Thiết kế chế tạo và thử nghiệm cảm biến góc nghiêng điện tử cấu trúc hai pha lỏng khí

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TRẦN MINH CƯỜNG THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM CẢM BIẾN GÓC NGHIÊNG ĐIỆN TỬ CẤU TRÚC HAI PHA LỎNG – KHÍ LUẬN VĂN THẠC SĨ CƠNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ, TRUYỀN THÔNG HÀ NỘI - 2016 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TRẦN MINH CƯỜNG THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM CẢM BIẾN GÓC NGHIÊNG ĐIỆN TỬ CẤU TRÚC HAI PHA LỎNG – KHÍ Ngành : Cơng nghệ Kỹ thuật Điện tử, Truyền thông Chuyên ngành : Kỹ thuật Điện tử Mã ngành : 60520203 LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ, TRUYỀN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS Bùi Thanh Tùng HÀ NỘI - 2016 i Lời cảm ơn Để hoàn thành đề tài này, xin chân thành cảm ơn Thầy Cô giáo tận tình hướng dẫn, giảng dạy suốt trình học tập, nghiên cứu rèn luyện trình thực đề tài trường Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN Tôi xin cảm ơn Thầy Cơ giáo có ý kiến đóng góp động viên kịp thời giúp tơi hồn thành luận văn Trong q trình thực luận văn khơng thể tránh khỏi sai sót, tơi mong nhận ý kiến đóng góp q Thầy Cơ tất bạn đọc để tơi tiếp tục phát triển hoàn thiện đề tài Hà Nội, tháng 6, 2016 Trần Minh Cường ii Lời cam đoan Tôi xin cam đoan đề tài “THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM CẢM BIẾN GÓC NGHIÊNG ĐIỆN TỬ CẤU TRÚC HAI PHA LỎNG – KHÍ” TS Bùi Thanh Tùng hướng dẫn cơng trình nghiên cứu tôi, không chép tài liệu hay công trình người khác Tất tài liệu tham khảo phục vụ cho đồ án nêu nguồn gốc rõ ràng danh mục tài liệu tham khảo khơng có việc chép tài liệu đề tài khác mà không ghi rõ tài liệu tham khảo Hà Nội, tháng 6, 2016 Trần Minh Cường iii Mục lục Lời cảm ơn .i Lời cam đoan ii Mục lục iii Danh mục hình vẽ iv Danh mục bảng biểu vi Tóm tắt luận văn vii MỞ ĐẦU Tổng quan Mục tiêu đề tài CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ CẢM BIẾN ĐO GÓC NGHIÊNG VÀ ỨNG DỤNG 1.1 Một số ứng dụng cảm biến đo góc nghiêng 1.2 Một số phương pháp đo góc nghiêng CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT VỀ TỤ ĐIỆN VÀ CẢM BIẾN ĐIỆN DUNG 12 2.1 Điện dung tụ điện 12 2.2 Mạch điện đo điện dung 14 2.3 Cảm biến điện dung 17 2.4 Hằng số điện môi 23 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG CẢM BIẾN GÓC NGHIÊNG ĐIỆN TỬ CẤU TRÚC HAI PHA LỎNG – KHÍ 25 3.1 Cấu trúc cảm biến góc nghiêng kiểu tụ 25 3.2 Mô hoạt động cảm biến COMSOL 28 CHƯƠNG 4: CHẾ TẠO, ĐO ĐẠC THỬ NGHIỆM CẢM BIẾN ĐO GÓC NGHIÊNG ĐIỆN TỬ 33 4.1 Mạch điện cảm biến góc nghiêng điện tử 33 4.2 Thiết lập hệ đo đạc thử nghiệm 39 4.3 Kết đo đạc thảo luận 41 KẾT LUẬN 47 DANH MỤC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN 48 TÀI LIỆU THAM KHẢO 49 iv Danh mục hình vẽ Hình 1.1: Một số ứng dụng cảm biến góc nghiêng (nguồn: Internet) Hình 1.2: Một số dụng cụ đo góc nghiêng học (nguồn: Internet) Hình 1.3: Cảm biến vi điện tử cấu trúc dầm treo-khối nặng [6] Hình 1.4: Tỉ lệ tương quan góc nghiêng giá trị điện dung tụ điện cảm biến vi điện tử cấu trúc dầm treo-khối nặng [6] Hình 1.5: Cảm biến vi điện tử kiểu áp điện [7] Hình 1.6: Cảm biến đo nghiêng dựa thay đổi độ dẫn [4] Hình 1.7: (a) Cấu tạo cảm biến góc nghiêng sử dụng vi kênh chất lỏng dẫn (b) mạch điện nguyên lý tương đương cảm biến [1] Hình 1.8: Cảm biến nghiêng sử dụng phương pháp quang học trạng thái (a) thăng bằng, (b) nghiêng [8] Hình 1.9: Cảm biến đo nghiêng sử dụng máy tính phân tích hình ảnh [9] 10 Hình 1.10: Cảm biến nghiêng kiểu điện dung sử dụng bi sắt [10] 10 Hình 1.11: Cảm biến nghiêng điện dung dùng điện mơi thể lỏng [2, 11, 12] 11 Hình 2.1: Điện dung vật dẫn điện [13] 13 Hình 2.2: Sơ đồ tương đương (a) tụ điện hai cực (b) tụ điện có thành phần ký sinh Cp [14] 13 Hình 2.3: Tụ điện phẳng với điện cực song song 13 Hình 2.4: Các cực tích điện nằm song song ngăn cách điện môi [16] 14 Hình 2.5: Mạch khuếch đại biến đổi trở kháng đo dòng qua tụ điện [17] 15 Hình 2.6: Mạch khuếch đại biến đổi trở kháng đo dịng qua tụ điện có sử dụng tụ điện phản hồi [17] 16 Hình 2.7: Mơ hình hai chiều tụ song song với phân bố điện trường (a) tụ điện song song với việc bổ sung điện cực để loại bỏ hiệu ứng rìa (b) 17 Hình 2.8: Cảm biến đo khảng cách kiểu điện dung với độ phân dải nanomet 19 Hình 2.9: Một số cảm biến khoảng cách kiểu điện dung 19 Hình 3.1: Cấu trúc cảm biến góc nghiêng kiểu điện dung ba cực 25 Hình 3.2: Cảm biến góc nghiêng cấu trúc pha lỏng khí điện tử 26 Hình 3.3: Hoạt động cảm biến góc nghiêng kiểu điện dung ba cực, trường hợp a c cảm biến nghiêng bên phải bên trái, trường hợp b cảm biến vị trí cân 27 Hình 3.4: Mơ hình mơ cảm biến nghiêng điện dung ba điện cực cấu trúc pha lỏng – khí 28 Hình 3.5: Mơ hình mơ cảm biến nghiêng điện dung ba điện cực cấu trúc pha lỏng – khí, trường hợp kích thích điện cực cảm ứng 29 v Hình 3.6: Trường tĩnh điện phân bố điện trường tĩnh điện cảm biến nghiêng điện dung ba điện cực cấu trúc pha lỏng – khí 30 Hình 3.7: Kết mơ mối quan hệ góc nghiêng điện dung vi sai C1 C2 31 Hình 3.8: Trường tĩnh điện cảm biến nghiêng điện dung ba điện cực với tỉ lệ cấu trúc pha lỏng – khí là: 75%, 80%, 90% 32 Hình 3.9: Kết mơ quan hệ điện dung vi sai góc nghiêng, với độ điền đầy chất lỏng khác 32 Hình 4.1: Sơ đồ khối mạch điện cảm biến góc nghiêng điện tử 34 Hình 4.2: Mạch phát nguồn tín hiệu sin 34 Hình 4.3: Mạch chuyển đổi điện áp 35 Hình 4.4: Mạch khuếch đại khơng đảo 36 Hình 4.5: Mạch khuếch đại vi sai 37 Hình 4.6: Mạch