Tài liệu Nghiên cứu xây dựng hệ cảm biến góc nghiêng dựa trên cấu trúc kiểu tụ điện.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ ĐẶNG ĐÌNH TIỆP NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ CẢM BIẾN GÓC NGHIÊNG DỰA TRÊN CẤU TRÖC KIỂU TỤ ĐIỆN Chuyên ngành: VẬT LÝ VÔ TUYẾN VÀ ĐIỆN TỬ Mã số: 62 44 01 05 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ Hà Nội-2017 CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ - BỘ QUỐC PHÕNG Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS. TS Chử Đức Trình 2. TS. Bùi Ngọc Mỹ Phản biện 1: GS.TS Bạch Gia Dương Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội Phản biện 2:PGS.TS Nguyễn Quốc Trung Đại học Bách khoa Hà Nội Phản biện 3: PGS.TS Đỗ Quốc Trinh Học viện Kỹ thuật quân sự Luận án sẽ được bảo vệ tại hội đồng chấm luận án tiến sĩ và họp tại Viện Khoa học và Công nghệ quân sự vào hồi .....giờ, ngày.... tháng.....năm ..... Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Viện Khoa học và Công nghệ quân sự - Thư viện Quốc gia Việt Nam 1 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết của luận án: Từ lâu các cảm biến (sensor) được sử dụng như những bộ phận để cảm nhận và phát hiện, nhưng chỉ từ vài ba chục năm trở lại đây chúng mới thể hiện vai trò quan trọng trong kỹ thuật và công nghiệp, đặc biệt là trong lĩnh vực đo lường, kiểm tra và điều khiển tự động. Nhờ các tiến bộ của khoa học và công nghệ trong lĩnh vực vật liệu, thiết bị điện tử và tin học, các cảm biến đã được giảm thiểu về kích thước, cải thiện về tính năng và ngày càng mở rộng phạm vi ứng dụng. Hiện nay, các cảm biến có mặt trong hầu hết các thiết bị điện tử từ các thiết bị dân dụng đến các khí tài quân sự. Chúng có mặt trong các thiết bị di động, hệ thống điều khiển tự động, người máy, kiểm tra chất lượng sản phẩm, tiết kiệm năng lượng, chống ô nhiễm môi trường, phát hiện an ninh và đặc biệt gần đây là trong các hệ thống nhà thông minh (smart home). Cảm biến cũng được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực giao thông vận tải, sản xuất hàng tiêu dùng, bảo quản thực phẩm, sản xuất ô tô… Cảm biến góc nghiêng kiểu điện dung chất lỏng đã được phát triển mạnh mẽ trong những năm gần đây, do những ưu điểm vượt trội và tính mới của nó. Cảm biến góc nghiêng kiểu tụ điện hai pha lỏng khí có ưu điểm dễ chế tạo và có thể dễ dàng thương mại hóa với giá thành rẻ, bên cạnh đó với cấu trúc lỏng nên chúng có ưu điểm là độ chống rung tốt so với các loại cảm biến vi cơ có cấu trúc thanh dầm thường phức tạp trong xử lý tín hiệu (chất lỏng có tính chất triệt tiêu dao động) [61], [62]. Cấu trúc cảm biến góc nghiêng kiểu tụ điện hai pha lỏng – khí có thể áp dụng trong việc đo thăng bằng ở các thiết bị máy móc hay trong xây dựng cần có độ chính xác cao. Với cấu trúc đo góc nghiêng hai chiều có thể áp dụng trong các lĩnh vực tự như động hóa, điều khiển. Chính vì vậy tôi đã chọn đề tài “Nghiên cứu xây dựng hệ cảm biến góc nghiêng dựa trên cấu trúc kiểu tụ điện” với mục tiêu và nội dung như trình bày sau đây. Mục đích của luận án: Nghiên cứu xây dựng được hệ cảm biến góc nghiêng dựa trên các kênh chất lỏng và cấu trúc kiểu tụ điện. Nội dung nghiên cứu của luận án: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo các cấu trúc cảm biến góc nghiêng dựa trên các kênh chất lỏng và cảm biến điện dung. Xây dựng mạch điện đo điện dung thay đổi của tụ điện (ΔC) cỡ fF (femtô Fara = 10-15 F). Xây dựng hệ thống đánh giá, khảo sát hoạt động của cảm biến góc nghiêng. Đối tượng nghiên cứu của luận án: Đề tài luận án này tập trung nghiên cứu, xây dựng được hệ cảm biến góc nghiêng và bước đầu ứng 2 dụng cảm biến góc nghiêng dựa trên nguyên lý tụ điện. Các cấu trúc cảm biến được nghiên cứu, xây dựng, đo đạc và khảo sát từ các bước cơ bản nhất. Nguyên lý hoạt động của cấu trúc được phân tích dựa trên công cụ tính toán giải tích và mô hình hoá mô phỏng phần tử hữu hạn. Phương pháp nghiên cứu của luận án: Nghiên cứu sinh dùng phương pháp nghiên cứu tổng quan về cảm biến đo góc nghiêng nói chung và cảm biến đo góc nghiêng theo nguyên lý điện dung nói riêng, từ đó đưa ra được cấu trúc của cảm biến góc nghiêng được đề xuất trong luận án. Ý nghĩa khoa học của luận án: Thực hiện mô phỏng, tính toán trên máy tính về thiết kế, chế tạo hệ thống cảm biến vi chất lỏng dựa trên cấu trúc kiểu tụ điện. - Đề xuất được cấu trúc cảm biến đo góc nghiêng một chiều theo kiểu tụ điện điện môi hai pha lỏng khí có dạng 3 điện cực song song ôm ống chứa chất lỏng và không khí, dải hoạt động tuyến tính trong dải từ 00 đến ±500. Trong khoảng từ 00 đến 250, điện áp lối ra thay đổi từ 0 ÷1,09 V, độ nhạy của cảm biến trong dải này đạt giá trị 44 mV/độ. Giá trị điện áp ra thay đổi từ 0 đến khoảng 1,09 V. Độ nhạy của cảm biến trong dải này đạt giá trị 44 mV/độ. Độ phân giải của cảm biến đạt được ±0,5. - Đề xuất được cấu trúc cảm biến đo góc nghiêng hai chiều theo nguyên lý điện dung sử dụng điện môi hai pha lỏng khí. Độ nhạy của cảm biến đạt được giá trị 16,5 mV/độ, trong dải đo từ -500 đến +500, sai số điện áp đo được ở mức ±10 mV, do đó sai số phép đo đạt được khoảng ±0,350. Đối với trục y, vùng hoạt động tuyến tính của cảm biến chạy từ -120 đến +120. Độ nhạy và độ phân giải của cảm biến trong trục y đạt được lần lượt là 57mV/độ và 0,150. Ý nghĩa thực tiễn của luận án: Cấu trúc cảm biến góc nghiêng được đề xuất trong luận án này hoàn toàn có thể đưa vào ứng dụng trong một số trang thiết bị quân sự và dân sự. Chương 1: TỔNG QUAN VỀ CẢM BIẾN GÓC NGHIÊNG 1.1 Tổng quan về các loại cảm biến góc nghiêng Cảm biến góc nghiêng đã được nghiên cứu và phát triển áp dụng trong rất nhiều ứng dụng khác nhau [1], [2]. Có nhiều nguyên lý để thiết kế cảm biến góc nghiêng như loại cảm biến góc nghiêng kiểu chất lỏng dẫn [6], [45÷49], cảm biến góc nghiêng hoạt động dựa trên nguyên lý quang học [8], cảm biến góc nghiêng kiểu cơ điện [4] và cảm biến góc nghiêng kiểu điện dung sử dụng điện môi rắn hoặc lỏng [9]. Các loại 3 cảm biến chất lỏng kiểu tụ điện cũng được nghiên cứu và phát triển như cảm biến kiểu tụ phẳng hay cảm biến kiểu tụ song song hình bán nguyệt [3], [11]. Đây là những cấu trúc có nhiều ưu điểm khi chế tạo vì tính đơn giản, hiệu quả và dễ xử lý tín hiệu cũng như ít phải điều chỉnh. Nguyên lý cảm biến góc nghiêng kiểu tụ điện đã được nghiên cứu và phát triển cho nhiều phép đo và ứng dụng để đo góc nghiêng. Cấu trúc cảm biến nghiêng kiểu tụ điện có độ tuyến tính và đầu ra là tín hiệu tương tự (analog) tỷ lệ tương ứng với góc nghiêng [3]. Trên thực tế mặc dù cảm biến nghiêng dựa trên cấu trúc lỏng kiểu tụ đã được nghiên cứu trong tài liệu [11], [66], tất cả những cảm biến này đều là cấu trúc cảm biến đơn trục và chỉ đo được theo một trục duy nhất. Hiện nay có nhiều nhu cầu gia tăng về cảm biến góc nghiêng hiệu năng cao cho những ứng dụng tiềm năng, đặc biệt là trong lĩnh vực y tế và tự động và điều khiển [65÷67], [16], [51]. Luận án này đề xuất ba cấu trúc cảm biến góc nghiêng: Cấu trúc thứ nhất dùng để đo hệ thống mất cân bằng của các thiết bị; Cấu trúc thứ hai đo góc nghiêng một chiều dải hẹp, dải rộng; Cấu trúc cảm biến góc nghiêng thứ ba dùng để đo góc nghiêng hai chiều, đồng thời khảo sát và đánh giá hoạt động của một loại cảm biến góc nghiêng kiểu tụ điện dựa trên cảm nhận thay đổi vị trí của bọt khí trong ống chất lỏng. Cảm biến này cho phép đo được thay đổi góc nghiêng trong phạm vi thay đổi nhỏ cỡ một vài độ với độ chính xác và lặp lại cao. 1.2 Phân loại cảm biến góc nghiêng theo tính chất cấu tạo - Cảm biến góc nghiêng chất lỏng dẫn điện - Cảm biến góc nghiêng dải rộng - Cảm biến góc nghiêng dựa trên hiệu ứng quang học - Cảm biến góc nghiêng kiểu vi cơ - Cảm biến góc nghiêng kiểu điện dung 1.3 Kết luận chương 1 Các nội dung trên của luận án trình bày nghiên cứu tổng quan về một số cấu trúc cảm biến đo độ nghiêng dựa trên các hiệu ứng vật lý khác nhau. Dựa trên các nghiên cứu này, nghiên cứu sinh đề xuất 3 cấu trúc cảm biến xác định độ cân bằng, đo góc nghiêng 1 chiều và 2 chiều. Các cấu trúc đề xuất dựa trên các kênh chất lỏng và nguyên lý cảm biến kiểu tụ điện. Chương 2: XÂY DỰNG CÁC CẤU TRÖC CẢM BIẾN GÓC NGHIÊNG KIỂU TỤ ĐIỆN Cảm biến điện dung đã được phát triển để ứng dụng ở rất nhiều lĩnh vực khác nhau [12]. Cảm biến điện dung ứng dụng trong giám sát 4 chất lỏng hay thăm dò dầu khí [16], [65÷67] trong phân tích hóa sinh học, trong y tế [17], [18]…. Có nhiều kiểu cảm biến góc nghiêng khác nhau và thường được chia thành hai kiểu cấu trúc chính: kiểu bản cực song song và kiểu bản cực trên một mặt phẳng [11], [19÷21]. Các loại cảm biến tụ điện còn được ứng dụng ở các cấu trúc vi cơ nơi các thiết kế cỡ micro mét. Thông thường các loại cảm biến tụ điện có giá trị rất nhỏ hơn các tụ thương mại có trên thị trường chỉ cỡ fF đến vài trục pF. Đó là một hạn chế lớn gây khó khăn cho việc thiết kế cảm biến và hệ đo và xử lý tín hiệu tụ điện. Chương này trình bày các thiết kế cảm biến tụ điện ứng dụng đo cảm biến góc nghiêng. Do giá trị điện dụng tuyệt đối và giá trị điện dung thay đổi của cảm biến rất nhỏ nên thông thường cần sử dụng các mạch tiền khuếch đại và xử lý tín hiệu có độ nhạy cao. Cấu trúc mạch điện khuếch đại vi sai do đó được sử dụng phổ biến trong các hệ thống cảm biến điện dung. Các cấu trúc mạch khuếch đại vi sai cho phép triệt nhiễu chung cũng như các tác động của thay đổi môi trường. Cấu trúc vi sai cũng giúp loại bỏ tụ ký sinh mà trên thực tế lớn gấp nhiều lần giá trị của cảm biến (được đề cập ở chương 3). Các cấu trúc cảm biến điện dung hai pha lỏng khí được thiết kế ở các dạng khác nhau đáp ứng các bài toán về đo góc nghiêng được nghiên cứu thiết kế và chế tạo. Cấu trúc cũng được mô phỏng bằng phần mềm COMSOL Multiphysics [29], [40], [50] giúp cho việc tối ưu trong thiết kế. Với việc chế tạo đơn giản cùng với kết hợp mạch điện xử lý tín hiệu. Ba kiểu cấu trúc cảm biến khác nhau được đề xuất và thực hiện bao gồm cấu trúc cảm biến cân bằng, cấu trúc cảm biến góc nghiêng đo dải rộng và cấu trúc cảm biến góc nghiêng theo hai chiều là kết hợp của hai cấu trúc đầu tiên. 2.1 Xây dựng cảm biến góc nghiêng Luận án này trình bày thiết kế của ba cấu trúc với đặc thù ứng dụng khác nhau: cấu trúc thứ nhất ứng dụng để cảm nhận độ cân bằng (góc nghiêng 0o) sử dụng mạch điện vi sai xử lý tín hiệu từ tổ hợp 3 điện cực của cảm biến; cấu trúc cảm biến thứ hai được thiết kế để đo dải góc nghiêng rộng với cấu trúc điện cực dạng hình trụ; cảm biến góc nghiêng thứ ba có thể đo được góc nghiêng theo hai chiều. Cấu trúc cảm biến thứ ba là tổ hợp thiết kế của hai cấu trúc đầu. Cảm biến hai chiều này có cấu tạo bao gồm 5 điện cực trong đó có một điện cực phát và 4 điện cực thu tạo ra hai cặp tụ ứng với hai trục đo góc nghiêng. 2.1.1 Xây dựng cảm biến cân bằng kiểu tụ điện điện môi hai pha lỏng khí 5 Cảm biến cân bằng kiểu tụ điện hai pha lỏng khí dựa trên sự thay đổi vị trí của bọt khí trong kênh lỏng được nhận biết bằng sự thay đổi của hai tụ vi sai cấu thành bởi ba điện cực. Hình 2.1 mô tả cấu trúc của cảm biến cân bằng kiểu tụ điện môi hai pha lỏng khí. Cấu trúc có cấu tạo bao gồm một ống nhựa plastic đựng dung dịch điện môi có bọt khí bên trong. Ba điện cực bằng kim loại đồng được gắn bên ngoài ống chất lỏng tạo ra hai tụ điện với cấu trúc vi sai đóng vai trò cảm biến điện dung phát hiện sự thay đổi của vị trí bọt khí. Hai điện cực trên đóng vai trò là các điện cực thu có thiết kế dạng hình thang cân với cạnh song song nhỏ nằm ở trung tâm của cấu trúc. Điện cực dưới đóng vai trò là điện cực phát có cấu tạo dạng hình chữ nhật. Ba điện cực này được gắn bên ngoài ống chất lỏng như mô tả trên hình 2.2. Hình 2.3 giải thích nguyên tắc hoạt động của cảm biến cân bằng dựa trên diện tích chiếm chỗ điện cực thu của bọt khí. Ba điện cực cấu tạo lên hai cặp điện cực song song với nhau là hai cặp tụ có bản cực song song bao gồm tụ C1 và C2. Do có sự xuất hiện của bọt khí nên vùng bản cực tam giác bị chia làm bốn phần S1, S2, S3 và S4 là các phần bị chiếm chỗ bởi dung dịch và bọt khí trên hai bản cực. Bốn phần diện tích này tạo ra 4 cặp tụ điện, trong đó, C1= Cx4 + Cx2 và C1= Cx3 + Cx1, với Cxi∼ Si. Ở vị trí cân bằng thì bọt khí nằm ở gốc tọa độ nên S1=S2 và S3 = S4, khi đó ta có, C1 = C2. Khi góc nghiêng thay đổi, vị trí bọt khí giả sử nghiêng về bên phải dẫn đến S1>S2 và S3 < S4 do đó C1 > C2 và tương tự trong trường hợp ngược lại ta có C1 < C2. 15 mm y C2 x 12 mm Điện cực đồng 15 mm 5mm D=11 mm C1 Chất lỏng 12 mm Bọt khí Hình 2.1: Cấu trúc của cảm biến Hình 2.2: Kích thước của cảm biến cân bằng đo góc nhỏ kiểu điện dung và các điện cực chất lỏng điện môi Như vậy, vị trí của bọt khí phản ánh góc nghiêng của của cảm biến. Góc nghiêng thay đổi sẽ làm thay đổi tỉ lệ giữa hai cặp tụ điện thu phát. Do hai điện cực thu được thiết kế là hai cấu trúc dạng hình thang cân và gắn chặt bên ngoài thành ống chất lỏng. Do đó, giá trị điện áp chênh lệch giữa hai đầu ra tuyến tính với vị trí của bọt khí hay góc nghiêng của cảm biến. 6 Cx4 Cx1 Cx2 Cx3 y S4 S2 S1 0 S3 x y S2 0 S4 S3 S1 x Hình 2.3: Nguyên tắc hoạt động của cảm biến cân bằng kiểu tụ điện dung hai pha lỏng - khí Cấu trúc cảm biến điện cực ngoài cho phép sử dụng công nghệ chế tạo đơn giản hơn so với cấu trúc điện cực trong. Điện cực không tiếp xúc với chất lỏng sẽ làm tăng tuổi thọ của cấu trúc. Bên cạnh đó, nguyên vật liệu chế tạo điện cực cũng không đòi hỏi quá khắt khe đối với các thông số về tương tác với chất lỏng và môi trường. Tần số làm việc của cấu trúc cảm biến điện dung chất lỏng phụ thuộc vào độ dính ướt của chất lỏng với thành ống. Do đó, thông thường chất lỏng sử dụng trong các cảm biến chất lỏng là các chất có độ dính ướt bề mặt với thành ống nhỏ. 2.1.2 Xây dựng cảm biến góc nghiêng dải rộng kiểu tụ điện chất lỏng điện môi Hình 2.4: Cấu trúc cảm biến góc nghiêng kiểu điện dung ba cực W1 L1 D1 Điện cực electrode C1 C2 W1 D1 e = 80 a) b) Bảng 2.1: Các tham số của cảm biến Ký hiệu Giá trị Thông số cấu trúc W1 7,5 Độ rộng điện cực D1 10,0 Khoảng cách giữa các điện cực Độ dài điện cực L1 11,0 80,3 Hằng số điện môi nước [72] n Khối lượng riêng nước [73] dn 998,3 1,306 Độ nhớt nước [73] n 2,0 Hằng số điện môi xăng [72] x Khối lượng riêng xăng [74] dx 750,0 0,5 Độ nhớt của xăng [74] x Đơn vị mm mm mm kg/m3 10-6 m2/s kg/m3 10-6 m2/s 7 Để tăng dải đo của cảm biến góc nghiêng, cấu trúc ba điện cực kiểu trụ được thiết kế để phát hiện sự thay đổi vị trí chiếm chỗ hai pha lỏng khí trong lòng ống nhựa. Cảm biến chất lỏng tụ điện có cấu tạo gồm ba điện cực ôm lấy ống nhựa chứa dung dịch nước và không khí (hình 2.4a). Điện cực giữa là điện cực phát tín hiệu và hai điện cực hai bên đóng vai trò là các điện cực thu. Chất lỏng điện môi là nước cất được đổ vào một phần ống nhựa hình 2.4b với kích thước của cảm biến được thiết kế ở ( bảng 2.1). c) C2C1 b) C2=C1 Hình 2.5: Một số vị trí của cảm biến góc nghiêng kiểu điện dung ba cực. (a) cảm biến nghiêng về bên phải; (b) cảm biến ở vị trí cân bằng; (c) cảm biến nghiêng về bên trái Giá trị điện dung của hai tụ điện C1 và C2 phụ thuộc vào vị trí và góc nghiêng của mặt phẳng chất lỏng. Hình 2.5 thể hiện một số vị trí của cảm biến cân bằng. Khi cảm biến nghiêng về bên phải, dung dịch tập trung ở điện cực bên phải nhiều hơn dẫn tới C2>C1 (xem hình 2.5(a)). Hình 2.5(b) là trường hợp cảm biến cân bằng. Trong hình 2.7(c), cảm biến nghiêng về bên trái. 2.1.3 Xây dựng cảm biến góc nghiêng hai chiều với 5 điện cực kiểu tụ điện kênh lỏng Bên cạnh nhu cầu đo góc nghiêng 1 chiều, nhiều ứng dụng trong thực tế cần sử dụng các cảm biến 2 chiều. Dựa trên cấu trúc cảm biến 3 điện cực như trình bày ở trên, nghiên cứu sinh đề xuất một cấu trúc cảm biến 2 chiều khi được bổ sung thêm hai điện cực ở hai đầu cảm biến. Mạch phát Cảm biến điện dung chất lỏng Mạch đo Hình 2.6: Cảm biến góc nghiêng 2 chiều 5 điện cực dạng tụ điện môi hai pha lỏng khí Bảng 2.2: Các tham số của cảm biến góc nghiêng 5 điện cực W1 L1 L2 L3 D1 t Tham số 8 Đơn vị (mm) 7.5 10 5 0.2 Cx4 Cx1 B’ A 11 Điện cực thu A’ B 7 Cx2 Cx3 Y X (a) Điện cực phát a) C1 (AA’) C2 C1 C2 C1 Cx4 Cx3 C2 C x1 (BB’) C3 C4 C3 C4 C3 C4 C x2 b) (b) Hình 2.7: Nguyên tắc hoạt động của Hình 2.8: Thành phần mô hình cảm biến góc nghiêng hai chiều 5 của cảm biến theo chiều x được điện cực với điện môi là hai pha tạo lên bởi ba cực không khí và dung dịch xăng Hình 2.7 mô tả cấu trúc cảm biến góc nghiêng hai chiều X, Y với 5 điện cực có thể phát hiện đồng thời hai chiều góc nghiêng. Nguyên lý của cảm biến độ nghiêng hai chiều được mô tả trong hình 2.8. Điện cực đáy đóng vai trò là điện cực phát tín hiệu và là cầu nối tạo lên 4 tụ C1, C2, C3 và C4. Bốn tụ trên tạo nên hai cặp tụ vi sai ứng với hai trục độ x và y (xem hình 2.8b). Hình 2.8 mô tả một sơ đồ tương đương trong cảm biến góc nghiêng được tạo ra bởi ba điện cực. Giả thuyết gần đúng các tụ là tụ phẳng song song, khi đó tổ hợp điện cực sẽ tạo ra các tụ tương đương Cx1, Cx2, Cx3 và Cx4 như thể hiện trên hình 2.8a. Hai tụ điện Cx1 và Cx4 là các tụ tương đương được cấu thành bởi lớp điện môi không khí. Hai tụ Cx3 và Cx2 được cấu thành từ lớp điện môi chất lỏng với sơ đồ tương đương Cx1//Cx2, Cx3 //Cx4. Dải làm việc của tụ có thể bị giới hạn bởi vị trí chiếm chỗ đầy bởi dung dịch một bên điện cực và chiếm chỗ đầy không khí ở một bên điện cực còn lại (Hình 2.8b). Ở cấu trúc này, bằng việc kế thừa thiết kế của cảm biến cân bằng và tăng tỉ lệ không khí chiếm chỗ trong ống chất lỏng tạo ra một dải đo rộng hơn. 2.2 Mô phỏng cảm biến cân bằng Cảm biến cân bằng như đã được phân tích dựa trên cấu trúc ở mục (2.2) được mô phỏng và mô hình hóa bằng phần mềm mô phỏng COMSOL Multiphysics 9 Bề mặt: Điện thế (V) Bề mặt: Điện thế (V) Hình 2.9: Kết quả mô phỏng cảm biến ở vị trí cân bằng Bề mặt: Điện thế (V) Bề mặt: Điện thế (V) Hình 2.10: Kết quả mô phỏng cảm biến ở vị trí mất cân bằng (khi giọt nước lệch bên phải) Cấu trúc hoạt động của cảm biến cân bằng được đánh giá thông qua mô phỏng. Khi cảm biến ở vị trí cân bằng (hình 2.9) ta thấy phân bố điện trường đối xứng giữa hai bản cực thu. Khi cảm biến mất vị trí cân bằng (lệch về bên phải (hình 2.10), mặt phẳng điện môi sẽ bị nghiêng theo và do đó, phân bố điện trường thay đổi. Tương tự như vậy khi cảm biến mất vị trí cân bằng (lệch về bên trái như được mô phỏng trên hình 2.11 dưới đây: Bề mặt: Điện thế (V) Bề mặt: Điện thế (V) Hình 2.11: Kết quả mô phỏng cảm biến ở vị trí mất cân bằng (khi giọt nước lệch bên trái) 2.3 Mô phỏng cảm biến góc nghiêng Mô hình mô phỏng được xây dựng trên cơ sở mô hình thiết kế, trong đó lý tưởng hóa một số thông số vật lý và hình dạng hình học. Bảng 2.2 liệt kê kích thước của các cấu trúc. Ba điện cực với chất liệu bằng đồng chia đều hình trên hình tròn, với mực chất lỏng được đặt một phần bên trong ống (Hình 2.12). Để mô phỏng phân bố điện trường trong cấu trúc cảm biến, một mô hình điện áp một chiều được đặt lên các điện cực như sau: điện cực 1 và điện cực 2 được áp điện thế 7 V, 10 điện cực dưới được áp điện thế 0 V. Hình 2.12 thể hiện kết quả phân bố điện trường trong không gian 3D và các mặt cắt của cảm biến. Viền: Điện thế(V) Mặt:Điện thế(V) a) b) c) Hình 2.12: Mô hình mô phỏng của cảm biến góc nghiêng ba điện cực Hoạt động của cảm biến được đánh giá thông qua mô phỏng, trong đó thay đổi góc nghiêng của cảm biến. Khi góc nghiêng thay đổi tỉ lệ chiếm chỗ giữa chất lỏng điện môi và không khí thay đổi, do đó thay đổi tỉ lệ điện dung giữa các tụ điện. Mô phỏng còn cho phép khảo sát được phân bổ điện trường xung quanh các tụ điện. Các kết quả mô phỏng cho phép tối ưu cấu trúc và hình dạng của cảm biến. Khi cảm biến nghiêng một góc, mặt phẳng điện môi sẽ bị nghiêng theo và do đó, phân bố điện trường thay đổi (xem hình 2.12c). Thay đổi này dẫn đến điện dung hiệu dụng trên cặp tụ điện thay đổi. Góc nghiêng của cảm biến có thể đo được thông qua theo dõi giá trị điện dung vi sai giữa hai tụ điện. 2.3.1 Mô phỏng cảm biến góc nghiêng ba điện cực hình trụ tròn với hai pha lỏng khí là nước và không khí Bài toán mô phỏng cảm biến góc nghiêng ba điện cực hình trụ tròn hai pha lỏng và khí được tiến hành với các góc nghiêng khác nhau thay đổi từ 0 đến 90o với mực nước chiếm 2/3 thể tích ống (67%). Kết quả mô phỏng cho thấy, với dung dịch nước chiếm 67% thể tích ở vị trí cân bằng hai tụ điện C1 và C2 có điện dung là 777 fF. Khi tăng góc nghiêng lên, thì giá trị điện dung của tụ C1 giảm do nước chiếm chỗ ít hơn trong không gian giữa hai bản cực và C2 tăng lên do nước chiếm chỗ nhiều hơn (hình 2.13). Hình 2.14 là kết quả mô phỏng của cảm biến góc nghiêng ba điện cực với ba tỉ lệ chiếm chỗ của nước với không khí lần lượt là 67%, 80% và 90%. Độ nhạy của cảm biến sẽ tương ứng với sự thay đổi tương ứng của hai tụ C1 và C2 so với góc nghiêng. Ở góc 11 nghiêng 40o với tỉ lệ thể tích 67%, độ nhạy của cảm biến đạt xấp xỉ 17,5 fF/o lớn hơn trên hai lần so với tỉ lệ 90% đạt 7,5 fF/o. Đồ thị hình 2.14 cho thấy, đáp ứng đầu ra của cảm biến có dạng thay đổi tương đương nhau và đều đạt đỉnh ở 60o, nhưng có biên độ khác nhau lần lượt là 350 fF, 640 fF và 800 fF tương ứng với các cấu trúc có tỉ lệ thể tích là 90%, 80%, và 67%. 1.2 C1 C2 Nước Nước Nước Điện dung(pF) Điện dung(pF)- pF Capacitance 1 0.8 0.6 C1 C2 0.4 0.2 0 0 20 40 60 80 100 AngleGóc(độ) - degrees Hình 2.13: Kết quả mô phỏng cấu trúc cảm biến góc nghiêng kiểu điện dung hai pha lỏng khí Góc(độ) Hình 2.14: Kết quả mô phỏng với ba tỉ lệ thể tích nước và không khí khác nhau lần lượt là 67%, 80% và 90%. Điện dung C (fF) Vi sai C1-C2 Hình 2.15: Kết quả mô phỏng cảm biến 3 điện cực điện môi hai pha xăng và không khí. Kết quả mô phỏng cho thấy ở thể tích nước 67% cảm biến có độ nhạy cao hơn đối với các tỉ lệ phần trăm thể tích nước là 80% và 90% và có độ tuyến tính cao ở vùng 0o đến 40o. Trong dải đo từ 0o đến 40o, mặt phẳng điện môi vẫn nằm trong khoảng không gian giữa hai điện cực của mỗi tụ điện C1 và C2. Do đó, giá trị vi sai giữa hai tự điện này sẽ gần tuyến tính so với góc nghiêng. Khi góc nghiêng lớn hơn khoảng 400, với các thông số thiết kế của cấu trúc này, mặt phẳng điện môi dịch 12 ra ngoài một bản cực thu của một trong hai tu điện. Khi đó, giá trị vi sai giữa hai điện dung không còn tuyến tính so với góc nghiêng của cảm biến. Với dung dịch lỏng là xăng, điện dung của các tụ điện có giá trị nhỏ hơn nhiều do điện môi xăng nhỏ hơn nhiều điện môi của nước. Kết quả mô phỏng được thực hiện như hình 2.15. Độ nhạy của cảm biến cũng giảm đi 17 lần nếu thay dung dịch từ nước sang xăng. 2.4 Mô phỏng cảm biến góc nghiêng 2 chiều theo trục x và trục y Mô hình trường tĩnh điện được sử dụng để mô phỏng hoạt động của cảm biến. Trong cấu trúc mô phỏng này, phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) được sử dụng để khảo sát hiệu suất của cảm biến góc nghiêng hai trục được đề xuất, dựa trên cấu trúc cảm biến điện dung. Cảm biến góc nghiêng điện dung được mô phỏng và mô phỏng sử dụng phần mềm COMSOL để phân tích tụ điện với các điện cực cong và hằng số điện môi của chất lỏng được giả định là giá trị  = 2 (xăng RON A92) mà không tính hiệu ứng sức căng của bề mặt giữa chất lỏng và hình trụ. Thiết lập mô hình Các điện cực Cảm biến góc nghiêng Bề mặt chất lỏng (nước) Góc nghiêng 0 độ Bề mặt chất lỏng (nước) Góc nghiêng 0 độ Giao diện: Điện thế (V) Bề mặt chất lỏng (nước) Các điện cực cảm biến theo trục X Góc nghiêng 30 độ Bề mặt chất lỏng (nước) Các điện cực cảm biến theo trục Y Góc nghiêng 10 độ Hình 2.16: (a) Thiết lập mô phỏng ; (b) cấu hình 3D của cảm biến; (c) Cấu hình trường tĩnh điện trong trường hợp cân bằng và khi cảm biến được xoay theo trục x; (d) Cấu hình trường tĩnh điện trong trường hợp cân bằng và khi cảm biến được xoay theo trục y. Trong mô phỏng, thiết bị này là mô hình như hình trụ như thể hiện trong hình 2.16 với điện cực bằng đồng. Các tham số của mô phỏng được liệt kê trong bảng 2.2. Ở trạng thái ban đầu, dung dịch chứa tới 75% mô hình. Ở trạng thái nghiêng, mức chất lỏng giữ nguyên trong khi khung thiết bị tương đối di chuyển để bắt chước phép đo thực tế. 13 Điện dung (fF) Điện dung (fF) Mặt cầu ngoài cùng (hình 2.16a) được coi là bề mặt cách điện hoàn hảo. Trong mô hình, để trích xuất các giá trị điện dung, điện cực kích thích được áp dụng với điện áp 0 V, các điện cực cảm biến được xác định là 7 V. Hình 2.16b thể hiện điện dung của hai cặp điện cực được tích hợp và sự chênh lệch của chúng đã được trích xuất. Giả thiết rằng, điện áp trên mọi điểm của mỗi điện cực có cùng một giá trị, hay điện trở của điện cực rất nhỏ (chất dẫn điện lý tưởng) và điện trở của điện môi và ống plastic đỡ các điện cực có giá trị rất lớn (chất cách điện lý tưởng). Hình 2.16c và hình 2.16d thể hiện các phân bố điện trường của cảm biến khi quay theo trục x và trục y tương ứng, cho thấy điện thế của điện cực cảm biến cao hơn điện cực kích thích. Hình 2.16c - bên tay trái cho thấy phân bổ điện thế khi cảm biến đang ở trạng thái cân bằng (góc nghiêng 0 độ). Trong trường hợp này, hai tụ điện là đối xứng. Do đó, điện dung phân cực giữa hai điện cực cảm biến bằng không. Khi cảm biến quay, vị trí tương đối của bề mặt chất lỏng thay đổi và điện cực thay đổi, nên điện dung của C1 và C2 thay đổi theo. Do đó, trạng thái đối xứng giữa hai điện cực bị phá vỡ như thể hiện trong hình 2.16c. trục x trục x trục x Góc nghiêng (độ) trục y trục y trục y Góc nghiêng (độ) Hình 2.17: Kết quả mô phỏng khi thay Hình 2.18: Kết quả mô phỏng điện đổi điện dung của C1, C2 khi cảm biến dung vi sai (C1-C2) ở trục x và nghiêng theo trục x và trục y. (C1-C2) ở trục y. Hình 2.17 thể hiện điện dung mô phỏng của tụ C1 và C2 khi cảm biến nghiêng từ -1800 đến +1800 quanh trục x. Điện dung của C1 và C2 có dạng đối xứng đối với điểm cân bằng ban đầu. Điện dung C1 và C2 đạt được giá trị đỉnh cao khoảng 140 fF khi góc nghiêng lần lượt là -600 và + 600. Khi C1 có giá trị lớn nhất ở khoảng 600 thì C2 có giá trị tối thiểu và ngược lại. Hình 2.18 biểu diễn điện dung vi sai (C1 - C2) ở trục x so với góc quay đầu vào quanh trục x (đường kẻ đen). Cảm biến có đáp ứng tuyến 14 Điện dung (fF) Điện dung (fF) tính trong khoảng từ -600 đến +600. Trong các dải đo khác, đáp ứng là phi tuyến nhưng vẫn có thể được sử dụng để đo góc nghiêng. Dải đo của cảm biến đề xuất có thể từ -1800 đến -700 và từ +700 đến +1800 hoặc từ -700 đến +700. Trong trường hợp này, điện dung vi sai (C1- C2) do cảm biến bị nghiêng ở trục y được xem như là nhiễu xuyên kênh. Các giá trị vi sai của (C1- C2) ở trục x và giá trị nhiễu xuyên kênh của (C1 - C2) khi cảm biến bị nghiêng ở trục y được biểu diễn trên hình 2.18. Kết quả mô phỏng khi thay đổi điện dung của C3, C4 khi đo góc nghiêng theo trục x và trục y (hình 2.19). Giá trị điện dung C3, C4 đối xứng với nhau và thay đổi so với điểm ban đầu khi xoay trục y được áp dụng. Giá trị của điện dung C3, C4 có đáp ứng tương tự so với khi xoay trục x. Các giá trị điện dung của C3 và C4 được biểu diễn trên hình 2.19 (đường kẻ chấm xanh và đường gạch ngang xanh). Như có thể thấy, các giá trị điện dung của C3 và C4 thay đổi đối xứng đối với điểm ban đầu. Hình 2.20 cho thấy giá trị điện dung vi sai của C3 và C4. Tương tự như cấu hình trục x, (C3-C4) bao gồm hai thành phần, đó là ở trục y (C3 - C4) là tín hiệu và (C3 - C4) ở trục x như là nhiễu xuyên kênh. Đáp ứng tuyến tính của cấu hình này trong dải -200 đến 200 trên trục y. Từ phân tích trên, ta thấy rằng nguyên lý làm việc của cảm biến góc nghiêng được đề xuất đã đo được hai thành phần của góc nghiêng xung quanh trục x và trục y với việc ảnh hưởng của nhiễu xuyên kênh là không đáng kể. Các đánh giá thực nghiệm thực tế trên cảm biến đã được kiểm chứng. Nghiêng theo trục x Nghiêng theo trục y Nghiêng theo trục x Nghiêng theo trục y Góc nghiêng (độ) Hình 2.19: Kết quả mô phỏng khi thay đổi điện dung của C3, C4 khi đo góc nghiêng theo trục x và trục y. trục x trục y Góc nghiêng (độ) Hình 2.20: Kết quả mô phỏng điện dung vi sai (C3-C4) ở trục y so với góc nghiêng xung quanh trục x. 15 2.5 Kết luận chương 2 Chương 2 luận án trình bày nghiên cứu thiết kế và mô phỏng cấu trúc hệ cảm biến góc nghiêng dựa trên cấu trúc kiểu tụ điện với ba cấu trúc khác nhau: Cấu trúc thứ nhất dựa trên sự thay đổi của bọt khí tương ứng với ba điện cực cấu thành hai tụ vi sai kiểu song song. Cấu trúc thứ hai sử dụng thiết kế tụ điện vi sai hai pha điện môi lỏng khí. Trong cấu trúc này, ba điện cực hình bán trụ ôm một ống nhựa chứa dung dịch được bơm một phần trong ống. Nhờ đó, khi góc nghiêng thay đổi thì dẫn tới các tụ thay đổi điện môi tổng thể bên trong do chất lỏng chiếm chỗ chất khí thay đổi vị trí. Cấu trúc thứ ba là sự kết hợp của hai cấu trúc 1 và 2 để tạo nên một cấu trúc đo góc nghiêng hai chiều. Chương 3: XÂY DỰNG HỆ TÍCH HỢP XỬ LÝ KẾT QUẢ ĐO CHO CẢM BIẾN GÓC NGHIÊNG Cảm biến tụ điện như đã trình bày ở chương hai là loại cảm biến trở kháng cao và có giá trị tụ điện rất nhỏ. Do đó, việc thiết kế mạch tiền khuếch đại khá phức tạp. 3.1 Xây dựng mạch đo điện dung cảm biến cân bằng với IC khuếch đại thuật toán là nguồn đơn. Sơ đồ khối của cảm biến cân bằng bao gồm các khối như được trình bày trên hình 3.1: Điện cực phát Điện cực thu Tách sóng Cx1 Lọc thông thấp Khuếch đại nửa dương Khuếch đại vi sai Khối phát xung tín hiệu sin Tách sóng Cx2 Hiển thị Khuếch đại nửa dương Lọc thông thấp Xử lý A/D Lọc thông thấp Hình 3.1: Sơ đồ khối mạch đo điện dụng của cảm biến cân bằng Khối phát sung tín hiệu sin là một mạch phát sin kiểu cầu Wien. Khối phát sin này cung cấp một điện áp chuẩn 7V tần số 30kHz vào cực phát của cảm biến cân bằng là một cực của tụ điện. Hai điện cực thu được mắc phối hợp thành mạch CR để đo giá trị tụ điện C1 , C2 của cảm biến. 16 R 2 = 100 K R 3 = 330 K Lọc thông thấp R 0= 56 K R 4 = 10 K Tiền khuếch đại C 1 = 0,1 uF Cảm biến Khuếch đại vi sai OPA-Nguồn đơn drive C2 R5 AD 620 C1 Tiền khuếch đại Vout C2 R 3 = 330 K R 2 = 100 K R 4 = 10 K C 1 = 0,1 uF R 0 = 56 K Hình 3.2: Sơ đồ mạch đo cảm biến điện dung kiểu vi sai Hình 3.2 và 3.3 thể hiện sơ đồ nguyên lý và hình ảnh thực tế của mạch điện thu thập và xử lý tín hiệu cho cảm biến góc nghiêng. Điện áp sin lối vào được áp lên điện cực phát. Tín hiệu lối ra cảm biến được lấy trên hai điện cực thu. Hai tín hiệu được đưa qua mạch khuếch đại không đảo trước khi đi vào mạch khuếch đại công cụ AD620. C1, C2 kết hợp với R0 tạo ra mạch CR và điện áp hai đầu ra trên R0 của C1, C2 tạo ra được lấy vi sai để tính ra sự thay đổi điện dung của cảm biến. Điện cực thu Điện cực phát Khối xử lý tín hiệu Điện cực thu +12V:0V: -12V Khối phát sin Hình 3.3: Hình ảnh thực tế của mạch đo cảm biến cân bằng Gọi ∆C= C1- C2 ta có: (3.1) 17 (3.2)  Và: Với: Trong trường hợp = và thì <<1, = <<1   = Hay: (3.3) = Công thức (3.3) chứng tỏ rằng trong trường hợp nghĩa là dung kháng của cảm biến lớn hơn rất nhiều điện trở thì giá trị vi sai của điện áp đầu ra tỉ lệ tuyến tính với vi sai của tụ điện. 3.2 Thiết kế mạch điện cho cảm biến góc nghiêng dải rộng Do yêu cầu bài toán phải tăng tần số làm việc của cảm biến lên vì kích thước và cấu trúc điện cực của cảm biến thay đổi nên việc thiết kế mạch đòi hỏi phải thay đổi so với cảm biến cân bằng, tần số hơn 100 kHz được sử dụng ở dải điện dung cỡ fF. Khối phát sin R0 KĐ C2 Tách sóng Điện áp bù KĐ Vi sai C1 Khuếch đại Chỉnh lưu Máy tính KĐ a) R0 Điện cực thu TạoSinesóngwavesinGenerator 127Khz, 127Khz, 7,2V7,2 Điện cực phát LPF Thu dữ liệu Ống chất lỏng b) Hình 3.4: Sơ đồ khối của cảm biến góc nghiêng Hình 3.5: Mạch thiết kế PCB dùng để đo điện dung của cảm biến góc nghiêng kiểu tụ điện 18 Trên hình 3.4 mô tả sơ đồ khối hoạt động của việc đo cảm biến góc nghiêng kiểu tụ điện với tần số làm việc 127 kHz. Hình 3.5 mô tả thiết kế PCB đo điện dung của cảm biến góc nghiêng. Các đường mạch của khối khuếch đại được thiết kế đối xứng tối đa có thể để tránh sai lệch tụ ký sinh trên mạch điện (Hình 3.5a). Hình 3.5b là ảnh thực tế của cảm biến gắn trên mạch PCB. 3.3 Xây dựng mạch điện cho cảm biến góc nghiêng hai chiều Hình 3.6 dưới đây mô tả sơ đồ khối của mạch đo điện dung của cảm biến góc nghiêng hai chiều. Rx1 R R Trục X Opamp + C Chỉnh lưu X - C Rx2 + Opamp LPF Y Ry1 R2 KĐ Visai Trục Y Opamp + R1 KĐ Visai Chỉnh lưu - Phần phát Ry2 Mạch tách sóng cầu Wien f = 170 kHz Opamp Cảm biến điện dung LPF Mạch điều kiện Hình 3.6: Sơ đồ khối của mạch đo cảm biến góc nghiêng hai chiều 3.4 Xây dựng hệ đo Để khảo sát cảm biến góc nghiêng, hệ đo được xây dựng với giá đỡ cảm biến có thể xoay trục 360o và thước đo chuẩn để xác định góc nghiêng. Hình 3.7 là hệ thống đo góc nghiêng với thước đo góc nghiêng điện tử INSIZE 2173-360. Hiệu chuẩn góc nghiêng 35mm Cảm biến góc nghiêng Y 75mm Kích thước tổng thể 30mm×11.5mm (Chiều dài×Đường kính) X Thu dữ liệu Cảm biến kiểu điện dung cũng được gắn trên đó, trục xoay thay Hình 3.8: Hệ đo góc nghiêng với Hệ đo vớiđầu ra đổiHình góc 3.7: nghiêng vàgóc ghinghiêng ra tín hiệu ứng với các góc nghiêng khác thước chia độ độ chính xác 0.10 nhau. thước đo điện tử Insize