Nghiên cứu xây dựng hệ cảm biến góc nghiêng dựa trên cấu trúc kiểu tụ điện (TT)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ QN 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 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ - BỘ QUỐC PHÕNG Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Chử Đức Trình 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 Luận án bảo vệ hội đồng chấm luận án tiến sĩ họp Viện Khoa học Công nghệ quân vào hồi .giờ, ngày tháng năm Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Viện Khoa học Công nghệ quân - Thư viện Quốc gia Việt Nam MỞ ĐẦU Tính cấp thiết luận án: Từ lâu cảm biến (sensor) sử dụng phận để cảm nhận phát hiện, từ vài ba chục năm trở lại chúng thể vai trò quan trọng kỹ thuật công nghiệp, đặc biệt lĩnh vực đo lường, kiểm tra điều khiển tự động Nhờ tiến khoa học công nghệ lĩnh vực vật liệu, thiết bị điện tử tin học, cảm biến giảm thiểu kích thước, cải thiện tính ngày mở rộng phạm vi ứng dụng Hiện nay, cảm biến có mặt hầu hết thiết bị điện tử từ thiết bị dân dụng đến khí tài qn Chúng có mặt thiết bị di động, hệ thống điều khiển tự động, người máy, kiểm tra chất lượng sản phẩm, tiết kiệm lượng, chống ô nhiễm môi trường, phát an ninh đặc biệt gần hệ thống nhà thông minh (smart home) Cảm biến ứng dụng rộng rãi lĩnh vực giao thông vận tải, sản xuất hàng tiêu dùng, bảo quản thực phẩm, sản xuất tơ… Cảm biến góc nghiêng kiểu điện dung chất lỏng phát triển mạnh mẽ năm gần đây, ưu điểm vượt trội tính Cảm biến góc nghiêng kiểu tụ điện hai pha lỏng khí có ưu điểm dễ chế tạo dễ dàng thương mại hóa với giá thành rẻ, bên cạnh với cấu trúc lỏng nên chúng có ưu điểm độ chống rung tốt so với loại cảm biến vi có cấu trúc dầm thường phức tạp 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 áp dụng việc đo thăng thiết bị máy móc hay xây dựng cần có độ xác cao Với cấu trúc đo góc nghiêng hai chiều áp dụng lĩnh vực tự động hóa, điều khiển Chính tơi chọn đề tài “Nghiên cứu xây dựng hệ cảm biến góc nghiêng dựa cấu trúc kiểu tụ điện” với mục tiêu nội dung trình bày sau Mục đích luận án: Nghiên cứu xây dựng hệ cảm biến góc nghiêng dựa kênh chất lỏng cấu trúc kiểu tụ điện Nội dung nghiên cứu luận án: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo cấu trúc cảm biến góc nghiêng dựa kênh chất lỏng cảm biến điện dung Xây dựng mạch điện đo điện dung thay đổi tụ điện (ΔC) cỡ fF (femtô Fara = 10-15 F) Xây dựng hệ thống đánh giá, khảo sát hoạt động cảm biến góc nghiêng Đối tượng nghiên cứu luận án: Đề tài luận án tập trung nghiên cứu, xây dựng hệ cảm biến góc nghiêng bước đầu ứng dụng cảm biến góc nghiêng dựa nguyên lý tụ điện Các cấu trúc cảm biến nghiên cứu, xây dựng, đo đạc khảo sát từ bước Nguyên lý hoạt động cấu trúc phân tích dựa cơng cụ tính tốn giải tích mơ hình hố mơ phần tử hữu hạn Phương pháp nghiên cứu luận án: Nghiên cứu sinh dùng phương pháp nghiên cứu tổng quan cảm biến đo góc nghiêng nói chung cảm biến đo góc nghiêng theo nguyên lý điện dung nói riêng, từ đưa cấu trúc cảm biến góc nghiêng đề xuất luận án Ý nghĩa khoa học luận án: Thực mơ phỏng, tính tốn máy tính thiết kế, chế tạo hệ thống cảm biến vi chất lỏng dựa cấu trúc kiểu tụ điện - Đề xuất cấu trúc cảm biến đo góc nghiêng chiều theo kiểu tụ điện điện mơi hai pha lỏng khí có dạng điện cực song song ơm ống chứa chất lỏng khơng khí, dải hoạt động tuyến tính dải từ 00 đến ±500 Trong khoảng từ 00 đến 250, điện áp lối thay đổi từ ÷1,09 V, độ nhạy cảm biến dải đạt giá trị 44 mV/độ Giá trị điện áp thay đổi từ đến khoảng 1,09 V Độ nhạy cảm biến dải đạt giá trị 44 mV/độ Độ phân giải cảm biến đạt ±0,5 - Đề xuất cấu trúc cảm biến đo góc nghiêng hai chiều theo nguyên lý điện dung sử dụng điện môi hai pha lỏng khí Độ nhạy cảm biến đạt giá trị 16,5 mV/độ, dải đo từ -500 đến +500, sai số điện áp đo mức ±10 mV, sai số phép đo đạt khoảng ±0,350 Đối với trục y, vùng hoạt động tuyến tính cảm biến chạy từ -120 đến +120 Độ nhạy độ phân giải cảm biến trục y đạt 57mV/độ 0,150 Ý nghĩa thực tiễn luận án: Cấu trúc cảm biến góc nghiêng đề xuất luận án hồn tồn đưa vào ứng dụng số trang thiết bị quân dân Chương 1: TỔNG QUAN VỀ CẢM BIẾN GÓC NGHIÊNG 1.1 Tổng quan loại cảm biến góc nghiêng Cảm biến góc nghiêng nghiên cứu phát triển áp dụng nhiều ứng dụng khác [1], [2] Có nhiều nguyên lý để thiết kế cảm biến góc nghiêng loại cảm biến góc nghiêng kiểu chất lỏng dẫn [6], [45÷49], cảm biến góc nghiêng hoạt động dựa nguyên lý quang học [8], cảm biến góc nghiêng kiểu điện [4] cảm biến góc nghiêng kiểu điện dung sử dụng điện môi rắn lỏng [9] Các loại cảm biến chất lỏng kiểu tụ điện nghiên cứu phát triển cảm biến kiểu tụ phẳng hay cảm biến kiểu tụ song song hình bán nguyệt [3], [11] Đây cấu trúc có nhiều ưu điểm chế tạo tính đơn giản, hiệu dễ xử lý tín hiệu phải điều chỉnh Nguyên lý cảm biến góc nghiêng kiểu tụ điện nghiên cứu phát triển cho nhiều phép đo ứng dụng để đo góc nghiêng Cấu trúc cảm biến nghiêng kiểu tụ điện có độ tuyến tính đầu tín hiệu tương tự (analog) tỷ lệ tương ứng với góc nghiêng [3] Trên thực tế cảm biến nghiêng dựa cấu trúc lỏng kiểu tụ nghiên cứu tài liệu [11], [66], tất cảm biến cấu trúc cảm biến đơn trục đo theo trục Hiện có nhiều nhu cầu gia tăng cảm biến góc nghiêng hiệu cao cho ứng dụng tiềm năng, đặc biệt lĩnh vực y tế tự động điều khiển [65÷67], [16], [51] Luận án đề xuất ba cấu trúc cảm biến góc nghiêng: Cấu trúc thứ dùng để đo hệ thống cân thiết bị; Cấu trúc thứ hai đo góc nghiêng chiều dải hẹp, dải rộng; Cấu trúc cảm biến góc nghiêng thứ ba dùng để đo góc nghiêng hai chiều, đồng thời khảo sát đánh giá hoạt động loại cảm biến góc nghiêng kiểu tụ điện dựa cảm nhận thay đổi vị trí bọt khí ống chất lỏng Cảm biến cho phép đo thay đổi góc nghiêng phạm vi thay đổi nhỏ cỡ vài độ với độ xác 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 hiệu ứng quang học - Cảm biến góc nghiêng kiểu vi - Cảm biến góc nghiêng kiểu điện dung 1.3 Kết luận chương Các nội dung luận án trình bày nghiên cứu tổng quan số cấu trúc cảm biến đo độ nghiêng dựa hiệu ứng vật lý khác Dựa nghiên cứu này, nghiên cứu sinh đề xuất cấu trúc cảm biến xác định độ cân bằng, đo góc nghiêng chiều chiều Các cấu trúc đề xuất dựa kênh chất lỏng 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 phát triển để ứng dụng nhiều lĩnh vực khác [12] Cảm biến điện dung ứng dụng giám sát chất lỏng hay thăm dò dầu khí [16], [65÷67] phân tích hóa sinh học, y tế [17], [18]… Có nhiều kiểu cảm biến góc nghiêng khác thường chia thành hai kiểu cấu trúc chính: kiểu cực song song kiểu cực mặt phẳng [11], [19÷21] Các loại cảm biến tụ điện ứng dụng cấu trúc vi nơi thiết kế cỡ micro mét Thông thường loại cảm biến tụ điện có giá trị nhỏ tụ thương mại có thị trường cỡ fF đến vài trục pF Đó hạn chế lớn gây khó khăn cho việc thiết kế cảm biến hệ đo xử lý tín hiệu tụ điện Chương trình bày thiết kế cảm biến tụ điện ứng dụng đo cảm biến góc nghiêng Do giá trị điện dụng tuyệt đối giá trị điện dung thay đổi cảm biến nhỏ nên thông thường cần sử dụng mạch tiền khuếch đại xử lý tín hiệu có độ nhạy cao Cấu trúc mạch điện khuếch đại vi sai sử dụng phổ biến hệ thống cảm biến điện dung Các cấu trúc mạch khuếch đại vi sai cho phép triệt nhiễu chung tác động thay đổi môi trường Cấu trúc vi sai giúp loại bỏ tụ ký sinh mà thực tế lớn gấp nhiều lần giá trị cảm biến (được đề cập chương 3) Các cấu trúc cảm biến điện dung hai pha lỏng khí thiết kế dạng khác đáp ứng tốn đo góc nghiêng nghiên cứu thiết kế chế tạo Cấu trúc mô phần mềm COMSOL Multiphysics [29], [40], [50] giúp cho việc tối ưu thiết kế Với việc chế tạo đơn giản với kết hợp mạch điện xử lý tín hiệu Ba kiểu cấu trúc cảm biến khác đề xuất thực bao gồm cấu trúc cảm biến cân bằng, cấu trúc cảm biến góc nghiêng đo dải rộng cấu trúc cảm biến góc nghiêng theo hai chiều kết hợp hai cấu trúc 2.1 Xây dựng cảm biến góc nghiêng Luận án trình bày thiết kế ba cấu trúc với đặc thù ứng dụng khác nhau: cấu trúc thứ ứng dụng để cảm nhận độ cân (góc nghiêng 0o) sử dụng mạch điện vi sai xử lý tín hiệu từ tổ hợp điện cực cảm biến; cấu trúc cảm biến thứ hai thiết kế để đo dải góc nghiêng rộng với cấu trúc điện cực dạng hình trụ; cảm biến góc nghiêng thứ ba đo góc nghiêng theo hai chiều Cấu trúc cảm biến thứ ba tổ hợp thiết kế hai cấu trúc đầu Cảm biến hai chiều có cấu tạo bao gồm điện cực có điện cực phát điện cực thu tạo hai cặp tụ ứng với hai trục đo góc nghiêng 2.1.1 Xây dựng cảm biến cân kiểu tụ điện điện mơi hai pha lỏng khí Cảm biến cân kiểu tụ điện hai pha lỏng khí dựa thay đổi vị trí bọt khí kênh lỏng nhận biết thay đổi hai tụ vi sai cấu thành ba điện cực Hình 2.1 mơ tả cấu trúc cảm biến cân kiểu tụ điện môi hai pha lỏng khí Cấu trúc có cấu tạo bao gồm ống nhựa plastic đựng dung dịch điện mơi có bọt khí bên Ba điện cực kim loại đồng gắn bên ống chất lỏng tạo hai tụ điện với cấu trúc vi sai đóng vai trò cảm biến điện dung phát thay đổi vị trí bọt khí Hai điện cực đóng vai trò điện cực thu có thiết kế dạng hình thang cân với cạnh song song nhỏ nằm trung tâm cấu trúc Điện cực đóng vai trò điện cực phát có cấu tạo dạng hình chữ nhật Ba điện cực gắn bên ống chất lỏng mơ tả hình 2.2 Hình 2.3 giải thích nguyên tắc hoạt động cảm biến cân dựa diện tích chiếm chỗ điện cực thu bọt khí Ba điện cực cấu tạo lên hai cặp điện cực song song với hai cặp tụ có cực song song bao gồm tụ C1 C2 Do có xuất bọt khí nên vùng cực tam giác bị chia làm bốn phần S1, S2, S3 S4 phần bị chiếm chỗ dung dịch bọt khí hai cực Bốn phần diện tích tạo cặp tụ điện, đó, C1= Cx4 + Cx2 C1= Cx3 + Cx1, với Cxi∼ Si Ở vị trí cân bọt khí nằm gốc tọa độ nên S1=S2 S3 = S4, ta có, C1 = C2 Khi góc nghiêng thay đổi, vị trí bọt khí giả sử nghiêng bên phải dẫn đến S1>S2 S3 < S4 C1 > C2 tương tự 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 cảm biến Hình 2.2: Kích thước cảm biến cân đo góc nhỏ kiểu điện dung điện cực chất lỏng điện mơi Như vậy, vị trí bọt khí phản ánh góc nghiêng của cảm biến Góc nghiêng thay đổi làm thay đổi tỉ lệ hai cặp tụ điện thu phát Do hai điện cực thu thiết kế hai cấu trúc dạng hình thang cân gắn chặt bên ngồi thành ống chất lỏng Do đó, giá trị điện áp chênh lệch hai đầu tuyến tính với vị trí bọt khí hay góc nghiêng cảm biến Cx4 Cx1 Cx2 Cx3 y S4 S2 S1 S3 x y S2 S4 S3 S1 x Hình 2.3: Nguyên tắc hoạt động cảm biến cân kiểu tụ điện dung hai pha lỏng - khí Cấu trúc cảm biến điện cực ngồi cho phép sử dụng cơng nghệ chế tạo đơn giản so với cấu trúc điện cực Điện cực không tiếp xúc với chất lỏng làm tăng tuổi thọ cấu trúc Bên cạnh đó, nguyên vật liệu chế tạo điện cực khơng đòi hỏi q khắt khe thơng số tương tác với chất lỏng môi trường Tần số làm việc cấu trúc cảm biến điện dung chất lỏng phụ thuộc vào độ dính ướt chất lỏng với thành ống Do đó, thơng thường chất lỏng sử dụng cảm biến chất lỏng 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 mơi 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 cảm biến Ký hiệu Giá trị Thông số cấu trúc W1 7,5 Độ rộng điện cực D1 10,0 Khoảng cách 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 xăng [74] x Đơn vị mm mm mm kg/m3 10-6 m2/s kg/m3 10-6 m2/s Để tăng dải đo cảm biến góc nghiêng, cấu trúc ba điện cực kiểu trụ thiết kế để phát thay đổi vị trí chiếm chỗ hai pha lỏng khí lòng ống nhựa Cảm biến chất lỏng tụ điện có cấu tạo gồm ba điện cực ơm lấy ống nhựa chứa dung dịch nước khơng khí (hình 2.4a) Điện cực điện cực phát tín hiệu hai điện cực hai bên đóng vai trò điện cực thu Chất lỏng điện môi nước cất đổ vào phần ống nhựa hình 2.4b với kích thước cảm biến thiết kế ( bảng 2.1) c) C2C1 b) C2=C1 Hình 2.5: Một số vị trí cảm biến góc nghiêng kiểu điện dung ba cực (a) cảm biến nghiêng bên phải; (b) cảm biến vị trí cân bằng; (c) cảm biến nghiêng bên trái Giá trị điện dung hai tụ điện C1 C2 phụ thuộc vào vị trí góc nghiêng mặt phẳng chất lỏng Hình 2.5 thể số vị trí cảm biến cân Khi cảm biến nghiêng bên phải, dung dịch tập trung điện cực bên phải nhiều dẫn tới C2>C1 (xem hình 2.5(a)) Hình 2.5(b) trường hợp cảm biến cân Trong hình 2.7(c), cảm biến nghiêng bên trái 2.1.3 Xây dựng cảm biến góc nghiêng hai chiều với điện cực kiểu tụ điện kênh lỏng Bên cạnh nhu cầu đo góc nghiêng chiều, nhiều ứng dụng thực tế cần sử dụng cảm biến chiều Dựa cấu trúc cảm biến điện cực trình bày trên, nghiên cứu sinh đề xuất cấu trúc cảm biến chiều bổ sung thêm hai điện cực hai đầu cảm biến Mạch phát Cảm biến điện dung chất lỏng Mạch đo Hình 2.6: Cảm biến góc nghiêng chiều điện cực dạng tụ điện môi hai pha lỏng khí Bảng 2.2: Các tham số cảm biến góc nghiêng điện cực W1 L1 L2 L3 D1 t Tham số Đơn vị (mm) 7.5 10 0.2 Cx4 Cx1 B’ A 11 Điện cực thu A’ B 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 Hình 2.8: Thành phần mơ hình cảm biến góc nghiêng hai chiều cảm biến theo chiều x điện cực với điện môi hai pha tạo lên ba cực khơng khí dung dịch xăng Hình 2.7 mơ tả cấu trúc cảm biến góc nghiêng hai chiều X, Y với điện cực phát đồng thời hai chiều góc nghiêng Nguyên lý cảm biến độ nghiêng hai chiều mô tả hình 2.8 Điện cực đáy đóng vai trò điện cực phát tín hiệu cầu nối tạo lên tụ C1, C2, C3 C4 Bốn tụ tạo nên hai cặp tụ vi sai ứng với hai trục độ x y (xem hình 2.8b) Hình 2.8 mơ tả sơ đồ tương đương cảm biến góc nghiêng tạo ba điện cực Giả thuyết gần tụ tụ phẳng song song, tổ hợp điện cực tạo tụ tương đương Cx1, Cx2, Cx3 Cx4 thể hình 2.8a Hai tụ điện Cx1 Cx4 tụ tương đương cấu thành lớp điện mơi khơng khí Hai tụ Cx3 Cx2 cấu thành từ lớp điện môi chất lỏng với sơ đồ tương đương Cx1//Cx2, Cx3 //Cx4 Dải làm việc tụ bị giới hạn vị trí chiếm chỗ đầy dung dịch bên điện cực chiếm chỗ đầy khơng khí bên điện cực lại (Hình 2.8b) Ở cấu trúc này, việc kế thừa thiết kế cảm biến cân tăng tỉ lệ khơng khí chiếm chỗ ống chất lỏng tạo dải đo rộng 2.2 Mô cảm biến cân Cảm biến cân phân tích dựa cấu trúc mục (2.2) mơ mơ hình hóa phần mềm mô COMSOL Multiphysics 11 nghiêng 40o với tỉ lệ thể tích 67%, độ nhạy cảm biến đạt xấp xỉ 17,5 fF/o lớn hai lần so với tỉ lệ 90% đạt 7,5 fF/o Đồ thị hình 2.14 cho thấy, đáp ứng đầu cảm biến có dạng thay đổi tương đương đạt đỉnh 60o, có biên độ khác 350 fF, 640 fF 800 fF tương ứng với cấu trúc có tỉ lệ thể tích 90%, 80%, 67% 1.2 C1 C2 Nước Nước Nước Điện dung(pF) Điện dung(pF)- pF Capacitance 0.8 0.6 C1 C2 0.4 0.2 0 20 40 60 80 100 AngleGóc(độ) - degrees Hình 2.13: Kết mơ cấu trúc cảm biến góc nghiêng kiểu điện dung hai pha lỏng khí Góc(độ) Hình 2.14: Kết mơ với ba tỉ lệ thể tích nước khơng khí khác 67%, 80% 90% Điện dung C (fF) Vi sai C1-C2 Hình 2.15: Kết mô cảm biến điện cực điện mơi hai pha xăng khơng khí Kết mơ cho thấy thể tích nước 67% cảm biến có độ nhạy cao tỉ lệ phần trăm thể tích nước 80% 90% có độ tuyến tính cao vùng 0o đến 40o Trong dải đo từ 0o đến 40o, mặt phẳng điện môi nằm khoảng không gian hai điện cực tụ điện C1 C2 Do đó, giá trị vi sai hai tự điện gần tuyến tính so với góc nghiêng Khi góc nghiêng lớn khoảng 400, với thông số thiết kế cấu trúc này, mặt phẳng điện môi dịch 12 cực thu hai tu điện Khi đó, giá trị vi sai hai điện dung khơng tuyến tính so với góc nghiêng cảm biến Với dung dịch lỏng xăng, điện dung tụ điện có giá trị nhỏ nhiều điện môi xăng nhỏ nhiều điện môi nước Kết mô thực hình 2.15 Độ nhạy cảm biến giảm 17 lần thay dung dịch từ nước sang xăng 2.4 Mơ cảm biến góc nghiêng chiều theo trục x trục y Mơ hình trường tĩnh điện sử dụng để mô hoạt động cảm biến Trong cấu trúc mô này, phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) sử dụng để khảo sát hiệu suất cảm biến góc nghiêng hai trục đề xuất, dựa cấu trúc cảm biến điện dung Cảm biến góc nghiêng điện dung mơ mơ sử dụng phần mềm COMSOL để phân tích tụ điện với điện cực cong số điện môi chất lỏng giả định giá trị  = (xăng RON A92) mà khơng tính hiệu ứng sức căng bề mặt chất lỏng hình trụ Thiết lập mơ hình Các điện cực Cảm biến góc nghiêng Bề mặt chất lỏng (nước) Góc nghiêng độ Bề mặt chất lỏng (nước) Góc nghiêng độ Giao diện: Điện (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 mơ ; (b) cấu hình 3D cảm biến; (c) Cấu hình trường tĩnh điện trường hợp cân cảm biến xoay theo trục x; (d) Cấu hình trường tĩnh điện trường hợp cân cảm biến xoay theo trục y Trong mô phỏng, thiết bị mơ hình trụ thể hình 2.16 với điện cực đồng Các tham số mô liệt kê bảng 2.2 Ở trạng thái ban đầu, dung dịch chứa tới 75% mơ hình Ở trạng thái nghiêng, mức chất lỏng giữ nguyên khung thiết bị tương đối di chuyển để bắt chước phép đo thực tế 13 Điện dung (fF) Điện dung (fF) Mặt cầu (hình 2.16a) coi bề mặt cách điện hồn hảo Trong mơ hình, để trích xuất giá trị điện dung, điện cực kích thích áp dụng với điện áp V, điện cực cảm biến xác định V Hình 2.16b thể điện dung hai cặp điện cực tích hợp chênh lệch chúng trích xuất Giả thiết rằng, điện áp điểm điện cực có giá trị, hay điện trở điện cực nhỏ (chất dẫn điện lý tưởng) điện trở điện môi ống plastic đỡ điện cực có giá trị lớn (chất cách điện lý tưởng) Hình 2.16c hình 2.16d thể phân bố điện trường cảm biến quay theo trục x trục y tương ứng, cho thấy điện điện cực cảm biến cao điện cực kích thích Hình 2.16c - bên tay trái cho thấy phân bổ điện cảm biến trạng thái cân (góc nghiêng độ) Trong trường hợp này, hai tụ điện đối xứng Do đó, điện dung phân cực hai điện cực cảm biến khơng Khi cảm biến quay, vị trí tương đối bề mặt chất lỏng thay đổi điện cực thay đổi, nên điện dung C1 C2 thay đổi theo Do đó, trạng thái đối xứng hai điện cực bị phá vỡ thể 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 mơ thay Hình 2.18: Kết mô điện đổi điện dung C1, C2 cảm biến dung vi sai (C1-C2) trục x nghiêng theo trục x trục y (C1-C2) trục y Hình 2.17 thể điện dung mơ tụ C1 C2 cảm biến nghiêng từ -1800 đến +1800 quanh trục x Điện dung C1 C2 có dạng đối xứng điểm cân ban đầu Điện dung C1 C2 đạt giá trị đỉnh cao khoảng 140 fF góc nghiêng -600 + 600 Khi C1 có giá trị lớn khoảng 600 C2 có giá trị tối thiểu ngược lại Hình 2.18 biểu diễn điện dung vi sai (C1 - C2) 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 khoảng từ -600 đến +600 Trong dải đo khác, đáp ứng phi tuyến sử dụng để đo góc nghiêng Dải đo cảm biến đề xuất từ -1800 đến -700 từ +700 đến +1800 từ -700 đến +700 Trong trường hợp này, điện dung vi sai (C1- C2) cảm biến bị nghiêng trục y xem nhiễu xuyên kênh Các giá trị vi sai (C1- C2) trục x giá trị nhiễu xuyên kênh (C1 - C2) cảm biến bị nghiêng trục y biểu diễn hình 2.18 Kết mơ thay đổi điện dung C3, C4 đo góc nghiêng theo trục x trục y (hình 2.19) Giá trị điện dung C3, C4 đối xứng với thay đổi so với điểm ban đầu xoay trục y áp dụng Giá trị điện dung C3, C4 có đáp ứng tương tự so với xoay trục x Các giá trị điện dung C3 C4 biểu diễn hình 2.19 (đường kẻ chấm xanh đường gạch ngang xanh) Như thấy, giá trị điện dung C3 C4 thay đổi đối xứng điểm ban đầu Hình 2.20 cho thấy giá trị điện dung vi sai C3 C4 Tương tự cấu hình trục x, (C3-C4) bao gồm hai thành phần, trục y (C3 - C4) tín hiệu (C3 - C4) trục x nhiễu xuyên kênh Đáp ứng tuyến tính cấu hình dải -200 đến 200 trục y Từ phân tích trên, ta thấy nguyên lý làm việc cảm biến góc nghiêng đề xuất đo hai thành phần góc nghiêng xung quanh trục x trục y với việc ảnh hưởng nhiễu xuyên kênh không đáng kể Các đánh giá thực nghiệm thực tế cảm biến 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 mơ thay đổi điện dung C3, C4 đo góc nghiêng theo trục x trục y trục x trục y Góc nghiêng (độ) Hình 2.20: Kết mô điện dung vi sai (C3-C4) trục y so với góc nghiêng xung quanh trục x 15 2.5 Kết luận chương Chương luận án trình bày nghiên cứu thiết kế mô cấu trúc hệ cảm biến góc nghiêng dựa cấu trúc kiểu tụ điện với ba cấu trúc khác nhau: Cấu trúc thứ dựa thay đổi 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 mơi lỏng khí Trong cấu trúc này, ba điện cực hình bán trụ ơm ống nhựa chứa dung dịch bơm phần ống Nhờ đó, góc nghiêng thay đổi dẫn tới tụ thay đổi điện môi tổng thể bên chất lỏng chiếm chỗ chất khí thay đổi vị trí Cấu trúc thứ ba kết hợp hai cấu trúc để tạo nên 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 trình bày chương hai loại cảm biến trở kháng cao có giá trị tụ điện nhỏ Do đó, việc thiết kế mạch tiền khuếch đại phức tạp 3.1 Xây dựng mạch đo điện dung cảm biến cân với IC khuếch đại thuật toán nguồn đơn Sơ đồ khối cảm biến cân bao gồm khối trình bày hình 3.1: Điện cực phát Điện cực thu Tách sóng Cx1 Lọc thơng 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 cảm biến cân Khối phát sung tín hiệu sin mạch phát sin kiểu cầu Wien Khối phát sin cung cấp điện áp chuẩn 7V tần số 30kHz vào cực phát cảm biến cân cực tụ điện Hai điện cực thu mắc phối hợp thành mạch CR để đo giá trị tụ điện C1 , C2 cảm biến 16 R = 100 K R = 330 K Lọc thông thấp R 0= 56 K R = 10 K Tiền khuếch đại C = 0,1 uF Cảm biến Khuếch đại vi sai OPA-Nguồn đơn drive C2 R5 AD 620 C1 Tiền khuếch đại Vout C2 R = 330 K R = 100 K R = 10 K C = 0,1 uF R = 56 K Hình 3.2: Sơ đồ mạch đo cảm biến điện dung kiểu vi sai Hình 3.2 3.3 thể sơ đồ nguyên lý hình ảnh thực tế mạch điện thu thập xử lý tín hiệu cho cảm biến góc nghiêng Điện áp sin lối vào áp lên điện cực phát Tín hiệu lối cảm biến lấy hai điện cực thu Hai tín hiệu đưa qua mạch khuếch đại không đảo trước vào mạch khuếch đại công cụ AD620 C1, C2 kết hợp với R0 tạo mạch CR điện áp hai đầu R0 C1, C2 tạo lấy vi sai để tính thay đổi điện dung 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 mạch đo cảm biến cân Gọi ∆C= C1- C2 ta có: (3.1) 17 (3.2)  Và: Với: Trong trường hợp =