Cam Bien Do Van Toc Gia Toc Va Rung

8/3/2019 Cam Bien Do Van Toc Gia Toc Va Rung

http://slidepdf.com/reader/full/cam-bien-do-van-toc-gia-toc-va-rung 1/18

-108-

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 cñam¸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, çc 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 çc 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:

dt

de

Φ−=

Th«ng th− êng tõ th«ng qua phÇn øng cã d¹ng:

( ) ( )xFx 0Φ=Φ

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:

dt

dx

dx

)x(dFe 0Φ−=

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 çc phÇn

trong suèt xen kÏ çc 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



-109-

- 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.

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 çc r·nh song

song víi trôc quay vµ çch ®Òu nhau. Trong çc r·nh ®Æt çc d©y dÉn b»ng ®ång gäilµ d©y chÝnh, çc d©y chÝnh ®− îc nèi víi nhau tõng ®«i mét b»ng çc d©y phô. Cæ

gãp lµ mét h×nh trô trªn mÆt cã g¾n çc l¸ ®ång çch ®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:

dt

d

ei

i

φ

−=

Trong ®ã dφi lµ tõ th«ng mµ d©y dÉn c¾t qua trong thêi gian dt:

iNcici BdSBdSdd ==φ

dSc lµ tiÕt diÖn bÞ c¾t trong kho¶ng thêi gian dt:

rdtllvdtdS c ω==

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:

iNi rlBe ω−=

H×nh 7.1 S¬ ®å cÊu t¹o cña m¸y ph¸t dßng mét chiÒu1) Stato 2) R«to 3) Cæ gãp 4) Chæi quÐt

1

N S

2

34



- 110 -

SuÊt ®iÖn ®éng øng víi mét nöa sè d©y ë bªn ph¶i ®− êng trung tÝnh:

00p nNN2

E φ−=φπω

−=

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:

0t nNE φ= (7.1)

Nguyªn t¾c nèi d©y lµ nèi thµnh hai côm, trong mçi côm çc 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

çc cuén d©y bè trÝ çch ®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.

tsinEe Ω= (7.2)

Trong ®ã ω= 1KE , ω=Ω 2K , K1 vµ K2 lµ çc th«ng sè ®Æc tr−

ng cho m¸y ph¸t.

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:

Ω+= iii jLRZ

H×nh 7.2 S¬ ®å cÊu t¹o cña m¸y ph¸t ®ång bé1) Stato 2) R«to

N

S

N

N

S

S1

21

2



-111-

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:

( ) ( ) ( ) ( )2i2

2i

1

2i

2i LKRR

RK

LRR

REU

ω++

ω=

Ω++= (7.3)

Tõ biÓu thøc (7.3), ta thÊy ®iÖn ¸p U kh«ng ph¶i lµ hµm tuyÕn tÝnh cña tèc ®équay 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 çch ®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 tcosVV eec ω= .

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:

( ) ( )ϕ+ωω=ϕ+ω= tcosVktcosEe eeemm

ω

2

3

2

Ve

em

H×nh 7.3 S¬ ®å cÊu t¹o m¸y ph¸t kh«ng ®ång bé1) Cuén kÝch 2) R«to 3) Cuén ®o



-112-

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.

SuÊt ®iÖn ®éng xuÊt hiÖn trong cuén d©y cã d¹ng:

lBvrNBv2e =π=

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 − îcchiÒu 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.

H×nh 7.4 C¶m biÕn dïng cuén d©y di ®éng1) Nam ch©m 2) Cuén d©y

NS S

v

1

2



-1 1 3 -

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− êita 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 çc 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 çch

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

1

H×nh 7.6 S¬ ®å cÊu t¹o cña c¶m biÕn tõ trë biÕn thiªn1) §Üa quay (b¸nh r¨ng) 2) Cuén d©y 3) Nam ch©m vÜnh cöu

Khe tõ

H×nh 7.5 C¶m biÕn cã lâi tõ di dénga) CÊu t¹o b) S¬ ®å nguyªn lý

1) Nam ch©m 2) Cuén d©y

v

1 2

a)b)



-1 1 4 -

TÇn sè cña suÊt ®iÖn ®éng trong cuén d©y x¸c ®Þnh bëi biÓu thøc:

pnf =

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 çch gi÷a cuén d©y vµ ®Üa quay: kho¶ng çch 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 çc lç bè trÝ çch ®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.