tách sóng đường bao lọc thơng thấp 37 Hình 4.7: Sơ đồ nguyên lý mạch điện xử lý tín hiệu cảm biến góc nghiêng điện tử kiểu điện dung ba cực cấu trúc vi sai 38 Hình 4.8: Cảm biến góc nghiêng điện tử hai pha lỏng – khí 39 Hình 4.9: Cảm biến góc nghiêng gắn mạch điện xử lý tín hiệu 40 Hình 4.10: Hệ thống thí nghiệm đánh giá hoạt động cảm biến góc nghiêng; (a) Sơ đồ khối hệ thống; (b) Hình ảnh thực tế hệ thống 41 Hình 4.11: Các tín hiệu mạch cảm biến 42 Hình 4.12: Tín hiệu đầu phụ thuộc vào dải góc nghiêng từ 0° đến 25° 43 Hình 4.13: Sự thay đổi tín hiệu đầu góc nghiêng thay đổi từ 0° đến 180° 44 Hình 4.14: So sánh kết mô đo đạc thực nghiệm (mức 70%) 44 Hình 4.15: Sự thay đổi tín hiệu đầu góc nghiêng thay đổi từ -180° đến 180° 45 Hình 4.16: Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng góc nghiêng trục vng góc với trục cảm biến tới lối (crosstalk) 45 vi Danh mục bảng biểu Bảng Hằng số điện môi tương đối số loại vật liệu 24 Bảng Các thơng số kích thước điện cực cảm biến 26 Bảng Các thông số vật liệu sử dụng mô 29 vii Tóm tắt luận văn Luận văn trình bày thiết kế, chế tạo thử nghiệm cấu trúc cảm biến đo độ nghiêng điện tử kiểu điện dung cấu hình hai pha lỏng – khí Cảm biến đề xuất bao gồm cấu trúc tụ ba điện cực với lớp điện mơi có hai pha: khơng khí chất lỏng Khi vị trí bọt khí chất lỏng thay đổi tác dụng gia tốc trọng trường giá trị điện dung cảm biến thay đổi theo từ tính góc nghiêng cảm biến Hoạt động cảm biến mô phương pháp phân tích phần tử hữu hạn sử dụng chương trình Comsol Multiphisics Kết mơ thể thay đổi điện dung vi sai tụ điện theo góc nghiêng tương ứng với thay đổi vị trí chất lỏng điện mơi tác dụng gia tốc trọng trường Cảm biến chế tạo thử nghiệm gồm ba điện cực gắn lên ống nhựa bố trí mạch PCB với mạch điện thu thập tín hiệu gồm máy phát sin tần số 127kHz, tiền khuếch đại, chỉnh lưu lọc thông thấp Tụ điện có cấu tạo cực đồng, điện cực có chiều dài 11.0 mm, khoảng cách điện cực 1.0 mm Các kết đo đạc thực nghiệm cho thấy có tương đồng với tính tốn mơ Các kết đo ban đầu cho thấy tín hiệu đầu ổn định, đồng biến với góc nghiêng dải -90° đến +90°, với độ tuyến tính cao dải -25° đến +25° Cảm biến có độ nhạy 40 mV/độ với độ phân dải 0.1° Cảm biến hoạt động dựa nguyên lý vi sai, cảm biến khơng bị tác động can nhiễu đồng pha Với tính dải làm việc này, cảm biến ứng dụng đo khí tài quân sự, theo dõi dao động tàu thuyền nhiều ứng dụng tiềm khác MỞ ĐẦU Tổng quan Góc nghiêng xác định góc lệch so với phương vng góc với phương gia tốc trọng trường Một số dụng cụ đo nghiêng học đưa Hình 1.2 Các cấu trúc dựa vào độ lệch bọt khí khối nặng tác dụng gia tốc trọng trường để xác định độ nghiêng Những cấu trúc đo nghiêng cồng kềnh, kết phải đọc mắt nên độ xác khơng cao, khơng thể đưa vào ứng dụng