Nghiên cứu phát triển cảm biến đo vận tốc góc dựa trên hiệu ứng dòng xả corona TT

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ *************** TRẦN VĂN NGỌC NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN CẢM BIẾN ĐO VẬN TỐC GĨC DỰA TRÊN HIỆU ỨNG DỊNG XẢ CORONA Chun ngành : Kỹ thuật điện tử Mã số : 9520203 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Bùi Thanh Tùng GS.TS Chử Đức Trình Hà Nội – 2021 Cơng trình hồn thành tại: VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Bùi Thanh Tùng GS TS Chử Đức Trình Phản biện 1: PGS.TS Nguyễn Xuân Quyền Đại học Bách khoa Hà Nội Phản biện 2: PGS.TS Nguyễn Huy Hoàng Học viện Kỹ thuật quân Phản biện 3: TS Vũ Lê Hà Viện KH-CN quân Luận án bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ, họp Viện Khoa học Công nghệ Quân sự, Hà Nội vào hồi ngày tháng năm 2021 Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Viện Khoa học Công nghệ quân - Thư viện Quốc gia Việt Nam MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài luận án Trong lĩnh vực đo lường điều khiển cảm biến đóng vai trị quan trọng ví giác quan thể sống Chúng cảm nhận kích thích hay đại lượng cần đo (thường đại lượng không điện) chuyển đổi đại lượng thành tín hiệu điện, sau truyền thơng tin hệ thống đo lường điều khiển Như vậy, cảm biến giúp nhận dạng, đánh giá điều khiển biến trạng thái đối tượng Do đó, phát triển hệ thống đo chủ yếu phát triển cảm biến đo thông minh, linh hoạt, đa chức năng, lập trình, cho phép đo với độ nhạy độ xác cao Xu hướng chung cấu trúc cảm biến ngày đơn giản hóa triệt để khai thác thành tựu vật lý học đại, công nghệ điện tử tin học Với phát triển khoa học cơng nghệ cảm biến đo có cảm biến đo vận tốc góc có bước tiến vượt bậc Cảm biến đo vận tốc góc dạng cảm biến quán tính, thiết bị dùng để đo đạc trì phương hướng, dựa nguyên tắc bảo tồn mơ men động lượng Xã hội tiến bộ, khoa học cơng nghệ phát triển nhu cầu ứng dụng quay hồi chuyển vào lĩnh vực đời sống xã hội phong phú đa dạng Con quay hồi chuyển dạng vi với khối gia trọng có nguyên lý hoạt động dựa vào hiệu ứng lực Coriolis Với lợi hiệu suất đo lường cao, kích thước nhỏ gọn, chi phí thấp chế tạo hàng loạt nhờ ứng dụng cơng nghệ MEMS, quay hồi chuyển vi đóng vai trò quan trọng ứng dụng ngày Tuy nhiên, vi cảm biến vận tốc góc với dao động khối gia trọng chịu nhiều ảnh hưởng va đập rung xóc, dao động cộng hưởng dao động tự nhiên gây nhiễu tín hiệu đo, đặc biệt cảm biến bị hỏng tải Để khắc phục hạn chế quay hồi chuyển vi vi cảm biến vận tốc góc dạng khí nghiên cứu phát triển Vi cảm biến vận tốc góc dạng khí sử dụng luồng khí thay cho khối gia trọng làm phẩn tử chuyển động nhạy cảm Do đó, cảm biến dạng có cấu trúc đơn giản, chi phí thấp, chống sốc cao phạm vi đo lớn Chính lợi cho thấy triển vọng thương mại hấp dẫn quay hồi chuyển dạng khí Mặc dù vậy, cảm biến vận tốc góc dạng khí giai đoạn đầu nghiên cứu phát triển Để tạo luồng khí cảm biến nghiên cứu phải sử dụng bơm màng rung PZT dao động tần số định phải