Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển vượt bậc của khoa học công nghệ, cảm biến biến dạng đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật và đời sống. Theo ước tính, các loại cảm biến biến dạng hiện nay được ứng dụng rộng rãi trong đo lực, mô men xoắn, biến dạng bề mặt chi tiết cơ khí với độ chính xác cao và khả năng đo lường linh hoạt. Luận văn tập trung nghiên cứu phát triển cảm biến biến dạng sử dụng chất lỏng dẫn điện (ionic liquid) nhằm khắc phục hạn chế của các cảm biến truyền thống như cảm biến lá điện trở kim loại, đặc biệt trong việc đo các biến dạng lớn.

Mục tiêu nghiên cứu là thiết kế, chế tạo và khảo sát hoạt động của cảm biến biến dạng dựa trên chất lỏng dẫn điện, đánh giá khả năng ứng dụng trong mô phỏng chuyển động các khớp ngón tay, hỗ trợ giao tiếp cho người khuyết tật sử dụng ngôn ngữ dấu hiệu. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào chế tạo cảm biến trong môi trường phòng thí nghiệm tại Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội, trong giai đoạn 2018-2019.

Nghiên cứu có ý nghĩa lớn trong việc phát triển các cảm biến mềm dẻo, linh hoạt, có khả năng đo biến dạng lớn lên tới 50%, mở rộng ứng dụng trong công nghiệp, y tế và hỗ trợ người khuyết tật. Các chỉ số hiệu suất như hệ số độ nhạy (gauge factor) đạt khoảng 2,5, độ chính xác và độ bền được cải thiện so với cảm biến điện trở kim loại truyền thống.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết cơ bản về biến dạng đàn hồi và điện trở vật liệu:

  • Lý thuyết biến dạng đàn hồi: Biến dạng được định nghĩa là sự thay đổi hình dạng và kích thước của vật thể dưới tác dụng lực bên ngoài. Biến dạng đàn hồi là biến dạng mất đi khi lực tác dụng bị loại bỏ. Mô đun Young (Y) và hệ số Poisson (ν) là các tham số quan trọng mô tả tính chất đàn hồi của vật liệu.

  • Lý thuyết điện trở và điện trở suất: Điện trở R của vật dẫn được tính theo công thức ( R = \rho \frac{L}{S} ), trong đó ( \rho ) là điện trở suất, L là chiều dài, S là tiết diện ngang. Sự thay đổi điện trở do biến dạng được mô tả qua hệ số độ nhạy cảm biến (gauge factor, GF).

  • Mô hình cảm biến biến dạng sử dụng chất lỏng dẫn điện (ionic liquid): Ionic liquid là muối ở trạng thái lỏng dưới 100°C, có khả năng dẫn điện tốt nhờ các ion mang điện tích tự do. Sự thay đổi hình học của ống silicone chứa ionic liquid làm thay đổi điện trở của dung dịch, từ đó đo được biến dạng lớn.

Các khái niệm chính bao gồm: biến dạng dọc trục, biến dạng ngang trục, hệ số độ nhạy cảm biến, điện trở suất, và nguyên lý hoạt động của cảm biến điện trở kim loại và cảm biến ionic liquid.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thu thập từ các thí nghiệm chế tạo và khảo sát cảm biến tại phòng thí nghiệm Trường Đại học Công nghệ. Cỡ mẫu gồm các ống silicone chứa hỗn hợp glycerin và dung dịch muối NaCl làm chất lỏng dẫn điện, với kích thước ống đường kính 1 mm, chiều dài 5 cm.

Phương pháp chọn mẫu là lựa chọn các vật liệu có tính đàn hồi cao, khả năng dẫn điện ổn định và dễ chế tạo. Phương pháp phân tích bao gồm:

  • Thiết kế mạch điện đo điện trở với nguồn dòng xoay chiều ổn định 2 kHz, dòng đo khoảng 2 µA, nhằm giảm sai số do hiện tượng trôi điện trở.

  • Thu thập tín hiệu điện áp qua bộ khuyếch đại, lọc nhiễu và xử lý bằng vi điều khiển Arduino Uno R3, phần mềm mô phỏng trên Unity để mô phỏng chuyển động ngón tay.

  • Thí nghiệm kéo dãn và ép ngang cảm biến với các mức biến dạng khác nhau, đo điện trở tương ứng để tính hệ số độ nhạy GF.

  • Thời gian nghiên cứu kéo dài khoảng 12 tháng, từ khảo sát lý thuyết, chế tạo mẫu, thí nghiệm đến phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Khả năng đo biến dạng lớn: Cảm biến ionic liquid có thể đo được biến dạng lên tới 50%, vượt trội so với cảm biến điện trở kim loại truyền thống chỉ đo được biến dạng vài phần nghìn đến vài phần trăm.

  2. Hệ số độ nhạy (GF) đạt khoảng 2,5: Thí nghiệm kéo dãn ống silicone chứa ionic liquid cho thấy hệ số độ nhạy GF xấp xỉ 2,5, phù hợp với các ứng dụng đo biến dạng lớn trong thực tế.

  3. Tín hiệu điện áp ổn định và tuyến tính: Qua bộ thu thập và xử lý tín hiệu, điện áp đầu ra thay đổi tuyến tính theo biến dạng, với sai số bình phương R² gần 1, đảm bảo độ tin cậy cao.

  4. Ứng dụng mô phỏng chuyển động ngón tay: Cảm biến được gắn lên các khớp ngón tay mô phỏng, thu thập dữ liệu biến dạng chính xác, hỗ trợ giao tiếp cho người câm bằng ngôn ngữ dấu hiệu.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân cảm biến ionic liquid có khả năng đo biến dạng lớn là do tính mềm dẻo của ống silicone và tính dẫn điện ổn định của dung dịch ionic liquid. So với cảm biến điện trở kim loại, cảm biến này không bị phá hủy khi biến dạng lớn, đồng thời chi phí chế tạo thấp hơn.

Kết quả phù hợp với các nghiên cứu gần đây về cảm biến mềm dẻo và cảm biến dựa trên chất lỏng dẫn điện, mở ra hướng phát triển mới cho các thiết bị đo biến dạng trong công nghiệp và y tế. Biểu đồ thể hiện mối quan hệ tuyến tính giữa điện áp đầu ra và biến dạng giúp trực quan hóa hiệu suất cảm biến.

Việc ứng dụng cảm biến trong mô phỏng chuyển động ngón tay cho thấy tiềm năng hỗ trợ người khuyết tật, góp phần nâng cao chất lượng cuộc sống và khả năng giao tiếp.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Phát triển cảm biến đa kênh: Thiết kế hệ thống cảm biến tích hợp nhiều kênh để đo đồng thời biến dạng ở nhiều vị trí, nâng cao độ chính xác và khả năng ứng dụng trong robot và thiết bị hỗ trợ y tế. Thời gian thực hiện dự kiến 12 tháng, chủ thể thực hiện là nhóm nghiên cứu và phòng thí nghiệm.

  2. Tối ưu hóa vật liệu và cấu trúc cảm biến: Nghiên cứu vật liệu silicone có độ bền cao hơn và dung dịch ionic liquid có độ dẫn điện ổn định hơn để tăng tuổi thọ và độ nhạy cảm biến. Thời gian 6-9 tháng, phối hợp với các viện vật liệu.

  3. Phát triển phần mềm xử lý tín hiệu nâng cao: Áp dụng thuật toán lọc nhiễu và học máy để cải thiện độ chính xác và khả năng nhận dạng mẫu biến dạng phức tạp. Thời gian 6 tháng, chủ thể là nhóm kỹ thuật phần mềm.

  4. Mở rộng ứng dụng trong y tế và công nghiệp: Thử nghiệm cảm biến trong các thiết bị hỗ trợ phục hồi chức năng, robot công nghiệp, và giám sát kết cấu xây dựng. Thời gian 1-2 năm, phối hợp với các đơn vị y tế và doanh nghiệp.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và kỹ sư phát triển cảm biến: Nghiên cứu cung cấp cơ sở lý thuyết và phương pháp chế tạo cảm biến biến dạng mềm dẻo sử dụng ionic liquid, giúp phát triển các sản phẩm mới.

  2. Chuyên gia trong lĩnh vực y tế phục hồi chức năng: Ứng dụng cảm biến trong mô phỏng chuyển động ngón tay hỗ trợ người khuyết tật, cải thiện giao tiếp và vận động.

  3. Doanh nghiệp công nghiệp chế tạo thiết bị đo lường: Tham khảo để phát triển cảm biến biến dạng có khả năng đo biến dạng lớn, độ bền cao, chi phí hợp lý.

  4. Sinh viên và giảng viên ngành kỹ thuật điện tử, viễn thông: Tài liệu tham khảo về kỹ thuật chế tạo cảm biến, xử lý tín hiệu và ứng dụng trong thực tế.

Câu hỏi thường gặp

  1. Cảm biến biến dạng sử dụng chất lỏng dẫn điện có ưu điểm gì so với cảm biến kim loại?
    Cảm biến ionic liquid có khả năng đo biến dạng lớn lên tới 50%, mềm dẻo, không bị phá hủy khi biến dạng lớn, chi phí chế tạo thấp và tín hiệu ổn định hơn so với cảm biến điện trở kim loại chỉ đo được biến dạng nhỏ.

  2. Hệ số độ nhạy (gauge factor) của cảm biến này là bao nhiêu?
    Thí nghiệm cho thấy hệ số độ nhạy GF khoảng 2,5, phù hợp với các ứng dụng đo biến dạng lớn và đảm bảo độ chính xác cao.

  3. Phương pháp thu thập và xử lý tín hiệu như thế nào?
    Sử dụng nguồn dòng xoay chiều ổn định 2 kHz, dòng đo khoảng 2 µA, tín hiệu được khuếch đại, lọc nhiễu và xử lý bằng vi điều khiển Arduino, đảm bảo tín hiệu đầu ra tuyến tính và ổn định.

  4. Cảm biến có thể ứng dụng trong lĩnh vực nào?
    Ứng dụng trong công nghiệp đo lực, mô men xoắn, y tế phục hồi chức năng, mô phỏng chuyển động ngón tay hỗ trợ người khuyết tật, và giám sát kết cấu xây dựng.

  5. Có thể đo biến dạng theo nhiều hướng không?
    Có, cảm biến được khảo sát với biến dạng dọc trục và ngang trục, cho kết quả đo chính xác và ổn định ở cả hai hướng.

Kết luận

  • Cảm biến biến dạng sử dụng chất lỏng dẫn điện được chế tạo thành công với khả năng đo biến dạng lớn lên tới 50%.
  • Hệ số độ nhạy cảm biến đạt khoảng 2,5, tín hiệu điện áp đầu ra tuyến tính và ổn định.
  • Hệ thống mạch điện và phần mềm xử lý tín hiệu được thiết kế hiệu quả, hỗ trợ thu thập dữ liệu chính xác.
  • Ứng dụng cảm biến trong mô phỏng chuyển động ngón tay mở ra tiềm năng hỗ trợ người khuyết tật giao tiếp bằng ngôn ngữ dấu hiệu.
  • Các bước tiếp theo bao gồm phát triển cảm biến đa kênh, tối ưu vật liệu, nâng cao phần mềm xử lý và mở rộng ứng dụng thực tế.

Đề nghị các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp quan tâm phối hợp phát triển để đưa công nghệ cảm biến này vào ứng dụng rộng rãi, góp phần nâng cao chất lượng cuộc sống và hiệu quả sản xuất.