zunia.vn

Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z

zunia.vn

» Kỹ Thuật - Công Nghệ

» Điện - Điện tử

Cảm biến và đo lường Chương 1:KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ CẢM BIẾN

Chia sẻ: Nguyễn Nhi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:6

Báo xấu

354
lượt xem 118
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

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. ...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Cảm biến và đo lường Chương 1:KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ CẢM BIẾN

Tài liệu môn Cảm biến và đo lư ờng Chương 1 : KHÁI N IỆM CƠ BẢN VỀ CẢ M BIẾN I. Định ng hĩa Cảm b iến trong tiếng Anh gọi là “sensor”, xu ất phát từ chữ “sense” theo ngh ĩa la tinh là cảm nhận. Cảm b iến được định ngh ĩa theo nghĩa rộ ng là t hiết b ị cảm nhậ n và đáp ứng với các tín hiệu và kích thích. Trong hệ thố ng đo lường – đ iều khiển, mọi quá trình đ ều được đ ặc trưng b ởi các biến trạng thái: nhiệt độ, áp suất, tốc độ, moment… Các b iến trạng thái này thường là các đại lượ ng không điện. T u y nhi ê n, t rong các q uá trình đo lường – đ iều khiển, t hông t in được tru yền tải và xử lý dưới dạng điện. D o đ ó , c ảm biến đ ược đ ịnh nghĩa như những thiết b ị d ùng đ ể b iến đ ổi các đại lượng vật lý và các đại lượng khô ng đ iện cần đo thành các đại lượng đ iện có thể đo đ ược (như dòng đ iện, đ iện thế, đ iện dung, trở kháng v.v…). Trong mô hình mạch điện, ta có thể co i cảm biến như mộ t m ạch hai cửa. Trong đ ó cử a vào là biến trạng thái cần đo x và cửa ra là đ áp ứng y của bộ cảm b iến với kích thích đầu vào x. Phương trình quan hệ: y = f(x) t hườ ng rất p hức tạp. Sơ đồ điều khiển tự động quá trình: Bộ cảm b iến đ óng vai trò cảm nhận, đo đạc và đánh giá các thô ng số hệ thống. - Bộ xử lý làm nhiệm vụ xử lý thông tin và đ ưa ra tín hiệu điều khiển quá trình. - II. Phâ n lo ại cảm biến a. Phân loại theo ngu yên lý chu yể n đổi giữa đáp ứng và kích thích Vật lý: nhiệt điện, qu ang điện, đ iện từ, từ đ iện,… - Hóa họ c: hóa đ iện, phổ,… - Sinh học: sinh đ iện, … - b. Phân loại theo d ạng kích thích: âm thanh, đ iện, từ, quang, cơ, nhiệt,… c. Phân loại theo tí nh năng: đ ộ nhạ y, độ chính xác, độ phân giải, đ ộ tu yến tính… Trang I-1
Tài liệu môn Cảm biến và đo lư ờng d. Phân loại theo phạm vi sử dụng: công nghiệp, nghiên cứu khoa họ c, mô i trườ ng, t hông tin, nông ngh iệp… e. Phân loại theo thô ng số của mô hình thay thế: Cảm b iến tích cự c (có nguồ n) ngõ ra là ngu ồ n áp ho ặc ngu ồn d òng. - Cảm b iến thụ đ ộng (không có ngu ồn): R, L, C, tuyến tính, phi tu yến. - III. Bộ cảm biến tích cực và thụ động 1. Cảm biến tích