Luận văn Nghiên cứu phát triển cảm biến biến dạng sử dụng chất lỏng dẫn điện

đo điện trở kim loại thƣờng đƣợc sử dụng, trong ngành xây dựng các loại đầu đoứng suất kế dây rung, đầu đo điện trở bán dẫn- áp điện trở, và các đầu đo trong chế độ động thƣờng đƣợc sử dụng. 1.4. Phân loại cảm biến biến dạng 1.4.1.Đầu đo điện trở kim loại  Cấu tạo và nguyên lý hoạt động Các loại đầu đo điện trở kim loại thƣờng đƣợc chế tạo ở dạng lƣới. Cấu tạo đầu đo dạng lƣới dây, đầu đo đƣợc chế tạo từ dây điện trở có tiết diện tròn (đƣờng kính d ≈ 20 𝜇m) hoặc tiết diện chữ nhậta x b (hình 1.1a). Đầu đo dạng lƣới màng chế tạo bằng phƣơngpháp mạch in (hình 1.1b). Số nhánhn của cảm biến thƣờng từ 10-20 nhánh. [3] Hình 1.1 Sơ đồ cấu tạo đầu đo kim loại[1] a) Đầu đo dùng dây quấnb) Đầu đo dùng lƣới màng Khi chế tạo đầu đo thì đế cách điện mỏng bằng giấy với độ dày khoảng 0,1mm hoặc đế cách điện bằng chất dẻo độ dày khoảng 0,03mm (epoxy hoặc polyimide) 13 sẽ đƣợc dùng để cố định cảm biến lên trên. Họ hợp kim Ni thƣờng đƣợc dùng làm vật liệu điện trởđƣợc mô tả trong bảng(bảng 1.1) Bảng 1.1: Vật liệu làm điện trở thuộc họ hợp kim Ni[1] Loại hợp kim Thành phần (%) Hệ số độ nhạy K Constantan 55% Cu, 45% Ni 2.1 Isoclastic 36%Ni,52%Fe,8%Cr,4%(Mn+Mo) 3.5 Karma 20% Cr, 74% Ni,3%Cu,3%Fe 2.1 Nicrome V 20% Cr,80%Ni 2.5 Bạch kim -vonfram 8%W, 92%Pt 4.1 Với một cấu trúc cần đo biến dạng thi cảm biến sẽ đƣợc gắn lên bề mặt của cấu trúc đó(hình 1.2), kết quả là cảm biến và cấu trúc cần đo sẽ cùng bị một biến dạng giống nhau. Hình 1.2Đầu đo cố định lên trên bề mặt cần đo biến dạng [3] 1. Bề mặt khảo sát2) Cảm biến3) Lớp bảo vệ4) Mối hàn 5) Dây dẫn6) Cáp điện7) Keo dán Điện trở của cảm biến đƣợc xác định bởi công thức sau: R= 𝜌𝑙 𝑆 (1.4) Với: R là điện trở của dung dịch trong ống silicone(ohm), 𝑙 là chiều dài ống, S là thiết diện lòng trong ống, 𝜌 điện trở suất của dung dịch Phƣơng trình sai phân: 14 ∆𝑅 𝑅 = ∆𝑙 𝑙 − ∆𝑆 𝑆 + ∆𝜌 𝜌 (1.5) Tiết diện có biến dạng ngang trục bởi vì do tác động của biến dạng dọc trục ảnh hƣởng, chúng có liên hệ với nhau theo biểu thức sau: ∆𝑎 𝑎 = ∆𝑏 𝑏 = ∆𝑑 𝑑 = − 𝑣 ∆𝑙 𝑙 (1.6) Tiết diện ngang của dây S = ab hoăc S = 𝜋𝑑2/4, ta có: ∆𝑆 𝑆 = −2𝑣 ∆𝑙 𝑙 (1.7) Ở đầu đo kim loại, ta có: ∆𝜌 𝜌 = 𝐶 ∆𝑉 𝑉 (1.8) C – hằng số Bridman V – thể tích dây Vì V = S.l, ta có: ∆𝑉 𝑉 = (1 − 2𝑣) ∆𝑙 𝑙 (1.9) Và: ∆𝜌 𝜌 = 𝐶(1 − 2𝑣) ∆𝑙 𝑙 (1.10) Vậy ta có: ∆𝑅 𝑅 = 1 + 2𝑣 + 𝐶 1 − 2𝑣 ∆𝑙 𝑙 = 𝐾 ∆𝑙 𝑙 (1.11) Với K: là hệ số độ nhạy cảm biến Công thức tính toán hệ số độ nhạy cảm biến: K = 1 + 2ν + C(1 - 2ν) (1.12) Ta có với đầu đo kim loại do ν≈ 0,3 và C≈ 1 nên K≈ 2.  