accxcasdwqe

1. CẢM BIẾN GIA TỐC SỐC VÀ RUNG
NHÓM 9
CÔNG NGHỆ CẢM BIẾN

2. GIỚI THIỆU
 Gia tốc kế (cảm biến gia tốc) là một loại cảm biến chuyển đổi cung cấp
các đầu ra dựa vào việc phát hiện các chuyển động, độ rung và chấn
động(sốc).
 Bất cứ khi nào có một vật, một đối một cấu trúc nào đó chuyển động
đều sinh ra gia tốc cho nên việc đo lường gia tốc sẽ giúp chúng ta hiểu
rõ hơn về các đặc tính về động lực của đối tượng đó và nhờ đó ta có
thể chi phối các hoạt động của đối tượng đó.
 Gia tốc kế được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau cả trong lĩnh
vực nghiêng cứu cho đến việc được ứng dụng trong cuộc sống hằng
ngày. Từ việc đo lường cho đến cả những ứng dụng trong cuộc sống
như: báo động an ninh cho ô tô, cảm biến túi khí, bảo vệ ổ cứng của
laptop, .…
 Có rất nhiều loại gia tốc kế khác nhau: gia tốc kế áp điện, gia tốc kế áp
điện trở, gia tốc kế điện dung,….
 Loại phổ biến nhất trong các loại gia tốc kế chính là gia tốc kế áp điện

3.  Gia tốc kế áp điện là một loại gia tốc kế hoạt động dựa trên
hiện tượng áp điện. Hiện tượng áp điện này có được là nhờ có
vật liệu áp điện nằm bên trong cảm biến làm phần tử cảm nhận.
 Vật liệu áp điện là một loại vật liệu đặc trưng khi chịu tác
dụng 1 lực thì sẽ sinh ra điện tích.
Gia tốc kế áp điện thường được chia làm 2 loại chính dựa theo
chế độ hoạt động: Gia tốc kế IEPE và gia tốc kế chế độ điện tích
 Ưu điểm của loại gia tốc kế này là
• Có dải hoạt động rộng, hầu hết không bị ảnh hưởng bởi
nhiễu
• Dải tần số rộng
• Có độ bền cao
• Có dải biên độ tuyến tính lớn
GIA TỐC KẾ ÁP ĐIỆN

4. CẤU TẠO GIA TỐC KẾ ÁP ĐIỆN CƠ BẢN
 Cấu tạo cơ bản của 1 cảm biến áp điện thường gồm
2 phần chính là phần tử áp điện và seismic mass.
 Seismic mass thường được gắn trên phần tử áp
điện và được kết nối trực tiếp với đế cảm biến,
phần tử này giúp cung cấp 1 điện tích tương ứng
với khối lượng một lực được tạo ra.
Nguyên lý hoạt động:
- Khi có lực tác dụng vào đế của gia tốc kế thì sẽ có
1 lực (F) được tạo ra trên phần tử áp điện lực này
bằng tích của áp lực tác dụng lên đế của gia tốc kế
nhân với độ lớn của Seismic Mass (nó giống với
nguyên lý của định luật 2 Newton F = m.a).
- Gia tốc càng và khối lượng càng lớn càng làm cho
lực tác dụng lên vật lớn hơn và sinh ra càng nhiều
điện ở ngõ ra tinh thể.

5. ĐÁP ỨNG TẦN SỐ GIA TỐC KẾ ÁP ĐIỆN
Đáp ứng tần số của cảm biến được xác định bởi tần số cộng hưởng của cảm biến
Tần số cộng hưởng của cảm biến được xác định bằng công thức:

6. GIA TỐC KẾ IEPE
 Cảm biến IEPE là cảm biến được tích hợp mạch điều khiển tín hiệu
bên trong có chức năng chuyển đổi tín hiệu điện tích trở kháng cao
được tạo ra bởi phần tử cảm biến áp điện thành tín hiệu điện áp có
trở kháng thấp.
 Tín hiệu dễ dàng truyền được qua các loại dây cáp thông thường,
dây cáp đồng trục mà không cần thiết phải sữ dụng cáp chống
nhiễu.
 Tín hiệu trở kháng thấp có thể truyền được ở khoảng cách xa qua
dây cáp dài thường được sử dụng trong môi trường nhà máy hoặc
những môi trường bẩn mà không làm suy giảm chất lượng tín hiệu.
 Ngoài ra chúng còn được dung trong những ứng dụng đo độ rung
và độ sốc.
 Ưu điểm của loại cảm biến này
• Có độ chính xác cao
• Dải tần rộng
• Chi phí lắp đặt hệ thống thấp
• Sử dụng đơn giản

7. MẠCH ĐIỆN TỬ BÊN TRONG GIA TỐC KẾ IEPE
 Mạch điện tích hợp bên trong gia tốc IEPE đều yêu cầu được cấp nguồn điện DC và
dòng không đổi.
 Nguồn điện này đôi khi được tích hợp sẵn trong các máy đo độ rung, máy phân tích
FFT và bộ thu thập dữ liệu rung động.
 Ngoài việc cung cấp các kích thích cần thiết bộ nguồn còn kết hợp với bộ điều
khiển tín hiệu như bộ lọc, bộ đệm và cảnh báo quá tải.

