Trang chủ Thế giới cảm biến Thế giới cảm biến Những bước đơn giản để lựa chọn một cảm biến gia tốc thích hợp

Những bước đơn giản để lựa chọn một cảm biến gia tốc thích hợp

Chỉ mục bài viết
Những bước đơn giản để lựa chọn một cảm biến gia tốc thích hợp
Trang 2
Tất cả các trang

Việc lựa chọn một cảm biến gia tốc thích hợp cho một ứng dụng nào đó có thể trở thành một nhiệm vụ không mấy dễ chịu. Do vậy, bài báo này đưa ra những hướng dẫn nhằm giúp bạn trong việc lựa chọn. Bạn đang tìm một cảm biến gia tốc? Bạn phải đối mặt với những lựa chọn về công nghệ, kiểu dáng, kích cỡ và phạm vi cảm nhận, cả những người chưa có nhiều kinh nghiệm lẫn những chuyên gia đều có thể bị “ngợp” trước vô vàn sản phẩm họ có thể tìm thấy trong những cuốn cataloge của các công ty hay trên mạng Internet.

Bên trái là một cảm biến gắn - bên phổ biến có trọng lượng 7.8g và được sử dụng đối với các vật thể nặng (A). Cảm biến mini bên phải (B) nặng 0.5g và có thể được gắn vào những cấu trúc nhẹ và bản mạch máy vi tính

Những gì miêu tả trong bài này sẽ giúp bạn có được một lựa chọn tối ưu về cảm biến gia tốc cho ứng dụng của bạn trong một “rừng” những cảm biến gia tốc bạn gặp phải.
Lựa chọn về công nghệ
Bước đầu tiên là phải xác định trong ứng dụng của bạn loại phép đo sẽ được thực hiện là gì. Hiện nay có 3 loại cảm biến gia tốc phổ biến dựa trên kỹ thuật đo chúng sử dụng:
Cảm biến gia tốc áp điện (Piezoelectric - PE): là loại cảm biến được sử dụng phổ biến trong những ứng dụng đo kiểm. Những cảm biến loại này cho phép đo được ở một tần số khá rộng (từ vài Hz đến 30kHz) và có rất nhiều chủng loại sắp xếp theo độ nhạy, trọng lượng, hình dáng và kích cỡ. Cảm biến áp điện có thể có đầu ra là điện tĩnh hoặc điện thế (sẽ được nói rõ hơn trong phần sau). Chúng có thể được sử dụng cho cả đo rung lẫn đo chấn động.
Cảm biến gia tốc áp trở (Piezoresistive - PR): là loại cảm biến nói chung có độ nhạy thấp nên không hay được dùng để đo rung nhưng chúng lại thường là giải pháp cho những ứng dụng đo chấn động. Chúng cũng được sử dụng rộng rãi trong những thí nghiệm kiểm tra về va chạm đối với các phương tiện giao thông. Cảm biến áp trở thường có băng thông rộng (từ vài Hz đến hơn 130kHz) và đáp ứng tần số xuống tới cả đến 0Hz (thường được gọi là “đáp ứng một chiều”) hay trạng thái ổn định, vì vậy chúng có thể đo được những đáp ứng quá độ kéo dài.
Biến dung (Variable capacitance - VC): là một trong những loại công nghệ cảm biến gia tốc mới hơn. Cũng giống như cảm biến áp trở, cảm biến biến dung là loại cảm biến “đáp ứng một chiều”. Chúng có độ nhạy cao, băng thông hẹp (từ 15Hz đến 3.000Hz), và độ ổn nhiệt tuyệt hảo. Độ lệch điểm không nhiệt và độ lệch nhạy rất thấp, chỉ 1.5% trong một dải nhiệt độ đến 1800C. Những cảm biến này rất thích hợp trong việc đo những rung động tần số thấp, chuyển động, và gia tốc ở trạng thái ổn định.
Các loại phép đo
Đầu tiên, chúng tôi sẽ giới thiệu các loại phép đo cơ bản và sẽ được nhắc lại kỹ hơn ở phần sau. Đối với mục tiêu mà bài báo này đề ra, chúng tôi sẽ phân các phép đo gia tốc thành những loại sau đây:
Rung động - Một vật thể được xem là rung động khi nó thực hiện một dao động xung quanh một điểm cân bằng. Các rung động xảy ra trong hoạt động giao thông hàng ngày, ở các thiết bị trong không gian hay trong môi trường công nghiệp, rung động cũng có thể được mô phỏng trong các hệ thống tạo rung.
Chấn động - Một kích thích tức thời đột ngột đối với một cấu trúc thường gây ra cộng hưởng trong cấu trúc đó. Một xung chấn động có thể được tạo ra bởi một vụ nổ, một chiếc búa đang đóng vào một vật thể hoặc do một vụ va chạm mạnh của một phương tiện giao thông.
Chuyển động - chuyển động là một trường hợp di chuyển chậm kéo dài từ dưới 1 giây đến vài phút , ví dụ như chuyển động của một cánh tay robot hay của một bộ phận giảm sóc tự động.
Địa chấn - Đây là một kiểu chuyển động chậm hoặc rung động tần số thấp. Loại phép đo này thường yêu cầu một cảm biến chuyên dụng, tạp âm thấp và độ phân giải cao. Cảm biến địa chấn được sử dụng để đo chuyển động của những cây cầu, nền nhà và các trận động đất.

