Microsoft Word ban thao so k2 2010 doc TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KHCN, TẬP 13, SỐ K2 2010 Trang 57 VỀ MỘT CẤU TRÚC MỚI CỦA CẢM BIẾN GIA TỐC ÁP ĐIỆN TRỞ BA BẬC TỰ DO NHẰM NÂNG CAO ĐỘ NHẠY Trần Đức Tân Trường.
TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 13, SỐ K2 - 2010 VỀ MỘT CẤU TRÚC MỚI CỦA CẢM BIẾN GIA TỐC ÁP ĐIỆN TRỞ BA BẬC TỰ DO NHẰM NÂNG CAO ĐỘ NHẠY Trần Đức Tân Trường Đại học Công Nghệ, ĐHQGHN (Bài nhận ngày 25 tháng 01 năm 2010, hoàn chỉnh sửa chữa ngày 17 tháng 05 năm 2010) TĨM TẮT: Hiện cơng nghệ Vi điện tử Vi hệ thống (MEMS) có bước phát triển vượt bậc Cảm biến gia tốc loại cảm biến MEMS thông dụng sử dụng nhiều ứng dụng khác Để chế tạo thành cơng linh kiện MEMS quy trình thiết kế mơ quan trọng Bài báo trình bày thiết kế cảm biến gia tốc ba bậc tự kiểu áp trở nhằm nâng cao độ nhạy, độ phân giải - yêu cầu thiết thực tế Phần mềm ANSYS sử dụng để thiết kế, mô đánh giá ưu điểm cấu trúc so với cảm biến chế tạo trước Từ khóa: cơng nghệ Vi điện tử,Vi hệ thống, cảm biến MEMS, Phần mềm ANSYS GIỚI THIỆU NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG Các cảm biến gia tốc chế tạo dựa công nghệ vi điện tử vi hệ thống thâm nhập cách mạnh mẽ hầu hết lĩnh vực y sinh [1, 2], công nghiệp ôtô, điện tử dân dụng, khoa học không gian…Hiện nay, có ba loại cảm biến gia tốc, cảm biến gia tốc kiểu tụ [3, 4], áp điện áp điện trở Nhìn chung, ba loại cảm biến có ưu nhược điểm riêng cảm biến gia tốc kiểu áp trở thông dụng ưu điểm vượt trội độ nhạy cao, giá thành rẻ, mạch xử lý tín hiệu đơn giản [5] … Với ứng dụng ngày trở nên tinh tế định vị dẫn đường cho vật thể bay yêu cầu cảm biến gia tốc độ nhạy cao, kích thước nhỏ đặt Hiện nay, việc thiết kế chế tạo cảm biến gia tốc nhiều bậc tự đạt thành công định [5, 6] Tuy nhiên, u cầu thực tiễn ln địi hỏi phải ln tìm tịi ngun lí mới, cấu trúc nâng cao phẩm chất cảm biến gia tốc Một yêu cầu với cảm biến gia tốc kích thước phải nhỏ đo gia tốc theo nhiều chiều Bài báo trình bày cấu trúc cảm biến đáp ứng tiêu chí nói Việc chế tạo cảm biến được tiến hành kết đo chuẩn khẳng định rõ ràng ưu điểm thiết kế [10] Cảm biến có kích thước nhỏ cỡ 1.0×1.0×0.45 mm3, chế tạo dựa sở công nghệ vi khối sử dụng phiến SOI, hướng tới ứng dụng đo gia tốc khối dẫn đường quán tính Hiện tượng thay đổi điện trở vật liệu tinh thể tác dụng ứng suất gọi hiệu ứng áp điện trở [6, 7] Nguyên nhân đặc tính dị hướng độ phân giải mức lượng không gian tinh thể Trong silíc tồn ba hệ số áp điện trở không phụ thuộc vào π 11 (liên hệ dọc), π 12 (liên hệ ngang) π 44 (cho liên hệ trượt) Đối với silíc đơn tinh thể có mật độ tạp dẫn thấp coi hệ số áp điện trở π 11 , π 12 π 44 số Người ta ứng dụng vật liệu biến dạng màng mỏng hay cấu trúc dầm Để đạt độ dãn ngang (chiều dài chiều rộng) lớn cần chiều dày nhỏ bỏ qua ứng suất dọc Lúc này, phần tử áp điện trở cấy vật biến dạng mạch điện xử lý bên ngồi thiết kế cách thích ứng Trong cảm biến gia tốc áp điện trở độ dịch chuyển khối gia trọng làm dầm biến dạng Điện trở cấy dầm biến đổi tỷ lệ thuận với gia tốc tác dụng lên khối gia trọng Các cảm biến loại thường chế tạo theo công nghệ vi khối mặt Cấu trúc dầm khối gia trọng tạo hình ăn mịn nhiều bước Việc cấy tạp chất nồng độ cao tạo áp điện trở cấu trúc dầm treo vật nặng Yêu cầu khắt khe cảm biến gia tốc ba bậc tự độ tuyến tính lớn ảnh hưởng mode hoạt động (hay gọi độ nhạy pháp tuyến) phải nhỏ Mặt khác, cảm Trang 57 Science & Technology Development, Vol 13, No.K2- 2010 biến phải đáp ứng yêu cầu độ nhạy cao theo hướng cần đo Để thoả mãn tiêu chí trên, cơng trình cấu trúc có kích thước 0.9×0.9×0.5 mm3 (Hình 1) bao gồm khối gia trọng treo hệ thống dầm đặc biệt đề xuất Hình Cấu hình cảm biến gia tốc chiều Ví dụ cảm biến chịu tác dụng gia tốc tịnh tiến theo phương Z khối gia trọng chuyển động lên xuống Độ lệch dầm chịu tác dụng gia tốc gây nên ứng suất tuyến tính Các áp điện trở thiết kế áp điện trở loại p cấy bề mặt dầm, có điện trở thay đổi sức căng xuất gia tốc tịnh tiến gia tốc quay Sự thay đổi điện trở biến đổi thành tín hiệu điện nhờ sử dụng mạch điện xử lý bên mạch cầu Wheaston Trong thiết kế này, áp điện trở loại p cấy dầm theo hướng tinh thể _ silíc (100) nhờ q trình khuếch tán Bảng Thơng số hình học cảm biến Thơng số Kích thước Khe h khụng khớ àm Dm bờn 455ì40ì3 àm3 Dm bờn ngoi 25ì3 àm2 (WìT) B rng khung ngoi 150 àm Kớch thc chip 0.9ì0.9ì0.5 mm3 Trang 58 THIẾT KẾ VÀ MƠ PHỎNG Các thơng số hình học cảm biến gia tốc định tới hai thông số quan trọng độ nhạy học tần số dao động tự nhiên Hiện tại, có hai phương pháp để thiết kế mơ cảm biến vi điện tử phương pháp phần tử nút (SUGAR) phương pháp phần tử hữu hạn (ANSYS) Trong báo này, thực mô chương trình ANSYS [8] thơng qua hình thức lập trình Để xây dựng cấu trúc cảm biến, người thiết kế sử dụng tận dụng phần mềm hỗ trợ vẽ chiều (3D CAD) đưa vào ANSYS để phân tích Tuy nhiên, để hồn tồn làm chủ tốn phương án tốt xây dựng cấu trúc cảm biến từ ANSYS Để đảm bảo độ xác mơ việc xây dựng cấu trúc quy trình tinh tế Dễ nhận thấy cấu trúc cảm biến đối xứng nên xây dựng tồn cấu trúc từ ¼ thành phần (Hình 2) Việc chia nhỏ Hình cơng việc cần thiết cho quy trình chia lưới sau Mơ hình phần tử hữu hạn (FEM) cảm biến chia lưới dày đặc (Hình 3) TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 13, SỐ K2 - 2010 quan trọng vị trí cấy áp điện trở phải đảm bảo cho gia tốc pháp tuyến nhỏ dầm nhằm xác định xác phân bố ứng suất dầm Điều có ý nghĩa lớn định tới vị trí cấy áp điện trở cho tín hiệu đưa lớn Một lưu ý Z Y 71 30 X 78 79 70 72 31 73 81 80 82 82 200 77 60 76 75 61 201 29 19 18 28 16 15 10 10 11 17 14 11 97 94 91 13 12 26 27 20 21 56 25 74 55 24 23 22 59 58 49 48 57 50 54 53 46 47107 51 52 43 45 44104 40 41101 42 Hình Xây dựng cấu trúc từ ¼ thành phần ELEMENTS AUG 2007 12:21:27 Y Z X novel Hình Chia lưới chiều kiểu phần tử vng Có nhiều phương pháp để xác định mode dao động thiết kế này, người thiết kế sử dụng thuật toán Block_Lanczos Các tần số cộng hưởng mode dao động theo trục X, Y Z liệt kê Bảng Bảng Các mode hoạt động cảm biến Mode (trục X) (trục Y) Tần số (Hz) 1205 1203 (trục Z) 1705 Trang 59 Science & Technology Development, Vol 13, No.K2- 2010 Hình phân bố ứng suất dầm chịu tác dụng gia tốc AZ Hình kết chi tiết phân bố ứng suất dọc theo dầm thứ Kết tương tự thu phân tích ứng suất dầm Nhận xét ứng suất dọc theo dầm đóng vai trò định so với ứng suất pháp tuyến ứng suất trượt Từ kết Hình trình bày, nhận thấy ứng suất σ σ nhỏ so với σ Hiện tượng có gây ảnh hưởng đôi chút tới độ nhạy cảm biến Cụ thể cần tránh đặt áp điện trở gần đầu dầm Vì thế, độ thay đổi tương đối điện trở tính sau [9]: ∆R = π 11' σ R Hình Phân bố ứng suất dầm tác dụng gia tốc AZ Trang 60 (1) TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 13, SỐ K2 - 2010 Hình Phân bố ứng suất dầm thứ tác dụng gia tốc AZ Thực việc tác động gia tốc AY vào cấu trúc thu ứng suất dầm hình kết phân bố ứng suất chi tiết dọc dầm Hình (nơi phân bố ứng suất lớn nhất) Quy trình tương tự cho thành phần gia tốc AX NODAL SOLUTION AUG STEP=1 SUB =1 TIME=1 SEQV (AVG) DMX =.225727 SMN =.701E-08 SMX =2.244 2007 15:19:15 Z X MN Y MX 701E-08 249307 498614 747921 997228 1.247 1.496 1.745 1.994 2.244 novel Hình Phân bố ứng suất dầm tác dụng gia tốc AY Trang 61 Science & Technology Development, Vol 13, No.K2- 2010 Hình Phân bố ứng suất dầm thứ tác dụng gia tốc AY hiệu gia tốc pháp tuyến Có thể xây dựng bảng thay đổi trở kháng ứng với trường hợp gia tốc tác dụng (xem Bảng 2) Kết từ bảng sử dụng trực tiếp cho tính tốn vị trí đặt áp điện trở dầm (Hình 8) Sau xác định phân bố ứng suất dầm, điều quan trọng xác định vị trí đặt áp điện trở cho khuếch đại tối đa tín hiệu mong muốn, đảm bảo tính đối xứng mạch cầu giảm thiểu tín Bảng Sự thay đổi giá trị áp điện trở tác dụng gia tốc Ax Ax Ay Az Trang 62 R1 - Ay R2 + - R1 - Az R2 + - R1 0 - R2 + R3 0 - R4 + + TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 13, SỐ K2 - 2010 Hình Đặt vị trí áp điện trở Các mạch cầu Wheaston sử dụng để xác định thay đổi trở kháng áp điện trở cảm biến Hai mươi áp điện trở nối với để tạo thành sáu mạch cầu bốn dầm mô tả Hình Lưu ý có hai loại mạch cầu khác sử dụng Rref điện trở cố định có giá trị giá trị áp điện trở chưa chịu gia tốc tác dụng Khi cảm biến hoạt động điều kiện lý tưởng, điện đầu người ta gọi cầu cân Khi ứng suất thay đổi, mạch cầu trở nên