Successfully reported this slideshow.
We use your LinkedIn profile and activity data to personalize ads and to show you more relevant ads. You can change your ad preferences anytime.

[BTL] Cảm biến đo độ ẩm

Bài tập lớn: Cảm biến đo độ ẩm
Môn học: Kỹ thuật đo lường & Cảm biến

  • Be the first to comment

[BTL] Cảm biến đo độ ẩm

  1. 1. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ BÀI TẬP LỚN Hà Nội, ngày 19/05/2015 GVHD: TS. Nguyễn Ngọc Linh Nhóm sinh viên: Nhóm 3 Khoa: Cơ học kỹ thuật & Tự động hóa Lớp: K57M Đề tài Tìm hiểu về cảm biến đo độ ẩm và ứng dụng
  2. 2. Kỹ thuật đo lường & cảm biến Cảm biến đo độ ẩm Trang 1 Lời mở đầu Trong thời buổi công nghệ phát triển mạnh mẽ, ngày càng có nhiều sản phẩn ra đời với những tính năng vượt bậc và vô cùng đa dạng, phong phú và đặc biệt hơn đó là sự thông mình chứa đựng trong mỗi sản phẩm. Khoa học phát triển làm cho những ngành khác cũng phát triển theo, có thể kể đến như là điện tử, công nghệ thông tin, viễn thông, cơ khí, chế tạo máy, … Các ngành khoa học luôn có sự kết hợp chặt chẽ với nhau từ cơ khí, điện tử đến lập trình. Ngành cơ điện tử ra đời mà đỉnh cao đó là các loại rô bốt thông minh, các máy móc thông minh, … Một hệ thống máy móc thông minh được cấu thành từ rất nhiều bộ phận, các bộ vi xử lý được lập trình phức tạp, các cơ cấu chấp hành, xử lý cũng phức tạp nhưng hoạt động thì ngày càng mềm mại. Có một bộ phận vô cùng quan trọng để tạo lên sự thông minh đó không kể đến đó là các loại cảm biến. Nhờ có các cảm biến, các robot ngày nay được phát triển để nhận biết được các hành động phức tạp ví dụ như tay máy nắm lấy cái cốc thủy tinh sao cho không vỡ, hay là hệ thống tự động đóng mở cửa khi có người ra vào ở các siêu thị, … Có rất nhiều loại cảm biến đã được chế tạo và sử dụng theo các mục đích khác nhau trong đời sống như cảm biến cảm nhận về nhiệt độ, ánh sáng, âm thanh, lực, dòng chảy, … Tùy theo mỗi loại công việc mà mỗi loại cảm biến có cách chế tạo khác nhau. Có rất nhiều loại cảm biến trên thị trường hiện nay, một loại cảm biến cũng rất thông dụng đó là cảm biến đo độ ẩm. Độ ẩm là một trong những đặc trưng quan trọng nhất của khí hậu và có ý nghĩa quan trọng đối với một số quá trình công nghệ. Trong khí quyển, độ ẩm tồn tại trong phạm vi rất rộng (từ vài phần triệu ppm đến hơi nước bão hòa ở 1000 C), trong khoảng nhiệt độ lớn (từ -600 C đến 10000 C), có thể lẫn tạp chất và hóa chất khác nhau. Độ ẩm chất lỏng là hàm lượng nước trong các chất lỏng khi nước không phải là thành phần cấu tạo cơ bản, như hàm lượng nước trong dầu mỏ, trong rượu,… Ứng dụng của cảm biến độ ẩm vô cùng đa dạng, có thể dùng trong xác định độ ẩm của đất, trong các nhà máy, phòng thí nghiệm hay là đơn thuần để xác định độ ẩm của không khí. Vì những lý do vậy, nhóm em quyết định thực hiện đề tài về tìm hiểu cảm biến đo độ ẩm và ứng dụng của nó. Bài của chúng em gồm có các phần như sau:  Giới thiệu chung  Nguyên lý đo của cảm biến  Các loại cảm biến thông dụng  Cảm biến đo độ ẩm  Giới thiệu cảm biến HS1101 và ứng dụng trong đo độ ẩm của đất Các thành viên nhóm STT Họ và tên Mã sinh viên Ghi chú 1 Phạm Trần Hoàng 12020162 2 Đỗ Văn Lực 12020244 3 Lê Tuấn Anh 12020004 4 Nguyễn Viết Bình 12020525
  3. 3. Kỹ thuật đo lường & cảm biến Cảm biến đo độ ẩm Trang 2 Mục lục Lời mở đầu .................................................................................................................................. 1 I. Giới thiệu chung................................................................................................................. 4 1. Khái niệm ............................................................................................................................ 4 2. Phân loại cảm biến. ............................................................................................................ 4 3. Đường cong chuẩn của cảm biến ...................................................................................... 5 4. Một số đặc trưng cơ bản..................................................................................................... 6 a. Độ nhạy của cảm biến..................................................................................................... 6 b. Độ tuyến tính ................................................................................................................... 8 c. Sai số và độ chính xác..................................................................................................... 8 d. Độ nhanh và thời gian hồi đáp....................................................................................... 9 e. Giới hạn sử dụng của cảm biến.................................................................................... 10 II. Nguyên lý đo của cảm biến............................................................................................ 11 1. Với các cảm biến tích cực................................................................................................. 11 a. Hiệu ứng nhiệt điện...................................................................................................... 11 b. Hiệu ứng hỏa điện ........................................................................................................ 11 c. Hiệu ứng áp điện .......................................................................................................... 11 d. Hiệu ứng cảm ứng điện từ ........................................................................................... 12 e. Hiệu ứng quang điện.................................................................................................... 12 f. Hiệu ứng quang – điện – từ ......................................................................................... 12 g. Hiệu ứng Hall................................................................................................................ 13 2. Với các cảm biến thụ động ............................................................................................... 13 III. Các loại cảm biến thông dụng.................................................................................... 14 1. Cảm biến quang ................................................................................................................ 14 2. Cảm biến đo nhiệt độ ........................................................................................................ 14 3. Cảm biến đo độ ẩm............................................................................................................ 14 4. Cảm biến đo vị trí và dịch chuyển.................................................................................... 14 5. Cảm biến đo biến dạng ..................................................................................................... 15 6. Cảm biến đo lực ................................................................................................................ 15 7. Cảm biến đo vận tốc, gia tốc và rung............................................................................... 16 8. Cảm biến đo áp suất chất lưu........................................................................................... 17
  4. 4. Kỹ thuật đo lường & cảm biến Cảm biến đo độ ẩm Trang 3 9. Cảm biến đo lưu lượng và mức chất lưu......................................................................... 17 10. Cảm biến thông minh.................................................................................................... 18 IV. Giới thiệu về cảm biến đo độ ẩm.............................................................................. 19 1. Các khái niệm chung........................................................................................................ 19 a. Độ ẩm............................................................................................................................. 19 b. Một số định nghĩa cơ bản ............................................................................................ 19 2. Phân loại cảm biến độ ẩm ................................................................................................ 20 3. Ẩm kế biến thiên trở kháng .............................................................................................. 20 a. Ẩm kế điện trở.............................................................................................................. 20 b. Ẩm kế tụ điện................................................................................................................ 21 4. Ẩm kế hấp thụ ................................................................................................................... 22 5. Ẩm kế quang...................................................................................................................... 25 6. Cảm biến độ ẩm kiểu nhiệt dẫn........................................................................................ 26 7. Lựa chọn và đặc tính kỹ thuật của các cảm biến độ ẩm................................................. 27 a. Các tiêu chí trong lựa chọn cảm biến độ ẩm.............................................................. 27 b. Lựa chọn cảm biến RH kiểu điện dung...................................................................... 27 c. Lựa chọn cảm biến độ ẩm kiểu điện trở..................................................................... 28 d. Lựa chọn cảm biến kiểu nhiệt dẫn.............................................................................. 29 V. Giới thiệu cảm biến đo độ ẩm HS1101 và ứng dụng trong đo độ ẩm của đất.... 30 1. Giới thiệu cảm biến HS1101 ............................................................................................ 30 2. Ứng dụng của cảm biến HS1101 trong đo độ ẩm của đất .............................................. 32 Tài liệu tham khảo................................................................................................................... 34
  5. 5. Kỹ thuật đo lường & cảm biến Cảm biến đo độ ẩm Trang 4 I. Giới thiệu chung 1. Khái niệm Cảm biến là thiết bị dùng để cảm nhận, biến đổi các đại lượng vật lý và các đại lượng không có tính chất điện cần đo thành các đại lượng điện có thể đo và xử lý được Các đại lượng cần đo (m) thường không có tính chất điện (nhiệt độ, áp suất, khoảng cách, ánh sáng, độ ẩm, …) tác động lên cảm biến sẽ xác định một đặc trưng (s) mang tính chất điện (điện tích, điện áp, dòng điện, trở kháng) chứa đựng thông tin cho phép xác định giá trị của đại lượng đo. Đặc trưng (s) là hàm của đại lượng cần đo (m): s = f(m) Trong công thức, s là đại lượng đầu ra hoặc là phản ứng của cảm biến, m là đại lượng đầu vào hay kích thích (có nguồn gốc là đại lượng cần đo), thông qua đo đạc (s) cho phép nhận biết giá trị của kích thích (m). 2. Phân loại cảm biến.  Theo nguyên lý chuyển đối giữa đáp ứng và kích thích + Hiện tượng vật lý oNhiệt điện oQuang điện oQuang từ oĐiện từ oQuang đàn hồi oTừ điện oNhiệt từ + Hiện tượng hóa học oBiến đổi hóa học oBiến đổi điện hóa oPhân tích phổ + Hiện tượng sinh học oBiến đổi sinh hóa oBiển đổi vật lý oHiệu ứng trên cơ thể sống  Theo dạng kích thích + Âm thanh oBiên pha, phân cực oPhổ oTốc độ truyền ánh sáng + Điện oĐiện tích, dòng điện oĐiện thế, điện áp oĐiện trường (biên, pha, phân cực, phổ) oĐiện dẫn, hằng số điện môi + Từ oTừ trường (biên, pha, phân cực, phổ) oTừ thông, cường độ từ trường oĐộ từ thẩm + Quang oBiên, pha, phân cực, phổ oTốc độ truyền oHệ số phát xạ, khúc xạ oHệ số hấp thụ, hệ số bức xạ + Cơ oVị trí oLực, áp suất oỨng suất, độ cứng oMoment oKhối lượng, tỷ trọng oVận tốc chất lưu, độ nhớt + Nhiệt oNhiệt độ oThông lượng oNhiệt dung, tỷ nhiệt + Bức xạ oKiểu oNăng lượng oCường độ  Theo tính năng của bộ cảm biến + Độ nhạy + Độ chính xác
  6. 6. Kỹ thuật đo lường & cảm biến Cảm biến đo độ ẩm Trang 5 + Độ phân giải + Độ chọn lọc + Độ tuyến tính + Công suất tiêu thụ + Dải tần + Độ trễ + Khả năng quá tải + Tốc độ đáp ứng + Độ ổn định + Tuổi thọ + Điều kiện môi trường + Kích thước, trọng lượng  Theo phạm vi sử dụng + Công nghiệp + Nông nghiệp + Môi trường, khí tượng + Thông tin, viễn thông + Dân dụng + Giao thông + Nghiên cứu khoa học + Vũ trụ + Quân sự  Theo thông số của mô hình mạch thay thế + Cảm biến tích cực có đầu ra là nguồn áp hoặc nguồn dòng + Cảm biến thụ động được đặc trưng bằng các thông số R, L, C, … tuyến tính hoặc phi tuyến. 3. Đường cong chuẩn của cảm biến Đường cong chuẩn của cảm biến là đường cong biểu diễn sự phụ thuộc của đại lượng điện (s) ở đầu ra của cảm biến vào giá trị của đại lượng đo (m) ở đầu vào. Đường cong chuẩn có thể biểu diễn bằng biểu thức đại số dưới dạng s = f(m). Dựa vào đường cong chuẩn của cảm biến, ta có thể xác định giá trị mi chưa biết của m thông qua giá trị đo được si của s. Để dễ sử dụng người ta thường chế tạo cảm biến có sự phụ thuộc tuyến tính giữa đại lượng đầu ra và đại lượng đầu vào, khi đó phương trình s = f(m) có dạng s = am+b, trong đó a, b là các hệ số, khi đó đường cong chuẩn là đường thẳng. Hình 1. Đường cong chuẩn của cảm biến  Các phương pháp chuẩn cảm biến Chuẩn cảm biến là phép đo nhằm mục đích xác lập mối quan hệ giữa giá trị s đo được của đại lượng điện ở đầu ra và giá trị m của đại lượng đo có tính đến các yếu tố ảnh hưởng, trên cơ sở đó xây dựng đường cong chuẩn dưới dạng tường mình (đồ thị hoặc biểu thức đại số). Khi chuẩn cảm biến, với một loạt giá trị đã biết chính xác mi của m, đo giá trị tương ứng si của s và dựng đường cong chuẩn.