Hình 1: Một cảm biến tam trục thu nhỏ tích hợp đồng thời 3 cảm biến riêng biệt. Thiết bị này có thể đo đồng thời gia tốc theo 3 trục vuông góc với nhau

Những chú ý chung
Dưới đây là một vài lưu ý chung cần xem xét trước khi chúng ta đi vào chi tiết về các loại công nghệ và ứng dụng của cảm biến gia tốc:
Đáp ứng tần số là đáp ứng điện của cảm biến đối với một kích thích cơ học trong một dải tần số với biên độ không đổi. Đáp ứng tần số là một thông số quan trọng khi xem xét bất kỳ một cảm biến gia tốc nào. Dải tần số khảo sát thường do những yêu cầu kỹ thuật của ứng dụng hoặc do người sử dụng quy định. Thông thường dải tần này được thiết lập là trong khoảng ±5% của tần số tham chiếu (thường là 100Hz). Nhiều thiết bị có yêu cầu kỹ thuật được phép dao động trong khoảng ±1dB hay trong một số trường hợp có thể là ±3 dB. Những con số này là yêu cầu về độ chính xác cần có trong một dải tần số cho trước. Hầu hết các bản thông số kỹ thuật của thiết bị đều có một đường cong đáp ứng tần số điển hình để hỗ trợ người sử dụng. Đường cong này chỉ ra độ chính xác của cảm biến gia tốc thay đổi thế nào trong một dải tần số được chỉ rõ.
Một chú ý nữa đó là số trục cần thực hiện phép đo. Các cảm biến gia tốc hiện nay đã có phiên bản đơn trục và tam trục (Hình 1). Một phương pháp khác để thực hiện phép đo trên 3 trục đó là là gắn 3 cảm biến lên một khối tam trục. Cả hai phương pháp đều cho phép thực hiện phép đo trên 3 trục cùng lúc.

