Cảm biến chuyển hiện tượng vật lý thành dữ liệu thế nào?

Trong một chuỗi đo hoàn chỉnh, tín hiệu thô còn có thể được khuếch đại, lọc hoặc tuyến tính hóa trước khi bộ chuyển đổi tương tự–số (ADC) lấy mẫu và lượng tử hóa nó thành mã số. Cuối cùng, hệ thống dùng hàm hiệu chuẩn để đổi mã số đó về đơn vị vật lý như °C, Pa, lux hoặc m/s². Ở cảm biến số, nhiều khâu có thể nằm chung trong một chip, nhưng logic vật lý của chuỗi chuyển đổi vẫn tồn tại.

Cảm biến là phần tử biến đại lượng vật lý thành tín hiệu đo

Trong từ vựng đo lường quốc tế, measurand là đại lượng được dự định đo. Cảm biến là phần tử phản ứng với measurand và tạo ra đầu ra có quan hệ xác định với nó. Measurand có thể là nhiệt độ, áp suất, lực, ánh sáng, gia tốc, độ ẩm hoặc một đại lượng khác; điểm quan trọng là cảm biến biến sự thay đổi vật lý thành một thay đổi mà hệ đo có thể quan sát.

Đầu ra của cảm biến chưa nhất thiết là “dữ liệu số” và cũng không nhất thiết là điện áp. Thông tin về measurand có thể nằm trong điện trở, điện dung, dòng điện, điện tích, tần số hoặc một đại lượng điện khác. Vì vậy, khi xem một cảm biến, câu hỏi kỹ thuật đầu tiên là: measurand là gì và đại lượng đầu ra nào đang mang thông tin về nó?

Trong thực tế, từ “cảm biến” đôi khi chỉ phần tử cảm nhận, đôi khi lại chỉ cả module đã tích hợp khuếch đại, ADC và giao tiếp số. Hai cách gọi này không mâu thuẫn, nhưng cần phân biệt để hiểu đúng nơi tín hiệu được biến thành dữ liệu. Nếu module xuất I²C hoặc SPI, dữ liệu số đã được tạo bên trong module; nếu phần tử chỉ đổi điện trở hay điện dung, các khâu đọc và số hóa vẫn nằm ở mạch bên ngoài.

Từ hiện tượng vật lý đến dữ liệu có những bước nào?

Một phép đo điện tử có thể được hiểu như chuỗi biến đổi liên tiếp. Mỗi khâu giữ một nhiệm vụ riêng, và sai lệch ở bất kỳ khâu nào cũng có thể ảnh hưởng đến giá trị cuối cùng.

1.    Đại lượng vật lý tác động lên phần tử cảm nhận: nhiệt độ làm thay đổi tính chất vật liệu, lực gây biến dạng, ánh sáng tạo hạt tải điện hoặc gia tốc làm dịch chuyển một khối lượng vi cơ

2.    Phần tử cảm nhận tạo ra đại lượng điện trung gian: thay đổi đó xuất hiện dưới dạng điện trở, điện dung, điện áp, dòng điện, điện tích hoặc tần số

3.    Mạch đọc biến đại lượng trung gian thành tín hiệu phù hợp: ví dụ cấp dòng kích cho cảm biến điện trở, dùng cầu đo cho strain gauge hoặc bộ khuếch đại chuyển dòng thành điện áp cho photodiode

4.    Điều hòa tín hiệu giới hạn nhiễu và đưa biên độ về dải làm việc: tín hiệu có thể được khuếch đại, lọc, bù offset hoặc tuyến tính hóa

5.    ADC lấy mẫu và lượng tử hóa tín hiệu tương tự: mỗi mẫu được gán vào một mã số hữu hạn

6.    Hiệu chuẩn ánh xạ mã số sang đơn vị vật lý: phần mềm hoặc mạch số dùng hệ số, đường cong hoặc bảng tra để cho ra giá trị như 23,6 °C hay 101,2 kPa

Không phải thiết bị nào cũng tách sáu khâu thành sáu linh kiện. Một cảm biến nhiệt độ số có thể chứa phần tử cảm nhận, mạch analog, ADC và khối hiệu chuẩn trong cùng IC. Ngược lại, một strain gauge thụ động có thể chỉ cung cấp thay đổi điện trở rất nhỏ và cần gần như toàn bộ chuỗi xử lý ở bên ngoài. Nhìn theo chuỗi này giúp xác định lỗi đang phát sinh ở phần tử cảm nhận, mạch analog, ADC hay bước hiệu chuẩn thay vì quy mọi sai lệch cho “cảm biến”.

