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 : Kỹ thuật điện tử

Mã ngành : 8510302.01

LUẬN VĂN THẠC SĨ

CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ, TRUYỀN THÔNG

Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS Chử Đức Trình

HÀ NỘI - 2019

1

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn đến các thầy, cô giáo Trường Đại học Công

nghệ ĐHQGHN, Khoa Điện tử - Viễn thông đã tận tình giảng dạy và truyền đạt những

kiến thức, kinh nghiệm quý giá trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu cũng như

trong quá trình thực hiện đề tài.

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến PGS.TS Chử Đức Trình đã tận tình

hướng dẫn, cung cấp tài liệu, thiết bị trong suốt quá trình thực hiện đề tài này.

.

Hà Nội, tháng 4 năm 2019

Trần Như Chí

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

1.2.1. Đầu đo điện trở kim loại ........................................................................... 10

1.2.2. Cảm biến áp trở silic ................................................................................. 13

1.2.3. Đầu đo trong chế độ động ......................................................................... 15

1.2.4. Ứng suất kế dây rung ................................................................................ 17

1.3. Cảm biến đo biến dạng dải rộng ...................................................................... 18

CHƯƠNG 2. CẢM BIẾN ĐO BIẾN DẠNG DỰA TRÊN CHẤT LỎNG ION ... 20

2.1. Nguyên lý hoạt động của cảm biến ................................................................ 20

2.2. Đo điện trở của cảm biến .................................................................................... 21

2.2.1. Mạch tạo dao động cầu Wien ....................................................................... 21

2.2.2. Nguồn dòng Howland ................................................................................... 24

2.2.3. Thiết kế hệ đo ................................................................................................ 25

CHƯƠNG 3. CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM .............................................................. 27

3.1. Chế tạo cảm biến ................................................................................................. 27

3.2. Thiết lập thí nghiệm ............................................................................................ 31

CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ KHẢO SÁT HOẠT ĐỘNG CẢM BẾN .............................. 33

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 LUÂN ................................................................................................................... 44

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUÂN 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 2.2. Nguyên tắc của cảm biến biến dạng. (a) Cảm biến ở trạng thái ban đầu, (b)

Cảm biến khi được kéo dãn. .......................................................................................... 21

Hình 2.3. Mạch căn bản và hệ thống hồi tiếp (a) và mạch mạch tương đương (b) ....... 21

Hình 2.4. Điều chỉnh biên độ và biến dạng mạch cầu Wien ......................................... 22

Hình 2.5. Điều chỉnh tần số dùng biến trở đôi .............................................................. 23

Hình 2.6. Điều chỉnh tần số dùng hồi tiếp âm ............................................................... 23

Hình 2.7. Mạch nguồn dòn Howland ............................................................................ 24

Hình 2.8. Sơ đồ mạch đo ............................................................................................... 26

Hình 3.1. Công thức hóa học của cao su silicone .......................................................... 27

Hình 3.2. Cấu trúc tinh thể clorua natri. Lục sẫm = Na+; Lam nhạt = Cl- .................... 28

Hình 3.3. Công thức hóa học của Glycerin ................................................................... 29

Hình 3.4. Các cảm biến sau khi chế tạo ........................................................................ 31

Hình 3.5. Mạch thực tế .................................................................................................. 32

Hình 3.6. Bộ điều chỉnh ứng lực ................................................................................... 32

Hình 4.1. Kết quả thí nghiệm cho thấy điện trở thay đổi do biến dạng với các tỉ lệ

NaCl/Nước/glycerin lần lượt là 1:15:5 (a), 1:18:5 (b), 1:25:5 (c). ................................ 34

Hình 4.2. Kết quả thí nghiệm cho thấy điện trở thay đổi do biến dạng với các ống

silicone có đường kính khác nhau. (a) d = 0.5mm. (b) d = 1mm. (c) d=1.5mm ........... 34

6

Hình 4.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ tới cảm biến. (a) Ảnh hưởng của nhiệt độ đến cảm

biến khi chưa kéo dãn. (b) Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hệ số GF của cảm biến khi kéo

dãn ................................................................................................................................. 36

Hình 5.1. Gắn cảm biến lên khớp gối ............................................................................ 37

Hình 5.2. Chương trình phần mềm trên máy tính ......................................................... 38

Hình 5.3. Dạng tín hiệu khi gập và duỗi chân ............................................................... 39

Hình 5.4. Tín hiệu thu được từ các hoạt động của con người ....................................... 39

Hình 5.5. Thuật toán xử lí tín hiệu ................................................................................ 39

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,

hỗ trợ các bài tập vật lý trị liệu trong y học... Chính bởi vậy, việc phát triển loại cảm

biến biến dạng lớn vẫn đã và đang là bài toán rất được quan tâm. Gần đây, có nhiều

nhiều nghiên cứu tập trung vào phát triển các cảm biến đo biến dạng có dải đo rộng

bằng việc sử dụng các vật liệu mới có độ kéo dãn cao như sợi quang, polymer,… Đặc

biệt là cảm biến đo biến dạng dải rộng sử dụng chất lỏng ion. Một loại cảm biến dễ chế

tạo, chi phí thấp và thân thiện với môi trường.

Mục tiêu của đề tài này là phát triển một cảm biến biến dạng sử dụng chất lỏng

ion cho các ứng dụng trên thiết bị mặc trên người (weable devices). Chất lỏng ion

được sử dụng là hỗn hợp của glycerin với dung dịch muối Natri clorua trong nước với

các tỷ lệ khác nhau. Cảm biến được chế tạo sử dụng dung dịch này chứa trong ống

silicone hình trụ với hai điện cực được làm bằng kim loại. Các nghiên cứu được thực

hiện khảo sát hoạt động của cảm biến, cũng như khả năng ứng dụng cảm biến vào thực

tế đã được thực hiện. Mạch điện tử thu thập dữ liệu từ cảm biến đã được phát triển.

Hoạt động của cảm biến cho việc phát hiện biến dạng đã được kiểm nghiệm. Bên cạnh

đó một ứng dụng sử dụng cảm biến gắn trên thiết bị mặc được đã được phát triển cho

bài toán đếm bước chân.

9

CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU

1.1. Biến dạng

Biến dạng ( ) là tỉ số giữa độ biến thiên kích thước ( L ) và kích thước ban đầu

( 0l ).

0

l

l

(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 2/kG mm . Ví dụ giới hạn đàn hồi của thép là từ 20 – 80

2/kG mm .

Mô đun Young (Y): Xác định biến dạng theo phương của ứng lực.

||

1 1F

Y S Y (1.2)

Ở đây:

- F: Lực tác dụng, kG.

- S: Tiết diện chịu lực, 2mm .

- : Ứng lực, F

S .

Đơn vị đo của mô đun Young là 2/kG mm . Mô đun Young của thép là 18.000 –

29.000 2/kG mm .

Hệ số poison : Hệ số xác định biến dạng theo phương vuông góc với lực tác

dụng.

|| (1.3)

Trong vùng biến dạng đàn hổi 0,3 .

1.2. Phương pháp đo biến dạng

Tác động của ứng lực gây ra sự biến dạng trong kết cấu chịu ứng lực. Giữa biến

dạng và ứng lực có quan hệ chặt chẽ với nhau, bằng cách đo biến dạng ta có thể tính

được ứng lực tác động lên kết cấu. Để đo biến dạng người ta sử dụng các cảm biến

biến dạng hay còn gọi là đầu đo biến dạng. Hiện nay, trên thị trường sử dụng phổ biến

hai loại đầu đo biến dạng là đầu đo điện trở và đầu đo dạng rung.

10

Đầu đo điện trở là loại đầu đo dùng phổ biến nhất. Chúng được chế tạo từ vật

liệu có điện trở biến thiên theo mức độ biến dạng, với kích thước nhỏ từ vài mm đến

vài cm, khi đo chúng được dán trực tiếp lên cấu trúc biến dạng. Trong công nghiệp,

đầu đo điện trở kim loại (hợp kim Constantan, Nicrome V,..) và đầu đo điện trở bán

dẫn – áp điện trở (Silic) thường được sử dụng.

Đầu đo dạng rung được dùng trong ngành xây dựng. Đầu đo được làm bằng một

sợi dây kim loại căng giữa hai điểm của cấu trúc cần đo biến dạng. Tần số của dây

rung là hàm của sức căng cơ học, tần số này thay đổi khi khoảng cách giữa hai điểm

nối thay đổi.

1.2.1. Đầu đo điện trở kim loại

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Đầu đo điện trở kim loại có cấu tạo dạng lưới. Đối với đầu đo dạng lưới dây, đầu

đo được làm bằng dây điện trở có tiết diện tròn (đường kính 2d m ) hoặc tiết diện

chữ nhật axb (hình 1.1a). Đầu đo dạng lưới màng được chế tạo bằng phương pháp

mạch in (hình 1.1b). Số nhánh n của cảm biến thường 10 – 20 nhánh.

