Luận án tiến sĩ nghiên cứu giải pháp nâng cao độ chính xác cho chuẩn đo lường lực kiểu khuếch đại đòn bẩy sử dụng gối điện tử điều khiển theo độ biến dạng

Luận án tiến sĩ nghiên cứu nghiên cứu giải pháp nâng cao độ chính xác cho chuẩn đo lường lực kiểu khuếch đại đòn bẩy sử dụng, phát triển phương pháp mới, đánh giá hiệu quả ứng

• Tác giả: Phạm Thanh Hà
• Người hướng dẫn: TS Đào Mộng Lâm
• Trường học: Viện Khoa Học Và Công Nghệ Quân Sự
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Tử
• Đề tài: Giải Pháp Nâng Cao Độ Chính Xác Cho Chuẩn Đo Lường Lực Kiểu Khuếch Đại Đòn Bẩy Với Gối Điện Tử
• Loại tài liệu: Luận Án Tiến Sĩ
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. MỞ ĐẦU
• 2. CHƯƠNG 1: XÁC LẬP MÔ HÌNH KÊNH ĐIỀU KHIỂN CÂN BẰNG ĐÒN BẨY VÀ MÔ HÌNH NHIỄU DAO ĐỘNG KÝ SINH TRONG LA-FSM
• 1.1. Sự cần thiết và yêu cầu thiết lập mô hình kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy và nhiễu dao động ký sinh trong LA-FSM
• 1.2. Thiết lập mô hình kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy của LA-FSM
• 1.3. Xác lập mô hình nhiễu dao động ký sinh kiểu con lắc và kiểu bồng bềnh trong LA-FSM
• 1.4. Phân tích sự hình thành và mô hình nhiễu dao động ký sinh kiểu con lắc trong hệ tạo lực tải trọng
• 1.5. Sự tương tác và mô hình nhiễu dao động kiểu bồng bềnh trong hệ tạo lực tải trọng
• 1.6. Đặc tính và mức độ ảnh hưởng của nhiễu dao động ký sinh kiểu con lắc và kiểu bồng bềnh trong LA-FSM
• 1.7. Xác lập mô hình nhiễu dao động ký sinh trong kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy của LA-FSM
• 1.8. Các moment lực trong hệ khuếch đại đòn bẩy và phương trình cân bằng đòn bẩy của LA-FSM
• 1.9. Xác lập mô hình tín hiệu và nhiễu dao động ký sinh trong kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy
• 1.10. Kết luận
• 3. CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG GIẢI PHÁP XỬ LÝ NHIỄU DAO ĐỘNG KÝ SINH CHO TÍN HIỆU KÊNH ĐIỀU KHIỂN CÂN BẰNG ĐÒN BẨY CỦA LA-FSM BẰNG ÁP DỤNG THUẬT TOÁN LỌC IIR
• 2.1. Cơ sở xây dựng giải pháp xử lý nhiễu dao động ký sinh bằng thuật toán lọc theo định dạng IIR
• 2.2. Xuất phát từ bài toán nâng cao độ chính xác cho LA-FSM
• 2.3. Xuất phát từ đặc tính của nhiễu dao động ký sinh trong LA-FSM
• 2.4. Xuất phát từ mô hình toán học kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy sử dụng gối điện tử điều khiển theo độ biến dạng
• 2.5. Xây dựng thuật toán lọc IIR cho giải pháp xử lý nhiễu dao động ký sinh trong kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy của LA-FSM
• 2.6. Xác định tham số đặc tả của bộ lọc IIR dùng cho LA-FSM
• 2.7. Xác định đặc tính và cấu trúc của bộ lọc IIR dùng cho LA-FSM
• 2.8. Xây dựng thuật toán lọc IIR dùng cho xử lý nhiễu dao động ký sinh trong kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy của LA-FSM
• 2.9. Hiệu quả xử lý nhiễu dao động ký sinh khi áp dụng thuật toán lọc IIR
• 2.10. Khả năng giảm thiểu sai số do nhiễu dao động ký sinh
• 2.11. Khả năng xử lý tổ hợp nhiễu cộng
• 2.12. Giới hạn và khuyến nghị
• 2.13. Kết luận
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu về chuẩn đo lường lực kiểu khuếch đại đòn bẩy

