Khoá luận tốt nghiệp Cảm biến vận tốc Lời cảm ơn Em xin gi li cảm n chõn thnh, sõu sc n Th.S Phựng Cụng Phi Khanh, ngi ó tn tỡnh hng dn em hon thnh khoỏ lun Em xin cm n cỏc thy, cụ giỏo t vt lý k thut, khoa vt lý, Trng i hc s phm H Ni ó to iu kin giỳp em hon thnh khoỏ lun Cm n gia đình, bn bố, ngi thõn ó ng viờn, cổ v em suốt quỏ trỡnh thc hin khoỏ lun Em xin chõn thnh cm n! H Ni, thỏng nm 2010 Sinh viờn T Th Hng Nhung Tạ Thị Hồng Nhung K32D - SPKT Khoá luận tốt nghiệp Cảm biến vận tốc Lời cam đoan Tụi xin cam oan khoỏ lun ny l s n lc ca bn thõn, cựng s giỳp tn tỡnh ca Th.S Phựng Cụng Phi Khanh Kt qu nghiờn cu khoỏ lun l trung thc khụng trựng lp vi kt qu nghiờn cu ca ti no khỏc v cha c cụng b bt kỡ cụng trỡnh nghiờn cu no Nu kết cam oan trờn l sai tụi xin hon ton chu trỏch nhim H Ni, thỏng nm 2010 Sinh viờn T Th Hng Nhung Tạ Thị Hồng Nhung K32D - SPKT Khoá luận tốt nghiệp Cảm biến vận tốc Mục lục A Mở đầu Lí chọn đề tài .5 Mục đích nghiên cứu Nhiệm vụ nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu 6 Cấu trúc luận văn B nội dung7 chương 1: tổng quan cảm biến 1.1 Định nghĩa đặc trưng ca cảm biến7 1.2 Thông số cảm biến 1.2.1 Sai số độ xác .9 1.2.2 Sai số ngẫu nhiên sai số hệ thống 1.3 Phân loại cảm biến 10 1.3.1 Cảm biến tích cực .10 1.3.1.1 Hiệu ứng nhiệt 10 1.3.1.2 Hiệu ứng hỏa điện 10 1.3.1.3 Hiệu ứng điện áp11 1.3.1.4 Hiệu ứng cảm ứng điện từ 11 1.3.1.5 Hiệu ứng quang điện 12 1.3.1.6 Hiệu ứng quang phát xạ điện từ.12 1.3.1.7 Hiệu ứng quang điện chất bán dẫn 12 1.3.1.8 Hiệu ứng quang điện từ 12 1.3.1.9 Hiệu ứng Hall.13 1.3.2 Cảm biến thụ động 14 1.4 Mạch đo 15 1.5 Độ nhạy 16 1.5.1 Định nghĩa 16 1.5.2 Độ nhạy chế độ tĩnh 17 Tạ Thị Hồng Nhung K32D - SPKT Khoá luận tốt nghiệp Cảm biến vận tốc 1.5.3 Độ nhạy chế độ động 17 1.6 Các yêu cầu cảm biến 17 chương 2: cảm biến vận tốc 18 2.1 Giới thiệu chung 18 2.2 Tốc độ kế điện từ đo vận tốc góc 19 2.2.1 Tốc độ kế dòng chiều 19 2.2.2 Tốc độ kế dòng xoay chiều 21 2.2.2.1 Máy phát điện đồng 22 2.2.2.2 Máy phát điện không đồng 23 2.2.3 Tốc độ kế điện từ đo vận tốc dài.24 2.2.4 Tốc độ kế xung đo tốc độ quay 26 2.2.4.1 Cảm biến từ trở biến thiên 27 2.2.4.2 Tốc độ kế quang.28 chương 3: ứng dụng cảm biến vận tốc 29 3.1 Thiết kế quay vi 29 3.1.1 Giới thiệu chung quay vi 29 3.1.2 Nguyên tắc hoạt động 30 3.1.3 Thiết kế cảm biến vận tốc TFG 33 3.2 Thiết kế cảm biến vận tốc từ 35 3.2.1 Giới thiệu chung cảm biến vận tốc từ 35 3.2.2 Nguyên tắc hoạt động: miễn cưỡng cảm biến 36 3.2.3 Thiết kế cảm biến vận tốc từ37 3.2.4 ứng dụng cân nhắc 37 3.3 Cảm biến vận tốc quay xe đường sắt 38 3.4 Cảm biến KM116 38 3.5 Các hướng nghiên cứu ứng dụng cảm biến phát triển39 3.6 Cải tiến công nghệ chế tạo.40 C kết luận.42 D tài liệu tham khảo 43 Tạ Thị Hồng Nhung K32D - SPKT Khoá luận tốt nghiệp Cảm biến vận tốc A Mở đầu Lý chn ti T ngn xa, ngi tin s ó nh vo giỏc quan xỳc giỏc ca mỡnh cm nhn, tỡm hiu c im ca th gii t nhiờn v hc cỏch x dng chỳng, nhm mc ớch khai thỏc th gii xung quanh phc v cho cuc sng ca h Ngy nay, vi s phỏt trin khụng ngng ca khoa hc k thut cụng ngh, ngi ó phỏt minh nhng thit b nhn bit s thay i ú nh thit b cm nhn nhit , ỏp sut, tc, m Cỏc thit b cm nhn ú ngi ta gi chung l cm biến Trong quỏ trỡnh phỏt trin ca ngnh vt lý, cng nh mt s ngnh khỏc, tc l mt i lng cn phi xỏc nh chớnh xỏc xỏc nh tc, trc õy ngi ta s dng ng h bm giõy v mt s phng phỏp th cụng khỏc Nhng chớnh xỏc ca chỳng khụng cao Vỡ vy, nhng nm gn õy ngi ta ó thay th bng mt loại cm bin xác định xác vận tốc cần đo v cm bin ú c gi l cm bin tc Ngy nay, nh nhng thnh tu mi ca khoa hc cụng ngh cm bin tc ó c gim thiu kớch thc, ci thin tớnh nng, gim giỏ thnh v ngy cng c s dng rng rói nhiu lnh vc nh: Cụng ngh ụ tụ, in t dõn dng, robot, quõn s Ngoi ra, cm bin tc cũn c s dng kt hp vi cỏc loi cm bin khỏc nh kt hp vi cm bin gia tc phc v dn ng cho mỏy bay, tờn la Xut phỏt t thc tin, cựng vi s hng dn tn tỡnh ca Th.S Phựng Cụng Phi Khanh cng nh s ng h ca cỏc thy, cụ v bn bố nờn tụi ó chn ti: Cm bin tc Tạ Thị Hồng Nhung K32D - SPKT Khoá luận tốt nghiệp Cảm biến vận tốc Mc ớch nghiờn cu Tỡm hiu v cm bin tc v nhng ng dng ca chỳng khoa hc k thut v i sng Nhim v nghiờn cu Tỡm hiu tng quan v cm bin Tỡm hiu cm bin tc ng dng ca cm bin tc i tng nghiờn cu Cm bin tc v ng dng ca cm bin tc Phng phỏp nghiờn cu Trong ti ny, tụi s dng phng phỏp nghiên cứu lý thuyết c ti liu tng hp, nờu lờn nhng c s chớnh v cm bin tc Tng hp, phõn tớch t liu tỡm hiu v gii thỡch v cm bin tc Tỡm hiu mt s ng dng ca chỳng Cu trỳc lun Ngoi phn m u, ti liu tham kho, phn chớnh ca lun gm ba chng v phn kt lun Chng I: Tng quan v cm bin Chương I giới thiệu định nghĩa, đặc trưng thông số cảm biến Chng II: Cm bin tc Chương II khái quát cảm biến vận tốc, tốc kế cảm biến vận tốc Chng III: ng dng ca cm bin tc Chương III giới thiệu ứng dụng cảm biến vận tốc số thiết kế cảm biến vận tốc thường gặp thực tế Tạ Thị Hồng Nhung K32D - SPKT Khoá luận tốt nghiệp Cảm biến vận tốc B.Nội dung CHNG 1: TNG QUAN V CM BIN 1.1 nh ngha v c trng ca cm bin Cm bin ting anh gi l sensor xut phỏt t ch sense theo ngha la tinh l cm nhn Cm bin l nhng phn t dựng bin i cỏc i lng o lng kim tra hay iu khin t dng ny sang dng khỏc Cm bin l thit b chu tỏc ng ca cỏc i lng cn o khụng cú tớnh cht in, kớ hiu l m v cho u mt i lng mang bn cht in cú th o c (nh in tớch, in ỏp, dũng in hoc tr khỏng), kớ hiu l S i lng in S l hm ca i lng cn o m: S = F(m) Trong ú, S gi l i lng u hoc phn ng ca cm bin v m l i lng u vo hay kớch thớch (có nguồn gốc đại lượng cần đo) Việc đo đạc S cho phép nhận biết giá trị m (hình 1.1) Biu thc S = F(m) l dng lý thuyt ca nh lut vt lý biu din hoạt ng ca cm bin, ng thi l dng s biu din s ph thuc ca nú vo cu to, vt liu lm cm bin, ụi c vo mụi trng v ch s dng (nhit ngun) i vi mi cm bin, cú th khai thỏc biu thc trờn cn phi chun cm bin: Vi mt lot giỏ tr ó bit trc ca m, o giỏ tr tng ng ca S d s dng, thụng thng ngi ta ch to cm bin cho cú s liờn h tuyn tớnh gia bin thiờn u s v bin thiờn u vo m: s = S m Trong ú, S l i lng nhy Trong thc t cũn s dng nhy tng i: Tạ Thị Hồng Nhung K32D - SPKT Khoá luận tốt nghiệp Cảm biến vận tốc S0 = s m Trong ú, s l i lng , m l i lng vo v i lng cn o (m) cm bin t1 t2 tn t s i lng in (s) t H ỡnh 1.1: S bin i i lng cn o v ỏp ng s theo thi gian t1 s t2 tn s S2 Si S1 m1 m2 m mi m b) a) H ỡnh 1.2: ng cong chun cm bin a ng cong t nhng giỏ tr ó bit ca m b Khai thỏc ng cong xỏc nh m t giỏ tr s ó cho Tạ Thị Hồng Nhung K32D - SPKT Khoá luận tốt nghiệp Cảm biến vận tốc 1.2 Cỏc thụng s c bn ca cm bin 1.2.1 Sai s v chớnh xỏc Cỏc b cm bin cng nh cỏc dng c o lng khỏc, ngoi i lng cn o (cm nhn), cũn chu tỏc ng ca nhiu i lng vt lý khỏc gõy nờn sai s gia giỏ tr o c v giỏ tr thc ca i lng cn o Gi x l lch tuyt i gia giỏ tr o v giỏ tr thc x, sai s tng i ca b cm bin c tớnh bng: %= x 100 x Trong ú, x l sai s tuyt i 1.2.2 Sai s h thng v sai s ngu nhiờn * Sai s h thng: l sai s khụng ph thuc vo s ln o, cú giỏ tr khụng i hoc thay i chm theo thi gian o v thờm mt lch khụng i gia giỏ tr thc v giỏ tr o c Sai s h thng thng s thiu hiu bit v h o, iu kin s dng khụng tt Nhng nguyờn nhõn gõy sai s h thng: Do nguyờn lý ca cm bin Giỏ tr i lng chun khụng ỳng Do c tớnh ca b cm bin Do iu kin v ch s dng Do x lý kt qu o * Sai s ngu nhiờn: l sai s xut hin cú ln v chiu khụng xỏc nh Nhng nguyờn nhõn gõy sai s ngu nhiờn: Do s thay i c tớnh ca thit b Do tớn hiu ngu nhiờn Do cỏc i lng nh hng nh thụng s mụi trng khụng c tớnh n chun cm bin Tạ Thị Hồng Nhung K32D - SPKT Khoá luận tốt nghiệp Cảm biến vận tốc 1.3 Phõn loi cm bin Cú rt nhiu cỏch phõn loi cm bin nh phõn loi theo chc nng, theo c tớnh, theo tớn hiu Nhng ngi ta thng phõn loi theo hai loi chớnh l cm bin tớch cc v cm bin th ng 1.3.1 Cm bin tớch cc Cm bin tớch cc hot ng nh mt mỏy phỏt, v