5. Cảm biến rung và gia tốc
5.1. Khái niệm cơ bản
5.1.1. Dải gia tốc và phương pháp đo gia tốc
Theo nguyên lý cơ bản của cơ học, gia tốc là đại lượng vật lý thể hiện mối quan hệ giữa lực và khối lượng. Phép đo gia tốc có thể thực hiện qua việc đo lực (cảm biến áp điện, cảm biến cân bằng ngẫu lực) hoặc đo gián tiếp thông qua sự biến dạng hay di chuyển của vật trung gian.
Tuỳ theo mức gia tốc và dải tần của hiện tượng khảo sát người ta phân biệt các dải gia tốc sau:
+ Đo gia tốc chuyển động của một khối lượng nào đó, trong đó chuyển động của trọng tâm luôn giữ ở tần số tương đối thấp (từ 0 đến vài chục Hz), giá trị của gia tốc nhỏ. Các cảm biến thường dùng là các cảm biến gia tốc đo dịch chuyển và cảm biến gia tốc đo biến dạng.
+ Đo gia tốc rung của các cấu trúc cứng hoặc cấu trúc có khối lượng lớn, tần số rung đạt tới hàng trăm Hz. Cảm biến gia tốc thường dùng là cảm biến từ trở biến thiên, đầu đo biến dạng kim loại hoặc áp điện trở.
+ Đo gia tốc rung mức trung bình và dải tần tương đối cao (~10kHz), thường gặp khi vật có khối lượng nhỏ. Cảm biến gia tốc sử dụng là loại áp trở hoặc áp điện.
+ Đo gia tốc khi va đập, thay đổi gia tốc có dạng xung. Cảm biến gia tốc sử dụng là các loại có dải thông rộng về cả hai phía tần số thấp và tần số cao.
Cảm biến đo gia tốc là cảm biến chuyển động không cần có điểm mốc, chúng khác với các cảm biến dịch chuyển bởi vì khi đo dịch chuyển của một vật người ta phải đo chuyển động tương đối của vật đó so với một vật khác cố định lấy làm mốc.
5.1.2. Chuyển động rung và phương pháp đo
Đo độ rung trong công nghiệp có tầm quan trọng đặc biệt vì các lý do:
+ Hạn chế mức rung ở giới hạn cho phép để đảm bảo độ an toàn cho công + Rung động liên quan đến trạng thái mài mòn và bền mỏi của chi tiết cơ khí trong máy móc. Đo độ rung giúp cho người quản lý nắm được tình trạng mòn của chi tiết từ đó có kế hoạch bảo dưỡng, sửa chữa kịp thời. Độ rung được đặc trưng bởi độ dịch chuyển, tốc độ hoặc gia tốc ở các điểm trên vật rung. Bởi vậy khi đo rung độngngười ta đo một trong những đặc trưng trên.
Cảm biến rung có thể là cảm biến dịch chuyển, cảm biến tốc độ hoặc cảm biến gia tốc nhưng có thể mô tả nguyên lý hoạt động của chúng bằng mô hình hệ cơ học có một bậc tự do nhưtrình bày ở hình 7.11.
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 7.11 Sơđồ nguyên lý cảm biến đo gia tốc và rung 1) Khối rung 2) Vỏ hộp 3) Phần tửnhạy 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 (7.8)
Khi đó phương trình cân bằng lực có dạng:
Từ công thức (7.9), 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/dt2) phụ thuộc vào đại lượng được chọn để làm đại lượng đo thứ cấp m2 (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.
biểu thức sau: Hoặc:
Với:
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.
5.1.3. Cảm biến đo tốc độ rung
Sơ đồ cảm biến đo tốc độ rung trình bày trên hình 7.12.
Hình 7.12 Sơ đồ nguyên lý cảm biến đo vận tốc rung
1) Vỏ hộp 2) Khối rung 3) Lõi nam châm 4) Cuộn dây 5) Lò xo6) Giảm chấn Trong cảm biến loại này, đại lượng đo sơ cấp m1 là tốc độ rung dh0/dt, đại lượng đo thứ cấp m2 là dịch chuyển tương đối z. Độ nhạy sơ cấp S1 xác định bởi biểu thức:
Để tiện lợi trong sử dụng, người ta cũng sử dụng đại lượng đo thứ cấp m2 là tốc độ dịch chuyển tương đối dz/dt.
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 lựcf = 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 Lù, 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.