Cảm biến điện dungTHỨ HAI, 06 THÁNG 9 2010 00:57

Cảm biến kiểu tụ không tiếp xúc đo những thay đổi về tính chất điện tương ứng thường gọi là cảm biến điện

dung. Điện dung mô tả hai vật dẫn điện cách nhau một khoảng phản ứng lại với sự chênh thế giữa chúng.

Đặt một điện thế vào hai đầu của một điện trở ta được một tụ điện giữa hai vật dẫn đó (một đầu dương, một

đầu âm), hình 1.

Các cảm biến kiểu tụ (hay điện dung) sử dụng điện thế xoay chiều tạo ra điện tích trái dấu ở phía của bản

cực. Sự dịch chuyển của điện tích tạo ra dòng xoay chiều và được cảm biến phát hiện (hình 2).

Hình 1. Điện trường được tạo ra khi ta áp thế vào hai phía của vật dẫn

Hình 2. Điện áp xoay chiều làm dịch chuyển các điện tích giữa các vật thể, tạo ra dòng xoay chiều và được phát hiện bới cảm biến.

Điện dung = (Điện tích x Hằng số điện môi) / Khoảng cách giữa hai phân cực

Dòng điện tích được xác đinh bởi giá trị điện dung, và tỷ lệ thuận với diện tích bề mặt và tỷ lệ nghịch với

khoảng cách giữa hai vật thể. Điện dung dĩ nhiên cũng phụ thuộc vào đặc trưng điện môi của vật liệu giữa

hai bản cực, phương trình 1.

Trong các ứng dụng cảm biến kiểu tụ tiêu biểu, đầu dò hoặc cảm biến là một vật thể còn vật thể còn lại là

vật cần được phát hiện (cách sử dụng cảm biến kiểu tụ để xác định vật liệu nhựa hoặc chất cách điện sẽ

được mô tả ở số tiếp). Giả sử, kích thước của cảm biến và của vật cần xác định là cố định, thì sự thay đổi về

điện dung sẽ là sự thay đổi về khoảng cách giữa đầu dò và vật thể đó. Phần điện tử được hiệu chỉnh để tạo ra

các thay đổi đặc biệt về điện thế sao cho nó phù hợp với sự thay đổi về điện dung, nghĩa là sự thay đổi về

khoảng cách. Độ nhạy của cảm biến chính là lượng điện thế thay đổi so với sự thay đổi một lượng điện dung

tương ứng. Độ nhạy thông thường vào khoảng 1.0 V/100 µm. Với cách hiệu chuẩn này, nếu đo được thế lối ra

là 2 V thì đầu dò và khoảng cách đã dịch chuyển một quãng đường là 200 µm.

(a)                                                         (b)                            (c)Hình 3. a) Cấu kiện của đầu dò cảm biến kiểu tụ; b) phần nhạy điện trường trong cảm biến kiểu tụ và c) Hình dạng của

vùng gác trong vùng nhạy điện trường.

Hội tụ phần điện trường

Khi đặt một chênh thế trên một điện trở nào đó, điện trường sẽ lan tỏa trên bề mặt. Trong một cảm biến điện

dung, điện thế được đặt lên trên diện tích cảm nhận của đầu dò (hình 3 a, 3b). Với các phép đo có độ chính

xác cao, điện trường từ diện tích cảm nhận cần tập trung trong khoảng không gian giữa đầu dò và vật cần

phát hiện. Nếu điện trường thay đổi giữa hai vật thể (đầu dò và vật cần phát hiện) ta có thể xác định được sự

thay đổi về vị trí của vật đích (cần phát hiện). Một kỹ thuật gọi là “gác” ("guarding") được áp dụng để ngăn

chặn sự lan tỏa của điện trường. Để tạo ra vòng gác, mặt sau và mặt cảm nhận được phủ một lớp dẫn điện

có vai trò giữ cho điện thế giống như trong vùng cảm nhận (hình 3a, 3c). Khi đặt điện thế vào vùng cảm

nhận, mạch phân tách sẽ đặt vào một điện thế bằng với giá trị trên “gác”. Do không có sự khác nhau về thế

giữa khu vực nhạy cảm và khu vực gác, nên không có điện trường ở đây. Bất kỳ vật dẫn nào ở cạnh hoặc ở

sau đầu dò cũng sẽ tạo ra một điện trường với vùng gác chứ không phải vùng nhạy cảm. Chỉ có vùng nhạy

cảm là được phép tạo ra một điện trường với vật đích.

Hình 4. Độ nhạy của cảm biến/thế lối ra. Độ nhạy (A) - độ dốc của đường biểu diễn 1 V/0.05 mm. Sai số độ nhạy (B) xảy ra khi độ dốc thực tế sai khác với độ dốc lý tưởng. Sai số bù (C) một giá trị không đổi thêm vào trong mọi phép đo. Sai số tuyến tính (D) là khi dữ liệu phép đo không nằm trên một đường thẳng.

Một vài giá trị cần chú ý khi sử dụng

Độ nhạy: biểu thị độ lớn của sự thay đổi điện thế lối ra khi thay đổi khoảng cách giữa đầu dò và đích. Độ

nhạy thông thường là 1 V/0.1 mm. Khi vẽ đường phụ thuộc giữa thế và khoảng cách, ta có thể tính được giá

trị này (hình 4A). Độ nhạy hệ thống được thiết lập trong quá trình chuẩn máy. Khi độ nhạy lệch khỏi giá trị

mong muốn người ta gọi đó là sai số nhạy, sai số khuếch đại hoặc sai số thang. Vì độ nhạy chính là độ dốc

của đường đặc tuyến nên sai số độ nhạy thường được biểu thị theo % của độ dốc, tức là so sánh với độ dốc lý

tưởng với độ dốc thực, hình 4B.

Sai số bù (hình 4C) xảy ra khi thêm một giá trị không đổi vào thế lối ra của hệ thống. Hệ thống đo điện dung

thường lấy giá trị “0” lúc thiết lập, loại bỏ mọi sai số bù khác trong quá trình chuẩn máy. Tuy nhiên, sai số bù

thật sẽ khác giá trị đó và được gán vào mỗi phép đo cụ thể. Sự thay đổi nhiệt độ là nhân tố chính trong sai số

bù.

Độ nhạy có thể thay đổi một chút giữa hai điểm bất kỳ của dữ liệu. Sự tác động của sự thay đổi này được gọi

là sai số tuyến tính (hình 4D). Các đặc tính tuyến tính là phép đo độ lệch của tín hiệu lối ra so với đường

thẳng đặc tuyến.

Để tính sai số tuyến tính, dữ liệu hiệu chỉnh cần được so sánh với đường “fit” chuẩn. Đường so sánh chuẩn

này được lấy từ dữ liệu bằng phương pháp bình phương tối thiểu. Độ lớn của sai số ở điểm trên đường chuẩn

xa nhất so với đường lý tưởng chính là sai số tuyến tính (thường được tính bằng phần trăm trên toàn thang

(%/F.S.). Giả sử sai số lớn nhất của một điểm đạt giá trị 0.001 mm và toàn thang lúc chuẩn là 1 mm, thì sai

số tuyến tính là 0.1%.

Cần chú ý rằng sai số tuyến tính không ảnh hưởng tới độ nhạy. Nó chỉ là phép đo độ thẳng của đường đặc

tuyến chứ không phải đo độ dốc của đường này. Một hệ thống với sai số độ nhạy lớn vẫn có thể có độ tuyến

tính rất tốt.

Vùng sai số là kết hợp giữa sai số độ nhạy và sai số tuyến tính. Đây là phép đo lỗi tuyệt đối lớn nhất trong

khoảng đo lường. Giá trị này được tính bằng cách so sánh điện thế lối ra ở một khoảng cách đặc biệt giữa

đầu dò và vật đích. Sai số lớn nhất tính từ sự so sánh này được ghi vào trong vùng sai số (bảng 1). Theo đó,

sai số lớn nhất xảy ra ở 0.50 và vùng sai số (in đậm) là- 0.010.