Chuẩn đo lường lực kiểu khuếch đại đòn bẩy (LA-FSM) là một trong những thiết bị quan trọng trong hệ thống đo lường quốc gia. Thiết bị này có vai trò chính trong việc thể hiện và duy trì đơn vị đo của đại lượng lực. Việc nâng cao độ chính xác cho chuẩn đo lường này là một yêu cầu cấp thiết, đặc biệt trong bối cảnh công nghệ ngày càng phát triển. Sự tham gia của công nghệ điện tử vào LA-FSM đã mở ra nhiều khả năng mới, như khả năng tự động hóa và nâng cao độ ổn định của giá trị lực chuẩn. Theo nghiên cứu, việc sử dụng gối điện tử điều khiển theo độ biến dạng thay cho các dao - gối cơ khí truyền thống đã cho thấy hiệu quả rõ rệt trong việc cải thiện độ chính xác và mở rộng dải đo. Điều này không chỉ giúp giảm thiểu sai số mà còn nâng cao hiệu suất của hệ thống đo lường.

1.1. Nguyên lý hoạt động của LA FSM

Nguyên lý hoạt động của LA-FSM dựa trên cơ chế khuếch đại đòn bẩy, trong đó lực được tạo ra từ một tải trọng được khuếch đại thông qua một hệ thống cơ khí. Hệ thống này sử dụng các dao - gối để duy trì trạng thái cân bằng. Tuy nhiên, các yếu tố như nhiễu dao động và moment ký sinh có thể ảnh hưởng đến độ chính xác của thiết bị. Việc áp dụng giải pháp kỹ thuật để xử lý các yếu tố này là rất cần thiết nhằm đảm bảo độ chính xác cao nhất cho chuẩn đo lường lực.

II. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của LA FSM

Độ chính xác của LA-FSM chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố khác nhau, bao gồm thiết kế cơ khí, chất liệu sử dụng và các yếu tố môi trường. Sai số trong quá trình đo lường có thể phát sinh từ nhiều nguồn khác nhau, như sự biến đổi nhiệt độ, độ ẩm và các tác động bên ngoài khác. Việc phân tích các yếu tố này là cần thiết để xác định các giải pháp cải tiến. Nghiên cứu cho thấy rằng việc sử dụng cảm biến lực có thể giúp giảm thiểu sai số và nâng cao độ chính xác. Hệ thống đo lường cần được tối ưu hóa để đảm bảo rằng các yếu tố này không ảnh hưởng đến kết quả đo lường.

2.1. Tác động của nhiễu dao động

Nhiễu dao động là một trong những yếu tố chính ảnh hưởng đến độ chính xác của LA-FSM. Nhiễu này có thể đến từ nhiều nguồn khác nhau, bao gồm rung động từ môi trường xung quanh và các tác động cơ học từ chính thiết bị. Việc áp dụng các giải pháp công nghệ như bộ lọc IIR có thể giúp xử lý và giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu dao động, từ đó nâng cao độ chính xác của thiết bị. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc sử dụng bộ lọc này có thể cải thiện đáng kể hiệu suất của LA-FSM trong các điều kiện đo lường khác nhau.

III. Giải pháp nâng cao độ chính xác cho LA FSM

Giải pháp nâng cao độ chính xác cho LA-FSM bao gồm việc áp dụng các công nghệ mới và cải tiến thiết kế. Việc sử dụng gối điện tử thay cho các dao - gối cơ khí truyền thống đã cho thấy hiệu quả rõ rệt trong việc cải thiện độ chính xác. Ngoài ra, việc áp dụng các thuật toán lọc hiện đại như lọc IIR cũng giúp xử lý nhiễu và cải thiện độ ổn định của thiết bị. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc tối ưu hóa các tham số của bộ lọc có thể giúp giảm thiểu sai số và nâng cao hiệu suất của LA-FSM.

