Tóm tắt Luận án Nghiên cứu xây dựng hệ cảm biến góc nghiêng dựa trên cấu tröc kiểu tụ điện

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG 
VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ 
ĐẶNG ĐÌNH TIỆP 
NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ CẢM BIẾN GÓC 
NGHIÊNG DỰA TRÊN CẤU TRÖC KIỂU TỤ ĐIỆN 
Chuyên ngành: VẬT LÝ VÔ TUYẾN VÀ ĐIỆN TỬ 
 Mã số: 62 44 01 05 
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ 
 Hà Nội-2017 
CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI 
VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ - BỘ QUỐC PHÕNG 
Người hướng dẫn khoa học: 
1. PGS. TS Chử Đức Trình 
2. TS. Bùi Ngọc Mỹ 
Phản biện 1: GS.TS Bạch Gia Dương 
Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội 
Phản biện 2:PGS.TS Nguyễn Quốc Trung 
Đại học Bách khoa Hà Nội 
Phản biện 3: PGS.TS Đỗ Quốc Trinh 
Học viện Kỹ thuật quân sự 
Luận án sẽ được bảo vệ tại hội đồng chấm luận án tiến sĩ và họp 
tại Viện Khoa học và Công nghệ quân sự vào hồi .....giờ, ngày.... 
tháng.....năm ..... 
Có thể tìm hiểu luận án tại: 
 - Thư viện Viện Khoa học và Công nghệ quân sự 
 - Thư viện Quốc gia Việt Nam 
1 
MỞ ĐẦU 
Tính cấp thiết của luận án: Từ lâu các cảm biến (sensor) được 
sử dụng như những bộ phận để cảm nhận và phát hiện, nhưng chỉ từ vài 
ba chục năm trở lại đây chúng mới thể hiện vai trò quan trọng trong kỹ 
thuật và công nghiệp, đặc biệt là trong lĩnh vực đo lường, kiểm tra và 
điều khiển tự động. Nhờ các tiến bộ của khoa học và công nghệ trong 
lĩnh vực vật liệu, thiết bị điện tử và tin học, các cảm biến đã được giảm 
thiểu về kích thước, cải thiện về tính năng và ngày càng mở rộng phạm 
vi ứng dụng. Hiện nay, các cảm biến có mặt trong hầu hết các thiết bị 
điện tử từ các thiết bị dân dụng đến các khí tài quân sự. Chúng có mặt 
trong các thiết bị di động, hệ thống điều khiển tự động, người máy, 
kiểm tra chất lượng sản phẩm, tiết kiệm năng lượng, chống ô nhiễm môi 
trường, phát hiện an ninh và đặc biệt gần đây là trong các hệ thống nhà 
thông minh (smart home). Cảm biến cũng được ứng dụng rộng rãi trong 
lĩnh vực giao thông vận tải, sản xuất hàng tiêu dùng, bảo quản thực 
phẩm, sản xuất ô tô 
Cảm biến góc nghiêng kiểu điện dung chất lỏng đã được phát 
triển mạnh mẽ trong những năm gần đây, do những ưu điểm vượt trội 
và tính mới của nó. Cảm biến góc nghiêng kiểu tụ điện hai pha lỏng khí 
có ưu điểm dễ chế tạo và có thể dễ dàng thương mại hóa với giá thành 
rẻ, bên cạnh đó với cấu trúc lỏng nên chúng có ưu điểm là độ chống 
rung tốt so với các loại cảm biến vi cơ có cấu trúc thanh dầm thường 
phức tạp trong xử lý tín hiệu (chất lỏng có tính chất triệt tiêu dao động) 
[61], [62]. Cấu trúc cảm biến góc nghiêng kiểu tụ điện hai pha lỏng – 
khí có thể áp dụng trong việc đo thăng bằng ở các thiết bị máy móc hay 
trong xây dựng cần có độ chính xác cao. Với cấu trúc đo góc nghiêng 
hai chiều có thể áp dụng trong các lĩnh vực tự như động hóa, điều khiển. 
Chính vì vậy tôi đã chọn đề tài “Nghiên cứu xây dựng hệ cảm biến góc 
nghiêng dựa trên cấu trúc kiểu tụ điện” với mục tiêu và nội dung như 
trình bày sau đây. 
Mục đích của luận án: Nghiên cứu xây dựng được hệ cảm biến 
góc nghiêng dựa trên các kênh chất lỏng và cấu trúc kiểu tụ điện. 
Nội dung nghiên cứu của luận án: Nghiên cứu thiết kế, chế tạo 
các cấu trúc cảm biến góc nghiêng dựa trên các kênh chất lỏng và cảm 
biến điện dung. Xây dựng mạch điện đo điện dung thay đổi của tụ điện 
(ΔC) cỡ fF (femtô Fara = 10-15 F). Xây dựng hệ thống đánh giá, khảo 
sát hoạt động của cảm biến góc nghiêng. 
Đối tượng nghiên cứu của luận án: Đề tài luận án này tập trung 
nghiên cứu, xây dựng được hệ cảm biến góc nghiêng và bước đầu ứng 
2 
dụng cảm biến góc nghiêng dựa trên nguyên lý tụ điện. Các cấu trúc 
cảm biến được nghiên cứu, xây dựng, đo đạc và khảo sát từ các bước cơ 
bản nhất. Nguyên lý hoạt động của cấu trúc được phân tích dựa trên 
công cụ tính toán giải tích và mô hình hoá mô phỏng phần tử hữu hạn. 
