So sánh cảm biến đo độ rung MEMS và IEPE - Khi nào nên dùng?

Cảm biến gia tốc đo rung là gì?

Cảm biến gia tốc đo độ rung (tiếng anh còn gọi accelerometer) là thiết bị chuyên dụng để đo 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 (piezoelectric effect).

Bạn có thể tìm hiểu chi tiết hơn tại bài viết: Cảm Biến Rung Là Gì? Cách Chọn Cảm Biến Rung Phù Hợp Nhất

Cảm biến MEMS là gì?

MEMS (Viết tắt của Micro Electro Mechanical System) còn gọi là hệ thống cơ điện vi mô và áp dụng cho bất kỳ cảm biến nào được sản xuất bằng kỹ thuật chế tạo vi điện tử (micro). Những kỹ thuật này tạo ra các cấu trúc cảm biến cơ học có kích thước cực nhỏ, điển hình là trên silicon. Khi kết hợp với các mạch vi điện tử, cảm biến MEMS có thể được sử dụng để đo các thông số vật lý như gia tốc. Cảm biến MEMS cho phép đo tần số xuống đến 0 Hz (gia tốc tĩnh hoặc DC). 

MEMS được sản xuất thành 02 loại chính:

• Gia tốc kế MEMS điện dung biến đổi (VC - Variable capacitive) là thiết bị có phạm vi thấp hơn, độ nhạy cao được sử dụng để giám sát cấu trúc và đo gia tốc không đổi. 
• Gia tốc kế MEMS Piezoresistive (PR - Piezoresistive) là thiết bị có phạm vi cao hơn, độ nhạy thấp được sử dụng trong các ứng dụng gây sốc và nổ.

Cảm biến IEPE là gì?

IEPE (viết tắt của Integrated Electronics Piezo-Electric). Đây là loại cảm biến áp điện với thiết bị điện tử tích hợp, trong những năm gần đây IEPE đã trở thành tiêu chuẩn cho các ứng dụng công nghiệp. Mạch bán dẫn chuyển đổi tín hiệu trở kháng cao của cảm biến áp điện thành tín hiệu điện áp có trở kháng thấp, dễ truyền đi hơn. Nhờ IEPE, nguồn điện và tín hiệu cảm biến được truyền qua một cáp tiêu chuẩn có độ dài bất kỳ mà không gây ra các lỗi đo do chuyển động của cáp

So sánh sự khác nhau giữa cảm biến MEMS và IEPE

Tính đến thời điểm hiện tại, đáp ứng tần số được xem là điểm khác biệt lớn nhất giữa hai loại gia tốc kế, trong đó các thiết bị MEMS sẽ gặp các hạn chế khi đo ở tần số cao so với các thiết bị áp điện IEPE có thông số tương ứng của chúng. Tuy nhiên, công nghệ MEMS đã được cải tiến liên tục trong vài năm qua đến mức một số gia tốc kế MEMS cao cấp hiện đang tiến gần đến dải tần trên 20 kHz (dung sai ±3 dB), phù hợp với hiệu suất áp điện.

Điều thú vị là các gia tốc kế MEMS đời đầu có băng thông vượt xa các cảm biến IEPE áp điện. Điều này là do ban đầu chúng được thiết kế để đo các ứng dụng rung có độ sốc nhanh, biên độ cao, cần băng thông rộng, nhưng đánh đổi để đạt được điều này là độ nhạy thấp. Một số gia tốc kế sốc cao có độ nhạy vào khoảng 10 µV/g—quá thấp để có thể cảm nhận được rung động trong các máy quay.

Tại thời điểm này, điều quan trọng là phải hiểu khái niệm giảm xóc. Gia tốc kế là các cảm biến động và do đó có thể được mô hình hóa như một hệ thống cơ học giảm chấn bằng lò xo khối lượng động. Các nhà sản xuất cảm biến gia tốc có thể kiểm soát (ở một mức độ) từng thông số này để đạt được hiệu suất mà họ đang tìm kiếm trong gia tốc kế.