  7. 7. Kỹ thuật đo lường & cảm biến Cảm biến đo độ ẩm Trang 6 Hình 2. Phương pháp chuẩn cảm biến - Chuẩn đơn giản: Trong trường hợp đại lượng đo chỉ có một đại lượng vật lý duy nhất tác động lên một đại lượng đo xác định và cảm biến sử dụng không nhạy với tác động của các đại lượng ảnh hưởng thì dùng phương pháp chuẩn đơn giản. Thực chất của chuẩn đơn giản là đo các giá trị của đại lượng đầu ra ứng với các giá trị xác định không đổi của đại lượng đo ở đầu vào. Việc chuẩn được tiến hành theo hai cách: + Chuẩn trực tiếp: các giá trị khác nhau của đại lượng đo lấy từ các mẫu chuẩn hoặc các phần tử so sánh có giá trị biết trước với độ chính xác cao. + Chuẩn gián tiếp: kết hợp cảm biến cần chuẩn với một cảm biến so sánh đã có sẵn đường cong chuẩn, cả hai được đặt trong cùng điều kiện làm việc. Khi tác động lên hai cảm biến với cùng một giá trị của đại lượng đo ta nhận được giá trị tương ứng của cảm biến so sánh và cảm biến cần chuẩn. Lặp lại tương tự với các giá trị khác của đại lượng đo cho phép ta xây dựng được đường cong chuẩn của cảm biến cần chuẩn. - Chuẩn nhiều lần Khi cảm biến có phần tử bị trễ (trễ cơ hoặc trễ từ), giá trị đo được ở đầu ra phụ thuộc không những vào giá trị tức thời của đại lượng cần đo ở đầu vào mà còn phụ thuộc vào giá trị trước đó của đại lượng này. Trong trường hợp như vậy, áp dụng phương pháp chuẩn nhiều lần và tiến hành như sau: + Đặt lại điểm 0 của cảm biến: đại lượng cần đo và đại lượng đầu ra có giá trị tương uwgns với điểm gốc m = 0 và s = 0. + Đo giá trị đầu ra theo một loạt giá tị tăng dần đến giá trị cực đại của đại lượng đo ở đầu vào. + Lặp lại quá trình đo với các giá trị giảm dần từ giá tri cực đại. Khi chuẩn nhiều lần cho phép xác định đường cong chuẩn theo cả hai hướng đo tăng dần và đo giảm dần. 4. Một số đặc trưng cơ bản. a. Độ nhạy của cảm biến Đối với cảm biến tuyến tính, giữa biến thiên đầu ra Δs và biến thiên đầu vào Δm có sự liên hệ tuyến tính với nhau: Δs = S.Δm. Đại lượng S xác định bởi biểu thức s S m    được gọi là độ nhạy của cảm biến.
  8. 8. Kỹ thuật đo lường & cảm biến Cảm biến đo độ ẩm Trang 7 Trường hợp tổng quát, biểu thức xác định độ nhạy S của cảm biến xung quanh giá trị mi của đại lượng đo xác định bởi tỷ số giữa biến thiên Δs của đại lượng đầu ra và biến thiên Δm tương ứng của đại lượng đo ở đầu vào quanh giá trị đó: im m s S m         Để phép đo đạt độ chính xác cao, khi thiết kế và sử dụng cảm biến cần làm sao cho độ nhạy S của nó không đổi, nghĩa là ít phụ thuộc nhất vào các yếu tố sau: - Giá trị của đại lượng cần đo m và tần số thay đổi của nó - Thời gian sử dụng - Ảnh hưởng của các đại lượng vật lý khác (không phải là đại lượng đo) của môi trường xung quanh. Giá trị S thường được cung cấp bởi nhà sản xuất tương ứng với điều kiện làm việc nhất định của cảm biến.  Độ nhạy trong chế độ tĩnh và tỷ số chuyển đổi tĩnh Đường chuẩn cảm biến xây dựng trên cơ sở đo các giá trị si ở đầu ra tương ứng với các giá trị không đổi mi của đại lượng đo khi đại lượng này đạt đến chế độ làm việc danh định được gọi là đặc trưng tĩnh của cảm biến. Một điểm Qi(mi, si) trên đặc trưng tĩnh xác định một điểm làm việc của cảm biến ở chế độ tĩnh. Trong chế độ tĩnh, độ nhạy S chính là độ dốc của đặc trưng tĩnh ở điểm làm việc đang xét. Như vậy, nếu đặc trưng tĩnh không phải là tuyến tính thì độ nhạy trong chế độ tĩnh phụ thuộc vào điểm làm việc. Đại lương ri xác định bởi tỷ số giữa giá trị si ở đầu ra và giá trị mi ở đầu vào được gọi là tỷ số chuyển đổi tĩnh. i i Q s r m        Từ phương trình trên: tỷ số chuyển đổi tĩnh ri không phụ thuộc vào điểm làm việc Qi và chỉ bằng S khi đặc trưng tĩnh là đường thẳng đi qua gốc tọa độ.  Độ nhạy trong chế độ động Độ nhạy trong chế độ động được xác định khi đại lượng đo biến thiên tuần hoàn theo thời gian. Giả sử biến thiên của đại lượng đo m theo thời gian có dạng: 0 1( ) cosm t m m t  Trong đó m0 là giá trị không đổi, m1 là biên độ, ω là tần số góc của biến thiên đại lượng đo. Ở đầu ra của cảm biến, hồi đáp s có dạng: 0 1( ) cos( )s t s s t    + s0 là giá trị không đổi tương ứng với m0 xác định điểm làm việc Q0 trên đường cong chuẩn ở chế độ tĩnh. + s1 là biên độ biến thiên ở đầu ra do thành phần biến thiên của đại lượng đo gây nên. + φ là độ lệch pha giữa đại lượng đầu vào và đại lượng đầu ra. Trong chế độ động, độ nhạy S của cảm biến được xác định bởi tỷ số giữa biên độ của biến thiên đầu ra s1 và biên độ của biến thiên đầu vào m1 ứng với điểm làm việc được xét Q0, theo phương trình:
  9. 9. Kỹ thuật đo lường & cảm biến Cảm biến đo độ ẩm Trang 8 0 1 1 Q s S m        Độ nhạy trong chế độ động phụ thuộc vào tần số đại lượng đo, S = S(f). Sự biến thiên của độ nhạy theo tần số có nguồn gốc là do quán tính cơ, nhiệt hoặc điện của đầu đo, tức là của cảm biến và các thiết bị phụ trợ, chúng không thể cung cấp tức thời tín hiệu điện theo kịp biến thiên của đại lượng đo. Bởi vậy khi xét sự hồi đáp có phụ thuộc vào tần số cần phải xem xét sơ đồ mạch đo của cảm biến một cách tổng thể. b. Độ tuyến tính Một cảm biến được gọi là tuyến tính trong một dải đo xác định nếu trong dải chế độ đó, độ nhạy không phụ thuộc vào đại lượng đo. Trong chế độ tĩnh, độ tuyến tính chính là sự không phụ thuộc của độ nhạy của cảm biến vào giá trị của đại lượng đo, thể hiện bởi các đoạn thẳng trên các đặc trưng tĩnh của cảm biến và hoạt động của cảm biến là tuyến tính chừng nào đại lượng đo còn nằm trong vùng này. Trong chế độ động, độ tuyến tính bao gồm sự không phụ thuộc của độ nhạy ở chế độ tĩnh S(0) vào đại lượng đo, đồng thời các thông số quyết định sự hồi đáp (tần số riêng f0 của dao động không tắt, hệ số tắt dần ξ cũng không phụ thuộc vào đại lượng đo. Nếu cảm biến không tuyến tính, dựa vào mạch đo các thiết bị hiệu chỉnh sao cho tín hiệu điện nhận được ở đầu ra tỷ lệ với sự thay đổi của đại lượng đo ở đầu vào. Sự hiệu chỉnh đó được gọi là sự tuyến tính hóa.  Đường thẳng tốt nhất Khi chuẩn cảm biến, từ kết quả thực nghiệm ta nhận được một loại điểm tương ứng (si, mi) của đại lượng đầu ra và đại lượng đầu vào. Về mặt lý thuyết, đối với các cảm biến tuyến tính, đường cong chuẩn là một đường thẳng, tuy nhiên do sai số khi đo, các điểm chuẩn (mi, si) nhận được bằng thực nghiệm thường không nằm trên cùng một đường thẳng. Đường thẳng được xây dựng trên cơ sở các số liệu thực nghiệm sao cho sai số là bé nhất, biểu diễn sự tuyến tính của cảm biến được gọi là đường thẳng tốt nhất. Phương trình biểu diễn đường thẳng tốt nhất được lập bằng phương pháp bình phương bé nhất trong đa thức nội suy. Giả sử tiến hành chuẩn cảm biến với N điểm đo, phương trình có dạng: s am b  Trong đó, các hệ số a, b được xác định bằng các biểu thức sau:     2 2 22 2 ;i i i i i i i i i i i i i N s m s m s m m s m a b N m m N m m                   Độ lệch tuyến tính Đối với các cảm biến không hoàn toàn tuyến tính, khái niệm độ lệch tuyến tính được đưa ra và được xác định bởi độ lệch cực đại giữa đường cong chuẩn và đường thẳng tốt nhất, tính bằng % trong dải đo. c. Sai số và độ chính xác Ngoài đại lượng cần đo, các bộ phận trong cảm biến còn chịu tác động của nhiều đại lượng vật lý khác gây nên sai số giữa giá trị đo được và giá trị thực của đại lượng cần đo. Gọi Δx
