Luận án Nghiên cứu phát triển hệ thống cảm biến điện dung ứng dụng phát hiện độ nghiêng và vi hạt
![Luận án Nghiên cứu phát triển hệ thống cảm biến điện dung ứng dụng phát hiện độ nghiêng và vi hạt trang 1 Luận án Nghiên cứu phát triển hệ thống cảm biến điện dung ứng dụng phát hiện độ nghiêng và vi hạt trang 1](https://s1.thuvienluanvan.org/d2fndtiye73ondva/image/2024/03/02/490/luan-an-nghien-cuu-phat-trien-he-thong-cam-bien-dien-dung-un-trang-1_I44dbU5W4N.jpg)
Trang 1
![Luận án Nghiên cứu phát triển hệ thống cảm biến điện dung ứng dụng phát hiện độ nghiêng và vi hạt trang 2 Luận án Nghiên cứu phát triển hệ thống cảm biến điện dung ứng dụng phát hiện độ nghiêng và vi hạt trang 2](https://s1.thuvienluanvan.org/d2fndtiye73ondva/image/2024/03/02/490/luan-an-nghien-cuu-phat-trien-he-thong-cam-bien-dien-dung-un-trang-2_2hGgss1SmT.jpg)
Trang 2
![Luận án Nghiên cứu phát triển hệ thống cảm biến điện dung ứng dụng phát hiện độ nghiêng và vi hạt trang 3 Luận án Nghiên cứu phát triển hệ thống cảm biến điện dung ứng dụng phát hiện độ nghiêng và vi hạt trang 3](https://s1.thuvienluanvan.org/d2fndtiye73ondva/image/2024/03/02/490/luan-an-nghien-cuu-phat-trien-he-thong-cam-bien-dien-dung-un-trang-3_j9Qd8xGiex.jpg)
Trang 3
![Luận án Nghiên cứu phát triển hệ thống cảm biến điện dung ứng dụng phát hiện độ nghiêng và vi hạt trang 4 Luận án Nghiên cứu phát triển hệ thống cảm biến điện dung ứng dụng phát hiện độ nghiêng và vi hạt trang 4](https://s1.thuvienluanvan.org/d2fndtiye73ondva/image/2024/03/02/490/luan-an-nghien-cuu-phat-trien-he-thong-cam-bien-dien-dung-un-trang-4_RhSd2NQSKy.jpg)
Trang 4
![Luận án Nghiên cứu phát triển hệ thống cảm biến điện dung ứng dụng phát hiện độ nghiêng và vi hạt trang 5 Luận án Nghiên cứu phát triển hệ thống cảm biến điện dung ứng dụng phát hiện độ nghiêng và vi hạt trang 5](https://s1.thuvienluanvan.org/d2fndtiye73ondva/image/2024/03/02/490/luan-an-nghien-cuu-phat-trien-he-thong-cam-bien-dien-dung-un-trang-5_HAr4WLofIW.jpg)
Trang 5
![Luận án Nghiên cứu phát triển hệ thống cảm biến điện dung ứng dụng phát hiện độ nghiêng và vi hạt trang 6 Luận án Nghiên cứu phát triển hệ thống cảm biến điện dung ứng dụng phát hiện độ nghiêng và vi hạt trang 6](https://s1.thuvienluanvan.org/d2fndtiye73ondva/image/2024/03/02/490/luan-an-nghien-cuu-phat-trien-he-thong-cam-bien-dien-dung-un-trang-6_b947WHExc8.jpg)
Trang 6
![Luận án Nghiên cứu phát triển hệ thống cảm biến điện dung ứng dụng phát hiện độ nghiêng và vi hạt trang 7 Luận án Nghiên cứu phát triển hệ thống cảm biến điện dung ứng dụng phát hiện độ nghiêng và vi hạt trang 7](https://s1.thuvienluanvan.org/d2fndtiye73ondva/image/2024/03/02/490/luan-an-nghien-cuu-phat-trien-he-thong-cam-bien-dien-dung-un-trang-7_dBhA1h0KnR.jpg)
Trang 7
![Luận án Nghiên cứu phát triển hệ thống cảm biến điện dung ứng dụng phát hiện độ nghiêng và vi hạt trang 8 Luận án Nghiên cứu phát triển hệ thống cảm biến điện dung ứng dụng phát hiện độ nghiêng và vi hạt trang 8](https://s1.thuvienluanvan.org/d2fndtiye73ondva/image/2024/03/02/490/luan-an-nghien-cuu-phat-trien-he-thong-cam-bien-dien-dung-un-trang-8_ebvm0iMAeH.jpg)
Trang 8
![Luận án Nghiên cứu phát triển hệ thống cảm biến điện dung ứng dụng phát hiện độ nghiêng và vi hạt trang 9 Luận án Nghiên cứu phát triển hệ thống cảm biến điện dung ứng dụng phát hiện độ nghiêng và vi hạt trang 9](https://s1.thuvienluanvan.org/d2fndtiye73ondva/image/2024/03/02/490/luan-an-nghien-cuu-phat-trien-he-thong-cam-bien-dien-dung-un-trang-9_Wgojoy51Ma.jpg)
Trang 9
![Luận án Nghiên cứu phát triển hệ thống cảm biến điện dung ứng dụng phát hiện độ nghiêng và vi hạt trang 10 Luận án Nghiên cứu phát triển hệ thống cảm biến điện dung ứng dụng phát hiện độ nghiêng và vi hạt trang 10](https://s1.thuvienluanvan.org/d2fndtiye73ondva/image/2024/03/02/490/luan-an-nghien-cuu-phat-trien-he-thong-cam-bien-dien-dung-un-trang-10_0v4qOOnTxd.jpg)
Trang 10
Tải về để xem bản đầy đủ
Bạn đang xem 10 trang mẫu của tài liệu "Luận án Nghiên cứu phát triển hệ thống cảm biến điện dung ứng dụng phát hiện độ nghiêng và vi hạt", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên.
Tóm tắt nội dung tài liệu: Luận án Nghiên cứu phát triển hệ thống cảm biến điện dung ứng dụng phát hiện độ nghiêng và vi hạt
![Luận án Nghiên cứu phát triển hệ thống cảm biến điện dung ứng dụng phát hiện độ nghiêng và vi hạt Luận án Nghiên cứu phát triển hệ thống cảm biến điện dung ứng dụng phát hiện độ nghiêng và vi hạt](https://s1.thuvienluanvan.org/d2fndtiye73ondva/thumb/2024/03/02/luan-an-nghien-cuu-phat-trien-he-thong-cam-bien-dien-dung-un_j441iTZQKK.jpg)
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
File đính kèm:
luan_an_nghien_cuu_phat_trien_he_thong_cam_bien_dien_dung_un.pdf
LA_Trần Thị Thúy Hà_TT.pdf
Trần Thị Thúy Hà_A.doc
Trần Thị Thúy Hà_V.doc