phát triển một cảm biến biến dạng sử dụng chất lỏng ion cho các ứng dụng trên thiết bị mặc trên người (weable devices

8

MỞ ĐẦU
Dưới tác động của ứng lực cơ học, trong môi trường chịu ứng lực xuất hiện biến
dạng. Sự biến dạng của 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 khác giữa ứng lực và biến dạng có mối
quan hệ với nhau, dựa vào mối quan hệ đó người ta có thể xác định được ứng lực khi
đo biến dạng do nó gây ra. Bởi vậy, đo biến dạng là một vấn đề được quan tâm nhiều
trong kỹ thuật. Có nhiều loại cảm biến đo biến dạng nhưng phổ biến nhất là cảm biến
đo biến dạng kiểu điện trở. Chúng được chế tạo từ vật liệu có điện trở biến thiên theo
mức độ biến dạng, thường là các hợp kim và các vật liệu bán dẫn (Silic). Tuy nhiên
các cảm được 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 như giám sát biến dạng địa hình, giám sát vết nứt
của vật liệu, các cơng trình xây dựng, giám sát hỗ trợ người bệnh phục hồi chức năng,
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 mơi 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.

9

CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU
1.1. Biến dạng
Biến dạng (  ) là tỉ số giữa độ biến thiên kích thước ( L ) và kích thước ban đầu
( l0 ).



l
l0

(1.1)

Biến dạng gọi là đàn hồi khi mà ứng lực mất đi thì biến dạng cũng mất theo. Biến
dạng mà tồn tại ngay cả sau khi ứng lực mất đi được gọi là biến dạng dư.
Giới hạn đàn hồi là ứng lực tối đa không gây nên biến dạng dẻo vượt quá 2%,
tính bằng kG / mm2 . Ví dụ giới hạn đàn hồi của thép là từ 20 – 80 kG / mm2 .
Mô đun Young (Y): Xác định biến dạng theo phương của ứng lực.

 || 

1F 1
 
Y S Y

(1.2)

Ở đây:

- F: Lực tác dụng, kG.
- S: Tiết diện chịu lực, mm2 .
F
-  : Ứng lực,   .
S
Đơn vị đo của mô đun Young là kG / mm2 . Mô đun Young của thép là 18.000 –
29.000 kG / mm2 .
Hệ số poison  : Hệ số xác định biến dạng theo phương vng góc với lực tác
dụng.

    ||

(1.3)

Trong vùng biến dạng đàn hổi   0,3 .
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.


10

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 trịn (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
Hợp kim
Constantan
Isoelastic
Karma
Nicrome V
Bạch kim - vonfram

Thành phần
45%Ni, 55%Cu
52%Fe, 36%Ni, 8%Cr, 4% (Mn+Mo)
74%Ni, 20%Cr, 3%Cu, 3%Fe
80%Ni, 20%Cr
92%Pt, 8%W

Hệ số đầu đo K
2,1
3,5
2,1
2,5
4,1


11

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:
R

l

(1.4)

S

Phương trình sai phân:

R l S 




R
l
S


(1.5)

Biến dạng dọc l của dây kéo theo biến dạng ngang của tiết diện, quan hệ giữa biến
dạng ngang và biến dạng dọc có dạng:
a b d
l


 
a
b
d
l

Tiết diện ngang của dây S = ab hoặc S 

d2
4

S
l
 2
S

l

(1.6)

, ta có:

(1.7)

Mặt khác, đối với đầu đo kim loại:




C – Hằng số Bridman.

C

V
V

(1.8)


12

V – Thể tích dây.
Vì V  S.l , ta có:
V
l
 (1  2 )

V
l

(1.9)

Và:





 C (1  2 )

l
l

(1.10)

Vậy ta có:
R
l
l
 1  2   C (1  2 )  K .
R
l
l

(1.11)

Hệ số K được gọi là hệ số đầu đo, giá trị xác định theo biểu thức:

K  1  2  C 1  2 

(1.12)

Vì   0.3 , C  1 , nên đầu đo kim loại có K  2 .
 Các đặc trưng chủ yếu
- Điện trở suất: Điện trở của vật liệu làm dây phải đủ lớn để dây không quá dài
làm tăng kích thước của cảm biến và tiết diện khơng q bé làm giảm dịng đo
dẫn đến làm giảm độ nhạy.
- 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
khơng đổi do quan hệ tuyến tính giữa điện trở và biến dạng. Ngoài giới hạn đàn
l
hồi, khi
 0.5%  20% , tùy theo vật liệu, hệ số đầu đo K  2 .
l
- 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:

K (T )  K0 1   K T  T0 

(1.13)

K 0 - Hệ số đầu đo nhiệt độ chuẩn T0 (thường T0  25C ).

