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. Các số liệu và kết quả là hoàn toàn đúng với thực tế.
Để hoàn thành luận văn này tôi chỉ sử dụng các tài liệu đƣợc ghi trong danh
mục tài liệu tham khảo và không sao chép hay sử dụng bất kỳ tài liệu nào khác. Nếu
phát hiện có sự sao chép tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm.
Hà Nội, ngày 20 tháng 9 năm 2013
Tác giả luận văn
Nguyễn Thị Hằng
-2-
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
1. MEMS: Microelectromechanical Systems
2. LabVIEW: Laboratory Virtual Instrument Electronic Workbench
3. VI: Virtual Instrument
4. DAQ: Data Acquisition
5. NI: National Instruments
6. MAX: Measurement & Automation Explorer
7. DUT: Device under test
-3-
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2- 1. Phân tích tần số của một số nguyên nhân gây rung động ............................ 45
Bảng 4- 1. Kết quả thử nghiệm trên hệ thống tạo dao động sin chuẩn .......................... 66
Bảng 4- 2. Kết quả thực nghiệm trên động cơ xoay chiều ............................................. 68
Bảng 4- 3. Kết quả thử nghiệm trên động cơ xoay chiều điều chỉnh tốc độ bằng biến
tần ................................................................................................................................... 71
-4-
DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1- 1. Sơ đồ cấu tạo máy phát tốc một chiều ......................................................... 12
Hình 1- 2. Sơ đồ cấu tạo của máy phát tốc xoay chiều (đồng bộ) ................................. 13
Hình 1- 3. Cảm biến dùng cuộn dây di động ................................................................. 14
Hình 1- 4. Cảm biến có lõi từ di động ............................................................................ 15
Hình 1- 5. Cấu tạo của cảm biến cảm ứng đo tốc độ quay ............................................ 16
Hình 1- 6. Sơ đồ nguyên lý của tốc độ kế quang ........................................................... 17
Hình 1- 7. Sơ đồ nguyên lý máy đo góc tuyệt đối và tín hiệu đầu ra ............................ 18
Hình 1- 8. Sơ đồ nguyên lý đổi hƣớng kế dùng con quay hồi chuyển ........................... 19
Hình 1- 9. Sơ đồ nguyên lý đổi hƣớng kế quang dùng laze và cáp quang. ................... 20
Hình 1- 10. Một số dạng tín hiệu rung động .................................................................. 21
Hình 1- 11. Đồ thị biểu diền quan hệ giữa các giá trị Peak - Peak, RMS, Trung bình . 23
Hình 1- 12. Đồ thị chuyển đổi giữa các đại lƣợng gia tốc, vận tốc, dịch chuyển của
một tín hiệu rung hình sin .............................................................................................. 24
Hình 1- 13. Phƣơng pháp đo rung kiểu cũ - cảm nhận bằng giác quan ......................... 24
Hình 1- 14. Phƣơng pháp đo rung kiểu cũ - Tự ghi bằng cơ cấu cơ khí ....................... 25
Hình 1- 15. Phƣơng pháp đo rung kiểu cũ - Đầu dò (Eddy Current Proximity
Probes) ............................................................................................................................ 25
Hình 1- 16. Velocity Pickup........................................................................................... 26
Hình 1- 17. Sơ đồ nguyên lý của máy đo rung .............................................................. 27
Hình 1- 18. Sơ đồ nguyên lý của máy phân tích rung.................................................... 27
Hình 2- 1. Một số dạng cảm biến gia tốc áp điện .......................................................... 30
Hình 2- 2. Sơ đồ nguyên lý của cảm biến gia tốc kế áp trở ........................................... 30
Hình 2- 3. Các bƣớc vi gia công để sản xuất các gia tốc kế nhỏ và siêu nhỏ ................ 34
Hình 2- 4. Lõi của một gia tốc kế MEMS 3 trục ........................................................... 35
Hình 2- 5. Trọng lƣợng của cảm biến và cơ cấu rung ................................................... 36
Hình 2- 6. Đồ thị thời gian – Tần số của tín hiệu rung .................................................. 37
Hình 2- 7. Phổ tần của tín hiệu Chirp ............................................................................ 38