Phần tử cảm nhận biến đổi đại lượng vật lý bằng cơ chế nào?

Bản chất của transduction là tạo một quan hệ lặp lại được giữa measurand và một đại lượng điện có thể đo. Không có một cơ chế duy nhất cho mọi cảm biến; vật liệu và cấu trúc khác nhau được chọn vì chúng phản ứng khác nhau với nhiệt, ánh sáng, lực hoặc chuyển động.

Điện trở hoặc điện dung thay đổi theo measurand

Ở cảm biến điện trở, đại lượng vật lý làm thay đổi điện trở của phần tử. Thermistor thay đổi điện trở theo nhiệt độ; strain gauge thay đổi điện trở khi bị kéo hoặc nén. Mạch đọc thường cấp một dòng hoặc điện áp kích thích rồi suy ra điện trở từ điện áp, dòng điện hay mất cân bằng của cầu đo.

Cảm biến điện dung dùng thay đổi khoảng cách, diện tích chồng lấp hoặc hằng số điện môi để làm thay đổi điện dung. Vì điện dung không tự biến thành một con số, mạch đọc phải đo thời gian nạp, tần số dao động hoặc đáp ứng của mạch kích AC. Cơ chế này cho thấy một cảm biến có thể “mang thông tin” trong một tham số mạch chứ không phải trong điện áp DC trực tiếp.

Hiệu ứng vật lý tạo ra điện áp, dòng hoặc điện tích

Một số phần tử tạo tín hiệu điện trực tiếp khi chịu kích thích. Photodiode tạo dòng quang điện khi photon tạo cặp hạt tải trong vùng tiếp giáp; dòng này có thể được đổi thành điện áp bằng bộ khuếch đại transimpedance. Cặp nhiệt điện tạo sức điện động phụ thuộc chênh lệch nhiệt độ giữa các mối nối, nên phép đo còn cần biết hoặc bù nhiệt độ mối nối tham chiếu.

Vật liệu piezoelectric tạo điện tích khi chịu ứng suất thay đổi, rất hữu ích cho rung động và lực động. Tuy nhiên, do điện tích bị rò qua trở kháng hữu hạn của vật liệu và mạch đo, nhiều cảm biến piezoelectric không phù hợp để giữ một phép đo lực tĩnh trong thời gian dài. Đây là ví dụ cho thấy cơ chế chuyển đổi vừa tạo tín hiệu vừa đặt ra giới hạn sử dụng.

MEMS biến chuyển động cơ học thành biến thiên điện

Trong cảm biến gia tốc MEMS phổ biến, một khối lượng vi cơ treo trên các phần tử đàn hồi dịch chuyển khi có gia tốc. Dịch chuyển làm thay đổi các điện dung vi sai; mạch analog đọc sự mất cân bằng này rồi suy ra gia tốc. Một hệ MEMS có thể tích hợp thêm vòng phản hồi để giữ khối lượng gần vị trí cân bằng và dùng tín hiệu phản hồi làm đại lượng đo.

Điểm chung của các cơ chế trên không phải loại tín hiệu cụ thể mà là hàm truyền: mỗi measurand tạo một thay đổi đầu ra theo quan hệ xác định trong một dải làm việc. Khi quan hệ này phi tuyến, phụ thuộc nhiệt độ hoặc có hysteresis, bước hiệu chuẩn phải mô tả các đặc tính đó nếu muốn dữ liệu cuối cùng phản ánh đúng đại lượng vật lý.

Vì sao tín hiệu cảm biến phải được điều hòa trước khi số hóa?

