Nội dung của bài viết này trình bày về thiết kế hệ đo đặc trưng của vi cảm biến vận tốc góc. Vi cảm biến vận tốc góc được sử dụng là kiểu Tuning Fork trên cơ sở công nghệ vi cơ điện tử MEMS (thiết kế chế tạo tại Viện ITIMS). Hệ đo gồm có các mô đun tốc độ góc, mô đun chuyển đổi C-V (MS3110) và mô đun thu thập dữ liệu USB-6009 kết nối với máy tính xử lý dữ liệu bởi phần mềm LabvieW.
Đo lường – Tin học HỆ ĐO ĐẶC TRƯNG ĐIỆN CỦA VI CẢM BIẾN VẬN TỐC GÓC KIỂU TUNING FORK Nguyễn Ngọc Minh, Nguyễn Quang Long, Chu Mạnh Hoàng, Vũ Ngọc Hùng* Tóm tắt: Nội dung báo trình bày thiết kế hệ đo đặc trưng vi cảm biến vận tốc góc Vi cảm biến vận tốc góc sử dụng kiểu Tuning Fork sở công nghệ vi điện tử MEMS (thiết kế chế tạo Viện ITIMS) Hệ đo gồm có mơ đun tốc độ góc, mơ đun chuyển đổi C-V (MS3110) mô đun thu thập liệu USB-6009 kết nối với máy tính xử lý liệu phần mềm LabvieW Trong hệ đo có sử dụng truyền động quay động servo có điều khiển tốc độ thời gian quay Vận tốc góc cần đo có tỷ lệ với điện dung cảm ứng đầu vi cảm biến vận tốc góc, điện dung chuyển đổi tỷ lệ sang điện áp ta tính tốn vận tốc góc cần đo Trong q trình nghiên cứu, hệ đo xây dựng thành cơng có kết thực nghiệm Q trình thực nghiệm đo cho thấy quan hệ vận tốc góc cần đo -200÷200 (deg/s) điện áp đầu chuyển đổi tuyến tính Từ khóa: Vi cảm biến vận tốc góc; MS3110; Ni-USB6009; Servo motor ĐẶT VẤN ĐỀ Trong khoảng 30 năm trở lại đời phát triển công nghệ MEMS, lĩnh vực công nghệ cao (Hi-tech) tạo cách mạng khoa học kỹ thuật công nghệ chế tạo linh kiện cảm biến (sensors) chấp hành (actuators) phạm vi kích thước milimet Ưu điểm vượt trội cảm biến loại độ nhạy cao, kích thước nhỏ gọn, tiêu thụ lượng Cảm biến vận tốc góc (hay quay vi cơ) có ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực công nghiệp chế tạo ô tô chống trượt đổ xe [1] Trong thiết bị dân dụng ổn định máy ảnh số điện thoại di động, chuột quán tính cho thiết bị cầm tay [2] Đặc biệt, phát triển quay vi có độ nhạy độ ổn định cao yêu cầu thiết yếu cho ứng dụng lĩnh vực công nghiệp robot quân sự, bao gồm thiết bị định vị quán tính công nghiệp hàng không vũ trụ [3] Cảm biến vận tốc góc nhóm chúng tơi nghiên cứu, mô với kết tốt chế tạo thành công Viện ITIMS Để khảo sát đặc trưng đánh giá chất lượng cảm biến sau chế tạo bước quan trọng Đó yêu cầu thách thức Sau thời gian nghiên cứu xây dựng nhóm thành cơng hệ đo đặc trưng cho cảm biến sau chế tạo Trong báo này, chúng tơi trình bày thiết kế hệ đo đặc trưng tần số, đầu vào đáp ứng tốc độ góc quay âm thoa trục - Z với cấu trúc lược Hệ đo có khả phân tích tín hiệu miền thời gian miền tần số sử dụng phép biến đổi fourier Với việc tính hàm mật độ phổ lượng ta biết tín hiệu tập chung tần số Độ nhạy hệ số Q xác định thực nghiệm CẢM BIẾN VẬN TỐC GÓC KIỂU TUNING FORK Con quay vi kiểu âm thoa (Tuning Fork Gyroscope) hoạt động dựa hiệu ứng Coriolis Cấu trúc quay vi xem hệ thống động lực bậc tự bao gồm khối