Bài giảng Đo lường và cảm biến: Chương 8 - ThS. Trần Văn Lợi

Chương 8<br /> CÁC DẠNG CẢM BIẾN ĐO LƯỜNG KHÁC<br /> 8.1<br /> <br /> ĐO ĐỘ ẨM<br /> <br /> Trong thời đại phát triển hiện nay, máy móc dường như đã thay thế con người trong các<br /> hoạt động sản xuất công nghiệp cũng như một số hoạt động khác trong đời sống như. Ban đầu<br /> chúng chỉ làm bằng các chi tiết cơ khí kết cấu đơn giản một số khá phức tạp nhưng đã chứng tỏ<br /> được sự hữu ích của mình. Cùng với sự phát triển của công nghệ điện tử các hệ thống tự động<br /> hóa đã ra đời hàng loạt đẩy mạnh quá trình phát triển của nhân loại. Điểm đặc trưng của các hệ<br /> thống này là luôn có sự hiện diện của các loại cảm biến - bộ phận đóng vai trò quan trọng đảm<br /> bảo sự làm việc chính xác của máy móc và dĩ nhiên không chỉ có vậy nó còn được sử dụng cho<br /> nhiều mục đích khác. Mức độ ứng dụng của các cảm biến khác nhau cũng không giống nhau ta<br /> có thể thay rõ qua bảng thống kê sau:<br /> -<br /> <br /> Cảm biến đo nhiệt độ (37.29%)<br /> Cảm biến đo vị trí (27.12%)<br /> Cảm biến đo di chuyển (16.27%)<br /> Cảm biến đo áp suất (12.88%)<br /> Cảm biến đo lưu lượng (1.36%)<br /> Cảm biến đo mức (1.2%)<br /> Cảm biến đo lực (1.2%)<br /> Cảm biến đo độ ẩm (0.81%)<br /> <br /> Mặc dù không được sử dụng rộng rãi như các loại cảm biến khác nhưng cảm biến độ ẩm<br /> của có vai trò thiết yếu trong một số lĩnh vực nhất định như khí tượng, sấy khô, kiểm tra điều<br /> kiện môi trường… Cùng với sự phát triển của công nghệ bán dẫn các cảm biến loại này đã xuất<br /> hiện dưới nhiều biến thể một số có đầu ra analog số khác là digital phù hợp với nhiều mục đích<br /> khác nhau. Các lĩnh vực ứng dụng:<br /> - Xe hơi 38%<br /> - Sản xuất công nghiệp 20%<br /> - Điện gia dụng 11%<br /> - Văn phòng 9%<br /> - Y tế 8%<br /> - An toàn 6%<br /> - Nông nghiệp 4%<br /> - Môi trường 4%<br /> 8.1.1<br /> <br /> Các khái niệm<br /> <br /> Độ ẩm: là khối lượng hơi nước có trong 1m khối không khí. Độ ẩm càng cao lượng hơi<br /> nước có trong môi trường càng nhiều. Nó có ảnh hưởng đến trực tiếp đến con người và máy<br /> móc. Độ ẩm thay đổi trong một dải rộng từ 30-70% với độ ẩm nhỏ hơn 35% bộ máy tiêu hóa bị<br /> kích thích, lớn hơn 75% sự ra mồ hôi giảm nghiêm trọng. Trong công nghiệp độ ẩm cao gây ảnh<br /> hưởng đến các thiết bị, máy móc nhất là các thiết bị điện, điện tử như gây ra sai số, ăn mòn hóa<br /> học, ảnh hưởng đến độ cách điện…Vì vậy việc xác định độ ẩm là rất cần thiết từ đó chúng ta có<br /> thể có biện pháp chống ẩm.<br /> Điểm sương:là nhiệt độ mà ở đó hơi nước trong không khí ở một áp suất xác định ngưng<br /> đọng thành chất lỏng. Khi hơi nước bão hòa cũng có nghĩa khí và hơi nước đạt đến điểm sương.