CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ CẢM BIẾN ĐO GÓC NGHIÊNG VÀ ỨNG DỤNG 1. Một số ứng dụng của cảm biến đo góc nghiêng Cảm biến góc nghiêng được ứng dụng rộng rãi trong thực tế, cho cả các bài toán điều khiển tự động trong dân dụng và quân sự. Có thể kể đến một số ứng dụng như trong Hình 1.1: Một số ứng dụng của cảm biến góc nghiêng (nguồn: Internet) Hiệu chỉnh cân bằng cho máy ảnh (Cameras). Điều chỉnh cân bằng cho máy bay (Aircraft flight controls).
Các hệ thống an ninh ô-tô (Automobile security systems): phát hiện trạng thái và cảnh báo. Công cụ sử dụng xây dựng (Construction equipment) để hiệu chỉnh cân bằng. Hệ thống túi khí ô-tô (Automobile air bags): kiểm soát tình trạng của ô-tô để bất túi khí kịp thời khi có tai nạn. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 4 Robots: xác định trạng thái và điều khiển tự động.
Hệ thống kiểm soát nhiệt độ (Thermostats) sử dụng làm công tắc an toàn trong trường hợp có hỏa hoạn, chập cháy. Nghiên cứu chuyển động của con người, điều trị bệnh lý. Ứng dụng giải trí. Xác định góc nghiêng cho các vật thể: xác định góc chúc, giữ thăng bằng cho vật thể chuyển động… Tự động điều chỉnh góc nghiêng của hệ thống thu năng lượng mặt trời (Solar panel) bám theo hướng mặt trời để thu được hiệu suất tối đa.
Hệ thống hiệu chuẩn tự động cho các thiết bị đo lường chính xác như các thiết bị đo lường quang học [3]. Một số phương pháp đo góc nghiêng 1. Cảm biến góc nghiêng cơ học Góc nghiêng của một vật thể được xác định là góc giữa mặt phẳng của vật thể đó với phương nằm ngang. Thông thường các thiết bị đo góc nghiêng lấy phương của gia tốc trọng trường làm chuẩn và đo góc nghiêng so với phương vuông góc với phương của gia tốc trọng trường (Hình 1.2: Một số dụng cụ đo góc nghiêng cơ học (nguồn: Internet) Cảm biến góc nghiêng cơ học thường cấu tạo bởi một khối nặng làm chuẩn với phương của gia tốc trọng trường.
Các thiết bị đo góc nghiêng cơ học kèm theo một kim chỉ và một thước đo độ để chỉ ra độ nghiêng. Các thiết bị đo góc nghiêng dựa trên cấu trúc lưu chất thường bao gồm một lượng chất lỏng được đổ gần đầy trong một ngăn kín, trong suốt, có chia vạch. Một lượng không khí nhỏ chừa lại bên trong tạo thành bọt khí luôn nổi theo phương của gia tốc trọng trường. Khi thiết bị ngiêng, khối chất lỏng bị dịch chuyển đi dưới ảnh hưởng của gia tốc trọng trường sẽ làm bọt khí di chuyển theo tới vị trí tương ứng trên vạch chia độ.
LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Cảm biến nghiêng vi cơ điện tử Cảm biến góc nghiêng cơ học rắn bị can nhiễu khi có tác dụng rung cơ học. Việc loại bỏ can nhiễu trong các thiết bị này là rất phức tạp khó thực hiện. Để khắc phục nhược điểm này, các cấu trúc cảm biến vi cơ điện tử dựa trên các vi cấu trúc dầm treo- khối nặng và được chế tạo dựa trên nền công nghệ vi chế tạo [6].
Cảm biến này thường bao gồm một dầm treo một khối nặng ở vị trí trung tâm, cùng với các thành phần khác tạo thành hai cấu trúc tụ kiểu răng lược đối xứng như trong Hình 1. Thanh dầm được thiết kế sao cho dễ dàng biến dạng theo một phương nhưng lại cố định theo tất cả các phương còn lại vuông góc với phương biến dạng. Khi cảm biến nghiêng, dưới tác dụng của trọng lực, khối nặng sẽ dịch chuyển về một phía và làm tăng điện dung của tụ cùng phía, trong khi lại làm giảm điện dung của tụ phía ngược lại. Sự thay đổi chênh lệch giá trị điện dung giữa các tụ tỉ lệ tương quan với góc nghiêng.
Cảm biến loại này đã được ứng dụng rộng rãi trong khoa học công nghệ và đời sống (áp dụng cho y tế để theo dõi sự chuyển động của cơ thể con người hoặc thiết kế robot…).3: Cảm biến vi cơ điện tử cấu trúc dầm treo-khối nặng [6] Đối với cảm biến vi cơ điện tử, vấn đề đặt ra là phải đạt được điện dung đủ lớn. Việc sử dụng cấu trúc tụ kiểu răng lược đối xứng là một giải pháp hiệu quả để có thể có điện dung cao với kích thước nhỏ gọn, cho phép thiết bị có thể đo lường một dải rộng từ -90° đến +90° [6]. Bên cạnh đó, việc thiết kế thanh dầm đỡ cũng là một vấn đề quan trọng. Việc giảm độ cứng của thanh dầm có thể giúp nó dịch chuyển với biên độ lớn hơn, kéo theo biến thiên điện dung sẽ lớn hơn, nhưng sẽ làm tăng kích thước của thanh dầm đồng thời gây ra các chuyển động theo những hướng không mong muốn [6].
Đồ thị trong Hình 1.4 thể hiện sự tuyến tính của điện dung của cấu trúc tụ đối với góc nghiêng của cảm biến vi cơ điện tử. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.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] Một thiết kế vi cơ điện tử khác sử dụng cấu trúc MEMS áp điện để đo góc nghiêng. Trong cấu trúc này, một hệ thống dầm Platinum treo một khối nặng trung tâm trên giá đỡ ở trạng thái cân bằng. Mặt trên của dầm được phủ một lớp áp điện PZT (Lead Zirconate Titanate) (Hình 1.
Khi cảm biến nghiêng, khối nặng dưới tác dụng của trọng lực gây ra một ứng suất tác động lên dầm và là một hàm phụ thuộc vào độ nghiêng. Ứng suất này đặt lên lớp áp điện tạo thành điện áp tỉ lệ với góc nghiêng của cảm biến. Tính khả thi của phương pháp đo lường này được xác nhận thông qua kết quả mô phỏng cho phép một phạm vi hoạt động từ 0 – 90° [7].5: Cảm biến vi cơ điện tử kiểu áp điện [7] LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Cảm biến nghiêng dùng chất lỏng dẫn Trong thiết kế của cảm biến dùng để đo lường một độ nghiêng rất nhỏ áp dụng trong giám sát núi lửa, phương pháp dùng chất lỏng dẫn đã được đề xuất và kiểm chứng [4].
Thiết kế sử dụng một ống thủy tinh có chiều dài 30 mm, đường kính ngoài 8 mm, đường kính ruột 6 mm và bẻ cong thành hình cung bán kính 355 mm, chứa ba điện cực được phong ấn vào ống. Ống này được điền gần đầy với một chất lỏng dẫn tạo thành một cấu trúc hai pha chất lỏng dẫn và bọt khí (Hình 1. Góc nghiêng của cảm biến có thể đo được do bọt khí bị thay đổi vị trí dưới tác dụng của lực hấp dẫn, và do đó làm thay đổi điện trở của dung dịch dẫn giữa hai cặp điện cực tương ứng với góc nghiêng. Cấu trúc này có thể giúp cảm biến đạt được độ nhạy ổn định ở 49 mV/μrad (1 μrad = 10-6 radian).
Các thiết kế sử dụng phương pháp dẫn tiếp tục phát triển theo hướng thay đổi kích thước đến một kích thước nhỏ hơn, đồng thời cố gắng làm giảm ảnh hưởng của rung động cơ học và nhiệt độ lên cảm biến [4].6: Cảm biến đo nghiêng dựa trên sự thay đổi độ dẫn [4] Một thiết kế khác cũng sử dụng chất lỏng dẫn tạo thành cấu trúc kênh vi dẫn được áp dụng để phát hiện góc nghiêng. Cảm biến này bao gồm một điện trở kim loại hình vòng tròn và một điện cực kim loại tròn nằm trên bề mặt đế kính tạo thành một cấu trúc kênh vi dẫn. Một giọt kim loại lỏng (thủy ngân) được thả di chuyển tự do trong kênh dẫn, hoạt động như một con lắc để đo độ nghiêng (Hình 1. Khi cảm biến nghiêng, dưới tác dụng của trọng lực, giọt kim loại lỏng luôn dịch chuyển tới vị trí thấp nhất trong kênh dẫn, làm thay đổi giá trị điện trở của kênh dẫn tương ứng với góc nghiêng.
Cảm biến này hoạt động tương tự như một biến trở (Hình 1. Cảm biến loại này cho phép đạt được khoảng tuyến tính rộng 320° và độ phân giải góc cao 0. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Cảm biến nghiêng sử dụng phương pháp quang học Bên cạnh những thiết kế sử dụng phương pháp truyền dẫn điện, một số nghiên cứu xem xét sử dụng phương pháp quang học để đo độ nghiêng của cảm biến.
Một nghiên cứu trình bày phương pháp đo độ nghiêng bằng cách sử dụng thiết bị quang học kết hợp với các chất lỏng màu [8]. Cảm biến bao gồm một ống hình trụ trong suốt với một nửa được đổ một chất lỏng màu, một đèn LED làm nguồn quang và một cảm biến quang (photo-diode) (Hình 1. Nguyên tắc làm việc dựa trên những thay đổi của cường độ ánh sáng theo thời gian gây ra do sự thay đổi của độ dài đường quang học, khi ánh sáng đi qua chất lỏng màu, thay đổi tương ứng với góc nghiêng của mô-đun cảm biến (Hình 1. Cảm biến này có thể đạt tới độ nhạy là 50mV/° và phạm vi làm việc của ± 50°, độ chính xác và độ phân giải tương ứng là 0.
LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.8: Cảm biến nghiêng sử dụng phương pháp quang học ở trạng thái (a) thăng bằng, (b) nghiêng [8] Một thiết kế khác sử dụng nguyên lý tương tự, đổ một nửa thể tích bình chứa hình nón bằng dung dịch màu, bố trí một nguồn phát sáng LED và một camera ghi lại hình ảnh dung dịch màu. Thiết kế này sử dụng máy tính phân tích hình ảnh thu được từ camera [9]. Khi cảm biến ở trạng thái thăng bằng, hình ảnh của dung dịch màu thu được có hình tròn (Hình 1. Khi cảm biến nghiêng, hình ảnh thu được của dung dịch màu thay đổi, sử dụng máy tính phân tích, tính toán sự thay đổi từ đó có thể tính được góc nghiêng tương ứng (Hình 1.
LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.9: Cảm biến đo nghiêng sử dụng máy tính phân tích hình ảnh [9] 1. Cảm biến nghiêng kiểu điện dung Trong nhiều thập kỷ gần đây, cảm biến điện dung đã được phát triển và sử dụng cho nhiều phép đo bao gồm cảm biến độ nghiêng. Một số mẫu thiết kế được báo cáo đã có những thành tựu mới. Một thiết kế sử dụng một quả bóng kim loại là bố trí trên một tụ điện phẳng (Hình 1.10), khi vị trí của quả bóng kim loại thay đổi do góc nghiêng làm cho thay đổi điện dung của cả tụ điện phẳng [10].10: Cảm biến nghiêng kiểu điện dung sử dụng bi sắt [10] LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 11 Mặc dù cấu trúc trên có thể đo lường một loạt các góc nghiêng, thiết kế này cần phải được tối ưu hóa cho một sản phẩm thương mại.