Nghiên cứu thiết kế mô phỏng cảm biến vận tốc góc dạng khí hai bậc tự do hoạt động dựa trên hiệu ứng dòng xả Corona

Bài viết này trình bày về thiết kế mô phỏng một cấu hình cảm biến vận tốc góc dạng khí hai bậc tự do hoạt động dựa trên hiệu ứng dòng xả corona. Một cấu hình ba cặp điện cực kim – vòng được đề xuất để tạo ra một luồng gió ion ổn định trong buồng làm việc của cảm biến.

Kỹ thuật Điện tử – Vật lý – Đo lường NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MÔ PHỎNG CẢM BIẾN VẬN TỐC GĨC DẠNG KHÍ HAI BẬC TỰ DO HOẠT ĐỘNG DỰA TRÊN HIỆU ỨNG DÒNG XẢ CORONA Trần Văn Ngọc1*, Đậu Thành Văn2, Nguyễn Thu Hằng3, Chử Đức Trình3, Bùi Thanh Tùng3 Tóm tắt: Bài báo trình bày thiết kế mơ cấu hình cảm biến vận tốc góc dạng khí hai bậc tự hoạt động dựa hiệu ứng dịng xả corona Một cấu hình ba cặp điện cực kim – vòng đề xuất để tạo luồng gió ion ổn định buồng làm việc cảm biến Khi có vận tốc góc tác dụng, luồng gió ion bị lệch tỷ lệ với vận tốc góc tác dụng Độ lệch luồng gió ion cảm nhận dây nhiệt điện trở đặt vị trí thích hợp để đo vận tốc góc tác dụng theo hai trục Cảm biến thiết kế phần mềm 3D Solidword mô số hoạt động cảm biến Bằng cách sử dụng luồng gió ion, cảm biến vận tốc góc khơng có phận dao động, nhỏ gọn chắn, đó, có độ bền học cao tiêu thụ lượng Từ khóa: Cảm biến qn tính; Gió ion; Cảm biến vận tốc góc dạng khí; Lực tĩnh điện thủy động lực học ĐẶT VẤN ĐỀ Cảm biến vận tốc góc hay quay hồi chuyển cảm biến qn tính đo tốc độ góc tốc độ quay Con quay hồi chuyển có lịch sử lâu đời nhiều ứng dụng, ví dụ máy bay, vệ tinh, ô tô, điện thoại di động, máy ảnh điều khiển trò chơi điện tử, dẫn đường, quân sự, Cảm biến quán tính với dao động khối tham chiếu, có hiệu suất đo lường cao kế thừa tiến gần thiết kế công nghệ chế tạo, dễ bị hư hỏng rung/dao động thành phần khối quán tính Cảm biến vận tốc góc dạng khí hoạt động sử dụng luồng khí để cảm nhận lực Coriolis sinh vận tốc góc tác dụng lên cảm biến Với cảm biến dạng này, việc tích hợp vi bơm để tạo luồng gió cảm biến rào cản kỹ thuật với nhà khoa học Vì vậy, hướng nghiên cứu thu hút nhiều cách tiếp cận khác [1-5] Một số nghiên cứu gần tạo luồng gió dựa nguyên lý phóng điện corona cách đặt điện áp cao điện cực phóng điện điện cực tham chiếu [6] Phương pháp không yêu cầu phận dao động, đó, có số ưu điểm giá thành tiêu thụ lượng thấp, nhỏ gọn chắn hoạt động đơn giản so với phương pháp khác bơm khơng khí [7] dao động pít tơng [8] Trong nghiên cứu này, chúng tơi trình bày cảm biến vận tốc góc kiểu khí với luồng khí tạo ba cặp điện cực kim – vòng thiết kế để tạo luồng gió ion lưu thơng tuần hồn ổn định bên cảm biến Trước tiên, thiết kế nguyên lý hoạt động cảm biến trình bày Mơ số hoạt động luồng gió ion khơng gian 3D nghiên cứu mô sử dụng OpenFOAM Nguyên mẫu cảm biến chế tạo đánh giá thực nghiệm THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA CẢM BIẾN 2.1 Cấu tạo chế hoạt động cảm biến Cấu tạo cảm biến trình bày hình Hệ thống gồm ba kênh tạo gió ion hình trụ (4) tạo luồng gió đối xứng kết hợp với trước thổi vào buồng làm việc /buồng cảm biến (6) qua vòi phun (5) tâm thiết bị Gió ion tạo kênh cặp điện cực kim – vòng Kim (1) điện cực hình trụ có đường kính 0.4 mm với bán kính đầu kim 80 µm bố trí cách điện cực vòng (2) 172 T V Ngọc, …, B T Tùng, “Nghiên cứu thiết kế mô … hiệu ứng dịng xả corona.