Cảm biến điện dung

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.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Cảm biến điện dungCảm biến điện dungCảm biến kiểu tụ không tiếp xúc đo những thay đổi về tínhchất điện tương ứng thường gọi là cảm biến điện dung. Điệndung mô tả hai vật dẫn điện cách nhau một khoảng phản ứnglại với sự chênh thế giữa chúng. Đặt một điện thế vào hai đầucủa một điện trở ta được một tụ điện giữa hai vật dẫn đó (mộtđầu dương, một đầu âm), hình 1.Các cảm biến kiểu tụ (hay điện dung) sử dụng điện thế xoaychiều tạo ra điện tích trái dấu ở phía của bản cực. Sự dịchchuyển của điện tích tạo ra dòng xoay chiều và được cảmbiến phát hiện (hình 2).Hình 1. Điện trường Hình 2. Điện áp xoayđược tạo ra khi ta áp thế chiều làm dịch chuyểnvào hai phía của vật dẫn 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 cáchgiữa hai phân cựcDòng điện tích được xác đinh bởi giá trị điện dung, và tỷ lệthuận với diện tích bề mặt và tỷ lệ nghịch với khoảng cáchgiữa hai vật thể. Điện dung dĩ nhiên cũng phụ thuộc vào đặctrưng điện môi của vật liệu giữa hai bản cực, phương trình 1.Trong các ứng dụng cảm biến kiểu tụ tiêu biểu, đầu dò hoặccảm biến là một vật thể còn vật thể còn lại là vật cần đượcphát hiện (cách sử dụng cảm biến kiểu tụ để xác định vật liệunhựa 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 cáchgiữa đầu dò và vật thể đó. Phần điện tử được hiệu chỉnh đểtạo ra các thay đổi đặc biệt về điện thế sao cho nó phù hợpvới sự thay đổi về điện dung, nghĩa là sự thay đổi về khoảngcách. Độ nhạy của cảm biến chính là lượng điện thế thay đổiso với sự thay đổi một lượng điện dung tương ứng. Độ nhạythông thường vào khoảng 1.0 V/100 µm. Với cách hiệuchuẩn này, nếu đo được thế lối ra là 2 V thì đầu dò và khoảngcách 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) phầnnhạy điện trường trong cảm biến kiểu tụ và c) Hình dạng củavùng gác trong vùng nhạy điện trường.Hội tụ phần điện trườngKhi đặt một chênh thế trên một điện trở nào đó, điện trườngsẽ lan tỏa trên bề mặt. Trong một cảm biến điện dung, điệnthế 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 từdiện tích cảm nhận cần tập trung trong khoảng không giangiữa đầu dò và vật cần phát hiện. Nếu điện trường thay đổigiữa hai vật thể (đầu dò và vật cần phát hiện) ta có thể xácđịnh được sự thay đổi về vị trí của vật đích (cần phát hiện).Một kỹ thuật gọi là “gác” (guarding) được áp dụng để ngănchặn sự lan tỏa của điện trường. Để tạo ra vòng gác, mặt sauvà mặt cảm nhận được phủ một lớp dẫn điện có vai trò giữcho điện thế giống như trong vùng cảm nhận (hình 3a, 3c).Khi đặt điện thế vào vùng cảm nhận, mạch phân tách sẽ đặtvào một điện thế bằng với giá trị trên “gác”. Do không có sựkhác nhau về thế giữa khu vực nhạy cảm và khu vực gác, nênkhông có điện trường ở đây. Bất kỳ vật dẫn nào ở cạnh hoặcở sau đầu dò cũng sẽ tạo ra một điện trường với vùng gác chứkhông phải vùng nhạy cảm. Chỉ có vùng nhạy cảm là đượcphép 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 dụngĐộ nhạy: biểu thị độ lớn của sự thay đổi điện thế lối ra khithay đổi khoảng cách giữa đầu dò và đích. Độ nhạy thôngthường là 1 V/0.1 mm. Khi vẽ đường phụ thuộc giữa thế vàkhoảng cách, ta có thể tính được giá trị này (hình 4A). Độnhạy hệ thống được thiết lập trong quá trình chuẩn máy. Khiđộ nhạy lệch khỏi giá trị mong muốn người ta gọi đó là sai sốnhạy, sai số khuếch đại hoặc sai số thang. Vì độ nhạy chínhlà độ dốc của đường đặc tuyến nên sai số độ nhạy thườngđược biểu thị theo % của độ dốc, tức là so sánh với độ dốc lýtưởng với độ dốc thực, hình 4B.Sai số bù (hình 4C) xảy ra khi thêm một giá trị không đổi vàothế lối ra của hệ thống. Hệ thống đo điện dung thường lấy giátrị “0” lúc thiết lập, loại bỏ mọi sai số bù khác trong quá trìnhchuẩn máy. Tuy nhiên, sai số bù thật sẽ khác giá trị đó vàđược gán vào mỗi phép đo cụ thể. Sự thay đổi nhiệt độ lànhân tố chính trong sai số bù.Độ nhạy có thể thay đổi một chút giữa hai điểm bất kỳ của dữliệu. Sự tác động của sự thay đổi này được gọi là sai số tuyếntính (hình 4D). Các đặc tính tuyến tính là phép đo độ lệc ...