Cảm biến gia tốc & rung động trong thử nghiệm NVH

Trong thử nghiệm NVH, cảm biến gia tốc là một trong những thiết bị chính để thu thập dữ liệu rung động trên kết cấu. Từ phân tích modal, đo rung động khi xe vận hành đến xác định đường truyền rung, chất lượng tín hiệu từ cảm biến ảnh hưởng trực tiếp đến kết quả phân tích.

1. Cảm biến gia tốc là gì và vì sao quan trọng 

Cảm biến gia tốc là thiết bị đo gia tốc tại một điểm trên kết cấu. Trong thử nghiệm NVH, tín hiệu gia tốc được sử dụng để đánh giá mức độ rung, xác định các thành phần tần số và theo dõi đường truyền rung từ nguồn kích thích đến vị trí người sử dụng cảm nhận được.

Mỗi nguồn rung trên xe, chẳng hạn động cơ, hộp số, hệ thống treo hoặc motor điện, có đặc tính dao động khác nhau. Khi đo tại nhiều vị trí và đồng bộ dữ liệu, kỹ sư có thể xác định nguồn rung, đường truyền và vị trí kết cấu có đáp ứng lớn.

2. Nguyên lý hoạt động

Phần lớn cảm biến gia tốc dùng trong NVH hoạt động theo nguyên lý áp điện. Khi kết cấu dao động, phần tử áp điện bên trong cảm biến tạo ra tín hiệu điện tỷ lệ với gia tốc tác động. Tín hiệu này được đưa vào hệ thống thu thập dữ liệu để khuếch đại, điều hòa và chuyển đổi thành dữ liệu số.

Ngoài cảm biến áp điện, cảm biến MEMS cũng được sử dụng trong một số ứng dụng nhờ kích thước nhỏ, khối lượng thấp và khả năng triển khai với số lượng lớn.

Việc lựa chọn công nghệ cảm biến cần dựa trên dải tần, mức rung, điều kiện môi trường và phương pháp đo cụ thể.

3. Một số dòng cảm biến nổi bật của Kistler

3.1. Dòng cảm biến gia tốc tam trục phổ thông (IEPE Trixial)

Cảm biến tam trục đo đồng thời theo ba phương X, Y và Z.

Trong thử nghiệm NVH, cảm biến tam trục thường được sử dụng khi cần đánh giá đầy đủ đáp ứng rung của một điểm đo. So với việc sử dụng nhiều cảm biến đơn trục, cấu hình này giúp giảm số lượng cảm biến và thời gian lắp đặt.

Đây cũng là lựa chọn phù hợp khi phân tích các dạng dao động phức tạp hoặc các kết cấu không có hướng rung duy nhất.

• - Kistler 8763B: Dòng cảm biến rung 3 trục (X, Y, Z) phổ biến nhất của hãng. Vỏ bọc bằng Titanium siêu nhẹ hàn kín, chống nước tốt. Theo thông tin kiểm thử từ Kistler, dòng 8763B sở hữu ngưỡng nhiễu nền cực thấp (chỉ từ 0.00029 g), lý tưởng để đo các vi rung động trên cấu trúc mỏng nhẹ.
• - Kistler 8764B: Phiên bản tích hợp lỗ ren trung tâm. Thiết kế này cho phép các kỹ sư xoay thân cảm biến tự do 360° để định hướng luồng cáp đầu ra theo ý muốn vô cùng linh hoạt.

3.2. Dòng cảm biến chịu nhiệt độ cao (High Temperature)

Khi cần thử nghiệm rung động trong buồng đốt động cơ, hệ thống xả, hoặc môi trường công nghiệp khắc nghiệt, Kistler ứng dụng vật liệu tinh thể PiezoStar chịu nhiệt vượt trội.

Kistler 8768A: Cảm biến gia tốc 3 trục IEPE chuyên dụng cho môi trường nhiệt độ cao. Nhờ công nghệ tinh thể PiezoStar kết hợp với vi mạch hybrid, thiết bị giữ được độ nhạy ổn định tuyệt đối và không bị sai lệch dữ liệu ngay cả khi nhiệt độ thay đổi đột ngột.

3.3. Dòng cảm biến điện dung tần số thấp (MEMS Capacitive K-Beam)

Với các ứng dụng đo gia tốc trọng trường (DC), rung động tần số rất thấp như trong kiểm thử động lực học ô tô, tàu hỏa hoặc giám sát kết cấu cầu đường, các cảm biến áp điện thông thường không đáp ứng được. Kistler giải quyết bằng công nghệ MEMS.

Kistler 8396A: Mẫu cảm biến gia tốc 3 trục cao cấp sử dụng công nghệ vi cơ điện tử K-beam capacitive MEMS độc quyền. Thiết bị hoạt động ổn định lâu dài ở tần số thấp (về tới 0 Hz), cho phép phân tích chuyển động không gian ba chiều với độ nhiễu thấp và độ tuyến tính vượt trội.

3.4. Dòng cảm biến 1 trục đa dụng (General Purpose / Multipurpose)

Cảm biến đơn trục chỉ đo gia tốc theo một phương duy nhất - thường dùng khi hướng dao động đã được xác định trước, ví dụ đo rung động thẳng đứng trên sàn xe hoặc rung dọc trục trên trục cardan.

Đây là dòng cảm biến dành cho các phép đo rung động cơ bản trên máy móc, động cơ quay hoặc phân tích tần số đáp ứng của kết cấu.

