Thiết kế chế tạo thiết bị đo trở kháng sinh học sử dụng chip AD5933 (Phan Quang Tú)
Mục tiêu luận văn đề ra là thiết kế mô hình thiết bị đo đơn giản và cơ động, có thể sử dụng đo nhanh trở kháng sinh học phục vụ chẩn đoán nhanh tình trạng cây trái, rau củ. Mạch thiết kế sử dụng mạch đo trở kháng EVAL-AD5933EBZ của hãng Analog Device. Mô hình hoạt động với dải tần số từ 5 kHz đến 100 kHz. Một nguồn áp không đổi có điện áp đỉnh cực đại 2 Vp-p và tần số từ 5 kHz đến 100 kHz được nạp vào đối tượng đo thông qua hai điện cực. Tín hiệu dòng điện ra sẽ được thu nhận và truyền đến máy tính để xử lý. Giá trị cuối cùng được hiển thị qua hệ thống là trở kháng sinh học của đối tượng đo. Thử nghiệm hiệu chỉnh trên mạch chuẩn cho thấy giá trị thu được có độ tin cậy lặp lại phù hợp. Sau đó mạch đo được ứng dụng vào nghiên cứu thử nghiệm trên cà chua và táo và cũng cho thấy giá trị đo thể hiện một số thay đổi trạng thái của đối tượng. Tuy nhiên, mô hình cần có thời gian nghiên cứu thêm để có thể phát triển thành thiết bị ứng dụng thực tiễn
CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU .............................................................................. 1
1.1 Giới thiệu chung về đề tài .......................................................................... 1
1.2 Mục tiêu và nhiệm vụ luận văn ................................................................. 2
1.2.1 Mục tiêu luận văn .............................................................................. 2
1.2.2 Nhiệm vụ luận văn ............................................................................. 2
1.2.2.1 Lý thuyết ....................................................................................... 3
1.2.2.2 Thực nghiệm ................................................................................. 3
CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT ........................................................... 4
2.1 Khái niệm về trở kháng ............................................................................. 4
2.2 Cấu tạo tế bào sinh học và nguồn gốc của trở kháng sinh học ................ 6
2.2.1 Cấu tạo của tế bào sinh học .................................................................. 6
2.2.2 Nguồn gốc của trở kháng điện sinh học................................................ 7
2.3 Mơ hình trở kháng tương đương .............................................................. 8
2.3.1 Mơ hình Cole-trở kháng ....................................................................... 9
2.3.2 Mơ hình Fricke .................................................................................. 11
2.3.3 Mơ hình Hayden ................................................................................ 12
2.3.4 Mơ hình vỏ kép (double-shell) ........................................................... 13
2.4 Phổ trở kháng điện (Electrical Impedance Spectroscopy) ..................... 13
2.4.1 Phân loại EIS.................................................................................... 15
2.4.2 Cấu hình điện cực đo EIS ................................................................ 18
2.4.2.1 Cấu hình 2 điện cực .................................................................... 18
2.4.2.2 Cấu hình 4 điện cực .................................................................... 19
2.4.3 Kỹ thuật đo EIS ............................................................................... 20
2.5 Biểu diễn dữ liệu ...................................................................................... 20
2.5.1 Biểu đồ Bode ..................................................................................... 20
2.5.2 Biểu đồ Nyquist ................................................................................. 21
2.6 Tổng kết.................................................................................................... 21
CHƯƠNG 3 BỘ KIT ĐO TRỞ KHÁNG EVAL-AD5933EBZ............. 22
3.1 Giới thiệu .................................................................................................. 22
3.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của chip AD5933 ................................. 22
3.2.1 Cấu tạo .............................................................................................. 22
3.2.2 Nguyên lý hoạt động .......................................................................... 23
3.3 Bộ kit đo trở kháng EVAL-AD5933EBZ ................................................ 25
3.4 Mạch Analog Front-End (AFE) .............................................................. 26
3.4.1 Loại bỏ tín hiệu DC (DC Cancellation) .............................................. 26
3.4.2 Trở kháng ngõ ra ............................................................................... 27
3.5 Các thông số quan trọng trước khi thực hiện phép đo trở kháng ......... 28
3.5.1 Các thông số của dải tần số quét ........................................................ 28
3.5.2 Điện trở phản hồi ............................................................................... 28
3.5.3 Tính tốn hệ số khuếch đại (Gain Factor)........................................... 29
3.5.4 Quá trình hiệu chuẩn .......................................................................... 29
3.5.5 Thông số được lựa chọn cho nghiên cứu ............................................ 30
3.6 Phần mềm điều khiển mạch AD5933 Evaluation Software ................... 30
3.7 Phần mềm phân tích dữ liệu OriginPro 8.5 ............................................ 37
3.7.1 Giới thiệu........................................................................................... 37
