Nguyên lý chung chế tạo cảm biến

Các cảm biến được chế tạo dựa trên cơ sở các hiện tượng vật lý và được phân làm hai loại:

  • Cảm biến tích cực: là các cảm biến hoạt động như một máy phát, đáp ứng (s) là điện tích, điện áp hay dòng.
  • Cảm biến thụ động: là các cảm biến hoạt động như một trở kháng trong đó đáp ứng (s) là điện trở, độ tự cảm hoặc điện dung.

Nguyên lý chế tạo các cảm biến tích cực

Các cảm biến tích cực được chế tạo dựa trên cơ sở ứng dụng các hiệu ứng vật lý biến đổi một dạng năng lượng nào đó (nhiệt, cơ hoặc bức xạ) thành năng lượng điện. Dưới đây mô tả một cách khái quát ứng dụng một số hiệu ứng vật lý khi chế tạo cảm biến.

Hiệu ứng nhiệt điện

Hai dây dẫn (M1) và (M2) có bản chất hóa học khác nhau được hàn lại với nhau thành một mạch điện kín, nếu nhiệt độ ở hai mối hàn là T1 và T2 khác nhau, khi đó trong mạch xuất hiện một suất điện động e(T1, T2) mà độ lớn của nó phụ thuộc chênh lệch nhiệt độ giữa T1 và T2.

 

sơ đồ hiệu ứng nhiệt điện

Hiệu ứng nhiệt điện được ứng dụng để đo nhiệt độ T1 khi biết trước nhiệt độ T2, thường chọn T2 = 0oC.

Hiệu ứng hỏa điện

Một số tinh thể gọi là tinh thể hỏa điện (ví dụ tinh thể sulfate triglycine) có tính phân cực điện tự phát với độ phân cực phụ thuộc vào nhiệt độ, làm xuất hiện trên các mặt đối diện của chúng những điện tích trái dấu. Độ lớn của điện áp giữa hai mặt phụ thuộc vào độ phân cực của tinh thể hỏa điện.

ứng dụng hiệu ứng hỏa điệnHiệu ứng hỏa điện được ứng dụng để đo thông lượng của bức xạ ánh sáng. Khi ta chiếu một chùm ánh sáng vào tinh thể hỏa điện, tinh thể hấp thụ ánh sáng và nhiệt độ của nó tăng lên, làm thay đổi sự phân cực điện của tinh thể. Đo điện áp V ta có thể xác định được thông lượng ánh sáng Φ.

Hiệu ứng áp điện

Một số vật liệu gọi chung là vật liệu áp điện (như thạch anh chẳng hạn) khi bị biến dạng dưới tác động của lực cơ học, trên các mặt đối diện của tấm vật liệu xuất hiện những lượng điện tích bằng nhau nhưng trái dấu, được gọi là hiệu ứng áp điện. Đo V ta có thể xác định được cường độ của lực tác dụng F.

ứng dụng hiệu ứng áp điện

Hiệu ứng cảm ứng điện từ

Khi một dây dẫn chuyển động trong từ trường không đổi, trong dây dẫn xuất hiện một suất điện động tỷ lệ với từ thông cắt ngang dây trong một đơn vị thời gian, nghĩa là tỷ lệ với tốc độ dịch chuyển của dây. Tương tự như vậy, trong một khung dây đặt trong từ trường có từ thông biến thiên cũng xuất hiện một suất điện động tỷ lệ với tốc độ biến thiên của từ thông qua khung dây.

ứng dụng hiệu ứng cảm ứng điện từHiệu ứng cảm ứng điện từ được ứng dụng để xác định tốc độ dịch chuyển của vật thông qua việc đo suất điện động cảm ứng.

Hiệu ứng quang điện

  • Hiệu ứng quang dẫn (hay còn gọi là hiệu ứng quang điện nội) là hiện tượng giải phóng ra các hạt dẫn tự do trong vật liệu (thường là bán dẫn) khi chiếu vào chúng một bức xạ ánh sáng (hoặc bức xạ điện từ nói chung) có bước sóng nhỏ hơn một ngưỡng nhất định.
  • Hiệu ứng quang phát xạ điện tử (hay còn gọi là hiệu ứng quang điện ngoài) là hiện tượng các điện tử được giải phóng và thoát khỏi bề mặt vật liệu tạo thành dòng có thể thu lại nhờ tác dụng của điện trường.

Hiệu ứng quang – điện – từ

Khi tác dụng một từ trường B vuông góc với bức xạ ánh sáng, trong vật liệu bán dẫn được chiếu sáng sẽ xuất hiện một hiệu điện thế theo hướng vuông góc với từ trường B và hướng bức xạ ánh sáng.