  10. 10. Kỹ thuật đo lường & cảm biến Cảm biến đo độ ẩm Trang 9 là độ lệch tuyệt đối giữa giá trị đo và giá trị thực x (sai số tuyệt đối), sai số tương đối của bộ cảm biến được tính như sau:  .100 % x x    Sai số của bộ cảm biến mang tính chất ước tính bởi vì không thể biết chính xác giá trị thực của đại lượng cần đo. Khi đánh giá sai số của cảm biến thì thường phân thành hai loại là sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên. - Sai số hệ thống: là sai số không phụ thuộc vào số lần đo, có giá trị không đổi hoặc thay đổi chậm theo thời gian đo và thêm vào một độ lệch không đổi giữa giá trị thực và giá trị đo được. Sai số hệ thống thường do điều kiện sử dụng không tốt hoặc do người đo không hiểu biết về hệ đo gây ra. Các nguyên nhân sai số có thể kể đến đó là: + Do nguyên lý của cảm biến + Do giá trị của đại lượng chuẩn không đúng + Do đặc tính của bộ cảm biến + Do điều kiện và chế độ sử dụng + Do xử lý kết quả đo. - Sai số ngẫu nhiên: là sai số xuất hiện có độ lớn và chiều không xác định. Nguyên nhân gây ra sai số hệ thống thì có thể dự đoán được, nhưng không thể dự đoán được độ lớn cũng như dấu của nó. Các nguyên nhân gây ra sai số ngẫu nhiên có thể là: + Do sự thay đổi đặc tính của thiết bị + Do tín hiệu nhiễu ngẫu nhiên + Do các đại lượng ảnh hưởng không được tính đến khi chuẩn cảm biến. Có thể giảm thiểu sai số ngẫu nhiên bằng một số biện pháp thực nghiệm thích hợp như bảo vệ các mạch đo tránh ảnh hưởng của nhiễu, tự động điều chỉnh điện áp nguồn nuôi, bù các ảnh hưởng nhiệt độ, tần số, vận hành đúng chế độ hoặc thực hiện phép đo lường thống kê. d. Độ nhanh và thời gian hồi đáp Độ nhanh là đặc trưng của cảm biến cho phép đánh giá khả năng theo kịp về thời gian của đại lượng đầu ra khi đại lượng đầu vào biến thiên. Thời gian hồi đáp là đại lượng được sử dụng để xác định giá trị số của độ nhanh. Độ nhanh tr là khoảng thời gian từ khi đại lượng đo thay đổi đột ngột đến khi biến thiên của đại lượng đầu ra chỉ còn khác giá trị cuối cùng một lượng giới hạn ε tính bằng %. Thời gian hồi đáp tương ứng với ε% xác định khoảng thời gian cần thiết phải chờ đợi sau khi có sự biến thiên của đại lượng đo để lấy giá trị của đầu ra với độ chính xác định trước. Thời gian hồi đáp đặc trưng cho chế độ quá độ của cảm biến và làm hàm của các thông số thời gian xác định chế độ này. Trong trường hợp sự thay đổi của đại lượng đo có dạng bậc thang, các thông số thời gian gồm thời gian trễ khi tăng tdm và thời gian tăng tm ứng với sự tăng đột ngột của đại lượng đo. Khoảng thời gian trễ khi tăng tdm là thời gian cần thiết để đại lượng đầu ra tăng từ giá trị ban đầu của nó lên 10% của biến thiên tổng cộng của đại lượng này và khoảng thời gian tăng tm là thời gian cần thiết để đại lượng đầu ra tăng từ 10% đến 90% biến thiên tổng cộng của nó.
  11. 11. Kỹ thuật đo lường & cảm biến Cảm biến đo độ ẩm Trang 10 Hình 3. Xác định các khoảng thời gian của cảm biến. Tương tự khi đại lượng đo giảm, thời gian trễ khi giảm tdc là thời gian cần thiết để đại lượng đầu ra giảm từ giá trị ban đầu của nó đến 10% biến thiên tổng cộng của đại lượng này và khoảng thời gian giảm tc là thời gian cần thiết để đại lượng đầu ra giảm từ 90% đến 10% biến thiên tổng cộng của nó. Các thông số về thời gian tr, tdm, tm, tdc, tc của cảm biến cho phép ta đánh giá về thời gian hồi đáp của nó. e. Giới hạn sử dụng của cảm biến Trong quá trình sử dụng, các cảm biến luôn chịu tác động của ứng lực cơ học, tác động nhiệt, … Khi các tác động này vượt quá ngưỡng cho phép, chúng sẽ làm thay đổi đặc trưng làm việc của cảm biến. Bởi vậy khi sử dụng cảm biến cần phải biết rõ các giới hạn này.  Vùng làm việc danh định Vùng làm việc danh định tương ứng với những điều kiện sử dụng bình thường của cảm biến. Giới hạn của vùng là các giá trị ngưỡng mà các đại lượng đo, các đại lượng vật lý có liên quan đến đại lượng đo hoặc các đại lượng ảnh hưởng có thể thường xuyên đạt tới mà không làm thay đổi các đặc trưng làm việc danh định của cảm biến.  Vùng không gây nên hư hỏng Vùng không gây nên hư hỏng là vùng mà khi các đại lượng đo hoặc các đại lượng vật lý có liên quan và các đại lượng ảnh hưởng vượt qua ngưỡng của vùng làm việc danh định những vẫn còn nằm trong phạm vi không gây nên hư hỏng, các đặc trưng của cảm biến có thể bị thay đổi nhưng những thay đổi này mang tính thuận nghịch, tức là khi trở về vùng làm việc danh định các đặc trưng của cảm biến lấy lại giá trị ban đầu của chúng.  Vùng không phá hủy Vùng không phá hủy là vùng mà khi các đại lượng đo hoặc các đại lượng vật lý có liên quan và các đại lượng ảnh hưởng vượt qua ngưỡng của vùng không gây nên hư hỏng nhưng vẫn còn nằm trong phạm vi không bị phá hủy, các đặc trưng của cảm biến bị thay đổi và những thay đổi này mang tính không thuận nghịch, tức là khi trở về vùng làm việc danh định các đặc trưng của cảm biến không thể lấy lại giá trị ban đầu của chúng. Trong trường hợp này, cảm biến vẫn còn sử dụng được, nhưng phải chuẩn lại.
  12. 12. Kỹ thuật đo lường & cảm biến Cảm biến đo độ ẩm Trang 11 II. Nguyên lý đo của cảm biến 1. Với các cảm biến tích cực Cảm biến tích cực là các cảm biến hoạt động như một máy phát, đáp ứng (s) là điện tích, điện áp hay dòng. 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, bức xạ, …) thành năng lượng điện. Khái quát lại, có thể kể đến các loại cảm biến với các hiệu ứng vật lý sau: a. Hiệu ứng nhiệt điện Hai dây dẫn M1, 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. Hiệu ứng nhiệt điện được ứng dụng để đo nhiệt độ T1 khi biết trước nhiệt độ T2, thường chọn T2 = 00 C. Hình 4. Sơ đồ hiệu ứng nhiệt điện 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 tinh thể 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. Hình 5. Ứng dụng hiệu ứng hỏa điện 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 dước 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.
  13. 13. Kỹ thuật đo lường & cảm biến Cảm biến đo độ ẩm Trang 12 Hình 6. 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 vậy, 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. Hiệu ứng cảm ứng điện từ được ứng dụng để xác định tốc độ dịch chuyển của vật thông qua việc đo suất điện động cảm ứng. Hình 7. 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 thoát khỏi bề mặt vật liệu tạo thành dòng có thể thu lại nhờ tác dụng của điện trường. f. 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. Hình 8. Ứng dụng hiệu ứng quang – điện – từ.
