Cảm biến P7

Chia sẻ: Hoang Nhan | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:18

0
99
lượt xem
55
download

Cảm biến P7

Mô tả tài liệu
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ
Lưu

Nội dung Text: Cảm biến P7

  1. Ch−¬ng VII c¶m biÕn vËn tèc, gia tèc vµ rung 7.1. C¶m biÕn ®o vËn tèc 7.1.1. Nguyªn lý ®o vËn tèc Trong c«ng nghiÖp, phÇn lín tr−êng hîp ®o vËn tèc lµ ®o tèc ®é quay cña m¸y. §é an toµn còng nh− chÕ ®é lµm viÖc cña m¸y phô thuéc rÊt lín vµo tèc ®é quay. Trong tr−êng hîp chuyÓn ®éng th¼ng, viÖc ®o vËn tèc dµi còng th−êng ®−îc chuyÓn vÒ ®o tèc ®é quay. Bëi vËy, c¸c c¶m biÕn ®o vËn tèc gãc ®ãng vai trß quan träng trong viÖc ®o vËn tèc. §Ó ®o vËn tèc gãc th−êng øng dông c¸c ph−¬ng ph¸p sau ®©y: - Sö dông tèc ®é kÕ vßng kiÓu ®iÖn tõ: nguyªn lý ho¹t ®éng dùa trªn hiÖn t−îng c¶m øng ®iÖn tõ. C¶m biÕn gåm cã hai phÇn: phÇn c¶m (nguån tõ th«ng) vµ phÇn øng (phÇn cã tõ th«ng ®i qua). Khi cã chuyÓn ®éng t−¬ng ®èi gi÷a phÇn c¶m vµ phÇn øng, tõ th«ng ®i qua phÇn øng biÕn thiªn, trong nã xuÊt hiÖn suÊt ®iÖn ®éng c¶m øng x¸c ®Þnh theo c«ng thøc: dΦ e=− dt Th«ng th−êng tõ th«ng qua phÇn øng cã d¹ng: Φ (x ) = Φ 0 F (x ) Trong ®ã x lµ biÕn sè cña vÞ trÝ thay ®æi theo vÞ trÝ gãc quay hoÆc theo ®−êng th¼ng, khi ®ã suÊt ®iÖn ®éng e xuÊt hiÖn trong phÇn øng cã d¹ng: dF(x) dx e = −Φ 0 dx dt SuÊt ®iÖn ®éng nµy tØ lÖ víi vËn tèc cÇn ®o. - Sö dông tèc ®é kÕ vßng lo¹i xung: lµm viÖc theo nguyªn t¾c ®o tÇn sè chuyÓn ®éng cña phÇn tö chuyÓn ®éng tuÇn hoµn, vÝ dô chuyÓn ®éng quay. C¶m biÕn lo¹i nµy th−êng cã mét ®Üa ®−îc m· ho¸ g¾n víi trôc quay, ch¼ng h¹n gåm c¸c phÇn trong suèt xen kÏ c¸c phÇn kh«ng trong suèt. Cho chïm s¸ng chiÕu qua ®Üa ®Õn mét ®Çu thu quang, xung ®iÖn lÊy tõ ®Çu thu quang cã tÇn sè tØ lÖ víi vËn tèc quay cÇn ®o. 7.1.2. Tèc ®é kÕ ®iÖn tõ a) Tèc ®é kÕ ®iÖn tõ ®o vËn tèc gãc - 108 -
  2. - Tèc ®é kÕ dßng mét chiÒu: S¬ ®å cÊu t¹o cña mét tèc ®é kÕ dßng mét chiÒu biÓu diÔn trªn h×nh 7.1. 1 2 N S 4 3 H×nh 7.1 S¬ ®å cÊu t¹o cña m¸y ph¸t dßng mét chiÒu 1) Stato 2) R«to 3) Cæ gãp 4) Chæi quÐt Stato (phÇn c¶m) lµ mét nam ch©m ®iÖn hoÆc nam ch©m vÜnh cöu, roto (phÇn øng) lµ mét trôc s¾t gåm nhiÒu líp ghÐp l¹i, trªn mÆt ngoµi roto xÏ c¸c r·nh song song víi trôc quay vµ c¸ch ®Òu nhau. Trong c¸c r·nh ®Æt c¸c d©y dÉn b»ng ®ång gäi lµ d©y chÝnh, c¸c d©y chÝnh ®−îc nèi víi nhau tõng ®«i mét b»ng c¸c d©y phô. Cæ gãp lµ mét h×nh trô trªn mÆt cã g¾n c¸c l¸ ®ång c¸ch ®iÖn víi nhau, mçi l¸ nèi víi mét d©y chÝnh cña roto. Hai chæi quÐt Ðp s¸t vµo cæ gãp ®−îc bè trÝ sao cho t¹i mét thêi ®iÓm chóng lu«n tiÕp xóc víi hai l¸ ®ång ®èi diÖn nhau. Khi r« to quay, suÊt ®iÖn ®éng xuÊt hiÖn trong mét d©y dÉn x¸c ®Þnh theo biÓu thøc: dφ i ei = − dt Trong ®ã dφi lµ tõ th«ng mµ d©y dÉn c¾t qua trong thêi gian dt: dφ i = dS c d B i = dS c B iN dSc lµ tiÕt diÖn bÞ c¾t trong kho¶ng thêi gian dt: dS c = lvdt = lωrdt Trong ®ã: l - chiÒu dµi d©y dÉn. v - vËn tèc dµi cña d©y. ω - vËn tèc gãc cña d©y. r - b¸n kÝnh quay cña d©y. BiÓu thøc cña suÊt ®iÖn ®éng xuÊt hiÖn trong mét d©y: e i = −ωrlB iN - 109 -
