Nghiên cứu cảm biến chất lỏng kiểu tụ điện cho ứng dụng cảm nhận thay đổi môi trường trong kênh dẫn (tt)

BỘ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG NGUYỄN ĐẮC HẢI IT NGHIÊN CỨU CẢM BIẾN CHẤT LỎNG KIỂU TỤ ĐIỆN CHO ỨNG DỤNG CẢM NHẬN THAY ĐỔI MÔI TRƯỜNG TRONG KÊNH DẪN PT CHUYÊN NGÀNH : KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ MÃ SỐ: 62.52.02.03 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2017 Công trình hoàn thành tại: Học viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông Người hướng dẫn khoa học: IT PGS TS Chử Đức Trình TS Nguyễn Ngọc Minh Phản biện 1: GS.TS Nguyễn Đức Thuận Phản biện 2: GS.TS Bạch Gia Dương PT Phản biện 3: PGS.TS Phạm Ngọc Thắng Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án tại: Học viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông Vào lúc: 30’ ngày 26 tháng 12 năm 2016 Có thể tìm hiểu luận án tại: Thư viện Quốc gia Thư viện Học viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông MỞ ĐẦU PT IT Lý chọn đề tài: Các hệ thống kênh dẫn chất lỏng ngày ứng dụng nhiều thực tế công nghiệp, nông nghiệp, y tế khai khoáng Việc cảm nhận phát tạp chất xuất kênh dẫn có chiến lược loại bỏ tạp chất có yêu cầu thực tiễn xã hội Dầu thô hút trực tiếp từ mỏ dầu thường bao gồm thành phần đầu thô, nước muối biển, bùn đất Việc cảm biến phân tích thành phần dầu thô quan trọng hệ thống khai thác thực tế Hệ thống tuần hoàn thể động vật đóng vai trò hệ thống giao thông vận chuyển tế bào máu, chất dinh dưỡng, không khí đến phận thể sống Giám sát trình vận hành hệ thống mạch máu thể sống thông qua cảm nhận, phát hiện, đếm bắt tế bào sống đóng vai trò quan trọng hệ thống xét nghiệm y sinh học Các hệ thống ứng dụng để phát trường hợp bệnh hẹp động mạch mỡ máu, tắc mạch máu máu đông hệ thống phân tích tế bào Để cảm nhận thay đổi môi trường kênh dẫn, nhiều nhóm nghiên cứu sử dụng nhiều loại cảm biến khác siêu âm, quang điện, tự cảm, điện dung, Cảm biến kiểu tụ điện có cấu tạo đơn giản, hoạt động nhiều môi trường khác môi trường khắc nghiệt nhiệt độ cao, độ ẩm cao thể sống Cảm biến kiểu tụ điện chuyển đổi thay đổi vị trí, khoảng cách, hay chất điện môi thành tín hiệu điện dung Cảm biến kiểu tụ điện phát thay đổi ba thông số tụ điện khoảng cách, diện tích điện cực hay số điện môi Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo ứng dụng cảm biến kênh chất lỏng dựa cảm biến kiểu tụ điện để cảm nhận thay đổi môi trường kênh dẫn chất lỏng, đo thể tích, vận tốc đặc tính chất lỏng định nghiên cứu có tính thực tiễn khoa học Đây lý chọn đề tài cho luận án tiến sĩ là: “Nghiên cứu cảm biến chất lỏng kiểu tụ điện cho ứng dụng cảm nhận thay đổi môi trường kênh dẫn” Mục đích nghiên cứu: Luận án nghiên cứu, thiết kế chế tạo cảm biến kiểu tụ điện cho ứng dụng cảm nhận thay đổi môi trường kênh dẫn với yêu cầu cụ thể sau: - Cảm nhận xuất thay đổi môi trường kênh dẫn; - Cảm nhận xuất số hạt kênh dẫn bọt khí, hạt kim loại, hạt nhựa,…; Có thể xác định số thông số hạt thể tích, vận tốc, loại hạt điều kiện cụ thể cho trước; - Hệ thống cảm biến sử dụng cho kênh chất lỏng không dẫn điện dẫn điện; - Hệ thống chế tạo dựa công nghệ chế tạo phổ biến, giá thành thấp; - Hệ thống cảm biến tích hợp trực tiếp với mạch điện tiền khuếch đại xử lý tín hiệu; - Các mạch điện thiết kế để tăng cường đặc tính giảm thiểu ảnh hưởng nhiễu chung môi trường nhiễu nguồn; - Bước đầu ứng dụng hệ thống cảm biến số yêu cầu thực tế Đối tượng phạm vi nghiên cứu: Luận án đề cập nghiên cứu cấu trúc cảm biến kiểu tụ điện, kênh dẫn dầu, kênh chất lỏng dẫn điện có kích thước cỡ milimét tác nhân bọt khí, mạt kim loại, giọt nước có kích thước nhỏ đến 0,1 mm3 Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài nghiên cứu: Trong luận án này, nội dung nghiên cứu cảm biến kiểu tụ điện kết thu được trình bày theo hướng ứng dụng cảm nhận thay đổi môi trường kênh dẫn Các cấu trúc đề xuất nghiên cứu có tiềm ứng dụng y sinh ngành công nghiệp khác theo dõi bọt khí mạch máu, phát vật thể lạ mao dẫn, đo nồng độ bọt khí, hạt kim loại giọt nước dầu máy động cơ, v.v Phương pháp nghiên cứu: - Nghiên cứu dựa lý thuyết học chất rắn, chất lỏng cổ điển; - Mô tính toán để tối ưu thông số thiết kế sử dụng phần mềm Matlab, Comsol, Ansoft Maxwell; - Chế tạo cấu trúc dựa công nghệ PCB kết hợp với kỹ thuật thiết kế mạch điện thu thập xử lý tín hiệu; - Đo đạc đánh giá hoạt động hệ thống dựa thiết bị điện tử trang bị phòng thí nghiệm, hệ thống kính hiển vi camera tốc độ nhanh Cấu trúc luận án Các nội dung nghiên cứu dẫn đến kết đạt đóng góp luận án trình bày chương, mục theo bố cục sau: Chương 1: Tổng quan PT IT - Chương 2: Thiết kế mô cảm biến chất lỏng kiểu tụ điện Chương 3: Chế tạo cảm biến, thiết lập hệ đo Chương 4: Kết thảo luận Kết luận định hướng nghiên cứu PT IT Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 Kênh dẫn loại vật thể chuyển động kênh dẫn 1.1.1 Kênh dẫn - Hệ thống mạch máu thể động vật; - Kênh dẫn chất lỏng sản phẩm dầu mỏ; - Hệ thống đường dẫn nhiên liệu, phun nhiên liệu động 1.1.2 Các vật thể chuyển động kênh dẫn a) Giọt chất lỏng, bọt khí - Giọt nước nhỏ lẫn dầu bôi trơn, dầu biến thế; - Bọt khí ống truyền máu hay ống truyền dịch vào thể bệnh nhân b) Mạt kim loại vật thể khác - Mạt kim loại lẫn dầu bôi trơn; - Hạt tạp chất lẫn dầu cách điện c) Các tế bào sống hệ thống mạch máu - Hồng cầu; - Bạch cầu; - Tiểu cầu 1.2 Nhận biết vật thể kênh dẫn 1.2.1 Sự cần thiết phải nhận biết vật thể kênh dẫn Trong thực tế, việc theo dõi xuất thay đổi kênh dẫn xuất bọt khí mạch máu, giọt nước dầu,… yêu cầu bắt buộc Trong vòi phun mực máy in phun giọt mực tạo có kiểm soát tốt vận tốc, thể tích chất lượng tài liệu in đẹp Nếu dầu bôi trơn có xuất giọt nước nhỏ, giọt nước gây rỉ sét ăn mòn động cơ, tăng trình oxy hóa dầu, gây số chất phụ gia kết tủa Bọt không khí xuất máy lọc thận ảnh hưởng đến tính mạng bệnh nhân; Nếu tiêm khoảng 2-3 ml không khí vào mạch máu tuần hoàn não gây tử vong 6 PT IT 1.2.2 Khảo sát nghiên cứu Một số nghiên cứu, đề xuất tác giả trước phát hạt tác nhân hay cảm nhận môi trường kênh dẫn: Sử dụng cảm biến áp điện trở để phát thay đổi áp suất màng thành ống phun giọt chất lỏng để từ giám sát ước lượng giọt chất lỏng tạo Công đoạn chế tạo linh kiện phức tạp, đòi hỏi phải có hệ thống trang thiết bị tiêu chuẩn cao chế tạo CMOS; Sử dụng sóng siêu âm để phát bọt khí dầu máy Hệ thống phức tạp, thường xuyên phải bảo trì chi phí bảo trì lớn; Sử dụng tế bào quang điện để phát bọt khí máu Phương pháp nhạy với bọt khí có kích thước to, choán đường ống; Sử dụng phương pháp cảm biến tự cảm để phát mạt kim loại Phương pháp có độ nhạy thấp mạt kim loại nhỏ; Sử dụng cảm biến điện dung đồng phẳng sử dụng để theo dõi, đo lường vận tốc chuyển động thể tích giọt nước kênh dẫn Với phương pháp này, điện trường không tập trung nhiều vào giọt nước Như vậy, độ nhạy phương pháp không thật cao; Với chất lỏng dẫn điện, sử dụng kỹ thuật tiếp xúc trực tiếp điện cực máy đo với chất lỏng hay dung dịch điện phân Ở phương pháp này, hiệu ứng phân cực dung dịch ăn mòn điện hóa điện cực tránh khỏi Bên cạnh đó, bám két vào điện cực thường gây lỗi phép đo độ dẫn điện; Sử dụng cấu trúc cảm biến điện dung tụ không tiếp xúc với dung dịch với tần số tín hiệu đầu vào lớn 80 MHz Với giải pháp lượng mát môi trường hấp thụ tín hiệu mạnh Đồng thời, cực tụ cảm biến phải nhỏ mạch phức tạp; Sử dụng cấu trúc cảm biến phát độ dẫn điện cặp tụ không tiếp xúc (C4D) Tuy nhiên, cấu trúc chưa khắc phục loại bỏ tối ưu nhiễu, thiết kế hệ thống chống nhiễu phức tạp chưa hiệu Ngoài ra, cấu trúc cảm biến chưa đồng thời đo cho kênh chất lỏng không dẫn điện có dẫn điện chưa đo cho kênh chất lỏng dẫn điện cao Nhận xét đề xuất có: Các nghiên cứu cảm biến điện dung phát thay đổi môi trường kênh dẫn lỏng Nhưng nghiên cứu đó, hệ thống phức tạp chi phí cao Các mô hình chưa loại bỏ triệt để nhiễu sinh đo đạc mạch tín hiệu mô hình chưa hoạt động ổn định Đồng thời, cấu trúc chưa đo đồng thời cho kênh chất lỏng dẫn điện cao chưa đo đồng thời cho kênh không dẫn điện dẫn điện 1.3 Kết luận chương đề xuất hướng nghiên cứu Nghiên cứu tập trung số vấn đề bổ sung liên quan đến việc xây dựng mô hình loại bỏ nhiễu kênh tối ưu kỹ thuật chế tạo cảm biến tối ưu Chế tạo tụ cảm biến có kích thước cực không đòi hỏi nhỏ mà đo tác nhân nhỏ Hơn nữa, nghiên cứu tính toán, thiết kế chế tạo hệ thống cảm biến đo kênh dẫn chất lỏng có độ dẫn điện cao hơn, đồng thời ứng dụng với kênh dẫn chất lỏng dẫn điện không dẫn điện PT IT Chương 2: THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG CẢM BIẾN CHẤT LỎNG KIỂU TỤ ĐIỆN 2.2 Thiết kế cảm biến chất lỏng kiểu tụ điện 2.2.1 Thiết kế cấu trúc cảm biến Cảm biến điện dung chế tạo mạch, sát hệ thống tiền khuếch đại Thiết kế cho phép giảm điện dung ký sinh nhiễu bỏ qua dây kết nối a) Mô hình cảm biến ba điện cực hình cung tròn cảm nhận kênh vuông góc với mặt phẳng hệ thống cảm biến Hệ thống cảm biến bao gồm hai tụ điện ba điện cực Trong đó, tụ tụ điện cảm biến tụ lại đóng vai trò tụ điện tham chiếu Hình 2.15 (a) Thiết kế cảm biến kênh lỏng, có hai kênh dẫn lỏng tương ứng với kênh cảm biến kênh tham chiếu; (b) Các cảm biến điện dung chế tạo trực tiếp mạch in b) Mô hình cảm biến ba điện cực thẳng cảm nhận kênh song song với mặt phẳng hệ thống cảm biến Cảm biến thiết kế kẹp sát dọc theo thành ống dẫn Các cực tụ điện kết nối với hệ thống đo 8 Ống kênh dẫn chất lỏng a) Điện cực Điện cực PCB b) Hình 2.19 Cảm biến tụ điện có ba điện cực thẳng kẹp hai bên thành kênh dẫn c) Mô hình cảm biến ba điện cực hình chữ U cảm nhận kênh song song với mặt phẳng hệ thống cảm biến Ba cực tụ cảm biến hình chữ U có kích thước hình dạng thiết kế ôm bên sát bên thành ống dẫn Điện cực IT Ống kênh dẫn chất lỏng PT PCB a) b) Hình 2.21 Cảm biến tụ điện có cực chữ U ôm sát kênh dẫn 2.2.2 Tính toán thiết kế mạch điện a) Cảm biến ba điện cực hình cung tròn cảm nhận kênh vuông góc với mặt phẳng hệ thống cảm biến Tín hiệu sin với pha 0 180 áp dụng cho điện cực số tụ cảm biến tụ tham chiếu Do đó, nhiễu chung loại bớt sử dụng mạch tổng hợp Sự thay đổi điện dung tụ điện cảm biến: C  Cx  Cr (2.23) Khi tín hiệu sin Vs = Vs0 cosωt đặt lên đầu vào khối cảm biến, điện dung thay đổi C tính công thức C  VOut Cf VS (2.25) -1 Cảm biến -Vs Rf Cr - Vs Cf VOut + Cx +1 +Vs Tín hiệu xung vào PC Khuếch đại điện tích Vs NI Data acquisition ( DAQPad 6016 ) PLL AMP LPF Khuếch đại Lock - – in số 7220 Khối xử lý tín hiệu Hình 2.24 Thiết kế sơ đồ mạch điện IT b) Cảm biến ba điện cực thẳng cảm nhận kênh song song với mặt phẳng hệ thống cảm biến Amp V drive LPF Amp Khuếch đại vi sai AD 620 LPF Vout LPF Lọc thông thấp PT Cảm Khuếch đại biến điện tích Vout NI card Labview Computer Hình 2.25 Sơ đồ mạch tín hiệu cảm biến điện dung Điện dung thay đổi C tính công thức: (2.30) c) Cảm biến ba điện cực hình chữ U cảm nhận kênh song song với mặt phẳng hệ thống cảm biến Với kênh dẫn chất lỏng không dẫn điện, điện dung thay đổi C tính công thức: √( ) Với kênh dẫn chất lỏng dẫn điện, thay đổi ∆Rs tính công thức: 10 Hạt Xi lanh Ro Xung sine 580 KHz Nguồn AC V out Khuếch đại vi sai LPF V in Ro Bình chứa Hình 2.32 Sơ đồ khối thiết kế cảm biến kênh chất lỏng DC4D 55 IT 2.3 Mô 2.3.1 Mô a) Cảm biến ba điện cực hình cung tròn cảm nhận kênh vuông góc với mặt phẳng hệ thống cảm biến 10 54.5 53.5 52.5 52 51.5 51 -1 -0.5  C - fF 53 PT Dien dung - fF 54 Mo phong Xap xi tuyen tinh 0.5 1.5 Toa - mm 0 0.5 1.5 The tich - mm3 Bọt khí Hình 2.42 Điện dung cảm biến tương ứng với vị trí bọt khí Hình 2.43 Điện dung thay đổi lớn cảm biến phụ thuộc vào thể tích bọt khí Bọt khí dịch chuyển chậm từ phía cảm biến dần tiến đến cảm biến, vào cảm biến khỏi cảm biến Khi bọt khí qua cảm biến, điện môi cảm biến thay đổi dẫn đến điện dung cảm biến thay đổi theo * Thảo luận Cảm biến điện dung cho phép phát thay đổi điện môi kênh chất lỏng không dẫn điện theo thời gian thực Cấu trúc đề xuất phát bọt khí tích từ 0,1 đến 2,28 mm3, với điện dung thay đổi tương ứng từ 0,67 đến 8,95 fF 11 b) Cảm biến ba điện cực thẳng cảm nhận kênh song song với mặt phẳng hệ thống cảm biến Hình 2.50 thể thay đổi điện dung cặp điện cực phụ thuộc vào vị trí hạt kênh dẫn Điện dung thay đổi 18,74 fF 8,02 fF, tương ứng với hạt thiếc bọt khí tích 3.93 mm3 5.57 mm3 bên kênh dầu 25 20 20 18 16 15 14 10  C - fF  C - fF 12 -5 -10 Bot dau Hat thiec dau 0.2 0.4 0.6 0.8 Vi tri Hat thiec va Bot - mm 0 0.5 1.5 2.5 3.5 The tich - mm3 IT -15 10 Hình 2.50 Điện dung thay đổi hạt thiếc bọt khí qua cảm biến kênh dẫn dầu Hình 2.51 Điện dung thay đổi tương ứng với thể tích hạt thiếc kênh dẫn dầu PT * Thảo luận Mô cho thấy cảm biến tụ điện nhận biết bọt khí hạt thiếc kênh dẫn dầu Khi bọt khí hay hạt thiếc kênh dẫn dầu di chuyển qua cảm biến tụ điện làm thay đổi điện dung cảm biến tụ điện, từ làm thay đổi điện áp đầu mạch cảm biến Kết mô cho thấy thay đổi điện dung có bọt khí hạt kim loại xuất tương đối rõ c) Cảm biến ba điện cực hình chữ U cảm nhận kênh song song với mặt phẳng hệ thống cảm biến * Mô cho trường hợp kênh dẫn lỏng không dẫn điện Đối với kênh lỏng không dẫn điện dẫn điện thấp (σ ≤ 0.01 S/m), điện trở chất lỏng bên kênh lớn Do đó, yếu tố chi phối trường hợp thành phần điện dung Hình 2.56 thể thay đổi chênh lệch điện dung cặp điện cực phụ thuộc theo vị trí hạt kênh dẫn Hình 2.57 cho thấy điện dung cảm biến thay đổi tuyến tính với thể tích hạt thiếc bên kênh dầu Điện dung thay đổi lớn lên đến 33.25 fF thể tích hạt thiếc 6.61 mm3 12 0.08 Hat nhua nuoc Hat thiec dau Bot dau 0.06 30 25 0.04 20 C - fF C - pF 0.02 -0.02 -0.04 15 10 -0.06 -0.08 -0.1 -5 10 15 20 25 0 30 The tich hat - mm3 Vi tri hat - mm Hình 2.57 Điện dung cảm biến C4D thay đổi tuyến tính với thể tích hạt thiếc bên kênh dầu Hình 2.56 Điện dung thay đổi so với vị trí hạt bên cảm biến C4D PT IT * Tính toán cho trường hợp kênh dẫn lỏng dẫn điện Khi độ dẫn chất lỏng kênh dẫn đủ lớn (σ> 0,1 S/m), ảnh hưởng điện dung bên điện cực chữ U cảm biến so với tổng trở kháng nhỏ Các điện dung phương trình tương đương chủ yếu phụ thuộc vào điện dung C0 Tuy nhiên, C0 tham số không thay đổi, yếu tố cảm biến độ dẫn điện chất lỏng hạt chuyển động kênh dẫn chất lỏng dẫn điện Mạch tương đương cấu hình thể hình 2.59 Trong nghiên cứu này, hạt nhựa đưa vào kênh dẫn dung dịch NaCl có nồng độ khác để khảo sát Điện dung Cw tạo thành ống dẫn điện cực Rs điện trở dung dịch hai điện cực (xem hình 2.58) C0 C1 C2 R1 l1 Cw C3 Hạt tác nhân R2 R3 Chất lỏng l3 l2 Điện cực Rs L Hình 2.58 Mạch tương đương cảm biến cho kênh chất lỏng dẫn điện R1 R2 C2 R3 C3 ACAC C0 Rs Cw Tín hiệu R0 Hình 2.59 Mạch điện tương đương cảm biến * Thảo luận Cảm biến DC4D sử dụng cho hai kênh, chất lỏng dẫn điện chất lỏng không dẫn điện 13 PT IT Mô bọt không khí, hạt thiếc bơm qua điện cực với kênh dẫn chất lỏng không dẫn điện hạt nhựa với kích cỡ khác kênh dẫn chất lỏng dẫn điện cho thấy độ thay đổi điện dung đầu lớn rõ ràng 2.4 Kết luận chương Chương trình bày thiết kế ba cấu trúc cảm biến chất lỏng sử dụng cấu trúc điện dung Ba cấu trúc nghiên cứu, thiết kế, tính toán mô Mỗi cấu trúc có ưu nhược điểm riêng phù hợp với ứng dụng cụ thể khác Cấu trúc thứ thiết kế sở ba điện cực kênh dẫn vuông góc với mặt phẳng mạch điện Ưu điểm cấu trúc cảm biến thiết kế gồm điện cực mạch PCB, gồm hai kênh kênh cảm biến kênh tham chiếu Với thiết kế loại bỏ nhiễu dây dẫn, đồng thời kết hợp với việc sử dụng cấu trúc vi sai để loại bỏ tối ưu nhiễu Cấu trúc thứ hai thiết kế với ba điện cực thẳng kẹp hai bên kênh dẫn nằm mạch PCB Ưu điểm cấu trúc loại bỏ nhiễu chung kênh dẫn điện cực thiết kế kênh dẫn, với thiết kế mạch nêu trên, tín hiệu từ hai điện cực đầu cảm biến sau qua khuếch đại vi sai loại bỏ tối ưu nhiễu đường dây, nhiễu chung hai kênh đặc biệt nhiễu điện từ, nhiễu 50 Hz Đầu hệ thống tín hiệu thay đổi tác động hạt tác nhân xuất kênh dẫn Cấu trúc thứ ba cấu trúc DC4D thiết kế với ba điện cực hình chữ U ôm sát dọc theo kênh dẫn nằm mặt mạch PCB Ưu điểm cấu trúc DC4D đo đặc trưng kênh dẫn chất lỏng có độ dẫn điện cao Đồng thời, cấu trúc đo cho chất lỏng dẫn điện không dẫn điện Ngoài ra, chương trình bày ba cấu trúc mạch điện sử dụng cho ba cấu trúc cảm biến trình bày phương pháp tính, tính toán lý thuyết để tìm phương trình công thức để tính thay đổi điện dung cảm biến tụ có hạt tác nhân xuất Đồng thời, chương trình bày mô hình hóa mô ba cấu trúc cảm biến chất lỏng thực đề tài nghiên cứu Các kịch mô xây dựng dựa quy trình đo thực tế cấu trúc chế tạo để làm sở đánh giá hoạt động tối ưu thông số thiết kế cấu trúc cảm biến đề xuất Các thiết kế, tính toán mô sở cho thiết kế cụ thể, phép đo đạc đánh giá trình bày chương sau 14 Chương 3: CHẾ TẠO CẢM BIẾN, THIẾT LẬP HỆ ĐO IT 3.1 Chế tạo cảm biến 3.1.1 Cảm biến ba điện cực hình cung tròn cảm nhận kênh vuông góc với mặt phẳng hệ thống cảm biến Cảm biến điện dung ba điện cực cảm nhận kênh vuông góc với mặt phẳng hệ thống cảm biến chế tạo dựa công nghệ PCB Hình 3.1 thể hai cảm biến có kích thước nằm PCB Ba điện cực chế tạo đồng, kết nối hai lớp mạch in PCB có chiều cao độ dày PCB 1,4 mm Kênh dẫn chất lỏng đặt luồn qua cảm biến vuông góc với hệ thống PT Hình 3.1 Cảm biến ba điện cực hình cung tròn cảm nhận kênh vuông góc với mặt phẳng hệ thống chế tạo công nghệ PCB 3.1.2 Cảm biến ba điện cực thẳng cảm nhận kênh song song với mặt phẳng hệ thống cảm biến Cảm biến thiết kế có điện cực dài hai điện cực ngắn có kích thước Hai điện cực ngắn cảm biến thiết kế thẳng hàng với nhau, song song với điện cực dài kẹp hai bên kênh dẫn Hình 3.3 Cảm biến điện cực thẳng kênh song song với mặt phẳng hệ thống 3.1.3 Cảm biến ba điện cực hình chữ U cảm nhận kênh song song với mặt phẳng hệ thống cảm biến Cảm biến chế tạo dựa mạch in (PCB) Điện cực hình chữ U gắn trực tiếp PCB với mạch xử lý tín hiệu để làm giảm thành phần ký sinh nhiễu thông thường Ống nhựa đặt bên điện cực hình chữ U 15 b) a) Hình 3.4 Hệ thống cảm biến điện cực hình chữ U kênh song song với mặt phẳng hệ thống PT IT 3.3 Thiết lập hệ đo 3.3.1 Cảm biến ba điện cực hình cung tròn cảm nhận kênh vuông góc với mặt phẳng hệ thống cảm biến Một tín hiệu xung sin tần số 100 kHz, có biên độ 13 V lấy từ đầu máy phát xung chuẩn HM8030 đưa tới đầu vào tạo hai xung ngược pha –Vs +Vs bo mạch Tín hiệu xung sin đưa vào điện cực kích thích cảm biến Tín hiệu đầu cảm biến đưa tới khuếch đại lock-in đến thu thập liệu NI có kết nối với máy tính Cuối cùng, tín hiệu xử lý phần mềm LabView 3.3.2 Cảm biến ba điện cực thẳng cảm nhận kênh song song với mặt phẳng hệ thống cảm biến Trong thiết lập hệ đo này, tín hiệu cấp cho điện cực kích thích hệ thống cảm biến xung sin tần số 130 kHz điện áp 10 V Hệ thống sử dụng ống truyền dịch đặt vào khe điện cực cảm biến Để tạo bọt khí dòng chảy dung dịch vào đường ống, hệ thống sử dụng xi lanh bơm dung dịch xi lanh có gắn bước điều chỉnh vi khoảng cách thước đo panme để tạo bọt khí vào dòng dung dịch thông qua đầu nối hình chữ T 3.3.3 Cảm biến ba điện cực hình chữ U cảm nhận kênh song song với mặt phẳng hệ thống cảm biến Tần số cấp cho cực kích thích 580 kHz điện áp V Tín hiệu từ hai điện cực lại đưa vào khuếch đại vi sai, sau đến giải điều chế mạch lọc thông thấp, đến thu thập liệu NI có kết nối với máy tính 3.4 Kết luận chương Chương trình bày chế tạo ba cảm biến chất lỏng với kích thước cụ thể Các mạch thu thập tín hiệu, khuếch đại ghép nối máy tính thiết kế, chế tạo khảo sát hoạt động Các hệ đo kết hợp chức bơm 16 dòng chất lỏng, bơm hạt tác nhân, máy phát, mạch tiền khuếch đại, mạch khuếch đại thiết bị điện tử khác kết nối tối ưu cho nhiệm vụ đo thay đổi điện dung nhỏ, cỡ vài fF Các tính hiệu thu thập vào máy tính sử dụng thu thập liệu NI phần mềm Labview Chương 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 4.1 Cảm biến ba điện cực hình cung tròn cảm nhận kênh vuông góc với mặt phẳng hệ thống cảm biến 4.1.1 Một bọt khí qua cảm biến kênh dẫn Biên độ điện áp đầu tối đa 30 mV bọt khí tích 1,45 mm3 qua kênh cảm biến Biên độ điện áp đầu phụ thuộc vào thể tích bọt khí thay đổi điện môi Độ rộng tín hiệu đầu phụ thuộc vào vận tốc dòng chảy kênh chất lỏng 285 280 IT 280 270 Dien ap - mV 270 265 260 255 250 245 PT Dien ap - mV 275 260 250 0.78 mm 1.45 mm 1.83 mm 230 2.28 mm 0.5 1.5 2.5 Thoi gian - s Thoi gian - s 55 0.27 mm 240 Hình 4.1 Tín hiệu đầu hệ thống cảm biến bọt khí di chuyển qua cảm biến điện dung 0.1 mm Hình 4.2 Sáu bọt khí với thể tích khác phát giá trị điện áp đầu cảm biến 50 45 35  C - fF Dien ap - mV 40 30 25 20 15 10 Thuc nghiem Linear fitted 0 0.5 1.5 The tich bot - mm3 Hình 4.3 Biên độ điện áp đầu cảm biến thay đổi tương ứng với thể tích bọt khí 0 Thuc nghiem Linear fitted 0.5 1.5 The tich bot - mm3 Hình 4.4 Thay đổi điện dung tương ứng với thể tích bọt khí 17 Trong trường hợp kích thước bọt khí nhỏ so với chiều dài cảm biến điện dung, vận tốc bọt khí tính sau: Velocity  h TA  TB (23) Trong h chiều dài tụ điện, TA TB thời điểm mà bọt khí vào cảm biến nửa 4.1.2 Nhiều bọt khí qua cảm biến kênh dẫn dầu Khi có ba bọt khí dịch chuyển kênh dẫn dầu qua cảm biến cho tín hiệu lối hình 4.6 hình 4.7 Tín hiệu lối thay đổi phụ thuộc theo thể tích bọt khí Bọt khí lớn tín hiệu giảm nhiều a) b) a) b) 281 281 280 280 279 278 IT c) 278 277 276 Dien ap - mV Dien ap - mV 279 c) 277 276 275 274 273 275 PT 272 274 271 273 Thoi gian - s Hình 4.6 Phát bọt khí tích không dầu Thoi gian - s Hình 4.7 Phát ba bọt khí tích gần dầu 4.1.4 Thảo luận Điện dung cảm biến thay đổi khoảng từ 0,51 fF tới 6,70 fF tương ứng với thể tích bọt khí khoảng từ 0,1 đến 2,28 mm3 Thay đổi điện dung đủ lớn để mạch điện tử phát thu thập xử lý thông tin Các kết phân tích lý thuyết trùng với kết thực nghiệm đo đạc Điều cho thấy mô hình phân tích lý thuyết phù hợp Các mô hình dùng để phân tích thiết kế hệ thống cảm biến tương đương Bên cạnh chức phát vật thể kênh dẫn lỏng, cảm biến cho phép đo vận tốc dòng chất lỏng thông qua xác định vị trí thời gian tương ứng hạt 18 4.2 Cảm biến ba điện cực thẳng cảm nhận kênh song song với mặt phẳng hệ thống cảm biến 4.2.1 Bọt khí qua cảm biến kênh dẫn máu Khi có bọt khí tích 27.75 mm3 dịch chuyển ống dẫn máu qua cảm biến, biên độ điện áp đầu mạch cảm biến thay đổi nhiều 64.7 mV 3.7 3.7 3.68 Dien ap - V Dien ap - V 3.65 3.6 3.55 3.66 3.64 3.62 17.66 mm 3.6 27.75 mm 35.33 mm3 3.5 3.58 0.2 0.4 0.6 Thoi gian - s 0.8 39.79 mm3 0.2 0.4 0.6 0.8 Thoi gian - s IT Hình 4.12 Tín hiệu đầu mạch cảm biến có bọt khí thể tích 27.75 mm3 dịch chuyển qua cảm biến Hình 4.13 Bọt tích khác qua cảm biến PT Xung tín hiệu đầu cảm biến tương ứng với bọt khí có độ rộng khác vận tốc bọt khí dịch chuyển máu khác Độ rộng xung lớn tương ứng với bọt khí dịch chuyển chậm Biên độ điện áp đầu mạch cảm biến với thể tích bọt khí qua cảm biến tuyến tính Căn vào biên độ điện áp đầu mạch cảm biến, ta ước lượng thể tích bọt khí di chuyển qua cảm biến Trong trường hợp đường kính bọt khí nhỏ độ dài cảm biến điện dung, vận tốc bọt khí tính bằng: Vbọt khí Trong h chiều dài tụ điện, T1 T2 thời gian bọt khí thời điểm bọt khí vào cảm biến nửa 4.2.2 Giọt nước qua cảm biến kênh dầu biến Cho giọt nước tích 26,05 mm3 di chuyển qua cảm biến, biên độ điện áp đầu thay đổi 3.95 V Điện áp đầu mạch cảm biến thay đổi tuyến tính với thể tích giọt nước qua cảm biến 19 PT IT 4.2.3 Hạt kim loại qua cảm biến kênh dẫn dầu bôi trơn động Hạt thiếc tích 2,14 mm3 tương ứng với độ lớn biên độ điện áp 0.73 V Điện áp đầu mạch cảm biến thay đổi tuyến tính với thể tích hạt thiếc qua cảm biến 4.2.6 Thảo luận Điện dung cảm biến thay đổi khoảng từ 0,69 fF đến 8,53 fF tương ứng với thể tích hạt thiếc khoảng từ 0,14 đến 3,66 mm3 Thay đổi điện dung đủ lớn để mạch điện tử phát thu thập xử lý thông tin Cảm biến phát giọt nước dầu biến Điện áp thay đổi đầu từ 3,95 đến 6,17 V tương ứng với thể tích giọt nước từ 26,05 đến 33,25 mm3 Cảm biến phát xuất bọt khí ống dẫn máu Vận tốc thể tích bọt khí tính toán cách quan sát thay đổi điện áp đầu cảm biến điện dung Cảm biến tụ điện thiết kế chế tạo phát tình trạng đường ống dẫn máu có bọt khí thời gian thực Cấu trúc cảm biến có độ nhạy tốt cho bọt khí từ 17,66 đến 40 mm3, tương ứng với thay đổi điện áp đầu từ 0,03 đến 0,12 V 4.3 Cảm biến ba điện cực hình chữ U cảm nhận kênh song song với mặt phẳng hệ thống cảm biến 4.3.1 Cảm biến ba điện cực hình chữ U cảm nhận kênh dẫn lỏng không dẫn điện Đây cảm biến vi sai phát độ dẫn điện cặp tụ không tiếp xúc (DC4D) Điện áp đầu hệ thống cảm biến tín hiệu vi sai từ hai tín hiệu đầu hai cảm biến đơn phát độ dẫn điện cặp tụ không tiếp xúc (C4D đơn) Một C4D đơn đóng vai trò tụ cảm biến C4D đóng vai trò tụ tham chiếu 1.525 1.6 1.52 1.515 1.55 Dien ap - V Dien ap - V 1.51 1.505 1.5 1.495 1.5 1.49 1.45 1.485 1.48 1.475 0.5 1.5 Thoi gian - s 1.4 0.5 1.5 2.5 3.5 Thoi gian - s (b) (a) Hình 4.28 Điện áp đầu cảm biến DC4D hạt qua điện cực kênh dầu biến thế: (a) 4,17 mm3 bọt khí; (b) 3,83 mm3 hạt thiếc 20 Thay đổi điện dung tối đa 1,5 fF 6,3 fF, tương ứng với 4.17 mm3 bọt khí 3,83 mm3 hạt thiếc qua cảm biến Biên độ điện áp đầu thay đổi điện dung phụ thuộc vào thể tích hạt tác nhân Sự thay đổi biên độ điện áp đầu thay đổi điện dung so với thể tích hạt thiếc tuyến tính Vì vậy, cảm biến DC4D cho phép ước lượng thể tích hạt biết chất liệu hạt 4.3.2 Cảm biến ba điện cực hình chữ U cảm nhận kênh dẫn chất lỏng dẫn điện Hình 4.31 thể điện áp cảm biến DC4D hạt nhựa qua điện cực kênh dẫn chất lỏng dẫn điện dung dịch muối nước Độ lớn điện áp đầu thay đổi lên đến 300 mV 50 mV hạt nhựa tích 4,88 mm3 di chuyển qua cảm biến kênh nước kênh dung dịch muối tương ứng 1500 IT Nuoc muoi Linear fitted Nuoc 1.7 Dien ap - mV 1.5 1.4 1000 PT Dien ap - V 1.6 1.3 500 Hat nhua nuoc Hat nhua nuoc muoi 1.2 0 Hình 4.31 Điện áp đầu cảm biến DC4D hạt nhựa qua điện cực với: kênh nước kênh dung dịch muối 10 The tich - mm3 Thoi gian - s Hình 4.33 Biên độ điện áp đầu cảm biến DC4D so với thể tích hạt dung dịch muối nước A B 300 Nuoc muoi 0.75% Nuoc muoi 0.9% Nuoc muoi 1.5% Nuoc muoi 3% Linear fitted 250 B 1.7 1.6 150 Dien ap - V  V - mV 200 14 mm 1.8 100 50 1.5 1.4 1.3 1.2 A 10 The tich - mm Hình 4.34 Điện áp đầu cảm biến DC4D tương ứng với thể tích 1.45 (s) 0.5 1.5 2.02 (s) 2.5 3.5 Thoi gian - s Hình 4.36 Tính toán vận tốc hạt bên kênh chất lỏng 21 hạt nồng độ khác dung dịch muối PT IT Vận tốc hạt ước tính cách chia khoảng cách AB (ở hình 4.36) cho thời gian hai đỉnh điện áp 4.3.3 Thảo luận Cảm biến DC4D sử dụng cho hai kênh chất lỏng dẫn điện chất lỏng không dẫn điện Bọt khí hạt thiếc bơm qua điện cực với kênh lỏng không dẫn điện Cảm biến cảm nhận hạt thiếc kênh dầu tích từ 1,05 mm3 đến 6,62 mm3 tương ứng với độ lệch biên độ đầu từ 69,12 mV đến 328,83 mV điện dung thay đổi từ 2,26 fF đến 10,75 fF Cảm biến cảm nhận biết hạt nhựa kênh dẫn dung dịch muối (có độ dẫn điện S/m) với thể tích khác từ 1,5 mm3 đến 9,37 mm3, tương ứng có độ lệch biên độ đầu từ 10 mV đến 78 mV Các kết đo cho thấy mối quan hệ tuyến tính điện áp đầu thể tích hạt Bên cạnh phát hạt, cảm biến cho phép đo vận tốc hạt bên kênh dẫn lỏng dựa vào khoảng cách thời gian di chuyển hai cấu trúc C4D đơn 4.4 Kết luận chương Chương trình bày kết tính điện dung thay đổi cảm biến kết mô phân bố điện trường điện dung đầu cảm biến Đồng thời, chương trình bày kết thực nghiệm tín hiệu đầu ba hệ thống cảm biến có tác nhân di chuyển kênh dẫn qua cảm biến Cảm biến ba điện cực hình cung tròn cảm nhận kênh vuông góc với mặt phẳng hệ thống cảm biến cảm nhận tác nhân bọt khí kênh dầu bôi trơn động giọt nước kênh không khí Cấu trúc phát bọt khí tích từ 0,1 đến 2,28 mm3, với điện dung thay đổi tương ứng từ 0,51 đến 6,7 fF thay đổi điện áp đầu từ đến 53 mV Đồng thời, cảm biến phát nhiều bọt khí Từ đó, ta ước lượng thể tích bọt khí, giọt nước ước lượng vận tốc bọt khí, giọt nước Cấu trúc cảm biến ba điện cực thẳng cảm nhận kênh song song với mặt phẳng hệ thống cảm biến phát thay đổi kênh dẫn Cảm biến cảm nhận tác nhân bọt khí kênh dẫn máu với thể tích bọt khí từ 17,66 đến 40 mm3, giọt nước dầu biến với thể tích từ 26,05 đến 33,25 mm3 hạt thiếc dầu bôi trơn động với thể tích từ 0,14 đến 22 PT IT 3,66 mm3 Bên cạnh việc phát tác nhân kênh dẫn, hệ thống cảm biến cho phép tính vận tốc dịch chuyển tác nhân kênh dẫn Cảm biến ba điện cực hình chữ U cảm nhận kênh song song với mặt phẳng hệ thống cảm biến (cảm biến kênh chất lỏng DC4D) Cảm biến DC4D sử dụng cho hai kênh chất lỏng dẫn điện chất lỏng không dẫn điện Bọt khí hạt thiếc bơm qua điện cực với kênh lỏng không dẫn điện Cảm biến cảm nhận hạt thiếc kênh dầu tích từ 1,05 mm3 đến 6,62 mm3, tương ứng với độ lệch biên độ đầu từ 69,12 mV đến 328,83 mV điện dung thay đổi từ 2,26 fF đến 10,75 fF Cảm biến cảm nhận hạt nhựa kênh dẫn dung dịch muối (có độ dẫn điện S/m) với thể tích khác từ 1,5 mm3 đến 9,37 mm3, tương ứng có độ lệch biên độ đầu từ 10 mV đến 78 mV Các kết đo cho thấy có mối quan hệ tuyến tính điện áp đầu thể tích hạt Bên cạnh phát hạt, cảm biến cho phép đo vận tốc hạt bên kênh dẫn lỏng dựa vào khoảng cách thời gian di chuyển hai cấu trúc C4D đơn Giới hạn đo tốc độ hạt tác nhân kênh dẫn cảm biến phụ thuộc vào tần số cấp cho cực kích thích đáp ứng lọc thông thấp Tần số lớn lọc có thời gian đáp ứng nhỏ Tuy nhiên, thời gian đáp ứng lọc có giới hạn định Trong nghiên cứu này, tần số cấp cho cực kích thích từ 100 kHz đến 580 kHz Các tần số khoảng đáp ứng cho việc đo bọt khí, hạt kim loại,… ống truyền máu, mạch máu kênh dẫn dầu khai thác dầu động KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP Cảm biến chất lỏng kiểu tụ điện cho ứng dụng cảm nhận thay đổi môi trường kênh dẫn ngày ứng dụng nhiều lĩnh vực khoa học kỹ thuật công nghệ khác công nghiệp chế tạo động cơ, công nghiệp thuỷ khí, công nghiệp khai thác chế biến dầu mỏ, kỹ thuật y sinh học nhiều lĩnh vực khoa học công nghệ phục vụ đời sống khác Nhiều phương pháp sử dụng cảm biến chất lỏng kiểu tụ điện cho ứng dụng Tuy nhiên, phương pháp gặp phải khó khăn thiết kế cấu trúc, chế tạo cảm biến, loại bỏ nhiễu dây dẫn, nhiễu kênh dẫn, nhiễu nguồn đặc biệt cảm biến đo cho kênh dẫn chất lỏng có độ dẫn điện cao, đo cho kênh dẫn không dẫn điện dẫn điện Luận án trình bày tính toán, mô phỏng, thiết kế, chế tạo khảo sát đánh giá hoạt động cảm biến chất lỏng dựa ba cấu trúc nhằm giải khó khăn 23 PT IT Luận án đề xuất 03 cấu trúc cảm biến tụ điện mới: Cảm biến kiểu tụ điện có cấu trúc dạng cung tròn gồm kênh cảm biến kênh tham chiếu (cho cấu trúc vi sai) nhằm loại bỏ nhiễu nguồn nhiễu dây dẫn Cảm biến kiểu tụ điện dạng thẳng sử dụng cấu trúc vi sai cho phép loại bỏ nhiễu kênh dẫn Cảm biến dạng chữ U (cấu trúc DC4D) đồng thời đo cho kênh chất lỏng dẫn điện không dẫn điện Cảm biến DC4D đo cho kênh chất lỏng dẫn điện cao đến S/m Các cảm biến đề xuất chế tạo bảng mạch PCB Các đề xuất luận án, sử dụng để nâng cao chất lượng ứng dụng cảm nhận thay đổi môi trường kênh dẫn chất lỏng, đáp ứng yêu cầu ứng dụng tích hợp vào hệ thống chất lỏng có độ dẫn điện cao chất lỏng không dẫn điện Luận án nghiên cứu kích thước điện cực cảm biến cỡ milimét đo thay đổi điện dung cảm biến cỡ fF Như vậy, cảm biến kênh dẫn chất lỏng sử dụng để phát dòng chảy hai pha ngành công nghiệp dầu khí, phát hạt kênh dẫn lỏng phát hiện, đếm tế bào cho ứng dụng y sinh học Trong thời gian tới, Nghiên cứu sinh nhóm nghiên cứu tiếp tục phát triển cấu trúc cảm biến định hướng cho số ứng dụng cụ thể y sinh học Một số định hướng nghiên cứu luận án là: - Thiết kế hệ thống cảm biến phát vi đối tượng kênh vi lỏng Các đối tượng định hướng tế bào sống cụ thể tập trung vào đối tượng tế bào máu Các tế bào sống thường có kích thước cỡ vài micromet vài chục micromet Do đó, kênh lỏng có kích cỡ khoảng từ 10 µm 100 µm - Hệ thống cảm biến kênh vi lỏng sau định hướng ứng dụng phát tế bào ung thư tuần hoàn (CTCs – Circulating Tumor Cells) phát ung thư sớm Hệ thống cảm biến cần đáp ứng yêu cầu tương thích với y sinh học cho phép gắn thị sinh học lên cấu trúc cảm biến - Như trình bày luận án, cấu trúc có tiềm ứng dụng cho hệ thống kênh dẫn kích thước lớn ống dẫn dầu, ống dẫn nước Nghiên cứu sinh nhóm nghiên cứu thiết kế tối ưu cấu trúc cho toán có yêu cầu từ thực tế 24 CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ PT IT T Vu Quoc, H Nguyen Dac, T Pham Quoc, D Nguyen Dinh, T Chu Duc, “A printed circuit board capacitive sensor for air bubble inside fluidic flow detection,” Microsystem Technologies Journal, Volume 21, April 2015, pp 911-918 (SCI) Nguyen Dac Hai, Vu Quoc Tuan, Do Quang Loc, Nguyen Hoang Hai, Chu Duc Trinh, “Differential C4D Sensor for Conductive and Nonconductive Fluidic Channel”, Microsystem Technologies Journal, ISSN: 0946-7076 (printed version), ISSN: 1432-1858 (electronic version) 2015 (SCI) Nguyen Dac Hai, Vu Quoc Tuan, Tran Thi Thuy Ha, Nguyen Ngoc Minh, Chu Duc Trinh, “Fluidic Capacitive Sensor for Detection of Air Bubble Inside Engine Lubricating Oil”, VNU Journal of Science: Natural Sciences and Technology, Vol 31, No (2015) 8-16 Nguyen Dac Hai, Vu Quoc Tuan, Pham Quoc Thinh, Chu Duc Trinh, “Detection of air bubbles in the microfluidic channel,” Hội nghị toàn quốc lần thứ Điều khiển Tự động hoá - VCCA-2013, pp 582587 Nguyễn Đắc Hải, Vũ Quốc Tuấn, Phạm Quốc Thịnh, Chử Đức Trình, “Hệ thống cảm biến giọt chất lỏng kênh dẫn,” Hội nghị quốc gia Điện tử - Truyền thông (REV2013-KC01), pp 56-60 Nguyen Dac Hai, Tran Thi Thuy Ha, Vu Quoc Tuan, Pham Quoc Thinh and Chu Duc Trinh, Three-electrode capacitive sensor for air-bubble inside fluidic flow detection, The Fifth International Conference on Communications and Electronics - ICCE 2014 Nguyen Dac Hai, Pham Hoai Nam, Vu Quoc Tuan, Tran Thi Thuy Ha, Nguyen Ngoc Minh, Chu Duc Trinh, “Air bubbles detection and alarm in the blood stream of dialysis using capacitive sensors,” International Conference on Engineering Mechanics and Automation (ICEMA 3), 2014  ... chất lỏng kiểu tụ điện cho ứng dụng cảm nhận thay đổi môi trường kênh dẫn Mục đích nghiên cứu: Luận án nghiên cứu, thiết kế chế tạo cảm biến kiểu tụ điện cho ứng dụng cảm nhận thay đổi môi trường. .. cảm biến khỏi cảm biến Khi bọt khí qua cảm biến, điện môi cảm biến thay đổi dẫn đến điện dung cảm biến thay đổi theo * Thảo luận Cảm biến điện dung cho phép phát thay đổi điện môi kênh chất lỏng. .. trúc cảm biến chưa đồng thời đo cho kênh chất lỏng không dẫn điện có dẫn điện chưa đo cho kênh chất lỏng dẫn điện cao Nhận xét đề xuất có: Các nghiên cứu cảm biến điện dung phát thay đổi môi trường