Giáo trình Cảm biến (Phần 1)
1
LỜI NÓI ĐẦU
“Cảm biến” trong tiếng Anh là sensor xuất phát từ chữ sense theo Nghĩa la
tinh là cảm nhận.Từ ngày xưa người tiền sử đã nhờ vào các giác quan xúc giác đẻ
cảm nhận ,tìm hiểu đặc điểm của thế giới tự nhiên và học cách sử dụng những hiểu
biết đó nhằm mục đích khai thác thế giới xung quanh phục vụ cho công cuộc của
họ .Trong thời đại phát triển của khoa học và kỹ thuật ngày nay con người không
chỉ dựa vào các cơ quan xúc giác của cơ thể để khám phá thế giới . Các chức năng
xúc giác để nhận biết các vật thể ,hiện tượng xảy ra trong thiên nhiên được tăng
cường nhờ phát triển các dụng cụ dùng để đo lường và phân tích mà ta ngọi là cảm
biến . Cảm biến được định nghĩa như những thiết bị dùng biến đổi các đại lượng
vật lý và các đại lượng không điện cần đo thành các đại lượng điện có thể đo được
(như dòng điện,điện thế,điện dung ,trở kháng v.v…) Nó là thành phần quan trọng
nhất trong các thiết bị đo hay trong các các hệ thống điều khiển tự động . Có thể
nói rằng nguyên lý hoạt động của một cảm biến ,trong nhiều trường hợp thực
tế,cũng chính là nguyên lý của phép đo hay của phương pháp điều khiển tự động .
Đã từ lâu cảm biến được sử dụng như những bộ phận để cảm nhận và phát
hiện, nhưng chỉ từ vài chục năm trở lại đây chúng mới thể hiên rõ vai trò quan
trọng trong các hoạt động của con người . Nhờ những thành tựu mới 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 kích thước , cải thiên tính năng và ngày càng mở rộng pham vi
ứng dụng, Giơ đây không có một lĩnh vực nào mà ở đó không sử dụng các cảm
biến .Trúng có mặt trong các hệ thống tự động phứ tạp, người máy, kiểm tra trất
lượng sản phẩm , tiết kiệm năng lượng , chống ô nhiễm môi trường . Cảm biến
cũng được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực giao thông vận tải , hàng tiêu dùng ,
bảo quả thực phẩm , ô tô ,trò chơi điên tử v.v…
Trong những năm ngần đây cảm biến đã trở thành một môn hoc bắt buộc của
sinh viên vật lý kỹ thuật , những kỹ sư vật lý tương lai , những người đóng vai trò
ứng dụng tiến bộ của khoa học vật lý vào kỹ thuật , công nghệ , sản xuất và đời
sống . Cảm biến cũng là lĩnh vực nghiên cứu ứng dụng của sinh viên đại học , sau
đai học và cán bộ thuộc nhiều ngành khoa học kỹ thuật khác . Nôi dung của giáo
trình được chia thành các chương, trong đó mỗi chương đề cập một hoặc một vài
loại cảm biến ( như cảm biến quang ,cảm biến nhiệt độ ,cảm biến vị trí và dịch
chuyển ,cảm biến đo vận tốc ,lưu lượng và mức chất lưu, cảm biến trân không ,cảm
biến điện hoá ,cảm biến đo thành phần khí v.v…).Trong chừng mực giới hạn của
tài liệu tham khảo cho phép ,đối với từng loại cảm biến ,chúng tôi giới thiệu
nguyên lý cấu tạo , cơ chế hoạt
2
MỤC LỤC
CHƯƠNG TRÌNH MÔ ĐUN.............................................................................................5
1. Khái niệm và phân loại cảm biến.........................................................................6
1.1. Khái niệm............................................................................................................6
1.2. Phân loại cảm biến..............................................................................................6
2. Đường cong chuẩn của cảm biến ............................................................................8
2.1. Khái niệm............................................................................................................8
2.2. Phương pháp chuẩn cảm biến..............................................................................8
3. Các đặc trưng cơ bản...............................................................................................9
3.1. Độ nhạy của cảm biến .........................................................................................9
3.2. Độ tuyến tính.....................................................................................................11
3.3. Sai số và độ chính xác.......................................................................................11
3.4. Độ nhanh và thời gian hồi đáp...........................................................................12
3.5. Giới hạn sử dụng của cảm biến .........................................................................13
4. Nguyên lý chung chế tạo cảm biến ........................................................................14
4.1. Nguyên lý chế tạo các cảm biến tích cực...........................................................14
4.2. Nguyên chế tạo cảm biến thụ động ...................................................................16
5. Mạch đo...................................................................................................................17
5.1. Sơ đồ mạch đo...................................................................................................17
5.2. Một số phần tử cơ bản của mạch đo..................................................................18
CHƯƠNG II: CẢM BIẾN QUANG .............................................................................21
1. Tính chất và đơn vị đo ánh sáng...........................................................................21
1.1. Tính chất của ánh sáng......................................................................................21
1.2. Các đơn vị đo quang..........................................................................................22
2. Cảm biến quang dẫn..............................................................................................24
2.1. Hiệu ứng quang dẫn ..........................................................................................24
3.2. Các đặc trưng ....................................................................................................27
3.3. Đặc điểm và ứng dụng.......................................................................................30
4. Photođiot .................................................................................................................31
4.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động ........................................................................31
4.2. Chế độ hoạt động ..............................................................................................32
4.3. Sơ đồ ứng dụng photodiot .................................................................................36
5. Phototranzito ..........................................................................................................37
5.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động ........................................................................37
5.2. Độ nhạy.............................................................................................................38
5.3. Sơ đồ dùng phototranzito ..................................................................................39
6. Cảm biến quang điện phát xạ ...............................................................................41
6.1. Hiệu ứng quang điện phát xạ.............................................................................41
1. Thang đo nhiệt độ ..................................................................................................43
2. Nhiệt độ đo được và nhiệt độ cần đo ....................................................................44
3. Phân loại cảm biến đo nhiệt độ..............................................................................46
3
3.3. Cảm biến nhiệt ngẫu..........................................................................................52
3.4. Mạch đo và dụng cụ thứ cấp..............................................................................56
4. Hoả kế......................................................................................................................60
