Cảm biến đo biến dạng sử dụng chất lỏng ion đƣợc sử dụng trong nghiên cứu này đƣợc tạo thành khi cho dung dịch NaCl và Glycerol vào trong một ống cao su silicone có độ dài phần chứa dung dịch là l0 và đƣờng kính ống là d0 nhƣ hình 2.3, hai đầu của ống đƣợc kết nối với 2 điện cực bằng kim loại chống ăn mòn. Khi có tác động lực lên cảm biến làm cảm biến bị biến dạng mà cụ thể là kéo căng chiều dài cảm biến sẽ tăng thêm đoạn ∆l đồng thời đƣờng kính ống giảm đi ∆d sẽ làm cho điện trở của cảm biến thay đổi. Sự thay đổi điện trở này sẽ đƣợc mô tả chi tiết ở phần sau.
Hình 2.3 Mô hình cảm biến biến dạng
Quá trình chế tạo cảmbiến,bơm kimtiêm đƣợc sử dụng để bơm dung dịch ion đã pha sẵn vào trong ống cao su silicone. Để dung dịch không bị tràn ra ngoài,hai đầu ống đƣợc giữ song song với nhau và hƣớng lên trên tạo thành 1 bình thông nhau. Sau khi dung dịch đã đƣợc bơm đầy ống, hai điện cực có thiết diện to hơn thiết diện ống đƣợc sử dụng để bịt hai đầu ống với mục đích ngăn không cho nƣớc rỉ ra ngoài. Cuối cùng,keo silicone đƣợc dùng để dán miệng ống với điện cực và tạo ra đƣợc cảm biến nhƣHình 2.4
Hình 2.4 Cảm biến biến dạng
2.2.2Xây dựng hệ thống mạch điện dùng để khảo sát cảm biến
Xuất phát từ biểu thức định luật ôm: R = U
Với: - R là điện trở vật dẫn (ohm)
- U là hiệu điện áp giữa hai đầu vật dẫn (volt) - I là cƣờng độ dòng điện qua vật dẫn (amperes)
Khi dòng điện qua vật dẫn là không đổi thì điện áp hai đầu vật dẫn sẽ thay đổi tuyến tính theo sự thay đổi điện trở của vật dẫn, tƣơng tự, nếu điện áp giữa hai đầu vật dẫn là không đổi, thì dòng điện qua vật dẫn sẽ thay đổi tuyến tính theo sự thay đổi của điện trở vật dẫn. Việc tạo ra một nguồn điện áp không đổi sẽ dễ dàng hơn việc tạo ra một nguồn dòng không đổi, tuy nhiên khi sử dụng nguồn điện áp không đổi thì đại lƣợng biến thiên sẽ là dòng điện sẽ khó khăn trong việc đo đạc cũng nhƣ thu thập dữ liệu để phục vụ cho các ứng dụng sau này.Từ đó, một hệ thống mạch nguồn dòng xoay chiều ổn định đƣợc thiết kế dùng để khảo sát cảm biến [10]. Việc sử dụng nguồn xoay chiều giúp giảm ảnh hƣởng của quá trình điện phân gây hiện tƣợng trôi điện trở và sai số trongphép đo. Khi bị kéo dãn điện trở của cảm biến sẽ biến thiên:
- Ta có công thức tính điện trở: R =ρ 𝐿
𝑆
Trong đó:
+ R là điện trở của dung dịch trong ống silicone(ohm) + L là chiều dài ống
+ S là thiết diện lòng trong ống + ρ điện trở suất của dung dịch
- Điện trở suất là nghịch đảo của độ dẫn và độ dẫn không bị thay đổi khi có biến dạng. Do đó, khi kéo dãn cảm biến sẽ làm cho chiều dài cảm biến tăng đồng thời thiết diện giảm dẫn đến điện trở của tăng lên.
Hình 2.5 Cảm biến ở trạng thái Hình 2.6 Cảm biến sau khi bị
banđầu kéo dãn ra thêm ∆l
Hình 2.7. Sơ đồ khối mạch điện
Sơ đồ khối mạch điện đo đạc khảo sát cảm biến đƣợc cho trên hình 2.7. 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 bộ khuếch đại vi sai và bộ lọc trƣớc khi đƣa vào mạch tách sóng đƣờng bao và thu đỉnh và đƣa về đọc giá trị bởi vi điều khiển.
