Cùng tìm hiểu cảm biến rung là gì? Cấu tạo và nguyên lý hoạt động cùng cách chọn lựa các loại cảm biến rung phù hợp cho các ứng dụng cụ thể.

Để đảm bảo máy móc hoạt động tối ưu, cần theo dõi liên tục các thông số như tốc độ, nhiệt độ, áp suất và độ rung. Độ rung có thể được định nghĩa là dao động cơ học về vị trí cân bằng hoặc chuyển động qua lại của máy móc hoặc bộ phận nào đó. Độ rung trong thiết bị công nghiệp trong nhiều trường hợp có thể là cảnh báo những lỗi máy móc có thể xảy ra. Khi giám sát máy móc, sẽ có 2 loại độ rung chính:

• Rung dọc trục (Axial Vibration):

Là rung động theo trục dọc hoặc song song với trục của động cơ.  Ví dụ, một trục nối bị lệch trục có thể gây ra rung động dọc trục.

• Rung hướng tâm( Radial Vibration):

Rung hướng tâm xảy ra khi một lực tác dụng ra ngoài từ trục.  Rung hướng tâm sẽ xảy ra nếu xuất hiện một điểm nặng trong động cơ khi nó quay.

Ví dụ trường hợp có một cánh quạt bị biến dạng. Khi quạt quay, cánh quạt bị biến dạng sẽ kéo ra ngoài trên trục của động cơ gây ra rung động hướng tâm.

Phân loại cảm biến rung:

1. Cảm biến gia tốc (accelerometer)

Cảm biến rung gia tốc (hay còn gọi accelerometer) là thiết bị đo lường độ rung, hay gia tốc chuyển động của kết cấu. Loại cảm biến này có một bộ chuyển đổi để chuyển lực cơ học gây ra bởi rung động hoặc sự thay đổi trong chuyển động thành dòng điện bằng cách sử dụng hiệu ứng áp điện.

Có 2 loại cảm biến rung gia tốc áp điện: trở kháng cao và trở kháng thấp.

• Cảm biến gia tốc trở kháng cao:

Loại cảm biến gia tốc này tạo ra điện tích kết nối trực tiếp với thiết bị đo. Chúng yêu cầu độ tương thích  và thiết bị đo đạc đặc biệt nên thường được dùng trong các cơ sở nghiên cứu hoặc các ứng dụng nhiệt độ cao.

• Cảm biến gia tốc trở kháng thấp:

Máy đo gia tốc trở kháng thấp có một gia tốc kế điện tích ở mặt trước cùng một vi mạch và bóng bán dẫn tích hợp để chuyển đổi điện tích đó thành điện áp trở kháng thấp.

Loại cảm biến này dễ dàng kết nối với các thiết bị đo đạc tiêu chuẩn nên nó được sử dụng phổ biến trong ngành công nghiệp.

2. Cảm biến đo sức căng Strain Gauge:

Là cảm biến dùng để đo sức căng trên bộ phận máy. Strain gauge có điện trở thay đổi theo lực tác dụng. Nó chuyển đổi lực, áp suất, lực căng, trọng lượng, v.v., thành sự thay đổi về điện trở để có thể đo lường được.

Khi các lực bên ngoài tác dụng lên một vật thể đứng yên sẽ sinh ra ứng suất và biến dạng. Khi có một lực căng tác dụng lên bất kỳ dây kim loại nào, chiều dài của dây đó sẽ tăng lên và đường kính dây giảm. Sự tăng chiều dài và giảm đường kính này sẽ làm thay đổi điện trở của dây dẫn, nhờ vậy có thể đo được độ căng trên các bộ phận máy.

3. Dòng điện xoáy (Eddy- Current):

Cảm biến dòng điện xoáy Eddy current( hay cảm biến dịch chuyển điện dung) là thiết bị không tiếp xúc đo lường vị trí và sự thay đổi vị trí của thành phần dẫn điện. Các cảm biến này hoạt động bằng trường điện từ. Cảm biến có đầu dò để tạo ra dòng điện AC tại phần đầu.

Dòng điện AC tạo ra các dòng điện nhỏ trong bộ phận đang được kiểm tra gọi là dòng điện xoáy Eddy current. Cảm biến giám sát sự tương tác của hai từ trường này. Khi vùng tương tác thay đổi, cảm biến sẽ tạo ra một điện áp tỷ lệ với sự thay đổi trong tương tác của hai từ trường.

Khi sử dụng cảm biến dòng điện xoáy, cần lưu ý rằng thiết bị được đo nên lớn hơn ít nhất 3 lần so với đường kính của cảm biến để đạt được kết quả đo chính xác.

