Bài giảng Đo lường và cảm biến - Chương 5: Đo vận tốc, gia tốc và độ rung

Bài giảng Đo lường và cảm biến Trang 59 Chương 5 ĐO VẬN TỐC, GIA TỐC VÀ ĐỘ RUNG 5.1 MÁY PHÁT TỐC 5.1.1 Máy phát tốc DC Đây là phuơng pháp chuyển đổi trực tiếp. Ở phương pháp này người ta ghép nối cơ khí trục động cơ cần đo tốc độ với roto máy phát điện một chiều hay xoay chiều. Điện áp ra từ máy phát tỉ lệ với tốc độ quay cần đo. Như vậy tốc độ quay được đo bằng phương pháp điện áp. Sơ đồ cấu tạo của một tốc độ kế dòng một chiều biểu diễn trên hình 5.1 Stato (phần cảm) là một nam châm điện hoặc nam châm vĩnh cửu, roto (phần ứng) là một trục sắt gồm nhiều lớp ghép lại, trên mặt ngoài roto xẽ các rãnh song song với trục quay và cách đều nhau. Trong các rãnh đặt các dây dẫn bằng đồng gọi là dây chính, các dây chính được nối với nhau từng đôi một bằng các dây phụ. Cổ góp là một hình trụ trên mặt có gắn các lá đồng cách điện với nhau, mỗi lá nối với một dây chính của roto. Hai chổi quét ép sát vào cổ góp được bố trí sao cho tại một thời điểm chúng luôn tiếp xúc với hai lá đồng đối diện nhau. Khi rô to quay, suất điện động xuất hiện trong một dây dẫn xác định theo biểu thức: Trong đó dΦi là từ thông mà dây dẫn cắt qua trong thời gian dt: dSc là tiết diện bị cắt trong khoảng thời gian dt: Trong đó: l - chiều dài dây dẫn. v - vận tốc dài của dây. ω- vận tốc góc của dây. r - bán kính quay của dây. Bài giảng Đo lường và cảm biến Trang 60 Biểu thức của suất điện động xuất hiện trong một dây: Suất điện động ứng với một nửa số dây ở bên phải đường trung tính: N - tổng số dây chính trên roto. n - số vòng quay trong một giây. Φ0 - là từ thông xuất phát từ cực nam châm. Tương tự tính được suất điện động ứng với một nửa số dây ở bên trái: Nguyên tắc nối dây là nối thành hai cụm, trong mỗi cụm các dây mắc nối tiếp với nhau, còn hai cụm thì mắc ngược pha nhau. 5.1.2 Máy phát tốc AC Sơ đồ cấu tạo của một tốc độ kế dòng xoay chiều kiểu máy phát đồng bộ biểu diễn trên hình 5.2 Thực chất đây là một máy phát điện xoay chiều nhỏ. Roto (phầm cảm) của máy phát là một nam châm hoặc tổ hợp của nhiều nam châm nhỏ. Phần ứng gồm các cuộn dây bố trí cách đều trên mặt trong của stato là nơi cung cấp suất điện động cảm ứng hình sin có biên độ tỉ lệ với tốc độ quay của roto. e = EsinΩt Trong đó E= K1ω, Ω = K2ω , K1 và K2 là các thông số đặc trưng cho máy phát. Giá trị của ω có thể tính được theo E hoặc Ω. Xác định ω từ biên độ suất điện động: Cuộn cảm ứng có trở kháng trong: Bài giảng Đo lường và cảm biến Trang 61 Trong đó Ri, Li là điện trở và tự cảm của cuộn dây. Điện áp ở hai đầu cuộn ứng với tải R có giá trị: Nhận thấy điện áp U không phải là hàm tuyến tính của tốc độ quay ω. Điều kiện để sử dụng máy phát như một cảm biến vận tốc là R>>Zi để sao cho có thể coi U≈E. Điện áp ở đầu ra được chỉnh lưu thành điện áp một chiều, điện áp này không phụ thuộc chiều quay và hiệu suất lọc giảm khi tần số thấp. Mặt khác, sự có mặt