mt nguyờn lý cm bin tớch cc thng da trờn hiu ng vt lý bin i dng nng lng no ú (nhit c hoc bc x) thnh nng lng Cỏc dng ng dng tng quỏt hiu ng ca cm bin tớch cc: 1.3.1.1 Hiu ng nhit Gia cỏc u ca hai dõy dn cú bn cht hoỏ hc khỏc nhau, c hn li vi thnh mt mch in cú nhit gia hai mi hn l T1 v T2 s xut hin mt sut inng e (T1,T2) Hiu ng ny c ng dng (M1) T1 o nhit T1 bit trc nhit (M2) e T1 T2, VD:T2= C (hình 1.3) 00 C Hỡnh 1.3: ng dng hiu ng nhit 1.3.1.2 Hiu ng ho in Mt s tinh th gi l tinh th ho in (VD: Tinh th sulfate trigliane), cú tớnh phõn cc in t phỏt ph thuc vo nhit Trờn cỏc mt i din ca chỳng tn ti nhng in tớch trỏi du cú ln t l thun vi phõn cc in Hiu ng ho in c ng dng v Hỡnh 1.4: Hiu ng ho in Tạ Thị Hồng Nhung K32D - SPKT 10 Khoá luận tốt nghiệp Cảm biến vận tốc CHƯƠNG 3: ứng dụng cảm biến vận tốc 3.1 Thiết kế quay vi 3.1.1 Giới thiệu chung quay vi Con quay vi hay gọi cảm biến vận tốc góc dùng để đo vận tốc góc quay Với giá thành ngày hạ, kích thước ngày thu nhỏ, quay vi dùng rộng rãi lĩnh vực công nghệ, điện tử, quân Cảm biến vận tốc góc thường chia thành hai loại loại phi học loại học Các cảm biến vận tốc góc phi học tiêu biểu cảm biến s dụng phương pháp quang học; sử dụng vòng quang, ánh sáng dẫn vào vòng theo hai chiều ngược Khi vòng quay, ta đo tượng trượt tần DOPPLRER Hiệu ứng gọi hiệu ứng SAGNAC Ngoài cảm biến vận tốc góc quang học có cảm biến vận tốc góc Lase nhược điểm hai loại cảm biến giá thành đắt kích thước lớn Loại cảm biến học cụ thể cảm biến vi thu nhỏ, giảm chi phí sản xuất cho phép tích hợp mạch điện tử chip silic Loại cảm biến vận tốc góc chế tạo công nghệ vi điện tử (MEMS) thông dụng loại hoạt động theo chế dao động Cảm biến dao động theo trục định, chuyển động quay vòng cảm biến nạp thêm lượng dao động lên trục khác Quá trình nạp thêm lượng dao động gọi hiệu ứng CORIOLIS Đây loại cảm biến vận tốc hoạt động theo chế dao động có dạng âm thoa (TFG) TFG cấu trúc dễ chế tạo dễ dàng tích hợp mạch điện tử Cấu trúc học cảm biến hàn lớp điện cực cảm biến, điện cực truyền động vào mạch điện tử bên nhờ công nghệ CMOS Tạ Thị Hồng Nhung K32D - SPKT 29 Khoá luận tốt nghiệp Cảm biến vận tốc 3.1.2 Nguyên tắc hoạt động Sơ đồ nguyên lý ca cảm biến vận tốc góc TFG mô tả (hình 3.1) Khối gia trọng m gắn khung cố định gồm lò xo đàn hồi suy hao Hằng số đàn hồi lò xo kx/2 ky/2 Giả sử lò xo suy hao có khối lượng không đáng kể gắn vào khung cố định nhờ bánh xe trt không ma sát khung Mặt khác, lực tác dụng (lực đàn hồi suy hao) nm trục x y Từ điều kiện ta thấy cấu trúc FTG có hai chế độ dao đng độc lập nhau: Khối gia trọng dao động theo trục x mà không bị ảnh hưởng lực đàn hồi trục y ngược lại Hình 3.1: Nguyên lý cảm biến vận tốc góc TFG Phương trình chuyển động TFG biểu diễn bởi: x y wr,x Qx wr , y Qy x w r2, x x y wr2, x y Với Qx, Qy hệ số chất lượng theo x y wr,x wr,y tng ứng với tần số cộng hưởng TFG theo trục x y Khi cảm biến chịu vận tốc góc quay quanh trục z, từ phương trình ta được: Tạ Thị Hồng Nhung K32D - SPKT 30 Khoá luận tốt nghiệp Cảm biến vận tốc x wr,x Qx y wr , y Qy x w r2, x x y y wr2, x y 2.x Chọn trục x trục truyền động tức đặt: x x0 e iwd t Với wd tần số truyền động x0 = F/m biên độ dao động Trục y cảm nhận vận tốc góc thể thông qua biên độ dao động y0 trục y [4]: y0 Fc Q y x0 m w r2 Sử dụng công thức tính CORIOLIS: Fc 2m..x Thay vào ta được: Q y0 2. y x0 wr Với mục tiêu thiết kế hệ số chất lượng 1000, vận tốc góc tối đa 200 3.5rad / s tần số cộng hưởng hai chế độ khoảng 30kHz s tỉ số y0/x0 nhỏ Điều có nghĩa ảnh hưởng ca dao động trục x lên trục y coi Hệ phương trình đơn giản hoá thành: x y w r,x Qx wr , y Qy x w r2, x x F d iw d t e m y wr2, x y 2.x 3.1.3 Thiết kế cảm biến vận tốc góc TFG Thiết kế cảm biến vận tốc góc TFG sử dụng chương trình mô Sugar hoạt động dựa vào phần tử nút để giải phương trình vi phân tuyến Tạ Thị Hồng Nhung K32D - SPKT 31 Khoá