 K - Hệ số phụ thuộc vật liệu. Với Nichrome V thì  K  0.04 % / C ,
constantan  K  0.01 % / C .
-

Độ nhạy ngang: Ngoài các nhánh dọc có điện trở RL cảm biến cịn có các đoạn
nhánh ngang có tổng độ dài lt , điện trở Rt , do đó điện trở tổng cộng của cảm


13

biến bằng R  RL  Rt . Trong quá trình biến dạng các đoạn ngang cũng bị biến
dạng, Rt thay đổi cũng làm cho R thay đổi. Tuy nhiên do Rt  RL , 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


14

Điện trở loại N nhận được bằng cách khuếch tán vào đế silic loại P một tạp chất
thuộc nhóm V trong bảng tuần hồn (như P, Sb), cịn 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:

R l S 



R
l
S


(1.14)

Đối với đầu đo bán dẫn, biến thiên điện trở suất do tác dụng của ứng lực có dạng:





    Y

l
l

(1.15)

Trong đó  là hệ số áp điện trở,  là ứng lực tác dụng.
Vậy:
R
l
 1  2    Y 
R
l

(1.16)

Và hệ số đầu đo là:
K  1  2   Y

(1.17)

Thơng thường K = 100 ÷ 200.
 Các đặc trưng chủ yếu
Đối với đầu đo bán dẫn, độ pha tạp là yếu tố quyết định đến các đặc trưng của chúng.
-

Điện trở:

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:



1
q  n n   p p 

(1.18)

q – Giá trị tuyệt đối của diện tích điện trở hoặc lỗ trống.
n, p – Mật độ điện tử và lỗ trống tự do.

n ,  p - Độ linh động của điện tử và lỗ trống.


15

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 khơng 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:
K  K1  K2  K2 2

(1.19)

Tuy nhiên, với độ biến dạng dưới một giá trị cực đại nào đó có thể coi K không đổi.
Ảnh hưởng của nhiệt độ: Khi nhiệt độ tăng hệ số đầu đo giảm, tuy nhiên khi pha tạp
lớn (cỡ N d  1020 cm3 ) hệ số đầu đo ít phụ thuộc nhiệt độ.
1.2.3. Đầu đo trong chế độ động


16

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 106 Hz. Tuy nhiên, tần số làm việc lại phụ thuộc
vào 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:

l  0.1

(1.20)

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



v

f

(1.21)

Trong đó, v là vận tốc truyền sóng và f là tần số dao động.
v=

Y
1 
.
d (1   )(1  2 )

(1.22)

Y – Là mô-đun Young.

 - Hệ số poisson.
d – Trọng lượng riêng vật liệu chế tạo dây.
Vậy tần số cực đại f max của dao động khi chiều dài nhánh của đầu đo là l bằng:
f max 

v
10.l

(1.23)

 Giới hạn mỏi
Biến dạng nhiều lần làm tăng điện trở đầu đo do hiệu ứng mỏi, hiệu ứng này càng lớn
khi biên độ biến dạng càng lớn.
Giới hạn mỏi được xác định bởi số chu kỳ biến dạng N với biên độ cho trước gây nên

biến thiên điện trở bằng 104 ứng với chu kỳ biến dạng giả định. Đối với biên độ biến
dạng cỡ ± 2.103 giới hạn mỏi nằm trong khoảng từ 104 (constantan) đến 108
(isoelastic) chu kỳ.


