BỘ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

NGUYỄN ĐẮC HẢI

NGHIÊN CỨU CẢM BIẾN CHẤT LỎNG KIỂU TỤ

ĐIỆN CHO ỨNG DỤNG CẢM NHẬN THAY ĐỔI

MÔI TRƯỜNG TRONG KÊNH DẪN

CHUYÊN NGÀNH : KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

MÃ SỐ: 62.52.02.03

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 2016

2

Công trình hoàn thành tại:

Học viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông

Người hướng dẫn khoa học:

1. PGS. TS. Chử Đức Trình

2. TS. Nguyễn Ngọc Minh

Phản biện 1:………………………………………………………….

Phản biện 2:………………………………………………………….

Phản biện 3:………………………………………………………….

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án tại:

Học viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông

Vào lúc:…………giờ, ……….ngày………tháng………năm………

Có thể tìm hiểu luận án tại:

Thư viện Học viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông

3

MỞ ĐẦU

Lý do chọn đề tài:

Các hệ thống kênh dẫn chất lỏng ngày càng được ứng dụng nhiều trong thực

tế công nghiệp, nông nghiệp, y tế và khai khoáng. Việc cảm nhận phát hiện các

tạp chất xuất hiện trong các kênh dẫn và có chiến lược loại bỏ các tạp chất này là

có yêu cầu trong thực tiễn xã hội. Dầu thô được hút trực tiếp từ các mỏ dầu

thường bao gồm các thành phần đầu thô, nước muối biển, bùn đất. Việc cảm biến

và phân tích được thành phần của dầu thô rất quan trọng trong các hệ thống khai

thác thực tế. Hệ thống tuần hoàn trong cơ thể động vật đóng vai trò như những

hệ thống giao thông vận chuyển các tế bào máu, các chất dinh dưỡng, không khí

đến các bộ phận trong cơ thể sống. Giám sát được quá trình vận hành của các hệ

thống mạch máu trong cơ thể sống thông qua cảm nhận, phát hiện, đếm và bắt

được các tế bào sống đóng vai trò quan trọng trong hệ thống xét nghiệm y sinh

học. Các hệ thống này có thể ứng dụng để phát hiện các trường hợp bệnh như

hẹp động mạch do mỡ máu, tắc mạch máu do máu đông hoặc các hệ thống phân

tích tế bào.

Để cảm nhận thay đổi môi trường trong kênh dẫn, nhiều nhóm nghiên cứu đã

sử dụng nhiều loại cảm biến khác nhau như siêu âm, quang điện, tự cảm, điện

dung,.. Cảm biến kiểu tụ điện có cấu tạo đơn giản, có thể hoạt động trong nhiều

môi trường khác nhau cũng như môi trường khắc nghiệt như nhiệt độ cao, độ ẩm

cao hoặc trong cơ thể sống. Cảm biến kiểu tụ điện chuyển đổi một sự thay đổi vị

trí, khoảng cách, hay chất điện môi thành một tín hiệu điện dung. Cảm biến kiểu

tụ điện có thể phát hiện ra sự thay đổi của một trong ba thông số của tụ điện như

khoảng cách, diện tích tấm điện cực hay hằng số điện môi.

Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo và ứng dụng các cảm biến kênh chất lỏng dựa

trên cảm biến kiểu tụ điện để cảm nhận được các thay đổi môi trường trong kênh

dẫn chất lỏng, đo thể tích, vận tốc và đặc tính của chất lỏng là một định nghiên

cứu có tính thực tiễn và khoa học. Đây là lý do tôi chọn đề tài cho luận án tiến sĩ

là: “Nghiên cứu cảm biến chất lỏng kiểu tụ điện cho ứng dụng cảm nhận thay

đổi môi trường trong kênh dẫn”.

Mục đích nghiên cứu:

Luận án này nghiên cứu, thiết kế và chế tạo cảm biến kiểu tụ điện cho ứng

dụng cảm nhận thay đổi môi trường trong kênh dẫn với yêu cầu cụ thể sau:

- Cảm nhận được xuất hiện của thay đổi môi trường trong kênh dẫn;

- Cảm nhận được xuất hiện của một số hạt trong kênh dẫn như bọt khí, hạt

kim loại, hạt nhựa,…;

4

- Có thể xác định được một số thông số của hạt như thể tích, vận tốc, loại

hạt trong những điều kiện cụ thể cho trước;

- Hệ thống cảm biến có thể sử dụng cho kênh chất lỏng không dẫn điện và

dẫn điện;

- Hệ thống có thể chế tạo được dựa trên công nghệ chế tạo phổ biến, giá

thành thấp;

- Hệ thống cảm biến có thể tích hợp trực tiếp với mạch điện tiền khuếch

đại và xử lý tín hiệu;

- Các mạch điện được thiết kế để tăng cường đặc tính giảm thiểu ảnh

hưởng của các nhiễu chung do môi trường và nhiễu nguồn;

- Bước đầu ứng dụng hệ thống cảm biến trong một số yêu cầu thực tế.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

Luận án đề cập và nghiên cứu các cấu trúc cảm biến kiểu tụ điện, kênh dẫn

dầu, kênh chất lỏng dẫn điện có kích thước cỡ milimét và tác nhân là bọt khí, mạt

kim loại, giọt nước có kích thước nhỏ đến 0,1 mm3.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu:

Trong luận án này, các nội dung nghiên cứu về cảm biến kiểu tụ điện và các

kết quả thu được được trình bày theo hướng ứng dụng cảm nhận thay đổi môi

trường trong kênh dẫn. Các cấu trúc đề xuất của nghiên cứu này có tiềm năng

ứng dụng trong y sinh và ngành công nghiệp khác như theo dõi bọt khí trong

mạch máu, phát hiện vật thể lạ trong mao dẫn, đo nồng độ bọt khí, hạt kim loại

và giọt nước trong dầu máy động cơ, ...v.v.

Phương pháp nghiên cứu:

- Nghiên cứu này dựa trên lý thuyết của cơ học chất rắn, chất lỏng cổ

điển;

- Mô phỏng và tính toán để tối ưu các thông số thiết kế sử dụng phần mềm

Matlab, Comsol, và Ansoft Maxwell;

- Chế tạo cấu trúc dựa trên công nghệ PCB kết hợp với các kỹ thuật thiết

kế mạch điện thu thập và xử lý tín hiệu;

- Đo đạc và đánh giá hoạt động của hệ thống dựa trên các thiết bị điện tử

được trang bị trong phòng thí nghiệm, các hệ thống kính hiển vi và

camera tốc độ nhanh.

5

Chương 1: TỔNG QUAN

1.1. Kênh dẫn và loại vật thể chuyển động trong kênh dẫn

1.1.1. Kênh dẫn

- Hệ thống mạch máu trong cơ thể động vật;

- Kênh dẫn chất lỏng là các sản phẩm của dầu mỏ;

- Hệ thống đường dẫn nhiên liệu, phun nhiên liệu trong các động cơ.

