(LUẬN VĂN THẠC SĨ) 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

ỨNG DỤNG CỦA CẢM BIẾN ĐO GÓC NGHIÊNG VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH ĐỘ NGHIÊNG

Các ứng dụng của cảm biến đo góc nghiêng

Cảm biến đo góc nghiêng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như cơ khí, tự động hóa và điện tử y sinh Một số ứng dụng tiêu biểu có thể kể đến bao gồm… (Hình 1.1).

Hình 1.1: Một số ứng dụng của cảm biến góc nghiêng (Nguồn: Internet)

Hiệu chỉnh cân bằng trong thiết bị bay là quá trình điều chỉnh vị trí cánh quạt ở các góc khác nhau nhờ vào cảm biến đo độ nghiêng Quá trình này giúp thiết bị bay duy trì sự ổn định và di chuyển theo hướng mong muốn.

Cảm biến nghiêng trong game pad nâng cao trải nghiệm chơi game bằng cách nhận diện góc nghiêng của thiết bị Điều này cho phép người chơi thực hiện nhiều thao tác điều khiển hơn cho nhân vật, từ đó mang lại trải nghiệm phong phú hơn trong các trò chơi như đua xe và bóng đá.

Điều chỉnh góc nghiêng của cần cẩu là rất quan trọng; nó giúp người lái xác định chính xác độ cao cần nâng mà không cần ước lượng bằng mắt.

Hệ thống cảnh báo ngã cho người già sử dụng cảm biến nghiêng gắn trên cơ thể để xác định trạng thái như đi, đứng, nằm và ngã Dựa vào giá trị phản hồi từ cảm biến, hệ thống có thể cung cấp cảnh báo kịp thời cho những người liên quan, giúp nâng cao an toàn cho người cao tuổi.

Điều chỉnh góc nghiêng và hướng của máy phát phong điện là yếu tố quan trọng giúp tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của hệ thống Khi có luồng gió thổi vào, tua bin sẽ quay và hệ thống tự động xác định hướng quay tối ưu Nhờ vào khả năng này, công suất điện tối đa sẽ được tạo ra, đảm bảo hiệu quả năng lượng cao nhất.

Hệ thống khóa an toàn cho thiết bị dễ cháy nổ trong trường hợp động đất sử dụng cảm biến nghiêng để đánh giá cường độ địa chấn Khi có địa chấn xảy ra, hệ thống tự động khóa van ga, bảo vệ an toàn cho các thiết bị dễ cháy nổ.

M ột số phương pháp đo góc nghiêng

Góc nghiêng của một vật được xác định dựa trên góc lệch của mặt phẳng mà vật đó nằm so với phương ngang Việc đo góc nghiêng có thể thực hiện bằng nhiều phương pháp khác nhau, từ đơn giản đến phức tạp Bài viết này sẽ giới thiệu một số phương pháp đo góc nghiêng hiệu quả.

• Phương pháp đo góc nghiêng kiểu cơ học

• Phương pháp đo góc nghiêng kiểu vi cơ điện tử

• Phương pháp đo góc nghiêng kiểu quang học

• Phương pháp đo góc nghiêng kiểu điện dung

1.2.1 Phương pháp đo góc nghiêng kiểu cơ học

Thiết bị đo góc nghiêng cơ học, như mô tả trong Hình 1.2, bao gồm một quả nặng treo trên một sợi dây theo phương thẳng đứng, tương ứng với gia tốc trọng trường, cùng với một thước chia độ để xác định độ nghiêng.

Góc nghiêng là góc lệch giữa phương vuông góc của vật thể và phương gia tốc trọng trường Phương pháp đo góc nghiêng rất đơn giản, nhưng dễ bị ảnh hưởng bởi các tác động cơ học từ bên ngoài.

Hình 1.2: Hệ đo góc nghiêng kiểu cơ học (Nguồn: Internet)

1.2.2 Phương pháp đo góc nghiêng kiểu vi cơ điện tử

Cảm biến vi cơ điện tử đo góc nghiêng bao gồm một dầm treo với khối nặng ở trung tâm, kết hợp với lò xo, điện cực cố định và điện cực di động tạo thành cấu trúc tụ kiểu răng lược đối xứng Hệ thống này được thiết kế linh hoạt trong một mặt phẳng nhưng cố định ở các phương vuông góc Khi cảm biến nghiêng, khối nặng dịch chuyển, làm thay đổi vị trí của các điện cực di động, dẫn đến sự khác biệt trong điện dung giữa các cặp điện cực, tỷ lệ thuận với góc nghiêng Thiết kế này mở rộng dải đo góc nghiêng và công nghệ chế tạo MEMS giúp giảm thiểu ảnh hưởng của rung và nhiễu cơ học Tuy nhiên, công nghệ chế tạo phức tạp khiến giá thành sản phẩm vẫn cao.

Hình 1.3: Cấu trúc dầm treo – khối nặng trong cảm biến vi cơ điện tử đo góc nghiêng

1.2.3 Phương pháp đo góc nghiêng kiểu quang học

Hệ thống đo góc nghiêng quang học bao gồm một ống hình trụ trong suốt chứa chất lỏng màu, kèm theo đèn LED làm nguồn sáng và cảm biến quang.

Cảm biến hoạt động dựa trên nguyên tắc thay đổi cường độ ánh sáng khi lớp chất lỏng trong ống trụ nghiêng, dẫn đến sự thay đổi độ dài đường quang học tương ứng với góc nghiêng của cảm biến Module cảm biến này có phạm vi làm việc từ -50° đến 50° và độ phân giải cao đạt 0.09° Tuy nhiên, mô hình này yêu cầu tính toán phức tạp và gặp khó khăn trong việc triển khai sản xuất đại trà.

