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.

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).

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.

(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.

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.

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.