Gia tốc là gì? Cảm biến đo gia tốc, IEPE, Charge và MEMS

Gia tốc là đại lượng biểu thị mức độ thay đổi của vận tốc theo thời gian. Về mặt toán học, gia tốc là đạo hàm của vectơ vận tốc theo thời gian, với biểu thức a = dv/dt. Gia tốc là kết quả tổng hợp của tất cả các lực tác động lên một vật thể.

Trong thực tế đo lường, gia tốc thường được xem theo hai hướng chính. Thứ nhất là gia tốc do rung động của đối tượng thử nghiệm. Thứ hai là gia tốc do thay đổi chuyển động của vật thể, chẳng hạn như xe ô tô, máy bay hoặc các phương tiện di chuyển khác.

Hai mục đích đo này có khác biệt rất lớn về phương pháp thực hiện. Khi đo rung động, phần quan trọng nhất là thành phần động của tín hiệu. Ngược lại, khi đo khả năng tăng tốc, phanh hoặc vào cua của phương tiện, cảm biến phải đo được cả gia tốc tĩnh, bao gồm cả thành phần trọng lực.

Các dạng đo gia tốc cơ bản

Để phục vụ các ứng dụng khác nhau, phép đo gia tốc thường được chia thành các nhóm sau:

• Dao động: một vật được xem là dao động khi nó chuyển động quanh vị trí cân bằng. Các phép đo này rất phổ biến trong môi trường vận chuyển, hàng không vũ trụ hoặc trong các hệ thống shaker.
• Sốc: là kích thích đột ngột, ngắn hạn, thường làm kết cấu phản ứng theo cộng hưởng riêng của nó.
• Chuyển động: là các sự kiện chuyển động chậm hơn như chuyển động cánh tay robot hoặc chuyển động hệ thống treo ô tô.
• Địa chấn: là các chuyển động hoặc rung động tần số rất thấp, thường yêu cầu gia tốc kế chuyên dụng có độ phân giải cao và độ ồn thấp.

Trong nhiều ứng dụng, gia tốc cũng được dùng để suy ra vận tốc và độ dịch chuyển bằng phương pháp tích phân. Ngược lại, trong một số trường hợp, gia tốc có thể được tính bằng đạo hàm từ tín hiệu vận tốc hoặc đạo hàm bậc hai từ tín hiệu dịch chuyển, ví dụ khi sử dụng đầu dò laser hoặc đầu dò dòng điện xoáy để đo dịch chuyển bề mặt.

Video dưới đây giúp minh họa trực quan hơn về khái niệm gia tốc và phương pháp đo:

Mối liên hệ giữa gia tốc, vận tốc và độ dịch chuyển

Vận tốc là đạo hàm của độ dịch chuyển theo thời gian, với biểu thức v = ds/dt. Gia tốc là đạo hàm của vận tốc theo thời gian, đồng thời cũng là đạo hàm bậc hai của độ dịch chuyển. Chính vì vậy, ba đại lượng này có liên hệ chặt chẽ với nhau trong các hệ thống đo động học.

Khi tích phân tín hiệu gia tốc trong các bài toán chuyển động của xe hoặc phương tiện, thành phần gia tốc tĩnh sẽ làm thay đổi giá trị vận tốc và độ dịch chuyển. Tuy nhiên, bất kỳ sai số nhỏ nào của cảm biến gia tốc cũng sẽ tích lũy thành sai số lớn hơn trong vận tốc và quãng đường tính toán. Sai số này phụ thuộc rất nhiều vào chất lượng cảm biến và kỹ thuật bù sai số.

Trong thực tế, người dùng thường kết hợp gia tốc kế với các cảm biến khác như rate gyro và GPS để cải thiện độ chính xác. Đối với các phép đo rung động, thành phần tĩnh không quan trọng nên thường được loại bỏ bằng các bộ lọc thông cao trước khi thực hiện tích phân.

Cảm biến đo gia tốc là gì?

Cảm biến đo gia tốc, hay còn gọi là gia tốc kế, là thiết bị tạo ra tín hiệu điện tương ứng với gia tốc mà nó trải qua. Tín hiệu này có thể ở dạng điện áp, điện tích hoặc các dạng điện khác tùy theo nguyên lý cảm biến.

Có nhiều công nghệ khác nhau để chuyển đổi gia tốc thành tín hiệu điện. Mỗi công nghệ có những ưu điểm, giới hạn và dải ứng dụng riêng. Việc lựa chọn loại cảm biến phù hợp phụ thuộc vào dải đo, dải tần, môi trường làm việc, nhu cầu đo DC hay AC, cũng như yêu cầu về độ nhạy và độ bền.

Nguyên lý cơ bản của cảm biến đo gia tốc

Hầu hết các cảm biến đo gia tốc đều dựa trên định luật Hooke và các định luật chuyển động của Newton.

