Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nguyên lý và ứng dụng một số loại sensor

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:70

Thêm vào BST

Báo xấu

20
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn có cấu trúc gồm 4 chương trình bày một số đặc trưng cơ bản của sensor; chuyển đổi tín hiệu vật lý, ứng dụng một số loại sensor vào thiết bị đo; kết quả thực nghiệm. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nguyên lý và ứng dụng một số loại sensor

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ---------------- NGUYỄN THU PHƢƠNG NGUYÊN LÝ VÀ ỨNG DỤNG MỘT SỐ LOẠI SENSOR LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - 2012 1
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ---------------- NGUYỄN THU PHƢƠNG NGUYÊN LÝ VÀ ỨNG DỤNG MỘT SỐ LOẠI SENSOR Chuyên ngành: Vật lý vô tuyến điện tử Mã số: 60.44.03 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. PHẠM QUỐC TRIỆU Hà Nội - 2012 2
MỤC LỤC MỤC LỤC ............................................................................................................................. 3 MỞ ĐẦU ............................................................................................................................... 6 CHƢƠNG 1 Một số đặc trƣng cơ bản của sensor ................................................................. 7 1.1 Đinh nghĩa và các khái niệm cơ bản ....................................................................... 7 1.2 Phân loại sensor....................................................................................................... 8 1.3 Đặc trƣng cơ bản ................................................................................................... 10 1.3.1 Đƣờng cong chuẩn của cảm biến ................................................................... 10 1.3.2 Hàm truyền .................................................................................................... 12 1.3.3 Độ nhạy .......................................................................................................... 12 1.3.4 Độ tuyến tính ................................................................................................. 13 1.3.5 Sai số và độ chính xác.................................................................................... 14 1.3.6 Độ nhanh và thời gian hồi đáp ....................................................................... 16 1.3.7 Giới hạn sử dụng ............................................................................................ 17 1.3.8 Nhiễu .............................................................................................................. 18 CHƢƠNG 2 Quá trình chuyển đổi tín hiệu vât lý ............................................................... 19 2.1 Một số hiệu ứng chuyển đổi cơ - điện ................................................................... 19 2.1.1 Hiệu ứng áp điện [9] ...................................................................................... 19 2.1.2 Hiệu ứng từ giảo ............................................................................................ 20 2.1.3 Hiệu ứng trở áp .............................................................................................. 21 2.2 Một số hiệu ứng chuyển đổi nhiệt-điện................................................................. 21 2.2.1 Hiệu ứng nhiệt điện [14] ................................................................................ 