cảm biến đo gia tốc và rung

Trương ĐH GTVT TP.Hô Chi Minh

Bai Thuyêt Trinh

Đê Tai

Thiêt kê gia tôc cam biên va rung

Nhom 71.Dương Văn Hoa TD12

2.Thai Hoang Tuân TD12 3.Pham Minh Thinh TD12

4.Nguyên Trong Thuy TD12

Nôi dung bai thuyêt trinh

I.Khai niêm,tinh chât cua gia tôc,rung

II.Cam biên đo gia tôc,rung;phương phap

1.Phương phap đo

2.Cac đăc trưng cua cam biên

3.Cam biên gia tôc

3.1:cam biên đo gia tôc ap trơ

3.2:cam biên đo gia tôc ap điên

4.Cam biên đo rung

III.Ưng Dung

I.Khai niêm,tinh chât cua gia tôc,rung

I.Khai niêm va tinh chât cua gia tôc va rung

gia tôc:- ki hiêu: a hoăc g- đơn vi đo: m/s2 hoăc cung co thê la Hz- Theo nguyên ly cơ ban cua cơ hoc ,gia tôc la

môi quan hê giưa lưc va khôi lương.- Đông hoc:gia tốc đươc hiêu là đai lương vât ly

đăc trưng cho sư thay đôi cua vận tốc theo thơi gian

=>1 vật có gia tốc khi vật đó biến thiên vận tốcVD: xe gắn máy khi tăng tốc sẽ có gia tốc.còn cánh

quạt khi quay đều không có gia tốc.

2( / )dv

a m sdt

=

I.Khai niêm va tinh chât cua gia tôc va rung(tt)

Tinh chât cua gia tôc

- 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.


- Gia tốc trung bình:

+Gia tốc trung bình là biến thiên của vận tốc chia cho biến thiên của thời gian, là đạo hàm của vận tốc theo thời gian, và là đạo hàm bậc hai của vị trí chất điểm theo thời gian

0tb

0

v v va

t t t

− ∆= =− ∆


- Gia tốc tức thời:+Gia tốc tưc thời của một vật tại một thời điểm là sự thay đổi về vận tốc trong một khoảng thời gian vô cùng nhỏ quanh thời điểm đó chia cho khoảng thời gian vô cùng nhỏ này. Nó có thể được tính theo công thức

trong đó:a là gia tốcv là vận tốc đơn vị m/st là thời gian đơn vị s.

dva

dt=


-Gia tốc hướng tâm:

+Gia tốc hướng tâm là gia tốc của chuyển động trên một quỹ đạo cong.Gia tốc này hướng vào tâm cong của quỹ đạo và có độ lớn bằng độ lớn của gia tốc ly tâm:

trong đó:

v là tốc độ tức thời

R là độ dài bán kính cong

2

ht

va

R=


Rung

- Là dao động cơ học của vật thể đàn hồi,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 nghiêp la sự di chuyển qua lại của máy hoặc các bộ phận máy

- Rung lam thay đôi phô tân dân đên trang thai mai mon va moi cac chi tiêt cơ khi


- Rung động được đặc trưng bởi ba thông số:■Biên độ dao động λ.■Biên độ của vận tốc dao động γ.■Biên độ của gia tốc dao động β.- Mức rung động cua vận tốc dao động:

Trong đó: γ0= 5.10-8 [m/s]– ngưỡng quy ước biên độ của vận tốc dao động.

0

Lc= 20.log ( ) ; [dB]γγ


- 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.

- 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.Cam biên đo gia tôc,rung va phương phap đo

1. Phương pháp đo

Phương pháp đo:

Gia tôc nho co dao đông trong tâm tần số thấp (f = 0 ÷ ~20 Hz): dùng cảm biến đo dịch chuyển và cảm biến đo biến dạng.

Gia tôc 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 tôc 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 tôc có dạng xung: dùng cảm biến gia tốc có dải thông rộng về cả hai phía tần số thấp và cao.