cực Bộ cảm biến tích cực có ngu ồn, ho ạt độ ng như một nguồn áp hoặc nguồn dòng. Các hiệu ứng vật lý ứng dụ ng tro ng các cảm biến tích cực: a. Hiệu ứ ng cảm ứng đ iện t ừ. (Faraday p hát hiện năm 1831) Khi một t hanh dẫn chu yển động trong từ trường sẽ xu ất hiện sức đ iện độ ng tỉ lệ với biến thiên từ thông, tức là t ỷ lệ với tốc độ chu yển đ ộng củ a t hanh dẫn. Ứng dụng để xác định tốc đ ộ chu yể n đ ộng của vật thông q ua việc đ o sứ c điện độ ng cảm ứng. b . Hiệu ứ ng nhiệt điện. (Seebeck p hát hiện năm 1 821) Khi hai dâ y d ẫn có b ản chất hóa học khác nhau được hàn kín sẽ xu ất hiện sứ c điện độ ng tỉ lệ nhiệt đ ộ mối hàn. Ứng d ụng đ ể đo nhiệt đ ộ. Ngược lại khi cho dòng đ iện chạ y qu a chất có bả n chất hóa học khác nhau sẽ tạo nên sự chênh lệch nhiệt độ . (Peltire p hát hiện) c. Hiệu ứ ng hỏ a điện. Một số tinh thể hỏa điện có tính chất p hân cực đ iện tự phát p hụ thuộc vào nhiệt đ ộ. Trên các mặt đ ối diệ n của chúng xu ất hiện các đ iện tích trái dấu có độ lớn t ỷ lệ thu ận với đ ộ p hân cự c điện p hụ thuộc vào quang thông . Được ứ ng d ụng đ ể đo thông lượng của bức xạ ánh sáng. Khi t inh thể hỏa đ iện hấp thụ ánh sáng, nhiệt độ của chú ng tăng lên làm t hay đ ổ i phân cực điện, xu ất hiện điện áp trên hai cực của tụ điện. d . Hiệu ứ ng áp đ iện. (Pierre Curie phát hiện năm 18 80) Khi tác đ ộng cơ học lên b ề mặt vật liệu áp điện (thạch anh, mu ối Segnet…) làm vật liệu biến dạng và xu ất hiện các đ iện tích b ằng nhau và trái d ấu. Ứng dụ ng để đo các đ ại lượng cơ như áp suất, ứ ng su ất… thông q ua việc đ o đ iện áp trên hai cự c tụ điện. e. Hiệu ứ ng quang điện. (A. Einstein p hát hiện năm 1 905) Bản chất hiệu ứ ng qu ang đ iện là việc giải phóng các hạt dẫn tự d o trong vật liệu d ướ i tác dụ ng của bứ c xạ ánh sáng. Ứng dụ ng đ ể chế t ạo các cảm b iến q uang. Hiệu ứng quang p hát xạ đ iện tử là hiện tượng các điện tử được giải p hó ng khỏi vật liệu tạo thành d òng dưới tác d ụng củ a điện trường. Trang I-2
Tài liệu môn Cảm biến và đo lư ờng f. Hiệu ứ ng quang-điện-từ. Khi tác d ụng một từ trường vuông góc vớ i bứ c xạ ánh sáng, trong vật liệu bán d ẫn được chiếu sáng sẽ xu ất hiện hiệu điện thế vuông gó c với p hươ ng từ trường và p hư ơng b ức xạ ánh sáng. Cho p hép nhậ n được d òng điện hoặc đ iện áp p hụ thuộc vào đ ộ chiếu sáng. Ứng d ụng trong các b ộ cảm biến đo các đ ại lượng quang hoặc chu yể n đ ổi thông tin dạng ánh sáng thành tín hiệu điện. g. Hiệu ứ ng Hall. (Hall p hát hiện năm 1879) Cho d òng đ iện chạ y qua vật liệu bán d ẫn đ ặt trong từ trường B có phương tạo t hành góc  với d òng điện sẽ xu ất hiện điện áp VH vuông góc với B và I, có độ lớn: VH = KIBsin Hệ số K p hụ thuộ c vào vật liệu và kích thước vật. Ứng dụ ng đ o các đại lượ ng từ, điện hoặc xác định vị trí chu yển độ ng. 