Để cầu điện trở cân bằng ta có:
2 4
1 3
R R
R R (2.12) Xét tại nút điện áp ở lối vào đảo của bộ khuếch đại:
0 1 2 0 V V V V R R (2.13) Xét tại nút điện áp ở lối vào không đảo của bộ khuếch đại:
0 3 4 L V V V V V R R R (2.14) Từ phương trình 2.1, rút V0V ta được: 2 4 0 1 3 R R V V V V V V R R (2.15)
Thay vào phương trình 2.3:
3 3 3 L L V V V V V V V I R R R R (2.16)
Như vậy, ta có thể thấy dòng điện chạy qua điện trở RL chỉ phụ thuộc vào điện áp lối vào và điện trở R3 mà không phụ thuộc vào sự thay đổi của điện trở RL. Nếu như điện áp lối vào và điện trở R3 cố định thì dòng điện chạy qua điện trở RL được giữ nguyên giá trị khi RL thay đổi.
2.2.3. Thiết kế hệ đo
Về nguyên lý, điện trở của cảm biến có thể được tính bằng cách sử dụng nguồn dòng cho dòng điện (IDC) chạy qua cảm biến và tính điện áp giữa hai đầu cảm biến (
DC
V ). Khi đó điện trở của cảm biến sẽ được tính bằng công thức theo định luật Ohm:
DC S DC V R I (2.17)
Tuy nhiên, vì cảm biến sử dụng chất lỏng ion nên nếu sử dụngđiện áp một chiều tác dụng lên hai đầu điện cực thì sẽ hình thành điện dung kí sinh giữa điện cực và chất lỏng dẫn điện, điều đó làm cho phép đo không được ổn định [1]. Vì vậy, trong nghiên cứu này, một nguồn dòng AC được sử dụng để cải thiện được độ chính xác của phép đo. Giá trị điện trở trên cảm biến sẽ được đo bằng phương pháp đo bốn cực, sử dụng mạch nguồn dòng Howland và mạch cầu Wien tạo dao động như hình 2.8. Mạch cầu Wien sẽ tạo ra tín hiệu xoay chiều hình sin tại tần số xác định đưa vào cảm biến. Nguồn dòng Howland giữ tín hiệu dòng điện ổn định đi qua cảm biến. Sau đó, giá trị
nguồn dòng qua cảm biến is được xác định bởi điện trở trở R7 thông qua công thức 2.4 của mạch nguồn dòng Howland:
7 i S V i R (2.18)
Giá trị dòng điện ischỉ phụ thuộc vào giá trị R7 mà không phụ thuộc vào sự thay đổi giá trị trở của cảm biến khi cảm biến chịu tác dụng của lực kéo. Biên độ tín hiệu lối ra (Vs) được xác định bằng mạch tích hợp bao gồm một bộ khuếch đại công cụ cùng với một bộ thu đỉnh. Mạch lọc thông cao nhằm loại bỏ nhiễu tần số thấp (50, 60 Hz) từ môi trường.
Khi có được độ lớn điện áp và dòng điện qua hai đầu cảm biến (thông qua nguồn dòng Howland), ta có thể được giá trị điện trở của cảm biến bằng công thức:
s s s V R i (2.19)
Ngoài ra, hệ thống có thêm một bộ thu thập dữ liệu sử dụng vi điều khiển để nhận dữ liệu từ cảm biến đồng thời giao tiếp với máy tính thông qua module truyền thông Bluetooth. Nguồn dòng Howland - + R6 R8 R7 R9 TL082 in V Dao động Wien HPF MCU Bluetooth Xác định đỉnh Rs Hình 2.8. Sơ đồ mạch đo
CHƯƠNG 3. CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM
3.1. Chế tạo cảm biến
Chuẩn bị: Ống cao su silicone, muối NaCl, Glycerin, nước cất và cốc thí nghiệm, bơm tiêm y tế.
- Ống cao su silicone
Công thức hóa học của loại cao su silicone đơn giản nhất là polydimethylsiloxane (MQ) như thấy trong hình 3.1
Hình 3.1. Công thức hóa học của cao su silicone
Trong công thức này, do liên kết Si-O (444 kJ/mol) bền hơn liên kết C-C (356 kJ/mol) làm cho cao su silicone có tính kháng nhiệt độ cao tốt hơn các loại cao su hữu cơ truyền thống. Bên cạnh đó, mạch chính cao su silicone không có các liên kết đôi chưa bão hòa làm cao su silicone trơ, kháng tốt với các yếu tố môi trường như oxy, ozon, ánh sáng mặt trời. Ngoài ra, do năng lượng quay tự do của liên kết Si-O thấp tạo nên tính mềm dẻo cho cao su silicone chưa gia công.