3.7.2 Các tính năng và phạm vi sử dụng của phần mềm .............................. 37
3.7.3 Không gian làm việc của Origin......................................................... 38
3.7.4 Tính năng vẽ đồ thị ............................................................................ 38
3.7.5 Smoothing ......................................................................................... 40
3.8 EIS Spectrum Analyser ........................................................................... 42
3.8.1 Giới thiệu........................................................................................... 42
3.8.2 Quá trình khớp dữ liệu (data fitting)................................................... 43
3.9 Tổng kết.................................................................................................... 46
CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ ĐO THỰC NGHIỆM ...................................... 47
4.1 Thử nghiệm trên mạch RC ...................................................................... 47
4.1.1 Công thức tính tốn............................................................................ 47
4.1.2 Thơng số mạch RC ............................................................................ 48
4.1.3 Nhận xét và đánh giá ......................................................................... 49
4.2 Thực nghiệm trên trái cây ....................................................................... 51
4.2.1 Nguyên liệu và các thiết bị sử dụng ................................................... 51
4.2.1.1 Nguyên liệu ................................................................................. 51
4.2.1.2 Các thiết bị đo ............................................................................. 52
4.2.2 Xác định vị trí đặt điện cực ................................................................ 52
4.2.3 Quy trình đo....................................................................................... 53
4.2.4 Thí nghiệm trên cà chua ..................................................................... 54
4.2.5 Thí nghiệm trên táo ............................................................................ 56
4.3 Đánh giá các kết quả đạt được ................................................................ 59
CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN ........................................................................ 61
5.1 Kết quả đạt được ..................................................................................... 61
5.2 Hạn chế của luận văn............................................................................... 61
5.3 Hướng phát triển của đề tài .................................................................... 61
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Mục tiêu luận văn đề ra là thiết kế mô hình thiết bị đo đơn giản và cơ động, có thể sử dụng đo nhanh trở kháng sinh học phục vụ chẩn đoán nhanh tình trạng cây trái, rau củ. Mạch thiết kế sử dụng mạch đo trở kháng EVAL-AD5933EBZ của hãng Analog Device. Mô hình hoạt động với dải tần số từ 5 kHz đến 100 kHz. Một nguồn áp không đổi có điện áp đỉnh cực đại 2 Vp-p và tần số từ 5 kHz đến 100 kHz được nạp vào đối tượng đo thông qua hai điện cực. Tín hiệu dòng điện ra sẽ được thu nhận và truyền đến máy tính để xử lý. Giá trị cuối cùng được hiển thị qua hệ thống là trở kháng sinh học của đối tượng đo. Thử nghiệm hiệu chỉnh trên mạch chuẩn cho thấy giá trị thu được có độ tin cậy lặp lại phù hợp. Sau đó mạch đo được ứng dụng vào nghiên cứu thử nghiệm trên cà chua và táo và cũng cho thấy giá trị đo thể hiện một số thay đổi trạng thái của đối tượng. Tuy nhiên, mô hình cần có thời gian nghiên cứu thêm để có thể phát triển thành thiết bị ứng dụng thực tiễn
CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU .............................................................................. 1
1.1 Giới thiệu chung về đề tài .......................................................................... 1
1.2 Mục tiêu và nhiệm vụ luận văn ................................................................. 2
1.2.1 Mục tiêu luận văn .............................................................................. 2
1.2.2 Nhiệm vụ luận văn ............................................................................. 2
1.2.2.1 Lý thuyết ....................................................................................... 3
1.2.2.2 Thực nghiệm ................................................................................. 3
CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT ........................................................... 4
2.1 Khái niệm về trở kháng ............................................................................. 4
2.2 Cấu tạo tế bào sinh học và nguồn gốc của trở kháng sinh học ................ 6
2.2.1 Cấu tạo của tế bào sinh học .................................................................. 6
2.2.2 Nguồn gốc của trở kháng điện sinh học................................................ 7
2.3 Mơ hình trở kháng tương đương .............................................................. 8
2.3.1 Mơ hình Cole-trở kháng ....................................................................... 9
2.3.2 Mơ hình Fricke .................................................................................. 11
2.3.3 Mơ hình Hayden ................................................................................ 12
2.3.4 Mơ hình vỏ kép (double-shell) ........................................................... 13