  3. SuÊt ®iÖn ®éng øng víi mét nöa sè d©y ë bªn ph¶i ®−êng trung tÝnh: ω Ep = − Nφ 0 = − nNφ 0 2π N - tæng sè d©y chÝnh trªn roto. n - sè vßng quay trong mét gi©y. φ0 - lµ tõ th«ng xuÊt ph¸t tõ cùc nam ch©m. T−¬ng tù tÝnh ®−îc suÊt ®iÖn ®éng øng víi mét nöa sè d©y ë bªn tr¸i: E t = nNφ0 (7.1) Nguyªn t¾c nèi d©y lµ nèi thµnh hai côm, trong mçi côm c¸c d©y m¾c nèi tiÕp víi nhau, cßn hai côm th× m¾c ng−îc pha nhau. b) Tèc ®é kÕ dßng xoay chiÒu - M¸y ph¸t ®ång bé: S¬ ®å cÊu t¹o cña mét tèc ®é kÕ dßng xoay chiÒu kiÓu m¸y ph¸t ®ång bé biÓu diÔn trªn h×nh 7.2. Thùc chÊt ®©y lµ mét m¸y ph¸t ®iÖn xoay chiÒu nhá. Roto (phÇm c¶m) cña m¸y ph¸t lµ mét nam ch©m hoÆc tæ hîp cña nhiÒu nam ch©m nhá. PhÇn øng gåm c¸c cuén d©y bè trÝ c¸ch ®Òu trªn mÆt trong cña stato lµ n¬i cung cÊp suÊt ®iÖn ®éng c¶m øng h×nh sin cã biªn ®é tØ lÖ víi tèc ®é quay cña roto. e = E sin Ωt (7.2) Trong ®ã E = K 1ω , Ω = K 2 ω , K1 vµ K2 lµ c¸c th«ng sè ®Æc tr−ng cho m¸y ph¸t. N 1 2 N S 1 S S N 2 H×nh 7.2 S¬ ®å cÊu t¹o cña m¸y ph¸t ®ång bé 1) Stato 2) R«to Gi¸ trÞ cña ω cã thÓ tÝnh ®−îc theo E hoÆc Ω. - X¸c ®Þnh ω tõ biªn ®é suÊt ®iÖn ®éng: Cuén c¶m øng cã trë kh¸ng trong: Z i = R i + jL i Ω - 110 -
  4. Trong ®ã Ri, Li lµ ®iÖn trë vµ tù c¶m cña cuén d©y. §iÖn ¸p ë hai ®Çu cuén øng víi t¶i R cã gi¸ trÞ: RE RK 1ω U= = (7.3) (R + R i )2 + (L i Ω )2 (R + R i )2 + (K 2 L i ω)2 Tõ biÓu thøc (7.3), ta thÊy ®iÖn ¸p U kh«ng ph¶i lµ hµm tuyÕn tÝnh cña tèc ®é quay ω. §iÒu kiÖn ®Ó sö dông m¸y ph¸t nh− mét c¶m biÕn vËn tèc lµ R>>Zi ®Ó sao cho cã thÓ coi U ≈ E. §iÖn ¸p ë ®Çu ra ®−îc chØnh l−u thµnh ®iÖn ¸p mét chiÒu, ®iÖn ¸p nµy kh«ng phô thuéc chiÒu quay vµ hiÖu suÊt läc gi¶m khi tÇn sè thÊp. MÆt kh¸c, sù cã mÆt cña bé läc lµm t¨ng thêi gian håi ®¸p cña c¶m biÕn. - X¸c ®Þnh b»ng c¸ch ®o tÇn sè cña suÊt ®iÖn ®éng: ph−¬ng ph¸p nµy cã −u ®iÓm lµ tÝn hiÖu cã thÓ truyÒn ®i xa mµ sù suy gi¶m tÝn hiÖu kh«ng ¶nh h−ëng tíi ®é chÝnh x¸c cña phÐp ®o. - M¸y ph¸t kh«ng ®ång bé: CÊu t¹o cña m¸y ph¸t kh«ng ®ång bé t−¬ng tù nh− ®éng c¬ kh«ng ®ång bé hai pha (h×nh 7.3). Roto lµ mét ®Üa h×nh trô kim lo¹i máng vµ dÞ tõ quay cïng tèc ®é víi trôc cÇn ®o, khèi l−îng vµ qu¸n tÝnh cña nã kh«ng ®¸ng kÓ. Stato lµm b»ng thÐp tõ tÝnh, trªn ®ã bè trÝ hai cuén d©y, mét cuén lµ cuén kÝch thÝch ®−îc cung cÊp ®iÖn ¸p Vc cã biªn ®é Ve vµ tÇn sè ωe æn ®Þnh Vc = Ve cos ωe t . 2 Ve 3 ω em 2 H×nh 7.3 S¬ ®å cÊu t¹o m¸y ph¸t kh«ng ®ång bé 1) Cuén kÝch 2) R«to 3) Cuén ®o Cuén d©y thø hai lµ cuén d©y ®o. Gi÷a hai ®Çu ra cña cuén nµy xuÊt hiÖn mét suÊt ®iÖn ®éng em cã biªn ®é tØ lÖ víi tèc ®é gãc cÇn ®o: e m = E m cos(ωe t + ϕ) = kωVe cos(ωe t + ϕ) - 111 -
