Chế tạo cảm biến áp lực sử dụng vật liệu polyme, ứng dụng trong tự động theo dõi sức khỏe công trình xây dựng

Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 56, 08 - 2018 47 CHẾ TẠO CẢM BIẾN ÁP LỰC SỬ DỤNG VẬT LIỆU POLYME, ỨNG DỤNG TRONG TỰ ĐỘNG THEO DÕI SỨC KHỎE CÔNG TRÌNH XÂY DỰNG Khổng Đức Chiến1,2, Hoàng Văn Phúc1, Đào Thanh Toản3,4 Tóm tắt: Cảm biến áp lực hữu cơ sử dụng vật liệu polyme nhạy áp trong thời gian gần đây nhận được sự quan tâm lớn vì những ưu điểm nổi bật của vật liệu hữu cơ so với cảm biến sử dụng vật liệu vô cơ truyền thống, đó là tính mềm dẻo, chế tạo đơn giản, khả năng tái sử dụng và giá thành thấp. Trong bài báo này, chúng tôi trình bày phương pháp chế tạo cảm biến áp lực hữu cơ sử dụng vật liệu polyme nhạy áp. Kết quả thí nghiệm cho thấy độ nhạy của cảm biến có thể so sánh với các loại cảm biến tương đồng đã được công bố. Tiếp theo đó, nhóm nghiên cứu đã phát triển ứng dụng sử dụng cảm biến để theo dõi sự biến dạng, nứt gãy của dầm bê tông trong điều kiện phòng thí nghiệm. Kết quả thử nghiệm cho thấy, cảm biến có tiềm năng ứng dụng cao trong hệ thống theo dõi sức khỏe công trình. Từ khóa: Cảm biến áp lực; Điện tử uốn dẻo; Mạch đọc cảm biến điên dung; SHM. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Trong những năm gần đây, nghiên cứu sử dụng các cảm biến áp lực dựa trên polyme nhạy áp vào theo dõi sức khỏe các công trình xây dựng (SHM: structural health monitoring) một cách tự động đã và đang được triển khai trên thế giới bởi vì cảm biến có thể chế tạo ở diện tích lớn hơn các cảm biến tenzomet truyền thống và dễ dàng tích hợp trên bề mặt vạn vật như da người, cánh tay robot, dầm bê tông,.. [1-3]. Có ba loại cảm biến áp lực được nghiên cứu chế tạo bao gồm: cảm biến kiểu điện tích, điện trở và điện dung. Trong đó cảm biến kiểu điện dung được sử dụng phổ biến hiện nay [3]. Điện dung của tụ điện được tính theo công thức: 0 A C d    (1) Trong đó:0 là hằng số điện môi của chân không,  là hằng số điện môi của vật liệu giữa hai bản tụ, A là diện tích bản tụ và d là khoảng cách giữa hai bản tụ. Nguyên tắc hoạt động của cảm biến áp lực polyme được mô tả ở hình 1. Cảm biến gồm vật liệu polyme nhạy áp được đặt xen giữa hai lớp điện cực. Khi có lực tác động làm biến dạng, dẫn đến sự thay đổi A hay d, làm điện dung của cảm biến thay đổi theo công thức 1. Hình 1. Nguyên lý hoạt động của cảm biến áp lực sử dụng vật liệu polyme. Cảm biến ở trạng thái bình thường (a) và khi có lực tác động (b). Ở góc độ chế tạo, trong thời gian gần đây vật liệu polyme Polyurethane nhận được sự quan tâm nghiên cứu và phát triển các loại cảm biến [4-7]. Trong các công trình nghiên Kỹ thuật điều khiển & Điện tử K. Đ. Chiến, H. V. Phúc, Đ. T. Toản, “Chế tạo cảm biến áp lực công trình xây dựng.” 48 cứu trên, các nhóm tác giả đã sử dụng Polyurethane kết hợp với vật liệu khác như vật liệu ống nano các bon (CNT: Cabon nanotube) [4, 6, 7], hoặc kết hợp với chất chỉ thị độ PH [5] cho