Chương I Các Khái niệm và đặc trưng cơ bản 1. Khái niệm và phân loại cảm biến 1. Khái niệm Cảm biến là thiết bị dùng để cảm nhận biến đổi các đại lượng vật lý và các đại lượng không có tính chất điện cần đo thành các đại lượng điện có thể đo và xử lý được. Các đại lượng cần đo (m) thường không có tính chất điện (như nhiệt độ, áp suất .) tác động lên cảm biến cho ta một đặc trưng (s) mang tính chất điện (như điện tích, điện áp, dòng điện hoặc trở kháng) chứa đựng thông tin cho phép xác định giá trị của đại lượng đo.
Đặc trưng (s) là hàm của đại lượng cần đo (m): s = F (m ) (1.1) Người ta gọi (s) là đại lượng đầu ra hoặc là phản ứng của cảm biến, (m) là đại lượng đầu vào hay kích thích (có nguồn gốc là đại lượng cần đo). Thông qua đo đạc (s) cho phép nhận biết giá trị của (m). Phân loại cảm biến Các bộ cảm biến được phân loại theo các đặc trưng cơ bản sau đây: - Theo nguyên lý chuyển đổi giữa đáp ứng và kích thích (bảng 1.1 Hiện tượng Chuyển đổi đáp ứng và kích thích - Nhiệt điện - Quang điện - Quang từ Hiện tượng 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 - Hiệu ứng trên cơ thể sống. - Phân loại theo dạng kích thích (bảng 1.2 - Biên pha, phân cực Âm thanh - Phổ - Tốc độ truyền sóng. - Điện tích, dòng điện Điện - Điện thế, điện áp - Điện trường (biên, pha, phân cực, phổ) - Điện dẫn, hằng số điện môi. - Từ trường (biên, pha, phân cực, phổ) Từ - Từ thông, cường độ từ trường - Độ từ thẩm.
- Biên, pha, phân cực, phổ Quang - Tốc độ truyền - Hệ số phát xạ, khúc xạ - Hệ số hấp thụ, hệ số bức xạ. - Vị trí - Lực, áp suất - Gia tốc, vận tốc Cơ - ứng suất, độ cứng - Mô men - Khối lượng, tỉ trọng - Vận tốc chất lưu, độ nhớt. - Nhiệt độ Nhiệt - Thông lượng - Nhiệt dung, tỉ nhiệt. - Kiểu Bức xạ - Năng lượng - Cường độ.
- Theo tính năng của bộ cảm biến (bảng 1.3 - Độ nhạy - Khả năng quá tải - Độ chính xác - Tốc độ đáp ứng - Độ phân giải - Độ ổn định - Độ chọn lọc - Tuổi thọ - Độ tuyến tính - Điều kiện môi trường - Công suất tiêu thụ - Kích thước, trọng lượng - Dải tần - Độ trễ - Phân loại theo phạm vi sử dụng ( bảng 1.4 - Công nghiệp - Nghiên cứu khoa học - Môi trường, khí tượng - Thông tin, viễn thông - Nông nghiệp - Dân dụng - Giao thông - Vũ trụ - Quân sự - Phân loại theo thông số của mô hình mạch thay thế : + Cảm biến tích cực có đầu ra là nguồn áp hoặc nguồn dòng. + Cảm biến thụ động được đặc trưng bằng các thông số R, L, C, M. tuyến tính hoặc phi tuyến. Đường cong chuẩn của cảm biến 1.
Khái niệm Đường cong chuẩn cảm biến là đường cong biểu diễn sự phụ thuộc của đại lượng điện thể biểu diễn bằng biểu thức đại số dưới dạng s = F (m ) , hoặc bằng đồ thị như hình 1. Đường cong chuẩn có s s si Hình 1.1 ng cong chu n c m bi n a) D ng ng cong chu n b) ng cong chu n c a c m bi n tuy n tính Dựa vào đường cong chuẩn của cảm biến, ta có thể xác định giá trị mi chưa biết của m thông qua giá trị đo được si của s. Để dễ sử dụng, người ta thường chế tạo cảm biến có sự phụ thuộc tuyến tính giữa đại lượng đầu ra và đại lượng đầu vào, phương trình s= F(m) có dạng s = am +b với a, b là các hệ số, khi đó đường cong chuẩn là đường thẳng (hình 1. Phương pháp chuẩn cảm biến Chuẩn cảm biến là phép đo nhằm mục đích xác lập mối quan hệ giữa giá trị s đo được của đại lượng điện ở đầu ra và giá trị m của đại lượng đo có tính đến các yếu tố ảnh hưởng, trên cơ sở đó xây dựng đường cong chuẩn dưới dạng tường minh (đồ thị hoặc biểu thức đại số).
Khi chuẩn cảm biến, với một loạt giá trị đã biết chính xác mi của m, đo giá trị tương ứng si của s và dựng đường cong chuẩn.2 Ph ng pháp chu n c m bi n a) Chuẩn đơn giản Trong trường hợp đại lượng đo chỉ có một đại lượng vật lý duy nhất tác động lên một đại lượng đo xác định và cảm biến sử dụng không nhạy với tác động của các đại lượng ảnh hưởng, người ta dùng phương pháp chuẩn đơn giản. Thực chất của chuẩn đơn giản là đo các giá trị của đại lượng đầu ra ứng với các giá xác định không đổi của đại lượng đo ở đầu vào. Việc chuẩn được tiến hành theo hai cách: - Chuẩn trực tiếp: các giá trị khác nhau của đại lượng đo lấy từ các mẫu chuẩn hoặc các phần tử so sánh có giá trị biết trước với độ chính xác cao. - Chuẩn gián tiếp: kết hợp cảm biến cần chuẩn với một cảm biến so sánh đã có sẵn đường cong chuẩn, cả hai được đặt trong cùng điều kiện làm việc.
