1
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
NGUYỄN HỒNG TUẤN
NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO
CẢM BIẾN DÒNG CHẢY DỰA TRÊN
NGUYÊN LÝ CẢM BIẾN TỤ ĐIỆN ĐỒNG PHẲNG
LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG
Hà Nội - 2014
2
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
4 5
MỤC L`ỤC
Chƣơng 1. GIỚI THIỆU CHUNG 10
1.1 Giới thiệu công nghệ chế tạo Opto MicroFluidic Sensor. 10
1.2 Một số cấu trúc đã phát triển 15
1.3 Cấu trúc đề xuất 16
1.4 Tổ chức luận văn 16
Chƣơng 2. CẢM BIẾN ĐIỆN DUNG 18
2.3 Các hiện tượng vật lý của cảm biến điện dung 27
2.4 Nguyên lý của cảm biến chất lỏng điện dung kiểu ɛ 28
2.5 Cảm biến tụ kép vi sai 32
2.4 Mạch đo: 32
Chƣơng 3. THIẾT KẾ CHẾ TẠO CẢM BIẾN DÒNG CHẢYDỰA TRÊN
NGUYÊN LÝ TỤ ĐIỆN ĐỒNG PHẲNG KIỂU RĂNG LƢỢC 34
3.1 Giới thiệu chung. 34
3.2 Thiết kế tụ điện đồng phẳng kiểu răng lược 34
3.2.2 Phác họa thiết kế 35
3.2.3 Chọn linh kiện, tiến hành chế tạo 35
3.3 Thiết kế kênh dẫn: 36
3.4 Thiết kế mạch điện tử: 37
Chƣơng 4. THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ HOẠT ĐỘNG CẢM BIẾN 42
4.1 Thiết lập mạch đo 42
4.2 Kết quả, đánh giá và thảo luận 42
4.3 Tính toán vận tốc dòng chảy: 48
4.4 Định hướng, ứng dụng của cảm biến vào công nghệ lọc dầu. 49
7
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1 Kỹ thuật chế tạo thiết bị vi lỏng [1] 10
Hình 1.2 Cấu trúc chip vi lỏng với điện cực phẳng cấu trúc hình chữ T, một vi kênh đặt phía
dưới điện cực hình thành một cảm biến điện dung [2] 15
Hình 1.3 Mô hình xử lý của cảm biến với tín hiệu thời gian thực [5] 16
Hình 2. 1 Cảm biến lưu lượng kiểu lỗ tròn 19
Hình 2. 2 Cảm biến lưu lượng điện từ [3] 20
Hình 2. 3 Cảm biến lưu lượng Coriolis ống đôi dạng cong Delta [3] 21
Hình 2. 4 Cảm biến siêu âm Dropler [3] 22
Hình 2.5 Cảm biến siêu âm xuyên thẳng [3] 22
Hình 2. 6 a,b,c- Cảm biến chất lỏng theo phương pháp thủy tĩnh 23
Hình 2. 7 Cảm biến đo bức xạ xác định mức chất lỏng 24
Hình 2. 8 Cảm biến độ dẫn xác định mức chất lưu trong bình. 25
Hình 2. 9 Cảm biến điện dung thương mại Omron E2K-X4MY (Nhật Bản) 27
Hình 2. 10 Bản cực của tụ phẳng di chuyển [4] 28
Hình 2. 11a) giọt chất lỏng chờ qua điện cực nối với mạch điện tử 31
Hình 2. 12 Mô hình của cảm biến chất lỏng với tín hiệu cảm biến theo thời gian [6] 31
Hình 2. 13 Cảm biến tụ kép vi sai[3] 32
Hình 2. 14 Mạch điện tử cầu và mạch cầu biến áp thường 33
Hình 3. 1 Phác họa thiết kế tụ đồng phẳng kiểu răng lược 35
Hình 3. 2 Cảm biến dòng chảy dựa trên nguyên lý tụ điện đồng phẳng 36
Hình 3. 3 Kênh dẫn cho cảm biến sử dụng ống truyền y tế 36
Hình 3. 4 Sơ đồ nguyên lý mạch điện tử của cảm biến 37
Hình 3. 5 Mạch nguồn của cảm biến 39
Hình 3. 6 Mạch phát xung hình sin 39
Hình 3. 7 Mạch đo tụ điện dùng Khuếch đại thuật toán và lọc thông thấp 40
trên một chíp. Hệ thống này cũng sử dụng một vi nguồn để hoạt động.