điều khiển tự động hóa Do cảm biến góc nghiêng điện tử phát triển để phục vụ yêu cầu thực tiễn Hiện giới, có nhiều loại cảm biến thăng đo góc nghiêng nghiên cứu, phát triển đưa thương mại hóa Cảm biến thăng hay cảm biến góc nghiêng sử dụng nhiều ngành khác nhau, xây dựng, khí, tự động hóa, robot… Chúng hoạt động dựa nhiều nguyên lý khác Nhìn chung chia làm loại dựa cấu trúc học rắn dựa cấu trúc lưu chất, bao gồm khí lỏng Các cảm biến góc nghiêng dựa hệ thống cấu trúc học cấu tạo thường có khối nặng gắn dầm treo Hầu hết thiết bị thiết bị đo gia tốc cách xác định biến dạng dầm treo có gia tốc tác dụng chúng sử dụng để đo góc nghiêng so với phương gia tốc trọng trường Biến dạng dầm treo xác định nhiều cách khác dựa hiệu ứng áp trở (piezoresistive), hiệu ứng tụ điện (capacitive), dùng lazer Cảm biến vi điện tử kiểu tụ điện dựa vi cấu trúc dầm treo-khối gia trọng ví dụ Cảm biến xác định góc nghiêng thơng qua thay đổi giá trị điện dung tụ điện tác dụng gia tốc trọng trường lên khối gia trọng Cảm biến loại chế tạo dựa công nghệ vi chế tạo ứng dụng rộng rãi khoa học công nghệ đời sống Hầu hết điện thoại thơng minh tích hợp cảm biến Cảm biến dùng thiết bị theo dõi chuyển động bệnh nhân [1] Cảm biến vi điện tử (MEMS) có cấu trúc tinh tế, nhỏ thường liên 37 d Mạch khuếch đại vi sai Tín hiệu từ tụ C1 tụ C2 sau thực tiền khuếch đại đưa vào mạch khuếch đại vi sai Hình 4.5 thu thành phần vi sai tín hiệu V1 V2 Điện áp đầu cho công thức (4-5) [26]: 𝑉𝑂 = 𝑅2 (𝑉 − 𝑉1 ) 𝑅1 (4-5) R7 1k R5 V1 1k Vout V2 R6 1k R8 1k Hình 4.5: Mạch khuếch đại vi sai e Mạch tách sóng đường bao lọc thơng thấp Khi sử dụng nguồn tín hiệu xoay chiều dạng hình sin để làm sóng mang thực điều biên tín hiệu theo thay đổi cảm biến, dạng tín hiệu đầu dạng hình sin với biên độ tỉ lệ với điện dung thay đổi Để tách thay đổi biên độ tín hiệu ta sử dụng mạch tách sóng đường bao giải điều chế đồng Bộ giải điều chế đồng thực cách kết hợp nhân tương tự tín hiệu điều biên tín hiệu dao động tần số sóng mang, lọc thơng thấp để loại bỏ thành phần 2𝜔 [17] Hình 4.6 sơ đồ nguyên lý mạch tách sóng đường bao lọc thông thấp sử dụng Vout R17 R14 R12 R10 47 k 10 k 10 k R16 1k R9 Vin 10 k 1k 10 k 10 k R13 R11 C11 R15 47 k Hình 4.6: Mạch tách sóng đường bao lọc thông thấp 38 R R Điện cực cảm ứng C R7 C R2 R01 f = 127 kHz 10 k R1 + R2 1k R5 1k 1k 1k C2 R6 1k C1 R8 1k R1 Điện cực kích thích R4 R02 10 k R3 1k 1k R14 Vout 47 k R17 R16 R12 R10 10 k 10 k 1k R9 10 k 1k 10 k 10 k R13 R11 C11 R15 47 k Hình 4.7: Sơ đồ nguyên lý mạch điện xử lý tín hiệu cảm biến góc nghiêng điện tử kiểu điện dung ba cực cấu trúc vi sai 39 4.2 Thiết lập hệ đo đạc thử nghiệm Dựa kết mô thiết kế thực hiện, cấu trúc cảm biến đề xuất chế tạo thử nghiệm Độ xác cảm biến điện dung phụ thuộc lớn