Chương 4 ĐỘNG LỰC HỌC VI CẢM BIẾN VẬN TỐC GÓC KIỂU ÂM
4.6. Một số kết quả mô phỏng
4.6.3. Đáp ứng động lực học của TFG
Để xác định chính xác tần số dẫn cần thiết đặt vào hai khung dẫn của TFG, một phép phân tích đáp ứng biên độ được thực hiện trong modul Harmonic
Response. Hai lực dẫn ngược chiều nhau, có giá trị 10 μN được đặt vào hai khung ngoài trên phương dẫn. Để giảm thời gian tính toán, tần số dẫn được lựa chọn khảo sát trong khoảng 11 ÷ 12 kHz, với bước khảo sát là 1 Hz. Kết quả xác định đáp ứng biên độ - tần số cho hai khung ngoài trên phương dẫn cho thấy, tại tần số 11605 Hz biên độ dao động dẫn của khung ngoài đạt giá trị lớn nhất (Hình 4.23). Theo đó, tần số lực kích thích nên được lựa chọn theo giá trị xác định trên đây.
Hình 4.23. Đáp ứng biên độ và pha theo tần số kích thích
Hình 4.24. Dạng dao động cảm của phần tử quán tính
Đặt lực dẫn theo công thức (4.10) với tần số dẫn được lấy bằng với tần số của dạng dao động dẫn, đồng thời đưa vào hệ một vận tốc góc Ω = constant, đáp ứng của hai phần tử proof-mass ở hai bên khung quả trám thu được có dạng
phù hợp với dạng lực kích thích (điều hòa) và biên độ lớn nhất phản ánh giá trị của vận tốc góc đầu vào (Hình 4.24).
Các kết quả mô phỏng đáp ứng động lực học trên đây đã chứng tỏ khả năng hoạt động của TFG đáp ứng yêu cầu phát hiện và xác định giá trị của vận tốc góc đầu vào thông qua biên độ của dao động cảm của phần tử proof-mass.
Kết luận Chương 4
Trong chương 4, luận án đã xây dựng mô hình vi cảm biến kiểu âm thoa TFG có khung dạng quả trám liên kết hai gyroscope đơn ở hai bên. Chức năng của khung quả trám là tạo và duy trì khả năng dao động ngược pha cho hai dao động dẫn của hai khung ngoài. Trên cơ sở đó, tạo ra hai dao động cảm ngược pha, làm tăng mức tín hiệu cảm cho hệ.
Luận án đã phân tích động lực học khung quả trám, xây dựng bộ thông số kích thước cho khung này theo yêu cầu về tần số làm việc và độ cứng tương đương của khung, xác định các thông số động học đặc trưng cho khung, làm cơ sở cho bài toán phân tích động lực học cả hệ TFG.
Luận án đã phân tích động lực học cho hệ TFG bằng cả phương pháp giải tích số và phần mềm mô phỏng để chứng minh cho hoạt động của TFG đề xuất.
Luận án đã chứng minh khả năng bù độ lệch biên độ và độ lệch pha của khung quả trám cho cả dao động dẫn và dao động cảm của hệ TFG khi có sự lệch pha không mong muốn từ lực dẫn tĩnh điện đầu vào. Điều này giúp cho hệ cơ học của cảm biến tránh được những tín hiệu nhiễu trong quá trình hoạt động.
Nội dung của chương này được tác giả công bố trong các công trình số 4, 5, 7 và 8.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Đánh giá chung về kết quả của luận án
Luận án đã giới thiệu tổng quan về công nghệ vi cơ điện tử, một ngành khoa học kỹ thuật còn nhiều tiềm năng phát triển ở Việt Nam, và giới thiệu khái quát một đối tượng cơ bản của MEMS là các vi cảm biến đo vận tốc góc. Từ đó, phân tích đưa ra đối tượng, nội dung và phạm vi nghiên cứu của luận án.
Luận án đã hệ thống kiến thức cơ sở cho việc tính toán, thiết kế phần cơ học cho hệ dao động và phần tĩnh điện cho cấu trúc dẫn động kiểu răng lược cũng như cảm ứng điện dung để chuyển đổi từ tín hiệu cơ học sang tín hiệu điện áp để xác định tín hiệu vận tốc góc trong các MVG.
Luận án đã tiến hành phân tích làm rõ nguyên lý cấu tạo và nguyên lý hoạt động của một lớp vi cảm biến vận tốc góc kiểu dao động. Xây dựng hệ phương trình vi phân mô tả chuyển động của các phần tử khối lượng trong các hệ MVG khác nhau.
Sử dụng các phần mềm tính toán và mô phỏng để xác định các giá trị đặc trưng cho một hệ dao động, phân tích đáp ứng động lực học cho 3 mô hình vi cảm biến (một phần tử khối lượng hai bậc tự do, hai phần tử khối lượng hai bậc tự do và bốn phần tử khối lượng 3 bậc tự do) với mức độ phức tạp về cấu tạo và chuyển động tăng dần.
