CHƯƠNG 3: THIẾT BỊ MOTION SENSOR VÀ NGUYÊN TẮC TÍNH TOÁN HIỆU CHỈNH DỮ LIỆU ĐO SÂU
3.1.2 Nguyên lý hoạt động
Cảm biến bao gồm một mảng các cảm biến tốc độ và gia tốc. Các thiết bị này đo trọng lực và gia tốc tác động lên cảm biến. Cảm biến biến đổi các tín hiệu này thành các trị đo thể hiện sự chuyển động và định hướng tương ứng. Cảm biến sử
dụng 2 loại phần tử cảm biến:
Gia tốc tuyến tính.
Cảm biến vận tốc góc.
Các thành phần này nằm trong hệ tọa độ 3 trục vuông góc để mỗi trục luôn gồm 1 gia tốc tuyến tính và 1 cảm biến vận tốc góc.
Hình 3.4: Hệ trục vuông góc của cảm biến theo [13]
CHƯƠNG 3: THIẾT BỊ MOTION SENSOR VÀ NGUYÊN TẮC TÍNH TOÁN HIỆU
CHỈNH DỮ LIỆU ĐO SÂU
HVTH: Dương Minh Âu - 43 - GVHD: PGS. TS Nguyễn Ngọc Lâu
Gia tốc tuyến tính được sử dụng bao gồm 2 thành phần chính:
Khối lượng chịu lực (proof mass).
Mạng phản hồi và dò tìm (detection and feedback network).
Khối lượng chịu lực:
Độ nhạy của bộ đo gia tốc gồm một tấm hình tròn, mỏng chứa silicon vô định hình có đường kính xấp xỉ 10mm. Vật liệu này có đặc tính đàn hồi theo 1 hướng và không đàn hồi theo các hướng khác.
Hình 3.5: Bộ đo gia tốc khối lượng chịu lực theo [13]
Khi gắn vào bộ đo gia tốc, vòng ngoài cùng của đĩa silicon sẽ gắn vào thiết bị.
Phần đĩa trung tâm được giữ cố định một phần nhỏ, phần còn lại di chuyển tự do theo ảnh hưởng của hướng độ nhạy và không chịu ảnh hưởng của bất kỳ hướng nào khác. Khi thiết bị chịu ảnh hưởng theo hướng của độ nhạy, đĩa trung tâm sẽ bị xiên theo hướng độ nhạy.
Hình 3.6: Minh họa hình chiếu một bên của đĩa silicon trong 3 điều kiện theo [13]
CHƯƠNG 3: THIẾT BỊ MOTION SENSOR VÀ NGUYÊN TẮC TÍNH TOÁN HIỆU
CHỈNH DỮ LIỆU ĐO SÂU
HVTH: Dương Minh Âu - 44 - GVHD: PGS. TS Nguyễn Ngọc Lâu
a) Không có gia tốc theo hướng độ nhạy. Khối lượng chịu lực cùng phương với biên ngoài của đĩa.
b) Gia tốc có trị số nhỏ hướng sang phải. Khối lượng chịu lực bị bẻ cong về phía sau một góc nhỏ.
c) Gia tốc có trị số lớn hơn hướng sang phải. Khối lượng chịu lực bị bẻ cong về phía sau một góc lớn hơn.
Như vậy, gia tốc ảnh hưởng càng mạnh thì góc giữa khối lượng chịu lực do ảnh của hưởng đường sức càng lớn. Theo lý thuyết để tính toán độ lớn của gia tốc tác dụng bằng cách đo góc bị bẻ cong này. Tuy nhiên phương pháp này không thực tế vì một số nguyên nhân sau:
Quan hệ giữa gia tốc và góc bẻ cong là không tuyến tính.
Điểm tiếp xúc của đĩa trung tâm và khối lượng chịu lực sẽ dễ gãy nếu ảnh hưởng của lực tác động lớn (gia tốc lớn).
Vì những lý do trên, bộ đo gia tốc sử dụng mạng dò tìm để đo độ cong của khối lượng chịu lực và đĩa trung tâm, và phản hồi lại lực để giữ khối lượng chịu lực tại vị trí trung tâm của nó.
Hình 3.7: Mạng dò tìm và phản hồi theo [13]
Gắn kèm mỗi bên của khối lượng chịu lực là một cuộn dây. Những cuộn dây này kết nối với nhau. Một nam châm được gắn cố định bao quanh mỗi cuộn dây. Sự chuyển động của khối lượng chịu lực cho phép cuộn dây dịch chuyển tương ứng với
CHƯƠNG 3: THIẾT BỊ MOTION SENSOR VÀ NGUYÊN TẮC TÍNH TOÁN HIỆU
CHỈNH DỮ LIỆU ĐO SÂU
HVTH: Dương Minh Âu - 45 - GVHD: PGS. TS Nguyễn Ngọc Lâu
nam châm. Tại biên xa nhất của khối lượng chịu lực từ vị trí được giữ cố định được kết nối với bộ dò tìm vị trí.
