Khái niệm chung

Chương 6 KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ CẢMBIẾN

6.1 Khái niệm chung

6.1.1Vai trũ của cảm biến trong đo lường và điều khiển

Cỏc bộ cảm biến đúng vai trũ cực kỳ quan trọng trong lĩnh vực đo lường và điều khiển. Chỳng cảm nhận và đỏp ứng theo cỏc kớch thớch thường là cỏc đại lượng khụng điện, chuyển đổi cỏc đại lượng này thành cỏc đại lượng điện và truyền cỏc thụng tin về hệ thống đo lường điều khiển, giỳp chỳng ta nhận dạng đỏnh giỏ và điều khiển mọi biến trạng thỏi của đối tượng.

6.1.2 Cỏc đặc trưng cơ bản

6.1.2.1 Độ nhạy của cảm biến

 Khỏi niệm

Đối với cảm biến tuyến tớnh, giữa biến thiờn đầu ra Δs và biến thiờn đầu vào Δm cú sự liờn hệ tuyến tớnh:

.Δs = S.Δm (6.1)

Đại lượng S xỏc định bởi biểu thức S = được gọi là độ nhạy của cảm biến

Trường hợp tổng quỏt, biểu thức xỏc định độ nhạy S của cảm biến xung quanh giỏ trị mi của đại lượng đo xỏc định bởi tỷ số giữa biến thiờn Δs của đại lượng đầu ra và biến thiờn Δm tương ứng của đại lượng đo ở đầu vào quanh giỏ trị đú:

S = (6.2)

m=mi

Để phộp đo đạt độ chớnh xỏc cao, khi thiết kế và sử dụng cảm biến cần làm sao cho độ nhạy S của nú khụng đổi, nghĩa là ớt phụ thuộc nhất vào cỏc yếu tố sau:

- Giỏ trị của đại lượng cần đo m và tần số thay đổi của nú. - Thời gian sử dụng.

- Ảnh hưởng của cỏc đại lượng vật lý khỏc (khụng phải là đại lượng đo)

Δs Δm

Δs Δm

của mụi trường xung quanh.

Thụng thường nhà sản xuất cung cấp giỏ trị của độ nhạy S tương ứng với những điều kiện làm việc nhất định của cảm biến.

* Độ nhạy trong chế độ tĩnh và tỷ số chuyển đổi tĩnh

Đường chuẩn cảm biến, xõy dựng trờn cơ sở đo cỏc giỏ trị si ở đầu ra tương ứng với cỏc giỏ trị khụng đổi mi của đại lượng đo khi đại lượng này đạt đến chế độ làm việc danh định được gọi là đặc trưng tĩnh của cảm biến. Một điểm Qi(mi,si) trờn đặc trưng tĩnh xỏc định một điểm làm việc của cảm biến ở chế độ tĩnh.

Trong chế độ tĩnh, độ nhạy S xỏc định theo cụng thức (6.3) chớnh là độ đốc của đặc trưng tĩnh ở điểm làm việc đang xột. Như vậy, nếu đặc trưng tĩnh khụng phải là tuyến tớnh thỡ độ nhạy trong chế độ tĩnh phụ thuộc điểm làm việc.

Đại lượng ri xỏc định bởi tỷ số giữa giỏ trị si ở đầu ra và giỏ trị mi ở đầu vào được gọi là tỷ số chuyển đổi tĩnh:

i Q i m S r        (6.4)

Từ (6.4), ta nhận thấy tỷ số chuyển đổi tĩnh ri khụng phụ thuộc vào điểm làm việc Qi và chỉ bằng S khi đặc trưng tĩnh là đường thẳng đi qua gốc toạ độ.

* Độ nhạy trong chế độ động

Độ nhạy trong chế độ động được xỏc định khi đại lượng đo biến thiờn tuần hoàn theo thời gian.