  14. 14. Kỹ thuật đo lường & cảm biến Cảm biến đo độ ẩm Trang 13 g. 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 VH theo hướng vuông góc với B và I. Biểu thức hiệu điện thế có dạng: sinH HV K IB  Trong đó KH là hệ số phụ thuộc vào vật liệu và kích thước hình học của tấm vật liệu. Hình 9. Ứng dụng hiệu ứng Hall Hiệu ứng Hall được dùng 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 nam châm 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 VH đo được giữa hai cạnh tấm bán dẫn là hàm phụ thuộc vào vị trí của vật trong không gian. 2. Với các cảm biến thụ động Cảm biến thụ động thường được chế tạo từ một trở kháng có các thông số chủ yếu nhạy với các đại lượng cần đo. Giá trị của trở kháng phụ thuộc vào kích thước hình học, tính chất điện của vật liệu chế tạo (điện trở suất, độ từ thẩm, hằng số điện môi, …). 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 phần tử biến dạng, sự biến dạng của phần tử biến dạng dưới tác động của đại lượng đo (lực hoặc các đại lượng gây ra lực) gây ra sự thay đổi của trở kháng của cảm biến. Sự thay đổi trở kháng do biến dạng liên quan 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, ánh 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 nhau 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.
  15. 15. Kỹ thuật đo lường & cảm biến Cảm biến đo độ ẩm Trang 14 III.Các loại cảm biến thông dụng 1. Cảm biến quang Trong cảm biến quang có cảm biến quang dẫn và cảm biến quang điện phát xạ. Với cảm biến quang dẫn thì có photodiot, phototransistor, phototransistor hiệu ứng trường các loại này có nguyên lý hoạt động chính đó là khi ánh sáng chiếu vào sẽ làm thay đổi điện trở của linh kiện. Với cảm biến quang điện phát xạ thì có tế bào quang điện chân không, tế bào quang điện dạng khí, chúng hoạt động dựa trên nguyên lý là khi có một bức xạ ánh sáng có bước sóng nhỏ hơn một ngưỡng nhất định chiếu vào bề mặt của tế bào thì sẽ giải phóng các điện tử tạo thành dòng điện. Hình 10. Phototransistor trong chế độ chuyển mạch (Role, Role sau khuếch đại, cổng logic, Thyristor) 2. Cảm biến đo nhiệt độ Nhiệt độ chỉ có thể đo được bằng cách đo gián tiếp dựa vào sự phụ thuộc của tính chất vật liệu vào nhiệt độ. Để đo nhiệt độ, người ta thường sử dụng các cảm biến nhiệt độ. Trong cảm biến nhiệt độ bao gồm nhiều loại cảm biến khác nhau như thermistor, cặp nhiệt điện, nhiệt điện trở, nhiệt kế bức xạ, … Mỗi loại có một nguyên lý làm việc khác nhau nhưng đều tuân theo một thang đo nhiệt độ nhất định (Kelvin, Celsius, Fahrenheit). Hình 11. Sơ đồ đơn giản về cặp nhiệt điện 3. Cảm biến đo độ ẩm Cảm biến đo độ ẩm hoạt động dựa trên nguyên lý là sự hấp thụ độ ẩm (hơi nước) làm biến đổi tính chất của thành phần cảm nhận trong cảm biến (chất hóa học cấu tạo như LiCl, P2O5) làm thay đổi điện trở của cảm biến qua đó xác định được độ ẩm. 4. Cảm biến đo vị trí và dịch chuyển Việc xác định vị trí và dịch chuyển đóng vai trò rất quan trọng trong kỹ thuật, hiện nay có hai phương pháp cơ bản để xác định vị trí và dịch chuyển sử dụng cảm biến: + Bộ cảm biến cung cấp tín hiệu là hàm phụ thuộc vào vị trí của một trong các phần tử của cảm biến, đồng thời phần tử này có liên quan đến vật cần xác định dịch chuyển.
  16. 16. Kỹ thuật đo lường & cảm biến Cảm biến đo độ ẩm Trang 15 + Ứng với một dịch chuyển cơ bản, cảm biến phát ra một xung, việc xác định vị trí và dịch chuyển được tiến hành bằng cách đếm số xung phát ra Một số cảm biến không đòi hỏi liên kết cơ học giữa cảm biến và vật cần đo vị trí hoặc dịch chuyển. Mối liên hệ giữa vật dịch chuyển và cảm biến được thực hiện thông qua vài trò trung gian của điện trường, từ trường hoặc điện từ trường, ánh sáng. Một số loại cảm biến thông dụng dùng để xác định vị trí và dịch chuyển của vật như điện thế kế điện trở, cảm biến điện cảm, cảm biến điện dung, cảm biến quang, cảm biến dùng sóng đàn hồi. Hình 12. Mạch đo thường dùng với cảm biến tụ điện 5. Cảm biến đo biến dạng Tác động của ứng lực gây ra sự biến dạng trong kết cấu chịu ứng lực. Giữa biến dạng và ứng lực có quan hệ chặt chẽ với nhau, bằng cách đo biến dạng ta có thể tính được ứng lực tác động lên kết cấu. Để đo biến dạng, người ta sử dụng cảm biến biến sạng hay còn gọi là đầu đo biến dạng. Hai loại cảm biến biến dạng đang sử dụng hiện nay đó là đầu đo điện trở và đầu đo dạng dây rung. Đầu đo điện trở được chế tạo từ vật liệu có điện trở biến thiên theo mức độ biến dạng, với kích thước nhỏ từ vài milimet đến vài centimet, khi đo chúng được dán trực tiếp lên cấu trúc biến dạng. Đầu đo dây rung được làm bằng một sợi dây kim loại căng giữa hai điểm của cấu trúc cần đo biến dạng. Tần số của dây rung là hàm của sức căng cơ học, tần số này thay đổi khi khoảng cách hai điểm nối thay đổi. Các loại cảm biến biến dạng phổ biến hiện nay như đầu đo điện trở kim loại dùng trong công nghiệp, đầu đo điện trở bán dẫn – đo áp điện trở, ứng suất kế dây rung và các đầu đo trong chế độ động. Hình 13. Sơ đồ cấu tạo của đầu đo kim loại a) Đầu đo dùng dây quấn; b) Đầu đo dùng lưới màng. 6. Cảm biến đo lực Cảm biến đo lực hoạt động trên nguyên tắc là làm cân bằng lực cần đo với một lực đối kháng sao cho lực tổng cộng và moment tổng cộng của chúng bằng 0. Trong các cảm biến đo lực thường có một vật trung gian chịu tác động của lực cần đo và biến dạng. Biến dạng của vật trung gian là nguyên nhân gây ra lực đối kháng và trong giới hạn đàn hồi biến dạng tỉ lệ với lực đối
  17. 17. Kỹ thuật đo lường & cảm biến Cảm biến đo độ ẩm Trang 16 kháng. Biến dạng và lực gây ra biến dạng có thể đo trực tiếp bằng cảm biến biến dạng, hoặc đo gián tiếp nếu một trong những tính chất điện của vật liệu chế tạo vật trung gian phụ thuộc vào biến dạng. Các cảm biến lực thông dụng hiện nay như cảm biến áp điện, cảm biến từ giảo, cảm biến dựa trên phép đo dịch chuyển, cảm biến xúc giác. Hình 14. Sơ đồ tương đương của cảm biến áp điện 7. Cảm biến đo vận tốc, gia tốc và rung Để đo vận tốc ta sử dụng tốc độ kế vòng kiểu điện từ hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ hoặc tốc độ kế vòng loại xung hoạt động theo nguyên tắc đo tần số chuyển động của phàn tử chuyển động tuần hoàn. Trong đo gia tốc, người ta phân biệt mức gia tốc và dải tần của hiện tượng khảo sát như sau: + Đo gia tốc chuyển động của một khối lượng nào đó, trong đó chuyển động của trọng tâm luôn giữ ở tần số tương đối thấp, giá trị của gia tốc nhỏ. Các cảm biến thường dùng là các cảm biến gia tốc đo dịch chuyển và cảm biến gia tốc đo biến dạng. + Đo gia tốc rung của các cấu trúc cứng hoặc cấu trúc có khối lượng lớn, tần số rung đạt hàng trăm Hz. Cảm biến gia tốc thường dùng là cảm biến từ trở biến thiên, đầu đo biến dạng kim loại hoặc áp điện trở. + Đo gia tốc rung mức trung bình và dải tần tương đối cao (~10kHz) thuowgnf gặp khi vật có khối lượng nhỏ, cảm biến gia tốc sử dụng là loại áp trở hoặc áp điện. + Đo gia tốc khi va đập, thay đổi gia tốc có dạng xung, cảm biến gia tốc sử dụng là các loại có dải thông rộng về cả hai phía tần số thấp và tần số cao. Độ rung được đặc trưng bởi độ dịch chuyển, tốc độ hoặc gia tốc ở các điểm trên vật rung. Cảm biến rung có thể là cảm biến dịch chuyển, cảm biến tốc độ hoặc gia tốc nhưng có thể mô tả nguyên lý hoạt động của chúng bằng mô hình hệ cơ học một bậc tự do như hình dưới. Cảm biến đo rung gồm một phần tử nhạy cảm (lò xo, tỉnh thể áp điện, …) nối với một khối lượng rung và được đặt chung trong một vỏ hộp. Chuyển động rung của khối lượng M tác động lên phần tử nhạy cảm của cảm biến và được chuyển thành tín hiệu điện ở đầu ra. Hình 15. Sơ đồ nguyên lý cảm biến đo gia tốc và rung 1. Khối rung 2. Vỏ hộp 3. Phần tử nhạy cảm 4. Giảm chấn
