Mô phỏng gia tốc kế theo công nghệ MEMS bằng SIMULINK
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (769.19 KB, 20 trang )
Lời nói đầu
Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ điện tử, việc tạo ra các linh
kiện mới có kích thước nhỏ với khả năng ứng dụng cao đã và đang mở ra những
triển vọng mới . Một trong những công nghệ mới đang tạo ra những thay đổi mang
tính cách mạng là Công nghệ vi cơ điện tử (MEMS - Micro Eletro Mechanical
Systems).
Cảm biến gia tốc là một trong các thiết bị được chế tạo theo công nghệ vi cơ điện
tử. Hiện nay về cơ bản có ba loại cảm biến gia tốc , đó là cảm biến gia tốc kiểu tụ,
áp điện và áp trở .Việc lựa chọn sử dụng cảm biến nào là tùy thuộc vào yêu cầu và
đặc điểm sử dụng.
Cảm biến kiểu áp trở có ưu điểm là công nghệ cấu tạo rất đơn giản. Tuy nhiên
nhược điểm của chúng là hoạt động phụ thuộc nhiều vào sự thay đổi nhiệt độ và độ
nhạy kém.
Cảm biến gia tốc kiểu tụ có độ nhạy cao hơn, nhiễu thấp, hao phí năng lượng ít, đặc
tính một chiều ổn định, ít chịu tác dụng của nhiệt độ và đáp ứng tuyến tính. Tuy
nhiên mạch điện là phức tạp. Do những ưu điểm nổi bật, cảm biến kiểu tụ được ứng
dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vục đời sống.
Đề tài này đề cập đến việc mô hình hóa và mô phỏng khối gia tốc kế. Qua đó xác
định sự thay đổi của các thông số ảnh hưởng lên gia tốc kế, cũng như sự chuyển đổi
tương ứng từ gia tốc (giá trị cần đo) sang giá trị khác như điện dung của tụ hay điện
áp (giá trị có thể đo được), nhằm đưa ra một sự lựa chọn về cấu hình thiết kế cụ thể
phù hợp với các tiêu chuẩn đã định trước.
Trong quá trình thực hiện đề tài, chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót, mong
muốn nhận được những ý kiến đóng góp của mọi người để có thể sửa chữa nhằm
giúp cho đề tài trở nên hoàn thiện hơn. Xin chân thành cám ơn.
1
Phần 1 : Cơ sở lý thuyết
1. BỘ PHẬN CẢM BIẾN VI CƠ
Bộ phận cảm biến được nghiên cứu bởi Druck , Ltd.., Groby , Leics . Quá trình
chế tạo tại Druck vẫn còn trong giai đoạn thử nghiệm nên có nhiều bản thiết kế,
cấu tạo với những đặc tính khác nhau được sử dụng.
Bộ phận cảm biến là 1 khối vi cơ sử dụng bộ cảm biến điện dung. Khối gia
trọng và 2 cực được làm từ silicon. Bản thiết kế cơ có hệ thống giảm sốc được
thiết kế theo kiểu “swastika” (hình 1) hay “articulated” (hình 2). Điểm khác biệt
của 2 thiết kế này là khối gia trọng có thể là 1 khối rắn hoặc 1 khối rỗng .
Hình 1: Bộ phận cảm ứng vi cơ theo thiết kế “swastika”
Hình 2 : Khối gia trọng theo thiết kế của “articulate
2
Để làm giảm hệ số giảm chấn (damping factor), trong thiết kế của “swastika”
khối gia trọng được khoan một hoặc vài lỗ, còn trong thiết kế của “articulated”
được thay bởi một khe hình chữ thập giữa khối để chất khí thoát dễ dàng từ mặt
này sang mặt khác .
Hình dưới đây (hình 3) thể hiện khối gia trọng theo thiết kế “swastika” với 4 lỗ
khoan
Hình 3
Khối gia trọng hoạt động như một cực chung của 2 tụ nối tiếp
1
C
và
2
C
.
Các thông số:
• Bộ cảm biến “swastika”:
- Khoảng cách từ khối gia trọng đến mỗi cực , d
0
: 10 μm (± 1μm)
- Diện tích khối gia trọng , A : 2,4mm x 2,4mm = 5,76 mm
2
- Độ dày khối gia trọng , h : 0,35 mm
- Trọng lượng khối gia trọng , m : 6,2 mg (đặc) ; 2,2 mg (rỗng) (
±
10%)
- Điện dung của mỗi tụ ( giả sử điện trường đều và khối gia trọng ở
chính giữa các cực ) :
C
1
= C
2
= = 5,1 pF
Với : ε
0
: hằng số điện môi
ε
r
: hằng số điện môi tỉ đối (ε
r
xấp xĩ 1 trong môi
trường không khí )
• Bộ cảm biến “ articulated ” :
- Khoảng cách từ khối gia trọng đến mỗi cực , d
0
: 10 μm (± 1μm)
- Diện tích khối gia trọng , A : 12 mm
2
3
- Độ dày khối gia trọng , h : 0,35 mm
- Trọng lượng khối gia trọng , m : 8,2 mg(đặc) , 3,8 mg (rỗng) (
±
10%)
- Điện dung của mỗi tụ : C
1
= C
2
= 10,1pF.
2. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG :
Mô hình tương đương của một gia tốc kế được vẽ ở hình dưới đây (hình 4)
Hình 4
Tác dụng một lực F theo phương y, ta có, tổng hợp lực tác dụng lên hệ kín tại vị
trí cân bằng :
với : m : trọng lượng khối gia trọng
x : độ dịch chuyển của khối gia trọng
b : hệ số giảm chấn
k : hệ số đàn hồi ( độ cứng k)
Ta bíết rằng, đạo hàm bậc hai theo thời gian của x hay là độ dịch chuyển chính
là gia tốc a của khối gia trọng.
Tuy nhiên, do cấu tạo của gia tốc kế với khối gia trọng dịch chuyển giữa hai bản
mặt cố định, khi khối gia trọng này dịch chuyển, nó làm khối chất khí bên trong
bị giãn ra hay bị nén lại, vì thế hệ số giảm chấn ngòai gía trị cho bởi phương
trình tổng hợp lực ở trên, còn được bổ xung bằng một thành phần khác phụ
thuộc vào sự thay đổi của độ dịch chuyển của khối gia trọng, ta có :
b(d) =
với μ : độ nhớt của chất khí bên trong.
Ngoài ra, dựa vào đặc tính điện của tụ với hai bản mặt song song, trong đó
khoảng cách giữa khối gia trọng và hai bản mặt cố định có thể thay đổi .
Gọi hằng số điện môi giữa khối gia trọng với hai bản mặt cố định là ε, giả sử
4
khối gia trọng nằm giữa hai bản mặt cố định với khoảng cách là x = d
0
, diện tích
của khối gia trọng là A. Điện dung thu được có dạng :
C
1
= C
2
= C =
Nếu khối gia trọng dịch chuyển giữa hai bản mặt cố định một đoạn là d so với vị
trí ban đầu, ta có:
C
1
=
và C
2
=
Chênh lệch điện dung giữa hai tụ là :
ΔC = C
1
– C
2
=
=
Nếu dịch chuyển d là nhỏ so với d
0
, chênh lệch điện dung giữa hai tụ có thể rút
gọn : ΔC =
Như vậy, ta có thể xác định độ dịch chuyển của khối gia trọng dưới tác dụng của
lực F, tức xác định được gia tốc thông qua việc xác định giá trị ΔC.
Mặt khác, để chuyển đổi chênh lệch điện dung giữa hai tụ, ta có thể sử dụng
mạch pick_off dưới đây, khi đó điện áp ra sẽ là :
Phần 2 : Thực hiện
1. MÔ HÌNH SỬ DỤNG SIMULINK
Từ cở sở lý thuyết đã nêu ở trên và sử dụng thư viện SIMULINK trong Simulink
Library Browser, ta có mô hình gia tốc kế như hình 5.
5
Hình 5
Hoặc sử dụng thư viện SimMechanics trong Simulink Library Browser, ta có mô
hình gia tốc kế như hình 6.
Hình 6
Việc sử dụng thư viện SimMechanics dễ dàng mở rộng sang mô hình trong
không gian ba chiều x, y, z như hình 7 dưới đây.
6
Hình 7
2. SỬ DỤNG GUIDE
Trong phần này, ta sẽ sử dụng công cụ giao diện đồ họa với người dùng
(GUIDE) của Matlab để thực hiện kích họat các mô hình trên trong SIMULINK,
thu nhận các thông tin trả về từ họat động của các mô hình này và xử lý các
thông tin đã thu nhận được.
Các dòng lệnh sau được sử dụng để kích họat các mô hình:
options = simset('SrcWorkspace','current');
if chon_mh==1 %mô hình dùng thư viện SIMULINK
sim('mh_gtk',[],options);
elseif chon_mh==2 % mô hình dùng thư viện SimMechanics
sim('detai_gtk',[],options);
else % mô hình 3 chiều x, y, z
sim('mh3c_gtk',[],options);
end
Hình dưới đây (hình 8), trình bày giao diện đồ họa GUIDE trong Matlab đã
được xây dựng để thực hiện các yêu cầu trên.
7
Hình 8
Trong phần giao diện đồ họa được thiết kế này, cho phép ta thay đổi các giá trị
của các thông số ảnh hưởng lên giá trị của gia tốc, một cách tự động hay bằng
tay, bao gồm các thông số như :
• Trọng lượng khối gia trọng (m)
• Hệ số giảm chấn (b)
• Hệ số đàn hồi (k)
• Diện tích khối gia trọng (A)
• Khỏang cách ban đầu giữa khối gia trọng và hai bản cực cố định (d
0
)
• Biên độ tín hiệu vào
• Tần số sóng (sóng sin), ở đây ta sử dụng sóng tuần hòan (sóng sin) và tín
hiệu không tuần hòan (xung bậc) để mô phỏng.
• Điện áp cấp trên hai bản cực cố định.
8