gia trọng, phận đàn hồi phận giảm chấn Khối gia trọng với khối lượng m đồng thời tham gia chuyển động thẳng với vận tốc v chuyển động quay với vận tốc góc chịu tác dụng lực Coriolis: 354 N N Minh, …, V N Hùng, “Hệ đo đặc trưng điện vi cảm biến … kiểu Tuning Fork.” Nghiên cứu khoa học công nghệ Fc 2m[.v ] (1) Lực Coriolis tỷ lệ với tích véctơ vận tốc dài v vận tốc góc Trong nghiên cứu này, mơ hình thiết kế quay vi kiểu âm thoa trục z đề xuất (hình 1) Hình Sơ đồ cấu trúc vi cảm biến vận tốc góc kiểu âm thoa Khi đồng thời tham gia chuyển động quay với vận tốc góc theo phương z vng góc với mặt phẳng khối gia trọng, hệ khung gia trọng bên chịu tác dụng lực Coriolis dịch chuyển theo phương y mặt phẳng chứa khung gia trọng dẫn tới làm thay đổi giá trị điện dung hệ tụ cảm ứng Trong mơ hình thiết kế này, thay đổi điện dung cho điện cực đặt với N lược bên tính sau: C N tL Y g2 (2) Trong đó, Y dịch chuyển điện cực theo hướng chuyển động Hình Vi cảm biến vận tóc góc Gyroscope Cảm biến chế tạo xong hàn dây tín hiệu vào đóng gói hộp nhựa mica mơi trường khí (hình 2) SƠ ĐỒ HỆ ĐO Sơ đồ khối hệ đo Hình Hệ đo đặc trưng cảm biến Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san FEE, 08 - 2018 355 Đo lường – Tin học Để xác định đặc trưng cảm biến sử dụng động servo loại VRSF25C-200 TAMAGAWA làm động tạo vận tốc góc (hình 4) Động điều khiển driver TYB201D3-VVT2 Trên trục động có gắn đĩa tròn, sau gắn cảm biến, chuyển đổi C/V DAQ đĩa Khi động quay tạo vận tốc góc theo trục z cảm biến Hình Động servo có điều khiển tạo vận tốc góc Để xử lý thu thập liệu cho đặc trưng xây dựng hệ đo với khả điều khiển hiển thị thông số máy tính H.4: Cảm biến cấp nguồn DC AC từ nguồn DC máy phát hàm Động servo điều khiển driver làm thay đổi vận tốc góc, điện dung đầu cảm biến đưa qua chuyển đổi C/V MS3110 chuyển đổi hiệu chỉnh thơng số phần mềm ms3110prg máy tính Tín hiệu đầu bo mạch MS3110 điện áp đưa qua card thu thập liệu USB6009 sử lý kiệu phần mềm Labview máy tính Trong đó: Khối chuyển đổi tín hiệu MS3110 [4] có nhiệm vụ chuyển đổi điện dung từ cảm biến thành điện áp (C/V) phát đến femtoFarad, cụ thể với độ phân giải 4.0aF/rtHz Hình cho thấy nhìn tổng quan bo mạch chuyển đổi MS3110 Trong mạch Jumper J3 dùng làm kết nối IC với cảm biến Bo mạch hiệu chỉnh thơng qua cổng kết nối song song Hình Bo mạch chuyển đổi C/V MS3110 sơ đồ kết nối Sơ đồ khối chức Hình Sơ đồ khối chức bo mạch MS3110BD MS3110 cảm nhận thay đổi điện dung hai tụ cung cấp điện áp đầu tỷ lệ thuận với thay đổi Các tụ điện để cảm nhận cặp cân bên 356 N N Minh, …, V N Hùng, “Hệ đo đặc trưng điện vi cảm biến … kiểu Tuning Fork.” Nghiên cứu khoa học công nghệ CS1IN CS2IN Điện áp đầu quan hệ với thay đổi tụ cảm biến CS2T CS1T theo sau đây: V0 = GAIN*V2P25*1.14*(CS2T-CS1T)/CF + VREF Ta điều chỉnh phần mềm để đạt thay đổi điện dung cảm biến 1pF tương ứng điện áp đầu 1mV Khối thu thập liệu USB-6009 [5]: Card thu thập dự