  5. Trong ®ã k lµ h»ng sè phô thuéc vµo kÕt cÊu cña m¸y, ϕ lµ ®é lÖch pha. c) Tèc ®é kÕ ®iÖn tõ ®o vËn tèc dµi Khi ®o vËn tèc dµi, víi ®é dÞch chuyÓn lín cña vËt kh¶o s¸t (> 1m) th−êng chuyÓn thµnh ®o vËn tèc gãc. Tr−êng hîp ®o vËn tèc cña dÞch chuyÓn th¼ng nhá cã thÓ dïng c¶m biÕn vËn tèc dµi gåm hai phÇn tö c¬ b¶n: mét nam ch©m vµ mét cuén d©y. Khi ®o, mét phÇn tö ®−îc gi÷ cè ®Þnh, phÇn tö thø hai liªn kÕt víi vËt chuyÓn ®éng. ChuyÓn ®éng t−¬ng ®èi gi÷a cuén d©y vµ nam ch©m lµm xuÊt hiÖn trong cuén d©y mét suÊt ®iÖn ®éng tØ lÖ víi vËn tèc cÇn ®o. S¬ ®å c¶m biÕn cã cuén d©y di ®éng biÓu diÔn trªn h×nh 7.4. 2 v S N S 1 H×nh 7.4 C¶m biÕn dïng cuén d©y di ®éng 1) Nam ch©m 2) Cuén d©y SuÊt ®iÖn ®éng xuÊt hiÖn trong cuén d©y cã d¹ng: e = 2 πrNBv = lBv N - sè vßng d©y. r - b¸n kÝnh vßng d©y. B - gi¸ trÞ cña c¶m øng tõ. v - tèc ®é dÞch chuyÓn cña vßng d©y. l - tæng chiÒu dµi cña d©y. Tèc ®é kÕ lo¹i nµy ®o ®−îc ®é dÞch chuyÓn vµi mm víi ®é nh¹y ~ 1V/m.s. Khi ®é dÞch chuyÓn lín h¬n (tíi 0,5 m) ng−êi ta dïng tèc ®é kÕ cã nam ch©m di ®éng (h×nh 7.5). C¶m biÕn gåm mét nam ch©m di chuyÓn däc trôc cña hai cuén d©y quÊn ng−îc chiÒu nhau vµ m¾c nèi tiÕp. Khi nam ch©m di chuyÓn, suÊt ®iÖn ®éng xuÊt hiÖn trong tõng cuén d©y tØ lÖ víi tèc ®é cña nam ch©m nh−ng ng−îc chiÒu nhau. Hai cuén d©y ®−îc m¾c nèi tiÕp vµ quÊn ng−îc chiÒu nªn nhËn ®−îc suÊt ®iÖn ®éng ë ®Çu ra kh¸c kh«ng. - 112 -
  6. 1 2 v a) b) H×nh 7.5 C¶m biÕn cã lâi tõ di déng a) CÊu t¹o b) S¬ ®å nguyªn lý 1) Nam ch©m 2) Cuén d©y 7.1.3. Tèc ®é kÕ xung Tèc ®é kÕ xung th−êng cã cÊu t¹o ®¬n gi¶n, ch¾c ch¾n, chÞu ®ùng tèt trong m«i tr−êng ®éc h¹i, kh¶ n¨ng chèng nhiÔu vµ chèng suy gi¶m tÝn hiÖu cao, dÔ biÕn ®æi tÝn hiÖu sang d¹ng sè. Tuú thuéc vµo b¶n chÊt cña vËt quay vµ dÊu hiÖu m· ho¸ trªn vËt quay, ng−êi ta sö dông lo¹i c¶m biÕn thÝch hîp. - C¶m biÕn tõ trë biÕn thiªn: sö dông khi vËt quay lµ s¾t tõ. - C¶m biÕn tõ ®iÖn trë: sö dông khi vËt quay lµ mét hay nhiÒu nam ch©m nhá. - C¶m biÕn quang cïng víi nguån s¸ng: sö dông khi trªn vËt quay cã c¸c lç, ®−êng v¸t, mÆt ph¶n x¹. a) Tèc ®é kÕ tõ trë biÕn thiªn CÊu t¹o cña c¶m biÕn tõ trë biÕn thiªn gåm mét cuén d©y cã lâi s¾t tõ chÞu t¸c ®éng cña mét nam ch©m vÜnh cöu ®Æt ®èi diÖn víi mét ®Üa quay lµm b»ng vËt liÖu s¾t tõ trªn ®ã cã khÝa r¨ng. Khi ®Üa quay, tõ trë cña m¹ch tõ biÕn thiªn mét c¸ch tuÇn hoµn lµm cho tõ th«ng qua cuén d©y biªn thiªn, trong cuén d©y xuÊt hiÖn mét suÊt ®iÖn ®éng c¶m øng cã tÇn sè tØ lÖ víi tèc ®é quay. 3 2 Khe tõ 1 H×nh 7.6 S¬ ®å cÊu t¹o cña c¶m biÕn tõ trë biÕn thiªn 1) §Üa quay (b¸nh r¨ng) 2) Cuén d©y 3) Nam ch©m vÜnh cöu - 113 -
