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 Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Tên lửa, 09 - 2016 283 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 Đinh Tiến Nghĩa1*, Đào Mộng Lâm2, Đặng Hồng Triển2 Tóm tắt: Để đo lực và áp suất của một vụ nổ, hệ thống đo đã được phát triển nhờ sử dụng giá đỡ bốn trụ đàn hồi với bốn cảm biến tem biến dạng màng mỏng. Trong bài báo này, các tem biến dạng được chọn gắn lên các trụ đỡ giá đã được thiết kế thích hợp và một cảm biến áp suất được chế tạo, được lắp chính tâm, ngang bằng mặt nắp giá đỡ song song với dòng trong một sóng nổ. Mạch gia công tạo điều kiện tín hiệu cần thiết cũng được thiết kế tương thích. Hoạt động của hệ đã được nghiên cứu và phát triển trong môi trường tự do dưới những điều kiện nhiễu loạn. Việc hiệu chuẩn toàn bộ hệ thống đo được thực hiện nhờ những thiết bị chuẩn lực và bơm áp suất thủy lực. Các giá trị đo của những đặc tính nổ tìm được trong giới hạn thiết kế. Xung và hiệu lực riêng của sóng nổ cũng được đánh giá theo kết quả đo. Từ khóa: Cảm biến áp trở, Tem biến dạng, Trụ đàn hồi. 1. MỞ ĐẦU Trong lĩnh vực quân sự, định lượng liều nổ cho các khí tài, đắp lũy, phá vật cản... cũng như công nghiệp, việc xác định liều lượng và xung lượng của từng loại vật liệu nổ có một vai trò quan trọng. Từ đó có thể chọn loại vật liệu nổ cũng như phương pháp và vị trí đặt liều đạt được hiệu quả nổ cao nhất tương ứng với mục đích sử dụng. Tất nhiên, thiếu đo lường không thể đạt được những mục đích trên. Nhiều kỹ thuật đã được nghiên cứu phát triển để đo nổ được tạo ra và đã được công bố trên thế giới bởi những mô hình dựa trên lực lò xo, con lắc. Một số công trình thông báo về các kỹ thuật đo áp lực chấn động được tạo ra bởi một hệ đo sử dụng một cân lực hoạt động dựa trên nguyên lý cảm biến tem biến dạng được thiết kế riêng ứng dụng đo những lực chấn động nhỏ trong những môi trường đặc biệt như I-on và chân không trong lĩnh vực hàng không vũ trụ [7], [8], [9]. Tất nhiên những hệ thống thiết bị này không thể áp dụng đo xung lực nổ với liều lượng lớn và trong điều kiện bình thường. Đương nhiên tài liệu công nghệ cũng như bí quyết gia công luôn là độc quyền của các nhà sản xuất và không được công bố. Tuy vậy, những công trình này cho ra những gợi mở về khả năng nghiên cứu mở rộng ứng dụng các cảm biến áp trở và áp điện trong việc định lượng các tính chất vật lý nổ với những liều lớn hơn của các vật liệu nổ khác nhau trong khí quyển. Trong bài báo này sẽ giới thiệu công trình nghiên cứu về một giải pháp đo hiện trường được xây dựng dựa trên việc thiết kế chế tạo cảm biến áp trở được lập trên bốn trụ đỡ giá cùng với hệ thống gia công xử lý tín hiệu đo phù hợp. Việc thiết kế chế tạo cảm biến đo nổ cùng với hệ thống gia công xử lý lý tín hiệu đo về cơ bản cũng giống như những công trình nghiên cứu đo các tham số của động cơ tên lửa đã được công bố và kết quả khoa học công nghệ đã được ứng dụng có hiệu quả trong nhiều năm qua [1 - 6]. Nội dung chính được trình bày sau đây là cảm biến áp trở với tổ hợp tem biến dạng- trụ đàn hồi đỡ giá và những phương pháp lắp đặt cảm biến để phản ánh trung thực những giá trị đặc thù (lực, áp suất) của một vụ nổ. Cơ học & Điều khiển thiết bị bay Đ.T.Nghĩa, Đ.M.Lâm, Đ.H.Triển “Cảm biến áp trở... lực sóng xung kích.” 284 CB áp suất (khuất) CB lực áp trở với TBD-TĐHĐG Trụ IV khuất Trụ III Trụ I Trụ II Áp suất nổ Hình 1. Phương án thiết kế giá đo lực và áp suất xung nổ tiếp tuyến. 