1.1.2. Các vật thể chuyển động trong kênh dẫn

a) Giọt chất lỏng, bọt khí

- Giọt nước nhỏ lẫn trong dầu bôi trơn, dầu biến thế;

- Bọt khí trong ống truyền máu hay ống truyền dịch vào cơ thể bệnh

nhân.

b) Mạt kim loại và các vật thể khác

- Mạt kim loại lẫn trong dầu bôi trơn;

- Hạt tạp chất lẫn trong dầu cách điện.

c) Các tế bào sống trong hệ thống mạch máu

- Hồng cầu;

- Bạch cầu;

- Tiểu cầu.

1.2. Nhận biết vật thể trong kênh dẫn

1.2.1. Sự cần thiết phải nhận biết vật thể trong kênh dẫn

Trong thực tế, việc theo dõi xuất hiện các thay đổi trong kênh dẫn như sự

xuất hiện của bọt khí trong mạch máu, của giọt nước trong dầu,… là một yêu

cầu bắt buộc.

Trong vòi phun mực của các máy in phun nếu giọt mực được tạo ra có kiểm

soát tốt về vận tốc, thể tích thì chất lượng của tài liệu được in ra sẽ đẹp.

Nếu trong dầu bôi trơn có xuất hiện các giọt nước nhỏ, các giọt nước này sẽ

gây rỉ sét ăn mòn động cơ, tăng quá trình oxy hóa của dầu, có thể gây ra một số

chất phụ gia kết tủa.

Bọt không khí xuất hiện trong các máy lọc thận ảnh hưởng đến tính mạng

của bệnh nhân; Nếu tiêm khoảng 2-3 ml không khí vào mạch máu tuần hoàn não

có thể gây tử vong.

1.2.2. Khảo sát nghiên cứu

Một số nghiên cứu, đề xuất của các tác giả trước về phát hiện hạt tác

nhân hay cảm nhận môi trường trong kênh dẫn:

Sử dụng cảm biến áp điện trở để phát hiện sự thay đổi áp suất của màng

thành ống phun giọt chất lỏng để từ đó có thể giám sát và ước lượng giọt chất

6

lỏng được tạo ra. Công đoạn chế tạo linh kiện này khá phức tạp, đòi hỏi phải có

một hệ thống trang thiết bị tiêu chuẩn cao trong chế tạo CMOS;

Sử dụng sóng siêu âm để phát hiện bọt khí trong dầu máy. Hệ thống này

khá phức tạp, thường xuyên phải bảo trì và chi phí bảo trì lớn;

Sử dụng tế bào quang điện để phát hiện bọt khí trong máu. Phương pháp

này chỉ nhạy với bọt khí có kích thước to, choán cả đường ống;

Sử dụng phương pháp cảm biến tự cảm để phát hiện mạt kim loại. Phương

pháp này có độ nhạy thấp đối với mạt kim loại nhỏ;

Sử dụng cảm biến điện dung đồng phẳng được sử dụng để theo dõi, đo

lường vận tốc chuyển động và thể tích giọt nước trong kênh dẫn. Với phương

pháp này, điện trường không tập trung nhiều vào giọt nước. Như vậy, độ nhạy

của phương pháp này không thật sự cao;

Với chất lỏng dẫn điện, sử dụng kỹ thuật tiếp xúc trực tiếp giữa điện cực

của máy đo với chất lỏng hay dung dịch điện phân. Ở phương pháp này, các hiệu

ứng phân cực trong dung dịch và sự ăn mòn điện hóa các điện cực là không thể

tránh khỏi. Bên cạnh đó, sự bám két vào các điện cực thường gây ra lỗi trong

phép đo độ dẫn điện;

Sử dụng cấu trúc cảm biến điện dung bản tụ không tiếp xúc với dung dịch

với tần số tín hiệu đầu vào lớn 80 MHz. Với giải pháp này năng lượng mất mát

và môi trường hấp thụ tín hiệu mạnh. Đồng thời, bản cực tụ cảm biến phải rất

nhỏ và mạch khá phức tạp;

Sử dụng cấu trúc cảm biến phát hiện độ dẫn điện bằng cặp tụ không tiếp

xúc (C4D). Tuy nhiên, cấu trúc này vẫn chưa khắc phục loại bỏ được tối ưu

nhiễu, các thiết kế hệ thống chống nhiễu còn phức tạp và chưa hiệu quả. Ngoài

ra, cấu trúc cảm biến này chưa đồng thời đo được cho cả kênh chất lỏng không

dẫn điện và có dẫn điện và chưa đo được cho kênh chất lỏng dẫn điện cao.

Nhận xét về các đề xuất đã có:

Các nghiên cứu về cảm biến điện dung này đã phát hiện được sự thay đổi

môi trường trong kênh dẫn lỏng. Nhưng trong các nghiên cứu đó, hệ thống rất

phức tạp và chi phí cao. Các mô hình này chưa loại bỏ triệt để được nhiễu sinh ra

khi đo đạc và mạch tín hiệu trong các mô hình chưa hoạt động ổn định. Đồng

thời, các cấu trúc này chưa đo được đồng thời cho kênh chất lỏng dẫn điện cao và

chưa đo đồng thời cho cả kênh không dẫn điện và dẫn điện.

1.3. Cấu trúc của luận án

Các nội dung nghiên cứu dẫn đến kết quả đạt được và đóng góp mới của luận

án sẽ được trình bày trong các chương, mục theo bố cục sau:

Chương 1: Tổng quan

7

Chương 2: Thiết kế và mô phỏng cảm biến chất lỏng kiểu tụ điện

Chương 3: Chế tạo cảm biến, thiết lập hệ đo

Chương 4: Kết quả và thảo luận

Kết luận và định hướng nghiên cứu tiếp theo.

1.4. Kết luận chương và đề xuất hướng nghiên cứu

Nghiên cứu tập trung một số vấn đề bổ sung liên quan đến việc xây dựng mô

hình loại bỏ nhiễu kênh tối ưu hơn và kỹ thuật chế tạo cảm biến tối ưu hơn. Chế

tạo tụ cảm biến có kích thước các bản cực không đòi hỏi quá nhỏ mà vẫn có thể

đo được các tác nhân nhỏ. Hơn nữa, nghiên cứu sẽ tính toán, thiết kế và chế tạo

ra hệ thống cảm biến có thể đo được kênh dẫn chất lỏng có độ dẫn điện cao hơn,

đồng thời có thể ứng dụng được với kênh dẫn chất lỏng dẫn điện và cả không dẫn

điện.

Chương 2: THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG CẢM BIẾN CHẤT LỎNG

KIỂU TỤ ĐIỆN

2.2. Thiết kế cảm biến chất lỏng kiểu tụ điện

2.2.1. Thiết kế cấu trúc cảm biến

Cảm biến điện dung được chế tạo ngay trên bản mạch, ngay sát hệ thống tiền

khuếch đại đầu tiên. Thiết kế này cho phép giảm điện dung ký sinh và nhiễu do

đã bỏ qua dây kết nối.

a) Mô hình cảm biến ba điện cực hình cung tròn cảm nhận kênh vuông

góc với mặt phẳng hệ thống cảm biến

Hệ thống cảm biến này bao gồm hai tụ điện ba điện cực. Trong đó, một tụ là

tụ điện cảm biến và tụ còn lại đóng vai trò là tụ điện tham chiếu.

