Điện - Điện tử - Chương 1: Các khái niệm và đặc trưng cơ bản trong đo lường cảm biến

Nội dung text: Điện - Điện tử - Chương 1: Các khái niệm và đặc trưng cơ bản trong đo lường cảm biến

1. Chương 1 CÁC KHÁI NIỆM VÀ ĐẶC TRƯNG CƠ BẢN TRONG ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN 1.1 Các khái niệm chung Đo lường là quá trình đánh giá định lượng về đại lượng cần đo. Ngành khoa học chuyên nghiên cứu để đo các đại lượng khác nhau được gọi là đo lường học. Ngành kỹ thuật chuyên nghiên cứu để áp dụng thành quả của đo lường học vào phục vụ vào sản xuất và đời sống gọi là kỹ thuật đo lường. Đại lượng đo là thông số xác định một quá trình vật lý nào đó, mỗi quá trình vật lý có thể có một hay nhiều thông số, tùy trường hợp cụ thể mà ta cần quan tâm đến thông số nào. Dựa trên tính chất cơ bản của đại lượng đo, người ta phân thành hai loại cơ bản: § Đại lượng điện: - Đại lượng điện tác động: là những đại lượng mang năng lượng, có thể cung cấp năng lượng cho mạch đo như điện áp, dòng điện, công suất. Yêu cầu ở các mạch đo cần thiết kế sao cho ít ảnh hưởng đến các đại lượng đó nhất. - Đại lượng điện thụ động: là những đại lượng không mang năng lượng như điện trở, điện cảm, điện dung, cần phải cung cấp năng lượng để đo. Cần lưu ý khi đo các đại lượng này là đo phần tử độc lập hay đang nằm trên mạch, đo trên mạch dùng cách đo “nóng” (trong mạch đang hoạt động) hay đo “nguội” (trong mạch không hoạt động). § Đại lượng không điện: Là những đại lượng không mang đặc trưng điện như nhiệt độ, áp suất, trọng lượng, Ngày nay, để dễ dàng kiểm soát và thiết lập các hệ thống tự động ở trong nhà cũng như nhà máy, người ta chuyển đổi các đại lượng này thành các đại lượng điện. Với xu hướng chuyển tất cả các đại lượng đo về thành đại lượng điện, người ta phân loại các đại lượng đo theo cách thức hoạt động: Đại lượng đo tiền định là đại lượng có quy luật thay đổi theo thời gian; và Đại lượng đo ngẫu nhiên là đại lượng thay đổi theo thời gian mà không có quy luật nhất định. Đo lường tự động (Auto Measurement) là một hệ thống đo lường thực hiện việc tự động đo định lượng của đối tượng cần đo, hiển thị hay lưu trữ kết quả, tự động đo lại (Hình 1.1). Mỗi lần đo được như vậy gọi là một lần lấy mẫu hay một chu trình đo. Chuyển Chuyển Đối tượng đổi chuẩn đổi A/D đo lường hóa Sensor Bộ xử lý (Mp/Pc ) Hình 1.1: Sơ đồ khối hệ thống đo lường tự động. Đo lường tự động thường sử dụng các bộ vi điều khiển, các mạch chuyển đổi có vai trò quan trọng trong đời sống con người cũng như trong khoa học kỹ thuật. Ví dụ như đo các thông số độ cao, tốc độ, nhiệt độ, áp suất trong máy bay. Bài giảng Đo lường và cảm biến Trang 1
