Nghiên cứu ứng dụng cảm biến MEMS trong mô hình hệ thống tự động cân bằng tàu

DANH MỤC CÁC HÌNH1.1 Cấu trúc của hệ thống tự động cân bằng tàu trên tàu Victoria 2.2 Đĩa mã hoá của encoder tuyệt đối 8 vòng rãnh 19 2.4 Mô tả đĩa encoder tương đối có lỗ định vị 21 2.

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kếtquả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳcông trình nào khác

Tôi xin cam đoan rằng các thông tin trích dẫn trong luận văn đều đã đượcchỉ rõ nguồn gốc

Hải Phòng, ngày 08 tháng 09 năm 2015

Tác giả luận văn

Nguyễn Hoàng Hiếu

LỜI CẢM ƠN

Tác giả xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo ở Khoa Điện–Điện tử,trường đại học Hàng hải Việt Nam, đã đóng góp nhiều ý kiến quan trọng để tác giảhoàn thành bản luận văn này

Tác giả xin chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo của Viện Đào tạo Sau Đạihọc đã tạo điều kiện và khích lệ để tác giả hoàn thành bản luận văn này

Tác giả xin chân thành cảm ơn thầy TS Trần Sinh Biên của Khoa Điện–

Điện tử trường Đại học Hàng hải Việt Nam đã tận tình hướng dẫn và khích lệ tácgiả hoàn thành bản luận văn này

Tác giả xin cảm ơn các thầy giáo, các anh chị em phòng thí nghiệm, trườngĐại học Hàng hải Việt Nam đã tạo điều kiện về cơ sở vật chất để tác giả thực hiệnthành công bản luận văn

Những lời cảm ơn chân thành tiếp theo xin được đến tới gia đình và bạn bè,những người đã luôn động viên, khuyến khích và chia sẻ khó khăn trong suốt quátrình học tập và nghiên cứu khoa học của mình

MỤC LỤC

Lời cam đoan……… i

Lời cảm ơn ii

Mục lục iii

Danh mục các chữ cái viết tắt và ký hiệu iv

Danh mục các bảng v

Danh mục các hình vi

Mở đầu 1

Chương 1 KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG CÂN BẰNG TÀU VÀ HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG CÂN BẰNG TÀU VICTORIA LEADER 3

1.1 Khái quát về hệ thống tự động cân bằng tàu 3

1.2 Giới thiệu về hệ thống tự động cân bằng tàu Victoria Leader 8

Chương 2 CẢM BIẾN ĐO GÓC NGHIÊNG VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP TỰ ĐỘNG CÂN BẰNG TÀU 17

2.1 Cảm biến đo góc nghiêng 17

2.2 Các phương pháp tiến hành cân bằng tàu thủy 30

Chương 3 XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG CHỨC NĂNG CỦA HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG CÂN BẰNG TÀU 40

3.1 Xây dựng mô hình vật lý mô phỏng chức năng đo góc nghiêng trong hệ thống tự động cân bằng tàu 40

3.2 Xây dựng chương trình điều khiển mô phỏng một số chức năng trong hệ thống tự động cân bằng tàu 58

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 65

TÀI LIỆU THAM KHẢO 66

DANH MỤC CÁC CHỮ CÁI VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU

DANH MỤC CÁC BẢNG

1.1 Vị trí các cảm biến được đặt tại các két trên tàu Victoria

DANH MỤC CÁC HÌNH

1.1 Cấu trúc của hệ thống tự động cân bằng tàu trên tàu Victoria

2.2 Đĩa mã hoá của encoder tuyệt đối 8 vòng rãnh 19

2.4 Mô tả đĩa encoder tương đối có lỗ định vị 21

2.9 Phương pháp sử dụng con quay hồi chuyển trong hệ thống cân

2.15 Chi tiết về mặt cắt của két điển hình, và vị trí ngang trên thân

tàu, hiện tượng nghiêng lệch điển hình của tàu đánh cá 352.16 Hệ thống điều khiển chống nghiêng kiểu chủ động kết hợp

2.17 Các hiện tượng xảy ra nghiêng lệch thường gặp trên tàu thủy 372.18 Một ví dụ về bố trí két chống lắc, két dằn 382.19 Hệ thống điều khiển cân bằng kiểu dằn ballast 39

Số hình Tên hình Trang

3.15 Nguyên lý mạch biến đổi của MEMS Gyroscope 53

3.20 Mô hình vật lý mô phỏng một số chức năng của hệ thống tự

3.21 Khai báo cấu hình cho vi điều khiển dùng phần mềm

3.26 Giao diện viết chương trình cho vi điều khiển bằng

3.27 Lưu đồ thuật toán mô phỏng một số chức năng của hệ thống

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Hệ thống giám sát và điều khiển cân bằng tàu là một hệ thống rất quan trọngtrên tàu, nó đảm bảo cho con tàu không bị nghiêng khỏi vị trí cân bằng ban đầu, hệthống này giám sát và đo đạc các thông số về độ nghiêng và gửi tín hiệu đếnbuồng điều khiển để thông báo cho người điều khiển Trên các con tàu hiện naykhông thể thiếu hệ thống này, nếu không có hệ thống này thì trong các chế độ hoạtđộng của con tàu có thể bị nghiêng và lật do các tác động của sóng, gió hoặc doviệc xếp hàng hóa không cân bằng trên tàu

Hệ thống giám sát và điều khiển cân bằng tàu là một hệ thống hết sức quantrọng của con tàu, nó có nhiệm vụ giám sát và kiểm tra mọi sự sai lệch về độnghiêng thực tế của con tàu so với độ nghiêng được thiết kế Hệ thống thực hiệnviệc giám sát bằng các cảm biến mức nước các két ballast qua đó gửi tín hiệu đếntrung tâm tính toán

Hệ thống tự động cân bằng tàu có nhiệm vụ chính là nâng cao tính ổn địnhcho con tàu, đảm bảo cho tàu luôn cân bằng Nâng cao hiệu suất đối với lực đẩy

Trong hai thập kỷ qua nhiều hãng trên thế giới đã, đang và sẽ còn tiến hànhnghiên cứu giải quyết hai vấn đề nêu trên Đồng thời đã thiết kế, chế tạo và đưavào sử dụng các hệ thống đo góc nghiêng

Trong nước chưa đưa ra sản phẩm hệ thống đo góc nghiêng trên tàu thủy,

mà mới chỉ dừng lại ở trong các công trình nghiên cứu lắp đặt và vận hành khaithác chúng

Việc nghiên cứu nhằm chế tạo hệ thống đo góc nghiêng trên tàu thủy và chếtạo hệ thống tự động cân bằng tàu được đặt ra trong giai đoạn phát triển mạnh của

công nghiệp đóng tàu Việt nam là cần thiết Đề tài “Nghiên cứu ứng dụng cảm biến MEMS trong mô hình hệ thống tự động cân bằng tàu” được đưa ra nhằm

giải quyết tính cấp thiết hiện nay

2 Mục đích chung và nhiệm vụ của đề tài

Nghiên cứu chế tạo hệ thống đo góc nghiêng, ứng dụng xây dựng hệ thống

tự động cân bằng tàu trên tàu thủy

3 Đối tượng nghiên cứu của đề tài

Đối tượng nghiên cứu là cảm biến MEMS, các loại van, bơm …

Phạm vi nghiên cứu của đề tài tập trung nghiên cứu cảm biến MEMS, chứcnăng tự động cân bằng tàu

