Nghiên cứu, phát triển một cảm biến đo biến dạng ứng dụng cho các thiết bị mặc được

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TRẦN NHƯ CHÍ NGHIÊN CỨU, PHÁT TRIỂN MỘT CẢM BIẾN ĐO BIẾN DẠNG ỨNG DỤNG CHO CÁC THIẾT BỊ MẶC ĐƯỢC Ngành : Công nghệ kỹ thuật điện tử,

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

TRẦN NHƯ CHÍ

NGHIÊN CỨU, PHÁT TRIỂN MỘT CẢM BIẾN ĐO BIẾN DẠNG ỨNG DỤNG CHO CÁC THIẾT BỊ MẶC

ĐƯỢC

Ngành : Công nghệ kỹ thuật điện tử, truyền thông

Chuyên ngành : Kỹ thuật điện tử

Mã ngành : 8510302.01

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ, TRUYỀN THÔNG

Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Chử Đức Trình

HÀ NỘI - 2019

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn đến các thầy, cô giáo Trường Đại học Công nghệ ĐHQGHN, Khoa Điện tử - Viễn thông đã tận tình giảng dạy và truyền đạt những kiến thức, kinh nghiệm quý giá trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu cũng như trong quá trình thực hiện đề tài

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến PGS.TS Chử Đức Trình đã tận tình hướng dẫn, cung cấp tài liệu, thiết bị trong suốt quá trình thực hiện đề tài này

Hà Nội, tháng 4 năm 2019

Trần Như Chí

LỜI CAM ĐOAN

Luận văn đánh dấu cho những thành quả, kiến thức tôi đã thu nhận được trong quá trình rèn luyện, học tập tại trường Tôi xin cam đoan luận văn được hoàn thành bằng quá trình học tập và nghiên cứu của tôi

Trong luận văn này tôi có tham khảo một số tài liệu và một số bài báo đều được đưa ra ở phần tài liệu tham khảo

Tôi xin cam đoan những lời trên là sự thật và chịu mọi trách nhiệm trước thầy cô

và hội đồng bảo vệ luận văn

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 1

LỜI CAM ĐOAN 2

MỤC LỤC 3

MỞ ĐẦU 8

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU 9

1.1 Biến dạng 9

1.2.1 Đầu đo điện trở kim loại 10

1.2.2 Cảm biến áp trở silic 13

1.2.3 Đầu đo trong chế độ động 15

1.2.4 Ứng suất kế dây rung 17

1.3 Cảm biến đo biến dạng dải rộng 18

CHƯƠNG 2 CẢM BIẾN ĐO BIẾN DẠNG DỰA TRÊN CHẤT LỎNG ION 20

2.1 Nguyên lý hoạt động của cảm biến 20

2.2 Đo điện trở của cảm biến 21

2.2.1 Mạch tạo dao động cầu Wien 21

2.2.2 Nguồn dòng Howland 24

2.2.3 Thiết kế hệ đo 25

CHƯƠNG 3 CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM 27

3.1 Chế tạo cảm biến 27

3.2 Thiết lập thí nghiệm 31

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ KHẢO SÁT HOẠT ĐỘNG CẢM BẾN 33

4.1 Khảo sát cảm biến theo tỉ lệ dung dịch muối 33

4.2 Khảo sát cảm biến theo đường kính ống silicone 34

4.3 Khảo sát sự ảnh hưởng của nhiệt độ tới cảm biến 35

CHƯƠNG 5 ỨNG DỤNG ĐẾM BƯỚC CHÂN DỰA TRÊN CẢM BIẾN ĐO BIẾN DẠNG 37

5.1 Thiết lập thí nghiệm 37

5.2 Kết quả phân tích và xử lí tín hiệu 38

KẾT LUẬN 44

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN 45

TÀI LIỆU THAM KHẢO 46

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Sơ đồ cấu tạo của đầu đo kim loại 10

Hình 1.2 Các cố định đầu đo trên bề mặt khảo sát 11

Hình 1.3 Đầu đo chế tạo bằng các mẫu cắt 13

Hình 1.4 Đầu đo loại khuếch tán 13

Hình 1.5 Sự phụ thuộc của điện trở suất vào nồng độ pha tạp và nhiệt độ 15

Hình 1.6 Sự phụ thuộc của K vào độ pha tạp 15

Hình 1.7 Một số ứng dụng của cảm biến biến dạng dải rộng (a) Cảm biến được gắn lên cổ để phát hiện giọng nói (b) Cảm biến được gắn lên chân để xác định trạng thái và đếm số bước chân (c) Cảm biến gắn lên tay để xác định cử chỉ của tay 19

