Chương 1 Các khái niêm chung về cảm biến

Các tên khác cGa khác cGa b... chính xác cao... Khi chuUn nhi-u l"n cho phép xác ñ nh ñư6ng cong chuUn theo c hai hư@ng ño tăng d"n và ño gi m d"n... l@n và chi-u khơng xác đ nh.. NhYng

Chương 1

CÁC KHÁI NI M CHUNG

1.1 Gi i thi u

C m bi n là thi t b dùng ñ c m nh n bi n ñ i các ñ i lư ng v t lý và các ñ i

lư ng không có tính ch t ñi!n c"n ño thành các ñ i lư ng ñi!n có th ño và x% lý

ñư c

Trong quá trình s n xu t có nhi-u ñ i lư ng v t lý như nhi!t ñ., áp su t, t1c ñ., t1c ñ quay, n4ng ñ pH, ñ nh6n c"n ñư c x% lý cho ño lư6ng, cho m7c ñích ñi-u khi n truy-n ñ.ng Các b c m bi n th8c hi!n ch9c năng này, chúng thu nh n, ñáp 9ng các kích thích

C m bi n cũng ñư c xem như k> thu t ñ chuy n ñ i các lư ng v t lý như nhi!t ñ., áp su t, kho ng cách sang m.t ñ i lư ng khác ñ có th ñánh giá t1t hơn Các ñ i

lư ng này ph"n l@n là tín hi!u ñi!n

Thí d7: ði!n áp, dòng ñi!n, ñi!n trD hoEc t"n s1 dao ñ.ng Các tên khác cGa khác cGa b c m bi n: Sensor, b c m bi n ño lư6ng, ñ"u dò, van ño lư6ng, b nh n bi t hoEc b bi n ñ i

Các ñ i lư ng c"n ño (m) thư6ng không có tính ch t ñi!n như (nhi!t ñ., áp

su t…) tác ñ.ng lên c m bi n cho ta m.t ñEc trưng (s) mang tính ch t ñi!n như (ñi!n

áp, dòng ñi!n, trD kháng…) ch9a thông tin cho phép ta có th xác ñ nh giá tr cGa ñ i

lư ng ñi!n ñó, ñEc trưng (s) chính là hàm cGa ñ i lư ng c"n ño (m)

Ngư6i ta gQi (s) là ñ i lư ng ñ"u ra hay là ph n 9ng cGa c m bi n, (m) là ñ i

lư ng ñ"u vào hay gQi là kích thích Thông qua ño ñ c (s) cho phép nh n bi t giá tr cGa (m)

Hình nh cGa các lo i c m bi n thư6ng dùng hi!n nay ñư c mô t như mô hình 2.1

Hình 1.1 Các lo i c m bi n thông d ng hi n nay Các b c m bi n ñư c s% d7ng nhi-u trong các lĩnh v8c công nghi!p và dân d7ng Các b c m bi n ñEc bi!t và r t nh y c m ñư c s% d7ng trong các thí nghi!m các lĩnh v8c nghiên c9u khoa hQc Trong lĩnh v8c t8 ñ.ng hoá ngư6i ta s% d7ng các sensor thông thư6ng hay các c m bi n có ch9c năng ñEc bi!t

1.2 ðư ng cong chu n c a c m bi#n

1.2.1 Khái ni m

ðư6ng cong chuUn c m bi n là ñư6ng cong bi u diVn s8 ph7 thu.c cGa ñ i lư ng ñi!n (s) D ñ"u ra cGa c m bi n vào giá tr cGa ñ i lư ng ño (m) D ñ"u vào ðư6ng cong chuUn có th bi u diVn bWng bi u th9c ñ i s1 dư@i d ng s=F(m), hoEc bWng ñ4 th

Hình 1.2 (a) ðư ng cong chu"n b) ðư ng cong chu"n c#a c m bi n tuy n tính hóa D8a vào ñư6ng cong chuUn cGa c m bi n, ta có th xác ñ nh giá tr mi chưa bi t

bi n có s8 ph7 thu.c tuy n tính giYa ñ i lư ng ñ"u ra và ñ i lư ng ñ"u vào, phương trình s= F(m) sau phép bi n ñ i tuy n tính sZ có d ng:

v@i a, b là các h! s1, khi ñó ñư6ng cong chuUn là ñư6ng th[ng

1.2.2 Phương pháp chu n c m bi#n

ChuUn c m bi n là phép ño nhWm m7c ñích xác l p m1i quan h! giYa giá tr s ño

ñư c cGa ñ i lư ng ñi!n D ñ"u ra và giá tr m cGa ñ i lư ng ño có tính ñ n các y u t1

nh hưDng, trên cơ sD ñó xây d8ng ñư6ng cong chuUn dư@i d ng dV nh n bi t hơn (ñ4

th hoEc bi u th9c ñ i s1) Khi chuUn c m bi n, v@i m.t lo t giá tr ñã bi t chính xác mi

cGa m, ño giá tr tương 9ng si cGa s và d8ng ñư6ng cong chuUn

a Chu n ñơn gi n

Trong trư6ng h p ñ i lư ng ño ch^ có m.t ñ i lư ng v t lý duy nh t tác ñ.ng lên m.t ñ i lư ng ño xác ñ nh và c m bi n s% d7ng không nh y v@i tác ñ.ng cGa các ñ i

lư ng nh hưDng, ngư6i ta dùng phương pháp chuUn ñơn gi n Th8c ch t cGa chuUn ñơn gi n là ño các giá tr cGa ñ i lư ng ñ"u ra 9ng v@i các giá tr xác ñ nh không ñ i cGa ñ i lư ng ño D ñ"u vào Vi!c chuUn ti n hành theo 2 cách:

ChuUn tr8c ti p: các giá tr khác nhau cGa ñ i lư ng ño l y t` các mau chuUn hoEc các ph"n t% so sánh có giá tr bi t trư@c v@i ñ chính xác cao

ChuUn gián ti p: k t h p c m bi n c"n chuUn v@i m.t c m bi n so sánh ñã có sbn ñư6ng cong chuUn, c hai ñư c ñEt trong cùng ñi-u ki!n làm vi!c

b Chu n nhi u l n

Khi c m bi n có ph"n t% b trV (trV cơ hoEc trV t`), giá tr ño ñư c D ñ"u ra ph7 thu.c không nhYng vào giá tr t9c th6i cGa ñ i lư ng c"n ño D ñ"u vào mà còn ph7 thu.c vào giá tr trư@c ñó cGa cGa ñ i lư ng này Trong trư6ng h p như v y, ngư6i ta

áp d7ng phương pháp chuUn nhi-u l"n và ti n hành như sau:

ðEt l i ñi m 0 cGa c m bi n: ð i lư ng c"n ño và ñ i lư ng ñ"u ra có giá tr tương 9ng v@i ñi m g1c, m=0 và s=0

ðo giá tr ñ"u ra theo m.t lo t giá tr tăng d"n ñ n giá tr c8c ñ i cGa ñ i lư ng

ño D ñ"u vào

LEp l i quá trình ño v@i các giá tr gi m d"n t` giá tr c8c ñ i

Khi chuUn nhi-u l"n cho phép xác ñ nh ñư6ng cong chuUn theo c hai hư@ng ño tăng d"n và ño gi m d"n

1.3 Các ñ)c trưng cơ b n c a c m bi#n

1.3.1 ð+ nh,y c a c m bi#n

a Khái ni m

ð1i v@i c m bi n tuy n tính, giYa bi n thiên ñ"u ra ∆s và bi n thiên ñ"u vào ∆m

có s8 liên h! tuy n tính:

m S

m

S

S =

Trư6ng h p t ng quát, bi u th9c xác ñ nh ñ nh y S cGa c m bi n xung quanh giá tr mi cGa ñ i lư ng ño xác ñ nh bDi th s1 giYa bi n thiên ∆s cGa ñ i lư ng ñ"u ra

và bi n thiên ∆m tương 9ng cGa ñ i lư ng ño D ñ"u vào quanh giá tr ñó:

i m m

m

S S

=













b Lưu ý

ð phép ño ñ t ñ chính xác cao, khi thi t k và s% d7ng c m bi n c"n th8c hi!n cho ñ nh y S cGa nó không ñ i, nghĩa là ít ph7 thu.c nh t vào các y u t1:

Giá tr cGa ñ i lư ng c"n ño m và t"n s1 thay ñ i cGa nó

Th6i gian s% d7ng

knh hưDng cGa các ñ i lư ng v t lý khác (không ph i là ñ i lư ng ño) cGa môi trư6ng xung quanh

1.3.2 ð+ tuy#n tính c a c m bi#n

a Khái ni m

M.t c m bi n ñư c gQi là tuy n tính trong m.t d i ño xác ñ nh n u trong d i ch

ñ ñó có ñ nh y không ph7 thu.c vào ñ i lư ng ño N u c m bi n không tuy n tính, ngư6i ta ñưa vào m ch ño các thi t b hi!u ch^nh sao cho tín hi!u ñi!n nh n ñư c D ñ"u ra t^ l! v@i s8 thay ñ i cGa ñ i lư ng ño D ñ"u vào S8 hi!u ch^nh ñó ñư c gQi là s8 tuy n tính hoá

b ðư ng th ng t t nh t

Khi chuUn c m bi n, t` k t qu th8c nghi!m ta nh n ñư c m.t lo t ñi m tương 9ng (si ,mi) cGa ñ i lư ng ñ"u ra và ñ i lư ng ñ"u vào V- mEt lý thuy t, ñ1i v@i các

c m bi n tuy n tính, ñư6ng cong chuUn là m.t ñư6ng th[ng Tuy nhiên, do sai s1 khi

ño, các ñi m chuUn (mi, si) nh n ñư c bWng th8c nghi!m thư6ng không nWm trên cùng m.t ñư6ng th[ng

ðư6ng th[ng ñư c xây d8ng trên cơ sD các s1 li!u th8c nghi!m sao cho sai s1 là

bé nh t, bi u diVn s8 tuy n tính cGa c m bi n ñư c gQi là ñư6ng th[ng t1t nh t

Phương trình bi u diVn ñư6ng th[ng t1t nh t ñư c l p bWng phương pháp bình phương bé nh t Gi s% khi chuUn c m bi n ta ti n hành v@i N ñi m ño, phương trình

có d ng:

b m a

v@i

∑

−

−

2

.

.

i i

i i i

i

m m

N

m s m

s N

∑

−

−

2

2

.

i i

i i i i

i

m m

N

m s m m

s

c ð l ch tuy"n tính

ð1i v@i các c m bi n không hoàn toàn tuy n tính, ngư6i ta ñưa ra khái ni!m ñ l!ch tuy n tính, xác ñ nh bDi ñ l!ch c8c ñ i giYa ñư6ng cong chuUn và ñư6ng th[ng t1t nh t, tính bWng % trong d i ño

1.3.3 Sai s1 và ñ+ chính xác c a c m bi#n

a Sai s

Các b c m bi n cũng như các d7ng c7 đo lư6ng khác, ngồi đ i lư ng c"n đo (c m nh n) cịn ch u tác đ.ng cGa nhi-u đ i lư ng v t lý khác gây nên sai s1 giYa giá

tr đo đư c và giá tr th8c cGa đ i lư ng c"n đo GQi ∆x là đ l!ch tuy!t đ1i giYa giá tr

đo và giá tr th8c x (sai s1 tuy!t đ1i), sai s1 tương đ1i cGa b c m bi n đư c tính bWng:

100 x

x

=

b Sai s c&a b c m bi"n mang tính ch t ư'c tính

BDi vì khơng th bi t chính xác giá tr th8c cGa đ i lư ng c"n đo Khi đánh giá sai s1 cGa c m bi n, ngư6i ta thư6ng phân chúng thành hai lo i: Sai s1 h! th1ng và sai s1 ngau nhiên

