Bài giảng Cảm biến và đo lường - Chương 7:Cảm biến đo vận tốc, gia tốc và rung

VII. Cảm biến đo vận tốc, gia tốc và rung 
1. Cảm biến đo vận tốc 
2. Cảm biến đo gia tốc 
3. Cảm biến đo rung 
1. Cảm biến đo vận tốc 
a) Giới thiệu 
Vận tốc (tuyến tính/dài): 
Thể hiện mức độ thay đổi vị trí của đối tượng 
Là một đại lượng vectơ: có hướng và độ lớn 
Hướng chỉ hướng di chuyển của vật 
Độ lớn (tốc độ) xác định mức độ nhanh của đối tượng di chuyển 
Đơn vị đo: chiều dài/thời gian (km/h, m/s, ) 
Vận tốc góc: 
Thể hiện mức độ thay đổi vị trí góc của đối tượng 
Là đại lượng vectơ 
Đơn vị đo: góc quay/thời gian (vòng/phút, rad/s) 
1. Cảm biến đo vận tốc 
b) Đo vận tốc tuyến tính 
Nguyên lý đo 
Dựa vào cảm ứng điện từ 
Dựa vào sai lệch dịch chuyển 
Dựa vào dịch chuyển Doppler 
Chuyển từ vận tốc tuyến tính sang vận tốc góc 
1. Cảm biến đo vận tốc 
b) Đo vận tốc tuyến tính 
Cảm biến vận tốc điện từ 
Khi cuộn dây di chuyển hoặc nam châm di chuyển thì từ trường biến thiên trong cuộn dây và sinh ra một hiệu điện thế cảm ứng 
e 0 = BLV 
B: Cường độ từ trường 
L: Chiều dài cuộn dây 
V: vận tốc di chuyển 
1. Cảm biến đo vận tốc 
b) Đo vận tốc tuyến tính 
Dựa vào sai lệch dịch chuyển 
1. Cảm biến đo vận tốc 
b) Đo vận tốc tuyến tính 
Dựa vào dịch chuyển Doppler 
Phát sóng tới vật, sau đó nhận sóng phản hồi. Đo bước sóng phản hồi tính ra vận tốc 
1. Cảm biến đo vận tốc 
b) Đo vận tốc tuyến tính 
Chuyển từ vận tốc tuyến tính sang vận tốc góc 
Thảo luận: 
 Nguyên lý súng bắn tốc độ của CSGT? 
 Nguyên lý đồng hồ tốc độ của xe? 
1. Cảm biến đo vận tốc 
c) Đo vận tốc gốc 
Máy phát tốc – Tachogenerator 
Tạo ra điện áp tỉ lệ với vận tốc góc của trục quay ngõ vào 
DC: tạo ra một mức điện áp tỉ lệ với tốc độ. 
AC: tạo ra một điện áp AC với tần số tỉ lệ với tốc độ. 
1. Cảm biến đo vận tốc 
c) Đo vận tốc gốc 
Tốc độ kế xung 
Từ trở biến thiên 
1) Đĩa quay (bánh răng) 
2) Cuộn dây 3) Nam châm vĩnh cửu 
Cấu tạo: 
	- Đĩa quay 
	- Cuộn dây có lõi sắt từ 
	- Nam châm vĩnh cửu 
	- Đĩa quay 
Hoạt động: 
Khi đĩa quay khe hở  biến thiên từ trở mạch từ biến thiên  qua cuộn dây biến thiên trong cuộn dây xuất hiện s.đ.đ cảm ứng (e) có tần số (f) tỉ lệ với tốc độ quay (n): f=n.p (p: số răng trên đĩa) 
Biên độ E phụ thuộc hai yếu tố: 
- Khoảng cách giữa cuộn dây và đĩa quay: khoảng cách càng lớn E càng nhỏ. 
- Tốc độ quay: Tốc độ quay càng lớn, E càng lớn.   
1. Cảm biến đo vận tốc 
c) Đo vận tốc gốc 
Tốc độ kế xung 
Quang 
1) Nguồn sáng 2) Thấu kính hội tụ 
3) Đĩa quay 4) Đầu thu quang 
- Nguồn sáng là một diot phát quang 
 Đĩa quay: đặt giữa nguồn sáng và đầu thu, có các lỗ bố trí cách đều trên một vòng tròn. 