Hình 1.4: Cấu trúc hệ đo góc nghiêng bằng phương pháp quang học [3]

Hình 1.5: Mô tả cách tính góc nghiêng bằng phương pháp quang học [3]

1.2.4 Phương pháp đo góc nghiêng kiểu điện dung

Cảm biến đo góc nghiêng kiểu điện dung có cấu tạo đơn giản, bao gồm một quả cầu kim loại đặt trong ống nhựa trên nền một tụ điện phẳng Khi cảm biến bị nghiêng, vị trí của quả cầu thay đổi, dẫn đến sự biến đổi điện dung giữa quả cầu và hai bản cực Mặc dù thiết kế này mang lại độ chính xác cao, nhưng cấu trúc của nó vẫn chưa phù hợp cho sản xuất đại trà.

Hệ thống cảm biến góc nghiêng điện dung sử dụng các điện cực bán nguyệt hoặc cung tròn trong khoang chứa dung dịch điện môi Khi thiết bị nghiêng, điện môi sẽ thay đổi điện dung giữa các cặp tụ, từ đó tương ứng với góc nghiêng Mô hình cảm biến này có độ rộng dải đo lên đến [-180°, 180°].

Hình 1.7: Cấu trúc cảm biến góc nghiêng điện dung sử dụng điện môi [8]

LÝ THUY ẾT VỀ TỤ ĐIỆN VÀ CẢM BIẾN KIỂU TỤ

Lý thuy ết về tụ điện

Tụ điện là một thành phần quan trọng trong mạch điện, có chức năng lưu trữ năng lượng dưới dạng điện trường thông qua việc tích trữ electron Cấu trúc của tụ điện bao gồm hai bản cực kim loại có tiết diện A, được đặt song song và cách nhau một khoảng d Giữa hai bản cực này là lớp dung dịch có hằng số điện môi ɛ.

Hình 2.1: Cấu tạo đơn giản của tụ điện (Nguồn: Internet) Điện dung của tụ được xác định bằng công thức:

𝑑 (2.2) Trong đó, C là điện dung, giá trị tính theo Fara (F), Q là điện tích trên bản cực,

V là điện thế đặt vào hai đầu bản cực ɛ 0 = 8.854 x 10 -12 F/m là hằng số điện môi trong môi trường chân không

𝜺 là hằng số điện môi tương đối của dung môi giữa hai bản tụ

A là diện tích hiệu dụng giữa hai bản cực d là khoảng cách giữa hai bản cực

Mối phụ thuộc tương quan giữa điện dung và các tham số của tụ điện [4] được thể hiện như trong Bảng 1 dưới đây:

Bảng 1: Tương quan giữa giá trị điện dung và các tham số phụ thuộc

(với giá trị điện dung)

Diện tích hiệu dụng giữa hai bản tụ càng lớn thì giá trị điện dung của tụ càng lớn và ngược lại

Diện tích hiệu dụng lớn hơn dẫn đến điện trường giữa hai bản cực mạnh hơn, trong khi điện thế trên hai bản tụ giữ nguyên Do đó, giá trị điện dung của tụ tăng tỉ lệ thuận với diện tích hiệu dụng của hai bản cực.

Khoảng cách giữa hai bản tụ càng lớn thì giá trị điện dung của tụ càng nhỏ và ngược lại

Khoảng cách giữa hai bản tụ càng gần thì lực điện trường giữa chúng càng mạnh Sự giảm khoảng cách giữa hai bản cực sẽ dẫn đến việc cường độ điện trường tăng lên tương ứng.

Dung môi nào đặt giữa hai bản tụ có giá trị hằng số điện môi càng lớn thì cho giá trị điện dung càng lớn

Hằng số điện môi của dung dịch đặc trưng cho tính chất điện của môi trường, thể hiện độ điện thẩm tương đối giữa môi trường và chân không.

Khi dung dịch có hằng số điện môi cao được đặt giữa hai bản tụ, cường độ điện trường giữa chúng sẽ tăng lên so với trường hợp dung dịch có hằng số điện môi thấp Điều này dẫn đến việc giá trị điện dung tỷ lệ thuận với hằng số điện môi của dung dịch giữa hai bản tụ.

Khi khảo sát cảm biến kiểu tụ có cấu trúc dạng lưu chất, cần chú ý đến tham số độ nhớt của dung dịch, vì nó ảnh hưởng đến ma sát nội tại và độ nhạy của cảm biến Thông tin chi tiết về hằng số điện môi và độ nhớt của một số dung dịch được trình bày trong Bảng 2 dưới đây.

Bảng 2: Bảng hằng số điện môi và độ nhớt của các dung dich phổ biến

Dung dịch Hằng số điện môi Độ nhớt

Các lo ại cảm biến kiểu tụ

Cảm biến kiểu tụ có cấu trúc đơn giản, tương tự như một tụ điện, bao gồm hai tấm điện cực đặt song song với nhau và một lớp điện môi nằm giữa.

Dựa theo công thức (2.2) có thể thấy giá trị điện dung phụ thuộc vào cả 3 tham số: 𝜺, A, d

Do đó, tùy thuộc vào sự thay đổi của 3 thông số này, ta sẽ có 3 loại cảm biến khác nhau:

Cảm biến điện dung loại D hoạt động dựa trên sự thay đổi khoảng cách giữa hai bản tụ, với giá trị của A và ɛ là không đổi Loại cảm biến này có độ nhạy rất cao, cho phép đo khoảng cách nhỏ đến nanomet Tuy nhiên, khi khoảng cách giữa hai bản tụ tăng lên, độ nhạy của cảm biến sẽ giảm Do đó, việc loại bỏ tối đa các ảnh hưởng từ môi trường là cần thiết khi sử dụng cảm biến này Cảm biến loại D được ứng dụng phổ biến trong các phép đo xác định độ phẳng và độ rung của vật thể.

