CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ CẢM BIẾN 1.1 Khái niệm Theo định nghĩa rộng nhất, cảm biến là một đối tượng có mục đích là phát hiện các sự kiện hoặc thay đổi trong môi trường của nó, sau đó cung cấp đầu ra tương ứng. Cảm biến là một loại đầu dò; cảm biến có thể cung cấp nhiều loại đầu ra khác nhau, nhưng thường sử dụng tín hiệu điện hoặc quang học. Ví dụ, một cặp nhiệt điện tạo ra một điện áp đã biết (đầu ra) để đáp ứng với nhiệt độ của nó (môi trường).
Tương tự, một nhiệt kế thủy ngân trong ống thủy tinh chuyển đổi nhiệt độ đo được thành sự giãn nở và co lại của chất lỏng, có thể đọc được trên ống thủy tinh đã hiệu chuẩn. Các cảm biến được sử dụng trong các vật dụng hàng ngày như nút thang máy cảm ứng (cảm biến xúc giác) và đèn làm mờ hoặc sáng bằng cách chạm vào đế, bên cạnh vô số ứng dụng hầu hết mọi người không bao giờ nhận thức được. Với những tiến bộ trong vi xử lý và bộ vi điều khiển dễ sử dụng, việc sử dụng các cảm biến đã mở rộng ra ngoài các lĩnh vực nhiệt độ, đo áp suất hoặc lưu lượng, ví dụ như cảm biến MARG. Hơn nữa, các cảm biến tương tự như chiết áp và điện trở cảm ứng lực vẫn được sử dụng rộng rãi.
Các ứng dụng bao gồm trong sản xuất và máy móc, máy bay và hàng không vũ trụ, ô tô, y học và robot. Nó cũng được dùng trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta. Độ nhạy của cảm biến cho biết mức độ thay đổi đầu ra của cảm biến khi số lượng đầu vào được thay đổi. Ví dụ, nếu thủy ngân trong nhiệt kế di chuyển 1 cm khi nhiệt độ thay đổi 1°C, độ nhạy là 1 cm/°C (về cơ bản nó là độ dốc Dy/Dx giả sử đặc tính tuyến tính).
Một số cảm biến cũng có thể ảnh hưởng đến những gì chúng đo được; ví dụ, một nhiệt kế đo nhiệt độ phòng được đưa vào một cốc chất lỏng nóng sẽ làm lạnh chất lỏng trong khi chất lỏng làm nóng nhiệt kế. Cảm biến cần được thiết kế để ít ảnh hưởng đến những gì được đo; làm cho cảm biến nhỏ gọn hơn thường cải thiện được điều này và nó có thể mang lại các lợi thế khác. Quy trình công nghệ cho phép ngày càng nhiều cảm biến được sản xuất ở quy mô siêu nhỏ như cảm biến vi mô sử dụng công nghệ MEMS. Trong hầu hết các trường hợp, cảm biến vi mô đạt được tốc độ và độ nhạy cao hơn đáng kể so với các phương pháp tiếp cận vĩ mô.2 Phân loại cảm biến 1.1 Phân loại sai số đo Độ nhạy được định nghĩa là tỷ số giữa tín hiệu đầu ra và đặc tính đo được.
Ví dụ, nếu một cảm biến đo nhiệt độ và có đầu ra điện áp, thì độ nhạy là hằng số với đơn vị [V/K]; cảm biến này là tuyến tính vì tỷ lệ là không đổi tại tất cả các điểm của quá trình đo đạc. Để tín hiệu cảm biến tương tự (analog) được xử lý hoặc được sử dụng trong thiết bị kỹ thuật số (digital), nó cần được chuyển đổi sang tín hiệu kỹ thuật số, sử dụng bộ chuyển đổi tương tự sang kỹ thuật số.2 Sai lệch cảm biến Nếu cảm biến không lý tưởng, có thể quan sát thấy một số loại sai lệch: - Độ nhạy trong thực tế có thể khác với giá trị được chỉ định. Đây được gọi là độ nhạy lỗi. - Vì phạm vi của tín hiệu đầu ra luôn bị giới hạn, tín hiệu đầu ra cuối cùng sẽ đạt mức tối thiểu hoặc tối đa khi đặc tính đo được vượt quá giới hạn.
Phạm vi thang đo đầy đủ xác định các giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của thuộc tính được đo. - Nếu tín hiệu đầu ra không bằng 0 khi đặc tính đo được bằng 0, cảm biến có độ lệch hoặc thiên vị được định nghĩa khi đầu ra của cảm biến ở đầu vào bằng không. - Nếu độ nhạy không đổi trong phạm vi của cảm biến, điều này được gọi là độ phi tuyến tính. Thông thường, điều này được xác định bằng số lượng đầu ra khác với hoạt động lý tưởng trên toàn bộ phạm vi của cảm biến, thường được ghi nhận là phần trăm của toàn bộ phạm vi.
- Nếu độ lệch được gây ra bởi sự thay đổi nhanh chóng của đặc tính đo được theo thời gian, thì có lỗi động. Thông thường, biểu hiện này được mô tả bằng một biểu đồ mã hiển thị lỗi độ nhạy và dịch pha như một hàm của tần số của tín hiệu đầu vào tuần hoàn. - Nếu tín hiệu đầu ra thay đổi chậm độc lập với thuộc tính đo được, điều này được xác định như sự trôi dạt (trong lĩnh vực viễn thông). Độ trôi dài hạn thường cho thấy sự xuống cấp chậm của các đặc tính cảm biến trong một thời gian dài.
- Nhiễu là độ lệch ngẫu nhiên của tín hiệu thay đổi theo thời gian. 8 - Độ trễ là một lỗi gây ra bởi khi đặc tính được đo đảo ngược hướng, nhưng ở đó là một số độ trễ hữu hạn trong thời gian để cảm biến phản hồi, tạo ra một lỗi bù khác nhau trong một hướng này hơn hướng khác. Nếu cảm biến có đầu ra dạng kỹ thuật số, đầu ra về cơ bản là giá trị gần đúng của thuộc tính được đo. Sai số xấp xỉ còn được gọi là lỗi số hóa.
- Nếu tín hiệu được giám sát dạng kỹ thuật số, việc giới hạn tần số lấy mẫu cũng có thể gây ra lỗi động, hoặc nếu biến (hoặc nhiễu) thêm vào thay đổi định kỳ ở tần số (gần nhiều tỷ lệ lấy mẫu) có thể gây ra lỗi răng cưa. - Ở một mức độ nào đó, cảm biến có thể nhạy cảm với các đặc tính khác với đặc tính được đo. Ví dụ, hầu hết các cảm biến bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ của môi trường của chúng. Tất cả những sai lệch này có thể được phân loại là sai số hệ thống hoặc sai số ngẫu nhiên.
Các lỗi hệ thống có thể đôi khi được bù đắp bằng một số cách hiệu chuẩn. Nhiễu tiếng ồn là lỗi ngẫu nhiên có thể được giảm bớt bằng cách xử lý tín hiệu, chẳng hạn như lọc, thường là do hoạt động động của cảm biến. Độ phân giải của cảm biến là sự thay đổi nhỏ nhất mà nó có thể phát hiện được về đại lượng mà nó đang đo. Thông thường trong màn hình kỹ thuật số, chữ số ít quan trọng nhất sẽ dao động, cho biết những thay đổi của độ lớn chỉ được giải quyết.