luận tốt nghiệp Cảm biến vận tốc tính [5] Chương trình thực môi trường MATLAB với độ xác cao, tương đương với mô truyền thông (phương pháp phần tử hữu hạn FEM, phương pháp phần tử BEM) [6] Các tham số đầu vào dùng thay đổi tính chất vật lý hình học hệ số Young, hệ số Poison, số điện môi, độ rộng dầm Điều thuận tiện thay đổi thiết kế cảm biến khác Đây ưu điểm lớn so với công cụ mô khác (ANSYS, MEMSCAP) Hình 3.2 mô tả thông số hình học cảm biến TFG mặt phẳng xz Các thông số vật lý hình học chi tiết mô tả bảng Hỡnh 3.2: Thụng s hỡnh hc ca TFG Bng 1: Thụng s vt lý v hỡnh học ca cm bin tc gúc TFG Thụng s a1 a2 b1 b2 c1 c2 h E v m m m m m m m m m m Giỏ tr 100 100 100 800 1800 100 100 150 0.17 2300 Trong đó, E môđun Young, v hệ số Poison, p khối lượng riêng Silic Hình 3.3 bốn chế độ dao động cộng hưởng mô SUGAR Dựa vào chuyển động tương đối hai dầm mà kí hiệu chế độ cộng hưởng xlẻ, xchẵn ylẻ, ychẵn Trong bốn chế độ xlẻ ylẻ lựa chọn hệ số phm chất hai chế độ cộng hưởng lớn [7] Điều giải thích hệ số chất lượng cấu trúc Tạ Thị Hồng Nhung K32D - SPKT 32 Khoá luận tốt nghiệp Cảm biến vận tốc cộng hưởng tối ưu lực căng cấu trúc học giảm thiểu Các chế độ xlẻ ylẻ khiến cho cấu trúc chuyển động đối xứng chế độ xchẵn, ychẵn Vì sức căng a1 a2 dẫn đến hệ số chất lượng tối ưu Vậy cảm biến dao động theo chế độ xlẻ, có vận tốc góc kích hoạt chế độ ylẻ Mặt phẳng ngang chiều ychẵn 24.6kHz xchẵn 26.9kHz ylẻ 26.9kHz xlẻ 30.6kHz Hình 3.3: Bốn chế độ cộng hưởng TFG Từ tính toán lý thuyết [8] mô SUGAR thấy thông số b1, c1 độ dầy h ảnh hưởng lớn tới tần số cộng hưởng Tạ Thị Hồng Nhung K32D - SPKT 33 Khoá luận tốt nghiệp Cảm biến vận tốc Điều có nghĩa sai số trình chế tạo làm thay đổi đặc tính mong muốn TFG Điều khắc phục phương pháp điều chỉnh tần số chiều (đặt điện chiều vào điện cực tụ điện làm thay đổi tần số chiều) Các thông số chế độ chuyền động cảm biến tính toán liệt kê bảng Cảm biến TFG có dải tần hoạt động 30 Hz nhiễu nhiệt Brownian 0.01 s / Hz / Độ nhạy TFG 2.8 18 F / s có nghĩa cảm biến quay với vận tốc góc 0.1 s độ biến đổi điện dung * 10 18 F Giá trị xác định độ phân giải cảm biến TFG, cụ thể cảm biến phát thay đổi điện dung nhỏ C 10 18 F độ phân giải TFG 0.5 s Bng 2: Cỏc thụng s truyn ng v cm bin ca TFG Thụng s truyn ng Biờn tớn hiu truyn ng V0 10V Gia tc truyn ng ad 20m/s2 Biờn dao ng ca dm x0 0.5 m Vn tc ti a vx,0 0.1 m/s Gia tc ti a ax,0=Q.ad 20.000 m/s2 Thụng s cm bin Gia tc CORIOLIS ay,0 0.05* m/s2 Biờn dao ng ca dm y0 10ư10* m in dung ca t cm bin C 7.10ư14F nhy c hc S 2.10ư18F/0/s Di tn lm vic BW 30Hz Nhiu Brownian 0.010/s/Hz1/2 Vn tc gúc ti a 2000/s Tạ Thị Hồng Nhung K32D - SPKT 34 Khoá luận tốt nghiệp Cảm biến vận tốc Bên cạnh việc tính toán mô thông số đặc trưng cảm biến vận tốc góc TFG, việc chế tạo TFG sau: Cảm biến bao gồm cấu trúc học vật liệu Silic, điện cực truyền động wafer CMOS hàn với (hình 3.4) Công nghệ vi điện tử (MENS) kết hợp với công nghệ (CMOS) trình chế tạo Cuối cùng, cảm biến đóng vỏ thuỷ tinh Dyrex nhờ sử dụng công nghệ hàn tĩnh điện Hình 3.4: Mặt cắt ngang cảm biến TFG Thiết kế cảm biến vận tốc góc TFG với ưu điểm bật cấu trúc đơn giản dễ dàng tích hợp với mạch điện tử Cảm biến TFG chế tạo công nghệ MEMS kết hợp với công nghệ CMOS Các thông số chi tiết cảm biến mô tính toán dùng công cụ SUGAR Những kết quan trọng cần thiết để chế tạo thành công cảm biến vận tốc góc phù hợp với yêu cầu đặt 3.2 Thiết kế cảm biến vận tốc từ 3.2.1 giới thiệu chung cảm biến vận tốc từ Một cảm biến vận tốc từ tính sử dụng từ trường đến cảm giác cách tiếp cận mục tiêu kim loại đen, mà bánh răng, lưỡi quạt, lưỡi cánh quạt, bánh xe, nói, cảm biến vận tốc từ phát diện vắng mặt mục tiêu Biên độ tín hiệu thay đổi nhanh với mục tiêu chuyển động, làm cảm biến vận tốc từ có Tạ Thị Hồng Nhung K32D - SPKT 35 Khoá luận tốt nghiệp Cảm biến vận tốc thể tiếp sức tốc độ Khi tìm hiểu