C 1 các khái niệm và Đặc trưng cơ bản của hệ thống Đo

CẢM BIẾN VÀ HỆ THỐNG ĐO

Quy định chung

Th i lời lượng: ượng:ng: 3 tín ch : (2;1;0), 2 ti t/tu nỉ: (2;1;0), 2 tiết/tuầnết/tuầnần

Hình th c đánh giáức đánh giá: 1 KTTX1(20%)+ 1 KTTX2(20%) + THI(60%)

Tài li u gi ng d yệu giảng dạyảng dạyạy : 1 C m bi n và h th ng đo-ĐHCNảng dạyết/tuầnệu giảng dạyống đo-ĐHCN

Tài li u tham kh oệu giảng dạyảng dạy :

1 Đo lường điện và cảm biến đo lường- Nguyễn Văn Hòa

2 Cảm biến công nghiệp- Hoàng Minh Công

.

Hình thức thi: Trắc nghiệm

BÀI MỞ ĐẦU

1 Mục đớch

Trang bị các kiến thức về kỹ thuật cảm biến và xử lý tín hiệu Ph ơng pháp tính toán các đại l ợng biến đổi dựa trên đại l ưượng điện, ph ơng pháp ghép nối cảm biến với máy tính và các bộ ưđiều khiển.

Nguyên lý và ph ơng pháp sử dụng các thiết bị phần cứng chuyên dụng cũng nh phần mềm máy tính trong đo l ờng và xử lý tín hiệu thu đ ợc từ các bộ cảm biến.

Cấu trúc và công dụng của các bộ cảm biến thông dụng và các mạch điện nối ghép, các hệ thống đo l ờng chuyên dụng, các phần mềm thu thập và xử lý số liệu.

BÀI MỞ ĐẦU

2 Vai trò

Các hệ thống cảm biến đ ợc coi nh các giác quan của các thiết bị điều khiển tự động có nhiệm vụ cảm nhận biến đổi của các sự kiện vật lý không phải điện và biến chúng thành đại l ợng điện để các hệ thống điều khiển nhận biết đ ợc, giúp chúng ta nhận dạng và đánh giá tình trạng cũng nh điều khiển mọi trạng thái của thiết bị phù hợp.

Hệ thống cảm biến có vai trò then chốt trong các hệ thống tự động đặc biệt là các hệ thống thông minh.

Cảm biến là một bộ phận quan trọng hàng đầu không thể thiếu trong các hệ thống tự động đòi hỏi cần phải tiếp cận

Chương I CÁC KHÁI NIỆM ng I CÁC KHÁI NI M ỆM VÀ Đ C TR NG C B NẶC TRƯNG CƠ BẢNƯNG CƠ BẢNƠ BẢN ẢN

1 Khái niệm và phân loại cảm biến2 Các đặc trưng cơ bản của cảm biến3 Nguyên lý chung chế tạo cảm biến

1 Khái ni m và phân lo i ệu giảng dạyạy

1.1 Khái niệm

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 cần đo

(s)

 Đ i lư ng đ u vào (hay kích thích) (m): Tác đ ng c a đ i lộng của đại lượng cần đo ủa đại lượng cần đo ư ng c n đo (có tính ch t đi n ho c không)ất điện hoặc không) ện hoặc không) ặc không)

 Đ i lư ng đ u ra (hay đáp ng )(s): Tín hi u ra c a CB (thứng )(s): Tín hiệu ra của CB (thường mang tính ện hoặc không) ủa đại lượng cần đo ường mang tính ng mang tính ch t đi n).ất điện hoặc không) ện hoặc không)

 Đáp ng (s) là hàm đ n tr c a đ i lứng )(s): Tín hiệu ra của CB (thường mang tính ơn trị của đại lượng cần đo (m): ị của đại lượng cần đo (m): ủa đại lượng cần đo ư ng c n đo (m):

Thông qua đo (s) xác đ nh giá tr (m).→ xác định giá trị (m) ị của đại lượng cần đo (m): ị của đại lượng cần đo (m):

1.1 Khái niệm

)m(

Fs 

1.2 Phân loại cảm biến

Cảm biến

Nguyên lý chuyển đổi

- Hiện tượng vật lý;- Hiện tượng hóa học.

Dạng kích thích

- Âm thanh;- Điện;- Từ;Quang;- Nhiệt

Đặc tính

- Độ CX;- Độ nhạy;- Độ PG;- Độ TT;- Công suất;- Tuổi thọ

Phạm vi sử dụng

- Công nghi p;ện hoặc không)- NCKH;- Dân d ng;ụng;- Giao thông;- Quân s ự

Thông số

- Tích cực;- Thụ động

2 Các đ c tr ng c b n ặc trưng cơ bản ương I CÁC KHÁI NIỆM ảng dạyc a c m bi nủa cảm biếnảng dạyết/tuần

2.1 Đường mang tính ng cong chu nẩn2.2 Đ nh yộng của đại lượng cần đo

2.3 Đ tuy n tínhộng của đại lượng cần đo ến tính2.4 Gi i h n và ph m vi đoới hạn và phạm vi đo

2.1 Đười lượng:ng cong chu nẩna) Khái ni m đệu giảng dạyười lượng:ng cong chu n: ẩn đường mang tính ng cong bi u di n s ểu diễn sự ễn sự ự

ph thu c c a đáp ng (s) đ u ra c a c m bi n vào ụng; ộng của đại lượng cần đo ủa đại lượng cần đo ứng )(s): Tín hiệu ra của CB (thường mang tính ở đầu ra của cảm biến vào ủa đại lượng cần đo ảm biến vào ến tínhgiá tr c a đ i lị của đại lượng cần đo (m): ủa đại lượng cần đo ư ng đo (m) đ u vào ở đầu ra của cảm biến vào

 Bi u di n:ểu diễn:ễn:

+ B ng bi u th c đ i s ằng biểu thức đại số ểu diễn sự ứng )(s): Tín hiệu ra của CB (thường mang tính ố+ B ng đ th ằng biểu thức đại số ồ thị ị của đại lượng cần đo (m):

2.1 Đường mang tính ng cong chu nẩn

 Bi u di n b ng bi u th c đ i sểu diễn:ễn:ằng biểu thức đại sốểu diễn:ức đánh giáạy ống đo-ĐHCN

s= F(m) Ví d c m bi n tuy n tính:ụng; ảm biến vào ến tính ến tính

s= a.m +b Trong đó: a, b là các h ng s ằng biểu thức đại số ố

2.1 Đường cong chuẩn

Bi u di n b ng đ thểu diễn:ễn:ằng biểu thức đại sốồ thịị

s

misi

ma) D ng chung

0

s

mb) D ng tuy n tínhến tính

0

2.1 Đường cong chuẩnb) Chu n c m bi n: ẩnảng dạyết/tuầnphép đo xác l p ập

m i quan h gi a giá tr (s) đo đốện hoặc không) ữa giá trị (s) đo được ị của đại lượng cần đo (m):ưc c a đ i lủa đại lượng cần đo ưng đ u ra c a CB và giá ủa đại lượng cần đo tr (m) c a đ i lị của đại lượng cần đo (m):ủa đại lượng cần đo ưng c n đo có tính đ n các y u t nh hến tínhến tínhố ảm biến vào ưở đầu ra của cảm biến vào ng, trên c ơn trị của đại lượng cần đo (m):s đó xây d ng đở đầu ra của cảm biến vào ự ường mang tính ng cong chu n ẩndưới hạn và phạm vi đoi d ng tường mang tính ng minh (đ th ho c ồ thị ị của đại lượng cần đo (m):ặc không)bi u th c đ i s ) ểu diễn sự ứng )(s): Tín hiệu ra của CB (thường mang tính ố

2.1 Đường cong chuẩn

b) Phương I CÁC KHÁI NIỆM ng pháp chu n:ẩn

 Chu n đ n gi n: ẩnơng I CÁC KHÁI NIỆM ảng dạy áp d ng khi c m bi n ch ch u tác ụng; ảm biến vào ến tính ỉ chịu tác ị của đại lượng cần đo (m):đ ng c a m t đ i lộng của đại lượng cần đo ủa đại lượng cần đo ộng của đại lượng cần đo ư ng đo duy nh t.ất điện hoặc không)

 Chu n nhi u l n: ẩnều lần: ần áp d ng khi c m bi n có ph n t ụng; ảm biến vào ến tính ử tr , k t qu đo theo hai chi u tăng gi m c a đ i lễn sự ến tính ảm biến vào ều tăng giảm của đại lượng ảm biến vào ủa đại lượng cần đo ư ng đo khác nhau

2.1 Đường cong chuẩn

Chu n đ n gi n: ẩnơng I CÁC KHÁI NIỆM ảng dạyđo các giá tr c a đ i lị của đại lượng cần đo (m): ủa đại lượng cần đo ưng đ u ra (si) ng v i m t lo t các giá tr xác đ nh ứng )(s): Tín hiệu ra của CB (thường mang tính ới hạn và phạm vi đoộng của đại lượng cần đo ị của đại lượng cần đo (m):ị của đại lượng cần đo (m):không đ i c a đ i lổi của đại lượng đầu vào (m ủa đại lượng cần đo ưng đ u vào (mi).

 Chu n tr c ti pẩnực tiếpết/tuần : giá tr c a đ i lị của đại lượng cần đo (m): ủa đại lượng cần đo ưng đo l y ất điện hoặc không)t các m u chu n ho c các ph n t so sánh có ừ các mẫu chuẩn hoặc các phần tử so sánh có ẫu chuẩn hoặc các phần tử so sánh có ẩnặc không)ử giá tr bi t trị của đại lượng cần đo (m): ến tínhưới hạn và phạm vi đoc v i đ chính xác cao.ới hạn và phạm vi đo ộng của đại lượng cần đo

 Chu n gián ti p: ẩnết/tuầnk t h p CB c n chu n v i ến tínhẩnới hạn và phạm vi đom t CB so sánh đã có s n động của đại lượng cần đo ẵn đường cong chuẩn ường mang tính ng cong chu n ẩn(trong cùng đi u ki n làm vi c).ều tăng giảm của đại lượng ện hoặc không)ện hoặc không)

2.1 Đường cong chuẩn

 Chu n nhi u l n: ẩnều lần: ần đo các giá tr (sị của đại lượng cần đo (m): i) c a đ i lủa đại lượng cần đo ư ng đ u ra ng v i m t lo t các giá tr (mứng )(s): Tín hiệu ra của CB (thường mang tính ới hạn và phạm vi đo ộng của đại lượng cần đo ị của đại lượng cần đo (m): i) c a đ i lủa đại lượng cần đo ư ng đ u vào theo hai chi u tăng và gi m c a đ i lều tăng giảm của đại lượng ảm biến vào ủa đại lượng cần đo ư ng c n đo

ssi

mmi

si’

mmi

si

Chu n đ n gi nẩnơng I CÁC KHÁI NIỆM ảng dạyChu n nhi u l nẩnều lần: ần

2.2 Đ nh yộng của đại lượng cần đo

a)Đ nh yộ nhạyạy trong ch đ tĩnh: ết/tuần ộ nhạy xác đ nh b i t s gi a ị của đại lượng cần đo (m): ở đầu ra của cảm biến vào ỉ chịu tác ố ữa giá trị (s) đo được

bi n thiên đ u ra (ến tính s) trên bi n thiên đ u vào (ến tính m)

 C m bi n tuy n tính: ảm biến vào ến tính ến tính

 Không ph thu c đi m làm vi c c a CB.ụng; ộng của đại lượng cần đo ểu diễn sự ện hoặc không) ủa đại lượng cần đo

msS



constm

s



2.2 Đ nh yộng của đại lượng cần đo

 C m bi n phi tuy n tính: ảm biến vào ến tính ến tính

 Đ nh y ph thu c đi m làm vi c c a CB.ộng của đại lượng cần đo ụng; ộng của đại lượng cần đo ểu diễn sự ện hoặc không) ủa đại lượng cần đo

s

mα

s

mα

(si,mi)

constm

sS

i

mm











2.2 Đ nh yộng của đại lượng cần đo

b) H s chuy n đ i tĩnh: ệu giảng dạy ống đo-ĐHCNểu diễn:ổi tĩnh: xác đ nh b i t s gi a giá tr ị của đại lượng cần đo (m): ở đầu ra của cảm biến vào ỷ số giữa giá trị ở ố ữa giá trị (s) đo được ị của đại lượng cần đo (m): ở đầu ra của cảm biến vào

đ u ra và giá tr đ u vào t i đi m làm vi c Qị của đại lượng cần đo (m): ở đầu ra của cảm biến vào ểu diễn sự ện hoặc không) i đang xét:

 H s CĐT b ng đ nh y S khi đ c tr ng tĩnh c a c m ện hoặc không) ố ằng biểu thức đại số ộng của đại lượng cần đo ặc không) ư ủa đại lượng cần đo ảm biến vào

bi n là đến tính ường mang tính ng th ng đi qua g c t a đ ẳng đi qua gốc tọa độ ố ọa độ ộng của đại lượng cần đo

i

Qi

ms





2.2 Đ nh yộng của đại lượng cần đo

c) Đ nh y trong ch đ đ ng: ộ nhạyạyết/tuần ộ nhạy ộ nhạy đư c xác đ nh khi đ i ị của đại lượng cần đo (m):lư ng đo bi n thiên tu n hoàn theo th i gian.ến tính ờng mang tính

 Kích thích:

 Đáp ng: ứng )(s): Tín hiệu ra của CB (thường mang tính

 Đ nh y: ộng của đại lượng cần đo

  tmm.costm01

  tss.cos  t 

s01

0

Q1

1

ms





2.3 Đ tuy n tínhộng của đại lượng cần đo ến tính

a)Khái ni m: ệu giảng dạy

 Trong ch đ tĩnh, đ tuy n tính bi u th s không ến tính ộng của đại lượng cần đo ộng của đại lượng cần đo ến tính ểu diễn sự ị của đại lượng cần đo (m): ự

ph thu c c a đ nh y vào giá tr c a đ i lụng; ộng của đại lượng cần đo ủa đại lượng cần đo ộng của đại lượng cần đo ị của đại lượng cần đo (m): ủa đại lượng cần đo ư ng đo  đ c tr ng tĩnh là đo n th ng.ặc không) ư ẳng đi qua gốc tọa độ

 Trong ch đ đ ng, bi u th s không ph thu c c a ến tính ộng của đại lượng cần đo ộng của đại lượng cần đo ểu diễn sự ị của đại lượng cần đo (m): ự ụng; ộng của đại lượng cần đo ủa đại lượng cần đo

đ nh y S, c a các thông s h i đáp c a CB (fộng của đại lượng cần đo ủa đại lượng cần đo ố ồ thị ủa đại lượng cần đo 0,…)vào )vào giá tr c a đ i lị của đại lượng cần đo (m): ủa đại lượng cần đo ư ng đo

2.3 Đ tuy n tínhộng của đại lượng cần đo ến tính

b) Đười lượng:ng th ng t t nh t: ẳng tốt nhất: ống đo-ĐHCNất: đường mang tính ng th ng xây d ng trên c ẳng đi qua gốc tọa độ ự ơn trị của đại lượng cần đo (m):s các s li u th c nghi m khi chu n c m bi n sao cho ở đầu ra của cảm biến vào ố ện hoặc không) ự ện hoặc không) ẩn ảm biến vào ến tínhsai s là bé nh t.ố ất điện hoặc không)

Trong đó: sa.mb

2

i2

i

ii

ii

mm

.N

m.

sm

.s.

Na

 





2i2

i

ii

i2

ii

mm

.N

m.

s.mm

.sb

2.3 Đ tuy n tínhộng của đại lượng cần đo ến tính

c) Đ l ch tuy n tính: ộ nhạy ệu giảng dạyết/tuần xác đ nh b i đ l ch c c đ i gi a ị của đại lượng cần đo (m): ở đầu ra của cảm biến vào ộng của đại lượng cần đo ện hoặc không) ự ữa giá trị (s) đo được đường mang tính ng cong chu n và đẩn ường mang tính ng th ng t t nh t, tính b ng ẳng đi qua gốc tọa độ ố ất điện hoặc không) ằng biểu thức đại số.% trong d i đo.ảm biến vào

s

m

2.4 Gi i h n và ph m vi ới hạn và phạm vi ạyạy

2.4 Gi i h n và ph m vi đoới hạn và phạm vi ạyạy

b) Vùng không gây nên h h ng:ư ỏng: vùng mà khi các đ i lư ng đo, các đ i lư ng v t lý có liên quan, các đ i ập lư ng nh hảm biến vào ưở đầu ra của cảm biến vào ng vư t qua ngưỡng mà các đại ng c a vùng làm vi c ủa đại lượng cần đo ện hoặc không)danh đ nh nh ng v n còn n m trong ph m vi:ị của đại lượng cần đo (m): ư ẫu chuẩn hoặc các phần tử so sánh có ằng biểu thức đại số

 Không gây nên h h ng.ư ỏng

 Các đ c tr ng c a c m bi n có th b thay đ i mang ặc không) ư ủa đại lượng cần đo ảm biến vào ến tính ểu diễn sự ị của đại lượng cần đo (m): ổi của đại lượng đầu vào (mtính thu n ngh ch.ập ị của đại lượng cần đo (m):

2.4 Gi i h n và ph m vi đoới hạn và phạm vi ạyạy

c)Vùng không phá h y: ủa cảm biến các đ i lư ng đo, các đ i lư ng v t lý có liên quan, các đ i lập ư ng nh hảm biến vào ưở đầu ra của cảm biến vào ng vư t qua ngưỡng mà các đại ng c a vùng không gây nên h h ng nh ng v n còn ủa đại lượng cần đo ư ỏng ư ẫu chuẩn hoặc các phần tử so sánh có n m trong ph m vi: ằng biểu thức đại số

 CB không b phá h y.ị của đại lượng cần đo (m): ủa đại lượng cần đo

 Các đ c tr ng c a c m bi n b thay đ i mang tính ặc không) ư ủa đại lượng cần đo ảm biến vào ến tính ị của đại lượng cần đo (m): ổi của đại lượng đầu vào (mkhông thu n ngh ch.ập ị của đại lượng cần đo (m):

 ph i ti n hành chu n l i c m bi n.ảm biến vào ến tính ẩn ảm biến vào ến tính

3 Nguyên lý ch t o CBến tính

3.1 Nguyên lý ch t o c m bi n tích c cết/tuần ạyảng dạyết/tuầnực tiếp : d a trên các ự

hi u ng v t lý:ện hoặc không) ứng )(s): Tín hiệu ra của CB (thường mang tính ập

 Hi u ng nhi t đi nện hoặc không) ứng )(s): Tín hiệu ra của CB (thường mang tính ện hoặc không) ện hoặc không)

 Hi u ng ho đi nện hoặc không) ứng )(s): Tín hiệu ra của CB (thường mang tính ảm biến vào ện hoặc không)

 Hi u ng áp đi nện hoặc không) ứng )(s): Tín hiệu ra của CB (thường mang tính ện hoặc không)

 Hi u ng c m ng đi n tện hoặc không) ứng )(s): Tín hiệu ra của CB (thường mang tính ảm biến vào ứng )(s): Tín hiệu ra của CB (thường mang tính ện hoặc không) ừ các mẫu chuẩn hoặc các phần tử so sánh có

 Hi u ng quang đi nện hoặc không) ứng )(s): Tín hiệu ra của CB (thường mang tính ện hoặc không)

 Hi u ng quang - đi n - tện hoặc không) ứng )(s): Tín hiệu ra của CB (thường mang tính ện hoặc không) ừ các mẫu chuẩn hoặc các phần tử so sánh có

 Hi u ng Hallện hoặc không) ứng )(s): Tín hiệu ra của CB (thường mang tính

3.1 Nguyên lý ch t o CB tích c cết/tuần ạyực tiếp

t1

t2(B)

(A)(A)

et1

Sơ đồ hiệu ứng nhiệt điện:

3.1 Nguyên lý ch t o CB ết/tuần ạytích c cực tiếp

Hi u ng ho đi nện hoặc không) ứng )(s): Tín hiệu ra của CB (thường mang tính ảm biến vào ện hoặc không)

v 

3.1 Nguyên lý ch t o CB ết/tuần ạytích c cực tiếp

V FF

F

Hiện hoặc không)u ứng )(s): Tín hiệu ra của CB (thường mang tính ng áp điện hoặc không)n

3.1 Nguyên lý ch t o CB ết/tuần ạytích c cực tiếp

e 

B

Hiệu ứng cảm ứng điện từ