Bài giảng đo lường cảm biến chương 1

Chương 1: Khái niệm đo lường cảm biến I Cấu trúc dụng cụ đo khơng điện X Chuyển đổI sơ cấp (cảm biến) ĐạI lượng khơng điện Y Mạch đo Cơ cấu thị ĐạI lượng điện Máy đo gồm Khâu : + Chuyển đổi: thu nhận biến đổi thay đổi đại lượng khơng điện thành thay đổi đại lượng điện đầu + Mạch đo: gia cơng tín hiệu từ khâu chuyển đổi cho phù hợp với cấu thị Bao gồm : khuếch đại, dịch mức, lọc, phối hợp trở kháng + Cơ cấu thị: hiển thị kết đo (Số, kim, điện tử) Tra ng II Các thơng số đặc trưng chuyển đổi Phương trình chuyển đổi Đại lượng khơng điện X Chuyển đổi Y Đại lượng điện Đại lượng điện (Y) ngõ chuyển đổi ln biểu diễn theo ngõ vào khơng điện (X) qua hàm f Y = f(X) Tác dụng nhiễu: Y = f(X, X1, X2,…, Xn) Trong X1, X2,… đại lượng nhiễu, điều kiện lý tưởng đại lượng Tra ng + Phương pháp chuẩn cảm biến (Calibration) Chuẩn cảm biến phép đo nhằm mục đích xác lập phương trình chuyển đổi cảm biến dạng phương trình dạng đồ thị Thực phép đo với tín hiệu ngõ vào x i xác định để tìm ngõ yi  xây dựng đường đặc tính + Chuẩn đơn giản + Chuẩn nhiều lần : áp dụng cảm biến có tính trễ Tra ng Độ nhạy Độ nhạy tỷ số biến thiên đầu theo biến thiên đầu vào Độ nhạy chủ đạo : ∆Y ∂Y = ∆X →0 ∆X ∂X S X = lim Độ nhạy chủ đạo Sx lớn tức khả đo đại lượng biến thiên đầu vào nhỏ đồng nghĩa với chuyển đổi tốt Độ nhạy phụ : ∆Y ∂Y = ∆X i →0 ∆X i ∂X i S X i = lim Độ nhạy phụ Sxi nhỏ tức ảnh hưởng đại lượng phụ (nhiễu) cảng nhỏ đồng nghĩa với chuyển đổi tốt Tra ng Độ chọn lựa: tỷ lệ độ nhạy chủ đạo độ nhạy phụ Ki = Sx S Xi Cảm biến có Ki lớn  tốt Ví dụ: cho cảm biến có độ nhạy bảng sau: Cảm biến Sx Sxi CB1 8.10-3mV/kg 4.10-6mV/0C CB2 9.10-3mV/kg 8.10-6mV/0C Nên chọn cảm biến nào? Tại sao? S XCB1 > S XCB S X 1CB1 S X 1CB Chọn cảm biến Tra ng Ngưỡng độ nhạy giới hạn đo Ngưỡng độ nhạy độ biến thiên lớn ngõ vào mà ngõ chưa thay đổi Y = f(X + Δ0)  Δ0 nhỏ tốt Giới hạn đo phạm vi biến thiên ngõ vào mà phương trình chuyển đổi nghiệm Khi lựa chọn cảm biến phải chọn cảm biến có giới hạn đo lớn khoảng muốn đo Độ tuyến tính Một cảm biến gọi tuyến tính dải đo xác định dải đo độ nhạy khơng phụ thuộc vào giá trị đo Nếu cảm biến khơng tuyến tính, người ta sử dụng mạch đo để hiệu chỉnh thành tuyến tính gọi tuyến tính hóa Tra ng + Đường thẳng tốt (Best Straight Line) Khi chuẩn cảm biến, người ta đo cặp giá trị ứng với ngõ ngõ vào {xi, yi} + Lý tưởng giá trị nằm đường đặc trưng đường thẳng + Thực nghiệm điểm khơng nằm đuờng thẳng mà nằm đường gọi đượng cong chuẩn Đường thẳng xây dựng từ kết thực nghiệm cho sai số nhỏ : đường thằng tốt y = a.x + b a= N ∑ y i x i − ∑ y i ∑ x i N ∑ x − ( ∑ xi ) i y ∑ x − ∑ ( y x ).