4.1.Lựa chọn về công nghệ
Bước đầu tiên là phải xác định trong ứng dụng cảu bạn loại phép đo sẽ được thực hiện là gì? Hiện nay có 2 loại cảm biến gia tốc trên kĩ thuật đo được sử dụng:
Bờn trỏi là một cảm biến gắn - bên phổ biến có trọng lượng 7.8g và được sử dụng đối với các vật thể nặng (A). Cảm biến mini bên phải (B) nặng 0.5g và có thể được gắn vào những cấu trúc nhẹ và bản mạch máy vi tính
Cảm biến gia tốc áp điện (Piezoelectric – PE): là loại cảm biến được sử dụng phổ biến trong những ứng dụng đo kiểm. Những cảm biến loại này cho phép đo được ở một tần số khá rộng (từ vài Hz đến 30 Hz) và có rất nhiều chủng loại sắp xếp theo độ nhạy, trọng lượng, hình dạng và kích cỡ. Cảm biến áp điện có thể có đầu ra là tĩnh điện hoặc điện thế. Chúng có thể được sử dụng cho cả đo rung động lẫn đo chấn động.
Vũ Thị Minh K32D - SPKT 36 Biến dung (Variable capacitance – VC): là một trong những công nghệ cảm biến gia tốc mới hơn. Cũng giống như cảm biến áp trở, cảm biến biến dung là loại cảm biến đáp ứng một chiều. Chúng có độ nhạy cao, băng thông hẹp (từ 15Hz đến 3000 Hz) và độ ổn nhiệt tuyệt hảo. Độ lệch điểm không nhiệt và độ lệch nhạy rất thấp, chỉ 1,5% trong một dải nhiệt độ đến 18000C. Những cảm biến loại này rất thích hợp trong việc đo những rung động tần số thấp, chuyển động và gia tốc ở trạng thái ổn định [11].
4.1 Các loại phép đo
4.2.1 Rung động
Một vật được xem là rung động khi nó thực hiện được một dao động xung quanh một điểm cân bằng. Các rung động xảy ra trong hoạt động giao thông hàng ngày, ở các thiết bị không gian hay trong môi trường công nghiệp, rung động cũng có thể được mô phỏng trong các hệ thống tạo rung.
Cảm biến áp điện là lựa chọn số một cho hầu hết các phép đo rung động vì chúng có dải đáp ứng tần số rộng, độ phân giải và độ nhạy cao và rất dễ cài đặt. Có hai loại cảm biến gia tốc áp điện cơ bản: cảm biến gia tốc kiểu tĩnh điện (Charge- mode) cơ bản và cảm biến gia tốc áp điện điện tử nội kiểu điện thế (Voltage – mode Internal Electronic Piezoelectric – IEPE).
Vũ Thị Minh K32D - SPKT 37
Hình 19: Cảm biến gia tốc biến dung với kiểu lắp đặt thông dụng
Trong những năm gần đây, IEPE đã trở thành loại cảm biến thông dụng nhất vì sự tiện dụng của nó. Các cảm biến IEPE được bán rộng rãi dưới nhiều thương hiệu khác nhau, nhưng hầu hết chúng đều có thể thay thế cho nhau do cùng tuân theo một tiêu chuẩn dù không chính thức. Về cơ bản, một cảm biến gia tốc IEPE có một bộ khuyếch đại tĩnh điện gắn bên trong nên nó không cần một thiết bị khuyếch đại tĩnh điện ngoài, và cảm biến IEPE cũng chỉ cần sử dụng với loại cáp thông thường. Cảm biến này yêu cầu một nguồn cung cấp đi kèm bên trong. Một thiết bị IEPE là một giải pháp nên xem xét với một dải rung biết trước và nhiệt độ hoạt động yêu cầu nằm trong khoảng từ - 5000C đến 12500C. Chú ý rằng hiện nay cũng có cả những mẫu cảm biến có thể hoạt động ở nhiệt độ tối đa là 17500C.
Những ưu điểm của cảm biến áp điện kiểu tĩnh điện đó là hoạt động ở nhiệt độ cao và có một dải biên độ rất rộng, điều này được quyết định chủ yếu do sự thiết lập khuyếch đại tĩnh điện. Một cảm biến IEPE có dải biên độ cố định. Một cảm biến kiểu tĩnh điện điển hình thường có thể hoạt động trong dải nhiệt độ từ - 5500C đến 28900C. Những cảm biến thiết kế chuyên dụng thậm chí còn có thể làm việc trong môi trường xuống đến -26900C.
Trong những trường hợp yêu cầu đo rung động ở tần số thấp, cảm biến gia tốc biến dung là một lựa chọn thích hợp. Cảm biến gia tốc biến dung có đáp ứng tần số trong khoảng từ 0 Hz đến 1KHz, tuỳ vào yêu cầu về độ nhạy. Khi thực hiện những phép đo ở tần số thấp, một cảm biến gia tốc biến dung với dải tần số từ 0Hz đến 15Hz cho độ nhạy đến 1
g
V . Cảm biến biến dung rất đặc dụng trong các hệ thống rung lắc trong kĩ thuật thuỷ điện( để thực hiện đo độ rung) và cho rất nhiều ứng dụng về giao thông, ví dụ như kiểm tra hệ thống giảm sóc hay các hệ thống tự động hay đo sự dao động và dịch chuyển các đường ray [11].
