Sensor cảm biến dòng chảy chất lỏng luận văn ths

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGUYỄN TIẾN ĐẠT

SENSOR CẢM BIẾN DÒNG CHẢY CHẤT LỎNG

LUẬN VĂN THẠC SỸ NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN,
ĐIỆN TỬ VÀ VIỄN THÔNG

Hà Nội – 2015


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGUYỄN TIẾN ĐẠT

SENSOR CẢM BIẾN DÒNG CHẢY CHẤT LỎNG
Ngành: Kỹ thuật Điện, Điện tử và Viễn thông.
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử.
Mã số: 60520203

LUẬN VĂN THẠC SỸ NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN,
ĐIỆN TỬ VÀ VIỄN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS. Chử Đức Trình

Hà Nội – 2015

3

Lời cam đoan
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong
bất kỳ công trình nào khác, hoặc đã được công bố và được tôi liệt kê trong danh sách tài liệu
tham khảo.

Tác giả Luận văn ký và ghi rõ họ tên:………………………………………………


4

Lời cám ơn
Luận văn tốt nghiệp cao học được hoàn thành tại trường Đại học Công nghệ
- Đại học Quốc gia Hà Nội. Có được bản luận văn tốt nghiệp này, tác giả xin bày
tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc tới đến trường Đại học Công nghệ - Đại học
Quốc gia Hà Nội, phòng đào tạo sau đại học, đặc biệt là PGS.TS Chử Đức Trình
đã trực tiếp hướng dẫn, dìu dắt, giúp đỡ tác giả với những chỉ dẫn khoa học quý
giá trong suốt quá trình triển khai, nghiên cứu và hoàn thành đề tài "Sensor cảm
biến dòng chảy chất lỏng".
Xin chân thành cảm ơn các Thầy Cô giáo - Các nhà khoa học đã trực tiếp
giảng dạy truyền đạt những kiến thức khoa học chuyên ngành Điện tử - Viễn thông
cho bản thân tác giả trong nhưng năm tháng qua.
Xin gửi tới Bộ môn Vi cơ điện tử và Vi cơ hệ thống, đặc biệt là PGS.TS Trần
Đức Tân, Nghiên cứu sinh Bùi Thu Hằng, Học viên Bùi Đức Tùng và toàn thể
các cán bộ, nghiên cứu sinh và học viên trong Bộ môn Vi cơ điện tử và Vi cơ hệ
thống lời cảm tạ sâu sắc vì đã tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp tác giả thực hiện
nghiên cứu cũng như hỗ trợ những tài liệu nghiên cứu cần thiết liên quan tới đề
tài tốt nghiệp.

Xin ghi nhận công sức và những đóng góp quý báu và nhiệt tình của các bạn
học viên lớp Cao học Kỹ thuậ Điện tử K19-ĐTVT đã đóng góp ý kiến và giúp đỡ
cùng tác giả triển khai hoàn và thành các môn trong chương trình học học. Có thể
khẳng định sự thành công của luận văn này, trước hết thuộc về công lao của tập
thể, của nhà trường, cơ quan và xã hội. Đặc biệt là quan tâm động viên khuyến
khích cũng như sự thông cảm sâu sắc của gia đình. Nhân đây tác giả xin được bày
tỏ lòng biết ơn sâu đậm.
Một lần nữa tác giả xin chân thành cảm ơn các đơn vị và cá nhân đã hết lòng
quan tâm tới sự nghiệp đào tạo đội ngũ cán bộ ngành Điện tử - Viễn thông. Tác
giả rất mong nhận được sự đóng góp, phê bình của quý Thầy Cô, các nhà khoa
học, đọc giả và các bạn đồng nghiệp.
Xin chân thành cảm ơn!