Cách lựa chọn cảm biến rung phù hợp:

Với ứng dụng đặc biệt và có khá nhiều thông số phức tạp, việc lựa chọn cảm biến rung phù hợp cũng cần cân nhắc kỹ lưỡng tùy từng trường hợp riêng. Dưới đây là một số thông tin bạn nên tìm hiểu để chọn được cảm biến rung thích hợp cho mình:

Phạm vi rung (vibration range):

Phạm vi rung hay còn gọi là khoảng rung với giá trị khác nhau sẽ thích hợp với các hoạt động khác nhau của từng loại thiết bị. Thông thường, cảm biến gia tốc được sử dụng để giám sát mức độ rung động cao nên có cường độ và độ nhạy thấp hơn so với ngưỡng đo.

Độ nhạy (sensitivity):

Độ nhạy là một trong những thông số quan trọng nhất đối với cảm biến rung. Nó thể hiện chuyển đổi giữa độ rung và điện áp tại tần số đang được tham chiếu (ví dụ như 160 Hz). Độ nhạy có đơn vị là mV/G. Nếu độ nhạy của cảm biến rung thông thường là 100 mV/G và bạn đang đo tín hiệu 10 G thì sẽ cần 1000 mV hoặc 1 V dòng điện đầu ra. Độ nhạy chính xác được xác định trong quá trình hiệu chuẩn và thường được thể hiện trong giấy hiệu chuẩn. Độ nhạy của cảm biến rung phụ thuộc vào tần số. Vì vậy khi hiệu chuẩn cần tiến hành trên cả dải tần số để có thể xác định chính xác độ nhạy của cảm biến rung.

Hình bên trên cho thấy đặc điểm phản hồi tần số của cảm biến gia tốc accelerometer. Nói chung, sử dụng cảm biến rung có độ nhạy thấp để đo tín hiệu biên độ lớn và dùng cảm biến rung độ nhạy cao để đo các tín hiệu biên độ nhỏ.

Số lượng trục:

Loại cảm biến gia tốc thông dụng thường chỉ đo gia tốc dọc theo một trục duy nhất. Loại này thường được sử dụng để đo mức độ rung của máy. Ngoài ra, còn có loại cảm biến gia tốc ba trục. Có thể tạo ra một vector gia tốc 3D ở dạng các thành phần trực giao. Sử dụng cảm biến rung dạng này có thể xác định được các loại rung động (ví dụ như rung bên, rung ngang hoặc chuyển động quay).

Cách gắn cảm biến:

Một cân nhắc khác đối với hệ thống đo độ rung của bạn là cách gắn cảm biến gia tốc vào bề mặt mục tiêu. Có bốn phương pháp lắp điển hình như sau:

• Cầm tay hoặc đầu dò
• Dạng từ (magnetic)
• Dạng dính (adhesive)
• Stud mount

Tần số rung (vibration frequency):

Biết được khoảng tần số rung bạn cần đo cũng là yếu tố quan trọng tương tự như phạm vi rung. Các nhịp tần số được quy định bởi tần số lỗi của bộ phận quay nhanh nhất trong máy đang được kiểm tra. Ví dụ, tần số rung của máy nghiền bi quay chậm sẽ hẹp hơn tần số rung của quạt gió.

Ảnh hưởng của môi trường:

Khi chọn một máy đo gia tốc, hãy chú ý đến các thông số môi trường quan trọng như nhiệt độ hoạt động tối đa, tiếp xúc với hóa chất độc hại và độ ẩm.  Bạn có thể sử dụng hầu hết các máy đo gia tốc trong môi trường nguy hiểm vì cấu trúc chắc chắn và đáng tin cậy của chúng.  Để bảo vệ thêm, các máy đo gia tốc công nghiệp được chế tạo từ thép không gỉ có thể bảo vệ các cảm biến khỏi bị ăn mòn và hóa chất.

Sử dụng cảm biến gia tốc ở chế độ sạc nếu hệ thống phải hoạt động ở nhiệt độ quá cao.  Vì các máy đo gia tốc này không chứa thiết bị điện tử tích hợp nên nhiệt độ hoạt động chỉ bị giới hạn bởi yếu tố cảm biến và vật liệu được sử dụng trong xây dựng.  Tuy nhiên, vì chúng không có điều hòa tích hợp và khuếch đại điện tích, nên các máy đo gia tốc chế độ sạc rất nhạy cảm với sự can thiệp của môi trường và yêu cầu đi dây có độ ồn thấp.  Nếu môi trường ồn ào, bạn nên sử dụng bộ chuyển đổi điện tích nội tuyến hoặc cảm biến IEPE với bộ khuếch đại sạc tích hợp.

Sản phẩm cảm biến rung:

Hiện nay trên thị trường có rất nhiều loại cảm biến, cũng như rất nhiều mức giá khác nhau, giá thấp thì chất lượng tương tự. Tuỳ theo mục đích sử dụng và kinh phí mà các bạn chọn cho mình loại sản phẩm phù hợp. VJMC VINA là nhà nhập khẩu và phân phối các loại cảm biến đến từ Nhật Bản với nhiều thương hiệu hàng đầu, giá thành và chất lượng tốt nhất thị trường

Hi vọng bài viết cung cấp những thông tin cần thiết giúp người đọc hiểu rõ hơn về từng loại cảm biến rung cụ thế.