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 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 ±0,35 Đối với trục y, vùng hoạt động tuyến tính cảm biến chạy từ -12 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 hoàn toàn 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 ngun 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 TRƯC CẢM BIẾN GĨC 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 toán 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 mô tả cấu trúc cảm biến cân kiểu tụ điện mơi 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 ngun 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 Điện cực đồng C2 x 12 mm C1 mm12 Bọt khí Chất lỏng Hình 2.1: Cấu trúc cảm biến Hình 2.2: Kích thước cảm biến cân đo góc nhỏ kiểu điện điện cực dung 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 S4 S4 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 thông 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 a) Bảng 2.1: Các tham số cảm biến Thông số cấu trúc Độ rộng điện cực Khoảng cách điện cực Độ dài điện cực Hằng số điện môi nước [72] Khối lượng riêng nước [73] Độ nhớt nước [73] Hằng số điện môi xăng [72] Khối lượng riêng xăng [74] Độ nhớt xăng [74] 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 ôm 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) a) C2>C1 b) C2=C1 c) C2C1 (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 Hình 2.6: Cảm biến góc nghiêng chiều điện cực dạng tụ điện mơi hai pha lỏng khí Bảng 2.2: Các tham số cảm biến góc nghiêng điện cực 17  Với: Trong trường hợp   Hay: = Công thức (3.3) chứng tỏ trường hợp nghĩa dung kháng cảm biến lớn nhiều điện trở trị vi sai điện áp đầu tỉ lệ tuyến tính với vi sai tụ điện 3.2 Thiết kế mạch điện cho cảm biến góc nghiêng dải rộng Do yêu cầu toán phải tăng tần số làm việc cảm biến lên kích thước cấu trúc điện cực cảm biến thay đổi nên việc thiết kế mạch đòi hỏi phải thay đổi so với cảm biến cân bằng, tần số 100 kHz sử dụng dải điện dung cỡ fF R0 KĐ KĐ C1 C2 R0 TạoSinesóngwavesinGenerator127Khz, 18 Trên hình 3.4 mơ tả sơ đồ khối hoạt động việc đo cảm biến góc nghiêng kiểu tụ điện với tần số làm việc 127 kHz Hình 3.5 mơ tả thiết kế PCB đo điện dung cảm biến góc nghiêng Các đường mạch khối khuếch đại thiết kế đối xứng tối đa để tránh sai lệch tụ ký sinh mạch điện (Hình 3.5a) Hình 3.5b ảnh thực tế cảm biến gắn mạch PCB 3.3 Xây dựng mạch điện cho cảm biến góc nghiêng hai chiều Hình 3.6 mơ tả sơ đồ khối mạch đo điện dung cảm biến góc nghiêng hai chiều Trục X + KĐ Visai Chỉnh lưu LPF R Trục Y + KĐ Visai Chỉnh lưu C LPF R2 Mạch tách sóng cầu Wien f = 170 kHz Phần phát Cảm biến điện dung Mạch điều kiện Hình 3.6: Sơ đồ khối mạch đo cảm biến góc nghiêng hai chiều 3.4 Xây dựng hệ đo Để khảo sát cảm biến góc nghiêng, hệ đo xây dựng với giá đỡ cảm biến xoay trục 360 o thước đo chuẩn để xác định góc nghiêng Hình 3.7 hệ thống đo góc nghiêng với thước đo góc nghiêng điện tử INSIZE 2173-360 Hiệu chuẩn góc nghiêng Cảm biến góc nghiêng X (Chiều dài×Đường kính) 35mm 75mm Kích thước tổng thể 30mm×11.5mm