2. Đo lường tự động điều khiển (ACM: Auto Controller Measurement) là một hệ thống đo lường tự động chỉ khác ở chỗ giá trị của đối tượng cần đo khi đo được, kết quả đo sẽ được so sánh với một giá trị mẫu tùy theo sự chênh lệch này mạch điều khiển sẽ tự thực hiện chương trình đã định sẵn (Hình 1.2). Chuyển đổi Chuyển đổi Đối tượng chuẩn hóa A/D đo lường Cơ cấu D/A Mạch điều Bộ xử lý Chấp hành khiển (Mp/Pc ) Tạo mẫu Hình 1.2: Sơ đồ khối hệ thống đo lường tự động điều khiển. ACM được ứng dụng rất nhiều trong lĩnh vực khoa học kỹ thuật, đặc biệt trong công nghiệp. Ngày nay các khối sensor, chuyển đổi chuẩn hóa, AD thường được tích hợp thành một khối chuyên dụng vì vậy trong các thiết kế ứng dụng chúng ta quan tâm đến vấn đề này. Cảm biến đo lường: là thiết bị đo thực hiện biến đổi tín hiệu ở đầu vào thành tín hiệu ra thuận lợi cho việc xử lý, lưu trử. Phương trình y=f(x) mô tả cảm biến (Hình 1.3). x(t) y(t) W(t) Trong đó: Hình 1.3 - x(t): Đại lượng vào (mong muốn) của đối tượng đo. - y(t): Đại lượng ra. - w(t): Hàm truyền đạt (cảm biến). Quan hệ giữa đáp ứng và kích thích của cảm biến có thể cho dưới dạng bảng giá trị, đồ thị hoặc biểu thức toán học. - Hàm tuyến tính: y = ax + b - Hàm logarit: y = 1 + b.lnx - Hàm mũ: y = a.ekx x - Hàm lũy thừa: y= a0 + a1k - Hàm phi tuyến, sử dụng các hàm gần đúng hay phương pháp tuyến tính hóa từng đoạn. Nhiễu: là đại lượng vào không mong muốn. Khi đó ta có y=f(x,x1,x2,.) trong đó x1, x2, lý tưởng chúng bằng không. Tín hiệu ra y Nhiễu trong các bộ cảm biến và mạch là nguồn gốc của sai số. y0 Nhiễu không thể loại trừ hoàn toàn mà chỉ có thể phòng ngừa làm giảm ảnh hưởng của chúng. Nhiễu nội tại phát sinh do dy không hoàn thiện trong việc thiết kế, công nghệ chế tạo, tính dx chất vật liệu Nhiễu do truyền dẫn, do sóng điện từ, do x 0 Tín hiệu vào x nguồn cung cấp Hình 1.4 Chuẩn cảm biến: (calibration) nhằm xác định dưới Bài giảng Đo lường và cảm biến Trang 2
3. dạng đồ thị, giải tích mối quan hệ giữa đáp ứng và kích thích của bộ cảm biến có tính đến tất cả các yếu tố ảnh hưởng (Hình 1.4). Độ nhạy S: (sensitivity) là tỉ số giữa biến thiên ngõ ra theo biến thiên ngõ vào. Đối với tín hiệu vào x ta có độ nhạy chủ đạo Sx, với tín hiệu nhiễu xi ta có độ nhạy phụ thuộc Sxi. Cảm biến chất lượng tốt có độ nhạy Sx càng lớn và Sxi càng nhỏ. Dy ¶y Dy ¶y Sx = lim = Sxi = lim = Dx®0 Dx®0 Dx ¶x Dxi ¶xi Độ lựa chọn Ki: là tỉ số giữa độ nhạy chủ đạo và độ nhạy phụ thuộc. Cảm biến có Ki càng lớn càng tốt. Sx Ki = Sxi Thí dụ chọn cảm biến nào trong hai loại cảm biến sau theo độ lựa chọn : C.biến Sx Sxi SxCB1 SxCB 2 CB1 8.10-3mV/0C 4.10-6mV/0C ñ Þ Chọn CB1 Sx Sx CB2 9.10-3mV/0C 8.10-6mV/0C i CB1 iCB 2 Ngưỡng nhạy: là giá trị nhỏ nhất Δx của đại lượng đo tác động ở đầu vào để cảm biến làm việc với độ chính xác yêu cầu. Giới hạn đo: là giới hạn biến thiên ngõ vào mà phương trình biến đổi còn nghiệm đúng. Tính tuyến tính: (Hình 1.5) bộ cảm biến được gọi là tuyến tính trong một dải đo khi đó độ nhạy không phụ thuộc vào giá trị của đại lượng đo. Hay nói cách khác độ nhạy S=const. Trong kỹ thuật đo lường