2. NỘI DUNG CẦN GIẢI QUYẾT 2.1. Cảm biến lực áp trở đo nổ với tổ hợp tem biến dạng - trụ đàn hồi đỡ giá Hình 1 giới thiệu phối cảnh của một giá đỡ cảm biến có bốn chân trụ đỡ giá được sử dụng làm bốn phần tử đàn hồi cho bốn cảm biến đo lực sóng nổ (sóng xung kích). Cảm biến áp suất được thiết kế chế tạo riêng và được lắp bằng mặt, chính tâm mặt trên của giá đỡ. Giá đo (hay giá đỡ) bao gồm một tấm đáy tĩnh bằng thép không rỉ với bốn trụ hợp kim đồng – beryllium hoặc thép được kẹp chặt cân đối trên bốn góc của tấm đáy và đỡ một tấm nắp động bằng thép không rỉ khác (kích thước như tấm đáy). Tấm đáy cố định, tấm nắp dịch chuyển tương ứng với lực tác động và luôn giữ song song với tấm đáy. Khi có lực tác dụng, các trụ sẽ bị uốn hoặc nén tùy thuộc chiều lực tác động ngang hoặc dọc lên tấm nắp (tiếp tuyến hay pháp tuyến). Tất nhiên kích thước trụ cũng như toàn bộ giá được thiết kế thay đổi theo từng giới hạn đo lực nổ sao cho đủ nhạy trong miền tuyến tính ngay cả khi một lực đủ nhỏ tác động trong hướng ngang cũng sẽ gây nên một độ lệch lớn của các trụ (tại vị trí kẹp sát đáy sẽ có biến dạng lớn). Ura UN RI1 RI2 RI4 RI3 Mặt trước: RI1và RI3 ; Mặt sau: RI2 và RI4 (nằm dọc khuất) Trụ I RI2 RI4 RI1 RI3 F a b L Hình 2. Cách bố trí tem biến dạng và mạch cầu Wheastone tương ứng trên trụ đỡ giá để tạo thành cảm biến đo lực uốn (sóng nổ tiếp tuyến). Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Tên lửa, 09 - 2016 285 Đây là cấu trúc phần tử đàn hồi dầm một đầu cố định, theo [6] ta có: Trong đó: F- Mô đun đàn hồi của vật liệu chế tạo trụ; g- hằng số tem biến dạng; a,b,L - các kích thước của trụ. Các trụ đàn hồi (trụ đỡ giá) chính là những tổ hợp phần tử đàn hồi tem biến dạng trong đó trụ đỡ của giá được sử dụng làm phần tử đàn hồi. Chúng phải thật sự đồng nhất với nhau về mọi mặt, từ kết cấu kích thước, chất lượng bề mặt đến vị trí gắn tem. Hình 2 thể hiện cách bố trí tem biến dạng trên mỗi trụ đàn hồi và mạch cầu cảm biến tương ứng. Về mặt lý thuyết, mỗi trụ chịu 1/4 tải toàn bộ tác động lên mặt nắp, như vậy khi bốn mạch cảm biến được mắc song với nhau thì sẽ nhận được điện áp ra tương ứng với toàn bộ lực tác động lên bàn đỡ. Hình 3 mô tả khái quát hệ thống đo và hình 4 giới thiệu cách bố trí tem biến dạng trên bốn trụ đàn hồi và các mạch cầu Wheastone tương ứng của chúng, tạo thành mạch tổng đo lực uốn. Cách bố trí này mang tính khái quát, đúng cho mọi giới hạn đo của mọi kiểu tem biến dạng được chế tạo theo các qui trình công nghệ [1 - 4]. Hình 3. Sơ đồ khối của hệ thống đo xung nổ tiếp tuyến ứng dụng cảm biến đo lực áp trở với tổ hợp TBD-TĐHĐG. Với cách lắp đặt trên có thể dễ dàng nhận được tổng lực ngang Ftn tác động lên mặt nắp của giá đỡ qua bốn cảm biến lực ngang gắn trên bốn trụ đỡ: Ftn = FIn + FIIn + FIIIn + FIVn (1) Sẽ không gặp bất kỳ trở ngại nào khi dựa vào hình 2, để gắn tem biến dạng lên từng trụ, lập nên các cảm biến đo lực nén độc lập với các cảm biến lực ngang đã lập. Khi đó mạch tổng hợp các lực dọc Ftd sẽ nhận được cũng giống như (1). Sơ đồ khối tổng quát của hệ thống đo có kết cấu cảm biến đo lực với tổ hợp tem biến dạng- trụ đàn hồi được thể hiện trên hình 1 tương đương với những phiên bản đo lực đa chiều đã được nghiên cứu phát triển [2 - 6]. Với nguyên lý kết cấu tương tự như thế này, tùy theo kích thước của trụ và của toàn bộ giá đo, có thể chế tạo các loại giá đỡ với nhiều