Cơ sở đo lường và điều khiển số

Cơ sở đo lường và điều khiển số Chương 2 Cảm biến TS Phạm Duy Hưng Khoa Điện tử Viễn thông, Trường ĐH Công nghệ ĐHQGHN Email hungpdvnu edu vn mailto hungpdvnu edu vn Nội dung chương 2 1 Tổng quan 1 1 Khái niệm 1 2 Đặc tính của cảm biên 1 3 Hiệu chuẩn cảm biến 2 Các loại cảm biến thông dụng 3 Ứng dụng và xu hướng 1 Tổng quan 1 1 Khái niệm • Cảm biến (Sensor)Bộ chuyển đổi (Transducer) là phương tiện (thiết bị) đo lường thực hiện biến đổi tín hiệu ở đầu vào thành tín hiệu ra thuận lợi cho việc b.

Chương Cảm biến TS Phạm Duy Hưng Khoa Điện tử - Viễn thông, Trường ĐH Công nghệ - ĐHQGHN Email: hungpd@vnu.edu.vn Nội dung chương Tổng quan 1.1 Khái niệm 1.2 Đặc tính cảm biên 1.3 Hiệu chuẩn cảm biến Các loại cảm biến thông dụng Ứng dụng xu hướng Tổng quan 1.1 Khái niệm • Cảm biến (Sensor)/Bộ chuyển đổi (Transducer): phương tiện (thiết bị) đo lường thực biến đổi tín hiệu đầu vào thành tín hiệu thuận lợi cho việc biến đổi truyền đạt, gia cơng thiết bị tính tốn lưu giữ số liệu ✓Cảm biến coi mạch cửa, tín hiệu hàm số tín hiệu vào ✓Có độ xác theo mơ hình mạch điện x(t) W(t) y(t) x(t): đại lượng vào y(t): đại lượng W(t): hàm truyền đạt Tổng quan 1.2 Đặc tính cảm biến • Đặc tính tĩnh (Static characteristic) ✓ Dạng tín hiệu đầu (Output signal form): Yêu cầu: ADC (Analog-to-Digital Converter) Dạng xung/số Tổng quan 1.2 Đặc tính cảm biến • Đặc tính tĩnh (Static characteristic) ✓ Sai số (Error): Error=Giá trị đo – Giá trị ✓ Khoảng đo (span): hiệu giá trị đo lớn nhỏ Span=Giới hạn dải đo – Giới hạn dải đo ✓ Độ phân giải (Resolution): gia số nhỏ lối Average Resolution 𝟏𝟎𝟎% (%)= , 𝑵 (với N tổng số bước khoảng đo; 100 tương ứng với khoảng đo chuẩn hóa) ✓ Độ nhạy (Sensitivity): tỷ số độ thay đổi đầu so với độ thay đổi tín hiệu vào 𝑲𝒉𝒐ả𝒏𝒈 𝒈𝒊á 𝒕𝒓ị 𝒍ố𝒊 𝒓𝒂 𝒕ươ𝒏𝒈 ứ𝒏𝒈 𝒗ớ𝒊 𝑺𝒑𝒂𝒏 Sensitivity= 𝑺𝒑𝒂𝒏 Ví dụ • Một chiết áp cuộn dây có 1200 vịng dùng để đo vị trí trục quay phạm vi dải từ -120 đến 120 độ Điện áp lối đầu đo dải 0-20V Tìm khoảng đo (Span), độ nhạy (Sensitivity), độ phân giải (Resolution) theo % V thang đo • Lời giải: ✓ Khoảng đo (Span) = 120𝑜 − −120𝑜 = 240𝑜 𝑉 −𝑉 20−0 ✓ Độ nhạy (sensitivity) = 𝑚𝑎𝑥 𝑚𝑖𝑛 = 𝑜 = 0.0833 ✓ Độ phân giải (theo ✓ Độ phân giải (theo 𝑆𝑝𝑎𝑛 240 100% %) = = 0.0833% 1200 20𝑉 V) = = 0.01667𝑉 1200 𝑉 độ Tổng quan 1.2 Đặc tính cảm biến • Đặc tính tĩnh (Static characteristic) ✓ Khả lặp lại (Repeatability): khả lặp lại giá trị