Nghiên cứu chế tạo cảm biến và xây dựng hệ thống đo lực đẩy liên hoàn động cơ phóng và động cơ hành trình tên lửa phòng không tầm thấp

Nguyên lý áp trở được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống đo động lực vũ khí, và có các đặc điểm chính sau [44]: • Phù hợp với các đối tượng đo có tần số thấp 0 ÷ 5 kHz; • Bằng việc tính

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết

Trong các nghiên cứu cải tiến, sửa chữa hay chế tạo mới các loại tên lửa(TL) không thể thiếu phương tiện đo các tham số động lực động cơ tên lửa(ĐCTL) Các phương tiện đo này có đặc điểm luôn làm việc trong các điềukiện rất khắc nghiệt của môi trường dã chiến và của chính đối tượng thínghiệm Do đó trong quá trình thí nghiệm, xác suất xảy ra hỏng hóc của cácthiết bị đo, đặc biệt là các cảm biến đo tại hiện trường rất lớn [12], [15] Bêncạnh đó giá thành của cảm biến đo các tham số động lực ĐCTL do nướcngoài cung cấp rất đắt, cộng với hàng loạt các điều kiện đảm bảo kèm theonhư điều kiện sử dụng, chế độ quy chuẩn hay điều kiện bảo hành [33]

Mọi phương tiện đo các tham số vật lý đều được cấu tạo từ ba bộ phậnchính: cảm biến đo; bộ phận thu thập gia công tín hiệu; thiết bị chỉ thị và lưugiữ kết quả đo

Do đặc thù phương tiện đo các tham số động lực ĐCTL, cảm biến đoluôn phải tiếp xúc trực tiếp với đối tượng đo nên xác suất xảy ra hỏng hóc docháy nổ gây ra là rất lớn (điều này là tất yếu đối với các thí nghiệm ban đầu)[12] Vì vậy nghiên cứu xây dựng phương tiện đo các tham số động lựcĐCTL thực hiện theo quan điểm: Với các thiết bị ít chịu tác động của đốitượng đo trong quá trình thí nghiệm cần sử dụng các thiết bị nhập ngoại có độchính xác cao Đối với các cảm biến đo cần thiết phải nghiên cứu, chế tạobằng công nghệ, vật tư trong nước và tìm các giải pháp nâng cao chất lượng

để đáp ứng các mục đích thí nghiệm các đối tượng cháy nổ

Về nguyên lý, xây dựng hệ thống đo các tham số động lực ĐCTL luônphải dựa trên nền tảng lý thuyết và thực nghiệm Các nước đứng đầu về sảnxuất và cung cấp vũ khí và thiết bị bay đã luôn thay đổi công nghệ, hiện đại

hoá hệ thống đo thử nghiệm các tham số động học của đối tượng cần thửnghiệm từ giai đoạn rời bệ cho đến khi vào quĩ đạo ổn định, hướng tới mụctiêu [27], [28] Mọi việc liên quan đến kỹ thuật thử nghiệm TL đều là những

bí mật và là bí quyết riêng của từng quốc gia, từng hãng sản xuất và từngphòng thí nghiệm Vì vậy, việc tự nghiên cứu chế tạo và làm chủ hệ thống đocác tham số động lực ĐCTL luôn là công việc tự lực của mỗi quốc gia

Tên lửa phòng không tầm thấp (TLPKTT) Igla là một tổ hợp tên lửaphức tạp Hệ thống động lực chính của tên lửa bao gồm ĐCP có vai trò tăngtốc cho tên lửa trong giai đoạn khởi động và được giữ lại trong ống phóng;ĐCHT sau thời gian giữ chậm, tách ra khỏi ống phóng và động cơ phóng,được kích hoạt và đưa tên lửa đến mục tiêu Lực đẩy, thời gian hoạt động củacác động cơ cũng như thời điểm giữ chậm tầng hành trình có độ chính xác caođảm bảo tên lửa hoạt động theo quỹ đạo tính toán

Hiện nay, các cơ sở nghiên cứu và sản xuất trong Quân đội đã làm chủcông nghệ chế tạo được các chi tiết, bán thành phẩm thuộc hệ thống động lựctên lửa Igla Các động cơ phóng (ĐCP) và động cơ hành trình (ĐCHT) đãđược chế tạo và thử nghiệm độc lập cho kết quả tốt Tuy nhiên các sản phẩmnày chưa qua thử nghiệm đồng bộ trên trường bắn nên chưa thể đánh giá đượcquá trình làm việc liên hoàn của hệ thống động lực theo các chỉ tiêu của vũkhí Điều này đặt ra một yêu cầu cấp thiết cần phải nghiên cứu xây dựng được

hệ thống đo lực đẩy liên hoàn để kiểm tra thử nghiệm kết hợp hệ thống độnglực của tên lửa Igla do Việt Nam chế tạo nhằm đánh giá chất lượng sản phẩmcũng như kiểm tra độ an toàn của vũ khí đối với xạ thủ

Vì thế, nghiên cứu xây dựng hệ thống đo lực đẩy liên hoàn ĐCP vàĐCHT TLPKTT có sử dụng các cảm biến đo tự thiết kế, chế tạo bằng vật tư

và công nghệ trong nước là rất cần thiết Đó là cơ sơ để học viên thực hiện

luận văn: “Nghiên cứu chế tạo cảm biến và xây dựng hệ thống đo lực đẩy

liên hoàn động cơ phóng và động cơ hành trình tên lửa phòng không tầm thấp”.

2 Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu

Mục tiêu của luận văn : Hoàn thiện cơ sở lý luận và xây dựng phương

pháp thiết kế cảm biến đo lực đẩy liên hoàn ĐCP và ĐCHT TLPKTT Igla dựatrên hiệu ứng áp trở, nhằm tạo ra cảm biến đo hoạt động chính xác, tin cậytrước các điều kiện khắc nghiệt của các thí nghiệm vũ khí và có giá chế tạophù hợp tại Việt Nam

Để đạt được mục tiêu trên luận văn sẽ tập trung vào giải quyết các nội dung sau:

 Xây dựng bài toán thiết kế cảm biến đo lực đẩy liên hoàn ĐCP vàĐCHT TLPKTT Igla đảm bảo tạo ra được các cảm biến đo đủ nhạy, tuyếntính phù hợp với dải đo và tần số dao động riêng của ĐCP và ĐCHTTLPKTT Igla

 Nghiên cứu thực nghiệm để minh chứng cho bài toán lý thuyết

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐO LỰC ĐẤY ĐỘNG CƠ TÊN LỬA

1.1 Khái quát chung về phép đo lực đẩy động cơ tên lửa

Lực đẩy của động cơ tên lửa (sử dụng nhiên liệu rắn hoặc nhiên liệulỏng) được hình thành trong quá trình cháy nhiên liệu trong buồng đốt và tạolực đẩy bởi luồng khí thoát ra qua loa phụt Tham số này có vai trò quan trọnggóp phần quyết định đến độ chính xác tiếp cận mục tiêu của tên lửa Vì vậy,việc đo và đánh giá lực đẩy động cơ là cần thiết trong nghiên cứu, cũng nhưtrong thử nghiệm và đánh giá chất lượng tên lửa nói chung và của động cơ tênlửa (ĐCTL) nói riêng

Tên lửa phòng không tầm thấp Igla là một tổ hợp tên lửa phức tạp Hệthống động lực chính của tên lửa bao gồm ĐCP có vai trò tăng tốc cho tên lửatrong giai đoạn khởi động và được giữ lại trong ống phóng; ĐCHT sau thờigian giữ chậm, tách ra khỏi ống phóng và động cơ phóng, được kích hoạt vàđưa tên lửa đến mục tiêu Hệ thống động lực của TLPKTT Igla có cấu trúcđược mô tả như trên hình 1.1

Hình 1.1 Cấu trúc hệ thống động lực TLPKTT Igla

Trong đó:

1 Động cơ hành trình; 2 Trụ giữ chậm 9X270; 3 Động cơ phóng.