Khối tạo nguồn dòng: Nguồn dòng xoay chiều ổn định đƣợc thiết kế gồm 2 khối thành phần chính là khối tạo dao động hình sine với tần số 2kHz sử
dụngmáy phát dao động và khối ghim dòng sử dụng khuếch đại thuật toán (Hình 2.8).
Hình 2.8. Khối ghim dòng
Do mạch điện hoạt động với tín hiệu khá nhỏ nên chịu ảnh hƣởng của nhiễu khá lớn dẫn đến sai số lớn trong phép đo, do đó cần đƣợc xử lý trƣớc khi có thể sử dụng để khảo sát cảm biến. Một bộ lọc thông dải đƣợc sử dụng để xử lý nhiễu.
Hình 2.9. Bộ lọc thông dải
Hình 2.10. Mạch tách sóng đƣờng bao và thu đỉnh
Bên cạnh đó, một mạch tách sóng đƣờng bao và thu đỉnh đƣợc sử dụng để có thể thu thập và xử lý dữ liệu cảm biến bằng vi điều khiển (Hình 2.9).
2.2.3 Khảo sát mạch nguồn dòng xoay chiều
Trƣớc khi đi vào thí nghiệm, khảo sát cảm biến đƣợc chế tạo, đầu tiênmạch nguồn dòng đƣợc thiết kế chế tạo sẽ đƣợctiến hành khảo sát. Nguồn dòng đƣợc cấp cho các điện trở chuẩncó giá trị cố định từ 100 kΩ đến 500 kΩ.Đây là dải điện trở của cảm biến.Hình 2.11 biểu diễn biên độ điện áp trên các điện trở khi bộ tạo nguồn dòng hoạt động.
Hình 2.11 Kết quả khảo sát nguồn dòng.
Qua kết quả khảo sát cho thấy điện thế thay đổi tuyến tính với sự thay đổi của điện trở (sai số bình phƣơng R2 = 0.9863). Mạch cung cấp một dòng ổn định với dòng điện cực đại xấp xỉ 2 𝜇A trong dải điện trở từ 100 kΩ đến gần 500 kΩ. Với kết quả này, mạch tạo nguồn dòng thể sử dụng mạch điện để khảo sát cảm biến.
Cảm biến đo độ biến dạng sử dụng chất lỏng ion đƣợc kết nối với mạch điện thu thập dữ liệu. Tín hiệu khảo sát tại một số điểm trên mạch đƣợc thể hiện trên các hình 2.12 và 2.13. Hình 2.12 và 2.13 biểu diễn hình chụp dao động ký tín hiệu khảo sát trƣớc và sau bộ thu đỉnh (tƣơng ứng với điểm 1 và 2 trên hình 2.7). Trƣớc khi qua bộ thu đỉnh, tín hiệu có dạng hình sine với tần số f =2 kHz và biên độ V=350 mV. Sau khi qua bộ thu đỉnh, tín hiệu ổn định. Biên độ tín hiệu thay đổi khi làm biến dạng (kéo dãn) cảm biến.
y = 2E-06x + 0.031 R² = 0.986 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 0 100,000 200,000 300,000 400,000 500,000 600,000 Đi ện áp ( V ) Điện trở (Ohm)
Hình 2.12Tín hiệu thu đƣợc từ cảm biến sau khi đƣợc khuếch đại và lọc
Hình 2.13Tín hiệu tại lối ra mạch điện, trƣớc khi đƣa vào vi điều khiển
2.2.4Đặc tính của cảm biến
Khảo sát cảm biến với biến dạng dọc trục
Với mạch điện xử lý tín hiệu từ cảm biến đã xây dựng, cảm biến biến dạng ionic liquid đƣợc khảo sát thực nghiệm. Cảm biến đƣợc kéo dãn sử dụng thiết bị tạo biến dạng với một đầu giữ cố định và một đầu có thể di chuyển đƣợc theo phƣơng ngang nhờ cơ cấu trục vítnhƣ trên hình 2.14. Hai đầu của cảm biến đƣợc
kết nối vào mạch điện xử lý tín hiệu nhƣ mô tả ở phần trên. Cảm biến đƣợc kéo dãn với các mức độ khác nhau, với mỗi lần kéo dãn nhƣ thế hệ thống sẽ thu thập giá trị điện áp trên cảm biến và từ dòng điện ổn định có đƣợc sẽ xác định đƣợc giá trị điện trở của cảm biến. Sự thay đổi điện trở của cảm biến theo biến dạng đƣợc vẽ lại và tính toán độ nhạy biến dạng của cảm biến.
