Chơng I Các Khái niệm đặc trng 1.1 Khái niệm phân loại cảm biến 1.1.1 Khái niệm Cảm biến thiết bị dùng để cảm nhận biến đổi đại lợng vật lý đại lợng tính chất điện cần đo thành đại lợng điện đo xử lý đợc Các đại lợng cần đo (m) thờng tính chất điện (nh nhiệt độ, áp suất ) tác động lên cảm biến cho ta đặc trng (s) mang tính chất điện (nh điện tích, điện áp, dòng điện trở kháng) chứa đựng thông tin cho phép xác định giá trị đại lợng đo Đặc trng (s) hàm đại lợng cần đo (m): s = F (m ) (1.1) Ngời ta gọi (s) đại lợng đầu phản ứng cảm biến, (m) đại lợng đầu vào hay kích thích (có nguồn gốc đại lợng cần đo) Thông qua đo đạc (s) cho phép nhận biết giá trị (m) 1.1.2 Phân loại cảm biến Các cảm biến đợc phân loại theo đặc trng sau đây: - Theo nguyên lý chuyển đổi đáp ứng kích thích (bảng 1.1) Bảng 1.1 Hiện tợng Chuyển đổi đáp ứng kích thích - Nhiệt điện - Quang điện - Quang từ Hiện tợng vật lý - Điện từ - Quang đàn hồi - Từ điện - Nhiệt từ - Biến đổi hoá học Hoá học - Biến đổi điện hoá - Phân tích phổ - Biến đổi sinh hoá Sinh học - Biến đổi vật lý - 5- - Hiệu ứng thể sống - Phân loại theo dạng kích thích (bảng 1.2) Bảng 1.2 - Biên pha, phân cực Âm - Phổ - Tốc độ truyền sóng - Điện tích, dòng điện Điện - Điện thế, điện áp - Điện trờng (biên, pha, phân cực, phổ) - Điện dẫn, số điện môi - Từ trờng (biên, pha, phân cực, phổ) Từ - Từ thông, cờng độ từ trờng - Độ từ thẩm - Biên, pha, phân cực, phổ Quang - Tốc độ truyền - Hệ số phát x¹, khóc x¹ - HƯ sè hÊp thơ, hƯ sè xạ - Vị trí - Lực, áp suất - Gia tốc, vận tốc Cơ - ứng suất, độ cứng - Mô men - Khối lợng, tỉ trọng - VËn tèc chÊt l−u, ®é nhít - NhiƯt ®é Nhiệt - Thông lợng - Nhiệt dung, tỉ nhiệt - Kiểu Bức xạ - Năng lợng - Cờng độ - 6- - Theo tính cảm biến (bảng 1.3) Bảng 1.3 - Độ nhạy - Khả tải - Độ xác - Tốc độ đáp ứng - Độ phân giải - Độ ổn định - §é chän läc - Ti thä - §é tun tính - Điều kiện môi trờng - Công suất tiêu thụ - Kích thớc, trọng lợng - Dải tần - Độ trễ - Phân loại theo phạm vi sử dụng ( bảng 1.4) Bảng 1.4 - Công nghiệp - Nghiên cứu khoa học - Môi trờng, khí tợng - Thông tin, viễn thông - Nông nghiệp - Dân dụng - Giao thông - Vũ trụ - Quân - Phân loại theo thông số mô hình mạch thay : + Cảm biến tích cực có đầu nguồn áp nguồn dòng + Cảm biến thụ động đợc đặc trng thông số R, L, C, M tuyến tính phi tuyến 1.2 Đờng cong chuẩn cảm biến 1.2.1 Khái niệm Đờng cong chuẩn cảm biến đờng cong biểu diễn phụ thuộc đại lợng điện (s) đầu cảm biến vào giá trị đại lợng đo (m) đầu vào - 7- Đờng cong chuẩn biểu diễn biểu thức đại số dới dạng s = F (m ) , đồ thị nh hình 1.1a s s si mi m m a) b) Hình 1.1 Đờng cong chuẩn cảm biến a) Dạng đờng cong chuẩn b) Đờng cong chuẩn cảm biến tuyến tính Dựa vào đờng cong chuẩn cảm biến, ta xác định giá trị mi cha biết m thông qua giá trị đo đợc si s Để dễ sử dụng, ngời ta thờng chế tạo cảm biến có phụ thuộc tuyến tính đại lợng đầu đại lợng đầu vào, phơng trình