đo điều kiện đo cụ thể => Độ phân tán giá trị đo số phép đo (Độ lệch chuẩn) Ví dụ • Thiết bị đo tốc độ (Tachogenerator) có lối (output) tỷ lệ với tốc độ Hệ số tỷ lệ 5V/1000 rpm dải 0-5000 rmp với độ xác 0.5% tồn thang (full scale) Tìm giá trị tốc độ lối 21V Xác định dải vận tốc đo với độ xác phép đo cho Ví dụ (Giải) • Xác định điện áp cực đại: 𝑉𝑚𝑎𝑥 = 𝑛𝑚𝑎𝑥 ∗ 𝐺 ✓ 𝑛𝑀𝑎𝑥 tốc độ cực đại: 𝑛𝑚𝑎𝑥 = 5000𝑟𝑝𝑚 ✓ G độ nhạy thiết bị đo vận tốc (V/rpm): G=5V/1000rpm 5𝑉 → 𝑉𝑚𝑎𝑥 = 5000𝑟𝑝𝑚 ∗ = 25𝑉 1000𝑟𝑝𝑚 • Tìm vận tốc đúng/lý tưởng 𝑉𝑜𝑢𝑡 = 21𝑉 ✓ 𝑛𝑖𝑑𝑒𝑎𝑙 = 𝑉𝑜𝑢𝑡 𝐺 = 21𝑉 5𝑉/1000𝑟𝑝𝑚 = 21𝑉 0.005𝑉/𝑟𝑝𝑚 = 4200𝑟𝑝𝑚 ✓Độ xác toàn thang: ±0.5%= ±0.005 5000 = ±25𝑟𝑝𝑚 ✓Dải tốc độ với độ xác ±0.5% 4200+25=4225rpm 4200-25=4175rpm Tổng quan 1.2 Đặc tính cảm biến • Đặc tính động (Dynamic Characteristics): biến thiên theo thời gian-> phân tích đáp ứng cảm biến với số dạng kích thích ✓ Hàm truyền (biến đổi Laplace): 𝑌(𝑠) 𝑋(𝑠) = 𝐺 𝑑𝑦 (cảm biến bậc 1: 𝑎1 1+𝜏𝑠 𝑑𝑡 + 𝑎𝑜 𝑦 𝑡 = 𝑥(𝑡)) o Y(s): lối vào o X(s): lối o G: hệ số ổn định o 𝜏: số thời gian ✓ Với kích thích lối vào xung nhẩy bậc đơn vị (unit step): 𝑋 𝑠 = ✓ Đáp ứng nhẩy bậc đơn vị: 𝑌 𝑠 = 𝐾𝐺 𝑠(1+𝜏𝑠) 𝐾 (K độ lớn bước nhẩy) 𝑠 Các loại cảm biến 2.4 Cảm biến đo mức • Đo mức gián tiếp: ✓ Đo áp suất: đo áp suất tĩnh đáy bình chứa, mức ngoại suy từ áp suất khối lượng riêng chất lỏng: Áp suất 𝑃 = 𝛾 ∗ ℎ với 𝛾 khối lượng riêng; h độ sâu Lưu ý khối lượng riêng phụ thuộc nhiệt độ vậy, việc sửa lỗi nhiệt độ cần thiết o Ví dụ: Thước đo áp suất đặt đế bình mở, chứa chất lỏng có khối lượng riêng 13,6kN/m3, áp suất đo 1.27MPa Hỏi độ sâu chất lỏng bình o Lời giải: 𝑃 = 𝛾 ∗ ℎ → ℎ = 𝑃 𝛾 = 1.27𝑀𝑃𝑎 13.6𝑘𝑁 𝑚3 = 93,4𝑚 ✓ Bộ dịch chuyển (displacer) gắn cảm biến lực: lực lên vật thể F thay đổi thay đổi mức chất lỏng Máy đo lực đo trọng lượng dư thừa dịch chuyển: Trọng lượng cảm biến lực = Trọng lượng dịch chuyển (w)-F Các loại cảm biến 2.4 Cảm biến đo mức • Đo mức gián tiếp: ✓ Thiết bị tạo bọt khí (Bubbler devices): khí từ điều chỉnh áp suất qua ống điều chỉnh lưu lượng, đầu mở đáy bình chứa Áp suất cần thiết để ép chất lỏng khỏi ống áp suất cuối ống gây chất lỏng ✓ Băng điện trở (Resistive tapes): Phần tử điện trở đặt gần miếng dẫn điện thiết bị bị nén, vỏ bọc không dẫn điện Áp suất chất lỏng đẩy miếng dẫn điện làm rút ngắn chiều dài phần tử điện trở, chiều dài tỷ lệ với độ sâu chất lỏng ✓ Cảm biến tải trọng (load cells): đo trọng lượng bồn chứa chất chứa Các loại