Giáo trình đo lường cảm biến - Lê Chí Kiên

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LÊ CHÍ KIÊN GIÁO TRÌNH ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ******************* LÊ CHÍ KIÊN GIÁO TRÌNH NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LỜI NĨI ĐẦU Cảm biến thiết bị quan trọng thiếu hệ thống thu thập liệu điều khiển tự động, dây chuyền sản xuất công nghiệp, máy móc thiết bị v.v Với phát triển mạnh mẽ khoa học kỹ thuật công nghệ, cảm biến ngày trở nên hoàn thiện với độ nhạy ngày cao hơn, kích thước nhỏ hơn, nhiều lựa chọn với giá thành thấp Tuy nhiên, nguyên lý sở tảng thiết kế cảm biến không đổi thời đại chúng ứng dụng từ hiệu ứng qui luật tự nhiên Trong thời đại ngày này, vi xử lý, vi điều khiển phát triển mạnh mẽ sử dụng rộng rãi lĩnh vực máy tính, thiết bị nghe nhạc, điện thoại di động, dụng cụ dân dụng gia đình, máy móc thiết bị cơng nghiệp… Tất vi xử lý, vi điều khiển điều khiển hoạt động khơng có tín hiệu đưa từ cảm biến Nói cách cụ thể vi xử lý xử lý tín hiệu điện, hầu hết đại lượng vật lý xung quanh lại tín hiệu điện Như vậy, để vi xử lý hiểu điều khiển thiết bị theo mong muốn phải có cảm biến chuyển đổi đại lượng vật lý thành tín hiệu điện Cuốn sách nói cảm biến thơng dụng cơng nghiệp mô tả chi tiết cấu tạo nguyên lý hoạt động chúng Mặc dù có đề cập đến nhiều cảm biến đại, sách khơng thể nói hết tất loại cảm biến ứng dụng đa dạng chúng Tác giả mong muốn trình bày nguyên lý cảm biến thường gặp cho độc giả thuộc lĩnh vực điện công nghiệp, tự động hóa nhằm giúp ích việc chọn lựa, thiết kế, điều khiển hệ thống, thiết bị Cuốn sách gồm chương, chương có phần mục đích chương câu hỏi ơn tập nhằm mục đích hiểu nắm vững kiến thức yếu chương Chương giới thiệu tổng quát điều khiển tự động, số thông số cảm biến mạch ứng dụng Opamp Chương 2, 4, 5, 6, giới thiệu nguyên lý đo dịch chuyển, lực, áp suất, gia tốc, tốc độ quay, mức, lưu lượng, nhiệt độ Chương Chương trình bày cảm biến tiệm cận, cảm biến quang trở cảm biến siêu âm Cuốn sách soạn dựa đề cương chi tiết môn học Đo lường Cảm biến Tuy nhiên, trình độ tác giả có hạn nên chắn sách tránh khỏi thiếu sót Mọi đóng góp ý kiến sách, xin gửi địa chỉ: Khoa Điện-Điện Tử, Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP Hồ Chí Minh (Số 01 Võ Văn Ngân, Quận Thủ Đức, TP.HCM), điện thoại (08) 38960985, Email: kienlc@hcmute.edu.vn Xin chân thành cảm ơn TS LÊ CHÍ KIÊN GT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Chƣơng TỞNG QUAN MỤC ĐÍCH CHƢƠNG  Phân biệt khái niệm cảm biến chuyển đổi  Liệt kê ba bước trình tự điều khiển qui trình tự động cơng nghiệp  Thảo luận thành phần hệ thống điều khiển qui trình tự động  Hiểu khái niệm phương trình chuyển đổi  Phân biệt khái niệm độ xác Accuracy Precision thiết bị  Hiểu khái niệm sai số đo lường  Thảo luận cách phân loại cảm biến  Biết số hiệu ứng vật lý thông dụng ứng dụng làm nguyên lý cho cảm biến  Biết số ứng dụng Opamp mạch đo cảm biến CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN GT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN 1.1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN 1.1.1 Cảm biến hệ thống điều khiển  Cảm biến chuyển đổi Khi nói đến cảm biến, trước tiên cần phân biệt rõ khái niệm cảm biến (sensor) với khái niệm chuyển đổi (transducer) Bộ chuyển đổi phận chuyển đổi dạng lượng thành dạng lượng khác, cảm biến dùng hiệu ứng vật lý tự nhiên chuyển đổi trực tiếp dạng lượng thành lượng điện Điều có nghĩa khái niệm chuyển đổi có phạm vi rộng hơn, bao hàm khái niệm cảm biến, nhiên, cảm biến phức tạp lại có phận chuyển đổi phần tử cảm biến Ví dụ cảm biến hóa học có phận chuyển đổi lượng phản ứng hóa học thành nhiệt (bộ chuyển đổi), phận chuyển đổi nhiệt thành tín hiệu điện (phần tử cảm biến) Như vậy, cảm biến hóa học có cấu trúc gồm chuyển đổi cảm biến nhiệt độ để chuyển đổi lượng hóa học thành tín hiệu điện Cảm biến hóa học thuộc loại cảm biến phức tạp có cấu trúc minh họa hình 1.1, gồm có nhiều chuyển đổi kết hợp với phần tử cảm biến để biến đổi dạng lượng thành lượng điện Cảm biến Kích thích (Cần đo e1 Chuyển đ ổ i e2 Chuyển đ ổ i e3 Phần tử cảm biến Đ i lư ợ đ i ệ n g n ) Hình 1.1: Cấu trúc loại cảm biến phức hợp, e1, e2, e3 dạng lượng khác  Trình tự điều khiển qui trình tự động Trong mơi trường cơng nghiệp, có nhiều đại lượng vật lý quan trọng cần phải đo đạc kể đến như: áp suất, nhiệt độ, mức, lưu lượng, vị trí, dịch chuyển, kích thước, độ ẩm, lực, khối lượng…, ứng dụng quan trọng việc đo đạc đại lượng điều khiển qui trình (process control) Qui trình hiểu trình tự hoạt động thực để đạt kết cuối mong muốn Qui trình điều khiển người máy móc tự động, nhiên phạm vi tài liệu này, khái niệm điều khiển qui trình đề cập điều khiển hồn tồn tự động máy móc GT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Điều khiển qui trình cơng nghiệp định nghĩa cách xác việc giữ hồn toàn tự động đại lượng vật lý thiết yếu qui trình thay đổi phạm vi định trước Để làm điều này, trình điều khiển tự động nói chung cơng nghiệp chia thành nhiều bước, ba bước có trình tự mơ tả sau:  Bước 1: phận cảm biến đo giá trị đại lượng vật lý liên quan đến đầu qui trình chuyển đến phận trung tâm gọi điều khiển  Bước 2: điều khiển so sánh giá trị chuyển với giá trị định trước mà qui trình phải đạt gửi tín hiệu điều chỉnh đến phận thi hành gọi cấu chấp hành  Bước 3: phận thi hành thay đổi giá trị đại lượng vật lý qui trình cho phù hợp với mong muốn Ba bước ln ln lặp lại tạo thành vịng điều khiển khép kín để qui trình tự điều chỉnh hoạt động tự động cách hoàn tồn độc lập Trong chu trình điều khiển tự động trên, phận quan trọng cảm biến Cảm biến qui trình điều khiển tự động có vai trị khơng thể thiếu được, so sánh giống giác quan hoạt động người Việc so sánh minh họa cho hoạt động hệ thống điều khiển tự động điều khiển thao tác tay người thực trình bày phần Nư c v Hơi n ó v n l n h o Đo nhi Van ệ t đ ộ Nư g c n ó n g o r Bộ trao đ ổ i n h i ệ a t Hơi ngu ộ i r a Hình 1.2: Một hệ thống gia nhiệt nước đơn giản cơng nghiệp Hình 1.2 ví dụ sơ đồ hệ thống gia nhiệt cung cấp nước nóng đơn giản Nước lạnh từ đầu vào nung nóng đường ống chứa nóng thơng qua trao đổi nhiệt Nhiệt độ nước nóng đầu kiểm tra phận đo nhiệt độ, việc điều chỉnh nhiệt độ theo giá trị mong muốn thực thông qua van điều tiết lưu lượng dịng nóng vào trao đổi nhiệt CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN GT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN  Các thành phần hệ thống điều khiển qui trình Van Lưu lư ợ n Các trình trao đ g ổ i n h i ệ Nhiệt đ Nhiệt kế ộ t Ngư đ k i h ề i u ể i n Hình 1.3: Chu trình điều chỉnh nhiệt độ thao tác tay Sơ đồ hình 1.3 mơ tả việc điều chỉnh nhiệt độ thông qua thao tác tay Đầu tiên, người điều khiển quan sát đọc mắt giá trị nhiệt độ từ phận đo nhiệt độ (ví dụ nhiệt kế thủy ngân), từ người điều khiển định tăng hay giảm nhiệt độ điều chỉnh lưu lượng nóng vào tương ứng việc dùng tay xoay van mở thêm hay đóng bớt lại Như vậy, việc điều khiển nhiệt độ thông qua thao tác tay người điều khiển có nhiều nhược điểm đáp ứng chậm, phụ thuộc vào trình độ thao tác người điều khiển, sai số điều chỉnh nhiệt độ lớn sai số thị nhiệt kế thủy ngân cộng với sai số mắt người đọc, hệ thống phức tạp người điều khiển khó mà vừa quan sát vừa thi hành điều khiển… Do thực tế, hệ thống điều khiển hoàn toàn tự động sơ đồ hình 1.4 Để làm điều này, phận đo nhiệt độ phải cảm biến nhiệt độ để chuyển giá trị nhiệt độ thành tín hiệu điện đưa điều khiển Điều có nghĩa cảm biến nhiệt độ đóng vai trị tương đương với nhiệt kế + mắt người điều khiển, vai trò quan trọng tất hệ thống điều khiển tự động Van Cơ c chấp hành ấ u Trao đ Hơi ổ i ợ ề u h i ệ k n h g ệ Biến i ể ) n ( Bộ khiển ề u Đo nhi Cảm biến t Nư Biến kéo theo (Lưu lư Tín hiệu n N h i ề u ệ t c k đ h ộ i ể t n ) Tín hiệu đo Hình 1.4: Chu trình điều chỉnh nhiệt độ tự động đ ộ GT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Với sơ đồ hình 1.4, thành phần hệ thống điều khiển qui trình tự động tóm tắt là: cảm biến, điều khiển, cấu chấp hành Bộ điều khiển (controller) có nhiệm vụ nhận tín hiệu từ cảm biến xử lý tính tốn, so sánh, gia cơng… cuối xuất tín hiệu điều khiển tới cấu chấp hành Cơ cấu chấp hành (actuator) hiểu cách ngắn gọn phận có chức ngược lại với cảm biến, tức chuyển tín hiệu điện điều khiển thành dạng lượng khác (thông thường lượng điện) Trong ví dụ hệ thống gia nhiệt hình 1.2 cấu chấp hành van Một số ví dụ khác cấu chấp hành kể đến loa âm (chuyển đổi tín hiệu điện thành từ trường, chuyển thành rung động màng loa tạo sóng âm thanh), động điện (chuyển điện thành năng) Như vậy, thấy cấu chấp hành thực tế xem loại chuyển đổi  Các loại biến số qui trình Thơng qua ví dụ hệ thống hình 1.2 trên, số khái niệm biến số đại lượng vật lý nảy sinh cần xác định phân biệt rõ ràng Trong hệ thống điều khiển nói chung công nghiệp, biến số đại lượng vật lý qui trình chia thành ba loại: biến đo (measured variable), biến điều khiển (controlled variable), biến kéo theo (manipulated variable) Khái niệm biến đo đại lượng cần đo phát cảm biến Vì thế, biến đo thị trạng thái đầu qui trình Biến điều khiển biến số đại lượng vật lý mà hệ thống điều khiển qui trình cài đặt để điều khiển, hay nói cách khác đối tượng điều khiển trực tiếp hệ thống điều khiển qui trình Trong đại đa số trường hợp, biến điều khiển biến đo ngoại trừ trường hợp biến đo dùng để hiển thị truyền nơi khác không dùng để điều khiển tự động Biến kéo theo hiểu cách ngắn gọn biến số trực tiếp điểu khiển cấu chấp hành Điều dễ gây nhầm lẫn biến điều khiển biến kéo theo mặt lý thuyết hệ thống tất biến bị điều khiển Trong sơ đồ hình 1.4 biến điều khiển nhiệt độ nước nóng cịn biến kéo theo lưu lượng dịng nóng vào 1.1.2 Cấu trúc mạch cảm biến Trong ứng dụng đơn giản, cấu trúc mạch điện cảm biến thường bao gồm ba thành phần biểu diễn hình 1.5 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN GT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN  Cảm biến: phận có chức thu nhận kích thích đại lượng cần đo (thường đại lượng không điện) chuyển đổi thành tín hiệu điện (dịng điện điện áp) tương ứng Tín hiệu điện xuất từ cảm biến mang thông tin diện đại lượng cần đo mà cho biết độ lớn tương ứng  Mạch đo: phận xử lý tín hiệu điện từ ngõ cảm biến cho phù hợp với ngõ vào cấu thị Thơng thường mạch đo có chức khuyếch đại, lọc nhiễu, phối hợp trở kháng, kết hợp với vi xử lý/vi điều khiển để giao tiếp máy tính, hiển thị…  Cơ cấu thị: phận thị kết đo dạng kim, số, hình điện tử… Đ i lư c ợ ầ n đ n Đ i lư g ợ n g o đ (Không Cảm biến i ệ n Mạch đo Cơ c c ệ n h ỉ t ấ u h ị ) Hình 1.5: Sơ đồ khối thiết bị đo cảm biến 1.1.3 Phƣơng trin ̀ h chuyể n đổ i Phương trình chuyển đổi (transfer function) cảm biến biểu thức toán học nêu lên mối quan hệ đại lượng không điện cần đo ngõ vào đại lượng điện ngõ cảm biến theo quan hệ hàm đơn trị Trường hợp lý tưởng đại lượng ngõ vào có đại lượng cần đo, nhiên thực tế ln ln có nhiều đại lượng ngõ vào khác không cần đo tồn tác động vào cảm biến ảnh hưởng đến ngõ cảm biến Những đại lượng gọi nhiễu, giảm thiểu, hạn chế tác động nhiễu triệt tiêu hồn tồn Như vậy, phương trình trình chuyển đổi tổng quát bao gồm tất đại lượng ngõ vào cảm biến: (1.1) Y  f X, X1, X2 Xn  X X1 X2 … Nhiễu Xi Cần đo Cảm biến Y=f(X,X1…Xn) Xn Hình 1.6: Phương trình chuyển đổi thực tế thường hàm nhiều biến gồm đại lượng cần đo nhiễu 10 ... yottazettaexsapetateragigamegakilohectodeca- Chỉ số 1 0-2 4 1 0-2 1 1 0-1 8 1 0-1 5 1 0-1 2 1 0-9 1 0-6 1 0-3 1 0-2 1 0-1 y z a f p n  m c d Ký hiệu yoctozeptoattofemtopiconanomicromillicentideci- 1.4 NGUYÊN LÝ CẢM BIẾN Như trình bày phần đầu, cảm. .. nhạy cảm biến Từ định nghĩa, ta thấy ngưỡng độ nhạy cảm biến nên có giá trị nhỏ tốt  Giới hạn đo Giới hạn đo hay phạm vị đo cảm biến khoảng biến thiên đại lượng cần đo mà quan hệ vào-ra cảm biến. .. cho cảm biến  Biết số ứng dụng Opamp mạch đo cảm biến CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN GT ĐO LƯỜNG CẢM BIẾN 1.1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN 1.1.1 Cảm biến hệ thống điều khiển  Cảm biến chuyển đổi Khi nói đến cảm