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 p hụ t hu ộc vào kíc h thước hình học của m ẫu, tính chất đ iện của vật liệu như đ iện trở su ất, từ thẩm, hằng số điện mô i. Do đ ó, giá trị trở kháng thay đổi đ ược dưới tác d ụng của các đại lượ ng đ o. Thô ng số hình học ho ặc kích t hước của trở kháng có thể thay đổi nếu cảm biến có phần tử chuyển đ ộng ho ặc p hần tử biến dạng: + Cảm biến có chứa p hần tử chuyển động: mỗi vị trí của p hần tử chuyển động tương ứ ng với một giá tr ị của trở kháng cho nên đo trở kháng sẽ xác đ ịnh được vị trí của đối tượng. Đâ y là nguyên lý của nhiều loại cảm b iến vị trí ho ặc d ịch chuyển (cảm b iến đ iện thế, cảm biến cảm ứng có lõi đ ộng…). + Cảm biến có chứa p hần tử b iến dạng: sự biến dạng được gâ y nên bởi lực ho ặc các đại lượng d ẫn đến lực (áp su ất, gia tốc) tác d ụng trực tiếp ho ặc gián tiếp lên cảm b iến. Sự thay đổi củ a trở kháng (do biến dạng) liên quan đ ến lực t ác động lên cấu trúc, nghĩa là tác động của đại lượng cần đ o đ ược biến đổi thành tín hiệu đ iện. Trong b ảng d ưới đâ y giới thiệu các đại lượng cần đo có khả năng làm thay đ ổi các tính chất đ iện của vật liệu sử dụng để chế tạo cảm biến thụ đ ộng. Đại lượng cần đo Đặ c trưng nhạ y cả m Loại vật liệu sử dụng Kim lo ại: Pt, Ni, Cu Nhiệt đ ộ Điện trở su ất,  Bán dẫn Thu ỷ tinh Điện trở su ất,  Bức xạ ánh sáng Bán dẫn Điện trở su ất,  Hợp kim Ni, Si pha tạp Biến d ạng Hợp kim sắt từ Độ từ thẩm,  Vật liệu từ điện trở: Bi, InSb Điện trở su ất,  Vị trí (nam châm) Trang I-3
Tài liệu môn Cảm biến và đo lư ờng Điện trở su ất,  LiCl Độ ẩ m Al2O3, polyme Hằng số đ iện mô i,  Chất cách lưu điện Hằng số đ iện môi,  Mức chất lưu Trở kháng của cảm biến thụ đ ộng và sự thay đổ i trở kháng dưới tác d ụng của đại lượng đo chỉ có thể xác đ ịnh được khi cảm b iến là một thành p hần trong mạch đ iện. Trên thự c tế, tùy trường hợp cụ thể, mà ta chọ n mạch đ o thích hợp. IV. Các đặc trưng cơ bản của cảm biến 1. Hàm truyền Quan hệ giữa đáp ứ ng và kích thích của cảm b iến có thể cho dưới d ạng bảng giá trị, đ ồ t hị ho ặc b iểu thức toán học. - Hàm tu yến tính: y a bx y 1 b ln x - Hàm logarit: y a.e kx - Hàm m ũ : y= a0 + a1 kx - Hàm lũy thừa: - Hàm p hi tu yến, sử d ụng các hàm gần đúng ha y p hương p háp tu yế n tính hó a từ ng đ oạn. 2. Dãy động Dã y độ ng là kho ảng giá trị tín hiệu kích thích mà cảm b iến có thể đáp ứng. Những t ín hiệu vượt ngo ài d ãy này sẽ tạo ra những đáp ứng không chính xác. 3. Sai số và độ chính xác Ngoài đ ại lượng cần đo, cảm b iến còn chịu tác độ ng củ a