Đầu đo điện trở kim loại bao gồm những đặc trƣng sau: - Điện trở suất: là đặc tính quan trọng trong việc chế tạo đầu đo, nếu dây quá dài thì kích cỡ của cảm biến sẽ tăng lên do vậy điện trở suất của vật liệu phải 15 tƣơng đối lớn để kích cỡ của cảm biến cảm không bị ảnh hƣởng. Độ nhạy của cảm biến tỷ lệ thuân với dòng đo, tiết diện tăng thì dòng đo sẽ tăng và ngƣợc lại, do vậy tiết điện dây cũng phải đủ lớn để độ nhạy cảm biến đƣợc tốt. - Hệ số độ nhạy cảm biến: K = 2 -3, đối với isoelastic có K= 3,5 và platin – vonframK = 4,1. - Tác động của lực lên độ tuyến tính: điện trở của đầu đo tuyến tính với độ biến dạng do vậy hệ số độ nhạy đầu đo là không đổi ở trong giới hạn đàn hồi. Mặt khác nếu vƣợt qua giới hạn đàn hồi, khi ∆𝑙 𝑙 > 0,5% − 20%phụ thuộc vào vật liệu, hệ số độ nhạy K ≈ 2. - Tác động của nhiệt độ: đối với isoelastic bị ảnh hƣởng bởi nhiệt độ, ngoài ra thì hệ số độ nhạy đầu đo không chịu tác động nhiều của nhiệt độ. Với nhiệt độ từ -100° C đến 300° Cthì nhiệt độ tác động lên hệ số độ nhạy K theo công thức sau: K(T) =𝐾0{1 +∝𝐾(T-𝑇0)} (1.13) trong đó:𝐾0 – hệ số độ nhạy ở nhiệt độ chuẩn 𝑇0(với𝑇0 = 25° 𝐶) ∝𝐾 – hệ số, tùy vào loại vật liệu. Với Nichrome V thì ∝𝐾= −0,04 %/° C, constantan∝𝐾= + 0,01 %/° C -Độ nhạy ngang: ta có tổng điện trở cảm biến bằng R =𝑅𝐿 + 𝑅𝑡 , với 𝑙𝑡 chiều dài nhánh ngang của cảm biến có và điện trở trở 𝑅𝑡 ,𝑅𝐿 điện trở nhánh dọc cảm biến. Ta có,𝑅𝑡 và R có mối quan hệ tỷ lệ với nhau, đoạn ngang sẽ bị biến dạng trong quá trình biến dạng. Kết quảtác động của biến dạng ngang là không quá lớn do 𝑅𝑡 ≪ 𝑅𝐿 . 1.4.2 Cảm biến áp trở Silic  Cấu tạo và nguyên lý hoạt động Vật liệu chế tạo đầu đo bán dẫn là đơn tinh thểsilic pha tạp. Phƣơng pháp chế tạo ảnh hƣởng rất lớn đến cấu tạo của đầu đo. Đầu đo loại cắt: đƣợc làm từ những mẩu cắt từ tấm đơn tinh thể silic pha tạp và có sơ đồ cấu tạo nhƣ hình 1.3. Đối với bán dẫn Si loại P các mẫu cắt đơn tinh thể đƣợc lấy song song với đƣờng chéo của tinh thể lập phƣơng, đối với bán 16 dẫn Si loại N sẽ lấy song song với cạnh lập phƣơng. Độ dài trung bình của từng mẫu cắt là từ 0,1 mm tới một vài milimet và có bề dày khoảng 10−2 mm. Để có cách điện tốt các mẫu cắt đƣợc gắn lên các đế cách điện làm bằng vật liệu nhựa cách điện. Hình 1.3Cảm biến áp trở chế tạo từ các mẫu cắt[1] Đầu đo khuếch tán: điện trở của đầu đo đƣợc tạo ra từ một đế đơn tinh thể Si pha tạp đƣợc khuếch tán tạp chất[1].Cấu tạo của đầu đo khuếch tánthể hiện ở hình vẽ 1.4. Hình 1.4Cảm biến áp trở bán dẫn [1] Ở bảng tuần hoàn hóa học, từ một loại tạp chất ở nhóm V sẽ đƣợc khuếch tán vào đế Si loại P thì ta sẽ nhận đƣợc điện trở loại N, loại tạp ở nhóm V đó có thểlà Antimon(Sb) hoặc Phốt pho (P). Chúng ta cần đế Si và điện trở của cảm biến phải đƣợc ngăn cách với nhau nên ở vùng giữa chuyển tiếp đế và khoảng khuếch tán sẽ sinh ra hiệu ứng của một đi ốt phân cực ngƣợc (đi ốt mà có vùng P luôn âm hơn vùng N là đi ốt phân cực ngƣợc). Biểu thức tính toán sự thay đổi điện trở đầu đo của bán dẫn giống biểu thức đầu đo kim loại: ∆𝑅 𝑅 = ∆𝑙 𝑙 − ∆𝑆 𝑆 + ∆𝜌 𝜌 (1.14) Sự thay đổi điện trở suất khi có ứng lực tác dụng ở đầu đo bán dẫn đƣợc xác định theo công thức: 17 ∆𝜌 𝜌 = 𝜋𝜍 = 𝜋𝑌 ∆𝑙 𝑙 (1.15) Trong đó 𝜋 là hệ số áp điện trở đầu đo, 𝜍 là ứng lực tác dụng đầu đo. Vậy: ∆𝑅 𝑅 = { 1 + 2𝑣 + 𝜋𝑌} ∆𝑙 𝑙 (1.16) Và hệ số độ nhạy cảm biến: K = 1 + 2v + 𝜋𝑌 Thông thƣờng K = 100 – 200.  