Tài liệu môn Cảm biến và đo lường
Trang I-1
Chương
1
:
KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ CẢM BIẾN
I.
Định
nghĩa
Cảm biến trong tiếng Anh gọi là “sensor”, xuất phát từ chữ “sense” theo nghĩa la
tinh là cảm nhận. Cảm
biến
được
định
nghĩa
theo
nghĩa
rộng
là
thiết
bị
cảm
nhận
và
đáp
ứng
với
các tín
hiệu
và
kích
thích.
Trong
hệ
thống
đo
lường
–
điều
khiển,
mọi
quá
trình
đều
được
đặc
trưng
bởi
các
biến
trạng
thái:
nhiệt
độ,
áp
suất,
tốc
độ,
moment…
Các
biến
trạng
thái
này
thường
là
các
đại
lượng
không
điện.
Tuy nhiên, t
rong
các
quá
trình
đo
lường
–
điều
khiển,
thông
tin
được
truyền tải
và
xử
lý
dưới
dạng
điện.
Do đó, c
ảm biến được định nghĩa như những
thiết bị dùng để 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…).
Trong
mô
hình
mạch
điện,
ta
có
thể
coi
cảm
biến
như
một
mạch
hai
cửa.
Trong
đó
cửa
vào
là
biến
trạng
thái
cần
đo
x
và
cửa
ra
là
đáp
ứng
y
của
bộ
cảm
biến
với
kích
thích
đầu
vào
x.
Phương
trình
quan
hệ:
y
=
f(x)
thường
rất
phức
tạp.
Sơ
đồ
điều
khiển
tự
động
quá
trình:
-
Bộ
cảm
biến
đóng
vai
trò
cảm
nhận,
đo
đạc
và
đánh
giá
các
thông
số
hệ
thống.
-
Bộ
xử
lý
làm
nhiệm
vụ
xử
lý
thông
tin
và
đưa
ra
tín
hiệu
điều
khiển
quá
trình.
II.
Phân
loại
cảm
biến
a.
Phân
loại
theo
nguyên
lý
chuyển
đổi
giữa
đáp
ứng
và
kích
thích
-
Vật
lý:
nhiệt
điện,
quang
điện,
điện
từ,
từ
điện,…
-
Hóa
học:
hóa
điện,
phổ,…
-
Sinh
học:
sinh
điện,
…
b.
Phân
loại
theo
dạng
kích
thích:
âm
thanh,
điện,
từ,
quang,
cơ,
nhiệt,…
c.
Phân
loại
theo
tính
năng:
độ
nhạy,
độ
chính
xác,
độ
phân
giải,
độ
tuyến
tính…
Tài liệu môn Cảm biến và đo lường
Trang I-2
d.
Phân
loại
theo
phạm
vi
sử
dụng:
công
nghiệp,
nghiên
cứu
khoa
học,
môi
trường,
thông
tin,
nông
nghiệp…
e.
Phân
loại
theo
thông
số
của
mô
hình
thay
thế:
-
Cảm
biến
tích
cực
(có
nguồn)
ngõ
ra
là
nguồn
áp
hoặc
nguồn
dòng.
-
Cảm
biến
thụ
động
(không
có
nguồn):
R,
L,
C,
tuyến
tính,
phi
tuyến.
III.
Bộ
cảm
biến
tích
cực
và
thụ
động
1.
Cảm
biến
tích
cực
Bộ
cảm
biến
tích
cực
có
nguồn,
hoạt
động
như
một
nguồn
áp
hoặc
nguồn
dòng.
Các
hiệu
ứng
vật
lý
ứng
dụng
trong
các
cảm
biến
tích
cực:
a.
Hiệu
ứng
cảm
ứng
điện
từ.
(Faraday
phát
hiện
năm
1831)
Khi
một
thanh
dẫn
chuyển
động
trong
từ
trường
sẽ
xuất
hiện
sức
điện
động
tỉ
lệ
với
biến
thiên
từ
thông,
tức
là
tỷ
lệ
với
tốc
độ
chuyển
động
của
thanh
dẫn.
Ứng
dụng
để
xác
định
tốc
độ
chuyển
động
của
vật
thông
qua
việc
đo
sức
điện
động
cảm
ứng.
b.
Hiệu
ứng
nhiệt
điện.