 Đầu thu là một photodiode hoặc phototranzitor.  
Hoạt động 
- Khi đĩa quay, đầu thu chỉ chuyển mạch khi nguồn sáng, lỗ, nguồn phát sáng thẳng hàng. 
- Đầu thu quang nhận được một thông lượng ánh sáng thay đổi và phát tín hiệu có tần số tỉ lệ với tốc độ quay nhưng biên độ không phụ thuộc tốc độ quay. 
1. Cảm biến đo vận tốc 
c) Đo vận tốc gốc 
Tốc độ kế xung 
Encoder là gì? 
2. Cảm biến đo gia tốc 
 Phương pháp đo: 
Gia tốc nhỏ có dao động trọng tâm tần số thấp (f = 0  ~20 Hz): dùng cảm biến đo dịch chuyển và cảm biến đo biến dạng. 
Gia tốc 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 tốc 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 tốc có dạng xung: dùng cảm biến gia tốc có dải thông rộng về cả hai phía tần số thấp và cao. 
2. Cảm biến đo gia tốc 
 Gia tốc kế áp trở (Piezoresistive Acceleration) 
Gia tốc kế áp điện (Piezoelectric Acceleration) 
Các tinh thể áp điện có thể được cắt hay căng theo các cách: 
Cắt 
Uốn 
Nén 
2.1 Gia tốc kế áp điện 
PRELOAD STUD 
PIEZOELECTRIC 
CRYSTAL(S) 
HOUSING 
SEISMIC 
MASS 
ELECTRODE 
SIGNAL (+) 
+ + + + + + 
+ + + + + + 
- - - - - - - 
- - - - - - - 
BUILT-IN 
ELECTRONICS 
GROUND (-) 
Dạng nén 
PRELOAD STUD INCREASES 
STIFFNESS OF ELEMENT 
CAUSING HIGH RESONANCE 
+ + + + + + 
+ + + + + + 
- - - - - - - 
- - - - - - - 
THERMAL TRANSIENTS 
CAUSE METALS TO 
EXPAND AND CONTRACT 
STRESSING CRYSTALS 
ALONG SENSITIVE AXIS 
STRAIN WAVES TRAVEL 
UNIMPEDED DIRECTLY 
INTO CRYSTAL 
Dạng nén 
+ + + + + + + 
- - - - - - - - 
PIEZOELECTRIC 
CRYSTAL 
SEISMIC 
MASS 
HOUSING 
SIGNAL (+) 
BUILT-IN 
ELECTRONICS 
GROUND (-) 
Dạng uốn 
+ + + + + + + 
- - - - - - - - 
PIEZOELECTRIC CRYSTAL 
HAS NO PRELOAD 
RESULTING IN 
A LOW RESONANCE 
STRAIN WAVES ARE 
SHUNTED BY FULCRUM 
TEMPERATURE CHANGES 
CAN ONLY REACH ELEMENT 
BY RADIATION. THERMAL 
STRESS IS ALONG 
NON-SENSITIVE 
AXIS 
Dạng uốn 
+ 
+ 
+ 
+ 
+ 
- 
- 
- 
- 
- 
+ 
+ 
+ 
+ 
+ 
- 
- 
- 
- 
- 
GROUND (Case) 
SIGNAL 
MASS 
BUILT-IN 
ELECTRONICS 
PIEZOELECTRIC 
CRYSTAL 
HOUSING 
PRE-LOAD 
RING 
Dạng cắt 
+ 
+ 
+ 
+ 
+ 
- 
- 
- 
- 
- 
+ 
+ 
+ 
+ 
+ 
- 
- 
- 
- 
- 
STRAIN WAVES ARE 
SHUNTED AT POST 
THERMAL TRANSIENTS 
CAUSE STRESSES 
ALONG THE 
NONSENSITIVE 
AXIS 
Dạng cắt 
2.2 Gia tốc kế áp trở 
Cấu tạo: 
3. Cảm biến đo rung 
Rung động là hiện tượng thường gặp trong kỹ thuật, ảnh hưởng rất lớn đến tính năng làm việc, độ an toàn và tuổi thọ của máy móc, thiết bị. 
Độ rung được đặc trưng bởi độ dịch chuyển (z), tốc độ (v) hoặc gia tốc (a) ở các điểm trên vật rung. 
 Đ o 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.