<br /> Độ ẩm tuyệt đối: là thuật ngữ dùng để mô tả lượng hơi nước tồn tại trong một thể tích<br /> khí nhất định. Nếu tất cả hơi nước trong một mét khối không khí được cô đọng lại trong một vật<br /> <br /> Bài giảng Đo lường và cảm biến<br /> <br /> Trang 83<br /> <br /> chứa, ta có thể đem cân vật chứa đó để xác định độ ẩm tuyệt đối. Được tính bằng tỷ số khối<br /> lượng hơi nước trên thể tích khối không khí chứa nó.<br /> Độ ẩm tương đối: dùng để mô tả mức độ ẩm của không khí, được tính bằng tỷ số giữa áp<br /> suất riêng phần của hơi nước và áp suất hơi bão hòa ở nhiệt độ T:<br /> <br /> Độ ẩm tuyệt đối thay đổi khi áp suất không khí thay đổi. Điều này rất bất tiện cho các<br /> tính toán hóa học kỹ thuật (ví dụ cho máy sấy quần áo, do nhiệt độ của nó có thể thay đổi đáng<br /> kể). Vì nguyên nhân này, độ ẩm tuyệt đối thường được định nghĩa trong hóa học kỹ thuật như là<br /> khối lượng hơi nước trên mỗi đơn vị khối lượng của không khí khô (còn được biết đến với tên<br /> gọi khác là tỷ số trộn khối). Điều này giúp việc tính toán cân bằng nhiệt độ là khối lượng rõ ràng<br /> hơn. Vì vậy, đại lượng bằng khối lượng nước trên mỗi đơn vị thể tích như trong phương trình<br /> trên được đặt tên là độ ẩm thể tích. Biết được nguy cơ dễ gây nhầm lẫn, chuẩn British Standard<br /> BS 1339 (sửa đổi năm 2002) đề xuất tránh sử dụng thuật ngữ "độ ẩm tuyệt đối". Cần phải kiểm<br /> tra đơn vị cẩn trọng.<br /> Điểm sương của một khối không khí, ở áp suất khí quyển cố định, là nhiệt độ mà ở đó<br /> thành phần hơi nước trong khối không khí ngưng đọng thành nước lỏng. Khi điểm sương thấp<br /> hơn điểm đóng băng, thì nó gọi là điểm băng giá, thay vì tạo ra sương, nó sẽ tạo ra sương giá hay<br /> sương muối do sự ngưng đọng. Điểm sương không phụ thuộc vào sự hiện diện của dưỡng khí,<br /> nitơ hay các chất khí khác hơi nước trong không khí. Sự hình thành của sương có thể xảy ra ở<br /> điểm sương ngay cả khi khí duy nhất tồn tại trong hỗn hợp không khí là hơi nước. Khi nhiệt độ<br /> cao hơn điểm sương thì áp suất thành phần của hơi nước tăng lên và thế sẽ nước được bay hơi.<br /> Điểm sương có quan hệ với độ ẩm tương đối. Khi độ ẩm tương đối cao, điểm sương gần với<br /> nhiệt độ hiện tại của không khí. Nếu độ ẩm tương đối là 100%, điểm sương sẽ bằng hoặc cao<br /> hơn nhiệt độ không khí lúc đó. Nếu độ ẩm tương đối giảm điểm sương sẽ thấp hơn đối với cùng<br /> một nhiệt độ của khối không khí.<br /> 8.1.2<br /> <br /> Phân loại cảm biến<br /> <br /> Ẩm kế điện trở: Điện trở kim loại và điện trở điện phân<br /> Ẩm kế tụ điện: Ẩm kế tụ điện polymel và ẩm kế tụ điện Al2O3<br /> <br /> Bài giảng Đo lường và cảm biến<br /> <br /> Trang 84<br /> <br /> Ẩm kế điện trở:<br /> Điện trở kim loại: là một đế có kích thước nhỏ<br /> được phủ chất hút ẩm và gắn 2 điện cực bằng kim loại<br /> không bị ăn mòn hay ôxy hóa. Giá trị điện trở giửa hai<br /> cực phụ thuộc vào hàm lượng nước và nhiệt độ chất hút<br /> ẩm. Hàm lượng nước lại phụ thuộc vào nhiệt độ và độ ẩm<br /> tương đối.