Tổng quan Cảm biến chuyển đổi một hiện tượng vật lý thành tín hiệu điện có thể đo được. Nhưng một số cảm biến không tự nhiên đáp ứng với sự thay đổi hiện tượng vật lý và đòi hỏi phải điều phối tín hiệu. Trước khi đầu ra của cảm biến có thể được số hóa, tín hiệu có thể cần thêm các thành phần và mạch điện để tạo ra tín hiệu có thể tận dụng tối đa khả năng của phần cứng đo lường và giảm ảnh hưởng của nhiễu xuất phát từ giao thoa bên ngoài. Tài liệu này bao gồm các nguyên tắc thực hành tốt nhất về cách kết nối cảm biến với thiết bị đo kiểm, cách thực hiện điều phối đúng tín hiệu và cách giảm các nguồn lỗi có thể có trong hệ thống của bạn. MỤC LỤC Tổng quan ........................................................................................................................ 1 Cặp nhiệt điện, cảm biến đo nhiệt độ (RTD) và điện trở nhiệt ....................................... 2 Cảm biến biến dạng và cảm biến dựa trên mạch cầu ...................................................... 8 Cảm biến gia tốc và micrô ............................................................................................. 16 Bảng dữ liệu điện tử của cảm biến (TEDS) ................................................................... 27 Chọn hệ thống đo cảm biến ........................................................................................... 30
SÁCH TRẮNG Hướng dẫn đo cảm biến xác dành cho kỹ sư Tổng quan Cảm biến chuyển đổi tượng vật lý thành tín hiệu điện đo Nhưng số cảm biến không tự nhiên đáp ứng với thay đổi tượng vật lý đòi hỏi phải điều phối tín hiệu Trước đầu cảm biến số hóa, tín hiệu cần thêm thành phần mạch điện để tạo tín hiệu tận dụng tối đa khả phần cứng đo lường giảm ảnh hưởng nhiễu xuất phát từ giao thoa bên Tài liệu bao gồm nguyên tắc thực hành tốt cách kết nối cảm biến với thiết bị đo kiểm, cách thực điều phối tín hiệu cách giảm nguồn lỗi có hệ thống bạn MỤC LỤC Tổng quan Cặp nhiệt điện, cảm biến đo nhiệt độ (RTD) điện trở nhiệt Cảm biến biến dạng cảm biến dựa mạch cầu Cảm biến gia tốc micrô 16 Bảng liệu điện tử cảm biến (TEDS) 27 Chọn hệ thống đo cảm biến 30 ni.com/compactdaq | Hướng dẫn đo cảm biến xác dành cho kỹ sư Cặp nhiệt điện, cảm biến đo nhiệt độ (RTD) điện trở nhiệt Cặp nhiệt điện, cảm biến đo nhiệt độ (RTD) điện trở nhiệt hoạt động dựa nguyên lý số vật liệu đáp ứng theo cách dự đoán đo lường với biến đổi nhiệt độ Đối với ba loại, đáp ứng đo thường nhỏ với tất phép đo tín hiệu nhỏ, khó đo xác đáng tin cậy Khả điều phối tín hiệu phận phần cứng phần mềm hệ thống đo lường bạn đơn giản hóa nhiều nhiệm vụ đo nhiệt độ Các phần sau đề cập đến cách điều phối tín hiệu khuyến nghị cần thiết để cặp nhiệt điện, RTD điện trở nhiệt đo xác Các yêu cầu điều phối tín hiệu Lọc Thơng thường phải đo nhiệt độ xa thiết bị đo lường Điều có nghĩa dây cảm biến chuyển tín hiệu tương tự đến số hóa phải dài Thơng qua chiều dài cáp, nhiễu từ mơi trường vận hành xâm nhập vào tín hiệu tương tự dẫn đến đo khơng xác Bạn cần phải giảm thiểu vấn đề cách cân nhắc cẩn thận nơi bạn chạy cáp Tránh đường dây điện xoay chiều, đèn huỳnh quang hình máy tính giúp tránh nhiễu từ đường dây điện 50/60 Hz mà chúng thường phát Bạn áp dụng lọc thơng thấp cho tín hiệu đến tích hợp lọc thông thấp vào phần cứng đo lường để giúp loại bỏ tín hiệu tần số cao khơng mong muốn Cách điện Tại lõi, cặp nhiệt điện, RTD điện trở nhiệt làm vật liệu dẫn điện Nếu bạn không lưu ý đến việc cách điện, bạn vơ tình tạo phép đo có khả gây nguy hiểm cho phần cứng đo lường người dùng Cân nhắc đến việc lắp cặp nhiệt điện vào vỏ động điện lớn Động lớn thường cần điện áp cao chí xảy tăng vọt điện áp mạnh trình hoạt động Nếu vỏ động tiếp xúc với điện áp cao đoản mạch bên trong, tăng vọt điện áp đến phần cứng đo lường qua dây cặp nhiệt điện Bạn sử dụng cặp nhiệt điện cách điện để ngăn chặn điều này, điều dẫn đến thời gian đáp ứng chậm phát sinh thêm chi phí Ngồi ra, thiết bị đo lường có chế độ cách điện kênh giúp bảo vệ hệ mạch chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số (ADC) giảm thiểu nhiễu từ kênh liền kề Bạn sử dụng thiết bị đo lường cách điện để đo xác có điện áp đồng pha cao cách cách ly hệ mạch ADC khỏi đất cho phép đo thả đến tín hiệu cần đo (trong giới hạn thiết bị) Tuyến tính hóa Đầu điện áp đơn vị nhiệt độ từ cặp nhiệt điện, RTD điện trở nhiệt khơng phải mối quan hệ tuyến tính Do đó, bạn khơng thể đơn giản áp dụng hệ số tỷ lệ để chuyển đổi điện áp đo thành giá trị nhiệt độ có ý nghĩa tồn dải đo cặp nhiệt điện Ví dụ: Hình thể đầu điện áp cặp nhiệt điện khác phạm vi nhiệt độ Lưu ý mối quan hệ phi tuyến tính < > ni.com/compactdaq | Hướng dẫn đo cảm biến xác dành cho kỹ sư CÁC CẶP NHIỆT ĐIỆN Ở CÁC NHIỆT ĐỘ KHÁC NHAU ĐIỆN ÁP ĐẦU RA CỦA CẶP NHIỆT ĐIỆN (mV) NHIỆT ĐỘ (ºC) Hình Điện áp đầu cặp nhiệt điện so với nhiệt độ1 Bạn có hai lựa chọn để lập thang tỷ lệ xác số đo hiệu chỉnh cho phi tuyến tính này: Sử dụng bảng tra cứu nội suy tuyến tính cho điện áp đo điểm liệu bảng Điều hiệu quả, đòi hỏi phải mã hóa bảng tra cứu lớn giống phần bảng cho cặp nhiệt điện kiểu K trình bày Hình Viện Tiêu chuẩn Công nghệ Quốc gia (NIST) lưu giữ Digi-Key: http://www.digikey.com/en/articles/techzone/2011/may/designing-thermocouple-applications-with-a-sensor-afe < > ni.com/compactdaq | Hướng dẫn đo cảm biến xác dành cho kỹ sư BẢNG ITS-90 DÀNH CHO CẶP NHIỆT ĐIỆN KIỂU K (ĐIỆN ÁP NHIỆT ĐIỆN TÍNH THEO mV) Hình Bảng tra cứu cặp nhiệt điện kiểu K NIST2 Áp dụng phương trình điện áp-nhiệt độ cho loại cảm biến mà bạn sử dụng để thực phép đo Ví dụ như, đa thức bậc cao yêu cầu cho cặp nhiệt điện cho trước là: , E = Điện áp nhiệt điện tính theo μV Ci = Hệ số đa thức (do NIST cung cấp cho phạm vi nhiệt độ) ti = Nhiệt độ tính theo °C Điện trở nhiệt đòi hỏi phương trình phức tạp tương tự để