Luận án Nghiên cứu phát triển hệ thống cảm biến điện dung ứng dụng phát hiện độ nghiêng và vi hạt

 phạm vi cụ
thể. Cụ thể, khi khảo sát cảm biến theo trục x, các tham số chiều dài của điện
cực (3,4) L3, đường kính điện cực D2 theo trục y sẽ được giữ nguyên, một trong
hai tham số là chiều rộng của điện cực kích thích (điện cực 5) W1 và chiều dài
của điện cực thu (điện cực 1,2) L2 sẽ được thay đổi.
Tương tự, khi khảo sát cảm biến theo trục y, các tham số W1, L2 của trục x
sẽ được giữ nguyên, một trong hai tham số chiều dài của điện cực thu (điện cực
3,4) L3 và đường kính của điện cực D2 sẽ được thay đổi.
2.2.4 Mô phỏng mối quan hệ giữa điện dung và góc
nghiêng theo trục x và trục y
Mô phỏng này thể hiện sự thay đổi điện dung vi sai ∆C1 và ∆C2 theo từng
góc nghiêng tương ứng. Góc nghiêng được khảo sát trong phạm vi từ −1800 đến
+1800. Đồ thị trong hình 2.4 thể hiện sự thay đổi của góc nghiêng theo trục x
và theo trục y.
Qua đồ thị ta thấy, khi cảm biến nghiêng theo trục x thì giá trị điện dung
2.2 Cảm biến điện dung phát hiện độ nghiêng hai trục 38
vi sai tuyến tính trong phạm vi từ −600 đến +600 với độ nhạy 0,64 fF/0 và khi
nghiêng theo trục y thì giá trị điện dung vi sai tuyến tính trong phạm vi từ −250
đến +250 với độ nhạy 1,16 fF/0.
Một điều đáng lưu ý là khi cảm biến nghiêng một góc theo trục x thì điện
dung vi sai của trục y xấp xỉ bằng không và ngược lại. Điều này chứng tỏ rằng
nhiễu xuyên kênh của hai trục lên nhau là không đáng kể do sự sắp xếp đối xứng
của các cực thu.
Hình 2.4: Mối quan hệ giữa điện dung vi sai ∆C1, ∆C2 và góc nghiêng khi cảm
biến nghiêng theo trục x và trục y.
Để cải thiện phạm vi tuyến tính của cảm biến cũng như độ nhạy, Luận án
tiến hành tối ưu các tham số điện cực bằng phần mềm Comsol Multiphysics.
2.2.5 Khảo sát các điện cực của cảm biến nghiêng khi
quay theo trục x
Khảo sát chiều rộng của điện cực-W1
Trong mô phỏng này, thực hiện cố định chiều dài của điện cực cảm biến trục
x (điện cực 1,2) L2 = 5 mm và lần lượt thay đổi kích thước W1 của các điện cực
(1, 2 và 5).
Nhìn vào đồ thị hình 2.5 a) ta chọn được kích thước các điện cực (1, 2 và 5)
2.2 Cảm biến điện dung phát hiện độ nghiêng hai trục 39
có giá trị là W1 = 10,47 mm, đây là dải làm việc tối ưu của cảm biến theo trục x
vì các điện cực của trục x được đặt đối xứng. Nhờ tính đối xứng nên góc nghiêng
sẽ đồng biến trong phạm vi 00 ÷ 900 và nghịch biến trong phạm vi 900 ÷ 1800
và đồ thị có dạng gần giống hình sin. Tương tự như vậy, đồ thị trong dải góc
nghiêng từ −1800 ÷−900 sẽ đảo ngược do cấu trúc đối xứng của cảm biến.
Hình 2.5: a) Mối quan hệ giữa dải làm việc của cảm biến và kích thước W1; b)
Mối quan hệ giữa kích thước L2 và độ nhạy của cảm biến.