∑ x ∑ b= N ∑ x − (∑ x ) i i i i i i i Tra ng Sai số Là sai lệch giá trị thực giá trị đo gồm sai số tuyệt đối sai số tương đối Có lọai sai số chủ yếu chuyển đổi đại lượng đo lường khơng điện : + Sai số phi tuyến sai số xuất kết đo đặc tính chuyển đổi phi tuyến Khắc phục : tuyến tính hóa đặc tính chuyển đổi + Sai số phụ sai số xuất ảnh hưởng đại lượng phụ Khắc phục : sử dụng cảm biến mơi trường theo u cầu nhà sản xuất, Lọc nhiễu, Bù nhiễu, Phối hợp tổng trở v.v… + Sai số ngưỡng : sai số ngưỡng độ nhạy Sai số phụ thuộc vào cơng nghệ chế tạo nên khơng có cách khắc phục Tra ng III Phân lọai chuyển đổi Chuyển đổi phân loại theo tiêu chuẩn sau: + u cầu nguồn cung cấp: - Tích cực thụ động + Trạng thái tín hiệu ra: - Tương tự số + Trạng thái đo lường - Trạng thái lệch cân Tra ng Chuyển đổi tích cực thụ động a Chuyển đổi tích cực: đòi hỏi cung cấp lượng bên ngòai hay tín hiệu kích thích để tác động Ngun lý chuyển đổi : dựa hiệu ứng vật lý biến đổi dạng lượng thành lượng điện + Hiệu ứng nhiệt điện: (M1) T1 (M2) 0oC + Hiệu ứng áp điện: eT1 (M1) F v F Tra ng + Hiệu ứng cảm ứng điện từ Ω B eΩ Φ i + Hiệu ứng quang - điện – từ B v Φ Ngòai nhiều hiệu ứng khác : 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 tác động kích thích bên ngòai mà khơng cần lượng cung cấp từ bên ngòai Ví dụ: cặp nhiệt điện, chuyển đổi áp điện … Chuyển đổi thụ động thường chế tạo từ trở kháng có thơng số chủ yếu nhạy với đại lượng cần đo Tra ng Chuyển đổi tương tự chuyển đổi số a Chuyển đổi tương tự: cung cấp tín hiệu liên tục cường độ, thời gian khơng gian Hầu hết giá trị đo lường vật lý mang tính chất tương tự Ví dụ : nhiệt độ, dịch chuyển, cường độ sáng b Chuyển đổi số: tín hiệu giữ trạng thái bước rời rạc Tín hiệu số dễ dàng lặp lại, đáng tin cậy dễ truyền xa Ví dụ: Shaft Encoder, Contact switch… Tra ng Trạng thái họat động a Chế độ lệch: tín hiệu phản hồi thay đổi (lệch) so với trạng thái ban đầu thiết bị đo Sự thay đổi tương ứng với giá trị đo b Chế độ cân bằng: đưa ảnh hưởng tín hiệu đo lên hệ thống đo lường để chống lại tác động hệ thống đo lường Dụng cụ đo lường chế độ cân có kết đo xác chế độ lệch đáp ứng thường chậm Tra ng IV Nhiễu đo Chia làm lọai : Nhiễu nội nhiễu đường truyền + Nhiễu nội phát sinh khơng hòan thiện việc thiết kế, chế tạo cảm biến Nhiễu nội khơng thể khắc phục giảm thiểu + Nhiễu đường truyền phát sinh nguồn nhiễu, từ trường, trường điện từ sóng radio, mạch phối hợp đường truyền, phát sinh máy thu.Để giảm nhiễu đường truyền ta sử dụng số phương pháp như: cách ly nguồn, lọc nguồn, nối đất, bố trí linh kiện hợp lý,… Tra ng Một số biện pháp khắc phục nhiễu Nguồn 50Hz Nguồn 100Hz 100pA 3µV Cách ly nguồn nuôi, màn,nối đất Lọc nguồn 150 Hz máy biến 0.5µV Bố trí linh kiện hợp lý áp bò bão hoà 1mV Màn chắn Đài phát Tia lửa chuyển 1mV 10pA Lọc, nối đất,màn chắn Ghép nối khí, không để dây mạch 100pA cao áp gần đầu vào chuyển đổi Dao động 0.01-10pA Sử dụng cáp