Nguyên lý của cảm biến điện dung (P2): Tối ưu hóa hệ thống

Ở phần trước, chúng ta đã xét tới một số vấn đề cơ bản của cảm biến điện dung như cơ chế hoạt động và khả năng ứng dụng trong thực tế. Trong phần này chúng ta sẽ bàn luận thêm cách thức tối ưu hóa hiệu suất của cảm biến điện dung và làm rõ sự ảnh hưởng của vật liệu, hình dạng và kích thước tới độ đáp ứng của cảm biến.

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.

Vinamain.com

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, một đối 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.

Vinamain.com

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.

Vinamain.comLớp 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.

Vinamain.com

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.

Theo automation

One response to “Nguyên lý của cảm biến điện dung (P2): Tối ưu hóa hệ thống

  1. Pingback: vinamain

Gửi phản hồi

Mời bạn điền thông tin vào ô dưới đây hoặc kích vào một biểu tượng để đăng nhập:

WordPress.com Logo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản WordPress.com Log Out / Thay đổi )

Twitter picture

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Twitter Log Out / Thay đổi )

Facebook photo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Facebook Log Out / Thay đổi )

Google+ photo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Google+ Log Out / Thay đổi )

Connecting to %s