Thực tế, các mạch phân tử polysiloxane được biến tính, thêm vào các nhánh bên để đạt được những tính chất nhất định cho các ứng dụng riêng biệt. Nhìn chung, methyl, vinyl, phenyl và trifluoropropyl là các nhóm nhánh thông dụng nhất tạo thành các sản phẩm polysiloxane thương mại khác nhau.
Sự kết hợp của các nhóm vinyl (ít hơn 1% mol) như nhánh bên của chuỗi phân tử polysiloxane (loại VMQ) tăng đáng kể hiệu quả kết mạng với các peroxide hữu cơ. Điều này giúp loại VMQ có tính biến dạng dư thấp và tính kháng dầu nóng cải thiện so với loại MQ. Nhánh vinyl có thể được kết hợp vào mạch chính ở những vị trí nhất định, giúp kiểm soát các liên kết mạng, tính chất cơ lý của sản phẩm tốt hơn và ổn định trong thời gian dài. Ngày nay, hầu hết các loại cao su silicone thương mại đều chứa một lượng đơn vị vinyl nhất định.
Tương tự, việc thế một phần các nhóm methyl (5 tới 10%) bằng các nhóm phenyl (loại PMQ) sẽ giúp cao su silicone cải thiện tính kháng nhiệt độ thấp. Một loại cao su silicone khác là fluorosilicone, các nhánh trifluoropropyl được gắn vào chuỗi
polydimethylsiloxane mang lại tính phân cực cho cao su silicone, giúp kháng được nhiên liệu, dầu mỡ và dung môi.
Tính chất hóa lý của cao su silicone
Nhìn chung, cơ tính của cao su silicone tương đối kém. Độ bền kéo của chúng phụ thuộc nhiều vào chất độn silica gia cường nhưng rất khó để nâng độ bền kéo của cao su silicone trên 15 MPa. Tuy vậy trong các ứng dụng nhiệt độ cao, sự duy trì độ bền kéo của cao su silicone tốt hơn rất nhiều so với cao su thiên nhiên và các loại cao su tổng hợp khác. Độ bền xé và độ mỏi của cao su silicone nhìn chung thấp. Độ bền xé được cải thiện đáng kể bằng cách thay đổi sự phân bố liên kết mạng, bề mặt silica và cấu trúc phân tử của polymer silicone. Ngoài ra, cao su silicone thể hiện sự biến dạng dư sau nén thấp trong một dãy rộng nhiệt độ. Nhờ nhiều cải tiến, cao su silicone giờ đây có độ bền tương đối, được sử dụng trong các ứng dụng động học thông thường, không quá khắc nghiệt.
Đặc tính vốn có của chuỗi polymer silicone, liên kết ‘Si-O-Si’ uốn dẻo, ổn định cao dẫn đến sự duy trì nhiều tính chất mong muốn trong một khoảng nhiệt độ rộng. Tính kháng nhiệt và tuổi thọ dự tính của các loại cao su silicone phụ thuộc vào nhiệt độ mà chúng tiếp xúc, nhiệt độ tiếp xúc càng cao thì tuổi thọ dự tính càng thấp. Cao su silicone thể hiện tính năng lâu hơn và tốt hơn ở nhiệt độ cao so với hầu hết các loại cao su hữu cơ khác. Tính kháng lạnh của cao su silicone phụ thuộc nhiều vào cấu trúc của nó. Cao su silicone loại MQ và VMQ có thể chịu được nhiệt độ khoảng -55°C, trong khi cao su silicone chứa nhóm phenyl, PMQ và PVMQ, có thể chịu được tới khoảng - 90°C.
- Muối NaCl
Natri clorua còn gọi là muối ăn, muối, muối mỏ, hay halua, là hợp chất hóa học với công thức hóa học NaCl. Natri clorua là muối chủ yếu tạo ra độ mặn trong các đại dương và của chất lỏng ngoại bào của nhiều cơ thể đa bào. Là thành phần chính trong muối ăn, nó được sử dụng phổ biến như là đồ gia vị và chất bảo quản thực phẩm.
Cấu trúc tinh thể
Natri Clorua tạo thành các tinh thể có cấu trúc cân đối lập phương. Trong các tinh thể này, các ion clorua lớn hơn được sắp xếp trong khối khép kín lập phương, trong khi các ion natri nhỏ hơn điền vào các lỗ hổng bát diện giữa chúng. Mỗi ion được bao quanh bởi 6 ion khác loại. Cấu trúc cơ bản như thế này cũng được tìm thấy trong nhiều khoáng chất khác và được biết đến như là cấu trúc halua.
Vai trò sinh học
Natri clorua là khoáng chất thiết yếu cho sự sống trên Trái Đất. Phần lớn các mô sinh học và chất lỏng trong cơ thể chứa các lượng khác nhau của clorua natri. Nồng độ các ion natri trong máu có mối liên quan trực tiếp với sự điều chỉnh các mức an toàn của hệ cơ thể - chất lỏng. Sự truyền các xung thần kinh bởi sự truyền tính trạng tín hiệu được điều chỉnh bởi các ion natri. (Các ion kali - một kim loại có các thuộc tính rất giống natri, cũng là thành phần chính trong cùng các hệ cơ thể).