Hình 5a. Ồn từ cảm biến có giải tần 15 kHz  Hình 5b. Ồn từ cảm biến có giải tần 100 kHz

Dải tần được hiểu là tần số mà ở đó lối ra giảm xuống tới - 3 dB, và còn gọi là tần số ngắt (cutoff frequency).

Các cảm biến dải (tần) rộng có thể phát hiện được các chuyển động với tần số cao và độ đáp ứng nhanh, với

độ lớn tín hiệu vượt trội khi được sử dụng trong các hệ thống sử dụng động cơ trợ động điều khiển kín. Trong

khi đó, cảm biến có dải tần thấp lại làm giảm ồn (nhiễu) lối ra nghĩa là làm tăng độ phân giải. Một vài nhà

sản xuất cho phép lựa chọn dải tần để cho độ phân giải là cực đại và thời gian đáp ứng nhanh nhất.

Độ phân giải được hiểu là giá trị đo nhỏ nhất có thể phát hiện được với độ tin cậy cao. Độ phân giải của một

hệ đo phải tốt hơn độ chính xác cuối mà phép đo yêu cầu. Nếu chúng ta cần biết phép đo trong khoảng 0.02

µm, thì độ phân giải của hệ thống phải tốt hơn 0.02 µm. Yếu tố cơ bản trong xác định độ phân giải là ồn

(nhiễu) điện. Ồn điện xuất hiện trong thế lối ra là nguyên nhân sai số tức thời trong tín hiệu thu được. Ngay

cả khi đầu dò và vật đích cách nhau một khoảng lý tưởng, thì thế lối ra của động cơ vẫn đóng góp vào những

ồn với giá trị có thể đo được và giống như thể khoảng cách đó thay đổi vậy. Nếu động cơ có ồn lối ra là 0.002

V với độ nhạy là 10 V/1 mm thì ồn lối ra của hệ thống sẽ là 0.000,2 mm (0.2 µm). Ở bất kỳ thời điểm nào, sai

số lối ra có thể là 0.2 µm.

Độ lớn của ồn trong lối ra ảnh hưởng trực tiếp đến dải tần. Một cách vắn tắt, ồn đóng góp vào cả giải tần khi

đo đạc. Nếu có thể lọc được tần số cao trước lối ra, kết quả thu được sẽ bớt ồn và có độ phân giải tốt hơn

(hình 5 a,b). Khi xác định đặc tính năng phân giải, nhất thiết phải biết rõ giá trị đó áp dụng trong giải tần

nào.

Ở số tới, chúng ta sẽ bàn về cách thức tối ưu hóa tính năng của cảm biến điện dung khi mà đối tượng đo có

kích thước, hình dạng và cả vật liệu thay đổi.

Cảm biến điện dung (Phần 2) Tối ưu hóa hệ thốngTHỨ NĂM, 14 THÁNG 10 2010 12:15

Ở phần trước, chúng ta đã xét tới một số vấn đề cơ bản của cảm biến điện dung như cơ chế hoạt động và

khả năng ứng dụng trong thực tế. Trong phần này chúng ta sẽ bàn luận thêm cách thức tối ưu hóa hiệu suất

của cảm biến điện dung và làm rõ sự ảnh hưởng của vật liệu, hình dạng và kích thước tới độ đáp ứng của

cảm biến.

Ảnh hưởng của kích thước vật cần phát hiện

Kích thước của vật thể là điều đáng quan tâm đầu tiên khi lựa chọn đầu dò phù hợp cho những ứng dụng cụ

thể. Khi trường điện cảm nhận được hội tụ bởi phần gác sẽ tạo ra một điện trường hình nón có hình chiếu

trên diện tích cảm nhận. Đường kính nhỏ nhất của vật cần phát hiện thường bằng 130% diện tích cảm nhận.

Đầu dò càng xa, khoảng phát hiện càng nhỏ.

Hình 1. Có thể đo những vật cách điện bằng cách truyền một điện trường lên chúng đến một vật dẫn tĩnh phía dưới. 

Hình 2. Không có vật dẫn phía dưới, trường viền có thể tạo ra thông qua một vật cách điện và khi đó sẽ phát hiện được vật thể đó.

Thang đo

Thang mà trong đó đầu dò có hiệu quả và là hàm của kích thước vùng cần phát hiện. Diện tích càng lớn,

thang đo càng lớn. Vì các động cơ điện tử thường được thiết kế cho một số tụ gần với đầu dò, đầu dò nhỏ hơn

cần phải ở một khoảng cách đủ gần so với vật cần phát hiện để có thể thu được lượng điện dung mong

muốn. Nói chung, khoảng cách lớn nhất mà ở đó đầu dò có thể sử dụng được là khoảng 40% của đường kính

của diện tích nhạy cảm. Các phép chuẩn hay gặp thường giữ khoảng cách này ở một giá trị nhỏ hơn giá trị

tính toán trên một chút. Mặc dù các mạch điện tử có thể tự cân chỉnh trong quá trình chuẩn thiết bị nhưng

dẫu sao vẫn nên có thang chuẩn giới hạn.

Phát hiện trên nhiều kênh

Thông thường, mộtđối tượng được đo một cách đồng thời bằng nhiều đầu dò. Vì hệ thống đo sự thay đổi về

điện trường nên điện thế kích thích cho mỗi đầu dò cần được đồng bộ hóa nếu không chúng sẽ gây ra hiện

tượng nhiễu loạn lẫn nhau. Khi không được đồng bộ hóa, một đầu dò sẽ làm tăng trường điện trong khi một

đầu dò khác sẽ làm giảm giá trị này và dĩ nhiên kết quả lối ra sẽ không còn chính xác nữa. Các mạch điện tử

điều khiển có thể được lên cấu hình thành bộ phận chủ hoặc tới đầu dò làm chủ sẽ thiết lập sự đồng bộ hóa

cho các đầu dò tới trong các hệ thống đo đa kênh.     

Ảnh hưởng của vật liệu của vật cần đo

Điện trường cảm biến thường dò tìm một bề mặt dẫn. Nghĩa là khi vật cần phát hiện là một vật dẫn, cảm

biến điện dung sẽ không bị ảnh hưởng bởi các vật liệu đặc biệt cần phát hiện, chúng sẽ đo lường mọi vật dẫn

như: đồng thau, thép không gỉ, nhôm hoặc nước muối ở cùng thời điểm. Vì điện trường cảm biến sẽ dừng ở

bề mặt của vật dẫn. Chiều dầy của vật cần phát hiện cũng không làm ảnh hưởng đến các phép đo lường.

Đo lường vật cách điện

Cảm biến điện dung thường được sử dụng để đo sự thay đổi vị trí của một vật dẫn. Cảm biến loại này cũng có

thể đo được mật độ, độ dày và vị trí của một vật cách điện. Các vật liệu cách điện như nhựa có hằng số điện

môi khác với không khí. Hằng số điện môi xác định mức độ ảnh hưởng của vật liệu cách điện tới điện dung

giữa hai vật dẫn. Khi đặt một vật cách điện vào giữa đầu dò và vật cần xác định, điện trường đi qua vật liệu

và đến vật cần xác định phía dưới (hình 1). Sự có mặt của vật liệu cách điện thay đổi tính điện môi và do đó

làm thay đổi diện dung giữa chúng. Điện dung sẽ thay đổi một cách tương đối với bề dày hoặc mật độ của

vật liệu.

Không phải lúc nào chúng ta cũng có đối tượng so sánh nằm phía trước đầu đo. Thông thường, các phép đo

được thực hiện bởi một kỹ thuật tạm gọi là viền (hoặc dải) - hình 2.

Bảng 1. Hằng số điện môi của một vài vật liệu cách điện thông thường

Nếu không có vật dẫn so sánh nằm trực diện với đầu dò, điện trường cảm biến sẽ che phủ ngược lại phần

thân của đầu dò. Hiện tưởng này được gọi là trường viền. Nếu một vật liệu điện môi được đặt cách đầu dò

một khoảng cách đủ nhỏ, tính chất điện môi sẽ thay đổi trong trường viền; hiệu ứng này được dùng để cảm

nhận và phát hiện các vật liệu cách điện. Độ nhạy của cảm biến với vật cách điện tỷ lệ với hằng số điện môi

của vật liệu (bảng 1).

