Nghiên cứu thiết kế, mô phỏng và thử nghiệm cảm biến góc nghiêng hai chiều cấu trúc hai pha lỏng khí luận văn ths kỹ thuật điện, điện tử và viễn thông

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN NGỌC DŨNG NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG VÀ THỬ NGHIỆM CẢM BIẾN GÓC NGHIÊNG HAI CHIỀU CẤU TRÚC HAI PHA LỎNG –KHÍ LUẬN VĂN THẠC SĨ CƠNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG Hà Nội - 2017 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN NGỌC DŨNG NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG VÀ THỬ NGHIỆM CẢM BIẾN GÓC NGHIÊNG HAI CHIỀU CẤU TRÚC HAI PHA LỎNG –KHÍ Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã số: 60 52 02 03 LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG Người hướng dẫn khoa học: TS Bùi Thanh Tùng Hà Nội - 2017 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài “NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG VÀ THỬ NGHIỆM CẢM BIẾN GÓC NGHIÊNG HAI CHIỀU CẤU TRÚC HAI PHA LỎNG -KHÍ” TS Bùi Thanh Tùng hướng dẫn cơng trình nghiên cứu tơi Các nội dung nghiên cứu, kết đề tài trung thực khơng chép cơng trình người khác Tất tài liệu tham khảo sử dụng luận văn ghi rõ nguồn gốc tên tác giả Nếu có sai sót, tơi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm Hà Nội, tháng 10, năm 2017 Nguyễn Ngọc Dũng i LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS Bùi Thanh Tùng PGS.TS Chử Đức Trình tận tình hướng dẫn, bảo có góp ý giá trị để tơi hồn thành luận văn Tôi xin cảm ơn TS Nguyễn Đắc Hải (Đại học Công Nghiệp Hà Nội) NCS Vũ Quốc Tuấn (Viện Vật lý ứng dụng – Viện Hàn lâm khoa học công nghệ Việt Nam) giúp đỡ nhiệt tình trình đo đạc thực nghiệm giá trị cảm biến Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn tới thầy cô giáo khoa Điện Tử Viễn Thông, Trường Đại Học Công Nghệ - Đại Học Quốc Gia Hà Nội truyền đạt cho tơi kiến thức bổ ích thiết thực suốt trình học tập trường Trong trình thực luận văn, kiến thức hạn chế, khơng thể tránh khỏi thiếu sót, tơi mong nhận ý kiến đóng góp quý Thầy Cơ để tơi tiếp tục hồn thiện phát triển đề tài Hà Nội, tháng 10, năm 2017 Nguyễn Ngọc Dũng ii TÓM TẮT LUẬN VĂN Luận văn trình bày nghiên cứu phát triển cảm biến đo góc nghiêng hai trục dựa nguyên lý đo điện dung vi sai cấu trúc hai pha lỏng - khí Cảm biến nghiêng khảo sát thử nghiệm cải tiến thiết kế với cấu trúc cảm biến hình cầu rỗng với năm điện cực gắn bên ngồi vị trí xác định quanh hình cầu Trong điện cực đóng vai trị điện cực kích thích, hai cặp điện cực cịn lại (có vị trí đối xứng qua trục đối xứng hình cầu) đóng vai trị điện cực thu cho hai trục x y Quả cầu có chứa phần chất lỏng điện mơi (nước, số điện môi 81) Với cấu trúc cải tiến cảm biến đề xuất phát góc nghiêng theo hai trục x y với độ nhạy dải làm việc cảm biến trục tương đồng Hoạt động cảm biến trước tiên khảo sát phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element method - FEM) sử dụng phần mềm mô Comsol Multiphysics Dựa kết mơ này, kích thước điện cực tìm để đạt tối ưu độ nhạy dải làm việc cho cảm biến Nguyên mẫu cảm biến chế tạo thử sử dụng phương pháp in 3D tạo mẫu nhanh (3D printing) hoạt động cảm biến kiểm nghiệm Kết thực nghiệm xác nhận thay đổi giá trị điện dung vi sai cặp điện cực tương ứng với thay đổi góc nghiêng tác dụng lên cảm biến theo hai trục x y Trên trục x cảm biến có dải làm việc [-70°, 70°] với độ nhạy 59.4 mV/° dải tuyến tính; trục y dải làm việc cảm biến [70°, 70°] với độ nhạy 32.1 mV/° Kết đo đạc cho thấy tương đồng kết mô kết thực nghiệm dải làm việc sai khác độ nhạy cảm biến theo hai trục x, y iii MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ vi DANH MỤC BẢNG BIỂU viii MỞ ĐẦU CHƯƠNG ỨNG DỤNG CỦA CẢM BIẾN ĐO GÓC NGHIÊNG VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH ĐỘ NGHIÊNG 1.1 Các ứng dụng cảm biến đo góc nghiêng .3 1.2 Một số phương pháp đo góc nghiêng 1.2.1 Phương pháp đo góc nghiêng kiểu học 1.2.2 Phương pháp đo góc nghiêng kiểu vi điện tử 1.2.3 Phương pháp đo góc nghiêng kiểu quang học 1.2.4 Phương pháp đo góc nghiêng kiểu điện dung CHƯƠNG LÝ THUYẾT VỀ TỤ ĐIỆN VÀ CẢM BIẾN KIỂU TỤ 2.1 Lý thuyết tụ điện 2.2 Các loại cảm biến kiểu tụ 12 2.3 Ứng dụng cảm biến kiểu tụ 13 2.3.1 Cảm biến đo độ ẩm 13 2.3.2 Cảm biến đo góc nghiêng 13 2.3.3 Cảm biến đo áp suất 14 CHƯƠNG THIẾT KẾ - MƠ PHỎNG CẢM BIẾN GĨC NGHIÊNG HAI CHIỀU CẤU TRÚC HAI PHA LỎNG KHÍ 15 3.1 Các tham số đặc tính cảm biến nghiêng 15 3.2 Kết cấu trúc cảm biến góc nghiêng đề xuất 15 3.3 Đề xuất cấu trúc cảm biến góc nghiêng 17 iv 3.3.1 Cấu trúc cảm biến hình lập phương 3.3.2 Cấu trúc cảm biến hình cầu CHƯƠNG ĐO ĐẠC - KHẢO SÁT CẢM BIẾN GĨC NGHIÊNG HAI CHIỀU CẤU TRÚC HAI PHA LỎNG KHÍ 4.1 Công nghệ chế tạo cảm biến máy in 3D 4.1.1 Công nghệ in 3D FDM 4.1.2 Công nghệ in 3D Polyjet 4.1.3 Mơ hình thiết kế cảm biến 4.2 Mạch điện cảm biến góc nghiêng điện tử 4.3 Thiết lập hệ đo đạc 4.4 Kết đo đạc KẾT LUẬN TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC v DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Một số ứng dụng cảm biến góc nghiêng (Nguồn: Internet) Hình 1.2: Hệ đo góc nghiêng kiểu học (Nguồn: Internet) Hình 1.3: Cấu trúc dầm treo – khối nặng cảm biến vi điện tử đo góc nghiêng (Nguồn: Internet) Hình 1.4: Cấu trúc hệ đo góc nghiêng phương pháp quang học [3] .7 Hình 1.5: Mơ tả cách tính góc nghiêng phương pháp quang học [3] Hình 1.6: Cấu trúc cảm biến góc nghiêng điện dung sử dụng cầu kim loại [8] .8 Hình 1.7: Cấu trúc cảm biến góc nghiêng điện dung sử dụng điện mơi [8] Hình 2.1: Cấu tạo đơn giản tụ điện (Nguồn: Internet) Hình 3.1: Hình mơ cấu trúc cảm biến hình trụ 15 Hình 3.2: Mơ tả hình ảnh cảm biến bị nghiêng theo trục x trục y 16 Hình 3.3: Mơ thiết kế mạch in PCB 17 Hình 3.4: Cấu trúc cảm biến nghiêng hình lập phương 18 Hình 3.5: Kết mơ với hình lập phương theo trục x 19 Hình 3.6: Kết mô điện dung vi sai tụ với đường tuyến tính 20 Hình 3.7: Sự phân bố điện trường cảm biến khối lập phương (trái) 10 độ (phải) 20 Hình 3.8: Mơ hình cấu trúc cảm biến hình cầu 21 Hình 3.9: Biểu đồ dải làm việc cảm biến thu ứng với thể tích dung dịch khác 22 Hình 3.10: Mơ hoạt động cảm biến với mức nước tìm thấy .23 Hình 3.11: Hình phóng to điện dung vi sai tụ với đường tuyến tính 23 Hình 3.12: Sự phân bố điện trường cảm biến khối cầu độ (trái) 20 độ (phải) 24 Hình 3.13: Hình mơ cấu trúc mặt cầu 24 Hình 3.14: Mối liên hệ vị trí đặt điện cực dải làm việc cảm biến 25 Hình 3.15: So sánh điện dung vi sai theo trục hình cầu lập phương .26 vi Sau lấy hết phần hợp chất, dung môi nước bơm vào khối cầu theo giá trị mô phỏng, phần nắp cầu sau đậy lên gắn chặt keo dính nhựa để đảm bảo cảm biến khơng bị dị nước hoạt động Hình 4.4: Kích thước cảm biến thực tế Đối với điện cực, điện cực chế tạo đồng, kích thước điện cực gia cơng xác công nghệ CNC gắn vào vị trí đánh dấu khối cầu manipulator 4.2 Mạch điện cảm biến góc nghiêng điện tử Kế thừa từ nghiên cứu [1] [2], sơ đồ khối mạch cảm biến góc nghiêng điện tử khơng có nhiều thay đổi Hình 4.5 đây: Hình 4.5: Sơ đồ khối mạch điện cảm biến góc nghiêng điện tử 32 • Bộ tạo dao động sin: sử dụng mạch cầu Wien để phát tín hiệu vào cho hệ thống Tần số tín hiệu mạch dao động 127 kHz • Cảm biến góc nghiêng: cung cấp giá trị đầu điện dung vi sai hai tụ điện Giá trị ∆C đưa qua mạch chuyển đổi điện áp để điều chế tín hiệu nguồn theo thay đổi điện dung vi sai • Bộ khuếch đại tín hiệu: bao gồm mạch tiền khuếch đại khuếch đại vi sai, làm nhiệm vụ khuếch đại biên độ tín hiệu đầu chuyển đổi điện áp • Bộ tách sóng đường bao Bộ lọc thơng thấp: tách thay đổi biên độ tín hiệu loại bỏ thành phần tần số cao Tín hiệu đầu hệ thống tín hiệu chiều có giá trị điện áp tỷ lệ với điện dung vi sai điện cực cảm ứng cảm biến Sơ đồ nguyên lý mạch điện cảm biến góc nghiêng điện tử trình bày chi tiết PHỤ LỤC Hình ảnh thực tế mạch đo sau chế tạo đây: Hình 4.6: Sơ đồ khối tương ứng thiết kế PCB Do thiết kế cảm biến có cặp điện cực cần đo, với mạch PCB cho phép xác định điện áp vi sai cặp điện cực nên giải pháp sử dụng mạch PCB để xác định đầy đủ điện áp vi sai hai cặp cực nghiêng cảm biến 33 góc khác đề xuất Nguồn dao động cấp bảng mạch PCB (Hình 4.7) Ở đây, phương pháp ghép hai mạch PCB tính đến, khơng đảm bảo yếu tố tính đối xứng đường mạch, dễ dàng phát sinh tụ ký sinh mạch điện, gây ảnh hưởng đến độ xác kết đo nên phương án khơng sử dụng Hình 4.7: Mạch đo cảm biến góc nghiêng điện tử - mặt 34 Hình 4.8: Mạch đo cảm biến góc nghiêng điện tử - mặt Vị trí cảm biến nghiêng đặt hai bảng mạch kết nối với điện cực Hình 4.9 Hình 4.9: Vị trí đặt cảm biến mạch đo góc nghiêng điện tử 4.3 Thiết lập hệ đo đạc Dựa kết mô thực hiện, cấu trúc cảm biến đề xuất chế tạo thử nghiệm có thông số Bảng Hệ đo đặt mặt phẳng có giá đỡ xác định góc nghiêng mặt phẳng thước chia độ với độ phân dải độ Mạch cảm biến gắn cố định vào đĩa xoay Khi điều chỉnh độ nghiêng cảm biến, giá trị điện áp đầu mạch điện xử lý thay đổi tương ứng 35 Hệ thống tiến hành khảo sát góc nghiêng thay đổi từ -180° đến 180°, với bước thay đổi độ/lần đo Lần lượt cho thay đổi độ nghiêng cảm biến theo trục (theo hướng cặp điện cực thu) Đồng hồ đo điện áp đầu nối với chân tín hiệu đất, đầu cịn lại nối với chân tín hiệu điện áp Tại góc đo giá trị điện áp đầu theo trục đo trục lại (nhiễu cross talk) xác định Hệ thống đo đạc triển khai thực tế (Hình 4.10): Hình 4.10: Hệ thống đo đạc thực tế 4.4 Kết đo đạc Cảm biến khảo sát toàn dải từ -180° đến 180° với 5°/lần theo trục x y Kết đo đạc thực tế biểu diễn Hình 4.11 bên dưới, thấy hình dạng đường đồ thị trục x trục y tương đồng với tại vị trí điện áp đạt cực tiểu, cực đại độ nhạy hệ số tuyến tính trục x trục y lại chênh lệch nhiều Khi cảm biến xoay theo trục x, dải điện áp đồng biến nằm khoảng [-70°, 70°] với độ nhạy 59.4 mV/° Khi cảm biến xoay theo trục y, dải 36 điện áp đồng biến thu với trục x, nằm khoảng [-70°, 70°] với độ nhạy đạt 32.1 mV/° Nhiễu xuyên kênh crosstalk khơng đáng kể, 2.3% dải tuyến tính đo theo trục x (Hình 4.11) Có khác phần kích thước cảm biến nhỏ khó thao tác điều dẫn đến vị trí đặt điện cực khơng thực đối xứng độ bám dính điện cực vào bề mặt cảm biến thấp nên ảnh hưởng đến tiếp xúc điện cực với mạch đo Một nguyên nhân khác, bỏ qua dung dich sử dụng cầu nước máy, có trở kháng nên làm ảnh hưởng đến giá trị điện dung cặp điện cực Nếu sử dụng dung mơi khác xăng hay rượu loại bỏ trở kháng dung dịch, loại dung mơi làm hỏng cầu nhựa để thời gian dài nên khơng lựa chọn Ngồi ra, sử dụng thủy tinh làm vật liệu chế tạo cảm biến Trong trường hợp này, hạn chế môi chất khắc phục hoàn toàn Tuy nhiên, việc chế tạo cảm biến thủy tinh phức tạp tác giả muốn sâu vào khảo sát cảm biến cấu trúc dạng cầu trước tiên nên chọn chất liệu cho cảm biến nhựa DeltaV - V -2 -4 Truc X Truc Y -6 Angle - degrees Hình 4.11: Mối liên hệ điện áp lối góc nghiêng theo trục x trục y 37 DeltaV - V Angle - degrees DeltaV - V Hình 4.12: Nhiễu cross-talk trục y lên trục x Angle - degrees Hình 4.13: Dải làm việc cảm biến theo trục x DeltaV - V Angle - degrees Hình 4.14: Dải làm việc cảm biến theo trục y Sự khác biệt độ nhạy cảm biến theo hai trục x, y khắc phục việc điều chỉnh hệ số khuếch đại mạch đo Trong đồ thị chuẩn hóa (normalization) đây, giá trị điện áp trục y nhân với hệ số khuếch đại VpeakX/VpeakY = 1.886 Delta Vx Delta Vy DeltaV - V -1 -2 -3 -4 Angle - degre Hình 4.15: Biểu đồ chuẩn hóa giá trị đầu trục Y theo trục X Từ đồ thị chuẩn hóa (Hình 4.15), giá trị điện áp đỉnh theo trực X Y trùng nhau, nhiều điểm giá trị chưa thực trùng khớp Sự khác biệt có nguyên nhân trên: vị trí cân ban đầu cảm biến chưa xác kích thước, vị trí điện cực khơng đảm bảo giống đối xứng hoàn toàn So sánh kết đo đạc thực nghiệm với kết mô phỏng, trục x y dải làm việc thực tế đạt mô từ -70° đến 70° hệ số xác định (R – Coefficience of determination) chưa đạt tuyệt đối (chỉ 99.14% với trục x 96.54% với trục y) kết khả quan, tiền đề để tối ưu lại hoạt động cảm biến nghiên cứu So sánh với kết cảm biến độ nghiêng hai trục hình trụ [2] kết sau: Bảng 5: Bảng so sánh kết đo thực nghiệm cảm biến hình trụ hình cầu Thơng số Dải làm việc trục x Độ nhạy trục x Dải làm việc trục y Độ nhạy trục y Như vậy, với mơ hình cảm biến nghiêng hai trục hình cầu cho kết thực nghiệm tốt nhiều so với mơ hình cảm biến nghiêng hai trục cấu trúc hình trụ nghiên cứu trước độ rộng dải làm việc độ nhạy cảm biến Tuy nhiên hệ số tuyến tính theo trục y mơ hình cảm biến cầu chưa thực tốt, cần phải xem xét cải tiến độ xác gắn điện cực nghiên cứu 40 KẾT LUẬN Luận văn trình bày nghiên cứu phát triển cảm biến đo góc nghiêng hai trục dựa nguyên lý kiểu tụ điện Thiết kế cảm biến cải tiến với cấu trúc cảm biến hình cầu rỗng với năm điện cực gắn cố định vị trí bên ngồi xung quanh hình cầu Trong điện cực đóng vai trị điện cực kích thích, hai cặp điện cực cịn lại (có vị trí đối xứng nhau) đóng vai trị điện cực thu Quả cầu có chứa phần chất lỏng điện mơi nước, có số điện mơi 81 Với cải tiến cấu trúc cảm biến đề xuất phát góc nghiêng theo hai trục x y với độ nhạy dải làm việc cảm biến trục tương đồng Hoạt động cảm biến trước tiên khảo sát phần mềm mô Comsol Multiphysics sử dụng phương thức phần tử hữu hạn (Finite Element method - FEM) Dựa kết mơ này, kích thước điện cực tìm để đạt tối ưu độ nhạy dải làm việc cho cảm biến Nguyên mẫu cảm biến chế tạo thử sử dụng phương pháp in 3D tạo mẫu nhanh (3D printing) hoạt động cảm biến kiểm nghiệm, kết đo đạc phù hợp với kết mô Kết thực nghiệm thể thay đổi giá trị điện dung vi sai cặp điện cực tương ứng với thay đổi góc nghiêng, với dải làm việc [-70°, 70°], độ nhạy 59.4mV/° theo trục x dải làm việc [-70°, 70°], độ nhạy 32.1 mV/° theo trục y Đây kết tốt so với cấu trúc cảm biến hai chiều cấu trúc hai pha lỏng khí nghiên cứu trước 41 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Trần Minh Cường Thiết kế, chế tạo thử nghiệm cảm biến góc nghiêng điện tử cấu trúc hai pha lỏng – khí, 2016 [2] Trần Ngọc Thành Nghiên cứu phát triển cảm biến góc nghiêng hai chiều kiểu tụ, 2017 [3] S Das, "A Simple, Low Cost Optical Tilt Sensor," Int J Electron Electr Eng., vol 2, no 3, pp 235-241, 2014 [4] Internet, https://www.allaboutcircuits.com/textbook/direct-current/chpt-13/factors- affecting-capacitance/ [5] Internet, http://creatz3d.com.vn/cong-nghe-fdm/ [6] Internet, http://creatz3d.com.vn/cong-nghe-polyjet/ [7] User guide Stratasys Objet 500 3D Printing System [8] C H Lee and S S Lee, "Study of capacitive tilt sensor with metallic ball," ETRI J., vol 36, no 3, pp 361-366, 2014 [9] Dang Dinh Tiep, Bui Ngoc My, Vu Quoc Tuan, Pham Quoc Thinh, Tran Minh Cuong, Bui Thanh Tung, and Chu Duc Trinh Tilt sensor based on three electrodes dielectric liquid capacitive sensor In 2016 IEEE Sixth International Conference on Communications and Electronics (ICCE), pages 172–175 IEEE, Jul 2016 [10] Tiep Dang Dinh, Tung Thanh Bui, Tuan Vu Quoc, Thinh Pham Quoc, Masahiro Aoyagi, and Chu Duc Trinh Two-axis Tilt Angle Detection based on Dielectric Liquid Capacitive Sensor Pages 907–909, 2016 [11] Che Hsin Lin and Shu Ming Kuo Micro-impedance inclinometer with wide-angle measuring capability and no damping effect Sensors and Actuators A: Physical, 143 (1):113–119,2008 42 PHỤ LỤC SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ MẠCH CẢM BIẾN GÓC NGHIÊNG ĐIỆN TỬ 43 44 ... DŨNG NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG VÀ THỬ NGHIỆM CẢM BIẾN GÓC NGHIÊNG HAI CHIỀU CẤU TRÚC HAI PHA LỎNG –KHÍ Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã số: 60 52 02 03 LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN... trục cảm biến bị nghiêng theo trục 3.2 Kết cấu trúc cảm biến góc nghiêng đề xuất Hình 3.1: Hình mơ cấu trúc cảm biến hình trụ Cấu trúc cảm biến góc nghiêng hai trục kiểu tụ thiết kế, thử nghiệm. .. TÓM TẮT LUẬN VĂN Luận văn trình bày nghiên cứu phát triển cảm biến đo góc nghiêng hai trục dựa nguyên lý đo điện dung vi sai cấu trúc hai pha lỏng - khí Cảm biến nghiêng khảo sát thử nghiệm cải