Nghiên cứu giải pháp phân bố mảng cảm biến và khử từ trường cho tàu quân sự

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ TRỊNH ĐÌNH CƯỜNG NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP PHÂN BỐ MẢNG CẢM BIẾN VÀ GIẢM THIỂU BỨC XẠ TỪ TRƯỜNG BẰNG CUỘN DÂY KHỬ TỪ CHO TÀU QUÂN SỰ LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội – 2023 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ TRỊNH ĐÌNH CƯỜNG NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP PHÂN BỐ MẢNG CẢM BIẾN VÀ GIẢM THIỂU BỨC XẠ TỪ TRƯỜNG BẰNG CUỘN DÂY KHỬ TỪ CHO TÀU QUÂN SỰ Ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 9 52 02 03 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. TS Phùng Anh Tuấn 2. TS Vũ Lê Hà Hà Nội - 2023 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các kết quả nghiên cứu và số liệu trình bày trong luận án là trung thực, chưa từng được ai công bố ở trong bất kỳ công trình nào khác, các dữ liệu tham khảo được trích dẫn đầy đủ.

Hà Nội, ngày tháng năm 2023 TÁC GIẢ LUẬN ÁN Trịnh Đình Cường ii LỜI CẢM ƠN Trong quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận án, Nghiên cứu sinh đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ, các ý kiến đóng góp quý báu và những lời động viên của các nhà khoa học, thầy cô giáo, đồng nghiệp và gia đình. Trước hết, xin bày tỏ lời biết ơn sâu sắc tới các thầy TS Phùng Anh Tuấn và TS Vũ Lê Hà đã trực tiếp hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành Luận án. Nghiên cứu sinh trân trọng cảm ơn Ban Giám đốc Viện KH-CN quân sự, Thủ trưởng và các cán bộ, nhân viên đã tạo điều kiện thuận lợi để Nghiên cứu sinh hoàn thành nhiệm vụ nghiên cứu. Nghiên cứu sinh xin chân thành cảm ơn các thầy cô, các nhà khoa học của Viện Khoa học và Công nghệ quân sự; Viện Điện tử; Trường Điện - Điện tử, Đại học Bách khoa Hà Nội; Phòng thí nghiệm Trọng điểm Công nghệ Micro – Nano, Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội đã có các góp ý quý báu cho Nghiên cứu sinh trong quá trình thực hiện luận án này.

Cuối cùng xin bày tỏ lời cảm ơn tới các đồng nghiệp, gia đình, bạn bè đã luôn động viên, chia sẻ, ủng hộ và giúp đỡ tôi vượt qua khó khăn để hoàn thành tốt luận án này. Hà Nội, ngày tháng năm 2023 TÁC GIẢ LUẬN ÁN Trịnh Đình Cường iii MỤC LỤC Trang MỤC LỤC. iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT. vi DANH MỤC CÁC BẢNG.x DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ.

xi MỞ ĐẦU .1 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ TỪ TRƯỜNG VÀ KHỬ TỪ TRƯỜNG CHO TÀU QUÂN SỰ. Tổng quan về từ trường trên tàu quân sự. Dấu vết sắt từ. Dấu vết dòng điện xoáy.

Dấu vết dòng điện ăn mòn. Dấu vết từ trường bức xạ. Tổng quan về khử từ trường trên các tàu quân sự. Lịch sử về khử từ trường cho tàu quân sự.

Nguyên lý khử từ trường cho tàu quân sự bằng các cuộn dây khử từ. Các kỹ thuật khử từ trường cho tàu quân sự. Các giải pháp khử từ trường thụ động. Các kỹ thuật khử từ trường chủ động.

Tổng quan tình hình nghiên cứu về giảm thiểu dấu vết từ trường của tàu quân sự bằng cuộn dây bù từ trường. Bài toán mô hình hóa từ trường của tàu quân sự. Mô hình bán thực nghiệm dùng trong nghiên cứu từ trường của tàu quân sự. Khoảng cách đánh giá từ trường.

Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của bài toán khử dị thường từ trường cho tàu quân sự bằng cuộn dây bù từ trường. Mục tiêu nghiên cứu của luận án. Bài toán nghiên cứu khử dị thường từ trường cho tàu quân sự bằng cuộn dây bù từ trường. Nội dung nghiên cứu của luận án.

