I. Cảm biến – Đặc điểm của cảm biến
1. Định nghĩa cảm biến
Cảm biến là một thiết bị chịu tác động của đại lượng không điện cần đo và cho ta một đại lượng điện có giá trị tương ứng.
Cảm biến là bộ phận đầu tiên và quan trọng nhất của dụng cụ đo.
thay đổi nhiều nhất tính chất của cảm biến.
Một cảm biến có một đại lượng chủ, nhưng để đo một đại lượng sẽ có nhiều cách đo khác nhau,
⇔ Có nhiều loại cảm biến cùng đo một đại lượng.
2.2. Các đại lượng ảnh hưởng là các đại lượng khác cùng tác động lên cảm biến nhưng không làm thay đổi ( hoặc làm thay đổi không đáng kể) tính chất điện của cảm biến còn gọi là đại lượng gây nhiễu.
Các đại lượng ảnh hưởng thường gặp và tác động của chúng có thể liệt kê như sau:
• Nhiệt độ làm ↝ các đặc trưng điện, cơ và kích thước của cảm biến.
• Áp suất, gia tốc, dao động có thể gây nên biến dạng và ứng suất trong một số phần tử cấu thành của cảm biến làm sai lệch tín hiệu hồi đáp.
• Độ ẩm có thể làm ↝ những tính chất điện của vật liệu như hằng số điện môi ε, điện trở suất ρ.
• Từ trường có thể gây nên suất điện động cảm ứng chồng lên tín hiệu có ích. Nó còn làm ↝ tính chất điện của vật liệu cấu thành cảm biến.
• Biên độ và tần số của điện áp cung cấp.
Các đại lượng ảnh hưởng này cần phải được giảm nhỏ đến mức thấp nhất.
diễn:
u = f(m).
u: đại lượng ra hoặc phản ứng của cảm biến, m: đại lượng vào hoặc kích thích.
• Thường người ta chế tạo cảm biến sao cho có sự liên hệ tuyến tính giữa biến thiên đầu ra Δu và biến thiên đầu vào Δm:
Δu = S.Δm
Một vấn đề quan trọng là khi thiết kế và sử dụng cảm biến phải làm sao cho độ nhạy của chúng S ≈ const,
⇔ S ít phụ thuộc vào các yếu tố sau:
• Giá trị của đại lượng cần đo m (độ tuyến tính), và tần số thay đổi của nó (dải thông),
• Thời gian sử dụng (độ già hóa),
• Ảnh hưởng của các đại lượng vật lý khác ( không phải là đại lượng đo) của môi trường xung quanh.
đại lượng đo được xác định
• Thông thường, nhà sản xuất cung cấp giá trị của S tương ứng với những điều kiện làm việc nhất định của cảm biến.
⇒ Người sử dụng lựa chọn được cảm biến thích hợp với những điều kiện của mạch đo.
Δu: biến thiên của đại lượng ở đầu ra
• Đơn vị đo của S phụ thuộc vào nguyên lý làm việc của cảm biến và các đại lượng liên quan.
⇔ phụ thuộc vào bản chất của đại lượng ra và đại lượng vào.
• Các cảm biến khác nhau cùng dựa trên một nguyên lý vật lý, trị số S có thể phụ thuộc vào vật liệu, kích thước hay kiểu lắp ráp.
Độ nhạy: Qi: điểm làm việc của cảm biến.
⇒ Độ nhạy trong chế độ tĩnh chính là độ dốc của đặc trưng tĩnh ở điểm làm việc.
• Nếu đặc trưng tĩnh không phải là tuyến tính thì độ nhạy trong chế độ tĩnh phụ thuộc vào điểm làm việc.
• Tỷ số: ri = (S/m)Qi gọi là tỷ số chuyển đổi tĩnh. ri không phụ thuộc vào Qi
ri = S khi đặc trưng tĩnh là đường thẳng đi qua gốc tọa độ.
b. Độ nhạy trong chế độ động
Độ nhạy trong chế độ động được xác định khi m là một hàm
tuần hoàn của thời gian và ở chế độ làm việc danh định u cũng là một hàm tuần hoàn của thời gian.
• Giả sử m có dạng: m(t) = m0 + m1cosωt
m0: hằng số; m1: biên độ;
f = ω/2π: tần số biến thiên của đại lượng đo.