17

1.2.4. Ứng suất kế dây rung
Ứng suất kế dây rung được dùng để theo dõi kiểm tra các cơng 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:

N

1
2l

F
Sd

(1.24)

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:
l 1 F

l Y S

(1.25)

Do đó tần số dao động của dây:

N

1 Y l
2l d l

(1.26)

Suy ra:
l 4l 2 d 2

N  K .N 2
l
Y

(1.27)

Giả sử l0 là độ kéo dài ban đầu và N 0 là tần số tương ứng khi chưa có biến dạng:
l0
 K .N 02
l

(1.28)

Khi có biến dạng, độ kéo dài tổng cộng của dây là l1 và tần số là N1 , ta có:
l1
 K .N12
l

(1.29)


18

Vì độ kéo dài do biến dạng l  l1  l0 , suy ra:
l
 K  N12  N 02 
l

(1.30)

Đo N 0 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 tốn 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. Ngồi 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 cơng nghệ chế tạo cảm biến lại đơn giản. Khơng những thế, chất lỏng dẫn
điện cịn 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 khơi phục. Do đó, chúng được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực
khác nhau trong cơng 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


19

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 cịn 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].

a)

b)

c)

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.


20

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
ban đầu

d0

l0

và đường kính

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 rị rỉ dung
dịch ra mơi trường. Bằng cách mạ vàng điện cực, điện cực sẽ khơng bị ăn mịn bởi
dung dịch chất lỏng dẫn điện. Cuối cùng, để ngăn chất dung dịch bên trong ống khơng
rỉ ra ngồi và tránh việc khơng khí lọt vào trong tạo ra các bọt khí, chúng tơi sử dụng
keo silicone dán lên phần tiếp xúc giữa các điện cực với ống cao su.

Hình 2.1. Mơ 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:
l
(2.1)
Rs   0 2
 d0
4
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 cịn 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 Rs sẽ tăng lên khi có tác dụng lực kéo dãn.


21

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 tốn (Op-Amp) được mắc theo kiểu khuếch đại khơng 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
Ta có:

R1
1  jwR1C1 
v
 2
R1
v1 R  1 
2
jwC2 1  jwR1C1



Tần số dao động:

wR1C2
w  R1C1  R2C2  R1C2   j  w2 R1R2C1C2  1

(2.2)


22

w0 

1
1
 f 0 
R1R2C1C2
2 R1R2C1C2

(2.3)

Vậy:



R1C2
1

R1C1  R2C2  R1C2 C1  R2  1
C2 R1

Nếu chọn R1  R2  R và C1  C2  C , ta có Av = 3 và f 0 

(2.4)

1
2 RC

Khi Av < 3: Mạch không dao động.
Khi Av >> 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 tốn sao cho Av > 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


23

Trong mạch này, ta sử dụng diode hoạt động trong vùng phi tuyến để tự động điều
chỉnh độ lợi Av . Khi mạch mới hoạt động, tín hiệu ra có biên độ nhỏ, 2 diode không
dẫn, độ lợi Av không bị ảnh hưởng, mạch dao động tốt:

Av  1 

R4
 3.2
R3

(2.5)

Khi điện thế đỉnh của tín hiệu qua R4 khoảng 0.5V thì diode D1 bắt đầu dẫn khi ngõ
ra dương, tương tự D2 sẽ dẫn khi ngõ ra âm. Lúc này hai diode có chức năng như điện
trở, làm giảm độ lợi. Ta mắc thêm biến trở R5 để điều chỉnh độ biến dạng xuống mức
thấp nhất. Độ biến dạng càng thấp khi biên độ tín hiệu ra càng nhỏ nên trong thực tế,
người ta lấy tín hiệu ra bằng cách mắc thêm một mạch khuếch đại không đảo song
song với R2C2 .
 Vấn đề điều chỉnh tần số
Trong mạch dao động cầu Wien, tần số và hệ số hồi tiếp được xác định:
1
(2.6)
f0 
2 R1R2C1C2



1
C1 R2

1
C2 R1

(2.7)

Vì vậy, muốn điều chỉnh tần số ta phải thay đổi các thông số trên nhưng không được
ảnh hưởng hệ số hồi tiếp  , do vậy, ta phải thay đổi R1 và R2 , C1 và C2 cùng lúc,
tức là phải dùng biến trở đơi hoặc tụ xoay đơi như hình 2.5.