s= F(m) cã d¹ng s = am +b víi a, b hệ số, đờng cong chuẩn đờng thẳng (hình 1.1b) 1.2.2 Phơng pháp chuẩn cảm biến Chuẩn cảm biến phép đo nhằm mục đích xác lập mối quan hệ giá trị s đo đợc đại lợng điện đầu giá trị m đại lợng đo có tính đến yếu tố ảnh hởng, sở xây dựng đờng cong chuẩn dới dạng tờng minh (đồ thị biểu thức đại số) Khi chuẩn cảm biến, với loạt giá trị đà biết xác mi m, đo giá trị tơng ứng si s dựng đờng cong chuÈn s s2 s1 m1 m2 m H×nh 1.2 Phơng pháp chuẩn cảm biến a) Chuẩn đơn giản Trong trờng hợp đại lợng đo có đại lợng vật lý tác động lên đại lợng đo xác định cảm biến sử dụng không nhạy với tác động - 8- đại lợng ảnh hởng, ngời ta dùng phơng pháp chuẩn đơn giản Thực chất chuẩn đơn giản đo giá trị đại lợng đầu ứng với giá xác định không đổi đại lợng đo đầu vào Việc chuẩn đợc tiến hành theo hai cách: - Chuẩn trực tiếp: giá trị khác đại lợng đo lấy từ mẫu chuẩn phần tử so sánh có giá trị biết trớc với độ xác cao - Chuẩn gián tiếp: kết hợp cảm biến cần chuẩn với cảm biến so sánh đà có sẵn đờng cong chuẩn, hai đợc đặt điều kiện làm việc Khi tác động lên hai cảm biến với giá trị đại lợng đo ta nhận đợc giá trị tơng ứng cảm biến so sánh cảm biến cần chuẩn Lặp lại tơng tự với giá trị khác đại lợng đo cho phép ta xây dựng đợc đờng cong chuẩn cảm biến cần chuẩn b) Chuẩn nhiều lần Khi cảm biến có phần tử bị trễ (trễ trễ từ), giá trị đo đợc đầu phụ thuộc vào giá trị tức thời đại lợng cần đo đầu vào mà phụ thuộc vào giá trị trớc của đại lợng Trong trờng hợp nh vậy, ngời ta áp dụng phơng pháp chuẩn nhiều lần tiến hành nh sau: - Đặt lại điểm cảm biến: đại lợng cần đo đại lợng đầu có giá trị tơng ứng với điểm gốc, m=0 s=0 - Đo giá trị đầu theo loạt giá trị tăng dần đến giá trị cực đại đại lợng đo đầu vào - Lặp lại trình đo với giá trị giảm dần từ giá trị cực đại Khi chuẩn nhiều lần cho phép xác định đờng cong chuẩn theo hai hớng đo tăng dần đo giảm dần 1.3 Các đặc trng 1.3.1 Độ nhạy cảm biến a) Khái niệm Đối với cảm biến tuyến tính, biến thiên đầu s biến thiên đầu vào m có liên hệ tuyến tính: s = S.m Đại lợng S xác định biểu thức S = (1.2) s đợc gọi độ nhạy cảm biến m Trờng hợp tổng quát, biểu thức xác định độ nhạy S cảm biến xung quanh - 9- giá trị mi đại lợng đo xác định tỷ số biến thiên s đại lợng đầu biến thiên m tơng ứng đại lợng đo đầu vào quanh giá trị đó: ∆s ⎞ S=⎜ ⎟ ⎝ ∆m ⎠ m = m (1.3) i Để phép đo đạt độ xác cao, thiết kế sử dụng cảm biến cần cho độ nhạy S không đổi, nghĩa phụ thuộc vào yếu tố sau: - Giá trị đại lợng cần đo m tần số thay đổi - Thời gian sử dụng - ảnh hởng đại lợng vật lý khác (không phải đại lợng đo) môi trờng xung quanh Thông thờng nhà sản xuất cung cấp giá trị độ nhạy S tơng ứng với điều kiện làm việc định cảm biến b) Độ nhạy chế độ tĩnh tỷ số chuyển đổi tĩnh Đờng chuẩn cảm biến, xây dựng sở đo giá trị si đầu tơng ứng với giá trị không đổi mi đại lợng đo đại lợng đạt đến chế độ làm việc danh định đợc gọi đặc