Lực đẩy, thời gian hoạt động của các động cơ cũng như thời điểm giữchậm tầng hành trình có độ chính xác cao đảm bảo tên lửa hoạt động theo quỹđạo tính toán (hình 1.2)

Trong đó: Fpmax – Lực đẩy cực đại của động cơ phóng

tp – Thời gian làm việc của động cơ phóng

tht – Thời gian làm việc của động cơ hành trình

tgc – Thời gian làm việc của trụ giữ chậm 9X270

τm – Thời gian khởi động của ĐCP

Hình 1.2 Đồ thị lực đẩy hệ thống ĐCP-ĐCHT tên lửa Igla

Đồ thị mô tả quá trình hình thành và tăng trưởng của lực đẩy hệ thốngĐCP-ĐCHT tên lửa Igla có dạng như hình 1.2, qua đó cho thấy hệ thốngĐCP-ĐCHT tên lửa Igla là đại lượng cơ học và có đặc tính động

Để đo được lực đẩy liên hoàn ĐCP-ĐCHT tên lửa Igla ngoài hệ thống đocần thiết phải có giá thử chuyên dụng và thiết bị điều khiển điểm hỏa và giữ

chậm điện tử, hai nội dung này được nghiên cứu chế tạo bởi một công trìnhkhác Hệ thống giá thử đã được nghiên cứu chế tạo có cấu trúc như trên hình 1.3

Hình 1.3 Cấu trúc của giá thử liên hoàn ĐCP-ĐCHT

Trong đó: 1 Bệ; 2 Cảm biến đo lực; 3 ĐCHT; 4 ĐCP; 5 Ống phóng;

6 Cơ cấu tách ống phóng.

Nguyên lý làm việc của giá thử được mô tả như sau: Hệ thống ĐCHT và ống phóng tên lửa Igla được lắp ráp đồng bộ và được gá lên giáthử Thiết bị điều khiển điểm hỏa và giữ chậm điện tử có nhiệm vụ điểm hỏacho ĐCP và các bu lông nổ của cơ cấu đẩy lùi ống phóng Khi điểm hỏa ĐCPđược mồi cháy tức thời, khối giữ chậm điểm hỏa bắt đầu đếm thời gian Lúcnày lực đẩy của ĐCP truyền qua ĐCHT đến cảm biến đo lực đẩy và hiển thịgiá trị lực đẩy theo thời gian trên màn hình Sau 0,09 giây ĐCP ngừng hoạtđộng, theo quán tính ĐCP vẫn tiếp tục chuyển động cùng động cơ hành trìnhtrong ống phóng, đến khoảng 0,2…0,3 giây (tính từ thời điểm điểm hỏa),ĐCP bị giữ lại trong ống phóng bởi ngàm kim loại; thiết bị giữ chậm điểmhỏa truyền tín hiệu điểm hỏa kích hoạt bu lông nổ của cơ cấu đẩy lùi ốngphóng Phần tử dự trữ năng lượng của cơ cấu đẩy lùi ống phóng được giảiphóng đẩy ống phóng (có chứa ĐCP bên trong) trượt lùi về phía sau ĐCHTđược điểm hỏa và bắt đầu hoạt động sau thời gian giữ chậm khoảng 0,5 giây(của trụ giữ chậm 9X270)

ĐCP-1.1.1 Nguyên lý - cấu trúc của phương tiện đo lực đẩy ĐCTL

1.1.1.1 Về nguyên lý đo:

Hệ thống đo lực đẩy ĐCTL có thể được xây dựng trên cơ sở sử dụngnguyên lý đo khác nhau, song hai nguyên lý đo được sử dụng phổ biến nhất lànguyên lý áp điện và nguyên lý áp trở [26], trong đó:

- Nguyên lý áp điện được xây dựng trên cơ sở ứng dụng hiệu ứng ápđiện Bản chất của hiệu ứng áp điện là khi có ngoại lực tác động theo trụcđiện của tinh thể áp điện (tinh thể thạch anh (SiO2), Titanat Bari (BaTiO3),muối Xênhét, Tuamalin ) sẽ sinh ra trên hai bề mặt của tinh thể một điện tích

q có giá trị phụ thuộc vào độ lớn của lực tác động và dấu của nó phụ thuộc

vào hướng của lực tác động [23] Khi này, cảm biến đo lường thể hiệnphương pháp đo dựa theo nguyên lý áp điện thường có mô hình cấu trúc đơngiản như hình 1.4

Các hệ thống đo được xây dựng theo nguyên lý áp điện có các đặc điểmchính sau [21]:

• Thích hợp cho đối tượng đo có tần số dao động lớn, đặc biệt là trongcác hệ thống đo dao động, chấn động;

• Ít chịu ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường;

• Ít bị suy giảm tín hiệu trên đường truyền khi thực hiện phép đo từ xa;

• Chịu ảnh hưởng rất lớn từ nhiễu tạp của môi trường;

• Kích thước cảm biến đo nhỏ;

• Trong các phép đo có tần số thấp, để giảm sai số cần tăng hằng số thờigian của mạch gia công tín hiệu (mạch khuếch đại tích phân);

Tinh thể

áp điện

• Đòi hỏi phải có công nghệ vật liệu và công nghệ chế tạo tinh xảo khi

chế tạo cảm biến đo

- Nguyên lý áp trở được xây dựng trên cơ sở ứng dụng hiệu ứng áp trở

Về lý thuyết, bản chất của hiệu ứng áp trở là điện trở của vật liệu bị thay đổikhi có sự biến dạng trên vật liệu dưới tác động của áp lực [44] Trong một giớihạn cho phép, biến dạng càng lớn thì giá trị thay đổi của điện trở càng lớn.Tuy nhiên, nguyên lý áp trở được áp dụng rộng rãi nhất trong thực tếhiện nay thường được xây dựng trên cơ sở ứng dụng hiệu ứng kép: lực - biếndạng và biến dạng - điện trở Và khi này, cảm biến đo lường thể hiện phươngpháp đo theo nguyên lý áp trở cần phải có 2 khâu (hình 1.5):

Hình 1.5 Mô hình cấu trúc cảm biến đo lường theo nguyên lý áp trở+ Chuyển đổi sơ cấp lực - biến dạng được xây dựng trên cơ sở phần tử

có tính đàn hồi cao, được gọi tắt là phần tử đàn hồi (PTĐH);

+ Chuyển đổi thứ cấp biến dạng - điện trở thường được xây dựng trên cơ sởứng dụng tem biến dạng (TBD), và trong thực tế thường sử dụng cầu đo TBD Nguyên lý áp trở được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống đo động lực

vũ khí, và có các đặc điểm chính sau [44]:

• Phù hợp với các đối tượng đo có tần số thấp (0 ÷ 5 kHz);

• Bằng việc tính toán thiết kế cấu trúc của PTĐH sẽ tạo ra được các cảmbiến đo phù hợp với đối tượng đo cả về dải đo và tần số dao động;

PTĐH

(ε)

TBD (∆R)

Chuyển đổi

sơ cấp

Chuyển đổi thứ cấp

• Chịu tác động mạnh từ sự thay đổi nhiệt độ của môi trường nếu không

có phương pháp bù trừ hợp lý

Qua nghiên cứu khảo sát các hệ thống đo hoạt động theo nguyên lý ápđiện và nguyên lý áp trở cho thấy:

- Hệ thống đo theo nguyên lý áp điện có sai số đo lớn khi đối tượng đo

có tần số dao động riêng thấp, do đó không phù hợp cho những phép đo lựcđẩy ĐCTL [24] Ngoài ra, việc xây dựng hệ thống đo này đòi hỏi rất cao vềcông nghệ vật liệu và công nghệ chế tạo Điều này là không khả thi trong điềukiện nước ta hiện nay

- Hệ thống đo lực đẩy theo nguyên lý áp trở làm việc ổn định và phù hợpvới các đối tượng đo biến đổi chậm (0 - 5 kHz) – đây là dải tần số làm việccủa các loại ĐCTL

Từ những nhận định trên, việc nghiên cứu xây dựng phương tiện đo lựcđẩy liên hoàn ĐCP-ĐCHT tên lửa Igla chính là nghiên cứu xây dựng hệ thống

đo theo nguyên lý áp trở

• Cảm biến được lắp đặt trên giá đo, thực hiện chức năng tiếp nhận và

biến đổi thông tin về sự biến thiên của đại lượng cần đo trên đầu vào thành sựbiến thiên điện áp trên đầu ra Tín hiệu điện áp ra này được đưa tới thiết bị giacông tín hiệu để xử lý tiếp theo bằng các cáp đo

• Thiết bị gia công tín hiệu được lắp đặt tại trung tâm xử lý tín hiệu và

chỉ thị kết quả đo, thực hiện chức năng khuếch đại tín hiệu đến biên độ đủ lớn

và lọc nhiễu, đảm bảo cho các bước xử lý tiếp theo trên thiết bị chỉ thị

• Thiết bị chỉ thị thực hiện chức năng biến đổi tín hiệu từ dạng tương tự

thành dạng số và tính toán xử lý số liệu theo thuật toán xác định rồi chỉ thị kếtquả đo theo các dạng thích hợp

Hình 1.6 Sơ đồ cấu trúc tổng quát của hệ thống đo lực

Sơ đồ khối chi tiết của hệ thống đo lực đẩy ĐCTL theo nguyên lý áp trởđiển hình có thể được mô tả như trên Hình 1.7 [7]

Phần tử đàn hồi (Chuyển đổi sơ cấp) Cầu đo tem biến dạng(Chuyển đổi thứ cấp)

Biến đổi điện áp

Khuếch đại điện áp Lọc

ADC

Máy tính (tuyến tính hoá)

HIỂN THỊ

SỐ LIỆU

Thiết bị hiển thị, Máy in

Hình 1.7 Sơ đồ khối hệ thống đo lực đẩy ĐCTL theo nguyên lý áp trởLực đẩy của ĐCTL tác động trực tiếp đến cảm biến Thông qua PTĐH,

sự biến thiên của lực đẩy được chuyển đổi thành sự biến dạng trên PTĐH.Bằng các TBD được liên kết chặt chẽ với PTĐH, sự biến dạng lại đượcchuyển đổi thành sự biến thiên điện trở Và thông qua mạch đo có dạng cầu

đo Wheastone, trong đó các TBD được tham gia trong thành phần các nhánhcầu, cho phép thu nhận được tín hiệu ra ở dạng điện áp với độ lớn có liên hệhàm số đối với đại lượng lực đẩy của ĐCTL tác động vào cảm biến

Tín hiệu điện áp ra được khuếch đại đủ độ lớn, rồi qua các bộ lọc để đưatới bộ biến đổi tương tự - số ADC Nhờ ADC, tín hiệu được mã hoá thành dạng

số và đưa vào máy tính Từ đó, máy tính sẽ xử lý dữ liệu theo những thuật toánxác định và hiển thị kết quả đo phù hợp với yêu cầu của người quan sát

1.1.1.3 Về hàm truyền và thuật toán đo:

Mọi hệ thống đo đều có thể phân tích thành nhiều phần tử hệ nối ghép với

nhau, mỗi phần tử đều có độ nhạy tĩnh K i và đặc tuyến động học G i (s) Hàm

truyền của toàn hệ chính bằng tích của mọi hàm truyền phần tử, nghĩa là:

K 2 , G 2 (s) - hệ số khuếch đại tĩnh và đặc tính động của các phần

tử gia công xử lý tín hiệu và biến đổi - xử lý số liệu

Hình 1.8 Hàm truyền của hệ thống đo các tham số động lực ĐCTL

Như đã trình bày trong phần “cấu trúc hệ thống đo”, việc nghiên cứu

thiết kế chế tạo cảm biến đo lực đẩy phù hợp với đối tượng đo là vấn đề cầnnghiên cứu hiện nay Vì vậy, luận văn đi sâu phân tích hàm truyền của cảmbiến đo lực đẩy ĐCTL

Xét hàm truyền của cảm biến:

Tham số lực đẩy ĐCTL là các tham số động và cảm biến đo động theohiệu ứng áp trở là một phần tử bậc 2 [25], theo đó nguyên lý làm việc củaphần tử bậc 2 được thể hiện như trên hình 1.9

m m

k λ

x λ k

Hình 1.9 Nguyên lý hoạt động của phần tử bậc 2Mối quan hệ giữa tín hiệu vào và ra được mô tả bởi phương trình viphân bậc 2, có dạng:

Trong đó: K - độ nhạy tĩnh của cảm biến;

G cb (s) - đặc tính động của cảm biến.

Hình 1.10 Hàm truyền của cảm biến đo động theo nguyên lý áp trở

1.1.2 Sai số đo lực đẩy ĐCTL theo nguyên lý áp trở

Từ (1.6) ta có sai số tương đối của cảm biến đo động là:

X = K + G( s )+ F

- Sai số Kδ xuất hiện do tính chất phi tuyến đặc tuyến tĩnh, trễ hồi quy

và dải trơ của cảm biến;

- Sai số G( s )δ xuất hiện do sự không phù hợp về tần số dao động riêngcủa cảm biến với tần số của tham số đo;

- Sai số Fδ phụ thuộc vào độ chính xác của các dụng cụ ghá lắp trongphép đo

Căn cứ vào các nguyên nhân gây sai số như trên, trong nghiên cứu chếtạo các cảm biến đo động lực tên lửa phải giải bài toán thiết kế sao cho cảmbiến đo:

- Có đủ độ nhạy và độ ổn định trong dải đo;

- Có tần số dao động riêng phù hợp với tần số dao động riêng của tham

s.

=

Trong đó: f n [Hz] - tần số dao động riêng của cảm biến;

τm [s] - thời gian khởi động (hình 1.2);

s [%] - sai số của phép đo.