4 Phương pháp nghiên cứu

Trên cơ sở tìm hiểu hoạt động của cảm biến đo góc nghiêng, hoạt động của

hệ thống tự động cân bằng tàu Tác giả đã kế thừa và phát triển kinh nghiệm củamình cho việc nghiên cứu mang tính ứng dụng cho thiết bị cụ thể

5 Ý nghĩa khoa học của đề tài

Đề tài được ứng dụng dùng trong các hệ thống đo góc nghiêng, hệ thống tựđộng cân bằng tàu Thuật toán và mô hình đề xuất cũng cho phép có thể áp dụngtrong hệ thống tự động cân bằng tàu

Nó cũng là tài liệu tham khảo cho những ai quan tâm đến cảm biến đo gócnghiêng, hệ thống tự động cân bằng trên tàu thủy

CHƯƠNG 1 KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG CÂN BẰNG TÀU

VÀ HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG CÂN BẰNG TÀU VICTORIA LEADER

1.1 Khái quát về hệ thống tự động cân bằng tàu

1.1.1 Chức năng và phân loại hệ thống tự động cân bằng tàu

Tàu thuỷ là phương tiện hoạt động trong môi trường nước Trong quá trìnhhoạt động di chuyển do tác động của nhiều yếu tố môi trường như sóng, gió, bão…tàu có thể bị mất cân bằng nghiêng ngang, chúi dọc, và một lí do chính khiến chotàu mất cân bằng là khi tàu xếp dỡ hàng hoá (xếp hàng không cân) hoặc trong quátrình di chuyển tàu tiêu hao nhiên liệu và nước ngọt dự trữ trong các két ở hai bênmạn tàu khiến cho trọng lượng của các két giảm xuống Để giải quyết vấn đề ổnđịnh cho tàu trong quá trình hoạt động người ta sử dụng hệ thống dằn-hút khô(ballast) Bản chất của hệ thống dằn-hút khô sử dụng trên tàu là: đưa nước ngoàimạn vào các két trong tàu, thường người ta sử dụng các két này trong các khoangđáy đôi, mũi tàu hoặc đuôi tàu nhằm mục đích cân bằng và ổn định thân tàu trongquá trình hoạt động Trong thực tế phụ thuộc vào tính năng, kết cấu, hình dáng vàkích thước của loại tàu người ta có thể sử dụng nhiều hoặc ít các két chứa nước(két ballast) và nhiều hệ thống điều khiển đóng, mở, đo lường dung tích các két.Đối với tàu chở ôtô Victoria Leader thì đặc điểm của nó là dung tích chứa hànglớn, độ mớn nước thấp, tàu chạy không tải thì nhẹ nên vấn đề cân bằng tàu càngphải được chú trọng nhiều Trong quá trình xếp dỡ hàng hoá, tàu chạy không tải,tàu chạy có tải ở mỗi chế độ lại phải có phương thức điều chỉnh và điều khiểnriêng

Dựa vào nguyên lý hoạt động của hệ thống ballast người ta chia ra làm 3loại:

Loại 1: Nước ở ngoài mạn tàu được lấy vào bơm ballast thông qua hệ thống

ống thông biển Bơm ballast hoạt động đưa nước vào các két cần thiết Ngược lạibơm ballast này cũng làm nhiệm vụ hút nước ở các két này đưa ra ngoài mạn

Loại 2: Cũng tương tự như loại 1 nhưng các két ở trên tàu có thể thông với

nhau qua các van, trong trường hợp cần thiết có thể mở van để điều chỉnh lượngnước giữa các két không cần phải bơm vận chuyển

Loại 3: Các két trên tàu có thể lấy nước từ ngoài mạn vào thông qua hệ

thống các van

Dựa vào cách sử dụng có thể chia thành:

Sử dụng đóng mở các van bằng tay

Đóng mở các van bằng khí nén

Đóng mở các van bằng điện (thông qua động cơ điện)

Đóng mở các van bằng hệ thống dầu thuỷ lực

Đóng mở các van bằng ba hệ thống tổng hợp (điện, khí nén và dầuthuỷ lực)

Hệ thống dằn (ballast) bao gồm:

Các két ballast ở đáy, mạn, mũi và lái tàu

Các tổ bơm phục vụ bơm nước vào và hút nước ra khỏi các két

Các van đặt trước và sau các tổ bơm

Các đường ống sử dụng trong hệ thống ballast sau khi gia công xong phải

Hệ thống cân bằng tàu là hệ thống rất quan trọng trên con tàu và nó khôngthể thiếu được đối với bất kì một con tàu nào để đảm bảo cho sự an toàn trong quátrình bốc xếp hàng hoá cũng như trong quá trình hành hải của con tàu.

1.1.2 Các thành phần trong hệ thống tự động cân bằng tàu

Các két ballast

Là những két chứa nước dùng để cân bằng tầu Các két này được bố trí đều

nhau dưới đáy tầu từ mũi đến lái Dung tích của các két ballast phụ thuộc vào kíchthước của con tàu, ở mỗi một két người ta đều trang bị ống đo, ống thông hơi vàcác cảm biến mực nước, cảm biến nhiệt độ của các két

Bơm ballast

Dùng để hút nước dằn tàu từ ngoài vào làm đầy các két ballast, rút nước rakhỏi các két hoặc chuyển nước dằn từ két này sang két khác Bơm ballast là loạibơm có lưu lượng lớn lên thường dùng bơm ly tâm Thông thường thì bơm ballast

và bơm cứu hoả có thể thay thế cho nhau được Tức là bơm ballast có thể làm bơmcứu hoả được và ngược lại Một vài tàu khi bơm của hệ thống nước biển làm mátmáy chính bị trục trặc thì có thể dùng bơm ballast thay thế

Hệ thống đường ống và các van

Dùng để nối các két ballast với bơm ballast, nối bơm thông ra biển Mộtbơm ballast có đường ống hút từ ngoài biển, từ buồng máy, từ ống ballast chính,hút trực tiếp ballast, có đường ống thông với ống lacanh chính và có đường ống xả

ra mạn tàu, xả vào ống ballast chính, đôi khi có đường ống thông sang hệ thốngnước biển làm mát máy chính

Tuy nhiên không phải các tàu đều có bố trí hoàn toàn giống nhau một vàitàu có trang bị các két ballast hoặc két dầu là các két đáy đôi (trừ một hoặc hai két

ở mạn phải và mạn trái dùng để chứa nước ngọt là không phải đáy đôi), vài tàu thìchỉ có 2 hoặc 3 két đáy đôi, những tàu khác có một két hoặc hơn ở dưới thấp nữalàm két đáy (deep tank) Tất cả các tàu đều phải có két ballast ở phía mũi tàu và

phía lái tàu (forpeak tank và afpeak tank) Một vài tàu có một đường hầm (Tunnel)nối từ buồng máy đến hầm hàng sau lái và đến mũi tàu để các đường ống lacanh,các đường ống ballast, các đường ống dầu và các van của chúng đặt trong đó(đường hầm này con người có thể vào được để kiểm tra, bảo dưỡng, sửa chữa cácvan các ống khi cần thiết) Một số tàu lại trang bị một vòm dạng ống lớn chứa cácđường ống của các hệ thống nối từ buồng máy với phía mũi tàu, vòm tròn dạngống lớn này dưới tàu gọi thông thường là Duck keel Các hộp van của hệ thốngballast và bơm ballast thông thường được bố trí ở ngay trong buồng máy Các vantrong hệ thống ballast thường là van chặn bình thường (khi mở thì van được nânglên).