<br /> Chất điện phân: là những chất dẫn điện. Điện trở<br /> của chúng phụ thuộc vào thể tích trong khi đó thể tích bị<br /> thay đổi theo hàm lượng nước do đó có thể biến độ ẩm<br /> tương đối thành tín hiệu điện<br /> Ẩm kế tụ điện:<br /> Giả sử tụ điện giữa hai bản cực là không khí có thể coi cảm biến đo độ ẩm làm thay đổi<br /> hằng số điện môi được tính theo công thức:<br /> <br /> Ta thay đổi không khí bằng một chất điện môi khác giữa hai tấm cực của tụ điện ta có thể<br /> tạo ra cảm biến đo độ ẩm.<br /> Ẩm kế tụ điện polyme:<br /> Đây là loại cảm biến thường gặp cấu tạo từ một màng polyme có độ dày khoảng 6-12<br /> micromet có khả năng hấp thụ hơi nước. Lớp polyme được phủ trên điện cực thứ nhất là Tantan.<br /> Sau đó phủ tiếp lên một lớp Crôm làm điện cực thứ 2. Lớp Crôm gây ra các vết nứt làm tăng khả<br /> năng tiếp xúc của lớp này với không khí. Thởi gian hồi đáp của tụ phụ thuộc độ dày lớp điện môi<br /> Với cảm biến tụ polyme có thể đo độ ẩm trong dải từ 0 đến 100%. Dải nhiệt độ làm việc từ -40<br /> đến 100 độ C. Sai số 2-3%, thời gian hồi đáp cỡ vài giây.<br /> Ẩm kế tụ điện Al2O3:<br /> Là một tụ điện có Al2O3 là chất điện môi chế tạo bằng phương pháp anôt hóa bản thân<br /> tấm nhôm làm điện cực thứ nhất của tụ. Điện cực thứ hai là một màng kim loại mỏng được tạo<br /> thành trên mặt kia của lớp điện môi.<br /> Sự thay đổi trở kháng phụ thuộc vào áp suất riêng phần của nước và không phụ thuộc vào<br /> nhiệt độ.<br /> Quá trình anôt hóa bằng cách thực hiện điện phân dung dịch H2SO4 với tấm nhôm làm<br /> anôt. Lớp oxyt nhôm có cấu trúc xốp nên tiếp xúc tốt với không khí ẩm.<br /> Điện cực thứ 2 phủ lên lớp Al2O3 có thể là Cu, Au, Cr, Al… thời gian hồi phục của cảm<br /> biến này cỡ vài giây, không sử dụng được trong môi trường chứa chất ăn mòn như NaCl, lưu<br /> huỳnh.<br /> 8.1.3<br /> <br /> Một số loại cảm biến độ ẩm<br /> <br /> Cảm biến độ ẩm SHS A3: Có điện trở thay đổi theo độ ẩm. Nó được dùng để đo và nhận biết<br /> độ ẩm. Vớikhông khí khô ráo sensor SHS A3 có tổng trở thấp. Khi độ ẩm dưới 75% sensor có<br /> điện trở nhỏ hơn 20 ki-lô-ôm Khi hàm ẩm cao điện trở gia tăng theo logarith. Độ ẩm tương đối<br /> 93% ta có tổng trở nhỏ hơn 100 ki-lô-ôm và khi nước ngưng đọng tổng trở lên đến 300 kí-lô-ôm.<br /> Dải nhiệt độ hoạt động từ -10 đến 600C. Thời gian hồi đáp là 60s.