ĐO TỐC ĐỘ QUAY CỦA ĐỘNG CƠ KHÁI NIỆM + Thể hiện mức độ thay đổi vị trí của đối tượng + Là một đại lượng vecto : có hướng và độ lớn NGUYÊN LÍ ĐO : + Dựa vào cảm ứng điện từ + Dựa vào
Trang 1CHƯƠNG 5 Cảm Biến Tốc Độ
— NHÓM 5 —
Trang 21 ĐO TỐC ĐỘ QUAY CỦA ĐỘNG CƠ
2 TỐC ĐỘ KẾ SỢI QUANG
3 GIA TỐC KẾ SỢI QUANG
4 ĐỔI HƯỚNG KẾ SỢI QUANG
5 ĐỔI HƯỚNG KẾ CON QUAY HỒI CHUYỂN
6 CẢM BIẾN TỐC ĐỘ QUAY THẠCH ANH
7 ỨNG DỤNG CON QUAY HỒI CHUYỂN ĐIỀU KHIỂN CHUỘT
Trang 3Trình bày – Lê Danh Mạnh
ĐO TỐC ĐỘ QUAY CỦA ĐỘNG
CƠ 01
Trang 41 ĐO TỐC ĐỘ QUAY CỦA ĐỘNG CƠ
KHÁI NIỆM
+ Thể hiện mức độ thay đổi vị trí của đối tượng
+ Là một đại lượng vecto : có hướng và độ lớn
NGUYÊN LÍ ĐO :
+ Dựa vào cảm ứng điện từ
+ Dựa vào sai lệch di chuyển
+ Dựa vào dịch chuyển Doppler
+ Chuyển từ vận tốc tuyến tính sang vận tốc góc
Trang 51 ĐO TỐC ĐỘ QUAY CỦA ĐỘNG CƠ
Vai trò đo vận tốc:
• Trong công nghiệp, phần lớn trường hợp đo vận tốc là đo tốc độ quay của máy
• Độ an toàn, chế độ làm việc của máy phụ thuộc rất lớn vào tốc độ quay
• Trong trường hợp chuyển động thẳng, việc đo vận tốc dài cũng thường được chuyển về
đo tốc độ quay
• Do vậy, các cảm biến đo vận tốc góc đóng vai trò quan trọng trong việc đo vận tốc
Trang 6Các phương pháp đo vận tốc
Phương pháp 1 : (sử dụng tốc độ kế điện từ):
● Dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ Cảm biến gồm có hai phần: phần cảm (nguồn từ thông) và phần ứng (phần có từ thông đi qua) Khi có chuyển động tương đối giữa phần cảm và phần ứng
→ từ thông (Φ) đi qua phần ứng biến thiên → trong phần ứng xuất hiện suất điện động cảm ứng (e) ∈ tốc độ biến thiên (Φ) → ∈ tốc độ dịch chuyển Đo (e) → (v)
● Các loại: Tốc độ kế một chiều, tốc độ kế xoay chiều…
t (
) x ( dF dt
) x ( dF )
t(
e 0 0
Trang 7Các phương pháp đo vận tốc
Phương pháp 2 (Sử dụng tốc độ kế vòng loại xung): làm việc theo
nguyên tắc đo tần số chuyển động của phần tử chuyển động quay Cảm biến có một đĩa được mã hoá gắn với trục quay, ứng với một chuyển dịch cơ bản xung Tần số xung tỉ lệ với tốc độ cần đo
● Các loại: Tốc độ kế từ trở biến thiên, tốc độ kế quang…
Trang 8Trình bày – Huỳnh Văn Phú
TỐC ĐỘ KẾ SỢI QUANG02
Trang 92 TỐC ĐỘ KẾ SỢI QUANG
Tốc độ kế laser hiệu ứng Doppler là dụng cụ đo
tốc độ của các đối tượng bằng các truyền dẫn
hoặc bằng phản xạ Dải đo rộng từ 10-6 – 105
m/s Phép đo không làm thay đổi chuyển động
của hệ
Nguyên lý: Chiếu sáng đối tượng cần đo tốc độ
bằng một lưới các vân sáng, ánh sáng khuếch tán
từ đối tượng tuân theo hiệu ứng Doppler nghĩa là
tấn số của nó khác với tần số ánh sáng nguồn Độ
lệch tần số này phụ thuộc vào tốc độ của vật
Trang 102 TỐC ĐỘ KẾ SỢI QUANG
