Bài viết đề xuất cấu hình cảm biến đo vận tốc góc (gyroscope) dựa trên hiệu ứng dòng xả corona. Cấu hình đề xuất gồm có bộ phận tạo ra luồng gió và bộ phận cảm nhận độ lệch của luồng gió khi cảm biến chịu tác động của vận tốc góc. Luồng gió được tạo ra trong một không gian kín tuần hoàn dựa trên hiệu ứng dòng xả corona. Bộ phận tạo ra luồng gió sử dụng cấu trúc ba dòng xả corona kiểu mũi kim – vòng tròn (pin - ring) để tạo ra luồng gió ion trong ba kênh riêng. Mời các bạn cùng tham khảo!
Trang 1Nghiên Cứu Phát Triển Một Cảm Biến Vận Tốc Góc
Dựa Trên Hiệu Ứng Dòng Xả Corona
Trần Văn Ngọc1, Đậu Thành Văn2, Nguyễn Ngọc An3, Trần Như Chí3, Chử Đức Trình3, Bùi Thanh Tùng3*
1Viện Tên lửa, Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự
2Trường Đại học Griffit
3Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội
*Email: tungbt@vnu.edu.vn
Abstract- Trong bài báo này, chúng tôi đề xuất cấu hình cảm biến
đo vận tốc góc (gyroscope) dựa trên hiệu ứng dòng xả corona
Cấu hình đề xuất gồm có bộ phận tạo ra luồng gió và bộ phận
cảm nhận độ lệch của luồng gió khi cảm biến chịu tác động của
vận tốc góc Luồng gió được tạo ra trong một không gian kín
tuần hoàn dựa trên hiệu ứng dòng xả corona Bộ phận tạo ra
luồng gió sử dụng cấu trúc ba dòng xả corona kiểu mũi kim –
vòng tròn (pin - ring) để tạo ra luồng gió ion trong ba kênh riêng
Các luồng gió ion được kết hợp lại với nhau tại một lỗ phun
trước khi thổi vào buồng làm việc chính và luồng gió này quay
trở lại các kênh riêng để tăng tốc cho gió ion Độ lệch của luồng
gió khi có vận tốc góc tác dụng được đo bằng cách sử dụng một
số dây nhiệt điện trở (hotwire) đặt tại các vị trí thích hợp trong
buồng làm việc chính Khi có một vận tốc góc ảnh hưởng đến
cảm biến, luồng gió ion được tạo ra bị lệch hướng bởi hiệu ứng
Coriolis và được đo bởi các dây nhiệt điện trở này Cấu trúc cảm
biến đề xuất đã được thiết kế, chế tạo dựa trên công nghệ in 3D
tạo mẫu nhanh Hoạt động của cảm biến đã được khảo sát với độ
nhạy xác định từ các kết quả thực nghiệm là 44 µV/°/s Với việc
không sử dụng bất kỳ một thành phần dao động cơ học nào như
các cảm biến vận tốc góc kiểu con quay hồi chuyển thông thường,
cấu trúc cảm biến này do đó có độ bền cơ học cao, phù hợp cho
các ứng dụng khác nhau trong đo lường và điều khiển
Keywords- Cảm biến vận tốc góc, dòng xả corona, gió ion, công
nghệ in 3D
Cảm biến vận tốc góc (thuật ngữ thường gọi gyroscope hay
con quay hồi chuyển) là một dạng cảm biến quán tính để đo
chính xác vận tốc góc của vật thể quay quanh một trục Con
quay hồi chuyển dùng trong đo đạc, điều khiển được chia làm
ba nhóm chính: Con quay có trọng vật quay tròn hay con quay
cơ học thông thường; con quay quang học; và con quay dao
động (vibrating gyros) Trong đó nhóm con quay dao động
được dùng phổ biến hơn cả Nguyên lý chính của các cảm biến
loại này là dựa trên hiệu ứng Coriolis Lực Coriolis sinh ra khi
khối gia trọng kích thích dao động theo phương kích thích
đồng thời bị quay với một vận tốc góc ω Khi đó lực Coriolis
