Cách thức đo sốc và rung bằng cảm biến gia tốc kế

Chúng ta đã từng là những người đi xe đạp và đẩy đồ chơi quanh sàn nhà và chúng ta vốn đã hiểu được gia tốc của một vật thể do một lực bên ngoài . Dữ liệu rung động và các thông số dẫn xuất của nó như gia tốc, sốc và dịch chuyển là các yếu tố cực kỳ quan trọng trong rất nhiều ứng dụng. Bài viết dưới đây Giải pháp âm học sẽ cung cấp cho các bạn những thông tin các loại cảm biến gia tốc kế phổ biến cũng như công dụng của chúng trong đời sống.

Rung động là gì?

Rung động có thể được coi là dao động hoặc chuyển động lặp đi lặp lại của một vật xung quanh vị trí cân bằng, trong đó lực tác dụng lên nó bằng 0.

Rung động thường xảy ra do tác động của dung sai sản xuất, khe hở, tiếp xúc lăn và cọ xác giữa các bộ phận của máy và lực mất cân bằng trong các thành viên quay và qua lại. Thông thường, các rung động nhỏ không đáng kể có thể kích thích tần số cộng hưởng của một số bộ phận cấu trúc khác và được khuếch đại thành các nguồn rung động và tiếng ồn chính. Đây là lý do tại sao việc giám sát độ rung rất quan trọng.

Vật thể rung mô tả một chuyển động dao động về một vị trí tham chiếu. Số lần một chu kỳ chuyển động hoàn chỉnh diễn ra trong khoảng thời gian một dây được gọi là tần số và được đo bằng Hertz (Hz).

Chuyển động có thể bao gồm một thành phần duy nhất xảy ra ở một tần số duy nhất, như với một ngã ba điều chỉnh hoặc của một số thành phần xảy ra đồng thời ở các tần số khác nhau, ví dụ, với chuyển động piston của động cơ đốt trong.

Trên hình bên dưới, chúng ta có thể thấy chuyển động của một cái nĩa điều chỉnh. Nĩa điều chỉnh là một bộ cộng hưởng âm thanh dưới dạng một phuộc hai ngạnh. Nó cộng hưởng ở một cao độ không đổi cụ thể khi được đặt rung bằng cách đập nó vào bề mặt hoặc với một vật thể và phát ra một giai điệu âm nhạc thuần túy.

Gia tốc kế là gì?

Gia tốc kế là một thiết bị đo gia tốc. Gia tốc kế điển hình hoạt động giống như một khối ẩm ướt đã được gắn trên lò xo. Khi tiếp xúc với gia tốc, khối lượng này di chuyển đổi thành các đơn vị hữu ích.

Gia tốc kế có thể được sử dụng để đo:

• Rung động: một vật thể được cho là rung động khi nó thực hiện chuyển động dao động về một vị trí của vị trí cân bằng. Rung động được tìm thấy trong môi trường vận chuyển và hàng không vũ trụ hoặc được mô phỏng bởi hệ thống lắc.
• Sốc: một sự kích thích thoáng qua đột ngột của một cấu trúc thường kích thích sự cộng hưởng của cấu trúc.
  Chuyển động: chuyển động là một sự kiện chuyển động chậm như chuyển động của cánh tay robot hoặc phép đo hệ thống treo ô tô.
• Địa chấn: Đây là một chuyển động hoặc rung động tần số thấp. Phép đo này thường yêu cầu một gia tốc kế độ phân giải cao chuyên biệt có độ nhiễu thấp.
• Lực lượng
• Độ nghiêng

Chúng ta có thể rút ra một số giá trị quan trọng từ gia tốc. Ví dụ, nếu chúng ta biết khối lượng (m) của một vật thể, chúng ta có thể nhân khối lượng đó với gia tốc của nó (a) và do đó suy ra lực (F):

F=ma

Các loại gia tốc kế

Mặc dù có nhiều loại gia tốc kế, sử dụng các kỹ thuật khác nhau và với các thông số kỹ thuật và ứng dụng rất khác nhau trong số các yếu tố khác, chúng ta có thể chia các cảm biến này thành hai loại lớn dựa trên việc chúng có thể đo gia tốc tĩnh hay không:

• Gia tốc kế AC: Gia tốc kế điện tích và IEPE,
• Gia tốc kế DC: Gia tốc kế điện dung, Piezoresistive và MEMS.

Gia tốc kế AC

Theo định nghĩa, các cảm biến này được sử dụng để đo các sự kiện động. Nói cách khác, họ không thể đo DC, hoặc gia tốc tĩnh, mà chỉ có thể đo những thay đổi trong gia tốc.