21 2.2.2 Hiệu ứng nhiệt điện trở [15] .......................................................................... 24 2.2.3 Hiệu ứng điện hỏa [16] .................................................................................. 25 2.3 Một số hiệu ứng chuyển đổi quang – điện ............................................................ 26 2.3.1 Hiệu ứng quang điện [9, 10] .......................................................................... 26 2.3.2 Hiệu ứng phát sáng quang điện ...................................................................... 28 3
2.3.3 Hiện tƣợng phát sáng quang hóa ................................................................... 28 2.3.4 Hiệu ứng quang điện môi [9] ......................................................................... 30 2.3.5 Hiệu ứng Faraday xoay .................................................................................. 30 2.3.6 Hiệu ứng từ-quang Kerr (MOKE: Magneto-Optic Kerr Effect) .................... 31 2.3.7 Hiệu ứng điện-quang Kerrand Pockels [9, 10] .............................................. 32 2.3.8 Hiệu ứng phát quang bằng phản ứng hóa học [10] ........................................ 33 2.4 Một số hiệu ứng chuyển đổi từ - điện ................................................................... 33 2.4.1 Hiệu ứng Hall [6, 9] ....................................................................................... 33 2.4.2 Hiệu ứng Spin Hall ........................................................................................ 35 2.4.3 Định luật Faraday-Henry [1, 9]...................................................................... 35 2.4.4 Hiệu ứng Barkhausen ..................................................................................... 36 2.4.5 Hiệu ứng Nernst/Ettingshausen ..................................................................... 37 2.4.6 Hiệu ứng từ trở ............................................................................................... 37 2.5 Hiệu ứng Dopper ................................................................................................... 38 CHƢƠNG 3 Ứng dụng một số loại sensor vào thiết bị đo .................................................. 39 3.1 Sensor nhiệt độ dùng hiệu ứng chuyển tiếp PN .................................................... 39 3.1.1 Đặc trƣng V- A của lớp chuyển tiếp p-n ........................................................ 39 3.1.2 Sự phụ thuộc nhiệt độ của dòng điện khi phân cực ngƣợc. ........................... 40 3.1.3 Sự phụ thuộc nhiệt độ của hiệu điện thế khi phân cực thuận ........................ 40 3.1.4 Nguyên tắc hoạt động của thiết bị ................................................................. 41 3.1.5 Kết cấu của thiết bị đo nhiệt độ nhờ chuyển đổi nhiệt - điện bằng bán dẫn dùng ICL7107 .............................................................................................................. 42 3.2 Senor dịch chuyển nhỏ dùng cảm biến vi sai ........................................................ 44 3.2.1 Cấu tạo thiết bị phát hiện dịch chuyển nhỏ dùng cảm biến vi sai .................. 44 3.2.2 Bộ tiếp nhận dịch chuyển............................................................................... 44 3.2.3 Bộ biến thế vi sai ........................................................................................... 45 3.3 Sensor từ trƣờng dùng hiệu ứng Hall .................................................................... 51 3.3.1 Nguyên lý ....................................................................................................... 51 4