  18. 18. Kỹ thuật đo lường & cảm biến Cảm biến đo độ ẩm Trang 17 8. Cảm biến đo áp suất chất lưu Đo áp suất chất lưu thực chất là xác định lực tác dụng lên một diện tích thành bình. Để đo áp suất tĩnh có thể tiến hành như sau: đo áp suất chất lưu lấy qua một lỗ được khoan trên thành bình nhờ cảm biến thích hợp hoặc đo trực tiếp biến dạng của thành bình do áp suất gây nên. Có thể đo áp suất động bằng cách đặt áp suất tổng lên mặt trước và áp suất tĩnh lên mặc sau của một màng đo, tín hiệu do cảm biến cung cấp chính là chênh lệch giữa áp suất tổng và áp suất tĩnh. Hình 16. Sơ đồ cấu tạo nguyên lý của bộ biến đổi kiểu biến áp vi sai. 1, Lò xo vòng; 2, Phần tử biến đổi; 3&4, Cuộn thứ cấp; 5, Lõi thép; 6, Cuộn sơ cấp. 9. Cảm biến đo lưu lượng và mức chất lưu Đo lưu lượng sử dụng lưu lượng kế, tùy thuộc vào tính chất như chất lưu, yêu cầu công nghệ, mà sử dụng các lưu lượng kế khác nhau. Nguyên lý hoạt động của lưu lượng kế dựa trên cơ sở là quá trình đếm trực tiếp thể tích chất lưu chảy qua công tơ trong một khoảng thời gian xác định Δt, sau đó đo vận tốc chất lưu chảy qua công tơ khi lưu lượng là hàm của vận tốc và cuối cùng là đo độ giảm áp qua tiết diện thu hẹp trên dòng chảy, lưu lượng là hàm phụ thuộc độ giảm áp. Tín hiệu đo biến đổi trực tiếp thành tín hiệu điện hoặc nhờ bộ chuyển đổi điện thích hợp. Hình 17. Cảm biến đo mức bằng tia bức xạ a. Cảm biến phát hiện ngưỡng, b. Cảm biến đo mức liên tục. 1. Nguồn phát tia bức xạ, 2. Bộ thu, 3. Chất lưu
  19. 19. Kỹ thuật đo lường & cảm biến Cảm biến đo độ ẩm Trang 18 10. Cảm biến thông minh Hình 18. Sơ đồ cấu trúc một cảm biến thông minh. Từ đối tượng đo, qua các cảm biến sơ cấp Si, các đại lượng đo và các đại lượng của yếu tố ảnh hưởng chuyển thành tín hiệu điện và được đưa vào các bộ chuyển đối chuẩn hóa CĐCH. Các bộ chuyển đổi chuẩn hóa làm nhiệm vụ tạo ra tín hiệu chuẩn, thường là điện áp từ 0 – 5V hoặc 0 – 10V để đưa vào bộ dồn kênh MUX. Bộ dồn kênh MUX làm nhiệm vụ đưa các tín hiệu vào bộ chuyển đổi tượng tự - số A/D trước khi vào bộ vi xử lý μP. + Nếu bộ cảm biến ở đầu vào là cảm biến thông thường thì đầu ra của chúng được đưa vào một vi mạch công nghệ lai bao gồm các bộ chuyển đổi chuẩn hóa, bộ dồn kênh MUX, bộ chuyển đổi tương tự - số A/D và vi xử lý μP trong một khối có đầu ra qua bộ ghép nối để truyền thông tin đi xa hay vào máy tính cấp trên hay bộ ghi chương trình cho EPROM. + Nếu cảm biến là vi mạch thì cả cảm biến lẫn những thiết bị sau đều được để trong một khối công nghệ lai. Hoạt động của cảm biến là do vi xử lý đảm nhận, nó tổ chức sự tác động lẫn nhau giữa các khâu theo một thuật toán chọn tần suất xuất hiện của tín hiệu, xác định giới hạn đo của từng kênh, tính toán sai số của phép đo. Trong quá trình hoạt động xảy ra sự trao đổi lệnh giữa các khâu thông qua một ngôn ngữ chung (thường là hợp ngữ). Các chương trình phần mềm đảm bảo mọi hoạt động của cảm biến bao gồm: + Chương trình thu thập dữ liệu: Khởi động các thiết bị như ngăn xếp, cổng thông tin nối tiếp, đọc số liệu từ cổng vào bộ ADC, điều khiển hoạt động của bộ dồn kênh MUX. + Chương trình biến đổi và xử lý thông tin đo: Biến đổi các giá trị đo được thành mã BCD, mã ASCII, các chương trình xử lý số liệu đo. + Chương trình giao diện: Đưa hiển thị ra LED hay màn hình, máy in, đọc bàn phím và xử lý chương trình bàn phím, đưa kết quả ra cổng thông tin hay truyền vào mạng hay gửi cho máy tính cấp trên.
  20. 20. Kỹ thuật đo lường & cảm biến Cảm biến đo độ ẩm Trang 19 IV. Giới thiệu về cảm biến đo độ ẩm 1. Các khái niệm chung a. Độ ẩm Độ ẩm được xác định như hàm lượng hơi nước trong không khí hoặc trong các chất khí khác. Theo thuật ngữ chuyên môn thì độ ẩm không khí là nồng độ hơi nước trong không khí. Độ ẩm thường được đo lường là:  Độ ẩm tuyệt đối bằng khối lượng hơi nước có trong một đơn vị thể tích không khí hay chất khí gas (tính ra [g/m3 ]);  Điểm sương (nhiệt độ và áp suất mà tại đó chất khí bắt đầu tích tụ hơi nước thành chất lỏng);  Độ ẩm tương đối, hoặc RH (Relative Humidity) là tỷ lệ hàm lượng hơi ẩm của không khí so với mức hơi ẩm bão hòa ở cùng nhiệt độ và áp suất; nói cách khác, là tỷ số giữa độ ẩm tuyệt đối với độ ẩm cực đại (khi hơi nước bão hòa) ở nhiệt độ và áp suất đang xét. Độ ẩm tương đối tính bằng phần trăm [%RH]. Độ ẩm là một thông số quan trọng tác động trực tiếp đến con người, đến thiết bị máy móc và các quán trình lý hóa. Độ ẩm thay đổi trong một dải rộng từ 30% đến 70% với độ ẩm nhỏ hơn 35% bộ máy tiêu hóa kích thích nếu lớn hơn 75% sự ra mồ hôi giảm nghiêm trọng. Trong công nghiệp, độ ẩm ảnh hưởng trực tiếp đến các thiết bị, máy móc nhất là các thiết bị điện, điện tử. Do vậy việc đo, xác định độ ẩm và chống ẩm là nhiệm vụ rất quan trọng trong các quá trình công nghệ, điều khiển và thiết kế chế tạo các thiết bị. b. Một số định nghĩa cơ bản Nếu không khí ẩm có thể tích V, ở nhiệt độ T thì khối lượng M của không khí ẩm chứa trong thể tích V sẽ là tổng của khối lượng không khí khô (mk và khối lượng của hơi nước mh), ta có biểu thức: k hM m m  Nếu gọi P là tổng áp suất riêng phần của không khí khô Pk và của hơi nước Ph thì: k hP P P  Tỷ lệ trộn r (kg/kg) là tỷ số giữa khối lượng hơi nước mh và khối lượng không khí khô mk mà hơi nước trộn trong đó. h k m r m  Áp suất hơi bão hòa Phh(T) (đơn vị Pa) là áp suất hơi nước ở trạng thái cân bằng với nước lỏng ở nhiệt độ T. Lớn hơn áp suất này sẽ xảy ra áp suất hơi bão hòa ở nhiệt độ T. % 100% ( ) h hh P U P T  Nhiệt độ hóa sương Ths(0 C) là nhiệt độ cần phải làm lạnh không khí ẩm xuống tới đó để đạt được trạng thái bão hòa (tỷ số trộn r không thay đổi trong quá trình làm lạnh). Nói cách khác, nhiệt độ hóa sương là nhiệt độ sao cho Ph = Phh.
  21. 21. Kỹ thuật đo lường & cảm biến Cảm biến đo độ ẩm Trang 20 Điểm sương là nhiệt độ mà môi trường cần hạ đến để hơi nước chứa trong đó trở thành bão hòa (điều kiện để đọng lại thành những giọt sương). Khi đó trong không khí (hay trên bề mặt những vật tiếp xúc với không khí) có thể thấy hơi nước ngưng tụ thành giọt sương rất nhỏ. Biết điểm sương, ta sẽ xác định được độ ẩm của không khí. Độ ẩm tương đối càng nhỏ (trời càng khô hanh), thì điểm sương càng thấp hơn nhiệt độ đang có. Khi độ ẩm tương đối bằng 100% thì điểm sương trùng với nhiệt độ đang có. Nhiệt độ ẩm Ta(0 C) là nhiệt độ cân bằng của một khối lượng nước hóa hơi và không khí trong trường hợp khi nhiệt lượng cần thiết để hóa hơi chỉ được trích từ không khí. Độ ẩm tuyệt đối của không khí bằng lượng hơi nước có trong một đơn vị thể thích không khí (tính ra g/m3 ). Độ ẩm tương đối RH% - tỷ số áp suất riêng của hơi nước pv và áp suất hơi bão hòa pbh(T) ở nhiệt độ T % 100% ( ) v bh p RH p T  2. Phân loại cảm biến độ ẩm Cảm biến độ ẩm thường được chia làm hai loại: Loại thứ nhất dựa trên hiện tượng vật lý cho phép xác định độ ẩm (ẩm kế ngưng tụ, ẩm kế điện ly). Loại thứ hai dựa trên tính chất của vật có liên quan đến độ ẩm (ẩm kế trở kháng, cảm biến điện dung, nhiệt dẫn). 3. Ẩm kế biến thiên trở kháng Ẩm kế biến thiên trở kháng là các cảm biến điện trở và tụ điện mà các phần tử nhạy là các chất hút ẩm. Tính chất điện (điện trở, điện dung) của các cảm biến phụ thuộc vào độ ẩm của môi trường. Các cảm biến độ ẩm dựa trên nguyên lý biến thiên trở kháng được phân thành ẩm kế điện trở và ẩm kế tụ điện. a. Ẩm kế điện trở Ẩm kế điện trở là các thiết bị đo độ ẩm dựa trên các cảm biến điện trở, chúng được chia làm hai loại: Điện trở kim loại: là một đế có kích thước nhỏ cỡ vài mm2 được phủ chất hút ẩm và gắn hai điện cực bằng kim loại không bị ăn mòn và oxy hóa. Giá trị điện trở đo được giữa hai cực phụ thuộc vào hàm lượng nước (tỷ số giữa khối lượng nước hấp thụ với khối lượng chất khô) và vào nhiệt độ chất hút ẩm. Hàm lượng nước lại phụ thuộc vào độ ẩm tương đối và nhiệt độ. Chất điện phân: là những chất dẫn điện, điện trở của chúng phụ thuộc vào thể tích trong đó thể thích bị thay đổi theo hàm lượng nước. Do đó có thể biến đổi độ ẩm tương đối thành tín hiệu điện.
