ĐÁNH GIÁ NGƯỠNG ĐỘ NHẠY CON QUAY VI CƠ

Chia sẻ: Do Xuan | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:4

Thêm vào BST

Báo xấu

318
lượt xem 69
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài báo đã đề cập đến cách đánh giá ngưỡng độ nhạy con quay vi cơ gây ra do nhiễu nhiệt. Đã đưa ra được các công thức phân tích và chương trình phần mềm để đánh giá ngưỡng độ nhạy con quay vi cơ có kết cấu khung dao động. Bài báo đã đưa ra một số kiến nghị cho việc lựa chọn một sô thông số cơ bản của con quay vi cơ khi thiết kế.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: ĐÁNH GIÁ NGƯỠNG ĐỘ NHẠY CON QUAY VI CƠ

ĐÁNH GIÁ NGƯỠNG ĐỘ NHẠY CON QUAY VI CƠ TS Nguyễn Văn Chúc ThS Nguyễn Phú Thắng TS Lê Anh Tuấn Trung tâm KHKT & CNQS Tóm tắt: Bài báo đã đề cập đến cách đánh giá cơ có bù nhiệt đã đạt đến độ chính xác gần đến 1 ngưỡng độ nhạy con quay vi cơ gây ra do nhiễu độ/giờ. nhiệt. Đã đưa ra được các công thức phân tích và Mặc dù độ chính xác của con quay vi cơ ngày chương trình phần mềm để đánh giá ngưỡng độ càng tăng, nhưng vẫn tồn tại một rào cản vật lý để nhạy con quay vi cơ có kết cấu khung dao động. nâng cao độ chính xác của các thiết bị đo do nhiễu Bài báo đã đưa ra một số kiến nghị cho việc lựa “nhiệt” sinh ra. Theo lý thuyết thông tin-năng chọn một sô thông số cơ bản của con quay vi cơ khi lượng, sự trao đổi thông tin giữa đối tượng và thiết thiết kế. bị đo chỉ có thể khi giữa chúng có trao đổi năng lượng. Sự trao đổi được thực hiện bằng các lượng Abstract: The analytic expression and software tử năng lượng và gây ra sự tăng giảm nhiệt độ có program to estimate the sensitivity threshold of a liên hệ với sự phân tán của vật chất và năng lượng. micromechanical gyroscope due to thermal Việc đánh giá ngưỡng độ nhạy con quay vi cơ fluctuations were derived on the basic of rất cần thiết để xác định mức độ đáp ứng độ chính information-energetic theory. Numerical xác của các phương án kết cấu, giải pháp trong thiết estimations obtained from formulas are important kế chế tạo thiết bị. Trên cơ sở lý thuyết thông tin- for determination of main parameters in a năng lượng, có thể tính toán ngưỡng độ nhạy cho micromechanical gyroscope design. thiết bị lý tưởng ở điều kiện tất cả các nhiễu kỹ thuật coi như bằng không. I. ĐẶT VẤN ĐỀ Sự phát triển của kỹ thuật vi điện tử hiện đại đã II. XÁC ĐỊNH NGƯỠNG ĐỘ NHẠY CON làm xuất hiện một loại cảm biến quán tính mới – QUAY VI CƠ con quay vi cơ. Việc sử dụng các thành tựu công Trong công trình này trình bày việc xác định nghiệp điện tử trong ngành công nghệ xử lý si líc ngưỡng độ nhạy của một kiểu con quay vi cơ là hệ và các phương tiện thiết kế hiện đại đã tạo ra các hai khung dao động được kích thích và cảm biến tiền đề thực tế để chế tạo các con quay kích thước bằng lực tĩnh điện kiểu tụ điện. Sơ đồ kết cấu con nhỏ, giá rẻ và có độ bền cao trước các tác động từ quay vi cơ được trình bày ở Hình 1. Con quay là bên ngoài. một hệ dao động cơ học gồm 2 khung ngoài và Các ngành ứng dụng chính loại cảm biến này là trong có thể dao động quanh trục Ox, Oy nhờ các công nghiệp ô tô, các hệ thống vũ khí và kỹ thuật gối treo đàn hồi. Trên tấm đế phân bố các bản tụ quân sự, kỹ thuật rô bốt… Đặc biệt các con quay vi của hệ thống kích thích và cảm biến. Khung ngoài cơ được ứng dụng trong các hệ thống