<br /> <br /> Bài giảng Đo lường và cảm biến<br /> <br /> Trang 85<br /> <br /> Cảm biến độ ẩm NH-3: Cảm biến độ ẩm NH-3 gồm điện trở thay đổi theo nhiệt độ và điện trở<br /> thay đổi theo độ ẩm. Để sensor có sự tuyến tính tốt, trong sensor có đến hai nhiệt điện trở và hai<br /> điện trở thay đổi theo hàm ẩm. Nhiệt điện trở TH dùng để bù trừ sự ảnh hưởng của nhiệt độ đối<br /> với điện trở đo hàm ẩm tương đối.<br /> SHT1x/SHT7x: Tích hợp cảm biến độ ẩm và nhiệt độ; hiệu chỉnh đầy đủ, đầu ra kĩ thuật số; độ<br /> ổn định dài hạn rất cao; không trang bị các thành phần bên ngoài; tiêu thụ điện năng rất ít; kích<br /> thước nhỏ<br /> <br /> 8.2<br /> <br /> MÃ VẠCH<br /> <br /> Ý tưởng về mã vạch được phát triển bởi Norman Joseph Woodland và Bernard Silver.<br /> Năm1948 khi đang là sinh viên ở trường Đại học tổng hợp Drexel, họ đã phát triển ý tưởng này<br /> sau khi được biết mong ước của một vị chủ tịch của một công ty buôn bán đồ ăn là làm sao để có<br /> thể tự động kiểm tra toàn bộ quy trình. Một trong những ý tưởng đầu tiên của họ là sử dụng mã<br /> Morse để in những vạch rộng hay hẹp thẳng đứng. Sau đó, họ chuyển sang sử dụng dạng "điểm<br /> đen" của mã vạch với các vòng tròn đồng tâm. Họ đã gửi đến cơ quan quản lý sáng chế Mỹ<br /> 2,612,994 ngày 20 tháng 10 năm 1949 công trình Classifying Apparatus and Method (Thiết bị và<br /> phương pháp phân loại) để lấy bằng sáng chế. Bằng sáng chế đã được phát hành ngày 7 tháng 10<br /> năm 1952.<br /> Thiết bị đọc mã vạch đầu tiên được thiết kế và xây dựng bởi Woodland (khi đó đang làm<br /> việc cho IBM) và Silver năm 1952. Nó bao gồm một đèn dây tóc 500 W và một ống chân không<br /> nhân quang tử được sản xuất bởi RCA cho các phim có âm thanh (nó để in theo phương pháp<br /> quang học lên trên phim). Thiết bị này đã không được áp dụng trong thực tế:Vì để có dòng điện<br /> đo được bằng các nghiệm dao động (oscilloscope) thì đèn công suất 500 W gần như đã làm cháy<br /> giấy có mẫu mã vạch đầu tiên của họ. Nó đã không được sản xuất đại trà. Năm 1962 họ bán sáng<br /> chế này cho công ty Philips, sau đó Philips lại bán nó cho RCA. Phát minh ra tia laser năm 1960<br /> đã làm cho các thiết bị đọc mã vạch trở nên rẻ tiền hơn, và sự phát triển của mạch bán dẫn (IC)<br /> làm cho việc giải mã các tín hiệu thu được từ mã vạch có ý nghĩa thực tiễn. Đáng tiếc là Silver<br /> đã chết năm 1963 ở 38 tuổi trước khi có bất kỳ những gì thực tiễn thu được từ sáng chế này.<br /> <br /> Bài giảng Đo lường và cảm biến<br /> <br /> Trang 86<br /> <br /> Năm 1972, cửa hàng Kroger ở Cincinnati thử nghiệm việc sử dụng đầu đọc mã vạch<br /> điểm đen, với sự trợ giúp của RCA. Không may là các mã vạch điểm đen rất dễ nhòe khi in, và<br /> thử nghiệm đã không thu được thành công nào đáng kể. Cùng thời gian đó, Woodland ở IBM đã<br /> phát triển mã vạch tuyến tính được chấp nhận vào ngày 3 tháng 4 năm 1973 như là Mã sản phẩm<br /> chung (tiếng Anh: Universal Product