CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ SENSOR THỦY ÂM CHỦ ĐỘNG CHO HỆ THỐNG LIÊN LẠC VÀ ĐIỀU KHIỂN DƯỚI NƯỚC
3.3.2 Hệ số phẩm chất của Sensor
Hệ số phẩm chất của sensor được đo bằng tỷ số năng lượng tích trữ so với năng lượng tiêu tán Q.
Hệ số phẩm chất Q của sensor tại tần số cộng hưởng được xác định:
Q = max r d E ( ) E 2πf (3.13)
Emax : Năng lượng lớn nhất tích trữ trong Sensor Ed : Năng lượng tiêu thụ trên Sensor
Hệ số phẩm chất được đo ở tần số cộng hưởng, nơi tổng năng lượng tích luỹ của sensor không đổi. Theo sơ đồ tương đương.
L r
X 2πf L
Q= =
R R (3.14)
Độ phẩm chất liên quan đến tần số cộng hưởng:
r
fQ= Q=
Δf (3.15)
Trong đó: ∆f là độ rộng dải tần (-3 dB) của sensor, tần số trung tâm là fr.
Từ công thức ta nhận thấy, Q càng cao thì ∆f càng nhỏ, tức là dải thông tần của sensor càng hẹp.
Trong mạng, một sensor áp điện với dung kháng là chủ yếu, được biểu diễn như hình 3.10.
SS S S S p X z X X R X 2 2 2 | | = + =
Hình 3.10: Sơ đồ tương đương của sensor áp điện Xp
được coi là dung kháng Cp
Trong đó : Rs là chuỗi điện trở nối tiếp Xs là chuỗi điện kháng nối tiếp.
p p 1 C = 2πfX (3.16) (3.17) Thủ tục sau đây cho phép xác định gần đúng điện trở R của sensor ở tần số cộng hưởng. Tại tần số cộng hưởng: Rs = Rp = R (Rs điện trở mạch nối tiếp, Rp điện trở mạch song song). Sơ đồ mạch đo được trình bày trên hình 3.11
Hình 3.11: Sơ đồ đo trở kháng của sensor 3.3.3 Mạch phối hợp sensor[2,14]
Để đảm bảo hiệu suất phát năng lượng cao và thu tối ưu, cần phải phối hợp cho máy phát và máy thu đối với sensor.
Giống như các loại tải điện kháng, sensor loại áp điện có thể coi như một sơ đồ tương đương của mạch nối tiếp một điện trở và một tụ điện. Giá trị của hai phần tử này bị thay đổi theo tần số.
Bằng phép biến đổi kinh điển, các giá trị nối tiếp có thể chuyển thành tổ hợp điện trở, tụ điện song song chính xác. Nhưng do các giá trị này thay đổi theo tần số, sự ứng dụng mạch tương đương này chỉ trong một dải hẹp tần số. Giá trị của điện trở và tụ điện được đo đạc, cung cấp bởi nhà sản xuất. (hình 3.12)
Phương pháp phối hợp đơn giản nhất là dùng một cảm kháng để cộng hưởng với dung kháng song song, nhận được một tải thuần trở gần bằng điện trở song song Rp.
Nếu điện trở nhận được là quá lớn so với điện trở nguồn (trở ra của máy phát và trở vào của máy thu), cuộn cảm có thể còn được dùng như một biến áp điều hưởng để thay đổi điện trở của mạch để đạt được phối hợp trở kháng . p L L S R X Q= = X R (3.18) Số vòng của biến áp được tính theo hệ số quấn biến áp n. Hệ số thay đổi điện trở bằng điện áp sẽ là n2.
Hình 3.13 : Phối hợp bằng cách thêm vào cuộn cảm
Cuộn dây trở kháng nhỏ có thể được thêm vào để kết hợp với nguồn điều khiển. Tỷ số vòng dây là căn bậc 2 của tỷ số trở kháng. Tuy nhiên phải biết giới hạn tỷ số cực đại. Thường dùng phổ biến với cuộn cảm được cắm bằng lõi Ferit xoắn ốc và vỏ Ferit, trung bình lớn nhất có thể là 22/1. Ta có thể tăng tỷ lệ này nếu sử dụng cách ghép hình xuyến. Do việc ghép nối chặt hơn chỉ thực hiện được với dạng xuyến và dễ làm hơn so với các dạng khác của cuộn cảm, các lõi dạng chảo là sự kết hợp giữa dạng xoắn
ốc và dạng xuyến như hình 3.14
Hình 3.14: Sơ đồ ghép cuộn cảm
Các kết quả trên đều được giả thuyết là các cuộn cảm không suy hao, ít nhất là khi so sánh với RP của tải sensor song thực tế thì không thể có chuyện đó.