nhiều đại lượng vật lý khác gây nên sai số giữa giá trị đ o đ ược và giá trị thự c củ a đại lượng cần đ o. Gọi x là sai số tuyệt đối, sai số tương đối của cảm biến: x  %  x100% x Có 2 loại sai số của cảm b iến: S ai số h ệ thống : có giá trị không đổ i và có đ ộ lệch không đ ổi giữa giá trị thực  và giá trị đo được. Nguyên nhân: Do nguyên lý của cảm b iến. - Giá trị đại lượng chu ẩn không đ úng. - Do đ ặc tính củ a bộ cảm biến. - Do đ iều kiện và chế đ ộ sử dụ ng. - Do xử lý kết quả đ o. - S ai số ngẫu n hiên: có đ ộ lớn và chiều không xác đ ịnh.  Nguyên nhân: Do thay đ ổi đ ặc tính của thiết bị. - Do nhiễu ngẫu nhiên. - Trang I-4
Tài liệu môn Cảm biến và đo lư ờng - Do ảnh hưởng các thông số mô i trường (nhiệt độ, áp suất, đ ộ ẩm, đ iện từ …). 4. Độ phân giải Độ p hân giải cảm b iến được hiểu là khả năng p hát hiện sự tha y đ ổi tín hiệu kích thích nhỏ nhất t heo thời gian. 5. Băng thông Tất cả cảm b iến đ ều có giới hạn thời gian đáp ứ ng đối với sự thay đổ i củ a tín hiệu kích t hích. Một số lo ại cảm b iến có t hời gian đ áp ứng t ắt d ần, tức là kho ảng thời gian đáp ứng giảm d ần thay đ ổi t heo tín hiệu kích thích. 6. Độ nhạy S (sensitivity) Độ nhạy S xung quanh giá trị mi củ a kích thích được xác định b ởi tỉ số giữa độ biến thiên  s của đáp ứng và độ biến thiên  m tương ứng củ a kích thích.  s  S    m  m mi Độ nhạy được định nghĩa bằng giới hạn giữa tín hiệu kích thích và đáp ứng. Là tỉ số giữa sự t hay đ ổi nhỏ trong đ áp ứng với sự thay đổi nhỏ tro ng tín hiệu kích thích. Thông thường nhà sản xuất cung cấp giá trị của đ ộ nhạy S tương ứng với những đ iều kiện làm việc nhất định của cảm biến. Nhờ giá trị đó, người sử dụng có thể đ ánh giá được độ lớn của đại lượng đầu ra của cảm biến và đ ộ lớn của những biến thiên của đại lượng đo. Điều này cho phép lựa chọn đ ược cảm biến thích hợp để sao cho mạch đ o thỏa mãn các đ iều kiện đặt ra. 7. Độ tuyến tính Một cảm biến được gọ i là tu yế n tính trong một d ải đo xác định nếu trong d ải đo đó độ nhạy S khô ng p hụ thuộc vào giá trị của đ ại lượ ng đo m. Trên thự c tế và ngay cả trong lý thu yết cảm biến là tu yến tính thì các điểm Si, mi cũng không nằm trên mộ t đường thẳng. Đó là d o có sự không chính xác tro ng khi đ o và sai lệch trong khi chế tạo cảm b iến. Từ thực nghiệm có thể tính được p hương trình đường t hẳng b iểu diễn sự tu yế n tính, đ ường thẳng đ ó gọi là đường thẳng tốt nhất có phương trình: S = a m + b Trong đ ó: với N là số đ iểm t hực nghiệm đ o chuẩn cảm biến. Độ lệch tuyế n tính cho p hép đánh giá đ ộ tu yế n tính của đ ường co ng chu ẩn. Nó được xác định từ độ lệch cực đại giữa đườ ng co ng chu ẩn và đ ường thẳng tốt nhất tro n g dải đ o (tính bằng %). 8. Độ nhanh và thời gian đáp ứng Độ nhanh của cảm biến cho p hép đ ánh giá đại lượng ngõ ra có đáp ứng được về mặt thời gian với độ biến thiên của đ ại lượ ng đo ha y khô ng. Thời gian đáp ứng là đ ại lượ ng xác đ ịnh giá trị củ a độ nhanh. 9. Hiện tượng trễ Trang I-5