Ngày nay, MEMS đã và đang cách mạng hóa các loại sản phẩm bằng cách
mang các yếu tố vi điện lại với nhau trên một nền Si cơ bản theo công nghệ vi cơ, bằng
cách tạo ra các hệ thống trên Chip hoàn chỉnh. Công nghệ vi cơ (micromachining) và
các hệ thống cơ điện (micro- electromechical system (MEMS) được dùng để tạo ra cấu
trúc, linh kiện và hệ thống phức tạp theo đơn vị đo micro. MEMS là một công nghệ có
khả năng cho phép mang lại sự phát triển trên các sản phẩm thômg minh, tăng khả
năng tính toán của các yếu tố vi điện tử với các vi cảm biến và các bộ vi kích hoạt có
khả năng nhận biết và điều khiển. Ngoài ra, với MEMS còn mở rộng khả năng thiết kế
và ứng dụng mọi mặt đời sống.
Trong một hệ thống, sự tích hợp các yếu tố vi điện xem là “bộ não”, và MEMS
tăng cường thêm khả năng như là “mắt” và “tay” cho hệ thống vi điện tử, điều này cho
phép vi hệ thống nhận biết và điều khiển theo môi trường. Các cảm biến tập hợp các
thông tin từ môi trường thông qua việc đo đạc các yếu tố nhiệt, cơ, quang, hóa, sinh,
các hiện tượng từ… Sau đó, các yêu tố điện xử lý thông tin từ cảm biến và thông các
nhận biết tác động trực tiếp đến bộ kích hoạt và đáp ứng lại bằng cách di chuyển, thay
đổi vị trí, dò tìm, lọc, theo đó điều khiển môi trường theo ý muốn. Do thiết bị MEMS
được chế tạo theo công nghệ khối tương tự như dùng cho mạch tích hợp, có chức
năng, độ tin cậy và độ tinh vi chưa từng thấy được đặt trên một chip Si nhỏ với giá
thành thấp.
Các sản phẩm thành công về thương mại dùng công nghệ MEMS phải kể đến là
vi cảm biến. Vì vậy, sự thành công của hầu hết các sản phẩm dùng công nghệ MEMS
là do khai thác các tích chất sau đây:
9
Thuận lợi về tỉ lệ: Một vài hiện tượng vật lý trình bày tốt hơn và hiệu quả hơn
khi tối thiểu hoá sang đơn vị đo micro, nano.
Chế tạo khối : Với các quy trình in quang (lithographic) và chế tạo khối (batch
fabrication), chi phí sản xuất cho môt linh kiện MEMS theo khối thấp hơn so với chi
phí sản xuất ra nhiều linh kiện MEMS.
1.1 Giới thiệu công nghệ chế tạo Opto MicroFluidic Sensor.
Công nghệchế tạovi lỏngban đầu đượcbắt nguồn từ công nghệvi điện tửsilic,
được phát triển tốt trongngành công nghiệpbán dẫn.Tuy nhiên, những kỹ thuật nàylà
rất tốn kém, phức tạp, vàtốn thời gian.Ngoài ra,siliconkhôngthích hợpđược áp
dụngtrong một thiết bịvi lỏngdotính chắn sángcủa nó vớiánh sáng nhìn thấyvàtia cực
tímngoàido vậy cầnchi phí cao để xử lý.
Một kỹ thuậtkhả thiđể chế tạo cácthiết bịvi lỏngbao gồmcác hệ thốngvi cơ điện
tử(MEMS)với các quy trình chế tạođược minh họa trongHình 1.1
Trong quá trình chế tạo,vật liệu sử dụng là mộtpolymer,được lắng đọng trênmột
chất nềnđầu tiên, và sau đómột mô hìnhtrongmộttổng thểđược chuyển vàocácvật liệu
bằngin thạch bản. Sau một quá trìnhkhắc, ăn mòn(khắc ăn mòn ướt hoặckhô), để được
cấu trúc mong muốn.Cuối cùng sẽ được mộtcấu trúcgắntrên bề mặtcủa chipgắn với vi
kênh. [1] Hình 1.1 Kỹ thuật chế tạo thiết bị vi lỏng [1]
Công nghệ in thạch bản: Kỹ thuật in thạch bản sử dụng đầu tiên trong ngành in ấn
người ta dựa vào lực đẩy giữu dầu và nước. Dầu và nước không trộn lẫn cùng nhau và
luôn có xu hướng tách rơi nhau. Hình ảnh ngược của vết dầu được dính trên bề mặt.
Sau đó bề mặt này ngâm vào nước. Nước sẽ chảy vào vị trí không dính dầu. Tiếp đến
là trống mực in lăn qua bề mặt. Người ta sử dụng loại mực dầu là mực hòa tan trong
11
dầu, nhưng lai bị đẩy ra trong nước. Như vậy những chỗ nào dính dầu sẽ dính mực.
Chỗ dính nước thì không. Hình ảnh mực trên bề mặt giống với hình ảnh vệt ban đầu.
Khi lấy bản in này để in vào giấy sẽ được hình ảnh xuôi.
Nếu áp trực tiếp bản này lên giấy, ta thu được bản in, nhưng bản in sẽ dính
nước. Để cải tiến, người ta áp bản mực lên trống cao su, đế dính mực lên trống này,
nhưng ép hết nước rơi ra ngoài. Trống này sau đó truyền mực lên giấy. Phương pháp
này chính là in thạch bản offset.
với những thay đổi lớn về mỗi loại sản phẩm gần đây bằng cách tích hợp lại mạch vi
điện nền silicon với công nghệ vi gia công, tạo ra một hệ thống hoàn thiện trên một
con “chip”. Nó có khả năng phát triển sản phẩm nhanh đó là tăng cường khả năng tính
toán của vi mạch điện với sự cảm nhận và khả năng điều khiển của những bộ cảm biến
vi mô và bộ khuếch đại vi mô.
Công nghệ MEMS đã từng được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như
công nghệ sinh học, công nghệ thông tin, thiết bị gia tốc kế. MEMS đã từng được sử
dụng cho một loạt thiết bị từ những vật dụng trong gia đình cho đến các chi tiết trang
trí trong ôtô.
Gần đây, có nhiều chi tiết có kích thước rất nhỏ (micro) được chế tạo bằng công
nghệ sản xuất vi- điện. Mặc dù, chúng có thể sản xuất những cấu trúc chính xác về
kích thước nhưng chúng vẫn thiếu khả năng gia công đối với kích thước thứ 3, và hầu
như bị hạn chế về silicon như một vật liệu nền. Ngày nay với chiến lược quan trọng là
phát triển và sản xuất những cấu trúc vi mô 3 kích thước .
Với sự ra đời của vi máy gia công tia lửa điện -Micro EDM (Micro- Electro
Discharge Machining) bao gồm có hai bộ phận chủ yếu: máy công cụ và nguồn cung
cấp điện. Có nguyên lý hoạt động là gồm có công cụ gắn điện cực định hình (đóng vai
trò là dao) và điện cực tiến tới bề mặt chi tiết gia công sinh ra một lỗ chép hình hình
dạng của dụng cụ. Nguồn năng lượng cung cấp sản sinh ra một tần số cao, tạo ra một
loạt tia lửa điện giữa điện cực và bề mặt chi tiết và bóc đi một lớp kim loại bởi sự ăn
mòn của nhiệt độ và sự hóa hơi
Điều này làm tăng khả năng sản xuất những cấu trúc vi mô có dạng rỗng bằng
những vật liệu và silicon được quét sơn. Độ chính xác của hình dáng chi tiết được xác
định thông qua hình dạng của điện cực dụng cụ, quỹ tích di chuyển của nó, khoảng
cách phóng điện giữa điện cực và chi tiết gia công. Về bản chất, EDM là một quá trình
gia công cơ-nhiệt-điện mà ở đó cho phép sử dụng khả năng xói mòn bằng sự phóng
điện, tạo lập giữa điện cực dụng cụ và điện cực chi tiết, để bóc đi vật liệu chi tiết gia
công.
Micro-EDM có thể sản xuất được đặc điểm hình dáng hình học 2 hoặc 3 kích
thước. Đặc biệt, nó có thể đạt được kích thước nhỏ nhất là 25 micromet và dung sai và
ray). Từ việc ứng dụng dễ dàng ánh sáng thấy được, là đường dẫn đến việc giảm đặc
trưng về kích thước đã từng tăng lên đối với việc sử dụng bước sóng ngắn hơn trong
kỹ thuật in thạch bản quang học, vì thế làm tăng mức độ phân giải. Những nguồn sáng
như tia tử ngoại (Ultraviolet-UV) và tia tử ngoại xa (deep ultraviolet - DUV) được ứng
dụng trong gia công laser ở bước sóng 248nm, 193nm hoặc nhỏ hơn. Với những bước
sóng ngắn hơn, những vật liệu quang học và ngay cả năng lượng hấp thu không khí rất
tốt. Vì thế có nhiều vấn đề được bao trùm. So với kỹ thuật in thạch bản quang phổ, kỹ
thuật in thạch bản X-ray cho phép chế tạo nhữngchi tiết có cấu trúc vi mô và nhiều chi
tiết có chiều cao lớn hơn. Cũng như nhiều bước sóng ngắn hơn ngay cả ánh sáng
DUV, X-rays làm tăng độ phân giải ánh sáng về một phía. Chúng cho phép năng lượng
xuyên thấu mạnh vào trong quang trở và đạt được tỉ lệ cao. Tuy nhiên, sự cải tiến
trong kỹ thuật in thạch bản quang phổ đã từng là tăng cấu trúc lên 1mm, chiều cao này
chỉ bằng bằng so với kỹ thuật in thạch bản X-ray trong quá khứ.
14
Trong kỹ thuật in thạch bản quang phổ, bước thứ nhất là tạo một màng chắn.
Nền màng chắn là dạng thuỷ tinh borosilicate hoặc gần đây là silica nấu chảy mà ở đó
nó cho phép hệ số giãn nỡ nhiệt thấp hơn và sự truyền nhiệt cao ở bước sóng ngắn
hơn. Bước tiếp theo bao gồm việc phủ một lớp chống nứt lên nền của màng chắn. Tiến
hành nung để cố định lớp chống nứt. Trong ngành nhiếp ảnh, âm bản được trang trí
bằng những hình ảnh đã được chụp. Còn trong kỹ thuật in thạch bản, nó được hình
thành bằng sự di chuyển một vệt sáng nhỏ qua lớp chống nứt để “vẽ” nên hình mẫu
theomong muốn. Đèn hồ quang thuỷ ngân với năng lượng quang phổ đạt được ở bước
sóng ngắn thường được ứng dụng cho mục đích này. Trong DUV, lasers đã được ứng
dụng trong khi kỹ thuật in thạch bản bức xạ electron sử dụng nhiều electrons có bước
sóng ngắn hơn để tăng độ phân giải. Sau này, màng chắn được phát triển và được phủ
kim loại Crôm . Crôm điền đầy vào khoảng trống ở lớp chống nứt đã được đã có và
trên đỉnh của chổ không có lớp chống nứt. Mẫu Crôm được để lại phía sau nề của
màng và sau đó sẽ cạo bỏ lớp chống nứt. Silicon sẽ được sử dùng như lớp nền cho cả
vi- điện và MEMS. Đôi lúc, vật liệu nền Gallium-arsenide cũng được dùng cho vi-
yếu bằng quá trình cắt và đẩy ra ứng với góc nghiêng âm cao. Năng lượng cắt đặc biệt
dọc theo lưỡi đục thì rất lớn so với lưỡi cắt chính của mũi khoan. Do thiếu điểm mũi,
mũi khoan có thể trượt trên bề mặt ở vị trí bắt đầu quá trình khoan, kết quả là mũi
khoan dễ gãy hoặc tạo thành một lỗ nghiêng so với bề mặt chi tiết gia công. Nhược
điểm thứ hai của lưỡi đục lá quá dài so với đường kính mũi khoan, kết quả là lực đẩy
dọc theo trụcmũi khoan lớn.
1.2 Một số cấu trúc đã phát triển
Một cấu trúcchip vi lỏng với điện cực phẳng như hình 1.2 dùng để xác định
kích thước và tốc độ của giọt chất lỏng trong vi kênh đặt bên dưới điện cực. Cấu trúc
ống kết nối hình chữ T dùng để tạo ra các giọt trong kênh [2] Hình 1.2 Cấu trúc chip vi lỏng với điện cực phẳng cấu trúc hình chữ T, một vi kênh
đặt phía dưới điện cực hình thành một cảm biến điện dung [2]
Cấu trúc làmột vi kênh gồm một lối vào để bơm dầuvà một lối vào để bơm
nước được đặt trên đế làm từ vật liệu cao su silic (PDMS). Sự thay đổi điện dung của
tụ điện của cảm biến khi xuất hiện một giọt nước trong vi kênh dẫn dầu đặt bên dưới
trên điện cực đồng phẳng có thể được phát hiện, có thể xác định được kích thước và
tốc độ. Một mô hình phân tích dùng để dự đoán tín hiệu phát hiện và tối ưu hóa cấu
trúc hình học của cảm biến. Thông tin về giọt chất lỏng đo được hiển thị thông qua
một Labview với giao diện thời gian thực.
16 Hình 1.3Mô hình xử lý của cảm biến với tín hiệu thời gian thực [5]
1.3 Cấu trúc đề xuất
Qua nghiên cứu nhiều tài liệu, để chế tạo khả thi một cảm biến điện dung với
những điều kiện về công nghệ cho phép. Tôi chọn tụ điện đồng phẳng với cấu trúc
lược với kỹ thuật chế tạo bằng bản mạch in, hoàn toàn có thể thực hiện đượcvới hiệu
quả kinh tế, thẩm mĩ nhưng vẫn đảm bảo được sự hoạt động tốt trong nghiên cứu, đo
18
Chƣơng 2. CẢM BIẾN ĐIỆN DUNG
2.1 Giới thiệu về cảm biến và cảm biến chất lỏng
Cảm biến chúng ta cũng thường gọi là sensor đó là loại thiết bị điện tử có khả
năng cảm nhận các biến đổi từ môi trường bên ngoài không có tính chất điện và biến
đổi thành tín hiệu điện, từ đó tín hiệu ấy có thể xử lý và điều khiển các thiết bị khác.
Cảm biến là một trong thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển.
Ngày nay, cảm biến ngày càng trở thành một phần không thể thiếu trong khoa
học kỹ thuật, công nghiệp và đo lường, kiểm tra và điều khiển tự động. Các thành tựu
khoa học, vật liệu đặc biệt sự phát triển chóng mặt của MEMS mang lại sự giảm thiểu
kích thuớc, tính năng, chất lượng và phạm vi ứng dụng. Ngày nay gần như không một
lĩnh vực nào mà không sử dụng đến cảm biến. Chúng có trong các hệ thống điều khiển
tự động, điện thoại thông minh, thiết bị quân sự, giao thông vận tải, bảo quản thực
phẩm, công nghiệp hóa dầu….
nguyên lý Bernoulli. Tức là sự chênh lệch áp suất xảy ra tại chỗ thắt ngẫu nhiên nào đó
trên đường chảy, dựa vào sự chênh áp suất này để tính toán ra vận tốc dòng chảy. Cảm
biến lưu lượng loại này thường có dạng lỗ orifice, ống pitot và ống venture. Chênh
lệch áp suất trước và sau lỗ tròn Δp=p1-p2; lưu lượng thể tích Q được xác định từ biểu
thức Q2=KΔp, p1 - áp suất trước tấm lỗ, p2 - áp suất sau tấm lỗ, K - hệ số, phụ thuộc
vào tỷ trọng chất lỏng, đường kính ống và lỗ tròn. [3]
Hình 2. 1Cảm biến lưu lượng kiểu lỗ tròn
Hình 2.1 thể hiện loại cảm biến tâm lỗ tròn, lỗ này tạo ra nút thắt trên dòng
chảy. Khi chất lỏng chảy qua lỗ này, theo định luật bảo toàn khối lượng, vận tốc của
chất lỏng ra khỏi lỗ tròn lớn hơn vận tốc của chất lỏng đến lỗ đó. Theo nguyên lý
Bernoulli, điều này có nghĩ là áp suất ở phía mặt vào cao hơn áp suất mặt ra. Tiến
hành đo sự chênh lệch áp suất này cho phép xác định trực tiếp vận tốc dòng chảy. Dựa
vào vận tốc dòng chảy sẽ tính được lưu lượng thể tích dòng chảy. Cảm biến này có đặc
điểm được chế tạo dựa trên công nghệ cổ điển, hoạt động ổn định, bền vững, dễ bảo trì
bảo dưỡng, phù hợp cho dòng chảy hỗn hợp. Tuy nhiên độ chính xác thấp ở dải lưu
lượng nhỏ, phải sử dụng kỹ thuật đo lưu lượng chiết tách trong một đoạn ống dẫn, vì
vậy đỏi hỏi phải tiêu hao thêm năng lượng khi chạy bơm. Mặt khác yêu cầu chính xác
vị trí lắp đặt tấm lỗ tròn, điểm trích lỗ đo áp suất đầu nguồn và điểm trích lỗ đo áp suất
phía hạ nguồn dòng chảy. [3]
20
Cảm biến lưu lượng điện từ hoạt động dựa vào định luật điện từ Faraday và
được dùng để đo dòng chảy của chất lỏng có tính dẫn điện. Hai cuộn dây điện từ để tạo
ra từ trường (B) đủ mạnh cắt ngang mặt ống dẫn chất lỏng như hình 2.2 dưới đây.
Theo định luật Faraday, khi chất lỏng chảy qua đường ống sẽ sinh ra một điện áp cảm
ứng. Điện áp cảm ứng này được lấy ra bởi hai điện cực đặt ngang đường ống. Tốc độ
của dòng chảy tỷ lệ trực tiếp với biên độ điện áp cảm ứng đo được.
Hình 2. 3 Cảm biến lưu lượng Coriolis ống đôi dạng cong Delta [3]
Đối với cảm biến đo lưu lượng Coriolis, hai ống dẫn chất lỏng chảy qua được
cho dao động ở tần số cộng hưởng đặc biệt bởi từ trường mạnh bên ngoài. Khi chất
lỏng bắt đầu chảy qua các ống dẫn chất lỏng, nó tạo ra lực Coriolis. Dao động rung của
các ống dẫn cùng với chuyển động thẳng của chất lỏng, tạo ra hiện tượng xoắn trên các
ống dẫn này. Hiện tượng xoắn này là do tác động của lực Coriolis ở hướng đối nghịch
với hướng bên kia của các ống dẫn và sự cản trở của chất lỏng chảy trong ống dẫn đến
phương chuyển động thẳng đứng. Các cảm biến điện cực đặt cả phía dòng chảy vào và
phía dòng chảy ra trên thành ống để xác định sai lệch thời gian về sự dịch pha (Δt) của
tín hiệu vào và tín hiệu ra. Sự dịch pha này (Δt) được dùng để xác định trực tiếp lưu
tốc khối lượng dòng chảy qua ống của cảm biến lưu lượng Coriolis khi chất lỏng đứng
im và khi chất lỏng di chuyển. [3]
Cảm biến lưu lượng Coriolis có đặc tính sau:đo được trực tiếp lưu tốc khối
lượng, loại bỏ ảnh hưởng của nhiệt độ, áp suất, hình dạng dòng chảy đến phép đo, có
độ chính xác cao; Cảm biến đo cho phép mô phỏng quá trình đo lưu lượng và tỷ trọng
bởi vì tần số dao động cơ bản của ống phụ thuộc vào tỷ trọng chất lỏng chảy qua
ống.Tuy nhiên cảm biến lại không đo được lưu lượng chất lỏng dạng đặc biệt (ví dụ
như chất lỏng với chất khí hay hạt rắn; chất khí với chất lỏng có bọt; …) bởi vì các
hạt/vật chất đặc biệt này làm giảm sự dao động của ống dẫn, gây ra sai số phép đo.
Cảm biến lưu lượng siêu âm dựa vào hiệu ứng Doppler được thể hiện trên hình
2.4. Cảm biến này bao gồm bộ phát và bộ thu. Bộ phát thực hiện lan truyền sóng siêu
22
âm với tần số f1=0.5-10MHz vào trong chất lỏng với vận tốc là v. Giả sử rằng hạt vật
chất hoặc các bọt trong chất lỏng di chuyển với cùng vận tốc. Những hạt vật chất này
phản xạ sóng lan truyền đến bộ thu với một tần số f2. Sai lêch giữa tần số phát ra và
tần số thu về của sóng cao tần được dùng để đo vận tốc dòng chảy. Bởi vì loại cảm
biến lưu lượng siêu âm này yêu cầu hiệu quả phản xạ của hạt vật chất trong chất lỏng,
nên nó không làm việc được với các chất lỏng một pha, tinh khiết.
Phương pháp thủy tĩnh:
Hình 2.6 a) Hệ gồm hệ thống phao nổi trên bề mặt chất luu, phao nối với một
ròng rọc qua dây nối không đàn hồi khi mực chất lưu thay đổi sẽ làm phao di chuyển
lên hoặc xuống. Một cảm biến được gắn vào trục quay của ròng rọc sẽ cho tín hiệu tỷ
lệ với mực chất lưu.
Hình 2. 6a,b,c- Cảm biến chất lỏng theo phương pháp thủy tĩnh
Theo như hình 2.6 b Hệ dùng cảm biến chất lỏng gồm một phao hình trụ chìm
trong chất lưu, phía trên được treo bằng cảm biến đo lực. Trong quá trình đo cảm biến
chịu tác động của một lực F tỷ lệ với chiều cao h do chất lưu gây ra.
Theo như hình 2.6 c) Một cảm biến áp suất vi sai dạng màng đặt sát đáy của
bình chứa. Mặt dưới màng của cảm biến áp suất chịu tác động của chất lưu gây ra còn
mặt trên của màng lại chịu tác động của áp suất P
0
của đỉnh bình chứa. Sự chênh lệch
áp suất trên và dưới của màng sẽ làm màng bị biến dạng. Độ biến dạng tỷ lệ với chiều
cao của chất lưu trong bình. Bằng việc sử dụng các bộ biến đổi thích hợp độ biến dạng
sẽ chuyển thành tín hiệu điện và được xử lý để tính toán mức chất lưu h.
24
Phương pháp bức xạ: Với phương pháp này không cần phải tiếp xúc với môi
trường đo thích hợp với chất lỏng độc hại, ăn mòn, nhiệt độ, áp suất cao. Cảm biến
gồm một bộ phát tia (thường là tia gama γ) và một bộ thu là buồng ion hóa. Hình 2. 7Cảm biến đo bức xạ xác định mức chất lỏng
Theo như hình 2.7 a) Cảm biến lưu lượng có chế độ hoạt động phát hiện mức
ngưỡng của chất lưu trong bình. Hệ cảm biến gồm có nguồn phát và nguồn thu đặt đối
diện nhau và ngang với mức ngưỡng cần phát hiện. Chùm tia phát gần như mảnh và
song song với mặt ngang. Tùy thuộc vào mức chất lưu cao hơn hoặc thấp hơn ngưỡng
Trong trường hợp chất lưu là chất dẫn điện, để tạo tụ điện người ta dùng một
điện cực kim loại bên ngoài có phủ cách điện, lớp phủ đóng vai trò chất điện môi còn
chất lưu đóng vai trò điện cực thứ hai.
2.2 Khái niệm và lịch sử phát triển.
Tụ điện được phát minh vào năm 1746 bởi Cuneus và Mussenbroek (Đại học
Leiden hay “Leidsche fles”). Tụ điên sử dụng phổ biến trong các bảng mạch điện tử
hay các thiết bị điện tử.Tụ điện là linh kiện điện tử thụ động được sử dụng rất rộng rãi
trong các mạch điện tử, như mạch lọc nguồn, lọc nhiễu, mạch truyền tín hiệu xoay
chiều, mạch tạo dao động .vv
Cấu tạo của tụ điện gồm hai bản cực đặt song song, ở giữa có một lớp cách điện
gọi là điện môi.Người ta thường dùng vật liệu là giấy, gốm, mica, giấy tẩm hoá chất
làm chất điện môi và tụ điện cũng được phân loại theo tên gọi của các chất điện môi
này như Tụ giấy, Tụ gốm, Tụ hoá… Tụ điện có tính chất tích trữ điện tích trên hai bản
cực cùng cường độ nhưng trái dấu.
Khi chênh lệch điện thế trên hai bản cực là điện thế xoay chiều, sự tích lũy điện
tích bị chậm pha so với điện áp, tạo nên trở kháng của tụ trong mạch xoay chiều.
Copyright: Tài liệu đại học ©