chúng ta luôn mong muốn cảm biến đạt độ tuyến tính cao. Nếu cảm biến không tuyến tính, chúng ta cần hiệu chỉnh bằng các mạch điện tử, hay các thiết bị khác với mục đính làm cho cảm biến có Hình 1.5 đặc tuyến tuyến tính gọi là tuyến tính hóa. Sai số: là sai lệch gữa giá trị thực và giá tri đo. Nguyên nhân do tính tuyến tính, do môi trường đo: nhiệt độ, độ ẩm , tính lão hóa của thiết bị. Hiện tượng trễ, độ nhanh và thời gian đáp ứng: Một số cảm biến không đáp ứng cùng thời điểm với tín hiệu kích thích. Độ rộng (thời gian) của sự sai lệch được gọi là hiện tượng trễ. Độ nhanh của cảm biến cho phép đánh giá đại lượng ngõ ra có đáp ứng được về mặt thời gian với độ biến thiên của đại lượng đo hay không. Thời gian đáp ứng là đại lượng xác định giá trị của độ nhanh. Giới hạn sử dụng cảm biến: Trong quá trình sử dụng, các cảm biến luôn chịu ứng lực cơ khí hoặc nhiệt độ tác động lên chúng. Nếu các ứng lực này vượt quá ngưỡng cho phép sẽ làm thay đổi các đặc trưng của cảm biến. Do đó người sử dụng phải biết các giới hạn ngưỡng của cảm biến. - Vùng làm việc danh định: ứng với điều kiện sử dụng bình thường của cảm biến. - Vùng không gây nên hư hỏng. - Vùng phá hủy. Bài giảng Đo lường và cảm biến Trang 3
4. Dải đo của cảm biến được xác định bởi giá trị giới hạn của vùng đại lượng đo mà trong vùng đó cảm biến đáp ứng các yêu cầu đề ra. Thông thường dải đo trùng với vùng danh định. 1.2 Chuẩn hóa trong đo lường Các thiết bị đo lường cần được chuẩn hóa với các thiết bị đo lường chuẩn để đảm bảo độ chính xác của phép đo theo đúng định nghĩa của các đơn vị đo được hội nghị quốc tế về đo lường định ra. Có 4 cấp chuẩn hóa thiết bị đo lường như sau: § Cấp 1 - Chuẩn Quốc tế: Các thiết bị chuẩn hóa theo cấp quốc tế được thực hiện định chuẩn tại Trung tâm đo lường Quốc tế đặt tại Paris – Pháp và định kì kiểm tra để bảo đảm việc hoạt động bình thường. § Cấp 2 - Chuẩn Quốc gia: Các thiết bị đo lường tại các Viện định chuẩn quốc gia được chuẩn hóa theo chuẩn quốc tế, còn các thiết bị theo chuẩn quốc gia thì được Viện định chuẩn quốc gia kiểm tra và đánh giá. § Cấp 3 - Chuẩn khu vực: Tương tự chuẩn quốc gia, các thiết bị chuẩn khu vực được định chuẩn theo các thiết bị chuẩn quốc gia. § Cấp 4 - Chuẩn phòng thí nghiệm: Trong từng khu vực chuẩn hóa sẽ có những phòng thí nghiệm được công nhận để chuẩn hóa các thiết bị đo lường đang sử dụng trong nhà máy, trường học, bệnh viện, Các thiết bị đo lường sau khi xuất xưởng được định chuẩn theo cấp nào thì sẽ mang tiêu chuẩn chất lượng đo lường của cấp đó. Ngoài ra, phòng kiểm nghiệm sẽ xác định sai số cho từng tầm đo của thiết bị, và từ đó định ra cấp chính xác của thiết bị, nhằm giúp người sử dụng đánh giá được sai số của kết quả đo. Các thông tin này được ghi trực tiếp trên thiết bị hoặc trong sổ tay kỹ thuật đi kèm. 1.3 Phương pháp đo Các bước cơ bản để thực hiện một phép đo như sau: § Lấy mẫu: Chuyển đổi đơn vị của đại lượng cần đo thành một giá trị mẫu cụ thể. § Biến đổi: Chuyển đổi đại lượng đo về cùng dạng với giá trị mẫu. § So sánh: So sánh đại lượng cần đo với giá trị mẫu. § Hiển thị kết quả hoặc chuyển về bộ điều khiển trung tâm để xử lý. Có 2 loại phương pháp đo: kiểu biến đổi thẳng và kiểu so sánh: § Kiểu biến đổi thẳng: Đại lượng cần đo X biến đổi thẳng thành con số Nx mà không có khâu phản hồi. Kết quả đo thể hiện trên tỉ lệ Nx/N0 với N0 chính là đơn vị của đại lượng đo X0 chuyển đổi thành: X = X0 x Nx/N0. X X Nx Nx/No BĐ A/D SS Xo No Xo § Kiểu so sánh: Sử dụng khâu phản hồi để thực hiện phép đo. X DX Nk SS BĐ A/D KQ Xk D/A Bài giảng Đo lường và cảm biến Trang 4
5. Tín hiệu đo X được so sánh với đại lượng Xk tỷ lệ với đại lượng mẫu X0. Qua bộ so sánh ta có: ∆X = X – Xk. Tùy thuộc vào cách so sánh ta có các phương pháp sau: - So sánh cân bằng:là phép so sánh mà đại lượng cần đo X và đại lượng mẫu Xk sao cho ∆X = 0. Khi đó X = Xk = NkX0 Độ chính xác của phép đo phụ thuộc vào Xk và độ nhạy của thiết bị chỉ thị cân bằng. Các dụng cụ đo theo phương pháp này có cầu đo, điện thế kế, - So sánh không cân bằng: Chọn Xk không đổi (đã biết trước). Khi đó X = Xk + ∆X Kết quả của phép đo được đánh giá qua ∆X. Phương pháp này được sử dụng đo các đại phương không điện như nhiệt độ (dùng mạch cầu không cân bằng). - So sánh đồng thời: là phương pháp đo mà các giá trị đo X được thay bằng đại lượng mẫu Xk. Các giá trị đo X và giá trị mẫu được đưa vào thiết bị không cùng một thời gian, thông thường giá trị mẫu Xk được đưa vào khắc độ trước, sau đó qua các vạch khắc độ để xác định giá trị của đại lượng cần đo. Vôn kế và ampe kế chỉ thị kim là các thiết bị đánh giá trực tiếp sử dụng phương pháp này. - So sánh không đồng thời: là phương pháp so sánh cùng một lúc đại lượng đo X và đại lượng mẫu Xk. Khi X và Xk trùng nhau, ta đọc giá trị của X thông qua Xk . 1.4 Các đơn vị đo Đơn vị đo là giá trị đơn vị tiêu chuẩn về một đại lượng đo nào đó được hiệp hội đo lường quốc tế quy định mà mọi quốc gia đều phải tuân thủ. Hệ thống đơn vị gồm 2 nhóm: § Nhóm đơn vị cơ bản: các đơn vị này độc lập với nhau và khi kết hợp ở dạng biểu thức sẽ tạo ra các hệ đơn vị khác. Gồm có 7 đơn vị: mét (m– chiều dài), kilogram (kg– khối lượng), giây (s– thời gian), ampe (A– cường độ dòng điện), Kelvin (K– nhiệt độ), mol (đơn vị số lượng vật chất), Candela (Cd – cường độ ánh sáng). § Nhóm đơn vị kéo theo: gồm các đơn vị có liên quan và được xác định dựa trên các đơn vị cơ bản. Bảng 1.1 giới thiệu một số đơn vị đo được quy định theo hệ thống đơn vị quốc tế SI. Bài giảng Đo lường và cảm biến Trang 5