sử dụng vi bơm Điều làm cho cảm biến khắc phục hạn chế cảm biến vận tốc góc vi lại có kích thước cồng kềnh, khối lượng lớn Vì vậy, nghiên cứu cảm biến vận tốc góc dạng khí địi hỏi phải tích hợp vi bơm vào cảm biến Với mục đích tiếp cận xu ứng dụng kỹ thuật điện tử để thiết kế chế tạo loại cảm biến vận tốc góc dạng khí nhằm làm phong phú loại cảm biến ứng dụng vào lĩnh vực phù hợp Việc nghiên cứu, thiết kế cảm biến vận tốc góc dạng khí ứng dụng hiệu ứng dịng xả corona để tạo luồng gió thay cho bơm màng rung PZT vi bơm vấn đề cần thiết; cần nghiên cứu đưa giải pháp kỹ thuật cấu trúc cảm biến, sau hướng tới giải tốn độ nhạy, độ xác độ ổn định, dải đo Chính vậy, nghiên cứu sinh (NCS) lựa chọn đề tài “Nghiên cứu phát triển cảm biến đo vận tốc góc dựa hiệu ứng dòng xả corona” làm đề tài luận án tiến sĩ kỹ thuật Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu phát triển cảm biến vận tốc góc kiểu khí có khả chống sốc cao, hoạt động tin cậy, không sử dụng thành phần dao động học cảm biến vận tốc góc kiểu quay hồi chuyển thông thường để hạn chế vấn đề học, với luồng khí tạo hiệu ứng dòng xả corona Đối tượng, phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Luận án tập trung nghiên cứu cảm biến đo vận tốc góc nói chung, đặc biệt sâu vào cảm biến vận tốc góc dạng khí hiệu ứng dịng xả corona tạo luồng khí; từ nghiên cứu thiết kế, chế tạo cảm biến vận tốc góc dạng khí có khả chống sốc cao, hoạt động tin cậy Phạm vi nghiên cứu: - Đề xuất cấu trúc cảm biến, mô hoạt động xây dựng hàm biến đổi biểu diễn đáp ứng cảm biến tương ứng với vận tốc góc tác dụng, xác định đặc tính cảm biến; - Xây dựng hệ thống đo, tiến hành thực nghiệm kiểm chứng hoạt động cảm biến đo vận tốc góc ứng dụng hiệu ứng dịng xả corona Nội dung nghiên cứu luận án - Đề xuất cấu hình cảm biến vận tốc góc dạng khí dựa hiệu ứng dịng xả corona; - Mơ hình hóa mơ hoạt động cảm biến; - Xây dựng hàm biến đổi cảm biến; - Nghiên cứu thực nghiệm xây dựng hệ thống đo vận tốc góc sử dụng cảm biến thiết kế để minh chứng cho toán lý thuyết Phương pháp nghiên cứu Luận án kết hợp nghiên cứu lý thuyết sở tính tốn giải tích, mơ hình hóa mô sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn phần mềm OpenFOAM nghiên cứu thực nghiệm chế tạo nguyên mẫu sử dụng công nghệ tạo mẫu nhanh in 3D, kiểm tra hoạt động thực tế nguyên mẫu để kiểm chứng cho kết tính toán lý thuyết Nghiên cứu lý thuyết: - Nghiên cứu hiệu ứng dòng xả corona ứng dụng hiệu ứng dòng xả corona làm sở để phát triển cảm biến vận tốc góc dạng khí - Nghiên cứu tổng quan cảm biến vận tốc góc nói chung cảm biến vận tốc góc dạng khí nói riêng từ đề xuất cấu trúc cảm biến vận tốc góc luận án - Xây dựng hàm biến đổi biểu diễn điện áp lối tương ứng với vận tốc góc tác dụng cảm biến vận tốc góc dựa hiệu ứng dịng xả corona - Xây dựng hệ thống đo vận tốc góc sử dụng cảm biến dựa hiệu ứng dòng xả corona Chế tạo thực nghiệm: - Nghiên cứu chế tạo cảm biến đo vận tốc góc, khảo sát thực nghiệm để đánh giá khả hoạt động số tham