Cảm biến công nghiệp -chuong 1: khái niệm và các đặc trưng cơ bản

Khái niệm • Cảm biến là bộ phận dùng để cảm nhận và biến đổi các đại lượng vật lý cần đo có tính chất điện hoặc không thành các đại lượng đo thường mang tính chất điện chứa đựng thông ti

MÔN HỌC: CẢM BIẾN CÔNG NGHIỆP

Chương 1: Khái niệm và các đặc trưng cơ bản

Chương 2: Cảm biến đo quang

Chương 3: Cảm biến đo nhiệt độ

Chương 4: Cảm biến đo vị trí & dịch chuyển

Chương 5: Cảm biến đo biến dạng

Chương 6: Cảm biến đo lực

Chương 7: Cảm biến đo vận tốc, gia tốc và rung

Chương 8: Cảm biến đo áp suất

Chương 9: Cảm biến đo lưu lượng và mức chất lưu

Đọc thêm: Cảm biến đo một số chỉ tiêu công nghệ -

Truyền kết quả đi xa - Cảm biến thông minh

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 Bài giảng CẢM BIẾN CÔNG NGHIỆP

2 Giáo trình CẢM BIẾN CÔNG NGHIỆP –

Hoàng Minh Công – NXB XÂY DỰNG NĂM 2007.

Chương I CÁC KHÁI NIỆM

VÀ ĐẶC TRƯNG CƠ BẢN

1 Khái niệm và phân loại cảm biến

2 Các đặc trưng cơ bản của cảm biến

3 Nguyên lý chung chế tạo cảm biến

1 Khái niệm và phân loại

1.1 Khái niệm

• Cảm biến là bộ phận dùng để cảm nhận và biến đổi các đại lượng vật lý cần đo (có tính chất điện hoặc không) thành các đại lượng đo (thường mang tính chất điện) chứa đựng thông tin cho phép xác định giá trị của đại lượng cần đo.

• Đại lượng đầu vào (hay kích thích) (m):

Tác động của đại lượng cần đo (có tính chất điện hoặc không)

• Đại lượng đầu ra (hay đáp ứng )(s): Tín

hiệu ra của CB (thường mang tính chất điện)

• Đáp ứng (s) là hàm đơn trị của đại lượng cần đo (m):

Thông qua đo (s) → xác định giá trị (m).s  F ( m )

1.1 Khái niệm

1.2 Phân loại cảm biến

2 Các đặc trưng cơ bản của cảm

2.5 Độ nhanh và thời gian hồi đáp

2.6 Giới hạn sử dụng

2.1 Đường cong chuẩn

a) Khái niệm đường cong chuẩn: đường

cong biểu diễn sự phụ thuộc của đáp ứng (s) ở đầu ra của cảm biến vào giá trị của đại lượng đo (m) ở đầu vào

• Biểu diễn:

+ Bằng biểu thức đại số

+ Bằng đồ thị

2.1 Đường cong chuẩn

• Biểu diễn bằng biểu thức đại số

s= F(m)

Ví dụ cảm biến tuyến tính:

s= a.m +b Trong đó: a, b là các hằng số

2.1 Đường cong chuẩn

Biểu diễn bằng đồ thị

s

mi

si

m a) Dạng chung

0

s

m b) Dạng tuyến tính

0

2.1 Đường cong chuẩn

b) Chuẩn cảm biến: phép đo xác lập

mối quan hệ giữa giá trị (s) đo được của đại lượng đầu ra của CB và giá trị (m) của đại lượng cần đo có tính đến các yếu tố ảnh hưởng, trên cơ

sở đó xây dựng đường cong chuẩn dưới dạng tường minh (đồ thị hoặc biểu thức đại số)

2.1 Đường cong chuẩn

b) Phương pháp chuẩn:

• Chuẩn đơn giản: áp dụng khi cảm biến

chỉ chịu tác động của một đại lượng đo duy nhất

• Chuẩn nhiều lần: áp dụng khi cảm biến

có phần tử trễ, kết quả đo theo hai chiều tăng giảm của đại lượng đo khác nhau

2.1 Đường cong chuẩn

• Chuẩn đơn giản: đo các giá trị của đại lượng

đầu ra (si) ứng với một loạt các giá trị xác định không đổi của đại lượng đầu vào (mi).

 Chuẩn trực tiếp: giá trị của đại lượng đo lấy từ

các mẫu chuẩn hoặc các phần tử so sánh có giá trị biết trước với độ chính xác cao.

 Chuẩn gián tiếp: kết hợp CB cần chuẩn với

một CB so sánh đã có sẵn đường cong chuẩn (trong cùng điều kiện làm việc).

2.1 Đường cong chuẩn

• Chuẩn nhiều lần: đo các giá trị (si) của đại lượng đầu ra ứng với một loạt các giá trị (mi) của đại lượng đầu vào theo hai

chiều tăng và giảm của đại lượng cần đo s

2.2 Độ nhạy

a) Độ nhạy trong chế độ tĩnh: xác định bởi

tỉ số giữa biến thiên đầu ra (s) trên biến thiên đầu vào (m)

- Cảm biến tuyến tính:

 Không phụ thuộc điểm làm việc của CB

m

s S







const m

2.2 Độ nhạy

- Cảm biến phi tuyến tính:

 Độ nhạy phụ thuộc điểm làm việc của CB

const m

s S

i m m

s

m α

(si,mi)

2.2 Độ nhạy

b) Hệ số chuyển đổi tĩnh: xác định bởi tỷ

số giữa giá trị ở đầu ra và giá trị ở đầu vào tại điểm làm việc Qi đang xét:

 Hệ số CĐT bằng độ nhạy S khi đặc trưng

tĩnh của cảm biến là đường thẳng đi qua gốc tọa độ

2.2 Độ nhạy

c) Độ nhạy trong chế độ động: được xác

định khi đại lượng đo biến thiên tuần hoàn theo thời gian

2.3 Độ tuyến tính

a) Khái niệm:

• Trong chế độ tĩnh, độ tuyến tính biểu thị sự

không phụ thuộc của độ nhạy vào giá trị của đại lượng đo  đặc trưng tĩnh là đoạn thẳng.

• Trong chế độ động, biểu thị sự không phụ

thuộc của độ nhạy S, của các thông số hồi

đo.

2.3 Độ tuyến tính

b) Đường thẳng tốt nhất: đường thẳng xây

dựng trên cơ sở các số liệu thực nghiệm khi chuẩn cảm biến sao cho sai số là bé nhất

Trong đó:

b m

a

 2

i

2 i

i i

i i

m m

N

m

s m

s

N a

i i

i

2 i i

m m

N

m

s m m

s b

m

2.4 Sai số và độ chính xác

a) Sai số: sai lệch giữa giá trị đo được (m)

và giá trị thực của đại lượng cần đo (A)

• Sai số tuyệt đối:

• Sai số tương đối: (%)

• Theo nguyên nhân chia ra:

- Sai số hệ thống

- Sai số ngẫu nhiên

A

m 





2.4 Sai số và độ chính xác

• Sai số hệ thống: sai số mà giá trị và quy

luật có thể biết trước

2.4 Sai số và độ chính xác

• Sai số ngẫu nhiên: Sai số xuất hiện ngẫu

nhiên, dấu và biên độ của nó mang tính không xác định.

• Nguyên nhân:

+ Sai số do tính không xác định của đặc trưng cảm biến;

+ Sai số do tín hiệu nhiễu ngẫu nhiên;

+ Sai số do sự thay đổi của các đại lượng ảnh hưởng.

2.4 Sai số và độ chính xác

1

2

3y

1 y

n

2n

2 2

2.4 Sai số và độ chính xác

b) Độ chính xác: đánh giá bởi tính đúng đắn và

tính trung thực của cảm biến

• Tính đúng đắn cao: sai số hệ thống bé, giá trị

xác suất thường gặp gần với giá trị thực.

• Tính trung thực cao: sai số ngẫu nhiên nhỏ, kết

quả các lần đo tập trung xung quanh giá trị trung bình.

CB có độ chính xác cao là CB biến cho kết quả đo đơn lẽ gần với giá trị thực của đại lượng đo.

2.4 Sai số và độ chính xác

Giá trị thực y

b)Tính trung thực cao

m

c) Độ chính xác cao

Giá trị thực

m y

mi 



2.5 Độ nhanh và thời gian hồi đáp

a) Khái niệm: Độ nhanh là khả năng theo

kịp về thời gian của đại lượng đầu ra khi đại lượng đầu vào biến thiên  xác định bởi thời gian hồi đáp (th): khoảng thời gian cần thiết phải chờ đợi sau khi có sự biến thiên của đại lượng cần đo để lấy giá trị của đầu ra với độ chính xác định trước

2.5 Độ nhanh và thời gian hồi đáp

t trê

2.6 Giới hạn sử dụng của cảm biến

a) Vùng làm việc danh định: tương ứng với

những điều kiện sử dụng bình thường của cảm biến

• Giới hạn của vùng là các giá trị ngưỡng

mà các đại lượng đo, các đại lượng vật lý liên quan, các đại lượng ảnh hưởng thường xuyên đạt tới mà không làm thay đổi các đặc trưng làm việc danh định của cảm biến

2.6 Giới hạn sử dụng của cảm biến

b) Vùng không gây nên hư hỏng: vùng mà

khi các đại lượng đo, các đại lượng vật lý có liên quan, các đại lượng ảnh hưởng vượt qua ngưỡng của vùng làm việc danh định nhưng vẫn còn nằm trong phạm vi:

• Không gây nên hư hỏng.

• Các đặc trưng của cảm biến có thể bị thay đổi mang tính thuận nghịch.

2.6 Giới hạn sử dụng của cảm biến

c)Vùng không phá hủy: các đại lượng đo,

các đại lượng vật lý có liên quan, các đại lượng ảnh hưởng vượt qua ngưỡng của vùng không gây nên hư hỏng nhưng vẫn còn nằm trong phạm vi:

3 Nguyên lý chế tạo CB

3.1 Nguyên lý chế tạo cảm biến tích cực: dựa

trên các hiệu ứng vật lý:

• Hiệu ứng nhiệt điện

• Hiệu ứng hoả điện

• Hiệu ứng áp điện

• Hiệu ứng cảm ứng điện từ

• Hiệu ứng quang điện

• Hiệu ứng quang - điện - từ

• Hiệu ứng Hall

3.1 Nguyên lý chế tạo CB tích cực

t1

t2(B)

3.1 Nguyên lý chế tạo CB tích cực

Hiệu ứng hoả điện

v 



3.1 Nguyên lý chế tạo CB tích cực

V F F

F

Hiệu ứng áp điện

3.1 Nguyên lý chế tạo CB tích cực

e 



B

Hiệu ứng cảm ứng điện từ

3.1 Nguyên lý chế tạo CB tích cực

3.1 Nguyên lý chế tạo CB tích cực

 B

3.2 Nguyên chế tạo cảm biến thụ động

• Cảm biến là một trở kháng có các thông

số chủ yếu nhạy với đại lượng cần đo

Khi đại lượng đo tác động đến kích thước hình học hoặc tính chất điện (, , …)vào giá trị của đại lượng )

hoặc đồng thời cả hai  thay đổi trở

kháng Đo trở kháng  đại lượng đo