bài 2 cảm biến

• Các đại lượng cần đo M: – thường không có tính chất điện như nhiệt độ, áp suất, trọng lượng… – tác động lên cảm biến cho ta đại lượng đặc trưng S mang tính chất điện như như điện tíc

Bài 2 – Cảm biến

(SENSOR)

2.1 KHÁI QUÁT

2.1.1 Khái niệm

2.1.2 Phân loại cảm biến

2.1.3 Đường cong chuẩn của cảm biến

• Các đại lượng cần đo (M):

– thường không có tính chất điện (như nhiệt độ, áp suất, trọng

lượng…)

– tác động lên cảm biến cho ta đại lượng đặc trưng (S) mang tính chất điện như (như điện tích, điện áp, dòng điện hay trở kháng) chứa đựng thông tin cho phép xác định giá trị của đại lượng đó

• Đặc trưng (s) là hàm của đại lượng cần đo (M)

• Người ta gọi (S) là đại lượng đầu ra hoặc đáp ứng của cảm biến (M)

là đại lượng đầu vào hay kích thích ( có nguồn gốc đại lượng cần đo) Thông qua đo đạc (S) cho phép nhận biết giá trị (M)

• Để chế tạo cảm biến người ta sử dụng các hiệu ứng vật lý

2.1.2 Phân loại cảm biến

• Các bộ cảm biến được phân loại theo đặc trưng sau đây:

– Theo nguyên lý chuyển đổi giữa đáp ứng kích

thích

– Phân loại theo dạng kích thích

– Phân loại theo phạm vi sử dụng

– Phân loại theo thông số mô hình mạch thay thế

Theo nguyên lý chuyển đổi giữa đáp ứng kích

thích

Hiện tượng Chuyển đổi và đáp ứng kích thích

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

Phân loại 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; -Điện dẫn, hằng số điện môi

Từ -Từ trường; -Từ thông, cường độ điện 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; -Moment; -Khối luợng tỷ trọng -Vân 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: là giá trị nhỏ nhất của giá trị đầu vào mà cảm biến cảm nhận được

• Độ nhạy của cảm biến ở giá trị m = m0 là tỷ số giữa biến thiên ở đầu ra của cảm biến Δx và biến thiên ở đầu vào Δm trong lân cận của m0 Gọi s là độ nhạy của cảm biến:

• Độ phân giải: là đại lượng bằng sự thay đổi

nhỏ nhất ở đầu vào mà cảm biến còn có thể đo được

• Độ trễ: là thời gian đáp ứng của cảm biến

• Độ chính xác:

Phân loại theo phạm vi sử dụng

• Khả năng quá tải

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

• Vũ trụ

• Quân sự

Phân loại theo thông số mô hình mạch

thay thế

• Cảm biến tích cực hoạt động như một nguồn

áp hoặc nguồn dòng được biểu diễn bằng một mạng hai cửa có nguồn

• Cảm biến thụ động được mô tả như một mạng hai cửa không nguồn, có trở kháng phụ thuộc vào các kích thích

2.1.3 Đường cong chuẩn của cảm biến

• Đường cong chuẩn của cảm biến là đường

cong được biểu diễn sự phụ thuộc vào đại

lượng điện (S) ở đầu ra của cảm biến vào giá

trị của đại lượng đo (m) ở đầu vào

2.1.3 Đường cong chuẩn của cảm biến

• Đường cong được biểu thể biểu diễn bằng biểu thức đại số dưới dạng S = F (M) hoặc bằng đồ thị sau đây:

2.1.3 Đường cong chuẩn của cảm biến

• Dạng đường cong chuẩn

– Dựa vào đường cong chuẩn của cảm biến, ta có thể xác định giá trị chuẩn 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 đầu vào, phương trình S = F(M) có dạng S =

AM+B với A,B là các hệ số, đường cong chuẩn là đường thẳng

2.1.4 Các nguyên tắc chế tạo cảm

biến

• Hiệu ứng hỏa điện:

– Một số tinh thể gọi là tinh thể hoả điện (vd như tinh thể sulfate triglycine), có tính phân cực điện tự phát phụ thuộc vào nhiệt độ – Khi tinh thể hoả điện hấp thụ ánh sáng, nhiệt độ của nó tăng lên làm thay đổi phân cực điện

– Hiệu ứng hỏa điện được sử dụng để chế tạo cảm biến đo thông lượng búc xạ của ánh sáng

• Hiệu ứng cảm ứng điện từ:

– Khi một thanh dẫn chuyển động trong từ trường sẽ xuất

hiện một sức điện động tỷ lệ với biến thiên của từ thông

nghĩa là tỷ lệ với tốc độ chuyển động của thanh dẫn

– Hiệu ứng điện từ được ứng dụng để chế tạo cảm biến đo tốc độ dịch chuyển của vật thông qua việc đo sức điện động cảm ứng

• Hiệu ứng quang điện:

– Bản chất của hiệu ứng quang điện là hiện tượng

giải phóng các hạt dẫn tự do trong vật liệu dưới tác dụng của bức xạ ánh sáng

– ứng dụng chế tạo cảm biến quang

• Hiệu ứng HALL:

Khi đặt một tấm mỏng vật liệu mỏng (thường là bán dẫn), trong đó

có dòng điện chạy qua, vào trong một từ trường B có phương tạo với dòng điện I trong tấm một góc θ, sẽ xuất hiện một hiệu điện thế Vh theo hướng vuông góc với B và I , biểu thức hiệu điện thế có dạng như trên

– KH là hệ số phụ thuộc vào vật liệu và kích thước hình học của tấm vật liệu

• Hiệu ứng Hall được ứng dụng để xác định vị trí của một vật chuyển động

– Vật cần xác định vị trí liên kết cơ học với thanh nam châm

– ở mọi thời điểm, vị trí thanh nam châm xác định giá trị của từ

trường B và góc θ tương ứng với tấm bán dẫn mỏng làm vật trung gian

– Vì vậy hiệu điện thế Vh đo được giữa 2 cạnh tấm bán dẫn là hàm phụ thuộc vào vị trí của vật trong không gian

Các nguyên tắc chế tạo cảm biến

thụ động

• Cảm biến thụ động thường được chế tạo từ một trở kháng có các thông số chủ yếu nhạy với đại lượng cần đo

• Giá trị của trở kháng phụ thuộc kích thước

hình học, tính chất điện của vật liệu chế tạo (điện trở suất , độ từ thẩm, hằng số điện môi)

2.2 Các loại cảm biến thông dụng

2.2.1 Cảm biến nhiệt

• Cặp nhiệt điện (Thermocouple)

• Nhiệt điện trở kim loại (RTD)

• Thermistor

• IC

Cặp nhiệt điện

• Cấu tạo: gồm 2 kim loại khác nhau được hàn chung với nhau

– Một đầu gọi là đầu nóng

– Hai đầu còn lại không hàn chung gọi là đầu lạnh hay đầu chuẩn

Cặp nhiệt điện

• Nguyên lý hoạt động: khi có chênh lệch nhiệt độ giữa đầu

nóng và đầu lạnh của cặp nhiệt thì ở ngõ ra của thermocouple

sẽ xuất hiện sức điện động e phụ thuộc vào chêng lệch nhiệt độ

và phụ thuộc vào bàn chất của vật liệu dùng chế tạo cảm biến

• Xét một cặp nhiệt được chế tạo từ 2 kim loại A và B:

• Trong đó hệ số K có thể xác định bằng thực nghiệm bằng cách

đo sức điện động của cảm biến ở nhiệt độ đã biết

Dây nối

Cặp nhiệt điện

• Ưu điểm: Bền, đo nhiệt độ cao

• Khuyết điểm: Nhiều yếu tố ảnh hưởng làm sai

số Độ nhạy không cao

• Thường dùng: Lò nhiệt, môi trường khắc

nghiệt, đo nhiệt nhớt máy nén,…

• Tầm đo: -100 0C <1400 0C

Cặp nhiệt điện

• Phân loại

Cặp nhiệt điện

Đặc tính vào ra của một số cặp nhiệt điện

Cặp nhiệt điện

• Chú ý:

