Park Bung Soo

1. Trường ĐH GTVT TP.Hồ Chí Minh
Bài Thuyết Trình
Đề Tài
Thiết kế cảm biến gia tốc và rung
Nhóm 7
1.Dương Văn Hòa TD12
2.Thái Hoàng Tuấn TD12
3.Phạm Minh Thịnh TD12
4.Nguyễn Trọng Thủy TD12

2. Nội dung bài thuyết trình
I.Khái niệm,tính chất của gia tốc và rung
II.Phương pháp đo và cảm biến đo gia tốc,rung;
1.Phương pháp đo
2.Các đặc trưng của cảm biến
3.Cảm biến gia tốc
3.1:cảm biến đo gia tốc áp trở
3.2:cảm biến đo gia tốc áp điện
4.Cảm biến đo rung
III.Ứng Dụng

3. I.Khái niệm,tính chất của gia tốc,rung

4. I.Khái niệm và tính chất của gia tốc và rung
gia tốc:
- kí hiệu: a
- đơn vị đo: m/s2
- Theo nguyên lý cơ bản của cơ học ,gia tốc là
mối quan hệ giữa lực và khối lượng.
- Động học : gia tốc được hiểu là đại lượng vật lý
đặc trưng cho sự thay đổi của vận tốc theo thời
gian
=>1 vật có gia tốc khi vật đó biến thiên vận tốc
VD: xe gắn máy khi tăng tốc sẽ có gia tốc.còn cánh
quạt khi quay đều không có gia tốc.
2
( / )
dv
a m s
dt
=

5. I.Khái niệm và tính chất của gia tốc và rung(tt)
Tính chất của gia tốc
- Nó là một trong những đại lượng cơ bản dùng để
mô tả chuyển động. Cũng như vận tốc, gia tốc là
đại lượng hữu hướng (vector)
- Chuyển động tăng tốc khi vectơ gia tốc cùng chiều
với chiều chuyển động; giảm tốc khi vectơ gia tốc
ngược chiều với chiều chuyển động; đổi hướng
khi véc tơ gia tốc có phương khác với phương
chuyển động.

6. I.Khái niệm và tính chất của gia tốc và rung(tt)
Rung
- Là dao động cơ học của vật thể, sinh ra khi trọng
tâm và trục đối xứng của chúng xê dịch trong
không gian hoặc do sự thay đổi có tính chu kỳ
hình dạng mà chúng có ở trạng thái tĩnh.
- Rung trong công nghiệp là sự di chuyển qua lại
của máy hoặc các bộ phận máy
- Rung làm thay đổi phổ tần dẫn đến trạng thái
mài mòn và mỏi các chi tiết cơ khí

7. I.Khái niệm và tính chất của gia tốc và rung(tt)
- Rung động được đặc trưng bởi độ dịch chuyển,
tốc độ hoặc gia tốc ở các điểm xác định trên vật
rung. Bởi vậy khi đo rung động của một vật
người ta đo một trong các đặc trưng trên
- Trong các máy đo gia tốc thường sử dụng các
cảm biến thích hợp để đo độ rung và va đập.
- Khi đo gia tốc người ta có thể xác định được tốc
độ và quãng đường dịch chuyển của vật bằng
cách lấy tích phân một lần hoặc tích phân kép

8. I.Khái niệm và tính chất của gia tốc và rung(tt)

9. I.Khái niệm và tính chất của gia tốc và rung(tt)
- Một thành phần máy có thể dao động một khoảng
cách lớn hoặc nhỏ, nhanh hoặc chậm và có thể
cảm nhận được bằng âm thanh và nhiệt.
- Rung động máy thường có thể cố ý được tạo ra
nhờ thiết kế của máy và tùy vào mục đích sử
dụng của máy như sàng rung, phễu nạp liệu,
băng tải, máy đánh bóng, máy dầm đất, v.v….
Nhưng hầu hết, rung động máy là không mong
muốn và nó thường gây ra những hư hỏng cho
máy.

10. II.Cảm biến đo gia tốc,rung và phương pháp đo

11. 1. Phương pháp đo
 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.