số đặc trưng cảm biến - Thực nghiệm đo đạc, kiểm chứng hệ thống đo vận tốc góc sử dụng cảm biến chế tạo với thiết bị chuẩn Ý nghĩa khoa học thực tiễn - Ý nghĩa khoa học: Luận án đề xuất cấu trúc cảm biến vận tốc góc dạng khí ứng dụng hiệu ứng dịng xả corona Cảm biến có cấu trúc nhỏ gọn, khơng có phận chuyển động học có độ bền học cao, tiêu thụ lượng, có khả chống sốc cao, khơng bị hỏng hóc tải phù hợp cho ứng dụng khác đo lường điều khiển - Ý nghĩa thực tiễn: Nghiên cứu luận án bước đầu góp phần đóng góp vào kỹ thuật phát triển cảm biến Nghiên cứu thành cơng cảm biến vận tốc góc dựa hiệu ứng dịng xả corona bước đầu sử dụng để đo vận tốc góc ứng dụng lĩnh vực điện tử tiêu dùng đặc biệt ngành công nghiệp ô tô, cân điều hướng tàu thuyền, hướng tới làm chủ công nghệ kỹ thuật mở rộng dải đo để ứng dụng cho lĩnh vực nghiên cứu quân Do đó, đề tài luận án cần thiết, có tính thời sự, có ý nghĩa khoa học thực tiễn Bố cục luận án Ngoài phần mở đầu, kết luận, danh mục cơng trình cơng bố tác giả, tài liệu tham khảo, nội dung luận án gồm ba chương: Chương 1: Tổng quan cảm biến đo vận tốc góc vấn đề nghiên cứu Chương 2: Đề xuất giải pháp thiết kế cảm biến đo vận tốc góc dạng khí ứng dụng hiệu ứng dịng xả corona Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm cảm biến đo vận tốc góc CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CẢM BIẾN VẬN TỐC GÓC VÀ ĐỀ XUẤT NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 1.1 Khái quát phép đo vận tốc góc 1.1.1 Đại lượng vận tốc góc 1.1.2 Cấu trúc phương tiện đo vận tốc góc Hình 1.3 Các phần tử hệ thống đo lường đo vận tốc góc Hình 1.4 Sơ đồ khối hệ thống đo vận tốc góc dạng khí 1.2 Các loại cảm biến đo vận tốc góc Cảm biến đo vận tốc góc quan tâm nghiên cứu phát triển khả ứng dụng vào nhiều thiết bị khác dân quân Trong quân sự, quay hồi chuyển ứng dụng vào hầu hết hệ thống ổn định [8] Tín hiệu đầu quay đưa đến điều khiển cấu chấp hành sinh góc quay cánh lái Hình 1.5 Các ứng dụng cảm biến vận tốc góc dân 1.2.1 Con quay học cổ điển 1.2.2 Con quay quang học 1.2.3 Cảm biến vận tốc góc vi điện tử Các cảm biến vận tốc góc vi điện tử, hay vi cảm biến vận tốc góc (MEMS Gyroscope – MG) phát triển nhiều thập kỷ dần trưởng thành với tiến cơng nghệ MEMS Hình 1.10 Cấu tạo nguyên lý hoạt động MVG 1.3 Cảm biến vận tốc góc dạng khí vấn đề nghiên cứu So với cảm biến vận tốc góc Silicon thạch anh thông thường, cảm biến vận tốc góc dạng khí sử dụng luồng khí thay cho khối gia trọng phần tử chuyển động nhạy cảm Do mang lại lợi cấu trúc đơn giản, chi phí thấp, chống sốc cao phạm vi đo lớn, tản mát thông số vận hành nhỏ sản xuất hàng loạt Vì cảm biến vận tốc góc dạng khí chứng minh triển vọng thương mại hấp dẫn Nhiều nghiên cứu thiết kế khác báo cáo hai thập kỷ qua 1.3.1 Các nghiên cứu cảm biến vận tốc góc dạng khí ngồi nước Cảm biến vận tốc góc dạng khí nghiên cứu rộng rãi Nhật Bản, viện nghiên cứu Viện Kỹ thuật Tokyo, Đại học Keo, Đại học Ritsumeikan, Đại học Tsinghua, Đại học Bách khoa Tây Bắc