cảm biến vận tốc từ người ta thấy rằng: Có số công nghệ khác sử dụng cho cảm biến vận tốc từ tính Trong đó, miễn cưỡng cảm ng biến tốc độ, mà cung cấp đầu sóng sin Tuy nhiên, có số sử dụng nhiều công nghệ tinh vi, cảm biến vận tốc khuếch đại từ, hiệu ứng Hall cảm biến cảm biến từ điện trở, cung cấp cho người sử dụng với đầu sóng kĩ thuật số vuông 3.2.2 Nguyên tắc hoạt động: Miễn cưỡng cảm ứng biến Biến miễn cưỡng (VR) cảm biến cung cấp giải pháp cho vấn đề đo lường nhiều hệ thống cách cung cấp thiết bị không biến chứng, xác, đáng tin cậy, tớnh linh hoạt Một cảm biến miễn cưỡng bao gồm vết thương uốn lượn xung quanh vật liệu từ tính hình trụ, thường làm vật liệu sắt từ gọi mảnh cực Một nam châm gắn đằng sau mảnh cực quanh co Lĩnh vực từ dự án phía trước mảnh cực, gọi mũi cảm biến Khi vật liệu sắt qua gây gián đoạn từ trường, điện (một sóng sin) tạo Chúng thiết bị thụ động không yêu cầu nguồn bên quyền lực để tạo tín hiệu Vì vậy, mũi cảm biến đặt gần thiết bị di chuyển xoay làm kim loại đen bánh cánh quạt, k thuật đơn giản để đo tốc độ quay tạo ra, tần số tín hiệu tỉ lệ thuận với tốc độ quay Biên độ tín hiệu ảnh hưởng tốc độ luân chuyển, vật liệu cảm nhận khoảng cách, gọi khoảng cách không khí ''giữ mũi cảm biến đối tượng luân phiên'' Tóm lại, cảm biến chuyển đổi miễn cưỡng biến chuyển động học thành lượng điện mà không cần liên hệ trực tiếp vị trí gần cánh quạt quay, bánh, trục khác thường xuyên di chuyển thiết bị Tín hiệu đầu đưa vào truy cập kỹ thuật số, totailizer, tương tự chuyển đổi, Tạ Thị Hồng Nhung K32D - SPKT 36 Khoá luận tốt nghiệp Cảm biến vận tốc tachometer, overspeed underspeed kiểm soát, Oscilloscope, giám sát khác thiết bị điều khiển Cảm biến cung cấp cách đơn gin, đáng tin cậy không tốn cho hệ thống điều khiển tinh vi 3.2.3 Thiết kế cảm biến vận tốc từ Một biến miễn cưỡng (VR) từ cảm biến tốc độ bao gồm nhiều yếu tố, gm cuộn dây nam châm quanh co Do kích thước cảm biến tốc độ từ tính, dây điện từ sử dụng tốt (38-44 AWG) đòi hỏi phi sử lý đặc biệt Hầu hết nhà sản xuất âm lượng cao cảm biến tốc độ từ trường có tự động hoá trình này, nhiên yêu cu tựy chỉnh thường cần thiết hiệu để xây dựng cảm biến tay Thiết bị cảm ứng chuyển động sử dụng kết hợp phương pháp tuỳ thuộc vào thiết kế cấu hình âm lượng Các VR cảm biến tốc độ từ trường bao gồm nam châm Magnet lựa chọn dựa hình học cảm biến gauss sức mạnh mong muốn, iu khiển ti airgap yêu cầu cường độ tín hiệu, vấn đề kéo tiềm (thường ''thấp dòng chảy'' tuabin flowmeterring ứng dụng Hỡnh 3.5 : Cm bin tc t Có chi tiết kỹ thuật cần xem xét lựa chọn cảm biến tốc độ từ trường để đảm bảo sức mạnh tín hiệu mong muốn đạt Điều Tạ Thị Hồng Nhung K32D - SPKT 37 Khoá luận tốt nghiệp Cảm biến vận tốc phụ thuộc phần sau cân nhắc áp dụng, không cảm biến tốc độ từ, cho airgap, (VD: khoảng cách phía trước cảm biến mục tiêu), mục tiêu hình học bánh, số lượng mục tiêu, mục tiêu vật chất, tốc độ mà chuyển động Ngoài ra, tiêu chuẩn khác nguồn tiếng ồn bên mà gây trở ngại cho đầu cảm biến tốc độ cần xem xét để đạt hiệu tối ưu 3.2.4 ứng dụng cân nhắc Cảm biến tốc độ từ thường kết hợp vào tachometers sử dụng cảm biến tốc độ bao gồm ôtô flowmetering tuabin, hàng không vũ trụ, đường sắt vận chuyển cảnh Mỗi ngành công nghiệp có đặc trưng riêng biệt yêu cầu Nhiều lần, cảm biến tốc độ sử dụng ngành ôtô epoxy đóng gói, người ngành hàng không vũ trụ hermetically kín để chống ẩm điều kiện môi trường Trong ứng dụng đường sắt ngành công nghiệp vận chuyển cảnh, cảm biến tốc từ tính trường gắn mặt xe đường sắt Do đó, thiết kế với dây cáp đặc biệt ống để bảo vệ cảm biến từ thiệt hại Khám phá loại cảm biến tốc độ từ 3.3 Cảm biến vận tộc quay xe đường sắt Rất nhiều hệ thống phụ xe đường sắt, xe lửa nhiều đơn vị, phụ thuộc vào tín hiệu đáng tin cậy xác tốc độ quay, số trường hợp thước đo tốc độ thay đổi tốc độ Điều áp dụng cụ thể để kiểm soát