CHƯƠNG 1. CÁC KHÁI NIỆM VÀ ĐẶC TRƯNG CƠ BẢN CỦA CẢM BIẾN

KĨ THUẬT ĐO 2


Chương 1

CÁC KHÁI NIỆM VÀ ĐẶC TRƯNG CƠ BẢN VỀ CẢM BIẾN


I. KHÁI NIỆM
Cảm biến: là thiết bị dùng để cảm nhận biến đổi các đại lượng vật lý và các đại lượng khơng có tính
chất điện cần đo thành các đại lượng có thể đo và xử lý được

Các đại lượng cần đo thường khơng có tính chất điện ( nhiệt độ, vận tốc, áp suất,…) tác động lên cảm
biến cho ta một đặc trưng mang tính chất điện (điện tích, điện áp, dịng điện, trở kháng,…) chứa đựng
thơng tin cho phép xác định giá trị cần đo.

3


Cấu trúc của một dụng cụ đo không điện

 Cảm biến (sensor): thu nhận và biến đổi sự thay đổi của đại lượng không
điện thành sự thay đổi của đại lượng điện đầura.

 Mạch đo: gia cơng tín hiệu từ khâu chuyển đổi cho phù hợp với cơ cấu chỉ
thị. Bao gồm: khuếch đại, dịch mức, lọc, phối hợp trở kháng

 Cơ cấu chỉ thị: hiển thị kết quả đo (Số, kim, điện tử).

4

II. ĐẶC TRƯNG CƠ BẢN

2.1 Phương trình chuyển đổi

Đại lượng điện(Y) ở ngõ ra của chuyển đổi ln có thể biểu diễn theo ngõ vào không điện
(X) qua một hàm f.
Y = f(X)

Tác dụng của nhiễu: Y = f(X, X1, X2,…, Xn)
Trong đó X1, X2,… là những đại lượng nhiễu, do vậy điều kiện lý tưởng là các đại lượng
này bằng 0.

5


2.1 Phương trình chuyển đổi (tt)
Phương pháp chuẩn cảm biến (Calibration)
Chuẩn cảm biến là phép đo nhằm mục đích xác lập phương trình chuyển đổi của cảm biến hoặc dưới dạng
phương trình hoặc dạng đồ thị
Thực hiện phép đo với những tín hiệu ngõ vào xi xác định để tìm được ngõ ra yi → xây dựng đường đặc
tính
+ Chuẩn đơn giản: đại lượng đo chỉ có đlvl duy nhất tác động lên và cảm biến ko nhạy với tác động của các
đại lưởng ảnh hưởng. Đo giá trị ngõ ra ứng với giá trị ngõ vào không đổi. Tiến hành theo 2 pp: chuẩn trực tiếp
và chuẩn gián tiếp.
+ Chuẩn nhiều lần: áp dụng các cảm biến có tính trễ, xây dựng đường đặc tính khi ngõ vào tăng lên và xây
dựng đường đặc tính khi ngõ vào giảm xuống.

6

2.2 Độ nhạy
Độ nhạy: là tỷ số biến thiên đầu ra theo biến thiên đầu vào
Độ nhạy chủ đạo:
Độ nhạy chủ đạo Sx càng lớn tức khả năng đo được các đại lượng biến thiên đầu vào càng nhỏ đồng
nghĩa với chuyển đổi càng tốt

Độ nhạy phụ :
Độ nhạy phụ Sxi càng nhỏ tức ảnh hưởng của các đại lượng phụ (nhiễu) cảng nhỏ đồng nghĩa với
chuyển đổi càng tốt

7


2.2 Độ nhạy (tt)
Độ chọn lựa: tỷ lệ giữa độ nhạy chủ đạo và độ nhạy phụ
Cảm biến có Ki càng lớn thì càng tốt
Ví dụ: cho 2 cảm biến có độ nhạy như bảng sau:

Nên chọn cảm biến nào? Tại sao?


Chọn cảm biến 1

8


2.3 Ngưỡng độ nhạy và giới hạn đo
Ngưỡng độ nhạy: là độ biến thiên lớn nhất của ngõ vào mà ngõ ra chưa thay đổi
Y = f(X + ∆0) thì ∆0 càng nhỏ càng tốt

Giới hạn đo: là phạm vi biến thiên ngõ vào mà phương trình chuyển đổi cịn nghiệm đúng.
Khi lựa chọn cảm biến phải chọn cảm biến có giới hạn đo lớn hơn hoặc bằng khoảng muốn đo.

