Cơ cấu chấp hành là thiết bị khởi động hoặc di chuyển một thiết bị/vật nào đó. Cụ thể hơn, cơ cấu chấp hành là thiết bị chuyển năng lƣợng thành chuyển động hoặc năng lƣợng cơ học. Mục này giới thiệu một số loại cơ cấu chấp hành tiêu biểu.
a. Cơ cấu chấp hành nhiệt
Một dạng cơ cấu chấp hành nhiệt là băng lƣỡng kim. Thiết bị là một lá kim loại gồm hai kim loại có độ giãn nở nhiệt khác nhau, dùng để điều tiết hay đo nhiệt độ. Thiết bị này trực tiếp chuyển nhiệt năng thành chuyển động, sử dụng hiệu ứng giãn nở nhiệt.
71
Sự giãn nở nhiệt là sự thay đổi hình dạng do nhiệt năng của vật liệu. Khi một vật liệu bị nung nóng, khoảng cách trung bình giữa các nguyên tử (hay phân tử) tăng lên. Khoảng cách này khác nhau tùy thuộc vào từng loại vật liệu. Mắt ngƣời không thể quan sát đƣợc sự tăng khoảng cách rất nhỏ này. Tuy nhiên, do số lƣợng khổng lồ các nguyên tử (phân tử) trong một miếng vật liệu, vật liệu giãn nở đáng kể và do đó mắt ngƣời có thể nhận biết đƣợc. Phản ứng ngƣợc lại xảy ra khi nhiệt độ giảm ở hầu hết các vật liệu. Nhìn chung, kích thƣớc vật liệu thay đổi khi nhiệt độ xung quanh thay đổi. Sự thay đổi kích thƣớc này là một hàm tuyến tính của nhiệt độ.
Băng lƣỡng kim ứng dụng hiệu ứng giãn nở nhiệt để tạo ra chuyển động. Hai dải kim loại không đồng nhất đƣợc ghép với nhau dọc theo chiều dài của chúng. Khi đƣợc nung nóng, băng lƣỡng kim uốn cong về phía dải kim loại có hệ số giãn nở nhiệt thấp hơn (minh họa trong hình 2.15). Băng lƣỡng kim có rất nhiều ứng dụng, một ứng dụng phổ biến là bộ điều chỉnh nhiệt, đƣợc sử dụng để điều khiển nhiệt độ trong nhà hay văn phòng. Ở kích thƣớc micro, băng lƣỡng kim đƣợc sử dụng trong các bộ điều chỉnh nhiệt siêu nhỏ (van siêu nhỏ).
(a): Hai dải kim loại không đồng nhất đƣợc sử dụng với hệ số giãn nở nhiệt khác nhau, dải kim loại 1 có hệ số giãn nở nhiệt thấp hơn dải kim loại 2.
(b): Hai dải kim loại đƣợc ghép với nhau dọc theo chiều dài của chúng ở nhiệt độ T1. (c): Khi tăng lên nhiệt độ T2, băng lƣỡng kim bị uốn cong về phía dải kim loại 1, đủ để chạm vào công-tắc điện phía trên và cho phép dòng điện trong băng lƣỡng kim bật điều hòa nhiệt độ.
Hình 2.15.Ứng dụng băng lƣỡng kim trong bộ điều chỉnh nhiệt
b. Cơ cấu chấp hành điện
72
Hình 2.16.Động cơ điện
Hầu hết các động cơ một chiều (DC) hoạt động nhờ dòng điện chạy qua một cuộn dây và tạo ra từ trƣờng quanh cuộn dây. Cuộn dây đƣợc quấn quanh trục động cơ và đƣợc đặt giữa hai cực của một nam châm điện hoặc nam châm vĩnh cửu. Sự tƣơng tác giữa hai từ trƣờng làm cuộn dây quay quanh trục của nó, nghĩa là làm quay trục động cơ. Nhƣ vậy, động cơ điện là một bộ chuyển đổi và là một cơ cấu chấp hành vì nó chuyển điện năng thành năng lƣợng từ trƣờng, năng lƣợng từ trƣờng này lại đƣợc chuyển thành cơ năng hoặc chuyển động.
Hình 2.17.Động cơ một chiều
c. Cơ cấu chấp hành cơ khí
Cơ cấu chấp hành cơ khí chuyển đầu vào cơ học (thƣờng là sự quay) thành một chuyển động tuyến tính. Một ví dụ phổ biến của cơ cấu chấp hành cơ khí là con đội loại răng xoắn (screw jack). Hình 2.18 minh họa hoạt động của con đội loại răng xoắn. Chuyển động quay của răng xoắn làm các chân của con đội di chuyển một phần hoặc di chuyển cùng nhau. Khi di chuyển đến vị trí cao nhất của con đội, đầu vào chuyển động quay này rõ ràng đƣợc chuyển thành dạng chuyển động tuyến tính.
Các cơ cấu chấp hành cơ khí có thể tạo ra đầu ra chuyển động quay với cơ chế dẫn động phù hợp.
