ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

TRẦN NHƯ CHÍ

NGHIÊN CỨU, PHÁT TRIỂN MỘT CẢM BIẾN ĐO
BIẾN DẠNG ỨNG DỤNG CHO CÁC THIẾT BỊ MẶC
ĐƯỢC

LUẬN VĂN THẠC SĨ
CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ, TRUYỀN THÔNG

HÀ NỘI - 2019


2

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

TRẦN NHƯ CHÍ

NGHIÊN CỨU, PHÁT TRIỂN MỘT CẢM BIẾN ĐO
BIẾN DẠNG ỨNG DỤNG CHO CÁC THIẾT BỊ MẶC
ĐƯỢC

Ngành

: Công nghệ kỹ thuật điện tử, truyền thông

Chuyên ngành

2

LỜI CAM ĐOAN
Luận văn đánh dấu cho những thành quả, kiến thức tôi đã thu nhận được trong
quá trình rèn luyện, học tập tại trường. Tôi xin cam đoan luận văn được hoàn thành
bằng quá trình học tập và nghiên cứu của tôi.
Trong luận văn này tôi có tham khảo một số tài liệu và một số bài báo đều được
đưa ra ở phần tài liệu tham khảo.
Tôi xin cam đoan những lời trên là sự thật và chịu mọi trách nhiệm trước thầy cô
và hội đồng bảo vệ luận văn.
.

Hà Nội, tháng 4 năm 2019
Thực hiện

Trần Như Chí


3

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ..................................................................................................................1
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................2
MỤC LỤC .......................................................................................................................3
MỞ ĐẦU .........................................................................................................................8
CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU ............................................................................................. 9
1.1.

Biến dạng ...........................................................................................................9


4.1. Khảo sát cảm biến theo tỉ lệ dung dịch muối ......................................................33
4.2. Khảo sát cảm biến theo đường kính ống silicone ...............................................34
4.3. Khảo sát sự ảnh hưởng của nhiệt độ tới cảm biến ..............................................35
CHƯƠNG 5. ỨNG DỤNG ĐẾM BƯỚC CHÂN DỰA TRÊN CẢM BIẾN ĐO BIẾN
DẠNG ............................................................................................................................ 37
5.1. Thiết lập thí nghiệm ............................................................................................ 37
5.2. Kết quả phân tích và xử lí tín hiệu ......................................................................38
KẾT LUẬN ...................................................................................................................44
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN
.......................................................................................................................................45


4

TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 46


5

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1. Sơ đồ cấu tạo của đầu đo kim loại .................................................................10
Hình 1.2. Các cố định đầu đo trên bề mặt khảo sát .......................................................11
Hình 1.3. Đầu đo chế tạo bằng các mẫu cắt ..................................................................13
Hình 1.4. Đầu đo loại khuếch tán ..................................................................................13
Hình 1.5. Sự phụ thuộc của điện trở suất vào nồng độ pha tạp và nhiệt độ ..................15
Hình 1.6. Sự phụ thuộc của K vào độ pha tạp ............................................................... 15
Hình 1.7. Một số ứng dụng của cảm biến biến dạng dải rộng. (a) Cảm biến được gắn
lên cổ để phát hiện giọng nói. (b) Cảm biến được gắn lên chân để xác định trạng thái
và đếm số bước chân. (c) Cảm biến gắn lên tay để xác định cử chỉ của tay. ................19
Hình 2.1. Mô hình cảm biến đo biến dạng dựa trên chất lỏng ion ................................ 20

Hình 5.6. Tín hiệu gốc ...................................................................................................40
Hình 5.7. Tín hiệu sau khi qua lọc trung bình ............................................................... 41
Hình 5.8. Tín hiệu sau khi qua lọc thông cao ................................................................ 41
Hình 5.9. Tín hiệu sau khi qua lọc ngưỡng và chuyển thành dạng xung vuông ...........42
Hình 5.10. Tín hiệu có xung nhỏ sinh ra từ bước chân ngắn, khớp gối không gập nhiều
.......................................................................................................................................43


7

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Bảng thông số các hợp kim làm đầu đo ........................................................10
Bảng 3.1. Thông số của các cảm biến được chế tạo ......................................................31
Bảng 5.1. Kết quả đếm bước chân so với thực tế .......................................................... 42