Vũ Thị Minh K32D - SPKT 38
4.2.2 Chấn động
Một kích thích tức thời đột ngột đối với một cấu trúc thường gây ra cộng hưởng trong cấu trúc đó. Một xung chấn động có thể được tạo ra bởi một vụ nổ, một chiếc búa đang đóng vào một vật thể hoặc do một vụ va chạm mạnh của một phương tiện giao thông
.
Hình 20 : Một cảm biến gia tốc dùng để kiểm tra va chạm của ôtô đóng gói theo tiêu chuẩn công nghiệp.
Đối với phép đo chấn động mức độ thấp, một cảm biến thông thường (không chuyên dụng) là thích hợp. Cảm biến này cần có dải tuyến tính đến ít nhất 500g và khả năng chịu chấn động phải xấp xỉ đến 500g. Trong trường hợp này, thông thường một cảm biến IEPE sẽ được lựa chọn do chúng ít khi cho các phép đo sai lệch kể cả khi cáp nối không cố định.
Đối với những thí nghiệm kiểm tra va chạm ôtô, một kiểu va chạm chấn động đặc thù, thường các cảm biến biến áp trở sẽ được sử dụng [11].
Vũ Thị Minh K32D - SPKT 39
Hình 21 : Một cảm biến gia tốc chấn động trường gần với bộ lọc cơ tích hợp bên trong
Đối với những phép đo chấn động trường xa, lựa chọn thích hợp sẽ là một cảm biến gia tốc kiểu trượt đặc biệt với một bộ lọc điện từ thích hợp bên trong. Những cảm biến loại này thường là cảm biến loại IEPE trọng lượng nhẹ với những đầu nối hợp kim.Bộ lọc điện tử sẽ triệt tiêu tần số cộng hưởng của cảm biến để tránh sự quá tải cho các thiết bị số tương tự.
Những phép đo trường gần thường xuyên vượt quá 20 000g. Việc lựa chọn cảm biến sẽ phụ thuộc vào loại thí nghiệm được thực hiện và trường hợp này thông thường sẽ cần đến các cảm biến chuyên dụng loại áp điện (kiểu tĩnh điện và IEPE) hoặc loại áp trở. Tuy nhiên, đối với phần lớn các loại phép đo này thích hợp nhất là lựa chọn cảm biến gia tốc IEPE với những đặc trưng tương tự như một cảm biến gia tốc trường xa, cộng thêm một bọ lọc cơ học nội.
4.2.3. Chuyển động
Chuyển động là một trường hợp di chuyển chậm kéo dài từ dưới 1 giây đến vài phút, ví dụ như chuyển động của một cánh tay rôbôt hay của một bộ phận giảm sóc tự động.
Các cảm biến biến dung nên là lựa chọn cho những ứng dụng loại này. Công nghệ này cho phép thực hiện được cả các phép đo đối với những rung động nhẹ tần số thấp và cho ra kết quả ở một mức độ cao.Chúng cũng đồng thời có độ ổn định cao trong một dải nhiệt độ rộng.
Khi một cảm biến gia tốc biến dung được dặt ở một vị trí mà trục đo song song với trọng lực của trái đất sẽ cho ra một kết quả đầu ra bằng 1g. Hiện tượng này chính là sự đáp ứng một chiều. Vì có đặc trưng này nên các cảm biến biến dung rất hữu dụng trong việc đo lực li tâm hay đo sự tăng tốc hay giảm tốc của các thiết bị như thang máy [11]
Vũ Thị Minh K32D - SPKT 40
Kết luận
Sau quá trình học tập và nghiên cứu dưới sự giúp đỡ chỉ bảo tận tình của thầy hướng dẫn cùng các thầy, cô trong khoa, em đã hoàn thành khóa luận tốt nghiệp với đề tài nghiên cứu “Cảm biến gia tốc kiểu tụ”. Với những kết quả bước đầu như trên trong thời gian tới em hi vọng sẽ tiếp tục hoàn thiện đề tài hơn nữa. Qua việc nghiên cứu đề tài em rút ra được một số kết luận như sau:
- Tìm hiểu về cảm biến gia tốc kiểu tụ. - Tìm hiểu về công nghệ chế tạo cảm biến .
- Đã tìm hiểu được ứng dụng của cảm biến gia tốc nói chung và cảm biến gia tốc kiểu tụ nói riêng.
- Đã khảo sát một số phương pháp để lựa chọn một cảm biến gia tốc thích hợp.
Đề tài sẽ được hoàn thiện hơn, có ý nghĩa thực tiễn hơn khi được bổ sung thêm phần thực nghiệm. Rất mong được sự ủng hộ, đóng góp ý kiến của các thầy cô, các bạn.