Cảm biến áp trở với tổ hợp tem biến dạng - trụ đàn hồi đỡ giá và phương pháp tiếp nhận áp, lực sóng xung kích

Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> CẢM BIẾN ÁP TRỞ VỚI TỔ HỢP TEM BIẾN DẠNG - TRỤ<br /> ĐÀN HỒI ĐỠ GIÁ VÀ PHƯƠNG PHÁP TIẾP NHẬN ÁP,<br /> LỰC SÓNG XUNG KÍCH<br /> Đinh Tiến Nghĩa1*, Đào Mộng Lâm2, Đặng Hồng Triển2<br /> Tóm tắt: Để đo lực và áp suất của một vụ nổ, hệ thống đo đã được phát triển nhờ<br /> sử dụng giá đỡ bốn trụ đàn hồi với bốn cảm biến tem biến dạng màng mỏng. Trong<br /> bài báo này, các tem biến dạng được chọn gắn lên các trụ đỡ giá đã được thiết kế<br /> thích hợp và một cảm biến áp suất được chế tạo, được lắp chính tâm, ngang bằng<br /> mặt nắp giá đỡ song song với dòng trong một sóng nổ. Mạch gia công tạo điều kiện<br /> tín hiệu cần thiết cũng được thiết kế tương thích. Hoạt động của hệ đã được nghiên<br /> cứu và phát triển trong môi trường tự do dưới những điều kiện nhiễu loạn. Việc hiệu<br /> chuẩn toàn bộ hệ thống đo được thực hiện nhờ những thiết bị chuẩn lực và bơm áp<br /> suất thủy lực. Các giá trị đo của những đặc tính nổ tìm được trong giới hạn thiết kế.<br /> Xung và hiệu lực riêng của sóng nổ cũng được đánh giá theo kết quả đo.<br /> Từ khóa: Cảm biến áp trở, Tem biến dạng, Trụ đàn hồi.<br /> <br /> 1. MỞ ĐẦU<br /> Trong lĩnh vực quân sự, định lượng liều nổ cho các khí tài, đắp lũy, phá vật<br /> cản... cũng như công nghiệp, việc xác định liều lượng và xung lượng của từng loại<br /> vật liệu nổ có một vai trò quan trọng. Từ đó có thể chọn loại vật liệu nổ cũng như<br /> phương pháp và vị trí đặt liều đạt được hiệu quả nổ cao nhất tương ứng với mục<br /> đích sử dụng. Tất nhiên, thiếu đo lường không thể đạt được những mục đích trên.<br /> Nhiều kỹ thuật đã được nghiên cứu phát triển để đo nổ được tạo ra và đã được<br /> công bố trên thế giới bởi những mô hình dựa trên lực lò xo, con lắc. Một số công<br /> trình thông báo về các kỹ thuật đo áp lực chấn động được tạo ra bởi một hệ đo sử<br /> dụng một cân lực hoạt động dựa trên nguyên lý cảm biến tem biến dạng được thiết<br /> kế riêng ứng dụng đo những lực chấn động nhỏ trong những môi trường đặc biệt<br /> như I-on và chân không trong lĩnh vực hàng không vũ trụ [7], [8], [9]. Tất nhiên<br /> những hệ thống thiết bị này không thể áp dụng đo xung lực nổ với liều lượng lớn<br /> và trong điều kiện bình thường. Đương nhiên tài liệu công nghệ cũng như bí quyết<br /> gia công luôn là độc quyền của các nhà sản xuất và không được công bố. Tuy vậy,<br /> những công trình này cho ra những gợi mở về khả năng nghiên cứu mở rộng ứng<br /> dụng các cảm biến áp trở và áp điện trong việc định lượng các tính chất vật lý nổ<br /> với những liều lớn hơn của các vật liệu nổ khác nhau trong khí quyển.<br /> Trong bài báo này sẽ giới thiệu công trình nghiên cứu về một giải pháp đo hiện<br /> trường được xây dựng dựa trên việc thiết kế chế tạo cảm biến áp trở được lập trên<br /> bốn trụ đỡ giá cùng với hệ thống gia công xử lý tín hiệu đo phù hợp. Việc thiết kế<br /> chế tạo cảm biến đo nổ cùng với hệ thống gia công xử lý lý tín hiệu đo về cơ bản<br /> cũng giống như những công trình nghiên cứu đo các tham số của động cơ tên lửa<br /> đã được công bố và kết quả khoa học công nghệ đã được ứng dụng có hiệu quả<br /> trong nhiều năm qua [1 - 6]. Nội dung chính được trình bày sau đây là cảm biến áp<br /> trở với tổ hợp tem biến dạng- trụ đàn hồi đỡ giá và những phương pháp lắp đặt<br /> cảm biến để phản ánh trung thực những giá trị đặc thù (lực, áp suất) của một vụ nổ.