Kết luận chương 1. 43 Chương 2 NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH HÓA VỎ TÀU SẮT TỪ VÀ GIẢI PHÁP PHÂN BỐ MẢNG CẢM BIẾN ĐO LƯỜNG TỪ TRƯỜNG. Mô hình hóa vỏ tàu sắt từ. Mô hình hóa vỏ tàu sắt từ hình cầu.

Mô hình hóa vỏ tàu hình cầu dài. Mô hình vỏ tàu kết hợp. Các yếu tố ảnh hưởng đến dấu vết từ trường của tàu quân sự. Nghiên cứu thực nghiệm từ trường trên mô hình tàu quân sự tỷ lệ vật lý.

Nghiên cứu tính toán, thiết kế và chế tạo cảm biến từ trường dựa trên hiệu ứng từ giảo-áp điện. Nghiên cứu tính toán, thiết kế và chế tạo hệ thống thiết bị đo lường từ trường cho mô hình tàu quân sự tỷ lệ vật lý. Đề xuất giải pháp phân bố mảng cảm biến từ trường dùng trong đo lường dấu vết từ trường của tàu quân sự. Thiết lập mảng cảm biến đo lường từ trường của mô hình tàu.

Nội dung và phương pháp đánh giá của giải pháp. Kết quả xác định khoảng cách tối thiểu giữa các cảm biến lân cận trong mảng cảm biến một chiều. Kết quả xác định khoảng cách tối thiểu giữa các cảm biến lân cận trong mảng cảm biến hai chiều. Kết quả xác định số lượng cảm biến tối thiểu dùng để đo dấu vết từ của tàu.

Đề xuất giải pháp. Kết luận chương 2. 89 Chương 3 NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP BÙ TỪ TRƯỜNG CHO MÔ HÌNH TÀU BẰNG CUỘN DÂY KHỬ TỪ ĐƠN TRỤC. Mô hình hóa bức xạ từ trường của cuộn dây khử từ.

Bức xạ từ trường của đơn cuộn dây. Bức xạ từ trường của hệ nhiều cuộn dây. Đánh giá hiệu quả bù từ trường của đơn cuộn dây khử từ đối với mô hình vỏ tàu hình cầu và hình cầu dài. Khử từ trường cho mô hình vỏ tàu hình cầu bằng đơn cuộn dây.

Khử từ cho mô hình vỏ tàu hình cầu dài bằng đơn cuộn dây. Đề xuất giải pháp bù từ trường bằng các cuộn dây khử từ đơn trục cho vỏ tàu hình cầu dài. Xây dựng bài toán khử từ trường bằng cuộn dây khử từ đơn trục cho vỏ tàu hình cầu dài. Kết quả tính toán mô phỏng.

Đề xuất giải pháp và định hướng nghiên cứu tiếp theo. Kết luận chương 3 .126 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ .128 TÀI LIỆU THAM KHẢO .1 PHỤ LỤC II .6 PHỤ LỤC III .11 vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu, chữ Ý nghĩa viết tắt a [m] Bán kính trục dài của vỏ tàu hình cầu dài a1 [m] Bán kính trong của vỏ tàu hình cầu a2 [m] Bán kính ngoài của vỏ tàu hình cầu b [m] Bán kính trục ngắn của vỏ tàu hình cầu dài L [m] Chiều dài của vỏ tàu hình cầu (L = 2b) E [V/m] Cường độ điện trường H [A/m] Cường độ từ trường H0 [A/m] Cường độ từ trường của Trái đất ⃗ [C/m2] 𝐷 Độ điện cảm D [m] Độ rộng thân tàu B [nT] Cảm ứng từ B0 [nT] Cảm ứng từ của Trái đất ΔB [nT] Dị thường từ trường của tàu ΔBx [nT] Dị thường từ trường của tàu tính theo trục Ox ΔBy [nT] Dị thường từ trường của tàu tính theo trục Oy ΔBz [nT] Dị thường từ trường của tàu tính theo trục Oz ΔBT [nT] Tổng dị thường từ trường của tàu trong hệ tọa độ Đề Các ΔBeff [nT] Dị thường từ trường hiệu dụng I [A] Dòng điện J [A/m3] Mật độ dòng điện Js [A/m3] Mật độ dòng điện mặt 𝜌 [C/m3] Mật độ điện tích khối 𝑡 [s] Thời gian ts [mm] Độ dày của vỏ tàu μ [H/m] Độ từ thẩm tuyệt đối vii μr Độ từ thẩm tương đối −7 μ0 [H/m] Độ từ thẩm tuyệt đối của chân không ( 0 = 4 x 10 H / m ) A [Wb/m] từ thế vector Ф [Wb] từ thế vô hướng σ [N/m2] Ứng suất của vật liệu VSn [m3] Thể tích của cảm biến từ trường số n Sn Cảm biến từ trường số n ΔS [m2] Vùng diện tích của đường cong dị thường từ trường δB [nT] Sai lệch dị thường từ trường giữa các cảm biến lân cận nhau lên cảm biến S0 δ𝑆 (%) Sai lệch giữa 2 vùng diện tích phía dưới đường cong dị thường từ trường ds (mm) Khoảng cách giữa 2 cảm biến R (mm) Bán kính [𝑨] ma trận toán tử dạng đa thức [𝒙] ma trận dữ liệu nguồn từ [𝒃] ma trận cảm ứng từ 3 trục [𝐈] ma trận đơn vị 𝛼 Số dư trọng số r Số dư tính toán từ trường f(x) Hàm chi phí h(x) Hàm ràng buộc bằng g(x) Hàm ràng buộc không bằng L( x, ,  ) Hàm Lagrange AC Điện xoay chiều (Alternating Current) BEM Phương pháp phần tử biên (Boundary Element Method) BFGS Broydon–Fletcher–Goldfarb–Shanno CLDG Khử từ vòng kín (Closed-Loop Degaussing) viii CGLS Bình phương nhỏ nhất gradient liên hợp (Conjugate Gradient Least Squares) CMA-ES Chiến lược tiến hóa – Ma trận hiệp phương sai thích nghi (Covariance Matrix Adaptation - Evolution Strategy) DC Điện một chiều (Direct Current) FEA Phân tích phần tử hữu hạn (Finite Element Analysis) FEM Phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method) GA Thuật toán di truyền (Genetic Algorithm) IAM Từ hóa cảm ứng ngang (Induced Athwartship Magnetization) ICCP Bảo vệ catôt bằng dòng điện đặt (Impressed Current Cathodic Protection) ILM Từ hóa cảm ứng dọc (Induced Longitudinal Magnetization) IVM Từ hóa cảm ứng thẳng đứng (Induced Vertical Magnetization) KHCN Khoa học công nghệ KKT Karush-Kuhn-Tucker LS Bình phương nhỏ nhất (Least Square) LSM Phương pháp bình phương nhỏ nhất (Least Square Method) MN định mức tối thiểu (Minimum Norm) ODMR Hệ thống dải đo và khử từ Over-Run (Over-Run Deperming and Measurement Range System) OLDG Khử từ vòng hở (Open-Loop Degaussing) PAM Từ hóa vĩnh cửu ngang (Permanent Athwartship Magnetization) PLM Từ hóa vĩnh cửu dọc (Permanent Longitudinal Magnetization) PSO Tối ưu hóa bầy đàn (Particle Swarm Optimization) PVM Từ hóa vĩnh cửu thẳng đứng (Permanent Vertical Magnetization) RMS Căn bậc 2 bình phương trung bình (Root mean square) RMSE Sai số căn bậc 2 bình phương trung bình (Root mean squared error) SQP Quy hoạch bậc hai tuần tự (Sequential Quadratic Programming) ix SVD Phân tích giá trị đơn (Singular Value Decomposition) SACP Bảo vệ catốt bằng anốt hy sinh (Sacrificial Anode Cathodic Protection) x DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 2.1 Kết quả tính từ trường của cảm biến S0 trong mảng cảm biến một chiều .2 Kết quả tính từ trường của cảm biến S0 trong mảng cảm biến hai chiều .3 Kết quả tính vùng diện tích và sai số giữa các vùng diện tích δ𝑆 của các mảng cảm biến khác nhau .1 Tổng hợp hàm chi phí cực tiểu và số vòng lặp của 3 thuật toán .112 xi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Trang Hình 1.1 Biến dạng từ trường nền ở khu vực xung quanh các tàu quân sự [75] .