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

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.