Rung động thường là tín hiệu tần số cao, đòi hỏi phải thu thập dữ liệu tốc độ cao. Đây là lý do tại sao một bộ ghi dữ liệu tốc độ tương đối thấp không được sử dụng cho các phép đo này. Có nhiều công nghệ khác nhau được sử dụng trong các cảm biến này, mỗi công nghệ phù hợp duy nhất với một ứng dụng và môi trường.

Gia tốc áp điện tận dụng hiệu ứng nhiệt điện được Pierre và Jacques Curie phát hiện vào năm 1880. Họ quan sát thấy rằng một số vật liệu nhất định, đặc biệt là tinh thể và gốm sứ, sẽ tạo ra điện tích hoặc điện áp để đáp ứng với việc bị căng thẳng. Họ thấy thêm rằng phản ứng này là tuyến tính đối với ứng suất được áp dụng. Từ “piezo” xuất phát từ tiếng Hy Lạp “piezein” có nghĩa là “ép”.

Có hai loại cảm biến gia tốc kế AC phổ biến hiện nay:

• Cảm biến gia tốc kế sạc
• Cảm biến gia tốc kế IEPE

Gia tốc kế DC (và AC)

Điều quan trọng là gia tốc kế DC có thể đo chính xác gia tốc tĩnh (DC). Cũng cần lưu ý rằng gia tốc kế DC cũng có thể đo độ rung động (AC), nhưng thường không có băng thông cao của gia tốc kế AC. Gia tốc kế AC đã được thiết kế đặc biệt cho các ứng dụng đo động.

Gia tốc kế động (AC) hoàn toàn không thể đo gia tốc DC trong hầu hết các trường hợp. Nhưng một số trong số chúng có hằng số thời gian có thể đặt cho phép đo gia tốc DC trong một khoảng thời gian ngắn.

Có một số loại gia tốc kế DC phổ biến hiện nay:

• Gia tốc kế điện dung
• Gia tốc kế Piezoresistive
• Gia tốc kế MEMS

Xin lưu ý rằng MEMS có thể đề cập đến công nghệ cảm biến Điện dung hoặc Piezoresistive bên trong. Nhưng điều quan trọng là phải liệt kê chúng ở đây vì chúng được gọi là loại cảm biến trên thị trường.

Cảm biến gia tốc kế sạc

Trong cảm biến điện tích cổ điển, ứng suất gây ra bởi gia tốc trên trục dịch chuyển tạo ra một dòng ion tích điện thay đổi cường độ theo lượng gia tốc. Bên trong cảm biến, một mảnh vật liệu áp điện (thường là thạch anh hoặc gốm áp điện) được đặt bên cạnh một khối cố định. Khi vỏ cảm biến chịu gia tốc dọc theo trục đo, ứng suất hoặc hiệu ứng “ép” của khối lượng lên vật liệu áp điện tạo ra đầu ra điện tích từ vật liệu. Điện tích này có thể được đo bằng hệ thống DAQ.

Gia tốc kế kiểu điện tích có băng thông cực cao, dải động và phạm vi hoạt động nhiệt độ rất rộng.

Cảm biến sạc yêu cầu cáp tiếng ồn thấp đặc biệt vì tín hiệu sạc trở kháng cao rất dễ bị nhiễu RF (tần số vô tuyến) và EM (điện từ). Việc di chuyển cáp gây ra tiếng ồn lên tín hiệu, vì vậy phải hết sức cẩn thận trong việc định tuyến cáp (ngay cả áp suất nhỏ của dây buộc cáp cũng có thể gây ra tiếng ồn).

Ứng dụng gia tốc kế điện tích phổ biến:

• Thử nghiệm ô tô
• Thử nghiệm hàng không vũ trụ và quốc phòng
• Các ứng dụng băng thông cao
• Thử nghiệm thả
• Thử nghiệm mùa thu miễn phí
• Giám sát dựa trên điều kiện
• Các ứng dụng nhiệt độ cao

Cảm biến gia tốc kế IEPE

Để giải quyết vấn đề về cáp và tiếng ồn này, các kỹ sư đã tìm ra cách tích hợp một bộ khuếch đại nhỏ vào chính vỏ cảm biến. Bộ khuếch đại này chuyển đổi đầu ra trở kháng cao thành trở kháng thấp hơn, dễ dàng gửi qua cáp chi phí thấp hơn và dài hơn.