dẫn đường và được kích thích dao động, dao động này truyền cho điều khiển chuyển động, được sử dụng cùng với các khung trong thông qua các gối treo đàn hồi. Kết quả hệ thống dẫn đường vệ tinh toàn cầu. là hệ dao động xung quanh trục Ox với tần số ωx, Theo độ chính xác, các ngành ứng dụng con khí đế con quay có chuyển động xung quanh trục quay được phân loại như sau: trong các ngành dân Oz với tốc độ Ω (t) xuất hiện lực Coriolit biến thiên dụng (độ ổn định tốc độ trôi 100-3600 độ/giờ), cấp xung quanh trục Oy tác động cho khung trong dao độ chiến thuật (0,1-100 độ/giờ), cấp độ dẫn đường động xung quanh trục Oy (vuông góc với trục Ox). (0,005-0,1 độ/giờ) và cấp độ chiến lược (nhỏ hơn 0,005 độ/giờ). Đa số các con quay vi cơ được sử dụng cho các mục đích dân sự, nhưng với việc độ chính xác của con quay vi cơ ngày càng tăng, số lượng các lĩnh vực sử dụng con quay vi cơ cũng ngày càng tăng. Con quay vi cơ từ si líc được nghiên cứu đầu tiên vào đầu thập kỷ 90 ở phòng Thí nghiệm Draper (Mỹ) cho công nghiệp ô tô và được sử dụng như là cảm biến tốc độ góc. Các mẫu đầu tiên có độ trôi đến vài độ/giây. Sau đó đã đạt được độ trôi từ 10 đến 100 độ/giờ, điều đó cho phép sử dụng trong dẫn đường và thử nghiệm trong đạn pháo có điều khiển. Hiện nay, với các con quay vi Hình 1: Sơ đồ kết cấu con quay vi cơ. 1
Để tăng độ nhạy của tốc độ góc cần đo, người Công thức (6) thể hiện ngưỡng độ nhạy của ta sử dụng độ tản mát năng lượng thấp trong si líc thiết bị lý tưởng, là thiết bị có các nhiễu kỹ thuật để tăng hệ số phẩm chất dao động và hiệu chỉnh các (cơ và điện) bằng không và đúng ở điều kiện khi thông số của nó để đạt cộng hưởng, tức là các tần thiết bị đo không ảnh hưởng đến hệ dao động. số riêng của dao động kích thích và cảm biến trùng Trong thực tế, các nhiễu kỹ thuật lớn hơn nhiều lần nhau. nhiễu do sự thay đổi nhiệt, và các thiết bị đo cũng Từ quan điểm vật lý, con quay vi cơ là một hệ có ảnh hưởng động học và nhiệt. dao động cơ học có hệ số phẩm chất cao, phương Theo công thức (6) ta nhận thấy, để giảm trình của dao động cảm biến dưới tác động của mô ngưỡng độ nhạy của con quay vi cơ ở dải thông cho ment Coriolit Mc có thể được viết dưới dạng sau:[1] trước và hệ số phẩm chất xác định của dao động J x α + Bx α + K x α = M kt && & (1) cảm biến, cần phải tăng biên độ các dao động góc kích thích của khung ngoài. && & J y β + B y β + K y β = Mc (2) Dải thông ∆ω xác định sự tác động nhanh và tỉ Ở đây: lệ nghịch với thời gian không đổi của thiết bị.Yêu Jx,Jy - mô men quán tính khung ngoài và trong cầu về dải thông là một trong các thông số cơ bản Bx,By - hệ số tản mát nhất của con quay vi cơ được sử dụng như một thiết Kx,Ky - độ cứng gối treo đàn hồi bị đo và được lựa chọn từ điều kiện sử dụng trên đế β - góc lệch của khung trong theo trục dao chuyển động trong giới hạn 20-100Hz. động cảm biến. Khả năng tăng hệ số phẩm chất các dao động Do sự tăng giảm nhiệt, có mô men ngẫu nhiên đầu ra bị hạn chế bởi môi trường xung quanh và sự tác động lên hệ dao động, mật độ phổ của nó không tản mát trong vật liệu hệ dao động. Si líc có tổn thất đổi đối với tất cả các tần số và bằng 4kBTBy theo trong thấp do ma sát, nhưng nó phụ thuộc rất nhiều định luật Naikvit [5]. vào qui trình công nghệ gia công nó. Khi giảm ma sát khí hay giữ hệ dao động trong chân không