Đề tài nghiên cứu máy Đo dao Động sử dụng cảm biến Áp Điện

Các côngthức tính toán và mô hình hóa có thể được áp dụng để dự đoán và đo lường dao động.Dựa trên nghiên cứu lý thuyết, một mạch đo sẽ được thiết kế và phát triển để biến đổitín hiệu từ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

Sinh viên thực hiện:

Phạm Đình Khánh Lớp: ĐTTHCN61 BỘ MÔN ĐIỆN ĐIỆN TỬ

Người hướng dẫn: ThS Lê Mạnh Tuấn

TPHCM, 2024

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

Sinh viên thực hiện:

Phạm Đình Khánh Nam, Nữ: Nam Dân tộc: Kinh

Lớp: CQ.61.ĐTTHCN Khoa: ĐĐT Năm thứ: 4 /4.5

Ngành học: ĐTTHCN

Người hướng dẫn: ThS Lê Mạnh Tuấn.

TPHCM, 2023

MỤC LỤ

DANH MỤC HÌNH ẢNH 5

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 6

1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu 6

1.2 Lý do chọn đề tài 6

1.3 Mục tiêu của đề tài 6

1.4 Giới hạn phạm vi đề tài 8

1.5 Phương pháp nghiên cứu 8

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 9

2.1 Giới Thiệu Về Cảm Biến Đo Lường Và Cảm Biến Rung 9

2.2.1 Tình hình hiện tại của cảm biến rung 10

2.2.2 Cảm biến áp điện 11

2.3 Cảm biến từ tính 11

2.5 Triển vọng của cảm biến rung 15

2.5.1 Hiệu suất đo lường thời gian thực 15

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG 17

3.1 Sơ Đồ Triển Khai 17

3.2 Yêu Cầu Hệ Thống 17

3.3 Thông Số Kỹ Thuật 17

3.4 Sơ Đồ Khối Hệ Thống 17

3.5 Sơ Đồ Thiết Kế Điện Tử Và Bộ Đièu Khiển 17

3.6 Các Linh Kiện Chính Sử Dụng 17

3.7 Phần Mềm 17

Chương 4: KẾT QUẢ 18

4.1 Mô hình phần cứng thực tế 18

4.2 Mô hình bay trong thực tế 18

4.3 Kết quả đạt được 18

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 19

1 Kết luận 19

2 Hướng phát triển 19

PHỤ LỤC 20

TÀI LIỆU THAM KHẢO 21

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 2.1 Các thông số rung động ……….7

Hình 2.2 Nguyên lý đo cơ bản của cảm biến rung……… 9

Hình 2.3 Hướng quay của cánh quạt 11

Hình 2.4 Chuyển động độ cao 12

Hình 2.5 Chuyển động nghiêng 12

Hình 2.6 Chuyển động cao độ 13

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI

1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu.

Trong xu hướng gần đây, Cảm biến là thiết bị giám sát một tham số của hệthống, hy vọng không làm ảnh hưởng đến thông số đó Đo rung động đã trở thành mộtphương pháp quan trọng trong nghiên cứu, thiết kế, sản xuất, ứng dụng và bảo trì sảnphẩm kết cấu cơ khí Cảm biến rung ngày càng quan trọng như các thiết bị chính Ngàynay, với sự phát triển của công nghệ máy tính, công nghệ điện tử và quy trình sản xuất,một loạt các cảm biến rung đã ra đời liên tiếp Trong giai đoạn này, các nguyên lý lýthuyết về cảm biến áp điện và dao động sẽ được nghiên cứu và hiểu rõ hơn Các côngthức tính toán và mô hình hóa có thể được áp dụng để dự đoán và đo lường dao động.Dựa trên nghiên cứu lý thuyết, một mạch đo sẽ được thiết kế và phát triển để biến đổitín hiệu từ cảm biến thành dữ liệu đo lường có thể xử lý được Mạch đo sẽ được thửnghiệm trên các mô hình dao động cụ thể hoặc trong các điều kiện mô phỏng để đánhgiá hiệu suất và độ chính xác của máy Dữ liệu đo được sẽ được thu thập, xử lý và phântích để trích xuất thông tin quan trọng về dao động như tần số, biên độ và hình dạng.Cuối cùng, kết quả của nghiên cứu có thể được áp dụng vào các ứng dụng thực tiễn nhưgiám sát dao động trong máy móc, kiểm soát chất lượng sản phẩm hoặc trong các ứngdụng y tế