Tăng tối đa độ chính xác. Độ chính xác yêu cầu các phép đo được thực thi ở cùng điều kiện khi chuẩn hóa

cảm biến. Mỗi khi cảm biến được chuẩn hóa tại nhà máy hoặc trong quá trình sử dụng, các kết quả mang

tính lặp lại phải có được từ những điều kiện lặp lại. Nếu người sử dụng chỉ muốn khoảng cách là thông số duy

nhất cần để ý trong quá trình đo, thì những thông số khác phải được đặt làm hằng số. Ở phần sau này chúng

ta sẽ bàn tới những nguồn phát sinh sai số và cách làm hạn chế chúng. 

Kích thước vật cần phát hiện. Trừ trường hợp đặc biệt, các phép chuẩn hóa tại nhà máy được thực hiện với

một bề mặt dẫn phẳng và có diện tích lớn hơn diện tích cảm nhận. Một cảm biến được chuẩn hóa bằng cách

này sẽ làm chính xác kết quả thu được khi diện tích bề mặt dẫn điện lớn hơn 30% so với diện dích cảm nhận.

Nếu diện tích cần cảm nhận quá nhỏ, điện trường sẽ trùm lên xung quanh vật đó, nghĩa là điện trường phát

triển xa hơn so với giá trị được chuẩn hóa và kết quả nhận được có vẻ như vật thể ở xa hơn, hình 3. Trong

trường hợp này, đầu dò cần ở gần vật đích hơn để có được cùng một điểm gốc (điểm 0). Vì khoảng cách này

khác với giá trị khi chuẩn hoá nên nó được coi là một trong những nguyên nhân gây sai số của phép đo.

Thêm vào đó, sai số được tạo ra là do đầu dò không đo trên bề mặt phẳng nữa.

Nếu khoảng cách giữa đầu dò và đích được tính theo trục Z, một vấnđề nữa phát sinh là cảm biến nhạy cả

theo phương X vàY trênđầu dò. Nếu khe hở được cố định, tín hiệu lối ra sẽ thay đổi đáng kể nếu đầu dò dịch

chuyển cả theo chiều X và Y vì điện trường, ngoài việc tập trung vào tâm của vật, còn có tác động xunh

quanh của nó nữa.    

Hình dạng của vật đích. Hình dạng cũng là một yếu tố cần quan tâm vì các đầu dò được chuẩn hóa trên các

vật đích phẳng, vì thế khi đo trên các bề mặt mấp mô dĩ nhiên sẽ có sai số (hình 4). Khi đó đầu dò sẽ đo

khoảng cách trung bình tới vật cong, lúc này độ chênh tạo ra bởi khe hở sẽ khác với giá trị 0.0 V khi hệ thống

được chuẩn hóa. Sai số được tạo ra là bởi những đáp ứng của điện trường với bề mặt cong. Khi cần phải đo

những bề mặt cong như vậy, cần phải cân chỉnh và chuẩn hóa tại nhà máy với nhiều hình dạng khác nhau.

Một cách tương tự, khi sử dụng các phép căn chỉnh trên bề mặt phẳng dùng cho những bề mặt cong, có thể

thực hiện nhiều phép đo để hiệu chỉnh giá trị đo được.

Hình 3. Đích không mong muốn làm cho trường cảm nhận phát triển ra cả các chiều khác là một trong những nguyên nhân gây sai số. 

Hình 4. Một đích không bằng phẳng đòi hỏi đầu dò ở gần hơn và như thế độ nhạy sẽ bị ảnh hưởng

Lớp phủ bề mặt. Khi bề mặt vật đích không được hoàn thiện một cách đồng đều và nhẵn hệ thống sẽ lấy

trung bình trên toàn bộ bề mặt, được che phủ bởi cảm biến, hình 5. Giá trị đo có thể thay đổi khi đầu dò bị

dịch chuyển qua bề mặt vì có sự thay đổi về giá trị trung bình của bề mặt được tính toán trước đó. Độ lớn của

sai số phụ thuộc vào bản chất và sự cân đối của bề mặt gồ ghề và dĩ nhiên là phụ thuộc vào độ lớn vùng cảm

nhận của cảm biến (tỷ lệ thuận).   

Tính song song. Trong quá trình chuẩn hóa, bề mặt của cảm biến song song với bề mặt của vật cần phát

hiện. Nếu đầu dò hoặc đích nghiêng đi một góc đáng kể thì hình dạng của điểm nơi mà điện trường tác động

lên đó sẽ kéo dài ra và thay đổi tương tác của điện trường với đích (hình 6). Biểu hiện khác nhau của từ

trường chính là một trong những nguyên nhân dẫn tới sai số phép đo. Ở độ phân giải rất cao, độ nghiêng chỉ

ở một vài độ thôi cũng đã dẫn đến những sai số rất lớn. Tính song song phải được tính đến khi chúng ta thiết

kế bộ gá đỡ cho phép đo. 

Môi trường. Mọi cảm biến điện dung đều nhạy với thay đổi nhiệt độ. May thay, chúng thường được thiết kế và

tích hợp những bộ phận bù nhiệt nên sự thay đổi kết quả đo do nhiệt độ trên toàn thang cũng nhờ đó được

hạn chế. Điều đáng quan tâm ở đây là vấn đề gặp phải khi mọi đích cần phát hiện và bộ gá đều giãn nở hoặc

bị cong do tác dụng của nhiệt độ. Khi điều này xảy ra, sự thay đổi trong phép đo không phải sai số của phần

cảm nhận mà mà sự thay đổi thực chất về khoảng cách giữa cảm biến và vật cần phát hiện. Thiết kế bộ gá

một cách kỹ lưỡng sẽ cho ta độ chính xác tối đa. Hằng số điện môi của không khí bị ảnh hưởng bởi độ ẩm; khi

độ ẩm tăng; hằng số điện môi cũng tăng. Độ ẩm cũng tương tác với vật liệu làm đầu dò. Sự thay đổi độ ẩm

tương đối từ 50%-80% có thể tạo ra sai số đến 0.5% toàn thang.

Hình 5. Với một đầu dò rất nhỏ, kết quả đo sẽ lấy trung bình trên bề mặt ghồ ghề nhưng kết quả đo sẽ rất khác nhau ở những vị trí khác nhau. 

Hình 6. Bề mặt gá đỡ không song song cũng là một trong những nguyên nhân gây sai số.

Trong khi chúng ta lựa chọn vật liệu làm đầu dò phù hợp để giảm thiểu những sai số từ môi trường, thì thực

tế lại đòi hỏi độ chính xác cao nhất, khống chế đuợc nhiệt độ và độ ẩm. Theo tiêu chuẩn quốc tế, chúng ta

nên thực hiện các phép đo ở 20°C hoặc cân chỉnh lại về giá trị 20°C.

Cảm biến điện dung cho phép thực hiện những phép đo ổn định, độ phân giải cao cho phép giải quyết những

khó khăn trong đo lường. Hiểu rõ nguyên lý hoạt động, thuật ngữ và độ nhạy sẽ dễ dàng hơn trong việc lựa

chọn cảm biến điện dung phù hợp nhất cho từng ứng dụng của bạn.

………………………..

