Linearity (độ tuyến tính của cảm biến, sai số tuyến tính của cảm biến) là yếu tố quyết định khả năng đo chính xác của cảm biến ở mọi điểm trong dải, chứ không phải chỉ chính xác tại vài điểm hiệu chuẩn. Nếu bạn thắc mắc tại sao có những cảm biến có cùng dải đo, cùng độ chính xác nhưng giá thành lại chênh lệch đáng kể thì câu trả lời có thể nằm ở chính thông số linearity này.
LINEARITY (ĐỘ TUYẾN TÍNH CỦA CẢM BIẾN) LÀ GÌ?
Độ tuyến tính của cảm biến (linearity) là mức độ mà đường cong đặc tính đầu ra thực tế của cảm biến bám sát một đường thẳng lý tưởng trong toàn bộ dải đo.
Một cảm biến chất lượng sẽ có tín hiệu đầu ra thay đổi tỷ lệ thuận tuyệt đối với sự thay đổi của đại lượng vật lý đầu vào. Ví dụ, áp suất tăng gấp đôi thì tín hiệu dòng điện/điện áp đầu ra cũng tăng đúng gấp đôi ở mọi điểm đo.
Trên thực tế, không có một cảm biến nào đạt được sự hoàn hảo này mà luôn tồn tại một độ lệch nhất định giữa đường đặc tính thực và đường thẳng tham chiếu - được gọi là sai số tuyến tính (linearity error hoặc non-linearity). Nguyên nhân chính là do giới hạn vật liệu, công nghệ chế tạo và đặc tính phần tử cảm biến.
Giá trị sai số tuyến tính càng nhỏ thì cảm biến càng tuyến tính - tức là càng dễ hiệu chuẩn và cho kết quả đo càng đáng tin cậy. Đây là lý do vì sao thông số độ tuyến tính của cảm biến có mối quan hệ mật thiết với độ chính xác của cảm biến (accuracy) và độ lặp lại của cảm biến (repeatability).
CÁCH TÍNH ĐỘ TUYẾN TÍNH CỦA CẢM BIẾN
Cách tính độ tuyến tính của cảm biến không đơn giản. Theo nguyên tắc thì cần đưa cảm biến qua nhiều điểm trong dải đo để ghi nhận giá trị đầu ra thực tế và so sánh với đường tham chiếu được quy định.
Công thức tính độ tuyến tính của cảm biến được dùng phổ biến:
Non-linearity (%) = Độ lệch lớn nhất / Full Scale × 100%
Trong đó: Độ lệch lớn nhất là khoảng cách lớn nhất giữa đặc tuyến thực tế và đường tham chiếu dùng để đánh giá Linearity.
Ví dụ: Một cảm biến nhiệt độ có dải đo 0-100°C, trong quá trình kiểm tra thì điểm đo có độ lệch lớn nhất 0,2°C so với đường tham chiếu. Khi đó áp dụng công thức: Non-linearity (%) = 0,2/100 × 100% = ±0,2% FS → Điều này nghĩa là độ lệch tuyến tính lớn nhất là khoảng ±0,2% Full Scale.
Lưu ý: Không phải mọi hãng sản xuất đều sử dụng cùng một đường tham chiếu để xác định độ tuyến tính của cảm biến. Vì vậy, không nên dùng một công thức rồi áp dụng cho mọi loại cảm biến, mà cần kiểm tra chính xác phương pháp đo và định nghĩa Linearity mà nhà sản xuất sử dụng.
Ý NGHĨA CON SỐ ĐỘ TUYẾN TÍNH CỦA CẢM BIẾN (LINEARITY) TRÊN DATASHEET
Khi datasheet của một cảm biến áp suất có dải đo 0 - 10 bar ghi "Linearity: ≤0.1% FSO" thì con số này nghĩa là tại bất kỳ điểm đo áp suất nào trong dải 0 - 10 bar, sai số do độ phi tuyến gây ra không quá 0.01 bar so với giá trị lý tưởng.
Đây là thông tin quan trọng mà người dùng cần biết, để đánh giá xem cảm biến có đáp ứng được yêu cầu kiểm soát của ứng dụng hay không. Độ tuyến tính của cảm biến đặc biệt quan trọng trong các ứng dụng đo lường có ngưỡng cảnh báo và điểm ngắt an toàn cài đặt sát giới hạn cho phép.
Độ tuyến tính của cảm biến/sai số tuyến tính của cảm biến càng nhỏ thì bộ điều khiển/PLC được kết nối trực tiếp sẽ không cần áp dụng thêm thuật toán bù trừ phi tuyến phức tạp. Điều này giúp đơn giản logic lập trình và giảm chi phí tích hợp hệ thống.
Ngược lại, nếu chọn cảm biến có sai số tuyến tính lớn thì dữ liệu đo ở vùng giữa dải có thể lệch đáng kể so với hai đầu dải. Từ đó dẫn đến sai lệch tích lũy trong các phép tính - đặc biệt là với phép đo lưu lượng, khối lượng, năng lượng.
CẢM BIẾN TUYẾN TÍNH VÀ PHI TUYẾN TÍNH KHÁC NHAU THẾ NÀO?
Cảm biến tuyến tính là cảm biến có quan hệ giữa đại lượng đầu vào và tín hiệu đầu ra gần với một đường tuyến tính trong phạm vi được nhà sản xuất xác định.
→ Ví dụ: Cảm biến áp nhiệt độ Pt100 có dải đo 0-100 độ C và ngõ ra 4 - 20mA, thì ở đó 4mA tương ứng 0 độ C và 20mA tương ứng 100 độ C.
Cảm biến phi tuyến tính là kiểu cảm biến mà tín hiệu đầu ra có thể thay đổi theo một đường cong thay vì quan hệ đường thẳng. Điều này phải là do thiết bị cảm biến đó không tốt hay có vấn đề. Mà đơn giản là nhiều loại cảm biến vốn có đặc tính vật lý phi tuyến và được thiết kế để hoạt động theo đường cong đó.
→ Ví dụ: Cảm biến nhiệt điện trở NTC có điện trở giảm khi nhiệt độ tăng, cảm biến lưu lượng kiểu chênh áp có quan hệ căn bậc hai giữa chênh áp và lưu lượng thực tế…
HƯỚNG DẪN LỰA CHỌN ĐỘ TUYẾN TÍNH CỦA CẢM BIẾN CHO TỪNG ỨNG DỤNG
Dưới đây là một số gợi ý chọn độ tuyến tính của cảm biến mà bạn có thể tham khảo để áp dụng cho nhu cầu ứng dụng của mình:
Đối với các ứng dụng đo lường trong công nghiệp, nơi mà các dữ liệu từ cảm biến được dùng để tính toán định lượng nguyên liệu trong sản xuất, kiểm soát nhiệt độ dây chuyền, kiểm soát áp suất trong hệ thống khí nén an toàn, giám sát lực trong thiết bị cân định lượng… thì người dùng nên ưu tiên các dòng cảm biến có độ tuyến tính dao động từ 0.1% - 0.25% FSO trở lên. Mức độ tuyến tính của cảm biến công nghiệp này có thể đảm bảo tính nhất quán của dữ liệu tại mọi điểm đo.
Đối với các ứng dụng đòi hỏi độ chính xác cao như phòng sạch, vực sản xuất dược phẩm, mỹ phẩm, điện tử, phòng thí nghiệm/hiệu chuẩn, đo lường trong ngành hàng không/y tế… thì sai số tuyến tính của cảm biến cần dưới mức 0.05% FSO để đảm bảo phản ánh đúng thực tế vận hành.
Để được tư vấn kỹ lưỡng hơn về độ tuyến tính của cảm biến, cách tính độ tuyến tính của cảm biến công nghiệp/dân dụng và sở hữu cảm biến có thông số linearity phù hợp với ứng dụng của mình, bạn đừng ngần ngại mà hãy liên hệ trực tiếp cho Sensors Việt Nam qua hotline 0911 660 660 hoặc truy cập website https://cambien.com.vn/ | https://www.sensors.vn/ để được tư vấn chi tiết và đặt hàng cảm biến tuyến tính/phi tuyến tính với giá ưu đãi ngay hôm nay!