ứng dụng hiệu ứng quang điện từ

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:

VH = KH.I.B.sin θ

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

ứng dụng hiệu ứng hallHiệu 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 hai cạnh tấm bán dẫn là hàm phụ thuộc vào vị trí của vật trong không gian.

Nguyên 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 (như điện trở suất ρ, độ từ thẩm μ, hằng số điện môi ε). Vì vậy tác động của đại lượng đo có thể ảnh hưởng riêng biệt đến kích thước hình học, tính chất điện hoặc đồng thời cả hai.

Sự thay đổi thông số hình học của trở kháng gây ra do chuyển động của phần tử chuyển động hoặc phần tử biến dạng của cảm biến. Trong các cảm biến có phần tử chuyển động, mỗi vị trí của phần tử động sẽ ứng với một giá trị xác định của trở kháng, cho nên đo trở kháng có thể xác định được vị trí của đối tượng. Trong cảm biến có phần tử biến dạng, sự biến dạng của phần tử biến dạng dưới tác động của đại lượng đo (lực hoặc các đại lượng gây ra lực) gây ra sự thay đổi của trở kháng của cảm biến. Sự thay đổi trở kháng do biến dạng liên quan đến lực tác động, do đó liên quan đến đại lượng cần đo. Xác định trở kháng ta có thể xác định được đại lượng cần đo.

Sự thay đổi tính chất điện của cảm biến phụ thuộc vào bản chất vật liệu chế’ tạo trở kháng và yếu tố tác động (nhiệt độ, độ chiếu sáng, áp suất, độ ẩm …). Để chế tạo cảm biến, người ta chọn sao cho tính chất điện của nó chỉ nhạy với một trong các đại lượng vật lý trên, ảnh hưởng của các đại lượng khác là không đáng kể. Khi đó có thể thiết lập được sự phụ thuộc đơn trị giữa giá trị đại lượng cần đo và giá trị trở kháng của cảm biến.

Bảng giới thiệu các đại lượng cần đo có khả năng làm thay đổi tính chất điện của vật liệu sử dụng chế tạo cảm biến.

Đại lượng cần đo Đặc trưng nhạy cảm Loại vật liệu sử dụng
Nhiệt độ ρ Kim loại (Pt, Ni, Cu)

Bán dẫn

Bức xạ ánh sáng ρ Bán dẫn
Biến dạng ρ

Từ thẩm (μ)

Hợp kim Ni, Si pha tạp

Hợp kim sắt từ

Vị trí (nam châm) ρ Vật liệu từ điện trở:Bi, InSb

Mạch đo

Sơ đồ mạch đo

Mạch đo bao gồm toàn bộ thiết bị đo (trong đó có cảm biến) cho phép xác định chính xác giá trị của đại lượng cần đo trong những điều kiện tốt nhất có thể.

Ở đầu vào của mạch, cảm biến chịu tác động của đại lượng cần đo gây nên tín hiệu điện mang theo thông tin về đại cần đo.

Ở đầu ra của mạch, tín hiệu điện đã qua xử lý được chuyển đổi sang dạng có thể đọc được trực tiếp giá trị cần tìm của đại lượng đo. Việc chuẩn hệ đo đảm bảo cho mỗi giá trị của chỉ thị đầu ra tương ứng với một giá trị của đại lượng đo tác động ở đầu vào của mạch.

Dạng đơn giản của mạch đo gồm một cảm biến, bộ phận biến đổi tín hiệu và thiết bị chỉ thị, ví dụ mạch đo nhiệt độ gồm một cặp nhiệt ghép nối trực tiếp với một milivôn kế.

sơ đồ mạch đo nhiệt độ bằng cặp nhiệt

mạch đo điện thế bề mặt

  • 1) Máy phát chức năng
  • 2) Cảm biến điện tích
  • 3) Tiền khuếch đại
  • 4) So pha lọc nhiễu
  • 5) Khuếch đại
  • 6) Chuyển đổi tương tự số
  • 7) Máy tính

Trên thực tế, do các yêu cầu khác nhau khi đo, mạch đo thường gồm nhiều thành phần trong đó có các khối để tối ưu hóa việc thu thập và xử lý dữ liệu, chẳng hạn mạch tuyến tính hóa tín hiệu nhận từ cảm biến, mạch khử điện dung ký sinh, các bộ chuyển đổi nhiều kênh, bộ khuếch đại, bộ so pha lọc nhiễu, bộ chuyển đổi tương tự – số, bộ vi xử lý, các thiết bị hỗ trợ… Hình trên biểu diễn sơ đồ khối một mạch điện đo điện thế trên bề mặt màng nhạy quang được lắp ráp từ nhiều phần tử.

