zunia.vn

Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z

zunia.vn

» Kỹ Thuật - Công Nghệ

» Điện - Điện tử

Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo và thử nghiệm hệ thống mạch đo di động cho cảm biến chất lỏng ion

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:5

Báo xấu

55
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết trình bày kết quả nghiên cứu phát triển hệ thống mạch đo nhỏ gọn (portable), ứng dụng cho đo đạc các cảm biến đo biến dạng dải rộng sử dụng chất lỏng ion. Hệ thống mạch đo được thiết kế dựa trên phương pháp đo 4 điểm. Một tín hiệu hình sine được tạo ra bởi mạch cầu Wien đi qua nguồn dòng Howland trước khi được đưa đến hai đầu của cảm biến.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo và thử nghiệm hệ thống mạch đo di động cho cảm biến chất lỏng ion

Hội nghị Quốc gia lần thứ 23 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2020) Nghiên Cứu, Thiết Kế, Chế Tạo Và Thử Nghiệm Hệ Thống Mạch Đo Di Động Cho Cảm Biến Chất Lỏng Ion Trần Như Chí, Phạm Tiến Mạnh, Nguyễn Thị Thanh Vân, Bùi Thanh Tùng, Chử Đức Trình, Nguyễn Ngọc An. Khoa Điện tử - Viễn thông, Trường Đại học Công nghệ, Đại Học Quốc Gia Hà Nội Email: tungbt@vnu.edu.vn. Abstract— Báo cáo này trình bày kết quả nghiên cứu như giám sát biến dạng địa hình, giám sát vết nứt của phát triển hệ thống mạch đo nhỏ gọn (portable), ứng vật liệu, các công trình xây dựng, giám sát hỗ trợ dụng cho đo đạc các cảm biến đo biến dạng dải rộng sử người bệnh phục hồi chức năng, hỗ trợ các bài tập vật dụng chất lỏng ion. Hệ thống mạch đo được thiết kế dựa lý trị liệu trong y học... trên phương pháp đo 4 điểm. Một tín hiệu hình sine được tạo ra bởi mạch cầu Wien đi qua nguồn dòng Howland Gần đây, có nhiều nghiên cứu đang tập trung vào trước khi được đưa đến hai đầu của cảm biến. Điện trở phát triển các cảm biến đo biến dạng có dải đo rộng để của cảm biến được xác định thông qua giá trị điện áp đo thay thế các cảm biến đo biến dạng truyền thống. Các được trên hai đầu cảm biến và giá trị của dòng điện đã cảm biến đo biến dạng dải rộng thường được chế tạo được cài đặt từ nguồn dòng Howland. Một vi điều khiển được sử dụng để hiển thị và thu thập dữ liệu thông qua bằng các vật liệu như sợi quang [2], polymer [3], các module Bluetooth thương mại giá rẻ. Hoạt động của hệ chất đàn hồi pha tạp [4]–[6]. Đặc biệt, một số loại cảm đo được mô phỏng trên phần mềm mô phỏng Multisim biến đo biến dạng dải rộng sử dụng chất lỏng ion có và thực nghiệm thực tế cho kết quả điện trở đo được có nhiều ưu điểm vượt trội như giá thành rẻ, thân thiện độ chính xác cao (99.51%), hệ thống có dải đo lớn (0 ÷ với môi trường, hiệu quả cao, trong khi đó công nghệ 700kΩ) và dải tần làm việc rộng (0 ÷ 200kHz). Hệ thống chế tạo cảm biến lại đơn giản [7]-[9]. Có nhiều ứng mạch đo được chế tạo và kết nối với cảm biến đo biến dụng được phát triển dựa trên cảm biến đo biến dạng dạng dải rộng dựa trên chất lỏng ion ứng dụng cho các dải rộng cũng như cảm biến đo biến dạng sử dụng chất thiết bị mặc được (wearable). Kết quả thực nghiệm lỏng ion chẳng hạn như giám sát chuyển động của tay chứng tỏ hệ thống đã phát triển nhỏ gọn, làm việc ổn định, đáp ứng bài toán đo lường cho cảm biến biến dạng [10], phát hiện các chuyển động của cơ thể người [11]- sử dụng cho các ứng dụng thực tế. [12], hay sử dụng trong lĩnh vực y tế [13]-[14]. Tuy nhiên, việc khảo sát cảm biến này chủ yếu dựa trên các Keywords- Cảm biến đo biến dạng, Nguồn dòng hệ đo và các thiết bị cồng kềnh, phức tạp và đắt tiền. Howland, Điện trở. Trong bài báo cáo này, chúng tôi đề xuất xây dựng một hệ đo nhỏ gọn, dải đo rộng, độ chính xác cao, giá I. GIỚI THIỆU thành rẻ, có khả năng sử dụng cho các thiết bị sách tay (portable) hay thiết bị mặc được (wearable) phục vụ Dưới tác động của ứng suất cơ học, biến dạng xuất cho việc đo đạc và khảo sát các cảm biến đo biến hiện trong môi trường chịu ứng suất. Sự biến dạng của dạng. cấu trúc ảnh hưởng rất lớn tới khả năng làm việc cũng như độ an toàn khi làm việc của kết cấu chịu lực. Mặt II. THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG khác giữa ứng suất và biến dạng có mối quan hệ với nhau, dựa vào mối quan hệ đó người ta có thể xác định A. Nguồn dòng Howland được ứng suất khi đo biến dạng do nó gây ra. Bởi vậy, đo biến dạng là một vấn đề được quan tâm nhiều trong Nguồn dòng Howland được đề xuất vào đầu những năm 1960, bao gồm một bộ khuếch đại thuật toán và kỹ thuật. Có nhiều loại cảm biến đo biến dạng nhưng phổ biến nhất là cảm biến đo biến dạng kiểu điện trở. một cầu điện trở như thấy trong hình 1. Chúng được chế tạo từ vật liệu có điện trở biến thiên Để cầu điện trở cân bằng: theo mức độ biến dạng, thường là các hợp kim và các R2 R4 vật liệu bán dẫn (silic) [1]. Tuy nhiên các cảm được (1) R1 R3 chế tạo từ các vật liệu này có dải đo thấp (5%) nên khó có thể áp dụng vào các ứng dụng yêu cầu dải đo lớn Tại nút Vn : ISBN: 978-604-80-5076-4 59
Hội nghị Quốc gia lần thứ 23 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2020) Vn Vout Vn Tuy nhiên, với loại cảm biến sử dụng chất lỏng ion, (2) việc sử dụng điện áp một chiều tác dụng lên hai đầu R1 R2 điện cực thì sẽ hình thành điện dung kí sinh giữa điện cực và chất lỏng dẫn điện làm cho phép đo không được ổn định. Vì vậy, trong nghiên cứu này, một nguồn dòng AC được sử dụng để cải thiện được độ chính xác của phép đo. Hệ thống sử dụng mạch nguồn dòng Howland và mạch dao động cầu Wien để tạo ra dòng điện có biên độ không đổi đi qua cảm biến. Mạch cầu Wien sẽ tạo ra tín hiệu xoay chiều hình sin tại tần số xác định đưa qua nguồn dòng Howland. Nguồn dòng Howland sẽ giữ tín hiệu dòng điện ổn định đi qua cảm biến Rs . Từ đó, giá trị dòng điện chạy qua cảm biến ( is ) được xác định bởi điện trở trở R7 thông Hình 1. Sơ đồ mạch nguồn dòng Howland qua công thức của mạch nguồn dòng Howland: Tại nút VP : Vi Vin Vp Vout Vp iS (9) I out (3) R7 R3 R4 R8 Từ phương trình (1): Bluetooth Vn R1 R2 R6 HPF Vout (4) - R9 R1 Vin TL082 + MCU Thế (4) vào (3) ta được: R7 Rs R1 R4 Vin V p R3Vn R1 R2 R1 R3V p Xác định đỉnh I out (5) Dao động Wien Nguồn dòng Howland R1 R3 R4 Hình 2. Sơ đồ hệ thống mạch đo. Giả sử, bộ khuếch đại lý tưởng nên VP = Vn : Giá trị dòng điện is chỉ phụ thuộc vào giá trị R7 mà Vin R2 R3Vn R1 R4Vn I out (6) không phụ thuộc vào sự thay đổi giá trị điện trở của R3 R1 R3 R4 cảm biến khi cảm biến chịu tác dụng của lực kéo. Biên Kết hợp với (1): độ tín hiệu lối ra ( Vs ) được xác định bằng mạch tích Vin I out (7) hợp bao gồm một bộ khuếch đại công cụ cùng với một R3 bộ thu đỉnh. Mạch lọc thông cao nhằm loại bỏ nhiễu Như vậy, dòng điện chạy qua điện trở Z load chỉ phụ tần số thấp (50, 60 Hz) từ môi trường. thuộc vào điện áp lối vào Vin và điện trở R3 mà không Khi có được độ lớn điện áp và dòng điện qua hai đầu phụ thuộc vào sự thay đổi của điện trở Z load . Nếu như cảm biến (thông qua nguồn dòng Howland), giá trị điện trở của cảm biến có thể được xác định thông qua điện áp lối vào và điện trở R3 cố định thì dòng điện công thức: I out được giữ nguyên giá trị khi Z load thay đổi. Vs Rs (10) B. Thiết kế is Hệ thống đề xuất trong báo cáo gồm 3 khối: khối dao Ngoài ra, hệ thống có thêm một bộ thu thập dữ liệu sử động cầu Wien, khối nguồn dòng Howland, khối xác dụng vi điều khiển để nhận dữ liệu từ cảm biến đồng định đỉnh và truyền thông (hình 2). Giá trị điện trở trên thời giao tiếp với máy tính thông qua truyền thông cảm biến sẽ được xác định bằng phương pháp đo điện Bluetooth. trở bốn cực. Theo phương pháp đo này, một nguồn dòng tạo dòng điện không đổi được cho chạy qua cảm C. Mô phỏng biến ( I s ), sau đó đo giá trị điện áp trên hai đầu cảm Hệ thống được mô phỏng trên phần mềm Multisim của biến ( Vs ). Điện trở của cảm biến sẽ được tính theo National Instruments. Thông số đặt vào mạch nguồn công thức của định luật Ohm: dòng Howland là R7 và các điện trở trong mạch là 1MΩ để đảm bảo cầu điện trở cân bằng. Mạch dao Vs động cầu Wien phát tín hiệu hình sin biên độ đỉnh – Rs (8) Is đỉnh Vin = 4V, tần số 5kHz. Đầu tiên, chúng tôi khảo ISBN: 978-604-80-5076-4 60
Hội nghị Quốc gia lần thứ 23 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2020) sát dải đo của mạch bằng cách thay đổi điện trở Rs và mô phỏng và mạch cầu Wien phát dao động hình sin tính giá trị dòng điện chạy qua điện trở. Kết quả mô với tần số là 5kHz. Ngoài ra, bộ khuếch đại công cụ phỏng cho thấy dòng điện chạy qua điện trở Rs giữ ổn được xây dựng dựa trên chip chuyên dụng INA128 (Texas Instruments) có thế offset thấp (50µV) và dải định, bằng giá trị tính toán theo công thức (10) trong điện áp cung cấp rộng ( 2.25V 18V ). Tín hiệu lối dải điện trở nhỏ hơn 700kΩ, với độ chính xác 99.98%. vào và lối ra được quan sát thông qua máy hiện sóng Dòng điện giảm dần khi điện trở Rs lớn hơn 700kΩ và (TDS 1002B) của hãng Tektronix. Thêm vào đó, trên hệ thống bắt đầu làm việc không ổn định (hình 3). Sau mạch có thêm màn hình LCD để hiển thị điện áp và đó, khảo sát dải tần số hoạt động ổn định của mạch điện trở của cảm cảm biến. Module Bluetooth HC05 bằng cách cố định giá trị điện trở Rs = 100kΩ và thay cũng được tích hợp trên bo mạch để truyền nhận dữ đổi tần số của tín hiệu lối vào. Kết quả được cho trong liệu không dây với máy tính. hình 4, hệ thống hoạt động ổn định với dòng điện không thay đổi trong dải tần số nhỏ hơn 300kHz, độ chính xác 99.51%. Với tần số lớn hơn, dòng điện chạy qua điện trở Rs không giữ nguyên giá trị và có xu hướng giảm dần. 2.2 2 Current (uA) 1.8 1.6 Hình 5. Mạch đo thực tế 1.4 1.2 1 0 200 400 600 800 1000 Resistance (kilo Ohm) Hình 3. Kết quả mô phỏng hệ đo khi thay đổi điện trở. 2.2 2 Hình 6. Cảm biến đo biến dạng sử dụng chất lỏng ion Current (uA) 1.8 Sau khi được chế tạo bằng công nghệ in lưới, hệ thống 1.6 được thử nghiệm với các điện trở thực tế và ở nhiều tần số lối vào khác nhau, tương tự với cách thiết lập 1.4 khảo sát trong phần mô phỏng. 1.2 Kết quả thu được khá tương đồng với kết quả của mô phỏng, dòng điện chạy qua điện trở tải giữ ổn định và 1 0 200 400 600 800 1000 đúng theo công thức lý thuyết trong dải điện trở tải Frequency (kHz) nhỏ hơn khoảng 700kΩ với độ chính xác 99.01%. Giá Hình 4. Kết quả mô phỏng hệ đo khi thay đổi tần số tín hiệu trị dòng điện bị giảm dần khi điện trở lớn hơn 700kΩ lối vào. (hình 7a). Tuy nhiên, dải tần làm việc ổn định của hệ thống khi khảo sát bằng thực nghiệm hẹp hơn so với III. CHẾ TẠO, THỬ NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ kết quả mô phỏng (hình 7b). Điều đó có thể được giải Mạch đo được thiết kế trên phần mềm Altium thích là do chất lượng linh kiện trong thực tế không lý Designer phiên bản 10.0 của hãng Altium LCC và tưởng như trong phần mềm mô phỏng. được chế tạo dựa trên công nghệ in lưới (PCB), như Ngoài ra, hệ thống cũng được thử nghiệm trực tiếp thấy trong hình 5. Ở đây, mạch nguồn dòng Howland trên cảm biến đo biến dạng sử dụng chất lỏng ion, kết và mạch cầu Wien tạo dao động sử dụng IC TL082 quả khảo sát cho thấy hệ mạch đo làm việc ổn định (Texas Instruments) với trở kháng lối vào cao (hình 6). Điện trở của cảm biến tăng khi kéo dãn với ( 1012 ), dòng tiêu thụ thấp (3.6mA) và dải khuếch hệ số Gauge Factor trung bình là 2.2, như thấy trong đại rộng (4MHz). Nguồn dòng Howland được thiết lập hình 8 [9]. bằng việc sử dụng các điện trở có các giá trị như trong ISBN: 978-604-80-5076-4 61
Hội nghị Quốc gia lần thứ 23 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2020) 5 IV. KẾT LUẬN Experiment Simulation Một hệ thống mạch đo điện trở ứng dụng cho cảm 4.5 4 biến chất lỏng ion đã được thiết kế và phát triển. Hệ đo 3.5 đã được mô phỏng trên phần mềm Multisim và thực Current (uA) nghiệm thực tế bằng các điện trở. Mô phỏng và thực 3 nghiệm cho kết quả khá tương đồng, hệ thống làm việc 2.5 ổn định trong dải điện trở nhỏ hơn 700kΩ và tần số 2 nhỏ hơn 200kHz. Ngoài ra, hệ thống mạch đo cũng được thử nghiệm trực tiếp trên các cảm biến đo biến 1.5 dạng dải rộng sử dụng chất lỏng ion cho kết quả hệ số 1 0 200 400 600 800 1000 Gauge Factor tương đồng với các nghiên cứu trước đó. Resistance (kilo Ohm) Từ kết quả có được, hệ thống mạch đo hoàn toàn có Hình 7a. Kết quả thực nghiệm hệ đo khi thay đổi điện trở thể áp dụng cho nhiều loại cảm biến đo biến dạng khác nhau và các loại cảm biến theo nguyên lý điện trở. 5 Experiment Đồng thời, với kích thước nhỏ gọn, giá thành rẻ, độ 4.5 Simulation chính xác cao, năng lượng tiêu thụ thấp, hệ thống 4 mạch đo hoàn toàn có thể áp dụng cho các thiết bị di động phụ vụ cho việc giám sát các chuyển động của con người và robot. 3.5 Current (uA) 3 LỜI CẢM ƠN 2.5 Nghiên cứu này được tài trợ bởi Trường Đại học 2 Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội theo đề tài mã 1.5 số CN20.31. 1 0 200 400 600 Frequency (kHz) 800 1000 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1]. H. M. Công, “Giáo trình cảm biến công nghiệp”, NXB Xây Hình 7b. Kết quả thực nghiệm hệ đo khi thay đổi tần số tín Dựng (2004), tr. 90-98. hiệu lối vào [2]. T. Hampshire, “Monitoring the behavior of steel structures using distributed optical fiber sensors,” J. Constr. Steel Res., vol. 53, no. 3, pp. 267–281, 2000. [3]. L. et al. Rupprecht, “conductive polymers and plastics in Industrial Applications”. 1999. [4]. L. Flandin, Y. Bréchet, and J.-Y. Cavaillé, “Electrically conductive polymer nanocomposites as deformation sensors,” Compos. Sci. Technol., vol. 61, no. 6, pp. 895–901, 2001. [5]. G. T. Pham, Y. Park, Z. Liang, C. Zhang, and B. Wang, “Processing and modeling of conductive thermoplastic / carbon nanotube films for strain sensing”, vol. 39, pp. 209– 216, 2008. [6]. J. Shi et al., “Graphene Reinforced Carbon Nanotube Networks for Wearable Strain Sensors”, Adv. Funct. Mater., vol. 26, no. 13, pp. 2078–2084, 2016. [7]. G. Keulemans, P. Pelgrims, M. Bakula, F. Ceyssens, and R. Puers, “An ionic liquid based strain sensor for large displacements”, Procedia Eng., vol. 87, pp. 1123–1126, 2014. Hình 8. Kết quả khảo sát Hình 9. Tín hiệu điện áp trên [8]. Y. N. Cheung, Y. Zhu, C. H. Cheng, C. Chao, and W. W. F. cảm biến đo biến dạng cảm biến khi co và duỗi chân Leung, “A novel fluidic strain sensor for large strain measurement,” Sensors Actuators, A Phys., vol. 147, no. 2, Bên cạnh đó, cảm biến sau khi được chế tạo và thử pp. 401–408, 2008. nghiệm được gắn trực tiếp trên khuỷu gối để đếm [9]. Nhu C.T. et al., “Experimental Characterization of an Ionically bước chân và xác định trạng thái chuyển động (hình Conductive Fluid Based High Flexibility Strain Sensor”, ICERA 2018, vol 63, pp.318-323, 2018. 9). Kết quả cho thấy, tín hiệu trên cảm biến thay đổi [10]. J. Chossat, Y. Tao, V. Duchaine, and Y. Park, “Wearable Soft khi co và duỗi chân. Khi co chân, khuỷu gối gập, cảm Artificial Skin for Hand Motion Detection Detection with biến bị kéo dãn dẫn đến điện trở của cảm biến tăng Embedded Microfluidic Strain Sensing,” Icra, pp.2568–2573, nên điện áp tăng nhanh và hình thành sườn lên của 2015. [11]. T. Yamada et al., “A stretchable carbon nanotube strain sensor xung. Khi duỗi chân, cảm biến được dần trở về kích for human-motion detection,” Nat. Nanotechnol., vol. 6, no. thước ban đầu nên tín hiệu điện áp giảm, hình thành 5, pp. 296–301, 2011. lên lên sườn xuống của xung. Do đó, trạng thái chuyển [112]. T. Dinh et al., “Advances in Rational Design and Materials of động của chân hoàn toàn có thể xác định thông qua High-Performance Stretchable Electromechanical Sensors,” Small, vol. 1905707, pp. 1–25, 2020. phân tích tín hiệu từ cảm biến. ISBN: 978-604-80-5076-4 62
Hội nghị Quốc gia lần thứ 23 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2020) [13]. S. Russo, T. Ranzani, H. Liu, S. Nefti-Meziani, K. Althoefer, [14]. T. Dinh et al., “Polyacrylonitrile‐carbon and A. Menciassi, “Soft and Stretchable Sensor Using Nanotube‐polyacrylonitrile: A Versatile Robust Platform for Biocompatible Electrodes and Liquid for Medical Flexible Multifunctional Electronic Devices in Medical Applications,” Soft Robot., vol. 2, no. 4, pp. 146–154, 2015. Applications,” Macromol. Mater. Eng., vol. 304, no. 6, p. 1900014, Jun. 2019. ISBN: 978-604-80-5076-4 63

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

LV.15: Bộ Đồ Án Tốt Nghiệp Chuyên Ngành Cơ Khí

65 tài liệu

2431 lượt tải

THÔNG TIN

TRỢ GIÚP

HỖ TRỢ KHÁCH HÀNG

Theo dõi chúng tôi

Chịu trách nhiệm nội dung:

Nguyễn Công Hà - Giám đốc Công ty TNHH TÀI LIỆU TRỰC TUYẾN VI NA

LIÊN HỆ

Địa chỉ: P402, 54A Nơ Trang Long, Phường 14, Q.Bình Thạnh, TP.HCM

Hotline: 093 303 0098

Email: support@tailieu.vn

Giấy phép Mạng Xã Hội số: 670/GP-BTTTT cấp ngày 30/11/2015 Copyright © 2022-2032 TaiLieu.VN. All rights reserved.