Gia tốc kế áp điện- Piezoelectric accelerometer

Piezoelectric accelerometers là gì?

Gia tốc kế (accelerometer) được hãng Metra sản xuất cách đây hơn 50 năm tận dụng hiện tượng áp điện (piezoelectricity). “Piezo” trong tiếng Hy Lạp có nghĩa là ép. Khi vật liệu áp điện bị ép sẽ sinh ra điện tích. Kết hợp với seismic mass nó có thể sinh ra tín hiệu điện tích tương thích với gia tốc rung.

Phần tử hoạt động của gia tốc kế của Metra bao gồm vật liệu ceramic với các tính chất áp điện điển hình gọi là Lead-Zirconate Titanate (PZT). Công thức đặc biệt của PZT cho hoạt động ổn định và dài lâu. Độ ổn định cao tương tự như gia tốc kế thạch anh được thực hiện bởi quá trình hình thành nhân tạo của thành phần gốm áp điện (piezoceramic). Độ nhạy của ceramics cao hơn gấp 100 lần so với thạch anh. Vì vậy, gia tốc kế piezoceramic được xem là lựa chọn tốt hơn khi đo những tần số và gia tốc thấp. Cảm biến Piezoelectric được chấp nhận rộng rãi là sự lựa chọn tốt nhất cho việc đo rung động tuyệt đối. So với các loại cảm biến khác, cảm biến piezoelectric có các ưu điểm:

• Dải hoạt động cực kỳ rộng, hầu hết không bị ảnh hưởng bởi nhiễu- thích hợp cho đo độ shock cũng như là rung động nhỏ mà không thể cảm thấy được
• Tính tuyến tính tuyệt đối trên tất cả dải hoạt động
• Dải tần số rộng, có thể đo được tần số cao
• Rắn chắc nhưng rất nhạy
• Không có bộ phận chuyển động- không hao mòn
• Tự hoạt động- không cần nguồn từ bên ngoài
• Mẫu mã đa dạng cho nhiều mục đích đo khác nhau
• Tích phân của tín hiệu ra cung cấp vận tốc và sự dịch chuyển

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Phần tử hoạt động của gia tốc kế là một vật liệu áp điện. Hình dưới đây minh họa tác động của áp điện với sự giúp đỡ của dĩa ép. Dĩa ép trông giống như một tụ điện với vật liệu gốm áp được kép giữa hai điện cực. Một lực phương thẳng đứng đặt lên dĩa tạo nên sự tích điện và một điện áp giữa các điện cực.

Phần cảm của gia tốc kế piezo gồm hai phần chính :

• Vật liệu piezoceramic
• Seismic mass

Trên dải tần số rộng cả chất nền cảm biến và seismic mass đều có độ lớn gia tốc giống nhau. Do đó, cảm biến đo gia tốc của vật kiểm tra.

Thành phần piezoelectric được nối với lỗ của cảm biến qua cặp điện cực. Một vài gia tốc kế tích hợp mạch điện để chuyển đổi điện tích ngõ ra trở kháng cao sang tín hiệu điện áp trở kháng thấp. Các dạng thiết kế của gia tốc kế:

Shear type được sử dụng nhiều trong các gia tốc kế hiện đại. Tuy nhiên Compression & Bending type vẫn được sử dụng cho nhiều ứng dụng.

Trong dải tần số hoạt động, độ nhạy không phục thuộc vào tần số, trừ giới hạn được đề cập sau đây : Một cảm biến piezoelectric có thể được xem như là bộ lọc thông cơ khí thấp với đỉnh cộng hưởng. Seismic mass và piezoceramics (với các thành phần phức tạp khác) tạo nên hệ thống spring mass. Điều đó cho thấy trạng thái cộng hưởng và định dạng giới hạn trên của tần số của một gia tốc kế.  Để đạt được dải tần số hoạt động rộng hơn thì cần tăng tần số cộng hưởng. Điều này được thực hiện bằng việc giảm seismic mass. Tuy nhiên, seismic mass càng thấp, thì độ nhạy càng thấp. Vì vậy, một gia tốc kế có tần số cộng hưởng cao, ví dụ gia tốc kế đo shock, sẽ có độ nhạy kém trong khi gia tốc kế seismic có độ nhạy cao sẽ có tần số cộng hưởng thấp.

Cách lắp đặt và đấu nối

Các lỗi của phép đo độ rung có thể được giảm thiểu nhờ vào việc lắp đặt chính xác vị trí của cảm biến. Để việc đo chính xác nhất có thể thì bề mặt tiếp xúc giữa gia tốc kế và vật đo phải sạch, bằng phẳng, không bị trầy xước. Khối lượng của cảm biến và đầu lắp đặt trung gian nên nhỏ hơn 10% so với khối lượng của vật kiểm tra. Nên hạn chế tối thiểu việc lắp đặt cảm biến lệch trục thường xảy ra với độ rung theo phương ngang với biên độ lớn. Khi sử dụng cách lắp đặt theo kiểu bắt vít, hay đảm bảo vít không dài hơn lỗ có sẵn trên cảm biến và không có khoảng trống nào dưới cảm biến.

Một số cách lăp đặt cảm biến phổ biến:

• Stud mounting with stud bolt, insulating flange or adhesive pad: cách lắp đặt sử dụng vít, đinh tán, chốt, gờ, đầu dán.
• Magnetic base: sử dụng đầu nối nam châm
• Sử dụng chất kết dính: Adhesive by bee wax, cyanoacrylate (e.g. the gel-like Loctite 454) or epoxy glue
• Sử dụng khối lập phương: Mounting cube for triaxial measurement with three uniaxial accelerometers
• Accelerometer probe by hand pressure, Accelerometer with movable probe tip: sử dụng thanh dẫn

Cáp và đầu nối là bộ phận yếu nhất của hệ thống đo. Khi cáp đồng trục bị căng hoặc bị bẻ cong thì trở kháng của dây có thể bị biến đổi. Điều này có thể dẫn đến hiện tượng tích điện- khi ngõ ra của cảm biến không thể nhận ra tín hiệu điện tích sản sinh ra và khó trong việc đo độ rung thấp. Chính vì vậy Metra đã sản xuất ra loại cáp chống nhiễu với thành phần điện môi. Loại cáp này được nhà sản xuất khuyên nên gắn lên vật test.

Cảm biến IEPE (Integrated Electronics Piezo Electric) có thể kết nối với bất kỳ loại cáp đồng trục nào không nhất thiết phải dây cáp chống nhiễu. Tuy nhiên độ dài cáp không nên vượt quá 10 mét và các đầu nối của cáp cần phải được giữ sạch sẽ và đặt ở những nơi tránh từ trường mạnh như máy phát điện, biến áp và động cơ xoay chiều. Nên tránh để cáp chuyển động bằng cách cột hoặc cố định cáp. Trước khi đo nên kiểm tra đầu nối và siết lại bằng tay (lưu ý không nên sử dụng dụng cụng siết).

Tham khảo các cảm biến rung.