3.3.2 Thiết bị đo từ trƣờng dùng cảm biến Hall ..................................................... 53 3.4 Sensor từ trƣờng Fluxgate ..................................................................................... 53 3.4.1 Nguyên lý làm việc ........................................................................................ 53 3.4.2 Thiết bị phát hiện từ trƣờng nhỏ .................................................................... 56 CHƢƠNG 4 Kết quả thực nghiệm....................................................................................... 58 4.1 Khảo sát sensor nhiệt độ dùng hiệu ứng chuyển tiếp PN ...................................... 58 4.1.1 Sự thay đổi đặc trƣng V-A của chuyển tiếp PN theo nhiệt độ ....................... 58 4.1.2 Khảo sát quá trình nguội dùng chuyển tiếp PN ............................................. 58 4.2 Khảo sát sensor từ trƣờng dùng hiệu ứng Hall ..................................................... 61 4.2.1 Thiết bị đo tự chế tạo tại Việt Nam ............................................................... 61 4.2.2 Đo từ trƣờng bề mặt dùng GaussMeter (USA) .............................................. 64 KẾT LUẬN.......................................................................................................................... 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................... 69 5
MỞ ĐẦU Đã từ lâu các sensor đƣợc sử dụng nhƣ những bộ phận để cảm nhận và phát hiện, nhƣng chỉ từ vài ba chục năm trở lại đây chúng mới thể hiện vai trò quan trọng trong kỹ thuật và công nghiệp, đặc biệt là trong lĩnh vực đo lƣờng, kiểm tra và điều khiển tự động. Nhờ các tiến bộ của khoa học và công nghệ trong lĩnh vực vật liệu, thiết bị điện tử và tin học, các sensor đã đƣợc giảm thiểu về kích thƣớc, cải thiện về tính năng và ngày càng mở rộng phạm vi ứng dụng. Giờ đây không có một lĩnh vực nào từ dân sự đến quân sự mà ở đó không sử dụng sensor. Chúng có mặt trong các hệ thống tự động phức tạp, ngƣời máy, kiểm tra chất lƣợng sản phẩm, tiết kiệm năng lƣợng, chống ô nhiễm môi trƣờng, phát hiện an ninhvà đặc biệt gần đây là trong các hệ thống nhà thông minh (smart home). Sensor cũng đƣợc ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực giao thông vận tải, sản xuất hàng tiêu dùng, bảo quản thực phẩm, sản xuất ô tô… Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ trong các lĩnh vực nghiên cứu khoa học và ứng dụng trong kỹ thuật đo lƣờng, điều khiển, số lƣợng và chủng loại các sensor tăng nhanh và đa dạng cả về tính năng và công nghệ chế tạo. Bởi vậy việc khảo sát, chuyển giao công nghệ, nghiên cứu “Nguyên lý và ứng dụng một số loại sensor” đƣợc tác giả lựa chọn làm luận văn của mình với nội dung đƣợc chia làm 4 chƣơng nhƣ sau: Chương 1. Một số đặc trưng cơ bản của sensor. Chương 2. Chuyển đổi tín hiệu vật lý. Chương 3. Ứng dụng một số loại sensor vào thiết bị đo. Chương 4. Kết quả thực nghiệm. Cuối cùng là phần kết luận và phân tích ƣu điểm, nhƣợc điểm và hƣớng phát triển tiếp theo của luận văn. 6
