Ngày nay, trên thị trường, chúng ta phần lớn tìm thấy các loại cảm biến áp suất kiểu tụ, kiểu từ trở, kiểu dòng xoáy, kiểu áp kế gắn vật liệu biến dạng, kiểu màng mỏng và silicon với hiệu ứng áp điện trở. Hãy cùng xét qua một lượt những ưu, nhược điểm của cảm biến áp suất dựa trên những công nghệ nói trên qua đó quyết định lựa chọn cho mình loại sản phẩm phù hợp. Ở Việt Nam, gần 20 năm trước, việc tìm một loại cảm biến thương phẩn là điều không dễ dàng chút nào do những ngành công nghệ cao chưa xuất hiện nhiều, phần vì nền kinh tế mới qua được cơn khủng hoảng, thị trường Việt Nam gần như không được biết đến. Ngày nay, mọi chuyện đã khác khi mà trên hầu hết trang chủ của các nhà sản xuất lớn trên thế giới chúgn ta đều có thể tự hào click vào biểu tượng của lãnh thổ Việt Nam. Chẳng có việc gì dễ dàng từ lần đầu tiên. Việc lựa chọn những sản phẩm công nghệ cũng vậy, nếu không phải là nhà phân phối có kinh nghiệm chúng ta rất có thể có lúc nào đó bối rối thậm chí chọn không đúng những sản phẩm đó. Trừ khi mua phần mềm, hầu hết chúng ta đều hy vọng những sản phẩm được mua hoạt động tốt ngay từ lần ứng dụng đầu tiên. Đây là lựa chọn khi mua hàng của chúng ta nhưng cũng chính là trách nhiệm của các nhà phân phối sản xuất thiết bị ban đầu.
Các nhà sản xuất thiết bị OEM thường tích hợp những công nghệ tiên tiến và trong sản phẩm, điều khiển thiết bị đó để phát hiện, xử lý và thay đổi áp suất một cách kịp thời. Cảm biến áp suất cũng như bộ biến năng là một trong số những sản phẩm đắt nhất. Chính vì vậy, nhà sản xuất luôn phải lấy tỷ lệ giá/ hiệu năng của sản phẩm (P2P) là tiêu chí hàng đầu khi thiết kế bất kỳ một sản phẩm nào. Điều trớ trêu là tỷ lệ này thường chẳng bao giờ thỏa mãn nhà sản xuất cũng như khách hàng. Thêm vào đó, với những công nghệ khác nhau về cảm biến áp suất có trên thị trường thì việc lựa chọn một công nghệ nào đó phù hợp nhất cho ứng dụng cụ thể quả là không dễ chút nào. Ngày nay, trên thị trường, chúng ta phần lớn tìm thấy các loại cảm biến áp suất kiểu tụ, kiểu từ trở, kiểu dòng xoáy, kiểu áp kế gắn vật liệu biến dạng, kiểu màng mỏng và silicon với hiệu ứng áp điện trở. Hãy cùng xét qua một lượt những ưu, nhược điểm của cảm biến áp suất dựa trên những công nghệ nói trên qua đó quyết định lựa chọn cho mình loại sản phẩm phù hợp.
Cảm biến áp suất kiểu tụ
Hình 1: Cảm biến áp suất kiểu tụ.
Cảm biến áp suất kiểu tụ (hình 1) thường ổn định và có hiệu năng cao nhưng lại đòi hỏi quy trình cách ly nghiêm ngặt hơn so với những loại cảm biến khác nhằm tách biệt phần tử tụ điện khỏi bị nhiễm bẩn và hơi ẩm. Cảm biến áp suất kiểu tụ được đóng gói công phu bằng những vật liệu khác nhau như vỏ thép không gỉ, chịu được điều kiện khắc nghiệt nhất. Thiết bị này có độ chính xác cao (0,04%), khoảng đo xuống 200:1; độ đáp ứng 100ms. Dògn lói ra chuẩn 4-20mA; băng thông chờ sẵn cho phép nâng cấp bo điều khiển. Loại cảm biến với độ tin cậy siêu cao này có thể dùng được trong các dây truyền công nghệ, làm tăng mức độ sẵn sàng của dây truyền và làm giảm thời gian bảo dưỡng.
Cảm biến áp suất kiểu dòng xoáy và từ trở
Hình 2: Cảm biến áp suất kiểu dòng xoáy hoặc kiểu từ trở.
Loại cảm biến này phù hợp nhất cho ứng dụng với P <<>(với vùng áp suất thấp). Trong cảm biến áp suất kiểu dòng xoáy (hình 2), từ thông tần số cao được đưa vào bằng hai cuộn cảm vào trong một bia dẫn phi từ. Bia này gắn với một màng dao động khi áp suất thay đổi. Sự khác nhau về cảm ứng từ giữa hai cuộn cảm sẽ quyết định vị trí của màng ngăn và do đó sẽ xác định được áp suất vi sai. Mạch điện tử tích hợp sẽ chuyển thay đổi thành tín hiệu được bù nhiệt ở lối ra.
Cảm biến loại này vì thế thường được sử dụng ở những ứng dụng có điện thế cao với áp suất vi sai <2,5>
Cảm biến áp suất trên vật liệu biến dạng
Hình 3: Cảm biến áp suất kiểu phân tử biến dạng.
Công nghệ cảm biến áp suất trên kểu phân từ biến dạng dán (Strain Gauge – S.G) đã có từ gần 50 năm và vẫn được nhiều nhà sản xuất chế tạo. Vì phần tử biến dạng được gắn trực tiếp lên mang dao động nên nếu ta tăng bề dầy màng thì có thể làm tăng khoảng đo áp suất. Hãy tưởng tượng, chỉ một lá kim loại đã có thể đo được áp suất lên tới 690 bar. Vì phần tử biến dạng được gắn trực tiếp lên màng dao động do đó chúng ta không cần cách ly màng, cũng không cần dùng dầu cách ly. Cảm biến vì thế mà rất bền về mặt cơ học trong những môi trường bào mòn dễ làm rách phần tiếp xúc giữa phần tử biến dạng với màng dao động. Đó cũng là hai ưu điểm chính của loại cảm biến này (hình 3) so với những công nghệ cảm biến áp suất khác.
Tuy vậy, cảm biến loại này có độ chính xác tương đối khiêm tốn và tuổi thọ của cảm biến không được tốt vì phần tử biến dạng được gắn trên màng. Điều này cũng làm hạn chế nhiệt độ làm việc của cảm biến. Loại cảm biến này rất phù hợp cho các ứng dụng thủy lực do thời gian đáp ứng của màng dao động tương đối thấp. Với dòng sản phẩm này, chúng ta có thể tìm được những loại cảm biến với giá cả hợp lý.
Cảm biến áp suất dựa trên công nghệ màng mỏng
Hình 4: Cảm biến áp suất trên cở công nghệ màng mỏng.
Cảm biến loại này (hình 4) chứa đựng trong nó mọi ưu điểm của cảm biến áp suất kiểu phân tử biến dạng dán và cộng với khả năng hoạt động ổn định rất cao. Loại cảm biến này thường được chế tạo bằng việc phun xạ phần tử biến dạng lên trên chất liệu cách điện. Màng dao động trongcảm biến phải được làm bằng kim loại cứng với hằng số lò xo cao như thép không gỉ 17-4 pH. Màng cảm biến tuy khối lượng tương đối cao nhưng điều này không làm hạn chế thời gian đáp ứng của cam biến. Công nghệ phun xạ hay công nghệ màng mỏng cho phép chế tạo các cảm biến áp suất dùng nhiều năm mà không phải lo lắng gì ở những điều kiện môi trường tương đối khắc nghiệt.
Cảm biến áp suất kiểu áp điện trở trên vật liệu silic (hình 5)
Hình 5: Cảm biến áp suất kiểu áp điện trở.
Có lợi thế vốn dĩ khi thiết kế và chế tạo là độ chính xác tĩnh. Loại cảm biến này cũng có thời gian hoạt động rất dài.
Thành phần áp điện trở được chế tạo bằng cách khuếch tán 4 điện trở vào trong tấm silicon đơn tinh thể với cấu hình có thể thay đổi được và phụ thuộc vào sự thay đổi áp suất cũng như khoảng đó. Mạch đo dùng cho loại này thường là mạch cầu Wheatstone. Sự thông dụng của mạch cầu Wheatstone là ở chỗ nó chuyển đổi sự thay đổi điện trở đo biến dạng thành sự thay đổi về điện thế. Từ đó chúng ta có thể đo đạc một cách trực tiếp và chính xác tín hiệu với một thiết bị đơn giản.
Trong sản xuất hàng loạt, cảm biến áp suất trên cơ sở áp điện trở là một trong những công nghệ được lợi nhất về giá thành. Màng dao động được chế tạo trên silicon làm giảm độ nhạy do dao động gây ra.
Tham khảo
http://www.cen.eu – Uỷ ban về Tiêu chuẩn châu Âu
http://www.ansi.org – Viện tiêu chuẩn Quốc gia Mỹ
http://www.vsqc.org.vn – Trung tâm Tiêu chuẩn Chất lượng Việt Nam, thuộc Tổng cục TC ĐLCL Việt Nam
Tác giả:
Mai Anh Tuan, Ph.D
Microelectronics and Sensors Technology Laboratory
International Training Institute for Materials Science (ITIMS)
Ha Noi University of Technology
[Theo Tạp chí Tự Động Hóa Ngày Nay]
Đây là bộ mã hóa có tốc độ cao và modun đếm sử dụng với bộ điều khiển tự động hóa khả trình ADAM-5550 series. ADAM-5081 có độ cô lập cao 2.500 VDC, một mode tần số cao (5 Hz ~ 1 MHz), và một mã đếm 1 MHz. Ngoài ra còn có một bộ lọc số tiên tiến chống ồn và nhiễu (1 ~ 65000ì giây) đảm bảo thu thập và truyền dữ liệu chính xác. 
