Tóm tắt Luận án Nghiên cứu xây dựng hệ cảm biến góc nghiêng dựa trên cấu tröc kiểu tụ điện

ổi thọ của cấu trúc. Bên cạnh đó, 
nguyên vật liệu chế tạo điện cực cũng không đòi hỏi quá khắt khe đối 
với các thông số về tương tác với chất lỏng và môi trường. 
Tần số làm việc của cấu trúc cảm biến điện dung chất lỏng phụ 
thuộc vào độ dính ướt của chất lỏng với thành ống. Do đó, thông 
thường chất lỏng sử dụng trong các cảm biến chất lỏng là các chất có độ 
dính ướt bề mặt với thành ống nhỏ. 
2.1.2 Xây dựng cảm biến góc nghiêng dải rộng kiểu tụ điện chất 
lỏng điện môi 
C1 C2
electrode
L1
W1
D1
a) b)
Điện cực
e = 80
D1
W1
Thông số cấu trúc Ký hiệu Giá trị Đơn vị 
Độ rộng điện cực W1 7,5 mm 
Khoảng cách giữa các điện cực D1 10,0 mm 
Độ dài điện cực L1 11,0 mm 
Hằng số điện môi nước [72] n 80,3 
Khối lượng riêng nước [73] dn 998,3 kg/m
3
Độ nhớt nước [73] n 1,306 10
-6 
m
2
/s 
Hằng số điện môi xăng [72] x 2,0 
Khối lượng riêng xăng [74] dx 750,0 kg/m
3
Độ nhớt của xăng [74] x 0,5 10
-6
 m
2
/s 
Hình 2.4: 
Cấu trúc 
cảm biến 
góc nghiêng 
kiểu điện 
dung ba cực 
Bảng 2.1: Các tham số của cảm biến 
7 
Để tăng dải đo của cảm biến góc nghiêng, cấu trúc ba điện cực 
kiểu trụ được thiết kế để phát hiện sự thay đổi vị trí chiếm chỗ hai pha 
lỏng khí trong lòng ống nhựa. Cảm biến chất lỏng tụ điện có cấu tạo 
gồm ba điện cực ôm lấy ống nhựa chứa dung dịch nước và không khí 
(hình 2.4a). Điện cực giữa là điện cực phát tín hiệu và hai điện cực hai 
bên đóng vai trò là các điện cực thu. Chất lỏng điện môi là nước cất 
được đổ vào một phần ống nhựa hình 2.4b với kích thước của cảm biến 
được thiết kế ở ( bảng 2.1). 
Hình 2.5: Một số vị trí của cảm biến góc nghiêng kiểu điện dung 
ba cực. (a) cảm biến nghiêng về bên phải; (b) cảm biến ở vị trí cân 
bằng; (c) cảm biến nghiêng về bên trái 
Giá trị điện dung của hai tụ điện C1 và C2 phụ thuộc vào vị trí và 
góc nghiêng của mặt phẳng chất lỏng. Hình 2.5 thể hiện một số vị trí 
của cảm biến cân bằng. Khi cảm biến nghiêng về bên phải, dung dịch 
tập trung ở điện cực bên phải nhiều hơn dẫn tới C2>C1 (xem hình 
2.5(a)). Hình 2.5(b) là trường hợp cảm biến cân bằng. Trong hình 
2.7(c), cảm biến nghiêng về bên trái. 
2.1.3 Xây dựng cảm biến góc nghiêng hai chiều với 5 điện cực kiểu 
tụ điện kênh lỏng 
Bên cạnh nhu cầu đo góc nghiêng 1 chiều, nhiều ứng dụng trong 
thực tế cần sử dụng các cảm biến 2 chiều. Dựa trên cấu trúc cảm biến 3 
điện cực như trình bày ở trên, nghiên cứu sinh đề xuất một cấu trúc cảm 
biến 2 chiều khi được bổ sung thêm hai điện cực ở hai đầu cảm biến. 
Mạch phát
Cảm biến điện 
dung chất lỏng Mạch đo
Hình 2.6: Cảm biến góc nghiêng 2 chiều 5 điện cực dạng tụ điện môi 
hai pha lỏng khí 
Bảng 2.2: Các tham số của cảm biến góc nghiêng 5 điện cực 
Tham số W1 L1 L2 L3 D1 t 
a) C2>C1 b) C2=C1 
 c) C2<C1 
 c) C2<C1 
 c) C2<C1 
 c) C2<C1 
c) C2<C1 
8 
Đơn vị 
(mm) 
7.5 10 5 7 11 0.2 
C1 C2 C1 C2 C1 C2
C4C3 C4 C3 C4 C3
(b)
(AA’)
(BB’)
A
B
B’
A’
(a)
X Y
Điện cực thu
Điện cực phát
Cx1
Cx2
Cx4
Cx3
Cx1 Cx2
Cx4
Cx3
a)
b)
Hình 2.7 mô tả cấu trúc cảm biến góc nghiêng hai chiều X, Y với 
5 điện cực có thể phát hiện đồng thời hai chiều góc nghiêng. 
Nguyên lý của cảm biến độ nghiêng hai chiều được mô tả trong 
hình 2.8. Điện cực đáy đóng vai trò là điện cực phát tín hiệu và là cầu 
nối tạo lên 4 tụ C1, C2, C3 và C4. Bốn tụ trên tạo nên hai cặp tụ vi sai 
ứng với hai trục độ x và y (xem hình 2.8b). Hình 2.8 mô tả một sơ đồ 
tương đương trong cảm biến góc nghiêng được tạo ra bởi ba điện cực. 
Giả thuyết gần đúng các tụ là tụ phẳng song song, khi đó tổ hợp điện 
cực sẽ tạo ra các tụ tương đương Cx1, Cx2, Cx3 và Cx4 như thể hiện trên 
hình 2.8a. Hai tụ điện Cx1 và Cx4 là các tụ tương đương được cấu thành 
bởi lớp điện môi không khí. Hai tụ Cx3 và Cx2 được cấu thành từ lớp 
điện môi chất lỏng với sơ đồ tương đương Cx1//Cx2, Cx3 //Cx4. Dải làm 
việc của tụ có thể bị giới hạn bởi vị trí chiếm chỗ đầy bởi dung dịch một 
bên điện cực và chiếm chỗ đầy không khí ở một bên điện cực còn lại 
(Hình 2.8b). Ở cấu trúc này, bằng việc kế thừa thiết kế của cảm biến cân 
bằng và tăng tỉ lệ không khí chiếm chỗ trong ống chất lỏng tạo ra một 
dải đo rộng hơn. 
2.2 Mô phỏng cảm biến cân bằng 
Cảm biến cân bằng như đã được phân tích dựa trên cấu trúc ở 
mục (2.2) được mô phỏng và mô hình hóa bằng phần mềm mô phỏng 
COMSOL Multiphysics 
Hình 2.7: Nguyên tắc hoạt động của 
cảm biến góc nghiêng hai chiều 5 
điện cực với điện môi là hai pha 
không khí và dung dịch xăng 
Hình 2.8: Thành phần mô hình 
của cảm biến theo chiều x được 
tạo lên bởi ba cực 
9 
Bề mặt: Điện thế (V) Bề mặt: Điện thế (V)
Hình 2.9: Kết quả mô phỏng cảm biến ở vị trí cân bằng 
Bề mặt: Điện thế (V) Bề mặt: Điện thế (V)
Hình 2.10: Kết quả mô phỏng cảm biến ở vị trí mất cân bằng (khi giọt 
nước lệch bên phải) 
Cấu trúc hoạt động của cảm biến cân bằng được đánh giá thông 
qua mô phỏng. Khi cảm biến ở vị trí cân bằng (hình 2.9) ta thấy phân bố 
điện trường đối xứng giữa hai bản cực thu. Khi cảm biến mất vị trí cân 
bằng (lệch về bên phải (hình 2.10), mặt phẳng điện môi sẽ bị nghiêng 
theo và do đó, phân bố điện trường thay đổi. Tương tự như vậy khi cảm 
biến mất vị trí cân bằng (lệch về bên trái như được mô phỏng trên hình 
2.11 dưới đây: 
Bề mặt: Điện thế (V)
Bề mặt: Điện thế (V)
Hình 2.11: Kết quả mô phỏng cảm biến ở vị trí mất cân bằng (khi giọt 
nước lệch bên trái) 
2.3 Mô phỏng cảm biến góc nghiêng 
Mô hình mô phỏng được xây dựng trên cơ sở mô hình thiết kế, 
trong đó lý tưởng hóa một số thông số vật lý và hình dạng hình học. 