  7. TÇn sè cña suÊt ®iÖn ®éng trong cuén d©y x¸c ®Þnh bëi biÓu thøc: f = pn p - sè l−îng r¨ng trªn ®Üa. n - sè vßng quay cña ®Üa trong mét gi©y. Biªn ®é E cña suÊt ®iÖn ®éng trong cuén d©y phô thuéc hai yÕu tè: - Kho¶ng c¸ch gi÷a cuén d©y vµ ®Üa quay: kho¶ng c¸ch cµng lín E cµng nhá. - Tèc ®é quay: Tèc ®é quay cµng lín, E cµng lín. Khi tèc ®é quay nhá, biªn ®é E rÊt bÐ vµ khã ph¸t hiÖn, do vËy tån t¹i mét vïng tèc ®é quay kh«ng thÓ ®o ®−îc, ng−êi ta gäi vïng nµy lµ vïng chÕt. D¶i ®o cña c¶m biÕn phô thuéc vµo sè r¨ng cña ®Üa. Khi p lín, tèc ®é nmin ®o ®−îc cã gi¸ trÞ bÐ. Khi p nhá, tèc ®é nmax ®o ®−îc sÏ lín. ThÝ dô víi p = 60 r¨ng, d¶i tèc ®é ®o ®−îc n = 50 - 500 vßng/phót, cßn víi p =15 r¨ng d¶i tèc ®é ®o ®−îc 500 - 10.000 vßng/phót. b) Tèc ®é kÕ quang H×nh 7.7 tr×nh bµy s¬ ®å nguyªn lý cña mét tèc ®é kÕ quang ®o tèc ®é quay. Nguån s¸ng ph¸t tia hång ngo¹i lµ mét diot ph¸t quang (LED). §Üa quay, ®Æt gi÷a nguån s¸ng vµ ®Çu thu, cã c¸c lç bè trÝ c¸ch ®Òu trªn mét vßng trßn. §Çu thu lµ mét photodiode hoÆc phototranzitor. Khi ®Üa quay, ®Çu thu chØ chuyÓn m¹ch khi nguån s¸ng, lç, nguån ph¸t s¸ng th¼ng hµng. KÕt qu¶ lµ khi ®Üa quay, ®Çu thu quang nhËn ®−îc mét th«ng l−îng ¸nh s¸ng biÕn ®iÖu vµ ph¸t tÝn hiÖu cã tÇn sè tØ lÖ víi tèc ®é quay nh−ng biªn ®é kh«ng phô thuéc tèc ®é quay. 4 1 2 3 H×nh 7.7 S¬ ®å nguyªn lý cña tèc ®é kÕ quang 1) Nguån s¸ng 2) ThÊu kÝnh héi tô 3) §Üa quay 4) §Çu thu quang Trong c¸c c¶m biÕn quang ®o tèc ®é, ng−êi ta còng cã thÓ dïng ®Üa quay cã c¸c vïng ph¶n x¹ ¸nh s¸ng bè trÝ tuÇn hoµn trªn mét vßng trßn ®Ó ph¶n x¹ ¸nh s¸ng tíi ®Çu thu quang. - 114 -
  8. Ph¹m vi tèc ®é ®o ®−îc phô thuéc vµo hai yÕu tè chÝnh: - Sè l−îng lç trªn ®Üa. - D¶i th«ng cña ®Çu thu quang vµ cña m¹ch ®iÖn tö. §Ó ®o tèc ®é nhá (~ 0,1 vßng/phót) ph¶i dïng ®Üa cã sè l−îng lç lín (500 - 1.000 lç). Trong tr−êng hîp ®o tèc ®é lín ( ~ 105 - 106 vßng/phót) ph¶i sö dông ®Üa quay chØ mét lç, khi ®ã tÇn sè ng¾t cña m¹ch ®iÖn x¸c ®Þnh tèc ®é cùc ®¹i cã thÓ ®o ®−îc. 7.1.4. M¸y ®o gãc tuyÖt ®èi M¸y ®o gãc tuyÖt ®èi gåm hai phÇn: phÇn ®éng g¾n liÒn víi trôc quay chøa cuén s¬ cÊp ®−îc kÝch thÝch b»ng sãng mang cã tÇn sè 2 - 10 kHz qua m¸y biÕn ¸p quay (h×nh 7.8a). PhÇn tÜnh cã hai d©y quÊn thø cÊp (cuén sin vµ cuén cos) ®Æt lÖch nhau 90o. sin sin t cos U0sinωt UU0sinωtsinθ cos θ t UU0sinωtcosθ a) b) H×nh 7.8 S¬ ®å nguyªn lý m¸y ®o gãc tuyÖt ®èi Khi trôc quay, ë ®Çu ra cña hai d©y quÊn thø cÊp ta thu ®−îc hai tÝn hiÖu ®iÒu biªn UU0sinωtsinθ vµ UU0sinωtcosθ (h×nh 7.8b). §−êng bao cña biªn ®é kªnh tÝn hiÖu ra chøa th«ng tin vÒ vÞ trÝ tuyÖt ®èi (gãc θ) cña roto m¸y ®o tøc lµ vÞ trÝ tuyÖt ®èi cña trôc quay. Cã hai c¸ch xö lý th«ng tin thu ®−îc. C¸ch thø nhÊt lµ hiÖu chØnh söa sai gãc thu ®−îc ®−îc trªn c¬ së so s¸nh gãc víi mét sè vi m¹ch s½n cã. C¸c vi m¹ch nµy cho tÝn hiÖu gãc d¹ng sè víi ®é ph©n gi¶i 10 - 16 bit/1vßng vµ mét tèc ®é quay d¹ng t−¬ng tù. §é ph©n gi¶i cña ph−¬ng ph¸p nµy phô thuéc vµo th«ng sè cña m¹ch ®iÒu chØnh. - 115 -
