Cảm biến và kĩ thuật Đo lường

Đo lường: định lượng hay lượng hóa, chuyển các đại lượng không nhìn thấy hay đại lượng quan tâm thành những con số rõ ràng, cụ thể. Kết quả đo lường phải hiển thị ra dưới dạng là con số. Từ việc đó, mới báo cáo kết quả bằng hình thức nào, dạng nào mới là chuẩn xác, có đúng với mục tiêu đo lường hay không. Như vậy, hệ thống đo lường phải có các thành phần phục vụ mục đích đó.

GIỚI THIỆU CHUNG

Đo lường gắn với điều khiển → đo lường là khâu của hệ thống tự động, song song đó có hệ thống đo lường đứng độc lập Câu hỏi:

1 Khi nào hệ thống đo lường đứng độc lập được, đo lường đứng độc lập được không hay lúc nào cũng gắn với điều khiển, đo lường độc lập gắn với mục đích, phục vụ chuyện gì?

2 Hệ thống đo lường mang tính real – time (theo thời gian thực) và độc lập Nếu có điều khiển thì sao?

3 Đo lường xong xuất ra kết quả giá trị đo lường → đo lường là gì? Kĩ thuật đo lường là gì?

4 Đại lượng vật lí nào không thể đo lường được và đo lường được? Vì sao? - Đại lượng vật lí nói chung cơ, nhiệt, điện 5 Hệ thống đo lường cơ bản nhất gồm các phần tử nào? 6 Đo lường của nhà khoa học với đo lường của kĩ sư khác

nhau chỗ nào?

7 Tại sao đo lường thường gắn chung với cảm biến? 8 Tại sao phải đo lường?

Chú ý:

- Không có kĩ thuật đo lường mà riêng

- Kĩ thuật đo lường tập trung mấu chốt dựa trên cảm biến - Đặc trưng cảm biến là độ nhạy

- Vi xử lí là đo lường thông minh do lập trình được

- Cảm biến bình thường ghép với hiển thị (display) để hiển thị giá trị đo thông qua kim cơ khí Bây giờ, có thể hiển thị dưới dạng đồ họa, máy tính

- Cảm biến thông minh điện tử hóa, lập trình được

- Đo lường phải chính xác Ngoài đo lường hiển thị giá trị đo còn phải có chức năng cảnh báo, lập trình thông qua vi xử lí Chính xác hơn nữa, nó báo lỗi

- Tất cả tín hiệu ra từ cảm biến phần lớn dưới dạng analog - Cảm biến lực, lưu lượng, áp suất: không chuyển đổi trực tiếp thành tín hiệu điện mà chuyển đổi gián tiếp qua sự biến dạng rồi mới thành tín hiệu điện (đáng lẽ không gọi là cảm biến nhưng vẫn gọi là cảm biến do nó nhờ qua trung gian rồi mới từ trung gian thành tín hiệu điện) – thường dùng ở dạng chung, gọi là cảm biến tích hợp

Đo lường: định lượng hay lượng hóa, chuyển các đại lượng

không nhìn thấy hay đại lượng quan tâm thành những con số rõ ràng, cụ thể Kết quả đo lường phải hiển thị ra dưới dạng là con số Từ việc đó, mới báo cáo kết quả bằng hình thức nào, dạng nào mới là chuẩn xác, có đúng với mục tiêu đo lường hay không Như vậy, hệ thống đo lường phải có các thành phần phục vụ mục đích đó

Hình 1 Sơ đồ khối hệ thống đo lường

Giải thích sơ đồ:

Quá trình thực nghiệm thu 1 hoặc nhiều giá trị của đại lượng đo quy cho một đại lượng hợp lý Từ đại lượng đo (measurand), thông qua quá trình vật lí (sự biến đổi hay thay đổi) đo lường được, thông qua cảm biến dựa vào các nguyên lí điện điện tử

biến thành tín hiệu đưa vào hiển thị (Display) qua kim cơ khí Dựa vào đó có thể xác định giá trị đo của đại lượng đo → đạt thành mục đích lượng hóa hiển thị thông số cụ thể

X: biến do hiện tượng vật lí, hay lấy từ đại lượng đo → đại lượng đầu vào cảm biến và là đại lượng vật lí

S: biến tín hiệu do cảm biến tạo ra, có thể được xử lí, truyền hoặc hiển thị → tín hiệu điện

M: Giá trị đo

S = f (X) → hiển thị thành M

f là hàm truyền của cảm biến (hay hộp đen – đầu ra, đầu vào) – định luật vật lí, không phải toán học thuần túy do có nhà vật lí nào đó đã nghĩ ra được định luật đó thì người ta mới chế tạo cảm biến đó → cơ bản của cảm biến là phải chuyển đổi từ đại lượng vật lí sang tín hiệu điện

Dụng cụ đo (instruments): bao gồm 1 thiết bị duy nhất cung

cấp việc đọc giá trị đầu ra, hoặc tín hiệu đầu ra từ biến chưa biết áp dụng cho dụng cụ đo (Nghĩa là đọc giá trị đầu ra của đại

lượng đo đang khảo sát) → thành phần không thể thiếu của 1 dụng cụ đo

Phức tạp hơn, 1 dụng cụ đo có thể bao gồm nhiều thành phần riêng biệt Các thành phần này có thể là tranducer (bộ chuyển đổi) giúp chuyển đổi đại lượng đo thành tín hiệu tương tự (tín hiệu Analog) Tín hiệu tương tự sau đó sẽ được xử lí bằng 1 số phương tiện trung gian và sau đó sẽ được đưa đến thiết bị đầu cuối để trình bày kết quả nhằm mục đích hiển thị và điều khiển (hoặc điều khiển)

Các thành phần này là: - Đầu dò (Detector)

- Thiết bị chuyển giao trung gian (intermediate transfer device)

- Thiết bị đọc chỉ số (Indicator) Chức năng của dụng cụ đo:

- Hiển thị - Ghi

- Điều khiển

Phân loại dụng cụ đo:

- Dụng cụ đo tuyệt đối: đưa ra giá trị của đại lượng cần đo theo các hằng số vật lí của dụng cụ Những dụng cụ này không cần hiệu chỉnh và do đó không cần so sánh với các thiết bị tiêu chuẩn khác Ví dụ: Điện kế tiếp tuyến để xác định xem có dòng điện hay không hoặc hướng của dòng điện 1 chiều Điện kế chỉ cho độ lệch theta do dòng điện gây ra và cần tính thủ công giá trị dòng điện bằng phương trình

- Dụng cụ thứ cấp: đo được đại lượng đo bằng cách quan sát giá trị đầu ra được chỉnh định bởi dụng cụ Những dụng cụ này cần được hiệu chỉnh theo một dụng cụ đo tuyệt đối Ví dụ: Ampe kế, Volt kế, đồng hồ đo Watt, … - Các dụng cụ đo tuyệt đối hiếm khi được sử dụng do làm

việc với các dụng cụ đo tuyệt đối thường tốn thời gian hơn vì mỗi lần thực hiện phép đo, ta cần phải tính toán thủ công độ lớn của đại lượng cần đo Do đó các công cụ thứ cấp thường được sử dụng rộng rãi hơn

Phương thức hoạt động của tín hiệu:

- Tín hiệu tương tự (Analog): thay đổi liên tục và nhận vô hạn giá trị trong bất kì phạm vi nhất định nào

- Tín hiệu số (Digital): thay đổi theo các bước rời rạc và do đó nó chỉ nhận các giá trị hữu hạn trong phạm vi nhất định

Bộ chuyển đổi (transducer): nhận tín hiệu dưới dạng một loại

năng lượng và chuyển đổi nó thành dạng khác → chuyển đổi từ dạng năng lượng này sang dạng năng lượng khác

Ví dụ: Loa Nó thay đổi năng lượng điện từ bộ khuếch đại thành năng lượng cơ học hoặc sóng âm thanh Năng lượng điện trong bộ khuếch đại làm cho nón loa di chuyển ra vào tạo ra các sóng không khí mà tai ta cảm nhận là âm thanh

Micro là như một cảm biến, chuyển đổi năng lượng âm thanh (dưới dạng sóng âm từ giọng nói của con người) và biến nó thành năng lượng điện (xung điện)

Khác nhau của cảm biến và bộ chuyển đổi:

Cảm biến: Chuyển đổi đại lượng vật lí thành tín hiệu điện

Bộ chuyển đổi: Chuyển đổi năng lượng này sang năng lượng khác

Hình 2 Sơ đồ khối thu thập dữ liệu và đưa vào ứng dụng

Giải thích sơ đồ:

Cảm biến không thôi là không đủ → cần làm thêm với tín hiệu được tạo ra từ cảm biến

Quá trình cảm biến và bộ dữ liệu → xử lí tín hiệu và phân tích dữ liệu → đưa vào ứng dụng → đưa ngược lại ban đầu

Khảo sát cảm biến với mục tiêu cần làm gì đó

Hình 3 Các kiến thức cần có để thu thập và xử lí dữ liệu

Các loại cảm biến: - Điện trở - Tụ điện - Điện cảm

- Áp điện - Misc

Các cảm biến dựa vào hiện tượng vật lí của nó, đem các đặc trưng chuyển đổi thành tín hiệu cơ bản là điện áp

Sau đó, chuyển đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số (ADC) Tiến bộ hơn, dựa vào toán học để xử lí dữ liệu và phân tích

CHƯƠNG 1: TỔNG QUÁT VỀ CẢM BIẾN

Hình 4 Sơ đồ khối của 1 dây chuyền đo sử dụng cảm biến

Giải thích sơ đồ:

Đây là hệ thống dây chuyền độc lập → chỉ xử lí số liệu, không đưa vào bộ điều khiển

Các khối cơ bản:

- Bộ chuyển đổi: Chuyển đổi thông tin vật lí thành tín hiệu

điện dựa vào các định luật vật lí cho phép có thể xảy ra, hay nói cách khác phải có định luật vật lí nào thực sự được các nhà khoa học chứng minh thì mới áp dụng được để chế tạo cảm biến (Có thể mô phỏng bằng máy tính)

- Mạch gia công: Chuyển tín hiệu điện thành tín hiệu sử

dụng được do tín hiệu điện từ định luật vật lí tạo ra nên thường không chuẩn, dễ thấy nhất đó là tín hiệu đó cực kì nhỏ Mạch gia công biến đổi tín hiệu điện, đơn giản nhất là khuếch đại cho nó lớn lên, trình độ cao hơn là lọc tín hiệu nhiễu do các tín hiệu dựa vào định luật vật lí không tồn tại riêng lẻ, có các đại lượng vật lí khác ảnh hưởng, ví dụ nhiễu điện trường, … lọc nhiễu bằng cách sử dụng toán học để tạo nên bộ lọc, cơ bản là tụ điện và điện trở nhưng phân tích tính năng để nó lọc được thì khá phức tạp → quan tâm hai việc: 1 là khuếch đại nó lên, 2 là cảm

biển đơn giản thì làm những mạch đơn giản (2,3 phần tử) để xử lí nó

- Số hóa tín hiệu: Chuyển tín hiệu sử dụng được thành tín

hiệu chuẩn hóa, nghĩa là chuyển tín hiệu tương đồng thành tín hiệu số phục vụ các bước kế tiếp (Học từ chuyển đổi thông tin vật lí đến tín hiệu chuẩn hóa)

Sau đó, tín hiệu chuẩn hóa kết nối với máy tính hoặc vi xử lí → có được số liệu thô rồi từ đó xử lí ra kết quả đo lường muốn có rồi phân tích

Trước khi kết nối máy tính là các phần cứng, sau khi kết nối máy tính dựa vào các phần mềm để xử lí và phân tích Phần cứng phải làm cho chính xác thì phần mềm mới chính xác

Kĩ thuật phần cứng:

Hình 5 Biểu đồ đặc tính dòng điện theo điện áp của diode

Diode được sử dụng trong cảm biến quang, ánh sáng chiếu vào mối nối be, năng lượng đó làm diode hoạt động thay đổi dòng diện trong đó Đặc trung diode là mối nối bán dẫn (phát xạ quang điện tử) Dựa vào biểu đồ trên, hàm đặc trưng mang tính phi tuyến → đo lường kị phi tuyến

Nếu lấy ra ngay, dòng điện thay đổi theo quang thông Nếu phi tuyến, lấy số liệu đó đưa vào đồng hồ đo hiển thị liền thì có hiện tượng đồng hồ đo kim không khắc độ tuyến tính được – nguyên tắc khắc độ đồng hồ đo kim là lấy giá trị nhỏ nhất và giá trị lớn nhất, xong chia đều ra khoảng giữa, tốt hơn nữa có giá trị trung

bình ở giữa, nếu đặc trưng là tuyến tính Nếu phi tuyến thì đồng hồ đo sẽ có các vạch chia độ: đoạn biến thiên ít thì hẹp lại, đoạn biến thiên nhiều thì thưa → khó khăn trong việc khắc vạch chia độ → khắc phục bằng cách tuyến tính hóa đường đặc trưng, sao cho từ phi tuyến trở thành tuyến tính dựa vào toán học tìm ra 1 cái hàm

Hình 6 Tuyến tính hóa đường đặc trưng

Tìm ra hàm ngược lại đường đặc trưng trên và phối hợp hai đường đó lại được đường tuyến tính → Trong mạch gia công sẽ xử lí và tuyến tính hóa do đại lượng thực sự biến đổi phi tuyến

nhưng qua mạch gia công không chỉ khuếch đại lên còn kèm theo tuyến tính hóa (Điện trở thực hiện việc tuyến tính)

Cấu trúc cảm biến đa năng (Cảm biến tích hợp):

Đa phần cảm biến cơ học đều phải xử lí theo cấu trúc này, vd: lực, áp suất, lưu lượng, …

Do không có định luật vật lí cho phép để chuyển đổi đại lượng đo thành tín hiệu điện

Ví dụ 1: cảm biến áp suất → để có cảm biến áp suất dựa vào nguyên tắc cần vật chứng, qua vật chứng biến đổi đại lượng vật lí sơ cấp thành đại lượng vật lí thứ cấp mà có định luật vật lí thực hiện được quá trình trên Xong mới đưa thông tin thứ cấp ấy vào cảm biến mà cảm biến có định luật vật lí liên quan để biến đổi đại lượng vật lí thứ cấp ấy thành tín hiệu điện → qua phần tử trung gian là vật chứng

Ví dụ 2: cảm biến cân cũng có vât làm chứng có biến dạng sao cho đồng nhất trên toàn bộ vật liệu thì mới chính xác được

Dưới góc độ cảm biến là phần tử điện, không phải phần tử cơ khí, mang đặc trưng điện hay có mô hình điện Xét về mô hình điện, tín hiệu điện từ cảm biến ra được chia làm 2 thành phần:

Cảm biến cần có nguồn kích thích để cung cấp tín hiệu điện cho việc đo lường Do nó là thụ động, nên muốn hoạt động được thì phải được cấp nguồn cho nó, ví dụ điện trở thay đổi thì cần nguồn áp cấp vào cho dòng điện chạy qua để có điện áp đầu ra

2 Tác động → cảm biến tác động

Cảm biến tác động có tín hiệu ra là điện áp, dòng điện hay điện tích

Cảm biến tác động mang đặc trưng là nguồn dòng điện, còn cảm biến thụ động mang đặc trưng là tổng trở, dễ thấy nhất qua các định luật vật lí hay hiệu ứng → tín hiệu sinh ra từ cảm biến tác động không cần nguồn cung cấp cho nó, do tự nó là nguồn

cần cấp nguồn cho nó

nguồn điện áp, muốn dùng nó mắc thêm tải để kín mạch, cảm biến tác động phải có sự

dung hợp, phối hợp về mặt tổng trở với trở tải thì mới sử dụng được

Sau đó, luôn luôn phải gia công cho tín hiệu từ thụ động và tác động → 2 cách gia công khác nhau → mạch gia công cho tín hiệu thụ động phải khác mạch gia công cho tín hiệu tác động và chú ý đến vấn đề dung hợp (matching) tổng trở

Nếu không có sự phối hợp ở cảm biến tác động, thì năng lượng có thể truyền qua không hết cho tải → tải không lấy được hết năng lượng tử nguồn cung cấp cho nó

CHƯƠNG 2: CÁC ĐẶC TRƯNG CẢM BIẾN

Phân tích dựa trên đặc trưng: mong muốn và không mong muốn

Các đặc trưng không mong muốn là nhiễu → biết để làm nhỏ nó xuống Ngoài ra còn phân chia theo đặc trưng tĩnh và đặc trưng động

- Đặc trưng tĩnh: khảo sát đặc trưng đó khi ngõ vào đã ổn định → tín hiệu ra ở trạng thái tĩnh Ví dụ: nhiệt độ, … Đại lượng tĩnh là đại lượng có quán tính lớn (quán tính là sự thay đổi)

- Đặc trưng động: trạng thái ngõ vào thay đổi liên tục → tín hiệu ngõ ra thay đổi liên tục theo → tín hiệu biến thiên liên tục (ở các cảm biến y sinh nhiều, …) Ví dụ: áp suất, …

- Tính chất tĩnh, động quan trọng hơn mong muốn và không mong muốn

Các đặc trưng cơ bản:

1 Độ nhạy:

Là đặc trưng mong muốn và quan trọng nhất của cảm biến Định nghĩa là tỉ số của sự thay đổi tín hiệu ngõ ra trên sự thay đổi tín hiệu ngõ vào ở điều kiện tín hiệu ngõ vào ở trạng thái tĩnh hay

ổn định, tức là không biến thiên khi khảo sát Thông thường thông số này được cho bởi nhà sản xuất

Ví dụ: cảm biến nhiệt điện trở thay đổi điện trở theo nhiệt độ có thứ nguyên là Ohm/oC

Ví dụ: cảm biến áp suất là cảm biến tích hợp, trong đó áp suất là đại lượng đo tương ứng thông tin vật lí sơ cấp qua vật chứng thành biến dạng là thông tin vật lí thứ cấp rồi mới qua cảm biến thành điện trở thay đổi rồi qua mạch gia công thành tín hiệu điện sử dụng được → cảm biến áp suất ghi là cảm biến nhưng thực ra mạch được tích hợp nhiều khâu → bộ chuyển dổi (cảm biến thực sự là cảm biến biến biến dạng ra điện trở) → Ghi thông thường: S = 1 mV/kPa (ghi đầy đủ: 1 mV/ kPa/ V, nghĩa là 1 mV/kPa cho 1 vôn, là điện áp mạch gia công cung cấp cho nó, hay điện áp nguồn cấp vào → nghĩa là sử dụng mạch gia công cung cấp cho 1 vôn thì độ nhạy S là 1 mV/kPa nhưng nếu cấp 5 vôn thì là 5 mV/kPa)

Cảm biến tích hợp: có nhiều khâu → độ nhạy chung của 1 cảm biến tích hợp có nhiều khối bằng tích các độ nhạy

Để khảo sát đặc trưng độ nhạy phải qua hàm truyền của cảm biến

m: tín hiệu đầu vào, đại lượng vật lí → cảm biến có mối quan hệ s = f(m) – lập tỉ số: K = delta s/ delta m bản chất là hàm truyền → s: tín hiệu điện

Hàm truyền của 1 hộp đen: cho đầu vào, đo đầu ra → lập tỉ số → Biết mối quan hệ đầu ra, đầu vào → Căn cứ đặc trưng hàm truyền biết tính chất hộp đen đó → cũng là tính chất ưu tiên khi làm cảm biến và khảo sát → luôn luôn giữ cho mối quan hệ hàm truyền có dạng tuyến tính để chế tạo cảm biến

Độ nhạy sẽ là độ dốc của đồ thị → đặc trưng tuyến tính đồng nghĩa độ nhạy không biến đổi trong tầm khảo sát, quan tâm → tầm đo không biến đổi và là hằng số

Quan hệ độ nhạy xuất phát từ hàm truyền, nếu mối quan hệ đó là tuyến tính thì độ nhạy đó là độ dốc

2 Độ chính xác: Phân biệt:

- Độ đúng (precision): làm thực nghiệm, báo cáo liên quan đến đánh giá sai số kết quả đo → độ đúng liên quan đến việc làm chuyện đó nhiều lần → đánh giá tính đúng của nó

- Độ chính xác (accuracy): trong đặc trưng cảm biến sử dụng từ này do trước khi đưa vào datasheet, nhà sản xuất

đã thực hiện nhiều lần và đưa vào kết quả tốt nhất Trong datasheet, có độ chính xác min – trung bình – max → thông thường sử dụng độ chính xác trung bình, như độ nhạy sử dụng độ nhạy trung bình → thực tế là độ không chính xác

3 Tái lặp: Phân biệt:

- Tái lặp: đầu vào giữ nguyên và lặp lại - Độ lặp lại: lặp lại có thời hạn

Đặc trưng không mong muốn:

1 Độ trôi nhiệt:

Lệch so với vạch 0 khi hiệu chuẩn, có nút điều chỉnh offset (độ lệch) – đặc trưng trong các thiết bị đo lường → đặc tính độ trôi khi điều kiện áp dụng không phù hợp với điều kiện thực tế nên lệch khỏi vạch 0 (trôi về nhiệt độ do vật liệu bán dẫn cấu tạo nên các linh kiện, bán dẫn chịu ảnh hưởng lớn nhất bởi nhiệt độ) Không chỉ trôi về nhiệt độ mà còn có trôi do các đại lượng vật lí khác, nhưng trôi về nhiệt độ là lớn nhất → mức offset

2 Độ trễ:

Thường gặp ở các cảm biến có đặc trưng dự trữ năng lượng Ví dụ: cảm biến thụ động điện dung, điện cảm