www.tinhgiac.com bai giang do luong cam bien bang may tinh

04/10/2013 Các loại cảm biến (cont’) Các loại cảm biến (cont’) Các cảm biến đo nhiệt độ Resistance Temprature Detectors (RTDs) Các cách kết nối RTD với mạch đo + Kết nối dây Các loại cảm biến (cont’) Các cảm biến đo nhiệt độ Resistance Temprature Detectors (RTDs) Các cách kết nối RTD với mạch đo + Kết nối dây Các loại cảm biến (cont’) Các loại cảm biến (cont’) Các cảm biến đo nhiệt độ Thermistors Điện trở nhiệt loại cảm biến nhiệt với giá thành rẻ, điện trở nhiệt bán dẫn chế tạo từ oxides số kim loại (Mangan, Nickel, cobalt,v.v) Độ xác Thermistors lớn khoảng 10 lần so với Thermocouple không xác RTDs Thermistors thường dùng khoảng nhiệt độ từ -80 độ C 250 độ C, đặc tuyến loại cảm biến nhiệt có độ phi tuyến cao Các loại cảm biến (cont’) Các cảm biến đo nhiệt độ Resistance Temprature Detectors (RTDs) Các cách kết nối RTD với mạch đo + Kết nối dây 04/10/2013 Các loại cảm biến (cont’) Cảm biến đo lực (Strain gauge) Cảm biến đo lực sử dụng rộng rãi việc đo lường lực cụ thể biến dạng tác động lực Cảm biến lực với phần tử điện trở gắn cố định dạng thường gặp, bao gồm vật liệu điện trở (thường dạng film mỏng micromet) gắn lên bề mặt polyester Các loại cảm biến (cont’) Cảm biến đo lực (Strain gauge) Các loại cảm biến (cont’) Cảm biến đo lực (Strain gauge) Hệ số biến dạng GF cung cấp nhà sản xuất cho cảm biến cụ thể Thông thường hệ số nằm khoảng từ 2-4 cho cảm biến có điện trở 120 Ohm, 350 Ohm Kohm Ví dụ: Nếu cảm biến lực với điện trở danh định 350 Ohm hệ số biến dạng GF 2.0 bị biến dạng 1% điện trở thay đổi 2% (=?Ohm) Các loại cảm biến (cont’) Cảm biến đo lực (Strain gauge) Mạch cầu Wheatstone Vì độ nhạy nên mạch cầu Wheatstone thường sử dụng cho phép đo mà có thay đổi nhỏ điện trở, cụ thể cảm biến đo lực Mạch cầu Wheatstone bao gồm phần tử điện trở kích thích nguồn điện áp/dòng điện Mạch cầu Wheatstone biểu diễn bên Các loại cảm biến (cont’) Các loại cảm biến (cont’) Cảm biến đo lực (Strain gauge) Cảm biến đo lực (Strain gauge) Các thông số bản: Độ dài biến dạng Nguyên lý đo: dùng mạch cầu Wheatstone ε=  R3 R2  V0 =  − .VEX  R3 + R4 R2 + R1  ∆l l Hệ số biến dạng + Mạch cầu 1/4 ∆R / R ∆R / R GF = = ∆L / L ε Hệ số GF kim loại V0 = VEX GF ε 04/10/2013 Các loại cảm biến (cont’) Khuếch đại (cont’) Cảm biến đo lực (Strain gauge) Nguyên lý đo: dùng mạch cầu Wheatstone + Mạch cầu 1/2 V0 = VEX GF ε + Mạch cầu toàn phần V0 = VEX GF ε 1.2.4 Chức khâu xử lý tín hiệu Tín hiệu điện ngõ chuyển đổi/sensor cần biến đổi cho phù hợp với ngõ vào phần cứng DAQ Một số chuyển đổi/sensor cần nguồn kích thích cầu Wheatstone tuyến tính hóa để tín hiệu đo xác Hầu hết hệ DAQ bao gồm khâu xử lý tín hiệu hình thức Các chức mà khâu xử lý tín hiệu thực là: Khuếch đại Cách ly Lọc Kích thích Tuyến tính hóa 1.3.5 Các kiểu xử lý tín hiệu 2.4.1 Khuếch đại Là nhiệm vụ yếu khâu xử lý tín hiệu nhằm: Tăng độ phân giải cho phép đo (nhiệm vụ chính) Tăng tỷ số tín hiệu/nhiễu (SNR) Tăng độ phân giải tối đa cách nào? VD: Tín hiệu ngõ sensor 0-10mV đưa trực tiếp vào ADC 12bit với full-scale 10V ( độ phân giải 2.44mV ): phân biệt mức Tăng SNR: tín hiệu nhỏ ngõ sensor cách xa phần cứng DAQ truyền môi trường nhiễu bị ảnh hưởng lớn nhiễu Nếu tín hiệu nhỏ (bị nhiễu) khuếch đại phần cứng DAQ sau truyền qua mơi trường nhiễu nhiễu tín hiệu khuếch đại tín hiệu cần đo Nếu nhiễu so sánh với tín hiệu cần đo ( SNR thấp) dẫn đến sai số lớn cho phép đo phép đo vô nghĩa Khuếch đại (cont’) Tăng SNR cách khuếch đại tín hiệu nhỏ đầu sensor trước truyền VD: Cặp nhiệt loại J có độ nhạy 50uV/0C Nếu tín hiệu đầu cặp nhiệt truyền mơi trường có nhiễu lớn với khoảng cách 10m, nhiễu đặt lên tín hiệu cặp nhiệt lên đến 200uV dẫn đến sai số đến 4oC Nếu khuếch đại tín hiệu đầu cặp nhiệt lên 500 lần độ nhạy lúc 25mV/0C, sai số nhiễu lúc (hàng uV) nhỏ Cách ly Cách ly dùng Opto : thường dùng cho tín hiệu số Cách ly phương pháp từ trường/điện trường dùng cho tín hiệu tương tự: điều chế tín hiệu điện áp thành tần số, sau truyền tín hiệu tần số biến áp/tụ biến đổi tần số thành điện áp đầu 04/10/2013 Cách ly (cont’) Mạch Lọc Lọc phần cứng: mạch lọc analog (passive and ative) rẻ nhất, thông số: Tần số cắt Roll-off: độ dốc đường cong biên độ theo tần số tần số cắt Q-factor: định độ lợi mạch lọc tần số cộng hưởng roll-off Cách ly biến áp Cách ly (cont’) Cách ly giúp bảo vệ thiết bị phần cứng DAQ, PC người vận hành khỏi điện áp cao trình độ, sét hay tĩnh điện hỏng hóc thiết bị cao áp Các bảo vệ áp đặt đầu vào khâu xử lý tín hiệu để bảo vệ khâu Cách ly nhằm đảm bảo vòng nối đất, điện áp cách chung (xét phần sau) không ảnh hưởng đến tín hiệu đo Mạch Lọc Mạch lọc nhằm loại bỏ nhiễu khỏi tín hiệu cần đo trước tín hiệu khuếch đại đưa vào ADC Có thể lọc phần cứng phần mềm Lọc mềm: đọc tín hiệu đo nhiều lần cần thiết lấy trung bình Phương pháp loại bỏ nhiễu tuần hoàn hoàn toàn mẫu trung bình hóa chu kỳ nhiễu Cách tính tốn mạch lọc (xem lecture notes provided) Tuyến tính hóa Quan hệ ngõ sensor tín hiệu đầu vào cần đo thường phi tuyến Phầm mềm hệ DAQ thường thực chức tuyến tính hóa Nếu mối quan hệ phi tuyến dự đốn có tính lặp lại tuyến tính hóa phần cứng Thơng thường cần xử lý tín hiệu lập trình dành riêng cho chuyển đổi riêng biệt, nhiên sau xử lý tín hiệu đo lường có quan hệ trực tiếp với đại lượng đo lường 1.3.5 Phân loại khâu xử lý tín hiệu Các sản phẩm dùng cho việc xử lý tín hiệu cung cấp đa dạng giá cả, tính năng, tính module dễ sử dụng nhà sản xuất khác Việc lựa chọn sử dụng xử lý tín hiệu cần phải phù hợp với yêu cầu cụ thể Một số dạng xử lý tín hiệu trình bày Lọc phần cứng 04/10/2013 1.3.5 Phân loại khâu xử lý tín hiệu 2.3.1 Các mạch xử lý tín hiệu cắm vào PC Mạch xử lý tín hiệu nằm