2. Cac đăc trưng cua cảm biến đo gia tốc

)11

(2

10

bmMCf +

∏= )

11(

2

10

sb MmMCf

++

∏=

2. Cac đăc trưng cua cảm biến đo gia tốc(tt)

)/( 2' cmgMM

M

cs

s

+=γγ

20 21 ξ−== ffr

2. Cac đăc trưng cua cảm biến đo gia tốc(tt)

τω 1=

3.1: Gia tốc kế áp điện

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động:

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.


+ Thông thường cần phải đo gia tốc theo hai hướng dọc theo trục nhạy cảm. Tuỳ thuộc vào bản chất lực tác dụng

(nén, kéo hoặc cắt) trong bộ cảm biến phải có bộ phận cơ khí tạo ứng lực cơ học đặt trước lên phần tử áp điện để

mở rộng dải đo gia tốc theo hai chiều.


+ 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.


amdFdq ijij ... ==

Các tinh thể áp điện có thể được cắt hay căng theo các cách:

Cắt

Uốn

Nén


PRELOAD STUD (truc nhay cam)

PIEZOELECTRICCRYSTAL(S)(phân tư ap điên)

HOUSING

SEISMICMASS

(khôi lương rung)

ELECTRODE( điên cưc) SIGNAL (+)

+ + + + + ++ + + + + +

- - - - - - -

- - - - - - -

BUILT-INELECTRONICS

GROUND (-)

Dạng nén

Tân sô công hương cao,chăc chăn,nhay vơi ung lưc cua đê

preload stud tăngđộ cứng của yêu tô

gây cộng hưởng cao

+ + + + + ++ + + + + +

- - - - - - -

- - - - - - -

nguyên nhân gây ra cáckim loại thoáng nhiệtnở rộng và hợp đồngtinh thể nhấn mạnh

dọc theo trục nhạy cảm

Cac tinh thê bi can trơse đi ra ngoai thanh tinhiêu điên

Dạng nén

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

PIEZOELECTRICCRYSTALSEISMIC

MASS

HOUSING

SIGNAL (+)

BUILT-INELECTRONICS

GROUND (-)

Dạng uốn

Hai phiên điên ap mong đươc dan vơi nhau cho đô nhay rât cao nhưng bi han chê bơi gia tôc rung thâp va tân sô nho

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

PIEZOELECTRIC CRYSTAL HAS NO PRELOAD

RESULTING IN A LOW RESONANCE

STRAIN WAVES ARESHUNTED BY FULCRUM

TEMPERATURE CHANGESCAN ONLY REACH ELEMENT

BY RADIATION. THERMALSTRESS IS ALONGNON-SENSITIVE

AXIS

Dạng uốn

+++++

-----

+++++

-----

GROUND (Case)

SIGNAL

MASS

BUILT-IN ELECTRONICS

PIEZOELECTRICCRYSTAL

HOUSING

PRE-LOADRING

Dạng cắt

+++++

-----

+++++

-----

STRAIN WAVES ARESHUNTED AT POST

THERMAL TRANSIENTSCAUSE STRESSES

ALONG THE NONSENSITIVE

AXIS

Dạng cắt

3.2: Gia tốc kế áp trở

- Cấu tạo chung của một gia tốc kế áp trở gồm một tấm mỏng đàn hồi một đầu gắn với giá đỡ, một đầu gắn với khối lượng rung, trên đó có gắn từ 2 đến 4 áp trởmắc trong một mạch cầu Wheatstone. Dưới tác dụng của gia tốc, tấm đàn hồi bị uốn cong, gây nên biến dạng trong đầu đo một cách trực tiếp hoặc gián tiếp qua bộ khuếch đại cơ.

1) Khối rung 2) Tấm đàn hồi

3) áp trở 4) Đế

Độ nhạy của cảm biến được biểu

diễn bằng biểu thức:

1 2. . m mV Vs s s

a a

εε

= = =

3.2: Gia tốc kế áp trở(tt)

- Độ nhạy điện của cầu Wheatstone S1: vì 4 đầu đo đều có cùng một biến dạng |ε| nên điện áp ra Vm của đầu đo bằng:

Suy ra:

Trong đó:

es - điện áp nuôi cầu (10 - 15 V).K - hệ số đầu đo áp trở.R - điện trở một đầu đo.