sẽ làm cho khối gia trọng cảm ứng dao động theo phương cảm
ứng [1], [2] Cảm biến vận tốc góc dạng này được sử dụng
rộng rãi trong các khối dẫn đường quán tính (initial
measurement unit - IMU) ứng dụng để tạo ra các thiết bị định
hướng trong quân sự và dẫn đường trong lĩnh vực hàng hải
thiết bị hàng hải [3]
Mặc dù có hiệu suất đo lường cao cũng như kế thừa được những tiến bộ gần đây trong thiết kế và công nghệ chế tạo, cảm biến quán tính với dao động của khối tham chiếu dễ bị hỏng do sự rung/dao động của các thành phần khối quán tính Trong khi đó cảm biến vận tốc góc dựa trên nguyên lý lưu chất (lỏng hoặc khí) do không cần có dao động của khối quán tính nên không bị những hạn chế nói trên Trong các cảm biến này, chuyển động tham chiếu đến từ môi trường lỏng hoặc khí, thay vì một cấu trúc khối đặc rắn Vì vậy, mối quan tâm chính trong thiết kế một cảm biến góc loại này là tạo ra dòng chất lỏng hoặc khí có khả năng tự do dao động trong không gian Một số kỹ thuật được sử dụng để tạo ra dòng chảy cho cảm biến quán tính dựa trên nguyên lý chất lỏng hoặc khí như phương pháp dựa trên đối lưu tự nhiên từ một vùng được làm nóng cục bộ [4], [5], [6], [7]; phương pháp dựa trên sự giãn nở nhiệt được gây ra bởi khí đốt nóng nhanh; phương pháp dựa trên luồng gió bằng cách bơm như sử dụng màng PZT [8], [9], [10]; luồng gió cũng có thể được tạo ra từ một chất lỏng liên hợp điện sử dụng điện trường bằng cách cấp nguồn cao áp đến các điện cực ngập trong chất lỏng [11] Một con quay hồi chuyển dạng khí loại bỏ hiệu ứng của gia tốc tuyến tính bởi lực đối lưu [12]
Một phương pháp khác tạo ra luồng gió là sử dụng gió ion Luồng gió ion có thể được tạo ra nhờ hiệu ứng dòng xả corona với cấu trúc là các cặp điện cực pin – ring Khi đặt một nguồn điện áp cao đến điện cực pin đóng vai trò là nguồn phát xạ ion
và điện cực ring đóng vai trò là điện cực tham chiếu thì vùng xung quanh các điện cực chịu một điện trường mạnh Dưới tác động của điện trường mạnh quá trình phun ion sẽ bắt đầu bằng
sự phóng điện dạng burst, sau đó tiến tới một quầng stream, một quầng sáng ổn định và cuối cùng là một tia lửa điện Mỗi ion chịu một lực đẩy tĩnh điện Coulomb và được di dời ra khỏi vùng ion hóa vào khu vực cuốn (drift) Trong khu vực này, các ion va chạm với các phân tử không khí trung hòa, truyền động năng sau mỗi va chạm và trôi dạt trong không khí Tổng của các lực tĩnh điện trong vùng drift được gọi là lực tĩnh điện thủy động lực học (electrohydrodynamic - EHD) và sự chuyển động của các luồng khí mang hạt điện tích thường được gọi là gió ion (ion wind) [13]
Có rất nhiều các nghiên cứu ứng dụng hiệu ứng dòng xả corona trong các ứng dụng khác nhau như các thiết bị khử tĩnh điện; máy tạo ozon để làm sạch thực phẩm, lọc không khí và
Trang 2nước [14], [15]; cảm biến lưu lượng khí [16], [17]; cảm biến
đo vận tốc góc [18]
Dựa trên hiệu ứng phóng điện corona, chúng tôi đề xuất một
thiết kế cảm biến đo vận tốc góc sử dụng cấu hình ba cặp điện
cực point - ring để tạo ra gió ion trong hệ thống phản hồi khép