Đầu đo cảm biến áp trở silic bao gồm những đặc trƣng sau: Độ pha tạp rất quan trọng ảnh hƣởng đến đặc trƣngcủa đầu đo bán dẫn. - Điện trở: Điện trở suất của vật sẽ giảm nếu mật độ hạt dẫn ở trong vật tăng điều này đúng khi độ pha tạp tăng lên. Đây là tác động chính của độ pha tạp. Công thức của điện trở suất có dạng: 𝜌 = 1 𝑞(𝜇𝑛𝑛+𝜇𝑝𝑝) (1.17) Q – giá trị tuyệt đối củalỗ trốnghoặc diện tích điện trở . n, p –lỗ trống tự do và mật độ điện tử. 𝜇𝑛 , 𝜇𝑝- độ linh động của lỗ trống và điện tử 18 Hình 1.5Ảnh hƣởng của nhiệt độ đến điện trở suất vào nồng độ pha tạp[1] Tác động của nhiệt độ: Nếu độ pha tạp tăng thì hệ số nhiệt điện trở có giá trị dƣơngvà sẽ giảm dầnở nhiệt độ nhỏ hơn 120°C.Ở nhiệt độ cao hệ số nhiệt điện trở có giá trị âm và không phụ thuộc vào độ pha tạp. - Hệ số độ nhạy K: Hình 1.6 Ảnh hƣởng độ pha tạp với hệ số độ nhạy K[2] 19 Tác động của độ pha tạp: Hệ số độ nhạy bị ảnh hƣởng bởi độ pha tạp, khi độ pha tạp giảm đi, hệ số độ nhạy cảm biến tăng lên và ngƣợc lại(hình 1.6) Tác động của độ biến dạng: Hệ sốđộ nhạy ảnh hƣởng bởi độ biến dạng bằng biểu thức sau: K =𝐾1 + 𝐾2𝜀 + 𝐾2𝜀 2 (1.18) Ta có hệ số độ nhạy K sẽ là một giá trị không đổi khi độ biến dạng đạt giá trị cực đại. Tác động của nhiệt độ: Hệ số độ nhạy tăng khi nhiệt độ giảm và ngƣợc lại, ta có hệ số độ nhạy sẽ ít bị ảnh hƣởng bởi nhiệt độ nếu độ pha tạp lớn ( khoảng 𝑁𝑑 = 10 20𝑐𝑚−3) 1.4.3Đầu đo trong chế độ động Vật liệu để sản xuất ra đầu đo không ảnh hƣởng đến tần số của đầu đo nhƣngtần số làm việc của đầu đo lại bị ảnh hƣởng bởi kích thƣớc đầu đo và cách thức gắn đầu đo. Ở tần số dao động lớn khoảng >10−6Hz với vật liệu silic thì sẽ không làm giảm bớt các dao động. Ở dao động cơ học nếu chiều dài của các nhánh (l) nhỏ hơn nhiều so với bƣớc sóng 𝜆 thì những biến dạng đầu đo sẽ đƣợc đồng bộ với phạm vi của đầu đo.Chiều dài của các nhánh(l) với độ dài của bƣớc sóng phải thỏa mãn biểu thức: 1 ≪ 0,1 𝜆 (1.19) Độ dài bƣớc sóng 𝜆 của dao động cơ học đƣợc tính toán qua công thức sau: 𝜆 = v 𝑓 (1.20) Trong đó: v là vận tốc truyền sóng f là tần số dao động. v= 𝑌 𝑑 . 1−𝑣 (1+𝑣)(1−2𝑣) (1.21) Y –là mô đun Young 𝑣 – hệ số poisson 20 d – khối lƣợng riêng vật liệu chế tạo dây Độ dài nhánh của đầu đo bằng l thì dao sẽ đạt tần số cực đại 𝑓𝑚𝑎𝑥 đƣợc tính toán qua biểu thức: 𝑓𝑚𝑎𝑥 = 𝑣 10.1 (1.22)  Giới hạn mỏi Giới hạn mỏi là nguyên nhân ảnh hƣởng đến biến dạng xảy ra lặp đi lặp lại sẽ làm điện trở đầu đo lên cao, độ biến dạng càng lớn nếu hiệu ứng mỏi càng lớn. Từ chu kỳ biến dạng N với biên độ biết trƣớc tạo ra sự thay đổi điện trở khoảng 10−4 ở chu kỳ biến dạng giả định ta sẽ xác dịnh đƣợc giá trị của giới hạn mỏi. Ở biên độ biến dạng khoảng± 2.10−3giá trị của giới hạn mỏi biến thiên trong khoảng 10−4 (constantan) đến 108 (isoelastic) chu kỳ. 1.4.4 Ứng suất kế dây rung Khi muốn giám sát và đánh giá các hạng mục xây dựng nhƣ tòa nhà, cầu cống đƣờng hầm, đập ngƣời ta dùng ứng suất kế dây rung. Cấu tạo ứng suất kế dây rung: với một cấu trúc cần đánh giá biến dạng ta dùng một dây thép căng giữa hai giá đƣợc cố định vào cấu trúc. Để xác