Tuy nhiên, tất cơng trình để tạo luồng gió buồng làm việc cảm biến tác giả sử dụng bơm màng rung PZT sử dụng bơm Điều dẫn đến việc tích hợp bơm vào cảm biến khó khăn Từ làm cho cảm biến tăng kích thước, khối lượng hoạt động ồn Đồng thời độ bền màng rung PZT theo thời gian vấn đề cần xem xét Đặc biệt khả chế tạo cảm biến vận tốc góc dạng theo công nghệ MEMS không khả thi, dẫn đến tăng chi phí sản xuất giá thành hạn chế lĩnh vực ứng dụng 1.3.2 Các nghiên cứu cảm biến vận tốc góc dạng khí nước Sự phát triển cảm biến đo nói chung cảm biến đo vận tốc góc Việt Nam bước đầu, cần tiếp tục cải thiện để bắt kịp với xu phát triển giới Đặc biệt điều kiện nghiên cứu nước nhiều hạn chế công nghệ chế tạo thiếu trang thiết bị để đo đạc thực nghiệm nên việc chế tạo cảm biến gắn với hệ thống đo gặp nhiều khó khăn Sản phẩm nghiên cứu chủ yếu dừng nội dung thuộc lý thuyết hay khai thác sử dụng 1.3.3 Tạo luồng gió cảm biến hiệu ứng dòng xả corona Hiệu ứng dịng xả corona hay hiệu ứng phóng điện corona xuất vùng phóng điện tối Townsend trước chuyển sang 11 Gia tốc ⃗⃗⃗⃗ 𝑎𝑐 gọi gia tốc Coriolis sinh lực Coriolis ⃗⃗⃗ 𝐹𝑐 ⃗⃗⃗𝑐 = 𝑚  ⃗⃗⃗𝑟 (2.6) 𝐹 ⃗⃗ × 𝑉 2.1.1.2 Nguyên lý đo cảm biến vận tốc góc dạng khí Hình 2.2 Ngun lý hoạt động cảm biến vận tốc góc dạng khí 2.1.2 Xây dựng cấu trúc cảm biến vận tốc góc ứng dụng hiệu ứng dịng xả corona Hình 2.4 Cấu trúc cảm biến đo vận tốc góc ứng dụng hiệu ứng dịng xả corona 2.1.2.1 Tạo luồng gió ion Luồng gió ion tạo từ hiệu ứng dòng xả corona cấu trúc cặp điện cực kim - vịng Hình 2.6 thể sơ đồ nguyên lý tạo luồng gió ion luồng gió lưu thơng tuần hồn thiết bị với 12 trường hợp khơng quay quay Hình 2.7 thể thành phần cảm biến Hình 2.6 Sơ đồ nguyên lý tạo luồng gió ion luồng gió ion tuần hồn cảm biến với trường hợp khơng quay (i) quay (ii) Hình 2.7 Sơ đồ mơ cảm biến vận tốc góc: (1) điện cực vòng, (2) buồng làm việc cảm biến, (3) điện cực kim, (4) điện cực vòng lớn, (5) phần tử cảm biến, (6) luồng gió, (7) vịi phun, (8) kênh tạo gió ion; 2.1.2.2 Mạch cầu đo cảm biến 2.1.3 2.1.3.1 Mơ q trình tạo gió ion độ lệch luồng gió ion Điều kiện biên chia lưới cảm biến Hình 2.11 Hình học thiết bị, chia lưới điều kiện biên 13 2.1.3.2 Kết mơ luồng gió ion tạo lưu thông cảm biến Bằng phần mềm OpenFOAM, luận án mô thành công: (i) điện trường mạnh gây di chuyển ion bên vùng điện cực; (ii) tương tác gió ion luồng khơng khí kênh tạo gió ion riêng; (iii) chuyển động luồng khơng khí cảm biến vận tốc góc Hình 2.12 Mơ luồng gió ion bên cảm biến Luồng gió tạo từ cấu hình ba cặp điện cực kim-vịng, dạng luồng khí buồng làm việc lưu thơng tuần hồn cảm biến Hình 2.13 Kết mơ mặt cắt luồng gió ion tạo tuần hoàn cảm biến ứng với trường hợp (a) cảm biến không chịu tác động quay (b) chịu tác động quay 14 Trong hai trường hợp, kết mô đường biên vận tốc giảm cách khoảng cách (L) xa tính từ vịi phun dạng luồng khí giữ nguyên Điều thể rõ ràng hình 2.14 với đường biên vận tốc gió Uz vẽ tương ứng với hướng trục 𝑋 trục 𝑌 Hình 2.14 Kết mơ đường biên vận tốc