Phương pháp nghiên cứu của luận án: Nghiên cứu sinh dùng 
phương pháp nghiên cứu tổng quan về cảm biến đo góc nghiêng nói 
chung và cảm biến đo góc nghiêng theo nguyên lý điện dung nói riêng, 
từ đó đưa ra được cấu trúc của cảm biến góc nghiêng được đề xuất 
trong luận án. 
Ý nghĩa khoa học của luận án: Thực hiện mô phỏng, tính toán 
trên máy tính về thiết kế, chế tạo hệ thống cảm biến vi chất lỏng dựa 
trên cấu trúc kiểu tụ điện. 
- Đề xuất được cấu trúc cảm biến đo góc nghiêng một chiều 
theo kiểu tụ điện điện môi hai pha lỏng khí có dạng 3 điện cực song 
song ôm ống chứa chất lỏng và không khí, dải hoạt động tuyến tính 
trong dải từ 00 đến ±500. Trong khoảng từ 00 đến 250, điện áp lối ra thay 
đổi từ 0 ÷1,09 V, độ nhạy của cảm biến trong dải này đạt giá trị 44 
mV/độ. Giá trị điện áp ra thay đổi từ 0 đến khoảng 1,09 V. Độ nhạy của 
cảm biến trong dải này đạt giá trị 44 mV/độ. Độ phân giải của cảm biến 
đạt được ±0,5. 
- Đề xuất được cấu trúc cảm biến đo góc nghiêng hai chiều theo 
nguyên lý điện dung sử dụng điện môi hai pha lỏng khí. Độ nhạy của 
cảm biến đạt được giá trị 16,5 mV/độ, trong dải đo từ -500 đến +500, sai 
số điện áp đo được ở mức ±10 mV, do đó sai số phép đo đạt được 
khoảng ±0,350. Đối với trục y, vùng hoạt động tuyến tính của cảm biến 
chạy từ -120 đến +120. Độ nhạy và độ phân giải của cảm biến trong trục 
y đạt được lần lượt là 57mV/độ và 0,150. 
Ý nghĩa thực tiễn của luận án: Cấu trúc cảm biến góc nghiêng 
được đề xuất trong luận án này hoàn toàn có thể đưa vào ứng dụng 
trong một số trang thiết bị quân sự và dân sự. 
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ CẢM BIẾN GÓC NGHIÊNG 
1.1 Tổng quan về các loại cảm biến góc nghiêng 
Cảm biến góc nghiêng đã được nghiên cứu và phát triển áp dụng 
trong rất nhiều ứng dụng khác nhau [1], [2]. Có nhiều nguyên lý để thiết 
kế cảm biến góc nghiêng như loại cảm biến góc nghiêng kiểu chất lỏng 
dẫn [6], [45÷49], cảm biến góc nghiêng hoạt động dựa trên nguyên lý 
quang học [8], cảm biến góc nghiêng kiểu cơ điện [4] và cảm biến góc 
nghiêng kiểu điện dung sử dụng điện môi rắn hoặc lỏng [9]. Các loại 
3 
cảm biến chất lỏng kiểu tụ điện cũng được nghiên cứu và phát triển như 
cảm biến kiểu tụ phẳng hay cảm biến kiểu tụ song song hình bán nguyệt 
[3], [11]. Đây là những cấu trúc có nhiều ưu điểm khi chế tạo vì tính 
đơn giản, hiệu quả và dễ xử lý tín hiệu cũng như ít phải điều chỉnh. 
Nguyên lý cảm biến góc nghiêng kiểu tụ điện đã được nghiên cứu và 
phát triển cho nhiều phép đo và ứng dụng để đo góc nghiêng. Cấu trúc 
cảm biến nghiêng kiểu tụ điện có độ tuyến tính và đầu ra là tín hiệu 
tương tự (analog) tỷ lệ tương ứng với góc nghiêng [3]. Trên thực tế mặc 
dù cảm biến nghiêng dựa trên cấu trúc lỏng kiểu tụ đã được nghiên cứu 
trong tài liệu [11], [66], tất cả những cảm biến này đều là cấu trúc cảm 
biến đơn trục và chỉ đo được theo một trục duy nhất. Hiện nay có nhiều 
nhu cầu gia tăng về cảm biến góc nghiêng hiệu năng cao cho những ứng 
dụng tiềm năng, đặc biệt là trong lĩnh vực y tế và tự động và điều khiển 
[65÷67], [16], [51]. 
Luận án này đề xuất ba cấu trúc cảm biến góc nghiêng: Cấu trúc 
thứ nhất dùng để đo hệ thống mất cân bằng của các thiết bị; Cấu trúc 
thứ hai đo góc nghiêng một chiều dải hẹp, dải rộng; Cấu trúc cảm biến 
góc nghiêng thứ ba dùng để đo góc nghiêng hai chiều, đồng thời khảo 
sát và đánh giá hoạt động của một loại cảm biến góc nghiêng kiểu tụ 
điện dựa trên cảm nhận thay đổi vị trí của bọt khí trong ống chất lỏng. 
Cảm biến này cho phép đo được thay đổi góc nghiêng trong phạm vi 
thay đổi nhỏ cỡ một vài độ với độ chính xác và lặp lại cao. 
1.2 Phân loại cảm biến góc nghiêng theo tính chất cấu tạo 
Cảm biến góc nghiêng chất lỏng dẫn điện- 
 - Cảm biến góc nghiêng dải rộng 
- Cảm biến góc nghiêng dựa trên hiệu ứng quang học 
- Cảm biến góc nghiêng kiểu vi cơ 
- Cảm biến góc nghiêng kiểu điện dung 
1.3 Kết luận chương 1 
Các nội dung trên của luận án trình bày nghiên cứu tổng quan về 
một số cấu trúc cảm biến đo độ nghiêng dựa trên các hiệu ứng vật lý 
khác nhau. Dựa trên các nghiên cứu này, nghiên cứu sinh đề xuất 3 cấu 
trúc cảm biến xác định độ cân bằng, đo góc nghiêng 1 chiều và 2 chiều. 