Khảo sát chiều dài L2 của điện cực
Từ kết quả khảo sát W1 = 10,47 mm, ta lần lượt thay đổi kích thước L2 của
các điện cực (1, 2) để khảo sát độ nhạy của cảm biến. Đồ thị hình 2.5 b) thể
hiện sự thay đổi kích thước của chiều dài L2 và độ nhạy của cảm biến. Qua đồ
thị 2.5 b) ta thấy khi L2 = 3mm thì độ nhạy của cảm biến đạt giá trị cao nhất
là 0, 426fF/0. Như vậy, ở cấu trúc tối ưu thì phạm vi hoạt động lớn hơn, nhưng
độ nhạy nhỏ hơn một chút. Sau khi tối ưu, diện tích điện cực 1 và 2 có giá trị
là (10, 47× 3, 00 mm)2(W1 × L2).
Hình 2.6 cho thấy khả năng làm việc của cấu trúc được tối ưu hóa theo hướng
quay trục x khi so sánh với thiết kế trong phần 2.2.2 (hình (2.4a)). Phạm vi làm
việc của cấu trúc được tối ưu hóa lên tới ±900 trong khi cấu trúc trước khi tối
ưu là khoảng ±500 (xem hình 2.6) [33]. Kết quả cũng cho thấy giá trị điện dung
2.2 Cảm biến điện dung phát hiện độ nghiêng hai trục 40
Hình 2.6: Điện dung thay đổi khi cấu trúc quay theo trục x.
vi sai (C3 − C4) không thay đổi khi lăn dọc trục x. Trong thiết kế này, độ nhạy
của cảm biến trên trục x khoảng 0,426 fF/0. Đặc tính tuyến tính của cấu trúc
tối ưu hóa được cải thiện hơn nhiều so với thiết kế trước khi được tối ưu trong
phần 2.2.2.
Theo một quy trình tương tự, kích thước W2, L3 được tối ưu hóa khi cảm
biến quay theo trục y.
2.2.6 Khảo sát các điện cực của cảm biến nghiêng khi
quay theo trục y
Khảo sát chiều rộng W2 của điện cực (3, 4) theo hướng trục y
Để thực hiện khảo sát phạm vi làm việc của cảm biến, ta giữ cố định chiều
dài của điện cực cảm biến trục y (3, 4) - L3 = 7 mm và lần lượt thay đổi chiều
rộng W2 của điện cực (3, 4). (Đồ thị hình 2.7). Đồ thị khảo sát độ nhạy cảm
biến khi thay đổi kích thước W2 được chỉ ra trên hình 2.8.
Dựa vào hai đồ thị trên hình 2.7 và 2.8 ta thấy rằng với W2 = 17, 45 mm thì
2.2 Cảm biến điện dung phát hiện độ nghiêng hai trục 41
Hình 2.7: Đồ thị khảo sát dải làm việc khi thay đổi kích thước W2.
Hình 2.8: Đồ thị khảo sát độ nhạy cảm biến khi thay đổi kích thước W2.
2.2 Cảm biến điện dung phát hiện độ nghiêng hai trục 42
cảm biến sẽ có độ nhạy và dải làm việc thích hợp.
Qua hai khảo sát hoạt động của cảm biến theo hai trục x và trục y, ta thấy
phạm vi làm việc của cảm biến quay một góc theo trục y nhỏ hơn khi quay một
góc theo trục x. Khi cảm biến quay một góc đủ lớn theo trục y thì dung dịch
trong ống sẽ ngập kín toàn bộ một trong hai điện cực của trục y và điện cực còn
lại sẽ không còn lượng dung dịch nào chạm tới, điều này dẫn đến điện dung vi
sai bị giảm, nên phạm vi hoạt động của cảm biến cũng bị thu hẹp lại.
Khảo sát chiều dài điện cực cảm biến trục y (điện cực 3, 4)-L3
Hình 2.9: Đồ thị khảo sát độ nhạy cảm biến khi thay đổi kích thước L3.
Sau khi đã chọn được kích thước của điện cực (3, 4) W2 = 17, 45 mm, ta lần
lượt thay đổi chiều dài điện cực cảm biến trục y để khảo sát phạm vi hoạt động
và độ nhạy của cảm biến. Kết quả mô phỏng cho thấy, mặc dù thay đổi giá trị
L3 nhưng phạm vi hoạt động của cảm biến vẫn giống nhau, chỉ có độ nhạy của
cảm biến khác nhau.