Một số phần tử cơ bản của mạch đo

Bộ khuếch đại thuật toán (KĐTT)

Bộ khuếch đại thuật toán mạch tích hợp là bộ khuếch đại dòng một chiều có hai đầu vào và một đầu ra chung, thường gồm hàng trăm tranzito và các điện trở, tụ điện ghép nối với nhau. Sơ đồ bộ khuếch đại thuật toán biểu diễn trên hình bên dưới.

sơ đồ bộ khuếch đại thuật toán

Các đặc tính cơ bản của bộ khuếch đại thuật toán:

  • Bộ khuếch đại có hai đầu vào: một đầu đảo (-), một đầu không đảo (+).
  • Điện trở vào rất lớn, cỡ hàng trăm MΩ đến GΩ.
  • Điện trở ra rất nhỏ, cỡ phần chục Ω.
  • Điện áp lệch đầu vào rất nhỏ, cỡ vài nV.
  • Hệ số khuếch đại hở mạch rất lớn, cỡ 100.000.
  • Dải tần làm việc rộng.
  • Hệ số suy giảm theo cách nối chung CMRR là tỷ số hệ số khuếch đại của bộ khuếch đại thuật toán đối với các tín hiệu sai lệch và hệ số khuếch đại theo cách nối chung của cùng bộ khuếch đại thuật toán. Thông thường CMRR vào khoảng 90 dB.
  • Tốc độ tăng hạn chế sự biến thiên cực đại của điện áp tính bằng V/μs.

Bộ khuếch đại đo lường IA

Bộ khuếch đại đo lường IA có hai đầu vào và một đầu ra. Tín hiệu đầu ra tỷ lệ với hiệu của hai điện áp đầu vào: Ura = A[(U+) – (U-)]= A.ΔUsơ đồ bộ khuếch đại đo lường gồm 3 KĐTT ghép nối điện trởĐầu vào vi sai đóng vai trò rất quan trọng trong việc khử nhiễu ở chế độ chung và tăng điện trở vào của KĐTT. Điện áp trên Ra phải bằng điện áp vi sai đầu vào ΔU và tạo nên dòng điện i = ΔU/Ra . Các điện áp ra từ KĐTT U1 và U2 phải bằng nhau về biên độ nhưng ngược pha.

Điện áp U3 của tầng thứ hai biến đổi đầu ra vi sai thành đầu ra đơn cực. Hệ số khuếch đại tổng của IA bằng:

sơ đồ bộ khuếch đại đo lường gồm 3 KĐTT ghép nối điện trởKhử điện áp lệch

Đối với một bộ khuếch KĐTT lý tưởng khi hở mạch phải có điện áp ra bằng không khi hai đầu vào nối mát. Thực tế vì các điện áp bên trong nên tạo ra một điện áp nhỏ (điện áp phân cực) ở đầu vào KĐTT cỡ vài mV, nhưng khi sử dụng mạch kín điện áp này được khuếch đại và tạo nên điện áp khá lớn ở đầu ra. Để khử điện áp lệch có thể sử dụng sơ đồ hình sau, bằng cách điều chỉnh biến trở R3.

sơ đồ mạch khử điện áp lệch

Mạch lặp lại điện áp

Để lập lại điện áp chính xác, người ta sử dụng bộ KĐTT làm việc ở chế độ không đảo với hệ số khuếch đại bằng 1 sơ đồ như hình dưới.

sơ đồ mạch lặp điện áp

Trong bộ lặp điện áp, cực dương của KĐTT được nối trực tiếp với tín hiệu vào, còn cực âm được nối trực tiếp với đầu ra, tạo nên điện áp phản hồi 100% do đó hệ số khuếch đại bằng 1. Mạch lặp điện áp có chức năng tăng điện trở đầu vào, do vậy thường dùng để nối giữa hai khâu trong mạch đo.

Mạch cầu

Cầu Wheatstone thường được sử dụng trong các mạch đo nhiệt độ, lực, áp suất, từ trường… Cầu gồm bốn điện trở R1, R2, R3 cố định và R4 thay đổi (mắc như hình 1.16) hoạt động như cầu không cân bằng dựa trên việc phát hiện điện áp qua đường chéo của cầu.

sơ đồ mạch cầuTrong mạch cầu, điện áp ra là hàm phi tuyến nhưng đối với biến đổi nhỏ (Δ<0,05) có thể coi là tuyến tính. Khi R1 = R2 và R3 = R4 độ nhạy của cầu là cực đại. Trường hợp R1 >> R2 hoặc R2 >> R1 điện áp ra của cầu giảm. Đặt K = R1/R2 độ nhạy của cầu là:

độ nhạy của cầu
___________________________________

Bộ tài liệu Thiết kế điện hợp chuẩn – Bạn đã có ???
Tham khảo ngay

Nguyên lý chế tạo cảm biến
5 (100%) 2 votes