Các cấu trúc đề xuất dựa trên các kênh chất lỏng và nguyên lý cảm biến 
kiểu tụ điện. 
Chương 2: XÂY DỰNG CÁC CẤU TRÖC CẢM BIẾN GÓC 
NGHIÊNG KIỂU TỤ ĐIỆN 
Cảm biến điện dung đã được phát triển để ứng dụng ở rất nhiều 
lĩnh vực khác nhau [12]. Cảm biến điện dung ứng dụng trong giám sát 
4 
chất lỏng hay thăm dò dầu khí [16], [65÷67] trong phân tích hóa sinh 
học, trong y tế [17], [18]. Có nhiều kiểu cảm biến góc nghiêng khác 
nhau và thường được chia thành hai kiểu cấu trúc chính: kiểu bản cực 
song song và kiểu bản cực trên một mặt phẳng [11], [19÷21]. Các loại 
cảm biến tụ điện còn được ứng dụng ở các cấu trúc vi cơ nơi các thiết 
kế cỡ micro mét. Thông thường các loại cảm biến tụ điện có giá trị rất 
nhỏ hơn các tụ thương mại có trên thị trường chỉ cỡ fF đến vài trục pF. 
Đó là một hạn chế lớn gây khó khăn cho việc thiết kế cảm biến và hệ đo 
và xử lý tín hiệu tụ điện. 
Chương này trình bày các thiết kế cảm biến tụ điện ứng dụng đo 
cảm biến góc nghiêng. Do giá trị điện dụng tuyệt đối và giá trị điện 
dung thay đổi của cảm biến rất nhỏ nên thông thường cần sử dụng các 
mạch tiền khuếch đại và xử lý tín hiệu có độ nhạy cao. Cấu trúc mạch 
điện khuếch đại vi sai do đó được sử dụng phổ biến trong các hệ thống 
cảm biến điện dung. Các cấu trúc mạch khuếch đại vi sai cho phép triệt 
nhiễu chung cũng như các tác động của thay đổi môi trường. Cấu trúc vi 
sai cũng giúp loại bỏ tụ ký sinh mà trên thực tế lớn gấp nhiều lần giá trị 
của cảm biến (được đề cập ở chương 3). 
Các cấu trúc cảm biến điện dung hai pha lỏng khí được thiết kế ở 
các dạng khác nhau đáp ứng các bài toán về đo góc nghiêng được 
nghiên cứu thiết kế và chế tạo. Cấu trúc cũng được mô phỏng bằng 
phần mềm COMSOL Multiphysics [29], [40], [50] giúp cho việc tối ưu 
trong thiết kế. Với việc chế tạo đơn giản cùng với kết hợp mạch điện xử 
lý tín hiệu. Ba kiểu cấu trúc cảm biến khác nhau được đề xuất và thực 
hiện bao gồm cấu trúc cảm biến cân bằng, cấu trúc cảm biến góc 
nghiêng đo dải rộng và cấu trúc cảm biến góc nghiêng theo hai chiều là 
kết hợp của hai cấu trúc đầu tiên. 
2.1 Xây dựng cảm biến góc nghiêng 
Luận án này trình bày thiết kế của ba cấu trúc với đặc thù ứng 
dụng khác nhau: cấu trúc thứ nhất ứng dụng để cảm nhận độ cân bằng 
(góc nghiêng 0o) sử dụng mạch điện vi sai xử lý tín hiệu từ tổ hợp 3 
điện cực của cảm biến; cấu trúc cảm biến thứ hai được thiết kế để đo dải 
góc nghiêng rộng với cấu trúc điện cực dạng hình trụ; cảm biến góc 
nghiêng thứ ba có thể đo được góc nghiêng theo hai chiều. Cấu trúc 
cảm biến thứ ba là tổ hợp thiết kế của hai cấu trúc đầu. Cảm biến hai 
chiều này có cấu tạo bao gồm 5 điện cực trong đó có một điện cực phát 
và 4 điện cực thu tạo ra hai cặp tụ ứng với hai trục đo góc nghiêng. 
2.1.1 Xây dựng cảm biến cân bằng kiểu tụ điện điện môi hai pha 
lỏng khí 
5 
Cảm biến cân bằng kiểu tụ điện hai pha lỏng khí dựa trên sự thay 
đổi vị trí của bọt khí trong kênh lỏng được nhận biết bằng sự thay đổi 
của hai tụ vi sai cấu thành bởi ba điện cực. Hình 2.1 mô tả cấu trúc của 
cảm biến cân bằng kiểu tụ điện môi hai pha lỏng khí. Cấu trúc có cấu 
tạo bao gồm một ống nhựa plastic đựng dung dịch điện môi có bọt khí 
bên trong. Ba điện cực bằng kim loại đồng được gắn bên ngoài ống chất 
lỏng tạo ra hai tụ điện với cấu trúc vi sai đóng vai trò cảm biến điện 
dung phát hiện sự thay đổi của vị trí bọt khí. Hai điện cực trên đóng vai 
trò là các điện cực thu có thiết kế dạng hình thang cân với cạnh song 
song nhỏ nằm ở trung tâm của cấu trúc. Điện cực dưới đóng vai trò là 
điện cực phát có cấu tạo dạng hình chữ nhật. Ba điện cực này được gắn 
bên ngoài ống chất lỏng như mô tả trên hình 2.2. 