1.1.3 Vai trò, phân loại, chức năng, nhiệm vụ của hệ thống giám sát và điều khiển hệ thống tự động cân bằng tàu

1.1.3.1 Vai trò của hệ thống tự động cân bằng tàu

Hệ thống giám sát và điều khiển cân bằng tàu là một hệ thống rất quan trọngtrên tàu, nó đảm bảo cho con tàu không bị nghiêng khỏi vị trí cân bằng ban đầu, hệthống này giám sát và đo đạc các thông số về độ nghiêng và gửi tín hiệu đến buồngđiều khiển để thông báo cho người điều khiển Trên các con tàu hiện nay không thểthiếu hệ thống này, nếu không có hệ thống này thì trong các chế độ hoạt động củacon tàu như chế độ làm hàng, chế độ hành trình trên biển con tàu có thể bị nghiêng

và lật do các tác động của sóng, gió hoặc do việc xếp hàng hoá không cân bằng ởtrên tàu

1.1.3.2 Phân loại hệ thống giám sát và điều khiển cân bằng tàu

Hệ thống giám sát và điều khiển cân bằng tàu có thể phân thành hai loạichính:

Hệ thống có giám sát nhưng không tự động điều khiển cân bằng

Hệ thống có giám sát và có thể tự động phát tín hiệu khởi động để cân bằng

nhiệm và người thực hiện sẽ là sĩ quan máy Hệ thống loại này có nhược điểm làlàm cho công việc của đại phó nhiều thêm nhưng nó có ưu điểm là tính an toàn vàchắc chắn cao hơn Đối với hệ thống có giám sát và có tự động điều khiển cânbằng tàu thì đáp ứng được tính tự động hoá cao trên tàu thuỷ nhưng lại có nhượcđiểm lớn là nếu có trục trặc hay hỏng hóc nào đó với hệ thống thì độ nguy hiểmđối với con tàu sẽ rất lớn Ngày nay đối với các tàu có yêu cầu cao về độ ổn địnhnhư các tàu chở container, tàu chở hàng rời thì được ứng dụng loại hệ thống có tựđộng điều khiển cân bằng tàu nhưng hệ thống này cần phải được thường xuyêntheo dõi để đảm bảo không có hỏng hóc nào xảy ra đối với hệ thống cũng là đảmbảo an toàn cho con tàu.

1.1.3.3 Chức năng, nhiệm vụ của hệ thống giám sát và điều khiển cân bằng tàu

Hệ thống giám sát và điều khiển cân bằng tàu là một hệ thống hết sức quantrọng của con tàu, nó có nhiệm vụ giám sát và kiểm tra mọi sự sai lệch về độnghiêng thực tế của con tàu so với độ nghiêng được thiết kế (có nhiều nguyên nhândẫn đến tàu bị nghiêng khỏi vị trí cân bằng ban đầu của nó như do tác động củasóng, gió, do quá trình xếp dỡ hàng hoá ở cảng, do quá trình luân chuyển và sửdụng các két dầu đốt, các két nước ngọt…) Hệ thống thực hiện việc giám sát bằngcác cảm biến mức nước của các két ballast qua đó gửi tín hiệu thu được tới trungtâm tính toán Từ các số liệu thu được người vận hành sẽ tính toán và đưa ra quyếtđịnh điều khiển các bơm ballast khác nhau ở các vị trí két khác nhau nhằm giữ chocon tàu có thể cân bằng trong giới hạn cho phép Đối với những con tàu có hệthống tự động điều khiển cân bằng tàu thì khi tín hiệu thu được từ các cảm biếnmức nước đưa về bộ xử lí trung tâm nó sẽ được tính toán và từ bộ xử lí trung tâmnày sẽ gửi tín hiệu điều khiển tới các rơle trung gian để khởi động các bơm ballasttương ứng Hệ thống này rất quan trọng đối với sự an toàn của con tàu và hàng hoá

vì nếu có sai sót hỏng hóc nào đó của hệ thống mà tín hiệu giám sát và điều khiểnkhông đúng thì có thể dẫn đến con tàu bị nghiêng quá nhiều gây ra tình trạng nướctràn vào tàu và có thể bị đắm tàu

Hệ thống giám sát và điều khiển cân bằng tàu có nhiệm vụ chính là nâng caotính ổn định cho con tàu, đảm bảo cho con tàu luôn luôn cân bằng (không bịnghiêng, bị lệch).

Nâng cao hiệu suất đối với hệ lực đẩy Hệ thống ballast dùng khi tàu xếphàng không đều, khi tàu không chở hàng (tàu chạy ballast) hoặc khi có ngoại lựctác dụng lên tàu như sóng, gió

Việc điều hành hoạt động của hệ thống ballast được thực hiện theo lệnh của

sĩ quan boong, thông thường là đại phó (chief officer) khi đã nghiên cứu tính ổnđịnh của tàu trong điều kiện khai thác thực tế Sau khi nhận được lệnh bơm nướcballast vào các két dằn hoặc hút khô một vài két nước dằn tương ứng thì sĩ quanmáy sẽ thực hiện các thao tác cần thiết

1.2 Giới thiệu về hệ thống tự động cân bằng tàu Victoria Leader

1.2.1 Cấu trúc hệ thống tự động cân bằng tàu Victoria Leader

Cấu trúc hệ thống tự động cân bằng tàu Victoria Leader được thể hiện như hình 1.1

Hình 1.1 Cấu trúc của hệ thống tự động cân bằng tàu trên tàu Victoria Leader

Hệ thống khoang ballast: Có hai nguồn là 220V/50 Hz và nguồn một chiều

là 24V được đưa đến phòng riêng của hệ thống Ballast, các cáp điện cấp nguồn vàcáp tín hiệu được đặt trong ống ở phía dưới đáy Các két Ballast này được chế tạobằng thép và được đặt phía trên sàn đáy của con tàu

Bảng điều khiển tại chỗ: Bảng điều khiển tại chỗ được gắn trên vách của

buồng Ballast, trên bảng điều khiển tại chỗ sẽ thực hiện hiển thị trạng thái của cácbơm, góc nghiêng hiện tại của tàu, các chế độ làm việc của hệ thống

Trong hệ thống tự động cân bằng tàu của tàu Victoria Leader ngoài hệ thốngcác két Ballast và bảng điều khiển tại chỗ, thì nó còn có các van, các bộ chuyển đổimức