Hình 2.5. Điều chỉnh tần số dùng biến
trở đơi

Hình 2.6. Điều chỉnh tần số dùng hồi tiếp
âm


24

Nhưng do các linh kiện điện tử khó có sự đồng nhất nên ta rất khó có được kết quả
như mong muốn. Để khắc phục vấn đề này, ta dùng hồi tiếp âm và chỉ làm thay đổi
một phần, độ lợi khơng thay đổi như thấy trong hình 2.6.
Từ cơng thức 2.6, với C1  C2  C , R2  R ta có:
f0 



Ta có R1 ~

1
2 C R1R

1
R
2
R1

(2.7)
(2.8)

1
, mặt khác R1 ~  . Ta tính lại thấy độ lợi không đổi.
f0
vi
v
R
  01  v01   vi
R1
R
R1

(2.9)

v0  vi v1  v01

 v0  vi  vi  v01
R
R
R
2vi  v0  v01  v0  vi
R1

 Av 



v0
R
 2
vi

R1

1
R
2
R1

  Av  1

(2.10)
(2.11)

2.2.2. Nguồn dòng Howland
Nguồn dòng Howland được phát minh bởi Giáo sư Bradford Howland vào đầu những
năm 1960. Bao gồm một bộ khuếch đại thuật toán và một cầu điện trở như thấy trong
hình 2.7.

Hình 2.7. Mạch nguồn dịn Howland


25

Để cầu điện trở cân bằng ta có:

R2 R4

R1 R3

(2.12)

Xét tại nút điện áp ở lối vào đảo của bộ khuếch đại:

V   V V0  V

0
R1
R2

(2.13)

Xét tại nút điện áp ở lối vào không đảo của bộ khuếch đại:

V   V V0  V V


R3
R4
RL

(2.14)

Từ phương trình 2.1, rút V0  V ta được:

V0  V  V  V  

R2
R
 V  V   4
R1
R3

(2.15)

Thay vào phương trình 2.3:

V  V V V  V  V  V



 IL
R3
R3
R3
RL

(2.16)

Như vậy, ta có thể thấy dòng điện chạy qua điện trở RL chỉ phụ thuộc vào điện áp lối
vào và điện trở R3 mà không phụ thuộc vào sự thay đổi của điện trở RL . Nếu như điện
áp lối vào và điện trở R3 cố định thì dịng điện chạy qua điện trở RL được giữ nguyên
giá trị khi RL thay đổi.
2.2.3. Thiết kế hệ đo
Về nguyên lý, điện trở của cảm biến có thể được tính bằng cách sử dụng nguồn
dịng cho dòng điện ( I DC ) chạy qua cảm biến và tính điện áp giữa hai đầu cảm biến (

VDC ). Khi đó điện trở của cảm biến sẽ được tính bằng cơng thức theo định luật Ohm:
RS 

VDC
I DC

(2.17)

Tuy nhiên, vì cảm biến sử dụng chất lỏng ion nên nếu sử dụng điện áp một chiều
tác dụng lên hai đầu điện cực thì sẽ hình thành điện dung kí sinh giữa điện cực và chất
lỏng dẫn điện, điều đó làm cho phép đo khơng được ổn định [1]. Vì vậy, trong nghiên
cứu này, một nguồn dòng AC được sử dụng để cải thiện được độ chính xác của phép
đo. Giá trị điện trở trên cảm biến sẽ được đo bằng phương pháp đo bốn cực, sử dụng
mạch nguồn dòng Howland và mạch cầu Wien tạo dao động như hình 2.8. Mạch cầu
Wien sẽ tạo ra tín hiệu xoay chiều hình sin tại tần số xác định đưa vào cảm biến.
Nguồn dịng Howland giữ tín hiệu dịng điện ổn định đi qua cảm biến. Sau đó, giá trị


