Luận văn thạc sĩ: Thiết kế và thử nghiệm cảm biến góc nghiêng điện tử cấu trúc hai pha lỏng khí

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu vnu uet thiết kế chế tạo và thử nghiệm cảm biến góc nghiêng điện tử cấu trúc hai pha lỏng khí, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện pháp

• Tác giả: Trần Minh Cường
• Người hướng dẫn: TS. Bùi Thanh Tùng
• Trường học: Trường Đại Học Công Nghệ
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Điện Tử, Truyền Thông
• Đề tài: Thiết Kế, Chế Tạo Và Thử Nghiệm Cảm Biến Góc Nghiêng Điện Tử Cấu Trúc Hai Pha Lỏng – Khí
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ CẢM BIẾN ĐO GÓC NGHIÊNG VÀ ỨNG DỤNG
• 1.1. Một số ứng dụng của cảm biến đo góc nghiêng
• 1.2. Một số phương pháp đo góc nghiêng
• 2. CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT VỀ TỤ ĐIỆN VÀ CẢM BIẾN ĐIỆN DUNG
• 2.1. Điện dung của tụ điện
• 2.2. Mạch điện cơ bản đo điện dung
• 2.3. Cảm biến điện dung
• 2.4. Hằng số điện môi
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG CẢM BIẾN GÓC NGHIÊNG ĐIỆN TỬ CẤU TRÚC HAI PHA LỎNG – KHÍ
• 3.1. Cấu trúc cảm biến góc nghiêng kiểu tụ
• 3.2. Mô phỏng hoạt động của cảm biến bằng COMSOL
• 4. CHƯƠNG 4: CHẾ TẠO, ĐO ĐẠC THỬ NGHIỆM CẢM BIẾN ĐO GÓC NGHIÊNG ĐIỆN TỬ
• 4.1. Mạch điện cảm biến góc nghiêng điện tử
• 4.2. Thiết lập hệ đo đạc và thử nghiệm
• 4.3. Kết quả đo đạc và thảo luận
• DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về thiết kế cảm biến góc nghiêng điện tử hai pha lỏng khí

Cảm biến góc nghiêng điện tử hai pha lỏng khí là một thiết bị quan trọng trong nhiều ứng dụng công nghệ hiện đại. Thiết kế của cảm biến này dựa trên nguyên lý điện dung vi sai, cho phép đo góc nghiêng với độ chính xác cao. Cảm biến này hoạt động bằng cách xác định sự thay đổi vị trí của bọt khí trong chất lỏng dưới tác động của trọng lực. Điều này giúp cảm biến có thể hoạt động ổn định trong các điều kiện khắc nghiệt.

1.1. Nguyên lý hoạt động của cảm biến góc nghiêng điện tử

Cảm biến góc nghiêng điện tử hoạt động dựa trên nguyên lý điện dung vi sai. Khi cảm biến nghiêng, vị trí của bọt khí trong chất lỏng thay đổi, dẫn đến sự thay đổi điện dung giữa các điện cực. Sự thay đổi này được sử dụng để tính toán góc nghiêng của cảm biến. Các nghiên cứu cho thấy rằng cảm biến này có thể đo góc nghiêng trong dải từ -90° đến +90° với độ nhạy cao.

1.2. Ứng dụng của cảm biến góc nghiêng trong thực tiễn

Cảm biến góc nghiêng điện tử hai pha lỏng khí được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như tự động hóa, quân sự, và nghiên cứu khoa học. Chúng có thể được sử dụng để theo dõi sự chuyển động của tàu thuyền, điều chỉnh góc nghiêng của hệ thống thu năng lượng mặt trời, và trong các thiết bị đo lường chính xác.

II. Thách thức trong thiết kế cảm biến góc nghiêng điện tử

Mặc dù cảm biến góc nghiêng điện tử hai pha lỏng khí có nhiều ưu điểm, nhưng cũng gặp phải một số thách thức trong quá trình thiết kế và chế tạo. Các yếu tố như độ rung, nhiệt độ môi trường, và độ chính xác của các linh kiện điện tử có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của cảm biến.

2.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất cảm biến

Nhiệt độ môi trường có thể ảnh hưởng đến độ dẫn điện của chất lỏng trong cảm biến, từ đó làm thay đổi giá trị điện dung. Điều này có thể dẫn đến sai số trong việc đo góc nghiêng. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc sử dụng các vật liệu có độ ổn định nhiệt cao có thể giúp giảm thiểu ảnh hưởng này.

2.2. Vấn đề rung động và sốc cơ học

Cảm biến góc nghiêng điện tử có thể bị ảnh hưởng bởi rung động và sốc cơ học, dẫn đến kết quả đo không chính xác. Việc thiết kế các cấu trúc chống rung và sử dụng các vật liệu hấp thụ sốc là cần thiết để cải thiện độ chính xác của cảm biến.

III. Phương pháp thiết kế cảm biến góc nghiêng điện tử hai pha lỏng khí

Thiết kế cảm biến góc nghiêng điện tử hai pha lỏng khí bao gồm nhiều bước quan trọng từ việc lựa chọn vật liệu đến mô phỏng hoạt động của cảm biến. Các phương pháp thiết kế hiện đại giúp tối ưu hóa hiệu suất và độ chính xác của cảm biến.

3.1. Lựa chọn vật liệu cho cảm biến

Việc lựa chọn vật liệu cho các điện cực và chất lỏng trong cảm biến là rất quan trọng. Các vật liệu cần có độ dẫn điện tốt và ổn định trong các điều kiện môi trường khác nhau. Nghiên cứu cho thấy rằng việc sử dụng đồng cho điện cực và các chất lỏng có độ dẫn cao sẽ cải thiện hiệu suất của cảm biến.

3.2. Mô phỏng hoạt động của cảm biến

Mô phỏng hoạt động của cảm biến bằng phần mềm như COMSOL Multiphysics giúp dự đoán hiệu suất và tối ưu hóa thiết kế. Các mô phỏng này cho phép kiểm tra các yếu tố như điện dung vi sai và ảnh hưởng của góc nghiêng đến giá trị điện dung.

IV. Kết quả thử nghiệm cảm biến góc nghiêng điện tử hai pha lỏng khí

Kết quả thử nghiệm cho thấy cảm biến góc nghiêng điện tử hai pha lỏng khí hoạt động ổn định và chính xác trong dải góc từ -90° đến +90°. Các kết quả đo đạc thực nghiệm cho thấy sự tương đồng với các mô phỏng trước đó.

4.1. Đánh giá độ nhạy và độ chính xác

Cảm biến cho thấy độ nhạy 40 mV/độ với độ phân giải cao trong dải -25° đến +25°. Kết quả này cho thấy cảm biến có khả năng đo góc nghiêng với độ chính xác cao, phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu khắt khe.

4.2. So sánh kết quả mô phỏng và thực nghiệm

Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy sự tương đồng cao, cho thấy rằng thiết kế và phương pháp thử nghiệm là hiệu quả. Điều này khẳng định tính khả thi của cảm biến trong các ứng dụng thực tiễn.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của cảm biến góc nghiêng điện tử

Cảm biến góc nghiêng điện tử hai pha lỏng khí có tiềm năng lớn trong nhiều ứng dụng công nghệ hiện đại. Với những cải tiến trong thiết kế và vật liệu, cảm biến này có thể được phát triển để đáp ứng các yêu cầu ngày càng cao trong các lĩnh vực khác nhau.

5.1. Triển vọng ứng dụng trong công nghiệp

Cảm biến góc nghiêng điện tử có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp như tự động hóa, xây dựng, và quân sự. Việc cải tiến độ chính xác và độ nhạy sẽ mở ra nhiều cơ hội mới cho cảm biến này.

5.2. Nghiên cứu và phát triển trong tương lai

Nghiên cứu và phát triển các công nghệ mới trong thiết kế cảm biến sẽ giúp nâng cao hiệu suất và khả năng ứng dụng của cảm biến góc nghiêng điện tử. Các nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc giảm thiểu ảnh hưởng của môi trường và cải thiện độ bền của cảm biến.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TRẦN MINH CƯỜNG THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM CẢM BIẾN GÓC NGHIÊNG ĐIỆN TỬ CẤU TRÚC HAI PHA LỎNG – KHÍ LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ, TRUYỀN THÔNG HÀ NỘI - 2016 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TRẦN MINH CƯỜNG THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM CẢM BIẾN GÓC NGHIÊNG ĐIỆN TỬ CẤU TRÚC HAI PHA LỎNG – KHÍ Ngành : Công nghệ Kỹ thuật Điện tử, Truyền thông Chuyên ngành : Kỹ thuật Điện tử Mã ngành : 60520203 LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ, TRUYỀN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. Bùi Thanh Tùng HÀ NỘI - 2016 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] i Lời cảm ơn Để hoàn thành đề tài này, tôi xin chân thành cảm ơn các Thầy Cô giáo đã tận tình hướng dẫn, giảng dạy trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và rèn luyện cũng như trong quá trình thực hiện đề tài ở trường Đại học Công Nghệ - ĐHQGHN. Tôi xin cảm ơn các Thầy Cô giáo đã có những ý kiến đóng góp và động viên kịp thời giúp tôi hoàn thành luận văn này. Trong quá trình thực hiện luận văn không thể tránh khỏi những sai sót, tôi rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của quý Thầy Cô và tất cả các bạn đọc để tôi có thể tiếp tục phát triển và hoàn thiện đề tài này. Hà Nội, tháng 6, 2016 Trần Minh Cường LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] ii Lời cam đoan Tôi xin cam đoan đề tài “THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM CẢM BIẾN GÓC NGHIÊNG ĐIỆN TỬ CẤU TRÚC HAI PHA LỎNG – KHÍ” do TS. Bùi Thanh Tùng hướng dẫn là công trình nghiên cứu của tôi, không sao chép các tài liệu hay công trình của người nào khác. Tất cả những tài liệu tham khảo phục vụ cho đồ án này đều được nêu nguồn gốc rõ ràng trong danh mục tài liệu tham khảo và không có việc sao chép tài liệu hoặc đề tài khác mà không ghi rõ về tài liệu tham khảo. Hà Nội, tháng 6, 2016 Trần Minh Cường LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] iii Mục lục Lời cảm ơn .i Lời cam đoan .ii Mục lục . iii Danh mục hình vẽ .iv Danh mục bảng biểu .vi Tóm tắt luận văn .vii MỞ ĐẦU . 1 Mục tiêu của đề tài . 2 CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ CẢM BIẾN ĐO GÓC NGHIÊNG VÀ ỨNG DỤNG 3 1. Một số ứng dụng của cảm biến đo góc nghiêng . Một số phương pháp đo góc nghiêng . 4 CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT VỀ TỤ ĐIỆN VÀ CẢM BIẾN ĐIỆN DUNG. Điện dung của tụ điện . Mạch điện cơ bản đo điện dung . Cảm biến điện dung . Hằng số điện môi . 23 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG CẢM BIẾN GÓC NGHIÊNG ĐIỆN TỬ CẤU TRÚC HAI PHA LỎNG – KHÍ . Cấu trúc cảm biến góc nghiêng kiểu tụ . Mô phỏng hoạt động của cảm biến bằng COMSOL . 28 CHƯƠNG 4: CHẾ TẠO, ĐO ĐẠC THỬ NGHIỆM CẢM BIẾN ĐO GÓC NGHIÊNG ĐIỆN TỬ . Mạch điện cảm biến góc nghiêng điện tử . Thiết lập hệ đo đạc và thử nghiệm . Kết quả đo đạc và thảo luận . 47 DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN . 48 TÀI LIỆU THAM KHẢO . 49 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] iv Danh mục hình vẽ Hình 1.1: Một số ứng dụng của cảm biến góc nghiêng (nguồn: Internet) .2: Một số dụng cụ đo góc nghiêng cơ học (nguồn: Internet) .3: Cảm biến vi cơ điện tử cấu trúc dầm treo-khối nặng [6] .4: Tỉ lệ tương quan giữa góc nghiêng và giá trị điện dung của tụ điện trong cảm biến vi cơ điện tử cấu trúc dầm treo-khối nặng [6] .5: Cảm biến vi cơ điện tử kiểu áp điện [7] .6: Cảm biến đo nghiêng dựa trên sự thay đổi độ dẫn [4] .8: Cảm biến nghiêng sử dụng phương pháp quang học ở trạng thái (a) thăng bằng, (b) nghiêng [8] .9: Cảm biến đo nghiêng sử dụng máy tính phân tích hình ảnh [9] .10: Cảm biến nghiêng kiểu điện dung sử dụng bi sắt [10] .11: Cảm biến nghiêng điện dung dùng điện môi thể lỏng [2, 11, 12] .1: Điện dung giữa các vật dẫn điện [13].2: Sơ đồ tương đương của (a) tụ điện hai cực và (b) tụ điện khi có các thành phần ký sinh Cp [14] .3: Tụ điện phẳng với các tấm điện cực song song.4: Các bản cực tích điện nằm song song ngăn cách bởi điện môi [16] .5: Mạch khuếch đại biến đổi trở kháng đo dòng đi qua tụ điện [17] .6: Mạch khuếch đại biến đổi trở kháng đo dòng qua tụ điện có sử dụng tụ điện phản hồi [17].7: Mô hình hai chiều của tụ song song với phân bố điện trường của nó (a) và các tụ điện song song với việc bổ sung các điện cực để loại bỏ hiệu ứng rìa (b) 17 Hình 2.8: Cảm biến đo khảng cách kiểu điện dung với độ phân dải dưới nanomet .9: Một số cảm biến khoảng cách kiểu điện dung .1: Cấu trúc cảm biến góc nghiêng kiểu điện dung ba cực .2: Cảm biến góc nghiêng cấu trúc 2 pha lỏng khí điện tử .3: Hoạt động của cảm biến góc nghiêng kiểu điện dung ba cực, trường hợp a và c khi cảm biến nghiêng bên phải và bên trái, trường hợp b khi cảm biến ở vị trí cân bằng .4: Mô hình mô phỏng cảm biến nghiêng điện dung ba điện cực cấu trúc 2 pha lỏng – khí .5: Mô hình mô phỏng cảm biến nghiêng điện dung ba điện cực cấu trúc 2 pha lỏng – khí, trường hợp kích thích 1 điện cực cảm ứng . 29 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.6: Trường tĩnh điện và phân bố điện thế trong trường tĩnh điện của cảm biến nghiêng điện dung ba điện cực cấu trúc 2 pha lỏng – khí .7: Kết quả mô phỏng mối quan hệ giữa góc nghiêng và điện dung vi sai giữa C1 và C2 .8: Trường tĩnh điện của cảm biến nghiêng điện dung ba điện cực với tỉ lệ cấu trúc 2 pha lỏng – khí lần lượt là: 75%, 80%, 90% .9: Kết quả mô phỏng quan hệ giữa điện dung vi sai và góc nghiêng, với độ điền đầy chất lỏng khác nhau .1: Sơ đồ khối mạch điện cảm biến góc nghiêng điện tử .2: Mạch phát nguồn tín hiệu sin .3: Mạch chuyển đổi điện áp.4: Mạch khuếch đại không đảo .5: Mạch khuếch đại vi sai .6: Mạch tách sóng đường bao và lọc thông thấp .7: Sơ đồ nguyên lý của mạch điện xử lý tín hiệu của cảm biến góc nghiêng điện tử kiểu điện dung ba cực cấu trúc vi sai .8: Cảm biến góc nghiêng điện tử hai pha lỏng – khí .9: Cảm biến góc nghiêng gắn trên mạch điện xử lý tín hiệu .10: Hệ thống thí nghiệm đánh giá hoạt động cảm biến góc nghiêng; (a) Sơ đồ khối hệ thống; (b) Hình ảnh thực tế hệ thống.11: Các tín hiệu của mạch cảm biến .12: Tín hiệu đầu ra phụ thuộc vào dải góc nghiêng từ 0° đến 25° .13: Sự thay đổi tín hiệu đầu ra khi góc nghiêng thay đổi từ 0° đến 180° .14: So sánh kết quả mô phỏng và đo đạc thực nghiệm (mức 70%) .15: Sự thay đổi tín hiệu đầu ra khi góc nghiêng thay đổi từ -180° đến 180° .16: Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng góc nghiêng trên trục vuông góc với trục cảm biến tới lối ra (crosstalk) . 45 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] vi Danh mục bảng biểu Bảng 1. Hằng số điện môi tương đối của một số loại vật liệu . Các thông số kích thước điện cực cảm biến . Các thông số vật liệu sử dụng trong mô phỏng . 29 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] vii Tóm tắt luận văn Luận văn này trình bày thiết kế, chế tạo và thử nghiệm một cấu trúc cảm biến đo độ nghiêng điện tử kiểu điện dung cấu hình hai pha lỏng – khí. Cảm biến được đề xuất này bao gồm một cấu trúc tụ ba điện cực với lớp điện môi có hai pha: không khí và chất lỏng. Khi vị trí của bọt khí trong chất lỏng thay đổi do tác dụng của gia tốc trọng trường thì giá trị điện dung của cảm biến thay đổi theo từ đó tính được góc nghiêng của cảm biến. Hoạt động của cảm biến được mô phỏng bằng phương pháp phân tích các phần tử hữu hạn sử dụng chương trình Comsol Multiphisics. Kết quả mô phỏng thể hiện sự thay đổi điện dung vi sai của tụ điện theo góc nghiêng tương ứng với sự thay đổi vị trí của chất lỏng điện môi do tác dụng của gia tốc trọng trường. Cảm biến được chế tạo thử nghiệm gồm ba điện cực được gắn lên trên một ống nhựa và bố trí trên bản mạch PCB với mạch điện thu thập tín hiệu gồm một máy phát sin tần số 127kHz, một bộ tiền khuếch đại, một bộ chỉnh lưu và lọc thông thấp. Tụ điện có cấu tạo là 3 bản cực bằng đồng, mỗi điện cực có chiều dài 11.0 mm, khoảng cách giữa các điện cực là 1. Các kết quả đo đạc thực nghiệm cho thấy có sự tương đồng với các tính toán mô phỏng. Các kết quả đo ban đầu cho thấy tín hiệu đầu ra ổn định, đồng biến với góc nghiêng trong dải -90° đến +90°, với độ tuyến tính cao trong dải -25° đến +25°. Cảm biến có độ nhạy 40 mV/độ với độ phân dải 0. Cảm biến hoạt động dựa trên nguyên lý vi sai, do đó cảm biến không bị tác động của can nhiễu đồng pha. Với những tính năng và dải làm việc này, cảm biến có thể ứng dụng đo sự bằng của các khí tài quân sự, theo dõi dao động của tàu thuyền và nhiều ứng dụng tiềm năng khác. LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 1 MỞ ĐẦU Tổng quan Góc nghiêng được xác định là góc lệch so với phương vuông góc với phương của gia tốc trọng trường. Một số dụng cụ đo nghiêng cơ học được đưa ra như trong Hình 1. Các cấu trúc này dựa vào độ lệch của bọt khí hoặc khối nặng do tác dụng của gia tốc trọng trường để xác định độ nghiêng. Những cấu trúc đo nghiêng này khá cồng kềnh, hơn nữa kết quả phải đọc bằng mắt nên độ chính xác không cao, không thể đưa vào các ứng dụng điều khiển tự động hóa. Do đó các cảm biến góc nghiêng điện tử đã được phát triển để phục vụ các yêu cầu thực tiễn này. Hiện nay trên thế giới, có nhiều loại cảm biến thăng bằng và đo góc nghiêng đã được nghiên cứu, phát triển và đưa ra thương mại hóa.