Chức năng của hệ thống tự động cân bằng tàu:

Điều khiển bằng tay của hệ thống van ballast

Điều khiển bằng tay tại chỗ bơm ballast từ bảng điều khiển tại chỗ

Điều khiển bằng tay từ xa và tự động điều khiển bơm ballast

Tự động cân bằng tàu

Đo các mức trong các két ballast và các két nước vệ sinh

Điều khiển lượng ra và bảo vệ bơm ballast

Điều khiển từ xa bằng tay của:

Bơm cứu hoả - lacanh

Bơm lacanh - cứu hoả

Bơm cứu hoả sự cố

Hiển thị tín hiệu theo những việc sau:

Đóng mở của từng van

Điều khiển bơm ballast từ khoang điều khiển ballast

Bơm ballast hoạt động

Cho mỗi bơm cứu hoả

Hệ thống sẽ cung cấp các tín hiệu báo động trong trường hợp có sự cố của

hệ thống

1.2.2 Cấu tạo của hệ thống

1.2.2.1 Hệ thống các két

Bố trí các két

Là những két chứa nước dùng để cân bằng tàu Các két này được bố trí đềunhau dưới đáy tàu từ mũi đến lái Dung tích của các két ballast phụ thuộc vào kíchthước của con tàu, ở mỗi một két người ta đều trang bị ống đo, ống thông hơi vàcác cảm biến mực nước, cảm biến nhiệt độ của các két

Bố trí các két ballast:

Trong các két bố trí các sensor để đo mức nước và nhiệt độ như bảng 1.1

Bảng 1.1 Vị trí các cảm biến được đặt tại các két trên tàu Victoria leader

Khoảng đo: 160 mbar đến 3200 mbar

Tín hiệu đầu ra: 4 – 20 mA

Lập trình trên: FSK BUS

được xây dựng mọtt cách linh hoạt, đặc biệt thích hợp sử dụng trên môi truờngkhắc nghiệt của tàu thuỷ Các chế độ bảo vệ cảm biến cũng rất ưu việt: chế độ ngắtkết nối với cáp nếu xảy ra sự cố, chế độ bảo vệ nổ.

Theo thiết kế thì trong trường hợp nhúng chìm trong két thì độ bảo vệ là: IP

68 Vật liệu thép không rỉ phủ nhựa epoxy Cáp kết nối phủ inox số: 1.4462, NBR.Kết nối điện bằng 5 cực cắm vật liệu bằng inôx Sợi cáp thì được bọc bởi chất dẻoolyamide để bảo vệ

Tín hiệu đầu ra:

Vì môi trường nước biển đi qua đường ống là chứa nhiều tạp chất nên vậtliệu thường dùng của đuờng ống là thép tráng men Trên các đường ống luôn đikèm các van để khống chế đóng mở đường ống một cách thuận tiện Ngoài ra, ởnhững đường ống thông từ van ra biển có bố trí lớp lưới để giữ lại những cặn bẩnlớn trong nước biển tránh hiện tượng tắc đường ống và làm mài mòn đường ống

Hệ thống đường ống là hệ thống rất quan trọng trong quá trình cân bằng tàu.

Hệ thống đóng vai trò vận chuyển trực tiếp nước để dằn tàu nên cần thường xuyênkiểm tra để kịp thời phát hiện những hỏng hóc như tắc nghẽn, rò rỉ Trong quátrình cân bằng tàu hệ thống mà tắc nghẽn quá trình cân bằng sẽ không thể thựchiện được

1.2.2.3 Hệ thống các van

Phân loại.

Trên tàu Victoria Leader được sử dụng rất nhiều loại van:

Theo nhiên liệu chạy qua van: có van nước, van dầu, van khí…

Theo cấu tạo của van: van 1 chiều, van 2 chiều, van áp suất, van tương tự… Theo tín hiệu điều khiển: van điện, van thuỷ lực, van điện thuỷ lực

Trong hệ thống tự động cân bằng tàu các van cũng có nhiệm vụ rất quantrọng trong việc điều khiển và giám sát Hệ thống sử dụng tương đối đầy đủ cácloại van (van 1 chiều, van 2 chiều, van tương tự, van nước, van dầu)

Các loại van 1 chiều như: BGV167, BGV168, BGV190, BGV191,…

Các van 2 chiều như: BW V011, BW V012, BW V13, BGV014,…

Các loại van tương tự: BW V005, BW V006

Các loại van nước: của hệ thống van của bơm Ballast (BW…)

Các loại van dầu: hệ thống van của các két dầu (FOV…)

Ngoài ra còn có các loại van khác như: van giảm áp (BW V015,BW V016…)

Vị trí của các van trong hệ thống được bố trí như bảng 1.2

Bảng 1.2 Vị trí các van Ballast trong hệ thống

1.2.3 Nguyên lý hoạt động của hệ thống

Hệ thống cân bằng tàu được thiết kế sao cho có thể điều khiển bằng tay hoặc

có thể điều khiển tự động Việc chọn chế độ điều khiển bằng tay hay tự động còntuỳ thuộc vào yêu cầu điều khiển của tình trạng thực tế của con tàu, với chế độđiều khiển bằng tay thì người điều khiển sẽ quan sát các cơ cấu chỉ báo độ nghiêngcủa con tàu như độ nghiêng ngang về mạn nào của con tàu (nghiêng bên phải haynghiêng trái) và quan sát cơ cấu chỉ báo xem tàu có bị chúi lái hay chúi mũi không

và tuỳ thuộc vào điều kiện công tác hiện tại của con tàu mà người điều khiển sẽ ấncác nút tác động cấp điện cho các van điện từ mở hay đóng tuỳ thuộc vào các kétcần bơm nước vào hay xả nước ra Nếu tàu bị nghiêng bên trái thì bơm nước ở cáckét bên trái ra và bơm nước vào các két ở bên phải, ngược lại nếu tàu mà bịnghiêng mạn phải thì bơm nước ở các két ở bên phải ra và bơm nước vào các két ởbên phải Nếu tàu bị chúi mũi thì bơm nước ở két mũi ra và bơm nước vào két lái,còn nếu tàu bị chúi lái thì ta làm ngược lại tức là bơm nước từ két lái ra và bơmnước vào két mũi Trong chế độ cân bằng tàu thì chỉ có hai két chính tham gia vàoviệc điều chỉnh độ nghiêng của con tàu đó là hai két số bốn trái vào bốn phải Các

két còn lại chỉ tham gia vào quá trình dằn tàu trong quá trình tàu hành trình trênbiển và bốc xếp hàng hoá ở cảng

1.2.3.1 Nguyên lý hoạt động của các van

Van điều khiển mở bằng dầu thuỷ lực

Sơ đồ điều khiển van bằng điện:

Tất cả các van 1 chiều trong hệ thống đều có sơ đồ nguyên lý và nguyên lýhoạt động giống nhau nên ta chỉ cần thuyết minh nguyên lý của một van 1 chiều