  9. C¸ch thø hai, cã chÊt l−îng cao h¬n, lµ dïng hai bé chuyÓn ®æi t−¬ng tù - sè ®Ó lÊy mÉu trùc tiÕp tõ ®Ønh tÝn hiÖu ®iÒu chÕ. Trong tr−êng hîp nµy cÇn ®ång bé chÆt chÏ gi÷a thêi ®iÓm lÊy mÉu vµ kh©u t¹o tÝn hiÖu kÝch thÝch 2 - 10 kHz sau ®ã dïng bé läc ®Ó chuyÓn xung h×nh ch÷ nhËt thµnh tÝn hiÖu kÝch thÝch h×nh sin. §é ph©n gi¶i cña phÐp ®o dïng m¸y ®o gãc tuyÖt ®èi hoµn toµn phô thuéc vµo ®é ph©n gi¶i cña bé chuyÓn ®æi t−¬ng tù sè. Khi biÕt gãc quay tuyÖt ®èi θ, lÊy ®¹o hµm ta nhËn ®−îc tèc ®é gãc ω cÇn ®o. 7.1.5. §æi h−íng kÕ §æi h−íng kÕ ®−îc g¾n vµo vËt chuyÓn ®éng ®Ó ®o tèc ®é gãc cña vËt. Hai d¹ng ®æi h−íng kÕ th−êng dïng lµ: ®æi h−íng kÕ c¬ häc dïng con quay håi chuyÓn, ®æi h−íng kÕ quang dïng laze vµ c¸p quang dùa trªn hiÖn t−îng truyÒn sãng ¸nh s¸ng. a) §æi h−íng kÕ dïng con quay håi chuyÓn Con quay håi chuyÓn gåm mét roto l¾p trªn mét khung ®éng vµ ®−îc quay quanh trôc Y’Y víi tèc ®é lín (~104vßng/phót) nhê mét ®éng c¬. 1 X Z’ Y’ 4 3 Y X’ ω 2 Z H×nh 7.9 S¬ ®å nguyªn lý ®æi h−íng kÕ dïng con quay håi chuyÓn 1) Con quay håi chuyÓn 2) Khung ®éng 3) Lß xo 4) §iÖn thÕ kÕ Tèc ®é quay ω cÇn ®o theo trôc Z’Z vu«ng gãc víi trôc Y’Y lµm xuÊt hiÖn mét ngÉu lùc Cg tØ lÖ víi ω theo h−íng X’X vu«ng gãc víi hai trôc Y’Y vµ Z’Z cã xu h−íng lµm cho khung ®éng cña con quay håi chuyÓn quay theo. NgÉu lùc Cg ®−îc c©n b»ng bëi ngÉu lùc ®µn håi Cr cña hai lß xo g©y nªn cã gi¸ trÞ tØ lÖ víi gãc quay α cña khung. ë tr¹ng th¸i c©n b»ng: - 116 -
  10. Cg = Cr (7.4). víi Cr = kα (k lµ hÖ sè ®µn håi cña lß xo) vµ Cg = ωH ( H lµ m«men ®éng häc cña r«to). Thay c¸c gi¸ trÞ vµo c«ng thøc (7.4) ta cã c«ng thøc x¸c ®Þnh gãc α: H α=ω (7.5) k Gãc quay α cña khung ®éng cña con quay håi chuyÓn tØ lÖ víi vËn tèc gãc ω cÇn ®o. §Ó tiÖn cho xö lý, gãc quay α ®−îc chuyÓn ®æi thµnh tÝn hiÖu ®iÖn nhê mét ®iÖn thÕ kÕ. C¸c th«ng sè cña m¸y ®o nh− sau: - D¶i ®o tõ ± 7o/s ®Õn ± 360o/s. - Sai lÖch khái ®é tuyÕn tÝnh
  11. c - vËn tèc ¸nh s¸ng. Trªn ®Çu thu (4) ta thu ®−îc hÖ v©n giao thoa cña hai chïm tia. B»ng c¸ch ®Õm sè v©n giao thoa ∆Z bÞ dÞch chuyÓn do c¸p quang quay, ta cã thÓ tÝnh ®−îc tèc ®é quay theo c«ng thøc: 2 LRω ∆Z = (7.7) λc 7.2. C¶m biÕn rung vµ gia tèc 7.2.1. Kh¸i niÖm c¬ b¶n a) D¶i gia tèc vµ ph−¬ng ph¸p ®o gia tèc Theo nguyªn lý c¬ b¶n cña c¬ häc, gia tèc lµ ®¹i l−îng vËt lý thÓ hiÖn mèi quan hÖ gi÷a lùc vµ khèi l−îng. PhÐp ®o gia tèc cã thÓ thùc hiÖn qua viÖc ®o lùc (c¶m biÕn ¸p ®iÖn, c¶m biÕn c©n b»ng ngÉu lùc) hoÆc ®o gi¸n tiÕp th«ng qua sù biÕn d¹ng hay di chuyÓn