Đang tải...

CLB Điện tử - Viễn thông Cảm biến điện dung

Thảo luận trong 'Câu lạc bộ các ngành kỹ thuật' bắt đầu bởi haui, 19/11/10.

Thành viên đang xem bài viết (Users: 0, Guests: 0)

  1. haui
    Offline

    Tài xế O-H
    Expand Collapse

    Tham gia ngày:
    5/8/09
    Số km:
    3,304
    Được đổ xăng:
    126
    Mã lực:
    381
    Xăng dự trữ:
    -128 lít xăng
    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).
    [​IMG] [​IMG]
    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.
    [​IMG] (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.
    [​IMG]
    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.
    [​IMG] 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.
    An Đồng (tổng hợp)
    Số 118 (8/2010)♦Tạp chí tự động hóa ngày nay
     
  2. haui
    Offline

    Tài xế O-H
    Expand Collapse

    Tham gia ngày:
    5/8/09
    Số km:
    3,304
    Được đổ xăng:
    126
    Mã lực:
    381
    Xăng dự trữ:
    -128 lít xăng
    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.
    [​IMG] [​IMG]
    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.
    [​IMG]
    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.
    [​IMG] [​IMG]
    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.
    [​IMG] [​IMG]
    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.
    An Đồng
    Số 119 (9/2010)♦Tạp chí tự động hóa ngày nay
     

Chia sẻ trang này