Thuyết minh nguyên lý hoạt động của van BGV167 (sơ đồ A - 34660 - 00101

- SP 8/17, xem Phụ lục 1)

Khi cấp nguồn điều khiển 24V từ bảng điều khiển van và có tín hiệu vào(Output) là mở van thì tiếp điểm thường mở ở Output đóng lại cấp nguồn 24V chocuộn Y20 Cuộn Y20 có điện đóng sẽ mở cửa van và đồng thời đóng tiếp điểm Ye ởV20 đưa tín hiệu đã mở van đến đầu vào (Input) của bảng điều khiển van và hiển thịtrên máy tính là van đã được mở

Khi muốn điều khiển cho van đóng, ta đặt tín hiệu đóng van thì khi đó tiếp điểmthường mở ở Output mở ra, cuộn Y20 mất điện Do cấu tạo của van có cuộn lò xonên quá trình đóng van nhờ vào lực đẩy của lò xo

Van điều khiển đóng và mở bằng dầu thuỷ lực

Tương tự như các van 1 chiều, tất cả các van 2 chiều trong hệ thống đều có sơ

đồ nguyên lý và nguyên lý hoạt động giống nhau nên ta chỉ cần thuyết minh nguyên

lý của một van 2 chiều

Thuyết minh nguyên lý hoạt động của van FOV040 ( sơ đồ A – 34660 –

00102 – SP 5/33, xem Phụ lục 1)

Khi muốn điều khiển van mở ra: đặt tín hiệu mở van từ bảng điều khiển từ xavan (Valve control system) tín hiệu ra ở Output sẽ đóng tiếp điểm thường mở, nguồnđược cấp cho cuộn B (cuộn open) Cuộn B có điện đóng tiếp điểm ye ở V36 đưa tínhiệu đã mở van đến đầu vào (Input) của bảng điều khiển van và hiển thị trên máytính là van đã được mở

Khi muốn điều khiển van đóng lại: đặt tín hiệu đóng van từ bảng điều khiển

từ xa van (Valve control system) tín hiệu ra ở Output sẽ đóng tiếp điểm thường mở,cấp nguồn cho cuộn A Cuộn A có điện sẽ thực hiện quá trình đóng van và đồng thờiđóng tiếp điểm bn ở V36 đưa tín hiệu đã mở van đến đầu vào (Input) của bảng điềukhiển van và hiển thị trên máy tính là van đã mở

1.2.3.2 Nguyên lý hoạt động của các van theo sơ đồ thuỷ lực

Dựa theo sơ đồ thuỷ lực (A – 34660 – 00101 – SP 11/17 và 12/17, xem Phụlục 1) thì các van được chia làm các nhóm điều khiển như sau:

Nhóm 1: các van tác động đơn Sau khi dầu thuỷ lực được bơm qua cụm vanruột gà, được đo áp suát nhờ đồng hồ áp suất sẽ đi đến trước miệng van Ban đầu van

ở trạng thái đang đóng, khi có tín hiệu điều khiển mở van tác động vào van làm đổitrạng thái của van: đầu B sẽ nối lên đầu T, đầu P sẽ nối vào đầu A đưa dầu thuỷ lực

đi qua van tiết lưu tạo áp lực đẩy pittông mở cửa van.Quá trình đóng van sẽ thực hiệnnhờ lực đẩy của lò xo

Nhóm 2: các van tác động kép Nguyên lý chỉ khác van tác động đơn ở quátrình đóng van Khi đóng van sẽ ko phải nhờ lực đẩy của lò xo mà thực hiện đóngvan nhờ áp lực của dầu thuỷ lực Van đang ở trạng thái mở muốn đóng van phải tácđộng làm van đổi trạng thái (P nối với B, còn A nối với T) dầu thuỷ lực sẽ đi theo

đường ngược lại với quá trình mở van tạo ra áp lực đẩy pittông theo chiều ngược lại,đẩy van đóng lại.

Nhóm 3: các van có thể khoá vị trí Nguyên lý đóng mở van giống nhóm vanthứ 2 nhưng nhóm van này có thêm 2 cuộn khoá A và B có thể khống chế độ đóng

mở của van tuỳ theo giá trị mong muốn nhờ 2 tiếp điểm A và B

Nhóm 4: nhóm các van giảm áp Nguyên lý đóng mở van giống nhóm van thứ 2nhưng nhóm van này còn được lắp thêm 2 van điều tiết trên 2 đường thuỷ lực củacửa đóng và mở của van có tác dụng giảm áp lực dầu thuỷ lực theo giá trị mongmuốn của người sử dụng

Các giá trị áp suất của van:

Áp suất thiết kế: 315 bar;

Áp suất làm việc: 90 bar;

Áp suất trả lại: 5 - 20 bar

1.2.3.3 Hệ thống cân bằng tàu

Hệ thống tự động cân bằng tàu hoạt động trên nguyên tắc khi tàu bị nghiêngthì sẽ có tín hiệu từ bộ phận đo độ nghiêng gửi đến khối xử lí trung tâm và từ đó sẽgửi tín hiệu điều khiển tới tự động khởi động bơm ballast để bơm chuyển nước từkét 4 trái sang két 4 phải nếu như tàu bị nghiêng sang trái và chuyển từ két 4 phảisang két 4 trái nếu như tàu bị nghiêng sang phải Hệ thống bắt đầu hoạt động khi

độ nghiêng của tàu lớn hơn 1,5o và nó sẽ dừng hoạt động khi độ nghiêng của tàucòn 0,5o ( hoặc khi độ nghiêng của tàu còn 1o – do người điều khiển đặt trước) vàkhi độ nghiêng của tàu lớn hơn 5,5o thì bơm sẽ dừng hoạt động và có tín hiệu báođộng bằng đèn

Để chọn chế độ tự động cân bằng tàu thì trước hết ta kích hoạt chế độ(Activate Mode) sang chế độ tự động (Automatic) khi đó tín hiệu cân bằng tàu sẽđược đưa vào hoạt động tới khối hiển thị và xử lý trung tâm Giả sử vì một lý donào đó mà tàu bị nghiêng sang trái thì sẽ có tín hiệu từ khối đo độ nghiêng

CHƯƠNG 2 CẢM BIẾN ĐO GÓC NGHIÊNG VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP

TỰ ĐỘNG CÂN BẰNG TÀU

Có nhiều dạng cảm biến có thể được sử dụng để đo góc nghiêng của tàuthủy Tuy nhiên, chúng có thể được phân thành hai loại chính là cảm biến sử dụngencoder và cảm biến dạng vi cơ điện tử (MEMS – MICRO ELECTROMECHANICAL SYSTEM)

2.1 Cảm biến đo góc nghiêng

2.1.1 Giới thiệu cảm biến đo góc nghiêng dùng ENCODER

2.1.1.1 Nguyên lý hoạt động cơ bản của Encoder

Encoder sử dụng một đĩa quay để xác định giá trị của góc quay của bánh xe,trục động cơ, hoặc bất kỳ thiết bị quay nào cần xác định vị trí góc