Từ biểu thức (1.8) ta nhận thấy rằng ứng với một giá trịτm cố địnhsai số s

sẽ tăng khi tần số dao động riêng f n của cảm biến thấp Vậy muốn đo giá trị đođược với độ chính xác mong muốn thì sau khi đã tính và biết được trị số τm

bằng lý thuyết, ta cần phải thiết kế và lựa chọn cảm biến có tần số dao độngriêng không nhỏ hơn một ngưỡng nào đó

Do đặc thù của phép đo lực đẩy liên hoàn ĐCP và ĐCHT của tên lửaIgla, thời gian làm việc của ĐCP rất ngắn so với ĐCHT nên trong thiết kế chếtạo cảm biến chỉ cần căn cứ vào giá trị τm của ĐCP Theo [46] τm = 0,005 s, vìvậy để đảm bảo sai số của phép đo ≤ 1% thì theo (1.8) tần số dao động riêngcủa cảm biến phải ≥ 6.000 Hz

1.2 Một số nghiên cứu về phương tiện đo lực đẩy theo nguyên lý áp trở

1.2.1 Các nghiên cứu ở ngoài nước

Hiệu ứng áp trở hiện đang được ứng dụng rất rộng rãi trong lĩnh vực chếtạo những hệ thống đo phục vụ công tác nghiên cứu, sản xuất cũng như khảosát, kiểm tra các tham số động lực vũ khí

Có rất nhiều các công trình của các nhà khoa học trên thế giới nghiêncứu về hiệu ứng áp trở và ứng dụng trong đo lường mà tiêu biểu công trình

của các tác giả: Ernest O Doebelin [ 24 ], William M Murray [ 44 ], Е.П.Осадчего [ 52 ] Song các nội dung công bố trong các công trình trên chỉ

là những cơ sở tính toán lý thuyết hay mô phỏng đặc tuyến động học của cảm

biến đo trên phần mềm Matlap [20] Và các phương tiện đo được nghiên cứu,chế tạo để phục vụ cho thử nghiệm vũ khí hầu như không được công bố

Một số cảm biến được chế tạo để sử dụng trong công nghiệp [29], [30],[47] có thể được sử dụng để đo lực đẩy ĐCTL tiêu biểu có thể kể đến là:

- Cảm biến lực LCN-A Kyowa- Nhật Bản;

- Cảm biến lực LCA Futek - Mỹ;

- Cảm biến lực C series HBM - Đức;

- Cảm biến lực LCGB series Omega - Mỹ;

Các loại cảm biến tuy có dải đo và một số đặc trưng kỹ thuật khác nhaunhưng đều được cấu trúc từ 2 bộ phận chính PTĐH và TBD Mạch cầu cảmbiến được thiết lập ở dạng cầu đủ với 4 TBD có điện trở từ 120Ω, 350Ω hay

1000Ω được dán trực tiếp trên PTĐH [29] PTĐH của cảm biến tùy theo dải

đo có cấu trúc khác nhau song công nghệ chế tạo PTĐH đều sử dụng phươngpháp đúc từ các vật liệu đặc biệt được luyện riêng cho từng loại cảm biến

- Ít chịu các tác động của độ ẩm môi trường do cảm biến

Bảng 1.1: Một số cảm biến đo lực đẩy ĐCTL

Loại cảm biến đo Độ chính

xác

Độ nhạydanh định

Tần số daođộng riêngCảm biến lực LCN-A Kyowa 0,15% 2,0 mV/V 6,4 kHzCảm biến lực LCA Futek 1,0% 2,0mV/V XCảm biến lực C series HBM 0,5% 2,0 mV/V 5 kHzCảm biến lực LCGB series Omega 0,25% 2mV/V X

b Về nhược điểm:

- Khó khăn trong việc đảm bảo dao động riêng của cảm biến phù hợp vớiphép đo lực đẩy cho từng loại ĐCTL

- Các cảm biến này đều được chế tạo theo phương pháp đúc kín nênkhông có khả năng sửa chữa khôi phục khi có các sự cố hỏng hóc do cháy nổ[29]

- Vật liệu chế tạo PTĐH [30] là những loại hợp kim được nhiệt luyệnvới chế độ đặc biệt nên giá thành của cảm biến rất đắt do đó không phù hợptrong điều kiện thử nghiệm vũ khí

Hình 1.11 Một số cảm biến đo lực của hãng Kyowa và HBM

1.2.2 Các nghiên cứu ở trong nước

Một số cơ sở nghiên cứu thực nghiệm trong quân đội đã được đầu tưnhững hệ thống thiết bị thử nghiệm hiện đại từ các nước có trình độ công nghệtiên tiến Tuy nhiên, thực tế lại tồn tại một vấn đề cần phải giải quyết, đó là:

- Trong khi nghiên cứu, chế thử có nhiều tham số cần đánh giá, mỗi

tham số lại có các dải đo khác nhau, ứng với các loại vũ khí khác nhau Các

cơ sở nhập thiết bị đồng bộ không thể có đủ kinh phí để nhập đủ các cảm biếntheo ý muốn Thực tế là các cơ sở nhập thiết bị đồng bộ không thể sử dụngmột vài cảm biến nhập ngoại để thực hiện tất cả các thí nghiệm đo các tham

số của vũ khí Hơn nữa, trong quá trình nghiên cứu chế thử không thể tránhđược rủi ro, gây ra cháy nổ làm hư hỏng các cảm biến cũng như hệ thống thiết

bị Các bước thí nghiệm ban đầu rất hay xảy ra sự cố cháy, nổ không thể sửdụng các cảm biến đắt tiền được

- Các cơ sở không có kinh phí nhập thiết bị ngoại, nên cần phải tìm ragiải pháp hữu hiệu từ các sản phẩm trong nước hoặc kết hợp một phần vớithiết bị nhập ngoại để xây dựng cho mình một hệ thống đo lường các tham sốđộng học vũ khí nói chung và ĐCTL nói riêng [7], [16] Thiết bị xử lý tínhiệu cho một hệ đo không cần nhiều kênh nhưng số cảm biến cho mỗi kênhphải đủ phù hợp với tham số đối tượng cần đo và có dự phòng thay thế Vìvậy việc nghiên cứu, xây dựng cảm biến đo lực đẩy liên hoàn ĐCP-ĐCHT tênlửa Igla là một vấn đề cấp thiết

1.3 Một số vấn đề cần nghiên cứu chế tạo cảm biến

đo lực đẩy ĐCTL

Xuất phát từ yêu cầu khoa học và yêu cầu thực tiễn, từ những phân tích

và nhận định được trình ở trên, việc nghiên cứu xây dựng hệ thống đo lực đẩyĐCTL cần hướng tới nghiên cứu xây dựng phương pháp thiết kế chế tạo cảmbiến đo phù hợp với đối tượng đo nhằm đảm bảo về độ chính xác cần thiết,phù hợp với tính đặc thù của phép đo Đây cũng chính là hướng nghiên cứucủa luận văn

Để đạt được mục tiêu này, luận văn cần giải quyết các vấn đề sau:

- Phân tích đánh giá tác động tần số dao động riêng của cảm biến đến độchính xác của phép đo; Thiết lập và giải bài toán tổng quát thiết kế cảm biến;Xây dựng phương pháp tính toán thiết kế cấu trúc PTĐH và hàm truyền của

cảm biến đo lực đẩy liên hoàn ĐCP-ĐCHT tên lửa Igla (nội dung được giải quyết trong chương 2);

- Thực nghiệm chế tạo một cảm biến đo lực đẩy ĐCP-ĐCHT tên lửaIgla, ghép nối cảm biến đo tự nghiên cứu chế tạo với thiết bị đo nhập ngoại, thínghiệm để kiểm chứng các kết quả tính toán lý thuyết Xác định đánh giá các

đặc trưng cơ bản của cảm biến Thực nghiệm đo lực đẩy liên hoàn ĐCP - ĐCHT

TLPKTT Igla tại trường bắn (nội dung được giải quyết trong chương 3).