lớp tích cực của cảm biến. Tuy nhiên, trong quy trình sản xuất các cảm biến này khá phức tạp, cần phải có thiết bị chuyên dụng để có thể tạo ra cấu trúc bề mặt cấp độ nano, micro của vật liệu ống nano các bon hoặc phải tiến hành các quá trình xử lý bề mặt, tạo màng phức tạp. Các kỹ thuật này rất khó thực hiện với điều kiện về kỹ thuật cũng như chi phí tại các phòng thí nghiệm trong nước hiện nay. Trong nghiên cứu này, chúng tôi đề xuất một phương pháp sản xuất cảm biến áp lực đơn giản hơn bằng phương pháp ép nhiệt, sử dụng màng mỏng Polyurethane. Đặc tính hóa cho thấy, hóa cảm biến có thể so sánh với các nghiên cứu tương đồng khác đã công bố. Bên cạnh đó, chúng tôi cũng phát triển mạch điện kết nối và thử nghiệm ứng dụng trong phát hiện nứt gãy của dầm bê tông trong công trình xây dựng. 2. THIẾT KẾ, CHẾ TẠO CẢM BIẾN ÁP LỰC Hình 2. Cấu tạo và hình ảnh hệ vật liệu của cảm biến. Trong hình 2, vật liệu polyme nhạy áp được đặt giữa hai tấm điện cực. Điện cực và vật liệu polyme được liên kết, và bảo vệ bởi lớp màng plastic bên ngoài cùng bằng phương pháp ép nhiệt. Toàn bộ các vật liệu sử dụng để chế tạo cảm biến có sẵn trên thị trường, trong đó vật liệu polyme sử dụng màng mỏng Polyurethane của hãng Takeda Sangyo - Nhật Bản có độ dày 200 m. Aluminium Foil thường được sử dụng trong lĩnh vực công nghiệp thực phẩm, màng ép Plastic được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực in ấn, ảnh và bảo quản các loại giấy tờ. Các bước của quá trình sản xuất cảm biến được tiến hành như sau. Trước hết là quá trình chuẩn bị các điện cực, tấm điện cực nhôm (Aluminium foil) được đo, xác định kích thước 7 cm × 7 cm và phần tai để nối với dây dẫn. Tham số này được chọn để phù hợp với kích thước dầm bên tông trong phòng thí nghiệm của chúng tôi. Sau khi được cắt ra, hai tấm điện cực có kích thước hoàn toàn giống nhau được vệ sinh, làm phẳng, phần tai tấm tấm điện cực được cuộn tròn hoặc gấp mép để luồn dây dẫn ra ngoài. Màng mỏng Polyurethane được cắt thành miếng với kích thước 8 cm × 8 cm. Kích thước này lớn hơn phần điện cực để tránh ngắn mạch. Cuối cùng là bước gia công, hoàn thiện cảm biến như Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 56, 08 - 2018 49 được thể hiện trên hình 3. Tấm màng mỏng Polyurethane được đặt vào giữa hai điện cực, quá trình này cần thao tác tỉ mỉ và chính xác để đảm bảo tấm Polyurethane không bị lệch ra khỏi điện cực (hình 3a). Tiếp theo, tổ hợp gồm điện cực và màng mỏng Polyurethane được đặt vào giữa hai tấm màng ép Plastic (hình 3b), sau đó hai tấm màng ép Plastic được liên kết với nhau sử dụng thiết bị ép tại nhiệt độ 80 oC (hình 3c). Cảm biến sau khi hoàn thiện thể hiện trên hình 4. Hình 3. Gia công hoàn thiện cảm biến, (a) thao tác với màng mỏng Polyurethane và điện cực, (b) thao tác với màng ép Plastic, (c) quá trình ép nhiệt. Hình 4. Cảm biến sau khi hoàn thiện. 