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

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.

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tôi xin cam đoan rằng các thông tin trích dẫn trong luận văn đều đã đƣợc chỉ 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 giả hoàn thành bản luận văn này

Tác giả xin chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo của Viện Đào tạo Sau Đại học 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 tác giả hoàn thành bản luận văn này

Tác giả xin cảm ơn các thầy giáo, các anh chị em phòng thí nghiệm, trường Đại học Hàng hải Việt Nam đã tạo điều kiện về cơ sở vật chất để tác giả thực hiện thành 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 quá trình 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 đƣợc 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

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

2.12 Kết cấu và vị trí lắp đặt các vây hai bên mạn để ổn định tàu 32

2.13 Nguyên lý của hệ thống chống nghiêng lệch ngang kiểu thùng

2.14 Chi tiết về mặt cắt của thùng điển hình và vị trí ngang trên

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 35

2.16 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 37 2.18 Một ví dụ về bố trí két chống lắc, két dằn 38

Số hình Tên hình Trang

2.19 Hệ thống điều khiển cân bằng kiểu dằn ballast 39

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

Khai báo ngắt cho Timer

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 trọng trên tàu, nó đảm bảo cho con tàu không bị nghiêng khỏi vị trí cân bằng ban đầu, hệ thống này giám sát và đo đạc các thông số về độ nghiêng và gửi tín hiệu đến buồng điều khiển để thông báo cho người điều khiển Trên các con tàu hiện nay không thể thiếu hệ thống này, nếu không có hệ thống này thì trong các chế độ hoạt động của con tàu có thể bị nghiêng và lật do các tác động của sóng, gió hoặc do việc xếp hàng hóa không cân bằng trên tàu

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

Hệ thống tự động cân bằng tàu có nhiệm vụ chính là nâng cao tính ổn định cho 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 hành nghiên cứu giải quyết hai vấn đề nêu trên Đồng thời đã thiết kế, chế tạo và đưa vào 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 khai thác chúng

Việc nghiên cứu nhằm chế tạo hệ thống đo góc nghiêng trên tàu thủy và chế tạo 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, chức năng 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 của mình 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 tự động cân bằng tàu Thuật toán và mô hình đề xuất cũng cho phép có thể áp dụng trong hệ thống tự động cân bằng tàu

Nó cũng là tài liệu tham khảo cho những ai quan tâm đến cảm biến đo góc nghiêng, 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 trình hoạt 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 cho tàu mất cân bằng là khi tàu xếp dỡ hàng hoá (xếp hàng không cân) hoặc trong quá trình di chuyển tàu tiêu hao nhiên liệu và nước ngọt dự trữ trong các két ở hai bên mạn tàu khiến cho trọng lượng của các két giảm xuống Để giải quyết vấn đề

ổn định 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 ngoài mạn vào các két trong tàu, thường người ta sử dụng các két này trong các khoang đáy đôi, mũi tàu hoặc đuôi tàu nhằm mục đích cân bằng và ổn định thân tàu trong quá trình hoạt động Trong thực tế phụ thuộc vào tính năng, kết cấu, hình dáng và kích 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 hàng lớn, độ mớn nước thấp, tàu chạy không tải thì nhẹ nên vấn đề cân bằng tàu càng phải 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 khiển riêng

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

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 lại bơm 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 lượng

nước 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 dầu thuỷ 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 giỏ hút

Các bầu lọc trước bơm (chắn rác và cặn bẩn)

Hệ thống đường ống hút và đẩy

Các két ballast trên tàu đều phải có các đường ống thông hơi (trước và sau),

các đường ống đo để xác định độ cao của nước

Các tổ bơm ballast dưới tàu thường phải sử dụng các tổ bơm tự hút và có các

đường ống mồi nước tránh trường hợp “e” khí trong các đường ống

Các van trong hệ thống ballast thường phải sử dụng loại có nấm bằng đồng,

gang hoặc inoc để kéo dài tuổi thọ khi sử dụng Các van xả sau bơm phải sử dụng

van một chiều tránh nước chảy ngược khi bơm ngừng hoạt động

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

được mạ kẽm (mạ nhúng) hoặc ít ra cũng là loại ống mạ kẽm điện phân để kéo dài

thời gian sử dụng

Hê ̣ thống cân bằng tàu là hê ̣ thống rất quan tro ̣ng trên con tàu và nó không thể thiếu được đối với bất kì mô ̣t con tàu nào để đảm bảo cho sự an toàn trong q uá trình 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 dướ i đáy tầu từ mũi đến lái Dung tích của các két ballast phu ̣ thuô ̣c vào kích thước của con tàu , ở mỗi một két người ta đều trang bị ống đo , ống thông hơi và các cảm biến mực nước, cảm biến nhiệt độ của các két