Bảng 2.2 liệt kê kích thước của các cấu trúc. Ba điện cực với chất liệu 
bằng đồng chia đều hình trên hình tròn, với mực chất lỏng được đặt một 
phần bên trong ống (Hình 2.12). Để mô phỏng phân bố điện trường 
trong cấu trúc cảm biến, một mô hình điện áp một chiều được đặt lên 
các điện cực như sau: điện cực 1 và điện cực 2 được áp điện thế 7 V, 
10 
điện cực dưới được áp điện thế 0 V. Hình 2.12 thể hiện kết quả phân bố 
điện trường trong không gian 3D và các mặt cắt của cảm biến. 
Viền: Điện thế(V) Mặt:Điện thế(V)
a)
b) c) 
Hình 2.12: Mô hình mô phỏng của cảm biến góc nghiêng 
 ba điện cực 
Hoạt động của cảm biến được đánh giá thông qua mô phỏng, 
trong đó thay đổi góc nghiêng của cảm biến. Khi góc nghiêng thay đổi 
tỉ lệ chiếm chỗ giữa chất lỏng điện môi và không khí thay đổi, do đó 
thay đổi tỉ lệ điện dung giữa các tụ điện. Mô phỏng còn cho phép khảo 
sát được phân bổ điện trường xung quanh các tụ điện. Các kết quả mô 
phỏng cho phép tối ưu cấu trúc và hình dạng của cảm biến. 
Khi cảm biến nghiêng một góc, mặt phẳng điện môi sẽ bị nghiêng 
theo và do đó, phân bố điện trường thay đổi (xem hình 2.12c). Thay đổi 
này dẫn đến điện dung hiệu dụng trên cặp tụ điện thay đổi. Góc nghiêng 
của cảm biến có thể đo được thông qua theo dõi giá trị điện dung vi sai 
giữa hai tụ điện. 
2.3.1 Mô phỏng cảm biến góc nghiêng ba điện cực hình trụ 
tròn với hai pha lỏng khí là nước và không khí 
Bài toán mô phỏng cảm biến góc nghiêng ba điện cực hình trụ 
tròn hai pha lỏng và khí được tiến hành với các góc nghiêng khác nhau 
thay đổi từ 0 đến 90o với mực nước chiếm 2/3 thể tích ống (67%). Kết 
quả mô phỏng cho thấy, với dung dịch nước chiếm 67% thể tích ở vị trí 
cân bằng hai tụ điện C1 và C2 có điện dung là 777 fF. Khi tăng góc 
nghiêng lên, thì giá trị điện dung của tụ C1 giảm do nước chiếm chỗ ít 
hơn trong không gian giữa hai bản cực và C2 tăng lên do nước chiếm 
chỗ nhiều hơn (hình 2.13). Hình 2.14 là kết quả mô phỏng của cảm biến 
góc nghiêng ba điện cực với ba tỉ lệ chiếm chỗ của nước với không khí 
lần lượt là 67%, 80% và 90%. Độ nhạy của cảm biến sẽ tương ứng với 
sự thay đổi tương ứng của hai tụ C1 và C2 so với góc nghiêng. Ở góc 
11 
nghiêng 40o với tỉ lệ thể tích 67%, độ nhạy của cảm biến đạt xấp xỉ 17,5 
fF/
o
 lớn hơn trên hai lần so với tỉ lệ 90% đạt 7,5 fF/o. Đồ thị hình 2.14 
cho thấy, đáp ứng đầu ra của cảm biến có dạng thay đổi tương đương 
nhau và đều đạt đỉnh ở 60o, nhưng có biên độ khác nhau lần lượt là 350 
fF, 640 fF và 800 fF tương ứng với các cấu trúc có tỉ lệ thể tích là 90%, 
80%, và 67%. 
0 20 40 60 80 100
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
C
a
p
a
c
ita
n
c
e
 -
 p
F
Angle - degrees
C1
C2
C1 C2Đ
iệ
n 
du
ng
(p
F
)
Góc(độ)
Đ
iệ
n 
du
ng
(p
F
)
Góc(độ)
Nước
Nước
Nước
Vi sai C1-C2
Đi
ện
 du
ng
 C 
(fF
)
Hình 2.15: Kết quả mô phỏng cảm biến 3 điện cực điện môi 
 hai pha xăng và không khí. 
Kết quả mô phỏng cho thấy ở thể tích nước 67% cảm biến có độ 
nhạy cao hơn đối với các tỉ lệ phần trăm thể tích nước là 80% và 90% 
và có độ tuyến tính cao ở vùng 0o đến 40o. Trong dải đo từ 0o đến 40o, 
mặt phẳng điện môi vẫn nằm trong khoảng không gian giữa hai điện 
cực của mỗi tụ điện C1 và C2. Do đó, giá trị vi sai giữa hai tự điện này 
sẽ gần tuyến tính so với góc nghiêng. Khi góc nghiêng lớn hơn khoảng 
40
0
, với các thông số thiết kế của cấu trúc này, mặt phẳng điện môi dịch 
Hình 2.13: Kết quả mô phỏng cấu 
trúc cảm biến góc nghiêng kiểu 
điện dung hai pha lỏng khí 
Hình 2.14: Kết quả mô phỏng với ba 
tỉ lệ thể tích nước và không khí khác 
nhau lần lượt là 67%, 80% và 90%. 
12 
ra ngoài một bản cực thu của một trong hai tu điện. Khi đó, giá trị vi sai 
giữa hai điện dung không còn tuyến tính so với góc nghiêng của cảm 
biến. 
Với dung dịch lỏng là xăng, điện dung của các tụ điện có giá trị 
nhỏ hơn nhiều do điện môi xăng nhỏ hơn nhiều điện môi của nước. Kết 
quả mô phỏng được thực hiện như hình 2.15. Độ nhạy của cảm biến 
cũng giảm đi 17 lần nếu thay dung dịch từ nước sang xăng. 
2.4 Mô phỏng cảm biến góc nghiêng 2 chiều theo trục x và trục y 
 Mô hình trường tĩnh điện được sử dụng để mô phỏng hoạt động 
của cảm biến. Trong cấu trúc mô phỏng này, phương pháp phần tử hữu 
hạn (FEM) được sử dụng để khảo sát hiệu suất của cảm biến góc 
nghiêng hai trục được đề xuất, dựa trên cấu trúc cảm biến điện dung. 
Cảm biến góc nghiêng điện dung được mô phỏng và mô phỏng sử dụng 
phần mềm COMSOL để phân tích tụ điện với các điện cực cong và 
hằng số điện môi của chất lỏng được giả định là giá trị  = 2 (xăng RON 
A92) mà không tính hiệu ứng sức căng của bề mặt giữa chất lỏng và 
hình trụ. 
Cảm biến 
góc nghiêng
Các điện cựcThiết lập mô hình Giao diện: Điện thế (V)
Bề mặt chất lỏng (nước)
Bề mặt chất lỏng (nước)
Các điện cực cảm biến 
theo trục X
Góc nghiêng 0 độ Góc nghiêng 30 độ
Bề mặt chất lỏng (nước)
Bề mặt chất lỏng (nước)
Góc nghiêng 0 độ Góc nghiêng 10 độ
Các điện cực cảm biến 
theo trục Y
Hình 2.16: (a) Thiết lập mô phỏng ; (b) cấu hình 3D của cảm biến; (c) 
Cấu hình trường tĩnh điện trong trường hợp cân bằng và khi cảm biến 
được xoay theo trục x; (d) Cấu hình trường tĩnh điện trong trường hợp 
cân bằng và khi cảm biến được xoay theo trục y. 
Trong mô phỏng, thiết bị này là mô hình như hình trụ như thể 
hiện trong hình 2.16 với điện cực bằng đồng. Các tham số của mô 
phỏng được liệt kê trong bảng 2.2. Ở trạng thái ban đầu, dung dịch chứa 
tới 75% mô hình. Ở trạng thái nghiêng, mức chất lỏng giữ nguyên trong 
khi khung thiết bị tương đối di chuyển để bắt chước phép đo thực tế. 
13 
Mặt cầu ngoài cùng (hình 2.16a) được coi là bề mặt cách điện hoàn hảo. 
Trong mô hình, để trích xuất các giá trị điện dung, điện cực kích thích 
được áp dụng với điện áp 0 V, các điện cực cảm biến được xác định là 7 
V. 
Hình 2.16b thể hiện điện dung của hai cặp điện cực được tích hợp 
và sự chênh lệch của chúng đã được trích xuất. Giả thiết rằng, điện áp 
trên mọi điểm của mỗi điện cực có cùng một giá trị, hay điện trở của 
điện cực rất nhỏ (chất dẫn điện lý tưởng) và điện trở của điện môi và 
ống plastic đỡ các điện cực có giá trị rất lớn (chất cách điện lý tưởng). 
Hình 2.16c và hình 2.16d thể hiện các phân bố điện trường của cảm 
biến khi quay theo trục x và trục y tương ứng, cho thấy điện thế của 
điện cực cảm biến cao hơn điện cực kích thích. Hình 2.16c - bên tay trái 
cho thấy phân bổ điện thế khi cảm biến đang ở trạng thái cân bằng (góc 
nghiêng 0 độ). Trong trường hợp này, hai tụ điện là đối xứng. Do đó, 
điện dung phân cực giữa hai điện cực cảm biến bằng không. Khi cảm 
biến quay, vị trí tương đối của bề mặt chất lỏng thay đổi và điện cực 
thay đổi, nên điện dung của C1 và C2 thay đổi theo. Do đó, trạng thái 
đối xứng giữa hai điện cực bị phá vỡ như thể hiện trong hình 2.16c. 
Góc nghiêng (độ)
Đ
iệ
n
 d
u
n
g
 (
fF
)
 trục x
 trục x trục y
 trục y
Góc nghiêng (độ)
Đ
iệ
n
 d
u
n
g
 (
fF
)
 trục y
 trục x
Hình 2.17 thể hiện điện dung mô phỏng của tụ C1 và C2 khi cảm 
biến nghiêng từ -1800 đến +1800 quanh trục x. Điện dung của C1 và C2 
có dạng đối xứng đối với điểm cân bằng ban đầu. Điện dung C1 và C2 
đạt được giá trị đỉnh cao khoảng 140 fF khi góc nghiêng lần lượt là -600 
và + 600. Khi C1 có giá trị lớn nhất ở khoảng 600 thì C2 có giá trị tối 
thiểu và ngược lại. 
Hình 2.18 biểu diễn điện dung vi sai (C1 - C2) ở trục x so với góc 
quay đầu vào quanh trục x (đường kẻ đen). Cảm biến có đáp ứng tuyến 
Hình 2.17: Kết quả mô phỏng khi thay 
đổi điện dung của C1, C2 khi cảm biến 
nghiêng theo trục x và trục y. 
Hình 2.18: Kết quả mô phỏng điện 
dung vi sai (C1-C2) ở trục x và 
(C1-C2) ở trục y. 
14 
tính trong khoảng từ -600 đến +600. Trong các dải đo khác, đáp ứng là 
phi tuyến nhưng vẫn có thể được sử dụng để đo góc nghiêng. Dải đo 
của cảm biến đề xuất có thể từ -1800 đến -700 và từ +700 đến +1800 
hoặc từ -700 đến +700. Trong trường hợp này, điện dung vi sai (C1- C2) 
do cảm biến bị nghiêng ở trục y được xem như là nhiễu xuyên kênh. 
Các giá trị vi sai của (C1- C2) ở trục x và giá trị nhiễu xuyên 
kênh của (C1 - C2) khi cảm biến bị nghiêng ở trục y được biểu diễn trên 
hình 2.18. Kết quả mô phỏng khi thay đổi điện dung của C3, C4 khi đo 
góc nghiêng theo trục x và trục y (hình 2.19). Giá trị điện dung C3, C4 
đối xứng với nhau và thay đổi so với điểm ban đầu khi xoay trục y được 
áp dụng. Giá trị của điện dung C3, C4 có đáp ứng tương tự so với khi 
xoay trục x. 
Các giá trị điện dung của C3 và C4 được biểu diễn trên hình 
2.19 (đường kẻ chấm xanh và đường gạch ngang xanh). Như có thể 
thấy, các giá trị điện dung của C3 và C4 thay đổi đối xứng đối với điểm 
ban đầu. 
Hình 2.20 cho thấy giá trị điện dung vi sai của C3 và C4. 