trng tĩnh cảm biến Một điểm Qi(mi,si) đặc trng tĩnh xác định điểm làm việc cảm biến chế độ tĩnh Trong chế độ tĩnh, độ nhạy S xác định theo công thức (1.3) độ đốc đặc trng tĩnh điểm làm việc xét Nh vậy, đặc trng tĩnh tuyến tính độ nhạy chế độ tĩnh phụ thuộc điểm làm việc Đại lợng ri xác định tỷ số giá trị si đầu giá trị mi đầu vào đợc gọi tỷ số chuyển ®æi tÜnh: ⎛s⎞ ri = ⎜ ⎟ ⎝ m ⎠Q (1.4) i Tõ (1.4), ta nhËn thÊy tû sè chuyÓn đổi tĩnh ri không phụ thuộc vào điểm làm việc Qi S đặc trng tĩnh đờng thẳng qua gốc toạ độ c) Độ nhạy chế độ động Độ nhạy chế độ động đợc xác định đại lợng đo biến thiên tuần hoàn theo thời gian Giả sử biến thiên đại lợng đo m theo thời gian có dạng: m(t ) = m + m cos ωt - 10- (1.5) Trong m0 giá trị không đổi, m1 biên độ tần số góc biến thiên đại lợng đo đầu cảm biến, hồi đáp s có dạng: s(t ) = s + s1 cos(t + ) Trong đó: - s0 giá trị không đổi tơng ứng với m0 xác định điểm làm việc Q0 đờng cong chuẩn chế độ tĩnh - s1 biên độ biến thiên đầu thành phần biến thiên đại lợng đo gây nên - độ lệch pha đại lợng đầu vào đại lợng đầu Trong chế độ động, độ nhạy S cảm biến đợc xác định tỉ số biên độ biến thiên đầu s1 biên độ biến thiên đầu vào m1 ứng với điểm làm việc đợc xét Q0, theo c«ng thøc: ⎛s ⎞ S=⎜ ⎟ ⎜m Q Độ nhạy chế độ động phụ thuộc vào tần số đại lợng đo, S = S (f ) Sự biến thiên độ nhạy theo tần số có nguồn gốc quán tính cơ, nhiệt điện đầu đo, tức cảm biến thiết bị phụ trợ, chúng cung cấp tức thời tín hiệu điện theo kịp biến thiên đại lợng đo Bởi xét hồi đáp có phụ thuộc vào tần số cần phải xem xét sơ đồ mạch đo cảm biến cách tổng thể 1.3.2 Độ tuyến tính a) Khái niệm Một cảm biến đợc gọi tuyến tính dải đo xác định dải chế độ đó, độ nhạy không phụ thuộc vào đại lợng ®o Trong chÕ ®é tÜnh, ®é tuyÕn tÝnh chÝnh lµ không phụ thuộc độ nhạy cảm biến vào giá trị đại lợng đo, thể đoạn thẳng đặc trng tĩnh cảm biến hoạt động cảm biến tuyến tính chừng đại lợng đo nằm vùng Trong chế độ động, độ tuyến tính bao gồm không phụ thuộc độ nhạy chế độ tĩnh S(0) vào đại lợng đo, đồng thời thông số định hồi đáp (nh - 11- tần số riêng f0 dao động không tắt, hệ số tắt dần không phụ thuộc vào đại lợng đo Nếu cảm biến không tuyến tính, ngời ta đa vào mạch đo thiết bị hiệu chỉnh cho tín hiệu điện nhận đợc đầu tỉ lệ với thay đổi đại lợng đo đầu vào Sự hiệu chỉnh đợc gọi tuyến tính hoá b) Đờng thẳng tốt Khi chuẩn cảm biến, từ kết thực nghiệm ta nhận đợc loạt điểm tơng ứng (si,mi) đại lợng đầu đại lợng đầu vào Về mặt lý thuyết, cảm biến tuyến tính, đờng cong chuẩn đờng thẳng Tuy nhiên, sai số đo, điểm chuẩn (mi, si) nhận đợc thực nghiệm thờng không nằm đờng thẳng Đờng thẳng đợc xây dựng sở số liệu thực nghiệm cho sai sè lµ bÐ nhÊt, biĨu diƠn sù tun tính cảm biến đợc gọi đờng thẳng tốt Phơng trình biểu diễn đờng thẳng tốt đợc lập phơng pháp bình phơng bé Giả sử chuẩn cảm biến ta tiến hành với N điểm đo, phơng trình có dạng: s = am + b Trong ®ã: a= b= N.∑ s i m i −∑ s i ∑ m i N.∑ m − (∑ m i ) i ∑ s i ∑ m − ∑ m i s i ∑ m i i N.∑ m − (∑ m i ) i c) Độ lệch tuyến tính Đối với cảm biến không hoàn toàn tuyến tính, ngời ta đa khái niệm độ lệch tuyến tính, xác định độ lệch cực đại đờng cong chuẩn đờng thẳng tốt nhất, tính % dải đo 1.3.3 Sai số độ xác Các cảm biến nh dụng cụ đo lờng khác, đại lợng cần đo (cảm nhận) chịu tác động nhiều đại lợng vật lý khác gây nên sai số giá trị đo đợc giá trị thực đại lợng cần đo Gọi x độ lệch tuyệt đối giá trị đo giá trị thực x (sai số tuyệt đối), sai số tơng đối cảm biến đợc tính bằng: - 12- = x 100 x [%] Sai sè cđa bé c¶m biÕn mang tÝnh chÊt ớc tính biết xác giá trị thực đại lợng cần đo Khi đánh giá sai số cảm biến, ngời ta thờng phân chúng thành hai loại: sai số hệ thống sai số ngẫu nhiên - Sai số hệ thống: sai số không phụ thuộc vào số lần đo, có giá trị không đổi thay đổi chậm theo thời gian đo thêm vào độ lệch không đổi giá trị thực giá trị đo đợc Sai số hệ thèng th−êng sù thiÕu hiĨu biÕt vỊ hƯ ®o, điều kiện sử dụng không tốt gây Các nguyên nhân gây sai số hệ thống là: Do nguyên lý cảm biến + Do giá trị đại lợng chuẩn không + Do đặc tính cảm biến + Do điều kiện chế độ sử dụng +Do xử lý kết đo - Sai số ngẫu nhiên: sai số xuất có độ lớn chiều không xác định Ta dự đoán đợc số nguyên nhân gây sai số ngẫu nhiên nhng dự đoán đợc độ lớn dấu Những nguyên nhân gây sai số ngẫu nhiên là: + Do thay đổi đặc tính thiết bị + Do tín hiệu nhiễu ngẫu nhiên + Do đại lợng ảnh hởng không đợc tính đến chuẩn cảm biến Chúng ta giảm thiểu sai số ngẫu nhiên số biện pháp thực nghiệm thích hợp nh bảo vệ mạch đo tránh ảnh hởng nhiễu, tự động điều chỉnh điện áp nguồn nuôi, bù ảnh hởng nhiệt độ, tần số, vận hành chế độ thực phép đo lờng thống kê 1.3.4 Độ nhanh thời gian hồi đáp Độ nhanh đặc trng cảm biến cho phép đánh giá khả theo kịp thời gian đại lợng đầu đại lợng đầu vào biến thiên Thời gian hồi đáp đại lợng đợc sử dụng để xác định giá trị số độ nhanh Độ nhanh tr khoảng thời gian từ đại lợng đo thay đổi đột ngột đến biến thiên đại lợng đầu khác giá trị cuối lợng giới hạn tính % Thời gian hồi đáp tơng ứng với % xác định khoảng thời gian cần - 13- thiết phải chờ đợi sau có biến thiên đại lợng đo để lấy giá trị đầu với độ xác định trớc Thời gian hồi đáp đặc trng cho chế độ độ cảm biến hàm thông số thời gian xác định chế độ Trong trờng hợp thay đổi đại lợng đo có dạng bậc thang, thông số thời gian gồm thời gian trễ tăng (tdm) thời gian tăng (tm) ứng với tăng đột ngột đại lợng đo thời gian trễ giảm (tdc) thời gian giảm (tc) ứng với giảm đột ngột đại lợng đo Khoảng thời gian trễ tăng tdm thời gian cần thiết để đại lợng đầu tăng từ giá trị ban đầu đến 10% biến thiên tổng cộng đại lợng khoảng thời gian tăng tm thời gian cần thiết để đại lợng đầu tăng từ 10% đến 90% biến thiên biÕn thiªn tỉng céng cđa nã m m0 t s s0 0,9 0,1 t tdm tm tdc tc H×nh 1.3 Xác định khoảng thời gian đặc trng cho chế độ độ Tơng tự, đại lợng đo giảm, thời gian trể giảm tdc thời gian cần thiết để đại lợng đầu giảm từ giá trị ban đầu đến 10% biến thiên tổng cộng đại lợng khoảng thời gian giảm tc thời gian cần thiết để đại lợng đầu giảm từ 10% đến 90% biến thiên biến thiên tổng cổng Các thông số thời gian tr, tdm, tm, tdc, tc cđa c¶m biÕn cho phÐp ta ®¸nh gi¸ vỊ thêi gian håi ®¸p cđa nã 1.3.5 Giới hạn sử dụng cảm biến Trong trình sử dụng, cảm biến chịu tác động ứng lực học, tác động nhiệt Khi tác động vợt ngỡng cho phép, chúng làm thay đổi đặc trng làm việc cảm biến Bëi vËy sư dơng c¶m biÕn, ng−êi sư dơng cần phải biết rõ giới hạn a) Vùng làm việc danh định - 14- Vùng làm việc danh định tơng ứng với điều kiện sử dụng bình thờng cảm biến Giới hạn vùng giá trị ngỡng mà đại lợng đo, đại lợng vật lý có liên quan đến đại lợng đo đại lợng ảnh hởng thờng xuyên đạt tới mà không làm thay đổi đặc trng làm việc danh định cảm biến b) Vùng không gây nên h hỏng Vùng không gây nên h hỏng vùng mà mà đại lợng đo đại lợng vật lý có liên quan đại lợng ảnh hởng vợt qua ngỡng vùng làm việc danh định nhng nằm phạm vi không gây nên h hỏng, đặc trng cảm biến bị thay đổi nhng thay đổi mang tính thuận nghịch, tức trở vùng làm việc danh định đặc trng cảm biến lấy lại giá trị ban đầu chúng c) Vùng không phá huỷ Vùng không phá hủy vùng mà mà đại lợng đo đại lợng vật lý có liên quan đại lợng ảnh hởng vợt qua ngỡng vùng không gây nên h hỏng nhng nằm phạm vi không bị phá hủy, đặc trng cảm biến bị thay đổi thay đổi mang tính không thuận nghịch, tức trở vùng làm việc danh định đặc trng cảm biến lấy lại giá trị ban đầu chúng Trong trờng hợp cảm biến sử dụng đợc, nhng phải tiến hành chuẩn lại cảm biến 1.4 Nguyên lý chung chế tạo cảm biến Các cảm biến đợc chế tạo dựa sở tợng vật lý đợc phân làm hai loại: - Cảm biến tích cực: cảm biến hoạt động nh máy phát, đáp ứng (s) điện tích, điện áp hay dòng - Cảm biến thụ động: cảm biến hoạt động nh trở kháng đáp ứng (s) điện trở, độ tự cảm điện dung 1.4.1 Nguyên lý chế tạo cảm biến tích cực Các cảm biến tích cực đợc chế tạo dựa sở ứng dụng hiệu ứng vật lý biến đổi dạng lợng (nhiệt, xạ) thành lợng điện Dới mô tả mét c¸ch kh¸i qu¸t øng dơng mét sè hiƯu øng vật lý chế tạo cảm biến - 15- a) Hiệu ứng nhiệt điện Hai dây dẫn (M1) (M2) có chất hoá học khác đợc hàn lại với thành mạch điện kín, nhiệt độ hai mối hàn T1 T2 khác nhau, mạch xuất suất điện động e(T1, T2) mà độ lớn phụ thuộc chênh lệch nhiệt độ T1 T2 (M2) T1 (M1) T2 e T1 (M2) Hình 1.4 Sơ đồ hiệu ứng nhiệt điện Hiệu ứng nhiệt điện đợc ứng dụng để ®o nhiƯt ®é T1 biÕt tr−íc nhiƯt ®é T2, thờng chọn T2 = 0oC b) Hiệu ứng hoả điện Một số tinh thể gọi tinh thể hoả điện (vÝ dơ tinh thĨ sulfate triglycine) cã tÝnh ph©n cùc điện tự phát với độ phân cực phụ thuộc vào nhiệt độ, làm xuất mặt đối diện chúng điện tích trái dấu Độ lớn điện áp hai mặt phụ thuộc vào độ phân cực tinh thể hoả điện v Hình 1.5 ứng dụng hiệu ứng hoả điện Hiệu ứng hoả điện đợc ứng dụng để đo thông lợng xạ ánh sáng Khi ta chiếu chùm ánh sáng vào tinh thể hoả điện, tinh thể hấp thụ ánh sáng nhiệt độ tăng lên, làm thay đổi phân cực điện tinh thể Đo điện áp V ta xác định đợc thông lợng ¸nh s¸ng Φ c) HiƯu øng ¸p ®iƯn Mét sè vật liệu gọi chung vật liệu áp điện (nh thạch anh chẳng hạn) bị biến dạng dớc tác động lực học, mặt đối diện vật liệu xuất - 16- lợng điện tích nhng trái dấu, đợc gọi hiệu ứng áp điện Đo V ta xác định đợc cờng độ lực tác dụng F F V F Hình 1.6 ứng dụng hiệu ứng áp điện d) Hiệu ứng cảm ứng điện từ Khi dây dẫn chuyển động từ trờng không đổi, dây dÉn xt hiƯn mét st ®iƯn ®éng tû lƯ víi từ thông cắt ngang dây đơn vị thời gian, nghĩa tỷ lệ với tốc độ dịch chuyển dây Tơng tự nh vậy, khung dây đặt từ trờng có từ thông biến thiên xt hiƯn mét st ®iƯn ®éng tû lƯ víi tèc độ biến thiên từ thông qua khung dây B e Hình 1.7 ứng dụng hiệu ứng cảm ứng điện từ Hiệu ứng cảm ứng điện từ đợc ứng dụng để xác định tốc độ dịch chuyển vật thông qua việc đo suất điện động cảm ứng e) HiƯu øng quang ®iƯn - HiƯu øng quang dÉn: (hay gọi hiệu ứng quang điện nội) tợng giải phóng hạt dẫn tự vật liệu (thờng bán dẫn) chiếu vào chúng xạ ánh sáng (hoặc xạ điện tõ nãi chung) cã b−íc sãng nhá h¬n mét ng−ìng định - Hiệu ứng quang phát xạ điện tử: (hay gọi hiệu ứng quang điện ngoài) tợng điện tử đợc giải phóng thoát khỏi bề mặt vật liệu tạo thành dòng thu lại nhờ tác dụng điện trờng g) Hiệu ứng quang - điện - từ Khi tác dụng từ trờng B vuông góc với xạ ánh sáng, vật liệu bán - 17- dẫn đợc chiếu sáng xuất hiệu điện theo hớng vuông góc với từ trờng B hớng xạ ánh sáng V B Hình 1.8 ứng dụng hiệu øng quang - ®iƯn - tõ h) HiƯu øng Hall Khi đặt mỏng vật liệu mỏng (thờng bán dẫn), có dòng điện chạy qua, vào từ trờng B có phơng tạo với dòng ®iÖn I tÊm mét gãc θ, sÏ xuÊt hiÖn hiệu điện VH theo hớng vuông góc với B I Biểu thức hiệu điện có dạng: VH = K H I.B sin θ Trong ®ã KH lµ hƯ sè phơ thc vµo vËt liƯu vµ kÝch th−íc h×nh häc cđa tÊm vËt liƯu N X S B θ v X H×nh 1.9 øng dơng hiƯu øng Hall Hiệu ứng Hall đợc ứng dụng để xác định vị trí vật chuyển động Vật cần xác định vị trí liên kết học với nam châm, thời điểm, vị trí nam châm xác định giá trị từ trờng B góc tơng ứng với bán dẫn mỏng làm vật trung gian Vì vậy, hiệu điện VH đo đợc hai cạnh bán dẫn hàm phụ thuộc vào vị trí vật không gian - 18- 1.4.2 Nguyên chế tạo cảm biến thụ động Cảm biến thụ động thờng đợc chế tạo từ trở kháng có thông số chủ yếu nhạy với đại lợng cần đo Giá trị trở kháng phụ thuộc kích thớc hình học, tính chất điện vật liệu chế tạo (nh điện trở suất , độ từ thẩm à, số điện môi ) Vì tác động đại lợng đo ảnh hởng riêng biệt đến kích thớc hình học, tính chất điện đồng thời hai Sự thay đổi thông số hình học trở kháng gây chuyển động phần tử chuyển động phần tử biến dạng cảm biến Trong cảm biến có phần tử chuyển