Đồ thị hình 2.9 là kết quả mô phỏng khi khảo sát độ nhạy của cảm biến khi
thay đổi giá trị của L3. Qua đó, ta thấy cảm biến đạt được độ nhạy lớn nhất
(1,54 fF/0) khi L3 = 5 mm.
2.2 Cảm biến điện dung phát hiện độ nghiêng hai trục 43
Hình 2.10: Đồ thị khảo sát sự thay đổi giá trị điện dung khi cảm biến nghiêng
theo trục y.
Vậy, kích thước tối ưu của điện cực trục y là L3 = 5 mm và W2 = 17, 45 mm.
Phạm vi hoạt động lớn nhất của cảm biến từ −450 đến +450 với độ nhạy 1,54
fF/0.
Đồ thị hình 2.10 chỉ ra khi cảm biến quay theo trục y thì hiệu điện dung của
hai tụ C1 và C2 (∆C1 = C1 −C2) xấp xỉ bằng không, điều này chứng tỏ khi cảm
biến quay theo trục y thì tín hiệu của cặp tụ (C1, C2) tạo ra nhiễu xuyên kênh
(crosstalk) là rất nhỏ.
Dựa vào kết quả mô phỏng, Luận án tìm được kích thước tối ưu của cảm biến
nghiêng: W1 = 10, 47 mm,L2 = 3 mm và L3 = 5 mm,W2 = 17, 45 mm.
2.2.7 Thực nghiệm
Sau khi thu được kích thước tối ưu, Luận án tiến hành chế tạo và khảo sát
hoạt động của cấu trúc cảm biến.
Cấu trúc cảm biến bao gồm năm điện cực đồng và một ống hình trụ bằng
nhựa. Ống hình trụ chứa 75% thể tích xăng (hằng số điện môi là 2) và 25% thể
2.2 Cảm biến điện dung phát hiện độ nghiêng hai trục 44
Hình 2.11: Thiết lập phép đo. a) Cảm biến được gắn trên hệ quay; b) Cảm biến
và mạch xử lý được đóng gói trong hộp kín; c) Bảng mạch xử lý tín hiệu.
tích không khí (hằng số điện môi là 1). Sau đó, ống được niêm phong hoàn toàn
bằng nhựa epoxy để tránh bay hơi hoặc rò rỉ. Các điện cực đồng chế tạo bằng
máy CNC và được gắn bên ngoài ống hình trụ (hình 2.11).
Thiết lập hệ thống đo lường được hiển thị trong Hình 2.11. Cảm biến độ
nghiêng được đề xuất được gắn trên bảng mạch in (PCB) với các mạch điện tử.
Bản mạch PCB được đóng gói trong một hộp kín và sau đó được đặt trên một
đĩa quay với độ phân giải là 0, 10.
Góc nghiêng của PCB được thay đổi dần dần trong khoảng −1800 ÷ +1800
bằng cách nghiêng đĩa và ghi lại các giá trị điện áp đầu ra tương ứng. Tín hiệu
hình sin được đưa vào điện cực kích thích. Tín hiệu đầu vào của bộ khuếch đại
vi sai được lấy từ điện cực kích thích. Điện áp đầu ra bộ khuếch đại vi sai được
đưa đến máy tính (PC) để thu thập và xử lý bằng cách sử dụng phần mềm
National Instruments Data Acquisition (DAQ) và LabVIEW.
Đầu tiên, bản mạch PCB được căn chỉnh để khảo sát hiệu suất phát hiện góc
theo hướng trục x của cảm biến. Sau đó, nó được xoay 90 độ trong mặt phẳng
2.2 Cảm biến điện dung phát hiện độ nghiêng hai trục 45
thẳng đứng để khảo sát hiệu suất của cảm biến ở góc theo hướng trục y. Bên
cạnh đáp ứng biên độ trên cả hai trục, các tính chất tác động chéo lên các trục
cũng được khảo sát.
Hình 2.12: Sơ đồ khối của cảm biến điện dung phát hiện độ nghiêng.
Sơ đồ khối của mạch điện tử được đưa ra trong hình 2.12. Bằng cách sử dụng
mạch cầu Wien cùng với bộ khuếch đại TL084 đã tạo ra được tín hiệu hình sin
với tần số 170 kHz, tín hiệu này được nối với điện cực kích thích. Tần số của bộ
dao động được điều khiển bởi điện trở R và tụ điện C; biên độ đầu ra được điều
chỉnh bởi các điện trở R1 và R2. Do điện áp trên các điện cực cảm biến thay đổi
theo giá trị điện dung tương ứng, nên các góc theo hướng trục x và trục y có
thể được theo dõi bằng cách đo biên độ của cặp điện áp vi sai (VC1 − VC2) và
(VC3 − VC4) tương ứng.
Mạch khuếch đại chuyển đổi tín hiệu dòng điện thành điện áp bằng cách sử
dụng bốn điện trở Rx1, Rx2, Ry1 và Ry2. Tín hiệu điện áp sau đó được đưa vào
bộ tiền khuếch đại trước khi đi vào bộ khuếch đại vi sai. Mạch giải điều chế biên
2.2 Cảm biến điện dung phát hiện độ nghiêng hai trục 46
Hình 2.13: Sơ đồ mạch điện xử lý tín hiệu của cảm biến điện dung phát hiện độ
nghiêng.
độ bao gồm bộ chỉnh lưu cả chu kỳ và bộ lọc thông thấp RC (LPF) với tần số
cắt 16 Hz. Điện áp đầu ra của các mạch LPF là đầu ra của cảm biến nghiêng,
trong đó Vx và Vy là điện áp phát hiện góc của trục x và trục y. Trong thiết kế
này, bộ khuếch đại vi sai được sử dụng không chỉ để lấy điện áp vi sai giữa mỗi
cặp điện áp mà còn loại bỏ nhiễu phổ biến như nhiễu công nghiệp ở tần số 50
Hz và các nguồn nhiễu khác. Sơ đồ mạch điện dùng để xử lý tín hiệu được chỉ
ra trên hình 2.13.
Mối quan hệ giữa điện áp đầu ra đo được Vx và Vy với góc theo hướng trục
x và trục y được thể hiện trong hình 2.14. Đồ thị cho thấy phạm vi đo của cảm
biến theo hướng trục x lớn hơn trục y do nguyên tắc thiết kế của cảm biến.
Hình 2.15 cho thấy kết quả đo gần như tuyến tính khi cảm biến nghiêng theo
trục x. Vùng tuyến tính của cảm biến trong khoảng từ −700 đến +700 với độ
nhạy khoảng 12,4 mV/0. Đối với cấu trúc trước khi tối ưu, thì độ nhạy của cảm
2.2 Cảm biến điện dung phát hiện độ nghiêng hai trục 47
Hình 2.14: Sự thay đổi của điện áp ra tương ứng với góc nghiêng theo trục x, y.
Hình 2.15: Sự thay đổi của điện áp ra tương ứng với góc nghiêng trên trục x (từ
−700 đến +700).
2.2 Cảm biến điện dung phát hiện độ nghiêng hai trục 48
biến là 16 mV/0 trong khoảng tuyến tính từ −600 đến +600.
Hình 2.16: Sự thay đổi của điện áp ra tương ứng với góc nghiêng trên trục y (từ
−300 đến +300).
Hình 2.16 cho thấy phạm vi tuyến tính của cấu trúc đồng nhất với đường
tuyến tính. Vùng tuyến tính của cảm biến nằm trong khoảng −300 đến +300 với
độ nhạy khoảng 34,8 mV/0. Đối với cấu trúc trước khi tối ưu, thì độ nhạy của
cảm biến là 39,6 mV/0 trong khoảng tuyến tính từ −250 đến +250.
Phạm vi tuyến tính đo được ở cả trục x và trục y nhỏ hơn một chút so với
giá trị mô phỏng, do bỏ qua các tác động của môi trường xung quanh và giữa
các điện cực thu trong mô hình hóa và mô phỏng.