vào độ xác quy trình chế tạo độ phẳng bề mặt điện cực, độ nghiêng, cạnh sườn, biến dạng khoảng cách điện cực Các điện cực đồng gia cơng xác cơng nghệ CNC gắn lên vị trí xác định quanh ống hình trụ suốt Hình 4.8 Các thơng số kích thước hình học điện cực liệt kê Bảng Ống nhựa suốt giúp cho trình chỉnh điểm cân (điểm 0) cảm biến dễ dàng Chất lỏng điện môi rượu bơm vào ống với dung tích chiếm 75% thể tích ống Đầu vào bịt kín sau bơm chất lỏng để tránh chất lỏng bị bay Hình 4.8: Cảm biến góc nghiêng điện tử hai pha lỏng – khí Mạch điện cảm biến góc nghiêng điện tử trình bày mục 4.1 thiết kế, chế tạo sử dụng để thử nghiệm cấu trúc cảm biến đề suất Cảm biến gắn trực tiếp lên mặt sau mạch điện xử lý tín hiệu nhằm giảm thiểu nhiễu đường dây nối can nhiễu từ bên ngồi (Hình 4.9) Mạch điện bao gồm mạch phát tín hiệu sin; cấp nguồn điện áp, mạch điện tự tạo tín hiệu kích thích lên cảm biến thu tín hiệu từ điện cực cảm ứng cảm biến, sau thực việc xử lý tín hiệu thu trước gửi tới thu thập liệu 40 Hình 4.9: Cảm biến góc nghiêng gắn mạch điện xử lý tín hiệu Hệ đo thử nghiệm cảm biến góc nghiêng điện tử xây dựng Hình 4.10 Hình 4.10(a) mô tả sơ đồ khối hệ thống Hệ đo bao gồm mạch cảm biến chứa cảm biến góc nghiêng đặt mặt phẳng giá đỡ đo góc nghiêng thước chia độ Thước chia độ có độ phân giải đến 0.1 độ Mạch cảm biến bao gồm mạch phát sóng đưa tín hiệu hình sin kích thích vào điện cực kích thích Tín hiệu đầu điện cực cảm ứng cảm biến đưa vào thu thập liệu sóng máy tính Bằng cách thay đổi góc nghiêng cảm biến đọc giá trị bảng chia thước chia độ, tín hiệu đầu thu thập liệu so sánh phân tích theo góc nghiêng thực tế đọc thước chia độ Cảm biến khảo sát góc nghiêng thay đổi khoảng từ -180° đến 180° với bước thay đổi độ Toàn hệ thống gá lắp đế định vị cố định mặt phẳng Trước thực đo đạc, toàn hệ thống cân chỉnh thăng góc 0° Hình 4.10(b) hình ảnh thực tế hệ thống đo thử nghiệm cảm biến góc nghiêng điện tử 41 Hình 4.10: Hệ thống thí nghiệm đánh giá hoạt động cảm biến góc nghiêng; (a) Sơ đồ khối hệ thống; (b) Hình ảnh thực tế hệ thống 4.3 Kết đo đạc thảo luận Dữ liệu thu mơ tả xung tín hiệu vào mạch cảm biến trình bày Hình 4.11 Điện áp vào tín hiệu sin với tần số 127 kHz, biên độ 10 V (xem Hình 4.11(a)) Hình 4.11(b) dạng tín hiệu đầu hai điện cực cảm ứng sau qua tiền khuếch đại Tín hiệu tín hiệu sin ban đầu với tần số 127 kHz nhiên biên độ tín hiệu lúc này, sau qua mạch chuyển đổi điện dung – điện áp (Hình 4.3) tiền khuếch đại (Hình 4.4), tỉ lệ với giá trị điện dung tụ cảm ứng 42 Hình 4.11(c) dạng tín hiệu thu hai tín hiệu sau so sánh khuếch đại vi sai Sự khác biên độ tín hiệu hai kênh tín hiệu tỉ lệ với góc nghiêng cảm biến, khác thể biên độ tín hiệu vi sai 127Khz, 10V sine wave Input signal 127Khz, 540mV Amplifier