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ khoảng cách mm Trong buồng cảm biến bố trí dây nhiệt điện trở (7) để cảm nhận luồng gió Kích thước (đường kính×chiều dài) buồng gió ion buồng làm việc cảm biến mm × 10 mm 12 mm × 15 mm Tại phía cuối buồng cảm biến điện cực vịng (3) bố trí để trung hịa điện tích dư gió ion gây Hình Cấu tạo cảm biến Khi có vận tốc góc tác dụng vào cảm biến, luồng gió tổng hợp bị lệch lực Coriolis tác động vào dây nhiệt điện trở (7) Vận tốc góc tăng truyền nhiệt cảm biến luồng khơng khí tăng đó, dây nhiệt điện trở nguội đi, dẫn đến điện trở giảm điện áp dây nhiệt điện trở giảm (khi trì dòng điện cố định qua điện trở) Dựa vào thay đổi điện áp này, vận tốc góc tác động vào cảm biến xác định Khi cấp nguồn cao áp đến điện cực kim vịng, gió ion tạo Vận tốc trung bình gió ion xác định dựa dịng điện phóng [12] là: (1) đó, độ linh động ion, mật độ khơng khí, dịng điện phóng , hệ số phụ thuộc vào không gian phóng điện cực khoảng cách điện cực theo [13] Luồng khí bị lệch gia tốc Coriolis chịu tác động quay với vận tốc góc (2) Độ lệch luồng khí khoảng cách L tính từ vịi phun xác định sau: (3) Với gia tốc Coriolis, vận tốc trung bình gió ion, vận tốc góc, L khoảng cách từ vòi phun Giả sử β gradient vận tốc gió ion bị lệch độ lệch luồng gió ion chuyển thành vận tốc dịng khí: (4) Từ (1) (4) ta có: (5) Tạp chí Nghiên cứu KH&CN qn sự, Số Đặc san Hội thảo Quốc gia FEE, 10 - 2020 173 Kỹ thuật Điện tử – Vật lý – Đo lường Độ lệch luồng gió thay đổi làm cho tác động luồng gió thổi vào dây nhiệt điện trở thay đổi dẫn đến nhiệt độ dây thay đổi điện trở dây thay đổi Kết cầu cân có điện áp (cơng thức 6) với dòng điện cố định cấp đến dây nhiệt điện trở (6) Với tính theo phương trình cân nhiệt: (7) Ở đây, hệ số nhiệt điện trở, (l chiều dài dây, đường kính dây) diện tích bề mặt dây nhiệt điện trở, điện trở nhiệt độ , A B hệ số thu từ hiệu chuẩn, phụ thuộc vào tính chất hình học dây tham số khơng khí 2.2 Mơ hoạt động cảm biến Mơ hình cảm biến hình xây dựng để phân tích đặc tính luồng gió hệ thống Mơ hình mơ đa vật lý (multiphysics) thực hiện, liên quan đến (i) điện trường mạnh gây di chuyển ion bên vùng điện cực; (ii) tương tác gió ion luồng khơng khí kênh gió ion; (iii) chuyển động luồng khơng khí cảm biến vận tốc góc Luồng gió ion tạo điện cực kim di chuyển ảnh hưởng điện trường làm trơi dịng khí cảm biến Bỏ qua dẫn khuếch tán ion khơng khí, trạng thái ổn định mật độ điện tích gió ion gây trơi ion ( ) đối lưu ion ( ) cho phương trình bảo tồn điện tích định luật Gauss, tương ứng sau: , (8) (9) , Với độ linh động hạt điện tích, vận tốc khơng khí hạt điện tích chuyển động số điện môi không khí Điện trường hàm điện viết Phóng điện corona thiết lập điều kiện biên điện cực với giả thiết mật độ điện tích bề mặt điện cực xác định hàm dịng điện phóng I từ đường đặc tuyến I-V thực nghiệm (10) Trong biểu thức trên, A tổng diện tích đầu phát xạ điện cực tạo điện trường có cường độ lớn mức khởi tạo Eon = 3.23×106 V/m [14] Điện cấp đến điện cực kim điện cực vòng V Mối quan hệ Townsend I-V có hiệu cấu hình kim – vịng trình bày [15, 16] Trong kênh, luồng khơng khí tạo từ hệ thống trạng thái ổn định không nén Do đó, mặt lưu chất, dịng chảy tính tốn dịng chất lỏng Newton khơng nén trạng thái ổn định hệ phương trình Navier-Stokes phương