CHƯƠNG 2: ĐO TỐC ĐỘ VÒNG QUAY CỦA ĐỘNG CƠ BẰNG CẢM BIẾN
2.1 Tổng quan về các loại cảm biến gia tốc
Một gia tốc kế cơ bản gồm một khối lƣợng có thể di chuyển tự do dọc trục đo trong một vỏ. Công nghệ chế tạo gia tốc kế dựa nhiều vào cơ sở này và có thể phân chia theo nhiều cách, loại cơ hay điện, chủ động hay bị động, độ lệch hay vị trí cân bằng không... Loại thường dùng trong đo dao động hay shock thường là dạng độ lệch, với mục đích định hướng thì ta có thể dùng loại độ lệch hay vị trí cân bằng không.
2.1.1 Gia tốc kế quán tính
Các gia tốc kế quán tính là các gia tốc kế cơ khí sử dụng một khối lƣợng động đƣợc treo bởi 1 lò xo hoặc một đòn bẩy bên trong một khung. Khung mang khối lƣợng động đƣợc nối cứng với nguồn dao động. Khi hệ dao động, khối lƣợng có xu hướng trở về vị trí cân bằng của nó để chuyển động có thể được ghi lại giống như một dịch chuyển tương đối giữa khối lượng và khung. Một bộ chuyển đổi xác định dịch chuyển này và đƣa tín hiệu đến bộ xử lý. Có thể chế tạo các phần tử chuyển đổi bằng vật liệu có tính điện trở, điện dung, cảm ứng, áp điện, áp trở, và quang học. Trong thực tế, khối lƣợng động không đem đến một trạng thái ổn định tuyệt đối, nhƣng nó có thể đạt đƣợc một vị trí gần đó với các tần số xác định.
Qua việc lựa chọn hợp lý giữa khối lƣợng, lò xo và giảm chấn có thể sử dụng thiết bị này cho cả mục đích đo gia tốc và đo dịch chuyển. Nói chung, vật có khối lƣợng lớn cùng một lò xo mềm thích hợp cho việc đo dao động và chuyển dịch, trong khi một khối lượng tương đối nhỏ và lò xo cứng sử dụng trong các gia tốc kế.
2.1.2 Gia tốc kế cơ điện
Các gia tốc kế cơ điện có thành phần cơ bản là điều khiển servo và cân bằng ở vị trí không, hoạt động dựa trên nguyên lý phản hồi. Một vật có khối lƣợng nhạy
-29-
gia tốc đƣợc giữ rất gần với một vị trí trung tâm hoặc điểm không bằng cách xác định độ dịch chuyển và phản hồi các ảnh hưởng của dịch chuyển. Một lực từ tương ứng đƣợc tạo ra để chống lại chuyển động của khối lƣợng dịch chuyển từ vị trí không, do đó quá trình trở lại giá trị này giống nhƣ một lò xo cơ khí trong một gia tốc kế thường làm.
Ƣu điểm của việc tiếp cận này là tuyến tính tốt hơn và hạn chế hiện tƣợng trễ, giống như lò xo cơ khí. Trong một số trường hợp, có thể tạo thêm bộ giảm chấn điện, có độ nhạy nhỏ hơn với sự thay đổi nhiệt độ.
Một đặc điểm rất quan trọng của gia tốc kế cơ điện là khả năng kiểm tra về động học và tĩnh học của thiết bị bằng cách đƣa kích thích điện vào hệ thống. Việc kiểm tra này khá thuận tiện trong các trường hợp phức tạp và tốn kém với yêu cầu chính xác cao. Các thiết bị này cũng hữu ích cho các hệ thống điều khiển gia tốc, vì giá trị gia tốc có thể được đưa ra bởi một dòng điện tương ứng từ nguồn ngoài.
Chúng sử dụng cho mục đích đo các chuyển động thông thường và điều khiển dao động tần số thấp.
Có nhiều loại gia tốc kế cơ điện: Dạng từ trường và cuộn dây, dạng cảm ứng…
2.1.3 Gia tốc kế áp điện
Cấu tạo chung của gia tốc kế áp điện gồm một khối lƣợng rung M và một phần tử áp điện đặt trên giá đỡ cứng, toàn bộ đƣợc đặt trong một hộp kín.
Khi đo, khối rung tác động lên phần tử áp điện, tạo lên các điện tích tỷ lệ với phản lực, tức là với sự chuyển động của khối rung. Tín hiệu đƣợc đƣa ra ngoài và đo bằng dụng cụ đo.
Thông thường cần phải đo gia tốc theo hai hướng dọc trục nhạy cảm. Tùy thuộc bản chất lực tác dụng (nén, kéo hoặc cắt), trong cảm biến phải có bộ phận cơ khí tạo ứng lực cơ học đặt trước lên phần tử áp điện để mở rộng dải đo gia tốc theo hai chiều.