nhiễu(điện môi Dao động cáp nối Bảng mạch tẩm Cacbon) Lau sạch, dùng cách điện Teflon Tra ng Các bước để lựa chọn cảm biến: Chức năng: - Đại lượng vật lý cần đo - Độ xác - Phương pháp đo - Sai số - Độ phân giải Mơi trường - Khí hậu, nhiệt độ, áp suất, độ ẩm… - Điện, từ trường … Kết nối - Điện: nguồn cung cấp điện áp, cơng suất - Tín hiệu: Tương tự (dòng điện, điện áp, tần số) Số (kết nối nối tiếp hay song song) - Cơ : chọn lọai đầu nối Tra ng [...]... 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 Tra ng IV Nhiễu đo Chia làm 2 lọai chính : Nhiễu nội tại và nhiễu đường... lý,… Tra ng Một số biện pháp khắc phục nhiễu Nguồn 50Hz Nguồn 10 0Hz 10 0pA 3µV Cách ly nguồn nuôi, màn,nối đất Lọc nguồn 15 0 Hz do máy biến 0.5µV Bố trí linh kiện hợp lý áp bò bão hoà 1mV Màn chắn Đài phát thanh Tia lửa do chuyển 1mV 10 pA Lọc, nối đất,màn chắn Ghép nối cơ khí, không để dây mạch 10 0pA cao áp gần đầu vào chuyển đổi Dao động 0. 01- 10pA Sử dụng cáp ít nhiễu(điện môi Dao động cáp nối Bảng mạch... vào chuyển đổi Dao động 0. 01- 10pA Sử dụng cáp ít nhiễu(điện môi Dao động cáp nối Bảng mạch tẩm Cacbon) Lau sạch, dùng cách điện Teflon Tra ng Các bước để lựa chọn cảm biến: Chức năng: - Đại lượng vật lý cần đo - Độ chính xác - Phương pháp đo - Sai số - Độ phân giải Mơi trường - Khí hậu, nhiệt độ, áp suất, độ ẩm… - Điện, từ trường … Kết nối - Điện: nguồn cung cấp điện áp, cơng suất - Tín hiệu: Tương... chuyển đổi áp điện … Chuyển đổi thụ động thường được chế tạo từ những trở kháng có thơng số chủ yếu nhạy với đại lượng cần đo Tra ng 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 khơng gian Hầu hết các giá trị đo lường vật lý mang tính chất tương tự Ví dụ : nhiệt độ, sự dịch chuyển, cường độ sáng b Chuyển đổi số: tín hiệu ra giữ... độ lệch nhưng đáp ứng thường chậm hơn Tra ng IV Nhiễu đo Chia làm 2 lọai chính : Nhiễu nội tại và nhiễu đường truyền + Nhiễu nội tại phát sinh do khơng hòan thiện trong việc thiết kế, chế tạo các bộ cảm biến Nhiễu nội tại khơng 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...+ Hiệu ứng cảm ứng điện từ Ω B eΩ Φ i + Hiệu ứng quang - điện – từ B v Φ 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 ... Xi Cảm biến có Ki lớn  tốt Ví dụ: cho cảm biến có độ nhạy bảng sau: Cảm biến Sx Sxi CB1 8 .10 -3mV/kg 4 .10 -6mV/0C CB2 9 .10 -3mV/kg 8 .10 -6mV/0C Nên chọn cảm biến nào? Tại sao? S XCB1 > S XCB S X 1CB1... lựa chọn cảm biến phải chọn cảm biến có giới hạn đo lớn khoảng muốn đo Độ tuyến tính Một cảm biến gọi tuyến tính dải đo xác định dải đo độ nhạy khơng phụ thuộc vào giá trị đo Nếu cảm biến khơng... thiết bị đo Sự thay đổi tương ứng với giá trị đo b Chế độ cân bằng: đưa ảnh hưởng tín hiệu đo lên hệ thống đo lường để chống lại tác động hệ thống đo lường Dụng cụ đo lường chế độ cân có kết đo xác