-5-
Hình 2- 8. Sự kiện thoáng qua ở tín hiệu 2 không thấy đƣợc ở phổ tần số.................... 39
Hình 2- 9. Phổ tần tại hộp số của tuabin gió tại tốc độ quay 60 Hz ............................... 39
Hình 2- 10. Phổ tần tại hộp số của tuabin gió tại tốc độ quay 50 Hz ............................. 40
Hình 2- 11. Phổ theo bậc sóng hài của tuabin gió tại tốc độ quay 60 Hz (trên) và 50
Hz (dƣới) ........................................................................................................................ 40
Hình 2- 12. Kết quả Phân tích JTFA của hai tín hiệu Chirp. Tín hiệu có tần số giảm
theo thời gian (bên trái) và tín hiệu có tần số tăng theo thời gian (bên phải). ............... 41
Hình 2- 13. Quan hệ giữa phổ tần và Cepstrum ............................................................. 42
Hình 2- 14. Phổ tần của sóng sin và sóng wavelet ......................................................... 43
Hình 2- 15. Trong miền thời gian không phân biệt đƣợc dạng sóng của động cơ tốt
và động cơ bị lỗi, nhƣng sử dụng phƣơng pháp phân tích wavelet các lỗi sẽ trở lên
rõ ràng hơn. .................................................................................................................... 43
Hình 2- 16. Sai số mô hình AR chỉ ra quá trình quá độ trong tín hiệu gốc .................. 44
Hình 2- 17. Phổ tần số của tín hiệu thu đƣợc từ cảm biến gia tốc ................................. 46
Hình 2- 18. Sóng tổng hợp của 3 sóng thành phần ........................................................ 47
Hình 2- 19. Cách gắn cảm biến gia tốc lên vỏ máy ....................................................... 52
Hình 3- 1. Mô hình kiến trúc chuẩn cho thiết bị đo ....................................................... 53
Hình 3- 2. Cảm biến PV-41 của Rion ............................................................................ 54
Hình 3- 3. Sơ đồ mạch chuẩn hóa tín hiệu ..................................................................... 55
Hình 3- 4. Sơ đồ khối NI USB-6008 .............................................................................. 56
Hình 3- 5. Sơ đồ chân NI USB-6008 ............................................................................. 57
Hình 3- 6. Sơ đồ kết nối phần cứng thiết bị đo tốc độ vòng quay sử dụng cảm biến
gia tốc ............................................................................................................................. 57
Hình 3- 7.Lƣu đồ thuật toán ........................................................................................... 58
Hình 3- 8. Sơ đồ khối chƣơng trình ............................................................................... 58
Hình 3- 9. Khối thu thập tín hiệu DAQ Assistant với các đầu vào, ra dữ liệu. ............. 58
Hình 3- 10. Khối Filter và các đầu vào, ra tín hiệu. ....................................................... 59
Hình 3- 11. Khối Spectral Measurements với các đầu vào, ra tín hiệu. ........................ 60
-6-
Hình 3- 12. Khối Tone Measurements với các đầu vào, ra tín hiệu. ............................. 60
Hình 3- 13. Khối Write LabVIEW Measurement File................................................... 61
Hình 3- 14. Toán tử nhân với các đầu vào, ra số liệu. ................................................... 61
Hình 3- 15. Giao diện phần mềm Tachometer. .............................................................. 62
Hình 4- 1. Sơ đồ thử nghiệm trên hệ thống tạo rung sin chuẩn ..................................... 64
Hình 4- 2. Sơ đồ gá cảm biến lên bộ tạo rung động chuẩn ............................................ 65
Hình 4- 3. Kết quả thực nghiệm trên hệ thống tạo dao động sin chuẩn tại tần số 20
Hz ................................................................................................................................... 67
Hình 4- 4. Sơ đồ thử nghiệm trên động cơ xoay chiều điều chỉnh tốc độ bằng biến
tần ................................................................................................................................... 68
Hình 4- 5. Kết quả thực nghiệm trên động cơ xoay chiều ............................................. 69