Hình 2.1 Mô hình cảm biến đo biến dạng dựa trên chất lỏng ion 20

Hình 2.2 Nguyên tắc của cảm biến biến dạng (a) Cảm biến ở trạng thái ban đầu, (b) Cảm biến khi được kéo dãn 21

Hình 2.3 Mạch căn bản và hệ thống hồi tiếp (a) và mạch mạch tương đương (b) 21

Hình 2.4 Điều chỉnh biên độ và biến dạng mạch cầu Wien 22

Hình 2.5 Điều chỉnh tần số dùng biến trở đôi 23

Hình 2.6 Điều chỉnh tần số dùng hồi tiếp âm 23

Hình 2.7 Mạch nguồn dòn Howland 24

Hình 2.8 Sơ đồ mạch đo 26

Hình 3.1 Công thức hóa học của cao su silicone 27

Hình 3.2 Cấu trúc tinh thể clorua natri Lục sẫm = Na+; Lam nhạt = Cl- 28

Hình 3.3 Công thức hóa học của Glycerin 29

Hình 3.4 Các cảm biến sau khi chế tạo 31

Hình 3.5 Mạch thực tế 32

Hình 3.6 Bộ điều chỉnh ứng lực 32

Hình 4.1 Kết quả thí nghiệm cho thấy điện trở thay đổi do biến dạng với các tỉ lệ NaCl/Nước/glycerin lần lượt là 1:15:5 (a), 1:18:5 (b), 1:25:5 (c) 34

Hình 4.2 Kết quả thí nghiệm cho thấy điện trở thay đổi do biến dạng với các ống silicone có đường kính khác nhau (a) d = 0.5mm (b) d = 1mm (c) d=1.5mm 34

Hình 4.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ tới cảm biến (a) Ảnh hưởng của nhiệt độ đến cảm biến khi chưa kéo dãn (b) Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hệ số GF của cảm biến khi kéo

dãn 36

Hình 5.1 Gắn cảm biến lên khớp gối 37

Hình 5.2 Chương trình phần mềm trên máy tính 38

Hình 5.3 Dạng tín hiệu khi gập và duỗi chân 39

Hình 5.4 Tín hiệu thu được từ các hoạt động của con người 39

Hình 5.5 Thuật toán xử lí tín hiệu 39

Hình 5.6 Tín hiệu gốc 40

Hình 5.7 Tín hiệu sau khi qua lọc trung bình 41

Hình 5.8 Tín hiệu sau khi qua lọc thông cao 41

Hình 5.9 Tín hiệu sau khi qua lọc ngưỡng và chuyển thành dạng xung vuông 42

Hình 5.10 Tín hiệu có xung nhỏ sinh ra từ bước chân ngắn, khớp gối không gập nhiều 43

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Bảng thông số các hợp kim làm đầu đo 10Bảng 3.1 Thông số của các cảm biến được chế tạo 31Bảng 5.1 Kết quả đếm bước chân so với thực tế 42

hỗ trợ các bài tập vật lý trị liệu trong y học Chính bởi vậy, việc phát triển loại cảm biến biến dạng lớn vẫn đã và đang là bài toán rất được quan tâm Gần đây, có nhiều nhiều nghiên cứu tập trung vào phát triển các cảm biến đo biến dạng có dải đo rộng bằng việc sử dụng các vật liệu mới có độ kéo dãn cao như sợi quang, polymer,… Đặc biệt là cảm biến đo biến dạng dải rộng sử dụng chất lỏng ion Một loại cảm biến dễ chế tạo, chi phí thấp và thân thiện với môi trường

Mục tiêu của đề tài này là phát triển một cảm biến biến dạng sử dụng chất lỏng ion cho các ứng dụng trên thiết bị mặc trên người (weable devices) Chất lỏng ion được sử dụng là hỗn hợp của glycerin với dung dịch muối Natri clorua trong nước với các tỷ lệ khác nhau Cảm biến được chế tạo sử dụng dung dịch này chứa trong ống silicone hình trụ với hai điện cực được làm bằng kim loại Các nghiên cứu được thực hiện khảo sát hoạt động của cảm biến, cũng như khả năng ứng dụng cảm biến vào thực

tế đã được thực hiện Mạch điện tử thu thập dữ liệu từ cảm biến đã được phát triển Hoạt động của cảm biến cho việc phát hiện biến dạng đã được kiểm nghiệm Bên cạnh