<br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Tên lửa, 09 - 2016 283<br />  Cơ học & Điều khiển thiết bị bay<br /> <br /> 2. NỘI DUNG CẦN GIẢI QUYẾT<br /> 2.1. Cảm biến lực áp trở đo nổ với tổ hợp tem biến dạng - trụ đàn hồi đỡ giá<br /> Hình 1 giới thiệu phối cảnh Áp suất nổ<br /> của một giá đỡ cảm biến có bốn<br /> chân trụ đỡ giá được sử dụng<br /> làm bốn phần tử đàn hồi cho<br /> bốn cảm biến đo lực sóng nổ CB Trụ<br /> (sóng xung kích). Cảm biến áp áp suất III<br /> suất được thiết kế chế tạo riêng (khuất)<br /> và được lắp bằng mặt, chính<br /> tâm mặt trên của giá đỡ. Trụ IV<br /> khuất<br /> Giá đo (hay giá đỡ) bao gồm<br /> một tấm đáy tĩnh bằng thép Trụ I Trụ II<br /> không rỉ với bốn trụ hợp kim<br /> đồng – beryllium hoặc thép<br /> được kẹp chặt cân đối trên bốn<br /> góc của tấm đáy và đỡ một tấm CB lực áp trở với TBD-TĐHĐG<br /> nắp động bằng thép không rỉ Hình 1. Phương án thiết kế giá đo lực<br /> khác (kích thước như tấm đáy). và áp suất xung nổ tiếp tuyến.<br /> Tấm đáy cố định, tấm nắp dịch<br /> chuyển tương ứng với lực tác động và luôn giữ song song với tấm đáy. Khi có lực<br /> tác dụng, các trụ sẽ bị uốn hoặc nén tùy thuộc chiều lực tác động ngang hoặc dọc<br /> lên tấm nắp (tiếp tuyến hay pháp tuyến). Tất nhiên kích thước trụ cũng như toàn bộ<br /> giá được thiết kế thay đổi theo từng giới hạn đo lực nổ sao cho đủ nhạy trong miền<br /> tuyến tính ngay cả khi một lực đủ nhỏ tác động trong hướng ngang cũng sẽ gây<br /> nên một độ lệch lớn của các trụ (tại vị trí kẹp sát đáy sẽ có biến dạng lớn).<br /> <br /> a F Ura<br /> b UN<br /> <br /> <br /> Mặt trước: RI1 RI2<br /> RI1và RI3 ; Trụ I L<br /> Mặt sau:<br /> RI2 và RI4 RI2 RI4<br /> (nằm dọc RI4 RI3<br /> khuất) RI1 RI3<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 2. Cách bố trí tem biến dạng và mạch cầu Wheastone tương ứng<br /> trên trụ đỡ giá để tạo thành cảm biến đo lực uốn (sóng nổ tiếp tuyến).<br /> <br /> <br /> <br /> 284 Đ.T.Nghĩa, Đ.M.Lâm, Đ.H.Triển “Cảm biến áp trở... lực sóng xung kích.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> Đây là cấu trúc phần tử đàn hồi dầm một đầu cố định, theo [6] ta có:<br /> <br /> 6 FL<br /> U ra  g UN<br /> Eab 2<br /> Trong đó: F- Mô đun đàn hồi của vật liệu chế tạo trụ;<br /> g- hằng số tem biến dạng;<br /> a,b,L - các kích thước của trụ.<br /> Các trụ đàn hồi (trụ đỡ giá) chính là những tổ hợp phần tử đàn hồi tem biến<br /> dạng trong đó trụ đỡ của giá được sử dụng làm phần tử đàn hồi. Chúng phải thật sự<br /> đồng nhất với nhau về mọi mặt, từ kết cấu kích thước, chất lượng bề mặt đến vị trí<br /> gắn tem. Hình 2 thể hiện cách bố trí tem biến dạng trên mỗi trụ đàn hồi và mạch<br /> cầu cảm biến tương ứng. Về mặt lý thuyết, mỗi trụ chịu 1/4 tải toàn bộ tác động lên<br /> mặt nắp, như vậy khi bốn mạch cảm biến được mắc song với nhau thì sẽ nhận<br /> được điện áp ra tương ứng với toàn bộ lực tác động lên bàn đỡ.