Code, hay UPC). Vào ngày 26 tháng 6 năm 1974, sản<br /> phẩm bán lẻ đầu tiên (gói 10 thanh kẹo cao su Juicy Fruit của Wrigley) đã được bán bằng cách<br /> sử dụng đầu đọc mã vạch tại siêu thị Marsh ở Troy, Ohio. (Gói kẹo cao su này hiện nay nằm<br /> trong Viện bảo tàng quốc gia Hoa Kỳ ở Smithsonian)<br /> Năm 1992, Woodland đã được trao tặng giải thưởng Huy chương công nghệ quốc gia bởi<br /> Tổng thống George H. W. Bush.<br /> Năm 2004, Nanosys Inc. sản xuất mã vạch nano (nanobarcode) - sợi dây kích thước nano<br /> (10-9 m) chứa các phần khác nhau của Si và GexSi1-x.<br /> 8.2.1<br /> <br /> Định nghĩa<br /> <br /> Mã vạch là sự thể hiện thông tin trong các dạng nhìn thấy trên các bề mặt mà máy móc<br /> có thể đọc được. Nguyên thủy thì mã vạch lưu trữ dữ liệu theo bề rộng của các vạch được in<br /> song song cũng như của khoảng trống giữa chúng, nhưng ngày nay chúng còn được in theo các<br /> mẫu của các điểm, theo các vòng tròn đồng tâm hay chúng ẩn trong các hình ảnh. Mã vạch có<br /> thể được đọc bởi các thiết bị quét quang học gọi là máy đọc mã vạch hay được quét từ hình ảnh<br /> bằng các phần mềm chuyên biệt.<br /> Nội dung của mã vạch là thông tin về sản phẩm như: Nước sản xuất, tên doanh nghiệp,<br /> lô, tiêu chuẩn chất lượng đăng ký, thông tin về kích thước sản phẩm, nơi kiểm tra...<br /> <br /> Hiện nay trong thương mại trên toàn thế giới chủ yếu áp dụng hai hệ thống mã số hàng hoá<br /> sau:<br /> ·<br /> <br /> Hệ thống UPC (Universal Product Code) là hệ thống thuộc quyền quản lý của Hội đồng<br /> mã thống nhất Mỹ UCC (Uniform Code Council, Inc.), được sử dụng từ năm 1970 và<br /> hiện vẫn đang sử dụng ở Mỹ và Canada.<br /> <br /> ·<br /> <br /> Hệ thống EAN (European Article Number) được thiết lập bởi các sáng lập viên là 12<br /> nước châu Âu với tên gọi ban đầu là Hội EAN (European Article Numbering<br /> Association), được sử dụng từ năm 1974 ở châu Âu và sau đó phát triển nhanh chóng,<br /> được áp dụng ở hầu hết các nước trên thế giới. Chính vì lý do này nên từ năm 1977, EAN<br /> trở thành một tổ chức quốc tế với tên gọi EAN quốc tế (EAN International).<br /> <br /> 8.2.2<br /> <br /> Ý nghĩa mã vạch<br /> <br /> Để tạo thuận lợi và nâng cao năng suất, hiệu quả trong bán hàng và quản lý kho người ta<br /> thường in trên hàng hoá một loại mã hiệu đặc biệt gọi là mã số mã vạch của hàng hoá. Mã số mã<br /> vạch của hàng hoá bao gồm hai phần: mã số của hàng hoá và mã vạch là phần thể hiện mã số<br /> bằng vạch để cho máy đọc.<br /> Mã số của hàng hoá là một dãy con số dùng để phân định hàng hoá, áp dụng trong quá<br /> trình luân chuyển hàng hoá từ người sản xuất, qua bán buôn, lưu kho, phân phối, bán lẻ tới người<br /> Bài giảng Đo lường và cảm biến<br /> <br /> Trang 87<br /> <br />