Hình 2.15. (a) Thiết kế các cảm biến kênh lỏng, có hai kênh dẫn lỏng tương ứng

với kênh cảm biến và kênh tham chiếu; (b) Các cảm biến điện dung được chế tạo trực

tiếp trên các bản mạch in.

b) Mô hình cảm biến ba điện cực thẳng cảm nhận kênh song song với

mặt phẳng hệ thống cảm biến

Cảm biến được thiết kế kẹp sát dọc theo thành ống dẫn. Các bản cực của tụ

điện được kết nối với hệ thống đo.

8

Điện cựcỐng kênh dẫn

chất lỏng

Điện cực

PCB

a) b)

Hình 2.19. Cảm biến tụ điện có ba điện cực thẳng kẹp hai bên thành kênh dẫn

c) Mô hình cảm biến ba điện cực hình chữ U cảm nhận kênh song song

với mặt phẳng hệ thống cảm biến

Ba cực tụ cảm biến hình chữ U có kích thước và hình dạng như nhau được

thiết kế ôm bên sát bên ngoài thành ống dẫn.

a) b)

Điện cực

PCB

Ống kênh dẫn chất

lỏng

Hình 2.21. Cảm biến tụ điện có 3 cực chữ U ôm sát kênh dẫn

2.2.2. Tính toán và thiết kế mạch điện

a) Cảm biến ba điện cực hình cung tròn cảm nhận kênh vuông góc với

mặt phẳng hệ thống cảm biến

Tín hiệu sin với pha 0 và 180 được áp dụng cho các điện cực số 1 của tụ

cảm biến và tụ tham chiếu. Do đó, các nhiễu chung được loại bớt khi sử dụng

mạch tổng hợp này.

Sự thay đổi điện dung của tụ điện cảm biến:

x rC C C (2.23)

Khi một tín hiệu sin Vs = Vs0 cosωt được đặt lên đầu vào của khối cảm biến,

điện dung thay đổi C có thể được tính bằng công thức

Outf

S

VC C

V

(2.25)

9

-1

+1

-

+

Vs

VOut

Rf

CfCr

Cx

1 2

3

1 2

3Tín hiệu

xung vào

Cảm biến

Khuếch đại điện tích

Khuếch đại Lock – in số 7220 -

PLL

LPF

NI Data

acquisition

( DAQPad -

6016 )

PC

Vs

Khối xử lý tín hiệu ra

AMP

-Vs

+Vs

Hình 2.24. Thiết kế sơ đồ mạch điện

b) Cảm biến ba điện cực thẳng cảm nhận kênh song song với mặt

phẳng hệ thống cảm biến

Khuếch đại

điện tích

V drive Khuếch đại

vi sai

AD 620

VoutLPF

NI card Labview

Computer

Vout

Lọc thông

thấp

Cảm

biến

Amp LPF

Amp LPF

Hình 2.25. Sơ đồ mạch tín hiệu của cảm biến điện dung

Điện dung thay đổi C có thể được tính bằng công thức:

(2.30)

c) Cảm biến ba điện cực hình chữ U cảm nhận kênh song song với mặt

phẳng hệ thống cảm biến

Với kênh dẫn là chất lỏng không dẫn điện, điện dung thay đổi C có thể

được tính bằng công thức:

√(

)

Với kênh dẫn là chất lỏng dẫn điện, sự thay đổi của ∆Rs có thể được tính

bằng công thức:

10

V in

V outLPF

Bình

chứa

Nguồn

AC

Xung sine 580 KHz

Hạt

Xi lanh

Khuếch đại

vi sai

Ro

Ro

Hình 2.32. Sơ đồ khối thiết kế bộ cảm biến kênh chất lỏng DC

4D.

2.3. Mô phỏng

2.3.1. Mô phỏng

a) Cảm biến ba điện cực hình cung tròn cảm nhận kênh vuông góc với

mặt phẳng hệ thống cảm biến

-1 -0.5 0 0.5 1 1.5 251

51.5

52

52.5

53

53.5

54

54.5

55

Die

n d

un

g -

fF

Toa do - mm

1

2

3 4

5

6

Bọt khí

Hình 2.42. Điện dung của cảm biến

tương ứng với các vị trí của bọt khí

Hình 2.43. Điện dung thay đổi lớn

nhất của cảm biến phụ thuộc vào thể

tích của bọt khí

Bọt khí dịch chuyển chậm từ phía ngoài cảm biến dần tiến đến cảm biến, đi

vào cảm biến rồi đi ra khỏi cảm biến. Khi bọt khí đi qua cảm biến, điện môi

trong cảm biến sẽ thay đổi và dẫn đến điện dung của cảm biến cũng thay đổi

theo.

* Thảo luận

Cảm biến điện dung này cho phép phát hiện thay đổi điện môi trong các

kênh chất lỏng không dẫn điện theo thời gian thực. Cấu trúc đề xuất này có thể

phát hiện một bọt khí có thể tích từ 0,1 đến 2,28 mm3, với điện dung thay đổi

tương ứng từ 0,67 đến 8,95 fF.

b) Cảm biến ba điện cực thẳng cảm nhận kênh song song với mặt

phẳng hệ thống cảm biến

0 0.5 1 1.5 20

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

C

- fF

The tich - mm3

Mo phong

Xap xi tuyen tinh

11

Hình 2.50 thể hiện sự thay đổi điện dung của cặp điện cực phụ thuộc vào vị

trí của hạt trong kênh dẫn. Điện dung thay đổi 18,74 fF và 8,02 fF, tương ứng

với hạt thiếc và bọt khí có thể tích 3.93 mm3 và 5.57 mm

3 bên trong kênh dầu.

Hình 2.50. Điện dung thay đổi khi hạt

thiếc và bọt khí đi qua cảm biến kênh

dẫn dầu

Hình 2.51. Điện dung thay đổi tương

ứng với thể tích của hạt thiếc trong

kênh dẫn dầu

* Thảo luận

Mô phỏng cho thấy cảm biến tụ điện nhận biết được bọt khí và hạt thiếc

trong kênh dẫn dầu. Khi bọt khí hay hạt thiếc trong kênh dẫn dầu di chuyển qua

cảm biến tụ điện sẽ làm thay đổi điện dung của cảm biến tụ điện, từ đó làm thay

đổi điện áp đầu ra của mạch cảm biến. Kết quả mô phỏng cho thấy sự thay đổi

của điện dung khi có bọt khí và hạt kim loại xuất hiện là tương đối rõ.

c) Cảm biến ba điện cực hình chữ U cảm nhận kênh song song với mặt

phẳng hệ thống cảm biến

* Mô phỏng cho trường hợp kênh dẫn lỏng không dẫn điện

Đối với kênh lỏng không dẫn điện hoặc dẫn điện thấp (σ ≤ 0.01 S/m), điện

trở của chất lỏng bên trong kênh lớn. Do đó, các yếu tố chi phối trong trường hợp

này là thành phần điện dung.

Hình 2.56 thể hiện sự thay đổi về chênh lệch điện dung của 2 cặp điện cực

phụ thuộc theo vị trí của hạt trong kênh dẫn.

Hình 2.57 cho thấy điện dung của cảm biến thay đổi tuyến tính với thể tích

của hạt thiếc bên trong kênh dầu. Điện dung thay đổi lớn nhất lên đến 33.25 fF

khi thể tích hạt thiếc là 6.61 mm3.

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

25

C

- fF

Vi tri Hat thiec va Bot khi - mm

Bot khi trong dau

Hat thiec trong dau

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 40

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

C

- fF

The tich - mm3

12

Hình 2.56. Điện dung thay đổi so với vị

trí hạt bên trong cảm biến C4D

Hình 2.57. Điện dung của cảm biến

C4D thay đổi tuyến tính với thể tích

của hạt thiếc bên trong kênh dầu * Tính toán cho trường hợp kênh dẫn lỏng dẫn điện

Khi độ dẫn của chất lỏng trong kênh dẫn là đủ lớn (σ> 0,1 S/m), ảnh hưởng

của điện dung bên trong các điện cực chữ U của cảm biến so với tổng trở kháng

là nhỏ. Các điện dung trong phương trình tương đương chủ yếu phụ thuộc vào

điện dung C0. Tuy nhiên, C0 là tham số không thay đổi, do đó yếu tố cảm biến

chính là độ dẫn điện của chất lỏng khi hạt chuyển động trong kênh dẫn chất lỏng

dẫn điện. Mạch tương đương của cấu hình này được thể hiện trong hình 2.59.

Trong nghiên cứu này, các hạt nhựa được đưa vào trong kênh dẫn dung dịch

NaCl có nồng độ khác nhau để khảo sát. Điện dung Cw được tạo ra bởi thành ống

dẫn và điện cực. Rs là điện trở của dung dịch giữa hai điện cực (xem hình 2.58).

l1 l2 l3

Hạt tác

nhân

C1 C2 C3Cw

R1

R2 R3 Rs

C0

Chất lỏng

Điện cực

L Hình 2.58. Mạch tương đương của cảm biến cho kênh chất lỏng dẫn điện.

R1

C2

R2

R3 Rs Cw

C3

Tín hiệu ra

AC C0

R0AC

Hình 2.59. Mạch điện tương đương của cảm biến

* Thảo luận

Cảm biến DC4D có thể được sử dụng cho cả hai kênh, chất lỏng dẫn điện và

chất lỏng không dẫn điện.

Mô phỏng bọt không khí, hạt thiếc được bơm qua các điện cực với kênh dẫn

chất lỏng không dẫn điện và hạt nhựa với kích cỡ khác nhau trong kênh dẫn chất

lỏng dẫn điện đều cho thấy độ thay đổi điện dung đầu ra là lớn và rõ ràng.

-5 0 5 10 15 20 25 30-0.1

-0.08

-0.06

-0.04

-0.02

0

0.02

0.04

0.06

0.08

C -

pF

Vi tri hat - mm

Hat nhua trong nuoc

Hat thiec trong dau

Bot khi trong dau

0 1 2 3 4 5 6 70

5

10

15

20

25

30

C

- fF

The tich hat - mm3

13

2.4. Kết luận chương

Chương này trình bày thiết kế của ba cấu trúc cảm biến chất lỏng sử dụng

cấu trúc điện dung. Ba cấu trúc đó đã được nghiên cứu, thiết kế, tính toán và mô

phỏng. Mỗi cấu trúc có ưu và nhược điểm riêng và phù hợp với các ứng dụng cụ

thể khác nhau.

Cấu trúc thứ nhất được thiết kế trên cơ sở ba điện cực và kênh dẫn vuông

góc với mặt phẳng của mạch điện. Ưu điểm của cấu trúc này là cảm biến được

thiết kế gồm 3 điện cực ngay trên bản mạch PCB, gồm hai kênh là kênh cảm biến

và kênh tham chiếu. Với thiết kế này loại bỏ được nhiễu dây dẫn, đồng thời kết

hợp với việc sử dụng cấu trúc vi sai để loại bỏ tối ưu nhiễu.

Cấu trúc thứ hai được thiết kế với ba điện cực thẳng kẹp hai bên kênh dẫn

và nằm ngay trên bản mạch PCB. Ưu điểm của cấu trúc này là loại bỏ được nhiễu

chung trong kênh dẫn do các điện cực được thiết kế trên cùng một kênh dẫn, và

với thiết kế mạch nêu trên, tín hiệu từ hai điện cực đầu ra của cảm biến sau khi

qua bộ khuếch đại vi sai sẽ loại bỏ được tối ưu các nhiễu đường dây, nhiễu chung

ở hai kênh đặc biệt là nhiễu điện từ, nhiễu 50 Hz. Đầu ra của hệ thống chỉ là tín

hiệu thay đổi do tác động của hạt tác nhân xuất hiện trong kênh dẫn.

Cấu trúc thứ ba là cấu trúc DC4D được thiết kế với ba điện cực hình chữ U

ôm sát dọc theo kênh dẫn và nằm trên mặt bản mạch PCB. Ưu điểm của cấu trúc

DC4D là đo được đặc trưng của kênh dẫn đối với chất lỏng có độ dẫn điện cao.

Đồng thời, cấu trúc này còn đo được cho cả chất lỏng dẫn điện và không dẫn

điện.

Ngoài ra, chương này còn trình bày ba cấu trúc mạch điện được sử dụng cho

ba cấu trúc cảm biến và trình bày phương pháp tính, tính toán lý thuyết để tìm ra

các phương trình và công thức để tính được sự thay đổi điện dung của cảm biến

tụ khi có hạt tác nhân xuất hiện. Đồng thời, chương này cũng trình bày mô hình

hóa và mô phỏng ba cấu trúc cảm biến chất lỏng được thực hiện trong đề tài

nghiên cứu. Các kịch bản mô phỏng được xây dựng dựa trên các quy trình đo

thực tế của các cấu trúc chế tạo được để làm cơ sở đánh giá hoạt động và tối ưu

các thông số thiết kế của các cấu trúc cảm biến đề xuất.

Các thiết kế, tính toán và mô phỏng này là cơ sở cho các thiết kế cụ thể, các

phép đo đạc và đánh giá được trình bày ở chương sau.

14

Chương 3: CHẾ TẠO CẢM BIẾN, THIẾT LẬP HỆ ĐO

3.1. Chế tạo cảm biến

3.1.1. Cảm biến ba điện cực hình cung tròn cảm nhận kênh vuông góc

với mặt phẳng hệ thống cảm biến

Cảm biến điện dung ba điện cực cảm nhận kênh vuông góc với mặt phẳng hệ

thống cảm biến được chế tạo dựa trên công nghệ PCB. Hình 3.1 thể hiện hai cảm

biến có kích thước như nhau nằm trên PCB. Ba điện cực được chế tạo bằng đồng,

kết nối giữa hai lớp của mạch in trên PCB và có chiều cao bằng độ dày của tấm

PCB là 1,4 mm. Kênh dẫn chất lỏng đặt luồn qua cảm biến và vuông góc với hệ

thống.

Hình 3.1. Cảm biến ba điện cực hình cung tròn cảm nhận kênh vuông góc với mặt

phẳng hệ thống được chế tạo bằng công nghệ PCB

3.1.2. Cảm biến ba điện cực thẳng cảm nhận kênh song song với mặt

phẳng hệ thống cảm biến

Cảm biến được thiết kế có một điện cực dài và hai điện cực ngắn có kích

thước như nhau. Hai điện cực ngắn của cảm biến được thiết kế thẳng hàng với

nhau, song song với điện cực dài và kẹp hai bên của kênh dẫn.

Hình 3.3. Cảm biến 3 điện cực thẳng kênh song song với mặt phẳng hệ thống.

3.1.3. Cảm biến ba điện cực hình chữ U cảm nhận kênh song song với

mặt phẳng hệ thống cảm biến

Cảm biến được chế tạo dựa trên mạch in (PCB). Điện cực hình chữ U được

gắn trực tiếp trên PCB cùng với mạch xử lý tín hiệu để làm giảm các thành phần

ký sinh và nhiễu thông thường. Ống nhựa được đặt bên trong các điện cực hình

chữ U.

15

a) b) Hình 3.4. Hệ thống cảm biến 3 điện cực hình chữ U kênh song song với mặt phẳng

hệ thống

3.3. Thiết lập hệ đo

3.3.1. Cảm biến ba điện cực hình cung tròn cảm nhận kênh vuông góc

với mặt phẳng hệ thống cảm biến

Một tín hiệu xung sin tần số 100 kHz, có biên độ 13 V lấy từ đầu ra máy phát

xung chuẩn HM8030 được đưa tới đầu vào bộ tạo hai xung ngược pha –Vs và

+Vs của bo mạch. Tín hiệu xung sin được đưa vào điện cực kích thích của cảm

biến. Tín hiệu đầu ra của cảm biến được đưa tới bộ khuếch đại lock-in rồi đến bộ

thu thập dữ liệu NI có kết nối với máy tính. Cuối cùng, tín hiệu này sẽ được xử lý

bằng phần mềm LabView.

3.3.2. Cảm biến ba điện cực thẳng cảm nhận kênh song song với mặt

phẳng hệ thống cảm biến

Trong thiết lập hệ đo này, tín hiệu cấp cho điện cực kích thích của hệ thống

cảm biến là một xung sin tần số 130 kHz và điện áp là 10 V. Hệ thống này sử

dụng các ống truyền dịch được đặt vào khe của các điện cực cảm biến. Để tạo ra

bọt khí và dòng chảy của dung dịch vào đường ống, hệ thống sử dụng một xi

lanh bơm dung dịch và một xi lanh có gắn bước điều chỉnh vi khoảng cách trên

thước đo panme để tạo ra bọt khí vào dòng dung dịch thông qua đầu nối hình chữ

T.

3.3.3. Cảm biến ba điện cực hình chữ U cảm nhận kênh song song với

mặt phẳng hệ thống cảm biến

Tần số cấp cho cực kích thích là 580 kHz và điện áp là 3 V. Tín hiệu từ hai

điện cực còn lại được đưa vào bộ khuếch đại vi sai, sau đó đến bộ giải điều chế

và tiếp theo là mạch lọc thông thấp, rồi đến bộ thu thập dữ liệu NI có kết nối với

máy tính.

3.4. Kết luận chương

Chương này trình bày chế tạo ba cảm biến chất lỏng với các kích thước cụ

thể. Các mạch thu thập tín hiệu, khuếch đại và ghép nối máy tính được thiết kế,

chế tạo và khảo sát hoạt động. Các hệ đo là sự kết hợp của các chức năng bơm

dòng chất lỏng, bơm hạt tác nhân, máy phát, mạch tiền khuếch đại, mạch khuếch

16

đại và các thiết bị điện tử khác được kết nối và tối ưu cho các nhiệm vụ đo sự

thay đổi điện dung rất nhỏ, cỡ vài fF. Các tính hiệu được thu thập vào máy tính

sử dụng một bộ thu thập dữ liệu của NI và phần mềm Labview.

Chương 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

4.1. Cảm biến ba điện cực hình cung tròn cảm nhận kênh vuông góc với

mặt phẳng hệ thống cảm biến

4.1.1. Một bọt khí qua cảm biến trong kênh dẫn

Biên độ của điện áp đầu ra tối đa là 30 mV khi một bọt khí có thể tích 1,45

mm3 đi qua các kênh cảm biến. Biên độ điện áp đầu ra này phụ thuộc vào thể tích

của bọt khí do sự thay đổi điện môi. Độ rộng của tín hiệu đầu ra phụ thuộc vào

vận tốc của dòng chảy kênh chất lỏng.

0 1 2 3 4 5245

250

255

260

265

270

275

280

285

Die

n a

p r

a -

mV

Thoi gian - s Hình 4.1. Tín hiệu đầu ra của hệ thống

cảm biến khi bọt khí di chuyển qua

cảm biến điện dung.

Hình 4.2. Sáu bọt khí với thể tích khác

nhau được phát hiện và giá trị điện áp

đầu ra của cảm biến.

Hình 4.3. Biên độ điện áp đầu ra của

cảm biến thay đổi tương ứng với thể

tích của bọt khí.

Hình 4.4. Thay đổi điện dung tương

ứng với thể tích của bọt khí.

Trong trường hợp kích thước bọt khí nhỏ hơn so với chiều dài của cảm biến

điện dung, vận tốc của bọt khí có thể được tính như sau:

0 0.5 1 1.5 2 2.5

230

240

250

260

270

280

Die

n a

p r

a -

mV

Thoi gian - s

0.1 mm3

0.27 mm3

0.78 mm3

1.45 mm3

1.83 mm3

2.28 mm3

0 0.5 1 1.5 20

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

Die

n a

p r

a -

mV

The tich bot khi - mm3

Thuc nghiem

Linear fitted

0 0.5 1 1.5 20

1

2

3

4

5

6

7

C

- fF

The tich bot khi - mm3

Thuc nghiem

Linear fitted

17

A B

hVelocity

T T

(23)

Trong đó h là chiều dài của tụ điện, TA và TB là thời điểm mà bọt khí đi vào

cảm biến được một nửa.

4.1.2. Nhiều bọt khí qua cảm biến kênh dẫn dầu

Khi có ba bọt khí dịch chuyển trong kênh dẫn dầu và đi qua cảm biến sẽ cho

tín hiệu ở lối ra như hình 4.6 và hình 4.7. Tín hiệu lối ra thay đổi phụ thuộc theo

thể tích bọt khí. Bọt khí lớn hơn thì tín hiệu ra giảm nhiều hơn.

a) b)

c)

0 1 2 3 4 5273

274

275

276

277

278

279

280

281

Die

n a

p r

a -

mV

Thoi gian - s Hình 4.6. Phát hiện các bọt khí có thể

tích không bằng nhau trong dầu.

0 1 2 3 4 5

271

272

273

274

275

276

277

278

279

280

281

Die

n a

p r

a -

mV

Thoi gian - s

a) b)

c)

Hình 4.7. Phát hiện ba bọt khí có thể

tích gần bằng nhau trong dầu. 4.1.4. Thảo luận

Điện dung của cảm biến thay đổi trong khoảng từ 0,51 fF tới 6,70 fF tương

ứng với thể tích bọt khí trong khoảng từ 0,1 đến 2,28 mm3. Thay đổi điện dung

này đủ lớn để các mạch điện tử có thể phát hiện và thu thập xử lý thông tin. Các

kết quả phân tích lý thuyết trùng với các kết quả thực nghiệm đo đạc được. Điều

đó cho thấy các mô hình phân tích lý thuyết là phù hợp. Các mô hình này có thể

dùng để phân tích và thiết kế các hệ thống cảm biến tương đương.

Bên cạnh các chức năng phát hiện vật thể trong kênh dẫn lỏng, cảm biến

này còn cho phép đo được vận tốc của các dòng chất lỏng thông qua xác định vị

trí và thời gian tương ứng của các hạt.

4.2. Cảm biến ba điện cực thẳng cảm nhận kênh song song với mặt

phẳng hệ thống cảm biến

4.2.1. Bọt khí qua cảm biến trong kênh dẫn máu

Khi có bọt khí có thể tích 27.75 mm3 dịch chuyển trong ống dẫn máu và đi

qua cảm biến, biên độ điện áp đầu ra của mạch cảm biến thay đổi nhiều nhất là

64.7 mV.

18

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

3.5

3.55

3.6

3.65

3.7D

ien

ap

ra

- V

Thoi gian - s Hình 4.12. Tín hiệu đầu ra của mạch

cảm biến khi có bọt khí thể tích 27.75

mm3 dịch chuyển qua cảm biến

Hình 4.13. Bọt có thể tích khác nhau

qua cảm biến

Xung tín hiệu đầu ra của cảm biến tương ứng với từng bọt khí có độ rộng

khác nhau là do vận tốc bọt khí dịch chuyển trong máu là khác nhau. Độ rộng

xung lớn tương ứng với bọt khí dịch chuyển chậm. Biên độ điện áp đầu ra của

mạch cảm biến với thể tích bọt khí đi qua cảm biến là tuyến tính. Căn cứ vào

biên độ điện áp đầu ra của mạch cảm biến, ta có thể ước lượng thể tích của các

bọt khí di chuyển qua cảm biến.

Trong trường hợp đường kính bọt khí nhỏ hơn độ dài của cảm biến điện

dung, vận tốc của các bọt khí có thể được tính bằng:

Vbọt khí

Trong đó h là chiều dài của tụ điện, T1 và T2 là thời gian khi bọt khí tại thời

điểm bọt khí đi vào cảm biến được một nửa.

4.2.2. Giọt nước đi qua cảm biến kênh dầu biến thế

Cho giọt nước có thể tích 26,05 mm3 di chuyển qua cảm biến, khi đó biên

độ điện áp đầu ra thay đổi là 3.95 V. Điện áp đầu ra của mạch cảm biến thay đổi

tuyến tính với thể tích giọt nước qua cảm biến.

4.2.3. Hạt kim loại đi qua cảm biến kênh dẫn dầu bôi trơn động cơ

Hạt thiếc có thể tích là 2,14 mm3 tương ứng với độ lớn của biên độ điện áp

ra là 0.73 V. Điện áp đầu ra của mạch cảm biến thay đổi tuyến tính với thể tích

hạt thiếc qua cảm biến.

4.2.6. Thảo luận

Điện dung của cảm biến thay đổi trong khoảng từ 0,69 fF đến 8,53 fF tương

ứng với thể tích hạt thiếc trong khoảng từ 0,14 đến 3,66 mm3. Thay đổi điện

dung này đủ lớn để các mạch điện tử có thể phát hiện và thu thập xử lý thông tin.

Cảm biến phát hiện được giọt nước trong dầu biến thế. Điện áp thay đổi đầu

ra từ 3,95 đến 6,17 V tương ứng với thể tích giọt nước từ 26,05 đến 33,25 mm3.

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

3.58

3.6

3.62

3.64

3.66

3.68

3.7

Die

n a

p r

a -

V

Thoi gian - s

17.66 mm3

27.75 mm3

35.33 mm3

39.79 mm3

19

Cảm biến còn phát hiện được sự xuất hiện của các bọt khí trong ống dẫn

máu. Vận tốc và thể tích của các bọt khí được tính toán bằng cách quan sát sự

thay đổi của điện áp đầu ra của cảm biến điện dung. Cảm biến tụ điện được thiết

kế và chế tạo có thể phát hiện tình trạng đường ống dẫn máu có bọt khí ở thời

gian thực. Cấu trúc cảm biến này có độ nhạy tốt cho các bọt khí từ 17,66 đến 40

mm3, tương ứng với sự thay đổi điện áp đầu ra từ 0,03 đến 0,12 V.

4.3. Cảm biến ba điện cực hình chữ U cảm nhận kênh song song với

mặt phẳng hệ thống cảm biến

4.3.1. Cảm biến ba điện cực hình chữ U cảm nhận kênh dẫn lỏng không

dẫn điện

Đây chính là bộ cảm biến vi sai phát hiện độ dẫn điện bằng cặp tụ không

tiếp xúc (DC4D). Điện áp đầu ra của hệ thống cảm biến là tín hiệu vi sai từ hai tín

hiệu đầu ra của hai cảm biến đơn phát hiện độ dẫn điện bằng cặp tụ không tiếp

xúc (C4D đơn). Một C

4D đơn đóng vai trò là tụ cảm biến và một C

4D kia đóng

vai trò là tụ tham chiếu.

(a)

(b)

Hình 4.28. Điện áp đầu ra của cảm biến DC4D khi một hạt đi qua các điện cực

trong kênh dầu biến thế: (a) 4,17 mm3 bọt khí; và (b) 3,83 mm3 hạt thiếc

Thay đổi điện dung tối đa là 1,5 fF và 6,3 fF, tương ứng với 4.17 mm3 bọt

khí và 3,83 mm3 hạt thiếc khi đi qua cảm biến.

Biên độ của điện áp đầu ra và sự thay đổi điện dung phụ thuộc vào thể tích

của hạt tác nhân. Sự thay đổi biên độ điện áp đầu ra và thay đổi điện dung so với

thể tích hạt thiếc là tuyến tính. Vì vậy, cảm biến DC4D này cho phép ước lượng

thể tích của hạt khi biết chất liệu hạt.

4.3.2. Cảm biến ba điện cực hình chữ U cảm nhận kênh dẫn chất lỏng

dẫn điện

Hình 4.31 thể hiện điện áp ra của cảm biến DC4D khi một hạt nhựa đi qua

điện cực trong kênh dẫn chất lỏng dẫn điện là dung dịch muối và nước. Độ lớn

điện áp đầu ra thay đổi lên đến 300 mV và 50 mV khi một hạt nhựa có thể tích

0 0.5 1 1.5 21.475

1.48

1.485

1.49

1.495

1.5

1.505

1.51

1.515

1.52

1.525

Die

n a

p r

a -

V

Thoi gian - s

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.51.4

1.45

1.5

1.55

1.6

Die

n a

p r

a -

V

Thoi gian - s

20

4,88 mm

3 di chuyển qua cảm biến trong kênh nước và trong kênh dung dịch

muối tương ứng.

