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 Al 2 O 3 , 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% x x 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 S m           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 Tài liệu môn Cảm biến và đo lường Trang I-6 Một số cảm biến không đáp ứng cùng thời điểm với tín hiệu kích thích. Độ rộng của sự sai lệch được gọi là hiện tượng trễ. 10. Nhiễu Nhiễu xuất hiện ở ngõ ra cảm biến, bao gồm nhiễu của cảm biến sinh ra và nhiễu do sự dao động của tín hiệu kích thích. Nhiễu làm giới hạn khả năng hoạt động của cảm biến. Nhiễu được phân bố qua phổ tần số. Nhiễu không thể loại trừ mà chỉ có thể phòng ngừa. Làm giảm ảnh hưởng và khắc phục nhiễu đòi hỏi nhiều biện pháp tổng hợp. Ta có thể phân nhiễu thành 2 loại: - Nhiễu nội tại phát sinh do sự không hoàn thiện trong việc thiết kế, công nghệ chế tạo, vật liệu cảm biến,… do đó đáp ứng có thể bị méo so với dạng lý tưởng. - Nhiễu do truyền dẫn. Để chống nhiễu ta thường 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. Một bộ được gọi là cảm biến chính và bộ kia là cảm biến chuẩn được đặt trong màn chắn. Để giảm nhiễu đường truyền ta có thể sử dụng các biện pháp sau: - Cách ly 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 ít nhiễu. 11. Giới hạn sử dụng cảm biến Trong quá trình sử dụng, các cảm biến luôn chịu ứng lực cơ khí hoặc nhiệt độ tác động lên chúng. Nếu các ứng lực này vượt quá ngưỡng cho phép sẽ làm thay đổi các đặc trưng của cảm biến. Do đó người sử dụng phải biết các giới hạn ngưỡng của cảm biến. - Vùng làm việc danh định: ứng với điều kiện sử dụng bình thường của cảm biến. - Vùng không gây nên hư hỏng. - Vùng không phá hủy. Dải đo của cảm biến được xác định bởi giá trị giới hạn của vùng đại lượng đo mà trong vùng đó cảm biến đáp ứng các yêu cầu đề ra. Thông thường dải đo trùng với vùng danh định. . 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. 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. 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