Hình 2.3 giải thích nguyên tắc hoạt động của cảm biến cân bằng 
dựa trên diện tích chiếm chỗ điện cực thu của bọt khí. Ba điện cực cấu 
tạo lên hai cặp điện cực song song với nhau là hai cặp tụ có bản cực 
song song bao gồm tụ C1 và C2. Do có sự xuất hiện của bọt khí nên vùng 
bản cực tam giác bị chia làm bốn phần S1, S2, S3 và S4 là các phần bị 
chiếm chỗ bởi dung dịch và bọt khí trên hai bản cực. Bốn phần diện tích 
này tạo ra 4 cặp tụ điện, trong đó, C1= Cx4 + Cx2 và C1= Cx3 + Cx1, với 
Cxi∼ Si. Ở vị trí cân bằng thì bọt khí nằm ở gốc tọa độ nên S1=S2 và S3 = 
S4, khi đó ta có, C1 = C2. Khi góc nghiêng thay đổi, vị trí bọt khí giả sử 
nghiêng về bên phải dẫn đến S1>S2 và S3 C2 và tương tự 
trong trường hợp ngược lại ta có C1 < C2. 
Bọt khí
x
y
C1 C2
Chất lỏng
Điện cực 
đồng
5mm
15 mm 15 mm
12 m
m
12 m
m
D
=11 m
m
Như vậy, vị trí của bọt khí phản ánh góc nghiêng của của cảm 
biến. Góc nghiêng thay đổi sẽ làm thay đổi tỉ lệ giữa hai cặp tụ điện thu 
phát. Do hai điện cực thu được thiết kế là hai cấu trúc dạng hình thang 
cân và gắn chặt bên ngoài thành ống chất lỏng. Do đó, giá trị điện áp 
chênh lệch giữa hai đầu ra tuyến tính với vị trí của bọt khí hay góc 
nghiêng của cảm biến. 
Hình 2.1: Cấu trúc của cảm biến 
cân bằng đo góc nhỏ kiểu điện dung 
chất lỏng điện môi 
Hình 2.2: Kích thước của cảm biến 
và các điện cực 
6 
x
y
x
y
0 S1S2 S3
S4
S2S4 S1 S3
Cx4 Cx2 Cx1 Cx3
0
Hình 2.3: Nguyên tắc hoạt động của cảm biến cân bằng kiểu tụ điện 
dung hai pha lỏng - khí 
Cấu trúc cảm biến điện cực ngoài cho phép sử dụng công nghệ 
chế tạo đơn giản hơn so với cấu trúc điện cực trong. Điện cực không 
tiếp xúc với chất lỏng sẽ làm tăng tuổi thọ của cấu trúc. Bên cạnh đó, 
nguyên vật liệu chế tạo điện cực cũng không đòi hỏi quá khắt khe đối 
với các thông số về tương tác với chất lỏng và môi trường. 
Tần số làm việc của cấu trúc cảm biến điện dung chất lỏng phụ 
thuộc vào độ dính ướt của chất lỏng với thành ống. Do đó, thông 
thường chất lỏng sử dụng trong các cảm biến chất lỏng là các chất có độ 
dính ướt bề mặt với thành ống nhỏ. 
2.1.2 Xây dựng cảm biến góc nghiêng dải rộng kiểu tụ điện chất 
lỏng điện môi 
C1 C2
electrode
L1
W1
D1
a) b)
Điện cực
e = 80
D1
W1
Thông số cấu trúc Ký hiệu Giá trị Đơn vị 
Độ rộng điện cực W1 7,5 mm 
Khoảng cách giữa các điện cực D1 10,0 mm 
Độ dài điện cực L1 11,0 mm 
Hằng số điện môi nước [72] n 80,3 
Khối lượng riêng nước [73] dn 998,3 kg/m
3
Độ nhớt nước [73] n 1,306 10
-6 
m
2
/s 
Hằng số điện môi xăng [72] x 2,0 
Khối lượng riêng xăng [74] dx 750,0 kg/m
3
Độ nhớt của xăng [74] x 0,5 10
-6
 m
2
/s 
Hình 2.4: 
Cấu trúc 
cảm biến 
góc nghiêng 
kiểu điện 
dung ba cực 
Bảng 2.1: Các tham số của cảm biến 
7 
Để tăng dải đo của cảm biến góc nghiêng, cấu trúc ba điện cực 
kiểu trụ được thiết kế để phát hiện sự thay đổi vị trí chiếm chỗ hai pha 
lỏng khí trong lòng ống nhựa. Cảm biến chất lỏng tụ điện có cấu tạo 
gồm ba điện cực ôm lấy ống nhựa chứa dung dịch nước và không khí 
(hình 2.4a). Điện cực giữa là điện cực phát tín hiệu và hai điện cực hai 
bên đóng vai trò là các điện cực thu. Chất lỏng điện môi là nước cất 
được đổ vào một phần ống nhựa hình 2.4b với kích thước của cảm biến 
được thiết kế ở ( bảng 2.1). 
Hình 2.5: Một số vị trí c ... lệ tuyến tính với vi sai của tụ điện. 
3.2 Thiết kế mạch điện cho cảm biến góc nghiêng dải rộng 
Do yêu cầu bài toán phải tăng tần số làm việc của cảm biến lên vì 
kích thước và cấu trúc điện cực của cảm biến thay đổi nên việc thiết kế 
mạch đòi hỏi phải thay đổi so với cảm biến cân bằng, tần số hơn 100 
kHz được sử dụng ở dải điện dung cỡ fF. 
C1 C2
Sine wave Generator
127Khz, 7,2
R0
R0
Điện áp 
bù
LPF
Máy tính
Tạo sóng sin 127Khz, 
7,2V
KĐ
KĐ
KĐ Vi sai
Thu dữ liệu
Chỉnh lưu
Khối phát sin Khuếch đại Tách sóng 
Điện cực thu
Điện 
cực 
phát
Ống chất lỏng 
a)
b) 
Hình 3.4: Sơ đồ khối của 
cảm biến góc nghiêng 
Hình 3.5: Mạch thiết kế PCB 
dùng để đo điện dung của cảm 
biến góc nghiêng kiểu tụ điện 
18 
Trên hình 3.4 mô tả sơ đồ khối hoạt động của việc đo cảm biến 
góc nghiêng kiểu tụ điện với tần số làm việc 127 kHz. 
Hình 3.5 mô tả thiết kế PCB đo điện dung của cảm biến góc 
nghiêng. Các đường mạch của khối khuếch đại được thiết kế đối xứng 
tối đa có thể để tránh sai lệch tụ ký sinh trên mạch điện (Hình 3.5a). 
Hình 3.5b là ảnh thực tế của cảm biến gắn trên mạch PCB. 
3.3 Xây dựng mạch điện cho cảm biến góc nghiêng hai chiều 
Hình 3.6 dưới đây mô tả sơ đồ khối của mạch đo điện dung của 
cảm biến góc nghiêng hai chiều. 
Op-
amp
Chỉnh lưu
LPF
KĐ Visai
R
y2
Op-
amp
+
-
R
y1
R
C
CR
R2 R1
Op-
amp
Chỉnh lưu
LPF
KĐ Visai
R
x2
X
Y
Op-
amp
+
-
R
x1
+
-
Trục X
Mạch tách sóng cầu Wien 
f = 170 kHz 
Cảm biến điện dung Mạch điều kiệnPhần phát
Trục Y
Hình 3.6: Sơ đồ khối của mạch đo cảm biến góc nghiêng 
 hai chiều 
3.4 Xây dựng hệ đo 
Để khảo sát cảm biến góc nghiêng, hệ đo được xây dựng với giá 
đỡ cảm biến có thể xoay trục 360o và thước đo chuẩn để xác định góc 
nghiêng. Hình 3.7 là hệ thống đo góc nghiêng với thước đo góc nghiêng 
điện tử INSIZE 2173-360. 
X
Y
Kích thước tổng thể 
30mm×11.5mm
(Chiều dài×Đường kính) 
Thu dữ liệu
Hiệu chuẩn góc nghiêng
Cảm biến góc nghiêng 
35
m
m
 75mm
Cảm biến kiểu điện dung cũng được gắn trên đó, trục xoay thay 
đổi góc nghiêng và ghi ra tín hiệu đầu ra ứng với các góc nghiêng khác 
nhau. 
Hình 3.7: Hệ đo góc nghiêng với 
thước đo điện tử Insize 
Hình 3.8: Hệ đo góc nghiêng với 
thước chia độ độ chính xác 0.10 
19 
Để đa dạng trong khảo sát, thì một hệ giá đỡ khác cũng được sử 
dụng có sẵn thước chia góc nghiêng với độ phân dải 0.10 (hình 3.8). 
Thước xoay quanh trục X và góc quay từ 00 ÷ 360o. 
 3.5 Kết luận chương 3 
Chương 3 của luận án trình bày phương pháp xây dựng hệ cảm 
biến góc nghiêng và mạch khuếch đại điện dung cho cảm biến, hệ đo 
kiểm tra các chế độ làm việc của các loại cảm biến cân bằng và cảm 
biến góc nghiêng một chiều và hai chiều. 
Chương 4: KHẢO SÁT ĐÁNH GIÁ CÁC CẤU TRÖC CẢM BIẾN 
GÓC NGHIÊNG KIỂU TỤ ĐIỆN 
4.1 Cảm biến cân bằng kiểu tụ điện điện môi hai pha lỏng- khí 
 Trong luận án này, một hệ cảm biến thăng bằng dùng chất lỏng 
để phát hiện vị trí thăng bằng của bọt khí được xây dựng. Tụ điện có 3 
bản cực bằng đồng, một điện cực có chiều dài 35 mm, hai điện cực còn 
lại có chiều dài 15 mm, khoảng cách giữa các điện cực là 2 mm. Theo 
sơ đồ hình 3.2 và theo công thức (3.3) ở chương 3 ta có: 
 (4.1) 
Với R0= 56 kΩ, điện áp đỉnh là 24 V thì biến thiên giữa hai tụ 
điện sẽ được tính: 
 
= 79 (fF) (4.2) 
Góc nghiêng (độ)
Đ
iệ
n 
áp
 lố
i r
a (
V
)
Đường tuyến tính
Kết quả đo
250 ms
2 V 
x
y
250 ms
Bên cạnh việc khảo sát tín hiệu lối ra khi góc nghiêng thay đổi, 
hệ thống cảm biến được khảo sát đáp ứng thời gian của cảm biến. Cảm 
biến đạt bão hòa với giới hạn góc > 1,20 (hình 4.2) và thời gian đáp ứng 
là 250 ms. 
Hình 4.1: Kết quả khảo sát cảm 
biến cân bằng ở góc nghiêng nhỏ. 
Điện áp bão hòa ở 1,8V ứng với 
góc nghiêng 1,20 
Hình 4.2: Tín hiệu đầu ra thay 
đổi khi góc nghiêng đột ngột 
thay đổi và đạt bão hòa khi quá 
ngưỡng đo 
20 
Mạch điện xử lý tín hiệu có hai bộ lọc thông thấp, tần số cắt của 
mạch lọc được trình bày chi tiết trong chương 3, ta có: 
 (4.3) 
Với C=10 nF và R=10 kΩ ở bộ lọc thứ nhất và C=100 nF và 
R=100 kΩ (hình 3.2) ta có T1 = 6.3 ms và T2 = 63 ms. 
Các kết quả đo tín hiệu đầu ra thể hiện được vị trí của bọt khí 
trong ống chất lỏng, từ đó xác định được góc nghiêng của cảm biến. 
Cảm biến này có thể đo được các góc nghiêng nhỏ trong khoảng ±1,20 
với độ nhạy 1,5 V/độ. Cảm biến có thể hoạt động trong điều kiện môi 
trường khắc nghiệt dựa trên cấu trúc kiểu tụ. Cấu trúc này có thể được 
nghiên cứu tối ưu để mở rộng dải đo cho các ứng dụng yêu cầu đo góc 
lớn hơn. 
4.2 Cảm biến góc nghiêng dải rộng một chiều kiểu tụ điện với 
điện môi nước 
Cấu trúc cảm biến góc nghiêng gồm 3 điện cực có kích thước như 
nhau, được thiết kế ôm ống như chứa dung dịch, mỗi điện cực có chiều 
dài 30 mm, khoảng cách giữa các điện cực là 5 mm được thiết kế và chế 
tạo. Công thức (3.1) mô tả mối quan hệ của điện áp đo được trên hai tụ 
vi sai và sự thay đổi của hai tụ đó trong các mạch đo sử dụng cấu trúc 
RC với trường hợp điện trở R nhỏ hơn nhiều Zc và mạch điện áp dụng 
với các cảm biến tụ điện có điện dung nhỏ cỡ fF tương quan với R cỡ 
vài kΩ đến vài chục kΩ. Kết quả mô phỏng ở chương hai với cấu trúc 
ba cực tụ điện trụ điện môi hai pha nước và không khí khảo sát ở dải 0o 
÷ 80o được lắp vào công thức tính xuôi của mạch điện RC khi điện áp ra 
trên hai điểm trước khi vào khuếch đại vi sai là: 
 (4.4) 
 (4.5) 
Giá trị được tính dựa trên giá trị của các tụ điện đã 
được mô phỏng ở bảng 2.3 trong chương 2 với các C1, C2 tương ứng 
tính theo công thức 
. 
Hình 4.3 mô tả các giá trị khi góc nghiêng thay đổi từ 0 đến 
80
0
. Kết quả cho thấy cảm biến có dải làm việc tuyến tính trong khoảng 
từ 00 đến 300 với độ nhạy gần 18 fF/o. 
21 
Góc (độ)
Đ
iệ
n 
du
ng
 v
i s
ai
 lố
i 
ra
 C
1 
– 
C
2 
(f
F
)
Góc (độ)
Đ
iệ
n 
áp
 đ
ầu
 ra
 (V
)
Dữ liệu đo
Dải tuyến tính
Trong khuôn khổ nghiên cứu của luận án, cảm biến được khảo sát 
đo với góc nghiêng trong dải từ 00 đến 750. Hình 4.4 và 4.6 biểu diễn 
điện áp lối ra của cảm biến khi góc nghiêng lối vào thay đổi. Kết quả đo 
cho thấy cảm biến hoạt động tuyến tinh trong dải từ 00 đến khoảng 
±500. Hình 4.5 phóng đại hình ảnh tín hiệu trong khoảng từ 00 đến 250, 
trong dải này, điện áp lối ra thay đổi từ 0 đến khoảng 1,09 V. Độ nhạy 
của cảm biến trong dải này đạt giá trị 44 mV/độ. 
Góc(độ)
Đ
iệ
n
 á
p
 đ
ầu
 r
a 
(V
)
Dữ liệu đo
Dải tuyến tính
Góc(độ)
Đ
iệ
n 
áp
 đ
ầu
 r
a 
(V
)
Cảm biến có đáp ứng phi tuyến với góc nghiêng lớn hơn 50o và 
có thể khảo sát góc nghiêng cho góc lên đến 750. 
4.3 Cảm biến góc nghiêng hai chiều 5 điện cực kiểu tụ điện với 
điện môi là xăng và không khí 
Dựa trên cấu trúc cảm biến hai chiều kiểu tụ điện bao gồm 5 bản 
cực, cấu trúc cảm biến được xây dựng và khảo sát đo đạc. Cấu tạo cảm 
biến gồm 3 điện cực hình trụ và hai điện cực dạng nửa vòng xuyến ở hai 
đầu như thể hiện ở chương 2. Chất lỏng sử dụng trong cảm biến là xăng 
Hình 4.3: Đồ thị biểu diễn 
điện dung vi sai lối ra C1- C2 
Hình 4.4: Tín hiệu đầu ra phụ thuộc vào 
góc nghiêng trong dải từ 0 đến 75 
Hình 4.5: Tín hiệu đầu ra phụ 
thuộc tuyến tính vào góc nghiêng 
trong dải từ 0 đến 25 
Hình 4.6: Điện áp đầu ra của cảm 
biến được tính toán dựa trên kết quả 
mô phỏng điện dung thay đổi của 
các tụ điện khi cảm biến nghiêng 
theo trục x 
22 
và không khí để tạo nên môi trường hai pha lỏng khí. Độ nghiêng của 
cảm biến được thể hiện thông qua giá trị tương đối của các tụ điện hay 
gián tiếp là chênh lệch điện áp trên các điện cực lối ra. 
Góc nghiêng (độ)
Đi
ện
 áp
 đầ
u r
a (
m
V)
Thời gian (ms)
Tạ
p â
m
 (m
V)
Hình 4.7: Điện áp đo được ở lối ra cảm biến khi thay đổi góc 
nghiêng lần lượt theo trục x và y trong toàn thang đo từ -1800 đến 
+180
0. Tín hiệu đầu vào thay đổi từ khoảng -5 mV đến +5 mV. 
Hình 4.7 biểu diễn điện áp lối ra khi thay đổi góc nghiêng cảm biến lần 
lượt theo các trục x và trục y trong toàn thang đo từ -180o đến +180o. 
Kết quả này cho thấy cảm biến có dải đo rộng hơn đối với góc nghiêng 
theo trục x. Điện áp lối ra đo được trên cảm biến chế tạo có dạng hình 
sin và bám theo các đáp ứng của kết quả mô phỏng và tính toán nhận 
được. 
Góc nghiêng (độ)
Đi
ện
 áp
 đầ
u r
a (
m
V)
Góc nghiêng (độ)
Đi
ện
 áp
 đầ
u r
a (
m
V)
Hình 4.8: Kết quả đo với dải góc từ -800 đến +800 ở trục x và so 
sánh độ nhạy giữa trục x và y ở dải góc -200 đến +200 
Góc nghiêng (độ)
Đi
ện
 áp
 đ
ầu
 ra
 (m
V
)
Hệ số tương quan r = 0,999
Hệ số tương quan r = 0,994
Đi
ện
 áp
 đầ
u r
a (
mV
)
Góc nghiêng (độ)
Nhiễu xuyên âm- Vyx
Nhiễu xuyên âm- Vxy
Hình 4.9: Hình ảnh mô phỏng của 
cảm biến góc nghiêng đối với trục 
x và y xung quanh điểm ban đầu 
của dữ liệu được đo. 
Hình 4.10: Khảo sát sự ảnh hưởng 
lẫn nhau của hai trục x và y đến 
hai chiều hoạt động của cảm biến 
trong hai trục trong dải đo từ 00 
đến 900 
23 
Từ kết quả này, ta thấy cảm biến này có ba miền làm việc tuyến 
tính bao gồm từ -180o đến -80o, từ -80o đến +80o, và từ 80o đến +180o. 
Điện áp lối ra lớn nhất đạt được giá trị 1150 mV tại góc nghiêng +80o. 
Hình 4.8 thể hiện phóng đại tín hiệu trong dải tuyến tính. Dải đo 
tuyến tính của cảm biến đạt được từ -50o đến +50o, dải đo thực nghiệm 
nhận được rộng hơn so với kết quả mô phỏng. Kết quả này có thể do có 
khác biệt nhất định giữa cấu trúc mô phỏng lý tưởng và cấu trúc thật. 
Các hiện tượng vật lý như dính ướt bề mặt, độ nhớt của chất lỏng được 
bỏ qua trong bài toán mô phỏng. Độ nhạy của cảm biến đạt được giá trị 
16,5 mV/độ, trong dải đo từ -50o đến +50o. Bằng phương pháp thực 
nghiệm, sai số điện áp đo được ở mức ±10 mV, do đó sai số phép đo đạt 
được khoảng ±0,35o. Nhiễu của phép đo này đến từ các nguồn nhiễu 
xuyên kênh, nhiễu chung, nhiễu công nghiệp và nhiễu do lượng tử hóa 
của bộ biến đổi ADC. Như chỉ ra trên hình 4.10, điện áp nhiễu xuyên 
kênh từ kênh y sang kênh x khá nhỏ và đạt giá trị khoảng 5,5% trong dải 
tuyến tính. 
Hình 4.8 và 4.9 cũng thể hiện đáp ứng lối ra khi khảo sát độ 
nghiêng theo trục y. Trong trường hợp này, vùng hoạt động tuyến tính 
của cảm biến chạy từ -12o đến +12o. Độ nhạy và độ phân giải của cảm 
biến trong trục y đạt được lần lượt là 57mV/độ và 0,15o. 
4.4 Kết luận chương 4 
Chương này trình bày kết quả thực nghiệm đạt được của ba cấu 
trúc cảm biến góc nghiêng. Các kết quả thực nghiệm phù hợp với các 
phân tích lý thuyết và các kết quả mô phỏng. 
Cảm biến thứ nhất có cấu trúc và mạch điện xử lý tín hiệu đơn 
giản nhất. Tuy vậy, cấu trúc này có góc đo khá nhỏ. Do đó, cấu trúc thứ 
nhất chỉ phù hợp với các hệ thống điều chỉnh cân bằng hoặc hệ thống 
chống rung không gian. 
Cảm biến thứ hai có thể đo được góc nghiêng dải rộng hơn nhiều 
lần so với cảm biến thứ nhất và có tiềm năng ứng dụng trong các hệ 
thống đo nghiêng. 
Cảm biến thứ ba là tối ưu của cảm biến thứ hai, trong đó, cảm 
biến này được bổ sung thêm hai điện cực tại hai đầu để có thể đo được 
độ nghiêng theo trục y. Cảm biến này có tiềm năng ứng dụng rộng rãi. 