2.4 Phổ trở kháng điện (Electrical Impedance Spectroscopy) ..................... 13
2.4.1 Phân loại EIS.................................................................................... 15
2.4.2 Cấu hình điện cực đo EIS ................................................................ 18
2.4.2.1 Cấu hình 2 điện cực .................................................................... 18
2.4.2.2 Cấu hình 4 điện cực .................................................................... 19
2.4.3 Kỹ thuật đo EIS ............................................................................... 20
2.5 Biểu diễn dữ liệu ...................................................................................... 20
2.5.1 Biểu đồ Bode ..................................................................................... 20
2.5.2 Biểu đồ Nyquist ................................................................................. 21
2.6 Tổng kết.................................................................................................... 21
CHƯƠNG 3 BỘ KIT ĐO TRỞ KHÁNG EVAL-AD5933EBZ............. 22
3.1 Giới thiệu .................................................................................................. 22
3.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của chip AD5933 ................................. 22
3.2.1 Cấu tạo .............................................................................................. 22
3.2.2 Nguyên lý hoạt động .......................................................................... 23
3.3 Bộ kit đo trở kháng EVAL-AD5933EBZ ................................................ 25
3.4 Mạch Analog Front-End (AFE) .............................................................. 26
3.4.1 Loại bỏ tín hiệu DC (DC Cancellation) .............................................. 26
3.4.2 Trở kháng ngõ ra ............................................................................... 27
3.5 Các thông số quan trọng trước khi thực hiện phép đo trở kháng ......... 28
3.5.1 Các thông số của dải tần số quét ........................................................ 28
3.5.2 Điện trở phản hồi ............................................................................... 28
3.5.3 Tính tốn hệ số khuếch đại (Gain Factor)........................................... 29
3.5.4 Quá trình hiệu chuẩn .......................................................................... 29
3.5.5 Thông số được lựa chọn cho nghiên cứu ............................................ 30
3.6 Phần mềm điều khiển mạch AD5933 Evaluation Software ................... 30
3.7 Phần mềm phân tích dữ liệu OriginPro 8.5 ............................................ 37
3.7.1 Giới thiệu........................................................................................... 37
3.7.2 Các tính năng và phạm vi sử dụng của phần mềm .............................. 37
3.7.3 Không gian làm việc của Origin......................................................... 38
3.7.4 Tính năng vẽ đồ thị ............................................................................ 38
3.7.5 Smoothing ......................................................................................... 40
3.8 EIS Spectrum Analyser ........................................................................... 42
3.8.1 Giới thiệu........................................................................................... 42
3.8.2 Quá trình khớp dữ liệu (data fitting)................................................... 43
3.9 Tổng kết.................................................................................................... 46
CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ ĐO THỰC NGHIỆM ...................................... 47
4.1 Thử nghiệm trên mạch RC ...................................................................... 47
4.1.1 Công thức tính tốn............................................................................ 47
4.1.2 Thơng số mạch RC ............................................................................ 48
4.1.3 Nhận xét và đánh giá ......................................................................... 49
4.2 Thực nghiệm trên trái cây ....................................................................... 51
4.2.1 Nguyên liệu và các thiết bị sử dụng ................................................... 51
4.2.1.1 Nguyên liệu ................................................................................. 51
4.2.1.2 Các thiết bị đo ............................................................................. 52
4.2.2 Xác định vị trí đặt điện cực ................................................................ 52
4.2.3 Quy trình đo....................................................................................... 53
4.2.4 Thí nghiệm trên cà chua ..................................................................... 54
4.2.5 Thí nghiệm trên táo ............................................................................ 56
4.3 Đánh giá các kết quả đạt được ................................................................ 59
CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN ........................................................................ 61
5.1 Kết quả đạt được ..................................................................................... 61
5.2 Hạn chế của luận văn............................................................................... 61
5.3 Hướng phát triển của đề tài .................................................................... 61
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Không có nhận xét nào: