Gia tốc và Cảm biến đo gia tốc là gì?

16/01/2023 - Dịch Vụ Bách Khoa - 177

GIA TỐC LÀ GÌ?

Gia tốc là vận tốc mà tốc độ của một vật đổi khác so với thời hạn ( nó là đạo hàm của vectơ tốc độ dưới dạng một hàm của thời hạn a = dv / dt ). Nó là tác dụng Net của bất kể và toàn bộ những lực ảnh hưởng tác động lên một vật thể .

Nhìn chung, chúng ta sẽ có hai định nghĩa đo lường cơ bản cho gia tốc:
Gia tốc do rung động của đối tượng được thử nghiệm
Gia tốc là kết quả của sự thay đổi vận tốc của vật thể, như một phương tiện (ô tô, máy bay)

Có một sự độc lạ lớn trong việc thực thi hai mục tiêu thống kê giám sát này. Thông tin quan trọng nhất, khi đo gia tốc rung động, là phần động của tín hiệu ( đối tượng người dùng không hoạt động ). Khi đo năng lực vào cua hoặc tăng cường / phanh của xe, hiệu quả quan trọng nhất là phần tĩnh của tín hiệu dẫn đến sự biến hóa vận tốc .

Do đó, các cảm biến để đo sự thay đổi chuyển động của xe phải có khả năng đo gia tốc tĩnh (như trọng lực) trong khi các cảm biến đo rung động thường loại bỏ phần tĩnh khỏi kết quả đã được thiết kế bên trong cảm biến.

Bạn đang đọc: Gia tốc và Cảm biến đo gia tốc là gì?

Tốc độ là đạo hàm của độ di dời ( v = ds / dt ), tất cả chúng ta cũng hoàn toàn có thể đo gia tốc bằng phép toán đạo hàm tốc độ và đạo hàm 2 lần độ di dời. Đây là một trường hợp thực tiễn khi đo sự di dời bề mặt bằng cách sử dụng những đầu dò dòng điện xoáy hoặc laze .
Nó cũng rất phổ cập khi bạn cũng sử dụng phép đo gia tốc để đo tốc độ và độ di dời .
Các nguyên tắc tích phân là khác nhau. Khi tích phân hoạt động của một chiếc xe, gia tốc tĩnh sẽ dẫn đến sự đổi khác của tốc độ ( và độ di dời ). Chúng ta cần biết rằng khi phép đo gia tốc có sai số, tác dụng vận tốc và khoảng cách cũng sẽ bị lệch. Những độ lệch này phụ thuộc vào vào chất lượng của cảm biến gia tốc. Ví dụ, với những cảm biến chất lượng cao, tàu ngầm hoàn toàn có thể chạy trong nhiều tuần mà vẫn thống kê giám sát được vị trí đúng chuẩn của chúng. Thông thường, chúng tôi sử dụng một cảm biến khác để bù lỗi. Một trong những tổng hợp cảm biến được sử dụng rất liên tục là cảm biến gia tốc / tỷ suất rẽ / cảm biến GPS .
Khi đo rung động, phần tĩnh không quan trọng và do đó phải được vô hiệu khi tích phân bằng những bộ lọc tần số cao .
Các phép đo gia tốc được chia thành những loại sau :

Dao động- một vật được cho là dao động khi nó thực hiện một chuyển động dao động về một vị trí cân bằng. Rung động được tìm thấy trong môi trường vận chuyển và hàng không vũ trụ hoặc được mô phỏng bởi một hệ thống máy lắc.

Sốc- một kích thích đột ngột thoáng qua của một cấu trúc nói chung là kích thích cộng hưởng của cấu trúc.

Chuyển động- chuyển động là một sự kiện chuyển động chậm như chuyển động của cánh tay rô bốt hoặc phép đo hệ thống treo của ô tô.

Địa chấn- Đây là một chuyển động hoặc rung động tần số thấp. Phép đo này thường yêu cầu một gia tốc kế độ phân giải cao có độ ồn thấp chuyên dụng.

CẢM BIẾN ĐO GIA TỐC LÀ GÌ?

Cảm biến đo gia tốc hay còn gọi là gia tốc kế là thiết bị tạo ra những tín hiệu điện ( điện áp, điện tích, … ) tương ứng với gia tốc đã trải qua. Có 1 số ít kỹ thuật để quy đổi gia tốc thành tín hiệu điện. Chúng tôi sẽ đưa ra một cái nhìn tổng quát về hầu hết những trường hợp đó và sau đó xem xét sơ qua một vài phần khác .

NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA CÁC CẢM BIẾN ĐO GIA TỐC:

Hầu hết những cảm biến đo gia tốc đều dựa trên định luật thứ nhất và thứ hai của Hooke và Newton .
Định luật Hooke phát biểu rằng lực F thiết yếu để lê dài hoặc nén một lò xo tỷ suất với sự biến hóa của khoảng cách x theo thông số k ( một thông số đặc trưng không đổi của lò xo ). Phương trình là F = k * x .
Định luật I của Newton phát biểu rằng một vật thể đứng yên hoặc liên tục hoạt động với tốc độ không đổi trừ khi bị ảnh hưởng tác động bởi một lực khác. Định luật thứ hai của ông phát biểu rằng lực F do một vật hoạt động tạo ra bằng khối lượng của nó m nhân với gia tốc a, cho phương trình F = m * a .