Trong trạng thái ổn định: không có lực nào thì khối lượng chịu lực sẽ đứng yên giữa 2 nam châm. Bộ dò vị trí và bộ tụ sẽ cân bằng và không có dữ liệu xuất ra từ bộ khuếch đại.
Trong trạng thái có gia tốc: khi có lực tác động sẽ sinh ra gia tốc theo hướng độ nhạy, khối lượng chịu lực sẽ bị xiên so với vị trí trung tâm giữa các nam châm.
Do sự xiên này sinh ra dữ liệu tín hiệu xuất ra từ bộ khuếch đại, tín hiệu này đi qua 2 cuộn dây. Độ lớn và cực của dòng xuất ra từ bộ khuếch đại sẽ đi qua các cuộn dây theo hướng tâm của nam châm, đồng thời làm dịch chuyển khối lượng chịu lực. Độ lớn của dòng điện hiện hành cần thiết để giữ khối lượng chịu lực ở tâm cũng chính là gia tốc cần tìm. Cảm biến hiệu chỉnh tuyến tính hệ số tỷ lệ và các số hiệu chỉnh đặc biệt khác để tính toán lại gia tốc sau cùng.
Cảm biến vận tốc góc:
Bộ cảm biến tốc độ là độ nhạy tới bất kỳ sự xoay nào theo 3 trục. Bộ cảm biến tốc độ này đo vận tốc góc và chuyển động tuyến tính theo bất kỳ hướng nào. Để hiểu rõ chúng ta xem xét ví dụ về con lắc đơn như sau:
Hình 3.8: Mặt phẳng dao động cố định của con lắc theo [13]
CHƯƠNG 3: THIẾT BỊ MOTION SENSOR VÀ NGUYÊN TẮC TÍNH TOÁN HIỆU
CHỈNH DỮ LIỆU ĐO SÂU
HVTH: Dương Minh Âu - 46 - GVHD: PGS. TS Nguyễn Ngọc Lâu
Hình trên thể hiện một con lắc treo để có thể đung đưa tự do trong một mặt phẳng dao động đơn lẻ. Một đặc tính của con lắc đó là khi nó được tạo một dao động thì sẽ sinh ra một lực để chống lại lực đã được tạo ra đó.
Hình 3.9: Mẫu rung động cộng hưởng của một khối tròn theo [13]
Hình trên thể hiện một tỷ lệ phóng đại, các một khối rung tương ứng với con lắc đơn. Trong trường hợp này thì các lực bên ngoài gây ra cho khối sự rung để điểm A và A’ di chuyển đồng thời bên trong hướng vào bên trong so với hướng tâm trong nửa chu kỳ dao động và di chuyển hướng ra ngoài so với hướng tâm trong nửa chu kỳ dao động kế tiếp. Đồng thời điểm B và B’ cũng dao động theo hướng vào bên trong và ra ngoài tương tự như hình vẽ.
Giữa các điểm giao cắt của chuyển động này tạo ra 4 nút C, không thay đổi qua các chu kỳ dao động.
Với khối dao động trong một hướng cố định, mẫu rung cộng hưởng được mô tả sẽ vẫn cố định trong không gian cho đến khi phân rã về 0 khi không còn duy trì lực tác động đầu vào. Các nút C sẽ không chịu ảnh hưởng của sự rung cộng hưởng.
Khối rung có thể là một khối tinh thể điện áp nhỏ, một vòng silicon nhỏ, hoặc một vật thể có hình dạng và vật liệu riêng biệt của nhà sản xuất.
Cảm biến vận tốc sử dụng nguyên lý này để đo vận tốc xoay. Để đo được vận tốc xoay, cảm biến vận tốc cần phải thiết lập một mẫu rung bền vững trong khối chịu lực và phải dò tìm được bất kỳ chuyển động tương đối giữa mẫu và khối.
CHƯƠNG 3: THIẾT BỊ MOTION SENSOR VÀ NGUYÊN TẮC TÍNH TOÁN HIỆU
CHỈNH DỮ LIỆU ĐO SÂU
HVTH: Dương Minh Âu - 47 - GVHD: PGS. TS Nguyễn Ngọc Lâu