• Ở đầu ra của cảm biến, hồi đáp u được mô tả:
u(t) = u0 + u1cos(ωt + φ),
u0: hằng số tương ứng với m0, xác định điểm Q0 trên đường cong chuẩn ở chế độ tĩnh,
u1: biên độ biến thiên ở đầu ra do thành phần biến thiên của đại lượng đo gây ra.
• Trong chế độ động, sự phụ thuộc của độ nhạy S vào tần số của đại lượng đo S(f) xác định đặc tính tần số của cảm biến.
• Sự biến thiên của độ nhạy là hàm số của tần số có nguồn gốc là do quán tính cơ, nhiệt hoặc điện của đầu đo (cảm biến và các thiết bị phụ trợ).
⇒ Chúng không thể cung cấp tức thời tín hiệu điện theo kịp với biến thiên của đại lượng đo.
⇒ Khi xét hồi đáp phụ thuộc vào tần số cần phải xem xét sơ đồ mạch đo của cảm biến một cách tổng thể.
2.5. Độ tuyến tính
Điều kiện tuyến tính: Một cảm biến được gọi là tuyến tính trong một dải đo xác định nếu trong dải đó độ nhạy không phụ thuộc vào giá trị của đại lượng đo.
Trong chế độ tĩnh:
• Độ tuyến tính thể hiện bằng các đoạn thẳng trên đặc tuyến tĩnh.
• Hoạt động của cảm biến là tuyến tính khi các thay đổi của đại lượng đo còn ở trong vùng xác định này. Trong chế độ động:
• Độ tuyến tính bao gồm sự phụ thuộc của độ nhạy ở chế độ tĩnh vào đại lượng đo m,
• Các thông số quyết định hồi đáp (như tần số riêng f0 của dao động không tắt, hệ số tắt dần) cũng không phụ thuộc vào đại lượng đo.
• Người làm thực nghiệm nhận được một loạt các điểm tương ứng ui, mi.
• Các điểm này không cùng nằm trên một đường thẳng dù về mặt lý thuyết cảm biến là tuyến tính (do sự không chính xác khi đo và những sai lệch khi chế tạo cảm biến).
Tuy nhiên từ các điểm đó, ta có thể tính được phương trình đường thẳng biểu diễn sự tuyến tính của cảm biến. Đường thẳng này gọi là đường thẳng tốt nhất.
Trong đó:
N: số điểm thực nghiệm đo chuẩn cảm biến.
Độ lệch tuyến tính: là khái niệm 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 %).
xem đại lượng ở đầu ra có theo kịp về thời gian với biến thiên của đại lượng đo không.
Thời gian hồi đáp là đại lượng xác định giá trị số của độ nhanh.
2.7. Giới hạn sử dụng của cảm biến
Giới hạn biến đổi:
• Mỗi cảm biến sẽ có một giới hạn biến đổi.
• Giới hạn biến đổi là giá trị lớn nhất của đại lượng vào mà cảm biến tiếp nhận được mà không bị méo và không hư hỏng.
Ngưỡng độ nhạy: là giá trị nhỏ nhất của đại lượng vào mà cảm biến có thể phát hiện được một cách chắc chắn.
của cảm biến.
Vùng không gây nên hư hỏng: khi các đại lượng đo vượt quá ngưỡng của vùng danh định, các đặc trưng của cảm biến bị thay đổi nhưng những thay đổi này có tính chất thuận nghịch (tức khi trở về vùng danh định thì các đặc trưng của cảm biến sẽ tìm lại được giá trị ban đầu).
Vùng không phá hủy: khi các đại lượng đo vượt quá ngưỡng của vùng không gây nên hư hỏng, các đặc trưng của cảm biến bị thay đổi, và sự thay đổi này không thuận nghịch. Cảm biến vẫn chưa bj phá hủy. Nếu muốn tiếp tục sử dụng cảm biến, ta cần phải tiến hành chuẩn lại.
3. Cảm biến tích cực và cảm biến thụ động
Cảm biến là một phần tử của mạch điện, có thể coi nó như một máy phát hay một trở kháng.
Cảm biến tích cực:
• Hoạt động như một máy phát,
• Nguyên lý hoạt động dựa trên hiệu ứng vật lý biến đổi một dạng năng lượng nào đó (nhiệt, cơ, bức xạ,…) thành năng lượng điện.
• Đại lượng đầu ra là điện tích, điện áp hay dòng điện.
một trong các thông số chủ yếu nhạy với đại lượng cần đo.
• Đại lượng đầu ra là điện trở, độ tự cảm hay điện dung.
II. Mạch đo