-108-
Chơng VII
cảm biến vận tốc, gia tốc và rung
7.1. Cảm biến đo vận tốc
7.1.1. Nguyên lý đo vận tốc
Trong công nghiệp, phần lớn trờng hợp đo vận tốc là đo tốc độ quay của
máy. Độ an toàn cũng nh chế độ làm việc của máy phụ thuộc rất lớn vào tốc độ
quay. Trong trờng hợp chuyển động thẳng, việc đo vận tốc dài cũng thờng đợc
chuyển về đo tốc độ quay. Bởi vậy, các cảm biến đo vận tốc góc đóng vai trò quan
trọng trong việc đo vận tốc.
Để đo vận tốc góc thờng ứng dụng các phơng pháp sau đây:
-
Sử dụng tốc độ kế vòng kiểu điện từ: nguyên lý hoạt động dựa trên hiện tợng
cảm ứng điện từ. Cảm biến gồm có hai phần: phần cảm (nguồn từ thông) và phần
ứng (phần có từ thông đi qua). Khi có chuyển động tơng đối giữa phần cảm và
phần ứng, từ thông đi qua phần ứng biến thiên, trong nó xuất hiện suất điện động
cảm ứng xác định theo công thức:

dt
d
e

=

Thông thờng từ thông qua phần ứng có dạng:

() ()
xFx
0
=
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 đợc 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 đợc 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:

dt
d
e
i
i

=
Trong đó d

i
là từ thông mà dây dẫn cắt qua trong thời gian dt:

iNcici
BdSBdSdd ==


Suất điện động ứng với một nửa số dây ở bên phải đờng trung tính:

00p
nNN
2
E =


=

N - tổng số dây chính trên roto.
n - số vòng quay trong một giây.


0
- là từ thông xuất phát từ cực nam châm.
Tơng tự tính đợc suất điện động ứng với một nửa số dây ở bên trái:

0t
nNE =
(7.1)
Nguyên tắc nối dây là nối thành hai cụm, trong mỗi cụm các dây mắc nối tiếp
với nhau, còn hai cụm thì mắc ngợc pha nhau.
b) Tốc độ kế dòng xoay chiều
- Máy phát đồng bộ:
Sơ đồ cấu tạo của một tốc độ kế dòng xoay chiều kiểu máy phát đồng bộ biểu
diễn trên hình 7.2.
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

.
-
Xác định

từ biên độ suất điện động:
Cuộn cảm ứng có trở kháng trong:

+=
iii
jLRZ

Hình 7.2 Sơ đồ cấu tạo của máy phát đồng bộ
1) Stato 2) Rôto
N
S
N
N
S
S
1
2
1
2

-111-
Trong đó R
i
, L
i
là điện trở và tự cảm của cuộn dây. Điện áp ở hai đầu cuộn ứng với

Điện áp ở đầu ra đợc chỉnh lu 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
: phơng pháp này có u điểm là
tín hiệu có thể truyền đi xa mà sự suy giảm tín hiệu không ảnh hởng tới độ chính
xác của phép đo.
- Máy phát không đồng bộ:
Cấu tạo của máy phát không đồng bộ tơng tự nh động cơ không đồng bộ hai
pha (hình 7.3).
Roto là một đĩa hình trụ kim loại mỏng và dị từ quay cùng tốc độ với trục cần
đo, khối lợng 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 đợc cung cấp điện áp V
c
có biên độ V
e
và tần số
e
ổn định
tcosVV
eec
=
.
chuyển thành đo vận tốc góc. Trờng hợp đo vận tốc của dịch chuyển thẳng nhỏ có
thể dùng cảm biến vận tốc dài gồm hai phần tử cơ bản: một nam châm và một cuộn
dây. Khi đo, một phần tử đợc giữ cố định, phần tử thứ hai liên kết với vật chuyển
động. Chuyển động tơng đối giữa cuộn dây và nam châm làm xuất hiện trong cuộn
dây một suất điện động tỉ lệ với vận tốc cần đo.
Sơ đồ cảm biến có cuộn dây di động biểu diễn trên hình 7.4. Suất điện động xuất hiện trong cuộn dây có dạng:

lBvrNBv2e ==

N - số vòng dây.
r - bán kính vòng dây.
B - giá trị của cảm ứng từ.
v - tốc độ dịch chuyển của vòng dây.
l - tổng chiều dài của dây.
Tốc độ kế loại này đo đợc độ dịch chuyển vài mm với độ nhạy ~ 1V/m.s.
Khi độ dịch chuyển lớn hơn (tới 0,5 m) ngời ta dùng tốc độ kế có nam châm di
động (hình 7.5).
Cảm biến gồm một nam châm di chuyển dọc trục của hai cuộn dây quấn ngợc
chiều nhau và mắc nối tiếp. Khi nam châm di chuyển, suất điện động xuất hiện
trong từng cuộn dây tỉ lệ với tốc độ của nam châm nhng ngợc chiều nhau. Hai
cuộn dây đợc mắc nối tiếp và quấn ngợc chiều nên nhận đợc suất điện động ở

a) Tốc độ kế từ trở biến thiên
Cấu tạo của cảm biến từ trở biến thiên gồm một cuộn dây có lõi sắt từ chịu tác
động của một nam châm vĩnh cửu đặt đối diện với một đĩa quay làm bằng vật liệu
sắt từ trên đó có khía răng. Khi đĩa quay, từ trở của mạch từ biến thiên một cách
tuần hoàn làm cho từ thông qua cuộn dây biên thiên, trong cuộn dây xuất hiện một
suất điện động cảm ứng có tần số tỉ lệ với tốc độ quay.
3
2
1
Hình 7.6 Sơ đồ cấu tạo của cảm biến từ trở biến thiên
1) Đĩa quay (bánh răng) 2) Cuộn dây 3) Nam châm vĩnh cửu
Khe từ
Hình 7.5 Cảm biến có lõi từ di dộng
a) Cấu tạo b) Sơ đồ nguyên lý
1) Nam châm 2) Cuộn dây
v
1
2
a)
b)

Trong các cảm biến quang đo tốc độ, ngời ta cũng có thể dùng đĩa quay có
các vùng phản xạ ánh sáng bố trí tuần hoàn trên một vòng tròn để phản xạ ánh sáng
tới đầu thu quang.
1
2
3
4
Hình 7.7 Sơ đồ nguyên lý của tốc độ kế quang
1) Nguồn sáng 2) Thấu kính hội tụ 3) Đĩa quay 4) Đầu thu quang