chuyển đổi xác tín hiệu phạm vi nhiệt độ lớn Mặt khác, RTD thể đáp ứng tuyến tính số ba loại cảm biến đo nhiệt độ Mối quan hệ điện trở nhiệt độ RTD xác định phương trình Callendar-Van Dusen sau: Đối với 0 °C : RT=R0[1+AT +BT2] RT = Điện trở RTD nhiệt độ T R0 = Điện trở danh định RTD °C A, B, C = số sử dụng để lập thang tỷ lệ RTD Dữ liệu cặp nhiệt điện ITS-90 NIST: http://srdata.nist.gov/its90/main/ < > ni.com/compactdaq | Hướng dẫn đo cảm biến xác dành cho kỹ sư Lưu ý việc thực phép tính phần mềm đòi hỏi khả tính tốn đáng kể tùy thuộc vào số kênh tốc độ lấy mẫu phạm vi nhiệt độ hoạt động Có tảng phần mềm tích hợp chặt chẽ với phần cứng đo lường đơn giản hóa nhiều nhiệm vụ lập thang tỷ lệ cách tích hợp khả lập thang tỷ lệ Các yếu tố cân nhắc cụ thể theo RTD/Điện trở nhiệt Dòng điện kích thích Điện trở nhiệt RTD cảm biến điện trở cần có dòng điện kích thích để tạo điện áp đo thiết bị Nguồn dòng điện khơng đổi xác có vai trò quan trọng để đảm bảo điện áp ổn định cho phép đo Hệ thống DAQ bạn chọn cho phép đo RTD điện trở nhiệt bạn phải cung cấp nguồn dòng điện kích thích xác định đáng tin cậy để bạn thu phép đo xác Kết nối với phần cứng cách sử dụng cấu hình 2, dây (chỉ RTD) Bạn mua RTD với ba cấu hình dây Khác biệt lợi ích cấu hình thảo luận chi tiết tài liệu tham khảo dành cho cảm biến RTD Phần cứng đo lường bạn chọn cho hệ thống cần phải đủ linh hoạt để tích hợp loại RTD mà ứng dụng bạn yêu cầu Một số phần cứng đo lường cho phép RTD dây, phần cứng khác cung cấp tính tự động phát RTD dây Bạn cần phải chọn thiết bị DAQ thiết kế cho mức điện trở RTD, ví dụ: RTD 100 Ω 1000 Ω Các yếu tố cân nhắc cụ thể theo cặp nhiệt điện Khuếch đại Các cặp nhiệt điện tự tạo điện áp nhỏ cho thay đổi nhiệt độ định, thường khoảng vài milivôn Ví dụ, cặp nhiệt điện kiểu K tạo 40 μV cho độ C Hầu hết phần cứng đo lường thông thường đo phạm vi định độ phân giải thiết bị định thay đổi nhỏ phát phạm vi điện áp Vì điện áp bạn đo nhỏ trường hợp sử dụng cặp nhiệt điện nên bạn muốn khuếch đại tín hiệu đo để tận dụng tồn phạm vi đầu vào thiết bị đo lường ĐẦU RA CỦA CẶP NHIỆT ĐIỆN ĐƯỢC KHUẾCH ĐẠI Phạm vi đầu vào Hình Khuếch đại đầu cặp nhiệt điện để phát thay đổi tín hiệu nhỏ sử dụng toàn phạm vi đầu vào ADC Trong trường hợp lý tưởng, thực khuếch đại gần với phép đo tốt Điều giúp tránh làm khuếch đại nhiễu xen vào tín hiệu dọc theo chiều dài dây cặp nhiệt điện Nếu khơng thể khuếch đại bên ngồi bạn cần đơn giản hóa hệ thống đo lường, bạn sử dụng thiết bị đo lường với ADC 24-bit Loại thiết bị có độ nhạy đo lường khoảng 0,2 °C < > ni.com/compactdaq | Hướng dẫn đo cảm biến xác dành cho kỹ sư Bù điểm lạnh (CJC) Bản chất phép đo cặp nhiệt điện, thảo luận tổng quan cặp nhiệt điện, phụ thuộc vào chênh lệch điện áp tạo hai kim loại khác nối tiếp xúc với nhiệt độ tương đối Một vấn đề phát sinh điểm kết nối cặp nhiệt điện với đầu vào phần cứng đo lường Tại chỗ nối này, mối nối khác kim loại khác tạo ra, tùy thuộc vào môi trường, điều gây chênh lệch điện áp Nếu bạn không ý đến “cặp nhiệt điện ký sinh” thứ cấp này, làm lệch đáng kể phép đo nhiệt độ dự kiến đủ để tạo kết không Để ngăn ngừa điều xảy ra, bạn đưa phép đo tham chiếu “phép đo điểm lạnh” vào phần cứng đo lường bạn, thể Hình Bạn thực phép đo tham chiếu cách xa phép đo chút lý tưởng nằm sát cạnh “cặp nhiệt điện ký sinh” tạo kết nối cặp nhiệt điện thực với đầu thiết bị đo lường Sử dụng cảm biến nhiệt độ đo trực tiếp (như RTD điện trở nhiệt) sau lấy số đo trừ số đo tham chiếu thu để loại bỏ bù cho thành phần ký sinh Quy trình gọi bù điểm lạnh hay gọi CJC PHÉP ĐO CẶP NHIỆT ĐIỆN ĐIỂM LẠNH Sắt Thiết bị đo lường Nhiệt độ Đồng Hợp kim constantan Hình Sai số điểm lạnh làm tăng thêm điện áp cho phép đo cặp nhiệt điện Loại bỏ sai số lệch Như thảo luận trước đây, CJC quan trọng để hiệu chỉnh ảnh hưởng cặp nhiệt kế ký sinh tạo kết nối dây cặp nhiệt điện với đầu kim loại phần cứng Cặp nhiệt điện ký sinh gây lệch điện áp đo dẫn đến kết khơng xác Tương tự, nhiệt độ môi trường xung quanh thiết bị đo lường dẫn đến lệch điện áp đo từ cặp nhiệt điện điện áp cảm ứng phần cứng Để khắc phục điều này, bạn cần thường xuyên đo điện áp ẩn mà không dùng cặp nhiệt điện lấy số đo cặp nhiệt điện trừ giá trị Để đơn giản hóa quy trình này, số phần cứng đo lường có chức tự động đưa không để thường xuyên bán thường xuyên hiệu chỉnh cho điện áp lệch môi trường xung quanh gây Điều cải thiện đáng kể độ xác đo lường tổng thể bạn < > ni.com/compactdaq | Hướng dẫn đo cảm biến xác dành cho kỹ sư BÙ BẰNG CÁCH TỰ ĐỘNG ĐƯA VỀ KHÔNG Độ C Sai số lệch Milivơn Hình Tự động đưa không bù cho sai số lệch Phát cặp nhiệt điện bị ngắt kết nối Các cặp nhiệt điện dễ bị ăn mòn mài mòn theo thời gian thành phần chúng (các kim loại khác tiếp xúc gây ăn mòn số mơi trường) mơi trường hoạt động điển hình dành cho loại cảm biến Người dùng khơng dễ nhận cặp nhiệt điện bị hỏng bị ngắt kết nối chúng tạo liệu khơng hợp lệ Phát cặp nhiệt điện hở tính phần cứng cung cấp dòng điện nhỏ để đẩy điện áp đầu vào khỏi phạm vi phần cứng phát kết nối hở Bạn dễ dàng kiểm tra điều phần mềm Khi sử dụng tính này, nhớ dòng điện nhỏ nguồn gây sai số lệch ứng dụng có độ xác cao Để khắc phục điều này, bạn ghép nối tính phát cặp nhiệt điện hở với tính đưa độ lệch dây dẫn khơng, để thu chênh lệch đo có khơng sử dụng dòng điện lấy số đo tương lai trừ giá trị thu Điều có hiệu khắc phục cho sai số lệch người dùng gây PHÁT HIỆN CẶP NHIỆT ĐIỆN HỞ Đẩy cao Kéo thấp Hình Mạch phát cặp nhiệt điện hở đẩy điện áp cao cặp nhiệt điện bị hở < > ni.com/compactdaq | Hướng dẫn đo cảm biến xác dành cho kỹ sư Kết luận Để có mức độ xác đáng tin cậy số đo nhiệt độ bạn, bạn phải tiến hành thơng qua nhiều lớp biến đổi tín hiệu, số khuyến nghị số bắt buộc Khi lựa chọn hệ thống đo lường cho cặp nhiệt điện, RTD