4.1. Hoả kế bức xạ toàn phần ...................................................................................60
4.2. Hoả kế quang điện.............................................................................................61
1. Nguyên lý đo vị trí và dịch chuyển .......................................................................64
2. Đieän thế kế đieän trở ............................................................................................64
2.1. Điện thế kế dùng con chạy cơ học.....................................................................64
2.2. Điện thế kế dùng con trỏ quang.........................................................................66
2.3. Điện thế kế dùng con trỏ từ...............................................................................67
3. Cảm biến điện cảm .................................................................................................68
3.1. Cảm biến tự cảm ...............................................................................................68
4. Cảm biến điện dung ...............................................................................................74
4.1. Cảm biến tụ điện đơn ........................................................................................74
4.2. Cảm biến tụ kép vi sai.......................................................................................76
4.3. Mạch đo ............................................................................................................76
5. Cảm biến quang......................................................................................................77
5.1. Cảm biến quang phản xạ ...................................................................................77
5.2. Cảm biến quang soi thấu ...................................................................................77
5.3. Cảm biến đo dịch chuyển bằng sóng đàn hồi ....................................................78
5.4. Cảm biến sử dụng phần tử áp điện ....................................................................79
5.5. Cảm biến âm từ .................................................................................................80
1. Biến dạng và phương pháp đo ..............................................................................81
1.1. Định nghĩa một số đại lượng cơ học..................................................................81
1.2. Phương pháp đo biến dạng................................................................................81
2. Đầu đo điện trở kim loại ........................................................................................82
2.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động ........................................................................82
2.2. Các đặc trưng chủ yếu.......................................................................................84
3. Cảm biến áp trở silic ..............................................................................................84
3.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động ........................................................................84
3.2. Các đặc trưng chủ yếu.......................................................................................86
4. Đầu đo trong chế độ động......................................................................................87
4.1. Tần số sử dụng tối đa ........................................................................................87
4.2. Giới hạn mỏi .....................................................................................................87
5. Ứng suất kế dây rung .............................................................................................87
1.Cảm biến đo vận tốc ...............................................................................................89
1.1. Nguyên lý đo vận tốc ........................................................................................89
2. Tốc độ kế điện từ....................................................................................................89
2.2. Tốc độ kế điện từ đo vận tốc góc.......................................................................89
2.3. Tốc độ kế dòng xoay chiều................................................................................91
4
2.6. Tốc độ kế từ trở biến thiên ................................................................................93
2.7. Tốc độ kế quang................................................................................................95
3. Máy đo góc tuyệt đối ..............................................................................................96
4. Đổi hướng kế...........................................................................................................96
4.1. Đổi hướng kế dùng con quay hồi chuyển..........................................................96
4.2. Đổi hướng kế quang..........................................................................................97
5. Cảm biến rung và gia tốc .......................................................................................98
5.1. Khái niệm cơ bản ..............................................................................................98
5.2. Gia tốc kế áp điện............................................................................................101
1. Áp suất và nguyên lý đo áp suất .........................................................................104
1.1. Áp suất và đơn vị đo........................................................................................104
1.2. Nguyên lý đo áp suất.......................................................................................104
2.1. Áp kế vi sai kiểu phao.....................................................................................106
2.2. Áp kế vi sai kiểu chuông.................................................................................107
3.1. Phần tử biến dạng............................................................................................108
4. Các bộ chuyển đổi điện ........................................................................................112
4.1. Bộ biến đổi đo áp suất kiểu điện cảm..............................................................112
4.2. Bộ biến đổi kiểu biến áp vi sai ........................................................................113
4.3. Bộ biến đổi kiểu điện dung..............................................................................114
5
CHƯƠNG TRÌNH MÔ ĐUN
Mã số mô đun : MĐ 23
Thời gian mô đun : 30 h
(Lý thuyết : 30h )
I.
VỊ TRÍ, TÍNH CHẤT CỦA MÔ ĐUN :
- Vị trí của mô đun : Mô đun tự chọn được bố trí sau khi học sinh học xong
các mô-đun/ môn học bắt buộc.
- Tính chất của mô đun : Là mô đun chuyên môn nghề tự chon
MỤC TIÊU MÔ ĐUN :
II.
Học xong môn học này học viên có khả năng:
- Trình bày chức năng, nhiệm vụ và phân loại các loại cảm biến thông dụng
- Phân tích các mạch điện trong cảm biến.
- Sửa chữa các hư hỏng cảm biến.
III. NỘI DUNG MÔ ĐUN :
1.Nội dung tổng quát và phân phối thời gian:
Số
TT
Tên các bài trong mô đun
Lý
thuyết
03
Kiểm
tra*
00
00
01
Tổng số
1. Chương 1. Các khái niệm và đặc trưng
2 Chương 2. Cảm biến quang
3 Chương 3. Cảm biến nhiệt độ
4 Chương 4. Cảm biến đo độ dịch chuyển
5 Chương 5. Cảm biến biến dạng
6 Chương 6. Cảm biến đo vận tốc và độ rung
Cộng
3
6
6
6
6
3
30
06
05
06
05
03
28
01
00
2
2. Nội dung chi tiết:
6
CHƯƠNG I: CÁC KHÁI NIỆM VÀ ĐẶC TRƯNG CƠ BẢN
Mục tiêu:
Sau khi học xong bài này người học có khả năng:
- Trình bày được định nghĩa và các đặc trưng cơ bản của cảm biến.
- Phân loại và lựa chọn được các đơn vị đo lường trong cảm biến phù hợp.
- Rèn luyện tính cẩn thận và khả năng phán đoán trong khi làm việc.