kín Luồng gió ion trong cảm biến có thể tự do dao động trong
không gian ba chiều dưới tác dụng của lực quán tính Trong
bài báo này, trước tiên thiết kế và nguyên lý hoạt động của
cảm biến sẽ được thảo luận Tiếp đó, các kết quả chế tạo và đo
đạc thử nghiệm bước đầu trên cấu trúc cảm biến đề xuất này
sẽ được trình bày
ĐỘNG Nhiệm vụ quan trọng trong thiết kế một cảm biến vận tốc góc
dạng khí là tạo ra một luồng gió thổi ổn định liên tục trong
một không gian giới hạn Mô hình cảm biến được đề xuất thể
hiện trên hình 1 Cảm biến gồm 2 bộ phận chính: bộ phận tạo
ra luồng gió và bộ phận cảm biến phát hiện độ lệch của luồng
gió này khi nó chịu tác động của vận tốc góc do hiệu ứng
Coriolis Luồng gió được tạo ra bởi hiệu ứng dòng xả corona
có cấu trúc là ba dòng xả corona kiểu pin - ring Bộ phận cảm
biến phát hiện độ lệch của luồng gió là các dây nhiệt điện trở
(hotwire)
Hình 1 Mô hình cảm biến vận tốc góc ứng dụng hiệu ứng dòng xả
corona
Từ mô hình này, thiết kế của cảm biến đề xuất được thể hiện
trong hình 2 Cấu hình ba cặp điện cực kim – vòng tròn (pin -
ring) được bố trí dạng sao đối xứng tạo ra gió ion trong ba
kênh riêng biệt hình trụ Đường kính kênh tạo gió ion và
đường kính buồng làm việc của cảm biến lần lượt là 3 mm và
10 mm Điện cực pin được chế tạo bằng thép không gỉ
SUS304 có đường kính 0.4 mm với đầu mũi hình cầu bán kính
80 µm Chiều dài pin được chọn vì mục đích lắp rắp dễ dàng,
và ở trong thiết kế này là 14 mm
Như có thể thấy trên hình 2, khi cấp một nguồn cao áp đến ba
điện cực pin – ring (1) & (2), ba luồng gió ion được tạo ra
trong ba kênh riêng biệt (4) di chuyển về phía vòi phun (6)
Tại đây ba luồng gió ion này được ghép chung với nhau trước
khi đi vào buồng làm việc của cảm biến (5) Sau khi đi qua
buồng làm việc, luồng gió ion lại được tách ra để đi vào ba
kênh tạo gió ion tạo thành vòng phản hồi khép kín nhằm tăng
tốc cho ba luồng gió ion tạo ra bởi các cặp điện cực point-ring
Quá trình ghép và tách của luồng gió ion được lặp lại như vậy
tạo ra một dòng tuần hoàn bên trong hệ thống như mô tả ở
hình 3 Sau mỗi chu kỳ của quá trình truyền, tốc độ dòng chảy
trong buồng làm việc tăng dần cho đến khi đạt trạng thái ổn
định Ngoài ưu điểm của luồng chảy tuần hoàn khép kín để
tăng tốc độ gió ion, cảm biến thiết kế theo dạng kín này còn
tránh được những tác động của môi trường trong quá trính làm việc
Hình 2 Thiết kế cảm biến đề xuất: (1) điện cực pin, (2) điện cực ring, (3) điện cực ring chính, (4) kênh dẫn gió ion, (5) lỗ phun gió ion từ 3 kênh ghép lại vào buồng làm việc, (6) buồng làm việc cảm biến, (7)
các dây nhiệt điện trở (hotwire)
Hình 3 Quá trình tạo và di chuyển tuần hoàn của gió ion
Hình 4 Nguyên lý làm việc của cảm biến
Trang 3Luồng gió ion chảy trong buồng làm việc của cảm biến có
dạng hình nón như được mô tả ở hình 4a Khi cảm biến chưa
chịu tác động của một vận tốc góc, luồng gió ion cách đều các
cảm biến là các dây nhiệt điện trở (hình 4b) Luồng gió ion
chịu tác động của lực Coriolis khi cảm biến này bị quay với