Trường hợp đo tốc độ dòng chảy nên cho vào dòng chảy các hạt
có kích thước đủ nhỏ để không ảnh hưởng đến tốc độ dòng chảy, các hạt này sẽ khuếch tán ánh sáng khi có nguồn cắt qua Tín hiệu quang do các hạt phát ra được điều biến bằng các vân tối, sáng với tần số tỷ lệ với tốc độ dòng chảy
Tần số điều biến ánh sáng do các hạt khuếch tán f=|V|/y
• |V| thành phần tốc độ của các hạt vuông góc với vân sáng
• y khoảng cách các vân sáng
Trang 11Theo một phương pháp khác hạt cắt qua một trong hai tia sáng không song song đến từ một nguồn laser He-Ne Ta nhận được hai tia khuếch tán từ hạt, mỗi tia được đặc trưng bằng một tần số Doppler Giao thoa cảu hai tia này tạo nên một phách tần số f suy ra biên độ nhưng không cho biết chiều chuyển động
Khắc phục bằng cách sử dụng hai tốc kế vuông góc, ta đã biết hai thành phần tốc độ do vậy ta có thể xây dựng vetor V
Ta cũng có thể điều pha ϕ của một trong hai tia ở tốc độ dϕ/dt nhờ khối Bragg Các vân lệch pha với tốc độ V0
Ánh sáng bị điều biến ở tấn số
Ta chọn dϕ/dt sao cho V0 luôn lớn hơn biên độ vận tốc V của các hạt
2 TỐC ĐỘ KẾ SỢI QUANG
Trang 13ỨNG DỤNG
• Nghiên cứu dòng chảy: đo vận tốc
dòng nước, kiểm tra khí dộng học
máy bay, tên lửa,
• Tự động hóa : đo vận tóc bang
chuyền
• Y tế: định lượng một phần lưu
lượng máu trong các mô của con
người như da, nền mắt
• Ngoài ra còn được ứng dụng trong
quân sự, dẫn đường hiệu chuẩn và
đo lường
Trang 14Trình bày – Huỳnh Văn Phú
GIA TỐC KẾ SỢI QUANG03
Trang 153 GIA TỐC KẾ SỢI QUANG
b) Đường cong độ nhạy,
Gia tốc cần đô tác dộng vào một
hệ có khối lượng khoảng 1 gam, một phần tử treo đàn hồi giữa hai sợi quang dài 1 cm tạo nên hai nhánh của một giao thoa kế Michelson hoặc Mach-Zehndes Nếu gia tốc sặt trên trục các sợi lực quán tính sự sai khác bước giữa hai sợi
Trang 163 GIA TỐC KẾ SỢI QUANG
Gia tốc kế hai cuộn sợi quang
Gia tốc kế hai cuộn dây sơi quang phân các bằng một ngăn chứa đầy chất lỏng.Mỗi cuộn dây là một nhánh của giao thoa kế Khi ngăn được gia tốc dọc theo trục đối xứng của nó, áp suất vi sai sinh ra trong chất lỏng được truyền vào các sợi quang và tạo nên các bước sóng khác nhau
Ứng dụng: theo dõi chấn động của các thiết bị, cho biết tính trạng cân bằng kém để khắc phục, trong y
tế ứng dụng để lường màn nhĩ,
Trang 17Trình bày – Phan Bá Rôn
ĐỔI HƯỚNG KẾ
CON QUAY HỒI CHUYỂN04
Trang 183 ĐỔI HƯỚNG KẾ CON QUAY HỒI CHUYỂN
Con quay hồi chuyển gồm một roto lắp trên một khung động và được quay quanh trục Y’Y với tốc độ lớn (~104vòng/phút) nhờ một động cơ