định đƣợc độ lớn của biến dạng ta tiến hành đo đạc tần số dao động của dây, tần số dao động của dây đƣợc xác định khi có biến dạng sự căng cơ học của dây kéo theo sự biến đổi của tần số dao độngN của dây. Tần số dao động của dây đƣợc tính toán theo biểu thức: 𝑁 = 𝑙 2𝑙 𝐹 𝑆𝑑 (1.23) l – khoảng cách ở giữa hai điểm căng dây. F – lực tác dụng. S – tiết diện dây. d – khối lƣợng riêng vật liệu chế tạo dây. Khi tác dụng lực F, độ dài dây sẽ thay đổi một khoảng∆𝑙 và đƣợc tính toán theo công thức: 21 ∆𝑙 𝑙 = 1 𝑌 𝐹 𝑆 (1.24) Công thức xác định tần số dao động của dây: 𝑁 = 𝑙 2.𝑙 𝑌 ∆𝑙 𝑑 𝑙 (1.25) Vậy ta có: ∆𝑙 𝑙 = 4𝑙2𝑑 𝑌 𝑁2 = 𝐾𝑁2 (1.26) Giả thiết∆𝑙0 là độ kéo dài ban đầu và 𝑁0 là tần số tƣơng ứng khi biến dạng chƣa xảy ra: ∆𝑙0 𝑙 = 𝐾𝑁0 2 (1.27) Khi biến dạng xảy ra, độ kéo dài tổng cộng của dây là ∆𝑙1 và tần số là 𝑁1, ta có: ∆𝑙1 𝑙 = 𝐾𝑁1 2 (1.28) Vì độ kéo dài do biến dạng ∆𝑙 = ∆𝑙1 -∆𝑙0, suy ra: ∆𝑙 𝑙 = 𝐾(𝑁1 2 − 𝑁0 2) (1.29) Đo 𝑁0 và 𝑁1 ta có thể tính đƣợc biến dạng của cấu trúc cần đánh giá. 1.5. Ứng dụng cảm biến biến dạng Cảm biến biến dạng có nhiều ứng dụng trong nhiều lĩnh vực nhƣ dùng để đo mô men xoắn của trục, ở các chi tiết cơ khí cảm biến biến dạng đo các biến dạng bề mặt, ứng dụng dùng để đo lực, dùng để chế tạo cảm biến đo ứng suất, cảm biến trọng lƣợng Ứng dụng cảm biến biến dạng đo lực: Để thực hiện thí nghiệm ta gắn cảm biến vào vật chịu tác dụng lực cho biến dạng của cảm biến với biến dạng của vật chịu tác dụng lực là giống nhau, khi vật chịu tác dụng lực thì cảm biến cũng vậy và từ sự thay đổi điện trở của cảm biến ta suy ra đƣợc lực tác dụng. 22 Hình 1.7Cảm biến biến dạng Khi vật bị tác dụng bởi một lực F thì vật sẽ biến dạng theo phƣơng ứng lực một lƣợng ε: ℇ = ∆𝑙 𝑙 = 1 𝑌 𝜍 = 1 𝑌 𝐹 𝑆 (1.30) Trong đó ε: là biến dạng vật thể 𝜍: là ứnglực Y: là module Young(vật khác nhau thì module Young khác nhau) S: tiết diện của vật F: là lực tác dụng Ứng dụng đo mô men xoắn dùng cảm biến biến dạng: Quy trình thí nghiệm, ta gắn hai cảm biến lên trục quaytheo hƣớng của ứng suất(nghiêng 45 độ so với trục) và hai cảm biến biến dạng có trục vuông góc với nhau đƣợc bố trí sao cho một cảm biến nén và một cảm biến sẽ giãn. Hình1.8Dán cảm biến lên đo mô men xoắn Khi chịu tác dụng của lực, sẽ xuất hiện biến dạng trên bề mặt trục quay: Vậtchịutácdụnglực Lựctácđộng F Cảmbiến Giáđỡ 23 ℇ = ∆𝑙 𝑙 = 4 3𝑌 𝑦 = 4 3𝑌 16𝑇 𝜋𝐷2 (1.31) Với:Y là module Young, T là mômen tác động lên trục, D là bán kính bề mặt trục. Hình ảnh ví dụ hệ đo mô men trục của tuabin máy phát Hình 1.9 Hệ tua bin máy phát[3]Hình 1.10 Cảm biến đo mô men xoắn[2] 24 CHƢƠNG II. CẢM BIẾN BIẾN DẠNG SỬ DỤNG CHẤT LỎNG DẪN ĐIỆN 2.1 Chất lỏng dẫn điện (Ionic liquid) Ionic liquid là muối ở dạng lỏng ở điều kiện thƣờng (quy định là <100 oC) cấu thành bởi các cations (ion dƣơng) và anion (ion âm). Có nhiềuloại ionic liquid khác nhau tuỳ thuộc vào hợp chất mà ta lựa chọn: 1-butyl- 1-methylpyrrolidinium bis (trifluoromethylsulfonyl) imide, cholinium ethanoate,natriclorua,vv. Tuy nhiên các dung