Mô hình 4 đã được thiết kế và mô phỏng cơ trên phần mềm ANSYS cho thấy các đáp ứng tần số ở đầu ra của các mode driving và mode sensing như hình 3.4, hình 3.5, hình 3.6 và hình 3.7.
Chương 3
KHẢO SÁT CẢM BIẾN GYROSCOPES KIỂU TUNING FORK
Con quay vi cơ đã đạt được nhiều thành công lớn từ ngành công nghiệp ô tô cho đến công nghiệp điện tử dân dụng. Tất cả các con quay vi cơ trên thị trường hiện nay thuộc dạng sensor đo vận tốc góc, sử dụng sự chuyển năng lượng từ dao động dẫn động vòng kín (mode driving) tới dao động thứ cấp là dao động của mode sensing. Độ phân giải và độ nhạy của con quay MEMS thường được nâng cao lên nhờ sự tăng hệ số phẩm chất Q và giảm sự đồng pha giữa hai mode driving và sensing. Sự phối ghép hai con quay vi cơ độc lập với hệ số Q trên 100000 đã tạo được độ ổn định cao. Sự cải tiến của dải tần vận tốc thường được giải quyết bằng cách điều khiển mode sensing trong vòng kín, hoặc với dạng dùng lực để tái tạo cân bằng. Tuy nhiên, sự đánh đổi này thường làm tăng các nhiễu do sự khuếch đại của vòng kín, cũng như là giới hạn của dải do sự cố định của điện áp tham chiếu cần để cân bằng khối gia trọng.
Một cách khác thay thế cho cơ cấu dùng lực dẫn động cân bằng là giữ mode hoạt động với toàn bộ góc, việc này có thể đáp ứng một cách căn bản là không giới hạn về dải đầu vào cũng như dải tần đo đạc. Mode toàn bộ góc, hoặc là mode tích hợp vận tốc cho phép đo được vị trí quay hay hướng của vật một cách trực tiếp từ chuyển động của khối gia trọng mà không cần tích hợp số với tín hiệu vận tốc góc. Tín hiệu ra này rất có ích trong việc dẫn hướng bằng bộ đo quán tính, theo dõi góc phương vị, thiết lập định hướng trong hệ thống ước lượng và tìm mục tiêu, đặc biệt trong môi trường mà GPS không thể hoạt động được. Thêm nữa, chế độ toàn bộ góc có hệ số khuếch đại góc cực kì chính xác, thứ nhất là độc lập với tính chất của vật liệu hay thiết bị điện tử, đồng thời xác định hoàn toàn bởi hình dạng của khối gia trọng.
Để kích hoạt việc đo toàn bộ góc, yêu cầu các sensor phải có cấu trúc đối xứng và hệ số Q khắt khe hơn rất nhiều so với việc đo vận tốc, và cần đến những kiến trúc thiết kế mới. Ví dụ như, con quay hồi chuyển cộng hưởng bán cầu với kích thước vĩ mô (HRG) với độ phân giải góc phụ thứ hai đẳng hướng và yêu cầu phẩm chất cao lên tới 26 triệu.Đạt được mức đối xứng của giảm chấn (damping) và độ cứng (ví dụ 10-4 Hz) bằng công nghệ chế tạo con quay silicon MEMS, rất khó khăn để thực hiện một tỷ lệ tích hợp con quay hồi chuyển trong MEMS silicon, một thiết kế gộp hai khối gia trọng lần đầu tiên được giới thiệu và sau đó các ứng dụng của phương pháp này đã được chứng minh.
3.1. Phân tích nguyên lý hoạt động của Gyroscopes kiểu Tuning Fork
Một con quay hồi chuyển đo góc lý tưởng là một hệ gia trọng – lò xo đẳng hướng 2 chiều, dao động với tần số tự nhiên ω. Khi có một chuyển động quay quán tính với tốc độ Ω, phương trình của chuyển động theo chuyển vị x, y sẽ là (tương ứng với hệ quy chiếu phi quán tính của gyroscope)
2 2 2 ( ) (2 ) 0 x k x k y y (3.1) 2 2 2 ( ) (2 ) 0 y k y k x x (3.2) Với k là hệ số khuếch đại, góc được xác định bởi cấu trúc hình học của con quay. Trên lý thuyết, giá trị lớn nhất cho hằng số hình học này là k 1. Các thành phần lực ly tâm và gia tốc góc được chứa trong dải tần và độ rộng dải chuyển động quay đặt vào. Các phương trình động học của phương trình 3.1 và 3.2 đã được giả thiết bỏ đi thành phần giảm chấn (damping) và được coi là các dao động tự do, điều đó giúp cho con quay vi cơ có được hệ số phẩm chất cao cũng như thời gian phân rã lâu hơn. Ngoài ra, phương trình động học của các con quay vi cơ là không lý tưởng.
Bài toán mới được đặt ra như sau: Cho hai vật nặng m1m01m3,
2 02 4
m m m treo trên một hệ lò xo, k k k1, 2, 3 như hình 3.1. Để bài toán đơn giản và dễ thiết kế ta có thể chọn sao cho m01 m02,m3 m4 m1 m2 và k1k2