Cảm biến điện dung loại ɛ hoạt động dựa trên sự thay đổi dung môi giữa hai bản cực, với giá trị D và A không đổi Loại cảm biến này được sử dụng để đánh giá đặc tính vật liệu và xác định vị trí chuyển giao của dung môi thông qua sự thay đổi điện dung Trong thực tế, cảm biến loại ɛ rất phổ biến, đặc biệt trong các hệ thống xác định môi chất, đo độ ẩm và đo mức chất lỏng.

Cảm biến điện dung loại A hoạt động dựa trên sự thay đổi diện tích hiệu dụng giữa hai bản tụ, với giá trị D và ɛ không đổi Loại cảm biến này có dải làm việc rộng, đảm bảo tính tuyến tính của các giá trị đầu ra và không gặp phải hạn chế về suy giảm độ nhạy như loại D Chính vì vậy, cảm biến loại A được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, bao gồm đo độ nghiêng và điều chỉnh tần số.

Ứng dụng của cảm biến kiểu tụ

2.3.1 Cảm biến đo độ ẩm

Cảm biến này hoạt động dựa trên nguyên tắc của cảm biến điện dung loại ɛ, với cấu tạo đơn giản gồm các bản cực song song Vật liệu điện môi giữa các bản tụ thường chứa lớp oxit vô cơ có khả năng ngậm nước, giúp độ điện thẩm của dung dịch điện môi thay đổi theo độ ẩm của môi trường Khi độ ẩm tăng, hằng số điện môi của dung dịch cũng tăng, dẫn đến sự biến đổi điện dung của tụ tương ứng.

Cảm biến độ ẩm này có độ trễ thấp và cho kết quả đầu ra ổn định, đáng tin cậy, ít bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ môi trường Chính vì vậy, nó rất phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu thời gian hoạt động lâu dài, ít cần bảo trì và hiệu chỉnh.

2.3.2 Cảm biến đo góc nghiêng

Cảm biến này hoạt động theo cùng nguyên tắc với cảm biến điện dung loại A

Trong những năm gần đây, cảm biến đo góc nghiêng chủ yếu là cảm biến vi cơ điện tử (MEMS) nhờ sự phát triển của công nghệ chế tạo MEMS Các cảm biến này có cấu trúc dầm treo khối trọng và được ứng dụng rộng rãi trong hệ thống tự cân bằng của thiết bị bay, hệ thống túi khí ô tô và hệ thống hãm phanh tự động Bên cạnh đó, cảm biến đo góc nghiêng cũng có thể được chế tạo theo cấu trúc hai pha lỏng khí với dung môi trong vật thể rỗng có gắn điện cực Mặc dù cấu trúc dùng lưu chất đơn giản và chi phí sản xuất thấp hơn, nhưng chúng chưa đáp ứng được các yêu cầu về kích thước và độ bền cho sản xuất đại trà.

Chất lượng của một cảm biến đo góc nghiêng thường được xác định bởi các tham số như trong mục 3.1 dưới đây

2.3.3 Cảm biến đo áp suất

Cảm biến đo áp suất kiểu tụ hoạt động dựa trên nguyên tắc tương tự như cảm biến điện dung loại D Khi áp suất tác động lên lớp màng, lớp màng sẽ biến dạng, làm thay đổi khoảng cách giữa các cực tụ Sự thay đổi này dẫn đến biến đổi điện dung, từ đó cho phép xác định chính xác mức áp suất tác động lên cảm biến.

Cảm biến áp suất có thể phân loại dựa theo giá trị của áp suất mà cảm biến có thể đo:

• Cảm biến áp suất tuyệt đối: dùng để đo áp suất với chân không, loại bỏ hoàn toàn áp suất khí quyển

• Cảm biến áp suất calip: dùng để đo áp suất của một khu vực hoặc đường ống so với áp suất khí quyển

• Cảm biến áp suất vi sai: dùng để đo áp suất trong một đường ống hoặc một khu vực so với áp suất ở một khu vực khác

CHƯƠNG 3 THI ẾT KẾ - MÔ PHỎNG CẢM BIẾN GÓC

NGHIÊNG HAI CHIỀU CẤU TRÚC HAI PHA LỎNG KHÍ

Các tham s ố đặc tính của cảm biến nghiêng

Chất lượng của cảm biến thường được đánh giá thông qua các tham số mô tả đặc tính hoạt động của nó Đối với cảm biến độ nghiêng, các tham số quan trọng dưới đây thường được sử dụng để đánh giá hiệu suất của thiết bị.

• Độ nhạy (sensitivity - đơn vị đo là mV/° hoặc fF/°): là giá trị thay đổi trung bình của một đơn vị độ nghiêng của cảm biến

• Dải làm việc (measure range – đơn vị đo là °): là dải mà cảm biến có thể phát hiện góc nghiêng một cách chính xác

• Độ phân giải (đo bằng nhiễu/độ nhạy – đơn vị đo là °): là giá trị góc nghiêng nhỏ nhất mà cảm biến có thể phát hiện

• Nhiễu xuyên trục (crosstalk): là giá trị thể hiện sự ảnh hưởng của trục này lên trục kia khi cảm biến bị nghiêng theo một trục.

K ết quả của cấu trúc cảm biến góc nghiêng đã được đề xuất

Hình 3.1: Hình mô phỏng cấu trúc cảm biến hình trụ

Cảm biến góc nghiêng hai trục kiểu tụ được thiết kế với năm điện cực gắn cố định trên một ống nhựa hình trụ, trong đó một điện cực là điện cực phát và bốn điện cực còn lại là điện cực thu, được sắp xếp đối xứng Ống nhựa có chiều cao 25 mm và đường kính 10 mm, bên trong chứa 65% dung dịch xăng Cảm biến này có khả năng phát hiện góc nghiêng theo hai trục x và y Nguyên lý hoạt động dựa trên việc khi cảm biến nghiêng, dung dịch điện môi di chuyển, làm thay đổi giá trị điện dung vi sai của tụ điện Sự thay đổi này được thể hiện qua hình ảnh khi cảm biến bị nghiêng.

Hình 3.2: Mô tả hình ảnh cảm biến bị nghiêng theo trục x và trục y

Hoạt động của cảm biến được khảo sát bởi phần mềm Comsol Multiphysics

Dựa trên mô phỏng, kích thước tối ưu của các điện cực và mức dung dịch trong ống đã được xác định, dẫn đến việc chế tạo cảm biến Cấu trúc cảm biến được lắp đặt trên một mạch in PCB, với sự thay đổi điện áp đầu ra phản ánh góc nghiêng tương ứng, như thể hiện trong Hình 3.3 dưới đây.

Hình 3.3: Mô phỏng thiết kế mạch in PCB

Kết quả thực nghiệm cho thấy cảm biến hoạt động hiệu quả trong dải từ -60° đến 60° với độ nhạy 3 mV/° theo trục x, và từ -30° đến 30° với độ nhạy 17 mV/° theo trục y.

Dải làm việc của cảm biến theo trục x và trục y không bằng nhau do cấu trúc đặc thù của hình trụ Khi cảm biến nghiêng theo trục y đến một góc lớn, dung dịch điện môi có thể chỉ bao phủ một trong hai điện cực, dẫn đến sự thay đổi rất nhỏ trong điện dung vi sai và điện áp đầu ra Hơn nữa, khi cảm biến nghiêng không theo trục x hay y cố định, độ chính xác của nó trở nên rất thấp Do đó, việc phát triển các cấu trúc cảm biến tốt hơn là cần thiết Các cấu trúc mới tối ưu hơn sẽ được trình bày trong phần tiếp theo.

Đề xuất các cấu trúc cảm biến góc nghiêng mới

Cấu trúc cảm biến được khảo sát sẽ bao gồm 2 mô hình:

• Cấu trúc cảm biến hình lập phương

• Cấu trúc cảm biến hình cầu

Cả hai cấu trúc hình học đều đảm bảo tính đối xứng giữa trục x và trục y, giúp khắc phục vấn đề sai khác dải làm việc và độ nhạy trên hai trục đo của cảm biến hình trụ.

Hoạt động của cảm biến sẽ được mô phỏng và đánh giá bằng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) thông qua phần mềm Comsol Multiphysics Mô hình cảm biến bao gồm một khối lập phương hoặc khối cầu rỗng bằng nhựa với 5 điện cực xung quanh Trong mô phỏng, dung môi sử dụng là nước, nhưng chỉ chiếm một phần thể tích bên trong cảm biến, phần còn lại là không khí Điện cực kích thích được thiết lập ở điện thế 0 V (được coi là đất), trong khi các điện cực thu được đặt ở điện thế 7.2 V Phần khảo sát chi tiết về từng cấu trúc sẽ được trình bày trong các phần tiếp theo.

3.3.1 Cấu trúc cảm biến hình lập phương

Hình lập phương là một cấu trúc đặc biệt với các cạnh đối xứng và bằng nhau, cho phép cảm biến hoạt động đồng đều trên cả trục x và trục y Cấu trúc này bao gồm 5 điện cực tương tự như hình trụ ban đầu, như được minh họa trong Hình 3.4 dưới đây.

Hình 3.4: Cấu trúc cảm biến nghiêng hình lập phương Tham số kích thước của cảm biến ở bảng sau:

Bảng 3: Bảng giá trị thiết lập cho mô phỏng cảm biến nghiêng dạng lập phương

Cạnh của hình lập phương (H1)

Chiều dài của điện cực (W1)

Chiều rộng của điện cực (W1)

Thể tích khối lập phương (H1 3 )

Giá trị 10 mm 8 mm 8 mm 600 𝑚𝑚 3 1000 𝑚𝑚 3

Sử dụng phần mềm Comsol Multiphysics, chúng tôi đã khảo sát hoạt động của cảm biến ở các góc nghiêng khác nhau, tương ứng với kích thước trong bảng Kết quả khảo sát được thể hiện trong hình bên dưới Do cấu trúc đối xứng của các cạnh hình lập phương, dải làm việc của cảm biến và điện dung vi sai của tụ trên trục x và trục y là giống nhau Do đó, trong phần này, chúng tôi chỉ trình bày khảo sát hoạt động của cảm biến với dải góc nghiêng từ -180° đến 180° theo trục x.

Hình 3.5: Kết quả mô phỏng với hình lập phương theo trục x

Hình 3.6: Kết quả mô phỏng điện dung vi sai của tụ với đường tuyến tính

Biểu đồ Hình 3.6 cho thấy dải làm việc của cảm biến cấu trúc hình lập phương nằm trong khoảng từ -60° đến 60°, với độ nhạy đạt 12fF/° Hình 3.7 mô phỏng trường tĩnh điện của cảm biến tại các góc nghiêng 0° và 20°, khi một điện cực được kết nối với đất 0 V và các điện cực còn lại kết nối với điện áp tích cực.