điện trở nhiệt, bạn cần cân nhắc việc lọc tích hợp để loại bỏ nhiễu, cách điện để tránh vòng tiếp đất, tuyến tính hóa để lập thang tỷ lệ điện áp so với nhiệt độ Nếu bạn sử dụng cặp nhiệt điện làm cảm biến nhiệt độ bạn, ghi nhớ nguồn sai số bổ sung ảnh hưởng đến độ xác phép đo: Sai số điểm lạnh—được hiệu chỉnh cách bù điểm lạnh hay gọi CJC Sai số lệch—được hiệu chỉnh cách tự động đưa không đưa lệch dây dẫn không Phát cặp nhiệt điện hở để đảm bảo độ tin cậy thời gian hoạt động hệ thống Tìm hiểu cách lấy số đo nhiệt độ xác đáng tin cậy với phần cứng NI Hệ thống đo lường cặp nhiệt điện NI Hệ thống đo lường RTD NI Cảm biến biến dạng cảm biến dựa mạch cầu Cảm biến biến dạng thiết bị cảm ứng dùng để xây dựng nhiều loại cảm biến khác, bao gồm cảm biến áp suất, tải trọng cảm biến mô-men xoắn, sử dụng rộng rãi ứng dụng kiểm tra kết cấu giám sát Mặc dù cảm biến biến dạng phổ biến chúng loại cảm biến khó sử dụng để điều phối thu nhận liệu đáng tin cậy Cảm biến biến dạng đo cách cảm nhận thay đổi nhỏ chiều dài kim loại ứng suất ngang qua bề mặt thường nhỏ mm2 Một số yếu tố ảnh hưởng đến hiệu đo cảm biến biến dạng, bao gồm vấn đề điều phối tín hiệu, nhiễu điện, biến động nhiệt độ hiệu chuẩn khơng Vì cảm biến áp suất, tải trọng cảm biến mô-men xoắn thường dựa cấu hình cảm biến biến dạng mạch cầu đầy đủ, chúng bị ảnh hưởng nhiều yếu tố số Cân nhắc đề xuất sau để bù sai số tăng độ xác phép đo dựa mạch cầu bạn Các yêu cầu điều phối tín hiệu Hồn tất mạch cầu Trừ bạn sử dụng cảm biến mạch cầu đầy đủ, bạn phải hoàn thành mạch cầu điện trở tham chiếu Do đó, mạch điều phối tín hiệu cho cảm biến dựa mạch cầu thường cung cấp mạng lưới hoàn thiện bán cầu gồm hai điện trở tham chiếu có độ xác cao Điện trở danh định điện trở hồn thiện quan trọng mức độ phù hợp hai điện trở Lý tưởng điện trở phù hợp cung cấp điện áp tham chiếu ổn định VEX/2 đến dây dẫn vào cổng âm kênh đo Điện trở lớn điện trở hoàn thiện giúp giảm thiểu mức tiêu thụ dòng điện từ điện áp kích thích Tuy nhiên, sử dụng điện trở hoàn thiện lớn dẫn đến tăng nhiễu sai số dòng điện phân cực < > ni.com/compactdaq | Hướng dẫn đo cảm biến xác dành cho kỹ sư MẠCH ĐIỀU PHỐI TÍN HIỆU CHO CẢM BIẾN BIẾN DẠNG Cảm biến biến dạng Mạch điều phối tín hiệu Hình Mạch điều phối tín hiệu có tính kích thích hồn thiện mạch cầu cho mạch cảm biến biến dạng bán cầu Kích thích Các cảm biến dựa mạch cầu đòi hỏi điện áp khơng đổi để cấp điện cho cầu Mạch điều phối tín hiệu cầu thường có nguồn điện áp Khơng có mức điện áp tiêu chuẩn công nhận rộng rãi ngành, mức điện áp kích thích khoảng V 10 V phổ biến Mặc dù điện áp kích thích cao tạo điện áp đầu cao tương ứng điện áp gây sai số lớn gây nóng cảm biến Tương tự, biến động nhỏ điện áp kích thích nguồn kích thích khơng ổn định ảnh hưởng đến độ xác phép đo Các phần đưa đề xuất để giảm thiểu ảnh hưởng sai số nguồn kích thích gây nóng cảm biến khơng ổn định Khuếch đại Đầu cảm biến biến dạng tương đối nhỏ Ví dụ: hầu hết cầu đo biến dạng tạo đầu 10 mV/V 10 milivơn vơn điện áp kích thích Với kích thích 10 V, tín hiệu đầu 100 mV Do đó, mạch điều phối tín hiệu cho cảm biến dựa mạch cầu thường bao gồm mạch khuếch tăng mức tín hiệu, tăng độ phân giải đo lường cải thiện tỷ số tín hiệu nhiễu Các cảm biến tải trọng, áp suất mơ-men xoắn tạo điện áp thấp cao, tùy thuộc vào yêu cầu kích thích Cảm biến mức thấp thường cấp nguồn thiết bị đo lường phát tín hiệu milivơn Cảm biến mức cao (hoặc cảm biến có điều phối) yêu cầu phải sử dụng nguồn điện bên cao để hoạt động phát tín hiệu ±5 V, ±10 V 4–20 mA Lựa chọn mức kích thích tối ưu Lựa chọn mức kích thích tối ưu cân việc đạt tỷ số tín hiệu nhiễu mạnh giảm thiểu ảnh hưởng tình trạng tự nóng lên Trong giới lý tưởng, mức điện áp kích thích cao ưa chuộng thay đổi điện áp đầu cho mức biến dạng định tăng tỷ lệ thuận với điện áp kích thích Do đó, bạn đo dễ dàng xác điện áp nhỏ tạo cầu đo biến dạng, đặc biệt môi trường nhiễu sử dụng dây dẫn dài, dễ bị nhiễu Tuy nhiên, cảm biến dạng chất thiết bị điện có điện trở, mức độ kích thích cao khiến cảm biến tự nóng lên, gây nhiều ảnh hưởng tiêu cực Hiện tượng tự nóng lên làm thay đổi điện trở độ nhạy cầu khả truyền biến dạng chất kết dính Cảm biến biến dạng bị hỏng điện áp kích thích mức Hậu thường thấy hiệu đo bị giảm sút thay hỏng cảm biến < > ni.com/compactdaq 10 | Hướng dẫn đo cảm biến xác dành cho kỹ sư Do nhiều yếu tố khác ảnh hưởng đến mức kích thích lý tưởng bạn nên bạn khơng thể chuẩn hóa mức điện áp kích thích cầu cho kích thước loại cảm biến cụ thể Nói chung, bạn giảm tình trạng tự nóng lên cách giảm mức kích thích, điện áp kích thích tối ưu xác định tốt quy trình thử nghiệm Khi khơng có tải trọng đặt, bạn nên kiểm tra điểm không kênh tăng dần mức độ kích thích Khi thấy kết đo điểm không không ổn định, bạn nên hạ mức kích thích ổn định trở lại Bạn nên thực thí nghiệm nhiệt độ cao mà bạn cần thực phép đo Trong mơi trường nhiễu, bạn sử dụng mức kích thích thấp cách che chắn cách cho dây dẫn đặt thiết bị đo lường gần cảm biến Tùy thuộc vào cấu hình thử nghiệm, cân nhắc phần cứng đo lường có thành phần tách rời cho phép bạn linh hoạt tối đa việc đặt hệ thống Các yếu tố khác ảnh hưởng đến kích thích tối ưu Diện tích lưới cảm biến biến dạng Bạn giảm tình trạng tự nóng lên cách chọn cảm biến biến dạng có diện tích bề mặt lớn (chiều dài cảm biến hoạt động x chiều rộng lưới hoạt động) để tản nhiệt tốt Điện trở danh định cảm biến biến dạng Cảm biến có điện trở cao hơn, 350 Ω thay 120 Ω, làm giảm điện tiêu tán đơn vị diện tích để làm cho điện áp kích thích cao trở nên khả thi Tính chất tản nhiệt bề mặt lắp Các kim loại có độ dẫn nhiệt cao, chẳng hạn đồng nhôm, vật liệu tản nhiệt tuyệt vời, hút nhiệt khỏi cảm biến biến dạng Các kim loại có độ dẫn nhiệt thấp, chẳng hạn thép không gỉ titan, vật liệu tản nhiệt Cần phải đặc biệt lưu ý đo biến dạng nhựa dẻo Hầu hết loại nhựa dẻo có tác dụng làm vật cách nhiệt vật tản nhiệt, cần phải có giá trị kích thích cực thấp để tránh ảnh hưởng nghiêm trọng tình trạng tự nóng lên Nhựa dẻo có nhiều chất độn vô dạng bột dạng xơ có vấn đề chất độn giúp cải thiện tính dẫn nhiệt Kỹ thuật lắp đặt nối dây Nếu cảm biến bị hư hỏng trình lắp đặt, mấu hàn không liên kết phần nhiệt hàn có lỗ hổng hình thành mạch keo, mức độ kích thích cao gây vấn đề nghiêm trọng Kỹ thuật phù hợp cần thiết để đạt hiệu đo ổn định toàn hoạt động cảm biến biến dạng đặc biệt điều kiện kích thích cao Bù cho nguồn kích thích khơng ổn định Độ xác phép đo dựa mạch cầu tỷ lệ thuận với độ ổn định nguồn kích thích Sự thay đổi nguồn kích thích làm thay đổi đầu đo cầu Do đó, biến động nhỏ nguồn kích thích dẫn đến báo cáo sai biến dạng Hai phương pháp giúp bạn khắc phục nguồn kích thích khơng ổn định khơng xác Bạn đo điện áp thực nguồn cung cấp để bù cho biến động chuyển đổi liệu phần mềm bạn tham khảo phép đo ADC thực nguồn kích thích Phương pháp đòi hỏi thực phép đo bổ sung, theo làm gia tăng thêm chi phí độ phức tạp cho hệ thống < > ni.com/compactdaq 16 | Hướng dẫn đo cảm biến xác dành cho kỹ sư Kết luận Giảm nhiễu tăng độ phân giải đóng vai trò quan trọng để thực phép đo xác từ cảm biến biến dạng cảm biến cầu khơng điều phối có mức điện áp nhỏ Lựa chọn thiết bị đo lường cải thiện đáng kể tính tồn vẹn cho số đo cầu Ngoài độ lợi mức kích thích, bạn cần cân nhắc dùng thiết bị đo lường với dải động lớn, đo mức kích thích cấu trúc ratiometric Sau đó, bạn thực bước nhằm giảm nhiễu đưa vào hệ thống, bạn giảm mức kích thích để giảm sai số tự nóng lên nâng cao độ xác tín hiệu từ cảm biến cầu Bạn cần hiệu chuẩn cảm biến biến dạng định kỳ để tính đến thay đổi đặc tính vật lý thay đổi điện trở dây dẫn cảm biến biến dạng để bù cho sai hỏng hệ thống đo lường Tìm hiểu hệ thống đo lường xác dạng cầu sử dụng phần cứng NI Cảm biến gia tốc micrô Các phép đo âm độ rung quan trọng nhiều ứng dụng kiểm tra tiếng ồn môi trường giám sát tình trạng máy Cảm biến gia tốc micrơ đo dao động môi trường khác Vì vậy, hai thiết bị có u cầu điều phối tín hiệu tương tự để tạo tín hiệu mà phần cứng đo lường đọc Sau thu thập liệu, bạn thường cần thực xử lý tín hiệu bổ sung để hiển thị liệu định dạng có ý nghĩa Ví dụ như, tín hiệu rung thường chuyển đổi thành phổ tần số cho thiết bị quay để phát dấu hiệu cho biết phận học bị lỗi Các phần sau đề cập đến đề xuất để thực phép đo xác cảm biến gia tốc micrơ tìm hiểu kỹ thuật phân tích để giúp bạn hiểu sâu liệu Các u cầu điều phối tín hiệu Khuếch đại Do điện tích cảm biến gia tốc tạo nhỏ nên tín hiệu điện cảm biến phát dễ bị nhiễu bạn phải sử dụng thiết bị điện tử nhạy để khuếch đại điều phối tín hiệu Vì cảm biến gia tốc áp điện nguồn trở kháng cao, bạn phải thiết kế mạch khuếch đại nhạy điện tích có mức nhiễu thấp, trở kháng đầu vào cao trở kháng đầu thấp Cảm biến Áp điện tử tích hợp (IEPE) tích hợp mạch khuếch đại điện tích mạch khuếch đại điện áp gần với cảm biến để đảm bảo miễn trừ nhiễu tốt đóng gói tiện lợi Tuy nhiên, cảm biến cần dòng điện kích thích từ 4–20 mA để vận hành hệ mạch bên Kích thích Như đề cập phần trước, cảm biến IEPE yêu cầu dòng điện bên để cấp nguồn cho mạch khuếch đại Các giá trị kích thích IEPE thường dùng 2,1 mA, mA 10 mA Tham khảo thông số kỹ thuật thiết bị để biết danh sách giá trị dòng điện IEPE hỗ trợ mà bạn cần sử dụng cho cảm biến Tương tự cảm biến gia tốc, micrơ cấp nguồn bên ngồi bên Micrô dạng tụ điện phân cực bên ngồi u cầu phải có 200 V từ nguồn điện bên Đảm bảo nguồn điện mà bạn sử dụng cung cấp điện mức điện áp định mức bạn không kết nối nhiều micrô với nguồn điện so với cơng suất Micrơ dạng tụ điện phân cực trước cấp nguồn mạch khuếch đại IEPE đòi hỏi phải có nguồn dòng điện không đổi < > ni.com/compactdaq 17 | Hướng dẫn đo cảm biến xác dành cho kỹ sư Ghép AC Bật tính điều phối tín hiệu IEPE tạo độ lệch điện áp chiều với tích dòng điện kích thích trở kháng cảm biến Tín hiệu thu từ cảm biến gồm thành phần AC lẫn DC thành phần DC làm lệch thành phần AC khỏi Như thể Hình 13, điều làm giảm độ phân giải phép đo bạn khuếch đại tín hiệu AC bị hạn chế để tránh bão hòa dải đầu vào ADC Bạn giải vấn đề cách ghép AC Còn gọi ghép điện dung, ghép AC sử dụng tụ điện nối tiếp với tín hiệu để lọc thành phần DC từ tín hiệu Khi thực phần cứng, ghép AC giúp bạn áp dụng dải đầu vào hẹp để cải thiện độ phân giải biên độ AC dải động khả dụng kênh Khi thực phần mềm, ghép AC loại bỏ liệu DC sai lệch làm sai cách phép xử lý tín hiệu kết đo RMS mức đỉnh Ghép AC làm giảm độ lệch DC dài hạn cảm biến tác động già hóa nhiệt độ BỘ LỌC GHÉP AC VÀ DC Độ lệch Độ lệch DC Ghép AC Hình 13 Ghép AC lọc thành phần DC tín hiệu để tăng độ phân giải phép đo Nối đất Việc nối đất cho cảm biến khơng cách dẫn đến vòng nối đất tạo nguồn nhiễu hệ thống đo lường bạn Bạn tránh điều cách đảm bảo đầu vào hệ thống đo lường cảm biến nối đất hai nối đất Nếu cảm biến nối đất, bạn phải kết nối cảm biến vào đo theo kiểu vi sai Nếu cảm biến không nối đất, bạn nên kết nối đầu âm hệ thống đo lường với mặt đất Tham chiếu cảm biến Cấu hình kênh Khơng nối đất Vi sai giả Đã nối đất Vi sai vi sai giả Bảng Cấu hình kênh đầu vào tương tự Bộ lọc chống chồng phổ Chồng phổ mối lo ngại phổ biến thực phép đo âm độ rung Theo định lý lấy mẫu Nyquist-Shannon, tần số cao phân tích tần số Nyquist (fN), tức tần số lấy mẫu ADC chia cho hai Bất kỳ tần số tương tự lớn tần số Nyquist xuất tần số từ đến fN sau lấy mẫu Nếu khơng có hiểu biết chi tiết tín hiệu ban đầu, bạn phân biệt tần số giả danh với tần số thực nằm fN < > ni.com/compactdaq | Hướng dẫn đo cảm biến xác dành cho kỹ sư Một lọc thơng thấp thường thích hợp để làm giảm nhiễu tần số cao tạo chồng phổ Tuy nhiên, độ dốc hàm truyền lọc không cao, tần số tần số Nyquist khơng bị suy giảm hồn tồn đưa lại vào phần hợp lệ tín hiệu Là dạng lọc thông thấp, lọc chống chồng phổ có băng thơng cố định độ dốc hàm truyền nhanh Bộ lọc giúp trì tín hiệu tần số Nyquist giảm tín hiệu phía tần số Nyquist Trong Hình 14, hai lọc sử dụng để loại bỏ nhiễu tần số cao Bộ lọc thông thấp loại bỏ nhiễu f3, độ dốc hàm truyền chậm làm giảm nhiễu f2, nhiễu bị chồng trở lại vào tín hiệu Bộ lọc chống chồng phổ loại bỏ hai thành phần tần số từ tín hiệu thu BỘ LỌC CHỐNG CHỒNG PHỔ Tín hiệu thu Cường độ Tín hiệu gốc Cường độ 18 Bộ lọc chống chồng phổ Bộ lọc thông thấp Chồng phổ giảm với Bộ lọc thông thấp Tần số Tần số Hình 14 Các lọc chống chồng phổ với độ dốc hàm truyền cao giúp giảm nhiễu tần số Nyquist Dải động Dải động định nghĩa tỷ số tín hiệu lớn nhỏ mà thiết bị đo lúc Được biểu diễn decibel, dải động 20 log (Vmax/Vmin) Ví dụ, thiết bị có dải đầu vào ± 10 V dải động lớn 110 dB có tỷ số điện áp 106 Các ADC truyền thống có độ phân giải thấp thường có 16 bit, cho phép bạn có dải động khoảng 90 dB Hầu hết cảm biến có dải động từ 110 dB trở lên, thiết bị 16 bit khơng thể đo tồn dải cảm biến tín hiệu mức thấp bị chìm nhiễu điện phép đo Thiết bị đo kiểm có độ phân giải 24 bit có dải động lên đến 120 dB, bạn phát tín hiệu nhỏ tận dụng tối đa cảm biến bạn Lấy mẫu đồng thời Ở số ứng dụng lập đồ nhiễu, kiểm tra tác động đo cường độ âm thanh, thông tin pha hai kênh riêng biệt đóng vai trò quan trọng Trong trường hợp này, bắt buộc phải lấy mẫu đồng thời, nghĩa bạn phải thực phép chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số lúc cho kênh < > ni.com/compactdaq 19 | Hướng dẫn đo cảm biến xác dành cho kỹ sư Lập thang tỷ lệ đơn vị tuyến tính so với đơn vị tương đối tính theo decibel Sử dụng đơn vị tương đối, chẳng hạn decibel (dB), để hiển thị kết vô hướng phổ bạn muốn hiển thị thành phần lớn nhỏ thang đo Ví dụ, Bảng 2, cơng suất âm tiếng thầm so sánh với cơng suất âm động phản lực So sánh giá trị dễ dàng cách sử dụng thang lơga Nguồn tham chiếu Cơng suất âm (ốt) Cơng suất âm (dB) Tiếng thầm 0,00000000001 W 10 dB Tàu vũ trụ 100000000 W 200 dB Bảng Ví dụ so sánh cơng suất âm Sử dụng phương trình sau để chuyển đổi đơn vị tuyến tính thành đơn vị tương đối tính theo dB cho giá trị biên độ: dB = 20log V Vo Sử dụng phương trình sau để chuyển đổi đơn vị tuyến tính thành đơn vị tương đối tính theo dB cho giá trị công suất: dB = 20log P Po Bạn thường sử dụng đơn vị tương đối dB tham chiếu với ngưỡng nghe 20 μPa để báo cáo phép đo âm mức áp suất âm phổ quãng tám phân đoạn Đối với phép đo công suất âm thanh, giá trị tham chiếu pW Đối với phép đo đáp ứng tần số, bạn thường sử dụng mức tăng làm giá trị tham chiếu dB Trong trường hợp này, giá trị dB âm cho độ lớn cho thấy suy giảm, giá trị dB dương cho thấy gia tăng, dB tương đương với mức tăng Do miền đo lường sử dụng giá trị tham chiếu cụ thể, bạn cần định giá trị tham chiếu dB báo cáo kết tính theo dB Duy trì chất lượng tín hiệu sử dụng cáp dài Khi bạn sử dụng cáp dài với cảm biến IEPE, điện dung bổ sung cáp ảnh hưởng đến đáp ứng tần số cảm biến việc lọc số thành phần tần số cao Ngoài ra, nhiễu biến dạng thâm nhập vào tín hiệu đo bạn bạn khơng có đủ dòng điện để truyền điện dung cáp Nhìn chung, bạn cần bận tâm việc sử dụng cáp dài với cảm biến IEPE bạn quan tâm đến dải tần số 10 kHz sử dụng cáp dài 100 ft (30 m) Để xác định xác ảnh hưởng cáp dài, bạn nên thử nghiệm xác định đặc tính điện cao tần Sử dụng máy phát hàm để cung cấp biên độ cực đại tín hiệu dự kiến vào mạch khuếch đại có độ lợi 1, trở kháng đầu thấp mắc nối tiếp với cảm biến So sánh tỷ số tín hiệu ban đầu với tỷ số tín hiệu đo dao động ký Nếu tín hiệu bị suy giảm bạn phải tăng dòng điện sử dụng để truyền tín hiệu bạn có tỷ số 1:1 Cẩn thận khơng cung cấp dòng điện mức dây cáp ngắn kiểm tra nhiệt độ cao Bất kỳ dòng điện không cáp sử dụng sử dụng để cấp nguồn cho thiết bị điện tử bên dòng điện tạo nhiệt khiến cho cảm biến vượt thông số nhiệt độ tối đa < > ni.com/compactdaq 20 | Hướng dẫn đo cảm biến xác dành cho kỹ sư Giảm thiểu việc cấu hình thời gian thiết lập với công nghệ TEDS Các cảm biến có chức TEDS mang EEPROM tự nhận dạng tích hợp để lưu trữ bảng thơng số thơng tin cảm biến EEPROM có chứa liệu hiệu chuẩn, độ nhạy liệu nhà sản xuất cho cảm biến Với thông số lưu trữ cảm biến, thiết bị đo kiểm tương thích TEDS giao tiếp trực tiếp với cảm biến thực thiết lập theo chương trình Phần mềm tương thích TEDS tự động lập thang tỷ lệ từ hàm đa thức nhà sản xuất cảm biến phòng hiệu chuẩn cung cấp Để biết thêm thông tin tiêu chuẩn IEEE 1451.4 cách hoạt động TEDS, tham khảo phần TEDS cuối tài liệu Các yếu tố cân nhắc bổ sung dành cho micrô Các micrô ổn định khoảng thời gian dài chúng thao tác cách Các thành phần micrô dễ hỏng bị hư hỏng dùng sai mục đích Những mẹo sau giúp bạn trì phép đo xác với micrơ: Ln ln hiệu chuẩn tồn chuỗi đo, bao gồm micrơ, trước bắt đầu đo Đối với phép đo quan trọng, biện pháp phòng ngừa bổ sung là, bạn muốn thực lần hiệu chuẩn sau phép đo hoàn thành để đảm bảo hệ thống nằm dung sai Đối với phép đo ngồi trời, micrơ phải trang bị phận bảo vệ phù hợp với mơi trường Bộ phận bao gồm mũ che mưa, gai chống chim sưởi tích hợp để tránh ngưng tụ Để tránh rung ảnh hưởng đến phép đo, bạn cần phải lắp dụng cụ chống sốc cho micrô Kiểm tra độ nhạy rung thông số kỹ thuật micrô Đối với phép đo lặp lại, đảm bảo micrô lắp chặt vị trí lặp lại xác so với thiết bị thử nghiệm lẫn môi trường Đối với thiết bị đo cầm tay sử dụng giá ba chân, cân nhắc sử dụng cánh tay nối dài micrô để giúp giảm phản xạ không mong muốn Cẩn thận lưu ý hạn chế nhà sản xuất độ dài cáp Suy giảm tín hiệu trước tiên xảy tần số cao mức âm cao với cáp dài Kiểm tra SNR cáp với micrô kết nối Kiểm tra tạp âm xuyên âm nhiễu thoáng qua từ máy phát điện, động điện, máy điều hòa, điện thoại di động, thiết bị radar, máy phát phát hình nguồn có khả gây nhiễu khác Kỹ thuật phân tích miền thời gian Mức độ Có lẽ phân tích đo lường liên quan đến âm độ rung mức độ Bạn thực phép đo mức âm độ rung với tín hiệu miền thời gian Giá trị hiệu dụng (RMS) đo lường lượng (như khả phá hủy) tín hiệu âm rung thay đổi động Bạn tính RMS cách bình phương tín hiệu, lấy trung bình khoảng thời gian sau lấy bậc hai kết Mứcrms = Một phép đo mức âm phổ biến mức áp suất âm Giá trị luôn biểu diễn tương áp suất chuẩn 20 μPa (ngưỡng thính giác người) < > ni.com/compactdaq | Hướng dẫn đo cảm biến xác dành cho kỹ sư Vấn đề với phép đo dựa trung bình kết phép đo bạn thay đổi dựa chiều dài bạn chọn làm khoảng cách trung bình Đó lý phép đo mức áp suất âm có khoảng cách chuẩn Bạn sử dụng hai phương pháp để tìm RMS: lấy trung bình tuyến tính lấy trung bình theo hàm mũ Lấy trung bình tuyến tính Lấy trung bình tuyến tính mức âm liên tục tương đương (Leq), quy trình lấy trung bình thời gian cho phép đo mức âm Tất điểm có trọng số khoảng thời gian lấy trung bình tuyến tính hữu hạn Phương pháp thường sử dụng để đo mức phơi bày dài hạn mơi trường định (ví dụ, đo tiếng ồn giao thơng giao lộ giờ) Bạn tính Leq cách lấy tích phân bình phương tín hiệu khoảng thời gian cố định chia cho khoảng thời gian Kết thể âm ổn định tưởng tượng có lượng âm đo ĐO MỨC CHỊU ÂM THANH DÀI HẠN Mức áp suất âm (dB) 21 Mức áp suất âm thu biến động Mức áp suất âm liên tục tương đương Hình 15 Leq sử dụng để định lượng mức phơi bày dài hạn với âm môi trường định Lấy trung bình theo hàm mũ Lấy trung bình theo hàm mũ trình lấy trung bình liên tục nhằm gán trọng số khác cho liệu trước Trọng số gán cho liệu trước so với liệu phụ thuộc vào số thời gian mũ dùng để xác định độ dốc cửa sổ phân rã theo hàm mũ Chế độ lấy trung bình theo hàm mũ hỗ trợ số thời gian chuẩn sau: Chậm—Sử dụng số thời gian 1.000 ms Lấy trung bình chậm hữu ích cho việc theo dõi mức áp suất âm tín hiệu với mức áp suất âm thay đổi từ từ Nhanh—Sử dụng số thời gian 125 ms Lấy trung bình nhanh hữu ích cho việc theo dõi áp suất âm tín hiệu với mức áp suất âm thay đổi nhanh chóng Xung—Sử dụng số thời gian nhanh 35 ms tín hiệu tăng lên, sau dùng số thời gian chậm 1.500 ms tín hiệu giảm xuống Lấy trung bình xung hữu ích cho việc theo dõi gia tăng đột ngột mức áp suất âm (trong va đập hay tiếng nổ lớn) ghi lại mức gia tăng để bạn có ghi thay đổi < > ni.com/compactdaq | Hướng dẫn đo cảm biến xác dành cho kỹ sư Kỹ thuật phân tích miền tần số Biến đổi Fourier Phân tích tần số sử dụng phổ biến để phân tích tín hiệu âm rung Tín hiệu miền thời gian rời rạc cho thấy tín hiệu thay đổi từ mẫu sang mẫu khác theo thời gian Bất kỳ dạng sóng miền thời gian biểu diễn tổng trọng số sin cosin Việc phân giải tín hiệu phức tạp tảng biến đổi Fourier trình xử lý tín hiệu số Phổ miền tần số tương ứng cho biết tần số khác góp phần vào tín hiệu tổng thể (Hình 16) Điều hữu ích cho việc phân tích tín hiệu tĩnh có thành phần tần số không thay đổi theo thời gian PHỔ BIÊN ĐỘ TẦN SỐ Biên độ (Vôn) 22 1x 2x 3x Tần số (Hz) Hình 16 Phổ tần số thể biên độ tần số khác thành phần hình sin Phép biến đổi Fourier nhanh (FFT) phân giải dạng sóng thời gian liên tục thành thành phần hình sin Bởi thiết bị đo lường lấy mẫu dạng sóng biến đổi chúng thành giá trị rời rạc, bạn phải sử dụng phép biến đổi Fourier rời rạc (DFT) để hoạt động tín hiệu sử dụng phần cứng kỹ thuật số Thuật toán tạo thành phần miền tần số với giá trị rời rạc bin Một hạn chế DFT giả định hoạt động tín hiệu tuần hồn với số chu kỳ số ngun Rất khó thu xác số chu kỳ số nguyên lấy mẫu tín hiệu Khi số chu kỳ khơng phải số nguyên, điểm cuối không liên tục Điều làm cho lượng tần số rò rỉ sang tần số khác, thể Hình 17 < > ni.com/compactdaq | Hướng dẫn đo cảm biến xác dành cho kỹ sư Biên độ (dB) ĐO SỐ CHU KỲ KHÔNG PHẢI LÀ SỐ NGUYÊN Tần số (Hz) Hình 17 Đo số chu kỳ khơng phải số nguyên dẫn đến rò rỉ phổ miền tần số Bạn giảm thiểu ảnh hưởng rò rỉ quang phổ cách sử dụng kỹ thuật gọi tạo cửa sổ Tạo cửa sổ bao gồm nhân thời gian ghi cửa sổ chiều dài hữu hạn với biên độ thay đổi trơn tru phía khơng cạnh Điều khiến cho điểm cuối dạng sóng gặp và, đó, tạo nên dạng sóng liên tục mà khơng có chuyển tiếp đột ngột GIẢM THIỂU RÒ RỈ PHỔ Biên độ (dB) 23 Tần số (Hz) Hình 18 Áp dụng cửa sổ giảm thiểu ảnh hưởng rò rỉ phổ < > ni.com/compactdaq 24 | Hướng dẫn đo cảm biến xác dành cho kỹ sư Loại cửa sổ bạn sử dụng phụ thuộc vào loại tín hiệu mà bạn thu Trong nhiều trường hợp, bạn khơng biết đủ tín hiệu, bạn cần phải thử nghiệm với cửa sổ khác để tìm lựa chọn tốt Nhìn chung, cửa sổ Hanning (Hann) đáp ứng yêu cầu hầu hết ứng dụng Cửa sổ Hann có độ phân giải tần số tốt cửa sổ khác chạm vào không hai đầu, giúp loại bỏ tất gián đoạn Bảng liệt kê loại cửa sổ thơng thường, loại tín hiệu thích hợp ứng dụng ví dụ Cửa sổ Đặc tính Loại tín hiệu ứng dụng Tín hiệu thống qua thời gian ngắn va đập Các tín hiệu thống qua ngắn chiều dài Hình chữ nhật (khơng có cửa cửa sổ; thu hẹp cửa sổ vào sổ) khoảng thời gian hữu hạn Xác định tần số gần với biên độ gần Theo dõi bậc Hanning Các tín hiệu thống qua dài chiều dài cửa sổ; hình dạng hình sin với điểm cuối khơng Hamming Các tín hiệu thống qua dài chiều dài cửa sổ; phiên sửa đổi cửa sổ Hanning không liên tục điểm cuối Flat Top Độ xác biên độ tốt tất loại cửa sổ giới hạn khả chọn lọc tần số Xử lý tổng thể tín hiệu tĩnh Sóng sin kết hợp sóng sin Sóng sin gần Các phép đo biên độ xác, đơn âm mà khơng có thành phần tần số gần Âm lấn át mà biên độ mối lo ngại cân Bảng Cửa sổ ứng dụng Phân tích bậc Một hạn chế FFT khơng chứa thơng tin thời gian Nhiều đặc tính học máy móc chuyển động quay máy móc chuyển động qua lại, chẳng hạn động cơ, máy bơm, máy nén tua bin, thay đổi kèm theo tốc độ Bạn quan sát số lỗi học, chẳng hạn cộng hưởng, tốc độ quay đạt vượt qua tốc độ tới hạn Tuy nhiên, tốc độ quay thay đổi, băng thông tần số sóng hài rộng Do đó, số thành phần tần số trùng lặp Phổ cơng suất FFT thu khơng giúp bạn xác định thành phần rung đặc trưng không xuất đỉnh rõ ràng phổ Mặt khác, với phân tích bậc, bạn xác định liệu bậc khác nhau, sóng hài, tốc độ quay Bạn thực chuẩn hóa bậc cách lấy lại mẫu liệu miền góc (điểm vòng quay) thay miền thời gian (điểm giây) Bậc thứ đề cập đến tốc độ quay máy Mỗi bậc sau bội số tương ứng tốc độ quay Bậc thứ hai gấp đôi tốc độ quay, bậc thứ ba gấp ba lần tốc độ quay, v.v Do sử dụng phân tích bậc, bạn phân tích biến đổi tín hiệu thay đổi tốc độ < > ni.com/compactdaq 25 | Hướng dẫn đo cảm biến xác dành cho kỹ sư Ví dụ, Hình 19 sử dụng phổ công suất FFT để xác định định lượng thành phần tần số độ rung quạt máy tính Lưu ý tín hiệu rung tổng thể quạt máy tính chồng chéo rung động từ trục, cuộn dây cánh quạt Trục quay với tốc độ tương tự tốc độ quay quạt máy tính, tốc độ quay cuộn dây cánh quạt tương ứng gấp bốn lần bảy lần so với tốc độ quay quạt máy tính Hình 19 Các thành phần tần số tín hiệu rung quạt máy tính Hình 20 thể phổ cơng suất FFT quạt máy tính tốc độ quay thay đổi từ 1.000 đến 4.000 vòng quay phút (rpm) Lưu ý bạn xác định đỉnh rõ ràng liên quan đến phận học cụ thể đồ thị phổ cơng suất FFT Hình 20 Phổ cơng suất FFT cho thấy khơng có đỉnh tốc độ quay quạt thay đổi Tuy nhiên, đồ thị phổ công suất theo bậc Hình 21 cho thấy đỉnh xác định rõ ràng có liên quan đến phận học khác Đỉnh bậc thứ tương ứng với độ rung trục Đỉnh bậc thứ tư tương ứng với độ rung cuộn dây Đỉnh bậc thứ bảy tương ứng với độ rung cánh quạt Hình 21 Phổ cơng suất theo bậc xác định đỉnh cách chuẩn hóa tốc độ quay < > ni.com/compactdaq 26 | Hướng dẫn đo cảm biến xác dành cho kỹ sư Phân tích quãng tám cho âm Phân tích quãng tám kỹ thuật để phân tích tín hiệu âm Kỹ thuật đo lượng phổ với lọc dải thông cách quãng theo hàm lôga Thang lôga nhấn mạnh tần số từ thấp đến trung bình việc phân nhóm băng tần mô tốt tai người cách người cảm nhận âm Ví dụ, bạn thường nhận khác biệt 350 Hz 351 Hz Công suất băng tần tính tốn hiển thị biểu đồ cột với trục x thang lơga, thể Hình 22 Hình 22 Phân tích qng tám nhóm băng tần thang lôga để mô cách người cảm nhận âm Quãng tám khoảng cách hai tần số, tần số số gấp đơi chiều dài tần số Ví dụ, tần số 250 Hz 500 Hz cách quãng tám, giống tần số kHz kHz Độ phân giải lọc quãng tám bị hạn chế phạm vi 16 Hz–16 kHz có 11 quãng tám Để khắc phục độ phân giải hạn chế lọc quãng tám, bạn sử dụng lọc khác gọi lọc quãng tám phân đoạn Thay quãng tám có lọc, lọc N áp dụng cho quãng tám để cải thiện độ phân giải, thể Hình 23 Các dải phân đoạn điển hình 1/3 quãng tám với ba dải quãng tám, 1/12 quãng tám với 12 dải quãng tám 1/24 quãng tám với 24 dải quãng tám Các tiêu chuẩn ANSI IEC xác định thông số kỹ thuật cho lọc dải quãng tám lọc dải quãng tám phân đoạn Hình 23 Bộ lọc quãng tám phân đoạn cung cấp độ phân giải cao Do lọc phụ thuộc nhiều vào lọc số, phân tích quãng tám phân đoạn hoạt động sử dụng CPU nhiều Tăng số lượng lọc áp dụng cho tín hiệu làm tăng nhu cầu đặt CPU dẫn đến tăng thời gian tính tốn Nhìn chung, phân tích qng tám thứ ba trực tuyến đòi hỏi cơng suất xử lý gấp khoảng 10 lần so với phép tính phổ FFT với tốc độ lấy mẫu < > ni.com/compactdaq 27 | Hướng dẫn đo cảm biến xác dành cho kỹ sư Xử lý phân tích tín hiệu bổ sung Hướng dẫn có đề cập đến nguyên tắc thực hành điều phối tín hiệu xử lý tín hiệu bắt buộc để đo âm độ rung xác Danh sách trình bày tổng quan số kỹ thuật phân tích khác mà bạn muốn thực Tham khảo tài liệu phần mềm đo lường bạn để xác định xem chức chức khác khơng liệt kê có bao gồm hay cung cấp với gói phân tích riêng hay không Biến đổi Fourier thời gian ngắn tách thành phần tần số từ tín hiệu thay đổi tương đối chậm với thời gian Phổ đáp ứng sốc mô tả môi trường học động để giúp bạn ước tính khả gây hư hỏng loại sốc cụ thể phận Phép tính phát đường bao tách tín hiệu điều chế tín hiệu đường bao từ tín hiệu điều chế biên độ để xác định lỗi học có hiệu ứng điều chế biên độ tín hiệu rung máy Bộ lọc trọng số âm phản ánh khơng tuyến tính tai người đo nhiễu tần số âm mạch điện thoại truyền thông vô tuyến Phát âm (tone) xác định âm với biên độ cực đại tất âm với biên độ vượt ngưỡng quy định Phân tích biến dạng xác định độ méo tổng hài (THD), THD cộng với nhiễu, tỷ số tín hiệu nhiễu méo (SINAD) Phát đo sóng sin qt mơ tả đáp ứng tần số động thiết bị thử nghiệm Kết luận Cẩn thận xem xét thông số kỹ thuật cảm biến gia tốc micrô bạn để chọn thiết bị đo có dải động, độ lợi, tốc độ lấy mẫu mức kích thích thích hợp cho cảm biến bạn Bạn muốn cân nhắc lấy mẫu đồng thời bạn tương quan phép đo kênh khác lọc chống chồng phổ tích hợp để giảm ảnh hưởng nhiễu tần số cao Đánh giá phần mềm đo lường kỹ thuật xử lý tín hiệu, chẳng hạn lấy trung bình tạo cửa sổ, giúp diễn đạt tốt tượng rung động âm mà bạn cần đo Tìm hiểu hệ thống đo lường âm rung động xác sử dụng phần cứng NI Bảng liệu điện tử cảm biến (TEDS) Khi bạn kết nối cảm biến với hệ thống đo lường mình, bạn phải nhập thủ công thông số quan trọng cảm biến phạm vi, độ nhạy hệ số tỷ lệ, để phần mềm sử dụng lập thang tỷ lệ liệu cảm biến cách Thông thường, bạn tìm thấy thơng số kỹ thuật cách xác định nhà sản xuất số model cảm biến tra cứu thông tin bạn cần bảng liệu tương ứng Bạn tự động hố quy trình cấu hình cách sử dụng cảm biến thông minh Bảng liệu điện tử chuyển đổi (TEDS), có tất thứ bạn cần biết để thực phép đo Thiết bị đo kiểm phần mềm tương thích TEDS sau đọc liệu để cấu hình việc thu thập liệu áp dụng