Nguyên lý chế tạo cảm biến

Các đại lượng cần đo

Chế tạo cảm biến – Nguyên lý 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.

1.Nguyên lý chế tạo 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.

a. 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
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 = 0°C.

b.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 tính thể hỏa điện.

Ứng dụng hiệu ứng hỏa điện
Ứng dụng hiệu ứng hỏa điện

Hiệu 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.

c.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
Ứng dụng hiệu ứng áp điện

d. 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 vây, 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 từ
Ứng dụng hiệu ứng cảm ứng điện từ

e. 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 thoái khỏi bề mặt vật liệu tạo thành dòng có thể thu lại nhờ tác dụng của điện trường.

g.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.

Ưng dụng hiệu ứng quang - điện - từ
Ưng dụng hiệu ứng quang – điện – từ

h.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 V(H) theo hướng vuông góc với B và I. Biểu thức hiệu điện thế có dạng:

V(H) = K(H).I.B.sinθ

Trong đó K(H) là hệ số phụ thuộc vào vật liệu và kích thước hình học của tấm vật liệu.

Ứng dụng hiệu ứng Hall
Ứng dụng hiệu ứng Hall

Hiệu 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 cần 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 V(H) đo được giữa hai cạnh tấm bán dẫn là hàm phụ thuộc vào vị trí của vật trong không gian.

2.Nguyên lý 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 phẩn tử biến dạng, sự biến dạng của phần tử biến dạng dưới tác động của đại lượng đo ( lực hoặc các đại lương gây ra lực) gây ra sự thay đổi của trở kháng của cảm biến. Sự thay đổi trở kháng do biến dạng liên quang 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.

Trên 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.

Các đại lượng cần đo
Các đại lượng cần đo

Bài viết mang tính chất chia sẽ, hi vọng có thể giúp được các bạn trong quá trinh học tập và nghiên cứu.

Xem thêm: Cảm biến công nghiệp 

Xem thêm: Đặc trưng cảm biến

Xem thêm: Cảm biến nhiệt độ 

Trả lời

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *

ZALO Chat