cña vËt trung gian. Tuú theo møc gia tèc vµ d¶i tÇn cña hiÖn t−îng kh¶o s¸t ng−êi ta ph©n biÖt c¸c d¶i gia tèc sau: - §o gia tèc chuyÓn ®éng cña mét khèi l−îng nµo ®ã, trong ®ã chuyÓn ®éng cña träng t©m lu«n gi÷ ë tÇn sè t−¬ng ®èi thÊp (tõ 0 ®Õn vµi chôc Hz), gi¸ trÞ cña gia tèc nhá. C¸c c¶m biÕn th−êng dïng lµ c¸c c¶m biÕn gia tèc ®o dÞch chuyÓn vµ c¶m biÕn gia tèc ®o biÕn d¹ng. - §o gia tèc rung cña c¸c cÊu tróc cøng hoÆc cÊu tróc cã khèi l−îng lín, tÇn sè rung ®¹t tíi hµng tr¨m Hz. C¶m biÕn gia tèc th−êng dïng lµ c¶m biÕn tõ trë biÕn thiªn, ®Çu ®o biÕn d¹ng kim lo¹i hoÆc ¸p ®iÖn trë. - §o gia tèc rung møc trung b×nh vµ d¶i tÇn t−¬ng ®èi cao (~10kHz), th−êng gÆp khi vËt cã khèi l−îng nhá. C¶m biÕn gia tèc sö dông lµ lo¹i ¸p trë hoÆc ¸p ®iÖn. - §o gia tèc khi va ®Ëp, thay ®æi gia tèc cã d¹ng xung. C¶m biÕn gia tèc sö dông lµ c¸c lo¹i cã d¶i th«ng réng vÒ c¶ hai phÝa tÇn sè thÊp vµ tÇn sè cao. C¶m biÕn ®o gia tèc lµ c¶m biÕn chuyÓn ®éng kh«ng cÇn cã ®iÓm mèc, chóng kh¸c víi c¸c c¶m biÕn dÞch chuyÓn bëi v× khi ®o dÞch chuyÓn cña mét vËt ng−êi ta ph¶i ®o chuyÓn ®éng t−¬ng ®èi cña vËt ®ã so víi mét vËt kh¸c cè ®Þnh lÊy lµm mèc. b) ChuyÓn ®éng rung vµ ph−¬ng ph¸p ®o §o ®é rung trong c«ng nghiÖp cã tÇm quan träng ®Æc biÖt v× c¸c lý do: - Nh»m khèng chÕ biªn ®é rung ®Ó tr¸nh g©y tiÕn ån cã h¹i cho søc khoÎ. - 118 -
  12. - H¹n chÕ møc rung ë giíi h¹n cho phÐp ®Ó ®¶m b¶o ®é an toµn cho c«ng tr×nh. - Rung ®éng liªn quan ®Õn tr¹ng th¸i mµi mßn vµ bÒn mái cña chi tiÕt c¬ khÝ trong m¸y mãc. §o ®é rung gióp cho ng−êi qu¶n lý n¾m ®−îc t×nh tr¹ng mßn cña chi tiÕt tõ ®ã cã kÕ ho¹ch b¶o d−ìng, söa ch÷a kÞp thêi. §é rung ®−îc ®Æc tr−ng bëi ®é dÞch chuyÓn, tèc ®é hoÆc gia tèc ë c¸c ®iÓm trªn vËt rung. Bëi vËy khi ®o rung ®éng ng−êi ta ®o mét trong nh÷ng ®Æc tr−ng trªn. C¶m biÕn rung cã thÓ lµ c¶m biÕn dÞch chuyÓn, c¶m biÕn tèc ®é hoÆc c¶m biÕn gia tèc nh−ng cã thÓ m« t¶ nguyªn lý ho¹t ®éng cña chóng b»ng m« h×nh hÖ c¬ häc cã mét bËc tù do nh− tr×nh bµy ë h×nh 7.11. C¶m biÕn gåm mét phÇn tö nh¹y c¶m (lß xo, tinh thÓ ¸p ®iÖn... ) nèi víi mét khèi l−îng rung vµ ®−îc ®Æt chung trong mét vá hép. ChuyÓn ®éng rung cña khèi l−îng M t¸c ®éng lªn phÇn tö nh¹y c¶m cña c¶m biÕn vµ ®−îc chuyÓn thµnh tÝn hiÖu ®iÖn ë ®Çu ra. z 4 h M b’ b h0 2 a 1 3 H×nh 7.11 S¬ ®å nguyªn lý c¶m biÕn ®o gia tèc vµ rung 1) Khèi rung 2) Vá hép 3) PhÇn tö nh¹y c¶m 4) Gi¶m chÊn Gäi h0 lµ tung ®é cña ®iÓm a cña vá hép, h lµ tung ®é ®iÓm b cña khèi l−îng rung. Khi kh«ng cã gia tèc t¸c ®éng lªn vá hép tung ®é cña a vµ b b»ng nhau. DÞch chuyÓn t−¬ng ®èi cña khèi l−îng M so víi vá hép x¸c ®Þnh bëi biÓu thøc: z = h − h0 (7.8) Khi ®ã ph−¬ng tr×nh c©n b»ng lùc cã d¹ng: d2h dz M 2 = − F − Cz dt dt Cz - ph¶n lùc cña lß xo. dz F - lùc ma s¸t nhít. dt - 119 -
