Automation and Process Logic Control

Cảm biến - Sensor, Những điều cần biết

Những điều cần biết về cảm biến: Cảm biến là gì? đặc tính và nguyên lý hoạt động của cảm biến dựa vào đâu? và những câu hỏi khác được giải đáp trong bài này ...
Cảm biến - Sensor, Những điều cần biết

Những điều cần biết về Cảm biến - Sensors


Wiki - Theo định nghĩa rộng nhất, cảm biến là một thiết bị, mô-đun, máy hoặc hệ thống con có mục đích là phát hiện các sự kiện hoặc thay đổi trong môi trường của nó và gửi thông tin đến thiết bị điện tử khác, thường là bộ xử lý máy tính. Một cảm biến luôn được sử dụng với các thiết bị điện tử khác.

Cảm biến được sử dụng trong các vật dụng hàng ngày như nút thang máy cảm ứng (cảm biến xúc giác) và đèn làm mờ hoặc sáng khi chạm vào đế, bên cạnh vô số ứng dụng mà hầu hết mọi người không bao giờ biết đến. Với những tiến bộ trong kỹ thuật vi máy và nền tảng vi điều khiển dễ sử dụng, việc sử dụng các cảm biến đã mở rộng ra ngoài các lĩnh vực truyền thống như đo nhiệt độ, áp suất hoặc lưu lượng, chẳng hạn như các cảm biến MARG. Hơn nữa, các cảm biến tương tự như chiết áp và điện trở cảm ứng lực vẫn được sử dụng rộng rãi. Các ứng dụng bao gồm sản xuất và máy móc, máy bay và hàng không vũ trụ, ô tô, y học, người máy và nhiều khía cạnh khác trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta. Có một loạt các cảm biến khác, đo các tính chất hóa học và vật lý của vật liệu. Một vài ví dụ bao gồm cảm biến quang học để đo chỉ số khúc xạ, cảm biến dao động để đo độ nhớt chất lỏng và cảm biến điện hóa để theo dõi độ pH của chất lỏng.

Độ nhạy của cảm biến cho biết mức độ thay đổi đầu ra của cảm biến khi đại lượng đầu vào được đo thay đổi. Ví dụ, nếu thủy ngân trong nhiệt kế di chuyển 1 cm khi nhiệt độ thay đổi 1 ° C, thì độ nhạy là 1 cm / ° C (về cơ bản nó là độ dốc dy / dx giả định là đặc tính tuyến tính). Một số cảm biến cũng có thể ảnh hưởng đến những gì chúng đo lường; ví dụ, một nhiệt kế nhiệt độ phòng được đưa vào một cốc chất lỏng nóng sẽ làm lạnh chất lỏng trong khi chất lỏng làm nóng nhiệt kế. Cảm biến thường được thiết kế để có ảnh hưởng nhỏ đến những gì được đo; làm cho cảm biến nhỏ hơn thường cải thiện điều này và có thể mang lại những lợi thế khác.

Tiến bộ công nghệ cho phép ngày càng nhiều cảm biến được sản xuất ở quy mô siêu nhỏ như cảm biến vi mô sử dụng công nghệ MEMS. Trong hầu hết các trường hợp, cảm biến vi mô đạt được thời gian đo nhanh hơn đáng kể và độ nhạy cao hơn so với các phương pháp tiếp cận vĩ mô. Do nhu cầu ngày càng tăng về thông tin nhanh chóng, giá cả phải chăng và đáng tin cậy trong thế giới ngày nay, các cảm biến dùng một lần — thiết bị dễ sử dụng và chi phí thấp để giám sát ngắn hạn hoặc đo một lần — gần đây đã trở nên ngày càng quan trọng. Sử dụng loại cảm biến này, bất kỳ ai, ở bất kỳ đâu và bất kỳ lúc nào cũng có thể thu được thông tin phân tích quan trọng mà không cần phải hiệu chuẩn lại và không lo bị nhiễm bẩn.
 

Phân loại sai số đo

Một cảm biến tốt tuân theo các quy tắc sau:
- nó nhạy cảm với thuộc tính đo lường
- nó không nhạy cảm với bất kỳ thuộc tính nào khác có thể gặp phải trong ứng dụng của nó, và
- nó không ảnh hưởng đến đặc tính được đo.