Hình 2.18.Con đội răng xoắn
Một ví dụ của vi thiết bị hoạt động nhƣ một cơ cấu chấp hành là bộ điều khiển răng lƣợc tĩnh điện. Thiết bị này đƣợc sử dụng trong nhiều ứng dụng MEMS nhƣ bộ cộng hƣởng, vi
73
động cơ, động hồi chuyển. Lực tác động rất nhỏ, thƣờng nhỏ hơn 50uN, nhƣng có độ tin cậy cao, hứa hẹn sẽ đƣợc sử dụng rộng rãi.
Hình 2.19.Bộ cộng hƣởng điều khiển răng lƣợc
Hình 2.19 minh họa bộ cộng hƣởng điều khiển răng lƣợc tĩnh điện MEMS. Bộ cộng hƣởng là thiết bị dao động tự nhiên tại các tần số cộng hƣởng của nó. Các dao động trong bộ cộng hƣởng có thể là điện từ hoặc cơ (ví dụ dao động âm). Bộ cộng hƣởng đƣợc sử dụng để tạo ra các dạng sóng tần số mong muốn hoặc để trích các tần số nhất định từ một tín hiệu cho trƣớc.
2.5 Kết chƣơng
Chƣơng này giới thiệu các điều kiện cần thiết của phần cứng để xây dựng các mạng cảm biến không dây – nút. Chƣơng đã trình bày các cách chủ yếu để xây dựng các nút đó, một số đặc trƣng và tiêu thụ năng lƣợng của các thành phần chính (chủ yếu là bộ điều khiển, thiết bị truyền thông và các cảm biến). Điều đó có đƣợc dựa trên giả thiết là các nút cảm biến không dây có hai thành phần riêng biệt: một phần chú ý đến tính liên tục, nó có thể phát hiện và thu thập sự kiện, tiêu thụ một mức năng lƣợng nhỏ, thậm chí là bỏ qua. Phần thứ hai thực hiện xử lý và liên lạc thực tế, nó có mức tiêu thụ năng lƣợng cao hơn và không thể bỏ qua, vì vậy nó hoạt động với hệ số lấp đầy thấp. Việc chia chức năng sẽ hợp lý hơn nếu dựa trên các tính chất của phần cứng và đƣợc hỗ trợ bởi hệ điều hành.
Nhìn vào một lƣợng lớn các thành phần đã đƣợc chọn, chúng đều có ƣu điểm và nhƣợc điểm đặc trƣng. Sẽ không ngạc nhiên khi không có nút cảm biến không dây hoàn hảo. Các yêu cầu ứng dụng khác nhau sẽ yêu cầu các thoả hiệp khác nhau, và do đó, các kiến trúc khác nhau sẽ đƣợc sử dụng. Có mạng cảm biến sử dụng sự kết hợp giữa các loại nút khác nhau để thực hiện nhiệm vụ của nó, ví dụ nhƣ các nút có khả năng tính toán lớn hơn/nhỏ hơn, các loại liên lạc vô tuyến khác nhau hay các kích thƣớc pin khác nhau. Vấn đề đặt ra ở đây là thiết kế mạng cảm biến không dây nhƣ thế nào bằng cách khai thác sự kết hợp này trong phần cứng để ấn định các nhiệm vụ khác nhau và để cho các nút có sự hoà hợp tốt nhất.
Trong khi rất nhiều mạng mô tả ở đây vẫn đang đƣợc nghiên cứu hoặc nó vẫn ở trạng thái nguyên mẫu thì khả năng nổi bật của các nút cảm biến trong tƣơng lai về các thoả hiệp giữa liên lạc, tính toán, lƣu giữ và tiêu thụ năng lƣợng đã khá rõ ràng. Các con số xác thực vẫn tiếp tục thay đổi nhƣng không giống nhƣ những thoả hiệp đang có. Ví dụ nhƣ giữa năng lƣợng đƣợc yêu cầu để liên lạc và tính toán vẫn sẽ thay đổi một cách đột ngột trong thời gian tới. Các thoả hiệp cơ bản này tạo nền tảng cho việc xây dựng các chức năng của mạng, hƣớng tới các yêu cầu chuyên dụng của các ứng dụng mạng cảm biến không dây.
74
CÂU HỎI ÔN TẬP CHƢƠNG 2
1. Nêu các yêu cầu phần cứng trong kiến trúc nút đơn? 2. Trình bày đặc điểm các bộ điều khiển trong nút cảm biến? 3.Nêu các đặc điểm bộ thu phát trong nút cảm biến?
4. Trình bày kiến trúc bộ thu phát trong nút cảm biến?
5. Nêu các đặc điểm các loại cảm biến thƣờng dùng trong nút? 6. Trình bày đặc điểm nguồn cung cấp trong nút cảm biến?
7. Trình bày tiêu thụ năng lƣợng trong bộ thu phát của nút cảm biến? 8. Nêu mô hình lập trình trong nút cảm biến?
9. Trình bày vấn đề điều khiển công suất động? 10. Nêu một số loại cảm biến và cơ cấu chấp hành?