Nghiên cứu thiết kế mô phỏng cảm biến vận tốc góc dạng khí hai bậc tự do hoạt động dựa trên hiệu ứng dòng xả Corona

Bài viết này trình bày về thiết kế mô phỏng một cấu hình cảm biến vận tốc góc dạng khí hai bậc tự do hoạt động dựa trên hiệu ứng dòng xả corona. Một cấu hình ba cặp điện cực kim – vòng được đề xuất để tạo ra một luồng gió ion ổn định trong buồng làm việc của cảm biến.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Nghiên cứu thiết kế mô phỏng cảm biến vận tốc góc dạng khí hai bậc tự do hoạt động dựa trên hiệu ứng dòng xả Corona Kỹ thuật Điện tử – Vật lý – Đo lường NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MÔ PHỎNG CẢM BIẾN VẬN TỐC GÓC DẠNG KHÍ HAI BẬC TỰ DO HOẠT ĐỘNG DỰA TRÊN HIỆU ỨNG DÒNG XẢ CORONA Trần Văn Ngọc1*, Đậu Thành Văn2, Nguyễn Thu Hằng3, Chử Đức Trình3, Bùi Thanh Tùng3 Tóm tắt: Bài báo này trình bày về thiết kế mô phỏng một cấu hình cảm biến vận tốc góc dạng khí hai bậc tự do hoạt động dựa trên hiệu ứng dòng xả corona. Một cấu hình ba cặp điện cực kim – vòng được đề xuất để tạo ra một luồng gió ion ổn định trong buồng làm việc của cảm biến. Khi có vận tốc góc tác dụng, luồng gió ion bị lệch tỷ lệ với vận tốc góc tác dụng. Độ lệch của luồng gió ion được cảm nhận bởi các dây nhiệt điện trở đặt tại các vị trí thích hợp để đo vận tốc góc tác dụng theo hai trục. Cảm biến được thiết kế bằng phần mềm 3D Solidword và mô phỏng số hoạt động của cảm biến. Bằng cách sử dụng luồng gió ion, cảm biến vận tốc góc không có các bộ phận dao động, nhỏ gọn nhưng chắc chắn, do đó, có độ bền cơ học cao và tiêu thụ ít năng lượng.Từ khóa: Cảm biến quán tính; Gió ion; Cảm biến vận tốc góc dạng khí; Lực tĩnh điện thủy động lực học. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Cảm biến vận tốc góc hay con quay hồi chuyển là một cảm biến quán tính đo tốc độgóc hoặc tốc độ quay. Con quay hồi chuyển có lịch sử rất lâu đời và nhiều ứng dụng, ví dụnhư trong máy bay, vệ tinh, ô tô, điện thoại di động, máy ảnh và bộ điều khiển trò chơiđiện tử, dẫn đường, quân sự,... Cảm biến quán tính với dao động của khối tham chiếu, mặcdù có hiệu suất đo lường cao cũng như kế thừa được những tiến bộ gần đây trong thiết kếvà công nghệ chế tạo, dễ bị hư hỏng do sự rung/dao động của các thành phần khối quántính. Cảm biến vận tốc góc dạng khí hoạt động sử dụng luồng khí để cảm nhận lựcCoriolis sinh ra do vận tốc góc tác dụng lên cảm biến. Với các cảm biến dạng này, việctích hợp một vi bơm để tạo ra luồng gió trong cảm biến là rào cản kỹ thuật với các nhàkhoa học. Vì vậy, hướng nghiên cứu này đã thu hút được nhiều cách tiếp cận khác nhau[1-5]. Một số nghiên cứu gần đây đã tạo ra luồng gió dựa trên nguyên lý phóng điệncorona bằng cách đặt một điện áp cao giữa điện cực phóng điện và điện cực tham chiếu[6]. Phương pháp này không yêu cầu các bộ phận dao động, do đó, nó có một số ưu điểmnhư giá thành và tiêu thụ năng lượng thấp, nhỏ gọn nhưng chắc chắn và hoạt động đơngiản so với phương pháp khác bằng bơm không khí [7] hoặc dao động pít tông [8]. Trong nghiên cứu này, chúng tôi trình bày về một cảm biến vận tốc góc kiểu khí vớiluồng khí được tạo ra bởi ba cặp điện cực kim – vòng được thiết kế để tạo ra luồng gió ionlưu thông tuần hoàn ổn định bên trong cảm biến. Trước tiên, thiết kế và nguyên lý hoạtđộng của cảm biến được trình bày. Mô phỏng số hoạt động luồng gió ion trong không gian3D được nghiên cứu mô phỏng sử dụng OpenFOAM. Nguyên mẫu cảm biến được chế tạovà đánh giá bằng thực nghiệm. 2. THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA CẢM BIẾN2.1. Cấu tạo và cơ chế hoạt động của cảm biến Cấu tạo của cảm biến được trình bày như trên hình 1. Hệ thống gồm ba kênh tạo gióion hình trụ (4) tạo luồng gió đối xứng kết hợp với nhau trước khi được thổi vào buồnglàm việc chính /buồng cảm biến (6) qua một vòi phun (5) tại tâm của thiết bị. Gió ion đượctạo ra tại mỗi kênh bởi một cặp điện cực kim – vòng. Kim (1) là một điện cực hình trụ cóđường kính 0.4 mm với bán kính đầu kim 80 µm được bố trí cách điện cực vòng (2) một172 T. V. Ngọc, …, B. T. Tùng, “Nghiên cứu thiết kế mô phỏng … hiệu ứng dòng xả corona.”Nghiên cứu khoa học công nghệkhoảng cách là 5 mm. Trong buồng cảm biến được bố trí các dây nhiệt điện trở (7) để cảmnhận luồng gió. Kích thước (đường kính×chiều dài) của buồng gió ion và buồng làm việccủa cảm biến lần lượt là 5 mm × 10 mm và 12 mm × 15 mm. Tại phía cuối của buồng cảmbiến một điện cực vòng (3) được bố trí để trung hòa điện tích dư do gió ion gây ra. Hình 1. Cấu tạo của cảm biến. Khi có vận tốc góc tác dụng vào cảm biến, luồng gió tổng hợp bị lệch do lực Coriolisvà tác động vào các dây nhiệt điện trở (7). Vận tốc góc càng tăng thì sự truyền nhiệt giữacảm biến và luồng không khí càng tăng và do đó, dây nhiệt điện trở nguội đi, dẫn đến điệntrở giảm và điện áp trên dây nhiệt điện trở giảm (khi duy trì dòng điện cố định qua điệntrở). Dựa vào sự thay đổi điện áp này, vận tốc góc tác động vào cảm biến được xác định. Khi cấp một nguồn cao áp đến các điện cực kim và vòng, gió ion được tạo ra. Vận tốctrung bình của gió ion được xác định dựa trên dòng điện phóng [12] là: (1)trong đó, ...