liệu NI USB-6009 có đầu vào analog, đầu tương tự, 12 đầu vào/ kỹ thuật số 32-bit truy cập Tốc độ lấy mẫu tối đa đầu vào tương tự 48 kS/s Tốc độ mẫu vào đầu tương tự 150 S/s khơng thể thay đổi đầu vào analog có độ phân giải 14-bit đầu analog có độ phân giải 12-bit Giao diện USB cho phép chuyển đổi tốt dễ dàng kết nối với máy PC Hình dáng bên ngồi card hình Hình Card thu thập liệu NI USB-6009 Điện áp tối đa kết nối với đầu vào analog từ -20 V đến 20 V (thông số kỹ thuật thẻ nói -10 V đến 10 V, thực tế -20 đến 20 V kết nối) Analog đầu điện áp 0-5 V khơng thể thay đổi Card kết nối với máy tính thơng qua cổng USB Tại đầu vào kỹ thuật số kết nối với điện áp 0-5 V đầu kỹ thuật số cho V Card có đếm cho điện áp 0-5 V với tần số tối đa MHz Tín hiệu thu thập đưa vào máy tính hiển thị tín hiệu, dạng tín hiệu qua lọc phân tích phổ tín hiệu FFT Hình Chương trình đo hiển thị máy tính MT xử lý tín hiệu hiển thị Máy sóng MT điều khiển bo MS3110 Network Analyzer Máy phát hàm Nguồn DC Driver DAQ USB6009 MS3110 Sensor Servo motor Hình Hệ đo đặc trưng Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san FEE, 08 - 2018 357 Đo lường – Tin học KẾT QUẢ KHẢO SÁT ĐẶC TRƯNG Sau thực khảo sát vi cảm biến vận tốc góc mơi trường áp suất khí kết đạt biểu diễn với hai đặc trưng Hai đặc điểm đáp ứng tần số cộng hưởng kích thích, cảm ứng đầu vào đáp ứng tốc độ góc Các tần số cộng hưởng cảm biến thông tin quan trọng Vì cảm biến cần thiết để hoạt động theo điều kiện cộng hưởng, tần số cộng hưởng phải xem xét trước Ngoài ra, tần số cộng hưởng chế độ kích thích cảm ứng biết, băng thông hoạt động cảm biến xác định Khi tần số tự nhiên biết, đặc tính cảm biến liên tục khảo sát phản ứng tốc độ góc đầu vào cách sử dụng lực tĩnh điện kích thích điều khiển tốc độ góc 4.1 Tần số đáp ứng Trong báo thực nghiệm cảm biến freestanding gyroscope loại 10kHz Với điện áp chiều 5VDC 5VAC sử dụng Tần số đáp ứng chế độ cảm ứng 11125 Hz Kết hợp lý cấu trúc thực tương ứng so với mơ hình mơ Hình 10 Tần số đáp ứng chế độ cảm ứng 4.2 Đáp ứng tốc độ góc Từ giá trị tần số tự nhiên thu được, khảo sát thứ hai - đo tốc độ góc thực Đối với khảo sát này, điện áp 5VDC đặt lên khối gia trọng điện áp 5VAC biên độ với tần số khoảng 11108 Hz đến 11125 Hz Bo mạch MS 3110 thiết lập điện dung thay đổi 1pF đầu vào đầu thay đổi 1mV Trong động servo điều khiển thay đổi tốc độ góc khoảng 0-200°/s, đáp ứng đầu cảm ứng quay vi 10 kHz thể hình 11 Độ nhạy cảm biến 10kHz thu 4.39e-4 V/°/s Hình 11 Đặc trưng vận tốc góc đầu vào hàm điện áp đầu vi cảm biến vận tốc góc 10kHz 358 N N Minh, …, V N Hùng, “Hệ đo đặc trưng điện vi cảm biến … kiểu Tuning Fork.” Nghiên cứu khoa học công nghệ KẾT LUẬN Hệ đo đặc trưng vi cảm biến vận tốc góc kiểu tuning fork xây dựng Hệ đo khảo sát đặc trưng hoạt động vi cảm biến vận tốc góc kiểu Tuning Fork 10kHz chế tạo Viện ITIMS Các kết thực nghiệm đạt tần số hoạt động 11,12 kHz độ nhạy 4.39x10-4 V/°/s