CHƢƠNG 1 Một số đặc trƣng cơ bản của sensor 1.1 Đinh nghĩa và các khái niệm cơ bản Trong các hệ thống đo lƣờng – điều khiển, mọi quá trình đều đƣợc đặc trƣng bởi các biến trạng thái. Các biến trạng thái này thƣờng là các đại lƣợng không điện nhƣ nhiệt độ, áp suất, lƣu lƣợng, tốc độ, độ dịch chuyển v.v… Để thực hiện các quá trình đo lƣờng và điều khiển cần phải thu thập thông tin, đo đạc, theo dõi sự biến thiên của các biến trạng thái của quá trình thực hiện chức năng trên là các thiết bị cảm biến (sensor). Sensor là thiết bị dùng để cảm nhận biến đổi các đại lƣợng vật lý và các đại lƣợng không có tính chất điện cần đo thành các đại lƣợng điện có thể đo và xử lý đƣợc. Để hiểu rõ về sensor ta cần nắm đƣợc một số khái niệm và định nghĩa sau Phần tử nhạy: Là khâu đầu tiên của thiết bị đo chịu tác động trực tiếp của đại lƣợng đo. Phần tử nhạu không có đặc tính riêng. Sai số đƣợc hạn chế bởi sai số của thiết bị mà nó tham gia. Chuyển đổi đo lường: Là một khâu của thiết bị đo, tín hiệu vào là hàm số của tín hiệu ra. Cơ sở vật lý của chuyển đổi đo lƣờng là biến đổi và truyền đạt năng lƣợng, nghĩa là biến đổi từ dạng năng lƣợng này thành dạng năng lƣợng khác. Sensor đo lường: Là thiết bị đo thực hiện biến đổi tín hiệu ở đầu vào thành tín hiệu ra thuận lợi cho việc biến đổi tiếp theo hoặc truyền đạt. gia công bằng thiết bị tính toán mà không quan sát đƣợc. Sensor có tính đo lƣờng học, thực hiện ở dạng độc lập, có độ chính xác nhất định theo mô hình mạch điện và đƣợc xem nhƣ mạng 2 cửa (hình 1.1) Cửa vào là biến trạng thái x cần đo, cửa ra là đáp ứng y. Phƣơng trình đƣợc mô tả dƣới dạng một hàm số (1.1) y=f(x) (1.1) Quan hệ trong (1.1) thƣờng rất phức tạp do nhiều yếu tố ảnh hƣởng tới quan hệ giữa đầu ra và đầu vào của sensor 7
X(t) W(t) Y(t) X(t) – Đại lƣợng vào Y(t) – Đại lƣợng ra W(t) - Hàm truyền đạt Hình 1.1 Lưỡng cực anten nửa búp sóng với trường bức xạ theo phương thẳng đứng và vuông góc 1.2 Phân loại sensor Với mục đích nghiên cứu và ứng dụng có thể phân loại cảm biến theo các phƣơng pháp sau: - Phân loại theo đại lượng vào và ra + Cảm biến không điện – điện: Là các cảm biến thực hiện chức năng biến đổi các đại lƣợng không điện nhƣ nhiệt độ, áp suất, lƣu lƣợng v. v….thành các thông số điện trở, điện cảm điện dung, điện áp, dòng điện, sức điện động v.v…. + Cảm biến khí nén – điện: đƣợc sử dụng nhiều trong các nhà máy Hóa chất, các hệ thống đo và điều khiển chông cháy, nổ. + Cảm biến điện – điện: trong đó các đại lƣợng vào và ra là thông số điện. Các cảm biến này thực hiện nhiệm vụ biến đổi các đại lƣợng không điện thành tín hiệu khí nén sau đó từ tín hiệu khí nén biến đổi thành các đại lƣợng điện. - Phân loại theo tính chất vật lý được tạo thành + Cảm biến điện trở. + Cảm biến điện từ. + Cảm biến tĩnh điện. + Cảm biến nhiệt điện. + Cảm biến điện tử - lon. + Cảm biến hóa điện. 8
+ Cảm biến y – sinh. - Phân loại theo tính chất nguồn điện + Cảm biến phát điện. + Cảm biến thụ động. - Phân theo phương pháp đo + Cảm biến biến đổi trực tiếp Hình 1.2 Cảm biến đổi trực tiếp Y = K.X (1.2) + Cảm biến kiểu bù: X(t) Y(t) K ) ± β Hình 1.3 Cảm biến kiểu bù K Y= X (1.3) 1±βK K, β: là hệ số biến đổi 9
1.3 Đặc trƣng cơ bản 1.3.1 Đƣờng cong chuẩn của cảm biến Khái niệm Đƣờng cong chuẩn cảm biến là đƣờng cong biểu diễn sự phụ thuộc của đại lƣợng điện (Y) ở đầu ra của cảm biến vào giá trị của đại lƣợng đo (X) ở đầu vào. Đƣờng cong chuẩn có thể biểu diễn bằng biểu thức đại số dƣới dạng: Y = F(X) hoặc bằng đồ thị nhƣ hình 1.4a. Y Y Yi 0 0 Xi X X a) b) Hình 1.4 Đường cong chuẩn cảm biến a) Dạng đƣờng cong chuẩn b) Đƣờng cong chuẩn của cảm biến tuyến tính Dựa vào đƣờng cong chuẩn của cảm biến, ta có thể xác định giá trị Xi chƣa biết của X thông qua giá trị đo đƣợc Yi của Y. Để dễ sử dụng, ngƣời ta thƣờng chế tạo cảm biến có sự phụ thuộc tuyến tính giữa đại lƣợng đầu ra và đại lƣợng đầu vào, phƣơng trình Y= F(X) có dạng Y = aX +b với a, b là các hệ số, khi đó đƣờng cong chuẩn là đƣờng thẳng (hình 1.4b). Phương pháp chuẩn cảm biến Chuẩn cảm biến là phép đo nhằm mục đích xác lập mối quan hệ giữa giá trị Y đo đƣợc của đại lƣợng điện ở đầu ra và giá trị X của đại lƣợng đo có tính đến các yếu tố ảnh hƣởng, trên cơ sở đó xây dựng đƣờng cong chuẩn dƣới dạng tƣờng minh (đồ thị hoặc biểu thức đại số). Khi chuẩn cảm biến, với một loạt giá trị đã biết chính xác Xi của X, đo giá trị tƣơng ứng Yi của Y và dựng đƣờng cong chuẩn. 10
Y Y2 Y1 X1 X2 X Hình 1.4 Phương pháp chuẩn cảm biến a) Chuẩn đơn giản Trong trƣờng hợp đại lƣợng đo chỉ có một đại lƣợng vật lý duy nhất tác động lên một đại lƣợng đo xác định và cảm biến sử dụng không nhạy với tác động của các đại lƣợng ảnh hƣởng, ngƣời ta dùng phƣơng pháp chuẩn đơn giản. Thực chất của chuẩn đơn giản là đo các giá trị của đại lƣợng đầu ra ứng với các giá xác định không đổi của đại lƣợng đo ở đầu vào. Việc chuẩn đƣợc tiến hành theo hai cách: Chuẩn trực tiếp: các giá trị khác nhau của đại lƣợng đo lấy từ các mẫu chuẩn hoặc các phần tử so sánh có giá trị biết trƣớc với độ chính xác cao. Chuẩn gián tiếp: kết hợp cảm biến cần chuẩn với một cảm biến so sánh đã có sẵn đƣờng cong chuẩn, cả hai đƣợc đặt trong cùng điều kiện làm việc. Khi tác động lên hai cảm biến với cùng một giá trị của đại lƣợng đo ta nhận đƣợc giá trị tƣơng ứng của cảm biến so sánh và cảm biến cần chuẩn. Lặp lại tƣơng tự với các giá trị khác của đại lƣợng đo cho phép ta xây dựng đƣợc đƣờng cong chuẩn của cảm biến cần chuẩn. b) Chuẩn nhiều lần: Khi cảm biến có phần tử bị trễ (trễ cơ hoặc trễ từ), giá trị đo đƣợc ở đầu ra phụ thuộc không những vào giá trị tức thời của đại lƣợng cần đo ở đầu vào mà còn phụ thuộc vào giá trị trƣớc đó của của đại lƣợng này. Trong trƣờng hợp nhƣ vậy, ngƣời ta áp dụng phƣơng pháp chuẩn nhiều lần và tiến hành nhƣ sau: Đặt lại điểm 0 của cảm biến: đại lƣợng cần đo và đại lƣợng đầu ra có giá trị tƣơng ứng với điểm gốc, X=0 và Y=0. Đo giá trị đầu ra theo một loạt giá trị tăng dần đến giá trị cực đại của đại lƣợng 11
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 đƣờng cong chuẩn theo cả hai hƣớng đo tăng dần và đo giảm dần. 1.3.2 Hàm truyền Hàm Truyền là biểu thức mô tả quan hệ giữa đáp ứng và kích thích của cảm biến có thể cho dƣới dạng bảng giá trị, đồ thị hoặc biểu thứ toán học Hàm tuyến tính: y=a+bx (1.4) Hàm Logarit: y=1+blnx (1.5) Hàm mũ: y=a.ekx (1.6) Hàm lũy thừa: y=a0 + a1kx (1.7) Hàm phi tuyến, sử dụng các hàm gần đúng hay phƣơng pháp tuyến tính hóa từng đoạn. Y = F(X) (1.8) Y,X : là giá trị thực của đại lƣợng đo. Hệ số truyền là tỷ số giữa đại lƣợng ra Y và đại lƣợng vào X Y F(X) K(x) = = (1.9) X X 1.3.3 Độ nhạy Đối với cảm biến tuyến tính, giữa biến thiên đầu ra dY và biến thiên đầu vào dx có sự liên hệ tuyến tính: dY = S.dX (1.10) Độ nhạy đƣợc định nghĩa bằng giới hạn giữa tín hiệu kích thích và đáp ứng. Là tỉ số giữ sự thay đổi nhỏ trong đáp ứng với sự thay đổi nhỏ trong tín hiệu kích thích đƣợc biểu diễn dƣới dạng biểu thức: dY dF(x) S= = (1.11) dX X Trƣờng hợp tổng quát, biểu thức xác định độ nhạy S của cảm biến xung quanh 12