<br /> Hình 3 mô tả khái quát hệ thống đo và hình 4 giới thiệu cách bố trí tem biến<br /> dạng trên bốn trụ đàn hồi và các mạch cầu Wheastone tương ứng của chúng, tạo<br /> thành mạch tổng đo lực uốn. Cách bố trí này mang tính khái quát, đúng cho mọi<br /> giới hạn đo của mọi kiểu tem biến dạng được chế tạo theo các qui trình công nghệ<br /> [1 - 4].<br /> <br /> Thiết bị hiện trường Thiết bị trung tâm<br /> Thiết bị<br /> Áp suất; Giá đo có cảm biến lực Thiết bị<br /> Cáp đo hiển thị,<br /> Tâm lực áp trở với tổ hợp tem gia công lưu giữ<br /> nổ biến dạng-trụ đàn hồi tín hiệu số liệu<br /> đỡ giá TBD-TĐHĐG đo<br /> <br /> Hình 3. Sơ đồ khối của hệ thống đo xung nổ tiếp tuyến ứng dụng cảm biến đo lực<br /> áp trở với tổ hợp TBD-TĐHĐG.<br /> Với cách lắp đặt trên có thể dễ dàng nhận được tổng lực ngang Ftn tác động lên<br /> mặt nắp của giá đỡ qua bốn cảm biến lực ngang gắn trên bốn trụ đỡ:<br /> Ftn = FIn + FIIn + FIIIn + FIVn (1)<br /> Sẽ không gặp bất kỳ trở ngại nào khi dựa vào hình 2, để gắn tem biến dạng lên<br /> từng trụ, lập nên các cảm biến đo lực nén độc lập với các cảm biến lực ngang đã<br /> lập. Khi đó mạch tổng hợp các lực dọc Ftd sẽ nhận được cũng giống như (1).<br /> Sơ đồ khối tổng quát của hệ thống đo có kết cấu cảm biến đo lực với tổ hợp tem<br /> biến dạng- trụ đàn hồi được thể hiện trên hình 1 tương đương với những phiên bản<br /> đo lực đa chiều đã được nghiên cứu phát triển [2 - 6]. Với nguyên lý kết cấu tương<br /> tự như thế này, tùy theo kích thước của trụ và của toàn bộ giá đo, có thể chế tạo<br /> các loại giá đỡ với nhiều kích cỡ khác nhau tương ứng với giới hạn đo đã được<br /> thiết kế. Thiết bị gia công tín hiệu cần trước hết là một bộ khuếch đại đo phù hợp,<br /> đây là một vấn đề không đơn giản, song đã được thiết kế lắp ráp và sử dụng có<br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Tên lửa, 09 - 2016 285<br />  Cơ học & Điều khiển thiết bị bay<br /> <br /> hiệu quả cho các hệ thống đo lực đẩy, áp suất động cơ tên lửa ở trường thử cũng<br /> như cho những hệ thống lực gia công đa chiều của máy công cụ hoạt động dưới<br /> những điều kiện không thuận lợi [5]. Độ không đảm bảo đo của toàn bộ hệ thống<br /> luôn đạt chất lượng thiết kế theo các lần hiệu chuẩn tại Viện Đo lường Việt Nam.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 4. Mạch tổng của cảm biến đo nổ tiếp tuyến với TBD-TĐHĐG.<br /> <br /> 2.2. Phương pháp nhận áp lực sóng xung kích<br /> Hình 5 giới thiệu một giải pháp có thể cùng lúc đo hai lực tiếp tuyến, pháp<br /> tuyến và suy ra áp suất pháp tuyến (Nhờ sự trợ giúp của cơ cấu đĩa chắn áp-trụ<br /> dẫn hướng để đo lực và suy ra áp suất pháp tuyến.) của một sóng nổ ở một khoảng<br /> cách an toàn đã định, không phá hủy cụm thiết bị nổi trên mặt đất. Hình 1 và<br /> những phác thảo thiết kế thể hiện trên các hình tiếp sau đó đã thể hiện phương án<br /> khả thi cho việc cùng lúc đo lực và áp suất tiếp tuyến (ngang). Đây là phương pháp<br /> khả thi, an toàn cho người và thiết bị hiện trường. Hình 6 thể hiện mặt cắt ngang<br /> của cụm giá đo lực và áp suất xung nổ tiếp tuyến tại hiện trường.