Gia tốc áp điện - Nguyên lý và Ứng dụng trong Cảm biến | Môn Kỹ thuật điện - Điện tử - Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh

lOMoAR cPSD| 58759230
NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA CẢM BIẾN GIA TỐC ÁP ĐIỆN (PIEZOELECTRIC ACCELEROMETER):
1. Khái niệm và Cấu tạo cơ bản:
Các cảm biến gia tốc áp điện là các thiết bị tự phát tín hiệu, nổi bật với dải tần
số đáp ứng phẳng mở rộng, phạm vi biên độ tuyến tính lớn và độ bền vượt trội.
Những đặc điểm ưu việt này là nhờ vào việc sử dụng vật liệu áp điện làm phần
tử cảm biến của cảm biến. Vật liệu áp điện có khả năng tạo ra tín hiệu điện tỷ lệ
với áp lực được tác động lên vật liệu. Cấu tạo cơ bản của một cảm biến gia tốc
áp điện được minh họa ở Hình 5.2.
Cảm biến gia tốc áp điện gồm các thành phần chính như sau: •
Khối lượng quán tính (Seismic Mass): Khối lượng nhỏ gắn trên đỉnh của cảm biến. •
Phần tử áp điện (Piezoelectric Element): Chất liệu có tính chất đặc biệt, tạo ra điện áp
khi bị biến dạng cơ học (thường là tinh thể hoặc gốm áp điện như Quartz, PZT). •
Vỏ và đế cố định (Housing and Base): Bảo vệ và cố định cấu trúc cảm biến. lOMoAR cPSD| 58759230
2. Nguyên lý hoạt động:
Khi cảm biến được gắn lên một vật thể đang chuyển động hoặc rung động, quá trình hoạt động xảy ra như sau: •
Ban đầu, khối lượng quán tính được gắn với cảm biến qua phần tử áp điện (hoạt động như
một lò xo có độ cứng k). •
Khi vật thể chuyển động hoặc rung động với gia tốc a, theo định luật 2 Newton (F=m×a),
khối lượng quán tính sẽ tạo nên một lực quán tính F tác động lên phần tử áp điện: F=m×a lOMoAR cPSD| 58759230 •
Do lực này, phần tử áp điện sẽ bị nén hoặc kéo căng, dẫn đến sự biến dạng cơ học. Chính
sự biến dạng này tạo ra một tín hiệu điện áp tỷ lệ thuận với lực tác động lên phần tử áp điện:
Điện áp ra (V)∝ Lực tac dụng (F)∝m×a. •
Vì thế, gia tốc của vật thể có thể được đo trực tiếp bằng cách đo điện áp đầu ra từ cảm biến.
3. Đặc điểm tần số đáp ứng (Frequency Response): •
Tần số cộng hưởng (ω\omegaω) của cảm biến được xác định bởi công thức dao động riêng
của hệ một bậc tự do: ω = k / m . •
Trong đó: o k là độ cứng của phần tử áp điện (hoạt động như một lò xo).
o m là khối lượng quán tính. •
Vùng tần số đáp ứng phẳng (flat response) là vùng mà cảm biến hoạt động ổn định và tuyến
tính nhất. Khi tần số vượt quá vùng đáp ứng phẳng, độ nhạy của cảm biến sẽ giảm và xuất
hiện hiện tượng cộng hưởng. lOMoAR cPSD| 58759230
4. Hai dạng chính của cảm biến áp điện:
a. Loại IEPE (Internally Amplified Accelerometer): lOMoAR cPSD| 58759230 •
Có tích hợp sẵn mạch điện tử bên trong để khuếch đại và điều hòa tín hiệu. •
Đầu ra của cảm biến này là điện áp (Voltage mode) và có trở kháng thấp, dễ dàng kết nối với các thiết bị đo.
b. Loại Charge mode accelerometer: •
Không có bộ khuếch đại hay mạch điện tử tích hợp bên trong. •
Đầu ra của cảm biến là điện tích (Charge output), có trở kháng rất cao và cần bộ chuyển
đổi điện tích bên ngoài (charge amplifier) để xử lý và chuyển đổi thành tín hiệu điện áp. lOMoAR cPSD| 58759230
5. Ưu điểm nổi bật của cảm biến gia tốc áp điện: •
Tự sinh tín hiệu: Không cần cấp nguồn bên ngoài để cảm biến hoạt động (ngoại trừ IEPE
cần nguồn cho bộ khuếch đại). •
Dải đáp ứng rộng: Tần số đáp ứng rất rộng và ổn định, có thể đo các rung động tần số cao. •
Độ bền và tin cậy cao: Có khả năng chịu đựng tốt với các điều kiện môi trường khắc nghiệt.
Tóm lại một cách dễ hiểu nhất: •
Khi có rung động, khối lượng gắn trên cảm biến sẽ dao động, tạo lực tác động lên phần tử áp điện. •
Phần tử áp điện bị nén hoặc giãn sẽ tạo ra điện áp tỷ lệ với gia tốc của rung động.
Tín hiệu điện này sẽ được đo đạc và xử lý để xác định chính xác giá trị gia tốc.