7.2 V Dải màu thể hiện cụ thể thang chia màu sắc và mức điện thế của trường tĩnh điện

Hình 3.7: Sự phân bố điện trường của cảm biến khối lập phương tại 0 (trái) và 10 độ (phải)

Mức điện thế của trường tĩnh điện được thể hiện qua màu sắc, trong đó màu đỏ biểu thị vị trí có điện thế cao nhất và màu xanh cho vị trí có điện thế thấp nhất Theo kết quả từ Hình 3.7, điện trường phân bố ở bề mặt ngoài của khối lập phương giống nhau trong hai trường hợp cảm biến thăng bằng (0°) và cảm biến nghiêng 10°.

3.3.2 Cấu trúc cảm biến hình cầu

Cấu trúc cảm biến hình lập phương đã cải thiện dải làm việc của cảm biến theo hai trục x và y, nhưng vẫn chưa khắc phục được vấn đề nghiêng theo góc bất kỳ Ngược lại, cấu trúc cảm biến hình cầu với thiết kế đối xứng tại mọi điểm trên bề mặt có khả năng giải quyết triệt để những nhược điểm này.

Hình 3.8: Mô hình cấu trúc cảm biến hình cầu

Cảm biến nghiêng hình cầu, như mô tả ở Hình 3.8, bao gồm 5 điện cực: một điện cực kích thích và hai cặp điện cực thu Đường kính hình cầu là 10 mm, với dung dịch trong ống chiếm khoảng 60% thể tích Việc xác định kích thước tối ưu cho các điện cực là thách thức do sự phụ thuộc vào nhiều tham số khác nhau Phần này sẽ trình bày phương pháp khảo sát các kích thước khác nhau của từng điện cực nhằm tìm ra kích thước hiệu quả nhất Lựa chọn tham số tối ưu sẽ dựa trên dải làm việc lớn nhất của cảm biến, được kiểm tra với góc nghiêng từ -180° đến 180°.

Khảo sát mức dung dịch của cảm biến

Lượng dung dịch bơm vào là một tham số quan trọng của cảm biến Phần mềm Comsol sẽ giúp khảo sát hoạt động của cảm biến trong nhiều trường hợp với các lượng dung dịch khác nhau.

Biểu đồ Hình 3.9 minh họa thể tích dung dịch bơm vào cảm biến trong các trường hợp khác nhau và dải làm việc của cảm biến khi thay đổi góc nghiêng Thể tích khối cầu được xác định là 523 mm³, và khảo sát được tiến hành với góc nghiêng từ -180° đến 180°.

Biểu đồ dải làm việc của cảm biến cho thấy sự thay đổi ứng với các thể tích dung dịch khác nhau Cụ thể, khi thể tích dung dịch đạt 305, các thông số cảm biến sẽ phản ánh rõ rệt sự tương quan này.

𝒎𝒎 𝟑 (tương đương với khoảng 60% thể tích dung dịch) thì dải làm việc của cảm biến nằm trong khoảng từ -70° đến 70° là tốt nhất Kết quả mô phỏng hoạt động của cảm biến bị nghiêng theo trục x với tham số này trên phần mềm Comsol được biểu diễn ở hình bên dưới Ở đây C1, C 2, C 3, C 4 là giá trị điện dung của tụ điện tạo bởi điện cực kích thích và các điện cực thu (được mô tả trong Hình 3.8)

Hình 3.10: Mô phỏng hoạt động của cảm biến với mức nước được tìm thấy

Hình 3.11: Hình phóng to điện dung vi sai của tụ với đường tuyến tính

Khi cảm biến nghiêng theo trục x, trục y không bị ảnh hưởng, với điện dung vi sai ΔC2 bằng không và đường tuyến tính theo điện dung vi sai ΔC1 Kết quả này xuất phát từ cấu trúc hình học đối xứng của hình cầu; khi cảm biến nghiêng theo một phương, mức dung dịch bao phủ hai điện cực vuông góc với phương nghiêng là như nhau Do đó, điện dung giữa điện cực kích thích và hai điện cực 3, 4 sẽ có giá trị tương đương, dẫn đến ΔC2 = 0.

Kết quả mô phỏng cho thấy sự phân bố điện trường của cảm biến, với hình 3.12 minh họa dải màu đỏ sẫm thể hiện mức điện thế cao nhất là 7.2V, trong khi dải màu xanh nước biển biểu thị mức điện thế tại đây là 0V Đặc biệt, trường tĩnh điện bên ngoài cảm biến ở vị trí cân bằng và khi nghiêng một góc 20° là tương đồng.

Hình 3.12: Sự phân bố điện trường của cảm biến khối cầu tại 0 độ (trái) và 20 độ (phải) a Khảo sát kích thước của điện cực

Hình 3.13: Hình mô phỏng cấu trúc mặt cầu

Kích thước và vị trí của các điện cực là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến dải làm việc và độ nhạy của cảm biến Việc khảo sát các kích thước và vị trí khác nhau sẽ giúp xác định tham số tối ưu cho cảm biến Tính đối xứng của hình cầu và vị trí đặt điện cực quyết định kích thước của điện cực Thiết kế mô phỏng mặt cầu trên phần mềm Comsol sẽ hỗ trợ trong việc xác định các tham số này.