Hệ số độ nhạy của cảm biến– Gauge factor (GF)đƣợc tính toán bằng tỉ số giữa độ thay đổi của điện trở trên độ dãn của ống dây theo công thức:
GF = 𝛥𝑅/𝑅0
𝛥𝐿/𝐿0
Trong đó, R0, L0 là điện trở và chiều dài ban đầu của cảm biến.
Hình 2.14: Thí nghiệm khảo sát cảm biến biến dạng. Cảm biến đƣợc kéo dãn theo chiều dài.
Hình 2.15biểu diễn đồ thị tƣơng quan giữa biến thiên điện áp (tín hiệu lối ra mạch thu thập dữ liệu cảm biến) và biến dạng của điện trởdo kéo dãn. Điện trở đƣợc chế tạo từ ống silicon đƣờng kính 1mm, chiều dài ống 5cm, nồng độ dung dịch NaCl0.25%. Hệ số độ nhạy GF của cảm biến đƣợc tính toán có giá trị xấp xỉ 2,5.
(b)
Hình 2.15Đồ thị tƣơng quan giữa biến thiên điện áp (tín hiệu cảm biến) và biến dạng của điện trởdo kéo dãn
Khảo sát cảm biến với biến dạng ngang trục
Sau khi khảo sát cảm biến với biến dạng dọc trục, tiếp theo cảmbiến sẽ đƣợc khảo sát với biến dạng ngang trục bằng mạch điện xử lý tín hiệu từ cảm biến. Cảm biến đƣợc ép ngang sử dụng thiết bị tạo biến dạng là một thƣớc kẹp điện tử với một đầu giữ cố định và một đầu có thể di chuyển nhƣ trên hình 2.16. Hai đầu của cảm biến đƣợc kết nối vào mạch điện xử lý tín hiệu nhƣ mô tả ở trên. Cảm biến đƣợc ép theo phƣơng ngang với các mức độ khác nhau, với mỗi lần épcảm biến dạng từng bƣớc 0.1mm,hệ thống sẽ thu thập giá trị điện áp trên cảm biến và từ dòng điện ổn định có đƣợc sẽ xác định đƣợc giá trị điện trở của cảm biến. 0 20 40 60 80 100 120 0 10 20 30 40 Đi ệ n áp thay đ ổ i [mV ] Biến dạng [%]
Hình 2.16Thí nghiệm khảo sát cảm biến biến dạng. Cảm biến đƣợc ép ngangtrục
F
Hình 2.17Đồ thị tƣơng quan giữa biến thiên điện áp (tín hiệu lối ra mạch thu thập dữ liệu cảm biến) và biến dạng của điện trởdo bị ép ngang trục. Điện trở đƣợc chế tạo từ ống silicon đƣờng kính 1mm, chiều dài ống 4 cm, nồng độ dung dịch NaCl0.25%. Hình 2.17 biểu diễn kết quả đo đƣợc. Với biến dạng ống ngỏ hơn 1mmtrở xuống thì điện áp không thay đổido ống silicon mềm, có độ đàn hồi cao. Điện áp lối ra thay đổi với độ dịch chuyển lớn hơn 1mm. Sự sai khác khi đo nhiều lần với bốn cảm biến là không lớn.Với kết quả thu đƣợc này, cảm biến có thể đƣợc nghiên cứu để ứng dụng cho các bài toán đo lực.