Tốc độ quay ω cần đo theo trục Z’Z vuông góc với trục Y’Y làm xuất hiện một ngẫu lực Cg tỉ lệ với ω theo hướng X’X vuông góc với hai trục Y’Y và Z’Z có xu hướng làm cho khung động của con quay hồi chuyển quay theo
Ngẫu lực Cg được cân bằng bởi ngẫu lực đàn hồi Cr của hai lò xo gây nên có giá trị tỉ lệ với góc quay α của khung Ở trạng thái cân bằng: Cg =Cr với Cr = kα (k là hệ số đàn hồi của lò xo) và Cg = ωH ( H là mômen động học của rôto) Thay các giá trị vào công thức trên ta có công thức xác định góc α:
Trang 193 ĐỔI HƯỚNG KẾ CON QUAY HỒI CHUYỂN
Góc quay α của khung động của con quay hồi chuyển
tỉ lệ với vận tốc góc ω cần đo
Để tiện cho xử lý, góc quay α được chuyển đổi thành
tín hiệu điện nhờ một điện thế
kế
Các thông số của máy đo như sau:
• Dải đo từ ± 7o/s đến ± 360o/s
• Sai lệch khỏi độ tuyến tính <± 1,5% của dải đo
Trang 20Trình bày – Phan Bá Rôn
ĐỔI HƯỚNG KẾ SỢI QUANG05
Trang 215 ĐỔI HƯỚNG KẾ SỢI QUANG
Đổi hướng kế quang gồm nguồn phát chùm tia laze (1), cuộn dây sợi quang (2) có chiều dài L quấn thành vòng bán kính R quay với cùng vận tốc góc ω với vật quay
Trang 225 ĐỔI HƯỚNG KẾ SỢI QUANG
Chùm tia xuất phát từ nguồn phát (1) qua bản phân tách (3) tạo thành hai chùm tia truyền theo hai hướng ngược nhau trong sợi cáp quang Khi ra khỏi cáp, do quảng đường truyền sóng khác nhau, hai tia lệch pha nhau, độ lệch pha giữa hai chùm tia bằng:
λ - bước sóng tia laze
c - vận tốc ánh sáng
Trên đầu thu (4) ta thu được hệ vân giao thoa của hai chùm tia Bằng cách đếm
số vân giao thoa ΔZ bị dịch chuyển do cáp quang quay, ta có thể tính được tốc độ quay theo công thức:
Trang 23Trình bày – Phan Thanh Trường
CẢM BIẾN TỐC ĐỘ QUAY
THẠCH ANH06
Trang 246.CẢM BIẾN TỐC ĐỘ QUAY THẠCH ANH
Việc sử dụng phần tử dao động để đo tốc độ quay ứng dụng nguyên lý Coriolis đã được biết từ 50 năm nay Cảm biến tốc độ thạch anh QRS (Quartz Rate Sensor) được sử dụng có kết quả trong thực tế vì có kích thước nhỏ, tiêu thụ công suất bé
Các con quay hồi chuyển kích thước lớn thời gian sử dụng cỡ vài trăm giờ được dùng cho mục đích quân
sự và dẫn đường máy bay Cảm biến tốc độ quay thạch anh có kích thước cỡ miếng thạch anh trong đồng
hồ thạch anh có cấu gồm hai phần : phần quay và cảm nhận
Cảm biến thạch anh quay
Trang 256.CẢM BIẾN TỐC ĐỘ QUAY THẠCH ANH
Phần quay tác động chính xác như một chạc quay có kích thước nhỏ Mỗi chạc có khối lượng và tốc độ hướng kính biến thiên hình sin Khi quay ổn định mômen động của hai chạc bằng không và không có năng lượng truyền từ các chạc vào đế Để duy trì chạc quay cần công suất 6µW Khi chạc quay quanh trục đối xứng, lực Coriolis ảnh hưởng tới hệ thống được tính theo công thức :
