Cảm biến áp suất in 3D tự chế

Giới thiệu

Gần đây tôi cần một cảm biến áp suất không khí cho một trong các dự án của mình. Tôi muốn tìm thứ gì đó giá rẻ và dễ kiếm. Cảm biến chỉ cần hoạt động trong khoảng ±10 kPa so với áp suất khí quyển và không yêu cầu độ chính xác quá khắt khe. Về cơ bản, tôi cần một cảm biến có khả năng phát hiện lực hút và thổi nhẹ khi người dùng thực hiện thao tác hít vào hoặc thổi hơi vào ống.

Có khá nhiều lựa chọn phù hợp. Ví dụ, ST cung cấp dòng cảm biến MPXx5010 (ban đầu do NXP phát triển) và cũng có các loại cảm biến từ các nhà sản xuất châu Á như CFSensor. Vấn đề là những lựa chọn này thường khá đắt hoặc khó tìm mua cho các dự án đơn lẻ.

Điều này khiến tôi tự hỏi liệu có thể tự chế tạo một cảm biến áp suất "tạm ổn" bằng cách sử dụng các linh kiện giá rẻ và phổ biến hay không.

Hóa ra là có… ở một mức độ nào đó.

Cảm biến thành phẩm sẽ không bao giờ chính xác hoặc đáng tin cậy như thiết bị thương mại. Tuy nhiên, nó hoạt động khá tốt cho mục đích dự định. Sau khi hiệu chuẩn ban đầu, nó vẫn duy trì độ ổn định tương đối trong phạm vi nhiệt độ phòng và không quá nhạy cảm với độ ẩm.

Trong bài viết này, tôi sẽ không trình bày phân tích khoa học hay cung cấp thông số kỹ thuật chi tiết. Tôi dự đoán mỗi cảm biến sẽ hoạt động hơi khác nhau do sự khác biệt trong quá trình lắp ráp, vật liệu sử dụng và vô số yếu tố khác không thể kiểm soát chặt chẽ khi chế tạo tại nhà.

Thay vào đó, mục tiêu của tôi là cho thấy khả năng chế tạo một cảm biến áp suất đơn giản, chi phí thấp, hoàn toàn phù hợp cho một số ứng dụng nhất định. Tôi sẽ mô tả cách tôi đã chế tạo nó để những người khác có thể tùy chỉnh thiết kế, cải tiến hoặc phát triển dựa trên mã nguồn và các mô hình 3D của tôi cho dự án cá nhân.

Ý tưởng về cảm biến

Việc chế tạo cảm biến áp suất đi kèm với nhiều thách thức, và việc sử dụng các bộ phận in 3D càng tăng thêm khó khăn. Ý tưởng ban đầu của tôi là in một thân rỗng với màng mỏng và gắn cảm biến áp suất (strain gauge) vào màng đó. Sau nhiều lần thử nghiệm, tôi kết luận thiết kế hai phần là giải pháp tối ưu nhất:

Phần dưới tạo thành màng mỏng, dày 0,4 mm. Một bức tường tròn được in trực tiếp trên màng, tạo thành buồng khí và cung cấp bề mặt gắn cho nắp trên. Nắp trên chứa đầu nối ống và hai điểm gắn vít. Nó dày hơn đáng kể so với màng để đảm bảo độ cứng cần thiết. Cả hai phần được dán lại với nhau bằng keo siêu dính, tạo độ kín khí. Tôi đã sử dụng nhựa PLA+ để in vỏ, mặc dù PETG cũng là một lựa chọn thay thế tốt.

Để đo đạc, tôi sử dụng hai cảm biến áp suất (strain gauge) theo cấu hình cầu bán phần (half-bridge). Một cái được gắn ở trung tâm màng, nơi chịu lực kéo khi có áp suất dương. Cái thứ hai nằm ở mép màng, nơi chịu lực nén dưới cùng áp suất đó.

Cách sắp xếp này còn mang lại ưu điểm quan trọng khác: bù nhiệt. Do cả hai cảm biến áp suất được gắn trên cùng một bề mặt, chúng trải qua những thay đổi nhiệt độ như nhau. Kết quả là điện trở của chúng thay đổi cùng một mức, giúp triệt tiêu phần lớn sai số do nhiệt độ gây ra.

Lắp ráp cảm biến

Việc lắp ráp cảm biến có thể hơi khó khăn. Bước tinh tế nhất là gắn các cảm biến áp suất vào màng. Tôi không nghĩ có phương pháp "tốt nhất" duy nhất. Mặc dù có thể gắn trước rồi mới hàn dây sau, nhưng tôi không khuyến khích vì nhiệt độ khi hàn có thể làm biến dạng hoặc chảy màng mỏng.

Dưới đây là phương pháp tôi thấy đáng tin cậy và dễ thực hiện nhất:

Đầu tiên, dùng hai mảnh băng dính nhỏ để cố định các strain gauge lên bề mặt phẳng sạch với khoảng cách chính xác (8,5 mm), chừa ra phần chân hàn.

Tiếp theo, thêm băng dính ở các cạnh để giữ cố định trong khi hàn dây. Tôi dùng dây đỏ và đen cho các kết nối điện áp tham chiếu và dây vàng cho tín hiệu. Lớp cách điện của dây tín hiệu được tuốt sao cho có thể kết nối với cả hai cảm biến, giúp quá trình hàn dễ dàng hơn.

Sau khi gắn dây và vệ sinh bằng cồn IPA, hãy dán một lớp băng dính lên toàn bộ cụm và cắt tỉa theo kích thước bằng dao X-Acto.

Cụm hoàn chỉnh có thể được đặt lên màng. Hãy đánh dấu tâm màng bằng các vạch căn chỉnh trên vỏ hoặc mẫu in. Đảm bảo không dùng tâm của chính cảm biến áp suất, mà hãy dùng các dấu căn chỉnh trên cảm biến.

Nhấc cụm cảm biến lên bằng mép của băng chuyển như một bản lề. Bôi một ít keo siêu dính vào cảm biến, sau đó hạ cụm xuống màng. Nhấn chặt và đều trong 15–30 giây. Khi keo đã khô, cẩn thận gỡ băng chuyển.

Bạn có thể bôi thêm một ít keo để cố định dây vào cạnh cảm biến giúp giảm áp lực cho dây. Bước cuối cùng, dán hai nửa của cảm biến lại với nhau bằng keo siêu dính.

Thực hiện đo lường

Chúng ta có hai điện trở trên màng thay đổi khi có áp suất. Để hữu ích, ta cần đo những thay đổi nhỏ này. Hai strain gauge tạo thành một nửa cầu Wheatstone. Việc sử dụng các IC như HX711 hoặc HX717 là giải pháp off-the-shelf lý tưởng nhất để khuếch đại và chuyển đổi tín hiệu analog sang digital.

Chúc mừng! Bạn đã có tín hiệu số của áp suất. Nhưng nó cần được hiệu chuẩn. Do "điểm không" (zero point) có thể bị trôi, bạn cần lập trình phần mềm để nội suy giá trị thực tế dựa trên điểm không tham chiếu cho áp suất dương và âm.

Suy nghĩ cuối cùng

Cảm biến này hoạt động rất tốt cho mục đích dự định và có tiềm năng lớn cho các dự án DIY. Việc in cảm biến mang lại sự tự do tuyệt vời về hình dạng và cách lắp đặt. Nếu bạn sử dụng ý tưởng này cho dự án của mình, tôi rất muốn nghe phản hồi từ bạn.