1. Khái niệm và phân loại cảm biến
1.1. Khái niệm
Cảm biến là thiết bị dùng để cảm nhận biến đổi các đại lượng vật lý và các
đại lượng không có tính chất điện cần đo thành các đại lượng điện có thể đo và
xử lý được. Các đại lượng cần đo (m) thường không có tính chất điện (như nhiệt
độ, áp suất ...) tác động lên cảm biến cho ta một đặc trưng (s) mang tính chất
điện (như điện tích, điện áp, dòng điện hoặc trở kháng) chứa đựng thông tin cho
phép xác định giá trị của đại lượng đo. Đặc trưng (s) là hàm của đại lượng cần đo
(m): s = F(m)(1.1)
Người ta gọi (s) là đại lượng đầu ra hoặc là phản ứng của cảm biến, (m) là
đại lượng đầu vào hay kích thích (có nguồn gốc là đại lượng cần đo). Thông qua
đo đạc (s) cho phép nhận biết giá trị của (m).
1.2. Phân loại cảm biến
Các bộ cảm biến được phân loại theo các đặc trưng cơ bản sau đây:
a. Theo nguyên lý chuyển đổi giữa đáp ứng và kích thích (bảng 1.1).
Hiện tượng
Chuyển đổi đáp ứng và kích thích
- Nhiệt điện
- Quang điện
- Quang từ
Hiện tượng vật lý
- Điện từ
- Quang đàn hồi
- Từ điện
- Nhiệt từ...
- Biến đổi hoá học
- Biến đổi điện hoá
- Phân tích phổ ...
- Biến đổi sinh hoá
- Biến đổi vật lý
Hoá học
Sinh học
b. Phân loại theo dạng kích thích (bảng 1.2)
Bảng 1.2
- Biên pha, phân cực
- Phổ
Âm thanh
- Tốc độ truyền sóng ...
7
- Điện tích, dòng điện
- Điện thế, điện áp
Điện
- Điện trường (biên, pha, phân cực, phổ)
- Điện dẫn, hằng số điện môi ...
- Từ trường (biên, pha, phân cực, phổ)
- Từ thông, cường độ từ trường
- Độ từ thẩm ...
Từ
- Biên, pha, phân cực, phổ
- Tốc độ truyền
Quang
- Hệ số phát xạ, khúc xạ
- Hệ số hấp thụ, hệ số bức xạ ...
- Vị trí
- Lực, áp suất
Cơ
- Gia tốc, vận tốc
- ứng suất, độ cứng
- Mô men
- Khối lượng, tỉ trọng
- Vận tốc chất lưu, độ nhớt ...
- Nhiệt độ
Nhiệt
- Thông lượng
- Nhiệt dung, tỉ nhiệt ...
- Kiểu
Bức xạ
- Năng lượng
- Cường độ ...
c. Theo tính năng của bộ cảm biến (bảng 1.3)
- Độ nhạy - Khả năng quá tải
- Độ chính xác
- Độ phân giải
- Độ chọn lọc
- Độ tuyến tính
- Công suất tiêu thụ
- Dải tần
- Tốc độ đáp ứng
- Độ ổn định
- Tuổi thọ
- Điều kiện môi trường
- Kích thước, trọng lượng
- Độ trễ
d. Phân loại theo phạm vi sử dụng ( bảng 1.4).
Bảng 1.4
- Công nghiệp
- Dân dụng
- Giao thông
- Vũ trụ
- Nghiên cứu khoa học
- Môi trường, khí tượng
- Thông tin, viễn thông
- Nông nghiệp
- Quân sự
8
đ. Phân loại theo thông số của mô hình mạch thay thế :
+ Cảm biến tích cực có đầu ra là nguồn áp hoặc nguồn dòng.
+ Cảm biến thụ động được đặc trưng bằng các thông số R, L, C, M ....
tuyến tính hoặc phi tuyến.
2. Đường cong chuẩn của cảm biến
2.1. Khái niệm
Đường cong chuẩn cảm biến là đường cong biểu diễn sự phụ thuộc của
đại lượng điện (s) ở đầu ra của cảm biến vào giá trị của đại lượng đo (m) ở đầu
vào. Đường cong chuẩn có thể biểu diễn bằng biểu thức đại số dưới dạng s =
F(m), hoặc bằng đồ thị như hình 1.1a.
Hình 1.1. Đường cong chuẩn cảm biến
a) Dạng đường cong chuẩn
b) Đường cong chuẩn của cảm biến tuyến tính
Dựa vào đường cong chuẩn của cảm biến, ta có thể xác định giá trị m
i
chưa biết của m thông qua giá trị đo được s của s.
i
Để dễ sử dụng, người ta thường chế tạo cảm biến có sự phụ thuộc tuyến
tính giữa đại lượng đầu ra và đại lượng đầu vào, phương trình s= F(m) có dạng s
= am +b với a, b là các hệ số, khi đó đường cong chuẩn là đường thẳng (hình
1.1b).
2.2. Phương pháp chuẩn cảm biến
Chuẩn cảm biến là phép đo nhằm mục đích xác lập mối quan hệ giữa giá
trị s đo được của đại lượng điện ở đầu ra và giá trị m của đại lượng đo có tính
đến các yếu tố ảnh hưởng, trên cơ sở đó xây dựng đường cong chuẩn dưới dạng
tường minh (đồ thị hoặc biểu thức đại số). Khi chuẩn cảm biến, với một loạt giá
trị đã biết chính xác m của m, đo giá trị tương ứng s của s và dựng đường cong
i
i
chuẩn.
Hình 1.2 Phương pháp chuẩn cảm biến
9
2.2.1. Chuẩn đơn giản
Trong trường hợp đại lượng đo chỉ có một đại lượng vật lý duy nhất tác
động lên một đại lượng đo xác định và cảm biến sử dụng không nhạy với tác động
của các đại lượng ảnh hưởng, người ta dùng phương pháp chuẩn đơn giản.
Thực chất của chuẩn đơn giản là đo các giá trị của đại lượng đầu ra ứng với các
giá xác định không đổi của đại lợng đo ở đầu vào. Việc chuẩn được tiến hành theo
hai cách:
- Chuẩn trực tiếp: các giá trị khác nhau của đại lượng đo lấy từ các
mẫu chuẩn hoặc các phần tử so sánh có giá trị biết trước với độ chính xác cao.
- Chuẩn gián tiếp: kết hợp cảm biến cần chuẩn với một cảm biến so sánh
đã có sẵn đường cong chuẩn, cả hai được đặt trong cùng điều kiện làm việc. Khi
tác động lên hai cảm biến với cùng một giá trị của đại lượng đo ta nhận được
giá trị tương ứng của cảm biến so sánh và cảm biến cần chuẩn. Lặp lại tương tự
với các giá trị khác của đại lượng đo cho phép ta xây dựng được đường cong
chuẩn của cảm biến cần chuẩn.
2.2.2.Chuẩn nhiều lần
Khi cảm biến có phần tử bị trễ (trễ cơ hoặc trễ từ), giá trị đo được ở đầu ra
phụ thuộc không những vào giá trị tức thời của đại lượng cần đo ở đầu vào mà
còn phụ thuộc vào giá trị trước đó của của đại lượng này. Trong trường hợp như
vậy, người ta áp dụng phương pháp chuẩn nhiều lần và tiến hành như sau:
- Đặt lại điểm 0 của cảm biến: đại lượng cần đo và đại lượng đầu ra có giá
trị tương ứng với điểm gốc, m=0 và s=0.
- Đo giá trị đầu ra theo một loạt giá trị tăng dần đến giá trị cực đại của
đại lượng đo ở đầu vào.
- Lặp lại quá trình đo với các giá trị giảm dần từ giá trị cực đại.
- Khi chuẩn nhiều lần cho phép xác định đường cong chuẩn theo cả hai
hướng đo tăng dần và đo giảm dần.
3. Các đặc trưng cơ bản
3.1. Độ nhạy của cảm biến
3.1.1. Khái niệm: Mối với cảm biến tuyến tính, giữa biến thiên đầu ra ∆s
và biến thiên đầu vào ∆m có sự liên hệ tuyến tính: ∆s = S.∆m Đại lượng S xác
định bởi biểu được gọi là độ nhạy của cảm biến.Trường hợp tổng quát, biểu thức
xác định độ nhạy S của cảm biến xung quanh giá trị m của đại lượng đo xác định
i
bởi tỷ số giữa biến thiên ∆s của đại lượng đầu ra và biến thiên ∆m tương ứng của
đại lượng đo ở đầu vào quanh giá trị đó
Để phép đo đạt độ chính xác cao, khi thiết kế và sử dụng cảm biến cần làm
sao cho độ nhạy S của nó không đổi, nghĩa là ít phụ thuộc nhất vào các yếu tố sau:
- Giá trị của đại lượng cần đo m và tần số thay đổi của nó.
- Thời gian sử dụng. ảnh hưởng của các đại lượng vật lý khác (không phải
là đại lượng đo) của môi trường xung quanh.
Thông thường nhà sản xuất cung cấp giá trị của độ nhạy S tương ứng
10
với những điều kiện làm việc nhất định của cảm biến.
3.1.2. Độ nhạy trong chế độ tĩnh và tỷ số chuyển đổi tĩnh
Đường chuẩn cảm biến, xây dựng trên cơ sở đo các giá trị s ở đầu ra
i
tương ứng với các giá trị không đổi m của đại lượng đo khi đại lượng này đạt
i
đến chế độ làm việc danh định được gọi là đặc trưng tĩnh của cảm biến. Một
điểm Q (m ,s ) trên đặc trưng tĩnh xác định một điểm làm việc của cảm biến ở chế
i i i
độ tĩnh.
Trong chế độ tĩnh, độ nhạy S xác định theo công thức (1.3) chính là độ đốc
của đặc trưng tĩnh ở điểm làm việc đang xét. Như vậy, nếu đặc trưng tĩnh không
phải là tuyến tính thì độ nhạy trong chế độ tĩnh phụ thuộc điểm làm việc.
Đại lượng r xác định bởi tỷ số giữa giá trị s ở đầu ra và giá trị m ở
i
i
i
đầu vào được gọi là tỷ số chuyển đổi tĩnh:
Từ (1.4), ta nhận thấy tỷ số chuyển đổi tĩnh ri không phụ thuộc vào điểm
làm việc Qi và chỉ bằng S khi đặc trưng tĩnh là đường thẳng đi qua gốc toạ độ.
3.1.3. Độ nhạy trong chế độ động
Độ nhạy trong chế độ động được xác định khi đại lượng đo biến thiên
tuần hoàn theo thời gian.
Giả sử biến thiên của đại lượng đo m theo thời gian có dạng:
Trong đó m là giá trị không đổi, m là biên độ và ù tần số góc của biến
0
1
thiên đại lượng đo ởđầu ra của cảm biến, hồi đáp s có dạng:
s(t) = s + s cos(ωt + ϕ)
0
1
Trong đó:s là giá trị không đổi tương ứng với m xác định điểm làm việc
0
0
Q trên đường cong chuẩn ở chế độ tĩnh. s là biên độ biến thiên ở đầu ra do
0
1
thành phần biến thiên của đại lượng đo gây nên.ϕ là độ lệch pha giữa đại lượng
đầu vào và đại lượng đầu ra.
Trong chế độ động, độ nhạy S của cảm biến được xác định bởi tỉ số giữa
biên độ của biến thiên đầu ra s và biên độ của biến thiên đầu vào m ứng với
1
1
điểm làm việc được xét Q , theo công thức:
0
Độ nhạy trong chế độ động phụ thuộc vào tần số đại lượng đo,
S = S(f ) . Sự biến thiên của độ nhạy theo tần số có nguồn gốc là do quán
tính cơ, nhiệt hoặc điện của đầu đo, tức là của cảm biến và các thiết bị phụ trợ,
chúng không thể cung cấp tức thời tín hiệu điện theo kịp biến thiên của đại lượng
11
đo. Bởi vậy khi xét sự hồi đáp có phụ thuộc vào tần số cần phải xem xét sơ đồ
mạch đo của cảm biến một cách tổng thể.
3.2. Độ tuyến tính
3.2.1.Khái niệm
Một cảm biến được gọi là tuyến tính trong một dải đo xác định nếu trong dải
chế độ đó, độ nhạy không phụ thuộc vào đại lượng đo.
