TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY
BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ
--------------------




BÀI GIẢNG










KỸ THUẬT

ĐO LƯỜNG VÀ CẢM BIẾN

TP. HCM 2006
(LƯU HÀNH NỘI BỘ)





Chương 1: Những khái niệm và đặc trưng cơ bản của kỹ thuật đo lường và
cảm biến................................................................................................................. 2
1.1 Một số định nghĩa và đặc trưng........................................................................ 2
1.2 Phân loại cảm biến.......................................................................................... 11
1.3 Các đại lượng ảnh hưởng................................................................................ 15
1.4 Mạch đo lường và gia công thông tin đo........................................................ 16
1.5 Sai số phép đo và gia công kết quả đo lường ................................................. 17
1.6 Chuẩn cảm biến .............................................................................................. 19
1.7 Độ nhạ
y........................................................................................................... 20
1.8 Độ tuyến tính ..................................................................................................21
1.9 Độ nhanh-Thời gian hồi đáp...........................................................................22
1.10 Giới hạn sử dụng cảm biến........................................................................... 23
1.11 Các mạch giao diện điện tử của các bộ cảm biến......................................... 24


Chương 2: Các chuyển đổi đo lường sơ cấp..................................................... 30
2.1 Khái niệm chung............................................................................................. 30
2.2 Các chuyển đổi điện trở.................................................................................. 33
2.3 Các chuyển đổi điện từ ................................................................................... 43
2.4 Các chuyển đổi tĩnh điện ................................................................................ 58
2.5 Các chuyển đổi nhiệt điện .............................................................................. 73
2.6 Các chuyển đổi hóa điện................................................................................. 84
2.7 Các chuyển đổi điện tử và ion ........................................................................96
2.8 Các chuyển đổi lượng tử................................................................................. 99

Chương 3 Cảm biến thông minh.....................................................................105
3.1 Sự ra đời của cảm biến thông minh.............................................................. 105
3.2 Vi điện tử hóa các chuyển đổi sơ cấp........................................................... 105
3.3 Xử lý sơ bộ kết quả đo trong cảm biến thông minh ..................................... 106
3.4 Cấu trúc của cảm biế
n thông minh ............................................................... 109
3.5 Một số ví dụ về cảm biến thông minh .......................................................... 110
3.7 Thiết bị đo thông minh và linh hoạt ............................................................. 113

Tài liệu tham khảo..................................................................................................

















1

2

CHƯƠNG 1:
NHỮNG KHÁI NIỆM VÀ ĐẶC TRƯNG CƠ BẢN
CỦA KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG VÀ CẢM BIẾN


1.1. MỘT SỐ ĐỊNH NGHĨA VÀ ĐẶC TRƯNG
1.1.1. Định nghĩa:
Trong thực tế đời sống và sản xuất, việc nắm bắt các thông tin trong quá
trình hoạt động của các hệ thống, thiết bị là vô cùng quan trọng và cần thiết. Chỉ
khi nắm bắt được các thông số của chúng, nói cách khác là đánh giá định lượng
được chúng, chúng ta mới có thể làm chủ được hoàn toàn các thiết bị và hệ thống
đó trên phương diện điều chỉnh, điều khiển. Các thông số này thường được thể
hiện qua các đại lượng vật lý đặc trưng tương ứng như nhiệt độ, áp suất, lưu
lượng... Vì vậy, không có cách nào khác là chúng ta phải có các phương pháp
tương ứng để đo lường giá trị của các đại lượng vật lý này.
♦ Đo lường: là một quá trình đánh giá định lượng đại l
ượng cần đo để có kết
quả bằng số so với đơn vị đo. [1]
(Như vậy, không phải đại lượng nào cũng có thể đo được một cách trực tiếp
vì không có đơn vị mẫu của đại lượng đó để thực hiện so sánh, ví dụ: ứng suất cơ

học… Khi đó người ta phải chuyển đổi đại lượng vật lý này sang dạng khác để

thực hiện phép đo, ví dụ: chuyển sang dạng điện loadcell cảm biến lực căng và so
sánh bằng tương quan điện)
♦ Đo lường học: là ngành khoa học nghiên cứu về các phương pháp để đo các
đại lượng khác nhau, về mẫu và đơn vị đo. [1]
♦ Kỹ thuật đo lường: là ngành kỹ thuật nghiên cứu và ứng dụng các thành quả
của đ
o lường học vào phục vụ sản xuất và đời sống. [1]
Cảm biến chính là một trong những sản phẩm quan trọng nhất của Kỹ thuật
đo lường. Các đại lượng vật lý cần đo được cảm biến biến đổi thành một đại lượng
điện tương ứng ở đầu ra. Đại lượng điện này phản ánh các thông tin cần thiết liên
quan đế
n đại lượng cần đo.
♦ Cảm biến: là một thiết bị chịu tác động của đại lượng cần đo m không có
tính chất điện và cho ta một đặc trưng mang bản chất điện (điện tích, điện áp, dòng
điện hoặc trở kháng…) ký hiệu là s. Đặc trưng điện s là hàm của đại lượng cần đo:
s = F(m).[2]
Rõ ràng rằng, với m
ỗi loại cảm biến thì mối quan hệ hàm số này sẽ có một
dạng biểu thức hàm khác nhau. Nó phụ thuộc vào các yếu tố cấu thành của cảm
biến như: cấu trúc, vật liệu, môi trường … Tuy nhiên để đơn giản trong việc đo
lường và xử lý tín hiệu, người ta thường
cố gắng chế tạo các loại cảm biến sao cho
quan hệ hàm đó là một hàm tuyến tính tức là có hệ số tỷ lệ hằng và đơn trị. Hệ số
tỷ lệ đó thường được gọi dưới tên gọi là độ nhạy của cảm biến, ký hiệu S:


m
s

dm
ds
S
∆
∆
==

(1.1)
Hệ số S thường phụ thuộc vào các yếu tố:
+ Sự biến thiên giá trị của đại lượng cần đo (độ tuyến tính của đồ thị biến đổi
đại lượng cần đo) và tần số thay đổi của nó (dải thông).
+ Thời gian sử dụng của cảm biến (độ già hoá)
+ Ảnh hưởng của các đại lượng vật lý khác (nhiễu từ môi trường xung quanh)
1.1.2. Các đặc trưng của kỹ thuật đo lường:
Kỹ thuật đo lường bao gồm các đặc trưng sau:
1.1.2.1. Đại lượng đo (hay tín hiệu đo):
♦ Theo
tính chất thay đổi của đại lượng đo có thể chia thành đại lượng đo
tiền định và đại lượng đo ngẫu nhiên:

a, Đại lượng đo tiền định: là đại lượng đo đã biết trước được quy luật
thay đổi của nó theo thời gian nhưng có một hoặc một số thông số cần phải đo. Đó
thường là tín hiệu một chiều, xoay chiều hình sin hay xung vuông với các thông số
cần đo là biên độ, tần số, góc pha…
Ví dụ: đo độ lớn biên độ của tín hiệu hình sin.

b, Đại lượng đo ngẫu nhiên: là đại lượng đo có sự biến đổi theo thời
gian một cách không có quy luật, nếu lấy bất kỳ giá trị nào của tín hiệu thì đó đều
là giá trị ngẫu nhiên.
Ví dụ: độ ẩm của không khí.

