Giáo trình Đặc tính cảm biến - Chương 1: Khái niệm chung và các đặc tính cảm biến

Chương 1: KHÁI NIỆM CHUNG VÀ CÁC ĐẶC TÍNH CẢM BIẾN 1.1. Khái niệm Cảm biến: là thiết bị chuyển đổi đại lượng vật lý thành đại lượng điện Cảm biến đại lượng cần đo (m) đại lượng điện (s) s = f(m) Các đại lượng vật lý: vị trí, vận tốc, gia tốc, lực, nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, ánh sáng, Các đại lượng điện: điện trở, điện dung, điện cảm, điện áp, dòng điện, Các đặc tính mong muốn đối với cảm biến: Tỉ số tín hiệu/nhiễu cao (nhiễu ngắn hạn, dài hạn) Độ an toàn (điện, cơ, chống cháy nổ) Độ ổn định (ít bị ảnh hưởng tác động môi trường bên ngoài) Độ tin cậy Độ chính xác Đáp ứng nhanh Tầm động rộng Giá thành hạ Công suất thấp Độ nhạy chéo thấp Miễn nhiễm EMI Phân loại cảm biến Cảm biến tích cực (active sensor) Cảm biến tích cực cần được cung cấp năng lượng từ bên ngoài (tín hiệu kích thích) trong quá trình hoạt động. Ví dụ: Hệ thống radar hay sonar, khoảng cách đến đối tượng cần đo được xác định bằng cách chủ động phát ra sóng radio (radar) hay sóng âm (sonar), đến đối tượng cần đo và phản xạ trở về cảm biến. Cảm biến thụ động (passive sensor) Cảm biến thụ động không cần cung cấp năng lượng trong quá trình hoạt động. Ví dụ: Cặp nhiệt điện (thermocouples), biến đổi đại lượng nhiệt độ thành tín hiệu điện áp. Khi nhiệt độ môi trường đo thay đổi, sẽ phát sinh điện áp nhiệt-điện thay đổi. Cảm biến áp suất, áp suất cần đo tạo ra áp lực lên bề mặt hệ thống (màng, vật liệu áp điện), gây ra sự dịch chuyển, điện áp. Ultrasonic sensors, radar, and video cameras are active. A strain gauge (whose resistance changes with pressure applied) is passive. Some types microphones are active while others (like piezoelectric microphones) are passive. They generate an output with only the input energy they are sensing. They do not need a power source to generate an output (though the output will usually be very low and need to be amplified with an active device). Thermocouples and thermopiles are passive. They generate a voltage output using the temperature energy they are sensing. They do not require a battery to make their output. But it is very weak and probably needs to be amplified with an active device like an op-amp. Some RFID tags are passive, others are active. The active ones need a battery present to work. The passive ones take the RF energy being transmitted by the base unit, modify it somehow, and reflect it back out to be received by the base station, but they have a much shorter range than the active ones. Đơn vị đo lường: Các đặc tính cảm biến Hàm truyền: là quan hệ vào ra của cảm biến s = F(m) s: đại lượng đầu ra m: đại lượng đầu vào Ví dụ: Cảm biến gia tốc ADXL 150: Độ nhạy (sensivity) Độ nhạy S: S=Δs/ Δm Ví dụ: đối với nhiệt điện trở đối với cặp nhiệt Độ tuyến tính 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. Độ tuyến tính thể hiện bằng các đoạn thẳng trên đặc tuyến tĩnh. Nếu như cảm biến không phải là tuyến tính, người ta có thể đưa vào mạch đo các thiết bị hiệu chỉnh tuyến tính hóa Sai số và độ chính xác Sai số hệ thống Sai số ngẫu nhiên Độ nhanh - thời gian hồi đáp 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. Giới hạn sử dụng của cảm biến Vùng làm việc danh định Vùng không gây hư hỏng Vùng không phá hủy