1.4 Kết luận chương 1

Qua việc phân tích tình hình nghiên cứu phương pháp xây dựng hệ thống

đo lực đẩy ĐCTL và các hệ thống đo theo nguyên lý áp trở có thể thấy một sốvấn đề như sau:

- Lực đẩy ĐCTL là các đại lượng vật lý hoàn toàn có thể đo được bằng

kỹ thuật điện tử theo nguyên lý áp trở;

- Việc nghiên cứu, chế tạo cảm biến đo lực đẩy liên hoàn ĐCP-ĐCHTtên lửa Igla là vấn đề mang tính khoa học và thực tiễn

Quá trình nghiên cứu nghiên cứu, chế tạo cảm biến đo lực đẩy liên hoànĐCP-ĐCHT tên lửa Igla luôn phải xuất phát từ đối tượng đo, để xây dựng bàitoán thiết kế cảm biến, từ đó những nội dung chính mà luận văn cần giảiquyết là:

+ Thiết lập và giải bài toán thiết kế cảm biến đo lực đẩy liên hoàn ĐCHT tên lửa Igla, xây dựng công thức tính độ nhạy cảm biến và tính tần sốdao động riêng của cảm biến

ĐCP-+ Thực nghiệm chế tạo một cảm biến đo lực đẩy liên hoàn ĐCP-ĐCHTtên lửa Igla, tiến hành thử nghiệm, đánh giá các đặc tính cơ bản của chúng đểminh chứng sự đúng đắn của bài toán lý thuyết

Chương 2 THIẾT KẾ CẢM BIẾN ĐO LỰC ĐẨY LIÊN HOÀN

ĐCP-ĐCHT TÊN LỬA IGLA

2.1 Bài toán tổng quát thiết kế cảm biến theo nguyên lý áp trở

2.1.1 Hiệu ứng áp trở, TBD và ứng dụng

TBD được tạo ra dựa trên hiệu ứng áp trở đã được sử dụng để làm phần

tử nhạy cảm cho nhiều loại cảm biến trong kỹ thuật đo lường, dựa trên nguyên

lý biến dạng đàn hồi [1], [2], [3], [16] Chúng có một lợi thế nổi trội trong việcchuyển đổi một biến dạng (dịch chuyển vô cùng nhỏ) thành một tín hiệu điệndựa trên một thay đổi điện trở đầu ra Bằng ứng dụng linh hoạt các nguyên tắchoạt động của cầu điện trở thuần (cầu Wheastone), thay đổi điện trở đượcchuyển đổi thành tín hiệu điện áp Tùy theo điều kiện thực tế và yêu cầu ứngdụng có thể sử dụng một, hai, hay bốn TBD làm tem đo Ba hoặc hai điện trởcòn lại trên các nhánh của những mạch cầu tương ứng phải là những điện trởmẫu, có trị số cố định và bằng điện trở tem đo Để chế tạo cảm biến đo, tốt hơnhết là sử dụng mạch cầu bốn tem đo đồng nhất để vừa có độ nhạy cao vừa bùtrừ nhiệt độ tốt [10] Vật liệu làm tem rất phong phú, tuy nhiên người ta chọnnhững vật liệu có hệ số biến dạng cao và tuyến tính, càng ít bị tác động củanhiệt độ càng tốt Vì vậy, những vật liệu được chọn phổ biến hơn cả chính làkim loại, hợp kim (tem kim loại) và bán dẫn Silicon (tem bán dẫn) [1], [35]

Bản chất vật lý của TBD là hiệu ứng áp trở [39], nghĩa là vật liệu bịthay đổi điện trở khi có tác động làm biến dạng của áp lực Có hai thành phần

của hiệu ứng áp trở trong hầu hết vật liệu đó là hình dạng và điện trở Thành

phần hình dạng của linh kiện áp trở sẽ thay đổi do PTĐH đưa đến, những biến

đổi trong thiết diện ngang cũng như chiều dài này sẽ ảnh hưởng đến điện trở

Để xác định điện trở của một dây dẫn, thường dùng biểu thức:

A

Trong đó, l và A là độ dài và thiết diện ban đầu (gốc) của nhánh tem;

còn ρ là điện trở suất của vật liệu làm tem

Biến đổi tương đối của điện trở:

Hình 2.1 Sơ đồ khối của TBD

Tem biến dạng

2.1.1.1 TBD kim loại

TBD kim loại được tạo bằng cách cấy lượn sóng dây hoặc màng điện trở

có kích thước đã được xác định theo thiết kế trên đế cách điện bằng màng mi

ca, thuỷ tinh hữu cơ, lụa hoặc giấy [39] Có thể sử dụng nhiều kim loại có tínhchất khác nhau để chế tạo tem điện trở

Hình 2.2 Cấu tạo của tem điện trở kim loại

a Điện trở dây, b Điện trở mạch in

Bảng 2.1 Hằng số tem và hệ số nhiệt điện trở của một số kim loại làm tem

Vật liệu Hằng số tem g Hệ số nhiệt điện trở α

[Ω/1oC] Ghi chúManganin 0,3 ÷ 0,47 0,01.10 -3

1 Mối hàn dây dẫn 2 Dây, mạch in điện trở 3 Dây dẫn ra

4 Lớp phủ bảo vệ 5 Lớp keo dán 6 Đế

âm, song hệ số nhiệt điện trở của nó quá lớn Trong thực tế, Konstantanđược sử dụng phổ biến hơn trong việc chế tạo tem điện trở.

Bảng 2.2 Những ưu, nhược điểm chung của tem biến dạng bằng kim loại

- Kích thước nhỏ

- Ổn định

- Chính xác

- Nội trở bé

- Sự phụ thuộc nhiệt độ của vật liệu làm điện trở

- Sai số phát sinh do sự co giãn vì nhiệt của PTĐH

- Sai số phát sinh do keo dán và kỹ thuật dán

- Độ nhạy bé

x - x trục dọc, y - y trục ngangHình 2.3 Các trục biến dạng của tem điện trở

Hình 2.4 Cấu tạo của tem bán dẫn

Bảng 2.3 Ưu nhược điểm điển hình của tem bán dẫn

Màng

phủ

đồng

Dây dẫn ra

Ưu điểm Nhược điểm+ Độ nhạy rất lớn so với tem kim

loại

- Đặc tuyến tĩnh: không tuyến tính

+ Kích thước nhỏ - Độ ổn định và độ chính xác thấp hơn

so với tem kim loại

+ Điện trở gốc có thể thay đổi được

bằng các chất phụ gia

- Điện trở phụ thuộc mạnh vào nhiệtđộ

+ Có thể sử dụng mạch cầu nhiều

tem (vừa đo vừa bù) để đo các ứng

suất thuần nén hoặc thuần kéo

- Bị ảnh hưởng từ nhiều nguồn cannhiễu khác (ngoài những nguồn cannhiễu cùng bị ảnh hưởng như đã liệt kêđối với tem kim loại)

Hằng số tem của TBD bán dẫn lớn gấp 50 đến 100 lần so với tem kimloại và rất nhạy với biến đổi nhiệt độ của môi trường [35]

Trong những năm gần đây, do nhu cầu đo những độ biến dạng cực nhỏ,TBD cần phải có độ nhạy cao cho nên xu hướng sử dụng TBD bán dẫn ngàycàng nhiều TBD sử dụng vật liệu silicon (tinh thể lỏng) có hệ số tem có thể lớnđến 200 [35], tùy thuộc vào lượng chất lỏng tinh thể Xét về phương diện độnhạy thì bán dẫn silicon hơn hẳn mọi vật liệu khác, tuy nhiên độ phi tuyến cũngnhư tính phụ thuộc nhiệt của nó quá lớn đã cản trở việc phát triển ứng dụng của

nó Chỉ trong những ứng dụng đặc biệt và trong những môi trường sạch, nhiệt

độ ổn định thì sử dụng TBD bán dẫn mới có thể phát huy được hiệu quả

Để ứng dụng TBD đo những đối tượng với nhiều đại lượng vật lý khácnhau, người ta đã tạo ra nhiều cách chuyển các các đại lượng vật lý về biếndạng Khi đã chuyển được các đại lượng vật lý cần đo thành biến dạng thì cóthể chế tạo được các cảm biến đo các đại lượng vật lý đó bằng TBD