CHƢƠNG III.ỨNG DỤNG ĐA CẢM BIẾN BIẾN DẠNG PHÁT HIỆN CỬ ĐỘNG CỦA CÁC NGÓN TAY
Với cảm biến đã đƣợc chế tạo và phát triển một ứng dụng của cảm biến trong phát hiện cử động ngón tay đã đƣợc xây dựng. Để ứng dụng cảm biến vào phát hiện cử động ngón tay thì một hệ thống gồm hệ gá đa cảm biến lên ngón tay, mạch nguồn dòng, mạch hợp kênh, thu thập dữ liệu và phần mềm mô phỏng bàn tay Unity.Sơ đồ khối hệ thống thu thập dữ liệu từ cảm biến đƣợc biểu diễn trên
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 bộ khuếch đại vi sai và bộ lọc trƣớc khi đƣa vào mạch tách sóng đƣờng bao và thu đỉnh và đƣa về đọc giá trị bởi vi điều khiển.Việc thu thập đồng thời dữ liệu từ đa cảm biến mà trƣờng hợp cụ thể ở đây là năm cảm biến đƣợc gắn trên các ngón tay của bàn tay sử một bộ hợp kênh.
AMP
Multiplexer
C3 Arduino
PC
Khối Cầu Wien Nguồn Howland Cảm biến và hợp kênh Khối chuyển đổi tín hiệu Khối thu thập số liệu
Hình 3.1Sơ đồ khối bộ nguồn dòng và kênh hợp kênh thu thập dữ liệu từ nhiều cảm biến.
3.1 Mạch đo
Mạch nguồn dòng gồm mạch dao động cầu Wien và khối nguồn dòng xoay chiều Howland. Với mục đích sử dụng cảm biến cho ứng dụng di động (portable), bộ tạo dao động đƣợc thiết kế và tích hợp vào mạch điện đo đạc thay
thế cho thiết bị tạo dao động chuyên dụng. Mạch dao động cầu Wien tạo các tín hiệu xoay chiều hình sine. Cấu tạo của mạch tạo dao động cầu gồm một bộ lọc thông cao và một bộ lọc thông thấp đƣợc mắc nối tiếp với nhau tạo thành một bộ lọc thông dải.
Mạch nguồn dòng xoay chiều Howland đƣợc phát minh dựa trên bộ khuếch đại thuật toán và năm 1962. Mạch nguồn dòng có đặc điểm là phản hồi từ lối ra đƣợc đƣa cả vào lối vào (+) và lối vào (-) của bộ khuếch đại thuật toán với cùng một tỷ lệ nhất định. Tiếp theo tín hiệu đƣợc đƣa qua khối tiền xửlý và chuyển đổi tín hiệu, cuối cùng tín hiệu đƣợc vi điều khiển chuyển đổi rồi đƣa lên máy tính để xử lý.
- Mạch phân kênh hợp kênh thu thập dữ liệu từ nhiều cảm biến:
Để có thể thu thập đồng thời dữ liệu từnăm cảm biến đƣợc gắn trên các ngón tay của bàn tay cần phải sử dụng một bộ hợp kênh, IC hợp kênh đƣợc chọn là CD4051 của hãng Texas Intrusments sản xuất.IC CD4051 là một IC phân hợp kênh tín hiệu tƣơng tự. Tín hiệu từ 5 cảm biến sẽ đƣợc thu thập và ghép vào một kênh truyền và đƣợc truyền tới vi điều khiển để xử lý.Việc dùng bộ phân hợp kênh sẽ giúp giảm thiểu linh kiện cho mạch điện đƣợc nhỏ gọn, khi đó chỉ cần sử dụng một mạch xử lý tín hiệu nên tín hiệu nhận đƣợc sẽ đồng nhất giữa các cảm biến.
Sơ đồ nguyên lý chi tiết của mạch điện cho trên hình 3.2. Hình 3.3 là mạch điện đƣợc chế tạo thực tế.
Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý mạch điện đo bao gồm bộ nguồn dòng và phân hợp kênh thu thập dữ liệu từ nhiều cảm biến
Hình 3.3Mạch điện chế tạo thực tế
Hình 3.3 Mạch điện thực tế: gồm các khối nguồn nuôi, khối tạo dòng và phân hợp kênh, khối tạo dao động, lối vào cho các cảm biến, mạch thu đỉnh.