Độ phân giải liên quan đến độ chính xác mà phép đo được thực hiện. Ví dụ, một đầu dò trong kính hiển vi đường hầm quét (một đầu nhỏ gần bề mặt thu thập một dòng điện đường hầm electron) có thể phân giải mức độ các nguyên tử và phân tử.3 Các loại cảm biến khác nhau Xét về phân loại theo chức năng, trong thực tế có những cảm biến sau: - Cảm biến áp suất - Thiết bị cảm biến sóng siêu âm - Cảm biến độ ẩm - Cảm biến khí - Cảm biến chuyển động PIR 9 - Cảm biến gia tốc - Cảm biến thuyên - Cảm biến đo lực - Cảm biến màu sắc - Cảm biến con quay hồi chuyển Hình 1.1: Hình ảnh các loại cảm biến 1.4 Cảm biến trong tự nhiên Tất cả các cơ thể sống đều chứa các cảm biến sinh học với các chức năng tương tự như các cảm biến cơ của các thiết bị được mô tả. Hầu hết trong số này là các tế bào chuyên biệt nhạy cảm với: - Ánh sáng, chuyển động, nhiệt độ, từ trường, trọng lực, độ ẩm, độ rung, áp suất, điện trường, âm thanh và các khía cạnh vật lý khác của môi trường bên ngoài 10 - Các khía cạnh vật lý của môi trường bên trong, chẳng hạn như sự co giãn, chuyển động của sinh vật, và vị trí của phần phụ (proprioception) - Các phân tử môi trường, bao gồm độc tố, chất dinh dưỡng và pheromone - Ước tính tương tác giữa các phân tử sinh học và một số thông số động học - Các chỉ số trao đổi chất bên trong, chẳng hạn như mức glucose, mức oxy hoặc nồng độ thẩm thấu - Các phân tử tín hiệu bên trong, chẳng hạn như hormone, chất dẫn truyền thần kinh và cytokine - Sự khác biệt giữa protein của chính sinh vật và của môi trường hoặc sinh vật ngoại lai.5 Cảm biến hóa học Cảm biến hóa học là một thiết bị phân tích độc lập có thể cung cấp thông tin về thành phần hóa học của môi trường của nó, nghĩa là, một chất lỏng hoặc một pha khí. Thông tin được cung cấp dưới dạng tín hiệu vật lý có thể đo được tương quan với nồng độ của một số loại hóa chất nhất định (được gọi là chất phân tích).
Hai bước chính liên quan đến hoạt động của một cảm biến hóa học, cụ thể là nhận dạng và truyền tải. Trong bước nhận biết, các phân tử chất phân tích tương tác có chọn lọc với các phân tử hoặc vị trí thụ thể có trong cấu trúc của phần tử nhận dạng của cảm biến. Do đó, một thông số vật lý đặc trưng khác nhau và sự biến đổi này là được báo bằng bộ chuyển đổi tích hợp tạo ra tín hiệu đầu ra. Một cảm biến hóa học dựa trên vật liệu nhận biết có bản chất sinh học là cảm biến sinh học.
Tuy nhiên, vì các vật liệu phỏng sinh học tổng hợp sẽ thay thế ở một mức độ nào đó mà các vật liệu sinh học đã được công nhận, một sự khác biệt rõ ràng giữa cảm biến sinh học và cảm biến hóa học tiêu chuẩn là không cần thiết. Vật liệu phỏng sinh học điển hình được sử dụng trong phát triển cảm biến là các polyme và aptame được in dấu phân tử.6 Cảm biến sinh học Trong y sinh và công nghệ sinh học, các cảm biến phát hiện chất phân tích nhờ một thành phần sinh học, chẳng hạn như tế bào, protein, axit nucleic hoặc polyme phỏng sinh học, được gọi là cảm biến sinh học. Trong khi một cảm biến không sinh học, thậm chí hữu cơ (hóa học cacbon), cho các chất phân tích sinh học được gọi là cảm biến hoặc cảm biến nano. Thuật ngữ này áp dụng cho các ứng dụng cả in-vitro và in-vivo.
Sự đóng gói của thành phần sinh học trong cảm biến sinh học, thể hiện một chút vấn đề khác nhau mà cảm 11 biến thông thường điều này có thể được thực hiện bằng phương pháp bán thấm rào cản, chẳng hạn như màng thẩm tách hoặc hydrogel, hoặc ma trận polyme 3D.2: Cảm biến nhận dạng vân tay CHƯƠNG II. PHẦN MỀM VÀ PHẦN CỨNG ARDUINO 2.