đó một ứng dụng sử dụng cảm biến gắn trên thiết bị mặc được đã được phát triển cho bài toán đếm bước chân

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU

1.2 Phương pháp đo biến dạng

Tác động của ứng lực gây ra sự biến dạng trong kết cấu chịu ứng lực Giữa biến dạng và ứng lực có quan hệ chặt chẽ với nhau, bằng cách đo biến dạng ta có thể tính được ứng lực tác động lên kết cấu Để đo biến dạng người ta sử dụng các cảm biến biến dạng hay còn gọi là đầu đo biến dạng Hiện nay, trên thị trường sử dụng phổ biến hai loại đầu đo biến dạng là đầu đo điện trở và đầu đo dạng rung

Đầu đo điện trở là loại đầu đo dùng phổ biến nhất Chúng được chế tạo từ vật liệu có điện trở biến thiên theo mức độ biến dạng, với kích thước nhỏ từ vài mm đến vài cm, khi đo chúng được dán trực tiếp lên cấu trúc biến dạng Trong công nghiệp, đầu đo điện trở kim loại (hợp kim Constantan, Nicrome V, ) và đầu đo điện trở bán dẫn – áp điện trở (Silic) thường được sử dụng

Đầu đo dạng rung được dùng trong ngành xây dựng Đầu đo được làm bằng một sợi dây kim loại căng giữa hai điểm của cấu trúc cần đo biến dạng Tần số của dây rung là hàm của sức căng cơ học, tần số này thay đổi khi khoảng cách giữa hai điểm nối thay đổi

1.2.1 Đầu đo điện trở kim loại

 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Đầu đo điện trở kim loại có cấu tạo dạng lưới Đối với đầu đo dạng lưới dây, đầu

đo được làm bằng dây điện trở có tiết diện tròn (đường kính d 2 m) hoặc tiết diện chữ nhật axb (hình 1.1a) Đầu đo dạng lưới màng được chế tạo bằng phương pháp mạch in (hình 1.1b) Số nhánh n của cảm biến thường 10 – 20 nhánh

Hình 1.1 Sơ đồ cấu tạo của đầu đo kim loại a) Đầu đo dùng dây quấn b) Đầu đo dùng lưới màng

Cảm biến được cố định trên đế cách điện mỏng, bề dày ~ 0,1 mm làm bằng giấy hoặc ~ 0,03 mm làm bằng chất dẻo (polyimide, epoxy) Vật liệu làm điện trở thường thuộc họ hợp kim Ni (Bảng 1.1)

Bảng 1.1 Bảng thông số các hợp kim làm đầu đo

Khi đo cảm biến được gắn vào bề mặt của cấu trúc cần khảo sát (hình 1.2), kết quả là cảm biến cũng chịu một biến dạng như biến dạng của cấu trúc

Hình 1.2 Các cố định đầu đo trên bề mặt khảo sát 1) Bề mặt khảo sát 2) Cảm biến 3) Lớp bảo vệ 4) Mối hàn 5) Dây dẫn 6) Cáp

điện 7) Keo dán

Điện trở của cảm biến xác định bởi biểu thức:

l R S

- Hệ số đầu đo: Thông thường K = 2 – 3, ngoại trừ isoelastic có K = 3.5 và Platin – Vonfram K = 4.1

- Ảnh hưởng của lực đến độ tuyến tính: Trong giới hạn đàn hồi, hệ số đầu đo không đổi do quan hệ tuyến tính giữa điện trở và biến dạng Ngoài giới hạn đàn hồi, khi l 0.5% 20%

l

, tùy theo vật liệu, hệ số đầu đo K 2

- Ảnh hưởng của nhiệt độ: Nói chung K ít chịu ảnh hưởng của nhiệt độ, ngoại trừ isoelastic Trong khoảng nhiệt độ từ -100°C ÷ 300°C sự thay đổi của hệ số đầu

đo K theo nhiệt độ có thể biểu diễn bởi biểu thức:

biến bằng RR LR t Trong quá trình biến dạng các đoạn ngang cũng bị biến dạng, R t thay đổi cũng làm cho R thay đổi Tuy nhiên do R t R L, ảnh hưởng của biến dạng ngang cũng không lớn

1.2.2 Cảm biến áp trở silic

 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Đầu đo bán dẫn được làm bằng đơn tinh thể silic pha tạp Cấu tạo của chúng phụ thuộc các chế tạo

Đầu đo loại cắt: Chế tạo bằng các mẩu cắt từ tấm đơn tinh thể silic pha tạp có sơ

đồ cấu tạo như hình 1.3 Các mẫu cắt đơn tinh thể được lấy song song với đường chéo của tinh thể lập phương đối với silic loại P và song song với cạnh lập phương nếu là silic loại N Mẫu cắt có chiều dài từ 0.1 mm đến vài mm và chiều dày cỡ 102 mm Các mẫu cắt được dán trên đế cách điện bằng nhựa

Hình 1.3 Đầu đo chế tạo bằng các mẫu cắt

Đầu đo khuếch tán: Điện trở của đầu đo chế tạo bằng cách khuếch tán tạp chất vào một tấm đế đơn tinh thể silic pha tạp Sơ đồ cấu tạo của loại này được thể hiện trên hình 1.4

Hình 1.4 Đầu đo loại khuếch tán

Điện trở loại N nhận được bằng cách khuếch tán vào đế silic loại P một tạp chất thuộc nhóm V trong bảng tuần hoàn (như P, Sb), còn điện trở loại P khuếch tán tạp chất thuộc nhóm III (như Ga, In) và đế silic loại N Chuyển tiếp giữa đế và vùng khuếch tán tạo nên một diot và luôn dược phân cực ngược (vùng P âm hơn vùng N) để cho cảm biến cách biệt với đế silic

Biến thiên điện trở của đầu đo bán dẫn xác định bởi công thức tương tự đầu đo kim loại:

Ảnh hưởng của độ pha tạp: Khi tăng độ pha tạp, mật độ hạt dẫn trong vật liệu tăng lên

và điện trở suất của nó giảm xuống Biểu thức chung của điện trở suất có dạng:

Hình 1.5 Sự phụ thuộc của điện trở suất vào nồng độ pha tạp và nhiệt độ

Ảnh hưởng của nhiệt độ: Khi nhiệt độ nhỏ hơn 120°C hệ số nhiệt điện trở có giá trị dương và giảm dần khi độ pha tạp tăng lên

Ở nhiệt độ cao hệ số nhiệt điện trở có giá trị âm và không phụ thuộc vào độ pha tạp

- Hệ số đầu đo K:

Ảnh hưởng của độ pha tạp: Hệ số đầu đo phụ thuộc vào độ pha tạp, khi độ pha tạp tăng lên, hệ số đầu đo giảm như thấy trong hình 1.6

Hình 1.6 Sự phụ thuộc của K vào độ pha tạp

Ảnh hưởng của độ biến dạng: Hệ số đầu đo phụ thuộc vào độ biến dạng, quan hệ có dạng:

cm ) hệ số đầu đo ít phụ thuộc nhiệt độ

1.2.3 Đầu đo trong chế độ động

Khi đo biến dạng trong chế độ động, đầu đo phải thỏa mãn một số yêu cầu nhất định như tần số sử dụng tối đa, giới hạn mỏi

 Tần số sử dụng tối đa

Tần số của đầu đo không phụ thuộc vào vật liệu chế tạo, silic có thể truyền không suy giảm các dao động với tần số lớn hơn 10 Hz Tuy nhiên, tần số làm việc lại phụ thuộc 6vào phương pháp gắn đầu đo và kích thước của nó

Để cho các biến dạng đo được gần như đồng bộ trong phạm vi của đầu đo, chiều dài l của các nhánh phải nhỏ hơn nhiều lần bước sóng  của dao động cơ học Quan hệ giữa kích thước l và chiều dài bước sóng phải thỏa mãn điều kiện:

0.1

Chiều dài bước sóng  của dao động cơ học được xác định bởi công thức:

v f

d – Trọng lượng riêng vật liệu chế tạo dây

Vậy tần số cực đại fmax của dao động khi chiều dài nhánh của đầu đo là l bằng:

max10

v f

1.2.4 Ứng suất kế dây rung

Ứng suất kế dây rung được dùng để theo dõi kiểm tra các công trình xây dựng như đập, cầu, đường hầm,…

Cấu tạo của ứng suất kế dây rung gồm một dây thép căng giữa hai giá gắn vào cấu trúc cần nghiên cứu biến dạng Khi có biến dạng, sự căng cơ học của dây kéo theo sự thay đổi tần số dao động N của dây, bằng cách đo tần số dao động của dây có thể biết được

độ lớn của biến dạng

Tần số dao động của sợ dây xác định theo công thức:

12

F N

l Sd

l - Khoảng cách giữa hai điểm căng dây

F – Lực tác dụng

S – Tiết diện dây

d – Khối lượng riêng của vật liệu chế tạo dây

Dưới tác dụng của lực F, độ dài dây biến thiên một lượng l xác định từ biểu thức:

Y l N

0

l

K N l

Khi có biến dạng, độ kéo dài tổng cộng của dây là l1 và tần số là N1, ta có:

2 1

1

l

K N l

(1.29)

Vì độ kéo dài do biến dạng     l l1 l0, suy ra:

 2 2

l

K N N l

(1.30)

Đo N0 và N1 ta có thể tính được biến dạng của cấu trúc

1.3 Cảm biến đo biến dạng dải rộng

Cảm biến biến dạng hoặc đầu đo biến dạng được áp dụng rộng rãi để đo biến dạng cơ học của các cấu trúc [1], [2] Các cảm biến truyền thống thường được tạo bởi các hợp kim như hợp kim niken – đồng, hợp kim niken – crom,… Dải đo biến dạng của các hợp kim này thay đổi từ ± 0.3% đến ± 5% [3] Với dải

đo này, cảm biến khó có thể áp dụng cho các ứng dụng trong y tế và các ứng dụng yêu cầu dải đo lớn hơn 10% Hiện nay, có nhiều nghiên cứu đang tập trung phát triển cảm biến đo biến dạng dải rộng để thay thế cho các cảm biến truyền thống, được áp dụng trong lĩnh vực y tế và robotics [4] Các cảm biến này chủ yếu được phát triển dựa trên các sợi quang [5], polymer dẫn điện [6], ống nano cacbon (CNT) [7-9], chất đàn hồi pha tạp [10] Phương pháp sử dụng sợi quang yêu cầu các thiết bị đo đạc, tính toán phức tạp, sử dụng các polymer dẫn điện có thể gặp phải các vấn đề độ trễ lớn và giãn do tính đàn hồi của polymer Ngoài ra, các phương pháp trên rất phức tạp, chi phí thực hiện lớn nên khó áp dụng cho các ứng dụng thực tế Để giải quyết vấn đề đó, chất lỏng ion (hỗn hợp dung dịch

muối và glycerin [11] hoặc 1-Butyl-1-methyl-pyrrolidinium [12]) được đề xuất

Việc sử dụng chất lỏng ion trong cảm biến đo biến dạng dải rộng có nhiều ưu điểm vượt trội như giá thành rẻ, thân thiện với môi trường, hiệu quả cao, trong khi đó công nghệ chế tạo cảm biến lại đơn giản.Không những thế, chất lỏng dẫn điện còn có thể được kết hợp với vật liệu có tính đàn hổi và công nghệ chế tạo hiện đại để tạo ra các cảm biến mềm, mỏng và có hệ số Gauge Factor (GF) cao [13-15]

Cảm biến đo biến dạng dải rộng là dạng cảm ứng ưu việt đáp ứng được những yêu cầu về độ bền, độ nhạy, độ linh hoạt và thời gian đáp ứng cũng như thời gian khôi phục Do đó, chúng được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau trong công nghiệp và đời sống Ví dụ như trong ứng dụng phát hiện chuyển động tay sử dụng hai chất lỏng dẫn điện khác nhau: chất lỏng ion và kim loại lỏng [16], chất lỏng ion được sử dụng để phát hiện những thay đổi về biến dạng cơ học của vật liệu làm cảm biến còn kim loại lỏng như là các dây dẫn có khả năng kéo dãn và linh hoạt để kết nối các cảm biến tới mạch điều khiển bên ngoài Hai chất lỏng dẫn điện này kết hợp với vật liệu có tính đàn hồi cao để tạo

ra các cảm biến mềm Sau đó, các cảm biến được gắn lên năm ngón tay giống như một lớp da nhân tạo Trong một ví dụ khác, cảm biến đo biến dạng dải rộng

còn được sử dụng để phát hiện chuyển động của con người bằng cách gắn chúng lên quần áo mặc hoặc trực tiếp lên cơ thể con người [17-21] Không chỉ có vậy, các cảm biến đo biến dạng dải rộng còn được sử dụng trong các ứng dụng về y tế như phẫu thuật [4], theo dõi tim mạch [22], giám sát sức khoẻ tại nhà như thấy trong hình 1.7 [23]

