Lý Thuyết Cơ Sở Về Cảm Biến

Cảm biến được định nghĩa như một thiết bị dùng để cảm nhận và biến đổi các đại lượng vật lý và các đại lượng không mang tính chất điện thành các đại lượng điện có thể đo được. Nó là thành phần quan trọng trong một thiết bị đo hay trong một hệ điều khiển tự động.

Đã từ lâu các bộ cảm biến được sử dụng như những bộ phận để cảm nhận và phát hiện, nhưng chỉ từ vài ba chục năm trở lại đây chúng mới thể hiện vai trò quan trọng trong kỹ thuật và công nghiệp đặc biệt là trong lĩnh vực đo lường, kiểm tra và điều khiển tự động. Nhờ các tiến bộ của khoa học và công nghệ trong lĩnh vực vật liệu, thiết bị điện tử và tin học, các cảm biến đã được giảm thiểu kích thước, cải thiện tính năng và ngày càng mở rộng phạm vi ứng dụng. Giờ đây không có một lĩnh vực nào mà ở đó không sử dụng cảm biến. Chúng có mặt trong các hệ thống tự động phức tạp, người máy, kiểm tra chất lượng sản phẩm, tiết kiệm năng lượng, chống ô nhiễm môi trường. Cảm biến cũng được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực giao thông vận tải, sản xuất hàng tiêu dùng, bảo quản thực phẩm, sản xuất ô tô …

Khái niệm và phân loại cảm biến

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) 

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

Tùy theo các đặc trưng phân loại, cảm biến có thể được chia thành nhiều loại khác nhau.

Theo nguyên lý chuyển đổi giữa đáp ứng và kích thích 

Hiện tượng	Chuyển đổi giữa đáp ứng-kích thích
Hiện tượng vật lý	Nhiệt điện Quang điện Quang từ Điện từ Quang đàn hồi Từ điện Nhiệt từ
Hoá học	Biến đổi hoá học Biến đổi điện hoá Phân tích phổ
Sinh học	Biến đổi sinh hoá Biến đổi vật lý Hiệu ứng trên cơ thể sống

Theo dạng kích thích 

Âm thanh	Biên pha, phân cực  Phổ  Tốc độ truyền sóng
Điện	Điện tích, dòng điện Điện thế, điện áp Điện trường (biên, pha, phân cực, phổ) Điện dẫn, hằng số điện môi …
Từ	Từ trường (biên, pha, phân cực, phổ) Từ thông, cường độ từ trường – Độ từ thẩm
Quang	Biên, pha, phân cực, phổ Tốc độ truyền Hệ số phát xạ, khúc xạ Hệ số hấp thụ, hệ số bức xạ
Cơ	Vị trí Lực, áp suất Gia tốc, vận tốc Ứng suất, độ cứng Mô men Khối lượng, tỉ trọng Vận tốc chất lưu, độ nhớt
Nhiệt	Nhiệt độ Thông lượng Nhiệt dung, tỉ nhiệt
Bức xạ	Kiểu Năng lượng Cường độ …

Theo tính năng của bộ cảm biến 

• Độ nhạy
• Độ chính xác
• Độ phân giải
• Độ chọn lọc
• Độ tuyến tính
• Công suất tiêu thụ
• Dải tần
• Khả năng quá tải
• Tốc độ đáp ứng
• Độ ổn định
• Tuổi thọ
• Điều kiện môi trường
• Kích thước, trọng lượng
• Độ trễ

Phân loại theo phạm vi sử dụng 

• 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

Khái niệm

Đường cong chuẩn cảm biến là đường cong biểu diễn sự phụ thuộc của đại lượng điện (s) ở đầu ra của cảm biến vào giá trị của đại lượng đo (m) ở đầu vào.

Đường cong chuẩn có thể biểu diễn bằng biểu thức đại số dưới dạng s = F(m), hoặc bằng đồ thị như hình sau:

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 b).

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.

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.

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 của cảm biến

Độ nhạy của cảm biến

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.Δm 

Đại lượng S xác định bởi biểu thức: S = Δs/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:

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.

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 ở phần trước 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:

Từ đó, 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.

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) = m0 + m1 cos ωt

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) = s0 + 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:

Độ nhạy trong chế độ động phụ thuộc vào tần số đại lượng đo, S = S(f) . Sự biến thiên 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. Bởi vậy khi xét sự hồi đáp có phụ thuộc vào tần số cần phải xem xét sơ đồ mạch đo của cảm biến một cách tổng thể.

Độ tuyến tính

Khái niệm

Một cảm biến được gọi là tuyến tính trong một dải đo xác định nếu trong dải chế độ đó, độ nhạy không phụ thuộc vào đại lượng đo.

Trong chế độ tĩnh, độ tuyến tính chính là sự không phụ thuộc của độ nhạy của cảm biến vào giá trị của đại lượng đo, thể hiện bởi các đoạn thẳng trên đặc trưng tĩnh của cảm biến và hoạt động của cảm biến là tuyến tính chừng nào đại lượng đo còn nằm trong vùng này.

Trong chế độ động, độ tuyến tính bao gồm sự không phụ thuộc của độ nhạy ở chế độ tĩnh S(0) vào đại lượng đo, đồng thời các thông số quyết định sự hồi đáp như tần số riêng f0 của dao động không tắt, hệ số tắt dần ξ cũng không phụ thuộc vào đại lượng đo.

Nếu cảm biến không tuyến tính, người ta đưa vào mạch đo các thiết bị hiệu chỉnh sao cho tín hiệu điện nhận được ở đầu ra tỉ lệ với sự thay đổi của đại lượng đo ở đầu vào. Sự hiệu chỉnh đó được gọi là sự tuyến tính hoá.

Đường thẳng tốt nhất

Khi chuẩn cảm biến, từ kết quả thực nghiệm ta nhận được một loạt điểm tương ứng (si,mi) của đại lượng đầu ra và đại lượng đầu vào. Về mặt lý thuyết, đối với các cảm biến tuyến tính, đường cong chuẩn là một đường thẳng. Tuy nhiên, do sai số khi đo, các điểm chuẩn (mi, si) nhận được bằng thực nghiệm thường không nằm trên cùng một đường thẳng.

Đường thẳng được xây dựng trên cơ sở các số liệu thực nghiệm sao cho sai số là bé nhất, biểu diễn sự tuyến tính của cảm biến được gọi là đường thẳng tốt nhất. Phương trình biểu diễn đường thẳng tốt nhất được lập bằng phương pháp bình phương bé nhất. Giả sử khi chuẩn cảm biến ta tiến hành với N điểm đo, phương trình có dạng: s = am + b

Trong đó:

Độ lệch tuyến tính

Đối với các cảm biến không hoàn toàn tuyến tính, người ta đưa ra khái niệm độ lệch tuyến tính, xác định bởi độ lệch cực đại giữa đường cong chuẩn và đường thẳng tốt nhất, tính bằng % trong dải đo.

Sai số và độ chính xác

Các bộ cảm biến cũng như các dụng cụ đo lường khác, ngoài đại lượng cần đo (cảm nhận) còn chịu tác động của nhiều đại lượng vật lý khác gây nên sai số giữa giá trị đo được và giá trị thực của đại lượng cần đo. Gọi Δx là độ lệch tuyệt đối giữa giá trị đo và giá trị thực x (sai số tuyệt đối), sai số tương đối của bộ cảm biến được tính bằng:

Sai số của bộ cảm biến mang tính chất ước tính bởi vì không thể biết chính xác giá trị thực của đại lượng cần đo. Khi đánh giá sai số của cảm biến, người ta thường phân chúng thành hai loại: sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên.

• Sai số hệ thống: là sai số không phụ thuộc vào số lần đo, có giá trị không đổi hoặc thay đổi chậm theo thời gian đo và thêm vào một độ lệch không đổi giữa giá trị thực và giá trị đo được. Sai số hệ thống thường do sự thiếu hiểu biết về hệ đo, do điều kiện sử dụng không tốt gây ra. Các nguyên nhân gây ra sai số hệ thống có thể là:

+ Do nguyên lý của cảm biến.

+ Do giá trị của đại lượng chuẩn không đúng.

+ Do đặc tính của bộ cảm biến.

+ Do điều kiện và chế độ sử dụng.

+ Do xử lý kết quả đo.

• Sai số ngẫu nhiên: là sai số xuất hiện có độ lớn và chiều không xác định. Ta có thể dự đoán được một số nguyên nhân gây ra sai số ngẫu nhiên nhưng không thể dự đoán được độ lớn và dấu của nó. Những nguyên nhân gây ra sai số ngẫu nhiên có thể là:

+ Do sự thay đổi đặc tính của thiết bị.

+ Do tín hiệu nhiễu ngẫu nhiên.

+ Do các đại lượng ảnh hưởng không được tính đến khi chuẩn cảm biến.

Chúng ta có thể giảm thiểu sai số ngẫu nhiên bằng một số biện pháp thực nghiệm thích hợp như bảo vệ các mạch đo tránh ảnh hưởng của nhiễu, tự động điều chỉnh điện áp nguồn nuôi, bù các ảnh hưởng nhiệt độ, tần số, vận hành đúng chế độ hoặc thực hiện phép đo lường thống kê.

Độ nhanh và thời gian hồi đáp

Độ nhanh là đặc trưng của cảm biến cho phép đánh giá khả năng theo kịp về thời gian của đại lượng đầu ra khi đại lượng đầu vào biến thiên. Thời gian hồi đáp là đại lượng được sử dụng để xác định giá trị số của độ nhanh.

Độ nhanh tr là khoảng thời gian từ khi đại lượng đo thay đổi đột ngột đến khi biến thiên của đại lượng đầu ra chỉ còn khác giá trị cuối cùng một lượng giới hạn ε tính bằng %. Thời gian hồi đáp tương ứng với ε% xác định khoảng thời gian cần thiết phải chờ đợi sau khi có sự biến thiên của đại lượng đo để lấy giá trị của đầu ra với độ chính xác định trước. Thời gian hồi đáp đặc trưng cho chế độ quá độ của cảm biến và là hàm của các thông số thời gian xác định chế độ này.

Trong trường hợp sự thay đổi của đại lượng đo có dạng bậc thang, các thông số thời gian gồm thời gian trễ khi tăng (tdm) và thời gian tăng (tm) ứng với sự tăng đột ngột của đại lượng đo hoặc thời gian trễ khi giảm (tdc) và thời gian giảm (tc) ứng với sự giảm đột ngột của đại lượng đo. Khoảng thời gian trễ khi tăng tdm là thời gian cần thiết để đại lượng đầu ra tăng từ giá trị ban đầu của nó đến 10% của biến thiên tổng cộng của đại lượng này và khoảng thời gian tăng tm là thời gian cần thiết để đại lượng đầu ra tăng từ 10% đến 90% biến thiên biến thiên tổng cộng của nó.

 Xác định các khoảng thời gian đặc trưng cho chế độ quá độ

Tương tự, khi đại lượng đo giảm, thời gian trễ khi giảm tdc là thời gian cần thiết để đại lượng đầu ra giảm từ giá trị ban đầu của nó đến 10% biến thiên tổng cộng của đại lượng này và khoảng thời gian giảm tc là thời gian cần thiết để đại lượng đầu ra giảm từ 10% đến 90% biến thiên biến thiên tổng cổng của nó.

Các thông số về thời gian tr, tdm, tm, tdc, tc của cảm biến cho phép ta đánh giá về thời gian hồi đáp của nó.

Giới hạn sử dụng của cảm biến

Trong quá trình sử dụng, các cảm biến luôn chịu tác động của ứng lực cơ học, tác động nhiệt… Khi các tác động này vượt quá ngưỡng cho phép, chúng sẽ làm thay đổi đặc trưng làm việc của cảm biến. Bởi vậy khi sử dụng cảm biến, người sử dụng cần phải biết rõ các giới hạn này.

Vùng làm việc danh định

Vùng làm việc danh định tương ứng với những điều kiện sử dụng bình thường của cảm biến. Giới hạn 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

Vùng không gây nên hư hỏng là vùng mà khi mà các đại lượng đo hoặc các đại lượng vật lý có liên quan và các đại lượng ảnh hưởng vượt qua ngưỡng của vùng làm việc danh định nhưng vẫn còn nằm trong phạm vi không gây nên hư hỏng, các đặc trưng của cảm biến có thể bị thay đổi nhưng những thay đổi này mang tính thuận nghịch, tức là khi trở về vùng làm việc danh định các đặc trưng của cảm biến lấy lại giá trị ban đầu của chúng.

Vùng không phá huỷ

Vùng không phá hủy là vùng mà khi mà các đại lượng đo hoặc các đại lượng vật lý có liên quan và các đại lượng ảnh hưởng vượt qua ngưỡng của vùng không gây nên hư hỏng nhưng vẫn còn nằm trong phạm vi không bị phá hủy, các đặc trưng của cảm biến bị thay đổi và những thay đổi này mang tính không thuận nghịch, tức là khi trở về vùng làm việc danh định các đặc trưng của cảm biến không thể lấy lại giá trị ban đầu của chúng. Trong trường hợp này cảm biến vẫn còn sử dụng được, nhưng phải tiến hành chuẩn lại cảm biến.

(Sưu Tầm)