Cấu trúc của cảm biến TBD bao gồm 2 phần cơ bản được thể hiện nhưtrên hình 2.5

Hình 2.5 Cấu tạo của cảm biến TBD

- Phần đầu (1) thường được tiếp xúc trực tiếp với các đối tượng đo (cóthể gián tiếp) để tiếp nhận các đại lượng vật lý và chuyển đổi thành các biếndạng cơ học ta gọi là PTĐH

- Phần (2) là phần tiếp nhận các biến dạng cơ học để chuyển đổi thànhcác tín hiệu điện là các mạch cầu cảm biến

2.1.2.1 PTĐH

PTĐH giữ một vai trò rất quan trọng trong việc hình thành nên một cảmbiến đo dựa trên nguyên lý TBD Nhờ sự phát triển mạnh của công nghệ viđiện tử, TBD cũng như những linh kiện của mạch chức năng có thể mua đượcvới số lượng và chất lượng tùy chọn, giá rẻ Vì thế mà những khó khăn liênquan đến TBD và mạch chức năng trong chế tạo cảm biến đo đã giảm đáng

kể Ngược lại, PTĐH lại không thể mua được do hình dạng kích thước củachúng gần như đồng dạng với cảm biến và chủng loại, ứng dụng của chúngrất đa dạng và phong phú Mua PTĐH đồng nghĩa với việc mua toàn bộ cảmbiến Từ đó phải phân tích nắm rõ bản chất của PTĐH để xây dựng bài toánthiết kế sao cho tạo ra các cảm biến đo đủ nhạy, hoạt động ổn định và phù

Đối tượng

đo

Đến hệ xử lý

hợp với các đối tượng đo Một điều cần lưu ý là trong một hệ đo lường nóichung các phần tử cấu thành phải có tính năng gần như lý tưởng và PTĐHcũng không phải là ngoại lệ Càng có các tính năng sát với lý tưởng, PTĐHcàng phải có tính ổn định cao, có độ nhạy phù hợp trong phạm vị tin cậy đã ấnđịnh Vì vậy những phân tích sau đây là những phân tích về các đặc tính lýtưởng để làm cơ sở cho việc thiết kế chế tạo PTĐH có chất lượng tiếp cận cácđặc tính lý tưởng [17].

Tuy có nhiều cấu trúc khác nhau tùy thuộc vào nhiều mục đích sử dụng,

song về bản chất PTĐH sở hữu một bộ ba phần tử cơ học tương ứng với ba đặc tính là khối lượng quán tính m, hằng số lò xo k và cản chấn λ, [24] như thể hiện trên hình 2.6

Hình 2.6 Đặc tính kết cấu của một PTĐHTrong quá trình thiết kế, cần phải tiếp cận đúng dạng hình học và chọnđúng giải pháp công nghệ để dung hòa các tính chất của bộ ba đặc tính đónhằm đạt được một PTĐH lý tưởng, có khả năng hoạt động vừa ổn định vừanhạy trong dải tần cần đo

Việc thiết kế PTĐH cho một cảm biến đo sử dụng phần tử nhạy cảm nóichung và TBD nói riêng luôn bắt đầu từ việc phân tích PTĐH với kích thích

là lực và đáp ứng là một đại lượng điện mà nguồn nuôi thường là điện áp mộtchiều (dễ cân bằng và chỉnh không, dễ dàng kiểm tra phát hiện hư hỏng ) Vì

bằng những chuyển đổi trung gian, lực F dễ dàng chuyển đổi thành áp suất P

m

x v a

F

và ngược lại thông qua bề mặt hữu dụng A, P = F/A; lực chuyển đổi thành mô men M thông qua cánh tay đòn l, M = F×l Sau khi nắm vững và thực hiện

được phương pháp thí nghiệm nghiên cứu tìm chọn các PTĐH cho cảm biến

đo lực thì việc tiếp theo là tìm chọn những phần tử chuyển đổi mang tính dẫnxuất như đã nêu sẽ không gặp bất kỳ trở ngại nào

Khi thiết kế một PTĐH cho cảm biến đo lực, cần thiết phải sử dụng đếnnhững biểu thức của sức bền vật liệu Có ba yếu tố đặc trưng cần được quantâm đến đầu tiên Đó là sự thay đổi hình dạng, ứng suất hoặc sự chuyển dịch

của một điểm vật thể Không được phép vượt qua giới hạn đàn hồi của vật liệu làm PTĐH để đảm bảo mối quan hệ tuyến tính, đồng nhất giữa lực và

ứng suất [6], [11] Hơn thế nữa, cần phải tìm trong giới hạn đàn hồi đó mộthoặc nhiều đoạn tuyến tính tương ứng để tạo những thang đo phù hợp vớiphạm vi của cảm biến đo cho tham số đối tượng cần đo, một vấn đề quantrọng nữa là phải bảo đảm sao cho trễ hồi qui nhỏ

Khi thiết kế, cũng cần chú ý đến yếu tố tác động của biến đổi nhiệt độ.Như nhiều tài liệu đã dẫn [35], [48] nếu nhiệt độ của PTĐH biến đổi với mộtgia số nhiệt độ ∆t thì biến đổi vì nhiệt của nó sẽ là ∆l t =α.l 0 ∆t, với l 0 là độ dàiban đầu và α là hệ số nhiệt nở (giãn nở vì nhiệt) tuyến tính Tác động biếndạng vì nhiệt độ trong một giới hạn xác định sẽ được giảm bằng phương pháp

bù trừ nhiệt ở phương pháp đấu dây và trong các mạch gia công tín hiệu điện.Khi thiết kế những PTĐH cho cảm biến đo những đối tượng động cầnphải quan tâm khảo sát tính toán một cách cơ bản những đặc trưng về daođộng, vì nếu tần số dao động riêng của cảm biến không phù hợp với tần sốcủa tham số đo thì tín hiệu ra sẽ sai số về biên độ và độ lệch pha lớn [26] Nộidung này được nghiên cứu, phân tích trong những mục thiết kế cảm biến phùhợp với dao động riêng của các tham số ĐCTL

Khi xác định kích thước hình học của PTĐH, cần phải bắt đầu từ giớihạn bền σb của vật liệu chế tạo PTĐH, kích thước hình học của PTĐH phải

đảm bảo sao cho khi có tải cực đại tác động lên cảm biến thì ứng suất sinh ra

b

( 1 / 4 1 / 5 )

δ = ÷ δ [38] Như vậy, cảm biến đo sẽ bảo đảm được tính tuyến tính và khi đó trễ hồi qui, biến dạng dư nhỏ có thể bỏ qua được Đó cũng chính là yếu tố đảm bảo ổn định cho PTĐH và do đó cho cảm biến.

Trong những trường hợp đặc biệt, cụ thể là trường hợp thiết kế chế tạo những cảm biến đo các tham số động lực ĐCTL, cần thiết nghiên cứu thiết kế

và sử dụng những PTĐH có kết cấu liên hợp.