Định luật Hooke cho biết lực cần để kéo giãn hoặc nén một lò xo tỷ lệ với độ biến dạng của nó, với công thức F = k × x, trong đó k là hằng số đàn hồi và x là độ dịch chuyển.

Định luật II Newton cho biết lực tác động lên một vật bằng khối lượng nhân với gia tốc, với công thức F = m × a.

Kết hợp hai nguyên lý này, một cảm biến gia tốc điển hình sẽ gồm một khối lượng quán tính, một lò xo hoặc cơ cấu đàn hồi tương đương, và một bộ chuyển đổi độ dịch chuyển. Khi vỏ cảm biến chuyển động, khối lượng quán tính có xu hướng chống lại sự thay đổi chuyển động. Sự lệch tương đối giữa khối lượng và khung cảm biến sẽ được đo và chuyển thành tín hiệu điện, từ đó suy ra gia tốc.

Các loại cảm biến đo gia tốc phổ biến

Cảm biến gia tốc có thể được chế tạo dựa trên nhiều nguyên lý cảm biến khác nhau. Dưới đây là những nhóm phổ biến nhất:

• Áp điện (Piezoelectric): hoạt động dựa trên khả năng của vật liệu áp điện tạo ra điện tích hoặc điện áp khi chịu ứng suất cơ học. Loại này có dải động rộng, độ tuyến tính tốt, dải tần rộng và đặc biệt phù hợp cho các phép đo động, nhưng không đo được thành phần DC.
• Piezoresistive: thay đổi điện trở của vật liệu khi chịu tác động cơ học. Cảm biến loại này có thể đo phản hồi DC thực và thường dùng trong các ứng dụng dải đo lớn.
• Điện dung (Capacitive): gia tốc làm thay đổi khoảng cách giữa các bản cực, dẫn đến thay đổi điện dung. Đây là nguyên lý phổ biến trong cảm biến MEMS và thích hợp cho các ứng dụng tần số thấp đến trung bình.
• Điện thế (Potentiometric): sử dụng cánh tay gạt gắn với khối lượng lò xo để thay đổi điện trở. Loại này phù hợp cho các phép đo tần số thấp và có phản hồi DC.
• Hiệu ứng Hall: dùng nam châm gắn với lò xo, khi chuyển động sẽ làm thay đổi từ trường tại phần tử Hall.
• Magneto resistive: tương tự cảm biến Hall nhưng sử dụng phần tử điện trở từ.
• Cách tử sợi quang Bragg: đo sự thay đổi bước sóng Bragg do biến dạng cơ học để suy ra gia tốc.
• Truyền nhiệt: dựa trên sự thay đổi phân bố nhiệt trong cấu trúc cảm biến khi có gia tốc tác động.

Video dưới đây trình bày thêm về các loại gia tốc kế và nguyên lý ứng dụng:

Cảm biến đo gia tốc áp điện

Gia tốc kế áp điện là một trong những loại cảm biến phổ biến nhất trong đo rung động. Chúng hoạt động dựa trên khả năng của các vật liệu áp điện như thạch anh, tourmaline, gốm áp điện hoặc các vật liệu chuyên dụng khác tạo ra điện tích khi chịu ứng suất cơ học.

Khi khối lượng quán tính tác động lực lên phần tử áp điện, cảm biến sẽ tạo ra tín hiệu điện tương ứng với mức gia tốc. Loại cảm biến này có ưu điểm lớn về dải tần rộng, độ bền cao, độ tuyến tính tốt, kích thước gọn và rất phù hợp cho các ứng dụng phân tích modal, thử nghiệm rung, kiểm tra chuyến bay, bảo trì dự đoán và giám sát tình trạng máy móc.

Tuy nhiên, cảm biến áp điện không phù hợp để đo gia tốc tĩnh hoặc tín hiệu DC kéo dài. Vì vậy, chúng chủ yếu được dùng cho các sự kiện động như rung và sốc.

Ứng dụng điển hình

• Phân tích modal
• Environmental stress screening
• Thử nghiệm rung mặt đất của máy bay
• Flight test
• Bảo trì dự đoán
• Bảo trì phòng ngừa

Cảm biến đo gia tốc IEPE

IEPE là loại cảm biến áp điện có 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. Loại cảm biến này được cấp nguồn bằng dòng kích không đổi trên cấu hình hai dây đơn giản.

Nhờ tín hiệu đầu ra trở kháng thấp, cảm biến IEPE có thể truyền tín hiệu qua cáp dài tốt hơn, chống nhiễu tốt hơn và dễ tích hợp với hệ thống DAQ. Chúng cũng thường có chi phí khuếch đại và triển khai thấp hơn so với cảm biến charge.

IEPE thường dùng trong các ứng dụng đo rung nói chung, giám sát tình trạng máy, thử nghiệm NVH, modal testing và nhiều ứng dụng công nghiệp khác. Hạn chế chính là chúng không đo được DC và dải đo thường thấp hơn so với các cảm biến charge trong các bài toán sốc cực lớn.

