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

sự thay đổi vị trí của bọt khí trong kênh lỏng được nhận biết bằng sự thay đổi của hai tụ vi sai cấu thành bởi ba điện cực. Hình 2.1 mô tả cấu trúc của cảm biến cân bằng kiểu tụ điện môi hai pha lỏng khí. Cấu trúc có cấu tạo bao gồm một ống nhựa plastic đựng dung dịch điện môi có bọt khí bên trong. Ba điện cực bằng kim loại đồng được gắn bên ngoài ống chất lỏng tạo ra hai tụ điện với cấu trúc vi sai đóng vai trò cảm biến điện dung phát hiện sự thay đổi của vị trí bọt khí. Hai điện cực trên đóng vai trò là các điện cực thu có thiết kế dạng hình thang cân với cạnh song song nhỏ nằm ở trung tâm của cấu trúc. Điện cực dưới đóng vai trò là điện cực phát có cấu tạo dạng hình chữ nhật. Ba điện cực này được gắn bên ngoài ống chất lỏng như mô tả trên hình 2.2. Hình 2.3 giải thích nguyên tắc hoạt động của cảm biến cân bằng dựa trên diện tích chiếm chỗ điện cực thu của bọt khí. Ba điện cực cấu tạo lên hai cặp điện cực song song với nhau là hai cặp tụ có bản cực song song bao gồm tụ C1 và C2. Do có sự xuất hiện của bọt khí nên vùng bản cực tam giác bị chia làm bốn phần S1, S2, S3 và S4 là các phần bị chiếm chỗ bởi dung dịch và bọt khí trên hai bản cực. Bốn phần diện tích này tạo ra 4 cặp tụ điện, trong đó, C1= Cx4 + Cx2 và C1= Cx3 + Cx1, với Cxi∼ Si. Ở vị trí cân bằng thì bọt khí nằm ở gốc tọa độ nên S1=S2 và S3 = S4, khi đó ta có, C1 = C2. Khi góc nghiêng thay đổi, vị trí bọt khí giả sử nghiêng về bên phải dẫn đến S1>S2 và S3 C2 và tương tự trong trường hợp ngược lại ta có C1 < C2. Bọt khí x y C1 C2 Chất lỏng Điện cực đồng 5mm 15 mm 15 mm 12 m m 12 m m D =11 m m Như vậy, vị trí của bọt khí phản ánh góc nghiêng của của cảm biến. Góc nghiêng thay đổi sẽ làm thay đổi tỉ lệ giữa hai cặp tụ điện thu phát. Do hai điện cực thu được thiết kế là hai cấu trúc dạng hình thang cân và gắn chặt bên ngoài thành ống chất lỏng. Do đó, giá trị điện áp chênh lệch giữa hai đầu ra tuyến tính với vị trí của bọt khí hay góc nghiêng của cảm biến. Hình 2.1: Cấu trúc của cảm biến cân bằng đo góc nhỏ kiểu điện dung chất lỏng điện môi Hình 2.2: Kích thước của cảm biến và các điện cực 6 x y x y 0 S1S2 S3 S4 S2S4 S1 S3 Cx4 Cx2 Cx1 Cx3 0 Hình 2.3: Nguyên tắc hoạt động của cảm biến cân bằng kiểu tụ điện dung hai pha lỏng - khí Cấu trúc cảm biến điện cực ngoài cho phép sử dụng công nghệ chế tạo đơn giản hơn so với cấu trúc điện cực trong. Điện cực không tiếp xúc với chất lỏng sẽ làm tăng tuổi 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 Xây dựng hệ đo Để khảo sát cảm biến góc nghiêng, hệ đo được xây dựng với giá đỡ cảm biến có thể xoay trục 360o và thước đo chuẩn để xác định góc nghiêng. Hình 3.7 là hệ thống đo góc nghiêng với thước đo góc nghiêng điện tử INSIZE 2173-360. X Y Kích thước tổng thể 30mm×11.5mm (Chiều dài×Đường kính) Thu dữ liệu Hiệu chuẩn góc nghiêng Cảm biến góc nghiêng 35 m m 75mm Cảm biến kiểu điện dung cũng được gắn trên đó, trục xoay thay đổi góc nghiêng và ghi ra tín hiệu đầu ra ứng với các góc nghiêng khác nhau. Hình 3.7: Hệ đo góc nghiêng với thước đo điện tử Insize Hình 3.8: Hệ đo góc nghiêng với thước chia độ độ chính xác 0.10 19 Để đa dạng trong khảo sát, thì một hệ giá đỡ khác cũng được sử dụng có sẵn thước chia góc nghiêng với độ phân dải 0.10 (hình 3.8). Thước xoay quanh trục X và góc quay từ 00 ÷ 360o. 3.5 Kết luận chương 3 Chương 3 của luận án trình bày phương pháp xây dựng hệ cảm biến góc nghiêng và mạch khuếch đại điện dung cho cảm biến, hệ đo kiểm tra các chế độ làm việc của các loại cảm biến cân bằng và cảm biến góc nghiêng một chiều và hai chiều. Chương 4: KHẢO SÁT ĐÁNH GIÁ CÁC CẤU TRÖC CẢM BIẾN GÓC NGHIÊNG KIỂU TỤ ĐIỆN 4.1 Cảm biến cân bằng kiểu tụ điện điện môi hai pha lỏng- khí Trong luận án này, một hệ cảm biến thăng bằng dùng chất lỏng để phát hiện vị trí thăng bằng của bọt khí được xây dựng. Tụ điện có 3 bản cực bằng đồng, một điện cực có chiều dài 35 mm, hai điện cực còn lại có chiều dài 15 mm, khoảng cách giữa các điện cực là 2 mm. Theo sơ đồ hình 3.2 và theo công thức (3.3) ở chương 3 ta có: (4.1) Với R0= 56 kΩ, điện áp đỉnh là 24 V thì biến thiên giữa hai tụ điện sẽ được tính:  = 79 (fF) (4.2) Góc nghiêng (độ) Đ iệ n áp lố i r a ( V ) Đường tuyến tính Kết quả đo 250 ms 2 V x y 250 ms Bên cạnh việc khảo sát tín hiệu lối ra khi góc nghiêng thay đổi, hệ thống cảm biến được khảo sát đáp ứng thời gian của cảm biến. Cảm biến đạt bão hòa với giới hạn góc > 1,20 (hình 4.2) và thời gian đáp ứng là 250 ms. Hình 4.1: Kết quả khảo sát cảm biến cân bằng ở góc nghiêng nhỏ. Điện áp bão hòa ở 1,8V ứng với góc nghiêng 1,20 Hình 4.2: Tín hiệu đầu ra thay đổi khi góc nghiêng đột ngột thay đổi và đạt bão hòa khi quá ngưỡng đo 20 Mạch điện xử lý tín hiệu có hai bộ lọc thông thấp, tần số cắt của mạch lọc được trình bày chi tiết trong chương 3, ta có: (4.3) Với C=10 nF và R=10 kΩ ở bộ lọc thứ nhất và C=100 nF và R=100 kΩ (hì