Sai s h th.ng: Là sai s1 khơng ph7 thu.c vào s1 l"n đo, cĩ giá tr khơng đ i hoEc thay đ i ch m theo th6i gian đo và thêm vào m.t đ l!ch khơng đ i giYa giá tr th8c và giá tr đo đư c Sai s1 h! th1ng thư6ng do s8 thi u hi u bi t v- h! đo, do đi-u ki!n s% d7ng khơng t1t gây ra

Sai s ng0u nhiên: Là sai s1 xu t hi!n cĩ đ l@n và chi-u khơng xác đ nh Ta cĩ

th d8 đốn đư c m.t s1 nguyên nhân gây ra sai s1 ngau nhiên nhưng khơng th d8 đốn đư c đ l@n và d u cGa nĩ NhYng nguyên nhân gây ra sai s1 ngau nhiên cĩ th là:

Do s8 thay đ i đEc tính cGa thi t b

Do tín hi!u nhiVu ngau nhiên

Do các đ i lư ng nh hưDng khơng đư c tính đ n khi chuUn c m bi n

1.3.4 ð+ nhanh và th i gian đáp 6ng c a c m bi#n

a ð nhanh c&a c m bi"n

ð2 nhanh: Là đEc trưng cGa c m bi n cho phép đánh giá kh năng theo k p v- th6i gian cGa đ i lư ng đ"u ra khi đ i lư ng đ"u vào bi n thiên Th6i gian đáp 9ng là

đ i lư ng đư c s% d7ng đ xác đ nh giá tr s1 cGa đ nhanh

ð2 nhanh tr: Là kho ng th6i gian t` khi ñ i lư ng ño thay ñ i ñ.t ng.t ñ n khi

bi n thiên cGa ñ i lư ng ñ"u ra ch^ còn khác giá tr cu1i cùng m.t lư ng gi@i h n ε tính bWng %

b Th i gian ñáp *ng tương *ng c&a c m bi"n

Th6i gian ñáp 9ng tương 9ng v@i ε% xác ñ nh kho ng th6i gian c"n thi t ph i ch6 ñ i sau khi có s8 bi n thiên cGa ñ i lư ng ño ñ l y giá tr cGa ñ"u ra v@i ñ chính xác ñ nh trư@c Th6i gian ñáp 9ng ñEc trưng cho ch ñ quá ñ cGa c m bi n và là hàm cGa các thông s1 th6i gian xác ñ nh ch ñ này

Trong trư ng h5p s7 thay ñ9i c#a ñ i lư5ng ño: Trong trư6ng h p s8 thay ñ i cGa ñ i lư ng ño có d ng b c thang, các thông s1 th6i gian g4m th6i gian trV khi tăng (tdm) và th6i gian tăng (tm) 9ng v@i s8 tăng ñ.t ng.t cGa ñ i lư ng ño hoEc th6i gian trV khi gi m (tdc) và th6i gian gi m (tc) 9ng v@i s8 gi m ñ.t ng.t cGa ñ i

lư ng ño Hình 1.3

Kho ng th i gian tr; khi tăng tdm: Là th6i gian c"n thi t ñ ñ i lư ng ñ"u ra tăng t` giá tr ban ñ"u cGa nó ñ n 10% cGa bi n thiên t ng c.ng cGa ñ i lư ng này và kho ng th6i gian tăng tm là th6i gian c"n thi t ñ ñ i lư ng ñ"u ra tăng t` 10%

ñ n 90% bi n thiên bi n thiên t ng c.ng cGa nó

Th i gian tr; khi gi m tdc: Th6i gian trV khi gi m tdc là th6i gian c"n thi t ñ ñ i

lư ng ñ"u ra gi m t` 10% ñ n 90% bi n thiên bi n thiên t ng c ng cGa nó

Hình 1.3 Các kho ng th i gian ñ?c trưng cho ch ñ2 quá ñ2

1.3.5 Gi i h,n s8 d:ng c a c m bi#n

Trong quá trình s% d7ng, các c m bi n luôn ch u tác ñ.ng cGa 9ng l8c cơ hQc, tác ñ.ng nhi!t Khi các tác ñ.ng này vư t quá ngưxng cho phép, chúng sZ làm thay ñ i ñEc trưng làm vi!c cGa c m bi n BDi v y khi s% d7ng c m bi n, ngư6i s% d7ng c"n