3. ĐẶC TÍNH HÓA CẢM BIẾN Để đánh giá quá trình chế tạo cũng như chất lượng cảm biến, nhóm nghiên cứu đã tiến hành thí nhiệm khảo sát đặc tính cảm biến. Trong thí nghiệm này, cảm biến được tác động lực bởi thiết bị tạo lực nén, đồng thời giám sát giá trị điện dung tại đầu ra của cảm biến. Bằng cách thay đổi các giá trị lực nén tác động lên cảm biến, ta có đặc tính thể hiện mối quan hệ giữa lực tác động và giá trị điện dung của cảm biến. Hình 5. Thí nghiệm đặc tính hóa cảm biến, (a) cảm biến được đặt trên bàn gia lực, (b) quá trình thí nghiệm. Kỹ thuật điều khiển & Điện tử K. Đ. Chiến, H. V. Phúc, Đ. T. Toản, “Chế tạo cảm biến áp lực công trình xây dựng.” 50 Hình ảnh về quá trình thí nghiệm khảo sát đặc tính cảm biến được thể hiện trên hình 5. Thiết bị thử nghiệm nén UH-500 kNI được sử dụng để tạo lực nén. Cảm biến được đặt lên bàn gia lực của thiết bị thử nghiệm nén (hình 5a), sau đó UH-500 kNI được thiết lập ở chế độ làm việc bán tự động với dải lực nén tác động từ 0 tới 6000 N, tốc độ hành trình 0,1 mm/min (hình 5b). Trong quá trình thử nghiệm, sự thay đổi điện dung của cảm biến sẽ được đo bằng thiết bị YF-150. Và toàn bộ quá trình thí nghiệm được tiến hành ở điều kiện phòng thí nghiệm theo tiêu chuẩn TCVN:17025 với nhiệt độ 25 C, độ ẩm tương đối 50 %. Hình 6. Đặc tính của 04 cảm biến. Sự thay đổi của điện dung theo áp lực của 04 cảm biến được thể hiện ở đường nét đậm trên hình 6. Theo hình 6, đặc tính của các cảm biến có tính đồng nhất tương đối cao, trong khoảng áp lực từ 0 tới 1000 N đường đặc tính của các cảm biến tăng gần như là tuyến tính với độ dốc cao nhất. Độ dốc của đường đặc tính giảm nhanh trong khoảng từ 1000 N đến 2000 N, và rồi giảm chậm dần đều về giá trị bão hòa ở khoảng 2500 pF. Quá trình thử nghiệm cũng cho thấy khả năng hồi phục, tái sử dụng của cảm biến. Kết quả thử nghiệm của một cảm biến có độ lặp lại cao giữa các lần thử, và cảm biến vẫn duy trì khả năng hồi phục với lực nén lên tới 10000 N tương ứng với mức áp lực 156 N/cm2. Sử dụng phần mềm OriginPro 2016, chúng tôi tìm ra được sự thay đổi của điện dung theo áp lực tuân theo hàm mũ Langmuir (đường nét mảnh hình 6): (1 ) (1 )1 c c abx y bx     (2) Dữ liệu phân tích về các hệ số a, b, và c trên hình 6 cho thấy các tham số này khá gần nhau, qua đó có thể thấy phương pháp và quá trình chế tạo cảm biến trình bày ở bài báo này là khá tin cậy. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 56, 08 - 2018 51 Mặt khác, độ nhạy của cảm biến S được xác định theo công thức [8]: 0( / )C CS P     (3) Trong đó, P là lực tác động, C0 là điện dung ban đầu của cảm biến. Tính toán cho thấy, độ nhạy của cảm biến trong nghiên cứu của chúng tôi có giá trị khoảng 10-2 kPa-1, độ nhạy tốt nhất được ghi nhận vào khoảng 10-1 kPa-1 tại 50 N. 4. PHÁT TRIỂN ỨNG DỤNG Nhóm nghiên cứu nhận thấy rằng cảm biến áp lực hữu cơ mới phát triển có khả năng uốn cong rất phù hợp cho theo dõi sức khỏe của các công trình xây dựng. Với ý tưởng gắn các cảm biến vào đối tượng cần theo dõi, ví dụ như dầm, xà bê tông của các công trình