<br /> <br /> <br /> 286 Đ.T.Nghĩa, Đ.M.Lâm, Đ.H.Triển “Cảm biến áp trở... lực sóng xung kích.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> <br /> <br /> Đĩa chắn áp và Cảm biến<br /> A trụ dẫn hướng đo lực<br /> pháp tuyến<br /> p<br /> Khe<br /> chống<br /> quá tải<br /> <br /> <br /> Ghi chú: F chuẩn (N); Hầm<br /> A chuẩn (m2); Cảm biến lực với tổ hợp cát<br /> p = F/A (N/m2) TBD-TĐHĐG cản<br /> đo lực tiếp tuyến chấn<br /> <br /> Hình 5. Sơ đồ nguyên lý cụm thiết bị hiện trường đo lực pháp tuyến, tiếp tuyến và<br /> suy ra áp suất pháp tuyến của một sóng nổ ở khoảng cách an toàn.<br /> <br /> Trong khuôn khổ một bài báo dưới đây chỉ tiếp tục bàn về những nội dung cần<br /> thiết đối với phương pháp khả thi này. Nguyên lý cấu tạo của cụm thiết bị hiện<br /> trường đo đồng thời lực ngang bởi cảm biến lực áp trở với tổ hợp TBD-TĐHĐG<br /> và áp suất thủy tĩnh với cảm biến lắp bằng mặt với mặt trên của giá đỡ.<br /> <br /> <br /> p p Fn<br /> <br /> <br /> Cảm biến áp suất<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Cảm biến lực ngang với các tổ hợp TBD-TĐHĐG<br /> <br /> Hình 6. Mặt cắt ngang cụm giá đo lực và áp suất xung nổ tiếp tuyến tại hiện<br /> trường.<br /> <br /> Việc thiết kế chế tạo cảm biến áp suất cũng như hiệu chuẩn hệ thống đo áp suất<br /> sẽ được trình bày cụ thể trong một dịp khác. Sau đây chỉ giới thiệu phương pháp<br /> hiệu chuẩn lực ngang sau khi đã hoàn thành việc chế tạo cụm thiết bị hiện trường<br /> đã nêu.<br /> 2.3. Chuẩn công tác hệ thống đo lực tiếp tuyến<br /> Hình 7 thể hiện nguyên lý chuẩn lực ngang cho cụm thiết bị hiện trường có cảm<br /> biến với tổ hợp TBD-TĐHĐG. Đây là một phép chuẩn lực bình thường như mọi<br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Tên lửa, 09 - 2016 287<br />  Cơ học & Điều khiển thiết bị bay<br /> <br /> phép hiệu chuẩn lực quen thuộc, nhưng ở đây sử dụng hệ con lăn để chuyển đổi<br /> trọng lực FG thành lực kéo ngang, tổng lực ngang Fn được thực hiện trong hộp nối,<br /> sau đó được gia công xử lý và số hóa rồi đưa tới máy tính.<br /> Fn Hộp nối Xử lý<br /> tổng lực ghi,<br /> Hệ con lăn Trụ Trụ<br /> ngang lưu<br /> I,II III, IV<br /> các cảm giữ<br /> biến I,II kết<br /> III, IV quả<br /> FG<br /> Hình 7. Nguyên lý chuẩn lực ngang để đo lực nổ tiếp tuyến.<br /> <br /> 3. KẾT LUẬN<br /> Nội dung mới của công trình nghiên cứu này có hai khía cạnh. Thứ nhất và<br /> quan trọng nhất là khai thác phát triển chức năng giá đỡ cảm biến. Với vật liệu<br /> được chọn phù hợp và với kích thước trụ được thiết kế hợp lý đã tạo thành những<br /> cảm biến hiện trường với các tổ hợp tem biến dạng –trụ đàn hồi đỡ giá. Với sự<br /> phát triển này cụm thiết bị hiện trường không những sẽ đo được áp suất thủy tĩnh<br /> với cảm biến áp suất được gắn ngang bằng mặt với mặt nắp của giá đỡ mà còn đo<br /> được lực tiếp tuyến với dòng trong sóng nổ. Thứ hai, việc sử dụng hệ con lăn để<br /> chuyển trọng lực thành lực ngang bổ trợ cho việc hiệu chuẩn hệ thống đo lực<br /> ngang của hệ thống đo cũng là một phát triển hợp lý cho hệ đo lực tiếp tuyến của<br /> sóng nổ.