Trong thực tế đa số các dạng tín hiệu đo đều là ngẫu nhiên. Tuy nhiên ở một
chừng mực nào đó ta có thể giả thiết rằng trong suốt quá trình diễn ra phép đo, đại
lượ
ng đo là tín hiệu thay đổi chậm hoặc không đổi hoặc thay đổi theo quy luật đã
biết.
Trong trường hợp đại lượng đo ngẫu nhiên biến đổi theo một tần số rất lớn
thì không sử dụng được các phép đo thông thường mà phải đo bằng
phương pháp
đo lường thống kê.
3

4

♦ Theo cách biến đổi tín hiệu đo có thể chia thành tín hiệu đo rời rạc (số)
và tín hiệu đo liên tục (tương tự):

a, Tín hiệu đo liên tục (tương tự): là biến đổi tín hiệu đo thành dạng
tín hiệu khác tương tự với nó. Ứng với nó là các thiết bị đo tương tự.
Ví dụ: ampemet có kim chỉ đo cường độ dòng điện.

b, Đại lượng đo rời rạc (số): là biến đổi tín hiệu đo thành tín hiệu số.
Ứng với nó là các thiết bị đo số.
♦ Theo
bản chất của đại lượng đo có thể chia thành:

a, Đại lượng đo năng lượng: là đại lượng đo mà bản thân nó mang
năng lượng như sức điện động, điện trường, từ trường, công suất, …

b, Đại lượng đo thông số: là các thông số của mạch điện như điện
trở, điện cảm, điện dung hay hệ số từ trường …, hoặc các đại lượng đo vị trí, kích

thước …

c, Đại lượng đo phụ thuộc thời gian: chu kỳ, tần số, góc pha …

d, Đại lượng đo không điện: để thực hiện đo được bằng phương pháp
điện đòi hỏi phải có sự chuyển đổi chúng về dạng tín hiệu điện bằng bộ chuyển đổi
đo lường sơ cấp.
1.1.2.2. Điều kiện đo:
Các thông tin đo lường bao giờ cũng gắn chặt với môi trường sinh ra đại
lượng đo. Khi đo phải đảm bảo loại bỏ được các ảnh hưởng của môi trường đến
thiết bị đo (những yếu tố khiến cho phép đo không thực hiện được trong điều kiện
tiêu chuẩn đã định), đồng thời bản thân thiết bị đo cũng không đượ
c gây ảnh
hưởng đến (làm biến đổi) đại lượng đo.
1.1.2.3. Đơn vị đo:
Là các giá trị mẫu chuẩn về một đại lượng nào đó đã được quốc tế quy định
chung cho mọi quốc gia phục vụ cho việc so sánh với giá trị đo được để phép đo
đưa ra được thông số cụ thể.
Hệ thống đơn vị quốc tế SI gồm 2 nhóm đơn vị:
+ Đơn vị cơ bản: được thể hiện bằng các đơn vị chu
ẩn với độ chính xác cao
nhất mà khoa học và kỹ thuật hiện đại có thể thực hiện được. Các đơn vị cơ bản
được chọn sao cho với số lượng ít nhất mà có thể suy ra các đơn vị kéo theo cho tất
cả các đại lượng vật lý.
+ Đơn vị kéo theo: là đơn vị có liên quan đến các đơn vị cơ bản theo những
quy luật xác định bằng công thức.
5





Bảng 1.1: Bảng đơn vị cơ bản và các đơn vị kéo theo.
STT Các đại lượng vật lý Tên đơn vị Ký hiệu
1
Các đại lượng cơ bản:
Độ dài
Khối lượng
Thời gian
Dòng điện
Nhiệt độ
Số lượng vật chất
Cường độ ánh sáng

Met
Kilogram
Giây
Ampe
Kelvin
Mol
Candela

m
kg
s
A
K
mol
Cd
2
Các đại lượng cơ học:

Tốc độ
Gia tốc
Năng lượng và công
Lực
Công suất
Năng lượng

Mét trên giây
Mét trên giây bình phương
Jun
Newton
Watt
Watt giây

m/s
m/s
2
J
N
W
W.s
3
Các đại lượng điện:
Điện lượng
Điện áp, thế điện động
Cường độ điện trường
Điện dung
Điện trở
Điện trở riêng
Hệ số điện môi tuyệt đối


Culông
Vôn
Vôn trên mét
Fara
Ôm
Ôm mét
Fara trên mét

C
V
V/m
F
Ω
Ω.m
F/m
6

4
Các đại lượng từ:
Từ thông
Cảm ứng từ
Cường độ từ trường
Điện cảm
Hệ số từ thẩm

Webe
Tesla
Ampe trên mét
Henry

Henry trên mét

Wb
T
A/m
H
H/m
5
Các đại lượng quang:
Luồng (thông lượng) ánh sáng
Cường độ sáng riêng (độ chói)
Độ rọi
Năng lượng

Lumen
Candela trên mét vuông
Lumen trên mét vuông
Lumen giây

lm
Cd/m
2

lm/m
2

(hay lux)
lm.s

Bảng 1.2: Bảng các bội và ước số thường dùng của đơn vị cơ bản.

Tên của tiếp
đầu ngữ
Giá trị ước số Ký hiệu Tên của tiếp
đầu ngữ
Giá trị bội số Ký hiệu
pico
nano
micro
mili
centi
dexi
10
-12
10
-9
10
-6

10
-3

10
-2

10
-1

p
n
µ

m
c
d
deca
hecto
kilo
Mega
Giga
Tera
10
1
10
2
10
3

10
6

10
9

10
12

da
h
k
M
G

T
(Các thông tin kỹ hơn về chuẩn quốc gia, mẫu và một số thiết bị tạo mẫu cho việc
đo lường – tham khảo thêm trong tài liệu [2])
1.1.2.4. Thiết bị đo và phương pháp đo:
Thiết bị đo: là thiết bị kỹ thuật dùng để gia công tín hiệu mang thông tin đo
thành dạng tiện lợi cho người quan sát. Chúng có các tính chất đo lường học tức là
các tính chất ảnh hưởng đến kết quả đo và sai số của phép đo.
Phương pháp đo: là cách thức thực hiện quá trình đo, nó phụ thuộc vào
phương pháp nhận thông tin và các yếu tố khác như độ lớn đại lượng đo, điều kiện
đo, sai số yêu cầu … (xem thêm mục I.1.3)
1.1.2.5. Người quan sát:
Đó là người đo và gia công kết quả đo. Nhiệm vụ của người quan sát khi đo
là nắm vững phương pháp đo, am hiểu về thiết bị đo mà mình sử dụng, kiểm tra
điều kiện đo, phán đoán khoảng đo để chọn thiết bị phù hợp, chọn dụng cụ đo phù
hợp sai số yêu cầu và môi trường xung quanh, biết điều khiển quá trình đo để
có
kết quả mong muốn, nắm được phương pháp gia công kết quả đo để tiến hành gia
công kết quả đo. Biết xét đoán kết quả đã đạt yêu cầu hay chưa, có thể đo bằng
phương pháp thông thường hay bằng phương pháp thống kê…
Có thể nói, sự phát triển của máy tính và kỹ thuật cảm biến ngày nay đã
giảm thiểu rất nhiều công việc của người quan sát về quá trình đ
o và xử lý dữ liệu
một cách tự động. Tuy nhiên, kinh nghiệm trong ứng dụng của người quan sát vẫn
vô cùng quan trọng trong việc lựa chọn thiết bị và đánh giá độ tin cậy của các thiết
bị đo lường đó trong thực tế làm việc.
1.1.2.6. Kết quả đo:
Kết quả đo ở một chừng mực nào đó có thể coi là chính xác và giá trị như
vậy được gọi là giá trị ước lượng của đại lượng đo (giá trị được xác định bằng thực
nghiệm bởi thiết bị đo). Giá trị này gần với giá trị thực ở một điều kiện nào đó có
thể coi là thực.