-30-
Hình 2- 1. Một số dạng cảm biến gia tốc áp điện P – Phần tử áp điện E – Mạch điện tử S – Lò xo
R – Vòng đai B – Đế M – Khối rung
Cảm biến áp điện kiểu nén có tần số cộng hưởng cao, kết cấu chắc chắn, nhạy với ứng lực đế.
Còn cảm biến áp điện kiểu kéo cho độ nhạy rất cao nhƣng tần số và gia tốc rung đo đƣợc bị hạn chế.
2.1.4 Gia tốc kế áp trở
Hình 2- 2. Sơ đồ nguyên lý của cảm biến gia tốc kế áp trở 1 – Khối rung 2 – Tấm đàn hồi 3 – Áp trở 4 – Đế
Cấu tạo của một cảm biến áp trở gồm khối quán tính M gắn với một tấm đàn hồi mỏng (gắn liền với đế) trên đó gắn 2 hoặc 4 áp trở mắc thành mạch cầu Wheasstone.
-31-
Bình thường khi chưa có gia tốc, tấm đàn hồi đứng yên, các áp trở có trị số xác định và mạch cầu cân bằng. Khi có gia tốc, các áp trở biến dạng và điện trở của chúng thay đổi làm cho cầu mất cân bằng. Điện áp ra của cầu đƣợc xác định (với 4 điện trở làm việc):
R U R Ura
0 (11)
R
R
: độ biến thiên tương đối của điện trở.
Mà k
R R
(12)
và l
l
(13)
k: hằng số
ε: độ biến dạng tương đối l: độ dài của điện trở lực căng U0: điện áp cung cấp cho cầu Suy ra: Ura U0k S (14)
S: độ nhạy của cảm biến
Thông thường hệ số k = 1,8 ÷ 2,4 đối với kim loại k = 50 ÷ 200 đối với bán dẫn R = 300 ÷ 600 và lớn hơn 2.1.5 Gia tốc kế hiệu chuẩn ứng suất
Gia tốc kế hiệu chuẩn ứng suất dựa trên thuộc tính điện trở của dây dẫn: nếu một dây dẫn đƣợc kéo dài hoặc bị nén lại, điện trở của nó vốn phụ thuộc vào chiều dài dây dẫn và thay đổi theo tính chất cơ bản của vật liệu, gọi là áp trở.
Điều này chỉ ra rằng điện trở suất ρ của dây dẫn phụ thuộc ứng suất cơ khí đặt lên nó. Sự phụ thuộc này đƣợc biểu diễn theo hệ số hiệu chuẩn:
L dL d v L
dL R dR
1 2 (15)
-32-
Trong đó 1 xác định điện trở thay đổi theo chiều dài, 2v chỉ ra điện trở thay đổi theo diện tích, và (d ρ / ρ) /(dL / L) nói rằng điện trở thay đổi theo tính chất áp trở.
Có nhiều dạng hiệu chuẩn ứng suất: hiệu chuẩn dây kim loại không tiếp xúc, hiệu chuẩn dây kim loại liên kết, hiệu chuẩn lá kim loại liên kết, hiệu chuẩn màng kim loại mỏng đặt trong chân không, hiệu chuẩn bán dẫn liên kết và hiệu chuẩn bán dẫn khuếch tán.
2.1.6 Gia tốc kế tĩnh điện
Các gia tốc kế tĩnh điện hoạt động dựa trên định luật Coulomb giữa hai vật mang điện, do đó chúng là dạng điện dung. Phụ thuộc vào nguyên tắc hoạt động và các mạch ngoài, chúng có thể đƣợc phân loại chung thành gia tốc kế phản hồi lực tĩnh điện, và các gia tốc kế điện dung vi phân.
2.1.6.1 Gia tốc kế phản hồi lực tĩnh điện
Gia tốc kế phản hồi lực tĩnh điện bao gồm 1 điện cực (khối lƣợng m và diện tích S) treo trên một cần trục nhẹ có thể di chuyển tương đối với một vài điện cực cố định. Khoảng trống nhỏ h giữa trục và các điện cực cố định đƣợc duy trì bởi một hệ thống servo cân bằng lực, nó có khả năng biến đổi điện thế của các điện cực trong tương ứng tới các tín hiệu từ cơ cấu đo sự thay đổi tương đối trong khoảng trống.
Sự khó khăn cơ bản trong việc cơ khí hoá gia tốc kế lực tĩnh điện là cường độ điện trường tương đối cao để thu được một lực duy nhất. Độ suy giảm có thể do điện hoặc tính nhớt của môi trường khí ở trong khoảng không giữa hai điện cực.
Hiện tƣợng đánh thủng điện thế phi tuyến cho gradient lớn hơn trong những khoảng trống rất nhỏ.