- Sức điện động nhiệt điện sinh ra trên Thermocouple phụ thuộc vào hiệu

số của nhiệt độ đầu nóng T1 và nhiệt độ đầu lạnh T2 vì vậy khi đo nhiệt độ dùng thermocouple, ta phải giữ nhiệt độ đầu lạnh không đổi

- Tuy nhiên nhiệt độ đầu lạnh T2 thường chính là nhiệt độ môi trường nên việc giữ cố định rất khó vì vậy người ta thườngdùng biện pháp loại bỏ sự ảnh hưởng của nhiệt độ đầu lạnh bằng cách bù nhiệt

• Không nên nối thêm dây (vì tín hiệu cho ra là

mV nối sẽ suy hao rất nhiều)

• Vì tín hiệu cho ra là điện áp ( có cực âm và dương ) do vậy cần chú ý kí hiệu để lắp đặt vào bộ khuếch đại cho đúng

Cặp nhiệt điện

• Mạch đo:

Vo = ?

Chọn sao cho

Nhiệt điện trở kim loại

• Cấu tạo: Cảm biến nhiệt điện trở kim loại gồm một dây dẫn bằng kim loại như: Platin, Niken, Đồng quấn trên một lõi cách điện

Nhiệt điện trở kim loại

• Nguyên lý hoạt động: Khi nhiệt độ của cảm biến thay đổi, điện trở của cảm biến thay đổi theo phương trình:

– T đo bằng oC

– R(T) là điện trở của cảm biến ở nhiệt độ T

– R0là điện trở của cảm biến ở 0oC

– A, B, C là các hằng số và được xác định bằng cách đo điện trở của cảm biến tại các nhiệt độ đã biết trước

Nhiệt điện trở kim loại

• Ở nhiệt độ thấp, phương trình chuyển đổi của cảm biến là tuyến tính

• Với α là hệ số nhiệt của điện trở, tuỳ thuộc vào kim loại như ở bảng sau:

Nhiệt điện trở kim loại

• Do tính chất của các kim loại dùng chế tạo

cảm biến có tính chất lý hoá khác nhau nên

tầm đo của các cảm biến sủ dụng các kim loại khác nhau cũng khác nhau

Nhiệt điện trở kim loại

Nhiệt điện trở kim loại

• Mạch đo:

Gọi Rx = R + ΔR là điện trở của cảm biến,

Với R là điện trở của cảm biến ở 0oC

Chọn R1 = R3; R2 = R4

Nhiệt điện trở bán dẫn

• Cấu tạo: Làm từ hổn hợp các oxid kim loại: mangan, nickel, cobalt,…

• Nguyên lý: Thay đổi điện trở khi nhiệt độ thay đổi

• Ưu điểm: Bền, rẻ tiền, dễ chế tạo

• Khuyết điểm: Dãy tuyến tính hẹp

• Thường dùng: Làm các chức năng bảo vệ, ép vào cuộn dây động cơ, mạch điện tử

• Tầm đo: 50 <150 0C

• Mạch đo

IC

IC

• Cấu tạo: Cảm biến nhiệt IC là những loại cảm biến được chế tạo từ những chất bán dẫn (Có các loại như Diode,

Transistor)

• Nguyên lý: dựa trên mức độ phân cực của các lớp P-N

tuyến tính với nhiệt độ môi trường

• Ưu điểm: Rẻ tiền, dễ chế tạo, độ nhạy cao, chống nhiễu tốt, mạch xử lý đơn giản

• Khuyết điểm: Không chịu nhiệt độ cao, kém bền

• Thường dùng: Đo nhiệt độ không khí, dùng trong các thiết

bị đo, bảo vệ các mạch điện tử

IC

Một số loại thông dụng

– Loại cảm biến này kém chịu đựng trong môi trường khắc nghiệt: Ẩm cao, hóa chất có tính ăn mòn, rung sốc va chạm mạnh

Bán dẫn

• Mạch đo:

Thang đo nhiệt độ

Các phương pháp khác

• Đo nhiệt độ bằng phân tích phổ

• Hỏa kế quang học dùng để đo các vật có nhiệt

độ cao, thí dụ nhiệt độ một vật nung đỏ, nhiệt

độ lò luyện kim… Với các nhiệt độ cao như vậy người ta không thể xác định bằng các

phương pháp thông thường

• So sánh bằng mắt tuy thô sơ nhưng vẫn đảm

bảo độ chính xác nhất định vì cường độ sáng thay đổi nhiều hơn gấp 10 lần sự thay đổi nhiệt

độ

Hỏa kế

• Dụng cụ đo nhiệt độ của những vật bị nung nóng (lò) bằng

cách so sánh độ sáng của dây tóc bóng đèn của dụng cụ đo với

độ sáng của vật thể cần đo

• Ánh sáng phát từ lò, qua thấu kính tập trung tạo nên ảnh của vùng sáng trong lò trên một mặt phẳng, ở đó có sợi dây đốt nóng của một bóng đèn

• Điều chỉnh độ sáng của dây tóc sao cho trùng với độ sáng của nguồn sáng từ lò tới

• Nếu cường độ sáng của đối tượng đo lớn hơn độ sáng của dây đốt ta sẽ thấy dây thâm trên nền sáng

• Nếu cường độ sáng của đối tượng đo yếu hơn độ sáng của dây đốt cho thấy dây sáng trên nền thẫm

• Nếu độ sáng bằng nhau hình dây sẽ biến mất

• Khi ánh sáng của đối tượng đo và đèn bằng

nhau, dòng điện ra của tế bào quang điện

không thay đổi

• Miliampemét được khắc trực tiếp giá trị nhiệt

độ cho ta biết nhiệt độ đo được Hoả quang kế loại này có độ chính xác cao (sai số cơ bản

±1%) trong dải nhiệt độ 900 ÷ 2200oC

2.2.2 Cảm biến quang I- Các định nghĩa cần quan tâm

II- Một số loại cảm biến quang

Các định nghĩa

• Năng lượng bức xạ (Q): là năng lượng phát xạ, lan truyền hoặc hấp thụ dưới dạng bức xạ, được đo bằng Jun (J)

• Thông lượng ánh sáng (Φ): là công suất phát xạ, lan

truyền hoặc hấp thụ , đo bằng đơn vị W

• Cường độ ánh sáng (I): là luồng năng lượng phát ra theo 1

hướng cho trước dưới 1 đơn vị góc khối , có đơn vị đo là

oat/steradian

Các định nghĩa

• Độ chói năng lượng : là tỉ số giữa cường độ ánh sáng phát

ra bởi 1 phần tử bề mặt dA theo 1 hướng xác định và diện tích hình chiếu của phần tử này trên mặt phẳng P vuông góc với hướng đó:

– θ là góc giữa P và mặt phẳng chứa dA

– Độ chói đo bằng oat/steradian.m2

Các định nghĩa

• Độ rọi năng lượng (E) là tỉ số giữa luồng năng lượng thu được bởi 1 phần tử bề mặt và diện tích phần tử đó Độ rọi năng lượng được đo bằng oat/m2

b Đặc điểm:

- Thông lượng lớn, dải phổ rộng, có thể giảm bằng các tấm

lọc

- Quán tính nhiệt lớn nên không thể thay đổi bức xạ một

cách nhanh chóng, thời gian sống nhỏ,dễ vỡ

• Diode phát quang (LED):

– Hiện tượng phát xạ ánh sáng xảy ra trong diode phát quang chủ yếu là do quá trình tái hợp điện tử

- lỗ trống gần chuyển tiếp p-n đối với các hạt dẫn

tự do phun vào chuyển tiếp: giải phóng năng

lượng

Nguồn sáng

a Cấu tạo:

- Trên một lớp bán dẫn n có nồng độ pha tạp cao (n+),

người ta sử dụng phương pháp epitaxy, tạo một lớp bán dẫn n có nồng độ tạp chất ít hơn

