Tổng quan nghiên cứu

Cảm biến đo góc nghiêng ngày càng trở nên thiết yếu trong nhiều lĩnh vực như xây dựng, cơ khí, y tế, quân sự và tự động hóa. Theo báo cáo của ngành, nhu cầu sử dụng cảm biến góc nghiêng tăng trưởng mạnh mẽ do tính ứng dụng đa dạng và yêu cầu độ chính xác cao trong các hệ thống điều khiển hiện đại. Tuy nhiên, các cảm biến hiện nay, đặc biệt là cảm biến vi cơ điện tử (MEMS), mặc dù có kích thước nhỏ gọn và độ chính xác cao, vẫn tồn tại hạn chế về chi phí sản xuất và độ ổn định khi chịu ảnh hưởng nhiệt độ. Đề tài nghiên cứu nhằm thiết kế, mô phỏng và thử nghiệm cảm biến góc nghiêng hai chiều dựa trên cấu trúc hai pha lỏng – khí, sử dụng nguyên lý đo điện dung vi sai. Mục tiêu cụ thể là phát triển cảm biến có độ nhạy và dải làm việc tương đồng trên hai trục x và y, đồng thời đảm bảo tính ổn định, độ tin cậy và chi phí hợp lý để phù hợp với ứng dụng thực tế tại các nước đang phát triển. Nghiên cứu được thực hiện trong giai đoạn 2016-2017 tại Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội, với phạm vi khảo sát tập trung vào thiết kế cấu trúc cảm biến hình cầu rỗng chứa dung dịch điện môi nước có hằng số điện môi 81. Ý nghĩa của nghiên cứu được thể hiện qua việc cải thiện độ nhạy và dải làm việc của cảm biến, góp phần nâng cao hiệu quả ứng dụng trong các hệ thống tự động hóa và thiết bị đo lường công nghiệp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên lý thuyết về tụ điện và cảm biến kiểu tụ, trong đó điện dung của tụ điện được xác định bởi công thức:

$$ C = \varepsilon \frac{A}{d} $$

với $C$ là điện dung, $\varepsilon$ là hằng số điện môi của dung môi giữa hai bản cực, $A$ là diện tích hiệu dụng giữa hai bản cực, và $d$ là khoảng cách giữa hai bản cực. Ba loại cảm biến điện dung được phân biệt dựa trên sự thay đổi của các tham số này: cảm biến loại D (thay đổi khoảng cách $d$), loại $\varepsilon$ (thay đổi hằng số điện môi), và loại A (thay đổi diện tích hiệu dụng $A$). Cảm biến góc nghiêng trong nghiên cứu thuộc loại A, hoạt động dựa trên sự thay đổi diện tích tiếp xúc giữa dung dịch điện môi và các điện cực khi cảm biến nghiêng. Ngoài ra, mô hình phần tử hữu hạn (FEM) được áp dụng để mô phỏng trường điện và điện dung vi sai trong cấu trúc cảm biến, sử dụng phần mềm Comsol Multiphysics. Các khái niệm chính bao gồm: điện dung vi sai, dải làm việc, độ nhạy, và nhiễu xuyên trục (crosstalk).

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là kết quả mô phỏng và đo đạc thực nghiệm trên nguyên mẫu cảm biến. Phương pháp nghiên cứu bao gồm:

  • Thiết kế cấu trúc cảm biến hình cầu rỗng với 5 điện cực, trong đó một điện cực kích thích và hai cặp điện cực thu đối xứng theo hai trục x, y.
  • Mô phỏng hoạt động cảm biến bằng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) trên phần mềm Comsol Multiphysics để xác định kích thước tối ưu của điện cực và mức dung dịch điện môi.
  • Chế tạo nguyên mẫu cảm biến bằng công nghệ in 3D Polyjet với vật liệu nhựa, dung dịch điện môi là nước.
  • Thiết kế và chế tạo mạch điện tử đo điện dung vi sai, bao gồm bộ tạo dao động sin, bộ khuếch đại tín hiệu, bộ tách sóng và bộ lọc thông thấp.
  • Thiết lập hệ thống đo đạc với cỡ mẫu cảm biến được gắn cố định trên đĩa xoay, đo điện áp đầu ra tương ứng với góc nghiêng thay đổi từ -180° đến 180° với bước 5°.
  • Phân tích dữ liệu đo đạc để đánh giá độ nhạy, dải làm việc, độ phân giải và nhiễu xuyên trục.

Thời gian nghiên cứu kéo dài trong năm 2017, với các giai đoạn thiết kế, mô phỏng, chế tạo và thử nghiệm được thực hiện liên tục.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Dải làm việc và độ nhạy của cảm biến hình cầu: Kết quả thực nghiệm cho thấy cảm biến có dải làm việc đồng đều trên hai trục x và y, đều nằm trong khoảng [-70°, 70°]. Độ nhạy trên trục x đạt 59.4 mV/°, trong khi trục y là 32 mV/°, thể hiện sự tương đồng về dải làm việc nhưng khác biệt về độ nhạy.

  2. So sánh mô phỏng và thực nghiệm: Mô phỏng FEM cho thấy dải làm việc của cảm biến hình cầu là ±70° với độ nhạy khoảng 2.8 fF/°, trong khi cảm biến hình lập phương có dải làm việc ±60° và độ nhạy 12 fF/°. Kết quả thực nghiệm tương đồng với mô phỏng về dải làm việc nhưng có sai khác về độ nhạy giữa hai trục.

  3. Nhiễu xuyên trục (crosstalk): Nhiễu xuyên trục được đo là dưới 2.3% trong dải tuyến tính, cho thấy cảm biến có khả năng đo độc lập hai trục x và y với độ chính xác cao.

  4. Ảnh hưởng của vật liệu và dung dịch: Việc sử dụng nước làm dung dịch điện môi gây trở kháng và ảnh hưởng đến giá trị điện dung, trong khi các dung môi khác như xăng hoặc rượu có thể loại bỏ trở kháng nhưng không phù hợp với vật liệu nhựa. Điều này ảnh hưởng đến độ nhạy và độ ổn định của cảm biến.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân khác biệt độ nhạy giữa hai trục được giải thích bởi sự không hoàn toàn đối xứng trong quá trình chế tạo và lắp đặt điện cực, cũng như tính chất điện trở của dung dịch nước. So với các nghiên cứu trước đây về cảm biến dạng trụ, cấu trúc hình cầu đã khắc phục được vấn đề dải làm việc không đồng đều giữa hai trục. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy cấu trúc hình cầu có ưu thế về dải làm việc rộng hơn so với hình lập phương, nhờ tính đối xứng hình học toàn diện. Tuy nhiên, độ nhạy của cảm biến hình cầu thấp hơn do diện tích điện cực nhỏ hơn và khoảng cách thay đổi theo đường cong bề mặt. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ điện áp đầu ra theo góc nghiêng trên hai trục, biểu đồ so sánh độ nhạy và dải làm việc giữa các cấu trúc, cũng như bảng thống kê nhiễu xuyên trục. Kết quả này có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển cảm biến góc nghiêng có hiệu suất cao, chi phí thấp và dễ chế tạo, phù hợp với các ứng dụng công nghiệp và tự động hóa.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa thiết kế điện cực: Điều chỉnh kích thước và vị trí đặt điện cực trên mặt cầu để cân bằng độ nhạy giữa hai trục, hướng tới độ nhạy tương đương trên cả hai trục x và y. Thời gian thực hiện dự kiến 6 tháng, do nhóm nghiên cứu và kỹ thuật viên chế tạo.

  2. Sử dụng vật liệu dung môi thay thế: Thay thế nước bằng dung môi có hằng số điện môi cao nhưng ít trở kháng như rượu hoặc các dung môi điện môi khác, đồng thời nghiên cứu vật liệu vỏ cảm biến chịu được dung môi này để tăng độ ổn định và độ nhạy. Thời gian nghiên cứu và thử nghiệm khoảng 1 năm, phối hợp với phòng thí nghiệm vật liệu.

  3. Cải tiến công nghệ chế tạo: Áp dụng công nghệ in 3D với vật liệu thủy tinh hoặc composite chịu dung môi để nâng cao độ bền và độ chính xác của cảm biến, giảm thiểu sai số do vật liệu nhựa. Thời gian triển khai 1-2 năm, phối hợp với các đơn vị chuyên về công nghệ in 3D và vật liệu.

  4. Phát triển mạch điện tử đo lường: Thiết kế mạch đo điện dung vi sai với khả năng giảm nhiễu và tăng độ phân giải, đồng thời tích hợp xử lý tín hiệu số để cải thiện độ chính xác và ổn định. Thời gian thực hiện 6-9 tháng, do nhóm kỹ thuật điện tử đảm nhiệm.

  5. Mở rộng ứng dụng và thử nghiệm thực tế: Triển khai thử nghiệm cảm biến trong các hệ thống tự động hóa, robot hoặc thiết bị y tế để đánh giá hiệu quả và độ tin cậy trong môi trường thực tế. Thời gian thử nghiệm 1 năm, phối hợp với các đơn vị ứng dụng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật điện tử và tự động hóa: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về thiết kế và mô phỏng cảm biến điện dung, giúp phát triển các đề tài nghiên cứu liên quan.

  2. Kỹ sư phát triển sản phẩm cảm biến: Thông tin về cấu trúc cảm biến hình cầu và công nghệ chế tạo 3D hỗ trợ thiết kế sản phẩm mới với chi phí thấp và hiệu suất cao.

  3. Doanh nghiệp sản xuất thiết bị đo lường và tự động hóa: Nghiên cứu giúp cải tiến sản phẩm cảm biến góc nghiêng, nâng cao độ chính xác và mở rộng ứng dụng trong công nghiệp.

  4. Các tổ chức đào tạo và giảng dạy kỹ thuật: Tài liệu tham khảo hữu ích cho giảng viên và sinh viên trong việc giảng dạy các môn học về cảm biến, đo lường và mô phỏng kỹ thuật.

Câu hỏi thường gặp

  1. Cảm biến góc nghiêng hai chiều hoạt động dựa trên nguyên lý nào?
    Cảm biến sử dụng nguyên lý đo điện dung vi sai giữa các điện cực khi dung dịch điện môi dịch chuyển do góc nghiêng thay đổi, từ đó xác định góc nghiêng theo hai trục x và y.

  2. Độ nhạy và dải làm việc của cảm biến được xác định như thế nào?
    Độ nhạy là sự thay đổi điện áp đầu ra trên mỗi độ góc nghiêng (mV/°), dải làm việc là khoảng góc mà cảm biến có thể đo chính xác. Trong nghiên cứu, dải làm việc đạt ±70° với độ nhạy 59.4 mV/° trên trục x và 32 mV/° trên trục y.

  3. Tại sao lại chọn cấu trúc hình cầu cho cảm biến?
    Cấu trúc hình cầu có tính đối xứng cao, giúp cân bằng dải làm việc và giảm sai số khi cảm biến nghiêng theo các hướng khác nhau, khắc phục hạn chế của cấu trúc hình lập phương và hình trụ.

  4. Công nghệ in 3D nào được sử dụng để chế tạo cảm biến?
    Công nghệ in 3D Polyjet được sử dụng do khả năng tạo mẫu chính xác, bề mặt nhẵn mịn và hỗ trợ vật liệu đa dạng, phù hợp với thiết kế phức tạp của cảm biến hình cầu.

  5. Làm thế nào để giảm nhiễu xuyên trục trong cảm biến?
    Thiết kế điện cực đối xứng và sử dụng mạch điện tử khuếch đại, lọc tín hiệu hiệu quả giúp giảm nhiễu xuyên trục xuống dưới 2.3%, đảm bảo đo độc lập hai trục x và y.

Kết luận

  • Đã thiết kế và mô phỏng thành công cảm biến góc nghiêng hai chiều cấu trúc hai pha lỏng – khí với dải làm việc ±70° trên hai trục x và y.
  • Nguyên mẫu cảm biến chế tạo bằng công nghệ in 3D Polyjet và dung dịch nước cho kết quả thực nghiệm tương đồng với mô phỏng về dải làm việc, tuy có sai khác về độ nhạy.
  • Nhiễu xuyên trục được kiểm soát tốt dưới 2.3%, đảm bảo độ chính xác đo lường cao.
  • Đề xuất các giải pháp tối ưu hóa thiết kế điện cực, vật liệu dung môi và công nghệ chế tạo để nâng cao hiệu suất cảm biến.
  • Tiếp tục nghiên cứu mở rộng ứng dụng và cải tiến mạch điện tử đo lường trong giai đoạn tiếp theo nhằm hoàn thiện sản phẩm cho sản xuất đại trà.

Quý độc giả và các nhà nghiên cứu quan tâm có thể liên hệ để trao đổi và hợp tác phát triển công nghệ cảm biến góc nghiêng tiên tiến hơn.