động, vị trí phần tử động ứng với giá trị xác định trở kháng, đo trở kháng xác định đợc vị trí đối tợng Trong cảm biến có phần tử biến dạng, biến dạng phần tử biến dạng dới tác động đại lợng đo (lực đại lợng gây lực) gây thay đổi trở kháng cảm biến Sự thay đổi trở kháng biến dạng liên quan đến lực tác động, liên quan đến đại lợng cần đo Xác định trở kháng ta xác định đợc đại lợng cần ®o Sù thay ®ỉi tÝnh chÊt ®iƯn cđa c¶m biÕn phụ thuộc vào chất vật liệu chế tạo trở kháng yếu tố tác động (nhiệt độ, độ chiếu sáng, áp suất, độ ẩm ) Để chế tạo cảm biÕn, ng−êi ta chän cho tÝnh chÊt ®iƯn cđa nhạy với đại lợng vật lý trên, ảnh hởng đại lợng khác không đáng kể Khi thiết lập đợc phụ thuộc đơn trị giá trị đại lợng cần đo giá trị trở kháng cảm biến Trên bảng 1.1 giới thiệu đại lợng cần đo có khả làm thay đổi tính chất điện vật liệu sử dụng chế tạo cảm biến Bảng 1.1 Đại lợng cần đo Nhiệt độ Đặc trng nhạy cảm ρ Lo¹i vËt liƯu sư dơng Kim lo¹i (Pt, Ni, Cu) Bán dẫn Biến dạng Vị trí (nam châm) Bán dẫn Bức xạ ánh sáng Hợp kim Ni, Si pha tạp Từ thẩm (à) Hợp kim sắt tõ VËt liƯu tõ ®iƯn trë:Bi, InSb - 19- 1.5 Mạch đo 1.5.1 Sơ đồ mạch đo Mạch đo bao gồm toàn thiết bị đo (trong có cảm biến) cho phép xác định xác giá trị đại lợng cần đo điều kiện tốt đầu vào mạch, cảm biến chịu tác động đại lợng cần đo gây nên tín hiệu điện mang theo thông tin đại cần đo đầu mạch, tín hiệu điện đà qua xử lý đợc chuyển đổi sang dạng đọc đợc trực tiếp giá trị cần tìm đại lợng đo Việc chuẩn hệ đo đảm bảo cho giá trị thị đầu tơng ứng với giá trị đại lợng đo tác động đầu vào mạch Dạng đơn giản mạch đo gồm cảm biến, phận biến đổi tín hiệu thiết bị thị, ví dụ mạch đo nhiệt độ gåm mét cỈp nhiƯt ghÐp nèi trùc tiÕp víi mét milivôn kế àV Hình 1.10 Sơ đồ mạch đo nhiệt độ cặp nhiệt FC (1) D (2) Máy in PC (4) (5) ADC (6) CPU (7) Màn hình PA (3) Hình 1.11 Mạch đo điện bề mặt 1) Máy phát chức 2) Cảm biến điện tích 3) Tiền khuếch đại 4) So pha lọc nhiễu 5) Khuếch đại 6) Chuyển đổi tơng tự số 7) Máy tính Trên thực tế, yêu cầu khác đo, mạch đo thờng gồm nhiều thành phần có khối để tối u hoá việc thu thập xử lý liệu, chẳng hạn mạch tuyến tính hoá tín hiệu nhận từ cảm biến, mạch khử điện dung ký sinh, - 20- chuyển đổi nhiều kênh, khuếch đại, so pha lọc nhiễu, chuyển đổi tơng tự - số, vi xử lý, thiết bị hỗ trợ Trên hình 1.11 biểu diễn sơ đồ khối mạch điện đo điện bề mặt màng nhạy quang đợc lắp ráp từ nhiều phần tử 1.5.2 Một số phần tử mạch đo a) Bộ khuếch đại thuật toán (KĐTT) Bộ khuếch đại thuật toán mạch tích hợp khuếch đại dòng chiều có hai đầu vào đầu chung, thờng gồm hàng trăm tranzito điện trở, tụ điện ghép nối với Sơ đồ khuếch đại thuật toán biểu diễn hình 1.12 Ura K + Ura = K.Uvào Hình 1.12 Sơ đồ khuếch đại thuật toán Các đặc tính khuếch đại thuật toán: - Bộ khuếch đại có hai đầu vào: đầu đảo (-), đầu không đảo (+) - Điện trở vào lớn, cỡ hàng trăm M đến G - Điện trở nhỏ, cỡ phần chục - Điện áp lệch đầu vào nhỏ, cỡ vài nV - Hệ số khuếch đại hở mạch lớn, cỡ 100.000 - Dải tần làm việc rộng - Hệ số suy giảm theo cách nối chung CMRR tỷ số hệ số khuếch đại khuếch đại thuật toán tín hiệu sai lệch hệ số khuếch đại theo cách nối chung khuếch đại thuật toán Thông thờng CMRR vào khoảng 90 dB - Tốc độ tăng hạn chế biến thiên cực đại điện áp tính V/às b) Bộ khuếch đại đo lờng IA Bộ khuếch đại đo lờng IA có hai đầu vào đầu Tín hiệu đầu tỷ lệ với hiệu hai điện áp đầu vào: U = A(U + − U − ) = A∆U - 21- U1 − − + R3 10k R2 10k + R 10k Ra 1k − + R 10k + U3 Đầu R2 10k R3 190k U2 Hình 1.13 Sơ đồ khuếch đại đo lờng gồm ba KĐTT ghép nối điện trở Đầu vào vi sai ®ãng vai trß rÊt quan träng viƯc khư nhiƠu chế độ chung tăng điện trở vào KĐTT Điện áp Ra phải điện áp vi sai đầu vào U tạo nên dòng điện i = U Các điện áp từ KĐTT U1 U2 phải Ra biên độ nhng ngợc pha Điện áp U3 tầng thứ hai biến đổi đầu vi sai thành đầu đơn cực Hệ số khuếch đại tổng IA bằng: 2R ⎞ R A = ⎜1 + ⎜ R ⎟R a c) Khử điện áp lệch §èi víi mét bé khuÕch K§TT lý t−ëng hë mạch phải có điện áp không hai đầu vào nối mát Thực tế điện áp bên nên tạo điện áp nhỏ (điện áp phân cực) đầu vào KĐTT cỡ vài mV, nhng sử dụng mạch kín điện áp đợc khuếch đại tạo nên điện áp lớn đầu Để khử điện áp lệch sử dụng sơ đồ hình 1.14, cách điều chỉnh biến trë R3 + 9V + − 714 - 9V R2 100k R3 10k Đầu R1 1,01k Đầu vào Hình 1.14 Sơ đồ mạch khử điện áp lệch - 22- d) Mạch lặp lại điện áp Để lặp lại điện áp xác, ngời ta sử dụng KĐTT làm việc chế độ không đảo với hệ số khuếch đại sơ đồ nh hình 1.15 + 9V + 714 - 9V Đầu Đầu vào Hình 1.15 Sơ đồ mạch lặp điện áp Trong lặp điện áp, cực dơng KĐTT đợc nối trực tiếp với tín hiệu vào, cực âm đợc nối trực tiếp với đầu ra, tạo nên điện áp phản hồi 100% hệ số khuếch đại Mạch lặp điện áp có chức tăng điện trở đầu vào, thờng dùng để nối hai khâu mạch đo e) Mạch cầu Cầu Wheatstone thờng đợc sử dụng mạch đo nhiệt độ, lực, áp suất, từ trờng Cầu gồm bốn điện trở R1, R2, R3 cố định R4 thay đổi (mắc nh hình 1.16) hoạt động nh cầu không cân dựa việc phát điện áp qua đờng chÐo cđa cÇu R1 R3 U + R2 R4 = R(1+) Vra Hình 1.15 Sơ đồ mạch cầu Trong mạch cầu, điện áp hàm phi tuyến nhng ®èi víi biÕn ®ỉi nhá (∆> R2 R2 >> R1 điện áp cầu giảm Đặt K = R1/R2 độ nhạy cầu lµ: α= U K R (1 + k )2 - 23- - 24- ... cảm biến Trên bảng 1.1 giới thiệu đại lợng cần đo có khả làm thay đổi tính chất điện vật liệu sử dụng chế tạo cảm biến Bảng 1.1 Đại lợng cần đo Nhiệt độ Đặc trng nhạy cảm Loại vật liệu sử dụng... thuộc vào tần số cần phải xem xét sơ đồ mạch đo cảm biến cách tổng thể 1.3.2 Độ tuyến tính a) Khái niệm Một cảm biến đợc gọi tuyến tính dải đo xác định dải chế độ đó, độ nhạy không phụ thuộc vào... động đợc đặc trng thông số R, L, C, M tuyến tính phi tuyến 1.2 Đờng cong chuẩn cảm biến 1.2.1 Khái niệm Đờng cong chuẩn cảm biến đờng cong biểu diễn phụ thuộc đại lợng điện (s) đầu cảm biến vào giá