Các kết quả thực nghiệm đạt được cho thấy, các cảm biến hoạt 
động tốt đáp ứng được với các thiết kế và mô phỏng. Ngoài khảo sát 
hoạt động của cảm biến dựa trên các đáp ứng tín hiệu, các cảm biến này 
còn được khảo sát về độ ổn định và lặp lại. Các cảm biến được chế tạo 
24 
và khảo sát trong thời gian trên 1 năm, nghiên cứu sinh không nhận 
được thay đổi trong đáp ứng của các cảm biến này. 
KẾT LUẬN 
1. Kết quả nghiên cứu 
Qua quá trình nghiên cứu thực hiện, nghiên cứu sinh đã xây dựng ba 
cấu trúc cảm biến đo góc nghiêng; mô phỏng hoạt động của các cảm 
biến; chế tạo và khảo sát hoạt động của các cấu trúc cảm biến này. 
2. Đóng góp mới của luận án 
- Đề xuất được cấu trúc cảm biến đo góc nghiêng một chiều 
theo kiểu tụ điện điện môi hai pha lỏng khí có dạng 3 điện cực song 
song ôm ống chứa chất lỏng và không khí, dải hoạt động tuyến tính 
trong dải từ 00 đến ±500. Trong khoảng từ 00 đến 250, điện áp lối ra thay 
đổi từ 0 ÷1,09 V, độ nhạy của cảm biến trong dải này đạt giá trị 44 
mV/độ. Giá trị điện áp ra thay đổi từ 0 đến khoảng 1,09 V. Độ nhạy của 
cảm biến trong dải này đạt giá trị 44 mV/độ. Độ phân giải của cảm biến 
đạt được ±0,5. 
- Đề xuất được cấu trúc cảm biến đo góc nghiêng hai chiều theo 
nguyên lý điện dung sử dụng điện môi hai pha lỏng khí. Độ nhạy của 
cảm biến đạt được giá trị 16,5 mV/độ, trong dải đo từ -500 đến +500, sai 
số điện áp đo được ở mức ±10 mV, do đó sai số phép đo đạt được 
khoảng ±0,350. Đối với trục y, vùng hoạt động tuyến tính của cảm biến 
chạy từ -120 đến +120. Độ nhạy và độ phân giải của cảm biến trong trục 
y đạt được lần lượt là 57mV/độ và 0,150. 
3. Hướng phát triển của luận án 
Với cấu trúc cảm biến đề xuất và đã tiến hành đo đạc bằng các 
kết quả thực nghiệm, cấu trúc này hoàn toàn có thể phát triển để theo có 
dõi hoạt động của tàu thuyền với một hệ cảm biến được bố trí ở các vị 
trí khác nhau. Khi có sự mấp mô của sóng biển sẽ gây ra dao động cảm 
biến, từ đó phát hiện và cảnh báo về trung tâm xử lý. 
Khảo sát các loại chất lỏng có độ nhớt khác nhau, có độ dính ướt 
và độ bám của các chất lỏng khác nhau. 
Một hướng nghiên cứu tiếp theo là thu thập, tiến hành đo đạc với 
hệ cảm biến được bố trí trên hình cầu, từ đó khảo sát đo đạc sự thay đổi 
các góc của cảm biến. 
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ 
 1. Đặng Đình Tiệp, Vũ Quốc Tuấn, Chử Đức Trình , “ Thiết kế và chế 
tạo cảm biến thăng bằng kiểu tụ điện dựa trên cấu trúc ống chất lỏng 
với bọt khí”, Hội nghị cơ điện tử toàn quốc lần thứ 7, VCM-2014 , 11/ 
2014, mã số: ISBN: 978-604-913-306-0, tr.364 ÷ 368. 
 2. Đặng Đình Tiệp, Vũ Quốc Tuấn, Bùi Ngọc Mỹ, Chử Đức Trình, 
“Nghiên cứu thiết kế hệ khuếch đại Lock – In analog tần số 
10Khz”, Tạp chí nghiên cứu khoa học và CNQS, 10/2015, mã số: 
ISBN 1859-1043, tr.235 ÷ 241. 
 3. Đặng Đình Tiệp, Vũ Quốc Tuấn, Bùi Ngọc Mỹ, Chử Đức Trình, 
“Thiết kế và chế tạo cảm biến góc nghiêng kiểu tụ điện dựa trên 
cấu trúc hai pha lỏng khí” , Hội nghị toàn quốc lần thứ 3 về điều 
khiển và tự động hóa tại ĐH Thái nguyên, 11/2015, mã số: ISBN 
978-604-913-429-6, tr. 566 ÷ 571. 
 4. Dang Dinh Tiep, Bui Ngoc My, Vu Quoc Tuan, Pham Quoc 
Thinh, Tran Minh Cuong, Bui Thanh Tung, Chu Duc Trinh, “ 
Tilt Sensor Based on Three Electrodes Dielectric Liquid 
Capacitive Sensor”, IEEE ICCE 2016,IEEE Sixth International 
Conference on Communications and Electronics tại Hạ Long, 
07/2016, mã số: ISBN 978 -1- 5090-1800-0, tr. 172 ÷ 175. 
5. Tiep Dang Dinh, Tung Thanh Bui, Tuan Vu Quoc, Thinh Pham 
Quoc, Masahiro Aoyagi, My Bui Ngoc and Trinh Chu Duc, “ 
Two-axis Tilt Angle Detection based on Dielectric Liquid 
Capacitive Sensor”, Hội nghị IEEE SENSOR 2016 tại Orlando, 
Florida, Mỹ, 10/2016 và được giải Best Student paper Finalist, 
IEEE Catalog Number: CFP16SEN-ART; ISBN 978 -1- 4799-
8287-5, tr. 907 ÷ 909.