Hình 1.7 Một số ứng dụng của cảm biến biến dạng dải rộng a) Cảm biến được gắn

lên cổ để phát hiện giọng nói b) Cảm biến được gắn lên chân để xác định trạng thái

và đếm số bước chân c) Cảm biến gắn lên tay để xác định cử chỉ của tay

Trong nghiên cứu này, tôi tập trung nghiên cứu phát triển một cảm biến đo biến dạng dải rộng sử dụng chất lỏng ion, cụ thể ở đây sử dụng hỗn hợp dung dịch muối NaCl và Glycerin, từ đó phát triển ứng dụng đếm bước chân với độ chính xác cao dựa trên cảm biến này Bằng việc sử dụng mẫu cảm biến đề xuất này, không những số cử động của chân có thể được xác định chính xác mà thậm chí có thể phân tích sâu hơn về tính chất của vận động dựa vào phân tích cường

độ và dạng tín hiệu thu được từ cảm biến

CHƯƠNG 2 CẢM BIẾN ĐO BIẾN DẠNG DỰA TRÊN CHẤT LỎNG

ION

2.1 Nguyên lý hoạt động của cảm biến

Cảm biến được đề xuất chế tạo bằng việc bơm hỗn hợp dung dịch natri clorua, nước và glycerin vào một ống cao su silicone có chiều dài ban đầu l0 và đường kính ban đầu d0 như trong hình 2.1 Hỗn hợp này có khả năng dẫn điện do chúng chứa các ion Navà Cl, khi có điện thế cấp vào hai đầu cảm biến các ion này sẽ dịch chuyển

về hai đầu điện cực Glycerin được dùng để làm tăng độ nhớt của dung dịch, giảm tỷ lệ mất nước do bay hơi và giảm sự ăn mòn của các điện cực Hai đầu ống là hai điện cực được mạ vàng để tạo ra sự tiếp xúc tốt với dung dịch bên trong và ngăn cản rò rỉ dung dịch ra môi trường Bằng cách mạ vàng điện cực, điện cực sẽ không bị ăn mòn bởi dung dịch chất lỏng dẫn điện Cuối cùng, để ngăn chất dung dịch bên trong ống không

rỉ ra ngoài và tránh việc không khí lọt vào trong tạo ra các bọt khí, chúng tôi sử dụng keo silicone dán lên phần tiếp xúc giữa các điện cực với ống cao su

Hình 2.1 Mô hình cảm biến đo biến dạng dựa trên chất lỏng ion Khi chưa có lực kéo tác dụng thì điện trở của cảm biến là:

0 2 04

s

l R

d





Ở đây,  là điện trở suất của dung dịch muối trong ống silicone

Khi tác dụng lực kéo vào hai đầu cảm biến, cảm biến có sự thay đổi về hình dạng,

cụ thể chiều dài cảm biến tăng lên thành l0 l, đồng thời tiết diện của ống silicone giảm còn d0 d như thấy ở hình 2.2 Điều đó làm cho giá trị điện trở của cảm biến cũng thay đổi Do đó, cảm biến sẽ hoạt động như một bộ đo biến dạng mà điện trở của dung dịch R s sẽ tăng lên khi có tác dụng lực kéo dãn

Hình 2.2 Nguyên tắc của cảm biến biến dạng a) Cảm biến ở trạng

thái ban đầu, b) Cảm biến khi được kéo dãn

2.2 Đo điện trở của cảm biến

2.2.1 Mạch tạo dao động cầu Wien

Mạch dao động cầu Wien là một dạng dao động dịch pha, thường dùng bộ khuếch đại thuật toán (Op-Amp) được mắc theo kiểu khuếch đại không đảo như hình 2.3

(a) (b) Hình 2.3 Mạch căn bản và hệ thống hồi tiếp (a) và mạch mạch tương đương (b)

 Điều kiện, nguyên lý hoạt động

1 1

2

11

R jwR C v

Khi A v< 3: Mạch không dao động

Khi A v>> 3: Mạch dễ dao động nhưng tín hiệu ra bị biến dạng (Đỉnh dương và đỉnh

âm của tín hiệu bị cắt)

Vì vậy, để mạch dao động tốt khi khởi động mạch ta tính toán sao cho A v > 3 để mạch

dễ dao động, sau đó giảm dần xuống gần bằng 3 để giảm biến dạng

 Vấn đề điều chỉnh biên độ, biến dạng

Trong mạch dao động cầu Wien, ta có thể dùng diode để điều chỉnh biên độ và làm giảm biến dạng như ở hình 2.4

Hình 2.4 Điều chỉnh biên độ và biến dạng mạch cầu Wien