3.1. Ứng dụng công nghệ điện tử

Công nghệ điện tử đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao độ chính xác cho LA-FSM. Việc tích hợp các cảm biến điện tử và hệ thống điều khiển tự động không chỉ giúp cải thiện độ chính xác mà còn nâng cao khả năng tự động hóa trong quá trình đo lường. Các giải pháp này không chỉ giúp giảm thiểu sai số mà còn mở rộng dải đo, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao trong lĩnh vực đo lường lực. Nghiên cứu cho thấy rằng việc áp dụng công nghệ điện tử có thể tạo ra những bước tiến lớn trong việc cải thiện chất lượng và độ tin cậy của chuẩn đo lường lực.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU NÂNG CAO ĐỘ CHÍNH XÁC CHO CHUẨN ĐO LƯỜNG LỰC KIỂU KHUẾCH ĐẠI ĐÒN BẨY SỬ DỤNG GỐI ĐIỆN TỬ ĐIỀU KHIỂN THEO ĐỘ BIẾN DẠNG VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN 1. Khái quát về chuẩn đo lường lực kiểu khuếch đại đòn bẩy sử dụng gối điện tử điều khiển theo độ biến dạng 1. Chuẩn đo lường lực kiểu khuếch đại đòn bẩy- nguyên lý xây dựng và cấu trúc Trong đo lường pháp quyền, để đảm bảo sự thống nhất về phép đo ở phạm vi quốc gia và quốc tế, cần thiết phải có các chuẩn đo lường cho các đại lượng đo. Chuẩn đo lường lực là một chuẩn đo lường quan trọng trong hệ thống các chuẩn đo lường.

Theo đó, chuẩn đo lường lực là một loại phương tiện kỹ thuật thể hiện đơn vị (hoặc ước/bội) của lực với độ chính xác cao nhất có thể - thường được gọi là máy chuẩn lực (Force Standard Machine - FSM), được liên kết chuẩn với các chuẩn cấp cao hơn, và được dùng để sao truyền chuẩn cho các FSM cấp thấp hơn hay thiết bị đo hoặc thiết bị có liên quan đến đại lượng lực [5], [8], [36]. Ban đầu, FSM được xây dựng theo nguyên lý thể hiện trực tiếp Định luật 2 Newton, và thường được gọi là máy chuẩn lực tải trọng trực tiếp (Deadweight Force Standard Machine - DW-FSM), trong đó lực được thiết lập qua mối quan hệ:   F  m g (1.1)   Ở đây, F- véctơ lực tạo ra từ tải trọng, N; m - khối lượng của tải trọng, kg; còn g - véctơ gia tốc trọng trường nơi đặt tải trọng, m/s2 [5], [36]. Lực tạo ra từ tải trọng theo (1.1) được xét khi tải trọng đặt trong môi trường chân không. Tuy nhiên, trong thực tế tải trọng chỉ có thể đặt trong môi trường không khí, vì vậy lực được tạo ra từ DW-FSM sẽ là: m  a  F  mg   a g  mg 1   (1.2) m   m    Ở đây, thành phần  m  a g  là lực đẩy của không khí theo Định luật Acsimet, với  m  7 a - khối lượng riêng của không khí, kg/m3;  m - khối lượng riêng của vật liệu chế tạo tải trọng, kg/m3.

Để đáp ứng yêu cầu thể hiện lực chuẩn có giá trị lớn, FSM có thể được xây dựng bằng kết hợp giữa hai nguyên lý tạo lực kiểu DW-FSM với khuếch đại đòn bẩy được gọi là máy chuẩn lực khuếch đại đòn bẩy (Lever Amplification Force Standard Machine - LA-FSM) như mô tả ở Hình 1. Giá trị lực tạo ra ứng với biểu thức: F2  F1  QLA (1.3) và khi xét điều kiện thực tế hóa, sẽ là:    F2  F1  Q LA  mg đp 1  a   Q LA (1.4)  m  Ở đây m - khối lượng của tải trọng; gđp - gia tốc trọng trường địa phương (tại nơi đặt tải trọng); ρa - khối lượng riêng của không khí; ρm - khối lượng riêng của vật liệu chế tạo quả cân tải trọng; QLA = l1/l2 - hệ số khuếch đại đòn bẩy, trong đó l1 - chiều dài của cánh tay đòn dài và l2 - chiều dài của cánh tay đòn ngắn. A C B g l1 l2 Lực kế Bộ tải trọng F1 F2 Hình 1. Sơ đồ nguyên lý tạo lực của LA-FSM.