Hình 1.1. Sơ đồ cấu tạo của đầu đo kim loại

a) Đầu đo dùng dây quấn. b) Đầu đo dùng lưới màng

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 Thành phần Hệ số đầu đo K

Constantan 45%Ni, 55%Cu 2,1

Isoelastic 52%Fe, 36%Ni, 8%Cr, 4% (Mn+Mo) 3,5

Karma 74%Ni, 20%Cr, 3%Cu, 3%Fe 2,1

Nicrome V 80%Ni, 20%Cr 2,5

Bạch kim - vonfram 92%Pt, 8%W 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.

Hình 1.2. Các cố định đầu đo trên bề mặt khảo sát

1) Bề mặt khảo sát. 2) Cảm biến. 3) Lớp bảo vệ. 4) Mối hàn. 5) Dây dẫn. 6) Cáp

điện. 7) Keo dán.

Điện trở của cảm biến xác định bởi biểu thức:

lR

S

(1.4)

Phương trình sai phân:

R l S

R l S

(1.5)

Biến dạng dọc l của dây kéo theo biến dạng ngang của tiết diện, quan hệ giữa biến

dạng ngang và biến dạng dọc có dạng:

a b d l

a b d l

(1.6)

Tiết diện ngang của dây S = ab hoặc 2

4

dS

, ta có:

2S l

S l

(1.7)

Mặt khác, đối với đầu đo kim loại:

VC

V

(1.8)

C – Hằng số Bridman.

12

V – Thể tích dây.

Vì .V S l , ta có:

(1 2 )V l

V l

(1.9)

Và:

(1 2 )l

Cl

(1.10)

Vậy ta có:

1 2 (1 2 ) .R l l

C KR l l

(1.11)

Hệ số K được gọi là hệ số đầu đo, giá trị xác định theo biểu thức:

1 2 1 2K C (1.12)

Vì 0.3 , 1C , nên đầu đo kim loại có 2K .

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

hồi, khi 0.5% 20%l

l

, tùy theo vật liệu, hệ số đầu đo 2K .

- Ảnh hưởng của nhiệt độ: Nói chung K ít chịu ảnh hưởng của nhiệt độ, ngoại trừ

isoelastic. Trong khoảng nhiệt độ từ -100°C ÷ 300°C sự thay đổi của hệ số đầu

đo K theo nhiệt độ có thể biểu diễn bởi biểu thức:

0 0( ) 1 KK T K T T (1.13)

0K - Hệ số đầu đo nhiệt độ chuẩn 0T (thường 0 25T C ).

K - Hệ số phụ thuộc vật liệu. Với Nichrome V thì 0.04K % / C ,

constantan 0.01K % / C .

- Độ nhạy ngang: Ngoài các nhánh dọc có điện trở LR cảm biến còn có các đoạn

nhánh ngang có tổng độ dài tl , điện trở tR , do đó điện trở tổng cộng của cảm

13

biến bằng L tR R R . Trong quá trình biến dạng các đoạn ngang cũng bị biến

dạng, tR thay đổi cũng làm cho R thay đổi. Tuy nhiên do t LR R , ảnh hưởng

của biến dạng ngang cũng không lớn.

1.2.2. Cảm biến áp trở silic

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Đầu đo bán dẫn được làm bằng đơn tinh thể silic pha tạp. Cấu tạo của chúng phụ

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 210 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

R l S

(1.14)

Đối với đầu đo bán dẫn, biến thiên điện trở suất do tác dụng của ứng lực có dạng:

lY

l

(1.15)

Trong đó là hệ số áp điện trở, là ứng lực tác dụng.

Vậy:

1 2R l

YR l

(1.16)

Và hệ số đầu đo là:

1 2K 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

n pq n 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

Hình 1.5. Sự phụ thuộc của điện trở suất vào nồng độ pha tạp và nhiệt độ

Ảnh hưởng của nhiệt độ: Khi nhiệt độ nhỏ hơn 120°C hệ số nhiệt điện trở có giá

trị dương và giảm dần khi độ pha tạp tăng lên.

Ở nhiệt độ cao hệ số nhiệt điện trở có giá trị âm và không phụ thuộc vào độ pha tạp.

- Hệ số đầu đo K:

Ảnh hưởng của độ pha tạp: Hệ số đầu đo phụ thuộc vào độ pha tạp, khi độ pha tạp tăng

lên, hệ số đầu đo giảm như thấy trong hình 1.6.

Hình 1.6. Sự phụ thuộc của K vào độ pha tạp

Ảnh hưởng của độ biến dạng: Hệ số đầu đo phụ thuộc vào độ biến dạng, quan hệ có

dạng:

2

1 2 2K K K K (1.19)

Tuy nhiên, với độ biến dạng dưới một giá trị cực đại nào đó có thể coi K không đổi.

Ảnh hưởng của nhiệt độ: Khi nhiệt độ tăng hệ số đầu đo giảm, tuy nhiên khi pha tạp

lớn (cỡ 2010dN 3cm) hệ số đầu đo ít phụ thuộc nhiệt độ.

1.2.3. Đầu đo trong chế độ động

16

Khi đo biến dạng trong chế độ động, đầu đo phải thỏa mãn một số yêu cầu nhất định

như tần số sử dụng tối đa, giới hạn mỏi.

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 610 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:

0.1l (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 = 1

.(1 )(1 2 )

Y

d

(1.22)

Y – Là mô-đun Young.

- Hệ số poisson.

d – Trọng lượng riêng vật liệu chế tạo dây.

Vậy tần số cực đại maxf của dao động khi chiều dài nhánh của đầu đo là l bằng:

max10.

vf

l (1.23)

Giới hạn mỏi

Biến dạng nhiều lần làm tăng điện trở đầu đo do hiệu ứng mỏi, hiệu ứng này càng lớn

khi biên độ biến dạng càng lớn.

Giới hạn mỏi được xác định bởi số chu kỳ biến dạng N với biên độ cho trước gây nên

biến thiên điện trở bằng 410 ứng với chu kỳ biến dạng giả định. Đối với biên độ biến

dạng cỡ ± 32.10 giới hạn mỏi nằm trong khoảng từ

410 (constantan) đến 810

(isoelastic) chu kỳ.

17

1.2.4. Ứng suất kế dây rung

Ứng suất kế dây rung được dùng để theo dõi kiểm tra các công trình xây dựng như

đập, cầu, đường hầm,…

Cấu tạo của ứng suất kế dây rung gồm một dây thép căng giữa hai giá gắn vào cấu trúc

cần nghiên cứu biến dạng. Khi có biến dạng, sự căng cơ học của dây kéo theo sự thay

đổi tần số dao động N của dây, bằng cách đo tần số dao động của dây có thể biết được

độ lớn của biến dạng.

Tần số dao động của sợ dây xác định theo công thức:

1

2

FN

l 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:

1l F

l Y S

(1.25)

Do đó tần số dao động của dây:

1

2

Y lN

l d l

(1.26)

Suy ra:

22 24

.l l d

N K Nl Y

(1.27)

Giả sử 0l là độ kéo dài ban đầu và 0N là tần số tương ứng khi chưa có biến dạng:

200.

lK N

l

(1.28)

Khi có biến dạng, độ kéo dài tổng cộng của dây là 1l và tần số là 1N , ta có:

211.

lK N

l

(1.29)

18

Vì độ kéo dài do biến dạng 1 0l l l , suy ra:

2 2

1 0

lK N N

l

(1.30)

Đo 0N và 1N 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

những yêu cầu về độ bền, độ nhạy, độ linh hoạt và thời gian đáp ứng cũng như

thời gian khôi phục. Do đó, chúng được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực

khác nhau trong công nghiệp và đời sống. Ví dụ như trong ứng dụng phát hiện

chuyển động tay sử dụng hai chất lỏng dẫn điện khác nhau: chất lỏng ion và kim

loại lỏng [16], chất lỏng ion được sử dụng để phát hiện những thay đổi về biến

dạng cơ học của vật liệu làm cảm biến còn kim loại lỏng như là các dây dẫn có

khả năng kéo dãn và linh hoạt để kết nối các cảm biến tới mạch điều khiển bên

ngoài. Hai chất lỏng dẫn điện này kết hợp với vật liệu có tính đàn hồi cao để tạo

ra các cảm biến mềm. Sau đó, các cảm biến được gắn lên năm ngón tay giống

như một lớp da nhân tạo. Trong một ví dụ khác, cảm biến đo biến dạng dải rộng

19

còn được sử dụng để phát hiện chuyển động của con người bằng cách gắn chúng

lên quần áo mặc hoặc trực tiếp lên cơ thể con người [17-21]. Không chỉ có vậy,

các cảm biến đo biến dạng dải rộng còn được sử dụng trong các ứng dụng về y tế

như phẫu thuật [4], theo dõi tim mạch [22], giám sát sức khoẻ tại nhà như thấy

trong hình 1.7 [23].

a) b) c)

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.