. .m s s

RV e e K

Rε∆= =

2 . ss K e=

3.2: Gia tốc kế áp trở(tt)

- Độ nhạy cơ S1 của hệ thống cơ khí xác định theo biểu thức:

Giá trị của A và ɷ 0 phụ thuộc vào kết cấu của hệ chịu uốn

1 2 220

20 0

1

1 2

As

ω ω ωξω ω

= =

− +

3

0 3

3

4 ..

1,5

Yle

L Mb e

AL

ω =

=

Môt sô cam biên đo gia tôc

MPU-6050 Cảm biến gia tốc

4. Cảm biến đo rung

Rung đông la hiên tương thương găp trong ky thuât, anh hương rât lơn đên tinh năng lam viêc, đô an toan va tuôi tho cua may moc, thiêt bi.

Độ rung được đặc trưng bởi độ dịch chuyển (z), tốc độ (v) hoặc gia tốc (a) ở các điểm trên vật rung.

⇒ Đo rung: đo một trong những đặc trưng trên.

⇒Cảm biến đo rung: cảm biến đo dịch chuyển, cảm biến đo tốc độ hoặc cảm biến đo gia tốc.

4. Cảm biến đo rung(tt)

Sơ đồ cảm biến đo tốc độ rung trình bày trên hình


- Việc chuyển đổi tốc độ tương đối của khối lượng

rung so với vỏ hộp thành tín hiệu điện thực hiện bởi một cảm biến vị trí tương đối kiểu điện từ gồm một cuộn dây và một lõi nam

châm. Cuộn dây gắn với

khối lượng rung, lõi nam

châm đặt bên trong cuộn

dây và gắn với vỏ cảm biến- Bằng cách đo suất điện

động của cuộn dây có thế đánh giá được tốc độ rung cần đo.


- Một điều cần quan tâm khi sử dụng cảm biến loại này đó là phản ứng của cảm biến thứ cấp đối với chuyển động của khối lượng rung thể hiện thông qua phản lực f = B.l.i tác động lên cuộn dây khi cuộn dây chuyển động trong từ

trường cảm ứng B. Giả thiết bỏ qua trở kháng của cuộn dây Lω, khi đó phản lực f tỉ lệ với tốc độ tương đối:

Lực này chống lại chuyển động của khối lượng rung, làm thay đổi hệ số tắt dần của chuyển động.


- Nguyên ly cam biên đo đô rung:

Cam biên gôm 1 bô phân cơ khi (tinh thê ap điên hoăc lo xo) nôi vơi khôi lương rung va tât ca đươc đăt chung trong 1 chiêc hôp. Chuyên đông rung cua khôi lương M se tac đông lên phân tư nhay cam(lo xo) va chuyên thanh tin hiêu điên ơ đâu ra.

- khi không co gia tôc tac đông lên vo hôp

tung đô cua a va b băng nhau

- dich chuyên tương đôi

cua m so vơi hôp

Môt sô cam biên đo rung

Cam biên rung SW-520D

III.Ưng dung

- Cam biên gia tôc dung đê đo gia tôc cua vât chuyên đông => co thê đưa ra cac thay đôi hơp li vê măt thông sô hoat đông cho cac đông cơ hay vât chuyên đông.cam biên gia tôc đươc dung nhiêu trong nganh hang không,vu tru,nghiên cưu khoa hoc hoăc lăp đăt trong cac điên thoai,xe may

- Cam biên rung dung đê đo mưc đô rung cua 1 vât => đưa ra cac phương phap giam thiêu rung vi rung hâu hêt la không co lơi.Cam biên rung đươc dung nhiêu trong hoat đông hang không,xây dưng,đia chât…

cảm biến đo gia tốc và rung

Presentations & Public Speaking

Transcript of cảm biến đo gia tốc và rung