vận tốc góc ω và làm cho luồng gió ion bị lệch hướng so với
hướng ban đầu theo chiều vận tốc quay Ví dụ như khi có vận
tốc góc quay ωx tức là cảm biến quay theo trục x với vận tốc
góc ω thì lúc này luồng gió ion do hiệu ứng Coriolis sẽ bị lệch
về phía dây nhiệt điện trở Rx2 (hình 4c) Độ lệch luồng gió dẫn
đến lưu lượng gió thổi đến hotwire 1 (Rx1) và hotwire 3 (Rx2)
khác nhau Điều này tạo ra sự khác biệt về nhiệt độ của hai
hotwire và sau đó là điện trở của chúng Tương tự khi cảm
biến quay theo trục y với vận tốc góc ωy, độ lệch luồng gió
thổi làm lưu lượng khí thổi đến các hotwire 2 (Ry1) và hotwire
4 (Ry2) khác nhau
Hình 5 Bố trí các Hotwire trong buồng làm việc của cảm biến
Trong buồng làm việc của cảm biến, độ lệch này được phát
hiện sử dụng dây nhiệt điện trở vonfram (hotwire) Các nhiệt
điện trở này có điện trở và hệ số nhiệt điện trở (temperature
coefficient of resistance - TCR) tương ứng là 0.453 Ω và 4500
ppm/°C, đường kính là 0.01 mm; và được lắp đặt trên một mặt
phẳng cách lỗ vòi phun một khoảng bằng 7 mm
Trong mặt phằng này bốn hotwire được đặt đối xứng và cách
trục luồng gió là 5.0 mm, chiều dài của mỗi hotwire là 3.5 mm
thể hiện trên hình 5 Các hotwire được kết nối vào mạch điện
tích hợp trong thiết bị để thu tín hiệu nhờ sự thay đổi điện áp
sử dụng phần mềm thu thập tín hiệu NI (National Instrument
Ltd.) với tần số lấy mẫu 25.6 kHz
Cảm biến được thiết kế bằng phầm mềm SolidWork như trên
hình 6a Thiết kế được tách thành ba phần để dễ dàng cho việc
chế tạo bằng công nghệ tạo mẫu nhanh và dễ dàng lắp đặt các
chi tiết như điện cực pin, điện cực ring và dây nhiệt điện trở
Cảm biến được chế tạo bằng công nghệ quang hóa (polyjet) và
được lắp ghép hoàn chỉnh các bộ phận như trên hình 6b
Sơ đồ thiết lập hệ thống đo vận tốc góc sử dụng cảm biến đã
chế tạo được trình bày trên hình 7 Khả năng phát hiện vận tốc
góc của cảm biến được kiểm chứng sử dụng hệ thống bàn
xoay (đường kính 100 mm) được điều khiển bằng động cơ
điện một chiều Vận tốc góc của bàn xoay có thể điều khiển
được và được đo bởi một bộ giải mã (encoder) tích hợp Cảm
biến được gắn chính giữa tâm của bàn xoay và nối với mạch
ngoài thông qua cơ chế cổ góp (hay còn gọi là vòng trượt - slip ring) Cổ góp gồm 12 dây được lắp đặt dọc tâm xoay đang làm việc; ngoài nhiệm vụ cấp nguồn cao áp đến các điện cực pin
và điện cực ring cổ góp còn cấp nguồn nuôi cho các dây nhiệt điện trở và lấy tín hiệu thay đổi điện áp trên các dây nhiệt điện trở này Điện áp tại lối ra của cảm biến được ghi lại tại các giá trị vận tốc quay khác nhau của bàn xoay
Hình 6 (a) Thiết kế 3D cảm biến, (b) Cảm biến được chế tạo bằng
công nghệ in 3D
Hình 7 Sơ đồ nguyên lý hệ thống đo cảm biến vận tốc góc
Hình 8 Sơ đồ khối hệ thống đo đạc và thu thập dữ liệu
Trang 4Hình 9 Hệ thống đo xây dựng thực tế
Kết quả khảo sát đặc tính dòng điện – điện áp (I-V) tại pin 1,
pin 2, pin 3 và của đồng thời cả ba pin được thể hiện trên hình
10 Đặc tính dòng điện – điện áp không chỉ thể hiện mối quan