Encoder được chia làm 2 loại, encoder tuyệt đối và encoder tương đối.Encoder tuyệt đối là dòng encoder có nhiều bit ra cho phép xác định chính xác giátrị góc quay hiện thời của nó Còn encoder tương đối là loại encoder chỉ có 1, 2,hoặc tối đa là 3 vòng rãnh với tín hiệu phát ra là một chùm xung Để xác định gócquay của hệ thống với loại encoder này người ta sẽ căn cứ vào số xung đếm được

để tính ra giá trị góc quay thực

Cấu tạo cơ bản của encoder gồm một đĩa tròn gắn trên một trục quay Trênđĩa có khắc các rãnh cách đều nhau sao cho ánh sáng có thể chiếu qua Hai bên mặtđĩa có các sensor thu và phát ánh sáng Khi đĩa quay, nếu ở vị trí chỗ không córãnh sẽ ngăn không cho ánh sáng đi qua, ở vị trí có rãnh thì ánh sáng được chiếuxuyên qua tới sensor thu Dựa trên sự thay đổi của ánh sáng chiếu qua các rãnh sẽ

có các xung điện tương ứng được phát ra

Khi trục quay, giả sử trên đĩa chỉ có một rãnh duy nhất, cứ mỗi sensor thunhận được tín hiệu ánh sáng, thì có nghĩa là đĩa đã quay được một vòng Nếu đĩa

được khắc n rãnh thì encoder sẽ phát ra n xung khi nó quay hết một vòng Số lượng

rãnh càng nhiều thì độ chính xác của encoder càng cao

Hình 2.1 Sơ đồ hoạt động của Encoder 2.1.1.2 Encoder tuyệt đối

Một trong các vấn đề cần quan tâm chính là độ mịn của encoder, đó là giá trịgóc quay nhỏ nhất mà encoder có thể xác định được Nghĩa là làm thế nào biết đĩa

đã quay 1/2 vòng, 1/4 vòng, 1/8 vòng hay 1/n vòng, chứ không phải chỉ biết đĩa đã

quay được một vòng Quay lại bài toán cơ bản về bit và số bit, chúng ta xem xétvấn đề theo một cách hoàn toàn toán học Với một số nhị phân có 2 chữ số, chúng

ta sẽ có các tổ hợp 00, 01, 10, 11, tức là 4 trạng thái Điều đó có nghĩa là với 2 chữ

số, chúng ta có thể chia đĩa encoder thành 4 phần bằng nhau Và khi quay, chúng ta

sẽ xác định được độ chính xác đến 1/4 vòng Tương tự như vậy, nếu với một số có

n chữ số, chúng ta sẽ xác định được độ chính xác đến 1/(2 n ) vòng

Cách xác định 2 n trạng thái này của đĩa encoder

Hình 2.2 Đĩa mã hoá của encoder tuyệt đối

Ở hình 2.2 đưa ra ví dụ với đĩa encoder tuyệt đối có độ phân giải 2 bit Ta sẽthấy rằng, ở vòng trong cùng, có một rãnh rộng bằng 1/2 đĩa Vòng phía ngoài, sẽ

Giả sử ở vòng rãnh thứ nhất (vòng rãnh trong cùng), ánh sáng được chiếuqua rãnh, khi đó tín hiệu nhận được từ sensor thu sẽ là 1 Và ở vòng rãnh thứ hai,thì chúng ta đang ở vị trí không có lỗ, như vậy sensor thu vòng 2 sẽ đọc được giátrị 0.

Như vậy, với giá trị là 1 và 0 chúng ta xác định được encoder đang nằm ởgóc phần tư nào, cũng có nghĩa là chúng ta quản lý được độ chính xác của đĩa quayđến 1/4 vòng Khi số vòng rãnh tăng lên, tương ứng với độ phân giải của encodercũng sẽ tăng lên Nếu đĩa encoder có đến 10 vòng rãnh, thì chúng ta sẽ quản lý

được đến 1/(2^10) tức là đến 1/1024 của vòng

Để thiết kế encoder tuyệt đối, người ta luôn tạo sao cho bit thứ N (đối với encoder có N vòng rãnh) nằm ở trong cùng Như vậy, số vòng càng nhiều rãnh thì

được đặt càng gần mép ngoài của đĩa

Hình 2.2 Đĩa mã hoá của encoder tuyệt đối 8 vòng rãnh 2.1.1.3 Encoder tương đối

Mặc dù encoder tuyệt đối rất có lợi cho những trường hợp khi góc quay nhỏ,

và động cơ không quay nhiều vòng Khi đó, sử dụng encoder tuyệt đối trở nên dễdàng cho người dùng hơn vì chỉ cần đọc giá trị là có thể xác định ngay được vị trígóc của trục quay Tuy nhiên, nếu động cơ quay nhiều vòng thì sử dụng encoder

tuyệt đối lại không có lợi bằng encoder tương đối do việc xử lý số vòng phức tạphơn.

Ngoài ra, nếu thiết kế encoder tuyệt đối, chúng ta cần quá nhiều vòng rãnh,

và dẫn tới giới hạn về kích thước của encoder, bởi vì việc gia công chính xác các lỗquá nhỏ là không thể thực hiện được Chưa kể rằng việc thiết kế một dãy các cặpsensor thu và phát ánh sáng cho mỗi vòng rãnh cũng ảnh hưởng rất lớn đến kíchthước giới hạn này

Tuy nhiên, điều này được khắc phục bằng encoder tương đối một cách kháđơn giản Chính vì vậy, ngày nay đa số người ta sử dụng encoder tương đối trongnhững ứng dụng hiện đại

Hoạt động của encoder tương đối

Hình 2.3 Đĩa quay của encoder tương đối

Encoder tương đối có một đĩa khắc rãnh như trong hình 2.3, mỗi lần quayqua một rãnh thì tín hiệu đầu ra sẽ phát ra một xung Như vậy, thông qua việc đếm

số xung phát ra kể từ một thời điểm xác định ta sẽ tính được góc quay của encoder

Với một vòng rãnh, việc xác định điểm đầu tiên để bắt đầu đếm cho hệ

Như vậy, khi encoder đi ngang qua rãnh định vị này mà số lượng xung đếmđược sai lệch với số rãnh của encoder thì chúng ta sẽ biết là encoder đã bị đếm sai

ở đâu đó Nhờ rãnh định vị, ta có thể hiệu chỉnh lại giá trị đếm này để chỉnh lại sailệch cho các lần đếm tiếp theo

Hình 2.4 Mô tả đĩa encoder tương đối có lỗ định vị

Với encoder chỉ có một vòng rãnh để tạo ra tín hiệu xung, tuy có cấu tạo đơngiản nhưng có nhược điểm là không xác định được chiều quay Để khắc phụcnhược điểm này, người ta thêm vào một vòng rãnh phát xung thứ 2 lệch với vòngrãnh đầu một góc là 90o Khi đó, sẽ có 2 chùm xung lệch nhau 90o cùng được phát.Dựa trên độ lệch xung này sẽ cho phép xác định chiều và góc quay của encoder

Hình 2.5 Encoder tương đối với 2 vòng rãnh

Việc chế tạo hai vòng rãnh lệnh nhau với mục đích là để tạo ra hai chùmxung cùng phát ra lệnh nhau 90o Tuy nhiên, nếu ta đặt 2 cặp sensor phát và sensorthu lệnh nhau 90o trên cùng một vòng rãnh thì cũng thu được kết quả tương tự.Chính vì vậy, thay vì việc tạo ra 2 vòng rãnh xung, người ta vẫn chỉ tạo ra mộtvòng rãnh xung và đặt vị trí các cặp sensor lệch nhau để thu được kết quả theo yêucầu Kết quả là ta sẽ thường thấy các encoder có dạng như hình 2.6.