như cầu, cống, nhà cao tầng. Khi có sự biến dạng cơ học của các đối tượng này như: uốn cong, nứt gãy thì tín hiệu sẽ được cảm nhận bởi cảm biến. Để hiện thực hóa nhận định này, chúng tôi thiết kế và chế tạo mạch thu thập dữ liệu với sơ đồ trên hình 7 [8]. Hình 7. Sơ đồ nguyên lý mạch thu thập dữ liệu. Trên sơ đồ nguyên lý hình 7, IC tạo dao động IC NE555 được nối với cảm biến qua 2 cổng A và B. Khi đó tần số tín hiệu đầu ra của NE555 được tính theo công thức: 1 2 1 ( 2 ) ln 2Cb f C R R   (4) Trong đó CCb là giá trị điện dung cảm biến. Tín hiệu đầu ra của IC NE555 sau khi qua IC so sánh mức 74HC14 để chuẩn tín hiệu là xung vuông được đưa tới đầu vào của bo mạch nhúng Arduino Nano. R1 và R2 được chọn tương ứng là 1 kΩ và 10 kΩ tương ứng, như vậy tần số đến chip nhúng chỉ phụ thuộc vào điện dung của cảm biến: 4 1 2 1 0,687 10 ( 2 ) ln 2 CbC f R R f     (5) Giá trị điện dung của cảm biến sau đó sẽ được tính qua tần số trên cơ sở công thức (5) và hiển thị lên màn hình máy tính dưới dạng đồ thị tín hiệu theo thời gian. Sau khi hoàn thiện phần thiết kế và chế tạo hệ thống thu thập dữ liệu, nhóm đã tiến hành thử nghiệm ứng dụng sử dụng với hình ảnh mô tả quá trình thử nghiệm được thể hiện trên hình 8. Dầm bê tông được nén với thiết bị nén thủy lực SANS-3000 kN. Cảm biến được gắn lên dầm bê tông cần theo dõi bằng keo thông thường, và được kết nối tới mạch thu thập dữ liệu để thu nhận tín hiệu về sự biến dạng của dầm bê tông. Mạch đo điện dung cảm biến được kết nối với máy tính để hiển thị và lưu các thông tin nhận được. Kỹ thuật điều khiển & Điện tử K. Đ. Chiến, H. V. Phúc, Đ. T. Toản, “Chế tạo cảm biến áp lực công trình xây dựng.” 52 Kết quả thử nghiệm ở hình 8 cho thấy, tín hiệu nhận được từ cảm biến trên màn hình máy tính có sự thay đổi lớn về giá trị điện dung của cảm biến khi rầm bê tông bắt đầu có hiện tượng rạn, nứt. Kết quả này là cơ sở cho các phân tích sâu hơn các tiêu chuẩn an toàn trong xây dựng công trình, qua đó có thể giúp cho việc quan trắc, cảnh báo công trình xây dựng như nhà xưởng, cầu cống,.. Hình 8. Thí nghiệm phát hiện vết nứt dầm bê tông cùng với hình ảnh cảm biến, dầm trước và sau khi bị nứt gãy. 5. THẢO LUẬN Bảng 1. Thống kê một số loại cảm biến hiện nay. Trạng thái/nguyên lý Diện tích Khoảng đo Độ nhạy Ứng dụng đề xuất Nguồn tham khảo, năm 1 Nghiên cứu/Điện tích thay đổi (1,5×1,5) cm2 Không công bố Không công bố Giám sát dầm bê tông [2], 2007 2 Nghiên cứu/Điện dung thay đổi (1,6×1,6) cm2 (0-2) kPa 11000×10- 4 kPa-1 Da điện tử, y tế [8], 2017 3 Nghiên cứu/Điện dung thay đổi (1,6×1,6) cm2 (0-1000) kPa 2,3×10-4 kPa-1 Da điện tử [9] , 2011 4 Nghiên cứu/Điện dung thay đổi Không công bố (0-945) kPa 18×10-4 kPa-1 Giám sát dịch chuyển [10] , 2012 5 Nghiên cứu/Điện dung thay đổi Không công bố (0-10) kPa 130×10-4 kPa-1 Dùng cho các thiết bị gắn trên cơ thể người [11] , 2017 6 Nghiên cứu/Thay đổi điện tích (10×12) mm2 (0,23-10) kPa Không công bố Da điện tử, y tế [12] , 2014 7 