Nghiên cứu phát triển một cảm biến vận tốc góc dựa trên hiệu ứng dòng xả corona

Bài viết đề xuất cấu hình cảm biến đo vận tốc góc (gyroscope) dựa trên hiệu ứng dòng xả corona. Cấu hình đề xuất gồm có bộ phận tạo ra luồng gió và bộ phận cảm nhận độ lệch của luồng gió khi cảm biến chịu tác động của vận tốc góc. Luồng gió được tạo ra trong một không gian kín tuần hoàn dựa trên hiệu ứng dòng xả corona. Bộ phận tạo ra luồng gió sử dụng cấu trúc ba dòng xả corona kiểu mũi kim – vòng tròn (pin - ring) để tạo ra luồng gió ion trong ba kênh riêng. Mời các bạn cùng tham khảo!

Nghiên Cứu Phát Triển Một Cảm Biến Vận Tốc Góc Dựa Trên Hiệu Ứng Dòng Xả Corona Trần Văn Ngọc1, Đậu Thành Văn2, Nguyễn Ngọc An3, Trần Như Chí3, Chử Đức Trình3, Bùi Thanh Tùng3* Viện Tên lửa, Viện Khoa học Công nghệ Quân Trường Đại học Griffit Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội *Email: tungbt@vnu.edu.vn Mặc dù có hiệu suất đo lường cao kế thừa tiến gần thiết kế công nghệ chế tạo, cảm biến quán tính với dao động khối tham chiếu dễ bị hỏng rung/dao động thành phần khối qn tính Trong cảm biến vận tốc góc dựa nguyên lý lưu chất (lỏng khí) khơng cần có dao động khối qn tính nên khơng bị hạn chế nói Trong cảm biến này, chuyển động tham chiếu đến từ mơi trường lỏng khí, thay cấu trúc khối đặc rắn Vì vậy, mối quan tâm thiết kế cảm biến góc loại tạo dịng chất lỏng khí có khả tự dao động không gian Một số kỹ thuật sử dụng để tạo dòng chảy cho cảm biến quán tính dựa nguyên lý chất lỏng khí phương pháp dựa đối lưu tự nhiên từ vùng làm nóng cục [4], [5], [6], [7]; phương pháp dựa giãn nở nhiệt gây khí đốt nóng nhanh; phương pháp dựa luồng gió cách bơm sử dụng màng PZT [8], [9], [10]; luồng gió tạo từ chất lỏng liên hợp điện sử dụng điện trường cách cấp nguồn cao áp đến điện cực ngập chất lỏng [11] Một quay hồi chuyển dạng khí loại bỏ hiệu ứng gia tốc tuyến tính lực đối lưu [12] Một phương pháp khác tạo luồng gió sử dụng gió ion Luồng gió ion tạo nhờ hiệu ứng dòng xả corona với cấu trúc cặp điện cực pin – ring Khi đặt nguồn điện áp cao đến điện cực pin đóng vai trị nguồn phát xạ ion điện cực ring đóng vai trị điện cực tham chiếu vùng xung quanh điện cực chịu điện trường mạnh Dưới tác động điện trường mạnh trình phun ion bắt đầu phóng điện dạng burst, sau tiến tới quầng stream, quầng sáng ổn định cuối tia lửa điện Mỗi ion chịu lực đẩy tĩnh điện Coulomb di dời khỏi vùng ion hóa vào khu vực (drift) Trong khu vực này, ion va chạm với phân tử không khí trung hịa, truyền động sau va chạm trơi dạt khơng khí Tổng lực tĩnh điện vùng drift gọi lực tĩnh điện thủy động lực học (electrohydrodynamic - EHD) chuyển động luồng khí mang hạt điện tích thường gọi gió ion (ion wind) [13] Có nhiều nghiên cứu ứng dụng hiệu ứng dòng xả corona ứng dụng khác thiết bị khử tĩnh điện; máy tạo ozon để làm thực phẩm, lọc khơng khí Abstract- Trong báo này, chúng tơi đề xuất cấu hình cảm biến đo vận tốc góc (gyroscope) dựa hiệu ứng dịng xả corona Cấu hình đề xuất gồm có phận tạo luồng gió phận cảm nhận độ lệch luồng gió cảm biến chịu tác động vận tốc góc Luồng gió tạo khơng gian kín tuần hồn dựa hiệu ứng dịng xả corona Bộ phận tạo luồng gió sử dụng cấu trúc ba dòng xả corona kiểu mũi kim – vòng tròn (pin - ring) để tạo luồng gió ion ba kênh riêng Các luồng gió ion kết hợp lại với lỗ phun trước thổi vào buồng làm việc luồng gió quay trở lại kênh riêng để tăng tốc cho gió ion Độ lệch luồng gió có vận tốc góc tác dụng đo cách sử dụng số dây nhiệt điện trở (hotwire) đặt vị trí thích hợp buồng làm việc Khi có vận tốc góc ảnh hưởng đến cảm biến, luồng gió ion tạo bị lệch hướng hiệu ứng Coriolis đo dây nhiệt điện trở Cấu trúc cảm biến đề xuất thiết kế, chế tạo dựa công nghệ in 3D tạo mẫu nhanh Hoạt động cảm biến khảo sát với độ nhạy xác định từ kết thực nghiệm 44 µV/°/s Với việc không sử dụng thành phần dao động học cảm biến vận tốc góc kiểu quay hồi chuyển thơng thường, cấu trúc cảm biến có độ bền học cao, phù hợp cho ứng dụng khác đo lường điều khiển Keywords- Cảm biến vận tốc góc, dịng xả corona, gió ion, cơng nghệ in 3D I GIỚI THIỆU Cảm biến vận tốc góc (thuật ngữ thường gọi gyroscope hay quay hồi chuyển) dạng cảm biến quán tính để đo xác vận tốc góc vật thể quay quanh trục Con quay hồi chuyển dùng đo đạc, điều khiển chia làm ba nhóm chính: Con quay có trọng vật quay trịn hay quay học thơng thường; quay quang học; quay dao động (vibrating gyros) Trong nhóm quay dao động dùng phổ biến Nguyên lý cảm biến loại dựa hiệu ứng Coriolis Lực Coriolis sinh khối gia trọng kích thích dao động theo phương kích thích đồng thời bị quay với vận tốc góc ω Khi lực Coriolis làm cho khối gia trọng cảm ứng dao động theo phương cảm ứng [1], [2] Cảm biến vận tốc góc dạng sử dụng rộng rãi khối dẫn đường quán tính (initial measurement unit - IMU) ứng dụng để tạo thiết bị định hướng quân dẫn đường lĩnh vực hàng hải thiết bị hàng hải [3] 259 nước [14], [15]; cảm biến lưu lượng khí [16], [17]; cảm biến đo vận tốc góc [18] Dựa hiệu ứng phóng điện corona, đề xuất thiết kế cảm biến đo vận tốc góc sử dụng cấu hình ba cặp điện cực point - ring để tạo gió ion hệ thống phản hồi khép kín Luồng gió ion cảm biến tự dao động khơng gian ba chiều tác dụng lực quán tính Trong báo này, trước tiên thiết kế nguyên lý hoạt động cảm biến thảo luận Tiếp đó, kết chế tạo đo đạc thử nghiệm bước đầu cấu trúc cảm biến đề xuất trình bày II tránh tác động mơi trường q trính làm việc THIẾT KẾ CẢM BIẾN VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG Nhiệm vụ quan trọng thiết kế cảm biến vận tốc góc dạng khí tạo luồng gió thổi ổn định liên tục không gian giới hạn Mơ hình cảm biến đề xuất thể hình Cảm biến gồm phận chính: phận tạo luồng gió phận cảm biến phát độ lệch luồng gió chịu tác động vận tốc góc hiệu ứng Coriolis Luồng gió tạo hiệu ứng dịng xả corona có cấu trúc ba dịng xả corona kiểu pin - ring Bộ phận cảm biến phát độ lệch luồng gió dây nhiệt điện trở (hotwire) Hình Thiết kế cảm biến đề xuất: (1) điện cực pin, (2) điện cực ring, (3) điện cực ring chính, (4) kênh dẫn gió ion, (5) lỗ phun gió ion từ kênh ghép lại vào buồng làm việc, (6) buồng làm việc cảm biến, (7) dây nhiệt điện trở (hotwire) Hình Mơ hình cảm biến vận tốc góc ứng dụng hiệu ứng dịng xả corona Từ mơ hình này, thiết kế cảm biến đề xuất thể hình Cấu hình ba cặp điện cực kim – vòng tròn (pin ring) bố trí dạng đối xứng tạo gió ion ba kênh riêng biệt hình trụ Đường kính kênh tạo gió ion đường kính buồng làm việc cảm biến mm 10 mm Điện cực pin chế tạo thép không gỉ SUS304 có đường kính 0.4 mm với đầu mũi hình cầu bán kính 80 µm Chiều dài pin chọn mục đích lắp rắp dễ dàng, thiết kế 14 mm Như thấy hình 2, cấp nguồn cao áp đến ba điện cực pin – ring (1) & (2), ba luồng gió ion tạo ba kênh riêng biệt (4) di chuyển phía vịi phun (6) Tại ba luồng gió ion ghép chung với trước vào buồng làm việc cảm biến (5) Sau qua buồng làm việc, luồng gió ion lại tách để vào ba kênh tạo gió ion tạo thành vịng phản hồi khép kín nhằm tăng tốc cho ba luồng gió ion tạo cặp điện cực point-ring Quá trình ghép tách luồng gió ion lặp lại tạo dịng tuần hồn bên hệ thống mơ tả hình Sau chu kỳ q trình truyền, tốc độ dịng chảy buồng làm việc tăng dần đạt trạng thái ổn định Ngoài ưu điểm luồng chảy tuần hồn khép kín để tăng tốc độ gió ion, cảm biến thiết kế theo dạng kín cịn Hình Q trình tạo di chuyển tuần hồn gió ion Hình Ngun lý làm việc cảm biến 260 ngồi thơng qua chế cổ góp (hay cịn gọi vịng trượt - slip ring) Cổ góp gồm 12 dây lắp đặt dọc tâm xoay làm việc; nhiệm vụ cấp nguồn cao áp đến điện cực pin điện cực ring cổ góp cịn cấp nguồn ni cho dây nhiệt điện trở lấy tín hiệu thay đổi điện áp dây nhiệt điện trở Điện áp lối cảm biến ghi lại giá trị vận tốc quay khác bàn xoay Luồng gió ion chảy buồng làm việc cảm biến có dạng hình nón mơ tả hình 4a Khi cảm biến chưa chịu tác động vận tốc góc, luồng gió ion cách cảm biến dây nhiệt điện trở (hình 4b) Luồng gió ion chịu tác động lực Coriolis cảm biến bị quay với vận tốc góc ω làm cho luồng gió ion bị lệch hướng so với hướng ban đầu theo chiều vận tốc quay Ví dụ có vận tốc góc quay ωx tức cảm biến quay theo trục x với vận tốc góc ω lúc luồng gió ion hiệu ứng Coriolis bị lệch phía dây nhiệt điện trở Rx2 (hình 4c) Độ lệch luồng gió dẫn đến lưu lượng gió thổi đến hotwire (Rx1) hotwire (Rx2) khác Điều tạo khác biệt nhiệt độ hai hotwire sau điện trở chúng Tương tự cảm biến quay theo trục y với vận tốc góc ωy, độ lệch luồng gió thổi làm lưu lượng khí thổi đến hotwire (Ry1) hotwire (Ry2) khác Hình (a) Thiết kế 3D cảm biến, (b) Cảm biến chế tạo cơng nghệ in 3D Hình Bố trí Hotwire buồng làm việc cảm biến Trong buồng làm việc cảm biến, độ lệch phát sử dụng dây nhiệt điện trở vonfram (hotwire) Các nhiệt điện trở có điện trở hệ số nhiệt điện trở (temperature coefficient of resistance - TCR) tương ứng 0.453 Ω 4500 ppm/°C, đường kính 0.01 mm; lắp đặt mặt phẳng cách lỗ vòi phun khoảng mm Trong mặt phằng bốn hotwire đặt đối xứng cách trục luồng gió 5.0 mm, chiều dài hotwire 3.5 mm thể hình Các hotwire kết nối vào mạch điện tích hợp thiết bị để thu tín hiệu nhờ thay đổi điện áp sử dụng phần mềm thu thập tín hiệu NI (National Instrument Ltd.) với tần số lấy mẫu 25.6 kHz III Hình Sơ đồ nguyên lý hệ thống đo cảm biến vận tốc góc THỰC NGHIỆM Cảm biến thiết kế phầm mềm SolidWork hình 6a Thiết kế tách thành ba phần để dễ dàng cho việc chế tạo công nghệ tạo mẫu nhanh dễ dàng lắp đặt chi tiết điện cực pin, điện cực ring dây nhiệt điện trở Cảm biến chế tạo cơng nghệ quang hóa (polyjet) lắp ghép hồn chỉnh phận hình 6b Sơ đồ thiết lập hệ thống đo vận tốc góc sử dụng cảm biến chế tạo trình bày hình Khả phát vận tốc góc cảm biến kiểm chứng sử dụng hệ thống bàn xoay (đường kính 100 mm) điều khiển động điện chiều Vận tốc góc bàn xoay điều khiển đo giải mã (encoder) tích hợp Cảm biến gắn tâm bàn xoay nối với mạch Hình Sơ đồ khối hệ thống đo đạc thu thập liệu 261 động môi trường luồng gió ion tạo ổn định Khi bàn xoay quay với tốc độ thiết lập giá trị điện áp đầu đo hotwire có thay đổi, tỷ lệ thuận với vận tốc bàn xoay Độ nhạy cảm biến tính từ đồ thị kết xấp xỉ 44 µV/°/s Hoạt động cảm biến điều kiện khác hoạt động dải đo với vận tốc góc lớn hơn, tiếp tục khảo sát Hình Hệ thống đo xây dựng thực tế IV KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Hình 10 Đặc tính I-V cấu hình point – ring Kết khảo sát đặc tính dịng điện – điện áp (I-V) pin 1, pin 2, pin đồng thời ba pin thể hình 10 Đặc tính dịng điện – điện áp mối quan hệ đầu vào (điện áp) đầu (dòng điện) mà thể phụ thuộc tốc độ luồng gió ion tạo vào cường độ dòng điện Kết thể hình 10 cho thấy tăng giá trị điện áp cấp đến điện cực pin - ring giá trị cường độ dịng điện phóng cặp điện cực pin – ring tăng theo Các đặc tính I-V ba cặp điện cực pin – ring kênh gió ion thể ba đường cong bên đồng dạng Đặc biệt, kết thể giá trị cường độ dịng điện phóng tổng (đường cong cùng) ba cặp điện cực pin – ring xấp xỉ tổng cường độ dịng điện phóng đo cặp điện cực pin – ring Từ kết ta khẳng định cấu trúc gom gió phản hồi khép kín thiết kế hoạt động hiệu quả, có tác dụng tổng hợp gió từ ba kênh riêng rẽ Các kết thực nghiệm khảo sát vận tốc luồng gió thời gian 200 giây xác nhận độ ổn định gió ion theo thời gian Kết xác nhận áp suất tạo buồng làm việc không đáng kể Thực nghiệm kiểm tra khả phát vận tốc góc cảm biến chế tạo bước đầu tiến hành với kết thực nghiệm thể hình 11 Bàn xoay thiết lập vận tốc khác nhau: 90 vòng/phút, 150 vòng/phút, 300 vòng/phút Điện áp lối cảm biến có vận tốc góc tác dụng so sánh với điện áp lối khơng có vận tốc góc Ta thấy rằng, bàn xoay chưa làm việc tức cảm biến khơng chịu tác động quay đầu điện mV Giá trị ổn định thể cảm biến khơng chịu tác Hình 11 Kết thực nghiệm biểu diễn lối vận tốc bàn xoay khác V KẾT LUẬN Trong báo này, đề xuất thiết kế cảm biến đo vận tốc góc kiểu lưu chất (fluidic gyroscope) sử dụng gió ion Gió ion tạo cấu trúc ba cặp điện cực pin – ring dựa hiệu ứng dòng xả corona buồng phản hồi khép kín Độ lệch luồng gió ion gây lực Coriolis tác dụng vận tốc góc phát với độ nhạy xác định từ kết thực nghiệm 44 µV/°/s Cấu trúc cảm biến đề xuất tiêu thụ dòng điện thấp, kích thước nhỏ gọn, 262 khơng chịu tác động mơi trường xung quanh có cấu trúc khép kín Bên cạnh đó, cấu trúc cảm biến không sử dụng thành phần rung học nào, thay vào sử dụng đặc tính luồng gió ion, có độ bền học cao, ứng dụng cho nhiều tốn đo lường điều khiển [9] [10] [11] TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [12] V M N Passaro, A Cuccovillo, L Vaiani, M De Carlo, and C E Campanella, “Gyroscope Technology and Applications: A Review in the Industrial Perspective,” Sensors, vol 17, no 10, p 2284, 2017 A M Shkel, “Type i and type ii Micromachanied Vibratory Gyroscopes,” Proc IEEE /ION Position Locat Navig Symp., San Diego, CA, Apr 24-27, vol 0, pp 1–14, 2016 N Yazdi, F Ayazi, and K Najafi, “Micromachined inertial sensors,” Proc IEEE, vol 86, no 8, pp 1640–1658, 1998 J