cân gây điện xác định lối Các điện xác định sau, với mạch cầu loại (a) thì: V = ∆R1 ∆R − V0 R1 R2 (2) Ở V0 điện đầu vào, V điện đầu ra, ∆Ri Ri (i=1,2) thay đổi giá trị điện trở giá trị điện trở mắc mạch cầu Còn với mạch cầu loại (b) thì: V= ∆R1 ∆R ∆R3 ∆R − − + V0 (3) R1 R2 R3 R4 Hình Hai loại mạch cầu Wheastone sử dụng Trang 63 Science & Technology Development, Vol 13, No.K2- 2010 Hình cách xếp cụ thể áp điện trở dầm vị trí tối ưu Từ đó, xây dựng Bảng tính cho phép xác định xác đầu ứng với trường hợp gia tốc tịnh tiến gia tốc quay tác động vào cảm biến Nhận xét với cách bố trí tối ưu vậy, đầu khuếch đại tối đa tín hiệu mong muốn giảm triệt để gia tốc pháp tuyến tác động lên cảm biến Việc đánh giá chất lượng cảm biến thực với điều kiện chế tạo sau: cỏc ỏp in tr cú kớch thc 20ì1.5ì0.4 àm3, hệ số áp điện trở theo chiều dọc 43*10-5 MPa-1 điện trở 6.6 kΩ cảm biến theo phương Z có độ nhạy 0.4 mV/V/g độ phân giải 0.5 mg (1 g = 9.8 m/s2) Độ nhạy cảm biến gia tốc chiều liệt kê Bảng Các kết so sánh với kết [9, 10] với điều kiện tương tự cho độ nhạy tốt Bảng Độ nhạy cảm biến gia tốc Độ nhạy Độ phân giải Cấu hình đề xuất Ax, Ay Az 0.28 mV/V/g 0.4 mV/V/g 0.72 mg 0.5 mg KẾT LUẬN Bài báo thiết kế mô thành công cảm biến gia tốc ba bậc tự do, kích thước nhỏ, độ nhạy cao Hiệu ứng áp điện trở ứng dụng để xác định gia tốc tác động vào cảm biến Ngơn ngữ lập trình ANSYS đóng vai Cấu hình chế tạo Ax, Ay Az 30 µV/V/g 23 µV/V/g 0.03g 0.05g trò định việc xây dựng cấu trúc vị trí cấy áp điện trở Dải hoạt động cảm biến ±5g dải tần hoạt động 250 Hz Bởi nên cảm biến thích hợp với ứng dụng đặc biệt dùng khối đo dẫn đường quán tính DEVELOPMENT OF A NEW STRUCTURE OF 3-DOF PIEZORESISTIVE ACCELEROMETER TO ENHANCE THE SENSITIVITY Tran Duc Tan Hanoi University of Engineering and Technology ABSTRACT: Nowadays, the Micro Electro Mechanical System (MEMS) technology has been achieved great developments Accelerometer is one kind of the most popular MEMS sensors due to it’s widely applications In order to fabricate any MEMS device, the design and simulation have been considered seriously This paper presents a new design of the three degrees of freedom piezoresistive accelerometer to improve the sensitivity, urgent demand from the reality The ANSYS software was utilized to design, simulate and evaluate the advantages of this new structure compared to other sensors fabricated previously Keywords: the Micro Electro Mechanical System, ANSYS software, Accelerometer TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] J.C.Lotters, J.Schipper, P.H.Veltink, W.Olthuis, P.Bergveld, Procedure for inuse calibration of triaxial accelerometers Trang 64 in medical applications, Sensors and Actuators A68, pp 221-228, (1998) [2] L C Spangler, C.J Kemp, Integrated silicon automotive accelerometer, Sens Actuators, A54, pp 523-529, (1996) TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 13, SỐ K2 - 2010 [3] Tran Duc Tan, Nguyen Thang Long, Nguyen Phu Thuy, Mechanical and Electronic Design of Capacitive Accelerometers, ICMT2005, Malaysia, (2005) [4] F.Rudolf, A.Jornod, J.Bergqvist, H.Leuthold, Precision accelerometer with µg resolution, Sens Actuator A21/A23, pp 297-302, (1996) [5] Dzung Viet Dao, Toshiyuki Toriyama, John Wells and Susumu Sugiyama, Silicon Piezoresistive Six-Degree of Freedom Force-Moment Micro Sensor, Sensors and Materials, Vol 15, No.3, pp 113-135, (2003) [6] C.S.Smith, Piezoresistance Effect in Germanium and Silicon, Physical Rev Vol.94, No.1, pp.42-49, (1962) [7] Tufte, E.L Stelzer, Piezoresistive properties of silicon diffused layers, J Appl Phys., vol.34, No.2, pp.313-318, (1962) [8] www.mece.ualberta.ca/tutorials/ansys [9] Ranjith Amarasinghe, Dzung Viet Dao, Toshiyuki Toriyama and Susumu Sugiyama, A Silicon Micromachined SixDegree of Freedom Piezoresistive Accelerometer, IEEE Sensors2004 The 3rd Int'l Conference on Sensors, Oct.2427, (2004) [10] Bui Thanh Tung, Dao Viet Dzung, Dau Thanh Van, Susumu Sugiyama, Three Degree of Freedom Micro Accelerometer Depended on MEMS Technology: Fabrication and Application, First International Workshop on Nanotechnology and Application IWNA, Vietnam, (2007) Trang 