Để đánh giá độ lệ
ch giữa giá trị đo được và giá trị thực, người ta đưa ra khái
niệm sai số của phép đo (trị tuyệt đối hiệu của 2 giá trị này). Đây chính là thông số
cho phép đánh giá phép đo hay thiết bị thực hiện phép đo có đạt yêu cầu không.
1.1.3. Phương pháp đo:
Các phương pháp đo có thể phân loại như sau:
1.1.3.1. Phương pháp đo biến đổi thẳng:
Sơ đồ cấu trúc của phương pháp này có dạng biến đổi thẳng, tức là không
có phản hồi:




Hình 1.1: Sơ đồ đo biến đổi thẳng
N
x
/N
0
N
0
N
x
X
0
X
X
0
X
SSsố


A/DBĐ
7


Trong đó: X: tín hiệu cần đo
X
0
: tín hiệu mẫu (dùng để chia vạch đơn vị trong thang đo)
N
x
: thông số quy đổi giá trị độ lớn của tín hiệu cần đo
N
0
: thông số quy đổi giá trị độ lớn của đơn vị đo
BĐ: bộ biến đổi
A/D: bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số
SSsố: bộ so sánh số
Giá trị đo được là: X = X
0
.(N
x
/N
0
)
Loại dụng cụ đo biến đổi thẳng thường vấp phải nhược điểm là sai số
bằng tổng các sai số của các khâu vì vậy thường chỉ dùng ở các nhà máy, xí
nghiệp để đo các thông số và kiểm tra các quá trình sản xuất với độ chính xác
không cao.

1.1.3.2. Phương pháp đo kiểu so sánh:

Sơ đồ cấu trúc của phương pháp này có dạng vòng kín có phản hồi:






Hình 1.2: Sơ đồ đo kiểu so sánh

Trong đó: X: tín hiệu cần đo
X
k
: tín hiệu phản hồi (là tín hiệu so sánh có giá trị tỷ lệ với đại
lượng mẫu)
N
x
: thông số quy đổi giá trị độ lớn của tín hiệu cần đo
BĐ: bộ biến đổi
D/A: bộ chuyển đổi tín hiệu số sang tương tự
A/D: bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số
X
SS

BĐ

A/D

∆X
D/A
N

x
X
k
8

9

SSsố: bộ so sánh
Phép đo sẽ diễn ra cho đến khi tín hiệu phản hồi X
k
có giá trị bằng với
giá trị của đại lượng cần đo X.
Thiết bị đo kiểu này gọi là thiết bị đo kiểu so sánh hay thiết bị bù.
Tùy thuộc cách so sánh mà ta có thể phân chia phương pháp đo này
thành:
1.1.3.2.1. Kiểu so sánh cân bằng:
Là phép so sánh tiến hành sao cho luôn giữ giá trị sai lệch ∆X = 0.
Khi đó giá trị đo được của tín hiệu là:
X = X
k
= N
k
.X
0
. (1.2)

Ví dụ: Điện thế kế dạng cầu đo cân bằng.
1.1.3.2.2. Kiểu so sánh không cân bằng:
Là phép so sánh tiến hành sao cho luôn giữ giá trị sai lệch ∆X =
const ≠ 0.

Khi đó giá trị đo được của tín hiệu là:
X = ∆X + X
k
(1.3)
Như vậy, độ chính xác của phép đo sẽ phụ thuộc vào phép đo ∆X:
giá trị ∆X càng lớn so với X thì độ chính xác đó càng thấp. (khi ∆X = 0,1X thì
chính xác thấp hơn khi ∆X = 0.01X).

Ví dụ: ứng dụng trong các phép đo các đại lượng không điện như
nhiệt độ, ứng suất (dùng mạch cầu không cân bằng)…
1.1.3.2.3. Kiểu so sánh không đồng thời:
Quá trình đo diễn ra như sau: ban đầu cho tín hiệu cần đo X tác động
vào hệ thống đo, sau đó lấy 1 tín hiệu mẫu X
k
tác động vào hệ thống đo và điều
chỉnh X
k
sao cho tín hiệu đầu ra cũng giống hệt đối với X, khi đó X = X
k
.
Kiểu đo này có độ chính xác chỉ phụ thuộc vào phép đo X
k
. Ưu điểm
của phương pháp này là khi thay tín hiệu đầu vào ta vẫn giữ nguyên các điều
kiện làm việc của hệ thống đo và do đó loại bỏ được các ảnh hưởng ngoại lai.
Ví dụ: ứng dụng đo dòng điện xoay chiều thông qua dòng điện 1
chiều dựa trên tác dụng hiệu dụng trung gian là tác dụng nhiệt (ampemet nhiệt).
1.1.3.2.4. Kiểu so sánh đồng thời:
Phép so sánh này đo đồng thời giá trị của X và X
k

, căn cứ vào rất
nhiều các cặp điểm trùng nhau để suy ra giá trị cần đo.
Ví dụ: Đo quy đổi chiều dài của 1 inch sang mm: ta đặt 2 thước đo
song song có gốc 0 trùng với nhau. Đọc được giá trị các điểm vạch chẵn trùng
nhau tiếp theo là: 127mm – 5inches; 254mm – 10inches; 381mm – 15inches;
… Từ đó suy ra:
1 inch = 127/5 = 254/10 = 381/15 = 25,4 mm
Phương pháp này dùng để thử nghiệm các đặc tính của các cảm biến hay
của thiết bị đo để đánh giá sai số của chúng.
1.1.4. Hàm truyền của cảm biến:
Quan hệ giữa đáp ứng và kích thích của bộ c
ảm biến có thể cho dưới dạng
bảng giá trị, graph hoặc biểu thức toán học. Hàm truyền của cảm biến là biểu
diễn toán học của mối quan hệ này. Đó có thể là quan hệ tuyến tính:
s = a.m + b (1.4)
(a là độ nhạy của cảm biến, b là hằng số bằng tín hiệu ra của cảm
biến khi kích thích vào bằng 0)
hoặc dạng hàm mũ, hàm loga, hàm luỹ thừa… (các dạng hàm toán học sơ cấ
p):
s = a.e
km
(1.5)
s = 1 + a.lnm (1.6)
s = a
0
+ a
1
.m
k
(1.7)