Tín hiệu thô thường không phù hợp trực tiếp với ADC. Biên độ có thể quá nhỏ so với dải vào của ADC, có offset lớn, chứa nhiễu ngoài dải cần đo hoặc xuất hiện dưới dạng điện trở, dòng điện hay điện tích thay vì điện áp. Mạch điều hòa tín hiệu biến đầu ra đó thành tín hiệu mà ADC có thể lấy mẫu với dải động hữu ích.

Khuếch đại giúp tận dụng dải đầu vào của ADC. Nếu một tín hiệu hữu ích chỉ dao động vài millivolt nhưng ADC nhận được đến vài volt, đưa tín hiệu qua bộ khuếch đại phù hợp sẽ dùng nhiều mã ADC hơn cho phần thông tin cần đo. Tuy nhiên, khuếch đại cũng khuếch đại nhiễu và có thể gây bão hòa nếu offset hoặc xung nhiễu vượt dự kiến; nó không thể khôi phục thông tin đã bị chìm dưới nhiễu ngay từ phần tử cảm nhận.

Lọc analog đặc biệt quan trọng trước khi lấy mẫu. Theo điều kiện lấy mẫu Nyquist–Shannon đối với tín hiệu giới hạn băng lý tưởng, tần số lấy mẫu phải lớn hơn hai lần thành phần tần số cao nhất cần tái tạo. Thành phần nằm cao hơn nửa tần số lấy mẫu có thể bị “gập” xuống dải thấp sau lấy mẫu, tạo alias mà xử lý số phía sau không thể phân biệt với tín hiệu thật. Vì vậy, hệ đo thực tế thường dùng bộ lọc chống alias trước ADC và chừa khoảng chuyển tiếp thay vì chỉ dựa vào tỷ lệ 2× đúng sát lý thuyết.

Điều hòa tín hiệu còn có thể gồm cấp nguồn kích ổn định, cầu đo, chuyển dòng–áp, bù offset hoặc tuyến tính hóa analog. Mỗi thao tác đều có trade-off: lọc mạnh làm giảm nhiễu nhưng giảm băng thông, khuếch đại cao tăng độ phân giải theo mã nhưng giảm khoảng dự phòng trước bão hòa. Do đó, front-end phải được thiết kế theo cả biên độ lẫn băng thông của measurand.

ADC biến tín hiệu liên tục thành mã số ra sao?

ADC là điểm mà một tín hiệu analog liên tục về biên độ được biểu diễn bằng các mã số hữu hạn. Quá trình này gồm hai ý khác nhau: lấy mẫu quyết định khi nào quan sát tín hiệu, còn lượng tử hóa quyết định mức biên độ nào được gán cho mỗi mã.

Lấy mẫu xác định thời điểm quan sát tín hiệu

Mỗi lần lấy mẫu, ADC hoặc mạch sample-and-hold ghi lại biên độ tín hiệu tại một thời điểm. Chuỗi mẫu chỉ mô tả đúng biến thiên theo thời gian khi tốc độ lấy mẫu và bộ lọc đầu vào phù hợp với băng thông tín hiệu. Nếu một thành phần 12 kHz đi vào hệ thống lấy mẫu 10 kS/s mà không được lọc, nó không thể được biểu diễn đúng như dao động 12 kHz; trong dải cơ sở nó có thể xuất hiện như thành phần 2 kHz do aliasing.

Vì thế, sample rate không được chọn chỉ vì ADC “có thể chạy nhanh”. Nó phải xuất phát từ tốc độ thay đổi của measurand, băng thông cảm biến, đặc tính bộ lọc và lượng dữ liệu mà hệ thống có thể xử lý.

Lượng tử hóa biến biên độ thành mã hữu hạn

Một ADC N bit có 2^N mã. ADC 12 bit có 4.096 mã; với dải lý tưởng 0–3,3 V, một bước lượng tử tương ứng khoảng 3,3/4.096 ≈ 0,806 mV. Nếu ADC làm tròn về mức gần nhất, sai số lượng tử lý tưởng nằm khoảng ±0,5 LSB, tức khoảng ±0,403 mV trong ví dụ này.