Trong chế độ tĩnh, độ tuyến tính chính là sự không phụ thuộc của độ nhạy
củam cảm biến vào giá trị của đại lượng đo, thể hiện bởi các đoạn thẳng trên đặc
trưng tĩnh của cảm biến và hoạt động của cảm biến là tuyến tính chừng nào đại
lượng đo còn nằm trong vùng này.
Trong chế độ động, độ tuyến tính bao gồm sự không phụ thuộc của độ nhạy
ở chế độ tĩnh S(0) vào đại lượng đo, đồng thời các thông số quyết định sự hồi đáp
(như tần số riêng f0 của dao động không tắt, hệ số tắt dần î cũng không phụ thuộc
vào đại lượng đo.
Nếu cảm biến không tuyến tính, người ta đưa vào mạch đo các thiết bị hiệu
chỉnh sao cho tín hiệu điện nhận được ở đầu ra tỉ lệ với sự thay đổi của đại lượng
đo ở đầu vào. Sự hiệu chỉnh đó được gọi là sự tuyến tính hoá.
3.2.2. Đường thẳng tốt nhất
Khi chuẩn cảm biến, từ kết quả thực nghiệm ta nhận được một loạt điểm
tương ứng (si,mi) của đại lượng đầu ra và đại lượng đầu vào. Về mặt lý thuyết, đối
với các cảm biến tuyến tính, đường cong chuẩn là một đường thẳng. Tuy nhiên, do
sai số khi đo, các điểm chuẩn (mi, si) nhận được bằng thực nghiệm thường không
nằm trên cùng một đường thẳng.
Đường thẳng được xây dựng trên cơ sở các số liệu thực nghiệm sao cho sai
số là bé nhất, biểu diễn sự tuyến tính của cảm biến được gọi là đường thẳng tốt
nhất. Phương trình biểu diễn đường thẳng tốt nhất được lập bằng phương pháp bình
phương bé nhất. Giả sử khi chuẩn cảm biến ta tiến hành với N điểm đo.
3.3. Sai số và độ chính xác
Các bộ cảm biến cũng như các dụng cụ đo lường khác, ngoài đại lượng cần
đo (cảm nhận) còn chịu tác động của nhiều đại lượng vật lý khác gây nên sai số
giữa giá trị đo được và giá trị thực của đại lượng cần đo. Gọi ∆x là độ lệch tuyệt
đối giữa giá trị đo và giá trị thực x (sai số tuyệt đối), sai số tương đối của bộ cảm
biến được tính bằng:
Sai số của bộ cảm biến mang tính chất ước tính bởi vì không thể biết chính
xác giá trị thực của đại lượng cần đo. Khi đánh giá sai số của cảm biến, người ta
thường phân chúng thành hai loại: sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên.
- Sai số hệ thống: là sai số không phụ thuộc vào số lần đo, có giá trị không
đổi hoặc thay đổi chậm theo thời gian đo và thêm vào một độ lệch không đổi giữa
giá trị thực và giá trị đo được. Sai số hệ thống thường do sự thiếu hiểu biết về hệ
đo, do điều kiện sử dụng không tốt gây ra. Các nguyên nhân gây ra sai số hệ
thống có thể là:
Do nguyên lý của cảm biến.
12
+ Do giá trị của đại lượng chuẩn không đúng.
+ Do đặc tính của bộ cảm biến.
+ Do điều kiện và chế độ sử dụng.
+ Do xử lý kết quả đo.
- Sai số ngẫu nhiên: là sai số xuất hiện có độ lớn và chiều không xác
định. Ta có thể dự đoán được một số nguyên nhân gây ra sai số ngẫu nhiên nhưng
không thể dự đoán được độ lớn và dấu của nó. Những nguyên nhân gây ra sai số
ngẫu nhiên có thể là:
+ Do sự thay đổi đặc tính của thiết bị.
+ Do tín hiệu nhiễu ngẫu nhiên.
+ Do các đại lượng ảnh hưởng không được tính đến khi chuẩn cảm biến.
Chúng ta có thể giảm thiểu sai số gẫu nhiên bằng một số biện pháp thực
nghiệm thích hợp như bảo vệ các mạch đo tránh ảnh hưởng của nhiễu, tự động
điều chỉnh điện áp nguồn nuôi, bù các ảnh hưởng nhiệt độ, tần số, vận hành đúng
chế độ hoặc thực hiện phép đo lường thống kê.
3.4. Độ nhanh và thời gian hồi đáp
Độ nhanh là đặc trưng của cảm biến cho phép đánh giá khả năng theo kịp
về thời gian của đại lượng đầu ra khi đại lượng đầu vào biến thiên. Thời gian hồi
đáp là đại lượng được sử dụng để xác định giá trị số của độ nhanh.
Độ nhanh t là khoảng thời gian từ khi đại lượng đo thay đổi đột ngột đến
r
khi biến thiên của đại lượng đầu ra chỉ còn khác giá trị cuối cùng một lượng giới
hạn ε tính bằng %. Thời gian hồi đáp tương ứng với ε% xác định khoảng thời
gian cần thiết phải chờ đợi sau khi có sự biến thiên của đại lượng đo để lấy giá trị
của đầu ra với độ chính xác định trước. Thời gian hồi đáp đặc trưng cho chế độ
quá độ của cảm biến và là hàm của các thông số thời gian xác định chế độ này.
Trong trường hợp sự thay đổi của đại lượng đo có dạng bậc thang, các
thông số thời gian gồm thời gian trễ khi tăng (t ) và thời gian tăng (t ) ứng với
dm
m
sự tăng đột ngột của đại lượng đo hoặc thời gian trễ khi giảm (t ) và thời gian
dc
giảm (t ) ứng với sự giảm đột ngột của đại lượng đo. Khoảng thời gian trễ khi tăng
c
t
là thời gian cần thiết để đại lượng đầu ra tăng từ giá trị ban đầu của nó đến
dm
10% của biến thiên tổng cộng của đại lượng này và khoảng thời gian tăng t là
m
thời gian cần thiết để đại lượng đầu ra tăng từ 10% đến 90% biến thiên biến thiên
tổng cộng của nó.