Đặc tính kỹ thuật: - Kích thước: 4554 m x 3935 m - Độ nhạy: 0,44 mV/0/s - Điện áp kích thích: 5VDC; 5VAC Lời cảm ơn: Cơng trình nghiên cứu thực với tài trợ chương trình NAFOSTED, Bộ Khoa học & Công nghệ, khuôn khổ đề tài nghiên cứu mã số 103.99- 2014.34 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] J Classen et al, “MEMS gyroscopes for automotive applications In Advanced Microsystems for Automotive Applications”, Springer: Berlin, Germany, 2007; pp 291-306 [2] M Keim et al, “Bosch angular rate sensorsadvanced sensor technology for innovative applications”, Proc Commercialization of Microsystems, COMS 2003 [3] M.S Grewal et al, “Global Positioning Systems, Inertial Navigation and Integration”, John Wiley & Sons: Hoboken, NJ, USA, 2001 [4] Irvine Sensors Corporation, “MS3110 universal capacitive readoutTM IC data sheet”, May 2004 [5] National Instruments, “NI USB-6008/6009 User Guide” ABSTRACT MEASURING SYSTEM ELECTRIC CHARACTERISTICS OF GYROSCOPE TUNING FORK The content of this paper is about the design of the measuring system of the angular velocity sensor The angular velocity sensor used is a tuning fork based on MEMS microelectronic technology (designed and manufactured by ITIMS) Measurements include angular velocity modules, C-V conversion module (MS3110) and USB-6009 data acquisition module connected to computer data processing by LabvieW software In the measurement system using rotary actuators with servo motors with speed control and rotation time The angular velocity to be measured will be proportional to the output capacitance of the angular velocity sensor, and the capacitance converted to the voltage will calculate the angular velocity to be measured In the course of the study, the system was successfully developed and there were experimental results Experimental measurements show that the relationship between the angular velocity measured -200 ÷ 200 (deg/s) and the output voltage of the converter is linear Keywords: Gyroscope tuning fork; MS3110; Ni-USB6009; Servo motor Nhận ngày 01 tháng năm 2018 Hoàn thiện ngày 10 tháng năm 2018 Chấp nhận đăng ngày 20 tháng năm 2018 Địa chỉ: Viện ITIMS, Đại học Bách khoa Hà Nội, số 01 Đại Cồ Việt, Hà Nội * Email : hungvungoc@itims.edu.vn Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san FEE, 08 - 2018 359 ... công nghệ KẾT LUẬN Hệ đo đặc trưng vi cảm biến vận tốc góc kiểu tuning fork xây dựng Hệ đo khảo sát đặc trưng hoạt động vi cảm biến vận tốc góc kiểu Tuning Fork 10kHz chế tạo Vi n ITIMS Các kết... 11 Đặc trưng vận tốc góc đầu vào hàm điện áp đầu vi cảm biến vận tốc góc 10kHz 358 N N Minh, …, V N Hùng, Hệ đo đặc trưng điện vi cảm biến … kiểu Tuning Fork. ” Nghiên cứu khoa học công nghệ... động Hình Vi cảm biến vận tóc góc Gyroscope Cảm biến chế tạo xong hàn dây tín hiệu vào đóng gói hộp nhựa mica mơi trường khí (hình 2) SƠ ĐỒ HỆ ĐO Sơ đồ khối hệ đo Hình Hệ đo đặc trưng cảm biến Tạp