Hầu hết các cảm biến có chức năng truyền tuyến tính. Độ nhạy sau đó được định nghĩa là tỷ số giữa tín hiệu đầu ra và đặc tính đo được. Ví dụ, nếu một cảm biến đo nhiệt độ và có đầu ra điện áp, thì độ nhạy là một hằng số với đơn vị [V / K]. Độ nhạy là độ dốc của hàm truyền. Việc chuyển đổi đầu ra điện của cảm biến (ví dụ V) thành các đơn vị đo được (ví dụ K) yêu cầu chia sản lượng điện cho độ dốc (hoặc nhân với nghịch đảo của nó). Ngoài ra, một phần bù thường được cộng hoặc trừ. Ví dụ, −40 phải được thêm vào đầu ra nếu đầu ra 0 V tương ứng với đầu vào −40 C.

Để tín hiệu cảm biến tương tự được xử lý hoặc được sử dụng trong thiết bị kỹ thuật số, nó cần được chuyển đổi sang tín hiệu kỹ thuật số, sử dụng bộ chuyển đổi tương tự sang kỹ thuật số.
 

Sai lệch cảm biến

Vì cảm biến không thể tái tạo một chức năng truyền tải lý tưởng, một số loại sai lệch có thể xảy ra làm hạn chế độ chính xác của cảm biến:

Vì phạm vi của tín hiệu đầu ra luôn bị giới hạn, tín hiệu đầu ra cuối cùng sẽ đạt mức tối thiểu hoặc tối đa khi đặc tính đo được vượt quá giới hạn. Phạm vi thang đo đầy đủ xác định các giá trị tối đa và nhỏ nhất của thuộc tính được đo. [Cần dẫn nguồn]

Độ nhạy trong thực tế có thể khác với giá trị được chỉ định. Đây được gọi là lỗi độ nhạy. Đây là một lỗi trong độ dốc của một hàm truyền tuyến tính.

Nếu tín hiệu đầu ra khác với giá trị đúng bởi một hằng số, cảm biến có lỗi bù hoặc sai lệch. Đây là một lỗi trong giao điểm y của một hàm truyền tuyến tính.

Tính phi tuyến là độ lệch của chức năng truyền của cảm biến so với chức năng truyền đường thẳng. Thông thường, điều này được xác định bằng số lượng đầu ra khác với hành vi lý tưởng trên toàn dải của cảm biến, thường được ghi nhận là phần trăm của toàn dải.

Sai lệch gây ra bởi những thay đổi nhanh chóng của đặc tính đo được theo thời gian là một sai số động. Thông thường, hành vi này được mô tả bằng biểu đồ bode cho thấy lỗi độ nhạy và độ lệch pha như một hàm của tần số của tín hiệu đầu vào tuần hoàn.

Nếu tín hiệu đầu ra thay đổi chậm độc lập với đặc tính đo được, thì điều này được định nghĩa là độ trôi. Sự trôi dạt lâu dài trong nhiều tháng hoặc nhiều năm là do những thay đổi vật lý trong cảm biến.

Nhiễu là độ lệch ngẫu nhiên của tín hiệu thay đổi theo thời gian.
Lỗi trễ làm cho giá trị đầu ra thay đổi tùy thuộc vào các giá trị đầu vào trước đó. Nếu đầu ra của cảm biến khác nhau tùy thuộc vào việc đạt đến giá trị đầu vào cụ thể bằng cách tăng so với giảm đầu vào, thì cảm biến có lỗi trễ.
Nếu cảm biến có đầu ra kỹ thuật số, đầu ra về cơ bản là một giá trị gần đúng của thuộc tính được đo. Lỗi này còn được gọi là lỗi lượng tử hóa.

Nếu tín hiệu được giám sát kỹ thuật số, tần số lấy mẫu có thể gây ra lỗi động hoặc nếu biến đầu vào hoặc nhiễu bổ sung thay đổi định kỳ ở tần số gần bội số của tốc độ lấy mẫu, thì lỗi răng cưa có thể xảy ra.

Ở một mức độ nào đó, cảm biến có thể nhạy cảm với các đặc tính khác với đặc tính được đo. Ví dụ, hầu hết các cảm biến đều bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ của môi trường.

Tất cả những sai lệch này có thể được phân loại là sai số hệ thống hoặc sai số ngẫu nhiên. Các lỗi hệ thống đôi khi có thể được bù đắp bằng một số loại chiến lược hiệu chuẩn. Nhiễu là một lỗi ngẫu nhiên có thể được giảm thiểu bằng cách xử lý tín hiệu, chẳng hạn như lọc, thường là do hoạt động động của cảm biến.
 

Độ phân giải

Độ phân giải của cảm biến là sự thay đổi nhỏ nhất mà nó có thể phát hiện được về đại lượng mà nó đang đo. Độ phân giải của cảm biến có đầu ra kỹ thuật số thường là độ phân giải của đầu ra kỹ thuật số. Độ phân giải liên quan đến độ chính xác mà phép đo được thực hiện, nhưng chúng không giống nhau. Độ chính xác của cảm biến có thể kém hơn đáng kể so với độ phân giải của nó.

Ở một mức độ nào đó, cảm biến có thể nhạy cảm với các đặc tính khác với đặc tính được đo. Ví dụ, hầu hết các cảm biến đều bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ của môi trường.
 

Cảm biến hóa học

Cảm biến hóa học là một thiết bị phân tích độc lập có thể cung cấp thông tin về thành phần hóa học trong môi trường của nó, đó là chất lỏng hoặc pha khí. Thông tin được cung cấp dưới dạng một tín hiệu vật lý có thể đo được tương quan với nồng độ của một loại hóa chất nhất định (được gọi là chất phân tích). Hai bước chính liên quan đến hoạt động của một cảm biến hóa học, đó là nhận dạng và truyền dẫn. Trong bước nhận dạng, các phân tử chất phân tích tương tác chọn lọc với các phân tử hoặc vị trí thụ thể có trong cấu trúc của phần tử nhận dạng của cảm biến. Do đó, một thông số vật lý đặc trưng thay đổi và sự biến đổi này được báo cáo bằng một bộ chuyển đổi tích hợp tạo ra tín hiệu đầu ra. Một cảm biến hóa học dựa trên vật liệu nhận dạng có bản chất sinh học là một cảm biến sinh học. Tuy nhiên, vì các vật liệu phỏng sinh học tổng hợp sẽ thay thế ở một mức độ nào đó mà các vật liệu sinh học đã được công nhận, nên sự phân biệt rõ ràng giữa cảm biến sinh học và cảm biến hóa học tiêu chuẩn là không cần thiết. Vật liệu phỏng sinh học điển hình được sử dụng trong phát triển cảm biến là các polyme và aptame được in dấu phân tử.
 

Cảm biến sinh học

Trong y sinh học và công nghệ sinh học, các cảm biến phát hiện chất phân tích nhờ một thành phần sinh học, chẳng hạn như tế bào, protein, axit nucleic hoặc polyme phỏng sinh học, được gọi là cảm biến sinh học. Trong khi một cảm biến không sinh học, thậm chí là hữu cơ (hóa học cacbon), cho các chất phân tích sinh học được gọi là cảm biến hoặc cảm biến nano. Thuật ngữ này áp dụng cho cả ứng dụng in-vitro và in vivo. Việc đóng gói thành phần sinh học trong cảm biến sinh học, đưa ra một vấn đề hơi khác so với các cảm biến thông thường; điều này có thể được thực hiện bằng rào cản bán thấm, chẳng hạn như màng thẩm tách hoặc hydrogel, hoặc ma trận polyme 3D, có thể hạn chế về mặt vật lý đại phân tử cảm nhận hoặc hạn chế về mặt hóa học đại phân tử bằng cách liên kết nó với giá thể.
 

Cảm biến MOS

Công nghệ kim loại-oxit-bán dẫn (MOS) bắt nguồn từ MOSFET (bóng bán dẫn hiệu ứng trường MOS, hoặc bóng bán dẫn MOS) do Mohamed M. Atalla và Dawon Kahng phát minh vào năm 1959, và được chứng minh vào năm 1960. [6] Cảm biến MOSFET (cảm biến MOS) sau đó được phát triển, và từ đó chúng được sử dụng rộng rãi để đo các thông số vật lý, hóa học, sinh học và môi trường.
 

Cảm biến sinh hóa

Một số cảm biến MOSFET đã được phát triển để đo các thông số vật lý, hóa học, sinh học và môi trường. Các cảm biến MOSFET sớm nhất bao gồm bóng bán dẫn hiệu ứng trường cổng mở (OGFET) được Johannessen giới thiệu vào năm 1970, bóng bán dẫn hiệu ứng trường nhạy cảm ion (ISFET) do Piet Bergveld phát minh vào năm 1970, FET hấp phụ ( ADFET) được cấp bằng sáng chế bởi PF Cox vào năm 1974, và MOSFET nhạy cảm với hydro do I. Lundstrom, M.S. Shivaraman, C.S. Svenson và L. Lundkvist năm 1975. ISFET là một loại MOSFET đặc biệt có cổng ở một khoảng cách nhất định, và ở đó cổng kim loại được thay thế bằng màng nhạy cảm với ion, dung dịch điện phân và điện cực so sánh. ISFET được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng y sinh, chẳng hạn như phát hiện lai DNA, phát hiện dấu ấn sinh học từ máu, phát hiện kháng thể, đo đường, cảm biến pH và công nghệ di truyền.

Vào giữa những năm 1980, nhiều cảm biến MOSFET khác đã được phát triển, bao gồm cảm biến khí FET (GASFET), FET có thể tiếp cận bề mặt (SAFET), bóng bán dẫn dòng điện tích (CFT), cảm biến áp suất FET (PRESSFET), bóng bán dẫn hiệu ứng trường hóa học ( ChemFET), ISFET tham chiếu (REFET), FET cảm biến sinh học (BioFET), FET biến đổi enzym (ENFET) và FET biến đổi miễn dịch (IMFET). Vào đầu những năm 2000, các loại BioFET như bóng bán dẫn hiệu ứng trường DNA (DNAFET), FET biến đổi gen (GenFET) và BioFET tiềm năng tế bào (CPFET) đã được phát triển
 

Cảm biến hình ảnh

Công nghệ MOS là cơ sở cho các cảm biến hình ảnh hiện đại, bao gồm thiết bị kết hợp điện tích (CCD) và cảm biến điểm ảnh hoạt động CMOS (cảm biến CMOS), được sử dụng trong hình ảnh kỹ thuật số và máy ảnh kỹ thuật số. Willard Boyle và George E. Smith đã phát triển CCD vào năm 1969. Trong khi nghiên cứu quy trình MOS, họ nhận ra rằng điện tích tương tự như bong bóng từ tính và nó có thể được lưu trữ trên một tụ điện MOS nhỏ. Vì việc chế tạo một loạt tụ điện MOS liên tiếp khá đơn giản, họ đã kết nối một điện áp thích hợp với chúng để điện tích có thể được chuyển từ cái này sang cái khác. CCD là một mạch bán dẫn sau này được sử dụng trong các máy quay video kỹ thuật số đầu tiên để phát sóng truyền hình.

Cảm biến điểm ảnh hoạt động MOS (APS) được phát triển bởi Tsutomu Nakamura tại Olympus vào năm 1985. Cảm biến pixel chủ động CMOS sau đó được phát triển bởi Eric Fossum và nhóm của ông vào đầu những năm 1990.

Cảm biến hình ảnh MOS được sử dụng rộng rãi trong công nghệ chuột quang. Chuột quang đầu tiên do Richard F. Lyon tại Xerox phát minh năm 1980, sử dụng chip cảm biến NMOS 5 µm. Kể từ khi con chuột quang thương mại đầu tiên, IntelliMouse được giới thiệu vào năm 1999, hầu hết các thiết bị chuột quang đều sử dụng cảm biến CMOS.
 

Giám sát cảm biến

Cảm biến giám sát MOS được sử dụng để giám sát nhà ở, giám sát văn phòng và nông nghiệp, giám sát giao thông (bao gồm cả tốc độ ô tô, tắc đường và tai nạn giao thông), giám sát thời tiết (chẳng hạn như mưa, gió, sét và bão), giám sát quốc phòng và giám sát nhiệt độ , độ ẩm, ô nhiễm không khí, hỏa hoạn, sức khỏe, an ninh và ánh sáng. Cảm biến dò khí MOS được sử dụng để phát hiện carbon monoxide, sulfur dioxide, hydrogen sulfide, amoniac và các chất khí khác. Các cảm biến MOS khác bao gồm cảm biến thông minh và công nghệ mạng cảm biến không dây (WSN).
Gọi điện thoại