Gia tốc kế áp điện IEPE có ít giảm chấn (là hệ thống cơ học cứng) điều này khiến chúng có xu hướng có băng thông rộng. Gia tốc kế MEMS đời đầu cũng được thiết kế với độ giảm chấn nhỏ (và độ cứng cao) để đạt được băng thông rộng; như đã đề cập trước đó, điều này phải trả giá bằng độ nhạy của cảm biến thấp. Thực tế, cấu trúc vi mô silicon của máy đo biến dạng được sắp xếp theo cấu hình cầu Wheatstone, các cảm biến MEMS đời đầu có bản chất là ohmic.

Mặt khác, gia tốc kế MEMS ngày nay có bản chất là điện dung, trong đó chúng được chế tạo dưới dạng vi cấu trúc silicon với một tụ điện dạng tấm biến thiên để đạt được độ nhạy cao hơn. Tuy nhiên, điều này đã tạo ra nhiều giảm chấn hơn cho hệ thống cơ học giảm chấn bằng lò xo khối, tác dụng phụ của việc này là khiến băng thông đo giảm. Khi đó, người thiết kế cảm biến MEMS phải cân bằng giữa việc tối ưu hóa độ nhạy và tối ưu hóa băng thông.

Do sự giảm chấn tăng lên, đỉnh cộng hưởng tìm thấy trong đáp ứng tần số của bất kỳ hệ thống giảm chấn lò xo khối nào đều được kiểm soát tốt hơn so với đáp ứng tần số của cảm biến áp điện IEPE. Như được hiển thị trong Hình 2, đỉnh cộng hưởng trong đáp ứng tần số của gia tốc kế là vấn đề trong ứng dụng giám sát tình trạng, vì nó có thể tạo ra các tín hiệu méo sai không đại diện cho rung động thực. Thật thú vị khi lưu ý rằng gia tốc kế MEMS điện dung băng thông cao hơn thể hiện đáp ứng tần số tương tự như gia tốc kế áp điện.

Tiêu thụ điện năng và độ nhiễu

Nhiễu điện tử, là các tín hiệu điện áp thấp ngẫu nhiên được tạo ra bởi bất kỳ cảm biến nào, điều này không thể tránh khỏi chỉ vì một số yếu tố trong điều kiện thực tế (ví dụ ma sát trong ổ trục). Các khu vực có độ nhiễu cao sẽ khiến việc đo lường các giá trị rung động nhỏ mà cảm biến đo rung nhìn thấy trở nên khó khăn hơn.

Hiện nay, gia tốc kế áp điện IEPE đã được thiết kế với mức nhiễu tương đối thấp (khoảng 30 µV/√Hz, hoặc microvolt trên mỗi hertz gốc). Mặt khác, gia tốc kế MEMS loại điện dung thường có độ nhiễu cao hơn (ở mức 500 µV/√Hz). Nhưng các cảm biến MEMS hiệu suất cao cũng đã được cải tiến, cho phép chúng hoạt động ngang bằng với các thiết bị áp điện.

Tuy nhiên, mức tiêu thụ điện năng là lĩnh vực mà công nghệ MEMS có lợi thế hơn, đó là lý do tại sao các loại gia tốc kế này trở nên đặc biệt hữu ích trong các ứng dụng không dây chạy bằng pin. Trong khi công nghệ MEMS thường sử dụng dòng điện 1 mA trở xuống, gia tốc kế áp điện sử dụng dòng điện ít nhất 2 mA trở lên (loại IEPE) và điện áp ít nhất 18 Vdc.

Gia tốc kế áp điện IEPE đã thống trị các ứng dụng giám sát đo độ rung trong nhiều năm vì nó mang lại nhiều ưu điểm như: đáp ứng tần số, độ nhiễu thấp và chi phí thấp là những yếu tố hàng đầu. Tuy nhiên, gia tốc kế MEMS gần đây đã có những tiến bộ về đáp ứng tần số và hiệu suất độ nhiễu. Cùng với mức tiêu thụ điện năng thấp và chi phí thấp vốn có, gia tốc kế dựa trên công nghệ MEMS hiện đang có khả năng cạnh tranh hiệu quả với cảm biến áp điện IEPE, nghĩa là người dùng giám sát tình trạng nên xem xét cả hai công nghệ khi trang bị cho các máy cân bằng quay của nhà máy.  

Kết quả