cảm biến 2.5 Cảm biến đo độ ẩm • Độ ẩm (Humidity): lượng nước tương đối có khơng khí • Độ ẩm tương đối (Relative humidity) tính bởi: 𝐿ượng nước có thể tích khí x100 Độ ẩ𝑚 𝑡ươ𝑛𝑔 đố𝑖(𝜙) = 𝐿ượ𝑛𝑔 ℎơ𝑖 𝑛ướ𝑐 𝑡ố𝑖 đ𝑎 𝑡𝑟𝑜𝑛𝑔 𝑐ù𝑛𝑔 𝑡ℎể 𝑡í𝑐ℎ, á𝑝 𝑠𝑢ấ𝑡 𝑃 𝑣à 𝑛ℎ𝑖ệ𝑡 độ 𝑇 • Bão hịa (saturation): Lượng nước tối đa hịa tan hay hấp thụ khí/khơng khí nhiệt độ áp suất định • Độ ẩm tuyệt đối (Absolute humidity): 𝐾ℎố𝑖 𝑙ượ𝑛𝑔 ℎơ𝑖 𝑛ướ𝑐 𝑡𝑟𝑜𝑛𝑔 ℎỗ𝑛 ℎợ𝑝 0.622𝑃(ℎơ𝑖 𝑛ướ𝑐) 0.622𝑃(ℎơ𝑖 𝑛ướ𝑐) 𝑇ỷ 𝑙ệ độ ẩ𝑚 = = = 𝑃(𝑘ℎí) 𝐾ℎố𝑖 𝑙ượ𝑛𝑔 𝑘ℎí 𝑘ℎơ 𝑡𝑟𝑜𝑛𝑔 ℎỗ𝑛 ℎợ𝑝 𝑃 ℎỗ𝑛 ℎợ𝑝 − 𝑃(ℎơ𝑖 𝑛ướ𝑐) Ví dụ nước khí quyển: ✓ Các đám mây đen bão: chứa 10g/m3 nước => Cỡ 100.000 nước/dặm vng (2.59km2) đám mây có độ cao 10.000 ft (~3000m) ✓ Các đám mây mật độ trung bình chứa 0,8g/m3 nước ✓ Mây mưa nhẹ chứa 0,2g/m3 nước ✓ Mây mù chưa 0,1g/m3 nước Các loại cảm biến 2.5 Cảm biến đo độ ẩm • Thiết bị đo độ ẩm: độ ẩm đo cách sử dụng vật liệu hấp thụ nước, tạo thay đổi đặc trưng chúng mà đo lường ✓ Ẩm kế Psychrometer: sử dụng phương pháp ẩn nhiệt bay (latent heat of vaporization) để xác định độ ẩm Nếu nhiệt độ khơng khí đo nhiệt kế bầu khô (dry buld thermometer) nhiệt kế bầu ướt (wet buld thermometer) hai giá trị nhiệt độ sử dụng để xác định độ ẩm tương đối thông qua tra biểu đồ trắc ẩm (Psychrometric chart) Các loại cảm biến 2.5 Cảm biến đo độ ẩm • Ẩm kế Hygrometer: đo độ ẩm tương đối cách đo gián tiếp độ ẩm cảm nhấn thay đổi thuộc tính vật lý, điện vật liệu độ ẩm thay đổi VD: số vật liệu gỗ thay đổi chiều dài hấp thụ nước ✓ Kiểu laminate (Laminate Hygrometer): Được làm cách gắn gỗ mỏng vào kim loại mỏng tạo thành laminate Tấm laminate uốn thành hình xoáy ốc, đầu cố định, đầu gắn với trỏ thang chia độ ẩm Khi độ ẩm thay đổi làm thay đổi chiều dài gỗ Sự thay đổi tỷ lệ với thay đổi độ ẩm ✓ Kiểu tóc (hair hygrometer): tóc người dài 3% độ ẩm thay đổi từ 0% đến 100% Sự thay đổi sử dụng để điều khiển trỏ thị thang đo Ẩm kế sử dụng kim loại/gỗ Ẩm kế sử dụng tóc ... khả lặp lại giá trị đo điều kiện đo cụ thể => Độ phân tán giá trị đo số phép đo (Độ lệch chuẩn) Ví dụ • Thiết bị đo tốc độ (Tachogenerator) có lối (output) tỷ lệ với tốc độ Hệ số tỷ lệ 5V/1000 rpm... xung /số Tổng quan 1.2 Đặc tính cảm biến • Đặc tính tĩnh (Static characteristic) ✓ Sai số (Error): Error=Giá trị đo – Giá trị ✓ Khoảng đo (span): hiệu giá trị đo lớn nhỏ Span=Giới hạn dải đo –... hạn dải đo ✓ Độ phân giải (Resolution): gia số nhỏ lối Average Resolution