của bộ lọc làm tăng thời gian hồi đáp của cảm biến. Xác định bằng cách đo tần số của suất điện động: phương pháp này có ưu điểm là tín hiệu có thể truyền đi xa mà sự suy giảm tín hiệu không ảnh hưởng tới độ chính xác của phép đo. Máy phát không đồng bộ: Cấu tạo của máy phát không đồng bộ tương tự như động cơ không đồng bộ hai pha (hình 5.3). Roto là một đĩa hình trụ kim loại mỏng và dị từ quay cùng tốc độ với trục cần đo, khối lượng và quán tính của nó không đáng kể. Stato làm bằng thép từ tính, trên đó bố trí hai cuộn dây, một cuộn là cuộn kích thích được cung cấp điện áp Vc có biên độ Ve và tần số ωe ổn định Vc = Ve cosωet . Cuộn dây thứ hai là cuộn dây đo. Giữa hai đầu ra của cuộn này xuất hiện một suất điện động em có biên độ tỉ lệ với tốc độ góc cần đo: Trong đó k là hằng số phụ thuộc vào kết cấu của máy, ϕ là độ lệch pha. Nhận xét: ta có thể xác định tốc độ góc ω thông qua giá trị điện áp 5.2 ENCODER Encoder là thiết bị cơ điện có thể phát hiện sự chuyển động hay vị trí vật. Encoder sử dụng các cảm biến quang để sinh ra chuổi xung, từ đó có thể chuyển sang phát hiện sự chuyển động, vị trí hay hướng chuyển động của vật thể. Hình 5.4a cấu tạo và hình dạng của encoder quay. Hình 4.1c mô tả đĩa mỏng và Diode phát quang (LED) được lắp đặt sao cho ánh sáng liên tục được tập trung xuyên qua đĩa thủy tinh. Transistor thu ánh sáng được lắp ở mặt còn lại của đĩa sao cho nó có thể nhận ánh sáng từ LED. Đĩa được lắp đặt đến trục động cơ hay thiết bị khác cần xác định vị trí sao cho khi trục quay đĩa cũng sẽ quay. Khi đĩa quay sao cho led, lổ, transistor thẳng hàng ánh sáng từ LED phát được tập trung ở Transistor thu làm cho Transistor quang rơi vào trạng thái bão hòa và một tín hiệu Bài giảng Đo lường và cảm biến Trang 62 xung vuông sẽ được sinh ra. Trong hình 5.4b biểu diển một ví dụ của các sóng xung vuông được sinh ra bởi encoder quay. Loại đĩa này được sử dụng trong các ứng dụng thời kỳ đầu nhưng do hạn chế số lượng của các lổ trên đĩa kim loại đã giới hạn độ chính xác của nó nhưng khi có nhiều lổ được khắc trên đĩa nó sẽ trở nên dể vở trong quá trình sử dụng. Hình 5.4 Có hai dạng encoder là encoder tuyệt đối hình 5.5a (Absolute Encoder) và encoder gia tăng hình 5.5b (Incremental Encoder) b a c a b Hình 5.5 Bài giảng Đo lường và cảm biến Trang 63 Encoder gia tăng (Incremental encoder): có ba đầu ra A, B, Z. Hai đầu A, B phát ra n xung khi đĩa quay một vòng còn đầu Z phát ra 1 xung/vòng. Xung A sớm pha °90 so với xung B khi đĩa quay theo chiều kim đồng hồ (H.5.6a) và trễ pha °90 khi đĩa quay ngược chiều kim (H.5.6b). Hình 5.6: Dạng xung của encoder Các đầu ra của encoder là loại điện áp hay cực thu hở. Một số encoder có ngõ ra vi sai A, A , B, B , Z, Z dùng để chống nhiễu trên đường dây truyền. Hình 5.7: Các ngõ ra của encoder gia tăng E6B2 Encoder tuyệt đối (Absolute encoder): cho trị số nhị phân của góc quay từ °0 đến °360 so với vị trí gốc. Độ phân giải từ 8 