gió ion theo trục 𝑋 (đường màu đỏ) trục 𝑌 (đường màu xanh) năm vị trí (L = 1, 3, 5, 7, 11) mm tính từ vịi phun buồng làm việc cảm biến thiết bị quay với vận tốc 𝜔𝑋 = 100 rpm 2.2 Xây dựng hàm biến đổi cảm biến vận tốc góc dạng khí Xây dựng hàm biến đổi (hàm truyền) cảm biến xác lập mối quan hệ hàm số giá trị đại lượng đầu vào (kích thích) – đại lượng đầu (đáp ứng) Sơ đồ nguyên lý mạch cầu cảm biến thể hình 2.15 Hình 2.15 Mạch với dịng điện không đổi kết hợp với cầu Wheatstone mạch bù R-C 15 2.2.1 Xác định vận tốc luồng khí lệch Vận tốc trung bình gió ion xác định dựa dịng điện phóng 𝐼 [34]: (2.7) 𝑈 = 𝑘√𝐼/𝜌𝜇 Giả sử β gradient vận tốc gió ion bị lệch độ lệch luồng gió ion chuyển thành vận tốc luồng gió bị lệch: 𝛥𝑈𝜔 = (𝛽𝜔𝐿2 ⁄k)√𝜌𝜇/𝐼 2.2.2 (2.20) Hàm biến đổi cảm biến 𝐸𝑟 = 𝛼𝐴𝑤 𝐵𝑅𝑓2 𝐼ℎ𝑤 2[𝐴𝑤 ( 𝐴 + 𝐵√𝛥𝑈𝜔 ) − 𝑅𝑓 𝐼ℎ𝑤 𝛼]2 √𝛥𝑈𝜔 (2.34) Với 𝛥𝑈𝜔 = (𝛽𝜔𝐿2 ⁄k)√𝜌𝜇/𝐼 vận tốc luồng gió bị lệch xác định từ phương trình 2.20 hàm tốc độ góc đầu vào 2.3 Đáp ứng cảm biến Đáp ứng cảm biến không phụ thuộc vào đáp ứng dây nhiệt điện trở mà phụ thuộc vào thời gian chuyển động phân tử khí từ vịi phun đến mặt phẳng đặt dây nhiệt điện trở đáp ứng mạch tín hiệu thiết bị 1 𝐺(𝑠) = 𝑒 −𝜏1 𝑠 × × + 𝜏𝑤 𝑠 + 𝜏2 𝑠 2.4 (2.35) Kết luận chương Trong chương này, luận án trình bày nguyên lý đo cảm biến vận tốc góc dạng khí từ đề xuất cấu trúc cảm biến đo vận tốc góc ứng dụng hiệu ứng dịng xả corona Mơ số hoạt động cảm biến vận tốc góc phần mềm mô phần tử hữu hạn OpenFOAM trình bày Luận án tiến hành xây dựng hàm biến đổi cảm biến ứng dụng hiệu ứng dòng xả corona Đáp ứng cảm biến xem xét 16 CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM CẢM BIẾN ĐO VẬN TỐC GÓC 3.1 Thực nghiệm chế tạo cảm biến đo vận tốc góc xây dựng hệ thống đo sử dụng cảm biến chế tạo 3.1.1 Thực nghiệm chế tạo cảm biến Sử dụng phần mềm 3D SolidWork để tiến hành thiết kế mơ hình cảm biến, sau chế tạo cơng nghệ in 3D quang hóa (polyjet) Hình 3.4 (a) Thiết kế 3D cảm biến, (b) Phần cảm biến lắp đặt dây nhiệt điện trở, (c) Cảm biến chế tạo công nghệ in 3D 3.1.2 Xây dựng hệ thống đo vận tốc góc Hình 3.6 Sơ đồ nguyên lý hệ thống đo vận tốc góc 17 3.1.2.1 Mạch tạo cao áp cho cảm biến 3.1.2.2 Mạch xử lý tín hiệu 3.1.2.3 Hệ thống đo sử dụng cảm biến vận tốc góc theo hiệu ứng dịng xả corona 3.2 Một số kết thí nghiệm xác định đặc trưng cảm biến 3.2.1 Khảo sát dịng điện phóng tạo hiệu ứng dịng xả corona Dịng điện phóng tham số ảnh hưởng đến độ nhạy cảm biến Hình 3.14 Sơ đồ nguyên lý Hình 3.15 Đặc tuyến I-V mạch cảm biến hệ thống 3.2.2 Khảo sát luồng gió ion dây nhiệt điện trở Độ ổn định luồng gió ion chảy tuần hoàn cảm biến đo dây nhiệt điện trở Kết báo cáo hội nghị MEMS 2019 Hình 3.16 Độ ổn định luồng gió ion theo thời gian 18 Hình 3.17 Kết đo thực nghiệm mối quan hệ điện áp đầu dây nhiệt điện trở mức cao áp khác Hình 3.18 Điện áp đầu dây nhiệt điện trở theo thời gian mức cao áp khác Khảo sát đường đặc tuyến điện áp – vận tốc góc cảm biến Đường đặc tuyến điện áp – vận tốc góc thể mối quan hệ 3.2.3 vận