dịch này đều là “chất lỏng ion ” –tức là có các ion mang điện tích[4]. Một ví dụ với dung dịch muối NaCl, khi ở trạng thái tinh thể NaCl có liên kết ion, các ion Na+ và Cl- hút nhau bằng lực hút tĩnh điện nên không di chuyển tự do, do đó tinh thể NaCl không dẫn điện. Khi hoà tan vào nƣớc nhƣng ion ở lớp bề mặt của tinh thế bị hút mạnh bởi các phân tử nƣớc phân cực làm có lực hút tĩnh điện trong tinh thể yếu đi, kết quả là Na+ bị hút về đầu âm và Cl- bị hút về đầu dƣơng của phân tử nƣớc và khuếch tán vào nƣớc. Vì thế trong dung dịch NaCl các ion Na+ và Cl- di chuyển tự do nêndung dịch NaCl có thể dẫn điện. Càng có nhiều ion Na+, Cl- tức là nồng độ dung dịchlớn thìđộ dẫn điện của dung dịchcàng cao. Sở dĩ ionic liquidđƣợc ứng dụng trong các lĩnh vực bởi chúng có nhiều ƣu điểm về tính chất: độ dẫn ion tốt, độ nhớt cao, độ bền nhiệt tại trạng thái lỏng, tính chất dung môi có thể điều chỉnh đƣợc. Việc sử dụng ionic liquid trong nhiều lĩnh vực, một số công trình đãcôngbốvề ứng dụng của chúng trong lĩnh vực chế tạo cảm biến: mô phỏng chuyển động của cơ thể,cảm biến sinh hoá; ứng dụng trong các phản ứng hữu cơ hay phân tích điện hoá đã đƣợc đề xuất và đƣa vào sử dụng đã nhiều năm. Một trong những lĩnh nổi bật về ionic liquid là nghiên cứu về năng lƣợng của chúng, đặc biệt là lƣu trữ,tái tạo năng lƣợng và chuyển đổi năng lƣợng bởi nhu cầu sử dụng năng lƣợng sạch và bền vững ngày càng đƣợc yêu cầu cao. Ví dụđiển hình là pin lithium và pin nhiên liệu trong đó ứng dụng các thiết bị trong nhà, công trình và hƣớng tới phát triển ở quy mô lớn hơn. Việc nghiên cứu, ứng dụng ionic liquid đã hỗ trợ sự phát triển, đổi mới các loại vật liệu, ví dụ nhƣ việc phát triển chất điện phân cacbonat sử dụng trong các pin ion Li đã giúp cho các pin có mật độ năng lƣợng cao nhất[5]. 25 Hình 2.1:Một số ứng dụng của chất lỏng ionic liquid Cảm biến biến dạng (strain sensor)là một kỹ thuật thiết yếu ngày càng đƣợc ứng dụng trong nhiều lĩnh vực[3]. Đặc biệt cảm biến chất lỏng ion (ionic liquid) có những lợi thế hơn hẳn so với các loại cảm biến truyền thống khác ví dụ nhƣ các loại hợp kim (hợp kim đồng–niken, hợp kim niken-chrome và bạch kim-8% vonfram,vv) có độ biến dạng thay đổi từ ± 0.3% đến ± 5%. Trong khi đó, các ứng dụng y sinh học và các phép đo biến dạng lớn khác đòi phải đo độ lớn lớn hơn 10%. Cảm biến biến dạng(strain sensor) hoàn toàn có thể đáp ứng đƣợc mục đích này, hơn nữa chúng dễ đƣợc tìm thấy cũng nhƣ chí phí sản xuất chúng rất hợp lí. Trong bài này một hỗn hợp của glycerin với dung dịch muối Natriclorua trong nƣớc đƣợc sử dụng[4]. Glycerol đƣợc sử dụng với ba mục đích: tăng độ nhớt của chất lỏng; giảm tỷ lệ mất nƣớc do sự bay hơi; và tránh ăn mòn các điện cực. Dung dịch đƣợc chứa trong ống silicon hình trụđƣợc mô tả nhƣhình bên dƣớivới hai điện cực đƣợc làm bằng kim loại chống sự ăn mòn. Mục đích của nghiên cứu nhằm khảo sát cảm biến, khả năng ứng dụng cảm biến vào thực tế mà cụ thể trong khuôn 26 khổ của nghiên cứu này, nghiên cứu sẽ hƣớng đến sử dụng cảm biến để mô phỏng sự chuyện động của các khớp ngón tay hỗ trợviệc giao tiếp của ngƣời câm[7]. 2.2Cảm biến biến dạng sử dụng chất lỏng Biến dạng là sự thay đổi hình dạng và kích thƣớc so với trạng thái tự nhiên của vật thể[8]. Biến dạng xảy ra khi có lực bên ngoài đủ mạnh tác động lên vật thể, do các yếu tố bên ngoài nhƣ nhiệt độ, áp suất hay chính do bên trong vật thể. Hình 2.2 biểu diễn sự biến dạng của một vật thể hình trụ có chiều dài ban đầu l0 và đƣờng kích thiết diện ban đầu là d0. Khi có một ngoại lực F đủ lớn tác dụng lên vật thể đọc theo chiều dài của nó sẽ tạo ra biến dạng mà cụ thể khiến cho chiều dài của nó tăng thêm một khoảng ∆l, đồng thời đƣờng kính thiết diện giảm đi một khoảng ∆d. Sự thay đổi các thông số hình học này của cảm biến sẽ làm điện trở của cảm biến thay đổi. Bằng cách đo đƣợc sự thay đổi của điện trở ta sẽ xác định đƣợc độ biến dạng của cảm biến. Mỗi vật thể tồn tại trong tự nhiên luôn chịu rất nhiều tác động từ các yếu tố bên ngoài gây ra biến dạng và do đó biên dạng gần nhƣ xảy ra ở tất cả các vật thể ở các mức độ khác nhau[9]. Bởi vậy, trong khoa học công nghệ cũng nhƣ trong đời sống việc đo đạc và theo dõi biến dạng là rất cần thiết. Ví dụ trong lĩnh vực xây dựng và kết cấu,tác động của ứng lực gây ra sự biến dạng trong kết cấu chịu ứng lực. Biến dạngcó mối quan hệ chặt chẽ với ứng lực, bằng cách đo biến dạng các kỹ sƣ có thể đo đạc đƣợc ứng lực tác dụng lên kết cấu. Cũng trong lĩnh vực xây dựng, nhƣ đã biết bê tông là vật liệu gần nhƣ không thể thiếu trong bất kỳ Hình 2.2 Biến dạng của vật thể khi có lực tác dụng 27 công trình xây dựng nào, vì thế chất lƣợng bê tông cực kì quan trọng ảnh hƣởng đến chất lƣợng công trình nên cần đƣợc kiểm tra kỹ lƣợng tránh sai sót. Một trong nhƣng sai sót thƣờng gặp nhất là biến dạng ở bê tông, việc đo đạc quan sát biến dạng sẽ giúp các kỹ sƣ đánh giá đƣợc chất lƣơng bê tông trƣớc khi đƣa vào thi công công trình. Ngoài ra, biến dạng còn đƣợc ứng dụng rất nhiều vào các lĩnh vực khoa học.Điển hình nhƣ lợi dụng sự biến dạng để mô phỏng lại chuyển động của các khớp trên cơ thể ngƣời hoặc trên các cơ cấu máy móc, hay việc ứng dụng sự biến dạng tạo ra năng lƣợng vào nghiên cứu và phát triển năng lƣợng sạch v.v. Có nhiều phƣơng pháp để đo biến dạng, nhƣng điển hình nhất vẫn là phƣơng pháp sử dụng cảm biến lá điện trở kim loại (Strain gauge)[10]. Đây là loại cảm biến có cấu tạo khá đơn giản, gồm một sợi kim loại dẫn điện mảnh đƣợc gắn chặt thành các đƣờng zizac trên một tấm cách điện đàn hồi. Nó hoạt động dựa trên nguyên lý, khi tấm đàn hồi dãn ra, khiến cho sợi kim loại bị kéo dãn làm cho điện trở của sợi kim loại tăng lên và ngƣợc lại, khi tấm đàn hồi bị nén lại khiến cho sợi kim loại bị nén lại làm cho điện trở của nó giảm xuống. Và chỉ cần đo sự thay đổi của điện trở sợi kim loại sẽ tính toán đƣợc độ biến dạng. Tuy nhiên cảm biến loại này chỉ đo đƣợc những biến dạng bé vì biến dạng lớn sẽ làm sợi kim loại mất sự đàn hồi khiến cho phép đo không chính xác và khi biến dạng đủ lớn sẽ làm đứt sợi kim loại[11].Cảm biến đo độ biến dạng sử dụng chất lỏng ion đã đƣợc giới thiệu trong bài này sẽ là giải pháp khắc phục nhƣợc điểm của cảm biến lá điện trở, đo đƣợc các biến dạng lớn[12]. 