Hình 4- 6. Sơ đồ thử nghiệm trên động cơ xoay chiều điều chỉnh tốc độ bằng biến
tần ................................................................................................................................... 70
-7-
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................... 1
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT .................................................. 2
DANH MỤC CÁC BẢNG .............................................................................................. 3
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................... 10
MỞ ĐẦU ....................................................................................................................... 11
PHẦN I: LÝ THUYẾT ................................................................................................. 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 .......................................................... 15
1.1.3 Sử dụng máy đo góc tuyệt đối – Resolver.............................................. 17
1.1.4 Sử dụng đổi hƣớng kế ............................................................................ 18
1.1.5 Sử dụng cảm biến gia tốc ....................................................................... 20
1.2 Đo lƣờng rung động ..................................................................................... 20
1.2.1 Rung động là gì ...................................................................................... 20
1.2.2 Mục đích của việc đo lƣờng rung động .................................................. 21
1.2.3 Các đại lƣợng vật lý dùng trong đo lƣờng rung động ............................ 23
1.2.4 Các phƣơng pháp đo lƣờng rung động ................................................... 24
1.2.5 Máy đo và phân tích rung động .............................................................. 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 ................................................................................. 32
-8-
2.1.7 Gia tốc kế nhỏ và siêu nhỏ (MEMS) ...................................................... 33
2.2 Các thông số kỹ thuật cơ bản của cảm biến gia tốc ..................................... 35
2.2.1 Độ nhạy .................................................................................................. 35
2.2.2 Trọng lƣợng của cảm biến ...................................................................... 35
2.2.3 Phạm vi đo .............................................................................................. 36
2.2.4 Tần số tự nhiên ....................................................................................... 36
2.3 Một số phƣơng pháp phân tích và xử lý tín hiệu rung ................................. 37
2.3.1 Phân tích trong miền tần số .................................................................... 37
2.3.2 Phân tích theo bậc sóng hài .................................................................... 39
2.3.3 Phân tích trong miền thời gian - tần số .................................................. 41
2.3.4 Phân tích Quefrency ............................................................................... 41
2.3.5 Phân tích Wavelet ................................................................................... 42
2.3.6 Phân tích dựa trên mô hình ..................................................................... 43
2.4 Ứng dụng đo vận tốc vòng quay bằng cảm biến gia tốc .............................. 44
2.4.1 Thuật toán ............................................................................................... 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 ............................................................................................................ 53
CHƢƠNG 3: MÔ HÌNH & CÁC PHẦN TỬ TRONG MÔ HÌNH THU THẬP
TÍN HIỆU .................................................................................................................. 53
3.1 Phân tích bài toán ......................................................................................... 53
3.2 Các thiết bị sử dụng trong mạch đo ............................................................. 54