5

MỤC LỤC
Lời cam đoan...................................................................................................................... 3
Lời cám ơn .......................................................................................................................... 4
Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt .............................................................................. 7
Danh mục các bảng ........................................................................................................... 8
Danh mục các hình vẽ, đồ thị ........................................................................................... 9
MỞ ĐẦU........................................................................................................................... 11
Chương 1. TỔNG QUAN ................................................................................................ 12
Chương 2. DÒNG CHẢY KÍCH THƯỚC NHỎ VÀ CÁC LOẠI CẢM BIẾN ......... 17
2.1. Dòng chảy kích thước nhỏ ...................................................................................... 17
2.1.1. Cấu tạo chung .................................................................................................. 17
2.1.2. Trạng thái ban đầu ........................................................................................... 17
2.1.3. Điều kiện biên ................................................................................................... 18
2.1.4. Kiến thức liên quan .......................................................................................... 20

2.1.5. Dòng chảy kích thước nhỏ trên thực tế ............................................................ 20
2.1.6. Công nghệ áp điện ............................................................................................ 21
2.2. Hai loại cảm biến dùng trong đo tính chất dòng chất lỏng ..................................... 22
2.2.1. Cảm biến điện trở ............................................................................................. 22
2.2.2. Cảm biến dùng sóng bề mặt ............................................................................. 25
Chương 3. CẤU TRÚC VÀ MÔ HÌNH CẢM BIẾN SÓNG BỀ MẶT....................... 26
3.1. Sóng bề mặt Rayleigh ............................................................................................. 26
3.2. Nguyên lý của sóng Rayleigh ................................................................................. 27
3.3. Cấu trúc cảm biến ................................................................................................... 28
3.3.1. Thiết kế cám biến R-SAW ................................................................................. 28
3.3.2. Vật liệu và các thông số liên quan ................................................................... 30
3.4. Mô hình mô phỏng trong Comsol [19][20]............................................................. 32
Chương 4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ...................................................................... 38
4.1. So sánh các điểm tương ứng trên hai kênh truyền .................................................. 38


6
4.2. Cảm biến các loại chất lỏng khác nhau ................................................................... 41
4.3. Độ dịch chuyển của các điểm trên bề mặt cảm biến ............................................... 45
4.4. Cảm biến với chất lỏng có vận tốc dòng chảy khác nhau ....................................... 50
Chương 5. KẾT LUẬN ................................................................................................... 52
DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN
VĂN .................................................................................................................................. 53
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................... 54
PHỤ LỤC ......................................................................................................................... 56


7

Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt

CCF

Cross-Correlation Function – Hàm tương quan chéo

FPW

Flexural Plate Wave - Sóng tấm chịu uốn

IDT

InterDigital Transducer – Bộ chuyển đổi điện - cơ

MEMS

Microelectromechanical Systems – Hệ thống vi cơ điện tử

PZD

Piezoelectric Device – Vật liệu áp điện

R-SAW

Rayleigh Surface Acoustic Wave – Sóng bề mặt Rayleigh

SAW

Surface Acoustic Wave – Sóng bề mặt

SH-APM

Shear Horizontal - Acoustic Plate Mode – Chế độ tấm cắt ngang

TDE

Time Delay Estimation – Ước lượng thời gian trễ

TSM

Thickness-Shear Mode – Chế độ cắt dày


8

Danh mục các bảng
Bảng 3-1 Tính chất vật lý của chất lỏng ................................................................................... 31


9

Danh mục các hình vẽ, đồ thị
Hình 1-1 Cấu trúc đầu phun mực ............................................................................................. 13
Hình 1-2 Đối xứng trục 2D của đầu phun mực ........................................................................ 14
Hình 1-3 Vị trí của giọt mực tại từng thời điểm ....................................................................... 15
Hình 2-1 Phân bố ban đầu của đầu phun mực. Màu đen là phần chứa mực, màu trắng là
không khí .................................................................................................................................. 18
Hình 2-2 Hàm nhảy bậc f(t) = H(t – δ1,δ2). .............................................................................. 19
Hình 2-3 Giọt mực được tạo thành nhờ công nghệ nhiệt. ........................................................ 21
Hình 2-4 Giọt mực tạo thành nhờ công nghệ áp điện............................................................... 21
Hình 2-5 - Thiết kế chung cảm biến dùng điện trở................................................................... 22
Hình 2-6 – Bố trí điện trở trong cảm biến ................................................................................ 23