tốc góc tác động vào cảm biến điện áp đầu cảm biến đo Hình 3.19 Thiết lập hệ thống khảo sát đường đặc tuyến điện áp – vận tốc góc cảm biến chế tạo 19 Vận tốc bàn xoay lớn tạo lực Coriolis lớn, lực tác động lên luồng gió luồng gió lệch nhiều Do tốc độ trao đổi nhiệt luồng gió dây nhiệt điện trở tăng làm điện áp đầu cảm biến thay đổi nhiều Hình 3.20 Điện áp đầu theo thời gian dây nhiệt điện trở tương ứng với tốc độ bàn quay tăng dần đến 150 vòng/phút gió ion tạo nguồn cao áp 2.9 kV Hình 3.21 Điện áp đầu đo dây nhiệt điện trở vận tốc bàn quay khác gió ion tạo nguồn cao áp 2.9 kV (đường vng) khơng có gió ion (đường trịn) Dịng ni dây nhiệt điện trở 92.8 mA Hình 3.23 Sự thay đổi điện áp đầu đo dây nhiệt điện trở với tốc độ bàn quay tăng dần đến 180 vòng/phút với tốc độ gió ion khác Hình 3.24 Ảnh hưởng điện áp phóng đến vận tốc trung bình gió ion độ nhạy cảm biến 20 Một số kết đo thực nghiệm kiểm chứng hệ thống đo sử dụng cảm biến chế tạo với thiết bị chuẩn 3.3.1 Cài đặt hệ thống thử nghiệm kiểm chứng 3.3 Hình 3.25 Thực nghiệm kiểm chứng cảm biến vận tốc góc chế tạo với bàn xoay chuẩn máy đo DEWE 4000 chuyên dụng Hình 3.26 Chương trình đo vận tốc góc với phần mềm Dasylab 3.3.2 Kết thực nghiệm kiểm chứng cảm biến đo vận tốc góc với thiết bị chuẩn Hình 3.27 Đồ thị vận tốc góc cảm biến theo thời gian 21 So sánh với cảm biến vận tốc góc 3.4 Bảng 3.3 Bảng so sánh cảm biến chế tạo với cảm biến khí nghiên cứu Cơ sở nghiên cứu Dải đo Độ nhạy ±400 ˚/s 95 µV/˚/s ±300 ˚/s 7.5 µV/˚/s Tsinghua University, Beijing, China Ritsumeikan University, Kyoto, Japan Northwestern Bơm màng rung; luồng gió Bơm màng rung; luồng gió Theo trục Polytechnical University, Cơ chế tạo luồng gió; phần tử dao động Xi’an, ±100 ˚/s Sử dụng vi bơm 64.2; 52.8; ngoài; luồng gió 24.1 µV/˚/s China Cảm biến vận tốc ±900 ˚/s góc ứng dụng hiệu (có thể ứng dịng xả corona mở rộng dải đo) 24.08 µV/˚/s Hiệu ứng dịng (chưa sử xả corona để tạo dụng khuếch gió ion; luồng đại) gió Như ta thấy cảm biến vận tốc góc dựa hiệu ứng dịng xả corona có dải đo lớn so với cảm biến vận tốc góc dạng khí sử dụng bơm màng rung PZT vi bơm nghiên cứu Độ nhạy cảm biến nguyên mẫu 24.08 µV/˚/s Nếu sử dụng IC khuếch đại độ nhạy cảm biến tăng lên tầm 103 lần Cảm biến vận tốc góc ứng dụng dịng xả corona bước đầu sử dụng để đo vận tốc góc ứng dụng lĩnh vực điện 22 tử tiêu dùng đặc biệt ngành công nghiệp ô tô, cân điều hướng tàu thuyền, hướng tới làm chủ công nghệ kỹ thuật để mở rộng dải đo ứng dụng cho lĩnh vực nghiên cứu quân 3.5 Kết luận chương Trong chương 3, luận án thể kết thực nghiệm từ chế tạo cảm biến vận tốc góc ứng dụng hiệu ứng dòng xả corona đến xây dựng hệ thống đo sử dụng cảm biến chế tạo Các đặc tính cảm biến dịng phóng corona, luồng gió ion đường đặc tuyến điện áp – vận tốc góc khảo sát Hoạt động cảm biến kiểm chứng thiết bị chuẩn hãng Accutronic Từ kết nghiên cứu thực nghiệm cảm biến vận tốc góc ứng dụng hiệu ứng dòng xả corona cho ta thấy: - Các kết thực nghiệm phù hợp với phân tích