6. Bảng 1.1 Các đại lượng Tên đơn vị Ký hiệu Các đại lượng cơ bản Chiều dài Mét m Khối lượng Kilôgam kg Thời gian Giây s Dòng điện Ampe A Nhiệt độ Kelvin K Số lượng vật chất Môn mol Cường độ ánh sáng Candela Cd Các đại lượng cơ học Tốc độ Mét trên giây m/s Gia tốc Mét trên giây bình phương m/s2 Năng lượng và công Jun J Lực Niutơn N Công suất Watt W Năng lượng Watt giây Ws Các đại lượng điện Điện lượng Culông C Điện áp Vôn V Cường độ điện trường Vôn trên mét V/m Điện trở Ôm Ω Điện dung Fara F Điện trở riêng Ôm mét Ω.m Hệ số điện môi tuyệt đối Fara trên mét F/m Các đại lượng từ Từ thông Vebe Wb Cảm ứng từ Tesla T Cường độ từ trường Ampe trên mét A/m Điệm cảm Henri H Hệ số từ thẩm Henri trên mét H/m Các đại lượng quang Luồng ánh sáng Lumen lm Độ chiếu sáng Candela trên mét vuông Cd/m2 Cường độ sáng riêng Lux lx 1.5 Các đặc tính cơ bản của dụng cụ đo Dụng cụ đo có nhiều loại khác nhau tùy theo chức năng của chúng, nhưng đều có chung một số đặc tính cơ bản sau: 1.5.1 Sai số của dụng cụ đo Trong thực tế rất khó xác định chính xác trị số thực của đại lượng cần đo do ảnh hưởng của nhiều thông số do môi trường, thiết bị và cả con người gây ra (mà người ta chỉ có thể giảm thiểu chứ không thể triệt tiêu hết được). Sai số hệ thống: là sai số cơ bản mà giá trị của nó không đổi hoặc thay đổi có qui luật. Có ba loại sai số hệ thống: sai số cũa dụng cụ, sai số do môi trường và sai số do chỉ thị. Sai số ngẫu nhiên: là sai số mà giá trị của nó rất ngẫu nhiên do sự thay đỗi của môi trường bên ngoài (áp suất, nhiệt độ, độ ẩm ). Sai số này còn gọi là sai số phụ. Để đánh giá sai số của dụng cụ đo, người ta còn phân loại: Bài giảng Đo lường và cảm biến Trang 6
7. - Sai số tuyệt đối ∆X: là hiệu giữa giá trị đại lượng đo Xđ và giá trị thực: ∆X =Xđ-Xth. - Sai số tương đối của phép đo gx: được đánh giá bằng phần trăm của tỷ lệ sai số tuyệt đối và giá trị thực: gx=(∆X/Xth).100% - Độ chính xác tương ứng được tính theo biểu thức: A=1-½∆X/Xth½ hoặc theo phần trăm a=A.100%. 1.5.2 Độ nhạy Độ nhạy được tính bằng: S=dY/dX. Trong đó Y đại lượng ra, X đại lượng vào. Gọi C=1/S là hằng số của dụng cụ đo. Nếu một dụng cụ đo gồm nhiều khân biến đổi, mỗi khâu có độ nhạy riêng thì độ nhạy của toàn dụng cụ: S=S1.S2.S3 1.6 Phân loại cảm biến § Phân loại theo nguyên lý chuyển đổi giữa đáp ứng và kích thích - Vật lý: nhiệt điện, quang điện, quang từ, điện từ, từ điện - Hóa học: biến đổi hóa học, biến đổi điện hóa, phân tích phổ, - Sinh học: biến đổi sinh hóa, biến đổi vật lý, phân tích phổ § Phân loại theo dạng kích thích: âm thanh, điện, từ, quang, cơ, nhiệt, - Âm thanh: biên pha, phân cực, tốc độ truyền sóng - Điện: điện tích, dòng điện, điện áp, điện dẫn, hằng số điện môi - Từ: từ trường (biên, pha, phân cực, phổ), từ thông, độ từ thẩm, cường độ từ trường - Quang: hệ số phát xạ, khúc xạ, tốc độ truyền § Phân loại theo tính năng: độ nhạy, độ chính xác, độ phân giải, độ tuyến tính § Phân loại theo phạm vi sử dụng: công nghiệp, nghiên cứu khoa học, môi trường, thông tin, nông nghiệp § Phân loại theo thông số của mô hình thay thế: - Cảm biến tích cực (active): hoạt động như một nguồn áp hoặc nguồn dòng được biểu diễn bằng mạng hai cửa có nguồn. - Cảm biến thụ động (passive): được biểu diễn bằng mạng hai cửa không nguồn có trở kháng phụ thuộc vào kích thích. 