giá trị xi của đại lƣợng đo xác định bởi tỷ số giữa biến thiên dY của đại lƣợng đầu ra và biến thiên dX tƣơng ứng của đại lƣợng đo ở đầu vào quanh giá trị đó: ∆Y S = ∆Xm=mi (1.12)   Đối với cảm biến tuyến tính, giữa biến thiên đầu ra ∆Y và biến thiên đầu vào ∆X có sự liên hệ tuyến tính: ∆Y = S.∆X (1.13) ∆Y Đại lƣợng S đƣợc xác định bởi biểu thức S = đƣợc gọi là độ nhạy của ∆X cảm biến. Để phép đo đạt độ chính xác cao, khi cần thiết kế và sử dụng cảm biến 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 lƣợng cần đo m và tần số thay đổi của nó. - Thời gian sử dụng. - Ảnh hƣởng của các đại lƣợng vật lý khác (không phải là đại lƣợng đo) của môi trƣờng xung quanh. Thông thƣờng nhà sản xuất cung cấp giá trị của độ nhạy S tƣơng ứng với nhƣng điều kiện làm việc nhất định của cảm biến. Nhờ giá trị đó, ngƣời sử dụng có thể đánh giá đƣợc độ lớn của đại lƣợng đầu ra của cảm biến và đọ lớn của những biên thiên đại lƣợng đo. Điều này cho phép lựa chọn đƣợc cảm biến thích hợp để sao cho mạch đo thỏa mãn các điều kiện đặt ra. 1.3.4 Độ tuyến tính Một cảm biến đƣợc gọi là tuyến tính trong một dải đo xác định nếu trong dải chế độ đó, độ nhạy S không phụ thuộc vào đại lƣợng đo x. Trong chế độ tĩnh, độ tuyến tính chính là sự không phụ thuộc của độ nhạy của cảm biến vào giá trị của đại lƣợng đo, thể hiện bởi các đoạn thẳng trên đặc trƣng tĩnh của cảm biến và hoạt động của cảm biến là tuyến tính chừng nào đại lƣợng đo 13
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 lƣợng đo, đồng thời các thông số quyết định sự hồi đáp (nhƣ tần số riêng f0 của dao động không tắt, hệ số tắt dần (xích ma) cũng không phụ thuộc vào đại lƣợng đo. Nếu cảm biến không tuyến tính, ngƣời ta đƣa vào mạch đo các thiết bị hiệu chỉnh sao cho tín hiệu điện nhận đƣợc ở đầu ra tỉ lệ với sự thay đổi của đại lƣợng đo ở đầu vào. Sự hiệu chỉnh đó đƣợc gọi là sự tuyến tính hoá. Khi chuẩn cảm biến, từ kết quả thực nghiệm ta nhận đƣợc một loạt điểm tƣơng ứng (yi,xi) của đại lƣợng đầu ra và đại lƣợng đầu vào. Về mặt lý thuyết, đối với các cảm biến tuyến tính, đƣờng cong chuẩn là một đƣờng thẳng. Tuy nhiên, do sai số khi đo, các điểm chuẩn (xi, yi) nhận đƣợc bằng thực nghiệm thƣờng không nằm trên cùng một đƣờng thẳng. Đƣờng thẳng đƣợc 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 đƣợc gọi là đƣờng thẳng tốt nhất. Phƣơng trình biểu diễn đƣờng thẳng tốt nhất đƣợc lập bằng phƣơng pháp bình phƣơng bé nhất. Giả sử khi chuẩn cảm biến ta tiến hành với N điểm đo, phƣơng trình có dạng: S = aX + b (1.14) Trong đó N.∑yi∑xi-∑yi∑xi a= (1.15) N.∑xi2(∑xi)2 ∑yi.∑xi2-∑xiyi∑xi b= (1.16) N.∑xi2(∑xi)2 Đối với các cảm biến không hoàn toàn tuyến tính, ngƣời ta đƣa ra khái niệm độ lệch tuyến tính, xác định bởi độ lệch cực đại giữa đƣờng cong chuẩn và đƣờng thẳng tốt nhất, tính bằng % trong dải đo. 1.3.5 Sai số và độ chính xác Các bộ cảm biến cũng nhƣ các dụng cụ đo lƣờng khác, ngoài đại lƣợng cần đo 14
(cảm nhận) còn chịu tác động của nhiều đại lƣợng vật lý khác gây nên sai số giữa giá trị đo đƣợc và giá trị thực của đại lƣợng cần đo. Gọi dx là độ lệch tuyệt đối giữa giá trị đo và giá trị thực x (sai số tuyệt đối), sai số tƣơng đối của bộ cảm biến đƣợc tính bằng: ∆x δ= .100 [%] (1.17) x Sai số của bộ cảm biến mang tính chất ƣớc tính bởi vì không thể biết chính xác giá trị thực của đại lƣợng cần đo. Khi đánh giá sai số của cảm biến, ngƣời ta thƣờng 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 đƣợc. Sai số hệ thống thƣờng 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. - Do giá trị của đại lƣợng 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 đƣợc một số nguyên nhân gây ra sai số ngẫu nhiên nhƣng không thể dự đoán đƣợc độ lớn và dấu của nó. Những nguyên nhân gây ra sai số ngẫu: - Do sự thay đổi đặc tính của thiết bị. - Do tín hiệu nhiễu ngẫu nhiên. - Do các đại lƣợng ảnh hƣởng không đƣợc tính đến khi chuẩn cảm biến. Chúng ta có thể giảm thiểu sai số ngẫu nhiên bằng một số biện pháp thực nghiệm thích hợp nhƣ bảo vệ các mạch đo tránh ảnh hƣởng của nhiễu, tự động điều chỉnh điện áp nguồn nuôi, bù các ảnh hƣởng nhiệt độ, tần số, vận hành đúng chế độ hoặc thực hiện phép đo lƣờng thống kê. 15
1.3.6 Độ nhanh và thời gian hồi đáp Độ nhanh là đặc trƣng của cảm biến cho phép đánh giá khả năng theo kịp về thời gian của đại lƣợng đầu ra khi đại lƣợng đầu vào biến thiên. Thời gian hồi đáp là đại lƣợng đƣợc sử dụng để xác định giá trị số của độ nhanh. Độ nhanh tr là khoảng thời gian từ khi đại lƣợng đo thay đổi đột ngột đến khi biến thiên của đại lƣợng đầu ra chỉ còn khác giá trị cuối cùng một lƣợng giới hạn (ε) tính bằng %. Thời gian hồi đáp tƣơng ứng với (ε)% xác định khoảng thời gian cần thiết phải chờ đợi sau khi có sự biến thiên của đại lƣợng đo để lấy giá trị của đầu ra với độ chính xác định trƣớc. Thời gian hồi đáp đặc trƣng cho chế độ quá độ của cảm biến và là hàm của các thông số thời gian xác định chế độ này. Trong trƣờng hợp sự thay đổi của đại lƣợng đo có dạng bậc thang, các thông số thời gian gồm thời gian trễ khi tăng (tdm) và thời gian tăng (tm) ứng với sự tăng đột ngột của đại lƣợng đo hoặc thời gian trễ khi giảm (tdc) và thời gian giảm (tc) ứng với sự giảm đột ngột của đại lƣợng đo. Khoảng thời gian trễ khi tăng tdm là thời gian cần thiết để đại lƣợng đầu ra tăng từ giá trị ban đầu của nó đến 10% của biến thiên tổng cộng của đại lƣợng này và khoảng thời gian tăng tm là thời gian cần thiết để đại lƣợng đầu ra tăng từ 10% đến 90% biến thiên biến thiên tổng cộng. X0 t Y Y0 0.9 0.1 t tdx tx tc tdc Hình 1.5 Xác định các khoảng thời gian đặc trưng cho chế đọ quá độ Tƣơng tự, khi đại lƣợng đo giảm, thời gian trể khi giảm tdc là thời gian cần 16
thiết để đại lƣợng đầu ra giảm từ giá trị ban đầu của nó đến 10% biến thiên tổng cộng của đại lƣợng này và khoảng thời gian giảm tc là thời gian cần thiết để đại lƣợng đầu ra giảm từ 10% đến 90% biến thiên biến thiên tổng cổng của nó. Các thông số về thời gian tr, tdx, tx, tdc, tc của cảm biến cho phép ta đánh giá về thời gian hồi đáp của nó. 1.3.7 Giới hạn sử dụng 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 vƣợt quá ngƣỡng cho phép, chúng sẽ làm thay đổi đặc trƣng làm việc của cảm biến. Bởi vậy khi sử dụng cảm biến, ngƣời sử dụng cần phải biết rõ các giới hạn này. Vùng làm việc danh định: Vùng làm việc danh định tƣơng ứng với những điều kiện sử dụng bình thƣờng của cảm biến. Giới hạn của vùng là các giá trị ngƣỡng mà các đại lƣợng đo, các đại lƣợng vật lý có liên quan đến đại lƣợng đo hoặc các đại lƣợng ảnh hƣởng có thể thƣờng xuyên đạt tới mà không làm thay đổi các đặc trƣng làm việc danh định của cảm biến. Vùng không gây nên hư hỏng: Là vùng mà khi mà các đại lƣợng đo hoặc các đại lƣợng vật lý có liên quan và các đại lƣợng ảnh hƣởng vƣợt qua ngƣỡng của vùng làm việc danh định nhƣng vẫn còn nằm trong phạm vi không gây nên hƣ hỏng, các đặc trƣng của cảm biến có thể bị thay đổi nhƣng những thay đổi này mang tính thuận nghịch, tức là khi trở về vùng làm việc danh định các đặc trƣng của cảm biến lấy lại giá trị ban đầu của chúng. Vùng không phá huỷ: Là vùng mà khi mà các đại lƣợng đo hoặc các đại lƣợng vật lý có liên quan và các đại lƣợng ảnh hƣởng vƣợt qua ngƣỡng của vùng không gây nên hƣ hỏng nhƣng vẫn còn nằm trong phạm vi không bị phá hủy, các đặc trƣng 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 trƣng của cảm biến không thể lấy lại giá trị ban đầu của chúng. Trong trƣờng hợp này cảm biến vẫn còn sử dụng đƣợc, nhƣng phải tiến hành chuẩn lại cảm biến. 17