Thương mại hóa Φ19 mm (0-70000) kPa Không Đo áp suất [13] , 2017 Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 56, 08 - 2018 53 Trạng thái/nguyên lý Diện tích Khoảng đo Độ nhạy Ứng dụng đề xuất Nguồn tham khảo, năm MPM281/ Điện trở thay đổi công bố trong nhà máy 8 Nghiên cứu/Điện dung thay đổi (7×7) cm2 (0-2000) kPa 1000×10-4 kPa-1 Giám sát dầm bê tông Nghiên cứu này Bảng 1 thống kế một số loại cảm biến áp lực từ các công bố khoa học và thương mại hóa. So với các nghiên cứu cảm biến sử dụng màng mỏng, sản phẩm của công trình có độ nhạy 1000×10-4 kPa-1, giá trị này khá cao so với các công trình nghiên cứu sử dụng màng PDMS (Polydimethylsilosane) kết hợp với ống sợi các bon nano [9], hay PDMS sử dụng điện cực bằng đồng [10] hoặc sử dụng PDMS có cấu trúc bề mặt cấp độ micro [11]; có độ nhạy tương ứng là 2,3×10-4 kPa-1, 18×10-4 kPa-1 và 130×10-4 kPa-1. Hơn nữa, diện tích bề mặt rộng lên tới 7×7 cm2, phù hợp với việc tích hợp vào diện tích bề mặt cần đo lớn. Khoảng đo lên tới 2000 kPa, khá rộng so với các công bố trước đây. Hơn nữa, chúng tôi cũng phát triển toàn bộ mạch đọc, hệ thống xử lý hiển thị dữ liệu, và có các thử nghiệm cụ thể trong ứng dụng phát hiện nứt gãy của dầm bê tông. 6. KẾT LUẬN Trong bài báo này, chúng tôi đã giới thiệu phương pháp chế tạo cảm biến áp lực hữu cơ sử dụng màng mỏng Polyurethane bằng phương pháp ép nhiệt. Quan hệ của điện dung đầu ra của cảm biến với áp lực theo quy luật hàm mũ Langmuir. Cảm biến có khoảng đo lớn tới 2000 kPa với độ nhạy của cảm biến có giá trị khoảng 10-2 kPa-1, độ nhạy tốt nhất được ghi nhận vào khoảng 10-1 kPa-1 tại 50 N. Bên cạnh đó, cảm biến có tính mềm dẻo và có khả năng tái sử dụng cao. Kết quả kiểm tra thử nghiệm cho thấy, cảm biến có tiềm năng và khả năng áp dụng cao trong theo dõi sức khỏe công trình xây dựng. Hiện, chúng tôi đang tiếp tục nghiên cứu, hoàn thiện và tối ưu hóa các bước trong quá trình sản xuất; cũng như phát triển các ứng dụng cho cảm biến. Lời cảm ơn: Nghiên cứu này được tài trợ bởi Quỹ Phát triển khoa học và công nghệ Quốc gia (NAFOSTED) trong đề tài mã số 103.02-2017.34. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. S. Yan et al, "Development and Application of a Structural Health Monitoring System Based on Wireless Smart Aggregates," Sensors 17, no. 7 (2017), pp.1641. [2]. G. Song, H. Gu, Y. L. Mo, T. T. C. Hsu, and H. Dhonde, "Concrete structural health monitoring using embedded piezoceramic transducers," Smart Materials and Structures16, no. 4 (2007), pp. 959. [3]. G. Song, H. Gu, and Y. L. Mo, "Smart aggregates: multi-functional sensors for concrete structures-a tutorial and a review," Smart Materials and Structures 17, no. 3 (2008), pp. 033001. [4]. E. Bilotti et al, "Fabrication and property prediction of conductive and strain sensing TPU/CNT nanocomposite fibres," Journal of Materials Chemistry 20, no. 42 (2010), pp. 9449-9455. [5]. J. Moreno, F. J. Arregui, and I. R. Matias, "Fiber