  22. 22. Kỹ thuật đo lường & cảm biến Cảm biến đo độ ẩm Trang 21 Hình 19. Đường cong đặc trưng cho sự phụ thuộc của điện trở với độ ẩm tương đối. a. Sự phụ thuộc của điện trở vào độ ẩm; b. Mạch đo. Thực tế, điện trở Rm phụ thuộc đồng thời cả độ ẩm tương đối và cả nhiệt độ. Ảnh hưởng của nhiệt độ có thể sử dụng mạch bù như hình trên, trong đó điện trở RA, RB có hệ số nhiệt αT giống nhau. Với cảm biến điện trở có thể sử dụng với dải đo từ 5% đến 95% và dải nhiệt độ từ - 100 C đến 500 C hoặc 600 C. Thời gian hồi đáp cỡ 10 giây và sai số là ±2 ÷ 5%. b. Ẩm kế tụ điện Giả sử một tụ điện giữa hai bản cực là không khí có thể coi như cảm biến đo độ ẩm do hơi ẩm trong không khí làm thay đổi hằng số điện môi và được biểu diễn theo công thức: 648211 1 10bhP P U T T          Trong đó T là nhiệt độ tuyệt đối (0 K); P là áp suất của khí ẩm (mmHg); Pbh: áp suất hơi bão hòa ở nhiệt độ T (mmHg); U là độ ẩm tương đối (%). Từ công thức trên, nhận thấy hằng số điện môi của khí ẩm tức là điện dung của tụ tỷ lệ với độ ẩm tương đối. Nếu thay đổi không khí bằng một chất điện môi khác giữa hai tấm cực của tụ điện thì có thể tạo ra một cảm biến đo độ ẩm.  Ẩm kế tụ điện Polymer Hình 20. Ẩm kế tụ điện Polymer.
  23. 23. Kỹ thuật đo lường & cảm biến Cảm biến đo độ ẩm Trang 22 Hình trên là mô tả cảm biến tụ điện Polymer gồm một màng Polymer có độ dày 6 ÷ 12 μm có khả năng hấp thụ hơi nước. Lớp Polymer được phủ trên điện cực thứ nhất là tantan sau đó phủ tiếp lên Polymer một lớp Crom dày 100 – 10000Å làm điện cực thứ hai. Lớp Crom gây nên các vết nứt làm tăng khả năng tiếp xúc của lớp này với không khí. Thời gian hồi đáp của tụ phụ thuộc vào độ dày của lớp điện môi. Với cảm biến tụ điện Polymer có thể đo độ ẩm trong dải từ 0% ÷ 100%, dải nhiệt độ làm việc từ -400 C ÷ 1000 C, sai số là từ 2% ÷ 3%. Thời gian hồi đáp cỡ vài giây.  Ẩm kế tụ điện Al2O3 Ẩm kế tụ điện Al2O3 là một tụ điện trong đó Al2O3 là chất điện môi được chế tạo bằng phương pháp Anot hóa tấm nhôm làm điện cực thứ nhất của tụ. Hình 21. Sơ đồ cấu trúc và mạch tương đương của cảm biến. a. Ẩm kế tụ điện Al2O3, b. Sơ đồ tương đương. Điện cực thứ hai là một màng kim loại mỏng được tạo thành trên mặt kia của lớp điện môi. Chiều dày lớp Al2O3 nhỏ hơn hoặc bằng 0,3μm. Sự thay đổi trở kháng của tụ phụ thuộc vào áp suất riêng phần của hơi nước và không phụ thuộc vào nhiệt độ. Quá trình Anot hóa được thực hiện bằng phương pháp điện phân dung dịch H2SO4 với tấm nhôm làm Anot. Oxy hóa hình thành trên Al và oxy hóa bề mặt tạo thành Al2O3. Lớp oxyt nhôm có cấu trúc xốp nên tiếp xúc tốt với không khí ẩm. Điện cực thứ hai phủ trên lớp Al2O3 có thể dùng đồng, vàng, platin, niken, crom và nhôm. Cảm biến tụ điện Al2O3 cho phép đo nhiệt độ hóa sương TS trong phạm vi thay đổi từ - 800 C đến 700 C với dải áp suất từ 0 ÷ 100 Pa. Thời gian đáp ứng cỡ vài gây. Cảm biến này có nhược điểm là không sử dụng được trong môi trường chứa chất ăn mòn như muối ăn, lưu huỳnh, … 4. Ẩm kế hấp thụ  Nguyên lý làm việc Nguyên lý làm việc của ẩm kế hấp thục dựa trên sự hấp thụ hơi nước của một số chất như Clorua Liti hoặc Anhidrit Photphoric. Các chất này khi ở trạng thái khô điện trở của chúng rất cao, lúc hút ẩm hơi nước ở môi trường xung quanh, điện trở giảm một cách đáng kể qua đó xác định được độ ẩm của môi trường cần đo. Quá trình đo độ ẩm bằng cách nung nóng dung dịch muối chứa trong ẩm kế cho đến khi áp suất hơi bão hòa ở phía trên dung dịch bằng áp suất hơi của môi trường không khí bình thường. Từ nhiệt độ đó xác định được áp suất hơi và nhiệt độ hóa sương. Thường người ta chọn dung dịch muối bão hòa sao cho ở một nhiệt độ cho trước, áp suất hơi càng nhỏ càng tốt.
  24. 24. Kỹ thuật đo lường & cảm biến Cảm biến đo độ ẩm Trang 23 Hình 22. Đường cong áp suất hơi nước phụ thuộc vào nhiệt độ của một số dung dịch bão hòa Nhiệt độ dung dịch T: 0 C Áp suất hơi trên bề mặt nước PH2O (T, Pa) Áp suất hơi trên mặt LiCl (T, Pa) Độ ẩm tương đối 2 ( ) ( ) % H O T LiCl T P U P  5 872,47 118,2 13,7 10 1227,94 157,6 12,8 15 1705,32 203,6 11,9 20 2338,54 260,6 11,1 25 3168,74 353,9 11,1 30 4245,20 473,9 11,2 35 5626,20 628,7 11,2 40 5626,45 823,6 11,2 45 7381,27 1066,1 11,1 50 9589,84 1364,6 11,1 55 12344,26 1727,5 11,0 60 15752,26 2163,4 10,9 65 25023,74 2681,1 10,7 Bảng 1. Giá trị áp suất hơi bão hòa trên mặt nước và trên dung dịch muối Clorua Liti bão hòa ở những nhiệt độ khác nhau. Đường cong áp suất hơi gần tương ứng với đướng cong độ ẩm tương đối 12%. Ví dụ: Cùng một giá trị áp suất hơi tương ứng là P = 2163Pa, nhiệt độ hóa sương của hơi nước là 18,80 C nhưng nhiệt độ cân bằng của dung dịch muối Clorua Liti bão hòa là 600 C.  Ẩm kế Clorua Liti Cảm biến có cấu tạo gồm một ống được bao bọc bởi một lớp vải tẩm dung dịch Clorua Liti trên đó quấn hai điện cực bằng kim loại không bị ăn mòn. Các điện cực được đốt nóng bằng một nguồn cung cấp để làm bay hơi nước.