Hình 2-7 – Mạch cầu điện trở Wheatstone ............................................................................... 23
Hình 2-8 Cấu trúc đầu phun mực có gắn cảm biến .................................................................. 25
Hình 3-1 (a) Cấu trúc cảm biến SAW cho chất lỏng (b) Sóng SAW lan truyền qua chất lỏng 27
Hình 3-2 Cấu trúc của cảm biến R-SAW ................................................................................. 29
Hình 3-3 Thông số thiết kế của kênh 2 và kích thước giếng chất lỏng ................................... 30
Hình 3-4 Lựa chọn không gian mô phỏng 3 chiều ................................................................... 32
Hình 3-5- Thêm môi trường vật lý ........................................................................................... 33
Hình 3-6 – Lựa chọn kiểu tính toán.......................................................................................... 34
Hình 3-7 Các thông số và vận tốc ............................................................................................ 34
Hình 3-8 Xây dựng khối hình học cho mô hình ....................................................................... 35
Hình 3-9 Cài đặt vật liệu cho mô hình ..................................................................................... 35
Hình 3-10 Cài đặt tính chất vật lý............................................................................................. 36
Hình 3-11 Chuẩn bị tính toán ................................................................................................... 37
Hình 4-1 Dịch chuyển toàn phần của hai kênh ......................................................................... 38


10
Hình 4-2 (a) Vị trí các điểm X, Y. (b) Đồ thị biểu diễn độ dịch chuyển của các điểm được
chọn. ......................................................................................................................................... 39
Hình 4-3 Độ dịch chuyển của các điểm trong 2 kênh .............................................................. 40
Hình 4-4 Độ dịch chuyển của điểm sau giếng chất lỏng ứng với các loại chất lỏng khác nhau
.................................................................................................................................................. 41
Hình 4-5 Hiệu điện thế thu được tại điện cực ra trong hai kênh, kênh 2 có nước .................... 42
Hình 4-6 Hiệu điện thế thu được tại điện cực ra trong hai kênh, kênh 2 có nước trộn với
glycerol ..................................................................................................................................... 43
Hình 4-7 Hiệu điện thế thu được tại điện cực ra trong hai kênh, kênh 2 có Brom .................. 44
Hình 4-8 Độ dịch chuyển của các điểm đứng sau giếng chất lỏng .......................................... 45
Hình 4-9 Độ dịch chuyển theo trục Z của các điểm đứng sau giếng chất lỏng ........................ 46
Hình 4-10 Đáp ứng tần số tại tần số trung tâm: (a) Độ khuếc đại (b) Độ dịch pha................ 47
Hình 4-11 Độ suy hao của cảm biến SAW với các mức khối lượng riêng khác nhau của chất

lỏng: 1, 3, 6, 12 g/cm3............................................................................................................... 48
Hình 4-12 Trễ thời gian của kênh cảm biến có giếng chất lỏng so với kênh tham chiếu thay
đổi theo khối lượng riêng của chất lỏng từ 1 đến 13 g/cm3 ...................................................... 49
Hình 4-13 Độ dịch chuyển theo trục Z của điểm khảo sát trên cảm biến với các vận tốc dòng
chảy khác nhau ......................................................................................................................... 50
Hình 4-14 Độ suy hao trên tấm đế AlN khi thay đổi vận tốc dòng chảy ................................. 51


