LỜi cam đoan

2.3.2 Công nghệ các bộ đo gia tốc kế

• 
  Các cảm biến cơ khí: Thiết bị gọn nhẹ, tin cậy cho độ chính xác cao và dải hoạt động rộng lớn. Lực phản hồi chính xác của thiết bị có khả năng đo lực đặc biệt rất chính xác, độ phân giải thông thường là nhỏ hơn micro-g.
  

Nguyên lý cơ bản xây dựng một thiết bị vòng hở như sau. Một khối thử được treo lên và giữ tại vị trí không bằng một lò xo. Thêm nữa, một giảm chấn được mắc vào khối thử mà hệ thống lò xo một đáp ứng tương ứng để phù hợp với hàm chuyển động. Khi gia tốc kế được áp dụng trong trường hợp của cảm biến, khối thử được làm lệch so với vị trí không hoặc ‘không’ và kết quả là lực lò xo cung cấp gia tốc cần thiết cho khối thử để di chuyển nó trong các trường hợp. Với một cảm biến trục đơn, di chuyển khối thử so với vị trị ‘không’ của nó trong trường hợp tỉ lệ với lực đặc biệt tác dụng dọc theo đầu vào hoặc trục nhạy cảm.

Với gia tốc kế vòng lặp kín, lò xo được thay thế bằng một thiết bị điện từ mà sinh ra lực trên khối thử để duy trì nó tại vị trí ‘không’ của mình. Thông thường một cặp cuộn dây được đặt lên khối thử trong từ trường mạnh. Khi có sai lệch, một dòng điện chạy qua cuộn dây để sinh ra một lực kéo khối thử về vị trí ‘không’. Độ lớn của dòng trong cuộn dây thì tỉ lệ với độ lệch lực đặc biệt dọc theo trục đầu vào. Lực phản hồi loại này thì chính xác hơn nhiều so với thiết bị vòng hở và hiện nay nó là loại thường được sử dụng nhất trong các hệ thống dẫn đường quán tính.

* Gia tốc kế con lắc: Những thiết bị này được biết đến như là các gia tốc kế con lắc hạn chế. Thành phần chính của cảm biến như vậy là:

+ Một con lắc có một khối thử đính kèm hoặc đã được tích hợp.

+ Một hệ thống giảm xóc cơ khí hoặc thành phần khớp nối. Thành phần linh hoạt này theo một trục đứng được gắn với con lắc.

+ Lựa chọn thiết bị để cảm nhận chuyển động của con lắc. Có thể sử dụng kĩ thuật quang học, điện cảm hoặc điện dung. Hệ thống quang có thể được sử dụng rất đơn giản, máy dò tìm sự thay đổi dòng chuyển dịch ánh sang thông qua một khe hở trong con lắc. Hệ thống điện cảm liên quan đến phép đo sự khác biệt dòng điện trong cuộn dây cố định ở trường hợp tương tác với một tấm trên con lắc, mà có ảnh hưởng tương tác điện cảm lẫn nhau của cuộn dây. Hệ thống này đo quan hệ vị trí của con lắc giữa lần lượt các cuộn dây và không phải vị trí ‘Không’. Trong trường hợp của hệ thống điện dung, sự di chuyển của con lắc là nguyên nhân gây rat hay đổi điện dung giữa các mặt của con lắc và hai điện cực trong trạng thái gần với con lắc. Sự thay đổi này được cảm nhận bằng cách sử dụng mạch cầu.

+ Một lực tái cân bằng để chống lại bất kì dịch chuyển được phát hiện của con lắc. Thành phần này thường có dạng hai cực của nam châm sắp xếp tập trung quanh khối thử và một cặp cuộn dây đặt đối xứng trên con lắc. Một dòng điện chạy trong cuộn dây tạo ra một điện từ khôi phục lực. Thành phần này thường được gọi như là moment.

+ Cấu trúc con lắc được đóng kín và đổ đầy một loại dầu có độ nhớt thấp để cung cấp cho khả năng chống sốc và các lực rung lắc trong cả hai trạng thái thụ động và tích cực. Có trường hợp đơn giản là không khí chẳng hạn.

Sự dịch chuyển của con lắc xảy ra dưới sự tác dụng của gia tốc được cảm nhận bằng cách dò tách. Trong những thiết bị đơn giản nhất, sự dịch chuyển này sẽ được đo trực tiếp tác dụng của gia tốc. Tuy nhiên thông thường, một thiết bị của loại này hoạt động với một vòng điện trường tái cân bằng để nuôi tín hiệu tách ra quay lại moment quay. Lực điện từ trường, sinh ra bởi moment quay, tác động để bù lại bất kì sự dịch chuyển nào của con lắc và duy trì đầu ra tín hiệu tách là không. Dòng điện trong cuộn dây momen quay là tỉ lệ với gia tốc tác dụng. Hoạt động của cảm biến trong chế độ này nghĩa là khớp nối không chịu bất kì ứng xuất nào.