  13. d2h M - lùc do gia tèc cña khèi M g©y nªn. dt 2 Hay: d2h0 d2z dz −M 2 = M 2 + F + Cz (7.9) dt dt dt Tõ c«ng thøc (7.9), ta nhËn thÊy cÊu t¹o cña c¶m biÕn ®Ó ®o ®¹i l−îng s¬ cÊp m1 (®é dÞch chuyÓn h0, vËn tèc dh0/dt hoÆc gia tèc d2h0/dt2) phô thuéc vµo ®¹i l−îng ®−îc chän ®Ó lµm ®¹i l−îng ®o thø cÊp m2 (z, dz/dt hoÆc d2z/dt2) vµ d¶i tÇn sè lµm viÖc. D¶i tÇn sè lµm viÖc quyÕt ®Þnh sè h¹ng nµo trong vÕ ph¶i ph−¬ng tr×nh chiÕm −u thÕ (Cz, Fdz/dt hoÆc Md2z/dt2). Trªn thùc tÕ c¶m biÕn thø cÊp th−êng sö dông lµ: - C¶m biÕn ®o vÞ trÝ t−¬ng ®èi cña khèi l−îng rung M so víi vá hép. - C¶m biÕn ®o lùc hoÆc c¶m biÕn ®o biÕn d¹ng. - C¶m biÕn ®o tèc ®é t−¬ng ®èi. Dïng to¸n tö laplace (p) cã thÓ m« t¶ ho¹t ®éng cña c¶m biÕn rung b»ng biÓu thøc sau: − Mp 2 h 0 = Mp 2 z + Fpz + Cz HoÆc: z − p 2 ω0 2 = h0 p2 p + 2ξ +1 ω0 2 ω0 Víi: C ω0 = = 2πf0 lµ tÇn sè riªng cña M trªn lß xo cã ®é cøng C. M F ξ= lµ hÖ sè t¾t dÇn. 2 CM §é nh¹y cña c¶m biÕn cã thÓ tÝnh b»ng tØ sè gi÷a ®¹i l−îng ®iÖn ®Çu ra s vµ ®¹i l−îng ®o s¬ cÊp m1. s m s S= = 2. = S 1 .S 2 m1 m1 m 2 Trong ®ã: - 120 -
  14. m2 S1 = lµ ®é nh¹y c¬ cña ®¹i l−îng ®o s¬ cÊp. m1 s S2 = lµ ®é nh¹y cña c¶m biÕn thø cÊp. m2 7.2.2. C¶m biÕn ®o tèc ®é rung S¬ ®å c¶m biÕn ®o tèc ®é rung tr×nh bµy trªn h×nh 7.12. 1 2 M 3 b b 4 6 5 H×nh 7.12 S¬ ®å nguyªn lý c¶m biÕn ®o vËn tèc rung 1) Vá hép 2) Khèi rung 3) Lâi nam ch©m 4) Cuén d©y 5) Lß xo 6) Gi¶m chÊn Trong c¶m biÕn lo¹i nµy, ®¹i l−îng ®o s¬ cÊp m1 lµ tèc ®é rung dh0/dt, ®¹i l−îng ®o thø cÊp m2 lµ dÞch chuyÓn t−¬ng ®èi z. §é nh¹y s¬ cÊp S1 x¸c ®Þnh bëi biÓu thøc: m2 z − p / ω0 2 S1 = = = 2 m1 ph 0 p p + 2ξ +1 ω02 ω0 §Ó tiÖn lîi trong sö dông, ng−êi ta còng sö dông ®¹i l−îng ®o thø cÊp m2 lµ tèc ®é dÞch chuyÓn t−¬ng ®èi dz/dt. ViÖc chuyÓn ®æi tèc ®é t−¬ng ®èi cña khèi l−îng rung so víi vá hép thµnh tÝn hiÖu ®iÖn thùc hiÖn bëi mét c¶m biÕn vÞ trÝ t−¬ng ®èi kiÓu ®iÖn tõ gåm mét cuén d©y vµ mét lâi nam ch©m. Cuén d©y g¾n víi khèi l−îng rung, lâi nam ch©m ®Æt bªn trong cuén d©y vµ g¾n víi vá c¶m biÕn. B»ng c¸ch ®o suÊt ®iÖn ®éng cña cuén d©y cã thÕ ®¸nh gi¸ ®−îc tèc ®é rung cÇn ®o. Mét ®iÒu cÇn quan t©m khi sö dông c¶m biÕn lo¹i nµy ®ã lµ ph¶n øng cña c¶m biÕn thø cÊp ®èi víi chuyÓn ®éng cña khèi l−îng rung thÓ hiÖn th«ng qua ph¶n lùc f = B.l.i t¸c ®éng lªn cuén d©y khi cuén d©y chuyÓn ®éng trong tõ tr−êng c¶m øng - 121 -