Bơm ballast

Dùng để hút nước dằn tà u từ ngoài vào làm đầy các két ballast , rút nước ra khỏi các két hoặc chuyển nước dằn từ két này sang két khác Bơm ballast là loa ̣i bơm 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 bơm cứu hoả được và ngược la ̣i Mô ̣t vài tàu khi bơm của hê ̣ thống nước biển làm mát máy chính bị trục trặc thì có thể dùng bơm ballast thay thế

Hê ̣ thống đường ống và các van

Dùng để nối các két ballast với bơm ballast , nối bơm thông ra biển Một bơm 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 ma ̣n tàu , xả vào ống ballast chính , đôi khi có đường ống thông sang hê ̣ thống nước biển làm mát máy chính

Tuy nhiên không phải các tàu đều có bố trí hoàn t oàn giống nhau mô ̣t vài tàu có trang bị các két ballast hoặc két dầu là các két đáy đôi (trừ mô ̣t hoă ̣c hai két

ở mạn phải và mạn trái dùng để chứa nước ngọt là không phải đáy đôi ), vài tàu thì chỉ có 2 hoă ̣c 3 két đáy đôi, những tàu khác có mô ̣t két hoă ̣c hơn ở dưới thấp nữa làm 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) Mô ̣t vài tàu có mô ̣t 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 (đườ ng hầm này con người có thể vào được để kiểm tra , bảo dưỡng, sửa chữa các van các ống khi cần thiết ) Mô ̣t số tàu la ̣i trang bi ̣ mô ̣t vòm da ̣ng ống lớn chứa các đường ống của các hê ̣ thống nối từ buồng máy với phía mũi tàu , vòm tròn dạng ống lớn này dưới tàu gọi thông thườ ng là Duck keel Các hộp van của hệ thống ballast và bơm ballast thông thường được bố trí ở ngay trong buồng máy Các van trong hê ̣ thống ballast thường là van chă ̣n bình thường (khi mở thì van được nâng lên)

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 trọng trên tàu, nó đảm bảo cho con tàu không bị nghiêng khỏi vị trí cân bằng ban đầu, hệ thống này giám sát và đo đạc các thông số về độ nghiêng và gửi tín hiệu đến buồng điều khiển để thông báo cho người điều khiển Trên các con tàu hiện nay không thể thiếu hệ thống này, nếu không có hệ thống này thì trong các chế độ hoạt động của con 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 ở trên 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 loa ̣i chính:

Hê ̣ thống có giám sát nhưng không tự đô ̣ng điều khiển cân bằng

Hê ̣ thống có giám sát và có thể tự đô ̣ng phát tín hiê ̣u khởi đô ̣ng để cân bằng tàu

Đối với hệ thống có giám sát nhưng không tự động điều khiển cân bằng tàu thì các quyết định đưa ra sau đó sẽ do sĩ quan boong (thường là đa ̣i phó) chịu trách

nhiê ̣m và người thực hiê ̣n sẽ là sĩ quan máy Hê ̣ thống loa ̣i này có nhược điểm là làm cho công việc của đại phó nhiều thêm nhưng nó có ưu điểm là tính an toàn và chắc chắn cao hơn Đối với hệ thống có giám sát và có tự động điều khiển cân bằng tàu thì đáp ứ ng được tính tự đô ̣ng hoá cao trên tàu thuỷ nhưng la ̣i có nhược điểm lớn là nếu có tru ̣c tră ̣c hay hỏng hóc nào đó với hê ̣ thống thì đô ̣ nguy hiểm đối với con tàu sẽ rất lớn Ngày nay đối với các tàu có yêu cầu cao về độ ổn định như các tàu chở container , tàu chở hàng rời thì được ứng dụng loại hệ thống có tự

đô ̣ng điều khiển cân bằng tàu nhưng hê ̣ thống này cần phải được thường xuyên theo dõi để đảm bảo không có hỏng hóc nào xảy ra đ ối với hệ thống cũng là đảm bảo an toàn cho con tàu