26

nguồn dòng qua cảm biến

is

được xác định bởi điện trở trở R7 thơng qua cơng thức

2.4 của mạch nguồn dịng Howland:
iS 

Giá trị dòng điện

Vi
R7

is chỉ phụ thuộc vào giá trị R7

(2.18)

mà không phụ thuộc vào sự thay

đổi giá trị trở của cảm biến khi cảm biến chịu tác dụng của lực kéo. Biên độ tín hiệu
lối ra ( Vs ) được xác định bằng mạch tích hợp bao gồm một bộ khuếch đại công cụ cùng
với một bộ thu đỉnh. Mạch lọc thông cao nhằm loại bỏ nhiễu tần số thấp (50, 60 Hz) từ
mơi trường.
Khi có được độ lớn điện áp và dòng điện qua hai đầu cảm biến (thơng qua nguồn
dịng Howland), ta có thể được giá trị điện trở của cảm biến bằng công thức:
V
(2.19)
Rs  s
is
Ngồi ra, hệ thống có thêm một bộ thu thập dữ liệu sử dụng vi điều khiển để
nhận dữ liệu từ cảm biến đồng thời giao tiếp với máy tính thơng qua module truyền
thơng Bluetooth.
R8
Bluetooth
HPF

R6
R9

TL082
+

Vin

MCU

R7
Rs
Dao động Wien

Nguồn dịng Howland

Hình 2.8. Sơ đồ mạch đo

Xác định đỉnh


27

CHƯƠNG 3. CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM
3.1. Chế tạo cảm biến
 Chuẩn bị: Ống cao su silicone, muối NaCl, Glycerin, nước cất và cốc thí
nghiệm, bơm tiêm y tế.
- Ống cao su silicone
Cơng thức hóa học của loại cao su silicone đơn giản nhất là polydimethylsiloxane
(MQ) như thấy trong hình 3.1

Hình 3.1. Cơng thức hóa học của cao su silicone
Trong công thức này, do liên kết Si-O (444 kJ/mol) bền hơn liên kết C-C (356 kJ/mol)
làm cho cao su silicone có tính kháng nhiệt độ cao tốt hơn các loại cao su hữu cơ
truyền thống. Bên cạnh đó, mạch chính cao su silicone khơng có các liên kết đơi chưa
bão hòa làm cao su silicone trơ, kháng tốt với các yếu tố môi trường như oxy, ozon,
ánh sáng mặt trời. Ngoài ra, do năng lượng quay tự do của liên kết Si-O thấp tạo nên
tính mềm dẻo cho cao su silicone chưa gia công.

Thực tế, các mạch phân tử polysiloxane được biến tính, thêm vào các nhánh bên để đạt
được những tính chất nhất định cho các ứng dụng riêng biệt. Nhìn chung, methyl,
vinyl, phenyl và trifluoropropyl là các nhóm nhánh thông dụng nhất tạo thành các sản
phẩm polysiloxane thương mại khác nhau.
Sự kết hợp của các nhóm vinyl (ít hơn 1% mol) như nhánh bên của chuỗi phân tử
polysiloxane (loại VMQ) tăng đáng kể hiệu quả kết mạng với các peroxide hữu cơ.
Điều này giúp loại VMQ có tính biến dạng dư thấp và tính kháng dầu nóng cải thiện so
với loại MQ. Nhánh vinyl có thể được kết hợp vào mạch chính ở những vị trí nhất
định, giúp kiểm sốt các liên kết mạng, tính chất cơ lý của sản phẩm tốt hơn và ổn
định trong thời gian dài. Ngày nay, hầu hết các loại cao su silicone thương mại đều
chứa một lượng đơn vị vinyl nhất định.
Tương tự, việc thế một phần các nhóm methyl (5 tới 10%) bằng các nhóm phenyl (loại
PMQ) sẽ giúp cao su silicone cải thiện tính kháng nhiệt độ thấp. Một loại cao su
silicone khác là fluorosilicone, các nhánh trifluoropropyl được gắn vào chuỗi


28

polydimethylsiloxane mang lại tính phân cực cho cao su silicone, giúp kháng được
nhiên liệu, dầu mỡ và dung mơi.
Tính chất hóa lý của cao su silicone
Nhìn chung, cơ tính của cao su silicone tương đối kém. Độ bền kéo của chúng phụ
thuộc nhiều vào chất độn silica gia cường nhưng rất khó để nâng độ bền kéo của cao
su silicone trên 15 MPa. Tuy vậy trong các ứng dụng nhiệt độ cao, sự duy trì độ bền
kéo của cao su silicone tốt hơn rất nhiều so với cao su thiên nhiên và các loại cao su
tổng hợp khác. Độ bền xé và độ mỏi của cao su silicone nhìn chung thấp. Độ bền xé
được cải thiện đáng kể bằng cách thay đổi sự phân bố liên kết mạng, bề mặt silica và
cấu trúc phân tử của polymer silicone. Ngoài ra, cao su silicone thể hiện sự biến dạng
dư sau nén thấp trong một dãy rộng nhiệt độ. Nhờ nhiều cải tiến, cao su silicone giờ
đây có độ bền tương đối, được sử dụng trong các ứng dụng động học thông thường,