kích cỡ khác nhau tương ứng với giới hạn đo đã được thiết kế. Thiết bị gia công tín hiệu cần trước hết là một bộ khuếch đại đo phù hợp, đây là một vấn đề không đơn giản, song đã được thiết kế lắp ráp và sử dụng có Tâm nổ Giá đo có cảm biến lực áp trở với tổ hợp tem biến dạng-trụ đàn hồi đỡ giá TBD-TĐHĐG Thiết bị gia công tín hiệu Thiết bị hiển thị, lưu giữ số liệu đo Thiết bị hiện trường Thiết bị trung tâm Áp suất; lực Cáp đo ra N2 6 FL U g U Eab  Cơ học & Điều khiển thiết bị bay Đ.T.Nghĩa, Đ.M.Lâm, Đ.H.Triển “Cảm biến áp trở... lực sóng xung kích.” 286 hiệu quả cho các hệ thống đo lực đẩy, áp suất động cơ tên lửa ở trường thử cũng như cho những hệ thống lực gia công đa chiều của máy công cụ hoạt động dưới những điều kiện không thuận lợi [5]. Độ không đảm bảo đo của toàn bộ hệ thống luôn đạt chất lượng thiết kế theo các lần hiệu chuẩn tại Viện Đo lường Việt Nam. Hình 4. Mạch tổng của cảm biến đo nổ tiếp tuyến với TBD-TĐHĐG. 2.2. Phương pháp nhận áp lực sóng xung kích Hình 5 giới thiệu một giải pháp có thể cùng lúc đo hai lực tiếp tuyến, pháp tuyến và suy ra áp suất pháp tuyến (Nhờ sự trợ giúp của cơ cấu đĩa chắn áp-trụ dẫn hướng để đo lực và suy ra áp suất pháp tuyến.) của một sóng nổ ở một khoảng cách an toàn đã định, không phá hủy cụm thiết bị nổi trên mặt đất. Hình 1 và những phác thảo thiết kế thể hiện trên các hình tiếp sau đó đã thể hiện phương án khả thi cho việc cùng lúc đo lực và áp suất tiếp tuyến (ngang). Đây là phương pháp khả thi, an toàn cho người và thiết bị hiện trường. Hình 6 thể hiện mặt cắt ngang của cụm giá đo lực và áp suất xung nổ tiếp tuyến tại hiện trường. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Tên lửa, 09 - 2016 287 Hình 5. Sơ đồ nguyên lý cụm thiết bị hiện trường đo lực pháp tuyến, tiếp tuyến và suy ra áp suất pháp tuyến của một sóng nổ ở khoảng cách an toàn. Trong khuôn khổ một bài báo dưới đây chỉ tiếp tục bàn về những nội dung cần thiết đối với phương pháp khả thi này. Nguyên lý cấu tạo của cụm thiết bị hiện trường đo đồng thời lực ngang bởi cảm biến lực áp trở với tổ hợp TBD-TĐHĐG và áp suất thủy tĩnh với cảm biến lắp bằng mặt với mặt trên của giá đỡ. Hình 6. Mặt cắt ngang cụm giá đo lực và áp suất xung nổ tiếp tuyến tại hiện trường. Việc thiết kế chế tạo cảm biến áp suất cũng như hiệu chuẩn hệ thống đo áp suất sẽ được trình bày cụ thể trong một dịp khác. Sau đây chỉ giới thiệu phương pháp hiệu chuẩn lực ngang sau khi đã hoàn thành việc chế tạo cụm thiết bị hiện trường đã nêu. 2.3. Chuẩn công tác hệ thống đo lực tiếp tuyến Hình 7 thể hiện nguyên lý chuẩn lực ngang cho cụm thiết bị hiện trường có cảm biến với tổ hợp TBD-TĐHĐG. Đây là một phép chuẩn lực bình thường như mọi Cảm biến áp suất Cảm biến lực ngang với các tổ hợp TBD-TĐHĐG p p Fn Cảm biến lực với tổ hợp TBD-TĐHĐG đo lực tiếp tuyến Đĩa chắn áp và trụ dẫn hướng Cảm biến đo lực pháp tuyến Khe chống quá tải Hầm cát cản chấn A p Ghi chú: F chuẩn (N); A chuẩn (m2); p = F/A (N/m2) Cơ học & Điều khiển thiết bị bay Đ.T.Nghĩa, Đ.M.Lâm, Đ.H.Triển “Cảm biến áp trở... lực sóng xung kích.” 288 phép hiệu chuẩn lực quen thuộc, nhưng ở đây sử dụng hệ con lăn để chuyển đổi trọng lực FG thành lực kéo ngang, tổng lực ngang Fn được thực hiện trong hộp nối, sau đó được gia công xử lý và số hóa rồi đưa tới máy tính. Hình 7. Nguyên lý chuẩn lực ngang để đo lực nổ tiếp tuyến. 