Hình 2.17 cho thấy điện áp đầu ra của cảm biến theo trục x và trục y trong
phạm vi độ nghiêng từ 00 đến 900 với tín hiệu nhiễu xuyên kênh. Các đầu ra cấu
trúc được tối ưu hóa được cải thiện hơn nhiều khi so sánh với thiết kế trước khi
tối ưu.
Hình 2.18 cho thấy thời gian đáp ứng đo của cảm biến. Nó cho thấy rằng điện
áp đầu ra có trạng thái ổn định sau khoảng 0,6 giây khi áp dụng độ nghiêng từ
2.2 Cảm biến điện dung phát hiện độ nghiêng hai trục 49
Hình 2.17: Sự thay đổi của điện áp ra và nhiễu xuyên kênh khi cảm biến nghiêng
trong dải 00 đến 900.
Hình 2.18: Đáp ứng thời gian của cảm biến.
2.2 Cảm biến điện dung phát hiện độ nghiêng hai trục 50
700 đến 00 hoặc ngược lại. Do đó, cấu trúc này có thể theo dõi những dao động
nghiêng với biên độ lên đến 700 và tần số lớn nhất 1,5 Hz. Tần số hoạt động của
cảm biến sẽ lớn hơn nhiều đối với các dao động nghiêng (rung) có biên độ nhỏ.
2.2.8 Độ nhạy của cấu trúc cảm biến
Đặc trưng của các cảm biến phát hiện độ nghiêng nói chung và cảm biến
điện dung phát hiện độ nghiêng nói riêng dựa trên công nghệ MEMs đều có kích
thước nhỏ, công suất tiêu thụ thấp. Các cảm biến này đều có chung một nhược
điểm đó là khi góc nghiêng càng lớn thì độ nhạy càng thấp. Việc cải thiện độ
nhạy là vấn đề đã và đang nhận được nhiều quan tâm.
Độ nhạy của cảm biến điện dung phát hiện độ nghiêng biểu thị độ lớn của
sự thay đổi trên đầu ra khi thay đổi độ lớn của góc nghiêng đầu vào.
Do vậy, dựa vào các kết quả đo được, Luận án tính được độ nhạy của cấu
trúc. Ví dụ, đối với cấu trúc cảm biến trước khi tối ưu kích thước:
Độ nhạy của cảm biến khi phát hiện độ nghiêng theo trục x là: 960 mV /60
độ = 16 (mV /độ); theo trục y là: 990 mV /25 độ = 39,6 (mV /độ).
Sau khi tối ưu kích thước, độ nhạy của cảm biến theo trục x là: 870 mV /70
độ = 12,4 (mV /độ); theo trục y là: 1045 mV /30 độ = 34,8 (mV /độ).
Như vậy, ta thấy rằng sau khi tối ưu kích thước thì phạm vi làm việc tuyến
tính tăng lên nhưng độ nhạy lại giảm. Tuy nhiên, độ nhạy có thể được cải thiện
bằng cách sử dụng một chất lỏng khác có hằng số điện môi cao hơn.
Độ phân giải là thay đổi nhỏ nhất trong phạm vi đo có thể được phát hiện,
đó là một trong những thông số quan trọng của hệ thống cảm biến nghiêng. Yếu
tố cơ bản trong xác định độ phân giải đó là nhiễu. Sự xuất hiện của nhiễu chính
là nguyên nhân gây ra sai số. Độ phân giải được xác định bằng cách chia nhiễu
cho độ nhạy. Ví dụ, nhiễu đo được khoảng 5 mV với độ nhạy là 12,4 (mV /độ)
thì độ phân giải bằng khoảng 0,4 độ.
Trong kết quả của mọi phép đo vật lý luôn xuất hiện nhiễu, và do đó, nhiễu
2.2 Cảm biến điện dung phát hiện độ nghiêng hai trục 51
cũng xuất hiện trong tất cả các hệ thống đo lường điện. Có thể phân chia nhiễu
thành nhiễu ngoài (external noise) và nhiễu trong (internal noise). Nhiễu ngoài
có thể phát sinh từ nhiễu công nghiệp, nhiễu xuyên kênh từ các nguồn tín hiệu
khác,... Nhiễu trong bao gồm một số loại nhiễu như: nhiễu nhiệt (Johnson noise),
nhiễu 1/f (1/f noise).