và xử lý Cảm biến QRS có thời gian sử dụng trung bình 100.000 giờ, được sử dụng trong kỹ thuật đo lường và điều khiển
Trang 26ỨNG DỤNG CỦA CẢM BIẾN TỐC ĐỘ QUAY THẠCH ANH
Cảm biến tốc độ quay thạch anh là một thành phần quan trọng trong hệ thống kiểm soát ổn định động của ô tô
Cảm biến tốc độ quay thạch anh đóng một vai trò quan
trọng trong việc ổn định nền tảng của máy bay trực
thăng
Trang 276.CẢM BIẾN TỐC ĐỘ QUAY THẠCH ANH
Phần quay tác động chính xác như một chạc quay có kích thước nhỏ Mỗi chạc có khối lượng và tốc độ hướng kính biến thiên hình sin Khi quay ổn định mômen động của hai chạc bằng không và không có năng lượng truyền từ các chạc vào đế Để duy trì chạc quay cần công suất 6µW Khi chạc quay quanh trục đối xứng, lực Coriolis ảnh hưởng tới hệ thống được tính theo công thức :
và xử lý Cảm biến QRS có thời gian sử dụng trung bình 100.000 giờ, được sử dụng trong kỹ thuật đo lường và điều khiển
Trang 28Trình bày – Đinh Trần Vĩ
ỨNG DỤNG CON QUAY HỒI CHUYỂN ĐẦU CHUỘT07
Trang 297 ỨNG DỤNG CON QUAY HỒI CHUYỂN ĐẦU CHUỘT
Cần thiết bị điều khiển chuột một cách linh hoạt do
yêu cầu các phương tiện thông tin đại chúng và thị
trường TV Con trỏ hồi chuyển (Gyro Point) sử dụng
hai con quay hồi chuyển kích thước nhỏ để điều
chỉnh con chạy màn hình trong không gian ba chiều
Thiết bị có hình dáng ngoài cho trên Hình 1 Con
quay thẳng đứng được sử dụng để đo góc bước
(pitch) còn con quay hướng được sử dụng để đo góc
trệch tương đối (yaw) Đầu ra được điều khiển bởi bộ
vi điều khiển 8 bit liên hệ với máy tính chủ qua giao
diện nối tiếp
Hình 1
Trang 30Chuyển động phải/trái (pitch) và lên xuống (yaw) điều khiển chuyển động của con chạy
Bằng cách sử dụng cảm biến quán tính người sử dụng không bị giới hạn trên mặt phẳng như trường hợp điều khiển chuột thông thường Dụng cụ tỏ ra ưu việt khi sử dụng
Trong nhiều trường hợp người sử dụng quay lưng lại màn hình và đối diện với thính giả mà vẫn điều khiển dễ dàng con chạy
Sơ đồ khối con trỏ hồi chuyển
7 ỨNG DỤNG CON QUAY HỒI CHUYỂN ĐẦU CHUỘT
Trang 31Trình bày – Nguyễn Huỳnh Gia Bảo
GIA TỐC KẾ RUNG08
Trang 33- Đầu ra có kích thích bằng không (đối với bộ cảm biển điện dung và áp trở)
Là một thiết bị quan trọng trong ngành công nghiệp vì:
- Nhằm khống chế biên độ rung để tránh gây tiếng ồn có hại cho sức khoẻ
- Hạn chế mức rung ở giới hạn cho phép nhằm bảo đảm an toàn cho công trình
- Quản lí nằm được tình trạng máy móc của chi tiết từ đó có kế hoạch bảo dưỡng, sửa chữa kịp thời
Trang 34Trình bày – Nguyễn Huỳnh Gia Bảo
GIA TỐC KẾ ĐIỆN DUNG09
Trang 358 GIA TỐC KẾ ĐIỆN DUNG
Gia tốc kế điện dung chứa ít nhất hai bộ phận:
Trang 368 GIA TỐC KẾ ĐIỆN DUNG