(Seebeck
phát
hiện
năm
1821)
Khi
hai
dây
dẫn
có
bản
chất
hóa
học
khác
nhau
được
hàn
kín
sẽ
xuất
hiện
sức
điện
động
tỉ
lệ
nhiệt
độ
mối
hàn.
Ứng
dụng
để
đo
nhiệt
độ.
Ngược
lại
khi
cho
dòng
điện
chạy
qua
chất
có
bản
chất hóa
học
khác
nhau
sẽ
tạo
nên
sự
chênh
lệch
nhiệt
độ.
(Peltire phát
hiện)
c.
Hiệu
ứng
hỏa
điện.
Một
số
tinh
thể
hỏa
điện
có
tính
chất
phân
cực
điện
tự phát
phụ
thuộc
vào
nhiệt
độ.
Trên
các
mặt
đối
diện
của chúng
xuất
hiện
các
điện
tích
trái
dấu
có
độ
lớn
tỷ
lệ
thuận với
độ
phân
cực
điện
phụ
thuộc
vào
quang
thông
.
Được
ứng
dụng
để
đo
thông
lượng
của
bức
xạ
ánh
sáng.
Khi
tinh
thể
hỏa
điện
hấp
thụ
ánh
sáng,
nhiệt
độ
của
chúng
tăng
lên
làm
thay
đổi
phân
cực
điện,
xuất
hiện
điện
áp
trên
hai
cực
của
tụ
điện.
d.
Hiệu
ứng
áp
điện.
(Pierre
Curie
phát
hiện
năm
1880)
Khi
tác
động
cơ
học
lên
bề
mặt
vật
liệu
áp
điện
(thạch
anh,
muối
Segnet…)
làm
vật
liệu
biến
dạng
và
xuất
hiện
các
điện
tích
bằng
nhau
và
trái
dấu.
Ứng
dụng
để
đo
các
đại
lượng
cơ
như
áp
suất,
ứng
suất…
thông
qua
việc
đo
điện
áp
trên
hai
cực
tụ
điện.
e.
Hiệu
ứng
quang
điện.
(A.
Einstein
phát
hiện
năm
1905)
Bản
chất
hiệu
ứng
quang
điện
là
việc
giải
phóng
các
hạt
dẫn
tự
do
trong
vật
liệu
dưới
tác
dụng
của
bức
xạ
ánh
sáng.
Ứng
dụng
để
chế
tạo
các
cảm
biến
quang.
Hiệu
ứng
quang
phát
xạ
điện
tử
là
hiện
tượng
các
điện
tử
được
giải
phóng
khỏi
vật
liệu
tạo
thành
dòng
dưới
tác
dụng
của
điện
trường.
Tài liệu môn Cảm biến và đo lường
Trang I-3
f.
Hiệu
ứng
quang-điện-từ.
Khi
tác
dụng
một
từ
trường
vuông
góc
với
bức
xạ ánh
sáng,
trong
vật
liệu
bán
dẫn
được
chiếu
sáng
sẽ
xuất hiện
hiệu
điện
thế
vuông
góc
với
phương
từ
trường
và phương
bức
xạ
ánh
sáng.
Cho
phép
nhận
được
dòng điện
hoặc
điện
áp
phụ
thuộc
vào
độ
chiếu
sáng.
Ứng
dụng
trong
các
bộ
cảm
biến
đo
các
đại
lượng
quang
hoặc
chuyển
đổi
thông
tin
dạng
ánh
sáng
thành
tín
hiệu
điện.
g.
Hiệu
ứng
Hall.
(Hall
phát
hiện
năm
1879)
Cho
dòng
điện
chạy
qua
vật
liệu
bán
dẫn
đặt
trong
từ
trường
B
có
phương
tạo
thành
góc
với
dòng
điện
sẽ
xuất
hiện
điện
áp
V
H
vuông
góc
với
B
và
I,
có
độ
lớn:
V
H
=
KIBsin
Hệ
số
K
phụ
thuộc
vào
vật
liệu
và
kích
thước
vật.
Ứng
dụng
đo
các
đại
lượng
từ,
điện
hoặc
xác
định
vị
trí
chuyển
động.
2.
Cảm
biến
thụ
động
Cảm biến thụ động thường được chế tạo từ những trở kháng có một trong các thông
số chủ yếu nhạy với đại lượng cần đo
.