8

MỞ ĐẦU
Dưới tác động của ứng lực cơ học, trong môi trường chịu ứng lực xuất hiện biến
dạng. Sự biến dạng của cấu trúc ảnh hưởng rất lớn tới khả năng làm việc cũng như độ
an toàn khi làm việc của kết cấu chịu lực. Mặt khác giữa ứng lực và biến dạng có mối
quan hệ với nhau, dựa vào mối quan hệ đó người ta có thể xác định được ứng lực khi
đo biến dạng do nó gây ra. Bởi vậy, đo biến dạng là một vấn đề được quan tâm nhiều
trong kỹ thuật. Có nhiều loại cảm biến đo biến dạng nhưng phổ biến nhất là cảm biến
đo biến dạng kiểu điện trở. Chúng được chế tạo từ vật liệu có điện trở biến thiên theo
mức độ biến dạng, thường là các hợp kim và các vật liệu bán dẫn (Silic). Tuy nhiên
các cảm được chế tạo từ các vật liệu này có dải đo thấp (5%) nên khó có thể áp dụng
vào các ứng dụng yêu cầu dải đo lớn như giám sát biến dạng địa hình, giám sát vết nứt
của vật liệu, các công trình xây dựng, giám sát hỗ trợ người bệnh phục hồi chức năng,

(1.1)

Biến dạng gọi là đàn hồi khi mà ứng lực mất đi thì biến dạng cũng mất theo. Biến
dạng mà tồn tại ngay cả sau khi ứng lực mất đi được gọi là biến dạng dư.
Giới hạn đàn hồi là ứng lực tối đa không gây nên biến dạng dẻo vượt quá 2%,
tính bằng kG / mm2 . Ví dụ giới hạn đàn hồi của thép là từ 20 – 80 kG / mm2 .
Mô đun Young (Y): Xác định biến dạng theo phương của ứng lực.

 || 

1F 1
 
Y S Y

(1.2)

Ở đây:
- F: Lực tác dụng, kG.
- S: Tiết diện chịu lực, mm2 .
F
-  : Ứng lực,   .
S
Đơn vị đo của mô đun Young là kG / mm2 . Mô đun Young của thép là 18.000 –
29.000 kG / mm2 .
Hệ số poison  : Hệ số xác định biến dạng theo phương vuông góc với lực tác
dụng.

    ||

(1.3)

Cảm biến được cố định trên đế cách điện mỏng, bề dày ~ 0,1 mm làm bằng giấy
hoặc ~ 0,03 mm làm bằng chất dẻo (polyimide, epoxy). Vật liệu làm điện trở thường
thuộc họ hợp kim Ni (Bảng 1.1).
Bảng 1.1. Bảng thông số các hợp kim làm đầu đo
Hợp kim
Constantan
Isoelastic
Karma
Nicrome V
Bạch kim - vonfram

Thành phần
45%Ni, 55%Cu
52%Fe, 36%Ni, 8%Cr, 4% (Mn+Mo)
74%Ni, 20%Cr, 3%Cu, 3%Fe
80%Ni, 20%Cr
92%Pt, 8%W

Hệ số đầu đo K
2,1
3,5
2,1
2,5
4,1


11

Khi đo cảm biến được gắn vào bề mặt của cấu trúc cần khảo sát (hình 1.2), kết
quả là cảm biến cũng chịu một biến dạng như biến dạng của cấu trúc.



 
a
b
d
l

Tiết diện ngang của dây S = ab hoặc S 

d2
4

S
l
 2
S
l

(1.6)

, ta có:

(1.7)

Mặt khác, đối với đầu đo kim loại:





l
l

(1.10)

Vậy ta có:
R
l
l
 1  2   C (1  2 )  K .
R
l
l

(1.11)

Hệ số K được gọi là hệ số đầu đo, giá trị xác định theo biểu thức:
K  1  2  C 1  2 

(1.12)

Vì   0.3 , C  1 , nên đầu đo kim loại có K  2 .
 Các đặc trưng chủ yếu
- Điện trở suất: Điện trở của vật liệu làm dây phải đủ lớn để dây không quá dài
làm tăng kích thước của cảm biến và tiết diện không quá bé làm giảm dòng đo
dẫn đến làm giảm độ nhạy.
- Hệ số đầu đo: Thông thường K = 2 – 3, ngoại trừ isoelastic có K = 3.5 và Platin
– Vonfram K = 4.1.
- Ảnh hưởng của lực đến độ tuyến tính: Trong giới hạn đàn hồi, hệ số đầu đo
không đổi do quan hệ tuyến tính giữa điện trở và biến dạng. Ngoài giới hạn đàn

thuộc các chế tạo.
Đầu đo loại cắt: Chế tạo bằng các mẩu cắt từ tấm đơn tinh thể silic pha tạp có sơ
đồ cấu tạo như hình 1.3. Các mẫu cắt đơn tinh thể được lấy song song với đường chéo
của tinh thể lập phương đối với silic loại P và song song với cạnh lập phương nếu là
silic loại N. Mẫu cắt có chiều dài từ 0.1 mm đến vài mm và chiều dày cỡ 102 mm.
Các mẫu cắt được dán trên đế cách điện bằng nhựa.

Hình 1.3. Đầu đo chế tạo bằng các mẫu cắt

Đầu đo khuếch tán: Điện trở của đầu đo chế tạo bằng cách khuếch tán tạp chất
vào một tấm đế đơn tinh thể silic pha tạp. Sơ đồ cấu tạo của loại này được thể hiện trên
hình 1.4.

Hình 1.4. Đầu đo loại khuếch tán


14

Điện trở loại N nhận được bằng cách khuếch tán vào đế silic loại P một tạp chất
thuộc nhóm V trong bảng tuần hoàn (như P, Sb), còn điện trở loại P khuếch tán tạp
chất thuộc nhóm III (như Ga, In) và đế silic loại N. Chuyển tiếp giữa đế và vùng
khuếch tán tạo nên một diot và luôn dược phân cực ngược (vùng P âm hơn vùng N) để
cho cảm biến cách biệt với đế silic.
Biến thiên điện trở của đầu đo bán dẫn xác định bởi công thức tương tự đầu đo kim
loại:

R l S 




Và hệ số đầu đo là:
K  1  2   Y

(1.17)

Thông thường K = 100 ÷ 200.
 Các đặc trưng chủ yếu
Đối với đầu đo bán dẫn, độ pha tạp là yếu tố quyết định đến các đặc trưng của chúng.
-

Điện trở:

Ảnh hưởng của độ pha tạp: Khi tăng độ pha tạp, mật độ hạt dẫn trong vật liệu tăng lên
và điện trở suất của nó giảm xuống. Biểu thức chung của điện trở suất có dạng:



1
q  n n   p p 

(1.18)

q – Giá trị tuyệt đối của diện tích điện trở hoặc lỗ trống.
n, p – Mật độ điện tử và lỗ trống tự do.

n ,  p - Độ linh động của điện tử và lỗ trống.


15


 Tần số sử dụng tối đa
Tần số của đầu đo không phụ thuộc vào vật liệu chế tạo, silic có thể truyền không suy
giảm các dao động với tần số lớn hơn 106 Hz. Tuy nhiên, tần số làm việc lại phụ thuộc
vào phương pháp gắn đầu đo và kích thước của nó.
Để cho các biến dạng đo được gần như đồng bộ trong phạm vi của đầu đo, chiều dài l
của các nhánh phải nhỏ hơn nhiều lần bước sóng  của dao động cơ học. Quan hệ
giữa kích thước l và chiều dài bước sóng phải thỏa mãn điều kiện:

l  0.1

(1.20)

Chiều dài bước sóng  của dao động cơ học được xác định bởi công thức:



v
f

(1.21)

Trong đó, v là vận tốc truyền sóng và f là tần số dao động.
v=

Y
1 
.
d (1   )(1  2 )

(1.22)

độ lớn của biến dạng.
Tần số dao động của sợ dây xác định theo công thức:

N

1
2l

F
Sd

(1.24)

l - Khoảng cách giữa hai điểm căng dây.
F – Lực tác dụng.
S – Tiết diện dây.
d – Khối lượng riêng của vật liệu chế tạo dây.
Dưới tác dụng của lực F, độ dài dây biến thiên một lượng l xác định từ biểu thức:
l 1 F

l Y S

(1.25)

Do đó tần số dao động của dây:

N

1 Y l
2l d l

l
 K  N12  N 02 
l

(1.30)

Đo N 0 và N1 ta có thể tính được biến dạng của cấu trúc.
1.3. Cảm biến đo biến dạng dải rộng
Cảm biến biến dạng hoặc đầu đo biến dạng được áp dụng rộng rãi để đo
biến dạng cơ học của các cấu trúc [1], [2]. Các cảm biến truyền thống thường
được tạo bởi các hợp kim như hợp kim niken – đồng, hợp kim niken – crom,…
Dải đo biến dạng của các hợp kim này thay đổi từ ± 0.3% đến ± 5% [3]. Với dải
đo này, cảm biến khó có thể áp dụng cho các ứng dụng trong y tế và các ứng
dụng yêu cầu dải đo lớn hơn 10%. Hiện nay, có nhiều nghiên cứu đang tập trung
phát triển cảm biến đo biến dạng dải rộng để thay thế cho các cảm biến truyền
thống, được áp dụng trong lĩnh vực y tế và robotics [4]. Các cảm biến này chủ
yếu được phát triển dựa trên các sợi quang [5], polymer dẫn điện [6], ống nano
cacbon (CNT) [7-9], chất đàn hồi pha tạp [10]. Phương pháp sử dụng sợi quang
yêu cầu các thiết bị đo đạc, tính toán phức tạp, sử dụng các polymer dẫn điện có
thể gặp phải các vấn đề độ trễ lớn và giãn do tính đàn hồi của polymer. Ngoài ra,
các phương pháp trên rất phức tạp, chi phí thực hiện lớn nên khó áp dụng cho
các ứng dụng thực tế. Để giải quyết vấn đề đó, chất lỏng ion (hỗn hợp dung dịch
muối và glycerin [11] hoặc 1-Butyl-1-methyl-pyrrolidinium [12]) được đề xuất.
Việc sử dụng chất lỏng ion trong cảm biến đo biến dạng dải rộng có nhiều ưu
điểm vượt trội như giá thành rẻ, thân thiện với môi trường, hiệu quả cao, trong
khi đó công nghệ chế tạo cảm biến lại đơn giản. Không những thế, chất lỏng dẫn
điện còn có thể được kết hợp với vật liệu có tính đàn hổi và công nghệ chế tạo
hiện đại để tạo ra các cảm biến mềm, mỏng và có hệ số Gauge Factor (GF) cao
[13-15].
Cảm biến đo biến dạng dải rộng là dạng cảm ứng ưu việt đáp ứng được

Trong nghiên cứu này, tôi tập trung nghiên cứu phát triển một cảm biến đo
biến dạng dải rộng sử dụng chất lỏng ion, cụ thể ở đây sử dụng hỗn hợp dung
dịch muối NaCl và Glycerin, từ đó phát triển ứng dụng đếm bước chân với độ
chính xác cao dựa trên cảm biến này. Bằng việc sử dụng mẫu cảm biến đề xuất
này, không những số cử động của chân có thể được xác định chính xác mà thậm
chí có thể phân tích sâu hơn về tính chất của vận động dựa vào phân tích cường
độ và dạng tín hiệu thu được từ cảm biến.


20

CHƯƠNG 2. CẢM BIẾN ĐO BIẾN DẠNG DỰA TRÊN CHẤT LỎNG
ION
2.1. Nguyên lý hoạt động của cảm biến
Cảm biến được đề xuất chế tạo bằng việc bơm hỗn hợp dung dịch natri clorua,
nước và glycerin vào một ống cao su silicone có chiều dài ban đầu
ban đầu

d0

l0

và đường kính

như trong hình 2.1. Hỗn hợp này có khả năng dẫn điện do chúng chứa các

ion Na  và Cl  , khi có điện thế cấp vào hai đầu cảm biến các ion này sẽ dịch chuyển
về hai đầu điện cực. Glycerin được dùng để làm tăng độ nhớt của dung dịch, giảm tỷ lệ
mất nước do bay hơi và giảm sự ăn mòn của các điện cực. Hai đầu ống là hai điện cực
được mạ vàng để tạo ra sự tiếp xúc tốt với dung dịch bên trong và ngăn cản rò rỉ dung


(b)

Hình 2.3. Mạch căn bản và hệ thống hồi tiếp (a) và mạch mạch tương đương (b)
 Điều kiện, nguyên lý hoạt động
Ta có:

R1
1  jwR1C1 
v
 2
R1
v1 R  1 
2
jwC2 1  jwR1C1


Tần số dao động:

wR1C2
w  R1C1  R2C2  R1C2   j  w2 R1R2C1C2  1

(2.2)


22

w0 

1

Trong mạch dao động cầu Wien, ta có thể dùng diode để điều chỉnh biên độ và làm
giảm biến dạng như ở hình 2.4.

Hình 2.4. Điều chỉnh biên độ và biến dạng mạch cầu Wien


23

Trong mạch này, ta sử dụng diode hoạt động trong vùng phi tuyến để tự động điều
chỉnh độ lợi Av . Khi mạch mới hoạt động, tín hiệu ra có biên độ nhỏ, 2 diode không
dẫn, độ lợi Av không bị ảnh hưởng, mạch dao động tốt:

Av  1 

R4
 3.2
R3

(2.5)

Khi điện thế đỉnh của tín hiệu qua R4 khoảng 0.5V thì diode D1 bắt đầu dẫn khi ngõ
ra dương, tương tự D2 sẽ dẫn khi ngõ ra âm. Lúc này hai diode có chức năng như điện
trở, làm giảm độ lợi. Ta mắc thêm biến trở R5 để điều chỉnh độ biến dạng xuống mức
thấp nhất. Độ biến dạng càng thấp khi biên độ tín hiệu ra càng nhỏ nên trong thực tế,
người ta lấy tín hiệu ra bằng cách mắc thêm một mạch khuếch đại không đảo song
song với R2C2 .
 Vấn đề điều chỉnh tần số
Trong mạch dao động cầu Wien, tần số và hệ số hồi tiếp được xác định:
1
(2.6)