Dung dịch 0,9% natri clorua trong nước được gọi là nước đẳng trương hay dung dịch sinh lý học do nó là đẳng trương với huyết tương. Nó được biết đến trong y học như là normal saline. Dung dịch nước đẳng trương là cơ sở chính của phẫu thuật thay thế chất lỏng được sử dụng rộng rãi trong y học để ngăn chặn hay xử lý sự mất nước, hay để truyền ven để ngăn sốc do mất máu.
Người là dị thường trong số các loài linh trưởng do có sự tiết ra mồ hôi chứa một lượng lớn clorua natri.
- Glycerin
Glycerin hay glycerol, glyxerol, glyxerin là một rượu đa chức, gồm 3 nhóm -OH gắn vào gốc hyđrocacbon C3H5 (công thức hóa học là C3H5(OH)3 hay C3H8O3). Glycerin là một thành phần quan trọng tạo nên chất béo, thuốc nổ nitroglyxerin... Nó có một số tính chất của một rượu đa như phản ứng với Cu(OH)2 tạo ra dung dịch xanh trong suốt. Đây cũng là phản ứng đặc trưng để nhận biết rượu đa chức có 2 nhóm -OH trở lên gắn liền kề nhau.
Hình 3.3. Công thức hóa học của Glycerin Tính chất hóa học của glyceril (glyxerol) Tính chất hóa học của glyceril (glyxerol)
+ Tác dụng với Na
+ Tác dụng với HNO3 (H2SO4 xúc tác)
+ Tác dụng với Cu(OH)2 tạo ra phức chất dung dịch màu xanh thẫm - Nước cất:
Nước cất là nước tinh khiết, nguyên chất, được điều chế bằng cách chưng cất và thường được sử dụng trong y tế như pha chế thuốc tiêm, thuốc uống, biệt dược, rửa dụng cụ y tế, rửa vết thương. Thành phần nước cất hoàn toàn không chứa các tạp chất hữu cơ hay vô cơ, do đó nó cũng là dung môi thích hợp để rửa dụng cụ thí nghiệm, pha chế hóa chất hoặc thực hiện một số phản ứng hóa học. Trong thực tế, người ta thường sử dụng nước cất bán tại các nhà thuốc dưới dạng đóng chai. Tuy nhiên, điều kiện gia đình nếu thích hợp vẫn có thể tự điều chế nước cất bằng cách cho nước lã vào đun sôi và hứng nước / hơi nước ngưng tụ trong môi trường lạnh.
Phân loại
Nước cất thông thường được chia thành ba loại: Nước cất 1 lần (qua chưng cất 1 lần), nước cất 2 lần (nước cất 1 lần được chưng cất thêm lần 2), nước cất 3 lần (nước cất 2 lần được chưng cất thêm lần 3). Ngoài ra, nước cất còn được phân loại theo thành phần lý hóa (như TDS, độ dẫn điện,...)
Để có được sản phẩm nước cất đạt được tiêu chuẩn theo đúng nghĩa đen (cất 1 lần, cất 2 lần) và đạt tiêu chuẩn lý hóa thì nước cất thì người ta căn cứ vào tiêu chuẩn cơ sở do nhà sản xuất công bố và so sánh với tiêu chuẩn nhà nước, tiêu chuẩn ngành để đánh giá chất lượng.
Hiện có 2 tiêu chuẩn về nước cất được áp dụng là: TCVN 4581-89 và tiêu chuẩn nước tinh khiết trong Dược điển 4.
Cần phân biệt nước cất với nước lò hơi. Nước cất được sản xuất trên dây chuyền sản xuất nước cất bằng thiết bị inox, với mục tiêu sản phẩm duy nhất là nước cất nên sau khi bay hơi được ngưng và hứng ngay tại đầu vòi, không dùng các đường ống vòng vèo, khó vệ sinh. Vì vậy nước cất luôn luôn có chất lượng đảm bảo với tiêu chuẩn nước cất dùng cho phòng thí nghiệm và y tế, dược phẩm, sắc thuốc bắc, ắc quy, két nước, các ngành công nghệ, kỹ thuật.
Trong phòng thí nghiệm nước cất cũng được sản xuất bằng máy chưng cất bằng thuỷ tinh.
Lò hơi được làm bằng thép, sắt, các bộ phận ngưng bằng sắt, kẽm, nước sau khi bốc hơi được chuyền đi trao đổi nhiệt, làm nóng các thiết bị khác rồi thu hồi lại. Vì vậy nước lò hơi luôn bị nhiễm bẩn và không dủ chất lượng để gọi là nước tinh khiết. Vì vậy cần lưu ý sự khác nhau về nghĩa hiểu giữa nước cất và nước lò hơi.