output signal 127Khz, 280mV sine wave output signal Hình 4.11: Các tín hiệu mạch cảm biến 43 Tín hiệu vi sai kênh tín hiệu sau thực tách sóng đường bao thu biên độ tín hiệu, sau khuếch đại qua thu thập liệu xử lý máy tính Hình 4.12 biểu diễn kết biên độ tín hiệu vi sai đo góc nghiêng thay đổi từ 0° đến 25° Kết đường thay đổi tuyến tính điện áp từ 0V đến 1,09V tương ứng với góc nghiêng từ 0° đến 25°; có độ nhạy 40 mV/độ Hình 4.12: Tín hiệu đầu phụ thuộc vào dải góc nghiêng từ 0° đến 25° Hình 4.13 kết khảo sát cảm biến dải từ 0° tới 180° Đường phụ thuộc tín hiệu đầu trở nên phi tuyến với góc nghiêng lớn 50° hình vẽ Theo đó, độ nhạy cảm biến giảm dần góc nghiêng lớn 50° So sánh kết với kết tính tốn mơ dải 0° tới 180° cho thấy kết thực nghiệm gần với kết mơ (Hình 4.14) Kết khảo sát hoạt động cảm biến dải -180° đến +180° trình bày Hình 4.15 Ta thấy cảm biến hoạt động tốt với góc nghiêng theo hai chiều, chiều (góc nghiêng mang giá trị dương) ngược chiều kim đồng hồ (góc nghiêng mang giá trị âm); lối cảm biến đối xứng qua điểm 0° 44 Hình 4.13: Sự thay đổi tín hiệu đầu góc nghiêng thay đổi từ 0° đến 180° Mô - Thực nghiệm 1.200 Điện dung vi sai chuẩn hóa 0.800 (Thực nghiệm) Điện áp chuẩn hóa Mơ 70% 0.600 0.400 0.200 0.000 20 40 60 80 100 120 140 160 180 Góc nghiêng (độ) Hình 4.14: So sánh kết mô đo đạc thực nghiệm (mức 70%) (Mô phỏng) Thực nghiệm 1.000 45 Hình 4.15: Sự thay đổi tín hiệu đầu góc nghiêng thay đổi từ -180° đến 180° Hình 4.16: Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng góc nghiêng trục vng góc với trục cảm biến tới lối (crosstalk) 46 Trong thực tế, thông thường phép đo góc nghiêng cần cảm biến hoạt động khoảng từ 0° đến 45° Như vậy, cảm biến hồn tồn đáp ứng yêu cầu đo thực tế Cấu trúc cảm biến đáp ứng yêu cầu góc nghiêng lên đến 75° với độ nhạy thấp khơng tuyến tính dải góc cao 50° Tuy nhiên, số trường hợp đặc biệt thực tế yêu cầu cảm biến góc nghiêng với dải đo lớn Để đạt yêu cầu đo góc nghiêng lớn với điện áp tuyến tính, cảm biến thiết kế ghép với với góc lệch (offset) định, tạo hệ thống cảm biến phức hợp có độ xác cao Hình 4.14 cho thấy khác (sai số) kết mô kết đo thực nghiệm Nguyên nhân dẫn đến sai số mơ hình mơ mơ hình lý tưởng, có lý tưởng hố nhiều thơng số ảnh hưởng nguồn nhiễu Ngoài số hệ số sử dụng mô tham khảo từ thông số vật liệu tài liệu kỹ thuật vật liệu Các giá trị chưa thật khớp với giá trị hệ thống thực nghiệm Tuy nhiên, dạng tín hiệu kết đo mô thực nghiệm giống nhau, điều chứng tỏ mơ hình mơ phù hợp với thực tế Các khác biệt thực nghiệm mô không lớn chấp nhận được, dải đồng biến tín hiệu lối với góc nghiêng Do mơ hình mơ sử dụng để tối ưu hoạt động hệ thống Bên cạnh đó, ảnh hưởng góc nghiêng theo trục vng góc với trục cảm nhận cảm biến khảo sát (crosstalk) Kết đo trình bầy Hình 4.16 Có thể thấy với cấu trúc cảm biến đề xuất, ảnh hưởng crosstalk không đáng kể Dựa kết ban đầu thu phát triển kết hợp cảm biến đo góc nghiêng đặt vng góc với để tạo hệ thống đo góc nghiêng trục 47 KẾT LUẬN Luận văn trình bày thiết kế chế tạo hệ cảm biến góc nghiêng điện tử cấu trúc điện mơi hai pha lỏng – khí Khi vị trí bọt khí thay đổi tác dụng gia tốc trọng trường giá trị điện dung cảm biến thay đổi theo từ tính góc nghiêng cảm biến Tụ điện có cấu tạo cực đồng, điện cực có chiều dài 11.0 mm, khoảng cách điện cực 1.0 mm Ưu điểm cấu trúc loại bỏ nhiễu chung kênh dẫn điện cực thiết kế kênh dẫn, với thiết kế mạch nêu trên, tín hiệu từ hai điện cực đầu cảm biến sau qua khuếch đại vi sai loại bỏ tối ưu nhiễu đường dây, nhiễu chung hai kênh đặc biệt nhiễu điện từ, nhiễu 50 Hz Các kết đo ban đầu cho thấy tín hiệu đầu ổn định, đồng biến với góc nghiêng dải -90° đến +90°, với độ tuyến tính cao dải -25° đến +25° Cảm biến có độ nhạy 40 mV/độ với độ phân dải 0.1 độ Cảm biến hoạt động dựa nguyên lý vi sai, lý thuyết cảm biến không bị tác động can nhiễu đồng pha Với tính dải làm việc này, cảm biến ứng dụng đo khí tài quân sự, theo dõi dao động tàu thuyền nhiều ứng dụng tiềm khác 48 DANH MỤC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN [1] 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” 2016 IEEE Sixth International Conference on Communications and Electronics (đã chấp nhận) 49 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] S M Kuo and C H Lin, "Micro-impedance inclinometer with wide-angle measuring capability and no damping effect," Sensors and Actuators, A: Physical, vol 143, no 1, pp 133-119, 2008 [2] D Benz, T Botzelmann, H Kück and D Warkentin, "On low cost inclination sensors made from selectively metallized polymer," Sens Actuators Phys., vol 123–124, pp 18-22, 2008 [3] Y.-C Wang, L.-H Shyu, E Manske, C.-P Chang and S.-S Lin, "Automatic Calibration System for Precision Angle Measurement Devices," Int J Autom Smart Technol., vol 4, no 3, pp 163-167, Sep 2014 [4] J A Westphal, M A Carr, W F Miller and D Dzurisin, "Expendable bubble tiltmeter for geophysical monitoring," Rev Sci Instrum., vol 54, no 4, pp 415418, 1983 [5] Z Fuxue, "Natural convection gas pendulum and its application in accelerometer and tilt senor," Progress in Natural Science, vol 15, no 9, pp 857-860, 2015 [6] L Zhao and E Yeatman, "Micro capacitive tilt sensor for human body movement detection," Wearable and Implantable Body Sensor, pp 195-200, 2007 [7] P M Moubarak and P Ben-Tzvi, "Design and analysis of a new piezoelectric MEMS tilt sensor," ROSE 2011 - IEEE Int Symp Robot Sens Environ Proc., pp 83-88, 2011 50 [8] S Das, "A Simple, Low Cost Optical Tilt Sensor," Int J Electron Electr Eng., vol 2, no 3, pp 235-241, 2014 [9] Y.