(k là hằng số)
Các dạng hàm phi tuyến thường không có dạng hàm toán học sơ cấp nhưng
có thể gần đúng bằng các hàm đa thức bậc cao. Ở các hàm phi tuyến, độ nhạy của
cảm biến phụ thuộc từng điểm làm việc và có giá trị bằng giá trị của đạo hàm
hàm truyền tại điểm làm việc:

0
m
dm
ds
a =
(1.8)
1.1.5. Độ lớn của tín hiệu vào:
Độ lớn của tín hiệu vào là giá trị lớn nhất của tín hiệu vào đặt vào bộ cảm
biến mà sai số không vượt quá ngưỡng cho phép. Đối với các bộ cảm biến có đáp
ứng phi tuyến, ngưỡng động của kích thích thường được biểu diễn bằng dexibel
(bằng logarit của tỷ số công suất hoặc điện áp của tín hiệu ra và tín hiệu vào):

1
2
1
2
u
u
lg20
P
P
lg10dB1 ==
(1.9)


10

11

Bảng 1.3: Quan hệ giữa tỷ số điện áp và tỷ số công suất tính theo dexibel
Dexibel 0,1 1,0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Tỷ số công
suất
1,023 1,26 10 100 10
3
10
4
10
5
10
6
10
7
10
8
10
9
10
10
Tỷ số điện áp
(dòng điện)
1,012 1,12 3,16 10 31,6 100 316 10
3
316
2

10
4
3.10
4
10
5

1.2. PHÂN LOẠI CẢM BIẾN
Cảm biến có thể được phân loại thep nhiều cơ sở khác nhau:
1.2.1.
Theo thông số của mô hình mạch thay thế:

Cảm biến là một phần tử của mạch điện mà theo nguyên lý chế tạo ta có thể
chia ra làm 2 loại cảm biến là cảm biến thụ động và cảm biến tích cực.
1.2.1.1. Cảm biến tích cực:
Là loại cảm biến có nguyên lý hoạt động là biến đổi các dạng năng lượng phi
điện nào đó thành năng lượng điện với tín hiệu ra là dòng điện, điện áp, điện tích có tỷ
lệ tương quan với đại lượng cần đo. Cảm biến loại này dựa trên các hiệu ứng biến đổi
sau:
1.2.1.1.1. Hiệu ứng nhiệt điện:
Cặp nhi
ệt điện: 2 đoạn dây kim loại có bản chất hoá học khác nhau được
hàn dính cả 2 đầu với nhau tạo thành một vòng kín. Khi nhiệt độ ở 2 đầu nối
chênh lệch sẽ xuất hiện một sức điện động tương ứng tỷ lệ trong vòng dây.
Tín hiệu này sẽ được đưa vào mạch điện gia công tín hiệu phía sau.
1.2.1.1.2. Hiệu ứng hoả điện:
Sử dụng kh
ối tinh thể hoả điện (Sulfat triglycine) tức là khi nhiệt độ 2 bề
mặt của khối tinh thể này chênh lệch nhau thì điện tích 2 bề mặt sẽ trái dấu và
có độ lớn tỷ lệ thuận với độ phân cực điện hay độ chênh nhiệt độ. Độ chênh

lệch điện tích này sẽ được đưa vào mạch điện gia công tín hiệu phía sau dưới
hình thức điện tích trên 2 bả
n cực của tụ điện. (dùng trong việc đo thông
lượng bức xạ ánh sáng)
1.2.1.1.3. Hiệu ứng áp điện:
Vật liệu áp điện (thạch anh) có tính chất là khi bị lực tác dụng làm biến
dạng thì sẽ tạo ra các điện tích trái dấu trên các mặt đối diện có độ lớn tỷ lệ
với độ lớn của lực. Độ chênh lệch điện tích này sẽ
được đưa vào mạch điện
gia công tín hiệu phía sau dưới hình thức điện tích trên 2 bản cực của tụ điện.
12

1.2.1.1.4. Hiệu ứng cảm ứng điện từ:
Khi một dây dẫn kín chuyển động trong từ trường không đổi (hoặc
khung dây đứng yên trong một từ trường biến thiên) sẽ xuất hiện một suất
điện động trong vòng dây tỷ lệ với lượng từ thông cắt ngang vòng dây trong
một đơn vị thời gian, nói cách khác là tỷ lệ với tốc độ dịch chuyển của dây
dẫn. Độ
chênh lệch điện tích này sẽ được đưa vào mạch điện gia công tín hiệu
phía sau. (ứng dụng trong đo tốc độ dịch chuyển của vật)
1.2.1.1.5. Hiệu ứng quang điện
:
Dựa trên nguyên tắc: dưới tác dụng của bức xạ ánh sáng hoặc bức xạ
điện từ có bước sóng ngắn hơn giá trị bước sóng ngưỡng của vật liệu, các vật
liệu sẽ giải phóng ra các hạt dẫn tự do tạo ra dòng điện dẫn kích hoạt các phần
tử tiếp theo trong mạch gia công tín hiệu đo. (ứng dụng trong cảm biến quang
bật sáng đèn chiếu công cộng)

I.2.1.1.6. Hiệu ứng quang phát xạ điện tử:
Dựa trên hiện tượng các điện tử được giải phóng thoát khỏi vật liệu và

được thu gom bởi điện trường để tạo ra dòng điện. Tín hiệu này sẽ được đưa
vào mạch điện gia công tín hiệu phía sau.
1.2.1.1.7. Hiệu ứng quang điện trong chất bán dẫn
:
Khi chiếu sáng vào một lớp tiếp giáp P-N thì sẽ làm phát sinh các các
cặp điện tử và lỗ trống chuyển động dưới tác dụng của điện trường của lớp
chuyển tiếp làm thay đổi hiệu điện thế giữa 2 đầu của lớp chuyển tiếp. Tín
hiệu điện áp này sẽ được đưa vào mạch điện gia công tín hiệu phía sau.
1.2.1.1.8. Hiệu ứng quang điệ
n tử:
Dựa trên hiện tượng: chiếu bức xạ ánh sáng và từ trường B (nam châm)
vuông góc với nhau đồng thời lên một vật liệu bán dẫn thì sẽ hình thành một
hiệu điện thế theo phương vuông góc với mặt phẳng tạo bởi phương bức xạ
và phương từ trường. Hiệu điện thế này sẽ được đưa vào mạch điện gia công
tín hiệu phía sau. (ứng dụng để
đo các thông tin chứa đựng trong ánh sáng)
1.2.1.1.9. Hiệu ứng Hall:
Một vật liệu bán dẫn
dạng tấm mỏng có dòng điện chạy qua khi đặt
trong từ trường B có phương tạo với dòng điện I một góc θ, sẽ làm xuất hiện
một hiệu điện thế V
H
có phương vuông góc với mặt phẳng tạo bởi I và B.
Hiệu điện thế này sẽ được đưa vào mạch điện gia công tín hiệu phía sau.
Độ lớn của V
H
được xác định theo công thức:

13


V
H
= K
H
.I.B.sinθ. (1.10)
K
H
là hệ số phụ thuộc vật liệu và kích thước hình học của mẫu.
Hiệu ứng Hall được ứng dụng trong cảm biến xác định vị trí của một vật
chuyển động. Người ta gắn một thanh nam châm lên vật đó. Vị trí của vật (và
do đó vị trí của thanh nam châm) sẽ xác định giá trị của từ trường B và góc
lệch θ tương ứng. Như vậy, V
H
là một hàm phụ thuộc vào vị trí của vật trong
không gian.
Chú ý rằng cảm biến vị trí kiểu này không chuyển đổi năng lượng (từ
vị
trí sang giá trị điện áp) mà năng lượng để tạo tín hiệu điện áp ra là nguồn của
dòng điện I chứ không phải là đại lượng cần đo (vị trí).
Cảm biến kiểu hiệu ứng Hall là cảm biến tích cực vì thông tin ra liên
quan đến sức điện động.
1.2.1.1.10. Các hiệu ứng khác:
Ngoài ra còn có các hiệu ứng biến đổi tín hiệu kiểu sinh học như: biến
đổi sinh hoá, hiệu ứng trên cơ thể s
ống, phân tích phổ…

1.2.1.2. Cảm biến thụ động:
Là loại cảm biến hoạt động dựa trên nguyên tắc: đại lượng cần đo có tác động
ảnh hưởng làm thay đổi giá trị trở kháng của cảm biến và do đó làm thay đổi giá trị
kiến tạo mạch điện xử lý gia công thông tin đo phía sau một cách tương ứng. (ví dụ:

làm lệch cầu điện trở (vốn cân bằng khi chưa thực hiện phép đo)…)
Giá trị trở kháng này thườ
ng phụ thuộc đồng thời vào kích thước hình học của
mẫu đo và các tính chất điện của vật liệu như điện trở suất ρ, độ từ thẩm µ, hằng số
điện môi ε. Trong các phép đo, các thuộc tính này có thể có ảnh hưởng một cách riêng
biệt hoặc đồng thời đến trở kháng của cảm biến.
♣
Thuộc tính kích thước hình học: thường có ảnh hưởng khi trong quá trình đo
vật di chuyển hoặc bị làm biến dạng.
+ Với vật di chuyển: cảm biến sẽ chứa phần tử động (lõi thép động trong
cảm biến cảm ứng, nắp lõi từ cảm biến điện thế, bản cực di động của tụ điện…) và khi
phần tử này di chuyển sẽ kéo theo sự thay đổi trở kháng tương ứng.
+ Với vật chịu biến dạng: cảm biến sẽ chứa phần tử biến dạng chịu tác dụng
trực tiếp hoặc gián tiếp của lực tác dụng hoặc các đại lượng dẫn đến lực (áp suất, gia
tốc). Ví dụ: bản cực di động của tụ điện chịu tác dụng của áp suất vi sai, cảm biến đo
ứng lực có liên quan chặt chẽ
đến cấu trúc chịu tác động của ứng suất.
♣
Thuộc tính tính chất điện: mỗi vật liệu đều có thể nhạy với các tác động của
nhiều đại lượng vật lý khác nhau như ánh sáng, nhiệt độ, áp suất,…Trong thực tế, khi
14

tiến hành đo cảm biến luôn chịu ảnh hưởng tác động của yếu tố môi trường, nếu các
vật liệu chế tạo cảm biến nhạy với quá nhiều đại lượng vật lý sẽ làm cho phép đo dễ
gặp phải rất nhiều sai số không mong muốn. Vì vậy, cảm biến luôn được chế tạo sao
cho chỉ một trong số các đại lượng trên có thể thay đổi trở kháng củ
a nó trong khi
những đại lượng còn lại là không đổi. Chỉ khi đó ta mới có tương quan đơn trị giữa trở
kháng của cảm biến với giá trị cần đo.
1.2.2.

Theo dạng kích thích:
Bảng 1.4: Bảng liệt kê các đặc tính của kích thích
STT Kích thước Các đặc tính của kích thích
1
Âm thanh Biên pha, phân cực, phổ, tốc độ truyền
sóng…
2
Điện Điện tích, dòng điện, điện thế, điện áp,
điện trường (biên pha, phân cực, phổ),
điện dẫn, hằng số điện môi…
3
Từ Từ trường (biên pha, phân cực, phổ), từ
thông, cường độ từ trường, độ từ thẩm…
4
Quang Biên pha, phân cực, phổ, tốc độ truyền,hệ
số phát xạ, khúc xạ, hệ số hấp thụ, hệ số
bức xạ…
5
Cơ Vị trí, lực, áp suất, gia tốc, vận tốc, ứng
suất, độ cứng, mômen, khối lượng, tỷ
trọng, vận tốc chất lưu, độ nhớt…
6
Nhiệt Nhiệt độ, thông lượng, nhiệt dung, tỷ
nhiệt…
7
Bức xạ Kiểu, năng lượng, cường độ…






1.2.3.
Theo tính năng các bộ cảm biến:
15

Bảng 1.5: Bảng liệt kê các tính năng của bộ cảm biến
STT Tính năng STT Tính năng
1
Độ nhạy
8
Độ trễ
2
Độ chính xác
9
Khả năng quá tải
3
Độ phân giải
10
Tốc độ đáp ứng
4
Độ chọn lọc
11
Độ ổn định (ngắn hạn và dài
hạn)
5
Độ tuyến tính
12
Tuổi thọ
6
Công suất tiêu thụ

13
Điều kiện môi trường
7
Dải tần
14
Kích thước, trọng lượng……

1.2.4.
Theo phạm vi sử dụng các bộ cảm biến:
+ Cảm biến trong Công nghiệp
+ Cảm biến trong Nghiên cứu khoa học
+ Cảm biến trong Môi trường khí tượng
+ Cảm biến trong Thông tin, viễn thông
+ Cảm biến trong Nông nghiệp
+ Cảm biến trong Dân dụng
+ Cảm biến trong Giao thông
+ Cảm biến trong Vũ trụ
+ Cảm biến trong Quân sự…

1.3. CÁC ĐẠI LƯỢNG ẢNH HƯỞNG
Các đại lượng ảnh hưởng hay đại lượng nhiễu là các đại lượng có thể tác độ
ng đến
tín hiệu ở đầu ra của cảm biến đồng thời với đại lượng cần đo. Bao gồm:
+ Áp suất, gia tốc, dao động (rung): gây ra biến dạng và ứng suất trong một số
thành phần của cảm biến khiến tín hiệu hồi đáp bị sai lệch.
16

+ Độ ẩm: làm thay đổi tính chất điện của vật liệu như: hằng số điện môi ε, điện trở
suất ρ.
+ Nhiệt độ: làm thay đổi các đặc trưng điện, cơ và kích thước của cảm biến.