8. GIA TỐC KẾ CHẾ ĐỘ ĐIỆN TÍCH
 Cảm biến chế độ điện tích có ngõ ra là trở kháng cao, có tín hiệu điện tích được tạo ra từ các
phần tử áp điện của bộ xử lý.
 Tín hiệu này nhạy cảm và rất dễ sai lệch do ảnh hưởng từ môi trường xung quanh hoặc do
nhiễu từ cáp tạo ra. Do đó chúng đòi hỏi phải sử dụng loại cáp chóng nhiễu.
 Ngoài ra để có phép đo chính xác thì chúng cần 1 điều kiện là tín hiệu đưa vào thiết bị phải ở
dang điện áp có trở kháng thấp.
 Do đó các thiết bị này thường có thêm bộ khuyếch đại điện tích hoặc bộ chuyển đổi điện tích
bên trong. Các thiết bị này sẽ chuyển đổi trở kháng cao đầu vào thành trở kháng thấp ở đầu ra
nhờ tụ điện.
 Loại gia tốc kế này thường được dung trong các ứng dụng yêu cầu nhiệt độ cao. Nếu muốn
truyền tín hiệu đi xa ta cần sử dụng them bộ chuyển đổi điện tích

9. Hệ thống khuyếch đại điện tích trong phòng thí nghiệm
Do ngõ ra tín hiệu là trở kháng cao nên cần có một số biện pháp phòng tránh như tránh để sợi
cáp chuyển động vì sẽ gây ra nhiễu bện trong sợi cáp và phải sử dụng loại cáp đặc biệt để chống
nhiễu. Ngoài ra còn phải đảm bảo cho cảm biến gia tốc, dây cáp và các đầu nối được khô ráo
sạch sẽ.

10. VẬT LIỆU ÁP ĐIỆN CỦA CẢM BIẾN
Có 2 loại vật liệu chính thường sử dụng trong việc thiết kế gia tốc kế là Thạch anh và Gốm sứ đa
tinh thể. Thạch anh là tinh thể tự nhiện còn gốm sứ đa tinh thể là do con người tạo ra mỗi loại đều
mang lại 1 lợi ích khác nhau.
Thạch anh Gốm sứ đa tinh thể
 Được biết đến rộng rãi với khả năng
thực hiện tốt trong công việc đo lường
 Được dung nhiều trong các ứng dụng
hằng ngày như: đồng hồ đeo tay, radio,
thiết bị gia dụng…..
 Có tính chất áp điện tự nhiên nên ổn
định nhất trong các loại áp điện.
 Có tính ổn định cao và có tính lặp lại.
 Độ nhạy điện áp cao do có giá trị điện
dung thấp.
 Độ nhạy điện tích thấp
 Các vật liệu gốm trở thành các phần tử
áp điện nhờ quá trình “phân cực” bằng
cách cho vật liệu tiếp xúc điện trường
cường độ cao
 Quá trình phân cực sẽ làm thay đổi và
sắp xếp lại các lưỡng cực điện để biến
vật liệu thành vật liệu áp điện
 Tuy nhiên nếu tiếp xúc với nhiệt độ cao
sẽ dễ bị thay đổi các đặc tính về áp điện

11. CẤU TẠO CỦA GIA TỐC KẾ ÁP ĐIỆN
Có 3 dạng cấu hình chính: dạng cắt, dạng uốn và dạng nén. Trong đó dạng phổ biến nhất là dạng
uống và dạng nén là dạng ít khi được dung nhất.
Các cấu hình này được xác định dựa trên việc 1 vật truyền một lực có khối lượng và gia tốc lên
vật liệu áp điện
Dạng cắt
Dạng uốn
Dạng nén

12. GIA TỐC KẾ ÁP ĐIỆN 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 seismic mass, trên đó có
gắn từ 2 đến 4 áp trở mắc 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.
 Ưu điểm là độ cứng cao, tần số
cộng hưởng cao