Cách chung nhất, để tận dụng các định luật này, là treo một khối lượng lên một lò xo từ một khung bao quanh khối lượng (như trong hình bên dưới). Khi khung bị lắc, nó bắt đầu chuyển động, kéo theo khối lượng cùng với nó. Nếu khối lượng chịu cùng gia tốc với khung thì cần phải có một lực tác dụng lên khối lượng thì lò xo mới dãn ra. Chúng ta có thể sử dụng bất kỳ đầu dò dịch chuyển nào (chẳng hạn như đầu dò điện dung) để đo độ lệch này.
Gia tốc kế chung bao gồm một khối lượng, một lò xo hoặc một hệ thống tương tự và một bộ chuyển đổi độ dịch chuyển:

Xem thêm: Flycam giá rẻ nên mua loại nào – Linh kiện RC

CÁC LOẠI CẢM BIẾN ĐO GIA TỐC:

Gia tốc kế được phong cách thiết kế bằng cách sử dụng những nguyên tắc cảm biến khác nhau. Dưới đây là tổng quan nhanh và tóm tắt để bạn hiểu rõ hơn về chúng :

Áp điện- Hoạt động dựa trên khả năng thay đổi điện thế của vật liệu áp điện khi bị căng thẳng. Chúng cung cấp những lợi thế độc đáo, so với các cảm biến đo gia tốc khác. Chúng có dải động rộng, độ tuyến tính tuyệt vời, dải tần rộng (từ vài Hz đến 30 kHz), là loại cảm biến đo gia tốc duy nhất có khả năng đo gia tốc xen kẽ, nhưng không có khả năng đo phản ứng DC. Vì chúng không có bộ phận chuyển động nên độ bền được tăng lên. Và không giống như các cảm biến khác, chúng không yêu cầu nguồn điện bên ngoài.

Piezoresistive- Hoạt động tương tự như vật liệu áp điện, với sự khác biệt là nó thay đổi điện trở của vật liệu chứ không phải điện thế. Các cảm biến này có khả năng đo lên đến ± 1000 G, có phản hồi DC thực và thường được sử dụng trong các cấu trúc được gia công vi mô.

Điện dung- Các vi mạch điện tử được tích hợp tụ điện, gia tốc thay đổi đồng nghĩa với việc giá trị điện dung trong mạch điện tử thay đổi. Cảm biến thường được gắn lên bảng mạch. Khi cảm biến có gia tốc, khoảng cách giữa những tấm tụ điện biến hóa, màng ngăn trong cảm biến vận động và di chuyển, từ đó làm đổi khác điện dung. Tần số rung động đo được của cảm biến là nhỏ, chỉ trong khoảng chừng vài trăm Hz, nhưng hoàn toàn có thể được cải tổ và đủ dùng cho những ứng dụng đại trà phổ thông của thiết bị. Cảm biến tương thích với những thiết bị thụ động hoặc hiệu suất thấp. Chúng được sử dụng phổ biến nhất trong các cảm biến đo gia tốc MEMS (Micro-Electro-Mechanical System).

Điện thế – Cánh tay gạt (wiper arm) của chiết áp được gắn vào khối lượng lò xo, dẫn đến sự thay đổi hoặc lực cản khi lò xo chuyển động. Tần số tự nhiên của các thiết bị này thường nhỏ hơn 30 Hz, giới hạn chúng ở các phép đo rung động tần số thấp. Ứng dụng các phép đo tần số từ 0 Hz (phản hồi DC)

Hiệu ứng Hall- Một nam châm được gắn vào một lò xo, khi có lực tác dụng vào, nó sẽ chuyển động gây ra sự thay đổi điện trường của phần tử Hall.

Magneto resistive- Hoạt động tương tự như cảm biến hiệu ứng Hall, với sự khác biệt là phần tử trở kháng từ được sử dụng thay cho phần tử Hall.

Cách tử sợi quang Bragg- Bất kỳ sự thay đổi nào về độ lớn cách tử của sợi quang dẫn đến sự thay đổi của bước sóng Braggs, từ đó chúng ta có thể tính toán gia tốc.

Truyền nhiệt- Một nguồn nhiệt duy nhất được đặt ở tâm trong một chất nền. Các điện trở nhiệt được đặt cách đều nhau ở cả bốn phía của nguồn nhiệt. Khi cảm biến được tăng tốc, gradient nhiệt sẽ không đối xứng vì sự truyền nhiệt đối lưu.

CẢM BIẾN ĐO GIA TỐC HOẠT ĐỘNG TRÊN NGUYÊN LÝ ÁP ĐIỆN

Áp điện là khả năng của một số vật liệu (đặc biệt là tinh thể và một số đồ gốm – vật liệu áp điện đã biết như thạch anh, tourmaline, gốm (PTZ), GAPO4, …) tạo ra một điện thế để phản ứng với ứng suất cơ học. Điều này có thể ở dạng sự phân tách điện tích qua mạng tinh thể. Nếu vật liệu không bị đoản mạch, điện tích đặt vào sẽ tạo ra một hiệu điện thế trên vật liệu. Các vật liệu tạo ra điện tích khi có lực tác dụng lên chúng sẽ thể hiện cái gọi là hiệu ứng áp điện.
Cảm biến đo gia tốc áp điện yêu cầu bộ khuếch đại điện tích bên ngoài để điều hòa tín hiệu được gọi là cảm biến đo gia tốc chế độ điện tích. Cảm biến đo gia tốc áp điện chế độ điện áp được tích hợp sẵn mạch điện tử bên trong để chuyển đổi tín hiệu điện tích trở kháng cao thành tín hiệu điện áp trở kháng thấp được gọi là IEPE. IEPE đã được chấp nhận làm tiêu chuẩn bởi các nhà sản xuất cảm biến, máy phân tích và thu thập dữ liệu trong ngành. Cảm biến áp điện thường được sử dụng trong phân tích phương thức, sàng lọc ứng suất môi trường, sự kiện bắn pháo hoa, kiểm tra độ rung trên mặt đất của máy bay, kiểm tra chuyến bay của máy bay cũng như bảo trì dự đoán và phòng ngừa.

Cảm biến đo gia tốc IEPE:

Tất cả những cảm biến đo gia tốc chính sách điện áp này đều được cấp nguồn bởi điện áp một chiều được kiểm soát và điều chỉnh và dòng điện kích thích cảm biến không đổi từ 2 đến 20 mA trên sơ đồ hai dây đơn thuần. Thiết bị điện tử tích hợp quy đổi tín hiệu điện tích trở kháng cao do vật tư áp điện tạo ra thành tín hiệu điện áp trở kháng thấp hoàn toàn có thể sử dụng được ngay bên trong đầu dò. Vì đầu ra có trở kháng thấp, tín hiệu hoàn toàn có thể được truyền qua khoảng cách cáp dài và được sử dụng trong môi trường tự nhiên bẩn hoặc thiên nhiên và môi trường nhiễu với chất lượng tín hiệu được bảo toàn đáng kể. Cảm biến IEPE cần nguồn điện 4 mA hoặc 8 mA và chúng thường phát ra tín hiệu 5 vôn, do đó, việc truyền những tín hiệu này qua cáp dài hơn sẽ thuận tiện hơn nhiều. Ngoài ra, bộ khuếch đại cho những cảm biến này dễ sản xuất hơn nhiều và do đó, rẻ hơn so với những cảm biến áp điện thông thường. Dải đo khá hạn chế ở khoảng chừng 100 g

Cảm biến đo gia tốc dạng điện tích (Charge):

trái lại với IEPE, những cảm biến dạng điện tích không cần điện áp kích thích từ bên ngoài, những thành phần cảm biến sẽ xuất ra 1 điện tích khi bị tác động ảnh hưởng bởi lực, những điện tích này có trở kháng cao thế cho nên tín hiệu điện tích rất nhạy cảm với nhiễu từ môi trường tự nhiên xung quanh và cần triển khai một số ít giải pháp phòng ngừa quan trọng để có những phép đo tương thích, đặc biệt quan trọng tín hiệu điện tích trong cảm biến chỉ truyền được trong khoảng cách ngắn và nhu yếu cáp phải có năng lực chống nhiễu tốt. Các vật tư áp điện bên trong cảm biến không hề giữ những tín hiệu điện tích trong thời hạn dài thế cho nên nó chỉ tương thích cho những ứng dụng đo nhanh, nói cách khác, nó chỉ cảm nhận những sự kiện động ( lên tới hàng nghìn g ) và do đó không hề được sử dụng để đo gia tốc DC chỉ đo được những gia tốc có tần số từ 50% hoặc vài Hz. Với phong cách thiết kế bên trong là thành phần cảm biến có năng lực chịu nhiệt độ cao nên những cảm biến điện tích được sử dụng trong những thiên nhiên và môi trường có nhiệt độ rất lớn

So sánh cảm biến IEPE vs Charge:

CẢM BIẾN ĐO GIA TỐC TĨNH- CẢM BIẾN MEMS:

Xem thêm: Bán Linh Kiện Điện Tử Giá Rẻ Nhất Tại Tphcm

Cả hai loại cảm biến điện tích và IEPE đều có một hạn chế chung: chúng không thể đo gia tốc tĩnh. Chúng thường bắt đầu đo từ 0,3 Hz đến 10 Hz, tùy thuộc vào cảm biến. Đối với các phép đo tĩnh hoặc tần số rất thấp, người dùng cần sử dụng một loại cảm biến khác. Một loại rất phổ biến là cảm biến MEMS. Chúng có độ nhạy tuyệt vời và cơ chế truyền dẫn không nhạy cảm với nhiệt độ.
Gia tốc kế MEMS điển hình bao gồm khối lượng bằng chứng có thể di chuyển được với các tấm được gắn vào hệ thống treo cơ học với hệ quy chiếu, như thể hiện trong hình dưới đây: