Cảm biến đo lường potx

1 KHOA CÔNG NGHỆ ðIỆN TỬKHOA CÔNG NGHỆ ðIỆN TỬ KỸ THUẬT CẢM BIẾN VÀ ðO LƯỜNGKỸ THUẬT CẢM BIẾN VÀ ðO LƯỜNG KHOA CÔNG NGHỆ ðIỆN TỬKHOA CÔNG NGHỆ ðIỆN TỬ KỸ THUẬT CẢM BIẾN VÀ ðO LƯỜNGKỸ THUẬT CẢM BIẾN VÀ ðO LƯỜNG Chương 1: KHÁI NIỆM CHUNGChương 1: KHÁI NIỆM CHUNG Biên soạn: ThS. Trần Văn Hùng 03-2012 2:38 PM2:38 PM 11 22 NỘI DUNG MÔN HỌCNỘI DUNG MÔN HỌC • KHÁI NIỆM CHUNG • CẢM BIẾN TIỆM CẬN • CẢM BIẾN QUANG • CẢM BIẾN VỊ TRÍ VÀ KHOẢNG CÁCH • CẢM BIẾN LỰC VÀ ÁP SUẤT • CẢM BIẾN NHIỆT ðỘ 33 • Khái niệm và phân loại • ðường cong chuẩn của cảm biến • Các ñặc trưng cơ bản của cảm biến • Nguyên lý chế tạo cảm biến • Mạch ño NỘI DUNG CHƯƠNG 1NỘI DUNG CHƯƠNG 1 2:38 PM2:38 PM 44 • Sơ ñồ hệ thống ñiều khiển 1.1 KHÁI NIỆM VÀ PHÂN LOẠI1.1 KHÁI NIỆM VÀ PHÂN LOẠI Cảm biến thường thấy ở ñâu? 2 2:38 PM2:38 PM 55 1.1 KHÁI NIỆM VÀ PHÂN LOẠI1.1 KHÁI NIỆM VÀ PHÂN LOẠI Khái niệm cảm biến (Sensor):  Các ñại lượng vật lý → →→ → các tín hiệu ñiện  Dùng trong hệ thống ñiều khiển kín (Feedback).  Ngõ ra cảm biến: Tín hiệu analoge hoặc tín hiệu Digital.  Bộ mã hoá vị trí, mã hoá góc dịch chuyển Encoder, Resolver… 2:38 PM2:38 PM 66  Các ñại lượng cần ño (m) không có tính chất ñiện: Nhiệt ñộ, Áp suất )  Cảm biến ño (m) cho ta một ñặc trưng (s) mang tính chất ñiện (như ñiện tích, ñiện áp, dòng ñiện hoặc trở kháng)  (s) chứa ñựng thông tin cho phép xác ñịnh giá trị của ñại lượng ño. 1.1 KHÁI NIỆM VÀ PHÂN LOẠI1.1 KHÁI NIỆM VÀ PHÂN LOẠI 2:38 PM2:38 PM 77  ðặc trưng (s) là hàm của ñại lượng cần ño (m):  Người ta gọi:  s: là ñại lượng ñầu ra của cảm biến  m: là ñại lượng ñầu vào. Thông qua ño ñạc s cho phép ta nhận biết giá trị của m. 1.1 KHÁI NIỆM VÀ PHÂN LOẠI1.1 KHÁI NIỆM VÀ PHÂN LOẠI 2:38 PM2:38 PM 88 1.1 CÁC KHÁI NIỆM CHUNG1.1 CÁC KHÁI NIỆM CHUNG  Phân loại theo thông số của mô hình mạch thay thế  Cảm biến tích cực có ñầu ra là nguồn áp hoặc nguồn dòng.  Cảm biến thụ ñộng ñược ñặc trưng bằng các thông số R, L, C, M tuyến tính hoặc phi tuyến. 3 2:38 PM2:38 PM 99 1.1 CÁC KHÁI NIỆM CHUNG1.1 CÁC KHÁI NIỆM CHUNG  Cảm biến quang  Cảm biến nhiệt ñộ  Cảm biến từ Theo nguyên lý và dạng kích thích của cảm biến. Ta thường gặp các loại cảm biến như sau: Cảm biến áp suất  Cảm biến ño góc  Cảm biến vận tốc  Cảm biến gia tốc và rung  Cảm biến lực và biến dạng Cảm biến vị trí và dịch chuyển 2:38 PM2:38 PM 1010 Optical - Diffuse Inductive Reed switch Inductive magnetic Capacitive Symbols Connection Optical – Through-beam Optical – Retro-reflective Các loại cảm biến 1.1 CÁC KHÁI NIỆM CHUNG1.1 CÁC KHÁI NIỆM CHUNG 2:38 PM2:38 PM 1111 Cảm biến quang hãng Festo Encoder Hình ảnh minh họa 1.1 CÁC KHÁI NIỆM CHUNG1.1 CÁC KHÁI NIỆM CHUNG 2:38 PM2:38 PM 1212 1.1 CÁC KHÁI NIỆM CHUNG1.1 CÁC KHÁI NIỆM CHUNG Ứng dụng các loại cảm biến quang trong công nghiệp Hình ảnh minh họa 4 2:38 PM2:38 PM 1313 1.1 CÁC KHÁI NIỆM CHUNG1.1 CÁC KHÁI NIỆM CHUNG Cảm biến ño tốc ñộ Tachometter Cảm biến ño dòng ñiện - Hall Hình ảnh minh họa 2:38 PM2:38 PM 1414 1.1 CÁC KHÁI NIỆM CHUNG1.1 CÁC KHÁI NIỆM CHUNG Hình ảnh minh họa 2:38 PM2:38 PM 1515 1.1 CÁC KHÁI NIỆM CHUNG1.1 CÁC KHÁI NIỆM CHUNG Hình ảnh minh họa 2:38 PM2:38 PM 1616 1.1 CÁC KHÁI NIỆM CHUNG1.1 CÁC KHÁI NIỆM CHUNG Hình ảnh minh họa 5 2:38 PM2:38 PM 1717 1.2 1.2 ðƯỜNG CONG CHUẨNðƯỜNG CONG CHUẨN CỦA CẢM BIẾN  ðường cong chuẩn cảm biến là ñường cong biểu diễn sự phụ thuộc của ñại lượng ñiện (s) ở ñầu ra của cảm biến vào giá trị của ñại lượng ño (m) ở ñầu vào. 1.2.1 Khái niệm 2:38 PM2:38 PM 1818 1.2 1.2 ðƯỜNG CONG CHUẨNðƯỜNG CONG CHUẨN CỦA CẢM BIẾN  ðường cong chuẩn có thể biểu diễn bằng biểu thức ñại số dưới dạng s=F(m), hoặc bằng ñồ thị (Hình (a) là ñường cong chuẩn, hình (b) là ñường cong chuẩn của cảm biến tuyến tính hóa) 1.2.1 Khái niệm 2:38 PM2:38 PM 1919 1.2 1.2 ðƯỜNG CONG CHUẨNðƯỜNG CONG CHUẨN CỦA CẢM BIẾN 1.2.1 Khái niệm  Dựa vào ñường cong chuẩn của cảm biến, ta có thể xác ñịnh giá trị m i chưa biết của m thông qua giá trị ño ñược s i của s. 2:38 PM2:38 PM 2020 1.2 1.2 ðƯỜNG CONG CHUẨNðƯỜNG CONG CHUẨN CỦA CẢM BIẾN 1.2.1 Khái niệm  ðể dễ sử dụng, người ta thường chế tạo cảm biến có sự phụ thuộc tuyến tính giữa ñại lượng ñầu ra và ñại lượng ñầu vào, phương trình s= F(m) có dạng s = am +b với a, b là các hệ số, khi ñó ñường cong chuẩn là ñường thẳng 6 2:38 PM2:38 PM 2121 1.2 1.2 ðƯỜNG CONG CHUẨNðƯỜNG CONG CHUẨN CỦA CẢM BIẾN 1.2.2 Phương pháp chuẩn hoá cảm biến  Chuẩn cảm biến là phép ño nhằm:  Xác lập mối quan hệ giữa giá trị s ño ñược của ñại lượng ñiện ở ñầu ra  Giá trị m của ñại lượng ño có tính ñến các yếu tố ảnh hưởng  Khi chuẩn cảm biến, với một loạt giá trị ñã biết chính xác m i của m, ño giá trị tương ứng s i của s và dựng ñường cong chuẩn. 2:38 PM2:38 PM 2222 1.2 1.2 ðƯỜNG CONG CHUẨNðƯỜNG CONG CHUẨN CỦA CẢM BIẾN 1.2.2 Phương pháp chuẩn hoá cảm biến  Chuẩn ñơn giản  Khi có một ñại lượng vật lý duy nhất tác ñộng lên một ñại lượng ño, cảm biến sử dụng không nhạy với tác ñộng của các ñại lượng ảnh hưởng → →→ → dùng phương pháp chuẩn ñơn giản.  Chuẩn ñơn giản là ño các giá trị của ñại lượng ñầu ra ứng với các giá trị xác ñịnh không ñổi của ñại lượng ño ở ñầu vào. 2:38 PM2:38 PM 2323 1.2 1.2 ðƯỜNG CONG CHUẨNðƯỜNG CONG CHUẨN CỦA CẢM BIẾN 1.2.2 Phương pháp chuẩn hoá cảm biến  Việc chuẩn tiến hành theo 2 cách: • Chuẩn trực tiếp: các giá trị khác nhau của ñại lượng ño lấy từ các mẫu chuẩn hoặc các phần tử so sánh có giá trị biết trước với ñộ chính xác cao. • Chuẩn gián tiếp: kết hợp cảm biến cần chuẩn với một cảm biến so sánh ñã có sẵn ñường cong chuẩn, cả hai ñược ñặt trong cùng ñiều kiện làm việc. 2:38 PM2:38 PM 2424 1.2 1.2 ðƯỜNG CONG CHUẨNðƯỜNG CONG CHUẨN CỦA CẢM BIẾN 1.2.2 Phương pháp chuẩn hoá cảm biến  Chuẩn nhiều lần Khi cảm biến có phần tử bị trễ (trễ cơ hoặc trễ từ), giá trị ño ñược ở ñầu ra phụ thuộc không những vào giá trị tức thời của ñại lượng cần ño ở ñầu vào mà còn phụ thuộc vào giá trị trước ñó của của ñại lượng này. Trong trường hợp như vậy, người ta áp dụng phương pháp chuẩn nhiều lần và tiến hành như sau: 7 2:38 PM2:38 PM 2525 1.2 1.2 ðƯỜNG CONG CHUẨNðƯỜNG CONG CHUẨN CỦA CẢM BIẾN 1.2.2 Phương pháp chuẩn hoá cảm biến - ðặt lại ñiểm 0 của cảm biến: ñại lượng cần ño và ñại lượng ñầu ra có giá trị tương ứng với ñiểm gốc, m=0 và s=0. - ðo giá trị ñầu ra theo một loạt giá trị tăng dần ñến giá trị cực ñại của ñại lượng ño ở ñầu vào. 2:38 PM2:38 PM 2626 1.2 1.2 ðƯỜNG CONG CHUẨNðƯỜNG CONG CHUẨN CỦA CẢM BIẾN 1.2.2 Phương pháp chuẩn hoá cảm biến - Lặp lại quá trình ño với các giá trị giảm dần từ giá trị cực ñại. - Khi chuẩn nhiều lần cho phép xác ñịnh ñường cong chuẩn theo cả hai hướng ño tăng dần và ño giảm dần. 2:38 PM2:38 PM 2727 1.3 1.3 CÁC ðẶC TRƯNG CƠ BẢN CỦA CẢM BIẾN 1.3.1 ðộ nhạy của cảm biến  Khái niệm ðối với cảm biến tuyến tính, giữa biến thiên ñầu ra ∆s và biến thiên ñầu vào ∆m có sự liên hệ tuyến tính: :ñược gọi là ñộ nhạy của cảm biến 2:38 PM2:38 PM 2828 1.3 1.3 CÁC ðẶC TRƯNG CƠ BẢN CỦA CẢM BIẾN 1.3.1 ðộ nhạy của cảm biến Trường hợp tổng quát, biểu thức xác ñịnh ñộ nhạy S của cảm biến xung quanh giá trị m i của ñại lượng ño xác ñịnh bởi tỷ số giữa biến thiên ∆s của ñại lượng ñầu ra và biến thiên ∆m tương ứng của ñại lượng ño ở ñầu vào quanh giá trị ñó: 8 2:38 PM2:38 PM 2929 1.3 1.3 CÁC ðẶC TRƯNG CƠ BẢN CỦA CẢM BIẾN 1.3.1 ðộ nhạy của cảm biến Lưu ý: ðể phép ño ñạt ñộ chính xác cao, khi thiết kế và sử dụng cảm biến cần làm sao cho ñộ nhạy S của nó không ñổi, nghĩa là ít phụ thuộc nhất vào các yếu tố sau: - Giá trị của ñại lượng cần ño m và tần số thay ñổi của nó. - Thời gian sử dụng. 2:38 PM2:38 PM 3030 1.3 1.3 CÁC ðẶC TRƯNG CƠ BẢN CỦA CẢM BIẾN 1.3.1 ðộ nhạy của cảm biến Ảnh hưởng của các ñại lượng vật lý khác (không phải là ñại lượng ño) của môi trường xung quanh. Thông thường nhà sản xuất cung cấp giá trị của ñộ nhạy S tương ứng với những ñiều kiện làm việc nhất ñịnh của cảm biến. 2:38 PM2:38 PM 3131 1.3 1.3 CÁC ðẶC TRƯNG CƠ BẢN CỦA CẢM BIẾN 1.3.2 ðộ tuyến tính của cảm biến  Khái niệm: Một cảm biến ñược gọi là tuyến tính trong một dải ño xác ñịnh nếu trong dải chế ñộ ñó, ñộ nhạy không phụ thuộc vào ñại lượng ño. Nếu cảm biến không tuyến tính, ta ñưa vào mạch ño các thiết bị hiệu chỉnh ñể tín hiệu ñiện nhận ñược ở ñầu ra tỉ lệ với sự thay ñổi của ñại lượng ño ở ñầu vào. Sự hiệu chỉnh ñó ñược gọi là sự tuyến tính hoá. 2:38 PM2:38 PM 3232 1.3 1.3 CÁC ðẶC TRƯNG CƠ BẢN CỦA CẢM BIẾN 1.3.2 ðộ tuyến tính của cảm biến ðường thẳng tốt nhất: • Khi chuẩn cảm biến, ta nhận ñược nhiều ñiểm tương ứng (s i ,m i ) của ñại lượng ñầu ra và ñại lượng ñầu vào. • Với các cảm biến tuyến tính, ñường cong chuẩn là một ñường thẳng. • Do sai số khi ño, các ñiểm chuẩn (m i , s i ) nhận ñược bằng thực nghiệm thường không nằm trên cùng một ñường thẳng. 9 2:38 PM2:38 PM 3333 1.3.2 ðộ tuyến tính của cảm biến  ðường thẳng tốt nhất: ðường thẳng ñược xây dựng trên cơ sở các số liệu thực nghiệm sao cho sai số là bé nhất, biểu diễn sự tuyến tính của cảm biến ñược gọi là ñường thẳng tốt nhất. Phương trình biểu diễn ñường thẳng tốt nhất ñược lập bằng phương pháp bình phương bé nhất. Giả sử khi chuẩn cảm biến ta tiến hành với N ñiểm ño 1.3 1.3 CÁC ðẶC TRƯNG CƠ BẢN CỦA CẢM BIẾN 2:38 PM2:38 PM 3434 1.3 1.3 CÁC ðẶC TRƯNG CƠ BẢN CỦA CẢM BIẾN Với: 1.3.2 ðộ tuyến tính của cảm biến Phương trình có dạng: 2:38 PM2:38 PM 3535 1.3 1.3 CÁC ðẶC TRƯNG CƠ BẢN CỦA CẢM BIẾN 1.3.2 ðộ tuyến tính của cảm biến  ðộ lệch tuyến tính ðối với các cảm biến không hoàn toàn tuyến tính, người ta ñưa ra khái niệm ñộ lệch tuyến tính, xác ñịnh bởi ñộ lệch cực ñại giữa ñường cong chuẩn và ñường thẳng tốt nhất, tính bằng % trong dải ño. 2:38 PM2:38 PM 3636 1.3 1.3 CÁC ðẶC TRƯNG CƠ BẢN CỦA CẢM BIẾN 1.3.3 Sai số và ñộ chính xác của cảm biến  Sai số Cảm biến cũng như các dụng cụ ño lường khác, ngoài ñại lượng cần ño còn chịu tác ñộng của nhiều ñại lượng vật lý khác gây nên sai số giữa giá trị ño ñược và giá trị thực của ñại lượng cần ño. Gọi ∆x là ñộ lệch tuyệt ñối giữa giá trị ño và giá trị thực x (sai số tuyệt ñối), sai số tương ñối của bộ cảm biến ñược tính bằng: 10 2:38 PM2:38 PM 3737 1.3 1.3 CÁC ðẶC TRƯNG CƠ BẢN CỦA CẢM BIẾN 1.3.3 Sai số và ñộ chính xác của cảm biến Sai số của cảm biến mang tính chất ước tính bởi vì không thể biết chính xác giá trị thực của ñại lượng cần ño. Khi ñánh giá sai số của cảm biến, ta thành hai loại: sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiên. • Sai số hệ thống: là sai số không phụ thuộc vào số lần ño, có giá trị không ñổi hoặc thay ñổi chậm theo thời gian ño và thêm vào một ñộ lệch không ñổi giữa giá trị thực và giá trị ño ñược. 2:38 PM2:38 PM 3838 1.3 1.3 CÁC ðẶC TRƯNG CƠ BẢN CỦA CẢM BIẾN 1.3.3 Sai số và ñộ chính xác của cảm biến • Sai số ngẫu nhiên: là sai số xuất hiện có ñộ lớn và chiều không xác ñịnh. Ta có thể dự ñoán ñược một số nguyên nhân gây ra sai số ngẫu nhiên nhưng không thể dự ñoán ñược ñộ lớn và dấu của nó. Những nguyên nhân gây ra sai số ngẫu nhiên có thể là: + Do sự thay ñổi ñặc tính của thiết bị. + Do tín hiệu nhiễu ngẫu nhiên. + Do các ñại lượng ảnh hưởng không ñược tính ñến khi chuẩn cảm biến. 2:38 PM2:38 PM 3939 1.3 1.3 CÁC ðẶC TRƯNG CƠ BẢN CỦA CẢM BIẾN 1.3.4 ðộ nhanh và thời gian hồi ñáp của cảm biến • ðộ nhanh là ñặc trưng của cảm biến cho phép ñánh giá khả năng theo kịp về thời gian của ñại lượng ñầu ra khi ñại lượng ñầu vào biến thiên. Thời gian hồi ñáp là ñại lượng ñược sử dụng ñể xác ñịnh giá trị số của ñộ nhanh. ðộ nhanh t r là khoảng thời gian từ khi ñại lượng ño thay ñổi ñột ngột ñến khi biến thiên của ñại lượng ñầu ra chỉ còn khác giá trị cuối cùng một lượng giới hạn ε tính bằng % 2:38 PM2:38 PM 4040 1.3 1.3 CÁC ðẶC TRƯNG CƠ BẢN CỦA CẢM BIẾN 1.3.4 ðộ nhanh và thời gian hồi ñáp của cảm biến • Thời gian hồi ñáp tương ứng với ε% xác ñịnh khoảng thời gian cần thiết phải chờ ñợi sau khi có sự biến thiên của ñại lượng ño ñể lấy giá trị của ñầu ra với ñộ chính xác ñịnh trước. Thời gian hồi ñáp ñặc trưng cho chế ñộ quá ñộ của cảm biến và là hàm của các thông số thời gian xác ñịnh chế ñộ này. . CHUNG  Cảm biến quang  Cảm biến nhiệt ñộ  Cảm biến từ Theo nguyên lý và dạng kích thích của cảm biến. Ta thường gặp các loại cảm biến như sau: Cảm biến áp suất  Cảm biến ño góc  Cảm biến. NIỆM CHUNG • CẢM BIẾN TIỆM CẬN • CẢM BIẾN QUANG • CẢM BIẾN VỊ TRÍ VÀ KHOẢNG CÁCH • CẢM BIẾN LỰC VÀ ÁP SUẤT • CẢM BIẾN NHIỆT ðỘ 33 • Khái niệm và phân loại • ðường cong chuẩn của cảm biến • Các. NGHỆ ðIỆN TỬ KỸ THUẬT CẢM BIẾN VÀ ðO LƯỜNGKỸ THUẬT CẢM BIẾN VÀ ðO LƯỜNG KHOA CÔNG NGHỆ ðIỆN TỬKHOA CÔNG NGHỆ ðIỆN TỬ KỸ THUẬT CẢM BIẾN VÀ ðO LƯỜNGKỸ THUẬT CẢM BIẾN VÀ ðO LƯỜNG Chương 1: KHÁI NIỆM