2.2.1Chế tạo cảm biến Cảm biến đo biến dạng sử dụng chất lỏng ion đƣợc sử dụng trong nghiên cứu này đƣợc tạo thành khi cho dung dịch NaCl và Glycerol vào trong một ống cao su silicone có độ dài phần chứa dung dịch là l0 và đƣờng kính ống là d0 nhƣ hình 2.3, hai đầu của ống đƣợc kết nối với 2 điện cực bằng kim loại chống ăn mòn. Khi có tác động lực lên cảm biến làm cảm biến bị biến dạng mà cụ thể là kéo căng chiều dài cảm biến sẽ tăng thêm đoạn ∆l đồng thời đƣờng kính ống giảm đi ∆d sẽ làm cho điện trở của cảm biến thay đổi. Sự thay đổi điện trở này sẽ đƣợc mô tả chi tiết ở phần sau. 28 Hình 2.3 Mô hình cảm biến biến dạng Quá trình chế tạo cảmbiến,bơm kimtiêm đƣợc sử dụng để bơm dung dịch ion đã pha sẵn vào trong ống cao su silicone. Để dung dịch không bị tràn ra ngoài,hai đầu ống đƣợc giữ song song với nhau và hƣớng lên trên tạo thành 1 bình thông nhau. Sau khi dung dịch đã đƣợc bơm đầy ống, hai điện cực có thiết diện to hơn thiết diện ống đƣợc sử dụng để bịt hai đầu ống với mục đích ngăn không cho nƣớc rỉ ra ngoài. Cuối cùng,keo silicone đƣợc dùng để dán miệng ống với điện cực và tạo ra đƣợc cảm biến nhƣHình 2.4 Hình 2.4 Cảm biến biến dạng 2.2.2Xây dựng hệ thống mạch điện dùng để khảo sát cảm biến Xuất phát từ biểu thức định luật ôm: R = U I 29 Với: - R là điện trở vật dẫn (ohm) - U là hiệu điện áp giữa hai đầu vật dẫn (volt) - I là cƣờng độ dòng điện qua vật dẫn (amperes) Khi dòng điện qua vật dẫn là không đổi thì điện áp hai đầu vật dẫn sẽ thay đổi tuyến tính theo sự thay đổi điện trở của vật dẫn, tƣơng tự, nếu điện áp giữa hai đầu vật dẫn là không đổi, thì dòng điện qua vật dẫn sẽ thay đổi tuyến tính theo sự thay đổi của điện trở vật dẫn. Việc tạo ra một nguồn điện áp không đổi sẽ dễ dàng hơn việc tạo ra một nguồn dòng không đổi, tuy nhiên khi sử dụng nguồn điện áp không đổi thì đại lƣợng biến thiên sẽ là dòng điện sẽ khó khăn trong việc đo đạc cũng nhƣ thu thập dữ liệu để phục vụ cho các ứng dụng sau này.Từ đó, một hệ thống mạch nguồn dòng xoay chiều ổn định đƣợc thiết kế dùng để khảo sát cảm biến [10]. Việc sử dụng nguồn xoay chiều giúp giảm ảnh hƣởng của quá trình điện phân gây hiện tƣợng trôi điện trở và sai số trongphép đo. Khi bị kéo dãn điện trở của cảm biến sẽ biến thiên: - Ta có công thức tính điện trở: R =ρ 𝐿 𝑆 Trong đó: + R là điện trở của dung dịch trong ống silicone(ohm) + L là chiều dài ống + S là thiết diện lòng trong ống + ρ điện trở suất của dung dịch - Điện trở suất là nghịch đảo của độ dẫn và độ dẫn không bị thay đổi khi có biến dạng. Do đó, khi kéo dãn cảm biến sẽ làm cho chiều dài cảm biến tăng đồng thời thiết diện giảm dẫn đến điện trở của tăng lên. 30 Hình 2.5 Cảm biến ở trạng thái Hình 2.6 Cảm biến sau khi bị banđầu kéo dãn ra thêm ∆l Hình 