- Nghiên cứu về đề tài này có thể mang lại giá trị thương mại cao hoặc cải thiệnquy trình sản xuất trong ngành công nghiệp

- Em hứng thú với đề tài này và muốn hiểu sâu hơn về nó để mở rộng kiến thức và

kỹ năng của mình trong lĩnh vực này

1.3 Mục tiêu của đề tài

- Hiểu rõ hơn về nguyên lý hoạt động của cảm biến áp điện và các phương pháp đolường dao động sử dụng công nghệ này

- Phát triển và thử nghiệm các mô hình máy đo dao động mới sử dụng cảm biến ápđiện để cải thiện tính chính xác, độ nhạy, và đáng tin cậy

- Áp dụng kết quả nghiên cứu vào các ứng dụng thực tiễn trong ngành côngnghiệp, y tế, hay nghiên cứu khoa học

- Giải quyết một vấn đề cụ thể hoặc cung cấp một giải pháp mới cho một tháchthức đo lường dao động trong một lĩnh vực nhất định.

- Đóng góp vào việc nâng cao hiệu suất và chất lượng trong các quy trình sản xuất

và kiểm soát chất lượng trong công nghiệp

- Phát triển các sản phẩm hoặc dịch vụ mới dựa trên kết quả nghiên cứu, có tiềmnăng thương mại và cung cấp giải pháp cho các vấn đề thực tế

1.4 Giới hạn phạm vi đề tài

- Đề tài tập trung vào việc phát triển và thử nghiệm một mô hình máy đo dao động

sử dụng cảm biến áp điện Phạm vi này bao gồm việc thiết kế, xây dựng, và kiểm trahiệu suất của máy đo trong một phạm vi cụ thể

- Mục tiêu của đề tài là áp dụng kết quả nghiên cứu vào các ứng dụng thực tiễn,nhưng phạm vi cụ thể của các ứng dụng này có thể được hạn chế trong các lĩnh vựcnhư công nghiệp, y tế, hoặc nghiên cứu khoa học

- Đề tài có thể được hạn chế trong phạm vi thời gian và ngân sách nhất định Việcnghiên cứu và thực hiện có thể được thực hiện trong một khoảng thời gian nhất định vàdựa trên nguồn lực có sẵn

1.5 Phương pháp nghiên cứu.

Đây là một đề tài thuộc lĩnh vực điện tử và tin học công nghiệp vì vậy nhóm emchọn phương pháp thực nghiệm khoa học, tìm hiểu cơ sở lý thuyết , quan sát các kếtquả thực tế kết hợp với lý thuyết sau đó đưa ra giải pháp, từ giải pháp bắt đầu xây dựnglại để tạo ra sản phẩm hoàn chỉnh và thử nghiệm Kết quả nghiên cứu hoàn toàn kháchquan và chính xác Sau đó dựa vào kết quả có được bằng thực nghiệm để đối chứng, sosánh, từ đó rút ra kết luận Các bước cụ thể như sau:

- Tìm hiểu các vấn đề liên quan đến đề tài

- Xây dựng kế hoạch nghiên cứu

- Chọn các đối tượng thí nghiệm

- Bố trí thí nghiệm

- Tiến hành thực nghiệm

- Theo dõi các chỉ tiêu của thiết bị

- Đưa ra giải pháp khi gặp sự cố

- Kết quả và tham vấn, rút ra kết luận

- Nghiên cứu các hiện tượng thực tế (thông qua khảo sát thực tế, tin tức, sáchbáo…)

Xây dựng hệ thống, nguyên lý hoạt động, đánh giá

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Giới Thiệu Về Cảm Biến Đo Lường Và Cảm Biến Rung

A Định nghĩa

Rung Rung động là chuyển động của một hạt hoặc một thiết bị hoặc hệthống các thiết bị được kết nối nằm rải rác xung quanh vị trí cân bằng Hầu hếtcác rung động là không mong muốn trong máy móc và thiết bị vì chúng dẫn đếntăng tải, mệt mỏi và mất năng lượng, tăng tải trọng chịu lực, tạo sự khó chịu chohành khách trên xe và hấp thụ năng lượng từ hệ thống Các bộ phận quay trongmáy phải được cân bằng cẩn thận để tránh hư hỏng do rung [1]

Rung động có thể thu được từ các lực tự nhiên, chẳng hạn như động đất [2]

Có những rung động được tạo ra bởi những người ảnh hưởng đến môi trường.Những rung động như vậy có thể được gây ra bởi công nghiệp, giao thông vận tải[3], xây dựng [2] và các hoạt động khác