65 Science & Technology Development, Vol 13, No.K2- 2010 TỐI ƯU HÓA ĐA MỤC TIÊU VỚI CHUẨN TỐI ƯU TỔ HỢP R ỨNG DỤNG XÁC LẬP CHẾ ĐỘ CÔNG NGHỆ SẤY THĂNG HOA (STH) TÔM BẠC Nguyễn Tấn Dũng(1), Lê Xuân Hải(2) , Trịnh Văn Dũng(2) (1) Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM (2)Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG –HCM (Bài nhận ngày 07 tháng 01 năm 2010, hoàn chỉnh sửa chữa ngày 29 tháng 05 năm 2010) TĨM TẮT: Bài báo trình bày kết nghiên cứu xác lập chế độ công nghệ STH tơm bạc, cách giải tốn đa mục tiêu với chuẩn tối ưu tổ hợp R (hay gọi phương pháp vùng cấm) Nghiên cứu thực nghiệm tiến hành để xây dựng hàm mục tiêu mô tả ảnh hưởng yếu tố công nghệ: nhiệt độ môi trường sấy, áp suất môi trường sấy, thời gian sấy đến trình STH Bằng phương pháp vùng cấm xác lập chế độ công nghệ tối ưu cho q trình STH: có chi phí lượng tạo kg sản phẩm (SP), độ co rút thể tích, tổn thất vitamine C SP nhỏ nhất, độ ẩm vật liệu sấy (VLS) nhỏ phải đạt yêu cầu (2 ÷ 6)% khả hút nước trương nở trở lại SP lớn (có nghĩa khả khơng hút nước trở lại SP bé nhất) Từ khóa: Tối ưu hóa đa mục tiêu, tối ưu hóa cơng nghệ sấy thăng hoa, sấy thăng hoa ĐẶT VẤN ĐỀ STH kỹ thuật phức tạp, gồm giai đoạn nối tiếp nhau, giai đoạn 1: giai đoạn lạnh đơng VLS, tối ưu hóa giai đoạn trình bày [1], giai đoạn 3: giai đoạn STH giai đoạn sấy chân không (SCK), giai đoạn định để tạo sản phẩm Bài toán đặt là: làm để xác lập chế độ công nghệ STH cho kg SP tạo tiêu tốn chi phí lượng nhỏ SP có chất lượng tốt Chất lượng SP STH tốt thỏa tất tiêu chí sau: độ co rút thể tích, tổn thất vitamine C SP nhỏ nhất, khả hút nước hoàn nguyên trở lại SP lớn nhất, độ ẩm cuối SP phải đạt yêu cầu (2 ÷ 6)%, [2] Như vậy, q trình nghiên cứu xác lập chế độ cơng nghệ STH tiêu chí: y1, [kWh] - chi phí lượng/ kg SP; y2, [%] độ ẩm cuối SP; y3 = (1 –IR).100, [%] - khả khơng hút nước trở lại SP (trong đó: IR, [%] - khả hút nước trương nở trở lại SP); y4, [%] - độ co rút SP sau sấy; y5, [%] - lượng tổn thất vitamine C SP, phụ thuộc vào yếu tố công nghệ: nhiệt độ môi trường sấy (Z1, [0C]), áp suất môi trường sấy (Z2, [mmHg]), thời gian sấy (Z3, [h]) mong muốn đạt kết tốt Vì vậy, xuất đòi hỏi phải đặt giải cách chuẩn mực toán tối ưu (BTTƯ) đa mục tiêu Đây BTTƯ thường xuyên xuất thực tế thuộc lĩnh vực khác Bài báo trình bày phương pháp giải Trang 66 BTTƯ đa mục tiêu với chuẩn tối ưu tổ hợp R(Z) (hay gọi phương pháp vùng cấm), [4, 8] Kết kết hợp với việc giải mơ hình tốn truyền nhiệt tách ẩm điều kiện STH [1,3] xác lập chế độ công nghệ STH thực phẩm thủy sản nhóm giáp xác đại diện tơm bạc TỐI ƯU HĨA ĐA MỤC TIÊU VỚI CHUẨN TỐI ƯU TỔ HỢP R 2.1 Một số khái niệm sở [4, 8] Xét đối tượng công nghệ gồm m hàm mục tiêu f1(Z), f2(Z), , fm(Z) tạo thành véctơ hàm mục tiêu f(Z) = {fj(Z)} = { f1(Z), f2(Z), , fm(Z)}, j = ÷ m, hàm thành phần fj(Z)} phụ thuộc vào n biến tác động Z1, Z2, , Zn, biến tác động Zi (i = ÷ n) hình thành véctơ yếu tố ảnh hưởng hay gọi véctơ biến Z Các biến biến thiên miền giới hạn (miền xác định) ΩZ giá trị hàm mục tiêu tạo thành miền giá trị hàm mục tiêu Ωf (miền nằm đường cong kín A – f(ZS) – f(ZR) – B – N – M, xem hình 1) Mỗi hàm mục tiêu fj(Z) với véctơ biến Z = {Zi} = (Z1, Z2, , Zn) ∈ ΩZ (i = ÷ n) hình thành BTTƯ mục tiêu Để đơn giản khơng làm tính tổng qt, BTTƯ m mục tiêu trình bày cho trường hợp tồn m BTTƯ mục tiêu tốn tìm cực tiểu có dạng TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 13, SỐ K2 - 2010 fj = fj(Z1j opt, Z2j opt, , Znj opt) = Min fj(Z1, Z2, , Zn) Z = {Zi} = (Z1, Z2, , Zn) ∈ ΩZ (1) (2) j = ÷ m; i = ÷ n (3) Hình Khơng gian hàm mục tiêu BTTƯ hai mực tiêu 2.2 Phương án không tưởng hiệu không tưởng [4, 8] Nếu tồn véctơ biến ZUT = {ZiUT} = UT (Z1 , Z2UT, , ZnUT) ∈ ΩZ nghiệm chung cho tất m BTTƯ mục tiêu (1) + (2) + (3), nghĩa ZiUT = ZiUT với i = ÷ n, ZiUT gọi phương án không tưởng nghiệm không tưởng BTTƯ m mục tiêu Trong thực tế thường không tồn ZiUT BTTƯ mục tiêu (1) + (2) + (3) có fj (với j = ÷ m) tương ứng nên tồn fUT = (f1 min, f2 min, , fm min) fUT = (f1 min, f2 min, , fm min) gọi hiệu không tưởng hay điểm khơng tưởng Ở hình điểm khơng tưởng fUT BTTƯ hai mục tiêu tồn năm miền xác định Ωf