optic ammonia sensing employing novel thermoplastic polyurethane membranes," Sensors and Actuators B: Chemical 105, no. 2 (2005), pp. 419-424. Kỹ thuật điều khiển & Điện tử K. Đ. Chiến, H. V. Phúc, Đ. T. Toản, “Chế tạo cảm biến áp lực công trình xây dựng.” 54 [6]. R. Zhang, M. Baxendale, and T. Peijs, "Universal resistivity–strain dependence of carbon nanotube/polymer composites," Physical Review B 76, no. 19 (2007), pp. 195433. [7]. R. Zhang et al, "Strain sensing behaviour of elastomeric composite films containing carbon nanotubes under cyclic loading," Composites Science and Technology 74 (2013), pp. 1-5. [8]. Y. Quan et al, "Highly sensitive and stable flexible pressure sensors with micro- structured electrodes," Journal of Alloys and Compounds 699 (2017), pp. 824-831. [9]. D. Lipomi et al, "Skin-like pressure and strain sensors based on transparent elastic films of carbon nanotubes," Nature nanotechnology 6, no. 12 (2011), pp. 788. [10]. K. F. Lei , K. F. Lee, and M. Y. Lee, "Development of a flexible PDMS capacitive pressure sensor for plantar pressure measurement," Microelectronic Engineering 99 (2012), pp. 1-5. [11]. S. Baek et al, "Flexible piezocapacitive sensors based on wrinkled microstructures: toward low-cost fabrication of pressure sensors over large areas," RSC Advances 7, no. 63 (2017), pp. 39420-39426. [12]. W. Choi et al, "Enhanced sensitivity of piezoelectric pressure sensor with microstructured polydimethylsiloxane layer," Applied Physics Letters 104, no. 12 (2014), pp. 123701. [13]. MPM281_High_Stable_Piezoresistive_OEM_Pressure_Sensor_94.htm, truy cập ngày 31 tháng 3 2018. ABSTRACT FABRICATION OF PRESSURE SENSOR USING POLYMER MATERIAL AND ITS APPLICATION IN STRUCTURAL HEALTH MONITORING SYSTEM A pressure sensor using polymer material has recently attracted much attention because of their unique advantages over the conventional pressure sensor that includes mechanical flexibility, easily fabrication, reusable and low-cost. In this paper, a new approach in fabrication of an organic sensor with Polyurethane material is proposed. Experimental results indicate that the sensitivity of the sensor can be comparable to that of other similar sensor systems. In addition, the utilization of the sensor in monitoring a defect or bending of a beam is demonstrated. The tested data suggest that the sensor is highly potential to build a structural health monitoring system. Keywords: Pressure sensor; Flexible electronics; Capacitive DAQ; SHM. Nhận bài ngày 01 tháng 4 năm 2018 Hoàn thiện ngày 21 tháng 6 năm 2018 Chấp nhận đăng ngày 10 tháng 8 năm 2018 Địa chỉ: 1Khoa Vô tuyến Điện tử, Học viện Kỹ thuật quân sự; 2Trung tâm Giám định Chất lượng, Cục Tiêu chuẩn-Đo lường-Chất lượng; 3Khoa Điện-Điện tử, Trường Đại học Giao thông Vận tải; 4Trung tâm nghiên cứu và Phát triển Việt-Nhật, Trường Đại học Giao thông Vận tải. * Email: kchien.tdc@gmail.com, phuchv@mta.edu.vn, daotoan@utc.edu.vn;