13. GIA TỐC KẾ ĐIỆN DUNG
 Hoạt động tương tự như gia tốc kế áp điện trở, chúng giống nhau ở chỗ đều đo sự thay
đổi qua 1 cây cầu.
 Tuy nhiên thay vì là thay đổi giá trị điện trở của cây cầu thì chúng thay đổi giá trị điện
dung
 Các phần tử cảm biến của chúng bao gồm 2 tụ điện song song hoạt động trong một chế
độ vi sai
 Các tụ điện này hoạt động theo cấu hình cầu và phụ thuộc vào mạch giải điều chế song
mang hoặc mạch tương đương để tạo ra một công suất điện ngõ ra dựa vào gia tốc ở đầu
vào

14. CẤU TẠO PHẦN TỬ CẢM BIẾN CỦA GIA TỐC KẾ
ĐIỆN DUNG Khi phần tử này được đặt trong trường hấp dẫn của Trái đất
hoặc đạt được gia tốc do rung động trên một cấu trúc thử
nghiệm, springmass tác dụng một lực. Lực này tỷ lệ với khối
lượng của springmass và dựa trên Định luật chuyển động thứ
hai của Newton.
F = ma trong đó:
o F = lực quán tính
o m = khối lượng
o a = gia tốc đo được bởi bộ xử lý của cảm biến
Do đó, spring-mass lệch tuyến tính theo phương trình spring.
X = F/k trong đó:
o X = độ lệch
o k = độ cứng

15. Sự lệch hướng của spring-mass làm cho khoảng cách giữa các điện cực và spring-mass thay đổi. Các biến đổi này
có ảnh hưởng trực tiếp đến từng khe hở của tụ điện đối diện theo phương trình sau.
C2 = AE [ε / (d + X)] and
C2 = AE [ε / (d – X)] trong đó:
C = điện dung của phần tử
AE = diện tích bề mặt của điện cực
ε = hằng số điện môi của không khí
d = khoảng cách giữa spring-mass và điện cực
Cần có mạch điện tử tích hợp để gia tốc kế điện dung có thể hoạt động bình thường.
Mạch tích hợp phục vụ hai chức năng chính: (1) cho phép những thay đổi trong điện dung rất hữu ích trong việc
đo cả 2 trường hợp tĩnh và động, (2) Việc chuyển đổi này thành tín hiệu điện áp sẽ hữu ích trong việc tương thích
với thiết bị đọc.

16. CẤU TẠO MẠCH TÍCH HỢP CỦA GIA TỐC KẾ ĐIỆN
DUNG

17. GIA TỐC KẾ SERVO
Các gia tốc kế được mô tả cho đến nay đều là máy đo gia tốc “vòng hở”. Độ lệch của khối seismic
mass sẽ tương đương với tỷ lệ với gia tốc, được đo trực tiếp bằng cách sử dụng công nghệ áp điện,
áp điện trở hoặc thay đổi điện dung.
Còn đối với gia tốc kế servo nó là một loại gia tốc kế “vòng kín” chúng giữ độ lệch của vật bên
trong ở mức cực thấp
Khối luôn được duy trì ở chế độ “cân bằng” loại bỏ được hầu hết các lỗi do phi tuyến tính.
Hệ thống uốn có thể tuyến tính hoặc dạng lắc
Lực điện từ, tỷ lệ với dòng phản hồi, duy trì khối lượng ở vị trí rỗng. Khi khối cố gắng di chuyển,
một cảm biến điện dung sẽ phát hiện chuyển động của nó. Mạch servo lấy tín hiệu lỗi từ cảm biến
điện dung này và đưa dòng điện qua cuộn dây, tạo ra mô-men xoắn tỷ lệ với gia tốc, giữ khối ở chế
độ bắt hoặc chế độ null.

18. Servo hoặc máy đo gia tốc “vòng kín” có thể đắt gấp
mười lần giá “máy đo gia tốc vòng hở”. Chúng thường
được tìm thấy trong phạm vi nhỏ hơn 50 g và độ chính
xác của chúng đủ lớn để có thể sử dụng chúng trong các
hệ thống dẫn đường và định vị. Để điều hướng, ba trục
của máy đo gia tốc servo thường được kết hợp với ba trục
của con quay hồi chuyển tốc độ trong một gói cách ly cơ
học, ổn định nhiệt như một đơn vị đo quán tính (IMU).
IMU này cho phép xác định 6 bậc tự do cần thiết để điều
hướng trong không gian.
Chúng đo tần số dến DC (0 Hertz) và thường không được
ưa chuộng vì đáp ứng tần số cao của chúng.