Hình 2.6 Encoder tương đối trong thực tế

Khi sử dụng encoder làm thiết bị đo góc gặp phải nhiều trở ngại do encoder

có kết cấu cơ khí nên dễ bị ảnh hưởng bởi tác động vật lý bên ngoài với độ chínhxác của phép đo Do vậy trong phần nội dung tiếp theo sẽ trình bày thêm mộtphương pháp đo góc dựa trên cảm biến kiểu vi cơ cho phép khắc phục những hạnchế của encoder

2.1.2 Giới thiệu cảm biến MEMS (MICROELECTROMECHANICAL SYSTEM)

2.1.2.1 Tổng quan về cảm biến MEMS

Vào cuối thế kỷ XX, các thiết bị điện tử được tích hợp với số lượng ngàycàng lớn, kích thước ngày càng nhỏ và chức năng ngày càng được nâng cao.Điều này đã mang lại sự biến đổi sâu sắc cả về mặt công nghệ lẫn xã hội Vàocuối những năm 50 của thế kỷ XX, một cuộc cách mạng hoá về công nghệ cỡ

Công nghệ vi cơ đã và đang tiến xa hơn nhiều so với nguồn gốc của nó làcông nghiệp bán dẫn MEMS bao gồm những cấu trúc vi cơ, vi sensor, vi chấphành và vi điện tử cùng được tích hợp trên cùng một chip Một thiết bị MEMSthông thường là một hệ thống vi cơ tích hợp trên một chip mà có thể kết hợpnhững phần cơ chuyển động với những yếu tố sinh học, hoá học, quang hoặcđiện Kết quả là các linh kiện MEMS có thể đáp ứng với nhiều loại tín hiệu vàonhư: tín hiệu hoá học, ánh sáng, áp suất, rung động, vận tốc, gia tốc Với ưuthế có thể tạo ra những cấu trúc cơ học nhỏ bé tinh tế và nhạy cảm đặc thù, côngnghệ vi cơ hiện nay đã cho phép tạo ra những bộ cảm biến, những thiết bị chấphành được ứng dụng rộng rãi trong cuộc sống Các bộ cảm biến siêu nhỏ và rấttiện ích này đã thay thế cho các thiết bị đo cũ kỹ, cồng kềnh trước đây Song côngnghệ MEMS mới đang ở giai đoạn đầu của nó và cần rất nhiều những nghiên cứu

cơ bản hơn, sâu hơn

2.1.2.2 Công nghệ chế tạo MEMS

Các sản phẩm MEMS là sự tích hợp vi mạch điện tử với các linh kiện, cácchi tiết vi cơ Mạch vi điện tử được chế tạo trên đế silic do đó xu hướng chung làlợi dụng tối đa vật liệu silic để chế tạo các linh kiện vi cơ theo những kĩ thuậttương tự với kĩ thuật làm mạch vi điện tử, điển hình là kỹ thuật khắc hình

Tuy nhiên, các linh kiện của mạch vi điện tử đều nằm trên mặt phẳng,còn nhiều linh kiện vi cơ phải thực hiện những thao tác như dịch chuyển, rung,quay, đẩy, kéo… Do đó chúng không chỉ nằm trên một mặt phẳng mà có mộtphần, có khi hoàn toàn tách ra khỏi mặt phẳng Mặt khác, các chi tiết vi cơ phảilàm bằng vật liệu có tính chất thích hợp Ví dụ như có chi tiết cần đàn hồi như lò

xo, có chi tiết cần rất cứng, có chi tiết cần mềm dẻo, có chỗ cần phản xạ tốt ánhsáng, có chỗ cần dẫn điện May mắn là trên cơ sở silic có thể làm ra một số vậtliệu đáp ứng được nhu cầu nói trên, ví dụ như oxyt silic (SiO2) cách điện, silic đatinh thể (poly - Si) dẫn điện được, nitrit silic (Si3N4) vừa cứng vừa đàn hồi Cũng

có thể dùng các phương pháp bốc bay, phún xạ để tạo những lớp chất đặc biệt

như lớp kim loại phản xạ, lớp áp điện, lớp hợp kim đàn hồi v.v…lên bề mặtsilic rồi khắc hình để chỗ này có mặt phản xạ tốt dùng làm gương, chỗ kia có lákim loại đàn hồi dùng làm lò so v.v…

Có thể kể đến một số phương pháp về gia công các chi tiết cơ tiêu biểu ởcông nghệ MEMS như sau:

Gia công vi cơ khối

Phương pháp gia công vi cơ khối là lấy đi một phần thể tích trong phiến vậtliệu để hình thành chi tiết vi cơ Gọi là gia công nhưng thực ra là dùng các phươngpháp hoá, lý để ăn mòn tạo ra trên phiến các lỗ sâu, các rãnh, các chỗ lõm

Hình 2.7 Minh hoạ cảm biến MEMS

Để hình thành các chi tiết cơ ở phần còn lại có hai cách phổ biến:

Ăn mòn ướt: thường dùng đối với các phiến vật liệu là silic, thạch anh.

Đây là quá trình dùng dung dịch hoá chất để ăn mòn theo những diện tích định sẵnnhờ các mặt nạ che phủ Các dung dịch hoá chất thường dùng đối với silic làcác dung dịch axit hoặc hỗn hợp các axit như HF, HNO3, CH3COOH, hoặcKOH Việc ăn mòn có thể là đẳng hướng (ăn mòn đều nhau theo mọi hướng)

nạ đặt lên bề mặt phiến vật liệu Để tăng cường tốc độ ăn mòn có thể dùng sóngđiện từ kích thích phản ứng hoặc dùng điện thế để tăng tốc độ ion tức là tăng tốc

độ các viên đạn bắn phá

Gia công vi cơ bề mặt

Trong phương pháp này, người ta để trên phiến silic cần tạo ra một dầm đatinh thể silic một đầu cố định, một đầu tự do có thể làm theo các giai đoạn sau: Tạo ra lớp oxit silic trên phiến silic

Dùng mặt nạ 1 tạo ra một diện tích để sau này gắn vào đấy đầu cố định củadầm

Phủ lên toàn bộ một lớp đa tinh thể silic rồi dùng mặt nạ 2 để lấy đi lớp silic

đa tinh thể, chỉ chừa lại một dầm

Nhúng toàn bộ vào một loại axit để hoà tan hết SiO2 (nhưng không hoà tansilic) ta có được dầm đa tinh thể một đầu bám vào phiến silic, một đầu tự do