Cảm ứng điện trở và điện dung khác nhau thế nào?(10/08/2012)Màn hình cảm ứng nói chung bao gồm khá nhiều loại như cảm ứng điện dung, điện trở, hồng ngoại, sóng âm,… nhưng đối với điện thoại di dộng, smartphone hay máy tính bảng hai công nghệ cảm ứng điện dung và điện trở được sử dụng nhiều hơn cả.Cảm ứng điện trởCảm ứng điện trở là công nghệ cảm ứng dựa trên áp lực của tay, bút cảm ứng hay bất kì vật nhọn nào tác động lên màn hình.Cấu tạo của loại màn hình cảm ứng này gồm một tấm kính hoặc nhựa acrylic mỏng bao phủ hai lớp tương tác là lớp dẫn xuất điện và lớp cảm biến điện trở. Hai lớp này được phân tách bởi một lớp đệm gồm các điểm và khoảng trống mà mắt thường không thể nhìn thấy được. Trên bề mặt của mỗi lớp tương tác được phủ một hợp chất gọi là ITO (oxit thiếc và Indi), dòng điện với các mức điện thế khác nhau sẽ được truyền qua hai lớp này.Trong quá trình sử dụng, khi có sự tác động lên màn hình, hai lớp tương tác sẽ “chạm” nhau và mạch điện sẽ được kết nối đồng thời cường độ dòng điện chạy qua mỗi lớp cũng sẽ thay đổi. Lớp phía trên sẽ lấy điện thế từ lớp phía dưới và ngược lại lớp phía dưới sẽ lấy điện thế của lớp phía trên để từ đó bộ điều khiển xác định được tọa độ xy của điểm cảm ứng.Màn hình cảm ứng điện trở được chia làm ba công nghệ chính là 4,5 và 8 dây, trong đó loại 5 giây được sử dụng nhiều nhất. Bên cạnh đó, người ta còn chế tạo ra loại màn hình có 3 lớp nhằm nâng tuổi thọ của loại màn hình này lên 35 triệu lần chạm thay vì 1 triệu lần chạm như loại 2 lớp truyền thống.

Để có thể nhận biết được tác động của tay người dùng hay bút cảm ứng, các màn hình cảm ứng điện trở cần phải có lớp tương tác mềm phía trên. Điều này khiến nhiều người tỏ ra lo ngại về độ bền của chiếc điện thoại bởi khi thao tác màn hình cảm ứng điện trở đòi hỏi một lực tác động lớn hơn cảm ứng điện dung. Một nhược điểm nữa của loại màn hình này đó là việc ngăn chặn đến 30% lượng ánh sáng từ đèn nền bên dưới do có quá nhiều lớp thành phần bên trong.Tuy nhiên với đặc điểm là giá thành rẻ và chịu được môi trường khắc nghiệt, các loại màn hình vẫn còn được sử dụng trong khá nhiều thiết bị cảm ứng nơi công cộng. Riêng ở lĩnh vực điện thoại và smartphone, loại màn hình này chỉ phổ biến  trong thời gian trước đây với các sản phẩm như HTC Touch Diamond, Samsung SGH-i900 Omnia, Nokia N97, còn hiện nay hầu như chỉ có ở một số dòng cấp thấp.

 Cảm ứng điện dungKhông như màn hình cảm ứng điện trở, màn hình cảm ứng điện dung chỉ sử dụng một lớp tương tác (lưới điện) được bao phủ bởi một lớp dẫn xuất điện làm từ hợp chất ITO tạo nên một ma trận lưới các tụ điện bao phủ toàn bộ màn hình và không có lớp đệm. Với đặc điểm này màn hình cảm ứng điện dung sẽ cho ánh sáng đi qua nhiều hơn, lên đến 90%.Cách thức hoạt động của loại màn hình này dựa trên sự hút điện của bàn tay khi chúng ta chạm lên màn hình. Nó sẽ làm mất điện ở các tụ điện nơi tiếp xúc kéo theo sự thay đổi giá trị điện dung để từ đó thiết bị điều khiển có thể nhận dạng, xác định được toạ độ xy của điểm cảm ứng. Chính nhờ việc sử dụng thuộc tính điện năng trên cơ thể con người mà loại màn hình này có thể “hiểu” được những thao tác dù là rất nhẹ giúp việc cảm ứng trở nên nhẹ nhàng và dễ dàng hơn các loại màn hình khác. Nhưng cũng chính điều này làm cho việc sử dụng bút hay găng tay không còn phát huy tác dụng.Với ưu điểm nhanh, nhạy và chính xác cao của mình, màn hình cảm ứng điện dung đang ứng dụng rất nhiều ở các lĩnh vực khác nhau. Đặc biệt, chúng đang là công nghệ cảm ứng dẫn đầu trong thế giới của các thiết bị giải trí cầm tay mà điển hình là smartphone.Cảm ứng đa điểm

Có thể chúng ta đã khá quen thuộc với các khả năng “làm xiếc” của những chiếc smartphone khiến cho bàn tay chúng ta dường như có “ma lực” với hàng loạt các thao tác như vuốt, kéo, lật, bóp,… Đằng sau những hiệu ứng rất “ảo” ấy chính là công nghệ đa chạm hay còn được gọi là cảm ứng đa điểm. Khái niệm về cảm ứng đa chạm không phải là một điều mới mẻ gì trong ngành điện toán và điện tử. Nó đã bắt đầu xuất hiện từ mãi những năm 80 khi các kỹ sư ở đại học Toronto phát triển thành công chiếc màn hình cảm ứng đa điểm đầu tiên. Từ đó, họ bắt đầu chuyển sang nghiên cứu sâu hơn về giao diện cũng như phần mềm và nền móng cho công nghệ mang tính đột phá ấy sau này.Tuy nhiên, mãi đến ngày chiếc iPhone đầu tiên được ra mắt, cụm từ “đa chạm” mới trở nên quen thuộc thậm chí tạo nên cơn sốt với nhiều người. Với thành công ấy, iPhone nhanh chóng trở thành hiện tượng của năm và cũng trở thành chiếc smartphone làm thay đổi hoàn toàn xu thế người dùng đồng thời mở ra một làn sóng mới trong cuộc đua điện thoại di động đã có phần bão hoà.Với việc hỗ trợ đa chạm, các nhà sản xuất có nhiều lựa chọn hơn để thiết lập các thao tác trên màn hình cảm ứng. Từ đó, đem đến cho người dùng những trải nghiệm thú vị hơn. Tuy nhiên, không phải chiếc điện thoại cảm ứng nào cũng có các thao tác cảm ứng giống nhau, điều đó phụ thuộc vào hệ điều hành mà thiết vị đó sử dụng. Với cùng một thao tác, có thể trên iOS bạn sẽ được chức năng này nhưng ở Android lại là một chức năng hoàn toàn khác.Hầu hết các nền tảng lớn hiện nay đã hỗ trợ đến tối đa cùng lúc 5 điểm chạm cho 5 đầu ngón tay. Mặc dù vậy, các thao tác 3,4 hay 5 chạm vẫn còn ít được sử dụng bởi việc đặt quá nhiều ngón cùng lúc lên màn hình sẽ gây khó khăn cho người dùng.Bên cạnh đó các hãng sản xuất cũng có thể tham gia vào cải thiện khả năng cảm ứng cho những chiếc smartphone của họ nhằm đem đến những trải nghiệm thú vị hơn cho người dùng. Lấy ví dụ điển hình như với Xperia Sola, Sony đã tích hợp một công nghệ gọi là Floating Touch giúp màn hình của chiếc điện thoại này có thể hiểu được cử chỉ của ngón tay mà không cần phải chạm sát lên màn hình, bạn chỉ cần thao tác trong khoảng cách khoảng 2cm là máy đã có thể hiểu được. Tuy nhiên, khả năng này chỉ mới được rất ít ứng dụng hỗ trợ, có lẽ trong tương lai sẽ được phát triển nhiều hơn.Màn hình cảm ứng điện trở hay điện dung đều hỗ trợ công nghệ đa điểm. Nhưng với lợi thế về độ nhạy, sự chính xác và khả năng kiểm soát nhiều điểm tiếp xúc dễ dàng, màn hình cảm ứng điện dung được sử dụng phổ biến hơn cả. Nguyên lý hoạt động của đa điểm cũng tương tự như đơn điểm chỉ khác nhau ở chỗ đa chạm sẽ xác định nhiều toạ độ cùng lúc trên màn hình. Vì vậy, khả năng đáp ứng theo thời gian thực rất được chú trọng để có thể xác định chính xác thao tác của người dùng.………………………..

Giáo trình thiết bị điệnCollection by: Lê Thành Bắc. E-mail the author

« Previous module in collection  

Next module in collection   »

Cảm biếnModule by: Lê Thành Bắc. E-mail the author

Summary: Phần này trình bày khái niệm chung về cảm biến

KHÁI NIÊM CHUNG

Khái niệm

Cảm biến là các phần tử nhạy cảm dùng để biến đổi các đại lượng đo lường, kiểm tra hay điều

khiển từ dạng này sang dạng khác thuận tiện hơn cho việc tác động của các phần tử khác. Cảm

biến là một thiết bị chịu tác động của đại lượng cần đo m không có tính chất điện và cho một đặc

trưng mang bản chất điện (như điện tích, điện áp, dòng điện, trở kháng) kí hiệu là s có s = F(m).

Cảm biến thường dùng ở khâu đo lường và kiểm tra.

Các loại cảm biến được sử dụng rộng rãi trong tự động hóa các quá trình sản xuất và điều khiển

tự động các hệ thống khác nhau. Chúng có chức năng biến đổi sự thay đổi liên tục các đại lượng

đầu vào (đại lượng đo lường - kiểm tra, là các đại lượng không điện nào đó thành sự thay đổi của

các đại lượng đầu ra là đại lượng điện, ví dụ: điện trở, điện dung, điện kháng, dòng điện, tần số,

điện áp rơi, góc pha,...

Căn cứ theo dạng đại lượng đầu vào người ta phân ra các loại cảm biến như: cảm biến chuyển

dịch thẳng, chuyển dịch góc quay, tốc độ, gia tốc, mô men quay, nhiệt độ, áp suất, quang, bức

xạ,...

Các thông sô cơ ban của cam biếna) Độ nhạy S=ΔYΔX

X: gia số đại lượng đầu vào.Với: +

Y: gia số đại lượng đầu ra.+

Trong thực tế còn sử dụng độ nhạy tương đối: S0=

Với: Y là đại lượng ra.

X là đại lượng vào.

Cảm biến có thể là tuyến tính nếu S0=const hoặc là phi tuyến nếu S0= var. Cảm biến phi tuyến

có độ nhạy phụ thuộc vào giá trị đại lượng vào (X).

b) Sai số

Sự phụ thuộc của đại lượng ra Y vào đại lượng đầu vào X gọi là đặc tính vào ra của cảm biến. Sự

sai khác giữa đặc tính vào ra thực với đặc tính chuẩn (đặc tính tính toán hay đặc tính cho trong lí

lịch) được đánh giá bằng sai số.

Phân làm hai loại sai số

+ Sai số tuyệt đối ΔX=X'−X

X': giá trị đo được; X: giá trị thực.

+ Sai số tương đối a=ΔXX

Các nguyên nhân ảnh hưởng tới sai số

Có nhiều nguyên nhân khách quan và chủ quan ảnh hưởng tới sai số, trong thực tế người ta đưa

ra các tiêu chuẩn và các điều kiện kĩ thuật để hạn chế mức độ ảnh hưởng này trong phạm vi cho

phép.

Sai số ở giá trị định mức do yếu tố của bên ngoài gọi là sai số cơ bản. Nếu yếu tố của bên ngoài

vượt ra khỏi giới hạn định mức thì xuất hiện sai số phụ. Để giảm sai số phụ phải giảm độ nhạy

của cảm biến với yếu tố ngoài hoặc hạn chế ảnh hưởng của chúng bằng màn chắn hay môi

trường khác.

c) Các yêu cầu của cảm biến

Muốn có độ nhạy cao, sai số nhỏ, cảm biến cần có các tính chất sau:

+ Có dải thay đổi đại lượng vào cần thiết.

+ Thích ứng và thuận tiện với sơ đồ đo lường, kiểm tra.

+ Anh hưởng ít nhất đến đại lượng đầu vào.

+ Có quán tính nhỏ.

Hiện nay có rất nhiều loại cảm biến, chúng làm việc theo nhiều nguyên lí khác nhau, do vậy kết

cấu của cảm biến rất đa dạng và phong phú. Bảng 7-1 là nguyên lí làm việc và lãnh vực của cảm

biến cảm ứng, là loại phổ biến trong tự động hóa và điều khiển tự động.

d) Phân loại cảm biến

Có thể phân các cảm biến làm hai nhóm chính: là cảm biến tham số (thụ động) và cảm biến phát

(chủ động hay tích cực).

* Nhóm phát (làm việc như một máy phát hình 7-1) bao gồm các loại cảm biến sử dụng hiệu ứng

cảm ứng điện từ, hiệu ứng điện áp, hiệu ứng Holl và sự xuất hiện sức điện động của cặp nhiệt

ngẫu, tế bào quang điện.

+Hiệu ứng cảm ứng điện từ: trong một dây dẫn chuyển động trong một từ trường không đổi sẽ

xuất hiện một sức điện động tỉ lệ với từ thông cắt ngang dây trong một đơn vị thời gian, nghĩa là

tỉ lệ với tốc độ dịch chuyển của dây dẫn.

Hiệu ứng cảm ứng điện từ được ứng dụng để xác định tốc độ dịch chuyển của vật thông qua việc

đo sức điện động cảm ứng.

+Hiệu ứng quang phát xạ điện tử: là hiện tượng các điện tử được giải phóng thoát ra khỏi vật liệu

tạo thành dòng được thu lại dưới tác dụng của điện trường.

+Hiệu ứng quang điện trong chất bán dẫn: là hiện tượng khi một 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 Holl: trong vật liệu (thường là bán dẫn) dạng tấm mỏng có dòng điện chạy qua đặt

trong từ trường B có phương tạo thành một góc với dòng điện I sẽ xuất hiện một hiệu điện thế U

theo hướng vuông góc với B và I. Hiệu ứng Holl được ứng dụng để xác định vị trí của một vật

chuyển động. Vật sẽ được ghép nối cơ học với một thanh nam châm, ở mọi thời điểm vị trí của

thanh nam châm xác định giá trị của từ trường và góc lệch tương ứng với tấm bán dẫn mỏng làm

trung gian. Hiệu điện thế đo được giữa hai cạnh tấm bán dẫn trong trường hợp này (gián tiếp) là

hàm phụ thuộc vị trí của vật trong không gian.

Hình 1

Cảm biến loại này là cảm biến tích cực vì trong trường hợp này nguồn của dòng điện I (chứ không

phải đại lượng cần đo) cung cấp năng lượng liên quan đến tín hiệu đo.

+Hiệu ứng điện áp: khi tác dụng lực cơ học lên một vật làm bằng vật liệu áp điện (như thạch anh)

sẽ gây nên biến dạng của vật đó và làm xuất hiện lượng điện tích bằng nhau nhưng trái dấu nhau

trên các mặt đối diện của vật (là hiệu ứng điện áp). Hiệu ứng này được ứng dụng để xác định lực

hoặc các đại lượng gây nên lực tác dụng vào vật liệu áp điện (như áp suất, gia tốc,...) thông qua

việc đo điện áp trên hai bản cực tụ điện.

Ngoài ra còn cảm biến nhiệt điện, cảm biến hóa điện,...

*Cảm biến tham số (thụ động): thường được chế tạo từ những trở kháng có một trong các thông

số chủ yếu nhạy với đại lượng cần đo. Một mặt giá trị của trở kháng phụ thuộc vào kích thước

hình học của mẫu, nhưng mặt khác nó còn phụ thuộc vào tính chất điện của vật liệu như: điện trở

suất, từ thẩm, hằng số điện môi. Vì vậy giá trị của trở kháng thay đổi dưới tác dụng của đại lượng

đo ảnh hưởng riêng biệt đến tính chất hình học, tính chất điện hoặc đồng thời ảnh hưởng cả hai.

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.

+Trường hợp khi có phần tử động thì mỗi vị trí của phần tử sẽ tương ứng với một giá trị trở kháng,

đo trở kháng sẽ xác định được vị trí đối tượng. Đây là nguyên lí nhiều cảm biến như cảm biến vị

trí, cảm biến dịch chuyển.

+Trường hợp cảm biến có phần tử biến dạng, thì sự biến dạng 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 làm thay đổi trở

kháng. Sự thay đổi trở kháng 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 (hiệu ứng áp trở).

Trở kháng của cảm biến thụ động và sự thay đổi của trở kháng dưới tác dụng của đại lượng cần

đo chỉ có thể xác định được khi cảm biến là một thành phần của mạch điện. Trong thực tế tùy

từng trường hợp cụ thể mà người ta chọn mạch đo thích hợp với cảm biến. Hình minh họa dưới

đây biểu diễn một mạch điện đo điện thế trên bề mặt màng nhạy quang được lắp ráp từ nhiều

phần tử.

Hình 2

Bảng 1: Một số loại cảm biến thông dụng

Đai lương đâu vao Phương phap thay đôi tư dân

-Cam biên chuyên dich cơ hoc- Lưc , ho c ap ặsuât.- Nhi t đ .- Cươngệ ộ đ tư trương.ộ

-Thay đôi khe hơ không khi-Dung m t trong hai phương phap sau:+ Hi u ưng ộ ệđan hôi tư (tư dân thay đôi dươi tac dung cua lưc ho c ap lưc).+ Đ vong cua ặ ộmang deo va chuyên dich cua phân ưng liên kêt vơi chung thay đôi khe hơ

không khi.-Thay đôi đ tư thâmộ m .-Thay đôi đ tư thâmộ m(cu n khang bao ộ

hoa).

BẢNG 1

Bang 7-2: Đăc điêm một sô loai cam biến

Đai lương cân đo Đ c trưng nhay camặ Loai v t li u sư dungậ ệ

Nhi t đệ ộ (đi n trơ suât)ệ Kim loai:Pt,Ni,CuBan dân

Bưc xa anh sang Ban dân

Biên dang )Tư thâm (Hơp kim Ni,Si pha tapHơp kim săt tư

Vi tri (nam châm) V t li u tư trơ Bi,InSbậ ệ

Đ âmộ (hăng sô đi n ệmôi)

LiClAl2O3,Polime

Mưc Chât lưu cach đi nệ

BẢNG 2

Ta chỉ khảo sát ở đây một số loại có nguyên lí làm việc gần với lãnh vực thiết bị điện, các cảm

biến còn lại tham khảo các tài liệu khác.

CẢM BIÊN ĐIÊN TRƠ

Khái niệm

Cảm biến điện trở có đại lượng đầu vào là các đại lượng cơ: chuyển dịch cơ học thẳng hoặc

chuyển dịch góc quay (hình minh họa), áp lực, độ biến dạng,...

Còn đại lượng đầu ra là điện trở hoặc sự thay đổi điện trở của cảm biến. Theo kết cấu cảm biến

điện trở có các loại:

- Cảm biến điện trở dây quấn.

- Cảm biến điện trở tiếp xúc.

- Cảm biến điện trở biến dạng (tenzô).

Hình 3

Cam biến điện trở dây quân

Nguyên lí loại này hoàn toàn giống một biến trở trong phòng thí nghiệm. Nếu cơ cấu đo (phần tử

chuyển dịch) được liên hệ về cơ với tiếp điểm động (con trượt biến trở), thì sự chuyển dịch của

tiếp điểm động sẽ phụ thuộc chuyển dịch của cơ cấu đo (lượng vào) dẫn đến điện trở đầu ra của

cảm biến (lượng ra) thay đổi tương ứng. Tiếp điểm động có thể chuyển động thẳng hoặc quay

(hình minh họa).

Cấu tạo: Các bộ phận chính của cảm biến gồm:

+ Khung của cảm biến thường bằng vật liệu cách điện, chịu nhiệt như ghetinắc, técxtôlít, sứ hoặc

kim loại có phủ lớp cách điện, cách nhiệt bên ngoài. Tiết diện ngang của khung có thể không đổi

(cảm biến tuyến tính) hoặc thay đổi (cảm biến phi tuyến).

+ Dây điện trở : làm bằng kim loại ít bị ôxy hóa có điện trở ít thay đổi theo thời gian và theo nhiệt

độ như côngstăngtan, vonfram, maganin,... Bên ngoài dây được phủ một lớp sơn cách điện hoặc

lớp oxit và một lớp sơn để gắn chặt dây quấn với khung. Độ lớn của dây quấn phụ thuộc vào độ

chính xác yêu cầu của cảm biến. Đối với cảm biến có độ chính xác cao, dây có đường kính từ

0,03mm đến 0,1 mm, loại có độ chính xác thấp thì đường kính dây từ 0,1mm đến 0,4 mm.

+ Tiếp điểm: được làm bằng kim loại có tính dẫn điện tốt, chịu mài mòn và có điện trở tiếp xúc

nhỏ, bề rộng tiếp xúc trên cuộn dây bằng 2 đến 3 lần đường kính dây. Dải này được tạo ra bằng

cách dùng giấy nhám mỏng đánh bóng trên cuộn dây. Lực ép lên tiếp điểm bằng 0,5g đến 15 g.

Cam biến tuyến tính

Thường được nối một cách đơn giản bằng ba cách như hình minh họa

Hình 4

Ở chế độ không tải hoặc khi điện trở vào của mạch lớn hơn nhiều so với điện trở của cảm biến R0

thì điện áp ra UR0 phụ thuộc vào chuyển dịch x hoặc góc j theo phương trình sau mà không phụ

thuộc vào trị số điện trở R0:

- Cảm biến thẳng: UR0 = U0R0.r=U0l.x=s.x- Cảm biến quay : UR0 = U0R0.r=s.ϕTrong đó: s = U0l gọi là độ nhạy của cảm biến, trên đặc tính góc hình 7-5, góc α có : tg α = s

= U0l.

Chú ý: nếu nối cảm biến theo sơ đồ a) và b) hình minh họa trên thì cực tính điện áp ra của cảm

biến không thay đổi, nếu nối theo sơ đồ c) có thể thay đổi được điện áp ra lớn nhất giảm còn U0/2

nhưng ở cực tính điện áp ra vẫn bằng U0, có nghĩa là độ nhạy cảm biến tăng lên hai lần. Tuy

nhiên cấu tạo cảm biến theo sơ đồ này sẽ phức tạp hơn. Ngoài các loại như hình minh họa a,b,c

còn dùng sơ đồ kiểu cảm biến kép góc quay.

Hình 5

Thông thường để tăng độ nhạy của cảm biến người ta nâng cao điện áp làm việc U0.

Việc này dẫn đến tăng công suất tiêu tán của cảm biến. Độ nhạy cực đại phụ thuộc vào công suất

cho phép lớn nhất Pmax của điện trở cảm biến R0 được xác định theo công thức sau:

Smax=Pmax.R0−−−−−−√xmax

Trong đó: xmax là độ dịch chuyển lớn nhất của tiếp điểm động.

Độ nhạy của cảm biến điện trở đạt từ 3 đến 5 [V/mm].

Một số nguyên nhân sai số của cảm biến khi làm việc

+ Vùng không nhạy : do cảm biến gồm nhiều vòng dây quấn liên tiếp trên khung nên trong quá

trình làm việc tiếp điểm động dịch chuyển từ vùng này sang vùng khác điện áp sẽ thay đổi nhảy

cấp với giá trị DU ( là điện áp rơi trên một vòng dây).

DU = U0W

Với W là số vòng dây của cảm biến.

Khi tiếp điểm chưa chuyển dịch đến vùng khác thì điện áp ra không đổi do đó đặc tính UR0 thực

chất là đường bậc thang như hình minh họa.

Hình 6

+ Sai số do tải: khi đặt tải Rt và điện áp vào Ro là U0 thì đặc tính UR = f (x) sẽ thay đổi hình dạng

không còn là đường thẳng nữa. Xét cảm biến đơn tải như hình minh họa.

Hình 7

Sau khi biến đổi ta có:

Ur=Ir.Rtr+RtI=U0(R0+r)+r.Rtr+Rt .

Từ đó ta có :

Ur = I.r = U0.rR0+r.R0Rt−r2Rt ( 7.1)

-Nếu Rt >> R0 thì R0Rt≈0 và r2Rt≈0 ta có:

Ur = U0.rR0=U0 .

Rt hầu như không ảnh hưởng đến điện áp ra và đặc tính gần dạng không tải.

-Nếu Rt » R0 thì sai số gây ra sẽ là:

ΔU=U0.r2(R0−r)R02Rt+R20.r−R0.r2.

Và ta có sai số tương đối lớn nhất:

amax = ΔUU0 tại r = 23R0 ứng với x = 23lvà amax = 427η với η=RtR0 là hệ số tải. Ta thấy hệ số tải càng lớn h càng lớn thì sai số a

càng nhỏ.

Ngoài ra sai số của cảm biến còn do sự thay đổi của nhiệt độ, ma sát do điện áp rơi trên tiếp xúc

gây ra.

Cam biến phi tuyến

Trong kĩ thuật ngoài cảm biến điện trở tuyến tính còn cần cả những cảm biến điện trở phi tuyến

là loại có đặc tính quan hệ Ur = f(x) dạng phi tuyến. Để tạo ra loại cảm biến có quan hệ Ur = f(x)

theo yêu cầu cho trước có thể thực hiện theo các phương pháp sau:

a) Thay đổi đường kính dây quấn.

b) Thay đổi bước dây quấn.

c) Thay đổi tiết diện ngang của khung dây.

d) Mắc điện trở sun vào từng phân đoạn của cảm biến tuyến tính có trị số khác nhau.

Thực tế phương pháp a và b rất khó thực hiện do công nghệ chế tạo, chỉ có hai phương pháp sau

thường được sử dụng. Phương pháp thay đổi tiết diện ngang của khung dây thường để đơn giản

cho chế tạo. Người ta sử dụng dây quấn tiết diện không đổi và bề mặt khung như nhau suốt chiều

dài khung (như hình minh họa).

Hình 8

Trong đó có:

hx là chiều cao khung tại vị trí x.

l:chiều dài làm việc của cảm biến .

W: số vòng dây.

R0 là điện trở toàn bộ của cảm biến.

S là tiết diện dây quấn.

rx là điện trở ứng với vị trí x.

Nếu tiếp điểm động dịch chuyển từ vị trí x đi một đoạn dx thì điện trở ứng với độ dịch chuyển đó

là:

drx = ρ..2(b+hx).Wl.dxs

Hình 7-9: Mạch đo mức chất lỏng dùng cảm biến Vì b<< hx và coi như b+hx »hx nên có:

drx ρ..2.hx.Wl.s .

Ứng dụng cảm biến điện trở trong bể đo mức chất lỏng hình 7-9.

Trong đó:

1. Bể chất lỏng.

2. Phao nối với bộ phận cơ khí.

3. Tiếp điểm động.

4. Cảm biến. 5- Lô gô mét.

Cam biến điện trở tiếp xúc (biến trở than)

Dựa trên nguyên lí sự thay đổi điện trở tiếp xúc giữa các hạt than khi lực ép lên (áp lực) trên

chúng thay đổi.

30)%. Đại lượng vào là lực F ra là Rk đặc tính vào ra như hình minh họa. 60) kg/cm2 thì điện trở

cảm biến giảm (20 Cấu tạo: gồm các hạt than được kết dính theo một phương pháp nhất định

thành các đĩa đường kính từ 5 đến 30 mm dày 1mm đến 2mm. Mỗi cảm biến gồm 10 đến 15 đĩa

than xếp chồng nên nhau và có điện trở khoảng vài chục Ôm. Để tăng độ ổn định khi làm việc

cảm biến được đặt dưới áp suất ban đầu (khi không tải) khoảng 20kg/cm2, áp suất lớn nhất khi

làm việc (có tải) đến (50

Hình 9

quan hệ Rk = f(F) mô tả theo công thức : Rk=KFm+Rk0, với:

K:hãû säú phuû thuäüc váût liãûu âéa thanm:hãû säú phuû thuäüc daûng tiãúp xuïcRk0:âiãûn tråí tåïi haûn våïi aïp læûc eïp tåïi haûn.{{Nếu cảm biến gồm n đĩa thì:

Rk=(n−1)KFm+Rk0

tăng do môi trường hoặc do tổn hao trong cảm biến). tăng thì điện trở cảm biến giảm (Quan hệ

Rk = f(F) là phi tuyến khi F tăng đến một giá trị nào đó thì Rk không giảm nữa và có tính chất trễ

như đặc tính hình 7-10 là do tính chất không đàn hồi của vật liệu tạo nên. Đây là một nguyên

nhân gây ra sai số, ngoài ra khi nhiệt độ

Ưu điểm : đơn giản, chất tạo từ vật liệu rẻ tiền, công suất tương đối lớn tới hàng trăm W và dòng

qua đến vài A, không cần cơ cấu khuếch đại. Thường dùng đo áp lực và trong các bộ phận tự

động điều chỉnh điện áp máy phát một chiều và xoay chiều.

Ví dụ: cảm biến trong tự động điều chỉnh điện áp máy phát một chiều hình 7-11 gồm:

Hình 7-11: Tự động điều chỉnh điện áp máy điện một chiều1-nam châm điện một chiều có cuộn

dây nối song song với điện áp máy phát, lực hút nam châm sẽ thay đổi tùy điện áp ra.

2- lò xo cân bằng với lực nam châm 1, tạo ra lực ép lên đĩa than nhờ tay đòn 3, bộ phận thừa

hành là cảm biến 4 nối với mạch kích từ máy phát.

Cam biến kiêu biến dang (tenzô)

Ta biết rằng khi có lực tác dụng vào vật dẫn thì kích thước và cấu trúc của chúng sẽ thay đổi làm

điện trở thay đổi. Lợi dụng tính chất này người ta chế tạo cảm biến biến dạng dùng để đo và kiểm

tra các lực biến dạng cơ của các chi tiết máy, có loại kiểu dây quấn, kiểu bán dẫn.

CẢM BIÊN ĐIÊN CẢM

Cam biến co điện cam thay đôi

Hình 10

Hình minh họa là loại cảm biến điện cảm đơn giản nếu bỏ qua từ trở lõi thép, từ thông rò và từ

thông tản khe hở không khí làm việc thì ta có điện cảm.

L=W2Gδ=W2μ0Sδ[H]Våïi: Wlaì säú voìng dáy cuäün dáyμ0:= 1,25.10-6[H/m]laìâäü tæì tháøm cuía khäng khê.S : tiãút diãûn ngang maûch tæì[m2].δ: chiãöu daìi khe håí laìm viãûc[m].Ta coï:I=U(RT+R)2+(ωL)2−−−−−−−−−−−−

−√=UR02+(2πfW2Gδ)2−−−−−−−−−−−−−−√

, dẫn đến dòng điện i biến thiên tương ứng. Ứ«ng dụng hiện tượng này người ta chế tạo các loại

cảm biến điện cảm khác nhau., diện tích S hoặc độ từ thẩm RT: điện trở tải, R: điện trở cuộn

dây. Điện cảm L sẽ thay đổi nếu ta làm thay đổi khe hở

Cảm biến có phần ứng chuyển dịch ngang như hình 7-13. Độ nhạy của cảm biến khi khe hở thay

đổi :

Kδ=−ΔLΔδ=L0δ0(1+Δδδ0)2

Diện tích khe hở thay đổi là: Kδ=−ΔLΔS=L0S0

0; S = S0. = L0 : giá trị điện cảm ban đầu của cảm biến ở

S : độ thay đổi khe hở và diện tích. và

trong đó các trường hợp làm việc có độ phi tuyến nhỏ có thể chọn là hàm phi tuyến với Độ

nhạy K Δδδ0=0,2.

Sai sô của cam biến

Sai số của cảm biến chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố như :

+ Độ ổn định của biên độ và tần số nguồn cung cấp

+ Anh hưởng của nhiệt độ đến điện trở dây quấn và kích thước khe hở làm việc.