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

Hê ̣ thống giám sát và điều khiển cân bằng tàu là mô ̣t hê ̣ thống hết sức quan trọng của con tàu , nó có nhiệm vụ giám sát và kiểm tra mọi sự sai lệch về độ nghiêng thực tế của con tàu so với đô ̣ nghiêng được thiết kế (có nhiều nguyên nhân dẫn đến tàu bị nghiêng khỏi vị trí cân bằng ban đầu của nó như do tác động của sóng, gió, do quá trình xếp dỡ hàng hoá ở cảng , do quá trình luân chuyển và sử dụng các két dầu đốt, các két nước ngọt…) Hê ̣ thống thực hiê ̣n viê ̣c giám sát bằng các cảm biến mức nước của các két ballast qua đó gửi tín hiệu thu được tới trung tâm tính toán Từ các số liê ̣u thu được người vâ ̣n hành sẽ tính toán và đưa ra quyết

đi ̣nh điều khiển các bơm ballast khác nhau ở các vi ̣ trí két khác nhau nhằm giữ cho con tàu có thể cân bằng trong giới ha ̣n cho phép Đối với những co n tàu có hê ̣ thống tự đô ̣ng điều khiển cân bằng tàu thì khi tín hiê ̣u thu được từ các cảm biến mức nước đưa về bô ̣ xử lí trung tâm nó sẽ được tính toán và từ bô ̣ xử lí trung tâm này sẽ gửi tín hiệu điều khiển tới các r ơle trung gian để khởi đô ̣ng các bơm ballast tương ứng Hê ̣ thống này rất quan tro ̣ng 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 khiển không đúng thì có thể dẫn đến con tàu bi ̣ nghiêng quá nhiều gây ra tình tra ̣ng nước tràn vào tàu và có thể bị đắm tàu

Hê ̣ thống giám sát và điều khiển cân bằng tàu có nhiê ̣m vu ̣ chính là nâng cao tính ổn định cho con tàu , đảm bả o cho con tàu luôn luôn cân bằng (không bi ̣ nghiêng, bị lệch)

Nâng cao hiệu suất đối với hê ̣ lực đẩy Hê ̣ thống ballast dùng khi tàu xếp hàng không đều , khi tàu không chở hàng (tàu chạy ballast ) hoă ̣c khi có ngoa ̣i lực tác dụng lên tàu như sóng, gió

Việc điều hành hoa ̣t đô ̣ng của hê ̣ thống ballast được thực hiê ̣n theo lê ̣nh của

sĩ quan boong , thông thường là đa ̣i phó (chief officer) khi đã nghiên cứu tính ổn

đi ̣nh của tàu trong điều kiê ̣n khai thác thực t ế Sau khi nhâ ̣n được lê ̣nh bơm nước ballast vào các két dằn hoă ̣c hút khô mô ̣t vài két nước dằn tương ứng thì sĩ quan máy sẽ thực hiện các thao tác cần thiết

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

Cấu trúc hê ̣ 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

Hê ̣ thống bao gồm : Hê ̣ thống khoan g ballast (Phòng riêng của hê ̣ thống

ballast); Bảng điều khiển tại c hỗ; Các thiết bị lắp đặt bên ngoài (các van, van phân

phối, bô ̣ chuyển đổi mức)

Hê ̣ thống khoang ballast: Có hai nguồn là 220V/50 Hz và nguồn mô ̣t chiều

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

buồng Ballast, trên bảng điều khiển tại chỗ sẽ thực hiện hiển thị trạng thái của các bơm, 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 thống các két Ballast và bảng điều khiển tại chỗ, thì nó còn có các van, các bộ chuyển đổi mức

Điều khiển bằng tay củ a hê ̣ thống van ballast

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

Điều khiển bằng tay từ xa và tự đô ̣ng điều khiển bơm ballast

Tự đô ̣ng cân bằng tàu

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

Điều khiển lượng ra và bảo vê ̣ bơm ballast

Điều khiển từ xa bằng tay của:

Bơm cứ u hoả - lacanh

Bơm lacanh - cứ u hoả

Bơm cứ u hoả sự cố

Hiển thi ̣ tín hiê ̣u theo những viê ̣c sau:

Đóng mở của từng van

Điều khiển bơm ballast từ khoang điều khiển ballast

Bơm ballast hoạt đô ̣ng

Cho mỗi bơm cứ u hoả

Hê ̣ thống sẽ cung cấp các tín hiê ̣u báo đô ̣ng trong trường hợp có sự cố của

hê ̣ 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 t àu Các két này được bố trí đều nhau dưới đáy tàu từ mũi đến lái Dung tích của các két ballast phu ̣ thuô ̣c vào kích thước của con tàu , ở mỗi một két người ta đều trang bị ống đo, ống thông hơi và các 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