ĐO ĐẠC - KHẢO SÁT CẢM BIẾN GÓC NGHIÊNG HAI CHIỀU CẤU TRÚC HAI PHA L ỎNG KHÍ

Công ngh ệ chế tạo cảm biến bằng máy in 3D

Trên thị trường máy in 3D hiện nay, hai công nghệ phổ biến nhất cho việc chế tạo các vật thể theo thiết kế có sẵn là FDM và Polyjet.

Máy in 3D sử dụng công nghệ FDM hoạt động bằng cách tạo ra các phần từ dưới lên thông qua việc đắp từng lớp nhựa nhiệt dẻo Quá trình này diễn ra đơn giản với đầu phun được nung nóng và ép đùn sợi nhựa.

Xử lý trước sản xuất bao gồm việc chuẩn bị phần mềm và định vị tập tin in dưới dạng 3D CAD Ngoài ra, cần tính toán lượng nhựa dẻo cùng các chất hỗ trợ cần thiết để đảm bảo quá trình in 3D diễn ra hiệu quả.

Máy in 3D sử dụng công nghệ làm nóng nhiệt dẻo, biến nó thành dạng bán lỏng để tạo ra lớp vật liệu siêu mịn Quá trình này diễn ra dọc theo con đường ép đùn, nơi máy 3D có thể tạo ra chất kết tủa để hỗ trợ hoặc làm đệm cho các vị trí cần thiết, hoạt động như một dạng dàn giáo.

Xử lý sau sản xuất là quá trình sử dụng vòi nước áp lực hoặc chất hòa tan để phá vỡ các phần hỗ trợ, giúp sản phẩm còn lại sẵn sàng cho việc sử dụng.

Công nghệ FDM mang lại nhiều lợi ích, bao gồm tính sạch sẽ, đơn giản và dễ sử dụng, phù hợp với môi trường văn phòng Nó hỗ trợ sản xuất nhựa nhiệt với máy móc ổn định, đồng thời không gặp khó khăn với các hình dạng phức tạp hay lỗ răng sâu.

Công nghệ in 3D PolyJet hoạt động tương tự như máy in mực phun, nhưng thay vì phun mực lên giấy, nó phun từng tia nhựa quang hóa dạng lỏng lên một khay tạo dựng Quy trình này diễn ra một cách đơn giản và hiệu quả.

• Trước sản xuất: Chuẩn bị phần mềm tạo dựng tự động tính toán lượng nhựa quang hóa (photopolymers) và vật liệu hỗ trợ (support material) từ 3D CAD

Máy in 3D sử dụng công nghệ bắn tia nhựa lỏng quang hóa (photopolymers) và làm đông cứng bằng tia UV để tiến hành sản xuất Quy trình này tạo ra các mẫu hoặc bộ phận 3D chính xác bằng cách chồng từng lớp vật liệu trên khay tạo dựng Đối với các chi tiết nhô ra, lỗ trống hoặc hình dạng phức tạp, máy in 3D có khả năng bắn vật liệu hỗ trợ, giúp dễ dàng gỡ bỏ sau khi hoàn thành.

Xử lý sau sản xuất cho phép người dùng dễ dàng loại bỏ chất hỗ trợ bằng tay hoặc nước, giúp nguyên mẫu hoặc bộ phận sẵn sàng để đưa vào sử dụng ngay lập tức.

Máy in 3D PolyJet mang lại nhiều lợi ích vượt trội trong việc tạo mẫu và sản xuất, bao gồm khả năng tạo ra các nguyên mẫu với bề mặt nhẵn mịn và chi tiết sắc sảo Nó cũng cho phép sản xuất dụng cụ sản xuất tạm thời như khuôn gá và thiết bị định vị lắp ráp Đặc biệt, máy in này có khả năng sản xuất các sản phẩm với hình dạng và chi tiết phức tạp, đồng thời cung cấp bề mặt mịn màng Hơn nữa, PolyJet hỗ trợ kết hợp nhiều màu sắc và chất liệu khác nhau trong một mô hình, mở rộng sự đa dạng của vật liệu có sẵn.

Công nghệ in 3D Polyjet đã được áp dụng để chế tạo cảm biến góc nghiêng hai chiều cho hai pha lỏng-khí Máy in 3D Objet500 của Stratasys, với hệ thống Connex3, cho phép pha trộn ba loại vật liệu, tạo ra hỗn hợp vật liệu kỹ thuật số chất lượng cao.

Hình 4.1: Máy in 3D Objet 500 – Stratasys [7]

4.1.3 Mô hình thiết kế cảm biến Đối với khối cầu nhựa, cảm biến được thiết kế bằng phần mềm Solid Works, với các kích thước theo như khi thực hiện mô phỏng trong phần mềm Comsol (Bảng 4)

Trong công nghệ in 3D Polyjet, quá trình in một hợp chất dẻo sẽ phun đầy vào lõi của cảm biến để tạo cốt Sau khi hoàn tất in ấn, hợp chất này cần được loại bỏ để đảm bảo cảm biến hoạt động chính xác Thiết kế cho in 3D cảm biến bao gồm hai phần: một mặt cầu rỗng với các vị trí gán điện cực và một lỗ khoét trên đỉnh, cùng với một nắp cầu có kích thước khớp với lỗ khoét.

Hình 4.2: Mô hình thiết kế mặt cầu rỗng

Hình 4.3: Mô hình thiết kế nắp cầu

Sau khi thu thập toàn bộ hợp chất, dung môi nước sẽ được bơm vào khối cầu theo đúng thông số đã mô phỏng Sau đó, nắp cầu sẽ được đậy kín và gắn chặt bằng keo dính nhựa, nhằm đảm bảo rằng cảm biến không bị rò rỉ nước trong quá trình hoạt động.

