Nghiên cứu, phát triển một cảm biến đo biến dạng ứng dụng cho các thiết bị mặc được

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

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

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

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

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 LUẬN ... 44

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN ... 45

TÀI LIỆU THAM KHẢO ... 46

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

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

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

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.

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 (l₀).

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

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

||

1 F 1

Y S Y

    (1.2) Ở đây:

- F: Lực tác dụng, kG.

- S: Tiết diện chịu lực, mm². -  : Ứng lực, F

  S .

Đơn vị đo của mô đun Young là kG mm/ ². Mô đun Young của thép là 18.000 – 29.000 kG mm/ ².

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.

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 d 2 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

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:

R l 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 S _d

, ta có:

S 2 l

S  l

    (1.7)

Mặt khác, đối với đầu đo kim loại:

C V V





   (1.8)

C – Hằng số Bridman.

V – Thể tích dây.

Vì V S l. , ta có:

(1 2 )

V l

V  l

    (1.9)

Và:

(1 2 ) l

C l

 



    (1.10)

Vậy ta có:

 



^{1 2 (1 2 )}



^.

R l l

C K

R   l l

  

     (1.11)

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

 

1 2 1 2

K  C   (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 hồi, khi l 0.5% 20%

l

   , tùy theo vật liệu, hệ số đầu đo K 2.

- 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 _K

K T K  TT (1.13) K0 - Hệ số đầu đo nhiệt độ chuẩn T₀ (thường T₀  25 C).

K - Hệ số phụ thuộc vật liệu. Với Nichrome V thì _K  0.04 % /C, constantan _K  0.01 % /C.

- Độ nhạy ngang: Ngoài các nhánh dọc có điện trở R_L cảm biến còn có các đoạn nhánh ngang có tổng độ dài l_t, điện trở R_t, do đó điện trở tổng cộng của cảm

biến bằng RR_LR_t. Trong quá trình biến dạng các đoạn ngang cũng bị biến dạng, R_t thay đổi cũng làm cho R thay đổi. Tuy nhiên do R_t R_L, 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 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

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:

Y l

   l



    (1.15)

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

Vậy:

 



^{1 2}



R l

R  Y l

     (1.16)

Và hệ số đầu đo là:

1 2

K     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:



n ¹ p



q 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.

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 2

K 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 N_d 10²⁰ cm^3) hệ số đầu đo ít phụ thuộc nhiệt độ.

1.2.3. Đầu đo trong chế độ động

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 10 Hz. Tuy nhiên, tần số làm việc lại phụ thuộc ⁶ 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:

0.1

l  (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 f_max của dao động khi chiều dài nhánh của đầu đo là l bằng:

max 10.

f v

 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 10^4 ứng với chu kỳ biến dạng giả định. Đối với biên độ biến dạng cỡ ± 2.10^3 giới hạn mỏi nằm trong khoảng từ 10 (constantan) đến ⁴ 10 ⁸ (isoelastic) chu kỳ.

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 N F

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:

1

l F

l Y S

  (1.25)

Do đó tần số dao động của dây:

1 2

Y l

N l d l

  (1.26)

Suy ra:

2

2 2

4 .

l l d

N K N

l Y

   (1.27)

Giả sử l₀ là độ kéo dài ban đầu và N₀ là tần số tương ứng khi chưa có biến dạng:

0 2

. 0

l K N l

  (1.28)

Khi có biến dạng, độ kéo dài tổng cộng của dây là l₁ và tần số là N₁, ta có:

1 2

. 1

l K N l

  (1.29)

Vì độ kéo dài do biến dạng     l l₁ l₀, suy ra:



^{12 02}



l K N N

l

   (1.30)

Đo N₀ 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 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

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.

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

l

₀ và đường kính ban đầu

d

₀ 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

R l

 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 l₀ l, đồng thời tiết diện của ống silicone giảm còn d₀ 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 R_s sẽ tăng lên khi có tác dụng lực kéo dãn.

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 1 2

1 1 2

2 1

1 1

1 1

R jwR C v

v R R

jwC jwR C

   ^

 





^{1 1 2 2 1wR C21}



²



^{2 1 2 1 2 1}



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

     (2.2)

Tần số dao động:

0 0

1 2 1 2 1 2 1 2

1 1

w f 2

R R C C  R R C C

   (2.3)

Vậy:

1 2

1 2

1 1 2 2 1 2

2 1

1 1 R C

C R

R C R C R C

C R

  

   

(2.4)

Nếu chọn R₁R₂ R và C₁C₂ C, ta có A_v = 3 và ₀ 1 f 2

RC



Khi A_v< 3: Mạch không dao động.

Khi A_v>> 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 A_v > 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

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

4 3

1 3.2

v

A R

  R  (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 R C_{2 2}.

 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 2 f

R R C C

  (2.6)

1 2

2 1

1 C R 1

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 R₁ và R₂, C₁ và C₂ 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

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 C₁C₂ C, R₂ R ta có:

0

1

1 2 f

C R R

  (2.7)

1

1 R 2 R

 



(2.8)

Ta có ₁

0

~ 1

R f , mặt khác R₁ ~. Ta tính lại thấy độ lợi không đổi.

01

01

1 1

i

i

v v R

v v

R   R   R (2.9)

0 1 01

0 01

i

i i

v v v v

v v v v

R R

      

0 01 0

1

2 _i R _i

v v v v v

    R

0

1 v 2

i

v R

A v R

    (2.10)

1

1 1

2

Av

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

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

V V 0

V V

R R

    (2.13)

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

0

3 4 L

V V

V V V

R R R

     (2.14)

Từ phương trình 2.1, rút V₀V ta được:

 

²

 

⁴

0

1 3

R R

V 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 V

R R R R I

          (2.16)

Như vậy, ta có thể thấy dòng điện chạy qua điện trở R_L chỉ phụ thuộc vào điện áp lối vào và điện trở R₃ mà không phụ thuộc vào sự thay đổi của điện trở R_L. Nếu như điện áp lối vào và điện trở R₃ cố định thì dòng điện chạy qua điện trở R_L được giữ nguyên giá trị khi R_L 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 (I_DC) chạy qua cảm biến và tính điện áp giữa hai đầu cảm biến ( VDC). Khi đó điện trở của cảm biến sẽ được tính bằng công thức theo định luật Ohm:

DC S

DC

R V

 I (2.17)

Tuy nhiên, vì cảm biến sử dụng chất lỏng ion nên nếu sử dụngđiện 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

nguồn dòng qua cảm biến

i

_s được xác định bởi điện trở trở R7 thông qua công thức 2.4 của mạch nguồn dòng Howland:

7 i S

i V

 R (2.18)

Giá trị dòng điện

i

_schỉ phụ thuộc vào giá trị R₇ 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 (V_s) 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:

s s

s

R V

 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

Vin

Dao động Wien

HPF

MCU Bluetooth

Xác định đỉnh Rs

Hình 2.8. Sơ đồ mạch đo

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

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^-

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

+ 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

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 (10¹²), 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 (2.25V  18V ). 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

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

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 R

GF L L



 

   (4.1)

Ở đây

0

R R

 là sự thay đổi tương đối của điện trở, R₀ 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 25^oC.

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

R l

 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