13
Hình 1.3 Xác định các khoảng thời gian đặc trưng cho chế độ quá độ
Tương tự, khi đại lượng đo giảm, thời gian trể khi giảm t là thời gian cần
dc
thiết để đại lượng đầu ra giảm từ giá trị ban đầu của nó đến 10% biến thiên tổng
cộng của đại lượng này và khoảng thời gian giảm t là thời gian cần thiết để đại
c
lượng đầu ra giảm từ 10% đến 90% biến thiên biến thiên tổng cổng của nó.
Các thông số về thời gian t , t , t , t , t của cảm biến cho phép ta đánh
r dm m dc c
giá về thời gian hồi đáp của nó.
3.5. Giới hạn sử dụng của cảm biến
Trong quá trình sử dụng, các cảm biến luôn chịu tác động của ứng lực cơ
học, tác động nhiệt... Khi các tác động này vượt quá ngưỡng cho phép, chúng sẽ
làm thay đổi đặc trưng làm việc của cảm biến. Bởi vậy khi sử dụng cảm biến,
người sử dụng cần phải biết rõ các giới hạn này.
3.5.1. Vùng làm việc danh định
Vùng làm việc danh định tương ứng với những điều kiện sử dụng bình
thường của cảm biến. Giới hạn của vùng là các giá trị ngưỡng mà các đại lượng
đo, các đại lượng vật lý có liên quan đến đại lượng đo hoặc các đại lượng ảnh
hưởng có thể thường xuyên đạt tới mà không làm thay đổi các đặc trưng làm
việc danh định của cảm biến.
3.5.2. Vùng không gây nên hư hỏng
Vùng không gây nên hư hỏng là vùng mà khi mà các đại lượng đo hoặc
các đại lượng vật lý có liên quan và các đại lượng ảnh hưởng vượt qua ngưỡng
của vùng làm việc danh định nhưng vẫn còn nằm trong phạm vi không gây nên
hư hỏng, các đặc trưng của cảm biến có thể bị thay đổi nhưng những thay đổi
này mang tính thuận nghịch, tức là khi trở về vùng làm việc danh định các đặc
trưng của cảm biến lấy lại giá trị ban đầu của chúng.
3.5.3. Vùng không phá huỷ
Vùng không phá hủy là vùng mà khi mà các đại lượng đo hoặc các đại
lượng vật lý có liên quan và các đại lượng ảnh hưởng vượt qua ngưỡng của vùng
không gây nên hư hỏng nhưng vẫn còn nằm trong phạm vi không bị phá hủy, các
đặc trưng của cảm biến bị thay đổi và những thay đổi này mang tính không thuận
nghịch, tức là khi trở về vùng làm việc danh định các đặc trưng của cảm biến
14
không thể lấy lại giá trị ban đầu của chúng. Trong trường hợp này cảm biến vẫn
còn sử dụng được, nhưng phải tiến hành chuẩn lại cảm biến.
4. Nguyên lý chung chế tạo cảm biến
Các cảm biến được chế tạo dựa trên cơ sở các hiện tượng vật lý và được
phân làm hai loại:
- Cảm biến tích cực: là các cảm biến hoạt động như một máy phát, đáp
ứng(s) là điện tích, điện áp hay dòng.
- Cảm biến thụ động: là các cảm biến hoạt động như một trở kháng trong đó
đáp ứng (s) là điện trở, độ tự cảm hoặc điện dung.
4.1. Nguyên lý chế tạo các cảm biến tích cực
Các cảm biến tích cực được chế tạo dựa trên cơ sở ứng dụng các hiệu ứng
vật lý biến đổi một dạng năng lượng nào đó (nhiệt, cơ hoặc bức xạ) thành năng
lượng điện. Dưới đây mô tả một cách khái quát ứng dụng một số hiệu ứng vật lý
khi chế tạo cảm biến.
4.1.1. Hiệu ứng nhiệt điện
Hai dây dẫn (M ) và (M ) có bản chất hoá học khác nhau được hàn lại
1
2
với nhau thành một mạch điện kín, nếu nhiệt độ ở hai mối hàn là T và T
1
2
khác nhau, khi đó trong mạch xuất hiện một suất điện động e(T , T ) mà độ
1
2
lớn của nó phụ thuộc chênh lệch nhiệt độ giữa T và T .
1
2
Hình 1.4. Sơ đồ hiệu ứng nhiệt điện.
Hiệu ứng nhiệt điện được ứng dụng để đo nhiệt độ T khi biết trước nhiệt
1
o
độ T , chọn T = 0 C.
2
2
4.1.2. Hiệu ứng hoả điện
Một số tinh thể gọi là tinh thể hoả điện (ví dụ tinh thể sulfate triglycine) có
tính phân cực điện tự phát với độ phân cực phụ thuộc vào nhiệt độ, làm xuất hiện
trên các mặt đối diện của chúng những điện tích trái dấu. Độ lớn của điện áp
giữa hai mặt phụ thuộc vào độ phân cực của tinh thể hoả điện.
Hiệu ứng hoả điện được ứng dụng để đo thông lượng của bức xạ ánh sáng.
Khi ta chiếu một chùm ánh sáng vào tinh thể hoả điện, tinh thể hấp thụ ánh sáng
và nhiệt độ của nó tăng lên, làm thay đổi sự phân cực điện của tinh thể. Đo điện
áp V ta có thể xác định được thông lượng ánh sáng Φ.
4.1.3. Hiệu ứng áp điện
Một số vật liệu gọi chung là vật liệu áp điện (như thạch anh chẳng hạn) khi
bị biến dạng dưới tác động của lực cơ học, trên các mặt đối diện của tấm vật liệu
xuất hiện những lượng điện tích bằng nhau nhưng trái dấu, được gọi là hiệu ứng
áp điện.
15
Đo V ta có thể xác định được cường độ của lực tác dụng F.
