Nghiên cứu, phát triển một cảm biến đo biến dạng ứng dụng cho các thiết bị mặc được

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TRẦN NHƯ CHÍ NGHIÊN CỨU, PHÁT TRIỂN MỘT CẢM BIẾN ĐO BIẾN DẠNG ỨNG DỤNG CHO CÁC THIẾT BỊ MẶC ĐƯỢC LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ, TRUYỀN THÔNG HÀ NỘI - 2019 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TRẦN NHƯ CHÍ NGHIÊN CỨU, PHÁT TRIỂN MỘT CẢM BIẾN ĐO BIẾN DẠNG ỨNG DỤNG CHO CÁC THIẾT BỊ MẶC ĐƯỢC Ngành : Công nghệ kỹ thuật điện tử, truyền thông Chuyên ngành : Kỹ thuật điện tử Mã ngành : 8510302.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ, TRUYỀN THÔNG Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Chử Đức Trình HÀ NỘI - 2019 LỜI CẢM ƠN Trước tiên, xin gửi lời cảm ơn đến thầy, cô giáo Trường Đại học Công nghệ ĐHQGHN, Khoa Điện tử - Viễn thơng tận tình giảng dạy truyền đạt kiến thức, kinh nghiệm quý giá suốt trình học tập nghiên cứu q trình thực đề tài Tơi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến PGS.TS Chử Đức Trình tận tình hướng dẫn, cung cấp tài liệu, thiết bị suốt trình thực đề tài Hà Nội, tháng năm 2019 Trần Như Chí LỜI CAM ĐOAN Luận văn đánh dấu cho thành quả, kiến thức thu nhận trình rèn luyện, học tập trường Tơi xin cam đoan luận văn hồn thành q trình học tập nghiên cứu tơi Trong luận văn tơi có tham khảo số tài liệu số báo đưa phần tài liệu tham khảo Tôi xin cam đoan lời thật chịu trách nhiệm trước thầy cô hội đồng bảo vệ luận văn Hà Nội, tháng năm 2019 Thực Trần Như Chí MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC .3 MỞ ĐẦU CHƯƠNG GIỚI THIỆU 1.1 Biến dạng 1.2.1 Đầu đo điện trở kim loại 10 1.2.2 Cảm biến áp trở silic 13 1.2.3 Đầu đo chế độ động 15 1.2.4 Ứng suất kế dây rung 17 1.3 Cảm biến đo biến dạng dải rộng 18 CHƯƠNG CẢM BIẾN ĐO BIẾN DẠNG DỰA TRÊN CHẤT LỎNG ION 20 2.1 Nguyên lý hoạt động cảm biến 20 2.2 Đo điện trở cảm biến 21 2.2.1 Mạch tạo dao động cầu Wien .21 2.2.2 Nguồn dòng Howland 24 2.2.3 Thiết kế hệ đo 25 CHƯƠNG CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM 27 3.1 Chế tạo cảm biến 27 3.2 Thiết lập thí nghiệm 31 CHƯƠNG KẾT QUẢ KHẢO SÁT HOẠT ĐỘNG CẢM BẾN 33 4.1 Khảo sát cảm biến theo tỉ lệ dung dịch muối 33 4.2 Khảo sát cảm biến theo đường kính ống silicone .34 4.3 Khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ tới cảm biến 35 CHƯƠNG ỨNG DỤNG ĐẾM BƯỚC CHÂN DỰA TRÊN CẢM BIẾN ĐO BIẾN DẠNG 37 5.1 Thiết lập thí nghiệm 37 5.2 Kết phân tích xử lí tín hiệu 38 KẾT LUẬN 44 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN .45 TÀI LIỆU THAM KHẢO 46 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Sơ đồ cấu tạo đầu đo kim loại 10 Hình 1.2 Các cố định đầu đo bề mặt khảo sát .11 Hình 1.3 Đầu đo chế tạo mẫu cắt 13 Hình 1.4 Đầu đo loại khuếch tán 13 Hình 1.5 Sự phụ thuộc điện trở suất vào nồng độ pha tạp nhiệt độ 15 Hình 1.6 Sự phụ thuộc K vào độ pha tạp 15 Hình 1.7 Một số ứng dụng cảm biến biến dạng dải rộng (a) Cảm biến gắn lên cổ để phát giọng nói (b) Cảm biến gắn lên chân để xác định trạng thái đếm số bước chân (c) Cảm biến gắn lên tay để xác định cử tay 19 Hình 2.1 Mơ hình cảm biến đo biến dạng dựa chất lỏng ion 20 Hình 2.2 Nguyên tắc cảm biến biến dạng (a) Cảm biến trạng thái ban đầu, (b) Cảm biến kéo dãn 21 Hình 2.3 Mạch hệ thống hồi tiếp (a) mạch mạch tương đương (b) .21 Hình 2.4 Điều chỉnh biên độ biến dạng mạch cầu Wien 22 Hình 2.5 Điều chỉnh tần số dùng biến trở đôi 23 Hình 2.6 Điều chỉnh tần số dùng hồi tiếp âm 23 Hình 2.7 Mạch nguồn dịn Howland 24 Hình 2.8 Sơ đồ mạch đo 26 Hình 3.1 Cơng thức hóa học cao su silicone 27 Hình 3.2 Cấu trúc tinh thể clorua natri Lục sẫm = Na+; Lam nhạt = Cl- 28 Hình 3.3 Cơng thức hóa học Glycerin 29 Hình 3.4 Các cảm biến sau chế tạo 31 Hình 3.5 Mạch thực tế 32 Hình 3.6 Bộ điều chỉnh ứng lực 32 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) 34 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 34 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 36 Hình 5.1 Gắn cảm biến lên khớp gối 37 Hình 5.2 Chương trình phần mềm máy tính 38 Hình 5.3 Dạng tín hiệu gập duỗi chân 39 Hình 5.4 Tín hiệu thu từ hoạt động người .39 Hình 5.5 Thuật tốn xử lí tín hiệu 39 Hình 5.6 Tín hiệu gốc 40 Hình 5.7 Tín hiệu sau qua lọc trung bình 41 Hình 5.8 Tín hiệu sau qua lọc thơng cao 41 Hình 5.9 Tín hiệu sau qua lọc ngưỡng chuyển thành dạng xung vng 42 Hình 5.10 Tín hiệu có xung nhỏ sinh từ bước chân ngắn, khớp gối không gập nhiều .43 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Bảng thông số hợp kim làm đầu đo 10 Bảng 3.1 Thông số cảm biến chế tạo 31 Bảng 5.1 Kết đếm bước chân so với thực tế 42 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 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  khơng 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 mơi 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, tơi 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 dòng điện qua cảm biến không 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 thông cao Sau qua lọc thông 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