1.6.1 Cảm biến tích cực Hoạt động như một máy phát, về mặt nguyên lý cảm biến tích cực thường dựa trên hiệu ứng vật lý biến đổi một dạng năng lượng nào đó (nhiệt, cơ hoặc bức xạ) thành năng lượng điện với các dạng hiệu ứng: Hiệu ứng nhiệt điện: (hiệu ứng Seebeck) khi có chênh lệch nhiệt độ giữa hai đầu nóng và đầu lạnh thì phát sinh sức điện động V giữa hai đầu (Hình 1.6). Hình 1.6: Hiệu ứng Seebeck Bài giảng Đo lường và cảm biến Trang 7
8. Hiệu ứng hỏa điện: một số tinh thể, gọi là tinh thể hỏa điện, có tính phân cực điện tự phát phụ thuộc vào nhiệt độ. Trên các mặt đối diện của chúng tồn tại những điện tích trái dấu có độ lớn tỉ lệ với độ phân cực điện. Hiệu ứng này thường được ứng dụng để đo thông lượng ánh sáng vì khi tinh thể hấp thụ ánh sáng nhiệt độ nó tăng lên làm thay đổi phân cực điện (Hình 1.7). Hiệu ứng cảm ứng điện từ: khi một thanh dẫn chuyển động trong từ trường sẽ xuất hiện sức điện động tỉ lệ với biến thiên từ thông, nghĩa là tỉ lệ với tốc độ chuyển động của thanh dẫn. Ứng dụng hiệu ứng này để xác định tốc độ chuyển động của vật thông qua đo sức điện động (hình 1.8) f B F w e®f e®F e®w Hình 1.7: Hiệu ứng hỏa điện Hình 1.8 Hình 1.9 Hiệu ứng áp điện: khi tác dụng một lực cơ học lên một vật làm bằng vật liệu áp điện, thí dụ thạch anh, sẽ gây nên biến dạng của vật đó và làm xuất hiện lượng điện tích bằng nhau như trái dấu trên các mặt đối diện, đó là hiệu ứng áo điện (Hình 1.9). Ứng dụng hiệu ứng này dùng để xác định lực tác dụng lên vật liệu, áp suất, gia tốc, Hiệu ứng quang điện: có nhiều dạng biểu hiện khác nhau nhưng đều cùng chung một bản chất: đó là hiện tượng giải phóng ra các hạt dẫn tự do trong vật liệu dưới tác dụng của bức xạ ánh sáng. Hiệu ứng này được ứng dụng chế tạo các cảm biến quang. (Hình 1.10). Hình 1.10 Hiệu ứng quang phát xạ điện tử: là hiện tượng các điện tử được giải phóng thoát ra khỏi vật liệu tạo thành dòng thu được dưới tác dụng của điện trường. Hiệu ứng quang điện trong chất bán dẫn: một khi chuyển tiếp P-N được chiếu sáng sẽ phát sinh ra các cặp điện tử - lỗ trống, chúng chuyển động dưới tác dụng của điện trường chuyển tiếp làm thay đổi hiệu điện thế giữa hai đầu chuyển tiếp. Hiệu ứng quang điện từ: khi tác dụng một từ trường B vuông góc vời bức xạ ánh sáng, trong vật liệu bán dẫn được chiếu sáng sẽ xuất hiện một điện thế theo hướng vuông góc với từ trường B và hướng bức xạ ánh sáng. Dựa nguyên tắc này có thể đo các đại lượng quang. (Hình 1.11) Hiệu ứng Hall: vật liệu dạng tấm mỏng (thường là bán dẫn) có dòng điện chạy qua đặt trong từ trường B có phương tạo thành q với dòng điện I, sẽ xuất hiện một hiệu điện thế VH theo hướng vuông góc với B và i. Với VH= KH.I.B.Sinq. Ứng dụng để xác định vị trí của một vật chuyển động, vật này ghép nới cơ học với một thanh nam châm; đại lượng từ; đại lượng điện. (Hình 1.12) f S N B i q B V®f i V®f Hình 1.11 Hình 1.12 Bài giảng Đo lường và cảm biến Trang 8