- Trên lớp n, người ta tạo một lớp p bằng phương pháp

khuếch tán: ta được chuyển tiếp p-n

• Có thể mở cửa sổ để ánh sáng thoát ra ngoài ở lớp n

hay lớp p đều được

• Lớp p có hằng số hấp thụ bức xạ cao nên lớp trên

mặt của diode thường là lớp n, nếu để lớp p trên mặt diode thì nó phải thật mỏng

b Đặc điểm:

- Thời gian hồi đáp nhỏ cỡ ns, phổ ánh sáng hoàn toàn

xác định, độ tin cậy cao và độ bền tốt

- Thông lượng tương đối nhỏ (~ 102mV) và nhạy với

nhiệt độ là nhược điểm hạn chế phạm vi sử dụng của LED

b Đặc điểm chính của Laze:

• Bước sóng hoàn toàn xác định,

• Thông lượng lớn,

• Chùm tia rất mảnh với độ định hướng cao,

• Truyền đi trên một khoảng cách lớn

Các thông số cần quan tâm

• Tỷ số U/N:

• Hệ số khuếch đại:

• Hiệu suất lượng tử:

Thời gian đáp ứng

Thời gian đáp ứng tr thể hiện quán tính của linh kiện

• tr phụ thuộc vào điện dung và trở kháng của đầu thu:

• tr = (RD + RA) (CD + CA)

RD, CD: điện trở vào và điện dung của cảm biến

RA, CA: điện trở vào và điện dung lối vào của bộ khuếch đại

Nếu cảm biến được chế tạo tốt thì:

RD >> RA, CD >> CA

Do đó: tr ≈ RDCD

tr còn gọi là thời gian hồi đáp của cảm biến

II Một số linh kiện và cảm biến quang

1 Quang trở:

1.1 Định nghĩa:

Quang trở là:

- một linh kiện bán dẫn hai cực,

- có điện trở thay đổi theo năng lượng ánh sáng

- Toàn bộ phiến bán dẫn được bọc trong vỏ kim loại

hoặc chất dẻo có cửa sổ trong suốt để ánh sáng có thể chiếu vào phiến bán dẫn

Cấu tạo của quang trở

Mỗi quang trở có một đặc tính quang phổ riêng: sự phụ thuộc giá trị độ dẫn suất vào bước sóng ánh sáng

σ

λ0 λ

Ký hiệu trong mạch điện :

Đặc tuyến quang phổ riêng σ = f(λ)

1.3 Đặc tuyến và tham số của quang trở

a Đặc tuyến Volt ampere (V-A)

Mô tả quan hệ giữa dòng điện qua quang trở và điện áp hạ trên nó ứng với các mức độ chiếu sáng khác nhau

• Khi không chiếu sáng, nếu

đặt điện áp vào hai đầu quang trở thì vẫn có dòng chạy qua: dòng tối It

• Khi chiếu sáng, nếu đặt

điện áp vào hai đầu quang trở, dòng qua quang trở tăng lên: dòng tổng Itg

 Dòng sáng: IΦ = Itg – It

• IΦ = f(Φ)|U=const

b Đặc tuyến năng lượng dòng sáng

Mô tả quan hệ giữa cường độ dòng sáng và năng lượng ánh sáng chiếu vào khi điện áp đặt vào hai đầu quang trở

• Khi năng lượng chùm sáng Φ

thấp , quan hệ gần như tuyến tính

• Khi năng lượng chùm sáng Φ

tăng lên , đặc tuyến mang tính phi tuyến rõ nét (Φ↗ → nồng độ các hạt tải ↗ → tốc độ tái hợp bởi các bẩy↗ → thời gian sống của các hạt tải ↘ → dòng ↗ chậm lại.)

Đặc tuyến điện trở của quang phổ

d Đặc tuyến phổ tương đối

• Đặc tuyến phổ tương đối xác định quan hệ giữa

tần số ánh sáng chiếu vào và độ nhạy đơn sắc của dụng cụ

• Với các bán dẫn khác nhau, độ nhạy của chúng

đối với ánh sáng đơn sắc cũng khác nhau

⇒ Các bán dẫn có độ rộng vùng cấm khác nhau → có

điểm hấp thụ cực đại tại các tần số khác nhau