trong M T = 4k BTB y ∆ω (3) khoảng 0,13Pa (10-3 mm cột thuỷ ngân), hệ số -23 Ở đây, kB = 1,38.10 J/K - hằng số Bôsman. phẩm chất của con quay vi cơ si líc đạt được là T- nhiệt độ tuyệt đối của hệ dao động 10000-50000. ∆ω-dải thông của hệ dao động Giữa hệ số phẩm chất và dải thông, tồn tại mối Nếu ngoài nhiễu nhiệt còn có mô men lực liên hệ xác định theo công thức ∆ω=ω/2Qy . Từ đó, Côriôlít Mc tác động gây ra dịch chuyển của đế thì công thức (5) có thể được viết lại dưới dạng: điều kiện để phát hiện ra có dạng. 1 Ω min ≥ 2k BTJ y (7) M C = HΩ ≥ 4k BTBy ∆ω (4) αJ x Q y Ở đây, H = J x αωx - mô men động lượng của Một trong các biện pháp hiệu quả để giảm ngưỡng độ nhạy con quay vi cơ là tăng biên độ các con quay dao động kích thích. Thông thường, công suất của Jx- mô men quán tính dọc trục của khung ngoài cảm biến để kích thích dao động là không đủ. Để α - biên độ dao động kích thích của khung tăng biên độ, người ta sử dụng cộng hưởng và cho ngoài lắc ở tần số trùng với tần số riêng dao động góc của ωx - tần số dao động kích thích của khung khung trong và mặt phẳng của nó. Khả năng tăng ngoài biên độ dao động kích thích trong kết cấu bị hạn Ω - tốc độ góc của đế quay. chế bởi công suất của cảm biến kích thích ở tần số Trong trường hợp cộng hưởng : đã cho của khung và điện áp cho phép tương ứng ωx = ωy = ω với điều kiện độ bền kết cấu và tuổi thọ của gối treo Trên cơ sở của các công thức (3) và (4), giá trị đàn hồi khi dao động cưỡng bức cường độ mạnh. nhỏ nhất của tốc độ góc đo hay còn gọi là ngưỡng Biên độ dao động góc kích thích ở tần số cộng độ nhạy của con quay vi cơ có tác động của sự tăng hưởng được tính theo: giảm nhiệt, được tính theo công thức sau: M K Qx α= (8) 4k BTB y ∆ω J x ω2 Ω min ≥ (5) Ở đây, MK – mô men kích thích để tạo ra dao H động cưỡng bức của khung trong theo trục vuông Từ công thức (1) có thể nhận được By=Jyω/Qy góc với mặt phẳng khung ngoài. ở đây, Qy - hệ số phẩm chất dao động theo trục Qx - hệ số phẩm chất dao động theo trục Ox. Oy. Chú ý rằng Jxω2 là độ cứng Kx và Jyω2 là độ Đặt các công thức này vào công thức (5) và cứng Ky của gối treo đàn hồi và thay (8) vào (7), ta khai triển H, ta nhận được: có: 4k BT∆ωJ y ω Cy Ω min ≥ (6) J 2 α 2ωQ y Ω min ≥ 2k BT (9) x MK QxQ y 2
Vì vậy, để giảm ngưỡng độ nhạy con quay vi cơ, cần phải giảm tần số riêng của gối treo tương ứng với việc giảm độ cứng của gối treo và tăng mô men quán tính của khung ngoài. Khi thiết kế, cần phải tăng mô men kích thích MK và hệ số phẩm chất dao động kích thích Qx , nhưng cũng phải tính đến ứng suất xuất hiện trong kết cấu. Để kết cấu ổn định phải thoả mãn điều kiện sau [1]: MKQx τ max = ≤ [ τ] (10) Wk Wk- mô men chống xoắn của mặt cắt trục đàn hồi. Ta cũng nhận thấy rằng, mô men động lượng con quay vi cơ tăng khi giảm tần số riêng của hệ dao động. Thật vậy, khi thay công thức (8) và công thức của mô men động lượng, ta nhận được Hình 3: Chương trình tính mô men quán tính H = MKQx/ω. Việc giảm tần số riêng của hệ dẫn đến tăng độ Chương trình phần mềm này giúp ta tính toán nhạy của thiết bị. Độ nhạy của thiết bị được xác nhanh ngưỡng độ nhạy con quay vi cơ theo sự thay định bằng hệ số tỉ lệ [1]: đổi các thông số khác nhau và nhanh chóng lựa chọn các thông số thiết kế phù hợp với yêu cầu đề β MKQx Q y KM = = (11) ra. Ω J y ω3 Thực hiện tính