Đó là nguyên lý hoạt động cơ bản và chi tiết nhất của cảm biến gia tốc áp điện.
I. Quartz (Thạch anh)
1. Nguồn gốc & Tính chất: lOMoAR cPSD| 58759230 •
Nguồn gốc tự nhiên: Quartz là tinh thể tự nhiên có sẵn trong thiên nhiên. •
Ổn định cao: Quartz rất ổn định, không có xu hướng "thư giãn" trở về trạng thái khác, nên có độ
ổn định lâu dài và khả năng lặp lại rất tốt. •
Không bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ (Pyroelectric effect): Quartz không xuất hiện hiệu ứng áp điện
do nhiệt (không sinh tín hiệu giả khi nhiệt độ thay đổi). •
Nguồn gốc tự nhiên: Quartz là tinh thể tự nhiên có sẵn trong thiên nhiên. •
Ổn định cao: Quartz rất ổn định, không có xu hướng "thư giãn" trở về trạng thái khác, nên có độ
ổn định lâu dài và khả năng lặp lại rất tốt. •
Không bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ (Pyroelectric effect): Quartz không xuất hiện hiệu ứng áp điện
do nhiệt (không sinh tín hiệu giả khi nhiệt độ thay đổi). lOMoAR cPSD| 58759230
2. Ưu điểm của Quartz: •
Độ ổn định cao: Phù hợp với các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao, đo ổn định theo thời gian. •
Không nhạy cảm với nhiệt độ: Thích hợp cho môi trường có biến động nhiệt độ. •
Điện dung thấp: Tín hiệu điện áp đầu ra (Voltage sensitivity) cao, thích hợp sử dụng trong cảm
biến gia tốc kiểu khuếch đại điện áp (voltage-amplified accelerometer).
3. Nhược điểm của Quartz: •
Độ nhạy điện tích thấp: Ít hiệu quả trong các hệ thống khuếch đại điện tích (charge-amplified
systems). Các hệ thống này đòi hỏi độ nhạy điện tích cao và độ nhiễu thấp.
4. Ứng dụng phổ biến: •
Đồng hồ đeo tay, radio, máy tính, đồ điện tử gia dụng, cảm biến gia tốc trong các thiết bị đo lường chính xác và lâu dài.
📌 II. Ceramics (Gốm áp điện) lOMoAR cPSD| 58759230
1. Nguồn gốc & Quá trình tạo áp điện (Poling): •
Nguồn gốc nhân tạo: Ceramics là vật liệu tổng hợp, nhân tạo, sản xuất theo nhu cầu và mục đích sử dụng cụ thể. •
Quá trình “Poling”: Để trở thành vật liệu áp điện, ceramics phải trải qua quá trình Poling—tức là
đặt dưới trường điện mạnh để định hướng lại các lưỡng cực điện, tạo ra tính chất áp điện.
Khi bị nung nóng quá mức hoặc tiếp xúc với điện trường quá lớn, gốm áp điện có thể mất tính
chất áp điện của mình.
2. Phân loại Ceramics và ứng dụng:
Gốm áp điện được chia thành các loại chính dựa vào độ nhạy và khả năng chịu nhiệt:
🔸 (a) Ceramics có độ nhạy điện áp cao (High-voltage-sensitivity ceramics): lOMoAR cPSD| 58759230 •
Phù hợp cho cảm biến có mạch khuếch đại điện áp tích hợp bên trong (built-in voltage-amplified accelerometers). •
Ưu điểm: Tạo tín hiệu điện áp đầu ra mạnh và dễ xử lý.
🔸 (b) Ceramics có độ nhạy điện tích cao (High-charge-sensitivity ceramics): •
Sử dụng trong cảm biến kiểu điện tích (charge mode sensors) với phạm vi nhiệt độ hoạt động lên
tới khoảng 205°C (400°F). •
Ưu điểm: Phù hợp trong môi trường yêu cầu độ nhạy cao, tín hiệu sạch, ít nhiễu.
🔸 (c) Ceramics chịu nhiệt độ cao (High-temperature piezoceramics): •
Chịu được nhiệt độ cực cao, lên tới khoảng 537°C (1000°F). •
Thường dùng trong giám sát động cơ, tua-bin siêu nhiệt, các ứng dụng công nghiệp chịu nhiệt cao.
3. Đặc điểm chung của ceramics: •
Đa dạng tính chất: Có thể tùy biến theo yêu cầu cụ thể (độ nhạy, chịu nhiệt…). •
Khả năng chịu nhiệt tốt hơn Quartz: Có thể sử dụng ở điều kiện nhiệt độ cao. •
Nhược điểm: Tính ổn định lâu dài thấp hơn Quartz, có thể bị giảm hiệu suất nếu gặp điều kiện khắc nghiệt.