Hình 1.6 ứng dụng hiệu ứng áp điện
4.1.4. Hiệu ứng cảm ứng điện từ
Khi một dây dẫn chuyển động trong từ trường không đổi, trong dây dẫn
xuất hiện một suất điện động tỷ lệ với từ thông cắt ngang dây trong một đơn vị
thời gian, nghĩa là tỷ lệ với tốc độ dịch chuyển của dây. Tơng tự như vậy, trong
một khung dây đặt trong từ trường có từ thông biến thiên cũng xuất hiện một suất
điện động tỷ lệ với tốc độ biến thiên của từ thông qua khung dây.
Hình 1.7 ứng dụng hiệu ứng cảm ứng điện từ
Hiệu ứng cảm ứng điện từ được ứng dụng để xác định tốc độ dịch chuyển
của vật thông qua việc đo suất điện động cảm ứng.
4.1.5. Hiệu ứng quang điện
a. Hiệu ứng quang dẫn: (hay còn gọi là hiệu ứng quang điện nội) là hiện
tượng giải phóng ra các hạt dẫn tự do trong vật liệu (thường là bán dẫn) khi
chiếu vào chúng một bức xạ ánh sáng (hoặc bức xạ điện từ nói chung) có bước
sóng nhỏ hơn một ngưỡng nhất định.
b. Hiệu ứng quang phát xạ điện tử: (hay còn gọi là hiệu ứng quang
điện ngoài) là hiện tượng các điện tử được giải phóng và thoát khỏi bề mặt vật
liệu tạo thành dòng có thể thu lại nhờ tác dụng của điện trường.
c. Hiệu ứng quang - điện - từ
Khi tác dụng một từ trường B vuông góc với bức xạ ánh sáng, trong vật liệu
bán dẫn được chiếu sáng sẽ xuất hiện một hiệu điện thế theo hướng vuông góc
với từ trường B và hướng bức xạ ánh sáng.
Hình 1.8 ứng dụng hiệu ứng quang - điện - từ
16
d. Hiệu ứng Hall
Khi đặt một tấm mỏng vật liệu mỏng (thường là bán dẫn), trong đó có
dòng điện chạy qua, vào trong một từ trường B có phương tạo với dòng điện I
trong tấm một góc θ, sẽ xuất hiện một hiệu điện thế V theo hướng vuông góc với
H
B và I. Biểu thức hiệu điện thế có dạng:
V
H
= K .I.B.sinωt
H
Trong đó K là hệ số phụ thuộc vào vật liệu và kích thước hình học của
H
tấm vật liệu.
Hình 1.9 ứng dụng hiệu ứng Hall
Hiệu ứng Hall được ứng dụng để xác định vị trí của một vật chuyển động.
Vật cần xác định vị trí liên kết cơ học với thanh nam châm, ở mọi thời điểm, vị
trí thanh nam châm xác định giá trị của từ trường B và góc θ tương ứng với
tấm bán dẫn mỏng làm vật trung gian. Vì vậy, hiệu điện thế V đo được giữa
H
hai cạnh tấm bán dẫn là hàm phụ thuộc vào vị trí của vật trong không gian.
4.2. Nguyên chế tạo cảm biến thụ động
Cảm biến thụ động thường được chế tạo từ một trở kháng có các thông số
chủ yếu nhạy với đại lượng cần đo. Giá trị của trở kháng phụ thuộc kích thước
hình học, tính chất điện của vật liệu chế tạo (như điện trở suất ρ, độ từ thẩm à,
hằng số điện môi ε). Vì vậy tác động của đại lượng đo có thể ảnh hưởng riêng
biệt đến kích thước hình học, tính chất điện hoặc đồng thời cả hai.
Sự thay đổi thông số hình học của trở kháng gây ra do chuyển động của
phầntử chuyển động hoặc phần tử biến dạng của cảm biến. Trong các cảm biến có
phần tử chuyển động, mỗi vị trí của phần tử động sẽ ứng với một giá trị xác định
của trở kháng, cho nên đo trở kháng có thể xác định được vị trí của đối tượng.
Trong cảm biến có phần tử biến dạng, sự biến dạng của phần tử biến dạng dưới tác
động của đại lượng đo (lực hoặc các đại lượng gây ra lực) gây ra sự thay đổi
của trở kháng của cảm biến. Sự thay đổi trở kháng do biến dạng liên quan đến
lực tác động, do đó liên quan đến đại lượng cần đo. Xác định trở kháng ta có thể
xác định được đại lượng cần đo.
Sự thay đổi tính chất điện của cảm biến phụ thuộc vào bản chất vật liệu chế
tạo trở kháng và yếu tố tác động (nhiệt độ, độ chiếu sáng, áp suất, độ ẩm ...).
Để chế tạo cảm biến, người ta chọn sao cho tính chất điện của nó chỉ nhạy với một
17
trong các đại lượng vật lý trên, ảnh hưởng của các đại lượng khác là không đáng
kể. Khi đó có thể thiết lập được sự phụ thuộc đơn trị giữa giá trị đại lượng cần đo
và giá trị trở kháng của cảm biến.
Trên bảng 1.1 giới thiệu các đại lượng cần đo có khả năng làm thay đổi
tính chất điện của vật liệu sử dụng chế tạo cảm biến.
Bảng 1.1
Đại lượng cần đo Đặc trưng nhạy cảm
Loại vật liệu sử dụng
Kim loại (Pt, Ni, Cu)
Bán dẫn
ʆ
Nhiệt độ
Bức xạ ánh sáng
Bán dẫn
ʆ
Hợp kim Ni, Si pha tạp
Hợp kim sắt từ
Biến dạng
ʆ
ʆ
Vị trí (nam châm)
Vật liệu từ điện trở:Bi, InSb
5. Mạch đo
5.1. Sơ đồ mạch đo
Mạch đo bao gồm toàn bộ thiết bị đo (trong đó có cảm biến) cho phép xác
định chính xác giá trị của đại lượng cần đo trong những điều kiện tốt nhất có thể.ở
đầu vào của mạch, cảm biến chịu tác động của đại lượng cần đo gây nên tín hiệu
điện mang theo thông tin về đại cần đo ở đầu ra của mạch, tín hiệu điện đã qua xử
lý được chuyển đổi sang dạng có thể đọc được trực tiếp giá trị cần tìm của đại
lượng đo. Việc chuẩn hệ đo đảm bảo cho mỗi giá trị của chỉ thị đầu ra tương ứng
với một giá trị của đại lượng đo tác động ở đầu vào của mạch.