9


2.4 Độ tuyến tính
Một cảm biến được gọi là tuyến tính trong một dải đo xác định nếu trong dải đo đó độ nhạy khơng phụ
thuộc vào giá trị đo.

Nếu cảm biến khơng tuyến tính, người ta sử dụng các mạch đo để hiệu chỉnh thành tuyến tính gọi là sự
tuyến tính hóa.

10


2.4 Độ tuyến tính (tt)

Đường thẳng tốt nhất (Best Straight Line)
Khi chuẩn một cảm biến, người ta đo được các cặp giá trị ứng với ngõ ra và ngõ vào {xi, yi}.

11


2.4 Độ tuyến tính: Đường thẳng tốt nhất
Lý tưởng thì những giá trị này sẽ nằm trên một đường đặc trưng là đường thẳng
Thực nghiệm các điểm này không nằm trên cùng đuờng thẳng mà nằm trên1 đường gọi là đượng cong
chuẩn.

Đường thẳng được xây dựng từ kết quả thực nghiệm sao cho sai số là nhỏ nhất: đường thẳng tốt nhất.

12


2.5 Sai số
Sai số: là sai lệch giữa giá trị thực và giá trị đo được gồm sai số tuyệt đối và sai số tương đối
Có 3 lọai sai số chủ yếu trong chuyển đổi đại lượng đo lường không điện:
+ Sai số phi tuyến: là sai số xuất hiện trong kết quả đo do đặc tính chuyển đổi là phi tuyến.
Khắc phục: tuyến tính hóa đặc tính chuyển đổi

13


2.5 Sai số (tt)
+ Sai số phụ:

là sai số xuất hiện do ảnh hưởng của các đại lượng phụ.

Khắc phục: sử dụng cảm biến đúng trong môi trường theo yêu cầu của nhà sản xuất, Lọc nhiễu, Bù
nhiễu, Phối hợp tổng trở v.v…

+ Sai số ngưỡng : sai số do ngưỡng độ nhạy. Sai số này phụ thuộc vào công nghệ chế tạo nên khơng có
cách khắc phục.

14


III. PHÂN LOẠI CẢM BIẾN
Cảm biến có thể được phân loại theo 1 trong các tiêu chuẩn sau:

Yêu cầu về nguồn cung cấp:
- Tích cực và thụ động

 Trạng thái tín hiệu ra:
- Tương tự và số

Trạng thái đo lường
- Trạng thái lệch và cân bằng.

15


3.1 Cảm biến tích cực
Cảm biến tích cực: địi hỏi sự cung cấp năng lượng bên ngịai hay tín hiệu kích thích để tác động.
- Các cảm biến hoạt động như máy phát, đáp ứng là điện áp, điện tích hay dòng điện

Nguyên lý chuyển đổi: dựa trên các hiệu ứng vật lý biến đổi một dạng năng lượng nào đó (nhiệt, cơ
hoặc bức xạ) thành năng lượng điện.

16


3.1 Cảm biến tích cực (tt)
Hiệu ứng nhiệt điện:
Hiệu ứng áp điện:
Hiệu ứng cảm ứng điện từ
Hiệu ứng quang – điện – từ
Hiệu ứng quang điện
Hiệu ứng hoả điện

Hiệu ứng Hall
…

17


3.1 Cảm biến tích cực

18


3.1 Cảm biến tích cực

19


3.1 Cảm biến tích cực

20


3.1 Cảm biến tích cực

21


3.1 Cảm biến tích cực

22

3.1 Cảm biến tích cực (tt)

23


3.2 Cảm biến thụ động
Nguyên lý: Phát tín hiệu đáp trả lại sự tác động của kích thích bên ngịai mà khơng cần năng lượng cung cấp
từ bên ngịai.

Ví dụ: cặp nhiệt điện, chuyển đổi áp điện…
Chuyển đổi thụ động thường được chế tạo từ những trở kháng có thơng số chủ yếu nhạy với đại lượng cần
đo.

Đáp ứng cảm biến có thể là điện trở, độ tự cảm hoặc điện dung. Giá trị trở kháng phụ thuộc vào kích thước
hình học, tính chất điện của vật liệu chế tạo ( điện trở suất, độ từ thẩm, hằng số điện môi)

24


3.2 Cảm biến thụ động (tt)

25