Trong çc c¶m biÕn quang ®o tèc ®é, ng− êi ta còng cã thÓ dïng ®Üa quay cã

çc 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.

1 2

3

4

H×nh 7.7 S¬ ®å nguyªn lý cña tèc ®é kÕ quang1) Nguån s¸ng 2) ThÊu kÝnh héi tô 3) §Üa quay 4) §Çu thu quang



-1 1 5 -

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.

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 çch xö lý th«ng tin thu ®− îc. Çch 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. Çc 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.

H×nh 7.8 S¬ ®å nguyªn lý m¸y ®o gãc tuyÖt ®èi

sin

cos

θ

U0sinωt

UU0sinωtcosθ

UU0sinωtsinθ

sin

cos

a) b)

t

t



-1 1 6 -

Çch 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 çp 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¬.

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:

Y

X

Y’

Z

Z’

X’ ω

H×nh 7.9 S¬ ®å nguyªn lý ®æi h− íng kÕ dïng con quay håi chuyÓn1) Con quay håi chuyÓn 2) Khung ®éng 3) Lß xo 4) §iÖn thÕ kÕ

1

2

34



-1 1 7 -

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 çc gi¸ trÞ vµo c«ng thøc (7.4) ta cã c«ng thøc x¸c ®Þnh gãc α:

k

Hω=α (7.5)

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.

Çc th«ng sè cña m¸y ®o nh− sau:

- D¶i ®o tõ ± 7o /s ®Õn ± 360o /s.

- Sai lÖch khái ®é tuyÕn tÝnh <± 1,5% cña d¶i ®o.

b) §æi h− íng kÕ quang

§æi h− íng kÕ quang gåm nguån ph¸t chïm tia laze (1), cuén d©y sîi quang (2)

cã chiÒu dµi L quÊn thµnh vßng b¸n kÝnh R quay víi cïng vËn tèc gãc ω víi vËt

quay.

Chïm tia xuÊt ph¸t tõ nguån ph¸t (1) qua b¶n ph©n t¸ch (3) t¹o thµnh hai chïm

tia truyÒn theo hai h− íng ng− îc nhau trong sîi çp quang. Khi ra khái çp, do

qu¶ng ®− êng truyÒn sãng kh¸c nhau, hai tia lÖch pha nhau, ®é lÖch pha gi÷a hai

chïm tia b»ng:

c

RL4

λωπ

=∆Φ (7.6)

λ - b− íc sãng tia laze.

H×nh 7.10 S¬ ®å nguyªn lý ®æi h− íng kÕ quang dïng laze vµ çp quang1) Nguån ph¸t laze 2) Çp quang 3) B¶n ph©n t¸ch 4) §Çu thu

1

2

3

4



-1 1 8 -

c - vËn tèc ¸nh s¸ng.

Trªn ®Çu thu (4) ta thu ®− îc hÖ v©n giao thoa cña hai chïm tia. B»ng çch ®Õm

sè v©n giao thoa ∆Z bÞ dÞch chuyÓn do çp quang quay, ta cã thÓ tÝnh ®− îc tèc ®é

quay theo c«ng thøc:

c

LR2Z λ

ω=∆ (7.7)

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 çc

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. Çc c¶m biÕn th− êng dïng lµ çc c¶m biÕn gia tèc ®o dÞch chuyÓn vµ c¶m

biÕn gia tèc ®o biÕn d¹ng.

- §o gia tèc rung cña çc 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 çc 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 çc 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× çc lý do:

- Nh»m khèng chÕ biªn ®é rung ®Ó tr¸nh g©y tiÕn ån cã h¹i cho søc khoÎ.



-1 1 9 -

- 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 çc ®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.