phần cứng DAQ cắm vào PC hình Mỗi mạch xử lí tín hiệu cho loại sensor Sử dụng cho ứng dụng nhỏ với số lượng sensor nằm gần PC Các phát dây nối trực tiếp Tín hiệu truyền điện áp (+-10V 0-10V) tương thích với hầu hết với đầu vào mạch DAQ cho phép giao tiếp dễ dàng với board DAQ đại Tuy nhiên sụt áp dây truyền khoảng cách xa hạn chế dùng phương pháp truyền điện áp đường truyền ngắn Tín hiệu dòng điện có khả miễn nhiễm với nhiễu cao truyền với khoảng cách hàng trăm m (lên đến 1000m) Bộ thu chuyển dòng sang áp để đưa vào ADC Bộ thu thường điện trở với giá trị 500 Ohm cho fullscale 10V ADC Các mạch xử lý tín hiệu cắm vào PC (cont’) Các phát dây nối trực tiếp Các phát dây nối trực tiếp Các phát dây nối trực tiếp Mỗi cặp cáp truyền cho sensor riêng lẻ nhiều cáp Nguồn cung cấp (15-40V) cần đủ công suất cung cấp dòng cho modules theo yêu cầu Sơ đồ khối phát dây trực tiếp trang 19 Vì phát đòi hỏi nguồn nuôi chúng thường thiết kế gắn lên board có sẵn nguồn cấp cho nhiều xử lý tín hiệu Bộ phát dây module xử lý liệu cửa: nhận tín hiệu cần xử lý đầu vào xuất tín hiệu xử lý đầu Mỗi module cho loại sensor/actuator Không phải thiết bị thông minh ADC Tín hiệu xử lý truyền phần cứng hệ DAQ PC dây, tín hiệu truyền điện áp mạch vòng dòng điện (4-20)mA Sơ đồ khối phát dây trực tiếp 04/10/2013 Các phát dây nối trực tiếp Vào/ra phân tán - phát số (tt) Mạch xử lý tín hiệu vào/ra phân tán sử dụng phát số Cấu trúc hệ DAQ dùng phát dây trực tiếp 2.5.3 Vào/ra phân tán - phát số Nhắc lại (chapter 1) Sơ đồ khối: Vào/ra phân tán - phát số (tt) Trong yêu cầu thực tế chuyển đổi thường nằm xa PC chủ nằm vùng làm việc có nhiễu cao nên khó khăn để truyền tín hiệu đo lường PC chủ tín hiệu truyền dạng thô Một phương pháp hữu hiệu đưa sử dụng I/O phân tán Bộ phát số dạng đặc trưng cho phương pháp sử dụng I/O phân tán với chức giống phát dây nhiên có thêm A/D vi xử lý kèm theo Tín hiệu sau sử lý truyền qua dao diện RS232 RS485 PC chủ Cho phép lựa chọn loại cấu sau Vào/ra phân tán - phát số (tt) Mạch xử lý tín hiệu vào/ra phân tán sử dụng phát số riêng biệt 2.6 Nhiễu ảnh hưởng nhiễu 2.6.1 Khái niệm Nhiễu: tín hiệu điện không mong muốn mạch Không thể triệt nhiễu hồn tòan mà giảm biên độ nhiễu biên độ khơng gây ảnh hưởng lên tín hiệu đo 04/10/2013 Nhiễu ảnh hưởng nhiễu 2.6.2 Nguồn nhiễu phân loại nhiễu thành phần tham gia trình sinh nhiễu: Capacitive coupling Các hình thức gây nhiễu thường gặp hệ DAQ Ghép nói hỗ cảm (inductive coupling) Ghép nối điện dung (capacitive coupling) Ghép nối điện trở (conductive coupling) Conductive coupling Inductive coupling Tính sai số phép đo nhiệt độ điện trở nối đất 0.1Ohm? Capacitive coupling Inductive coupling 04/10/2013 Inductive coupling Chuyển đổi D/A Tổng quan DAC Các máy tính lưu trữ thơng tin dạng nhị phân Tuy nhiên, để tương tác với giới thực, máy tính phải xuất giá trị biến thiên