2.7. Sơ đồ khối mạch điện Sơ đồ khối mạch điện đo đạc khảo sát cảm biến đƣợc cho trên hình 2.7. Nguồn dòng xoay chiều đƣợc cấp cho cảm biến điện trở. Tín hiệu từ cảm biến đƣợc đƣa vào khối xử lý tín hiệu bao gồm bộ khuếch đại vi sai và bộ lọc trƣớc khi đƣa vào mạch tách sóng đƣờng bao và thu đỉnh và đƣa về đọc giá trị bởi vi điều khiển. Khối tạo nguồn dòng: Nguồn dòng xoay chiều ổn định đƣợc thiết kế gồm 2 khối thành phần chính là khối tạo dao động hình sine với tần số 2kHz sử 31 dụngmáy phát dao động và khối ghim dòng sử dụng khuếch đại thuật toán (Hình 2.8). Hình 2.8. Khối ghim dòng Do mạch điện hoạt động với tín hiệu khá nhỏ nên chịu ảnh hƣởng của nhiễu khá lớn dẫn đến sai số lớn trong phép đo, do đó cần đƣợc xử lý trƣớc khi có thể sử dụng để khảo sát cảm biến. Một bộ lọc thông dải đƣợc sử dụng để xử lý nhiễu. 32 Hình 2.9. Bộ lọc thông dải Hình 2.10. Mạch tách sóng đƣờng bao và thu đỉnh Bên cạnh đó, một mạch tách sóng đƣờng bao và thu đỉnh đƣợc sử dụng để có thể thu thập và xử lý dữ liệu cảm biến bằng vi điều khiển (Hình 2.9). 2.2.3 Khảo sát mạch nguồn dòng xoay chiều Trƣớc khi đi vào thí nghiệm, khảo sát cảm biến đƣợc chế tạo, đầu tiênmạch nguồn dòng đƣợc thiết kế chế tạo sẽ đƣợctiến hành khảo sát. Nguồn dòng đƣợc cấp cho các điện trở chuẩncó giá trị cố định từ 100 kΩ đến 500 kΩ.Đây là dải điện trở của cảm biến.Hình 2.11 biểu diễn biên độ điện áp trên các điện trở khi bộ tạo nguồn dòng hoạt động. 33 Hình 2.11 Kết quả khảo sát nguồn dòng. Qua kết quả khảo sát cho thấy điện thế thay đổi tuyến tính với sự thay đổi của điện trở (sai số bình phƣơng R2 = 0.9863). Mạch cung cấp một dòng ổn định với dòng điện cực đại xấp xỉ 2 𝜇A trong dải điện trở từ 100 kΩ đến gần 500 kΩ. Với kết quả này, mạch tạo nguồn dòng thể sử dụng mạch điện để khảo sát cảm biến. Cảm biến đo độ biến dạng sử dụng chất lỏng ion đƣợc kết nối với mạch điện thu thập dữ liệu. Tín hiệu khảo sát tại một số điểm trên mạch đƣợc thể hiện trên các hình 2.12 và 2.13. Hình 2.12 và 2.13 biểu diễn hình chụp dao động ký tín hiệu khảo sát trƣớc và sau bộ thu đỉnh (tƣơng ứng với điểm 1 và 2 trên hình 2.7). Trƣớc khi qua bộ thu đỉnh, tín hiệu có dạng hình sine với tần số f =2 kHz và biên độ V=350 mV. Sau khi qua bộ thu đỉnh, tín hiệu ổn định. Biên độ tín hiệu thay đổi khi làm biến dạng (kéo dãn) cảm biến. y = 2E-06x + 0.031 R² = 0.986 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 0 100,000 200,000 300,000 400,000 500,000 600,000 Đ iệ n á p ( V ) Điện trở (Ohm) 34 Hình 2.12Tín hiệu thu đƣợc từ cảm biến sau khi đƣợc khuếch đại và lọc Hình 2.13Tín hiệu tại lối ra mạch điện, trƣớc khi đƣa vào vi điều khiển 2.2.4Đặc tính của cảm biến  Khảo sát cảm biến với biến dạng dọc trục Với mạch điện xử lý tín hiệu từ cảm biến đã xây dựng, cảm biến biến dạng ionic liquid đƣợc khảo sát thực nghiệm. Cảm biến đƣợc kéo dãn sử dụng thiết bị tạo biến dạng với một đầu giữ cố định và một đầu có thể di chuyển đƣợc theo phƣơng ngang nhờ cơ cấu trục vítnhƣ trên hình 2.14. Hai đầu của cảm