lý thuyết kết mô - Cảm biến hoạt động tốt thể kết khảo sát có độ ổn định, lặp lại hồn tồn hướng tới thương mại hóa sản phẩm với lợi việc chế tạo khơng phức tạp, kích thước nhỏ gọn, tuổi thọ cao, giá thành chế tạo thấp KẾT LUẬN A) Các kết nghiên cứu luận án Qua trình nghiên cứu, nghiên cứu sinh thực đánh giá tổng quan định hướng khoa học liên quan đến cảm biến đo vận tốc góc nói chung cảm biến đo vận tốc góc dạng khí hoạt động dựa hiệu ứng dịng xả corona nói riêng Xây dựng cấu trúc cảm biến vận tốc góc dạng khí đồng thời mơ hoạt động cảm biến để thấy q trình tạo gió ion độ lệch luồng gió ion chịu tác động vận tốc góc sử dụng phần mềm mơ số 3D 23 OpenFOAM Luận án tiến hành xây dựng hàm biến đổi cảm biến để thiết lập mối quan hệ đại lượng đầu vào (vận tốc góc) đại lượng đầu (điện áp) Để chứng minh cho tính đắn hướng nghiên cứu nguyên mẫu cảm biến chế tạo thử nghiệm để đánh giá đặc tính bản, kiểm chứng với thiết bị chuẩn Nguyên mẫu cảm biến hoạt động độ ổn định có sai khác không 1% so với thiết bị chuẩn Từ kết nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm luận án rút số kết luận sau: 1) Việc ứng dụng hiệu ứng dòng xả corona phát triển cảm biến đo nói chung cảm biến đo vận tốc góc nói riêng tốn khả thi, phù hợp với điều kiện kinh tế công nghệ nước ta 2) Bằng cách thay đổi cấu trúc kích thước hình học cặp điện cực kim – vòng, khoảng cách từ phần tử cảm biến đến vòi phun ta chế tạo cảm biến với dải đo độ nhạy khác 3) Cảm biến đo vận tốc góc ứng dụng hiệu ứng dịng xả corona có thiết kế đơn giản, kích thước nhỏ gọn, khơng có phận chuyển động có khả chế tạo công nghệ MEMS Đặc biệt, cảm biến khơng bị ảnh hưởng rung sóc, khơng bị tải gây hỏng hóc cảm biến, giảm giá thành sản xuất công suất tiêu thụ thấp 4) Nghiên cứu luận án bước đầu góp phần vào việc phát triển cảm biến, đặc biệt cảm biến đo vận tốc góc Những kết bước đầu đạt cho thấy cảm biến vận tốc góc ứng dụng dịng xả corona có tiềm ứng dụng lĩnh vực điện tử tiêu dùng ngành công nghiệp ô tô, cân điều hướng tàu thuyền, 24 hướng tới làm chủ công nghệ kỹ thuật để mở rộng dải đo ứng dụng cho lĩnh vực nghiên cứu quân B) Một số đóng góp luận án: 1) Đề xuất mơ hình cấu trúc xây dựng hàm biến đổi cảm biến đo vận tốc góc sở ứng dụng hiệu ứng dòng xả corona 2) Thiết kế chế tạo thử nghiệm cảm biến đề xuất hệ thống đo thực nghiệm C) Hướng nghiên cứu phát triển 1) Nghiên cứu tăng độ nhạy độ ổn định cho cảm biến cách đóng gói cảm biến mơi trường khí có độ dẫn điện cao (buồng làm việc cảm biến chứa khí) Ngồi để cải thiện độ nhạy cảm biến nghiên cứu thay dây nhiệt điện trở vật liệu silicon có hệ số nhiệt điện trở cao 2) Tối ưu hóa mạch điện thu thập liệu từ cảm biến cách thay mạch dòng điện không đổi nuôi cầu nhiệt điện trở sơ đồ mạch trì nhiệt độ khơng đổi cảm biến Ở chế độ trì nhiệt độ khơng đổi, cầu cân (do có vận tốc góc tác dụng) có điện áp chênh lệch đầu cầu Bộ khuếch đại phát khác biệt điều chỉnh dòng điện phản hồi phù hợp để giữ cho nhiệt độ dây hay nói cách khác điện trở dây