- 1.2 Phân loại cảm biến. - 1.2.1 Cảm biến tích cực. - 1.2.2 Cảm biến thụ động. - 1.3 Các đại lượng ảnh hưởng. - 1.6 Chuẩn cảm biến. - 1.10 Giới hạn sử dụng cảm biến. - 1.11 Các yêu cầu của cảm biến. - 2 Cảm biến biến dạng 22 2.1 Các định nghĩa và nguyên lý chung. - 2.1.1 Định nghĩa một số đại lượng cơ học. - "Cảm biến". - Cảm biến được định nghĩa như một dụng cụ 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. - Ứng dụng của cảm biến biến dạng không chỉ giới hạn ở việc đo ứng lực cơ học. - Trên thực tế, tất cả các đại lượng vật lý, đặc biệt là các đại lượng cơ học, đều có thể đo được bằng đầu đo biến dạng nếu tác động của chúng lên một vật trung gian làm cho vật này bị biến dạng. - Thí dụ, các đại lượng như áp suất, lực, gia tốc đều có thể đo được bằng đầu đo biến dạng. - Trong công nghiệp, các đại lượng cảm biến thường dùng như loại cảm biến có đầu đo điện trở kim loại, đầu đo điện trở bán dẫn-áp điện trở, ứng suất kế dây rung và các đầu đo dùng trong chế độ động. - Trong giới hạn tiểu luận này, tôi chỉ xét tới cảm biến đầu đo điện trở kim loại.. - Các đại lượng vật lý là đối tượng đo lường như nhiệt độ, áp suất,. - được gọi là đại lượng cần đo, kí hiệu là m. - Sau khi tiến hành các công đoạn thực nghiệm để đo m (dùng các phương tiện điện để xử lý tín hiệu) ta nhận được đại lượng điện tương ứng ở đầu ra. - Đại lượng điện này cùng với sự biến đổi của nó chứa đựng tất cả các thông tin cần thiết để nhận biết m. - Việc đo đạc m thực hiện được là nhờ sử dụng các cảm biến.. - Cảm biến là một thiết bị chịu tác động của đại lượng cần đo m không có tính chất điện và cho ta một đặc trưng mang bản chất điện (như điện tích, điện áp, dòng điện hoặc trở kháng) ký hiệu là s. - Đặc trưng điện s là hàm của đại lượng cần đo m:. - trong đó s là đại lượng đầu ra hoặc phản ứng của cảm biến và m là đại lượng đầu vào hay kích thích (có nguồn gốc là đại lượng cần đo). - trong đó S là độ nhạy của cảm biến.. - Giá trị của đại lượng cần đo m (độ tuyến tính) và tần số thay đổi của nó (dải thông),. - Ảnh hưởng của các đại lượng vật lý khác (không phải là đại lượng đo) của môi trường xung quanh.. - Dựa trên nguyên tắc hoạt động, cảm biến được phân thành 2 loại:. - Cảm biến tích cực và cảm biến thụ động.. - Hiệu ứng này được ứng dụng để xác định lực hoặc các đại lượng gây nên lực tác dụng vào vật liệu áp điện (áp suất, gia tốc. - 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. - Vì vậy, giá trị của trở kháng thay đổi dưới tác dụng của đại lượng đo ảnh hưởng riêng biệt đến kích thước hình học, tính chất điện hoặc ảnh hưởng đồng thời đến kích thước hình học và tính chất điện của vật liệu.. - Thông số hình học hoặc kích thước của trở kháng có thể thay đổi nếu cảm biến có phần từ chuyển động hoặc phần tử biến dạng. - Trong trường hợp thứ hai, cảm biến có 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. - Phụ thuộc vào bản chất của các vật liệu khác nhau, tính chất điện của chúng có thể nhạy với nhiều đại lượng vật lý như nhiệt độ, độ chiếu sáng, áp suất, độ ẩm. - Nếu chỉ có một trong số các đại lượng nêu trên có thể thay đổi và tất cả các đại lượng khác được giữ không đổi, chúng ta sẽ thiết lập được sự tương ứng đơn trị giữa giá trị của đại lượng này và trở kháng của cảm biến.. - Trở kháng của cảm biến thụ động và sự thay đổi của trở kháng dưới tác dụng của đại lượng cần đo chỉ có thể xác định được khi cảm biến là một thành phần trong một mạch điện. - Trong khi dùng cảm biến để các định một đại lượng cần đo, không phải chỉ có một đại lượng này tác động đến cảm biến. - Trên thực tế, ngoài đại lượng cần đo còn có nhiều đại lượng vật lý khác có thể gây. - Những đại lượng này gọi là đại lượng ảnh hưởng hoặc đại lượng gây nhiễu. - Thí dụ, nhiệt độ là đại lượng ảnh hưởng của cảm biến quang (quang trở), từ trường là đại lượng ảnh hưởng của cảm biến nhiệt (điện trở của Ge).. - Sau đây là các đại lượng ảnh hưởng thường gặp và tác động của chúng:. - Biên độ và tần số của điện áp nuôi, thí dụ trường hợp biến thế vi sai ảnh hưởng đến đại lượng điện ở đầu ra.. - Nếu gọi các đại lượng ảnh hưởng là g 1 , g 2. - s = F (m) giữa đại lượng điện ở đầu ra s và đại lượng đo m ở đầu vào được viết lại như sau:. - Giảm ảnh hưởng của các đại lượng g 1 , g 2. - Ổn định các đại lượng ảnh hưởng ở những giá trị biết trước và chuẩn cảm biến trong những điều kiện đó.. - Sử dụng các sơ đồ ghép nối cho phép bù trừ ảnh hưởng của đại lượng gây nhiễu.. - Mạch đo bao gồm toàn bộ các thiết bị đo (kể cả cảm biến) cho phép xác định chính xác đại lượng cần đo trong những điều kiện tốt nhất có thể.. - Ở đầu vào của mạch, cảm biến chịu tác động của đại lượng cần đo, gây nên tín hiệu điện mang theo thông tin về đại lượng cần đo.. - Ở đầu ra của mạch, tín hiệu điện đã qua xử lý được chuyển đổi sang dạng có thể đọc được trực tiếp giá trị cần tìm của đại lượng đo. - Việc chuẩn hệ đo đảm bảo cho mỗi giá trị chỉ thị ở đầu ra tương ứng với một giá trị của đại lượng đo tác động ở đầu vào của mạch. - Sai số của phép đo chỉ có thể được đánh giá một cách ước tính vì không thể biết giá trị thực của đại lượng đo.. - Sai số do giá trị của đại lượng chuẩn không đúng. - Sai số do các đại lượng ảnh hưởng.. - giá trị xác suất thường gặp của đại lượng đo gần với giá trị thực.. - Độ chính xác là đặc trưng của thiết bị cho các kết quả đo đơn lẻ gần với giá trị thực của đại lượng đo. - Chuẩn cảm biến có mục đích diễn giải tường minh, dưới dạng đồ thị hoặc đại số, mối quan hệ giữa giá trị m của đại lượng đo và giá trị s đo được của đại lượng điện ở đầu ra có tính đến các thông số ảnh hưởng.. - Chuẩn đơn giản là phép đo trong đó chỉ có một đại lượng vật lý duy nhất tác động lên một đại lượng đo xác định và sử dụng một cảm biến không nhạy với các đại lượng ảnh hưởng và cũng không chịu tác động của các đại lượng này. - Trong điều kiện này, chuẩn cảm biến chính là kết hợp các giá trị hoàn toàn xác định của của đại lượng đo với các giá trị tương ứng của đại lượng điện ở đầu ra. - Khi cảm biến có chứa những phần tử có độ 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 đại lượng này. - Đặt lại điểm 0 của cảm biến: đại lượng cần đo và đại lượng đầu ra có các giá trị tương đương với điểm gốc, m = 0 và s = 0.. - Dựng lại đại lượng đầu ra bằng cách lúc đầu tăng giá trị của đại lượng cần đo ở đầu vào đến cực đại, sau đó giảm giá trị đo. - Các giá trị biết trước của đại lượng cần đo cho phép xác định đường cong chuẩn theo cả hai hướng đo tăng dần và giảm dần.. - Cần lưu ý các tính chất vật lý của vật liệu chịu tác động của đại lượng cần đo có thể là một trong những thông số quyết định ảnh hưởng đến hồi đáp của cảm biến.. - Độ nhạy S xung quanh một giá trị không đổi m i của đại lượng đo được xác định bởi tỷ số giữa biến thiên 4s của đại lượng ở đầu ra và biến thiên 4m tương ứng của đại lượng đo ở đầu vào.. - Đơn vị đo của độ nhạy phụ thuộc vào nguyên lý làm việc của cảm biến và các đại lượng liên quan, ví dụ. - Ngoài ra, độ nhạy có thể là hàm của các thông số bổ sung nếu như các thông số này ảnh hưởng đến hồi đáp của cảm biến.. - Chuẩn cảm biến ở chế độ tĩnh là dựng lại các giá trị s i của đại lượng điện ở đầu ra tương ứng với các giá trị không đổi mi của đại lượng đo khi đại lượng này đạt chế độ làm việc danh định. - Tỷ số giữa giá trị s i ở đầu ra và giá trị m i tương ứng của đại lượng đo ở đầu vào gọi là tỷ số chuyển đổi tĩnh r i. - Độ nhạy trong chế độ động được xác định khi đại lượng đo là hàm tuần hoàn của thời gian. - Trong điều kiện như vậy, đại lượng đầu ra s ở chế độ làm việc danh định cũng là hàm tuần hoàn của thời gian giống như đại lượng đo.. - Trong chế độ động sự phụ thuộc của độ nhạy 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 của tần số, nói chung, 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 vì chúng không thể cung cấp tức thời tín hiệu điện theo kịp với biến thiên của đại lượng đo. - 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.. - Nếu cảm biến không phải là tuyến tính, người ta có thể đưa vào mạch đo các thiết bị hiệu chỉnh, gọi là tuyến tính hóa, có tác dụng làm cho tín hiệu điện tỷ lệ với sự thay đổi của đại lượng đo.. - Tuy nhiên, từ các điểm thực nghiệm có thể tính được phương trình đường thẳng biểu diễn sự tuyến tính của cảm biến.. - N Σm 2 i − (Σm i ) 2 , với N là số điểm thực nghiệm đo chuẩn cảm biến.. - Độ nhanh là đặc trưng của cảm biến cho phép đánh giá xem đại lượng đầu ra có theo kịp về thời gian với biến thiên của đại lượng đo không. - Thời gian hồi đáp là đại lượng được sử dụng để xác định giá trị số của độ nhanh.. - Độ nhanh t r là khoảng thời gian từ khi đại lượng đo thay đổi đột ngột đến khi biến thiên của đại lượng ra s của cảm biến chỉ còn khác giá trị cuối cùng một lượng giới hạn quy định ε%.. - Cảm biến càng nhanh thì thời gian hồi đáp của nó càng nhỏ. - Thời gian hồi đáp tương ứng với ε% xác định khoảng thời gian cần thiết phải chờ đợi sau khi có biến thiên của đại lượng đo để lấy giá trị s ở đầu ra với độ chính xác quy định trước. - Nếu các ứng lực này vượt quá ngưỡng cho phép, chúng sẽ làm thay đổi các đặc trưng làm việc của cảm biến. - Vùng làm việc danh định: Vùng này tương ứng với những điều kiện sử dụng bình thường của cảm biến. - Biên giới của vùng là các giá trị ngưỡng mà các đại lượng đo, các đại lượng vật lý có liên quan đến đại lượng đo hoặc các đại lượng ảnh hưởng có thể thường xuyên đạt tới mà không làm thay đổi các đặc trưng làm việc danh định của cảm biến.. - Vùng không gây nên hư hỏng: Khi các giá trị của đại lượng đo hoặc các đại lượng liên quan và các đại lượng ảnh hưởng vượt quá ngưỡng của vùng làm việc danh định nhưng vẫn còn trong phạm vi của vùng không gây nên hư hỏng, các đặc trưng của cảm biến có nguy cơ bị thay đổi nhưng những thay đổi này có tính chất thuận nghịch, tức là khi trở về vùng danh định thì các đặc trưng của cảm biến cũng sẽ tìm lại được giá trị ban đầu của chúng.. - Vùng không phá hủy: Khi các giá trị của đại lượng đo hoặc các đại lượng liên quan và các đại lượng ảnh hưởng vượt quá ngưỡng của vùng không gây nên hư hỏng nhưng vẫn còn trong phạm vi của vùng không phá hủy, các đặc trưng của cảm biến bị thay đổi và sự thay đổi này không thuận nghịch, tức là khi trở về vùng danh định thì các đặc trưng của cảm biến cũng sẽ không tìm lại được giá trị ban đầu của chúng. - Muốn có độ nhạy cao, sai số nhỏ, cảm biến cần có các tính chất sau:. - Có dải thay đổi đại lượng vào cần thiết,. - Ảnh hưởng ít nhất đến đại lượng đầu vào,. - Cảm biến biến dạng. - Giới hạn dưới bị hạn chế bởi nhiễu của cảm biến và của chất kết tinh dùng để gắn đầu đo với vật biến dạng.. - Kết quả là cảm biến cũng chịu một biến dạng như biến dạng của cấu trúc.. - Điện trở của cảm biến được biểu diễn bởi biểu thức R = ρ`/S . - Do chịu ảnh hưởng của biến dạng nên điện trở của cảm biến thay đổi đi một lượng ∆R, nghĩa là:. - Sự thay đổi điện trở của cảm biến bán dẫn có dạng:. - Điện trở của cảm biến là tổng điện trở của các đoạn dây dọc và. - Các cảm biến dùng để đo biến dạng cũng chính là các đầu đo biến dạng.