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

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

HÀ NỘI - 2019


2

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


1

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

2

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.
.

Hà Nội, tháng 4 năm
2019
Thực hiện

Trần Như Chí


3

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


4

TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................... 46

5

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


6

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


7

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Bảng thông số các hợp kim làm đầu đo ........................................................ 10

Bảng 3.1. Thông số của các cảm biến được chế tạo ...................................................... 31
Bảng 5.1. Kết quả đếm bước chân so với thực tế .......................................................... 42


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 công 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 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.


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.

  1 F  1  (1.2)
||
YS
Y
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 vuông 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 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
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
S

(1.4)

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

 d2

Tiết diện ngang của dây S = ab hoặc S  4

S 
l
S 2 l

(1.6)

, ta có:
(1.7)

Mặt khác, đối với đầu đo kim loại:
  C V
V

C – Hằng số Bridman.

(1.8)

12

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

(1.9)

  C(1 2 ) l

(1.10)

Và:



Vậy ta có:

l

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

(1.11)

Hệ số K được gọi là hệ số đầu đo, giá trị xác định theo biểu thức:
 
(1.12)
K 12 C 1 2
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 không quá bé làm giảm dòng 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
không đổi do quan hệ tuyến tính giữa điện trở và biến dạng. Ngoài giới hạn đàn

l

hồi, khi l  0.5%  20% , 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:
(1.13)
K(T)  K 1  T T 
0



K0 - Hệ số đầu đo nhiệt độ chuẩn T0


K

K

0



(thường T0  25C ).

- 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 còn 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 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:
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:
(1.15)
  Y l
l

Trong đó  là hệ số áp điện trở,  là ứng lực tác dụng.
Vậy:
 1 2 Y 
R
l
R
l

(1.16)

Và hệ số đầu đo là:
K 1 2 Y

(1.17)

Thông 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 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:
KK KK2

1

2

(1.19)

2

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 Nd 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 công 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 fmax 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 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:
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:
 1F
l
l YS
Do đó tần số dao động của dây:
N 1
2l

(1.25)

Y l
d l

(1.26)

Suy ra:
l  4l 2d N2  K.N2

(1.27)

l
Y
Giả sử l0 là độ kéo dài ban đầu và N0 là tần số tương ứng khi chưa có biến dạng:
l0  K.N2

(1.28)

0
l
Khi có biến dạng, độ kéo dài tổng cộng của dây là l1 và tần số là N1 , ta có:

l1  K.N2
l

1

(1.29)


18

Vì độ kéo dài do biến dạng l l1 l0 , suy ra:
l
 KN12  N02
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


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 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].

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 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:
(2.1)
R   l0
s

 d 20
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 còn d 0 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 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
Ta có:

R

1

 v 
v R2 
2

1



1 
jwC2

R1

1  jwR1C1

wR1C2
w R1C1  R2 C2  R1C2

Tần số dao động:

1  jwR1C1 

  j w 2 R1 R2 C1C2 1

(2.2)


22

w0 

 f0 

1

1

(2.3)

2 R1R2C1C2

R1R2C1C2
Vậy:



R1C2
RC RC RC
1

1

2

2


1

2

1
C1  R2 1
C

2

(2.4)

R

1

Nếu chọn R1  R2  R và C1  C2  C , ta có Av = 3 và f0

 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 toán 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:
R
(2.5)
A 1

4  3.2
v

R3
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 R2 C2 .
 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 R R C C
1 2



1

1
C
R
2

C
R 1
1

2

(2.7)

2

1

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 đôi hoặc tụ xoay đôi như hình 2.5.

Hình 2.5. Điều chỉnh tần số dùng biến
trở đôi

Hình 2.6. Điều chỉnh tần số dùng hồi
tiếp âm