Hàn

Để tạo ra các chi tiết vi cơ phức tạp, sâu, kín như ống dẫn, bể ngầm cóthể thực hiện việc gia công ở hai phiến rồi hàn úp hai mặt gia công lại với nhau.Tạo một cái hố trên bề mặt một phiến bằng cách ăn mòn thông thường rồi hàn lêntrên phiến đó một phiến khác để đậy hố lại Gọi là hàn nhưng thực ra là ép nhiệttrực tiếp hai phiến lại hoặc dùng thêm một lớp lót để tăng cường sự kết dính

Gia công bằng tia laze

Có thể dùng tia laze để tạo ra những chi tiết vi cơ theo kiểu khoét lần lượt,điều khiển trực tiếp Tuy nhiên cách gia công này rất chậm, không gia công đồngloạt được Vì vậy ở công nghệ MEMS cách gia công bằng laze thường chỉ dùng đểlàm khuôn Laze dùng là laze eximơ mới đủ mạnh và vật liệu để gia công thường

là chất dẻo, polymer

Liga

Đây là kỹ thuật tạo ra các hệ vi cơ ba chiều chứ không phải là hai chiềunhư ở các cách khắc hình bình thường Trong phương pháp LIGA người ta dùngchùm tia X cực mạnh nên có thể đi sâu vào chất cảm đến hàng milimet Chất

cảm thường dùng thuộc loại acrylic viết tắt là PMMA Thông qua những chỗ bịkhoét thủng trên khuôn, tia X chiếu vào lớp cảm theo những diện tích nhất định,làm chất cảm có tia X chiếu đến sẽ bị hoà tan Vì trong kỹ thuật LIGA người tathường dùng lớp chất cảm dày, và tia X mạnh nên tia X có thể đi sâu vào lớp chấtcảm đến hàng trăm, thậm chí hàng nghìn micromet nhờ đó sau khi nhúng vàodung dịch, những chỗ chất cảm bị hoà tan đi có thể rất sâu tạo ra hình khắc thực

sự là ba chiều chứ không phải là hai chiều như ở quang khắc thông thường

2.1.2.3 Ứng dụng của các cảm biến MEMS

Tuy rằng MEMS mới ra đời chưa lâu nhưng đã có rất nhiều ứng dụng gópphần không nhỏ vào sự phát triển đời sống xã hội

trước đây Trong luận văn tác giả đặc biệt quan tâm đến khả năng ứng dụng củacảm biến gia tốc vi cơ điện tử.

Cảm biến gia tốc chế tạo theo công nghệ vi cơ điện tử có hai loại là cảmbiến kiểu tụ và cảm biến kiểu áp trở Trong nhiều ứng dụng việc lựa chọn cảmbiến kiểu tụ hay kiểu áp trở là rất quan trọng Cảm biến kiểu áp trở có ưu điểm làcông nghệ cấu tạo rất đơn giản Tuy nhiên nhược điểm của nó là hoạt động phụthuộc nhiều vào sự thay đổi nhiệt độ và có độ nhạy kém hơn cảm biến kiểu tụ Cáccảm biến kiểu tụ có độ nhạy cao hơn, ít bị phụ thuộc vào nhiệt độ, ít bị nhiễu vàmất mát năng lượng Tuy nhiên chúng có nhược điểm là mạch điện tử phức tạphơn Hiện nay cảm biến gia tốc kiểu tụ được ứng dụng rộng rãi trong các thiết kếcảm biến Cảm biến gia tốc vi cơ đã nhanh chóng thay thế các loại cảm biến gia tốcthông thường trước đây trong nhiều ứng dụng

* Nguyên lý hoạt động của cảm biến gia tốc dạng MEMS

Việc đo gia tốc thông qua cảm biến gia tốc MEMS có thể được mô tả nhờ một

sơ đồ trên hình 2.8 như một hệ gồm một vật khối lượng m và một lò xo

Hình 2.8 Sơ đồ mô tả việc đo gia tốc dùng MEMS

Khi cảm biến được gia tốc, gia tốc này được truyền cho khối m thông qua lò

xo Lò xo giãn ra và độ dịch chuyển này được xác định bởi một cảm biến độ dịchchuyển

Theo định luật Hooke, lực kéo khối lượng m tỉ lệ với độ biến dạng của lò xo:

F = kx (2.1)

với k là hệ số tỉ lệ hay độ cứng của lò xo, x là khoảng dịch chuyển so với vị trí cânbằng Theo định luật II Newton, trong hệ quy chiếu quán tính đứng yên, lực F nàycung cấp cho khối lượng m có một gia tốc a theo công thức

F = m.a (2.2)Tại vị trí cân bằng ta có:

F = ma = kx (2.3)

Hệ thống có thể được mô tả bởi phương trình vi phân sau:

ma F

Kx dt

dx D dt

x d

2

(2.4)Với D là hệ số ma sát

Hình 2 9 Mô hình một tụ điện đơn (bên trái) và hai tụ nối tiếp nhau (bên phải)

trong cấu trúc đo gia tốc

Như vậy, để đo gia tốc ta chỉ cần đo khoảng dịch chuyển x Để đo khoảngdịch chuyển này, người ta có thể sử dụng thuộc tính điện của tụ điện có hai bản cựcsong song có khoảng cách giữa hai bản tụ có thể thay đổi được

với k là hằng số phụ thuộc vào thuộc tính của môi trường nằm giữa hai bản tụ Nếubiết hệ số k, điện dung C của tụ thì ta có thể tính được khoảng cách x0 Cũng tronghình trên, nếu bản tụ nằm giữa CA và CB dịch chuyển một khoảng là x thì:

0 0

,

x x

k C

x x

x C

0 0

0

1 1

(2.9)Với khoảng x dịch chuyển nhỏ, phương trình trên có thể rút gọn thành:

0

2

x

x C

C 

Như vậy, nếu gắn khối lượng m của cảm biến vào bản tụ nằm giữa hệ hai tụđiện nối tiếp thì có thể xác định được độ dịch chuyển của nó dưới tác dụng của lực

F, tức là xác định được gia tốc thông qua việc xác định giá trị ∆C

Cảm biến vi cơ ngày càng nhanh hơn, nhạy hơn, nhẹ hơn, rẻ hơn và có độtin cậy cao Do vậy trong đề tài này, nhóm tác giả đặc biệt quan tâm đến khả năngứng dụng của cảm biến gia tốc vi cơ điện tử vào thiết bị đo góc thay thế choencoder

Khi sử dụng MEMS trong thiết bị thu được những ưu điểm sau:

Kết cấu đơn giản do các cảm biến dạng MEMS đã tích hợp các mạch phụ trợ(mạch chuẩn hóa, lọc,…)

Giảm thời gian phát triển ứng dụng

Đầu ra có thể lựa chọn là dạng điện áp, hoặc dạng xung số

Tính ổn định cao Các cảm biến vi cơ được thiết kế với công nghệ cao dovậy loại bỏ được hầu hết những ảnh hưởng do công nghệ chế tạo

Trong chương tiếp theo sẽ trình bày chi tiết hơn về nguyên lý hoạt động củacác cảm biến ứng dụng trong đo góc nghiêng