liên tục Việc giao tiếp với giới thực thực qua vi mạch chuyển đổi số/tương tự (DAC) chuyển đổi tương tự/số (ADC) Bộ chuyển đổi D/A (DAC) nhận tín hiệu số n bit song song ngõ vào chuyển thành tín hiệu tương tự ngõ ra(tín hiệu dòng/áp) Ngõ DAC dòng điện, nhiên dễ dàng chuyển thành tín hiệu điện áp dùng OPAMP n ( Vout = K ∑ b j j −1 j =1 ) Các pp chuyển đổi D/A: Nguồn dòng có trọng số (Current –Switch DAC) Thang điện trở R-2R (hình trang…) Chống nhiễu Dùng cáp có vỏ bọc nối đất vỏ bọc : giảm nhiễu tương hổ điện dung gây Viết công thức điện áp nhiễu Chống nhiễu (cont’) nối đất vỏ cáp (hình trang 32) Viết cơng thức điện áp nhiễu Dùng cáp có vỏ bọc xoắn đôi Dùng cáp xoắn đôi Dùng cáp đồng trục Chuyển đổi D/A Các thông số DAC Độ phân giải Dải tín hiệu ra: ngõ DAC dòng áp Nếu tín hiệu DAC dòng ứng dụng u cầu tín hiệu điện áp cần có thêm OPAMP bên Thời gian độ (settling time): thời gian kể từ ngõ vào thay đổi đến ngõ DAC đạt đến giá trị yêu cầu với sai số (thường ±1/2LSB) Slew rate 1.3.7 Chuyển đổi D/A Current-Switch DAC Vout = R.I ∑ j.b j j =0 04/10/2013 Chuyển đổi D/A Trong phương pháp này, dòng điện đầu It tổng dòng trọng số từ cực nguồn transistor song song, dòng điện transistor định điện trở R, 2R, 4R, v v Nếu giá trị điện áp(số) MSB mức thấp, dòng theo diode nên transistor ngắt Nếu điện áp số đặt lên MSB mức cao dòng điện chạy qua cực C E transistor Vref/R Chuyển đổi D/A DAC7545 Độ phân giải 12 bit Điện áp nguồn ni: +5V đến 15V Dòng tiêu thụ max 2mA Thời gian biến đổi: 2us Điện trở vào VRef 10k DAC7545 (cont’) Scaled-Resistance DAC Điện áp ngõ b j ra: Vout = R.V ∑ j =0 Rj Với phương pháp này, đòi hỏi điện trở phải có giá trị xác cao Vì vậy, ngõ vào có nhiều bit, việc chọn lựa điện trở khó khăn Tổng quan DAC (cont’) R-2R ladder DAC0808 Ưu điểm: điện trở R-2R dễ tương thích, giá trị R nhỏ làm tăng tốc độ hoạt động nguyên tắc chuyển đổi D/A thường dùng 04/10/2013 Chuyển đổi A/D 3.2.1 Giới thiệu chuyển đổi A/D - Bộ chuyển đổi A/D làm nhiệm vụ lấy mẫu tín hiệu tương tự chuyển sang tín hiệu số - Các phương pháp chuyển đổi A/D Flash ADC Integrating ADC Successive-Approximation ADC Chuyển đổi A/D (cont’) Integrating ADC Flash ADC Phương pháp sử dụng so sánh để thực trình so sánh điện áp tham chiếu với điện áp tương tự ngõ vào Tổng quát, ADC n-bit cần (2n - 1) so sánh Đây hạn chế phương pháp Ưu điểm: tốc độ chuyển đổi nhanh Chuyển đổi A/D (cont’) Chuyển đổi A/D (cont’) Phương pháp chuyển đổi A/D xấp xỉ liên tiếp: + Đây pp chuyển đổi A/D thường dùng hệ DAQ có tốc độ lấy mẫu độ phân giải cao, chi phí hợp lý + Ưu điểm pp thời gian chuyển đổi cố định tỷ lệ với số bit n ngõ Nếu chu kỳ xấp xỉ T ADC n bít có thời gian chuyển đổi xấp xỉ nT Sơ đồ khối hình trang bên Chuyển đổi A/D (cont’) Integrating ADC Chuyển đổi A/D (cont’) Để bắt đầu chuyển đổi: SOC=1, 10 04/10/2013 Chuyển đổi A/D (cont’) 11