  15. B. Gi¶ thiÕt bá qua trë kh¸ng cña cuén d©y Lω, khi ®ã ph¶n lùc f tØ lÖ víi tèc ®é t−¬ng ®èi: f = (Bl ) 2 1 dz R dt Lùc nµy chèng l¹i chuyÓn ®éng cña khèi l−îng rung, lµm thay ®æi hÖ sè t¾t dÇn cña chuyÓn ®éng. 7.2.3. Gia tèc kÕ ¸p ®iÖn a) CÊu t¹o vµ nguyªn lý ho¹t ®éng CÊu t¹o chung cña gia tèc kÕ ¸p ®iÖn gåm mét khèi l−îng rung M vµ mét phÇn tö ¸p ®iÖn ®Æt trªn gi¸ ®ì cøng, vµ toµn bé ®−îc ®Æt trong mét vá hép kÝn. Th«ng th−êng cÇn ph¶i ®o gia tèc theo hai h−íng däc theo trôc nh¹y c¶m. Tuú thuéc vµo b¶n chÊt lùc t¸c dông (nÐn, kÐo hoÆc c¾t) trong bé c¶m biÕn ph¶i cã bé phËn c¬ khÝ t¹o øng lùc c¬ häc ®Æt tr−íc lªn phÇn tö ¸p ®iÖn ®Ó më réng d¶i ®o gia tèc theo hai chiÒu. Trªn h×nh 7.13 tr×nh bµy s¬ ®å cÊu t¹o cña c¸c gia tèc kÕ ¸p ®iÖn kiÓu nÐn. 5 3 1 2 4 H×nh 7.13 S¬ ®å cÊu t¹o gia tèc kÕ ¸p ®iÖn kiÓu nÐn 1) Khèi l−îng rung 2) PhiÕn ¸p ®iÖn 3) §ai èc 4) §Õ 5) Vá hép C¶m biÕn lo¹i nµy cã tÇn sè céng h−ëng cao, kÕt cÊu ch¾c ch¾n, nh¹y víi øng lùc cña ®Õ. S¬ ®å cÊu t¹o cña gia tèc kÕ kiÓu uèn cong tr×nh bµy trªn h×nh 7.14. PhÇn tö ¸p ®iÖn cña c¶m biÕn gåm hai phiÕn ¸p ®iÖn máng d¸n víi nhau, mét ®Çu g¾n cè ®Þnh lªn vá hép c¶m biÕn, mét ®Çu g¾n víi khèi l−îng rung. C¶m biÕn lo¹i nµy cho ®é nh¹y rÊt cao nh−ng tÇn sè vµ gia tèc rung ®o ®−îc bÞ h¹n chÕ. - 122 -
  16. 3 2 1 M H×nh 7.14 S¬ ®å cÊu t¹o gia tèc kÕ ¸p ®iÖn kiÓu uèn cong 1) Khèi l−îng rung 2) PhiÕn ¸p ®iÖn 3) Vá hép b) §Æc tr−ng cña c¶m biÕn §é nh¹y ®−îc biÓu diÔn bëi biÓu thøc: Q S= = S 1S 2 a Trong ®ã: a - gia tèc cña c¶m biÕn. Q - ®iÖn tÝch ®−îc t¹o ra khi c¶m biÕn rung víi gia tèc a. S1 - ®é nh¹y c¬ cña hÖ thèng khèi l−îng rung. S2 - ®é nh¹y ®iÖn cña c¶m biÕn. Gi¸ trÞ cña S1 vµ S2 x¸c ®Þnh nh− sau: z 1 S1 = = a ⎛ ω2 ⎞ ⎛ ⎞ 2 ω0 2 ⎜1 − ⎟ + ⎜ 2ξ ω ⎟ ⎜ ω 2 ⎟ ⎜ ω0 ⎟ ⎝ 0 ⎠ ⎝ ⎠ Q 1 S2 = = dC z ⎛ω ⎞ 2 1+ ⎜ 0 ⎟ ⎝ ω⎠ Trong ®ã: d - h»ng sè ®iÖn m«i. c - ®é cøng cña phÇn tö nh¹y c¶m. 1 ω= - tÇn sè t¾t d−íi cña hÖ thèng c¶m biÕn - m¹ch ®o. τ 7.2.4. Gia tèc kÕ ¸p trë CÊu t¹o chung cña mét gia tèc kÕ ¸p trë gåm mét tÊm máng ®µn håi mét ®Çu g¾n víi gi¸ ®ì, mét ®Çu g¾n víi khèi l−îng rung, trªn ®ã cã g¾n tõ 2 ®Õn 4 ¸p trë - 123 -
  17. m¾c trong mét m¹ch cÇu Wheatstone. D−íi t¸c dông cña gia tèc, tÊm ®µn håi bÞ uèn cong, g©y nªn biÕn d¹ng trong ®Çu ®o mét c¸ch trùc tiÕp hoÆc gi¸n tiÕp qua bé khuÕch ®¹i c¬. Trªn h×nh 7.15 giíi thiÖu s¬ ®å nguyªn lý cña mét c¶m biÕn gia tèc ¸p trë. 3 2 4 e M b G L 1 F H×nh 7.15 S¬ ®å nguyªn lý cña c¶m biÕn gia tèc ¸p trë 1) Khèi rung 2) TÊm ®µn håi 3) ¸p trë 4) §Õ §é nh¹y cña c¶m biÕn ®−îc biÓu diÔn b»ng biÓu thøc: ε V S = S 1S 2 = . m a ε - §é nh¹y ®iÖn cña cÇu Wheatstone S1: v× 4 ®Çu ®o ®Òu cã cïng mét biÕn d¹ng ε nªn ®iÖn ¸p ra Vm cña ®Çu ®o b»ng: ∆R Vm = e s = e s Kε R Suy ra: S 2 = Ke s Trong ®ã: es - ®iÖn ¸p nu«i cÇu (10 - 15 V). K - hÖ sè ®Çu ®o ¸p trë. R - ®iÖn trë mét ®Çu ®o. - §é nh¹y c¬ S1 cña hÖ thèng c¬ khÝ x¸c ®Þnh theo biÓu thøc: A 1 S1 = ω0 2 ⎛ ω2 ⎞ 2 ⎛ ⎞ ⎜1 − ⎟ + ⎜ 2ξ ω ⎟ ⎜ ω 2 ⎟ ⎜ ω ⎟ ⎝ 0 ⎠ ⎝ 0 ⎠ Gi¸ trÞ cña A vµ ω0 phô thuéc vµo kÕt cÊu cña hÖ chÞu uèn, vÝ dô víi c¶m biÕn cho ë h×nh 7.15: - 124 -
  18. Yle 3 ω0 = 4 L3 M be A = 1,5 L3 Trong ®ã Y lµ m«®un Young. - 125 -
Đồng bộ tài khoản