Ƣu điểm chính của gia tốc kế tĩnh điện là kết cấu cơ khí rất đơn giản, yêu cầu nguồn thấp, không có các nguyên nhân dẫn đến hiện tƣợng trễ, hệ số nhiệt 0 và dễ che chắn tránh các nguồn nhiễu.
2.1.6.2 Gia tốc kế điện dung vi phân
-33-
Nguyên tắc để thiết kế các gia tốc kế này là sự thay đổi điện dung tương tứng với gia tốc tác dụng. Trong dạng này, người ta tạo một khối lượng động của gia tốc kế nhƣ phần tử di động của một bộ dao động điện. Khối lƣợng động đƣợc đỡ bởi một dầm đàn hồi di chuyển song song từ chân đế. Hệ thống này đƣợc đặt để có một tần số danh nghĩa xác định cụ thể khi không bị làm nhiễu. Nếu thiết bị có gia tốc, tần số sẽ biến đổi cao hơn hoặc thấp hơn giá trị tần số danh nghĩa phụ thuộc vào hướng của gia tốc.
Khối lƣợng động mang theo một điện cực đƣợc đặt đối diện với các điện cực cố định mà nó xác định các tụ điện biến đổi. Các điện cực cố định xác định trước để đảm bảo duy trì dao động trong một khoảng thay đổi của điện dung xác định bởi gia tốc.
2.1.7 Gia tốc kế nhỏ và siêu nhỏ (MEMS)
Vào những năm cuối của thập kỷ 70 công nghệ mạch xử lý tích hợp (IC) phẳng đƣợc biến đổi để chế tạo các cấu trúc điện cơ 3 chiều bởi quá trình vi gia công. Gia tốc kế và cảm biến áp suất là các cảm biến IC đầu tiên. Gia tốc kế đầu tiên đƣợc phát triển vào năm 1979.
Từ đó công nghệ chế tạo ngày càng phát triển, ngày nay rất nhiều loại gia tốc kế khác nhau đã xuất hiện. Hầu hết các cảm biến đều sử dụng các khối gia công siêu nhỏ hơn là các kỹ thuật gia công siêu nhỏ bề mặt. Trong khối gia công siêu nhỏ, độ cong, các dầm công xôn và các thành phần cơ bản khác của gia tốc kế đƣợc sản xuất từ các khối silicon để sử dụng các tính chất cơ khí của tinh thể silicon. Với thiết kế và quy trình phim hợp lý, các khối gia công siêu nhỏ đem lại các gia tốc kế hoàn toàn ổn định và bền vững.
Tất cả các gia tốc kế dạng micro hoặc nano đều phát hiện gia tốc qua việc đo chuyển động tương đối giữa khối lượng mẫu và nền treo. Khối lượng mẫu được treo trên nền qua một lò xo cơ khí. Khi cảm biến chịu gia tốc, khối lƣợng mẫu có xu hướng trở về vị trí cân bằng và do đó nó dịch chuyển đối với nền chuyển động.
Việc đo các dịch chuyển này nhờ phương pháp áp trở hoặc áp điện sử dụng công
-34-
nghệ CMOS. Mạch điện tử có nhiệm vụ triệt tiêu lệch không, do vậy ổn định lệch không, ổn định hệ số khuếch đại, bù nhiệt, tiền lọc, giảm nhiễu đầu ra…
Bề mặt vi gia công đƣợc sử dụng để tạo ra các gia tốc kế dùng cho ứng dụng đặc biệt nhƣ các ứng dụng về túi khí trong công nghiệp ôtô. Cảm biến vi cơ ngày càng nhanh hơn, nhạy hơn, nhẹ hơn, rẻ hơn và có độ tin cậy cao chƣa từng có so với các cảm biến chế tạo theo công nghệ điện tử trước đây.
Hình 2- 3. Các bước vi gia công để sản xuất các gia tốc kế nhỏ và siêu nhỏ Nhiều gia tốc kế trên một chip đơn
Cảm biến gia tốc chế tạo theo công nghệ vi cơ điện tử có hai loại là kiểu tụ và kiểu áp trở. Trong nhiều ứng dụng việc lựa chọn cảm biến kiểu tụ hay kiểu áp trở là rất quan trọng. Cảm biến kiểu áp trở có ƣu điểm là công nghệ cấu tạo rất đơn giản. Tuy nhiên nhƣợc điểm là hoạt động phụ thuộc nhiều vào sự thay đổi nhiệt và có độ nhạy kém hơn cảm biến kiểu tụ. Các cảm biến kiểu tụ có độ nhạy cao hơn, ít bị phụ thuộc vào nhiệt, ít bị nhiễu và mất mát năng lƣợng. Tuy nhiên chúng có nhƣợc điểm là mạch điện tử phức tạp hơn. Các cảm biến kiểu tụ đƣợc ứng dụng rộng rãi hơn.
-35-
Hình 2- 4. Lõi của một gia tốc kế MEMS 3 trục