Hình 4.31. Điện áp đầu ra của cảm

biến DC4D khi một hạt nhựa đi qua

các điện cực với: kênh nước và kênh

dung dịch muối

Hình 4.33. Biên độ điện áp đầu ra của

cảm biến DC4D so với thể tích hạt

trong dung dịch muối và nước

Hình 4.34. Điện áp đầu ra của cảm

biến DC4D tương ứng với các thể tích

hạt trong các nồng độ khác nhau của

dung dịch muối

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5

1.2

1.3

1.4

1.5

1.6

1.7

1.8

Die

n a

p r

a -

V

Thoi gian - s

A

B

A B

14 mm

1.45 (s) 2.02 (s)

Hình 4.36. Tính toán vận tốc của hạt

bên trong kênh chất lỏng.

Vận tốc hạt có thể được ước tính bằng cách chia khoảng cách AB (ở hình

4.36) cho thời gian giữa hai đỉnh điện áp.

4.3.3. Thảo luận

Cảm biến DC4D có thể được sử dụng cho cả hai kênh chất lỏng dẫn điện và

chất lỏng không dẫn điện.

Bọt khí và hạt thiếc được bơm qua các điện cực với kênh lỏng không dẫn

điện. Cảm biến cảm nhận hạt thiếc trong kênh dầu có thể tích từ 1,05 mm3 đến

6,62 mm3 tương ứng với độ lệch biên độ đầu ra từ 69,12 mV đến 328,83 mV và

điện dung thay đổi từ 2,26 fF đến 10,75 fF.

0 1 2 3 4 5

1.2

1.3

1.4

1.5

1.6

1.7

Die

n a

p r

a -

V

Thoi gian - s

Hat nhua trong nuoc

Hat nhua trong nuoc muoi

0 2 4 6 8 100

500

1000

1500

Die

n a

p r

a -

mV

The tich - mm3

Nuoc muoi

Linear fitted

Nuoc

0 2 4 6 8 10

0

50

100

150

200

250

300

V

- m

V

The tich - mm3

Nuoc muoi 0.75%

Nuoc muoi 0.9%

Nuoc muoi 1.5%

Nuoc muoi 3%

Linear fitted

21

Cảm biến cảm nhận biết hạt nhựa trong kênh dẫn dung dịch muối (có độ

dẫn điện là 6 S/m) với thể tích khác nhau từ 1,5 mm3 đến 9,37 mm

3, tương ứng

có độ lệch biên độ đầu ra từ 10 mV đến 78 mV. Các kết quả đo cho thấy mối

quan hệ tuyến tính giữa điện áp đầu ra và thể tích của hạt. Bên cạnh phát hiện

hạt, bộ cảm biến này cho phép đo vận tốc của các hạt bên trong kênh dẫn lỏng

dựa vào khoảng cách và thời gian di chuyển giữa hai cấu trúc C4D đơn.

4.4. Kết luận chương

Chương này đã trình bày kết quả tính điện dung thay đổi của cảm biến và

kết quả mô phỏng sự phân bố điện trường cũng như điện dung đầu ra của cảm

biến. Đồng thời, chương này đã trình bày kết quả thực nghiệm tín hiệu đầu ra của

ba hệ thống cảm biến khi có tác nhân di chuyển trong kênh dẫn đi qua cảm biến.

Cảm biến ba điện cực hình cung tròn cảm nhận kênh vuông góc với mặt

phẳng hệ thống cảm biến có thể cảm nhận các tác nhân là bọt khí trong kênh dầu

bôi trơn động cơ và giọt nước trong kênh không khí. Cấu trúc này có thể phát

hiện một bọt khí có thể tích từ 0,1 đến 2,28 mm3, với điện dung thay đổi tương

ứng từ 0,51 đến 6,7 fF và thay đổi điện áp đầu ra từ 4 đến 53 mV. Đồng thời,

cảm biến này có thể phát hiện được nhiều bọt khí. Từ đó, ta có thể ước lượng

được thể tích của bọt khí, giọt nước và ước lượng được vận tốc của bọt khí, giọt

nước.

Cấu trúc cảm biến ba điện cực thẳng cảm nhận kênh song song với mặt

phẳng hệ thống cảm biến có thể phát hiện được các thay đổi trong kênh dẫn. Cảm

biến có thể cảm nhận được tác nhân là bọt khí trong kênh dẫn máu với thể tích

bọt khí từ 17,66 đến 40 mm3, giọt nước trong dầu biến thế với thể tích từ 26,05

đến 33,25 mm3 và hạt thiếc trong dầu bôi trơn động cơ với thể tích từ 0,14 đến

3,66 mm3. Bên cạnh việc phát hiện ra tác nhân trong kênh dẫn, hệ thống cảm

biến còn cho phép tính được vận tốc dịch chuyển của tác nhân trong kênh dẫn.

Cảm biến ba điện cực hình chữ U cảm nhận kênh song song với mặt phẳng

hệ thống cảm biến (cảm biến kênh chất lỏng DC4D). Cảm biến DC

4D có thể

được sử dụng cho cả hai kênh chất lỏng dẫn điện và chất lỏng không dẫn điện.

Bọt khí và hạt thiếc được bơm qua các điện cực với kênh lỏng không dẫn điện.

Cảm biến cảm nhận hạt thiếc trong kênh dầu có thể tích từ 1,05 mm3 đến 6,62

mm3, tương ứng với độ lệch biên độ đầu ra từ 69,12 mV đến 328,83 mV và điện

dung thay đổi từ 2,26 fF đến 10,75 fF. Cảm biến cảm nhận hạt nhựa trong kênh

dẫn dung dịch muối (có độ dẫn điện là 6 S/m) với thể tích khác nhau từ 1,5 mm3

đến 9,37 mm3, tương ứng có độ lệch biên độ đầu ra từ 10 mV đến 78 mV. Các

kết quả đo cho thấy có mối quan hệ tuyến tính giữa điện áp đầu ra và thể tích của

hạt. Bên cạnh phát hiện hạt, bộ cảm biến này cho phép đo vận tốc của các hạt bên

22

trong kênh dẫn lỏng dựa vào khoảng cách và thời gian di chuyển giữa hai cấu

trúc C4D đơn.

Giới hạn đo tốc độ của các hạt tác nhân trong kênh dẫn của cảm biến phụ

thuộc vào tần số cấp cho cực kích thích và đáp ứng của bộ lọc thông thấp. Tần số

càng lớn thì bộ lọc có thời gian đáp ứng càng nhỏ. Tuy nhiên, thời gian đáp ứng

của bộ lọc có giới hạn nhất định. Trong nghiên cứu này, tần số cấp cho cực kích

thích là từ 100 kHz đến 580 kHz. Các tần số trong khoảng này đều có thể đáp

ứng cho việc đo các bọt khí, hạt kim loại,… trong ống truyền máu, mạch máu và

kênh dẫn dầu trong khai thác dầu cũng như là trong các động cơ.

KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP

Cảm biến chất lỏng kiểu tụ điện cho ứng dụng cảm nhận thay đổi môi

trường trong kênh dẫn ngày càng được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khoa học

kỹ thuật và công nghệ khác nhau như công nghiệp chế tạo động cơ, công nghiệp

thuỷ khí, công nghiệp khai thác và chế biến dầu mỏ, kỹ thuật y sinh học và nhiều

lĩnh vực khoa học công nghệ phục vụ đời sống khác nhau. Nhiều phương pháp sử

dụng cảm biến chất lỏng kiểu tụ điện cho ứng dụng này. Tuy nhiên, các phương

pháp đó đều gặp phải các khó khăn về thiết kế cấu trúc, chế tạo cảm biến, về loại

bỏ nhiễu dây dẫn, nhiễu kênh dẫn, nhiễu nguồn và đặc biệt là cảm biến đo được

cho kênh dẫn chất lỏng có độ dẫn điện cao, đo được cho cả kênh dẫn không dẫn

điện và dẫn điện.

Luận án này trình bày các tính toán, mô phỏng, thiết kế, chế tạo và khảo sát

đánh giá hoạt động của cảm biến chất lỏng dựa trên ba cấu trúc nhằm giải quyết

các khó khăn này.

Các kết quả quan trọng của luận án đạt được là:

1. Cảm biến kiểu tụ điện có cấu trúc dạng cung tròn gồm một kênh cảm

biến và một kênh tham chiếu (cho cấu trúc vi sai) nhằm giảm ảnh hưởng

nhiễu nguồn và nhiễu dây dẫn.

2. Cảm biến kiểu tụ điện dạng thẳng sử dụng cấu trúc vi sai đã làm giảm

ảnh hưởng được nhiễu kênh dẫn.

3. Cảm biến dạng chữ U (cấu trúc DC4D) đồng thời đo được cho cả kênh

chất lỏng dẫn điện và không dẫn điện. Cảm biến DC4D đo được cho kênh

chất lỏng có độ dẫn điện cao đến 6 S/m. Các cảm biến đề xuất đều được

chế tạo trên bảng mạch PCB. Điều này giúp thu gọn kích thước.

Các đề xuất mới trong luận án, về cơ bản được sử dụng để nâng cao chất

lượng trong các ứng dụng cảm nhận sự thay đổi môi trường trong kênh dẫn chất

lỏng, đáp ứng được các yêu cầu ứng dụng tích hợp vào hệ thống chất lỏng có độ

dẫn điện cao và chất lỏng không dẫn điện. Luận án này đã nghiên cứu kích thước

23

các điện cực của cảm biến cỡ milimét và đo được sự thay đổi của điện dung của

cảm biến cỡ fF. Như vậy, các cảm biến kênh dẫn chất lỏng này có thể được sử

dụng để phát hiện dòng chảy hai pha trong ngành công nghiệp dầu khí, phát hiện

hạt trong kênh dẫn lỏng và phát hiện, đếm tế bào cho các ứng dụng y sinh học.

Trong thời gian tới, Nghiên cứu sinh và nhóm nghiên cứu sẽ tiếp tục phát

triển các cấu trúc cảm biến này và định hướng cho một số ứng dụng cụ thể trong

y sinh học. Một số định hướng nghiên cứu tiếp theo của luận án là:

- Thiết kế các hệ thống cảm biến phát hiện các vi đối tượng trong kênh vi

lỏng. Các đối tượng định hướng là các tế bào sống và cụ thể tập trung vào đối

tượng là các tế bào máu. Các tế bào sống thường có kích thước cỡ vài micromet

cho đến vài chục micromet. Do đó, các kênh lỏng sẽ có kích cỡ khoảng từ 10 µm

cho đến 100 µm.

- Hệ thống cảm biến kênh vi lỏng sau đó được định hướng ứng dụng phát

hiện các tế bào ung thư tuần hoàn (CTCs – Circulating Tumor Cells) trong phát

hiện ung thư sớm. Hệ thống cảm biến cần đáp ứng được yêu cầu tương thích với

y sinh học và cho phép gắn được các chỉ thị sinh học lên cấu trúc cảm biến.

- Như trình bày trong luận án, các cấu trúc này có tiềm năng ứng dụng cho

các hệ thống kênh dẫn kích thước lớn như ống dẫn dầu, ống dẫn nước. Nghiên

cứu sinh và nhóm nghiên cứu sẽ thiết kế và tối ưu cấu trúc cho các bài toán này

khi có yêu cầu từ thực tế.

24

CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ

1. T. Vu Quoc, H. Nguyen Dac, T. Pham Quoc, D. Nguyen Dinh, T. Chu

Duc, “A printed circuit board capacitive sensor for air bubble inside

fluidic flow detection,” Microsystem Technologies Journal, Volume 21,

April 2015, pp. 911-918. (SCI)

2. Nguyen Dac Hai, Vu Quoc Tuan, Do Quang Loc, Nguyen Hoang Hai,

Chu Duc Trinh, “Differential C4D Sensor for Conductive and Non-

conductive Fluidic Channel”, Microsystem Technologies Journal,

ISSN: 0946-7076 (printed version), ISSN: 1432-1858 (electronic

version) 2015. (SCI)

3. Nguyen Dac Hai, Vu Quoc Tuan, Tran Thi Thuy Ha, Nguyen Ngoc

Minh, Chu Duc Trinh, “Fluidic Capacitive Sensor for Detection of Air

Bubble Inside Engine Lubricating Oil”, VNU Journal of Science:

Natural Sciences and Technology, Vol. 31, No. 1 (2015) 8-16

4. Nguyen Dac Hai, Vu Quoc Tuan, Pham Quoc Thinh, Chu Duc Trinh,

“Detection of air bubbles in the microfluidic channel,” Hội nghị toàn

quốc lần thứ 2 về Điều khiển và Tự động hoá - VCCA-2013, pp. 582-

587.

5. Nguyễn Đắc Hải, Vũ Quốc Tuấn, Phạm Quốc Thịnh, Chử Đức Trình,

“Hệ thống cảm biến giọt chất lỏng trong kênh dẫn,” Hội nghị quốc gia

về Điện tử - Truyền thông (REV2013-KC01), pp. 56-60.

6. Nguyen Dac Hai, Tran Thi Thuy Ha, Vu Quoc Tuan, Pham Quoc Thinh

and Chu Duc Trinh, Three-electrode capacitive sensor for air-bubble

inside fluidic flow detection, The Fifth International Conference on

Communications and Electronics - ICCE 2014.

7. Nguyen Dac Hai, Pham Hoai Nam, Vu Quoc Tuan, Tran Thi Thuy Ha,

Nguyen Ngoc Minh, Chu Duc Trinh, “Air bubbles detection and alarm

in the blood stream of dialysis using capacitive sensors,” International

Conference on Engineering Mechanics and Automation (ICEMA 3),

2014.