11

MỞ ĐẦU
Dòng chảy kích thước nhỏ là một vấn đề tương đối mới mẻ trong lĩnh vực
khoa học và công nghệ. Trong những năm gần đây, các nghiên cứu về dòng chảy
kích thước nhỏ mới được đầu tư nghiên cứu và kết quả chưa thực sự khả quan.
Các dòng chảy này trên thực tế rất dễ bắt gặp, ví dụ như các mạch máu, mao mạch
trong cơ thể. Ngoài ra, các xét nghiệm y tế, sinh hóa đều được thực hiện dưới dạng
phân tích dung dịch, dòng chảy cỡ phân tử hay tế bào. Chính vì vậy, việc nghiên
cứu các tính chất của dòng chảy kích thước cỡ nhỏ thực sự có ý nghĩa và tác dụng
to lớn đến khoa học kỹ thuật trong và ngoài nước. Để thực hiện việc nghiên cứu,
nhiều phương pháp đo đạc, tính toán, cũng như thiết kế, cấu tạo của cảm biến
được đề xuất nhằm mục đích tăng tính hiệu quả và độ chính xác của các phép đo
đạc tính chất, đặc tính của dòng chất lỏng, như đo vận tốc dòng chảy, đo mật độ
dòng chất lỏng, đo độ nhớt của chất lỏng v.v… Các mô hình mô phỏng về cảm
biến dòng chất lỏng cho phép việc nghiên cứu trở nên dễ dàng, an toàn, thuận tiện
hơn, tiết kiệm thời gian nghiên cứu, đồng thời giúp hạn chế việc phải sản xuất
thực tế sản phẩm qua từng gian đoạn nghiên cứu. Các kết quả mô phỏng được sử
dụng để tối ưu hóa thiết kế, cấu tạo cảm biến, giúp ta hiểu rõ hơn về các tính chất
của dòng chất lỏng kích thước nhỏ. Trong nghiên cứu này trình bày lý thuyết, mô
hình, cấu tạo và thiết kế các loại cảm biến. Trong số đó, kiểu cảm biến dựa trên
cấu trúc sóng bề mặt “Rayleigh surface acoustic wave” (từ đây về sau, cụm từ RSAW sẽ được dùng thay thế cho “sóng bề mặt”) được lựa chọn như là một hướng

nghiên cứu tối ưu. Các kết quả mô phỏng dựa trên cấu trúc này sẽ được trình bày,
đồng thời với việc phân tích kết quả và ứng dụng trong tương lai của kết quả
nghiên cứu.


12

Chương 1. TỔNG QUAN
Hiện nay, thế giới luôn vận động và con người cũng vậy. Từ những dòng
biển mang đến sự sống ngoài đại dương cho đến những dòng máu li ty trong mao
mạch của cơ thể sống. Chính vì sự đa dạng và hấp dẫn đã khiến cho thế giới nói
chung và giới khoa học công nghệ nói riêng đang rất quan tâm đến những công
nghệ, giải pháp giúp con người có thể kiểm soát và sử dụng các dòng chảy này
hiệu quả và tối ưu. Với những nghiên cứu và thành quả về dòng chảy vi mô cũng
như công nghệ vi cơ điện tử và điện tử y sinh, đã mang đến cho con người cuộc
sống ngày càng được cải thiện và tốt đẹp hơn.
Một ứng dụng tuy gần gũi, đơn giản với nhiều người nhưng lại là nguồn cảm
hứng cho nhiều nhà khoa học, đó là máy in màu dùng công nghệ Inkjet. Để có thể
in được những bức hình đầy màu sắc sặc sỡ với độ phân giải cao, máy in đã thực
hiện việc pha trộn từng giọt mực từ ba màu cơ bản đỏ, xanh lá cây và xanh lam.
Cuộc sống hiện đại luôn cần những điều mới mẻ. Những giọt chất lỏng nhỏ
li ty và có khả năng điều khiển được đã tạo ra những bức hình, bản in đầy màu
sắc lôi cuốn. Độ phân giải của các bức hình này phụ thuộc vào khích thước của
các hạt mực in, giọt mực càng nhỏ, độ min, độ phân giải càng cao, chất lượng bức
ảnh càng được nâng cao. Bằng cách ứng dụng công nghệ in phun, nhiều máy in
màu đã được chế tạo phục vụ cuộc sống con người. Công nghệ này cũng xuất hiện
trong các hệ thống vi cơ điện tử và dịch vụ chăm sóc sức khỏe. Ví dụ như thay vì
điều khiển giọt mực bắn vào bức ảnh. Các hạt li ty thuốc chữa bệnh có thể đi đến
đúng đích, nơi cần chữa trị. Ngoài ra, công nghệ này cho phép lọc máu, bởi các
hạt máu bé nhỏ có thể được điều khiển dễ dàng, cho phép ra phân loại từng thành