Khi thiết kế những cảm biến đo có cấu hình liên hợp có sự liên kết giữa

PTĐH và TBD, tải phân bố giữa PTĐH và phần tử nhạy cảm phải nằm trong

mối quan hệ bền cứng song song với nhau [4] Như vậy phương trình lực – biến dạng được viết ra cho cả hai phần tử trên là: F = F t + F s ; trong đó F là tải, F t là lực tác dụng lên PTĐH và F s là lực tác dụng lên phần tử nhạy cảm,phần lớn những phương trình này là những phương trình tuyến tính

Mối quan hệ cứng vững được viết ra dưới dạng đẳng thức giữa gia sốchuyển dịch của phần tử nhạy cảm với PTĐH và cũng chính là độ dịchchuyển do tải gây ra:

∆l xs = ∆l xt = ∆l x (2.7) Lực tác dụng lên các phần tử sẽ là:

Những phương trình liên quan tiếp theo sẽ là:

Hình 2.7 Mối quan hệ giữa trụ đàn hồi đo lực với phần tử nhạy cảm (TBD)Cũng có trường hợp, mà trong đó kết cấu liên hợp giữa PTĐH và nhạycảm có những biến đổi khác nhau thì biểu thức liên hệ giữa chúng có sự tham

gia của hệ số chuyển đổi tỷ lệ K, nghĩa là vẫn giữ được biểu thức tuyến tính:

l t0 = Kl s0 (2.11) Thông thường thì đẳng thức ∆ls = ∆lt luôn có nghĩa đối với các biếndạng

Trong bài toán thiết kế, những yếu tố chưa biết thường nhiều hơn so với

số phương trình điều kiện đã cho, vì vậy có thể đặt thêm những điều kiện

thích hợp hoặc là bắt buộc phải chọn một số tham số đầu vào Những điềukiện và tham số đầu vào có thể là:

a Cho: - F sn là lực tác động vào phần tử nhạy cảm khi tải danh định;

- ∆l smax là biến dạng của phần tử nhạy cảm khi tải danh định;

- Độ dài cơ sở của PTĐH lt0 và của phần tử nhạy cảm ls0 bằng

nhau, nghĩa là ls0 = lt0

b Cho: - σmax là ứng suất cực đại tính ra từ biểu thức chuyển đổi U(σmax )

của phần tử nhạy cảm;

tác động của ứng suất cực đại σmax;

- d s0 là kích thước đặc trưng mặt cắt ngang của phần tử nhạy

cảm, hoặc là các kích thước (a × b);

- n là số lượng những phần tử nhạy cảm tham gia chịu tải.

c Cho: - f st là tỷ lệ phân bố tải danh định giữa phần tử nhạy cảm và

PTĐH, (f st = F sn / F tn)

Đối với những phần tử nhạy cảm mua trên thị trường thì những điều kiện

a và b đã được các nhà sản xuất cung cấp;

Khi thiết kế chế tạo cảm biến đo nói chung, sử dụng điều kiện c sẽ có lợi

thế hơn [6] Trong trường hợp này, tải danh định không những làm mục đích

để thiết kế mà còn là công cụ để xác định phạm vi chuẩn và công tác thực tếcủa cảm biến được thiết kế chế tạo

Có thể thiết lập các phần tử nhạy cảm trên bề mặt của vật liệu bất kỳ đểtạo nên những cảm biến đo ứng suất biến dạng cho đối tượng cần khảo sát.Tuy nhiên, trong công nghệ chế tạo cảm biến đo các tham số động lực ĐCTL,vấn đề độ bền cứng được ưu tiên lựa chọn hàng đầu [6] Vì vậy, những vậtliệu trong hàng 14 bảng 2.4 chính là những vật liệu thường được chọn để thiết

kế, chế tạo

Bảng 2.4 Những hệ số đặc trưng tính đàn hồi của một vài vật liệu

Mô đun đàn hồi 9,8.10 -8.E

(MPa)

Mô đun đàn hồi trượt 9,8.10 -7.G

(MPa)

Hệ số Poisson

n 2

n 2

n 2

Từ các phương trình (2.14) ta được độ nhạy của toàn mạch cầu là:

Nhìn vào công thức 2.15 ta thấy các cặp điện trở liền kề của mạch cầu

(R 1 và R 2 , R 3 và R 4) phải giống hệt nhau thì sẽ tự bù trừ được nhiệt độ trongmột dải cho phép tuỳ thuộc vào đặc tính của mỗi loại TBD

Vì điện áp ra của mạch cầu luôn tỉ lệ thuận với điện áp nguồn nuôi và vìvậy ứng với một biến đổi dù nhỏ của điện trở tem thì điện áp ra biến đổi tỉ lệ với:1) Hiệu đại số của các biến đổi điện trở trên các nhánh cầu kề nhau;2) Tổng đại số của các biến đổi điện trở trên các nhánh cầu đối nhau;3) Nếu trên mỗi nhánh cầu được thiết lập và mắc nối tiếp nhiều TBD thì giátrị trung bình tương ứng của các biến dạng sẽ được phản ánh đầy đủ ở lối ra.Những điều này nói lên rằng khi các tem được thiết đặt hợp lý thì lối racầu sẽ xuất hiện điện áp tương ứng với tổng, hiệu hoặc trung bình của cácbiến dạng ở những vị trí riêng biệt

Điều hiển nhiên là cầu tem điện trở sẽ trở thành vô nghĩa nếu ta thiết lậpbốn tem trên cả bốn nhánh cầu đều biến dạng cùng hướng (cùng + hoặc cùng-), nghĩa là cùng co hoặc cùng giãn khi có ứng suất Trong trường hợp này,điện áp ra không thay đổi, cụ thể là biến đổi điện áp ra bằng không vì hiệu đại

số các biến đổi điện trở tem trên các nhánh cầu kề nhau bằng không

2.1.3 Bài toán tổng quát thiết kế cảm biến đo lực đẩy ĐCTL

Như đã trình bày trong mục 1.2.1 ta có hàm truyền tổng quát (1.4) củacảm biến đo lực đẩy ĐCTL theo hiệu ứng áp trở:

X ( s )

K G( s ) F( s ) =

F(s): biến đổi Laplace của lực tác động lên PTĐH;

X(s): biến đổi Laplace của dịch chuyển

Theo [19] chuyển vị và biến dạng có quan hệ tuyến tính với nhau thôngqua phương trình Cauchy

i i

x i

∂

=

∂ε

Trong đó: εi là biến dạng và x i là dịch chuyển theo phương i tại thời điểm t

Với cảm biến đo lực giá trị biến dạng sẽ được mạch cầu cảm biến tiếpnhận và cho ra một điện áp phụ thuộc vào giá trị của lực tác động khi mạchcầu cảm biến được nuôi bằng một nguồn điện áp không đổi Như vậy khi gộpcác hệ số chuyển đổi không phục thuộc vào tần số (từ dịch chuyển sang biếndạng, từ biến dạng sang điện áp) hàm tuyền của cảm biến đo lực được viết lạidưới dạng:

L

U( s )

K G( s )

Trong đó KΣL [V/N] là độ nhạy của cảm biến đo lực.

Trong thực tế đối với các cảm biến đo theo hiệu ứng áp trở các khái niệm

độ nhạy KΣ L [V/N] ít được sử dụng Do tín hiệu ra của cảm biến ngoài phụthuộc vào tải tác động và độ nhạy còn phụ thuộc vào điện áp nguồn nuôi của

cảm biến Người ta đưa ra khái niệm độ nhạy danh định ký hiệu là S [mV/V]

[20] mà ta quen gọi tắt là độ nhạy, độ nhạy danh định và độ nhạy của cảm

biến có thể chuyển hóa với nhau

Ví dụ một cảm biến đo lực có dải đo là 10 kN và độ nhạy S 2mV/V

nghĩa là điện áp đầu ra của cảm biến sẽ là 2 mV khi tác động lực 10 kN lêncảm biến trong trường hợp cảm biến được nuôi nguồn 1V, khi đó

7 L

2mV

10kN

−

∑ = = V/N Để thuận tiện cho định hướng sử dụng cảm biến

luận văn quy ước thống nhất tính toán theo độ nhạy danh định S [mV/V] Như vậy, bài toán thiết kế cảm biến đo dẫn tới phải tính toán giá trị độ nhạy danh định S và xác định đặc tính động G(s) của cảm biến Đặc tính động G(s) của cảm biến phụ thuộc vào 2 tham số ωn và ξ, trong đó ωn phụ thuộcvào kết cấu, vật liệu chế tạo PTĐH và có thể tính toán được bằng bài toán lýthuyết, song ξ ngoài phụ thuộc vào kết cấu, tính chất vật liệu chế tạo PTĐHcòn phụ thuộc vào các tác động ký sinh không mong muốn lên PTĐH Nêntrong thực tế theo [24] ξ hầu như không tính toán được bằng bài toán lýthuyết, trong thiết kế chế tạo cảm biến cần xác định ξ bằng thực nghiệm và

giá trị tối ưu của ξ nằm trong dải từ 0,6 đến 1

2 .