Thông thường, đo và phân tích chính xác các nguồn nhiễu cũng như phân
tích vai trò của từng nguồn nhiễu là một bài toán rất khó. Trong Luận án này,
để đơn giản, nghiên cứu sinh thực hiện đo độ lớn của nhiễu tác động lên các hệ
đo thông qua xác định trung bình biên độ trung bình của tín hiệu lối ra của hệ
thống khi đặt cảm biến ổn định ở vị trí cân bằng. Do cảm biến nghiêng trong
luận án này được thiết kế dựa trên nguyên lý điện dung, nên về cơ bản, nhiệt
độ của môi trường ảnh hưởng rất ít lên cảm biến, nó chỉ thay đổi đáp ứng của
cảm biến thông qua thay đổi tính chất của chất lỏng sử dụng như hằng số điện
môi, độ dính ướt bề mặt, độ giãn nở. Bên cạnh đó, nhiệt độ có thể làm thay
đổi hoạt động của các linh kiện điện tử sử dụng trong mạch như điện trở, mạch
khuếch đại,... Tuy vậy, các ảnh hưởng này thông thường khá nhỏ và có thể bỏ
qua không cần xét đến trong trường hợp cảm biến dạng này.
Cảm biến được đề xuất được gắn lên mạch PCB, nó được đóng gói vào một
hộp kín như một lồng pharaday để cách ly hệ thống đo ra khỏi các nguồn gây
nhiễu bên ngoài. Bằng cách đặt cảm biến lên mạch đo, mà các dây kết nối các
điện cực cảm biến từ cấu trúc cảm biến tới mạch đo cũng được rút ngắn và điện
dung ký sinh do các dây này gây ra sẽ bị giảm. Kỹ thuật dùng ‘khiên’ bảo vệ hệ
thống cảm biến có thể sử dụng trong tương lai để giảm thiểu điện dung ký sinh.
Độ chính xác của cảm biến cũng là một thông số quan trọng để đánh giá cấu
trúc. Do đó, để xác minh độ chính xác của các phép đo trong toàn thang, các
thí nghiệm được thực hiện lặp lại nhiều lần để cho ra kết quả ổn định.
2.3 Cảm biến điện dung phát hiện độ nghiêng hai trục in 3D 52
2.2.9 Nhận xét
Như vậy, sau khi thực hiện việc tối ưu hóa kích thước của các điện cực, cảm
biến nghiêng được đề xuất có độ nhạy 12,4 mV/0 và độ phân giải ±0, 40 khi
ngiêng theo trục x một góc nằm trong khoảng [−700,+700] và có độ nhạy 34,8
mV/0 và độ phân giải ±0, 140 khi ngiêng theo trục y một góc nằm trong khoảng
[−300,+300]. So với cấu trúc trước khi tối ưu hóa kích thước thì phạm vi làm
việc đã được cải thiện.
Trên đây Luận án đã đề cập đến việc nghiên cứu, mô phỏng, thiết kế và khảo
sát thành công cấu trúc cảm biến nghiêng điện dung hai trục. Tuy nhiên, phạm
vi làm việc của cảm biến này khi nghiêng theo trục x và trục y không tương
đương do tính không đối xứng của cấu trúc cảm biến. Trong phần tiếp theo,
Luận án đề xuất cấu trúc cảm biến nghiêng đối xứng hình cầu hai trục dựa trên
môi trường điện môi là không khí và chất lỏng để đạt được các tính chất như
nhau trên cả hai trục của cảm biến.
2.3 Cảm biến điện dung phát hiện độ nghiêng
hai trục in 3D
Bằng cách sử dụng phần mềm COMSOL Multiphysics, nguyên lý làm việc
của cảm biến được xác định bằng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM). Lượng
chất lỏng được tối ưu cho phạm vi làm việc tuyến tính. Cảm biến được chế tạo
bằng công nghệ tạo mẫu nhanh.
