Bài giảng đo lường cảm biến chương 1

Cấu trúc của một dụng cụ đo không điện.Chuyển đổI sơ cấp cảm biến Mạch đo Cơ cấu chỉ thị ĐạI lượng không điện ĐạI lượng điện Máy đo gồm 3 Khâu : + Chuyển đổi: thu nhận và biến đổi sự th

I Cấu trúc của một dụng cụ đo không điện.

Chuyển đổI

sơ cấp (cảm biến)

Mạch đo Cơ cấu

chỉ thị

ĐạI lượng

không điện

ĐạI lượng điện Máy đo gồm 3 Khâu :

+ Chuyển đổi: thu nhận và biến đổi sự thay đổi của đại lượng không điện thành sự thay đổi của đại lượng điện đầu ra

+ Mạch đo: gia công tín hiệu từ khâu chuyển đổi cho phù hợp

với cơ cấu chỉ thị Bao gồm : khuếch đại, dịch mức, lọc, phối

hợp trở kháng

+ Cơ cấu chỉ thị: hiển thị kết quả đo (Số, kim, điện tử)

Chương 1: Khái niệm về đo lường và cảm biến

II Các thông số đặc trưng của chuyển đổi

1 Phương trình chuyển đổi

Chuyển đổi

Đại lượng không điện

Đại lượng điện

Đại lượng điện (Y) ở ngõ ra của chuyển đổi luôn có thể biểu

diễn theo ngõ vào không điện (X) qua một hàm f

Y = f(X) Tác dụng của nhiễu: Y = f(X, X1, X2,…, Xn)

Trong đó X1, X2,… là những đại lượng nhiễu, do vậy điều kiện lý

+ Phương pháp chuẩn cảm biến (Calibration)

Chuẩn cảm biến là phép đo nhằm mục đích xác lập phương trình chuyển đổi của cảm biến hoặc dưới dạng phương trình hoặc dạng đồ thị

Thực hiện phép đo với những tín hiệu ngõ vào xi xác định để tìm

+ Chuẩn đơn giản

+ Chuẩn nhiều lần : áp dụng các cảm

biến có tính trễ

2 Độ nhạy.

Độ nhạy là tỷ số biến thiên đầu ra theo biến thiên đầu vào

X

Y X

Y S

X X

∂

∂

=

∆

∆

=

→

∆lim0

lượng biến thiên đầu vào càng nhỏ đồng nghĩa với chuyển

đổi càng tốt

Độ nhạy chủ đạo :

Độ nhạy phụ :

i i

X

Y X

Y S

i

∂

=

∆

∆

=

→

phụ (nhiễu) cảng nhỏ đồng nghĩa với chuyển đổi càng tốt

Độ chọn lựa: tỷ lệ giữa độ nhạy chủ đạo và độ nhạy phụ

i

X

x

i S

S

K =

Cảm biến có Ki càng lớn  càng tốt

Ví dụ: cho 2 cảm biến có độ nhạy như bảng sau:

Nên chọn cảm biến nào? Tại sao?

XCB CB

X

XCB

2 1

2 1

1

3 Ngưỡng độ nhạy và giới hạn đo.

Ngưỡng độ nhạy là độ biến thiên lớn nhất của ngõ vào mà ngõ

ra chưa thay đổi

Y = f(X + Δ0)  Δ0 càng nhỏ càng tốt Giới hạn đo là phạm vi biến thiên ngõ vào mà phương trình

chuyển đổi còn nghiệm đúng

Khi lựa chọn cảm biến phải chọn cảm biến có giới hạn đo lớn

hơn hoặc bằng khoảng muốn đo

4 Độ tuyến tính.

Một cảm biến được gọi là tuyến tính trong một dải đo xác định

nếu trong dải đo đó độ nhạy không phụ thuộc vào giá trị đo

Nếu cảm biến không tuyến tính, người ta sử dụng các mạch

đo để hiệu chỉnh thành tuyến tính gọi là sự tuyến tính hóa

+ Đường thẳng tốt nhất (Best Straight Line)

Khi chuẩn một cảm biến, người ta đo được các cặp giá trị ứng với

ngõ ra và ngõ vào {xi, yi}

+ Lý tưởng thì những giá trị này sẽ nằm trên một đường đặc

trưng là đường thẳng

+ Thực nghiệm các điểm này không nằm trên cùng đuờng

thẳng mà nằm trên 1 đường gọi là đượng cong chuẩn

Đường thẳng được xây dựng từ kết quả thực nghiệm sao cho

sai số là nhỏ nhất : đường thằng tốt nhất

y = a.x + b

−

−

2

i i

i i

i i

x x

N

x y

x y

N a

−

−

2

i

x x

N

x x

y x

y b

5 Sai số Là sai lệch giữa giá trị thực và giá trị đo được gồm sai số

tuyệt đối và sai số tương đối

Có 3 lọai sai số chủ yếu trong chuyển đổi đại lượng đo lường

không điện :

+ Sai số phi tuyến là sai số xuất hiện trong kết quả đo do đặc tính

chuyển đổi là phi tuyến

Khắc phục : tuyến tính hóa đặc tính chuyển đổi

+ Sai số phụ là sai số xuất hiện do ảnh hưởng của các đại lượng phụ Khắc phục : sử dụng cảm biến đúng trong môi trường theo yêu cầu

của nhà sản xuất, Lọc nhiễu, Bù nhiễu, Phối hợp tổng trở v.v…

+ Sai số ngưỡng : sai số do ngưỡng độ nhạy Sai số này phụ thuộc

vào công nghệ chế tạo nên không có cách khắc phục

III Phân lọai chuyển đổi.

Chuyển đổi có thể được phân loại theo 1 trong các tiêu chuẩn sau:

+ Yêu cầu về nguồn cung cấp:

- Tích cực và thụ động + Trạng thái tín hiệu ra:

- Tương tự và số + Trạng thái đo lường

- Trạng thái lệch và cân bằng

1 Chuyển đổi tích cực và thụ động.

a Chuyển đổi tích cực: đòi hỏi sự cung cấp năng lượng bên

ngòai hay tín hiệu kích thích để tác động

Nguyên lý chuyển đổi : dựa trên các hiệu ứng vật lý biến đổi

một dạng năng lượng nào đó thành năng lượng điện

(M2) (M1)

T1

0 o C

eT1

v  F

+ Hiệu ứng cảm ứng điện từ Ω

e  Ω B

+ Hiệu ứng quang - điện – từ

v  Φ

Φ

i

B

Ngòai ra còn nhiều hiệu ứng khác như : Hiệu ứng quang điện,

hiệu ứng hỏa điện, hiệu ứng Hall, v.v… (TLTK)

b Chuyển đổi thụ động

Phát tín hiệu đáp trả lại sự tác động của kích thích bên ngòai

mà không cần năng lượng cung cấp từ bên ngòai

Ví dụ: cặp nhiệt điện, chuyển đổi áp điện …

Chuyển đổi thụ động thường được chế tạo từ những trở kháng

có thông số chủ yếu nhạy với đại lượng cần đo

2 Chuyển đổi tương tự và chuyển đổi số.

a Chuyển đổi tương tự: cung cấp tín hiệu liên tục trong cả cường

độ, thời gian và không gian

Hầu hết các giá trị đo lường vật lý mang tính chất tương tự

b Chuyển đổi số: tín hiệu ra giữ ở trạng thái các bước hoặc rời rạc

Ví dụ : nhiệt độ, sự dịch chuyển, cường độ sáng

Tín hiệu số dễ dàng lặp lại, đáng tin cậy và dễ truyền đi xa

Ví dụ: Shaft Encoder, Contact switch…

3 Trạng thái họat động.

a Chế độ lệch: tín hiệu phản hồi là sự thay đổi

(lệch) so với trạng thái ban đầu của thiết bị đo

Sự thay đổi này tương ứng với giá trị đo

b Chế độ cân bằng: đưa ảnh hưởng của tín

hiệu đo lên hệ thống đo lường để chống lại

tác động của hệ thống đo lường

Dụng cụ đo lường ở chế độ cân bằng có thể có kết quả đo chính

xác hơn ở chế độ lệch nhưng đáp ứng thường chậm hơn

IV Nhiễu đo.

Chia làm 2 lọai chính : Nhiễu nội tại và nhiễu đường truyền

+ Nhiễu nội tại phát sinh do không hòan thiện trong việc thiết

kế, chế tạo các bộ cảm biến Nhiễu nội tại không thể khắc

phục nhưng có thể giảm thiểu

+ Nhiễu do đường truyền phát sinh do những nguồn nhiễu, từ

trường, trường điện từ sóng radio, do mạch phối hợp trên

đường truyền, hoặc phát sinh tại máy thu.Để giảm nhiễu trên

đường truyền ta có thể sử dụng một số phương pháp như: cách

ly nguồn, lọc nguồn, nối đất, bố trí linh kiện hợp lý,…

Một số biện pháp khắc phục nhiễu

Nguồn 50Hz

Nguồn 100Hz

150 Hz do máy biến

áp bị bão hoà

Đài phát thanh

Tia lửa do chuyển

mạch

Dao động

Dao động cáp nối

Bảng mạch

100pA

3µV 0.5µV 1mV 1mV 10pA 100pA 0.01-10pA

Cách ly nguồn nuôi, màn,nối đất Lọc nguồn

Bố trí linh kiện hợp lý Màn chắn

Lọc, nối đất,màn chắn Ghép nối cơ khí, không để dây cao áp gần đầu vào chuyển đổi Sử dụng cáp ít nhiễu(điện môi tẩm Cacbon)

Lau sạch, dùng cách điện Teflon

Các bước để lựa chọn cảm biến:

- Độ phân giải

Môi trường - Khí hậu, nhiệt độ, áp suất, độ ẩm…

- Điện, từ trường …

- Tín hiệu: Tương tự (dòng điện, điện áp, tần số)

Số (kết nối nối tiếp hay song song)

- Cơ : chọn lọai đầu nối