12. 2. Các đặc trưng của cảm biến đo gia tốc(tt)
 Độ nhanh
- tần số riêng f0: là đại lượng đặc trưng cho hoạt
động của cảm biến,tương đương với khái niệm
tần số riêng của con lắc.
 Trường hợp 1:máy đo gia tốc treo trong không
khí bao gồm khối lượng rung M, lò xo có độ
cứng C, bệ đỡ và vỏ bọc có khối lượng mb, tần số
dao động riêng sẽ có dạng:






+=
bmM
Cf
11
2
1
0
π

13. 2. Các đặc trưng của cảm biến đo gia tốc(tt)
 Trường hợp 2:máy đo gia tốc gắn trên cấu trúc cần
nghiên cứu có khối lượng Ms biểu diễn như hình dưới






+
+=
sb MmM
Cf
11
2
1
0
π

14. 2. Các đặc trưng của cảm biến đo gia tốc(tt)
)/( 2'
cmg
MM
M
cs
s
+
=γγ
2
0 21 ξ−== ffr

15. 2. Các đặc trưng của cảm biến đo gia tốc(tt)
 Độ nhạy
- độ nhạy được biểu diễn bởi biểu thức
Trong đó:
‫-ﻻ‬ là gia tốc của cảm biến
Q- là điện tích được tạo ra khi cảm biến rung với gia tốc
trên
S1- là độ nhạy cơ học của hệ thống khối lượng rung
S2-là độ nhạy điện của cảm biến
21.SS
Q
S ==
γ

16. 2. Các đặc trưng của cảm biến đo gia tốc(tt)
2
0
2
2
0
2
2
0
1
21.
1






+







−
==
ω
ω
ξ
ω
ω
ω
γ
z
S
2
0
2
1
1
..






+
==
ω
ω
Cd
z
Q
S

17. 3.Cảm biến đo gia tốc
A. Gia tốc kế áp điện
 Cấu tạo :
- Cấu tạo chung của gia tốc kế áp điện gồm một khối lượng
rung M và một phần tử áp điện đặt trên giá đỡ cứng, và
toàn bộ được đặt trong một vỏ hộp kín.
- Cảm biến loại này có tần số cộng hưởng cao, kết cấu chắc
chắn, nhạy với ứng lực của đế.

18. 3.Cảm biến đo gia tốc(tt)
 Nguyên tắc hoạt động:
- Trong cảm biến gia tốc áp điện ,khối lượng rung được đặt
trên phần tử áp điện.Phần tử này cung cấp 1 điện tích tỉ
lệ với ứng lực,nghĩa là với chuyển động của khối lượng
rung

19. 3.Cảm biến đo gia tốc(tt)
+ Phần tử áp điện của cảm biến gồm hai phiến áp
điện mỏng dán với nhau, một đầu gắn cố định lên
vỏ hộp cảm biến, một đầu gắn với khối lượng rung.
Cảm biến loại này cho độ nhạy rất cao nhưng tần số
và gia tốc rung đo được bị hạn chế.

20. 3.Cảm biến đo gia tốc(tt)
amdFdq ijij ... ==

21. Các tinh thể áp điện có thể được cắt hay căng
theo các cách:
Cắt
Uốn
Nén
3.Cảm biến đo gia tốc(tt)

22. PRELOAD STUD
(trục nhạy cảm)
PIEZOELECTRIC
CRYSTAL(S)
(phần tử áp điện)
HOUSING
SEISMIC
MASS
(khối lượng rung)
ELECTRODE
( điện cực)
SIGNAL (+)
+ + + + + +
+ + + + + +
- - - - - - -
- - - - - - -
BUILT-IN
ELECTRONICS
GROUND (-)
Dạng nén
Tần số cộng hưởng cao,chắc chắn,nhạy với úng lực của đế

23. preload stud tăng
độ cứng của yếu tố
gây cộng hưởng cao
+ + + + + +
+ + + + + +
- - - - - - -
- - - - - - -
nguyên nhân gây ra các
kim loại thoáng nhiệt
nở rộng và hợp đồng
tinh thể nhấn mạnh
dọc theo trục nhạy cảm
Các tinh thể bị cản trở
sẽ đi ra ngoài thành tín
hiệu điện
Dạng nén

24. + + + + + + +
- - - - - - - -
PIEZOELECTRIC
CRYSTALSEISMIC
MASS
HOUSING
SIGNAL (+)
BUILT-IN
ELECTRONICS
GROUND (-)
Dạng uốn
Hai phiến điện áp mỏng được dán với nhau cho độ nhạy rất cao nhưng bị hạn chế bởi gia tốc rung thấp và tần số nhỏ

25. + + + + + + +
- - - - - - - -
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

