phát triển một cảm biến biến dạng sử dụng chất lỏng ion cho các ứng dụng trên thiết bị mặc trên người (weable devices

8 MỞ ĐẦU Dưới tác động ứng lực học, môi trường chịu ứng lực xuất biến dạng Sự biến dạng cấu trúc ảnh hưởng lớn tới khả làm việc độ an toàn làm việc kết cấu chịu lực Mặt khác ứng lực biến dạng có mối quan hệ với nhau, dựa vào mối quan hệ người ta xác định ứng lực đo biến dạng gây Bởi vậy, đo biến dạng vấn đề quan tâm nhiều kỹ thuật Có nhiều loại cảm biến đo biến dạng phổ biến cảm biến đo biến dạng kiểu điện trở Chúng chế tạo từ vật liệu có điện trở biến thiên theo mức độ biến dạng, thường hợp kim vật liệu bán dẫn (Silic) Tuy nhiên cảm chế tạo từ vật liệu có dải đo thấp (5%) nên khó áp dụng vào ứng dụng yêu cầu dải đo lớn giám sát biến dạng địa hình, giám sát vết nứt vật liệu, cơng trình xây dựng, giám sát hỗ trợ người bệnh phục hồi chức năng, hỗ trợ tập vật lý trị liệu y học Chính vậy, việc phát triển loại cảm biến biến dạng lớn toán quan tâm Gần đây, có nhiều nhiều nghiên cứu tập trung vào phát triển cảm biến đo biến dạng có dải đo rộng việc sử dụng vật liệu có độ kéo dãn cao sợi quang, polymer,… Đặc biệt cảm biến đo biến dạng dải rộng sử dụng chất lỏng ion Một loại cảm biến dễ chế tạo, chi phí thấp thân thiện với mơi trường Mục tiêu đề tài phát triển cảm biến biến dạng sử dụng chất lỏng ion cho ứng dụng thiết bị mặc người (weable devices) Chất lỏng ion sử dụng hỗn hợp glycerin với dung dịch muối Natri clorua nước với tỷ lệ khác Cảm biến chế tạo sử dụng dung dịch chứa ống silicone hình trụ với hai điện cực làm kim loại Các nghiên cứu thực khảo sát hoạt động cảm biến, khả ứng dụng cảm biến vào thực tế thực Mạch điện tử thu thập liệu từ cảm biến phát triển Hoạt động cảm biến cho việc phát biến dạng kiểm nghiệm Bên cạnh ứng dụng sử dụng cảm biến gắn thiết bị mặc được phát triển cho toán đếm bước chân CHƯƠNG GIỚI THIỆU 1.1 Biến dạng Biến dạng (  ) tỉ số độ biến thiên kích thước ( L ) kích thước ban đầu ( l0 )  l l0 (1.1) Biến dạng gọi đàn hồi mà ứng lực biến dạng theo Biến dạng mà tồn sau ứng lực gọi biến dạng dư Giới hạn đàn hồi ứng lực tối đa không gây nên biến dạng dẻo vượt 2%, tính kG / mm2 Ví dụ giới hạn đàn hồi thép từ 20 – 80 kG / mm2 Mô đun Young (Y): Xác định biến dạng theo phương ứng lực  ||  1F   Y S Y (1.2) Ở đây: - F: Lực tác dụng, kG - S: Tiết diện chịu lực, mm2 F -  : Ứng lực,   S Đơn vị đo mô đun Young kG / mm2 Mô đun Young thép 18.000 – 29.000 kG / mm2 Hệ số poison  : Hệ số xác định biến dạng theo phương vng góc với lực tác dụng     || (1.3) Trong vùng biến dạng đàn hổi   0,3 1.2 Phương pháp đo biến dạng Tác động ứng lực gây biến dạng kết cấu chịu ứng lực Giữa biến dạng ứng lực có quan hệ chặt chẽ với nhau, cách đo biến dạng ta tính ứng lực tác động lên kết cấu Để đo biến dạng người ta sử dụng cảm biến biến dạng hay gọi đầu đo biến dạng Hiện nay, thị trường sử dụng phổ biến hai loại đầu đo biến dạng đầu đo điện trở đầu đo dạng rung 10 Đầu đo điện trở loại đầu đo dùng phổ biến Chúng chế tạo từ vật liệu có điện trở biến thiên theo mức độ biến dạng, với kích thước nhỏ từ vài mm đến vài cm, đo chúng dán trực tiếp lên cấu trúc biến dạng Trong công nghiệp, đầu đo điện trở kim loại (hợp kim Constantan, Nicrome V, ) đầu đo điện trở bán dẫn – áp điện trở (Silic) thường sử dụng Đầu đo dạng rung dùng ngành xây dựng Đầu đo làm sợi dây kim loại căng hai điểm cấu trúc cần đo biến dạng Tần số dây rung hàm sức căng học, tần số thay đổi khoảng cách hai điểm nối thay đổi 1.2.1 Đầu đo điện trở kim loại  Cấu tạo nguyên lý hoạt động Đầu đo điện trở kim loại có cấu tạo dạng lưới Đối với đầu đo dạng lưới dây, đầu đo làm dây điện trở có tiết diện trịn (đường kính d   m ) tiết diện chữ nhật axb (hình 1.1a) Đầu đo dạng lưới màng chế tạo phương pháp mạch in (hình 1.1b) Số nhánh n cảm biến thường 10 – 20 nhánh Hình 1.1 Sơ đồ cấu tạo đầu đo kim loại a) Đầu đo dùng dây quấn b) Đầu đo dùng lưới màng Cảm biến cố định đế cách điện mỏng, bề dày ~ 0,1 mm làm giấy ~ 0,03 mm làm chất dẻo (polyimide, epoxy) Vật liệu làm điện trở thường thuộc họ hợp kim Ni (Bảng 1.1) Bảng 1.1 Bảng thông số hợp kim làm đầu đo Hợp kim Constantan Isoelastic Karma Nicrome V Bạch kim - vonfram Thành phần 45%Ni, 55%Cu 52%Fe, 36%Ni, 8%Cr, 4% (Mn+Mo) 74%Ni, 20%Cr, 3%Cu, 3%Fe 80%Ni, 20%Cr 92%Pt, 8%W Hệ số đầu đo K 2,1 3,5 2,1 2,5 4,1 11 Khi đo cảm biến gắn vào bề mặt cấu trúc cần khảo sát (hình 1.2), kết cảm biến chịu biến dạng biến dạng cấu trúc Hình 1.2 Các cố định đầu đo bề mặt khảo sát 1) Bề mặt khảo sát 2) Cảm biến 3) Lớp bảo vệ 4) Mối hàn 5) Dây dẫn 6) Cáp điện 7) Keo dán Điện trở cảm biến xác định biểu thức: R l (1.4) S Phương trình sai phân: R l S     R l S  (1.5) Biến dạng dọc l dây kéo theo biến dạng ngang tiết diện, quan hệ biến dạng ngang biến dạng dọc có dạng: a b d l     a b d l Tiết diện ngang dây S = ab S  d2 S l  2 S l (1.6) , ta có: (1.7) Mặt khác, đầu đo kim loại:   C – Hằng số Bridman C V V (1.8) 12 V – Thể tích dây Vì V  S.l , ta có: V l  (1  2 ) V l (1.9) Và:    C (1  2 ) l l (1.10) Vậy ta có: R l l  1  2   C (1  2 )  K R l l (1.11) Hệ số K gọi hệ số đầu đo, giá trị xác định theo biểu thức: K   2  C 1  2  (1.12) Vì   0.3 , C  , nên đầu đo kim loại có K   Các đặc trưng chủ yếu - Điện trở suất: Điện trở vật liệu làm dây phải đủ lớn để dây không dài làm tăng kích thước cảm biến tiết diện khơng q bé làm giảm dịng đo dẫn đến làm giảm độ nhạy - Hệ số đầu đo: Thông thường K = – 3, ngoại trừ isoelastic có K = 3.5 Platin – Vonfram K = 4.1 - Ảnh hưởng lực đến độ tuyến tính: Trong giới hạn đàn hồi, hệ số đầu đo không đổi quan hệ tuyến tính điện trở biến dạng Ngoài giới hạn đàn l hồi,  0.5%  20% , tùy theo vật liệu, hệ số đầu đo K  l - Ảnh hưởng nhiệt độ: Nói chung K chịu ảnh hưởng nhiệt độ, ngoại trừ isoelastic Trong khoảng nhiệt độ từ -100°C ÷ 300°C thay đổi hệ số đầu đo K theo nhiệt độ biểu diễn biểu thức: K (T )  K0 1   K T  T0  (1.13) K - Hệ số đầu đo nhiệt độ chuẩn T0 (thường T0  25C )  K - Hệ số phụ thuộc vật liệu Với Nichrome V  K  0.04 % / C , constantan  K  0.01 % / C - Độ nhạy ngang: Ngoài nhánh dọc có điện trở RL cảm biến cịn có đoạn nhánh ngang có tổng độ dài lt , điện trở Rt , điện trở tổng cộng cảm 13 biến R  RL  Rt Trong trình biến dạng đoạn ngang bị biến dạng, Rt thay đổi làm cho R thay đổi Tuy nhiên Rt  RL , ảnh hưởng biến dạng ngang không lớn 1.2.2 Cảm biến áp trở silic  Cấu tạo nguyên lý hoạt động Đầu đo bán dẫn làm đơn tinh thể silic pha tạp Cấu tạo chúng phụ thuộc chế tạo Đầu đo loại cắt: Chế tạo mẩu cắt từ đơn tinh thể silic pha tạp có sơ đồ cấu tạo hình 1.3 Các mẫu cắt đơn tinh thể lấy song song với đường chéo tinh thể lập phương silic loại P song song với cạnh lập phương silic loại N Mẫu cắt có chiều dài từ 0.1 mm đến vài mm chiều dày cỡ 102 mm Các mẫu cắt dán đế cách điện nhựa Hình 1.3 Đầu đo chế tạo mẫu cắt Đầu đo khuếch tán: Điện trở đầu đo chế tạo cách khuếch tán tạp chất vào đế đơn tinh thể silic pha tạp Sơ đồ cấu tạo loại thể hình 1.4 Hình 1.4 Đầu đo loại khuếch tán 14 Điện trở loại N nhận cách khuếch tán vào đế silic loại P tạp chất thuộc nhóm V bảng tuần hồn (như P, Sb), cịn điện trở loại P khuếch tán tạp chất thuộc nhóm III (như Ga, In) đế silic loại N Chuyển tiếp đế vùng khuếch tán tạo nên diot dược phân cực ngược (vùng P âm vùng N) cảm biến cách biệt với đế silic Biến thiên điện trở đầu đo bán dẫn xác định công thức tương tự đầu đo kim loại: R l S     R l S  (1.14) Đối với đầu đo bán dẫn, biến thiên điện trở suất tác dụng ứng lực có dạng:       Y l l (1.15) Trong  hệ số áp điện trở,  ứng lực tác dụng Vậy: R l  1  2    Y  R l (1.16) Và hệ số đầu đo là: K   2   Y (1.17) Thông thường K = 100 ÷ 200  Các đặc trưng chủ yếu Đối với đầu đo bán dẫn, độ pha tạp yếu tố định đến đặc trưng chúng - Điện trở: Ảnh hưởng độ pha tạp: Khi tăng độ pha tạp, mật độ hạt dẫn vật liệu tăng lên điện trở suất giảm xuống Biểu thức chung điện trở suất có dạng:  q  n n   p p  (1.18) q – Giá trị tuyệt đối diện tích điện trở lỗ trống n, p – Mật độ điện tử lỗ trống tự n ,  p - Độ linh động điện tử lỗ trống 15 Hình 1.5 Sự phụ thuộc điện trở suất vào nồng độ pha tạp nhiệt độ Ảnh hưởng nhiệt độ: Khi nhiệt độ nhỏ 120°C hệ số nhiệt điện trở có giá trị dương giảm dần độ pha tạp tăng lên Ở nhiệt độ cao hệ số nhiệt điện trở có giá trị âm không phụ thuộc vào độ pha tạp - Hệ số đầu đo K: Ảnh hưởng độ pha tạp: Hệ số đầu đo phụ thuộc vào độ pha tạp, độ pha tạp tăng lên, hệ số đầu đo giảm thấy hình 1.6 Hình 1.6 Sự phụ thuộc K vào độ pha tạp Ảnh hưởng độ biến dạng: Hệ số đầu đo phụ thuộc vào độ biến dạng, quan hệ có dạng: K  K1  K2  K2 (1.19) Tuy nhiên, với độ biến dạng giá trị cực đại coi K khơng đổi Ảnh hưởng nhiệt độ: Khi nhiệt độ tăng hệ số đầu đo giảm, nhiên pha tạp lớn (cỡ N d  1020 cm3 ) hệ số đầu đo phụ thuộc nhiệt độ 1.2.3 Đầu đo chế độ động 16 Khi đo biến dạng chế độ động, đầu đo phải thỏa mãn số yêu cầu định tần số sử dụng tối đa, giới hạn mỏi  Tần số sử dụng tối đa Tần số đầu đo không phụ thuộc vào vật liệu chế tạo, silic truyền khơng suy giảm dao động với tần số lớn 106 Hz Tuy nhiên, tần số làm việc lại phụ thuộc vào phương pháp gắn đầu đo kích thước Để cho biến dạng đo gần đồng phạm vi đầu đo, chiều dài l nhánh phải nhỏ nhiều lần bước sóng  dao động học Quan hệ kích thước l chiều dài bước sóng phải thỏa mãn điều kiện: l  0.1 (1.20) Chiều dài bước sóng  dao động học xác định công thức:  v f (1.21) Trong đó, v vận tốc truyền sóng f tần số dao động v= Y  d (1   )(1  2 ) (1.22) Y – Là mô-đun Young  - Hệ số poisson d – Trọng lượng riêng vật liệu chế tạo dây Vậy tần số cực đại f max dao động chiều dài nhánh đầu đo l bằng: f max  v 10.l (1.23)  Giới hạn mỏi Biến dạng nhiều lần làm tăng điện trở đầu đo hiệu ứng mỏi, hiệu ứng lớn biên độ biến dạng lớn Giới hạn mỏi xác định số chu kỳ biến dạng N với biên độ cho trước gây nên biến thiên điện trở 104 ứng với chu kỳ biến dạng giả định Đối với biên độ biến dạng cỡ ± 2.103 giới hạn mỏi nằm khoảng từ 104 (constantan) đến 108 (isoelastic) chu kỳ 17 1.2.4 Ứng suất kế dây rung Ứng suất kế dây rung dùng để theo dõi kiểm tra cơng trình xây dựng đập, cầu, đường hầm,… Cấu tạo ứng suất kế dây rung gồm dây thép căng hai giá gắn vào cấu trúc cần nghiên cứu biến dạng Khi có biến dạng, căng học dây kéo theo thay đổi tần số dao động N dây, cách đo tần số dao động dây biết độ lớn biến dạng Tần số dao động sợ dây xác định theo công thức: N 2l F Sd (1.24) l - Khoảng cách hai điểm căng dây F – Lực tác dụng S – Tiết diện dây d – Khối lượng riêng vật liệu chế tạo dây Dưới tác dụng lực F, độ dài dây biến thiên lượng l xác định từ biểu thức: l F  l Y S (1.25) Do tần số dao động dây: N Y l 2l d l (1.26) Suy ra: l 4l d  N  K N l Y (1.27) Giả sử l0 độ kéo dài ban đầu N tần số tương ứng chưa có biến dạng: l0  K N 02 l (1.28) Khi có biến dạng, độ kéo dài tổng cộng dây l1 tần số N1 , ta có: l1  K N12 l (1.29) 33 CHƯƠNG KẾT QUẢ KHẢO SÁT HOẠT ĐỘNG CẢM BẾN Một thông số cảm biến biến dạng độ nhạy biến dạng, biểu thị cách định lượng hệ số gauge factor (GF) Hệ số gauge factor định nghĩa là: R R R R GF   L  L Ở (4.1) R thay đổi tương đối điện trở, R0 điện trở thời điểm biến R0 dạng 0%  biến dạng học đặt vào 4.1 Khảo sát cảm biến theo tỉ lệ dung dịch muối Dung dịch muối với tỉ lệ muối:nước:glycerin khác (1:15:5, 1:18:5 1:25:5) bơm vào ống silicone có đường kính 1.5mm Sau cảm biến gắn lên điều chỉnh ứng lực để khảo sát Kết thí nghiệm thể hình 4.1, cho thấy thay đổi điện trở cảm biến lực kéo dãn Tất phép đo thực ba lần nhiệt độ phòng khoảng 25o C Từ kết cho thấy điện trở ban đầu cảm biến chưa kéo dãn thay đổi theo tỉ lệ muối khác Tỉ lệ muối lớn điện trở nhỏ ngược lại Điều lý giải tỉ lệ muối tăng tương ứng mật độ ion Na  Cl  nhiều làm tăng độ dẫn dung dịch dẫn đến điện trở suất giảm hay điện trở đo giảm Khi kéo dãn, ống silicone kéo dãn tới 50% điện trở cảm biến tăng tuyến tính theo độ biến dạng ống Vì kéo dãn chiều dài ống silicone tăng tiết diện thay đổi, điều dẫn đến điện trở cảm biến thay đổi theo công thức: Rs   Với: +  điện trở suất dung dịch + l chiều dài ống silicone + d đường kính ống silicone l d2 (4.2) 34 1.2 1.2 1 0.8 0.8 0.8 0.6 0.4 0.6 0.4 0.2 0 R/R0 1.2 R/R0 R/R0 Ngoài ra, kết cho thấy hệ số GF cảm biến với ba tỉ lệ muối có giá trị tương đối (2.31 – 2.41) Điều cho thấy hệ số GF cảm biến giữ nguyên tỉ lệ muối dung dịch thay đổi 0.2 L/L0 0.4 0.2 data linear fit 0 0.4 0.6 0.2 data linear fit 0.2 L/L0 a) 0 0.4 b) data linear fit 0.2 L/L0 0.4 c) Hình 4.1 Kết thí nghiệm cho thấy điện trở thay đổi biến dạng với tỉ lệ NaCl/Nước/glycerin 1:15:5 (a), 1:18:5 (b), 1:25:5 (c) 1.2 1.2 1 0.8 0.8 0.8 0.6 0.4 0.6 0.4 0.2 0 R/R0 1.2 R/R0 R/R0 4.2 Khảo sát cảm biến theo đường kính ống silicone Tương tự với khảo sát trên, dung dịch muối với tỉ lệ muối:nước:glycerin 1:18:5 bơm vào ống cao su silicone với đường kính khác (0.5mm, 1mm, 1.5mm) Sau cảm biến gắn lên điều chỉnh ứng lực để khảo sát Kết thí nghiệm thể hình 4.2, cho thấy thay đổi điện trở cảm biến lực kéo dãn Tất các phép đo thực nhiệt độ phòng khoảng 25o C data linear fit 0.2 L/L0 (a) 0.4 0.4 0.2 0 0.6 data linear fit 0.2 L/L0 (b) 0.4 0.2 0 data linear fit 0.2 L/L0 0.4 (c) Hình 4.2 Kết thí nghiệm cho thấy điện trở thay đổi biến dạng với ống silicone có đường kính khác (a) d = 0.5mm (b) d = 1mm (c) d=1.5mm 35 Kết cho thấy điện trở ban đầu cảm biến chưa kéo dãn giảm đường kính cảm biến tăng Điều lý giải dựa công thức 4.2 bên trên, đường kính ống silicone lớn tương ứng d lớn chiều dài cảm biến ( l không đổi) điện trở suất  không đổi sử dụng cảm biến có tỉ lệ 1:18:5 Vì vậy, điện trở cảm biến giảm đường kính ống silicone tăng Khi cảm biến bị kéo dãn, điện trở cảm biến tăng theo độ biến dạng ống Vì kéo dãn đường kính d cảm biến nhỏ lại phần chiều dài l cảm biến tăng dẫn đến điện trở cảm biến tăng (theo công thức 4.2) Thêm vào đó, kết cho thấy hệ số GF cảm biến thay đổi (2.11 – 2.47) đường kính ống silicone thay đổi Từ kết hai khảo sát thấy cảm biến đo biến dạng dựa chất lỏng ion chế tạo có hệ số GF ổn định khoảng từ 2.11 tới 2.47 không phụ thuộc vào nồng độ muối đường kính ống silicone Hệ số GF cảm biến tương đương với hệ số GF phôi kim loại (2 - 2.5) Kết tương đồng với nghiên cứu trước [6] Kết mở hướng phát triển cho cảm biến đo biến dạng thay cảm biến truyền thống làm từ hợp kim 4.3 Khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ tới cảm biến Để khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ đến cảm biến, cảm biến với tỉ lệ muối: nước:glycerin 1:18:5 đường kính ống cao su silicone 1.5 mm sử dụng Một tủ gia nhiệt Jlabtech sử dụng để thay đổi nhiệt độ từ thấp tới cao Tủ gia nhiệt điều khiển, trì nhiệt độ buồng tủ giá trị cố định cài đặt từ người sử dụng Đầu tiên, cảm biến gắn với hệ đo đặt vào tủ, sau điều khiển tăng nhiệt độ theo bước tăng độ C Ở nấc nhiệt độ trì mười năm phút trước đo giá trị Điều nhằm giúp cho nhiệt độ dung dịch muối ống silicone tăng nhiệt độ bên ngồi ống Kết điện áp hai đầu cảm biến thể hình 4.3a Sau cảm biến lấy đặt lên điều chỉnh ứng lực để khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ tới hệ số Gauge Factor cảm biến Ở nhiệt độ, cảm biến kéo dãn trì mười lăm phút cho lần kéo dãn tiếp Kết ảnh hưởng nhiệt độ tới hệ số GF thấy hình 4.3b Kết cho thấy điện trở hệ số GF cảm biến giảm nhanh tăng nhiệt độ Điều lý giải tăng nhiệt độ dung dịch muối, độ linh động ion Na  Cl  tăng kết dẫn đến tăng độ dẫn dung dịch hay nói cách khác giảm điện trở cảm biến Như nhiệt độ ảnh hưởng đáng kể đến độ xác độ ổn định cảm biến Để sử dụng cảm biến môi trường có nhiệt độ thay đổi ta cần có mạch bù nhiệt độ tự động 36 1.7 2.3 1.6 2.2 2.1 Gauge Factor Điện áp (mV) Voltage (V) 1.5 1.4 1.3 1.2 1.9 1.8 1.7 1.1 35 1.6 40 45 50 55 Temperature (°C) 60 65 1.5 30 35 Nhiệt độ (°C) a) 40 45 50 Temperature (°C) Nhiệt độ (°C) 55 60 b) Hình 4.3 Ảnh hưởng nhiệt độ tới cảm biến (a) Ảnh hưởng nhiệt độ đến cảm biến chưa kéo dãn (b) Ảnh hưởng nhiệt độ đến hệ số GF cảm biến kéo dãn Từ kết khảo sát trên, ta rút số kết luận tính cảm biến sau: - Độ nhạy (Hệ số Gauge Factor): ≈ 2.3 Dải đo: ÷ 50% Nhiệt độ làm việc ổn định: Nhiệt độ phịng (25°C) Đường kính cảm biến: 0.5 mm, mm, 1.5 mm 37 CHƯƠNG ỨNG DỤNG ĐẾM BƯỚC CHÂN DỰA TRÊN CẢM BIẾN ĐO BIẾN DẠNG 5.1 Thiết lập thí nghiệm Từ kết trên, tơi sử dụng cảm biến có tỉ lệ natri clorua, nước glycerin 1:18:5, hỗn hợp dung dịch bơm vào ống cao su silicone (ống có đường kính 1.5mm chiều dài 100 mm) hệ mạch đo thu thập liệu để thực xây dựng ứng dụng đếm bước chân Cảm biến biến dạng chế tạo gắn lên đầu gối để thu kết tốt Để gắn cảm biến lên đầu gối, cố định cảm biến lên hai đai co dãn keo silicone, sau hai đai co dãn lên khuỷu gối cho cảm biến nằm đầu gối hình 5.1 Khi chân duỗi thẳng, ống silicone không bị kéo dãn nên ống có chiều dài ban đầu l0 , điện trở R0 Ngược lại, gập chân lại, ống bị dãn dẫn tới giá trị trở cảm biến tăng lên Từ đó, ta xác định trạng thái co duỗi chân thông qua giá trị trở ống cao su Sơ đồ khối mạch thể hình 2.8 với giá trị nguồn dòng cài đặt 2.0 μA tần số hoạt động mạch cầu Wien kHz Tín hiệu lối vào lối quan sát thơng qua máy dao động kí (TDS 1002B, Tektronix) Bên cạnh đó, tơi có gắn thêm hình hiển thị LCD (16x2) để theo dõi giá trị điện áp điện trở cảm biến Module Bluetooth HC05 tích hợp bo mạch để truyền giá trị đo tới hệ thống thu thập liệu máy tính Bo mạch điện tử thiết kế xây dựng thấy hình 3.5 Trên máy tính, chương trình phát triển để nhận xử lý tín hiệu thơng qua module Bluetooth HC05 (hình 5.2) Chương trình viết ngơn ngữ C# Với chương trình này, liệu lưu trữ dạng bảng với hai cột: thời gian điện áp Bên cạnh đó, liệu thể theo đồ thị thời gian thực Hình 5.1 Gắn cảm biến lên khớp gối 38 Hình 5.2 Chương trình phần mềm máy tính Sau đó, tơi tiến hành thử nghiệm thu liệu thực hoạt động đứng lên, ngồi xuống, chạy Các thí nghiệm thực điều kiện giống điều kiện nhiệt độ phòng 25 độ C 5.2 Kết phân tích xử lí tín hiệu Một tình nguyện viên đeo thiết bị thực thu thập liệu với trạng thái hoạt động khác nhau: đứng lên, ngồi xuống, chạy Toàn thực nghiệm tiến hành điều kiện nhiệt độ phòng khoảng 25 °C Ở trạng thái duỗi thẳng chân, điện áp ban đầu cảm biến đo 400mV Khi thực gập duỗi chân, dải điện áp đo khoảng từ 400 mV tới 800mV Khi co chân, chiều dài cảm biến tăng lên, làm cho giá trị điện trở hay điện áp hai đầu điện cực tăng theo (do dịng điện qua cảm biến khơng đổi) Ngược lại, chiều dài cảm biến trở kích thước ban đầu hay biên độ điện áp giảm dần chân duỗi Quá trình co duỗi chân liên tục tạo tín hiệu xung liên tục với đỉnh xung thể trạng thái co đạt cực đại hình 5.3 Biên độ (mV) 39 Thời gian Hình 5.3 Dạng tín hiệu gập duỗi chân Khi chạy, chân co duỗi nhanh liên tục tạo nhiều sóng xung tín hiệu có tần số lớn hơn, đồng thời biên độ điện áp chạy nhỏ chân khơng co hồn tồn hình 5.4 Hình 5.4 Tín hiệu thu từ hoạt động người Hình 5.5 Thuật tốn xử lí tín hiệu 40 Biên độ (mV) Để xác định xác bước chân dựa vào tín hiệu xung thu được, đề xuất xây dựng thuật tốn xử lý tín hiệu sơ đồ hình 5.5 Tín hiệu ban đầu thu từ cảm biến tín hiệu thơ chứa nhiều nhiễu tần số cao việc cử động gây hình 5.6 Để loại bỏ tín hiệu nhiễu này, chúng tơi đưa tín hiệu thu qua lọc trung bình (lọc thơng thấp) Tín hiệu lối lúc làm mịn cách đáng kể, loại bỏ nhiễu tần số cao không ảnh hưởng nhiều tới hình dạng tần số sóng hình 5.7 Nhiễu Thời gian Hình 5.6 Tín hiệu gốc Khi thực hoạt động khác liên tiếp, dạng sóng xung lặp lại với hình dạng giống khác tần số biên độ Ngoài ra, đường chuỗi liệu tương đối thằng chân co duỗi Tuy nhiên, trường hợp chạy nhanh chạy cao gối, đường bị cao lên chân không gập duỗi cách hồn tồn (đường màu đỏ hình 5.7) Điều làm cho việc xử lí tín hiệu gặp nhiều khó khăn ảnh hưởng tới độ xác việc đếm xung thấy hình 5.7 Biên độ (mV) 41 Thời gian Hình 5.7 Tín hiệu sau qua lọc trung bình Biên độ (mV) Để giải vấn đề này, tín hiệu cho qua lọc thông cao với tần số cắt Hz bậc ba để đồng đường trung bình chuỗi tín hiệu đường đẳng điện (đường màu đỏ hình 5.8) Biên độ tín hiệu bị suy hao số lượng xung khơng đổi hình 5.8 Thời gian Hình 5.8 Tín hiệu sau qua lọc thơng cao Sau qua lọc thơng cao, tín hiệu tiếp tục cho qua lọc ngưỡng để chuyển sóng xung thành dạng xung vng với mức logic cao thấp Ở đây, ngưỡng chọn có giá trị tương ứng với 10% biên độ đỉnh cao Các điểm có 42 Biên độ (mV) giá trị lớn ngưỡng chọn chuyển thành mức logic cao, cịn lại điểm có giá trị thấp chuyển thành mức logic thấp hình 5.9 Kết trung bình đếm bước chân thể bảng 5.1 với tình nguyện viên đeo thiết bị Thời gian Hình 5.9 Tín hiệu sau qua lọc ngưỡng chuyển thành dạng xung vuông Bảng 5.1 Kết đếm bước chân so với thực tế Trạng thái Số bước thực tế Đi Chạy Lên cầu thang Xuống cầu thang 100 100 100 100 Số bước đếm từ cảm biến 99 97 100 98 Từ bảng kết đếm bước chân thu từ cảm biến thấy hệ thống đếm bước chân có độ xác cao Đặc biệt lên cầu thang kết thu có độ xác tuyệt đối thực lên cầu thang chân co gập rõ ràng Các trạng thái cịn lại độ xác cảm biến bị giảm ảnh hưởng từ việc chân không co gập rõ ràng Như vậy, tín hiệu ban đầu chuyển thành tín hiệu xung vng việc đếm xung trở nên dễ dàng Số bước chân tính số lượng xung vng đếm Thêm vào đó, từ số bước chân đếm thời gian, ta xác 43 định tốc độ di chuyển từ kết luận trạng thái chuyển động bộ, chạy nhanh, chậm Cảm biến gắn chân tình nguyện viên để thu liệu thực đếm số bước chân Dữ liệu nhận có dạng xung, với xung thể chuyển động bước chân Từ kết cho thấy bước dài với khớp gối bị gập nhiều cho xung rộng có biên độ lớn Trong đó, bước ngắn với khớp gối gập cho xung hẹp có biên độ nhỏ Theo đó, liệu cảm biến phân tích để đưa tình trạng vận động, độ ổn định vận động viên suốt q trình khảo sát Dữ liệu sử dụng cho huấn luyện viên người giám sát để có điều chỉnh nằm nâng cao hiệu tập luyện, thi đấu điều trị Tín hiệu xử lý cách sử dụng lọc chuyển đổi thành dạng xung vuông nhằm đơn giản hố việc đếm số xung hình 5.9 Tuy nhiên, độ xác bị ảnh hưởng trường hợp biên độ tín hiệu nhỏ Điều xảy ta bước ngắn, chân không thật gập nhiều khiến cho trở kháng cảm biến thay đổi q hình 5.10 Dù vậy, trường hợp xảy không ảnh hưởng nhiều tới kết đếm số bước chân Hình 5.10 Tín hiệu có xung nhỏ sinh từ bước chân ngắn, khớp gối không gập nhiều 44 KẾT LUẬN Cảm biến đo biến dạng dựa chất lỏng ion, hỗn hợp dung dịch muối, nước glycerin được đề xuất, chế tạo khảo sát Để khảo sát đặc tính cảm biến, bo mạch gồm vi điều khiển PIC16F877A hãng Microchip, nguồn dòng Howland cầu Wien tạo sóng sin phát triển Kết cho thấy hệ số Gauge Factor cảm biến ổn định với tỉ lệ pha muối (cụ thể tỉ lệ muối, nước glycerin 1:15:5, 1:18:5 1:25:5) diện tích ống silicone (0.5 mm, mm,và 1.5 mm) Hoạt động cảm biến nhiệt độ khác khảo sát Thêm vào đó, cảm biến thử nghiệm cho ứng dụng thiết bị mặc người để đếm bước chân cho kết tốt Cảm biến khơng giúp đếm xác số cử động chân mà mở khả phân tích sâu tính chất vận động dựa vào phân tích cường độ dạng tín hiệu thu từ cảm biến Với ưu điểm thân thiện với môi trường, độ nhạy cao, giá thành rẻ, mẫu cảm biến đo biến dạng dải rộng sử dụng chất lỏng ion đề xuất ứng dụng vào nhiều lĩnh vực đời sống Bên cạnh đó, việc kết hợp công nghệ chế tạo đại tạo cảm biến nhỏ gọn linh hoạt để lên tích hợp quần áo gắn trực tiếp lên thể mở nhiều hội áp dụng vào ứng dụng giám sát, hỗ trợ chăm sóc sức khoẻ người 45 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN Chi Tran Nhu, Ha Tran Thi Thuy, An Tran Hoai, Nguyen Ta Hoang, Hoai Nguyen Thi, An Nguyen Ngoc, Trinh Chu Duc, Van Thanh Dau and Tung Bui Thanh, “Experimental Characterization of an Ionically Conductive Fluid Based High Flexibility Strain Sensor,” ICERA Conference (2018), Chapter 42, pp 318-323 Nhu Chi Tran and Thi Hoai Nguyen and Hoang Nguyen Ta and Thi Thanh Van Nguyen and Ngoc An Nguyen (2018) “Phát triển cảm biến đo biến dạng dải rộng dựa chất lỏng ion cho ứng dụng đếm bước chân” In: The National Conference on Electronics, Communications and Information Technology, 14-15 December 2018, Hanoi, Vietnam 46 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] V T Dau, T Yamada, D V Dao, B T Tung, K Hata, and S Sugiyama, “Integrated CNTs thin film for MEMS mechanical sensors,” Microelectron J., vol 41, no 12, pp 860–864, Dec 2010 [2] Bui Thanh Tung, Hoang Minh Nguyen, Dzung Viet Dao, S Rogge, H W M Salemink, and Susumu Susumu, “Strain Sensitive Effect in a Triangular Lattice Photonic Crystal Hole-Modified Nanocavity,” IEEE Sens J., vol 11, no 11, pp 2657–2662, 2011 [3] A.L Window, Strain Sensor Technology, 2nd edn., Elsevier Applied Science, London and New York, 1992, pp 6–7 [4] S Russo, T Ranzani, H Liu, S Nefti-Meziani, K Althoefer, and A Menciassi, “Soft and Stretchable Sensor Using Biocompatible Electrodes and Liquid for Medical Applications,” Soft Robot., v 2, no 4, pp 146–154, 2015 [5] T Hampshire, “Monitoring the behavior of steel structures using distributed optical fiber sensors,” J Constr Steel Res., vol 53, no 3, pp 267–281, 2000 [6] L et al Rupprecht, CONDUCTIVE POLYMERS in Industrial Applications 1999 [7] V T Dau, C D Tran, T T Bui, V D X Nguyen, and T X Dinh, “Piezoresistive and thermo-resistance effects of highly-aligned CNT based macrostructures,” RSC Adv., vol 6, no 108, pp 106090–106095, Nov 2016 [8] V T Dau, D V Dao, T Yamada, B T Tung, K Hata, and S Sugiyama, “Integration of SWNT film into MEMS for a micro-thermoelectric device,” Smart Mater Struct., vol 19, no 7, p 075003, Jun 2010 [9] V T Dau et al., “A micromirror with CNTs hinge fabricated by the integration of CNTs film into a MEMS actuator,” J Micromechanics Microengineering, vol 23, no 7, p 075024, Jul 2013 [10] L Flandin, Y Bréchet, and J.-Y Cavaillé, “Electrically conductive polymer nanocomposites as deformation sensors,” Compos Sci Technol., vol 61, no 6, pp 895–901, 2001 [11] Y N Cheung, Y Zhu, C H Cheng, C Chao, and W W F Leung, “A novel fluidic strain sensor for large strain measurement,” Sens Actuators Phys., vol 147, no 2, pp 401–408, 2008 47 [12] G Keulemans, P Pelgrims, M Bakula, F Ceyssens, and R Puers, “An ionic liquid based strain sensor for large displacements,” Procedia Eng., vol 87, pp 1123–1126, 2014 [13] J B Chossat, Y L Park, R J Wood, and V Duchaine, “A soft strain sensor based on ionic and metal liquids,” IEEE Sens J., vol 13, no 9, pp 3405–3414, 2013 [14] C Majidi, R Kramer, and R J Wood, “A non-differential elastomer curvature sensor for softer-than-skin electronics,” Smart Mater Struct., vol 20, no 10, 2011 [15] Y L Park, B R Chen, and R J Wood, “Design and fabrication of soft artificial skin using embedded microchannels and liquid conductors,” IEEE Sens J., vol 12, no 8, pp 2711–2718, 2012 [16] J Chossat, Y Tao, V Duchaine, and Y Park, “Wearable Soft Artificial Skin for Hand Motion Detection Detection with Embedded Microfluidic Strain Sensing,” Icra, pp 2568–2573, 2015 [17] T Yamada et al., “A stretchable carbon nanotube strain sensor for humanmotion detection,” Nat Nanotechnol., vol 6, no 5, pp 296–301, 2011 [18] Q Liu, J Chen, Y Li, and G Shi, “High-Performance Strain Sensors with Fish-Scale-Like Graphene-Sensing Layers for Full-Range Detection of Human Motions,” ACS Nano, vol 10, no 8, pp 7901–7906, 2016 [19] X Wang, Y Gu, Z Xiong, Z Cui, and T Zhang, “Silk-Molded Flexible , Ultrasensitive , and Highly Stable Electronic Skin for Monitoring Human Physiological Signals,” pp 1336–1342, 2014 [20] L Cai et al., “Super-stretchable, transparent carbon nanotube-based capacitive strain sensors for human motion detection,” Sci Rep., vol 3, pp 1–9, 2013 [21] Y Wang et al., “Wearable and Highly Sensitive Graphene Strain Sensors for Human Motion Monitoring,” pp 1–5, 2014 [22] C M Boutry, A Nguyen, Q O Lawal, A Chortos, S Rondeau-gagné, and Z Bao, “A Sensitive and Biodegradable Pressure Sensor Array for Cardiovascular Monitoring,” pp 1–8, 2015 [23] T Yang et al., “A Wearable and Highly Sensitive Graphene Strain Sensor for Precise Home-Based Pulse Wave Monitoring,” 2017