  25. 25. Kỹ thuật đo lường & cảm biến Cảm biến đo độ ẩm Trang 24 Hình 23. a. Ẩm kế Clorua Liti, b. Cấu tạo Khi nước bay hơi hết, điện trở của cảm biến tăng và dòng điện cực giảm đáng kể. Khi đó ở môi trường có không khí ẩm Clorua Liti hấp thụ hơi nước ở môi trướng xung quanh nên độ ẩm tăng, điện trở của nó giảm và dòng điện tăng làm cho nhiệt độ của cảm biến lại tăng. Tại một thời điểm nào đó sẽ đạt được sự cân bằng giữa muối LiCl và độ ẩm. Sự cân bằng này xảy ra ở nhiệt độ liên quan đến áp suất hơi và đồng thời đến nhiệt độ hóa sương TS. Qua đó có thể xác định được nhiệt đố hóa sương TS. Đặc điểm của cảm biến LiCl là có thể đo nhiệt độ hóa sương với độ chính xác cao. Quá trình đo nhiệt độ cân bằng thực hiện bằng đốt nóng nên đơn giản, có độ tin cậy cao và giá thành hạ. Độ chính xác có thể đạt đến ±0,20 C tùy thuộc vào cảm biến nhiệt độ, cấu tạo của cảm biến và điều kiện sử dung. Thời gian hồi đáp cỡ chục phút, phạm vi đo nhiệt độ hóa sương của các chất từ -100 C đến 600 C. Ví dụ: với nhiệt độ hóa sương -100 C ≤ Ts ≤ 340 C và 410 C ≤ Ts ≤ 650 C, độ chính xác đạt được là ±10 C còn với dải đo từ -340 C ≤ Ts ≤ 410 C thì độ chính xác đạt được là ±20 C.  Ẩm kế Anhidrit Photphoric Mô tả cảm biến như hình dưới:
  26. 26. Kỹ thuật đo lường & cảm biến Cảm biến đo độ ẩm Trang 25 Hình 24. Ẩm kế Anhidrit photphoric. Cảm biến gồm một ống cách điện với đường kính không lớn lắm, mặt trong đặt hai điện cực xoắn 2 và 3, giữa chúng được phủ một lớp màng mỏng P2O5, màng mỏng có điện trở ở dạng khô và điện trở bị giảm khi hút ẩm. Không khí ẩm cần đo được đưa qua ống với tốc độ không đổi. Khi đó liên tục diễn ra hai quá trình: sự hút ẩm của màng để tạo thành Anhidrit Photphoric và điện phân nước để tái sinh Anhidrit Photphoric. 2 5 2 3 3 2 2 2 5 2 2 0,5 PO H O HPO HPO H O PO      Trong quá trình đo, dòng điện đi qua chỉ thị tỷ lệ với độ ẩm tuyệt đối của không khí: . . .F Z q P I M  Trong đó F là hằng số Faraday, Z là độ kiềm, q là lưu tốc chất khí (m3 /s); M là trong lượng phân tử của nước; P là độ ẩm tuyệt đối (g/m3 ). Cảm biến trên cho phép đo hơi nước với dải đo từ 10-4 ÷ 1% theo khối lượng và có sai số ±(5 ÷ 10)%. Ngoài ra có thể đo độ ẩm của Nito, Hydro, Cacbon dioxit, metan, … 5. Ẩm kế quang  Nguyên lý hoạt động Nhiệt độ hóa sương TS là nhiệt độ cần phải làm lạnh không khí ẩm xuống tới đó để đạt trạng thái bão hòa. Đó chính là nhiệt độ để sao cho áp suất hơi Ph bằng áp suất hơi bão hòa Pbh(T). Tại nhiệt độ độ ẩm tuyệt đối có thể được xác định từ nhiệt độ này trong quá trình đo với áp suất đã biết trước. Từ nguyên lý trên có thể thấy nguyên lý hoạt động cơ bản của ẩm kế quang là sử dụng một gương phản chiếu mà nhiệt độ bề mặt của nó được điều chỉnh chính xác nhờ một thiết bị điện cung cấp nhiệt độ. Nhiệt độ gương được điều chỉnh tại ngưỡng TS. Không khí cần đo độ ẩm được dẫn qua bề mặt gương và hệ thống điều khiển làm lạnh gương (dựa trên hiệu ứng Peltier hoặc nito lỏng) cho đến khi xuất hiện sự ngưng tụ. Khi xuất hiện lớp sương trên bề mặt gương, ánh sáng bị tán xạ đến đầu thu quang và kích thích bộ phát tín hiệu làm nóng gương thông qua hệ điều khiển. Khi nhiệt độ gương tăng, lớp sương biến mất và chấm dứt hiện tượng tán xạ ánh sáng, chu kỳ sau làm lạnh lại bắt đầu. Với sự hiệu chỉnh thích hợp sẽ nhận được lớp ngưng tụ với độ dày xác định và tạo được trạng thái cân bằng giữa hơi nước và lớp ngưng tụ. Cảm biến nhiệt độ đặt sau gương cho phép xác định và điều chỉnh nhiệt độ gương.
  27. 27. Kỹ thuật đo lường & cảm biến Cảm biến đo độ ẩm Trang 26 Sơ đồ khối đơn giản của ẩm kế gương loại nhỏ: Hình 25. Ẩm kế gương Cấu tạo bao gồm một bơm nhiệt dựa vào hiệu ứng Peltier. Bơm chuyển nhiệt đến bề mặt gương mỏng đã gắn cảm biến nhiệt độ. Cảm biến này là một phần của cặp nhiệt số để chỉ nhiệt độ của gương. Mạch của ẩm kế được mắc kiểu vi sai. Với hệ thống optocoupler phía trên gồm đèn LED và photo transistor (bộ thu quang) dùng để bù trôi. Hệ thống optocoupler phía dưới để đo độ phản chiếu của gương. Cảm biến được cân bằng quang nhờ bộ chắn ánh sáng của hệ optocoupler phía trên. Các đèn LED và bộ thu quang của optocoupler phía dưới được bố trí lệch một góc 450 . Bơm nhiệt điều khiển nhiệt độ của gương ở phía dưới, tại thời điểm nước ngưng tụ, đặc tính gương giảm bất ngờ tạo nên sự thay đổi dòng ánh sáng ở bộ thu quang. Tín hiệu của bộ thu quang qua bộ điều khiển điều chỉnh dòng điện qua bơm nhiệt để duy trì theo nhiệt độ trên bề mặt gương ở mức điểm sương cho đến trạng thái ổn định. Ưu điểm của ẩm kế quang là có phạm vi đo rộng từ -700 C đến 1000 C, độ chính xác cao ±0,2% và có thể làm việc trong môi trường ăn mòn. Nhược điểm của thiết bị là cấu tạo phức tạp, giá thành đắt và phải hiệu chỉnh thường xuyên. 6. Cảm biến độ ẩm kiểu nhiệt dẫn Cảm biến độ ẩm kiểu nhiệt dẫn thermal conductiviti (còn gọi là cảm biến độ ẩm tuyệt đối) đo độ ẩm tuyệt đối bằng cách tính toán sai biệt giữa độ dẫn nhiệt của không khí khô và không khí có chứa hơi nước. Trong thực tế, cảm biến này thường sử dụng một hệ có hai phần tử thermistors trong mạch cầu đo, có khả năng làm việc trong môi trường nhiệt độ cao, thậm trí là ngập nước. Cảm biến này được cấu trúc bằng cách dùng hai phần tử thermistors có hệ số nhiệt độ âm (NTC) trong mạch cầu đo. Một trong các phần tử được nhúng trong chất nito khô, phần tử kia được đưa ra môi trường cần đo(hình 6.25). Sự sai biệt giữa hai thermistors chính là độ ẩm tuyệt đối.
  28. 28. Kỹ thuật đo lường & cảm biến Cảm biến đo độ ẩm Trang 27 Hình 26. Cảm biến độ ẩm kiểu nhiệt dẫn. 7. Lựa chọn và đặc tính kỹ thuật của các cảm biến độ ẩm Sự khác biệt giữa các loại cảm biến về độ chính xác, khả năng thay thế lấp lẫn, những ưu nhược điểm của mỗi loại. a. Các tiêu chí trong lựa chọn cảm biến độ ẩm Những tiêu chí quan trọng trong lựa chọn cảm biến độ ẩm bao gồm: + Độ chính xác + Tính thay thế lấp lẫn + Tính lặp lại đặc tính kỹ thuật + Tính ổn định + Khả năng phục hồi sau ngưng tụ hơi nước + Tính kháng nhiễm tạp chất, chất bẩn + Kích cỡ và bao gói + Tính hiệu quả và giá thành + Giá thành thay thế và bảo dưỡng khi có hỏng hóc + Hiểu chuẩn + Tính phức hợp và hiện thực hóa quá trình chuẩn hóa tín hiệu và mạch thu thập dữ liệu b. Lựa chọn cảm biến RH kiểu điện dung Các ứng dụng đối với cảm biến độ RH kiểu điện dung chiếm một phạm vi rộng, bao gồm: + Các thiết bị bên trong ô tô như bộ phận chống đóng băng kính chắn gió. + Các máy in, máy tính + Các thiết bị y tế như quạt thông gió và lò ấp + Những ứng dụng dân dụng như lò vi sóng, tủ lạnh, máy sấy quần áo + HVAC (Nhiệt, thông gió và điều hòa không khí) + Các máy thu và ghi dữ liệu + Bộ phận phát hiện rò rỉ. + Các trạm khí tượng + Thiết bị công nghiệp và xử lý thực phẩm + Buồng thử môi trường Tiếp nhận những tiến bộ nguyên lý cutting-edge trong lĩnh vực thiết kế chế tạo chất bãn dẫn, nhiều cảm biến điện dung đã có được đặc tính độ trôi và độ trễ tối thiểu và lâu bền. Việc