Các khớp nối của gia tốc kế quả lắc là thành phần mà có thể cho khối thử di chuyển trong một mặt phẳng vuông góc với trục khớp nối. Yêu cầu là khớp nối phải đủ độ cứng để duy trì ổn định cơ khí; phải trơn mượt quanh đường khớp nối và phải giảm thiểu các moment hạn chế khó lường của lò xo; không quá phản ứng với các đột ngột hoặc chuyển động rung và phải quay lại chính xác vị trí ‘không’ của mình khi khối thử di chuyển, để cung cấp được sai lệch ổn định tốt.

Trong cảm biến này, con lắc là độ dài sợi cáp quang học với khối thử đính kèm, cùng với một vi ống kính ở đáy của sợi và ánh sáng từ laser trạng thái rắn lên tới đỉnh. Khi gia tốc được áp dụng cho trường hợp dọc theo các trục thông thường của sợi, đáy được làm lệch. Sự di chuyển được cảm nhận và đo bằng các tia laser đi xuyên qua sợi quang học và tập trên lên mảng hai chiều điểm ảnh nhạy cảm.

• 
  Gia tốc kế trạng thái rắn:
  

Mỗi chùm được làm rung động ở tần số cộng hưởng riêng của mình. Trong trường hợp không có bất kì khả năng tăng tốc dọc theo trục nhạy cảm của gia tốc, cả hai chùm rung chuyển tại cùng một tần số. Tuy nhiên, khi một gia tốc được áp dụng dọc theo trục nhạy cảm, một chùm bị nén trong khi cái còn lại thì bị kéo hoặc dưới dạng sức căng do sự phản ứng quán tính của khối thử. Kết quả là dòng nén bị giảm về tần số, ngược lại dòng căng thì tăng tần số lên. Sự khác nhau về tần số được đo và nó tỉ lệ trực tiếp với gia tốc tác dụng.

Cách thức bố trí đối xứng các chùm tia, thay đổi tần số danh định chùm tia sẽ làm giảm hoặc loại bỏ các sai số của cảm biến do quán tính không đều và do sự rung lắc của con lắc.

* Gia tốc kế sóng âm thanh bề mặt: Cảm biến này là một thiết bị vòng hở mà có bề mặt song âm thanh kiểu điện cực cộng hưởng trên bề mặt thạch anh áp điện. Chùm này là cố định cứng tại một đầu vào của cấu trúc nhưng không tự do di chuyển tại điểm đầu khác.

Bề mặt truyền âm thanh được tạo ra bằng cách sử dụng phản hồi dương giữa một cặp của mảng điện cực kim loại liên kết dưới dạng số, bước sóng được xác định bằng các điện cực riêng biệt, thường gọi là các chốt điện cực.

Khi gia tốc áp dụng bình thường với mặt phẳng chứa tia, các phản ứng của khối gây ra các chùm tia để uốn cong. Khi mặt phẳng của chùm tia là đối tượng của một dòng tác dụng, như xảy ra khi dòng uốn cong, tần số song âm thanh bề mặt thay đổi tỉ lệ với dòng ứng dụng. So sánh sự thay đổi này với tần số tham chiếu cung cấp bởi phép đo trực tiếp của gia tốc áp dụng dọc theo trục nhạy cảm

* Các cảm biến silicon: Silicon là loại vật liệu có nhiều ưu điểm, giá thành rẻ, đàn hồi tốt, không nhiễm từ tính, có tỉ trọng cao và thuộc tính điện tốt cho phép tạo ra các thành phần từ sự khuếch tán và tích tụ. Thêm nữa, nó có thể là điện hoặc hóa học có dung sai rất chính xác đến mức micro mét.

Một dạng của gia tốc kế silicon mà hiện nay đang được phát triển có thanh cộng hưởng tần số nhạy cảm gắn chặt theo khối silicon. Thanh được duy trì cộng hưởng cơ khí, thường dao động ở tần số từ 40 đến 100kHz tùy thuộc vào cấu hình. Khi một gia tốc tác động dọc theo trục nhạy cảm, sự dịch chuyển của khối silicon gây ra một dòng trong thanh buộc dẫn tới sự thay đổi trong tần số của thứ bậc hàng chục Hz cho mỗi một đơn vị g.

• 
  Gia tốc kế sợi quang
  

* Gia tốc kế đo giao thoa Mach-Zehnder: Dụng cụ đo giao thoa Mach-Zehnder sử dụng một hoặc hai sợi quang đính kèm tới một khối quán tính như là thành phần nhạy cảm của nó. Khi một gia tốc tác dụng dọc theo trục của sợi quang, điều này sẽ gây ra một thay đổi nhỏ về chiều dài mà tỉ lệ với gia tốc tác dụng. Thay đổi chiều dài này có thể được xác định bằng kĩ thuật đo giao thoa tương tự như những mô tả cho con quay sợi quang. Việc sử dụng hai sợi quang cho phép mỗi sợi tạo thành một nhánh của giao thoa và sử dụng kĩ thuật bằng không cho phép đạt được độ nhạy cao hơn, cùng với bù cho những thay đổi nhiệt độ trong sợi. Thêm nữa, nó là cần thiết để hạn chế khối thử chỉ cho di chuyển dọc theo trục nhạy cảm của thiết bị.