9. 1.6.2 Cảm biến thụ động 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. Chẳng hạn, giá trị trở kháng phụ thuộc vào kích thước hình học của mẫu, tính chất điện của vật liệu như điện trở suất, từ thẩm, hằng số điện môi. Do đó, giá trị trở kháng thay đổi được dưới tác dụng của các đại lượng đo. Thông số hình học hoặc kích thước của trở kháng có thể thay đổi nếu cảm biến có phần tử chuyển động hoặc phần tử biến dạng: § Cảm biến có chứa phần tử chuyển động: mỗi vị trí của phần tử chuyển động tương ứng với một giá trị của trở kháng cho nên đo trở kháng sẽ xác định được vị trí của đối tượng. Đây là nguyên lý của nhiều loại cảm biến vị trí hoặc dịch chuyển (cảm biến điện thế, cảm biến cảm ứng có lõi động ). § Cảm biến có chứa 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. Sự thay đổi của trở kháng (do biến dạng) liên quan đến lực tác động lên cấu trúc, nghĩa là tác động của đại lượng cần đo được biến đổi thành tín hiệu điện. Trong bảng dưới đây giới thiệu các đại lượng cần đo có khả năng làm thay đổi các tính chất điện của vật liệu sử dụng để chế tạo cảm biến thụ động. Đại lượng cần đo Đặc trưng nhạy cảm Loại vật liệu sử dụng Kim loại: Pt, Ni, Cu Nhiệt độ Điện trở suất, r Bán dẫn Thuỷ tinh Bức xạ ánh sáng Điện trở suất, r Bán dẫn Điện trở suất, r Hợp kim Ni, Si pha tạp Biến dạng Độ từ thẩm, m Hợp kim sắt từ Vị trí (nam châm) Điện trở suất, r Vật liệu từ điện trở: Bi, InSb Điện trở suất, r LiCl Độ ẩm Hằng số điện môi, e Al2O3, polyme Mức chất lưu Hằng số điện môi, e Chất cách lưu điện Trở kháng của cảm biến thụ động và sự thay đổi trở kháng dưới tác dụng của đại lượng đo chỉ có thể xác định được khi cảm biến là một thành phần trong mạch điện. Trên thực tế, tùy trường hợp cụ thể, mà ta chọn mạch đo thích hợp. 1.7 Chọn cảm biến trong ứng dụng Khi thực hiện một ứng dụng thực tế nào đó, có liên quan đến cảm biến, chúng ta thường quan tâm: đại lượng vật lý cần đo, yếu tố môi trường làm việc của cảm biến, đáp ứng tín hiệu ra của cảm biến, sai số, độ phân giải, độ chính xác, giải đo Trong quá trình sử dụng, các cảm biến luôn chịu ứng lực cơ khí hoặc nhiệt độ tác động lên chúng. Nếu các ứng lực này vượt quá ngưỡng cho phép sẽ làm thay đổi các đặc trưng của cảm biến. Do đó người sử dụng phải biết các giới hạn ngưỡng của cảm biến. - Vùng làm việc danh định: ứng với điều kiện sử dụng bình thường của cảm biến. - Vùng không gây nên hư hỏng. - Vùng không phá hủy. Dải đo của cảm biến được xác định bởi giá trị giới hạn của vùng đại lượng đo mà trong vùng đó cảm biến đáp ứng các yêu cầu đề ra. Thông thường dải đo trùng với vùng danh định. Bài giảng Đo lường và cảm biến Trang 9