khơng q khắc nghiệt.
Đặc tính vốn có của chuỗi polymer silicone, liên kết ‘Si-O-Si’ uốn dẻo, ổn định cao
dẫn đến sự duy trì nhiều tính chất mong muốn trong một khoảng nhiệt độ rộng. Tính
kháng nhiệt và tuổi thọ dự tính của các loại cao su silicone phụ thuộc vào nhiệt độ mà
chúng tiếp xúc, nhiệt độ tiếp xúc càng cao thì tuổi thọ dự tính càng thấp. Cao su
silicone thể hiện tính năng lâu hơn và tốt hơn ở nhiệt độ cao so với hầu hết các loại cao
su hữu cơ khác. Tính kháng lạnh của cao su silicone phụ thuộc nhiều vào cấu trúc của
nó. Cao su silicone loại MQ và VMQ có thể chịu được nhiệt độ khoảng -55°C, trong
khi cao su silicone chứa nhóm phenyl, PMQ và PVMQ, có thể chịu được tới khoảng 90°C.
-

Muối NaCl

Natri clorua còn gọi là muối ăn, muối, muối mỏ, hay halua, là hợp chất hóa
học với cơng thức hóa học NaCl. Natri clorua là muối chủ yếu tạo ra độ mặn trong
các đại dương và của chất lỏng ngoại bào của nhiều cơ thể đa bào. Là thành phần
chính trong muối ăn, nó được sử dụng phổ biến như là đồ gia vị và chất bảo quản thực
phẩm.
Cấu trúc tinh thể

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


29

Natri Clorua tạo thành các tinh thể có cấu trúc cân đối lập phương. Trong các tinh thể
này, các ion clorua lớn hơn được sắp xếp trong khối khép kín lập phương, trong khi
các ion natri nhỏ hơn điền vào các lỗ hổng bát diện giữa chúng. Mỗi ion được bao
quanh bởi 6 ion khác loại. Cấu trúc cơ bản như thế này cũng được tìm thấy trong
nhiều khống chất khác và được biết đến như là cấu trúc halua.

Vai trị sinh học
Natri clorua là khống chất thiết yếu cho sự sống trên Trái Đất. Phần lớn các mô sinh
học và chất lỏng trong cơ thể chứa các lượng khác nhau của clorua natri. Nồng độ các
ion natri trong máu có mối liên quan trực tiếp với sự điều chỉnh các mức an toàn của
hệ cơ thể - chất lỏng. Sự truyền các xung thần kinh bởi sự truyền tính trạng tín
hiệu được điều chỉnh bởi các ion natri. (Các ion kali - một kim loại có các thuộc tính
rất giống natri, cũng là thành phần chính trong cùng các hệ cơ thể).
Dung dịch 0,9% natri clorua trong nước được gọi là nước đẳng trương hay dung dịch
sinh lý học do nó là đẳng trương với huyết tương. Nó được biết đến trong y học như
là normal saline. Dung dịch nước đẳng trương là cơ sở chính của phẫu thuật thay thế
chất lỏng được sử dụng rộng rãi trong y học để ngăn chặn hay xử lý sự mất nước, hay
để truyền ven để ngăn sốc do mất máu.
Người là dị thường trong số các lồi linh trưởng do có sự tiết ra mồ hôi chứa một
lượng lớn clorua natri.
-

Glycerin

Glycerin hay glycerol, glyxerol, glyxerin là một rượu đa chức, gồm 3 nhóm -OH gắn
vào gốc hyđrocacbon C3H5 (cơng thức hóa học là C3H5(OH)3 hay C3H8O3). Glycerin là
một thành phần quan trọng tạo nên chất béo, thuốc nổ nitroglyxerin... Nó có một số
tính chất của một rượu đa như phản ứng với Cu(OH)2 tạo ra dung dịch xanh trong
suốt. Đây cũng là phản ứng đặc trưng để nhận biết rượu đa chức có 2 nhóm -OH trở
lên gắn liền kề nhau.