lực kéo, mà để bảo vệ trượt bánh xe, đăng ký, quản lý đào tạo, kiểm soát cửa v.v Những công cụ thực số cảm biến tốc độ quay tìm thấy phận khác xe Trong khứ, cảm biến cho mục đích thường không hoạt động tốt hay không đủ đáng tin cậy tăng tới lỗi xe Điều đặc biệt trường hợp Tạ Thị Hồng Nhung K32D - SPKT 38 Khoá luận tốt nghiệp Cảm biến vận tốc cho chủ yếu cảm biến tương tự sớm, mô hình kỹ thuật số bị ảnh hưởng Điều chủ yếu điều kiện hoạt động vô khắc nghiệt gặp phải phương tiện đường sắt Các tiêu chuẩn có liên quan xác định tiêu chuẩn kiểm tra chi tiết, hoạt động thực điều kiện thường gặp phải nhiều cực (như sốc, rung động khả tương thích đặc biệt điện từ (EMC)) 3.4 Cảm biến KM116 Cảm biến hoạt động cách phát thay đổi từ trường di chuyển vật liệu sắt qua Ví dụ, bánh xe có qua từ trường gây cảm biến phát thay đổi ngang qua Điều có nghĩa cảm biến làm việc cách xác phải xuống thấp, tốc độ quay Các tín hiệu điện tử điều làm tín hiệu tạo xung kỹ thuật số khác biệt đầu 5V cho thay đổi cho tần số tín hiệu tỷ lệ thuận với tốc độ quay bánh xe Ngược lại, cảm biến hiệu ứng cảm có mức sản lượng tỷ lệ thuận với tốc độ đối tượng luân phiên xác tốc độ chậm Ngoài ra, sản lượng khác miliVolts nhiều, đòi hỏi phải có thêm thiết bị điện tử để biến thành tín hiệu sử dụng Một ưu điểm khác quan trọng cảm biến hiệu ứng Hall cảm biến MR Philips Semciconductors áp lực nhạy cảm tiêm moulded để hình thành tiểu điền hội đồng có chứa thiết bị điện tử điện từ Cách tiếp cận hệ thống hoàn chỉnh làm cho dễ dàng để thiết kế cài đặt cấu hình nam châm cảm biến thực Ngoài ra, nhiều ứng dụng cảm biến vận tốc lĩnh vực khác như: Trong lĩnh vực hàng không cảm biến dùng để xác định độ nghiêng máy bay, lĩnh vực quân cảm biến dùng để xác định khả bay xa định hướng xác sử dụng lĩnh vực giả trí [3] Tạ Thị Hồng Nhung K32D - SPKT 39 Khoá luận tốt nghiệp Cảm biến vận tốc 3.5 Các hướng nghiên cứu ứng dụng cảm biến phát triển Cùng với phát triển vũ bão khoa học công nghệ, tạo nhu cầu phát triển mạnh mẽ ngành kĩ thuật, chế tạo Dĩ nhiên, công nghệ chế tạo loại cảm biến nói chung công nghệ chế tạo cảm biến vận tốc nói riêng không nằm quy luật phát triển Các loại cảm biến ứng dụng nhiều lĩnh vực khoa học khác có nhiều đóng góp quan trọng cho phát triển chung toàn xã hội Tuy nhiên, phát triển mạnh mẽ khoa học công nghệ lại đặt yêu cầu cấp thiết lĩnh vực cảm biến cần phải có cấu trúc mới, đảm bảo nhu cầu ứng dụng ngày phong phú đại Nói chung cảm biến đo vận tốc sử dụng nhiều Tuy có nhiều thành công không tránh khỏi hạn chế định kết cấu công nghệ chế tạo mà hoạt động điều kiện định tạo Để khắc phục phần hạn chế người ta cải tiến công nghệ chế tạo 3.6 Cải tiến công nghệ chế tạo Công nghệ chế tạo cảm biến đặt yêu cầu khắt khe, đặc biệt yêu cầu giao diện, tán nhiệt, cần thiết phải khắc phục độ nhiễu, độ ồn cho tất thiết bị điện Một giao diện hệ thống siêu vi tồn thông lượng không mong muốn (thông lượng thừa), thông lượng điện từ, khí, nhiệt, hoá học, âm thanh, quang thông Như vậy, yêu cầu đặt phải có cải tiến công nghệ chế tạo Để hoàn thiện tăng khả ứng dụng linh kiện, việc đánh giá thông số chúng đặc biệt quan trọng Do kích thước linh kiện vi nói chung cảm biến đo vận tốc nói riêng nhỏ, từ vài chục milimetcho đến vài chục micomet, nhỏ nữa, nên việc đo đạc đánh giá xác tham số chúng toán đòi hỏi độ xác cao, Tạ Thị Hồng Nhung K32D - SPKT 40 Khoá luận tốt nghiệp Cảm biến vận tốc tinh tế Với linh kiện MEMS nói chung cảm biến vận tốc nói riêng, cấu trúc kiểu tụ cho phép linh kiện làm việc với độ ổn định cao Tuy nhiên, dao diện điện tử tương đối phức tạp Cảm biến vận tốc chế tạo vật liệu silic Cấu trúc chế tạo sở công nghệ vi khối dựa đặc tính ăn mòn dị hướng vật liệu silic đơn tinh thể dung dịch kiềm potassum hyđroxit để tạo nên cấu trúc học dạng khối Ưu điểm công nghệ tương đối đơn giản, dùng kết hợp kĩ thuật quang khác với phương pháp ăn mòn ướt để tạo cấu trúc Song nhược điểm đặc điểm có khác tốc độ ăn mòn silic theo hướng tinh thể khác Chính vậy, cấu trúc cạnh thẳng đứng giảm kích thước đến giớ hạn ngưỡng chiều dày định Tuy có hạn chế cấu trúc xong nhiều thông số công nghệ cải thiện nhờ phần mạch điện tử Các phần tử mạch điện ghép trực tiếp cấu trú tạo thành cảm biến hoàn chỉnh Thông qua phần tử mạch điện ta điều chỉnh thông số đầu vào việc xử lý tín hiệu đầu Như vậy, vấn đề đặt cần phải xây dựng lên phần tử mạch điện hoàn chỉnh, xây dựng phương pháp đo hợp lý để khắc phục phần nhược điểm công nghệ vi tạo Công nghệ nano, công nghệ đầy hứa hẹn với nhiều lĩnh vực sống, có công nghệ cảm biến Rồi công nghệ nano mang lại thành công vượt bậc cho công nghệ chế tạo loại cảm biến Công nghệ tích hợp nano tạo hệ cảm biến tí hon, thông minh, nhạy, hao mòn điện sản xuất hàng loạt với giá thành hạ Trên vài ứng dụng cảm biến vận tốc, nhiều ứng dụng cảm biến loại này, lĩnh vực khác mà không trình bày khoá luận Mong rằng, ứng dụng mà trình bày bạn tự tìm hiểu ứng dụng khác Chắc chắn bạn thấy thú vị [3] Tạ Thị Hồng Nhung K32D - SPKT 41 Khoá luận tốt nghiệp Cảm biến vận tốc C Kết luận Sau quỏ trỡnh hc v nghiờn cu, di s giỳp ch bo tn tỡnh ca thy hng dn cựng cỏc thy cụ khoa, em ó hon thnh khoỏ lun tt nghip vi ti nghiờn cu: Cm bin tc Vi nhng kt qu bc u nh trờn, thi gian ti em hy vng s tip tc hon thin ti hn na Qua vic nghiờn cu ti em rỳt c mt s kt lun nh sau: Tỡm hiu kin thc c bn v cm bin Tỡm hiu cm bin tc ó tỡm hiu c ng dng số thiết kế thường gặp ca cm bin tc Em hy vng t khoỏ lun ny, sau ny em cú th tỡm hiu c nhng ng dng mi nht, hin i nht cảm biến để phc v cho cuc sng Tạ Thị Hồng Nhung K32D - SPKT 42 Khoá luận tốt nghiệp Cảm biến vận tốc D Tài liệu tham khảo [1] Lê Văn Doanh, Phạm Thượng Hàn, Nguyễn Văn Hoà, Võ Thạch Sơn, oàn Văn Tân, Cảm biến kĩ thuật đo lường điều khiển Nhà xuất khoa học kĩ thuật 2000 [2] Phan Quốc Phô, Nguyễn ức Chiến, Giáo trình cảm biến Nhà xuất khoa học kĩ thuật 2000 [3] http://translate.google.com.vn/translate?hl=vi&langpair=en%7Cvi&u =http://en.wikipedia.org/wiki/Wheel speed sensor [4] H.T.Lim, J W Song, J G Lee and Y K Kim A Few deg/hr Resolvable Low Noise Lateral Micro gyroscope Fỡteenth IEEE International Coference on Micro Electro Mechanical Systems, 2002, pp.627ư630 [5] F.Paoletti, M.A Gretillat, and N F de Rooij A Silicon Micromachined Tuning Fork Gyrospoce IEE Colloquium on Slicon Febricated Intertial Instrruments, 1996, pp.1ư6 [6] J.V.Clark, N.Zhou, D.Bindel 3D MEMS Simulation Modeling using modified nodal analysis Http://wwwưbsac.eecs.berkeley.edu [7] K.Maenaka, T.Fujita, Y.Konishi, and M.Maeda Analysis of a Highly Sensitive Silicon Gyrospoce with Cantilever Beam as Vibrating Mass Sensors and Actuators (physical), 1996, vol 1ư3, pp.568ư573 [8] H Xie and G K Fedder A CMOS-MEMS Lateral-Axis Gyroscope Technical Digest MEMS 2001 14th IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems, 2001, pp.162ư165 Tạ Thị Hồng Nhung K32D - SPKT 43 [...]... thế nào với mục tiêu là chuyển động, làm thế nào các cảm biến vận tốc từ có Tạ Thị Hồng Nhung K32D - SPKT 35 Khoá luận tốt nghiệp Cảm biến vận tốc thể tiếp sức tốc độ Khi tìm hiểu về cảm biến vận tốc từ người ta thấy rằng: Có một số công nghệ khác nhau được sử dụng cho một cảm biến vận tốc từ tính Trong đó, cơ bản nhất là miễn cưỡng cảm ng biến tốc độ, mà sẽ cung cấp một đầu ra sóng sin Tuy nhiên,... cảm biến vận tốc góc phù hợp với những yêu cầu đặt ra 3.2 Thiết kế cảm biến vận tốc từ 3.2.1 giới thiệu chung về cảm biến vận tốc từ Một cảm biến vận tốc từ tính được sử dụng một từ trường đến cảm giác của một cách tiếp cận mục tiêu kim loại đen, mà có thể là một bánh răng, lưỡi quạt, lưỡi cánh quạt, bánh xe, nói, các bộ cảm biến vận tốc từ sẽ phát hiện sự hiện diện hoặc vắng mặt của mục tiêu Biên độ... Khoá luận tốt nghiệp Cảm