-P Tang and C.-G Chen, "Design of Omni-Directional Tilt Sensor Based on Machine Vision," J Sens Technol., vol 01, no 04, pp 108-115, 2011 [10] 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 [11] B Salvador, A Luque and J M Quero, "Microfluidic capacitive tilt sensor using PCB-MEMS," Ind Technol ICIT 2015 IEEE Int Conf On, pp 3356-3360, 2015 [12] J Guo, P Hu and J Tan, "Analysis of a Segmented Annular Coplanar Capacitive Tilt Sensor with Increased Sensitivity," Sensors, vol 16, no 2, p 133, 2016 [13] A H Robbins and W C Miller, Circuit analysis: Theory and practice, Albany: Delmar, 2000 [14] A Heidary, "A Low-Cost Universal Integrated Interface for Capacitive Sensors," Master’s thesis, 2010 [15] N N Viet, "Fluidic channel detection system using a differential C4D structure," University of Engineering and Technology, Vietnam National University, Hanoi, 2015 [16] T H Glisson, Introduction to Circuit Analysis and Design, Springer Science Business Media, 2011 [17] S D Senturia, Microsystem design, Kluwer academic publishers, 2002 [18] M C Hegg and A V Mamishev, "Influence of Variable Plate Separation on Fringing Electric Fields in Parallel-Plate Capacitors," IEEE, 2004 [19] P Gründler, Chemical Sensors, Berlin: Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2007 [20] R Pallás-Areny and J G Webster, Sensors and signal conditioning, New York: Wiley, 2001 [21] R A Serway and J W Jewett, Physics for scientists and engineers, Scotland: Thomson, 2004 51 [22] D D Tiep, B N My, V Q Tuan, P Q Thinh, T M Cuong, B T Tung and C D Trinh, "Tilt Sensor Based on Three Electrodes Dielectric Liquid Capacitive Sensor," 2016 IEEE Sixth International Conference on Communications and Electronics (đã chấp nhận) [23] J O Wilkes, "Introduction to COMSOL Multiphysics," 2009 [24] N Đ Hải, V Q Tuấn, P Q Thịnh and C Đ Trình, "Hệ thống cảm biến giọt chất lỏng kênh dẫn," Hội nghị quốc gia Điện tử - Truyền thông, 2013 [25] M H Rashid, Microelectronic Circuits Analysis and Design, 2nd ed [26] P Gray and R Meyer, Analysis and Design of Analog Integrated Circuits, 5th ed ... kế, chế tạo thử nghiệm cấu trúc cảm biến đo độ nghiêng điện tử kiểu điện dung cấu hình hai pha lỏng – khí Cảm biến đề xuất bao gồm cấu trúc tụ ba điện cực với lớp điện mơi có hai pha: khơng khí. .. lỏng để tránh chất lỏng bị bay Hình 4.8: Cảm biến góc nghiêng điện tử hai pha lỏng – khí Mạch điện cảm biến góc nghiêng điện tử trình bày mục 4.1 thiết kế, chế tạo sử dụng để thử nghiệm cấu trúc. .. số cấu trúc cảm biến góc nghiêng điện tử dựa nguyên lý khác thiết kế, chế tạo thương mại hóa; kể đến cảm biến thăng bằng, cảm biến đo góc? ?? Các cảm biến đo góc nghiêng điện tử có đầu tỷ lệ với góc