- LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan bản luận văn thạc sỹ kỹ thuật: “Nghiên cứu thiết bị đo tốc độ vòng quay sử dụng cảm biến gia tốc” do tôi tự thiết kế dƣới sự hƣớng dẫn của GS.TS Phạm Thị Ngọc Yến. - Kết quả thử nghiệm trên động cơ xoay chiều điều chỉnh tốc độ bằng biến tần. - Cấu tạo của cảm biến cảm ứng đo tốc độ quay. - Sơ đồ nguyên lý của tốc độ kế quang. - Một số dạng tín hiệu rung động. - Một số dạng cảm biến gia tốc áp điện. - Sơ đồ nguyên lý của cảm biến gia tốc kế áp trở. - Lõi của một gia tốc kế MEMS 3 trục. - Đồ thị thời gian – Tần số của tín hiệu rung. - Phổ tần của tín hiệu Chirp. - Phổ tần số của tín hiệu thu đƣợc từ cảm biến gia tốc. - Cách gắn cảm biến gia tốc lên vỏ máy. - Sơ đồ mạch chuẩn hóa tín hiệu. - Sơ đồ kết nối phần cứng thiết bị đo tốc độ vòng quay sử dụng cảm biến gia tốc. - Sơ đồ thử nghiệm trên động cơ xoay chiều điều chỉnh tốc độ bằng biến tần. - 12 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN ĐO TỐC ĐỘ VÀ ĐO LƢỜNG RUNG ĐỘNG. - 12 1.1 Các phƣơng pháp đo tốc độ động cơ. - 12 1.1.1 Sử dụng tốc độ kế vòng kiểu điện từ. - 12 1.1.2 Sử dụng tốc độ kế vòng loại xung. - 18 1.1.5 Sử dụng cảm biến gia tốc. - 27 CHƢƠNG 2: ĐO TỐC ĐỘ VÒNG QUAY CỦA ĐỘNG CƠ BẰNG CẢM BIẾN GIA TỐC. - 28 2.1 Tổng quan về các loại cảm biến gia tốc. - 28 2.1.1 Gia tốc kế quán tính. - 28 2.1.2 Gia tốc kế cơ điện. - 28 2.1.3 Gia tốc kế áp điện. - 29 2.1.4 Gia tốc kế áp trở. - 30 2.1.5 Gia tốc kế hiệu chuẩn ứng suất. - 31 2.1.6 Gia tốc kế tĩnh điện. - Gia tốc kế nhỏ và siêu nhỏ (MEMS. - 33 2.2 Các thông số kỹ thuật cơ bản của cảm biến gia tốc. - 43 2.4 Ứng dụng đo vận tốc vòng quay bằng cảm biến gia tốc. - 46 2.4.2 Cách gắn cảm biến gia tốc lên vỏ máy. - 48 PHẦN II: THIẾT KẾ THIẾT BỊ ĐO TỐC ĐỘ VÒNG QUAY SỬ DỤNG CẢM BIẾN GIA TỐC. - 54 3.2.1 Cảm biến gia tốc PV-41. - 67 4.1.3 Thử nghiệm trên động cơ xoay chiều điều chỉnh tốc độ sử dụng biến tần. - Hiện nay, các thiết bị đo tốc độ vòng quay sử dụng cảm biến quang, máy phát tốc đƣợc dùng rất nhiều trong công nghiệp và có độ chính xác cao. - Đề tài: “Nghiên cứu thiết bị đo tốc độ vòng quay sử dụng cảm biến gia tốc” nhằm góp phần bổ xung thêm phƣơng pháp đo tốc độ động cơ. - Chương I: Tổng quan đo tốc độ và đo lường rung động -15- Hình 1- 4. - 1.1.2.1 Cảm biến từ trở biến thiên (cảm biến cảm ứng) Chương I: Tổng quan đo tốc độ và đo lường rung động -16- Hình 1- 5. - Chương I: Tổng quan đo tốc độ và đo lường rung động Tốc độ kế quang (Encoder) Hình 1- 6. - Để đo tốc độ nhỏ (cỡ 0,1 vòng / phút) phải dùng đĩa có số lƣợng lỗ lớn lỗ). - Chương I: Tổng quan đo tốc độ và đo lường rung động -18- Hình 1- 7. - Chương I: Tổng quan đo tốc độ và đo lường rung động -20- Hình 1- 9. - Khi đã Chương I: Tổng quan đo tốc độ và đo lường rung động -24- xác định đƣợc gia tốc thì bằng phép lấy tích phân ta có thể xác định đƣợc vận tốc và dịch chuyển. - Phƣơng pháp đo rung kiểu cũ - Đầu dò (Eddy Current Proximity Probes) Chương I: Tổng quan đo tốc độ và đo lường rung động -26- Hình 1- 16. - Velocity Pickup Hiện nay phƣơng pháp đo lƣờng rung động phổ biến là sử dụng cảm biến gia tốc kiểu áp điện. - Trái tim của một cảm biến gia tốc là một miếng tinh thể áp điện. - Chương I: Tổng quan đo tốc độ và đo lường rung động Máy đo và phân tích rung động Hình 1- 17. - Một vật có khối lƣợng nhạy Chương 2: Đo tốc độ vòng quay của động cơ bằng cảm biến gia tốc -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 hƣởng của dịch chuyển. - Chương 2: Đo tốc độ vòng quay của động cơ bằng cảm biến gia tốc -30- Hình 2- 1. - 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. - Chương 2: Đo tốc độ vòng quay của động cơ bằng cảm biến gia tốc -31- Bình thƣờng khi chƣa có gia tốc, tấm đàn hồi đứng yên, các áp trở có trị số xác định và mạch cầu cân bằng. - 2.1.6.2 Gia tốc kế điện dung vi phân Chương 2: Đo tốc độ vòng quay của động cơ bằng cảm biến gia tốc -33- Nguyên tắc để thiết kế các gia tốc kế này là sự thay đổi điện dung tƣơng tứng với gia tốc tác dụng. - 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. - Việc đo các dịch chuyển này nhờ phƣơng pháp áp trở hoặc áp điện sử dụng công Chương 2: Đo tốc độ vòng quay của động cơ bằng cảm biến gia tốc -34- nghệ CMOS. - Chương 2: Đo tốc độ vòng quay của động cơ bằng cảm biến gia tốc -35- Hình 2- 4. - Chương 2: Đo tốc độ vòng quay của động cơ bằng cảm biến gia tốc -36- Hình 2- 5. - MKfN21 (16) K: là độ cứng M: khối lƣợng Chương 2: Đo tốc độ vòng quay của động cơ bằng cảm biến gia tốc -37- Từ công thức trên, ta thấy để tăng tần số tự nhiên, thì có thể tăng độ cứng hoặc giảm khối lƣợng. - Cơ bản nhất là FFT là phƣơng pháp chuyển Chương 2: Đo tốc độ vòng quay của động cơ bằng cảm biến gia tốc -38- đổi tín hiệu từ miền thời gian vào miền tần số. - Chương 2: Đo tốc độ vòng quay của động cơ bằng cảm biến gia tốc -39- Hình 2- 8. - Chương 2: Đo tốc độ vòng quay của động cơ bằng cảm biến gia tốc -40- Hình 2- 10. - Chương 2: Đo tốc độ vòng quay của động cơ bằng cảm biến gia tốc Phân tích trong miền thời gian - tần số Một trong những hạn chế của việc phân tích trong miền tần số là không mang thông tin về thời gian, điều này chỉ phù hợp với các tín hiệu tĩnh. - Tín hiệu có tần số giảm theo thời gian (bên trái) và tín hiệu có tần số tăng theo thời gian (bên phải). - Nếu phổ tần số FFT cho thấy tính tuần hoàn của tín hiệu trong thời gian tên miền, thì Cepstrum cho thấy tính tuần Chương 2: Đo tốc độ vòng quay của động cơ bằng cảm biến gia tốc -42- hoàn của một phổ tần . - Chương 2: Đo tốc độ vòng quay của động cơ bằng cảm biến gia tốc -43- Hình 2- 14. - Quá trình quá độ nhƣ vậy có thể xảy ra khi Chương 2: Đo tốc độ vòng quay của động cơ bằng cảm biến gia tốc -44- thiết bị thay đổi trạng thái, thay đổi tải.. - Sai số mô hình AR chỉ ra quá trình quá độ trong tín hiệu gốc 2.4 Ứng dụng đo vận tốc vòng quay bằng cảm biến gia tốc Máy móc, thiết bị hoạt động ở các mức độ khác nhau đều gây nên rung động. - Sự mất cân bằng động Mất đồng tâm trục Sự mài mòn Chương 2: Đo tốc độ vòng quay của động cơ bằng cảm biến gia tốc -45. - Sử dụng một gia tốc kế gắn trên vỏ động cơ ta sẽ thu đƣợc tín hiệu gia tốc và bằng phƣơng pháp phân tích phổ tín hiệu dao động ta sẽ xác định tần số cơ bản (tần số tại đó có biên độ dao động lớn nhất) hay chính là tần số quay f (Hz) của trục động cơ, từ đó suy ra đƣợc tốc độ vòng quay v (vòng/ phút) của động cơ 60 fv (10) Chương 2: Đo tốc độ vòng quay của động cơ bằng cảm biến gia tốc -46- Hình 2- 17. - Phổ tần số của tín hiệu thu đƣợc từ cảm biến gia tốc 2.4.1 Thuật toán Phân tích tần số là một phƣơng pháp phổ biến đƣợc sử dụng trong nhiều ứng dụng xử lý tín hiệu, bao gồm cả điện, kỹ thuật cơ khí, âm thanh và các phép đo rung động. - Chương 2: Đo tốc độ vòng quay của động cơ bằng cảm biến gia tốc -47- Hình 2- 18. - Chương 2: Đo tốc độ vòng quay của động cơ bằng cảm biến gia tốc Cách gắn cảm biến gia tốc lên vỏ máy Hầu hết tất cả các máy moto, bơm, máy nén, quạt, băng tải, hộp số… đều liên quan đến các cơ cấu chuyển động quay. - Mô hình kiến trúc chuẩn cho thiết bị đo Cảm biến gia tốc đƣợc gắn trên vỏ của động cơ sẽ chuyển đổi tín hiệu rung nhận đƣợc thành tín hiệu gia tốc theo thời gian. - Cảm biến gia tốc Mạch đo Xử lý Hiển thị Chương3: Thiết kế thiết bị đo tốc độ vòng quay của động cơ sử dụng cảm biến gia tốc -54- Khối xử lý tín hiệu thực hiện các bƣớc lọc nhiễu, định dạng và tính toán các thông số yêu cầu bao gồm tần số trục quay, tốc độ vòng quay của động cơ và biên độ rung. - Cảm biến PV-41 là cảm biến gia tốc kiểu áp điện hoạt động theo nguyên lý Shear – Cắt. - Cảm biến PV-41 của Rion Chương3: Thiết kế thiết bị đo tốc độ vòng quay của động cơ sử dụng cảm biến gia tốc -55- Các đặc tính kỹ thuật. - Gia tốc lớn nhất có thể đo: 2000 m/s2 (giá trị đỉnh). - Cung cấp điện áp 24VDC với dòng cố định 4mA cho cảm biến gia tốc có tiền khuếch đại. - Khuếch đại tín hiệu điện áp từ cảm biến gia tốc với hệ số khuếch đại K = 100 để đƣa về bộ chuyển đổi tín hiệu USB 6008. - kênh đơn: ±2 V Chương3: Thiết kế thiết bị đo tốc độ vòng quay của động cơ sử dụng cảm biến gia tốc -56. - Sơ đồ khối NI USB-6008 Chương3: Thiết kế thiết bị đo tốc độ vòng quay của động cơ sử dụng cảm biến gia tốc Sơ đồ chân Hình 3- 5. - Đo tín hiệu rung động từ vỏ máy. - Chương3: Thiết kế thiết bị đo tốc độ vòng quay của động cơ sử dụng cảm biến gia tốc -59- Trong đó. - Rate: tần số lấy mẫu tín hiệu. - Chương3: Thiết kế thiết bị đo tốc độ vòng quay của động cơ sử dụng cảm biến gia tốc -60. - Chương3: Thiết kế thiết bị đo tốc độ vòng quay của động cơ sử dụng cảm biến gia tốc -61- Khối Tone Measurements với chức năng lấy các thành phần: biên độ, tần số, pha của chuỗi tín hiệu. - Chương3: Thiết kế thiết bị đo tốc độ vòng quay của động cơ sử dụng cảm biến gia tốc -62- Toán tử nhân với các toán hạng x,y có thể là một số thực, nguyên, véc tơ hoặc ma trận,v..v… Từ giá trị tần số rung động đo đƣợc, vận tốc vòng quay đƣợc tính theo công thức: 60 fv (18) Trong đó. - v: Tốc độ vòng quay v/ph. - f: tần số đo đƣợc. - Chương3: Thiết kế thiết bị đo tốc độ vòng quay của động cơ sử dụng cảm biến gia tốc -63- Giao diện phần mềm Tachometer gồm các thành phần sau. - Đồ thị hiển thị tín hiệu đo trong miền tần số. - SampleRate: tần số lấy mẫu tín hiệu. - Sơ đồ thử nghiệm trên động cơ xoay chiều điều chỉnh tốc độ bằng biến tần 1 - Cảm biến gia tốc PV-41 2- Thiết bị đo tốc độ vòng quay sử dụng cảm biến quang 3 - Cảm biến quang - Gắn cảm biến gia tốc PV-41 của DUT lên vỏ của bộ tạo tốc độ vòng quay mẫu bằng băng dính hai mặt. - Kết quả đo trên động cơ xoay chiều có sai số cao hơn do tín hiệu rung động thu đƣợc là tổ hợp của nhiều tần số và tốc độ động cơ không ổn định, đồng thời biên độ tín hiệu nhỏ (biên độ cao nhất đo đƣợc là 0,03 g) và cảm biến gia tốc sử dụng có độ nhạy thấp khoảng 10mV/g. - Thiết kế thiết bị đo cho những nhóm động cơ có tốc độ quay khác nhau. - Tìm hiểu và nghiên cứu về các phƣơng pháp đo tốc độ vòng quay của động cơ, các phƣơng pháp đo độ rung. - Đặc biệt là phƣơng pháp đo tốc độ động cơ sử dụng cảm biến gia tốc. - Tìm hiểu tƣơng đối kỹ về các bộ thu thập DAQ cũng nhƣ các loại cảm biến gia tốc
Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn hoặc xem
Tóm tắt