phần trong máu. Chính những lợi ích to lớn như vậy, chúng ta cần có sự quan tâm
đặc biệt đến công nghệ này.


13

Cấu trúc của đầu phun mực:

Hình 1-1 Cấu trúc đầu phun mực
Trong đầu phun mực, lối vào là đầu vào của mực in. Tại vị trí vòi phun, từng
giọt mực được tạo ra. Các giọt mực di chuyển trong khoảng không gian giữa vòi
phun và mục tiêu, bắn vào mục tiêu. Bởi vì khi tạo ra giọt mực thì một phần không
khí bị chiếm dụng nên không khí sẽ đi qua theo lối ra.


14

Hình 1-2 Đối xứng trục 2D của đầu phun mực
Vì tính đối xứng trục của đầu phun mực, đầu phun có thể được thiết kế thông
qua một hình đối xứng 2D như hình trên. Ban đầu, khoảng không gian giữa lối
vào và vòi phun chứa đầy mực. Tại lối vào, mực được đưa vào trong khoảng thời
gian 10 micro giây, chính vì lượng mực được thêm vào đã gây ra áp lực đẩy mực
ở vòi phun bắn ra. Khi quá trình này kết thúc, một giọt mực được hình thành, tách
rời vòi phun và di chuyển đến mục tiêu.
Hình 1-3 [19][20] bên dưới cho ta thấy vị trí và phân bố vận tốc của giọt mực
trong từng thời điểm. Chuyển động của giọt mực tương tự nhau trong cả hai mô
hình Level Set và Phase Field. Trong mô hình Phase Field, bề mặt phân cách giữa
giọt mực và không khí lan tỏa hơn, đặc biệt là ở giai đoạn cuối trước khi giọt mực
chạm vào mục tiêu, điều này dẫn đến giọt mực bị giảm vận tốc và đến mục tiêu
chậm hơn so với mô hình Level Set.

15

Hình 1-3 Vị trí của giọt mực tại từng thời điểm
Trong Luận văn này, Tác giả tập trung vào vòi phun của đầu phun mực, nhằm
đo vận tốc của giọt chất lỏng. Bằng việc đo đạc vận tốc này, một quy trình điều
khiển vận tốc của giọt chất lỏng được hình thành, góp phần tạo ra những giọt chất


16

lỏng theo ý muốn. Cấu trúc của hệ thống cảm biến được giới thiệu trong các
chương kế tiếp sau đây.


17

Chương 2. DÒNG CHẢY KÍCH THƯỚC NHỎ
VÀ CÁC LOẠI CẢM BIẾN
2.1. Dòng chảy kích thước nhỏ
2.1.1. Cấu tạo chung
Máy in mực đầu tiên được chế tạo từ những năm 1980, nhưng mãi đến những
năm 1990 mới được sử dụng rộng rãi khi mà giá thành của máy in phù hợp với
đại đa số người dùng. Trước đó, năm 1977, Canon đã giới thiệu công nghệ “giọt
nước bay”, tiền thân của máy in phun ngày nay.
Trong những năm gần đây, máy in phun đã có những bước phát triển nhanh
chóng. Đầu tiên là máy in phun với ba màu cơ bản với chi phí thấp, sau đó máy
in cao cấp sử dụng bốn màu trở nên phổ biến trên thị trường, nó dần trở thành tiêu
chuẩn dành cho người sử dụng lựa chọn.