Rung động là một phản ứng của hệ thống với tác động bên trong hoặc bênngoài, khiến nó dao động hoặc đập

Mặc dù người ta thường tin rằng rung động làm hỏng thiết bị và máy móc,nhưng chúng không làm như vậy Thay vào đó, thiệt hại được thực hiện bởi tảitrọng động, dẫn đến mệt mỏi và tải trọng động là do rung động [4]

Nếu một vật rung có thể được nhìn thấy trong chuyển động chậm, nó sẽđược tìm thấy đang chạy theo các hướng khác nhau Mỗi rung động có hai biến cóthể đo lường được giúp xác định các đặc điểm rung, khoảng cách (cường độ hoặccường độ) và tốc độ (tần số) của đối tượng đang di chuyển Các thông số được sửdụng để mô tả chuyển động này là dịch chuyển, tần số, biên độ và gia tốc (Hình2.1)

Hình 2.1 Các thông số rung động

B Biên độ

Thuật ngữ thường được chấp nhận cho điều này lớn như thế nào là biên độrung động, A Định nghĩa biên độ phụ thuộc vào các hệ thống Người ta có thểlàm việc theo đơn vị khoảng cách từ đối tượng rung từ cực trái sang cực phải

(biên độ kép), nhưng trong vật lý thường được sử dụng khoảng cách từ tâm đếnmột trong các thái cực

C.Tần số

Tần số f là số chu kỳ xảy ra trên một đơn vị thời gian [4] Tốc độ đơn vịthường là 1 chu kỳ / giây, được định nghĩa là một đơn vị đặc biệt 1 Hertz (1Hz).Thuật ngữ tần số là phổ biến trong việc xác định độ rung

Nếu một chu kỳ mất thời gian T, thì số chu kỳ xảy ra trên một đơn vị thờigian là:

2.2 Lý Thuyết Phục Vụ Nghiên Cứu

2.2.1 Tình hình hiện tại của cảm biến rung

Theo nguyên lý của cảm biến rung, một số cảm biến rung hiện tại được mô

tả được sử dụng rộng rãi trong các nguyên tắc và tính năng cơ bản; Cuối cùng, xuhướng phát triển của cảm biến rung đã được xem xét Cảm biến rung có nhiều loại;nguyên tắc đo lường cơ bản của nó được thể hiện trong Hình 2.1 Cảm biến rungphát hiện thông số rung của các vật thể thông qua cấu trúc cơ học của nó và chuyểnđổi thông số rung thành tín hiệu điện bằng hiệu ứng vật lý để đạt được việc truyềntín hiệu phi điện sang tín hiệu điện Cảm biến rung tách thành cảm biến dịchchuyển (biên độ), cảm biến tốc độ và cảm biến gia tốc theo các thông số rung đođược Do sự dịch chuyển, vận tốc và gia tốc có thể được dịch sang nhau theo cáchtính toán đơn giản; Ba loại cảm biến đôi khi có thể phổ quát Hiện nay, theo cácphương pháp phát hiện rung động khác nhau, các cảm biến rung với các loại hiệuứng vật lý khác nhau được phát minh, được sử dụng rộng rãi trong các loại sau

Hình 2.2 Nguyên lý đo cơ bản của cảm biến rung

2.2.2 Cảm biến áp điện

Cảm biến áp điện là một cảm biến điển hình, có thể tự tạo ra điện Nó dựa trênhiệu ứng áp điện của một số vật liệu áp điện Khi nó bị rung, bề mặt của vật liệu ápđiện sẽ tạo ra điện tích Sau khi khuếch đại bằng bộ khuếch đại điện áp hoặc bộ khuếchđại điện tích và chuyển đổi trở kháng, điện tích này trở thành công suất đầu ra tỷ lệthuận với lực bên ngoài mà cảm biến phải chịu Mục tiêu đo các thông số rung là tínhiệu phi điện có thể được thực hiện Cảm biến áp điện chủ yếu được sử dụng để đo lựcđộng và gia tốc Cấu trúc nguyên lý cảm biến áp điện được thể hiện trong Hình 2