Dạng đơn giản của mạch đo gồm một cảm biến, bộ phận biến đổi tín hiệu
và thiết bị chỉ thị, ví dụ mạch đo nhiệt độ gồm một cặp nhiệt ghép nối trực tiếp với
một milivôn kế.
Hình 1.10 Sơ đồ mạch đo nhiệt độ bằng cặp nhiệt
18
Hình 1.11 Mạch đo điện thế bề mặt
1) Máy phát chức năng 2) Cảm biến điện tích 3) Tiền khuếch đại 4) So pha
lọc nhiễu 5) Khuếch đại 6) Chuyển đổi tương tự số 7) Máy tính
Trên thực tế, do các yêu cầu khác nhau khi đo, mạch đo thường gồm nhiều
thành phần trong đó có các khối để tối ưu hoá việc thu thập và xử lý dữ liệu,
chẳng hạn mạch tuyến tính hoá tín hiệu nhận từ cảm biến, mạch khử điện dung ký
sinh, các bộ chuyển đổi nhiều kênh, bộ khuếch đại, bộ so pha lọc nhiễu, bộ
chuyển đổi tương tự - số, bộ vi xử lý, các thiết bị hỗ trợ... Trên hình 1.11 biểu
diễn sơ đồ khối một mạch điện đo điện thế trên bề mặt màng nhạy quang được lắp
ráp từ nhiều phần tử
5.2. Một số phần tử cơ bản của mạch đo
5.2.1. Bộ khuếch đại thuật toán (KĐTT)
Bộ khuếch đại thuật toán mạch tích hợp là bộ khuếch đại dòng một chiều có
hai đầu vào và một đầu ra chung, thường gồm hàng trăm tranzito và các điện trở,
tụ điện ghép nối với nhau. Sơ đồ bộ khuếch đại thuật toán biểu diễn trên hình
1.12.
Hình 1.12 Sơ đồ bộ khuếch đại thuật toán
Các đặc tính cơ bản của bộ khuếch đại thuật toán:
+ Bộ khuếch đại có hai đầu vào: một đầu đảo (-), một đầu không đảo (+).
+ Điện trở vào rất lớn, ỡ hàng trăm MΩ đến GΩ.
+ Điện trở ra rất nhỏ, cỡ phần chục Ω.
+ Điện áp lệch đầu vào rất nhỏ, cỡ vài nV.
+ Hệ số khuếch đại hở mạch rất lớn, cỡ 100.000.
+ Dải tần làm việc rộng.
19
+ Hệ số suy giảm theo cách nối chung CMRR là tỷ số hệ số khuếch đại của
bộ khuếch đại thuật toán đối với các tín hiệu sai lệch và hệ số khuếch đại theo cách
nối chung của cùng bộ khuếch đại thuật toán. Thông thường CMRR vào khoảng 90
dB.
+ Tốc độ tăng hạn chế sự biến thiên cực đại của điện áp tính bằng V/s.
5.2.2. Bộ khuếch đại đo lường IA
Bộ khuếch đại đo lường IA có hai đầu vào và một đầu ra. Tín hiệu đầu ra tỷ
lệ với hiệu của hai điện áp đầu vào:
Đầu vào vi sai đóng vai trò rất quan trọng trong việc khử nhiễu ở chế độ
chung và tăng điện trở vào của KĐTT. Điện áp trên Ra phải bằng điện áp vi sai
đầu vào ∆U.
Hình 1.13 Sơ đồ bộ khuếch đại đo lường gồm ba KĐTT ghép nối điện trở
5.2.3. Khử điện áp lệch
Đối với một bộ khuếch KĐTT lý tưởng khi hở mạch phải có điện áp ra bằng
không khi hai đầu vào nối mát. Thực tế vì các điện áp bên trong nên tạo ra một
điệnáp nhỏ (điện áp phân cực) ở đầu vào KĐTT cỡ vài mV, nhưng khi sử dụng
mạch kín điện áp này được khuếch đại và tạo nên điện áp khá lớn ở đầu ra. Để
khử điện áp lệch có thể sử dụng sơ đồ hình 1.14, bằng cách điều chỉnh biến trở R3.
Hình 1.14 Sơ đồ mạch khử điện áp lệch
5.2.4. Mạch lặp lại điện áp
Để lặp lại điện áp chính xác, người ta sử dụng bộ KĐTT làm việc ở chế độ
không đảo với hệ số khuếch đại bằng 1 sơ đồ như hình 1.15.
20
Hình 1.15 Sơ đồ mạch lặp điện áp
Trong bộ lặp điện áp, cực dương của KĐTT được nối trực tiếp với tín hiệu
vào, còn cực âm được nối trực tiếp với đầu ra, tạo nên điện áp phản hồi 100% do
đó hệ số khuếch đại bằng 1. Mạch lặp điện áp có chức năng tăng điện trở đầu vào,
do vậy thường dùng để nối giữa hai khâu trong mạch đo.
5.2.5.Mạch cầu
Cầu Wheatstone thường được sử dụng trong các mạch đo nhiệt độ, lực, áp
suất, từ trường... Cầu gồm bốn điện trở R1, R2, R3 cố định và R4 thay đổi (mắc
như hình 1.16) hoạt động như cầu không cân bằng dựa trên việc phát hiện điện áp
qua đường chéo của cầu.
Hình 1.15 Sơ đồ mạch cầuTrong mạch cầu, điện áp ra là hàm phi tuyến
nhưng đối với biến đổi nhỏ (∆<0,05) có thể coi là tuyến tính.
Khi R1 = R2 và R3 = R4 độ nhạy của cầu là cực đại.R1 >> R2 hoặc R2 >>
R1 điện áp ra của cầu giảm. Đặt K = R1/R2 độ nhạy của cầu là:
Tải về để xem bản đầy đủ
63 trang
09/01/2024
4000
Free
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Cảm biến (Phần 1)", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- giao_trinh_cam_bien_phan_1.pdf