+ Từ trường: có thể gây nên suất điện động cảm ứng chồng lên tín hiệu có ích, làm
thay đổi tính chất
điện của vật liệu cấu thành cảm biến.
+ Biên độ và tần số của điện áp nuôi (ví dụ ở biến thế vi sai) ảnh hưởng đến đại
lượng điện đầu ra.
Trong mọi phép đo, người ta luôn cố gắng tìm cách giảm thiểu nhiều nhất ảnh
hưởng của các yếu tố ngoại lai này bằng các biện pháp chống nhiễu trong đo lường
nh
ư:
- Sử dụng các biện pháp chống rung, chống từ trường, cách điện…
- Ổn định các đại lượng ảnh hưởng ở những giá trị biết trước và chuẩn
cảm biến trong các điều kiện đó (ví dụ: bình ổn nhiệt, nguồn điện áp có
bộ phận điều chỉnh…)
- Sử dụng các sơ đồ ghép nối cho phép cho phép bù trừ ả
nh hưởng của đại
lượng gây nhiễu.
1.4. MẠCH ĐO LƯỜNG VÀ GIA CÔNG THÔNG TIN ĐO
Mạch đo bao gồm toàn bộ các thiết bị đo (kể cả cảm biến trong đó) cho
phép xác định chính xác đại lượng cần đo trong những điều kiện tốt nhất có thể.
Tín hiệu tác động vào đầu vào của mạch qua cảm biến (một cách trực tiếp
nếu là cảm biế
n tích cực và gián tiếp thông qua bộ chuyển đổi nếu là cảm biến
thụ động) đưa ra ở đầu ra của cảm biến tín hiệu điện mang thông tin của đại
lượng cần đo.
Tiếp theo, tín hiệu điện này có thể được khuếch đại hoặc tinh lọc, được xử
lý tổi ưu hoá … (ở những hệ thống đo đòi hỏi độ chính xác không cao có thể
không c
ần các thiết bị này), sau đó được chuyển đổi thành các dạng có thể đọc
được trực tiếp giá trị trước khi được đưa ra đầu ra của mạch. Đầu ra này có thể
được ghép nối với bộ hiển thị thông số, có thể ghép nối máy tính, vi xử lý…để

tiếp tục xử lý cho các mục đích điều chỉnh của hệ thống…
Việc chuẩn hệ đo đảm bả
o cho mỗi giá trị chỉ thị ở đầu ra tương ứng với chỉ
1 giá trị đại lượng đo tác động ở đầu vào.

Dưới đây là một ví dụ sơ đồ khối cấu trúc của một hệ đo lường điện thế
trên bề mặt màng nhạy quang được lắp ráp từ nhiều phần tử: [1]







FC

PA

D

PC

MÁY IN

MÀN HÌNH


CPU

7


ADC

5

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 số tương tự
7 - Máy tính
Hình 1.3: Mạch đo điện thế bề mặt
1.5. SAI SỐ PHÉP ĐO VÀ GIA CÔNG KẾT QUẢ ĐO LƯỜNG
Sai số của phép đo là hiệu số giữa giá trị thực và giá trị đo được. Sai số phép
đo chỉ có thể được đánh giá một cách ước tính bởi vì không thể biết được giá trị thực
của đại lượng đo.
Sai số có thể chia thành các loại sau:
1.5.1. Sai số
hệ thống:
Sai số hệ thống là sai lệch luôn luôn tồn tại giữa giá trị đo được trung bình
và giá trị thực của đại lượng cần đo mà không phụ thuộc vào số lần đo liên tiếp.
Sai số hệ thống có thể không đổi hoặc biến đổi chậm theo thời gian.
Sai số hệ thống có nguyên nhân do sự hiểu biết thiên lệch hoặc không đầy
đủ về hệ
đo hoặc cũng có thể do điều kiện sử dụng không tốt.
Có thể chia sai số hệ thống theo các nguyên nhân sau:

1.5.1.1. Sai số do giá trị của đại lượng chuẩn không đúng:
Ví dụ: lệch điểm gốc 0 trên thang đo…
Sai số này có thể loại bỏ được bằng cách kiểm tra kỹ các thiết bị trước khi
sử dụng.


1.5.1.2. Sai số do đặc tính của cảm biến:
Ví dụ: sai số độ nhạy hoặc sai số của đường cong chuẩn, sai khác giữa các
sản phẩm cảm biến khác nhau ngay cả trong cùng loạt sản xuất, sự
già hoá của các cảm biến…
17

18

Để giảm thiểu sai số này yêu cầu người sử dụng phải thường xuyên tiến
hành chuẩn lại cảm biến.

1.5.1.3. Sai số do điều kiện và chế độ sử dụng:
Ví dụ: cảm biến nhiệt độ có tốc độ hồi đáp khác nhau khi đặt trong chất
lỏng chảy liên tục và chất lỏng đứng yên; bản thân điện trở của cảm
biến làm ảnh hưởng đến giá trị điện trở của hệ thống được đo…

1.5.1.4. Sai số do xử lý kết quả đo:
Ví dụ: kết quả đo lệch khỏi tuyến tính trong khi sử dụng cảm biến giả thiết
là tuyến tính (giả thiết sai về sự biến đổi của đại lượng đo); độ dẫn
nhiệt của vỏ cảm biến và dây dẫn khiến nhiệt độ đo được của cảm
biến và nhiệt độ cần đo khác nhau…
1.5.2. Sai số ngẫu nhiên:
Sai số ngẫu nhiên là sai số có độ lớn, dấu và tần suất xuất hiện là không
tuân theo bất kỳ một quy luật biết trước nào.
Có thể chia sai số ngẫu nhiên theo các nguyên nhân sau:

1.5.2.1. Sai số do tính không xác định của đặc trưng thiết bị:
Với mỗi thiết bị đo lường thường thì giữa các nấc đo có một độ phân biệt nhất
định về độ lớn của đại lượng đầu vào. Nói cách khác, nếu tín hiệu vào không đủ một
độ lớn tối thiểu nào đó thì sẽ không gây ra sự biến đổi ở đầu ra của cảm biến. Như

vậy, đó cũng là một yếu tố gây nên sai số gọi là
sai số linh động và giá trị lớn nhất của
mức sai số này chính bằng giá trị phân giải tối thiểu của cảm biến.
Một yếu tố khác là sai số do đọc sai dữ liệu, nguyên nhân là do chất lượng của
bộ chỉ thị (VD: độ mảnh của kim chỉ thị…) hoặc do thói quen của người thực hiện.
Sai số trễ là sai số xuất hiện khi trong mạch đo có chứ
a thành phần có độ trễ
(trễ từ, trễ cơ…)

1.5.2.2. Sai số do tín hiệu nhiễu ngẫu nhiên:
Là do các nhiễu nền gây nên kích thích nhiệt đến các hạt dẫn trong các điện trở
dẫn đến làm thăng giáng điện áp đầu ra, cũng có thể là sự tác động của cảm ứng ký
sinh do bức xạ điện từ gây nên sai số… Nói chung các thăng giáng này không thể
phân biệt với biến thiên của đại lượng đo.

1.5.2.3. Sai số do các đại lượng ảnh hưởng:
Trong quá trình chuẩn cảm biến đã có sự tác động của các đại lượng ảnh hưởng
từ môi trường vào cảm biến nên bản thân kết quả chuẩn cảm biến đó đã bao hàm
những sai số do các đại lượng ảnh hưởng đem lại.
19

Biện pháp giảm sai số ngẫu nhiên: thường thực hiện bằng các biện pháp thực
nghiệm thích hợp: bảo vệ mạch đo bằng cách ổn định các thông số của môi trường
(như nhiệt độ, độ ẩm…), nối đất, che chắn các thiết bị đo điện, lọc tín hiệu…
(Về các loại nhiễu, nguyên nhân của nhiễu và các biện pháp khắc phục xem thêm
trong [3])
1.6. CHUẨN CẢ
M BIẾN
Chuẩn cảm biến có mục đích diễn giải tường minh, dưới dạng đồ thị hoặc đại
số, mối quan hệ giữa các giá trị m của đại lượng đo và giá trị s đo được của đại lượng

điện ở đầu ra có tính đến các thông số ảnh hưởng.
Các thông số ảnh hưởng này có thể là các đại lượng vật lý liên quan đến đại
lượng
đo (mà cảm biến rất nhạy với những biến thiên của chúng), thí dụ như chiều
cao, tốc độ biến thiên của đại lượng đo. Chúng cũng có thể là các đại lượng vật lý
không liên quan đến đại lượng đo nhưng tác động đến cảm biến trong quá trình sử
dụng và làm thay đổi hồi đáp, thí dụ các đại lượng ảnh hưởng của môi trường như
nhiệt độ, độ
ẩm hay các đại lượng ảnh hưởng của nguồn nuôi như biên độ, tần số, điện
áp làm việc của cảm biến.
Có thể chia việc chuẩn cảm biến thành các dạng sau:
1.6.1. Chuẩn đơn giản:
Chuẩn đơn giản là phép đo trong đó chỉ có một đại lượng vật lý duy nhất tác
động lên một đại lượng đo xác định và sử dụng một cảm biến không nh
ạy với các đại
lượng ảnh hưởng và cũng không chịu tác động của các đại lượng này. Đây là trường
hợp đặc biệt của các đại lượng đo tĩnh, nghĩa là các đại lượng có giá trị không đổi, thí
dụ đo khoảng cách cố định bằng một cảm biến mà chỉ thị của nó không phụ thuộc vào
nhiệt độ và các đại lượng ảnh hưởng, đo m
ột nhiệt độ không đổi bằng một cặp nhiệt
điện…
Trong những điều kiện như vậy, chuẩn cảm biến chính là kết hợp của những giá
trị hoàn toàn xác định của đại lượng đo với các giá trị tương ứng của đại lượng điện ở
đầu ra. Việc chuẩn được tiến hành bằng một trong cách cách sau đây:
+
Chuẩn trực tiếp: các giá trị khác nhau của đại lượng đo lấy từ các mẫu chuẩn
hoặc các phần tử so sánh có giá trị biết trước với độ chính xác cao.
+
Chuẩn gián tiếp: sử dụng kết hợp đồng thời một cảm biến cần chuẩn với một
cảm biến so sánh có sẵn đường cong chuẩn được đặt cùng trong một điều kiện

làm việc như nhau. Khi tác động lần lượt lên các cảm biến bằng cùng một giá
trị của đại lượng đo sẽ thu được ở 2 đầu ra của 2 cảm biến các kết quả tương
ứ
ng. Lặp lại với nhiều giá trị khác nhau và chỉnh dần sẽ tạo được đường cong
chuẩn cho cảm biến cần chuẩn.
1.6.2. Chuẩn nhiều lần:
Khi cảm biến có chứa những phần tử có độ trễ (thường là trễ cơ hoặc trễ từ), giá
trị đo được ở đầu ra phụ thuộc không những vào giá trị tức thời của đại lượng cần đo
mà còn phụ thuộc vào giá trị trước đó của đại lượng này. Phương pháp chuẩn nhiều
lần sẽ được tiế
n hành với các trường hợp này. Trình tự như sau:
B1: Đặt lại điểm 0 của cảm biến: đại lượng cần đo và đại lượng đầu ra có
các giá trị tương đương với điểm gốc, m = 0, s = 0.
B2: Dựng lại đại lượng đầu ra: lúc đầu tăng giá trị của đại lượng cần đo ở
đầu vào đến cực đại, sau đó giảm giá trị đ
o. Các giá trị biết trước của
đại lượng cần đo cho phép xác định đường cong chuẩn theo cả 2
hướng tăng dần và giảm dần.
Các tính chất vật lý của vật liệu chịu tác động của đại lượng cần đo có thể là một
trong những thông số quyết định ảnh hưởng đến hồi đáp của cảm biến. Thí dụ điện
dung của cảm bi
ến tụ điện đo mức chất lỏng không những phụ thuộc vào chiều cao
của chất lỏng mà còn phụ thuộc vào hằng số điện môi ε của nó. Điện trở của đầu đo
nhiệt độ bề mặt của một vật là một hàm của nhiệt độ bề mặt và bản chất của lớp vật
liệu nằm d
ưới bề mặt đó, sự dãn nở của lớp vật liệu này gây nên ứng lực cho cảm
biến. Trong những trường hợp tương tự như vậy, cẩn phải tiến hành chuẩn cảm biến
riêng biệt đối với từng loại vật liệu. [1]

1.7. ĐỘ NHẠY

Độ nhạy S xung quanh một giá trị không đổi m
i
của đại lượng đo được xác định
bởi tỷ số giữa biến thiên ∆s của đại lượng đầu ra và biến thiên ∆m tương ứng của đại
lượng đo ở đầu vào: [1]

i
mm
m
s
S
=
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
∆
∆
=
(1.11)
Giá trị của độ nhạy phụ thuộc vào từng chế độ (điều kiện) làm việc của cảm biến
nên thường được nhà sản xuất cung cấp dưới dạng bảng kê thông số tương ứng với các
điều kiện khác nhau, nhằm giúp người sử dụng chọn lựa cảm biến một cách phù hợp.
Độ nhạy thường phụ thuộc vật liệ
u, kích thước, kiểu lắp ráp, điều kiện môi
trường, tần số biến thiên của đại lượng đo…
Người ta thường phân biệt độ nhạy ở 2 chế độ sau:
1.7.1. Trong chế độ tĩnh:

Độ nhạy trong chế độ tĩnh là tỷ số giữa gia số ∆s và số gia ∆m tương
ứng, đó chính là độ dốc của đặc trưng tĩnh ở đ
iểm làm việc. Rõ ràng nếu đặc
20

trưng tĩnh không tuyến tính thì độ nhạy không thể là hằng số, nói cách khác
nó có giá trị khác nhau ở những điểm làm việc khác nhau.
(
BÀI TẬP: tính độ nhạy với đặc trưng tính là đường thẳng (chính là hệ số
góc của đường thẳng) và đường cong có phương trình cho trước (đạo hàm
và thay thông số s
i
và m
i
ở điểm làm việc đó vào để suy ra S
i
))
Tỷ số chuyển đổi tĩnh r
i
là tỷ số giữa giá trị s
i
đầu ra và giá trị m
i

tương ứng của đại lượng đo ở đầu vào:

i
Q
i
m

s
r
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
=
(1.12)
Tỷ số chuyển đổi tĩnh không phụ thuộc vào điểm làm việc Q
i
và chỉ
bằng S khi đặc trưng tĩnh là đường thẳng đi qua gốc toạ độ. [1]
1.7.2. Trong chế độ động:
Độ nhạy trong chế độ động được xác định khi đại lượng đo là hàm
tuần hoàn của thời gian. Trong điều kiện như vậy, đại lượng đầu ra s ở chế
độ làm việc danh định cũng là hàm tuần hoàn của thời gian giống như đại
l
ượng đo. Trong chế độ động, sự phụ thuộc của độ nhạy vào tần số của đại
lượng đo S(f) xác định đặc tính tần của cảm biến. Nguyên nhân là do quán
tính cơ, nhiệt hoặc điện của đầu đo (của cảm biến và các thiết bị phụ trợ)
khiến chúng không thể đáp ứng được tức thời so với sự biến thiên của đại
lượng đo.
(trong trườ
ng đại lượng đo biến thiên, quá trình xử lý tín hiệu sẽ dính dáng
đến yếu tố tần số và do đó tất cả các thành phần quán tính cơ, nhiệt, điện
(từ trường cuộn dây, điện trường tụ điện) đều có liên quan đến độ nhạy của
cảm biến nên cần được xem xét một cách tổng thể khi xét độ nhạy)
1.8. ĐỘ TUYẾN TÍNH:



1.8.1. Điều kiện có tuyến tính:
Trong dải đo, nếu một cảm biến có độ nhạy không phụ thuộc vào độ lớn của
đại lượng đo. Độ tuyến tính thể hiện trong chế độ tĩnh là các đoạn đặc tuyến đáp
ứng có dạng đường thẳng của cảm biến. Trong chế độ động (quá độ), độ tuyến tính
thể hiện là sự không phụ
thuộc vào đại lượng đo của đồng thời độ nhạy và các
thông số quyết định hồi đáp (tần số riêng f
0
của dao động không tắt, hệ số tắt dần
ξ). (chế độ quá độ sẽ phân tích thành các thành phần dao động và có hệ số tắt dần
- giống trong điều khiển tự động)
1.8.2. Đường thẳng tốt nhất - độ lệch tuyến tính:
21

Trong thực tế khi thử nghiệm cảm biến dù được cho là tuyến tính nhất thì
tập hợp kết quả cũng không bao giờ cho ta một đường thẳng. Nhưng theo lý thuyết
xác xuất thống kê ta hoàn toàn có thể tìm được một đường thẳng mô tả tập hợp
nghiệm đó (đáp ứng đường thẳng tốt nhất của cảm biến) bằng phương pháp cực
tiểu bình phương (phương pháp gia công số
liệu):
s = a.m + b (1.13)
với: a =
()
∑∑
∑∑
∑
−
−

2
2
.
..
ii
iiii
mmN
msmsN

b =
()
∑∑
∑
∑∑∑
−
−
2
2
2
.
..
ii
iiiii
mmN
mmsms

s
i
, m
i

: là các cặp giá trị thực nghiệm tương ứng.
1.9. ĐỘ NHANH – THỜI GIAN HỒI ĐÁP:
Độ nhanh là thông số đặc trưng cho khả năng xử lý tín hiệu của cảm biến có
theo kịp sự biến đổi theo thời gian của đại lượng đo không.
Độ nhanh t
r
là thời gian từ khi đại lượng đo thay đổi đột ngột đến khi biến
thiên của đại lượng ra s của cảm biến chỉ còn khác giá trị cuối cùng một lượng giới
hạn quy định ε%. [1]
Độ nhanh được xác định thông qua thời gian hồi đáp. Giá trị thời gian này đặc
trưng cho tốc độ thay đổi của quá trình quá độ. Nó là hàm của các thông số gây xác
định chế độ này.











Hình 1.4: Các kho
ảng thời gian đặc trưng cho chế độ quá độ
m
t
t
t
c


t
dm
t
c

t
dm
0
0
0,1
0,9
S/S
0

m
0

22

23



1.10. GIỚI HẠN SỬ DỤNG CẢM BIẾN:
Bất kỳ cảm biến nào khi làm việc cũng cần được duy trì trong một phạm vi chịu
đựng nhất định. Phạm vi đó thường được quyết định từ yêu cầu về khả năng không bị phá
huỷ và tính chính xác của thông số đầu ra của cảm biến. Rõ ràng cảm biến sẽ không thể
làm việc được nữa khi nó bị
phá huỷ về cơ hoặc mạch điện bên trong. Như đã nói trên,

trong quá trình làm việc, cảm biến luôn chịu các tác động nhiễu từ môi trường. Ở một
chừng mực nhất định thì những ảnh hưởng này là không đáng kể, nhưng khi chúng vượt
ngưỡng chịu đựng của cảm biến thì tín hiệu ra của cảm biến sẽ không còn đạt độ tin cậy
cần thiết nữa. Những ng
ưỡng giới hạn này, thường được quy định bởi nhà sản xuất, bao
gồm:
♦ Vùng làm việc danh định:
Đó là vùng giá trị ứng với những điều kiện làm việc bình thường của cảm
biến. Biên giới của vùng này chính là ngưỡng giới hạn mà các đại lượng đo, các
đại lượng vật lý liên quan đến đại lượng đo hoặc các đại lượng ảnh hưở
ng có thể
thường xuyên đạt tới mà không làm thay đổi các đặc trưng làm việc danh định của
cảm biến.
♦ Vùng không gây nên hư hỏng:
Là vùng vượt quá ngưỡng giới hạn của các đại lượng đo, các đại lượng liên
quan, các đại lượng ảnh hưởng nhưng vẫn chưa gây nên hư hỏng (về tính chính
xác) cho cảm biến. Ở vùng này, thông số ra của cảm biến không còn chính xác.
Nhưng khi điều kiệ
n làm việc trở về vùng giá trị danh định thì thông số đầu ra của
cảm biến lại cho kết quả chính xác.
♦ Vùng không phá huỷ:
Là vùng mà các đại lượng đo, đại lượng liên quan và đại lượng ảnh hưởng
vượt ra ngoài giá trị ngưỡng của vùng không gây nên hư hỏng nhưng vẫn còn trong
vùng không phá huỷ. Khi đó thông số của chính cảm biến không còn khả năng tự
phục hồi trở lại khi điề
u kiện làm việc trở lại vùng giá trị danh định. Khi đó muốn
sử dụng lại cảm biến, ta phải chuẩn lại thông số của nó.
Dải đo của cảm biến được xác định bởi nhiều giá trị giới hạn của vùng đại
lượng đo mà trong vùng đó hoạt động của cảm biến đáp ứng được các yêu cầu đề
ra. Chính vì mức độ

yêu cầu này là khác nhau ở mỗi ứng dụng nên dải đo có thể
hẹp hơn hoặc rộng hơn vùng giá trị danh định.