Các điện cực được chế tạo từ đồng với kích thước chính xác nhờ công nghệ CNC Chúng sẽ được gắn vào các vị trí đã được đánh dấu trên khối cầu thông qua manipulator.

M ạch điện cảm biến góc nghiêng điện tử

Kế thừa từ các nghiên cứu [1] [2], sơ đồ khối của mạch cảm biến góc nghiêng điện tử không có nhiều thay đổi như trong Hình 4.5 dưới đây:

Hình 4.5: Sơ đồ khối mạch điện cảm biến góc nghiêng điện tử

• Bộ tạo dao động sin: sử dụng mạch cầu Wien để phát tín hiệu vào cho hệ thống

Tần số tín hiệu của mạch dao động là 127 kHz

Cảm biến góc nghiêng hoạt động bằng cách cung cấp giá trị đầu ra là điện dung vi sai giữa hai bản tụ điện Giá trị ∆C này được chuyển đổi qua mạch điện để điều chế tín hiệu nguồn, phản ánh sự thay đổi của điện dung vi sai.

Bộ khuếch đại tín hiệu bao gồm mạch tiền khuếch đại và khuếch đại vi sai, có chức năng chính là khuếch đại biên độ của tín hiệu tại đầu ra của bộ chuyển đổi điện áp.

Bộ tách sóng đường bao và bộ lọc thông thấp có chức năng tách biệt sự thay đổi biên độ trong tín hiệu và loại bỏ các thành phần tần số cao Kết quả đầu ra của hệ thống sẽ là tín hiệu một chiều, với giá trị điện áp tỷ lệ thuận với điện dung vi sai giữa hai điện cực cảm ứng của cảm biến.

Sơ đồ nguyên lý mạch điện cảm biến góc nghiêng điện tử được trình bày chi tiết trong PHỤ LỤC 1

Hình ảnh thực tế của mạch đo sau khi được chế tạo như dưới đây:

Hình 4.6: Sơ đồ khối tương ứng trên thiết kế PCB

Để đo điện áp vi sai trên hai cặp điện cực, giải pháp sử dụng hai tấm mạch PCB được đề xuất, vì mỗi tấm chỉ cho phép xác định điện áp vi sai trên một cặp Việc này giúp đảm bảo đo chính xác điện áp vi sai khi cảm biến nghiêng ở các góc khác nhau Nguồn dao động sẽ chỉ được cấp cho một bảng mạch.

Phương pháp ghép hai bản mạch PCB đã được xem xét, nhưng do không đảm bảo tính đối xứng của các đường mạch, dễ dẫn đến sự xuất hiện của tụ ký sinh trên mạch điện, ảnh hưởng đến độ chính xác của kết quả đo, nên phương án này đã không được áp dụng.

Hình 4.7: Mạch đo cảm biến góc nghiêng điện tử - mặt trên

Hình 4.8: Mạch đo cảm biến góc nghiêng điện tử - mặt dưới

Vị trí của cảm biến nghiêng được đặt giữa hai bảng mạch và kết nối với các điện cực như Hình 4.9

Hình 4.9: Vị trí đặt cảm biến trên mạch đo góc nghiêng điện tử

Thi ết lập hệ đo đạc

Dựa trên các kết quả mô phỏng đã được thực hiện, cấu trúc cảm biến đề xuất được chế tạo thử nghiệm có các thông số như trong Bảng 4

Hệ đo được lắp đặt trên mặt phẳng có giá đỡ, cho phép xác định góc nghiêng với độ phân giải 1 độ Mạch cảm biến gắn cố định vào đĩa xoay, và khi điều chỉnh độ nghiêng của cảm biến, giá trị điện áp đầu ra trên mạch điện xử lý sẽ thay đổi tương ứng.

Hệ thống khảo sát góc nghiêng có khả năng thay đổi từ -180° đến 180° với bước 5 độ mỗi lần đo Cảm biến được điều chỉnh theo từng trục tương ứng với hướng của các cặp điện cực thu Đồng hồ đo điện áp được kết nối giữa chân tín hiệu đất và chân tín hiệu điện áp ra Tại mỗi góc đo, giá trị điện áp đầu ra được xác định cho cả trục đang đo và trục còn lại, giúp phân tích hiện tượng nhiễu cross talk.

Hệ thống đo đạc được triển khai trong thực tế như dưới đây (Hình 4.10):

Hình 4.10: Hệ thống đo đạc trong thực tế

K ết quả đo đạc

Cảm biến được khảo sát trong toàn dải từ -180° đến 180° với bước 5° theo trục x và y Kết quả đo đạc cho thấy hình dạng đường đồ thị của trục x và y tương đồng tại các vị trí điện áp cực tiểu và cực đại, nhưng độ nhạy và hệ số tuyến tính lại chênh lệch đáng kể Khi cảm biến xoay theo trục x, dải điện áp đồng biến nằm trong khoảng [-70°, 70°] với độ nhạy 59.4 mV/° Trong khi đó, khi xoay theo trục y, dải điện áp đồng biến cũng trong khoảng [-70°, 70°] nhưng với độ nhạy chỉ đạt 32.1 mV/° Nhiễu xuyên kênh crosstalk được ghi nhận là không đáng kể, dưới 2.3% trong dải tuyến tính khi đo theo trục x.