tức nghiệm không tưởng không tồn 2.3 Phương án trội phương án bị trội [4, 8] Giả sử xét hàm đa mục tiêu, có hai véctơ biến ZQ = {ZQi} ZV = {ZVi}với i = ÷ n, có hai véctơ hàm tương ứng f(ZQ) = {fj(ZQ)} f(ZV) = {fj(ZV)} với j = ÷ m Nếu với j có: fj(ZQ) < fj(ZV) ZQ gọi phương án trội (hay nghiệm trội) so với ZV, ký hiệu: ZQ ‘>’ ZV, ZV gọi phương án bị trội (hay nghiệm bị trội), ký hiệu ZV ‘ fj(ZV) ZV gọi phương án trội (hay nghiệm trội) so với ZQ, ký hiệu: ZV ‘>’ ZQ, ZQ gọi phương án bị trội (hay nghiệm bị trội), ký hiệu: ZQ ‘ C j (8) Từ (7) thấy rằng: fj(Z) → fjmin rj(Z) → rjmax = Vậy với chuẩn tối ưu tổ hợp R(Z) BTTƯ m mục tiêu phát biểu lại: Hãy tìm nghiệm ZR = ( Z1R, Z2R, , ZnR ) ∈ΩZ cho hàm mục tiêu R(Z) đạt giá trị cực đại nằm miền giá trị Ωf m Rmax = R( ZR) = maxR( Z) = max r1 ( Z) r2 ( Z) rm ( Z) = max Πrj ( Z) j=1 (9) Với: Z = (Z1, Z2, , Zn) ∈ ΩZ Dễ dàng thấy rằng: ≤ R(ZR) ≤ 0, R(ZR) = nghiệm tối ưu nghiệm không tưởng ZUT R(ZR) = cần giá trị fj(Z) vi phạm bất đẳng thức (5), có nghĩa điểm f(Z) rơi vào vùng cấm C (6) BTTƯ đa mục tiêu (9) đề xuất cho tốn cơng nghệ chưa chứng minh nghiệm ZR nghiệm Paréto tối ưu Định lý 2: Nghiệm ZR BTTƯ (9), tồn nghiệm ZR nghiệm Paréto tối ưu BTTƯ m mục tiêu (1) + (2) + (3) Thật vậy, Giả sử ZR nghiệm Paréto tối ưu Khi tìm nghiệm ZR* bị trội ZR Theo định nghĩa, nghiệm ZR* định phải có hiệu fk(ZR*), ≤ k ≤ m , cho fk(ZR*) > fk(ZR); ∀ΩZ Từ suy R(ZR*) > R(ZR) fk(ZR*) rơi vào vùng cấm Điều mâu thuẫn với giả thiết ZR nghiệm tối ưu Vậy tồn nghiệm khác bị trội ZR, ZR phải nghiệm Paréto tối ưu Ký hiệu: f(ZR) = fPR = (f1PR, f2PR, , fmPR) Với nghiệm tối ưu ZR, hiệu Paréto tối ưu fPR = (f1PR, f2PR, , fmPR) đứng cách xa vùng cấm C Một cách hồn tồn tương đương thay chuẩn tối ưu R(Z) chuẩn tối ưu R*(Z) sau: m m R * ( Z ) = m r1 ( Z ) r2 ( Z ) rm ( Z ) = Πrj ( Z ) j=1 (10) TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 13, SỐ K2 - 2010 Trên hình hai hiệu Paréto tối ưu f(ZS) f(ZR) thuộc tập hợp hiệu Paréto tối ưu ΩfP (đường cong A – f(ZS) – f(ZR) – B) nghiệm Paréto tối ưu ZR cho hiệu Paréto tối ưu f(ZR) nằm cách xa vùng cấm Trong nghiệm Paréto tối ưu ZS cho hiệu Paréto tối ưu f(ZS) nằm gần điểm không tưởng fUT lại rơi vào vùng cấm TỐI ƯU HĨA Q TRÌNH STH [8] 3.1 Ngun liệu Vật liệu ẩm tơm bạc có kích cỡ đại đa số (41÷50) con/1 pound, hệ số phân cỡ K = 11, [1] Chần nhiệt độ 700C khoảng thời gian (15 ÷ 20)s, sau bốc vỏ, bỏ đầu 3.2 Phương pháp nghiên cứu - Xác định chi phí lượng làm kg SP (y1) Watt meter, [kWh], [5] - Xác định độ ẩm SP (y2) cảm biến khối lượng, đo lường máy tính, [5] Với: y = 100 − G bd Gt (100 − Wbd ) (11) - Xác định khả khơng hút nước hồn ngun trở lại SP (y3) sau: gọi IR [%]: khả hút nước hoàn nguyên trở lại SP, y3 = 100% – IR, [2] Với: IR = G1 − G t 100% G bd − G t y3 = 100% − G1 − G t G bd − G t 100% = G bd − G1 G bd − G t (12) 100% (13) Trong đó: Gbd [kg]: khối lượng VLS ban đầu, Gt [kg]: khối lượng VLS cuối cùng, G1 [kg]: khối lượng VLS sau sấy ngâm vào nước nhiệt phòng 250C khối lượng khơng đổi (bão hịa ẩm), Wbd [%]: độ ẩm ban đầu VLS SP hoàn nguyên tốt lượng ẩm hút trở lại lượng ẩm tách q trình sấy, có nghĩa G1 = Gbd IRmax = 100%, y2min = Thực tế y2 > - Xác định độ co thể tích (y4) sau: xác định thể tích VLS ban đầu (V1) sau sấy (V2), cách lấy dụng cụ đo thể tích cho dầu vào thể tích xác định, sau cho VLS vào xác định thể tích, hiệu thể tích sau trước cho VLS vào thể tích VLS Như xác định y4, [2]: V − V2 ∆V y4 = 100% = 100% V1 V1 (14) SP không nứt nẻ bề mặt, SP không bị co ngót, có nghĩa y4min = Thực tế y4 > - Xác định lượng tổn thất vitamine C SP sau sấy, cách xác định hàm lượng vitamine C SP trước (m1 [mg%]) sau (m2 [mg%]) sấy theo phương pháp TCVN 4715 – 89 Như lượng tổn thất vitamine C xác định bởi: y5 = m1 − m m1 100% = ∆m m1 100% (15) SP đạt chất lượng tốt khơng có tổn thất vitamine C, có nghĩa y5min = 0, thực tế y5 > - Xác định nhiệt độ cảm biến nhiệt độ (Temperature sensor) đo lường máy tính - Xác định áp suất cảm biến áp suất (Pressure sensor) đo lường máy tính - Phương pháp qui hoạch thực nghiệm trực giao cấp hai - Xác lập giải BTTƯ mục tiêu phương pháp điểm không tưởng 3.3 Kết nghiên cứu thảo luận [8] 3.3.1 Xây dựng hàm mục tiêu thành phần toán đa mục tiêu Q trình STH tối ưu có: y1- chi phí lượng cho kg SP nhỏ nhất, y2 - độ ẩm VLS phải đạt yêu cầu (2 ÷ 6)%, IR- khả hút nước hoàn nguyên trở lại SP lớn nhất, có nghĩa: y3 = (1 – IR).100, [%] - khả không hút nước SP bé nhất, y4 - độ co rút SP bé y5 - tổn thất vitamine C SP bé phụ thuộc vào yếu tố: nhiệt độ môi trường sấy (Z1), áp suất môi trường sấy (Z2), thời gian sấy (Z3) Phương pháp quy hoạch thực nghiệm sau: xây dựng ma trận thực nghiệm trực giao cấp với k = 3, n0 = 4, tiến hành 18 thí nghiệm Các biến x1, x2, x3 biến mã hóa Z1, Z2, Z3 Cánh tay địn có giá trị α = 1.414 Từ việc thiết lập giải mơ hình tốn truyền nhiệt tách ẩm điều kiện STH để độ ẩm cuối sản phẩm đạt yêu cầu (2 ÷ 6)%, [1, 3], xác định điều kiện thí nghiệm sau, xem bảng Trang 69 Science & Technology Development, Vol 13, No.K2- 2010 Tiến hành thực nghiệm theo mức yếu tố ảnh hưởng bảng để xác định mục tiêu đặt ra: y1, y2, y3, y4 y5, kết nhận bảng Bảng Ma trận thực nghiệm phương án trực giao bậc 2, k = 3, n0 = Sau xử lý số liệu thực nghiệm, tính tốn hệ số phương trình hồi quy, kiểm định có nghĩa hệ số phương trình hồi quy theo chuẩn Student, kiểm tra tương thích phương trình hồi quy với kết thực nghiệm theo chuẩn Fischer thu phương trình hồi quy: y1 = f1 (x1 , x , x ) = 74.691 + 1.945x1 + 9.771x ( ) ( - 2.308 x 22 − / + 2.991 x 32 − / y = f (x1 , x , x ) = 4.591 − 0.363x1 − 0.631x − 0.218x1x ( ) ( ) (16) ) ( ) (17) ) (18) + 0.27 x12 − / + 0.247 x 22 − / + 0.169 x32 −2/3 y3 = f3 (x1 , x , x ) = 8.797 + 2.109x1 + 0.566x ( ) ( + 1.254x + 0.801 x12 − / + 1.108 x 32 − / Trang 70 TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 13, SỐ K2 - 2010 y = f (x1 , x , x ) = 8.909 + 1.502x1 + 0.818x + 0.756x ( ) ( − 0.153 ( x ) − / 3) − 0.494x x + 0.438 x12 − / + 0.651 x 22 − / y = f5 (x1 , x , x ) = 2.191 + 0.4x1 + 0.386x + 0.216x 3.3.2 Giải BTTƯ mục tiêu [4, 8] Các BTTƯ mục tiêu tìm: y1min = minf1(x1, x2, x3); y2min = minf2(x1, x2, x3) ∈ [2, 6]; y3min = minf3(x1, x2, x3); y4min = minf4(x1, x2, x3); y5min = minf5(x1, x2, x3), với miền giới hạn: Ωx = {-1.414 ≤ x1, x2, x3} ≤ 1.414} giải nhờ hỗ trợ phần mềm Excel – Solver Kết tính tốn xác định thơng số tối ưu cho BTTƯ mục tiêu (16), (17), (18), (19) (20) vùng giới hạn nghiên cứu thực nghiệm sau: y1min = 59.035 với: x11opt = -1.414; x21opt = 1.414; x31opt = -1.414 y2min = 3.162 ∈ [2,6] với: x12opt = 1.243; x22opt = -6.26E-08; x32opt = 1.414 y3min = 4.981 x13opt = -1.316; x23opt = -1.414; x33opt = -0.566 với: y4min = 4.996 x14opt = -1.376; x24opt = -1.165; x44opt = -1.412 với: với: y5min = 0.594 x15opt = -1.398; x25opt = -1.414; x35opt = -1.387 Từ kết xác định điểm khơng tưởng yUT = (y1min, y2min, y3min, y4min, y5min) = (59.035, 3.162, 4.981, 4.996, 0.594) Rõ ràng từ kết nghiên cứu thực nghiệm xác định điểm không tưởng phương án khơng tưởng khơng tồn Bởi vì: (19) (20) không tồn nghiệm chung hệ, (x1jopt, x2jopt, x3jopt) ≠ (x1kopt, x2kopt, x3kopt) ∀j, k = ÷ 5, j ≠ k 3.3.3 Giải BTTƯ đa mục tiêu theo phương pháp vùng cấm [4, 8] Quá trình STH với mục tiêu đề biểu diễn phương trình hồi quy (16), (17), (18), (19) (20) Vì khơng thể có nghiệm chung để làm thỏa mãn tất giá trị: y1min, y2min, y3min, y4min, y5min, nên BTTƯ đặt tìm nghiệm Paréto tối ưu để hiệu Paréto tối ưu yPR = (f1PR, f2PR, f3PR, f4PR, f5PR) đứng gần điểm không tưởng cách xa vùng cấm Thực tế thực nghiệm để xác định chế độ công nghệ STH xác định vùng cấm: y1 > C1 = 85.98; y2 > C2 = 5.98; y3 > C3 = 12.97; y4 > C4 = 12.78; y5 > C5 = 3.2 Xây dựng hàm mục tiêu tổ hợp R sau: * R ( x1 , x , x ) = ∏ rj ( x1 , x , x ) → max (21) j=1 Ωx = {−1.414 ≤ x1 , x , x ≤ 1.414} ; y ∈ [2, 6] Trong đó: r1(x1, x2, x3) = [(85.98 – y1)/(85.98 – 59.035)] y1 ≤ 158.98; r1(x1, x2, x3) = y1 > 85.98; r2(x1, x2, x3) = [(5.98 – y2)/( 5.98 – 3.162)] y2 ≤ 5.98; r2(x1, x2, x3) = y2 > 5.98; r3(x1, x2, x3) = [(12.97 – y3)/( 12.97 – 4.981)] y3 ≤ 12.97; r3(x1, x2, x3) = y3 > 12.97; Trang 71 Science & Technology Development, Vol 13, No.K2- 2010 r4(x1, x2, x3) = [(12.78 – y4)/( 12.78 – 4.996)] y4 ≤ 12.78; r4(x1, x2, x3) = y4 > 12.78; r5(x1, x2, x3) = [(3.2 – y5)/( 3.2 – 0.594)] y5 ≤ 3.2; r5(x1, x2, x3) = y5 > 3.2; Nhờ hỗ trợ phần mềm Excel – Solver xác định giá trị cực đại (21): R*max = Max R*(x1, x2, x3) = 0.987 Với: x1S = 0.578; x2S = -1.41; x3S = -0.37 Thay x1S, x2S, x3S vào phương trình (11), (12), (13), (14) (15) xác định được: y1PS = 67.566; y2PS = 4.808 ∈ [2,6]; y3PS = 7.901; y4PS = 8.801; Trang 72 y5PS = 1.879; IR = 100 – y3PS = 92.099 Biến đổi sang biến thực: Z1 = 34.05 [0C]; Z2 = 0.009 [mmHg]; Z3 = 13.26 [h] Như vậy, theo tính tốn từ mơ hình (16), (17), (18), (19) (20) thực nghiệm xác định chế độ công nghệ STH đảm bảo cho chuẩn tối ưu tổ hợp S đạt cực tiểu ứng với: nhiệt độ môi trường sấy 34.04 [0C], áp suất môi trường sấy 0.009 [mmHg], thời gian sấy 13.26[h] Khi tổng chi phí lượng tạo kg SP 67.566 [kWh], độ ẩm cuối SP đạt 4.808 [%], khả hút nước hoàn nguyên trở lại SP 92.099 [%], độ co rút thể tích SP 8.801 [%] lượng tổn thất vitamine C SP 1.879 [%] Từ kết thực nghiệm tiến hành bảng thấy rằng, kết tính tốn tối ưu phù hợp đáp ứng tốt mục tiêu đặt TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 13, SỐ K2 - 2010 Khi cố định áp suất môi trường sấy = -1.41, tương đương với x 2R Z2 = 0.009 [mmHg], biểu diễn mối quan hệ y1, y2, y3, y4, y5 hàm tổ hợp R theo hai biến x1, x3 đồ thị 3D (xem hình 2, 3, 4, 5, 6, 7) thấy rõ điểm tối ưu hàm tổ hợp R phù hợp với hàm mục tiêu thành phần, lý thuyết chứng minh khơng thể tìm điểm khác với điểm tối ưu nằm tập hiệu Paréto tối ưu đứng gần điểm không tưởng cách xa vùng cấm Để khẳng định kết luận tiến hành thực nghiệm kiểm chứng kết trình bày phần 3.4 Thực nghiệm kiểm chứng [4, 8] Tiến hành trình STH nhiệt độ môi trường sấy 34.04 [0C], áp suất môi trường sấy 0.009 [mmHg], thời gian sấy 13.26 [h] nhận kết chi phí lượng cho trình sấy tạo kg SP 67.267 [kWh], độ ẩm cuối SP đạt 4.778 [%], khả hút nước hoàn nguyên trở lại SP 92.282 [%] (khả khơng hút nước hồn ngun trở lại SP 7.718 [%]), độ co rút thể tích SP 8.795 [%] lượng tổn thất vitamine C SP 1.834 [%] Có thể thấy kết tính tốn tối ưu hóa q trình STH phương pháp vùng cấm cho kết hoàn toàn phù hợp với thực nghiệm Hình Sản phẩm tơm bạc chần sơ bóc vỏ bỏ đầu STH 3.5 Xác lập chế độ cơng nghệ STH hồn chỉnh [4, 8] Với áp suất mối trường STH Pth = 0.009 [mmHg] thay vào mơ hình tốn (3.51) thiết lập [3], xác định hệ số cấp nhiệt môi trường STH α bx = 4.2057 [Wm-2K-1], thay thông số nhiệt – vật lý tơm sú [7], vào mơ hình toán truyền nhiệt tách ẩm điều kiện STH từ (3.22) đến (3.42) thiết lập [3], xác định thời gian STH giai đoạn 2: τ th = 11.403 [h], thời gian SCK giai đoạn 3: τck = 1.857 [h] với nhiệt độ thăng hoa -24.62 [0C], nhiệt độ kết tinh ẩm tôm sú -1.18 [0C], [3,7] Như vậy, chế độ công nghệ STH cho tơm bạc thiết lập hồn chỉnh sau (có thể xem sơ đồ qui trình cơng nghệ [1,3,5]): - Giai đoạn 1: giai đoạn lạnh đông: nhiệt độ môi trường lạnh đông -450C, hệ số tỏa nhiệt môi trường lạnh đông 8.514 [Wm-2K-1], nhiệt độ bề mặt VLS -33.05 [0C], nhiệt độ tâm VLS 11.97 [0C], nhiệt độ trung bình VLS -24.62 [0C] - Giai đoạn (STH) (SCK): nhiệt độ thăng hoa -24.62 [0C], nhiệt độ mô trường sấy 34.05 [0C], áp suất môi trường sấy 0.009 Trang 73 Science & Technology Development, Vol 13, No.K2- 2010 [mmHg], thời gian STH giai đoạn 2: 11.403 [h], nhiệt độ VLS ≥ -1.18 [0C], thời gian SCK gian đoạn 3: 1.857 [h], tổng thời gian sấy là: 13.26 [h] Khi STH tôm bạc với qui trình thiết lập trên, sản phẩm nhận hình 8, có phí lượng chất lượng sản phẩm khẳng định KẾT LUẬN Quá trình STH nghiên cứu cách hệ thống phương pháp toán học kết hợp với phương pháp nghiên cứu thực nghiệm Các phương trình hồi qui (16), (17), (18), (19) (20) thu từ thực nghiệm mơ hình thống kế thực nghiệm mô tả tốt ảnh hưởng nhiệt độ môi trường sấy, áp suất môi trường sấy, thời gian sấy đến chi phí lượng cho trình sấy, độ ẩm cuối sản phẩm, khả hút nước hoàn nguyên trở lại, độ co rút thể tích sản phẩm lượng tổn thất vitamine C sản phẩm Bằng phương pháp chuẩn tối ưu tổ hợp R (phương pháp vùng cấm) xác định chế độ cơng nghệ STH tối ưu, có chi phi trình nhỏ chất lượng sản phẩm tạo tốt Việc xác định chế độ cơng nghệ STH phức tạp vừa kết hợp hai loại mơ hình: truyền nhiệt lạnh đơng, tách ẩm thống kê thực nghiệm để xác định chất lượng sản phẩm tốt nhất, chi phí lượng bé nhất, địi hỏi người nghiên cứu phải nắm vững kiến thức STH MULTI-OBJECTIVE OPTIMIZATION WITH OPTIMAL STANDARD COMBINATION OF R APPLIED TO DETERMINE REGIME TECHNOLOGICAL FREEZE DRYING OF PENAEUS MERGUIENSIS Nguyen Tan Dzung(1) , Le Xuan Hai(2) , Trinh Van Dzung(2) (1) University of Technical Education, HCM City (2) University of Technology, VNU-HCM ABSTRACT: This article presents research results of determinative regime technological freeze drying of Penaeus Merguiensis by method to solve a multi-Objective optimization problem with optimal standard combination of R Experimental research was carried out building objective functions to describe influence of technological element (temperature of sublimation environment, pressure of sublimation environment and times of freeze drying) during processing freeze drying By restricted zone (optimal standard combination of R) method determined optimal regime technological freeze drying have minimum energy expenditures/1 kg product, minimum humidity of material, maximum absorbent return of product, minimum contraction of product and minimum loss of vitamine C Keywords: Multi-Objective optimization, Optimization, Freeze drying TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Tấn Dũng, Xây dựng giải mơ hình tốn truyền nhiệt lạnh đông truyền nhiệt tách ẩm điều kiện sấy thăng hoa, Chuyên đề chuyên đề tiến sĩ, Đại học Bách Khoa, (2009) Trang 74 [2] Ludger O Figura, Arthur A Teixeira, Physical properties – Measurement and Applications (in Freeze – Drying), Journal of Food Engineering, Germany (2007) [3] Nguyễn Tấn Dũng – Trịnh Văn Dũng – Trần Đức Ba, Nghiên cứu thiết lập mơ hình tốn truyền nhiệt tách ẩm điều kiện sấy thăng hoa, Tạp chí Phát triển TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 13, SỐ K2 - 2010 [4] [5] [6] [7] Khoa học Công nghệ ĐHQG Tp.HCM, Tập 11, số 09, (2009) Lê Xuân Hải, Tối ưu đa mục tiêu ứng dụng q trình chiết tách chất màu anthocyanin, Tạp chí Phát triển Khoa học Công nghệ ĐHQG Tp.HCM, Tập 11, số 09, (2008) Nguyễn Tấn Dũng, Nghiên cứu tính tốn thiết kế, chế tạo hệ thống sấy thăng hoa công nghiệp DS-3 phục vụ cho sản xuất loại thực phẩm cao cấp (Đề tài NCKH cấp bộ), Tạp chí Giáo dục khoa học kỹ thuật, số 3(1), (2007) Nguyễn Tấn Dũng - Trịnh Văn Dũng Trần Đức Ba, Nghiên cứu khảo sát tính chất nhiệt - vật lý nhóm giáp xác (tơm sú, tơm bạc tơm thẻ) ảnh hưởng đến trình cấp nhiệt tách ẩm sấy thăng hoa, Tạp chí Khoa học Công nghệ thủy sản, (2008) Nguyễn Tấn Dũng, Khảo sát số tính chất nhiệt vật lý thủy sản nhóm giáp xác (tơm sú, tơm bạc tơm thẻ) ảnh hưởng đến trình cấp nhiệt tách ẩm sấy thăng hoa, Chuyên đề chuyên đề tiến sĩ, Đại học Bách Khoa, (2008) [8] Nguyễn Tấn Dũng, Xác lập chế độ công nghệ STH thủy sản: tôm sú, tôm bạc tôm thẻ, Chuyên đề chuyên đề tiến sĩ, Đại học Bách Khoa, (2010) [9] Luikov, A.V Systems of differential equations of heat and mass transfer in capillary-porous bodies, International Journal of Heat and mass transfer, (1975) [10] Luikov, A.V Equations applicable to Sublimation drying, Journal of Food Engineering, (1972) [11] Pikal, M.J.; M.L.; Shah, S Mass and Heat transfer in vial freeze drying of pharmaceuticals: role of the vial J Pharm Sci, Journal of Food Engineering, (1984) [12] Liapis, A.I., Bruttini, R and Pikal, M.J Research and development needs and opportunities in freeze drying, Drying Technoloy, Journal of Food Engineering, (1996) [13] Haugvalstad.G.H Skipnes.D Sivertsvik.M, Food free from preservative, Journal of Food Engineering, (2005) Trang 75 ... cho độ nhạy tốt Bảng Độ nhạy cảm biến gia tốc Độ nhạy Độ phân giải Cấu hình đề xuất Ax, Ay Az 0.28 mV/V/g 0.4 mV/V/g 0.72 mg 0.5 mg KẾT LUẬN Bài báo thiết kế mô thành công cảm biến gia tốc ba bậc. .. điện trở 6.6 kΩ cảm biến theo phương Z có độ nhạy 0.4 mV/V/g độ phân giải 0.5 mg (1 g = 9.8 m/s2) Độ nhạy cảm biến gia tốc chiều liệt kê Bảng Các kết so sánh với kết [9, 10] với điều kiện tương tự. .. hình cảm biến gia tốc chiều Ví dụ cảm biến chịu tác dụng gia tốc tịnh tiến theo phương Z khối gia trọng chuyển động lên xuống Độ lệch dầm chịu tác dụng gia tốc gây nên ứng suất tuyến tính Các áp