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 0l và đường kính

ban đầu 0d 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

dịch ra môi trường. Bằng cách mạ vàng điện cực, điện cực sẽ không bị ăn mòn bởi

dung dịch chất lỏng dẫn điện. Cuối cùng, để ngăn chất dung dịch bên trong ống không

rỉ ra ngoài và tránh việc không khí lọt vào trong tạo ra các bọt khí, chúng tôi sử dụng

keo silicone dán lên phần tiếp xúc giữa các điện cực với ống cao su.

Hình 2.1. Mô hình cảm biến đo biến dạng dựa trên chất lỏng ion

Khi chưa có lực kéo tác dụng thì điện trở của cảm biến là:

0

2

0

4

s

lR

d

(2.1)

Ở đây, là điện trở suất của dung dịch muối trong ống silicone.

Khi tác dụng lực kéo vào hai đầu cảm biến, cảm biến có sự thay đổi về hình dạng,

cụ thể chiều dài cảm biến tăng lên thành 0l l , đồng thời tiết diện của ống silicone

giảm còn 0d d như thấy ở hình 2.2. Điều đó làm cho giá trị điện trở của cảm biến

cũng thay đổi. Do đó, cảm biến sẽ hoạt động như một bộ đo biến dạng mà điện trở của

dung dịch sR sẽ tăng lên khi có tác dụng lực kéo dãn.

21

Hình 2.2. Nguyên tắc của cảm biến biến dạng. a) Cảm biến ở trạng

thái ban đầu, b) Cảm biến khi được kéo dãn.

2.2. Đo điện trở của cảm biến

2.2.1. Mạch tạo dao động cầu Wien

Mạch dao động cầu Wien là một dạng dao động dịch pha, thường dùng bộ khuếch đại

thuật toán (Op-Amp) được mắc theo kiểu khuếch đại không đảo như hình 2.3.

(a) (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:

1

1 12

112

2 1

1

1

1 1

R

jwR Cv

RvR

jwC jwR C

1 2

2

1 1 2 2 1 2 1 2 1 2 1

wR C

w R C R C R C j w R R C C

(2.2)

Tần số dao động:

22

0 0

1 2 1 2 1 2 1 2

1 1

2w f

R R C C R R C C (2.3)

Vậy:

1 2

1 21 1 2 2 1 2

2 1

1

1

R C

C RR C R C R C

C R

(2.4)

Nếu chọn 1 2R R R và 1 2C C C , ta có vA = 3 và 0

1

2f

RC

Khi vA < 3: Mạch không dao động.

Khi vA >> 3: Mạch dễ dao động nhưng tín hiệu ra bị biến dạng. (Đỉnh dương và đỉnh

âm của tín hiệu bị cắt).

Vì vậy, để mạch dao động tốt khi khởi động mạch ta tính toán sao cho vA > 3 để mạch

dễ dao động, sau đó giảm dần xuống gần bằng 3 để giảm biến dạng.

Vấn đề điều chỉnh biên độ, biến dạng

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 vA . Khi mạch mới hoạt động, tín hiệu ra có biên độ nhỏ, 2 diode không

dẫn, độ lợi vA không bị ảnh hưởng, mạch dao động tốt:

4

3

1 3.2v

RA

R (2.5)

Khi điện thế đỉnh của tín hiệu qua 4R khoảng 0.5V thì diode 1D bắt đầu dẫn khi ngõ

ra dương, tương tự 2D 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 5R 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 2 2R C .

Vấn đề điều chỉnh tần số

Trong mạch dao động cầu Wien, tần số và hệ số hồi tiếp được xác định:

0

1 2 1 2

1

2f

R R C C (2.6)

1 2

2 1

1

1C R

C R

(2.7)

Vì vậy, muốn điều chỉnh tần số ta phải thay đổi các thông số trên nhưng không được

ảnh hưởng hệ số hồi tiếp , do vậy, ta phải thay đổi 1R và 2R , 1C và 2C cùng lúc,

tức là phải dùng biến trở đôi hoặc tụ xoay đôi như hình 2.5.

Hình 2.5. Điều chỉnh tần số dùng biến

trở đôi

Hình 2.6. Điều chỉnh tần số dùng hồi tiếp

âm

24

Nhưng do các linh kiện điện tử khó có sự đồng nhất nên ta rất khó có được kết quả

như mong muốn. Để khắc phục vấn đề này, ta dùng hồi tiếp âm và chỉ làm thay đổi

một phần, độ lợi không thay đổi như thấy trong hình 2.6.

Từ công thức 2.6, với 1 2C C C , 2R R ta có:

0

1

1

2f

C R R (2.7)

1

1

2R

R

(2.8)

Ta có 1

0

1~R

f, mặt khác 1 ~R . Ta tính lại thấy độ lợi không đổi.

0101

1 1

ii

v v Rv v

R R R (2.9)

0 1 010 01

ii i

v v v vv v v v

R R

0 01 0

1

2 i i

Rv v v v v

R

0

1

2v

i

v RA

v R (2.10)

1

11

2vA

R

R

(2.11)

2.2.2. Nguồn dòng Howland

Nguồn dòng Howland được phát minh bởi Giáo sư Bradford Howland vào đầu những

năm 1960. Bao gồm một bộ khuếch đại thuật toán và một cầu điện trở như thấy trong

hình 2.7.

Hình 2.7. Mạch nguồn dòn Howland

25

Để cầu điện trở cân bằng ta có:

2 4

1 3

R R

R R (2.12)

Xét tại nút điện áp ở lối vào đảo của bộ khuếch đại:

0

1 2

0V VV V

R R

(2.13)

Xét tại nút điện áp ở lối vào không đảo của bộ khuếch đại:

0

3 4 L

V VV V V

R R R

(2.14)

Từ phương trình 2.1, rút 0V V ta được:

2 40

1 3

R RV V V V V V

R R

(2.15)

Thay vào phương trình 2.3:

3 3 3

L

L

V V V V V V VI

R R R R

(2.16)

Như vậy, ta có thể thấy dòng điện chạy qua điện trở LR chỉ phụ thuộc vào điện áp lối

vào và điện trở 3R mà không phụ thuộc vào sự thay đổi của điện trở LR . Nếu như điện

áp lối vào và điện trở 3R cố định thì dòng điện chạy qua điện trở LR được giữ nguyên

giá trị khi LR thay đổi.

2.2.3. Thiết kế hệ đo

Về nguyên lý, điện trở của cảm biến có thể được tính bằng cách sử dụng nguồn

dòng cho dòng điện ( DCI ) chạy qua cảm biến và tính điện áp giữa hai đầu cảm biến (

DCV ). Khi đó điện trở của cảm biến sẽ được tính bằng công thức theo định luật Ohm:

DCS

DC

VR

I (2.17)

Tuy nhiên, vì cảm biến sử dụng chất lỏng ion nên nếu sử dụng điện áp một chiều

tác dụng lên hai đầu điện cực thì sẽ hình thành điện dung kí sinh giữa điện cực và chất

lỏng dẫn điện, điều đó làm cho phép đo không được ổn định [1]. Vì vậy, trong nghiên

cứu này, một nguồn dòng AC được sử dụng để cải thiện được độ chính xác của phép

đo. Giá trị điện trở trên cảm biến sẽ được đo bằng phương pháp đo bốn cực, sử dụng

mạch nguồn dòng Howland và mạch cầu Wien tạo dao động như hình 2.8. Mạch cầu

Wien sẽ tạo ra tín hiệu xoay chiều hình sin tại tần số xác định đưa vào cảm biến.

Nguồn dòng Howland giữ tín hiệu dòng điện ổn định đi qua cảm biến. Sau đó, giá trị

26

nguồn dòng qua cảm biến si được xác định bởi điện trở trở R7 thông qua công thức

2.4 của mạch nguồn dòng Howland:

7

iS

Vi

R (2.18)

Giá trị dòng điện si chỉ phụ thuộc vào giá trị 7R mà không phụ thuộc vào sự thay

đổi giá trị trở của cảm biến khi cảm biến chịu tác dụng của lực kéo. Biên độ tín hiệu

lối ra (sV ) được xác định bằng mạch tích hợp bao gồm một bộ khuếch đại công cụ cùng

với một bộ thu đỉnh. Mạch lọc thông cao nhằm loại bỏ nhiễu tần số thấp (50, 60 Hz) từ

môi trường.

Khi có được độ lớn điện áp và dòng điện qua hai đầu cảm biến (thông qua nguồn

dòng Howland), ta có thể được giá trị điện trở của cảm biến bằng công thức:

ss

s

VR

i (2.19)

Ngoài ra, hệ thống có thêm một bộ thu thập dữ liệu sử dụng vi điều khiển để

nhận dữ liệu từ cảm biến đồng thời giao tiếp với máy tính thông qua module truyền

thông Bluetooth.

Nguồn dòng Howland

-

+

R6

R8

R7

R9

TL082

inV

Dao động Wien

HPF

MCU

Bluetooth

Xác định đỉnh

Rs

Hình 2.8. Sơ đồ mạch đo

27

CHƯƠNG 3. CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM

3.1. Chế tạo cảm biến

Chuẩn bị: Ống cao su silicone, muối NaCl, Glycerin, nước cất và cốc thí

nghiệm, bơm tiêm y tế.

- Ống cao su silicone

Công thức hóa học của loại cao su silicone đơn giản nhất là polydimethylsiloxane

(MQ) như thấy trong hình 3.1

Hình 3.1. Công thức hóa học của cao su silicone

Trong công thức này, do liên kết Si-O (444 kJ/mol) bền hơn liên kết C-C (356 kJ/mol)

làm cho cao su silicone có tính kháng nhiệt độ cao tốt hơn các loại cao su hữu cơ

truyền thống. Bên cạnh đó, mạch chính cao su silicone không có các liên kết đôi chưa

bão hòa làm cao su silicone trơ, kháng tốt với các yếu tố môi trường như oxy, ozon,

ánh sáng mặt trời. Ngoài ra, do năng lượng quay tự do của liên kết Si-O thấp tạo nên

tính mềm dẻo cho cao su silicone chưa gia công.

Thực tế, các mạch phân tử polysiloxane được biến tính, thêm vào các nhánh bên để đạt

được những tính chất nhất định cho các ứng dụng riêng biệt. Nhìn chung, methyl,

vinyl, phenyl và trifluoropropyl là các nhóm nhánh thông dụng nhất tạo thành các sản

phẩm polysiloxane thương mại khác nhau.

Sự kết hợp của các nhóm vinyl (ít hơn 1% mol) như nhánh bên của chuỗi phân tử

polysiloxane (loại VMQ) tăng đáng kể hiệu quả kết mạng với các peroxide hữu cơ.

Điều này giúp loại VMQ có tính biến dạng dư thấp và tính kháng dầu nóng cải thiện so

với loại MQ. Nhánh vinyl có thể được kết hợp vào mạch chính ở những vị trí nhất

định, giúp kiểm soát các liên kết mạng, tính chất cơ lý của sản phẩm tốt hơn và ổn

định trong thời gian dài. Ngày nay, hầu hết các loại cao su silicone thương mại đều

chứa một lượng đơn vị vinyl nhất định.

Tương tự, việc thế một phần các nhóm methyl (5 tới 10%) bằng các nhóm phenyl (loại

PMQ) sẽ giúp cao su silicone cải thiện tính kháng nhiệt độ thấp. Một loại cao su

silicone khác là fluorosilicone, các nhánh trifluoropropyl được gắn vào chuỗi

28

polydimethylsiloxane mang lại tính phân cực cho cao su silicone, giúp kháng được

nhiên liệu, dầu mỡ và dung môi.

Tính chất hóa lý của cao su silicone

Nhìn chung, cơ tính của cao su silicone tương đối kém. Độ bền kéo của chúng phụ

thuộc nhiều vào chất độn silica gia cường nhưng rất khó để nâng độ bền kéo của cao

su silicone trên 15 MPa. Tuy vậy trong các ứng dụng nhiệt độ cao, sự duy trì độ bền

kéo của cao su silicone tốt hơn rất nhiều so với cao su thiên nhiên và các loại cao su

tổng hợp khác. Độ bền xé và độ mỏi của cao su silicone nhìn chung thấp. Độ bền xé

được cải thiện đáng kể bằng cách thay đổi sự phân bố liên kết mạng, bề mặt silica và

cấu trúc phân tử của polymer silicone. Ngoài ra, cao su silicone thể hiện sự biến dạng

dư sau nén thấp trong một dãy rộng nhiệt độ. Nhờ nhiều cải tiến, cao su silicone giờ

đây có độ bền tương đối, được sử dụng trong các ứng dụng động học thông thường,

không quá khắc nghiệt.

Đặc tính vốn có của chuỗi polymer silicone, liên kết ‘Si-O-Si’ uốn dẻo, ổn định cao

dẫn đến sự duy trì nhiều tính chất mong muốn trong một khoảng nhiệt độ rộng. Tính

kháng nhiệt và tuổi thọ dự tính của các loại cao su silicone phụ thuộc vào nhiệt độ mà

chúng tiếp xúc, nhiệt độ tiếp xúc càng cao thì tuổi thọ dự tính càng thấp. Cao su

silicone thể hiện tính năng lâu hơn và tốt hơn ở nhiệt độ cao so với hầu hết các loại cao

su hữu cơ khác. Tính kháng lạnh của cao su silicone phụ thuộc nhiều vào cấu trúc của

nó. Cao su silicone loại MQ và VMQ có thể chịu được nhiệt độ khoảng -55°C, trong

khi cao su silicone chứa nhóm phenyl, PMQ và PVMQ, có thể chịu được tới khoảng -

90°C.

- Muối NaCl

Natri clorua còn gọi là muối ăn, muối, muối mỏ, hay halua, là hợp chất hóa

học với công thức hóa học NaCl. Natri clorua là muối chủ yếu tạo ra độ mặn trong

các đại dương và của chất lỏng ngoại bào của nhiều cơ thể đa bào. Là thành phần

chính trong muối ăn, nó được sử dụng phổ biến như là đồ gia vị và chất bảo quản thực

phẩm.

Cấu trúc tinh thể

Hình 3.2. Cấu trúc tinh thể clorua natri. Lục sẫm = Na+; Lam nhạt = Cl-

29

Natri Clorua tạo thành các tinh thể có cấu trúc cân đối lập phương. Trong các tinh thể

này, các ion clorua lớn hơn được sắp xếp trong khối khép kín lập phương, trong khi

các ion natri nhỏ hơn điền vào các lỗ hổng bát diện giữa chúng. Mỗi ion được bao

quanh bởi 6 ion khác loại. Cấu trúc cơ bản như thế này cũng được tìm thấy trong

nhiều khoáng chất khác và được biết đến như là cấu trúc halua.

Vai trò sinh học

Natri clorua là khoáng chất thiết yếu cho sự sống trên Trái Đất. Phần lớn các mô sinh

học và chất lỏng trong cơ thể chứa các lượng khác nhau của clorua natri. Nồng độ các

ion natri trong máu có mối liên quan trực tiếp với sự điều chỉnh các mức an toàn của

hệ cơ thể - chất lỏng. Sự truyền các xung thần kinh bởi sự truyền tính trạng tín

hiệu được điều chỉnh bởi các ion natri. (Các ion kali - một kim loại có các thuộc tính

rất giống natri, cũng là thành phần chính trong cùng các hệ cơ thể).

Dung dịch 0,9% natri clorua trong nước được gọi là nước đẳng trương hay dung dịch

sinh lý học do nó là đẳng trương với huyết tương. Nó được biết đến trong y học như

là normal saline. Dung dịch nước đẳng trương là cơ sở chính của phẫu thuật thay thế

chất lỏng được sử dụng rộng rãi trong y học để ngăn chặn hay xử lý sự mất nước, hay

để truyền ven để ngăn sốc do mất máu.

Người là dị thường trong số các loài linh trưởng do có sự tiết ra mồ hôi chứa một

lượng lớn clorua natri.

- Glycerin

Glycerin hay glycerol, glyxerol, glyxerin là một rượu đa chức, gồm 3 nhóm -OH gắn

vào gốc hyđrocacbon C3H5 (công thức hóa học là C3H5(OH)3 hay C3H8O3). Glycerin là

một thành phần quan trọng tạo nên chất béo, thuốc nổ nitroglyxerin... Nó có một số

tính chất của một rượu đa như phản ứng với Cu(OH)2 tạo ra dung dịch xanh trong

suốt. Đây cũng là phản ứng đặc trưng để nhận biết rượu đa chức có 2 nhóm -OH trở

lên gắn liền kề nhau.

Hình 3.3. Công thức hóa học của Glycerin

Tính chất hóa học của glyceril (glyxerol)

+ Là chất phân cực

30

+ Tác dụng với Na

+ Tác dụng với HNO3 (H2SO4 xúc tác)

+ Tác dụng với Cu(OH)2 tạo ra phức chất dung dịch màu xanh thẫm

- Nước cất:

Nước cất là nước tinh khiết, nguyên chất, được điều chế bằng cách chưng cất và

thường được sử dụng trong y tế như pha chế thuốc tiêm, thuốc uống, biệt dược, rửa

dụng cụ y tế, rửa vết thương. Thành phần nước cất hoàn toàn không chứa các tạp chất

hữu cơ hay vô cơ, do đó nó cũng là dung môi thích hợp để rửa dụng cụ thí nghiệm, pha

chế hóa chất hoặc thực hiện một số phản ứng hóa học. Trong thực tế, người ta thường

sử dụng nước cất bán tại các nhà thuốc dưới dạng đóng chai. Tuy nhiên, điều kiện gia

đình nếu thích hợp vẫn có thể tự điều chế nước cất bằng cách cho nước lã vào đun sôi

và hứng nước / hơi nước ngưng tụ trong môi trường lạnh.

Phân loại

Nước cất thông thường được chia thành ba loại: Nước cất 1 lần (qua chưng cất 1 lần),

nước cất 2 lần (nước cất 1 lần được chưng cất thêm lần 2), nước cất 3 lần (nước cất 2

lần được chưng cất thêm lần 3). Ngoài ra, nước cất còn được phân loại theo thành phần

lý hóa (như TDS, độ dẫn điện,...)

Để có được sản phẩm nước cất đạt được tiêu chuẩn theo đúng nghĩa đen (cất 1 lần, cất

2 lần) và đạt tiêu chuẩn lý hóa thì nước cất thì người ta căn cứ vào tiêu chuẩn cơ sở do

nhà sản xuất công bố và so sánh với tiêu chuẩn nhà nước, tiêu chuẩn ngành để đánh

giá chất lượng.

Hiện có 2 tiêu chuẩn về nước cất được áp dụng là: TCVN 4581-89 và tiêu chuẩn nước

tinh khiết trong Dược điển 4.

Cần phân biệt nước cất với nước lò hơi. Nước cất được sản xuất trên dây chuyền sản

xuất nước cất bằng thiết bị inox, với mục tiêu sản phẩm duy nhất là nước cất nên sau

khi bay hơi được ngưng và hứng ngay tại đầu vòi, không dùng các đường ống vòng

vèo, khó vệ sinh. Vì vậy nước cất luôn luôn có chất lượng đảm bảo với tiêu chuẩn

nước cất dùng cho phòng thí nghiệm và y tế, dược phẩm, sắc thuốc bắc, ắc quy, két

nước, các ngành công nghệ, kỹ thuật.

Trong phòng thí nghiệm nước cất cũng được sản xuất bằng máy chưng cất bằng thuỷ

tinh.

Lò hơi được làm bằng thép, sắt, các bộ phận ngưng bằng sắt, kẽm, nước sau khi bốc

hơi được chuyền đi trao đổi nhiệt, làm nóng các thiết bị khác rồi thu hồi lại. Vì vậy

nước lò hơi luôn bị nhiễm bẩn và không dủ chất lượng để gọi là nước tinh khiết. Vì

vậy cần lưu ý sự khác nhau về nghĩa hiểu giữa nước cất và nước lò hơi.

Một số phương pháp khác như deion và thẩm thấu ngược RO cũng tạo ra loại nước

tinh khiết nhưng chất lượn kém hơn nước cất bởi nước cất ngoài việc loại bỏ các

khoáng chất và các chất hữu cơ thì quá trình chưng cất ở 100 độ C, nước bay hơi kích

thước nano được tiếp xúc với ô xy không khí tạo phản ứng oxi hóa các kim loại

chuyển tiếp như sắt 2 về sắt 3, crôm 3 về crôm 6. Do vậy nước cất luôn có chỉ số o xi

hóa thấp hơn, làm mất khả năng xúc tác không mong muốn của Crom 3 khi pha chế

thuốc kháng sinh có cấu trúc hóa học mạch vòng không no. Với tỷ lệ chất kháng sinh

cỡ mg thì việc loại bỏ các kim loại chuyển tiếp như Crom 3 là rất cần thiết và có ý

31

nghĩa để đảm bảo thuốc không bị thay đổi hoạt tính sinh học và tăng thời gian bảo

quản thuốc.

Pha chế và chế tạo

Các hỗn hợp dung dịch muối, nước và glycerin với tỉ lệ muối:nước:glycerin là

1:15:5, 1:18:5 và 1:25:5 được cho vào các cốc thí nghiệm bằng thủy tinh và khuấy

đều. Việc khuấy đều giúp muối tan hết trong nước, các ion Na và Cl được khuếch

tán đều trong dung dịch. Sau đó, các dung dịch được bơm đầy vào trong các ống

silicone bằng ống kim tiêm y tế loại nhỏ (50cc). Thông số của ống silicone được liệt

kê trong bảng 3.1. Hai đầu ống silicone được bịt kín bởi các điện cực bằng đồng mạ

vàng giúp cho việc đo điện trở của ống được dễ dàng hơn. Sau đó, keo silicone được

sử dụng để cố định điện cực và ngăn không cho không khí lọt vào trong ống. Các cảm

biến sau khi chế tạo được thể hiện ở hình 3.4.

Bảng 3.1. Thông số của các cảm biến được chế tạo

Parameters No.1 No.2 No.3 No.4 No.5

NaCl:nước:glycerin 1:15:5 1:18:5 1:25:5 1:18:5 1:18:5

Chiều dài [mm] 60 60 60 60 60

Đường kính [mm] 1.5 1.5 1.5 0.5 1.0

Điện trở suất [Ohm.m] 3.09 3.53 4.71 3.53 3.53

Hình 3.4. Các cảm biến sau khi chế tạo

3.2. Thiết lập thí nghiệm

Bo mạch được thiết kế trên phần mềm Altium Designer phiên bản 10.0 của hãng

Altium LCC và được chế tạo dựa trên công nghệ in lưới (PCB) (Hình 3.5). Ở đây,

mạch nguồn dòng Howland và mạch cầu Wien tạo dao động sử dụng IC TL082 (Texas

Instruments) với trở kháng lối vào cao ( 1210 ), dòng tiêu thụ thấp (3.6mA) và dải

khuếch đại rộng (4MHz). Nguồn dòng được thiết lập là 2µA và mạch cầu Wien phát

dao động hình sin với tần số là 1kHz. Ngoài ra, bộ khuếch đại công cụ được xây dựng

dựa trên chip chuyên dụng INA128 (Texas Instruments) có thế offset thấp (50µV) và

dải điện áp cung cấp rộng ( 2.25 18V V ). Tín hiệu lối vào và lối ra được quan sát

thông qua máy hiển thị dao động Osilocope (TDS 1002B) của hãng Tektronix. Thêm

vào đó, trên mạch có thêm màn hình LCD để hiển thị điện áp và điện trở của cảm cảm

32

biến. Một module Bluetooth HC05 cũng được tích hợp trên bo mạch để truyền nhận dữ

liệu không dây với máy tính.

Hình 3.5. Mạch thực tế

Một bộ điều chỉnh ứng lực bằng cơ khí cũng được thiết kế và chế tạo dựa trên

công nghệ in 3D (Máy in 3D Objet 500 của hãng Stratasys, USA) để thử nghiệm, khảo

sát đặc tính của cảm biến. Nó giúp kéo dãn cảm biến một cách dễ dàng và thuận tiện

(Hình 3.6). Bằng cách cố định một đầu và kéo đầu còn lại bằng cách điều khiển thanh

vít song song với cảm biến. Một thước đo đặt trên tấm đế cho biết kích thước chính

xác của cảm biến khi bị kéo dãn. Tín hiệu từ hai đầu điện cực được đưa tới bo mạch

phân tích để xác định điện trở của cảm biến.

Hình 3.6. Bộ điều chỉnh ứng lực

33

CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ KHẢO SÁT HOẠT ĐỘNG CẢM BẾN

Một thông số cơ bản của cảm biến biến dạng là độ nhạy của nó đối với biến

dạng, được biểu thị một cách định lượng là hệ số gauge factor (GF). Hệ số gauge

factor được định nghĩa là:

0 0

R R

R RGF

L

L

(4.1)

Ở đây 0

R

R

là sự thay đổi tương đối của điện trở, 0R là điện trở ở thời điểm biến

dạng là 0% và là biến dạng cơ học đặt vào.

4.1. Khảo sát cảm biến theo tỉ lệ dung dịch muối

Dung dịch muối với các tỉ lệ muối:nước:glycerin khác nhau (1:15:5, 1:18:5 và

1:25:5) được bơm vào trong các ống silicone có cùng đường kính 1.5mm. Sau đó các

cảm biến này được gắn lên trên bộ điều chỉnh ứng lực để khảo sát. Kết quả của thí

nghiệm được thể hiện ở hình 4.1, cho thấy sự thay đổi của điện trở cảm biến do lực

kéo dãn. Tất cả các phép đo được thực hiện ba lần ở nhiệt độ phòng khoảng 25oC .

Từ kết quả cho thấy điện trở ban đầu của cảm biến khi chưa kéo dãn thay đổi

theo tỉ lệ muối khác nhau. Tỉ lệ muối càng lớn thì điện trở càng nhỏ và ngược lại. Điều

này được lý giải là khi tỉ lệ muối tăng tương ứng mật độ các ion Na và Cl nhiều

hơn chính vì vậy làm tăng độ dẫn của dung dịch và dẫn đến điện trở suất giảm hay

điện trở đo được giảm.

Khi kéo dãn, ống silicone có thể kéo dãn tới 50% và điện trở của cảm biến tăng

tuyến tính theo độ biến dạng của ống. Vì khi kéo dãn chiều dài của ống silicone tăng

và tiết diện thay đổi, điều này dẫn đến điện trở của cảm biến thay đổi theo công thức:

2

4

s

lR

d

(4.2)

Với:

+ là điện trở suất của dung dịch

+ l là chiều dài của ống silicone

+ d là đường kính của ống silicone

34

Ngoài ra, kết quả cũng cho thấy hệ số GF của cảm biến với ba tỉ lệ muối có giá

trị tương đối như nhau (2.31 – 2.41). Điều đó cho thấy hệ số GF của cảm biến được

giữ nguyên khi tỉ lệ muối của dung dịch thay đổi.

a) b) c)

Hình 4.1. Kết quả thí nghiệm cho thấy điện trở thay đổi do biến dạng với các tỉ lệ

NaCl/Nước/glycerin lần lượt là 1:15:5 (a), 1:18:5 (b), 1:25:5 (c).

4.2. Khảo sát cảm biến theo đường kính ống silicone

Tương tự với khảo sát trên, dung dịch muối với các tỉ lệ muối:nước:glycerin là

1:18:5 được bơm vào các ống cao su silicone với các đường kính khác nhau (0.5mm,

1mm, 1.5mm). Sau đó các cảm biến này được gắn lên trên bộ điều chỉnh ứng lực để

khảo sát. Kết quả của thí nghiệm được thể hiện ở hình 4.2, cho thấy sự thay đổi của

điện trở cảm biến do lực kéo dãn. Tất các các phép đo được thực hiện ở nhiệt độ phòng

khoảng 25oC .

(a) (b) (c)

Hình 4.2. Kết quả thí nghiệm cho thấy điện trở thay đổi do biến dạng với các ống

silicone có đường kính khác nhau. (a) d = 0.5mm. (b) d = 1mm. (c) d=1.5mm

0 0.2 0.40

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

L/L0

R

/R0

data

linear fit

0 0.2 0.40

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

L/L0

R

/R0

data

linear fit

0 0.2 0.40

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

L/L0

R

/R0

data

linear fit

0 0.2 0.40

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

L/L0

R

/R0

0 0.2 0.40

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

L/L0

R

/R0

0 0.2 0.40

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

L/L0

R

/R0

data

linear fit

data

linear fit

data

linear fit

35

Kết quả cho thấy điện trở ban đầu của cảm biến khi chưa kéo dãn giảm khi

đường kính của cảm biến tăng. Điều này được lý giải dựa trên công thức 4.2 ở bên

trên, khi đường kính của ống silicone lớn tương ứng d lớn trong khi chiều dài của cảm

biến như nhau ( l không đổi) và điện trở suất không đổi vì sử dụng các cảm biến có

cùng tỉ lệ 1:18:5. Vì vậy, điện trở của cảm biến giảm khi đường kính ống silicone tăng.

Khi cảm biến bị kéo dãn, điện trở của cảm biến tăng theo độ biến dạng của ống.

Vì khi kéo dãn đường kính d của cảm biến nhỏ lại một phần và chiều dài l của cảm

biến tăng dẫn đến điện trở của cảm biến tăng (theo công thức 4.2). Thêm vào đó, kết

quả cũng cho thấy hệ số GF của cảm biến thay đổi rất ít (2.11 – 2.47) khi đường kính

của ống silicone thay đổi.

Từ kết quả hai khảo sát trên có thể thấy cảm biến đo biến dạng dựa trên chất lỏng

ion được chế tạo có hệ số GF khá ổn định trong khoảng từ 2.11 tới 2.47 và không phụ

thuộc vào nồng độ muối cũng như đường kính của ống silicone. Hệ số GF của cảm

biến này là tương đương với hệ số GF của phôi kim loại (2 - 2.5). Kết quả này cũng

khá tương đồng với các nghiên cứu trước đó [6]. Kết quả này mở ra một hướng phát

triển mới cho cảm biến đo biến dạng thay thế cảm biến truyền thống làm từ hợp kim.

4.3. Khảo sát sự ảnh hưởng của nhiệt độ tới cảm biến

Để khảo sát sự ảnh hưởng của nhiệt độ đến cảm biến, cảm biến với tỉ lệ muối:

nước:glycerin là 1:18:5 và đường kính ống cao su silicone là 1.5 mm được sử dụng.

Một tủ gia nhiệt của Jlabtech cũng được sử dụng để thay đổi nhiệt độ từ thấp tới cao.

Tủ gia nhiệt có thể điều khiển, duy trì nhiệt độ trong buồng tủ ở một giá trị cố định

được cài đặt từ người sử dụng.

Đầu tiên, cảm biến được gắn với hệ đo và đặt vào trong tủ, sau đó điều khiển tăng

nhiệt độ dần dần theo bước tăng là 5 độ C. Ở mỗi nấc nhiệt độ được duy trì mười năm

phút trước khi đo giá trị. Điều này nhằm giúp cho nhiệt độ của dung dịch muối trong

ống silicone có thể tăng bằng nhiệt độ bên ngoài ống. Kết quả điện áp trên hai đầu cảm

biến được thể hiện trên hình 4.3a. Sau đó cảm biến được lấy ra và đặt lên bộ điều

chỉnh ứng lực để khảo sát sự ảnh hưởng của nhiệt độ tới hệ số Gauge Factor của cảm

biến. Ở mỗi nhiệt độ, cảm biến được kéo dãn và duy trì mười lăm phút cho lần kéo dãn

tiếp. Kết quả của sự ảnh hưởng của nhiệt độ tới hệ số GF được thấy trên hình 4.3b.

Kết quả cho thấy điện trở và hệ số GF của cảm biến giảm nhanh khi tăng nhiệt độ.

Điều này được lý giải do khi tăng nhiệt độ của dung dịch muối, độ linh động của các

ion Na và Cl cũng tăng và kết quả dẫn đến tăng độ dẫn của dung dịch hay nói cách

khác là giảm điện trở của cảm biến. Như vậy nhiệt độ ảnh hưởng đáng kể đến độ chính

xác và độ ổn định của cảm biến. Để sử dụng cảm biến trong các môi trường có nhiệt

độ thay đổi ta cần có các mạch bù nhiệt độ tự động.

36

a) b)

Hình 4.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ tới cảm biến. (a) Ảnh hưởng của nhiệt độ đến cảm

biến khi chưa kéo dãn. (b) Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hệ số GF của cảm biến khi

kéo dãn

Từ kết quả khảo sát trên, ta có thể rút ra một số kết luận về tính năng của cảm biến như

sau:

- Độ nhạy (Hệ số Gauge Factor): ≈ 2.3.

- Dải đo: 0 ÷ 50%.

- Nhiệt độ làm việc ổn định: Nhiệt độ phòng (25°C).

- Đường kính cảm biến: 0.5 mm, 1 mm, 1.5 mm.

35 40 45 50 55 60 651

1.1

1.2

1.3

1.4

1.5

1.6

1.7

Temperature (°C)

Voltage (

V)

30 35 40 45 50 55 601.5

1.6

1.7

1.8

1.9

2

2.1

2.2

2.3

Temperature (°C)

Gauge F

acto

r

Nhiệt độ (°C) Nhiệt độ (°C)

Điệ

n á

p (

mV

)

37

CHƯƠNG 5. ỨNG DỤNG ĐẾM BƯỚC CHÂN DỰA TRÊN CẢM BIẾN

ĐO BIẾN DẠNG

5.1. Thiết lập thí nghiệm

Từ kết quả ở trên, tôi sử dụng cảm biến có tỉ lệ natri clorua, nước và glycerin là

1:18:5, hỗn hợp dung dịch được bơm vào ống cao su silicone (ống có đường kính

1.5mm và chiều dài 100 mm) và hệ mạch đo và thu thập dữ liệu như ở trên để thực

hiện xây dựng ứng dụng đếm bước chân. Cảm biến biến dạng chế tạo được gắn lên đầu

gối để có thể thu được kết quả tốt nhất. Để có thể gắn cảm biến lên đầu gối, tôi đã cố

định cảm biến lên hai đai co dãn bằng keo silicone, sau đó cuốn hai đai co dãn lần lượt

lên trên và dưới khuỷu gối sao cho cảm biến được nằm tại chính giữa đầu gối như hình

5.1. Khi chân duỗi thẳng, ống silicone không bị kéo dãn nên ống có chiều dài ban đầu

là 0l , và điện trở là 0R . Ngược lại, khi gập chân lại, ống bị dãn dẫn tới giá trị trở của

cảm biến tăng lên. Từ đó, ta có thể xác định được trạng thái co duỗi chân thông qua

giá trị trở của ống cao su.

Sơ đồ khối của mạch được thể hiện trong hình 2.8 với giá trị nguồn dòng được

cài đặt là 2.0 μA và tần số hoạt động của mạch cầu Wien là 1 kHz. Tín hiệu lối vào và

lối ra được quan sát thông qua một máy dao động kí (TDS 1002B, Tektronix). Bên

cạnh đó, tôi có gắn thêm một màn hình hiển thị LCD (16x2) để theo dõi giá trị điện áp

và điện trở của cảm biến. Module Bluetooth HC05 cũng được tích hợp trên bo mạch

để truyền giá trị đo được tới hệ thống thu thập dữ liệu trên máy tính. Bo mạch điện tử

được thiết kế và xây dựng như thấy trong hình 3.5. Trên máy tính, một chương trình

được phát triển để nhận và xử lý tín hiệu thông qua module Bluetooth HC05 (hình

5.2). Chương trình được viết bằng ngôn ngữ C#. Với chương trình này, dữ liệu được

lưu trữ dưới dạng một bảng với hai cột: thời gian và điện áp. Bên cạnh đó, dữ liệu

cũng được thể hiện theo đồ thị thời gian thực.

Hình 5.1. Gắn cảm biến lên khớp gối

38

Hình 5.2. Chương trình phần mềm trên máy tính

Sau đó, tôi tiến hành thử nghiệm thu dữ liệu khi thực hiện các hoạt động đứng

lên, ngồi xuống, đi bộ và chạy. Các thí nghiệm đều được thực hiện trong điều kiện

giống nhau và dưới điều kiện nhiệt độ phòng 25 độ C.

5.2. Kết quả phân tích và xử lí tín hiệu

Một tình nguyện viên đeo thiết bị sẽ thực hiện thu thập dữ liệu với các trạng thái

hoạt động khác nhau: đứng lên, ngồi xuống, đi bộ và chạy. Toàn bộ thực nghiệm được

tiến hành trong cùng một điều kiện và tại nhiệt độ phòng khoảng 25 °C. Ở trạng thái

duỗi thẳng chân, điện áp ban đầu của cảm biến đo được là 400mV. Khi thực hiện gập

duỗi chân, dải điện áp đo được trong khoảng từ 400 mV tới 800mV. Khi co chân,

chiều dài của cảm biến tăng lên, làm cho giá trị điện trở hay điện áp giữa hai đầu điện

cực cũng tăng theo (do dòng điện qua cảm biến là không đổi). Ngược lại, chiều dài

cảm biến trở về kích thước ban đầu hay biên độ điện áp sẽ giảm dần khi chân được

duỗi ra. Quá trình co duỗi chân liên tục như vậy tạo ra các tín hiệu xung liên tục với

các đỉnh xung thể hiện trạng thái co đạt cực đại như hình 5.3.

39

Hình 5.3. Dạng tín hiệu khi gập và duỗi chân

Khi đi bộ và chạy, chân được co duỗi nhanh và liên tục tạo ra nhiều sóng xung và

tín hiệu có tần số lớn hơn, đồng thời biên độ điện áp khi chạy cũng nhỏ hơn do chân

không được co hoàn toàn như trong hình 5.4.

Hình 5.4. Tín hiệu thu được từ các hoạt động của con người

Hình 5.5. Thuật toán xử lí tín hiệu

Thời gian

Biê

n đ

ộ (

mV

)

40

Để xác định chính xác bước chân dựa vào tín hiệu xung thu được, chúng tôi đề

xuất xây dựng một thuật toán xử lý tín hiệu như sơ đồ trong hình 5.5. Tín hiệu ban đầu

thu được từ cảm biến là một tín hiệu thô chứa nhiều nhiễu tần số cao do việc cử động

gây ra như hình 5.6. Để loại bỏ các tín hiệu nhiễu này, chúng tôi đưa tín hiệu thu được

qua một bộ lọc trung bình (lọc thông thấp). Tín hiệu lối ra lúc này được làm mịn một

cách đáng kể, loại bỏ được nhiễu tần số cao và không ảnh hưởng nhiều tới hình dạng

và tần số của sóng như hình 5.7.

Hình 5.6. Tín hiệu gốc

Khi thực hiện các hoạt động khác nhau liên tiếp, các dạng sóng xung được lặp lại

với hình dạng giống nhau nhưng khác nhau về tần số và biên độ. Ngoài ra, đường nền

của chuỗi dữ liệu tương đối thằng khi chân được co và duỗi đều. Tuy nhiên, trong

trường hợp chạy nhanh và chạy cao gối, đường nền bị cao lên do chân không được gập

duỗi một cách hoàn toàn (đường màu đỏ trong hình 5.7). Điều này làm cho việc xử lí

tín hiệu gặp nhiều khó khăn và ảnh hưởng tới độ chính xác của việc đếm xung như

thấy trong hình 5.7.

Thời gian

Biê

n đ

ộ (

mV

)

Nhiễu

41

Hình 5.7. Tín hiệu sau khi qua lọc trung bình

Để giải quyết vấn đề này, tín hiệu được cho qua một bộ lọc thông cao với tần số

cắt 2 Hz và bậc ba để đồng nhất đường trung bình của chuỗi tín hiệu về đường đẳng

điện (đường màu đỏ trong hình 5.8). Biên độ tín hiệu bị suy hao nhưng số lượng xung

vẫn không đổi như hình 5.8.

Hình 5.8. Tín hiệu sau khi qua lọc thông cao

Sau khi qua bộ lọc thông cao, tín hiệu tiếp tục được cho qua lọc ngưỡng để

chuyển các sóng xung thành dạng xung vuông với 2 mức logic cao và thấp. Ở đây,

ngưỡng được chọn có giá trị tương ứng với 10% biên độ đỉnh cao nhất. Các điểm có

Thời gian

Biê

n đ

ộ (

mV

)

Thời gian

Biê

n đ

ộ (

mV

)

42

giá trị lớn hơn hoặc bằng ngưỡng được chọn sẽ chuyển thành mức logic cao, còn lại

các điểm có giá trị thấp hơn sẽ được chuyển thành mức logic thấp như hình 5.9. Kết

quả trung bình đếm bước chân được thể hiện trong bảng 5.1 với 5 tình nguyện viên

được đeo thiết bị.

Hình 5.9. Tín hiệu sau khi qua lọc ngưỡng và chuyển thành dạng xung vuông

Bảng 5.1. Kết quả đếm bước chân so với thực tế

Trạng thái Số bước thực tế Số bước đếm được từ cảm

biến

Đi bộ 100 99

Chạy 100 97

Lên cầu thang 100 100

Xuống cầu thang 100 98

Từ bảng kết quả đếm bước chân thu được từ cảm biến có thể thấy hệ thống đếm

bước chân có độ chính xác rất cao. Đặc biệt khi lên cầu thang kết quả thu được có độ

chính xác tuyệt đối do khi thực hiện lên cầu thang chân co và gập rõ ràng. Các trạng

thái còn lại độ chính xác của cảm biến bị giảm là do ảnh hưởng từ việc chân không

được co gập rõ ràng.

Như vậy, tín hiệu ban đầu đã được chuyển thành tín hiệu xung vuông và việc

đếm xung trở nên dễ dàng hơn. Số bước chân sẽ được tính bằng số lượng xung vuông

đếm được. Thêm vào đó, từ số bước chân đếm được trong một thời gian, ta có thể xác

Thời gian

Biê

n đ

ộ (

mV

)

43

định được tốc độ di chuyển từ đó có thể kết luận trạng thái chuyển động như đi bộ,

chạy nhanh, chậm.

Cảm biến được gắn trên chân của tình nguyện viên để thu dữ liệu và thực hiện

đếm số bước chân. Dữ liệu nhận được có dạng xung, với mỗi xung thể hiện chuyển

động của một bước chân. Từ kết quả cho thấy các bước đi dài với khớp gối bị gập

nhiều sẽ cho xung rộng và có biên độ lớn. Trong khi đó, các bước đi ngắn với khớp

gối chỉ gập ít sẽ cho xung hẹp có biên độ nhỏ. Theo đó, dữ liệu cảm biến có thể được

phân tích để đưa ra được tình trạng vận động, độ ổn định của vận động viên trong suốt

quá trình khảo sát. Dữ liệu này có thể được sử dụng cho các huấn luyện viên hoặc

người giám sát để có các điều chỉnh nằm nâng cao hiệu quả tập luyện, thi đấu hoặc

điều trị.

