CHƯƠNG 8. Cảm biến đo vận tốc, gia tốc và rungkdientu.duytan.edu.vn/media/50603/chuong8-cambiendogiatoc_vantocvarung... · CHƯƠNG 8. Cảm biến đo vận tốc,

CHƯƠNG 8. 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


a) 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 lớn• Hướng chỉ hướng di chuyển của vật• Độ 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)


b) Đo vận tốc tuyến tính

Nguyên lý đoDựa 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



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

e0 = BLV

B: Cường độ từ trường

L: Chiều dài cuộn dây

V: vận tốc di chuyển



Dựa vào sai lệch dịch chuyển



Dựa vào dịch chuyển Doppler

Phát sóng tớivật, sau đó nhậnsóng phản hồi.Đo bước sóngphản hồi � tínhra vận tốc



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?


c) Đo vận tốc gốc

Máy phát tốc – TachogeneratorTạo 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.



Tốc độ kế xungTừ 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 δ biến thiên → từ trở mạch từ biến thiên → Φ 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.



Tốc độ kế xungQuang

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.



Tốc độ kế xung

Encoder là gì?


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 biếnđo 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.


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

ELECTRODESIGNAL (+)

+ + + + + ++ + + + + +

- - - - - - -

- - - - - - -

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

CRYSTALSEISMIC

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.

⇒ 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.

VIII. Cảm biến đo áp suất

1. Tổng quan

Định nghĩaÁp suất được định nghĩa là lực tác dụng trên một đơn vị diện tích

P = F/A

Áp suất tuyệt đối: là áp suất chênh lệch giữa điểm đo và chân không tuyệt đối (áp suất bằng 0).

Áp suất dư/tương đối: là áp suất chênh lệch giữa điểm đo và môi trường xung quanh (khí quyển).

Áp suất vi sai: là áp suất chênh lệch giữa hai điểm đo, một điểm được chọn làm điểm tham chiếu.

1. Tổng quan

Định nghĩa

1. Tổng quan

Đơn vị đoTrong hệ SI: Pascal (Pa), 1 Pa = 1 N/m2 = 10-5 bar.

Châu Âu: bar, Bắc Mỹ: psi, Châu Á: kg/cm2, MPa.

Đơn vị

áp suất

pascal

(Pa)

bar

(b)

kg/cm2 atmotsphe

(atm)

mmH2O mmHg mbar

1Pascal 1 10-5 1,02.10-5 0,987.10-5 1,02.10-1 0,75.10-2 10-2

1 bar 105 1 1,02 0,987 1,02.104 750 103

1 kg/cm2 9,8.104 0,980 1 0,986 104 735 9,80.102

1 atm 1,013.105 1,013 1,033 1 1,033.104 760 1,013.10

3

1mmH2O 9,8 9,8.10-5 10-3 0,968.10-4 1 0,0735 0,098

1mmHg 133,3 13,33.10-4 1,36.10-3 1,315.10-3 136 1 1,33

1mbar 100 10-3 1,02.10-3 0,987.10-3 1,02 0,750 1

1. Tổng quan

Phân loại

Đọc trực tiếp

Đo gián tiếp

Màn chắn

Lò xo ống

Hộp xếp

Điện dung

Biến dạng

Áp kế chất lỏng

Áp kế nén Mc Leod

Áp kế chữ U

Áp kế nhớt

Ion hóa

Độ dẫn nhiệt

Dựa vào sự thay đổi tỷ trọng của chất khí và tạo ra tín hiệu điện

Áp điện

2. Áp kế dạng màn chắn

Loại đo điện dungGồm 2 bản cực, 1 bản cực cố định, 1 bản cực là màn chắn chịu tác động của áp suất

Đo áp suất dựa vào điện dung của tụ điện


Loại điện dung


Loại đo biến dạng


Loại áp điện

3. Áp kế lò xo ống

Cấu tạo và nguyên lý


Các dạng

a) Dạng ống chữ C; b, c) dạng ống xoắn



4. Áp kế hộp xếp

Cấu tạo và nguyên lý

Made of Bronze, S.S., BeCu, Monel etc..The movement is proportional to number of convolutionsSensitivity is proportional to sizeIn general a bellows can detect a slightly lower pressure than a diaphragmThe range is from 0-5 mmHg to 0-2000 psi

Accuracy in the range of 1% span

4. Áp kế hộp xếp

5. Áp kế chất lỏng


Dạng chữ U


With both legs of a U-tube

manometer open to the

atmosphere or subjected to the

same pressure, the liquid

maintains the same level in

each leg, stablishing a zero

reference.

Manometer

With a greater pressure applied to the left side of a U-tube manometer, the liquid lowers in the left leg and rises in the right leg.

The liquid moves until the unit weight of the liquid, as indicated by h, exactly balances the pressure.

Manometer

When the liquid in the tube is mercury, for example, the indicated pressure h is usually expressed in inches (or millimeters) of mercury. To convert to pounds per square inch (or kilograms per square centimeter), P

2= ρhg

Where

P2

= pressure, (kg/cm2)

ρ = density, (kg/cm3)

h = height, (cm)

Manometer

Gauge pressure is a measurement relative to atmospheric pressure and it varies with the barometric reading.

A gauge pressure measurement is positive when the unknown pressure exceeds atmospheric pressure (A), and is negative when the unknown pressure is less than atmospheric pressure (B).


Dạng bồn chứa

( ) ( )

+=

+=−

22

211.....

Ddhg

Ddhhgpp

mmρρ

hgppdDm

..:21ρ=−>>

Reservoir (Well) Manometer

In a well-type

manometer, the cross-

sectional area of one

leg (the well) is much

larger than the other

leg. When pressure is

applied to the well, the

fluid lowers only

slightly compared to

the fluid rise in the

other leg.


Dạng ống nghiêng

( )θρρ sin.....21

Lghgppmm

==−


Kiểu phao

Cảm biến áp suất điện tử

Cảm biến áp suất điện tử dùng để đo và/hoặc phát hiện sự thay đổi áp suất và chuyển thành tín hiệu điện.

Nguyên lý đo:Điện trở: điện trở của vật liệu dẫn điện thay đổi phụ thuộc vào áp suất. Vật liệu thường dùng là kim loại, chịu sự kéo hoặc nén và thay đổi giá trị điện trở. (Strain gauge).


Nguyên lý đo:Điện trở:


Nguyên lý đo:Áp trở: dựa vào hiệu ứng áp trở, nên có độ nhạy cao, đo được áp suất thấp. Ảnh hưởng bởi nhiệt độ.


Nguyên lý đo:Điện dung: Đo áp suất dựa vào đo giá trị điện dung của tụ điện. Áp suất tác động lên bản cực của tụ điện làm cho khoảng cách giữa 2 bản cực thay đổi.


Nguyên lý đo:Áp điện:

• Dựa vào hiệu ứng áp điện

• Phù hợp cho đo áp suất động


Cảm biến áp suất với sự tác động cơ khí

Documents

CHƯƠNG 8. Cảm biến đo vận tốc, gia tốc và rungkdientu.duytan.edu.vn/media/50603/chuong8-cambiendogiatoc_vantocvarung... · CHƯƠNG 8. Cảm biến đo vận tốc,