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:

0hhz −= (7.8)

Khi ®ã ph− ¬ng tr×nh c©n b»ng lùc cã d¹ng:

Czdt

dzF

dt

hdM

2

2

−−=

Cz - ph¶n lùc cña lß xo.

dt

dzF - lùc ma s¸t nhít.

bb’

h

h0

H×nh 7.11 S¬ ®å nguyªn lý c¶m biÕn ®o gia tèc vµ rung1) Khèi rung 2) Vá hép 3) PhÇn tö nh¹y c¶m 4) Gi¶m chÊn

M

a

1

2

3

4z



-120-

2

2

dt

hdM - lùc do gia tèc cña khèi M g©y nªn.

Hay:

Czdt

dzF

dt

zdM

dt

hdM

2

2

20

2

++=− (7.9)

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:

CzFpzzMphMp 20

2 ++=−

HoÆc:

1p2p

p

h

z

020

2

202

0 +ωξ+ω

ω−=

Víi:

00 f 2M

Cπ==ω lµ tÇn sè riªng cña M trªn lß xo cã ®é cøng C.

CM2

F=ξ lµ hÖ sè t¾t dÇn.

§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.

2121

2

1

S.Sm

s.

m

m

m

sS ===

Trong ®ã:



-121-

1

21

m

mS = lµ ®é nh¹y c¬ cña ®¹i l− îng ®o s¬ cÊp.

22

m

sS = lµ ®é nh¹y cña c¶m biÕn thø cÊp.

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.

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:

1p

2p

/ pph

zmmS

020

2

2

0

01

21

+ω

ξ+ω

ω−===

§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 çch ®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

i.l.Bf = t¸c ®éng lªn cuén d©y khi cuén d©y chuyÓn ®éng trong tõ tr− êng c¶m øng

H×nh 7.12 S¬ ®å nguyªn lý c¶m biÕn ®o vËn tèc rung1) Vá hép 2) Khèi rung 3) Lâi nam ch©m 4) Cuén d©y 5) Lß xo 6) Gi¶m chÊn

bb

M2

1

34

5

6



-122-

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:

( )dt

dz

R

1Blf 2=

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 çc gia tèc kÕ ¸p ®iÖn kiÓu nÐn.

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.

H×nh 7.13 S¬ ®å cÊu t¹o gia tèc kÕ ¸p ®iÖn kiÓu nÐn1) Khèi l− îng rung 2) PhiÕn ¸p ®iÖn 3) §ai èc 4) §Õ 5) Vá hép

1

2

3

4

5



-123-

b) §Æc tr− ng cña c¶m biÕn

§é nh¹y ®− îc biÓu diÔn bëi biÓu thøc:

21SSa

QS ==

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:

2

020

2

20

1

21

1

a

zS

⎟⎟ ⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

ωω

ξ+⎟⎟ ⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

ω

ω−ω

==

20

2

1

1dC

z

QS

⎟ ⎠

⎞⎜⎝

⎛ ωω

+

==

Trong ®ã:

d - h»ng sè ®iÖn m«i.

c - ®é cøng cña phÇn tö nh¹y c¶m.

τ=ω

1- tÇn sè t¾t d− íi cña hÖ thèng c¶m biÕn - m¹ch ®o.

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

H×nh 7.14 S¬ ®å cÊu t¹o gia tèc kÕ ¸p ®iÖn kiÓu uèn cong1) Khèi l− îng rung 2) PhiÕn ¸p ®iÖn 3) Vá hép

M

123



-124-

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 çch 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.

§é nh¹y cña c¶m biÕn ®− îc biÓu diÔn b»ng biÓu thøc:

εε

== m21

V.

aSSS

- §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:

ε=∆

= KeR

ReV ssm

Suy ra:

s2 KeS =

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:

⎟⎟ ⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

ωω

ξ+⎟⎟ ⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

ω

ω−

ω=

0

2

20

220

1

21

1AS

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:

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

1

2

3

4

bL

e

G

F

M



-125-

ML4

Yle3

3

0 =ω

3L

be5,1A =

Trong ®ã Y lµ m«®un Young.

Cam Bien Do Van Toc Gia Toc Va Rung

Documents