trình liên tục tương ứng sau: , , 174 (11) (12) T V Ngọc, …, B T Tùng, “Nghiên cứu thiết kế mơ … hiệu ứng dịng xả corona.” Nghiên cứu khoa học công nghệ Thành phần phương trình (4) gia tốc Coriolis khung quay với vận tốc góc , áp suất, mật độ khơng khí, độ nhớt động học, lực Coulomb cho bởi: , (13) Vì luồng khơng khí hệ thống tự tạo, khơng có điều kiện lưu lượng cụ thể áp dụng ngoại trừ điều kiện không thấm điện cực tường kênh Chi tiết điều kiện biên với chia lưới miền trình bày hình Giải phương trình (1)-(6) với điều kiện biên thu phần mềm mô phần tử hữu hạn số OpenFOAM [17] Hình Mơ hình mơ chia lưới điều kiện biên KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Các kết mô Hình Mơ mặt cắt luồng gió ion tạo tuần hồn cảm biến Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Hội thảo Quốc gia FEE, 10 - 2020 175 Kỹ thuật Điện tử – Vật lý – Đo lường Khi đặt điện áp cao đến cặp điện cực kim – vòng, tác dụng điện trường mạnh, ion tạo xung quanh đầu kim có độ cong cao (đầu nhọn) Mỗi ion chịu lực đẩy tĩnh điện Coulomb di dời khỏi vùng ion hóa vào khu vực (drift) Trong khu vực này, ion va chạm với phân tử khơng khí trung hòa, truyền động sau va chạm trơi dạt khơng khí Tổng lực tĩnh điện vùng drift gọi lực tĩnh điện thủy động lực học (electrohydrodynamic - EHD) chuyển động luồng khí mang hạt điện tích thường gọi gió ion (ion wind) Mơ hình mơ thể điện trường mạnh gây di chuyển ion bên vùng điện cực tương tác gió ion với luồng khơng khí kênh tạo gió ion riêng hình Gió ion tạo hiệu ứng dịng xả corona điện cực kim-vòng di chuyển qua kênh Kết mô chứng tỏ luồng gió ion tạo hiệu ứng corona từ đầu kim di chuyển tuần hồn qua ba kênh gió ion để thiết lập luồng gió ổn định thiết bị Khi cảm biến không chịu tác động quay, luồng gió buồng làm việc cảm biến đối xứng phân bố dọc theo trục buồng làm việc hay trục luồng khí - trục z (hệ trục tọa độ quy ước hình 2) Khi cảm biến chịu tác động quay với vận tốc góc ngược chiều kim đồng hồ luồng khí tác động lực Coriolis bị lệch khỏi trục buồng làm việc (trục z) hướng phía dương trục Mơ cảm biến thực cho cảm biến chịu tác động vận tốc góc quanh trục với vận tốc = 100 vòng/phút theo hướng ngược chiều kim đồng hồ khảo sát đường biên vận tốc gió ion theo hai trục khoảng L=5, 7, 9, 11 mm điểm cách vịi phun Hình Các kết mơ vận tốc gió ion theo trục x (đường màu đen) trục y (đường màu đỏ) năm vị trí (L = 5, 7, 11) mm tính từ vịi cảm biến quay với vận tốc = 100 vòng/phút quanh trục x Kết mơ hình rằng, thiết bị quay quanh trục cấu hình dịng phản lực đối xứng điểm đo hai hướng Ngoài ra, đường biên vận tốc gió ion theo trục , (đường màu đen) giảm dần vị trí cách xa vịi phun Cụ thể giá trị vận tốc gió ion vị trí vịi phun L = mm có giá trị khoảng cách L = mm giá trị vận tốc gió giảm xuống 176 T V Ngọc, …, B T Tùng, “Nghiên cứu thiết kế mơ … hiệu ứng dịng xả corona.