Giả sử biến thiờn của đại lượng đo m theo thời gian cú dạng:

m(t) = m 0 + m1 cos ωt (6.5)

Trong đú m0 là giỏ trị khụng đổi, m1 là biờn độ và ω tần số gúc của biến thiờn đạị lượng đo ở đầu ra của cảm biến, hồi đỏp s cú dạng (6.5)

s(t) = so + s1 cos(ωt + ϕ)

đường cong chuẩn ở chế độ tĩnh.

- s1 là biờn độ biến thiờn ở đầu ra do thành phần biến thiờn của đại lượng đo gõy nờn.

- ϕ là độ lệch pha giữa đại lượng đầu vào và đại lượng đầu ra.

Trong chế độ động, độ nhạy S của cảm biến được xỏc định bởi tỉ số với điểm là việc xột Q0 theo cụng thức:

0 1 1 Q m S S       

Độ nhạy trong chế độ động phụ thuộc vào tần số đại lượng đo, S = S(f ) . Sự biến thiờn của độ nhạy theo tần số cú nguồn gốc là do quỏn tớnh cơ, nhiệt hoặc điện của đầu đo, tức là của cảm biến và cỏc thiết bị phụ trợ, chỳng khụng thể cung cấp tức thời tớn hiệu điện theo kịp biến thiờn của đại lượng đo. Bởi vậy khi xột sự hồi đỏp cú phụ thuộc vào tần số cần phải xem xột sơ đồ mạch đo của cảm biến một cỏch tổng thể.

6.1.2.2 Độ tuyến tớnh

 Khỏi niệm

Một cảm biến được gọi là tuyến tớnh trong một dải đo xỏc định nếu trong dải chế độ đú, độ nhạy khụng phụ thuộc vào đại lượng đo. Trong chế độ tĩnh, độ tuyến tớnh chớnh là sự khụng phụ thuộc của độ nhạy của cảm biến vào giỏ trị của đại lượng đo, thể hiện bởi cỏc đoạn thẳng trờn đặc trưng tĩnh của cảm biến và hoạt động của cảm biến là tuyến tớnh chừng nào đại lượng đo cũn nằm trong vựng này. Trong chế độ động, độ tuyến tớnh bao gồm sự khụng phụ thuộc của độ nhạy ở chế độ tĩnh S(0) vào đại lượng đo, đồng thời cỏc thụng số quyết định sự hồi đỏp (như tần ố riờng f0 của dao động khụng tắt, hệ số tắt dần ξ cũng khụng phụ thuộc vào đại lượng đo

Nếu cảm biến khụng tuyến tớnh, người ta đưa vào mạch đo cỏc thiết bị hiệu chỉnh sao cho tớn hiệu điện nhận được ở đầu ra tỉ lệ với sự thay đổi của đại lượng đo ở đầu vào. Sự hiệu chỉnh đú được gọi là sự tuyến tớnh hoỏ.

 Đường thẳng tốt nhất

Khi chuẩn cảm biến, từ kết quả thực nghiệm ta nhận được một loạt điểm tương ứng (si,mi) của đại lượng đầu ra và đại lượng đầu vào. Về mặt lý thuyết, đối với cỏc cảm biến tuyến tớnh, đường cong chuẩn là một đường thẳng. Tuy nhiờn, do sai số khi đo, cỏc điểm chuẩn (mi, si) nhận được bằng thực nghiệm thường khụng nằm trờn cựng một đường thẳng.

Đường thẳng được xõy dựng trờn cơ sở cỏc số liệu thực nghiệm sao cho sai số là bộ nhất, biểu diễn sự tuyến tớnh của cảm biến được gọi là đường thẳng tốt nhất. Phương trỡnh biểu diễn đường thẳng tốt nhất được lập bằng phương phỏp bỡnh phương bộ nhất. Giả sử khi chuẩn cảm biến ta tiến hành với N điểm đo, phương trỡnh cú dạng: s = am + b Trong đú         2 2 ) ( . . . . i i i i i i m m N m S m S N a          2 2 2 ) ( . . . . i i i i i i i m m N m S m m S b  Độ lệch tuyến tớnh

Đối với cỏc cảm biến khụng hoàn toàn tuyến tớnh, người ta đưa ra khỏi niệm độ lệch tuyến tớnh, xỏc định bởi độ lệch cực đại giữa đường cong chuẩn và đường thẳng tốt nhất, tớnh bằng % trong dải đo.

6.1.2.3 Sai số và độ chớnh xỏc

Cỏc bộ cảm biến cũng như cỏc dụng cụ đo lường khỏc, ngoài đại lượng cần đo (cảm nhận) cũn chịu tỏc động của nhiều đại lượng vật lý khỏc gõy nờn sai số giữa giỏ trị đo được và giỏ trị thực của đại lượng cần đo. Gọi Δx là độ lệch tuyệt đối giữa giỏ trị đo và giỏ trị thực x (sai số tuyệt đối), sai số tương đối của bộ cảm biến được tớnh bằng:  % 100 . x x   

Sai số của bộ cảm biến mang tớnh chất ước tớnh bởi vỡ khụng thể biết chớnh xỏc giỏ trị thực của đại lượng cần đo. Khi đỏnh giỏ sai số của cảm biến, người ta thường phõn chỳng thành hai loại: sai số hệ thống và sai số ngẫu nhiờn.

- Sai số hệ thống: là sai số khụng phụ thuộc vào số lần đo, cú giỏ trị khụng đổi hoặc thay đổi chậm theo thời gian đo và thờm vào một độ lệch khụng đổi giữa giỏ trị thực và giỏ trị đo được. Sai số hệ thống thường do sự thiếu hiểu biết về hệ đo, do điều kiện sử dụng khụng tốt gõy ra. Cỏc nguyờn nhõn gõy ra sai số hệ thống cú thể là: Do nguyờn lý của cảm biến.

+ Do giỏ trị của đại lượng chuẩn khụng đỳng. + Do đặc tớnh của bộ cảm biến.

+ Do điều kiện và chế độ sử dụng. +Do xử lý kết quả đo.

- Sai số ngẫu nhiờn: là sai số xuất hiện cú độ lớn và chiều khụng xỏc định. Ta cú thể dự đoỏn được một số nguyờn nhõn gõy ra sai số ngẫu nhiờn nhưng khụng thể dự đoỏn được độ lớn và dấu của nú. Những nguyờn nhõn gõy ra sai số ngẫu nhiờn cú thể là:

+ Do sự thay đổi đặc tớnh của thiết bị. + Do tớn hiệu nhiễu ngẫu nhiờn.

+ Do cỏc đại lượng ảnh hưởng khụng được tớnh đến khi chuẩn cảm biến. Chỳng ta cú thể giảm thiểu sai số ngẫu nhiờn bằng một số biện phỏp thực nghiệm thớch hợp như bảo vệ cỏc mạch đo trỏnh ảnh hưởng của nhiễu, tự động điều chỉnh điện ỏp nguồn nuụi, bự cỏc ảnh hưởng nhiệt độ, tần số, vận hành đỳng chế độ hoặc thực hiện phộp đo lường thống kờ.

6.1.2.4. Độ nhanh và thời gian hồi đỏp

Độ nhanh là đặc trưng của cảm biến cho phộp đỏnh giỏ khả năng theo kịp về thời gian của đại lượng đầu ra khi đại lượng đầu vào biến thiờn. Thời gian hồi đỏp là đại lượng được sử dụng để xỏc định giỏ trị số của độ nhanh.

Độ nhanh tr là khoảng thời gian từ khi đại lượng đo thay đổi đột ngột đến khi biến thiờn của đại lượng đầu ra chỉ cũn khỏc giỏ trị cuối cựng một lượng giới hạn ε tớnh bằng %. Thời gian hồi đỏp tương ứng với ε% xỏc định khoảng thời gian cần thiết phải chờ đợi sau khi cú sự

biến thiờn của đại lượng đo để lấy giỏ trị của đầu ra với độ chớnh xỏc định trước. Thời gian hồi đỏp đặc trưng cho chế độ quỏ độ của cảm biến và là hàm của cỏc thụng số thời gian xỏc định chế độ này.

Trong trường hợp sự thay đổi của đại lượng đo cú dạng bậc thang, cỏc thụng số thời gian gồm thời gian trễ khi tăng (tdm) và thời gian tăng (tm) ứng với sự tăng đột ngột của đại lượng đo hoặc thời gian trễ khi giảm (tdc) và thời gian giảm (tc) ứng với sự giảm đột ngột của đại lượng đo. Khoảng thời gian trễ khi tăng tdm là thời gian cần thiết để đại lượng đầu ra tăng từ giỏ trị ban đầu của nú đến 10% của biến thiờn tổng cộng của đại lượng này và khoảng thời gian tăng tm là thời gian cần thiết để

đại lượng đầu ra tăng từ 10% đến 90% biến thiờn biến thiờn tổng cộng của nú. m m0 t s Hỡnh 6.1

Tương tự, khi đại lượng đo giảm, thời gian trể khi giảm tdc là thời gian cần thiết để đại lượng đầu ra giảm từ giỏ trị ban đầu của nú đến 10% biến thiờn tổng cộng của đại lượng này và khoảng thời gian giảm tc là thời gian cần thiết để đại lượng đầu ra giảm từ 10% đến 90% biến thiờn biến thiờn tổng cổng của nú.

Cỏc thụng số về thời gian tr, tdm, tm, tdc, tc của cảm biến cho phộp ta đỏnh giỏ về thời gian hồi đỏp của nú.

Tương tự, khi đại lượng đo giảm, thời gian trể khi giảm tdc là thời gian cần thiết để đại lượng đầu ra giảm từ giỏ trị ban đầu của nú đến 10% biến thiờn tổng cộng của đại lượng này và khoảng thời gian giảm tc là thời gian cần thiết để đại lượng đầu ra giảm từ 10% đến 90% biến thiờn biến thiờn tổng cổng của nú.

Cỏc thụng số về thời gian tr, tdm, tm, tdc, tc của cảm biến cho phộp ta đỏnh giỏ về thời gian hồi đỏp của nú.

6.1.2.5. Giới hạn sử dụng của cảm biến

Trong quỏ trỡnh sử dụng, cỏc cảm biến luụn chịu tỏc động của ứng lực cơ học, tỏc động nhiệt... Khi cỏc tỏc động này vượt quỏ ngưỡng cho phộp, chỳng sẽ làm thay đổi đặc trưng làm việc của cảm biến. Bởi vậy khi sử dụng cảm biến, người sử dụng cần phải biết rừ cỏc giới hạn này.

 Vựng làm việc danh định

Vựng làm việc danh định tương ứng với những điều kiện sử dụng bỡnh thường của cảm biến. Giới hạn của vựng là cỏc giỏ trị ngưỡng mà cỏc đại lượng đo, cỏc đại lượng vật lý cú liờn quan đến đại lượng đo hoặc cỏc đại lượng ảnh hưởng cú thể thường xuyờn đạt tới mà khụng làm thay đổi cỏc đặc trưng làm việc danh định của cảm biến.

 Vựng khụng gõy nờn hư hỏng

Vựng khụng gõy nờn hư hỏng là vựng mà khi mà cỏc đại lượng đo hoặc cỏc đại lượng vật lý cú liờn quan và cỏc đại lượng ảnh hưởng vượt qua ngưỡng của vựng làm việc danh định nhưng vẫn cũn nằm trong phạm vi khụng gõy nờn hư hỏng, cỏc đặc trưng của cảm biến cú thể bị thay đổi nhưng những thay đổi này mang tớnh thuận nghịch, tức là khi trở về vựng làm việc danh định cỏc đặc trưng của cảm biến lấy lại giỏ trị ban đầu của chỳng.