📌 III. So sánh ngắn gọn Quartz vs Ceramics: Tiêu chí Quartz (Thạch anh)
Ceramics (Gốm áp điện) Nguồn gốc Tự nhiên Nhân tạo Ổn định lâu dài Rất cao Thấp hơn Quartz
Hiệu ứng nhiệt (Pyroelectric) Không xuất hiện Có thể xuất hiện Độ nhạy điện áp
Cao (thích hợp voltage-amplified) Tùy loại gốm (có loại cao) Độ nhạy điện tích Thấp
Cao (thích hợp charge-amplified) Chịu nhiệt độ Thấp/trung bình
Cao (có loại lên tới 537°C)
📌 Kết luận và ứng dụng thực tế: lOMoAR cPSD| 58759230 •
Quartz thường dùng trong ứng dụng cần độ ổn định lâu dài, đo chính xác, ổn định nhiệt,
như đo lường phòng thí nghiệm, thiết bị chính xác cao, ứng dụng dân dụng (đồng hồ, điện tử tiêu dùng…). •
Ceramics linh hoạt hơn, thích hợp với môi trường khắc nghiệt, ứng dụng công nghiệp,
nhiệt độ cao, độ nhạy cao như động cơ phản lực, tua-bin, nhà máy điện, công nghiệp hàng không…
Tổng kết dễ hiểu: •
Chọn Quartz khi bạn cần sự ổn định lâu dài, độ chính xác cao và không lo ngại nhiệt độ. •
Chọn Ceramics khi cần độ nhạy cao, môi trường khắc nghiệt, linh hoạt ứng dụng.
Đó là toàn bộ thông tin chi tiết và đầy đủ nhất về vật liệu cảm biến áp điện dùng trong cảm biến gia tốc.
Cấu hình cảm biến gia tốc áp điện theo shear mode hoạt động dựa trên nguyên tắc sử dụng khối
lượng quán tính tác động lực cắt (shear force) lên vật liệu áp điện. Dưới đây là phân tích chi tiết
các yếu tố cấu thành và cơ chế hoạt động: Gia tốc kế áp điện:
1. Cấu trúc của shear mode accelerometer:
o Cảm biến được thiết kế với vật liệu áp điện đặt giữa một trụ trung tâm (center
post) và một khối lượng quán tính (seismic mass). o Một vòng nén (compression
ring) hoặc đinh ốc (stud) được sử dụng để tạo lực tiền áp (preload force), đảm bảo
cấu trúc luôn ở trạng thái cứng vững và tuyến tính. lOMoAR cPSD| 58759230
2. Nguyên lý hoạt động: lOMoAR cPSD| 58759230
o Khi cảm biến chịu gia tốc, khối lượng quán tính di chuyển, tạo ra lực cắt tác động
lên lớp vật liệu áp điện.
o Lực cắt này gây biến dạng cơ học trong vật liệu áp điện, dẫn đến sự thay đổi điện tích bên trong.
o Điện tích sinh ra từ lực cắt sẽ được các điện cực thu thập, sau đó truyền qua dây
dẫn nhẹ đến các mạch điều kiện tín hiệu tích hợp (integrated signal conditioning)
trong cảm biến ICP® hoặc trực tiếp đến đầu nối để sử dụng với cảm biến chế độ sạc (charge mode sensor).
3. Ưu điểm của shear mode: lOMoAR cPSD| 58759230
o Khả năng chống ảnh hưởng từ nhiệt và uốn cong:
Các tinh thể áp điện trong cấu hình shear được cách ly khỏi đế và vỏ, giúp giảm
thiểu tác động của các biến đổi nhiệt độ đột ngột (thermal transient effects) và
sự biến dạng của đế (base bending effects). Điều này đảm bảo rằng tín hiệu đầu
ra chỉ phản ánh gia tốc thực sự chứ không bị nhiễu từ các yếu tố môi trường. o
Kích thước nhỏ gọn:
Hình dạng shear cho phép cảm biến có kích thước nhỏ hơn, từ đó giảm thiểu
hiệu ứng tải trọng (mass loading effects) trên cấu trúc thử nghiệm. Điều này có
nghĩa là cảm biến không làm thay đổi đáng kể các đặc tính
động lực học của cấu trúc mà nó được gắn lên.
o Khả năng đáp ứng tần số cao:
Kích thước nhỏ gọn và cấu trúc tuyến tính giúp shear mode accelerometers
hoạt động tốt trong các ứng dụng cần độ nhạy tần số cao, như đo độ rung
hoặc gia tốc trong môi trường yêu cầu độ chính xác cao.
4. Hiệu suất tối ưu: lOMoAR cPSD| 58759230
o Sự kết hợp giữa độ nhạy cao, khả năng chống nhiễu, kích thước nhỏ gọn và khả năng
đáp ứng tần số cao làm cho cấu hình shear mode trở thành một lựa chọn lý tưởng
trong các ứng dụng cần cảm biến gia tốc áp điện đáng tin cậy và hiệu quả.
Tóm lại, cấu hình shear mode không chỉ đảm bảo tín hiệu đầu ra chính xác và ổn định, mà còn
vượt trội trong các điều kiện làm việc khắc nghiệt, nơi mà sự ổn định, nhỏ gọn và khả năng đáp
ứng nhanh là các yếu tố then chốt.