3. KẾT LUẬN Nội dung mới của công trình nghiên cứu này có hai khía cạnh. Thứ nhất và quan trọng nhất là khai thác phát triển chức năng giá đỡ cảm biến. Với vật liệu được chọn phù hợp và với kích thước trụ được thiết kế hợp lý đã tạo thành những cảm biến hiện trường với các tổ hợp tem biến dạng –trụ đàn hồi đỡ giá. Với sự phát triển này cụm thiết bị hiện trường không những sẽ đo được áp suất thủy tĩnh với cảm biến áp suất được gắn ngang bằng mặt với mặt nắp của giá đỡ mà còn đo được lực tiếp tuyến với dòng trong sóng nổ. Thứ hai, việc sử dụng hệ con lăn để chuyển trọng lực thành lực ngang bổ trợ cho việc hiệu chuẩn hệ thống đo lực ngang của hệ thống đo cũng là một phát triển hợp lý cho hệ đo lực tiếp tuyến của sóng nổ. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Đào Mộng Lâm. “Đo các tham số động lực động cơ tên lửa” Tài liệu chuyên khảo sử dụng giảng dạy sau đại học NXB QĐND, 2005 [2]. Đào Mộng Lâm. “Đo áp lực động cơ tên lửa”. Tài liệu tổng kết đề tài nghiên cứu cấp BQP, 2003 [3]. Đào Mộng Lâm, Phạm Quang Minh, Phạm Thanh Hà, Đoàn Hồng Ngọc. “Cảm biến đo sóng va đập và chấn động”, Tạp chí NCKHKT- CNQS số 6, 4-2010. [4]. Đào Mộng Lâm. “Chế tạo cảm biến và xây dựng hệ thống đo các thông số động lực của thiết bị bay”. Báo cáo tổng hợp đề tài ĐL 2008G/13, 2011. [5]. Đào Mộng Lâm, Lê Vĩnh Hà, Phạm Quang Minh. “Nghiên cứu chế tạo cảm biến đo lực nhiều thành phần”. Báo cáo KH Hội nghị KHKTĐL toàn quốc lần thứ 4, 2005. [6]. Phạm Quang Minh. “Nghiên cứu xây dựng phương tiện đo các tham số kỹ động lực động cơ tên lửa”. Luận án tiến sĩ kỹ thuật, 2012. [7]. R. John Stephan and K.Rajnna. “Thin film Strain Sensors for Ion Trust Measurement”, India Bangalore, 2002. [8]. Marry F., Gray W., M.K. Hudson. “A Ground Test Rocket Thrust Measurement System” Journal of Pyrotechnics , Issue 14, Winter 2001, pp(50-55) Hộp nối tổng lực ngang các cảm biến I,II III, IV Xử lý ghi, lưu giữ kết quả Hệ con lăn Fn FG Trụ I,II Trụ III, IV Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Tên lửa, 09 - 2016 289 [9]. R. B. Shanks, M.K. Hudson. “A LabScale Hybrid Rocket Motor for Instrumentation Studies”. Journal of Pyrotechnics. No. 11, 2000, pp(1-10). ABSTRACT PIEZORESISTIVE SENSOR IN SUPPORT SYSTEM USING COMBINATION OF STRAIN GAUGES-ELASTIC COLUMNS AND METHOD OF RECEIVING SHOCK WAVE PRESSURE AND FORCE In order to measure the force and the pressure of explosion, a measurement system has been developed using four elastic-columns support with thin film strain gauge sensors. For this purpose, strain gauges were designed and bonded on the columns of the support, and a pressure transducer fabricated, flush mounted and positioned at the center of support-bottom surface that is parallel to the flow in a blast wave. Necessary signal conditioning circuit has been designed accordantly. Performance of the system developed was studied in outdoor environment under noise conditions.The calibration of total measurement system was done using Force Calibration Device and Hydraulic Pressure Calibration Pumb. Measured values of explosion characteristics were found to be in the designed range. Specific impulse and efficiency of blast wave were also estimated according to measured results. Keyword: Piezoresistive sensor, Strain gauges, Elastic-columns. Nhận bài ngày 15 tháng 6 năm 2016 Hoàn thiện ngày 20 tháng 8 năm 2016 Chấp nhận đăng ngày 05 tháng 9 năm 2016 Địa chỉ: 1Cục Kỹ thuật/Tổng cục II/BQP 2 Viện Tên lửa/Viện KH-CN Quân sự *Email: dtn288@gmail.com