Chẳng
hạn,
giá
trị
trở kháng
phụ
thuộc
vào
kích
thước
hình
học
của
mẫu,
tính
chất
điện
của
vật
liệu
như
điện trở
suất,
từ
thẩm,
hằng
số
điện
môi.
Do
đó,
giá
trị
trở
kháng
thay
đổi
được
dưới
tác
dụng của
các
đại
lượng
đo.
Thông số hình học hoặc kích thước của trở kháng có thể thay đổi nếu cảm biến có
phần tử chuyển động hoặc phần tử biến dạng:
+ Cảm biến có chứa phần tử chuyển động: mỗi vị trí của phần tử chuyển động
tương ứng với một giá trị của trở kháng cho nên đo trở kháng sẽ xác định được vị trí của
đối tượng. Đây là nguyên lý của nhiều loại cảm biến vị trí hoặc dịch chuyển (cảm biến điện
thế, cảm biến cảm ứng có lõi động…).
+ Cảm biến có chứa phần tử biến dạng: sự biến dạng được gây nên bởi lực hoặc các
đại lượng dẫn đến lực (áp suất, gia tốc) tác dụng trực tiếp hoặc gián tiếp lên cảm biến. Sự
thay đổi của trở kháng (do biến dạng) liên quan đến lực tác động lên cấu trúc, nghĩa là tác
động của đại lượng cần đo được biến đổi thành tín hiệu điện.
Trong bảng dưới đây giới thiệu các đại lượng cần đo có khả năng làm thay đổi các
tính chất điện của vật liệu sử dụng để chế tạo cảm biến thụ động.
Đại lượng cần đo Đặc trưng nhạy cảm Loại vật liệu sử dụng
Nhiệt độ Điện trở suất,
Kim loại: Pt, Ni, Cu
Bán dẫn
Bức xạ ánh sáng Điện trở suất,
Thuỷ tinh
Bán dẫn
Biến dạng Điện trở suất,
Độ từ thẩm,
Hợp kim Ni, Si pha tạp
Hợp kim sắt từ
Vị trí (nam châm) Điện trở suất,
Vật liệu từ điện trở: Bi, InSb
Tài liệu môn Cảm biến và đo lường
Trang I-4
Độ ẩm Điện trở suất,
Hằng số điện môi,
LiCl
Al2O3, polyme
Mức chất lưu Hằng số điện môi,
Chất cách lưu điện
Trở
kháng
của
cảm
biến
thụ
động
và
sự
thay
đổi
trở
kháng
dưới
tác
dụng
của
đại
lượng
đo
chỉ
có
thể
xác
định
được
khi
cảm
biến
là
một
thành
phần
trong
mạch
điện.
Trên
thực
tế,
tùy
trường
hợp
cụ
thể,
mà
ta
chọn
mạch
đo
thích
hợp.
IV.
Các
đặc
trưng
cơ
bản
của
cảm
biến
1.
Hàm
truyền
Quan
hệ
giữa
đáp
ứng
và
kích
thích
của
cảm
biến
có
thể
cho
dưới
dạng
bảng
giá
trị,
đồ
thị
hoặc
biểu
thức
toán
học.
- Hàm
tuyến
tính: y
a
bx
- Hàm
logarit: y
1
b
ln
x
- Hàm
mũ: y
a.e
kx
-
Hàm
lũy
thừa: y= a
0
+ a
1
k
x
-
Hàm
phi
tuyến,
sử
dụng
các
hàm
gần
đúng
hay
phương
pháp
tuyến
tính
hóa
từng
đoạn.
2.
Dãy
động
Dãy
động
là
khoảng
giá
trị
tín
hiệu
kích
thích
mà
cảm
biến
có
thể
đáp
ứng.
Những
tín
hiệu
vượt
ngoài
dãy
này
sẽ
tạo
ra
những
đáp
ứng
không
chính
xác.
3.
Sai
số
và
độ
chính
xác
Ngoài
đại
lượng
cần
đo,
cảm
biến
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 sai số tuyệt đối, sai số tương đối của cảm biến:
% 100%
xx
x
Có
2
loại
sai
số
của
cảm
biến:
Sai
số
hệ
thống:
có
giá
trị
không
đổi
và
có
độ
lệch
không
đổi
giữa
giá
trị
thực
và giá
trị
đo
được.
Nguyên
nhân:
-
Do
nguyên
lý
của
cảm
biến.
-
Giá
trị
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
:
có
độ
lớn
và
chiều
không
xác
định.
Nguyên
nhân:
-
Do
thay
đổi
đặc
tính
của
thiết
bị.
-
Do
nhiễu
ngẫu
nhiên.
Tài liệu môn Cảm biến và đo lường
Trang I-5
-
Do
ảnh
hưởng
các
thông
số
môi
trường
(nhiệt
độ,
áp
suất,
độ
ẩm,
điện
từ…).
4.
Độ
phân
giải
Độ
phân
giải
cảm
biến
được
hiểu
là
khả
năng
phát
hiện
sự
thay
đổi
tín
hiệu
kích
thích
nhỏ
nhất
theo
thời
gian.
5.
Băng
thông
Tất
cả
cảm
biến
đều
có
giới
hạn
thời
gian
đáp
ứng
đối
với
sự
thay
đổi
của
tín
hiệu
kích
thích.
Một
số
loại
cảm
biến
có
thời
gian
đáp
ứng
tắt
dần,
tức
là
khoảng
thời
gian
đáp
ứng
giảm
dần
thay
đổi
theo
tín
hiệu
kích
thích.
6.
Độ
nhạy
S
(sensitivity)
Độ
nhạy
S
xung
quanh
giá
trị
m
i
của
kích
thích
được
xác
định
bởi
tỉ
số
giữa
độ
biến
thiên
s
của
đáp
ứng
và
độ
biến
thiên
m
tương
ứng
của
kích
thích.
i
m m
s
Sm
Độ
nhạy
được
định
nghĩa
bằng
giới
hạn
giữa
tín
hiệu
kích
thích
và
đáp
ứng.
Là
tỉ
số
giữa
sự
thay
đổi
nhỏ
trong
đáp
ứng
với
sự
thay
đổi
nhỏ
trong
tín
hiệu
kích
thích.
Thông thường nhà sản xuất cung cấp giá trị của độ nhạy S tương ứng với những điều
kiện làm việc nhất định của cảm biến. Nhờ giá trị đó, người sử dụng có thể đánh giá được độ
lớn của đại lượng đầu ra của cảm biến và độ lớn của những biến thiên của đại lượng đo. Điều
này cho phép lựa chọn được cảm biến thích hợp để sao cho mạch đo thỏa mãn các điều kiện
đặt ra.
7.
Độ
tuyến
tính
Một
cảm
biến
được
gọi
là
tuyến
tính
trong
một
dải
đo
xác
định
nếu
trong
dải
đo
đó
độ
nhạy
S
không
phụ
thuộc
vào
giá
trị
của
đại
lượng
đo
m.
Trên
thực
tế
và
ngay
cả
trong
lý
thuyết
cảm
biến
là
tuyến
tính
thì
các
điểm
S
i
,
m
i
cũng
không
nằm
trên
một
đường
thẳng.
Đó
là
do
có
sự
không
chính
xác
trong
khi
đo
và
sai
lệch
trong
khi
chế
tạo
cảm
biến.
Từ
thực
nghiệm
có
thể
tính
được
phương
trình
đường
thẳng
biểu
diễn
sự
tuyến
tính,
đường
thẳng
đó
gọi
là
đường
thẳng
tốt
nhất
có
phương
trình:
S
=
am
+
b
Trong
đó:
với
N
là
số
điểm
thực
nghiệm
đo
chuẩn
cảm
biến.
Độ
lệch
tuyến
tính
cho
phép
đánh
giá
độ
tuyến
tính
của
đường
cong
chuẩn.
Nó
được
xác
định
từ
độ
lệch
cực
đại
giữa
đường
cong
chuẩn
và
đường
thẳng
tốt
nhất
trong
dải
đo
(tính
bằng
%).
8.
Độ
nhanh
và
thời
gian
đáp
ứng
Độ
nhanh
của
cảm
biến
cho
phép
đánh
giá
đại
lượng
ngõ
ra
có
đáp
ứng
được
về
mặt
thời
gian
với
độ
biến
thiên
của
đại
lượng
đo
hay
không.
Thời
gian
đáp
ứng
là
đại
lượng
xác
định
giá
trị
của
độ
nhanh.
9.
Hiện
tượng
trễ