Tín hiệu đầu ra: 4 – 20 mA

Lập trình trên: FSK BUS

Cảm biến có tác dụng cảm biến cả mức nước và nhiệt độ trong két và vì đặc thù là phải nhúng chìm ở trong két nên cảm biến được chế tạo từ chất liệu thép không rỉ và được phủ bề mặt một lớp epoxy Cảm biến có độ tin cậy rất cao vì được xây dựng mọtt cách linh hoạt, đặc biệt thích hợp sử dụng trên môi truờng khắc nghiệt của tàu thuỷ Các chế độ bảo vệ cảm biến cũng rất ưu việt: chế độ ngắt kết 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 dẻo olyamide để bảo vệ

Tín hiệu đầu ra:

Vì môi trường nước biển đi qua đường ống là chứa nhiều tạp chất nên vật liệu thường dùng của đuờng ống là thép tráng men Trên các đường ống luôn đi kèm các van để khống chế đóng mở đường ống một cách thuận tiện Ngoài ra, ở những đường ống thông từ van ra biển có bố trí lớp lưới để giữ lại những cặn bẩn lớn 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 xuyên kiểm tra để kịp thời phát hiện những hỏng hóc như tắc nghẽn, rò rỉ Trong quá trình cân bằng tàu hệ thống mà tắc nghẽn quá trình cân bằng sẽ không thể thực hiện 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 quan trọng trong việc điều khiển và giám sát Hệ thống sử dụng tương đối đầy đủ các loại 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 còn tuỳ thuộc vào yêu cầu điều khiển của tình trạng thực tế của con tàu, với chế độ điều khiển bằng tay thì người điều khiển sẽ quan sát các cơ cấu chỉ báo độ nghiêng của con tàu như độ nghiêng ngang về mạn nào của con tàu (nghiêng bên phải hay nghiêng 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 ấn các nút tác động cấp điện cho các van điện từ mở hay đóng tuỳ thuộc vào các két cần bơm nước vào hay xả nước ra Nếu tàu bị nghiêng bên trái thì bơm nước ở các két bên trái ra và bơm nước vào các két ở bên phải, ngược lại nếu tàu mà bị nghiêng mạn phải thì bơm nước ở các két ở bên phải ra và bơm nước vào các két ở bên 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 bơm nước vào két mũi Trong chế độ cân bằng tàu thì chỉ có hai két chính tham gia vào việc 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 trên biển 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

Tất cả các van 1 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 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 cho cuộn Y20 Cuộn Y20 có điện đóng sẽ mở cửa van và đồng thời đóng tiếp điểm Ye ở V20 đưa tín hiệu đã mở van đến đầu vào (Input) của bảng điều khiển van và hiển thị trên máy tính là van đã được mở

Khi muốn điều khiển cho van đóng, ta đặt tín hiệu đóng van thì khi đó tiếp điểm thường mở ở Output mở ra, cuộn Y20 mất điện Do cấu tạo của van có cuộn lò xo nên 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 xa van (Valve control system) tín hiệu ra ở Output sẽ đóng tiếp điểm thường mở, nguồn được cấp cho cuộn B (cuộn open) Cuộn B có điện đóng tiếp điểm ye ở V36 đưa tín hiệu đã mở van đến đầu vào (Input) của bảng điều khiển van và hiển thị trên máy tính

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 thời đóng tiếp điểm bn ở V36 đưa tín hiệu đã mở van đến đầu vào (Input) của bảng điều khiển 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 Phụ lục 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 van ruột 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 đổi trạng 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 hiện nhờ lực đẩy của lò xo

Nhóm 2: các van tác động kép Nguyên lý chỉ khác van tác động đơn ở quá trình đóng van Khi đóng van sẽ ko phải nhờ lực đẩy của lò xo mà thực hiện đóng van nhờ áp lực của dầu thuỷ lực Van đang ở trạng thái mở muốn đóng van phải tác động 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 van thứ 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 2 nhưng nhóm van này còn được lắp thêm 2 van điều tiết trên 2 đường thuỷ lực của cửa đóng và mở của van có tác dụng giảm áp lực dầu thuỷ lực theo giá trị mong muốn 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 nghiêng thì sẽ có tín hiệu từ bộ phận đo độ nghiêng gửi đến khối xử lí trung tâm và từ đó sẽ gửi tín hiệu điều khiển tới tự động khởi động bơm ballast để bơm chuyển nước từ két 4 trái sang két 4 phải nếu như tàu bị nghiêng sang trái và chuyển từ két 4 phải sang 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 tàu còn 0,5o ( hoặc khi độ nghiêng của tàu còn 1o – do người điều khiển đặt trước) và khi độ nghiêng của tàu lớn hơn 5,5o

thì bơm sẽ dừng hoạt động và có tín hiệu báo động 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 sẽ được đưa vào hoạt động tới khối hiển thị và xử lý trung tâm Giả sử vì một lý do nào 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 tàu thủy Tuy nhiên, chúng có thể được phân thành hai loại chính là cảm biến sử dụng encoder và cảm biến dạng vi cơ điện tử (MEMS – MICRO ELECTRO MECHANICAL 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 giá trị 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 góc quay 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 Trên đĩa có khắc các rãnh cách đều nhau sao cho ánh sáng có thể chiếu qua Hai bên mặt đĩa có các sensor thu và phát ánh sáng Khi đĩa quay, nếu ở vị trí chỗ không có rãnh sẽ ngăn không cho ánh sáng đi qua, ở vị trí có rãnh thì ánh sáng được chiếu xuyên 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 thu nhận 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 trị góc 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 xét vấn 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 sẽ thấy rằng, ở vòng trong cùng, có một rãnh rộng bằng 1/2 đĩa Vòng phía ngoài, sẽ

có 2 rãnh nằm đối diện nhau Như vậy, chúng ta cần 2 cặp sensor thu và phát tương ứng với 2 vòng rãnh

Giả sử ở vòng rãnh thứ nhất (vòng rãnh trong cùng), ánh sáng được chiếu qua 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 giá trị 0

Như vậy, với giá trị là 1 và 0 chúng ta xác định được encoder đang nằm ở góc phần tư nào, cũng có nghĩa là chúng ta quản lý được độ chính xác của đĩa quay đến 1/4 vòng Khi số vòng rãnh tăng lên, tương ứng với độ phân giải của encoder cũng 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 dễ dàng cho người dùng hơn vì chỉ cần đọc giá trị là có thể xác định ngay được vị trí góc 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 tạp hơn

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 lỗ quá nhỏ là không thể thực hiện được Chưa kể rằng việc thiết kế một dãy các cặp sensor thu và phát ánh sáng cho mỗi vòng rãnh cũng ảnh hưởng rất lớn đến kích thước giới hạn này

Tuy nhiên, điều này được khắc phục bằng encoder tương đối một cách khá đơn giản Chính vì vậy, ngày nay đa số người ta sử dụng encoder tương đối trong những 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 quay qua 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 thống sẽ gặp khó khăn Để xác định lại giá trị đếm trong một vòng người ta thêm vào một rãnh định vị để xác định điểm đầu tiên của vòng Với rãnh định vị này, đĩa quay của encoder có dạng như hình 2.4

Như vậy, khi encoder đi ngang qua rãnh định vị này mà số lượng xung đếm được 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 sai lệch 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 đơn giản nhưng có nhược điểm là không xác định được chiều quay Để khắc phục nhược điểm này, người ta thêm vào một vòng rãnh phát xung thứ 2 lệch với vòng rãnh 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 chùm xung cùng phát ra lệnh nhau 90o Tuy nhiên, nếu ta đặt 2 cặp sensor phát và sensor thu 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 một vòng rãnh xung và đặt vị trí các cặp sensor lệch nhau để thu được kết quả theo yêu cầu 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 chính xác của phép đo Do vậy trong phần nội dung tiếp theo sẽ trình bày thêm một phương pháp đo góc dựa trên cảm biến kiểu vi cơ cho phép khắc phục những hạn chế 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 ngày càng 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 Vào cuối những năm 50 của thế kỷ XX, một cuộc cách mạng hoá về công nghệ cỡ micro mét đã diễn ra và hứa hẹn một tương lai cho tất cả các ngành công nghiệp

Hệ thống vi cơ điện tử Microelectromechanical Systems viết tắt là MEMS cũng

đã được ra đời và phát triển trong giai đoạn này

Công nghệ vi cơ đã và đang tiến xa hơn nhiều so với nguồn gốc của nó là công nghiệp bán dẫn MEMS bao gồm những cấu trúc vi cơ, vi sensor, vi chấp hành và vi điện tử cùng được tích hợp trên cùng một chip Một thiết bị MEMS thông thường là một hệ thống vi cơ tích hợp trên một chip mà có thể kết hợp những phần cơ chuyển động với những yếu tố sinh học, hoá học, quang hoặc điện Kết quả là các linh kiện MEMS có thể đáp ứng với nhiều loại tín hiệu vào như: tín hiệu hoá học, ánh sáng, áp suất, rung động, vận tốc, gia tốc Với ưu thế có thể tạo ra những cấu trúc cơ học nhỏ bé tinh tế và nhạy cảm đặc thù, công nghệ vi cơ hiện nay đã cho phép tạo ra những bộ cảm biến, những thiết bị chấp hành được ứng dụng rộng rãi trong cuộc sống Các bộ cảm biến siêu nhỏ và rất tiện ích này đã thay thế cho các thiết bị đo cũ kỹ, cồng kềnh trước đây Song công nghệ 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, các chi tiết vi cơ Mạch vi điện tử được chế tạo trên đế silic do đó xu hướng chung là lợi dụng tối đa vật liệu silic để chế tạo các linh kiện vi cơ theo những kĩ thuật tương 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 một phần, có khi hoàn toàn tách ra khỏi mặt phẳng Mặt khác, các chi tiết vi cơ phải làm 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 ánh sáng, có chỗ cần dẫn điện May mắn là trên cơ sở silic có thể làm ra một số vật liệu đáp ứng được nhu cầu nói trên, ví dụ như oxyt silic (SiO2) cách điện, silic đa tinh 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 mặt silic rồi khắc hình để chỗ này có mặt phản xạ tốt dùng làm gương, chỗ kia có lá kim 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 ở công 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 vật liệu để hình thành chi tiết vi cơ Gọi là gia công nhưng thực ra là dùng các phương pháp 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 sẵn nhờ các mặt nạ che phủ Các dung dịch hoá chất thường dùng đối với silic là các dung dịch axit hoặc hỗn hợp các axit như HF, HNO3, CH3COOH, hoặc KOH Việc ăn mòn có thể là đẳng hướng (ăn mòn đều nhau theo mọi hướng) hoặc dị hướng (có hướng tinh thể ăn mòn nhanh, có hướng chậm)

Ăn mòn khô: ăn mòn khô bằng cách cho khí hoặc hơi hoá chất tác dụng

thường là ở nhiệt độ cao Hình dạng, diện tích hố ăn mòn được xác định theo mặt

nạ đặt lên bề mặt phiến vật liệu Để tăng cường tốc độ ăn mòn có thể dùng sóng điện 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 đa tinh 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 của dầm

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 tan silic) 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 có thể 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 lên trên phiến đó một phiến khác để đậy hố lại Gọi là hàn nhưng thực ra là ép nhiệt trực 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 đồng loạt được Vì vậy ở công nghệ MEMS cách gia công bằng laze thường chỉ dùng để làm 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 chiều như ở các cách khắc hình bình thường Trong phương pháp LIGA người ta dùng chùm 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 bị khoét 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 ta thường dùng lớp chất cảm dày, và tia X mạnh nên tia X có thể đi sâu vào lớp chất cảm đến hàng trăm, thậm chí hàng nghìn micromet nhờ đó sau khi nhúng vào dung 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 góp phần không nhỏ vào sự phát triển đời sống xã hội

Cảm biến vi cơ ngày càng nhanh hơn, nhạy hơn, nhẹ hơn, rẻ hơn và có độ tin cậy cao chưa từng có so với các cảm biến chế tạo theo công nghệ điện tử

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

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

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 cân bằng Theo định luật II Newton, trong hệ quy chiếu quán tính đứng yên, lực F này cung 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

trong hệ quy chiếu quán tính đứng yên

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 khoảng dịch chuyển này, người ta có thể sử dụng thuộc tính điện của tụ điện có hai bản cực song song có khoảng cách giữa hai bản tụ có thể thay đổi được

Điện dung của tụ điện đơn là:

0 0

,

x x

k C

x x

x C C

x x

x C

0, (2.8)

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 tụ điện 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 độ tin cậy cao Do vậy t rong đề tài này, nhóm tác giả đặc biệt quan tâm đến khả năng ứng dụng của cảm biến gia tốc vi cơ điện tử vào thiết bị đo góc thay thế cho encoder

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