3.2.1 Cảm biến gia tốc PV-41 ......................................................................... 54
3.2.2 Mạch chuẩn hóa tín hiệu ........................................................................ 55
3.2.3 Vỉ thu thập dữ liệu USB 6008 ................................................................ 55
3.3 Kết nối phần cứng ........................................................................................ 57
3.4 Chƣơng trình phần mềm............................................................................... 58
3.4.1 Lƣu đồ thuật toán.................................................................................... 58
3.4.2 Sơ đồ khối chƣơng trình ......................................................................... 58
-9-
3.4.3 Giao diện phần mềm Tachometer .......................................................... 62
CHƢƠNG 4. KẾT QUẢ VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ............................................. 64
4.1 Kết quả thực nghiệm .................................................................................... 64
4.1.1 Thực nghiệm trên hệ thống tạo dao động sin chuẩn .............................. 64
4.1.2 Thử nghiệm trên động cơ xoay chiều 1 pha ........................................... 67
4.1.3 Thử nghiệm trên động cơ xoay chiều điều chỉnh tốc độ sử dụng biến
tần ................................................................................................................ 69
4.1.4 Đánh giá kết quả thực nghiệm ................................................................ 72
4.2 Hƣớng phát triển đề tài ................................................................................. 72
KẾT LUẬN ................................................................................................................... 73
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 74
-10-
LỜI CẢM ƠN
Đề hoàn thành đƣợc luận văn này, tôi đã nhận đƣợc sự giúp đỡ và hƣớng dẫn
tận tình của các thầy cô giáo, gia đình và bạn bè về mọi mặt. Tự đáy lòng của mình,
tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn tới:
GS.TS Phạm Thị Ngọc Yến hiện là Viện trƣởng Viện Nghiên cứu Quốc tế MICA,
Trƣởng Bộ môn Kỹ thuật đo và Tin học công nghiệp – Viện Điện – Đại Học Bách
Khoa Hà Nội. Mặc dù rất bận nhƣng cô đã tận tình giúp đỡ tôi trong suốt quá trình
làm luận văn. Cô đã cố vấn về chuyên môn, giúp tôi hoàn thiện về mặt nội dung và
hình thức của luận văn này, cũng nhƣ đã truyền đạt những kinh nghiệm của mình
giúp cho tôi hoàn thành tốt luận văn và đúng thời hạn.
Xin chân thành cảm ơn tập thể các thầy cô giáo trong Khoa Điện và Bộ môn Kỹ
thuật đo và Tin học công nghiệp. Mặc dù không trực tiếp hƣớng dẫn nhƣng đã trang
bị các kiến thức cần thiết giúp tôi hoàn thành tốt luận văn.
Xin chân thành cảm Phòng Đo lƣờng Thời gian - Tần số, Viện Đo lƣờng Việt Nam
tạo điều kiện thuận lợi về thời gian và trang thiết bị thí nghiệm cần thiết giúp tôi
hoàn thành luận văn này.
Cảm ơn tất cả các bạn học viên lớp Đo lƣờng và các hệ thống điều khiển
2011B đã sát cánh cùng tôi trong suốt thời gian vừa qua.
Trân trọng!
-11-
MỞ ĐẦU
Trong quá trình sản xuất hiện đại, đo tốc độ động cơ đóng vai trò quan trọng
trong các bài toán nâng cao độ chính xác và thích nghi với các yêu cầu ngày càng
cao của công nghiệp. 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.
Tuy nhiên các thiết bị này chỉ sử dụng đƣợc với các động cơ có phần quay hở còn
khi đo động cơ có phần quay hoàn toàn bị che kín nhƣ máy li tâm, máy vắt, máy
khuấy, v..v… thì chỉ xác định đƣợc tốc độ vòng quay thông qua việc phân tích đặc
trƣng rung động của động cơ thu đƣợc từ cảm biến gia tốc. 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. Đề tài cũng đã phát triển hệ thống đo, qua
thực nghiệm thu đƣợc kết quả tốt và tiết kiệm đƣợc chi phí so với thiết bị nhập
ngoại.
Sau hơn ba tháng thực hiện luận văn, với sự hƣớng dẫn tận tình của GS.TS
Phạm Thị Ngọc Yến, luận văn tốt nghiệp đã đƣợc hoàn thành đúng thời hạn. Tuy
vậy, trong quá trình làm luận văn không tránh khỏi những thiếu sót, rất mong đƣợc
sự góp ý của các thầy cô và các bạn.
Hà Nội, ngày 20 tháng 9 năm 2013
Sinh viên thực hiện
Nguyễn Thị Hằng