Một số phương pháp khác như deion và thẩm thấu ngược RO cũng tạo ra loại nước tinh khiết nhưng chất lượn kém hơn nước cất bởi nước cất ngoài việc loại bỏ các khoáng chất và các chất hữu cơ thì quá trình chưng cất ở 100 độ C, nước bay hơi kích thước nano được tiếp xúc với ô xy không khí tạo phản ứng oxi hóa các kim loại chuyển tiếp như sắt 2 về sắt 3, crôm 3 về crôm 6. Do vậy nước cất luôn có chỉ số o xi hóa thấp hơn, làm mất khả năng xúc tác không mong muốn của Crom 3 khi pha chế thuốc kháng sinh có cấu trúc hóa học mạch vòng không no. Với tỷ lệ chất kháng sinh cỡ mg thì việc loại bỏ các kim loại chuyển tiếp như Crom 3 là rất cần thiết và có ý
nghĩa để đảm bảo thuốc không bị thay đổi hoạt tính sinh học và tăng thời gian bảo quản thuốc.
Pha chế và chế tạo
Các hỗn hợp dung dịch muối, nước và glycerin với tỉ lệ muối:nước:glycerin là 1:15:5, 1:18:5 và 1:25:5 được cho vào các cốc thí nghiệm bằng thủy tinh và khuấy đều. Việc khuấy đều giúp muối tan hết trong nước, các ion Na và Cl được khuếch tán đều trong dung dịch. Sau đó, các dung dịch được bơm đầy vào trong các ống silicone bằng ống kim tiêm y tế loại nhỏ (50cc). Thông số của ống silicone được liệt kê trong bảng 3.1. Hai đầu ống silicone được bịt kín bởi các điện cực bằng đồng mạ vàng giúp cho việc đo điện trở của ống được dễ dàng hơn. Sau đó, keo silicone được sử dụng để cố định điện cực và ngăn không cho không khí lọt vào trong ống. Các cảm biến sau khi chế tạo được thể hiện ở hình 3.4.
Bảng 3.1. Thông số của các cảm biến được chế tạo
Parameters No.1 No.2 No.3 No.4 No.5
NaCl:nước:glycerin 1:15:5 1:18:5 1:25:5 1:18:5 1:18:5
Chiều dài [mm] 60 60 60 60 60
Đường kính [mm] 1.5 1.5 1.5 0.5 1.0
Điện trở suất [Ohm.m] 3.09 3.53 4.71 3.53 3.53
Hình 3.4. Các cảm biến sau khi chế tạo
3.2. Thiết lập thí nghiệm
Bo mạch được thiết kế trên phần mềm Altium Designer phiên bản 10.0 của hãng Altium LCC và được chế tạo dựa trên công nghệ in lưới (PCB) (Hình 3.5). Ở đây, mạch nguồn dòng Howland và mạch cầu Wien tạo dao động sử dụng IC TL082 (Texas Instruments) với trở kháng lối vào cao ( 12
10 ), dòng tiêu thụ thấp (3.6mA) và dải khuếch đại rộng (4MHz). Nguồn dòng được thiết lập là 2µA và mạch cầu Wien phát dao động hình sin với tần số là 1kHz. Ngoài ra, bộ khuếch đại công cụ được xây dựng dựa trên chip chuyên dụng INA128 (Texas Instruments) có thế offset thấp (50µV) và dải điện áp cung cấp rộng (2.25V 18V ). Tín hiệu lối vào và lối ra được quan sát thông qua máy hiển thị dao động Osilocope (TDS 1002B) của hãng Tektronix. Thêm
biến. Một module Bluetooth HC05 cũng được tích hợp trên bo mạch để truyền nhận dữ liệu không dây với máy tính.
Hình 3.5. Mạch thực tế
Một bộ điều chỉnh ứng lực bằng cơ khí cũng được thiết kế và chế tạo dựa trên công nghệ in 3D (Máy in 3D Objet 500 của hãng Stratasys, USA) để thử nghiệm, khảo sát đặc tính của cảm biến. Nó giúp kéo dãn cảm biến một cách dễ dàng và thuận tiện (Hình 3.6). Bằng cách cố định một đầu và kéo đầu còn lại bằng cách điều khiển thanh vít song song với cảm biến. Một thước đo đặt trên tấm đế cho biết kích thước chính xác của cảm biến khi bị kéo dãn. Tín hiệu từ hai đầu điện cực được đưa tới bo mạch phân tích để xác định điện trở của cảm biến.
CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ KHẢO SÁT HOẠT ĐỘNG CẢM BẾN
Một thông số cơ bản của cảm biến biến dạng là độ nhạy của nó đối với biến