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ cịn Đặc biệt đồ thị cho thấy giá trị cực đại (hay vận tốc lớn tâm luồng khí) cảm biến chịu tác động vận tốc góc = 100 vịng/phút quanh trục khơng thay đổi Nghĩa là, luồng khí khơng bị lệch đối so với trục Điều có ý nghĩa lớn, cho thấy với thiết kế đề xuất, luồng gió tác động đến hai dây nhiệt điện trở đặt trục Đối với đường phân bố vận tốc gió ion theo trục , (đường màu đỏ) giảm dần vị trí cách xa vịi phun Nhưng ta thấy luồng khí bị lệch khỏi trục ban đầu, vị trị xa vòi phun độ lệch luồng khí lớn cảm biến chịu tác động vận tốc góc = 100 vịng/phút quanh trục Do đó, thiết bị quay quanh trục vận tốc luồng gió hai dây nhiệt điện trở (xem hình 2) thay đổi theo xu hướng trái ngược nhau, đó, vận tốc gió hai dây nhiệt điện trở Từ thay đổi vận tốc gió dây nhiệt điện trở dẫn đến điện trở thay đổi bố trí dây nhiệt điện trở thành cầu Wheatstone ta có điện áp đầu cầu cân bằng, đó, tính vận tốc góc tác động vào cảm biến 3.2 Nghiên cứu thực nghiệm Nguyên mẫu cảm biến chế tạo phương pháp tạo mẫu nhanh in 3D (Objet500 Connex3, Stratasys Ltd.) (xem hình 5) Ba cặp điện cực kim – vịng thép có kích thước phù hợp với tham số mô nối với nguồn cao áp (Glassman EH10R10) Dây nhiệt điện trở Vonfram bố trí buồng làm việc cảm biến, cách vị trí vịi phun mm Cảm biến lắp đóng gói kín mơi trường khơng khí điều kiện phịng thí nghiệm Hình Kết thực nghiệm biểu diễn điện áp lối cảm biến theo thời gian Hoạt động cảm biến kiểm chứng thực nghiệm sử dụng bàn xoay với tốc độ điều khiển (Model 120-HS/ARC100 - Accutronics Ltd.) Đồ thị hình biểu diễn điện áp lối cảm biến theo thời gian với tốc độ quay khác bàn xoay chuẩn Kết thực nghiệm cho thấy, lối cảm biến tỷ lệ tuyến tính với vận tốc góc thiết lập bàn xoay với độ lặp lại cao thể lối cảm biến thay đổi không đáng kể tương ứng với tốc độ bàn xoay chiều tăng tốc (nửa bên trái đồ thị) giảm tốc (nửa bên phải đồ thị) Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Hội thảo Quốc gia FEE, 10 - 2020 177 Kỹ thuật Điện tử – Vật lý – Đo lường KẾT LUẬN Trong báo cáo này, chúng tơi trình bày thiết kế mơ cảm biến vận tốc góc dạng khí hai bậc tự hoạt động dựa hiệu ứng dòng xả corona Mơ hình tốn học cảm biến xây dựng Mơ số thực tạo luồng gió ion cấu hình ba cặp điện cực kim – vịng cấp nguồn cao áp Kết mô số hữu ích việc tối ưu hóa tham số thiết bị Nguyên mẫu cảm biến chế tạo hoạt động cảm biến nghiên cứu thực nghiệm Các kết ban đầu cho thấy, cảm biến vận tốc góc dạng khí dựa hiệu ứng dịng xả corona với ưu điểm khơng u cầu thành phần rung động có tiềm ứng dụng rộng rãi ứng dụng khác dân quân TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] P T Hoa, T X Dinh, and V T Dau, “Design study of multidirectional jet flow for a triple-axis fluidic gyroscope,” IEEE Sens J., vol 15, no 7, pp 4103–4113, 2015 [2] X F Leng, J H J Y Zhang, Y Jiang, J H J Y Zhang, X C Sun, and X G Lin, “Theory and experimental verification of spiral flow tube-type valveless piezoelectric pump with gyroscopic effect,” Sensors Actuators, A Phys., vol 195, pp 1–6, 2013 [3] G Kock, P Combette, B Chariot, A Giani, M Schneider, and C Gauthier-Blum, “Study and realization of a fluidic thermal gyrometer,” Symp Des Test, Integr Packag MEMS/MOEMS, DTIP 2017, pp 1–5, 2017 [4] V T Dau, T X Dinh, C D Tran, P N Bui, D D Vien, and H T Phan, “Fluidic mechanism for dual-axis gyroscope,” Mech Syst Signal Process., vol 108, 2018 [5] K Tanaka, T Van Dau, R Sakamoto, T X Dinh, D V Dao, and S Sugiyama, “Fabrication and basic characterization of a piezoelectric valveless micro jet pump,” Jpn J Appl Phys., vol 47, no 11, pp 8615–8618, 2008 [6] T X Dinh, D B Lam, and V T Dau, “Jet flow in a circulatory miniaturized system using ion wind,” Mechatronics, vol 47, no September, pp 126–133, 