ph i bi t rõ các gi@i h n này

Vùng làm vi c ñEnh danh: Vùng làm vi!c ñ nh danh tương 9ng v@i nhYng ñi-u ki!n s% d7ng bình thư6ng cGa c m bi n Gi@i h n cGa vùng là các giá tr ngưxng

mà các ñ i lư ng ño, các ñ i lư ng v t lý có liên quan ñ n ñ i lư ng ño hoEc các

ñ i lư ng nh hưDng có th thư6ng xuyên ñ t t@i mà không làm thay ñ i các ñEc trưng làm vi!c ñ nh danh cGa c m bi n

Vùng không gây nên hư hGng: Vùng không gây nên hư hzng là vùng mà khi các

ñ i lư ng ño hoEc các ñ i lư ng v t lý có liên quan nhau và các ñ i lư ng nh hưDng vư t qua ngưxng cGa vùng làm vi!c ñ nh danh nhưng van còn nWm trong

ph m vi không gây nên hư hzng

Các ñEc trưng cGa c m bi n có th b thay ñ i nhưng nhYng thay ñ i này mang tính thu n ngh ch, t9c là khi trD v- vùng làm vi!c ñ nh danh các ñEc trưng cGa c m bi n l y l i giá tr ban ñ"u cGa chúng

Vùng không phá h#y: Vùng không phá hGy là vùng khi mà các ñ i lư ng ño hoEc các ñ i lư ng v t lý có liên quan và các ñ i lư ng nh hưDng vư t qua ngưxng cGa vùng không gây nên hư hzng nhưng van còn nWm trong ph m vi không b phá hGy, các ñEc trưng cGa c m bi n b thay ñ i và nhYng thay ñ i này mang tính không thu n ngh ch, t9c là khi trD v- vùng làm vi!c ñ nh danh các ñEc trưng cGa

c m bi n không th l y l i giá tr ban ñ"u cGa chúng Trong trư6ng h p này c m

bi n van còn s% d7ng ñư c, nhưng ph i ti n hành chuUn l i c m bi n

1.4 Nguyên lý ch# t,o c a c m bi#n

Các c m bi n ñư c ch t o d8a trên cơ sD các hi!n tư ng v t lý và ñư c phân làm hai lo i:

C m bi n tích c7c: Là các c m bi n ho t ñ.ng như m.t máy phát, ñáp 9ng (s) là ñi!n tích, ñi!n áp hay dòng

C m bi n th ñ2ng: Là các c m bi n ho t ñ.ng như m.t trD kháng trong ñó ñáp 9ng (s) là ñi!n trD, ñ t8 c m hoEc ñi!n dung

Các c m bi n tích c8c ñư c ch t o d8a trên cơ sD 9ng d7ng các hi!u 9ng

v t lý bi n ñ i m.t d ng năng lư ng nào ñó (nhi!t, cơ hoEc b9c x ) thành năng

lư ng ñi!n Sau ñây mô t m.t cách khái quát 9ng d7ng m.t s1 hi!u 9ng v t lý khi ch t o c m bi n

1.4.1 Hi u 6ng nhi t ñi n

Hi!u 9ng nhi!t 9ng d7ng trong ch t o các c m bi n nhi!t ñ Hai dây dan (M1)

và (M2) có b n ch t hoá hQc khác nhau ñư c hàn l i v@i nhau thành m.t m ch ñi!n kín, n u nhi!t ñ D hai m1i hàn là T1 và T2 khác nhau, khi ñó trong m ch xu t hi!n m.t su t ñi!n ñ.ng e(T1, T2) mà ñ l@n cGa nó ph7 thu.c vào s8 chênh l!ch nhi!t ñ giYa T1 và T2

Hình 1.4 Hi u Ing nhi t ñi n

Hi!u 9ng nhi!t ñi!n ñư c 9ng d7ng ñ ño nhi!t ñ T1 khi bi t trư@c nhi!t ñ T2, thư6ng chQn T2 = 0oC

1.4.2 Hi u 6ng h>a nhi t

M.t s1 tinh th gQi là tinh th ho ñi!n (ví d7 tinh th sulfate triglycine) có tính phân c8c ñi!n t8 phát v@i ñ phân c8c ph7 thu.c vào nhi!t ñ., làm xu t hi!n trên các mEt ñ1i di!n cGa chúng nhYng ñi!n tích trái d u ð l@n cGa ñi!n áp giYa hai mEt ph7 thu.c vào ñ phân c8c cGa tinh th ho ñi!n

Hình 1.5 Hi u Ing hGa nhi t

Hi!u 9ng ho ñi!n ñư c 9ng d7ng ñ ño thông lư ng cGa b9c x ánh sáng ðo ñi!n áp V ta có th xác ñ nh ñư c thông lư ng ánh sáng Φ

1.4.3 Hi u 6ng áp ñi n

M.t s1 v t li!u gQi chung là v t li!u áp ñi!n (như th ch anh) khi b bi n d ng dư@i tác ñ.ng cGa l8c cơ hQc, trên các mEt ñ1i di!n cGa t m v t li!u xu t hi!n nhYng

lư ng ñi!n tích bWng nhau nhưng trái d u, ñư c gQi là hi!u 9ng áp ñi!n ðo V ta có th xác ñ nh ñư c cư6ng ñ cGa l8c tác d7ng F

Hình 1.6 Hi u Ing áp ñi n

1.4.4 Hi u 6ng c m 6ng ñi n t?

Khi m.t dây dan chuy n ñ.ng trong t` trư6ng không ñ i, trong dây dan xu t hi!n m.t su t ñi!n ñ.ng th l! v@i t` thông c}t ngang dây trong m.t ñơn v th6i gian, nghĩa

là th l! v@i t1c ñ d ch chuy n cGa dây Tương t8 như v y, trong m.t khung dây ñEt trong t` trư6ng có t` thông bi n thiên cũng xu t hi!n m.t su t ñi!n ñ.ng th l! v@i t1c

ñ bi n thiên cGa t` thông qua khung dây

Hi!u 9ng c m 9ng ñi!n t` ñư c 9ng d7ng ñ xác ñ nh t1c ñ d ch chuy n cGa v t thông qua vi!c ño su t ñi!n ñ.ng c m 9ng

1.4.5 Hi u 6ng quang ñi n

Hi!u 9ng quang dan: (hay còn gQi là hi!u 9ng quang ñi!n n.i) là hi!n tư ng gi i phóng ra các h t dan t8 do trong v t li!u (thư6ng là bán dan) khi chi u vào chúng m.t b9c x ánh sáng (hoEc b9c x ñi!n t` nói chung) có bư@c sóng nhz hơn m.t ngưxng

nh t ñ nh

Hi!u 9ng quang phát x ñi!n t%: (hay còn gQi là hi!u 9ng quang ñi!n ngoài) là hi!n tư ng các ñi!n t% ñư c gi i phóng và thoát khzi b- mEt v t li!u t o thành dòng có

th thu l i nh6 tác d7ng cGa ñi!n trư6ng

1.4.6 Hi u 6ng quangBñi nBt?

Khi tác d7ng m.t t` trư6ng B vuông góc v@i b9c x ánh sáng, trong v t li!u bán dan ñư c chi u sáng sZ xu t hi!n m.t hi!u ñi!n th theo hư@ng vuông góc v@i t` trư6ng B và hư@ng b9c x ánh sáng

Hình 1.8 Hi u Ing quangO ñi n tM

1.4.7 Hi u 6ng Hall

Hi!u 9ng Hall ñư c 9ng d7ng ñ xác ñ nh v trí cGa m.t v t chuy n ñ.ng V t c"n xác ñ nh v trí liên k t cơ hQc v@i thanh nam châm, D mQi th6i ñi m, v trí thanh nam châm xác ñ nh giá tr cGa t` trư6ng B và góc 1 tương 9ng v@i t m bán dan mzng làm v t trung gian Vì v y, hi!u ñi!n th VH ño ñư c giYa hai c nh t m bán dan là hàm ph7 thu.c vào v trí cGa v t trong không gian