Con số 12 bit chỉ mô tả độ phân giải mã lý tưởng, không đảm bảo độ chính xác 12 bit. Nhiễu đầu vào, sai số điện áp tham chiếu, offset, phi tuyến tích phân, nhiễu của ADC và front-end có thể làm số bit hữu dụng thấp hơn. Một ADC có nhiều bit nhưng tham chiếu không ổn định hoặc tín hiệu nhiễu vẫn có thể cho dữ liệu kém hơn một ADC ít bit hơn trong hệ đo được thiết kế tốt.

Sau bước lượng tử hóa, hệ thống đã có mã số để xử lý, lưu trữ hoặc truyền đi. Nhưng mã như 2.731 chưa tự nói lên nhiệt độ hay áp suất; nó chỉ có ý nghĩa vật lý khi biết dải điện, hàm truyền của cảm biến và phép hiệu chuẩn tương ứng.

Hiệu chuẩn và sai số quyết định dữ liệu đo đáng tin đến đâu?

Hiệu chuẩn nối mã điện tử với đại lượng vật lý. Trong vùng gần tuyến tính, hệ thống có thể dùng quan hệ dạng y = a·x b, trong đó x là mã hoặc điện áp đo được, còn a và b được xác định từ các điểm tham chiếu. Với cảm biến phi tuyến, quan hệ có thể là đa thức, bảng tra hoặc mô hình riêng của nhà sản xuất.

Hiệu chuẩn không xóa mọi sai số. Nó chủ yếu xác định và bù các sai lệch có tính hệ thống mà mô hình hiệu chuẩn quan sát được, chẳng hạn offset hoặc sai số hệ số khuếch đại. Nhiễu ngẫu nhiên, drift theo thời gian, hysteresis, tự nung nóng, ảnh hưởng chéo của nhiệt độ, sai số nguồn tham chiếu và giới hạn ADC vẫn có thể làm kết quả thay đổi. Nếu cảm biến được dùng ngoài dải hiệu chuẩn hoặc trong điều kiện môi trường khác đáng kể, phép ánh xạ cũ có thể không còn đạt độ chính xác mong muốn.

Do đó, chất lượng một giá trị đo là kết quả của toàn chuỗi chứ không chỉ của phần tử cảm nhận. Dải đo của cảm biến phải phù hợp với measurand; front-end không được bão hòa; băng thông và sample rate phải phù hợp với động học tín hiệu; ADC cần đủ độ phân giải hữu dụng; hiệu chuẩn phải bao phủ điều kiện vận hành quan trọng. Khi một trong các điều kiện này không đạt, việc tăng số bit ADC hoặc xử lý số nhiều hơn không thể tự động phục hồi thông tin đã mất.

Cách đọc dữ liệu cảm biến hợp lý là xem nó như một ước lượng có điều kiện: giá trị đi kèm dải đo, độ phân giải, độ chính xác hoặc độ không đảm bảo, băng thông, điều kiện hiệu chuẩn và môi trường sử dụng. “Dữ liệu số” chỉ là hình thức biểu diễn; độ tin cậy đến từ việc quan hệ giữa hiện tượng vật lý và con số được kiểm soát xuyên suốt chuỗi đo.

Cảm biến là cửa ngõ vật lý của một phép đo: measurand làm thay đổi phần tử cảm nhận, sự thay đổi đó được biểu diễn bằng một đại lượng điện, rồi tín hiệu được điều hòa, lấy mẫu, lượng tử hóa và hiệu chuẩn thành giá trị có đơn vị. Vì vậy, con số cuối cùng không chỉ phụ thuộc vào bản thân cảm biến mà còn phụ thuộc mạch đọc, nhiễu, băng thông, ADC, nguồn tham chiếu và mô hình hiệu chuẩn. Hiểu chuỗi này giúp phân biệt rõ “có tín hiệu”, “có dữ liệu số” và “có một phép đo đáng tin cậy” là ba mức hoàn toàn khác nhau.