Máy in phun so với máy in tia la-ze có hai ưu điểm chính. Đó là máy in phun
có khả năng in màu và chi phí thấp hơn so với máy in tia la-ze. Tuy nhiên, máy in
phun lại yêu cầu sử dụng loại giấy đặc biệt nhằm tạo ra những bức hình chất lượng
cao, giấy này thường đắt hơn so với các loại giấy khác. Chính vì thế, tổng chi phí
khi dùng máy in phun lại đắt đỏ hơn gấp khoảng 10 lần so với dùng máy in tia laze.

2.1.2. Trạng thái ban đầu
Hình 2-1 cho thấy trạng thái ban đầu (tại thời điểm t = 0) của mực và không
khí bên trong đầu phun mực. Vận tốc ban đầu là 0 m/s.


18

Hình 2-1 Phân bố ban đầu của đầu phun mực. Màu đen là phần chứa mực,
màu trắng là không khí
2.1.3. Điều kiện biên
2.1.3.1. Đầu vào

Vận tốc đầu vào theo trục z tăng trong 2 μs đầu từ 0 m/s và theo phương trình
parabol như sau: [19][20]
𝑟 + 1. 10−4
𝑟 + 1. 10−4
𝑣(𝑟) = 4.5 (
−
) (1
)
2. 10−4
2. 10−4

(2.1)

Sau đó vận tốc được giữ nguyên trong 10 μs và cuối cùng giảm về 0 m/s
trong 2μs cuối. Quá trình này có thể được thực hiện bằng việc sử dụng hàm số
bước Heaviside H(t – δ1 ,δ2). Trong đó, giá trị của hàm số bằng 0 khi t < δ1 − δ2,
tăng từ 0 lên 1 trong khoảng từ δ1 − δ2 đến δ1 + δ2, và bằng 1 với t > δ1 + δ2, như
minh họa trong hình 2-2. [19][20]


19

Hình 2-2 Hàm nhảy bậc f(t) = H(t – δ1,δ2).
Hàm số biểu diễn sự phụ thuộc của vận tốc trên trục z theo thời gian có thể
được biểu diễn qua phương trình sau:
𝑣(𝑟, 𝑡) = (𝐻(𝑡 − 1. 10−6 , 1. 10−6 ) − 𝐻(𝑡 − 13. 10−6 , 1. 10−6 )). 𝑣(𝑟)

(2.2)

Trong đó t là thời gian, đo bằng giây.
Trong chế độ Level Set, sử dụng điều kiện biên của đầu vào là Φ = 1. Trong
chế độ Phase Field, sử dụng điều kiện ban đầu là Vf = 0.
2.1.3.2. Đầu ra

Tại lối ra, điều kiện áp suất không đổi được thiết lập. Giá trị áp suất có thể
được đặt là 1 atm hoặc 0 atm tùy ý vì vận tốc của giọt chất lỏng không phụ thuộc
vào áp suất này.
2.1.3.3. Các đường bao xung quanh

Tất cả các đường bao xung quanh, trừ mục tiêu, được thiết lập là bề mặt
chống trượt. Bề mặt mục tiêu được thiết lập là bề mặt ướt, góc tiếp xúc giữa chất

20

lỏng và bề mặt là π/2. Trong mô hình này, bề mặt ướt cho phép sự trượt xảy ra
nhưng với lượng rất nhỏ: [19][20]
𝑢 = −𝜆

𝜕𝑢
𝜕𝑧

(2.3)