Sơ đồ mạch điện biến đổi từ điện dung sang điện áp bằng mạch tích hợp Silic
Trong đó: Cmc: điện dung giữa vật rung và bản cực trên
Cmb: điện dung giữa vật rung và bản cực dưới
Trang 37Trình bày – Lê Đình Thiên Bình
GIA TỐC KẾ ÁP TRỞ10
Trang 38Phần tử cảm nhận trong gia tốc kế áp trở là một đầu ứng suất, đo ứng suất trong lò xo đỡ vật rung Ứng suất liên hệ với độ lớn và tốc độ chuyển động của vật, do đó cũng phụ thuộc vào gia tốc Thiết bị đo được gia tốc trong dải từ 0 đến 13 kHz Với thiết kế đặc biệt có thể chịu được rung dộng tới 10000g
10 GIA TỐC KẾ ÁP TRỞ
Trang 39± 25-54 ÷ 135100000,8
± 10000,1 ÷ 0,25
1 ÷ 3253
± 50-20 ÷ 655000
1 ÷ 5Một số đặc tính của gia tốc kế áp trở:
Trang 4010 GIA TỐC KẾ ÁP TRỞ
Cấu trúc gia tốc kế áp trở:
Vi cảm biến được chế tạo từ ba lớp silic Lớp
trong còn gọi là lõi chứa vật rung và bản lề
đàn hồi Vật rung được đỡ trên bản lề và có
đầu áp trở Khí gia tốc đặt theo trục nhạy vật
rung quay quanh bản lề Các đầu đo trên cả
hai phía bản lề cho phép vật quay và tạo nên
ứng suất nén trên một phía và kéo trên phía
kia Vì các đầu đo rất ngắn sự di chuyển nhỏ
cũng làn thay đổi điện trở lớn để cân bằng
điểm không của cầu áp trở có năm điện trở
đặt trong cùng một tinh thể
Trang 41Trình bày – Lê Đình Thiên Bình
GIA TỐC KẾ ÁP ĐIỆN11
Trang 4211 GIA TỐC KẾ ÁP ĐIỆN
Trong cảm biến gia tốc áp điện, vật rung được đặt trên phần tử áp điện Phần tử áp điện sinh ra điện tích tỷ lệ với chuyển động của vật rung: Cảm biến và vật được gắn trên giá đỡ cứng và toàn bộ được đặt trong hộp kín
Tùy theo bản chất lực tác dụng mà cần cơ cấu giữ vật liệu áp điện và phương tiện gắn chúng khác nhau Thông thường ta sử hai loại gia tốc kế áp điện
Trang 4311 GIA TỐC KẾ ÁP ĐIỆN
Gia tốc kế áp điện kiểu nén:
Loại gia tốc kế này có tần số cộng hưởng cao, chắc chắn, nhạy với ứng suất của đế
Trang 4411 GIA TỐC KẾ ÁP ĐIỆN
Gia tốc kế áp điện kiểu uốn cong:
Phần tử cơ bản của gia tốc kế áp điện kiểu uốn là hai phiến áp điện mỏng được dán với nhau Mỗi đầu phía điện áp được gắn với vật rung, do cấu trúc này gia tốc kế có độ nhạy cao Dải tần
số làm việc bị hạn chế bởi gia tốc rung thấp và tần số thấp
Trang 4511 GIA TỐC KẾ ÁP ĐIỆN
Các thông số đặc trưng:
Độ nhạy của gia tố kế áp điện được cho bởi biểu thức:
Trong đó: γ là gia tốc của bộ cảm biến
Q là điện tích tạo nên khi cảm biến rung với gia tốc γ.S1 là độ nhạy cơ học của hệ thống vật rung
S2 là độ nhạy điện của bộ cảm biến
Trang 4611 GIA TỐC KẾ ÁP ĐIỆN
Ứng dụng của gia tốc kế:
- Đo gia tốc xe, đo độ rung trên ô tô, máy móc, tòa nhà, …
- Điều hướng thiết bị.
- Đo độ sâu của ép ngực CPR.
- Theo dõi chuyển động.