- Vi điều khiển Mạch Arduino Unovới bộ ADC 10 bit
Hình 3.4 Mạch Arduino Uno R3
Mạch Arduino Uno R3 có tác dụng thu nhận và xử lý tín hiệu và truyền dữ liệu đến máy tính, với dữ liệu thu thập đƣợc thì phần mềm mô phỏng trên máy tính sẽ xử lý để mô phỏng lại chuyển động của các khớp ngón tay sao cho giống với chuyển động của các khớp ngón tay thực tế đƣợc gắn đa cảm biến. Mạch Arduino Uno R3 có mã nguồn mở thƣờng đƣợc sử dụng trong các ngành điện-
điện tử, tự động hóa, điện tử truyền thông. Về mặt phần mềm thì Arduino hỗ trợ ngôn ngữ C/C++, với nhiều thƣ viện đƣợc chia sẻ, về mặt lập trình phần mềm cho Arduino thì sẽ dễ dàng và tiện dụng cho ngƣời lập trình. Ngƣời lập trình chỉ cần có những kỹ năng cơ bản về lập trình C/C++ là có thể dễ dàng tự lập trình những ví dụ cơ bản hoặc những giao tiếp cơ bản cho Arduino trên nhƣng loại chip vi điều khiển khác nhau. Arduino UNO R3 tổng cộng có 20 ngõ giao tiếp in/out, trong đó có 14 chân digital và 6 chân analog. Mạch Arduino UNO R3 hoạt động ở trong khoảng điện áp từ 6-12VDC, bộ nhớ SRAM 2kB, Flash 32 kB, EEPROM 1 kB, với xung nhịp CPU là 16 Mhz.Hình 3.1 mô tả mạch Arduino UNO R3.
3.2 Thu thập xử lý dữ liệu từ nhiều cảm biến
Hình 3.5Phần mềm thu thập dữ liệu và mô phỏng trên Unity
Phần mềm thu thập dữ liệu và mô phỏng cử chỉ của bàn tay trên máy tínhUnity là một phần mềm mô phỏng gồm các thƣ viện vật lý cho phép mô phỏng các hành động vật lý của các đối tƣợng(nhƣ di chuyển, trọng lực, chạm...). Ngoài còn có thể tạo ra các phƣơng tiện giao thông nhƣ ô tô, máy bay, hoặc những robot chuyển động nhƣ thật bằng cách sử dụng các thuật toán kết hợp với những thƣ viện lập trình. Để phục vụ cho ứng dụng đa cảm biến, một bàn tay mô phỏng đã đƣợc thiết kế và sẽ mô phỏng lại các cử chỉ các ngón tay của bàn tay thật thông qua các dữ liệu nhận đƣợc từ hệ thống vi điều khiển gửi lên.
Phần mềm mô phỏng có nhiệm vụ nhận dữ liệu từ vi điều khiển tiếp đến sẽ chia tách dữ liệu để lấy đƣợc các giá trị của các góc quay của các khớp ngón tay đƣợc gắn cảm biến. Từ giá trị các góc quay phần mềm sẽ mô phỏng lại chuyển động của các khớp ngón tay trên một bàn tay mô phỏng 3D. Sau khi dữ liệu từ năm cảm biến đƣợc thu thập hết, dữ liệu đó sẽ là các giá trị số thực các góc quay của các khớp ngón tay.
3.3 Kết quả
(a) (b)
(c) (d)
Hình 3.6 Kết quả khảo sát hoạt động mạch thu thập dữ liệu từ nhiều cảm biến
Kết quả thực nghiệmquả khảo sát hoạt động mạch thu thập dữ liệu từ nhiều cảm biến đƣợc trình bày trên hình 3.6.Năm mức tín hiệu trên hình 3.6b tƣơng ứng với thế tay của các ngón tay ở trạng thái duỗi bình thƣờngở hình 3.6a.Các tín hiệu từ năm cảm biến là tƣơng đối đồng đều và ít bị ảnh hƣởng nhiễu từ mạch điện cũng nhƣ từ môi trƣờng xung quanh.
Trƣờng hợp các ngón tay ở các tƣ thế khác nhau (hình 3.6c) ta thu đƣợc dạng tín hiệu nhƣ trên hình 3.6d. Một khung tín hiệu nằm trong khoảng hai vạch màu đỏ