không đổi, giúp cho cầu cân trở lại Những thay đổi dịng điện đo sử dụng để tính tốn vận tốc góc tác động vào cảm biến 3) Nghiên cứu tiểu hình hóa vi cảm biến đo tốc độ góc ứng dụng hiệu ứng dịng xả corona theo công nghệ MEMS, phát triển cảm biến thành sản phẩm thương mại DANH MỤC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ Ngoc Tran Van, Tung Thanh Bui, Thien Xuan Dinh, Tibor Terebessy, Trinh Chu Duc, Van Thanh Dau (2017), “A symmetrically arranged electrodes for corona discharge anemometr”, 19th International Conference on Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems (TRANSDUCERS), ISSN 2167-0021, Kaohsiung, pp 1112-1115 Trần Văn Ngọc, Đậu Thành Văn, Nguyễn Ngọc An, Trần Như Chí, Chử Đức Trình, Bùi Thanh Tùng (2018), “Nghiên cứu phát triển cảm biến vận tốc góc dựa hiệu ứng dịng xả corona”, Kỷ yếu hội nghị quốc gia lần thứ XXI điện tử, truyền thông công nghệ thông tin, trang 259-263 Ngoc Tran Van, Tung Thanh Bui, Canh-Dung Tran, Thien Xuan Dinh, Hoa Phan Thanh, Dong Pham Van, Trinh Chu Duc, Van Thanh Dau (2019), “Study on point – to – ring corona based gyroscope”, IEEE 32nd International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS), Seoul, Korea (South), pp.672-675 Ngoc Tran Van, Tung Thanh Bui, Thien Xuan Dinh, Canh-Dung Tran, Hoa Phan Thanh, Trinh Chu Duc, Van Thanh Dau (2019), “A circulatory ionic wind for inertial sensing application”, IEEE Electron Device Letters (ISI hệ số Q1), vol 40, no 7, pp 1182-1185 Ngoc Tran Van, Van Thanh Dau, Canh-Dung Tran, Thien Xuan Dinh, Hoa Phan Thanh, Trinh Chu Duc, Tung Thanh Bui (2020), "An Electrohydrodynamic Gyroscope", Sensors and Actuators A Phys, (ISI hệ số Q1), vol 315:112291, ISN 0924-4247, https://doi.org/10.1016/j.sna.2020.112291 Trần Văn Ngọc, Đậu Thành Văn, Nguyễn Thu Hằng, Chử Đức Trình, Bùi Thanh Tùng (2020), “Nghiên cứu thiết kế mô cảm biến vận tốc góc dạng khí hai bậc tự hoạt động dựa hiệu ứng dịng xả corona”, Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số đặc san hội thảo quốc gia FEE, tháng 10-2020, trang 172-179 Hang Nguyen Thu, Ngoc Tran Van, Cuong Nguyen Nhu, Van Thanh Dau, An Nguyen Ngoc, Trinh Chu Duc, Tung Thanh Bui (2020), “Study on Thermal Convective Gas Gyroscope based on Corona Discharge Ion Wind and Coriolis Effect”, Proceedings of the Internationanl Conference on Engineering Research and Applications, ICERA 2020 ... dụng cảm biến vận tốc góc dựa hiệu ứng dòng xả corona - Xây dựng hệ thống đo vận tốc góc sử dụng cảm biến dựa hiệu ứng dòng xả corona Chế tạo thực nghiệm: - Nghiên cứu chế tạo cảm biến đo vận tốc. .. cảm biến đo vận tốc góc vấn đề nghiên cứu Chương 2: Đề xuất giải pháp thiết kế cảm biến đo vận tốc góc dạng khí ứng dụng hiệu ứng dòng xả corona Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm cảm biến đo vận. .. hệ thống đo lường đo vận tốc góc Hình 1.4 Sơ đồ khối hệ thống đo vận tốc góc dạng khí 1.2 Các loại cảm biến đo vận tốc góc Cảm biến đo vận tốc góc quan tâm nghiên cứu phát triển khả ứng dụng