d- Xử lý dữ liệu
PHẦN IV – TÍNH TOÁN LỰA CHỌN THIẾT BỊ
4.1.Chọn cảm biến
cảm biến gia tốc biến dung
a-Rung động
Cảm biến áp điện là lựa chọn số một cho hầu hết các phép đo rung động vì chúng có dải đáp ứng tấn 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). 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 đƣợc bán rộng rãi dƣới nhiều thƣơng hiệu khác nhau, nhƣng hầu hết chúng đều có thể thay thế cho nhau do cùng tuân theo một tiêu chuẩn công nghiệp dù không chính thức. (Chú ý: phải đảm bảo rằng dòng và thế của nguồn cung cấp phải tƣơng thích với cảm biến bạn lựa chọn để có thể đạt đƣợc hiệu suất cao nhất và tránh những hƣ hại có thể xảy ra). 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 thƣờng. Cảm biến này yêu cầu một nguồn dòng ổn định và rất nhiều hệ thống số - tƣơng tự (DA system) có nguồn cung cấp đi kèm bên trong. Một thiết bị IEPE là một giải
GVHD : Nguyễn Hải Hà
SVTH : Vũ Đình Công Page 51
pháp nên xem xét đối với một dải rung động biết trƣớc và nhiệt độ hoạt động yêu cầu nằm trong khoảng từ -550C đến 1250C. Chú ý rằng hiện nay cũng có cả những mẫu cảm biến có thể hoạt động ở nhiệt độ cao có thể hoạt động ở nhiệt độ tối đa là 1750C.
Những ƣu 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 đƣợc quyết định chủ yếu do sự thiết lập khuyếch đại điện tĩnh. Một cảm biến IEPE có dải biên độ cố định. Một cảm biến kiểu - tĩnh - điện điển hình thƣờng có thể hoạt động trong dải nhiệt độ từ -550C đến 2890C. Những cảm biến thiết kế chuyên dụng thậm chí còn có thể làm việc trong môi trƣờng xuống đến -2690C hoặc lên đến 7600C. Ngoài ra, hiện nay còn có cả những cảm biến kiểu - tĩnh - điện chống bức xạ đặc biệt cho các ứng dụng trong môi trƣờng hạt nhân.
Không giống cảm biến IEPE, cảm biến kiểu - tĩnh - điện phải sử dụng với một loại cáp tạp âm thấp đặc biệt, loại cáp này khá đắt so với loại cáp đồng trục thƣơng mại chuẩn hiện nay. Ngoài ra, để hoạt động tốt, loại cảm biến này còn yêu cầu một bộ khuyếch đại điện tĩnh hoặc một bộ chuyển đổi tĩnh điện in - line. Những cảm biến kiểu - tĩnh - điện thƣờng đƣợc ƣa chuộng đối với môi trƣờng hoạt động ở nhiệt độ cao (hơn 1750C) hay trong những trƣờng hợp mà gia tốc cực đại chƣa biết.
Trong những trƣờng 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 0Hz đến 1KHz, tùy thuộc vào yêu cầu về độ nhạy. Khi thực hiện những phép đo ở tần số rất thấp, một cảm biến gia tốc biến dung với dải tần số từ 0Hz đến 15Hz cho độ nhạy đến 1V/g. Cảm biến biến dung rất đắc dụng trong các hệ thống rung lắc trong kỹ
GVHD : Nguyễn Hải Hà
SVTH : Vũ Đình Công Page 52
thuật thủy điện (để thực hiện đo độ rung), và cho rất nhiều ứng dụng về giao thông, ví dụ nhƣ kiểm tra các hệ thống giảm sóc hay các hệ thống tự động hay đo sự dao động và dịch chuyển của các đƣờng ray.
b-Chuyển động, gia tốc đều, và rung động tần số thấp
Các cảm biến biến dung nên là lựa chọn cho những ứng dụng loại này. Công nghệ này có cho phép thực hiện đƣợc 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 đƣợc đặt 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 tƣợng này chính là sự “đáp ứng một chiều”. Vì có đặc trƣng này nên các cảm biến biến dung rất hữu dụng trong việc đo lực ly tâm hay đo sự tăng tốc hay giảm tốc của các thiết bị nhƣ thang máy.
Đối với các thể loại thử nghiệm/kiểm tra về rung động, cảm biến gia tốc biến dung đƣợc sử dụng trong các nghiên cứu về các hoạt động có tần số thấp hoặc các ứng dụng đề cao vấn đề bảo toàn các thông số về pha. Cảm biến biến dung thực sự hữu ích trong các ứng dụng kiểm tra sự rung lắc của máy bay. Những đặc tính tần số thấp của nó khiến nó là một công cụ lý tƣởng trong việc thẩm định chất lƣợng các thiết bị ô tô, xe chở hàng hay xe lửa. Đáp ứng tần số băng rộng không phải là đặc trƣng của các thiết bị biến dung.