Nhươc điêm

Cảm biến điện cảm có các nhược điểm sau:

a) Xuất hiện lực hút điện từ tác dụng lên phần ứng, tạo ra phụ tải cơ trên phần tử cần đo lường,

kiểm tra nên dẫn đến giảm độ chính xác khi cảm biến làm việc.

bé nhất (diện tích S lớn nhất) và bằng dòng từ hóa i0. Điều này không thuận tiện trong quá trình

đo lường và làm việc.b) Dòng trong mạch luôn khác không, giá trị nhỏ nhất của nó ứng với vị trí

khe hở

3000) Hz và lớn hơn. lớn, để giảm kích thước và giá thành thì dùng nguồn cung cấu có tần số

cao (100 c) Vì cảm biến có khe hở

Ứng dụng cảm biến điện cảm như trong thiết bị tự động đo áp suất bình hơi từ xa,...

Ngoài ra còn cảm biến kiểu biến điện áp, biến áp vi sai và cảm biến đàn hồi từ.

Hình 11

CẢM BIÊN CẢM ƯNG - CẢM BIÊN ĐIÊN DUNG - CẢM BIÊN ĐIÊM

Nguyên lí cam biến cam ưng

Làm việc dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ. Nếu từ thông móc vòng qua cuộn dây thay đổi thì

sẽ xuất hiện một sức điện động cảm ứng trên cuộn dây. Loại này được chế tạo làm hai loại, cuộn

dây chuyển động trong từ trường và cuộn dây đứng yên trong từ trường biến thiên.

Ứng dụng : làm cảm biến đo tốc độ.

Cam biến điện dung

Nguyên lí : sự thay đổi thông số cần đo dẫn đến thay đổi thông số của điện dung tụ điện (khoảng

cách hay bề mặt diện tích đặt lực thay đổi).

Cam biến điêm

Là loại đơn giản nhất, đại lượng vào là độ chuyển dời, còn đại lượng ra là trạng thái đóng hay mở

(độ dẫn điện của hệ thống tiếp điểm).

Với một khoảng chuyển dời quy định nào đó tiếp điểm của nó sẽ đóng hay mở làm xuất hiện tín

hiệu ra cho ta biết độ dịch chuyển (độ dời lớn hay nhỏ so với quy định).

Dùng trong kiểm tra kích thước và phân loại chi tiết theo kích thước.

CẢM BIÊN QUANG

Tế bào quang dân

Các tế bào quang dẫn là một trong những cảm biến quang có độ nhạy cao. Cơ sở vật lí của tế bào

quang dẫn là hiện tượng quang dẫn do kết quả của hiệu ứng quang điện nội (hiện tượng giải

phóng hạt tải điện trong vật liệu dưới tác dụng của ánh sáng làm tăng độ dẫn điện của vật liệu).

a) Vật liệu để chế tạo cảm biến

Cảm biến quang thường được chế tạo bằng các chất bán dẫn đa tinh thể đồng nhất hoặc đơn tinh

thể, bán dẫn riêng hoặc bán dẫn pha tạp, ví dụ như:

+Đa tinh thể :CdS, CdSe, CdTe, PbS, PbSe, PbTe.

+Đơn tinh thể:Ge, Si tinh khiết hoặc pha tạp Au, Cu, Sb, In, SbIn, AsIn, PIn, CdHgTe.

Vùng phổ làm việc của các vật liệu này khác nhau.

b) Các đặc trưng

+ Điện trở: giá trị điện trở tối Rc0 phụ thuộc vào dạng hình học, kích thước, nhiệt độ và bản chất

lí hóa của vật liệu quang dẫn. Điện trở Rc của cảm biến khi bị chiếu sáng giảm rất nhanh khi độ

rọi tăng lên. Sự phụ thuộc của điện trở vào thông lượng ánh sáng không tuyến tính, tuy nhiên có

thể tuyến tính hóa bằng cách sử dụng một điện trở mắc song song với tế bào quang dẫn.

+Độ nhạy: độ dẫn của tế bào quang dẫn là tổng của độ dẫn trong tối và độ dẫn khi chiếu sáng.

Độ nhạy phổ là hàm của nhiệt độ nguồn sáng: khi nhiệt độ tăng thì độ nhạy phổ tăng lên.

1. Ứng dụng của tế bào quang dẫn

Tế bào quang dẫn được ứng dụng nhiều bởi chúng có tỉ lệ chuyển đổi tĩnh và độ nhạy cao cho

phép đơn giản hóa trong việc ứng dụng (ví dụ điều khiển các rơle hình 7-14). Nhược điểm chính

của tế bào quang dẫn là:

+Hồi đáp phụ thuộc một cách không tuyến tính vào thông lượng.

+Thời gian hồi đáp lớn.

+Các đặc trưng không ổn định (già hóa).

+Độ nhạy phụ thuộc vào nhiệt độ.

+Một số loại đòi hỏi phải làm nguội.

Người ta không dùng tế bào quang dẫn để xác định chính xác thông lượng. Thông thường chúng

được sử dụng để phân biệt mức sáng khác nhau (trạng thái tối- sáng hoặc xung ánh sáng). Thực

tế thì tế bào quang dẫn thường ứng dụng trong hai trường hợp:

+Để điều khiển rơle thì khi có thông lượng ánh sáng chiếu lên tế bào quang dẫn, điện trở của nó

giảm đáng kể đủ để cho dòng điện I chạy qua tế bào. Dòng điện này được sử dụng trực tiếp hoặc

thông qua khuếch đại để đóng mở rơle.

+Thu tín hiệu quang dùng để biến đổi xung quang thành xung điện. Sự ngắt quãng của xung ánh

sáng chiếu lên tế bào quang dẫn sẽ được phản ánh trung thực qua xung điện của mạch đo, ứng

dẫn để đo tốc độ quay của đĩa hoặc đếm vật.

Hình 12

Cáp quang

a) Cấu tạo và các tính chất chung

m) và một vỏ có chiết suất n2Hình 7-15 biểu diễn dạng đơn giản của cáp quang. Nó gồm một lõi

với chiết suất n1 bán kính a (10 đến 100 < m. Vật liệu để chế tạo cáp quang bao gồm:n1 dày

khoảng 50

+SiO2 tinh khiết hoặc pha tạp nhe.

+Thủy tinh, thành phần của SiO2 và phụ gia Na2O3, B2O3, PbO,..

+Polime(trong một số trường hợp).

Hình 13

2.1= n2 sin2 do tia sáng tạo thành với đường trực giác của mặt phẳng (hình 7-16) liên hệ với

nhau bởi biểu thức Descates n1sin1 và Ở mặt phân cách giữa hai môi trường có chiết suất

tương ứng bằng n1 và n2 các góc

Khi n1> n2 sẽ xảy ra phản xạ toàn phần nếu:

1> 0Arcsin(n2/n1) =

0=83030’.Với điều kiện như vậy, trong cáp quang tia sáng sẽ bị giam giữ trong lõi và được

truyền đi bằng phản xạ liên tục nối tiếp nhau (hình 7-16b). Ví dụ nếu n1=1,15 và n2= 1,50 sẽ có

góc giới hạn

Hình 14

b)Ứng dụng của cáp quang

+Trong truyền tin: đây là ứng dụng quan trọng nhất, truyền thông tin dưới dạng tín hiệu ánh sáng

lan truyền trong cáp quang là để tránh các tín hiệu điện từ kí sinh hoặc để đảm bảo cách điện

giữa mạch điện nguồn và máy thu. Trong ứng dụng này thông tin được truyền đi chủ yếu bằng

cách mã hóa các xung ánh sáng. Đôi khi người ta có thể truyền thông tin đi bằng cách biến điệu

biên độ hoặc tần số của ánh sáng. Khi thiết lập một đường dây truyền tin bằng cáp quang, phải

đánh giá công suất của tín hiệu thu được cũng như sự tiêu hao năng lượng do cáp quang và các

mối nối gây ra.

+Quan sát và đo bằng phương tiện quang học: cáp quang cho phép quan sát hoặc đo đạc bằng

các phương pháp quang ở những chỗ khó tiếp cận hoặc trong các môi trường độc hại. Sử dụng

cáp quang có thể dẫn ánh sáng tới được những vị trí mà trong điều kiện bình thường ánh sáng

không thể chiếu tới được.