2.1.4 Phương pháp thực nghiệm xác định các đặc tính cơ bản của cảm biến

2.1.4.1 Phương pháp xác định độ nhạy của cảm biến

Để xác định độ nhạy của cảm biến theo hiệu ứng áp trở có nhiều phươngpháp song phương pháp đơn giản thường được sử dụng là dùng các thiết bị tạotải chuẩn kích thích lên cảm biến [26], và được tiến hành theo các bước sau:

- Cấp một điện áp ổn định (U N) để làm nguồn nuôi cho cảm biến, điện áp

nguồn có thể là đơn cực hay hai cực và thường U N = 10V hoặc U N =± 5V;

- Kết nối trực tiếp cảm biến với thiết bị chỉ thị mV hoặc gián tiếp vớithiết bị chỉ thị V thông qua thiết bị gia công tín hiệu được đặt hệ số khuếchđại phù hợp với độ nhạy của cảm biến;

- Sử dụng các thiết bị tạo tải chuẩn tác động lên cảm biến, giá trị của tảibằng giá trị cực đại trong dải đo của cảm biến;

- Quan sát điện áp ra (U ra) của cảm biến trên thiết bị chỉ thị và xác định

độ nhạy của cảm biến theo biểu thức:

ra

U S

U K

Trong đó: K KD là hệ số khuếch đại của thiết bị gia công tín hiệu, trong

trường hợp không dùng thiết bị gia công tín hiệu thì K KD = 1.

2.1.4.2 Phương pháp xác định đặc tính động của cảm biến

Như đã trình bày trong các phần trên, đặc tính động của cảm biến đotheo hiệu ứng áp trở được mô tả theo biểu thức:

2 2

1 G( s )

Để xác định đặc tính động của cảm biến (ω n - tần số dao động riêng của

cảm biến, ξ hệ số tắt của cảm biến) theo [29], hai loại kích thích tiêu chuẩn

được sử dụng phổ biến là kích thích xung và kích thích hình sin

Khi sử dụng kích thích hình sin: Nếu tần số kích thích trùng với tần số

dao động riêng của cảm biến thì tín hiệu ra của cảm biến sẽ bị méo dạng vàkèm theo nhiều các thành phần dao động ký sinh khi đó ta xác định được tần

số dao động riêng ω n của cảm biến [29]

Trong trường hợp sử dụng kích thích xung sẽ xảy ra hai trường hợp:

- Nếu ta nhận được đồ thị đáp ứng của cảm biến như trên hình 2.9

f n f(t)

t 0

f n+1

Hình 2.9 Đáp ứng của cảm biến khi kích thích xungKhi đó hệ số tắt theo [43] được xác định theo biểu thức:

- Nếu trên đồ thị đáp ứng ra không xuất hiện f n+1 tức là cảm biến làm việc

ở chế độ quá tắt, khi đó ξ phải xác định bằng các phương pháp khác (dùng

- Thẩm mỹ: Kiểu dáng và kích thước của cảm biến;

- Công nghệ: Sự phức tạp hay đơn giản trong chế tạo PTĐH;

- Kinh tế: Vật tư và nhân công chế tạo PTĐH;

- Khác: Kích thước và tham số của loại TBD hiện có

Như vậy, dải đo của cảm biến sẽ quyết định đến cấu trúc của PTĐH,bảng 2.5 thể hiện một số cấu trúc PTĐH thường được sử dụng trong chế tạocác cảm biến đo các tham số động lực ĐCTL tương ứng với giá trị lớn nhất

trong dải đo của cảm biến (FS max)

Bảng 2.5 Cấu trúc PTĐH tương ứng với FS max của cảm biến

Như vậy, mô hình của bài toán thiết kế cảm biến đo được thể hiện nhưtrên hình 2.10.

Hình 2.10 Mô hình bài toán thiết kế cảm biếnTrong đó: - FS max: dải đo của cảm biến;

- E, G, µ: các tham số vật liệu của PTĐH (E – mô đun đàn hồi, G – mô đun đàn hồi trượt, µ - hằng số Poisson);

- g, k, d tem : các tham số TBD (g - hằng số tem, k - hệ số tỷ

lệ mạch cầu, d tem - chiều dài TBD);

- ε z: giá trị biến dạng của tem;

- ε %: giá trị biến dạng tương đối của tem;

- S: độ nhạy của cảm biến [mV/V].

Trong bài toán này các dữ liệu đầu vào là dải đo, tham số vật liệu củaPTĐH và tham số TBD được lựa chọn và giữ cố định Các tham số kích thướcPTĐH được thay đổi sao cho kết quả của bài toán là giá trị của εz , ε% , S nằm

trong các giới hạn cho phép

Để tạo ra được cảm biến có đủ độ nhạy, làm việc tuyến tính và ổn địnhtrong dải đo kết quả của bài toán phải đảm bảo các điều kiện sau: Giá trị biếndạng của tem εz : εz < 1700 μm/m (như đã phân tích trong mục 2.1.2.1) do vật

liệu để chế tạo PTĐH chủ yếu sử dụng các thép hợp kim có σb = (500 – 2000) MPa theo [20] cảm biến sẽ làm việc ổn định và tuyến tính trong dải đo

Khi đó độ nhạy của cảm biến S: S= (1 – 3) mV/V Ngoài ra giá trị biến dạng

tương đối ε% trên một TBD cần được khống chế sao cho ε% < 15% (số liệu

do hãng sản xuất TBD cung cấp)

Bài toán thiết kế cảm biến đo được xây dựng theo các bước như sau:

- Từ dải đo của cảm biến ứng với từng cấu trúc PTĐH dùng phương pháplực để giải bài toán siêu tĩnh sẽ tính toán được ứng suất tại các điểm trên TBD

- Ứng dụng định luật Hook để tính giá trị biến dạng của tem

- Tính độ nhạy của cảm biến dựa trên giá trị biến dạng của tem

Sau đây luận văn trình bày bài toán thiết kế với kết quả là công thức tính

độ nhạy của cảm biến đo lực đẩy liên hoàn ĐCP-ĐCHT tên lửa Igla

2.2.1 Xây dựng công thức tính độ nhạy của cảm biến

PTĐH dầm hai lỗ thường được sử dụng trong các cảm biến đo lực đẩy ĐCTL

có dải đo thấp FS max = (0,2 - 10) kN là dải làm việc của các loại ĐCP, ĐCHT

TLPKTT Cấu trúc của PTĐH dầm hai lỗ được thể hiện như trên hình 2.11

Hình 2.11 Cấu trúc của PTĐH dầm hai lỗVới cấu trúc PTĐH như trong hình vẽ theo [52] ta có moment M tại các x

điểm trên tem là: