Nghiên cứu phát triển cảm biến biến dạng sử dụng chất lỏng dẫn điện

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ VŨ ĐỨC KIÊN NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN CẢM BIẾN BIẾN DẠNG SỬ DỤNG CHẤT LỎNG DẪN ĐIỆN LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG Hà Nội - 2019 ́ ĐAỊ HOCC̣ QUÔC GIA HÀNÔỊ TRƢỜNG ĐAỊ HOCC̣ CÔNG NGHỆ -  - VŨ ĐỨC KIÊN NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN CẢM BIẾN BIẾN DẠNG SỬ DỤNG CHẤT LỎNG DẪN ĐIỆN Ngành: Công Nghệ Kỹ thuật Điện tử, Viễn thông Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã số: 8510302.01 LUÂṆ VĂN THACC̣ SĨ CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ, TRUYỀN THÔNG NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS.BÙI THANH TÙNG HÀ NỘI – 2019 ̀ LỜI NÓI ĐÂU Với phát triển vƣợt bậc khoa học công nghệ, loại cảm biến đƣợc ứng dụng rộng rãi vào đời sống ngày chúng ta.Khoa học kỹ thuật đại tạo loại cảm biến giúp cho chất lƣợng sống cao hơn, dễ dàng Cảm biến biến dạng có nhiều ứng dụng đo lực, đo mơ men xoắn trục quay, đo biến dạng bề mặt chi tiết khí Có nhiều loại cảm biến biến dạng: cảm biến biến dạng đầu đo điện trở kim loại, cảm biến áp trở silic, cảm biến đầu đo chế độ động, ứng suất kế dây rung Trong kiểu áp điện trở bán dẫn có độ nhạy cao nhƣng đo đƣợc biến dạng nhỏ cỡ vài phần nghìn Cảm biến biến dạng điện trở kim loại có giá thành hợp lý, có nhiều ứng dụngtrong thực tế, đo biến dạng cỡ vài phần trăm Với biến dạng lớn, điện trở bán dẫn điện trở kim loại bị phá hủy, không phù hợp để sử dụng Việc phát triển cảm biến mềm dẻo, linh hoạt, có khả đo đƣợc biến dạng lớn cần thiết để sử dụng cho tốn thực tế Luận vănnày trình bày nghiên cứu phát triểnmột cảm biến có khả đo biến dạng lớn dựa chất lỏng dẫn điện Trƣớc tiên cảm biến chế tạo đƣợc khảo sát hoạt động để đánh giá khả ứng dụng cảm biến Mạch điện đo đạc xử lý tín hiệu từ cảm biến đƣợc phát triển Cảm biến khảo sát cho thấy khả đo đƣợc biến dạng lên tới 50% Dựa đặc tính cảm biến, ứng dụng cụ thể đƣợc phát triển, gắn cảm biến biến dạng lên tay tái tạo lại lại chuyện động khớp bàn tay Với kết ban đầu đạt đƣợc, cảm biến tiếp tục phát triển cho ứng dụng hộ trợ giao tiếp với ngƣời khuyết tật sử dụng ngôn ngữ dấu hiệu LỜI CẢM ƠN Trong thời gian hoàn thành luận văn: “Nghiên cứu vàphát triển cảm biến biến dạng sử dụng chất lỏng dẫn điện” với hƣớng dẫn tận tình TS Bùi Thanh Tùng Thầy khơng quản khó khăn, thời gian, cơng sức để giúp tơi hồn thành luận văn này, nhân đây, xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới TS Bùi Thanh Tùng Đƣợc thầy hƣớng dẫn vinh hạnh lớn cá nhân tác giả Tôi cũng xin gƣƣ̉i lời cảm ơn đến thầy , cô giáo vàbaṇ bètrong lớp K 23 Kỹ thuật điện tử, Khoa Điêṇ Tƣƣ̉ – Viêñ Thông, Trƣờng ĐaịHocC̣ Công Nghê ,C̣ Đaị Học Quốc Gia Hà Nội có nhận xét, góp ý cho luận văn tơi Cuối tơi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình , quan công tác, nhƣng ngƣơi ̃̃ lƣcC̣ cho vƣơṭ qua nhƣng thƣ thach thành luận văn ̃̀ LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luâṇ văn s ản phẩm trình nghiên cứu, tìm hiểu cá nhân dƣới hƣớng dẫn bảo thầy hƣớng dâñ , thầy cô bô C̣môn , khoa bạn bè Tôi không chép tài liệu hay cơng trình nghiên cứu ngƣời khác để làm luận văn Nếu vi phạm, xin chịu trách nhiệm Vũ Đức Kiên MỤC LỤC ̀̀ LỜI NÓI ĐÂU LỜI CẢM ƠN LỜI CAM ĐOAN DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC HÌNH ẢNH DANH MUCC̣ BẢNG CHƢƠNG I TỔNG QUAN 1.1 TỔNG QUAN Về CảM BIếN BIếN DạNG 1.2 PHƢƠNG PHÁP ĐO BIếN DạNG 1.3 PHÂN LOạI CảM BIếN BIếN DạNG 1.3.1 Đầu đo điện trở kim loại 1.3.2 Cảm biến áp trở Silic 1.3.3 Đầu đo chế độ động 1.3.4 Ứng suất kế dây rung 1.4 ỨNG DụNG CảM BIếN BIếN DạNG 1.5 NộI DUNG VÀ PHạM VI NGHIÊN CứU CHƢƠNG II CẢM BIẾN BIẾN DẠNG SỬ DỤNG CHẤT LỎNG DẪN ĐIỆN 2.1 CHấT LỏNG DẫN ĐIệN (IONIC LIQUID) 2.2 CảM BIếN BIếN DạNG Sử DụNG CHấT LỏNG 2.2.1 Chế tạo cảm biến 2.2.2 Xây dựng hệ thống mạch điện dùng để khảo sát cảm biến 2.2.3 Khảo sát mạch nguồn dòng xoay chiều 2.2.4Đặc tính cảm biến CHƢƠNG III ỨNG DỤNG ĐA CẢM BIẾN BIẾN DẠNG PHÁT HIỆN CỬ ĐỘNG CỦA CÁC NGÓN TAY 3.1 Mạch đo 3.2 Thu thập xử lý liệu từ nhiều cảm biến 44 3.3 Kết 45 KẾT LUẬN 48 TÀI LIỆU THAM KHẢO 49 DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT F S Y GF DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Sơ đồ cấu tạo c Hình1.2 Cách cố định đ Hình1.3 Đầu đo chế tạo Hình1.4 Đầu đo loại kh Hình1.5 Sự phụ thuộc c dƣơng giảm Hình1.6 Sự phụ thuộc c Hình1.7 Cảm biến biến Hình1.8 Dán cảm biến Hình1.9 Hệ tua bin máy Hình1.10 Cảm biến đo m Hình2.1 Một số ứng dụ Hình2.2 Biến dạng Hình2.3 Mơ hình cảm b Hình2.4 Cảm biến biến Hình2.5 Cảm biến trạ Hình2.6 Cảm biến sau k Hình2.7 Sơ đồ khối mạ Hình2.8 Khối ghim dịn Hình2.9 Bộ lọc thơng d Hình2.10 Mạch tách són Hình2.11 Kết khảo s Hình2.12 Tín hiệu thu đƣ Hình2.13 ệĐi náp thay ổđi [mV] (b) Hình 2.15Đồ thị tƣơng quan biến thiên điện áp (tín hiệu cảm biến) biến dạng điện trởdo kéo dãn  Khảo sát cảm biến với biến dạng ngang trục Sau khảo sát cảm biến với biến dạng dọc trục, cảmbiến đƣợc khảo sát với biến dạng ngang trục mạch điện xử lý tín hiệu từ cảm biến Cảm biến đƣợc ép ngang sử dụng thiết bị tạo biến dạng thƣớc kẹp điện tử với đầu giữ cố định đầu di chuyển nhƣ hình 2.16 Hai đầu cảm biến đƣợc kết nối vào mạch điện xử lý tín hiệu nhƣ mơ tả Cảm biến đƣợc ép theo phƣơng ngang với mức độ khác nhau, với lần épcảm biến dạng bƣớc 0.1mm,hệ thống thu thập giá trị điện áp cảm biến từ dịng điện ổn định có đƣợc xác định đƣợc giá trị điện trở cảm biến 37 F F Hình 2.16Thí nghiệm khảo sát cảm biến biến dạng Cảm biến đƣợc ép ngangtrục 38 Hình 2.17Đồ thị tƣơng quan biến thiên điện áp (tín hiệu lối mạch thu thập liệu cảm biến) biến dạng điện trởdo bị ép ngang trục Điện trở đƣợc chế tạo từ ống silicon đƣờng kính 1mm, chiều dài ống cm, nồng độ dung dịch NaCl0.25% Hình 2.17 biểu diễn kết đo đƣợc Với biến dạng ống ngỏ 1mmtrở xuống điện áp khơng thay đổido ống silicon mềm, có độ đàn hồi cao Điện áp lối thay đổi với độ dịch chuyển lớn 1mm Sự sai khác đo nhiều lần với bốn cảm biến không lớn.Với kết thu đƣợc này, cảm biến đƣợc nghiên cứu để ứng dụng cho toán đo lực 39 CHƢƠNG III.ỨNG DỤNG ĐA CẢM BIẾN BIẾN DẠNG PHÁT HIỆN CỬ ĐỘNG CỦA CÁC NGÓN TAY Với cảm biến đƣợc chế tạo phát triển ứng dụng cảm biến phát cử động ngón tay đƣợc xây dựng Để ứng dụng cảm biến vào phát cử động ngón tay hệ thống gồm hệ gá đa cảm biến lên ngón tay, mạch nguồn dịng, mạch hợp kênh, thu thập liệu phần mềm mô bàn tay Unity.Sơ đồ khối hệ thống thu thập liệu từ cảm biến đƣợc biểu diễn Hình 3.1 Nguồn dòng xoay chiều đƣợc cấp cho cảm biến điện trở Tín hiệu từ cảm biến đƣợc đƣa vào khối xử lý tín hiệu bao gồm khuếch đại vi sai lọc trƣớc đƣa vào mạch tách sóng đƣờng bao thu đỉnh đƣa đọc giá trị vi điều khiển.Việc thu thập đồng thời liệu từ đa cảm biến mà trƣờng hợp cụ thể năm cảm biến đƣợc gắn ngón tay bàn tay sử hợp kênh Khối Cầu Wien Hình 3.1Sơ đồ khối nguồn dòng kênh hợp kênh thu thập liệu từ nhiều 3.1 Mạch đo Mạch nguồn dòng gồm mạch dao động cầu Wien khối nguồn dòng xoay chiều Howland Với mục đích sử dụng cảm biến cho ứng dụng di động (portable), tạo dao động đƣợc thiết kế tích hợp vào mạch điện đo đạc thay 40 cho thiết bị tạo dao động chuyên dụng Mạch dao động cầu Wien tạo tín hiệu xoay chiều hình sine Cấu tạo mạch tạo dao động cầu gồm lọc thông cao lọc thông thấp đƣợc mắc nối tiếp với tạo thành lọc thơng dải Mạch nguồn dịng xoay chiều Howland đƣợc phát minh dựa khuếch đại thuật tốn năm 1962 Mạch nguồn dịng có đặc điểm phản hồi từ lối đƣợc đƣa vào lối vào (+) lối vào (-) khuếch đại thuật toán với tỷ lệ định Tiếp theo tín hiệu đƣợc đƣa qua khối tiền xửlý chuyển đổi tín hiệu, cuối tín hiệu đƣợc vi điều khiển chuyển đổi đƣa lên máy tính để xử lý Mạch phân kênh hợp kênh thu thập liệu từ nhiều cảm biến: Để thu thập đồng thời liệu từnăm cảm biến đƣợc gắn ngón tay bàn tay cần phải sử dụng hợp kênh, IC hợp kênh đƣợc chọn CD4051 hãng Texas Intrusments sản xuất.IC CD4051 IC phân hợp kênh tín hiệu tƣơng tự Tín hiệu từ cảm biến đƣợc thu thập ghép vào kênh truyền đƣợc truyền tới vi điều khiển để xử lý.Việc dùng phân hợp kênh giúp giảm thiểu linh kiện cho mạch điện đƣợc nhỏ gọn, cần sử dụng mạch xử lý tín hiệu nên tín hiệu nhận đƣợc đồng cảm biến Sơ đồ nguyên lý chi tiết mạch điện cho hình 3.2 Hình 3.3 mạch điện đƣợc chế tạo thực tế 41 Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý mạch điện đo bao gồm nguồn dòng phân hợp kênh thu thập liệu từ nhiều cảm biến 42 Hình 3.3Mạch điện chế tạo thực tế Hình 3.3 Mạch điện thực tế: gồm khối nguồn ni, khối tạo dịng phân hợp kênh, khối tạo dao động, lối vào cho cảm biến, mạch thu đỉnh - Vi điều khiển Mạch Arduino Unovới ADC 10 bit Hình 3.4 Mạch Arduino Uno R3 Mạch Arduino Uno R3 có tác dụng thu nhận xử lý tín hiệu truyền liệu đến máy tính, với liệu thu thập đƣợc phần mềm mơ máy tính xử lý để mô lại chuyển động khớp ngón tay cho giống với chuyển động khớp ngón tay thực tế đƣợc gắn đa cảm biến Mạch Arduino Uno R3 có mã nguồn mở thƣờng đƣợc sử dụng ngành điện43 điện tử, tự động hóa, điện tử truyền thơng Về mặt phần mềm Arduino hỗ trợ ngôn ngữ C/C++, với nhiều thƣ viện đƣợc chia sẻ, mặt lập trình phần mềm cho Arduino dễ dàng tiện dụng cho ngƣời lập trình Ngƣời lập trình cần có kỹ lập trình C/C++ dễ dàng tự lập trình ví dụ giao tiếp cho Arduino nhƣng loại chip vi điều khiển khác Arduino UNO R3 tổng cộng có 20 ngõ giao tiếp in/out, có 14 chân digital chân analog Mạch Arduino UNO R3 hoạt động khoảng điện áp từ 6-12VDC, nhớ SRAM 2kB, Flash 32 kB, EEPROM kB, với xung nhịp CPU 16 Mhz.Hình 3.1 mơ tả mạch Arduino UNO R3 3.2 Thu thập xử lý liệu từ nhiều cảm biến Hình 3.5Phần mềm thu thập liệu mô Unity Phần mềm thu thập liệu mô cử bàn tay máy tínhUnity phần mềm mơ gồm thƣ viện vật lý cho phép mô hành động vật lý đối tƣợng(nhƣ di chuyển, trọng lực, chạm ) Ngồi cịn tạo phƣơng tiện giao thông nhƣ ô tô, máy bay, robot chuyển động nhƣ thật cách sử dụng thuật toán kết hợp với thƣ viện lập trình Để phục vụ cho ứng dụng đa cảm biến, bàn tay mô đƣợc thiết kế mô lại cử ngón tay bàn tay thật thơng qua liệu nhận đƣợc từ hệ thống vi điều khiển gửi lên 44 Phần mềm mơ có nhiệm vụ nhận liệu từ vi điều khiển tiếp đến chia tách liệu để lấy đƣợc giá trị góc quay khớp ngón tay đƣợc gắn cảm biến Từ giá trị góc quay phần mềm mô lại chuyển động khớp ngón tay bàn tay mơ 3D Sau liệu từ năm cảm biến đƣợc thu thập hết, liệu giá trị số thực góc quay khớp ngón tay 3.3 Kết (a) (b) (c) (d) Hình 3.6 Kết khảo sát hoạt động mạch thu thập liệu từ nhiều cảm biến 45 Kết thực nghiệmquả khảo sát hoạt động mạch thu thập liệu từ nhiều cảm biến đƣợc trình bày hình 3.6.Năm mức tín hiệu hình 3.6b tƣơng ứng với tay ngón tay trạng thái duỗi bình thƣờngở hình 3.6a.Các tín hiệu từ năm cảm biến tƣơng đối đồng bị ảnh hƣởng nhiễu từ mạch điện cũng nhƣ từ môi trƣờng xung quanh Trƣờng hợp ngón tay tƣ khác (hình 3.6c) ta thu đƣợc dạng tín hiệu nhƣ hình 3.6d Một khung tín hiệu nằm khoảng hai vạch màu đỏ hình 3.6 Tín hiệu thu thập ổn định dễ dàng khâu xử lý Tiếp theo, cử ngón tay đƣợc mơ phần mềm Unity thể hình 3.7.Tín hiệu từ cảm biến đƣợc truyền máy tính cử động bàn tay đƣợc tái tạo lại Ở hình 3.7(a) ngón tay thực duỗi thẳng ngón tay phần mềm mô cũng duỗi thẳng Với hình 3.7(b) tất ngón tay thực co lại ngón tay phần mềm mơ cũng co lại, trạng thái co lại đƣợc giữ nhƣ thực tế thời gian dài Tiếp theo đến hình 3.7(c) ngón trỏ ngón tay thực duỗi thẳng cịn tất ngón cịn lại co lại ta thấy ngón tay phần mềm mơ trạng thái ngón tay thực Cuối hình 3.7(d) phần mềm mơ tay ngón tay thực Qua q trình mơ cho thấy phần mềm mơ Unity tái tạo lại xác cử trỉ ngón tay thực tế từ liệu thu đƣợc từ cảm biến Trong q trình mơ chuyển động ngón tay phần mềm mơ mƣợt mà khơng bị giật lag Qua cho thấy hệ thống đƣợc nghiên cứu tiếp tục phát triển hồn thiện áp dụng vào ứng dụng hữu ích tƣơng lai nhƣ toán điều khiển từ xa hay giao tiếp với ngƣời khuyết tật sử dụng ngôn ngữ ký hiệu (sign language) 46 (b) (a) (c) (d) Hình 3.7Hình ảnh mơ cử ngón tay phần mềm Unity.Hình ảnh đƣợc cắt từ video mô cử ngón tay (a) ngón tay duỗi thẳng, (b) Các ngón tay co lại, (c) ngón trỏ duỗi thẳng ngón cịn lại co lại, (d) ngón trỏ ngón duỗi thẳng ngón cịn lại co lại 47 KẾT LUẬN Trong khóa luận này, cảmbiến đo biến dạng sử dụng chất lỏng dẫn điện đƣợc nghiên cứu phát triển cho toán đo biến dạng lớn Cảm biến sử dụng ống silicon dung dịch muối đƣợc chế tạo đặc trƣng cảm biến đƣợc khảo sát Cảm biến đo đƣợc biến dạng lớn (lên đến 50%) với độ nhạy GF xấp xỉ 2.5 (tƣơng đƣơng độ nhạy cảm biến biến dạng dạng tem điện trở kim loại) Bên cạnh đó, ứng dụng sử dụng đa cảm biến đƣợc phát triển mô cử ngón tay Luận văn thực việc xây dựng hệ thống gồm cảm biến biến dạng hệ thống đo đạc thu thập liệu từ cảm biến.Các cảm biến đƣợc áp dụng phát cử động ngón tay tái tạo lại cử bàn tay dựa phần mền Unity.Qua mô tái cử động ngón tay cho thấy hệ thống hoạt động mơ cử ngón tay Với kết bƣớc đầu thu đƣợc này, cảm biến thể sử dụng để phát triển thiết bị nhận dạng ngôn ngữ ký hiệu tƣơng lai 48 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] N V H Lê Văn Doanh, Phạm Thƣợng Hàn, “Các Bộ Cảm Biến Trong Kỹ Thuật Đo Lƣờng Và Điều Khiển,” Nhà Xuất Bản Khoa học kỹ thuật, 2006 [2] Đ H B K Đ N Hồng Minh Cơng, “Giáo Trình Cảm Biến Trong Cơng Nghiệp,” Nhà Xuất Bản Xây Dựng [3] “http://voer.edu.vn/c/bien-dang-va-phuong-phapdo/13775a37/ba9d2f82.” [4] 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 [5] Z Ma et al., “Liquid-Wetting-Solid Strategy to Fabricate Stretchable Sensors for Human-Motion Detection,” ACS Sensors, vol 1, no 3, pp 303– 311, 2016 [6] Y N Cheung, Y Zhu, C H Cheng, C Chao, and W W F Leung, “A novel fluidic strain sensor for large strain measurement,” Sensors Actuators, A Phys., vol 147, no 2, pp 401–408, 2008 [7] S Review, Y Bahramzadeh, and M Shahinpoor, “A Review of Ionic Polymeric Soft Actuators and Sensors,” vol 1, no 1, pp 38–52, 2014 [8] A Frutiger et al., “Capacitive Soft Strain Sensors via Multicore – Shell Fiber Printing,” pp 2440–2446, 2015 [9] M D Dickey, “Stretchable Bioelectronics for Medical Devices and Systems,” pp 3–30, 2016 [10] S G Yoon, H J Koo, and S T Chang, “Highly Stretchable and Transparent Microfluidic Strain Sensors for Monitoring Human Body Motions,” ACS Appl Mater Interfaces, vol 7, no 49, pp 27562–27570, 2015 [11] A Saudabayev and H A Varol, “Sensors for robotic hands: A survey of state of the art,” IEEE Access, vol pp 1765–1782, 2015 [12] V Arabagi, O Felfoul, A H Gosline, R J Wood, and P E Dupont, “Biocompatible Pressure Sensing Skins for Minimally Invasive Surgical Instruments,” IEEE Sens J., vol 16, no 5, pp 1294–1303, 2015 49 ... 1.4 ỨNG DụNG CảM BIếN BIếN DạNG 1.5 NộI DUNG VÀ PHạM VI NGHIÊN CứU CHƢƠNG II CẢM BIẾN BIẾN DẠNG SỬ DỤNG CHẤT LỎNG DẪN ĐIỆN 2.1 CHấT LỏNG DẫN ĐIệN (IONIC LIQUID)... tác dụng lên vật Cảm biến biến dạng thƣờng đƣợc dùng để đo biến dạng, gọi cảm biến biến dạng đầu đo biến dạng Để đo biến dạng loại cảm biến thông dụng hay đƣợc sử dụng bao gồm: 11 - Đầu đo điện. .. giải pháp khắc phục nhƣợc điểm cảm biến điện trở, đo đƣợc biến dạng lớn[12] 2.2.1Chế tạo cảm biến Cảm biến đo biến dạng sử dụng chất lỏng ion đƣợc sử dụng nghiên cứu đƣợc tạo thành cho dung dịch