biến vận tốc CHƯƠNG 3: ứng dụng của cảm biến vận tốc 3.1 Thiết kế con quay vi cơ 3.1.1 Giới thiệu chung về con quay vi cơ Con quay vi cơ hay còn gọi là cảm biến vận tốc góc dùng để đo vận tốc góc quay Với giá thành ngày càng hạ, kích thước ngày càng được thu nhỏ, con quay vi cơ được dùng rộng rãi trong lĩnh vực công nghệ, điện tử, quân sự Cảm biến vận tốc góc thường được chia... cơ học Các cảm biến vận tốc góc phi cơ học tiêu biểu như cảm biến s dụng phương pháp quang học; sử dụng một vòng quang, ánh sáng được dẫn vào vòng này theo hai chiều ngược nhau Khi vòng này quay, ta có thể đo được hiện tượng trượt tần DOPPLRER Hiệu ứng này được gọi là hiệu ứng SAGNAC Ngoài cảm biến vận tốc góc quang học còn có cảm biến vận tốc góc Lase nhưng nhược điểm của hai loại cảm biến này là... Mặt cắt ngang của cảm biến TFG Thiết kế cảm biến vận tốc góc TFG với những ưu điểm nổi bật như cấu trúc đơn giản dễ dàng tích hợp với mạch điện tử Cảm biến TFG được chế tạo bởi công nghệ MEMS kết hợp với công nghệ CMOS Các thông số chi tiết của cảm biến được mô phỏng và tính toán dùng công cụ SUGAR Những kết quả này hết sức quan trọng và cần thiết để chế tạo thành công cảm biến vận tốc góc phù hợp với... nghệ tinh vi, như một cảm biến vận tốc khuếch đại từ, một hiệu ứng Hall cảm biến hoặc một bộ cảm biến từ điện trở, trong đó cung cấp cho người sử dụng với một đầu ra sóng kĩ thuật số vuông 3.2.2 Nguyên tắc hoạt động: Miễn cưỡng cảm ứng biến Biến miễn cưỡng (VR) cảm biến cung cấp một giải pháp duy nhất cho một vấn đề về đo lường nhiều hệ thống bằng cách cung cấp một thiết bị không biến chứng, chính xác,... Việc lựa chọn loại cảm biến thích hợp để ghi nhận tín hiệu liên quan đến bản chất ca vật quay và các dấu hiệu trên đó - Cảm biến từ trở biến thiên sử dụng khi vật quay là sắt từ - Cảm biến Hall hoặc cảm biến từ điện trở dùng trong trường hợp vật quay là một hay nhiều nam châm, hoặc khi vật quay tạo thành màn chắn từ một cách tuần hoàn giữa một nam châm bất động và một cảm biến - Cảm biến quang cùng một... loại cảm biến vận tốc hoạt động theo cơ chế dao động có dạng âm thoa (TFG) TFG là một trong những cấu trúc dễ chế tạo và dễ dàng tích hợp mạch điện tử Cấu trúc cơ học của cảm biến sẽ được hàn các lớp điện cực cảm biến, điện cực truyền động vào mạch điện tử bên ngoài nhờ công nghệ CMOS Tạ Thị Hồng Nhung K32D - SPKT 29 Khoá luận tốt nghiệp Cảm biến vận tốc 3.1.2 Nguyên tắc hoạt động Sơ đồ nguyên lý ca cảm. .. và kích thước quá lớn Loại cảm biến cơ học và cụ thể là cảm biến vi cơ có thể thu nhỏ, giảm chi phí sản xuất và cho phép tích hợp mạch điện tử trên cùng một chip silic Loại cảm biến vận tốc góc chế tạo trên công nghệ vi cơ điện tử (MEMS) thông dụng nhất là loại hoạt động theo cơ chế dao động Cảm biến sẽ dao động theo một trục nhất định, chuyển động quay của vòng ngoài cảm biến sẽ nạp thêm năng lượng... Khoá luận tốt nghiệp Cảm biến vận tốc Bên cạnh việc tính toán và mô phỏng các thông số đặc trưng của cảm biến vận tốc góc TFG, việc chế tạo TFG như sau: Cảm biến bao gồm cấu trúc cơ học bằng vật liệu Silic, các điện cực truyền động và wafer CMOS được hàn với nhau (hình 3.4) Công nghệ vi cơ điện tử (MENS) sẽ được kết hợp với công nghệ (CMOS) trong quá trình chế tạo này Cuối cùng, cảm biến được đóng vỏ ... kế cảm biến vận tốc TFG 33 3.2 Thiết kế cảm biến vận tốc từ 35 3.2.1 Giới thiệu chung cảm biến vận tốc từ 35 3.2.2 Nguyên tắc hoạt động: miễn cưỡng cảm biến 36 3.2.3 Thiết kế cảm biến vận tốc. .. số cảm biến Chng II: Cm bin tc Chương II khái quát cảm biến vận tốc, tốc kế cảm biến vận tốc Chng III: ng dng ca cm bin tc Chương III giới thiệu ứng dụng cảm biến vận tốc số thiết kế cảm biến vận. .. nghiệp Cảm biến vận tốc thể tiếp sức tốc độ Khi tìm hiểu cảm biến vận tốc từ người ta thấy rằng: Có số công nghệ khác sử dụng cho cảm biến vận tốc từ tính Trong đó, miễn cưỡng cảm ng biến tốc độ,