1.3.8 Nhiễu Nhiễu xuất hiện ở lối ra của cảm biến, bao gồm nhiễu của cảm biến sinh ra và nhiễu do sự dao động của tín hiệu kích thích. Nhiều làm giới hạn khả năng hoạt động của cảm biến và đƣợc phân bố qua phổ tần số. Để chống nhiễu ngƣời ta thƣờng dùng kỹ thuật vi sai phối hợp cảm biến đôi, trong đó tín hiệu ra là hiệu của hai tín hiệu ra của từng bộ cảm biến. Một bộ đƣợc gọi là cảm biến chính, và bộ kia là cảm biến chuẩn đƣợc đặt trong màn chắn. Hình 1.6 Phương pháp kỹ thuật vi sai phối hợp cảm biến đôi Để giảm nhiễu đƣờng truyền ngƣời ta có thể sử dụng các biện pháp sau: - Cách li nguồn nuôi, màn chắn, nối đất, lọc nguồn - Bố trí các linh kiện hợp lý, không để dây cao áp gần đầu vào và cảm biến - Sử dụng cáp chống nhiễu. 18
CHƢƠNG 2 Quá trình chuyển đổi tín hiệu vât lý 2.1 Một số hiệu ứng chuyển đổi cơ - điện 2.1.1 Hiệu ứng áp điện [9] Hiệu ứng áp điện là khả năng sản sinh ra điện thế của các tinh thể không đối xứng tâm khi chịu tác dụng của lực cơ học, và ngƣợc lại. Hiệu ứng này đƣợc tìm ra vào năm 1880. Vật liệu áp điện phổ biến nhất là thạch anh, lithium niobate, vlithium tantalite, vPZT và langasite. Một vài vật liệu áp điện khác là gốm chứa Fe(II), Fe(III) thể hiện tính áp điện khi đƣợc phân cực bởi điện trƣờng ngoài. Tinh thể áp điện là hình lập phƣơng đối xứng tâm (đẳng hƣớng) trƣớc phân cực và sau phân cực thể hiện tính đối xứng tứ giác (cấu trúc bất đẳng hƣớng) dƣới nhiệt độ Curie. Ở trên nhiệt độ Curie nó mất đi thuộc tính áp điện. Những chất cao phân tử nhƣ cao su, gỗ, tóc, gỗ thớ và lụa trong một phạm vi nhất định cũng thể hiện tính áp điện. Polyvinylidene fluoride (FVDF) là vật liệu nhựa dẻo nóng khi đƣợc phân cực thể hiện tính áp điện trong một vài trƣờng hợp mạnh hơn thạch anh.Vật liệu áp điện là lựa chọn cực kỳ phổ biến cho những cảm biến trong phạm vi rất rộng. Hình 2.1 (a) vật liệu áp điện, (b) một điện thế tương ứng có thể đo được là kết quả của sự nén hay kéo, (c) một điện thế đặt vào có thể làm nén hay giãn vật liệu áp điện. 19
2.1.2 Hiệu ứng từ giảo Hiện tƣợng từ giảo hay còn gọi là hiệu ứng cơ-từ là sự thay đổi kích thƣớc của vật khi nó đƣợc đặt trong một từ trƣờng, hay thuộc tính từ thay đổi dƣới ảnh hƣởng của sự nén hay giãn. Hiệu ứng này đƣợc tìm ra bởi James Joule vào năm 1842 khi ông kiểm tra một mẫu kền. Cơ chế xuất hiện hiện tƣợng từ giảo đƣợc minh họa ở hình 1.3 vùng từ tính sắp xếp ngẫu nhiên khi vật liệu chƣa đƣợc từ hóa. Khi đƣợc từ hóa vùng này đƣợc định hƣớng lại làm thay đổi kích thƣớc của vật. Vật liệu từ giảo chuyển năng lƣợng từ thành năng lƣợng cơ và ngƣợc lại. Do đó chúng thƣờng đƣợc sử dụng cân đối giữa cảm biến và kích thích. Hiện tƣợng từ giảo xác định bởi hệ số từ giảo Λ đƣợc định nghĩa là các thay đổi trong từng đoạn của chiều dài khi độ từ hóa của vật tăng từ không đến giá trị bão hòa. Hệ số này thông thƣờng có bậc 105 có thể âm hoặc dƣơng. Nguyên tố thể hiện tính từ giảo mạnh nhất ở nhiệt độ phòng là Co. Tuy nhiên, vật liệu từ giảo quan trọng gọi là vật liệu từ giảo khổng lồ (GM-Giant Magnetostrictive ) là hợp kim của Fe, Dy (dysprosium), Tb (terbium). Rất nhiều những vật liệu dạng này đƣợc chế tạo tại phòng thí nghiệm Naval Ordnance và Ames ở khoảng giữa những năm 1960. Hiệu ứng GM có thể sử dụng trong việc phát triển từ trƣờng, dòng điện và các sensor đo sức căng. Hình 2.2 Hiệu ứng từ giảo: H=0 vùng từ tính sắp xếp ngẫu nhiên, H  0 được sắp xếp lại làm tăng kích thước dưới tác dụng của từ trường. 20