Trong hình 2.15, thành phần nhạy cảm của các gia tốc kế có thể sinh ra bằng cách cuộn sợi cáp quang xung quanh một cái giống như một trục cao su. Khi một gia tốc tác dụng lên thành phần nhạy cảm nó làm thay đổi kích thước và do đó sinh ra sự hay đổi pha trong máy đo giao thoa mà tỉ lệ với gia tốc tác dụng.

Hình 2.15 Các thành phần của gia tốc kế giao thoa Mach-Zehnder

Sự nhạy cảm của thiết bị tỉ lệ với số sợi quang cuốn xung quanh trụ. Độ nhạy lớn nhất có thể đạt được bằng cách cho thiết bị hoạt động ở chế độ phản hồi. Cường độ hai chùm sáng trong máy đo giao thoa được xác định riêng biệt và so sánh cho một khuếch đại vi sai. Tín hiệu ra từ thiết bị này có thể được sử dụng để lái một thiết bị áp điện tới chuyển đổi pha không đưa ra bởi sự biến dạng của phần tử cảm biến. Đầu ra vi sai khuếch đại thì tỉ lệ với gia tốc tác dụng.

* Cảm biến sợi quang rung: Chiều dài, ngắn của sợi quang đơn được gắn chặt và căng giữa hai điểm trục trong cấu trúc cứng. Cấu trúc này được làm rung lên để sợi quang dao động tại tần số cơ bản của nó. Sự không có mặt của bất kì gia tốc nào, sự dịch chuyển là đối xứng và độ căng lớn nhất xuất hiện tại dịch chuyển lớn nhất với sự thả lỏng như thể nó đo qua đường trung tâm. Ánh sáng xuyên qua sợi quang này là pha điều chế tại 2f, và tại bậc cao ngay cả với âm của f, với f là tần số cơ bản. Ánh sáng xuyên qua sợi quang bây giờ sẽ được điều chế pha tại f và tại bậc lẻ của f. Điều chế pha đầu và bậc lẻ của f có biến độ tỉ lệ vơi gia tốc tác dụng, pha của nó liên quan đến tín hiệu lái sẽ phụ thuộc vào hướng của gia tốc tác dụng.

* Gia tốc kế sợi quang ảnh đàn hồi: Thành phần nhạy cảm của thiết bị này là một chất liệu khúc xạ. Sự phân cực ánh sáng thích hợp được gắn vào thành phần nhạy cảm sử dụng sợi quang đa chế độ. Khi một gia tốc tác dụng tới chất liệu điểm ảnh đàn hồi thì sự dịch chuyển ánh sáng qua nó thay đổi và sự thay đổi này tỉ lệ với gia tốc tác dụng. Việc nghiên cứu đang được tiếp tục với dạng này của cảm biến.

* Gia tốc kế sợi lưới sắt Bragg: Một gia tốc kế chứa lưới sắt Bragg trong một ống dẫn sóng quang học. Bước sóng trung tâm của lưới sắt Bragg được xác định bằng đặc tính của lưới sắt nhưng có thể được thay đổi bằng cách thay đổi nhiệt độ, sức căng và áp lực tác dụng lên lưới sắt Như vậy, một ống dẫn quang bao gồm một lưới sắt Bragg được làm méo khi một gia tốc tác dụng dọc theo ống dẫn sóng, bước sóng của ánh sáng dịch chuyển dọc theo sự thay đổi ống dẫn sóng. Sự thay đổi này trong bước sóng thì tỉ lệ với gia tốc tác dụng.

+ Gia tốc kế giải pháp điện phân: Đây là thiết bị trạng thái ion, sử dụng sự dịch chuyển ion trong dung dịch để ứng dụng cho một gia tốc. Chuyển động này gây ra sự thay đổi điện thế trong chất điện phân và sự thay đổi điện thế này được tìm thấy tỉ lệ với gia tốc tác dụng, với sự tuyến tính tốt.

Nói chung, có rất nhiều loại cảm biến quán tính khác nhau được sử dụng cho việc cảm nhận và đo độ lớn của việc gia tốc của lực. Tổng quan bao gồm các cảm biến cơ, sử dụng nguyên lý con lắc cổ điển, đến các thiết bị trạng thái rắn hiện đại. Nhìn chung tất cả các thiết bị này là phù hợp với các ứng dụng, cũng như môi trường sẽ cần độ chính xác từ micro-g tới g. Công nghệ trạng thái rắn cho phép các kĩ thuật khác nhau mà có thể được sử dụng cho ứng dụng nhỏ, tin cậy và giá thành thiết bị thấp. Rất nhiều kĩ thuật đã được tổng kết lại, bao gồm sử dụng sợi quang, thiết bị rung, thiết bị sóng âm bề mặt và sử dụng vật liệu silicon.