Luận án đã giới thiệu một mô hình vi cảm biến TFG hoạt động theo kiểu âm thoa với hệ khung liên kết dạng quả trám. Kết quả nghiên cứu cho thấy mô hình TFG có khả năng tạo và duy trì dạng dao động ngược pha cho dao động dẫn, qua đó tạo cho dao động cảm có biên độ dao động lớn hơn, làm tăng độ nhạy của cảm biến. Đồng thời, khung liên kết quả trám cũng giúp cho cảm biến có thể bù độ lệch biên độ và lệch pha do ảnh hưởng của các yếu tố bên ngoài.
Đóng góp của luận án
- Dựa trên kiến thức về cơ học, luận án đã tiến hành xây dựng hệ phương trình vi phân mô tả chuyển động của các phần tử trong các mô hình MVG xác định. Trên cơ sở tính toán số và mô phỏng, luận án đã hình thành một phương pháp để tiến hành phân tích động lực học cho một số mô hình vi cảm biến kiểu dao động thẳng, cũng như phương pháp để xác định các thông số kích thước làm tiền đề cho quá trình tính toán thiết kế các vi cảm biến kiểu này.
- Trên cơ sở những công trình nghiên cứu đã tham khảo, luận án đã phát triển cấu trúc cơ học mới của cảm biến vận tốc góc vi cơ điện tử kiểu dao động thẳng theo nguyên lý âm thoa có cấu tạo đơn giản.
- Phân tích đáp ứng động lực học của hệ để chứng minh khả năng tạo và duy trì trạng thái dao động ngược pha cho các phần tử trên các phương dao động mong muốn của một mô hình vi cảm biến vận tốc góc kiểu dao động âm thoa nhờ sự có mặt của khung liên kết dạng quả trám.
Kết quả của luận án có ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao, là cơ sở cho việc phân tích, thiết kế và tiến tới chế tạo thử nhằm hoàn thiện và nâng cao chất lượng của lớp vi cảm biến vận tốc góc.
Kiến nghị
Tiếp tục nghiên cứu, tiến tới hoàn thiện về thiết kế, có thể đề xuất chế tạo và đo đạc thực nghiệm cho mô hình TFG.
Nghiên cứu thêm một số cơ cấu khác có cùng chức năng với khung quả trám trong mô hình TFG, bổ sung hoàn thiện nghiên cứu tổng quan về các dạng cấu trúc cho vi cảm biến kiểu TFG.
DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ
1. Vũ Văn Thể, Trần Quang Dũng, Chử Đức Trình (2016), "Nghiên cứu ảnh hưởng của gia tốc Coriolis đến dao động của phần tử khối lượng trong mô hình MEMS Vibratory Gyroscope", Tạp chí Khoa học & Kỹ thuật, HVKTQS, Số 180, tháng 10-2016, trang 104-113.
2. Vũ Văn Thể, Trần Quang Dũng và Chử Đức Trình (2016), "Đặc trưng dao động của phần tử gia khối trong mô hình Gyroscope một phần tử khối lượng hai bậc tự do", Kỷ yếu Hội nghị Khoa học và Công nghệ toàn quốc về Cơ khí - Động lực 2016, Đại học BK-HN, trang 296-300.
3. Vũ Văn Thể, Hoàng Trung Kiên, Trần Quang Dũng và Chử Đức Trình (2016), "Khảo sát đặc trưng dao động của mô hình Gyroscope với khung dẫn và gia khối cảm ứng", Tuyển tập công trình hội nghị Khoa học toàn quốc lần thứ 2 về Cơ kỹ thuật và Tự động hóa, Đại học BK-HN, tháng 10-2016, trang 179-183.
4. Vũ Văn Thể (2017), "Khả năng bù lệch pha của hệ khung treo dạng quả trám trong mô hình vi cảm biến vận tốc góc dao động kiểu tuning fork", Tuyển tập công trình khoa học Hội nghị Cơ học toàn quốc lần thứ 10, 2017, tập 1, trang 1045-1053.
5. Vu Van The, Tran Quang Dung, Vu Minh Hoan and Chu Duc Trinh (2017), "Study of dynamic response of a diamond-shaped micro silicon frame", Tạp chí Khoa học & Kỹ thuật, Học viện KTQS, Số 186, tháng 10-2017, trang 34-42.
6. Vu Van The, Tran Quang Dung and Chu Duc Trinh (2018), "Dynamic Analysis of a Single MEMS Vibratory Gyroscope with Decoupling Connection between Driving Frame and Sensing Proof Mass", International Journal of Applied Engineering Research, ISSN 0973- 4562, Vol 13, N0 7 (2018), pp. 5554-5561.
7. Vu Van The, Tran Quang Dung, and Chu Duc Trinh (2018),
"Mechanical response of outer frames in tuning fork gyroscope model with connecting diamond-shaped frame", Vietnam Journal of Mechanics, https://doi.org/10.15625/0866-7136/12710
8. Vu Van The, Tran Quang Dung, and Chu Duc Trinh (2018),
"Optimization of Matching Phase between two Driving Oscillations of a TFG using Diamond-Shaped Frame", International Conference on Engineering Research and Applications, Thai Nguyen - Vietnam, Springer, LNNS 63, pp. 462-468, https://doi.org/10.1007/978-3-030- 04792-4_60.