Nó cũng làm giảm đáng kể tính nhạy cảm của nó đối với nhiễu RF và EM. Những cảm biến này được gọi là cảm biến IEPE, đề cập đến thực tế là chúng đã tích hợp các thiết bị điện tử. Từ viết tắt có nghĩa là “Điện tử tích hợp, PiezoElectric.”

Bên trong cảm biến, một mảnh vật liệu áp điện (thường là thạch anh hoặc gốm áp điện) được đặt bên cạnh một khối lượng cố định. Khi vỏ cảm biến chịu gia tốc dọc theo trục đo, ứng suất hoặc hiệu ứng “ép” của khối lượng lên vật liệu áp điện tạo ra đầu ra điện tích từ vật liệu, có thể đo được. Phần này hoàn toàn giống với cảm biến sạc – sự khác biệt là cảm biến IEPE cũng bao gồm một bộ khuếch đại tín hiệu.

Không giống như các cảm biến sạc, không yêu cầu nguồn điện bên ngoài, bộ khuếch đại tích hợp nhỏ trong các cảm biến IEPE này phải được cấp nguồn. Ngoài ra, sự hiện diện đơn thuần của bộ khuếch đại trong cảm biến làm tăng thêm một lượng nhỏ khối lượng, nhưng quan trọng hơn, nó làm giảm đáng kể phạm vi nhiệt độ hoạt động của cảm biến. Công suất cảm biến phải được cung cấp bởi bộ điều hòa tín hiệu IEPE bên ngoài, tạo ra nguồn cung cấp dòng điện không đổi trên đường tín hiệu.

Vì các cảm biến IEPE được tạo ra để đo gia tốc động chứ không phải tĩnh, điện áp cung cấp DC này không ảnh hưởng đến các bài đọc. Một máy điều hòa tín hiệu được chế tạo cho cảm biến IEPE thường rẻ hơn so với các máy điều hòa được sản xuất cho cảm biến CHARGE. Về cơ bản nó chỉ là một bộ điều hòa điện áp có thể cung cấp kích thích dòng điện không đổi có thể lựa chọn để cung cấp năng lượng cho cảm biến.

Các ứng dụng của gia tốc kế IEPE phổ biến:

• Thử nghiệm ô tô
• Thử nghiệm hàng không vũ trụ và quốc phòng
• Các ứng dụng băng thông cao
• Thử nghiệm thả
• Thử nghiệm mùa thu miễn phí
• Giám sát dựa trên điều kiện

Gia tốc kế điện dung

Gia tốc kế điện dung thường cung cấp hiệu suất vượt trội trong dải tần số thấp. Bên trong vỏ cảm biến, hai tụ điện tấm song song được vận hành ở chế độ vi sai. Hai tụ điện giá trị cố định bổ sung được kết nối và cả bốn tụ điện đều được kết nối như một cầu nối đầy đủ.

Những cấu trúc này, được bố trí gần nhau trong vỏ cảm biến, tạo ra điện dung nhỏ trong khoảng trống giữa chúng khi chịu gia tốc. Đầu ra của mạch cầu thay đổi tuyến tính với sự thay đổi điện dung này.

Độ chính xác của cảm biến này được cải thiện bằng cách sử dụng các cấu trúc răng “chào” xen kẽ để phát hiện điện dung. Những thứ này có thể được sắp xếp theo nhiều cách. Do đó, những cảm biến này có thể đo cả gia tốc động (AC) và tĩnh (DC).

Các ứng dụng gia tốc kế điện đung phổ biến:

Gia tốc kế điện dung có thể được chế tạo khá nhỏ và không tốn kém, và do đó được sử dụng trên nhiều ứng dụng thương mại và tiêu dùng. Một vài trong số này bao gồm:

• Điện thoại di động, để định hướng màn hình “lên” cho người dùng, giảm tốc hoặc tăng tốc đột ngột (phát hiện sự cố)
• Ô tô để triển khai túi khí,
• Phát hiện thái độ của bộ điều khiển trò chơi điện tử,
• Máy bay không người lái
• Và nhiều ứng dụng khác

Gia tốc kế Piezoresistive

Một công nghệ phổ biến khác cho gia tốc kế DC dựa trên áp điện trở. Thay vì sử dụng các nguyên tố tinh thể hoặc gốm như trong cảm biến áp điện, gia tốc kế áp điện trở sử dụng thiết bị đo biến dạng để phát hiện gia tốc. Điều này dẫn đến một cảm biến có thể đo cả gia tốc tĩnh (DC) và động (AC) lên đến khoảng 6 đến 8 kHz. Giảm xóc bên trong khối lượng được thực hiện bằng chất lỏng hoặc khí.