Cảm biến đo gia tốc dạng điện tích (Charge)

Khác với IEPE, cảm biến charge xuất trực tiếp tín hiệu điện tích từ phần tử áp điện và không tích hợp mạch chuyển đổi bên trong. Vì tín hiệu điện tích có trở kháng rất cao nên rất nhạy với nhiễu môi trường và đòi hỏi cáp chuyên dụng cũng như bộ khuếch đại điện tích bên ngoài.

Ưu điểm lớn của cảm biến charge là khả năng làm việc trong môi trường nhiệt độ cao và khả năng đo các sự kiện động rất lớn, có thể lên tới hàng nghìn g. Đây là lựa chọn phù hợp cho các thử nghiệm sốc mạnh, môi trường khắc nghiệt hoặc nơi nhiệt độ vượt quá khả năng của cảm biến IEPE.

Tuy nhiên, cảm biến charge cũng không đo được gia tốc DC và thường chỉ phù hợp cho các tín hiệu động có tần số từ rất thấp đến cao.

So sánh cảm biến IEPE và Charge

Cả IEPE và charge đều là các cảm biến gia tốc áp điện, nhưng chúng phục vụ những nhu cầu hơi khác nhau:

• IEPE: dễ dùng hơn, truyền tín hiệu xa hơn, chống nhiễu tốt hơn, phù hợp cho phần lớn ứng dụng đo rung công nghiệp.
• Charge: phù hợp hơn cho môi trường nhiệt độ cao, sốc lớn, ứng dụng đặc biệt và các điều kiện khắc nghiệt.

Việc lựa chọn giữa hai loại này phụ thuộc vào môi trường làm việc, chiều dài cáp, dải gia tốc cần đo, điều kiện nhiệt độ và yêu cầu về hệ thống điều hòa tín hiệu.

Cảm biến đo gia tốc tĩnh - MEMS

Cả cảm biến IEPE và charge đều có một giới hạn chung là không đo được gia tốc tĩnh. Chúng thường chỉ bắt đầu hoạt động từ khoảng 0,3 Hz đến vài Hz trở lên, tùy theo thiết kế cảm biến.

Đối với các phép đo tĩnh hoặc tần số rất thấp, người dùng thường sử dụng cảm biến MEMS. Đây là loại cảm biến có độ nhạy tốt, thích hợp để đo DC, gia tốc chậm, thay đổi chuyển động của xe, nghiêng, vào cua, phanh và các bài toán quán tính.

Một gia tốc kế MEMS điển hình gồm một khối lượng nhỏ có thể chuyển động tương đối trong một hệ treo cơ học vi mô. Khi cảm biến chịu gia tốc, vị trí tương đối giữa khối lượng và cấu trúc tham chiếu thay đổi, từ đó làm thay đổi điện dung hoặc một đại lượng điện khác để tạo ra tín hiệu đo.

Gia tốc kế MEMS hiện được sử dụng rất rộng rãi trong ô tô, thiết bị di động, hệ thống đo quán tính, thiết bị theo dõi chuyển động và nhiều ứng dụng công nghiệp cần đo gia tốc tĩnh hoặc tần số thấp.

Khi nào nên dùng loại gia tốc kế nào?

• Đo rung động, NVH, modal, condition monitoring: ưu tiên cảm biến IEPE.
• Đo sốc lớn, nhiệt độ cao, môi trường khắc nghiệt: ưu tiên cảm biến charge.
• Đo chuyển động xe, đo quán tính, đo nghiêng, đo DC hoặc tần số rất thấp: ưu tiên cảm biến MEMS hoặc cảm biến có phản hồi DC.
• Đo gia tốc dải lớn với phản hồi DC: có thể xem xét cảm biến piezoresistive tùy ứng dụng.

Việc chọn đúng cảm biến gia tốc không chỉ ảnh hưởng đến độ chính xác của phép đo mà còn quyết định khả năng phân tích vận tốc, độ dịch chuyển, rung động và các hiện tượng động học liên quan.

Tổng kết

Gia tốc là đại lượng cơ bản trong nhiều ứng dụng đo lường hiện đại, từ rung động, sốc, chuyển động phương tiện đến hệ thống quán tính và giám sát kết cấu. Các cảm biến gia tốc được phát triển theo nhiều nguyên lý khác nhau, trong đó phổ biến nhất là áp điện và MEMS.

Nếu mục tiêu là đo rung động động học với dải tần rộng, cảm biến IEPE và charge là lựa chọn rất mạnh. Nếu cần đo gia tốc tĩnh, chuyển động chậm hoặc tín hiệu DC, cảm biến MEMS là giải pháp phù hợp hơn. Kết hợp cảm biến phù hợp với hệ thống DAQ và phần mềm phân tích đúng cách sẽ giúp bạn thu được dữ liệu chính xác và đáng tin cậy cho mọi ứng dụng đo lường.