hệ số tỷ lệ < > ni.com/compactdaq 28 | Hướng dẫn đo cảm biến xác dành cho kỹ sư TEDS triển khai cho cảm biến theo hai cách Cách thứ nhất, TEDS nằm nhớ nhúng, điển hình EEPROM, cảm biến cáp Cách thứ hai, TEDS ảo tồn dạng tệp riêng biệt mà tải xuống từ Internet TEDS ảo sử dụng để lưu trữ liệu cho cảm biến cũ khơng có nhớ nhúng EEPROM TEDS ảo có giá trị ứng dụng mà điều kiện hoạt động cảm biến ngăn không cho sử dụng thiết bị điện tử nào, chẳng hạn EEPROM, cảm biến Tiêu chuẩn IEEE 1451.4 xác định phương pháp mã hóa thơng tin TEDS cho loạt loại cảm biến Tối thiểu, TEDS theo chuẩn IEEE 1451.4 chứa thông tin nhà sản xuất, số model số sê-ri cảm biến Thơng thường, TEDS mơ tả thuộc tính quan trọng cảm biến chấp hành, chẳng hạn phạm vi đo, độ nhạy, hệ số nhiệt độ giao diện điện Bảng trình bày ví dụ TEDS cho cảm biến tải trọng TEDS TEDS tiêu chuẩn mở rộng (các trường thay đổi theo loại cảm biến) Khu vực dành cho người dùng ID nhà sản xuất 21 ID model 19 Chữ phiên D Số sê-ri 8451 Ngày hiệu chuẩn 10 tháng năm 2014 Phạm vi đo ±100 lb Đầu điện ±3 mV/V Trở kháng cầu 350 Ω Kích thích, danh định 10 VDC Kích thích, tối thiểu VDC Kích thích, tối đa 18 VDC Thời gian đáp ứng 333,33 μs Vị trí cảm biến R32-1 ID ghi hiệu chuẩn 543-0123 Bảng TEDS ví dụ dành cho cảm biến tải trọng Để bao gồm loạt cảm biến trì sử dụng nhớ mức tối thiểu, tiêu chuẩn IEEE 1451.4 sử dụng mẫu xác định đặc tính cụ thể cho loại cảm biến khác Mỗi loại cảm biến, từ khuếch đại điện tích đến điện trở nhiệt, có mẫu riêng Ngồi 16 mẫu tiêu chuẩn này, cảm biến có ba mẫu hiệu chuẩn: bảng hiệu chuẩn, đường cong hiệu chuẩn (đa thức) bảng đáp ứng tần số Để tăng độ xác phép đo, phần cứng phần mềm tương thích với TEDS sử dụng bảng tra cứu hiệu chuẩn cảm biến bảng so khớp đường cong để hiểu tốt đặc tính cảm biến Nếu có đồng ý trước nhà sản xuất, bạn lưu trữ lên đến 128 điểm hiệu chuẩn hệ số cho đa thức phân đoạn đa bậc Kết nối với phần cứng đo lường Tiêu chuẩn IEEE 1451.4 xác định hai loại giao diện chế độ hỗn hợp: Hai dây Loại đa dây Loại Giao diện hai dây Loại 1, thể Hình 24, hoạt động với cảm biến cấp dòng điện không đổi, chẳng hạn cảm biến gia tốc Cảm biến Loại bao gồm điốt công tắc tương tự, bạn sử dụng để ghép tín hiệu tương tự với thông tin TEDS kỹ thuật số cặp dây < > ni.com/compactdaq 29 | Hướng dẫn đo cảm biến xác dành cho kỹ sư GIAO DIỆN HAI DÂY Giao diện Loại cảm biến cắm-và-chạy IEEE 1451.4 CẢM BIẾN ĐƯỢC CẤP DÒNG ĐIỆN KHÔNG ĐỔI Hệ thống thu thập liệu Nguồn dòng điện Đầu tín hiệu tương tự Điện trở Phần tử cảm biến I/O tín hiệu số Hình 24 Giao diện hai dây Loại ghép số đo tương tự liệu TEDS kỹ thuật số Giao diện Loại sử dụng mối nối riêng biệt cho phần tương tự số giao diện chế độ hỗn hợp I/O tương tự cảm biến không thay đổi mạch TEDS kỹ thuật số thêm song song Như thế, bạn có cảm biến plug-and-play với loại cảm biến chấp hành nào, bao gồm cặp nhiệt điện, RTD, điện trở nhiệt, cảm biến cầu, pin hóa học điện phân cảm biến vòng lặp dòng điện 4–20 mA Hình 25 minh họa việc triển khai giao diện chế độ hỗn hợp Loại GIAO DIỆN ĐA DÂY Giao diện Loại cảm biến cắm chạy IEEE 1451.4 Hệ thống thu thập liệu CẢM BIẾN CẦU Kích thích + Tương tự Đầu tín hiệu tương tự Kích thích I/O tín hiệu số Số Hình 25 Giao diện đa dây Loại kích hoạt chức plug-and-play Kết luận Bạn gặp rủi ro chọn TEDS việc triển khai cơng nghệ TEDS khơng làm thay đổi tín hiệu đầu tương tự cảm biến, tương thích với giao diện tương tự truyền thống Các khả plug-and-play cung cấp với cảm biến thiết bị TEDS giúp giảm thời gian thiết lập cách loại bỏ cần thiết phải xem lại bảng liệu nhà sản xuất chứng nhận hiệu chuẩn Ngoài ra, khả loại bỏ khả gây lỗi kỹ thuật viên kỹ sư, phải thiết lập hệ thống thủ cơng cấu hình sai thơng số cảm biến < > ni.com/compactdaq 30 | Hướng dẫn đo cảm biến xác dành cho kỹ sư Chọn hệ thống đo cảm biến Hướng dẫn xem xét nhiều yêu cầu để thực phép đo cảm biến xác Khi cấu hình hệ thống đo lường bạn, bắt đầu với nguồn tín hiệu bạn cân nhắc yêu cầu điều phối tín hiệu cần cho đặc tính điện cảm biến Đảm bảo thiết bị đo kiểm bạn có độ phân giải dải động, tốc độ lấy mẫu phạm vi đầu vào phù hợp với nhu cầu ứng dụng bạn Cuối cùng, chọn phần mềm có hiệu giúp bạn thu nhận, lập thang tỷ lệ phân tích liệu đo bạn NI có nhiều loại phần cứng DAQ khác nhau, từ thiết bị đo lường đơn đến hệ thống mô đun hiệu cao Các tảng CompactDAQ PXI đặc trưng mơ đun đa kênh với khả điều phối tín hiệu tích hợp khuếch đại, lọc, kích thích cách ly cho phép kết nối trực tiếp cho phép đo cảm biến xác I/O dành cho cảm biến cụ thể giúp giảm tổng chi phí hệ thống khả xảy lỗi bạn khơng phải xây dựng bảo trì hệ mạch điều phối tín hiệu riêng biệt Ngồi ra, bạn sử dụng driver cho phần cứng NI với phần mềm ứng dụng LabVIEW để chuyển liệu bạn thành đơn vị mong muốn thực phân tích chức xử lý tín hiệu tích hợp Hình 26 Phần cứng CompactDAQ cung cấp kết nối cảm biến trực tiếp qua USB, Ethernet, Wi-Fi phiên chạy độc lập với máy tính ©2016 National Instruments Tất quyền bảo lưu LabVIEW, National Instruments, NI, ni.com, NI CompactDAQ thương hiệu National Instruments Các tên sản phẩm công ty khác liệt kê thương hiệu tên thương mại công ty tương ứng < ni.com/compactdaq ... tiêu lẫn cầu đo cân CẢM BIẾN BIẾN DẠNG DÂY Hình Cấu hình cảm biến biến dạng dây < > ni.com/compactdaq 12 | Hướng dẫn đo cảm biến xác dành cho kỹ sư Cảm biến từ xa Nếu mạch cảm biến biến dạng nằm... lỗi kỹ thuật viên kỹ sư, phải thiết lập hệ thống thủ cơng cấu hình sai thông số cảm biến < > ni.com/compactdaq 30 | Hướng dẫn đo cảm biến xác dành cho kỹ sư Chọn hệ thống đo cảm biến Hướng dẫn. .. sai số dòng điện phân cực < > ni.com/compactdaq | Hướng dẫn đo cảm biến xác dành cho kỹ sư MẠCH ĐIỀU PHỐI TÍN HIỆU CHO CẢM BIẾN BIẾN DẠNG Cảm biến biến dạng Mạch điều phối tín hiệu Hình Mạch điều