hệ đầu vào (điện áp) và đầu ra (dòng điện) mà còn thể hiện sự
phụ thuộc của tốc độ luồng gió ion tạo ra vào cường độ dòng
điện
Kết quả thể hiện trên hình 10 cho thấy khi tăng giá trị điện áp
cấp đến các điện cực pin - ring thì giá trị cường độ dòng điện
phóng tại mỗi cặp điện cực pin – ring cũng tăng theo Các đặc
tính I-V của ba cặp điện cực pin – ring trong các kênh gió ion
thể hiện bởi ba đường cong bên dưới cùng là đồng dạng Đặc
biệt, kết quả này cũng thể hiện giá trị cường độ dòng điện
phóng tổng (đường cong trên cùng) của cả ba cặp điện cực pin
– ring xấp xỉ bằng tổng của cường độ dòng điện phóng đo tại
mỗi cặp điện cực pin – ring Từ các kết quả này ta có thể
khẳng định cấu trúc gom gió phản hồi khép kín thiết kế hoạt
động hiệu quả, có tác dụng tổng hợp gió từ ba kênh riêng rẽ
Các kết quả thực nghiệm khảo sát vận tốc luồng gió trong thời
gian 200 giây cũng xác nhận độ ổn định của gió ion theo thời
gian Kết quả này có thể xác nhận áp suất tạo ra trong buồng
làm việc này là không đáng kể
Thực nghiệm kiểm tra khả năng phát hiện vận tốc góc của cảm
biến đã chế tạo cũng đã bước đầu được tiến hành với các kết
quả thực nghiệm thể hiện trên hình 11 Bàn xoay được thiết
lập các vận tốc khác nhau: 90 vòng/phút, 150 vòng/phút, 300
vòng/phút Điện áp tại lối ra của cảm biến khi có vận tốc góc
tác dụng được so sánh với điện áp tại lối ra khi không có vận
tốc góc Ta thấy rằng, khi bàn xoay chưa làm việc tức là cảm
biến không chịu một tác động quay thì đầu ra điện này bằng 0
mV Giá trị này ổn định thể hiện cảm biến không chịu tác
động của môi trường và luồng gió ion tạo ra là ổn định Khi bàn xoay quay với tốc độ thiết lập thì giá trị điện áp đầu ra đo trên các hotwire có sự thay đổi, tỷ lệ thuận với vận tốc bàn xoay Độ nhạy của cảm biến tính được từ đồ thị kết quả này là xấp xỉ 44 µV/°/s Hoạt động của cảm biến ở các điều kiện khác nhau như hoạt động trong dải đo với vận tốc góc lớn hơn, đang được tiếp tục khảo sát
Hình 10 Đặc tính I-V của cấu hình point – ring
Hình 11 Kết quả thực nghiệm biểu diễn lối ra tại các vận tốc bàn xoay
khác nhau
Trong bài báo này, chúng tôi đã đề xuất một thiết kế cảm biến
đo vận tốc góc kiểu lưu chất (fluidic gyroscope) sử dụng gió ion Gió ion được tạo bởi cấu trúc ba cặp điện cực pin – ring dựa trên hiệu ứng dòng xả corona trong một buồng phản hồi khép kín Độ lệch của luồng gió ion gây ra bởi lực Coriolis dưới tác dụng của vận tốc góc được phát hiện với độ nhạy xác định từ các kết quả thực nghiệm là 44 µV/°/s Cấu trúc cảm biến đề xuất tiêu thụ dòng điện thấp, kích thước nhỏ gọn, và
Trang 5không chịu tác động của môi trường xung quanh do có cấu
trúc khép kín Bên cạnh đó, cấu trúc cảm biến này không sử
dụng bất kỳ một thành phần rung cơ học nào, thay vào đó là sử
dụng đặc tính của luồng gió ion, do đó có độ bền cơ học cao,
có thể ứng dụng cho nhiều bài toán trong đo lường và điều
khiển
[1] V M N Passaro, A Cuccovillo, L Vaiani, M De Carlo, and C E
Campanella, “Gyroscope Technology and Applications: A Review in