Tín hiệu được xử lý bằng cách sử dụng các bộ lọc và chuyển đổi thành dạng

xung vuông nhằm đơn giản hoá việc đếm số xung như trong hình 5.9. Tuy nhiên, độ

chính xác có thể bị ảnh hưởng trong trường hợp biên độ tín hiệu quá nhỏ. Điều này có

thể xảy ra khi ta bước quá ngắn, chân không thật sự gập nhiều khiến cho trở kháng của

cảm biến thay đổi quá ít như hình 5.10. Dù vậy, trường hợp này hiếm khi xảy ra và

cũng không ảnh hưởng nhiều tới kết quả đếm số bước chân.

Hình 5.10. Tín hiệu có xung nhỏ sinh ra từ bước chân ngắn, khớp gối không gập

nhiều

44

KẾT LUẬN

Cảm biến đo biến dạng dựa trên chất lỏng ion, ở đây là hỗn hợp dung dịch muối,

nước và glycerin đã được được đề xuất, chế tạo và khảo sát. Để khảo sát các đặc tính

của cảm biến, một bo mạch gồm vi điều khiển PIC16F877A của hãng Microchip, một

nguồn dòng Howland và một cầu Wien tạo sóng sin cũng được phát triển. Kết quả cho

thấy rằng hệ số Gauge Factor của cảm biến là ổn định với tỉ lệ pha của muối (cụ thể tỉ

lệ muối, nước và glycerin là 1:15:5, 1:18:5 và 1:25:5) cũng như diện tích của ống

silicone (0.5 mm, 1 mm,và 1.5 mm). Hoạt động của cảm biến ở các nhiệt độ khác nhau

cũng đã được khảo sát. Thêm vào đó, cảm biến cũng được thử nghiệm cho ứng dụng

thiết bị mặc trên người để đếm bước chân và cho kết quả rất tốt. Cảm biến này không

những giúp đếm chính xác số cử động của chân mà còn mở ra khả năng 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.

Với ưu điểm thân thiện với môi trường, độ nhạy cao, giá thành rẻ, mẫu cảm biến

đo biến dạng dải rộng sử dụng chất lỏng ion được đề xuất có thể được ứng dụng vào

nhiều lĩnh vực trong đời sống. Bên cạnh đó, việc kết hợp các công nghệ chế tạo hiện

đại sẽ tạo ra cảm biến nhỏ gọn và linh hoạt hơn để có thể lên tích hợp trên quần áo

hoặc gắn trực tiếp lên cơ thể mở ra nhiều cơ hội áp dụng vào các ứng dụng giám sát,

hỗ trợ chăm sóc sức khoẻ con người.

45

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN

LUẬN VĂN

1. Chi Tran Nhu, Ha Tran Thi Thuy, An Tran Hoai, Nguyen Ta Hoang, Hoai Nguyen

Thi, An Nguyen Ngoc, Trinh Chu Duc, Van Thanh Dau and Tung Bui Thanh,

“Experimental Characterization of an Ionically Conductive Fluid Based High

Flexibility Strain Sensor,” ICERA Conference (2018), Chapter 42, pp 318-323.

2. Nhu Chi Tran and Thi Hoai Nguyen and Hoang Nguyen Ta and Thi Thanh Van

Nguyen and Ngoc An Nguyen (2018). “Phát triển cảm biến đo biến dạng dải rộng dựa

trên chất lỏng ion cho ứng dụng đếm bước chân”. In: The National Conference on

Electronics, Communications and Information Technology, 14-15 December 2018,

Hanoi, Vietnam.

46

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1]. V. T. Dau, T. Yamada, D. V. Dao, B. T. Tung, K. Hata, and S. Sugiyama,

“Integrated CNTs thin film for MEMS mechanical sensors,” Microelectron. J.,

vol. 41, no. 12, pp. 860–864, Dec. 2010.

[2]. Bui Thanh Tung, Hoang Minh Nguyen, Dzung Viet Dao, S. Rogge, H. W. M

Salemink, and Susumu Susumu, “Strain Sensitive Effect in a Triangular Lattice

Photonic Crystal Hole-Modified Nanocavity,” IEEE Sens. J., vol. 11, no. 11, pp.

2657–2662, 2011.

[3]. A.L. Window, Strain Sensor Technology, 2nd edn., Elsevier Applied Science,

London and New York, 1992, pp. 6–7

[4]. S. Russo, T. Ranzani, H. Liu, S. Nefti-Meziani, K. Althoefer, and A.

Menciassi, “Soft and Stretchable Sensor Using Biocompatible Electrodes and

Liquid for Medical Applications,” Soft Robot., v. 2, no. 4, pp. 146–154, 2015.

[5]. T. Hampshire, “Monitoring the behavior of steel structures using distributed

optical fiber sensors,” J. Constr. Steel Res., vol. 53, no. 3, pp. 267–281, 2000.

[6]. L. et al. Rupprecht, CONDUCTIVE POLYMERS in Industrial Applications.

1999.

[7]. V. T. Dau, C. D. Tran, T. T. Bui, V. D. X. Nguyen, and T. X. Dinh, “Piezo-

resistive and thermo-resistance effects of highly-aligned CNT based

macrostructures,” RSC Adv., vol. 6, no. 108, pp. 106090–106095, Nov. 2016.

[8]. V. T. Dau, D. V. Dao, T. Yamada, B. T. Tung, K. Hata, and S. Sugiyama,

“Integration of SWNT film into MEMS for a micro-thermoelectric device,” Smart

Mater. Struct., vol. 19, no. 7, p. 075003, Jun. 2010.

[9]. V. T. Dau et al., “A micromirror with CNTs hinge fabricated by the

integration of CNTs film into a MEMS actuator,” J. Micromechanics

Microengineering, vol. 23, no. 7, p. 075024, Jul. 2013.

[10]. L. Flandin, Y. Bréchet, and J.-Y. Cavaillé, “Electrically conductive polymer

nanocomposites as deformation sensors,” Compos. Sci. Technol., vol. 61, no. 6,

pp. 895–901, 2001.

[11]. Y. N. Cheung, Y. Zhu, C. H. Cheng, C. Chao, and W. W. F. Leung, “A

novel fluidic strain sensor for large strain measurement,” Sens. Actuators Phys.,

vol. 147, no. 2, pp. 401–408, 2008.

47

[12]. G. Keulemans, P. Pelgrims, M. Bakula, F. Ceyssens, and R. Puers, “An

ionic liquid based strain sensor for large displacements,” Procedia Eng., vol. 87,

pp. 1123–1126, 2014.

[13]. J. B. Chossat, Y. L. Park, R. J. Wood, and V. Duchaine, “A soft strain sensor

based on ionic and metal liquids,” IEEE Sens. J., vol. 13, no. 9, pp. 3405–3414,

2013.

[14]. C. Majidi, R. Kramer, and R. J. Wood, “A non-differential elastomer

curvature sensor for softer-than-skin electronics,” Smart Mater. Struct., vol. 20,

no. 10, 2011.

[15]. Y. L. Park, B. R. Chen, and R. J. Wood, “Design and fabrication of soft

artificial skin using embedded microchannels and liquid conductors,” IEEE Sens.

J., vol. 12, no. 8, pp. 2711–2718, 2012.

[16]. J. Chossat, Y. Tao, V. Duchaine, and Y. Park, “Wearable Soft Artificial Skin

for Hand Motion Detection Detection with Embedded Microfluidic Strain

Sensing,” Icra, pp. 2568–2573, 2015.

[17]. T. Yamada et al., “A stretchable carbon nanotube strain sensor for human-

motion detection,” Nat. Nanotechnol., vol. 6, no. 5, pp. 296–301, 2011.

[18]. Q. Liu, J. Chen, Y. Li, and G. Shi, “High-Performance Strain Sensors with

Fish-Scale-Like Graphene-Sensing Layers for Full-Range Detection of Human

Motions,” ACS Nano, vol. 10, no. 8, pp. 7901–7906, 2016.

[19]. X. Wang, Y. Gu, Z. Xiong, Z. Cui, and T. Zhang, “Silk-Molded Flexible ,

Ultrasensitive , and Highly Stable Electronic Skin for Monitoring Human

Physiological Signals,” pp. 1336–1342, 2014.

[20]. L. Cai et al., “Super-stretchable, transparent carbon nanotube-based

capacitive strain sensors for human motion detection,” Sci. Rep., vol. 3, pp. 1–9,

2013.

[21]. Y. Wang et al., “Wearable and Highly Sensitive Graphene Strain Sensors for

Human Motion Monitoring,” pp. 1–5, 2014.

[22]. C. M. Boutry, A. Nguyen, Q. O. Lawal, A. Chortos, S. Rondeau-gagné, and

Z. Bao, “A Sensitive and Biodegradable Pressure Sensor Array for Cardiovascular

Monitoring,” pp. 1–8, 2015.

[23]. T. Yang et al., “A Wearable and Highly Sensitive Graphene Strain Sensor for

Precise Home-Based Pulse Wave Monitoring,” 2017.