Tương tự như cấu hình trục x, (C3-C4) bao gồm hai thành phần, đó là ở 
trục y (C3 - C4) là tín hiệu và (C3 - C4) ở trục x như là nhiễu xuyên 
kênh. Đáp ứng tuyến tính của cấu hình này trong dải -200 đến 200 trên 
trục y. 
Từ phân tích trên, ta thấy rằng nguyên lý làm việc của cảm biến 
góc nghiêng được đề xuất đã đo được hai thành phần của góc nghiêng 
xung quanh trục x và trục y với việc ảnh hưởng của nhiễu xuyên kênh là 
không đáng kể. Các đánh giá thực nghiệm thực tế trên cảm biến đã 
được kiểm chứng. 
Góc nghiêng (độ)
Đ
iệ
n
 d
u
n
g
 (
fF
)
Nghiêng theo trục x
Nghiêng theo trục x
Nghiêng theo trục y
Nghiêng theo trục y
Góc nghiêng (độ)
Đ
iệ
n
 d
u
n
g
 (
fF
)
 trục x
 trục y
Hình 2.19: Kết quả mô phỏng khi 
thay đổi điện dung của C3, C4 khi 
đo góc nghiêng theo trục x và trục y. 
Hình 2.20: Kết quả mô phỏng 
điện dung vi sai (C3-C4) ở 
trục y so với góc nghiêng 
xung quanh trục x. 
15 
2.5 Kết luận chương 2 
Chương 2 luận án trình bày nghiên cứu thiết kế và mô phỏng cấu 
trúc hệ cảm biến góc nghiêng dựa trên cấu trúc kiểu tụ điện với ba cấu 
trúc khác nhau: 
 Cấu trúc thứ nhất dựa trên sự thay đổi của bọt khí tương ứng với 
ba điện cực cấu thành hai tụ vi sai kiểu song song. 
Cấu trúc thứ hai sử dụng thiết kế tụ điện vi sai hai pha điện môi 
lỏng khí. Trong cấu trúc này, ba điện cực hình bán trụ ôm một ống nhựa 
chứa dung dịch được bơm một phần trong ống. Nhờ đó, khi góc 
nghiêng thay đổi thì dẫn tới các tụ thay đổi điện môi tổng thể bên trong 
do chất lỏng chiếm chỗ chất khí thay đổi vị trí. 
Cấu trúc thứ ba là sự kết hợp của hai cấu trúc 1 và 2 để tạo nên 
một cấu trúc đo góc nghiêng hai chiều. 
 Chương 3: XÂY DỰNG HỆ TÍCH HỢP XỬ LÝ KẾT QUẢ 
ĐO CHO CẢM BIẾN GÓC NGHIÊNG 
Cảm biến tụ điện như đã trình bày ở chương hai là loại cảm biến 
trở kháng cao và có giá trị tụ điện rất nhỏ. Do đó, việc thiết kế mạch 
tiền khuếch đại khá phức tạp. 
3.1 Xây dựng mạch đo điện dung cảm biến cân bằng với IC khuếch 
đại thuật toán là nguồn đơn. 
Sơ đồ khối của cảm biến cân bằng bao gồm các khối như được 
trình bày trên hình 3.1: 
Điện cực thuĐiện cực phát
Cx1
Cx2
Khối phát xung tín 
hiệu sin
Khuếch đại
 nửa dương
Khuếch đại
 nửa dương
Lọc thông 
thấp 
Lọc thông 
thấp 
Khuếch đại
vi sai
Lọc thông 
thấp Xử lý A/D
Tách sóng
Tách sóng
Hiển thị
Hình 3.1: Sơ đồ khối mạch đo điện dụng của cảm biến cân bằng 
 Khối phát sung tín hiệu sin là một mạch phát sin kiểu cầu Wien. 
Khối phát sin này cung cấp một điện áp chuẩn 7V tần số 30kHz vào cực 
phát của cảm biến cân bằng là một cực của tụ điện. Hai điện cực thu 
được mắc phối hợp thành mạch CR để đo giá trị tụ điện C1 , C2 của cảm 
biến. 