bit đến 14 bit dạng BCD, mã Gray hay nhị phân, ngõ ra cực thu hở. Một số Encoder tuyệt đối đo vị trí nhiều vòng (dùng nhiều đĩa với bánh răng giảm tốc) và nhớ mã vị trí khi mất điện (chứa vào bộ nhớ trên encoder), ví dụ loại E6C-N đo góc trong một vòng bằng 9 bit và số vòng quay bằng 8 bit mã phụ hai (quay thuận ngược). Một số Encoder tuyệt đối xuất dữ liệu ra nối tiếp theo xung nhịp từ ngoài đưa vào để giảm số dây nối (giao diện đồng bộ nối tiếp) Hình 5.8: Hình dạng một số encoder Bài giảng Đo lường và cảm biến Trang 64 Bảng Đặc tính encoder Số liệu Encoder Gia tăng E6B2 (OMRON) Mã hiệu E6B2-CWZ3E Điện áp cung cấp 5VDC -5% to 12VDC +10 Dòng điện tiêu thụ 100mA max. Độ phân giải 10, 20, 30, 40, 50, 60, 100, 200, 300, 360, 400, 500, 600, 1000, 1200, 1500, 1800, 2000 (xung/vòng) Các ngõ ra A, B, Z (thuận ngược) Loại tín hiệu ra Ra điện áp, cực thu hơ, vi sai Thông số ngõ ra Điện trở ngõ ra: 2kW, điện áp tối đa: 30VDC Dòng Sink 20mA max. Sink current: 35mA max. Mức cao: -20mA. Mức thấp: +20mA Tần số đáp ứng tối đa 100kHz Hướng quay Thuận ngược, CW + CCW Moment khởi động 10g-cm (0,14 oz-inch) max. Tải trên trục Hướng kính: 3kgf (21,7 ft.-lbs.), Hướng trục: 2kgf (14,5 ft.-lb.) Moment quán tính 10g-cm2 (0,055 oz.-inch2) max,; 3g- cm2 (0,0165 oz.- inch2) max. ở 600 xung/vòng Vận tốc quay tối đa 6000rpm Số liệu encoder tuyệt đối 10 bit E6F- AB3C Mã hiệu E6F-AB3C 360 2M Điện áp cung cấp 5VDC -5% .. 12VDC +10% Dòng tiêu thụ 100mA max. Độ phân giải 10bit (360 xung/vòng) Mã ra Mã BCD Dạng ngõ ra Cực thu hở Điện áp tối đa ngõ ra 30VDC max. Tần số tối đa 10kHz Logic ngõ ra Ngược (Mức cao: 0, Mức thấp: 1) Độ chính xác o50.± max. Hướng tăng mã Mã ngõ ra tăng theo chiều kim khi nhìn từ trục Thời tăng và thời giảm 1,0ms max. với điện áp ra 5 V Moment khởi động 100g-cm (1,39 oz.-inch) max. Tải trục Hướng kính 10kgf, hướng trục 3kgf Moment quán tính 15g-cm2 (0,082 oz.-inch2 ) max. Vận tốc tối đa 5000rpm Bài giảng Đo lường và cảm biến Trang 65 Hình 5.9 Sơ đồ đấu dây encoder tuyệt đối E6F SSI Synchronous Serial Interface), dữ liệu xuất ra theo đường DATA (hay DATA+, DATA-), xung nhịp vào CLOCK (hay CLK+, CLK-). Dữ liệu được truyền như sau: ban đầu DATA và CLK ở mức cao, khi CLK chuyển từ cao xuống thấp, dữ liệu vị trí được chốt lại, chuẩn bị truyền, dữ liệu truyền ra nối tiếp bắt đầu từ MSB ở các cạnh xuống kế tiếp của xung nhịp 5.3 CẢM BIẾN GIA TỐC VÀ RUNG Đo độ rung trong công nghiệp có tầm quan trọng đặc biệt vì độ rung gây nên tiếng ồn có hai cho sức khỏe, giảm tuổi thọ và năng suất của các thiết bị, làm mai mòn và gây mỏi các chi tiết cơ khí. 5.3.1 Một số khái niệm trên hình 5.10 Bài giảng Đo lường và cảm biến Trang 66 5.3.2 Cảm biến áp điện đo lực Nguyên lý dựa trên hiệu ứng áp điện. Vật liệu dùng để chế tạo các chuyển đổi áp điện thường là tinh thể thạch anh (SiO2), titannatbari (BaTiO3), muối Xenhethình 5.11. Bằng cách đo tần số ngõ ra ta xác định được lực tác động. Hình 5.11