Bahari, J D Jones, and A M Leung, “Sensitivity improvement of micromachined convective accelerometers,” J Microelectromechanical Syst., vol 21, no 3, pp 646–655, 2012 V T Dau, D V Dao, M Hayashida, T X Dinh, and S Sugiyama, “A Dual Axis Accelerometer Utilizing Low Doped Silicon Thermistor,” IEEJ Trans Sensors Micromachines, vol 126, no 5, pp 190–194, 2006 V T Dau, O Tomonori, T X Dinh, D V Dao, and S Sugiyama, “A multi axis fluidic inertial sensor,” Proc IEEE Sensors, vol 1, pp 666– 669, 2008 V T Dau, T Otake, T X Dinh, and S Sugiyama, “Design and Fabrication of Convective Inertial Sensor,” Transducer 2009, Denver USA, pp 1170–1173, 2009 X Yang, Z Zhou, H Cho, and X Luo, “Study on a PZT-actuated diaphragm pump for air supply for micro fuel cells,” Sensors Actuators, [13] [14] [15] [16] [17] [18] 263 A Phys., vol 130–131, no SPEC ISS., pp 531–536, 2006 V T Dau, T X Dinh, and S Sugiyama, “A MEMS-based silicon micropump with intersecting channels and integrated hotwires,” J Micromechanics Microengineering, vol 19, no 12, 2009 Z Zhang, J Kan, S Wang, H Wang, J Wen, and Z Ma, “Flow rate self-sensing of a pump with double piezoelectric actuators,” Mech Syst Signal Process., vol 41, no 1–2, pp 639–648, 2013 K Mori, H Yamamoto, K Takemura, S Yokota, and K Edamura, “Dominant factors inducing electro-conjugate fluid flow,” Sensors Actuators, A Phys., vol 167, no 1, pp 84–90, 2011 S Yokota, Y Ogawa, K Takemura, and K Edamura, “A dual-axis liquid-rate microgyroscope using Electro-Conjugate Fluid,” J Adv Comput Intell Intell Informatics, vol 14, no 7, pp 751–755, 2010 A P Chattock, “On the Velocity and Mass of the ion in the Electric Wind in Air,” Philos Mag Ser 5, vol 48, no 294, pp 401–420, vol 30, no 30, 1899 N V Dũng, “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ Plasma lạnh xử lý nước: tổng hợp tài liệu,” Tạp chí khoa học ĐHCT, vol 36, pp 106– 111, 2015 N V Dũng, “Nghiên cứu đặc tính phóng điện buồng plasma lạnh,” Tạp chí Khoa học Trường Đại học Cần Thơ, vol 35, pp 9–16, 2014 V T Dau, T X Dinh, T T Bui, and T Terebessy, “Corona anemometry using dual pin probe,” Sensors Actuators, A Phys., vol 257, pp 185–193, 2017 N T Van, T T Bui, T X Dinh, T Terebessy, and T C Duc, “A SYMMETRICALLY ARRANGED ELECTRODES FOR CORONA DISCHARGE ANEMOMETRY Institute of Missile – Military Institute of Science and Technology , Hanoi , Vietnam University of Engineering and Technology , Vietnam National University , Hanoi , Vietnam Graduate Sch,” pp 1112–1115, 2017 H T Phan, T X Dinh, P N Bui, C Tran, T T Bui, and V T Dau, “Robust Angular Rate Sensor based on Corona Discharge Ion Wind,” pp 4–7  ...nước [14], [15]; cảm biến lưu lượng khí [16], [17]; cảm biến đo vận tốc góc [18] Dựa hiệu ứng phóng điện corona, chúng tơi đề xuất thiết kế cảm biến đo vận tốc góc sử dụng cấu hình ba... hình cảm biến đề xuất thể hình Cảm biến gồm phận chính: phận tạo luồng gió phận cảm biến phát độ lệch luồng gió chịu tác động vận tốc góc hiệu ứng Coriolis Luồng gió tạo hiệu ứng dịng xả corona. .. làm việc, (6) buồng làm việc cảm biến, (7) dây nhiệt điện trở (hotwire) Hình Mơ hình cảm biến vận tốc góc ứng dụng hiệu ứng dịng xả corona Từ mơ hình này, thiết kế cảm biến đề xuất thể hình Cấu