the Industrial Perspective,” Sensors, vol 17, no 10, p 2284, 2017
[2] A M Shkel, “Type i and type ii Micromachanied Vibratory
Gyroscopes,” Proc IEEE /ION Position Locat Navig Symp., San
Diego, CA, Apr 24-27, vol 0, pp 1–14, 2016
[3] N Yazdi, F Ayazi, and K Najafi, “Micromachined inertial sensors,”
Proc IEEE, vol 86, no 8, pp 1640–1658, 1998
[4] J Bahari, J D Jones, and A M Leung, “Sensitivity improvement of
micromachined convective accelerometers,” J Microelectromechanical
Syst., vol 21, no 3, pp 646–655, 2012
[5] V T Dau, D V Dao, M Hayashida, T X Dinh, and S Sugiyama, “A
Dual Axis Accelerometer Utilizing Low Doped Silicon Thermistor,”
IEEJ Trans Sensors Micromachines, vol 126, no 5, pp 190–194,
2006
[6] V T Dau, O Tomonori, T X Dinh, D V Dao, and S Sugiyama, “A
multi axis fluidic inertial sensor,” Proc IEEE Sensors, vol 1, pp 666–
669, 2008
[7] V T Dau, T Otake, T X Dinh, and S Sugiyama, “Design and
Fabrication of Convective Inertial Sensor,” Transducer 2009, Denver
USA, pp 1170–1173, 2009
[8] X Yang, Z Zhou, H Cho, and X Luo, “Study on a PZT-actuated
diaphragm pump for air supply for micro fuel cells,” Sensors Actuators,
A Phys., vol 130–131, no SPEC ISS., pp 531–536, 2006
[9] V T Dau, T X Dinh, and S Sugiyama, “A MEMS-based silicon
micropump with intersecting channels and integrated hotwires,” J
Micromechanics Microengineering, vol 19, no 12, 2009
[10] Z Zhang, J Kan, S Wang, H Wang, J Wen, and Z Ma, “Flow rate
self-sensing of a pump with double piezoelectric actuators,” Mech Syst
Signal Process., vol 41, no 1–2, pp 639–648, 2013
[11] K Mori, H Yamamoto, K Takemura, S Yokota, and K Edamura,
“Dominant factors inducing electro-conjugate fluid flow,” Sensors
Actuators, A Phys., vol 167, no 1, pp 84–90, 2011
[12] S Yokota, Y Ogawa, K Takemura, and K Edamura, “A dual-axis
liquid-rate microgyroscope using Electro-Conjugate Fluid,” J Adv
Comput Intell Intell Informatics, vol 14, no 7, pp 751–755, 2010
[13] A P Chattock, “On the Velocity and Mass of the ion in the Electric
Wind in Air,” Philos Mag Ser 5, vol 48, no 294, pp 401–420, vol
30, no 30, 1899
[14] N V Dũng, “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ Plasma lạnh trong xử lý
nước: tổng hợp tài liệu,” Tạp chí khoa học ĐHCT, vol 36, pp 106–
111, 2015
[15] N V Dũng, “Nghiên cứu về đặc tính phóng điện của buồng plasma
lạnh,” Tạp chí Khoa học Trường Đại học Cần Thơ, vol 35, pp 9–16,
2014
[16] V T Dau, T X Dinh, T T Bui, and T Terebessy, “Corona
anemometry using dual pin probe,” Sensors Actuators, A Phys., vol
257, pp 185–193, 2017
[17] N T Van, T T Bui, T X Dinh, T Terebessy, and T C Duc, “A SYMMETRICALLY ARRANGED ELECTRODES FOR CORONA DISCHARGE ANEMOMETRY Institute of Missile – Military Institute
of Science and Technology , Hanoi , Vietnam University of Engineering and Technology , Vietnam National University , Hanoi , Vietnam Graduate Sch,” pp 1112–1115, 2017
[18] H T Phan, T X Dinh, P N Bui, C Tran, T T Bui, and V T Dau,
“Robust Angular Rate Sensor based on Corona Discharge Ion Wind,”
pp 4–7