  29. 29. Kỹ thuật đo lường & cảm biến Cảm biến đo độ ẩm Trang 28 ứng dụng công nghệ CMOS trong các bộ phát xung định thời giúp cho cảm biến tạo được tính hiệu điện áp ra gần tuyến tính. Hình 27. Điện áp ra của cảm biến có bộ định thời CMOS. Độ bất định của cảm biến điển hình là ±2% RH trong phạm vi độ RH từ 5% đến 95% sử dụng hiệu chuẩn hai điểm. Hiệu ứng điện dung của đường cáp nối liên quan với những thay đổi điện dung nhỏ của cảm biến hạn chế khoảng cách lắp đặt phần tử cảm biến tới mạch chuẩn hóa tín hiệu trong phạm vi thực tế là ngắn hơn 100 feet. Việc điều hưởng tinh có thể giảm thiểu độ biến động ±2% làm tăng khả năng thay thế lấp lẫn một cách trực tiếp. Các chương trình máy tính hiệu chuẩn lại cũng có khả năng bù lại cho điện dung cảm biến từ 100 đến 500pF. Các cảm biến RH kiểu điện dung là không tuyến tính dưới vài phần trăm độ RH, đó là lý do tại sao nhiều cảm biến trong các hệ đo lường điểm sương lại dùng các mạch vi xử lý để lưu giữ các dữ liệu hiệu chuẩn. Phát triển này đã giúp làm giảm giá thành các máy đo độ ẩm và máy truyền phát trong điều hòa không khí và các ứng dụng thám báo khí tượng viễn thông. Về ưu điểm và nhược điểm: với ưu điểm thì điện áp ra gần như là tuyến tính, pham vị đo độ RH và dung sai ngưng tụ hơi nước rộng; tính thay thế lấp lẫn nếu dùng điều hưởng tinh bằng laser, tính ổn định trong thời gian dài sử dụng. Về nhược điểm thì khoảng cách từ phần tử cảm biến tới mạch chuẩn hóa tín hiệu bị giới hạn là ưu điểm lớn nhất của loại này. c. Lựa chọn cảm biến độ ẩm kiểu điện trở Các cảm biến kiểu điện trở là những cảm biến độ ẩm loại nhỏ, giá thấp mà lại có độ ổn định lâu bền và tính thay thế lấp lẫn cao. Chúng phù hợp cho nhiều ứng dụng công nghiệp, thương mại và dân dụng, đặc biệt là trong kiểm tra và chỉ thị chất lượng sản phẩm. Các cảm biến điện trở có đáp ứng phi tuyến đối với sự thay đổi độ ẩm, nhưng có thể tuyến tính hóa bằng các phương pháp tương tự hay phương pháp số. Phạm vi biến thiên điện trở điển hình là từ vài kΩ tới hàng trăm MΩ. Tần số kích thích định mức từ 30Hz đến 10kHz. Các cảm biến độ RH có tính thay thế lấp lẫn cao (trong phạm vi ±2% RH). Mạch điện tử chuẩn hóa tín hiệu có thể được hiệu chuẩn tại một điểm RH cố định, hạn chế sự cần thiết các
  30. 30. Kỹ thuật đo lường & cảm biến Cảm biến đo độ ẩm Trang 29 chuẩn độ ẩm. Độ chính xác có thể được kiểm nghiệm tại một buồng hiệu chuẩn RH hoặc bằng một hệ tiêu chuẩn dùng máy tính tham chiếu tới một môi trường tiêu chuẩn. Các cảm biến kiểu điện trở có nhiệt độ làm việc định mức trong phạm vi từ -40 tới 1000 C. Tuổi thọ cảm biến mong đợi là ít hơn 5 năm trong các ứng dụng thương mại và dân dụng, nhưng sử dụng trong các điều kiện bám bẩn có thể gây ra những hỏng hóc vĩnh viễn. Các cảm biến kiểu điện trở cũng có xu hướng suy dời chỉ số chỉ chị trong quá trình bộc lộ cho hơi nước ngưng tụ khi sử dụng các lớp phủ hòa tan được trong nước. Ưu điểm + Không cần chuẩn hiệu chỉnh, có tính thay thế lấp lẫn cao và khả năng thay thế tại chỗ + Có tính ổn định lâu bền + Có khả năng sử dụng những vị trí lắp đặt xa + Kích thước nhỏ + Giá thành thấp Nhược điểm + Việc phản ứng với hơi hóa chất và bám bẩn có thể gây nên những hỏng hóc vĩnh viễn. + Trị số đo có thể bị suy dời bởi sử dụng lớp phủ hòa tan được trong nước. d. Lựa chọn cảm biến kiểu nhiệt dẫn Các cảm biến độ ẩm kiểu nhiệt dẫn nói chung được sử dụng trong các thiết bị máy móc, kể cả máy sấy quần áo và lò vi sóng. Chúng được sử dụng trong nhiều ứng dụng công nghiệp, kể cả các lò sấy gỗ, máy sấy, bào chế dược phẩm, nấu ăn và khử nước trong thực phẩm. Được cấu trúc từ thủy tinh, vật liệu bán dẫn, chất dẻo nhiệt độ cao và nhôm, các cảm biến nhiệt dẫn là loại lâu bền và có tính năng chịu được hơi hóa chất. Chúng cho độ phân giải cao hơn so với các cảm biến kiểu điện dung và kiểu điện trở ở nhiệt độ lớn hơn 2000 F. Độ chính xác điển hình là 3(g/m3 ), được chuyển đổi thành gần ±5% RH ở 400 C và ±0,5% RH ở 1000 C. Ưu điểm + Rất lâu bền + Hoạt động tốt ở môi trường ăn mòn và nhiệt độ cao tới 5750 F. + Có độ phân giải tốt hơn các cảm biến kiểu điện dung và điện trở. Nhược điểm + Đáp ứng với chất khí bất kỳ có các tính chất nhiệt khác với nito lỏng, điều này có thể ảnh hưởng tới phép đo.
  31. 31. Kỹ thuật đo lường & cảm biến Cảm biến đo độ ẩm Trang 30 V. Giới thiệu cảm biến đo độ ẩm HS1101 và ứng dụng trong đo độ ẩm của đất. 1. Giới thiệu cảm biến HS1101  Cảm biến HS1101 HS1101 là loại cảm biến đo độ ẩm có độ chính xác ±2%. Dải nhiệt độ hoạt động từ -400 C ÷ 1000 C. Cảm biến HS1101 được sử dụng phổ biến trong cuộc sống, ngoài ra nó còn dùng kết hợp với cảm biến DS18B20 dùng đo nhiệt độ. Hình 28. Cảm biến HS1101  Đặc điểm Bảng 2. Các đặc điểm của cảm biến HS1101 (Xét ở Ta = 25°C, tần số đo lường cỡ 10kHz)  Nguyên lý làm việc: Cảm biến HS1101 là cảm biến điện dung. Khi độ ẩm thay đổi, điện dung của HS1101 thay đổi. Do vậy, để đo được độ ẩm người ta thiết kế mạch đo điện dung của HS1101. Trong thực tế, người ta thường ghép nối HS1101 và IC NE555. Khi đó giá trị điện dung của HS1101 thay đổi thì làm thay đổi tần số đầu ra của IC555. Như vậy chỉ cần đo tần số đầu ra là có thể đo được điện dung của HS1101.
  32. 32. Kỹ thuật đo lường & cảm biến Cảm biến đo độ ẩm Trang 31 Hình 29. Sơ đồ ghép nối cảm biến HS1101 với IC555  Cách đo độ ẩm dùng cảm biến HS1101 Ghép nối mạch như hình 29, tần số dao động của mạch được tính bằng công thức:   1 1 @% 4 2 2 ln2h l F t t C RH R R        Trong công thức trên: F là tần số, C@%RH là độ ẩm, R2 = 576kΩ, R4 = 49,9kΩ Bảng 3. Đặc tính tần số đầu ra của mạch: (điểm tham chiếu ở f = 6660Hz cho 55%RH / 250 C) RH 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Tần số (Hz) 7351 7224 7100 6976 6853 6728 6600 6468 6330 6186 6033 Công thức liên hệ giữa độ ẩm và điện dung:  7 3 5 2 3 1 ( ) @55%(1.2510 RH 1.3610 RH 2.1910 RH 9.010 ) %C pF C RH trong RH        Trong công thức: C@55% = 180pF (datasheet HS1101); C(pF) là điện dung đo được Ảnh hưởng của tần số đo lường:  @ @10 (1.027 0.01185ln( )C fkHz C kHz fkHz  Điện áp tỉ lệ lối ra của mạch:  0,00474 % 0,2354out ccV V RH   Khoảng độ ẩm tương đối xét từ 5% đến 99%RH, hệ số nhiệt điển hình là +0,1%RH/0 C từ 100 C đến 600 C. Bảng 4. Đặc tính điện áp đầu ra của mạch (ở Vcc = 5V, 250 C) RH 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Điện áp (V) - 1,41 1,65 1,89 2,12 2,36 2,60 2,83 3,07 3,31 3,55
  33. 33. Kỹ thuật đo lường & cảm biến Cảm biến đo độ ẩm Trang 32 2. Ứng dụng của cảm biến HS1101 trong đo độ ẩm của đất Cảm biến phát hiện độ ẩm đất, bình thường đầu ra mức thấp, khi đất thiếu nước đầu ra sẽ mức cao, độ nhạy có thể điều chỉnh được bằng biến trở. Mạch có thể sử dụng tưới hoa tự động khi không có người quản lý khu vườn trong gia đình hoặc tự động tưới cây khi đất có dấu hiệu thiếu nước… Độ nhạy của cảm biến độ ẩm đất có thể điều chỉnh được. Phần đầu dò được cắm vào đất để phát hiện độ ẩm, khi độ ầm của đất đạt ngưỡng thiết lập, đầu ra DO sẽ chuyển trạng thái từ mức thấp lên mức cao. Hình 30. Module chứa cảm biến HS1101 đo độ ẩm của đất  Thông số kỹ thuật của module: + Điện áp hoạt động: 3.3V - 5V + Kích thước mạch in: 3cm × 1.6cm + Led đỏ báo nguồn, led xanh báo độ ẩm vượt ngưỡng + IC so sánh : LM393 + Điện áp cung cấp VCC: 3.3V - 5V + GND: Đất + DO: Đầu ra số (0 và 1) + AO: Đầu ra tương tự  Đặc điểm của module + Module độ ẩm đất rất nhạy cảm với độ ẩm môi trường xung quanh và thường được sử dụng để phát hiện độ ẩm của đất. + Khi độ ẩm của đất vượt quá giá trị ngưỡng được thiết lập, đầu ra của module DO ở mức thấp. + Đầu ra DO có thể được kết nối trực tiếp với vi điều khiển, để phát hiện cao và thấp, và do đó để phát hiện độ ẩm của đất. + Đầu ra tương tự AO có thể được kết nối với bộ chuyển đổi ADC, qua đó có thể nhận được các giá trị chính xác hơn độ ẩm của đất. + Biến trở gắn trên module có tác dụng hiệu chỉnh độ nhạy của cảm biến.  Nguyên lý hoạt động Theo sơ đồ mạch nguyên lý dưới: Khi modulee cảm biến độ ẩm được kích hoạt, khi đó sẽ có sự thay đổi điện áp tại đầu vào của IC LM393. IC này nhận biết có sự thay đổi nó sẽ đưa ra một tín hiệu thấp để báo hiệu, và thay đổi sẽ được tính toán để đọc độ ẩm đất.
  34. 34. Kỹ thuật đo lường & cảm biến Cảm biến đo độ ẩm Trang 33 Hình 31. Sơ đồ mạch nguyên lý đo độ ẩm của đất  Một số mô hình mạch khác cũng ứng dụng cảm biến đo độ ẩm của đất. Hình 32. Đo độ ẩm đất, kết quả hiển thị trên LCD Hình 33. Đo độ ẩm đất bằng cách ghim một giá trị độ ẩm xác định, nếu độ ẩm thấp hơn giá trị này thì còi kêu, đèn sáng
  35. 35. Kỹ thuật đo lường & cảm biến Cảm biến đo độ ẩm Trang 34 Tài liệu tham khảo 1. Tài liệu - Giáo trình Đo lường điện và Cảm biến đo lường – Nguyễn Văn Hòa - Giáo trình Cảm biến công nghiệp – Hoàng Minh Công - Kỹ thuật Đo lường và cảm biến – ĐH SPKT TPHCM - Giáo trình Đo lường và Cảm biến 2. Trang web - http://mcu.banlinhkien.vn/threads/cam-bien-do-am-hs1101.125/ - http://mcu.banlinhkien.vn/threads/cam-bien-do-am-dat.786/ - http://arduino360.com/san-pham/cam-bien/cam-bien-do-am-cua-dat/

×