Tối ưu hóa hệ thống pptx

Tối ưu hóa hệ thống

Ở phần trước, chúng ta đã xét tới một số vấn đề cơ bản của
cảm biến điện dung như cơ chế hoạt động và khả năng ứng
dụng trong thực tế. Trong phần này chúng ta sẽ bàn luận
thêm cách thức tối ưu hóa hiệu suất của cảm biến điện dung
và làm rõ sự ảnh hưởng của vật liệu, hình dạng và kích thước
tới độ đáp ứng của cảm biến.
Ảnh hưởng của kích thước vật cần phát hiện
Kích thước của vật thể là điều đáng quan tâm đầu tiên khi lựa
chọn đầu dò phù hợp cho những ứng dụng cụ thể. Khi trường
điện cảm nhận được hội tụ bởi phần gác sẽ tạo ra một điện
trường hình nón có hình chiếu trên diện tích cảm nhận.
Đường kính nhỏ nhất của vật cần phát hiện thường bằng
130% diện tích cảm nhận. Đầu dò càng xa, khoảng phát hiện
càng nhỏ.

Hình 1. Có thể đo những
vật cách điện bằng cách
truyền một điện trường
lên chúng đến một vật
dẫn tĩnh phía dưới.
Hình 2. Không có vật
dẫn phía dưới, trường
viền có thể tạo ra thông
qua một vật cách điện và
khi đó sẽ phát hiện được
vật thể đó.
Thang đo

Thang mà trong đó đầu dò có hiệu quả và là hàm của kích
thước vùng cần phát hiện. Diện tích càng lớn, thang đo càng
lớn. Vì các động cơ điện tử thường được thiết kế cho một số
tụ gần với đầu dò, đầu dò nhỏ hơn cần phải ở một khoảng
cách đủ gần so với vật cần phát hiện để có thể thu được
lượng điện dung mong muốn. Nói chung, khoảng cách lớn
nhất mà ở đó đầu dò có thể sử dụng được là khoảng 40% của
đường kính của diện tích nhạy cảm. Các phép chuẩn hay gặp
thường giữ khoảng cách này ở một giá trị nhỏ hơn giá trị tính
toán trên một chút. Mặc dù các mạch điện tử có thể tự cân
chỉnh trong quá trình chuẩn thiết bị nhưng dẫu sao vẫn nên
có thang chuẩn giới hạn.
Phát hiện trên nhiều kênh
Thông thường, mộtđối tượng được đo một cách đồng thời
bằng nhiều đầu dò. Vì hệ thống đo sự thay đổi về điện trường
nên điện thế kích thích cho mỗi đầu dò cần được đồng bộ hóa
nếu không chúng sẽ gây ra hiện tượng nhiễu loạn lẫn nhau.
Khi không được đồng bộ hóa, một đầu dò sẽ làm tăng trường
điện trong khi một đầu dò khác sẽ làm giảm giá trị này và dĩ
nhiên kết quả lối ra sẽ không còn chính xác nữa. Các mạch
điện tử điều khiển có thể được lên cấu hình thành bộ phận
chủ hoặc tới đầu dò làm chủ sẽ thiết lập sự đồng bộ hóa cho
các đầu dò tới trong các hệ thống đo đa kênh.
Ảnh hưởng của vật liệu của vật cần đo
Điện trường cảm biến thường dò tìm một bề mặt dẫn. Nghĩa
là khi vật cần phát hiện là một vật dẫn, cảm biến điện dung sẽ
không bị ảnh hưởng bởi các vật liệu đặc biệt cần phát hiện,
chúng sẽ đo lường mọi vật dẫn như: đồng thau, thép không
gỉ, nhôm hoặc nước muối ở cùng thời điểm. Vì điện trường
cảm biến sẽ dừng ở bề mặt của vật dẫn. Chiều dầy của vật

