa vào đầu vào I/P qua tụ
liên lạc C19 vào khâu chỉnh lưu chính xác U3A, D3, D4 lấy giá trị dương được
so sánh với điện áp mẫu (cổng 5), tín hiệu sau so sánh được tích phân qua khâu
C17, R32 lấy thông tin biên độ giao động đưa vào khâu phối hợp trở kháng
U4C, qua 2 khâu khuếch đại U4A, U4D, vào khâu phối hợp trở kháng U4B đưa
ra tín hiệu biên độ điều khiển qua cổng P3. Cổng PORT3 được đưa đến P5 chọn
thang đo (thay đổi hệ số khuếch đại).
3.2.3.3. Mạch chỉnh lưu tín hiệu biên độ hiển thị đo.


23

Hình 3.8. Sơ đồ nguyên lý mạch chỉnh lưu tín hiệu biên độ đo lường
Ở mạch này tương tự mạch xử chỉnh lưu tín hiệu biên độ điều khiển. Tín hiệu

đầu ra lấy qua cổng P4 đưa đến hiển thị đo lường.
3.2.3.4. Mạch xử lý tín hiệu tạo xung tần số điều khiển.

Hình 3.9. Sơ đồ nguyên lý mạch xử lý tín hiệu tạo xung tần số điều khiển

Tín hiệu sau cảm biến được đưa vào cổng I qua khâu đệm phối hợp trở kháng
U7B vào khâu khuếch đại U7A được chỉnh lưu qua D7 vào khâu đệm U8A đưa ra
O/P vào P2 là tín hiệu xung tần số về điều khiển.
3.3. Khối chuyển đổi ADC và giao tiếp máy tính.


24

Hình 3.10. Sơ đồ mạch biến đổi ADC và giao tiếp máy tính.

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Chủ nhiệm đề tài/dự án
(ký và ghi rõ họ và tên)

Đại diện CQ chủ trì
(ký tên và đóng dấu)