Nghiên cứu Phát triển Cảm Biến Biến Dạng Sử Dụng Chất Lỏng Dẫn Điện

Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu phát triển cảm biến biến dạng sử dụng chất lỏng dẫn điện. Tìm hiểu về ứng dụng tiềm năng và phát triển công nghệ cảm biến mới.

• Tác giả: Vũ Đức Kiên
• Người hướng dẫn: Ts. Bùi Thanh Tùng
• Trường học: Trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Điện Tử, Viễn Thông
• Đề tài: Nghiên Cứu Phát Triển Cảm Biến Biến Dạng Sử Dụng Chất Lỏng Dẫn Điện
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI NÓI ĐẦU
• DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
• DANH MỤC HÌNH ẢNH
• DANH MỤC BẢNG
• 1. CHƢƠNG I. Nội dung và phạm vi nghiên cứu
• 1.1. Tổ ng quan vềcảm biến biến dạng
• 1.2. Phƣơng pháp đo biến dạng
• 1.3. Phân loại cảm biến biến dạng
• 1.3.1. Đầu đo điện trở kim loại
• 1.3.2. Cảm biến áp trở Silic
• 1.3.3. Đầu đo trong chế độ động
• 1.3.4. Ứng suất kế dây rung
• 2. CHƢƠNG II. CẢM BIẾN BIẾN DẠNG SỬ DỤNG CHẤT LỎNG DẪN ĐIỆN
• 2.1. Chất lỏng dẫn điện (Ionic Liquid)
• 2.2. Cảm biến biến dạng Sử dụng chất lỏng
• 2.2.1. Chế tạo cảm biến
• 2.2.2. Xây dựng hệ thống mạch điện dùng để khảo sát cảm biến
• 2.2.3. Khảo sát mạch nguồn dòng xoay chiều
• 2.2.4. Đặc tính của cảm biến
• 3. CHƢƠNG III. ỨNG DỤNG ĐA CẢM BIẾN BIẾN DẠNG PHÁT HIỆN CỬ ĐỘNG CỦA CÁC NGÓN TAY
• 3.1. Thu thập xử lý dữ liệu từ nhiều cảm biến
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Cảm Biến Biến Dạng Chất Lỏng Dẫn Điện Mới

Với sự phát triển vượt bậc của khoa học công nghệ, các loại cảm biến được ứng dụng rộng rãi vào đời sống hàng ngày. Khoa học kỹ thuật hiện đại tạo ra những loại cảm biến giúp cho chất lượng cuộc sống chúng ta cao hơn, dễ dàng hơn. Cảm biến biến dạng có nhiều ứng dụng trong đo lực, đo mô men xoắn của trục quay, đo biến dạng bề mặt chi tiết cơ khí. Có nhiều loại cảm biến biến dạng: cảm biến biến dạng đầu đo điện trở kim loại, cảm biến áp trở silic, cảm biến đầu đo trong chế độ động, ứng suất kế dây rung. Trong đó kiểu áp điện trở bán dẫn có độ nhạy cao nhưng chỉ đo được biến dạng rất nhỏ cỡ vài phần nghìn. Cảm biến biến dạng điện trở kim loại có giá thành hợp lý, có nhiều ứng dụng trong thực tế, đo các biến dạng cỡ vài phần trăm. Với các biến dạng lớn, các điện trở bán dẫn và điện trở kim loại bị phá hủy, không phù hợp để sử dụng. Việc phát triển cảm biến mềm dẻo, linh hoạt, có khả năng đo được các biến dạng lớn do đó cần thiết để sử dụng cho các bài toán thực tế. Luận văn này trình bày về nghiên cứu phát triển một cảm biến có khả năng đo biến dạng lớn dựa trên chất lỏng dẫn điện. Trước tiên cảm biến chế tạo đã được khảo sát hoạt động để đánh giá khả năng ứng dụng của cảm biến. Mạch điện đo đạc và xử lý tín hiệu từ cảm biến đã được phát triển. Cảm biến khảo sát cho thấy khả năng đo được các biến dạng lên tới 50%. Dựa trên đặc tính của cảm biến, một ứng dụng cụ thể đã được phát triển, gắn các cảm biến biến dạng lên tay và tái tạo lại lại sự chuyện động của các khớp trên bàn tay. Với các kết quả ban đầu đạt được, cảm biến có thể tiếp tục phát triển cho ứng dụng hỗ trợ giao tiếp với người khuyết tật sử dụng ngôn ngữ dấu hiệu.

1.1. Các Loại Cảm Biến Biến Dạng Phổ Biến Hiện Nay

Hiện nay, có nhiều loại cảm biến biến dạng được sử dụng rộng rãi. Mỗi loại có ưu điểm và nhược điểm riêng, phù hợp với các ứng dụng khác nhau. Các loại cảm biến phổ biến bao gồm cảm biến biến dạng đầu đo điện trở kim loại, cảm biến áp trở silic, cảm biến đầu đo trong chế độ động và ứng suất kế dây rung. Cảm biến điện trở kim loại có giá thành hợp lý và được ứng dụng rộng rãi, tuy nhiên lại bị giới hạn về khả năng đo biến dạng lớn. Các loại cảm biến khác như áp trở silic có độ nhạy cao nhưng chỉ đo được biến dạng nhỏ. Việc lựa chọn loại cảm biến phù hợp phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể của ứng dụng, bao gồm phạm vi đo, độ chính xác và điều kiện môi trường.

1.2. Ưu Điểm Của Cảm Biến Dùng Chất Lỏng Dẫn Điện

Cảm biến biến dạng sử dụng chất lỏng dẫn điện nổi lên như một giải pháp tiềm năng cho các ứng dụng đòi hỏi khả năng đo biến dạng lớn. Một trong những ưu điểm chính của loại cảm biến này là khả năng đo được biến dạng lên đến 50%, vượt trội so với các loại cảm biến truyền thống. Ngoài ra, cảm biến chất lỏng dẫn điện có cấu trúc mềm dẻo và linh hoạt, cho phép dễ dàng tích hợp vào các ứng dụng khác nhau. Theo nghiên cứu, “Cảm biến khảo sát cho thấy khả năng đo được các biến dạng lên tới 50%”. Điều này mở ra nhiều cơ hội ứng dụng mới trong các lĩnh vực như robot mềm, thiết bị đeo và hệ thống giám sát kết cấu.

II. Vấn Đề Thách Thức Của Cảm Biến Biến Dạng

Biến dạng là sự thay đổi hình dạng và kích thước so với trạng thái tự nhiên của vật thể. Biến dạng xảy ra khi có lực bên ngoài đủ mạnh tác động lên vật thể, do các yếu tố bên ngoài như nhiệt độ, áp suất hay chính do bên trong vật thể. 2 biểu diễn sự biến dạng của một vật thể hình trụ có chiều dài ban đầu l0 và đường kích thiết diện ban đầu là d0. Khi có một ngoại lực F đủ lớn tác dụng lên vật thể đọc theo chiều dài của nó sẽ tạo ra biến dạng mà cụ thể khiến cho chiều dài của nó tăng thêm một khoảng ∆l, đồng thời đường kính thiết diện giảm đi một khoảng ∆d. Sự thay đổi các thông số hình học này của cảm biến sẽ làm điện trở của cảm biến thay đổi. Bằng cách đo được sự thay đổi của điện trở ta sẽ xác định được độ biến dạng của cảm biến. 2 Biến dạng của vật thể khi có lực tác dụng

2.1. Hạn Chế Của Cảm Biến Biến Dạng Truyền Thống

Phương pháp sử dụng cảm biến lá điện trở kim loại (Strain gauge) là loại cảm biến có cấu tạo khá đơn giản, gồm một sợi kim loại dẫn điện mảnh được gắn chặt thành các đường zizac trên một tấm cách điện đàn hồi. Nó hoạt động dựa trên nguyên lý, khi tấm đàn hồi dãn ra, khiến cho sợi kim loại bị kéo dãn làm cho điện trở của sợi kim loại tăng lên và ngược lại, khi tấm đàn hồi bị nén lại khiến cho sợi kim loại bị nén lại làm cho điện trở của nó giảm xuống. Và chỉ cần đo sự thay đổi của điện trở sợi kim loại sẽ tính toán được độ biến dạng. Tuy nhiên cảm biến loại này chỉ đo được những biến dạng bé vì biến dạng lớn sẽ làm sợi kim loại mất sự đàn hồi khiến cho phép đo không chính xác và khi biến dạng đủ lớn sẽ làm đứt sợi kim loại[11].Cảm biến đo độ biến dạng sử dụng chất lỏng ion đã được giới thiệu trong bài này sẽ là giải pháp khắc phục nhược điểm của cảm biến lá điện trở, đo được các biến dạng lớn[12].

2.2. Yếu Tố Ảnh Hưởng Đến Độ Chính Xác Của Cảm Biến

Độ chính xác của cảm biến có thể bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, bao gồm nhiệt độ, độ ẩm, nhiễu điện từ và sự ổn định của nguồn điện. Nhiệt độ có thể gây ra sự thay đổi về điện trở suất của vật liệu cảm biến, dẫn đến sai số trong phép đo. Độ ẩm cao có thể gây ra sự ăn mòn điện cực và ảnh hưởng đến độ dẫn điện của chất lỏng dẫn điện. Để giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu điện từ, cần sử dụng các biện pháp che chắn và lọc tín hiệu. Nguồn điện ổn định là yếu tố quan trọng để đảm bảo hoạt động chính xác của mạch điện đo.

III. Cách Chế Tạo Cảm Biến Biến Dạng Chất Lỏng Dẫn Điện

Cảm biến đo biến dạng sử dụng chất lỏng ion được sử dụng trong nghiên cứu này được tạo thành khi cho dung dịch NaCl và Glycerol vào trong một ống cao su silicone có độ dài phần chứa dung dịch là l0 và đường kính ống là d0 như hình 2.3, hai đầu của ống được kết nối với 2 điện cực bằng kim loại chống ăn mòn. Khi có tác động lực lên cảm biến làm cảm biến bị biến dạng mà cụ thể là kéo căng chiều dài cảm biến sẽ tăng thêm đoạn ∆l đồng thời đường kính ống giảm đi ∆d sẽ làm cho điện trở của cảm biến thay đổi. Sự thay đổi điện trở này sẽ được mô tả chi tiết ở phần sau.

3.1. Vật Liệu Cần Thiết Cho Quá Trình Chế Tạo

Để chế tạo cảm biến biến dạng chất lỏng dẫn điện, cần chuẩn bị các vật liệu sau: Ống cao su silicone (đường kính và chiều dài phù hợp với ứng dụng), dung dịch NaCl (Natri Clorua) và Glycerol (tăng độ nhớt), hai điện cực kim loại chống ăn mòn (ví dụ: thép không gỉ), keo silicone (dán kín các đầu nối). Bơm kim tiêm để bơm dung dịch vào ống. Vật liệu silicone đảm bảo độ đàn hồi và co giãn phù hợp, dung dịch NaCl và Glycerol đảm bảo tính dẫn điện và chống bay hơi của chất lỏng, điện cực kim loại chống ăn mòn đảm bảo độ bền và ổn định của kết nối điện.

3.2. Quy Trình Chế Tạo Cảm Biến Chi Tiết

Quá trình chế tạo cảm biến, bơm kim tiêm được sử dụng để bơm dung dịch ion đã pha sẵn vào trong ống cao su silicone. Để dung dịch không bị tràn ra ngoài, hai đầu ống được giữ song song với nhau và hướng lên trên tạo thành 1 bình thông nhau. Sau khi dung dịch đã được bơm đầy ống, hai điện cực có thiết diện to hơn thiết diện ống được sử dụng để bịt hai đầu ống với mục đích ngăn không cho nước rỉ ra ngoài. Cuối cùng, keo silicone được dùng để dán miệng ống với điện cực và tạo ra được cảm biến nhưHình 2.4 Cảm biến biến dạng

IV. Mạch Điện Đo Đạc và Xử Lý Tín Hiệu Cảm Biến

Xuất phát từ biểu thức định luật ôm: R = U/I, Với: R là điện trở vật dẫn (ohm), U là hiệu điện áp giữa hai đầu vật dẫn (volt), I là cường độ dòng điện qua vật dẫn (amperes). Khi dòng điện qua vật dẫn là không đổi thì điện áp hai đầu vật dẫn sẽ thay đổi tuyến tính theo sự thay đổi điện trở của vật dẫn, tương tự, nếu điện áp giữa hai đầu vật dẫn là không đổi, thì dòng điện qua vật dẫn sẽ thay đổi tuyến tính theo sự thay đổi của điện trở vật dẫn. Việc tạo ra một nguồn điện áp không đổi sẽ dễ dàng hơn việc tạo ra một nguồn dòng không đổi, tuy nhiên khi sử dụng nguồn điện áp không đổi thì đại lượng biến thiên sẽ là dòng điện sẽ khó khăn trong việc đo đạc cũng như thu thập dữ liệu để phục vụ cho các ứng dụng sau này.Từ đó, một hệ thống mạch nguồn dòng xoay chiều ổn định được thiết kế dùng để khảo sát cảm biến [10]. Việc sử dụng nguồn xoay chiều giúp giảm ảnh hưởng của quá trình điện phân gây hiện tượng trôi điện trở và sai số trong phép đo.

4.1. Thiết Kế Mạch Nguồn Dòng Xoay Chiều Ổn Định

Mạch nguồn dòng xoay chiều ổn định được thiết kế gồm 2 khối thành phần chính là khối tạo dao động hình sine với tần số 2kHz sử dụngmáy phát dao động và khối ghim dòng sử dụng khuếch đại thuật toán (Hình 2. Khối ghim dòng Do mạch điện hoạt động với tín hiệu khá nhỏ nên chịu ảnh hưởng của nhiễu khá lớn dẫn đến sai số lớn trong phép đo, do đó cần được xử lý trước khi có thể sử dụng để khảo sát cảm biến. Một bộ lọc thông dải được sử dụng để xử lý nhiễu.

4.2. Bộ Khuếch Đại và Lọc Tín Hiệu Từ Cảm Biến

Tín hiệu từ cảm biến thường rất nhỏ và dễ bị nhiễu, do đó cần phải khuếch đại và lọc trước khi đưa vào mạch xử lý. Bộ khuếch đại giúp tăng cường tín hiệu để có thể đo đạc chính xác. Bộ lọc giúp loại bỏ các thành phần nhiễu không mong muốn, cải thiện tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu. Các bộ lọc thông dải thường được sử dụng để lọc bỏ các tần số nhiễu nằm ngoài dải tần số hoạt động của cảm biến.

4.3. Mạch Tách Sóng Đường Bao Và Thu Đỉnh

Mạch tách sóng đường bao và thu đỉnh Bên cạnh đó, một mạch tách sóng đường bao và thu đỉnh được sử dụng để có thể thu thập và xử lý dữ liệu cảm biến bằng vi điều khiển (Hình 2.3 Khảo sát mạch nguồn dòng xoay chiều Trước khi đi vào thí nghiệm, khảo sát cảm biến được chế tạo, đầu tiênmạch nguồn dòng được thiết kế chế tạo sẽ được tiến hành khảo sát. Nguồn dòng được cấp cho các điện trở chuẩncó giá trị cố định từ 100 kΩ đến 500 kΩ.Đây là dải điện trở của cảm biến.11 biểu diễn biên độ điện áp trên các điện trở khi bộ tạo nguồn dòng hoạt động.

V. Ứng Dụng Phát Hiện Cử Động Ngón Tay Bằng Cảm Biến

Với cảm biến đã được chế tạo và phát triển một ứng dụng của cảm biến trong phát hiện cử động ngón tay đã được xây dựng. Để ứng dụng cảm biến vào phát hiện cử động ngón tay thì một hệ thống gồm hệ gá đa cảm biến lên ngón tay, mạch nguồn dòng, mạch hợp kênh, thu thập dữ liệu và phần mềm mô phỏng bàn tay Unity.Sơ đồ khối hệ thống thu thập dữ liệu từ cảm biến được biểu diễn trên Hình 3. Nguồn dòng xoay chiều được cấp cho cảm biến điện trở. Tín hiệu từ cảm biến được đưa vào khối xử lý tín hiệu bao gồm bộ khuếch đại vi sai và bộ lọc trước khi đưa vào mạch tách sóng đường bao và thu đỉnh và đưa về đọc giá trị bởi vi điều khiển.Việc thu thập đồng thời dữ liệu từ đa cảm biến mà trường hợp cụ thể ở đây là năm cảm biến được gắn trên các ngón tay của bàn tay sử một bộ hợp kênh.

5.1. Hệ Thống Thu Thập Dữ Liệu Đa Cảm Biến

Việc thu thập đồng thời dữ liệu từ đa cảm biến mà trường hợp cụ thể ở đây là năm cảm biến được gắn trên các ngón tay của bàn tay sử một bộ hợp kênh. Khối chuyển đổi Khối Cầu Wien Nguồn Howland Cảm biến và hợp kênh Khối thu thập số liệu tín hiệu Hình 3.1Sơ đồ khối bộ nguồn dòng và kênh hợp kênh thu thập dữ liệu từ nhiều cảm biến.1 Mạch đo Mạch nguồn dòng gồm mạch dao động cầu Wien và khối nguồn dòng xoay chiều Howland. Với mục đích sử dụng cảm biến cho ứng dụng di động (portable), bộ tạo dao động được thiết kế và tích hợp vào mạch điện đo đạc thay thế cho thiết bị tạo dao động chuyên dụng. Mạch dao động cầu Wien tạo các tín hiệu xoay chiều hình sine. Cấu tạo của mạch tạo dao động cầu gồm một bộ lọc thông cao và một bộ lọc thông thấp được mắc nối tiếp với nhau tạo thành một bộ lọc thông dải.

5.2. Sử Dụng Phần Mềm Unity Để Mô Phỏng Cử Động

Phần mềm thu thập dữ liệu và mô phỏng cử chỉ của bàn tay trên máy tínhUnity là một phần mềm mô phỏng gồm các thư viện vật lý cho phép mô phỏng các hành động vật lý của các đối tượng(như di chuyển, trọng lực, chạm. Ngoài còn có thể tạo ra các phương tiện giao thông như ô tô, máy bay, hoặc những robot chuyển động như thật bằng cách sử dụng các thuật toán kết hợp với những thư viện lập trình. Để phục vụ cho ứng dụng đa cảm biến, một bàn tay mô phỏng đã được thiết kế và sẽ mô phỏng lại các cử chỉ các ngón tay của bàn tay thật thông qua các dữ liệu nhận được từ hệ thống vi điều khiển gửi lên.

VI. Kết Luận Hướng Phát Triển Cảm Biến Biến Dạng

Trong khóa luận này, một cảm biến đo biến dạng sử dụng chất lỏng dẫn điện đã được nghiên cứu và phát triển cho các bài toán đo biến dạng lớn. Cảm biến sử dụng ống silicon và dung dịch muối đã được chế tạo và đặc trưng của cảm biến đã được khảo sát. Cảm biến đo được các biến dạng lớn (lên đến 50%) với độ nhạy GF xấp xỉ 2. Bên cạnh đó, một ứng dụng sử dụng đa cảm biến đã được phát triển mô phỏng cử chỉ của các ngón tay. Luận văn đã thực hiện việc xây dựng một hệ thống gồm 5 cảm biến biến dạng và hệ thống đo đạc thu thập dữ liệu từ cảm biến.Các cảm biến được áp dụng phát hiện cử động ngón tay và tái tạo lại cử chỉ của bàn tay dựa trên phần mền Unity.Qua mô phỏng tái hiện cử động của các ngón tay cho thấy hệ thống hoạt động mô phỏng đúng cử chỉ các ngón tay. Với các kết quả bước đầu thu được này, cảm biến thế thể sử dụng để phát triển thiết bị nhận dạng ngôn ngữ ký hiệu trong tương lai.

6.1. Tóm Tắt Kết Quả Nghiên Cứu Đạt Được

Nghiên cứu đã thành công trong việc chế tạo và khảo sát một cảm biến biến dạng sử dụng chất lỏng dẫn điện có khả năng đo biến dạng lớn. Cảm biến có cấu trúc đơn giản, dễ chế tạo và cho kết quả đo đạc ổn định. Ứng dụng mô phỏng cử động ngón tay đã chứng minh tiềm năng ứng dụng của cảm biến trong các lĩnh vực như robot mềm và giao tiếp người-máy.

6.2. Hướng Nghiên Cứu và Phát Triển Trong Tương Lai

Để nâng cao hiệu suất và mở rộng phạm vi ứng dụng của cảm biến biến dạng chất lỏng dẫn điện, có thể tập trung vào các hướng nghiên cứu sau: Nghiên cứu các loại chất lỏng dẫn điện mới có độ dẫn điện cao hơn và ít bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ. Tối ưu hóa cấu trúc của cảm biến để tăng độ nhạy và giảm sai số. Phát triển các thuật toán xử lý tín hiệu tiên tiến để cải thiện độ chính xác và độ tin cậy. Nghiên cứu ứng dụng cảm biến trong các lĩnh vực mới như giám sát kết cấu công trình, thiết bị y tế và robot mềm.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ VŨ ĐỨC KIÊN NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN CẢM BIẾN BIẾN DẠNG SỬ DỤNG CHẤT LỎNG DẪN ĐIỆN LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG Hà Nội - 2019 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ ---------- VŨ ĐỨC KIÊN NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN CẢM BIẾN BIẾN DẠNG SỬ DỤNG CHẤT LỎNG DẪN ĐIỆN Ngành: Công Nghệ Kỹ thuật Điện tử, Viễn thông Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã số: 8510302.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ, TRUYỀN THÔNG NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS.BÙI THANH TÙNG HÀ NỘI – 2019 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] LỜI NÓI ĐẦU Với sự phát triển vƣợt bậc của khoa học công nghệ, các loại cảm biến đƣợc ứng dụng rộng rãi vào đời sống hằng ngày của chúng ta.Khoa học kỹ thuật hiện đại tạo ra những loại cảm biến giúp cho chất lƣợng cuộc sống chúng ta cao hơn, dễ dàng hơn. Cảm biến biến dạng có nhiều ứng dụng trong đo lực, đo mô men xoắn của trục quay, đo biến dạng bề mặt chi tiết cơ khí. Có nhiều loại cảm biến biến dạng: cảm biến biến dạng đầu đo điện trở kim loại, cảm biến áp trở silic, cảm biến đầu đo trong chế độ động, ứng suất kế dây rung. Trong đó kiểu áp điện trở bán dẫn có độ nhạy cao nhƣng chỉ đo đƣợc biến dạng rất nhỏ cỡ vài phần nghìn.

Cảm biến biến dạng điện trở kim loại có giá thành hợp lý, có nhiều ứng dụngtrong thực tế, đo các biến dạng cỡ vài phần trăm. Với các biến dạng lớn, các điện trở bán dẫn và điện trở kim loại bị phá hủy, không phù hợp để sử dụng. Việc phát triển cảm biến mềm dẻo, linh hoạt, có khả năng đo đƣợc các biến dạng lớn do đó cần thiết để sử dụng cho các bài toán thực tế. Luận vănnày trình bày về nghiên cứu phát triểnmột cảm biến có khả năng đo biến dạng lớn dựa trên chất lỏng dẫn điện.

Trƣớc tiên cảm biến chế tạo đã đƣợc khảo sát hoạt động để đánh giá khả năng ứng dụng của cảm biến. Mạch điện đo đạc và xử lý tín hiệu từ cảm biến đã đƣợc phát triển. Cảm biến khảo sát cho thấy khả năng đo đƣợc các biến dạng lên tới 50%. Dựa trên đặc tính của cảm biến, một ứng dụng cụ thể đã đƣợc phát triển, gắn các cảm biến biến dạng lên tay và tái tạo lại lại sự chuyện động của các khớp trên bàn tay.

Với các kết quả ban đầu đạt đƣợc, cảm biến có thể tiếp tục phát triển cho ứng dụng hộ trợ giao tiếp với ngƣời khuyết tật sử dụng ngôn ngữ dấu hiệu. 1 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] LỜI CẢM ƠN Trong thời gian hoàn thành luận văn: “Nghiên cứu vàphát triển cảm biến biến dạng sử dụng chất lỏng dẫn điện” với sự hƣớng dẫn tận tình của TS. Bùi Thanh Tùng. Thầy đã không quản khó khăn, thời gian, công sức để giúp tôi hoàn thành luận văn này, nhân đây, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới TS.

Bùi Thanh Tùng. Đƣợc thầy hƣớng dẫn là một vinh hạnh lớn của cá nhân tác giả. Tôi cũng xin gƣ̉i lời cảm ơn đế n các thầ y , cô giáo và ba ̣n bè trong lớp K 23 Kỹ thuật điện tử, Khoa Điê ̣n Tƣ̉ – Viễn Thông, Trƣờng Đa ̣i Ho ̣c Công Nghê ,̣ Đa ̣i Học Quốc Gia Hà Nội đã có những nhận xét, góp ý cho luận văn này của tôi. Cuố i cùng tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình tôi , cơ quan tôi đang công tác, nhƣ̃ng ngƣời đã ta ̣o điề u kiê ̣n cho tôi ho ̣c tâ ̣p và nghiên cƣ́u.

Gia điǹ h là đô ̣ng lƣ̣c cho tôi vƣơ ̣t qua nhƣ̃ng thƣ̉ thách , luôn luôn ủng hô ̣ và đô ̣ng viên t ôi hoàn thành luận văn này. 2 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luâ ̣n văn này là s ản phẩm của quá trình nghiên cứu, tìm hiểu của cá nhân dƣới sự hƣớng dẫn và chỉ bảo của các thầy hƣớng dẫn , thầ y cô trong bô ̣ môn, trong khoa và các bạn bè. Tôi không sao chép các tài liệu hay các công trình nghiên cứu của ngƣời khác để làm luận văn này. Nếu vi phạm, tôi xin chịu mọi trách nhiệm.

Vũ Đức Kiên 3 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU. 3 DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT. 6 DANH MỤC HÌNH ẢNH. 7 DANH MỤC BẢNG.

TỔNG QUAN Về CảM BIếN BIếN DạNG. PHƢƠNG PHÁP ĐO BIếN DạNG. PHÂN LOạI CảM BIếN BIếN DạNG. Đầu đo điện trở kim loại .2 Cảm biến áp trở Silic .3 Đầu đo trong chế độ động .4 Ứng suất kế dây rung.

ỨNG DụNG CảM BIếN BIếN DạNG. NộI DUNG VÀ PHạM VI NGHIÊN CứU. 10 CHƢƠNG II. CẢM BIẾN BIẾN DẠNG SỬ DỤNG CHẤT LỎNG DẪN ĐIỆN .1 CHấT LỏNG DẫN ĐIệN (IONIC LIQUID).2 CảM BIếN BIếN DạNG Sử DụNG CHấT LỏNG .1 Chế tạo cảm biến .2 Xây dựng hệ thống mạch điện dùng để khảo sát cảm biến .3 Khảo sát mạch nguồn dòng xoay chiều .4Đặc tính của cảm biến.

34 CHƢƠNG III. ỨNG DỤNG ĐA CẢM BIẾN BIẾN DẠNG PHÁT HIỆN CỬ ĐỘNG CỦA CÁC NGÓN TAY. 40 4 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.2 Thu thập xử lý dữ liệu từ nhiều cảm biến. 48 TÀI LIỆU THAM KHẢO.

49 5 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa 𝜀 Biến dạng kG mm2 Lực tác dụng F S mm2 Tiết diện % Ứng suất 𝜍 kG/mm2 Mô đun đàn hồi (Young mô đun) Y Hằng số Bridman 𝐶 𝑚3 Thể tích dây 𝑉 Kg/m3 Khối lƣợng riêng 𝑑 Chiều dày bƣớc sóng 𝜆 m Hệ số Gauge factor GF 6 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Sơ đồ cấu tạo của đầu đo kim loại 12 Hình1.2 Cách cố định đầu đo trên bề mặt khảo sát 13 Hình1.3 Đầu đo chế tạo bằng các mẫu cắt 16 Hình1.4 Đầu đo loại khuếch tán 16 Hình1.5 Sự phụ thuộc của điện trở suất vào nồng độ pha tạp và nhiệt độ 18 dƣơng và giảm dần khi nhiệt độ tăng lên Hình1.6 Sự phụ thuộc của K vào độ pha tạp 18 Hình1.7 Cảm biến biến dạng 22 Hình1.8 Dán cảm biến lên đo mô men xoắn 22 Hình1.9 Hệ tua bin máy phát 23 Hình1.10 Cảm biến đo mô men xoắn 23 Hình2.1 Một số ứng dụng của chất lỏng ionic liquid 25 Hình2.2 Biến dạng của vật thể khi có lực tác dụng 26 Hình2.3 Mô hình cảm biến biến dạng 28 Hình2.4 Cảm biến biến dạng 28 Hình2.5 Cảm biến ở trạng thái ban đầu 30 Hình2.6 Cảm biến sau khi bịkéo dãn ra thêm ∆l 30 Hình2.7 Sơ đồ khối mạch điện 30 Hình2.8 Khối ghim dòng 31 Hình2.9 Bộ lọc thông dải 31 Hình2.10 Mạch tách sóng đƣờng bao và thu đỉnh 32 Hình2.11 Kết quả khảo sát nguồn dòng.12 Tín hiệu thu đƣợc từ cảm biến sau khi đƣợc khuếch đại và lọc 33 7 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.13 Tín hiệu tại lối ra mạch điện, trƣớc khi đƣa vào vi điều khiển 34 Hình2.14 Thí nghiệm khảo sát cảm biến biến dạng. Cảm biến đƣợc kéo dãn 35 theo chiều dài.15 Đồ thị tƣơng quan giữa biến thiên điện áp (tín hiệu cảm biến) và 36 biến dạng của điện trở do kéo dãn Hình2.16 Thí nghiệm khảo sát cảm biến biến dạng. Cảm biến đƣợc ép 37 ngang trục Hình 2.17 Đồ thị tƣơng quan giữa biến thiên điện áp (tín hiệu lối ra mạch thu 38 thập dữ liệu cảm biến) và biến dạng của điện trở do bị ép ngang trục.1 Sơ đồ khối bộ nguồn dòng và kênh hợp kênh thu thập dữ liệu từ 39 nhiều cảm biến.2 Sơ đồ nguyên lý bộ nguồn dòng và kênh hợp kênh thu thập dữ liệu 41 từ nhiều cảm biến Hình 3.3 Mạch điện chế tạo thực tế 42 Hình 3.4 Mạch Arduino Uno R3 42 Hình 3.5 Phần mềm thu thập dữ liệu và mô phỏng trên Unity 43 Hình 3.6 Kết quả khảo sát hoạt động mạch thu thập dữ liệu từ nhiều cảm 44 biến Hình 3.7 Hình ảnh mô phỏng cử chỉ các ngón tay trên phần mềm Unity. 46 8 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Vật liệu làm điện trở thuộc họ hợp kim Ni 12 9 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] CHƢƠNG I.

Nội dung và phạm vi nghiên cứu Cảm biến biến dạng có nhiều ứng dụng trong đo lực, đo mô men xoắn của trục quay, đo biến dạng bề mặt chi tiết cơ khí. Có nhiều loại cảm biến biến dạng: cảm biến biến dạng đầu đo điện trở kim loại, cảm biến áp trở silic, cảm biến đầu đo trong chế độ động, ứng suất kế dây rung. Trong đó kiểu áp điện trở bán dẫn có độ nhạy cao nhƣng chỉ đo đƣợc biến dạng rất nhỏ cỡ vài phần nghìn. Cảm biến biến dạng điện trở kim loại có giá thành hợp lý, có nhiều ứng dụngtrong thực tế, đo các biến dạng cỡ vài phần trăm.

Với các biến dạng lớn, các điện trở bán dẫn và điện trở kim loại bị phá hủy, không phù hợp để sử dụng. Việc phát triển cảm biến mềm dẻo, linh hoạt, có khả năng đo đƣợc các biến dạng lớn do đó cần thiết để sử dụng cho các bài toán thực tế. Luận văn này trình bày về nghiên cứu phát triển một cảm biến có khả năng đo biến dạng lớn dựa trên chất lỏng dẫn điện. Trƣớc tiên cảm biến chế tạo đã đƣợc khảo sát hoạt động để đánh giá khả năng ứng dụng của cảm biến.

Mạch điện đo đạc và xử lý tín hiệu từ cảm biến đã đƣợc phát triển. Cảm biến khảo sát cho thấy khả năng đo đƣợc các biến dạng lên tới 50%. Dựa trên đặc tính của cảm biến, một ứng dụng cụ thể đã đƣợc phát triển, gắn các cảm biến biến dạng lên tay và tái tạo lại lại sự chuyện động của các khớp trên bàn tay. Với các kết quả ban đầu đạt đƣợc, cảm biến có thể tiếp tục phát triển cho ứng dụng hộ trợ giao tiếp với ngƣời khuyết tật sử dụng ngôn ngữ dấu hiệu.

Tổ ng quan vềcảm biến biến dạng Biến dạng sẽ xảy ra trong môi trƣờng chịu áp lực và dƣới tác dụng của lực cơ học. Với một kết cấu chịu lực thì độ an toàn và khả năng làm việc bị phụ thuộc rất lớn vào biến dạng của các cấu trúc. Ngoài ra ứng lực có mối liên hệ với biến dạng, do vậy chúng ta có thể xác định đƣợc ứng lực khi đo biến dạng của nó tạo ra. Do vậy đo đạc biến dạng là vấn đề rất đƣợc chú ý trong kỹ thuật.1) 10 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.