Trong đó λ là chiều dài trượt, trong mô hình này, λ = 1.10-5 m.
2.1.4. Kiến thức liên quan
Máy in phun, cũng như máy in tia la-ze, là một quá trình không ảnh hưởng.
Giọt mực in được tạo ra tại đâu phun và di chuyển đến mục tiêu. Quá trình này
rất dễ để hình dung: giọt mực in với các màu khác nhau được bắn ra và di chuyển
đến trang giấy, mỗi giọt mực này có thể hiểu là một điểm ảnh. Đầu kim phun mực
sẽ di chuyển từ trái qua phải ngay trên bề mặt trang giấy, trong khi trang giấy
được cuộn lên theo chiều dọc. Cứ mỗi dòng các điểm ảnh được in, trang giấy lại
cuộn lên 1 đoạn, sẵn sàng cho đầu kim in dòng tiếp theo. Để tăng tốc độ in, thay
vì việc in từng dòng điểm ảnh đơn lẻ, kim phun được thiết kế để in cùng lúc nhiều
dòng, một hàng dọc các điểm ảnh sẽ được in trong cùng một thời điểm.
Ngày nay, tốc độ của hầu hết máy in phun là hai trang trong một giây. Trong
tương lai, khi mà công nghệ dần phát triển, tốc độ này sẽ được cải thiện, đồng thời
chất lượng của bản in cũng sẽ cao hơn.
2.1.5. Dòng chảy kích thước nhỏ trên thực tế
Trong hầu hết các máy in phun, công nghệ nhiệt được sử dụng. Có ba bước
chính trong quá trình này. Nhiệt làm nóng mực in và tạo ra các bong bóng. Khi
các bong bóng to dần, tạo ra áp suất đủ lớn, tia nước sẽ được bắn ra và tiến về

trang giấy. Ngay sau đó, bong bóng này xẹp lại nhờ nhiệt độ giảm đột ngột, điều
này dẫn đến một lượng mực bên ngoài sẽ được đưa vào nhằm bù đắp lượng mực
đã bị bắn ra.


21

Hình 2-3 Giọt mực được tạo thành nhờ công nghệ nhiệt.
2.1.6. Công nghệ áp điện
Công nghệ in sử dụng tinh thể áp điện độc quyền của Epson. Tinh thể áp
điện được đặt phía sau của buồng chứa mực, và hoạt động tương tự như một màng
loa, bị uốn cong khi có dòng điện đi qua. Khi cần tạo ra giọt mực, một dòng điện
được đặt vào tinh thể áp điện làm nó bị uốn cong, dẫn đến áp lực tạo ra và đẩy
giọt mực ra ngoài.

Hình 2-4 Giọt mực tạo thành nhờ công nghệ áp điện
Có rất nhiều ưu điểm khi sử dụng phương pháp áp điện này. Thứ nhất, kích
thước của giọt mực có thể dễ dàng điều khiển thông qua dòng điện. Sự biến động
rất nhỏ trong tinh thể cho phép kích thước giọt nhỏ hơn và mật độ vòi phun vì thế


22

cao hơn. Không giống như các công nghệ nhiệt, mực in không phải được làm
nóng và làm lạnh giữa mỗi chu kỳ. Điều này tiết kiệm thời gian, và cho phép tự
do hơn trong việc phát triển các loại mực mới. Bởi vì công nghệ áp điện có thể
cung cấp các chấm nhỏ và hoàn toàn được hình thành với độ chính xác cực cao,
máy in hiện nay có độ phân giải 1440 x 720dpi. Mực sử dụng với công nghệ áp
điện là dung môi và cực kỳ nhanh khô. Chúng xâm nhập vào tờ giấy và duy trì
hình dạng chứ không bị nhòe và đè lên nhau. Kết quả là chất lượng in rất tốt, đặc

biệt là trên giấy tráng hoặc bóng.

2.2. Hai loại cảm biến dùng trong đo tính chất dòng chất lỏng
Để thực hiện đo đạc và cảm nhận các tính chất của dòng chất lỏng như vận
tốc dòng chảy, độ nhớt, mật độ của chất lỏng, hai cấu trúc cảm biến được đề xuất
hứa hẹn đem lại những kết quả khả quan.
2.2.1. Cảm biến điện trở
Cảm biến điện trở được xây dựng trên nguyên lý thay đổi điện trở của chất
dẫn điện khi kích thước thay đổi. Sự thay đổi này tuy nhỏ nhưng khi áp dụng mạch
cầu điện trở Wheatstone thì cho phép xác định được sự thay đổi này thông qua đo
hiệu điện thế trên mạch.
Hình 2-5 mô tả quá trình hoạt động của cảm biến điện trở. Khi có dòng chất
lỏng chảy qua, thanh chắn do bị lực của dòng nước làm uốn cong dẫn đến phía
bên trái của thanh bị giãn nhiều hơn so với bên phải.