Các ứng dụng của gia tốc kế Piezoresistive phổ biến:

• Thử nghiệm ô tô
• Thử nghiệm hàng không vũ trụ và quốc phòng
• Các phép đo sốc cao
• Các loại đo sốc và rung động không động

Gia tốc kế MEMS

Ngoài gia tốc kế cơ học được đề cập ở trên, còn có sẵn các cảm biến cơ điện (hay còn gọi là MEMS). Vì các cảm biến CHARGE và IEPE thường bắt đầu đo ở 0,3 Hz đến 10 Hz, chúng không thể thực hiện các phép đo tĩnh hoặc tần số rất thấp. Cảm biến Hệ thống Cơ điện Vi mô (MEMS) là một giải pháp tuyệt vời.

Gia tốc kế MEMS có sẵn ở cả phiên bản đơn và 3 trục:

Các ứng dụng gia tốc kế MEMS phổ biến:

• Công việc địa chấn
• Giám sát kết cấu
• Hệ thống định vị con quay hồi chuyển
• Thử nghiệm ô tô
• Kiểm tra túi khí

Những lưu ý chính liên quan đến lựa chọn cảm biến gia tốc kế

Có rất nhiều cảm biến được thiết kế để đo độ rung và sốc. Những câu hỏi quan trọng nhất bạn nên tự hỏi mình khi chọn cảm biến là:

• Cách ly mặt đất
• Nhạy cảm
• Dải tần số thấp
• Băng thông
• Phạm vi biên độ
• Mức độ tiếng ồn còn lại
• Phạm vi nhiệt độ
• Cân nặng
• Các vòng lặp mặt đất
• Tiếng ồn của cáp
• Khả năng tương thích TEDS

Cách gắn gia tốc kế

Các cảm biến có thể được gắn theo nhiều cách khác nhau. Băng thông của cảm biến đặc biệt nhạy cảm với cách nó được gắn kết. Phương pháp gắn gia tốc kế vào điểm đo là một trong những yếu tố quan trọng nhất để thu được kết quả chính xác từ các phép đo độ rung thực tế. Việc lắp đặt cẩu thả dẫn đến việc giảm tần số cộng hưởng được gắn, điều này có thể hạn chế nghiêm trọng dải tần số hữu ích của gia tốc kế.

• Stud: tốt nhất là khoan một lỗ trên mẫu thử và cố định cảm biến lên bề mặt bằng vít. Điều này sẽ không ảnh hưởng đến bất kỳ thuộc tính cảm biến nào. Rõ ràng, trong một số trường hợp, một khách hàng có thể không đặc biệt vui mừng khi làm điều này, ví dụ, với nguyên mẫu cánh máy bay hoàn toàn mới của anh ấy.
• Chất kết dính: một loại gắn khác, không ảnh hưởng nhiều đến băng thông là băng dính hai mặt mỏng hoặc sáp ong (điều này bị giới hạn trong phạm vi nhiệt độ của nó).
• Nam châm: một kỹ thuật lắp đặt được sử dụng rất rộng rãi để chẩn đoán máy là gắn cảm biến trên nam châm. Điều này vẫn sẽ tạo ra băng thông tốt, nhưng tất nhiên, bề mặt phải sắt từ (không phải nhôm hoặc nhựa). Trên các cảm biến nơi chúng ta có thể sử dụng kẹp gắn, chúng ta có thể dán kẹp gắn trước và sau đó chỉ cần gắn chính cảm biến.

Địa chỉ mua cảm biến gia tốc kế uy tín và chất lượng

Lidinco với kinh nghiệm 10 năm trong lĩnh vực phân phối thiết bị đo lường điện luôn đảm bảo mang đến cho khách hàng những sản phẩm chất lượng nhất với mức giá tốt, đi kèm đó là sự đảm bảo về nguồn gốc hàng hóa. Chúng tôi phân phối và bảo hành các thiết bị đo tại thành phố Hồ Chí Minh và toàn quốc.

Vui lòng liên hệ theo thông tin bên dưới để được tư vấn và đặt mua gia tốc kế với mức giá tốt nhất.

CÔNG TY TNHH ĐẦU TƯ PHÁT TRIỂN CUỘC SỐNG
HCM: 028.39778269 – 028.36016797 – (Zalo) 0906.988.447
Skype: Lidinco – Email: sales@lidinco.com
Bắc Ninh: 0222.7300180 – Email: bn@lidinco.com