toán ngưỡng độ của con quay vi cơ do Trung tâm KHKT & CNQS tính toán thiết kế Sau đây là phần giới thiệu chương trình phần và chế tạo thử. mềm tính toán ngưỡng độ nhạy con quay vi cơ có - Các thông số thiết kế kết cấu là 2 khung dao động. Chương trình có giao + Kích thước khung trong: diện như Hình 2. * Dài: 6.10-3 m * Rộng: 2.10-3 m * Dầy: 2.10-4 m + Kích thước khung ngoài: * Dài bao ngoài: 10.10-3m * Dài bao trong: 8.10-3m * Rộng bao ngoài: 5,5.10-3m * Rộng bao trong: 3,2.10-3m * Dầy: 2.10-4 m + Mô men quán tính theo trục Ox Jx = 1,858.10-11 kgm2 + Mô men quán tính theo trục Oy Jy = 5,5872.10-6 kgm2 + Tần số riêng của dao động ω = 1,8609.104 rad/giây + Biên độ dao động kích thích α = 98” +Hệ số phẩm chất Qx = Qy = 104 Hình 2: Chương trình tính ngưỡng độ nhạy +Nhiệt độ môi trường xung quanh T = 300K Các kết quả tính mô men quán tính lấy từ - Kết quả ngưỡng độ nhạy con quay vi cơ: chương trình tự động tính toán khối lượng, mô men Ωmin=3,3.10-3 rad/giây (700 độ/giờ) quán tính và tự động vẽ kết cấu 3D khung dao động con quay vi cơ (xem Hình 3). III. KẾT LUẬN Trên cơ sở của lý thuyết thông tin-năng lượng của các thiết bị đo, báo cáo đã đưa ra các công thức phân tích để đánh giá ngưỡng độ nhạy của con quay vi cơ do tác động của sự tăng giảm nhiệt. Các công thức tính toán ngưỡng độ nhạy của thiết bị lý tưởng, là thiết bị mà các nhiễu kỹ thuật (nhiễu cơ và điện) bằng không và với điều kiện thiết bị đo không ảnh hưởng tới hệ dao động. Qua các công thức và chương trình phần mềm, ta nhận xét rằng để giảm ngưỡng độ nhạy cần phải: 3
+ Tăng hệ số phẩm chất của dao động cảm biến (theo trục Oy). + Tăng biên độ của dao động kích thích, đạt được bằng cách giảm tần số dao động riêng hoặc tăng hệ số phẩm chất và mô men kích thích, khi đó phải tính đến ứng suất xuất hiện trong kết cấu. Kết quả tính toán ngưỡng độ nhạy con quay vi cơ có kết cấu khung dao động do Trung tâm KHKT & CNQS thiết kế là Ωmin=3,3.10-3 rad/giây (700 độ/giờ). Với giá trị sai số này con quay được thiết kế có thể áp dụng trong kỹ thuật ô-tô, còn để áp dụng trong các hệ thống dẫn đường cần phải giảm ngưỡng độ nhậy hàng trăm lần đòi hỏi việc nghiên cứu sâu hơn về công nghệ vi cơ để có thế tạo ra sơ đồ kết cấu mới có hệ số phẩm chất cao hơn, có kết cấu hoàn thiện hơn để loại bỏ các loại nhiễu cơ, điện bằng các biện pháp nâng cao độ nhậy đã nêu trên. Tài liệu tham khảo: [1] Nguyễn Văn Chúc, Bùi Ngọc Hồi, Lê Anh [3] Min Hang Bao: Micro Mechanical Transducers, Tuấn…”Mô hình động lực học và mô phỏng con Handbook of Sensors and Actuators, Elsevier 2000. quay vi cơ bằng phần mềm Matlab-Simunlink”, [4] Navid Yazdi, Farrokh Ayazi, Khalil Najafi: Tuyển tập Hội nghị khoa học toàn quốc về Cơ học Micromachined Inertial Sensors, Proceeding of the kỹ thuật, Hà Nội, 12-13 Tháng 10, 2001. IEEE, Vol. 86, No. 8, August 1998 [2] Nguyễn Văn Chúc, Lê Anh Tuấn, Nguyễn Phú [5] Евстифеев М.И. Состояния разработок и Thắng …”Xu hướng phát triển và ứng dụng của перспективы развития микромеханических cảm biến quán tính vi cơ điện – con quay vi cơ, gia гироскопов. Материалы 2ой конф. молодежных tốc kế”, Tuyển tập Hội nghị Cơ điện tử lần thứ I, ученных .СПБ.3.2000 Hà Nội, tháng 9 2002. Địa chỉ liên hệ: Nguyễn Văn Chúc. Đơn vị: Trung tâm KHKT & CNQS Điện thoại: (069) 516083 091-2123331 Email: thaiha@netnam.vn 4