Y Cảm biến ki ểu điện dung gắn đó, trục xoay thay Hình 3.7: Hệ đo góc nghiêng với đổi góc nghiêng ghi tín hiệu đầu ứng với góc nghiêng khác0 thước đo điện tử Insize 19 Để đa dạng khảo sát, hệ giá đỡ khác sử dụng có sẵn thước chia góc nghiêng với độ phân dải 0.1 (hình 3.8) Thước xoay quanh trục X góc quay từ 00 ÷ 360o 3.5 Kết luận chương Chương luận án trình bày phương pháp xây dựng hệ cảm biến góc nghiêng mạch khuếch đại điện dung cho cảm biến, hệ đo kiểm tra chế độ làm việc loại cảm biến cân cảm biến góc nghiêng chiều hai chiều Chương 4: KHẢO SÁT ĐÁNH GIÁ CÁC CẤU TRƯC CẢM BIẾN GĨC NGHIÊNG KIỂU TỤ ĐIỆN 4.1 Cảm biến cân kiểu tụ điện điện môi hai pha lỏng- khí Trong luận án này, hệ cảm biến thăng dùng chất lỏng để phát vị trí thăng bọt khí xây dựng Tụ điện có cực đồng, điện cực có chiều dài 35 mm, hai điện cực lại có chiều dài 15 mm, khoảng cách điện cực mm Theo sơ đồ hình 3.2 theo cơng thức (3.3) chương ta có: (4.1) Với R0= 56 kΩ, điện áp đỉnh 24 V biến thiên hai tụ điện tính:  = 79 (fF) (4.2) 250 ms 2V Điện áp lối (V) 250 ms y Đường tuyến tính Kết đo Góc nghiêng (độ) Hình 4.1: Kết khảo sát cảm biến cân góc nghiêng nhỏ Điện áp bão hòa 1,8V ứng với góc nghiêng 1,20 x Hình 4.2: Tín hiệu đầu thay đổi góc nghiêng đột ngột thay đổi đạt bão hòa ngưỡng đo Bên cạnh việc khảo sát tín hiệu lối góc nghiêng thay đổi, hệ thống cảm biến khảo sát đáp ứng thời gian cảm biến Cảm biến đạt bão hòa với giới hạn góc > 1,20 (hình 4.2) thời gian đáp ứng 250 ms 20 Mạch điện xử lý tín hiệu có hai lọc thơng thấp, tần số cắt mạch lọc trình bày chi tiết chương 3, ta có: (4.3) Với C=10 nF R=10 kΩ lọc thứ C=100 nF R=100 kΩ (hình 3.2) ta có T1 = 6.3 ms T2 = 63 ms Các kết đo tín hiệu đầu thể vị trí bọt khí ống chất lỏng, từ xác định góc nghiêng cảm biến Cảm biến đo góc nghiêng nhỏ khoảng ±1,2 với độ nhạy 1,5 V/độ Cảm biến hoạt động điều kiện môi trường khắc nghiệt dựa cấu trúc kiểu tụ Cấu trúc nghiên cứu tối ưu để mở rộng dải đo cho ứng dụng yêu cầu đo góc lớn 4.2 Cảm biến góc nghiêng dải rộng chiều kiểu tụ điện với điện mơi nước Cấu trúc cảm biến góc nghiêng gồm điện cực có kích thước nhau, thiết kế ôm ống chứa dung dịch, điện cực có chiều dài 30 mm, khoảng cách điện cực mm thiết kế chế tạo Công thức (3.1) mô tả mối quan hệ điện áp đo hai tụ vi sai thay đổi hai tụ mạch đo sử dụng cấu trúc RC với trường hợp điện trở R nhỏ nhiều Zc mạch điện áp dụng với cảm biến tụ điện có điện dung nhỏ cỡ fF tương quan với R cỡ vài kΩ đến vài chục kΩ Kết mô chương hai với cấu trúc ba cực tụ điện trụ điện môi hai pha nước khơng khí khảo sát dải o ÷ 80o lắp vào cơng thức tính xuôi mạch điện RC điện áp hai điểm trước vào khuếch đại vi sai là: Giá trị mô bảng 2.3 chương với C1, C2 tương ứng tính theo cơng thức 800 Kết cho thấy cảm biến có dải làm việc tuyến tính khoảng từ 00 đến 300 với độ nhạy gần 18 fF/o –C (fF) 21 Điện dung visailố ir aC Dữ liệu đo Dải tuyến tính Góc (độ) Hình 4.3: Đồ thị biểu diễn Hình 4.4: Tín hiệu đầu phụ thuộc vào điện dung vi sai lối C1- C2 góc nghiêng dải từ 0 đến 75 Điện áp đầu (V) Trong khuôn khổ nghiên cứu luận án, cảm biến khảo sát đo với góc nghiêng dải từ 0 đến 750 Hình 4.4 4.6 biểu diễn điện áp lối cảm biến góc nghiêng lối vào thay đổi Kết đo cho thấy cảm biến hoạt động tuyến tinh dải từ 0 đến khoảng ±500 Hình 4.5 phóng đại hình ảnh tín hiệu khoảng từ 0 đến 250, dải này, điện áp lối thay đổi từ đến khoảng 1,09 V Độ nhạy cảm biến dải đạt giá trị 44 mV/độ Cảm biến có đáp ứng phi tuyến với góc nghiêng lớn 50 o khảo sát góc nghiêng cho góc lên đến 750 4.3 Cảm biến góc nghiêng hai chiều điện cực kiểu tụ điện với điện môi xăng khơng khí Dựa cấu trúc cảm biến hai chiều kiểu tụ điện bao gồm cực, cấu trúc cảm biến xây dựng khảo sát đo đạc Cấu tạo cảm biến gồm điện cực hình trụ hai điện cực dạng nửa vòng xuyến hai đầu thể chương Chất lỏng sử dụng cảm biến xăng 22 Điện áp đầu (mV) khơng khí để tạo nên mơi trường hai pha lỏng khí Độ nghiêng cảm biến thể thông qua giá trị tương đối tụ điện hay gián tiếp chênh lệch điện áp điện cực lối Thời gian (ms) Góc nghiêng (độ) Điện áp đầu (mV) Hình 4.7: Điện áp đo lối cảm biến thay đổi góc nghiêng theo trục x y toàn thang đo từ -1800 đến +1800 Tín hiệu đầu vào thay đổi từ khoảng -5 mV đến +5 mV Hình 4.7 biểu diễn điện áp lối thay đổi góc nghiêng cảm biến theo trục x trục y toàn thang đo từ -180o đến +180o Kết cho thấy cảm biến có dải đo rộng góc nghiêng theo trục x Điện áp lối đo cảm biến chế tạo có dạng hình sin bám theo đáp ứng kết mô tính tốn nhận Góc nghiêng (độ) 0 Hình 4.8: Kết đo với dải góc từ -80 đến +80 trục x so sánh độ nhạy trục x y dải góc -200 đến +200 Nhiễu xuyên âm- Vyx Điện áp đầu (mV) Nhiễu xuyên âm- Vxy Hệ số tương quan r = 0,999 Hệ số tương quan r = 0,994 23 Từ kết này, ta thấy cảm biến có ba miền làm việc tuyến tính bao gồm từ -180o đến -80o, từ -80o đến +80o, từ 80o đến +180o Điện áp lối lớn đạt giá trị 1150 mV góc nghiêng +80o Hình 4.8 thể phóng đại tín hiệu dải tuyến tính Dải đo tuyến tính cảm biến đạt từ -50 o đến +50o, dải đo thực nghiệm nhận rộng so với kết mô Kết có khác biệt định cấu trúc mô lý tưởng cấu trúc thật Các tượng vật lý dính ướt bề mặt, độ nhớt chất lỏng bỏ qua toán mô Độ nhạy cảm biến đạt giá trị 16,5 mV/độ, dải đo từ -50 o đến +50o Bằng phương pháp thực nghiệm, sai số điện áp đo mức ±10 mV, sai số phép đo đạt khoảng ±0,35o Nhiễu phép đo đến từ nguồn nhiễu xuyên kênh, nhiễu chung, nhiễu cơng nghiệp nhiễu lượng tử hóa biến đổi ADC Như hình 4.10, điện áp nhiễu xuyên kênh từ kênh y sang kênh x nhỏ đạt giá trị khoảng 5,5% dải tuyến tính Hình 4.8 4.9 thể đáp ứng lối khảo sát độ nghiêng theo trục y Trong trường hợp này, vùng hoạt động tuyến tính cảm biến chạy từ -12o đến +12o Độ nhạy độ phân giải cảm biến trục y đạt 57mV/độ 0,15o 4.4 Kết luận chương Chương trình bày kết thực nghiệm đạt ba cấu trúc cảm biến góc nghiêng Các kết thực nghiệm phù hợp với phân tích lý thuyết kết mơ Cảm biến thứ có cấu trúc mạch điện xử lý tín hiệu đơn giản Tuy vậy, cấu trúc có góc đo nhỏ Do đó, cấu trúc thứ phù hợp với hệ thống điều chỉnh cân hệ thống chống rung khơng gian Cảm biến thứ hai đo góc nghiêng dải rộng nhiều lần so với cảm biến thứ có tiềm ứng dụng hệ thống đo nghiêng Cảm biến thứ ba tối ưu cảm biến thứ hai, đó, cảm biến bổ sung thêm hai điện cực hai đầu để đo độ nghiêng theo trục y Cảm biến có tiềm ứng dụng rộng rãi Các kết thực nghiệm đạt cho thấy, cảm biến hoạt động tốt đáp ứng với thiết kế mơ Ngồi khảo sát hoạt động cảm biến dựa đáp ứng tín hiệu, cảm biến khảo sát độ ổn định lặp lại Các cảm biến chế tạo 24 khảo sát thời gian năm, nghiên cứu sinh không nhận thay đổi đáp ứng cảm biến KẾT LUẬN Kết nghiên cứu Qua trình nghiên cứu thực hiện, nghiên cứu sinh xây dựng ba cấu trúc cảm biến đo góc nghiêng; mơ hoạt động cảm biến; chế tạo khảo sát hoạt động cấu trúc cảm biến Đóng góp luận án - 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 ôm 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 mơi 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 ±0,35 Đối với trục y, vùng hoạt động tuyến tính cảm biến chạy từ -12 đến +120 Độ nhạy độ phân giải cảm biến trục y đạt 57mV/độ 0,150 Hướng phát triển luận án Với cấu trúc cảm biến đề xuất tiến hành đo đạc kết thực nghiệm, cấu trúc hồn tồn phát triển để theo có dõi hoạt động tàu thuyền với hệ cảm biến bố trí vị trí khác Khi có mấp mơ sóng biển gây dao động cảm biến, từ phát cảnh báo trung tâm xử lý Khảo sát loại chất lỏng có độ nhớt khác nhau, có độ dính ướt độ bám chất lỏng khác Một hướng nghiên cứu thu thập, tiến hành đo đạc với hệ cảm biến bố trí hình cầu, từ khảo sát đo đạc thay đổi góc cảm biến DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC Đà CƠNG BỐ Đặng Đình Tiệp, Vũ Quốc Tuấn, Chử Đức Trình , “ Thiết kế chế tạo cảm biến thăng kiểu tụ điện dựa cấu trúc ống chất lỏng với bọt khí”, Hội nghị điện tử tồn quốc lần thứ 7, VCM-2014 , 11/ 2014, mã số: ISBN: 978-604-913-306-0, tr.364 ÷ 368 Đặng Đình Tiệp, Vũ Quốc Tuấn, Bùi Ngọc Mỹ, Chử Đức Trình, “Nghiên cứu thiết kế hệ khuếch đại Lock – In analog tần số 10Khz”, Tạp chí nghiên cứu khoa học CNQS, 10/2015, mã số: ISBN 1859-1043, tr.235 ÷ 241 Đặng Đình Tiệp, Vũ Quốc Tuấn, Bùi Ngọc Mỹ, Chử Đức Trình, “Thiết kế chế tạo cảm biến góc nghiêng kiểu tụ điện dựa cấu trúc hai pha lỏng khí” , Hội nghị toàn quốc lần thứ điều khiển tự động hóa ĐH Thái nguyên, 11/2015, mã số: ISBN 978-604-913-429-6, tr 566 ÷ 571 Dang Dinh Tiep, Bui Ngoc My, Vu Quoc Tuan, Pham Quoc Thinh, Tran Minh Cuong, Bui Thanh Tung, Chu Duc Trinh, “ Tilt Sensor Based on Three Electrodes Dielectric Liquid Capacitive Sensor”, IEEE ICCE 2016,IEEE Sixth International Conference on Communications and Electronics Hạ Long, 07/2016, mã số: ISBN 978 -1- 5090-1800-0, tr 172 ÷ 175 Tiep Dang Dinh, Tung Thanh Bui, Tuan Vu Quoc, Thinh Pham Quoc, Masahiro Aoyagi, My Bui Ngoc and Trinh Chu Duc, “ Two-axis Tilt Angle Detection based on Dielectric Liquid Capacitive Sensor”, Hội nghị IEEE SENSOR 2016 Orlando, Florida, Mỹ, 10/2016 giải Best Student paper Finalist, IEEE Catalog Number: CFP16SEN-ART; ISBN 978 -1- 47998287-5, tr 907 ÷ 909 ... 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... 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. .. 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