Kistler 8702B / 8704B: Các dòng cảm biến gia tốc 1 trục thiết kế theo chuẩn công nghệ K-Shear. Vỏ thép không gỉ cực bền, dải đo rộng (từ 25g đến 500g), có cổng kết nối nằm ở cạnh bên (side connector) để tối ưu không gian chiều cao khi lắp đặt.

4. Các thông số cần quan tâm khi chọn cảm biến

Lựa chọn cảm biến chỉ dựa trên một thông số như dải tần hoặc độ nhạy có thể dẫn đến sai lệch trong phép đo. Một số thông số cần xem xét gồm:

• - Độ nhạy: Đo bằng mV/g hoặc pC/g - cảm biến có độ nhạy cao phù hợp đo dao động nhỏ, nhưng dễ bão hòa khi đo rung động lớn
• - Dải tần số: Phải phủ đủ dải tần của hiện tượng cần đo - ví dụ đo rung động động cơ cần dải thấp (dưới 500 Hz), trong khi đo tiếng rít phanh cần dải tần lên đến hàng chục kHz
• - Dải đo: Tính bằng g - cần chọn dải đo phù hợp với biên độ dao động thực tế, tránh cắt tín hiệu (clipping) hoặc mất độ phân giải
• - Khối lượng cảm biến: đặc biệt quan trọng khi đo trên các kết cấu nhẹ như tấm mỏng, chi tiết nhựa hoặc các bộ phận nội thất. Khối lượng cảm biến có thể làm thay đổi đặc tính dao động của kết cấu.
• - Khả năng chịu nhiệt và môi trường: Với các phép đo gần động cơ hoặc hệ thống phanh, cảm biến cần chịu được nhiệt độ cao và môi trường dầu mỡ

5. Ứng dụng cảm biến theo từng nhóm nguồn NVH

6. Vai trò của cảm biến gia tốc trong phân tích Modal

Trong phân tích modal thực nghiệm, cảm biến gia tốc thu tín hiệu đáp ứng của kết cấu khi hệ thống được kích thích bằng búa va đập hoặc máy kích rung.

Dữ liệu thu được được sử dụng để xác định:

• - Tần số tự nhiên của kết cấu
• - Hệ số cản của các dạng dao động
• - Dạng dao động tại từng tần số

Số lượng và vị trí điểm đo ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng mô tả dạng dao động. Nếu bố trí quá ít điểm, các dạng dao động phức tạp có thể không được nhận diện đầy đủ. Ngược lại, số điểm đo quá lớn sẽ làm tăng thời gian lắp đặt, thu thập và xử lý dữ liệu.

Do đó, bố trí cảm biến cần được thiết kế cùng với mô hình đo và mục tiêu phân tích ngay từ đầu.

7. Những lỗi thường gặp khi sử dụng cảm biến gia tốc

• - Lắp đặt không đúng kỹ thuật: Dùng sáp gắn (wax mounting) cho đo tần số cao là sai, vì làm giảm dải tần đáp ứng thực tế của cảm biến
• - Bỏ qua hiệu chuẩn định kỳ: Cảm biến bị lệch độ nhạy theo thời gian nếu không hiệu chuẩn, dẫn đến sai số tích lũy trong toàn bộ chuỗi đo
• - Không tính đến hiệu ứng tải khối lượng: Đặc biệt nghiêm trọng khi đo trên các chi tiết nhựa hoặc tấm mỏng trong nội thất xe
• - Nhiễu tín hiệu điện từ: Đặc biệt quan trọng khi đo gần motor điện hoặc bộ biến đổi điện trên xe điện - cần cáp chống nhiễu và cảm biến có khả năng loại nhiễu tốt

GPower Vietnam - Đối tác cung cấp gia tốc chuyên dụng cho thử nghiệm NVH

Trong thực tế thử nghiệm, không có một loại cảm biến gia tốc phù hợp cho mọi bài đo.

Một cảm biến dùng cho phân tích modal trên tấm nội thất sẽ có yêu cầu khác với cảm biến đặt gần động cơ. Tương tự, phép đo rung tần số cao của hệ thống phanh hay motor điện sẽ cần một cấu hình khác với phép đo rung thân xe ở dải tần thấp.

Vì vậy, quá trình lựa chọn nên bắt đầu từ câu hỏi cần đo hiện tượng gì, tại vị trí nào, trong điều kiện nào và cần phân tích đến mức nào. Từ đó mới xác định loại cảm biến, dải đo, dải tần, độ nhạy, phương pháp lắp đặt và cấu hình thu thập dữ liệu.

GPower Vietnam cung cấp và tư vấn giải pháp cảm biến phục vụ thử nghiệm NVH, từ lựa chọn cảm biến, cấu hình hệ thống đo đến tích hợp với hệ thống thu thập và phần mềm phân tích.

Liên hệ GPower Vietnam để được tư vấn cấu hình cảm biến phù hợp với yêu cầu phép đo và điều kiện thử nghiệm thực tế.

Tham khảo các bài viết liên quan đến thử nghiệm NVH:

• - Buồng câm NVH
• - Thiết bị đo tiếng ồn và rung động trong thử nghiệm NVH
• - Hệ thống camera âm học Head Acoustics
• - Cảm biến gia tốc Dytran
• - Cảm biến lực và momen xoắn đa trục Kistler
• - Thử nghiệm NVH