Bài giảng Kỹ thuật cảm biến - Chương VII: Cảm biến đo vận tốc, gia tốc và rung

VII. Cảm biến đo vận tốc, gia tốc và rung1. Cảm biến đo vận tốc2. Cảm biến đo gia tốc3. Cảm biến đo rung1. Cảm biến đo vận tốca) Giới thiệuVận tốc (tuyến tính/dài): Thể hiện mức độ thay đổi vị trí của đối tượngLà một đại lượng vectơ: có hướng và độ lớnHướng chỉ hướng di chuyển của vậtĐộ lớn (tốc độ) xác định mức độ nhanh của đối tượng di chuyểnĐơn vị đo: chiều dài/thời gian (km/h, m/s, )Vận tốc góc:Thể hiện mức độ thay đổi vị trí góc của đối tượngLà đại lượng vectơĐơn vị đo: góc quay/thời gian (vòng/phút, rad/s)1. Cảm biến đo vận tốcb) Đo vận tốc tuyến tínhNguyên lý đoDựa vào cảm ứng điện từ Dựa vào sai lệch dịch chuyểnDựa vào dịch chuyển DopplerChuyển từ vận tốc tuyến tính sang vận tốc góc1. Cảm biến đo vận tốcb) Đo vận tốc tuyến tínhCảm biến vận tốc điện từKhi 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 ứnge0 = BLVB: Cường độ từ trườngL: Chiều dài cuộn dâyV: vận tốc di chuyển1. Cảm biến đo vận tốcb) Đo vận tốc tuyến tínhDựa vào sai lệch dịch chuyển1. Cảm biến đo vận tốcb) Đo vận tốc tuyến tínhDựa vào dịch chuyển DopplerPhát sóng tới vật, sau đó nhận sóng phản hồi. Đo bước sóng phản hồi  tính ra vận tốc1. Cảm biến đo vận tốcb) Đo vận tốc tuyến tínhChuyển từ vận tốc tuyến tính sang vận tốc gócThảo luận: Nguyên lý súng bắn tốc độ của CSGT? Nguyên lý đồng hồ tốc độ của xe?1. Cảm biến đo vận tốcc) Đo vận tốc gốcMáy phát tốc – TachogeneratorTạo ra điện áp tỉ lệ với vận tốc góc của trục quay ngõ vàoDC: 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 tốcc) Đo vận tốc gốcTốc độ kế xungTừ trở biến thiên1) 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 quayHoạt 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 tốcc) Đo vận tốc gốcTốc độ kế xungQuang1) 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 tốcc) Đo vận tốc gốcTốc độ kế xungEncoder 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:CắtUốnNén2.1 Gia tốc kế áp điệnPRELOAD STUDPIEZOELECTRICCRYSTAL(S)HOUSINGSEISMICMASSELECTRODESIGNAL (+)+ + + + + ++ + + + + +- - - - - - -- - - - - - -BUILT-INELECTRONICSGROUND (-)Dạng nénPRELOAD STUD INCREASESSTIFFNESS OF ELEMENT CAUSING HIGH RESONANCE+ + + + + ++ + + + + +- - - - - - -- - - - - - -THERMAL TRANSIENTSCAUSE METALS TO EXPAND AND CONTRACTSTRESSING CRYSTALSALONG SENSITIVE AXISSTRAIN WAVES TRAVELUNIMPEDED DIRECTLY INTO CRYSTAL Dạng nén+ + + + + + +- - - - - - - -PIEZOELECTRICCRYSTALSEISMICMASSHOUSINGSIGNAL (+)BUILT-INELECTRONICSGROUND (-)Dạng uốn+ + + + + + +- - - - - - - -PIEZOELECTRIC CRYSTAL HAS NO PRELOADRESULTING IN A LOW RESONANCESTRAIN WAVES ARESHUNTED BY FULCRUMTEMPERATURE CHANGESCAN ONLY REACH ELEMENTBY RADIATION. THERMALSTRESS IS ALONGNON-SENSITIVEAXISDạng uốn+++++-----+++++-----GROUND (Case)SIGNALMASSBUILT-IN ELECTRONICS PIEZOELECTRICCRYSTALHOUSINGPRE-LOADRINGDạng cắt+++++-----+++++-----STRAIN WAVES ARESHUNTED AT POSTTHERMAL TRANSIENTSCAUSE STRESSESALONG THE NONSENSITIVEAXISDạng cắt2.2 Gia tốc kế áp trởCấu tạo:3. Cảm biến đo rungRung 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.  Đo 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.