cần phát hiện cũng không làm ảnh hưởng đến các phép đo
lường.
Đo lường vật cách điện
Cảm biến điện dung thường được sử dụng để đo sự thay đổi
vị trí của một vật dẫn. Cảm biến loại này cũng có thể đo được
mật độ, độ dày và vị trí của một vật cách điện. Các vật liệu
cách điện như nhựa có hằng số điện môi khác với không khí.
Hằng số điện môi xác định mức độ ảnh hưởng của vật liệu
cách điện tới điện dung giữa hai vật dẫn. Khi đặt một vật
cách điện vào giữa đầu dò và vật cần xác định, điện trường đi
qua vật liệu và đến vật cần xác định phía dưới (hình 1). Sự có
mặt của vật liệu cách điện thay đổi tính điện môi và do đó
làm thay đổi diện dung giữa chúng. Điện dung sẽ thay đổi
một cách tương đối với bề dày hoặc mật độ của vật liệu.
Không phải lúc nào chúng ta cũng có đối tượng so sánh nằm
phía trước đầu đo. Thông thường, các phép đo được thực
hiện bởi một kỹ thuật tạm gọi là viền (hoặc dải) - hình 2.

Bảng 1. Hằng số điện môi của một vài vật liệu cách điện
thông thường
Nếu không có vật dẫn so sánh nằm trực diện với đầu dò, điện
trường cảm biến sẽ che phủ ngược lại phần thân của đầu dò.
Hiện tưởng này được gọi là trường viền. Nếu một vật liệu
điện môi được đặt cách đầu dò một khoảng cách đủ nhỏ, tính
chất điện môi sẽ thay đổi trong trường viền; hiệu ứng này
được dùng để cảm nhận và phát hiện các vật liệu cách điện.
Độ nhạy của cảm biến với vật cách điện tỷ lệ với hằng số
điện môi của vật liệu (bảng 1).
Tăng tối đa độ chính xác. Độ chính xác yêu cầu các phép đo
được thực thi ở cùng điều kiện khi chuẩn hóa cảm biến. Mỗi

khi cảm biến được chuẩn hóa tại nhà máy hoặc trong quá
trình sử dụng, các kết quả mang tính lặp lại phải có được từ
những điều kiện lặp lại. Nếu người sử dụng chỉ muốn khoảng
cách là thông số duy nhất cần để ý trong quá trình đo, thì
những thông số khác phải được đặt làm hằng số. Ở phần sau
này chúng ta sẽ bàn tới những nguồn phát sinh sai số và cách
làm hạn chế chúng.
Kích thước vật cần phát hiện. Trừ trường hợp đặc biệt, các
phép chuẩn hóa tại nhà máy được thực hiện với một bề mặt
dẫn phẳng và có diện tích lớn hơn diện tích cảm nhận. Một
cảm biến được chuẩn hóa bằng cách này sẽ làm chính xác kết
quả thu được khi diện tích bề mặt dẫn điện lớn hơn 30% so
với diện dích cảm nhận. Nếu diện tích cần cảm nhận quá nhỏ,
điện trường sẽ trùm lên xung quanh vật đó, nghĩa là điện
trường phát triển xa hơn so với giá trị được chuẩn hóa và kết
quả nhận được có vẻ như vật thể ở xa hơn, hình 3. Trong
trường hợp này, đầu dò cần ở gần vật đích hơn để có được
cùng một điểm gốc (điểm 0). Vì khoảng cách này khác với
giá trị khi chuẩn hoá nên nó được coi là một trong những
nguyên nhân gây sai số của phép đo. Thêm vào đó, sai số
được tạo ra là do đầu dò không đo trên bề mặt phẳng nữa.
Nếu khoảng cách giữa đầu dò và đích được tính theo trục Z,
một vấnđề nữa phát sinh là cảm biến nhạy cả theo phương X
vàY trênđầu dò. Nếu khe hở được cố định, tín hiệu lối ra sẽ
thay đổi đáng kể nếu đầu dò dịch chuyển cả theo chiều X và
Y vì điện trường, ngoài việc tập trung vào tâm của vật, còn
có tác động xunh quanh của nó nữa.
Hình dạng của vật đích. Hình dạng cũng là một yếu tố cần
quan tâm vì các đầu dò được chuẩn hóa trên các vật đích
phẳng, vì thế khi đo trên các bề mặt mấp mô dĩ nhiên sẽ có

sai số (hình 4). Khi đó đầu dò sẽ đo khoảng cách trung bình
tới vật cong, lúc này độ chênh tạo ra bởi khe hở sẽ khác với
giá trị 0.0 V khi hệ thống được chuẩn hóa. Sai số được tạo ra
là bởi những đáp ứng của điện trường với bề mặt cong. Khi
cần phải đo những bề mặt cong như vậy, cần phải cân chỉnh
và chuẩn hóa tại nhà máy với nhiều hình dạng khác nhau.
Một cách tương tự, khi sử dụng các phép căn chỉnh trên bề
mặt phẳng dùng cho những bề mặt cong, có thể thực hiện
nhiều phép đo để hiệu chỉnh giá trị đo được.

Hình 3. Đích không
mong muốn làm cho
trường cảm nhận phát
triển ra cả các chiều
khác là một trong những
nguyên nhân gây sai số.
Hình 4. Một đích không
bằng phẳng đòi hỏi đầu
dò ở gần hơn và như thế
độ nhạy sẽ bị ảnh hưởng
Lớp phủ bề mặt. Khi bề mặt vật đích không được hoàn thiện
một cách đồng đều và nhẵn hệ thống sẽ lấy trung bình trên
toàn bộ bề mặt, được che phủ bởi cảm biến, hình 5. Giá trị đo
có thể thay đổi khi đầu dò bị dịch chuyển qua bề mặt vì có sự
thay đổi về giá trị trung bình của bề mặt được tính toán trước
đó. Độ lớn của sai số phụ thuộc vào bản chất và sự cân đối
của bề mặt gồ ghề và dĩ nhiên là phụ thuộc vào độ lớn vùng
cảm nhận của cảm biến (tỷ lệ thuận).
Tính song song. Trong quá trình chuẩn hóa, bề mặt của cảm
biến song song với bề mặt của vật cần phát hiện. Nếu đầu dò

hoặc đích nghiêng đi một góc đáng kể thì hình dạng của điểm
nơi mà điện trường tác động lên đó sẽ kéo dài ra và thay đổi
tương tác của điện trường với đích (hình 6). Biểu hiện khác
nhau của từ trường chính là một trong những nguyên nhân
dẫn tới sai số phép đo. Ở độ phân giải rất cao, độ nghiêng chỉ
ở một vài độ thôi cũng đã dẫn đến những sai số rất lớn. Tính
song song phải được tính đến khi chúng ta thiết kế bộ gá đỡ
cho phép đo.
Môi trường. Mọi cảm biến điện dung đều nhạy với thay đổi
nhiệt độ. May thay, chúng thường được thiết kế và tích hợp
những bộ phận bù nhiệt nên sự thay đổi kết quả đo do nhiệt
độ trên toàn thang cũng nhờ đó được hạn chế. Điều đáng
quan tâm ở đây là vấn đề gặp phải khi mọi đích cần phát hiện
và bộ gá đều giãn nở hoặc bị cong do tác dụng của nhiệt độ.
Khi điều này xảy ra, sự thay đổi trong phép đo không phải sai
số của phần cảm nhận mà mà sự thay đổi thực chất về
khoảng cách giữa cảm biến và vật cần phát hiện. Thiết kế bộ
gá một cách kỹ lưỡng sẽ cho ta độ chính xác tối đa. Hằng số
điện môi của không khí bị ảnh hưởng bởi độ ẩm; khi độ ẩm
tăng; hằng số điện môi cũng tăng. Độ ẩm cũng tương tác với
vật liệu làm đầu dò. Sự thay đổi độ ẩm tương đối từ 50%-
80% có thể tạo ra sai số đến 0.5% toàn thang.

Hình 5. Với một đầu dò
rất nhỏ, kết quả đo sẽ
lấy trung bình trên bề
mặt ghồ ghề nhưng kết
quả đo sẽ rất khác nhau
ở những vị trí khác
Hình 6. Bề mặt gá đỡ

không song song cũng là
một trong những nguyên
nhân gây sai số.
nhau.

Trong khi chúng ta lựa chọn vật liệu làm đầu dò phù hợp để
giảm thiểu những sai số từ môi trường, thì thực tế lại đòi hỏi
độ chính xác cao nhất, khống chế đuợc nhiệt độ và độ ẩm.
Theo tiêu chuẩn quốc tế, chúng ta nên thực hiện các phép đo
ở 20°C hoặc cân chỉnh lại về giá trị 20°C.
Cảm biến điện dung cho phép thực hiện những phép đo ổn
định, độ phân giải cao cho phép giải quyết những khó khăn
trong đo lường. Hiểu rõ nguyên lý hoạt động, thuật ngữ và độ
nhạy sẽ dễ dàng hơn trong việc lựa chọn cảm biến điện dung
phù hợp nhất cho từng ứng dụng của bạn.