Hình 2.3 Cấu trúc nguyên lý cảm biến áp điện

Các tính năng nổi bật của cảm biến áp điện kết luận không có bộ phận chuyển động, vàchiều rộng của dải tần, độ nhạy cao, tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu cao và cấu trúc đơn giản,đáng tin cậy, trọng lượng nhẹ Nhược điểm là tần số cộng hưởng, dễ bị nhiễu từ môitrường bên ngoài, trở kháng đầu ra cao, tín hiệu đầu ra yếu đòi hỏi phải khuếch đại quamạch khuếch đại và phát hiện bằng cách phát hiện mạch Hiện nay, với sự phát triểnnhanh chóng của công nghệ điện tử, và các thiết bị và cáp thứ cấp đi kèm có tiếng ồnthấp, khả năng cách điện cao và điện dung nhỏ cho phép ứng dụng các cảm biến rung

áp điện được sử dụng rộng rãi hơn [6]

Cảm biến rung

Cơ Cấu trúc Điện Tín hiệu Vật lýHiệu ứng

Pha lê Piezo

thành năng lượng điện Cảm biến từ tính dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ, được thểhiện trong Hình 3 Theo định luật cảm ứng điện từ, lực điện động cảm ứng trong cuộndây tỷ lệ thuận với

tốc độ thay đổi từ thông, đó là

(2)Trong đó, N là số vòng quay của cuộn dây, Φ là thông lượng được bao quanh bởi cuộndây

Hình 2.4 Cấu trúc nguyên lý cảm biến magnatic

Tốc độ thay đổi từ thông liên quan đến cường độ từ trường, miễn cưỡng từ, vận tốc củacuộn dây Khi rung động gây ra một thay đổi của các yếu tố này, nó sẽ thay đổi lựcđiện động cảm ứng trong cuộn dây Bằng cách đo sự thay đổi lực điện động cảm ứng

có thể nhận ra mục đích đo độ rung

Các tính năng nổi bật của cảm biến rung từ tính kết luận tín hiệu đầu ra lớn, mạch xử lýhậu kỳ đơn giản và khả năng chống nhiễu mạnh mẽ Những nhược điểm kết luận cấutrúc tương đối phức tạp và lớn Hiện tại các phương pháp hiệu chỉnh mạch có thể được

sử dụng để giảm tần số thử nghiệm của cảm biến rung từ, cũng như trong thử nghiệmrung tần số thấp [7]

2.4 Đầu dò áp điện

Hiệu ứng áp điện xảy ra trong một số chất tinh thể - thạch anh tự nhiên, muốiRochelle, lithium sunfat, một số đồ gốm và nhiều hơn nữa Khi một tinh thể như vậyđược đặt trong một điện trường, nó thay đổi kích thước của nó đồng bộ với những thayđổi của trường - đối diện với hiệu ứng áp điện (được sử dụng để tạo ra tín hiệu âmthanh và siêu âm) Khi tinh thể bị biến dạng theo một hướng thích hợp, một điện tíchđược tạo ra (hiệu ứng áp điện thẳng) [8]

Một trong những cấu trúc thường được sử dụng để đo độ rung trong khi kiểm soát trạngthái của máy được thể hiện trong Hình 2.5 Đầu dò áp điện được dán mạnh ở một đầuuốn dưới lực của tấm quán tính và đầu tự do là khối địa chấn hàn Sự suy giảm đạtđược thông qua các giọt dầu được đặt trong khoảng cách giữa khối địa chấn và bộ suy

Đồng Dây Nam châm

hao Khi cơ sở di chuyển xuống dưới, quán tính chống lại và làm biến dạng đầu dò ápđiện Điều này tạo ra một điện tích tỷ lệ thuận với gia tốc Các giá trị điển hình về độnhạy của các cảm biến này là 0,5-50 mVs2 / m trong dải tần số 0,1 Hz đến 200 kHz Đĩa

Hình 2.5 Giá đỡ để đo độ rung

Giữa sự dịch chuyển rung động x , sự dịch chuyển tuyệt đối của khối địa chấn y và chuyển động tương đối của nó z tồn tại sự phụ thuộc ( z = x − y )

Hình 2.6 Sơ đồ thay thế tương đương

Đầu dò rung áp điện tạo ra một điện tích tỷ lệ thuận với độ lệch của đầu dò áp điện

q=S q z (1)

trong đó Sq độ nhạy của đầu dò rung áp điện đối với lượng điện

Sơ đồ thay thế tương đương của cấu trúc từ Hình 2.2 được thể hiện trong Hình 2.6,

trong đó với CT được đánh dấu công suất của bộ chuyển đổi bằng C - công suất bổ sung với RL - khả năng chịu tải đầu ra của rung áp điện

ThuyênMENT Y

Đầu dò

ThuyênMENT

L

đầu dò Dòng điện là i= da

dt Điện áp đầu ra của đầu dò rung ở chế độ hài hòa là:

Phương trình gần đúng có giá trị khi RL f f wCΣΣ1

Đôi khi điều kiện này đạt được với shunt nhất định của đầu dò với tụ điện bổ sung cócông suất đáng kể Tuy nhiên, điều này làm giảm độ nhạy điện áp của sơ đồ:

Cấu tạo của đầu dò áp điện sao cho bất kỳ tần số cộng hưởng bổ sung nào cũng cao hơnnhiều so với tần số chính Người ta cho rằng chỉ có cộng hưởng chính Nó được xác

định bởi khối lượng rung tương đương m , đối trọng đàn hồi tương đương với W không đổi và không có ma sát trễ với P không đổi Các thông số riêng rã của dao động

Điều kiện để sử dụng đầu dò áp điện làm máy rung để đo biên độ rung được đưa ra bởi:

Đến một trong hai đầu làm việc của máy rung được gắn đầu dò áp điện (Hình 6)

Khi v f f 1, đáp ứng biên độ-tần số và đáp ứng tần số pha của đầu dò áp điện có xu

hướng:

Do đó, trong khu vực cộng hưởng trên, nó nhận được tín hiệu cho biên độ rung

Nếu X& trong Eq (1) được thay thế bằng 1

2.5 Triển vọng của cảm biến rung

Trong kỹ thuật, các ứng dụng của cảm biến rung là rộng rãi, vì vậy

nó gây ra bởi một mức độ quan trọng cao về nghiên cứu và phát triển của

nó trên thế giới Hiện nay, với sự phát triển của khoa học công nghệ,

những thiếu sót của cảm biến rung tiếp tục được khắc phục, độ chính xác

của phép đo và tăng phạm vi độ nhạy của các ứng dụng ngày càng được

sử dụng, triển vọng phát triển của cảm biến rung chủ yếu là các khía cạnh

sau:

2.5.1 Hiệu suất đo lường thời gian thực

Bây giờ, với sản xuất công nghiệp và sản xuất máy móc phát triển theo hướng độchính xác cao, mọi người chú ý nhiều hơn đến các mối nguy hiểm của rung động vi môtần số cao và tần số thấp, đòi hỏi cảm biến rung để đo độ rộng dải rung, độ phân giảiphải cao, thời gian đáp ứng nhanh hơn, độ nhạy cao hơn, đáp ứng yêu cầu đo rung độngthời gian thực, kiểm soát rung động vi mô tần số cao và nguy cơ rung vi mô tần sốthấp

Khai thác kinh nghiệm thu nhỏ mạch tích hợp, giảm trọng lượng cảm biến rungbằng công nghệ cảm biến thu nhỏ hệ thống phần cứng, cải thiện tốc độ xử lý và giảmảnh hưởng đến các thông số rung động đo được của đối tượng [9] Trong khi tận dụnglợi thế của công nghệ nhiệt hạch đa thông tin, kết hợp công nghệ cảm biến rung vớitính toán vi xử lý, cả phát hiện và phán đoán, và điều khiển từ xa không dây và khảnăng xử lý thông tin, thực hiện các phép đo rung động để đạt được tất cả các phép đomô-đun thông minh kỹ thuật số

2.5.3 Khả năng chống nhiễu thích hợp, đầu ra trở kháng thấp

Cảm biến rung trên nhiều loại nhiễu bên ngoài có ảnh hưởng lớn đến độ chính xáccủa phép đo, và cần cải thiện khả năng chống nhiễu của nó, đặc biệt là trong việc pháttriển các đặc tính laser cho nguyên lý cảm biến rung không tiếp xúc để đo đường dẫnquang học và lắp đặt đơn giản hóa cấu trúc, khả năng chống nhiễu độ chính xác cao,ứng dụng kỹ thuật thuận tiện cho một phạm vi rộng Đồng thời, đầu ra trở kháng thấp,giảm yêu cầu cho mạch xử lý tiếp theo

2.5.4 Khả năng thích ứng môi trường thích hợp hơn, Đo lường từ xa

Cải thiện độ tin cậy của cảm biến rung, vì vậy nó có thể hoạt động trong môitrường khắc nghiệt và rung động cường độ cao một cách hiệu quả và duy trì độ chínhxác của phép đo, đo lường từ xa có thể vượt qua các rào cản đối với các ứng dụng kỹthuật