Cấu trúc của LA-FSM bao gồm 3 bộ phận chính: hệ tạo lực tải trọng, hệ khuếch đại đòn bẩy và hệ truyền lực đòn bẩy. Trong đó, hệ khuếch đại đòn bẩy ban đầu được thực hiện trên cơ sở hệ đòn bẩy với trục tâm quay bằng dao-gối cơ học theo hai dạng: dao - vòng bi (Hình 1.2) và dao - gối phẳng (Hình 1. Việc kiểm soát sự cân bằng đòn bẩy được thực hiện thông qua các cơ cấu cơ học: kim chỉ - vạch khắc, nivo,. Và việc thiết lập trạng thái cân bằng đòn bẩy được thực hiện bởi người vận hành máy.

Khi sử dụng dao - vòng bi hoặc dao - gối phẳng, ưu điểm chính là đơn giản nhưng có nhiều nhược điểm ảnh hưởng tới độ chính xác của hệ thống như: + Đối với dao - gối vòng bi, sai lệch và thăng giáng gây ra do sự tiếp xúc không 8 đều, sự lệch tâm của trục truyền lực trong vòng bi, sự rơ rão mài mòn của vòng bi do tác động của lực và thời gian - đây cũng là các yếu tố khó kiểm soát và cần phải bảo dưỡng. + Đối với dao - gối phẳng, sai lệch và thăng giáng gây ra do sự tồn tại bán kính thực của mũi dao, đường tiếp xúc không ổn định, sự không phẳng của bề mặt gối, sự mài mòn do tác động của lực và thời gian, và do vậy chịu ảnh hưởng của lực ma sát - đây là các yếu tố rất khó kiểm soát và cần phải bảo dưỡng. Hệ khuếch đại đòn bẩy Dao-gối cơ học Cánh tay đòn dài nivo Cánh tay đòn ngắn Vòng bi l1 l2 m F2 F1 Hệ tạo lực tải trọng Hệ truyền lực đòn bẩy Hình 1. Mô hình cấu trúc LA-FSM sử dụng dao - gối vòng bi.

Hệ khuếch đại đòn bẩy Dao-gối cơ học Cánh tay đòn dài Cánh tay đòn ngắn nivo l1 l2 m F2 F1 Hệ truyền lực Hệ tạo lực tải trọng đòn bẩy Hình 1. Mô hình cấu trúc LA-FSM sử dụng dao - gối phẳng. + Việc kiểm soát trạng thái cân bằng đòn bẩy bằng cơ cấu cơ khí và quan sát bằng mắt, khó đảm bảo tính chính xác khi có tác động của các yếu tố ảnh hưởng. Để khắc phục các nhược điểm này, từ những năm 1970, gối điện tử điều khiển 9 theo độ biến dạng được xây dựng theo nguyên lý bản lề đàn hồi có thể kiểm soát độ biến dạng đã được sử dụng thay cho gối tựa cơ khí (Hình 1.

Giải pháp sử dụng gối điện tử theo nguyên lý bản lề đàn hồi được điều khiển theo độ biến dạng đã khắc phục được hầu hết các nhược điểm của dao - gối cơ học được chỉ ra ở trên, đồng thời tạo thuận lợi cho kiểm soát và thiết lập có điều khiển bằng điện tử đến trạng thái cân bằng đòn bẩy. Hệ khuếch đại đòn bẩy Gối điện tử điều XL-CT khiển theo độ biến dạng Cánh tay đòn ngắn Cánh tay đòn dài KĐĐL l1 l2 m F2 F1 Hệ truyền lực Hệ tạo lực tải trọng đòn bẩy KĐĐL - khuếch đại đo lường; XL-CT - xử lý và chỉ thị cân bằng điện tử Hình 1. Mô hình cấu trúc LA-FSM sử dụng gối điện tử điều khiển theo độ biến dạng. a) b) KĐĐL - bộ khuếch đại đo lường; XL-CT - bộ xử lý và chỉ thị cân bằng điện tử; 1- hệ tạo lực tải trọng; 2- hệ khuếch đại đòn bẩy; 3- gối điện tử; 4- hệ truyền lực.

Mô hình cấu trúc gối điện tử điều khiển theo độ biến dạng (a) và cấu trúc tổng thể của LA-FSM (b). 10 Mô hình cấu trúc gối điện tử điều khiển theo độ biến dạng và cấu trúc tổng thể của LA-FSM sử dụng gối điện tử điều khiển theo độ biến dạng có dạng như Hình 1. Mô hình kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy của LA-FSM này được mô tả khái quát như Hình 1. KBDCB - kênh biến dạng và cảm biến; BĐĐL - biến đổi đo lường; XL-CT - xử lý và chỉ thị; ĐKĐC - tạo tín hiệu điều khiển động cơ; ĐCCB - động cơ cân bằng đòn bẩy, BTĐB - bàn trượt đòn bẩy.

Mô hình kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy của LA-FSM. Theo đó, hệ trục tâm quay trong trường hợp này được tạo ra từ một phần tử đàn hồi (bản lề đàn hồi - BLĐH) có hình dạng phổ biến như trên Hình 1. Khi lân cận điểm tựa trục tâm quay (phần thon bóp - gọi là kênh biến dạng và cảm biến KBDCB) được lắp đặt các phần tử nhạy cảm với ứng suất biến dạng kiểu điện tử (thường là tem biến dạng), tín hiệu điện thu được sẽ cho phép phát hiện, kiểm soát sự có mặt và sự biến thiên của các lực hay moment lực tại trục tâm quay. Như vậy, chuẩn đo lường lực kiểu khuếch đại đòn bẩy sử dụng gối điện tử điều khiển theo độ biến dạng là một LA-FSM mà trạng thái cân bằng được kiểm soát và thiết lập bằng một kênh điều khiển cân bằng đòn bẩy dựa theo bài toán cân bằng moment lực.

Độ chính xác của nó phụ thuộc vào khả năng xác định và thiết lập trạng thái cân bằng đòn bẩy. Do luận án chỉ tập trung nghiên cứu về chuẩn đo lường lực kiểu khuếch đại đòn bẩy sử dụng gối điện tử điều khiển theo độ biến dạng nên từ đây luận án sẽ gọi ngắn gọn tên chuẩn đo lường lực này là LA-FSM. Sai số và các ảnh hưởng đến độ chính xác của LA-FSM Từ công thức (1.4), sai số lý thuyết của LA-FSM gây ra do sự sai lệch của các tham số của hệ thống so với giá trị danh định có thể được xác định dưới dạng: - Sai số tuyệt đối:   l   l 1 l1  l F  g đp 1  a  1 m  m1  a  1 g  mg đp  a  mg đp a2 1  m    m  l2   m  l2  m l2  m l2   1   l  mg đp  1  a   l1  mg đp  1  a  12  l 2 (1.5)   m  l2   m  l2 - Sai số tương đối: F m g đp  a  a  m l l      1 2 (1.5), cho thấy rõ mức sai lệch tạo lực gây ra do sai lệch của tham số hệ thống đối với LA-FSM lớn hơn QLA lần mức sai lệch của phần tạo lực DW-FSM.6), cho thấy rõ nguồn gốc phát sinh và mức độ đóng góp vào sai số chung của hệ thống từ các sai lệch của từng tham số.1 Các ảnh hưởng từ hệ tạo lực tải trọng + Ảnh hưởng từ khối lượng của tải trọng: Các tải trọng của LA-FSM đều được hiệu chuẩn, đảm bảo liên kết với chuẩn khối lượng quốc gia. Sai lệch từ khối lượng của tải trọng bao gồm: - Độ lệch so với giá trị danh nghĩa, bởi vì không thể điều chỉnh khối lượng của các tải trọng theo đúng các giá trị khối lượng danh nghĩa.

Với công nghệ chế tạo hiện nay, độ lệch tối đa là vào khoảng 3×10-6 [16], [38]. - Độ không đảm bảo đo, được xác định thông qua phép hiệu chuẩn các tải trọng. Tuỳ vào điều kiện của từng nước mà có các công bố khác nhau, nhưng tốt nhất hiện nay ở vào khoảng 2×10-6 [16], [38].