GVHD : Nguyễn Hải Hà
SVTH : Vũ Đình Công Page 53
Khi lựa chọn đƣợc loại công nghệ cũng nhƣ xác định đƣợc loại phép đo, vẫn còn một số nhân tố khác cần đƣợc quan tâm. Trong đó quan trọng nhất là môi trƣờng hoạt động của cảm biến. Những đặc trƣng về môi trƣờng cần đƣợc quan tâm bao gồm nhiệt độ, mức gia tốc cực đại, và độ ẩm.
Những công nghệ cảm biến gia tốc phân loại theo dải nhiệt độ hoạt động
Bảng trên cho biết những thông số quan trọng giúp cho việc lựa chọn trong vấn đề nhiệt độ:
Dải gia tốc khả dụng của một cảm biến thƣờng gây mơ hồ cho những ngƣời mới sử dụng cảm biến gia tốc. Dải khả dụng thực sự của một cảm biến gia tốc có thể tìm thấy ở phần các thông số động. Lấy ví dụ một cảm biến gia tốc IEPE có thể có dải khả dụng là 500g và trong những điều kiện đặc trƣng của môi trƣờng, nó có một giới hạn chấn động là 1.000g và một giới hạn chấn động khác là 2.000g. Con số 500g là dải tối đa mà cảm biến có đặc trƣng hoạt động tuyến tính. Những thông số kỹ thuật liên quan đến môi trƣờng chỉ ra giới hạn chấn động cực đại của cảm biến và/hoặc mức gia tốc 0.
GVHD : Nguyễn Hải Hà
SVTH : Vũ Đình Công Page 54
Đối với các cảm biến áp điện kiểu - tĩnh - điện, dải khả dụng lại không nằm trong số các đặc trƣng động vì nó đƣợc xác định chủ yếu bởi bộ khuyếch đại tĩnh điện. Ngƣời sử dụng nên quan tâm đến những thông số tuyến tính về biên độ trong phần các thông số động của bản thông số kỹ thuật. Và cũng giống nhƣ ở trên, giới hạn chấn động cực đại loại cảm biến này chịu đƣợc cũng có thể tìm thấy trong phần các thông số đặc trƣng liên quan đến môi trƣờng.
Các thông số liên quan đến độ ẩm ghi trong bản thông số kỹ thuật thƣờng là thông số về mối hàn kín (Hermetic), mối nối epoxy (epoxy seal) hoặc mối nối tƣơng thích với môi trƣờng (environmental seal). Hầu hết các loại mối nối này đều có thể chịu đƣợc nồng độ hơi nƣớc cao. Nếu cảm biến gia tốc đƣợc sử dụng trong môi trƣờng không trung, dƣới nƣớc, hoặc tiếp xúc với một độ ẩm quá cao trong một thời gian dài thì ngƣời sử dụng nên dùng cảm biến có mối hàn kín. Một điều khác cần chú ý là nhiệt độ thay đổi liên tục có thể làm cho mối nối epoxy bị bong.
Trong trƣờng hợp các cảm biến gia tốc đƣợc thiết kế để hoạt động trong môi trƣờng hạt nhân thì những chú ý liên quan cũng sẽ đƣợc trình bày trong bản thông số kỹ thuật của cảm biến.
Tính nhạy từ nói chung rất ít khi đƣợc đề cập đến trong bản thông số kỹ thuật vì nó không còn là vấn đề với những thế hệ cảm biến gia tốc mới. Các thế hệ cảm biến hiện đại đều sử dụng các vật liệu không nhạy từ trong việc chế tạo nên vấn đề này đƣợc hạn chế. Nếu cảm biến sẽ đƣợc gắn trên một bề mặt đàn hồi cao thì thông số về độ căng mặt đáy của cảm biến sẽ là rất quan trọng. Một bề mặt đàn hồi sẽ có xu hƣớng bị cong, do đó sẽ
GVHD : Nguyễn Hải Hà
SVTH : Vũ Đình Công Page 55
gây ra sự căng trên mặt đáy của cảm biến. Sự căng này có thể trở thành một rung động ảnh hƣởng đến tín hiệu đầu vào của cảm biến dẫn đến làm thay đổi tín hiệu đầu ra. Chỉ dẫn chung trong trƣờng hợp này là không nên sử dụng cảm biến loại đế cứng trên những bề mặt đàn hồi.
d-Trọng lƣợng của cảm biến
Khi một cảm biến đƣợc gắn trực tiếp vào vật cần kiểm tra, gia tốc đo đƣợc có thể không thực sự chính xác. Sai số này có thể bỏ qua nếu trong quá trình kiểm tra ta lƣu tâm đến trọng lƣợng của cảm biến (Hình 6). Theo những chuyên gia cảm biến có kinh nghiệm thì trọng lƣợng của cảm biến phải nhỏ hơn 10% trọng lƣợng của vật cần kiểm tra.
e-Gắn cảm biến
Có rất nhiều cách để gắn một cảm biến gia tốc lên đơn vị cần kiểm tra (unit under test - UUT) bao gồm từ các phƣơng pháp gắn vĩnh viễn đến các phƣơng pháp gắn tạm thời. Dƣới đây là một số phƣơng pháp gắn cảm biến thông dụng.
