Chương 4 ĐỘNG LỰC HỌC VI CẢM BIẾN VẬN TỐC GÓC KIỂU ÂM
4.2. Mô hình hóa vi cảm biến vận tốc góc kiểu TFG
4.2.1. Lựa chọn mô hình nghiên cứu
Mô hình đề xuất trong nội dung nghiên cứu được giới hạn với các MVG có các phần tử tham gia dao động thẳng trên hai phương vuông góc nhau (nằm trong mặt phẳng – in-plane) và vận tốc góc cần đo thuộc trục thứ 3 còn lại.
Trên cơ sở các tài liệu tham khảo, để đảm bảo tính đơn giản về cấu hình, hiệu quả về hoạt động và dễ dàng cho chế tạo, luận án lựa chọn kế thừa và phát triển từ mô hình TFG tham khảo trong tài liệu [9] để phân tích làm rõ các đáp ứng động lực học của hệ. Cấu tạo của TFG này được thể hiện trên Hình 4.1, bao gồm hai gyroscope đơn ở hai bên được liên kết với nhau bởi hệ khung đàn hồi. Cấu tạo của mỗi gyroscope đơn đã được chỉ rõ trong Chương 3.
4
1 1
2 6 5 2
3
Hình 4.1. Cấu trúc 3D của TFG nghiên cứu
1- Khối quán tính; 2 - Khung ngoài; 3 - Dầm gập cảm; 4 - Dầm gập dẫn;
5 - Điểm neo; 6 - Dầm treo khung
a) Khung cơ bản b) Khung có dầm đơn
c) Khung có dầm gập d) Khung có dầm gập kép
e) Khung Ellip với dầm đơn f) Khung Ellip với dầm gập kép Hình 4.2. Một số dạng khung liên kết trong mô hình TFG
Hình 4.2 giới thiệu 6 mô hình 3D cho khung liên kết có thể được sử dụng để ghép nối các gyroscope đơn trong mô hình TFG. Các khung trên Hình 4.2a, b, c và d là có dạng "quả trám", sự khác biệt ở chỗ không có (Hình 4.2a) và có
các thanh đàn hồi ở đầu trên và dưới của khung chính và từ dạng đơn (Hình 4.2b) lần lượt thành dạng dầm gập (Hình 4.2c) và dạng vòng (Hình 4.2d) của các thanh dầm đàn hồi này. Hình 4.2e và f có sự khác biệt với các mô hình còn lại khi khung chính có dạng Ellip. Theo đó, hoàn toàn có thể thay tiếp khung chính từ dạng "quả trám" thành dạng khác để thu được một dạng khung mới với cùng chức năng như mong muốn. Ưu điểm của các kết cấu khung liên kết này ở chỗ khung có dạng khép kín nhằm hạn chế những sai số có thể hình thành khi xác định độ cứng tương đương của khung, ngoài ra, các khung này có cấu hình khá đơn giản mà vẫn đảm bảo hiệu quả sử dụng.
Trong phạm vi nghiên cứu, luận án lựa chọn giới thiệu và phân tích chi tiết cho hai mô hình đầu tiên của khung quả trám: khung trên Hình 4.2a (được gọi là mô hình 1) và khung trên Hình 4.2b (được gọi là mô hình 2). Các mô hình còn lại cũng có thể được phân tích theo cách thức tương tự để nhận được kết quả về đáp ứng động lực học. Cấu tạo 2D của hai mô hình khung này được biểu diễn chung trên Hình 4.3.
Hình 4.3. Cấu tạo 2D của khung quả trám
Cấu tạo chung của hai khung này gồm 4 thanh được xem là tuyệt đối cứng (7) được liên kết với nhau tạo thành hình quả trám nhờ các phần dầm liên kết (8). Phần đầu của mỗi thanh cứng có kích thước tiết diện nhỏ hơn nhiều so với tiết diện trên toàn chiều dài của thanh và được gọi là cổ đàn hồi. Khung có thể được treo trên nền chính nhờ hệ dầm treo của hai gyroscope đơn hoặc nhờ hệ
l
5 - Điểm neo 6 - Dầm treo khung 7 - Thanh cứng 8 - Phần dầm liên kết L
7
6 5
Mặt cắt ngang của thanh 7
Mô hình 2D 1/4
α0
8
dầm treo (6) liên kết giữa khung với điểm neo (5). Dầm treo (6) có thể ở dạng đơn, dạng dầm gập đơn hoặc dầm gập kép.
Theo đó, mô hình động lực học của TFG mà luận án đề xuất được mô tả trên Hình 4.4. TFG được xem như hệ dao động gồm 4 phần tử khối lượng với hai dạng dao động chính trên hai phương vuông góc với nhau. Cổ đàn hồi tại các đỉnh của khung quả trám có vai trò như các khớp quay đặt tại các điểm A, B, C và D tương ứng. Mỗi khung ngoài được treo trên nền nhờ hệ lò xo - giảm chấn tương đương có hệ số độ cứng và hệ số cản quy đổi lần lượt là kx1, kx2 và cx1, cx2. Mỗi phần tử quán tính được liên kết treo với khung ngoài nhờ hệ lò xo - giảm chấn tương đương thứ hai có hệ số độ cứng và hệ số cản quy đổi ky1, ky2
và cy1, cy2 (chỉ số 1 cho gyroscope đơn bên trái, chỉ số 2 cho khung bên phải).
Khung quả trám được treo trên nền nhờ hệ thanh đàn hồi, tính chất đàn hồi của các cổ đàn hồi và các thành phần dầm đàn hồi ở phía trên và dưới của khung được quy về hệ số độ cứng tương đương trên phương y là ky.
kx1 kx2
cx1 cx2
C
D
A B
mS1 mS2
cy1/2
cy1/2
ky1/2
ky1/2
cy2/2 ky2/2
cy2/2 ky2/2 ky/2
ky/2 x
y
Hình 4.4. Mô hình động lực học cho TFG đề xuất
Với cấu tạo này, TFG đề xuất được kỳ vọng có thể loại bỏ được các dao động đồng pha của hai gyroscope đơn, đồng thời khuếch đại được tín hiệu ngược pha cho các thành phần dẫn và cảm. Ngoài ra, TFG này cũng có khả
năng chống lại sự lệch pha của hai dao động dẫn được gây nên do các nguyên nhân bên ngoài (không hoàn toàn lệch pha nhau 1800).