<br /> <br /> TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> [1]. Đào Mộng Lâm. “Đo các tham số động lực động cơ tên lửa” Tài liệu chuyên<br /> khảo sử dụng giảng dạy sau đại học NXB QĐND, 2005<br /> [2]. Đào Mộng Lâm. “Đo áp lực động cơ tên lửa”. Tài liệu tổng kết đề tài nghiên<br /> cứu cấp BQP, 2003<br /> [3]. Đào Mộng Lâm, Phạm Quang Minh, Phạm Thanh Hà, Đoàn Hồng Ngọc. “Cảm<br /> biến đo sóng va đập và chấn động”, Tạp chí NCKHKT- CNQS số 6, 4-2010.<br /> [4]. Đào Mộng Lâm. “Chế tạo cảm biến và xây dựng hệ thống đo các thông số<br /> động lực của thiết bị bay”. Báo cáo tổng hợp đề tài ĐL 2008G/13, 2011.<br /> [5]. Đào Mộng Lâm, Lê Vĩnh Hà, Phạm Quang Minh. “Nghiên cứu chế tạo cảm<br /> biến đo lực nhiều thành phần”. Báo cáo KH Hội nghị KHKTĐL toàn quốc lần<br /> thứ 4, 2005.<br /> [6]. Phạm Quang Minh. “Nghiên cứu xây dựng phương tiện đo các tham số kỹ<br /> động lực động cơ tên lửa”. Luận án tiến sĩ kỹ thuật, 2012.<br /> [7]. R. John Stephan and K.Rajnna. “Thin film Strain Sensors for Ion Trust<br /> Measurement”, India Bangalore, 2002.<br /> [8]. Marry F., Gray W., M.K. Hudson. “A Ground Test Rocket Thrust<br /> Measurement System” Journal of Pyrotechnics , Issue 14, Winter 2001,<br /> pp(50-55)<br /> <br /> <br /> 288 Đ.T.Nghĩa, Đ.M.Lâm, Đ.H.Triển “Cảm biến áp trở... lực sóng xung kích.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> [9]. R. B. Shanks, M.K. Hudson. “A LabScale Hybrid Rocket Motor for<br /> Instrumentation Studies”. Journal of Pyrotechnics. No. 11, 2000, pp(1-10).<br /> <br /> ABSTRACT<br /> <br /> PIEZORESISTIVE SENSOR IN SUPPORT SYSTEM USING COMBINATION<br /> OF STRAIN GAUGES-ELASTIC COLUMNS AND METHOD OF RECEIVING<br /> SHOCK WAVE PRESSURE AND FORCE<br /> In order to measure the force and the pressure of explosion, a measurement<br /> system has been developed using four elastic-columns support with thin film strain<br /> gauge sensors. For this purpose, strain gauges were designed and bonded on the<br /> columns of the support, and a pressure transducer fabricated, flush mounted and<br /> positioned at the center of support-bottom surface that is parallel to the flow in a<br /> blast wave. Necessary signal conditioning circuit has been designed accordantly.<br /> Performance of the system developed was studied in outdoor environment under<br /> noise conditions.The calibration of total measurement system was done using Force<br /> Calibration Device and Hydraulic Pressure Calibration Pumb. Measured values of<br /> explosion characteristics were found to be in the designed range. Specific impulse<br /> and efficiency of blast wave were also estimated according to measured results.<br /> Keyword: Piezoresistive sensor, Strain gauges, Elastic-columns.<br /> <br /> <br /> Nhận bài ngày 15 tháng 6 năm 2016<br /> Hoàn thiện ngày 20 tháng 8 năm 2016<br /> Chấp nhận đăng ngày 05 tháng 9 năm 2016<br /> <br /> 1<br /> Địa chỉ: Cục Kỹ thuật/Tổng cục II/BQP<br /> 2<br /> Viện Tên lửa/Viện KH-CN Quân sự<br /> *Email: dtn288@gmail.com<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Tên lửa, 09 - 2016 289<br />