Khi tác động lên hai cảm biến với cùng một giá trị của đại lượng đo ta nhận được giá trị tương ứng của cảm biến so sánh và cảm biến cần chuẩn. Lặp lại tương tự với các giá trị khác của đại lượng đo cho phép ta xây dựng được đường cong chuẩn của cảm biến cần chuẩn. b) Chuẩn nhiều lần Khi cảm biến có phần tử bị trễ (trễ cơ hoặc trễ từ), giá trị đo được ở đầu ra phụ thuộc không những vào giá trị tức thời của đại lượng cần đo ở đầu vào mà còn phụ thuộc vào giá trị trước đó của của đại lượng này. Trong trường hợp như vậy, người ta áp dụng phương pháp chuẩn nhiều lần và tiến hành như sau: - Đặt lại điểm 0 của cảm biến: đại lượng cần đo và đại lượng đầu ra có giá trị tương ứng với điểm gốc, m=0 và s=0.
- Đo giá trị đầu ra theo một loạt giá trị tăng dần đến giá trị cực đại của đại lượng đo ở đầu vào. - Lặp lại quá trình đo với các giá trị giảm dần từ giá trị cực đại. Khi chuẩn nhiều lần cho phép xác định đường cong chuẩn theo cả hai hướng đo tăng dần và đo giảm dần. Các đặc trưng cơ bản 1.
Độ nhạy của cảm biến a) Khái niệm Đối với cảm biến tuyến tính, giữa biến thiên đầu ra Δs và biến thiên đầu vào Δm có sự liên hệ tuyến tính: Δs = S.2) Δs Đại lượng S xác định bởi biểu thức S = Δm được gọi là độ nhạy của cảm biến. Trường hợp tổng quát, biểu thức xác định độ nhạy S của cảm biến xung quanh giá trị mi của đại lượng đo xác định bởi tỷ số giữa biến thiên Δs của đại lượng đầu ra và biến thiên Δm tương ứng của đại lượng đo ở đầu vào quanh giá trị đó: ⎛ Δs ⎞ S=⎜ ⎟ ⎝ Δm ⎠ m = m i (1.3) Để phép đo đạt độ chính xác cao, khi thiết kế và sử dụng cảm biến cần làm sao cho độ nhạy S của nó không đổi, nghĩa là ít phụ thuộc nhất vào các yếu tố sau: - Giá trị của đại lượng cần đo m và tần số thay đổi của nó. - Thời gian sử dụng. - ảnh hưởng của các đại lượng vật lý khác (không phải là đại lượng đo) của môi trường xung quanh.
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. b) Độ nhạy trong chế độ tĩnh và tỷ số chuyển đổi tĩnh Đường chuẩn cảm biến, xây dựng trên cơ sở đo các giá trị si ở đầu ra tương ứng với các giá trị không đổi mi của đại lượng đo khi đại lượng này đạt đến chế độ làm việc danh định được gọi là đặc trưng tĩnh của cảm biến. Một điểm Qi(mi,si) trên đặc trưng tĩnh xác định một điểm làm việc của cảm biến ở chế độ tĩnh. Trong chế độ tĩnh, độ nhạy S xác định theo công thức (1.3) chính là độ đốc của đặc trưng tĩnh ở điểm làm việc đang xét.
Như vậy, nếu đặc trưng tĩnh không phải là tuyến tính thì độ nhạy trong chế độ tĩnh phụ thuộc điểm làm việc. Đại lượng ri xác định bởi tỷ số giữa giá trị si ở đầu ra và giá trị mi ở đầu vào được gọi là tỷ số chuyển đổi tĩnh: ⎛s⎞ ri = ⎜ ⎟ ⎝ m ⎠Q i (1.4), ta nhận thấy tỷ số chuyển đổi tĩnh ri không phụ thuộc vào điểm làm việc Qi và chỉ bằng S khi đặc trưng tĩnh là đường thẳng đi qua gốc toạ độ. c) Độ nhạy trong chế độ động Độ nhạy trong chế độ động được xác định khi đại lượng đo biến thiên tuần hoàn theo thời gian. Giả sử biến thiên của đại lượng đo m theo thời gian có dạng: m(t ) = m 0 + m 1 cos ωt (1.5) Trong đó m0 là giá trị không đổi, m1 là biên độ và ω tần số góc của biến thiên đại lượng đo.
ở đầu ra của cảm biến, hồi đáp s có dạng: s(t ) = s 0 + s1 cos(ωt + ϕ) Trong đó: - s0 là giá trị không đổi tương ứng với m0 xác định điểm làm việc Q0 trên đường cong chuẩn ở chế độ tĩnh. - s1 là biên độ biến thiên ở đầu ra do thành phần biến thiên của đại lượng đo gây nên. - ϕ là độ lệch pha giữa đại lượng đầu vào và đại lượng đầu ra. Trong chế độ động, độ nhạy S của cảm biến được xác định bởi tỉ số giữa biên độ của biến thiên đầu ra s1 và biên độ của biến thiên đầu vào m1 ứng với điểm làm việc được xét Q0, theo công thức: ⎛s ⎞ S = ⎜⎜ 1 ⎟⎟ ⎝ m1 ⎠Q Độ nhạy trong chế độ động phụ thuộc vào tần số đại lượng đo, S = S(f ).
Sự biến thiên 0 của độ nhạy theo tần số có nguồn gốc là do quán tính cơ, nhiệt hoặc điện của đầu đo, tức là của cảm biến và các thiết bị phụ trợ, chúng không thể cung cấp tức thời tín hiệu điện theo kịp biến thiên của đại lượng đo.