16 
R4 = 10 K 
C1 = 0,1 uF 
AD
620
R5 Vout 
R3 = 330 K 
C2 
2 = 100 K 
R4 = 10 K 
C1 = 0,1 uF 
R
2 = 100 K R R3 = 330 K 
R0 = 56 K 
drive 
R
C1
C2
Cảm biến
0 = 56 K 
OPA-Nguồn đơn
Tiền 
khuếch đại
Tiền 
khuếch đại
Lọc thông 
thấp
Khuếch đại 
vi sai
Hình 3.2: Sơ đồ mạch đo cảm biến điện dung kiểu vi sai 
Hình 3.2 và 3.3 thể hiện sơ đồ nguyên lý và hình ảnh thực tế của 
mạch điện thu thập và xử lý tín hiệu cho cảm biến góc nghiêng. Điện áp 
sin lối vào được áp lên điện cực phát. Tín hiệu lối ra cảm biến được lấy 
trên hai điện cực thu. Hai tín hiệu được đưa qua mạch khuếch đại không 
đảo trước khi đi vào mạch khuếch đại công cụ AD620. C1, C2 kết hợp 
với R0 tạo ra mạch CR và điện áp hai đầu ra trên R0 của C1, C2 tạo ra 
được lấy vi sai để tính ra sự thay đổi điện dung của cảm biến. 
Điện cực thu
Điện cực thu
Đi
ện
 cự
c p
há
t
Khối phát sin
Khối xử lý tín hiệu
+12V:0V: -12V
Hình 3.3: Hình ảnh thực tế của mạch đo cảm biến cân bằng 
Gọi ∆C= C1- C2 ta có: 
 (3.1) 
17 
 
 (3.2) 
Với: 
 Và: = 
Trong trường hợp và thì 
 <<1, = 
 <<1 
 
 = 
Hay: 
 =
(3.3) 
Công thức (3.3) chứng tỏ rằng trong trường hợp 
nghĩa là dung kháng của cảm biến lớn hơn rất nhiều điện trở thì giá 
trị vi sai của điện áp đầu ra tỉ lệ tuyến tính với vi sai của tụ điện. 
3.2 Thiết kế mạch điện cho cảm biến góc nghiêng dải rộng 
Do yêu cầu bài toán phải tăng tần số làm việc của cảm biến lên vì 
kích thước và cấu trúc điện cực của cảm biến thay đổi nên việc thiết kế 
mạch đòi hỏi phải thay đổi so với cảm biến cân bằng, tần số hơn 100 
kHz được sử dụng ở dải điện dung cỡ fF. 
C1 C2
Sine wave Generator
127Khz, 7,2
R0
R0
Điện áp 
bù
LPF
Máy tính
Tạo sóng sin 127Khz, 
7,2V
KĐ
KĐ
KĐ Vi sai
Thu dữ liệu
Chỉnh lưu
Khối phát sin Khuếch đại Tách sóng 
Điện cực thu
Điện 
cực 
phát
Ống chất lỏng 
a)
b) 
Hình 3.4: Sơ đồ khối của 
cảm biến góc nghiêng 
Hình 3.5: Mạch thiết kế PCB 
dùng để đo điện dung của cảm 
biến góc nghiêng kiểu tụ điện 
18 
Trên hình 3.4 mô tả sơ đồ khối hoạt động của việc đo cảm biến 
góc nghiêng kiểu tụ điện với tần số làm việc 127 kHz. 
Hình 3.5 mô tả thiết kế PCB đo điện dung của cảm biến góc 
nghiêng. Các đường mạch của khối khuếch đại được thiết kế đối xứng 
tối đa có thể để tránh sai lệch tụ ký sinh trên mạch điện (Hình 3.5a). 
Hình 3.5b là ảnh thực tế của cảm biến gắn trên mạch PCB. 
3.3 Xây dựng mạch điện cho cảm biến góc nghiêng hai chiều 
Hình 3.6 dưới đây mô tả sơ đồ khối của mạch đo điện dung của 
cảm biến góc nghiêng hai chiều. 
Op-
amp
Chỉnh lưu
LPF
KĐ Visai
R
y2
Op-
amp
+
-
R
y1
R
C
CR
R2 R1
Op-
amp
Chỉnh lưu
LPF
KĐ Visai
R
x2
X
Y
Op-
amp
+
-
R
x1
+
-
Trục X
Mạch tách sóng cầu Wien 
f = 170 kHz 
Cảm biến điện dung Mạch điều kiệnPhần phát
Trục Y
Hình 3.6: Sơ đồ khối của mạch đo cảm biến góc nghiêng 
 hai chiều 
3.4 X