Hình 3.3. Cơng thức hóa học của Glycerin
Tính chất hóa học của glyceril (glyxerol)
+ Là chất phân cực

30

+ Tác dụng với Na
+ Tác dụng với HNO3 (H2SO4 xúc tác)
+ Tác dụng với Cu(OH)2 tạo ra phức chất dung dịch màu xanh thẫm
-

Nước cất:

Nước cất là nước tinh khiết, nguyên chất, được điều chế bằng cách chưng cất và
thường được sử dụng trong y tế như pha chế thuốc tiêm, thuốc uống, biệt dược, rửa
dụng cụ y tế, rửa vết thương. Thành phần nước cất hồn tồn khơng chứa các tạp chất
hữu cơ hay vơ cơ, do đó nó cũng là dung mơi thích hợp để rửa dụng cụ thí nghiệm, pha
chế hóa chất hoặc thực hiện một số phản ứng hóa học. Trong thực tế, người ta thường
sử dụng nước cất bán tại các nhà thuốc dưới dạng đóng chai. Tuy nhiên, điều kiện gia
đình nếu thích hợp vẫn có thể tự điều chế nước cất bằng cách cho nước lã vào đun sôi
và hứng nước / hơi nước ngưng tụ trong môi trường lạnh.
Phân loại
Nước cất thông thường được chia thành ba loại: Nước cất 1 lần (qua chưng cất 1 lần),
nước cất 2 lần (nước cất 1 lần được chưng cất thêm lần 2), nước cất 3 lần (nước cất 2
lần được chưng cất thêm lần 3). Ngồi ra, nước cất cịn được phân loại theo thành phần
lý hóa (như TDS, độ dẫn điện,...)
Để có được sản phẩm nước cất đạt được tiêu chuẩn theo đúng nghĩa đen (cất 1 lần, cất
2 lần) và đạt tiêu chuẩn lý hóa thì nước cất thì người ta căn cứ vào tiêu chuẩn cơ sở do
nhà sản xuất công bố và so sánh với tiêu chuẩn nhà nước, tiêu chuẩn ngành để đánh
giá chất lượng.
Hiện có 2 tiêu chuẩn về nước cất được áp dụng là: TCVN 4581-89 và tiêu chuẩn nước
tinh khiết trong Dược điển 4.
Cần phân biệt nước cất với nước lò hơi. Nước cất được sản xuất trên dây chuyền sản
xuất nước cất bằng thiết bị inox, với mục tiêu sản phẩm duy nhất là nước cất nên sau

khi bay hơi được ngưng và hứng ngay tại đầu vịi, khơng dùng các đường ống vịng
vèo, khó vệ sinh. Vì vậy nước cất ln ln có chất lượng đảm bảo với tiêu chuẩn
nước cất dùng cho phịng thí nghiệm và y tế, dược phẩm, sắc thuốc bắc, ắc quy, két
nước, các ngành công nghệ, kỹ thuật.
Trong phịng thí nghiệm nước cất cũng được sản xuất bằng máy chưng cất bằng thuỷ
tinh.
Lò hơi được làm bằng thép, sắt, các bộ phận ngưng bằng sắt, kẽm, nước sau khi bốc
hơi được chuyền đi trao đổi nhiệt, làm nóng các thiết bị khác rồi thu hồi lại. Vì vậy
nước lị hơi ln bị nhiễm bẩn và khơng dủ chất lượng để gọi là nước tinh khiết. Vì
vậy cần lưu ý sự khác nhau về nghĩa hiểu giữa nước cất và nước lò hơi.
Một số phương pháp khác như deion và thẩm thấu ngược RO cũng tạo ra loại nước
tinh khiết nhưng chất lượn kém hơn nước cất bởi nước cất ngồi việc loại bỏ các
khống chất và các chất hữu cơ thì quá trình chưng cất ở 100 độ C, nước bay hơi kích
thước nano được tiếp xúc với ơ xy khơng khí tạo phản ứng oxi hóa các kim loại
chuyển tiếp như sắt 2 về sắt 3, crôm 3 về crơm 6. Do vậy nước cất ln có chỉ số o xi
hóa thấp hơn, làm mất khả năng xúc tác không mong muốn của Crom 3 khi pha chế
thuốc kháng sinh có cấu trúc hóa học mạch vịng khơng no. Với tỷ lệ chất kháng sinh
cỡ mg thì việc loại bỏ các kim loại chuyển tiếp như Crom 3 là rất cần thiết và có ý