26. +
+
+
+
+
-
-
-
-
-
+
+
+
+
+
-
-
-
-
-
GROUND (Case)
SIGNAL
MASS
BUILT-IN
ELECTRONICS
PIEZOELECTRIC
CRYSTAL
HOUSING
PRE-LOAD
RING
Dạng cắt

27. +
+
+
+
+
-
-
-
-
-
+
+
+
+
+
-
-
-
-
-
STRAIN WAVES ARE
SHUNTED AT POST
THERMAL TRANSIENTS
CAUSE STRESSES
ALONG THE
NONSENSITIVE
AXIS
Dạng cắt

28. 3.Cảm biến đo gia tốc(tt)
B.Gia tốc kế áp trở
- Cấu tạo chung của một gia tốc kế áp trở gồm một tấm
mỏng đàn hồi một đầu gắn với giá đỡ, một đầu gắn với khối
lượng rung, trên đó có gắn từ 2 đến 4 áp trởmắc trong một
mạch cầu Wheatstone. Dưới tác dụng của gia tốc, tấm đàn
hồi bị uốn cong, gây nên biến dạng trong đầu đo một cách
trực tiếp hoặc gián tiếp qua bộ khuếch đại cơ.
1) Khối rung 2) Tấm đàn hồi
3) áp trở 4) Đế
Độ nhạy của cảm biến được biểu
diễn bằng biểu thức:
1 2. . m mV V
s s s
a a
ε
ε
= = =

29. 3.Cảm biến đo gia tốc(tt)
- Độ nhạy điện của cầu Wheatstone S1: vì 4 đầu đo đều có
cùng một biến dạng |ε| nên điện áp ra Vm của đầu đo
bằng:
Suy ra:
Trong đó:
es- điện áp nuôi cầu (10 - 15 V).
K - hệ số đầu đo áp trở ( ≈ 50÷100)
R - điện trở một đầu đo ( ≈ 350÷500 Ω)
. .m s s
R
V e e K
R
ε
∆
= =
2 . ss K e=

30. - Độ biến dạng
-Độ uốn cong
- Độ cứng
2
..
..6
eY
bF

=ε
3
3
..
..4
eY
LF
f

=
3
3
.4
..
L
eY
C

=

31. 3.Cảm biến đo gia tốc(tt)
- Độ nhạy cơ S1 của hệ thống cơ khí xác định theo biểu
thức:
Giá trị của A và ɷ0phụ thuộc vào kết cấu của hệ chịu uốn
1 2 2
20
2
0 0
1
1 2
A
s
ω ω ω
ξ
ω ω
= =
   
− +   
   
3
0 3
3
4 .
.
1,5
Yle
L M
b e
A
L
ω =
=

32. Một số cảm biến đo gia tốc
MPU-6050 Cảm biến gia tốc

33. 4. 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.
⇒ Độ 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.

34. 4. Cảm biến đo rung(tt)
Sơ đồ cảm biến đo tốc độ rung trình bày trên hình

35. 4. Cảm biến đo rung(tt)
Nguyên lý cảm biến đo độ rung:
- Cảm biến gồm 1 bộ phận cơ khí (tinh thể áp điện hoặc
lò xo) nối với khối lượng rung và tất cả được đặt
chung trong 1 chiếc hộp. Chuyển động rung của khối
lượng M sẽ tác động lên phần tử nhạy cảm(lò xo) và
chuyển thành tín hiệu điện ở đầu ra.
- khi không có gia tốc tác động lên vỏ hộp
tung độ của a và b bằng nhau

36. 4. Cảm biến đo rung(tt)

37. 4. Cảm biến đo rung(tt)

38. 4. Cảm biến đo rung(tt)
- 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.

39. 4. Cảm biến đo rung(tt)
- 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 lực f = 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 Lω, 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.

40. Một số cảm biến đo rung
Cảm biến rung SW-520D

41. III.Ứng dụng
- Cảm biến gia tốc dùng để đo gia tốc của vật
chuyển động => có thể đưa ra các thay đổi hợp lí
về mặt thông số hoạt động cho các động cơ hay
vật chuyển động.cảm biến gia tốc được dùng
nhiều trong ngành hàng không,vũ trụ,nghiên cứu
khoa học hoặc lắp đặt trong các điện thoại,xe
máy
- Cảm biến rung dùng để đo mức độ rung của 1 vật
=> đưa ra các phương pháp giảm thiểu rung vì
rung hầu hết là không có lợi.Cảm biến rung được
dùng nhiều trong hoạt động hàng không,xây
dựng,địa chất…