Sự khác biệt trong hiệu suất của cảm biến một phần do kích thước nhỏ, gây khó khăn trong việc thao tác và vị trí đặt các điện cực không đối xứng, dẫn đến độ bám dính kém giữa các điện cực và bề mặt cảm biến, ảnh hưởng đến tiếp xúc với mạch đo Ngoài ra, dung dịch nước máy có trở kháng cũng làm thay đổi giá trị điện dung của các cặp điện cực Mặc dù có thể sử dụng dung môi khác như xăng hay rượu để loại bỏ trở kháng, nhưng chúng có thể làm hỏng cầu nhựa nếu để lâu Việc sử dụng thủy tinh làm vật liệu chế tạo cảm biến có thể khắc phục hoàn toàn các hạn chế về môi chất, nhưng quá trình chế tạo phức tạp Do đó, tác giả quyết định chọn nhựa làm chất liệu cho cảm biến và muốn khảo sát cảm biến cấu trúc dạng cầu trước tiên.

Hình 4.11: Mối liên hệ giữa điện áp lối ra và góc nghiêng theo trục x và trục y

Hình 4.12: Nhiễu cross-talk của trục y lên trục x

Hình 4.13: Dải làm việc của cảm biến theo trục x

Hình 4.14: Dải làm việc của cảm biến theo trục y

Để khắc phục sự khác biệt về độ nhạy của cảm biến theo hai trục x và y, có thể điều chỉnh hệ số khuếch đại của mạch đo Trong đồ thị chuẩn hóa, giá trị điện áp ra trên trục y đã được nhân với hệ số khuếch đại V peakX /V peakY = 1.886.

Hình 4.15: Biểu đồ chuẩn hóa giá trị đầu ra của trục Y theo trục X

Delta Vy Line near fit

Dựa trên đồ thị chuẩn hóa (Hình 4.15), giá trị điện áp ra đỉnh theo trục X và Y có sự trùng nhau, tuy nhiên vẫn tồn tại nhiều điểm mà các giá trị này chưa thực sự khớp Nguyên nhân của sự khác biệt này là do vị trí cân bằng ban đầu của cảm biến không chính xác, cùng với kích thước và vị trí của các điện cực chưa đảm bảo tính đồng nhất và đối xứng hoàn toàn.

Kết quả đo đạc thực nghiệm cho thấy dải làm việc thực tế của trục x và y đạt được như mô phỏng, từ -70° đến 70° Mặc dù hệ số xác định (R²) chỉ đạt 99.14% đối với trục x, nhưng vẫn cho thấy sự tương đồng đáng kể giữa kết quả thực nghiệm và mô phỏng.

96.54% với trục y) nhưng đây là kết quả khả quan, có thể là tiền đề để tối ưu lại hoạt động của cảm biến trong các nghiên cứu tiếp theo

So sánh với kết quả của cảm biến độ nghiêng hai trục hình trụ [2] thì kết quả như sau:

Bảng 5: Bảng so sánh kết quả đo thực nghiệm của cảm biến hình trụ và hình cầu

Thông số Cảm biến nghiêng hình trụ [2] Cảm biến nghiêng hình cầu

Dải làm việc trục x -60°, 60° -70°,70° Độ nhạy trục x 3mV/° 59.4mV/°

Dải làm việc trục y -30°,30° -70°,70° Độ nhạy trục y 17mV/° 32.1mV/°

Mô hình cảm biến nghiêng hai trục hình cầu cho kết quả thực nghiệm vượt trội so với mô hình hình trụ trước đó, cả về độ rộng dải làm việc và độ nhạy Tuy nhiên, hệ số tuyến tính theo trục y của mô hình cảm biến cầu vẫn chưa đạt yêu cầu, do đó cần cải thiện độ chính xác khi gắn điện cực trong các nghiên cứu tiếp theo.

Luận văn này trình bày nghiên cứu phát triển cảm biến đo góc nghiêng hai trục dựa trên nguyên lý tụ điện, với cấu trúc hình cầu rỗng và năm điện cực cố định Một điện cực đóng vai trò kích thích, trong khi hai cặp điện cực đối xứng là điện cực thu Cảm biến chứa nước có hằng số điện môi 81, cho phép phát hiện góc nghiêng theo hai trục x và y với độ nhạy và dải làm việc tương đồng Hoạt động cảm biến được khảo sát bằng phần mềm Comsol Multiphysics thông qua phương pháp phần tử hữu hạn (FEM), từ đó tối ưu kích thước điện cực để đạt độ nhạy cao Nguyên mẫu cảm biến được chế tạo bằng công nghệ in 3D và kết quả đo đạc phù hợp với mô phỏng, cho thấy điện dung vi sai thay đổi theo góc nghiêng trong dải [-70°, 70°], với độ nhạy 59.4mV/° theo trục x và 32.1 mV/° theo trục y, vượt trội so với các cấu trúc cảm biến hai chiều trước đây.

TÀI LI ỆU THAM KHẢO

[1] Trần Minh Cường Thiết kế, chế tạo và 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,

[3] S Das, "A Simple, Low Cost Optical Tilt Sensor," Int J Electron Electr Eng., vol

[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

In their 2016 paper presented at the IEEE Sixth International Conference on Communications and Electronics, Dang Dinh Tiep and colleagues explore a tilt sensor utilizing a three-electrode dielectric liquid capacitive design The study, which spans pages 172 to 175, highlights the innovative approach and potential applications of this sensor technology in various fields.

In their 2016 study, Tiep Dang Dinh and colleagues explored a method for detecting two-axis tilt angles using a dielectric liquid capacitive sensor Their research, presented on pages 907 to 909, highlights the innovative application of capacitive sensing technology for precise tilt angle measurement.

[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.

SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ MẠCH CẢM BIẾN GÓC NGHIÊNG ĐIỆN TỬ