31

nghĩa để đảm bảo thuốc không bị thay đổi hoạt tính sinh học và tăng thời gian bảo
quản thuốc.
 Pha chế và chế tạo
Các hỗn hợp dung dịch muối, nước và glycerin với tỉ lệ muối:nước:glycerin là
1:15:5, 1:18:5 và 1:25:5 được cho vào các cốc thí nghiệm bằng thủy tinh và khuấy
đều. Việc khuấy đều giúp muối tan hết trong nước, các ion Na  và Cl  được khuếch
tán đều trong dung dịch. Sau đó, các dung dịch được bơm đầy vào trong các ống
silicone bằng ống kim tiêm y tế loại nhỏ (50cc). Thông số của ống silicone được liệt

kê trong bảng 3.1. Hai đầu ống silicone được bịt kín bởi các điện cực bằng đồng mạ
vàng giúp cho việc đo điện trở của ống được dễ dàng hơn. Sau đó, keo silicone được
sử dụng để cố định điện cực và ngăn khơng cho khơng khí lọt vào trong ống. Các cảm
biến sau khi chế tạo được thể hiện ở hình 3.4.
Bảng 3.1. Thơng số của các cảm biến được chế tạo
Parameters
NaCl:nước:glycerin
Chiều dài [mm]
Đường kính [mm]
Điện trở suất [Ohm.m]

No.1
1:15:5
60
1.5
3.09

No.2
1:18:5
60
1.5
3.53

No.3
1:25:5
60
1.5
4.71

No.4

1:18:5
60
0.5
3.53

No.5
1:18:5
60
1.0
3.53

Hình 3.4. Các cảm biến sau khi chế tạo
3.2. Thiết lập thí nghiệm
Bo mạch được thiết kế trên phần mềm Altium Designer phiên bản 10.0 của hãng
Altium LCC và được chế tạo dựa trên cơng nghệ in lưới (PCB) (Hình 3.5). Ở đây,
mạch nguồn dòng Howland và mạch cầu Wien tạo dao động sử dụng IC TL082 (Texas
Instruments) với trở kháng lối vào cao (1012  ), dòng tiêu thụ thấp (3.6mA) và dải
khuếch đại rộng (4MHz). Nguồn dòng được thiết lập là 2µA và mạch cầu Wien phát
dao động hình sin với tần số là 1kHz. Ngồi ra, bộ khuếch đại công cụ được xây dựng
dựa trên chip chuyên dụng INA128 (Texas Instruments) có thế offset thấp (50µV) và
dải điện áp cung cấp rộng ( 2.25V  18V ). Tín hiệu lối vào và lối ra được quan sát
thơng qua máy hiển thị dao động Osilocope (TDS 1002B) của hãng Tektronix. Thêm
vào đó, trên mạch có thêm màn hình LCD để hiển thị điện áp và điện trở của cảm cảm


32

biến. Một module Bluetooth HC05 cũng được tích hợp trên bo mạch để truyền nhận dữ
liệu không dây với máy tính.

Hình 3.5. Mạch thực tế
Một bộ điều chỉnh ứng lực bằng cơ khí cũng được thiết kế và chế tạo dựa trên
công nghệ in 3D (Máy in 3D Objet 500 của hãng Stratasys, USA) để thử nghiệm, khảo
sát đặc tính của cảm biến. Nó giúp kéo dãn cảm biến một cách dễ dàng và thuận tiện
(Hình 3.6). Bằng cách cố định một đầu và kéo đầu còn lại bằng cách điều khiển thanh
vít song song với cảm biến. Một thước đo đặt trên tấm đế cho biết kích thước chính
xác của cảm biến khi bị kéo dãn. Tín hiệu từ hai đầu điện cực được đưa tới bo mạch
phân tích để xác định điện trở của cảm biến.

Hình 3.6. Bộ điều chỉnh ứng lực