Tài liệu môn Cảm biến và đo lư ờng Một số cảm b iến không đáp ứng cùng thời đ iểm với tín hiệu kích thích. Độ rộ ng của sự sai lệch được gọi là hiện t ượng trễ. 10. Nhiễu Nhiễu xuất hiện ở ngõ ra cảm biến, bao gồm nhiễu của cảm b iến sinh ra và nhiễu do sự dao đ ộng của tín hiệu kích thích. Nhiễu làm giới hạn khả năng ho ạt độ ng của cảm biến. Nhiễu được phân bố q ua phổ tần số. Nhiễu không thể lo ại trừ m à chỉ có thể p hòng ngừa. Làm giảm ản h hưở ng và khắc phục nhiễu đ òi hỏi nhiều biện p háp tổng hợp. Ta có thể phân nhiễu thành 2 lo ại: Nhiễu nội t ại p hát sinh d o sự không hoàn thiện trong việc thiết kế, công nghệ chế - tạo, vật liệu cảm biến,… do đó đáp ứng có thể b ị méo so với dạng lý tưởng. Nhiễu d o tru yền dẫn. - Để chống nhiễu ta thườ ng dùng kỹ thu ật vi sai phố i hợp cảm biến đ ôi, trong đ ó tín hiệu ra là hiệu củ a hai t ín hiệu ra của từ ng bộ . Một bộ được gọ i là cảm b iến chính và b ộ kia là cảm b iến chu ẩn đ ược đ ặt trong màn chắn. Để giảm nhiễu đường tru yề n ta có thể sử d ụng các b iện p háp sau: Cách l y ngu ồ n nuô i, màn chắn, nối đ ất, lọc ngu ồn. - Bố trí các linh kiện hợp lý , không để dây cao áp gần đầu vào và cảm b iến. - Sử d ụng cáp ít nhiễu. - 11. Giới hạn sử dụng cảm biến Trong quá trình sử d ụng, các cảm b iến lu ôn chịu ứng lực cơ khí ho ặc nhiệt độ tác động lên chúng. Nếu các ứ ng lực này vượ t quá ngư ỡng cho p hép sẽ làm thay đ ổi các đ ặc trưng của cảm b iến. Do đ ó người sử dụ ng p hải b iết các giớ i hạn ngưỡng củ a cảm biến. Vùng làm việc danh đ ịnh: ứng với điều kiện sử d ụng b ình thường của cảm biến. - Vùng không gâ y nên hư hỏ ng. - Vùng không p há hủ y. - Dải đo của cảm biến được xác đ ịnh b ởi giá trị gi ới hạn của vùng đ ại lượng đ o mà trong vùng đ ó cảm biến đáp ứng các yêu cầu đề ra. Thông thường d ải đ o trùng với vùng danh đ ịnh. Trang I-6

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

LV.15: Bộ Đồ Án Tốt Nghiệp Chuyên Ngành Cơ Khí

65 tài liệu

2431 lượt tải

THÔNG TIN

TRỢ GIÚP

HỖ TRỢ KHÁCH HÀNG

Theo dõi chúng tôi

Chịu trách nhiệm nội dung:

Nguyễn Công Hà - Giám đốc Công ty TNHH TÀI LIỆU TRỰC TUYẾN VI NA

LIÊN HỆ

Địa chỉ: P402, 54A Nơ Trang Long, Phường 14, Q.Bình Thạnh, TP.HCM

Hotline: 093 303 0098

Email: support@tailieu.vn

Giấy phép Mạng Xã Hội số: 670/GP-BTTTT cấp ngày 30/11/2015 Copyright © 2022-2032 TaiLieu.VN. All rights reserved.