NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG VÀ THỬ NGHIỆM CẢM BIẾN GÓC NGHIÊNG HAI CHIỀU CẤU TRÚC HAI PHA LỎNG –KHÍ

Abstract

Luận văn này trình bày về nghiên cứu phát triển một cảm biến đo góc nghiêng hai trục dựa trên nguyên lý đo điện dung vi sai cấu trúc hai pha lỏng - khí. Cảm biến nghiêng được khảo sát thử nghiệm và cải tiến thiết kế với cấu trúc cảm biến là hình cầu rỗng với năm điện cực được gắn bên ngoài tại các vị trí xác định quanh hình cầu. Trong đó một điện cực đóng vai trò là điện cực kích thích, và hai cặp điện cực còn lại (có vị trí đối xứng nhau qua trục đối xứng của hình cầu) đóng vai trò là các điện cực thu cho hai trục x và y. Quả cầu có chứa một phần là chất lỏng điện môi (nước, hằng số điện môi là 81). Với cấu trúc cải tiến cảm biến được đề xuất có thể phát hiện góc nghiêng theo hai trục x và y với độ nhạy và dải làm việc của cảm biến trên 2 trục này là tương đồng nhau. Hoạt động của cảm biến trước tiên được khảo sát bằng phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element method - FEM) sử dụng phần mềm mô phỏng Comsol Multiphysics. Dựa trên kết quả mô phỏng này, kích thước của các điện cực đã được tìm ra để đạt được tối ưu về độ nhạy và dải làm việc cho cảm biến. Nguyên mẫu cảm biến đã được chế tạo thử sử dụng phương pháp in 3D tạo mẫu nhanh (3D printing) và hoạt động của cảm biến đã được kiểm nghiệm. Kết quả thực nghiệm xác nhận sự thay đổi giá trị điện dung vi sai trên các cặp điện cực tương ứng với thay đổi của góc nghiêng tác dụng lên cảm biến theo hai trục x và y. Trên trục x cảm biến có dải làm việc [-70°, 70°] với độ nhạy 59.4 mV/° trong dải tuyến tính; trên trục y dải làm việc của cảm biến là [-70°, 70°] với độ nhạy 32.1 mV/°. Kết quả đo đạc cho thấy sự tương đồng của kết quả mô phỏng và kết quả thực nghiệm về dải làm việc nhưng vẫn còn sai khác về độ nhạy của cảm biến theo hai trục x, y.