Phƣơng pháp gắn tốt nhất là sử dụng một đinh ốc hoặc đinh tán nhọn. Gắn bằng đinh ốc/đinh tán có thể cho khả năng truyền dẫn tốt nhất ở tần số cao vì cảm biến gần nhƣ trở thành một bộ phận của bề mặt gắn. Đáp ứng ở tần số cao có thể đƣợc cải thiện bằng cách bôi một chút dầu nhẹ giữa cảm biến và đơn vị cần kiểm tra UUT. Nếu ngƣời sử dụng muốn dùng phƣơng pháp gắn này thì cảm biến đƣợc lựa chọn cần phải đƣợc thiết kế sao cho phù hợp với việc gắn bằng đinh tán hay đinh ốc.
GVHD : Nguyễn Hải Hà
SVTH : Vũ Đình Công Page 56
Phƣơng pháp dán cũng là một phƣơng pháp thƣờng xuyên phải sử dụng, đặc biệt trong trƣờng hợp bề mặt tiếp xúc nhỏ hoặc trên bản mạch của máy tính. Loại chất keo hay đƣợc sử dụng là keo cyanoacrylate vì chúng có thể đƣợc tách bỏ rất dễ dàng (với những phƣơng pháp tách bỏ thích hợp). Rất nhiều cảm biến đƣợc thiết kế đặc biệt cho phƣơng pháp dán và điều này sẽ đƣợc ghi chú trong bản thông số kỹ thuật. Một cảm biến có đầu đinh gắn cũng có thể đƣợc gắn bằng keo, nhƣng trong trƣờng hợp này cần có một chiếc đinh tán chắc chắn khác để bảo vệ chất keo tránh khỏi những lằn ren của cảm biến.
f-Cách đất
Việc cách đất cũng là một vấn đề đáng lƣu tâm khi bề mặt của vật thể cần kiểm tra có tính dẫn điện và đang ở mức điện thế của đất. Sự khác biệt giữa mức thế đất của thiết bị điện tử và của cảm biến có thể tạo ra một dòng không mong muốn dẫn tới đo sai.
Các cảm biến hiện nay có cả loại đƣợc cách đất hoặc loại có vỏ đƣợc nối đất. Những cảm biến cách đất thƣờng có một đế gắn cách điện và một đinh gắn cũng cách điện (trong trƣờng hợp cảm biến loại này có đinh gắn). Trong một số trƣờng hợp, toàn bộ vỏ của cảm biến đều đƣợc cách đất.
g-Độ nhạy và độ phân giải
Thông số về độ nhạy và độ phân giải của cảm biến là các thông số quan trọng trong trƣờng hợp tín hiệu có cƣờng độ thấp hoặc trƣờng hợp thí nghiệm yêu cầu một dải động lớn.
GVHD : Nguyễn Hải Hà
SVTH : Vũ Đình Công Page 57
Một cảm biến gia tốc sẽ biến đổi năng lƣợng cơ học thành một tín hiệu điện (đầu ra). Tín hiệu đầu ra đƣợc biểu diễn theo đơn vị mili Vôn/g (mV/g), hoặc trong trƣờng hợp cảm biến kiểu - tĩnh - điện, tín hiệu đầu ra sẽ có đơn vị là pico Culông/g (pC/g). Dải độ nhạy của các cảm biến trên thị trƣờng hiện nay khá rộng và giá trị độ nhạy tối ƣu cho từng trƣờng hợp sẽ tùy thuộc vào mức độ tín hiệu đƣợc đo, lấy ví dụ trong trƣờng hợp một thí nghiệm chấn động gia tốc cao thì ta chỉ cần một cảm biến có độ nhạy thấp.
Trong trƣờng hợp tín hiệu có cƣờng độ thấp, lựa chọn tối ƣu nhất là sử dụng một cảm biến độ nhạy cao để có đƣợc một tín hiệu đầu ra lớn hơn độ ồn của bộ khuyếch đại.
Ví dụ : nếu giá trị rung động mong muốn là 0.1g và cảm biến gia tốc có độ nhạy là 10mV/g, thì tín hiệu đầu ra sẽ có điện thế là 1mV, và nhƣ vậy có thể ta sẽ cần một cảm biến có độ nhạy cao hơn.
Độ phân giản là giá trị tín hiệu nhỏ nhất mà cảm biến nhận diện đƣợc. Thông số này phụ thuộc vào nền nhiễu của cảm biến (sẽ là của các thiết bị điện tử nội trong trƣờng hợp cảm biến IEPE) và đƣợc biểu diễn theo đơn vị g rms.