Hình 2: Cảm biến gia tốc biến dung với một kiểu lắp đặt thông dụng

Rung động
Cảm biến áp điện là lựa chọn số một cho hầu hết các phép đo rung động vì chúng có dải đáp ứng tấn số rộng, độ phân giải và độ nhạy cao, và rất dễ cài đặt. Có hai loại cảm biến gia tốc áp điện cơ bản: cảm biến gia tốc kiểu - tĩnh - điện (charge - mode) cơ bản và cảm biến gia tốc Áp Điện Điện Tử Nội kiểu - điện - thế (voltage - mode Internal Electronic Piezoelectric - IEPE).
Trong những năm gần đây, IEPE đã trở thành loại cảm biến thông dụng nhất vì sự tiện dụng của nó. Các cảm biến IEPE được bán rộng rãi dưới nhiều thương hiệu khác nhau, nhưng hầu hết chúng đều có thể thay thế cho nhau do cùng tuân theo một tiêu chuẩn công nghiệp dù không chính thức. (Chú ý: phải đảm bảo rằng dòng và thế của nguồn cung cấp phải tương thích với cảm biến bạn lựa chọn để có thể đạt được hiệu suất cao nhất và tránh những hư hại có thể xảy ra). Về cơ bản, một cảm biến gia tốc IEPE có một bộ khuyếch đại tĩnh điện gắn bên trong nên nó không cần một thiết bị khuyếch đại tĩnh điện ngoài, và cảm biến IEPE cũng chỉ cần sử dụng với loại cáp thông thường. Cảm biến này yêu cầu một nguồn dòng ổn định và rất nhiều hệ thống số - tương tự (DA system) có nguồn cung cấp đi kèm bên trong. Một thiết bị IEPE là một giải pháp nên xem xét đối với một dải rung động biết trước và nhiệt độ hoạt động yêu cầu nằm trong khoảng từ -550C đến 1250C. Chú ý rằng hiện nay cũng có cả những mẫu cảm biến có thể hoạt động ở nhiệt độ cao có thể hoạt động ở nhiệt độ tối đa là 1750C.
Những ưu điểm của cảm biến áp điện kiểu - tĩnh - điện đó là hoạt động ở nhiệt độ cao và có một dải biên độ rất rộng, điều này được quyết định chủ yếu do sự thiết lập khuyếch đại điện tĩnh. Một cảm biến IEPE có dải biên độ cố định. Một cảm biến kiểu - tĩnh - điện điển hình thường có thể hoạt động trong dải nhiệt độ từ -550C đến 2890C. Những cảm biến thiết kế chuyên dụng thậm chí còn có thể làm việc trong môi trường xuống đến -2690C hoặc lên đến 7600C. Ngoài ra, hiện nay còn có cả những cảm biến kiểu - tĩnh - điện chống bức xạ đặc biệt cho các ứng dụng trong môi trường hạt nhân.
Không giống cảm biến IEPE, cảm biến kiểu - tĩnh - điện phải sử dụng với một loại cáp tạp âm thấp đặc biệt, loại cáp này khá đắt so với loại cáp đồng trục thương mại chuẩn hiện nay. Ngoài ra, để hoạt động tốt, loại cảm biến này còn yêu cầu một bộ khuyếch đại điện tĩnh hoặc một bộ chuyển đổi tĩnh điện in - line. Những cảm biến kiểu - tĩnh - điện thường được ưa chuộng đối với môi trường hoạt động ở nhiệt độ cao (hơn 1750C) hay trong những trường hợp mà gia tốc cực đại chưa biết.
Trong những trường hợp yêu cầu đo rung động ở tần số thấp, cảm biến gia tốc biến dung là một lựa chọn thích hợp. Cảm biến gia tốc biến dung có đáp ứng tần số trong khoảng từ 0Hz đến 1KHz, tùy thuộc vào yêu cầu về độ nhạy. Khi thực hiện những phép đo ở tần số rất thấp, một cảm biến gia tốc biến dung với dải tần số từ 0Hz đến 15Hz cho độ nhạy đến 1V/g. Cảm biến biến dung rất đắc dụng trong các hệ thống rung lắc trong kỹ thuật thủy điện (để thực hiện đo độ rung), và cho rất nhiều ứng dụng về giao thông, ví dụ như kiểm tra các hệ thống giảm sóc hay các hệ thống tự động hay đo sự dao động và dịch chuyển của các đường ray.
Chấn động
Có hai kỹ thuật hiện có cho việc đo chấn động, và tùy thuộc vào mức độ chấn động và những dữ liệu được cung cấp, bạn có thể chọn từ vô số các loại cảm biến gia tốc. Một điều rất quan trọng cần biết là khoảng mức độ chấn động sẽ đo, vì nó sẽ quyết định loại cảm biến gia tốc sẽ được sử dụng. Dưới đây là một số hướng dẫn sơ lược để giúp cho người đọc lựa chọn một cảm biến gia tốc thích hợp:
Đối với phép đo chấn động mức độ thấp, một cảm biến thông thường (không chuyên dụng) là thích hợp. Cảm biến này cần có dải tuyến tính đến ít nhất 500g và khả năng chịu chấn động phải xấp xỉ đến 500g. Trong trường hợp này, thông thường một cảm biến IEPE sẽ được lựa chọn do chúng ít khi cho các phép đo sai lệch kể cả khi cáp nối không cố định. Và người sử dụng cũng được khuyến cáo nên sử dụng một bộ khuyếch đại với một bộ lọc thông thấp để làm giảm sự cộng hưởng của cảm biến.

Hình 3: một cảm biến gia tốc dùng để kiểm tra va chạm của ô tô đóng gói theo tiêu chuẩn công nghiệp

Đối với những thí nghiệm kiểm tra va chạm ô tô, một kiểu kiểm tra chấn động đặc thù, thường các cảm biến áp trở sẽ được sử dụng (Hình 3)
Đối với những phép đo chấn động trường xa, lựa chọn thích hợp sẽ là một cảm biến gia tốc kiểu - trượt đặc biệt với một bộ lọc điện tử tích hợp bên trong. Những cảm biến này thường là những cảm biến loại IEPE trọng lượng nhẹ với những đầu nối hợp kim. Bộ lọc điện tử sẽ triệt tiêu tần số cộng hưởng của cảm biến để tránh sự quá tải cho các thiết bị số - tương tự.
Những phép đo trường gần thường xuyên vượt quá 20.000g. Việc lựa chọn cảm biến sẽ phụ thuộc vào loại thí nghiệm được thực hiện và trường hợp này thông thường sẽ cần đến các cảm biến chuyên dụng loại áp điện (kiểu - tĩnh - điện và IEPE) hoặc loại áp trở (Hình 4). Tuy nhiên đối với phần lớn các phép đo loại này, thích hợp nhất là lựa chọn một cảm biến gia tốc IEPE với những đặc trưng tương tự như một cảm biến gia tốc trường xa, cộng thêm một bộ lọc cơ học nội. Bộ lọc cơ học này sẽ đảm bảo an toàn cho cảm biến và nói chung sẽ triệt tiêu độ dịch điểm không.

Hình 4: Một kiểu cảm biến gia tốc chấn động trường gần với bộ lọc cơ tích hợp bên trong có đầu gắn loại 1/4 - 28

Bài báo này không nhằm miêu tả một cách chi tiết thế nào là độ dịch điểm không, tuy nhiên có thể hiểu một cách đơn giản là hiện tượng dịch điểm không xảy ra khi mốc thời gian không quay lại đúng mức gia tốc bằng 0 sau khi chấn động xay ra. Độ dịch này gây ra sự méo dữ liệu khi thực hiện lấy tích phân. Hiện tượng dịch điểm không hiếm khi xảy ra khi sử dụng cảm biến gia tốc áp trở.
Cũng giống như với trường hợp đo rung động, đáp ứng tần số là một thông số quan trọng đối với đo chấn động. Nói chung, một cảm biến đo chấn động phải có một dải đáp ứng tần số rộng (điển hình phải là 10kHz), phụ thuộc vào thí nghiệm được thực hiện là gì.



Newer news items:
Older news items:

 

Hỗ trợ online

Hỗ trợ Web
Mr Phương: 0988906030

Liên kết & Quảng cáo


 
 
 

logost new




 


 



Nhà tài trợ


Sửa biến tần

Mới cập nhật

Tìm kiếm

Quảng cáo&Liên kết