Hình 2-5 - Thiết kế chung cảm biến dùng điện trở
Nếu ta gắn các điện trở vào thanh chắn này, thì các điện trở cũng bị biến
dạng như thanh chắn. Điều này dẫn đến giá trị các điện trở thay đổi tương ứng.


23

Hình 2-6 – Bố trí điện trở trong cảm biến

Hình 2-7 – Mạch cầu điện trở Wheatstone

Cách bố trí điện trở trong cảm biến được mô tả trong Hình 2-6. Theo đó, các
điện trở trong mạch cầu Wheatstone được sắp đặt sao cho khi thanh cảm biến bị
áp lực của dòng nước uốn cong sang bên trái, thì hai điện trở R1 và R4 cùng tăng,
còn hai điện trở R2 và R3 cùng giảm. Việc bố trí này cho phép hiệu điện thế VCH

xuất hiện khi có sự uốn cong của thanh cảm biến.


24

Trong mạch cầu điện trở Wheatstone, giá trị hiệu điện thế VCH được tính như
sau:
Điện thế điểm B là:
VB 

VEX
R
1 1
R2

(2.4)

Điện thế điểm C là:
VC 

VEX
R
1 3
R4

(2.5)

Hiệu điện thế VCH là:
VCH  VC  VB

(2.6)

Khi thanh cảm biến đứng thẳng, các điện trở R1, R2, R3, R4 có giá trị bằng
nhau. Do đó, hiệu điện thế VCH = 0.
Khi có dòng chảy xuất hiện, thanh cảm biến bị uốn cong, khi đó giá trị các
điện trở bị thay đổi do bị biến dạng về thiết diện và độ dài của mỗi điện trở. Ta
xét trường hợp thanh cảm biến bị uốn cong sang phải, khi đó hai điện trở R1 và
R4 tăng giá trị, hai điện trở R2, R3 giảm giá trị. Sự thay đổi giá trị điện trở dẫn
đến giá trị điện thế VC, VB cũng thay đổi. Cụ thể như sau, khi R1 tăng giá trị và
R2 giảm giá trị, điện thế VB sẽ giảm, đồng thời, R3 giảm giá trị và R4 tăng giá trị,
điện thế VC sẽ tăng, dẫn đến hiệu điện thế VCH tăng lên lớn hơn không. Ngược lại,
trong trường hợp thanh cảm biến bị uốn cong sang trái, hiệu điện thế V CH giảm
xuống nhỏ hơn không.
Chính sự tác động của dòng chảy chất lỏng đã dẫn đến sự thay đổi hiệu điện
thế VCH, bằng việc đo hiệu điện thế này, ta có thể chỉ ra được đáp ứng của điện
thế VCH với dòng chảy của chất lỏng, bao gồm vận tốc dòng chảy, độ nhớt, mật
độ của chất lỏng đó.


25

2.2.2. Cảm biến dùng sóng bề mặt
Phương pháp này sử dụng cảm biến SAW để xác định tính chất dòng chất
lỏng tại vòi phun. Đầu vào của cảm biến này là dòng điện xoay chiều, tạo ra dao
động trên bề mặt vật liệu áp điện. Dao động này tạo ra làn sóng và truyền các biến
dạng đến đầu ra. Bởi vì các biến dạng ở đầu ra, điện thế được tái sinh và đo đạc.
Từ điện áp này, chúng tôi biết các tính chất của dòng chảy chất lỏng như vận tốc,
khối lượng…

Hình 2-8 Cấu trúc đầu phun mực có gắn cảm biến