2017 [7] T M Dauphinee, “Acoustic Air Pump,” Rev Sci Instrum., vol 28, no 6, p 452, Dec 1957 [8] E P Mednikov, B G Novitskii, E P Mednikov, and B G Novitskii, “Experimental study of intense acoustic streaming,” Akust Zhurnal, vol 21, pp 245–249, 1975 [9] N T Van et al., “A circulatory ionic wind for inertial sensing application,” IEEE Electron Device Lett., vol 40, no 7, pp 1182–1185, 2019 [10] “Gas rate gyro.pdf.” [11] Y Z Yongyao Cai., “Ion discharge gyroscope,” 2012 [12] M Robinson, “Movement of Air in the Electric Wind οf the Corona Discharge,” Trans Am Inst Electr Eng., 1961 [13] L Li, S J Lee, W Kim, and D Kim, “An empirical model for ionic wind generation by a needle-to-cylinder dc corona discharge,” J Electrostat., vol 73, pp 125–130, 2015 [14] M Robinson, “Movement of air in the electric wind of the corona discharge,” Trans Am Inst Electr Eng Part I Commun Electron., vol 80, no 2, pp 143–150, 1961 [15] P Giubbilini, “The current-voltage characteristics of point-to-ring corona,” J Appl Phys., vol 64, no 7, pp 3730–3732, 1988 [16] V T Dau, T X Dinh, C D Tran, T T Bui, and H T Phan, “A study of angular rate sensing by corona discharge ion wind,” Sensors Actuators, A Phys., vol 277, pp 169–180, 2018 [17] OpenFOAM®, “OpenFOAM® | The OpenFOAM Foundation,” 2016 178 T V Ngọc, …, B T Tùng, “Nghiên cứu thiết kế mơ … hiệu ứng dịng xả corona.” Nghiên cứu khoa học công nghệ ABSTRACT DESIGN AND SIMULATION OF A TWO-AXIS GAS GYROSCOPE WORKING BASED ON CORONA DISCHARGE ION WIND In this paper, a gas gyroscope working based on corona discharge is presented A multiple point-ring electrodes configuration is proposed to generate an ion jet flow for inertial sensing applications When being rotated the ion jet flow is deflected proportional to the applied angular rate The deflection of the ion jet flow is felt by the thermistor element designed at appropriate locations downstream the ion jet flow to measure the angular rate in two axes The sensor was simulated by the finite element method (FEM) and its performance was investigated Owing to the ion wind approach and new configuration, the present device does not require any vibrating component Hence, the device is robust, cost-effective and consumes low power Keywords: Inertial sensor; Ionic wind; Gas gyroscope; Electrohydrodynamic Nhận ngày 20 tháng năm 2020 Hoàn thiện ngày 05 tháng 10 năm 2020 Chấp nhận đăng ngày 05 tháng 10 năm 2020 Địa chỉ: 1Viện Tên lửa, Viện Khoa học Công nghệ quân sự; Trường Đại học Griffit, Australia; Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội * Email: tvngoc84@gmail.com Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Hội thảo Quốc gia FEE, 10 - 2020 179 ... Đo lường KẾT LUẬN Trong báo cáo này, chúng tơi trình bày thiết kế mơ cảm biến vận tốc góc dạng khí hai bậc tự hoạt động dựa hiệu ứng dịng xả corona Mơ hình tốn học cảm biến xây dựng Mô số thực... áp Kết mơ số hữu ích việc tối ưu hóa tham số thiết bị Nguyên mẫu cảm biến chế tạo hoạt động cảm biến nghiên cứu thực nghiệm Các kết ban đầu cho thấy, cảm biến vận tốc góc dạng khí dựa hiệu ứng. .. trị vận tốc gió giảm xuống 176 T V Ngọc, …, B T Tùng, ? ?Nghiên cứu thiết kế mô … hiệu ứng dịng xả corona. ” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ Đặc biệt đồ thị cho thấy giá trị cực đại (hay vận tốc