2.3.1 Cấu trúc và mô phỏng cảm biến nghiêng
Cấu trúc của cảm biến nghiêng có dạng hình cầu được trình bày trong hình
2.19.
Chất điện môi hai pha lỏng/khí được đặt trong một hộp nhựa hình cầu rỗng
có đường kính 10 mm, tương đương 523 mm3. Bốn điện cực mỏng, tròn làm
2.3 Cảm biến điện dung phát hiện độ nghiêng hai trục in 3D 53
Hình 2.19: Cấu trúc của cảm biến nghiêng: a) Dạng hình học, (a1) Nhìn từ dưới
lên, (a2) Nhìn toàn cảnh; (b) Các cặp tụ điện cảm biến trên trục x (C1, C2) và
trục y (C3, C4).
bằng đồng được uốn cong theo hình dạng kênh dẫn tạo thành hai cặp điện cực
cảm biến. Các điện cực cảm biến của từng cặp là đối xứng nhau qua tâm hình
cầu và hai trục đối xứng của từng cặp là vuông góc nhau, từ đó tạo thành các
trục cảm biến của cấu trúc. Ở phía dưới cùng của hình cầu, một điện cực đồng
khác được gắn sao cho trục đối xứng của nó thẳng hàng với trục đối xứng của
toàn bộ cấu trúc. Điện cực này được gọi là điện cực kích thích. Các điện cực tạo
thành hai cặp tụ điện được gán tên là C1 − C2 và C3 − C4. Bằng cách ghi nhận
sự thay đổi về giá trị của cặp tụ điện này ta có thể phát hiện ra độ nghiêng.
Đặc tính của mô hình cảm biến được nghiên cứu bằng cách sử dụng phân
tích phần tử hữu hạn trong COMSOL Multiphysics. Môi trường điện môi hai
pha nước / không khí có tác động mạnh đến phạm vi làm việc hay phạm vi đặc
tính tuyến tính của cảm biến.
Thể tích của chất lỏng (nước tinh khiết) thay đổi từ 222 mm3 đến 440 mm3
2.3 Cảm biến điện dung phát hiện độ nghiêng hai trục in 3D 54
(tương đương từ 42% đến 84% thể tích bên trong hình cầu) và tiến hành khảo
sát các tác động tương ứng trên phạm vi làm việc của cảm biến. Các kết quả
được hiển thị trong hình 2.20.
Hình 2.20: Dải làm việc của cảm biến tương ứng với thể tích nước chứa trong
hình cầu.
Qua đồ thị hình 2.20, ta thấy rằng phạm vi làm việc lớn nhất của cấu trúc
(nghiêng 700) đạt được khi thể tích chất lỏng chiếm khoảng 60% thể tích hình
cầu (tương đương 305 mm3).
Hình 2.21: Sự phân bố điện trường của cảm biến tại góc 00 (bên trái) và góc 200
(bên phải)
Luận án tiếp tục khảo sát sự phân bố của điện trường của cảm biến bằng
cách đặt điện áp một chiều (+7 V ) vào giữa điện cực kích thích và điện cực cảm
biến khi cảm biến ở vị trí cân bằng (00) và khi nghiêng một góc 200 (hình 2.21).
2.3 Cảm biến điện dung phát hiện độ nghiêng hai trục in 3D 55
Với lượng chất lỏng chiếm khoảng 60% thể tích hình cầu, ta tiến hành khảo
sát hoạt động của cảm biến trong phạm vi ∓1800 theo hai hướng trục x và trục
y. Kết quả được hiển thị trong hình 2.22.
Hình 2.22: Khảo sát hoạt động của cảm biến trong dải đo −1800 đến +1800
Hình 2.23: Khảo sát giá trị vi sai của cặp tụ C1, C2 trên trục x và cặp tụ C3, C4
trên trục y
Để đánh giá sự ảnh hưởng lẫn nhau của hai trục x và trục y khi thực hiện
nghiêng cảm biến, luận án đã tiến h